【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部王俊研究團隊、先進激光與光電功能材料部周圣明研究團隊先后在Mg、Si共摻雜TAG磁光陶瓷和應用于中紅外波段的YIG磁光陶瓷研究方面取得進展，相關成果分別以“Fabrication of high optical quality TAG ceramics by vacuum sintering and non-stoichiometric Mg2+-Si4+ co-doping”和“Characteristics of Y3Fe5O12 ceramic at mid-infrared wavelengths and its Faraday isolator application”為題發表于Journal of the European Ceramic Society和Optics & Laser Technology。
磁光材料是一類能夠將光信號與磁效應聯系起來的先進材料，它們在光電子領域中扮演著至關重要的角色。這些材料利用磁光效應，即光與磁化介質相互作用時偏振方向的改變，為光學隔離器、光環行器和其他磁光設備提供了基礎。在這些材料中，鋱鋁石榴石(TAG)和釔鐵石榴石(YIG)磁光陶瓷因其獨特的物理特性而備受關注。
其中，TAG陶瓷已成為一種很有前景的高功率法拉第隔離器的磁光材料，具有高Verdet常數、高熱導率、在可見光到近紅外波段的高透過率等優點，與常用的商用TGG單晶相比，TAG陶瓷的Verdet常數約高30%，導熱系數約高14%。優良的綜合性能使其在數百瓦功率的連續激光下具有更低的熱退偏度和更高的隔離度，適合應用于更高功率的激光系統中。在TAG陶瓷燒結中，MgO和TEOS是常用的添加劑，它們的聯合使用可在較低的溫度條件下形成SiO2-MgO-Al2O3液相體系，有利于樣品致密化。然而，石榴石中Mg/Si離子固態溶液的范圍相對較窄，實驗中殘留的燒結添加劑很可能是阻礙陶瓷質量進一步提高的重要因素。
圖1 TAG陶瓷(1.5 mm厚)的照片和透過率曲線
研究團隊開發了一種鎂硅共摻雜鋱鋁石榴石磁光陶瓷制備方法，該陶瓷獲得了目前采用一步真空固相反應燒結方法制備TAG陶瓷的最高透過率和最低光學損耗。研究參考過去按照MgO+TEOS重量比添加的TAG陶瓷樣品的最佳組成比，并將其設計到晶格中，以探索制備具有較低殘留散射的TAG陶瓷。使用Mg2+和Si4+離子作為TAG晶格的組分，用于非化學計量比共摻雜，在不降低MgO和TEOS的絕對量的情況下，陶瓷在1064 nm處的透過率為82.48 %，光學損耗為0.048 cm-1，并系統地分析了硅摻雜量對TAG陶瓷微觀結構和光學性能的影響。非化學計量的晶格摻雜代替傳統的燒結助劑重量比添加，為制備高功率激光系統中其他受殘留燒結添加劑影響的高質量陶瓷提供了有效的解決思路。
圖2 TAG陶瓷的XRD精修、晶體結構以及隨著Si4+含量變化的晶格參數
圖3： Mg2+-Si4+共摻雜TAG透明陶瓷在1650℃燒結20小時后的掃描電鏡圖像以及陶瓷的平均晶粒尺寸
另一方面，YIG是一種亞鐵磁材料，以其優異的磁性能和磁光性能在微波通信、激光技術和光纖通訊等領域具有重要應用。YIG材料的法拉第旋轉角大，紅外透過率高、光吸收率低，是制作法拉第旋轉器、紅外光隔離器等器件的重要核心材料。它們的法拉第效應及其在傳統C波段法拉第隔離器(FI)中的應用已經被證明并被廣泛應用。然而，YIG材料在中紅外波段的特性并未被探索與開發，同時，依靠YIG陶瓷的尺寸可伸縮性優勢，提高工作功率和減少高功率中紅外FI的熱效應變得非常有吸引力。
圖4：YIG陶瓷、YIG單晶及BIG厚膜的透過率
研究團隊在文中首次描述了一種基于高質量YIG磁光陶瓷的中紅外FI。在中紅外波段測量并比較了YIG陶瓷、YIG晶體和BIG薄膜在飽和磁場中的法拉第旋轉角。YIG陶瓷在2.1和3.8 µm下的飽和旋轉角分別為114和60 deg/cm。由于其尺寸優勢，YIG陶瓷可以實現比BIG薄膜大得多的中紅外法拉第旋轉角。研究團隊設計并制造了基于YIG陶瓷的2.1 µm FI和3.8 µm 法拉第旋轉器(FR)。在2.1 µm和3.8 µm處，它們的消光比分別達到25.26和28.30 dB，插入損耗分別為1.01和1.17 dB，與商業FI的標準非常接近。研究還使用高重復率(10 kHz)脈沖激光進行激光損傷測試，在10.2 W/cm2的功率密度下，YIG陶瓷和YIG晶體的表面都發生了明顯的損傷。結合尺寸可擴展性的優勢，YIG陶瓷有望在未來為高功率中紅外FI提供高性能、經濟高效的解決方案。
圖5 (a) 基于YIG陶瓷的中紅外FI示意圖。(b) 基于YIG陶瓷的2.1 µm FI和3.8 µm FR的性能。(c) 本工作中開發的器件與商用隔離器之間的插入損耗和消光比的比較。
此項研究得到了國家重點研發計劃、上海市自然科學基金等項目的支持。
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