摘要
法拉第隔离器能够防止反射光辐射和保证激光单向传输，因而被广泛用于光纤通讯和高功率激光系统。磁光材料是隔离器核心元件之一，能够极大的影响隔离器的性能。在可见光和近红外波段，铽铝石榴石(Tb3Al5O12，TAG)具有与应用广泛的磁光材料铽镓石榴石(Tb3Ga5O12，TGG)单晶相媲美的光学性能、热学性能，且还具有比TGG单晶更高的Verdet常数，因而TAG是高功率隔离器中理想的磁光材料之一。然而由于TAG不一致熔融的特性，难以生长大尺寸的单晶。透明陶瓷烧结温度低于熔点的特点避免TAG单晶生长过程中不一致熔融的问题，且TAG透明陶瓷具有与单晶一致的磁光性能。因此，本论文以TAG透明陶瓷为研究对象，针对其固相反应、显微结构演化过程、制备工艺以及磁光性能进行深入的分析。通过优化烧结助剂、掺杂离子以及透明陶瓷制备工艺，优化TAG透明陶瓷的微观结构，同时进一步提高其磁光性能。主要研究工作如下: (1)通过真空烧结固相反应制备了不同煅烧温度的TAG陶瓷，分析了其固相反应和显微结构演化过程。结果显示空气中预烧温度高于600℃，坯体中的有机物被全部消除。坯体烧结温度高于1400℃，固相反应获得纯TAG相。在1450-1550℃温度区间，坯体明显收缩。到1550℃时陶瓷内部不存在连通的气孔，仅存在微量闭气孔。 (2)制备了微量Ga3+离子(0.2-0.8at％)掺杂的TAG透明陶瓷，系统测试了Ga3+掺杂对TAG透明陶瓷的磁光性能的影响。制备了Tb3(Al0.6Ga0.4)5O12透明陶瓷，其光学透过率在800-1500nm达76％，其Verdet常数在633nm为156.5rad·T-1·m-1。 (3)通过真空烧结固相反应制备了Si4+离子掺杂的TAG透明陶瓷。Si4+离子掺杂有效提高了TAG陶瓷的光学质量，且Si4+离子最佳掺杂量是0.2at％，其光学透过率在1000-1500nm达到80％，接近TAG透明陶瓷理论透过率(83.1％)。其Verdet常数在633nm为173.4rad·T-1·m-1，与未掺杂的TAG单晶基本一致。Si4+离子掺杂几乎没有改变Tb3+的体积浓度，因此几乎不影响TAG透明陶瓷的Verdet常数。 (4)制备了添加Tb4O7的TAG透明陶瓷。测试结果显示，添加0.1-0.2wt％Tb4O7改善了TAG样品的光学质量，添加0.1wt％Tb4O7的TAG透过率在1064nm处为80.32％，接近理论透过率。Tb4O7添加量超过0.3wt％，TAG的光学透过率迅速下降。其Verdet常数随着Tb4O7添加量的增加而增加，当添加量为0.3wt％时，TAG的Verdet常数为177.5rad·T-1·m-1，比TGG晶体的高32％。 (5)采用真空烧结制备了Tm:TAG透明陶瓷，并研究了Tm3+离子对TAG陶瓷磁光性能的影响。结果显示Tm3+离子掺杂有效提高了TAG陶瓷的Verdet常数，Tm3+掺杂0.16at％的TAG陶瓷在633nm为189.5rad·T-1·m-1，比TGG单晶的高41％。同时Tm3+离子掺杂也影响了TAG透明陶瓷光学透过率。
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