氧化钬基磁光透明陶瓷的制备及性能研究

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磁光透明陶瓷是近年来出现的一种新型磁光介质材料,具有高Verdet常数、高热导率、高激光损伤阈值、大尺寸等优点,是用于高功率激光器中法拉第隔离器最理想的材料之一。由于稀土阳离子的固有浓度较高,镧系元素倍半氧化物比前些年研究的石榴石结构具有更大的菲尔德常数。本学位论文课题开展了氧化钬基磁光透明陶瓷的制备及性能研究。采用低温沉淀法合成硝酸盐型稀土层状化合物(Ln2(OH)5NO3·n H2O)LRH前体,难以直接用于产生高烧结活性的氧化物粉末,但是硫酸根与层间硝酸根的原位离子交换后得到相应的硫酸盐型LRHs,可得到高烧结活性的Ho2O3、(DyxHo1-x)2O3纳米粉适用于陶瓷的烧结。详细考察了Ho2O3粉末的煅烧温度对烧结体的光学质量的影响。重点研究了自反应合成的HoOF作为添加剂对Ho2O3陶瓷的光学/磁光性能,微观结构的影响,重点探究了Dy3+掺杂浓度对(DyxHo1-x)2O3 Verdet常数的影响。本学位论文工作所获主要研究结果概述如下:(1)采用低温沉淀法,使用硫酸根离子交换层状稀土氢氧化物层间的硝酸根离子作为沉淀前体,煅烧后具有较高烧结活性的圆形氧化物粉体且通过探究发现最佳煅烧温度为1050℃。真空烧结后的Ho2O3陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到73%,接近其理论透过率90%;磁光性能是市售TGG的1.3倍,显示出Ho2O3磁光透明陶瓷在高功率激光系统中的良好应用潜力。(2)采用F-作为添加剂,即钬基LRH和NH4F在弱酸中直接化学反应生成Ho2(OH)5NO3和Ho2(OH)2F的均匀混合物,煅烧得到含有二次相HoOF的Ho2O3粉末。结果表明:F-/Ho3+摩尔比(R=0.01)时,经过1850℃真空烧结制备了在1550 nm处透射率为~72.0%的高光学质量透明Ho2O3陶瓷;多晶透明磁光Ho2O3陶瓷,在633、1064和1550 nm处的波长依赖性Verdet常数为-181、-46和-22rad/(T.m)(是铽钆石榴石TGG的1.3倍)。(3)基于(1)中Ho2O3的研究,通过真空烧结成功制备了一系列基于氧化钬的(DyxHo1-x)2O3光学陶瓷,其中(x=0.01-1),其在1500 nm波长下的在线透射率70~77%。详细地研究了Dy3+掺杂氧化钬对光学和磁学性能的影响。结果表明:磁光(DyxHo1-x)2O3的Verdet常数,随着Dy3+含量的增加而增大,当x=1.0时,在635 nm处的V值为-356.15 rad/(T.m),约为市售TGG的2.6倍。尤其在1900-2200 nm没有吸收且透过率达到(T=71.5%),因此它可以用于法拉第隔离器件和法拉第旋转器中,也可用于Tm3+和Ho3+激光器。
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