论文部分内容阅读
光隔离器是激光系统中的重要器件之一,它可以有效地隔离光路中的后向传输光,从而保证激光光源的稳定性。光隔离器的核心材料是磁光材料,其工作原理为法拉第效应的非互易性。目前应用于可见及近红外波段的磁光材料主要为铽镓石榴石（TGG）材料,其具有优异的光学质量、较高的Verdet常数,可以满足数百及上千瓦激光系统的应用。TGG单晶的制备过程中会产生氧化镓的挥发而影响其晶体质量,并难以获得大尺寸的TGG单晶。与单晶相比,TGG陶瓷的制备温度低,可以有效减少氧化镓的挥发。而铽铝石榴石（TAG）材料具有更为优异的磁光性能和热学性能,可以满足更高功率激光系统的应用。由于不一致熔融特性,TAG单晶的制备相当困难。而TAG陶瓷的制备无需熔融,可以有效地避免不一致熔融现象。且陶瓷还具有尺寸大、断裂韧性高、生长周期短等优势,使得磁光透明陶瓷具有很好的应用前景。文中首先采用共沉淀法合成TGG纳米粉体,并通过空气预烧结合热等静压后处理（HIP）制备TGG透明磁光陶瓷。在TGG工作基础上,对TGG陶瓷进行掺杂来优化其磁光性能。最后简单探究了TAG陶瓷的烧结工艺,并获得了具有一定光学质量的TAG陶瓷。本论文主要工作内容如下:1)采用共沉淀法制备了TGG纳米粉体,并通过优化煅烧温度对粉体的形貌、团聚状态等进行调控。经过1100oC×4 h煅烧后,粉体为纯相,且粉体具有良好的分散性和烧结活性,适用于后续陶瓷的烧结。考虑到氧化镓的挥发,TGG陶瓷采用空气预烧结合HIP后处理方式进行烧结,并系统研究了不同预烧温度对其微观结构与陶瓷性能的影响。经过1500oC×3 h空气预烧结合HIP后处理的TGG陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到80.3%,接近其理论透过率（81.3%）。且制备的TGG陶瓷表现出可与单晶(-134 rad·T-1·m-1)相比拟的磁光性能,其在632.8 nm处的Verdet常数约为-136 rad·T-1·m-1。2)研究了碳酸氢铵与金属阳离子摩尔比（R值）对TGG粉体和陶瓷的影响,结果表明:R=3.2的粉体中存在第二相氧化镓,在后续的陶瓷中会作为光学散射中心影响陶瓷的光学质量。R=4.0的粉体为TGG纯相,且团聚程度较弱,有利于后续陶瓷的烧结,故所制备的TGG陶瓷光学质量最佳。随着R值增加到4.4时,煅烧后的TGG粉体呈现出严重的团聚,导致烧结后的陶瓷中存在大量的气孔。3)在前期工作基础上,通过对TGG陶瓷进行稀土离子掺杂来优化其磁光性能。结果表明,不同稀土离子掺杂的TGG粉体均为纯相,形貌相似并无严重团聚;且掺杂后的TGG陶瓷均具有良好的光学质量。与未掺杂的TGG陶瓷相比,稀土离子掺杂TGG陶瓷的Verdet常数（波长632.8 nm）提高了约5%。4)采用共沉淀法合成了TAG纳米粉体,系统研究了真空烧结温度对TAG陶瓷光学质量的影响,并对比研究了烧结助剂对TAG陶瓷的光学性能的影响。结果表明:随着真空烧结温度的升高,经过HIP后处理的添加烧结助剂的TAG陶瓷的光学质量逐渐提升,经过1720oC×20 h真空烧结结合HIP后处理的TAG陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到75.3%。烧结助剂TEOS的添加有助于提高TAG陶瓷的光学质量,且可以抑制Tb3+离子在退火过程中的变价。测得TAG陶瓷在632.8 nm处的Verdet常数约为-178 rad·T-1·m-1,约比商业TGG单晶(-134rad·T-1·m-1)高33%。