超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第五百六十二期)

2024年10月16日

上海光機所在高能激光系統(tǒng)光隔離器用TAG、YIG磁光透明陶瓷研究方面取得進展

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(tǒng)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(fā)表于Journal of the European Ceramic Society和Optics & Laser Technology。

磁光材料是一類能夠?qū)⒐庑盘柵c磁效應聯(lián)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(zhì)相互作用時偏振方向的改變，為光學隔離器、光環(huán)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(shù)、高熱導率、在可見光到近紅外波段的高透過率等優(yōu)點，與常用的商用TGG單晶相比，TAG陶瓷的Verdet常數(shù)約高30%，導熱系數(shù)約高14%。優(yōu)良的綜合性能使其在數(shù)百瓦功率的連續(xù)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(tǒng)中。在TAG陶瓷燒結中，MgO和TEOS是常用的添加劑，它們的聯(lián)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(tài)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(zhì)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(fā)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(tǒng)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?zhèn)鹘y(tǒng)的燒結助劑重量比添加，為制備高功率激光系統(tǒng)中其他受殘留燒結添加劑影響的高質(zhì)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(shù)

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(yōu)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(tǒng)C波段法拉第隔離器（FI）中的應用已經(jīng)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(fā)，同時，依靠YIG陶瓷的尺寸可伸縮性優(yōu)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(zhì)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(yōu)勢，YIG陶瓷可以實現(xiàn)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(yè)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(fā)生了明顯的損傷。結合尺寸可擴展性的優(yōu)勢，YIG陶瓷有望在未來為高功率中紅外FI提供高性能、經(jīng)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(fā)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(fā)計劃、上海市自然科學基金等項目的支持。

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