一种新型磁光晶体Tb2YGa5O12（TYGG）制备方法与流程

本发明涉及一种磁光晶体制备方法，尤其是tygg晶体的制备方法，属于石榴石型磁光晶体生长工艺领域。

背景技术：

随着现代科学技术的发展，高功率全固态激光器在军事以及工业上的应用越来越引起人们的重视。磁光隔离器是应用在高功率全固态激光器的激光放大器级间隔离系统中一种磁光器件，它能够抑制自激振荡和自发辐射放大，提高能量存储效率，而磁光隔离器是基于材料的磁致旋光效应制备而成，磁光材料的性能直接影响着磁光隔离器的应用。目前磁光材料主要有磁光玻璃，磁光晶体，磁光陶瓷等，但磁光玻璃的faraday旋转角小，磁光效应弱；磁光陶瓷虽然可作为磁光晶体的替代品，但由于透过率低，缺陷较多还处于探索阶段。tygg晶体是一种在可见及近红外光区域内性能优良的新型磁光晶体材料，具有高verdet常数，低吸收系数，高热导率，高激光损伤阈值和卓越的光学性能。因此，对tygg晶体的制备工艺提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新型磁光晶体tygg的制备方法，能够制备出尺寸较大、散射颗粒少、质量较高的tygg晶体。

本发明的技术方案为：

一种tygg磁光晶体的制备方法，包括步骤：

(1)将纯度≥99.999％的氧化铽tb4o7、氧化镓ga2o3、氧化钇y2o3，按化学计量比进行计算、称量、混合后在1200-1300℃下煅烧8h；

(2)将步骤(1)烧制好的粉料压制成ф100×20mm的多晶块料；

(3)将籽晶放入所需采用的籽晶杆中；

(4)将压制成型的多晶块料放入ф120×100mm的铱坩埚中，调整好线圈、保温系统、籽晶杆、石英筒、铱坩埚的同心度后抽真空，当炉体真空度达到8-10pa时缓慢充入纯度≥99％的80％n2+20％co2混合气体；

(5)开启中频感应晶体提拉炉，使炉膛内的加热系统开始工作，待步骤(4)铱坩埚中的原料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小1-2mm；

(6)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<111>，晶体生长过程主要有4个阶段：

①放肩：放肩时提拉速率为0.6-0.8mm/h，晶转速率为13-15rpm，放肩角度控制在35°-45°，当晶体放肩处尺寸与目标尺寸基本相等时，开始恒温。

②等径生长：在等径生长过程中要保持降温速率、拉速和转速不变。随着s-l界面的下降，坩埚辐射增大，导致晶体尺寸变细，这时就需调节温度以保持晶体能够等径生长。tygg晶体等径生长时提拉速度为0.8-1.2mm/h，转速为10-12rpm。

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段。收尾与放肩过程正好相反，为保证晶体的完整性，采用逐渐升高温度，使晶体变细的方法，最后把拉速和转速降为0，结束晶体生长。

④降温退火：为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，最后取出晶体。

本发明首先通过高温固相反应法合成tygg多晶原料，然后将多晶原料压制成块，放入铱坩埚中，将坩埚置于中频感应提拉炉内，调整好线圈、石英筒、坩埚、籽晶杆的同心度，抽真空后充入保护气，然后升温至一定温度，待原料完全熔化后，下籽晶，当籽晶顶部开始融化后，通过控制温度，调节s-l界面处的温度梯度，选择合理的提拉速率和旋转速率等工艺参数来实现晶体的稳定生长，生长结束后降温退火，最后获得优质大尺寸的tygg磁光晶体。

优选的，初始原料：氧化铽tb4o7、氧化镓ga2o3、氧化钇y2o3的纯度均≥99.999％。

优选的，tygg晶体籽晶的方向为<111>方向。

优选的，所用坩埚为耐高温的铱金埚。

优选的，所用惰性气体为纯度≥99％的n2+co2混合气体。

优选的，在晶体生长过程中对籽晶进行缩颈处理。

附图说明

图1是tygg晶体粉末和坩埚底料x射线衍射图，图2是tygg晶体透过光谱图，图3是tygg晶体在波长532nm、632nm、1064nm处verdet常数拟合曲线图。

具体实施方式

下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种tygg磁光晶体的制备方法，包括步骤：

(1)将纯度≥99.999％的氧化铽tb4o7、氧化镓ga2o3、氧化钇y2o3，按化学计量比进行计算、称量、混合后在1300℃下煅烧8h；

(2)将步骤(1)烧制好的粉料压制成ф100×20mm的多晶块料；

(3)将籽晶放入所需采用的籽晶杆中；

(4)将压制成型的多晶块料放入ф120×100mm的铱坩埚中，调整好线圈、保温系统、籽晶杆、石英筒、铱坩埚的同心度后抽真空，当炉体真空度达到10pa时缓慢充入纯度≥99％的80％n2+20％co2混合气体；

(5)开启中频感应晶体提拉炉，使炉膛内的加热系统开始工作，待步骤(4)铱坩埚中的原料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小2mm；

(6)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<111>，晶体生长过程主要有4个阶段：

①放肩：放肩时提拉速率为0.8mm/h，晶转速率为15rpm，放肩角度控制在45°，当晶体放肩处尺寸与目标尺寸基本相等时，开始恒温。

②等径生长：在等径生长过程中要保持降温速率、拉速和转速不变。随着s-l界面的下降，坩埚辐射增大，导致晶体尺寸变细，这时就需调节温度以保持晶体能够等径生长。tygg晶体等径生长时提拉速度为0.8mm/h，转速为10rpm。

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段。收尾与放肩过程正好相反，为保证晶体的完整性，采用逐渐升高温度，使晶体变细的方法，最后把拉速和转速降为0，结束晶体生长。

④降温退火：为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，最后取出晶体。

对实施例1进行x射线衍射、透过光谱及费尔德常数测试，结果如图1、图2、图3所示。

实施例2：

一种tygg磁光晶体的制备方法，包括步骤：

(1)将纯度≥99.999％的氧化铽tb4o7、氧化镓ga2o3、氧化钇y2o3，按化学计量比进行计算、称量、混合后在1250℃下煅烧8h；

(2)将步骤(1)烧制好的粉料压制成ф100×20mm的多晶块料；

(3)将籽晶放入所需采用的籽晶杆中；

(4)将压制成型的多晶块料放入ф120×100mm的铱坩埚中，调整好线圈、保温系统、籽晶杆、石英筒、铱坩埚的同心度后抽真空，当炉体真空度达到9pa时缓慢充入纯度≥99％的80％n2+20％co2混合气体；

(5)开启中频感应晶体提拉炉，使炉膛内的加热系统开始工作，待步骤(4)铱坩埚中的原料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小1.5mm；

(6)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<111>，晶体生长过程主要有4个阶段：

①放肩：放肩时提拉速率为0.7mm/h，晶转速率为14rpm，放肩角度控制在40°，当晶体放肩处尺寸与目标尺寸基本相等时，开始恒温。

②等径生长：在等径生长过程中要保持降温速率、拉速和转速不变。随着s-l界面的下降，坩埚辐射增大，导致晶体尺寸变细，这时就需调节温度以保持晶体能够等径生长。tygg晶体等径生长时提拉速度为1mm/h，转速为11rpm。

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段。收尾与放肩过程正好相反，为保证晶体的完整性，采用逐渐升高温度，使晶体变细的方法，最后把拉速和转速降为0，结束晶体生长。

④降温退火：为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，最后取出晶体。

实施例3：

一种tygg磁光晶体的制备方法，包括步骤：

(1)将纯度≥99.999％的氧化铽tb4o7、氧化镓ga2o3、氧化钇y2o3，按化学计量比进行计算、称量、混合后在1200℃下煅烧8h；

(2)将步骤(1)烧制好的粉料压制成ф100×20mm的多晶块料；

(3)将籽晶放入所需采用的铱坩埚籽晶杆中；

(4)将压制成型的多晶块料放入ф120×100mm的铱坩埚中，调整好线圈、保温系统、籽晶杆、石英筒、铱坩埚的同心度后抽真空，当炉体真空度达到8pa时缓慢充入纯度≥99％的80％n2+20％co2混合气体；

(5)开启中频感应晶体提拉炉，使炉膛内的加热系统开始工作，待步骤(4)铱坩埚中的原料完全熔化，熔体液流线清晰稳定时，缓慢下籽晶，待籽晶与熔体表面接触后，进行缩颈工艺，使籽晶直径缩小1mm；

(6)调节温度，开始晶体生长，籽晶方向为<111>，晶体生长过程主要有4个阶段：

①放肩：放肩时提拉速率为0.6mm/h，晶转速率为13rpm，放肩角度控制在35°，当晶体放肩处尺寸与目标尺寸基本相等时，开始恒温。

②等径生长：在等径生长过程中要保持降温速率、拉速和转速不变。随着s-l界面的下降，坩埚辐射增大，导致晶体尺寸变细，这时就需调节温度以保持晶体能够等径生长。tygg晶体等径生长时提拉速度为1.2mm/h，转速为12rpm。

③收尾：当晶体生长到一定长度时，进入收尾阶段。收尾与放肩过程正好相反，为保证晶体的完整性，采用逐渐升高温度，使晶体变细的方法，最后把拉速和转速降为0，结束晶体生长。

④降温退火：为了减少生长出晶体的内部应力，避免晶体开裂使晶体生长失败，采取较慢的降温速率和较长的退火时间以尽可能的降低晶体的内部应力，最后取出晶体。

本发明，tygg晶体及其制备方法，采用本方法制备的tygg晶体，晶体内部无缺陷，无热应力，不易出现晶体炸裂的现象，晶体的完整性好，磁光性能优良，满足市场需求；整个生长过程处于密闭环境中，使用纯度≥99％的80％n2+20％co2混合气体解决了组分偏析问题，进一步提升了晶体的质量。

图1为tygg晶体粉末与坩埚底料的x射线衍射谱，与标准卡片jcpds#88-0575对比，无杂峰出现，表明晶体纯度高。图2为tygg晶体透过光谱，在近红外区域透过率高达88％。图3为在波长532nm、632nm、1064nm处verdet常数拟合曲线图，从图中可知tygg晶体的verdet常数较大，满足磁光器件的需求。