隨著激光技術和激光系統的快速發展，激光器已在激光加工、引力波探測、慣性約束核聚變、激光醫療、科學研究等領域發揮了重要作用，如今人們進一步對激光器的性能提出了更高要求。通常，出射激光被物體反射后，會對前端系統造成干擾甚至損傷，影響激光器的穩定工作，而采用磁光隔離器可以有效地解決這一問題。磁光材料是光隔離器的核心部件，其利用法拉第效應，在磁場作用下使入射光的偏振面發生偏轉，實現激光的正向通過與反向隔離，保障激光系統的穩定運行。目前Tb₃Ga₅O₁₂（TGG）磁光晶體的綜合性能突出，制備工藝成熟，已廣泛應用于可見到近紅外波段的光隔離器中。但TGG單晶在用于高功率激光系統時，各項性能指標難以滿足要求，因此需要尋找性能更佳的磁光材料。鋱鋁石榴石（Tb₃Ga₅O₁₂，TAG）材料具有高Verdet常數（約為TGG單晶的1.3倍），且其熱導率、磁光優值、熱光性能等指標均優于商用TGG單晶，因此被認為是應用于高功率法拉第光隔離器的理想磁光材料。但由于TAG為非一致熔融材料，高質量、大尺寸TAG單晶的生長極為困難，而在非一致熔融溫度以下制備的TAG磁光陶瓷有望成為TGG磁光晶體的替代材料。

近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員團隊深入開展了TAG基磁光陶瓷的研究工作，并取得了系列研究進展。該團隊系統性回顧了當前TAG基磁光陶瓷的研究進展，并對其他石榴石、倍半氧化物、燒綠石（A₂B₂O₇）型磁光陶瓷的制備方法與綜合性能進行了全面綜述，提出了各類磁光陶瓷的研究重點與面臨的挑戰。最后對磁光陶瓷的現存問題與解決方案進行了討論，并對該領域未來的發展方向進行了展望。相關研究成果發表在Journal of Advanced Ceramics（2023, 12: 873-915）。

磁光隔離器的工作原理示意圖

同時，該團隊采用液相共沉淀法合成了TAG納米粉體，利用真空燒結結合熱等靜壓燒結（HIP）技術，成功制備了高光學質量、細晶粒的TAG磁光陶瓷。其在1064nm處的直線透過率達到了81.6%，平均晶粒尺寸約為7.1μm。經過測試，TAG磁光陶瓷在633nm處的Verdet常數為-179.6±4.8rad·T^-1·m^-1，1064nm處的Verdet常數為-52.1±1.9rad·T^-1·m^-1，高于商用的TGG單晶。TAG磁光陶瓷在室溫的熱導率為5.12W·m^-1·K^-1，在450℃時的熱導率為3.61W·m^-1·K^-1。此外，通過高溫與低溫兩種燒結制度獲得了TAG透明陶瓷并對比研究了其力學性能。降低燒結溫度后，TAG透明陶瓷的晶粒尺寸明顯減小，抗彎強度提升了約9.7%。而且顯微結構的變化對TAG磁光陶瓷的斷裂方式有著明顯的影響，細晶粒TAG陶瓷的斷裂方式主要是沿晶斷裂，而粗晶粒TAG陶瓷的斷裂方式是沿晶和穿晶斷裂共存。同時，測得TAG磁光陶瓷的維氏硬度約為12.8±0.2GPa，與TAG單晶相一致。相關研究成果發表于Journal of the American Ceramic Society（2023, 106: 5311-5321）。

不同溫度真空預燒結合HIP后處理（1600℃×3h）制備的TAG陶瓷的實物照片與直線透過率曲線

此外，關于TAG磁光陶瓷服役性能的研究在國際上備受關注。近期，李江研究員團隊開展了關于TAG磁光陶瓷服役性能的研究工作，并取得了重要研究進展。該團隊采用固相反應燒結結合HIP后處理技術制備了高光學質量的TAG磁光陶瓷，其在1064nm和633nm處的直線透過率分別達82.8%和82.1%。該TAG磁光陶瓷在1070nm處的Verdet常數為50.9 rad·T^-1·m^-1，吸收系數為2.5×10^-3 cm^-1，冷消光比達到55dB，并可實現~1.2kW的有效磁光隔離。該研究結果證實了TAG磁光陶瓷在高功率法拉第隔離器中具有優良的應用前景。相關研究成果發表于Journal of the American Ceramic Society（2024, 107: 3653-3658）。

TAG磁光陶瓷的實物圖與直線透過率曲線

TAG磁光陶瓷的熱退偏曲線

由于TAG固溶范圍窄，易析出第二相，TAG陶瓷化學計量配比的精確控制是提升TAG磁光陶瓷光學質量的重點與難點。近期，李江研究員團隊開展了關于Y³⁺部分取代Tb³⁺，并采用兩步燒結技術制備TYAG磁光陶瓷的研究工作。研究發現，隨著Y含量的增加，(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂ (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) 陶瓷中的氧化鋁第二相含量明顯降低，光學透過率提高。所得 (Tb_0.8Y_0.2)₃Al₅O₁₂陶瓷在1064nm處的直線透過率達82.9%，在633nm處的直線透過率為82.2%。結果表明，通過添加Y₂O₃可使TAG磁光陶瓷的光學損耗降低約一個數量級，大大提高了陶瓷的光學質量，有利于應用性能的提升。研究發現，TYAG陶瓷的磁光性能、熱學性能隨著Y含量的提高，有不同程度的下降。添加20at.%Y后，磁光陶瓷的Verdet常數下降約24%，仍高于TGG磁光晶體；熱導率下降約9.4%，降低后與TGG單晶熱導率相當。經過綜合考慮TYAG陶瓷的性能，確認Y₂O₃是一種有效的添加劑，有利于提升TAG基磁光陶瓷的綜合性能。相關研究成果發表在Journal of Advanced Ceramics（2024, 13: 529-538）。上述論文的第一作者均為上海硅酸鹽所博士研究生章立軒，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員。

不同Y含量TYAG磁光陶瓷的（a）實物圖與直線透過率，（b）理論透過率與光學損耗

為了進一步提升TAG磁光陶瓷的固溶范圍，防止第二相產生，同時又希望保持TAG陶瓷的高Verdet常數，李江研究員團隊近期開展了關于TSAG磁光陶瓷的研究工作。該團隊采用固相反應燒結結合HIP處理技術制備了不同Sc含量的TSAG磁光陶瓷，并從物相與晶體結構、燒結動力學、微觀形貌、光學性能、磁光性能對TSAG陶瓷進行了全面而系統的研究。同時，采用第一性原理計算了TSAG陶瓷中的反位缺陷與Sc取代缺陷的形成能與缺陷濃度，從實驗與理論上闡明了Sc提升TAG陶瓷固溶范圍的機理。研究表明，隨著Sc₂O₃添加量逐漸增加至6wt.%，TSAG陶瓷中氧化鋁第二相的含量顯著降低，光學質量明顯提升。XRD精修與理論計算結果均表明Sc可大量占據Tb與Al 16a兩種格位，因此有效地提升了TAG的固溶范圍。此外，研究發現添加6wt.% Sc₂O₃后，TSAG磁光陶瓷在633nm處的Verdet常數仍可達161.4 rad·T·m^-1。通過組分優化有望進一步提升Verdet常數，直至接近純TAG磁光陶瓷。相關研究成果發表在Journal of Advanced Ceramics（2024, doi: 10.26599/JAC.2024.9220948），論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生章立軒，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員和胡辰副研究員。

經過真空預燒結合HIP處理后所的TSAG磁光陶瓷的熱腐蝕表面FESEM形貌圖（a）0wt.%，（b）2wt.%，（c）4wt.%，（d）6wt.% Sc₂O₃添加量

計算所得TAG中（a）反位缺陷與（b）Sc取代缺陷的百分含量，與（c）不同Sc含量TSAG磁光陶瓷的晶胞參數實測值與計算值

相關工作得到了國家重點研發計劃項目重點專項、國家重點研發計劃項目政府間國際科技創新合作重點專項、中國科學院國際伙伴計劃、上海市“一帶一路”國際合作項目和上海市自然科學基金項目等的資助和支持。

附文章鏈接：

1.https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220742

2.https://doi.org/10.1111/jace.19179

3.https://doi.org/10.1111/jace.19732

4.https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220875

5.https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220948