李江课题组：铽镓石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展

taoluduo

铽镓石榴石（Tb3Ga5O12，TGG）在可见及近红外波段具有较高的Verdet常数、优异的光学性能、高的热导率和激光损伤阈值，上述优点都使TGG成为光隔离器用的重要磁光材料。TGG单晶在制备过程中会产生氧化镓挥发而影响其晶体质量，且难以获得大尺寸单晶。相较而言，TGG陶瓷可以在较低的烧结温度及多样化的烧结机制下实现透明化，能够有效避免晶体生长中的氧化镓挥发等诸多问题，从而获得高质量的磁光陶瓷。另外陶瓷还具有易于制备大尺寸材料、断裂韧性高、制备周期短等优势。因此，TGG磁光陶瓷具有良好的应用前景。

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李江带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在铽镓石榴石基磁光陶瓷研究中取得进展。该团队以共沉淀法合成的1.0at% Ce:TGG纳米粉体为原料，再结合空气烧结及热等静压后处理（HIP）技术制备得到了性能优异的Ce:TGG陶瓷。该陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到了81.7%，且在632.8 nm处的Verdet常数达到-143.4 rad·T-1·m-1，比商用TGG晶体提高了5%。相关研究成果发表于国际期刊Scripta Materialia上（Scripta Mater., 2019, doi: 10.1016/j.scriptamat.2019.10.023），论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生李晓英，通讯作者为李江。该研究工作获得审稿人的高度评价。
　　目前国际上仅有日本神岛化学公司制备的TGG磁光陶瓷可以满足高功率激光器用光隔离器的应用要求，但制备细节尚不明确。近年来，李江团队与江苏大学材料学院教授刘强合作开展了关于TGG磁光陶瓷的研究工作，并取得系列研究成果。该团队自主合成了高质量的TGG纳米粉体，并通过优化合成工艺对粉体的组分、形貌和团聚状态等进行了调控（Opt. Mater., 2019, 90: 26-32；J. Inorg. Mater., 2019, 34(7): 791-796）。优化后的TGG粉体为纯立方相，且具有良好的分散性和烧结活性，适用于后续TGG磁光陶瓷的烧结。考虑到氧化镓的挥发，该团队采用两步烧结法制备了具有优良光学质量和磁光性能的TGG透明陶瓷。该TGG陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到了80.3%（接近其理论透过率），且表现出可与单晶（-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。相关研究成果发表于国际期刊Optical Material上（Opt. Mater., 2019, 62: 205-21)，同时这是国内首次报道的以自主合成的TGG粉体为原料所制备的高性能TGG磁光陶瓷。
　　以上系列研究工作得到中科院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、上海硅酸盐所重点学科建设项目等资助。


       李江，男，1977年12月生，浙江绍兴人，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。现任中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心副主任，透明与光功能陶瓷研究团队负责人，中国硅酸盐学会溶胶-凝胶分会理事，长期致力于光学与光功能透明陶瓷的研究。。迄今在J. Am. Ceram. Soc.，J. Eur. Ceram. Soc.，Opt. Lett.，Opt. Express, Phys. Rev. Applied，IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron.，Laser Phys. Lett.，Opt. Mater. Express，Opt. Mater.，J. Alloys Compd.等国内外核心期刊上发表论文210余篇（其中SCI收录170余篇，第一作者及通讯作者120余篇）；合著科学出版社专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部；参与1部英文专著Modern Inorganic Synthetic Chemistry（Elsevier出版社）部分章节的撰写；参与《大辞海》（材料科学卷）部分词条的撰写；申请中国发明专利30余项（其中授权10余项）。目前为J. Am. Ceram. Soc.，Opt. Lett.，Opt. Express, Opt. Mater. Express, Appl. Phys. Lett., Dalton T, Opt. Mater., Opt. Eng., J. Alloys Compd., J. Phys. Chem. Solids, Mater. Chem. Phys., J. Mater. Res., Ceram. Int., J. Cryst. Growth, ACS Adv., J. Non-Cryst. Solids, Compos. Part B-Eng., Mater. Sci. Eng. A, Mater. Sci. Eng. B，Powder Technol.， Int. J. Appl. Ceram. Technol.，Opt. Laser Technol.，J. Rare Earth, Chin. Opt. Lett.，Chin. Phys. Lett., 无机材料学报，硅酸盐学报、光子学报、物理学报、化学物理学报和中国物理B等40余种专业期刊的通信审稿人。

       TGG单晶具有大的磁光常数、低的光损失、高热导性和高激光损伤阈值， 广泛应用于YAG 、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入激光器中。TGG单晶是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料，适用波长400-1100nm（不包括470nm-500nm）。法拉第旋光器由TGG晶棒和一个特殊设计的磁体组成。穿过磁光材料的光束的偏振方向将在磁场作用下发生偏转，其偏转方向只与磁场方向有关，与光束传播方向无关。光隔离器由一个45度偏转的旋光器和一对适当放置的偏振器组成， 它使光束仅能沿一个方向通过，而阻断反向传播的光束。

化学式：	Tb3Ga5O12
晶格常数：	立方，a=12.355Å
生长方法：	提拉法
密度：	7.13g/cm3
莫氏硬度：	8.0
熔点：	1725℃
折射率：	1.954 @1064nm
热导率：	9.4*10-6  /K
维德尔常数：	0.12min/Oe.cm at 1064nm
晶体标准规格：
加工指标：
定向精度：	〔111〕± 5 °
波前畸变：	<λ/8 wave total @633nm
消光比：	A:>30dB，B:>28dB
尺寸公差：
直径：	±0.1mm
长度：	±0.05mm
倒角：	0.2mm at 45°
其它参数：
平面度：	<λ/10 wave at 633nm
通光面平行度：	<1 弧分
垂直度：	<5 弧分
表面光洁度：	10/5 per MIL-O13830A