a掺bi稀土铁石榴石单晶生长与磁光性能

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1、万方数据第20卷．第12期光学报V01．20，N“122000年12月ACTAOPTICASIN—ICADecember．2000用于光纤电流传感器的掺Bi稀土铁石榴石单晶生长与磁光性能。赵渭忠+‘张守业黄敏(浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州310027)张在宣(中国计量学院光电子技术研究所，杭州310034)囊奠用熔盐法生长了两种瑚替代的高法拉第旋转、温度稳定的稀土铁石榴石磁光单晶Bi-HoYbIG和Bi-GdYIG·测试分析了．其在近红外波段的馥光性能及其温度特性。Hn扣，Y啦tFc抑j，(f≈I．03，，=1．20)单晶的比法拉第旋转角为～891。／啪(^=1．81帅)和

2、一767。／cm(^=1．55¨m)。Y}。．,GdJBi,Fc—Iz“=0．46，，一0．24)单晶的值为一1067‘／cm(^=1．31岬)和--882。／cm(土}1．55¨m)．两者都比纯YIG晶体高出许多。而且这两种晶体的法拉第旋转角随温度变化较小．在250～400K范围内．其温度灵敏度s分别为4．60×10一／K和4．20×10-‘／K。分析表明．Bi的掺人能大大提高晶体的法拉第麓转角．而Y护+、Gdl+等离子的掺入可以有绶降低Bi’+替代璐光单晶的法拉第旋转的温度灵敏性．Bi—HoYblG和Bi—GdyIG等磁光晶体非常适合作为高灵敏度、温度稳定的光纤电流传感器中的

3、法拉第转于材料．美■调磁光晶体，法拉第旋转．光纤传感器，电流传感器。1引言随着现代电力工业发展，传统磁感应电流互感器已不能很好地满足目前电力系统大容量传输高压大电流的测量与监控的技术要求。法拉第磁光效应为电磁场和电流的测量提供了一种非常有效的方法．此类利用法拉第效应的传感器在需要稳定、高速和方便小型的电子环境的测量中具有很大的吸引力。而基于光纤的传感器因其使用不导电的光纤材料传输信号。故投有电磁干扰，使传感和处理系统可以完全隔离，因而光纤传感器在测量高压磁场的应用中有很大的优越性．可用于监控和测量高压传输线中的电流。法拉第光纤电流传感器因其具有结构简单、安全可靠、高精度和高灵敏度

4、等优点而受到国内外的广泛关注o“j。在应用中要求传感材料具有大法拉第旋转角，低温度灵敏性等磁光特性，所以磁光材料的研究是光纤电流传感系统中的一个重要课题。YIG和GdBilG晶体具有较大的法拉第旋转角，但其法拉第旋转角对温度的依赖性较大，*国家自然科学基金资助(69890230)。**赵滑忠，浙江大学材辩系。收藕日期：】999—04—22}收到惨改稿日期；1999—08-03万方数据12期赵渭忠等：用于光纤电漉传感器的掺删稀土铁石榴石单晶生长与磁光性能1695不能很好地满足低温度灵敏性的光纤电流传感器的要求。为得到具有低温度灵敏性的大法拉第旋转的磁光材料．一种可行的方法是将两种具

5、有不同符号温度依赖性的稀土替代铁石榴石进行复台，以相互抵消各自的温度系数，从而得到法拉第旋转温度稳定的磁光材料。在本文中，用高温助熔剂熔盐法生长了两种Bi替代稀土石榴石磁光单晶Bi：HoYblG和Bi：GdYIG，并研究了其在0．9～1．7pm间的徽光性能与温度特性。2单晶生长本文采用助熔剂法生长晶体Bi：HoYbIG和Bi，GdYlG。助熔剂法生长单晶的关键是助熔剂的选择和各组份问的配方比例。经过多次试验，用表1的配方成功地生长了这两种单晶。Table1．Composibons0fcrystalgrowthmolfraction／(％)HcbO，Yb?qFe，Os碰：0～B，o

6、，BitHoYbIG1．52．25d1532．25Y扣lCOOIFe±O,Bi20sPbO+PbFz+BO·BisGdYIG7．641．0420．781．7468．80原料按以上配比，Bi：HoYblG和Bi：GdYIG分别配料150g和250g。原料经充分研磨混合后置于铂坩锅内，在单晶炉中加热到1250C，并在此温度上保温10h以上。熔料经过充分溶解、混合后，按0．8～3"C／h的冷却速率缓慢降温至约980"C．然后自然冷却到室温。在此过程中，熔融物在过饱和状态下缓慢结晶．最后形成块状单晶体。用此熔盐法生长出的石榴石单晶外观品质较好，并具有金属光泽。Bi：HoYblG单晶最大尺

7、寸可达7mm×6mm×4mill，Bi：GdYIG单晶最大尺寸为25．5illm×23mrfl×16mm。生长的单晶从尺寸和光学质量上基本可以满足制作光纤电流传感器等一些磁光器件对晶体材料的要求。生长的晶体经粉未X射线衍射和[110]向X射线衍射测量后确定均为石榴石相单晶，经电子扫描电镜能谱分析得到单晶的分子式分别为Houdb“脚n0”g'e60-：(Bi：HoYblG)和Y：捋d“2,Bio。6FesOl2(Bi}GdYIG)。3磁光性能生长的Bi：HoYblG和Bi：GdYI