鋱型順磁性柘榴石單晶體和光磁裝置的製作方法
2023-07-26 02:37:36 1
專利名稱：鋱型 順磁性柘榴石單晶體和光磁裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋱型順磁性柘榴石單晶體，此晶體為柘榴石結構，至少含有鋱；鋁和鎵中的至少一種元素；適用於光學通訊與光記錄中的光絕緣器和光環行器，並適用於檢測大電流的光磁傳感器。
背景技術：
在目前電能領域內，含有光磁材料的光磁傳感器受到很大的關注，它適用於檢測功率傳輸線上可能由雷擊等意外事件引起的非正常電流。這種傳感器能利用光磁效應中的一種法拉第效應檢測在功率傳輸線周圍產生的磁場，這種檢測是利用法位第旋轉角隨磁場強度而變化的這一事實來實現的。眾所周知，當具有法拉第效應的光磁元件受到雷射束照射時，在與雷射束傳播方向相同的方向上產生一個磁場。使入射雷射束的偏振面旋轉，此旋轉與磁場強度成正比。利用上述的偏振面的旋轉，將具有不同偏振面的偏振板排列在光磁元件的光傳播方向的前面和後面。從而，偏振面的旋轉角之間的差異導致所出現光量間的差異。由光傳感裝置，例如光測器或類似裝置檢測光量間的差異。這樣就能檢測到非正常電流的強度。使用如上述法位第效應的光磁傳感器具有高的靈敏度；而且可以減小它尺寸和重量；此外，抗爆性能高，且傳感器能遙控。同樣，因為是用光纖傳輸光的，這樣電磁感應噪聲水平與絕緣性能優越。這樣，光磁傳感器有如此優越的特性，這是電氣型磁場傳感器不能獲得的。
關於構成光磁元件的順磁性材料的特性，需要有高的費爾德(Verdet)常數(V(度/奧·釐米))，費爾德常數是指在單位長度及每單元所加磁場下的法拉第旋轉角，費爾德常數具有一種由θt＝VHd表示的關係，其中θt表示法拉第旋轉角，是指偏振光束的角度，d表示光束通過光磁元件的運行距離，而H表示作用於光磁元件的磁場強度。因此，法拉第旋轉角的變化率是隨費爾德常數的變大而增加。這樣，當磁場微小變化時，光量的差異馬上增大。因而，光磁傳感器能提供高的靈敏度。
作為具有上述特性的磁性材料，一種具有釔鐵柘榴石結構的單晶體(Y3Fe5O12在下文中縮寫成YIG)是一種鐵磁材料，如在日本已受理(examined)專利申請公開號2-3173中所敘述的。YIG單晶體的優越性在於，其費爾德常數高，以及對磁變化的靈敏度高。然而，在日本實用專利申請公開號2-3173中所敘述的YIG單晶體有下列問題法拉第旋轉角增加到磁場強度達到預先確定的值為止，在磁場強度達到引預定值後，則變成常數，即，法拉第旋轉角變成磁飽和。所以當YIG單晶體用作檢測大電流的光磁傳感器的光磁元件時，問題發生在傳感器不能正確地檢測電流，而且，YIG單晶體僅能傳輸1000納米至5000納米的紅外區內的光束。所以問題是YIG單晶體不能用於400納米到600納米的可見區及650納米的波長。650納米的波長是在塑料光纖的波長區內，已經調查這種塑料光纖用於裝在汽車上的LAN或類似部件內。用於紅外區的光源貴，另一方向，在可見光區內的光源便宜。所以希望實現能用於可見光區的順磁性材料。
作為能解決上述問題的一種磁性材料，例如，在S.Granschou，D.Klimm，P.Reiche和R.Uecker編著的文獻「晶體研究技術」34(1999)，615-619頁的文章中敘述的至少包含有鋱和鋁的鋱·鋁型順磁性柘榴石單晶體(Tb3Al5O12，在下文中簡稱為TAG單晶體)，TAG單晶體的費爾德常數與其它順磁性材料相比是很大的。這樣，即使減少該單晶體的尺寸，還能獲得足夠的法拉第旋轉角，因此可以減少這種光磁元件的尺寸。而且與YIG單晶體相比，即使施加強磁場也不會發生磁飽和。因此，TAG單晶體能用作光磁裝置中的光磁元件，以檢測大電流。因此，TAG單晶體能檢測寬範圍內的磁場強度。TAG單晶體在500納米到1400納米的波長段內有很高的光傳輸係數。另外，還發現TAG單晶體能在400納米至700納米的可見光波長段內具有高的光傳輸係數，建議在光磁裝置中肯定可使用具有上述優越特性的GAG單晶體。
雖然TAG單晶體具有上述優越特性，但還沒有獲得能實際用於光磁裝置中的如此大尺寸的TAG單晶體。其理由敘述如下，因為TAG單晶體是一種分解熔化型複合物。這樣，在材料熔解時所得到的初始原材料的成份不同於熔化的原材料鄰卻後得到晶體成份。更精確地說，由柘榴石相構成的分解熔化型TAG單晶體不能直接從熔化的初始原材料的成分中獲得。這樣，問題是發生在由鈣鈦礦相構成的化合物TbAlO3是與TAG單晶體相混合。該TAG單晶體具有順磁性電介質的最大費爾德常數。然而，當它受到波長為633納米的光束照射時，TAG單晶體的費爾德常數約為0.01°/(Oe·cm)。所以，為了TAG晶體能應用於光磁裝置，TAG單晶體需要具有更大的費爾德常數。
作為另一種鋱型順磁性柘榴石單晶體，例如鋱·鎵·柘榴石(Tb3Ga3O12，在下文中簡稱為TGG單晶體)或已知的類似物質。然而，與TAG單晶體一樣，其費爾德常數必須提高，這種TOG單晶體是一種同時熔化型材料(councidentlymelting type materials)。即TGG單晶體初始原材料的成份與晶體生長後所獲得的成份相同。這樣，具有實用尺寸的TGG單晶體便於由已知的提拉法(Czochralsk)生產，然而，這樣獲得的GOG單晶體存在的問題是在635納米波長時的費爾德常數小，即0.0075°/(Oe·cm)。分解熔化型TAG單晶體渴望獲得具有大的費爾德常數並能有效地減少其尺寸的光磁材料，和同時熔化型鋱型順磁柘榴石材料。
本發明的一個目的是要解決上述問題，提供一種鋱型順磁性柘榴石單晶體。這種晶體的法拉第效應大，光傳輸係數高，費爾德常數較高，並提供一種使用鋱型順磁性單晶體的光磁裝置。
發明內容
為了達到上述目的，根據本申請的第一發明，提供一種至少包含鋱和至少包含鋁和鎵中一種元素的鋱型順磁性柘榴石單晶體。其中，鈰和鐠中的至少一種元素替代部分鋱。
較佳地，在根據本申請第二發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體中，單晶體用如下化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鈰和鐠中的至少一種元素，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤2的範圍內。
較佳地，在根據本申請第三條發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體中，單晶體用如下化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鈰，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤1範圍內。
較佳地，在根據本申請第四發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體中，單晶體用下列化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鐠，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤2範圍內。
較佳地，根據本申請第五發明的光磁裝置包括，由本申請的第一至第四發明所定義的鋱型順磁性單晶體，作為一種光磁元件。
如上所述，用第一發明中的合成物，可以提供具有比非替代型TAG單晶體或TGG單晶體的費爾德常數更大的鋱型順磁性柘榴石單晶體。利用上述的鋱型順磁性柘榴石單晶體可提供一種甚至能傳輸可見光的小尺寸光磁裝置。
此外，根據本申請的第二到第四發明的合成物，可以有把握地提供具有大費爾德常數的鋱型順磁性柘榴石單晶體。較佳地，根據本申請的第四發明，用鐠替代得到高穩定性。
此外，根據本申請的第五發明，光磁裝置具有大的費爾德常數，這樣，可以提供具有較大的法拉第效應的光磁裝置，這種裝置甚至可傳輸波長為400到450納米波長範圍內的可見光線。這樣，可以提供能與具有可見範圍波長的雷射器匹配的光磁裝置。
附圖簡述
圖1是一張用於本發明實施例的雷射器FZ裝置的原理性透視圖；圖2是一張按照本發明的樣品4的反射型X射線勞厄照片；圖3是一張按照本發明的樣品9的反射型X射線勞厄照片；圖4是一張參考樣品1的反射型X射線勞厄照片；圖5原理性地示出按照本發明一個實施例的光磁裝置結構；圖6示出樣品2，7與10的磁場—時間特性；圖7示出樣品2，7與10的光量—時間特性；實施本發明的最佳模式在下文中將敘述本發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體和利用單晶體製成的光磁裝置。
在本發明的至少包含鋱元素和至少包含鋁和鎵中的一種元素的鋱型順磁性柘榴石單晶體中，鈰和鐠元素中的至少一種元素用於替代部分鋱元素，鈰和鐠兩者均可加入進去。較佳地，這單晶體用下列化學式表示(Tb3-xMx)N5O12。
較佳地，鈰和鐠中的至少一種元素去替代M，鋁和鎵中的至少一種元素去替代N。較佳地，x在0.01≤x≤2範圍內。
在鈰替代部分鋱的情況下，較佳地，x在0.01≤x≤1.0範圍內。假若x小於0.01，則鈰替代的效果不夠，假如x大於1.0，費爾德常數變成飽和，並保持常數，即使再用鈰替代也沒有效果。鈰的數量超過了在鋱型順磁性柘榴石中的溶解極限。而且，假如鈰的添加過量，鈰在晶體中不能固體溶解分離，並這樣，不希望地，傳輸因子可能降低。
在以鐠替代部分鋱的情況下，較佳地，x在0.01≤x≤2.0範圍內，如果x小於0.01，鐠替代的效果不夠，因此，不希望地，費爾德常數不變大。如果x大於2.0，鐠的量超過了鋱型順磁性柘榴石中鐠的溶解級限。而且，如果鐠的添加過量，鐠在晶體中不能固體溶解分離，這樣，不希望地，傳輸因子可能降低。因為鐠的固體溶解級限是2.0，所以鐠可用比鈰更大的量去替代部分鋱。於是，可獲得更大的費爾德常數。當鈰和鐠的原子價數為3時，可以直接對法拉第效應起作用。然而，鈰在Ce4+時比在Ce3+狀態時更穩定。因此，即使是想用鈰簡單地替代，可能沉積出CeO2。因此，在用鈰去替代情況中，晶體化及生長必須在還原空氣中進行(a reducing atmosphere)。另一方面，用鐠去替代時，晶體化和生長比較容易實現。因為，鐠在pr3+狀態下是穩定的，，並易於替代，而且，晶體可以在大氣中生長。因此，鐠比鈰更為可取。
而且，在本發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體中，鈰和鐠中的一種元素替代了部分鋱，此外，鈰和鐠以外的其它稀土元素可以替代部分的鋱。較佳地，La(鑭)，Nd(釹)，Sm(釤),Eu(銪)，Gd(釓)，Dy(鏑)，Ho(鈥)，Er(鉺)，Tm(銩)，Yb(鐿)，Lu(鑥)等用作稀土元素，在加入稀土元素的情況下，鋱型順磁性柘榴石單晶體用下式表示(Tb3-x-yMxRy)N5O12，其中，M表示鈰和鐠兩元素中的至少一種元素，N表示鋁和鎵兩元素中的至少一種元素。較佳地，Y值的範圍為從0至1，換句話說，稀土元素不必要添加了，再者，如果Y超過1，不希望地，費爾德常數減少了，因為鋱離子的總數足以促使法拉第效應降低。
按照本發明，鐵(Fe)作為不純物存在。然而，其數量小於50ppm，在某些情況下，鐵不能真實地檢測到，這要取決於分析設備的類型。
關於本發明中生產TAG單晶體的合適方法，較佳地，原材料棒具有順磁性柘榴石結構，它至少含有鋱和鋁，並且原材料棒和籽晶體中的至少一件是多孔。較佳地，這產品是用雷射器FZ方法生產的，此方法包括第一步，準備原材料棒和籽晶體；第二步通過用光能照射將原材料棒和籽晶體互相熔化結合在一起；第三步，將光能照射區從熔化結合部移到原材料棒側。
可從熔化區消除TbAlO3的鈣鈦礦相和類似物，用上述生產方法輕易地生成TAG單晶體。這樣，能容易地生產出來由已知方法不能生產的如此大的TAG單晶體。因此，可以增加通過切割TAG單晶體形成的切片數量，並且必定能用作光磁裝置的材料。按照已知的生產方法，關於分解熔化型的Tb3Al3O12，首先，在熔化區和固體之間的固-液界面內生成鈣鈦礦相，此後，生成Tb3Al5O12。這樣，不可避免地，柘榴石相和鈣鈦礦相混合在一起。對於已知的FZ方法，要求原料棒和籽晶有高的密度。相反，發明者發現，原料棒和籽晶兩者中至少有一種是生成多孔形狀的，而且這兩者都是用光能量互相熔化結合的，結果形成熔化區，其中，熔化液體滲透進入多孔介質。生成的鈣鈦礦相作為初始相，預先沉積在多孔介質內。這樣，如上所述，通過將鈣鈦礦相作為初始相沉積進多孔介質，從熔化區消除鈣鈦礦相。這樣，就可獲得較大的鋱型柘榴石單晶體。
下面介紹適用於實現上述生產方法的生產單晶的一種裝置。圖1是按照本發明第一個實施例所用的雷射FZ(浮動區)裝置的原理性透圖。
雷射FZ裝置1，包括產生雷射光束的雷射器裝置5；起熱輻盤射作用的盒子3；和能在盒3中垂直移動的軸2。軸2為一桿狀支撐裝置，它能分成上部軸2a和下部軸2b，垂直伸展穿過盒3的上，下表面。從而可在垂直方向移動。需要支撐的切片可以分別固定在上部軸2a和下部軸2b上。在盒3的兩側面上開了安裝窗口透鏡4a的窗口，這窗口必須開得能使支撐於軸2a上的切片與支撐於軸2b上的切片的連接部分能夠受到雷射束的集中照射。雷射裝置5放置在盒3的兩邊，放置得能使雷射束能照射穿過盒3的2個窗口4。由放置在盒3兩邊的雷射裝置5發射的雷射束穿過固定在盒3窗口4中的窗口透鏡。這樣，支撐在軸2上的切片受到來自相反方向的集中雷射束的照射。
如上所述，軸2具有能使其在軸向運動的結構。因此，照射到由軸支撐的切片上的雷射束的照射面積是可以移動的。用上述結構，有利地，原始材料棒和籽晶能連續不斷地熔接在一起。同時，所獲得的熔化區可以連續地得到冷卻。更明確地，原料棒固定在上部軸2a，而籽晶固定在下部軸2b。原材料棒的一端用雷射束照射，隨後熔化。使熔化部分與支撐在下部軸2b上的籽晶體的一端接觸，同時光能施加到該化部分，這樣，原材料棒和籽晶被熔化並互相結合，形成熔化區。然後，軸2沿軸嚮往下移動。這樣，在原材料棒和籽晶體熔化結合部的原材料棒一側形成更多的熔化區。連續地，軸2沿軸嚮往下移動，以使熔化液體在籽晶體側開始處逐漸冷卻並固化。應當注意，可以使固定上部軸2a上的原料棒和固定在下部軸2b上的籽晶體相互接觸。此後，熔化該接觸部分，並因此，將原料棒和籽晶體熔接在一起。
較佳地，軸的移動速度不能高於30毫米/時，這速度取決於用作原材料的TAG多晶體的直徑。如果熔化區沿軸向的移動速度高於30毫米/時，則晶體不能充分熔化，並因此，很維使溶化區轉變成單晶體。在這種情況，雷射照射位置是固定的，軸2能沿軸向移動。雷射器FZ裝置可以具有能使雷射束移動的結構。
關於在此應用的雷射裝置5，較佳地，波長在1.6納米至100納米範圍內。應當注意，100納米波長是光的最大波長。TAG單晶體不能吸收波長小於6納米的雷射束。因此，或許原料棒不能被充分熔化。作為波長不小於1.6納米的雷射裝置較佳地應為二氧化碳(CO2)氣體雷射器。在二氧化碳氣體雷射裝置情況，輻照的雷射束波長較長。這樣，儘管該晶體為具有寬的透光波長區(wide transparent wavelength zone)的TAG晶體，該晶體能充分吸收雷射束，且TAG多晶體便於熔接。此外，可以應用一種準分子雷射器裝置。
如上所述，兩個雷射裝置5放置在盒3的兩邊，這樣，軸受到來自兩邊的雷射束的照射。然而，雷射裝置5的位置並不限制於盒3的兩邊，這樣，必須將光能集中地施加到TAG多晶體和籽晶體的連接部分。至少可安置3個雷射裝置，並且雷射束能從正常位置照射到連接部分。這樣，能將溫度梯度可設置得更陡，並且，能通過安置多個雷射束振蕩源能增加照射面積，如上所述。這樣，能提供更大的TAG單晶體。
通過調整雷射裝置5和軸2之間的距離也能控制雷射束的強度，在軸2上固定有順磁性柘榴石單晶體7和籽晶體8。通過調整待形成晶體大小，盒子3的尺寸，透鏡4的聚焦距離等能適當地控制雷射束。
同樣，根據本發明，為了用雷射束更集中地照射TAG單晶體的一端，較佳地，要進一步提供聚光透鏡構件6(collective lens member)。更明確地，聚光透鏡構件6的放置在這樣一個位置，即要使聚光透鏡構件6的聚光透鏡6b放置在透過盒3的窗口及雷射振蕩器埠5A的延長線上，並使雷射束能通過盒子3的窗口照射到支撐在上部軸2a上的切片的末端，聚光透鏡6b不需要相同於盒子3的窗口4上的窗口透鏡4a。在採用CO2氣體雷射器的情況下，較佳地，聚光透鏡6b用ZnSe製成。此外，可以使用聚光透鏡之外的設備，假如這些設備能會聚雷射束。
在上面描述中，如同支撐切片那樣使用原料棒和籽晶體。將原料棒固定在軸2a上，而將籽晶體固定軸2b上。另一方向，籽晶體可以固定在軸2a上，而原料棒可以固定在軸2b上。而且，上部軸2a和下部軸2b可以按同一速度，同一方向旋轉。因此，雷射束能照射到固定在軸2a上和軸2b上的切片的連接部分的廣闊面積上。
TAG單晶體是同時熔化型複合物。因此，除上述的雷射器FZ法外，單晶體可用提拉法(Czochralski)或類似方法生長。
通過使用發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體的生產方法獲得的TAG單晶體和TGG單晶體能用於光磁裝置中，更精確地說，光學絕緣器，光衰減器，光學開關，光流通器等。另外，TAG單晶體和TGG單晶體能用作不同類型的光磁傳感器材料，如旋轉傳感器，流動速率傳感器，電流傳感器等。
將參考附圖5所示的光磁傳感器描述本發明光磁裝置的一個實施例。在下文中，將用參考附圖5描述按照本發明的光磁傳感器的一個實施例。在下面的說明中，術語「光軸」的總的意義是用來描述光的傳播路線。術語「入射」是指一個方向，在此方向上由光源發出的光束首先進入光磁傳感器，術語「出射(outgoing)」是指一個方向，在此方向上，光束從光磁傳感中射出來，圖5原理性示出本發明的光磁傳感器的結構。光磁傳感器11包括，法拉第轉子12，偏振器13，分析器14，光照裝置15與光傳感裝置16。在此情況中，偏振器11放在法拉第轉子12的入射邊，而分析器14放置在法拉第轉子12的出射邊，並與光軸平行。偏振器13和分析器14按這樣一種方向放置，使其上的偏振面垂直於光軸，因此，通過法拉第轉子12的光軸能夠通過該偏振面。光照裝置15放置在這樣的位置上，以使光束能夠入射到偏振器13上。即，光照裝置15沒有必要沿通過法拉第轉子12的光軸放置，例如，總反射鏡17a可以放在光照裝置15和偏振器13之間。這樣，光束從總反射鏡17a反射出來，同時光路改變了。由於總反射鏡17a放置在光照裝置15和偏振器13之間，光傳感器11的尺寸可以縮小，而且，由於和總反射鏡17a相同的理由，總反射鏡17b可以放在分析器14和光傳感裝置16之間。此外，聚光透鏡18a和18b可以分別放在總反射鏡17a和偏振器13之間，以及放在總反射鏡17b和分析器14之間。在這種情況，由於配置了聚光透鏡18a，光束就能有效地入射到法拉第轉子12上。此外，由於配置了聚光透鏡18b，光束能有效地入射到光傳感裝置16上，較佳地，本發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體能用作上述光磁傳感器的法拉第轉子12。
假設有含有附著其上的永久磁鐵的推進器(impeller)放在法拉第轉子邊上，以產生磁場。該磁場平行在施加到法拉第轉子光軸。基於這個假設，上述的光磁傳感器的動作描述如下首先，由光發射裝置15射出的光束投射到總反射鏡17a上，在轉折90度角後，反射光束變成平行地光學軸，通過法拉第轉子12。這反射光束被聚光透鏡18b(應為18a)聚焦，並通過偏振器13。這樣，具有與偏振器13相同偏振面的光束入射到法拉第轉子12。在這種情況下，由於法拉第效應，入射光束的偏振面相對於法拉第轉子12內光束的傳輸方向旋轉了相應於法拉第轉角的一個量。這樣，從法拉第旋轉器12射出的光束穿過分析器14。以輸出具有與分析器14相同偏振面的光束。從分析器14輸出的光束通過聚光透鏡18b。然後，這光束在總反射鏡17b上被反射。其光學軸轉折了90度角。關於反射光束的光量由光感裝置16檢測。
(實例1)1、第一步過程首先，為順磁性柘榴石多晶體準備初始原材料，Tb4O7(純度99.9％)；Al2O3(純度99.99％)，和Pr2O3(純度99.9％)，使生長的晶體含有表1所示的樣品1到5的成分。然後，將甲笨和分散劑添加到初始原材料的混合物粉末內。將混合粉末混合併用球碾壓約48小時。將有機結合劑添加到形成的液體混合物中，並進一步混合24小時，這樣得到的膏劑狀的混合物經通風吹乾，並用橡皮輥碾壓，使其形成約50納米厚的薄片。再用液壓裝置碾壓上述形成的複合原材料薄片，並壓接在一起。然後，將這層壓板切成矩形。這樣獲得的層壓碎片在1600℃下燒制2小時。這樣，製成了用作樣品1至5的棒狀TAG型多晶體。
2、第二過程在第一過程中生產的用作樣品1至5的每種TAG多晶體7要如此放置在上述雷射器FZ裝置中，以使每個TAG型多晶體固定在雷射器FZ裝置的上部軸2a的一端上。含有TAG單晶體的籽晶體8放置在下部軸2b的一端上。在盒3的內部是在大氣壓下，由雷射裝置5發射雷射束，以便固定在上部軸2a一端上的TAG多晶體7的端點被加熱熔化。TAG多晶體7的熔化部分連接到固定在下部軸2b上的籽晶體的一端點。
3、第三過程接著，用雷射束照射用作樣品1至5的每個TAG多晶體7的端點和籽晶體8端點的熔化連接部分。於是，形成了熔化區。在這種情況，雷射裝置與熔化區間的距離約為50釐米，更具體地，這裡所用的雷射裝置是二氧化碳(CO2)氣體雷射裝置，它能輸出波長為10.6微米的CO2氣體雷射束，輸出為60瓦。
接著，軸以30毫米/時或更低的速度沿軸方向向下移動。從而，使雷射束照射區向熔化連接部分的原始材料棒側移動。位於熔化區內籽晶體側上的熔化液體經冷卻並凝固，獲得的晶體用作樣品1至5。對獲得的晶體形狀進行測定，該晶體是纖維狀的，其直徑為1毫米，長27毫米。
(實例2)晶體的製造方法與實例1相同，所不同的是準備製作順磁性柘榴石多晶體的初始原材料Tb4O7(純度99.9％)；Al2O3(純度99.99％)，和CeO2(純度99.9％)，使生長的晶體含有表1所示樣品6到9的成分。而該晶體是在還原空氣下生長的。
(比較實例1)晶體的製造方法與實例1相同，所不同的是準備製作順磁性柘榴石多晶體的初始原材料Tb4O7(純度99.9％)；和Al2O3(純度99.99％)，並且所生產的純TAG單晶體含有表1所示的樣品10的晶體成分。
(比較實例2)晶體的製造方法與實例1相同，所不同的是準備製作順磁性柘榴石多晶體的初始原材料Tb4O7(純度99.9％)，Al2O3(純度99.99％)，Nd2O3(純度99.9％)，Sm2O3(純度99.9％)，和Eu2O3(純度99.9％)，該晶體含有表1所示的樣品11至13的TAG型多晶體的晶體成分。
按下面描述方法來估計按如上所述製成的樣品1至13的晶體是否是目標單晶體。
對實例1中得到的樣品4，實例2中得到的樣器9及在比較實例1中得到的樣品10的純TAG單晶體，進行反射型X射線勞厄(Laue)拍照，圖2至圖4按順序示出樣品4，5至10的照片。如圖2到4所見的，即使在用鐠與鈰替代鋱的情況下，TAG單晶體的反射型勞厄(Laue)圖像是相互一致的。這樣，可見生長方向的控制是可以實現的。這樣，可看到依據本發明製造方法製成的樣器4與9是鋱·鋁順磁性柘榴石單晶體。
然後，將樣品1至3的晶體切割成圓盤形，其鏡面是用高精度拋光裝置拋光製成。當施加1千奧斯特(KOe)的磁場(H)時，用輸出為1毫瓦和波長為633納米的氦-氖(He-Ne)雷射束照射法拉第轉子2。隨後，關於從法拉第轉子射出來的光束，用正交尼科爾(Cross Nicol)法測定法拉第旋轉角(θf)，此值代入V＝θf/(d×H)中的θf，這樣，測定了有效的費爾德常數，表1示出結果。
如表1中所見，在樣品11至13中，至少不含鈰和鐠中的一種元素，並用另一種添加劑替代其中的鋱，樣品11至13的費爾德常數要比純TAG單晶體的樣品10的小。另一方面，在本發明範圍內的樣品2至5和樣品7至9的費爾德常數要比純TAG單晶體的大。關於樣品1和6，樣品中鈰和鐠所用量的成分比例均小於0.01，這可見鈰和鐠的作用不足以增加費爾德常數。樣品12吸收了波長為633納米的氦-氖雷射束，因此不能進行測定。
(實例3)首先，為順磁性柘榴石多晶體準備初始原材料Tb4O7(純度99.9％)；Ga2O3(純度99.99％)，和Pr2O3(純度99.9％)，使晶體含有表1(應為2？)所示的樣品14到18的成分。所準備的原材料和球一起放入一個塑料容器內，乾燥混合一小時，在塑料容器內的球和原材料放入網格筐內。因此只能濾出球。將原材料放入銥制坩鍋內，並在電爐內在大氣中用1200℃煅燒2小時。此煅燒過的粉末經過網篩子篩過後，裝入橡皮模具內，此粉末經水壓機以2000公斤力/平方釐米的壓力壓制1分鐘。於是，原材料的容積密度增加了。壓過的原材料裝入銥制坩鍋中，放進高頻感應加熱裝置的爐腔內。此坩鍋經高頻感應加熱，並因此，原材料的溫度升高。在這種情況，爐腔內部設置成適合晶體生長的環境(atmosphere)。在確認坩鍋內的原材料已熔化後，使該熔液與作為籽晶體的TGG單晶體接觸。在熔液與TGG單晶體相互保持充分地接觸後，將該熔液以1毫米/時的速度提升，同時以4rpm的旋轉速度旋轉。這樣，製成了樣品14至18的TGG單晶體。所得的單晶體為環狀(bulkshape)，其直徑為50毫米，長為100毫米。
(實例4)晶體的製造方法與實例3相同，所不同的是，為順磁性柘榴石多晶體準備原材料Tb4O7(純度99.9％)；Ga2O3(純度99.99％)，和CeO2(純度99.9％)，使晶體含有表1(應為2？)所示的樣品19至23的成分，以及該晶體是在還原空氣的條件下生長的。
(比較實例3)晶體的製造方法與實例3相同，所不同的是，為順磁性柘榴石多晶體準備原材料Tb4O7(純度99.9％)；Ga2O3(純度99.99％)，使純TAG單晶體含有表1(應為2？)所示的樣品24的晶體成分。
(比較實例4)晶體製造方法與實例3相同，所不同的是，為順磁性柘榴石多晶體準備原材料，Tb4O7(純度99.9％)；Ga2O3(純度99.99％)；Nd2O3(純度99.9％)；Sm2O3(純度99.9％)和Eu2O3(純度99.9％)，使該晶體含有表2所示的樣品25至27的TGG型多晶體的晶體成分。
然後，樣品14至27的晶體切割成圓盤形，並用高精度拋光裝置拋光成鏡面。當施加為1KOe的磁場(H)時，用波長為633納米及輸出功率為1mW的氦-氖(He-Ne)雷射束照射法拉第轉子2。然後，關於從法拉第轉子射出的光束，用正支尼科爾(Cross Nicol)法測定法拉第轉角(θf)。此值代入V＝θf/(d×H)中的θf。這樣，測定了有效的費爾德常數，表2示出這些結果。
如表2中所見的，在樣品25至27中，至少不含鈰和鐠中的一種，且部分鋱是被其他添加物替代，樣品25至27的費爾德常數要比為TGG純單晶體的樣品24的費爾德常數小。另一方面，可以看到，均屬本發明範疇的樣品15至18和樣品20至23的費爾德常數比純TAG單晶體的樣品24的費爾德常數大。關於樣品14與19，其中鈰和鐠的用量小於0.01，這樣，可見鈰和鐠的作用不足以增加費爾德常數。樣品26吸收了波長為633納米的氦-氖雷射束，因此不能進行測量。
首先，準備以下三種單晶體在實例1中，用鐠替代部分鋱獲得作為法拉第轉子的樣品2單晶體；在實例2中，用鈰替代部分鋱獲得樣品7的單晶體，在比較實例中獲得樣品10的純單晶體。每種單晶體均加工成圓柱形狀，長為1毫米，橫截面直徑為1毫米。法拉第轉子一端至另一端的長度對其的直徑之比為1。其次，準備由金紅石製成的偏振器和分析器以及與由石英製成的聚光透鏡。從光束入側起按光軸方向循序地排列聚光透鏡中的一面，偏振器，法拉第轉子，分析器和另一面聚光透鏡。在光發射設備和聚光透鏡之間，以及在用作光傳感器的光檢測器和聚光透鏡之間提供總反射鏡。光發射設備是這樣放置的，以使由光發射設備發射的光束能在總反射鏡上以90度角反射，且這反射光束將變成平行於法拉第轉子。而且，光傳感設備是這樣放置的，以使從法拉第轉子射出的光束，在總反射鏡上以90度角反射。這樣，用樣品2，7和10分別生產出具有圖5所示配置的磁傳感器。
磁場的變化由下述方法測定。首先，將在其頂部含有磁鐵的推進器(impeller)放置在每個光磁傳感器的法拉第轉子邊上，推進器由電動機轉動，這樣，磁場強度在50至250奧斯特範圍內。圖6示出磁場強度的變化。然後，每個光磁傳感器用氦-氖雷射器(波長為633納米)的雷射束照射，由光檢測器測定法拉第轉子射出的光束量隨磁場的變化。圖7示出光量的變化。
如圖6和圖7所見，關於使用由樣品2，7和10製成的法拉第轉子的光磁傳感器，圖6所示的施加到法拉第轉子的磁場強度變化的曲線，和圖7所示的由光檢測器測到的光量曲線具有相同的波形。這顯示全部磁場的變化轉變成了光通量變化。再有，關於用鐠替代部分鋱的樣品2和用鐠替代部分鋱的樣品7，檢測到的光量的差異大於純TAG單晶體樣品10的變化量的差異。這顯示，樣品2和7的光磁傳感器具有高的靈敏度。
在上述描述中，典型地，本發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體用在測量電流的光磁傳感器中。另外，鋱型順磁性柘榴石單晶體也可用作旋轉傳感器，流量傳感器等的光磁傳感材料。此外，本發明的鋱型順磁性柘榴石單晶體可用於諸如光學絕緣器，光衰減器，光學開關，光循環器等光磁裝置中。
工業應用如上所述，本發明的鋱型柘榴石順磁性單晶體與光磁裝置能用於各種不同的領域，例如，電力，摩託車，設備等等領域，並用於光傳輸必須要穩定的光學通訊領域。在這些領域中，通過用光束檢測磁場來檢測現場的變化。
權利要求
1.一種鋱型順磁性柘榴石單晶體，其特徵在於，至少包括鋱，並至少包括鋁和鎵中的一種元素，其中，鈰和鐠中的至少一種元素替代部分鋱。
2.按照權利要求1所述鋱型順磁性柘榴石單晶體，其特徵在於，所述單晶體用下列化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鈰和鐠中的至少一種元素，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤2的範圍內。
3.按照權利要求2所述鋱型順磁性柘榴石單晶體，其特徵在於，所述單晶體用下列化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鈰，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤1的範圍內。
4.按照權利要求2所述鋱型順磁性柘榴石單晶體，其特徵在於，所述單晶體用下列化學式表示(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示鐠，N表示鋁和鎵中的至少一種元素，x值在0.01≤x≤2的範圍內。
5.一種光磁裝置，其特徵在於，包括作為光磁元件的在權利要求1至4中所定義的鋱型順磁性柘榴石單晶體。
全文摘要
鋱型順磁性柘榴石單晶體，具有諸如高法拉第效應和高光傳輸係數的性能，即使在可見光區內，它也具有高的費爾德常數。光磁裝置包括這種鋱型順磁性柘榴石單晶體。鋱型順磁性柘榴石單晶體至少包含鋱，包含鋁和鎵中的至少一種元素，由鈰和鐠中的至少一種元素替代部分鋱。
文檔編號C30B13/00GK1592801SQ0380159
公開日2005年3月9日 申請日期2003年9月17日 優先權日2002年9月27日
發明者關島雄德, 下方幹生 申請人:株式會社村田製作所