Magnetooptische Materialien aus seltenen Erden
Unter magnetooptischen Materialien versteht man optische Informationsfunktionsmaterialien mit magnetooptischen Effekten im ultravioletten bis infraroten Bereich. Magnetooptische Seltenerdmaterialien sind eine neue Art optischer Informationsfunktionsmaterialien, die durch Nutzung ihrer magnetooptischen Eigenschaften und der Wechselwirkung und Umwandlung von Licht, Elektrizität und Magnetismus zu optischen Geräten mit verschiedenen Funktionen verarbeitet werden können. Wie Modulatoren, Isolatoren, Zirkulatoren, magnetooptische Schalter, Deflektoren, Phasenschieber, optische Informationsprozessoren, Displays, Speicher, Laserkreisel-Vorspannungsspiegel, Magnetometer, magnetooptische Sensoren, Druckmaschinen, Videorecorder, Mustererkennungsmaschinen, optische Platten , Lichtwellenleiter usw.
Die Quelle der Seltenerd-Magnetooptik
DerSeltenerdelementerzeugt aufgrund der ungefüllten 4f-Elektronenschicht, die die Quelle starken Magnetismus ist, ein unkorrigiertes magnetisches Moment; Gleichzeitig kann es auch zu Elektronenübergängen kommen, die die Ursache für die Lichtanregung sind und zu starken magneto-optischen Effekten führen.
Reine Seltenerdmetalle zeigen keine starken magnetooptischen Effekte. Nur wenn Seltenerdelemente in optische Materialien wie Glas, Verbundkristalle und Legierungsfilme dotiert werden, tritt der starke magnetooptische Effekt von Seltenerdelementen auf. Die am häufigsten verwendeten magnetooptischen Materialien sind Übergangsgruppenelemente wie (REBi) 3 (FeA) 5O12 Granatkristalle (Metallelemente wie A1, Ga, Sc, Ge, In) und amorphe RETM-Filme (Fe, Co, Ni, Mn). ) und Seltenerdgläser.
Magnetoptischer Kristall
Magnetooptische Kristalle sind Kristallmaterialien mit magnetooptischen Effekten. Der magnetooptische Effekt hängt eng mit dem Magnetismus von Kristallmaterialien zusammen, insbesondere mit der Magnetisierungsstärke der Materialien. Daher handelt es sich bei einigen hervorragenden magnetischen Materialien häufig um magnetooptische Materialien mit hervorragenden magnetooptischen Eigenschaften, wie beispielsweise Yttrium-Eisen-Granat und Seltenerd-Eisen-Granat-Kristalle. Im Allgemeinen sind Kristalle mit besseren magnetooptischen Eigenschaften ferromagnetische und ferrimagnetische Kristalle, wie z. B. EuO und EuS als Ferromagnete, Yttrium-Eisen-Granat und Wismut-dotierter Seltenerd-Eisen-Granat als Ferrimagnete. Gegenwärtig werden hauptsächlich diese beiden Arten von Kristallen verwendet, insbesondere eisenhaltige magnetische Kristalle.
Magnetooptisches Material aus Seltenerd-Eisen-Granat
1. Strukturelle Eigenschaften magnetooptischer Seltenerd-Eisen-Granat-Materialien
Ferritmaterialien vom Granattyp sind eine neue Art magnetischer Materialien, die sich in der Neuzeit rasant weiterentwickelt haben. Der wichtigste von ihnen ist der Seltenerd-Eisengranat (auch als magnetischer Granat bekannt), der allgemein als RE3Fe2Fe3O12 (kann als RE3Fe5O12 abgekürzt werden) bezeichnet wird, wobei RE ein Yttriumion (einige sind auch mit Ca, Bi-Plasma dotiert) und Fe ist Ionen in Fe2 können durch In-, Se-, Cr-Plasma ersetzt werden, und Fe-Ionen in Fe können durch A-, Ga-Plasma ersetzt werden. Bisher wurden insgesamt 11 Arten einzelner Seltenerd-Eisen-Granate hergestellt, wobei Y3Fe5O12, abgekürzt als YIG, der typischste ist.
2. Magnetooptisches Yttrium-Eisen-Granat-Material
Yttrium-Eisen-Granat (YIG) wurde erstmals 1956 von der Bell Corporation als Einkristall mit starken magnetooptischen Effekten entdeckt. Magnetisierter Yttrium-Eisen-Granat (YIG) hat einen um mehrere Größenordnungen geringeren magnetischen Verlust als jeder andere Ferrit im Ultrahochfrequenzbereich, weshalb er häufig als Informationsspeichermaterial verwendet wird.
3. Hochdotierte magnetooptische Materialien aus Seltenerd-Eisen-Granat der Bi-Serie
Mit der Entwicklung der optischen Kommunikationstechnik sind auch die Anforderungen an die Qualität und Kapazität der Informationsübertragung gestiegen. Aus Sicht der Materialforschung ist es notwendig, die Leistung magnetooptischer Materialien als Kern von Isolatoren zu verbessern, damit ihre Faraday-Rotation einen kleinen Temperaturkoeffizienten und eine große Wellenlängenstabilität aufweist, um die Stabilität der Geräteisolierung gegenüber zu verbessern Temperatur- und Wellenlängenänderungen. Hochdotierte Seltenerd-Eisen-Granat-Einkristalle und dünne Filme der Bi-Ionen-Serie sind in den Mittelpunkt der Forschung gerückt.
Der einkristalline Dünnfilm Bi3Fe5O12 (BiG) gibt Hoffnung für die Entwicklung integrierter kleiner magneto-optischer Isolatoren. Im Jahr 1988 stellten T. Kouda et al. erhielten zum ersten Mal einkristalline Bi3FesO12 (BiIG)-Dünnfilme mithilfe der reaktiven Plasmasputtern-Abscheidungsmethode RIBS (Reaktions-Lon-Bohnen-Sputtern). Anschließend erhielten die Vereinigten Staaten, Japan, Frankreich und andere Länder mit verschiedenen Methoden erfolgreich magnetooptische Filme aus Bi3Fe5O12 und hoch Bi-dotiertem Seltenerd-Eisen-Granat.
4. Ce-dotierte magnetooptische Seltenerd-Eisen-Granat-Materialien
Im Vergleich zu häufig verwendeten Materialien wie YIG und GdBiIG weist Ce-dotierter Seltenerd-Eisen-Granat (Ce: YIG) die Eigenschaften eines großen Faraday-Rotationswinkels, eines niedrigen Temperaturkoeffizienten, einer geringen Absorption und niedriger Kosten auf. Es ist derzeit die vielversprechendste neue Art von magnetooptischem Material mit Faraday-Rotation.
Anwendung magnetooptischer Seltenerdmaterialien
Magnetoptische Kristallmaterialien haben einen signifikanten reinen Faraday-Effekt, einen niedrigen Absorptionskoeffizienten bei Wellenlängen sowie eine hohe Magnetisierung und Permeabilität. Wird hauptsächlich bei der Herstellung von optischen Isolatoren, optischen nichtreziproken Komponenten, magneto-optischen Speichern und magneto-optischen Modulatoren, faseroptischer Kommunikation und integrierten optischen Geräten, Computerspeicher, logischen Operations- und Übertragungsfunktionen, magneto-optischen Displays, magneto-optischen Aufzeichnungen und neuen Mikrowellengeräten verwendet , Lasergyroskope usw. Mit der kontinuierlichen Entdeckung magnetooptischer Kristallmaterialien wird auch die Palette der einsetzbaren und herstellbaren Geräte zunehmen.
(1) Optischer Isolator
In optischen Systemen wie der Glasfaserkommunikation gibt es Licht, das aufgrund der Reflexionsflächen verschiedener Komponenten im optischen Pfad zur Laserquelle zurückkehrt. Dieses Licht macht die Ausgangslichtintensität der Laserquelle instabil, verursacht optisches Rauschen und schränkt die Übertragungskapazität und Kommunikationsentfernung von Signalen bei der Glasfaserkommunikation stark ein, wodurch das optische System im Betrieb instabil wird. Ein optischer Isolator ist ein passives optisches Gerät, das nur unidirektionales Licht durchlässt und dessen Funktionsprinzip auf der Nichtreziprozität der Faraday-Rotation basiert. Das durch Glasfaserechos reflektierte Licht kann durch optische Isolatoren gut isoliert werden.
(2) Magneto-optischer Stromtester
Die rasante Entwicklung der modernen Industrie hat höhere Anforderungen an die Übertragung und Erkennung von Stromnetzen gestellt, und herkömmliche Hochspannungs- und Hochstrommessmethoden stehen vor großen Herausforderungen. Mit der Entwicklung der Glasfasertechnologie und der Materialwissenschaft haben magnetooptische Stromtester aufgrund ihrer hervorragenden Isolations- und Entstörungsfähigkeiten, ihrer hohen Messgenauigkeit, ihrer einfachen Miniaturisierung und ihrer fehlenden potenziellen Explosionsgefahr große Aufmerksamkeit erlangt.
(3) Mikrowellengerät
YIG zeichnet sich durch eine schmale ferromagnetische Resonanzlinie, eine dichte Struktur, eine gute Temperaturstabilität und einen sehr geringen charakteristischen elektromagnetischen Verlust bei hohen Frequenzen aus. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich für die Herstellung verschiedener Mikrowellengeräte wie Hochfrequenzsynthesizer, Bandpassfilter, Oszillatoren, AD-Tuning-Treiber usw. Es wird häufig im Mikrowellenfrequenzband unterhalb des Röntgenbands verwendet. Darüber hinaus können magnetooptische Kristalle auch zu magnetooptischen Geräten wie ringförmigen Geräten und magnetooptischen Displays verarbeitet werden.
(4) Magneto-optischer Speicher
In der Informationsverarbeitungstechnik werden magnetooptische Medien zur Aufzeichnung und Speicherung von Informationen verwendet. Magneto-optische Speicher sind führend im Bereich optischer Speicher und zeichnen sich durch große Kapazität und freien Austausch optischer Speicher sowie die Vorteile des löschbaren Wiederbeschreibens magnetischer Speicher und einer durchschnittlichen Zugriffsgeschwindigkeit ähnlich wie bei magnetischen Festplatten aus. Das Preis-Leistungs-Verhältnis wird entscheidend dafür sein, ob magneto-optische Datenträger die Nase vorn haben.
(5) TG-Einkristall
TGG ist ein Kristall, der 2008 von Fujian Fujing Technology Co., Ltd. (CASTECH) entwickelt wurde. Seine Hauptvorteile: Der TGG-Einkristall hat eine große magnetooptische Konstante, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen geringen optischen Verlust und eine hohe Laserzerstörschwelle wird häufig in mehrstufigen Verstärkungs-, Ring- und Seed-Injektionslasern wie YAG und T-dotiertem Saphir verwendet
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. August 2023