近日，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員周聖明領銜的透明陶瓷課題組在鋱鋁石榴石基(TAG)磁光陶瓷研究方面取得新進展，在國際上首次製備了ZrO2做燒結助劑的高質量鋱鋁石榴石磁光透明陶瓷，其在1064nm處的直線透過率達到82.04%，達到國內領先、國際先進水平，在632.8nm處的費爾德常數為~175 rad/T/m，高於目前商用鋱鎵石榴石(TGG)約30%。相關成果相繼發表在《材料快報》(Scripta Materialia)上。
鋱鋁石榴石基透明陶瓷因其優異的磁光性能、高熱導率和高激光損傷閾值等優勢，在高功率法拉第磁光隔離器中具有重要的應用前景。但是，由於在透明陶瓷製備過程中，極易形成封閉氣孔、雜質殘留和晶界相等散射源，從而導致高功率激光輻射下嚴重的熱吸收效應，造成器件的隔離度大大降低甚至損壞器件或激光系統。對鋱鋁石榴石陶瓷光學質量的提高和散射中心的消除是目前鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究的焦點。研究團隊突破常規，通過引入ZrO2作為燒結助劑，在優化真空燒結中的升溫和保溫機制的基礎上，得到了具有極大尺寸晶粒（~400um）和高光學透過率的Zr:TAG磁光陶瓷。
在該項研究中，針對ZrO2在不同燒結階段對TAG晶粒生長和相成分變化的影響進行了系統研究。發現ZrO2一方面可以在低溫階段促進陶瓷的緻密化，有利於氣孔排除；另一方面，在高於1550℃的燒結後期晶粒生長顯著加快，並且通過X射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)發現ZrO2出現在樣品表面並在拋光後被消除。研究表明ZrO2作為燒結助劑可以在燒結前中期促進燒結，在燒結末期被排出陶瓷體系，避免了在晶界中殘餘而導致散射的增加，因此可以進一步提高透明陶瓷的光學質量。
課題組自2011年首次製備並報道鋱鋁石榴石磁光透明陶瓷以來，相關研究受到國內外廣泛關注和跟進，目前，課題組在Applied Physics Letters，Optics Letters，Scripta Materialia 等期刊上已發表TAG相關論文數十篇，對其高功率應用性能進行了充分研究和論證，採用新型的ZrO2燒結助劑有望為TAG陶瓷的高功率實用化提供重要支撐。
圖1 不同溫度燒結12小時後Zr:TAG的樣品形貌和緻密化曲線
圖2 1650攝氏度保溫48小時的退火前後Zr:TAG樣品形貌和透過率曲線
圖3 製備的大尺寸Zr:TAG磁光陶瓷樣品
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