DE102011100537A1 - Terbiumoxid zur Verwendung als Faraday-Rotator - Google Patents

Terbiumoxid zur Verwendung als Faraday-Rotator Download PDF

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Abstract

Faraday-Rotator basierend auf der Verwendung von Tb2O3 oder Tb2-xSExO3. Bisher bekannte optische Isolatoren sind durch die Verdet Konstante des als Faraday-Rotator eingesetzten Materials eingeschränkt: um die gewünschte Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichts zu erreichen, muss das Produkt der Magnetfeldstärke mal Länge des Rotatormaterials einen bestimmten Wert erreichen. Durch eine Erhöhung der Verdet Konstante kann dieser Wert verringert werden. Die Materialien Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 weisen eine hohe Dichte an Tb-Ionen auf. Dies führt zu den gewünschten hohen Verdet Konstanten und ermöglicht dadurch den Bau von kostengünstigen und kompakten Isolatoren, die das Merkmal aufweisen, dass sie ein Faraday-Rotator aus Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 enthalten.

Description

  • Der Faraday-Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene von Licht in einem dielektrischen Medium unter Einfluss eines magnetischen Feldes. Optische Elemente, die den Faraday-Effekt zur Änderung der Polarisationsebene von Licht nutzen, werden als Faraday-Rotatoren bezeichnet.
  • Faraday-Rotatoren finden z. B. in optischen Dioden oder sogenannten optischen Isolatoren Einsatz, indem ein transparentes dielektrisches Medium mit hoher Verdet-Konstante in ein homogenes magnetisches Feld gebracht wird. In dieses Medium einfallendes polarisiertes Licht erfährt eine spezifische Drehung der Polarisationsebene, die proportional der Länge des Mediums und der angelegten magnetischen Feldstärke ist. Die Proportionalitätskonstante ist die Verdet-Konstante des eingesetzten Materials. Durch geeignete Anordnung des Faraday-Materials zwischen optischen Polarisatoren kann ein sogenannter optischer Isolator (F. J. Sansalone, Applied Optics Vol. 10 (1971) pp. 2329; D. Manzi, „Terbium Gallium Garnet – Putting A New Spin On Things, in Lasers and Optronics (February 1989) pp. 63; US Patent 7,166,162 , „Terbium type paramagnetic garnet single crystal and magneto-optical device”) gebaut werden: damit wird erreicht, dass nur Licht mit definierter Polarisation den optischen Isolator passieren kann. Optische Isolatoren können dadurch z. B. zur Unterdrückung von Rückreflektionen in Lasersystemen verwendet werden.
  • Z. Z. werden in Faraday-Rotatoren optisch isotrope Materialien wie Terbium-Gallium-Granat (Tb3Ga5O12, TGG), Terbium-haltige Gläser oder Bismut-Eisen-Granate mit je nach Anwendung variabler Zusammensetzung verwendet.
  • Die Erfindung betrifft ein neuartiges Material, das durch seine Kristallsymmetrie, seine hohe Verdet-Konstante und seine hohe Transparenz im Bereich von 250 bis über 2500 nm als Faraday-Rotator genutzt werden kann. Die chemische Zusammensetzung des neuartigen Materials ist Tb2O3 (Terbiumoxid oder Terbiumsesquioxid). Gegenüber gängigen Materialien wie Tb3Ga5O12 hat Tb2O3 eine um einen Faktor zwei höhere Volumendichte an Tb Ionen und dadurch eine bedeutend höhere Verdet-Konstante.
  • Tb2O3 gehört zur Familie der Seltenenerdoxiden SE2O3 (SE = La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Lu2O3 kristallisiert bei ca. 2400°C kubisch in der Bixbyitstruktur. Yb2O3, Tm2O3 und Er2O3 kristallisieren ebenfalls bei ca. 2400°C, haben jedoch bei hohen Temperaturen zuerst eine hexagonale Symmetrie und erreichen beim Abkühlen erst unterhalb eines Phasenüberganges im Bereich 2300–2100°C die kubische Bixbyit Symmetrie. Ho2O3, Dy2O3, Tb2O3 und Gd2O3 zeigen ebenfalls eine hexagonale Hochtemperaturphase unterhalb ca. 2400°C. Letztere wandelt sich bei ca. 2150 (für Ho2O3), bei ca. 2100 (für Dy2O3), bei ca. 2070 (für Tb2O3), bei ca. 2070 (für Gd2O3), zuerst in eine monokline Phase, und später bei ca. 2100 (für Ho2O3), bei ca. 1850 (für Dy2O3), bei ca. 1550 (für Tb2O3), bei ca. 1200 (für Gd2O3) zuletzt in die kubische Bixbyit Phase um. Bei noch leichteren seltenen Erden (Eu, Sm, Pm, Nd, Pr, Ce, La) entstehen bei hohen Temperaturen weitere zusätzliche Phasen mit verschiedenen Symmetrien und die kubische Symmetrie wird erst, wenn überhaupt, bei immer tieferen Temperaturen erreicht.
  • Wichtig für die Herstellung und die Anwendung von Tb2O3 ist die Tatsache, dass die für diese Erfindung notwendige kubische Phase unterhalb von ca. 1550°C stabil sein kann. Weiter wichtig ist die Möglichkeit, den Valenzzustand von Terbiumionen so einzustellen, dass Tb2O3 gegenüber z. B. Tb4O7 stabilisiert wird: dies kann unter Verwendung einer reduzierenden Atmosphäre bei Temperaturen im Bereich 1200–1700°C realisiert werden (G. J. McCarthy, Journal of Applied Crystallography 4 (1971) 399).
  • Optisch isotropes Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 (mit SE = Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) Material für Anwendungen als Faraday-Rotator kann nach mehreren Methoden hergestellt werden:
    • 1. Ein Verfahren zur Züchtung von Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 ist die Zonenschmelzmethode in der polykristallines gepresstes Stabmaterial zuerst bei 1200–1500°C gesintert wird und danach durch Verschieben eines aufgeschmolzenen Bereichs durch den Stab zur Kristallbildung gebracht wird.
    • 2. Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 Kristallen verwendet sogenannte Flussmittel – z. B. Borate, Wolframate, Molybdate oder Bleioxide, allein oder in verschiedenen Kombinationen – als Hochtemperaturlösungsmittel (bei einer Züchtungstemperatur typischerweise zwischen 700°C bis 1400°C), in dem Terbiumoxid (mit oder ohne SE Zugabe) im richtigen Verhältnis aufgelöst und aus dieser Lösung nach Animpfen mit einem Impfkristall ein Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 Kristall langsam nach oben herausgezogen wird. Die Hochtemperaturlösung wird langsam abgekühlt, um das Wachstum des Kristalls zu ermöglichen.
    • 3. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von geeignetem Material für Faraday-Rotatoren aus Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 ist die Synthese transparenter Festkörper aus Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 nach einem keramischen Verfahren. Hierbei werden durch Fällen aus einer Lösung, durch Mahlen oder durch andere bekannte Pulversyntheseverfahren zunächst Tb2O3 oder Tb2SExO3 Partikel in Pulverform hergestellt und anschließend durch Formgebung, Verdichten und Sintern zu einem hochtransparenten polykristallinen Körper geformt, der für die Anwendung als Faraday-Rotator vergleichbare Eigenschaften hat wie die nach den vorgenannten Verfahren hergestellten Kristalle.
    • 4. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 ist die sogenannte „Micro-Pulling Down” Methode (D. Sangla, J. Didierjean, N. Aubry, D. Perrodin, F. Balembois, K. Lebbou, A. Brenier, P. Georges, J. Fourmigué, and O. Tillement, "Micro-Pulling Down Nd:YAG Single Crystal Fibers for High Power Linearly Polarized CW and Q-Switched Lasers," in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2008), paper WB26). Bei dieser Methode wird faserähnliches Material (mit typischen Durchmessern im Bereich 0.2 bis 1.5 mm) aus einer Schmelze oder Lösung gezüchtet, die bei hohen Temperaturen (ähnlich wie in Abschnitt 1) durch eine Düse aus dem Tiegel austritt. Die Düse ist am Tiegelboden angebracht, durch Kapillarität wird daher ein freistehender Tropfen stabilisiert. Durch Animpfen mit einem Keim kann aus dem Tropfen ein faserförmiger Kristall mit nutzbarer Länge von mehreren Zentimetern hergestellt werden.
  • Aus den nach den beschriebenen Verfahren hergestellten ein- oder polykristallinen Festkörpern werden anschließend durch mechanische Bearbeitung Bauelemente in den benötigten Dimensionen hergestellt, an den für den Lichteintritt und Austritt vorgesehenen Seiten optisch poliert und in einer passenden Halterung in ein durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugtes Magnetfeld gebracht.
  • Durch die hohe Verdet Konstante von Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 wird für eine bestimmte gewünschte Drehung der Polarisationsebene der einfallenden Strahlung eine kleinere Probenlänge oder ein kleineres Magnetfeldmodul benötigt. Für die Herstellung von optischen Isolatoren erreicht man dadurch wesentliche Vorteile bei der Grösse und Kompaktheit des Isolators und bei den Herstellungskosten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7166162 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • F. J. Sansalone, Applied Optics Vol. 10 (1971) pp. 2329 [0002]
    • D. Manzi, „Terbium Gallium Garnet – Putting A New Spin On Things, in Lasers and Optronics (February 1989) pp. 63 [0002]
    • G. J. McCarthy, Journal of Applied Crystallography 4 (1971) 399 [0006]
    • D. Sangla, J. Didierjean, N. Aubry, D. Perrodin, F. Balembois, K. Lebbou, A. Brenier, P. Georges, J. Fourmigué, and O. Tillement, ”Micro-Pulling Down Nd:YAG Single Crystal Fibers for High Power Linearly Polarized CW and Q-Switched Lasers,” in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2008), paper WB26 [0007]

Claims (7)

  1. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das Faraday-Rotator Material die Zusammensetzung Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 (mit SE = Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu und mit 0 < x < 0.50) hat.
  2. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 als Einkristall nach dem Zonenschmelzerfahren gezüchtet wird.
  3. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 als Einkristall nach einem Flussmittelverfahren hergestellt wird.
  4. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 nach einem keramischen Verfahren hergestellt wird.
  5. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 als Einkristall nach dem „micro-pulling down” Verfahren gezüchtet wird.
  6. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium Tb2O3 oder Tb2-xSExO3 als Einkristall aus einer Schmelze gezüchtet wird.
  7. Optischer Isolator, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faraday-Rotator aus einem nach Ansprüchen 1 bis 6 hergestellten Material eingesetzt wird.
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