Faraday glass for fiber magneto-optical applications

Y. Zhang (Huaihua University, former visiting student) published his work during his stay in Tanaka lab! This work is in collaboration with Prof. Kaji (Kyoto-U.), Prof. Shimizu and Prof. Shimotsuma. Congrats, Zhang-san! / Y. Zhangさんの仕事がJ. Am. Ceram. Soc. に掲載されました! Y. Zhangさんは昨年中国のJ.Qiuグループから田中研に留学しました（当時D3）。中国での自身のイットリウムアルミニウムシリケートガラスのファイバーレーザーホスト応用の研究を活かし、ファイバー化が可能なファラデー効果を示すガラス組成の研究を行いました。帰国後中国で学位取得、アカデミックポジションを得ています

For the fiber-based magneto-optical devices like Faraday optical isolator, the target magneto-optical glasses are supposed to strike a balance among the following properties: high Verdet constant, chemical and physical stabilities, compatibility with the fiber drawing process and the connectivity to the silica glass fiber networks. In this work, we report on the magneto-optical application of Tb₂O₃-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃ (TASB) glasses as a derivative of the yttrium aluminum silicate (YAS) glass fiber systems which have been intensively studied for their huge potential in the context of all-fiber lasers. We found that magneto-optical properties of the obtained TASB glasses vary systematically with the B₂O₃ contents. The effects of B₂O₃ on the local glass structures and the valence state of Tb ions were clarified via nuclear magnetic resonance (NMR), electron spin resonance (ESR), X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy. B₂O₃ content in TASB glasses leads to a certain degree of depolymerization in glass network and most of Tb⁴⁺ ions from the raw material of Tb₄O₇ are reduced to Tb³⁺ ions even in air, resulting in an improved magneto-optical properties. Due to the relatively high Verdet constant (∼70 rad/T/m) and suitable rheology of the glass melt speculated from the thermal analysis, TASB glass system in this work is adaptable to stable fiber-based Faraday effect devices. / ファラデー光アイソレータのようなファイバーベースの磁気光学デバイスの場合、ターゲットの磁気光学ガラスは、高いベルデ定数、化学的および物理的安定性、ファイバー曳プロセスとの互換性、およびシリカガラスファイバーネットワークとの適合性が求められます。この研究では、イットリウムアルミニウムシリケート（YAS）ガラスファイバーシステムの派生物としてTb₂O₃-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃（TASB）ガラスの磁気光学的応用について報告します。得られたTASBガラスの磁気光学特性はB₂O₃の含有量によって系統的に変化することがわかりました。局所ガラス構造およびTbイオンの原子価状態に対するB₂O₃の影響は、核磁気共鳴（NMR）、電子スピン共鳴（ESR）、X線光電子分光法（XPS）およびラマン分光法によって明らかにされました。 TASBガラスのB₂O₃含有量は、ガラスネットワークの低密度化を引き起こし、Tb₄O₇の原料からのTb⁴⁺イオンのほとんどは、空気中でもTb³⁺イオンに還元され、磁気光学特性が向上します。比較的高いベルデ定数（〜70 rad / T / m）と、熱分析から推測されるガラスメルトの適切なレオロジーにより、このTASBガラス系は、ファイバーベースのファラデー効果デバイスに使えます。

Microstructure and Faraday effect of Tb₂O₃-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃ glasses for fiber based magneto-optical applications, Yeming Zhang, Shunsuke Murai, Ayaka Maeno, Hironori Kaji, Masahiro Shimizu, Yasuhiko Shimotsuma, Zhijun Ma, Jianrong Qiu, Katsuhisa Tanaka, J. Am. Ceram. Soc. First published: 06 October 2021 https://doi.org/10.1111/jace.18163