JP7704049B2 - Terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics and magneto-optical devices - Google Patents
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Description
本発明は、テルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスに関し、より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適なテルビウムを含むガーネット型透明セラミックス、及び該ガーネット型透明セラミックスを磁気光学材料として用いた磁気光学デバイスに関する。 The present invention relates to terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics, and more specifically to terbium-containing garnet-type transparent ceramics suitable for forming magneto-optical devices such as optical isolators, and magneto-optical devices using the garnet-type transparent ceramics as magneto-optical materials.
近年、ファイバーレーザーの高出力化が可能となってきたこともあり、該ファイバーレーザーを用いたレーザー加工機の普及が目覚しい。ところで、レーザー加工機に組み込まれるレーザー光源は、外部からの光が入射すると共振状態が不安定化し、発振状態が乱れる現象が起こる。特に発振された光が途中の光学系で反射されて光源に戻ってくると、発振状態は大きく撹乱される。これを防止するために、通常光アイソレータがレーザー光源と光ファイバーの間など光源の光出射側に設けられる。 In recent years, it has become possible to increase the output of fiber lasers, and laser processing machines using these fiber lasers have become increasingly popular. However, when external light enters the laser light source built into the laser processing machine, the resonance state becomes unstable, causing the oscillation state to become disturbed. In particular, when the oscillated light is reflected by the optical system along the way and returns to the light source, the oscillation state is greatly disturbed. To prevent this, an optical isolator is usually installed on the light output side of the light source, such as between the laser light source and the optical fiber.
光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子とからなる。また、ファラデー回転子は、光の進行方向に平行に磁界を加えて利用する。このとき、光の偏波線分はファラデー回転子中を前進しても後進しても一定方向にしか回転しなくなる。更に、ファラデー回転子は光の偏波線分が丁度45度回転される長さに調整される。ここで、偏光子と検光子の偏波面を前進する光の回転方向に45度ずらしておくと、前進する光の偏波は偏光子位置と検光子位置で一致するため透過する。他方、後進する光の偏波は検光子位置から45度ずれている偏光子の偏波面のずれ角方向とは逆回転に45度回転することになる。すると、偏光子位置における戻り光の偏波面は偏光子の偏波面に対して45度-(-45度)=90度のずれとなり、偏光子を透過できない。こうして前進する光は透過、出射させ、後進する戻り光は遮断する光アイソレータとして機能する。 The optical isolator consists of a Faraday rotator, a polarizer placed on the light input side of the Faraday rotator, and an analyzer placed on the light output side of the Faraday rotator. The Faraday rotator is used by applying a magnetic field parallel to the light's direction of travel. At this time, the polarization line of the light only rotates in a fixed direction whether it moves forward or backward through the Faraday rotator. Furthermore, the Faraday rotator is adjusted to a length that rotates the polarization line of the light exactly 45 degrees. Here, if the polarization planes of the polarizer and analyzer are shifted 45 degrees in the direction of rotation of the forward light, the polarization of the forward light will be transmitted because it matches the polarizer position and the analyzer position. On the other hand, the polarization of the backward light will rotate 45 degrees in the opposite direction to the deviation angle of the polarization plane of the polarizer, which is shifted 45 degrees from the analyzer position. Then, the polarization plane of the returning light at the polarizer position will be shifted 45 degrees - (-45 degrees) = 90 degrees from the polarization plane of the polarizer, and it cannot be transmitted through the polarizer. In this way, it functions as an optical isolator, allowing forward-moving light to pass through and exit, while blocking backward-moving returning light.
上記光アイソレータを構成するファラデー回転子として用いられる材料では、従来からTGG結晶(Tb3Ga5O12)とTSAG結晶((Tb(3-x)Scx)Sc2Al3O12)が知られている(特開2011-213552号公報(特許文献1)、特開2002-293693号公報(特許文献2))。TGG結晶は現在標準的なファイバーレーザー装置用として広く搭載されている。他方TSAG結晶のベルデ定数はTGG結晶の1.3倍程度あるとされており、こちらもファイバーレーザー装置に搭載されてもおかしくない材料であるが、Scが極めて高価な原料であるため、製造コストの面から採用が進んでいない。 As materials used as the Faraday rotator constituting the optical isolator, TGG crystal ( Tb3Ga5O12 ) and TSAG crystal ((Tb (3-x) Scx ) Sc2Al3O12 ) have been known (JP Patent Publication 2011-213552 (Patent Document 1), JP Patent Publication 2002-293693 (Patent Document 2)). TGG crystal is currently widely used in standard fiber laser devices. On the other hand, the Verdet constant of the TSAG crystal is said to be about 1.3 times that of the TGG crystal, and it is also a material that could be used in fiber laser devices. However, because Sc is an extremely expensive raw material, its adoption has not progressed in terms of manufacturing costs.
TGG結晶(Tb3Ga5O12)は製造が比較的容易なため直径4インチ結晶まで引き上げることができ、供給力、コスト力ともに高く、現在もファイバーレーザー装置用のファラデー回転子として広く利用されている。しかしながら、幾つかの問題が顕在化してきており、特にハイパワー帯のファイバーレーザー装置用としての利用が難しいことが明らかとなってきた。具体的には、材料固有の吸収率が高く(波長1064nmにおける吸収係数~0.16%/cm)、かつ屈折率の温度係数dn/dtが大きい点(室温25℃におけるdn/dt=18×10-6(K-1))がネックとなっている。 TGG crystals (Tb 3 Ga 5 O 12 ) are relatively easy to manufacture and can be pulled up to a diameter of 4 inches. They are both highly available and cost-effective, and are currently widely used as Faraday rotators for fiber laser devices. However, several problems have become apparent, and it has become clear that their use in fiber laser devices, particularly in the high power band, is difficult. Specifically, the high material-specific absorption coefficient (absorption coefficient at a wavelength of 1064 nm: 0.16%/cm) and the large temperature coefficient dn/dt of the refractive index (dn/dt = 18 × 10 -6 (K -1 ) at room temperature of 25°C) are bottlenecks.
そのため、TSAG結晶ほど高額ではなく、かつTGG結晶よりも低吸収で屈折率の温度係数dn/dtが小さな新規材料が強く希求されている。そのような候補材料のひとつにTAG結晶(Tb3Al5O12)が知られているが、これまで高品質な単結晶TAGの製造は発明されていない。 Therefore, there is a strong demand for a new material that is less expensive than TSAG crystal, and has lower absorption and a smaller temperature coefficient of refractive index dn /dt than TGG crystal. One such candidate material is TAG crystal ( Tb3Al5O12 ), but the production of high-quality single crystal TAG has not yet been invented.
このような制約がある中で、最近、組成が(TbxY1-x)3Al5O12(x=0.5~1.0)である緻密なセラミックス焼結体が既存のTGG結晶に比べて消光比が高く(既存の35dBが39.5dB以上に改善し)、挿入損失も低減できる(既存の0.05dBが0.01~0.05dBに改善する)ことが開示された(Yan Lin Aung,Akio Ikesue, Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material, J.Am.Ceram.Soc.,(2017),100(9),4081-4087(非特許文献1))。この非特許文献1で開示された材料は、TAG結晶と類似の材料であるが、これまでの単結晶材料とは異なりセラミックスで作製している点が特徴である。これにより、これまで実現できなかった良質なイットリウム置換型のTAG結晶が得られることになった。 In spite of such restrictions, it has been recently disclosed that a dense ceramic sintered body having a composition of (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (x = 0.5 to 1.0) has a higher extinction ratio (improved from the existing 35 dB to 39.5 dB or more) and can reduce insertion loss (improved from the existing 0.05 dB to 0.01 to 0.05 dB) compared to existing TGG crystals (Yan Lin Aung, Akio Ikesue, Development of optical grade (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 ceramics as Faraday rotor material, J. Am. Ceram. Soc., (2017), 100(9), 4081-4087 (Non-Patent Document 1). The material disclosed in this Non-Patent Document 1 is a material similar to TAG crystals, but unlike previous single crystal materials, it is characterized by being made of ceramics. This makes it possible to obtain high-quality yttrium-substituted TAG crystals that have not been possible until now.
更にまた、特開2019-199386号公報(特許文献3)には、(Tb1-x-yYxScy)3(Al1-zScz)5O12(式中、0.05≦x<0.45、0<y<0.1、0.5<1-x-y<0.95、0.004<z<0.2である。)という組成の常磁性ガーネット型透明セラミックスが開示されている。この材料は非特許文献1と類似の組成の材料であるが、Scが有意に添加されている点が異なる。当該材料を用いると、消光比が40dB以上と非特許文献1より更に改善され、100Wレーザーを照射しても熱レンズによる焦点位置の変化量が小さく、実用に耐えうるレベルの光アイソレータとして用いることができ、セラミックス製のためスケールアップも容易な、真に実用的な常磁性ガーネット型透明セラミックスを提供できるとしている。 Furthermore, JP 2019-199386 A (Patent Document 3) discloses a paramagnetic garnet-type transparent ceramic having a composition of (Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (wherein 0.05≦x<0.45, 0<y<0.1, 0.5<1-x-y<0.95, 0.004<z<0.2). This material has a similar composition to Non-Patent Document 1, but differs in that Sc is significantly added. When this material is used, the extinction ratio is further improved to 40 dB or more compared to Non-Patent Document 1, and even when irradiated with a 100 W laser, the amount of change in the focal position due to the thermal lens is small, and it can be used as an optical isolator of a practical level. It is said that a truly practical paramagnetic garnet-type transparent ceramic can be provided that is easy to scale up because it is made of ceramics.
ところで、これら非特許文献1及び特許文献3に開示された公知例では、確かに期待通りTGG結晶に比べて損失が低減でき、またハイパワー照射してもビーム品質の劣化が抑制できた事例が公開されている。おそらくこれらの知見は、材料固有の吸収率がTGG結晶に比べて低くなることに基づいた効果を示しているものと思われる。実際、材料固有の吸収率が低い材料をファラデー回転子として用いることができると、ファイバーレーザー装置の更なる高出力化が可能となるため好ましい。他方、いずれの公知例においても屈折率の温度係数dn/dtについての知見は一切なく、更に問題となるのは、該新規材料が従来のTGG結晶の屈折率の温度係数dn/dt=18×10-6(K-1)に比べてどのような位置づけなのかが全く不明な点である。 Incidentally, in the known examples disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3, it is certainly true that the loss can be reduced as expected compared to TGG crystal, and the deterioration of the beam quality can be suppressed even when irradiated with high power. These findings probably indicate an effect based on the fact that the intrinsic absorption rate of the material is lower than that of TGG crystal. In fact, if a material with a low intrinsic absorption rate can be used as a Faraday rotator, it is preferable because it enables the output of the fiber laser device to be further increased. On the other hand, there is no knowledge about the temperature coefficient of the refractive index dn/dt in any of the known examples, and the further problem is that it is completely unclear how the new material is positioned compared to the temperature coefficient of the refractive index dn/dt = 18 × 10 -6 (K -1 ) of the conventional TGG crystal.
高出力なファイバーレーザー装置への適用が可能なファラデー回転子としての必要条件は、低吸収率と屈折率の温度係数dn/dtの小ささとの掛け合わせ(即ち、これらの要件2つがともに必要)であるが、こうした知見や先行開示例は存在しない。 The necessary condition for a Faraday rotator that can be applied to a high-power fiber laser device is a combination of low absorption and a small temperature coefficient of refractive index dn/dt (i.e., both of these requirements are necessary), but there is no knowledge or prior disclosure of this.
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、テルビウムとイットリウムとアルミニウムとを含み、該テルビウムの含有体積モル濃度がイットリウムの含有体積モル濃度以上である複合酸化物の焼結体であって、波長1064nmで低吸収率であると共に、その屈折率の温度係数が既存のTGG結晶の半分以下であるテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス及びそれを用いた磁気光学デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide containing terbium, yttrium, and aluminum, in which the volume molar concentration of the terbium is equal to or greater than the volume molar concentration of the yttrium, has low absorption at a wavelength of 1064 nm, and has a temperature coefficient of refractive index that is half or less than that of existing TGG crystals, and a magneto-optical device using the same.
本発明は、上記目的を達成するため、下記のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス及び磁気光学デバイスを提供する。
1.
下記式(1)で表される複合酸化物の焼結体であり、波長1064nmにおけるベルデ定数が30rad/(T・m)以上であり、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveが9.0×10-6(K-1)以下であることを特徴とするテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス。
(Tb
1-x-y
Y
x
Sc
y
)
3
(Al
1-z
Sc
z
)
5
O
12
(1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0.0005≦y<0.08、0.6<1-x-y<0.95、0.0004≦z<0.15、0.0009≦y+z<0.2である。)
2.
更に、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下含有する1に記載のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス。
3.
1又は2に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスを磁気光学材料として用いて構成される磁気光学デバイス。
4.
上記テルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスをファラデー回転子として備え、該ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えた波長帯0.9μm以上1.1μm以下で利用可能な光アイソレータである3に記載の磁気光学デバイス。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics and magneto-optical device.
1.
A terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula (1) , characterized in that the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm is 30 rad/(T·m) or more, and the average temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30 and 40°C is 9.0 x 10 -6 (K -1 ) or less.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In the formula, 0.05≦x≦0.4, 0.0005≦y<0.08, 0.6<1−x−y<0.95, 0.0004≦z<0.15, and 0.0009≦y+z<0.2.)
2 .
2. The terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to 1 , further comprising more than 0 mass % and 0.1 mass % or less of SiO 2 as a sintering aid.
3 .
3. A magneto-optical device comprising the paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to claim 1 or 2 as a magneto-optical material.
4 .
4. The magneto-optical device according to 3 , which is an optical isolator that has the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic as a Faraday rotator and has polarizing materials in front of and behind the optical axis of the Faraday rotator and can be used in the wavelength range of 0.9 μm to 1.1 μm.
本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスによれば、屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(dn(1064)/dt)aveが9.0×10-6(K-1)以下と、従来のTGG結晶のそれに比べて略半減以下であるため本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスをレーザー装置に適用した場合、当該材料の屈折率変化に起因する熱レンズ発生量も半減する。即ち、既存TGG結晶に比べて最低でも2倍の高出力レーザー装置への適用が可能となる。 According to the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention, the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficients of refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt is 9.0×10 -6 (K -1 ) or less, which is roughly half that of conventional TGG crystals, so that when the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is applied to a laser device, the amount of thermal lens generation caused by changes in the refractive index of the material is also halved. In other words, it can be applied to high-output laser devices that are at least twice as high as those of existing TGG crystals.
<テルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス>
以下、本発明に係るテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックス(単に、透明セラミックスということがある)について説明する。
本発明の透明セラミックスは、テルビウムとイットリウムとアルミニウムとを含み、該テルビウムの含有体積モル濃度がイットリウムの含有体積モル濃度以上である複合酸化物の焼結体であり、波長1064nmにおけるベルデ定数が30rad/(T・m)以上であり、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveが9.0×10-6(K-1)以下であることを特徴とするものである。
<Terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics>
The terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics (sometimes simply referred to as transparent ceramics) according to the present invention will be described below.
The transparent ceramic of the present invention is a sintered body of a complex oxide containing terbium, yttrium, and aluminum, in which the volume molar concentration of the terbium is equal to or greater than the volume molar concentration of the yttrium, and is characterized in that the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm is 30 rad/(T·m) or more, and the average temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40°C is 9.0 x 10 -6 (K -1 ) or less.
ここで、本発明の透明セラミックスの波長1064nmでのベルデ定数が30rad/(T・m)以上であり、好ましくは32rad/(T・m)以上である。ガーネット型酸化物焼結体を構成する組成においてテルビウムの含有体積モル濃度がイットリウムの含有体積モル濃度以上となるように管理され、透明セラミックスの製造方法として後述するように各工程において適切な条件で製造されることにより、上記ベルデ定数が得られる。 The Verdet constant of the transparent ceramic of the present invention at a wavelength of 1064 nm is 30 rad/(T·m) or more, and preferably 32 rad/(T·m) or more. The above Verdet constant can be obtained by controlling the volume molar concentration of terbium in the composition constituting the garnet-type oxide sintered body to be equal to or greater than the volume molar concentration of yttrium, and by manufacturing the transparent ceramic under appropriate conditions in each process as described below.
また、本発明の透明セラミックスの波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(dn(1064)/dt)aveが9.0×10-6(K-1)以下であり、好ましくは8.9×10-6(K-1)以下である。本発明の透明セラミックスの組成を後述する式(1)で示される組成範囲とし、透明セラミックスの製造方法として後述するように各工程において適切な条件で製造されることにより、上記屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveが得られる。 Furthermore, the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficients of refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt of the transparent ceramic of the present invention at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. is 9.0×10 -6 (K -1 ) or less, and preferably 8.9×10 -6 (K -1 ) or less. The average value of the temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave can be obtained by setting the composition of the transparent ceramic of the present invention within the composition range represented by formula (1) described later and producing the transparent ceramic under appropriate conditions in each step as described later in the method for producing the transparent ceramic.
ここでいう、屈折率の温度係数dn(λ,T)/dtは、対象の透明セラミックスの波長λ(nm)、温度T(℃)における屈折率の温度係数であり、JIS B7071-2(光学ガラスの屈折率測定方法-第2部:Vブロック法)に準拠した方法により求められるものである。本発明で規定する波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveは、以下のようにして求められる。
まず、所定の屈折率Nを有するVブロックプリズム上に測定対象の透明セラミックスの底面の2面が直角二等辺三角形の三角柱形状のブロックサンプルを載せ、プリズムの壁面法線上から波長の異なる4種の標準レーザー光(例えば、波長785.4nm、830.5nm、1310nm、1550nmのレーザー光)を入射して、このときの透過するVブロックプリズムとブロックサンプルとで屈折され、プリズムの反対側の壁面から出射した光の角度(偏角i*)から下記式を用いて、波長ごとの測定対象のブロックサンプルの屈折率nを算出する。このとき、Vブロックプリズムとブロックサンプルの温度(試料温度)を20℃、30℃、40℃としておき、それぞれの試料温度における4波長ごとの屈折率を測定する。
n={N2+sini*・(N2-sin2i*)1/2}1/2
次いで、試料温度20℃、30℃、40℃ごとの算出された4波長での屈折率の値からセルマイヤーの分散公式を元に波長1064nmでの試料温度20℃、30℃、40℃ごとの屈折率を導出し、それぞれ波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtとし、それらの平均値を測定対象の透明セラミックスの波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(dn(1064)/dt)aveとする。
このような測定は精密屈折計(例えば、(株)島津製作所製、カルニュー精密屈折計KPR-3000型)を使用して、該装置の全自動測定モードにて測定するとよい。
The temperature coefficient of refractive index dn(λ, T)/dt referred to here is the temperature coefficient of refractive index of the target transparent ceramic at wavelength λ (nm) and temperature T (°C), and is determined by a method conforming to JIS B7071-2 (Method of measuring refractive index of optical glass - Part 2: V-block method). The average value of the temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40°C specified in the present invention is determined as follows.
First, a triangular prism-shaped block sample made of transparent ceramic to be measured, with the two bottom faces forming right-angled isosceles triangles, is placed on a V-block prism having a predetermined refractive index N, and four types of standard laser light with different wavelengths (e.g., laser light with wavelengths of 785.4 nm, 830.5 nm, 1310 nm, and 1550 nm) are incident on the normal to the wall of the prism, and the refractive index n of the block sample to be measured for each wavelength is calculated from the angle (deflection angle i * ) of the light that is refracted by the V-block prism and the block sample and emitted from the wall on the opposite side of the prism, using the following formula: At this time, the temperatures (sample temperatures) of the V-block prism and the block sample are set to 20° C., 30° C., and 40° C., and the refractive indexes for each of the four wavelengths at each sample temperature are measured.
n={N 2 +sini *・(N 2 -sin 2 i * ) 1/2 } 1/2
Next, from the refractive index values calculated at the four wavelengths for sample temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C, the refractive index at a wavelength of 1064 nm for sample temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C is derived based on Sellmeier's dispersion formula, and the temperature coefficients of the refractive index at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C are respectively defined as dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt. The average of these temperature coefficients is defined as the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficients of the refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt of the transparent ceramic to be measured at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40°C.
Such measurements may be carried out using a precision refractometer (for example, Kalnew Precision Refractometer KPR-3000, manufactured by Shimadzu Corporation) in a fully automatic measurement mode of the device.
なお、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(dn(1064)/dt)aveを9.0×10-6(K-1)以下に管理することができると、TGG結晶についての波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(18×10-6(K-1))の半分の値以下となるため、本発明の透明セラミックス中に波長1064nmのハイパワーレーザーを照射させた場合の屈折率変化に起因する熱レンズ発生量がTGG結晶の場合の半分以下となって、ハイパワー適用耐性が実質2倍以上となり好ましい。 In addition, if the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficients of refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. can be controlled to 9.0×10 −6 (K −1 ) or less, the average value (18×10 −6 (K −1 ) of the temperature coefficients of refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt for the TGG crystal at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. ) is less than half the value of the TGG crystal, and the amount of thermal lens generation caused by the change in refractive index when the transparent ceramic of the present invention is irradiated with a high-power laser having a wavelength of 1064 nm is less than half that in the case of the TGG crystal, and the high-power application resistance is essentially doubled or more, which is preferable.
更に、本発明の透明セラミックスの詳細な組成としては下記式(1)で示されるものであることが好ましい。
(Tb1-x-yYxScy)3(Al1-zScz)5O12 (1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0≦y<0.08、0.52<1-x-y<0.95、0≦z<0.15、0.001<y+z<0.2である。)
Furthermore, the specific composition of the transparent ceramic of the present invention is preferably represented by the following formula (1).
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In the formula, 0.05≦x≦0.4, 0≦y<0.08, 0.52<1−x−y<0.95, 0≦z<0.15, and 0.001<y+z<0.2.)
ここで、式(1)で表される濃度範囲でテルビウム(Tb)を添加することで十分なベルデ定数を担保し、式(1)で表される濃度範囲でイットリウム(Y)を添加することで異相の抑制と内部歪みの極小化を担保できる。また、スカンジウム(Sc)を式(1)で表される濃度範囲で添加することで異相の完全消滅を達成している。
更に、アルミニウム(Al)を式(1)で表される濃度範囲で添加することで十分なベルデ定数の担保、並びに比較的高い熱伝導率を付与させている。
Here, a sufficient Verdet constant can be ensured by adding terbium (Tb) in the concentration range expressed by formula (1), and suppression of heterogeneous phases and minimization of internal strain can be ensured by adding yttrium (Y) in the concentration range expressed by formula (1). Also, complete annihilation of heterogeneous phases is achieved by adding scandium (Sc) in the concentration range expressed by formula (1).
Furthermore, by adding aluminum (Al) in the concentration range represented by formula (1), a sufficient Verdet constant is ensured and a relatively high thermal conductivity is imparted.
なお、式(1)におけるx、y、zに関する数値範囲は詳しくは以下のとおりである。
式(1)中、xの範囲は0.05≦x≦0.4であり、0.1≦x≦0.4が好ましく、0.2≦x≦0.4が更に好ましい。xがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができる。
The detailed numerical ranges for x, y, and z in formula (1) are as follows:
In formula (1), the range of x is 0.05≦x≦0.4, preferably 0.1≦x≦0.4, and more preferably 0.2≦x≦0.4. When x is in this range, the perovskite type heterophase can be reduced to a level that is not detected by X-ray diffraction (XRD) analysis.
xが0.05未満の場合、イットリウムでテルビウムの一部を置換する効果が得られず実質TAGを作製する条件と変わらなくなり、そのため低散乱、低吸収の高品質なセラミックス焼結体を安定製造することが困難となるため好ましくない。また、xが0.4よりも大きい場合、波長1064nmでのベルデ定数が32rad/(T・m)未満となるため好ましくない。更にテルビウムの相対濃度が過剰に薄まると、波長1064nmのレーザー光を45度回転させるのに必要な全長が25mmを超えて長くなり、製造が難しくなるため好ましくない。 If x is less than 0.05, the effect of substituting part of the terbium with yttrium is not obtained, and the conditions are essentially the same as those for producing TAG, which is undesirable because it is difficult to stably produce a high-quality ceramic sintered body with low scattering and low absorption. Also, if x is greater than 0.4, it is undesirable because the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm is less than 32 rad/(T·m). Furthermore, if the relative concentration of terbium becomes excessively low, the total length required to rotate the laser light with a wavelength of 1064 nm by 45 degrees exceeds 25 mm, which is undesirable because it makes production difficult.
式(1)中、yの範囲は0≦y<0.08であり、0.001<y<0.004が好ましく、0.002<y<0.004がより好ましい。yがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1), the range of y is 0≦y<0.08, preferably 0.001<y<0.004, and more preferably 0.002<y<0.004. When y is in this range, it is preferable because the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, it is preferable because it is possible to prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.
yが0.08以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 When y is 0.08 or more, the effect of inhibiting the precipitation of the perovskite-type heterophase or alumina heterophase saturates and remains unchanged, while the sintering inhibition effect of scandium is excessively effective, resulting in uneven sintering, residual sintering distortion, or residual grain boundary scattering, which is undesirable as it results in a local decrease in the extinction ratio and a decrease in the average value of the thermal conductivity.
式(1)中、1-x-yの範囲は0.52<1-x-y<0.95であり、0.6≦1-x-y<0.8がより好ましい。1-x-yがこの範囲にあると大きなベルデ定数を確保できると共に波長1064nmにおいて高い透明性が得られる。 In formula (1), the range of 1-x-y is 0.52<1-x-y<0.95, and more preferably 0.6≦1-x-y<0.8. When 1-x-y is in this range, a large Verdet constant can be ensured and high transparency can be obtained at a wavelength of 1064 nm.
(1)式中、zの範囲は0≦z<0.15であり、0.001<z<0.004が好ましい。zがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 In formula (1), the range of z is 0≦z<0.15, and preferably 0.001<z<0.004. When z is in this range, the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis, which is preferable. Furthermore, it is preferable because it can prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.
zが0.15以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 When z is 0.15 or more, the effect of inhibiting the precipitation of the perovskite-type heterophase or alumina heterophase saturates and remains unchanged, while the sintering inhibition effect of scandium is excessively effective, resulting in uneven sintering, residual sintering distortion, or residual grain boundary scattering, which results in a local decrease in the extinction ratio and a decrease in the average value of the thermal conductivity, which is not preferable.
本発明の透明セラミックスでは、スカンジウム(Sc)を上記式(1)のy、zの範囲内で添加することができる。スカンジウムの添加量y及びzはそれぞれ片方だけでみれば範囲として0を含む。但し、常磁性ガーネット型透明セラミックス全体の組成としてみた場合には、y+zは0.001を超えて式(1)の範囲内で添加することで、高度に透明な焼結体を安定して製造することが可能となるため好ましい。 In the transparent ceramics of the present invention, scandium (Sc) can be added within the range of y and z in the above formula (1). The amount of scandium added, y and z, includes 0 when viewed alone. However, when viewed as the composition of the entire paramagnetic garnet-type transparent ceramics, it is preferable to add y+z in excess of 0.001 within the range of formula (1), since this makes it possible to stably produce a highly transparent sintered body.
即ち、(1)式中、y+zの範囲は0.001<y+z<0.2であり、0.002<y+z<0.005がより好ましく、0.003<z<0.005が更に好ましい。y+zがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができるため好ましい。更にまた、焼結体の均質性や粒界散乱に起因する熱伝導率の過度な低下を防止できるため好ましい。 That is, in formula (1), the range of y + z is 0.001 < y + z < 0.2, more preferably 0.002 < y + z < 0.005, and even more preferably 0.003 < z < 0.005. When y + z is in this range, it is preferable because the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, it is preferable because it is possible to prevent an excessive decrease in thermal conductivity due to the homogeneity of the sintered body and grain boundary scattering.
y+zが0.001以下の場合、ペロブスカイト型の異相やアルミナ異相が析出するリスクが高まるため好ましくない。またy+zが0.2以上の場合、ペロブスカイト型異相、ないしはアルミナ異相の析出抑制効果が飽和して変わらない中、スカンジウムの焼結抑制効果が過度に効くことに起因する焼結ムラや焼結歪みの残存、ないしは粒界散乱の残存が生じ、その結果、消光比の局所低下や熱伝導率の平均値の低下が生じるため好ましくない。 When y + z is 0.001 or less, the risk of precipitation of perovskite-type heterophases or alumina heterophases increases, which is not preferable. Also, when y + z is 0.2 or more, while the effect of inhibiting the precipitation of perovskite-type heterophases or alumina heterophases saturates and remains unchanged, the sintering inhibition effect of scandium is excessively effective, resulting in uneven sintering, residual sintering distortion, or residual grain boundary scattering, which is not preferable as a result of localized decreases in the extinction ratio and a decrease in the average value of thermal conductivity.
なお、本発明の透明セラミックスでは、ガーネット構造中の6配位サイトと4配位サイトの主成分をアルミニウム(Al)とすることが好ましい。これらのサイトの主成分をアルミニウム(Al)で構成できると、結晶の結合性が向上し、ひいては波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveを小さくできる。特に、上記式(1)のように、このアルミニウム(Al)の6配位サイトと4配位サイトとを占める割合が1-z(0≦z<0.15)であると、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveを9.0×10-6(K-1)以下に管理することができる。 In the transparent ceramics of the present invention, it is preferable that the main component of the 6-coordinated sites and the 4-coordinated sites in the garnet structure is aluminum (Al). If the main component of these sites can be aluminum (Al), the bonding strength of the crystal is improved, and the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficient of the refractive index at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. can be reduced. In particular, as in the above formula (1), if the ratio of the 6-coordinated sites and the 4-coordinated sites of aluminum (Al) is 1-z (0≦z<0.15), the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficient of the refractive index at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. can be controlled to 9.0×10 −6 (K −1 ) or less.
また、本発明の透明セラミックスでは8配位サイトの主成分としてテルビウム(Tb)とイットリウム(Y)を選定し、且つテルビウムの濃度を1-x-y(0.52<1-x-y<0.95)、イットリウムの濃度をx(0.05≦x≦0.4)の範囲で管理することが好ましい。テルビウムの濃度がこの範囲で管理されていると、波長1064nmでのベルデ定数が32rad/(T・m)以上確保可能となる。テルビウムの濃度が当該範囲にあり、且つイットリウムの濃度を前記の範囲で管理すると、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveを9.0×10-6(K-1)以下に管理可能となる。
なお、この2つの成分Tb、Yはそれぞれが同時に前記の範囲を満たした際に、該2つの特性(ベルデ定数、上記屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)ave)を同時に満たすことが可能となる。
In addition, in the transparent ceramics of the present invention, it is preferable to select terbium (Tb) and yttrium (Y) as the main components of the 8-coordinated site, and to control the terbium concentration in the range of 1-x-y (0.52<1-x-y<0.95) and the yttrium concentration in the range of x (0.05≦x≦0.4). When the terbium concentration is controlled in this range, the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm can be ensured to be 32 rad/(T·m) or more. When the terbium concentration is in this range and the yttrium concentration is controlled in the above range, the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficient of refractive index at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. can be controlled to 9.0×10 −6 (K −1 ) or less.
When these two components Tb and Y simultaneously satisfy the above-mentioned ranges, it becomes possible for the two characteristics (Verdet constant, average value of the temperature coefficient of the refractive index (dn(1064)/dt) ave ) to be satisfied simultaneously.
ところで本発明で得られる常磁性ガーネット型透明セラミックスは、式(1)で表される範囲の組成の成分を主成分として含有し、副成分として、焼結助剤の役割をはたすSiO2を0.1質量%を限度として、それ以下の範囲で含有する(即ち、含有量0質量%超0.1質量%以下である)ことが好ましい。焼結助剤としてSiO2がこの範囲で含有されていると、得られる常磁性ガーネット型セラミックスの透明性が実用に耐えるレベルまで向上し、且つ安定するため好ましい。 The paramagnetic garnet-type transparent ceramic obtained by the present invention preferably contains as a main component the components represented by the formula (1) and as a secondary component SiO2 acting as a sintering aid in an amount of up to 0.1 mass% (i.e., the content is more than 0 mass% and 0.1 mass% or less). When SiO2 is contained as a sintering aid in this range, the transparency of the obtained paramagnetic garnet-type ceramic is improved to a practical level and is stable, which is preferable.
ここで、「主成分として含有する」とは、上記式(1)で表される複合酸化物を90質量%以上含有することを意味する。式(1)で表される複合酸化物の含有量は99質量%以上であることが好ましく、99.9質量%以上であることがより好ましく、99.99質量%以上であることが更に好ましく、99.999質量%以上であることが特に好ましい。 Here, "containing as a main component" means containing 90% by mass or more of the complex oxide represented by the above formula (1). The content of the complex oxide represented by formula (1) is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.9% by mass or more, even more preferably 99.99% by mass or more, and particularly preferably 99.999% by mass or more.
また、本発明の透明セラミックスは、上記の主成分と副成分とで構成されるが、更に他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、ルテチウム(Lu)、セリウム(Ce)等の希土類元素、あるいは様々な不純物群として、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、燐(P)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等が典型的に例示できる。 The transparent ceramics of the present invention are composed of the above-mentioned main components and sub-components, but may further contain other elements. Typical examples of other elements include rare earth elements such as lutetium (Lu) and cerium (Ce), and various impurities such as sodium (Na), calcium (Ca), magnesium (Mg), phosphorus (P), tungsten (W), and molybdenum (Mo).
その他の元素の含有量は、Tb及びYの全量を100質量部としたとき、10質量部以下であることが好ましく、0.1質量部以下であることが更に好ましく、0.001質量部以下(実質的にゼロ)であることが特に好ましい。 The content of other elements is preferably 10 parts by mass or less, more preferably 0.1 parts by mass or less, and particularly preferably 0.001 parts by mass or less (substantially zero), when the total amount of Tb and Y is 100 parts by mass.
本発明の透明セラミックスは、前述の条件の組成で製造することにより熱伝導率を4.8W/m・K以上に仕上げることができる。熱伝導率の測定はJIS R1611に準拠し、レーザーフラッシュ法にて評価できる。 By manufacturing the transparent ceramics of the present invention with the composition described above, it is possible to achieve a thermal conductivity of 4.8 W/m·K or more. Thermal conductivity can be measured in accordance with JIS R1611 and evaluated by the laser flash method.
<テルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスの製造方法>
[原料]
本発明で用いる原料としては、テルビウム、イットリウム、スカンジウム、アルミニウムの各酸化物粉末を出発原料として利用する。この時の原料純度は99.9質量%以上が好ましく、99.99質量%以上が特に好ましい。
それらの元素を所定量秤量し、更に酸化シリコン(SiO2)を0質量%超0.1質量%以下含有して、適宜湿式ボールミル、乃至はビーズミルによって処理する。
<Method of manufacturing terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics>
[Raw materials]
The raw materials used in the present invention are terbium, yttrium, scandium, and aluminum oxide powders, and the purity of the raw materials is preferably 99.9% by mass or more, and more preferably 99.99% by mass or more.
These elements are weighed in predetermined amounts, and silicon oxide (SiO 2 ) is further added in an amount of more than 0 mass % and 0.1 mass % or less, and the mixture is appropriately treated using a wet ball mill or a bead mill.
本発明で用いるガーネット型酸化物粉末原料中には、その後のセラミック(ス挿入?)製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。ただし、これらの有機添加剤としては、不要な金属イオンが含有されない、高純度のタイプを選定することが好ましい。また、それぞれの有機添加剤の添加順序は、製造しようとする原料の性状(粒度分布等)を管理することを阻害しないよう、適切に設計される必要がある。 Various organic additives may be added to the garnet-type oxide powder raw material used in the present invention for the purpose of improving the quality stability and yield in the subsequent ceramic (insertion?) manufacturing process. In the present invention, these are not particularly limited. In other words, various dispersants, binders, lubricants, plasticizers, etc. can be suitably used. However, it is preferable to select high-purity types of these organic additives that do not contain unnecessary metal ions. In addition, the order of addition of each organic additive must be properly designed so as not to interfere with the management of the properties (particle size distribution, etc.) of the raw material to be manufactured.
[製造工程]
本発明では、上記原料粉末を用いて所定形状にプレス成形するか、あるいは湿式スラリーをそのまま鋳込み成形処理して成形体を作製することができる。得られた成形体について十分に脱脂を行い、次いで焼結して、相対密度が最低でも94%以上に緻密化した焼結体を作製する。その後工程として熱間等方圧プレス(HIP(Hot Isostatic Pressing))処理を行うことが好ましい。なお熱間等方圧プレス(HIP)処理をそのまま施すと、常磁性ガーネット型透明セラミックスが還元されて若干の酸素欠損を生じてしまう。そのため微酸化HIP処理、ないしはHIP処理後に酸化雰囲気でのアニール処理(酸化アニール処理)を施すことにより酸素欠損を回復させることが好ましい。これにより、欠陥吸収のない透明なガーネット型酸化物セラミックスを得ることができる。
[Manufacturing process]
In the present invention, the raw material powder is pressed into a predetermined shape, or the wet slurry is cast in place to produce a molded body. The obtained molded body is thoroughly degreased and then sintered to produce a sintered body with a relative density of at least 94%. It is preferable to carry out a hot isostatic pressing (HIP) process as a subsequent process. If the hot isostatic pressing (HIP) process is carried out as is, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics will be reduced and some oxygen deficiency will occur. Therefore, it is preferable to carry out a slight oxidation HIP process or an annealing process in an oxidizing atmosphere (oxidation annealing process) after the HIP process to recover the oxygen deficiency. This makes it possible to obtain a transparent garnet-type oxide ceramics without defect absorption.
(成形)
本発明においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、型に充填して一定方向から加圧する一軸プレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧する冷間静水圧加圧(CIP(Cold Isostatic Pressing))工程や温間静水圧加圧(WIP(Warm Isostatic Pressing))工程が好適に利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のCIP装置やWIP装置で対応可能な300MPa以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。更にプレス成形法ではなく、鋳込み成形法による成形体の作製も可能である。加圧鋳込み成形や遠心鋳込み成形、押出し成形等の成形法も、出発原料である酸化物粉末の形状やサイズと各種の有機添加剤との組合せを最適化することで、採用可能である。
(molding)
In the present invention, a normal press molding process can be suitably used. That is, a very common uniaxial pressing process in which a mold is filled and pressurized from a certain direction, a cold isostatic pressing (CIP) process in which a mold is sealed and stored in a deformable waterproof container and pressurized with hydrostatic pressure, and a warm isostatic pressing (WIP) process can be suitably used. The applied pressure can be appropriately adjusted while checking the relative density of the obtained molded body, and is not particularly limited. For example, the manufacturing cost can be reduced by managing the pressure within a pressure range of about 300 MPa or less that can be handled by a commercially available CIP device or WIP device. Alternatively, a hot press process, a discharge plasma sintering process, a microwave heating process, etc. in which not only the molding process but also sintering is performed at once during molding can also be suitably used. Furthermore, it is also possible to produce a molded body by a casting molding method instead of a press molding method. Molding methods such as pressure casting, centrifugal casting, and extrusion molding can also be employed by optimizing the shape and size of the oxide powder starting material and the combination of various organic additives.
(脱脂)
本発明においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解除去できる温度まで昇温することが好ましい。
(Degreasing)
In the present invention, a normal degreasing process can be suitably used. That is, a temperature-raising degreasing process using a heating furnace can be used. The type of atmospheric gas used is not particularly limited, and air, oxygen, hydrogen, etc. can be suitably used. There is no particular limit to the degreasing temperature, but if a raw material containing an organic additive is used, it is preferable to raise the temperature to a temperature at which the organic components can be decomposed and removed.
(焼結)
本発明においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されず、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス、ヘリウムガス等の各種雰囲気、あるいはまた、減圧下(真空中)での焼結も可能である。ただし、最終的に酸素欠損の発生を防止することが好ましいため、より好ましい雰囲気としては、酸素ガス、減圧酸素ガス雰囲気が例示される。
(Sintering)
In the present invention, a general sintering process can be preferably used. That is, a heat sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be preferably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, and sintering can be performed in various atmospheres such as an inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, helium gas, or under reduced pressure (vacuum). However, since it is preferable to prevent the occurrence of oxygen deficiency in the end, more preferable atmospheres include an oxygen gas atmosphere and a reduced pressure oxygen gas atmosphere.
本発明の焼結工程における焼結温度は、1440~1780℃が好ましく、1470~1730℃が特に好ましい。焼結温度がこの範囲にあると、異相析出を抑制しつつ緻密化が促進されるため好ましい。 The sintering temperature in the sintering process of the present invention is preferably 1440 to 1780°C, and particularly preferably 1470 to 1730°C. A sintering temperature in this range is preferable because it promotes densification while suppressing the precipitation of different phases.
本発明の焼結工程における焼結保持時間は数時間程度で十分だが、焼結体の相対密度は最低でも94%以上に緻密化させなければいけない。また10時間以上長く保持させて焼結体の相対密度を99%以上に緻密化させておくと、最終的な透明性が向上するため、更に好ましい。 In the sintering process of the present invention, a sintering holding time of several hours is sufficient, but the relative density of the sintered body must be densified to at least 94%. It is even more preferable to hold the sintering for 10 hours or more to densify the relative density of the sintered body to 99% or more, as this improves the final transparency.
(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP)処理を行う工程を設けることができる。
なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr-O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50~300MPaが好ましく、100~300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では透明性改善効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の透明性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。
(Hot Isostatic Pressing (HIP))
In the present invention, a step of performing hot isostatic pressing (HIP) can be additionally provided after the sintering step.
In this case, the type of pressurized gas medium is preferably an inert gas such as argon or nitrogen, or Ar- O2 . The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50 to 300 MPa, more preferably 100 to 300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the transparency improvement effect may not be obtained, and if the pressure exceeds 300 MPa, no further improvement in transparency can be obtained even if the pressure is increased, and the load on the device becomes too heavy, which may damage the device. It is convenient and preferable that the applied pressure is 196 MPa or less, which can be processed by a commercially available HIP device.
また、その際の処理温度(所定保持温度)は1100~1780℃、好ましくは1200~1730℃の範囲で設定される。熱処理温度が1780℃超では酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。また、熱処理温度が1100℃未満では焼結体の透明性改善効果がほとんど得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、あまり長時間保持すると酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。典型的には1~3時間の範囲で好ましく設定される。 The treatment temperature (predetermined holding temperature) is set in the range of 1100 to 1780°C, preferably 1200 to 1730°C. Heat treatment temperatures above 1780°C are undesirable because they increase the risk of oxygen vacancies. Heat treatment temperatures below 1100°C are undesirable because they do not improve the transparency of the sintered body. There are no particular restrictions on the holding time of the heat treatment temperature, but holding for too long is undesirable because it increases the risk of oxygen vacancies. Typically, it is preferably set in the range of 1 to 3 hours.
なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(Pt)が好適に利用でき、処理容器として更に酸化イットリウム、酸化ガドリニウムも好適に利用できる。特に処理温度が1500℃以下である場合、ヒーター材、断熱材、処理容器として白金(Pt)が使用でき、かつ加圧ガス媒体をAr-O2とすることができるため、HIP処理中の酸素欠損の発生を防止できるため好ましい。処理温度が1500℃を超える場合にはヒーター材、断熱材としてグラファイトが好ましいが、この場合は処理容器としてグラファイト、モリブデン(Mo)、タングステン(W)のいずれかを選定し、更にその内側に二重容器として酸化イットリウム、酸化ガドリニウムのいずれかを選定したうえで、容器内に酸素放出材を充填しておくと、HIP処理中の酸素欠損発生量を極力少なく抑えられるため好ましい。 The heater material, heat insulating material, and processing vessel for HIP processing are not particularly limited, but graphite, molybdenum (Mo), tungsten (W), and platinum (Pt) can be preferably used, and yttrium oxide and gadolinium oxide can also be preferably used as the processing vessel. In particular, when the processing temperature is 1500°C or lower, platinum (Pt) can be used as the heater material, heat insulating material, and processing vessel, and the pressurized gas medium can be Ar- O2 , which is preferable because it can prevent the occurrence of oxygen deficiency during HIP processing. When the processing temperature exceeds 1500°C, graphite is preferable as the heater material and heat insulating material, but in this case, it is preferable to select graphite, molybdenum (Mo), or tungsten (W) as the processing vessel, and further select yttrium oxide or gadolinium oxide as a double vessel inside it, and then fill the vessel with an oxygen release material, since the amount of oxygen deficiency generated during HIP processing can be suppressed to a minimum.
(アニール)
本発明においては、HIP処理を終えた後に、得られた透明セラミックス焼結体中に酸素欠損が生じてしまい、かすかに薄灰色の外観を呈する場合がある。その場合には、前記HIP処理温度以下、典型的には1000~1500℃にて、好ましくは1400℃以上、より好ましくは1,450℃以上1,500℃以下で、酸素雰囲気ないしは大気下で酸化アニール処理(酸素欠損回復処理)を施すことが好ましい。この場合の保持時間は特に制限されないが、酸素欠損が回復するのに十分な時間以上で、かつ無駄に長時間処理して電気代を消耗しない時間内で選択されることが好ましい。該酸素アニール処理により、たとえHIP処理工程でかすかに薄灰色の外観を呈してしまった透明セラミックス焼結体であっても、すべて無色透明の欠陥吸収のない常磁性ガーネット型透明セラミックス体とすることができる。
(Annealing)
In the present invention, after the HIP treatment, oxygen deficiency may occur in the obtained transparent ceramic sintered body, and the body may have a faint light gray appearance. In that case, it is preferable to perform an oxidation annealing treatment (oxygen deficiency recovery treatment) in an oxygen atmosphere or air at a temperature below the HIP treatment temperature, typically 1000 to 1500°C, preferably 1400°C or higher, more preferably 1,450°C to 1,500°C. In this case, the holding time is not particularly limited, but it is preferable to select a time that is sufficient to recover the oxygen deficiency and is within a time that does not consume electricity by performing the treatment for a long time unnecessarily. By the oxygen annealing treatment, even if the transparent ceramic sintered body has a faint light gray appearance in the HIP treatment process, it can be made into a colorless, transparent, paramagnetic garnet-type transparent ceramic body without defect absorption.
(光学研磨)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/2以下が好ましく、λ/8以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(optical polishing)
In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to optically polish both end faces on the optically utilized axis of the paramagnetic garnet-type transparent ceramics that has undergone the above-mentioned series of manufacturing steps. In this case, the optical surface accuracy is preferably λ/2 or less, and particularly preferably λ/8 or less, when the measurement wavelength λ is 633 nm. It is also possible to further reduce optical loss by appropriately forming an anti-reflection film on the optically polished surface.
以上のようにして、本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスを提供することができる。該透明セラミックスは波長帯0.9μm以上1.1μm以下で動作可能なファラデー回転子として利用できる。 In this manner, the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention can be provided. The transparent ceramic can be used as a Faraday rotator that can operate in the wavelength range of 0.9 μm or more and 1.1 μm or less.
[磁気光学デバイス]
更に、本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスは磁気光学材料として利用することを想定しているため、該透明セラミックスにその光学軸と平行に磁場を印加したうえで、偏光子、検光子とを互いにその光軸が45度ずれるようにセットして磁気光学デバイスを構成利用することが好ましい。即ち、本発明の透明セラミックス料は、磁気光学デバイス用途に好適であり、特に波長0.9~1.1μmの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
[Magneto-optical devices]
Furthermore, since the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is intended to be used as a magneto-optical material, it is preferable to apply a magnetic field parallel to the optical axis of the transparent ceramic, and then set a polarizer and an analyzer so that their optical axes are shifted by 45 degrees from each other to form a magneto-optical device. That is, the transparent ceramic material of the present invention is suitable for magneto-optical device applications, and is particularly suitable for use as a Faraday rotator for an optical isolator with a wavelength of 0.9 to 1.1 μm.
図1は、本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスからなるファラデー回転子を光学素子として有する光学デバイスである光アイソレータの一例を示す断面模式図である。図1において、光アイソレータ100は、本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスからなるファラデー回転子110を備え、該ファラデー回転子110の前後には、偏光材料である偏光子120及び検光子130が備えられている。また、光アイソレータ100は、偏光子120、ファラデー回転子110、検光子130の順序で配置され、それらの側面のうちの少なくとも1面に磁石140が載置されていることが好ましい。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical isolator, which is an optical device having a Faraday rotator made of the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention as an optical element. In Figure 1, the optical isolator 100 includes a Faraday rotator 110 made of the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention, and a polarizer 120 and an analyzer 130, which are polarizing materials, are provided in front of and behind the Faraday rotator 110. In addition, the optical isolator 100 is preferably arranged in the order of the polarizer 120, the Faraday rotator 110, and the analyzer 130, and a magnet 140 is preferably placed on at least one of the side surfaces of the polarizer 120, the Faraday rotator 110, and the analyzer 130.
また、上記光アイソレータ100は産業用ファイバーレーザー装置に好適に利用できる。即ち、レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。 The optical isolator 100 can also be used effectively in industrial fiber laser devices. In other words, it is effective in preventing reflected light from the laser light emitted from the laser light source from returning to the light source, causing the oscillation to become unstable.
以下に、実施例、比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1~6、比較例1~6]
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化スカンジウム粉末、及び大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末を入手した。更にキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.95質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。
上記原料を用いて、混合比率を調整して表1に示す12種類の最終組成となる複合酸化物原料を作製した。
混合比率の調整方法としては、テルビウム、イットリウム、アルミニウム及びスカンジウムのモル数がそれぞれ表1の各組成のモル比率となるよう各々の酸化物粉末を秤量して混合した。続いてTEOSを、その添加量がSiO2換算で表1の質量%(wt%)になるように秤量して各原料に加えた。
[Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 6]
We obtained terbium oxide powder, yttrium oxide powder, and scandium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., and aluminum oxide powder manufactured by Taimei Chemical Co., Ltd. Furthermore, we obtained liquid tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. The purity of the powder raw materials was 99.95% by mass or more, and the purity of the liquid raw materials was 99.999% by mass or more.
Using the above raw materials, 12 types of composite oxide raw materials having the final compositions shown in Table 1 were prepared by adjusting the mixing ratio.
The mixing ratio was adjusted by weighing and mixing the oxide powders of terbium, yttrium, aluminum, and scandium so that the mole numbers of each were the molar ratios of the compositions in Table 1. Then, TEOS was weighed and added to each raw material in an amount equivalent to SiO2 of the mass % (wt %) in Table 1.
そして、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらエタノール中でアルミナ製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は15時間とした。
その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。得られた12種類の各酸化物原料につき、それぞれ一軸プレス成形、198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を得た。なお、製造安定性を確認するため、各々の条件でロッド状サンプルを3個ずつ用意し、これとは別にブロック状サンプルについても1個ずつ成形した。得られた成形体をすべてマッフル炉中で1000℃、3時間の条件にて脱脂処理して脱脂済成形体を得た。
Then, the materials were dispersed and mixed in ethanol using an alumina ball mill, while taking care to prevent each material from being mixed with the other material. The treatment time was 15 hours.
Then, spray drying was performed to produce granular raw materials with an average particle size of 20 μm. Each of the 12 types of oxide raw materials obtained was subjected to uniaxial press molding and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain CIP molded bodies. In addition, to confirm the manufacturing stability, three rod-shaped samples were prepared under each condition, and one block-shaped sample was also molded separately. All the obtained molded bodies were degreased in a muffle furnace at 1000°C for 3 hours to obtain degreased molded bodies.
続いて当該脱脂済成形体を真空焼結炉に仕込み、1.0×10-3Pa未満の減圧下で1500~1600℃で3時間処理して12種類(各々ロッド状3個、ブロック状1個ずつ)の焼結体を得た。この時、サンプルの焼結相対密度がいずれも94~98%の範囲に収まるように処理温度を調整した。 The degreased green bodies were then placed in a vacuum sintering furnace and sintered at 1500-1600°C for 3 hours under reduced pressure of less than 1.0 x 10-3 Pa to obtain 12 types of sintered bodies (3 rod-shaped bodies and 1 block-shaped body each). The sintering temperature was adjusted so that the relative sintered density of each sample was in the range of 94-98%.
得られた各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1600℃、2時間の条件でHIP処理した。得られたHIP体(加圧焼結体)はいずれも外見上ほとんど灰色化(酸素欠損吸収)は確認されなかった。ただし念のため、得られた各HIP体(加圧焼結体)について、各々のロット管理をしながら大気加熱炉にて、1450℃で30時間アニール処理して、酸素欠損を十分に回復させる処置を施した。こうして実施例と比較例の合計12種類のセラミックスサンプルを用意した。 The resulting sintered bodies were placed in a carbon heater HIP furnace and HIP-treated in Ar at 200 MPa, 1600°C, and 2 hours. The HIP bodies (pressure sintered bodies) obtained showed almost no graying (oxygen deficiency absorption) in appearance. However, to be on the safe side, each HIP body (pressure sintered body) obtained was annealed in an atmospheric heating furnace at 1450°C for 30 hours while managing each lot, to fully recover from oxygen deficiencies. In this way, a total of 12 types of ceramic samples were prepared for the examples and comparative examples.
続いて、得られた各セラミックスサンプルのうち、まずロッド状サンプルについて、更に直径5mm、長さ25mmの揃ったロッド形状となるように各々研削及び研磨処理し、更にそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ/8(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。 Next, of the resulting ceramic samples, the rod-shaped samples were first ground and polished to give them a uniform rod shape with a diameter of 5 mm and a length of 25 mm, and then both optical end faces of each sample were subjected to final optical polishing with an optical surface precision of λ/8 (when the measurement wavelength λ=633 nm).
上記のようにして得られた各サンプルについて、全光線透過率、前方散乱率をそれぞれ以下のように測定した。
(全光線透過率、及び前方散乱率の測定方法)
全光線透過率、並びに前方散乱率はJIS K7105(ISO 13468-2:1999)及びJIS K7136(ISO 14782:1999)を参考に測定した。
日本分光(株)製の分光光度計V-670を用いて、波長1064nmについて測定した。まず全光線透過率の測定は、該分光光度計V-670にワーク(サンプル)をセットせずに分光器で分光させた光を照射し、該光を予め装置にセットされている積分球で受けて、集光された光を検知器で受光する。得られた照度をI0とし、続いてワークを装置にセットして、今度は分光させた光をワークに入射し、透過してきた光を再度積分球で集めて検知器で受光する。得られた照度をIとして次式により求めた。
全光線透過率(%/25mm)=I/I0×100
次に前方散乱率の測定は、前記のワークがセットされた状態から積分球裏面の反射板を取り除いた以外はすべて同じ測定系で、再び分光された光をワークに入射し、透過してきた光を再度積分球で集めて検知器で受光する。得られた照度は直線透過成分以外の散乱成分を表し、これをISとして次式により求めた。
前方散乱率(%/25mm)=IS/I0×100
For each sample obtained as described above, the total light transmittance and the forward scattering rate were measured as follows.
(Method of measuring total light transmittance and forward scattering rate)
The total light transmittance and the forward scattering rate were measured with reference to JIS K7105 (ISO 13468-2:1999) and JIS K7136 (ISO 14782:1999).
Measurements were performed at a wavelength of 1064 nm using a spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO Corporation. First, the total light transmittance was measured by irradiating the spectrophotometer V-670 with light dispersed by a spectroscope without setting a workpiece (sample), receiving the light with an integrating sphere set in the device in advance, and receiving the collected light with a detector. The obtained illuminance was set as I 0 , and then the workpiece was set in the device, and this time the dispersed light was incident on the workpiece, and the transmitted light was again collected with an integrating sphere and received with a detector. The obtained illuminance was determined as I by the following formula.
Total light transmittance (%/25mm) = I/I 0 ×100
Next, the forward scattering rate was measured using the same measurement system except that the reflector on the back of the integrating sphere was removed from the state in which the workpiece was set, and the dispersed light was again incident on the workpiece, and the transmitted light was again collected by the integrating sphere and received by the detector. The obtained illuminance represents the scattered component other than the linear transmitted component, and is defined as I S and calculated by the following formula.
Forward scattering rate (%/25mm) = I S /I 0 ×100
なお、再現性やバラツキの影響を考慮するため、すべての条件につき各々3個ずつ測定し、その平均値を算出して各々のサンプルの全光線透過率、並びに前方散乱率の値とした。また、ビーム径を3mmφより太くすると、直径5mmφのサンプルの外周でビームの裾が蹴られはじめるため、このビーム径3mmφを事実上のワーク全面に光を入射させた状態と定義した。 In order to take into account the effects of reproducibility and variation, measurements were taken for three samples under each condition, and the average values were calculated to determine the total light transmittance and forward scattering rate of each sample. In addition, if the beam diameter is made thicker than 3 mmφ, the beam begins to be kicked off at the outer periphery of the sample with a diameter of 5 mmφ, so this beam diameter of 3 mmφ was defined as the state in which light is actually incident on the entire surface of the workpiece.
前記の要領で最終光学研磨して作製した実施例、比較例の各条件のロッド状サンプル(各々3セット)につき、その光学両端面に中心波長が1064nmとなるように設計された反射防止膜(ARコート)をコートした。得られた各ロッド状サンプルにつき以下の要領でベルデ定数を測定した。
(ベルデ定数の測定方法)
ベルデ定数Vは、以下の式に基づいて求めた。なお、サンプルに印加される磁界の大きさ(H)は、上記測定系の寸法、残留磁束密度(Br)及び保持力(Hc)からシミュレーションにより算出した値を用いた。
θ=V×H×L
(式中、θはファラデー回転角(rad)、Vはベルデ定数(rad/(T・m))、Hは磁界の大きさ(T)、Lはファラデー回転子の長さ(この場合、0.025m)である。)
なお、各々の条件で作製したサンプル3個のベルデ定数の平均値を、それぞれの条件でのベルデ定数とした。
For each of the rod-shaped samples (three sets each) of the Examples and Comparative Examples prepared by the final optical polishing in the above manner, both optical end faces were coated with an anti-reflection film (AR coat) designed to have a central wavelength of 1064 nm. The Verdet constant of each of the obtained rod-shaped samples was measured in the following manner.
(Method of measuring the Verdet constant)
The Verdet constant V was calculated based on the following formula: The magnitude (H) of the magnetic field applied to the sample was calculated by simulation from the dimensions of the measurement system, the residual magnetic flux density (Br), and the coercive force (Hc).
θ=V×H×L
(In the formula, θ is the Faraday rotation angle (rad), V is the Verdet constant (rad/(T·m)), H is the magnitude of the magnetic field (T), and L is the length of the Faraday rotator (0.025 m in this case).)
The average value of the Verdet constants of three samples produced under each set of conditions was taken as the Verdet constant for each set of conditions.
続いて、先ほど用意しておいた実施例、比較例の各条件のブロック状サンプルについて切断並びに研削加工して、一辺の長さ20mm、厚み10mmで底面の2面が直角二等辺三角形の三角柱のサンプルを作製した。このとき、三角柱の直角部の角度を90度±0.1度となるよう管理した。その後、三角柱の直角部を構成する2つの面をラップ研磨して平坦面とした。
こうして得られた実施例、比較例の各条件の直角二等辺三角柱ブロック状サンプルを用いて、波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveの値を以下の要領で測定した。
((dn(1064)/dt)aveの測定方法)
テルビウム含有常磁性ガーネット透明セラミックスの波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveは、JIS B7071-2(光学ガラスの屈折率測定方法-第2部:Vブロック法)に準拠して測定した。
測定装置は(株)島津製作所製の精密屈折計カルニューKPR-3000型を選定し、該装置の全自動測定モードにて測定した。具体的には高屈折率サンプル用の既知の屈折率Nを有する硝材Vブロックプリズムを選定して装置にセットし、その上に前記のようにして作製した各ブロック状サンプルを載せ、プリズムの壁面法線上から下記の波長の異なる4種の標準レーザー光(波長785.4nm、830.5nm、1310nm、1550nmのレーザー光(装置標準装備))を入射して、このときの透過するVブロックプリズムとブロック状サンプルとで屈折され、プリズムの反対側の壁面から出射された光の角度(偏角i*)から下記式を用いて、波長ごとの測定対象のブロック状サンプルの屈折率nを算出した。このとき、Vブロックプリズムとブロックサンプルの温度(試料温度)を20℃、30℃、40℃としておき、それぞれの試料温度における4波長ごとの屈折率を測定した。なお、試料温度はプリズム及びブロック状サンプルを載置した試料台を20℃、30℃、40℃に温度制御し、この状態で試料そのものの温度をモニターしながら静置し、更に温度が安定して5分経過した後の試料表面温度をそれぞれ20℃、30℃、40℃とカウントした。
n={N2+sini*・(N2-sin2i*)1/2}1/2
次いで、試料温度20℃、30℃、40℃ごとの算出された4波長での屈折率の値からセルマイヤーの分散公式を元に波長1064nmでの試料温度20℃、30℃、40℃ごとの屈折率を導出し、それぞれ波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtとし、それらの平均値を測定対象の透明セラミックスの波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数dn(1064,20)/dt、dn(1064,30)/dt、dn(1064,40)/dtの平均値(dn(1064)/dt)aveとした。
以上の結果をまとめて表2に示す。
Next, the block-shaped samples prepared above for each condition of the Examples and Comparative Examples were cut and ground to produce triangular prism samples with a side length of 20 mm, a thickness of 10 mm, and two bottom faces of a right-angled isosceles triangle. At this time, the angle of the right corner of the triangular prism was controlled to be 90 degrees ± 0.1 degrees. After that, the two faces constituting the right corner of the triangular prism were lapped and polished to make them flat.
Using the right-angled isosceles triangular prism block samples thus obtained under each condition of the Examples and Comparative Examples, the average values of the temperature coefficients of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30 and 40° C. were measured in the following manner.
(Method of measuring (dn(1064)/dt) ave )
The average temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave of the terbium-containing paramagnetic garnet transparent ceramic at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. was measured in accordance with JIS B7071-2 (Method of measuring refractive index of optical glass - Part 2: V-block method).
A precision refractometer, KALNEW KPR-3000, manufactured by Shimadzu Corporation, was selected as the measuring device, and measurements were performed in the fully automatic measurement mode of the device. Specifically, a glass material V-block prism having a known refractive index N for high refractive index samples was selected and set in the device, and each block-shaped sample prepared as described above was placed on it, and four types of standard laser light with different wavelengths (laser light with wavelengths of 785.4 nm, 830.5 nm, 1310 nm, and 1550 nm (standard equipment of the device)) was incident from the normal line of the wall surface of the prism, and the refractive index n of the block-shaped sample to be measured for each wavelength was calculated using the following formula from the angle (deviation angle i * ) of the light refracted by the V-block prism and the block-shaped sample that transmitted at this time and emitted from the wall surface on the opposite side of the prism. At this time, the temperatures (sample temperatures) of the V-block prism and the block sample were set to 20° C., 30° C., and 40° C., and the refractive indexes for each of the four wavelengths at each sample temperature were measured. The sample temperatures were controlled at 20°C, 30°C, and 40°C by placing the prism and block-shaped samples on a sample stage. The samples were left stationary in this state while the temperature of the samples themselves was monitored. After the temperature had stabilized and 5 minutes had passed, the sample surface temperatures were counted as 20°C, 30°C, and 40°C, respectively.
n={N 2 +sini *・(N 2 -sin 2 i * ) 1/2 } 1/2
Next, from the refractive index values calculated at the four wavelengths for sample temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C, the refractive index at a wavelength of 1064 nm for sample temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C was derived based on Sellmeyer's dispersion formula, and the temperature coefficients of the refractive index at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20°C, 30°C, and 40°C were determined as dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt, respectively. The average of these temperature coefficients was designated as the average value (dn(1064)/dt) ave of the temperature coefficients of the refractive index dn(1064,20)/dt, dn(1064,30)/dt, and dn(1064,40)/dt of the transparent ceramic to be measured at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40°C.
The above results are summarized in Table 2.
表2の結果から、本発明の透明セラミックスを作製するにあたり、まずイットリウムをまったく含まない比較例1と比較例4では、全光線透過率が84%を下回っており、且つ前方散乱率の値も1.0%を超えていた。これは透明セラミックス中に多数の散乱源が生じてしまったことを意味しており、ハイパワーレーザーを入射した場合に熱レンズ効果が強まり産業用途として利用が困難であることを示している。
逆に、イットリウムの比率(式(1)におけるx)が0.59よりも多い(即ち、テルビウムの比率1-x-yが0.4以下の)比較例2、3、5、6の各サンプルではベルデ定数が32rad/(T・m)を下回っていた。この場合、従来のファラデー回転子材料であるTGG結晶を用いた光アイソレータよりもサイズをより大きくする必要があるため、小型化を進めたい今後のハイパワーレーザーシステムに搭載できず問題となる。
実施例1~6については、いずれも全光線透過率が84%以上、前方散乱率が1.0%以下、ベルデ定数が32rad/(T・m)以上が確保されており、ハイパワーレーザーシステムに搭載可能である。更に、これら実施例1~6のサンプルはいずれも波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveが9.0×10-6(K-1)以下となっており、従来材料であるTGG結晶の(dn(1064)/dt)aveの略半分であることが確認された。
波長1064nm、温度20、30、40℃における屈折率の温度係数の平均値(dn(1064)/dt)aveが既存材料の半分以下となる本発明のテルビウム含有常磁性ガーネット型透明セラミックスをハイパワーレーザーシステムに搭載すると、ハイパワー適用耐性が実質2倍以上に向上するため、従来は実現できなかったより高密度なハイパワーレーザーシステムを提供することが可能となる。
From the results in Table 2, in producing the transparent ceramics of the present invention, in Comparative Examples 1 and 4, which do not contain any yttrium, the total light transmittance was below 84% and the forward scattering coefficient exceeded 1.0%. This means that many scattering sources were generated in the transparent ceramics, and when a high-power laser was irradiated, the thermal lens effect was intensified, indicating that it would be difficult to use them for industrial purposes.
Conversely, in the samples of Comparative Examples 2, 3, 5, and 6 in which the ratio of yttrium (x in formula (1)) was greater than 0.59 (i.e., the ratio of terbium 1-x-y was 0.4 or less), the Verdet constant was less than 32 rad/(T·m). In this case, the size needs to be larger than that of an optical isolator using TGG crystal, which is a conventional Faraday rotator material, and this poses a problem in that it cannot be installed in future high-power laser systems that are being miniaturized.
For all of Examples 1 to 6, a total light transmittance of 84% or more, a forward scattering coefficient of 1.0% or less, and a Verdet constant of 32 rad/(T·m) or more were ensured, making them suitable for installation in high-power laser systems. Furthermore, for all of the samples of Examples 1 to 6, the average value of the temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30, and 40° C. was 9.0×10 -6 (K -1 ) or less, which was confirmed to be approximately half the (dn(1064)/dt) ave of the TGG crystal, which is a conventional material.
When the terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention, in which the average value of the temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30 and 40° C. is less than half that of existing materials, is installed in a high-power laser system, the high-power application resistance is substantially improved by more than two times, making it possible to provide a higher-density high-power laser system that was previously unrealizable.
なお、これまで本発明を上述した実施形態をもって説明してきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described above using the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and can be modified within the scope of what a person skilled in the art can imagine, such as other embodiments, additions, modifications, deletions, etc., and any aspect is within the scope of the present invention as long as it provides the effects of the present invention.
100 光アイソレータ
110 ファラデー回転子
120 偏光子
130 検光子
140 磁石
100 Optical isolator 110 Faraday rotator 120 Polarizer 130 Analyzer 140 Magnet
Claims (4)
(Tb 1-x-y Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(式中、0.05≦x≦0.4、0.0005≦y<0.08、0.6<1-x-y<0.95、0.0004≦z<0.15、0.0009≦y+z<0.2である。) A terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula (1) , characterized in that the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm is 30 rad/(T·m) or more, and the average temperature coefficient of refractive index (dn(1064)/dt) ave at a wavelength of 1064 nm and temperatures of 20, 30 and 40°C is 9.0 x 10 -6 (K -1 ) or less.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In the formula, 0.05≦x≦0.4, 0.0005≦y<0.08, 0.6<1−x−y<0.95, 0.0004≦z<0.15, and 0.0009≦y+z<0.2.)
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019199386A (en) | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 信越化学工業株式会社 | Paramagnetic garnet transparent ceramic, magnetic optical material and magnetic optical device |
| JP2019202916A (en) | 2018-05-24 | 2019-11-28 | 信越化学工業株式会社 | Manufacturing method of composite oxide powder for sintering and manufacturing method of transparent ceramic |
| JP2019207340A (en) | 2018-05-30 | 2019-12-05 | 信越化学工業株式会社 | Method for manufacturing transparent ceramics for faraday rotator |
| JP2020067523A (en) | 2018-10-23 | 2020-04-30 | 信越化学工業株式会社 | Optical isolator |
| CN111592347A (en) | 2019-12-11 | 2020-08-28 | 中国科学院福建物质结构研究所 | A kind of terbium scandium aluminum garnet and its doped magneto-optical transparent ceramics, and preparation method thereof |
| WO2022085679A1 (en) | 2020-10-20 | 2022-04-28 | 株式会社ワールドラボ | Tb-CONTAINING RARE EARTH-ALUMINUM GARNET CERAMIC, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME |
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