JP7704050B2 - Method for improving the laser damage threshold of garnet-type transparent ceramics - Google Patents
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Description
本発明は、ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法に関し、より詳細には、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常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法に関する。
The present invention relates to a method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic, and more particularly to a method for improving the laser damage threshold of a terbium-containing paramagnetic garnet-type transparent ceramic suitable for forming magneto-optical devices such as an isolator .
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最も広く用いられる材料としては、従来からTGG結晶(Tb3Ga5O12)が知られている(特開2011-213552号公報(特許文献1))。TGG結晶は現在も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が、近年は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=18×10-6K-1)がネックとなっている。 TGG crystal (Tb 3 Ga 5 O 12 ) has been known as the most widely used material for the Faraday rotator that constitutes the optical isolator (JP Patent Publication 2011-213552 A (Patent Document 1)). TGG crystals are still widely used in standard fiber laser devices, but in recent years it has become clear that they are difficult to use in high-power fiber laser devices. Specifically, the bottlenecks are the high intrinsic absorptance of the material (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).
そのため、TGG結晶よりも低吸収でよりハイパワー帯のファイバーレーザー装置にも適用可能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 new materials that have lower absorption than TGG crystals and can be used in fiber laser devices with higher power bands. One such candidate material is TAG crystal (Tb 3 Al 5 O 12 ), but the production of high-quality single-crystal TAG has not yet been invented.
このような状況下にあって、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以上に改善され)、挿入損失も低減できる(既存の0.05dBが0.01~0.05dBに改善される)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。 Under these circumstances, 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 the existing TGG crystal (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 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2)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 2) 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、最近はファイバーレーザーシステムでは高出力化のみでなく、短パルス化の動きも著しい。一般にレーザーが短パルス化するとエネルギーの尖頭値が高まり、主に該ファイバーレーザーシステムで使用される光学材料のレーザー出射端面での材料破壊が生じやすくなる。例えば、「伊藤雅英、小倉磐夫、レーザー光による光学材料の破壊、東京大学生産技術研究所 生産研究、(1984)、36巻、6号」(非特許文献2)には、一般に材料表面の損傷閾値は内部のそれよりも低くなること、表面のレーザー損傷は入射面よりも出射面で生じやすいことが開示されている。 Recently, in fiber laser systems, there has been a remarkable trend not only towards higher output but also towards shorter pulses. Generally, when the laser pulse becomes shorter, the peak energy value increases, and material destruction is more likely to occur at the laser output end face of the optical materials used mainly in the fiber laser system. For example, "Masahide Ito, Iwao Ogura, Destruction of Optical Materials by Laser Light, Tokyo University Institute of Industrial Science, Production Research, (1984), Vol. 36, No. 6" (Non-Patent Document 2) discloses that the damage threshold of the surface of a material is generally lower than that of the interior, and that laser damage to the surface is more likely to occur at the output face than the input face.
ところが、これまで短パルスレーザーシステムでも利用可能な光学材料の材料表面粗さ、特にガーネット型透明セラミックス材料の材料表面粗さの管理値を規定した公知例はまったく存在しなかった。 However, until now, there have been no publicly known examples that specify control values for the surface roughness of optical materials that can be used in short-pulse laser systems, particularly for garnet-type transparent ceramic materials.
無論、ガーネット型透明セラミックス材料の材料表面粗さを小さく(即ち、なめらかに)しようと企図する先行公知例は存在する。例えば、「Daniel Ross,Hitomi Yamaguchi, Polishing characteristics of Nd:YAG ceramics with various Nd-dopant concentrations, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 27(2019)93-101」(非特許文献3)には、サブミクロンサイズのダイヤモンド砥粒を用いて、MAF法と呼ばれる最新の研磨方法でNd:YAGセラミックスを研磨することにより、特にNdをドープしていないYAGセラミックスの表面粗さを177μm×132μmの範囲で算術平均高さ(Sa値)を0.4~0.5nmの範囲にまで小さく(即ち、なめらかに)できた公知例が開示されている。しかしながら、該非特許文献3では表面粗さとレーザー損傷閾値との関係については何らの例示も示唆もない。 Of course, there are prior art examples that attempt to reduce (i.e., smooth) the surface roughness of garnet-type transparent ceramic materials. For example, see Daniel Ross, Hitomi Yamaguchi, Polishing characteristics of Nd:YAG ceramics with various Nd-dopant concentration, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 27 (2019) 93-101" (Non-Patent Document 3) discloses a known example in which the surface roughness of Nd:YAG ceramics, particularly non-Nd-doped YAG ceramics, was reduced (i.e., smoothed) to a range of 0.4 to 0.5 nm in arithmetic mean height (Sa value) in a range of 177 μm x 132 μm by polishing Nd:YAG ceramics using submicron-sized diamond abrasive grains with a state-of-the-art polishing method called the MAF method. However, Non-Patent Document 3 does not provide any examples or suggestions regarding the relationship between surface roughness and laser damage threshold.
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、少なくともイットリウムとアルミニウムを主成分として含む複合酸化物の焼結体であって、該焼結体の光学面(精密研磨面)の平均粗さを規定の範囲内で管理することにより、短パルスレーザーシステムでも利用可能なガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic that is a sintered body of a complex oxide containing at least yttrium and aluminum as main components, and that can be used in a short-pulse laser system by controlling the average roughness of the optical surface (precision-polished surface) of the sintered body within a specified range.
本発明は、上記目的を達成するため、下記のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法を提供する。
1.
イットリウムとアルミニウムとを含む複合酸化物の焼結体であって、光路長25mmでの波長1064nmにおける全光線透過率が84%以上で、かつ前方散乱率が0.5%以下である、レーザー光の入射面と出射面となる2つの光学面を有するガーネット型透明セラミックスにおいて、上記2つの光学面が、該2つの光学面の面粗さの平均値として算術平均高さSa≦0.70nm又は二乗平均平方根高さSq≦0.89nmの平均粗さを有することにより、上記2つの光学面の一方の面から波長1064nm、パルス幅10nsの短パルスレーザーを入射させて、他方の面から該レーザーを出射させた場合のレーザー光出射面におけるレーザー損傷閾値を10J/cm
2
以上とすることを特徴とするガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
2.
複合酸化物が、更に、テルビウムを含むものである1に記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
3.
複合酸化物における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り、焼結体の波長1064nmにおけるベルデ定数が30rad/(T・m)以上である2に記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
4.
上記焼結体について段階的に粒径の小さい砥粒に交換しながら複数のラップ研磨を行い、粒径0.1μm以下の砥粒を用いた最終段階のラップ研磨を行い、次いで研磨厚さ1μm未満の範囲でCMP仕上げ研磨する光学研磨を行って上記光学面とする1~3のいずれかに記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
5.
ガーネット型透明セラミックスが、下記式(1)で表される複合酸化物の焼結体であり、焼結助剤としてSiO
2
を0質量%超0.1質量%以下含有するものである1~4のいずれかに記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
(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≦y<0.08、0.52<1-x-y<0.95、0≦z<0.15、0.001<y+z<0.2である。)
6.
上記光学面上に、更にARコート層を有するものである1~5のいずれかに記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
7.
ガーネット型透明セラミックスが短パルスレーザーシステムに用いるものである1~6のいずれかに記載のガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値の改善方法。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic.
1.
A method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic, comprising: a sintered body of a complex oxide containing yttrium and aluminum; the garnet-type transparent ceramic has two optical surfaces serving as an entrance surface and an exit surface of a laser beam, the two optical surfaces having a total light transmittance of 84% or more at a wavelength of 1064 nm and a forward scattering rate of 0.5% or less when the optical path length is 25 mm; the two optical surfaces have an arithmetic mean height Sa≦0.70 nm or a root mean square height Sq≦0.89 nm as the average value of the surface roughness of the two optical surfaces; and when a short pulse laser having a wavelength of 1064 nm and a pulse width of 10 ns is incident on one of the two optical surfaces and the laser is emitted from the other surface, the laser damage threshold at the laser beam exit surface is set to 10 J/cm2 or more .
2.
2. The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to 1 , wherein the composite oxide further contains terbium.
3.
3. The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to claim 2, wherein the volume molar concentration of terbium in the composite oxide is equal to or greater than the volume molar concentration of yttrium, and the Verdet constant of the sintered body at a wavelength of 1064 nm is 30 rad/(T·m) or greater.
4.
The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 3, further comprising the steps of performing a plurality of lapping steps on the sintered body while gradually changing the abrasive grain size to smaller grain sizes, performing a final lapping step using abrasive grains having a grain size of 0.1 μm or less, and then performing optical polishing by CMP finish polishing to a polishing thickness of less than 1 μm to obtain the optical surface.
5.
5. The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 4, wherein the garnet-type transparent ceramic is a sintered body of a complex oxide represented by the following formula (1) and contains more than 0 mass % and 0.1 mass % or less of SiO2 as a sintering aid.
(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.)
6 .
6. The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 5 , further comprising an AR coating layer on the optical surface.
7.
7. The method for improving the laser damage threshold of a garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 6, wherein the garnet-type transparent ceramic is used in a short pulse laser system.
本発明によれば、光学面にパルス幅10nsecの短パルスレーザーを入射させて、出射面から該レーザーを出射させた場合の当該ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷閾値を10J/cm2以上にすることが可能となる。 According to the present invention, when a short-pulse laser having a pulse width of 10 nsec is incident on an optical surface and the laser is emitted from the emission surface, it is possible to increase the laser damage threshold of the garnet-type transparent ceramic to 10 J/ cm2 or more.
以下に、本発明に係るガーネット型透明セラミックスの一実施の形態における構成について説明する。
本発明に係るガーネット型透明セラミックスは、イットリウムとアルミニウムとを含む複合酸化物の焼結体であって、平均粗さが算術平均高さSa≦0.70nm又は二乗平均平方根高さSq≦0.89nmの光学面を有することを特徴とする。
Hereinafter, a configuration of an embodiment of the garnet-type transparent ceramic according to the present invention will be described.
The garnet-type transparent ceramic according to the present invention is a sintered body of a composite oxide containing yttrium and aluminum, and is characterized in having an optical surface having an average roughness of arithmetic mean height Sa≦0.70 nm or root mean square height Sq≦0.89 nm.
<ガーネット型透明セラミックスの光学面>
本発明のガーネット型透明セラミックス(以下、単に透明セラミックスということがある)の根幹部分である光学面の要件、及び該光学面を得るための研磨条件について説明する。
<Optical surface of garnet-type transparent ceramics>
The requirements for the optical surface, which is the core of the garnet-type transparent ceramics of the present invention (hereinafter, sometimes simply referred to as transparent ceramics), and the polishing conditions for obtaining said optical surface will be described below.
本発明のガーネット型透明セラミックスは、平均粗さが算術平均高さSa≦0.70nm又は二乗平均平方根高さSq≦0.89nmの光学面を有する。この要件は以下の考え方に基づく。 The garnet-type transparent ceramic of the present invention has an optical surface with an average roughness of arithmetic mean height Sa≦0.70 nm or root mean square height Sq≦0.89 nm. This requirement is based on the following idea.
即ち、本発明のガーネット型透明セラミックスのレーザーを入出射させる両端面である光学面は、精密に研磨され、かつ研磨面の平均粗さを一定の範囲内に規定することが好ましい。ところが、レーザーを入出射させて利用する透明光学デバイスは、従来すべてが単結晶、ないしはガラス製であって、セラミックス製の研磨面の表面粗さが規定されることはなかった。 That is, it is preferable that the optical surfaces of the garnet-type transparent ceramic of the present invention, which are both end faces through which the laser enters and exits, are precisely polished and that the average roughness of the polished surface is regulated within a certain range. However, transparent optical devices that use lasers to enter and exit have all been made of single crystal or glass up until now, and the surface roughness of the polished ceramic surface has never been regulated.
これは、これまでハイパワーのレーザー光を入出射させて利用できるほど十分に透明なセラミックスが得られていなかったことが一因である。更に、近年のハイパワーレーザーシステムの開発が短パルス化の方向に進んでおり、レーザー損傷閾値がますます低下して問題が顕在化してきたことが別の一因である。 One reason for this is that until now it has not been possible to obtain ceramics that are sufficiently transparent to allow high-power laser light to be incident and emitted. Another reason is that in recent years, the development of high-power laser systems has progressed in the direction of shorter pulses, which has further reduced the laser damage threshold and made the problem more apparent.
また、透明セラミックスは無数の多結晶体(焼結粒)から構成された焼結体であり、該透明セラミックスを研磨すると、単結晶やガラスと異なり、多数の焼結粒が研磨表面に現れる。この焼結粒の方位は一般に完全なランダム状態である。更に、この焼結粒は小さな単結晶体の集まり(多結晶)であって、単結晶が研磨方位によって硬さや化学的安定性を異にすることはよく知られた事実でもある。したがって、この透明セラミックスを研磨すると、表面に研磨され易い焼結粒と、研磨され難い焼結粒とがデコボコな段差(粒界段差)となって現れることになる。 Transparent ceramics are sintered bodies made up of countless polycrystals (sintered grains), and when these transparent ceramics are polished, unlike single crystals or glass, numerous sintered grains appear on the polished surface. The orientation of these sintered grains is generally completely random. Furthermore, these sintered grains are a collection of small single crystals (polycrystals), and it is a well-known fact that single crystals vary in hardness and chemical stability depending on the polishing orientation. Therefore, when these transparent ceramics are polished, the sintered grains that are easy to polish and the sintered grains that are difficult to polish appear on the surface as uneven steps (grain boundary steps).
なお、本発明における透明セラミックスはガーネット型構造を有する焼結粒の集合体(焼結体)に限定される。ガーネット構造を有する結晶子はその屈折率が方位に無依存であるため、理論上、結晶子の方位ムラによるレーザー光の散乱は生じない。そのため高度に緻密化されて内部気泡が取り除かれている場合には、レーザー光の散乱が生じる原因は、該レーザー光の入出射面、即ち光学面の粗さのみといえる。この光学面の表面粗さを、入出射するレーザー光が実質的に散乱しない範囲に規定すれば、該透明セラミックスのレーザー損傷閾値は低下しないと推察される。 The transparent ceramics in the present invention are limited to aggregates (sintered bodies) of sintered grains having a garnet structure. The refractive index of crystallites having a garnet structure is independent of orientation, so in theory, laser light is not scattered due to uneven orientation of the crystallites. Therefore, when the material is highly densified and internal air bubbles are removed, the only cause of scattering of laser light is the roughness of the incident and exit surfaces of the laser light, i.e., the optical surface. It is presumed that the laser damage threshold of the transparent ceramics will not decrease if the surface roughness of this optical surface is set within a range in which the incident and exiting laser light is not substantially scattered.
そこで、光学面においてレーザー光を入出射させる透明セラミックスでは、この粒界段差を含んだ状態での表面粗さを数値規定する必要が出てくる。 Therefore, for transparent ceramics that have optical surfaces through which laser light enters and leaves, it becomes necessary to numerically specify the surface roughness, including the grain boundary steps.
本発明者らは、上記のような考え方に基づき、鋭意検討した結果、ガーネット型透明セラミックスの光学面の平均粗さを上記範囲で規定することにより、入出射するレーザー光が実質的に散乱せず、該透明セラミックスのレーザー損傷閾値を低下させないという目的を達成することに成功した。また、該光学面は、精密研磨面であることが好ましい。
具体的には、ガーネット型透明セラミックスの光学面(精密研磨面)の平均粗さが算術平均高さSa≦0.70nm又は二乗平均平方根高さSq≦0.89nmであり、算術平均高さSa≦0.70nm、かつ二乗平均平方根高さSq≦0.89nmであることが好ましく、算術平均高さSa≦0.65nm、かつ二乗平均平方根高さSq≦0.80nmであることがより好ましい。これにより、パルス幅10nsecの短パルスレーザーを入出射させた場合のレーザー損傷閾値を10J/cm2以上、好ましくは10.3J/cm2以上に確保できる。詳しくは、2つの光学面の一方の面から波長1064nm、パルス幅10nsの短パルスレーザーを入射させて、他方の面から該レーザーを出射させた場合のレーザー光出射面におけるレーザー損傷閾値が10J/cm2以上であることが好ましい。
As a result of intensive research based on the above-mentioned concept, the inventors have succeeded in achieving the object of preventing the incident and outgoing laser light from being substantially scattered and preventing a decrease in the laser damage threshold of the transparent ceramic by defining the average roughness of the optical surface of the garnet-type transparent ceramic within the above-mentioned range. Moreover, the optical surface is preferably a precision-polished surface.
Specifically, the average roughness of the optical surface (precision polished surface) of the garnet-type transparent ceramic is arithmetic mean height Sa≦0.70 nm or root mean square height Sq≦0.89 nm, preferably arithmetic mean height Sa≦0.70 nm and root mean square height Sq≦0.89 nm, more preferably arithmetic mean height Sa≦0.65 nm and root mean square height Sq≦0.80 nm. This ensures a laser damage threshold of 10 J/cm 2 or more, preferably 10.3 J/cm 2 or more, when a short pulse laser with a pulse width of 10 nsec is incident and emitted. In detail, it is preferable that the laser damage threshold at the laser light emission surface is 10 J/cm 2 or more when a short pulse laser with a wavelength of 1064 nm and a pulse width of 10 ns is incident from one of the two optical surfaces and the laser is emitted from the other surface.
ここで、算術平均高さSa及び二乗平均平方根高さSqは、「面粗さ」について規定されているISO 25178に基づく。即ち、算術平均高さSaは平均面に対する測定エリア内各点の高さの絶対値の平均値である。二乗平均平方根高さSqは平均面からの測定エリア内各点までの距離の標準偏差に相当する値である。また、本発明では、光学面(精密研磨面)における外周部の領域10%(面積割合)を除いた光軸中心側90%(面積割合)の任意の領域のうち測定範囲800μm角(800μm×800μm)の領域について、粒界段差も含んで平均粗さを前記算術平均高さSa及び二乗平均平方根高さSqの範囲に規定することが好ましい。 Here, the arithmetic mean height Sa and the root mean square height Sq are based on ISO 25178, which specifies "surface roughness". In other words, the arithmetic mean height Sa is the average of the absolute values of the heights of each point in the measurement area relative to the average surface. The root mean square height Sq is a value equivalent to the standard deviation of the distance from the average surface to each point in the measurement area. In addition, in the present invention, it is preferable to specify the average roughness, including grain boundary steps, within the range of the arithmetic mean height Sa and the root mean square height Sq for a measurement range of 800 μm square (800 μm x 800 μm) in any area of 90% (area ratio) of the optical axis center side excluding the outer peripheral area 10% (area ratio) of the optical surface (precision polished surface).
また、上記光学面がレーザー光の入射面と出射面の2つからなり、上記算術平均高さSa及び二乗平均平方根高さSqの平均粗さが該2つの光学面の面粗さの平均値であることが好ましい。 It is also preferable that the optical surface is composed of two surfaces, an entrance surface and an exit surface for laser light, and that the average roughness of the arithmetic mean height Sa and the root mean square height Sq is the average value of the surface roughness of the two optical surfaces.
本発明では、上記平均粗さを有する光学面を実現することができれば、後述するガーネット型透明セラミックスの製造工程における光学研磨工程において、該光学面を形成するための条件、特に研磨条件は限定されるものではない。しかしながら、一般にセラミックスはCMP処理(化学的機械研磨処理)を過剰に施すと粒界段差がどんどん大きくなることから、ケミカル作用のない砥粒を用いたラップ研磨により、できるだけ平坦で、粗さの小さな状態に仕上げることが好ましい。具体的には、ダイヤモンド砥粒、アルミナ砥粒、セリア砥粒、B4C砥粒などが好適に選定され、これらを用いて番手が小さな(粒径の大きな)砥粒から徐々に番手が大きな(粒径の小さい)砥粒に交換しつつ、慎重にラップ処理を施すことが好ましい。また、このときに使用する定盤は、金属製、クロス製のいずれでもよい。 In the present invention, as long as an optical surface having the above average roughness can be realized, the conditions for forming the optical surface, particularly the polishing conditions, are not limited in the optical polishing step in the manufacturing process of garnet-type transparent ceramics described later. However, in general, when ceramics are subjected to excessive CMP (chemical mechanical polishing) treatment, the grain boundary step becomes larger and larger, so it is preferable to finish the surface as flat and as small in roughness as possible by lapping using abrasive grains that have no chemical action. Specifically, diamond abrasive grains, alumina abrasive grains, ceria abrasive grains, B 4 C abrasive grains, etc. are suitably selected, and it is preferable to use these to carefully perform lapping treatment while gradually replacing abrasive grains with small grit (large grain size) with abrasive grains with large grit (small grain size). In addition, the surface plate used at this time may be made of either metal or cloth.
また、この際の最終的な砥粒サイズ(粒径)はサブミクロンレベルとすべきである。具体的には0.3μm以下、より好ましくは0.1μm以下の小粒径の遊離砥粒を用いた仕上げラップ工程を経ることが好ましい。ただし、ラップ処理だけでは一般的に小さな表面キズや、ごく浅い僭傷(せんしょう)が残ることが知られている。そこで、研磨厚さ1μm未満、より好ましくは研磨厚さ200nm未満の範囲で、極わずかにCMP仕上げ研磨を施してもよい。このときのコロイダルシリカなどのCMP研磨砥粒は0.3μm以下、より好ましくは0.1μm以下の小粒径の遊離砥粒を用いることが好ましい。 The final abrasive size (grain size) should be submicron level. Specifically, it is preferable to go through a finish lapping process using free abrasive grains with a small grain size of 0.3 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. However, it is known that lapping alone generally leaves small surface scratches or very shallow scratches. Therefore, CMP finish polishing may be performed very slightly to a polishing thickness of less than 1 μm, more preferably less than 200 nm. In this case, it is preferable to use free abrasive grains with a small grain size of 0.3 μm or less, more preferably 0.1 μm or less, such as colloidal silica.
また、本発明の透明セラミックスは、上記光学面上に、更にARコート層を有することが好ましい。即ち、上記のようにして精密に研磨された、光学的に利用しようとする両端面(光学面)に、更にARコート処理を施すことが好ましい。レーザー光の入出射面である光学面にARコートが施されていると、材料界面でのフレネル反射を抑止することができ、そのためレーザー損傷閾値の低下を防止できるため好ましい。 The transparent ceramic of the present invention preferably further has an AR coating layer on the optical surface. That is, it is preferable to further apply an AR coating to both end faces (optical surfaces) to be optically utilized that have been precisely polished as described above. If an AR coating is applied to the optical surfaces that are the entrance and exit surfaces of the laser light, Fresnel reflection at the material interface can be suppressed, and therefore a decrease in the laser damage threshold can be prevented, which is preferable.
<ガーネット型透明セラミックスの組成>
本発明のガーネット型透明セラミックスは、イットリウムとアルミニウムとを含む複合酸化物の焼結体である。ガーネット型セラミックスは立方晶であるため屈折率の方位依存性がなく、セラミックスであっても単結晶と同様にレーザー散乱の小さな光学材料に仕上げることが可能である。また、イットリウムとアルミニウムとを含む複合酸化物の焼結体は、アルミニウムを主成分として含むことで、融点を大幅に高くすることができ、モース硬度が8以上と硬く、融点も2000℃以上と高く、非常に丈夫な材料となるため、レーザー損傷閾値を高めることができ好ましい。
<Composition of garnet-type transparent ceramics>
The garnet-type transparent ceramic of the present invention is a sintered body of a complex oxide containing yttrium and aluminum. Garnet-type ceramics are cubic crystals, so there is no orientation dependency of the refractive index, and even though they are ceramics, they can be finished into an optical material with small laser scattering like single crystals. In addition, the sintered body of a complex oxide containing yttrium and aluminum contains aluminum as a main component, so that the melting point can be significantly increased, and the Mohs hardness is as hard as 8 or more, and the melting point is as high as 2000°C or more, making it a very strong material, which is preferable because it can increase the laser damage threshold.
また、本発明のガーネット型透明セラミックスは、更にテルビウムを含む複合酸化物の焼結体であることが好ましい。即ち、上記組成のうちイットリウムのサイトの一部をテルビウムで置換してやる、つまり少なくともイットリウムとテルビウムとアルミニウムを主成分として含む複合酸化物の焼結体とすると、ファラデー効果を付与することができるため磁気光学材料として利用でき好ましい。この場合、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ことが特に好ましい。ガーネット型透明セラミックス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ていると、波長1064nmにおけるベルデ定数が30rad/(T・m)以上となる。 The garnet-type transparent ceramic of the present invention is preferably a sintered body of a complex oxide further containing terbium. That is, if a part of the yttrium sites in the above composition is replaced with terbium, that is, if a sintered body of a complex oxide containing at least yttrium, terbium, and aluminum as main components is used, the Faraday effect can be imparted, and it is preferable that it can be used as a magneto-optical material. In this case, it is particularly preferable that the volume molar concentration of terbium is equal to or higher than the volume molar concentration of yttrium. If the volume molar concentration of terbium in the composition constituting the garnet-type transparent ceramic is controlled to be equal to or higher than the volume molar concentration of yttrium, the Verdet constant at a wavelength of 1064 nm will be 30 rad/(T·m) or more.
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が好ましく、0.02≦z<0.004がより好ましい。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, preferably 0.001<z<0.004, and more preferably 0.02≦z<0.004. When 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 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する。 In the transparent ceramics of the present invention, it is preferable that the main component of the 6-coordinated sites and 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.
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。 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-coordination 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, it is possible to ensure a Verdet constant of 32 rad/(T・m) or more at a wavelength of 1064 nm.
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、Y、又は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 Y, or 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適切な条件で製造することにより、光路長25mmでの波長1064nmにおける全光線透過率が84.0%以上で、且つ前方散乱率が0.5%以下となる、真に透明なガーネット型透明セラミックス焼結体を再現性よく安定して得られる。また、その熱伝導率を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 under appropriate conditions with the composition described above, a truly transparent garnet-type transparent ceramic sintered body can be reproducibly and stably obtained, with a total light transmittance of 84.0% or more at a wavelength of 1064 nm and an optical path length of 25 mm, and a forward scattering rate of 0.5% or less. In addition, the thermal conductivity can be improved to 4.8 W/m·K or more. Thermal conductivity can be measured in accordance with JIS R1611 and evaluated by the laser flash method.
<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、少なくともテルビウム、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。このときの原料純度は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 garnet-type transparent ceramics>
[Raw materials]
The raw materials used in the present invention are at least terbium, yttrium, scandium, and aluminum oxide powders, and the raw material purity 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 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 organic additives that do not contain unnecessary metal ions. In addition, the order of addition of each organic additive must be appropriately 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、1400~1780℃が好ましく、1480~1750℃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 1400 to 1780°C, and more preferably 1480 to 1750°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))
本発明の製造方法においては、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。
(Hot Isostatic Pressing (HIP))
In the manufacturing method of the present invention, an additional step of hot isostatic pressing (HIP) can be provided after the sintering step.
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。 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)
本発明の製造方法においては、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 manufacturing method of 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)
本発明においては、上記一連の製造工程を経た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して光学面とする。研磨条件は上述した通りである。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ARコート層(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 present invention, the garnet-type transparent ceramics that has undergone the above-mentioned series of manufacturing steps is optically polished at both end faces on the axis to be optically utilized to form optical surfaces. The polishing conditions are as described above. In this case, the optical surface accuracy is preferably λ/2 or less, particularly preferably λ/8 or less, when the measurement wavelength λ=633 nm. It is also possible to further reduce optical loss by appropriately forming an AR coating layer (anti-reflection film) on the optically polished surface.
以上のようにして、本発明の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。テルビウムを含有する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 garnet-type transparent ceramic of the present invention can be provided. Transparent ceramics containing terbium 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、本発明のガーネット型透明セラミックスは、テルビウムを含有する場合、磁気光学材料として利用することも想定しているため、該ガーネット型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、本発明のガーネット型透明セラミックスは、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 garnet-type transparent ceramic of the present invention is also expected to be used as a magneto-optical material when it contains terbium, it is preferable to apply a magnetic field parallel to the optical axis of the garnet-type 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 garnet-type transparent ceramic of the present invention is suitable for use in magneto-optical devices, and is particularly suitable for use as a Faraday rotator in an optical isolator with a wavelength of 0.9 to 1.1 μm.
図1は、本発明の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 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 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1~3、比較例1~3]
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最終組成が(Tb0.6Y0.398Sc0.002)3(Al0.998Sc0.002)5O12となる複合酸化物原料を作製した。この際、TEOSも、その添加量がSiO2換算で0.05質量%になるように秤量して同時に加えた。
続いて該複合酸化物原料を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。得られた酸化物原料に一軸プレス成形、及び198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を6個得た。該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。
続いて当該脱脂済成形体を真空焼結炉に仕込み、1550℃で3時間処理して焼結体を得た。この時、サンプルの焼結相対密度はいずれも94~98%の範囲におさまっていた。
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、得られた各セラミックス焼結体全てについて、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、まずガーネット型透明セラミックスのサンプルを用意した。
[Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3]
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, a composite oxide raw material was prepared by adjusting the mixing ratio to have a final composition of ( Tb0.6Y0.398Sc0.002 ) 3 ( Al0.998Sc0.002 ) 5O12 . At this time, TEOS was also weighed and added at the same time so that the amount added was 0.05 mass % in terms of SiO2 .
The composite oxide raw material was then dispersed and mixed in ethanol using an alumina ball mill for 15 hours.
Then, a spray-drying process was carried out to produce granular raw materials each having an average particle size of 20 μm. The obtained oxide raw materials were subjected to uniaxial pressing and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain six CIP molded bodies. All of the molded bodies were degreased in a muffle furnace at 1000° C. for 3 hours to obtain degreased molded bodies.
The degreased green body was then placed in a vacuum sintering furnace and sintered at 1550° C. for 3 hours to obtain a sintered body. At this time, the sintered relative density of each sample was within the range of 94 to 98%.
The obtained sintered bodies were placed in a carbon heater HIP furnace and subjected to HIP treatment under the conditions of 200 MPa, 1600°C, and 2 hours in Ar. Almost no graying (oxygen deficiency absorption) was observed in the appearance of any of the obtained sintered bodies. However, to be on the safe side, all of the obtained ceramic sintered bodies were annealed in an atmospheric heating furnace at 1450°C for 30 hours to sufficiently recover the oxygen deficiency. In this way, first, samples of garnet-type transparent ceramics were prepared.
続いて、得られたガーネット型透明セラミックスのサンプルを、直径5mm、長さ25mmのロッド形状となるように研削処理した。
次いで、得られた透明セラミックスのロッド状サンプルについて両端面を表1に示す各条件(実施例1~3、比較例1~3)にて光学研磨処理した。このとき、砥粒はすべて遊離砥粒を用い、砥粒の種類とサイズを変更して研磨した。なお砥粒サイズについては、一般に粗研磨ができるミクロンサイズから徐々に小さくしていきサブミクロンサイズの砥粒で精密研磨仕上げをすると、研磨面の平均粗さが小さくなることが知られている。そこで、この砥粒サイズを変えて研磨する段階数を変えて研磨を実施した。定盤の種類やコロイダルシリカによるCMP研磨は標準的なものとした。なお、得られた各研磨サンプルの光学面精度はいずれもλ/8(測定波長λ=633nm)以上であった。
Subsequently, the obtained sample of garnet-type transparent ceramics was ground into a rod shape having a diameter of 5 mm and a length of 25 mm.
Next, both end faces of the obtained rod-shaped transparent ceramic samples were optically polished under the conditions shown in Table 1 (Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3). In this case, all abrasive grains were free abrasive grains, and the type and size of the abrasive grains were changed for polishing. It is known that the average roughness of the polished surface is reduced by gradually decreasing the abrasive grain size from a micron size that can generally be used for rough polishing, and then using submicron-sized abrasive grains for precision polishing. Therefore, polishing was performed by changing the abrasive grain size and the number of polishing stages. The type of surface plate and the CMP polishing using colloidal silica were standard. The optical surface precision of each of the obtained polished samples was λ/8 (measurement wavelength λ=633 nm) or higher.
続いて、得られた各研磨済みロッド状サンプルの表面粗さを以下の要領で測定した。
(表面粗さの測定方法)
研磨面の表面粗さは、ISO 25178に準拠した方法で測定した。具体的には、ZYGOコーポレーション製の表面粗さ測定装置ZeGage Plusを用いて、垂直走査型低コヒーレンス干渉法(CSI法)にて表面粗さを測定した。光源は白色光源、対物レンズは10倍のミラウ型、測定エリアは830μm×830μm、横方向分解能は0.81μmの各条件にて測定した。ただし、面粗さの値を求めるに当たり、測定データの測定エリアの外周値はカウントせず、測定エリアの中心部の800μm×800μm領域のデータのみを参照した。
また面粗さは2つの基準で算出した。1つはSa(算術平均高さ)で、これは平均面に対する測定エリア内各点の高さの絶対値の平均値である。もう1つはSq(二乗平均平方根高さ)で、これは平均面からの測定エリア内各点までの距離の標準偏差に相当する値である。
こうして算出された平均粗さをまとめて表1に示す。
Next, the surface roughness of each of the polished rod-shaped samples obtained was measured in the following manner.
(Method of measuring surface roughness)
The surface roughness of the polished surface was measured according to ISO 25178. Specifically, the surface roughness was measured by vertical scanning low coherence interferometry (CSI) using a surface roughness measuring device ZeGage Plus manufactured by ZYGO Corporation. Measurements were performed under the following conditions: a white light source, a 10x Mirau type objective lens, a measurement area of 830 μm×830 μm, and a lateral resolution of 0.81 μm. However, when determining the surface roughness value, the outer periphery value of the measurement area of the measurement data was not counted, and only the data of the 800 μm×800 μm area in the center of the measurement area was referenced.
The surface roughness was calculated based on two criteria: Sa (arithmetic mean height), which is the average of the absolute values of the heights of each point in the measurement area relative to the average surface, and Sq (root mean square height), which is the standard deviation of the distances from the average surface to each point in the measurement area.
The average roughnesses thus calculated are shown in Table 1.
上記のようにして得られた各研磨済みロッド状サンプルについて、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。具体的には日本分光(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
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。
For each of the polished rod-shaped samples 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). Specifically, the measurements were performed at a wavelength of 1064 nm using a spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO Corporation.
First, the total light transmittance is 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 beforehand, and receiving the collected light with a detector. The obtained illuminance is I0 , and then the workpiece is set in the device, this time the dispersed light is incident on the workpiece, and the transmitted light is again collected with an integrating sphere and received with a detector. The obtained illuminance is I and is calculated 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
In addition, in order to take into account the effects of reproducibility and variation, three samples were measured for each condition, and the average values were calculated to determine the total light transmittance and forward scattering rate of each sample. In addition, when the beam diameter is made larger 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.
前記の要領で作製した実施例、比較例の各研磨済みロッド状サンプルにつき、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ARコート付き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。)
Each of the polished rod-shaped samples of the Examples and Comparative Examples prepared in the above manner was coated on both optical end faces with an anti-reflection film (AR coat) designed to have a central wavelength of 1064 nm. The Verdet constant of each of the obtained AR-coated 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).)
最後に、これら実施例、比較例の各ARコート付きロッド状サンプルにつき、下記要領にてレーザー損傷閾値の評価を行った。
(レーザー損傷閾値の測定方法)
レーザー損傷閾値の測定は、ISO 21254を参考に測定した。具体的には以下の計算式を元にパルス幅10ns換算でのレーザー損傷閾値を求めた。サンプルへの入射エネルギーは、波長1064nmで出力する光源レーザーのパワーE(W)、パルス幅τ(ns)、繰り返し周波数H(Hz)、入射ビーム径D(μm)の各パラメータを用いて、以下の式でパルス幅10ns換算フルエンスFとして算出する。
F=(2×E/H)÷(π×((D×10-4)/2)2)×√(10/τ)(J/cm2)
更に、フルエンスFでサンプルの一方の光学面に入射、透過して他方の光学面(反対面)から出射してきたレーザービームをサンプルの後段に設置したパワーメータでモニターする。この状態でサンプル入射フルエンスFを徐々に上げていく。するとある時点でパワーメータの入力値が突然低下する現象が生じる。このときの入射レーザーフルエンスFmaxを、各サンプルの波長1064nmにおけるレーザー損傷閾値として読み取った。なお、測定データのバラツキも勘案して、このレーザー損傷閾値は光学面内の入射位置をずらしながら10点測定し、その平均値をレーザー損傷閾値として求めた。
Finally, the laser damage threshold of each of the AR-coated rod-shaped samples of the Examples and Comparative Examples was evaluated in the following manner.
(Method of measuring laser damage threshold)
The laser damage threshold was measured with reference to ISO 21254. Specifically, the laser damage threshold converted into a pulse width of 10 ns was calculated based on the following formula: The incident energy to the sample was calculated as a fluence F converted into a pulse width of 10 ns using the following formula, using the parameters of the power E (W), pulse width τ (ns), repetition frequency H (Hz), and incident beam diameter D (μm) of the light source laser outputting a wavelength of 1064 nm.
F=(2×E/H)÷(π×((D×10 -4 )/2) 2 )×√(10/τ)(J/cm 2 )
Furthermore, the laser beam incident on one optical surface of the sample at a fluence F, transmitted through it, and emitted from the other optical surface (opposite surface) was monitored by a power meter installed downstream of the sample. In this state, the sample incident fluence F was gradually increased. Then, at a certain point, a phenomenon occurred in which the input value of the power meter suddenly decreased. The incident laser fluence Fmax at this time was read as the laser damage threshold at a wavelength of 1064 nm for each sample. Taking into consideration the variation in the measurement data, the laser damage threshold was measured at 10 points while shifting the incident position on the optical surface, and the average value was calculated as the laser damage threshold.
参考までに、図2に測定系の一例を示す。図2では、光源であるパルスレーザー11からの出力は一定とし、光路途中にセットしたHWP(2分の1波長板)13を回転させることで透明セラミックスのサンプル17への入射レーザー光量を制御している。なお、レーザー損傷が発生した場所は、すべてのサンプルにおいてレーザー出射面表面上であった。
参考として、図3にサンプルの出射表面のレーザー損傷による損傷痕の外観(光学顕微鏡写真)を示す。
For reference, an example of a measurement system is shown in Figure 2. In Figure 2, the output from a pulsed laser 11, which is the light source, is kept constant, and the amount of laser light incident on a transparent ceramic sample 17 is controlled by rotating a half-wave plate (HWP) 13 set in the middle of the optical path. Note that the location where laser damage occurred was on the laser exit surface in all samples.
For reference, FIG. 3 shows the appearance (optical microscope photograph) of damage marks caused by laser damage on the emission surface of the sample.
以上の結果をまとめて表2に示す。更に参考として、表1の平均粗さSa、Sqと表2のレーザー損傷閾値Fmaxの関係をグラフ化したものを図4に示す。
以上の結果、本実施例で作製したサンプルは、実施例、比較例を問わず、いずれも高度に透明な焼結体に仕上がっていた。即ち、実施例1~3、比較例1~3のいずれのサンプルも全光線透過率84.0%以上、前方散乱率0.5%以下となっていた。またそのベルデ定数もすべてが30rad/(T・m)を上回っていた。
それにも関わらず、光学面(研磨面)の算術平均高さSaが0.7nmを超えている場合、又は別の計算方法で算出した二乗平均平方根高さSqが0.89nmを超えた場合である比較例1~3のレーザー損傷閾値は、いずれも10J/cm2を下回っていた。一方、算術平均高さSaが0.7nm以下の場合、又は二乗平均平方根高さSqが0.89nm以下の場合である実施例1~3のレーザー損傷閾値はすべて10J/cm2を上回っていた。
このように、波長1064nmにおけるパルス幅10ns換算でのレーザー損傷閾値が10J/cm2を上回っていると、最新の高出力、且つ短パルスレーザーシステムに、例えば光アイソレータユニット用のファラデー回転子として搭載しても、該材料がレーザー損傷に至ることなく安定に使用することが可能となる。
As a result, all of the samples produced in this embodiment, whether they were examples or comparative examples, were highly transparent sintered bodies. That is, all of the samples in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 had a total light transmittance of 84.0% or more and a forward scattering rate of 0.5% or less. In addition, all of the Verdet constants exceeded 30 rad/(T·m).
Nevertheless, the laser damage thresholds of Comparative Examples 1 to 3, in which the arithmetic mean height Sa of the optical surface (polished surface) exceeded 0.7 nm or the root mean square height Sq calculated by another calculation method exceeded 0.89 nm, were all below 10 J/cm 2. On the other hand, the laser damage thresholds of Examples 1 to 3, in which the arithmetic mean height Sa was 0.7 nm or less or the root mean square height Sq was 0.89 nm or less, were all above 10 J/cm 2 .
In this way, if the laser damage threshold at a wavelength of 1064 nm converted into a pulse width of 10 ns exceeds 10 J/ cm , the material can be used stably without suffering laser damage, even when it is installed in the latest high-output, short-pulse laser system, for example, as a Faraday rotator for an optical isolator unit.
[実施例4~6、比較例4~6]
信越化学工業(株)製の酸化イットリウム粉末、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最終組成がY3Al5O12(通称YAG)となる複合酸化物原料を作製した。この際、TEOSも、その添加量がSiO2換算で0.05質量%になるように秤量して同時に加えた。
続いて該複合酸化物原料を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。得られた酸化物原料に一軸プレス成形、及び198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を6個得た。該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。
続いて当該脱脂済成形体を真空焼結炉に仕込み、1600℃で3時間処理して焼結体を得た。この時、サンプルの焼結相対密度はいずれも94~98%の範囲におさまっていた。
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、得られた各セラミックス焼結体全てについて、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、まずガーネット型透明セラミックスのサンプルを用意した。
[Examples 4 to 6, Comparative Examples 4 to 6]
We obtained yttrium 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, a composite oxide raw material with a final composition of Y3Al5O12 (commonly known as YAG) was prepared by adjusting the mixing ratio. At this time, TEOS was also weighed and added at the same time so that the amount added was 0.05 mass% in terms of SiO2 .
The composite oxide raw material was then dispersed and mixed in ethanol using an alumina ball mill for 15 hours.
Then, a spray-drying process was carried out to produce granular raw materials each having an average particle size of 20 μm. The obtained oxide raw materials were subjected to uniaxial pressing and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain six CIP molded bodies. All of the molded bodies were degreased in a muffle furnace at 1000° C. for 3 hours to obtain degreased molded bodies.
The degreased green body was then placed in a vacuum sintering furnace and sintered at 1600° C. for 3 hours to obtain a sintered body. At this time, the relative sintered density of each sample was within the range of 94 to 98%.
The obtained sintered bodies were placed in a carbon heater HIP furnace and subjected to HIP treatment under the conditions of 200 MPa, 1600°C, and 2 hours in Ar. Almost no graying (oxygen deficiency absorption) was observed in the appearance of any of the obtained sintered bodies. However, to be on the safe side, all of the obtained ceramic sintered bodies were annealed in an atmospheric heating furnace at 1450°C for 30 hours to sufficiently recover the oxygen deficiency. In this way, first, samples of garnet-type transparent ceramics were prepared.
続いて、得られた透明セラミックスのサンプルについて、直径5mm、長さ25mmのロッド形状となるように研削処理した。
こうして準備した透明セラミックスのロッド状サンプルについて両端面を表3に示した各条件(実施例4~6、比較例4~6)にて光学研磨処理した。このときの研磨条件は、実施例1~3、比較例1~3の場合と同一とした。
更に、得られた各研磨済みロッド状サンプルの表面粗さも実施例1~3、比較例1~3の場合と同様に測定した。
こうして測定、算出された平均粗さをまとめて表3に示す。
Subsequently, the obtained transparent ceramic sample was subjected to a grinding process so as to have a rod shape with a diameter of 5 mm and a length of 25 mm.
Both end faces of the thus prepared rod-shaped transparent ceramic samples were subjected to optical polishing under the conditions (Examples 4 to 6, Comparative Examples 4 to 6) shown in Table 3. The polishing conditions were the same as those in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
Furthermore, the surface roughness of each of the polished rod-shaped samples obtained was measured in the same manner as in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3.
The average roughnesses thus measured and calculated are shown in Table 3.
上記の各研磨済みロッド状サンプルについて、全光線透過率、前方散乱率を実施例1~3、比較例1~3と同じ要領で測定した。なお、本実施例の透明セラミックスのサンプル中にはテルビウムが含まれておらず、ファラデー回転効果は期待できないことから、該サンプルのベルデ定数は評価しなかった。
最後に、これら実施例4~6、比較例4~6の各研磨済みロッド状サンプルにつき、実施例1~3、比較例1~3の場合と同様にして反射防止膜(ARコート)をコートした上で、前述と同じ要領にてレーザー損傷閾値を測定した。
得られた結果をまとめて表4に示す。
The total light transmittance and forward scattering rate of each of the above polished rod-shaped samples were measured in the same manner as in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Note that since the transparent ceramic samples of this example did not contain terbium and therefore the Faraday rotation effect could not be expected, the Verdet constant of the samples was not evaluated.
Finally, each of the polished rod-shaped samples of Examples 4 to 6 and Comparative Examples 4 to 6 was coated with an anti-reflection film (AR coat) in the same manner as in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, and the laser damage threshold was measured in the same manner as described above.
The results are summarized in Table 4.
以上の結果、本実施例で作製したサンプルも、実施例、比較例を問わず、いずれも高度に透明な焼結体に仕上がっていた。即ち、実施例4~6、比較例4~6のいずれのサンプルも全光線透過率84.0%以上、前方散乱率0.5%以下となっていた。
それにも関わらず、光学面(研磨面)の算術平均高さSaが0.7nmを超えた場合、又は別の計算方法で算出した二乗平均平方根高さSqが0.89nmを超えた場合である比較例4~6のレーザー損傷閾値はいずれも10J/cm2を下回っていた。一方、算術平均高さSaが0.7nm以下の場合、又は二乗平均平方根高さSqが0.89nm以下の場合である実施例4~6のレーザー損傷閾値はすべて10J/cm2を上回っていた。
ちなみに本実施例では示さなかったが、該実施例のYAG型透明セラミックスは、ネオジム(Nd)を1~3質量%ほどドープすることにより、レーザー発振媒質そのものとしての利用が可能となる。
As a result, all of the samples prepared in this embodiment, regardless of whether they were examples or comparative examples, were finished as highly transparent sintered bodies. That is, all of the samples in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 4 to 6 had a total light transmittance of 84.0% or more and a forward scattering rate of 0.5% or less.
Nevertheless, the laser damage thresholds of Comparative Examples 4 to 6, in which the arithmetic mean height Sa of the optical surface (polished surface) exceeded 0.7 nm or the root mean square height Sq calculated by another calculation method exceeded 0.89 nm, were all below 10 J/cm 2. On the other hand, the laser damage thresholds of Examples 4 to 6, in which the arithmetic mean height Sa was 0.7 nm or less or the root mean square height Sq was 0.89 nm or less, were all above 10 J/cm 2 .
Although not shown in this embodiment, the YAG type transparent ceramics of this embodiment can be used as a laser oscillation medium itself by doping it with about 1 to 3 mass % of neodymium (Nd).
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.
11 パルスレーザー
12 増幅器
13 ミラー
14 HWP(1/2波長板)
15 PBS
16 レンズ
17 サンプル
18 パワーメータ
19 PC
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
11 Pulse laser 12 Amplifier 13 Mirror 14 HWP (half wave plate)
15 PBS
16 Lens 17 Sample 18 Power meter 19 PC
100 Optical isolator 110 Faraday rotator 120 Polarizer 130 Analyzer 140 Magnet
Claims (7)
(Tb(Tb 1-x-y1-x-y YY xx ScS.C. yy )) 33 (Al(Al 1-z1-z ScS.C. zz )) 55 OO 1212 (1)(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。)(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.)
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