CN102959139A - 石榴石型单晶、光隔离器及激光加工机 - Google Patents

石榴石型单晶、光隔离器及激光加工机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种石榴石型单晶,其由下述通式表示:(Tb3-xScx)(Sc2 -yAly)Al3O12-z (1)(式中,x满足0<x<0.1)。

Description

石榴石型单晶、光隔离器及激光加工机
技术领域
本发明涉及石榴石型单晶、光隔离器及激光加工机。
背景技术
光隔离器具有利用磁场的施加使入射光的偏振面旋转的法拉第旋光器,近年来,不仅在光通信中,在激光加工机中也逐渐开始使用。
作为这样的在光隔离器中使用的法拉第旋光器,以往以来已知有铽·钪·铝·石榴石型单晶(TSAG:Tb3Sc2Al3O12)(下述非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:吉川,外5名,“法拉第旋光器用Tb3Sc2Al3O12单晶的直拉法生长”(Crochralskigrowth of Tb3Sc2Al3O12 single crystal forFaraday rotator),材料·研究·公报(Materials Research Bulletin),2001年,第37卷,p.1-10
发明内容
但是,上述非专利文献1中记载的石榴石型单晶虽然具有透明性,但有时单晶会产生裂纹。
本发明是鉴于上述情况而完成的,目的在于提供一种具有透明性且能够充分抑制裂纹的产生的石榴石型单晶、光隔离器及激光加工机。
本发明人等为了解决上述课题进行了深入研究,结果发现在非专利文献1的单晶中,通过用Sc置换Tb的一部分,从而能够解决上述课题,完成了本发明。
即,本发明的石榴石型单晶,以下述通式表示:
(Tb3-xScx(Sc2-yAly)Al3O12-z                (1)
(式中,x满足0<x<0.1)。
该单晶具有透明性且能够充分抑制裂纹的产生。其中,特别是对于可充分抑制裂纹的产生的理由,本发明人等推测原因是通过Tb的一部分被Sc置换,从而使石榴石结构稳定化。
另外,上述石榴石型单晶优选用于法拉第旋光器。
在上述通式(1)中,优选y和z同时满足下式:
0≤y≤0.2
0≤z≤0.3。
此时,与y和z偏离上述范围的情况相比,能够更充分地抑制单晶的透射率的降低。
在上述通式(1)中,进一步优选x、y以及z满足下式:
0.05≤x≤0.07
0.07≤y≤0.11
0.08≤z≤0.12。
满足上述式的单晶在1064nm的波长处具有更大的弗尔德常数。因此,满足上述式的石榴石型单晶极其适于用作以Nd:YAG激光作为光源的激光加工机的光隔离器中使用的法拉第旋光器用单晶。
另外,本发明的光隔离器,是具有法拉第旋光器的光隔离器,上述法拉第旋光器由上述石榴石型单晶构成。
在本发明的光隔离器中,法拉第旋光器由上述石榴石型单晶构成,由于能够由上述单晶大量地得到法拉第旋光器,所以能够使法拉第旋光器低价格化。因此,如果利用本发明的光隔离器,则能够低价格化。
此外,本发明的激光加工机,具有上述光隔离器。
根据本发明的激光加工机,由于石榴石型单晶为透明的,所以石榴石型单晶所致的光的吸收减少。因此,能够提高光隔离器的光的耐损伤性。并且,由于能够抑制结晶内的晶格缺陷等,所以不会产生裂纹。因此,能够使光隔离器长寿命化。其结果能够在光加工机中减少光隔离器的交换频率。
根据本发明,提供一种具有透明性且能够充分抑制裂纹的产生的石榴石型单晶、光隔离器以及激光加工机。
附图说明
图1是表示本发明的光隔离器的一个实施方式的图。
图2是表示培育本发明的石榴石型单晶的工序的工序图。
图3是表示本发明的激光加工机的一个实施方式的简图。
具体实施方式
以下,边参照附图边对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明的光隔离器的一个实施方式的图。如图1所示,光隔离器10具备:起偏器1、检偏器2以及配置在起偏器1与检偏器2之间的法拉第旋光器3。其中,偏振器1和检偏器2以它们的透射轴彼此相互成为非平行的方式,例如以形成45°角度的方式而配置。
例如沿着从起偏器1朝向检偏器2的方向,即沿着光的入射方向对法拉第旋光器3施加磁场B,法拉第旋光器3因磁场B的施加,使通过起偏器1的光L的偏振面旋转,使其通过检偏器2的透射轴。
在此,详细说明法拉第旋光器3。
法拉第旋光器3,由以下述通式表示的法拉第旋光器用石榴石型单晶构成。
(Tb3-xScx(Sc2-yAly)Al3O12-z                (1)
(上述式中,x满足0<x<0.1)
在此,以上述通式(1)表示的单晶表示铽·钪·铝·石榴石型单晶。上述通式(1)表示的单晶以Tb3Sc2Al3O12为基准时,利用(Sc2-yAly)的部分表示Sc的一部分可被Al置换,利用(Tb3-xScx)的部分表示Tb的一部分可被Sc置换。根据上述通式(1)表示的石榴石型单晶,至少在红外光和可见光的波长区域具有透明性且能够充分抑制切出时的裂纹的产生。
在上述通式(1)中,x满足0<x<0.1。如果x为0,则单晶切出时,单晶产生裂纹。如果x为0.1以上,则在结晶中有第2相结晶而无法实现单晶。x优选为0.04~0.09。
在上述通式(1)中,y通常为0~0.2,优选为0.02~0.2。
在上述通式(1)中,z通常为0~0.3,优选为0~0.2。应予说明,z不为0时,氧原子数小于石榴石型结晶中的氧原子数,即小于12,这是由单晶中的缺陷引起的。
特别是为了更充分地抑制因氧缺陷引起的透光率的降低,所以在上述通式(1)中,优选y和z同时满足下式:
0≤y≤0.2
0≤z≤0.3。
其中,在将法拉第旋光器3用于以Nd:YAG(振荡波长:1064nm)为光源的激光加工机的光隔离器情况下,为了使弗尔德常数更大,优选在上述通式(1)中,x、y以及z同时满足下式:
0.05≤x≤0.07
0.07≤y≤0.11
0.08≤z≤0.12。
接着,对上述单晶的培育方法进行说明。
首先,在说明单晶的培育方法之前,边参照图2边对培育上述单晶的结晶培育装置进行说明。图2是表示培育本发明的法拉第旋光器用石榴石型单晶的工序的工序图。如图2所示,结晶培育装置20主要具备:铱制坩埚21、收容坩埚21的陶瓷制的筒状容器22以及在筒状容器22周围卷绕的高频线圈23。高频线圈23用于使坩埚21产生感应电流来加热坩埚21。
接着,对使用上述结晶培育装置20的上述单晶的培育方法进行说明。
首先,准备Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末。
然后,如果应当培育的单晶组成即上述通式(1)中的x、y、z确定,则根据该组成来决定Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率。此时,上述Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末如下所述。
即,通常以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准,Tb4O7粉末的配合率为21.0~23.1摩尔%。
通常以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准,Sc2O3粉末的配合率为30.8~33.5摩尔%。
通常以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔为基准,Al2O3粉末的配合率为45.0~46.1摩尔%。然后,以该决定的配合率将上述Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末干式混合而得到混合粉末。
接下来,将上述混合粉末装入坩埚21。
接着,对高频线圈23施加电流。然后,坩埚21被加热,在坩埚21内混合粉末熔融而得到熔液24。接下来,准备棒状的籽晶25,将该籽晶25的前端浸渍于熔液24后,边以规定的转数旋转籽晶25边以规定的提拉速度提拉。
此时,例如可以使用钇·铝·石榴石(YAG)等石榴石型单晶作为籽晶25。
籽晶25的转数优选为3~50rpm,更优选为3~10rpm。
籽晶25的提拉速度优选为0.1~3mm/h,更优选为0.2~1mm/h。
籽晶25的提拉优选在非活性气体环境下进行,作为非活性气体,通常使用氮气。另外,籽晶25的提拉通常在大气压下进行。
如果这样提拉籽晶25,则能够在籽晶25的前端得到上述通式(1)表示的块状的单晶26。
接着,边参照图3边对本发明的激光加工机进行详细说明。应予说明,在图3中,对与图1相同或等同的构成要素标以相同符号,省略重复的说明。
图3是表示本发明的激光加工机的一个实施方式的简图。如图3所示,激光加工机100具备激光源11和在从激光源11射出的激光L的光路P上配置的光隔离器10。根据该激光加工机100,从激光源11射出的激光L通过光隔离器10射出,利用该射出光能够加工被加工体Q。
此处,在光隔离器10的法拉第旋光器中使用的石榴石型单晶具有透明性,所以石榴石型单晶所致的光的吸收减少。因此,也能够提高法拉第旋光器3的光的耐损伤性。
另外,如果是作为法拉第旋光器3使用的上述石榴石型单晶,则能够抑制结晶内的晶格缺陷等,所以不会产生裂纹。因此,能够使光隔离器10长寿命化。其结果是在激光加工机100中能够减少光隔离器10的交换频率。
作为激光源11,例如可以使用振荡波长为1064nm以上的激光源,例如Nd:YAG激光或振荡波长为1080nm的掺Yb纤维激光器。另外,作为激光源11,还可以使用振荡波长低于1064nm的激光源。作为振荡波长低于1064nm的激光源,例如可以使用振荡波长为400~700nm的激光源。作为振荡波长为400~700nm的激光源,例如可举出振荡波长为405nm的GaN系半导体激光器、振荡波长为700nm的钛蓝宝石激光器等。应予说明,激光源11的振荡波长在700~1064nm的范围内,例如可以为800nm附近,或者也可以为1030~1080nm。
另外,在上述实施方式中,石榴石型单晶在激光加工机的光隔离器中使用,但并不限于光隔离器,也可以适用于通过使用法拉第旋光器来测量法拉第旋转角的变化从而观测磁场的变化的光磁场传感器等。另外,石榴石型单晶也可适用于法拉第旋光器以外的用途。
实施例
以下,举出实施例来更具体地说明本发明的内容,但本发明不限于下述实施例。
(实施例1)
首先,准备Tb4O7粉末(纯度99.99%)、Sc2O3粉末(纯度99.99%)以及Al2O3粉末(纯度99.99%),将这些粉末干式混合而得到混合粉末。此时,将以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准(100摩尔%)的Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率分别设为23.1摩尔%、30.8摩尔%以及46.1摩尔%。
接下来,将上述混合粉末装入直径50mm、深度50mm的筒状的坩埚21中。
接着,对高频线圈23施加电流,加热坩埚21来熔融混合粉末而得到熔液24。接下来,准备由YAG(钇·铝·石榴石)构成的3×3×70mm的角棒状的籽晶25,将该籽晶25的前端浸渍于熔液24后,边以10rpm的转数旋转籽晶25边以1mm/h的提拉速度提拉。此时,使氮气以2L/min的流量流入筒状容器22内,在大气压下、氮气环境中提拉籽晶25。由此,得到直径约2.5cm、长度约5cm的透明单晶。
对这样得到的单晶进行X射线衍射的结果,确认了Tb3Sc2Al3O12的峰。另外,使用Bruker AXS公司制SMART APEX,对得到的单晶进行利用单晶X射线衍射的结构解析,结果可以确认Tb的一部分被Sc置换,Sc的一部分被Al置换,氧原子的一部分缺失。
进而,对上述单晶进行利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析,确认了单晶的组成(Tb、Sc、Al以及O的原子数比)。利用ICP的化学分析具体如下进行。即,首先从单晶的直晶身部下端切出50mg,得到切片。接着,将切片放入铂金坩埚中,然后加入四硼酸锂250mg。接下来,将该铂金坩埚收容至高温加热炉,在1030℃加热2小时,使切片熔解。之后放冷铂金坩埚后,将切片放入50ml的烧杯中,进一步添加20mlHCl。接着,将烧杯配置在热板上缓慢加热,从切片使各元素成分(Tb、Sc以及Al)溶解到HCl中。此时,将烧杯内得到的溶液稀释至50ml,对该溶液进行利用了ICP的化学分析。其结果确认得到了具有(Tb2.96Sc0.04)(Sc1.87Al0.13)Al3O11.9的组成的单晶。
(实施例2)
首先,准备Tb4O7粉末(纯度99.99%)、Sc2O3粉末(纯度99.99%)以及Al2O3粉末(纯度99.99%),将这些粉末干式混合,得到混合粉末。此时,将以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准(100摩尔%)的Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率分别设为22.1摩尔%、32.1摩尔%以及45.8摩尔%。
接着,将上述混合粉末装入直径50mm、深度50mm的筒状的坩埚21中。
之后与实施例1同样地培育单晶。由此得到直径约2.5cm、长度约5cm的透明的单晶。
对这样得到的单晶进行X射线衍射,结果确认了Tb3Sc2Al3O12的峰。另外,对得到的单晶进行利用了单晶X射线衍射的结构解析,结果确认了Tb的一部分被Sc置换,Sc的一部分被Al置换,氧原子的一部分缺失。
进而,与实施例1同样地对单晶进行利用了ICP的化学分析,结果确认得到了具有(Tb2.94Sc0.06)(Sc1.91Al0.09)Al3O11.9的组成的单晶。
(实施例3)
首先,准备Tb4O7粉末(纯度99.99%)、Sc2O3粉末(纯度99.99%)以及Al2O3粉末(纯度99.99%),将这些粉末干式混合得到混合粉末。此时,将以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准(100摩尔%)的Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率分别设为21.2摩尔%、33.3摩尔%以及45.5摩尔%。
接着,将上述混合粉末装入直径50mm、深度50mm的筒状的坩埚21中。
之后与实施例1同样地培育单晶。这样得到直径约2.5cm、长度约5cm的透明单晶。
对这样得到的单晶进行X射线衍射,结果确认了Tb3Sc2Al3O12的峰。另外,对得到的单晶进行利用了单晶X射线衍射的结构解析,结果确认Tb的一部分被Sc置换,Sc的一部分被Al置换,氧原子的一部分缺失。
进而,与实施例1同样地对单晶进行利用了ICP的化学分析,结果确认得到了具有(Tb2.91Sc0.09)(Sc1.97Al0.03)Al3O11.9的组成的单晶。
(实施例4)
首先,准备Tb4O7粉末(纯度99.99%)、Sc2O3粉末(纯度99.99%)以及Al2O3粉末(纯度99.99%),将这些粉末干式混合,得到混合粉末。此时,将以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准(100摩尔%)的Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率分别设为22.6摩尔%、31.4摩尔%以及46.0摩尔%。
接着,将上述混合粉末装入直径50mm、深度50mm的筒状的坩埚21中。
之后与实施例1同样地培育单晶。这样得到直径约2.5cm、长度约5cm的透明的单晶。
对这样得到的单晶进行X射线衍射,结果确认了Tb3Sc2Al3O12的峰。另外,对得到的单晶进行利用了单晶X射线衍射的结构解析,结果确认了Tb的一部分被Sc置换,Sc的一部分被Al置换,氧原子的一部分缺失。
进而,与实施例1同样地对单晶进行利用了ICP的化学分析,结果确认得到了具有(Tb2.99Sc0.01)(Sc1.85Al0.15)Al3O11.9组成的单晶。
(比较例1)
首先,准备Tb4O7粉末(纯度99.99%)、Sc2O3粉末(纯度99.99%)以及Al2O3粉末(纯度99.99%),将这些粉末干式混合,得到混合粉末。此时,将以Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的总计摩尔数为基准(100摩尔%)的Tb4O7粉末、Sc2O3粉末以及Al2O3粉末的配合率分别设为22.7摩尔%、31.3摩尔%以及46.0摩尔%。
接着,将上述混合粉末装入直径50mm、深度50mm的筒状的坩埚21中。
之后与实施例1同样地培育单晶。这样得到直径约2.5cm、长度约5cm的透明单晶。
对这样得到的单晶进行X射线衍射,结果确认了Tb3Sc2Al3O12的峰。另外,对得到的单晶进行利用了单晶X射线衍射的结构解析,结果确认了Sc的一部分被Al置换,氧原子的一部分缺失。
进而,与实施例1同样地对单晶进行利用了ICP的化学分析,结果确认得到了具有Tb3(Sc1.85Al0.15)Al3O11.8的组成的单晶。
[特性评价]
(1)裂纹的有无
利用安装了电沉积金刚石刀片的内圆刃切割机,从实施例1~4和比较例1的单晶切出约2cm厚的结晶块,目视观察单晶切出时裂纹的有无。将结果示于表1。
(2)法拉第旋转角
对如上述那样得到的实施例1~4和比较例1的单晶,测定在633nm、1064nm以及1303nm的波长处的法拉第旋转角。法拉第旋转角的测定如下进行。即,首先以在起偏器与检偏器之间不配置单晶的状态使检偏器旋转成消光状态。接着,将实施例1~4和比较例1的单晶切出3.5×3.5×20mm的角棒状,将其配置到起偏器与检偏器之间,在沿单晶的长度方向施加了0.42T的磁通密度的状态下入射光,再次使检偏器旋转成消光状态。然后,计算在起偏器与检偏器之间夹持单晶前的检偏器的旋转角与夹持单晶后的检偏器的旋转角之差,将该角度差作为法拉第旋转角。此时,分别测定在光源波长633nm、1064nm以及1303nm处的法拉第旋转角。将结果示于表1。
表1
Figure BDA00002658113200111
由表1所示的结果可知实施例1~4的单晶具有透明性,能够充分抑制切出时的裂纹的产生。与此相对,可知比较例1的单晶虽然透明,但切出时有裂纹产生。
由以上确认了本发明的石榴石型单晶具有透明性,能够充分抑制裂纹的产生。
符号说明
1…起偏器
2…检偏器
3…法拉第旋光器
10…光隔离器
100…激光加工机

Claims (6)

1.一种石榴石型单晶,其特征在于,以下述通式表示:
(Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z        (1)
式中,x满足0<x<0.1。
2.根据权利要求1所述的石榴石型单晶,其用于法拉第旋光器。
3.根据权利要求1或2所述的石榴石型单晶,其中,在所述通式(1)中,y和z满足下式:
0≤y≤0.2
0≤z≤0.3。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的石榴石型单晶,其中,在所述通式(1)中,x、y以及z满足下式:
0.05≤x≤0.07
0.07≤y≤0.11
0.08≤z≤0.12。
5.一种光隔离器,其特征在于,是具有法拉第旋光器的光隔离器,所述法拉第旋光器由权利要求1~4中任一项所述的石榴石型单晶构成。
6.一种激光加工机,其特征在于,具有权利要求5所述的光隔离器。
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