CN109844622B - 磁光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种容易使光频隔离器小型化的磁光元件。该光磁元件的特征在于，由2个以上的磁性部件接合而成。

Description

磁光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及适于光频隔离器、光环行器、磁传感器等的磁设备的磁光元件及其制造方法。
背景技术
已知含有Tb2O3等的顺磁性化合物的玻璃材料显示磁光效应之一的法拉第效应。法拉第效应是指使通过置于磁场中的材料的直线偏光的偏光面旋转的效应。这样的效应能够在光频隔离器、磁场传感器等中利用。
由法拉第效应引起的旋光度(偏光面的旋转角)θ在将磁场的强度记为H、偏光所通过的元件的长度记为L时，通过以下的式子表示。式中，V是依赖于物质的种类的常数，称为韦尔代常数。韦尔代常数在为抗磁性体是为正的值，在为顺磁性体时为负的值。韦尔代常数的绝对值越大时、元件的长度越时或者越使磁石大型化(增强磁场)时，旋光度的绝对值越大，作为结果，显示出大的法拉第效应。为了使光频隔离器小型化，使用韦尔代常数大的材料是最有效的。
θ＝VHL
目前，作为显示法拉第效应的玻璃材料，已知有SiO2－B2O3－Al2O3－Tb2O3系的玻璃材料(参照专利文献1)、P2O5－B2O3－Tb2O3系的玻璃材料(参照专利文献2)或P2O5－TbF3－RF2(R为碱土金属)系的玻璃材料(参照专利文献3)等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭51－46524号公报
专利文献2：日本特公昭52－32881号公报
专利文献3：日本特公昭55－42942号公报
发明内容
发明所要解决的课题
上述的玻璃材料中，通过增加顺磁性化合物的含量，能够得到韦尔代常数大的材料。但是，随之变得难以玻璃化，只能得到非常小的玻璃材料。作为结果，为了得到所期望的法拉第效应，需要使磁石大型化(增强磁场)，反而导致光频隔离器大型化。
鉴于以上事实，本发明的目的在于提供一种容易使光频隔离器小型化的磁光元件。
用于解决课题的方法
本发明的磁光元件的特征在于由2个以上的磁性部件接合而成。通过接合2个以上的磁性部件，容易得到大的磁光元件。因此，本发明的磁光元件即使在例如使用难以玻璃化的玻璃材料作为磁性部件时，也能够确保所需要的长度，能够得到大的法拉第效应。因此，能够使磁石小型化，所以容易使光频隔离器小型化。
本发明的磁光元件中，优选磁性部件为玻璃材料。
本发明的磁光元件中，优选玻璃材料相互熔接接合。
本发明的磁光元件中，玻璃材料中，作为组成，优选以质量％计含有Tb2O3 78％以上。如上所述，由于大量含有Tb2O3，韦尔代常数的绝对值变大。其结果，显示大的法拉第效应。
本发明的磁光元件能够作为法拉第旋转元件使用。通过用于上述的用途，能够享受本发明的效果。
本发明的磁光元件的制造方法的特征在于对2个以上的玻璃材料进行加热使其熔接接合。
本发明的磁光元件的制造方法中，优选使2个以上的玻璃材料熔接接合的温度为(玻璃化转变温度－20℃)～(玻璃化转变温度+100℃)。
发明的效果
根据本发明，能够提供容易使光频隔离器小型化的磁光元件。
附图说明
图1是示意表示本发明的第一实施方式所涉及的磁光元件的立体图。
图2是示意表示本发明的第二实施方式所涉及的磁光元件的立体图。
图3是示意表示用于制造本发明所使用的玻璃材料的装置的一个实施方式的剖面图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
(1)第一实施方式
图1是示意表示本发明的第一实施方式所涉及的磁光元件的立体图。
在本实施方式中，磁光元件2中，作为磁性部件的2个玻璃材料1的接合面3以垂直于激光的前进方向的方式将玻璃材料彼此在长度方向串联接合。此外，玻璃材料1的个数为2个以上即可，上限没有特别限定。另外，为了将磁场高效地施加于磁光元件2，优选玻璃材料1为圆柱状。由于这样的磁光元件2能够确保所需要的长度，因此，容易显示大的法拉第效应，容易使光频隔离器小型化。
接着，对本发明的第一实施方式所涉及的磁光元件的制造方法进行说明。
首先，将玻璃材料1加工为柱状，将形成接合面3的端面研磨为镜面。此后，将玻璃材料1彼此在接合面3重合，边施加力量边进行热处理，由此能够熔接接合。
接着，对热处理条件进行详细说明。热处理温度优选为玻璃化转变温度－20℃～玻璃化转变温度+100℃、玻璃化转变温度－10℃～玻璃化转变温度+90℃、玻璃化转变温度～玻璃化转变温度+80℃、玻璃化转变温度～玻璃化转变温度+60℃。热处理温度过低时，玻璃材料2难以接合。另一方面，热处理温度过高时，玻璃材料2变得容易失透。力量优选为0.05kgf～1kgf、0.1kgf～0.9kgf。力量过轻时，玻璃材料2变得难以接合。另一方面，力量过重时，变得容易导致玻璃材料2的破坏。此外，热处理气氛没有特别限定，为Tb2O3系玻璃时，优选为不活泼气氛。不活泼气氛可以是氮、氩或氦气氛的任一种，从低价的方面考虑，特别优选氮气氛。不进行气氛控制而进行热处理时，也就是在大气中进行热处理时，玻璃被氧化，磁矩低的Tb4+增加，由于磁矩是韦尔代常数的起源，法拉第效应容易变小。
(2)第二实施方式
图2是示意表示本发明的第二实施方式所涉及的磁光元件的立体图。
在本实施方式中，磁光元件2中，作为磁性部件的2个玻璃材料1的接合面以平行于激光的前进方向的方式将玻璃材料彼此在长度方向并联接合。此外，玻璃材料1的个数为2个以上即可，上限没有特别限定。这样的磁光元件2能够确保大的剖面积，因此，变得容易在对应于激光直径大的激光的光频隔离器中使用。
接着，对本发明的第二实施方式所涉及的磁光元件的制造方法进行说明。
首先，将玻璃材料1加工为板状，将形成接合面3的端面研磨为镜面。此后，将玻璃材料1彼此在接合面3重合，边施加力量边进行热处理，由此能够熔接接合。此外，在接合后，也可以将磁光元件2加工为圆柱状等规定的形状。热处理温度、力量和热处理条件与第一实施方式同样。
此外，通过将3个以上的玻璃材料接合，也能够进一步增大磁光元件的长度、进一步增大剖面积或者使长度和剖面积都增大。另外，也可以利用光学接触使玻璃材料接合。
此外，各玻璃材料的组成优选实质上相同。这样能够实现磁光元件的物性的均一化。
接着，对本发明中所使用的玻璃材料进行说明。
本发明中所使用的玻璃材料优选以质量％计，含有Tb2O3 78％以上、79％以上、80％以上。Tb2O3的含量过少时，韦尔代常数的绝对值变小，难以获得充分的法拉第效应。另一方面，Tb2O3的含量过多时，由于存在玻璃化变得困难的趋势，因此，优选95％以下、92％以下、特别是90％以下。
此外，关于Tb，规定了3价的氧化物的含量，关于3价以外的氧化物，优选换算为3价的氧化物时的含量在上述范围内。
关于成为韦尔代常数的起源的磁矩，Tb3+大于Tb4+。因此，玻璃材料总的Tb3+的比例越大，则法拉第效应越大，故而优选。具体而言，全部Tb中Tb3+的比例，以质量％计，优选为50％以上、60％以上、70％以上、80％以上、特别是90％以上。
本发明中所使用的玻璃材料中，除了Tb2O3以外，可以含有以下所示的各种成分。此外，在关于以下的各成分的含量的说明中，只要没有特别说明，“％”是指“质量％”。
B2O3是成为主要的玻璃骨架，扩大玻璃化范围的成分。但是，由于无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，B2O3的含量优选为0～22％、1～21％，更优选为1～20％、1～17％、特别是2～15％。
P2O5是成为玻璃骨架，扩大玻璃化范围的成分。但是，由于无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，P2O5的含量优选为0～22％、0～20％，更优选为0～15％、0～12％、特别是0～10％(但是不包括0％)。
SiO2是成为玻璃骨架，扩大玻璃化范围的成分。但是，由于无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，SiO2的含量优选为0～22％、0～20％，更优选为0～15％、0～12％、特别是0～10％(但是不包括0％)。
另外，SiO2和B2O3的总量优选为0～22％、1～21％、特别是2～20％。B2O3和P2O5的总量优选为0～22％、1～21％、特别是2～20％。SiO2、B2O3和P2O5的总量优选为0～22％、1～21％、特别是2～20％。
Al2O3是作为中间氧化物形成玻璃骨架，扩大玻璃化范围的成分。但是，由于Al2O3无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，Al2O3的含量优选为0～20％、0～15％，更优选为0～12％(但是不包括0％)、0.1～10％、特别是1～9％。
La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3具有使玻璃稳定化的效果，但是其含量过多时，反而变得难以玻璃化。因此，La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3的含量分别优选为10％以下、特别是5％以下。
Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3使玻璃稳定化，并且也有助于韦尔代常数的提高。但是，其含量过多时，反而变得难以玻璃化。因此，Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3的含量分别优选为15％以下、特别是10％以下。此外，关于Dy、Eu、Ce规定了3价的氧化物的含量，关于3价以外的氧化物(例如CeO2等)，优选换算为3价的氧化物时的含量在上述范围内。
MgO、CaO、SrO、BaO具有提高玻璃的稳定性和化学耐久性的效果。但是，由于无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，这些成分的含量分别优选为0～10％、特别是0～5％。
Ga2O3具有提高玻璃形成能力，扩大玻璃化范围的效果。但是，其含量过多时，变得容易失透。另外，Ga2O3无助于韦尔代常数的提高，其含量过多时，变得难以得到充分的法拉第效应。因此，Ga2O3的含量优选为0～6％、特别是0～5％。
氟具有提高玻璃形成能力，扩大玻璃化范围的效果。但是，其含量过多时，存在在熔融时挥发从而使组分变动，或者对玻璃的稳定性产生影响的担忧。因此，氟的含量(F2换算)优选为0～10％，更优选为0～7％，进一步优选为0～5％。
能够添加Sb2O3作为还原剂。但是，为了避免着色或考虑对环境的负担，Sb2O3的含量优选为0.1％以下。
本发明的磁光元件优选特别是作为隔离器等的法拉第旋转元件使用时的光透过损失尽可能小。因此，本发明的磁光元件的光透过率优选在波长633nm处为50％以上、60％以上、特别是70％以上。
本发明中所使用的玻璃材料例如能够通过无容器漂浮法来制造。图3是示意表示用于通过无容器漂浮法制造玻璃材料的制造装置的一例的剖面图。下面，边参照图3，边对本发明的玻璃材料的制造方法进行说明。
玻璃材料的制造装置4具有成型模10。成型模10发挥作为熔融容器的作用。成型模10具有成型面10a和开口于成型面10a的多个气体喷出孔10b。气体喷出孔10b与气瓶等的气体供给机构11连接。从该气体供给机构11经由气体喷出孔10b对成型面10a供给气体。气体的种类没有特别限定，例如，可以是空气、氧气，也可以是氮气、氩气、氦气、一氧化碳气体、二氧化碳气体、含有氢气的还原性气体。
使用制造装置4制造玻璃材料时，首先，将玻璃原料块12配置于成型面10a上。作为玻璃原料块12，例如，可以列举将原料粉末通过加压成型等一体化得到的原料块、将原料粉末通过加压成型等一体化之后将其烧结得到的烧结体、具有与目标玻璃组成同等的组成的结晶的集合体等。
接着，通过从气体喷出孔10b喷出气体，使玻璃原料块12在成型面10a上漂浮。即，以不与成型面10a接触的状态保持玻璃原料块12。在该状态下，从激光照射装置13对玻璃原料块12照射激光。由此，对玻璃原料块12进行加热熔融，使其玻璃化，得到熔融玻璃。此后，将熔融玻璃冷却，由此，能够得到玻璃材料。在对玻璃原料块12进行加热熔融的工序与将熔融玻璃进而将玻璃材料的温度冷却至至少达到软化点以下的工序中，优选至少继续喷出气体，抑制玻璃原料块12、熔融玻璃、玻璃材料与成型面10a的接触。此外，作为加热熔融的方法，除了照射激光的方法以外，也可以是辐射加热。
此外，作为磁性部件，除了玻璃材料以外，也能够使用TGG(铽镓石榴石)等结晶材料。
实施例
下面，基于实施例对本发明进行说明，但是本发明不限定于这些实施例。
(实施例1)
首先，对制备成以质量％计为Tb2O3 83％、Al2O3 5％和B2O312％的原料进行加压成型，以800～1400℃烧结12小时，制造玻璃原料块。
接着，在研钵中将玻璃原料块粗粉碎，形成0.05～1.0g的小片。使用所得到的玻璃原料块的小片，通过使用依据图3的装置的无無容器漂浮法制作2个直径8mm的大致球状的玻璃材料。此外，作为热源，使用100W CO2激光振荡器。另外，作为用于使原料块漂浮的气体，使用氮气，以1～30L/分钟的流量供给。
将所得到的2个玻璃材料加工为Φ2.5mm、长度6.75mm的圆柱，将成为接合面的端面研磨为镜面。接着，将玻璃材料彼此在接合面重合之后，在氮气氛中，边施加1kgf的力量，边在玻璃材料的玻璃化转变温度(800℃)进行10分钟热处理。通过热处理，玻璃材料接合，得到Φ2.5mm、长度13.5mm的磁光元件。对于所得到的磁光元件，使用Kerr效果测定装置(日本分光(株)制、型号：K－250)，在10kOe的磁场中测定在波长1064mm时的法拉第旋转角，结果，磁光元件的法拉第旋转角为45°。
(比较例1)将实施例中得到的Φ2.5mm、长度6.75mm的玻璃材料以与实施例1同样的方法测定法拉第旋转角，结果玻璃材料的法拉第旋转角为22.5°，小于实施例。使用这样的玻璃材料，为了得到与实施例相同的法拉第旋转角，需要增强磁场、即增大磁石，因此，难以使光频隔离器小型化。
(实施例2)
首先，对制备成以质量％计为Tb2O3 83％、Al2O3 4％、SiO2 2％和B2O3 11％的原料进行加压成型，以800～1400℃烧结12小时，制造玻璃原料块。
接着，在研钵中将玻璃原料块粗粉碎，形成0.05～1.0g的小片。使用所得到的玻璃原料块的小片，通过使用依据图3的装置的无無容器漂浮法制作2个直径8mm的大致球状的玻璃材料。此外，作为热源，使用100W CO2激光振荡器。另外，作为用于使原料块漂浮的气体，使用氮气，以1～30L/分钟的流量供给。
将所得到的2个玻璃材料加工为厚度1.5mm、3×6mm的板状，将成为接合面的平面部分研磨为镜面。接着，将玻璃材料彼此在接合面重合之后，在氮气氛中，边施加1kgf的力量，边在玻璃材料的玻璃化转变温度(805℃)进行10分钟热处理。通过热处理，玻璃材料接合，得到厚度3mm、3×6mm的磁光元件。对所得到的磁光元件照射Φ2.5mm、1064nm、100W的激光，结果，能够使全部激光射入磁光元件。
(比较例2)
对实施例2中得到的厚度1.5mm、3×6mm的板状的玻璃材料照射Φ2.5mm、1064nm、100W的激光，结果，玻璃材料破损。
(实施例3)
将实施例1中得到的2个玻璃材料加工为Φ2.5mm、长度6.75mm的圆柱，将成为接合面的端面研磨为镜面。接着，将玻璃材料彼此在接合面进行光学接触。玻璃材料被接合，得到Φ2.5mm、长度13.5mm的磁光元件。对所得到的磁光元件以与实施例1同样的方法测定法拉第旋转角，结果，磁光元件的法拉第旋转角为45°。
工业上的可利用性
本发明的磁光元件适于作为构成光频隔离器、光环行器、磁传感器等的磁设备的磁光元件。
符号说明
1：玻璃材料
2：磁光元件
3：接合面
4：玻璃材料的制造装置
10：成型模
10a：成型面
10b：气体喷出孔
11：气体供给机构
12：玻璃原料块
13：激光照射装置

Claims (1)

1.一种磁光元件的制造方法，其特征在于：
包括对2个以上的Tb2O3系玻璃材料在不活泼气氛中进行加热使其熔接接合的步骤，
所述Tb2O3系玻璃材料中，作为组成，以质量％计，含有Tb2O3 78％以上，
使2个以上的Tb2O3系玻璃材料熔接接合的温度为(玻璃化转变温度－20℃)～(玻璃化转变温度+100℃)，
所述磁光元件的制造方法将2个以上的Tb2O3系玻璃材料在接合面重合，边施加力量边进行加热，使其熔接接合，
所述力量为0.05kgf～1kgf。
CN201780065230.8A 2016-10-24 2017-09-07 磁光元件及其制造方法 Active CN109844622B (zh)

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