CN110073276A - 磁光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使减小直径也不会破损的能够使光隔离器小型化的磁光学元件。该磁光学元件的特征在于，由直径在20mm以下的柱状玻璃材料构成，激光损伤阈值在10J/cm2以上。
Description
技术领域
本发明涉及法拉第转子等磁光学元件。
背景技术
光隔离器是使光仅向一个方向传播、阻断发生反射并返回的光的电子部件，能够用于光通信系统或激光加工系统等所使用的激光二极管。光隔离器具有磁光学元件、磁体和偏光片。
在现有技术中，作为光隔离器所使用的磁光学元件，使用Tb2O3的含量在20摩尔％以下的玻璃(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平05－178638号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
近年来，光隔离器需要小型化。通过减小磁光学元件的直径，能够增大施加于磁光学元件的磁场，因而能够减小磁体的体积，能够实现光隔离器的小型化。但是，在使用上述的玻璃作为磁光学元件的情况下，在减小其直径时，存在因激光而发生破损的问题。
鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种即使减小直径也不会破损的能够使光隔离器小型化的磁光学元件。
用于解决技术问题的手段
本发明的磁光学元件的特征在于，由直径在20mm以下的柱状玻璃材料构成，激光损伤阈值在10J/cm2以上。通过使直径在20mm以下，能够减小筒状磁体的贯通孔直径，增大施加于玻璃材料的磁场。由此，能够减小筒状磁体的体积，从而能够实现光隔离器的小型化。另外，在磁光学元件的直径减小时，为了使激光集光，磁光学元件受到的每单位面积能量增大，但通过使激光损伤阈值在10J/cm2以上，磁光学元件不易破损。
本发明的磁光学元件中，所使用的磁光学元件的长度优选为2～20mm。此时容易使光隔离器小型化。
本发明的磁光学元件中，优选以摩尔％计含有Tb2O3 50％以上(但不包括50％)、P2O5 5～50％(但不包括5％、50％)。通过如上所述含有大量的Tb2O3，费尔德常数增大，容易减小筒状磁体的体积，因而容易使光隔离器小型化。
本发明的光隔离器的特征在于，具有上述的磁光学元件、形成有用于供磁光学元件插入的贯通孔的筒状磁体、和在磁光学元件的相对的2个主面上设置的一对偏光片。
本发明的光隔离器优选筒状磁体的贯通孔的直径为2～21mm。
本发明的光隔离器优选筒状磁体的体积为20～100cm3。
发明效果
根据本发明，能够提供即使减小直径也不会破损的能够使光隔离器小型化的磁光学元件。
附图说明
图1是表示光隔离器的基本构造的截面示意图。
图2是表示用于利用无容器悬浮法制造玻璃的制造装置的一例的截面示意图。
具体实施方式
首先，利用图1对光隔离器的原理、构造进行说明。
图1是表示光隔离器的基本构造的截面示意图。
光隔离器1是将激光的反射回的光阻断的装置，包括：磁光学元件10、设置有用于将磁光学元件(法拉第转子)10插入的贯通孔的筒状磁体11、以及在磁光学元件的相对的2个主面上设置的一对偏光片12、13。入射到光隔离器1的光通过偏光片12而形成直线偏振光，向磁光学元件10入射。入射的光因磁光学元件10而偏转45°，通过光透过轴倾斜为45°的偏光片13。通过偏光片13后的光的一部分成为反射回的光，以偏光面为45°的角度通过偏光片13。通过偏光片13后的反射回的光因磁光学元件10进一步偏转45°，形成相对于偏光片12的光透过轴为90°的正交的偏光面，因而无法透过偏光片12而被阻断。
下面分别对各要素进行说明。
(磁光学元件10)
本发明的磁光学元件10由柱状的玻璃材料构成。玻璃材料的直径优选在20mm以下、15mm以下、10mm以下、8mm以下、6mm以下、5.5mm以下、5mm以下、4.5mm以下、4mm以下、3.8mm以下、3.5mm以下、特别是3.4mm以下。玻璃材料的直径过大时，筒状磁体的贯通孔直径增大，施加于玻璃材料的磁场容易减小。因而必须增大筒状磁体的体积而难以使光隔离器1小型化。玻璃材料的直径的下限没有特别限定，实质上在0.5mm以上。
对激光的聚光直径进行调节通常使其小于磁光学元件的直径。本发明的磁光学元件10的直径在20mm以下，相应地必须减小激光的聚光直径。激光的聚光直径减小时，磁光学元件10所受到的每单位面积的能量增大，磁光学元件10容易破损。因此，磁光学元件10的激光损伤阈值优选在10J/cm2以上、13J/cm2以上、15J/cm2以上、17J/cm2以上、20J/cm2以上、22J/cm2以上、特别是25J/cm2以上。激光损伤阈值的上限没有特别限定，实质上在500J/cm2以下。
本发明的磁光学元件10的长度优选为2～20mm、3～19mm、5～18.5mm、7.5～18mm、8～18mm、8.1～17mm、8.2～16mm、特别是8.3～15.5mm。磁光学元件10的长度过小时，需要增大磁场，即，需要使筒状磁体11增大，因而难以使光隔离器1小型化。另一方面，磁光学元件10的长度过大时，难以使光隔离器1小型化。
本发明的磁光学元件优选以摩尔％含有Tb2O3 50％以上(但不包括50％)、P2O5 5～50％(但不包括5％、50％)。以下，对如此限定玻璃组成的理由进行说明。其中，在以下的关于各成分含量的说明中，只要没有特别解释，“％”表示“摩尔％”。
Tb2O3是增大费尔德常数的绝对值从而提高法拉第效应的成分。Tb2O3的含量优选在50％以上(但不包括50％)、51％以上、特别是52％以上。Tb2O3的含量过少时，费尔德常数的绝对值减小，难以得到令人满意的法拉第效应。另一方面，Tb2O3的含量过多时，存在玻璃化变得困难的倾向，因而优选在75％以下、70％以下、特别是69％以下。
其中，本发明中的Tb2O3的含量是将玻璃中存在的Tb全部换算成3价氧化物表示的值。
对于Tb而言，关于成为费尔德常数的起源的磁矩，Tb3+大于Tb4+。因此，玻璃材料中Tb3+的比例越大，法拉第效应越大，因而优选。具体而言，全部Tb中Tb3+的比例优选以摩尔％计在50％以上、60％以上、70％以上、80％以上、特别是90％以上。
P2O5是提高耐激光损伤性的成分。并且，形成玻璃骨架，还具有扩大玻璃化范围的效果。P2O5的含量优选为5～50％(但不包括5％、50％)、5.1～45％、5.5～40％、5.7～30％、特别是6～25％。P2O5的含量过少时，难以获得上述效果。另一方面，P2O5的含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应，并且热稳定性容易下降。
本发明所使用的玻璃材料中，除了含有上述成分以外，还可以含有以下所述的各种成分。
B2O3是形成玻璃骨架、扩大玻璃化范围的成分。但是，B2O3对于费尔德常数的提高没有贡献，因而在其含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应。因此，B2O3的含量优选为0～45％(但不包括45％)、1～44％、2～40％、特别是5～35％。
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，Al2O3对于费尔德常数的提高没有贡献，因而在其含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应。因此，Al2O3的含量优选为0～45％(但不包括45％)、0.1～40％、0.5～30％、0.8～20％、特别是1～15％。
SiO2是形成玻璃骨架、扩大玻璃化范围的成分。但是，SiO2对于费尔德常数的提高没有贡献，因而在其含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应。因此，SiO2的含量优选为0～45％(但不包括45％)、0～40％、0～30％、特别是0～20％。
La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3虽然具有提高玻璃化的稳定性的效果，但其含量过多时反而难以实现玻璃化。因此，La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3的含量分别优选在10％以下、特别是5％以下。
Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3能够提高玻璃化的稳定性，并且有助于费尔德常数的提高。但是，其含量过多反而难以实现玻璃化。因此，Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3的含量分别优选在15％以下、特别是10％以下。其中，Dy2O3、Eu2O3、Ce2O3的含量是将玻璃中存在的各成分全部换算成3价氧化物表示的值。
MgO、CaO、SrO、BaO具有提高玻璃化的稳定性和化学耐久性的效果。但是，对于费尔德常数的提高没有贡献，因而在其含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应。因此，这些成分的含量分别优选为0～10％、特别是分别为0～5％。
Ga2O3具有玻璃形成能力、扩大玻璃化范围的效果。但是，其含量过多时，容易失透。并且，Ga2O3对于费尔德常数的提高没有贡献，因而在其含量过多时，难以得到令人满意的法拉第效应。因此，Ga2O3的含量优选为0～6％、0～5％、特别是0～4％。
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，可能导致熔融中挥发而引起组成变动，对玻璃化的稳定性造成影响。因此，氟的含量(以F2换算)优选为0～10％、0～7％、特别是0～5％。
可以添加Sb2O3作为还原剂。但是，为了避免着色，或者考虑到对环境的负担，Sb2O3的含量优选在0.1％以下。
本发明所使用的玻璃材料例如可以利用无容器悬浮法制作。图2是表示用于通过无容器悬浮法制造玻璃材料的制造装置的一例的截面示意图。下面，参照图2对本发明所使用的玻璃材料的制造方法进行说明。
玻璃材料的制造装置2具有成型模具20。成型模具20还发挥作为熔融容器的作用。成型模具20具有成型面20a、和开口在成型面20a的多个气体喷出孔20b。气体喷出孔20b与气瓶等气体供给机构21连接。从该气体供给机构21经由气体喷出孔20b向成型面20a供给气体。气体的种类没有特别限定，例如可以为空气或氧气，也可以为氮气、氩气、氦气、一氧化碳气、二氧化碳气、含氢的还原性气体。
在使用制造装置2制造玻璃材料时，首先，将玻璃原料块22配置在成型面20a上。作为玻璃原料块22，例如可以列举：通过压制成型等使原料粉末一体化而形成的材料、通过压制成型等使原料粉末一体化后使其烧结而形成的烧结体、或具有与目标玻璃组成同样的组成的结晶的集合体等。
接着，从气体喷出孔20b喷出气体，由此使玻璃原料块22在成型面20a上悬浮。即，将玻璃原料块22保持在不与成型面20a接触的状态。在该状态下，从激光照射装置23向玻璃原料块22照射激光。由此，将玻璃原料块22加热熔融而使其玻璃化，得到熔融玻璃。然后，将熔融玻璃冷却，从而得到玻璃材料。在将玻璃原料块22加热熔融的工序、和进行冷却使得熔融玻璃、以及玻璃材料的温度至少达到软化点以下的工序中，优选至少持续喷出气体，抑制玻璃原料块22、熔融玻璃、以及玻璃材料与成型面20a接触。其中，可以利用通过施加磁场而产生的磁力使得玻璃原料块22在成型面20a上悬浮，也可以利用声波使玻璃原料块22在成型面20a上悬浮。另外，作为进行加热熔融的方法，除了照射激光的方法以外，可以为辐射加热。另外，本发明的磁光学元件10可以通过对所得到的玻璃材料进行切削、研磨、压制等加工，形成预期的柱状形状而获得。
(筒状磁体11)
筒状磁体11是圆筒状等的筒状，其贯通孔的直径优选为1～21mm、1～16mm、2～14mm、2.5～12mm、3～11mm、3～10mm、特别是3～9mm。筒状磁体11的贯通孔的直径过小时，磁光学元件10的直径减小，因而激光的聚光直径也减小，磁光学元件10所受到的每单位面积的能量增大，磁光学元件10容易破损。另一方面，筒状磁体11的贯通孔的直径过大时，难以对磁光学元件10施加磁场，需要使筒状磁体11增大，因而难以使光隔离器1小型化。
筒状磁体11的体积优选为20～100cm3、20～45cm3、21～44cm3、22～43cm3、特别是25～40cm3。筒状磁体11的体积过小时，难以对磁光学元件10施加预期大小的磁场。另一方面，筒状磁体11的体积过大时，难以使光隔离器1小型化。
另外，筒状磁体11的材质优选为具有大磁场强度的钕－铁－硼系材质。并且，为了得到更大的磁场强度，可以将多个筒状磁体组合。(偏光片12和13)
偏光片12和13的材质可以为陶瓷、玻璃、高分子材料的任意种，优选为偏振消光比大的材料。具体而言，优选具有20dB以上、30dB以上、40dB以上、特别是50dB以上的偏振消光比的材料。
实施例
下面基于实施例对本发明进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
表1表示本发明的实施例和比较例。
[表1]
各试样如下所述操作制作。首先，对按照表1所示的玻璃组成配制的原料进行压制成型，以700～1400℃进行6小时的烧结，由此制作玻璃原料块。
接着，使用研钵将玻璃原料块粗粉碎，形成0.05～1.5g的小片。使用所得到的玻璃原料块的小片，使用以图2为基准的装置利用无容器悬浮法制作玻璃材料(直径约1～10mm)。其中，作为热源使用100WCO2激光振荡器。另外，作为用于使玻璃原料块悬浮的气体，使用氮气，以流量1～30L/分钟供给。
对所得到的玻璃材料测定费尔德常数和激光损伤阈值。将结果示于表1。由表1可知，实施例1～8中激光损伤阈值高达20～57J/cm2。而比较例1中激光损伤阈值低至8J/cm2。
接着，对所得到的玻璃进行切削、研磨等，得到具有表1所示的直径、长度的圆柱状的磁光学元件。使用所得到的磁光学元件，如图1所示的构成，制作光隔离器。其中，筒状磁体使用具有表1所示的体积、贯通孔直径的圆筒状钕铁硼磁体。偏光片使用格兰汤普森偏光片(消光比50dB)。
向制得的光隔离器照射波长1064nm、功率20W、激光电直径((磁光学元件的直径)－0.8)mm的激光。在实施例1～8中，得到45°的偏转角，确认了作为光隔离器工作。而在比较例1中，磁光学元件破损。
费尔德常数采用偏转旋转器法进行测定。具体而言，对所得到的玻璃材料进行研磨加工以达到1mm的厚度，在10kOe的磁场中以波长1064nm测定法拉第旋转角，算出费尔德常数。
关于激光损伤阈值的测定，使用波长1064nm、脉冲宽度10ns的单模Nd：YAG激光，以N－on－1方式进行。N－on－1方式如下定义：向对象部件的固定的照射部位，一边连续地增大入射能量密度一边照射激光，每次照射确认对象部件的状态，将发生了损伤的能量密度作为激光损伤阈值。激光损伤阈值根据激光损伤阈值＝2×(发生了损伤时的照射能量/照射光束面积)的式子算出。其中，照射光束面积是将高斯分布峰强度的1/e2值的幅度作为直径的面积。
符号说明
1：光隔离器；
2：玻璃的制造装置；
10：磁光学元件；
11：筒状磁体；
12：偏光片；
13：偏光片；
20：成型模具；
20a：成型面；
20b：气体喷出孔；
21：气体供给机构；
22：玻璃原料块；
23：激光照射装置。
Claims (6)
1.一种磁光学元件，其特征在于：
由直径在20mm以下的柱状玻璃材料构成，所述磁光学元件的激光损伤阈值在10J/cm2以上。
2.如权利要求1所述的磁光学元件，其特征在于：
长度为2～20mm。
3.如权利要求1或2所述的磁光学元件，其特征在于：
以摩尔％计，含有50％以上但不包括50％的Tb2O3、5～50％但不包括5％和50％的P2O5。
4.一种光隔离器，其特征在于，包括：
权利要求1～3中任一项所述的磁光学元件；
形成有用于供磁光学元件插入的贯通孔的筒状磁体；和
设置在磁光学元件的相对的2个主面上的一对偏光片。
5.如权利要求4所述的光隔离器，其特征在于：
筒状磁体的贯通孔的直径为1～21mm。
6.如权利要求4或5所述的光隔离器，其特征在于：
筒状磁体的体积为20～100cm3。
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