CN110498677A - 顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光材料和磁光器件 - Google Patents

顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光材料和磁光器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光材料和磁光器件。顺磁性石榴石型透明陶瓷是下式(1)所表示的复合氧化物的烧结体，以超过0重量％至0.1重量％以下的量包含SiO2作为烧结助剂，并且对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率：(Tb1‑x‑yYxScy)3(Al1‑zScz)5O12(1)其中0.05≤x<0.45，0<y<0.1，0.5<1‑x‑y<0.95，和0.004<z<0.2。

Description

顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光材料和磁光器件
相关申请的交叉参考
该非临时申请根据35U.S.C.§119(a)要求于2018年5月18日在日本提交的专利申请号2018-096086的优先权，其全部内容经此引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种顺磁性石榴石型透明陶瓷，更特别涉及一种由含铽石榴石型透明陶瓷制成的磁光材料，所述磁光材料适于构成磁光器件如光隔离器，并涉及使用该磁光材料的磁光器件。
背景技术
近年来，随着光纤激光器的高功率成为可能，使用光纤激光器的激光加工机器的普及是显著的。顺带提及，由于激光光源内置在激光加工机器中，因此当输入来自外部的光时，谐振状态变得不稳定，发生振荡状态被扰乱的现象。特别是当振荡的光中途被光学系统反射并返回光源时，振荡状态受到很大干扰。为了防止这种情况，通常在光源前面提供光隔离器等等。
光隔离器由法拉第旋转器、设置在法拉第旋转器的光入射侧的起偏器、和设置在法拉第旋转器的光出射侧的检偏器构成。此外，该法拉第旋转器平行于要使用的光的行进方向施加磁场。此时，光的偏振波分量无论在法拉第旋转器中前进或后退都只在一定方向上旋转。此外，将该法拉第旋转器调节至光的偏振波分量恰好旋转45度的长度。在本文中，当起偏器与检偏器的偏振面在向前行进的光的旋转方向上偏移45度时，向前行进的光的偏振波在起偏器位置处和检偏器位置处一致，并且透过向前行进的光。另一方面，向后行进的光的偏振波在与从检偏器位置处错开45度的起偏器偏振平面的偏离角方向相反的方向上旋转45度。
由此，在起偏器位置处的返回光的偏振平面相对于起偏器的偏振面偏移45度-(-45度)＝90度，返回光不能透过。以这种方式，该光隔离器用于透过和发射向前行进的光，并阻挡向后行进的返回光。
TGG晶体(Tb3Ga5O12)和TSAG晶体((Tb(3-x)Scx)Sc2Al3O12)常规已知作为用作构成上述光隔离器的法拉第旋转器的材料(JP-A 2011-213552(专利文献1)和JP-A 2002-293693(专利文献2))。该TGG晶体现在广泛用于标准光纤激光器件。同时，TSAG晶体的费尔德(Verdet)常数据称是TGG晶体的约1.3倍，这也是适于安装在光纤激光器件中的材料。但是，由于Sc是非常昂贵的原材料，因制造成本而没有采用TSAG晶体。
尽管TSAG晶体开发仍在持续，如在JP-B 5611329(专利文献3)和JP-B 5935764(专利文献4)中，但是尚未实现减少Sc的用量，因此TSAG晶体没有被广泛使用。
除了上述之外，TAG晶体(Tb3Al5O12)作为法拉第旋转器也早已为人所知，其费尔德常数大于TSAG。但是，由于TAG晶体是一种异成分熔融的晶体，存在以下限制：首先在固-液界面处形成(沉淀)钙钛矿相，随后形成(沉淀)TAG相。换句话说，TAG晶体仅能以石榴石相与钙钛矿相总是混合存在的状态生长，还未能实现品质良好的大尺寸TAG晶体生长。
作为抑制这种混晶的手段，JP-B 3642063(专利文献5)和JP-B 4107292(专利文献6)提出了使多晶原材料棒或用于FZ生长的籽晶多孔，从而在多孔介质中优先沉积作为初始相的钙钛矿相的方法。但是，实际上，随着熔融位置移动，钙钛矿相可能沉淀的位置也移动。由此，即使仅使籽晶与多晶原材料棒的界面多孔化，也固有地不能完全抑制钙钛矿相的沉淀。
在这样的限制下，JP-A 2008-7385(专利文献7)提出了一种通过陶瓷生成TAG组合物的氧化物并赋予半透明性的材料。该陶瓷可以通过在低于熔点100℃或更多的温度下烧结来制造，从而可以解决异成分熔融的问题——这是单晶生长中的问题。TAG的分解实际上开始于1,840℃以上。由此，如果可以在该温度以下的温度下进行烧结致密化至最高理论密度，则可以获得TAG单相的透明烧结体。
专利文献7公开了制造具有石榴石结构并由铽铝氧化物组成的陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：混合原材料；煅烧；粉碎煅烧的粉末；成型；并烧制，其中如果在粉碎煅烧粉末的步骤中粉碎后的煅烧粉末平均颗粒尺寸为0.2μm至1.6μm，且在成型步骤中成型后的密度为3.26g/cm3以上的话，可以生成具有高透光率的TAG陶瓷。
但是，根据专利文献7，半透明度极不充足，即使厚度为1.5毫米情况下的最大线性透光率仅为35％。顺便提及，例如在TAG用作法拉第元件如光隔离器的情况下，将光旋转45度所需的元件长度对1.06μm波段激光为约15毫米，这约是文献中的长度的十倍。对于厚度为1.5毫米且透光率为35％的材料，如果其元件长度延长十倍，透光率变为小于0.01％，也就是说几乎为零，该元件则根本不起作用。
也就是说，即使采用能够抑制不同相发生的陶瓷制造方法，迄今为止还没有实用水平的TAG。注意，专利文献6表明，当Ce取代TAG晶体中的某些Tb时，与TAG相比，费尔德常数提高。随着费尔德常数提高，可以缩短将入射光旋转45度所需的元件长度。由此，减少总吸收量。但是，在厚度为1.5毫米且线性透光率为35％的情况下，即使元件长度减半，45度旋转厚度透光率仍低于1％。这远不足以实际使用。
引文列表
专利文献1：JP-A 2011-213552
专利文献2：JP-A 2002-293693
专利文献3：JP-B 5611329
专利文献4：JP-B 5935764
专利文献5：JP-B 3642063
专利文献6：JP-B 4107292
专利文献7：JP-A 2008-7385
非专利文献1：Yan Lin Aung,Akio Ikesue,Development of optical grade(TbxY1-x)3Al5O12ceramics as Faraday rotator material,J.Am.Ceram.Soc.,100(9),4081-4087(2017)
发明概述
鉴于上述情况作出本发明，其目的在于提供一种顺磁性石榴石型透明陶瓷，其是含有铽和钇的顺磁性石榴石型氧化物的烧结体，并在长度为25毫米的情况下在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率，并提供磁光材料和使用该磁光材料的磁光器件。
顺带提及，在上述情况下，最近公开的是一种致密陶瓷烧结体，其组成为(TbxY1-x)3Al5O12(x＝0.5至1.0)，并且其具有比现有TGG晶体更高的消光比(现有的35dB已经改进至39.5dB以上)，并还可以减少插入损耗(现有的0.05dB已经改进至0.01-0.05dB)(非专利文献1)。由于非专利文献1中公开的材料在开始时是陶瓷，因此不存在钙钛矿不同相的沉淀——这是TGG晶体中的问题。此外，通过用Y离子取代一部分Tb离子，可以进一步减少损耗。由此，可以由该材料获得极高品质的石榴石型法拉第旋转器。但是，当发明人实际进行复制研究时，证明再现性非常差，几乎无法获得插入损耗低于TGG晶体的高品质陶瓷烧结体。
基于这些发现，本发明人进行了密集的研究并做出本发明。
也就是说，本发明提供了以下顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光材料和磁光器件。
1.顺磁性石榴石型透明陶瓷，其是下式(1)所表示的复合氧化物的烧结体，以超过0重量％至0.1重量％以下的量包含SiO2作为烧结助剂，并且对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率：
(Tb1-x-yYxScy)3(Al1-zScz)5O12 (1)
其中0.05≤x<0.45，0<y<0.1，0.5<1-x-y<0.95，和0.004<z<0.2。
2.如1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中在1,064nm的波长下的费尔德常数为30rad/(T·m)以上。
3.如1或2所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中以1.6毫米的光束直径和100W的输入功率向其输入波长为1,064nm(就25毫米的光程长度而言)的激光时，热透镜对焦点位置的最大改变量为0.25m或更小。
4.如1至3任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中作为法拉第旋转器，对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下的消光比为40dB以上。
5.如1至4任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中散射源的体积浓度为3ppm以下。
6.磁光材料，由如1至5任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷制成。
7.通过使用如6所述的磁光材料构造的磁光器件。
8.如7所述的磁光器件，包含该顺磁性石榴石型透明陶瓷作为法拉第旋转器，其中该磁光器件是光隔离器，所述光隔离器包含在光轴上的位于法拉第旋转器前面和后面的偏振材料，并可以在0.9μm以上至1.1μm以下的波段处使用。
发明的有利效果
根据本发明，可以提供一种切实可行的顺磁性石榴石型氧化物透明陶瓷材料，其是含有铽和钇的顺磁性石榴石型氧化物，具有切实可行的甚至适用于高功率激光器件的透明度，并且对陶瓷烧结体而言容易按比例放大。
附图概述
图1是显示作为法拉第旋转器的使用本发明的磁光材料的光隔离器的构造实例的示意性截面图；和
图2A和2B是显示实施例1中的样品的光学外观检查结果的照片，其中图2A是样品侧面的外观，图2B是样品光学抛光表面的外观。
优选实施方案描述
顺磁性石榴石型透明陶瓷
在下文中，描述本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷。
本发明的透明陶瓷材料是一种顺磁性石榴石型透明陶瓷，其是下式(1)所表示的复合氧化物的烧结体，以超过0重量％至0.1重量％以下的量包含SiO2作为烧结助剂，并且对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率：
(Tb1-x-yYxScy)3(Al1-zScz)5O12 (1)
其中0.05≤x<0.45，0<y<0.1，0.5<1-x-y<0.95，和0.004<z<0.2。
在式(1)中，铽(Tb)是除铁(Fe)之外在顺磁性元素中具有最大费尔德常数的材料，并且是最适合用于1,064nm的波长区域的光隔离器的元素，因为该材料在该波长区域中完全透明，特别是在具有石榴石结构的氧化物中含有铽时。
钇(Y)具有比铽短约2％的离子半径，是一种与钙钛矿相相比可以更稳定地形成石榴石相的材料，当钇(Y)与铝结合以形成复合氧化物时可以降低微晶中的残余应变。这可以防止不同相造成的散光、内部应力造成的消光比劣化、以及铽离子的f-f跃迁吸收。由此，钇(Y)是本发明中重要的组成元素。此外，通过用钇离子取代一部分铽离子，烧结性(升温过程中的组合反应和急剧的相变，与之相关的比重的急剧变化)被拉平，从而可以将陶瓷烧结体中的孔隙残留量限制在1ppm以下。由此，钇(Y)是适用于本发明的组成元素。
铝(Al)是在可以稳定存在于石榴石结构氧化物中的三价离子中离子半径最短的材料，并且是可以最小化含铽顺磁性石榴石型氧化物的晶格常数的元素。如果能够在不改变铽含量的情况下降低石榴石结构的晶格常数，则可以提高每单位长度的费尔德常数，这是优选的。实际TAG的费尔德常数改善至TGG的1.25至1.5倍。因此，即使用钇离子取代一部分铽离子以降低铽的相对浓度时，每单位长度的费尔德常数可以保持等于或略低于TGG的值。由此，这些是适用于本发明的组成元素。
钪(Sc)是具有中间离子半径并可以固溶在石榴石结构的氧化物中的铽位点和一部分铝位点中的材料。钪(Sc)也是一种缓冲材料，其可以通过调节其对铽和钇组成的稀土位点与铝位点的分布比以精确匹配化学计量比来固溶，并由此在铽和钇的稀土元素对铝的混配比(compounding ratio)因称重时的偏差而偏离化学计量比时尽量降低微晶的生成能。Sc还是可以将石榴石母相中氧化铝不同相的丰度限制在1ppm以下和将石榴石母相中钙钛矿型不同相的丰度限制在1ppm以下的元素。由此，Sc是本发明中不可或缺的元素。
在式(1)中，x的范围为0.05≤x<0.45、优选0.1≤x≤0.4、和更优选0.2≤x≤0.35。如果x在该范围内，该钙钛矿型不同相可以减少至X射线衍射(XRD)分析不能检测的水平。此外，通过光学显微镜观察在150μm×150μm的视场内钙钛矿型不同相的丰度(其具有直径为1μm至1.5μm的典型尺寸，并且是颗粒状的，呈浅棕色)为1以下，这是优选的。此时，在石榴石母相中钙钛矿型不同相的丰度为1ppm以下。类似地，如果x在上述范围内的话，通过光学显微镜观察在150μm×150μm的视场中残留在陶瓷烧结体中的孔隙量(其具有直径为0.5μm至2.0μm的典型尺寸，并在施以HIP处理时变为球形间隙)就丰度而言为1以下，这是优选的。此时在石榴石母相中的孔隙丰度为1ppm以下。
当x小于0.05时，不能获得钇取代一部分铽的效果，与生成TAG的条件几乎没有不同。由此，难以稳定制造具有低散射与低吸收的高品质陶瓷烧结体，这是不优选的。此外，当x为0.45以上时，在1,064nm的波长下的费尔德常数小于30rad/(T·m)，这是不优选的。此外，如果过度稀释铽的相对浓度，将波长为1,064nm的激光旋转45度所需的总长度会变长，超过25mm。这使难以生产，是不优选的。
在式(1)中，y的范围为0<y<0.1、优选0<y<0.08、更优选0.002≤y≤0.07、再更优选0.003≤y≤0.06。如果y在该范围内，钙钛矿型不同相可以减少至X射线衍射(XRD)分析不能检测的水平。此外，通过光学显微镜观察在150μm×150μm的视场中钙钛矿型不同相的丰度(其具有直径为1μm至1.5μm的典型尺寸，并且是颗粒状的，呈浅棕色)为1以下，这是优选的。此时在石榴石母相中的钙钛矿型不同相的丰度为1ppm以下。
当y＝0时，钙钛矿型不同相极有可能沉淀，这是不优选的。此外，当y为0.1以上时，钇取代一部分铽，并且附加的钪取代一部分铽，同时抑制钙钛矿型不同相的效果饱和且不变。结果，铽的固溶体浓度不必要地降低，由此降低了费尔德常数。这是不优选的。此外，钪作为原材料价格昂贵，因此不必要地过量掺杂钪从生产成本的观点来看是不优选的。
在式(1)中，1-x-y的范围为0.5<1-x-y<0.95、优选0.55≤1-x-y<0.95、更优选0.6≤1-x-y<0.95。如果1-x-y在该范围内，可以确保大的费尔德常数，并可以在1,064nm的波长下获得高透明度。
在式(1)中，z的范围为0.004<z<0.2、优选0.004<z<0.16、更优选0.01≤z≤0.15、再更优选0.03≤z≤0.15。如果z在该范围内，钙钛矿型不同相不能被XRD分析检测。此外，通过光学显微镜观察在150μm×150μm的视场中钙钛矿型不同相的丰度(其具有直径为1μm至1.5μm的典型尺寸，并且是颗粒状的，呈浅棕色)为1以下，这是优选的。此时在石榴石母相中的钙钛矿型不同相为1ppm以下。
当z为0.004以下时，钙钛矿型不同相极有可能沉淀，这是不优选的。此外，当z为0.2以上时，y的值，即钪对铽的取代比也随着z值的提高而提高，同时抑制钙钛矿型不同相的沉淀的效果饱和且不变。结果，不必要地降低了铽的固溶浓度，由此降低了费尔德常数。这是不优选的。此外，钪作为原材料是昂贵的，因此不必要地过量掺杂钪从生产成本的观点来看是不优选的。
本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷作为主要组分含有上述式(1)所示的复合氧化物。此外，作为次要组分，在上限为0.1重量％以下的范围内含有充当烧结助剂的SiO2。当作为烧结助剂主体添加痕量的SiO2时，抑制了钙钛矿型不同相的沉淀。由此，进一步改善了顺磁性石榴石型透明陶瓷的透明度。此外，添加的痕量SiO2在1,400℃以上的烧结过程中玻璃化，导致了液相烧结效果。由此，可以促进石榴石型陶瓷烧结体的致密化。但是，如果以0.1重量％以上的量加入SiO2，在用100W和波长为1,064nm的激光束照射长度(光程长度)为25毫米的顺磁性石榴石型透明陶瓷时，热透镜对焦点位置的最大改变量超过0.25m。
顺带提及，“作为主要组分含有”是指含有90重量％以上的上述式(1)所示的复合氧化物。该复合氧化物含量(其中该复合氧化物由式(1)所示)优选为99重量％以上、更优选99.9重量％以上、再更优选99.99重量％以上、特别优选99.999重量％以上。
本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷由上述主要组分和次要组分组成，但是可以进一步含有其它元素。其它元素的典型实例包括稀土元素，如镥(Lu)和铈(Ce)，或各种杂质如钠(Na)、钙(Ca)、镁(Mg)、磷(P)、钨(W)、钽(Ta)和钼(Mo)。
当Tb和Y的总量定义为100重量份时，其它元素的含量优选为10重量份以下、更优选0.1重量份以下、特别优选0.001重量份以下(基本为零)。
本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷表现出无色透明外观，并对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率。注意，在本发明中，“线性透光率”是指当样品并未置于测量光程内的空白(空间)状态下测得的目标波长的透射光谱(光的强度)定义为100％时，在光透过透明陶瓷样品后具有目标波长的光的强度比。也就是说，当在空白状态下测得的具有目标波长的光强度(入射光强度)定义为I0且在光透过透明陶瓷样品后的光强度定义为I，该线性透光率可以表示为I/I0×100(％)。
在本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷中，在1,064nm的波长下的费尔德常数优选为30rad/(T·m)以上，更优选36rad/(T·m)以上。当费尔德常数为36rad/(T·m)以上时，可以替换现有的TGG单晶材料而无需改变部件的设计，这是方便和优选的。
此外，在本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷中，对于25毫米的光程长度，当以1.6mm的光束直径和100W的输入功率向其中输入波长为1,064nm的激光时，热透镜对焦点位置的最大改变量优选为0.25m以下。如果特定入射功率下热透镜对焦点位置的最大改变量小于0.3m，本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷可以安装在用于该入射功率的系统中，也就是说，该热透镜特性符合标准。由于本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷可以在100W的高功率入射下将热透镜控制为小于0.3m(特别是0.25m以下)，因此其材料基本上可用于100W的高功率激光器系统。
本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷作为法拉第旋转器(作为单一陶瓷元件)对于25毫米的光程长度在1,064nm的波长下优选具有40dB以上的消光比。在本发明的石榴石组成范围内，材料缺陷如应变和点缺陷大大减少。由此，作为法拉第旋转器(单一陶瓷元件)对于25毫米的光程长度在1,064nm的波长下可以稳定地控制40dB以上的消光比。此外，本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷具有优选3ppm以下、更优选2ppm以下、再更优选1ppm以下的散射源体积浓度。注意，散射源的体积浓度是在石榴石母相体积中直径为0.5至3μm的钙钛矿型和氧化铝型不同相(如上所述)以及可以用作入射光的散射源的孔隙的丰度(体积分数)。
制造顺磁性石榴石型透明陶瓷的方法
[材料]
作为本发明中使用的原材料可以适当地使用由铽、钇、钪和铝组成的金属粉末，硝酸、硫酸、尿酸等等的水溶液，上述元素的氧化物粉末等等。此外，该原材料的纯度优选为99.9重量％以上，特别优选99.99重量％以上。
称取预定量的这些元素以成为符合式(1)的组成，与正硅酸四乙酯(TEOS)(其通过后续烧制变为烧结助剂SiO2)进一步混合在一起，并随后烧制以获得主要由具有所需构型(configuration)的立方石榴石型氧化物组成的烧制原材料。此时，加入TEOS以使烧结助剂SiO2含量变成超过0重量％至0.1重量％以下。此外，此时的烧制温度是优选950℃以上并低于随后进行的步骤的烧结温度的温度，更优选1,100℃以上并低于随后进行的步骤的烧结温度的温度。要注意的是，本文中所用的“主要由……组成”表示获自烧制原材料的粉末X射线衍射结果的主峰具有来自于石榴石结构的衍射峰。要注意的是，当石榴石母相中钙钛矿型不同相的丰度为1ppm以下时，对粉末X射线衍射图案基本上仅能检测到石榴石单相图案。
接着，将所得烧制原材料粉碎成原材料粉末。
要注意的是，通过使用具有所需构型的石榴石型氧化物粉末最终制造陶瓷，但是此时该粉末的形状没有特殊限制，例如可以合适地使用角形、球形或片状粉末。此外，甚至可以合适地使用二次聚集的粉末，甚至可以合适地使用通过造粒处理如喷雾干燥处理获得的颗粒状粉末。此外，制备这些原材料粉末的步骤没有特殊限制。可以合适地使用通过共沉淀法、粉碎法、喷雾热解法、溶胶凝胶法、醇盐水解法或任何其它合成方法生成的原材料粉末。此外，可以在适当情况下通过湿球磨机、珠磨机、喷射磨、干式喷射磨、锤磨机等处理所得原材料粉末。
为了在生产陶瓷的后续步骤中的品质稳定性和提高产量，可以向本发明中使用的石榴石型氧化物粉末原材料中加入各种有机添加剂。在本发明中，这些也没有特殊限制。也就是说，可以合适地使用各种分散剂、粘合剂、润滑剂、增塑剂等等。但是，对于这些有机添加剂，优选选择不含不必要的金属离子的高纯度类型。
[生产步骤]
在本发明中，将上述原材料粉末压制成预定形状，并随后脱脂，接着烧结以产生具有至少95％以上的相对密度的致密化烧结体。优选进行热等静压(HIP)处理作为后续步骤。要注意的是，如果直接进行热等静压(HIP)处理，顺磁性石榴石型透明陶瓷被还原，并产生轻微的氧缺乏。因此，优选通过进行轻微氧化HIP处理或在HIP处理后在氧化性气氛中的退火处理来恢复氧缺乏。因此，可以获得不具有缺陷吸收的透明石榴石型氧化物陶瓷。
(成型)
在本发明的制造方法中，可以适当地采用普通的压制步骤。也就是说，可以合适地采用普通单轴压制步骤(在该步骤中将原材料包装在模具中并由某个方向加压)、冷等静压(CIP)步骤或温等静压(WIP)步骤，其中原材料放置在可变形的防水容器中并密封，施加静水压力。要注意的是，施加的压力没有特殊限制，并应在检查所得压坯的相对密度的同时适当地加以调整。例如，如果施加的压力控制在约300MPa以下的压力范围内，其可以通过市售CIP设备或WIP设备来处理，则可以抑制生产成本。或者，也可以在成型时合适地采用热压步骤、放电等离子体烧结步骤、微波加热步骤等等，其中不仅进行成型步骤，还立即进行烧结。此外，还有可能通过注浆法而非压制方法来产生压坯。通过优化作为起始材料的氧化物粉末的形状与尺寸的组合，以及各种有机添加剂，也可以采用诸如压力浇注、离心浇注和挤出成型的成型方法。
(脱脂)
在本发明的制造方法中，可以适当地采用常规脱脂步骤。也就是说，可以使用加热炉进行升温脱脂步骤。此外，此时的气氛气体种类也没有特殊限制，空气、氧气、氢气等等可以合适地采用。该脱脂温度也没有特殊限制。但是如果使用与有机添加剂混合的原材料的话，优选该温度升至该有机组分可以被分解和消除的温度。
(烧结)
在本发明的制造方法中，可以合适地采用一般烧结步骤。也就是说，可以合适地采用热烧结步骤，如电阻加热法和感应加热法。此时的气氛没有特殊限制，并且可以在惰性气体、氧气、氢气、氦气等等的各种气氛下或在减压下(在真空中)烧结。但是，由于优选防止最终发生氧缺乏，因此作为更优选的气氛可以例举氧气气氛和减压氧气气氛。
本发明的烧结步骤中的烧结温度优选为1,500至1,780℃，特别优选1,550至1,750℃。当烧结温度在该范围内时，促进了致密化，同时抑制了不同相的沉淀，这是优选的。
本发明的烧结步骤中的烧结保持时间对约几小时而言是充足的，但是该烧结体的相对密度必须致密化到至少95％以上。当烧结保持时间长，十小时或更久时，烧结体的相对密度被致密化至99％以上，改善了最终透明度，这是更优选的。
(热等静压(HIP))
在本发明的制造方法中，可以在烧结步骤后进一步提供附加的热等静压(HIP)处理步骤。
要注意的是，关于此时的加压气体的类型，可以合适地使用惰性气体如氩气和氮气，或Ar-O2。通过加压气体介质施加的压力优选为50至300MPa，更优选100至300MPa。如果该压力低于50MPa，可能无法获得透明度改善效果。如果压力超过300MPa，即使提高压力时透明度也不会进一步改善。此外，施加于该设备的负载变得过大，可能损坏设备。方便和优选的是施加的压力为196MPa以下，这可以通过市售HIP设备来处理。
此外，此时的处理温度(预定保持温度)设定在1,000至1,780℃、优选1,100至1,730℃的范围内。如果热处理温度超过1,780℃，可能发生氧缺乏，这是不优选的。此外，如果热处理温度低于1,000℃，几乎无法获得改善烧结体透明度的效果。要注意的是，热处理温度的保持时间没有特殊限制。但是，如果长时间保持热处理温度，可能会发生氧缺乏，这是不优选的。通常，该保持时间优选设定在1至3小时的范围内。
要注意的是，施加HIP处理的加热器材料、隔热材料和处理容器没有特殊限制，但是可以合适地采用石墨或钼(Mo)、钨(W)和铂(Pt)，氧化钇和氧化钆也可以进一步合适地用作处理容器。特别是当处理温度为1,500℃以下时，铂(Pt)可以用作加热器材料、隔热材料和处理容器，该加压气体介质可以是Ar-O2。由此可以防止HIP处理过程中发生氧缺乏，这是优选的。当处理温度超过1,500℃时，石墨优选作为加热器材料和隔热材料。在这种情况下，选择石墨、钼(Mo)或钨(W)之一作为处理容器，选择氧化钇或氧化钆之一作为处理容器内部的双层容器。随后，如果在该容器中填充氧释放材料的话，可以将HIP处理过程中氧缺陷的发生量抑制至最低，这是优选的。
(退火)
在本发明的制造方法中，在HIP处理完成后在所得透明陶瓷烧结体中发生氧缺陷，并且该透明陶瓷烧结体可以表现出轻微的浅灰色外观。在这种情况下，优选在HIP处理温度以下(通常为1,000至1,500℃)的温度下在氧气氛下进行氧退火处理(氧缺陷恢复处理)。这种情况下的保持时间没有特殊限制，但是优选在不低于足以恢复氧缺陷的时间且不因不必要的长时间处理而浪费电力成本的时间段内选择。通过氧退火处理，即使通过HIP处理步骤显示轻微的浅灰色外观的透明陶瓷烧结体也可以是全顺磁性石榴石型透明陶瓷体，其是无色透明的，不具有缺陷吸收。
(光学抛光)
在本发明的制造方法中，优选的是光学抛光经历了上述一系列生产步骤的顺磁性石榴石型透明陶瓷在光学利用轴上的两个端面。当测量波长λ＝633nm时，此时的光学表面精度优选为λ/2或更小，特别优选λ/8或更小。要注意的是，通过在光学抛光表面上形成抗反射膜，可以进一步减少光学损耗。
如上所述，可以提供一种陶瓷透明烧结体，其是含有铽和钇的顺磁性石榴石型氧化物并对25毫米的长度(光程长度)在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率。此外，可以提供一种磁光材料，其优选在1,064nm的波长下具有30rad/(T·m)以上的费尔德常数，优选对于25毫米的光程长度在以1.6mm的光束直径和100W的输入功率向其中输入波长为1,064nm的激光时具有0.25m的热透镜对焦点位置的最大改变量，并更优选作为法拉第旋转器(单个陶瓷元件)对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有40dB以上的消光比。
[磁光器件]
此外，由于本发明的顺磁性石榴石型透明陶瓷意在用作磁光材料，优选平行于其光轴对该顺磁性石榴石型透明陶瓷施加磁场，随后设定起偏器和检偏器，以使它们的光轴彼此偏移45度，由此构成要使用的磁光器件。也就是说，本发明的磁光材料适于磁光器件应用，并合适地在特别为0.9至1.1μm的波段下用作光隔离器的法拉第旋转器。
图1是显示光隔离器的一个实例的示意性截面图，所述光隔离器是具有由本发明的磁光材料制成的法拉第旋转器作为光学元件的光学器件。在图1中，光隔离器100包括由本发明的磁光材料制成的法拉第旋转器110，以及起偏器120和检偏器130，其是偏振材料，分别设置在法拉第旋转器110的前方和后方。此外，在光隔离器100中，优选该起偏器120、该法拉第旋转器110和检偏器130以该顺序设置，并且磁体140布置在其至少一个侧面上。
此外，上述光隔离器100可以合适地用于工业光纤激光器件。也就是说，光隔离器100适于防止由激光光源发射的激光的反射光返回到光源中以造成不稳定振荡。
实施例
在下文中，参照实施例和对比例更具体地描述了本发明，但是本发明不限于实施例。
实施例1至11，对比例1至9
获得由Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.制造的氧化铽粉末、氧化钇粉末、氧化钪粉末和由Taimei Chemical Co.,Ltd.制造的氧化铝粉末。此外，获得由Kishida ChemicalCo.,Ltd.制造的正硅酸四乙酯(TEOS)的液体。所有粉末原材料的纯度为99.95重量％以上，液体原材料的纯度为99.999重量％以上。
通过使用上述原材料并调节混合比制成总计20种氧化物原材料，其成为表1中显示的最终组成。
也就是说，通过称重以使铽、钇、铝和钪的摩尔数为表1中各组合物的相应摩尔分数来制备混合粉末。随后，称重TEOS并添加到各原材料中，以使其添加量成为表1中以SiO2换算的重量％。
随后，在氧化铝球磨设备中在乙醇中小心地进行分散和混合处理，防止彼此污染。处理时间为15小时。随后，进行喷雾干燥处理以产生均具有20μm的平均颗粒尺寸的颗粒状原材料。
随后，将这些粉末放入氧化钇坩埚中并在高温马弗炉中在1,100℃下施以烧制处理，保持时间为三小时，以获得具有相应组成的烧制原材料。用PANalytical制造的粉末X射线衍射仪对各所得烧制原材料施以衍射图案分析(XRD分析)。由参考数据与X射线衍射图案的实测数据之间的比较，确定样品的晶系。在大多数情况下(在氧化物原材料No.1至11、14至18和20的情况下)，仅检测到石榴石单相(立方晶体)的峰。在氧化物原材料No.12、13和19的情况下，除了石榴石相的峰图案之外，还检测到了钙钛矿不同相的微弱峰。
上述结构概括在表1中。
表1
在尼龙球磨设备中在乙醇中再次小心地分散和混合由此获得的氧化物原材料，防止彼此污染。处理时间在每种情况下为24小时。随后，进行喷雾干燥处理以产生均具有20μm的平均颗粒尺寸的颗粒状原材料。所得20种粉末原材料各自以198MPa的压力施以单轴压制和等静压处理以获得CIP压块。将所得压块在1,000℃和两小时的条件下在马弗炉中施以脱脂处理。随后，将脱脂的压块放置在氧气氛炉中并在1,730℃下处理三小时以获得总计18种烧结体。此时，烧结样品的相对密度在95％至99.2％的范围内。
将各所得烧结体放置在碳加热器HIP炉中并在Ar、200MPa、1,600℃和两小时的条件下施以HIP处理。在各所得烧结体的外观中几乎没有发现泛灰(氧缺陷吸收)。但是，以防万一，对各所得陶瓷烧结体施以在氧气氛炉中在1,300℃下的退火处理四小时以恢复氧缺陷，同时进行批次管理。由此，制备了实施例与对比例的总计20种烧结体。
接着，对各所得陶瓷烧结体进行研磨和抛光，以具有5mm的直径和25mm的长度，并对各样品的两个光学端面施以最终的光学抛光，光学表面精度为λ/8(当测量波长λ＝633nm时)。
如下测量如上所述获得的各样品的线性透光率、消光比和散射源的体积浓度。
(测量线性透光率的方法)
用光的强度来测量线性透光率，其具有1,064nm的波长，并通过使用NKTPhotonics制造的光源、Gentec制造的功率计和Ge光检测器内部制造的光学系统以1至3毫米的光束直径透射，并按照JIS K7361和JIS K7136基于以下等式来确定。
线性透光率(％/25mm)＝I/I0×100
其中I代表透射光的强度(穿过长度为25毫米的样品直线透射的光的强度)，且I0代表入射光的强度。
(测量消光比的方法)
如下测量作为法拉第旋转器的消光比。
通过采用用NKT Photonics制造的光源、准直透镜、起偏器、工作平台、检偏器、Gentec制造的功率计和Ge光检测器内部制造的光学系统，将波长为1,064nm的光设定在3mm的大的光束直径，并透过该样品。在使检偏器的偏振面与该状态下的起偏器的偏振面一致时，测量光的强度I0(作为激光强度的最大值)。随后，在其中检偏器的偏振面旋转90度以使其与起偏器的偏振面垂直的状态下再次测量接收的光的强度I’(作为激光强度的最大值)。随后，基于下列等式通过计算确定该消光比。
消光比(dB)＝-10×log10(I’/I0’)
要注意的是，如果光束直径大于3毫米，在直径为5毫米的样品外周处将开始踢除光束尾段。由此，3毫米的光束直径被定义为使光在实际工件的整个表面上入射的状态。
(测量散射源体积浓度的方法)
如下测量烧结体中被气泡和/或不同相占据的体积浓度(散射源的体积浓度)。
通过使用Zeiss制造的金相显微镜的透射模式，用50×的物镜放大率捕获了具有如前所述抛光的两个端面的各烧结体样品的透射开放尼科耳(nicol)图像。此时的框架尺寸为约153μm×117μm。当焦点深度由该点加深2μm时，捕获了总计五个透射开放尼科耳图像。散射源的典型尺寸为约1μm。当捕获五个图像同时焦点偏移2μm的间距时，可以拍摄几乎所有分布在高度方向上的散射源(深度范围为10μm)，忽略轻微的失焦。
捕获图像中散射源的尺寸如下：首先，如果存在除气泡(孔隙)和不同相之外的特殊异物等等，则尺寸(直径)达到几十微米。在这种情况下，如果在图像中仅存在一个特殊异物等等，该散射源的体积浓度超过200ppm，并在激光束照射该散射源时发生显著的散射。由此，线性透光率大大降低。但是，不存在被此类大型散射源污染的情况。
此外，更精细地观察该散射源。结果发现，剩余散射源的尺寸均被拍摄为基本球形的对照物，直径为3微米以下。此外，大多数对照物的直径小于1.6微米。
要注意的是，证实了另一问题，即在显微镜中没有出现直径小于150nm的散射源尺寸。但是，例如，即使在上述五个图像中存在1,100个直径为200nm的散射源，这些散射源的总体积浓度经计算仅为小于200ppm。事实上，当以这种程度存在许多散射源时，单独测量的线性透光率的值大大降低。由此，通过显微镜观察该散射源的体积浓度的结果被记为“小于200nm，不可胜数”。
接着，对于具有典型尺寸的剩余散射源，通过以0.5μm间距的层级来计数散射源的尺寸(直径)。也就是说，计数了尺寸分别为φ0.5μm、φ1μm、φ1.5μm、φ2μm、φ2.5μm和φ3μm的散射源的数量。具体而言，将直径为0.25μm以上至小于0.75μm的散射源计为推定直径为0.5μm的散射源。将直径为0.75μm以上至小于1.25μm的散射源计为推定直径为1μm的散射源。将直径为1.25μm以上至小于1.75μm的散射源计为推定直径为1.5μm的散射源。将直径为1.75μm以上至小于2.25μm的散射源计为推定直径为2μm的散射源。将直径为2.25μm以上至小于2.75μm的散射源计为推定直径为2.5μm的散射源。将直径为2.75μm以上至小于3.25μm的散射源计为推定直径为3μm的散射源。随后，在散射源的每个尺寸(直径)层级中计数的散射源被认为是具有该推定直径的球形散射源。基于推定直径的球体积乘以各个层级的计数数量以计算该层级的总体积。所有层级的总体积加在一起获得散射源的体积。接着，散射源的该体积除以观察体积179,010μm3(＝153μm×117μm×10μm)以确定散射源的体积浓度。
随后，用设计为具有1,064nm的中心波长的抗反射膜(AR涂层)涂布光学抛光的样品。还检查了本文中获得的样品的光学外观。图2A和2B显示了作为实例的实施例1的样品的光学外观的检查结果。如可以在图2B中看到的那样，当透过光学抛光表面来看时，外观是透明的。要注意的是，由于AR涂层的干涉色，该外观看起来是紫色的。
对由此获得的各样品，如下测量费尔德常数和热透镜对焦点位置的最大改变量。也就是说，如图1所示，将偏振元件(起偏器120、检偏器130)分别设置在各所得陶瓷样品(对应于法拉第旋转器110)的前面和后面。将该样品插入钕-铁-硼磁体(磁体140)的中心，该磁体的外径为32毫米，内径为6毫米，长度为40毫米。随后，通过使用IPG PhotonicsCorporation制造的高功率激光器(束直径：1.6毫米)在两个端面上用波长为1,064nm的高功率激光束入射，以测量费尔德常数。此外，在移除钕-铁-硼磁体后，在与上文所述相同的条件下，在各陶瓷样品上入射波长为1,064nm的高功率激光束。测量此时热透镜的出现并评估为焦点位置的最大改变量。
(测量费尔德常数的方法)
基于以下等式来确定费尔德常数V。要注意的是，通过基于测量系统的尺寸、剩余磁通密度(Br)和矫顽力(Hc)的模拟来计算施加于样品的磁场(H)的大小。
θ＝V×H×L
其中θ是法拉第旋转角(rad)，V是费尔德常数(rad/(T·m))，H是磁场的大小(T)，L是法拉第旋转器的长度(在这种情况下为0.025m)。
(测量热透镜对焦点位置的最大改变量的方法)
通过IPG Photonics制造的高功率激光器(光束直径：1.6毫米)发射输出为100W的空间平行光束，并用光束分析仪测量焦点位置。随后，将陶瓷样品放置在发射光束线上，再次用光束分析仪测量通过设置样品而改变的焦点位置，焦点位置之间的差值被确定为热透镜对焦点位置的最大改变量。
上述结果概括在表2中。
表2
由上述结果，由本发明的复合氧化物组成控制的所有实施例(实施例1至11)的组和对比例6与9各自具有83.5％以上的线性透光率、40dB以上的消光比、以及3ppm以下的散射源的体积浓度，并且可以证实产生了具有高透明度的顺磁性石榴石型透明陶瓷烧结体。此外，在对其输入输入功率为100W的激光时，热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)均被抑制为0.25m以下，证实了该陶瓷可以安装在高功率激光器系统中。但是，由于在实施例9中掺杂了更大量的Sc(在式(1)中y＝0.09且z＝0.2)，原材料成本提高1.2倍。
此外，铽浓度在对比例6中过低(在式(1)中1-x-y＝0.499)。结果，费尔德常数低于30rad/(T·m)。
此外，当如对比例9中那样掺杂进一步更大量的Sc(在式(1)中y＝0.2且z＝0.4)时，与Y结合的总取代比变得过高。结果，铽浓度变低，费尔德常数低于30rad/(T·m)。
相反，其中未添加钪(在式(1)中y＝0且z＝0)的对比例1、3和4以及其中钪的添加量过低(在式(1)中y＝0且z＝0.004)的对比例2中，各自具有低于83.5％的线性透光率、小于40dB的消光比和超过3ppm的散射源体积浓度，以及在对其输入输入功率为100W的激光时超过0.25m的热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)，导致光学品质的劣化。
在对比例5中，获得了相当良好的性质。但是，钇的取代量略为不足(在式(1)中x＝0.001)，并且线性透光率、消光比、散射源体积浓度和热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)的值均不如实施例组。至于对比例7，也获得了一定程度的良好性质。但是，SiO2的掺杂量过大，线性透光率、消光比、散射源体积浓度和热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)的值均不如实施例组。
当稀土位点对铝位点的混配比如对比例8中那样偏离化学计量比时，线性透光率、消光比、散射源体积浓度和热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)的值与实施例组的那些相比明显变差。
如上所述，根据实施例的结果，通过在预定范围内控制式(1)中的x、y和z并在预定范围内掺杂SiO2作为烧结助剂，可以提供具有低散射和高透明度的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中对25mm的总长度在1,064nm的波长下的线性透光率为83.5％以上，在1,064nm的波长下的费尔德常数为30rad/(T·m)以上，在对其输入具有100W的输入功率、1,064nm的波长和25毫米的光程长度的激光时热透镜对焦点位置的最大改变量(热透镜的生成量)为0.25m以下，作为法拉第旋转器在1,064nm的波长下的消光比为40dB以上，并且散射源的体积浓度为3ppm以下。此外，当该透明陶瓷用作磁光材料时，能够提供即使对高功率应用也可使用的高性能磁光器件。
要注意的是，尽管已经参照上述实施方案描述了本发明，但是本发明不限于这些实施方案，并且本发明可以在本领域技术人员的范围内进行修改，如其它实施方案、添加、修改和删除，只要发挥本发明的效果，任何方面都在本发明的范围内。
日本专利申请号2018-096086经此引用并入本文。
尽管已经描述了一些优选实施方案，但鉴于上述教导可以对其进行许多修改和变化。因此要理解的是本发明可以以不同于具体描述的方式来实施而不离开所附权利要求的范围。

Claims (8)

1.顺磁性石榴石型透明陶瓷，其是下式(1)所表示的复合氧化物的烧结体，以超过0重量％至0.1重量％以下的量包含SiO2作为烧结助剂，并且对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下具有83.5％以上的线性透光率：
(Tb1-x-yYxScy)3(Al1-zScz)5O12 (1)
其中0.05≤x<0.45，0<y<0.1，0.5<1-x-y<0.95，和0.004<z<0.2。
2.如权利要求1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中在1,064nm的波长下的费尔德常数为30rad/(T·m)以上。
3.如权利要求1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中对于25毫米的光程长度，以1.6毫米的光束直径和100W的输入功率向其输入波长为1,064nm的激光时，热透镜对焦点位置的最大改变量为0.25m以下。
4.如权利要求1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中作为法拉第旋转器，对25毫米的光程长度在1,064nm的波长下的消光比为40dB以上。
5.如权利要求1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中散射源的体积浓度为3ppm以下。
6.磁光材料，由如权利要求1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷制成。
7.通过使用如权利要求6所述的磁光材料构造的磁光器件。
8.如权利要求7所述的磁光器件，包含该顺磁性石榴石型透明陶瓷作为法拉第旋转器，其中该磁光器件是光隔离器，所述光隔离器包含在光轴上位于法拉第旋转器前面和后面的偏振材料，并可以在0.9μm以上至1.1μm以下的波段使用。
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