DE112021006514T5

DE112021006514T5 - Glasmaterial

Info

Publication number: DE112021006514T5
Application number: DE112021006514.9T
Authority: DE
Inventors: Futoshi SUZUKI
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2023-11-23
Also published as: CN116348426A; WO2022131248A1; JPWO2022131248A1; US20230391659A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Glasmaterial bereit, das eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei einer Arbeitswellenlänge bereitstellt. Das Glasmaterial enthält, ausgedrückt in Mol-%, von 26 % bis 40 % an Tb2O3, mehr als 12 % und 40 % oder weniger an B2O3, von 1 % bis 20 % an Al2O3, von 1 % bis 40 % an SiO2, von 0 % bis 5 % an P2O5und mehr als 14 % und 74 % oder weniger an B2O3+Al2O3+SiO2+P2O5.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Glasmaterial.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass ein Glasmaterial, das Tb₂O₃ enthält, einen Faraday-Effekt als einen magneto-optischen Effekt zeigt. Der Faraday-Effekt verursacht eine Rotation von linear polarisiertem Licht, das sich durch ein Material ausbreitet, das sich in einem Magnetfeld befindet. Ein diesen Effekt nutzendes magneto-optisches Element (beispielsweise ein Faraday-Rotator) wird in einer magneto-optischen Vorrichtung, beispielsweise einem optischen Isolator, verwendet.
Die durch den Faraday-Effekt verursachte optische Drehung (Drehwinkel der Polarisationsebene) θ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. In der Gleichung ist H die Stärke des Magnetfelds, L die Länge des Materials, durch das sich das polarisierte Licht ausbreitet, und V eine Konstante (Verdet-Konstante), die von der Art des Materials abhängt. Die Verdet-Konstante nimmt bei einem diamagnetischen Material einen positiven Wert und bei einem paramagnetischen Material einen negativen Wert an. Je größer der Absolutwert der Verdet-Konstante ist, desto größer ist außerdem der Absolutwert der optischen Drehung, was zu einem großen Faraday-Effekt führt. $θ = VHL$
Bekannte Glasmaterialien, die den Faraday-Effekt zeigen, umfassen beispielsweise ein Glasmaterial auf SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-Tb₂O₃-Basis (Patentdokument 1) und ein Glasmaterial auf P₂O₅-B₂O₃-Tb₂O₃-Basis (Patentdokument 2).
Zitatliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 51-46524 B
Patentdokument 2: JP 52-32881 B

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In den letzten Jahren hat die Leistung von Laserlicht, das zum Bestrahlen von magneto-optischen Vorrichtungen verwendet wird, zugenommen und es gab eine Nachfrage nach einer Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit von magneto-optischen Elementen bei einer Arbeitswellenlänge (beispielsweise von 300 bis 1100 nm).
Im Hinblick auf das Obige ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Glasmaterial bereitzustellen, das eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei einer Arbeitswellenlänge aufweist.
Lösung des Problems
Ein erfindungsgemäßes Glasmaterial umfasst, ausgedrückt in Mol-%, von 26 % bis 40 % an Tb₂O₃, mehr als 12 % und 40 % oder weniger an B₂O₃, von 1 % bis 20 % an Al₂O₃, von 1 % bis 40 % an SiO₂, von 0 % bis 5 % an P₂O₅ und mehr als 14 % und 74 % oder weniger an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅.
Bei dem erfindungsgemäßen Glasmaterial beträgt der Gehalt an FeO+Fe₂O₃ vorzugsweise 10 ppm oder weniger.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial ist vorzugsweise im Wesentlichen frei von Sb₂O₃ und As₂O₃.
Bei dem erfindungsgemäßen Glasmaterial beträgt ein Verhältnis von Tb³⁺ zu Gesamt-Tb, ausgedrückt in Mol-%, vorzugsweise 55 % oder mehr.
Bei dem erfindungsgemäßen Glasmaterial beträgt die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 1064 nm vorzugsweise 70 % oder mehr.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial wird vorzugsweise als magneto-optisches Element verwendet.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial wird vorzugsweise als Faraday-Rotator verwendet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann ein Glasmaterial bereitstellen, das eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei einer Arbeitswellenlänge aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines Glasmaterials der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein erfindungsgemäßes Glasmaterial enthält von 26 % bis 40 % an Tb₂O₃, mehr als 12 % und 40 % oder weniger an B₂O₃, von 1 % bis 20 % an Al₂O₃, von 1 % bis 40 % an SiO₂, von 0 % bis 5 % an P₂O₅ und mehr als 14 % und 74 % oder weniger an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅. Gründe für die Festlegung der Glaszusammensetzung auf diese Weise und den Gehalt jeder Komponente werden nachstehend beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung bedeutet „%“, sofern nicht anders angegeben, „Mol-%“.
Tb₂O₃ ist eine Komponente, die den absoluten Wert der Verdet-Konstante erhöht und den Faraday-Effekt verstärkt. Der Gehalt an Tb₂O₃ beträgt vorzugsweise von 26 % bis 40 %, von 26 % bis 39 %, von 26 % bis 36 %, von 26 % bis 35 %, von 28 % bis 35 %, von 29 % bis 35 % oder von 30 % bis 34 % und besonders bevorzugt 31 % bis 34 %. Wenn der Gehalt an Tb₂O₃ zu gering ist, sind die oben beschriebenen Wirkungen schwer zu erzielen. Wenn der Gehalt an Tb₂O₃ zu groß ist, ist die Vitrifizierung schwierig. Es gilt zu beachten, dass Tb im Glas im dreiwertigen Zustand oder im vierwertigen Zustand vorliegt, aber alle diese Zustände von Tb bei der vorliegenden Erfindung als Tb₂O₃ ausgedrückt werden.
Ein Verhältnis von Tb³⁺ zu Gesamt-Tb beträgt, ausgedrückt in Mol-%, vorzugsweise 55 Mol-% oder mehr, 60 Mol-% oder mehr, 70 Mol-% oder mehr oder 80 Mol-% oder mehr und besonders bevorzugt 90 Mol-% oder mehr. Ein solches Verhältnis verringert den Anteil von Tb⁴⁺, welches eine Färbung des Glasmaterials verursacht, und unterdrückt leicht eine Abnahme der Lichtdurchlässigkeit des Glasmaterials. Es gilt zu beachten, dass Tb⁴⁺ bei einer Wellenlänge von 300 bis 1100 nm absorbiert. Wenn das Verhältnis von Tb³⁺ zum Gesamt-Tb zu klein ist, wird das Glasmaterial gefärbt, die Lichtdurchlässigkeit im obigen Wellenlängenbereich nimmt ab und das Glasmaterial erzeugt eher Wärme. Die erzeugte Wärme verursacht den thermischen Linseneffekt. Wenn also das Glasmaterial mit Laserlicht bestrahlt wird, neigt das Strahlprofil des Laserlichts dazu, sich zu verformen.
B₂O₃ ist eine Komponente, die den Vitrifizierungsbereich erweitert und die Vitrifizierung stabilisiert. Der Gehalt an B₂O₃ beträgt vorzugsweise mehr als 12 % und 40 % oder weniger, von 13 % bis 40 %, von 15 % bis 38 %, von 16 % bis 36 %, von 20 % bis 35 %, von 21 % bis 35 %, von 21 % bis 32 % oder mehr als 25 % und 32 % oder weniger und besonders bevorzugt von 26 % bis 32 %. Wenn der Gehalt an B₂O₃ zu gering ist, ist die Vitrifizierung schwierig. Wenn der Gehalt an B₂O₃ zu groß ist, ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen. Thermische Stabilität und Härte nehmen ebenfalls eher ab.
Al₂O₃ ist eine Komponente, die ein Glasnetzwerk bildet, den Vitrifizierungsbereich erweitert und die Vitrifizierung stabilisiert. Der Gehalt an Al₂O₃ beträgt vorzugsweise von 1 % bis 20 %, von 2 % bis 20 %, von 3 % bis 20 %, von 5 % bis 20 %, von 7 % bis 20 % oder von 10 % bis 20 % und besonders bevorzugt von 11 % bis 19 %. Wenn der Gehalt an Al₂O₃ zu gering ist, sind die oben beschriebenen Wirkungen schwer zu erreichen. Wenn der Gehalt an Al₂O₃ zu groß ist, ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen.
SiO₂ ist eine Komponente, die ein Glasnetzwerk bildet, den Vitrifizierungsbereich erweitert und die Vitrifizierung stabilisiert. Der Gehalt an SiO₂ beträgt vorzugsweise von 1 % bis 40 %, von 2 % bis 40 %, von 2 % bis 39 %, von 5 % bis 40 %, von 10 % bis 3 8 %, von 15 % bis 3 5 %, von 18 % auf 32 % oder von 20 % bis 32 %. Wenn der Gehalt an SiO₂ zu gering ist, sind die oben beschriebenen Wirkungen schwer zu erzielen. Wenn der Gehalt an SiO₂ zu groß ist, ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen.
P₂O₅ ist eine Komponente, die ein Glasnetzwerk bildet, den Vitrifizierungsbereich erweitert und die Vitrifizierung stabilisiert. Der Gehalt an P₂O₅ beträgt vorzugsweise von 0 % bis 5 %, 0 % oder mehr und weniger als 5 %, von 0 % bis 4 % oder von 0,1 % bis 4 % und besonders bevorzugt von 1 % bis 4 %. Wenn der Gehalt an P₂O₅ zu groß ist, ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen. Thermische Stabilität und Härte nehmen ebenfalls eher ab.
Der Gehalt an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅ (die Gesamtmenge an B₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ und P₂O₅) beträgt vorzugsweise mehr als 14 % und 74 % oder weniger, von 20 % bis 74 %, von 30 % bis 74 %, von 40 % bis 74 %, von 50 % bis 72 %, von 55 % bis 71 % oder von 60 % bis 70 % und besonders bevorzugt von 60 % bis 69 %. Wenn der Gehalt an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅ zu gering ist, ist die Vitrifizierung schwierig. Wenn der Gehalt an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅ zu groß ist, ist es schwierig, einen ausreichenden Faraday-Effekt zu erzielen.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten kann das erfindungsgemäße Glasmaterial die folgenden Komponenten enthalten.
La₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃ und Yb₂O₃ sind Komponenten, die die Vitrifizierung stabilisieren. Der individuelle Gehalt an La₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃ und Yb₂O₃ beträgt vorzugsweise 10 % oder weniger, 7 % oder weniger, 5 % oder weniger, 4 % oder weniger oder 2 % oder weniger und besonders bevorzugt 1 % oder weniger. Wenn die Gehalte dieser Komponenten zu groß sind, ist die Vitrifizierung schwierig.
Dy₂O₃, Eu₂O₃ und Ce₂O₃ sind Komponenten, die zur Erhöhung der Verdet-Konstante beitragen. Der individuelle Gehalt an Dy₂O₃, Eu₂O₃ und Ce₂O₃ beträgt vorzugsweise 1 % oder weniger, 0,5 % oder weniger oder 0,1 % oder weniger und besonders bevorzugt 0,01 % oder weniger. Wenn die Gehalte dieser Komponenten zu groß sind, nimmt die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 300 bis 1100 nm ab und das Glasmaterial erzeugt eher Wärme. Die erzeugte Wärme kann zum thermischen Linseneffekt führen und eine Verformung des Strahlprofils von Laserlicht verursachen. Es gilt zu beachten, dass Dy, Eu und Ce im Glas im dreiwertigen Zustand oder im vierwertigen Zustand vorliegen, aber alle diese Zustände von Dy, Eu und Ce bei der vorliegenden Erfindung als Dy₂O₃, Eu₂O₃ bzw. Ce₂O₃ ausgedrückt werden.
Pr₂O₃ ist eine Komponente, die zur Erhöhung der Verdet-Konstante beiträgt. Der Gehalt an Pr₂O₃ beträgt vorzugsweise 5 % oder weniger, 3 % oder weniger oder weniger als 1 % und besonders bevorzugt 0,5 % oder weniger. Wenn der Gehalt an Pr₂O₃ zu groß ist, ist die Vitrifizierung schwierig.
MgO, CaO, SrO und BaO sind Komponenten, die die Vitrifizierung stabilisieren und die chemische Beständigkeit verbessern. Der individuelle Gehalt an MgO, CaO, SrO und BaO beträgt vorzugsweise 0 % bis 10 % und besonders bevorzugt 0 % bis 5 %. Wenn die Gehalte dieser Komponenten zu groß sind, ist es schwierig, einen ausreichenden Faraday-Effekt zu erzielen.
GeO₂ ist eine Komponente, die die Glasbildungsfähigkeit verbessert. Der Gehalt an GeO₂ beträgt vorzugsweise 0 % oder mehr und weniger als 60 %, von 0 % bis 55 %, von 0 % bis 50 %, von 0 % bis 45 %, von 0 % bis 40 %, von 0 % bis 35 %, von 0 % bis 30 %, von 0 % bis 20 %, von 0 % bis 15 %, von 0 % bis 10 %, von 0 % bis 9 %, von 0 % bis 7 % oder von 0 % bis 5 %, und besonders bevorzugt von 0 % bis 4 %. Wenn der Gehalt an GeO₂ zu groß ist, ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen.
ZnO ist eine Komponente, die die Vitrifizierung stabilisiert. Der Gehalt an ZnO beträgt vorzugsweise von 0 % bis 20 %, von 0 % bis 15 %, von 0 % bis 13 %, von 0 % bis 10 %, von 0 % bis 8 % oder von 0 % bis 5 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 4 %. Wenn der Gehalt an ZnO zu groß ist, tritt leicht eine Entglasung auf. Außerdem ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen.
Ga₂O₃ ist eine Komponente, die die Vitrifizierung stabilisiert und den Vitrifizierungsbereich erweitert. Der Gehalt an Ga₂O₃ beträgt vorzugsweise von 0 % bis 6 %, von 0 % bis 5 % oder von 0 % bis 4 % und besonders bevorzugt von 0 % bis 2 %. Wenn der Gehalt an Ga₂O₃ zu groß ist, tritt eher eine Entglasung auf. Außerdem ist ein ausreichender Faraday-Effekt schwer zu erreichen.
Fluor hat die Wirkung, die Glasbildungsfähigkeit zu erhöhen und den Vitrifizierungsbereich zu erweitern. Der Gehalt an Fluor (umgerechnet auf F₂) beträgt vorzugsweise von 0 % bis 10 %, von 0 % bis 7 %, von 0 % bis 5 %, von 0 % bis 3 % oder von 0 % bis 2 % und besonders bevorzugt von 0 % auf 1 %. Wenn der Fluorgehalt zu groß ist, kann sich die Komponente während des Schmelzens verflüchtigen und die Vitrifizierung nachteilig beeinflussen. Außerdem treten eher Schlieren auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Glasmaterial beträgt der Gehalt an FeO+Fe₂O₃ (die Gesamtmenge an FeO und Fe₂O₃) vorzugsweise 10 ppm oder weniger, 7 ppm oder weniger, 5 ppm oder weniger, 4 ppm oder weniger, 2 ppm oder mehr weniger oder 1 ppm oder weniger und besonders bevorzugt 0,8 ppm oder weniger. Da FeO eine breite Absorption zeigt, die Fe²⁺ zuzuschreiben ist, die nahe der Wellenlänge von 1200 nm den Höchstwert erreicht, nimmt die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 800 bis 1200 nm ab, und das Glasmaterial erzeugt eher Wärme. Außerdem wird Fe₂O₃ beim Schmelzprozess zu FeO reduziert und kann, ähnlich wie im obigen Fall, eine auf Fe²⁺ zurückzuführende breite Absorption aufweisen.
Wenn also der Gehalt an FeO+Fe₂O₃ zu groß ist, tritt der thermische Linseneffekt auf und das Strahlprofil des Laserlichts verformt sich leicht. Die untere Grenze des Gehalts an FeO+Fe₂O₃ beträgt beispielsweise vorzugsweise 0,001 ppm oder mehr, 0,005 ppm oder mehr, 0,01 ppm oder mehr oder 0,05 ppm oder mehr und besonders bevorzugt 0,1 ppm oder mehr. Wenn der Gehalt an FeO+Fe₂O₃ zu gering ist, neigen die Herstellungskosten dazu, zu steigen. Es gilt zu beachten, dass der individuelle Gehalt von FeO und Fe₂O₃ vorzugsweise 10 ppm oder weniger, 7 ppm oder weniger, 5 ppm oder weniger, 4 ppm oder weniger, 2 ppm oder weniger oder 1 ppm oder weniger und besonders bevorzugt 0,8 ppm oder weniger beträgt. Die untere Grenze des individuellen Gehalts an FeO und Fe₂O₃ beträgt beispielsweise vorzugsweise 0,001 ppm oder mehr, 0,005 ppm oder mehr, 0,01 ppm oder mehr oder 0,05 ppm oder mehr und besonders bevorzugt 0,1 ppm oder mehr.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial ist vorzugsweise im Wesentlichen frei von Sb₂O₃ und As₂O₃. Wenn diese Komponenten enthalten sind, bilden sich eher Blasen im Glas und die Lichtdurchlässigkeit des Glases nimmt eher ab. Es gilt zu beachten, dass die oben erwähnte Phrase „im Wesentlichen frei von“ bedeutet, dass keine Menge dieser Komponenten absichtlich in den Rohmaterialien enthalten ist, und nicht beabsichtigt ist, selbst deren Gehalt auf dem Niveau der Verunreinigung auszuschließen. Objektiv bedeutet dies, dass der Gehalt von jedem Bestandteil weniger als 1000 ppm beträgt.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial zeigt eine gute Lichtdurchlässigkeit in einem Wellenlängenbereich von 300 bis 1100 nm. Insbesondere beträgt die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 1064 nm vorzugsweise 70 % oder mehr oder 75 % oder mehr und besonders bevorzugt 80 % oder mehr. Die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 633 nm beträgt vorzugsweise 60 % oder mehr, 65 % oder mehr, 70 % oder mehr oder 75 % oder mehr und besonders bevorzugt 80 % oder mehr. Die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 532 nm beträgt vorzugsweise 30 % oder mehr, 50 % oder mehr, 60 % oder mehr oder 70 % oder mehr und besonders bevorzugt 80 % oder mehr. Es gilt zu beachten, dass die oben erwähnten Lichtdurchlässigkeitswerte Werte in einem Fall sind, bei dem das Glasmaterial eine Dicke von 1 mm aufweist.
Das erfindungsgemäße Glasmaterial kann beispielsweise durch die behälterlose Levitationstechnik hergestellt werden. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines Glasmaterials der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glasmaterials wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Eine Herstellungsvorrichtung 1 zur Herstellung von Glasmaterial weist ein Formungswerkzeug 10 auf. Das Formungswerkzeug 10 dient auch als Schmelzbehälter. Das Formungswerkzeug 10 weist eine Formungsfläche 10a und eine Vielzahl von Gasausstoßlöchern 10b auf, die an der Formungsfläche 10a offenstehen. Die Gasausstoßlöcher 10b sind mit einem Gaszufuhrmechanismus 11 wie etwa einem Gaszylinder verbunden. Gas wird von dem Gaszufuhrmechanismus 11 über die Gasausstoßlöcher 10b zu der Formungsfläche 10a zugeführt. Die Art des Gases ist nicht beschränkt. Das Gas kann beispielsweise Luft oder Sauerstoff oder Stickstoffgas, Argongas, Heliumgas, Kohlenmonoxidgas, Kohlendioxidgas oder ein wasserstoffhaltiges Reduktionsgas sein. Unter diesen ist zum Zwecke der Erhöhung des Verhältnisses von Tb³⁺ im Gesamt-Tb und vom Standpunkt der Sicherheit ein Inertgas bevorzugt.
Wenn zum Herstellen eines Glasmaterials die Herstellungsvorrichtung 1 verwendet wird, wird zuerst ein Glasrohmaterialblock 12 auf der Formungsoberfläche 10a angeordnet. Beispiele des Glasrohmaterialblocks 12 umfassen ein einzelnes Stück, das erhalten wird, indem ein Rohmaterialpulver einem Pressformen oder dergleichen unterzogen wird, einen gesinterten Pressling, der erhalten wird, indem ein Rohmaterialpulver einem Pressformen unterzogen wird, um ein einzelnes Stück zu bilden, und dann das einzelne Stück einem Sintern unterzogen wird, und ein Aggregat von Kristallen mit einer Zusammensetzung, die äquivalent zu einer Zielglaszusammensetzung ist.
Als nächstes wird Gas durch die Gasausstoßlöcher 10b ausgestoßen, wodurch der Glasrohmaterialblock 12 über der Formungsfläche 10a schwebt. Das heißt, der Glasrohmaterialblock 12 wird in einem Zustand gehalten, in dem er nicht in Kontakt mit der Formungsfläche 10a steht. In diesem Zustand wird der Glasrohmaterialblock 12 mit Laserlicht von einer Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 13 bestrahlt. Somit wird der Glasrohmaterialblock 12 erhitzt und geschmolzen und durchläuft eine Vitrifizierung, was zu einem geschmolzenen Glas führt.
Als nächstes wird das geschmolzene Glas gekühlt, was zu einem Glasmaterial führt. Zu diesem Zeitpunkt werden das geschmolzene Glas und das Glasmaterial gekühlt, bis die Temperatur mindestens gleich oder niedriger als der Erweichungspunkt ist. Bei dem Schritt des Erhitzens und Schmelzens des Glasrohmaterialblocks 12 und dem Schritt des Kühlens des geschmolzenen Glases und des Glasmaterials auf eine Temperatur, die mindestens gleich oder niedriger als der Erweichungspunkt ist, wird es bevorzugt, dass wenigstens das Ausstoßen von Gas fortgesetzt durchgeführt wird, um den Kontakt des Glasrohmaterialblocks 12, des geschmolzenen Glases und des resultierenden Glasmaterials mit der Formungsfläche 10a zu verringern. Der Glasrohmaterialblock 12 kann über der Formungsfläche 10a schweben, indem eine Magnetkraft verwendet wird, die durch das Anlegen eines Magnetfelds erzeugt wird. Neben dem Bestrahlungsverfahren unter Verwendung von Laserlicht kann Strahlungserwärmung als Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen verwendet werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Glasmaterials kann das Rohmaterialpulver ein Reduktionsmittel enthalten. Das Reduktionsmittel ist vorzugsweise beispielsweise Kohlenstoff, Holzmehl, Aluminiummetall, Siliziummetall, Aluminiumfluorid oder ein Ammoniumsalz.
Das Rohmaterialpulver enthält das Reduktionsmittel vorzugsweise in einer Menge von 0 Gew.-% bis 1 Gew.-%, von 0,01 Gew.-% bis 0,9 Gew.-% oder von 0,1 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% und besonders bevorzugt von 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%. Wenn die Menge des Reduktionsmittels zu gering ist, ist der gewünschte Reduktionseffekt schwer zu erreichen, und das Verhältnis von Tb³⁺, das später beschrieben wird, neigt dazu, abzunehmen. Wenn die Menge des Reduktionsmittels zu groß ist, neigt Fe₂O₃ im Rohmaterialpulver dazu, zu FeO reduziert zu werden. Als Ergebnis nimmt die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 800 bis 1200 nm ab und das Glasmaterial erzeugt eher Wärme.
Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Glasmaterials ist nicht auf die oben beschriebene behälterlose Schwebetechnik beschränkt. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Glasmaterial durch Tiegelschmelzen hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Glasmaterial weist die oben erwähnte Glaszusammensetzung auf und kann somit stabil die Vitrifizierung durchlaufen. Selbst im Fall der Verwendung des Tiegelschmelzens als Herstellungsverfahren kann das Glasmaterial auf stabile Weise erhalten werden. Außerdem kann im Fall der Verwendung des Tiegelschmelzens als Herstellungsverfahren eine große Menge Rohmaterialpulver auf einmal geschmolzen werden und somit wird leicht ein großformatiges Glasmaterial erzielt. Das großformatige Glasmaterial kann in geeigneter Weise beispielsweise in Hochleistungslaseranwendungen verwendet werden.
Beispiele
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung basierend auf Beispielen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehenden Beispiele beschränkt.

Die Tabellen 1 bis 3 zeigen die Beispiele 1 bis 10, die Beispiele 12 bis 16 und das Vergleichsbeispiel 11 der vorliegenden Erfindung. [Tabelle 1]

		Beispiele
		1	2	3	4	5	6
Glaszusammensetzung (Mol-%)	Tb₂O₃	26	34	33	29	30	31
	B₂O₃	25	24	25	32	28	22
	Al₂O₃	17	12	14	15	18	20
	SiO₂	30	28	28	20	24	26
	P₂O₅	2	2	0	4	0	1
FeO + Fe₂O₃ (ppm)		0.8	2	1	4	3	6
B₂O₃ + Al₂O₃ + SiO₂ + P₂O₅		74	66	67	71	70	69
Verdet-Konstante bei 1064 nm (min/Oe·cm)		-0.083	-0.134	-0.131	-0.099	-0.110	-0.113
Durchlässigkeit bei 1064 nm (%)		87.6	86.1	86.3	87.2	87.1	86.8

[Tabelle 2]

		Beispiele				Vergleichsbeispiel
		7	8	9	10	11
Glaszusammensetzung (Mol-%)	Tb₂O₃	32	36	38	40	26
	B₂O₃	20	26	27	30	25
	Al₂O₃	13	12	7	8	30
	SiO₂	32	22	25	20	2
	P₂O₅	3	4	3	2	17
FeO + Fe₂O₃ (ppm)		8	4	1	5	40
B₂O₃ + Al₂O₃ + SiO₂ + P₂O₅		68	64	62	60	74
Verdet-Konstante bei 1064 nm (min/Oe·cm)		-0.122	-0.139	-0.155	-0.163	-0.083
Durchlässigkeit bei 1064 nm (%)		86.6	86.4	85.7	85.3	69.2

[Tabelle 3]

		Beispiele
		12	13	14	15	16
Glaszusammensetzung (Mol-%)	Tb₂O₃	32	30	31	29	40
	B₂O₃	13	40	16	34	39
	Al₂O₃	13	15	19	20	14
	SiO₂	39	15	29	13	2
	P₂O₅	3	0	5	4	5
FeO + Fe₂O₃ (ppm)		4	1	2	3	5
B₂O₃ + Al₂O₃ + SiO₂ + P₂O₅		68	70	69	71	60
Verdet-Konstante bei 1064 nm (min/Oe·cm)		-0.125	-0.108	-0.112	-0.096	-0.159
Durchlässigkeit bei 1064 nm (%)		85.8	86.2	85.8	85.6	84.2

Jede der Proben wurde auf die folgende Weise hergestellt. Zuerst wurde ein Rohmaterial mit einer in den Tabellen 1 bis 3 angegebenen Glaszusammensetzung hergestellt, einem Pressformen unterzogen und 5 Stunden lang bei 1400 °C gesintert, was zu einem Glasrohmaterialblock führte. Als nächstes wurde der Glasrohmaterialblock in einem Mörser grob gemahlen, was zu 0,5 g kleinen Stücken des Glasrohmaterialblocks führte. Die resultierenden kleinen Stücke des Glasrohstoffblocks wurden der behälterlosen Levitationstechnik unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß 1 unterzogen, was zu einem Glasmaterial (mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm) führt. Es gilt zu beachten, dass als Heizquelle ein 100 W CO2-Laseroszillator verwendet wurde. Stickstoffgas wurde mit einer Zufuhrrate von 1 bis 30 l/min verwendet, um den Glasrohmaterialblock schweben zu lassen. Das resultierende Glasmaterial wurde 1 Stunde lang in einer Luftatmosphäre bei 770 °C getempert und dann den folgenden Messungen unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt.
Die Verdet-Konstante wurde unter Verwendung eines Rotations-Analyseverfahrens gemessen. Insbesondere wurde das resultierende Glasmaterial auf eine Dicke von 1 mm poliert, dann wurde der Faraday-Rotationswinkel bei den Wellenlängen von 500 nm bis 1100 nm in dem Magnetfeld von 10 kOe gemessen und die Verdet-Konstante bei der Wellenlänge von 1064 nm berechnet.
Die Lichtdurchlässigkeit wurde unter Verwendung eines Spektrophotometers (V-670, erhältlich von JASCO Corporation) gemessen. Insbesondere wurde das resultierende Glasmaterial auf eine Dicke von 1 mm poliert, dann wurde die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 1064 nm aus einer Lichtdurchlässigkeitskurve abgelesen. Es gilt zu beachten, dass die Lichtdurchlässigkeit eine externe Lichtdurchlässigkeit einschließlich Reflexion ist.
Das Verhältnis von Tb³⁺ zu Gesamt-Tb wurde mittels Röntgenabsorptions-Feinstrukturanalyse (XAFS) gemessen. Insbesondere wurde das Spektrum des Röntgenabsorptions-Nahkantenstrukturbereichs (XANES) erhalten und das Verhältnis (Mol-%) von Tb³⁺ zu Gesamt-Tb wurde aus dem Betrag der Verschiebung der Peakposition jedes Tb-Ions berechnet.
Wie in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt, betrugen die Absolutwerte der Verdet-Konstanten der Glasmaterialien der Beispiele 1 bis 10 und der Beispiele 12 bis 16 0,083 bis 0,163 min/Oe ·cm bei der Wellenlänge von 1064 nm. Die Lichtdurchlässigkeit betrug 80 % oder mehr bei der Wellenlänge von 1064 nm in jedem der Beispiele 1 bis 10 und Beispiele 12 bis 16, was eine gute Lichtdurchlässigkeit anzeigt.
Dagegen wies das Glasmaterial von Vergleichsbeispiel 11 eine geringe Lichtdurchlässigkeit von 69,2 % bei der Wellenlänge von 1064 nm auf.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße Glasmaterial kann geeigneterweise in einem magneto-optischen Element (beispielsweise einem Faraday-Rotator) verwendet werden, welches eine magnetische Vorrichtung wie beispielsweise einen optischen Isolator, einen optischen Zirkulator oder einen magnetischen Sensor bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5146524 B [0004]
JP 5232881 B [0004]

Claims

Glasmaterial, umfassend, ausgedrückt in Mol-%, von 26 % bis 40 % an Tb₂O₃, mehr als 12 % und 40 % oder weniger an B₂O₃, von 1 % bis 20 % an Al₂O₃, von 1 % bis 40 % an SiO₂, von 0 % bis 5 % an P₂O₅ und mehr als 14 % und 74 % oder weniger an B₂O₃+Al₂O₃+SiO₂+P₂O₅.
Glasmaterial nach Anspruch 1, wobei der Gehalt an FeO+Fe₂O₃ 10 ppm oder weniger beträgt.
Glasmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Glasmaterial im Wesentlichen frei von Sb₂O₃ und As₂O₃ ist.
Glasmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis von Tb³⁺ zu Gesamt-Tb, ausgedrückt in Mol-%, 55 % oder mehr beträgt.
Glasmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 1064 nm 60 % oder mehr beträgt.
Glasmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Glasmaterial als magneto-optisches Element verwendet wird.
Glasmaterial nach Anspruch 6, wobei das Glasmaterial als Faraday-Rotator verwendet wird.