JP2008001556A - 透光性希土類ガリウムガーネット焼結体及びその製造方法と光学デバイス - Google Patents
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Abstract
【効果】波長600nm〜1500nmの領域での直線透過率が75%以上の、透光性希土類ガリウムガーネット焼結体が得られる。
【選択図】 図2
Description
また透光性希土類ガリウムガーネット焼結体の平均結晶粒径は1μm〜30μmが好ましく、より好ましくは10μm〜25μmとする。
真空中で、1400℃〜1650℃の温度で焼成する。焼成時間は0.5時間〜10時間程度が好ましい。
純度99.9%以上の酸化テルビウムを硝酸で、硝酸ガリウムは超純水で溶解させ、濃度1mol/lの硝酸テルビウム溶液と濃度1mol/lの硝酸ガリウム溶液を調製した。次に、硝酸テルビウム溶液を300ml、硝酸ガリウム溶液を500ml及び濃度1mol/lの硫酸アンモニウム水溶液を150ml混合し、超純水を加えて全量を10Lとした。得られた混合液を撹拌させながら、濃度0.5mol/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を5ml/minの滴下速度でpH8.0になるまで滴下し、撹拌を続けながら室温で2日間養生を行なった。養生後、濾過及び超純水を用いて水洗を数回繰り返した後、150℃の乾燥機に入れ2日間乾燥した。得られた前駆体粉末をアルミナ坩堝に入れ、電気炉で1150℃ 3時間仮焼を行なった。その結果、比表面積4.5m2/gのテルビウム・ガリウム・ガーネット(TGG)原料粉末を作製した。
d= 1.56C/(MN)
(d:平均粒径、C:SEM等の高分解能画像で任意に引いた線の長さ、N:任意に引いた線上の結晶粒の数、M:画像の倍率M)
また、アルキメデス法により焼結体密度を求めた結果、相対密度は99.9%以上であった。
Tb元素からY, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb及びLuの希土類元素に替えた以外は、実施例1と同様の手法(真空炉で1600℃、8時間焼成)で作製した焼結体の、平均結晶粒径と直線透過率を表1に示す。表1の結果よりすべての焼結体において優れた透光性を有することが判る。尚、測定波長600nm及び1500nm付近に特異吸収波長が存在する試料の直線透過率の値は、各測定波長よりも高波長側の特異吸収端で測定した。
焼結助剤として、GeO2またはSnO2をボールミル混合前に添加した以外は、実施例1と同様の手法で、Ge,Sn含有量が異なるTGG焼結体(1mm厚み)を作製した。その結果を表2に示し、図2には代表例として実施例14のスペクトルを示す。この明細書では、焼結助剤の添加量は、焼結体に対する金属換算での添加量で示す。GeやSnの含有量が5wtppm未満では、透過率や平均結晶粒径は焼結助剤無添加のTGGとほぼ同様である。これに対し、GeやSnの含有量が5wtppm〜1000wtppm未満では、平均結晶粒径は大きく、透過率は上回っている。そしてGeの方がSnより透過率の向上が見られる。一方、GeやSnの含有量が1000wtppm以上になると、異常粒成長が生じるため、気孔を十分に排除することができず、一部気孔が残留し、焼結助剤無添加のTGGのよりも平均結晶粒径が大きくなり、透過率は低下する。
Tb元素からYの希土類元素に、Ga元素からAlに替えた以外は、実施例1と同様の手法でY3Al5O12(YAG)原料粉を作製した。この原料粉に焼結助剤としてGeO2をボールミル混合前に添加し、他の点は実施例1と同様の手法でYAG焼結体を作製した。その結果、Geを100wtppm含有したYAG(比較例7)は、多数の気孔が焼結内に存在し、焼結体の相対密度は98%程度の不透明な焼結体であった。そのため透過率を測定することはできなかった。GeがYAGの焼結助剤として有効でない原因は、以下のように推測できる。YAGをカチオンの配位数別に分類すると、Yは8配位、Alは4及び6配位位置を占有する。例えばSi4+はガーネット構造をもつYAGのAl3+の4配位位置に置換することは公知であり、その理由の一つとして、Si4+の4配位のイオン半径は0.40Åに対して、Al3+の4配位のイオン半径は0.53ÅとAl3+の大きさがSi4+の大きさよりも大きいことがある。Ge4+の場合、Ge4+の4配位のイオン半径は0.53ÅでAl3+の4配位のイオン半径と同じであるため、Ge4+がAl3+の4配位位置に置換することができず、それによって焼結過程で生じるイオン拡散が阻害され、緻密化できないのではないかと思われる。
焼結助剤としてSrCO3又はBaCO3をボールミル混合前に添加した以外は、実施例1と同様の手法(真空炉で1600℃、8時間焼成)で、SrやBa含有量の異なるTGG焼結体を作製した。その結果を表3に示す。
成形圧力を種々変更してCIP成形を行った以外は、実施例14(Ge100wtppm添加、真空炉で1600℃、8時間焼成)と同様にしてTGG焼結体を作製した。得られた焼結体の成形密度と透過率と関係を表4に示す。成形密度の向上にともない透過率の向上していることが判る。成形時の成形密度が低いと、緻密化した部分以外に焼結不良による残留気孔が存在するため、透過率が低下すると推測される。したがって表4の結果から、透過率75%以上の透光性に優れた焼結体を得るためには、成形密度を58%以上にすることが必要である。
焼成温度及び時間を種々変更した以外は実施例14と同様にして、Ge100wtppm添加のTGG焼結体を作製した。得られた焼結体の、焼成温度と平均結晶粒径及び透過率との関係を表5に示す。その結果、焼成温度が1300℃では緻密な焼結体が得ることができず透過率を測定することができず、焼成温度が1350℃では焼結体の相対密度は99%以上であったが、透光性が低く、満足した透光性焼結体を得ることができなかった。またSEMで焼結体の微構造組織を観察したところ、1μm程度の気孔が多数存在していた。焼成温度が1400℃〜1650℃で、透過率は75%以上の透光性に優れた焼結体を得ることができ、焼結体の平均結晶粒径は1μm〜30μmであった。しかし1400℃〜1650℃の焼成温度でも、焼成時間が0.5時間未満の場合、結晶粒径は十分に成長しているが、気孔が十分に除去できていないため、満足した透光性焼結体を得ることができなかった。焼成温度が1650℃を越えると、焼結体の平均結晶粒径は30μmを越え、異常粒成長が生じるため、気孔の排除が十分できず、透過率が著しく低下する。以上の結果、焼成温度は1400℃〜1650℃が好ましく、平均結晶粒径は1μm〜30μmが好ましい。
実施例32と同様に作製したGe100wtppm添加のTGG焼結体をHIP処理することによって透過率の改善を図った。HIP処理時間を3時間に固定して、種々の温度及び圧力で行った場合の、平均結晶粒径及び波長500nmと600nmの透過率(1mm厚み)を表6に示す。図3に、代表例として実施例45のスペクトルを示す。HIP処理は、圧力媒体としてArガスを使用し、同時昇温昇圧法により、800℃/hrで昇温し、所望の保持温度後、1000℃/hrで冷却した。1000℃〜1650℃の処理温度及び49MPa〜196MPa圧力でHIP処理を行なった場合、測定波長600nm及びサブミクロン以下の小さい気孔の影響を受けやすい測定波長500nmにおいても直線透過率で75%以上であった。しかし処理温度が950℃で圧力が196MPaの場合、又は処理温度が1200℃で圧力が45MPaの場合では、測定波長500nmの影響を受けやすい焼結内部の微細な気孔を十分に排除することができなかったため、測定波長500nmで直線透過率は75%未満となり、透過率の改善は全くみられなかった。更にHIP処理温度が高すぎる場合、雰囲気焼成の場合と同様に、異常粒成長によって透過率は低下した。以上の結果より、1000℃〜1650℃の処理温度及び49MPa〜196MPa圧力でHIP処理を行なうことが好ましい。
Claims (6)
- 一般式R3Ga5O12 (RはYを含むSm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb及びLuからなる群の少なくとも1種類の希土類元素)で表される透光性希土類ガリウムガーネットであって、波長600nm〜1500nmにおける、特異吸収波長以外での、直線透過率が1mm厚みの焼結体で75%以上であることを特徴とする、透光性希土類ガリウムガーネット焼結体。
- 焼結助剤として、Ge,Sn,Sr,Baからなる群の少なくとも一員の元素を、金属換算で5wtppm〜1000wtppm未満含有することを特徴とする、請求項1に記載の透光性希土類ガリウムガーネット焼結体。
- 平均結晶粒径が1μm〜30μmであることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の透光性希土類ガリウムガーネット焼結体。
- 請求項1〜3のいずれかの透光性希土類ガリウムガーネット焼結体を、磁気光学素子もしくはレーザー活性元素を含むレーザー発振子材料として用いたことを特徴とする光学デバイス
- 焼結助剤として、Ge,Sn,Sr,Baからなる群の少なくとも一員の元素を、金属換算で5wtppm〜1000wtppm未満含有する、純度99.9%以上の高純度希土類酸化物粉末を、バインダーを用いて、成形密度が理論密度比58%以上の成形体に成形し、該成形体を熱処理してバインダーを除去した後、水素、アルゴンガスあるいはこれらの混合ガス雰囲気中、もしくは真空中で、1400℃〜1650℃、0.5時間以上で焼成することを特徴とする、透光性希土類ガリウムガーネット焼結体の製造方法。
- 前記焼成後に、1000℃〜1650℃の処理温度及び49MPa〜196MPaの圧力で、熱間静水圧加熱処理(HIP)を実施することを特徴とする、請求項5に記載の透光性希土類ガリウムガーネット焼結体の製造方法
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