JP2012083381A - １μｍ帯光アイソレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ加工用等の用途に使用される高出力レーザ、例えばファイバーレーザに使用される光アイソレータとして好適な小型化した１μｍ帯光アイソレータを提供すること。
【解決手段】波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットとを備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ。
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
【選択図】図１
【解決手段】波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットとを備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ。
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
【選択図】図１
Description
本発明は、約１μｍの波長帯域において使用される光アイソレータに関する。この光アイソレータは、産業用レーザの分野で加工又はマーキング用途等に用いられ、高出力レーザと共に好適に使用される。
従来から、切断、溶接、マーキング等の用途に使用する産業用レーザ加工機には、ＣＯ2レーザ（１０．６μｍ）又はランプ励起式ＹＡＧレーザ（１μｍ）が使用されてきた。
近年、その加工性能に対する要求が一層厳しくなり、より高精度かつ高出力、長寿命化がレーザ加工機に求められるようになっている。そのような市場要求の中で注目を浴びているのがファイバーレーザである。ファイバーレーザは、光路がすべて光ファイバで構成され、レーザダイオード（ＬＤ）光源から発振した１μｍ帯の光を、イッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素をドーピングしたファイバにより増幅することにより、高精度かつ高出力なレーザ光をファイバ出力できるという特徴を持つ。同波長帯のランプ励起式ＹＡＧレーザと比較すると、ファイバーレーザは、励起光の変換効率が高く、放熱性に優れているため空冷でよく、ランプ励起が不要であることから、低消費電力・高出力化・長寿命という長所を理由に注目されている。
しかしながら、ファイバーレーザは、その発光スペクトルが狭くて変換効率に優れるという特徴を持つが、その反面、反射光による戻り光に対しては非常に敏感であり、光ファイバヘの結合端面や高反射率の金属面からの反射光が戻ると特性が不安定状態になり、ひいては高出力な発光のためにＬＤ光源部が破損してしまうという危険性がある。よって、ファイバーレーザの安定動作の為には、反射光が発光光源である発光素子へ戻るのを防止するため、発光光源と加工体との間に、順方向の光を透過し、逆方向の光を遮断する機能を有する光アイソレータ(an optical isolator)を配置し、光ファイバから発光光源へ反射して戻ってくる光を遮断することが不可欠となる（特許文献１）。
ここで、光アイソレータは、ファラディ回転子と、ファラディ回転子の光入射側及び光出射側に配置された一対の偏光子と、ファラディ回転子の光透過方向（光軸方向）に磁界を印加するマグネットと、の３つの主要部品から構成される。この形態で光がファラディ回転子に入射するとファラディ回転子の中で偏光面が回転するという現象が生じる。これはファラディ効果と呼ばれる現象であり、偏光面が回転する角度をファラディ回転角と称し、その大きさθは次式で表される。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
Ｖはベルデ定数でファラディ回転子の材料および測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁束密度、Ｌはファラディ回転子の長さである。この式から解るように、ある一定の大きさのベルデ定数を持つ回転子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、ファラディ回転子に印可する磁界が大きいほど回転子長を短くすることができ、回転子長が長いほど磁束密度を小さくすることできる。
特許文献１には、液相エピタキシャル法で育成された特定の組成の結晶体からなるファラディ回転子及びこれを用いた光アイソレータが開示されている。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
Ｖはベルデ定数でファラディ回転子の材料および測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁束密度、Ｌはファラディ回転子の長さである。この式から解るように、ある一定の大きさのベルデ定数を持つ回転子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、ファラディ回転子に印可する磁界が大きいほど回転子長を短くすることができ、回転子長が長いほど磁束密度を小さくすることできる。
特許文献１には、液相エピタキシャル法で育成された特定の組成の結晶体からなるファラディ回転子及びこれを用いた光アイソレータが開示されている。
また、一般的に光アイソレータの機能を有するためには、４５度程度のファラディ回転角が必要となる。具体的に、光アイソレータに入射された光は、その偏光面をファラディ回転子により４５度回転されて各々角度調整された入出射偏光子を透過する。一方、戻り光はファラディ回転子の非相反性を利用して、逆方向に偏光面を４５度回転され入射偏光子と９０度の直行偏光面となり、透過できなくなる。光アイソレータは、この現象を利用して光を単一方向にのみ透過させ、反射して戻ってくる光を阻止するものである。
従来から使用されている光アイソレータでは、例えばテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のようなファラディ回転子を使用している。ＴＧＧのベルデ定数は、波長１．０６μｍにおいて０．１３５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）程度であるため、そのファラディ回転角４５度を満たすためには、少なくとも２．０ｃｍ程度の長さが必要であった。このため、ファラディ回転子に与える磁束密度を大きくするために、その周囲のマグネット形状を大きくする必要があり、光アイソレータ全体の大きさも大きくならざるを得なかった。その結果、光デバイス内における設計上の制限が生じたり、また光アイソレータ外部への漏洩磁場も大きくなり、取扱いが困難であった。なお、１分（ｍｉｎ）は１／６０度を表す。
本発明が解決しようとする課題は、小型化した光アイソレータを提供することである。特に、レーザ加工用等の用途に使用される高出力レーザ、例えばファイバーレーザに使用される光アイソレータとして好適な小型光アイソレータを提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、ファラディ効果が大きいファラディ回転子を使用し、かつ、小さな外形のマグネットと組み合わせた光アイソレータを提供することである。本発明の他の課題は、以下の説明から明らかになるであろう。
本発明が解決しようとする他の課題は、ファラディ効果が大きいファラディ回転子を使用し、かつ、小さな外形のマグネットと組み合わせた光アイソレータを提供することである。本発明の他の課題は、以下の説明から明らかになるであろう。
上記の諸課題は、以下の手段（１）により達成された。好ましい実施形態（２）〜（１０）と共に列記する。
（１）波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ、
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
（２）前記ファラディ回転子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有する、（１）に記載の光アイソレータ、
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
（３）前記酸化物が単結晶である、（２）に記載の光アイソレータ、
（４）前記酸化物がセラミックスである、（２）に記載の光アイソレータ、
（５）前記ファラディ回転子が、光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と２５ｄＢ以上の消光比を有する、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（６）第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなる、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（７）第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２及び第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（８）さらに２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を具備した、（１）〜（７）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（９）前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上である、（８）に記載の光アイソレータ、
（１０）第１の中空マグネット、第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載された、（１）〜（９）のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
（１）波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ、
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
（２）前記ファラディ回転子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有する、（１）に記載の光アイソレータ、
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
（３）前記酸化物が単結晶である、（２）に記載の光アイソレータ、
（４）前記酸化物がセラミックスである、（２）に記載の光アイソレータ、
（５）前記ファラディ回転子が、光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と２５ｄＢ以上の消光比を有する、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（６）第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなる、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（７）第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２及び第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（８）さらに２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を具備した、（１）〜（７）のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
（９）前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上である、（８）に記載の光アイソレータ、
（１０）第１の中空マグネット、第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載された、（１）〜（９）のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
本発明においては、ベルデ定数の大きいファラディ回転子と、磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることにより、光アイソレータの小型化が達成できた。
本発明に使用するファラディ回転子は、ＴＧＧ結晶のような従来の回転子と比べて、２倍以上のベルデ定数を有するので、光路長の短いファラディ回転子とすることができた。このファラディ回転子に磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることにより、光アイソレータの小型化を可能とした。このために、光アイソレータを組み込むデバイス内の空間的寸法の自由度を大きくすることができた。また、ファラディ回転子の光路長を１／２程度に短くできるので、高出力レーザにより懸念されるファラディ回転子の光損傷を減少させることができる。
上記の（７）に記載の発明により、ファラディ回転子に印可される磁束密度を高め、一層の小型化が達成できた。
上記の（８）に記載の発明により、小型化に加えて偏光無依存化を達成することができた。
本発明に使用するファラディ回転子は、ＴＧＧ結晶のような従来の回転子と比べて、２倍以上のベルデ定数を有するので、光路長の短いファラディ回転子とすることができた。このファラディ回転子に磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることにより、光アイソレータの小型化を可能とした。このために、光アイソレータを組み込むデバイス内の空間的寸法の自由度を大きくすることができた。また、ファラディ回転子の光路長を１／２程度に短くできるので、高出力レーザにより懸念されるファラディ回転子の光損傷を減少させることができる。
上記の（７）に記載の発明により、ファラディ回転子に印可される磁束密度を高め、一層の小型化が達成できた。
上記の（８）に記載の発明により、小型化に加えて偏光無依存化を達成することができた。
本発明の光アイソレータは、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする。
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
以下に本発明を詳細に説明する。
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明のアイソレータは、０．９０〜１．１０μｍの波長帯域のレーザ光に好ましく使用される。このようなレーザには、ランプ励起式ＹＡＧレーザが含まれる。
なお、当業者は、本発明のアイソレータを上記以外の波長帯域のレーザ光に設計変更することができる。
なお、当業者は、本発明のアイソレータを上記以外の波長帯域のレーザ光に設計変更することができる。
本発明の光アイソレータの基本的な構成例を、以下図面を参照して説明する。
図１は、本発明の光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。
図１において、入射偏光子１、ファラディ回転子４、及び出射偏光子６が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸１２上に、順次配置されている。
図１において、入射偏光子１は楔ガラス２により、また、出射偏光子６は楔ガラス２により光軸１２上に固定されている。入射側で入射偏光子１は、偏光子ホルダ３に固定され、出射側では４５度旋光子と出射偏光子６が偏光子ホルダ３に固定されている。また、光学軸１１を入射偏光子１及び出射偏光子６に示した。
図１は、本発明の光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。
図１において、入射偏光子１、ファラディ回転子４、及び出射偏光子６が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸１２上に、順次配置されている。
図１において、入射偏光子１は楔ガラス２により、また、出射偏光子６は楔ガラス２により光軸１２上に固定されている。入射側で入射偏光子１は、偏光子ホルダ３に固定され、出射側では４５度旋光子と出射偏光子６が偏光子ホルダ３に固定されている。また、光学軸１１を入射偏光子１及び出射偏光子６に示した。
ファラディ回転子４の形状は特に限定されず、三角柱状、四角柱状でもよいが、円筒状であることが好ましい。以下に円筒状のファラディ回転子を例にとり説明する。
このファラディ回転子４の外周には、第１の中空マグネット７並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９が配置されている。ファラディ回転子４が円筒状の場合、第１の中空マグネット７並びに第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９はいずれも中空円筒状であることが好ましく、ファラディ回転子４の中心軸及び第１の中空マグネット７の中空部と二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ回転子４の外径と、第１の中空マグネット７の中空部の内径と、二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の内径はほぼ同じであり、光アイソレータを組み立てた後に調芯とすることが好ましい。この配置により、ファラディ回転子４を第１の中空マグネット７の中心に配置される。
このファラディ回転子４の外周には、第１の中空マグネット７並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９が配置されている。ファラディ回転子４が円筒状の場合、第１の中空マグネット７並びに第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９はいずれも中空円筒状であることが好ましく、ファラディ回転子４の中心軸及び第１の中空マグネット７の中空部と二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ回転子４の外径と、第１の中空マグネット７の中空部の内径と、二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の内径はほぼ同じであり、光アイソレータを組み立てた後に調芯とすることが好ましい。この配置により、ファラディ回転子４を第１の中空マグネット７の中心に配置される。
第１の中空マグネット７と、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９とは、これらの中空部が光軸と同軸になるように配置されている。これらの２つの中空マグネットユニット８，９は、いずれも、光軸に対し９０度方向に２以上に等分割された複数のマグネットの集合体である。
図２は、２つの中空マグネットユニット８，９の一実施形態を示す断面模式図である。両中空マグネットユニット共に、円筒マグネットを９０度に４分割した４個のマグネットの集合体となっている。４分割したマグネットユニット（集合体）は、加工適性に優れるので好ましい。この４分割マグネットユニットの態様の他に、１８０度に２分割された２個のマグネットの集合体や、１２０度に３分割された３個のマグネットの集合体でもよい。
図２は、２つの中空マグネットユニット８，９の一実施形態を示す断面模式図である。両中空マグネットユニット共に、円筒マグネットを９０度に４分割した４個のマグネットの集合体となっている。４分割したマグネットユニット（集合体）は、加工適性に優れるので好ましい。この４分割マグネットユニットの態様の他に、１８０度に２分割された２個のマグネットの集合体や、１２０度に３分割された３個のマグネットの集合体でもよい。
図２に示すように、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９は、それぞれ、筐体１０の内部に収納されている。
図２に示す実施形態において、円筒マグネットを４分割したマグネットは、その磁界極性は外周方向となっている。この場合、各々のマグネットは相互に反磁力を持ち合わせるので、組み合わせたマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットユニットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々の反磁力のみで筐体１０の内部に固定することができる。この固定法を利用すれば、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネットユニット９を両側の押さえとして、第１の中空マグネット７を隙間無く固定することができるので、構成するマグネット全体の固定が接着剤等を必要としない信頼性の高い実装とすることができる。
図２に示す実施形態において、円筒マグネットを４分割したマグネットは、その磁界極性は外周方向となっている。この場合、各々のマグネットは相互に反磁力を持ち合わせるので、組み合わせたマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットユニットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々の反磁力のみで筐体１０の内部に固定することができる。この固定法を利用すれば、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネットユニット９を両側の押さえとして、第１の中空マグネット７を隙間無く固定することができるので、構成するマグネット全体の固定が接着剤等を必要としない信頼性の高い実装とすることができる。
本発明の光アイソレータは、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子を有する。このファラディ回転子について説明する。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である。ベルデ定数は０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、大きいベルデ定数を有することが好ましい。ベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）未満であると、ファラディ回転角を４５度とするために必要なファラディ回転子の長さが長くなり、光アイソレータを小型化することが困難である。
また、ファラディ回転子の波長１．０６μｍでのベルデ定数は、製造の容易性の観点から、０．３６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以下であることが好ましい。
また、ファラディ回転子の波長１．０６μｍでのベルデ定数は、製造の容易性の観点から、０．３６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以下であることが好ましい。
本発明において、ベルデ定数は、定法に従い測定すればよく、特に限定されない。
具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラディ回転子をセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラディ回転子をセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
本発明の光アイソレータにおいて、前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある。
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
光路長が１．１０ｃｍを超えると、アイソレータの小型化が難しくなり、０．７０ｃｍ未満であると所望のファラディ回転角を得るための磁束密度の大きさが大きくなり、やはりアイソレータの小型化が難しくなる。
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２）
光路長が１．１０ｃｍを超えると、アイソレータの小型化が難しくなり、０．７０ｃｍ未満であると所望のファラディ回転角を得るための磁束密度の大きさが大きくなり、やはりアイソレータの小型化が難しくなる。
本発明に用いるファラディ回転子は、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することが好ましい。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、Ｔｂ以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
上記の酸化物の含有量は、９９．９重量％以上であることが好ましく、９９．９９重量％以上であることがより好ましい。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、Ｔｂ以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
上記の酸化物の含有量は、９９．９重量％以上であることが好ましく、９９．９９重量％以上であることがより好ましい。
式（Ｉ）中、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム及びルテチウムよりなる群から選ばれた少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。
ここで、Ｒは一種単独であってもよいし、複数のＲが任意の比率で含まれていてもよく、特に限定されない。
これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒとしては、イットリウム、ガドリニウム及びルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。
これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒとしては、イットリウム、ガドリニウム及びルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。
式（Ｉ）中、ｘは０．５以上１．０以下である。すなわち、式（Ｉ）で表される酸化物は、モル比換算でＴｂ2Ｏ3を４０モル％以上含有する。
ｘは、０．５以上１．０未満であることが好ましく、０．５以上０．８以下であることがより好ましく、０．５以上０．７５以下であることがさらに好ましい。ｘが上記範囲内であると高いベルデ定数が得られ、さらに、透明性に優れるので好ましい。特にｘが０．８以下であると、結晶育成後の冷却中のクラックの発生が抑制され、結晶の白濁が抑制されるので好ましい。
また、前記式（Ｉ）で表される酸化物は、固溶体であることが好ましい。
なお、本実施形態において、「固溶体」とは、原料粉末である酸化テルビウムの結晶層の格子点にあるテルビウムが、全く不規則に別種の元素（例えば、イットリウム等）と置換している状態を意味する。したがって、単結晶、多結晶、及び、焼結により作製された多結晶であるセラミックス等を包含するものである。
これらの中でも、前記式（Ｉ）で表される酸化物は、単結晶又はセラミックスであることが好ましく、単結晶であることがより好ましい。
ｘは、０．５以上１．０未満であることが好ましく、０．５以上０．８以下であることがより好ましく、０．５以上０．７５以下であることがさらに好ましい。ｘが上記範囲内であると高いベルデ定数が得られ、さらに、透明性に優れるので好ましい。特にｘが０．８以下であると、結晶育成後の冷却中のクラックの発生が抑制され、結晶の白濁が抑制されるので好ましい。
また、前記式（Ｉ）で表される酸化物は、固溶体であることが好ましい。
なお、本実施形態において、「固溶体」とは、原料粉末である酸化テルビウムの結晶層の格子点にあるテルビウムが、全く不規則に別種の元素（例えば、イットリウム等）と置換している状態を意味する。したがって、単結晶、多結晶、及び、焼結により作製された多結晶であるセラミックス等を包含するものである。
これらの中でも、前記式（Ｉ）で表される酸化物は、単結晶又はセラミックスであることが好ましく、単結晶であることがより好ましい。
本発明に用いることができるファラディ回転子が含有しうるその他の成分としては、アルカリ土類金属の酸化物、第１３族元素の酸化物、第１４族元素の酸化物、その他第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）、及び第１７族元素（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒなど）の酸化物よりなる群から選択される金属酸化物が好ましい。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、アルカリ土類金属、第１３族元素、第１４族元素、第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）、第１７族元素（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒなど）のうち１つまたは２つ以上の元素の酸化物を０．０００１重量％以上１．０重量％未満含有することが好ましい。
これらの酸化物の含有量は、本発明の酸化物に対して、０．０００００１重量％以上１．０重量％未満であることが好ましく、０．００００１〜０．１重量％であることがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％であることがさらに好ましい。
アルカリ土類金属の酸化物として具体的には、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムが例示され、１３族元素の酸化物としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ガリウムが例示され、１４族元素の酸化物としては酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化スズが例示され、４族元素の酸化物としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムが例示される。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、アルカリ土類金属、第１３族元素、第１４族元素、第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）、第１７族元素（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒなど）のうち１つまたは２つ以上の元素の酸化物を０．０００１重量％以上１．０重量％未満含有することが好ましい。
これらの酸化物の含有量は、本発明の酸化物に対して、０．０００００１重量％以上１．０重量％未満であることが好ましく、０．００００１〜０．１重量％であることがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％であることがさらに好ましい。
アルカリ土類金属の酸化物として具体的には、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムが例示され、１３族元素の酸化物としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ガリウムが例示され、１４族元素の酸化物としては酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化スズが例示され、４族元素の酸化物としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムが例示される。
上記の金属酸化物は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパントや、セラミックス作製時に添加する焼結助剤の残留物として含有される。
単結晶作製の際に添加する、ドーパントとしては、アルカリ土類金属の酸化物が好適であり、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等が好ましい。これらの酸化物は、ファラディ回転子全体に対して、０．０００００１重量％以上１．０重量％未満含有することが好ましく、０．００００１〜０．１重量％含有することがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％含有することがさらに好ましい。
単結晶作製の際に添加する、ドーパントとしては、アルカリ土類金属の酸化物が好適であり、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等が好ましい。これらの酸化物は、ファラディ回転子全体に対して、０．０００００１重量％以上１．０重量％未満含有することが好ましく、０．００００１〜０．１重量％含有することがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％含有することがさらに好ましい。
焼結助剤としては、炭酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属の炭酸塩、アルミナ、酸化ガリウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム等が例示できる。なお、例えばアルカリ土類金属の炭酸塩を焼結助剤として使用した場合、得られる酸化物においては、焼結によって酸化されており、アルカリ土類金属の酸化物として含有される。
アルカリ土類金属の酸化物の含有量は、ファラディ回転子全体の０．００００１〜１．０重量％であることが好ましく、０．０００１〜０．１重量％であることがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％であることがさらに好ましい。
アルカリ土類金属の酸化物の含有量は、ファラディ回転子全体の０．００００１〜１．０重量％であることが好ましく、０．０００１〜０．１重量％であることがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％であることがさらに好ましい。
酸化物単結晶及びセラミックス等のファラディ回転子又はその材料の製造時に、副成分が混入する場合があり、例えば、坩堝の構成成分が混入する場合が挙げられる。本発明の酸化物は、これらの意図しない副成分の混入を排除するものではないが、その混入量は、上記その他の成分と合計して、１重量％未満であることが好ましく、０．１重量％以下であることがより好ましく、０．０１重量％以下であることが特に好ましい。
−単結晶−
本発明に用いることができるファラディ回転子は、前記式（Ｉ）で表される酸化物の単結晶を用いることができる。
酸化物結晶を作製する方法しては、特に限定されないが、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、及び、ブリッジマン法が例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
酸化物単結晶の作製においては、上述したように、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）を０．００１〜０．０１重量％ドーピングすることも好ましい。
以下、代表的な製造方法について詳述する。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、前記式（Ｉ）で表される酸化物の単結晶を用いることができる。
酸化物結晶を作製する方法しては、特に限定されないが、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、及び、ブリッジマン法が例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
酸化物単結晶の作製においては、上述したように、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）を０．００１〜０．０１重量％ドーピングすることも好ましい。
以下、代表的な製造方法について詳述する。
＜フローティングゾーン法＞
フローティングゾーン法にて酸化物単結晶を作製する一実施態様を記載する。
フローティングゾーン法による単結晶の製造方法としては、例えば、特開昭６２−２７１３８５号公報を参照することができる。
先ず原料として、高純度（好ましくは９９．９重量％以上）の粉末原料（Ｔｂ2Ｏ3及びＲｅ2Ｏ3並びにその他の成分）を用意し、これを混合して、混合粉末を調製する。Ｒｅは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択されることが好ましい。
製造に供する混合粉末及びその成形体の調製については後述する。
フローティングゾーン法にて酸化物単結晶を作製する一実施態様を記載する。
フローティングゾーン法による単結晶の製造方法としては、例えば、特開昭６２−２７１３８５号公報を参照することができる。
先ず原料として、高純度（好ましくは９９．９重量％以上）の粉末原料（Ｔｂ2Ｏ3及びＲｅ2Ｏ3並びにその他の成分）を用意し、これを混合して、混合粉末を調製する。Ｒｅは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択されることが好ましい。
製造に供する混合粉末及びその成形体の調製については後述する。
以下、図６を参照して光学式フローティングゾーン法の一例である、キセノンランプフローティングゾーン法（キセノンランプＦＺ法）について詳述する。
なお、以下の説明において、特に断りのない限り、同一の符号は同一の対象を意味する。
図６は、キセノンランプＦＺ法に使用されるキセノンランプＦＺ装置１００の構成を示す概念断面図である。キセノンランプＦＺ装置１００は、溶融用のキセノンランプ１２０光源と楕円体鏡１３０を設けた構成になっており、楕円体鏡１３０は２つの楕円体を無端状に繋げた形状に形成されており、キセノンランプ１２０から試料に集光して加熱融解することができる。図１において、キセノンランプＦＺ装置１００は、内部が中空で試料を入れる石英管１４０と、２つのキセノンランプが１つの楕円体鏡１３０内にある。楕円体鏡１３０を形成する２つの楕円体はそれぞれ２つの焦点を有しており、楕円体鏡１３０としては、計４つの焦点を有している。楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、２つの焦点は重なっており、石英管１４０は、この重なった点を通るように置かれている。また、２つのキセノンランプ１２０の軸心は、楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、残り２つの焦点をそれぞれ通るように置かれている。
楕円体鏡１３０内側は、鏡面処理が施されている。キセノンランプ１２０から照射されたキセノン光は、鏡面処理された楕円体鏡１３０に反射して、軸心部の石英管１４０にほぼ全方向から入射される。光源には、キセノンランプ以外にハロゲンランプを用いることができるが、キセノンランプは、到達温度を高くでき、集光度をシャープにできるので、温度勾配を急峻にできる利点がある。
なお、以下の説明において、特に断りのない限り、同一の符号は同一の対象を意味する。
図６は、キセノンランプＦＺ法に使用されるキセノンランプＦＺ装置１００の構成を示す概念断面図である。キセノンランプＦＺ装置１００は、溶融用のキセノンランプ１２０光源と楕円体鏡１３０を設けた構成になっており、楕円体鏡１３０は２つの楕円体を無端状に繋げた形状に形成されており、キセノンランプ１２０から試料に集光して加熱融解することができる。図１において、キセノンランプＦＺ装置１００は、内部が中空で試料を入れる石英管１４０と、２つのキセノンランプが１つの楕円体鏡１３０内にある。楕円体鏡１３０を形成する２つの楕円体はそれぞれ２つの焦点を有しており、楕円体鏡１３０としては、計４つの焦点を有している。楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、２つの焦点は重なっており、石英管１４０は、この重なった点を通るように置かれている。また、２つのキセノンランプ１２０の軸心は、楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、残り２つの焦点をそれぞれ通るように置かれている。
楕円体鏡１３０内側は、鏡面処理が施されている。キセノンランプ１２０から照射されたキセノン光は、鏡面処理された楕円体鏡１３０に反射して、軸心部の石英管１４０にほぼ全方向から入射される。光源には、キセノンランプ以外にハロゲンランプを用いることができるが、キセノンランプは、到達温度を高くでき、集光度をシャープにできるので、温度勾配を急峻にできる利点がある。
石英管１４０内には、回転可能な上シャフト１１０と上シャフト１１０の下端から下方に隔てられて配置された下シャフト１１２とを有する。上シャフト１１０と下シャフト１１２は、石英管１４０内で上下移動が可能である。石英管１４０は、結晶成長させるための雰囲気制御が可能になっている。上シャフト１１０に原料棒として、原料の成形体を取り付ける。また下シャフトは、種結晶となる材料を取り付けるのが望ましいが、原料の成形体や原料の焼結体を取り付けてもよい。ここで、上シャフトに取り付けた原料成形体をフィードロッド１１４、下シャフトに取り付けた原料の成形体、焼結体又は種結晶になる材料をシードロッド１１６という。
図６において、石英管１４０は、図示しない一端から他端に向けて、アルゴンガスと数％の水素ガスを入れて陽圧にすることが好ましい。これは、１つには石英管１４０外部から大気が侵入しないようにするためであり、もう１つは、結晶育成時に原料棒（フィードロッド１１４）に含まれる酸化テルビウムが酸化されないようにするためである。
次に上下シャフト１１０、１１２に、それぞれフィードロッド１１４及びシードロッド１１６を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッド１１４の下端とシードロッド１１２の上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプ１２０の出力を上げる。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づける。なおこれら２つのロッドを回転しなくても構わない。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させる。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプ１２０の出力を微調整しながら、シードロッド１１６とフィードロッド１１４をゆっくり降下していく。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッド１１６の上部に形成されていく。シードロッド１１６とフィードロッド１１４の降下速度を同じにすれば、結晶体が育成されていく。所望の長さ、あるいは、シードロッド１１６が消費されたら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりキセノンランプ１２０の出力を下げて温度を下げていくと、透明な結晶体を得ることができる。
次に上下シャフト１１０、１１２に、それぞれフィードロッド１１４及びシードロッド１１６を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッド１１４の下端とシードロッド１１２の上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプ１２０の出力を上げる。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づける。なおこれら２つのロッドを回転しなくても構わない。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させる。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプ１２０の出力を微調整しながら、シードロッド１１６とフィードロッド１１４をゆっくり降下していく。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッド１１６の上部に形成されていく。シードロッド１１６とフィードロッド１１４の降下速度を同じにすれば、結晶体が育成されていく。所望の長さ、あるいは、シードロッド１１６が消費されたら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりキセノンランプ１２０の出力を下げて温度を下げていくと、透明な結晶体を得ることができる。
なお、フローティングゾーン法において、得られた結晶は、温度勾配が強い条件で育成されているので、成長時の熱歪が残っており、結晶を切断するときに、クラックが生じる場合がある。そのため、結晶成長後、カーボン炉などを用いて、カーボン容器に、結晶を入れて、１，２００℃以上の不活性雰囲気もしくは還元雰囲気でアニールして、熱歪を除去しておくことが好ましい。このときのアニール温度は特に限定されないが、１，２００〜２，２００℃であることが好ましく、１，４００〜２，２００℃であることがより好ましく、１，６００〜２，０００℃であることがさらに好ましい。また、アニール時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜５０時間であることがさらに好ましい。
なお、得られた単結晶をアイソレータのファラディ回転子として使用する場合には、切断後、研磨剤等により表面に鏡面仕上げを施すことが好ましい。研磨剤は特に限定されないが、例えば、コロイダルシリカが例示される。
＜マイクロ引下げ法＞
酸化物単結晶の作製方法として、別の方法である、マイクロ引下げ法にて単結晶を作製する場合について以下に説明する。なお、マイクロ引下げ法については、特開２００１−２２６１９６号公報を参照することができる。
先ず原料粉末を所望のモル比となるように、秤量する。装置に仕込む際に、上記粉末原料は十分に混合され、また、乾燥又は焼結されていればよく、公知の方法を適宜採用すればよい。混合粉末の調製方法については後述する。
酸化物単結晶の作製方法として、別の方法である、マイクロ引下げ法にて単結晶を作製する場合について以下に説明する。なお、マイクロ引下げ法については、特開２００１−２２６１９６号公報を参照することができる。
先ず原料粉末を所望のモル比となるように、秤量する。装置に仕込む際に、上記粉末原料は十分に混合され、また、乾燥又は焼結されていればよく、公知の方法を適宜採用すればよい。混合粉末の調製方法については後述する。
次にマイクロ引下げ装置を用いて単結晶を育成する。
図７は、本実施形態に好適に使用されるマイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
マイクロ引下げ法に使用されるマイクロ引下げ装置２００は、坩堝２２０と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液２１０に接触させる種を保持する種保持具２６０と、種保持具２６０を下方に移動させる移動機構（不図示）と、該移動機構の移動速度制御装置（不図示）と、坩堝２２０を加熱する誘導加熱装置２５０とを具備した単結晶成長装置である。なお、図７において、坩堝２２０の下部は、坩堝支持治具２２２により保持されており、また、坩堝２２０の外部には、保温筒２３０及び石英管２４０が設けられており、石英管２４０の外部から、誘導加熱装置２５０により坩堝２２０を加熱している。
図７は、本実施形態に好適に使用されるマイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
マイクロ引下げ法に使用されるマイクロ引下げ装置２００は、坩堝２２０と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液２１０に接触させる種を保持する種保持具２６０と、種保持具２６０を下方に移動させる移動機構（不図示）と、該移動機構の移動速度制御装置（不図示）と、坩堝２２０を加熱する誘導加熱装置２５０とを具備した単結晶成長装置である。なお、図７において、坩堝２２０の下部は、坩堝支持治具２２２により保持されており、また、坩堝２２０の外部には、保温筒２３０及び石英管２４０が設けられており、石英管２４０の外部から、誘導加熱装置２５０により坩堝２２０を加熱している。
該坩堝２２０は、耐熱性の観点からレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体であることが好ましく、坩堝底部外周にレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体からなる発熱体であるアフターヒーター（不図示）を配置することが好ましい。坩堝２２０及びアフターヒーターは、誘導加熱装置２５０の出力を調整することで、発熱量を調整でき、それによって、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液２１０の固液界面の加熱温度及び温度勾配を制御することができる。
この装置において、細孔を複数個設けて、融液が垂れ落ちない大きさ（好ましくは直径２００〜３００μｍ）とし、流下する融液が、種結晶もしくは焼結した同じ組成の原料を成形した焼結体を、接触する前に合流するように複数の細孔を配置することが好ましい。
この装置を用いて、上述の方法で準備した焼結原料を坩堝２２０にセットする。昇温する前に、炉内を不活性ガス雰囲気とすることが好ましく、高周波誘導加熱コイル（誘導加熱装置２５０）に高周波電力を徐々に印加することで、坩堝２２０を加熱して、坩堝２２０内の原料を完全に融解する。できれば融液２１０の組成が均一になるように、この状態で数時間保持しておくことが好ましい。
種結晶もしくは焼結成形棒を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませる。次いで、融液温度を調整しながら引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了になる。成長した結晶は、アフターヒーターに保持された状態で、徐々に室温まで冷却することが好ましい。
−セラミックス（透明セラミックス）−
前記式（Ｉ）で表される酸化物は、波長１．０６μｍにおいて透明性が高く、かつ熱歪などの異方性が無ければ、多結晶であるセラミックス（本発明において、透明セラミックスともいう。）でもよい。なお、本発明において透明セラミックスとは、波長１．０６μｍ、光路長０．３ｃｍでの透過率が７０％以上であるセラミックスを意味する。
単結晶を製造する場合は、融液状態になるよう、高温まで昇温しなくてはならず、酸化テルビウムは融点が約２，６００℃、酸化イットリウムでは融点が約２，３００℃であり、それら２つの固溶体の場合は、それらの中間温度まで昇温する必要があり、非常に高温まで昇温する必要がある。したがって、坩堝の中で溶融して単結晶を作製する場合は、坩堝の選定が、レニウム、タングステン、又はそれらの合金等と、非常に限られてしまう。
一方、透明セラミックスの場合は、その融点まで昇温する必要がなく、加圧焼結すれば、融点以下で、透明化することができる。焼結時に、焼結助剤を入れて、焼結密度を上げて、緻密化させることも可能である。
前記式（Ｉ）で表される酸化物は、波長１．０６μｍにおいて透明性が高く、かつ熱歪などの異方性が無ければ、多結晶であるセラミックス（本発明において、透明セラミックスともいう。）でもよい。なお、本発明において透明セラミックスとは、波長１．０６μｍ、光路長０．３ｃｍでの透過率が７０％以上であるセラミックスを意味する。
単結晶を製造する場合は、融液状態になるよう、高温まで昇温しなくてはならず、酸化テルビウムは融点が約２，６００℃、酸化イットリウムでは融点が約２，３００℃であり、それら２つの固溶体の場合は、それらの中間温度まで昇温する必要があり、非常に高温まで昇温する必要がある。したがって、坩堝の中で溶融して単結晶を作製する場合は、坩堝の選定が、レニウム、タングステン、又はそれらの合金等と、非常に限られてしまう。
一方、透明セラミックスの場合は、その融点まで昇温する必要がなく、加圧焼結すれば、融点以下で、透明化することができる。焼結時に、焼結助剤を入れて、焼結密度を上げて、緻密化させることも可能である。
透明セラミックスの作製方法としては、従来公知の製造方法を適宜選択して使用することができ、特に限定されない。透明セラミックスの製造方法としては、熱間等方圧加圧処理する方法、固相法とプレス成形法とを組み合わせる方法、鋳型成形等を利用して真空焼結する方法等が例示され、池末明生著「光学単結晶から光学多結晶へ」応用物理、第７５巻、第５号、５７９−５８３（２００６）、柳谷高公、八木秀喜著「セラミックレーザー材料の現状と将来」レーザー研究、第３６巻、第９号、５４４−５４８（２００８年）等に記載されている。
以下、透明セラミックスの作製方法として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）を使用して透明セラミックスを作製する場合の一例について説明する。
先ず原料粉末（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3及びその他の成分）の混合粉末を調製する。なお、混合粉末の調製方法については後述する。得られた混合粉末に、溶媒、結合剤、可塑剤、潤滑剤等を添加し、湿式混合してスラリー状とする。なお、このとき上述した焼結助剤を所定量、好ましくは原料全体の０．００００１〜１．０重量％、より好ましくは０．０００１〜０．１重量％、さらに好ましくは０．００１〜０．０１重量％添加することも好ましい。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して、乾燥させ、その後、成形する。成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。また、成形後、加熱（好ましくは４００〜６００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。
以下、透明セラミックスの作製方法として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）を使用して透明セラミックスを作製する場合の一例について説明する。
先ず原料粉末（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3及びその他の成分）の混合粉末を調製する。なお、混合粉末の調製方法については後述する。得られた混合粉末に、溶媒、結合剤、可塑剤、潤滑剤等を添加し、湿式混合してスラリー状とする。なお、このとき上述した焼結助剤を所定量、好ましくは原料全体の０．００００１〜１．０重量％、より好ましくは０．０００１〜０．１重量％、さらに好ましくは０．００１〜０．０１重量％添加することも好ましい。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して、乾燥させ、その後、成形する。成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。また、成形後、加熱（好ましくは４００〜６００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。
その後、真空炉で焼成を行うことが好ましい。焼成条件としては、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。焼成時間は１〜５０時間であることが好ましく、２〜２５時間であることがより好ましく、５〜２０時間であることがさらに好ましい。このとき、好ましくは１，２００℃程度までは昇温速度を１００〜５００℃／ｈｒ、より好ましくは２００〜４００℃／ｈｒ、さらに好ましくは２５０〜３５０℃／ｈｒとし、それ以上の温度では、昇温速度を遅くすることが好ましく、２５〜７５℃／ｈｒとすることがより好ましい。また、焼成時真空度は、１Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０-1Ｐａ以下であることがより好ましい。
また、上記の焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行う。処理温度は、前記焼成温度よりも高いことが好ましく、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。処理圧力は、１０〜１，０００ＭＰａであることが好ましく、２０〜５００ＭＰａであることがより好ましく、４０〜２００ＭＰａであることがさらに好ましい。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下が好ましく、２５時間以下がより好ましく、１０時間以下がさらに好ましい。また、１５分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、１時間以上がさらに好ましい。
また、上記の焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行う。処理温度は、前記焼成温度よりも高いことが好ましく、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。処理圧力は、１０〜１，０００ＭＰａであることが好ましく、２０〜５００ＭＰａであることがより好ましく、４０〜２００ＭＰａであることがさらに好ましい。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下が好ましく、２５時間以下がより好ましく、１０時間以下がさらに好ましい。また、１５分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、１時間以上がさらに好ましい。
＜混合粉末及び成形体の調製＞
例えば、混合粉末及びその成形体（焼結体を含む）について所望のモル比となるように秤量し、前記の方法等により前記式（Ｉ）で表される酸化物の単結晶及び透明セラミックスを製造することができる。
粉末材料（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3、及び、その他の成分）は、高純度のものを使用することが好ましく、純度９９．９重量％以上であることが好ましく、９９．９９重量％以上であることがより好ましく、９９．９９９重量％以上であることがさらに好ましい。なお、前記Ｒ2Ｏ3中のＲは式（Ｉ）におけるＲと同義であり、好ましい範囲も同様である。
なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ2Ｏ3に限定されるものではなく、Ｔｂ4Ｏ7を使用することもできるが、得られる酸化物の結晶性に優れることから、Ｔｂ2Ｏ3を使用することが好ましい。
例えば、混合粉末及びその成形体（焼結体を含む）について所望のモル比となるように秤量し、前記の方法等により前記式（Ｉ）で表される酸化物の単結晶及び透明セラミックスを製造することができる。
粉末材料（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3、及び、その他の成分）は、高純度のものを使用することが好ましく、純度９９．９重量％以上であることが好ましく、９９．９９重量％以上であることがより好ましく、９９．９９９重量％以上であることがさらに好ましい。なお、前記Ｒ2Ｏ3中のＲは式（Ｉ）におけるＲと同義であり、好ましい範囲も同様である。
なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ2Ｏ3に限定されるものではなく、Ｔｂ4Ｏ7を使用することもできるが、得られる酸化物の結晶性に優れることから、Ｔｂ2Ｏ3を使用することが好ましい。
粉末材料を所望のモル比で秤量した後、乾式で混合してもよく、湿式で混合してもよく、特に限定されない。また、湿式又は乾式で混合した後、焼成処理を行ってもよく、焼成処理の後、さらに粉砕処理を行ってもよい。
具体的には、ボールミル等で乾式混合した後、混合粉末を不活性ガス雰囲気下で焼成する方法が例示できる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。不活性ガス雰囲気としては、希ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気下が挙げられるが、アルゴン雰囲気下で焼成することが好ましい。また、焼成時間は特に限定されず、混合粉末の含水量や焼成温度に応じて適宜選択すればよいが、１〜１００時間であることが好ましく、より好ましくは５〜５０時間であり、さらに好ましくは１０〜３０時間である。また、焼成を行う場合には、焼成後にさらにボールミル等で粉砕混合することも好ましい。
具体的には、ボールミル等で乾式混合した後、混合粉末を不活性ガス雰囲気下で焼成する方法が例示できる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。不活性ガス雰囲気としては、希ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気下が挙げられるが、アルゴン雰囲気下で焼成することが好ましい。また、焼成時間は特に限定されず、混合粉末の含水量や焼成温度に応じて適宜選択すればよいが、１〜１００時間であることが好ましく、より好ましくは５〜５０時間であり、さらに好ましくは１０〜３０時間である。また、焼成を行う場合には、焼成後にさらにボールミル等で粉砕混合することも好ましい。
また、混合粉末の平均粒子径の分布をシャープにし、さらに、高純度とする目的で、粉末材料を溶解して、再結晶化及び粉砕した後、原料粉末として使用してもよい。
具体的には、高純度（例えば９９．９重量％以上）の原料粉末を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｒ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量する。これらの原料粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整し、得られた水溶液を撹拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で数日間放置し、その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で数日間乾燥する方法が例示できる。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気もしくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、好ましくは８００〜１，５００℃、より好ましくは１，０００〜１，４００℃、さらに好ましくは１，１００〜１，２００℃にて、好ましくは０．５〜１０時間、より好ましくは１〜７時間、さらに好ましくは２〜４時間仮焼きを行う。ここで、不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
具体的には、高純度（例えば９９．９重量％以上）の原料粉末を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｒ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量する。これらの原料粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整し、得られた水溶液を撹拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で数日間放置し、その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で数日間乾燥する方法が例示できる。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気もしくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、好ましくは８００〜１，５００℃、より好ましくは１，０００〜１，４００℃、さらに好ましくは１，１００〜１，２００℃にて、好ましくは０．５〜１０時間、より好ましくは１〜７時間、さらに好ましくは２〜４時間仮焼きを行う。ここで、不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
粉末材料をよく混合した後、混合物を成形機を用いて所望の形状及び大きさに成形してもよい。成形する形状は特に限定されず、使用する装置等に応じて適宜選択すればよく、例えば、円柱状に成形することが例示される。
粉末材料の成形方法としては、例えば、十分に乾式混合した粉末原料を、成形器により加圧成形する方法が例示できる。
また、粉末材料に有機バインダーを加えて、スラリー状にし、これを成形した後、焼成して焼結体とし、これを原料成形体として使用することもできる。焼結温度は、６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。焼結雰囲気は、希ガス又は不活性ガス雰囲気であることが好ましく、アルゴン雰囲気であることがさらに好ましい。焼結時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜３０時間であることがさらに好ましい。
粉末材料の成形方法としては、例えば、十分に乾式混合した粉末原料を、成形器により加圧成形する方法が例示できる。
また、粉末材料に有機バインダーを加えて、スラリー状にし、これを成形した後、焼成して焼結体とし、これを原料成形体として使用することもできる。焼結温度は、６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。焼結雰囲気は、希ガス又は不活性ガス雰囲気であることが好ましく、アルゴン雰囲気であることがさらに好ましい。焼結時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜３０時間であることがさらに好ましい。
また、ＨＩＰ法にて透明セラミックスを製造する場合には、成形体を製造後、これをＨＩＰ法にて処理する。
具体的な成形体の製造方法としては、原料粉末に溶媒、結合剤（バインダー）、可塑剤、潤滑剤等を加えて湿式混合してスラリー状とする方法が例示できる。このとき、焼結助剤を所定量添加してもよい。成形体の製造方法としては特に限定されないが、例えば得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して乾燥球状体を得る方法が例示される。
前記スラリーに使用する溶媒としては特に限定されないが、取扱いの容易さから、水又は低級アルコールが好ましく、水、メタノール、エタノールが好ましく例示され、特にメタノールが好ましい。また、結合剤として公知の結合剤から適宜選択すればよく特に限定されないが、ポリビニルアルコールが例示される。
可塑剤、潤滑剤についても特に限定されず、公知の可塑剤、潤滑剤から適宜選択すればよい。可塑剤の具体例としては、ポリエチレングリコールが例示され、潤滑剤の具体例としては、ステアリン酸が例示される。
前記乾燥球状体を、成形後、脱脂を行うことが好ましい。成形方法としては特に限定されず、公知の成形方法から適宜選択すればよい。また、成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。
脱脂は、加熱により行うことが好ましい。加熱温度は４００〜６００℃であることが好ましい。また、脱脂を行う際には、４００℃までの加熱は大気中で行い、それより高い温度は、不活性雰囲気下で加熱を行うことが好ましい。
具体的な成形体の製造方法としては、原料粉末に溶媒、結合剤（バインダー）、可塑剤、潤滑剤等を加えて湿式混合してスラリー状とする方法が例示できる。このとき、焼結助剤を所定量添加してもよい。成形体の製造方法としては特に限定されないが、例えば得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して乾燥球状体を得る方法が例示される。
前記スラリーに使用する溶媒としては特に限定されないが、取扱いの容易さから、水又は低級アルコールが好ましく、水、メタノール、エタノールが好ましく例示され、特にメタノールが好ましい。また、結合剤として公知の結合剤から適宜選択すればよく特に限定されないが、ポリビニルアルコールが例示される。
可塑剤、潤滑剤についても特に限定されず、公知の可塑剤、潤滑剤から適宜選択すればよい。可塑剤の具体例としては、ポリエチレングリコールが例示され、潤滑剤の具体例としては、ステアリン酸が例示される。
前記乾燥球状体を、成形後、脱脂を行うことが好ましい。成形方法としては特に限定されず、公知の成形方法から適宜選択すればよい。また、成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。
脱脂は、加熱により行うことが好ましい。加熱温度は４００〜６００℃であることが好ましい。また、脱脂を行う際には、４００℃までの加熱は大気中で行い、それより高い温度は、不活性雰囲気下で加熱を行うことが好ましい。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、本発明の光アイソレータにおける前記光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と２５ｄＢ以上の消光比とを有することが好ましい。上記の範囲内であると、低損失かつ高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータの作製を可能にするという観点で好ましい。
なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従い、波長１．０６μｍにおいて測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従い、波長１．０６μｍにおいて測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
本発明に用いることができるファラディ回転子は、波長１．０６μｍ、光路長Ｌｃｍ（０．７０≦Ｌ≦１．１０）での透過率（光の透過率）が７０％以上であることが好ましく、７２％以上であることがより好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。透過率は高いことが好ましく、その上限は特に限定されず、１００％以下であればよい。
透過率は、波長１．０６μｍの光を厚さＬｃｍのファラディ回転子に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さＬｃｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。
透過率は、波長１．０６μｍの光を厚さＬｃｍのファラディ回転子に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さＬｃｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。
本発明のアイソレータにおいて、第１の中空マグネット並びに第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットを含む中空マグネットユニット群について説明を追加する。
第１の中空マグネット並びに第２及び第３の中空マグネットユニットは、いずれも、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、かつ大きな磁場強度を得るために、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を使用することが好ましい。
第１の中空マグネット並びに第２及び第３の中空マグネットユニットは、いずれも、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、かつ大きな磁場強度を得るために、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を使用することが好ましい。
本発明のアイソレータにおいて、図１に示すように、第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２の中空マグネットユニットの磁界極性と第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とすることが好ましい。この構成を採ることにより、ファラディ回転子に与える印加磁束密度を最大とすることができる。
本発明の光アイソレータの基本設計において、ファラディ回転子の長さを短くすることが小型化のために重要であり、このためにファラディ効果が大きいファラディ回転子と磁束密度の大きいマグネット材（磁石）及び磁気回路を組み合わせて用いることにより小型化を実現したものである。また、レーザ加工機で問題となるハイパワー光によるファラディ回転子の光損傷は、ファラディ回転子の透過率と長さで決まるため、透過率が高く長さが短いファラディ回転子ほど好都合である。
本発明の光アイソレータにおいて、さらに２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を光軸上に具備することが好ましい。この構成により、偏光無依存のアイソレータとすることができる。
この場合、前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上であることが好ましい。この場合厚みの１／１０であるφ１．０ｍｍのビーム径にまで対応することができる。
この場合、前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上であることが好ましい。この場合厚みの１／１０であるφ１．０ｍｍのビーム径にまで対応することができる。
ファイバーレーザの高出力化に伴い、搭載される光アイソレータに対する要求事項としては、各々の部品がハイパワー光に対して耐性を持ち、伝搬する光の偏光状態に影響されない偏光無依存型であることが挙げられる。この要求に応えるべく、使用される偏光子としては、その屈折率差を利用して光ビームを分離する複屈折結晶が最適である。代表的な複屈折結晶としては、波長０．９〜１．１μｍで透明であるイットリウム・バナデート（ＹＶＯ4）、ルチル単結晶（ＴｉＯ2）、方解石単結晶（ＣａＣＯ3）、α−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ2Ｏ4）があり、そのいずれかを使用すればよい。また、前述した偏光無依存化を図るために、複屈折結晶の光学軸は光軸に対しておよそ４５度になるように平板加工を施すことが好ましい。また、その厚みは異常光の分離距離と比例関係にあるため所望のビームシフト量を満足する厚みに各々精度良く加工すればよい。この平板型複屈折偏光子を入出射偏光子として２枚配置し、その間に波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおいてファラディ回転角が４５度有するファラディ回転子と同一波長で偏光面を４５度回転する４５度旋光子とその周囲にファラディ回転子の光軸方向に磁界を与えるマグネットを配置することにより、偏光無依存型光アイソレータが構成される。
図３には、光アイソレータ内における入力光と戻り光の偏光面の挙動を光軸に沿って示した。
図３の上段には、入力光の偏光面の挙動を示す。最初に、入力光はスネルの法則に従い入射偏光子の光学軸偏光方向にシフトする異常光と光学軸に対して直交偏光方向で直進する常光２つに分離される。入射光は、入射偏光子１において偏光面をそれぞれ０度、９０度に分離された常光、異常光がファラディ回転子４により右回りにそれぞれ４５度回転される。この偏光面の角度が更に右回りに４５度回転されるように、１／２波長板の光学軸は面内に２２．５度とし配置した。この構成で常光、異常光が１／２波長板を透過すると、偏光面が共に右回りに４５度回転されるので、常光、異常光それぞれ９０度偏光面を回転する。その結果、出射偏光子６においては、入射偏光子１と同方向に光学軸を有しているので、常光が異常光としてビームシフト、異常光は常光として直進し双方のビームが一致して偏光無依存化が図られる。
図３の上段には、入力光の偏光面の挙動を示す。最初に、入力光はスネルの法則に従い入射偏光子の光学軸偏光方向にシフトする異常光と光学軸に対して直交偏光方向で直進する常光２つに分離される。入射光は、入射偏光子１において偏光面をそれぞれ０度、９０度に分離された常光、異常光がファラディ回転子４により右回りにそれぞれ４５度回転される。この偏光面の角度が更に右回りに４５度回転されるように、１／２波長板の光学軸は面内に２２．５度とし配置した。この構成で常光、異常光が１／２波長板を透過すると、偏光面が共に右回りに４５度回転されるので、常光、異常光それぞれ９０度偏光面を回転する。その結果、出射偏光子６においては、入射偏光子１と同方向に光学軸を有しているので、常光が異常光としてビームシフト、異常光は常光として直進し双方のビームが一致して偏光無依存化が図られる。
図３の下段には、戻り光の偏光面の挙動を示す。戻り光はファラディ回転子の非相反性を利用して、逆方向に偏光面を４５度回転され入射偏光子と９０度の直行偏光面となり、透過できなくなる。
本発明の光アイソレータは、第１の中空マグネット並びに第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットを炭素鋼筐体に搭載することが好ましい。炭素鋼筐体に収納することにより、マグネットの周囲にヨーク（継鉄）材が構成されることになるので、マグネットの持っている吸着力あるいは吸引力を増大させることができる。
なお、図２の説明おいて述べたように、等分割した４つのマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々マグネットの反磁力のみで２つのマグネットユニットを筐体の内部に固定することができる。
なお、図２の説明おいて述べたように、等分割した４つのマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々マグネットの反磁力のみで２つのマグネットユニットを筐体の内部に固定することができる。
（実施例１）
図１に示す構成の１μｍ帯光アイソレータを製作した。
入射偏光子１及び出射偏光子６としてはルチル単結晶を使用し、その光透過面は１．０ｃｍ厚の平行平板に加工されており、その光学軸１１は光軸１２に対して４７．８度傾いている。図１では、傾き方向が紙面の中にあるように描かれている。さらにこの平板型偏光子は光透過面に中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施すとともに、入射光路に光透過面の反射光が戻ることを回避するため、５度だけ傾き角度をもった楔ガラス２の上に偏光子底面を接着固定し偏光子ホルダ３に搭載した。
また、ファラディ回転子４は第１の中空マグネット７の中空部中心に位置するようにし、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネットユニット９を合わせた全てのマグネットにより形成される磁界分布の最大となる位置に固定した。第２及び第３のマグネットユニットは、図２に示したように、４つに等分割されたマグネットを組み合わせて使用した。入射光路順にファラディ回転子４の後に配置される４５度旋光子５は、人工水晶を材質とする１／２波長板を使用し、その光透過面には中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施した。
図１に示す構成の１μｍ帯光アイソレータを製作した。
入射偏光子１及び出射偏光子６としてはルチル単結晶を使用し、その光透過面は１．０ｃｍ厚の平行平板に加工されており、その光学軸１１は光軸１２に対して４７．８度傾いている。図１では、傾き方向が紙面の中にあるように描かれている。さらにこの平板型偏光子は光透過面に中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施すとともに、入射光路に光透過面の反射光が戻ることを回避するため、５度だけ傾き角度をもった楔ガラス２の上に偏光子底面を接着固定し偏光子ホルダ３に搭載した。
また、ファラディ回転子４は第１の中空マグネット７の中空部中心に位置するようにし、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネットユニット９を合わせた全てのマグネットにより形成される磁界分布の最大となる位置に固定した。第２及び第３のマグネットユニットは、図２に示したように、４つに等分割されたマグネットを組み合わせて使用した。入射光路順にファラディ回転子４の後に配置される４５度旋光子５は、人工水晶を材質とする１／２波長板を使用し、その光透過面には中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施した。
ファラディ回転子としては、波長１．０６μｍにおいてベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上となる、テルビウム・イットリウム酸化物を光路長０．７〜１．１ｃｍとして使用した。ファラディ回転子の外周には、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系マグネットからなる中空マグネットを配置した。その中空マグネット両側には、磁界極性が反対であり、且つ光軸に対し９０度方向に４つに等分割された中空マグネットユニットを配置し、分割された各々のマグネットの磁界極性は光軸法線方向とした磁気回路を構成した。また、マグネット及びマグネットユニットの外側には、炭素鋼筐体を配置した。
なお、前述したビームシフト量は平行平板偏光子の厚みに依存する。平行平板偏光子の厚さを１．０ｃｍとした本実施例においては、ビームシフト量は約１ｍｍとなる。戻り光についても入射位置よりそれぞれ上下１ｍｍ離れて分離され出射されるので、光アイソレータ機能を考慮すると、最大ビーム径（１／ｅ2）としてはφ１．０ｍｍまで対応することができる。また、ハイパワー光のパワー密度を小さくする等の目的で、さらに大きいビーム径を取り扱う場合は、ファラディ回転子の有効領域を確保した上で、平行平板偏光子の厚みを１．０ｃｍ以上の任意の大きさにすれば良い。
次に、本実施例１において使用したファラディ回転子４の詳細を説明する。材料としてはテルビウム・イットリウム酸化物を９９．９９重量％含む単結晶であり、その組成は、前出式（Ｉ）において、ｘ＝０．６とする（Ｔｂ0.6Ｙ0.4）2Ｏ3単結晶を用いた。この単結晶を波長１．０６μｍにおいて測定したところ、挿入損失０．５ｄＢ、消光比３５ｄＢ、ベルデ定数０．３０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）の光学特性を有していることがわかった。なお、このときの測定したサンプルは外径φ３．５ｍｍ、長さ１０．５ｍｍの円筒形状であった。
（実施例２及び３）
前出式（Ｉ）において、Ｔｂ含有率ｘ（０．５〜１．０）とベルデ定数の対応を検討した。実施例２として、ｘ＝０．５である（Ｔｂ0.5Ｙ0.5）2Ｏ3なる組成の酸化物を同重量％含む単結晶を使用する以外は、実施例１と全く同様に実施した。
また、実施例３として、ｘ＝１．０であるＴｂ2Ｏ3酸化物を同重量％含む単結晶を使用する以外は、実施例１と全く同様に実施した。
これらの組成を有する単結晶のベルデ定数を測定した。その結果、ｘ＝０．５で０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、ｘ＝１．０で０．４３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）の大きさのベルデ定数であることがわかった。また、実施例２及び３において消光比はいずれも３５ｄＢであった。
前出式（Ｉ）において、Ｔｂ含有率ｘ（０．５〜１．０）とベルデ定数の対応を検討した。実施例２として、ｘ＝０．５である（Ｔｂ0.5Ｙ0.5）2Ｏ3なる組成の酸化物を同重量％含む単結晶を使用する以外は、実施例１と全く同様に実施した。
また、実施例３として、ｘ＝１．０であるＴｂ2Ｏ3酸化物を同重量％含む単結晶を使用する以外は、実施例１と全く同様に実施した。
これらの組成を有する単結晶のベルデ定数を測定した。その結果、ｘ＝０．５で０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、ｘ＝１．０で０．４３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）の大きさのベルデ定数であることがわかった。また、実施例２及び３において消光比はいずれも３５ｄＢであった。
図４に、実施例１〜３において使用する単結晶のサンプル長（光路長）を０．７〜１．１ｃｍに０．１ｃｍずつ変化させた場合に、ファラディ回転角が４５度となる磁束密度Ｔ（１０4Ｏｅ）を光路長Ｌ（ｃｍ）の関数として示す。
ここで、前述したサンプル光路長が１．０５ｃｍである場合に、実施例１のベルデ定数（０．３０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））値よりファラディ回転角が４５度となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約８，５００［Ｏｅ］（＝０．８５［Ｔ］）となることがわかる。
ここで、前述したサンプル光路長が１．０５ｃｍである場合に、実施例１のベルデ定数（０．３０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））値よりファラディ回転角が４５度となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約８，５００［Ｏｅ］（＝０．８５［Ｔ］）となることがわかる。
（比較例１）
図４に示すように、比較例１としてＴＧＧ結晶（ベルデ定数０．１３５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））をファラディ回転子とした光アイソレータを作製した。
このＴＧＧ結晶に印可する磁束密度を算出すると、光路長１．０５ｃｍにおいて必要とする磁束密度は約１９，０００［Ｏｅ］（＝１．９［Ｔ］）、同様に磁束密度の下限値を示す光路長２．００ｃｍにおいては約１０，０００［Ｏｅ］（＝１．０［Ｔ］）となることがわかる。
よって、本発明の光アイソレータにおいては、光路長に対する磁束密度の関係が、実施例１〜３で示される関係にあり、いずれも前出（１）中の式（１）及び式（２）を満たす範囲内にある（図４の斜線部参照）。
ＴＧＧ結晶に使用するマグネットと比較して、本発明のアイソレータでは、ファラディ回転子の光路長及び印可する磁束密度を小さくできるので、マグネットの外径を小さくすることができ、この結果光アイソレータの小型化が実現できる。光アイソレータの製品形状の小型化の他に、光アイソレータから外部に漏洩する磁場の低減も図ることができる。
図４に示すように、比較例１としてＴＧＧ結晶（ベルデ定数０．１３５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））をファラディ回転子とした光アイソレータを作製した。
このＴＧＧ結晶に印可する磁束密度を算出すると、光路長１．０５ｃｍにおいて必要とする磁束密度は約１９，０００［Ｏｅ］（＝１．９［Ｔ］）、同様に磁束密度の下限値を示す光路長２．００ｃｍにおいては約１０，０００［Ｏｅ］（＝１．０［Ｔ］）となることがわかる。
よって、本発明の光アイソレータにおいては、光路長に対する磁束密度の関係が、実施例１〜３で示される関係にあり、いずれも前出（１）中の式（１）及び式（２）を満たす範囲内にある（図４の斜線部参照）。
ＴＧＧ結晶に使用するマグネットと比較して、本発明のアイソレータでは、ファラディ回転子の光路長及び印可する磁束密度を小さくできるので、マグネットの外径を小さくすることができ、この結果光アイソレータの小型化が実現できる。光アイソレータの製品形状の小型化の他に、光アイソレータから外部に漏洩する磁場の低減も図ることができる。
これを具現化するため、各々マグネット外径をパラメータとして、得られる磁束密度分布を磁場解析により求めた。解析手法としては有限要素法（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）を選択し、マグネット材質は信越化学工業（株）製ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）マグネット、外部筐体１０の材質は炭素鋼とした。シミュレーション結果を図５に示す。式（１）、式（２）を満たす上限の磁束密度は実施例２における光路長０．７０ｃｍの磁束密度分布、下限の磁束密度は実施例３における光路長１．１０ｃｍの磁束密度分布を示しており、各々マグネット形状は内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．４（下限値）〜φ２．４ｃｍ（上限値）となった。
また、実施例１において使用したファラディ回転子４（光路長１．０５ｃｍ、外径φ３．５ｍｍ）に与える磁束密度８，５００［Ｏｅ］（＝０．８５［Ｔ］）を満足するには、図５中の磁束密度分布ａが最適であった。この結果から、実施例１の構成を採用する場合に使用するマグネット形状は、第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットを組み合わせて実際に製作したところ内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．８ｃｍ、長さ３．２ｃｍとなった。この組み立て構成品のファラディ回転角を波長１．０６μｍで実測したところ、４５．０度となりシミュレーション結果と合致していた。また、比較例１で示した従来構成の下限値である光路長２．００ｃｍにおけるＴＧＧ結晶を使用したマグネット形状は、内径φ０．４ｃｍ、外径φ２．８ｃｍ、長さ３．８ｃｍであるから、両者を比較すると、本発明においては従来品に比べて、体積比６５％のサイズダウンを実現することがわかった。
よって、本発明の光アイソレータは、使用する各々の部品及びその構成が１μｍ帯のハイパワー光に対して耐性を持ち、十分に小型化された偏光無依存型光アイソレータとして作用することを示している。
よって、本発明の光アイソレータは、使用する各々の部品及びその構成が１μｍ帯のハイパワー光に対して耐性を持ち、十分に小型化された偏光無依存型光アイソレータとして作用することを示している。
１ 入射偏光子
２ 楔ガラス
３ 偏光子ホルダ
４ ファラディ回転子
５ ４５度旋光子
６ 出射偏光子
７ 第１の中空マグネット
８ 第２の中空マグネットユニット
９ 第３の中空マグネットユニット
１０ 筐体
１１ 光学軸
１２ 光軸
１００ キセノンランプＦＺ装置
１１０ 上シャフト
１１２ 下シャフト
１１４ フィードロッド
１１６ シードロッド
１２０ キセノンランプ
１３０ 楕円体鏡
１４０ 石英管
２００ マイクロ引下げ装置
２１０ 融液
２２０ 坩堝
２２２ 坩堝支持治具
２３０ 保温筒
２４０ 石英管
２５０ 誘導加熱装置
２６０ 種保持具
２ 楔ガラス
３ 偏光子ホルダ
４ ファラディ回転子
５ ４５度旋光子
６ 出射偏光子
７ 第１の中空マグネット
８ 第２の中空マグネットユニット
９ 第３の中空マグネットユニット
１０ 筐体
１１ 光学軸
１２ 光軸
１００ キセノンランプＦＺ装置
１１０ 上シャフト
１１２ 下シャフト
１１４ フィードロッド
１１６ シードロッド
１２０ キセノンランプ
１３０ 楕円体鏡
１４０ 石英管
２００ マイクロ引下げ装置
２１０ 融液
２２０ 坩堝
２２２ 坩堝支持治具
２３０ 保温筒
２４０ 石英管
２５０ 誘導加熱装置
２６０ 種保持具
Claims (10)
- 波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子と、
前記ファラディ回転子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、
第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、
前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、
前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする
１μｍ帯光アイソレータ。
０．５×１０4≦Ｂ≦１．５×１０4 （１）
０．７０≦Ｌ≦１．１０ （２） - 前記ファラディ回転子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有する、請求項１に記載の光アイソレータ。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。） - 前記酸化物が単結晶である、請求項２に記載の光アイソレータ。
- 前記酸化物がセラミックスである、請求項２に記載の光アイソレータ。
- 前記ファラディ回転子が、光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と２５ｄＢ以上の消光比を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
- 第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなる、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
- 第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２及び第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
- さらに２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を具備した、請求項１〜７のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
- 前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上である、請求項８に記載の光アイソレータ。
- 第１の中空マグネット、第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載された、請求項１〜９のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
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