JP2020067523A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】テルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のような従来のファラディ回転子と比べ、高出力ファイバーレーザにおいて懸案となっている熱レンズ効果の低減に貢献する光アイソレータを提供する。【解決手段】３価イオン置換ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を含むファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の周囲に配置される、中央中空マグネット、並びに、前記中央中空マグネットを光軸方向に挟んで配置された、第１及び第２の中空マグネットユニットを含む光アイソレータであって、前記ファラディ回転子における磁束密度をＢ［Ｔ］、前記ファラディ回転子が配置される光路長をＬ［ｍｍ］としたときに、０＜Ｂ （１）１４．０≦Ｌ≦２４．０ （２）を満たすものである光アイソレータ。【選択図】図２

Description

本発明は、光アイソレータに関する。

ファイバーレーザは、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）などの希土類元素ドーピングファイバに伝搬させ、励起ＬＤにより増幅させることで、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有する。同波長帯のランプ励起式ＹＡＧレーザと比較すると、励起光の変換効率が高く冷却の要求が少ないことやランプ励起が不要であることから、低消費電力・長寿命という長所を理由に注目されている。

ファイバーレーザは、発振形態により２種類に大別され、連続発振のＣＷファイバーレーザ、及び、パルスファイバーレーザが存在する。この発振形態の違いにより各々加工用途も大別され、熱加工を得意とするＣＷファイバーレーザは切断・溶接加工で主に用いられ、パルスファイバーレーザは非熱加工を要するマーキング、スクライビング等の表面加工が主用途となっている。近年では、半導体材料及びガラス窓材への微細で穴あけ／切断を要する加工用途において、パルスファイバーレーザを１００Ｗ以上にハイパワー化し応用するという動きもある。

パルスファイバーレーザの代表的な発振方式は、主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）と呼ばれる、高品位ビーム発生用の高安定な主発振器（または種光）と高出力な光増幅器を分けて、それぞれを独立に制御する方式である。良好なビーム特性を維持したまま高出力が得られるのが特徴である。その反面、金属などの加工対象材料からの戻り光（反射光）に対しては、その構成により戻り光自体を増幅し、主発振器（種光）にダメージを与えてしまい、しいては破損してしまうという危険性を有している。よって、パルスファイバーレーザの安定動作のためには、反射光が発光光源である種光へ戻るのを防止するため、種光と加工体との間に光の一方向透過機能（順方向の光を透過し、逆方向の光を遮断する）を有する光アイソレータを配置し、光ファイバから発光光源の方向への反射光の戻り光を遮断する必要がある。

ここで光アイソレータは、主に、ファラディ回転子と、ファラディ回転子の光入出射側に配置された偏光子と、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からなる３つの部品から構成される。この構成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及び測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁界の大きさ、Ｌはファラディ回転子の長さである。この式からわかるように、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、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界を小さくすることができる。

また、一般的に光アイソレータの機能を有するためには、ファラディ回転角は４５度程度必要となる。具体的には、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°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°回転され、入射偏光子と９０°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戻り光発生を防止するものである。

特許文献１には、ファラディ回転子として（Ｔｂ_ｘＹ_１−ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．６〜１．０）を用い、マグネット形状の小型化及びファラディ回転子の短尺化（７．０≦Ｌ≦１１．０ｍｍ）を行うこと、及び、挿入損失が１．０ｄＢ以下であることについて記載されている。

また、非特許文献１には、組成が（Ｔｂ_ｘＹ_１−ｘ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ｘ＝０．５〜１．０）である緻密なセラミック焼結体が、既存のＴＧＧ結晶に比べて消光比が高く（既存の３５ｄＢが３９．５ｄＢ以上に改善）、挿入損失も低減できる（既存の０．０５ｄＢが０．０１〜０．０５ｄＢに改善）ことが開示されている。

特開２０１２−８３３８１号公報 実開昭６１−１１４４２０号公報

Ｙａｎ Ｌｉｎ Ａｕｎｇ，Ａｋｉｏ Ｉｋｅｓｕｅ， Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｇｒａｄｅ （ＴｂｘＹ１−ｘ）３Ａｌ５Ｏ１２ ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｓ Ｆａｒａｄａｙ ｒｏｔａｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ， Ｊ.Ａｍ.Ｃｅｒａｍ.Ｓｏｃ.,（２０１７），１００（９）,４０８１−４０８７

従来の、例えばテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶を使用するファラディ回転子のベルデ定数は、波長１．０６μｍにおいて３７Ｒａｄ／Ｔ・ｍ程度であるため、ファラディ回転子がファラディ回転角４５度を満たす長さは２０ｍｍ（２．０ｃｍ）程度必要であった。加えて、同波長における吸収係数が０．００１５〜０．００２０ｃｍ^−１であるため、熱レンズ効果に影響する吸収損失が０．０３−０．０４ｄＢ（０．７−１．０％）であった。その結果、平均出力１００Ｗ以上のパルスファイバーレーザにおいては、光アイソレータによる熱レンズ効果により、出力ビームのビームウエスト位置が変化し、結果として加工対象部でのビーム径変化をもたらすことから、高精度な加工が困難であった。

近年のファイバーレーザ加工機、特に平均出力１００Ｗ以上のパルスファイバーレーザに搭載される光アイソレータにおいては、低損失（低吸収）化の要求が強くなっており、上記光アイソレータのファラディ回転子として用いられる材料は、ファラディ効果が従来材料であるＴＧＧと概ね同等で、且つ熱レンズに起因する吸収係数が低いことが求められている。

つまり、アイソレータ形状（大きさ）を左右するファラディ回転子のベルデ定数を、従来使用されてきた材料であるＴＧＧと概ね同等の大きさとしながら、より低い吸収係数を持つファラディ回転子の構成とすることができれば、従来の構成と大きさが変わることなく、１００Ｗ以上のハイパワー光に対応できる光アイソレータを提供可能になるため、レーザ装置開発においては、最も現実的な解決手段となる。

また、今日のより広範囲な加工を目的としたパルスファイバーレーザは高出力化の一途をたどっており、搭載する光アイソレータはより低損失な特性が求められている。このため、特許文献１に記載された光アイソレータよりも、さらに低損失特性が要求されている。加えて高精度な加工を実現するために、低熱レンズ効果のファラディ回転子の開発ニーズが高まる状況となっている。
ここで、熱レンズとは、例えば１００Ｗのようなハイパワーレーザー光がファラデイ回転子材料に入射されると、材料中で発熱起因の屈折率変化が生じ、レンズ化する現象である。熱レンズが生じると、加工対象でビーム焦点位置変化が生じ、良好な材料加工が難しくなる。つまり、熱レンズ（単位：ｍ）が長いほど、低熱レンズで加工に好適ということになる。

非特許文献１には、挿入損失も低減できることが開示されているものの、一般に挿入損失の低減は異相、気泡などの散乱源が減少しても達成可能であり、当該文献の低損失化が、光路長２４ｍｍ以下のものにおいて、吸収係数０．００１ｃｍ^−１以下が達成されたために実現されたかどうかは不明である。

現在のところ、新規材料をファラディ回転子として加工し、さらにマグネットユニットと炭素鋼筐体内で一体化させたうえで光アイソレータとして組み上げ、光路長２４ｍｍ以下における吸収係数を確定した先行例も、１００Ｗ以上のパルスファイバーレーザに搭載して安定動作することを確認した先行例も見当たらない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、テルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のような従来のファラディ回転子と比べ、高出力ファイバーレーザにおいて懸案となっている熱レンズ効果の低減に貢献する光アイソレータを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、３価イオン置換ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を含むファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の周囲に配置される、中央中空マグネット、並びに、前記中央中空マグネットを光軸方向に挟んで配置された、第１及び第２の中空マグネットユニットを含む光アイソレータであって、前記ファラディ回転子における磁束密度をＢ［Ｔ］、前記ファラディ回転子が配置される光路長をＬ［ｍｍ］としたときに、
０＜Ｂ （１）
１４．０≦Ｌ≦２４．０ （２）
を満たすものである光アイソレータを提供する。

このような光アイソレータによれば、小型でかつ熱レンズ効果が低減されたものとなる。

このとき、前記ファラディ回転子が、下記式（３）で表される単結晶、又は、セラミックス材料を含むものとすることができる。
（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_３（Ａｌ_１−ｙＱ_ｙ）_５Ｏ_１２ （３）
（ここで、ｘ＝０．６〜０．９５、ｙ＝０〜０．４であり、Ｒｅは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム（Ｔｂ）以外のランタノイド元素群から選択された少なくとも１つの元素を含み、Ｑは、スカンジウム、ガリウムから選択された少なくとも１つの元素を含む。）

これにより、熱レンズ効果がより低減されたものとなる。

このとき、前記ファラディ回転子は、セラミックス材料とすることができる。

これにより、低コストで作製することが可能なものとなる。

このとき、前記ファラディ回転子における磁束密度Ｂ［Ｔ］は、
０＜Ｂ≦１．７
を満たすものとすることができる。

これにより、より小型化されたものとなる。

このとき、前記ファラディ回転子は、光路長Ｌ≦２４．０ｍｍにおいて、吸収係数０．００１ｃｍ^−１以下、及び、消光比２５ｄＢ以上の光学特性を有するものとすることができる。

これにより、より低損失かつより高アイソレーションの光学特性を有するものとなる。

このとき、前記中央中空マグネット、並びに、前記第１及び第２の中空マグネットユニットは、炭素鋼筐体に搭載されたものとすることができる。

これにより、マグネットが有している吸着力又は吸引力が増大されたものとなる。

以上のように、本発明の光アイソレータによれば、テルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のような従来のファラディ回転子と比べ、ベルデ定数が同等でありながら、吸収係数が概ね半分である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、高出力ファイバーレーザ用途に搭載される光アイソレータの使用を可能にし、小型で高出力ファイバーレーザにおいて懸案となっている熱レンズ効果の低減に貢献することが可能なものとなる。

光アイソレータにおける入力光及び戻り光の偏光状態の挙動を示す。 本発明に係る光アイソレータの構成例の断面模式図を示す。 第１及び第２の中空マグネットユニットの断面図を示す。 実施例１、４及び比較例１で使用されたファラディ回転子のサンプル長に対する、ファラディ回転角が４５度となる磁束密度の大きさを示したシミュレーション結果を示す。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上述のように、小型で熱レンズ効果の低減に貢献する光アイソレータが求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、３価イオン置換ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を含むファラディ回転子と、前記ファラディ回転子の周囲に配置される、中央中空マグネット、並びに、前記中央中空マグネットを光軸方向に挟んで配置された、第１及び第２の中空マグネットユニットを含む光アイソレータであって、前記ファラディ回転子における磁束密度をＢ［Ｔ］、前記ファラディ回転子が配置される光路長をＬ［ｍｍ］としたときに、
０＜Ｂ （１）
１４．０≦Ｌ≦２４．０ （２）
を満たすものである光アイソレータにより、小型でかつ熱レンズ効果が低減されたものとなることを見出し、本発明を完成した。

以下、図面を参照して説明する。

まず、光アイソレータの概略について説明する。
図１に、光アイソレータにおける入力光及び戻り光の偏光状態の挙動を模式的に示す。
入力光は、入射偏光子の偏光面でＰ波が透過する。この偏光ビームは、ファラディ回転子により偏光面を４５度回転される。さらに次に入射する出射偏光子で４５度回転調整することによりＰ波偏光ビームは透過し、偏光依存の機能を示す。

一方、戻り光が出射偏光子に入射すると、出射偏光子を透過したＰ波偏光ビームは、ファラディ回転子に入射する。このとき、ファラディ回転子の非相反性により、前記入力光の偏光回転方向とは逆に４５度回転される。その結果、入射偏光子において、戻り光の偏光面はＳ偏光となるので入射偏光子面でビームは反射し、入射位置には戻らない。このように、偏光依存型光アイソレータとして機能する。

図２に、本発明に係る光アイソレータ１００の構成例の断面模式図を示す。
図２において、入射偏光子１、ファラディ回転子３、出射偏光子４が、入射側から出射側に向かう光軸９上に順次配置されている。
入射側で入射偏光子１は偏光子ホルダ２に、出射側で出射偏光子４は偏光子ホルダ２に固定されている。
ファラディ回転子４の周囲には、中央中空マグネット５と、中央中空マグネット５を光軸方向に挟むように、入射側の第１の中空マグネットユニット６と、出射側の第２の中空マグネットユニット７とが配置されている。ファラディ回転子３は、中央中空マグネット５の中空部の中心に位置するようにし、中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６及び第２の中空マグネットユニット７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が最大となる位置に固定される。
入射側及び出射側の偏光子ホルダ２、内部にファラディ回転子４が配置された中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６、第２の中空マグネットユニット７は、外部筐体８の内部に収納されている。

（偏光子）
特に高出力のファイバーレーザに好適に用いられる光アイソレータでは、各部品がハイパワー光に対して耐性を有し、空間系で直線偏光を利用する偏光依存型が好ましい。
本発明に係る光アイソレータにおいては、入射偏光子１、出射偏光子４は、特に限定されないが、偏光ビームスプリッター（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｅｒ。以下、ＰＢＳという。）が最適である。この機能は、入力直線偏光がＰ偏光（Ｔｐ）の場合は透過し、Ｓ偏光（Ｔｓ）の場合は反射させるものである。

一般的な低パワー用ＰＢＳとしては、張り合わせ面にＰＢＳを有した三角キューブを２個接着剤等で貼り合わせ、立方体形状にしたものがある。ただし、平均出力が数十Ｗ以上の高出力光用となると、三角キューブ貼り合わせ面での光損傷を回避するため、接着剤フリーで光学的に接着したオプティカルコンタクト（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｔａｃｔｅｄ）タイプが好適である。また、表面にＰＢＳ膜を有した単板タイプも、入力ビームに対して傾斜させることによりＰＢＳキューブタイプと同等の透過損失、消光特性を得られることから、同様の高出力レーザ用途に使用されており、反射ビームの取り扱い等、各種レーザ設計に応じたタイプいずれかを適宜選択すれば良い。

偏光依存化を図るためには、ＰＢＳへの入射偏光がＰ偏光（Ｔｐ）となるように、ＰＢＳを２個配置し、その間に波長１．０〜１．１μｍの範囲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、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、偏光依存型光アイソレータが構成される。

（マグネット磁気回路）
マグネット磁気回路について説明する。
本発明に係る光アイソレータにおいては、ファラディ回転子３の周囲に、中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６と、第２の中空マグネットユニット７が配置される。第１の中空マグネットユニット６と、第２の中空マグネットユニット７は、特許文献２に記載されているように、中央中空マグネット５の両端に、互いの磁界極性方向が反対となるように（同じ磁極が向かい合うように）配置される。

一般に、光アイソレータにおいては、ファラディ回転子が位置するところの磁束密度が大きくなるようにマグネットを配置することが好ましい。例えば、特許文献１では、本発明における第１、第２の中空マグネットユニットの位置に、それぞれ４つのマグネットから成る中空マグネットユニットを配置している。このような構成にすれば、磁束密度を大きくすることは可能となる。
したがって、本発明に係るマグネット構成は、ヴェルデ定数がＴＧＧよりも小さく、更なる大きな磁束密度を必要とするファラディ回転子材料にも対応するため、上記マグネットユニットの外径および長さについて検討を行った。

図３に、本発明に係る光アイソレータに用いられる第１の中空マグネットユニット６と、第２の中空マグネットユニット７の断面図を示す。
第１の中空マグネットユニット６と第２の中空マグネットユニット７は、中央中空マグネット５の両端に、中央中空マグネット５を光軸方向に挟んで、互いの磁界極性方向が反対となるように、かつ、第１の中空マグネットユニット６と第２の中空マグネットユニット７のそれぞれは、光軸を中心に同じ磁極が向かい合うように配置される。
なお、中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６、第２の中空マグネットユニット７の外形は特に限定されず、円筒、四角、多面体等、どのような外形でもよい。
また、光アイソレータに使用するマグネットは、可能な限り大きな磁束密度を有することが好ましい。したがって、本発明に使用するマグネットの種類は、特に限定されないが、大きな磁束密度を示す観点から、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を用いることが好ましい。

図２に示す例においては、中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６、第２の中空マグネットユニット７を同外径の円筒形状としており、これと同外径の偏光子ホルダ２とともに外部筐体８に挿入し、偏光子ホルダ２の側面部を、ねじ或いはロールピン等で固定することで、各部材を隙間なく固定するができる。このようにすると、マグネット全体の固定に接着剤等を必要とせず、信頼性の高い実装が可能となる。
なお、外部筐体８として炭素鋼筐体を採用することにより、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ため、マグネットが有している吸着力又は吸引力を増大させることができる。

（磁束密度）
本発明に係る光アイソレータは、ファラディ回転子における磁束密度Ｂ［Ｔ］が、
０＜Ｂ （１）
を満たすものである。
ファラディ回転子における磁束密度Ｂ［Ｔ］が０以下となると、ファラディ回転に寄与しないか、ファラディ回転角を減少させることとなるためである。

また、磁束密度Ｂ［Ｔ］は、
０＜Ｂ≦１．７
を満たすものであることが、好ましい。
磁束密度Ｂ［Ｔ］が１．７以下であれば、より小型化されたものとなるからである。

（ファラディ回転子）
本発明に係る光アイソレータに用いるファラディ回転子は、３価イオン置換ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を含むものである。３価イオン置換ＴＡＧは、従来使用されている材料であるＴＧＧと、概ね同等のファラディ効果を有しながら、より低い吸収係数を持つ材料である。

このようなファラディ回転子においては、波長１．０〜１．１μｍにおけるベルデ定数が３３Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が３７Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上である。より大きなベルデ定数を有することが好ましい。このようなベルデ定数を有するファラディ回転子であれば、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をより短いものとすることができ、光アイソレータの低損失化の点で有利である。

なお、ベルデ定数は、定法に従い測定できる。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、所望の波長（例えば１．０〜１．１μｍ）におけるベルデ定数を測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行うことができる。

ファラディ回転子の形状は特に限定されず、三角柱状、四角柱状などでもよいが、円柱状であることが好ましい。

ファラディ回転子が配置される光路長さＬ［ｍｍ］は、下記式（２）の範囲内のものである。
１４．０≦Ｌ≦２４．０ （２）
長さＬが２４．０ｍｍを超えると、ファラディ回転子の長さが長くなり、光アイソレータの低損失化が難しくなる。１４．０ｍｍ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、アイソレータの小型化が難しくなるためである。

また、本発明に係る光アイソレータに用いるファラディ回転子は、下記式（３）で表される単結晶、又は、セラミックス材料を含むものであることが好ましい。
（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_３（Ａｌ_１−ｙＱ_ｙ）_５Ｏ_１２ （３）
ここで、ｘ＝０．６〜０．９５、ｙ＝０〜０．４であり、Ｒｅは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム（Ｔｂ）以外のランタノイド元素群から選択された少なくとも１つの元素を含み、Ｑは、スカンジウム、ガリウムから選択された少なくとも１つの元素を含む。
このとき、Ｒｅは一種単独であってもよいし、複数のＲｅが任意の比率で含まれていてもよい。これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒｅとしては、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウム及びスカンジウムが好ましい。より好ましくはイットリウムである。
また、Ｑは一種単独であってもよいし、複数のＱが任意の比率で含まれていてもよい。これらの中でも、ガーネット構造が安定化するという観点から、Ｑとしては、スカンジウムがより好ましい。
このような材料を含むファラディ回転子は、熱レンズ効果がより低減されたものとなる。

ファラディ回転子は、上記式（３）で表される酸化物以外の成分を含有していてもよい。
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などが挙げられるが、これらに限定されない。また、その他の成分は２種類以上含んでいてもよく、その含有量は、ファラディ回転子全体の０．０００００１〜１．０質量％であることが好ましく、０．００００１〜０．１質量％であることがより好ましい。
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として含有される。また、ファラディ回転子の材料を製造する際に、坩堝の構成成分などが副成分として混入する場合もある。
なお、焼結助剤としては、シリコン、マグネシウム、カルシウムの各酸化物のなかからいずれか一種類以上を選定することが好ましい。

上記式（３）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いが、低温で合成できることからセラミックスであることがより好ましい。
酸化物の単結晶を製造する場合、原料を融液状態にするために高温にする必要がある。例えば、酸化テルビウムの融点は約２，６００℃、酸化イットリウムの融点は約２，３００℃であり、それら２つの固溶体を製造する場合も相図上に示される温度（類似温度）まで昇温する必要がある。そのため、このように坩堝の中で原料を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、限られてしまい、製造コストが増大するという問題がある。
一方、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、融点より４００℃〜１０００℃低い温度で焼結作製することができる。また焼結時に、好適な焼結助剤を選定して添加してやると、緻密化が促進されるため好ましい。

単結晶を作製する方法しては、公知の方法を用いることができる。例えば、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、ブリッジマン法などが例示される。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。
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）をドーピングしてもよい。

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る。主な作製方法としては、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挙げられる。詳細は、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。

成形後には、加熱（好ましくは、４００〜１０００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。焼成条件としては、酸素雰囲気炉、１，３８０〜１，７８０℃で、時間は１〜４０時間とできる。また、焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行うことも有効である。処理温度は、前記焼成温度よりも低いことが好ましく、１，０００〜１，７５０℃とすることができる。またこのときの処理圧力は、１００〜２００ＭＰａとすることができる。処理時間は特に限定されないが、４時間以下で行うことができる。このようにして得られた透明セラミックス焼結体は、未だ酸素欠損に起因するＦセンター吸収による灰色外観を呈しているため、続いて大気炉でアニール処理を施すことも有効である。アニール温度としては、１３００〜１７００℃が好ましく、処理時間は３時間以上が好ましい。

本発明に係る光アイソレータにおけるファラディ回転子は、長さ２４．０ｍｍ以下において、吸収係数０．００１ｃｍ^−１以下、及び、消光比２５ｄＢ以上の光学特性を有することが好ましい。消光比は２５ｄＢ以上であればより高い方が好ましい。
また、ファラディ回転子の両端面に施された対空気反射防止膜の反射損失を含め、挿入損失は０．０４ｄＢ以下であればより低い方が好ましい。
前述のような範囲内であれば、より低損失、かつ、より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となる。
なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従い、所定の波長（使用する目的の波長）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。

また、ファラディ回転子は、所定の波長、例えば、波長１．０６μｍのときの、光路長Ｌｍｍ（１４．０≦Ｌ≦２４．０）での透過率（光の透過率）が、９９％以上であることが好ましい。ファラディ回転子の透過率は１００％以下であれば、より高い方が好ましい。
ここで、透過率は、所定の波長、例えば、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とき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
なお、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。
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してもよい。

本発明に係る光アイソレータは、１．０〜１．１μmの波長帯域のレーザ光に好ましく使用される。このようなレーザとしては、ランプ励起式ＹＡＧレーザ、ディスクレーザが含まれる。また、本発明の光アイソレータを上記以外の波長帯域のレーザ光に使用してもよい。

以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

（実施例１）
まず、図２に示される光アイソレータと同様の光アイソレータを作製した。
入射偏光子及び出射偏光子としては、立方体状のＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）を使用した。このＰＢＳに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、１度だけ傾き角度を持った偏光子ホルダに搭載した。また、中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施したファラディ回転子は、中央中空マグネットの中空部中心に位置するようにし、第１の中空マグネットユニットと第２の中空マグネットユニット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。

次に、実施例１で作製したファラディ回転子の詳細を説明する。材料としてはテルビウム含有ガーネット型酸化物であり、上述の式（３）において、ｘ＝０．６、ｙ＝０とした（Ｔｂ_０．６Ｙ_０．４）_３Ａｌ_５Ｏ_１２透明セラミックスを用いた。

上記透明セラミックスの作製方法としては、まず原料粉末（Ｔｂ_４Ｏ_７、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３）の混合粉末を調製した。混合粉末の調製方法については、高純度の粉末材料（Ｔｂ_４Ｏ_７、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３）を使用し、純度９９．９９質量％以上とした。なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ_４Ｏ_７に限定されるものではなく、Ｔｂ_２Ｏ_３を使用することもできるが、コストの面で優れることから、Ｔｂ_４Ｏ_７を使用した。
次に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した。なお、このとき焼結助剤を所定量添加し、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、円柱状に一軸プレス成形した。

その後、酸素雰囲気炉で焼成を行った。焼成条件としては、１，５００℃で、焼成時間は５時間とした。
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）法で処理を行った。処理温度は、前記焼成温度よりも低く、１，３００℃とした。またこのときの処理圧力は１５０ＭＰａ、処理時間は１時間とした。
このようにして、透明セラミックス焼結体を得た。ただしこの状態では、未だ酸素欠損に起因するＦセンター吸収による灰色外観を呈していたため、続いて大気炉でアニール処理を施した。アニール温度は１５００℃、処理時間は５時間とした。

このようにして得られたテルビウム含有ガーネット型酸化物透明セラミックス焼結体について、外周研削及び円柱両端面の光学研磨を行い、両端面には中心波長１．０６４μｍに対する無反射コーティングを施した。
このベルデ定数は、３３．８Ｒａｄ／Ｔ・ｍであった。同波長１．０６４μｍにおいて光学測定を行ったところ、挿入損失０．０３ｄＢ、吸収係数０．０００７ｃｍ^−１、消光比４２ｄＢの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φ５．０ｍｍ、長さ２４．０ｍｍの形状であった。

（実施例２）
実施例２として、上述の式（３）において、組成をｘ＝０．８、ｙ＝０とした（Ｔｂ_０．８Ｙ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２セラミックスを実施例１と同様な方法で作製した。このベルデ定数は、４５．９Ｒａｄ／Ｔ・ｍであった。また、波長１．０６４μｍにおいて光学測定を行ったところ、挿入損失０．０３ｄＢ、吸収係数０．０００８ｃｍ^−１、消光比４２ｄＢであった。

（実施例３）
実施例３として、上述の式（３）において、組成をｘ＝０．９５、ｙ＝０．０１とした（Ｔｂ_０．９５（Ｙ＋Ｓｃ）_０．０５）_３（Ａｌ_０．９９Ｓｃ_０．０１）_５Ｏ_１２セラミックスを実施例１と同様な方法で作製した。このベルデ定数は、５３．５Ｒａｄ／Ｔ・ｍであった。また、波長１．０６４μｍにおいて光学測定を行ったところ、挿入損失０．０４ｄＢ、吸収係数０．００１０ｃｍ^−１、消光比４０ｄＢであった。

（実施例４）
実施例４では、鋳型成形の一例として遠心鋳込成形法用いてファラディ回転子を作製した。上述の式（３）において、組成をｘ＝０．６、ｙ＝０．０１とした（Ｔｂ_０．６（Ｙ＋Ｓｃ）_０．４）_３（Ａｌ_０．９９Ｓｃ_０．０１）_５Ｏ_１２の混合粉末を調製した。この混合粉末に、溶媒、分散剤、結合剤等を添加し、湿式混合して泥漿を得た。この泥漿を遠心分離により固液分離し、上澄みを除去した後に固形物を乾燥させて遠心鋳込成形体を得た。
その後、実施例１〜３と同様な方法でファラディ回転子を作製した。ベルデ定数は、３３．８Ｒａｄ／Ｔ・ｍであった。また、同波長１．０６４μｍにおいて光学測定を行ったところ、挿入損失０．０３ｄＢ、吸収係数０．０００３ｃｍ^−１、消光比４２ｄＢとなり最も低吸収な値を示した。

次に、実施例１〜４のファラディ回転子について、ファラディ回転角（θｆ）が４５度となる磁束密度の大きさを計算した。
実施例１及び４については、サンプル長（２４．０ｍｍ）とベルデ定数３３．８Ｒａｄ／Ｔ・ｍ値から、ファラディ回転角が４５度になる磁束密度を計算すると、必要とする磁束密度は０．９７［Ｔ］程度であった。
実施例２については、サンプル長（１７．０ｍｍ）とベルデ定数４５．９Ｒａｄ／Ｔ・ｍ値から、ファラディ回転角４５度になる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は１．０１［Ｔ］程度であった。
実施例３については、サンプル長（１４．０ｍｍ）とベルデ定数５３．５Ｒａｄ／Ｔ・ｍ値から、ファラディ回転角４５度になる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は１．０５［Ｔ］程度であった。

昨今のハイパワーパルスレーザの波長帯としては、１０３０ｎｍから１０６４ｎｍが主流となっている。本発明においてもファラディ回転角の波長適用性を考慮すべく評価を行った。なお、ファラディ回転角規格は各々波長でθｆ：４５±３度とした。
実施例１及び実施例４のファラディ回転子（サンプル長２４ｍｍ、外径φ５．０ｍｍ）は、波長１．０３０μｍにおいてθｆ：４５度、１．０６４μｍにおいてθｆ：４２度が得られた。実施例２及び３におけるファラディ回転子（サンプル長１７ｍｍ及び１４ｍｍ、外径φ５．０ｍｍ）は、実施例１と同様にファラディ回転角はそれぞれ波長１．０３０μｍにおいてθｆ：４５度、１．０６４μｍにおいてθｆ：４２度が得られ、いずれも両波長に対応したアイソレータ作製が可能であることがわかった。

（比較例）
比較例として、特許文献１に記載のＴＧＧ（Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）セラミクスを作製し、ベルデ定数及び光学特性を測定した。その結果、ベルデ定数は３８．５Ｒａｄ／Ｔ・ｍであった。また、波長１．０６４μｍにおいて、挿入損失０．０４ｄＢ、吸収係数０．００１５ｃｍ^−１、消光比３７ｄＢであった。したがって、サンプル長２０．０ｍｍとしたとき、ファラディ回転角４５度に要する磁束密度は、１．０２［Ｔ］であった。
上記ファラディ回転子（サンプル長２０ｍｍ、外径φ５．０ｍｍ）および、図４に示す比較例の磁気回路を用いてファラディ回転角を測定したところ、波長１．０３０μｍにおいてθｆ：４７度、１．０６４μｍにおいてθｆ：４４度が得られた。
その後、偏光依存型光アイソレータを作製したところ、光アイソレータは外径φ３６ｍｍ、長さ７６ｍｍとなった。

実施例１及び４で得たファラディ回転子を用いて、偏光依存型光アイソレータを作製した。その結果、光アイソレータは、外径φ３８ｍｍ、長さ８６ｍｍとなり、ファイバーレーザ或いは水冷式固体レーザ等ハイパワーパルスレーザへ搭載できるレベルの大きさとなった。

平均出力１００Ｗを超えるハイパワーパルスレーザにおいては、光学特性、熱レンズ特性等の性能面で搭載可否の判断をされる場合が多い。そのため、実施例１及び４と比較例の性能評価を行った。使用波長は１．０３０μｍ、１００Ｗ−３ｐｓのパルスレーザによるものである。
なお、熱レンズ特性は、アイソレータ有りと無しの場合について実測を行い、透過ビームのビームウェスト位置変化から算出した。

その結果、実施例１においては、透過率９７％、アイソレーション４３ｄＢ、熱レンズ特性２．５０［ｍ］となった。また、実施例４においては、透過率９７％、アイソレーション４３ｄＢ、熱レンズ特性２．８５［ｍ］であった。
一方、比較例においては、透過率９７％、アイソレーション３７ｄＢ、熱レンズ特性１．４５［ｍ］であった。

実施例１−４、比較例の結果を、表１にまとめた。

実施例１、４に係る光アイソレータは、比較例と比べて良好なるアイソレーション特性を得ながら、１．７倍〜２倍の熱レンズ特性を有していることがわかった。

次に、マグネットの磁束密度分布を、マグネット外径寸法をパラメータとした磁場解析のシミュレーションにより求めた。解析手法としては有限要素法（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）を選択した。マグネット材質は、信越化学工業製ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）マグネット、外部筐体８の材質は炭素鋼とした。

図４に、実施例１、４及び比較例１で使用されたファラディ回転子のサンプル長に対する、ファラディ回転角が４５度となる磁束密度の大きさを示した磁場解析のシミュレーション結果を示す。
ここで、横軸Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｚは、光軸（中空マグネットの中空部の中心軸）に沿った位置を示し、０地点は中央中空マグネットと、第１、第２の中空マグネットユニット全体の長さの中心に相当する。
実施例１〜４で用いたマグネット形状は、内径φ５．５ｍｍ、外径φ３４ｍｍ、長さ５０ｍｍであり、実施例１〜４の最大サンプル長である２４．０ｍｍの範囲において、磁束密度は０．０＜Ｂ≦１．７となることがわかる。その結果、式（２）の上限値である２４．０ｍｍを超えると、磁束がマイナスとなりファラディ回転角を減少させることがわかった。これはファラディ効果によるアイソレータ機能を十分に発揮しないサンプル長であることを示しているので、式（２）の上限値２４．０ｍｍの妥当性を確認することができた。
一方、比較例で用いたマグネット形状は、内径φ５．５ｍｍ、外径φ３２ｍｍ、長さ４０ｍｍであり、サンプル長２０．０ｍｍにおいて、磁束密度は０．１≦Ｂ≦１．５５となっているが、サンプル長２２ｍｍ以上で磁束密度がマイナスとなっており、サンプル長２０．０ｍｍが概ね上限の長さとなっていることを確認した。

以上詳述したように、熱レンズ効果低減に寄与する低吸収ファラディ回転子と、それらにファラディ効果を与える磁気回路を具備した、本発明に係る光アイソレータは、１μｍ帯のハイパワーパルスレーザ装置の小型化、安定化及び高性能化に貢献できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…入射偏光子、 ２…偏光子ホルダ、 ３…ファラディ回転子、
４…出射偏光子、 ５…中央中空マグネット、 ６…第１の中空マグネットユニット、
７…第２の中空マグネットユニット、 ８…外部筐体、 ９…光軸、
１００…光アイソレータ。

また、一般的に光アイソレータの機能を有するためには、ファラディ回転角は４５度程度必要となる。具体的には、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戻り光発生を防止するものである。

図２に、本発明に係る光アイソレータ１００の構成例の断面模式図を示す。
図２において、入射偏光子１、ファラディ回転子３、出射偏光子４が、入射側から出射側に向かう光軸９上に順次配置されている。
入射側で入射偏光子１は偏光子ホルダ２に、出射側で出射偏光子４は偏光子ホルダ２に固定されている。
ファラディ回転子３の周囲には、中央中空マグネット５と、中央中空マグネット５を光軸方向に挟むように、入射側の第１の中空マグネットユニット６と、出射側の第２の中空マグネットユニット７とが配置されている。ファラディ回転子３は、中央中空マグネット５の中空部の中心に位置するようにし、中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６及び第２の中空マグネットユニット７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が最大となる位置に固定される。
入射側及び出射側の偏光子ホルダ２、内部にファラディ回転子３が配置された中央中空マグネット５、第１の中空マグネットユニット６、第２の中空マグネットユニット７は、外部筐体８の内部に収納されている。

Claims (6)

1. ３価イオン置換ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）を含むファラディ回転子と、
   前記ファラディ回転子の周囲に配置される、中央中空マグネット、並びに、前記中央中空マグネットを光軸方向に挟んで配置された、第１及び第２の中空マグネットユニットを含む光アイソレータであって、
   前記ファラディ回転子における磁束密度をＢ［Ｔ］、
   前記ファラディ回転子が配置される光路長をＬ［ｍｍ］としたときに、
   ０＜Ｂ （１）
   １４．０≦Ｌ≦２４．０ （２）
   を満たすものであることを特徴とする光アイソレータ。
2. 前記ファラディ回転子が、下記式（３）で表される単結晶、又は、セラミックス材料を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
   （Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_３（Ａｌ_１−ｙＱ_ｙ）_５Ｏ_１２ （３）
   （ここで、ｘ＝０．６〜０．９５、ｙ＝０〜０．４であり、Ｒｅは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム（Ｔｂ）以外のランタノイド元素群から選択された少なくとも１つの元素を含み、Ｑは、スカンジウム、ガリウムから選択された少なくとも１つの元素を含む。）
3. 前記ファラディ回転子は、セラミックス材料であることを特徴とする請求項２に記載の光アイソレータ
4. 前記ファラディ回転子における磁束密度Ｂ［Ｔ］は、
   ０＜Ｂ≦１．７
   を満たすものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
5. 前記ファラディ回転子は、光路長Ｌ≦２４．０ｍｍにおいて、吸収係数０．００１ｃｍ^−１以下、及び、消光比２５ｄＢ以上の光学特性を有するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
6. 前記中央中空マグネット、並びに、前記第１及び第２の中空マグネットユニットは、炭素鋼筐体に搭載されたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光アイソレータ。

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