JP2022019246A - 磁気光学材料及び磁気光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 波長帯０．９μｍ～１．１μｍの光を透過し、ベルデ定数はＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶よりも大きく、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適で透明である磁気光学材料及び磁気光学デバイスを提供する。【解決手段】 本発明の磁気光学材料は、下記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含むセラミックスからなり、上記複合酸化物の結晶構造の空間群はＦｍ－３ｍである。Ｔｂ２ＲＯ５（１）（式中、Ｒはハフニウム及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素である。）本発明の磁気光学デバイスは、上記磁気光学材料をファラデー回転子１１０として備え、ファラデー回転子の光学軸１０２上の前後に偏光子１２０と検光子１３０を備えた波長帯０．９μｍ以上１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータである。【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気光学材料及び磁気光学デバイスに関し、より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な複合酸化物を含む透明セラミックスからなる磁気光学材料、及びこの磁気光学材料を用いた磁気光学デバイスに関する。

近年、高出力化が可能となってきたこともあり、ファイバーレーザーを用いたレーザー加工機の普及が目覚しい。ところで、レーザー加工機に組み込まれるレーザー光源は、外部からの光が入射すると共振状態が不安定化し、発振状態が乱れる現象が起こる。特に発振された光が途中の光学系で反射されて光源に戻ってくると、発振状態は大きく撹乱される。これを防止するために、通常光アイソレータが光源の手前等に設けられる。

光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子とからなる。また、ファラデー回転子は、光の進行方向に平行に磁界を加えて利用する。この時、光の偏波線分はファラデー回転子中を前進しても後進しても一定方向にしか回転しなくなる。更に、ファラデー回転子は光の偏波線分が丁度４５度回転される長さに調整される。ここで偏光子と検光子の偏波面を、前進する光の回転方向に４５度ずらしておくと、前進する光の偏波は、偏光子位置と検光子位置で一致するため透過する。他方、後進する光の偏波は、検光子位置から、４５度ずれている偏光子の偏波面のずれ角方向とは逆回転に４５度回転することになる。すると偏光子位置における戻り光の偏波面は、偏光子の偏波面に対して４５度－（－４５度）＝９０度のずれとなり、偏光子を透過できない。こうして前進する光は透過、出射させ、後進する戻り光は遮断する光アイソレータとして機能する。

光アイソレータを構成するファラデー回転子として用いられる材料では、従来からＴＧＧ結晶（Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）やＴＳＡＧ結晶（（Ｔｂ_{（３－ｘ）}Ｓｃ_ｘ）Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２）が知られている（特開２０１１－２１３５５２号公報（特許文献１）、特開２００２－２９３６９３号公報（特許文献２））。ＴＧＧ結晶のベルデ定数は比較的大きく、４０ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）（即ち、０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））であり、現在標準的なファイバーレーザー装置用として広く搭載されている。ＴＳＡＧ結晶のベルデ定数はＴＧＧ結晶の１．３倍程度あるとされており（即ち、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）程度）、こちらもファイバーレーザー装置に搭載される材料である。ベルデ定数の大きな光アイソレータが得られると、４５度回転するために必要な全長を短くすることができ、光アイソレータの小型化につながり好ましい。

単位長さあたりのベルデ定数が非常に大きな材料として、鉄（Ｆｅ）を含むイットリウム鉄ガーネット（通称：ＹＩＧ）単結晶がある（特開２０００－２６６９４７号公報（特許文献３））。ただし、鉄（Ｆｅ）は波長０．９μｍに大きな光吸収があり、波長０．９～１．１μｍ帯の光アイソレータにはこの光吸収の影響が出る。そのため、このイットリウム鉄ガーネット単結晶を用いた光アイソレータは、高出力化傾向の著しいファイバーレーザー装置での利用は極めて困難となっている。

一方、国際公開第２０１５／０３７６４９号（特許文献４）では、これらの既存材料の代替として、パイロクロア型の結晶構造を主成分として含むテルビウム含有金属酸化物Ｔｂ_２Ｒ_２Ｏ_７（Ｒはシリコン、ゲルマニウム、チタン、タンタル、スズ、ハフニウム及びジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素である（ただし、シリコン、ゲルマニウム及びタンタルについては当該元素単独であることを除く））が、ファラデーローテータとして機能することを開示している。

更に、特開２０１６－１６９１１５号公報（特許文献５）では、テルビウムイオンの濃度を高めたパイロクロア型の結晶構造を主成分として含むテルビウム含有酸化物Ｔｂ_２ｘＲ_{２（２－ｘ）}Ｏ_８－ｘ（１＜ｘ＜１．３、Ｒはシリコン、ゲルマニウム、チタン、タンタル、スズ、ハフニウム及びジルコニウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素である（ただし、シリコン、ゲルマニウム及びタンタルについては当該元素単独であることを除く））が、特許文献４よりも大きなベルデ定数を有するファラデーローテータとして機能することを開示している。

特開２０１１－２１３５５２号公報 特開２００２－２９３６９３号公報 特開２０００－２６６９４７号公報 国際公開第２０１５／０３７６４９号 特開２０１６－１６９１１５号公報

特許文献５に記載されたテルビウム含有酸化物の式において、テルビウムイオンの含有率を高くしてｘ≧１．３とした組成は、ベルデ定数をＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶よりも高くできることが期待されるものの、混晶となりやすく、透過率が低下するという問題がある。

そこで本発明は、上記事情に鑑み、波長帯０．９μｍ～１．１μｍの光を透過し、ベルデ定数はＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶よりも大きく、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適で透明である磁気光学材料及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、その一態様として、下記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含むセラミックスからなる磁気光学材料であって、上記複合酸化物の結晶構造の空間群がＦｍ－３ｍであるものである。
Ｔｂ_２ＲＯ_５ （１）
（式中、Ｒはハフニウム（Ｈｆ）及びジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素である。）

上記磁気光学材料は、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であってよい。

上記磁気光学材料は、光路長１ｃｍ当たりの波長１０６４ｎｍの光の直線透過率が９５％以上であってよい。

また、本発明は、別の態様として、磁気光学デバイスであって、上記磁気光学材料を用いて構成されるものである。

上記磁気光学デバイスは、上記磁気光学材料をファラデー回転子として備え、上記ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えてよく、波長帯０．９μｍ以上１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータであってよい。

上記ファラデー回転子は、その光学面に反射防止膜を備えてもよい。

特許文献５で記載するテルビウム含有酸化物の式において、更にテルビウムイオンの含有量を多くしてＴｂ_２ＲＯ_５としても（即ち、ｘ＝１．３３に相当）、Ｒをハフニウム及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素とすることで、立方晶である蛍石型構造に帰属される結晶相（空間群はＦｍ－３ｍ）が存在し、透光性に優れたセラミックスが得られることが見出された。よって、本発明によれば、波長帯０．９μｍ～１．１μｍのファイバーレーザー装置に搭載してもビーム品質を劣化させることなく、ベルデ定数が大きく、小型化が可能で、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適で透明な磁気光学材料を提供することができる。

本発明に係る磁気光学材料をファラデー回転子として用いた光アイソレータの構成例を模式的に示す断面図である。 実施例１－１のセラミックス焼結体（Ｔｂ_２ＨｆＯ_５）のＸ線回折パターンの実験値と計算値を示すグラフである。

［１．磁気光学材料］
先ず、本発明に係る磁気光学材料の一実施形態について説明する。本発明に係る磁気光学材料は、下記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含むセラミックスからなり、この複合酸化物の結晶構造の空間群はＦｍ－３ｍである。
Ｔｂ_２ＲＯ_５ （１）
（式中、Ｒはハフニウム（Ｈｆ）及びジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素である。）

テルビウム（Ｔｂ）イオンは、大きなベルデ定数をもつイオンであり、且つ波長１１．０６μｍにおいて透明（光路長１ｍｍにおける光の直線透過率が８０％以上）であるため、この波長域の光アイソレータに使用するには最も適した元素である。ただし、この透明性を活かすためにはテルビウムが金属結合状態であってはならず、安定な化合物状態に仕上げる必要がある。

ここで、安定な化合物を形成する最も典型的な形態として金属酸化物が挙げられる。その中でも立方晶の金属酸化物焼結体は異方性散乱のない高度に透明な化合物が得られる。純粋な酸化テルビウム（ＩＩＩ）はＣ型希土類構造をとるが、４価の金属イオンを含む金属酸化物を添加することで、酸化物イオンが欠損した蛍石（以下、欠陥蛍石という）型構造をもつ複合酸化物が得られる。欠陥蛍石型構造をとるための４価の金属イオンは、上記式（１）に示すように、ハフニウム（Ｈｆ）イオン、ジルコニウム（Ｚｒ）イオンが好適である。ハフニウムイオンとジルコニウムイオンはそれぞれ単独で配合してもよく、ハフニウムイオンとジルコニウムイオンを任意の割合で組み合わせて配合してもよい。組み合わせる場合、例えば、Ｈｆ：Ｚｒのモル比をｘ：１００－ｘとした場合、ｘは１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０のいずれかの値以上としてよく、また、ｘは１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０のいずれかの値以下としてよい。

本発明に係る磁気光学材料は、このように大きなベルデ定数を有するテルビウムにハフニウム、ジルコニウムを組み合わせて欠陥蛍石型構造を有する複合酸化物を主成分として含むことで、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数を０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上とし得るものである。

また、本発明に係る磁気光学材料は、光路長１０ｍｍ当たりの波長１０６４ｎｍでの光透過における直線透過率を９５％以上にし得るものである。なお、本発明において、「直線透過率」とは、測定光路中にサンプルを置かずにブランク（空間）状態で測定した光強度を１００％とし、測定光路中に反射防止膜を成膜した磁気光学材料を置いた状態で測定した透過光強度の割合を意味する。

上記式（１）で表される複合酸化物は、欠陥蛍石型構造を有する立方晶が主相となったものが好ましく、欠陥蛍石型構造のみからなるものがより好ましい。なお、「主相となった」とは、結晶構造として欠陥蛍石型構造が全体の９０体積％以上、好ましくは９５体積％以上を占めることをいう。

上記式（１）は、テルビウムとＲ（Ｒはハフニウム及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素）とを含むもので構成されているが、更にその他の元素を含有する複合酸化物であってもよい。その他の元素としては、希土類元素であれば、ランタン（Ｌａ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）が例示でき、様々な不純物群として、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等が典型的に例示できる。

その他の元素の含有量は、テルビウムの全量を１００質量部としたとき、１０質量部以下であることが好ましく、１質量部以下であることがより好ましく、０．１質量部以下であることが更に好ましく、０．００１質量部以下であることが特に好ましい。

本発明の磁気光学材料は、上記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含有するものであり、よって、上記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として意図的に又は不可避的に含有していてもよい。

本明細書において「主成分として含有する」とは、磁気光学材料中に上記式（１）で表される複合酸化物を５０質量％以上含有することを意味する。上記式（１）で表される複合酸化物の含有量は８０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましく、９９質量％以上であることが更に好ましく、９９．９質量％以上であることが特に好ましい。

その他の副成分（主成分以外の成分）としては、一般的な例示として、発光を目的としたセリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の賦活剤や、セラミックス製造の際に焼結を安定化させたり、促進または抑制させたりする目的で添加される焼結助剤（例えば、シリコン（Ｓｉ）の酸化物やマグネシウム（Ｍｇ）の酸化物、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物、イットリウム（Ｙ）の酸化物）などがある。

上記式（１）で表される複合酸化物の結晶構造は、上述した通り、欠陥蛍石型構造であり、その空間群はＦｍ－３ｍであるが、実際にこの複合酸化物の結晶を得るには、融点が２０００℃を超えると見積もられるため、融液からの単結晶育成法では極めて困難である。よって、上記式（１）で表される複合酸化物はセラミックス製造法により得ることが好ましい。また、実際に得られる結晶が透光性を発現するためには、所定の結晶構造を有するとともに、セラミックス内部の気泡や異相などの散乱源を十分に取り除く必要もある。セラミックス製造法により透明セラミックスとして上記式（１）で表される複合酸化物を含む磁気光学材料の製造方法の一例を次に示す。

［２．磁気光学材料の製造方法］
本発明に係る磁気光学材料の製造方法は、その一実施形態として、原料粉末を所定形状に成形する工程と、成形体を脱脂する工程と、脱脂した成形体を焼結する工程とを含む。これにより、相対密度が最低でも９５％以上に級密化した焼結体を得る。また、本製造方法は、必要により、焼結体を熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）処理する工程を更に含んでもよい。原料粉末および各工程について、以下に説明する。

［原料粉末］
原料粉末を調製するために用いる原材料としては、本発明の磁気光学材料の構成元素であるテルビウム及びＲ（Ｒはハフニウム及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素）のそれぞれの金属粉末、酸化物粉末、又は硝酸、硫酸もしくは尿酸等の水溶液などが好適に利用できる。なお、原材料の純度は９９．９質量％以上が好ましい。

これら原材料を用いてテルビウム及びＲをそれぞれ所定量秤量し、混合して、混合物を焼成することで、所望の構成の立方晶欠損蛍石型酸化物の焼成原料を得ることができる。このときの焼成温度は、１１００℃以上が好ましく、１３００℃以上がより好ましい。なお、焼成温度の上限は、この後に行われる焼結温度よりも低い温度が好ましい。そして、得られた焼成原料を粉砕して原料粉末とする。

原料粉末の形状については特に限定されず、例えば、角状、球状、板状の粉末が好適に利用できるし、二次凝集している粉末であっても好適に利用でき、例えば、スプレードライ処理等の造粒処理によって造粒された顆粒状であっても好適に利用できる。顆粒状原料粉末の平均粒径は、例えば、５００μｍ以下にすることが好ましく、１００μｍ以下にすることがより好ましく、５０μｍ以下にすることが更に好ましい。原料粉末の調製については上記に特に限定されず、例えば、共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、錯体重合法その他あらゆる合成方法で作製された原料粉末が好適に利用できる。また、得られた原料粉末を適宜、湿式ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。更に、上記のように焼成原料を粉砕して原料粉末としてもよいし、先に粉末状にしてから焼成して原料粉末を得てもよい。

本発明で用いる欠損蛍石型酸化物の原料粉末には、適宜、上述した賦活剤や、焼結助剤を添加してもよい。特に高い透明性を得るためには、当該酸化物に見合った焼結助剤を添加することが好ましい。賦活剤、焼結助剤の純度はいずれも９９．９質量％以上が好ましい。なお、焼結助剤を添加しない場合には、使用する原料粉末についてその一次粒子の粒径がナノオーダーのサイズのものや、形状が球形または立方体に近いものを選定するとよい。粒径が細かく、異方性が小さい粒子であれば、焼結性がよく、成形密度が高くなるため、透光性の高い複合酸化物が得られやすくなるため好ましい。一次粒子の平均粒径は、例えば、１０００ｎｍ以下にすることが好ましく、５００ｎｍ以下にすることがより好ましい。

更に、製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。すなわち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。

［成形工程］
本発明の製造方法においては、セラミックス製造における通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、原料粉末を型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や、変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧する冷間静水圧プレス（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ。以下、ＣＩＰと略す）工程が利用できる。なお、印加圧力は、得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のＣＩＰ装置で対応可能な３００ＭＰａ以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。

あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や、放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。更に、プレス成形法ではなく、鋳込み成形法による成形体の作製も可能である。加圧鋳込み成形や、遠心鋳込み成形、押出し成形等の成形法も、出発原料である酸化物粉末の形状やサイズと各種の有機添加剤との組合せを最適化することで採用可能である。

［脱脂工程］
本発明の製造方法においては、セラミックス製造における通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解消去できる温度まで昇温することが好ましい。

［焼結工程］
本発明の製造方法においては、セラミックス製造における一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されないが、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス等が好適に利用できる。また、減圧下（真空中）で焼結してもよい。

焼結工程における焼結温度は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には選択された出発原料を用いて、製造しようとするテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物焼結体の融点よりも数十℃から１００℃乃至は２００℃程度、低温側の温度が好適に選定される。また、選定される温度の近傍に立方晶以外の相に相変化する温度帯が存在するテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物焼結体を製造しようとする際には、厳密にその温度帯を外した条件となるよう管理して焼結すると、立方晶以外の相の混入を抑制でき、複屈折性の散乱を低減できるメリットがある。

焼結工程における焼結保持時間は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には数時間程度で十分な場合が多い。ただし、テルビウム含有欠陥蛍石型酸化物焼結体の相対密度は最低でも９５％以上に緻密化されていなければならない。

［熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）処理工程］
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で、熱間等方圧プレス（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ。以下、ＨＩＰと略す）処理を行う工程を設けてもよい。なお、このときの加圧ガス媒体の種類としては、アルゴン、窒素等の不活性ガスが好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、５０～３００ＭＰａが好ましく、１００～３００ＭＰａがより好ましい。圧力５０ＭＰａ未満では透明性の改善効果が得られない場合がある。また、３００ＭＰａ超に圧力を増加させても、それ以上の透明性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は、市販のＨＩＰ装置で処理できる１９６ＭＰａ以下であると簡便で好ましい。

ＨＩＰの処理温度（保持温度）は、材料の種類及び／又は焼結状態により適宜設定すればよく、例えば１０００～２０００℃、好ましくは１３００～１８００℃の範囲で設定される。このとき、焼結工程の場合と同様に、焼結体を構成するテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物の融点以下及び／又は相転移点以下とすることが必須であり、熱処理温度が２０００℃超では本発明で想定しているテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物焼結体が融点を超えてしまい、適正なＨＩＰ処理を行うことが困難となる。また、処理温度が１０００℃未満では、焼結体の透明性の改善効果が得られない。なお、ＨＩＰ処理の保持時間については特に制限されないが、焼結体を構成するテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物の特性を見極めながら適宜調整するとよい。

ＨＩＰ処理に用いるヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、ヒーター材としては、例えば、グラファイト、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）が好適に利用できる。

なお、テルビウムを含む金属酸化物は、テルビウム４価イオンが存在することによる茶色を呈することがしばしばある。このような茶色着色は還元雰囲気、例えば水素下で、アニーリングすることで無色にすることができる。このようなアニーリングによる色調整は適宜なされてよい。

［光学研磨］
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経たテルビウム含有欠陥蛍石型酸化物焼結体（即ち、透明セラミックス）について、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は、測定波長λ＝６３３ｎｍの場合、λ／８以下が好ましく、λ／１０以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜、反射防止膜を成膜することで光学損失をさらに低減させることも可能である。

以上の製造方法によって、欠陥蛍石型構造を有し、空間群がＦｍ－３ｍである上記式（１）で表される複合酸化物の結晶が得られ、且つ内部の気泡や異相などの散乱源がなく緻密であることから、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上の光学磁気材料を得ることができる。このような磁気光学材料は、磁気光学デバイス用途に好適である。

［３．磁気光学デバイス］
次に、本発明に係る磁気光学デバイスの一実施形態について説明する。本発明に係る磁気光学デバイスは、上記の磁気光学材料を用いて構成されるものであり、特に波長０．９～１．１μｍの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。

図１は、本発明の磁気光学材料からなるファラデー回転子を光学素子として備える磁気光学デバイスである光アイソレータの一例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、光アイソレータ１００は、その筐体１０２の内部に、上記の磁気光学材料からなるファラデー回転子１１０と、偏光材料からなる偏光子１２０及び検光子１３０とを備える。これらは、ファラデー回転子の光学軸１０４に沿って、偏光子１２０、ファラデー回転子１１０、検光子１３０の順序で配置されている。偏光子１２０の偏光振動面と検光子１３０の偏光振動面は、相対角度が４５°になるよう配置される。また、光アイソレータ１００は、筐体１０２内のファラデー回転子１１０の周囲に、ファラデー回転子１１０に磁界を印加するための磁石１４０を備える。

このような光アイソレータ１００は産業用ファイバーレーザー装置（図示省略）に好適に利用できる。レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを光アイソレータによって防止することができる。

以下に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

上記式（１）で表される複合酸化物において、Ｒがハフニウム１００％、ハフニウム対ジルコニウムのモル比が８０対２０、５０対５０、２０対８０、ジルコニウム１００％とした磁気光学材料（実施例１－１から１－５）について説明する。

［磁気光学材料のサンプルの作製］
信越化学工業（株）製の酸化テルビウム粉末、中国製の酸化ハフニウム粉末、及び第一稀元素化学工業（株）製の酸化ジルコニウム粉末を入手した。純度はいずれも９９．９質量％以上であった。上記原料を用いて、表１のような最終組成となる混合比率の計５種類の混合酸化物原料を作製した。即ち、テルビウムのモル数と、ハフニウム、ジルコニウムのモル数比とがＴｂ：Ｈｆ：Ｚｒ＝２．０：１．０：０、２．０：０．８：０．２、２．０：０．５：０．５、２．０：０．２：０．８および２．０：０：１．０となるように秤量した混合粉末をそれぞれ用意した。続いて、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらエタノール中でジルコニア製ボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は２４時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が２０μｍの顆粒状原料を作製した。

続いて、これらの顆粒状原料をイリジウムるつぼに入れ、高温マッフル炉にて１３００℃にて保持時間３時間で焼成処理し、それぞれの組成での焼成原料を得た。

こうして得られた焼成原料につき、それぞれ一軸プレス成形、１９８ＭＰａの圧力での冷間静水圧プレス処理を施してＣＩＰ成形体を得た。得られたＣＩＰ成形体をマッフル炉中で１０００℃、２時間の条件にて脱脂処理した。続いて、この脱脂した成形体を真空加熱炉に仕込み、２．０×１０^－３Ｐａ以下の減圧下、１５８０℃±２０℃で３時間処理して計５種の焼結体を得た。このとき、すべてのサンプルの焼結相対密度が９５％以上になるように焼結温度を微調整した。

そして、得られた各焼結体をカーボンヒーター製ＨＩＰ炉に仕込み、Ａｒ中、２００ＭＰａ、１６５０℃、３時間の条件でＨＩＰ処理した。

こうして得られたセラミックス焼成体を、（株）リガク製粉末Ｘ線回折装置（Ｓｍａｒｔ Ｌａｂ）を用いてＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ法によりＸ線回折パターンを測定した。また、Ｘ線回折パターンから空間群を決定した。一例として、実施例１－１のセラミックス焼結体（Ｔｂ_２ＨｆＯ_５）のＸ線回折パターンの実験値、及び空間群Ｆｍ－３ｍ、格子定数ａ＝５．２７Åとした場合のＸ線回折パターンの計算値を図２に示す。

各セラミックス焼結体を、直径５ｍｍ、長さ１ｃｍになるように研削及び研磨処理し、次いで、それぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ／８（測定波長λ＝６３３ｎｍの場合）で最終光学研磨した。

上記光学研磨したサンプルについて中心波長が１０６４ｎｍとなるように設計された反射防止膜をコートした。ここで得られたサンプルの光学外観をチェックした。その結果を表１に示す。

［直線透過率の測定］
直線透過率は、ＮＫＴ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製の光源、並びにＧｅｎｔｅｃ社製のパワーメータ及びＧｅフォトデイテクタを用いて内製した光学系を用いて、波長１０６４ｎｍの光を、ビーム径を１～３ｍｍφでの大きさで透過させたときの光の強度により測定し、以下の式に基づき、ＪＩＳ Ｋ７３６１及びＪＩＳ Ｋ７１３６に準拠して求めた。その結果を表１に示す。
直線透過率（％／ｃｍ）＝Ｉ／Ｉ_０×１００
（式中、Ｉは透過光強度（長さ１ｃｍの試料を直線透過した光の強度）、Ｉ_０は入射光強度を示す。）

［直線透過率の測定］
図１に示す光アイソレータにおいて、外径３２ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ４０ｍｍのネオジム－鉄－ボロン磁石の中心に、得られた各セラミックスサンプルをファラデー回転子として挿入し、その両端に偏光子、検光子として偏光素子をセットし、ＩＰＧフォトニクスジャパン（株）製ハイパワーレーザー（ビーム径１．６ｍｍ）を用いて、両端面から、波長１０６４ｎｍのハイパワーレーザー光線を入射して、ベルデ定数を測定した。

ベルデ定数Ｖは、以下の式に基づいて求めた。なお、サンプルに印加される磁界の大きさ（Ｈ）は、上記測定系の寸法、残留磁束密度（Ｂｒ）及び保持力（Ｈｃ）からシミュレーションにより算出した値を用いた。その結果を表１に示す。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
（式中、θはファラデー回転角（ｍｉｎ）、Ｖはベルデ定数、Ｈは磁界の大きさ（Ｏｅ）、Ｌはファラデー回転子の長さ（この場合、１ｃｍ）である。）

なお、比較のため、参考例１－１から１－３の直線透過率およびベルデ定数を表１に併記した。参考例１－１のＴｂ_１．８６ＨｆＯ_４．７９は特開２０１６－１６９１１５号公報（特許文献５）を参照した。また、参考例１－２のＴＧＧ結晶（Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）及び参考例１－３のＴＳＡＧ結晶（（Ｔｂ_{（１－ｘ）}Ｓｃ_ｘ）Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２）は特開２０１１－２１３５５２号公報（特許文献１）を参照した文献値である。

表１に示すように、実施例１－１から１－５ではいずれも透明なセラミックスが得られた。参考例１－１は混晶であり、試料長さ１ｃｍにおける直線透過率は２５％であったのに対し、実施例１－１から１－５では、いずれのＸ線回析パターンも空間群Ｆｍ－３ｍに帰属されるパターンであり、異相ピークは観測されなかった。また、実施例１－１から１－５の試料長さ１ｃｍにおける直線透過率は９５％以上であった。更に、参考例１－２であるＴＧＧ結晶および参考例１－３であるＴＳＡＧ結晶のベルデ定数はそれぞれ０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）および０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であるのに対し、実施例１－１から１－５のベルデ定数は０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上だった。即ち、本実施例によれば、ＴＧＧ結晶やＴＳＡＧ結晶よりもベルデ定数が大きい磁気光学材料を作製できることが確認された。

なお、これまで本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１００ 光アイソレータ
１０２ 筐体
１０４ 光学軸
１１０ ファラデー回転子
１２０ 偏光子
１３０ 検光子
１４０ 磁石

Claims (6)

1. 下記式（１）で表される複合酸化物を主成分として含むセラミックスからなる磁気光学材料であって、上記複合酸化物の結晶構造の空間群がＦｍ－３ｍである磁気光学材料。
   Ｔｂ_２ＲＯ_５ （１）
   （式中、Ｒはハフニウム及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素である。）
2. 波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である請求項１記載の磁気光学材料。
3. 光路長１ｃｍ当たりの波長１０６４ｎｍの光の直線透過率が９５％以上である請求項１又は２記載の磁気光学材料。
4. 請求項１～３のいずれか１項記載の磁気光学材料を用いて構成される磁気光学デバイス。
5. 上記磁気光学材料をファラデー回転子として備え、上記ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えた波長帯０．９μｍ以上１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータである請求項４記載の磁気光学デバイス。
6. 上記ファラデー回転子は、その光学面に反射防止膜を備える請求項５記載の磁気光学デバイス。

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