JP2023165693A - Faraday magneto-optical isolator based on terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal - Google Patents

Faraday magneto-optical isolator based on terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal Download PDF

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秀偉 付
Xiuwei Fu
志泰 賈
Zhitai Jia
緒堂 陶
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Abstract

SOLUTION: To provide a Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal including a first polarizing plate, a Faraday rotator including a magnetic coil and a magneto-optical crystal provided in the magnetic coil, and a second polarizing plate provided in order along an optical path, the magneto-optical crystal being a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal having a crystal molecular formula of Tb3AlxGa5-xO12(1.75≤x<5).EFFECT: A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal of the present invention can greatly reduces a thermal demagnetization effect and effectively improve a situation where application performance deteriorates under high output, and has a high application potential in terms of miniaturization of the device. The isolator is inexpensive in terms of cost and extremely commercially advantageous.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、テルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータに関し、光学結晶デバイスの分野に関する。 The present invention relates to a Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal, and relates to the field of optical crystal devices.

近年、光通信技術（５Ｇ通信、光ファイバ通信等）は、高速化、高精度化、大容量化に向けて急速に発展しており、高出力レーザーは、軍事産業などの分野における発展の必要により、レーザー出力も高まっている。ファラデー光磁気アイソレータは、レーザーシステムの基本素子として、反射光を効果的に分離してフロントエンドシステムを保護し、レーザー光の一方向伝送を確保し、光路の安定性を向上させる。ファラデー光磁気アイソレータは、非可逆受動デバイスであり、光ダイオードとも呼ばれ、主に光磁気材料のファラデー効果を利用して、光の一方向伝送のみを可能にするものであり、レーザーシステムにおける光の一方向伝送を確保でき、反射光による不安定な振動を低減し、増幅器システムにおける寄生振動或いはレーザーダイオードにおける周波数の不安定を防止することができる。したがって、光アイソレータは、光源と他の光学部材との間に配置されて使用されることが多い。 In recent years, optical communication technology (5G communication, optical fiber communication, etc.) has been rapidly developing toward higher speed, higher precision, and larger capacity, and high-power lasers are a necessity for development in fields such as military industry. As a result, laser output has also increased. Faraday magneto-optical isolator, as the basic element of the laser system, can effectively separate the reflected light to protect the front-end system, ensure the unidirectional transmission of laser light, and improve the stability of the optical path. A Faraday magneto-optical isolator is a non-reciprocal passive device, also called a photodiode, which mainly utilizes the Faraday effect of magneto-optical materials to enable only one-way transmission of light, and is used to transmit light in a laser system. One-way transmission can be ensured, unstable vibrations caused by reflected light can be reduced, and parasitic vibrations in the amplifier system or frequency instability in the laser diode can be prevented. Therefore, optical isolators are often used by being placed between a light source and other optical members.

光アイソレータは、一般に、入射光側に位置する偏光子と、光磁気材料（例えばガラス、セラミック、結晶材料）と、磁石或いはコイルからなるファラデー回転子と、出射光側に位置する検光子とからなる。入射光方向に平行な磁界を印加し、光が光磁気材料を通過する際に、その偏光方向が偏向される。光磁気材料の特性に応じて、ファラデー回転子を光の偏向角が４５°になるように調整し、その後偏光子及び検光子の位置を調整することができ、光が順方向から入射する場合、光は検光子を正常に通過することができる。光の偏光方向が入射光の方向と無関係であるため、光が逆方向から入射する場合、光はファラデー回転子を透過した後、その偏光面は偏光子の偏光方向と９０°をなし、即ち光は偏光子を通過できず、逆方向分離の効果を奏した。 An optical isolator generally consists of a polarizer located on the incident light side, a magneto-optical material (e.g. glass, ceramic, crystal material), a Faraday rotator made of a magnet or a coil, and an analyzer located on the output light side. Become. A magnetic field parallel to the direction of the incident light is applied, and as the light passes through the magneto-optical material, its polarization direction is deflected. According to the characteristics of the magneto-optical material, the Faraday rotator can be adjusted so that the light deflection angle is 45°, and then the positions of the polarizer and analyzer can be adjusted, and if the light is incident from the forward direction. , the light can pass through the analyzer normally. Since the polarization direction of light is independent of the direction of incident light, when light is incident from the opposite direction, after passing through the Faraday rotator, its polarization plane makes 90° with the polarization direction of the polarizer, i.e. The light could not pass through the polarizer and had the effect of reverse separation.

光アイソレータの性能は、根本的に、光アイソレータの最も重要な部分としての光磁気材料により決定される。光磁気結晶は、光磁気ガラス及び光磁気セラミックに比べ、その高いベルデ定数、高い透過率、高い熱的性能、高いレーザー損傷閾値、低い温度係数のために、非常に広く商業的に適用され、高出力の適用の点においても非常に大きな利点を有する。レーザー出力が向上し続けるのに伴い、アイソレータの高出力下での使用性能が劣化しやすく、高出力下での使用に適する光アイソレータをマッチングする必要がある。デバイスの性能劣化の根本的な原因は、材料の熱吸収による熱消磁効果のせいで分離度が低下することであり、デバイス口径を大きくし、材料の長さを小さくし、材料熱的性能を向上させることにより、材料の熱消磁効果を効果的に低減することができる。立方晶系に属する光磁気結晶は、光学性能や熱的性能がよく、さらに、対称性が高く、温度係数が小さく、構造の安定性がよいという特徴を有し、そのため、光磁気アイソレータに広く適用されている。Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２（ＴＧＧ）及びＴｂ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２（ＴＳＡＧ）は、４００～１１００ｎｍ（４７０～５００ｎｍを含まない）波長範囲内で、現在のどころ商業価値が最も大きく、適用が最も広い光磁気結晶である。しかし、ＴＧＧ結晶には、成長過程において、Ｇａ２Ｏ３が揮発しやすい問題及び螺旋成長が発生しやすい問題等が依然として存在する。ＴＳＡＧ結晶はＴＧＧに比べ、ベルデ定数が約２０％高く（ファラデー回転角θ＝ＶＨＬであり、ベルデ定数Ｖが大きいほど、同じ回転角の取得に必要な材料の長さが小さくなる）、吸収係数が約３０％低く、熱的性質もＴＧＧよりも優れているため、高出力光アイソレータを製造するのに理想的な材料であるが、ＴＳＡＧ結晶は、成長及び加工中に割れやすく、且つＳｃ元素が高価であるため、ＴＳＡＧ結晶の適用が制限されている。ＴＡＧ結晶は、性能が最も優れているものであるが、不均一な溶融の特性を有するため、汎用の溶融法（例えば引き上げ法、エッジ定義膜フィード成長法、ブリッジマン法等）を使用して適用レベルサイズの単結晶に成長させることが難しく、大規模生産が不可能であるため、今のどころは、使用価値がない。ＣＮ１０２４８５９７５Ａはテルビウムドープガーネット（ＴＧＧ）磁気光学結晶の引き上げ成長方法を開示し、アルミニウム添加ＴＧＧ（Tb3Ga5-xAlxO12，ｘ＝０～０．５）、鉄添加ＴＧＧ（Tb3Ga5-xFexO12，ｘ＝０～０．５）またはアルミニウムと鉄添加ＴＧＧ（Tb3Ga5-x-yAlxFeyO12，ｘ＋ｙ＝０～０．５）磁気光学結晶を成長させ、結晶のサイズがＴＡＧ結晶より数倍高い。また、国内の福州大学はＴＡＧＧ単結晶におけるアルミニウム含有量をさらに高めたが、置換比率が３４．２％にすぎない場合、結晶の内部に欠陥が多く、結晶の品質が理想的ではない（W. Zhang, F. Guo, J. Chen, Journal of Crystal Growth, 306, 2007, 195-199）。総じて言えば、ＴＡＧＧ結晶は優れた磁気光学特性を持っているが、現在報道されているＴＡＧＧ結晶におけるアルミニウム含有量が比較的に低く（＜３５％）、成分におけるアルミニウム含有量がさらに増加すると、結晶成長が非常に難しく、現在、高純度アルミニウムＴＡＧＧ単結晶（アルミニウム含有量は35%より高い）に関わる報道はまだない。 The performance of an optical isolator is fundamentally determined by the magneto-optical material as the most important part of the optical isolator. Magneto-optical crystals are very widely applied commercially due to their high Verdet constant, high transmittance, high thermal performance, high laser damage threshold, and low temperature coefficient compared to magneto-optical glasses and magneto-optical ceramics. It also has great advantages in high power applications. As laser power continues to improve, the performance of isolators under high power conditions tends to deteriorate, and it is necessary to match optical isolators suitable for use under high power conditions. The fundamental cause of device performance degradation is the reduction in separation due to the thermal demagnetization effect due to heat absorption in the material. By improving the thermal demagnetization effect of the material, it is possible to effectively reduce the thermal demagnetization effect of the material. Magneto-optical crystals belonging to the cubic system have good optical and thermal performance, and are also characterized by high symmetry, a small temperature coefficient, and good structural stability.Therefore, they are widely used in magneto-optical isolators. Applied. Tb 3 Ga 5 O 12 (TGG) and Tb 3 Sc 2 Al 3 O 12 (TSAG) currently have the greatest commercial value and application in the 400-1100 nm (excluding 470-500 nm) wavelength range. It is the widest magneto-optical crystal. However, TGG crystals still have problems such as easy volatilization of Ga 2 O 3 and easy occurrence of spiral growth during the growth process. TSAG crystal has a Verdet constant approximately 20% higher than TGG (Faraday rotation angle θ = VHL, the larger the Verdet constant V, the smaller the length of material required to obtain the same rotation angle), and the absorption coefficient TSAG crystals are about 30% lower and have better thermal properties than TGG, making them an ideal material for manufacturing high-power optical isolators. The high cost of TSAG crystals limits the application of TSAG crystals. TAG crystals have the best performance, but because they have non-uniform melting characteristics, they cannot be melted using general-purpose melting methods (e.g., pulling method, edge-defined film feed growth method, Bridgman method, etc.). It is difficult to grow into a single crystal of an applicable size, and large-scale production is impossible, so it is currently of no use. CN102485975A discloses a method for pulling and growing terbium-doped garnet (TGG) magneto-optic crystals, including aluminum-doped TGG (Tb 3 Ga 5-x Al x O 12 , x = 0 to 0.5), iron-doped TGG (Tb 3 Ga 5-x Fe x O 12 , x = 0 to 0.5) or aluminum and iron-added TGG (Tb 3 Ga 5-xy Al x Fe y O 12 , x + y = 0 to 0.5) magneto-optic crystals were grown. , the crystal size is several times higher than the TAG crystal. In addition, Fuzhou University in Japan has further increased the aluminum content in TAGG single crystals, but when the substitution ratio is only 34.2%, there are many defects inside the crystal, and the quality of the crystal is not ideal (W Zhang, F. Guo, J. Chen, Journal of Crystal Growth, 306, 2007, 195-199). Overall, TAGG crystals have excellent magneto-optical properties, but the aluminum content in the currently reported TAGG crystals is relatively low (<35%), and if the aluminum content in the components is further increased, Crystal growth is very difficult, and currently there are no reports regarding high-purity aluminum TAGG single crystals (aluminum content higher than 35%).

したがって、大きいベルデ定数を有し、材料の長さを短くすることができ、よい熱的性質及び低い吸収係数、良好な成長特性、低い製造コストを有する光磁気結晶を探し出すのが急務となっている。当該結晶をファラデー回転子に製造すると、デバイスの小型化及び高出力適用のニーズを満たすことができ、優れた性能を持つファラデー光磁気アイソレータを得ることができる。 Therefore, there is an urgent need to find magneto-optical crystals with large Verdet constants, which can shorten the material length, have good thermal properties and low absorption coefficients, good growth characteristics, and low manufacturing costs. There is. When the crystal is manufactured into a Faraday rotator, it is possible to meet the needs for device miniaturization and high-power applications, and to obtain a Faraday magneto-optical isolator with excellent performance.

そのため、本発明を提供する。 Therefore, the present invention is provided.

本発明は、従来技術における欠点に対して、４００～１１００ｎｍ（４７０～５００ｎｍを含まない）波長帯域は、優れた光磁気性能、熱学性能、光学性能を有するテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータを提供する。そして、光磁気結晶は、生産コストが低く、成長難易度が小さく、それにより製造されるファラデー回転子により、アイソレータのサイズを効果的に小さくし、熱消磁効果が低下し、デバイスの分離度を高め、光磁気アイソレータの小型化及び高出力用途のニーズを満たすことができる。 The present invention overcomes the shortcomings in the conventional technology by providing a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical device which has excellent opto-magnetic performance, thermal performance and optical performance in the 400-1100 nm (excluding 470-500 nm) wavelength band. A crystal-based Faraday magneto-optical isolator is provided. And the magneto-optical crystal has low production cost and low growth difficulty, and the Faraday rotator produced by it can effectively reduce the size of the isolator, reduce the thermal demagnetization effect, and improve the isolation degree of the device. It can meet the needs of miniaturization and high power applications of magneto-optical isolators.

本発明の技術的解決手段は、下記のとおりである。 The technical solutions of the present invention are as follows.

テルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータであって、
光路に沿って順番に設けられた第１の偏光板と、磁気コイル及び磁気コイル中に設けられた光磁気結晶を含むファラデー回転子と、第２の偏光板とを含み、前記光磁気結晶は、結晶分子式がＴｂ３ＡｌｘＧａ５－ｘＯ１２（１．７５≦ｘ＜５）であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶である。 A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal, comprising:
The magneto-optical crystal includes a first polarizing plate provided in order along the optical path, a Faraday rotator including a magnetic coil and a magneto-optical crystal provided in the magnetic coil, and a second polarizing plate, and the magneto-optical crystal is , is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 (1.75≦x<5).

本発明によれば、好ましくは、前記光磁気結晶は、４７０～５００ｎｍを含まない４００～１１００ｎｍ波長帯域範囲内で透過率が８０％以上である。 According to the present invention, preferably, the magneto-optical crystal has a transmittance of 80% or more within a wavelength band range of 400 to 1100 nm excluding 470 to 500 nm.

本発明によれば、好ましくは、結晶分子式がＴｂ３ＡｌｘＧａ５－ｘＯ１２（３≦ｘ＜５）であり、ＴＡＧＧと略称される。当該結晶は、立方晶系に属し、空間群はＩａ－３ｄ（２３０）である。 According to the invention, preferably the crystalline molecular formula is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 (3≦x<5), abbreviated as TAGG. The crystal belongs to the cubic crystal system, and the space group is Ia-3d (230).

本発明によれば、好ましくは、前記光磁気結晶の光路方向の表面には、反射防止膜が設けられている。 According to the present invention, preferably, an antireflection film is provided on the surface of the magneto-optical crystal in the optical path direction.

本発明によれば、好ましくは、前記光磁気結晶は、＜１１１＞方向の結晶である。 According to the present invention, preferably the magneto-optical crystal is a <111>-oriented crystal.

本発明によれば、好ましくは、前記光磁気結晶の熱膨張係数は、８．４８×１０－６／Ｋより小さい。 According to the invention, preferably the coefficient of thermal expansion of the magneto-optical crystal is smaller than 8.48×10 −6 /K.

本発明によれば、好ましくは、前記ファラデー回転子の外形は、円筒形或いは直方体である。 According to the present invention, preferably, the outer shape of the Faraday rotator is cylindrical or rectangular.

本発明によれば、好ましくは、前記ファラデー回転子のファラデー偏向角は、３０°～６０°であり、最も好ましくは４５°である。 According to the invention, preferably the Faraday deflection angle of said Faraday rotator is between 30° and 60°, most preferably 45°.

本発明に使用されるＴＡＧＧ結晶は、室温でベルデ定数がＴＧＧの１．１～１．３倍であり、同じ条件で、ＴＡＧＧ結晶が同じファラデー偏向角を取得するのに必要なサンプルのサイズが小さくなり、熱消磁効果を効果的に緩和することができる。ＴＡＧＧ結晶は、光学研磨或いはコーティングの後に使用する必要があり、研磨レベル及びコーティングレベルが高いほど、アイソレータを通過する光の損失が少なくなる。 The TAGG crystal used in the present invention has a Verdet constant of 1.1 to 1.3 times that of TGG at room temperature, and the sample size required for the TAGG crystal to obtain the same Faraday deflection angle under the same conditions is This makes it possible to effectively alleviate the thermal demagnetization effect. TAGG crystals must be used after optical polishing or coating; the higher the polishing level and coating level, the less light will be lost through the isolator.

本発明に使用されるＴＡＧＧ結晶は、光磁気性能に異方性があり、＜１１１＞方向の光磁気性能が最適であり、アイソレータを製造するとき、＜１１１＞方向の結晶が好ましい。 The TAGG crystal used in the present invention has anisotropy in magneto-optical performance, and the magneto-optical performance in the <111> direction is optimal, and when manufacturing an isolator, the crystal in the <111> direction is preferred.

本発明に使用されるＴＡＧＧ結晶は、熱伝導率がＴＧＧの１．１～１．２倍であり、当該結晶で製造されたアイソレータは、熱伝達性能がよりよく、より安定しており、熱消磁効果を効果的に緩和することができる。 The TAGG crystal used in the present invention has a thermal conductivity of 1.1 to 1.2 times that of TGG, and the isolator manufactured with the crystal has better heat transfer performance, more stability, and thermal conductivity. The demagnetizing effect can be effectively alleviated.

本発明に使用されるＴＡＧＧ結晶は、比熱が最高でＴＧＧの１．１～１．２倍になり、当該結晶で製造されたアイソレータは、高出力下で使用される際に、より発熱しにくく、性能がより安定し、熱消磁効果を効果的に緩和することができる。 The TAGG crystal used in the present invention has a maximum specific heat of 1.1 to 1.2 times that of TGG, and isolators manufactured with this crystal are less likely to generate heat when used under high output. , the performance is more stable and the thermal demagnetization effect can be effectively alleviated.

本発明に使用されるＴＡＧＧ結晶は、熱膨張係数がいずれもＴＧＧ（８．４８×１０－６／Ｋ）より小さく、高出力下で使用される際に、結晶の外形がより安定し、当該結晶で製造されたアイソレータは、高出力下で使用される際に、安全性がより高い。
本発明による結晶は、前記高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶は一致した溶融特性を有し、引き上げ法を用いて単結晶を成長させることができる。
本発明による結晶は、好ましくは、前記高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶はフィールド定数が>４５ ｒａｄ ｍ-1 Ｔ-1 ＠１０６４ｎｍである。
本発明によれば、前記高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶は溶融法を用いて成長させ。まずＴＡＧＧ種の結晶を溶融体の中に静置し、溶融体がすべてガーネット純相に転換することを誘導することにより、ＴＡＰ不純相が結晶成長への干渉を取り消す；その後、種結晶を溶融体液面から抽出し、正常な結晶成長プログラムに入る。
本発明によれば、好ましくは、上記高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶は溶融引き上げ法を用いて成長させ、ステップが以下の通りである。
（1）多結晶材料の合成
原料Tb4O7、Ga2O3、Al2O3を化学量論比で秤量し、その上でGa2O3を１％～３％過剰にさせ、化学量論比で得られたGa2O3質量を基準にして、固相焼結法または液相法を用いてＴＡＧＧガーネット結晶の多結晶材料を合成する；
（２）結晶成長
製造された多結晶材料をイリジウム金るつぼに入れ、引上げ炉に入れ、真空引きし、保護ガスを充填し、昇温して多結晶材料を溶融させ、溶融体が十分に混合されて均一になったら、まずＴＡＧＧ種結晶を溶融体の中に静置し、その後種結晶を溶融体液面から抽出し、続いて二次下種を行い、結晶成長を開始させる。引き上げ速度が０．１－５ｍｍ/ｈで、回転速度が１－５０ｒｐｍで、結晶を所望のサイズまで成長させたら、結晶を抽出し、５－１００℃/ｈの降温速度で室温まで低下させる。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（１）におけるTb4O7、Ga2O3、Al2O3の純度が９９．９９９％である。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（１）において固相焼結法を用いて多結晶材料を合成する。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（１）における固相焼結法による多結晶材料の焼結温度が１３００～1５００℃で、焼結時間が１０～３０時間である。
本発明の結晶の製造方法によれば、Ga2O3の揮発分解を考慮して、ステップ（１）は配合の時に１％～３％過剰にさせ、Ga2O3を２％過剰にさせ、好ましくは、化学量論比で得られたGa2O3の質量を基準とする。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（２）で充填される保護ガスがアルゴンガスである。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（２）において結晶成長に用いられる種結晶が＜１１１＞配向種結晶である。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（２）において結晶を成長させる際の引上げ速度が０．５－２ｍｍ/ｈで、回転速度が１０－２０ｒｐｍである。
本発明の結晶の製造方法によれば、好ましくは、ステップ（２）において結晶を成長させる際の降温速度が４０～６０℃/ｈである。 The TAGG crystal used in the present invention has a coefficient of thermal expansion smaller than that of TGG (8.48×10 -6 /K), and when used under high power, the outer shape of the crystal is more stable and the Isolators made of crystals are safer when used under high power.
The crystal according to the present invention has melting properties consistent with the high purity aluminum TAGG crystal and can be grown into a single crystal using a pulling method.
The crystal according to the invention preferably has a field constant of >45 rad m -1 T -1 @1064 nm.
According to the present invention, the high purity aluminum TAGG crystal is grown using a melting method. First, the TAGG seed crystal is placed in the melt, and the TAP impure phase cancels its interference with crystal growth by inducing the melt to completely convert to the garnet pure phase; then, the seed crystal is melted. extracted from the body fluid surface and enters a normal crystal growth program.
According to the present invention, preferably, the high purity aluminum TAGG crystal is grown using a melt-pulling method, and the steps are as follows.
(1) Synthesis raw materials for polycrystalline materials: Tb 4 O 7 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 are weighed in stoichiometric ratios, Ga 2 O 3 is added in excess by 1% to 3%, and chemical Synthesize a polycrystalline material of TAGG garnet crystal using a solid phase sintering method or a liquid phase method based on the Ga 2 O 3 mass obtained in the stoichiometric ratio;
(2) Crystal Growth Put the produced polycrystalline material into an iridium gold crucible, put it into a pulling furnace, evacuate it, fill it with protective gas, raise the temperature to melt the polycrystalline material, and ensure that the melt is thoroughly mixed. Once uniform, a TAGG seed crystal is first placed in the melt, and then the seed crystal is extracted from the melt surface, followed by secondary seeding to initiate crystal growth. When the crystals are grown to the desired size using a pulling rate of 0.1-5 mm/h and a rotation speed of 1-50 rpm, the crystals are extracted and cooled to room temperature at a cooling rate of 5-100° C./h.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably the purity of Tb 4 O 7 , Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 in step (1) is 99.999%.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably, in step (1), a polycrystalline material is synthesized using a solid phase sintering method.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably, the sintering temperature of the polycrystalline material by the solid phase sintering method in step (1) is 1300 to 1500° C., and the sintering time is 10 to 30 hours.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, in consideration of volatile decomposition of Ga 2 O 3 , step (1) is performed by adding 1% to 3% excess Ga 2 O 3 at the time of compounding, and adding 2% excess Ga 2 O 3 to the compound. , preferably based on the mass of Ga 2 O 3 obtained in stoichiometric proportions.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably the protective gas filled in step (2) is argon gas.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably the seed crystal used for crystal growth in step (2) is a <111> oriented seed crystal.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably, the pulling speed when growing the crystal in step (2) is 0.5-2 mm/h, and the rotation speed is 10-20 rpm.
According to the crystal manufacturing method of the present invention, preferably, the temperature decreasing rate during crystal growth in step (2) is 40 to 60° C./h.

本発明の有益な効果は、次のとおりである。
１、本発明のＴＡＧＧガーネット結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、一方では、熱消磁効果を大幅に低減し、高出力下でアイソレータの適用性能が劣化する状況を効果的に改善することができ、デバイスの小型化の点でも、適用潜在力が高い。他方では、ＴＡＧＧ結晶が良好な成長特性及び低い製造コストを有するため、本発明のファラデー光磁気アイソレータのコストが低くなり、商業的に極めて有利である。
2、ＴＡＧ結晶Ｖｅｒｄｅｔ定数はＴＧＧ結晶の約１．３～１．５倍であるが、その不一致溶融の特性のため、大サイズで、高品質の結晶を得ることができず、応用を満たすことができない。本発明の高純度アルミニウムＴＡＧＧガーネット結晶は新型磁気光学結晶として、主にＴＡＧ結晶に基づいて成分と構造の最適化を行い、その非一致溶融習性を克服し、溶融法を用いて大サイズで高品質の単結晶を成長させることができ、かつＴＡＧ結晶に相当する光学、熱学と磁気光学性能を有する。
また、商用化されたＴＧＧ結晶と比べると、以下の優位性を持っている：〔１〕Ga2O3の揮発を低減させ、溶融成分の偏析を低減すること。〔２〕高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶は一貫して溶融し、引き上げ法を用いて成長することができ、且つイリジウム金浮遊物がより少なく、高品質の下種を行いやすく、高品質の単結晶を得ることができること。〔３〕Ga2O3は高価であり、Al2O3は安価であるため、結晶成長のコストを大幅に削減したこと。〔４〕高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶はＴＡＧ結晶の高性能のメリットを結合し、ＴＧＧ結晶に比べると、磁気光学性能、熱学性能、機械加工性能などの方面で顕著に向上したこと。本発明は引き上げ法を用いて高純度アルミニウムＴＡＧＧガーネット結晶を成長させ、製造方法あが科学的で合理的で、大サイズで、高品質の結晶成長を実現でき、成長時間が短く、工程が簡単で、工業化生産を実現しやすい。 The beneficial effects of the present invention are as follows.
1. The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG garnet crystal of the present invention can, on the one hand, greatly reduce the thermal demagnetization effect and effectively improve the situation where the application performance of the isolator deteriorates under high power; It also has high application potential in terms of device miniaturization. On the other hand, since TAGG crystals have good growth properties and low manufacturing costs, the cost of the Faraday magneto-optical isolator of the present invention is low, making it very commercially advantageous.
2. The Verdet constant of TAG crystal is about 1.3-1.5 times that of TGG crystal, but due to its mismatched melting characteristics, it is not possible to obtain large-sized, high-quality crystals to meet the application. I can't. The high-purity aluminum TAGG garnet crystal of the present invention is a new type of magneto-optical crystal, mainly based on TAG crystal to optimize the composition and structure, overcome its non-coherent melting habit, and use the melting method to achieve large size and high performance. It can grow high-quality single crystals and has optical, thermal, and magneto-optical performance comparable to TAG crystals.
In addition, compared to commercially available TGG crystals, it has the following advantages: [1] It reduces the volatilization of Ga 2 O 3 and the segregation of molten components. [2] High-purity aluminum TAGG crystal can be consistently melted and grown using the pulling method, and has fewer iridium gold floats, making it easier to perform high-quality seeding and producing high-quality single crystals. what you can get. [3] Since Ga 2 O 3 is expensive and Al 2 O 3 is cheap, the cost of crystal growth has been significantly reduced. [4] High-purity aluminum TAGG crystal combines the high-performance advantages of TAG crystal, and compared with TGG crystal, it has significantly improved magneto-optical performance, thermodynamic performance, machining performance, etc. The present invention uses the pulling method to grow high-purity aluminum TAGG garnet crystals, and the manufacturing method is scientific and rational, can realize large-sized, high-quality crystal growth, short growth time, and simple process. This makes it easy to realize industrialized production.

本発明の光磁気アイソレータの本体構造の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the main body structure of the magneto-optical isolator of the present invention. 本発明の光磁気アイソレータが反射光を分離する模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram in which the magneto-optical isolator of the present invention separates reflected light. 本発明における引き上げ法でＴＡＧＧ結晶を成長させる装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an apparatus for growing TAGG crystals by a pulling method in the present invention. 比較例１におけるＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）結晶と実施例３におけるＴＡＧＧ（ｘ＝４）結晶とのベルデ定数の比較図である。FIG. 3 is a comparison diagram of Verdet constants between a TAGG (x=1.5) crystal in Comparative Example 1 and a TAGG (x=4) crystal in Example 3. 比較例１におけるＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）結晶と実施例３におけるＴＡＧＧ（ｘ＝４）結晶との比熱性能の比較図である。FIG. 3 is a diagram comparing the specific heat performance of the TAGG (x=1.5) crystal in Comparative Example 1 and the TAGG (x=4) crystal in Example 3. 比較例１におけるＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）結晶と実施例３におけるＴＡＧＧ（ｘ＝４）結晶との透過率の比較図である。FIG. 2 is a diagram comparing the transmittance of the TAGG (x=1.5) crystal in Comparative Example 1 and the TAGG (x=4) crystal in Example 3. 実施例８で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３）結晶の画像である。It is an image of the TAGG (x=3) crystal obtained in Example 8. 実施例８で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３）結晶を切断・研磨した後のサンプルの画像である。It is an image of a sample after cutting and polishing the TAGG (x=3) crystal obtained in Example 8. 実施例９で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）結晶の画像である。This is an image of a TAGG (x=3.75) crystal obtained in Example 9. 得られたＴＡＧＧ（ｘ＝１．５、３、３．７５）結晶粉末ＸＲＤとＴＡＧ結晶の標準回折スペクトルとの照合である。This is a comparison between the obtained TAGG (x=1.5, 3, 3.75) crystal powder XRD and the standard diffraction spectrum of TAG crystal. 実施例９で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）結晶、比較例２で得られた純粋なＴＧＧ（ｘ＝０）結晶、及び比較例３で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）の結晶のベルデ定数である。TAGG (x = 3.75) crystal obtained in Example 9, pure TGG (x = 0) crystal obtained in Comparative Example 2, and TAGG (x = 1.5) obtained in Comparative Example 3 is the Verdet constant of the crystal.

以下、実施例を参照しながら本発明についてさらに説明し、以下の実施例は、本発明をより明確に説明するために用いられ、保護範囲は、実施例を含むが、実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be further explained with reference to Examples, the following Examples are used to explain the present invention more clearly, and the scope of protection includes the Examples, but is limited to the Examples. It's not a thing.

実施例におけるＴＡＧＧ結晶を引き上げ法で成長させ、引き上げ法でＴＡＧＧ結晶を成長させる装置は、図３に示されるように、坩堝１０、前記坩堝１０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１１、及び前記坩堝１０の上方に設けられた種晶棒６を含む。 The apparatus for growing the TAGG crystal in the example by the pulling method, as shown in FIG. 3, includes a crucible 10, an induction heating coil 11 provided around the crucible 10, and It includes a seed crystal rod 6 provided above the crucible 10.

引き上げ法で結晶を成長させるステップは、下記のとおりである。 The steps for growing a crystal using the pulling method are as follows.

（１）固相焼結法での多結晶材料の合成
原料Ｔｂ４Ｏ７、Ａｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３の純度は９９．９９％である。化学量論比がＴｂ３ＡｌｘＧａ５－ｘＯ１２（１．７５≦ｘ＜５）となるように原料を秤量し、Ｇａ２Ｏ３の揮発と分解を考慮して、材料を配合する際にＧａ２Ｏ３を２ｗｔ．％過剰にし、原料を混合タンクに入れて十分に混合し、混合時間は４８ｈであり、均一に混合した材料を金型に入れて円筒状に押し、コランダム坩堝に入れ、焼結炉中で、１３５０℃で３６ｈ焼結すると、ＴＡＧＧの多結晶材料を取得できる。 (1) Synthesis of polycrystalline material by solid-phase sintering method The purity of the raw materials Tb 4 O 7 , Al 2 O 3 , and Ga 2 O 3 is 99.99%. Weigh the raw materials so that the stoichiometric ratio is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 (1.75≦x<5), and mix the materials in consideration of the volatilization and decomposition of Ga 2 O 3 At this time, Ga 2 O 3 was added to 2 wt. % excess, put the raw materials into a mixing tank and mix thoroughly, the mixing time is 48h, put the uniformly mixed material into a mold and press it into a cylindrical shape, put it into a corundum crucible, and in a sintering furnace. A polycrystalline material of TAGG can be obtained by sintering at 1350° C. for 36 hours.

（２）引き上げ法で結晶が成長
焼結済みの多結晶材料をイラウリタ（ｉｒａｕｒｉｔａ）坩堝１０に入れ（坩堝１０はすでに、出来合いの温度場に置かれている）、中心を合わせ、温度場をセットし、１×１０－４Ｐａに真空引きし、アルゴンガスを１大気圧になるまで充填し、中間周波数の誘導加熱コイル１１でイラウリタ坩堝１０を加熱し、プログラム昇温により原料が溶融物９にゆっくり溶融し、１０～２０℃ぐらい過熱にすることにより、原料を０．５ｈ十分に反応させてから、温度を調整して、方向性種晶７を入れ、種晶７を溶融物９中に１時間静置し、その後に種晶７を引き出し、再度種晶を入れ、種晶７の直径が２～３ｍｍに細くなると、直径制御プログラムに入って、拡径成長段階、等径成長段階、終了段階などを行う。成長中に、引上げ速度は２ｍｍ／ｈであり、回転速度は１０ｒｐｍであり、結晶８が設定されたサイズに成長すると、結晶８を引き上げて剥ぎ取り、温度を４０℃／ｈの降温速度で室温に降温し、結晶８を炉から取り出す。 (2) Crystal growth using the pulling method Put the sintered polycrystalline material into the Iraurita crucible 10 (the crucible 10 is already placed in the ready-made temperature field), align the center, and set the temperature field. Then, the crucible was evacuated to 1×10 −4 Pa, filled with argon gas to 1 atmospheric pressure, and the Ilaurita crucible 10 was heated with an intermediate frequency induction heating coil 11, and the raw material turned into a melt 9 by programmed temperature increase. By slowly melting and overheating at about 10 to 20°C, the raw materials are sufficiently reacted for 0.5 h, and then the temperature is adjusted and oriented seed crystals 7 are added. Leave it to stand still for 1 hour, then pull out the seed crystal 7, put the seed crystal in again, and when the diameter of the seed crystal 7 becomes thinner to 2 to 3 mm, enter the diameter control program, enter the diameter expansion stage, the equal diameter growth stage, Perform the termination stage, etc. During the growth, the pulling speed is 2 mm/h, the rotation speed is 10 rpm, and when the crystal 8 grows to the set size, the crystal 8 is pulled up and peeled off, and the temperature is lowered to room temperature at a cooling rate of 40°C/h. The temperature is lowered to , and the crystal 8 is taken out from the furnace.

実施例１
図１に示すように、ＴＡＧＧ（ｘ＝４．９５）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、
光路に沿って順番に設けられた第１の偏光板１と、磁気コイル５及び磁気コイル５に設けられた光磁気結晶４を含むファラデー回転子２と、第２の偏光板３とを含み、前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ４．９５Ｇａ０．０５Ｏ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶である。 Example 1
As shown in Figure 1, a Faraday magneto-optical isolator based on a TAGG (x=4.95) crystal is
It includes a first polarizing plate 1 provided in order along the optical path, a Faraday rotator 2 including a magnetic coil 5 and a magneto-optical crystal 4 provided in the magnetic coil 5, and a second polarizing plate 3, The magneto-optical crystal 4 is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 4.95 Ga 0.05 O 12 .

前記光磁気結晶４は、＜１１１＞方向の結晶であり、前記ファラデー回転子２の外形は円筒形である。前記光磁気結晶４は、４７０～５００ｎｍを含まない４００～１１００ｎｍ波長帯域の範囲内で透過率が８０％以上である。前記光磁気結晶４の光路方向の表面には、反射防止膜が設けられている。 The magneto-optical crystal 4 is a crystal in the <111> direction, and the Faraday rotator 2 has a cylindrical outer shape. The magneto-optical crystal 4 has a transmittance of 80% or more within a wavelength band of 400 to 1100 nm excluding 470 to 500 nm. An antireflection film is provided on the surface of the magneto-optical crystal 4 in the optical path direction.

（１）結晶加工
ＴＡＧＧ（ｘ＝４．９５）結晶に対して方向性加工を行って、サイズが適切な＜１１１＞方向の結晶を取得し、その後、研磨或いはコーティングを行って、光磁気結晶４を得る。 (1) Crystal processing Perform directional processing on the TAGG (x = 4.95) crystal to obtain a crystal with an appropriate size in the <111> direction, and then polish or coat it to create a magneto-optical crystal. Get 4.

（２）アイソレータの製造
光磁気結晶４と磁気コイル５とを組み合わせてファラデー回転子２を製造し、磁界或いは外形設計を変更することにより４５°のファラデー回転子を取得でき、その後、第１の偏光板１や第２の偏光板３と組み合わせると、ファラデー光磁気アイソレータを取得できる。 (2) Manufacture of isolator The Faraday rotator 2 is manufactured by combining the magneto-optical crystal 4 and the magnetic coil 5, and a 45° Faraday rotator can be obtained by changing the magnetic field or external design. When combined with the polarizing plate 1 and the second polarizing plate 3, a Faraday magneto-optical isolator can be obtained.

本発明の動作原理は次のとおりである。
図１、２に示すように、光が順方向に伝播されるとき、光は、第１の偏光板１を通過して直線偏光となり、その後、ファラデー回転子２を通過して４５°に偏向されてから、第２の偏光板２（第１の偏光板１と第２の偏光板３とがなす角度は４５°である）を通過し、光が逆方向から通過するとき、第２の偏光板３及びファラデー回転子２を通過し、直線偏光は４５°に偏向され（直線偏光の偏向方向は、光の伝播方向と無関係である）、この場合、２回の偏向角の重畳により、逆方向から通過する直線偏光は、第１の偏光板１の光通過方向と９０°をなし、反射光は第１の偏光板１を通過できず、即ち逆方向分離の効果が達成された。 The operating principle of the present invention is as follows.
As shown in Figures 1 and 2, when light is propagated in the forward direction, it passes through the first polarizing plate 1 and becomes linearly polarized light, and then passes through the Faraday rotator 2 and is polarized at 45°. When the light passes from the opposite direction, it passes through the second polarizing plate 2 (the angle between the first polarizing plate 1 and the second polarizing plate 3 is 45°). Passing through the polarizing plate 3 and the Faraday rotator 2, the linearly polarized light is polarized by 45° (the polarization direction of the linearly polarized light is independent of the propagation direction of the light), and in this case, due to the superposition of the two deflection angles, The linearly polarized light passing from the opposite direction made an angle of 90° with the light passing direction of the first polarizing plate 1, and the reflected light could not pass through the first polarizing plate 1, that is, the effect of reverse direction separation was achieved.

実施例２
ＴＡＧＧ（ｘ＝４．５）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、構造が実施例１に示すとおりであり、異なる点は、
前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ４．５Ｇａ０．５Ｏ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶であることである。 Example 2
The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG (x=4.5) crystal has the structure shown in Example 1, with the following differences:
The magneto-optical crystal 4 is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 4.5 Ga 0.5 O 12 .

実施例３
ＴＡＧＧ（ｘ＝４）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、構造が実施例１に示すとおりであり、異なる点は、
前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ４ＧａＯ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶であることである。 Example 3
The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG (x=4) crystal has the structure shown in Example 1, with the following differences:
The magneto-optical crystal 4 is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 4 GaO 12 .

実施例４
ＴＡＧＧ（ｘ＝３）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、構造が実施例１に示すとおりであり、異なる点は、
前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ３Ｇａ２Ｏ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶であることである。 Example 4
The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG (x=3) crystal has the structure shown in Example 1, with the following differences:
The magneto-optical crystal 4 is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 3 Ga 2 O 12 .

実施例５
ＴＡＧＧ（ｘ＝１．７５）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、構造が実施例１に示すとおりであり、異なる点は、
前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ１．７５Ｇａ３．２５Ｏ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶であることである。 Example 5
The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG (x=1.75) crystal has the structure shown in Example 1, with the following differences:
The magneto-optical crystal 4 is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 1.75 Ga 3.25 O 12 .

比較例１
ＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータは、構造が実施例１に示すとおりであり、異なる点は、
前記光磁気結晶４は、結晶分子式がＴｂ３Ａｌ１．５Ｇａ３．５Ｏ１２であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶であることである。 Comparative example 1
The Faraday magneto-optical isolator based on the TAGG (x=1.5) crystal has the structure shown in Example 1, with the following differences:
The magneto-optical crystal 4 is a terbium-aluminum-gallium-garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al 1.5 Ga 3.5 O 12 .

試験例１
比較例１でＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）により得られたファラデー光磁気アイソレータに比べ、実施例３におけるＴＡＧＧ結晶は、Ａｌの含有量が高く、ベルデ定数が大きく、熱学性能や光学性能がよりよく、同じ条件でより大きいファラデー偏向角をより容易に取得し、高出力下で適用されるとき、熱消磁効果がより弱い。４５°のファラデー回転子を製造したい場合、磁界強度が一致する状況で、実施例３におけるファラデー回転子のサイズがより小さい。 Test example 1
Compared to the Faraday magneto-optical isolator obtained by TAGG (x=1.5) in Comparative Example 1, the TAGG crystal in Example 3 has a higher Al content, a larger Verdet constant, and poorer thermal and optical performance. Better, larger Faraday deflection angles are more easily obtained under the same conditions, and the thermal demagnetization effect is weaker when applied under high power. If we want to manufacture a 45° Faraday rotator, the size of the Faraday rotator in Example 3 is smaller under the condition that the magnetic field strength is matched.

図４、図５、図６は、それぞれＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）及びＴＡＧＧ（ｘ＝４）結晶のベルデ定数、透過率及び比熱の性能比較図である。図４、５、６から分かるように、実施例３における光磁気結晶４のベルデ定数は、比較例１より大きく、製造されたファラデー光磁気アイソレータの熱学性能や光学性能がよりよい。
実施例6：ＴＡＧＧ（ｘ＝１．７５）結晶Tb3Al1.75Ga3.25O12成長
（１）固相焼結法による多結晶材料の合成
原料Tb4O7、Ga2O3、Al2O3の純度は99.99%である。化学量論比Tb3Al1.75Ga3.25O12に基づいて原料を秤量し、Ga2O3の揮発分解を考慮し、原料を配合する時Ga2O3は２ｗｔ.％過剰にさせ、原料を混合槽に入れて十分に混合させ、混合時間が４８ｈで、均一に混合された材料を金型に入れて円柱状に圧製し、剛玉るつぼに入れ、焼結炉の中で１３５０℃で３６ｈ焼結すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝１．７５）の多結晶材料を得ることができる。
（2）引き上げ法による結晶成長
焼結した多結晶材料をイリジウム金るつぼに入れ（るつぼはすでに出来上がった温場に置かれている）、中心を調整し、温場を取り付け、１×１０-４Ｐａまで真空引きし、アルゴンガスを大気圧まで充填し、中周波誘導加熱イリジウム金るつぼを用い、プログラムの昇温により原料を徐々に溶融させ、１０－２０℃を少し過熱して原料を０．５ｈ十分に反応させ、その後温度を調節し、配向種結晶を入れ、種結晶を溶融体の中で1時間静置させた後、直径を２－３ｍｍに収めると、直径制御プログラムに入って肩置き、等径、仕上げなどの段階を行う。成長中の引張速度は２ｍｍ/ｈで、回転速度は１０ｒｐｍであり、結晶が設定サイズまで成長し、結晶を抽出し、４０℃/ｈの降温速度で室温まで低下し、結晶が出来上がる。
実施例7：ＴＡＧＧ（ｘ＝２）結晶Tb3Al２Ga３O12成長
実施例6で説明したように、異なる点は以下の通りである：
（1）固相焼結法による多結晶材料の合成
原料を化学量論比Tb3Al２Ga３O12で秤量すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝２）多結晶材料が得られる。
（２）引き上げ法による結晶成長
成長中の回転速度は１５ｒｐｍで、降温速度は４０℃/ｈである。
実施例8：ＴＡＧＧ（ｘ＝３）結晶Tb3Al３Ga2O12成長
実施例6で説明したように、異なる点は以下の通りである：
（１）固相焼結法による多結晶材料の合成
化学量論比Tb3Al３Ga2O12に基づいて原料を秤量すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝３）多結晶材料が得られる。
（２）引き上げ法による結晶成長
成長中の引張速度は１ｍｍ/ｈで、回転速度は３０ｒｐｍで、降温速度は４０℃/ｈである。
実施例9：ＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）結晶Tb3Al3.75Ga1.25O12成長
実施例6で説明したように、異なる点は以下の通りである：
（１）固相焼結法による多結晶材料の合成
化学量論比Tb3Al3.75Ga1.25O12に基づいて原料を秤量すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）多結晶材料が得られる。
（２）引き上げ法による結晶成長
成長中の引張速度は１ｍｍ/ｈで、回転速度は１０ｒｐｍで、降温速度は４０℃/ｈである。
実施例10：ＴＡＧＧ（ｘ＝４．５）結晶Tb3Al4.5Ga0.5O12成長
実施例6で説明したように、異なる点は以下の通りである：
（１）固相焼結法による多結晶材料の合成
化学量論比Tb3Al4.5Ga0.5O12に基づいて原料を秤量すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝４．５）多結晶材料が得られる。
（２）引き上げ法による結晶成長
成長中の引張速度は０．５ｍｍ/ｈで、回転速度は３０ｒｐｍで、降温速度は４０℃/ｈである。
実施例11：ＴＡＧＧ（ｘ＝４．９）結晶Tb3Al4.9Ga0.1O12成長
実施例6で説明したように、異なる点は以下の通りである：
（１）固相焼結法による多結晶材料の合成
化学量論比Tb3Al4.9Ga0.1O12に基づいて原料を秤量すると、ＴＡＧＧ（ｘ＝４．９）多結晶材料が得られる。
（２）引き上げ法による結晶成長
成長中の引張速度は０．３ｍｍ/ｈで、回転速度は３０ｒｐｍで、降温速度は６０℃/ｈである。
比較例2：純ＴＧＧ（ｘ＝０）結晶成長
実施例6で述べたように、成分の中にアルミニウムを含まず、引き上げ法を用いてＴＧＧ結晶を成長させる。
比較例3：ＴＡＧＧ（ｘ＝１．５）結晶成長
実施例6で述べたように、異なるのは、結晶成分におけるアルミニウム含有量を減少させることで、すなわち：ｘ＝１．５。
試験例2
実施例9で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）結晶の写真を図４に、比較例３の結晶の写真を図9に示す。
試験例3
実施例9で得られたＴＡＧＧ（ｘ＝３．７５）結晶と比較例2で得られたＴＧＧ（ｘ＝０）結晶及び比較例3で得られたＴＧＧ（ｘ＝１．５）結晶の磁気光学特性を図11に示す。
図11の比較から分かるように、本発明の高純度アルミニウムＴＡＧＧ結晶のフィルダー定数は比較例１及び比較例２の結晶より明らかに優れている。そのため、本発明のＴＡＧＧ結晶は、アルミニウム含有量を一定の範囲（アルミニウム：１．７５≦ｘ<５）にコントロールする必要があり、磁気光学性能が優れ、重要な応用将来性を有するＴＡＧＧ結晶を製造することができる。 4, 5, and 6 are performance comparison diagrams of the Verdet constant, transmittance, and specific heat of TAGG (x=1.5) and TAGG (x=4) crystals, respectively. As can be seen from FIGS. 4, 5, and 6, the Verdet constant of the magneto-optical crystal 4 in Example 3 is larger than that in Comparative Example 1, and the thermal performance and optical performance of the manufactured Faraday magneto-optical isolator are better.
Example 6: TAGG (x=1.75) crystal Tb 3 Al 1.75 Ga 3.25 O 12 Growth (1) Synthesis of polycrystalline material by solid phase sintering Raw materials Tb 4 O 7 , Ga 2 O 3 , Al 2 O The purity of 3 is 99.99%. The raw materials were weighed based on the stoichiometric ratio Tb 3 Al 1.75 Ga 3.25 O 12 , and considering the volatile decomposition of Ga 2 O 3 , when blending the raw materials, Ga 2 O 3 was added in excess by 2 wt.%, and the raw materials were Put the material into a mixing tank and mix thoroughly for 48 hours.The uniformly mixed material was put into a mold and pressed into a cylindrical shape, put into a hard ball crucible, and heated at 1350℃ in a sintering furnace for 36 hours. Upon sintering, a polycrystalline material of TAGG (x=1.75) can be obtained.
(2) Crystal growth by pulling method Place the sintered polycrystalline material in an iridium gold crucible (the crucible is placed in the already completed hot field), adjust the center, attach the hot field, and set the temperature to 1×10 -4 Evacuate to Pa, fill with argon gas to atmospheric pressure, use a medium-frequency induction heating iridium metal crucible, gradually melt the raw material by increasing the temperature according to the program, and slightly heat it to 10-20°C to bring the raw material to 0. After reacting for 5 hours, adjust the temperature, put the oriented seed crystal, and let the seed crystal stand still in the melt for 1 hour. When the diameter is within 2-3 mm, the diameter control program is started and the shoulder Perform steps such as placing, isodiameter, and finishing. The tensile speed during growth was 2 mm/h, and the rotation speed was 10 rpm, so that the crystals grew to a set size, the crystals were extracted, and the temperature was lowered to room temperature at a cooling rate of 40° C./h to complete the crystals.
Example 7: TAGG (x=2) crystal Tb 3 Al 2 Ga 3 O 12 growth As explained in Example 6, the differences are as follows:
(1) Synthesis of polycrystalline material by solid-phase sintering When raw materials are weighed at a stoichiometric ratio of Tb 3 Al 2 Ga 3 O 12 , a TAGG (x=2) polycrystalline material is obtained.
(2) Crystal growth by pulling method The rotational speed during growth was 15 rpm, and the cooling rate was 40° C./h.
Example 8: TAGG (x=3) crystal Tb 3 Al 3 Ga 2 O 12 growth As explained in Example 6, the differences are as follows:
(1) Synthesis of polycrystalline material by solid phase sintering When raw materials are weighed based on the stoichiometric ratio Tb 3 Al 3 Ga 2 O 12 , a TAGG (x=3) polycrystalline material is obtained.
(2) Crystal Growth by Pulling Method During growth, the pulling speed was 1 mm/h, the rotation speed was 30 rpm, and the cooling rate was 40° C./h.
Example 9: TAGG (x=3.75) crystal Tb 3 Al 3.75 Ga 1.25 O 12 growth As explained in Example 6, the differences are as follows:
(1) Synthesis of polycrystalline material by solid phase sintering When raw materials are weighed based on the stoichiometric ratio Tb 3 Al 3.75 Ga 1.25 O 12 , a TAGG (x=3.75) polycrystalline material is obtained.
(2) Crystal Growth by Pulling Method During growth, the pulling speed was 1 mm/h, the rotation speed was 10 rpm, and the cooling rate was 40° C./h.
Example 10: TAGG (x=4.5) crystal Tb 3 Al 4.5 Ga 0.5 O 12 growth As explained in Example 6, the differences are as follows:
(1) Synthesis of polycrystalline material by solid phase sintering When raw materials are weighed based on the stoichiometric ratio Tb 3 Al 4.5 Ga 0.5 O 12 , a TAGG (x=4.5) polycrystalline material is obtained.
(2) Crystal Growth by Pulling Method The pulling rate during growth was 0.5 mm/h, the rotation speed was 30 rpm, and the cooling rate was 40° C./h.
Example 11: TAGG (x=4.9) crystal Tb 3 Al 4.9 Ga 0.1 O 12 growth As explained in Example 6, the differences are as follows:
(1) Synthesis of polycrystalline material by solid phase sintering When raw materials are weighed based on the stoichiometric ratio Tb 3 Al 4.9 Ga 0.1 O 12 , a TAGG (x=4.9) polycrystalline material is obtained.
(2) Crystal Growth by Pulling Method During growth, the pulling speed was 0.3 mm/h, the rotation speed was 30 rpm, and the cooling rate was 60° C./h.
Comparative Example 2: Pure TGG (x=0) Crystal Growth As described in Example 6, a TGG crystal is grown using the pulling method without aluminum among the components.
Comparative Example 3: TAGG (x=1.5) Crystal Growth As mentioned in Example 6, the difference is that the aluminum content in the crystal component is reduced, namely: x=1.5.
Test example 2
A photograph of the TAGG (x=3.75) crystal obtained in Example 9 is shown in FIG. 4, and a photograph of the crystal of Comparative Example 3 is shown in FIG.
Test example 3
Magnetism of the TAGG (x=3.75) crystal obtained in Example 9, the TGG (x=0) crystal obtained in Comparative Example 2, and the TGG (x=1.5) crystal obtained in Comparative Example 3 The optical properties are shown in Figure 11.
As can be seen from the comparison in FIG. 11, the Fielder constant of the high purity aluminum TAGG crystal of the present invention is clearly superior to the crystals of Comparative Examples 1 and 2. Therefore, in the TAGG crystal of the present invention, it is necessary to control the aluminum content within a certain range (aluminum: 1.75≦x<5), and the TAGG crystal has excellent magneto-optical performance and has important application prospects. can be manufactured.

１…第１の偏光板、２…ファラデー回転子、３…第２の偏光板、４…光磁気結晶、５…磁気コイル、６…種晶棒、７…種晶、８…結晶、９…溶融物、１０…坩堝、１１…誘導加熱コイル。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... First polarizing plate, 2... Faraday rotator, 3... Second polarizing plate, 4... Magneto-optical crystal, 5... Magnetic coil, 6... Seed crystal rod, 7... Seed crystal, 8... Crystal, 9... Melt, 10... Crucible, 11... Induction heating coil.

Claims (15)

光路に沿って順番に設けられた第１の偏光板と、磁気コイル及び磁気コイル中に設けられた光磁気結晶を含むファラデー回転子と、第２の偏光板とを含み、前記光磁気結晶は、結晶分子式がＴｂ３ＡｌｘＧａ５－ｘＯ１２（１．７５≦ｘ＜５）であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶である、
ことを特徴とするテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 The magneto-optical crystal includes a first polarizing plate provided in order along the optical path, a Faraday rotator including a magnetic coil and a magneto-optical crystal provided in the magnetic coil, and a second polarizing plate, and the magneto-optical crystal is , is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 (1.75≦x<5),
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium-aluminum-gallium-garnet magneto-optical crystal. 前記光磁気結晶は、結晶分子式がＴｂ３ＡｌｘＧａ５－ｘＯ１２（３≦ｘ＜５）であるテルビウム・アルミニウム・ガリウムガーネット光磁気結晶である、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 The magneto-optical crystal is a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal whose crystal molecular formula is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 (3≦x<5).
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記光磁気結晶の光路方向の表面には、反射防止膜が設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 An antireflection film is provided on the surface of the magneto-optical crystal in the optical path direction.
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記光磁気結晶は、＜１１１＞方向の結晶である、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 The magneto-optical crystal is a crystal in the <111> direction,
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記光磁気結晶の熱膨張係数が８．４８×１０－６／Ｋより小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 the magneto-optical crystal has a thermal expansion coefficient smaller than 8.48×10 −6 /K;
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記ファラデー回転子の外形は、円筒形或いは直方体である、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 The outer shape of the Faraday rotator is cylindrical or rectangular.
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記ファラデー回転子のファラデー偏向角が３０°～６０°である、
ことを特徴とする請求項１に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 The Faraday rotator has a Faraday deflection angle of 30° to 60°;
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 1. 前記ファラデー回転子のファラデー偏向角が４５°である、
ことを特徴とする請求項７に記載のテルビウム・アルミニウム・ガリウム・ガーネット光磁気結晶に基づくファラデー光磁気アイソレータ。 a Faraday deflection angle of the Faraday rotator is 45°;
A Faraday magneto-optical isolator based on a terbium aluminum gallium garnet magneto-optical crystal according to claim 7. 高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶であって、分子式がTb3AlxGa5-xO12、１．７５≦ｘ<５であることを特徴とする、３≦ｘ<５であることを特徴とする。 High purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal, characterized in that the molecular formula is Tb 3 Al x Ga 5-x O 12 , characterized in that 1.75≦x<5, characterized in that 3≦x<5 shall be. 前記高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶は直径が≧5 mmであること；
好ましくは、前記高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶は一致溶融特性を有すること；
好ましくは、前記高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶はフィールド定数が>４５ ｒａｄ ｍ-1 Ｔ-1 ＠１０６４ｎｍであることを特徴とする請求項1に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶。 The high purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal has a diameter of ≧5 mm;
Preferably, the high purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal has consistent melting properties;
The high purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal according to claim 1, wherein the high purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal preferably has a field constant of >45 rad m -1 T -1 @1064 nm. 溶融法を用いて成長させ、まず、高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の種結晶を溶融体の中に静置し、溶融体をすべてガーネット純相に転換させることを誘導し、その後、種結晶を溶融体液面から抽出し、正常な結晶成長プログラムに入ることを含む請求項9に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の製造方法。 It is grown using the melting method. First, a seed crystal of high-purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal is placed in the melt, and the melt is induced to completely convert into a garnet pure phase, and then the seed crystal is grown. 10. The method for producing high-purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystals according to claim 9, comprising extracting the garnet from the melt surface and entering a normal crystal growth program. 前記溶融体法は溶融体引き上げ法であることを特徴とする請求項11に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の製造方法は、ステップは以下の通りである：
（１）多結晶材料の合成
原料Tb4O7、Ga2O3、Al2O3を化学量論比で秤量し、その上でGa2O3を１％～３％過剰にさせ、化学量論比で得られたGa2O3の質量を基準にして、固相焼結法または液相法を用いて高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の多結晶材料を合成する；
（２）結晶成長
得られた多結晶材料をイリジウム金るつぼに入れ、引上げ炉に入れ、真空引きし、保護ガスを充填し、昇温して多結晶材料を溶融させ、溶融体が十分に混合されて均一になったら、まずＴＡＧＧ種結晶を溶融体に静置し、その後種結晶を溶融体液面から抽出し、結晶成長を開始させる。引き上げ速度が０．１－５ｍｍ/ｈで、回転速度が１－５０ｒｐｍで、結晶を所望のサイズまで成長させたら、結晶を抽出し、５－１００℃/ｈの降温速度で室温まで低下させる。 The method for producing high-purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal according to claim 11, wherein the melt method is a melt pulling method, the steps are as follows:
(1) Synthesis raw materials for polycrystalline materials Tb 4 O 7 , Ga 2 O 3 , and Al 2 O 3 are weighed in stoichiometric ratios, Ga 2 O 3 is added in excess by 1% to 3%, and chemical Synthesize a polycrystalline material of high purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal using solid phase sintering method or liquid phase method based on the mass of Ga 2 O 3 obtained in stoichiometric ratio;
(2) Crystal growth The obtained polycrystalline material is placed in an iridium gold crucible, placed in a pulling furnace, evacuated, filled with protective gas, heated to melt the polycrystalline material, and the melt is thoroughly mixed. Once uniform, the TAGG seed crystal is first placed in the melt, and then the seed crystal is extracted from the melt surface to begin crystal growth. When the crystals are grown to the desired size using a pulling rate of 0.1-5 mm/h and a rotation speed of 1-50 rpm, the crystals are extracted and cooled to room temperature at a cooling rate of 5-100° C./h. ステップ（１）におけるTb4O7、Ga2O3、Al2O3の純度が９９．９９９％であること；
好ましくは、ステップ（１）において固相焼結法を用いて多結晶材料を合成することを特徴とする請求項12に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の製造方法。 The purity of Tb 4 O 7 , Ga 2 O 3 and Al 2 O 3 in step (1) is 99.999%;
13. The method for producing high-purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystals according to claim 12, wherein the polycrystalline material is preferably synthesized using a solid phase sintering method in step (1). ステップ（１）における固相焼結法による多結晶材料の焼結温度が１３００～1５００℃で、焼結時間が１０～３０時間であることを特徴とする請求項12に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の製造方法。 High purity aluminum terbium according to claim 12, characterized in that the sintering temperature of the polycrystalline material by the solid phase sintering method in step (1) is 1300 to 1500°C, and the sintering time is 10 to 30 hours. Method for producing aluminum gallium garnet crystals. ステップ（２）で充填される保護ガスがアルゴンガスであること；
好ましくは、ステップ（２）において結晶成長に用いられる種結晶が＜１１１＞配向種結晶であること；
好ましくは、ステップ（２）において結晶を成長させる際の引上げ速度が０．５－２ｍｍ/ｈで、回転速度が１０－２０ｒｐｍであること；
好ましくは、ステップ（２）において結晶を成長させる際の降温速度が４０～６０℃/ｈであることを特徴とする請求項12に記載の高純度アルミニウムテルビウムアルミニウムガリウムガーネット結晶の製造方法。
The protective gas filled in step (2) is argon gas;
Preferably, the seed crystal used for crystal growth in step (2) is a <111> oriented seed crystal;
Preferably, the pulling speed when growing the crystal in step (2) is 0.5-2 mm/h, and the rotation speed is 10-20 rpm;
13. The method for producing a high-purity aluminum terbium aluminum gallium garnet crystal according to claim 12, wherein the temperature decreasing rate during crystal growth in step (2) is preferably 40 to 60° C./h.
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