JP4061468B2 - Single crystal for laser oscillator and laser oscillator using this as laser medium - Google Patents

Single crystal for laser oscillator and laser oscillator using this as laser medium Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器用単結晶及びこれをレーザ媒質として用いたレーザ発振器に関する。
【0002】
【従来技術】
従来より、固体レーザに使用されるレーザ媒質は、一般的にチョクラルスキー法(CZ法)による融液からの結晶引き上げ法により製造されている。
固体レーザ発振器の製造コストの大部分は、レーザ媒質と励起光源によるものである。このため、製造コストを下げるためには、まずレーザ媒質となる単結晶が安価に提供されなければならない。ところが、レーザ媒質となる単結晶の多くは酸化物であるため、CZ法等の従来の融液からの単結晶成長法は得ようとしている単結晶の融点以上において行わなければならない。実際に、代表的な固体レーザ媒質であるNd:YAGやチタンサファイアにおいては、この融点は1900℃以上の高温である。従って、結晶成長をおこなう炉本体がかなり大掛かりなものとなり、しかも白金やイリジウム等の高価な材料を用いた坩堝が必要になる。
【0003】
また、単結晶の成長速度は、例えばNd:YAGでは約0.2mm/hという速度であり、長時間を必要とする。これらの理由により、現状ではレーザ媒質となる単結晶の低コスト化は困難であると考えられている。
【0004】
さらに、融液成長から得られる単結晶においては、成長縞、コア、ファセット形成等による光学的不均一部が存在し、レーザ発振器用途にはこれらの低減が求められるものの、原理的にかなり困難である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、レーザ媒質等として優れた単結晶を効率的に製造することを主な目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、かかる従来技術の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定のプロセスにより得られる単結晶が上記目的を達成できるできることを見出した。
【0007】
すなわち、本発明は、下記のレーザ発振器用単結晶及びこれをレーザ媒質として用いたレーザ発振器に係る。
【0008】
1. Nd添加YAG、Ti添加サファイヤ又はNd添加YVO の単結晶から実質的に構成されるレーザ発振器用単結晶体であって、
1)単結晶体の大きさが直径1インチ×高さ22mm以上であり、
2)小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm )が0であり、
3)転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)が10個/cm 以下である
ことを特徴とするレーザ発振器用単結晶体。
【0010】
2. 一般式Re 12 (但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)で表わされる組成を有する酸化物の単結晶から実質的に構成されるレーザ発振器用単結晶体であって、
1)単結晶体の大きさが直径1インチ×高さ22mm以上であり、
2)小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm )が0であり、
3)転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)が10個/cm 以下である
ことを特徴とするレーザ発振器用単結晶体。
【0015】
3. 気孔体積が100体積ppm以下である前記項1又は2に記載のレーザ発振器用単結晶体。
【0016】
4. 純度が99.5重量%以上である前記項1〜3のいずれかに記載のレーザ発振器用単結晶体。
【0019】
5. Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物の焼結体に当該酸化物の単結晶を種子結晶として接触させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Re及びMの少なくとも1種を含む酸化物の単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。
【0020】
6. 当該焼結体が相対密度99%以上であることを特徴とする前記項5記載の製造方法。
【0021】
7. 当該単結晶の(100)面、(110)面又は(111)面を研磨し、その研磨面を当該焼結体に接触させることを特徴とする前記項5又は6に記載の製造方法。
【0022】
8. 研磨面が平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下であることを特徴とする前記項7記載の製造方法。
【0023】
9. 当該焼結体の一部又は全部を平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下に研磨し、その研磨面を当該単結晶と接触させることを特徴とする前記項5〜8のいずれかに記載の製造方法。
【0024】
10. 当該焼結体及び当該単結晶の少なくとも一方の接触面に、当該単結晶を構成する元素(但し、酸素を除く。)の中から少なくとも1種を含む水溶液を塗布することを特徴とする前記項5〜9のいずれかに記載の製造方法。
【0025】
11. Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物の焼結体にレーザビームを照射することにより単結晶の種子結晶を生成させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Re及びMの少なくとも1種を含む酸化物の単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。
【0026】
12. レーザビームの波長が0.2〜11μm(但し、当該単結晶の透過波長を除く。)である前記項11記載の製造方法。
【0027】
13. レーザビームの照射エリアが1mm以下である前記項11又は12に記載の製造方法。
【0028】
14. その焼結体の融点の90%未満の温度で加熱しながら当該焼結体にレーザビームを照射する前記項11〜13のいずれかに記載の製造方法。
【0029】
15. 当該成形体又は焼結体中に、結晶成長時に液相を形成し得る酸化物を存在させることを特徴とする前記項5又は11に記載の製造方法。
【0030】
16. 結晶成長させるに際し、昇温速度を50℃/h以下とすることを特徴とする前記5又は11に記載の製造方法。
【0031】
17. 冷却が、冷媒を当該末端部分に吹き付けることにより実施される前記項5又は11に記載の製造方法。
【0032】
18. 冷却が、金属又は無機材料からなるヒートシンク材を当該末端部分に当接し、当該ヒートシンク材に冷媒を接触させることにより実施される前記項5又は11に記載の製造方法。
【0033】
19. (i)昇温速度又は(ii)昇温速度と冷媒の流量の双方を変化させることにより、単結晶の結晶成長を制御する前記項5又は11に記載の製造方法。
【0034】
20. 前記項1〜4のいずれかに記載されたレーザ発振器用単結晶体をレーザ媒質として用いたレーザ発振器。
【0035】
【発明の実施の形態】
1.本発明単結晶体
本発明のレーザ発振器用単結晶体は、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)少なくとも1種を含む酸化物の単結晶から実質的に構成され、小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm2)が0≦n≦102であることを特徴とする(以下「第一単結晶体」ともいう。)。
【0036】
また、本発明のレーザ発振器用単結晶体は、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物の単結晶から実質的に構成され、転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)が1×105個/cm2以下であることを特徴とする(以下「第二単結晶体」ともいう。)。本発明では、前記の第一単結晶体及び第二単結晶体を総称して「本発明単結晶体」という。
【0037】
特に、本発明では、第一単結晶体と第二単結晶体の双方の要件を具備するものが好ましい。すなわち、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)少なくとも1種を含む酸化物の単結晶から実質的に構成され、小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm2)が0≦n≦102であり、かつ、転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)が1×105個/cm2以下であるレーザ発振器用単結晶体が望ましい。
【0038】
上記の小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm2)は、一般的には0≦n≦102 であり、好ましくは0≦n≦20、より好ましくは0≦n≦5である。上記の範囲外となる場合は、レーザ光の粒界面における屈折又は散乱が顕著になるおそれがある。
上記の転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)は、一般的には1×105個/cm2以下、1×104個/cm2以下、より好ましくは1×103個/cm2以下である。上記の範囲外となる場合は、レーザ上準位に励起された電子の電子状態が変化して量子効率を低下させるおそれがある。
【0039】
本発明単結晶体では、結晶粒界(いわゆる大傾角粒界)は存在しないが、結晶成長の過程においてある結晶が隣り合う結晶と方位差が生じ、その結果として小傾角粒界が形成されることがある(一般的には、粒界での方位差が10゜以下である)。この小傾角粒界は、傾角粒界(平行に並んだ刃状転位により構成された界面)とねじれ粒界(粒界を挟む二つの結晶の方位が転位面に垂直な方向を軸として互いに回転した形)の両者が含まれる。すなわち、小傾角粒界は、刃状転位及びらせん転位の複雑な配列により構成される界面である。小傾角粒界は、単結晶が成長する段階で、その界面に囲まれた領域部分によりつくりだされたものである。従って、上記単位面積当たりの個数が多くなれば小傾角粒界が多くなることを意味し、それだけ単結晶体としての品質に劣ることになる。
【0040】
単結晶体であっても、転位が存在することがあり、その転位密度が高くなりすぎると小傾角粒界の場合と同様、単結晶体としての品質に問題が生じることがある。
【0041】
小傾角粒界は、刃状転位及びらせん転位が三次元的な連続性をもったものである。つまり、小傾角粒界が界面における欠陥であるのに対し、転位密度は結晶粒子内部に発生した欠陥であって、本発明では両者(小傾角粒界と転位密度)を区別する。
【0042】
これらの転移又は小傾角粒界密度の下限値はレーザの性能の観点からは特に規定されず、一般には低いほど望ましい。生産コストの低減という意味から歩留まりに応じて定められる。
【0043】
本発明単結晶体では、気孔体積が100体積ppm以下、特に10体積ppm以下であることが好ましい。気孔体積が上記範囲に設定されることによって、いっそう優れた光学特性等を得ることができる。これは入力エネルギーの損失をより少なくするための規定であり、レーザ共振器のランニングコストに反映される。
本発明単結晶体の純度は、高いほど好ましく、特に99.5重量%以上、好ましくは99.9重量%以上とする。不純物が多量に含まれる場合、レーザ上準位に励起された電子の電子状態が不均一になり量子効率が低下するおそれがある。
【0044】
第一単結晶体及び第二単結晶体の組成は共通する組成を採用できる。すなわち、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)少なくとも1種を含む組成とすることができる。より具体的には、以下に示す組成を有する酸化物をレーザ発振器用単結晶体として好ましく使用することができる。
(1)一般式Re3512(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種、Mは原子番号21〜30の遷移金属元素、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)で表われる組成を有する酸化物
上記酸化物としては、例えばNd添加YAG(Ndx3-xAl512)、Yb添加YAG(Ybx3-xAl512)、Nd添加GGG(NdxGd3-xGa512)、Nd添加YSAG(Ndx3-xScyAl5-y12)等が挙げられる。
(2)一般式ReMO3(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種、Mは原子番号21〜30の遷移金属元素、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)で表わされる組成を有する酸化物
上記酸化物としては、例えばNd添加YAP(Ndx1-xAlO3)、Er添加YAGP(Ndx1-xGayAl1-y3)等が挙げられる。
【0045】
(3)一般式ReV1-xx4(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種、Mは原子番号21〜30の遷移金属元素、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)で表わされる組成を有する酸化物
上記酸化物としては、例えばNd添加YVO4、Nd添加GdVO4等が挙げられる。
【0046】
(4)一般式MxAl2-x3(但し、Mは原子番号22〜28の遷移金属元素の少なくとも1種を示す。)で表わされる組成を有する酸化物
上記酸化物としては、例えばルビー(CrxAl2-x3)、チタンサファイア(TixAl2-x3)等が挙げられる。
【0047】
(5)一般式Ti3+ xAl2-x3(但し、0≦x≦2を示す。)で表される組成を有する酸化物。
【0048】
これら(1)〜(5)の酸化物の中では、特にNd:YAG、Nd:YVO4、チタンサファイア等がレーザ発振器用としてより有効に用いることができる。
2.本発明単結晶体の製造方法(第一方法)
第一方法は、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物粉末を成形し、得られた成形体又はその焼結体をその焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Re及びMの少なくとも1種を含む酸化物の単結晶を製造する方法であって、
結晶成長させるに際し、(a)結晶成長開始部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことによって、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該成形体又は焼結体に与えることを特徴とする。
【0049】
上記酸化物粉末は、最終的に得られる酸化物の組成に応じて適宜選択することができる。また、酸化物粉末は、1種の酸化物粉末(例えば、Re及びMの2種以上の元素を含む複合酸化物又は混合酸化物)であっても良いし、あるいは2種以上の酸化物粉末を混合して得られた混合粉末であっても良い。
【0050】
第一方法では、酸化物粉末として次のような粉末を用いることが望ましい。すなわち、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)の酸化物粉末として一次粒子径20〜500nm及びBET比表面積5〜50m2/gである粉末を用い、かつ、M(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の酸化物粉末として一次粒子径100〜1000nm及びBET比表面積3〜30m2/gの粉末を用いることが好ましい。
【0051】
なお、これら粉末の一次粒子径は、X線回折分析における回折ピークの半価幅又はSEM(走査型電子顕微鏡)若しくはTEM(透過型電子顕微鏡)によって求めることができる。すなわち、SEM又はTEMの場合は任意に選んだ100個の粒子の長径の平均値を算出することによって求めた値を示す。
【0052】
本発明では、結晶成長時に液相を形成し得る酸化物を0.01〜1重量%添加しても良い。例えば、SiO2、B23、Li2O、Na2O、K2O、GeO2、P25等の少なくとも1種を用いることができる。かかる添加によって、成形体から低融点物質を形成させ、結晶成長させる時に結晶成長界面(単結晶と多結晶界面)に液相が存在した状態で単結晶を育成することもできる。この場合、極少量の液相成分が結晶成長界面に存在することにより液相を介した結晶成長(すなわち、多結晶体の構成粒子が液相に一旦溶解したあと、単結晶の成長界面に再析出することを繰り返すこと)でも単結晶化を引き起すことができる。
【0053】
この方法を適用するときは、上記所定量の酸化物を含む当該成形体又は焼結体を作製し、次いで本項目の方法を適用すれば良いが、上記酸化物は育成した結晶内部に導入される場合がある。このため、酸化物含有量は上記所定量の範囲内とする。
【0054】
上記の酸化物粉末自体は、構成元素の酸化物をブレンドする固相法、構成元素を予め化学的に処理することで均一化した粉末を得る共沈法、均一沈殿法、アルコキシド法等の公知の製法で得られる粉末又は市販品を使用することができる。特に、本発明単結晶体は組成が複雑になる場合が多いことから、個々の酸化物粉末を電子天秤等で秤量するだけで目的とする組成をより確実に得ることができるという点で上記固相法が好ましい。なお、これらの粉末の純度は限定されないが、99.8重量%以上であることが望ましい。
【0055】
また、上記の混合粉末を用いる場合、これら粉末の混合も公知の混合方法に従えば良いが、特に湿式混合することが望ましい。具体的には、例えば2種以上の酸化物粉末に溶媒(水、アルコール等)、必要に応じて分散剤、バインダー等を配合し、ポットミル等を用いて湿式混合すれば良い。混合時間は特に限定的ではないが、通常は5時間以上とすれば良い。湿式混合により得られたスラリーは、スプレードライ等により乾燥することによって混合された顆粒粉末とすることができる。
【0056】
次いで、酸化物粉末の成形を行う。成形方法は公知の成形方法を採用すれば良く、例えば一軸プレス法、冷間静水圧成形法等が挙げられる。成形体の密度は限定的ではなく、最終製品の用途等に応じて適宜設定すれば良い。
また、必要に応じて、上記成形体を公知の方法に従って焼成させても良い。例えば、上記成形体を酸化性雰囲気中で焼成することによって焼結体を得ることができる。この場合の焼成温度は、その組成における結晶成長温度よりも低い温度とする。また、焼結体は、仮焼体、焼結体等のいずれであっても良い。特に、相対密度95%以上の焼結体とすることが望ましい。
【0057】
次に、上記成形体又はその焼結体を焼結体の融点の75〜95%程度、好ましくは80〜95%の温度で熱処理して結晶成長させる。この温度は、用いる成形体の組成等に応じて適宜設定できる。例えば、ReにNdを置換する場合は、そのNd量により決定される。また、熱処理雰囲気は、例えば酸化性雰囲気、不活性ガス雰囲気、大気中等のいずれでも良く、単結晶体の組成等に応じて適宜変更すれば良い。また、熱処理時間は、熱処理温度、所望の単結晶体のサイズ等に応じて適宜設定すれば良い。
【0058】
第一方法では、結晶成長させる際の昇温速度を調節することが望ましい。具体的には、50℃/h以下、好ましくは20℃/h以下とする。かかる昇温速度に調節することによって、効率的な結晶成長を行うことができる。
第一方法では、結晶成長させるに際し、(a)結晶成長開始部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことによって、10℃/cm以上の平均温度勾配を上記成形体又は焼結体に付与する。
【0059】
結晶成長開始部分は、成形体又は焼結体の任意の部分を定めることができる。また、上記末端部は、一般的には最後に単結晶化される部分であり、成形体又は焼結体の形状、所望の結晶成長方向等に応じて適宜決定することができる。結晶成長開始部分及び末端部は、本発明の効果を妨げない限り、それらの部分の周辺部も含めることができる。例えば、図1(a)のように成形体又は焼結体が立方体又は円柱体である場合、ある一面の中心部X(当該面の対角線の交差点又は円の中心)を結晶成長開始部分とすれば、その面に対向する面の中心部Y又はその周辺部を末端部とすることができる。
【0060】
特に、第一方法では、ブリッジマン法と同様に、結晶成長開始部分を鋭った形状に形成することにより単結晶体をいっそう効率的に得ることができる。例えば、図1(b)のように、成形体又は焼結体の先端を円錐形状とすれば、その先端部Xが単結晶(種子結晶)になりやすくなるため、この部分を結晶成長開始部分とすることにより本発明単結晶体を効率良く製造できる。
【0061】
本発明における平均温度勾配とは、成形体又は焼結体のうち最高温度部分と最低温度部分における温度差を、上記最高温度部分と上記最低温度部分との最短距離で除した値をいう。通常は、上記最高温度部分は結晶成長開始部分であり、最低温度部分は上記末端部となる。なお、上記温度差は、熱電対を上記最高温度部分と上記最低温度部分に設置することにより測定することができる。
【0062】
本発明では、上記平均温度勾配が10℃/cm以上、好ましくは50℃/cm以上となるように成形体に温度勾配を与える。平均温度勾配が10℃/cm未満の場合は、得られる単結晶体中に多くの小傾角粒界が発生したり、転位密度が過多になるおそれがある。なお、平均温度勾配の上限値は特に限定されないが、通常200℃/cm程度とすれば良い。
【0063】
上記(a)の加熱処理の方法は、結晶成長開始部分を集中的に加熱できる制限されない。例えば、ヒーター、レーザビーム等による加熱により適宜実施することができる。これらの加熱処理は、電気炉等による加熱を併用することもできる。
また、上記(b)の冷却処理の方法は、上記末端部を集中的に冷却できる限り限定されない。例えば、空気、酸素、窒素等の冷媒を吹き付ける方法、金属又は無機材料からなるヒートシンク材を末端部分に当接又は接触させ、このヒートシンク材に空気等の冷媒を接触又は吹き付ける方法等が挙げられる。上記ヒートシンク材としては、例えばアルミナ、YAG焼結体等のセラミックス、白金等の金属が使用できる。また、これらの金属又は無機材料は、単結晶体及び多結晶体のいずれであっても良い。ヒートシンク材の形状は限定的でないが、通常は板状のものを使用すれば良い。
【0064】
上記(a)及び(b)の処理は、併用することができる。すなわち、結晶成長開始部分を加熱しながら、末端部の冷却をすることが可能である。両者の処理を併用すれば、より大きな平均温度勾配を得ることができる。
【0065】
このようにして上記成形体の熱処理をすることによって、単結晶の粗大粒子が生成し、これが成長することによって所望サイズの単結晶体を得ることができる。本発明では、例えば一辺が10〜30mm程度又はそれ以上の大きさの単結晶を製造することができる。
3.本発明単結晶体の製造方法(第二方法)
第二方法は、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物の焼結体に当該酸化物の単結晶を種子結晶として接触させた後、当該焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Re及びMの少なくとも1種を含む酸化物の単結晶を製造する方法であって、
結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とする。
【0066】
第二方法は、第一方法と同様の焼結体を用いることができる。焼結体は、目的とする単結晶体の組成と同一組成又はモル比で誤差1%以内で相違する組成を好ましく採用することができる。例えば、Nd:YAG単結晶を作製する場合はの焼結体として、Re(Nd+Y)が3.0モル、M(Al)が5.0モルとなるが、それぞれ±0.03モル、±0.05モルの組成変動範囲の焼結体を採用することで作製することが可能となる。
【0067】
また、上記焼結体としては、基本的には多結晶体(好ましくは平均結晶粒径20μm以下)を使用すれば良い。上記焼結体は、公知の方法により製造することができる。焼結方法として、例えば常圧焼結、ホットプレス、HIP(熱間等方圧プレス)等のいずれの方法も採用できる。
【0068】
上記焼結体の相対密度は限定的ではないが、通常99%以上、特に99.8%以上であることが好ましい。これにより、いっそう良質な単結晶体を得ることができる。当該焼結体のサイズは、所望の単結晶体の大きさ等により変更できるが、通常は単結晶の体積以上のサイズとすれば良い。なお、相対密度は、焼結前の成形体の密度、焼結温度及び時間等によって制御することができる。
【0069】
第二方法では、第一方法で作製された成形体を適当な温度及び時間で焼結して得られる多結晶体中に存在するいずれか1種の単結晶を好適に使用することもできる。
【0070】
また、第二方法では、結晶成長時に液相を形成し得る酸化物を予め焼結体中に0.01〜1重量%添加することができる。このような酸化物としては、例えば、SiO2、B23、Li2O、Na2O、K2O、GeO2、P25等の少なくとも1種を用いることができる。かかる添加によって、母材より低融点物質を形成させ、種子結晶から焼結体方向へ単結晶化させる時に結晶成長界面(単結晶と多結晶界面)に液相が存在した状態で単結晶を育成することもできる。この場合、極少量の液相成分が結晶成長界面に存在することにより液相を介した結晶成長(すなわち、多結晶体の構成粒子が液相に一旦溶解したあと、単結晶の成長界面に再析出することを繰り返すこと)でも単結晶化を引き起すことができる。この方法を適用するときは、上記所定量の酸化物を含む当該焼結体を作製し、次いで第一方法を適用すれば良いが、上記酸化物は育成した結晶内部に導入される場合がある。このため、酸化物含有量は上記所定量の範囲内とする。
【0071】
種子結晶として使用される当該単結晶は、第一方法及び第三方法で得られる単結晶はもとより、FZ法、フラックス法、TSSG法等の公知の単結晶製造法で得られる単結晶も使用することができる。使用する単結晶のサイズ(体積)は特に限定されないが、通常は1mm3程度以上であれば良い。
【0072】
また、上記単結晶は、上記焼結体の組成と同一であっても良いし、互いに異なっていても良い。
【0073】
焼結体と単結晶とを接触させる方法は特に限定されないが、両者間に隙間がないように接触させることが好ましい。この場合、上記焼結体と単結晶とを互いに加圧接触させながら熱処理しても良い。加圧接触における圧力は、焼結体・単結晶の種類、接触面積等によって適宜変更すれば良い。例えば、YAG単結晶とYAG焼結体とを用いる場合は約9.8MPa程度以下とすれば良い。
【0074】
また、第二方法では、上記焼結体と上記単結晶とを接触させるに際し、少なくとも一方の表面(接触面)を研磨しておくことが望ましい。上記単結晶では、その(100)面、(110)面又は(111)面を研磨することが望ましい。この場合、研磨面が平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下となるように研磨することが好ましい。一方、上記焼結体は、少なくとも単結晶と接触する面を平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下となるように研磨することが好ましい。
【0075】
次いで、焼結体の融点の75〜95%程度の温度、好ましくは80〜95%の温度で熱処理して結晶成長させる。熱処理温度は、焼結体又は種子結晶の組成等に応じて適宜設定することができる。熱処理雰囲気は特に限定されず、第一方法の雰囲気と同様にすれば良い。熱処理時間は、熱処理温度、所望の単結晶体サイズ等の応じて適宜設定すれば良い。
【0076】
第二方法では、結晶成長させる際の昇温速度を調節することが望ましい。具体的には、50℃/h以下、好ましくは20℃/h以下とする。かかる昇温速度に調節することによって、効率的な結晶成長を行うことができる。
第二方法では、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことによって、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与える。
【0077】
種子結晶部分は、種子結晶そのもののほか、種子結晶と焼結体が接触する部分も含まれる。この部分の加熱は、ヒーター、白色光やレーザビーム等による部分加熱により実施することができる。また、上記末端部は、通常は最後に単結晶化される部分であり、焼結体の形状、所望の結晶成長方向等に応じて適宜決定することができる。種子結晶部分及び末端部は、本発明の効果を妨げない限り、それらの部分の周辺部も含めることができる。例えば、焼結体が立方体又は円柱体である場合、その一面の中心部分(対角線の交差点又は円の中心)に種子結晶を配置すれば、その面に対向する面又はその中心部分を末端部とすることができる。
【0078】
本発明における平均温度勾配とは、上記焼結体のうち最高温度部分と最低温度部分における温度差を、上記最高温度部分と上記最低温度部分との最短距離で除した値をいう。通常は、上記最高温度部分は結晶成長開始部分であり、最低温度部分は上記末端部となる。なお、上記温度差は、熱電対を上記最高温度部分と上記最低温度部分に設置することにより測定することができる。
【0079】
本発明では、上記平均温度勾配が10℃/cm以上、好ましくは50℃/cm以上となるように焼結体に温度勾配をつける。平均温度勾配が10℃/cm未満の場合は、得られる単結晶体中に多くの小傾角粒界が発生したり、転位密度が過多になるおそれがある。なお、平均温度勾配の上限値は特に限定されないが、通常200℃/cm程度とすれば良い。
【0080】
上記(a)の加熱処理の方法は、種子結晶部分を集中的に加熱できる制限されない。例えば、ヒーター、白色光やレーザビーム等による加熱により適宜実施することができる。これらの加熱処理は、電気炉等による加熱を併用することもできる。図2には、ヒーターで種子結晶を直接加熱する態様(断面図)を示す。ヒーターは、種子結晶に直接的に接触した状態で設置され、このヒーターにより種子結晶が加熱される。加熱された種子結晶は焼結体(多結晶体)に向かって結晶成長する。必要に応じて、焼結体の両側に補助的なヒーター(電気炉)を設置しても良い。
【0081】
また、上記(b)の冷却処理の方法は、上記末端部を集中的に冷却できる限り限定されない。例えば、空気、酸素、窒素等の冷媒を吹き付ける方法、金属又は無機材料からなるヒートシンク材を末端部分に当接又は接触させ、このヒートシンク材に空気等の冷媒を吹き付ける方法等が挙げられる。上記ヒートシンク材としては、熱伝導率が5W/mk以上、特に10W/mk以上のものが好ましい。このような材料としては、例えばアルミナ、YAG焼結体等のセラミックス、白金、タングステン等の金属が使用できる。これらの材料は、単結晶体又は多結晶体のいずれであっても良い。ヒートシンク材の形状は限定的でないが、通常は板状のものを使用すれば良い。図3には、末端部分にヒートシンク材を当接し、そのヒートシンク材にガス媒体を吹き付けて冷却する態様(断面図)を示す。図3のように、焼結体(多結晶体)が立方体又は円柱体であり、ある一面の中心部に種子結晶を載せ、結晶成長させる場合、その面に対向する面の全体にヒートシンク材(板状材)を当接し、このヒートシンク材の下方よりガスを供給し、ヒートシンク材に接触させる。このヒートシンク材の下方から炉内温度以下のガスを吹込むことにより、ヒートシンク材及び多結晶体そのものが冷却され、非定常状態の温度分布(曲線的温度分布、すなわち結晶成長界面を境として急激な温度変動)を材料内に与えることができる。このことは、結晶成長界面より下にある多結晶体の粒成長を極力抑制することができることとなる。さらに、下端からの冷却条件を一定とし、炉内を一定速度で昇温すれば、結晶成長開始温度は順次下方に向かって移動させることができるので、一定速度かつ一方向からだけの結晶成長が可能となる。このことは、非溶融状態での結晶成長に有利なだけでなく、単結晶化する前の多結晶体中にある残留気孔を結晶界面移動を利用してスムーズに系外(単結晶の外)に排出できるため、材料内部の光散乱(すなわち、半導体レーザ照射時の挿入損失)を低減でき、高品質化にもつながる。
【0082】
上記(a)及び(b)の処理は、併用することができる。すなわち、種子結晶部分を加熱しながら、末端部の冷却をすることが可能である。両者の処理を併用すれば、より大きな平均温度勾配を得ることができる。
【0083】
また、その他の手段としては、炉内温度を結晶成長開始温度以上に設定し、かつ、単結晶と多結晶体の接合部が結晶成長開始温度程度となるようにガスを供給しながら冷却し、結晶成長の度合いに準じて冷却の程度を弱めることにより結晶成長界面を移動させることができ、同様に高品質の単結晶体を得ることができる。
種子結晶部分にレーザビームを照射する場合には、上記種子結晶と上記焼結体と接触する部分の一部又は全部にレーザビームを照射すれば良い。レーザビーム(レーザ光)のエネルギー密度は、ビームスポット径等によって異なるが、通常は107W/cm2以下とすれば良い。また、波長は通常0.2〜11μm程度(但し、当該単結晶の透過波長を除く。)とすれば良い。レーザ発生装置自体は公知又は市販の装置を使用することができる。レーザビームの種類も限定的でなく、例えばCO2レーザビーム等を採用できる。また、例えば当該単結晶と同一組成の単結晶を種子結晶として接触させた当該焼結体を加熱炉中に設置した後、これを熱処理しながらレーザビーム照射を行えば良い。
【0084】
また、第二方法では、必要に応じて、上記焼結体及び上記単結晶の少なくとも一方の接触面に、Re及びMの少なくとも1種を含む水溶液を塗布することもできる。このような水溶液としては、Re及びMの少なくとも1種を含む水可溶性塩類(有機酸塩、無機酸塩等)の水溶液が使用できる。例えば、YCl3、Y(NO33等の水溶液が挙げられる。この場合、水溶液のReとMは、焼結体に含まれるRe及びMと同じものを使用することが好ましい。上記水溶液を使用することにより単結晶と焼結体との接着性が改善することができ、良質の単結晶をより確実に製造することができる。水溶液の濃度は特に限定されないが、通常は0.5〜10重量%程度とすれば良い。
4.本発明単結晶体の製造方法(第三方法)
第三方法は、Re(但し、ReはY、Ca、Sr及び原子番号62〜71のランタニド希土類元素の少なくとも1種を示す。)及びM(但し、Mは原子番号22〜30の遷移金属元素、Sc、Si、Mg、Al、Ga、In及びSnの少なくとも1種を示す。)の少なくとも1種を含む酸化物の焼結体にレーザビームを照射することにより単結晶の種子結晶を生成させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Re及びMの少なくとも1種を含む酸化物の単結晶を製造する方法であって、
結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とする。第三方法は、第一方法よりも速くしかも大きな単結晶体を製造できるという点で好ましい。
第三方法では、第一方法と同じ焼結体を使用することができる。焼結体は、目的とする単結晶の組成と同一組成又はモル比で誤差1%以内で相違する組成を有する限り特に限定されない。例えば、Nd:YAG単結晶を作製する場合はの焼結体として、Re(Nd+Y)が3.0モル、M(Al)が5.0モルとなるが、それぞれ±0.03モル、±0.05モルの組成変動範囲の焼結体を採用することで作製することが可能となる。
【0085】
また、上記焼結体としては、基本的には多結晶体(好ましくは平均結晶粒径20μm以下)を使用すれば良い。上記焼結体は、公知の方法により製造することができる。焼結方法として、例えば常圧焼結、ホットプレス、HIP(熱間等方圧プレス)等のいずれの方法も採用できる。第三方法では、第一方法で作製された成形体を適当な温度及び時間で焼結して得られる多結晶体中に存在するいずれか1種の単結晶を好適に使用することもできる。
【0086】
第三方法では、当該焼結体の相対密度は限定的ではないが、通常99%以上、特に99.8%以上であることが好ましい。これにより、いっそう良質な単結晶体を得ることができる。当該焼結体のサイズは、所望の単結晶体の大きさ等により変更できるが、通常は後単結晶の体積以上のサイズとすれば良い。なお、相対密度は、焼結前の成形体の密度、焼結温度及び時間等によって制御することができる。
【0087】
第三方法では、結晶成長時に液相を形成し得る酸化物を予め焼結体中に0.01〜1重量%添加することができる。このような酸化物としては、例えば、SiO2、B23、Li2O、Na2O、K2O、GeO2、P25等の少なくとも1種を用いることができる。かかる添加によって、母材より低融点物質を形成させ、種子結晶から焼結体方向へ単結晶化させる時に結晶成長界面(単結晶と多結晶界面)に液相が存在した状態で単結晶を育成することもできる。この場合、極少量の液相成分が結晶成長界面に存在することにより液相を介した結晶成長(すなわち、多結晶体の構成粒子が液相に一旦溶解したあと、単結晶の成長界面に再析出することを繰り返すこと)でも単結晶化を引き起すことができる。この方法を適用するときは、上記所定量の酸化物を含む当該焼結体を作製し、次いで第一方法を適用すれば良いが、上記酸化物は育成した結晶内部に導入される場合がある。このため、酸化物含有量は上記所定量の範囲内とする。
【0088】
第三方法では、レーザビームの照射によって、目的とする単結晶の組成と同一組成の種子結晶を生成させる。すなわち、その照射部分に異常粒成長(特に未照射部分に対して約10倍以上のサイズへの粒成長)を起こさせる。従って、この異常粒成長が起こる限り照射条件は特に限定されない。例えば、レーザビーム(レーザ光)のエネルギー密度は107W/cm2以下とすれば良い。また、波長は通常0.2〜11μm程度(但し、当該単結晶の透過波長を除く。)とすれば良い。
【0089】
レーザ発生装置自体は公知又は市販の装置を使用すれば良い。レーザビームの種類も限定的でなく、例えばCO2レーザビーム等を採用できる。レーザビームを照射する場合の照射エリアは限定的ではないが、通常は1mm2以下とすることが好ましい。
【0090】
上記焼結体へのレーザビーム照射は、必要により加熱しながら行うこともできる。この場合の加熱温度は限定的ではないが、単結晶から多結晶側へ結晶成長が起る温度未満の温度となるがこれは材料組成により大きく変動する。例えば純粋なNd:YAG単結晶を成長させる場合、通常1000〜1760℃程度、好ましくは1200〜1650℃とすれば良い。加熱は、例えば加熱炉等を用いて実施することができる。
【0091】
次いで、焼結体の融点の75〜95%の温度、好ましくは80〜95%の温度で熱処理して結晶成長させる。これらの方法は、第二発明と同様にして実施すれば良い。例えば、用いる焼結体の組成等に応じて適宜決定できる。熱処理時間は、熱処理温度、所望の単結晶体のサイズ等の応じて適宜設定すれば良い。
【0092】
第三方法では、結晶成長させる際の昇温速度を調節することが望ましい。具体的には、50℃/h以下、好ましくは20℃/h以下とする。かかる昇温速度に調節することによって、効率的な結晶成長を行うことができる。
【0093】
第三方法では、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却の少なくとも一方の処理を施すことによって、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与える。
【0094】
種子結晶部分は、種子結晶部分は、種子結晶そのもののほか、種子結晶と焼結体が接触する部分も含まれる。この部分の加熱は、ヒーター、白色光やレーザビーム等による部分加熱により実施することができる。また、上記末端部は、通常は最後に単結晶化される部分とし、焼結体の形状、所望の結晶成長方向等に応じて適宜決定することができる。例えば、焼結体が立方体又は円柱体である場合、その一面の中心部分(対角線の交差点又は中心点)に種子結晶が存在すれば、その面に対向する面の中心部分を末端部とすることができる。
【0095】
本発明における平均温度勾配とは、上記の第二方法と同様の意味である。本発明では、上記平均温度勾配が10℃/cm以上、好ましくは50℃/cm以上となるように焼結体に温度勾配をつける。平均温度勾配が10℃/cm未満の場合は、得られる単結晶体中に多くの小傾角粒界が発生したり、転位密度が過多になるおそれがある。なお、平均温度勾配の上限値は特に限定されないが、通常200℃/cm程度とすれば良い。
【0096】
上記(a)の加熱処理の方法、上記(b)の冷却処理の方法は、上記の第二方法と同様にして実施することができる。また、上記(a)及び(b)の処理は、併用することができる。すなわち、種子結晶部分を加熱しながら、末端部の冷却をすることが可能である。両者の処理を併用すれば、より大きな平均温度勾配を得ることができる。
【0097】
種子結晶にレーザビームを照射する場合、レーザビーム(レーザ光)のエネルギー密度は、ビームスポット径等によって異なるが、通常107W/cm2以下とすれば良い。また、波長は通常0.2〜11μm程度(但し、当該単結晶の透過波長を除く。)とすれば良い。レーザビーム装置自体は公知又は市販の装置を使用することができる。レーザビームの種類も限定的でなく、例えばCO2レーザビーム等を採用できる。
【0098】
レーザビーム照射を加熱と併用する場合は、例えば単結晶と種子結晶が生成した当該焼結体を加熱炉中に設置した後、これを熱処理しながら種子結晶にレーザビーム照射を行えば良い。
【0099】
【作用】
本発明ではレーザー媒質の融点の75〜95%(例えばレーザー材料の主流であるNd:YAGの場合は1470〜1860℃)での熱処理による結晶成長であるため、従来固体レーザ媒質の製造において必要であった白金坩堝(例えば、Nd:YAG育成の場合は白金より高価なイリジュウム坩堝)や1900℃以上(例えば、Nd:YAG育成の場合は1980〜2000℃)の超高温設備が不要となる。また、実効的に1mm/h以上の結晶成長速度が得られることから、製造期間も従来方法を用いた場合と比較して大幅に短縮されることになる。
【0100】
また、一般的に、二成分以上の組成系の単結晶を溶融凝固法で製造する場合、重力の影響により組成の均一性改善に限界がある。材料内部の組成均一性の向上は溶融凝固法に共通する課題であるが、その解決の糸口さえ見つかっていない。
【0101】
この問題に関し、セラミックスプロセスがその解明の突破口になると見出したのが本発明である。セラミックスプロセスでは、基本的に原料を溶融することなく、非溶融状態で焼結するので、各構成元素は常に固体(結晶)中に拘束された状態に置かれる。すなわち、固体中の各構成元素は重力の影響をほとんど受けることがないという点からみれば、単結晶製造で生じる不均一性、さらには偏析の問題もほとんど解消されるはずである。ところが、セラミックスプロセスでは、圧粉体中の出発原料の組成分布が均一でなければ焼結過程における構成成分の移動距離がわずかであるため、溶融凝固法による単結晶より劣悪な均一性しか得られないこととなる。このことから、これまでのセラミックス技術(焼成法)では、製造工程における組成均一性の確保が困難であるため、たとえ焼成法で単結晶化することができたとしても、溶融凝固法で作製された単結晶よりも不均一であるとされていた。
【0102】
これに対し、本発明では、特に、特定の組成をもつ材料を出発原料として用いることにより、従来の焼成法における問題を解決することに成功し、いままで以上に良質な単結晶体を工業的規模で提供することが可能となる。
【0103】
例えば、単結晶では成長縞、ファセット、コア等の光学的不均一部が結晶内部に発生するのに対し、焼結法により作製された単結晶にはこのような光学的不均一部の発生はほとんどない。これまでは、コアが発生した部分はレーザー結晶として用いることができない、成長縞やファセットに対してはレーザー出射方向をこれらと垂直方向にしなければならないな等の制約が存在していた。また、例えばNd:YAGレーザーの場合、<211>ファセットが生じるために高出力動作時に問題となる熱複屈折を軽減できる方位にレーザー結晶を取出すことが困難な状況であった。
【0104】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、従来固体レーザ媒質の製造において必要であった白金坩堝や1900℃以上の超高温設備が不要となり、かつ製造期間も大幅に短縮されるためにレーザ媒質となる単結晶の製造コストが大きく削減できる。
【0105】
また、小傾角粒界が比較的少ない単結晶体あるいは転位密度が比較的少なく、かつ光学的な不均一性を有しない単結晶体を効率良く生産することが可能となる。従って、例えば大型の良質な単結晶体を提供することができる。その結果、安価な高性能固体レーザ発振器を提供することが可能となる。
【0106】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特長を一層明確にする。但し、本発明の範囲は、実施例の範囲に限定されるものではない。
【0107】
下記の実施例1〜2はいずれも純度99.9重量%のアルミナ焼結体またはタングステンをヒートシンク材として用い、図3に示すようにヒートシンク材上に焼結体を載せ、ヒートシンク材の下方から空気を吹き込んで冷却しながら結晶成長させた。冷媒である空気の温度は炉内雰囲気温度よりも低く設定した。
【0108】
実施例3では、ヒートシンクを用いず直接空気で冷却しながら結晶成長を行った。どの実施例においても空気と炉内雰囲気の温度差が150℃、試料長が25mmであることから、その平均温度勾配は60℃/cmである。
【0109】
なお、各実施例及び比較例中における小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数の算出、転位密度及び屈折率分布の測定は次のようにして行った。
なお、単結晶化されていることはX線回折像から確認した
(1)小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数、転位密度
温度100℃程度の熱リン酸溶液(原液)中で試料をエッチングすることにより、試料表面に蝕凹像を現出させる。小傾角粒界又は転位が存在する場合は、図4に示すような蝕凹像が得られる。図4中、点状の蝕凹像(A)が転位である。図4中、線状の蝕凹像が小傾角粒界(B)である。
【0110】
本発明では、点状蝕凹像の単位面積当たりの数を「転位密度(個/cm2)」とする。また、図4中、小傾角粒界を形成する結晶粒子(C)であり、これを1個とカウントし、このような部分の数を観察面積(cm2)で除した値を「小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数(個/cm2)」とする。
(2)屈折率分布
トワイマンタイプ干渉計を用いて測定した。光源は波長λ1=1.3μmのYAGレーザーを使用した。干渉計から得られる検出画像をInSbディテクターにより検出し、得られた干渉縞から試料面内の屈折率分布を求めた。試料は、平均表面粗度(Ra)0.3nm以下、平坦度λ2/10(λ2=633nm)以下、平行度3sec以内に精密加工した。
(3)気孔体積
試料の一面を鏡面研摩し、反射顕微鏡にて100〜500倍でその表面に露出した気孔面積を積算し、測定面積との比を気孔体積として求めた。この場合、求められる値は面積比であるが、この値を簡易的に気孔体積とした。ただし、測定面積は、少なくとも1cm2とした。
(4)平均温度勾配
図5に示すように、結晶成長開始部分又は種子結晶部分(X)と末端部(Y)に予め熱電対を設置し、その温度差ΔT(℃)を測定する。ΔTを試料長さL(cm)で除した値(ΔT/L)を平均温度勾配(℃/cm)とした。例えば、実施例1では、ΔTが150℃、で試料長さが2.5cmであることから、その平均温度勾配は60℃/cmとなる。
【0111】
実施例1
実施例1として1mol%Nd添加YAG単結晶を製造した。
【0112】
共沈法により製造された純度99.9重量%、平均粒径100nmのNd0.032.97Al512粉末を作製しボールミルにて粉砕・混合処理を行った後、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。
【0113】
得られた成型体を1550℃で3時間焼結して相対密度99.8%の焼結体を作製した。この焼結体を切削加工することにより図2で示されるコーン部(コーン部の先端をφ8mmとし、この部分をRa=1.0nm、平坦度λ/2に仕上げた)を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ8×t1mmのYAG単結晶(<111>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1500℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に酸素雰囲気(電気炉)中1600℃〜1800℃の温度域を5℃/h(熱処理時間40時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(アルミナ焼結体に酸素ガスを吹込む)を行うことにより、試料に平均60℃/cmの温度勾配を与えた。1800℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0114】
単結晶と接合した部分から深さ35mm(直径2インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は0.88mm/hであった。単結晶化した部分に於いて小傾角粒界は存在せず、それ以外の転位密度は101個/cm2であり、残留気孔体積は1体積ppmであった。
【0115】
また、図6(a)は得られたNd:YAG単結晶を偏光板を通じて観察したものであるが、従来の溶融凝固法で作製したNd:YAG単結晶(図6(b))(宮澤信太郎著, "光学結晶"(培風館発行), p253より引用)で観察されるコア(歪みの入った部分(1))、ファセット(屈折率が変動した部分(2))、成長縞等は全く観察できなかった。また、フィゾー干渉計で屈折率分布を測定したところ図7(b)(足立吟也他著,"先端材料の新技術"(化学同人発行), p186より引用)に示すように溶融凝固法の単結晶が数本のフリンジが観察されるのに対し、本法で作製された単結晶(図7(a))は干渉縞が若干彎曲する程度であり、インゴットレベルで見たときは屈折率の均一性も優れていることが確認できた。
【0116】
実施例2
実施例2として5.0mol%Nd添加YAG単結晶を製造した。純度99.99重量%、平均粒径200nm、50nm及び300nmのNd23、Y23、Al23粉末をNd0.152.85Al512組成秤量し、ボールミルにて粉砕・混合処理を行なった後、得られた混合粉末を196MPaの圧力でCIP成型した。
【0117】
得られた成型体を1600℃で3時間焼結し、相対密度99.9%の焼結体を作製した。この焼結体を切削加工することにより図2で示されるコーン部(コーン部の先端をφ8mmとし、この部分をRa=0.5nm、平坦度λ/4に仕上げた))を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ8×t1mmのYAG単結晶(<111>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1500℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に酸素雰囲気(電気炉)中1600〜1800℃の温度域を5℃/h(熱処理時間60時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(ルミナ焼結体に酸素ガスを吹込む)を行なったところ、試料には平均30℃/cmの温度勾配を形成させた。1800℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0118】
単結晶と接合した部分から深さ30mm(直径2インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は0.50mm/hであった。単結晶化した部分に於いて小傾角粒界は存在せず、それ以外の転位密度は5個/cm2であり、残留気孔体積は0.1体積ppmであった。
【0119】
また、図6(a)は得られたNd:YAG単結晶を偏光板を通じて観察したものであるが、従来の溶融凝固法で作製したNd:YAG単結晶で観察されるコア、ファセット、成長縞は全く観察できなかった。また、前述の1600℃で3時間焼結した相対密度99.9%の焼結体をFZ炉(育成温度1990℃、移動速度0.2mm/h)にて育成処理を行なったところ、作製した単結晶中にはインクリュージョンが多数発生(図8)しており、光学材料として全く利用できるものではなかった。
【0120】
また、フィゾー干渉計で屈折率分布を測定したところ面内の屈折率分布Δnは5×105であり、インゴットレベルでの光学特性は従来技術(低濃度Nd:YAG単結晶の光学品質をも)を遥かに凌駕していることが判明した。
【0121】
実施例3
実施例3では、実施例1と類似した1mol%Nd添加YAG単結晶を製造した。
【0122】
共沈法により製造された純99.99重量%、平均粒径80nmのNd0.032.97Al512粉末を作製しボールミルにて粉砕・混合処理を行なった後、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。
【0123】
得られた成型体1550℃で3時間焼結して相対密度99.8%を作製した。この焼結体を切削加工することにより図2で示されるコーン部(コーン部の先端をφ8mmとしこの部分をRa=1.0nm、平坦度λ/2に仕上げた)を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ8×t1mmのYAG単結晶(<110>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1500℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に真空雰囲気(電気炉)中1650〜1800℃の温度域を3℃/h(熱処理時間50時間)加温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(タングステン板をArガスにて冷却)を行なったところ、試料には平均50℃/cmの温度勾配を形成された。なお、このとき真空炉中には直径2インチ、長さ65mm(直胴長さ50mm)の試料を10個挿入しており、1800℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0124】
単結晶と接合した部分から深さ55mmのところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は1.1mm/hであった。単結晶化した部分において小傾角粒界は存在せず、それ以外の転位密度は101個/cm2であり、残留気孔体積は1体積ppmであった。レーザーの高出力動作時にもっとも熱複屈折を生じ難い<110>方向結晶取出しも可能となり、固体レーザー性能を飛躍的に向上させることができる。
【0125】
比較データーとして、チョクラルスキー法で2インチサイズの1at%Nd:YAG単結晶の育成を行なった。育成温度は1980℃で種子結晶として<111>YAG単結晶を用い、0.3mm/hの育成速度で引き上げを行なった。長さ55mmまで約180時間を要しており、単純計算によれば時間当たりの生産性は本技術の1/36となる。また、合成した単結晶中にはこれまでの溶融凝固法による単結晶育成の報告例と同じく、コアなどの光学的不均一部が発生しており、レーザー媒質として利用可能な部分は全体の30%程度であった。このことから、レーザー媒質としての生産性はさらに低下し、本法の1/100レベルとなる。また、<211>及び<100>ファセットの発生により、熱複屈折低減に有効な結晶方位のレーザー媒質が取れない欠点がある。
【0126】
実施例4
実施例4として0.1mol%Ti添加サファイア単結晶を製造した。市販の純度99.99重量%、平均粒径200nmのAl23粉末と粒径60nmのTiO2粉末をそれぞれモル比で999:2の割合で組成調整した後にボールミルにて湿式混合し、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。
【0127】
得られた成型体を1300℃で2時間焼結して相対密度99.5%の焼結体を作製し、その後にAr雰囲気による1400℃で1時間のカプセルフリーHIP処理(圧力98MPa)を施して相対密度99.91%の焼結体とした。た。この焼結体を切削加工することによりコーン部(コーン部の先端をφ8mmとしこの部分をRa=1.0nm、平坦度λ/2に仕上げた)を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ8×t1mmのサファイア単結晶(<0001>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1420℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に真空雰囲気(電気炉)中1450〜1850℃の温度域を10℃/h(熱処理時間40時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(アルミナ焼結体に酸素ガスを吹込む)を行なったところ試料には平均60℃/cmの温度勾配を形成された。1850℃に到達した試料は室温まで冷却した。
単結晶と接合した部分から深さ50mm(直径2インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は1.25mm/hであった。単結晶化した部分において小傾角粒界は存在しておらず、それ以外の転位密度は101個/cm2であり、残留気孔体積は0.5体積ppmであった。本法で育成したサファイア単結晶は黄色を呈しており、添加したTiの大部分がTi4+になっているものと推定できた。このため、育成したTi添加サファイアを水素雰囲気中1850℃で10時間熱処理することでピンク色の単結晶、すなわちTi3+:サファイアを得ることができた。本結晶でもNd:YAG単結晶の作製結果と同様にコア、ファセット、成長縞等は検出されなかった。
【0128】
実施例5
実施例5として1.0mol%Ti添加サファイア単結晶の製造した。市販の純度99.99重量%、平均粒径200nmのAl23粉末と粒径60nmのTiO2粉末をそれぞれmol比で990:20の割合で組成調整した後にボールミルにて湿式混合し、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。得られた成型体を1300℃で1時間焼結して相対密度99.1%の焼結体を作製し、その後にAr雰囲気による1300℃で1時間のカプセルフリーHIP処理を施して相対密度99.93%の焼結体とした。この焼結体を切削加工することによりコーン部(コーン部の先端をφ8mmとし、この部分をRa=1.0nm、平坦度λ/2に仕上げた)を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ8mm×t1mmのサファイア単結晶(<0001>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1420℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に真空雰囲気(電気炉)中1450〜1850℃の温度域を10℃/h(熱処理時間40時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(アルミナ焼結体に酸素ガスを吹込む)を行なったところ試料には平均50℃/cmの温度勾配を形成された。1850℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0129】
単結晶と接合した部分から深さ30mm(直径2インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は0.75mm/hであった。単結晶化した部分において小傾角粒界は5個/cm2であり、それ以外の転位密度は102個/cm2であり、残留気孔体積は1.5体積ppmであった。本法で育成したサファイア単結晶はベージュ色を呈しており、添加したTiの大部分がTi4+になっているものと推定できた。このため、育成したTi添加サファイアを水素雰囲気中1860℃で10時間熱処理することで濃厚なピンク色の単結晶、すなわちTi3+:サファイアを得ることが出来た。偏光板を用いた観察では、本結晶中に光学的不均一部は観察できなかった。しかしながら、結晶中に102個/cm2程度のインクリュジョンが観察されたが、レーザー材料として十分適用可能な結晶であった。
【0130】
一方、溶融凝固法の一種であるHEM(Heat Exchange Method)による同一組成の単結晶育成を行なったが、高濃度Nd:YAG単結晶の場合と同様に、育成した結晶には計測困難なインクリュジョンが発生しており、光学品質を測定できる状況ではなかった。
【0131】
実施例6
実施例6として0.1mol%Ti添加サファイア単結晶を製造した。実施例4と同様に市販の純度99.99重量%、平均粒径200nmのAl23粉末と粒径60nmのTiO2粉末をそれぞれmol比で999:2の割合で組成調整した後にボールミルにて湿式混合し、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。
【0132】
得られた成型体を1300℃で2時間焼結して相対密度99.5%の焼結体を作製し、その後にAr雰囲気による1400℃で1時間のカプセルフリーHIP処理(圧力196MPa)を施して相対密度99.95%の焼結体とした。この焼結体を加工せずに1350℃に加熱された電気炉に挿入し、ビーム径0.1mm、出力50W(5×103W/cm2)のCO2レーザー(波長10μm)を2時間照射し、その部分に約450μmの粗大結晶(粗大結晶以外の周辺部の平均粒径は8μm)を形成した。その後に真空雰囲気(電気炉)中1550〜1900℃の温度域を10℃/h(熱処理時間45時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(アルミナ焼結体に酸素ガスを吹込む)を行なったところ、試料には平均60℃/cmの温度勾配を形成された。1850℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0133】
単結晶と接合した部分から深さ45mm(直径2インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は1.00mm/hであった。単結晶化した部分において小傾角粒界は存在しておらず、それ以外の転位密度は101個/cm2であり、残留気孔体積は1体積ppmであった。本法で育成したサファイア単結晶は黄色を呈しており、添加したTiの大部分がTi4+になっているものと推定できた。このため、育成したTi添加サファイアを水素雰囲気中1880℃で10時間熱処理することでピンク色の単結晶、すなわちTi3+:サファイアを得ることができた。本結晶でもNd:YAG単結晶の作製結果と同様にコア、ファセット、成長縞等を検出することはできなかった。
【0134】
実施例7
実施例7として1mol%Nd添加YVO4単結晶の製造例を示す。市販の純度99.999重量%、平均粒径20nmのY23粉末と市販の純度99.99重量%、平均粒径300nmのV25粉末と平均粒径100nmのNd23粉末をそれぞれmol比で49:50:1の割合で組成調整した後にボールミルにて湿式混合し、得られた混合粉末を98MPaの圧力でCIP成型した。
【0135】
得られた成型体を1550℃で3時間焼結して相対密度96.3%の焼結体を作製した。この焼結体をさらに20%O2−80%Ar組成のガス雰囲気中で1450℃・98MPaの条件でHIP処理した。この焼結体を切削加工することにより図2で示されるコーン部(コーン部の先端をφ8mmとし、この部分をRa=1.0nm、平坦度λ/2に仕上げた)を形成し、同じ加工精度に仕上げたφ6×t1mmのYVO4単結晶(<001>方位)を種子結晶とし、双方を密着させた状態で1400℃で1時間加熱処理して両者を接合した。その後に酸素雰囲気(電気炉)中1650〜1750℃の温度域を2℃/h(熱処理時間50時間)昇温すると同時に試料下端をヒートシンクにより冷却(アルミナ焼結体にN2-1%O2ガス吹込み)を行なったところ、試料には平均15℃/cmの温度勾配を形成させた。なお、育成は高圧容器中で行ない、常時容器内を3atmに維持した。1750℃に到達した試料は室温まで冷却した。
【0136】
単結晶と接合した部分から深さ22mm(直径1インチ)のところまで単結晶化していたことから、平均育成速度は0.44mm/hであった。単結晶化した部分に於いて小傾角粒界は存在せず、それ以外の転位密度は101個/cm2であり、残留気孔体積は0.3体積ppmであった。
【0137】
得られたNd:YAG単結晶を偏光板を通じて観察したとき、光学的不均一部を検出することはできなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】結晶成長させる際の結晶成長開始部分Xと末端部Yとの位置関係を示す模式図である。
【図2】結晶成長させるに際し、種子結晶部分を加熱する状態を模式図(断面図)である。
【図3】結晶成長させるに際し、多結晶体の末端部を強制冷却する状態を模式図(断面図)である。
【図4】試料をエッチングすることにより現れた転位A、小傾角粒界B、小傾角粒界を形成する結晶粒子Cを示す模式図である。
【図5】実施例で平均温度勾配を測定する方法を示す模式図である。
【図6】本発明方法(a)及び溶融凝固法(b)により作製されたNd:YAG単結晶をそれぞれ偏光板を通じて観察した結果を示すイメージ図である。
【図7】本発明方法(a)及び溶融凝固法(b)により作製されたNd:YAG単結晶をフィゾー干渉計で屈折率分布を測定した結果を示すイメージ図である。
【図8】実施例2で作製した単結晶及びその単結晶中に観察されたインクリュージョンのイメージ図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single crystal for a laser oscillator and a laser oscillator using this as a laser medium.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a laser medium used for a solid-state laser is generally manufactured by a crystal pulling method from a melt by a Czochralski method (CZ method).
Most of the manufacturing cost of the solid-state laser oscillator is due to the laser medium and the excitation light source. For this reason, in order to reduce the manufacturing cost, first, a single crystal serving as a laser medium must be provided at a low cost. However, since many of the single crystals serving as the laser medium are oxides, the conventional single crystal growth method such as the CZ method must be performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the single crystal to be obtained. Actually, in Nd: YAG and titanium sapphire, which are typical solid-state laser media, this melting point is a high temperature of 1900 ° C. or higher. Therefore, the furnace body for crystal growth becomes quite large, and a crucible using an expensive material such as platinum or iridium is required.
[0003]
Further, the growth rate of the single crystal is, for example, about 0.2 mm / h in Nd: YAG, and requires a long time. For these reasons, at present, it is considered difficult to reduce the cost of a single crystal serving as a laser medium.
[0004]
In addition, single crystals obtained from melt growth have optical inhomogeneities due to growth fringes, cores, facet formation, etc., and although these reductions are required for laser oscillator applications, they are quite difficult in principle. is there.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the main object of the present invention is to efficiently produce a single crystal excellent as a laser medium or the like.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the problems of the prior art, the present inventor has found that a single crystal obtained by a specific process can achieve the above object.
[0007]
That is, the present invention relates to the following laser oscillator single crystal and a laser oscillator using this as a laser medium.
[0008]
  1.Nd-added YAG, Ti-added sapphire or Nd-added YVO 4 A single crystal for a laser oscillator substantially composed of a single crystal of
  1) The size of the single crystal is 1 inch in diameter x 22 mm in height,
  2) The number n (pieces / cm) per unit area of crystal grains forming a low-angle grain boundary 2 ) Is 0,
  3) Dislocation density (however, excluding dislocations constituting a low-angle grain boundary) is 10 / cm. 2 Less thanIs
A single crystal for a laser oscillator.
[0010]
  2.General formula Re 3 M 5 O 12 (However, Re is Y, Ca, Sr and at least one of lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71, M is at least one of transition metal elements having atomic numbers 22 to 30, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn. A single crystal for a laser oscillator substantially composed of an oxide single crystal having a composition represented by:
  1) The size of the single crystal is 1 inch in diameter x 22 mm in height,
  2) The number n (pieces / cm) per unit area of crystal grains forming a low-angle grain boundary 2 ) Is 0,
  3) Dislocation density (however, excluding dislocations constituting a low-angle grain boundary) is 10 / cm. 2 Less thanIs
A single crystal for a laser oscillator.
[0015]
  3. The pore volume is 100 ppm by volume or lessItem 1 or 2A single crystal for a laser oscillator according to 1.
[0016]
  4). Purity is 99.5% by weight or moreAny one of said items 1-3A single crystal for a laser oscillator according to 1.
[0019]
5. Re (where Re represents Y, Ca, Sr and at least one of lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic numbers 22 to 30, Si, Mg, And at least one of Al, Ga, In, and Sn.) After contacting the oxide single crystal containing at least one of the oxide single crystal as a seed crystal, the melting point of the sintered compact A method for producing a single crystal of an oxide containing at least one of Re and M by heat treatment at a temperature of 75 to 95%, wherein (a) a seed crystal portion And (b) cooling of the end part other than the part concernedBy applyingA method for producing a single crystal body for a laser oscillator, wherein an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is applied to the sintered body.
[0020]
6). The sintered body has a relative density of 99% or more.Item 5The manufacturing method as described.
[0021]
7. The (100) face, (110) face or (111) face of the single crystal is polished, and the polished face is brought into contact with the sintered body.Item 5 or 6The manufacturing method as described in.
[0022]
  8). The polished surface has an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less.Item 7The manufacturing method as described.
[0023]
9. Part or all of the sintered body is polished to an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less, and the polished surface is brought into contact with the single crystal.Item 5-8The manufacturing method in any one of.
[0024]
  10. An aqueous solution containing at least one of the elements constituting the single crystal (excluding oxygen) is applied to at least one contact surface of the sintered body and the single crystal.Said items 5-9The manufacturing method in any one of.
[0025]
  11. Re (where Re represents Y, Ca, Sr and at least one of lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic numbers 22 to 30, Sc, Si, A single crystal seed crystal is formed by irradiating a sintered laser of an oxide containing at least one of Mg, Al, Ga, In, and Sn.) A method for producing a single crystal of an oxide containing at least one of Re and M by heat-treating at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the bonded body. a) heating to the seed crystal part and (b) cooling to the terminal part other than the part.By applyingA method for producing a single crystal body for a laser oscillator, wherein an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is applied to the sintered body.
[0026]
  12 The wavelength of the laser beam is 0.2 to 11 μm (however, the transmission wavelength of the single crystal is excluded).Item 11The manufacturing method as described.
[0027]
  13. Laser beam irradiation area is 1mm2IsItem 11 or 12The manufacturing method as described in.
[0028]
  14 The sintered body is irradiated with a laser beam while being heated at a temperature less than 90% of the melting point of the sintered body.Any of the above items 11 to 13The manufacturing method as described in.
[0029]
  15. An oxide capable of forming a liquid phase during crystal growth is present in the compact or sintered body.Item 5 or 11The manufacturing method as described in.
[0030]
  16. When the crystal is grown, the heating rate is 50 ° C./h or less.5 or 11 aboveThe manufacturing method as described in.
[0031]
  17. Cooling is carried out by spraying refrigerant on the end portionItem 5 or 11The manufacturing method as described in.
[0032]
  18. Cooling is performed by bringing a heat sink material made of metal or an inorganic material into contact with the end portion and bringing the refrigerant into contact with the heat sink material.Item 5 or 11The manufacturing method as described in.
[0033]
  19. Control crystal growth of single crystal by changing both (i) heating rate or (ii) heating rate and refrigerant flow rateItem 5 or 11The manufacturing method as described in.
[0034]
  20.In any one of said items 1-4A laser oscillator using the described single crystal for laser oscillator as a laser medium.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1. Single crystal of the present invention
The single crystal for laser oscillator of the present invention has Re (where Re represents at least one of Y, Ca, Sr and a lanthanide rare earth element having atomic number 62-71) and M (where M is atomic number 22). ˜30 transition metal elements, Sc, Si, Mg, Al, Ga, In and Sn.) Consists essentially of a single crystal of an oxide containing at least one, and has a low-angle grain boundary. Number of crystal grains to be formed per unit area n (pieces / cm2) Is 0 ≦ n ≦ 102(Hereinafter also referred to as “first single crystal”).
[0036]
The single crystal for laser oscillator of the present invention includes Re (where Re represents at least one of Y, Ca, Sr and lanthanide rare earth elements having atomic numbers of 62 to 71) and M (where M is an atom). A transition metal element consisting of at least one of transition metal elements Nos. 22 to 30, Sc, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn.) (However, dislocations constituting a low-angle grain boundary are excluded.)FivePiece / cm2It is characterized by the following (hereinafter also referred to as “second single crystal”). In the present invention, the first single crystal and the second single crystal are collectively referred to as “the present single crystal”.
[0037]
In particular, in the present invention, those satisfying the requirements of both the first single crystal body and the second single crystal body are preferable. That is, Re (where Re represents Y, Ca, Sr and at least one of the lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic numbers 22 to 30, Sc, It represents at least one of Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn.) Per unit area of crystal grains substantially composed of a single crystal of an oxide containing at least one and forming a low-angle grain boundary Number n (pieces / cm2) Is 0 ≦ n ≦ 102And the dislocation density (excluding dislocations forming a low-angle grain boundary) is 1 × 10.FivePiece / cm2The following single crystal for laser oscillator is desirable.
[0038]
The number n (pieces / cm 2) per unit area of crystal grains forming the above-mentioned low-angle grain boundaries is generally 0 ≦ n ≦ 10.2  Preferably, 0 ≦ n ≦ 20, more preferably 0 ≦ n ≦ 5. When it is out of the above range, there is a possibility that refraction or scattering at the grain boundary of the laser beam becomes remarkable.
The above dislocation density (excluding dislocations constituting a small-angle grain boundary) is generally 1 × 10.FivePiece / cm21 × 10 belowFourPiece / cm2Or less, more preferably 1 × 10ThreePiece / cm2It is as follows. When it is out of the above range, there is a possibility that the electron state of the electrons excited to the upper level of the laser changes and the quantum efficiency is lowered.
[0039]
In the single crystal body of the present invention, there is no crystal grain boundary (so-called large tilt grain boundary), but a crystal has a misorientation with an adjacent crystal in the process of crystal growth, and as a result, a small tilt grain boundary is formed. (Generally, the orientation difference at the grain boundary is 10 ° or less). This small-angle grain boundary rotates with respect to each other about an angle grain boundary (interface formed by parallel edge dislocations) and a twist grain boundary (the orientation of two crystals sandwiching the grain boundary is perpendicular to the dislocation plane) Both). That is, the low-angle grain boundary is an interface constituted by a complicated arrangement of edge dislocations and screw dislocations. The low-angle grain boundary is created by the region surrounded by the interface when the single crystal grows. Therefore, if the number per unit area increases, it means that the small-angle grain boundaries increase, and the quality as a single crystal is inferior.
[0040]
Even in the case of a single crystal, dislocations may exist. If the dislocation density is too high, there may be a problem in the quality of the single crystal as in the case of the low-angle grain boundaries.
[0041]
The low-angle grain boundary is a three-dimensional continuity of edge dislocations and screw dislocations. That is, while the low-angle grain boundary is a defect at the interface, the dislocation density is a defect generated inside the crystal grain, and the present invention distinguishes both (the low-angle grain boundary and the dislocation density).
[0042]
The lower limit value of these transitions or low-angle grain boundary densities is not particularly defined from the viewpoint of laser performance, and is generally preferably as low as possible. It is determined according to the yield in the sense of reducing production costs.
[0043]
In the single crystal of the present invention, the pore volume is preferably 100 ppm by volume or less, particularly preferably 10 ppm by volume or less. By setting the pore volume within the above range, it is possible to obtain more excellent optical characteristics and the like. This is a rule for reducing the loss of input energy and is reflected in the running cost of the laser resonator.
The purity of the single crystal of the present invention is preferably as high as possible, particularly 99.5% by weight or more, preferably 99.9% by weight or more. When a large amount of impurities is contained, the electronic state of electrons excited to the upper level of the laser becomes non-uniform and the quantum efficiency may be lowered.
[0044]
A common composition can be adopted as the composition of the first single crystal and the second single crystal. That is, Re (where Re represents Y, Ca, Sr and at least one kind of lanthanide rare earth element having atomic number 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic number 22 to 30, Sc, It represents at least one of Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn.) The composition may include at least one. More specifically, an oxide having the following composition can be preferably used as a single crystal for a laser oscillator.
(1) General formula ReThreeMFiveO12(However, Re is Y, Ca, Sr and at least one kind of lanthanide rare earth element having atomic number 62 to 71, M is a transition metal element having atomic number 21 to 30, Mg, Al, Ga, In, and Sn. Oxide having a composition represented by
Examples of the oxide include Nd-added YAG (NdxY3-xAlFiveO12), Yb added YAG (YbxY3-xAlFiveO12), Nd-added GGG (NdxGd3-xGaFiveO12), Nd-added YSAG (NdxY3-xScyAl5-yO12) And the like.
(2) General formula ReMOThree(However, Re is Y, Ca, Sr and at least one of lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71, M is a transition metal element having atomic numbers 21 to 30, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn. An oxide having a composition represented by the formula:
Examples of the oxide include Nd-added YAP (NdxY1-xAlOThree), Er-added YAGP (NdxY1-xGayAl1-yOThree) And the like.
[0045]
(3) General formula ReV1-xMxOFour(However, Re is Y, Ca, Sr and at least one of lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71, M is a transition metal element having atomic numbers 21 to 30, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn. An oxide having a composition represented by the formula:
Examples of the oxide include Nd-added YVO.FourNd added GdVOFourEtc.
[0046]
(4) General formula MxAl2-xOThree(However, M represents at least one transition metal element having an atomic number of 22 to 28.)
Examples of the oxide include ruby (CrxAl2-xOThree), Titanium sapphire (TixAl2-xOThree) And the like.
[0047]
(5) General formula Ti3+ xAl2-xOThree(However, 0 <= x <= 2 is shown.) The oxide which has a composition represented.
[0048]
Among these oxides (1) to (5), particularly Nd: YAG, Nd: YVOFourIn addition, titanium sapphire can be used more effectively for laser oscillators.
2. Method for producing single crystal of the present invention (first method)
The first method is Re (wherein Re represents at least one of Y, Ca, Sr and a lanthanide rare earth element having atomic number 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic number 22 to 30). , Sc, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn)) is formed, and the obtained molded body or the sintered body is formed into the sintered body. A method of producing a single crystal of an oxide containing at least one of Re and M by performing crystal growth by heat treatment at a temperature of 75 to 95% of a melting point of
When crystal growth is performed, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is applied to the molded body or by subjecting at least one of (a) heating to a crystal growth start portion and (b) cooling to a terminal portion other than the portion. It is given to a sintered compact.
[0049]
The said oxide powder can be suitably selected according to the composition of the oxide finally obtained. The oxide powder may be one kind of oxide powder (for example, a composite oxide or mixed oxide containing two or more elements of Re and M), or two or more kinds of oxide powder. It may be a mixed powder obtained by mixing.
[0050]
In the first method, it is desirable to use the following powder as the oxide powder. That is, as an oxide powder of Re (where Re represents at least one of Y, Ca, Sr, and a lanthanide rare earth element having an atomic number of 62 to 71), the primary particle diameter is 20 to 500 nm and the BET specific surface area is 5 to 50 m.2/ G and M (wherein M represents a transition metal element having an atomic number of 22 to 30, Sc, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn). Primary particle diameter of 100 to 1000 nm and BET specific surface area of 3 to 30 m as powder2/ G powder is preferably used.
[0051]
The primary particle size of these powders can be determined by the half-value width of a diffraction peak in X-ray diffraction analysis, or SEM (scanning electron microscope) or TEM (transmission electron microscope). That is, in the case of SEM or TEM, the value obtained by calculating the average value of the major axis of 100 particles selected arbitrarily is shown.
[0052]
In the present invention, 0.01 to 1% by weight of an oxide capable of forming a liquid phase during crystal growth may be added. For example, SiO2, B2OThree, Li2O, Na2O, K2O, GeO2, P2OFiveEtc. can be used. By this addition, a low-melting-point substance is formed from the molded body, and a single crystal can be grown in a state where a liquid phase is present at the crystal growth interface (single crystal and polycrystalline interface) when the crystal is grown. In this case, since a very small amount of the liquid phase component is present at the crystal growth interface, crystal growth via the liquid phase (that is, after the constituent particles of the polycrystalline body are once dissolved in the liquid phase, it is re-appeared at the single crystal growth interface). Single crystallization can also be caused by repeating precipitation).
[0053]
When this method is applied, the molded body or sintered body containing the above-mentioned predetermined amount of oxide is prepared, and then the method of this item is applied. However, the oxide is introduced into the grown crystal. There is a case. For this reason, oxide content shall be in the range of the said predetermined amount.
[0054]
The above-mentioned oxide powder itself is a known method such as a solid phase method in which constituent element oxides are blended, a coprecipitation method to obtain a uniform powder by chemically treating constituent elements in advance, a uniform precipitation method, an alkoxide method, etc. The powder obtained by the manufacturing method or a commercial item can be used. In particular, since the composition of the single crystal of the present invention is often complicated, the above-mentioned solid composition can be obtained more reliably by simply weighing each oxide powder with an electronic balance or the like. The phase method is preferred. The purity of these powders is not limited, but is preferably 99.8% by weight or more.
[0055]
Moreover, when using said mixed powder, although mixing of these powders should just follow a well-known mixing method, it is desirable to wet-mix especially. Specifically, for example, a solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a dispersant, a binder, etc. may be blended with two or more kinds of oxide powders and wet-mixed using a pot mill or the like. The mixing time is not particularly limited, but is usually 5 hours or longer. The slurry obtained by wet mixing can be made into a mixed granular powder by drying by spray drying or the like.
[0056]
Next, the oxide powder is molded. A known molding method may be employed as the molding method, and examples thereof include a uniaxial press method and a cold isostatic pressing method. The density of the molded body is not limited, and may be set as appropriate according to the use of the final product.
Moreover, you may bake the said molded object according to a well-known method as needed. For example, a sintered body can be obtained by firing the molded body in an oxidizing atmosphere. In this case, the firing temperature is lower than the crystal growth temperature in the composition. The sintered body may be any of a calcined body, a sintered body, and the like. In particular, a sintered body having a relative density of 95% or more is desirable.
[0057]
Next, the molded body or the sintered body is heat-treated at a temperature of about 75 to 95%, preferably 80 to 95% of the melting point of the sintered body, and crystal growth is performed. This temperature can be appropriately set according to the composition of the molded body to be used. For example, when Nd is substituted for Re, the Nd amount is determined. In addition, the heat treatment atmosphere may be any of an oxidizing atmosphere, an inert gas atmosphere, the air, and the like, and may be appropriately changed according to the composition of the single crystal. The heat treatment time may be set as appropriate according to the heat treatment temperature, the size of the desired single crystal, and the like.
[0058]
In the first method, it is desirable to adjust the rate of temperature rise during crystal growth. Specifically, it is 50 ° C./h or less, preferably 20 ° C./h or less. By adjusting to such a heating rate, efficient crystal growth can be performed.
In the first method, at the time of crystal growth, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is obtained by performing at least one of (a) heating on the crystal growth start portion and (b) cooling on the end portion other than the portion. Is applied to the molded body or sintered body.
[0059]
The crystal growth start portion can be any portion of the compact or sintered body. The terminal portion is generally a portion that is finally crystallized, and can be appropriately determined according to the shape of the molded body or sintered body, the desired crystal growth direction, and the like. The crystal growth start part and the terminal part can also include the peripheral part of these parts as long as the effects of the present invention are not hindered. For example, when the formed body or sintered body is a cube or a cylindrical body as shown in FIG. 1A, the center portion X of one surface (the intersection of the diagonal lines of the surface or the center of the circle) is used as the crystal growth start portion. For example, the center portion Y of the surface facing the surface or the peripheral portion thereof can be the end portion.
[0060]
In particular, in the first method, similarly to the Bridgman method, a single crystal can be obtained more efficiently by forming the crystal growth start portion in a sharp shape. For example, as shown in FIG. 1B, if the tip of the compact or sintered body is conical, the tip X tends to be a single crystal (seed crystal). Thus, the single crystal of the present invention can be produced efficiently.
[0061]
The average temperature gradient in the present invention refers to a value obtained by dividing the temperature difference between the highest temperature portion and the lowest temperature portion of the compact or sintered body by the shortest distance between the highest temperature portion and the lowest temperature portion. Usually, the highest temperature portion is a crystal growth start portion, and the lowest temperature portion is the end portion. In addition, the said temperature difference can be measured by installing a thermocouple in the said highest temperature part and the said lowest temperature part.
[0062]
In the present invention, a temperature gradient is applied to the molded body so that the average temperature gradient is 10 ° C./cm or more, preferably 50 ° C./cm or more. When the average temperature gradient is less than 10 ° C./cm, there are fears that many low-angle grain boundaries are generated in the obtained single crystal or the dislocation density is excessive. In addition, the upper limit value of the average temperature gradient is not particularly limited, but is usually about 200 ° C./cm.
[0063]
The method of the heat treatment (a) is not limited so that the crystal growth start portion can be heated intensively. For example, it can be appropriately carried out by heating with a heater, a laser beam or the like. These heat treatments can be used in combination with heating by an electric furnace or the like.
In addition, the cooling method (b) is not limited as long as the end portion can be cooled intensively. For example, a method of spraying a refrigerant such as air, oxygen, or nitrogen, a method of bringing a heat sink material made of a metal or an inorganic material into contact with or contacting the end portion, and a method of contacting or spraying a coolant such as air on the heat sink material, or the like can be given. As the heat sink material, for example, ceramics such as alumina and YAG sintered body, and metals such as platinum can be used. Further, these metals or inorganic materials may be either single crystals or polycrystals. The shape of the heat sink material is not limited, but usually a plate-like material may be used.
[0064]
The treatments (a) and (b) can be used in combination. That is, the end portion can be cooled while heating the crystal growth start portion. If both processes are used together, a larger average temperature gradient can be obtained.
[0065]
By heat-treating the shaped body in this manner, single-crystal coarse particles are generated, and a single-crystal body having a desired size can be obtained by growing the single-crystal coarse particles. In the present invention, for example, a single crystal having a side of about 10 to 30 mm or more can be produced.
3. Method for producing single crystal of the present invention (second method)
The second method consists of Re (wherein Re represents at least one of Y, Ca, Sr and a lanthanide rare earth element of atomic number 62-71) and M (where M is a transition metal element of atomic number 22-30). And at least one of Sc, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn.) After contacting the oxide single crystal containing at least one of the oxide single crystals as seed crystals, A method for producing a single crystal of an oxide containing at least one of Re and M by heat-treating at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the sintered body to grow a crystal,
When the crystal is grown, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is applied to the sintered body by performing at least one of (a) heating on the seed crystal portion and (b) cooling on the end portion other than the portion. It is characterized by giving.
[0066]
The second method can use the same sintered body as the first method. As the sintered body, it is possible to preferably adopt a composition that is the same as the composition of the target single crystal body or has a molar ratio that differs within an error of 1%. For example, when a Nd: YAG single crystal is manufactured, Re (Nd + Y) is 3.0 mol and M (Al) is 5.0 mol as the sintered body, but ± 0.03 mol and ± 0 respectively. It can be produced by employing a sintered body having a composition variation range of .05 mol.
[0067]
As the sintered body, basically, a polycrystalline body (preferably an average crystal grain size of 20 μm or less) may be used. The sintered body can be manufactured by a known method. As a sintering method, any method such as atmospheric pressure sintering, hot pressing, HIP (hot isostatic pressing) and the like can be employed.
[0068]
The relative density of the sintered body is not limited, but is usually 99% or more, particularly preferably 99.8% or more. Thereby, a higher quality single crystal can be obtained. The size of the sintered body can be changed depending on the size of the desired single crystal, but it is usually sufficient to have a size larger than the volume of the single crystal. The relative density can be controlled by the density of the compact before sintering, the sintering temperature, the time, and the like.
[0069]
In the second method, any one single crystal present in the polycrystalline body obtained by sintering the molded body produced by the first method at an appropriate temperature and time can be suitably used.
[0070]
In the second method, 0.01 to 1% by weight of an oxide capable of forming a liquid phase during crystal growth can be added to the sintered body in advance. As such an oxide, for example, SiO2, B2OThree, Li2O, Na2O, K2O, GeO2, P2OFiveEtc. can be used. With this addition, a low-melting-point material is formed from the base material, and a single crystal is grown with a liquid phase present at the crystal growth interface (single crystal and polycrystal interface) when single crystal is formed from the seed crystal toward the sintered body. You can also In this case, since a very small amount of the liquid phase component is present at the crystal growth interface, crystal growth via the liquid phase (that is, after the constituent particles of the polycrystalline body are once dissolved in the liquid phase, it is re-appeared at the single crystal growth interface). Repeating precipitation) can also cause single crystallization. When this method is applied, the sintered body containing the predetermined amount of oxide is prepared, and then the first method may be applied. However, the oxide may be introduced into the grown crystal. . For this reason, oxide content shall be in the range of the said predetermined amount.
[0071]
As the single crystal used as the seed crystal, not only the single crystal obtained by the first method and the third method but also a single crystal obtained by a known single crystal production method such as FZ method, flux method, TSSG method, etc. be able to. The size (volume) of the single crystal used is not particularly limited, but is usually 1 mm.ThreeIt may be more than about.
[0072]
The single crystal may be the same as the composition of the sintered body or may be different from each other.
[0073]
The method for bringing the sintered body into contact with the single crystal is not particularly limited, but it is preferable to bring the sintered body and the single crystal into contact so that there is no gap between them. In this case, the sintered body and the single crystal may be heat-treated while being brought into pressure contact with each other. What is necessary is just to change suitably the pressure in a press contact according to the kind of sintered compact and a single crystal, a contact area, etc. For example, when a YAG single crystal and a YAG sintered body are used, the pressure may be about 9.8 MPa or less.
[0074]
In the second method, it is desirable to polish at least one surface (contact surface) when the sintered body and the single crystal are brought into contact with each other. In the single crystal, it is desirable to polish its (100) plane, (110) plane, or (111) plane. In this case, it is preferable to polish so that the polished surface has an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less. On the other hand, the sintered body is preferably polished so that at least the surface in contact with the single crystal has an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less.
[0075]
Next, the crystal is grown by heat treatment at a temperature of about 75 to 95%, preferably 80 to 95% of the melting point of the sintered body. The heat treatment temperature can be appropriately set according to the composition of the sintered body or seed crystal. The heat treatment atmosphere is not particularly limited, and may be the same as that of the first method. The heat treatment time may be appropriately set according to the heat treatment temperature, the desired single crystal size, and the like.
[0076]
In the second method, it is desirable to adjust the rate of temperature rise during crystal growth. Specifically, it is 50 ° C./h or less, preferably 20 ° C./h or less. By adjusting to such a heating rate, efficient crystal growth can be performed.
In the second method, when the crystal is grown, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is obtained by performing at least one of (a) heating on the seed crystal part and (b) cooling on the terminal part other than the part. It gives to the said sintered compact.
[0077]
The seed crystal part includes not only the seed crystal itself but also a part where the seed crystal and the sintered body are in contact with each other. This portion can be heated by partial heating with a heater, white light, laser beam, or the like. The terminal portion is usually a portion that is finally crystallized, and can be appropriately determined according to the shape of the sintered body, the desired crystal growth direction, and the like. The seed crystal part and the terminal part can also include the peripheral part of the part as long as the effects of the present invention are not hindered. For example, when the sintered body is a cube or a cylindrical body, if a seed crystal is arranged at the central portion of one surface (the intersection of diagonal lines or the center of a circle), the surface facing the surface or the central portion thereof is the end portion. can do.
[0078]
The average temperature gradient in the present invention refers to a value obtained by dividing the temperature difference between the highest temperature portion and the lowest temperature portion of the sintered body by the shortest distance between the highest temperature portion and the lowest temperature portion. Usually, the highest temperature portion is a crystal growth start portion, and the lowest temperature portion is the end portion. In addition, the said temperature difference can be measured by installing a thermocouple in the said highest temperature part and the said lowest temperature part.
[0079]
In the present invention, the sintered body is given a temperature gradient such that the average temperature gradient is 10 ° C./cm or more, preferably 50 ° C./cm or more. When the average temperature gradient is less than 10 ° C./cm, there are fears that many low-angle grain boundaries are generated in the obtained single crystal or the dislocation density is excessive. In addition, the upper limit value of the average temperature gradient is not particularly limited, but is usually about 200 ° C./cm.
[0080]
The method of the heat treatment (a) is not limited so that the seed crystal part can be heated intensively. For example, it can be appropriately carried out by heating with a heater, white light, laser beam or the like. These heat treatments can be used in combination with heating by an electric furnace or the like. FIG. 2 shows an embodiment (cross-sectional view) in which the seed crystal is directly heated with a heater. The heater is installed in direct contact with the seed crystal, and the seed crystal is heated by this heater. The heated seed crystal grows toward the sintered body (polycrystal). You may install an auxiliary heater (electric furnace) on both sides of a sintered compact as needed.
[0081]
In addition, the cooling method (b) is not limited as long as the end portion can be cooled intensively. For example, a method of spraying a refrigerant such as air, oxygen, nitrogen or the like, a method of bringing a heat sink material made of a metal or an inorganic material into contact with or contacting the end portion, and a method of spraying a coolant such as air onto the heat sink material can be cited. As the heat sink material, a material having a thermal conductivity of 5 W / mk or more, particularly 10 W / mk or more is preferable. As such a material, for example, ceramics such as alumina and YAG sintered body, and metals such as platinum and tungsten can be used. These materials may be either a single crystal or a polycrystal. The shape of the heat sink material is not limited, but usually a plate-like material may be used. FIG. 3 shows a mode (cross-sectional view) in which a heat sink material is brought into contact with the end portion and a gas medium is sprayed on the heat sink material to cool it. As shown in FIG. 3, when the sintered body (polycrystalline body) is a cube or a cylindrical body and a seed crystal is placed on the center of a certain surface and crystal growth is performed, a heat sink material ( A plate-like material) is brought into contact, gas is supplied from below the heat sink material, and brought into contact with the heat sink material. By blowing a gas below the furnace temperature from below the heat sink material, the heat sink material and the polycrystalline body itself are cooled, and the temperature distribution in the unsteady state (curve temperature distribution, that is, abruptly with the crystal growth interface as a boundary). Temperature fluctuations) can be provided in the material. This can suppress the grain growth of the polycrystalline body below the crystal growth interface as much as possible. Furthermore, if the cooling condition from the lower end is made constant and the inside of the furnace is heated at a constant speed, the crystal growth start temperature can be sequentially moved downward, so that crystal growth can be performed only from one direction at a constant speed. It becomes possible. This is not only advantageous for crystal growth in a non-molten state, but also makes it possible to smoothly remove residual pores in the polycrystalline body before single crystallization from the outside of the system (outside of the single crystal) using the movement of the crystal interface. Therefore, light scattering inside the material (that is, insertion loss during semiconductor laser irradiation) can be reduced, leading to higher quality.
[0082]
The treatments (a) and (b) can be used in combination. That is, it is possible to cool the end portion while heating the seed crystal portion. If both processes are used together, a larger average temperature gradient can be obtained.
[0083]
In addition, as other means, the furnace temperature is set to a crystal growth start temperature or higher, and cooling is performed while supplying a gas so that the junction between the single crystal and the polycrystal body is about the crystal growth start temperature, By reducing the degree of cooling in accordance with the degree of crystal growth, the crystal growth interface can be moved, and a high-quality single crystal can be obtained similarly.
In the case of irradiating the seed crystal portion with a laser beam, the laser beam may be irradiated to a part or all of the portion in contact with the seed crystal and the sintered body. The energy density of the laser beam (laser light) varies depending on the beam spot diameter or the like, but is usually 107W / cm2The following should be done. The wavelength is usually about 0.2 to 11 μm (however, the transmission wavelength of the single crystal is excluded). A known or commercially available apparatus can be used as the laser generator itself. The type of laser beam is not limited, for example, CO2A laser beam or the like can be used. Further, for example, after the sintered body in which a single crystal having the same composition as the single crystal is brought into contact as a seed crystal is placed in a heating furnace, laser beam irradiation may be performed while heat-treating the sintered body.
[0084]
In the second method, if necessary, an aqueous solution containing at least one of Re and M can be applied to at least one contact surface of the sintered body and the single crystal. As such an aqueous solution, an aqueous solution of water-soluble salts (organic acid salt, inorganic acid salt, etc.) containing at least one of Re and M can be used. For example, YClThree, Y (NOThree)ThreeAn aqueous solution such as In this case, Re and M in the aqueous solution are preferably the same as Re and M contained in the sintered body. By using the aqueous solution, the adhesion between the single crystal and the sintered body can be improved, and a high-quality single crystal can be more reliably produced. The concentration of the aqueous solution is not particularly limited, but is usually about 0.5 to 10% by weight.
4). Method for producing single crystal of the present invention (third method)
The third method consists of Re (wherein Re represents at least one of Y, Ca, Sr and lanthanide rare earth elements having atomic numbers 62 to 71) and M (where M is a transition metal element having atomic numbers 22 to 30). , Sc, Si, Mg, Al, Ga, In, and Sn.) A single crystal seed crystal is formed by irradiating a laser beam to a sintered body of an oxide containing at least one of Then, a method for producing a single crystal of an oxide containing at least one of Re and M by heat treatment at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the sintered body and crystal growth,
When the crystal is grown, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is applied to the sintered body by performing at least one of (a) heating on the seed crystal portion and (b) cooling on the end portion other than the portion. It is characterized by giving. The third method is preferable in that a single crystal can be produced faster than the first method.
In the third method, the same sintered body as that in the first method can be used. The sintered body is not particularly limited as long as it has the same composition or molar ratio as the composition of the target single crystal and a composition that is different within an error of 1%. For example, when a Nd: YAG single crystal is manufactured, Re (Nd + Y) is 3.0 mol and M (Al) is 5.0 mol as the sintered body, but ± 0.03 mol and ± 0 respectively. It can be produced by employing a sintered body having a composition variation range of .05 mol.
[0085]
As the sintered body, basically, a polycrystalline body (preferably an average crystal grain size of 20 μm or less) may be used. The sintered body can be manufactured by a known method. As a sintering method, any method such as atmospheric pressure sintering, hot pressing, HIP (hot isostatic pressing) and the like can be employed. In the third method, any one single crystal present in the polycrystalline body obtained by sintering the molded body produced by the first method at an appropriate temperature and time can be suitably used.
[0086]
In the third method, the relative density of the sintered body is not limited, but is usually 99% or more, particularly preferably 99.8% or more. Thereby, a higher quality single crystal can be obtained. The size of the sintered body can be changed according to the size of the desired single crystal, but it is usually sufficient to set the size to be equal to or larger than the volume of the subsequent single crystal. The relative density can be controlled by the density of the compact before sintering, the sintering temperature, the time, and the like.
[0087]
In the third method, 0.01 to 1% by weight of an oxide capable of forming a liquid phase during crystal growth can be added to the sintered body in advance. As such an oxide, for example, SiO2, B2OThree, Li2O, Na2O, K2O, GeO2, P2OFiveEtc. can be used. With this addition, a low-melting-point material is formed from the base material, and a single crystal is grown with a liquid phase present at the crystal growth interface (single crystal and polycrystal interface) when single crystal is formed from the seed crystal toward the sintered body. You can also In this case, since a very small amount of the liquid phase component is present at the crystal growth interface, crystal growth via the liquid phase (that is, after the constituent particles of the polycrystalline body are once dissolved in the liquid phase, it is re-appeared at the single crystal growth interface). Repeating precipitation) can also cause single crystallization. When this method is applied, the sintered body containing the predetermined amount of oxide is prepared, and then the first method may be applied. However, the oxide may be introduced into the grown crystal. . For this reason, oxide content shall be in the range of the said predetermined amount.
[0088]
In the third method, a seed crystal having the same composition as the target single crystal is generated by laser beam irradiation. That is, abnormal grain growth (particularly grain growth to a size of about 10 times or more of the unirradiated part) is caused in the irradiated part. Therefore, the irradiation conditions are not particularly limited as long as this abnormal grain growth occurs. For example, the energy density of a laser beam (laser light) is 107W / cm2The following should be done. The wavelength is usually about 0.2 to 11 μm (however, the transmission wavelength of the single crystal is excluded).
[0089]
A known or commercially available apparatus may be used as the laser generator itself. The type of laser beam is not limited, for example, CO2A laser beam or the like can be used. The irradiation area when the laser beam is irradiated is not limited, but is usually 1 mm.2The following is preferable.
[0090]
The above-mentioned sintered body can be irradiated with a laser beam while heating if necessary. Although the heating temperature in this case is not limited, the temperature is lower than the temperature at which crystal growth occurs from the single crystal to the polycrystal side, but this greatly varies depending on the material composition. For example, when growing a pure Nd: YAG single crystal, it is usually about 1000 to 1760 ° C., preferably 1200 to 1650 ° C. Heating can be performed using, for example, a heating furnace.
[0091]
Next, the crystal is grown by heat treatment at a temperature of 75 to 95%, preferably 80 to 95% of the melting point of the sintered body. These methods may be carried out in the same manner as the second invention. For example, it can be determined appropriately according to the composition of the sintered body used. The heat treatment time may be appropriately set according to the heat treatment temperature, the size of the desired single crystal, and the like.
[0092]
In the third method, it is desirable to adjust the rate of temperature rise during crystal growth. Specifically, it is 50 ° C./h or less, preferably 20 ° C./h or less. By adjusting to such a heating rate, efficient crystal growth can be performed.
[0093]
In the third method, when the crystal is grown, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is obtained by applying at least one of (a) heating to the seed crystal part and (b) cooling to the terminal part other than the part. It gives to the said sintered compact.
[0094]
The seed crystal part includes not only the seed crystal itself but also a part where the seed crystal and the sintered body are in contact with each other. This portion can be heated by partial heating with a heater, white light, laser beam, or the like. The terminal portion is usually a portion that is finally crystallized last, and can be appropriately determined according to the shape of the sintered body, the desired crystal growth direction, and the like. For example, when the sintered body is a cube or a cylinder, if a seed crystal is present in the central part of one surface (intersection or central point of diagonal lines), the central part of the surface facing the surface is the terminal part. Can do.
[0095]
The average temperature gradient in the present invention has the same meaning as in the second method. In the present invention, the sintered body is given a temperature gradient such that the average temperature gradient is 10 ° C./cm or more, preferably 50 ° C./cm or more. When the average temperature gradient is less than 10 ° C./cm, there are fears that many low-angle grain boundaries are generated in the obtained single crystal or the dislocation density is excessive. In addition, the upper limit value of the average temperature gradient is not particularly limited, but is usually about 200 ° C./cm.
[0096]
The heating method (a) and the cooling method (b) can be performed in the same manner as the second method. The treatments (a) and (b) can be used in combination. That is, it is possible to cool the end portion while heating the seed crystal portion. If both processes are used together, a larger average temperature gradient can be obtained.
[0097]
When a seed crystal is irradiated with a laser beam, the energy density of the laser beam (laser light) varies depending on the beam spot diameter and the like, but is usually 107W / cm2The following should be done. The wavelength is usually about 0.2 to 11 μm (however, the transmission wavelength of the single crystal is excluded). As the laser beam apparatus itself, a known or commercially available apparatus can be used. The type of laser beam is not limited, for example, CO2A laser beam or the like can be used.
[0098]
When laser beam irradiation is used in combination with heating, for example, the sintered body in which a single crystal and a seed crystal are formed may be placed in a heating furnace, and then the seed crystal may be irradiated with a laser beam while being heat-treated.
[0099]
[Action]
In the present invention, crystal growth is performed by heat treatment at 75 to 95% of the melting point of the laser medium (for example, 1470 to 1860 ° C. in the case of Nd: YAG, which is the mainstream of laser materials). The existing platinum crucible (for example, an iridium crucible that is more expensive than platinum in the case of Nd: YAG growth) and an ultrahigh-temperature facility of 1900 ° C. or higher (for example, 1980 to 2000 ° C. in the case of Nd: YAG growth) are not required. In addition, since a crystal growth rate of 1 mm / h or more can be effectively obtained, the manufacturing period is greatly shortened as compared with the case where the conventional method is used.
[0100]
In general, when a single crystal having a composition system of two or more components is produced by a melt solidification method, there is a limit to improvement in composition uniformity due to the influence of gravity. Improvement of the compositional uniformity inside the material is a common problem in the melt solidification method, but no clue has been found to solve it.
[0101]
With respect to this problem, the present invention has been found that the ceramics process is a breakthrough for its elucidation. In the ceramic process, basically, since the raw materials are not melted and sintered in a non-molten state, each constituent element is always constrained in a solid (crystal). That is, in view of the fact that each constituent element in the solid is hardly affected by gravity, the problems of non-uniformity and segregation that occur in the production of a single crystal should be almost eliminated. However, in the ceramics process, if the composition distribution of the starting materials in the green compact is not uniform, the moving distance of the constituent components in the sintering process is very short, so that only inferior uniformity can be obtained compared to single crystals by the melt solidification method. It will not be. For this reason, it is difficult to ensure composition uniformity in the manufacturing process with conventional ceramic technology (firing method), so even if single crystallization can be achieved by the firing method, it is produced by the melt solidification method. It was considered to be more heterogeneous than single crystals.
[0102]
On the other hand, in the present invention, the use of a material having a specific composition as a starting material has succeeded in solving the problems in the conventional firing method, and a single crystal having a higher quality than ever before is industrially produced. It can be provided on a scale.
[0103]
For example, in a single crystal, optical nonuniform parts such as growth stripes, facets, and cores are generated inside the crystal, whereas in a single crystal produced by a sintering method, such optical nonuniform parts are not generated. rare. Until now, the portion where the core was generated could not be used as a laser crystal, and there were restrictions such as that the laser emission direction had to be perpendicular to the growth stripes and facets. Further, for example, in the case of an Nd: YAG laser, <211> facets are generated, so that it is difficult to take out the laser crystal in an orientation that can reduce thermal birefringence, which is a problem during high output operation.
[0104]
【The invention's effect】
By applying the present invention, the platinum crucible and the ultra-high temperature equipment of 1900 ° C. or higher, which has been necessary in the manufacture of the conventional solid-state laser medium, are no longer necessary, and the manufacturing period is greatly shortened. Manufacturing costs can be greatly reduced.
[0105]
In addition, it is possible to efficiently produce a single crystal having a relatively small angle boundary or a single crystal having a relatively low dislocation density and no optical nonuniformity. Therefore, for example, a large, high-quality single crystal can be provided. As a result, an inexpensive high-performance solid-state laser oscillator can be provided.
[0106]
【Example】
Examples are given below to further clarify the features of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the scope of the examples.
[0107]
In each of the following Examples 1 and 2, an alumina sintered body having a purity of 99.9% by weight or tungsten was used as a heat sink material, and the sintered body was placed on the heat sink material as shown in FIG. Crystals were grown while blowing air and cooling. The temperature of the air as the refrigerant was set lower than the furnace atmosphere temperature.
[0108]
In Example 3, crystal growth was performed while directly cooling with air without using a heat sink. In all the examples, the temperature difference between the air and the furnace atmosphere is 150 ° C., and the sample length is 25 mm. Therefore, the average temperature gradient is 60 ° C./cm.
[0109]
The calculation of the number per unit area of crystal grains forming the low-angle grain boundaries and the measurement of dislocation density and refractive index distribution in each example and comparative example were performed as follows.
In addition, it confirmed from the X-ray diffraction image that it was single-crystallized.
(1) Number of crystal grains forming a small-angle grain boundary per unit area, dislocation density
By etching the sample in a hot phosphoric acid solution (stock solution) at a temperature of about 100 ° C., a concave image appears on the sample surface. When a small-angle grain boundary or dislocation exists, a concave image as shown in FIG. 4 is obtained. In FIG. 4, the dot-shaped concave image (A) is a dislocation. In FIG. 4, the linear concave image is a small-angle grain boundary (B).
[0110]
In the present invention, the number per unit area of the point-like concave image is expressed as “dislocation density (pieces / cm2) ”. Moreover, in FIG. 4, it is a crystal grain (C) which forms a low-inclination grain boundary, this is counted as one, and the number of such parts is the observation area (cm2) Divided by “the number of crystal grains forming a small-angle grain boundary per unit area (pieces / cm2) ”.
(2) Refractive index distribution
Measurement was performed using a Twiman type interferometer. Light source is wavelength λ1= 1.3 μm YAG laser was used. A detection image obtained from the interferometer was detected by an InSb detector, and a refractive index distribution in the sample surface was obtained from the obtained interference fringes. The sample has an average surface roughness (Ra) of 0.3 nm or less and a flatness λ2/ 10 (λ2= 633 nm) and below, precision processing was performed within 3 sec of parallelism.
(3) Pore volume
One surface of the sample was mirror-polished, and the pore area exposed on the surface was integrated 100 to 500 times with a reflection microscope, and the ratio to the measurement area was obtained as the pore volume. In this case, the calculated value is the area ratio, but this value was simply set as the pore volume. However, the measurement area is at least 1 cm2It was.
(4) Average temperature gradient
As shown in FIG. 5, a thermocouple is previously installed in the crystal growth start part or the seed crystal part (X) and the terminal part (Y), and the temperature difference ΔT (° C.) is measured. A value (ΔT / L) obtained by dividing ΔT by the sample length L (cm) was defined as an average temperature gradient (° C./cm). For example, in Example 1, since ΔT is 150 ° C. and the sample length is 2.5 cm, the average temperature gradient is 60 ° C./cm.
[0111]
Example 1
As Example 1, a 1 mol% Nd-added YAG single crystal was produced.
[0112]
Nd having a purity of 99.9% by weight and an average particle size of 100 nm produced by the coprecipitation method0.03Y2.97AlFiveO12After the powder was prepared and pulverized and mixed in a ball mill, the obtained mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa.
[0113]
The obtained molded body was sintered at 1550 ° C. for 3 hours to prepare a sintered body having a relative density of 99.8%. By cutting this sintered body, the cone shown in FIG. 2 is formed (the tip of the cone is φ8 mm, and this portion is finished to Ra = 1.0 nm and flatness λ / 2), and the same processing is performed. An accurately finished φ8 × t1 mm YAG single crystal (<111> orientation) was used as a seed crystal, and both were bonded together by heat treatment at 1500 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature range of 1600 ° C. to 1800 ° C. is raised by 5 ° C./h (heat treatment time 40 hours) in an oxygen atmosphere (electric furnace) and at the same time the lower end of the sample is cooled by a heat sink (oxygen gas is blown into the alumina sintered body). The sample was given a temperature gradient of 60 ° C./cm on average. The sample that reached 1800 ° C. was cooled to room temperature.
[0114]
The average growth rate was 0.88 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 35 mm (diameter 2 inches). There is no small-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 101Piece / cm2The residual pore volume was 1 ppm by volume.
[0115]
FIG. 6A shows the obtained Nd: YAG single crystal observed through a polarizing plate. The Nd: YAG single crystal produced by the conventional melt solidification method (FIG. 6B) (Shintaro Miyazawa) Author, "Optical Crystal" (published by Bafukan), quoted from p253) Observed core (distorted part (1)), facet (refractive index part (2)), growth stripes, etc. could not. The refractive index distribution was measured with a Fizeau interferometer. As shown in Fig. 7 (b) (Ginya Adachi et al., "New Technology for Advanced Materials" (published by Kagaku Dojin), p186) Whereas several single-crystal fringes are observed in the single crystal, the single crystal produced by this method (FIG. 7 (a)) has a slight bending of the interference fringes, and the refractive index when viewed at the ingot level. It was confirmed that the uniformity was excellent.
[0116]
Example 2
As Example 2, a 5.0 mol% Nd-added YAG single crystal was produced. Nd with a purity of 99.99% by weight and an average particle size of 200 nm, 50 nm and 300 nm2OThree, Y2OThree, Al2OThreePowder Nd0.15Y2.85AlFiveO12After the composition was weighed and pulverized and mixed with a ball mill, the obtained mixed powder was CIP molded at a pressure of 196 MPa.
[0117]
The obtained molded body was sintered at 1600 ° C. for 3 hours to produce a sintered body having a relative density of 99.9%. By cutting this sintered body, the cone portion shown in FIG. 2 (the tip of the cone portion is φ8 mm, and this portion is finished to Ra = 0.5 nm and flatness λ / 4)) is the same. A φ8 × t1 mm YAG single crystal (<111> orientation) finished with processing accuracy was used as a seed crystal, and both were bonded by heat treatment at 1500 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature of 1600 to 1800 ° C. in an oxygen atmosphere (electric furnace) is raised by 5 ° C./h (heat treatment time 60 hours), and at the same time, the lower end of the sample is cooled by a heat sink (oxygen gas is blown into the lumina sintered body). As a result, an average temperature gradient of 30 ° C./cm was formed on the sample. The sample that reached 1800 ° C. was cooled to room temperature.
[0118]
The average growth rate was 0.50 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 30 mm (diameter 2 inches). There is no low-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 5 / cm.2The residual pore volume was 0.1 ppm by volume.
[0119]
FIG. 6 (a) shows the obtained Nd: YAG single crystal observed through a polarizing plate. The core, facet, and growth fringe observed in the Nd: YAG single crystal produced by the conventional melt solidification method. Could not be observed at all. Further, a sintered body having a relative density of 99.9% sintered at 1600 ° C. for 3 hours was subjected to growth treatment in an FZ furnace (growth temperature 1990 ° C., moving speed 0.2 mm / h). A large number of inclusions were generated in the single crystal (FIG. 8), and it was not possible to use as an optical material at all.
[0120]
Further, when the refractive index distribution was measured with a Fizeau interferometer, the in-plane refractive index distribution Δn was 5 × 10.FiveThus, it has been found that the optical characteristics at the ingot level far surpass the conventional technology (even the optical quality of the low concentration Nd: YAG single crystal).
[0121]
Example 3
In Example 3, a 1 mol% Nd-added YAG single crystal similar to Example 1 was produced.
[0122]
Nd with a purity of 99.99% by weight and an average particle size of 80 nm produced by the coprecipitation method0.03 Y2.97AlFiveO12After the powder was prepared and pulverized and mixed in a ball mill, the obtained mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa.
[0123]
The obtained molded body was sintered at 1550 ° C. for 3 hours to produce a relative density of 99.8%. By cutting this sintered body, the cone part shown in FIG. 2 (the tip of the cone part is φ8 mm and this part is finished to Ra = 1.0 nm and flatness λ / 2) is formed with the same machining accuracy. The YAG single crystal (<110> orientation) of φ8 × t1 mm finished as a seed crystal was heat-treated at 1500 ° C. for 1 hour in a state in which both were adhered, and the two were joined. Thereafter, a temperature range of 1650 to 1800 ° C. in a vacuum atmosphere (electric furnace) was heated at 3 ° C./h (heat treatment time 50 hours), and at the same time, the lower end of the sample was cooled with a heat sink (the tungsten plate was cooled with Ar gas). However, an average temperature gradient of 50 ° C./cm was formed on the samples. At this time, 10 samples having a diameter of 2 inches and a length of 65 mm (straight cylinder length of 50 mm) were inserted into the vacuum furnace, and the sample that reached 1800 ° C. was cooled to room temperature.
[0124]
The average growth rate was 1.1 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 55 mm. There is no low-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 101Piece / cm2The residual pore volume was 1 ppm by volume. <110> direction crystal extraction that hardly causes thermal birefringence at the time of high-power operation of the laser can be taken out, and the solid-state laser performance can be greatly improved.
[0125]
As comparative data, a 1 at% Nd: YAG single crystal having a 2-inch size was grown by the Czochralski method. The growth temperature was 1980 ° C., and a <111> YAG single crystal was used as a seed crystal, and was pulled up at a growth rate of 0.3 mm / h. It takes about 180 hours to reach a length of 55 mm, and according to simple calculation, the productivity per hour is 1/36 of this technology. Further, in the synthesized single crystal, as in the case of single crystal growth reports by the conventional solidification method, optical non-uniform portions such as a core are generated, and the portion usable as a laser medium is 30 in total. %. For this reason, the productivity as a laser medium is further reduced to 1/100 level of this method. In addition, the occurrence of <211> and <100> facets has a drawback that a laser medium having a crystal orientation effective for reducing thermal birefringence cannot be obtained.
[0126]
Example 4
As Example 4, a 0.1 mol% Ti-added sapphire single crystal was produced. Commercially available Al with a purity of 99.99% by weight and an average particle size of 200 nm2OThreePowder and TiO with a particle size of 60 nm2The composition of each powder was adjusted at a molar ratio of 999: 2, and then wet mixed by a ball mill, and the resulting mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa.
[0127]
The obtained molded body was sintered at 1300 ° C. for 2 hours to produce a sintered body having a relative density of 99.5%, and then capsule-free HIP treatment (pressure 98 MPa) for 1 hour at 1400 ° C. in an Ar atmosphere. Thus, a sintered body having a relative density of 99.91% was obtained. It was. By cutting this sintered body, a cone portion (the tip of the cone portion is φ8 mm and this portion is finished to Ra = 1.0 nm and flatness λ / 2) is formed, and φ8 × finished to the same machining accuracy A t1 mm sapphire single crystal (<0001> orientation) was used as a seed crystal, and both were bonded together by heat treatment at 1420 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature range of 1450 to 1850 ° C. is raised in a vacuum atmosphere (electric furnace) by 10 ° C./h (heat treatment time 40 hours) and at the same time the lower end of the sample is cooled by a heat sink (oxygen gas is blown into the alumina sintered body). As a result, an average temperature gradient of 60 ° C./cm was formed in the sample. The sample that reached 1850 ° C. was cooled to room temperature.
The average growth rate was 1.25 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 50 mm (diameter 2 inches). There is no low-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 101Piece / cm2The residual pore volume was 0.5 ppm by volume. The sapphire single crystal grown by this method is yellow and most of the added Ti is Ti.4+It was estimated that For this reason, the grown Ti-added sapphire is heat-treated in a hydrogen atmosphere at 1850 ° C. for 10 hours to produce a pink single crystal, that is, Ti3+: Sapphire was obtained. In this crystal as well, cores, facets, growth stripes, etc. were not detected as in the case of the Nd: YAG single crystal.
[0128]
Example 5
As Example 5, a 1.0 mol% Ti-added sapphire single crystal was produced. Commercially available Al with a purity of 99.99% by weight and an average particle size of 200 nm2OThreePowder and TiO with a particle size of 60 nm2The composition of the powder was adjusted at a molar ratio of 990: 20, and wet-mixed with a ball mill, and the obtained mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa. The obtained molded body was sintered at 1300 ° C. for 1 hour to produce a sintered body having a relative density of 99.1%, and thereafter subjected to capsule-free HIP treatment at 1300 ° C. for 1 hour in an Ar atmosphere to obtain a relative density of 99. A 93% sintered body was obtained. By cutting this sintered body, a cone portion (the tip of the cone portion is φ8 mm, this portion is finished to Ra = 1.0 nm and flatness λ / 2), and finished to the same machining accuracy is φ8 mm. Xt1 mm sapphire single crystal (<0001> orientation) was used as a seed crystal, and both were bonded by heat treatment at 1420 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature range of 1450 to 1850 ° C. is raised in a vacuum atmosphere (electric furnace) by 10 ° C./h (heat treatment time 40 hours) and at the same time the lower end of the sample is cooled by a heat sink (oxygen gas is blown into the alumina sintered body). As a result, an average temperature gradient of 50 ° C./cm was formed in the sample. The sample that reached 1850 ° C. was cooled to room temperature.
[0129]
The average growth rate was 0.75 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 30 mm (diameter 2 inches). In the single-crystallized part, there are 5 low-angle grain boundaries / cm2The other dislocation density is 102Piece / cm2The residual pore volume was 1.5 ppm by volume. The sapphire single crystal grown by this method has a beige color, and most of the added Ti is Ti.4+It was estimated that For this reason, the grown Ti-added sapphire is heat-treated in a hydrogen atmosphere at 1860 ° C. for 10 hours to produce a thick pink single crystal, that is, Ti3+: Sapphire was obtained. In the observation using the polarizing plate, no optically inhomogeneous portion could be observed in the crystal. However, 102Piece / cm2Although a degree of ink was observed, the crystal was sufficiently applicable as a laser material.
[0130]
On the other hand, single crystals of the same composition were grown by HEM (Heat Exchange Method), which is a kind of melt solidification method. However, as in the case of high-concentration Nd: YAG single crystals, the grown crystals are difficult to measure. John was generated and the optical quality could not be measured.
[0131]
Example 6
As Example 6, a 0.1 mol% Ti-added sapphire single crystal was produced. Similar to Example 4, a commercially available Al having a purity of 99.99% by weight and an average particle diameter of 200 nm2OThreePowder and TiO with a particle size of 60 nm2The composition of each powder was adjusted at a molar ratio of 999: 2, and then wet mixed by a ball mill, and the resulting mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa.
[0132]
The obtained molded body was sintered at 1300 ° C. for 2 hours to produce a sintered body having a relative density of 99.5%, and then subjected to capsule-free HIP treatment (pressure 196 MPa) for 1 hour at 1400 ° C. in an Ar atmosphere. Thus, a sintered body having a relative density of 99.95% was obtained. This sintered body was inserted into an electric furnace heated to 1350 ° C. without being processed, and had a beam diameter of 0.1 mm and an output of 50 W (5 × 10 5ThreeW / cm2CO2Laser (wavelength: 10 μm) was irradiated for 2 hours to form coarse crystals of about 450 μm (average particle size of the peripheral part other than the coarse crystals was 8 μm). Thereafter, the temperature range of 1550 to 1900 ° C. in a vacuum atmosphere (electric furnace) is raised by 10 ° C./h (heat treatment time 45 hours), and at the same time, the lower end of the sample is cooled by a heat sink (oxygen gas is blown into the alumina sintered body). As a result, an average temperature gradient of 60 ° C./cm was formed on the samples. The sample that reached 1850 ° C. was cooled to room temperature.
[0133]
The average growth rate was 1.00 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 45 mm (diameter 2 inches). There is no low-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 101Piece / cm2The residual pore volume was 1 ppm by volume. The sapphire single crystal grown by this method is yellow and most of the added Ti is Ti.4+It was estimated that For this reason, the grown Ti-added sapphire is heat-treated at 1880 ° C. in a hydrogen atmosphere for 10 hours to produce a pink single crystal, that is, Ti3+: Sapphire was obtained. Even in this crystal, cores, facets, growth fringes, etc. could not be detected as in the case of the Nd: YAG single crystal.
[0134]
Example 7
As Example 7, 1 mol% Nd-added YVOFourAn example of production of a single crystal is shown. Commercially available purity 99.999% by weight, average particle size 20 nm Y2OThreePowder and commercially available V of purity 99.99% by weight, average particle size 300 nm2OFivePowder and Nd with an average particle size of 100 nm2OThreeThe composition of the powders was adjusted at a molar ratio of 49: 50: 1, followed by wet mixing with a ball mill, and the obtained mixed powder was CIP molded at a pressure of 98 MPa.
[0135]
The obtained molded body was sintered at 1550 ° C. for 3 hours to produce a sintered body having a relative density of 96.3%. This sintered body is further 20% O.2HIP treatment was performed at 1450 ° C. and 98 MPa in a gas atmosphere having a composition of −80% Ar. By cutting this sintered body, the cone portion shown in FIG. 2 (the tip of the cone portion is φ8 mm, and this portion is finished to Ra = 1.0 nm and flatness λ / 2) is formed. Φ6 × t1mm YVO finished with precisionFourA single crystal (<001> orientation) was used as a seed crystal, and the two were bonded together by heat treatment at 1400 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature range of 1650 to 1750 ° C. is raised by 2 ° C./h (heat treatment time 50 hours) in an oxygen atmosphere (electric furnace), and at the same time, the lower end of the sample is cooled by a heat sink (N in the alumina sintered body)2-1% O2When the gas was blown), an average temperature gradient of 15 ° C./cm was formed on the sample. The growth was performed in a high-pressure vessel, and the inside of the vessel was always maintained at 3 atm. The sample that reached 1750 ° C. was cooled to room temperature.
[0136]
The average growth rate was 0.44 mm / h because the single crystal was formed from the portion joined to the single crystal to a depth of 22 mm (diameter 1 inch). There is no low-angle grain boundary in the single crystallized portion, and the other dislocation density is 101Piece / cm2The residual pore volume was 0.3 ppm by volume.
[0137]
When the obtained Nd: YAG single crystal was observed through a polarizing plate, an optical non-uniform portion could not be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a positional relationship between a crystal growth start part X and a terminal part Y when a crystal is grown.
FIG. 2 is a schematic diagram (cross-sectional view) showing a state in which a seed crystal part is heated during crystal growth.
FIG. 3 is a schematic diagram (cross-sectional view) showing a state in which a terminal portion of a polycrystal is forcibly cooled when a crystal is grown.
FIG. 4 is a schematic diagram showing crystal grains C forming dislocations A, small tilt grain boundaries B, and small tilt grain boundaries appearing by etching a sample.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a method for measuring an average temperature gradient in an example.
FIG. 6 is an image diagram showing the results of observing Nd: YAG single crystals produced by the method (a) and the melt solidification method (b) of the present invention through polarizing plates, respectively.
FIG. 7 is an image view showing a result of measuring a refractive index distribution of a Nd: YAG single crystal produced by the method (a) and the melt solidification method (b) of the present invention using a Fizeau interferometer.
FIG. 8 is an image diagram of a single crystal produced in Example 2 and an ink observed in the single crystal.

Claims (21)

Nd添加YAG、Ti添加サファイヤ又はNd添加YVOの単結晶から実質的に構成されるレーザ発振器用単結晶体であって、
1)単結晶体の大きさが直径1インチ×高さ22mm以上であり、
2)小傾角粒界を形成する結晶粒子の単位面積当たりの個数n(個/cm)が0であり、
3)転位密度(但し、小傾角粒界を構成する転位を除く。)が10個/cm以下である
ことを特徴とするレーザ発振器用単結晶体。
A single crystal for a laser oscillator substantially composed of a single crystal of Nd-added YAG, Ti-added sapphire or Nd-added YVO 4 ,
1) The size of the single crystal is 1 inch in diameter x 22 mm in height,
2) The number n (pieces / cm 2 ) per unit area of crystal grains forming a low-angle grain boundary is 0,
3) A single crystal for a laser oscillator, characterized in that the dislocation density (excluding dislocations constituting a low-angle grain boundary) is 10 / cm 2 or less.
気孔体積が100体積ppm以下である請求項に記載のレーザ発振器用単結晶体。The single crystal body for a laser oscillator according to claim 1 , wherein the pore volume is 100 ppm by volume or less. 純度が99.5重量%以上である請求項1又は2に記載のレーザ発振器用単結晶体。The single crystal for a laser oscillator according to claim 1 or 2 , wherein the purity is 99.5% by weight or more. Nd添加YAGの焼結体に当該Nd添加YAGの単結晶を種子結晶として接触させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Nd添加YAGの単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。After sintered Nd-doped YAG in a single crystal of the Nd-doped YAG is contacted as a seed crystal, by crystal growth by heat treatment at 75% to 95% of the temperature of the melting point of the sintered body, the Nd-doped A method for producing a single crystal of YAG , in which, when a crystal is grown, an average temperature of 10 ° C./cm or more is obtained by (a) heating the seed crystal part and (b) cooling the end part other than the part. A method for producing a single crystal for a laser oscillator, wherein a gradient is imparted to the sintered body. Ti添加サファイヤの焼結体に当該Ti添加サファイヤの単結晶を種子結晶として接触させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Ti添加サファイヤの単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。After the Ti-added sapphire sintered body is brought into contact with the single crystal of the Ti-added sapphire as a seed crystal, the crystal is grown by heat treatment at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the sintered body. A method for producing a single crystal of sapphire, in which, when a crystal is grown, an average temperature of 10 ° C./cm or more is obtained by applying (a) heating to a seed crystal part and (b) cooling to a terminal part other than the part. A method for producing a single crystal for a laser oscillator, wherein a gradient is imparted to the sintered body. Nd添加YVONd added YVO 4 の焼結体に当該Nd添加YVOThe Nd-added YVO 4 の単結晶を種子結晶として接触させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Nd添加YVOThe Nd-added YVO is obtained by contacting the single crystal of the above as a seed crystal and then heat-treating the sintered body at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the sintered body to grow the crystal. 4 の単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。In the method for producing a single crystal, an average temperature gradient of 10 ° C./cm or more is obtained by performing (a) heating on the seed crystal part and (b) cooling on the terminal part other than the part in crystal growth. Is provided to the sintered body. A method for producing a single crystal for a laser oscillator. 当該焼結体が相対密度99%以上であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 4, wherein the sintered body has a relative density of 99% or more. 当該単結晶の(100)面、(110)面又は(111)面を研磨し、その研磨面を当該焼結体に接触させることを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載の製造方法。The production according to any one of claims 4 to 7, wherein the (100) face, (110) face or (111) face of the single crystal is polished, and the polished face is brought into contact with the sintered body. Method. 研磨面が平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下であることを特徴とする請求項記載の製造方法。9. The method according to claim 8 , wherein the polished surface has an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less. 当該焼結体の一部又は全部を平均表面粗さRa=1.0nm以下及び平坦度λ(λ=633nm)以下に研磨し、その研磨面を当該単結晶と接触させることを特徴とする請求項4〜9のいずれかに記載の製造方法。A part or all of the sintered body is polished to an average surface roughness Ra = 1.0 nm or less and a flatness λ (λ = 633 nm) or less, and the polished surface is brought into contact with the single crystal. Item 10. The production method according to any one of Items 4 to 9 . 当該焼結体及び当該単結晶の少なくとも一方の接触面に、当該単結晶を構成する元素(但し、酸素を除く。)の中から少なくとも1種を含む水溶液を塗布することを特徴とする請求項4〜10のいずれかに記載の製造方法。An aqueous solution containing at least one element selected from elements (excluding oxygen) constituting the single crystal is applied to at least one contact surface of the sintered body and the single crystal. The manufacturing method in any one of 4-10 . Ti添加サファイヤの焼結体にレーザビームを照射することにより単結晶の種子結晶を生成させた後、その焼結体の融点の75〜95%の温度で熱処理して結晶成長させることにより、上記Ti添加サファイヤの単結晶を製造する方法であって、結晶成長させるに際し、(a)種子結晶部分に対する加熱及び(b)当該部分以外の末端部に対する冷却を施すことにより、10℃/cm以上の平均温度勾配を当該焼結体に与えることを特徴とするレーザ発振器用単結晶体の製造方法。 A single crystal seed crystal is produced by irradiating a sintered body of Ti-added sapphire with a laser beam, and then heat-treated at a temperature of 75 to 95% of the melting point of the sintered body to grow the crystal. A method for producing a single crystal of Ti-added sapphire , in which, when growing a crystal, (a) heating a seed crystal part and (b) cooling a terminal part other than the part, a temperature of 10 ° C./cm or more A method for producing a single crystal for a laser oscillator, wherein an average temperature gradient is applied to the sintered body. レーザビームの波長が0.2〜11μm(但し、当該単結晶の透過波長を除く。)である請求項12に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 12 , wherein the wavelength of the laser beam is 0.2 to 11 μm (excluding the transmission wavelength of the single crystal). レーザビームの照射エリアが1mm以下である請求項12又は13に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 12 or 13 , wherein an irradiation area of the laser beam is 1 mm 2 or less. その焼結体の融点の90%未満の温度で加熱しながら当該焼結体にレーザビームを照射する請求項12〜14のいずれかに記載の製造方法。The manufacturing method according to any one of claims 12 to 14 , wherein the sintered body is irradiated with a laser beam while being heated at a temperature of less than 90% of the melting point of the sintered body. 当該成形体又は焼結体中に、結晶成長時に液相を形成し得る酸化物を存在させることを特徴とする請求項4、5、6又は12に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 4, 5, 6, or 12 , wherein an oxide capable of forming a liquid phase at the time of crystal growth is present in the molded body or sintered body. 結晶成長させるに際し、昇温速度を50℃/h以下とすることを特徴とする請求項4、5、6又は12に記載の製造方法。The method according to claim 4, 5, 6, or 12 , wherein the rate of temperature rise is set to 50 ° C / h or less when the crystal is grown. 冷却が、冷媒を当該末端部分に吹き付けることにより実施される請求項4、5、6又は12に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 4, 5, 6, or 12 , wherein cooling is performed by spraying a refrigerant on the end portion. 冷却が、金属又は無機材料からなるヒートシンク材を当該末端部分に当接し、当該ヒートシンク材に冷媒を接触させることにより実施される請求項4、5、6又は12に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 4, 5, 6, or 12 , wherein cooling is performed by bringing a heat sink material made of a metal or an inorganic material into contact with the end portion and bringing the refrigerant into contact with the heat sink material. (i)昇温速度又は(ii)昇温速度と冷媒の流量の双方を変化させることにより、単結晶の結晶成長を制御する請求項4、5、6又は12に記載の製造方法。The production method according to claim 4, 5, 6, or 12 , wherein the crystal growth of the single crystal is controlled by changing both (i) the heating rate or (ii) both the heating rate and the flow rate of the refrigerant. 請求項1〜のいずれかに記載されたレーザ発振器用単結晶体をレーザ媒質として用いたレーザ発振器。The laser oscillator using a laser oscillator for single crystal which is according to any one of claims 1 to 3 as a laser medium.
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