JP4211811B2

JP4211811B2 - プリズム

Info

Publication number: JP4211811B2
Application number: JP2006184636A
Authority: JP
Inventors: 隆一小松; 保菅原; 正訓高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JP2006285287A

Description

本発明は、四ほう酸リチウム単結晶から成る偏光子を用いたプリズムに関する。

従来、四ほう酸リチウム（以下、Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ ）は、ＳＡＷ（弾性表面波）デバイス用の基板材料に用いられている。ＳＡＷデバイス用の基板材料としては、従来は水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどが用いられていたが、水晶は温度特性が優れているものの電気機械結合係数がきわめて小さいという欠点があり、逆に、ニオブ酸リチウムは電気機械結合係数が優れているものの温度特性が劣っているという欠点があった。一方、タンタル酸リチウムはこれらの中間的な特性を有しているが、四ほう酸リチウムは、このタンタル酸リチウムの持つ中間的な特性をさらに高めた特性を有していることが報告されている。

一方、情報および通信の進展に伴い、光アイソレータ、スイッチなどの受動部品が必要になってきた。これらの素子には偏光子が必要となる。偏光子として要求される特性には、次の特性がある。
１．複屈折が大きいことが要求される。すなわち、異常光と通常光の屈折率差が大きいことが要求される。
２．化学的に安定であることが要求される。
３．結晶の歪または粒界、積層欠陥などの結晶欠陥が少ないことが要求される。
４．旋光能がない、または小さいことが要求される。
現在用いられている偏光子材料には、水晶、方解石、ルチルなどがある。

しかし、これらの材料が、上記の４つの条件をすべて満足しているわけではなく、新たな偏光子材料が求められている。特に、ＦＺ法またはベルヌーイ法で人工的に作製されているルチルで見られるような結晶欠陥および屈折率変動による結晶内の歪によるコノスコープ像の干渉縞の変形のような光学的不均一性が、精密な偏光子作製上から大きな問題になっていた。

四ほう酸リチウム単結晶は、たとえば、特許文献１に記載されているように、複屈折結晶である。
複屈折結晶は、たとえば、特許文献２、特許文献３に記載されているように偏光子に適用しうることが知られている。
特開平４−１５９６号公報特開昭６４−８１９２７号公報特開平３−２２６７０１号公報

しかしながら、単に一般的な四ほう酸リチウム単結晶を用いるだけでは、光学的な不均一性などの欠点を有さない条件を満たす偏光子は得られない。
本発明の目的は、光学的な不均一性などの欠点を有さない条件を満たす偏光子を実現し、その偏光子を用いたプリズムをが提供されすることにある。

本発明者等は、光学的な不均一性などの欠点を有さない新たな偏光子材料について鋭意検討した結果、四ほう酸リチウム単結晶が、偏光子として優れた特性を有することを見い出し、その偏光子を用いて本発明を完成させるに至った。

本発明によれば、結晶内の格子変動が５×１０^-5以下、エッチピット密度が１０² ／ｃｍ² 以下で、屈折率変動が１０^-5以下の四ほう酸リチウム単結晶から成る偏光子を、光入射面が前記四ほう酸リチウム単結晶の底面に対して９０°の角度で傾いており、光出射面が前記光入射面に直交する底面に対して６０°±０．５°傾いている形状に加工されている、プリズムが提供される。
好ましくは、常光と異常光の消光比が、５１．９〜５３．５ｄＢの範囲にある。

結晶内の格子変動は、たとえばボンド法により測定される。ＥＰＤは、たとえばエッチング法により測定される。結晶内の格子変動が５×１０^-5より大きい場合には、屈折率変動が１０^-5より大きくなる傾向にあり好ましくない。また、ＥＰＤが１００／ｃｍ² よりも大きい場合には、上と同様の傾向にあり好ましくない。

本発明に係るプリズムに用いる偏光子は、コノスコープ像干渉縞の変形のような光学的不均一性がみられない再現性に富む精密な偏光子である。また、本発明に係る偏光子は、消光比も高く、優秀な偏光子である。
本発明に係るプリズムに用いる偏光子は、たとえば、チョクラルスキー法により四ほう酸リチウム単結晶から成る偏光子を製造する場合に、融液表面と融液直上１ｃｍの間の雰囲気の温度勾配を３０℃／ｃｍ〜２００℃／ｃｍとし、それより上部の雰囲気の温度勾配を１０℃／ｃｍ〜５０℃／ｃｍとし、引き上げ速度を０．１ｍｍ／時間〜２ｍｍ／時間とすることにより製造することができる。このような製造方法によれば、結晶欠陥の少ない偏光子を容易に量産的に製造することができる。

本発明によれば、複屈折率が大きく、旋光能がなく、結晶欠陥が少なく、化学的に安定で優れた特性の偏光子を適用したプリズムを実現することができる。

以下、本発明のプリズムの実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態で用いる四ほう酸リチウム単結晶の引き上げ装置１０である。

この引き上げ装置１０は、四ほう酸リチウムが融解される白金坩堝１を有している。この白金坩堝１の周囲には、断熱材２，３を介して、坩堝内の四ほう酸リチウムを融解させるためのヒータ４（例えば抵抗加熱ヒータ）が設けられている。一方、白金坩堝１の上部には、断熱壁５，６が二重に設けられており、種結晶が取り付けられる引き上げ軸７が、この断熱壁５，６を貫通するようになっている。

このような引き上げ装置１０を用いて、四ほう酸リチウム単結晶を育成する。すなわち、所定モル比の四ほう酸リチウム多結晶体を白金坩堝内に充填し、ヒータで融解した後、引き上げ方位＜１１０＞で単結晶を引き上げる。
このとき、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を５０〜１５０°Ｃ／ｃｍ、それより上部の温度勾配を５〜１０°Ｃ／ｃｍとし、単結晶の直胴部を引き上げる際の引き上げ速度を０．３〜１ｍｍ／時間とすることが好ましい。

このようにして引き上げられた四ほう酸リチウム単結晶から成るウェーハを切断し、図２（Ａ），（Ｂ）に示す形状の偏光子としてのプリズム２０を作製する。図２（Ａ）はプリズム２０の正面図、同図（Ｂ）は側面図である。
入射面２２と出射面２４と両側面２６，２６は、ラッピング、ポリッシングなどの研磨手段で研磨される。

本実施形態に係るプリズム２０は、コノスコープ像干渉縞の変形のような光学的不均一性がみられない再現性に富む精密な偏光子である。また、本実施形態に係るプリズム２０は、消光比も高く、優秀な偏光子である。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

次に、本発明のさらに詳細な実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
図１に示す引き上げ装置１０を用いて、四ほう酸リチウム単結晶を作製した。白金坩堝１としては、直径９０ｍｍ、高さ１００ｍｍのものを用いた。

まず、所定モル比の純度９９．９９％の四ほう酸リチウム多結晶体１３００ｇを白金坩堝内に充填し、ヒータで融解したのち、引き上げ方位＜１１０＞で直径２インチの単結晶を引き上げた。
このとき、融液表面と融液直上１０ｍｍの間の温度勾配を８０°Ｃ／ｃｍ、それより上部の温度勾配を３０°Ｃ／ｃｍとし、単結晶の直胴部を引き上げる際の引き上げ速度を０．５ｍｍ／時間とした。

この単結晶の結晶内の格子変動をボンド法により調べたところ、１×１０^-6／ｍｍであった。また、エッチピット密度（ＥＰＤ）をエッチング法により調べたところ、１０／ｃｍ² であった。
この単結晶を図２に示す形状に切断して偏光子としてのグラントムプリズム２０を得た。プリズム２０の光入射面２２は、四ほう酸リチウム単結晶の（０１０）面に対して、０°の角度で傾いており、プリズム２０の光出射面２４は、入射面２２に垂直な底面に対して、θ＝６０±０．５度傾いていた。入射面２２と出射面２４と両側面２６，２６は、ラッピングにより光学研磨した。

図２において、プリズム２０の幅ａは５．０９mmであり、底面の長さｂは１０mmであり、高さｈは１０mmであった。
このプリズム２０を、図３に示すように、ポーラライザーＰと２つのアナライザーＡとの間に配置した。ポーラライザーＰは、レーザ装置から照射されたレーザ光の偏光方向を１つに揃える作用を有する。アナライザーＡも、ポーラライザーＰと同様な偏光子であり、これらをそれぞれ回転させることにより、ポーラライザーＰと同じ偏光の光を通したり、通さないようにしたりする。アナライザーＡを回転させ、ポーラライザーＰと同じ偏光方向の光を通す位置にすると、最大の明るさで光を通し、ポーラライザーＰと直交する位置に回転させると、光をほとんど通さず暗くなる。アナライザーＡを透過後の光の明るさを測定した。最大の明るさと最大の暗さとの比が消光比である。なお、２つのアナライザーＡのうちの一方が、常光のためのものであり、他方が異常光のためのものである。

ポーラライザーＰへ入射するレーザ光としては、λ＝６３３ｎｍ、ビーム径１mm、出力２００ｍＪのＨｅ−Ｎｅレーザ光と、λ＝１５５０ｎｍ、ビーム径０．２mm、出力１００ｍＪのレーザ光とを用いた。それぞれのレーザ光を用いて、同一単結晶から切り出したサンプルＡ，Ｂに関して、常光および異常光の消光比を求めた結果を表１に示す。

表１に示すように、消光比は、５０ｄＢ以上になり、四ほう酸リチウム単結晶が、偏光子として優れていることが確認された。
また、直線偏光を四ほう酸リチウムに通した時の出力光の形の観測から、旋光能がないかどうかを調べたところ、旋光能はないことが確認された。

さらに、異常光と常光との屈折率差を測定したところ、約０．０６であり、大きいことが確認された。
さらにまた、本実施例のプリズムは、四ほう酸リチウム単結晶から成るので、化学的に安定であると共に、結晶欠陥が少ない。なお、結晶欠陥の測定は、前述したように、格子変動とＥＰＤとを測定することにより行った。

比較例１
図３に示すプリズム２０として、方解石〔ＣａＣＯ₃ （化学組成）〕を用いた以外は、前記実施例１と同様にして、消光比を求めた。消光比は、４５ｄＢであった。

この方解石の格子変動を測定したところ、８×１０^-5であった。また、ＥＰＤは１０³
／ｃｍ² であった。
また、旋光能は、観察されなかった。
さらに、異常光と常光との屈折率差を測定したところ、０．１７２であった。

方解石は、水に弱く溶解し、また酸によりふ食する。又モース硬度が３なので軟らかく研磨は難しかった。
このように比較例１に係るプリズムの場合には、製品としてのバラ付き、研磨の困難さ等があることから、プリズムとしては、好ましくない。

比較例２
図３に示すプリズム２０として、ＴｉＯ₂ （ルチル）を用いた以外は、前記実施例１と同様にして、消光比を求めた。消光比は、３５ｄＢであった。
このＴｉＯ₂ の格子変動を測定したところ、１×１０^-4であった。また、ＥＰＤは１０⁴ ／ｃｍ² であった。

また、旋光能は、観察されなかった。
さらに、異常光と常光との屈折率差を測定したところ、０．２９６であった。ＴｉＯ₂は、化学的に安定である。
このように比較例２に係るプリズムの場合には、製品のばらつきがあり、育成が難しいことから、プリズムとしては、好ましくない。

図１は本発明のプリズムの一実施形態に係る四ほう酸リチウム単結晶の製造装置の一例を示す概略断面図である。図２（Ａ），（Ｂ）は実施例で用いるプリズムの正面図および側面図である。図３は実施例の実験装置の概略図である。

符号の説明

２０… プリズム、２２… 光入射面、２４… 光出射面、２６… 側面

Claims

結晶内の格子変動が５×１０^-5以下、エッチピット密度が１０² ／ｃｍ² 以下で、屈折率変動が１０^-5以下の四ほう酸リチウム単結晶から成る偏光子を、光入射面が前記四ほう酸リチウム単結晶の底面に対して９０°の角度で傾いており、光出射面が前記光入射面に直交する底面に対して６０°±０．５°傾いている形状に加工されている、
プリズム。
常光と異常光の消光比が、５１．９〜５３．５ｄＢの範囲にある、
請求項１に記載のプリズム。