JP4587350B2

JP4587350B2 - 透光性セラミックス体の製造方法

Info

Publication number: JP4587350B2
Application number: JP2001011924A
Authority: JP
Inventors: 龍弘佐藤; 宜正吉田; 朗藤ノ木
Original assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: EP1353884A2; WO2002057196A3; WO2002057196A2; JP2002220287A; US20040132289A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療、半導体のマーキング、金属加工などに利用される固体レーザーの材料として好適に用いられる透光性セラミックス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【関連技術】
固体レーザーは医療、半導体のマーキング、金属加工さらには核融合用光源等として利用され、その利用分野と市場は着実に拡大している。固体レーザーを大別すると結晶質と非晶質（ガラス）に大別されるが、熱・機械特性に優れた前者しか産業用には用いられていない。
【０００３】
固体レーザーの中でも、総合特性面で優位にあるのがＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）であり、現状の単結晶育成技術に依存する限り、ＹＡＧを超える新物質が発見される可能性は非常に低い。ところで、産業用レーザーとしては発振に関与する活性イオンとしてのＮｄ³⁺を添加したＹＡＧ単結晶だけが応用の大半を占めている。Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶の育成期間は１〜３ヶ月にも及ぶが、レーザー媒質として使用できる部位はインゴットの一部に限られるため性能と経済性を両立できず、レーザーの普及を妨げる一因ともなっている。
【０００４】
Ｎｄ：ＹＡＧ単結晶は、単結晶インゴット中心部にコアが検出され、中心から周辺部に向かってファセットが存在（いずれも光学的には不均一）しており、使用できるのは外周部だけに限られるため歩留まりが非常に悪い。また、ＮｄのＹＡＧに対する偏析係数は０．２でＮｄの固溶量が約１ｗｔ％程度しかなく光吸収係数が小さいこと、濃度消光（発光イオン間の相互作用により蛍光寿命が極度に低下すること）を起こす欠点がある。レーザーの総合特性では他を圧倒しているＮｄ：ＹＡＧであるが、以上のような技術的経済的課題が未解決のままである。
【０００５】
光学グレードのセラミックスを作製するには、低温域でほぼ完全に緻密化する易焼結の原料粉末を用いることが前提になる。一般グレードの透光性セラミックスを作製するには、単純に良質の原料粉末を単独で用いる、原料粉末と緻密化促進のための焼結助剤を添加後に焼結する方法が取られている。これまでの透光性セラミックスは単に光透化性を有する機能で良いが、レーザーは媒質内部で光増幅を行うためこれまでのものとは桁違いの品質が要求される。例えば、わずかな屈折率分布、粒界相の析出、セラミックス内部の残留気孔が致命傷となり、レーザー発振効率の大幅低下やビーム品質低下につながるため、理想組織（ミクロ＆マクロ的欠陥のないもの）の形成が必要となる。
【０００６】
一般的にセラミックスは固体原料を用いるが、固体原料は成形する際の圧力伝達が悪く、成形体外周部と内部での圧力分布が異なるため品質的なばらつきを生じ易い。このような粉体充填度の不均一性を是正するために、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）を断続的に行うことや高圧焼結プロセス、たとえばＨＰ（ホットプレス）やＨＩＰ（ホットアイソスタティクプレス）などを用いることによって強制的な欠陥除去を検討しているが、成形体外周部と内部で圧力分布が異なる為、品質的なばらつきを生じ、また内部には、泡、異物、粒状構造が生じてしまうという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、品質的なばらつきがなく、内部に泡、異物及び粒状構造が存在せず、固体レーザーとして使用した場合に単結晶なみの良好なスロープ効率を示す透光性セラミックス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本透光性セラミックス体は、Ｎｄ化合物粉とＹＡＧ粒子を混合して混合粉を作成し、アーク火炎法によって該混合粉を加熱溶融することにより製造される、Ｎｄをドープしてなる透光性ＹＡＧセラミックス体であって、ドープされたＮｄ濃度が０．１〜２０ｗｔ％、前記セラミックス体中の泡と異物の含有量が１００ｃｍ³当たりの投影面積で１００ｍｍ²未満、可視光線の内部透過率が５０％／ｃｍ以上、前記セラミックス体中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍ以下であり、前記セラミックス体中に粒子構造が存在しないことを特徴とする。
【０００９】
上記セラミックス体中のＯＨ濃度は１００ｐｐｍ以下であり、また該セラミックス体には粒状構造が存在しないことが好ましい。上記ドープ金属元素としてはＮｄが好ましく、上記セラミックスとしてはＹＡＧが好適である。上記透光性セラミックスは固体レーザーとして好適に用いられる。
【００１０】
本発明の透光性セラミックス体の製造方法は、Ｎｄ化合物粉とＹＡＧ粒子を混合して混合粉を作成し、該混合粉をアークプラズマ中に回転するターゲットインゴット上に溶融落下させて該混合粉を加熱溶融することにより、Ｎｄをドープしてなる透光性ＹＡＧセラミックス体を製造する方法であって、該Ｎｄ化合物粉とＹＡＧ粒子の双方の粒度が、０．０１〜５０μｍであり、ドープされたＮｄ濃度が０．１〜２０ｗｔ％、前記セラミックス体中の泡と異物の含有量が、２００ｍｍφ×１５０ｍｍのインゴットとした場合、１００ｃｍ ³ 当たりの投影面積で１００ｍｍ ² 未満、可視光線の内部透過率が５０％／ｃｍ以上、前記セラミックス体中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍ以下であり、前記セラミックス体中に粒子構造が存在しないことを特徴とする。
【００１１】
上記ベルヌイ法における加熱法は電気溶融法が好適であり、電気溶融法としてはアーク火炎法等が知られている。上記金属元素がＮｄで、上記セラミックス粉がＹＡＧ粒子であるのが最も好ましい。
【００１２】
上記金属元素はセラミックス体中に均一にドープされることが必要である。ドープされる金属元素は、Ｎｄ、Ｓｍを始めとするランタノイドで、作成された透明体は、固体レーザーなどに使用される。
【００１３】
これらの金属元素のドープ方法の一つとして、セラミックス粉と金属元素化合物粉を混合したものをベルヌイ法で溶融堆積する方法がある。この方法の場合、粒子個々への効率的な熱供給が加えられて、セラミックス粉表面への均一分散が効果的に進む。これにより、光散乱が抑制されて、透明セラミックス体が得られる。
【００１４】
粒状構造がないセラミックス体を得る為には、セラミックス粉と金属元素酸化物粉とも細かいほうが、金属元素の均一分散に効果的である。その粒度は、双方とも０．０１〜５０μｍの範囲がよい。０．０１μｍ未満では製造上不具合が多く、５０μｍを超える粒状構造が非常に強く残る。
【００１５】
作成されたセラミックス体中のＯＨ濃度は、レーザー光の吸収源となるので、低下させるほうがよく、加熱を電融で行うと効果的に低減できる。
【００１６】
上記した方法で得られた透明体の泡と異物の含有量は、１００ｃｍ³当たりの投影面積で１００ｍｍ²未満で、可視光線の内部透過率は５０％／ｃｍ以上であった。ドープする金属元素の濃度は、０．１ｗｔ％未満では、十分な発振効率が得られず、２０ｗｔ％を超えると、いかなる条件においても泡、異物の発生を防止することができなかった。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例をあげて説明するが、この実施例は例示的に示されるもので、限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００１８】
（実施例１）
粒径が０．１〜５０μｍのＹＡＧ粒子２８５００ｇと、粒径０．１〜３０μｍのＮｄ₂Ｏ₃粉１５００ｇを混合し、アークプラズマ中に５０ｇ／ｍｉｎの速度で、１ｒｐｍで回転するターゲットインゴット上に溶融落下させ、２００ｍｍφ×１５０ｍｍのインゴットを作成した。
【００１９】
得られたセラミックス体のＯＨ濃度は、５０ｐｐｍであった。泡と異物の含有量は１００ｃｍ³当たりの投影面積で２０ｍｍ²で、可視光線の内部透過率が８０％／ｃｍであった。粒子構造は観察されなかった。
【００２０】
Ｎｄ濃度を蛍光Ｘ線分析で測定すると３．０ｗｔ％であった。得られたサンプルを８０８ｎｍの半導体レーザーで励起した時、スロープ効率（レーザー発振後の変換効率）が単結晶並みで、２５％に達した。
【００２１】
（比較例１）
粒径が０．１〜５０μｍのＹＡＧ粒子２８５００ｇと、粒径０．１〜３０μｍのＮｄ₂Ｏ₃粉１５００ｇを混合した後、真空雰囲気、１８００℃で加熱溶融し、２００ｍｍφ×１５０ｍｍのインゴットを得た。ＯＨ濃度は５０ｐｐｍであった。Ｎｄ濃度を蛍光Ｘ線分析で測定すると３．０ｗｔ％であった。
【００２２】
但し、インゴット内部には多量の泡と異物が生じ、１００ｃｍ³当たりの投影面積で２００ｍｍ²で、可視光線の内部透過率が２０％／ｃｍであった。得られたサンプルを８０８ｎｍの半導体レーザーで励起した時、スロープ効率（レーザー発振後の変換効率）は１％であった。
【００２３】
（比較例２）
粒径０．１〜５０μｍのＹＡＧ粒子２００００ｇと、粒径０．１〜３０μｍのＮｄ₂Ｏ₃粉１００００ｇを混合し、アーク火炎中に５０ｇ／ｍｉｎの速度で、１ｒｐｍで回転するターゲットインゴット上に溶融落下させ、２００ｍｍφ×１５０ｍｍのインゴットを作成した。
【００２４】
インゴット内部には、泡と異物が多発し、１００ｃｍ³当たりの投影面積で２００ｍｍ²で、可視光線の内部透過率が２０％／ｃｍであった。得られたセラミックス体のＯＨ濃度は、５０ｐｐｍであった。Ｎｄ濃度を蛍光Ｘ線分析で測定すると２１ｗｔ％であった。得られたサンプルを８０８ｎｍの半導体レーザーで励起した時、スロープ効率（レーザー発振後の変換効率）は１％であった。
【００２５】
【発明の効果】
上述したごとく、本発明方法によれば、品質的なばらつきがなく、内部に泡、異物及び粒状構造が存在せず、固体レーザーとして使用した場合に単結晶なみの良好なスロープ効果を示す透光性セラミックス体を効率よく製造できる利点がある。

Claims

Ｎｄ化合物粉とＹＡＧ粒子を混合して混合粉を作成し、該混合粉をアークプラズマ中に回転するターゲットインゴット上に溶融落下させて該混合粉を加熱溶融することにより、Ｎｄをドープしてなる透光性ＹＡＧセラミックス体を製造する方法であって、該Ｎｄ化合物粉とＹＡＧ粒子の双方の粒度が、０．０１〜５０μｍであり、ドープされたＮｄ濃度が０．１〜２０ｗｔ％、前記セラミックス体中の泡と異物の含有量が、２００ｍｍφ×１５０ｍｍのインゴットとした場合、１００ｃｍ ³ 当たりの投影面積で１００ｍｍ ² 未満、可視光線の内部透過率が５０％／ｃｍ以上、前記セラミックス体中のＯＨ濃度が１００ｐｐｍ以下であり、前記セラミックス体中に粒子構造が存在しないことを特徴とする透光性セラミックス体の製造方法。
前記透光性セラミックス体が固体レーザーとして用いられることを特徴とする請求項１記載の透光性セラミックス体の製造方法。