JP5575719B2 - 磁気光学素子用焼結体及び磁気光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、磁気光学素子用焼結体及びそれを用いた磁気光学デバイスに関する。

磁気光学効果を利用した光アイソレータは、偏光子、ファラデー回転子、検光子および磁石からなり、磁場中におかれた磁気光学素子中を偏光が通過するとその偏光面が回転する。この現象はファラデー効果として知られ、その回転角Θは、磁場の強さＨと物質の長さＬに対して、
Θ＝ＶＨＬ
で表される。比例係数のＶはヴェルデ定数といい、材料に依存する特性値である。

ヴェルデ定数の大きな材料をファラデー回転子に用いると、ファラデー回転子と永久磁石が小さくても、同等のアイソレーション性能を得ることができるため、素子の小型化が可能となる。この原理を用いた光アイソレータは、半導体の微細加工用ファイバーレーザ、鋼材やセラミックスの切断及び熱処理用のファイバーレーザ等を構成する部品として利用される。

ファイバーレーザとしては、特に波長１μｍ帯を使うことが多く、この用途で使われる光アイソレータを構成するファラデー回転子は、３価のテルビウムイオンを含有した酸化物のガラスや単結晶が使われている。
ファラデー回転子を小型化（ヴェルデ定数を大きく）するためには、単位体積当りの３価のテルビウムイオンの含有量を多くすれば良いことが知られている。

しかしながら、酸化物ガラスに加えるＴｂ_２Ｏ_３の量を多くするとガラスが不透明になり、ガラス化しなくなるため、高濃度にＴｂ_２Ｏ_３を含むガラスは製造できていない。
また、３価のテルビウムイオンを含有した単結晶としてはテルビウム・ガリウム・ガーネット（化学式Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）結晶があるが、この結晶のヴェルデ定数は０．１３ｍｉｎ．／（エルステッド・ｃｍ）と比較的小さな値に留まっており、このため、小型の光アイソレータ用ファラデー回転子としては不満足な材料である。
Ｔｂ_２Ｏ_３を含有する単結晶や焼結体からなる磁気光学素子材料を、ファラデー回転子として利用することが特許文献１、２に開示されている。

特開２０１１―１２１８３７号公報 特開２０１１−１２１８４０号公報

しかし、特許文献１，２のような材料では、実用上問題がない程度の透明な材料が得られないという欠点がある。これは、特許文献１，２の材料は高温で製造されるため、主材料となるＴｂ_２Ｏ_３が高温から室温になる間に相転移を起こし易いという性質によるためか、相転移によりマトリックス相とは異なる相が共存し、この異相が光の散乱原因になっていると考えられる。この現象は特許文献１，２で開示された材料の本質的な欠点であるといえる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ヴェルデ定数が大きく、十分な透明性を有する磁気光学素子用焼結体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、磁気光学素子用の多結晶焼結体であって、該焼結体は、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５を主成分とし、該Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％以上であることを特徴とする磁気光学素子用焼結体を提供する。

このような磁気光学素子用焼結体であれば、単位体積当りの３価のテルビウムイオンの含有量が多いため、ヴェルデ定数が大きく、また、十分に透明なものとなる。従って、磁気光学素子の小型化が可能な高品質の焼結体となる。

このとき、前記焼結体は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２から選択される一種以上の化合物を含むものであることが好ましい。
このような化合物を含むことで、透明性により優れた焼結体となる。

また、本発明の磁気光学素子用焼結体を用いたものであることを特徴とする磁気光学デバイスを提供する。
このような本発明の磁気光学素子用焼結体を用いたものであれば、小型化が可能で、高品質の磁気光学デバイスとなる。

以上のように、本発明によれば、ヴェルデ定数の大きい、優れた透明性の磁気光学素子用焼結体となり、それを用いて小型で高品質の磁気光学デバイスとすることができる。

以下、本発明について、実施態様の一例として以下詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明は、磁気光学素子用の多結晶焼結体であって、該焼結体は、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５を主成分とし、該Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％以上である。
本発明の焼結体であれば、３価のテルビウムイオンを従来よりも高濃度に含み、例えば使用波長である１μｍ帯で透明な磁気光学素子材料となる。珪酸テルビウム（Ｔｂ_２ＳｉＯ_５）は、その結晶構造は単斜晶系ではあるが、高温から室温まで相転移を起こすことがなく、また、波長１μｍ帯での吸収もない材料である。このため、還元性の雰囲気で焼成すると、３価のテルビウムイオンに起因する波長５００ｎｍ付近の狭い幅での吸収以外の吸収は生じず、透光性に優れた焼結体となる。

本発明の透光焼結体は、３価のテルビウムイオンを従来よりも高濃度に含むため、テルビウムガラスやテルビウム・ガリウム・ガーネット（化学式Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）単結晶よりも大きなヴェルデ定数を有する。このため、従来の材料よりも短い光路長でも４５度のファラデー回転角が得られ、さらに、ファラデー回転子の性能を発揮させるための磁石も小型にすることができるため、アイソレータ素子等の磁気光学デバイスの小型化を図ることができる。例えばファイバーレーザでは、ヘッド部を高精度で動作させるため、ヘッド部に組み込まれる光アイソレータが小型かつ軽量となることは非常に好ましいこととなる。また、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％未満では、３価のテルビウムイオンの濃度が不十分で、ヴェルデ定数の向上はほどんど見られない。

このとき、本発明の焼結体は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２から選択される一種以上の化合物を含むものであることが好ましい。
珪酸テルビウム単体の焼結体でもファラデー回転子の材料として使用できるが、珪酸テルビウムは、単斜晶系のうち点群Ｃ２／ｃと点群Ｐ２１／ｃの両方になるため、実用上問題はないものの、波長１μｍ帯で光アイソレータとしたときの挿入損失が少し見られる。従って、珪酸テルビウムを主体とする焼結体を製造するときに、例えばＹ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３といったＴｂ^３＋イオンよりもイオン半径の小さな３価となる希土類元素の酸化物や、例えばＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２といった焼結助剤として用いられる４価となる酸化物から選択される一種以上の化合物となるような原料を添加すると、単斜晶系が安定するため、透明性がより優れた焼結体が得られる。この場合、３価のテルビウムイオン濃度は希釈されるが、この希釈効果を抑えるためには、上記添加する物質の量は１０モル％未満とすることが必要となる。

以下に本発明の磁気光学素子用焼結体の作製方法を説明する。
本発明の焼結体の原料として、例えば、全て３価のテルビウムイオンで構成される化学式Ｔｂ_２Ｏ_３の純度４Ｎの酸化物粉末がある。市販されている純度４ＮのＴｂ_４Ｏ_７を用いるときは、これを予め水素雰囲気で還元処理してＴｂ_２Ｏ_３として用いても良い。
また、原料として、酸化ケイ素は市販品の純度４ＮのＳｉＯ_２を用いることができる。
原料は、上記のような高純度であることが好ましく、また、その粒度は小さい方が焼成過程の反応性は良いが、微細すぎると取り扱いに不便であるので、原料粉末の平均粒径は数μｍからサブμｍのものを用いると良い。

原料調整方法としては、例えばＴｂ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とを等モルになるように秤量し、軽く混合することができる。

また、別の原料調整方法としては、いわゆる共沈法による方法がある。
純度４ＮのＴｂ_２Ｏ_３を０．２モル秤取し、純度６Ｎの硝酸に溶解し、約３００ｍｌの溶液とした後に、０．２モルのテトラエトキシシランと３００ｍｌのエタノールを加える。この溶液に純度２Ｎのアンモニア水を撹拌しながら滴下し、ゲル状の物質を得る。なお、原料としてＴｂ_４Ｏ_７を使うときは、少量のＨ_２Ｏ_２を添加することが好ましい。
この後、約７０℃で余分なエタノールを蒸発させ、１２０℃で５日間乾燥させることでＴｂ_２ＳｉＯ_５用の原料が得られる。

このように調整した原料に、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのバインダーを少量加え、エタノールを加えて、湿式のボールミルにより１日かけて原料粉を均一に粉砕し、混合する。得られたスラリーからエタノールを蒸発させて除去し、乾燥粉末を得る。この際スプレイドライヤーを用いると、乾燥と造粒を同時に行うことができる。
この乾燥粉末を一軸プレスし、更に冷間等方加圧（ＣＩＰ）で成形体を作製する。成形体密度が低いと、その後の焼成によって気孔が残って透過損失となるため、成形体密度は５０％以上であることが好ましい。

次に、成形体は、バインダーを除くために仮焼きを行った後で本焼成する。本焼成には、常圧の焼成炉、真空焼成炉、ホットプレス炉などの既存の炉を用いることができる。焼成の雰囲気は、酸素分圧が高いと高酸化状態のテルビウムが生じるため、低酸素分圧とすることが好ましい。焼成炉内の酸素を除くには、水素を含む還元性の雰囲気を用いることができる。また、炉内を高真空に保つことによっても低酸素分圧を実現でき、また、酸素不純物を低減した高純度の不活性ガスを用いてもよい。

焼成の条件は、焼結体の粒子が組成的、組織的に均一であり、残留気孔が少なくて緻密であり、その結果として焼結体の透光性が優れているように、各焼成法に合わせて設定する。例えば、焼成の温度は１１００〜１４００℃、その最高温度での保持時間は０．５〜２４時間の範囲から選ぶことができる。炉内温度分布を均一化した焼成炉を用いて、冷却時の温度降下パターン条件を適切に選ぶことによって、熱歪の少ない多結晶体が得られ、光アイソレータに必要な高い消光比を実現することができる。

このような焼成後に微小な残留気孔が残る場合は、更に熱間等方加圧（ＨＩＰ）を付加することができる。
ＨＩＰ処理は、１１００〜１４００℃の温度範囲で数時間以内の処理によって残留気孔の低減効果が得られる。高温にするほうが残留気孔を短時間で低減できることより好ましく、残留気孔の比率としては焼結体の密度が理論密度の９９．８％以上（気孔率では０．２％以下）であることが好ましい。焼結体の密度が理論密度の９９．８％以上であれば、光の透過率が極端に低くなることもない。焼結体の密度はアルキメデス法で測定できる。気孔率は、焼結体の実測密度と理論密度の差異から求めることができる。

焼結体のヴェルデ定数は、焼結体を切り出した後に端面を鏡面加工し、既知の大きさの磁界中にセットし、偏光面の回転角度と光路長とを測定して求めることができる。上記のように作製できる本発明のＴｂ_２ＳｉＯ_５からなる焼結体の測定結果は、波長１．０６μｍでヴェルデ定数０．２５ｍｉｎ．／（エルステッド・ｃｍ）と、ＴＧＧ結晶の倍の大きさを示す。このため、磁気光学デバイスに好適であり、小型・ハイパワー等の特徴を有する可視光から近赤外光の固体レーザ用の光アイソレータや、また大型形状作製が可能である利点を生かした大出力レーザ用の光アイソレータにも利用可能である。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
純度９９．９％で粒径１μｍ以下のＴｂ_２Ｏ_３粉末を１００ｇ、ＳｉＯ_２粉末を１６．４２ｇ、エチルアルコール１５０ｇ、ＰＶＡ１ｇを秤量し、表面を樹脂コートしたボールを用いてボールミル混合した。２４時間後にスラリーを取り出し、エチルアルコールを蒸発させて乾燥粉末を得た。乾燥した粉末は、乳鉢と乳棒を用いて解砕した。

この粉末を金型に入れて２０ＭＰａで円筒状に一軸成形し、更に２００ＭＰａのＣＩＰ（冷間等方加圧）処理を行って成形体を作製した。

この成形体を、圧力２０ＭＰａ、最高温度１４００℃でホットプレス焼成し、直径２５ｍｍ、厚さ８ｍｍの円板状で、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％以上の焼結体を得た。得られた焼結体は、相転移による割れがない透明体であった。作製した焼結体の密度は、ダイスと接触していた表面層を研削除去した後、アルキメデス法で測定した。相対密度は、９９．８％であった。
得られた焼結体から直径３ｍｍ×長さ１０ｍｍの円柱を切り出し、対向する２面を鏡面研磨した試料を作製した。

組成と密度から、上記作製した焼結体は、１ｃｍ^３あたりＴｂ^３＋イオンを１．９×１０^２２個以上含むことが分かった。また、焼結体の試料を０．５Ｔの磁場中におき、グラントムソンプリズムで挟んで１．０６μｍにおけるヴェルデ定数を測定したところ、０．２５ｍｉｎ．／（エルステッド・ｃｍ）であった。この焼結体の鏡面に波長１．０６μｍの無反射コートを施して、定法により波長１．０６μｍでの挿入損失と消光比を測定した結果、挿入損失は０．１６ｄＢであり、消光比は４３ｄＢを示し、光アイソレータ用磁気光学素子として使えることが確認できた。

（実施例２−９）
実施例１と同様に、ただし原料に、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２又はＨｆＯ_２を５％あるいは１０％含む粉末および各原料と等モルのＳｉＯ_２を加え、実施例１と同じ手順で、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％以上の焼結体を作製した。実施例１と同様に、作製した焼結体の両端を鏡面化し、無反射コートを施して挿入損失を測定した結果、挿入損失は０．１２ｄＢ〜０．１５ｄＢと実施例１より小さな値を示した。
上記添加した化合物により、焼結体の透明性がより向上したためと考えられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (3)

1. 磁気光学素子用の多結晶焼結体であって、
   該焼結体は、Ｔｂ_２ＳｉＯ_５を主成分とし、該Ｔｂ_２ＳｉＯ_５の含有量が９０モル％以上であり、前記焼結体の密度が理論密度の９９．８％以上であることを特徴とする磁気光学素子用焼結体。
2. 前記焼結体は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２から選択される一種以上の化合物を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学素子用焼結体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁気光学素子用焼結体を用いたものであることを特徴とする磁気光学デバイス。