JP5611329B2 - ガーネット型単結晶、光アイソレータ及び光加工器 - Google Patents

Description

本発明は、ガーネット型単結晶、光アイソレータ及び光加工器に関する。

近年、光ファイバーケーブルを用いた光通信や精密加工用レーザ加工機の普及に伴い、光源となる各種レーザは今後ますます高出力化していくものと見られる。それに伴い、光源の安定化と光源の破壊防止への対応がますます重要となってきている。この光源の安定化と破壊防止を担うデバイスとして、光アイソレータが用いられる。

光アイソレータは、磁界の印加により入射光の偏光面を回転させるファラデー回転子を有している。光通信用のファラデー回転子としては、従来、イットリウム鉄系ガーネットが用いられていた。しかし、イットリウム鉄系ガーネットは、光源の高出力化に伴って薄膜単結晶が劣化したり、光を透過する波長域が狭いため使用できる波長帯域が制限されたりするという問題を有していた。このような背景の中、４００〜１５００ｎｍの広い波長領域で高い透過率を有し、大きいファラデー回転角を示すテルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶が開発され（下記特許文献１）、光アイソレータ用のファラデー回転子として期待されている。この単結晶は、下記一般式：
（Ｔｂ_３−ｘＳｃ_ｘ）Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２
（０．１≦ｘ＜０．３）
で表される。

特開２００２−２９３６９３号公報

しかし、上述した特許文献１に記載のガーネット型単結晶は以下に示す課題を有していた。

即ちファラデー回転子は、結晶成長により得られる単結晶を所望の形に切り出すことで得られる。しかし、上記特許文献１に記載された単結晶は、その切出しの際にクラックが生じ、良質な単結晶を実現することができないという問題点を有していた。ここで、クラックが生じていない部分を選んで切り出すことも考えられる。しかし、クラックのない部分を切り出す場合でもクラックが広がるおそれがあった。このため、上記特許文献１に記載された単結晶は、量産に不向きであり、十分な実用性を有するとは言えないものであった。

そのため、クラックが発生せず、広い波長帯域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を有する単結晶が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い波長帯域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示す良質なガーネット型単結晶、光アイソレータ及び光加工器を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した。その結果、上記課題が、以下の理由により生じているのではないかと本発明者らは考えた。すなわち、上述した単結晶においては、６配位のアルミニウム（以下、「Ａｌ」と略称することがある）をスカンジウム（以下、「Ｓｃ」と略称することがある）で置換することで安定化が図られている。しかし、その安定化がまだ不十分であったために単結晶内に歪が生じ、その結果、クラックが生じたのではないかと本発明者らは考えた。そして、本発明者らはさらに鋭意研究を重ねた結果、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶において、Ａｌの一部をＳｃで置換するだけでなく、さらにテルビウム（以下、「Ｔｂ」と略称することがある）及びＡｌの少なくとも一方の一部をツリウム（以下、「Ｔｍ」と略称することがある）、イッテルビウム（以下、「Ｙｂ」と略称することがある）、イットリウム（以下、「Ｙ」と略称することがある）で置換することで、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなり、アルミニウムの一部がスカンジウムで置換され、さらにアルミニウムの一部及びテルビウムの一部がそれぞれ、ツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種で置換されている、ガーネット型単結晶である。

この発明によれば、クラックが十分に抑制され、良質な単結晶を実現することが可能となる。このため、本発明のガーネット型単結晶は、量産にも向いており、十分な実用性を有する。また本発明によれば、広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示すガーネット型単結晶を実現することも可能となる。また本発明によれば、アルミニウムの一部及びテルビウムのうちの一方の一部のみがツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種で置換される場合に比べて、ガーネット構造がより安定化する。

上記のようにクラックが発生しない理由について、本発明者らは以下のように推測している。即ち、基本的には、６配位のＡｌの一部をＳｃより若干イオン半径の大きいＴｍ、Ｙｂ、Ｙで置換したり、８配位のＴｂの一部をＴｂよりイオン半径の小さいＴｍ、Ｙｂ、Ｙで置換したりすることで、単結晶内におけるイオン半径のバランスが良好となり、ガーネット構造が安定化する。その結果、単結晶における歪の発生が十分に抑制され、単結晶において、クラックが発生しにくくなるのではないかと本発明者らは推測している。また本発明のガーネット型単結晶が広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示す理由については以下のように推測している。即ち本発明のガーネット型単結晶は、４００〜１５００ｎｍの広い波長領域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示す特許文献１のテルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶と結晶型が共通しており、さらにガーネット型単結晶を構成する元素も、Ｔｂの一部及びＡｌの一部がＴｍ、Ｙｂ、Ｙで置換されることを除いて特許文献１の単結晶と共通している。このために、本発明のガーネット型単結晶は、広い波長帯域で高い透過率を有するとともに大きいファラデー回転角を示すのではないかと本発明者らは推測している。

また上記ガーネット型単結晶においては、テルビウムがさらにスカンジウムで置換されていることが好ましい。

この場合、テルビウムがスカンジウムで置換されることで、置換されない場合に比べて、ガーネット構造がより安定化する。

さらに上記ガーネット型単結晶は、下記一般式：
（Ｔｂ_{３−ｘ−ｚ}ＳｃｚＭｘ）（Ｓｃ_２−ｙＭ_ｙ）Ａｌ_３Ｏ_１２ （１）
（式中、Ｍは、Ｔｍ、Ｙｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種を表し、ｘ、ｙ及びｚは下記式：
０＜ｘ＋ｙ≦０．３０、
０≦ｚ≦０．３０
を満たす。）
で表されることが好適である。

この発明によれば、クラックの発生が効果的に抑制され、より良質な単結晶を実現することが可能となる。このため、本発明のガーネット型単結晶は、量産にも向いており、十分な実用性を有する。また本発明によれば、広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）でより高い透過率を有し且つより大きいファラデー回転角を示すガーネット型単結晶を実現することも可能となる。

上記一般式（１）において、ｘ及びｙが下記式：
０＜ｘ≦０．３０
０＜ｙ≦０．３０
ｘ＜ｙ
を同時に満たすことが好ましい。この場合、ガーネット構造がより安定化する。

また上記一般式（１）において、ｚが下記式：
０＜ｚ≦０．０５
を同時に満たすことが好ましい。この場合、ガーネット構造がより安定化する。

また上記一般式（１）において、ｘ及びｚが下記式：
ｘ＞ｚ
を同時に満たすことが好ましい。この場合、ガーネット構造がより安定化する。

さらに本発明のガーネット型単結晶は、ファラデー回転子として用いられることが好ましい。

また本発明は、ファラデー回転子を有する光アイソレータであって、前記ファラデー回転子が、上記ガーネット型単結晶で構成されている光アイソレータである。

この光アイソレータによれば、ファラデー回転子として広い波長域で高い透過率を有する上記単結晶が使用される。このため、単結晶による光の吸収が小さくなる。このため、ファラデー回転子の光による耐ダメージ性を高くすることもできる。さらに上記単結晶は大きいファラデー回転角を有するため、上記単結晶に一定の磁界を印加して光の偏光面を回転させる場合には、ファラデー回転子の光の進行方向に沿った長さを小さくすることが可能となり、光アイソレータの小型化を実現することが可能となる。さらに、ファラデー回転子として使用する上記単結晶は、クラックの発生がないため、ハンドリング中にクラックが発生する頻度が非常に低くなる。このため、光アイソレータの長寿命化も可能となる。

さらに本発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光路上に配置される光アイソレータとを備える光加工器であって、前記光アイソレータが、上述した光アイソレータである、光加工器である。

この光加工器では、光アイソレータのファラデー回転子に用いられるガーネット型単結晶として、上記のように広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有するガーネット型単結晶が使用される。このため、レーザ光源からの光出力の低下を十分に抑制することができる。また単結晶の透過率が高いことから、単結晶による光の吸収が小さくなる。このため、光アイソレータの光による耐ダメージ性を高くすることもできる。さらに上記単結晶は、広い波長帯域で高い透過率を有するため、使用するレーザ光源として、種々の発振波長のものを使用することができる。さらに上記ガーネット型単結晶は広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）における波長のそれぞれにおいて大きいファラデー回転角を有する。このため、単結晶に一定の磁界を印加して光の偏光面を回転させる場合には、光アイソレータの光の進行方向に沿った長さを小さくすることが可能となり、光アイソレータの小型化を実現することが可能となる。従って、光加工器の小型化を実現することも可能となる。

さらに、光アイソレータに使用する上記単結晶には、クラックの発生が十分に抑制されるため、ハンドリング中にクラックが発生する頻度が非常に低くなる。このため、光アイソレータの長寿命化が可能となる。その結果、光加工器において、光アイソレータの交換頻度を減らすことが可能となる。

ここで、前記レーザ光源の発振波長は１０６４ｎｍであると好適である。これは、本発明のガーネット型単結晶が、１０６４ｎｍの波長において特に高い透過率を有するため、ガーネット型単結晶において、レーザ光源からのレーザ光の吸収を十分に小さくすることができるためである。

本発明によれば、クラックの発生が十分に抑制され、広い波長帯域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を有するガーネット型単結晶、光アイソレータ及び光加工器が提供される。

本発明に係る光アイソレータの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係るガーネット型単結晶を育成する工程を示す工程図である。 本発明に係るガーネット型単結晶を用いた光加工器の一実施形態を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の光アイソレータの一実施形態を示す図である。図１に示すように、光アイソレータ１０は、偏光子１と、検光子２と、偏光子１と検光子２との間に配置されるファラデー回転子３とを備えている。ここで、偏光子１の透過軸と検光子２の透過軸とは互いに非平行となるように配置されており、例えば４５°の角度をなすように配置されている。

ファラデー回転子３には、偏光子１から検光子２に向かう方向に磁界Ｂが印加されるようになっており、ファラデー回転子３は、磁界Ｂの印加により、偏光子１を通過した光Ｌについて、その偏光面を回転させて、検光子２の透過軸を通過させるようになっている。

ここで、ファラデー回転子３について詳細に説明する。

ファラデー回転子３は、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなる。ここで、アルミニウムの一部は少なくともスカンジウムで置換され、さらにアルミニウム及びテルビウムのうちの少なくとも一方の一部が、ツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種で置換されている。

また上記ガーネット型単結晶においては、アルミニウム及びテルビウムの一部がそれぞれ、ツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種でさらに置換されていることが好ましい。

この場合、アルミニウム及びテルビウムのうち一方の一部のみがツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種で置換される場合に比べて、ガーネット構造がより安定化する。

また上記ガーネット型単結晶においては、テルビウムがさらにスカンジウムで置換されていることが好ましい。

上記ガーネット型単結晶は、下記一般式：
（Ｔｂ_{３−ｘ−ｚ}Ｓｃ_ｚＭ_ｘ）（Ｓｃ_２−ｙＭ_ｙ）Ａｌ_３Ｏ_１２ （１）
（上記式中、Ｍは、Ｔｍ、Ｙｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種を表し、ｘ、ｙ及びｚは下記式：
０＜ｘ＋ｙ≦０．３０、
０≦ｚ≦０．３０
を満たす。）
で表されることが好ましい。

ここで、上記一般式（１）は、テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を表している。上記一般式（１）中、（Ｓｃ_２−ｙＭ_ｙ）の部分は、Ａｌの一部がＳｃで置換されるか、あるいはＳｃ及びＭ、即ちＴｍ、Ｙｂ、Ｙからなる群より選択される少なくとも１種で置換されることを示しており、（Ｔｂ_{３−ｘ−ｚ}Ｓｃ_ｚＭ_ｘ）の部分は、Ｔｂの一部がＳｃ及びＭのうちの少なくとも一方で置換され得ることを示している。

上記一般式（１）で表されるガーネット型単結晶によれば、クラックが十分に抑制され、良質な単結晶を実現することが可能となる。このため、本発明のガーネット型単結晶は、量産にも向いており、十分な実用性を有する。また上記単結晶によれば、広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示すガーネット型単結晶を実現することも可能となる。

ファラデー回転子３として上記のように広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有する単結晶が使用される。このため、単結晶による光の吸収が小さくなる。このため、ファラデー回転子３の光による耐ダメージ性を高くすることもできる。

また上記単結晶は広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）における波長のそれぞれにおいて大きいファラデー回転角を有する。このため、一定の磁界を印加して光の偏光面を回転させる場合には、ファラデー回転子３の光の進行方向に沿った長さを小さくすることが可能となり、光アイソレータ１０の小型化を実現することが可能となる。

さらに、ファラデー回転子３として使用する上記単結晶には、クラックの発生がないため、ハンドリング中にクラックが発生する頻度が非常に低くなる。このため、光アイソレータ１０の長寿命化も可能となる。

上記一般式（１）において、Ｍは、Ｔｍ、Ｙｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種を表す。即ち、Ｍは、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｙのいずれか単独であってもよく、これらの２種以上の組合せであってもよい。

上記一般式（１）において、ｘ及びｙは下記式：
０＜ｘ＋ｙ≦０．３０
を満たす。

ここで、ｘ及びｙのいずれか一方が０であってもよいが、ｘ＋ｙが０になると、ＴｂもＡｌも、Ｍで一部置換されないことになり、ガーネット構造が安定化せず、クラックが発生する場合があり、良質なガーネット型単結晶を実現することができない。

またｘ＋ｙが０．３０以下であると、ガーネット構造がより安定化され、クラックの発生がより十分に抑制され、より良質なガーネット型単結晶を実現することができる。

さらにｘ及びｙは、下記式：
０≦ｘ≦０．３０
０≦ｙ≦０．３０
ｘ＜ｙ
を同時に満たすことが好ましい。この場合、ガーネット構造がより安定化する。

ここで、ｘ及びｙは、下記式：
０≦ｘ≦０．２０
０≦ｙ≦０．２０
を同時に満たすことがより好ましい。

上記一般式（１）において、ｚは次式０≦ｚ≦０．３０を満たす。ｚが上記範囲内にあると、ｚが上記範囲を外れる場合に比べて、ガーネット構造がより安定化され、クラックの発生がより十分に抑制され、より良質なガーネット型単結晶を実現することができる。

ここで、ｚは、下記式
０＜ｚ≦０．０５
を満たすことが好ましい。この場合、ｚが上記範囲を外れる場合に比べて、ガーネット構造がより安定化する。

なお、ｚは０であってもよい。この場合、ｚが０より大きい場合に比べてＴｂ濃度が大きくなり、その結果、単結晶のファラデー回転角をより大きくすることができる。ここで、ｚ＝０は、Ｔｂの一部がＳｃで置換されないことを意味する。

さらにｚ＝０のとき、ｘ＝０であることが好ましい。この場合、ｚ＝０で且つｘ＞０である場合に比べて、単結晶のファラデー回転角をさらに大きくすることができる。ここで、ｚ＝０で且つｘ＝０は、ＴｂがＳｃ及びＭで置換されないことを意味する。

また上記一般式（１）において、ｘ及びｚは、下記式：
ｘ＞ｚ
を同時に満たすことが好ましい。この場合、ｘがｚ以下である場合に比べて、ガーネット構造がより安定化する。

次に、上記単結晶の育成方法について説明する。

はじめに、上記単結晶の育成方法の説明に先立ち、上記単結晶を育成する結晶育成装置について図２を参照しながら説明する。図２は、本発明に係るガーネット型単結晶を育成する工程を示す工程図である。図２に示すように、結晶育成装置２０は、イリジウム製ルツボ２１と、ルツボ２１を収容するセラミック製の筒状容器２２と、筒状容器２２の周囲に巻回される高周波コイル２３とを主として備えている。高周波コイル２３は、ルツボ２１に誘導電流を生じさせ、ルツボ２１を加熱するためのものである。

次に、上記結晶育成装置２０を用いた上記単結晶の育成方法について説明する。

まずＴｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用意する。さらにＭの酸化物を用意する。即ち、ＭがＴｍである場合はＴｍ_２Ｏ_３粉末を用意する。またＭがＹｂである場合はＹｂ_２Ｏ_３粉末を用意し、ＭがＹである場合はＹ_２Ｏ_３粉末を用意する。ＭがＴｍ、Ｙｂ及びＹのうちの２種以上の元素で構成される場合には、これら２種以上の元素の酸化物の粉末を用意してもよい。

そして、上記一般式（１）で表される組成を有する単結晶を得るために、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率を決定する。このとき、上記Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率はそれぞれ、次の通りにする。

即ち、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末の配合率は通常、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２１．５〜２３．５モル％とする。

Ｓｃ_２Ｏ_３粉末の配合率は通常、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２７．０〜３１．０モル％とする。

Ｍ_２Ｏ_３粉末の配合率は、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モルを基準として、０．５〜５．０モル％とする。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末の配合率は、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モルを基準として、４５．０〜４７．０モル％とする。

そして、その決定された配合率で上記Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末を乾式混合して混合粉末を得る。

次に、上記混合粉末をルツボ２１に詰める。

続いて、高周波コイル２３に電流を印加すると、ルツボ２１が加熱され、ルツボ２１内で混合粉末が溶融され、融液２４が得られる。続いて、棒状の種結晶２５を用意し、その種結晶２５を所定の回転数で回転させながらその先端を融液２４に漬けた後、所定の引上げ速度で引き上げる。

このとき、種結晶２５としては、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などのガーネット型単結晶を用いることができる。

また種結晶２５の回転数は、好ましくは３〜５０ｒｐｍであり、より好ましくは３〜１０ｒｐｍである。

また引き上げ速度は、好ましくは０．１〜３ｍｍ／ｈであり、より好ましくは０．２〜１ｍｍ／ｈである。

また種結晶２５の引上げは、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、不活性ガスとしては、通常は窒素が用いられる。また種結晶２５の引上げは通常は、大気圧下で行う。

こうして種結晶２５を引き上げると、種結晶２５の先端に、上記一般式（１）で表されるバルク状の単結晶２６を得ることができる。

次に、本発明の光加工器について図３を参照しながら詳細に説明する。なお、図３において、図１と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図３は、本発明の光加工器の一実施形態を示す概略図である。図３に示すように、光加工器１００は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌの光路Ｐ上に配置される光アイソレータ１０とを備えている。ここで、光アイソレータ１０は、ファラデー回転子３を有している。この光加工器１００によれば、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌが光アイソレータ１０を通って出射され、その出射光により被加工体Ｑを加工することが可能となっている。

ここで、光アイソレータ１０のファラデー回転子３に用いられるガーネット型単結晶として、上記のように広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）で高い透過率を有するガーネット型単結晶が使用される。このため、レーザ光源１１からの光出力の低下を十分に抑制することができる。また単結晶の透過率が高いことから、単結晶による光の吸収が小さくなる。このため、ファラデー回転子３の光による耐ダメージ性を高くすることもできる。さらに上記単結晶は、広い波長帯域で高い透過率を有するため、使用するレーザ光源１１として、種々の発振波長のものを使用することができる。

さらに上記ガーネット型単結晶は広い波長帯域（４００ｎｍ〜１５００ｎｍ）における波長のそれぞれにおいて大きいファラデー回転角を有する。このため、一定の磁界を印加して光の偏光面を回転させる場合には、ファラデー回転子３の光の進行方向に沿った長さを小さくすることが可能となり、光アイソレータ１０の小型化を実現することが可能となる。従って、光加工器１００の小型化を実現することも可能となる。

さらに、ファラデー回転子３として使用する上記単結晶においては、クラックの発生が十分に抑制されるため、ハンドリング中にクラックが発生する頻度が非常に低くなる。このため、光アイソレータ１０の長寿命化が可能となる。その結果、光加工器１００において、光アイソレータ１０の交換頻度を減らすことが可能となる。

上記単結晶は、１０６４ｎｍの波長において高い透過率を有する。従って、レーザ光源１１としては、発振波長が１０６４ｎｍのレーザ光源、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザなどが特に好ましい。但し、上記単結晶は広い波長帯域で高い透過率を有する。このため、レーザ光源１１としては、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザを用いることもできる。

また発振波長が４００〜７００ｎｍであるレーザ光源を用いることもできる。このようなレーザ光源としては、例えば発振波長が４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザや、発振波長が７００ｎｍのチタンサファイアレーザなどが挙げられる。なお、このように、短波長域の発振波長を有するレーザ光源１１を備えた光加工器１００によれば、被加工体Ｑの切断部が熱によって損傷を受けることがなくなるため、切断面を滑らかにすることができる。また上記単結晶は、短波長域（４００〜７００ｎｍ）においても、十分に高い透過率を有する。このため、光加工器１００におけるレーザ光源１１の発振波長が４００〜７００ｎｍであっても光アイソレータ１０による出力の低下は十分に防止される。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、レーザ光源１１の発振波長として、１０６４ｎｍ以上、または４００〜７００ｎｍの範囲を挙げているが、これらに限定されるものではない。レーザ光源１１の発振波長は、７００〜１０６４ｎｍの範囲内、例えば８００ｎｍ付近、又は１０３０〜１０８０ｎｍであってもよい。

また上記実施形態では、単結晶は、光加工器の光アイソレータに使用されているが、光アイソレータに限らず、ファラデー回転子を使用しファラデー回転角の変化を計測することで磁界の変化を観測する光磁界センサなどにも適用可能である。

以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まずＴｂ_４Ｏ_７粉末（純度９９．９９％）、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末（純度９９．９９％）、Ａｌ_２Ｏ_３粉末（純度９９．９９％）、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末（純度９９．９９％）を用意し、これらの粉末を乾式混合し、混合粉末を得た。このとき、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率はそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．８モル％、３０．４モル％、０．８モル％、４６．０モル％とした。続いて、上記混合粉末を、直径５０ｍｍ、深さ５０ｍｍの筒状のルツボ２１に詰めた。

続いて、高周波コイル２３に電流を印加してルツボ２１を加熱して混合粉末を溶融させ、融液２４を得た。続いて、ＹＡＧからなる３ｍｍ×３ｍｍ×７０ｍｍの角棒状の種結晶２５を用意し、その種結晶２５を１０ｒｐｍの回転数で回転させながらその先端を融液２４に漬けた後、種結晶２５を１ｍｍ／ｈの引上げ速度で引き上げた。このとき、筒状容器２２内に２Ｌ／ｍｉｎの流量で窒素を流し込み、大気圧下、窒素雰囲気で種結晶２５の引上げを行った。

こうして直径２５ｍｍのバルク状単結晶を得た。

こうして得られた単結晶について、粉末Ｘ線回折を行ったところ、Ｔｂ_３Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２のピークが確認された。また、単結晶については、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）による化学分析を行い、単結晶の組成（Ｔｂ、Ｓｃ、Ｔｍ、Ａｌ及びＯの原子数比）を確認した。さらに、得られた単結晶について、ブルカー エイエックスエス社製ＳＭＡＲＴ ＡＰＥＸを用いて単結晶Ｘ線回折による構造解析を行った。以上より、（Ｔｂ_２．９７Ｓｃ_０．０１Ｔｍ_０．０２）（Ｓｃ_１．９７Ｔｍ_０．０３）Ａｌ_３Ｏ_１２の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例２）
Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．５モル％、３０．０モル％、１．５モル％、４６．０モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例３）
Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．１モル％、２９．０モル％、３．１モル％、４５．８モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例４）
Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｔｍ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．０モル％、２７．７モル％、４．６モル％、４５．７モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例５）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．８モル％、３０．４モル％、０．８モル％、４６．０モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例６）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．７モル％、２９．８モル％、１．５モル％、４６．０モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例７）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．４モル％、２８．６モル％、３．１モル％、４５．９モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例８）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙｂ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．０モル％、２７．６モル％、４．６モル％、４５．８モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例９）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．６モル％、２９．９モル％、１．５モル％、４６．０モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（実施例１０）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末に代えて、Ｙ_２Ｏ_３粉末を用い、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２１．８モル％、２８．０モル％、４．５モル％、４５．７モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（比較例１）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末を用いず、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２３．０モル％、３０．９モル％、４６．１モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

（比較例２）
Ｔｍ_２Ｏ_３粉末を用いず、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の配合率をそれぞれ、Ｔｂ_４Ｏ_７粉末、Ｓｃ_２Ｏ_３粉末およびＡｌ_２Ｏ_３粉末の合計モル数を基準として、２２．１モル％、３２．１モル％、４５．８モル％としたこと以外は実施例１と同様にして単結晶を得た。こうして得られた単結晶についても、実施例１と同様にして組成を調べたところ、表１の組成式で表されるガーネット型単結晶が得られていることが確認された。

［特性評価］
上記のようにして得られた実施例１〜１０及び比較例１〜２のガーネット型単結晶について以下の特性を調べた。
（１）クラックの有無
実施例１〜１０及び比較例１〜２の単結晶について目視にてクラックの有無を調べた。結果を表１に示す。
（２）透過率
実施例１〜１０及び比較例１〜２の単結晶について、４０５ｎｍ、６３３ｎｍ、１０６４ｎｍ及び１５００ｎｍの波長における透過率を測定した。結果を表１に示す。
（３）ファラデー回転角
まず偏光子と検光子との間に単結晶を配置しない状態で検光子を回転させて消光状態にした。次に、実施例１〜１０及び比較例１〜２の単結晶を、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍの角棒状に切り出し、これを、偏光子と検光子との間に配置し、単結晶の長手方向に沿って０．４２Ｔの磁束密度を印加した状態で光を入射し、再度検光子を回転させて消光状態にした。そして、偏光子と検光子との間に単結晶を挟む前の検光子の回転角と、単結晶を挟んだ後の検光子の回転角との差を算出し、この角度差をファラデー回転角とした。このとき、ファラデー回転角は、光源の波長を６３３ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３０３ｎｍに変え、それぞれについて測定した。結果を表１に示す。

表１に示す結果より、実施例１〜１０のガーネット型単結晶にはクラックが発生していないことが分かった。これに対し、比較例１〜２のガーネット型単結晶には大きなクラックが発生していたことが分かった。

また実施例１〜１０の単結晶は、４０５ｎｍ、６３３ｎｍ、１０６４ｎｍ及び１５００ｎｍの全波長域で高い透過率を有していることが分かった。これに対し、比較例１〜２の単結晶については、大きなクラックが発生していたことから、透過率を測定することができなかった。

さらに実施例１〜１０の単結晶は、６３３ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３０３ｎｍの各波長のそれぞれにおいて大きなファラデー回転角を有することも分かった。これに対し、比較例１〜２の単結晶については、大きなクラックが発生していたことから、ファラデー回転角を測定することができなかった。

以上より、本発明のガーネット型単結晶は、良質な単結晶となっており、広い波長帯域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示すことが確認された。

本発明のガーネット型単結晶は、良質な単結晶となっており、広い波長帯域で高い透過率を有し且つ大きいファラデー回転角を示す。従って、本発明のガーネット型単結晶は、光加工器や光通信用の光源装置に使用される光アイソレータのファラデー回転子として好適に用いることが可能である。

１…偏光子
２…検光子
３…ファラデー回転子
１０…光アイソレータ
１１…レーザ光源
１００…光加工器

Claims (10)

1. テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなり、アルミニウムの一部が少なくともスカンジウムで置換され、アルミニウムの一部及びテルビウムの一部がそれぞれ、ツリウム、イッテルビウム及びイットリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種でさらに置換されている、ガーネット型単結晶。
2. テルビウムの一部がさらにスカンジウムで置換されている、請求項１に記載のガーネット型単結晶。
3. 下記一般式：
   （Ｔｂ_{３−ｘ−ｚ}Ｓｃ_ｚＭ_ｘ）（Ｓｃ_２−ｙＭ_ｙ）Ａｌ_３Ｏ_１２ （１）
   （上記式中、Ｍは、Ｔｍ、Ｙｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種を表し、ｘ、ｙ及びｚは下記式：
   ０＜ｘ＋ｙ≦０．３０、
   ０≦ｚ≦０．３０
   を満たす。）
   で表される、請求項１に記載のガーネット型単結晶。
4. ｘ及びｙが下記式：
   ０＜ｘ≦０．３０
   ０＜ｙ≦０．３０
   ｘ＜ｙ
   を同時に満たす、請求項３に記載のガーネット型単結晶。
5. ｚが下記式：
   ０＜ｚ≦０．０５
   を同時に満たす、請求項３又は４に記載のガーネット型単結晶。
6. ｘ及びｚが下記式：
   ｘ＞ｚ
   を同時に満たす、請求項３〜５のいずれか一項に記載のガーネット型単結晶。
7. ファラデー回転子に用いられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガーネット型単結晶。
8. ファラデー回転子を有する光アイソレータであって、
   前記ファラデー回転子が、請求項７に記載のガーネット型単結晶で構成されている光アイソレータ。
9. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光路上に配置される光アイソレータとを備える光加工器であって、
   前記光アイソレータが、請求項８に記載の光アイソレータである、光加工器。
10. 前記レーザ光源の発振波長が１０６４ｎｍである、請求項９に記載の光加工器。
    

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