JP5653169B2 - Fluoride single crystal and optical isolator having the same - Google Patents

Fluoride single crystal and optical isolator having the same Download PDF

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Description

本発明は、フッ化物単結晶及びそれを備えた光アイソレータに関する。   The present invention relates to a fluoride single crystal and an optical isolator including the same.

近年、光アイソレータは、光通信だけでなくレーザ加工機にも使用されるようになってきている。   In recent years, optical isolators have been used not only for optical communication but also for laser processing machines.

レーザ加工機用光アイソレータに用いるファラデー回転子材料としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット型単結晶(TGG:TbGa12)が開発され、実用化されている(非特許文献2)。 As a Faraday rotator material used for an optical isolator for a laser beam machine, a terbium gallium garnet single crystal (TGG: Tb 3 Ga 5 O 12 ) has been developed and put into practical use (Non-patent Document 2).

また、TGGより大きなファラデー回転角を示すものとして、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶(TAG:TbAl12)が報告されている(特許文献1及び非特許文献1)。 Further, a terbium / aluminum / garnet single crystal (TAG: Tb 3 Al 5 O 12 ) has been reported as one that exhibits a Faraday rotation angle larger than TGG (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

さらに、TGGより大きなファラデー回転角を示すものとして、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(TSAG:TbScAl12)や、その一部をルテチウムで置換したテルビウム・スカンジウム・ルテチウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶(TSLAG:TbSc2−xLuAl12)なども知られている(特許文献2)。 Furthermore, terbium, scandium, aluminum, garnet-type single crystals (TSAG: Tb 3 Sc 2 Al 3 O 12 ), and terbium, scandium, lutetium partially substituted with lutetium, exhibit a Faraday rotation angle larger than TGG. An aluminum garnet-type single crystal (TSLAG: Tb 3 Sc 2−x Lu x Al 3 O 12 ) is also known (Patent Document 2).

特開2001−226196号公報JP 2001-226196 A 特開2002−293693号公報JP 2002-293893 A

Cryst.Res.Technol.34(1999)5−6、p.615−619Cryst. Res. Technol. 34 (1999) 5-6, p. 615-619 M.Y.A.Raja,D.Allien,W.Sisk,Appl.Phys.Lett.67(1995)p.2123M.M. Y. A. Raja, D.M. Allien, W.M. Disk, Appl. Phys. Lett. 67 (1995) p. 2123

しかし、TAGは、TGGよりも大きいベルデ定数を有するものの、非調和溶融組成(インコングルエント組成)を有するため、チョクラルスキー法などによる大型の結晶を育成することが困難である。TAGをマイクロ−PD法により育成することも報告されているが、最大でも直径2mmの非常に細い棒状の結晶しか得られていない。このようにTAGを光アイソレータ用の単結晶として工業的に利用することは現状では不可能である。   However, although TAG has a larger Verde constant than TGG, it has an anharmonic melting composition (incongruent composition), so it is difficult to grow a large crystal by the Czochralski method or the like. Although it has been reported that TAG is grown by the micro-PD method, only a very thin rod-like crystal having a diameter of 2 mm is obtained at most. Thus, at present, it is impossible to industrially use TAG as a single crystal for an optical isolator.

さらにTSAG及びTSLAGは、TGGより大きなベルデ定数を有し、TAGに比べて大型の単結晶を育成できるものの、TGGに比べるとクラックが発生しやすく、単結晶の大型化が困難であった。   Furthermore, although TSAG and TSLAG have a larger Verde constant than TGG and can grow a large single crystal compared to TAG, cracks are more likely to occur than TGG, making it difficult to increase the size of the single crystal.

従って、現状では、TGGのみが光アイソレータ用の単結晶として工業的に利用されている状況にある。   Therefore, at present, only TGG is industrially used as a single crystal for an optical isolator.

しかし、TGGは、単結晶の大型化は可能であるものの、単結晶の育成中における原料成分の酸化ガリウムの蒸発が激しいなどの理由から歩留まりが悪い。そしてこのことが、コストが下がりにくい要因となっている。またTGGは、短波長域(例えば800nm以下の波長域)においてベルデ定数が小さいため、短波長域では偏光を回転させるために大きな結晶が必要になる。さらに、TGGでは、特に短波長域(例えば800nm以下の波長域)で透過率が急激に低下する。このため、TGGは、短波長域に発振波長を有するレーザ光源を備えたレーザ加工機の光アイソレータに用いるファラデー回転子として使用することは適切ではない。このように、TGGは、結晶の大型化、ベルデ定数及び透過率の点で未だ改善の余地があった。   However, although the size of a single crystal can be increased, the yield of TGG is poor due to the rapid evaporation of gallium oxide as a raw material component during the growth of the single crystal. This is a factor that makes it difficult to reduce costs. In addition, TGG has a small Verde constant in a short wavelength region (for example, a wavelength region of 800 nm or less), so that a large crystal is required to rotate polarized light in the short wavelength region. Further, in TGG, the transmittance is drastically lowered particularly in a short wavelength region (for example, a wavelength region of 800 nm or less). For this reason, TGG is not appropriate for use as a Faraday rotator used in an optical isolator of a laser processing machine provided with a laser light source having an oscillation wavelength in a short wavelength region. Thus, TGG still has room for improvement in terms of crystal enlargement, Verde constant, and transmittance.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大型化が可能で、広範な波長域にわたって大きなベルデ定数を有し且つ高い透過率を有するフッ化物単結晶及びそれを備えた光アイソレータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can provide a fluoride single crystal having a large Verde constant and a high transmittance over a wide wavelength range, and an optical isolator including the fluoride single crystal. The purpose is to provide.

本発明者らは、TGGのようなガーネット型単結晶ではなく、光学レンズなどの光学部品として使用されるフッ化物単結晶に着目して鋭意検討を重ねた結果、CaやSrを含むII族元素とフッ素との化合物に、ファラデー回転角に影響を与えるTbを含む希土類元素を導入することで、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。   As a result of intensive studies focusing on fluoride single crystals used as optical parts such as optical lenses instead of garnet-type single crystals such as TGG, the present inventors have conducted group II elements including Ca and Sr. The present inventors have found that the above problems can be solved by introducing a rare earth element containing Tb that affects the Faraday rotation angle into a compound of benzene and fluorine, and the present invention has been completed.

即ち本発明は、下記組成式:
1−x3−x+y
(上記式中、LはTbを表す。Mは、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むII族元素を表す。xは0.19以上0.5以下である。yは−0.2〜0.2である。)
で表されることを特徴とするフッ化物単結晶である。
That is, the present invention has the following composition formula:
L 1-x M x F 3-x + y
(In the above formula, L represents Tb . M represents a Group II element containing at least one selected from the group consisting of Ca and Sr. x is 0.19 or more and 0.5 or less . Y is −. 0.2 to 0.2.)
It is a fluoride single crystal characterized by the following.

このフッ化物単結晶は、調和溶融組成(コングルエント組成)又はそれに近い組成である。そのため、結晶の引上げ中に組成のズレがほとんど起こらない。その結果、結晶の大型化が可能となる。また、本発明のフッ化物単結晶は、TGGと比較して、広範な波長域で大きなベルデ定数を有することが可能である。さらに、本発明のフッ化物単結晶は、TGGと比較して、広範な波長域で高い透過率を有することが可能となる。特に、本発明のフッ化物単結晶は、800nm以下の短波長域でも高い透過率を有しているため、本発明のフッ化物単結晶は、短波長域に発振波長を有するレーザ光源を備えたレーザ加工機における光アイソレータのファラデー回転子としても使用可能である。   This fluoride single crystal has a harmonic melting composition (congruent composition) or a composition close thereto. Therefore, there is almost no composition shift during the pulling of the crystal. As a result, the crystal can be enlarged. In addition, the fluoride single crystal of the present invention can have a large Verde constant in a wide wavelength range as compared with TGG. Furthermore, the fluoride single crystal of the present invention can have a high transmittance in a wide wavelength range as compared with TGG. In particular, since the fluoride single crystal of the present invention has high transmittance even in a short wavelength region of 800 nm or less, the fluoride single crystal of the present invention includes a laser light source having an oscillation wavelength in the short wavelength region. It can also be used as a Faraday rotator of an optical isolator in a laser processing machine.

上記組成式において、xが下記式を満足することが好ましい。
0.19≦x≦0.3
In the above composition formula, it is preferable that x satisfies the following formula.
0.19 ≦ x ≦ 0.3

この場合、xが0.3より大きい場合に比べて、ファラデー回転角を顕著に大きくすることが可能となり、xが0.1以下である場合に比べて、フッ化物単結晶がコングルエント組成、またはその組成により近くなるため、より大きなフッ化物単結晶を得ることができる。   In this case, the Faraday rotation angle can be remarkably increased as compared with the case where x is larger than 0.3, and the fluoride single crystal has a congruent composition, or compared with the case where x is 0.1 or less. Since it is closer to the composition, a larger fluoride single crystal can be obtained.

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、上記フッ化物単結晶で構成されている光アイソレータである。   Moreover, this invention is an optical isolator which has a Faraday rotator, Comprising: The said Faraday rotator is an optical isolator comprised by the said fluoride single crystal.

この光アイソレータのファラデー回転子は、フッ化物単結晶で構成されており、このフッ化物単結晶は、TGGと比較して、広範な波長域で大きなベルデ定数を有し且つ広範な波長域で高い透過率を有することが可能である。このため、本発明の光アイソレータは、様々な波長のレーザ光源を備えたレーザ加工機の光アイソレータとして使用可能である。また上記フッ化物単結晶は、大型化が可能であるためファラデー回転子の大量生産が可能である。その結果、ファラデー回転子の低価格化が可能となり、ひいては、そのファラデー回転子を備える光アイソレータの低価格化も可能となる。   The Faraday rotator of this optical isolator is composed of a fluoride single crystal, and this fluoride single crystal has a large Verde constant in a wide wavelength range and high in a wide wavelength range as compared with TGG. It is possible to have transmittance. For this reason, the optical isolator of the present invention can be used as an optical isolator of a laser beam machine equipped with laser light sources having various wavelengths. Moreover, since the said fluoride single crystal can be enlarged, mass production of a Faraday rotator is possible. As a result, the price of the Faraday rotator can be reduced, and consequently the price of the optical isolator including the Faraday rotator can be reduced.

本発明によれば、大型化が可能で、広範な波長域で大きなベルデ定数を有し且つ高い透過率を有するフッ化物単結晶及びそれを備えた光アイソレータが提供される。   According to the present invention, a fluoride single crystal that can be increased in size, has a large Verde constant in a wide wavelength range and has a high transmittance, and an optical isolator including the fluoride single crystal are provided.

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。It is the schematic which shows one Embodiment of the optical isolator which concerns on this invention. 本発明に係るフッ化物単結晶を、結晶育成装置を用いて育成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of growing the fluoride single crystal which concerns on this invention using a crystal growth apparatus. 実施例1のフッ化物単結晶の透過スペクトルを示すグラフである。2 is a graph showing a transmission spectrum of the fluoride single crystal of Example 1.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の光アイソレータの一実施形態を示す概略図である。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及び検光子2は、それらの透過軸同士が互いに非平行となるように、例えば45°の角度をなすように配置されている。   FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of an optical isolator according to the present invention. As shown in FIG. 1, the optical isolator 10 includes a polarizer 1, an analyzer 2, and a Faraday rotator 3 disposed between the polarizer 1 and the analyzer 2. Here, the polarizer 1 and the analyzer 2 are arranged so as to form an angle of 45 °, for example, so that their transmission axes are not parallel to each other.

ファラデー回転子3には、例えば偏光子1から検光子2に向かう方向、即ち光Lの入射方向に沿って磁束密度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、磁束密度Bの印加により、偏光子1を通過した光Lの偏光面を回転させ、検光子2の透過軸を通過させるようになっている。   For example, the magnetic flux density B is applied to the Faraday rotator 3 along the direction from the polarizer 1 to the analyzer 2, that is, the incident direction of the light L. Is applied to rotate the plane of polarization of the light L that has passed through the polarizer 1 and pass through the transmission axis of the analyzer 2.

ここで、ファラデー回転子3について詳細に説明する。   Here, the Faraday rotator 3 will be described in detail.

ファラデー回転子3は、下記組成式:
1−x3−x+y
(上記式中、LはTbを含む。Mは、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。xは0より大きく1未満である。yは−0.2〜0.2である。)
で表されるフッ化物単結晶で構成されている。このフッ化物単結晶は、六方晶構造を有し1軸性結晶である。従って、フッ化物単結晶の[001]方向に光を入射させると、光はその偏光面を回転させずに直進することが可能である。
The Faraday rotator 3 has the following composition formula:
L 1-x M x F 3-x + y
(In the above formula, L includes Tb. M includes at least one selected from the group consisting of Ca and Sr. x is greater than 0 and less than 1. y is −0.2 to 0.2. is there.)
It is comprised with the fluoride single crystal represented by these. This fluoride single crystal has a hexagonal crystal structure and is a uniaxial crystal. Therefore, when light is incident in the [001] direction of the fluoride single crystal, the light can go straight without rotating its polarization plane.

Lは、Tbを含む希土類元素を表す。従って、Lは、Tbのみを含む希土類元素であってもよく、Tbを主として含み、他の希土類元素など3価で安定な元素を微量に含む希土類元素であってもよい。   L represents a rare earth element containing Tb. Therefore, L may be a rare earth element containing only Tb, or a rare earth element mainly containing Tb and containing a small amount of trivalent and stable elements such as other rare earth elements.

Mは、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むII族元素を表す。従って、Mは、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種のみを含むII族元素であってもよく、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種を主として含み、MgやBaなど2価で安定なII族元素を微量に含むII族元素であってもよい。   M represents a group II element containing at least one selected from the group consisting of Ca and Sr. Therefore, M may be a group II element including at least one selected from the group consisting of Ca and Sr, mainly including at least one selected from the group consisting of Ca and Sr, and 2 such as Mg and Ba. It may be a group II element containing a small amount of a stable and stable group II element.

ここで、xは0より大きく1未満であればよい。xが1であると、高い透過率を有するものの、ベルデ定数が顕著に低下する。一方、xが0であると、フッ化物単結晶は、1軸性結晶とはならず、2軸性結晶となり、光を入射させる際に磁束密度を印加しなくても偏光が回転してしまうため、ファラデー回転子3として使用することは適切でない。またyが上記範囲を外れると、フッ化物単結晶内の欠陥が増加し、結晶の品質が低下する。   Here, x may be larger than 0 and smaller than 1. When x is 1, although the transmittance is high, the Verde constant is remarkably lowered. On the other hand, when x is 0, the fluoride single crystal does not become a uniaxial crystal but becomes a biaxial crystal, and the polarized light rotates without applying a magnetic flux density when light is incident. Therefore, it is not appropriate to use as the Faraday rotator 3. On the other hand, if y is out of the above range, defects in the fluoride single crystal increase, and the quality of the crystal decreases.

上記組成式において、xは下記式を満足することが好ましい。
0.1<x≦0.5
In the above composition formula, x preferably satisfies the following formula.
0.1 <x ≦ 0.5

この場合、xが0.5より大きい場合に比べて、ベルデ定数をより大きくすることが可能となり、xが0.1以下である場合に比べて、フッ化物単結晶がコングルエント組成、またはその組成により近くなるため、より大きなフッ化物単結晶を得ることができる。   In this case, it becomes possible to make the Verde constant larger than when x is larger than 0.5, and compared with the case where x is 0.1 or less, the fluoride single crystal has a congruent composition or its composition. Therefore, a larger fluoride single crystal can be obtained.

上記組成式において、xは下記式を満足することがさらに好ましい。
0.1<x≦0.3
In the above composition formula, it is more preferable that x satisfies the following formula.
0.1 <x ≦ 0.3

この場合、xが0.3より大きい場合に比べて、フッ化物単結晶の育成がより容易となり、xが0.1以下である場合に比べて、フッ化物単結晶がコングルエント組成、またはその組成により近くなるため、より大きなフッ化物単結晶を得ることができる。   In this case, the growth of the fluoride single crystal is easier than when x is larger than 0.3, and the fluoride single crystal has a congruent composition or its composition as compared with the case where x is 0.1 or less. Therefore, a larger fluoride single crystal can be obtained.

上記組成式において、yはゼロであることが好ましい。この場合、yがゼロでない場合に比べて、欠陥に起因する結晶の濁りやクラックが生じにくくなる。   In the above composition formula, y is preferably zero. In this case, the turbidity and cracks of the crystal due to defects are less likely to occur than when y is not zero.

上記組成式において、Mは、Ca、Sr又はこれらの組合せである。Mとして、特にCaやSrを含むII族元素を選択したのは、MがCaやSrを含まないII族元素である場合、CaFとTbFとがコングルエント組成を形成しなくなり、フッ化物単結晶の大型化が困難となるためである。 In the above composition formula, M is Ca, Sr or a combination thereof. The group II element containing Ca or Sr was selected as M in particular, when M is a group II element not containing Ca or Sr, CaF 2 and TbF 3 do not form a congruent composition, and fluoride alone This is because it is difficult to increase the size of the crystal.

上記フッ化物単結晶は、コングルエント組成又はそれに近い組成である。そのため、結晶の引上げ中に組成のズレがほとんど起こらない。その結果、結晶の大型化が可能となる。また上記フッ化物単結晶は、TGGと比較して、広範な波長域で大きなベルデ定数を有することが可能である。さらに、上記フッ化物単結晶は、TGGと比較して、広範な波長域で高い透過率を有することが可能となる。特に、上記フッ化物単結晶は、800nm以下の短波長域でも、高い透過率を有することが可能となる。   The fluoride single crystal has a congruent composition or a composition close thereto. Therefore, there is almost no composition shift during the pulling of the crystal. As a result, the crystal can be enlarged. The fluoride single crystal can have a large Verde constant in a wide wavelength range as compared with TGG. Furthermore, the fluoride single crystal can have a high transmittance in a wide wavelength range as compared with TGG. In particular, the fluoride single crystal can have a high transmittance even in a short wavelength region of 800 nm or less.

従って、光アイソレータ10は、様々な波長のレーザ光源を備えたレーザ加工機の光アイソレータとして使用可能である。また上記フッ化物単結晶は、大型化が可能であるため1つのフッ化物単結晶から、大量にファラデー回転子3を得ることが可能である。このため、ファラデー回転子3の低価格化が可能となり、ひいてはファラデー回転子3を備えた光アイソレータ10についても低価格化が可能となる。   Therefore, the optical isolator 10 can be used as an optical isolator of a laser processing machine provided with laser light sources having various wavelengths. Moreover, since the said fluoride single crystal can be enlarged, the Faraday rotator 3 can be obtained in large quantities from one fluoride single crystal. For this reason, the price of the Faraday rotator 3 can be reduced, and as a result, the price of the optical isolator 10 including the Faraday rotator 3 can also be reduced.

次に、上記ファラデー回転子3の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the Faraday rotator 3 will be described.

まずファラデー回転子3を構成するフッ化物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、本発明に係るフッ化物単結晶を、結晶育成装置を用いて育成する工程を示す図である。図2に示すように、結晶引上げ炉20は、イリジウム製のルツボ21と、ルツボ21を収容するカーボン製の内側保温材22Aと、内側保温材22Aを包囲するように設けられる外側保温材22Bと、内側保温材22Aと外側保温材22Bとの間に設けられる高周波コイル23とを主として密閉ハウジング24中に備えている。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。また結晶引上げ炉20は、内側保温材22Aを支持する支持部26と、支持部26を上下に昇降させる昇降部25とを備えており、ルツボ21は、内側保温材22A内に収容されている。なお、図2において、符号29は種結晶を、符号30は育成結晶を示しており、矢印Aは、種結晶29の回転方向、即ち育成結晶30の回転方向を示し、矢印Cは、育成結晶30の引上げ方向を示す。   First, a crystal growth apparatus for growing a fluoride single crystal constituting the Faraday rotator 3 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a process of growing the fluoride single crystal according to the present invention using a crystal growing apparatus. As shown in FIG. 2, the crystal pulling furnace 20 includes an iridium crucible 21, a carbon inner heat insulating material 22A for housing the crucible 21, and an outer heat insulating material 22B provided so as to surround the inner heat insulating material 22A. The high-frequency coil 23 provided between the inner heat insulating material 22A and the outer heat insulating material 22B is mainly provided in the sealed housing 24. The high-frequency coil 23 is for generating an induced current in the crucible 21 and heating the crucible 21. Further, the crystal pulling furnace 20 includes a support portion 26 that supports the inner heat insulating material 22A, and an elevating portion 25 that moves the support portion 26 up and down. . In FIG. 2, reference numeral 29 indicates a seed crystal, reference numeral 30 indicates a grown crystal, arrow A indicates the rotation direction of the seed crystal 29, that is, the rotation direction of the grown crystal 30, and arrow C indicates the grown crystal. 30 pulling directions are shown.

次に、上記結晶育成装置20を用いたフッ化物単結晶の育成方法について説明する。   Next, a method for growing a fluoride single crystal using the crystal growth apparatus 20 will be described.

上記フッ化物単結晶は、例えばチョクラルスキー法を用いて育成することができる。この場合、まずLF粉末及びMF粉末を用意する。 The fluoride single crystal can be grown using, for example, the Czochralski method. In this case, first, LF 3 powder and MF 2 powder are prepared.

そして、育成すべきフッ化物単結晶の組成、即ち、上記組成式におけるx及yが決定されたならば、その組成に基づいて、LF粉末及びMF粉末の配合率を決定する。このとき、LF粉末及びMF粉末の配合率は、以下の通りにする。 When the composition of the fluoride single crystal to be grown, that is, x and y in the above composition formula is determined, the blending ratio of the LF 3 powder and the MF 2 powder is determined based on the composition. At this time, the blending ratio of the LF 3 powder and the MF 2 powder is as follows.

即ち、LF粉末の配合率は通常、LF粉末及びMF粉末の合計モル数を基準として、70〜90モル%とし、好ましくは75〜85モル%とする。 That, LF 3 powder blending ratio of usually based on the total moles of LF 3 powder and MF 2 powder, and 70 to 90 mol%, preferably 75 to 85 mol%.

MF粉末の配合率は通常、LF粉末及びMF粉末の合計モル数を基準として、10〜30モル%とし、好ましくは15〜25モル%とする。 The blending ratio of the MF 2 powder is usually 10 to 30 mol%, preferably 15 to 25 mol%, based on the total number of moles of the LF 3 powder and the MF 2 powder.

そして、上記のようにして決定された配合率で上記LF粉末及びMF粉末を乾式混合して混合粉末を得る。 Then, to obtain a mixed powder by dry-mixing the LF 3 powder and MF 2 powder blending ratio determined as described above.

次に、上記混合粉末をルツボ21に詰める。   Next, the mixed powder is packed in the crucible 21.

続いて、高周波コイル23に電流を印加する。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28が得られる。続いて、棒状の種結晶29を用意し、その種結晶29の先端を融液28に漬けた後、種結晶29を回転させながら引き上げる。   Subsequently, a current is applied to the high frequency coil 23. Then, the crucible 21 is heated, the mixed powder is melted in the crucible 21, and the melt 28 is obtained. Subsequently, a rod-shaped seed crystal 29 is prepared, the tip of the seed crystal 29 is immersed in the melt 28, and then the seed crystal 29 is pulled up while rotating.

このとき、種結晶29としては、例えば融液28を固化してなる固化物から切り出したものを用いることができる。   At this time, as the seed crystal 29, for example, a crystal cut out from a solidified product obtained by solidifying the melt 28 can be used.

種結晶29の回転数は、好ましくは5〜50rpmとし、より好ましくは8〜15rpmとする。   The rotation speed of the seed crystal 29 is preferably 5 to 50 rpm, more preferably 8 to 15 rpm.

種結晶29の引き上げ速度は、好ましくは0.5〜20mm/hとし、より好ましくは1〜5mm/hとする。   The pulling speed of the seed crystal 29 is preferably 0.5 to 20 mm / h, more preferably 1 to 5 mm / h.

種結晶29の引上げは、HFなどの腐食性ガスを発生しないように酸素や水蒸気が含まれない雰囲気下で行うことが好ましく、具体的にはCFなどのフッ化ガス雰囲気下で行うことが好ましい。この場合、ルツボ21内に含まれる余分な酸素や水蒸気とフッ化ガスを反応させ、酸素や水蒸気の濃度を減らすことができ、HFガスなどの腐食性ガスによって育成結晶30が腐食されることを抑制することができる。 The pulling up of the seed crystal 29 is preferably performed in an atmosphere that does not contain oxygen or water vapor so as not to generate corrosive gas such as HF. Specifically, it is performed in an atmosphere of a fluorinated gas such as CF 4. preferable. In this case, excess oxygen or water vapor contained in the crucible 21 can react with the fluorinated gas to reduce the concentration of oxygen or water vapor, and the grown crystal 30 is corroded by a corrosive gas such as HF gas. Can be suppressed.

こうして種結晶29を引き上げると、種結晶29の先端に、上記組成式で表されるバルク状の育成結晶30を得ることができる。   When the seed crystal 29 is pulled up in this way, a bulk-shaped growth crystal 30 represented by the above composition formula can be obtained at the tip of the seed crystal 29.

なお、本発明は、上記実施気形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、フッ化物単結晶を光アイソレータのファラデー回転子として使用する例が示されているが、本発明のフッ化物単結晶は、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。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, an example in which a fluoride single crystal is used as a Faraday rotator of an optical isolator is shown, but the fluoride single crystal of the present invention uses a Faraday rotator to change the Faraday rotation angle. The present invention can also be applied to an optical magnetic field sensor that observes a change in magnetic field by measuring.

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。   Hereinafter, the content of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
まずTbF粉末及びCaF粉末を用意し、これらの粉末を乾式混合し、混合粉末を得た。このとき、TbF粉末及びCaF粉末の合計モル数を基準として、TbF粉末及びCaF粉末の各配合率は、81モル%、19モル%とした。
Example 1
First, TbF 3 powder and CaF 2 powder were prepared, and these powders were dry-mixed to obtain a mixed powder. At this time, based on the total moles of TbF 3 powder and CaF 2 powder, each mixture ratio of TbF 3 powder and CaF 2 powder is 81 mol%, and 19 mol%.

続いて、上記混合粉末を、直径60mm、深さ100mmの筒状のルツボ21に詰めた。   Subsequently, the mixed powder was packed in a cylindrical crucible 21 having a diameter of 60 mm and a depth of 100 mm.

次に、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28を得た。続いて、融液28を固化した固化物から角棒状に切り出した結晶を用意し、これを種結晶29とした。このとき、種結晶29の[001]方向を、種結晶29の長手方向と一致させた。   Next, a current was applied to the high-frequency coil 23 to heat the crucible 21 and melt the mixed powder to obtain a melt 28. Subsequently, a crystal cut into a square bar shape from the solidified product obtained by solidifying the melt 28 was prepared, and this was used as a seed crystal 29. At this time, the [001] direction of the seed crystal 29 was made to coincide with the longitudinal direction of the seed crystal 29.

そして、種結晶29の先端を融液28に漬けた後、種結晶29を、10rpmの回転数で回転させながら、1mm/hrの引上げ速度で引き上げた。このとき、ルツボ21の内部は一度真空にした後、密閉したままCFガスで満たし大気圧とした。こうして直径約2.5cm(約1インチ)、長さ約5cmの大型で透明な結晶を得た。 Then, after the tip of the seed crystal 29 was immersed in the melt 28, the seed crystal 29 was pulled up at a pulling rate of 1 mm / hr while rotating at a rotation speed of 10 rpm. At this time, the inside of the crucible 21 was once evacuated and then filled with CF 4 gas while being sealed to an atmospheric pressure. Thus, a large transparent crystal having a diameter of about 2.5 cm (about 1 inch) and a length of about 5 cm was obtained.

こうして得られた結晶について単結晶X線回折を行ったところ、得られた結晶が六方晶構造を有し、1軸性結晶であることが分かった。   When single crystal X-ray diffraction was performed on the thus obtained crystal, it was found that the obtained crystal had a hexagonal crystal structure and was a uniaxial crystal.

さらに、上記結晶について、ICP(誘導結合プラズマ)およびランタンアリザリンコンプレクソン吸光法による化学分析を行った結果、Tb0.81Ca0.192.80の組成を有する単結晶が得られていることが確認された。 Furthermore, as a result of chemical analysis by ICP (inductively coupled plasma) and lanthanum alizarin complexone absorption method, a single crystal having a composition of Tb 0.81 Ca 0.19 F 2.80 was obtained. It was confirmed.

(実施例2)
CaF粉末に代えてSrF粉末を用い、TbF粉末及びSrF粉末の合計モル数を基準として、TbF粉末及びSrF粉末の各配合率を、76モル%、24モル%としたこと以外は実施例1と同様にしてフッ化物単結晶を作製した。その結果、直径約2.5cm(約1インチ)、長さ約5cmの大型で透明な単結晶を得た。
(Example 2)
Using SrF 2 powder instead of the CaF 2 powder, based on the total moles of TbF 3 powder and SrF 2 powder, to the respective mixture ratio of TbF 3 powder and SrF 2 powder, 76 mol%, and 24 mol% Except for the above, a fluoride single crystal was produced in the same manner as in Example 1. As a result, a large transparent single crystal having a diameter of about 2.5 cm (about 1 inch) and a length of about 5 cm was obtained.

こうして得られた結晶について単結晶X線回折を行ったところ、得られた結晶が六方晶構造を有し、1軸性結晶であることが分かった。   When single crystal X-ray diffraction was performed on the thus obtained crystal, it was found that the obtained crystal had a hexagonal crystal structure and was a uniaxial crystal.

さらに、得られた結晶について、実施例1と同様にしてICPおよびランタンアリザリンコンプレクソン吸光法による化学分析を行ったところ、Tb0.77Sr0.232.71の組成を有する単結晶が得られていることが確認された。 Further, when the obtained crystal was subjected to chemical analysis by ICP and lanthanum alizarin complexone absorption method in the same manner as in Example 1, a single crystal having a composition of Tb 0.77 Sr 0.23 F 2.71 was obtained. It was confirmed that it was obtained.

(比較例1)
比較例1の単結晶として、Fujian Castech Crystals社製TbGa12(TGG)を使用した。
(Comparative Example 1)
As a single crystal of Comparative Example 1, Tb 3 Ga 5 O 12 (TGG) manufactured by Fujian Castech Crystals was used.

[特性評価]
(ファラデー回転角)
上記のようにして得られた実施例1〜2及び比較例1の結晶について、ファラデー回転角を測定した。
[Characteristic evaluation]
(Faraday rotation angle)
The Faraday rotation angle was measured for the crystals of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 obtained as described above.

このとき、ファラデー回転角の測定は以下のようにして行った。即ち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1〜2及び比較例1の単結晶を、3.5mm×3.5mm×16mm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および1303nmのそれぞれについて測定した。結果を表1に示す。   At this time, the Faraday rotation angle was measured as follows. That is, first, the analyzer was rotated to a quenching state without placing a single crystal between the polarizer and the analyzer. Next, the single crystals of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were cut into a 3.5 mm × 3.5 mm × 16 mm square bar shape, which was placed between the polarizer and the analyzer, and the single crystal Light was incident along the longitudinal direction with a magnetic flux density of 0.42 T applied, and the analyzer was rotated again to be in a quenching state. Then, the difference between the rotation angle of the analyzer before sandwiching the single crystal between the polarizer and the analyzer and the rotation angle of the analyzer after sandwiching the single crystal is calculated, and this angular difference is calculated as the Faraday rotation angle. It was. At this time, the Faraday rotation angle was measured for the wavelength of the light source at 633 nm, 1064 nm, and 1303 nm, respectively. The results are shown in Table 1.

(透過率)
上記のようにして得られた実施例1及び比較例1の結晶を、W[mm]×H[mm]×L[mm]=3.5mm×3.5mm×12mmとなるように角棒状に切り出し、この切り出した結晶について、広い波長域(200〜1800nm)における透過率を測定した。結果を図3に示す。図3は、実施例1の結晶における透過率と波長との関係、即ち透過スペクトルを示すグラフである。図3においては、比較例1のTGGの透過スペクトルの結果も併記した。なお、図3において、実施例1の透過スペクトルは実線で、比較例1の透過スペクトルは破線で示した。なお、実施例2の透過スペクトルは、図示はしていないが、実施例1と同様の結果を示した。

Figure 0005653169
(Transmittance)
The crystals of Example 1 and Comparative Example 1 obtained as described above were formed into a square bar shape such that W [mm] × H [mm] × L [mm] = 3.5 mm × 3.5 mm × 12 mm. The transmittance in a wide wavelength region (200 to 1800 nm) was measured for the cut crystal. The results are shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the transmittance and wavelength in the crystal of Example 1, that is, the transmission spectrum. In FIG. 3, the result of the transmission spectrum of TGG of Comparative Example 1 is also shown. In FIG. 3, the transmission spectrum of Example 1 is indicated by a solid line, and the transmission spectrum of Comparative Example 1 is indicated by a broken line. In addition, although the transmission spectrum of Example 2 is not illustrated, the result similar to Example 1 was shown.
Figure 0005653169

表1に示す結果より、実施例1〜2の結晶は、比較例1の結晶に比べて、633nm、1064nm及び1303nmの全波長域で大きなファラデー回転角を示すことが分かった。このことから、実施例1〜2の結晶は、比較例1の単結晶に比べて、広範な波長域で大きなベルデ定数を有していることが分かった。   From the results shown in Table 1, it was found that the crystals of Examples 1 and 2 showed a large Faraday rotation angle in all wavelength regions of 633 nm, 1064 nm, and 1303 nm as compared with the crystal of Comparative Example 1. From this, it was found that the crystals of Examples 1 and 2 had a large Verde constant in a wide wavelength range as compared with the single crystal of Comparative Example 1.

また実施例1〜2の結晶は、200〜1800nmという広範な波長域において、比較例1の結晶よりも高い透過率を有していた。特に、実施例1〜2の結晶は、200〜800nmの短波長域では、比較例1の結晶よりも顕著に高い透過率を有していた。   Further, the crystals of Examples 1 and 2 had higher transmittance than the crystal of Comparative Example 1 in a wide wavelength range of 200 to 1800 nm. In particular, the crystals of Examples 1 and 2 had significantly higher transmittance than the crystals of Comparative Example 1 in the short wavelength range of 200 to 800 nm.

さらに、実施例1〜2では、直径約2.5cm、長さ約5cmの大型の単結晶を容易に得ることができた。   Furthermore, in Examples 1 and 2, a large single crystal having a diameter of about 2.5 cm and a length of about 5 cm could be easily obtained.

以上より、本発明のフッ化物単結晶は、大型化が可能で、広範な波長域で大きなベルデ定数を有し且つ高い透過率を有することが確認された。   From the above, it was confirmed that the fluoride single crystal of the present invention can be increased in size, has a large Verde constant in a wide wavelength range, and has a high transmittance.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polarizer 2 ... Analyzer 3 ... Faraday rotator 10 ... Optical isolator

Claims (3)

下記組成式:
1−x3−x+y
(上記式中、LはTbを表す。Mは、Ca及びSrからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むII族元素を表す。xは0.19以上0.5以下である。yは−0.2〜0.2である。)
で表されることを特徴とするフッ化物単結晶。
The following composition formula:
L 1-x M x F 3-x + y
(In the above formula, L represents Tb . M represents a Group II element containing at least one selected from the group consisting of Ca and Sr. x is 0.19 or more and 0.5 or less . Y is −. 0.2 to 0.2.)
A fluoride single crystal represented by the formula:
前記組成式において、xが下記式:
0.19≦x≦0.3
を満足する請求項1に記載のフッ化物単結晶。
In the above composition formula, x is the following formula:
0.19 ≦ x ≦ 0.3
The fluoride single crystal according to claim 1, wherein:
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1又は2に記載のフッ化物単結晶で構成されている光アイソレータ。
An optical isolator having a Faraday rotator,
An optical isolator in which the Faraday rotator is composed of the fluoride single crystal according to claim 1.
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