JP5917867B2 - アルミノリン酸ガラス組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、固体レーザ媒質としての使用に好適な、アルミノリン酸塩をベースとしたガラスに関する。とりわけ、本発明は、シリカ及び／又はホウ酸塩を或る特定量添加すること等を通じて、アルミナも含有する、リン酸塩をベースとするガラス組成物の物理学的特性及びレーザ特性を改善させることに関する。
レーザガラスは、ホストガラス系を、レーザ発振能力を有する希土類元素、例えばネオジム及びイッテルビウムでドープすることによって製造される。これらの希土類でドープされたレーザガラスのレーザ発振能力は、ガラス中の励起した希土類元素イオンの誘導放出によりもたらされる光増幅により生じる。
リン酸レーザガラスは、高平均パワー及び高ピークエネルギーのレーザシステムのためのホストマトリックスとして使用されるものとして知られている。例えば、特許文献１は、従前のリン酸レーザガラスよりも比較的低い自己濃度消光速度、高い耐熱衝撃性、及び大きい誘導放出断面積有する、ネオジムでドープされたシリカ及び／又はホウ素を含有するリン酸レーザガラスを開示している。これらのガラスはアルミナを含有していない。
特許文献２は、高いエネルギーの高ピークパワーレーザ用途に好適とされ、また相当量の任意のアルカリ土類金属酸化物、及び相当量の任意のアルカリ金属酸化物を含有すると記載されている、レーザリン酸ガラス組成物を開示している。ガラスはさらに、高い利得、低い非線形屈折率、良好な化学的耐久性及び良好な光学特性を有するとされている。特許文献２で開示される特定のガラスは、比較的大量のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属、並びに比較的少量のＡｌ２Ｏ３を含有する。
特許文献３は、アサーマル性能、高利得及び高破断強度のバランスのとれた高平均パワー作用をもたらすとされるリン酸ガラス組成物を開示している。ガラスはまた、良好な化学的耐久性を示すとされている。特許文献３で開示される特定のガラスは、比較的大量のＡｌ２Ｏ３及び／又はＬａ２Ｏ３を含有する。
特許文献４及び特許文献５は、高平均パワーレーザにおいて有用である一方、高い熱伝導率及び低い熱膨張係数を示すとされる、シリカを殆ど又は全く含有しないリン酸ガラス組成物を開示している。ガラスはまた、良好な化学的耐久性を示すとされている。特許文献４及び特許文献５で開示される特定のガラスは包括的に、比較的大量のＡｌ２Ｏ３と併せて、比較的大量のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属を含有する。
特許文献６は、高平均パワーレーザ用途に好適であるとされ、また強い耐熱衝撃性を特徴とする、リン酸塩をベースとしたガラス組成物を開示している。特許文献６により開示される特定のガラスは、比較的大量のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属を含有し、ＳｉＯ２又はＢ２Ｏ３を含有しない。
特許文献７は、リン酸レーザガラスの主成分であるＰ２Ｏ５の一部をＳｉＯ２と置き換えて熱膨張係数を下げ、かつ、耐衝撃性を上げた、リン酸ガラス組成物を開示している。リン酸塩中における大量のＳｉＯ２に起因する化学的耐久性の低下の影響を打ち消すために、Ａｌ２Ｏ３をガラスに添加してもよい。また、ＳｉＯ２のうちいくらかをＡｌ２Ｏ３と置き換えることは、誘導放出断面積を小さくするとされている。特許文献７で開示される特定のガラスは、比較的大きい総量のＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３と併せて、比較的大量のアルカリ金属を含有する。
特許文献８は、高度にドープされたリン酸塩をベースとしたガラス組成物を使用するようなレーザシステムを開示している。特許文献８に開示される特定のガラスは、比較的大量の希土類金属を含有し、ＳｉＯ２又はＢ２Ｏ３を含有しない。特許文献９も高度にドープされたリン酸レーザガラスを開示している。
特許文献１０は、広い、すなわち約２９ｎｍを超える発光帯域幅を有すると記載される、Ｎｄでドープされたリン酸レーザガラスを開示している。ガラスは主にＰ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３及びＭｇＯからなる。
特許文献１１及び特許文献１２も、Ｎｄでドープされたリン酸レーザガラスを開示している。この事例では、レーザガラスが、取り出し効率（extraction efficiency）を改善させるような狭い発光帯域幅（２６ｎｍ未満）を有することが望ましいとされている。この典型的なタイプのレーザにおいては、レーザの発光はその発光帯域幅に比して狭いため、レーザが機能する狭い帯域幅の外側の波長における放射光が事実上無駄になってしまう。この理由から、狭い発光帯域幅が望ましかった。特許文献１１で開示されるガラスは、比較的大きい総量のアルカリ金属及びアルカリ土類金属を含有する。
リン酸ガラスに加えて、ケイ酸塩、ホウ酸塩、ホウケイ酸塩及びアルミン酸塩も、レーザ発振イオン用のホストガラスマトリックス系として使用されている。ケイ酸ガラス、ホウ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス及びアルミン酸ガラスは、リン酸ガラスと比較して、Ｎｄレーザ発振イオンに関してより広い発光帯域幅を有する。
しかしながら、これらのガラスの使用に関連する欠点が存在している。例えば、ケイ酸ガラスは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属等の改質剤を相当量含有しない限り、通常極めて高い温度で溶融する。他方、ホウ酸ガラスは、低温溶融特徴を有するものの、周囲環境で安定となるために実質的に高い濃度のアルカリ金属又はアルカリ土類金属を要する。ホウケイ酸ガラスは、周囲温度で耐久性を有する上、ソーダ石灰ガラス等の標準的な市販のガラスと同程度の温度で溶融する。しかしながら、典型的な市販のホウケイ酸ガラスは、溶融中にホウ酸塩の高揮発性を促す、リン酸ガラスと同様の相当量のアルカリ金属を含有する。アルミン酸ガラスは、特に広い発光帯域幅を示し、短パルスレーザ操作にとって魅力的なものである。しかし、これらのガラスは、結晶化しようとする傾向が極めて高い。
上述のように、特許文献１０は、主にＰ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３及びＭｇＯからなる、広い発光帯域幅を有する、Ｎｄでドープされたリン酸レーザガラスを開示している。この開示は、Schott North America, Inc.により販売されているリン酸ガラスＡＰＧ−２の製造につながった。ＡＰＧ−２は、高パワーレーザ用途に極めて望ましい熱機械特性を有するレーザガラスである。
広い発光帯域幅を有する、有用なリン酸塩をベースとした別の市販のガラスは、同様にSchott North America, Inc.によって販売されているガラスＡＰＧ−１である。このガラスは、シリカを殆ど又は全く含有せずに、比較的大量のＡｌ２Ｏ３と併せて、比較的大量のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属を含有するリン酸ガラス組成物を上記のように開示する特許文献４の開示の結果によりもたらされたものである。ＡＰＧ−２は相当量のＭｇＯを含有するのに対し、他方、ＡＰＧ−１は相当量のアルカリ金属を含有する。ＡＰＧ−１は、高パワーレーザ用途に極めて望ましいレーザ特性を有するレーザガラスである。それゆえ、比較すると、ＡＰＧ−１ガラス及びＡＰＧ−２ガラスは共に、高パワーレーザにおける使用に関して望ましい特性を示すが、ＡＰＧ−１がより良好なレーザ特性を示すのに対し、ＡＰＧ−２はより良好な熱機械特性を示す。
E. Desurvire, Erbium Doped Fiber Amplifiers, John Wiley and Sons (1994)
Miniscalco and Quimby, Optics Letters 16(4) pp 258-266 (1991)
Kassab, Journal of Non-Crystalline Solids 348 (2004) 103-107
したがって、本発明の態様は、市販のガラスＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２のようにＰ２Ｏ５及びＡｌ２Ｏ３を含有する、固体レーザ媒質として使用される、リン酸塩をベースとしたガラス組成物を提供することである。本発明によるガラスでは、（ＡＰＧ−１が有しているような）望ましいレーザ特性と、（ＡＰＧ−２が有しているような）望ましい熱機械特性との組合せが、ＳｉＯ２及び／又はＢ２Ｏ３の量の操作によってもたらされる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲のさらなる検討により、本発明のさらなる態様及び利点が当業者に明らかになるであろう。
本発明によれば、有利なレーザ特性及び熱機械特性を示し、かつ、高パワーレーザに使用するのに好適である、一定量のＳｉＯ２及び／又はＢ２Ｏ３を含有するアルミノリン酸ガラス組成物が提供される。
本明細書中に開示されるガラスは、１０Ｈｚを超える繰返し周波数でメガジュールレベルのエネルギーを発生させることが意図される、フラッシュランプにより励起される大きなレーザシステムに使用するのに好適なものである。レーザのダイオードによる励起も可能である。このようなレーザは将来、レーザ核融合発電所を駆動させる可能性がある。本明細書中に開示されるガラスは、レーザシステムにおいて使用される光学部品の損傷レベル又は損傷レベル近傍の大きな出力フルエンス（output fluence）を依然として有しながらも、高い繰返し周波数操作が望まれる、より小さなレーザにも好適である。このようなレーザシステムの用途は、レーザ衝撃ピーニング、及び科学研究のための又は他の放射源としてのプラズマの生成を含む。レーザ衝撃ピーニングは、強力なレーザの使用によって、圧縮残留応力を金属の表面に生じさせることにより、その疲労寿命を増大させるプロセスである。
本発明によれば、アルミノリン酸ガラスは、それらの包含物が乏しい溶融挙動を示さず、またアルミノリン酸ガラスの所望特質を損なわせない限り、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属等の従来の改質剤酸化物を任意に一定量含有し得る。このような改質剤の総量は、約２６ｍｏｌ％未満の一価の改質剤、例えばＮａ２Ｏ、及び約２５ｍｏｌ％未満の二価の改質剤、例えばＭｇＯであることが望ましい。
本発明のさらなる態様によれば、本発明によるガラスは、（ａ）比較的少量のアルカリ土類金属ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）と組み合わせた比較的大量のアルカリ金属Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、又は（ｂ）比較的少量のアルカリ金属Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）と組み合わせた比較的大量のアルカリ土類金属ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）のいずれかを特徴とする。
加えて、Ｐ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３は全て網目構造形成剤であるが、本発明によるガラスは、Ｐ２Ｏ５含有率がＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計よりも大きい、リン酸塩をベースとしたガラスである。
さらに、本発明によるガラスでは、とりわけより大量のアルカリ金属Ｒ２Ｏが存在する場合、Ａｌ２Ｏ３含有率を比較的狭い範囲内に維持することが望ましい。
本発明の態様によれば、アルミノリン酸ガラス組成物は、（ｍｏｌ％で）：
ＳｉＯ２ ０．００〜１２．００
Ｂ２Ｏ３ ０．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜１１．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜２５．００
ＺｎＯ ０．００〜 ６．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ０．５０〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜２５．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザ発振希土類イオン）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％（例えば０．０１ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％又は０．０１ｍｏｌ％〜６．００ｍｏｌ％）であり、
Ｒ２Ｏが８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であるか、又はＲ２Ｏが０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが６．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、Ａｌ２Ｏ３が６．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％である。
ＳｉＯ２ ０．００〜１２．００
Ｂ２Ｏ３ ０．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜１１．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜２５．００
ＺｎＯ ０．００〜 ６．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ０．５０〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜２５．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザ発振希土類イオン）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％（例えば０．０１ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％又は０．０１ｍｏｌ％〜６．００ｍｏｌ％）であり、
Ｒ２Ｏが８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であるか、又はＲ２Ｏが０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが６．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、Ａｌ２Ｏ３が６．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％である。
本発明の別の態様によれば、アルミノリン酸ガラス組成物は、（ｍｏｌ％で）：
ＳｉＯ２ ０．００〜１２．００
Ｂ２Ｏ３ ０．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜１１．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜２５．００
ＺｎＯ ０．００〜 ６．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ０．５０〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜２５．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザ発振希土類イオン）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％（例えば０．０１ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％又は０．０１ｍｏｌ％〜６．００ｍｏｌ％）であり、
Ｒ２Ｏが８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であるか、又はＲ２Ｏが０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが６．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の合計が３ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ%〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、Ａｌ２Ｏ３が６．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％である。
ＳｉＯ２ ０．００〜１２．００
Ｂ２Ｏ３ ０．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜１１．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜２５．００
ＺｎＯ ０．００〜 ６．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ０．５０〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜２５．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザ発振希土類イオン）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％（例えば０．０１ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％又は０．０１ｍｏｌ％〜６．００ｍｏｌ％）であり、
Ｒ２Ｏが８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であるか、又はＲ２Ｏが０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＭＯが６．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の合計が３ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ%〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、Ａｌ２Ｏ３が６．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％であり、かつ、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％である。
本発明の別の態様によれば、ガラス組成物であって、
１０．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．８０ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．８０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
１０．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．８０ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．８０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
本発明の別の態様によれば、ガラス組成物であって、
８．５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１２．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
８．５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１２．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
本発明の別の態様によれば、ガラス組成物であって、
７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
本発明の別の態様によれば、ガラス組成物であって、
４．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
９．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．２ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
４．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
９．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．２ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
本発明の別の態様によれば、ガラス組成物であって、
＜３．０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６０．００ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＺｎＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．３ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
＜３．０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６０．００ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＺｎＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．３ｍｏｌ％〜１．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３（±０．５０ｍｏｌ％）、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、ガラス組成物が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、ガラス組成物は、７ｍｏｌ％〜２６ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏを含有し、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の合計が３ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であり、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が１０．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％である。
本発明のさらなる態様によれば、ガラス組成物は、１４ｍｏｌ％〜２５ｍｏｌ％のＭｇＯを含有し、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の合計が３ｍｏｌ％〜１２ｍｏｌ％であり、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が１０．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％である。
本発明のさらなる態様によれば、ガラス組成物は、８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％のＲ２Ｏ及び０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％のＭＯを含有する。本発明のさらなる態様によれば、ガラス組成物は、０．５ｍｏｌ％〜３．０ｍｏｌ％のＲ２Ｏ及び１０．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％のＭＯを含有する。
レーザガラスの用途では、本発明によるアルミノリン酸ガラス組成物が、十分な量のＬｎ２Ｏ３（式中、Ｌｎは希土類のレーザ発振イオンを表す）を含有することにより、レーザ発振能力がもたらされる。一般的に、Ｌｎ２Ｏ３の量は、約０．３ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％、例えば０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％、又は０．３ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％、又は０．５ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％である。レーザ発振元素Ｌｎは好ましくはＮｄであるが、Ｙｂであってもよく、さらに例えば、Ｅｒ又はＰｒであってもよい。Ｙｂ及びＮｄは両方とも、ＩＲ範囲でレーザ発振する。Ｅｒは、目に安全なレーザ発振波長を有し、Ｐｒは、可視波長でレーザ発振し得る。さらに他のレーザ発振イオンは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＴｍである。レーザ発振イオンは、単独で又は２つ以上の元素を組み合わせて使用してもよい。
これらのガラス組成物は、主なガラス網目構造形成剤としてＰ２Ｏ５を使用する。Ｐ２Ｏ５のレベルは最大限にすることが好ましい。一般的に、Ｐ２Ｏ５含有率は５５ｍｏｌ％〜６７ｍｏｌ％、好ましくは５７ｍｏｌ％〜６５ｍｏｌ％、特に５９ｍｏｌ％〜６２ｍｏｌ％である。Ｐ２Ｏ５含有率は、例えば５５．０ｍｏｌ％、５６．０ｍｏｌ％、５６．５ｍｏｌ％、５７．０ｍｏｌ％、５８．０ｍｏｌ％、５８．５ｍｏｌ％、５９．０ｍｏｌ％、６０．０ｍｏｌ％、６０．５ｍｏｌ％、６１．０ｍｏｌ％、６２．０ｍｏｌ％、６２．５ｍｏｌ％、６３．９ｍｏｌ％、６４．０ｍｏｌ％、６５．０ｍｏｌ％、６６．０ｍｏｌ％等であってもよい。
Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３は全て、網目構造形成剤として作用し、ガラスの化学的耐久性を高め、水溶性を低下させる傾向にある。ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３はそれぞれ、Ｐ２Ｏ５に加えて主な網目構造形成剤として作用する。Ａｌ２Ｏ３及びＬａ２Ｏ３は、中間ガラス形成剤として作用する。
また、一定量のＳｉＯ２は、熱伝導率を増大させることができる。しかしながら、大量のＳｉＯ２は、結晶化傾向を増大させ、及び/又は相分離をもたらすおそれがあり、放出断面積を減少させる可能性がある。ガラスを調製するのに使用されるＳｉＯ２の量は、０．０ｍｏｌ％〜１２．０ｍｏｌ％、例えば３．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％、例えば０．５ｍｏｌ％、１．０ｍｏｌ％、２．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、４．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％、８．０ｍｏｌ％、９．０ｍｏｌ％、１０．０ｍｏｌ％又は１１．０ｍｏｌ％である。
Ｂ２Ｏ３も熱伝導率を増大させることができる。しかし、大量のＢ２Ｏ３は、熱膨張に悪影響を及ぼし、それゆえ、ＦＯＭＴＭを減少させるおそれがある。ガラスを調製するのに使用されるＢ２Ｏ３の量は、０．０ｍｏｌ％〜１５．００ｍｏｌ％、例えば０．０ｍｏｌ％〜９．０ｍｏｌ％、例えば３．０ｍｏｌ％〜９．０ｍｏｌ％、例えば０．５ｍｏｌ％、１．０ｍｏｌ％、２．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、４．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％、８．０ｍｏｌ％、９．０ｍｏｌ％、１０．０ｍｏｌ％、１１．０ｍｏｌ％、１２．０ｍｏｌ％、１３．０ｍｏｌ％及び１４．０ｍｏｌ％である。
既述のように、Ａｌ２Ｏ３及びＬａ２Ｏ３は中間ガラス形成剤として作用する。結果として、Ａｌ２Ｏ３及びＬａ２Ｏ３はそれぞれ、ガラス形成剤及びガラス改質剤の両方の特徴を示す。Ａｌ２Ｏ３は、より良好な化学的耐久性だけでなく、より良好な熱機械特性をもたらすことができる。しかしながら、大量のＡｌ２Ｏ３は、結晶化を誘起し、放出断面積及び熱膨張係数を減少させる可能性がある。Ａｌ２Ｏ３のレベルは、一般的に６．０％〜１１．０％、例えば６．０％〜１０．０％又は６．５％〜１０．５％である。Ａｌ２Ｏ３の他のレベルは、例えば７．０ｍｏｌ％、７．５ｍｏｌ％、７．８ｍｏｌ％、８．０ｍｏｌ％、８．５ｍｏｌ％、９．０ｍｏｌ％、９．５ｍｏｌ％、１０．０ｍｏｌ％、１０．５ｍｏｌ％である。ガラスを調製するのに使用されるＬａ２Ｏ３の量は、０．０％〜１０．０％、例えば１．０ｍｏｌ％〜７．０ｍｏｌ％、例えば０．２ｍｏｌ％、０．５ｍｏｌ％、１．０ｍｏｌ％、２．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、４．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％、８．０ｍｏｌ％又は９．０ｍｏｌ％である。
アルカリ土類金属（ＭＯ）は、ガラスの化学的耐久特性を高める。一般的に、ＭＯの量は最大２５．０ｍｏｌ％である。一定量のＭｇＯがより高いＦＯＭＴＭをもたらす傾向にあるため、好ましいアルカリ土類金属はＭｇＯである。少量のＺｎＯはＦＯＭＴＭに対して有益であり得る。好ましくは、ガラス中のＭｇＯの量は最大２５．０ｍｏｌ％（例えば１４．０ｍｏｌ％〜２４．０ｍｏｌ％）であり、ＺｎＯの量は０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であり、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの量はそれぞれ、０．０ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．５ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％であり、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．５ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％である。
アルカリ金属含有率（Ｒ２Ｏ）は、ガラスの或る特定の特性、例えば線熱膨張係数及び放出断面積に影響を与えると考えられる。一般的に、Ｒ２Ｏの量は０．５０ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％である。一定量のＬｉ２Ｏがより高いＦＯＭＴＭをもたらす傾向にあるため、好ましいアルカリ金属はＬｉ２Ｏである。好ましくは、ガラス中のＬｉ２Ｏの量は、０．５０ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％、好ましくは例えば７ｍｏｌ％〜２６ｍｏｌ％であり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏの量はそれぞれ、０．０ｍｏｌ％〜４．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％であり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜４．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％、例えば０．０ｍｏｌ％〜０．５ｍｏｌ％である。
本発明のさらなる態様によれば、アルカリ土類金属含有率（ＭＯ）は、０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜３．０ｍｏｌ％であり、アルカリ金属含有率（Ｒ２Ｏ）は、８．０ｍｏｌ％〜２６．０ｍｏｌ％、特に１０．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％である。この場合、アルカリ金属は好ましくはＭｇＯであり、ＺｎＯの量は０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であり、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．５ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％である。また、この場合、アルカリ金属は好ましくはＬｉ２Ｏであり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜４．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％、例えば０．０ｍｏｌ％〜０．５ｍｏｌ％である。
本発明の別の態様によれば、アルカリ土類金属含有率（ＭＯ）は、６．０ｍｏｌ％〜２５．０ｍｏｌ％、特に１４．０ｍｏｌ％〜２４．０ｍｏｌ％であり、アルカリ金属含有率（Ｒ２Ｏ）は、０．５ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％、特に０．５ｍｏｌ％〜３．０ｍｏｌ％である。この場合、アルカリ金属は好ましくはＭｇＯであり、ＺｎＯの量は０．０ｍｏｌ％〜６．０ｍｏｌ％であり、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．５ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％である。また、この場合、アルカリ金属は好ましくはＬｉ２Ｏであり、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏを合わせた総量は、０．０ｍｏｌ％〜４．０ｍｏｌ％、特に０．０ｍｏｌ％〜２．０ｍｏｌ％、とりわけ０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％、例えば０．０ｍｏｌ％〜０．５ｍｏｌ％である。
上で述べたように、Ｙｂ２Ｏ３及び／又はＮｄ２Ｏ３は、ガラス組成物に好ましいレーザ発振イオンをもたらす。代替的には、他の希土類又は希土類酸化物の組合せ、例えばＥｒ２Ｏ３及び／又はＰｒ２Ｏ３を、レーザ発振イオンとして使用してもよい。加えて、当業者に既知であるように、これらのレーザガラスを、主なレーザ発振イオン（複数可）に対する増感剤として作用する、少量の遷移金属（例えばＣｒ２Ｏ３）又は他の希土類イオン（例えばＹｂ２Ｏ３及びＣｅＯ２）でドープしてもよい。例えば、Ｃｒ２Ｏ３は、Ｙｂの増感剤として機能することができ、ＣｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３及びＹｂ２Ｏ３は、Ｅｒの増感剤として機能し得る。Ｃｒ２Ｏ３に関して、増感剤の量は、例えば０．００ｗｔ％より多く０．４０ｗｔ％まで、好ましくは０．０１ｗｔ％〜０．２０ｗｔ％であり、Ｙｂ２Ｏ３に関して、増感剤の量は、例えば０．００ｗｔ％より多くガラス中におけるＹｂ２Ｏ３の溶解度の限界まで、好ましくは５ｗｔ％〜２５ｗｔ％である。
レーザの用途に加えて、レーザ発振イオンを含まずに調製された本発明によるガラスは、レーザ導波装置におけるクラッディングガラスとして使用することもできる。付加的に、本発明によるガラスを、レーザ発振波長における吸収を誘導する１つ又は複数の遷移金属でドープすることによって、遷移金属でドープされた得られるガラスは、或る特定のレーザシステム設計において端面クラッディングガラスとしての役割を果たし得る。
付加的な構成成分に関して、ガラスは、最大４ｗｔ％、特に最大２ｗｔ％の従来の添加剤又は不純物、例えば、清澄剤（例えば、Ａｓ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３）及び太陽光遮蔽剤（antisolarant）（例えば、Ｎｂ２Ｏ５）を含有する。ガラスは、太陽光遮蔽剤としてＴｉＯ２を少量含有し得る。しかしながら、ＴｉＯ２の存在は、ガラスの望ましくない変色をもたらす可能性がある。それゆえ、ＴｉＯ２の量は好ましくは０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％、特に０ｍｏｌ％〜０．５ｍｏｌ％である。
加えて、ガラス組成物は、溶融物又は残留水を乾燥させるのを助け、またガラスの清澄化を助けるハロゲン化物を含有していてもよい。例えば、ガラス組成物は、９ｗｔ％まで、好ましくは５ｗｔ％以下のＦ、及び５ｗｔ％までのＣｌを含有していてもよいが、ＣｌはＦに比べて好ましくない。
高平均パワーの発生に有用であるためには、リン酸塩をベースとしたレーザガラスは、有利な熱機械特性を有していなければならない。動作中、固体レーザ材料の外面の冷却によって、材料の内部温度が外面の温度よりも高い熱勾配の形成がもたらされるであろう。故に、この熱勾配が、最終的に有効な固体レーザ材料の破損をもたらすおそれのある、固体レーザ材料内の応力勾配をもたらし得る。
一般的に、レーザの熱機械特性は、熱機械性能指数（thermal-mechanical figure of merit）（ＦＯＭＴＭ）と称されるパラメータによって評価される。熱機械性能指数は、材料が破損することなく耐え得る最大熱勾配に比例し、また、所定の状況についての熱勾配の大きさを反映するものである。
熱機械性能指数（ＦＯＭＴＭ）は、下記式により算出される：
ＦＯＭＴＭ＝Ｋ９０℃ＫＩＣ（１−ν）／（αＥ）
（式中、
Ｋ９０℃は、９０℃で測定される熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
ＫＩＣは押込み破壊靭性であり、
νはポワソン比であり、
Ｅはヤング率（ＧＰａ）であり、
αは２０℃〜３００℃に対する線熱膨張係数（１０−７／Ｋ）である）。
ＦＯＭＴＭ＝Ｋ９０℃ＫＩＣ（１−ν）／（αＥ）
（式中、
Ｋ９０℃は、９０℃で測定される熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、
ＫＩＣは押込み破壊靭性であり、
νはポワソン比であり、
Ｅはヤング率（ＧＰａ）であり、
αは２０℃〜３００℃に対する線熱膨張係数（１０−７／Ｋ）である）。
押込み破壊靭性は、測定を行うのに必要とされる３．０Ｎの負荷又は９．８Ｎの負荷のいずれでも求めることができる。測定を行うために、ガラスに極小さい亀裂を生じさせる負荷を加える。亀裂を生じさせるためにより大きな負荷である９．８Ｎの負荷を要するガラスが、より魅力的なものである。
それゆえ、上記式から分かるように、ＦＯＭＴＭを増大させるためには、高い熱伝導率、並びに小さい熱膨張係数、ポワソン比及びヤング率を有することが望ましい。所定の熱勾配に関して、ガラス部分中の応力量は熱膨張の結果として減少し、ヤング率が小さくなる。熱伝導率の値が大きくなれば、ガラス中に蓄積する所定量の熱に対して生じる熱勾配の大きさの減少が促される。
レーザ特性は、Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論、Ｆｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論、又はＭｃＣｕｍｂｅｒ法に従って測定することができる。Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論及びＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論の考察は、非特許文献１に見ることができる。ＭｃＣｕｍｂｅｒ法は、例えば、非特許文献２に論じられている通りである。また、非特許文献３を参照されたい。Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論及びＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論は、発光曲線からレーザ特性を評価するものであるのに対し、ＭｃＣｕｍｂｅｒ法は、ガラスの吸収曲線を使用するものである。
発光帯域幅に関して、測定された発光曲線（例えば、Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ解析又はＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ解析により集められたもの）、又は算出された発光曲線（ＭｃＣｕｍｂｅｒ解析による）があれば、２つの方法で発光帯域幅を得ることができる。第１の方法は、最大値の半値幅（いわゆる発光帯域幅の半値全幅、すなわちΔλＦＷＨＭ）を単に測定することである。
Ｙｂをレーザ発振イオンとして用いるガラスでは、Ｙｂの発光曲線は、約９８０ｎｍの狭い特質を示す。この特質が顕著なものであれば、ΔλＦＷＨＭ値は、この１つの特質の幅を反映しているに過ぎず、曲線の残りは役に立たないと考えられる。その結果、ΔλＦＷＨＭ値が常に、Ｙｂに関する発光帯域幅の信頼できる指標となるわけではない。
第２の方法は、発光曲線上のあらゆる点を全曲線下面積で除算するものである。線幅関数（linewidth function）と称されるこの結果は、有効帯域幅（Δλｅｆｆ）の逆数として定義されるピーク値を有すると考えられる。この方法によって、全発光曲線は常に発光帯域幅の結果に寄与する。この数値が、発光帯域幅の最良の指標として、解析において本明細書中で使用される。
固体レーザでは、高レベルの総パルスエネルギー（energy per pulse）を発生させるために、有効材料が、下記式によって定義されるレーザ性能指数（ＦＯＭｌａｓｅｒ）に関する高い値を有していなければならない：
ＦＯＭＬａｓｅｒ＝σｅｍτＲａｄ／（ｎ２Δλｅｆｆ）
（式中、
σｅｍは最大放出断面積（×１０−２０ｃｍ２）であり、
τＲａｄは放射寿命（マイクロ秒）であり、
ｎ２は非線形屈折率であり、
Δλｅｆｆは有効発光帯域幅（ｎｍ）である）。
ＦＯＭＬａｓｅｒ＝σｅｍτＲａｄ／（ｎ２Δλｅｆｆ）
（式中、
σｅｍは最大放出断面積（×１０−２０ｃｍ２）であり、
τＲａｄは放射寿命（マイクロ秒）であり、
ｎ２は非線形屈折率であり、
Δλｅｆｆは有効発光帯域幅（ｎｍ）である）。
このレーザ性能指数は、本発明により、高エネルギーレーザシステムに使用されるガラスを選択する上での指針を提供するように開発された。より大きな値の放出断面積は、同じドーピングレベルでより高いレーザ利得をもたらすのに対し、より大きな値の放射寿命は、励起時におけるレーザガラス媒質中のより大量の貯蔵エネルギーを示す。より小さい値の非線形屈折率を有するガラスは、レーザにより引き起こされる損傷の外観を呈することなく、より高いレーザフルエンス値に対応することができる。また、前述したように、狭い発光帯域幅は、ガラスからの放射光と実際のレーザシステムの帯域幅とをより適切に重複させるため、望ましい。
本発明の別の態様によれば、本発明によるアルミノリン酸ガラス組成物は、１つ又は複数の以下の特性：
（１）少なくとも０．９Ｗ／ｍ１／２、好ましくは少なくとも１．１Ｗ／ｍ１／２、特に少なくとも１．２Ｗ／ｍ１／２、とりわけ少なくとも１．３Ｗ／ｍ１／２、例えば０．９Ｗ／ｍ１／２〜１．８Ｗ／ｍ１／２の熱機械性能指数（ＦＯＭＴＭ）、
（２）少なくとも２．５×１０−２０ｃｍ２、好ましくは少なくとも２．８×１０−２０ｃｍ２、特に少なくとも３．０×１０−２０ｃｍ２、とりわけ少なくとも３．２×１０−２０ｃｍ２、例えば２．５×１０−２０ｃｍ２〜４．５×１０−２０ｃｍ２の最大放出断面積（σｅｍ）
を有する。
（１）少なくとも０．９Ｗ／ｍ１／２、好ましくは少なくとも１．１Ｗ／ｍ１／２、特に少なくとも１．２Ｗ／ｍ１／２、とりわけ少なくとも１．３Ｗ／ｍ１／２、例えば０．９Ｗ／ｍ１／２〜１．８Ｗ／ｍ１／２の熱機械性能指数（ＦＯＭＴＭ）、
（２）少なくとも２．５×１０−２０ｃｍ２、好ましくは少なくとも２．８×１０−２０ｃｍ２、特に少なくとも３．０×１０−２０ｃｍ２、とりわけ少なくとも３．２×１０−２０ｃｍ２、例えば２．５×１０−２０ｃｍ２〜４．５×１０−２０ｃｍ２の最大放出断面積（σｅｍ）
を有する。
ガラスの実施例は全て、レーザグレードの成分を用いて作製され、より良好な均質性のためにＰｔ撹拌子を用いて撹拌しながら、乾燥酸素環境下で溶融される。
表１Ａ及び表１Ｂは、本発明によるガラス組成物の実施例１〜実施例１５、及び比較例Ａ〜比較例Ｆ（ＳｉＯ２又はＢ２Ｏ３を含有しない）を挙げるものである。表１Ａ中、実施例１〜実施例８及び比較例Ａ〜比較例Ｃのガラスは、かなりの量のＬｉ２Ｏを含有する。表１Ｂ中、実施例９〜実施例１５及び比較例Ｄ〜比較例Ｆのガラスは、かなりの量のＭｇＯを含有する。
発光スペクトルを求めるために、ガラスをモールドに入れ、適宜、焼鈍して応力を取り除く。Ｎｄでドープされたガラスを、少なくとも公称１０ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍサイズのバルクキュベットサンプルとして調製する。Ｎｄでドープされた各ガラスのキュベットサンプルは、発光スペクトルを測定するのに使用し、これから、有効発光帯域幅（Δλｅｆｆ）を式（１）に従って求める：
ここで、Ｎｄに関して１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの発光スペクトルの積分面積が得られ、最大発光強度（Ｉｍａｘ）が、Ｎｄに関して１０５５ｎｍに近い波長に見られる。
表２Ａ及び表２Ｂは、本発明による実施例１〜実施例１５、及び比較例Ａ〜比較例Ｆのガラスの光学特性、熱特性及び物理学的特性をまとめたものである。表２Ｃは、Schott North America, Inc.によって販売されている市販のＮｄでドープされたリン酸レーザガラスＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２、並びにＡＰＧ−３００及びＡＰＧ−４００と称するガラスの特性をまとめたものである。これらの後者の２つのガラスは、市販のガラスＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２と同じ組成を有するものの、サイズがかなり小さい（１００リットルに対して０．５リットル）試験溶融物に相当する。また、これらの溶融物は、市販のガラスＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２を作製するのに用いられる全規模生産ではなく、実施例１〜実施例１５及び比較例Ａ〜比較例Ｆの試験溶融物を作製するのに用いられる同様の手法を用いて調製している。それゆえ、表２Ｃから分かるように、それぞれ、ＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２の特性に比べると、ＡＰＧ−３００及びＡＰＧ−４００の特性の間には多少の差異が存在する。
表２Ａから分かるように、実施例１〜実施例８に関する熱機械性能指数値（ＦＯＭＴＭ）は、比較例Ａ〜比較例Ｃのものよりも高い。しかしながら、これらのガラスは全て、ＡＰＧ−２ガラス試験溶融物、すなわちＡＰＧ−４００のものよりも低い熱機械性能指数値を有する。２つの市販のガラスＡＰＧ−１及びＡＰＧ−２について上述したように、ＡＰＧ−２がより良好な熱機械特性を有する。
表２Ｂから分かるように、実施例９〜実施例１５に関する熱機械性能指数値（ＦＯＭＴＭ）は、比較例Ｄ及び比較例Ｆのものよりも高い。しかしながら、実施例９、実施例１０及び実施例１４のガラスは、比較例Ｅのものよりも低い熱機械性能指数値を示した。表３Ｂに示されるように、比較例Ｅは極めて低いレーザ性能指数値を示す。
表３Ａ及び表３Ｂは、本発明による実施例１〜実施例１５及び比較例Ａ〜比較例Ｆのガラスのレーザ特性をまとめたものである。表３Ｃは、ＡＰＧ−１、ＡＰＧ−２、ＡＰＧ−３００及びＡＰＧ−４００のレーザ特性をまとめたものである。
表３Ａから分かるように、実施例１〜実施例８に関するレーザ性能指数値（ＦＯＭＬａｓｅｒ）は、比較例Ｂ及び比較例Ｃのものよりも高い。しかしながら、実施例５、実施例７及び実施例８のガラスは、比較例Ａのものよりも低いレーザ性能指数値を示した。表２Ａに示されるように、比較例Ａは低い熱機械性能指数値を示す。
表３Ｂを参照すると、実施例９〜実施例１５に関するレーザ性能指数値（ＦＯＭＬａｓｅｒ）は、比較例Ｅのものよりも高く、実施例１２のみが、比較例Ｄ及び比較例Ｆのものよりも低いレーザ性能指数値を有する。他方、実施例１２は高い熱機械性能指数値を示す。
表２Ａ及び表２Ｂ中の最下段は、実施例１〜実施例１５及び比較例Ａ〜比較例ＦのＦＯＭＴＭ値と、ＡＰＧ−２対照溶融物、すなわちＡＰＧ−４００のものとの割合の比較を示す。表３Ａ及び表３Ｂ中の最下段は、実施例１〜実施例１５及び比較例Ａ〜比較例ＦのＦＯＭＬａｓｅｒ値と、ＡＰＧ−１対照溶融物、すなわちＡＰＧ−３００のものとの割合の比較を示す。ガラスの各々についてこれらの２つの割合を合わせると、実施例１〜実施例１５のガラスが、ＳｉＯ２又はＢ２Ｏ３を含有しないガラス、すなわち比較例Ａ〜比較例Ｆに比べ、有利な熱機械特性及びレーザ特性を示すことが分かる。
本明細書中に引用される全ての出願、特許及び刊行物の開示は全体として、参照により本明細書中に援用される。
上述の実施例で使用したものの代わりに、包括的に又は詳細に記載した本発明の反応物質及び／又は操作条件を使用することによって、上述の実施例を同様に首尾よく繰り返すことができる。
上述の記載から、当業者は、本発明の本質的な特徴を容易に見極めることができ、その精神及び範囲を逸脱することなく、その特徴が様々な用法及び条件に適合するように本発明の様々な変更及び改良を行うことができる。
Claims (26)
- アルミノリン酸ガラス組成物であって、（ｍｏｌ％で）：
ＳｉＯ２ ０．００より多く７．００まで
Ｂ２Ｏ３ ０．００より多く１５．００まで
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜９．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜 ５．００
ＺｎＯ ０．００〜 ５．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ８．００〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜 ５．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が６．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％であり、
前記ガラス組成物がＳｉＯ２とＢ２Ｏ３の両方を含有する、
アルミノリン酸ガラス組成物。 - ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の合計が３ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％である、請求項１に記載のアルミノリン酸ガラス組成物。
- １０．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．８０ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．８０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．５０ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、アルミノリン酸ガラス組成物。 - ８．５０ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１２．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＭｇＯ、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．１ｍｏｌ％〜１．５０ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、アルミノリン酸ガラス組成物。 - ７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
８．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．４ｍｏｌ％〜１．５０ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、アルミノリン酸ガラス組成物。 - ４．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
９．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６１．２０ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％〜３．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．５ｍｏｌ％〜１．５０ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、アルミノリン酸ガラス組成物。 - ＜３．０ｍｏｌ％のＳｉＯ２、
７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３（±２．００ｍｏｌ％）、
１０．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３（±１．００ｍｏｌ％）、
６０．００ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５（±３．５０ｍｏｌ％）、
１．５０ｍｏｌ％〜３．５０ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏ、
１５．００ｍｏｌ％のＭｇＯ（±２．００ｍｏｌ％）、
５．００ｍｏｌ％のＺｎＯ（±１．００ｍｏｌ％）、
＜１．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、
０．６ｍｏｌ％〜１．５０ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３、及び
０．１０ｍｏｌ％のＡｓ２Ｏ３（±０．０５ｍｏｌ％）
を含む、アルミノリン酸ガラス組成物。 - ７ｍｏｌ％〜２６ｍｏｌ％のＬｉ２Ｏを含有し、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３の量の合計が３ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であり、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の量の合計が１０．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％である、請求項１に記載のガラス組成物。
- ５７ｍｏｌ％〜６５ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ５９ｍｏｌ％〜６２ｍｏｌ％のＰ２Ｏ５を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ３．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ３．０ｍｏｌ％〜９．０ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ６．０ｍｏｌ％〜１０．０ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- １．０ｍｏｌ％〜７．０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏを合わせた総量が、０．０ｍｏｌ％〜４．０ｍｏｌ％である、請求項１に記載のガラス組成物。
- ＴｉＯ２の量が０．０ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％である、請求項１に記載のガラス組成物。
- 熱機械性能指数値であるＦＯＭＴＭが少なくとも０．９Ｗ/ｍ１/２である、請求項１に記載のガラス組成物。
- 最大放出断面積であるσｅｍが少なくとも２．５×１０−２０ｃｍ２である、請求項１に記載のガラス組成物。
- 固体利得媒質と励起源とを備える固体レーザシステムにおいて、前記固体利得媒質が、請求項１に記載の組成物を有するガラスである、固体レーザシステム。
- 請求項１に記載のガラス組成物を、フラッシュランプにより励起するか、又はダイオードにより励起する、レーザビームパルスを発生させる方法。
- ３〜１２ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ５〜１２ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ５〜１２ｍｏｌ％のＳｉＯ２とＢ２Ｏ３の両方を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ３〜１５ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- ５〜１５ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のガラス組成物。
- アルミノリン酸ガラス組成物であって、（ｍｏｌ％で）：
ＳｉＯ２ ３．００〜７．００
Ｂ２Ｏ３ ３．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３ ６．００〜９．００
Ｐ２Ｏ５ ５５．００〜６７．００
Ｌｉ２Ｏ ０．５０〜２６．００
Ｋ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｎａ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｒｂ２Ｏ ０．００〜 ４．００
Ｃｓ２Ｏ ０．００〜 ４．００
ＭｇＯ ０．００〜 ６．００
ＺｎＯ ０．００〜 ６．００
ＴｉＯ２ ０．００〜 ６．００
Ｌａ２Ｏ３ ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３ ０．００〜 ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ） ８．００〜２６．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ） ０．００〜 ６．００
を含み、
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）が、＞０．００ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％であり、
ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が１２．０ｍｏｌ％〜２８．０ｍｏｌ％であり、
Ｒ２Ｏが≧１６．０ｍｏｌ％である場合、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３の合計が１２．０ｍｏｌ％〜１５．０ｍｏｌ％である、
アルミノリン酸ガラス組成物。
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