JP6137044B2

JP6137044B2 - 磁気光学材料及び磁気光学デバイス

Info

Publication number: JP6137044B2
Application number: JP2014095107A
Authority: JP
Inventors: 真憲碇
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-05-02
Also published as: JP2015212209A

Description

本発明は、磁気光学材料並びに磁気光学デバイスに関し、より詳細には光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な希土類酸化物を含む透光性セラミックス又は単結晶からなる磁気光学材料、並びに該磁気光学材料を用いた磁気光学デバイスに関する。

近年、高出力化が可能となってきたこともあり、ファイバーレーザーを用いたレーザー加工機の普及が目覚しい。ところで、レーザー加工機に組み込まれるレーザー光源は、外部からの光が入射すると共振状態が不安定化し、発振状態が乱れる現象が起こる。特に発振された光が途中の光学系で反射されて光源に戻ってくると、発振状態は大きく撹乱される。これを防止するために、通常光アイソレータが光源の手前等に設けられる。

光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子とからなる。また、ファラデー回転子は、光の進行方向に平行に磁界を加えて利用する。このとき、光の偏波線分はファラデー回転子中を前進しても後進しても一定方向にしか回転しなくなる。更に、ファラデー回転子は光の偏波線分が丁度４５度回転される長さに調整される。ここで、偏光子と検光子の偏波面を前進する光の回転方向に４５度ずらしておくと、前進する光の偏波は偏光子位置と検光子位置で一致するため透過する。他方、後進する光の偏波は検光子位置から４５度ずれている偏光子の偏波面のずれ角方向とは逆回転に４５度回転することになる。すると、偏光子位置における戻り光の偏波面は偏光子の偏波面に対して４５度−（−４５度）＝９０度のずれとなり、偏光子を透過できない。こうして前進する光は透過、出射させ、後進する戻り光を遮断する光アイソレータとして機能する。

上記光アイソレータを構成するファラデー回転子として用いられる材料では、従来からＴＧＧ結晶（Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）やＴＳＡＧ結晶（Ｔｂ_(3-x)Ｓｃ₂Ａｌ₃Ｏ₁₂）が知られている（特開２０１１−２１３５５２号公報（特許文献１）、特開２００２−２９３６９３号公報（特許文献２））。ＴＧＧ結晶のベルデ定数は比較的大きく、４０ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）であり、現在標準的なファイバーレーザー装置用として広く搭載されている。ＴＳＡＧ結晶のベルデ定数はＴＧＧ結晶の１．３倍程度あるとされており、こちらもファイバーレーザー装置に搭載される材料である。

上記以外では、特開２０１０−２８５２９９号公報（特許文献３）に、（Ｔｂ_xＲ_1-x）₂Ｏ₃（ｘは、０．４≦ｘ≦１．０）であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム及びルテチウムよりなる群から選択される酸化物を主成分とする単結晶あるいはセラミックスが開示されている。上記成分からなる酸化物は、ベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上あり、実施例では最大０．３３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のものまで記載がある。また、同一文献の本文中にはＴＧＧのベルデ定数が０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）とも記載されている。両者のベルデ定数の差は実に２．５倍に達している。

また、特開２０１１−１２１８３７号公報（特許文献４）、あるいは特開２０１３−９１６０１号公報（特許文献５）にも類似成分からなる酸化物が開示されており、ＴＧＧ単結晶よりも大きなベルデ定数を有すると記載されている。

上記特許文献３、４、５のように、ベルデ定数の大きな光アイソレータが得られると、ファラデー回転子における４５度回転するために必要な全長を短くすることができ、光アイソレータの小型化につながり好ましい

ところで、単位長さあたりのベルデ定数が非常に大きな材料として、鉄（Ｆｅ）を含むイットリウム鉄ガーネット（通称：ＹＩＧ）単結晶がある（特開２０００−２６６９４７号公報（特許文献６））。ただし、鉄（Ｆｅ）は波長０．９μｍに大きな光吸収があり、波長０．９〜１．１μｍ帯の光アイソレータにはこの光吸収の影響が出る。そのため、このイットリウム鉄ガーネット単結晶を用いた光アイソレータは、高出力化傾向の著しいファイバーレーザー装置での利用は困難となっている。

特開２０１１−２１３５５２号公報特開２００２−２９３６９３号公報特開２０１０−２８５２９９号公報特開２０１１−１２１８３７号公報特開２０１３− ９１６０１号公報特開２０００−２６６９４７号公報

しかしながら、上記特許文献３、４、５に開示されている（Ｔｂ_xＲ_1-x）₂Ｏ₃酸化物は、確かに特許文献１に開示されているＴＧＧ結晶、あるいは特許文献３の本文中で言及されているＴＧＧ結晶に比べ、ベルデ定数が１．４〜２．５倍と非常に大きいが、該酸化物はその利用が想定される波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー光をわずかながら吸収してしまう。近年のファイバーレーザー装置ではその出力のハイパワー化が進んでいることから、イットリウム鉄ガーネットのように大きな吸収があるのは論外としても、わずかに吸収のある光アイソレータであっても、そこに搭載すると熱レンズ効果によるビーム品質の劣化をまねき問題となる。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー光の吸収が抑制され、そのため高出力のレーザー光に対しても熱レンズが発生しにくく、ベルデ定数がＴＧＧ結晶よりも大きく、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な磁気光学材料及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、下記の磁気光学材料及び磁気光学デバイスを提供する。
〔１〕下記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式（１）で表される希土類酸化物の単結晶からなり、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることを特徴とする磁気光学材料。
（Ｔｂ_xＧｄ_yＲ_1-x-y）₂Ｏ₃ （１）
（式中、ｘは０．３以上１未満、ｙは０．１以上０．３以下、ｘ＋ｙ＜１であり、Ｒはイットリウム、ルテチウム、ツリウム、ホルミウム、スカンジウム、イッテルビウムよりなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素である。）
〔２〕光路長１０ｍｍとして波長１０６４ｎｍのレーザー光をビーム径１．６ｍｍで入射させた場合、熱レンズが発生しないレーザー光の入射パワーの最大値が３０Ｗ以上であることを特徴とする〔１〕記載の磁気光学材料。
〔３〕光路長１０ｍｍ当たりの波長１０６４ｎｍの光の透過率が７０％以上である〔１〕又は〔２〕記載の磁気光学材料。
〔４〕立方晶の結晶構造を有することを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の磁気光学材料。
〔５〕更に、焼結助剤又はフラックスを含有することを特徴とする〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の磁気光学材料。
〔６〕上記焼結助剤又はフラックスが、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化カルシウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化ケイ素、酸化ストロンチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの酸化物であって、その添加量が５質量％以下であることを特徴とする〔５〕記載の磁気光学材料。
〔７〕〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載の磁気光学材料を用いて構成されることを特徴とする磁気光学デバイス。
〔８〕上記磁気光学材料をファラデー回転子として備え、該ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えた波長帯０．９μｍ以上１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータである〔７〕記載の磁気光学デバイス。
〔９〕上記ファラデー回転子は、その光学面に反射防止膜を有することを特徴とする〔８〕記載の磁気光学デバイス。

本発明によれば、高濃度にテルビウムを含むことでベルデ定数をＴＧＧ結晶よりも１．４倍以上大きくすることができ、且つ一定割合でガドリニウムを含むことで波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー装置に搭載してもビーム品質を劣化させることなく、小型化の可能な、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な磁気光学材料を提供できる。

本発明に係る磁気光学材料をファラデー回転子として用いた光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。

［磁気光学材料］
以下、本発明に係る磁気光学材料について説明する。
本発明に係る磁気光学材料は、下記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式（１）で表される希土類酸化物の単結晶からなり、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることを特徴とするものである。
（Ｔｂ_xＧｄ_yＲ_1-x-y）₂Ｏ₃ （１）
（式中、ｘは０．３以上１未満、ｙは０．１以上０．３以下、ｘ＋ｙ＜１であり、Ｒはイットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ツリウム（Ｔｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ユーロピウム（Ｅｕ）よりなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素である（ただし、ユーロピウム単独は除く）。）

テルビウム（Ｔｂ）は、鉄（Ｆｅ）を除く常磁性元素のなかで最大のベルデ定数をもつ材料であり、かつ波長１．０６μｍにおいて透明（光路長１ｍｍにおける光の透過率が８０％以上）であるため、この波長域の光アイソレータに使用するには最も適した元素である。ただし、この透明性を活かすためにはテルビウムが金属結合状態であってはならず、安定な化合物状態に仕上げる必要がある。

ここで、安定で透明な化合物を形成する最も典型的な形態として酸化物が挙げられる。即ち、テルビウムを含む系からなる酸化物が波長域１．０６μｍの光アイソレータに使用するには好ましい。

ただし、テルビウムは酸化物であっても、そのままでは相変化の影響が出るため、単結晶を引き上げることも、焼結によって透光性セラミックスを作製することも難しい。そこでテルビウムの酸化物と同じ結晶構造を有し、イオン半径がテルビウムのそれよりわずかに小さい希土類元素であって、更に１０００℃以下での相変化のないものであって、かつ波長１．０６μｍにおける透明性の高い元素をテルビウム酸化物に酸化物として固溶させる必要がある。

そのような元素として、イットリウム、ルテチウム、ツリウム、ホルミウム、スカンジウム、イッテルビウムが好適に利用できる。ただし、これらの希土類元素を１種類ないしは複数種類含み、かつテルビウムと固溶させた酸化物を作製してみると、その利用が想定される波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー光をわずかながら吸収してしまうという事実が実験から確認された。

ところが、そこへテルビウムのイオン半径よりわずかに大きな希土類元素であるガドリニウムを含んだ酸化物を作製してみると、その利用が想定される波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー光をわずかながら吸収してしまう課題が低減されることが同じく実験から確認された。

なお、テルビウムよりイオン半径がわずかに大きく、更に１０００℃以下での相変化のない元素としてユーロピウムも挙げられる。ただし、ユーロピウムを大量に固溶させると、立方晶構造が不安定化するという別の課題も確認された。そのため、ユーロピウムは本発明の希土類酸化物に含めることは可能であるが、ガドリニウムのように積極的に主成分として大量に含ませない方が好ましい。

いずれにせよ本発明にあっては、上記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は上記式（１）で表される希土類酸化物の単結晶からなる磁気光学材料が、その利用が想定される波長帯０．９〜１．１μｍでのわずかな吸収がより低減され、そのため熱レンズを生じさせずに入射できる入射パワーの最大値が増大することが判明した。

上記式（１）中、Ｒとしてはイットリウム、ルテチウム、ツリウム、ホルミウム、スカンジウム、イッテルビウム、ユーロピウムよりなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素を含むもの（ただし、ユーロピウム単独は除く）であれば特に限定されず、その他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、希土類元素であればエルビウム（Ｅｒ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、セリウム（Ｃｅ）が例示でき、様々な不可避的な不純物群として、希土類酸化物作製時に用いる金属容器由来の鉄、クロム、燐、また高温処理容器由来のタングステン、モリブデン等が典型的に例示できる。

その他の元素の含有量は、モル比としてテルビウムの全量を１００としたとき、１０以下であることが好ましく、１以下であることが更に好ましく、０．１以下であることがより好ましく、０．００１以下（実質的にゼロ）であることが特に好ましい。

ここで、Ｒは１種類の元素単独であってもよいし、複数のＲが任意の比率で含まれていてもよく、特に制限されない。これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒとしては、イットリウム、ルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。

式（１）中、ｘは０．３以上１未満であり、０．３以上０．８以下であることが好ましく、０．４５以上０．７５以下であることが更に好ましい。ｘが０．３未満であると、高いベルデ定数を得ることができない。また、ｘが上記範囲内であると高いベルデ定数が得られ、更に透明性に優れるので好ましい。特にｘが０．８以下であると、テルビウムの相変化の影響によるクラックの発生が抑制されるので好ましい。

式（１）中、ｙは０．１以上０．３以下である。ｙが上記範囲内であると、その利用が想定される波長帯０．９〜１．１μｍのファイバーレーザー光をわずかながら吸収してしまう課題が低減され、更に異相の析出も抑えられる。
なお、上記式（１）において、テルビウム及びガドリニウムのモル比合計は１未満であり、希土類元素Ｒのモル比との合計で１となる。

本発明の磁気光学材料は、上記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含有する。即ち、本発明の磁気光学材料は、上記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。

ここで、主成分として含有するとは、上記式（１）で表される希土類酸化物を５０質量％以上含有することを意味する。式（１）で表される希土類酸化物の含有量は８０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましく、９５質量％以上であることが更に好ましく、９７質量％以上であることが特に好ましい。

一般的に例示される、その他の副成分（主成分以外の成分）としては、単結晶育成の際にドープされるドーパント、フラックス、セラミックス製造の際に添加される焼結助剤等があり、マグネシウム、チタン、ケイ素、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、バリウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物などが例示できる。なかでもセラミックス製造の際に添加される焼結助剤として好適な副成分としては、チタン、ケイ素、カルシウム、アルミニウム、バリウム、ジルコニウム、ハフニウムの酸化物、ないしは炭酸塩が典型的に例示できる。

本発明の磁気光学材料の製法としては、フローティングゾーン法、マイクロ引下げ法などの単結晶製造方法、並びにセラミックス製造法があり、いずれの製法を用いても構わない。ただし、一般に単結晶製造方法では固溶体の濃度比の設計に一定程度の制約があり、セラミックス製造法の方が本発明ではより好ましい。

以下、本発明の磁気光学材料の製造方法の例としてセラミックス製造法について更に詳述するが、本発明の技術的思想を踏襲した単結晶製造方法を排除するものではない。

《セラミックス製造法》
［原料］
本発明で用いる原料としては、テルビウム及びガドリニウム、並びに希土類元素Ｒ（Ｒは、イットリウム、ルテチウム、ツリウム、ホルミウム、スカンジウム、イッテルビウム、ユーロピウムよりなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素である（ただし、ユーロピウム単独は除く）。）からなる本発明の磁気光学材料の構成元素となる希土類金属粉末、ないしは硝酸、硫酸、尿酸等の水溶液、あるいは上記希土類の酸化物粉末等が好適に利用できる。

それらを、テルビウム、ガドリニウム及びＲの酸化物としてのモル比が上記式（１）の範囲となるように所定量秤量し、混合してから焼成して所望の構成の複合酸化物を得る方法が好ましい。なお、これら原料の純度は９９．９質量％以上が好ましい。

また、最終的には所望の構成の希土類酸化物粉末を用いてセラミックス製造をすることになるが、その際の粉末形状については特に限定されず、例えば角状、球状、板状の粉末が好適に利用できる。また、二次凝集している粉末であっても好適に利用できるし、スプレードライ処理等の造粒処理によって造粒された顆粒状粉末であっても好適に利用できる。

更に、これらの原料粉末の調製工程については特に限定されない。共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、その他あらゆる合成方法で作製された原料粉末が好適に利用できる。また、得られた原料粉末を適宜湿式ボールミル、ビーズミル、ジェットミルや乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。

本発明で用いる希土類酸化物粉末原料中には、適宜焼結抑制助剤（上記焼結助剤）を添加してもよい。特に高い透光性を得るためには、テルビウム酸化物、及びガドリニウム酸化物、またはＲとして選択される希土類元素酸化物の組合せに見合った焼結抑制助剤を添加することが好ましい。ただし、その純度は９９．９質量％以上が好ましい。なお、焼結抑制助剤を添加しない場合には、使用する原料粉末についてその一次粒子の粒径がナノサイズであって焼結活性が極めて高いものを選定するとよい。こうした選択は適宜なされてよい。

更に、製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。こうした有機添加剤としては分散剤、結合剤、可塑剤、潤滑剤、離型剤などが例示できる。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、可塑剤、潤滑剤、離型剤等が好適に利用できる。

［製造工程］
本発明では、上記原料粉末を用いて、所定形状にプレス成形した後に脱脂を行い、次いで焼結して、相対密度が最低でも９１％以上に緻密化した焼結体を作製する。その後工程として熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）処理を行うことが好ましい。

（プレス成形）
本発明の製造方法においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧するＣＩＰ（ＣｏｌｄＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓ）工程が利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のＣＩＰ装置で対応可能な３００ＭＰａ以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。

（脱脂）
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解消去できる温度まで昇温することが好ましい。

（焼結）
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されないが、不活性ガス、酸素、水素、真空等が好適に利用できる。

本発明の焼結工程における焼結温度は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には選択された出発原料を用いて、製造しようとする希土類酸化物焼結体の融点よりも数１０℃から１００℃乃至は２００℃程度低温側の温度が好適に選定される。また、選定される温度の近傍に立方晶以外の相に相変化する温度帯が存在する希土類酸化物焼結体を製造する際には、厳密にその温度以下となるように管理して焼結すると、立方晶から非立方晶への相転移が事実上発生しないため材料中に光学歪やクラックなどが発生し難いメリットがある。

本発明の焼結工程における焼結保持時間は、選択される出発原料により適宜調整される。一般的には数時間程度で十分な場合が多い。ただし、焼結工程後の希土類酸化物焼結体の相対密度は最低でも９１％以上に緻密化されていなければならない。

（熱間等方圧プレス（ＨＩＰ））
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス（ＨＩＰ（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓ））処理を行う工程を設けることができる。

なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はＡｒ−Ｏ₂、Ａｒ−ＳＯ₂が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、５０〜３００ＭＰａが好ましく、１００〜３００ＭＰａがより好ましい。圧力５０ＭＰａ未満では透光性改善効果が得られない場合があり、３００ＭＰａ超では圧力を増加させてもそれ以上の透光性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のＨＩＰ装置で処理できる１９６ＭＰａ以下であると簡便で好ましい。

また、その際の処理温度（所定保持温度）は材料の種類及び／又は焼結状態により適宜設定すればよく、例えば１０００〜２０００℃、好ましくは１１００〜１６５０℃の範囲で設定される。このとき、焼結工程の場合と同様に焼結体を構成する希土類酸化物の融点以下及び／又は相転移点以下とすることが必須であり、熱処理温度が２０００℃超では本発明で想定している希土類酸化物焼結体が融点を超えるか相転移点を超えてしまい、適正なＨＩＰ処理を行うことが困難となる。また、熱処理温度が１０００℃未満では焼結体の透光性改善効果が得られない。なお、熱処理温度の保持時間については特に制限されないが、焼結体を構成する希土類酸化物の特性を見極めながら適宜調整するとよい。

なお、ＨＩＰ処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）が好適に利用できる。

（光学研磨）
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た透光性希土類酸化物焼結体（透光性セラミックス）について、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度はλ／８以下が好ましく、λ／１０以下が特に好ましい（λ＝６３３ｎｍである）。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。

［磁気光学デバイス］
本発明の磁気光学材料は、磁気光学デバイス用途に好適であり、特に波長０．９〜１．１μｍの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。

図１は、本発明の磁気光学材料からなるファラデー回転子を光学素子として有する光学デバイスである光アイソレータの一例を示す断面模式図である。図１において、光アイソレータ１００は、本発明の磁気光学材料からなるファラデー回転子１１０を備え、該ファラデー回転子１１０の前後には、偏光材料である偏光子１２０及び検光子１３０が備えられている。また、光アイソレータ１００は、ファラデー回転子１１０の光学軸上に偏光子１２０、ファラデー回転子１１０、検光子１３０の順序で配置され、それらの側面のうちの少なくとも１面に磁石１４０が載置されていることが好ましい。

また、上記光アイソレータ１００は産業用ファイバーレーザー装置に好適に利用できる。即ち、レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。

以下に、実施例、参考例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、原料粉の一次粒径は、レーザー光回折法による重量平均値として求めた。

［実施例１〜１４、参考例１、比較例１〜５］
上記式（１）で表される希土類酸化物を主成分とする透光性セラミックスを作製した。
まず、信越化学工業（株）製の酸化テルビウム粉末、酸化ガドリニウム粉末、酸化イットリウム粉末、酸化ルテチウム粉末、酸化ツリウム粉末、酸化ホルミウム粉末、酸化スカンジウム粉末、酸化イッテルビウム粉末、酸化ユーロピウム粉末を用意した。純度はいずれも９９．９質量％以上であった。これらの原料粉の一次粒径はいずれも約２００ｎｍであった。更に焼結助剤として、第一稀元素化学工業（株）製酸化ジルコニウム粉末、アメリカンエレメンツ社製酸化ハフニウム粉末、和光純薬工業（株）製酸化アルミニウム粉末、関東化学（株）製の酸化チタン、炭酸カルシウム、炭酸バリウムの各粉末群を入手した。これらはいずれも純度９９．９質量％以上であった。

上記原料を用いて、テルビウムとガドリニウムのモル比率を変えながら、これらと式（１）の希土類元素Ｒとしてイットリウムと固溶させた系、ルテチウムと固溶させた系、ツリウムと固溶させた系、ホルミウムと固溶させた系、イッテルビウムと固溶させた系、更にスカンジウムやユーロピウムも固溶させた四元系の作製を行なった。ここで、それぞれの系の固溶比率（モル比率）が表１に示すものとなるように上記原料粉末を秤量し、用意した。また、表１に示すようにそれぞれの実施例のサンプルには酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム等の焼結抑制助剤を適宜添加した。

上記各原料に、更に有機分散剤と有機結合剤を加えた後、エタノール中でジルコニア製ボールミル分散・混合処理した。処理時間は２４時間であった。その後、スプレードライ処理を行って平均粒径が２０μｍの顆粒原料（出発原料）を作製した。
次に、得られた出発原料を直径４０ｍｍの金型に充填し、一軸プレス成形機で厚さ６ｍｍのロッド状に仮成形した後、１９８ＭＰａの圧力で静水圧プレスしてＣＩＰ成形体を得た。続いて得られたＣＩＰ成形体をマッフル炉に入れ、大気中８００℃で３時間熱処理して脱脂した。
次いで、得られた脱脂済み成形体を真空加熱炉に仕込み、１００℃／ｈの昇温レートで１５００〜１７００℃まで昇温し、３時間保持してから６００℃／ｈの降温レートで冷却して焼結体を得た。この際、サンプルの焼結相対密度が９２％以上となるよう焼結温度や保持時間を調整した。
更に、上記焼結体について、加圧媒体としてＡｒガスを用いて、ＨＩＰ熱処理温度１５００〜１７００℃、圧力１９０ＭＰａで保持時間３時間のＨＩＰ処理を行った。
こうして得られた各セラミックス焼結体を、長さ１０ｍｍになるように研削及び研磨処理し、次いでそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ／８（λ＝６３３ｎｍ）で最終光学研磨し、更に中心波長が１０６４ｎｍとなるように設計された反射防止膜をコートした。ここで得られたサンプルの光学外観もチェックした。

図１に示すように、得られた各セラミックスサンプルの前後に偏光素子をセットしてから磁石を被せ、ＩＰＧフォトニクスジャパン（株）製ハイパワーレーザー（ビーム径１．６ｍｍ）を用いて、両端面から、波長１０６４ｎｍのハイパワーレーザー光線を入射して、透過率とベルデ定数、並びに熱レンズの発生しない入射パワーの最大値を測定した。

（透過率の測定方法）
透過率は、波長１０６４ｎｍの光を透過させたときの光の強度により測定され、以下の式に基づいて求めた。
透過率＝Ｉ／Ｉo×１００
（式中、Ｉは透過光強度（長さ１０ｍｍの試料を透過した光の強度）、Ｉoは入射光強度を示す。）

（ベルデ定数の測定方法）
ベルデ定数Ｖは、以下の式に基づいて求めた。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
（式中、θはファラデー回転角（ｍｉｎ）、Ｖはベルデ定数、Ｈは磁界の大きさ（Ｏｅ）、Ｌはファラデー回転子の長さ（この場合、１ｃｍ）である。）

（熱レンズの発生しない入射パワーの最大値の測定方法）
熱レンズの発生しない入射パワーの最大値は、それぞれの入射パワーの光を１．６ｍｍの空間光にして出射させ、そこへファラデー回転子を挿入した際の焦点距離の変化が０．１ｍ以下となるときの最大入射パワーを読み取ることにより求めた。
なお、使用したハイパワーレーザーは最大出力が１００Ｗまでのため、これ以上の熱レンズ評価はできなかった。
これらの結果をすべて表２にまとめて示す。

上記結果より、テルビニウムの固溶比率を０．３以上にするとベルデ定数が０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）となり、またガドリニウムの固溶比率を０．３以下にすると無色透明の透光性セラミックス焼結体が得られ、かつガドリニウムの固溶比率を０．１以上にすると熱レンズの発生しない入射パワーの最大値が３０Ｗ以上となることが確認された。更に、テルビニウムとガドリニウム以外の固溶元素の選択が特に好ましい組合せの場合には、熱レンズの発生しない入射パワーの最大値が８０Ｗ以上にまで改善されることも確認された。
逆に、比較例１からテルビニウムの固溶比率０．２以下ではベルデ定数０．１ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）未満と小さいことも明らかとなった。またガドリニウムの固溶比率が０．４以上の場合（比較例２、３）には透光性が損なわれ、０．０５以下の場合（比較例４）には熱レンズの発生しない入射パワーの最大値が２０Ｗ以下にとどまってしまうことも判明した。

なお、これまで本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１００光アイソレータ
１１０ファラデー回転子
１２０偏光子
１３０検光子
１４０磁石

Claims

下記式（１）で表される希土類酸化物を主成分として含む透光性セラミックス又は下記式（１）で表される希土類酸化物の単結晶からなり、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数が０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることを特徴とする磁気光学材料。
（Ｔｂ_xＧｄ_yＲ_1-x-y）₂Ｏ₃ （１）
（式中、ｘは０．３以上１未満、ｙは０．１以上０．３以下、ｘ＋ｙ＜１であり、Ｒはイットリウム、ルテチウム、ツリウム、ホルミウム、スカンジウム、イッテルビウムよりなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素である。）
光路長１０ｍｍとして波長１０６４ｎｍのレーザー光をビーム径１．６ｍｍで入射させた場合、熱レンズが発生しないレーザー光の入射パワーの最大値が３０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気光学材料。
光路長１０ｍｍ当たりの波長１０６４ｎｍの光の透過率が７０％以上である請求項１又は２記載の磁気光学材料。
立方晶の結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気光学材料。
更に、焼結助剤又はフラックスを含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の磁気光学材料。
上記焼結助剤又はフラックスが、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化カルシウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化ケイ素、酸化ストロンチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの酸化物であって、その添加量が５質量％以下であることを特徴とする請求項５記載の磁気光学材料。
請求項１〜６のいずれか１項記載の磁気光学材料を用いて構成されることを特徴とする磁気光学デバイス。
上記磁気光学材料をファラデー回転子として備え、該ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えた波長帯０．９μｍ以上１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータである請求項７記載の磁気光学デバイス。
上記ファラデー回転子は、その光学面に反射防止膜を有することを特徴とする請求項８記載の磁気光学デバイス。