JP6502286B2 - Method of manufacturing single crystal fiber - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー装置などに用いられるチタンが添加されたサファイアからなる単結晶ファイバの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a titanium-doped sapphire single crystal fiber used for a laser device or the like.
超短パルス発振が可能であることなどによりチタンサファイアレーザーが注目されている。チタンサファイアレーザーは、上記特性により、超短パルスおよびこれに伴う非線形現象の研究に利用されている。チタンサファイアレーザーは、固体レーザーの一種であり、レーザー媒質にはチタン(Ti)を添加したサファイアが用いられている。チタンは、三価のイオン(Ti3+)の状態でサファイア中に存在している。 A titanium sapphire laser has attracted attention because of its ability to generate ultrashort pulses. The titanium-sapphire laser is used for the study of ultrashort pulses and the associated non-linear phenomena due to the above characteristics. A titanium-sapphire laser is a type of solid-state laser, and sapphire (titanium) -doped sapphire is used as a laser medium. Titanium is present in sapphire in the form of trivalent ions (Ti 3+ ).
上述したようなレーザー媒質などに用いられるTi3+が添加されたサファイア単結晶ファイバの製造においては、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材の一端を炭酸ガスレーザーにより加熱溶融し、種結晶を溶融部に接触させて上方に移動させている(非特許文献1参照)。母材はチョクラルスキー法などにより作製されたバルクのTi3+添加サファイア単結晶から機械加工により成形されている。 In the manufacture of a sapphire single crystal fiber to which Ti 3+ is added, which is used for the above-mentioned laser medium etc., one end of the base material is heated and melted by a carbon dioxide gas laser in an atmosphere containing argon and hydrogen to It is moved in contact with the melting portion and moved upward (see Non-Patent Document 1). The base material is formed by machining from bulk Ti 3+ -added sapphire single crystal manufactured by the Czochralski method or the like.
図4のフローチャートを用いて簡単に説明すると、ステップS201で、バルクのTi3+添加サファイア単結晶を機械加工により成形することで母材部を作製する。図5に示すように、円柱の母材部201を作製する。
This will be briefly described using the flowchart of FIG. 4. In step S201, a base material portion is manufactured by forming bulk Ti 3+ -added sapphire single crystal by machining. As shown in FIG. 5, a columnar
次に、ステップS202で、例えば、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材の一端を炭酸ガスレーザーにより加熱溶融し、溶融している母材部の一端より単結晶ファイバを引き上げる。図6に示すように、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材部201の端部にCO2レーザー光231を照射して加熱し、溶融して溶融部202を形成する。ここに、軸方向上部から種結晶210を接触させ、単結晶ファイバ203を引き上げる。母材部201は鉛直方向の下から、溶融部202(レーザー照射部)に向けてせり上げられ、溶融部202から上方向に作製された単結晶ファイバ203が引き上げられる。
Next, in step S202, for example, one end of the base material is heated and melted by a carbon dioxide gas laser in an atmosphere containing argon and hydrogen, and the single crystal fiber is pulled up from one end of the molten base material portion. As shown in FIG. 6, the end portion of the
溶融部202においては、Ti3+の一部が酸化されて四価のチタンイオン(Ti4+)に価数変化するため、作製された単結晶ファイバ203には、Ti4+が含まれた状態となる。このTi4+が原因となって発振波長の0.8μm付近に吸収を生じることが知られており、Ti4+をTi3+に再変換する必要がある。従来の技術では、Ti4+をTi3+にするために、ステップS203で、還元雰囲気で3日間、1800℃程度での加熱処理を実施している。
In the
しかしながら、上述した技術では、まず、ファイバ引き上げ時の加熱を、水素を含む雰囲気で実施しており、作業が容易ではないという問題があった。また、Ti4+をTi3+にするための加熱処理に長期間を必要としており、この点でも作業が容易ではないという問題があった。 However, in the above-described technique, first, heating at the time of pulling the fiber is performed in an atmosphere containing hydrogen, and there is a problem that the operation is not easy. In addition, heat treatment for converting Ti 4+ to Ti 3+ requires a long time, and this also causes a problem that the operation is not easy.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易にTi3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが製造できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to more easily manufacture a sapphire single crystal fiber to which Ti 3+ is added.
本発明に係る単結晶ファイバの製造方法は、サファイアから構成された柱状部を用意する第1工程と、柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムの少なくとも1つの層からなるチタン還元層およびチタン還元層を覆う酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする第2工程と、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンが添加した溶融部を形成し、溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなるファイバを引き上げる第3工程とを備える。 The method for producing a single crystal fiber according to the present invention comprises a first step of preparing a columnar portion made of sapphire, and a titanium reduction layer comprising at least one layer of titanium monoxide, titanium or aluminum on the side surface of the columnar portion And the second step of forming an aluminum oxide layer made of aluminum oxide covering the titanium reduction layer to form a base material portion, and one end of the base material portion is melted by a laser melting pedestal growth method to add titanium ions to aluminum oxide Forming a molten portion, and pulling up a fiber made of sapphire to which trivalent titanium ions are added from the molten portion.
上記単結晶ファイバの製造方法において、第2工程において、チタン還元層と柱状部との間、もしくはチタン還元層と酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタンからなる酸化チタン層を形成してもよい。この場合、酸化チタン層は、柱状部の側面を取り巻く筒型に形成すればよい。 In the method of manufacturing a single crystal fiber, in the second step, a titanium oxide layer composed of titanium trioxide may be formed between the titanium reduction layer and the columnar part or between the titanium reduction layer and the aluminum oxide layer. . In this case, the titanium oxide layer may be formed in a cylindrical shape surrounding the side surface of the columnar portion.
上記単結晶ファイバの製造方法において、第2工程において、チタン還元層は、柱状部の側面を取り巻く筒型に形成すればよい。 In the method of manufacturing a single crystal fiber, in the second step, the titanium reduction layer may be formed in a tubular shape surrounding the side surface of the columnar portion.
上記単結晶ファイバの製造方法において、柱状部は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成するとよい。 In the method of manufacturing a single crystal fiber, the columnar portion may be made of sapphire which does not contain tetravalent titanium ions.
以上説明したことにより、本発明によれば、より容易にTi3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが製造できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, an excellent effect can be obtained that a sapphire single crystal fiber to which Ti 3+ is added can be manufactured more easily.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における単結晶ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a single crystal fiber according to an embodiment of the present invention.
まず、第1工程S101で、サファイアから構成された柱状部を用意する。柱状部は、例えば、直径240μm程度の円柱に形成されていればよい。なお、柱状部の断面形状は、円形に限らず、3角形、4角形、5角形、6角形、8角形、長円などであってもよい。 First, in the first step S101, a columnar portion made of sapphire is prepared. The columnar portion may be formed in, for example, a cylinder having a diameter of about 240 μm. The cross-sectional shape of the columnar part is not limited to a circle, and may be a triangle, a tetragon, a pentagon, a hexagon, an octagon, an oval or the like.
次に、第2工程S102で、上述した柱状部の側面に一酸化チタン(TiO)、チタン、またはアルミニウムの少なくとも1つの層からなるチタン還元層およびチタン還元層を覆う酸化アルミニウム(Al2O3)からなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする。チタン還元層は、チタン層のみまたはTiO層のみから構成してもよく、チタン層とTiO層との積層構造としてもよい。またチタンとアルミニウムの合金層としてもよい。なお、この工程において、チタン還元層と柱状部との間、もしくはチタン還元層と酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタン(Ti2O3)からなる酸化チタン層を形成してもよい。 Next, in a second step S102, an aluminum oxide (Al 2 O 3) covering a titanium reduction layer and a titanium reduction layer consisting of at least one layer of titanium monoxide (TiO), titanium, or aluminum on the side surface of the above-mentioned columnar part ) To form a base material portion. The titanium reduction layer may be composed of only a titanium layer or only a TiO layer, or may be a laminated structure of a titanium layer and a TiO layer. Alternatively, an alloy layer of titanium and aluminum may be used. In this step, a titanium oxide layer composed of titanium trioxide (Ti 2 O 3 ) may be formed between the titanium reduction layer and the columnar part, or between the titanium reduction layer and the aluminum oxide layer.
例えば、図2に示すように、母材部100は、酸化アルミニウムの単結晶(コランダム)であるサファイアから構成された円柱101と、円柱101の側面を取り巻く状態に形成されたTi2O3からなる酸化チタン層102と、酸化チタン層102の外側側面を取り巻く状態に形成されたチタン層(チタン還元層)103と、チタン層103の外側側面を取り巻く状態に形成された酸化アルミニウム層104とを備える。酸化チタン層102、チタン層103、および酸化アルミニウム層104は、筒型に形成されている。
For example, as shown in FIG. 2, the
上述した各層は、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などにより形成できる。また、酸化チタン層102は、層厚0.11μmとし、チタン層103は、層厚0.22μmとし、酸化アルミニウム層104は、層厚0.2μmとすればよい。また、円柱101は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成するとよい。また、円柱101(柱状部)は、レーザー発振などを阻害する他の添加元素などが含まれていない方がよい。なお、円柱101(柱状部)は、三価のチタンイオンが含まれていても何ら問題は無い。
Each layer described above can be formed by, for example, an electron beam evaporation method, a sputtering method, or the like. The
次に、第3工程S103で、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンを添加した溶融部を形成し、溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなる単結晶ファイバを引き上げる。 Next, in the third step S103, one end of the base material is melted by laser melting pedestal growth to form a melted portion in which titanium ions are added to aluminum oxide, and trivalent titanium ions are added from the melted portion. Pull out a sapphire single crystal fiber.
例えば、図3に示すように、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気で、母材部100の端部にCO2レーザー光151を照射して加熱し、溶融して溶融部105を形成する。ここに、軸方向上部から種結晶131を接触させ、サファイアからなる単結晶ファイバ106を引き上げる(非特許文献2参照)。引き上げた単結晶ファイバ106においては、三価のチタンイオンが添加された状態となる。なお、図3は、母材部100および単結晶ファイバ106の軸方向に平行な断面を破断図で示している。
For example, as shown in FIG. 3, the end portion of the
上述したファイバの引き上げにおいて、サファイアを溶融させるために加熱温度は2040℃程度となっている。最外層の酸化アルミニウム層を構成する酸化アルミニウムの融点は2030℃とサファイアの融点とほぼ等しい。一方、チタン(金属チタン)の融点は1660℃である。また、酸化チタン(Ti2O3)の融点は、1900℃である。なお、TiOの融点は、1730℃である。 The heating temperature is about 2040 ° C. in order to melt the sapphire in the above-described pulling of the fiber. The melting point of aluminum oxide constituting the outermost aluminum oxide layer is approximately equal to 2030 ° C., which is the melting point of sapphire. On the other hand, the melting point of titanium (metallic titanium) is 1660 ° C. The melting point of titanium oxide (Ti 2 O 3 ) is 1900 ° C. The melting point of TiO is 1730 ° C.
従って、チタン層103およびTi2O3からなる酸化チタン層102は、溶融部105に到達する前に溶融して溶融部105に到達する。一方、酸化アルミニウム層104は、固相のまま溶融部105に達して溶融する。溶融部105では、円柱101の成分と、酸化チタン層102、チタン層103、酸化アルミニウム層104の成分が、液体(融液)の状態で混合される。従って、溶融部105には、Ti2O3から生成されるTi3+に加え、金属チタンから生成される2価のチタンイオン(Ti2+)が混入する。チタン還元層をTiO層とした場合、これより生成されるTi2+が含まれることになる。
Therefore, the
この状態の溶融部105に、種結晶131を接触させ、種結晶131を上方に移動すると、溶融部105から単結晶ファイバ106が得られる。ここで、一部のTi3+が溶融部105において酸化されてTi4+となっても、チタン層103から生成される金属チタンの作用により還元されTi3+にもどる。チタン層の代わりにTiO層を用いても同様である。また、金属チタンやTiOから生成されるTi2は、酸化されてTi3となる。この結果、最終的に得られる単結晶ファイバ106においては、Ti4+は含まれない状態となる。このため、第3工程S103において雰囲気に水素は不要である。また、形成した単結晶ファイバ106の加熱処理も不要である。なお、単結晶ファイバ106におけるTi3+濃度は0.18at%程度となる。
When the
なお、柱状部は、無添加のサファイアに限らず、Ti3+が添加されていてもよい。例えば、チョクラルスキー法などバルク結晶成長法により作製されたTi3+添加サファイア単結晶を機械加工することで、柱状部としてもよい。また、上述したTi3+添加サファイア単結晶からレーザー溶融ペデスタル成長法でより細い柱状(ファイバ)とした柱状部を作製して用いてもよい。このように、Ti3+添加サファイアを用いる場合、Ti2O3からなる酸化チタン層を形成する必要は無い。 The columnar part is not limited to non-doped sapphire but may be added with Ti 3+ . For example, the columnar portion may be formed by machining a Ti 3+ -added sapphire single crystal manufactured by a bulk crystal growth method such as the Czochralski method. Moreover, you may produce and use the columnar part made into a thinner columnar (fiber) from the Ti <3+> addition sapphire single crystal mentioned above by the laser melting pedestal growth method. Thus, when using Ti 3+ -doped sapphire, there is no need to form a titanium oxide layer of Ti 2 O 3 .
なお、柱状部に、Ti4+が含まれていても、チタン還元層の厚さ、単結晶ファイバの成長条件などを適宜に設定することで、含まれているTi4+を還元してTi3+とすることが可能である。ただし、柱状部には、Ti4+が含まれていない方が、Ti4+が含まれない単結晶ファイバの製造が容易である。 Note that the columnar portion, also contain Ti 4+, the thickness of the titanium reduction layer, by setting as appropriate to the growth conditions of single crystal fibers, by reducing the Ti 4+ contained Ti It can be 3+ . However, the columnar portion, it does not contain Ti 4+ is, it is easy to manufacture the single crystal fiber that do not contain Ti 4+.
以上に説明したように、本発明によれば、サファイアからなる柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムからなるチタン還元層を形成して母材部としたので、より容易にTi3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが、Ti4+を含まない状態で製造できるようになる。 As described above, according to the present invention, since a titanium reduction layer made of titanium monoxide, titanium or aluminum is formed on the side surface of the columnar portion made of sapphire to form the base material portion, Ti 3 can be more easily made. A sapphire single crystal fiber doped with + can be manufactured without including Ti 4 + .
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、蒸着法やスパッタリング法などに限らず、ゾルゲル法、多結晶焼結法、イオンプレーティング法など、他の方法でチタン還元層や酸化アルミニウム層を形成してもよいことは言うまでも無い。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear. For example, it goes without saying that the titanium reduction layer and the aluminum oxide layer may be formed by other methods such as sol-gel method, polycrystalline sintering method, ion plating method, etc. .
100…母材部、101…円柱、102…酸化チタン層、103…チタン層(チタン還元層)、104…酸化アルミニウム層、105…溶融部、106…単結晶ファイバ、131…種結晶、151…CO2レーザー光。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムの少なくとも1つの層からなるチタン還元層および前記チタン還元層を覆う酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする第2工程と、
レーザー溶融ペデスタル成長法により、前記母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンが添加した溶融部を形成し、前記溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなるファイバを引き上げる第3工程と
を備えることを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。 A first step of preparing a columnar portion made of sapphire;
A second step of forming a titanium reduction layer consisting of at least one layer of titanium monoxide, titanium or aluminum and an aluminum oxide layer consisting of aluminum oxide covering the titanium reduction layer on the side surface of the columnar part to form a base material part When,
One end of the base material is melted by laser melting pedestal growth to form a melted portion in which titanium ions are added to aluminum oxide, and a fiber made of sapphire to which trivalent titanium ions are added is pulled up from the melted portion. And a third step of manufacturing a single crystal fiber.
前記第2工程において、前記チタン還元層と前記柱状部との間、もしくは前記チタン還元層と前記酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタンからなる酸化チタン層を形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。 In the method of manufacturing a single crystal fiber according to claim 1,
In the second step, a titanium oxide layer composed of titanium trioxide is formed between the titanium reduction layer and the columnar part, or between the titanium reduction layer and the aluminum oxide layer. Fiber manufacturing method.
前記第2工程において、前記酸化チタン層は、前記柱状部の側面を取り巻く筒型に形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。 In the method of manufacturing a single crystal fiber according to claim 2,
In the second step, the titanium oxide layer is formed in a cylindrical shape surrounding a side surface of the columnar portion.
前記第2工程において、前記チタン還元層は、前記柱状部の側面を取り巻く筒型に形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。 In the method of manufacturing a single crystal fiber according to any one of claims 1 to 3,
In the second step, the titanium reduction layer is formed in a cylindrical shape surrounding a side surface of the columnar portion.
前記柱状部は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成することを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。 In the method of manufacturing a single crystal fiber according to any one of claims 1 to 4,
The method for manufacturing a single crystal fiber, wherein the columnar portion is made of sapphire which does not contain tetravalent titanium ions.
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