JPH05294722A - 固体レーザ用多結晶透明yagセラミックスの製造方法 - Google Patents

固体レーザ用多結晶透明yagセラミックスの製造方法

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JPH05294722A
JPH05294722A JP4091156A JP9115692A JPH05294722A JP H05294722 A JPH05294722 A JP H05294722A JP 4091156 A JP4091156 A JP 4091156A JP 9115692 A JP9115692 A JP 9115692A JP H05294722 A JPH05294722 A JP H05294722A
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JP
Japan
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yag
ceramics
powder
production
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JP4091156A
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English (en)
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Akio Ikesue
明生 池末
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Kurosaki Refractories Co Ltd
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Kurosaki Refractories Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種レーザ発光元素を添加し、良質の光学的
特性を有する透明YAGセラミックスを比較的簡単に製
造する手段を見出す。 【構成】 原料粉末の純度が99.9重量%以上で、そ
れぞれの一次粒子径が0.1〜5μm及び0.01〜2
μmのAl2 3 及びY2 3 粉末をYAG(Y3 Al
5 12)組成となるように秤量し、これにランタニド元
素及びCr、Ti元素の1種以上を添加して混練成形
後、1600〜1850℃の温度により焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振素子として
好適に使用されるガーネット構造を有し、化学式がY3
Al5 12として表される透明化したイットリウム・ア
ルミニウム・ガーネット(YAG)セラミックスの製造
に関する。
【0002】
【従来の技術】YAGは、発光に関与する元素として、
Nd、Ho等のランタニド元素を添加し、チョコラルス
キー法、フローティングゾーン法あるいはブリッジマン
法にて単結晶化することによってレーザ光を発振するこ
とが可能となる。
【0003】YAGレーザは、添加元素により発振波長
が異なり、高出力なレーザ光が得られることから、ファ
イバー分岐用光源や各種材料の切断、溶接、アニールま
たは近年SHG素子を用い波長変換することによる微細
加工及びレーザメス等、多岐に亘って利用されている。
【0004】単結晶を合成する場合に、単結晶を育成す
る装置や育成に用いるイリジウム坩堝が極めて高価であ
ること、育成温度が約2000℃を必要とし、かつ育成
速度が0.2〜0.3mm/hrと極めて遅く、製造コ
スト及び製造時間がかかりすぎること、装置1基に対し
1本の単結晶ロッドしか得られず生産性が低いこと、単
結晶ロッドの径が50mm前後の小さなものしか得られ
ないこと、さらにはNdを添加する場合には、添加元素
の偏析が起こるため添加元素濃度を1原子%以上にでき
ない等、様々な問題が存在している。
【0005】近年、透明YAGセラミックスの合成法と
して、たとえば、特開平1−264963号公報、特開
平2−283663号公報に記載されているが、これら
は複雑な湿式法により複合粉末を合成しなくてはなら
ず、製造コストの面で問題があり、また光学特性の点で
も不十分である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、各種レーザ発光元素を添加し、良質の光学的特性
を有する透明YAGセラミックスを比較的簡単に製造す
る手段を見出すことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の透明YAGセラ
ミックスの合成法は、原料粉末の純度が99.9重量%
以上で、それぞれの一次粒子径が0.1〜5μm及び
0.01〜2μmのAl2 3 及びY2 3 粉末をYA
G(Y3 Al5 12)組成となるように秤量し、これに
ランタニド元素及びCr、Ti元素の1種以上を添加し
て混練成形後、1600〜1850℃の温度により焼成
することによって前記目的を達成した。
【0008】
【作用】本発明は、適正な純度及び粒度のAl2 3
2 3 粉末を用い、ランタニド元素及びCr、Ti元
素成分を添加し、適正な条件下での合成を行うことで、
レーザ発振機能が付加された透明な高密度焼結体を得る
ことができ、大型のセラミックスレーザを工業的に安価
に製造することが可能となる。
【0009】本発明で使用するAl2 3 、Y2 3
それぞれの原料粉末の合成プロセスは、特には限定され
ないが、焼結性、すなわち、低温焼結の観点及び反応焼
結の観点からいえば、易焼結性で、かつ粒子径もできる
だけ小さい方が望ましい。
【0010】Al2 3 、Y2 3 粉末をYAG組成に
秤量するとき、ランタニド元素成分を添加する場合はY
2 3 の一部を、またCr、Ti元素成分を添加する場
合にはAl2 3 の一部を置換する。添加に際しては、
硫酸塩,硝酸塩等の塩類、アルコキシド、酸化物粉末を
使用できるが、適用する添加方法について特に限定され
るものではない。
【0011】この配合にアルコール等の有機溶媒又は蒸
留水を加え、ポットミル中で混合する。この混合された
粉末を減圧下又は常圧下で乾燥させる。得られた均一な
混合粉末は、一軸プレスまたは冷間等方圧プレス等によ
って所定形状に成形する。次いで1600〜1850℃
の温度で5〜100時間、酸素ガス,水素ガス中、また
は10-1Torr以上の真空中で焼成することによっ
て、また場合によっては、HPやHIPで処理すること
によっても透明度の高い高密度YAGセラミックスが得
られる。
【0012】本発明では、焼結中に出発原料であるAl
2 3 、Y2 3 粉末が反応をしながら焼結が進行して
いくが、最初にY4 Al2 9 が生成し、その後YAl
3が生成し、次いでこのYAlO3 が残存するAl2
3 と反応して最終的にYAGとなる。この焼結過程に
おいて、使用粉末の反応性が低い場合は、焼結の最終段
階まで光学的に異方性を示すYAlO3 が残存し、焼結
体の透明度を著しく低下させることとなる。
【0013】本発明では、透明度の高い高密度YAGセ
ラミックスを製造するためには、Al2 3 及びY2
3 の粒度が重要であることが判明しており、Al2 3
及びY2 3 粉末の沈降速度の差による混練後の不均一
な混合状態を防ぎ、またAl2 3 及びY2 3 の静電
的差異(凝集力の差)を利用してAl2 3 粉末の周り
に小径のY2 3 粉末を付着させることによって、混合
状態を均一にするため、Al2 3 及びY2 3 のそれ
ぞれ一次粒子形状を、0.1〜5μm及び0.01〜2
μmの範囲とするのが望ましい。
【0014】上記粒度とすることによって、粒子径の大
きなAl2 3 粉末の周りに粒子径の小さなY2 3
付着させ混合状態を均一にすることができるばかりでな
く、焼結中にAl2 3 の周りのY2 3 が優先的に反
応し、焼結中の粒成長を抑制する効果がある。すなわ
ち、Al2 3 とY2 3 とを混合して単純に焼結した
場合、粒成長と同時に焼結中に上記YAlO3 が生成さ
れ、このYAlO3 相は密度が5.35g/cm3 と高
いため、この相を経由して密度の低いYAGが生成して
いく際に焼結体が膨張し、密度上昇が阻害されて透明度
を向上させることはできない。これを上記したようにそ
れぞれ粒子径の異なる適正な2種類の粉末を使用するこ
とによって、焼結中の粒成長を抑制し且つ膨張減少を解
消し、透明度の高い高密度なYAGセラミックスが得ら
れる。
【0015】また、焼結助剤としてSiO2 成分を添加
する際には、硫酸塩,硝酸塩等の塩類、アルコキシド、
SiO2 粉末そのものを使用できるが、適用する添加方
法について特に限定されるものではない。SiO2 は、
焼結体末期のYAGセラミックス粒子を若干粒成長させ
ると同時に、前述した光学的異方性を示すYAlO3
Al2 3 等の異相の除去を促進させる効果があり、S
iO2 の添加により焼成時間を極めて短縮できる。また
焼結温度を低下させることもできる。SiイオンはAl
イオンと置換できることから、焼結体中に異物として存
在することはなく、したがって光学的特性を低下させる
要因にはならない。しかし、所定量以上を添加した場合
には、粒界中にSiO2 が析出したり、また異常粒成長
を起こして不均一な組織となり、光学的性質を低下させ
る要因となる。また、SiO2 量が少ない場合には、そ
の効果を十分に発揮できず、特定の範囲に限定される。
【0016】
【実施例】Al2 3 、Y2 3 それぞれの粉末を合量
100g秤量し、ポットミル中へそれぞれの粉末とエチ
ルアルコール300cc、さらにアルミナボール500
gを入れ、24時間混合した。混合した粉末を500m
mHgの減圧下で乾燥し、乾燥した粉末を乳鉢で軽く再
混合した。
【0017】この粉末を直径50mm、高さ15mmの
タブレットに仮成形後、ラバープレスにより成形圧10
00kg/cm2 で成形した。
【0018】この成形体を電気炉に入れ、100℃/h
rで昇温し、所定温度にて5時間焼成後、100℃/h
rで冷却した。得られた焼結体は直径15mm、厚さ1
mmの試料に加工した。試料の両面は1μmのダイヤモ
ンドペーストにより鏡面仕上げした。
【0019】表1に示す実施例1〜19は、純度99.
99重量%のAl2 3 及びY2 3 粉末の組成比を4
2.9:57.1(すなわちモル比で5:3)とするこ
とを基準とし、ランタニド元素及びCr、Ti元素成分
の添加量によってAl2 3、Y2 3 量を調節したも
の、またAl2 3 及びY2 3 粉末の粒度をそれぞれ
0.5〜2μm、0.01〜0.8μmの範囲で変動さ
せたもの、さらには焼結温度を1600〜1800℃ま
で変化させた結果を示す。なお、ランタニド元素及びC
r、Ti元素成分としてNd、Ho、Tm、Crのみの
記載となっているが、他の添加物質においても同等の結
果が得られた。
【0020】
【表1】 表2に示す実施例20〜27は同じく純度99.99重
量%のAl2 3 、Y2 3 粉末のそれぞれの粒度を
0.5μm、0.07μmと固定した。これに前記と同
様のランタニド元素を添加し、さらに焼結助剤としてS
iO2 を添加し、真空中で焼成したときの結果を示す。
ここでは、ランタニド元素としてNdのみの記載となっ
ているが、他の添加物質においても同等の結果が得られ
た。
【0021】
【表2】 比較例 市販されているNd:YAG(0.6at%)単結晶を
同じ試料サイズに切り出し、両面研磨後、透過率を測定
したところ、波長700nmでの透過率が80%であっ
た。
【0022】表3に示す比較例1〜8は、市販のAl2
3 、Y2 3 粉末(粒度10μm、3μm)を使用し
た場合、または、Al2 3 あるいはY2 3 のどちら
かの粉末が特許請求範囲外であるもの、さらにはこれに
特許請求範囲内のSiO2 を添加した場合の結果を示
す。さらには特許請求範囲内のAl2 3 、Y2 3
末にSiO2 を特許請求範囲外の添加量加えた場合の結
果を示す。
【0023】
【表3】 表1及び表2に示す実施例においては、いずれも市販の
YAG単結晶と略同等の透過率のものを製造できた。
【0024】また、粒度の大きな粉末を使用した場合、
あるいはどちらかの粉末が特許請求範囲外の粒度の粉末
を用いた場合は、粉末の反応性が低いために焼結体中に
光学的異方性を示す相が多く存在し、このため透過率は
向上しなかった。さらに、この配合に特許請求範囲内の
SiO2 を添加しても透過率の向上は見られない。ま
た、SiO2 の添加量が50ppm未満の場合には、焼
結促進の効果は全く見られず、逆に添加量が10000
ppmを超えると、異常粒成長が起こり透過率が低くな
った。
【0025】
【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏すること
ができる。
【0026】(1)アルコキシドや共沈法等の複雑でか
つコスト的に高価な湿式法による粉末合成も必要とせ
ず、比較的簡単なプロセスによって単結晶とほぼ同等の
光学的特性を有する透明なYAGセラミックスの合成が
可能となる。
【0027】(2)得られた各種元素を添加した透明な
YAGセラミックスは、レーザ発振小ロッドとして好適
に使用される。
【0028】(3)得られた各種元素を添加した透明な
YAGセラミックスは、従来の単結晶に比較してレーザ
発振に寄与する元素を高濃度にすることが可能であるの
で、高出力のレーザが発振でき、従来の単結晶より小型
化できる。
【0029】(4)製造法自体が従来とは異なるセラミ
ックス技術により、合成が可能であるので、製造コスト
の大幅低下、製造工程の大幅短縮、さらには大型ロッド
やスラブの作成が可能である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年6月3日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、レーザ発振子として好適に使用されるYAG単結
晶と同等またはそれ以上の光学的特性を有する多結晶透
明YAGセラミックスを製造する手段を提供することに
ある。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原料粉末の純度が99.9重量%以上
    で、それぞれの一次粒子径が0.1〜5μm及び0.0
    1〜2μmのAl2 3 及びY2 3 粉末をYAG(Y
    3 Al5 12)組成となるように秤量し、これにランタ
    ニド元素及びCr、Ti元素の1種以上を添加して混練
    成形後、1600〜1850℃の温度により焼成する固
    体レーザ用多結晶透明イットリウム・アルミニウム・ガ
    ーネット・セラミックスの製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の記載において、焼結助剤とし
    てSiO2 成分を50〜10000ppmの範囲で添加
    してなる固体レーザ用多結晶透明イットリウム・アルミ
    ニウム・ガーネット・セラミックスの製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0877453A1 (en) * 1996-09-04 1998-11-11 Fanuc Ltd. Laser oscillator
JP2008258627A (ja) * 2007-04-03 2008-10-23 Topcon Corp Qスイッチマイクロレーザ装置と利用方法
US7691765B2 (en) 2005-03-31 2010-04-06 Fujifilm Corporation Translucent material and manufacturing method of the same
DE10392603B4 (de) * 2002-05-29 2018-01-18 Osram Gmbh Leuchtstoffpulver, Verfahren zum Herstellen des Leuchtstoffpulvers und Verwendung eines Leuchtstoffpulvers

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