JPWO2005098096A1 - Self-coated single crystal and manufacturing apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents

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承生 福田
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Abstract

結晶育成後に特別の工程を経ることなく外周が特性の異なる層でコーティングされたセルフコーティングされた単結晶を提供することを目的とする。本発明のセルフコーティングされた単結晶は、コア及びクラッドとなる結晶材料を単一の坩堝に溶融し、単結晶を引上げ法もしくは引き下げ法を用いて結晶成長する過程において、成長した単結晶がアズグロウスの状態で結晶の外周にコアより屈折率が低いクラッドがセルフコートされていることを特徴とする。An object of the present invention is to provide a self-coated single crystal whose outer periphery is coated with layers having different characteristics without passing through a special process after crystal growth. The self-coated single crystal of the present invention is obtained by melting a crystal material to be a core and a clad into a single crucible and growing the single crystal in an as-grown manner in the process of crystal growth using a pulling method or a pulling method. In this state, the outer periphery of the crystal is self-coated with a clad having a refractive index lower than that of the core.

Description

本発明は、単結晶の育成時点(as growth:アズグロウス)のままの状態ですでに外周にコーティング層(内部とは異なる特性を有する層)が形成されているいわゆるセルフコーティングされた単結晶並びにその製造装置及び製造方法に関する。   The present invention relates to a so-called self-coated single crystal in which a coating layer (a layer having characteristics different from the inside) has already been formed on the outer periphery in a state in which the single crystal is grown (as growth). The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method.

特開平10−265293号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-265293 特開平8−259375号公報JP-A-8-259375 特開平11−278994号公報JP 11-278994 A 特開平10−251098号公報JP-A-10-251098

光学活性なイオンを含む結晶は固体レーザーやシンチレータデバイス等、多くの発光媒質に使われている。固体レーザーは、ガスレーザーと比べレーザー動作物質の密度が高いため数10n秒のパルス波で100MWもの高出力が得られる。また、半導体レーザーを励起光源とし高効率化を図ることも可能である。Ybを用いたレーザーは、Ndを用いたレーザーよりも量子効率が良く、また励起準位と発光準位が同じためレーザー発振過程による発熱が少なく高出力レーザーとして有力である。   Crystals containing optically active ions are used in many luminescent media such as solid state lasers and scintillator devices. Solid lasers have a higher density of laser operating materials than gas lasers, so high power of 100 MW can be obtained with a pulse wave of several tens of nanoseconds. It is also possible to increase the efficiency by using a semiconductor laser as an excitation light source. A laser using Yb has better quantum efficiency than a laser using Nd, and the excitation level and the emission level are the same, so there is little heat generated by the laser oscillation process, and it is promising as a high-power laser.

しかしながら、いずれの発光媒質においても発光過程で光は全方向に輻射され、検出器方向に輻射された僅かな光しか取り出すことが出来ず、本質的な損失が大きい。また、励起に伴う発熱は、熱複屈折効果や熱レンズ効果、Thermal populationによる出力光の強度低下やビームの品質劣化を引き起こすため、高出力の連続発振は困難である。そのために従来は特殊なコーティングを後加工工程として設けていた。   However, in any light emitting medium, light is radiated in all directions during the light emission process, and only a small amount of light radiated in the direction of the detector can be extracted, resulting in a substantial loss. Further, the heat generated by the excitation causes a thermal birefringence effect, a thermal lens effect, a decrease in the intensity of output light due to the thermal population, and a deterioration in beam quality. For this purpose, a special coating has been conventionally provided as a post-processing step.

すなわち、結晶の表面コーティングがなされていない結晶では、発光過程で光は全方向に輻射され、検出器方向に輻射された僅かな光しか取り出すことが出来ず、本質的な損失が大きい。そのため、シンチレータ用の結晶など発光量が弱いデバイスでは輻射された光を集めるために結晶の表面コーティングを行い発光強度を高めている。 That is, in a crystal without a surface coating of the crystal, light is radiated in all directions during the light emission process, and only a small amount of light radiated in the direction of the detector can be extracted, resulting in a substantial loss. For this reason, in a device with low light emission, such as a scintillator crystal, the surface of the crystal is coated to increase the emission intensity in order to collect the emitted light.

一方、各種材料の単結晶の育成方法として現在用いられている方法には、Cz法やブリッジマン法、EFG法や水熱合成法、溶液成長、エピタキシャル成長、薄膜法など数多くある。この方法では単結晶を得るために多大なコスト、日数が必要なため、新規材料開発速度の妨げになっている。また、作製後の結晶の切り出しによる切代などが生じるため歩留まりが悪く、また全面加工の必要があり、結晶の価格は高くなってしまう。   On the other hand, as methods for growing single crystals of various materials, there are many methods such as Cz method, Bridgman method, EFG method, hydrothermal synthesis method, solution growth, epitaxial growth, and thin film method. This method requires a great deal of cost and days to obtain a single crystal, which hinders the speed of new material development. In addition, since a cutting margin or the like due to the cutting of the crystal after production occurs, the yield is poor, and the entire surface needs to be processed, and the cost of the crystal becomes high.

上記単結晶の育成方法に対し、マイクロ引き下げ法が知られている(特許文献1、特許文献2、特許文献3)。例えば、特許文献1には、その段落番号(0025)や図1に、具体的装置が記載されている。また、特許文献3の図3にも装置の具体的構成が記載されている。   As a method for growing the single crystal, a micro pulling-down method is known (Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). For example, Patent Document 1 describes a specific device in paragraph number (0025) and FIG. Further, FIG. 3 of Patent Document 3 also describes a specific configuration of the apparatus.

特許文献1、特許文献2に記載された技術においては、他の融液成長法と比較すると、1桁ないし2桁高い速度で結晶成長が可能である。そのため、結晶の製造に要する時間が短く、少量の原料により有意な大きさ、高品質の単結晶が得られる。また、坩堝の底部細孔から結晶を引き出すため、融液上面に浮遊する不純物を除去せずに育成できる。   In the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, crystal growth is possible at a rate one or two orders of magnitude higher than other melt growth methods. Therefore, the time required for the production of crystals is short, and a single crystal having a significant size and high quality can be obtained with a small amount of raw materials. Further, since the crystal is pulled out from the bottom pore of the crucible, it can be grown without removing impurities floating on the upper surface of the melt.

しかし、特許文献1や特許文献2に記載された技術においても、作製された結晶を光学素子として使用する際には、結晶作製後に結晶を目的サイズに切り出し、結晶全面の研磨、コーティング加工をしなければならない。   However, even in the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, when the produced crystal is used as an optical element, the crystal is cut into a target size after the crystal is produced, and the entire crystal is polished and coated. There must be.

また、熱伝導性の点に関しても、結晶の熱伝導率は結晶固有であるため、熱伝導率が低い発光媒質では励起に伴う発熱を逃がすことが出来ず、熱複屈折効果や熱レンズ効果、Thermal populationによる出力光の強度低下やビームの品質劣化を引き起こすため、高出力高品質の連続発振は困難である。   In terms of thermal conductivity, since the thermal conductivity of the crystal is unique to the crystal, the luminescent medium with low thermal conductivity cannot release the heat generated by excitation, the thermal birefringence effect, the thermal lens effect, High output and high quality continuous oscillation is difficult because it causes a drop in output light intensity and beam quality degradation due to thermal population.

本発明者はこのマイクロ引き下げ法をフッ化物に適用に、装置及び製造方法を検討し(特許文献1)、直径1mm程度の結晶育成に成功した。しかし、同方法で育成した結晶を固体レーザーやシンチレータ等の各種用途にその材料が適しているかの評価をする場合、それに合わせた形状の結晶が必要であることがわかってきた。   The present inventor has applied this micro-pulling method to fluorides, studied an apparatus and a manufacturing method (Patent Document 1), and succeeded in growing crystals having a diameter of about 1 mm. However, when evaluating whether a crystal grown by the same method is suitable for various applications such as a solid-state laser and a scintillator, it has been found that a crystal having a shape corresponding to the material is necessary.

特許文献4には、コア部を構成する酸化物単結晶材料を第1の坩堝内に溶解させ第1の溶融物とし、クラッド部を構成する酸化物単結晶の材料を第2の坩堝内で溶解させて第2の坩堝溶融物とし、第1、第2の溶融物を種結晶に接触させた後、第1の溶融物を引き下げつつ第2の溶融物を第1の熔融物に接触するようにして引き下げる。これにより、コア部とクラッド部を一体化しつつ引き下げるものである。   In Patent Document 4, an oxide single crystal material constituting a core portion is dissolved in a first crucible to form a first melt, and an oxide single crystal material constituting a clad portion is dissolved in a second crucible. After melting and making the second crucible melt, the first and second melts are brought into contact with the seed crystal, and then the second melt is brought into contact with the first melt while lowering the first melt. And pull it down. Thereby, it pulls down, integrating a core part and a clad part.

しかし、この技術においては加熱方法が難しく、条件出しが大変困難である。また、コア部、クラッド部の両方にそれぞれ個別に種付けを行うものである。しかし、コア部とクラッド部の両方に種付けを行うことは実際上極めて難しい。
第1の坩堝と第2の坩堝との位置関係を精密に制御しないとクラッド部の厚みが偏肉してしまう。
However, in this technique, the heating method is difficult, and it is very difficult to determine the conditions. In addition, seeding is separately performed on both the core part and the clad part. However, it is practically very difficult to seed both the core portion and the clad portion.
If the positional relationship between the first crucible and the second crucible is not precisely controlled, the thickness of the clad portion will be uneven.

本発明では、結晶育成後に特別の工程を経ることなく外周が特性の異なる層でコーティングされたセルフコーティングされた単結晶を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a self-coated single crystal whose outer periphery is coated with layers having different characteristics without passing through a special process after crystal growth.

本発明のセルフコーティングされた単結晶は、コア及びクラッドとなる結晶材料を単一の坩堝に溶融し、単結晶を引上げ法もしくは引き下げ法を用いて結晶成長する過程において、成長した単結晶がアズグロウスの状態で結晶の外周にコアより屈折率が低いクラッドがセルフコートされていることを特徴とする。   The self-coated single crystal of the present invention is obtained by melting a crystal material to be a core and a clad into a single crucible and growing the single crystal in an as-grown manner in the process of crystal growth using a pulling method or a pulling method. In this state, the outer periphery of the crystal is self-coated with a clad having a refractive index lower than that of the core.

前記単結晶は、マイクロ引下げ法により育成された単結晶であることを特徴とする。
前記単結晶は、発光媒質用単結晶であることを特徴とする。
前記単結晶は、固体レーザー、シンチレータ用の単結晶であることを特徴とする。
The single crystal is a single crystal grown by a micro pulling method.
The single crystal is a single crystal for a light emitting medium.
The single crystal is a single crystal for a solid laser or a scintillator.

上記セルフコーティングは、融液と結晶界面近傍の温度分布が、温度差により融液中の特定の構成成分の溶解度が選択的に下がり、結果としてクラッドの組成となり、セルフコーティングを起こす温度分布となっていることで、セルフコーティングが実現されることを特徴とする。
前記クラッド材となる材料は、コア材となる材料に希土類元素ないし遷移元素を添加した材料であることを特徴とする。
In the above self-coating, the temperature distribution in the vicinity of the melt-crystal interface selectively decreases the solubility of specific constituents in the melt due to the temperature difference, resulting in a clad composition and a temperature distribution that causes self-coating. Therefore, self-coating is realized.
The material to be the cladding material is a material in which a rare earth element or a transition element is added to the material to be the core material.

クラッド材がそれぞれ無添加の材料を用い、一方、コアの材料が、希土類元素もしくは遷移元素といった賦活剤を添加した材料が好適に用いられる。一般的に元素添加をしたものの方が数℃〜数十℃融点が下がるので、外側(クラッド部)の温度が低いと、外周(クラッド部)に無添加の結晶が成長する。   Each of the cladding materials is preferably an additive-free material, while the core material is preferably a material to which an activator such as a rare earth element or a transition element is added. In general, the element-added one has a melting point of several degrees C. to several tens of degrees C. Therefore, when the temperature of the outer side (cladding part) is low, an additive-free crystal grows on the outer periphery (cladding part).

無添加の結晶の方が熱伝導率は高く、また、屈折率も小さいので、熱を効率的に逃がせるのと、内部から外部に出ようとする光も全反射現象により、外に出ることを抑えることができ、結果として結晶の長手方向のみから光が取り出せるというメリットが得られる。   The additive-free crystal has higher thermal conductivity and smaller refractive index, so that heat can be released efficiently and light that is going to go out from the inside also goes out due to the total reflection phenomenon. As a result, there is an advantage that light can be extracted only from the longitudinal direction of the crystal.

前記単結晶のコア材としては、Yb:YAG(YAl12)、Nd:YAG(YAl12)、Yb:LuAG(LuAl12)、Nd:LuAG(LuAl12)、Ti:Sapphire(α−Al)、Cr:Sapphire(α−Al)、Ce:GSO(GdSiO)、Ce:LSO(LuSiO)、Ce:LiCAF(LuCaAlLiF)、Ho:LuLF(LuLiF)、HoTm:YLF(YLiF)、Ce:PrF、LN(LiNbO)、LT(LiTaO)のいずれかの材料からなることを特徴とする。
クラッド部は、それぞれ、無添加の材料が好適に用いられる。例えば、無添加Al(サファイア)からなる。
Wherein as the core material of the single crystal, Yb: YAG (Y 3 Al 5 O 12), Nd: YAG (Y 3 Al 5 O 12), Yb: LuAG (Lu 3 Al 5 O 12), Nd: LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 ), Ti: Sapphire (α-Al 2 O 3 ), Cr: Sapphire (α-Al 2 O 3 ), Ce: GSO (Gd 2 SiO 5 ), Ce: LSO (Lu 2 SiO 5 ) , Ce: LiCAF (LuCaAlLiF 6 ), Ho: LuLF (LuLiF 4 ), HoTm: YLF (YLiF 4 ), Ce: PrF 3 , LN (LiNbO 3 ), LT (LiTaO 3 ) Features.
For the clad part, an additive-free material is preferably used. For example, it is made of additive-free Al 2 O 3 (sapphire).

本発明のセルフコーティングされた単結晶の製造方法は、融点の異なる材料を単一の坩堝に溶解し、固液界面において中心部からエッジ部に向かい温度が低くなるような温度勾配も設けて引き下げないし引上げ法により結晶成長を行うことを特徴とする。
温度勾配は、B/Sを所定の値にすることにより制御することができる。すなわち、本発明の単結晶の製造装置は、坩堝の底部に形成された孔から単結晶の引下げ育成を行うための単結晶の製造装置において、該孔の出口側の周囲に、坩堝の内径(B)の5倍以下の外径(S)を有する平面状の突部(shaperという)を設けたことを特徴とする。
The method for producing a self-coated single crystal according to the present invention involves melting materials with different melting points in a single crucible, and providing a temperature gradient that lowers the temperature from the center to the edge at the solid-liquid interface. Or crystal growth is performed by a pulling method.
The temperature gradient can be controlled by setting B / S to a predetermined value. That is, the single crystal manufacturing apparatus of the present invention is a single crystal manufacturing apparatus for pulling and growing a single crystal from a hole formed at the bottom of the crucible. A planar protrusion (referred to as a shaper) having an outer diameter (S) not more than 5 times that of B) is provided.

1.2<(B/S)<5であることを特徴とする。
1.5<B/S<4.5であることを特徴とする。
坩堝下の突起部周辺を考えると、突起部は坩堝の一部であるので、それ自体も発熱しており、また、坩堝Bodyからの熱伝導もあるので、高温である。しかしながら、同じ高さの面内を考えると、突起部の外周近くで温度が下がるような分布をしている。ただし、坩堝bodyの外周が十分に大きい場合、突起部周辺の温度分布も突起部の有無を無視できるほど均等になる。その閾値がB/S=5となっていることを見出したものである。
1.2 <(B / S) <5.
It is characterized by 1.5 <B / S <4.5.
Considering the vicinity of the protrusion under the crucible, the protrusion is a part of the crucible, so it itself generates heat, and there is also heat conduction from the crucible Body, so the temperature is high. However, considering the in-plane of the same height, the distribution is such that the temperature decreases near the outer periphery of the protrusion. However, when the outer periphery of the crucible body is sufficiently large, the temperature distribution around the protrusion is also uniform so that the presence or absence of the protrusion can be ignored. It has been found that the threshold value is B / S = 5.

本発明の単結晶の製造方法は、坩堝の底部に形成された孔の出口側の周囲に、坩堝の内径(B)の5倍以下の外径(S)を有する平面状の突部を設けて単結晶の育成を行うことを特徴とする請求項8記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。
坩堝の底部に形成された孔から単結晶の引下げ育成を行う単結晶の製造方法において、該孔の出口側の周囲に、坩堝の内径(B)の3倍以下の外径(S)を有する平面状の突部を設けて単結晶の育成を行うことを特徴とする。
1.2<B/S<5であることを特徴とする。
1.5<B/S<4.5であることを特徴とする。
クラッドとなる材料は、コアとなる材料より融点の高い材料が用いられる。
不活性ガスを坩堝下方から上に流すことで融液の外側が冷却して所望の温度勾配を実現する。
一般的には坩堝情報から雰囲気ガスが入る。しかるに、アフターヒーターの下方より窒素ガスや]アルゴンガス等の雰囲気ガスを供給することでより冷却が強く行われます。そうなると、特に育成される。
In the method for producing a single crystal of the present invention, a planar protrusion having an outer diameter (S) not more than 5 times the inner diameter (B) of the crucible is provided around the outlet side of the hole formed in the bottom of the crucible. The method for producing a self-coated single crystal according to claim 8, wherein the single crystal is grown.
In the method for producing a single crystal in which the single crystal is pulled and grown from the hole formed in the bottom of the crucible, the outer diameter (S) is not more than three times the inner diameter (B) of the crucible around the outlet side of the hole. A single crystal is grown by providing a planar protrusion.
1.2 <B / S <5.
It is characterized by 1.5 <B / S <4.5.
As the material for the cladding, a material having a higher melting point than the material for the core is used.
By flowing an inert gas from below the crucible, the outside of the melt is cooled to achieve a desired temperature gradient.
Generally, atmospheric gas enters from the crucible information. However, cooling is performed more strongly by supplying atmospheric gas such as nitrogen gas and argon gas from below the after heater. When that happens, it is especially nurtured.

結晶の外側(すなわちSの断面を考えたときの外 周部)は強く冷却されるので、温度が相対的に低くなり、高融点である無添加の結 晶がより優先的に結晶化することになる。
なお、形成する温度勾配は大きいほど好ましい。温度勾配を大きくすることにより、コアとクラッドとの境界領域は狭くなり、より急峻な組成変化を有する単結晶が得られる。
Since the outside of the crystal (ie, the outer periphery when considering the cross section of S) is strongly cooled, the temperature becomes relatively low, and the high-melting point additive-free crystal is preferentially crystallized. become.
The larger the temperature gradient that is formed, the better. By increasing the temperature gradient, the boundary region between the core and the clad is narrowed, and a single crystal having a steeper composition change can be obtained.

セルフコーティングされたロッド状の結晶はマイクロ引き下げ法(μ−PD法)で作製される。μ−PD法は、坩堝内で溶融した原料を坩堝下方先端の穴から引き出すことによって結晶を作製する方法である。結晶組成を目的とする発光媒質から陽イオン比を〜10%程度ずらした組成を出発原料とし、融液内の温度勾配が十分高い時、組成ずれによって生じた屈折率の低い相が対流によって融液の端に運ばれ、結晶をコーティングするように固化する(図1,4)。   Self-coated rod-like crystals are produced by the micro pull-down method (μ-PD method). The μ-PD method is a method for producing a crystal by pulling a raw material melted in a crucible from a hole at the lower end of the crucible. When the starting material is a composition in which the cation ratio is shifted by about 10% from the light emitting medium intended for the crystal composition, and the temperature gradient in the melt is sufficiently high, the low refractive index phase caused by the composition deviation is melted by convection. It is carried to the end of the liquid and solidifies so as to coat the crystal (FIGS. 1 and 4).

ここで、坩堝下方先端部のShaperの幅をS、Bodyの幅をBとし、S:B=1:xとする(図1)。x<5の時、融液内には急峻な温度勾配がつき、結晶はコーティングされる(図2)が、x>5の際には融液に十分な温度勾配がつかず、結晶はコーティングされない(図3)。また、極細ファイバー作製時にはShaperのサイズを抑える必要があり、xが大きくなりセルフコーティングは困難である。この場合には、ArやNガスを坩堝下方から上に流すことで融液の外側が気体によって冷却され、急峻な温度勾配が実現されx〜30でも結晶のコーティングが可能である。
この技術によって、単結晶の加工は2面だけでよく、結晶の加工が容易になった。
Here, the width of the shaper at the lower end of the crucible is S, the width of the body is B, and S: B = 1: x (FIG. 1). When x <5, there is a steep temperature gradient in the melt and the crystal is coated (FIG. 2), but when x> 5, the melt has no sufficient temperature gradient and the crystal is coated. Not (FIG. 3). In addition, it is necessary to suppress the size of the shaper when producing ultrafine fibers, and x becomes large and self-coating is difficult. In this case, Ar or N 2 gas is allowed to flow upward from the bottom of the crucible so that the outside of the melt is cooled by the gas, a steep temperature gradient is realized, and crystals can be coated even at x-30.
This technique makes it easy to process a single crystal by using only two surfaces.

屈折率の高い結晶内部がコアに、コーティング部がクラッドになるため(図2,5)、発光媒質から全方向に輻射された光を全反射によって集めることが可能であり、検出器で得られる発光量の飛躍的な増大が確認された。   Since the inside of the crystal having a high refractive index is the core and the coating portion is the cladding (FIGS. 2 and 5), it is possible to collect the light radiated from the luminescent medium in all directions by total reflection, and it can be obtained by a detector. A dramatic increase in the amount of luminescence was confirmed.

結晶の表面を熱伝導率の高い材料でコーティングすることにより冷却効果が働き、発光過程で生じる発熱を結晶外部に逃がすことが出来る。この結果、高出力励起や連続発振、高温下での発光が可能になる。   By coating the surface of the crystal with a material having a high thermal conductivity, a cooling effect works, and heat generated during the light emission process can be released to the outside of the crystal. As a result, high power excitation, continuous oscillation, and light emission at high temperatures are possible.

結晶の切り出し及び加工は2面だけでよく、歩留まりがよい。また、加工の手間を大幅に省くことが可能であり、低価格での設定が可能である。   The crystal cutting and processing need only be performed on two surfaces, and the yield is good. Moreover, the labor of processing can be saved greatly, and the setting at a low price is possible.

shaperが設けられた坩堝底部を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the crucible bottom part provided with shaper. 図1において、5>xの場合を示す概念図である。In FIG. 1, it is a conceptual diagram which shows the case of 5> x. 図1において、5<xの場合を示す概念図である。In FIG. 1, it is a conceptual diagram which shows the case of 5 <x. 実施例2におけるセルフコーティングされたLN単結晶の外観図である。4 is an external view of a self-coated LN single crystal in Example 2. FIG. 図4に示す単結晶における結晶中の屈折率分布を示すグラフである。It is a graph which shows the refractive index distribution in the crystal | crystallization in the single crystal shown in FIG.

本発明は、底部に孔を有し、融液を収容する坩堝から単結晶を引き下げることにより単結晶を育成する方法(マイクロ引き下げ法)であり、坩堝底孔や坩堝底部の形状を設計することにより、育成結晶の形状を制御できる特徴を持つ。   The present invention is a method of growing a single crystal by pulling a single crystal from a crucible containing a melt and containing a melt (micro pulling method), and designing the shape of the crucible bottom hole and the crucible bottom. Thus, the shape of the grown crystal can be controlled.

坩堝の孔から出る融液は、その濡れ性のため坩堝の外部底部の外面を伝わる。融液がどの範囲まで濡らすかは、坩堝の性質(例えば材料、表面粗度)、孔の性質(例えば、孔の径、長さ)、融液の性質(例えば、材料、温度)によって変わる。坩堝、融液、孔に応じて、濡れの範囲を求める。濡れの範囲内において、shaperを任意の面形状に設計すれば該任意の面形状に対応した結晶が育成される。   The melt coming out of the crucible hole travels on the outer surface of the outer bottom of the crucible due to its wettability. The extent to which the melt wets depends on the nature of the crucible (eg, material, surface roughness), the nature of the pores (eg, hole diameter, length), and the nature of the melt (eg, material, temperature). The range of wetting is determined according to the crucible, melt, and hole. If the shaper is designed to have an arbitrary surface shape within the wet range, crystals corresponding to the arbitrary surface shape are grown.

shaper形は、任意の形状とすることができる。例えば、円、楕円、正方形、長方形、他の多角形であり、また、面形状の寸法も濡れの範囲ならば孔の大きさ以上の任意の寸法に設計することができる。   The shaper shape can be any shape. For example, the shape may be a circle, an ellipse, a square, a rectangle, or another polygon, and the surface shape may be designed to have an arbitrary size larger than the size of the hole as long as the surface is wet.

上記shaperは、坩堝自体に形成してもよいが、所望形状が形成されたshaperを坩堝にとりつけてもよい。
突起物における段差(突起部下部面に対する垂直方向長さは1mm以上とすることが好ましい。1mm以上とすることにより濡れ性の良い融液の上昇をも防ぐことが可能となり任意形状の単結晶を引き下げ形成することが可能となる。なお、上限としては5mmが好ましい。5mmを超えると融液通路が長くなることによる弊害が生ずることもある。1.5mm〜3mmが好ましい。
The shaper may be formed in the crucible itself, or a shaper having a desired shape may be attached to the crucible.
The step in the protrusion (the length in the vertical direction with respect to the lower surface of the protrusion is preferably 1 mm or more. By setting it to 1 mm or more, it is possible to prevent an increase in melt with good wettability, and to form a single crystal of any shape. The upper limit is preferably 5 mm, and if it exceeds 5 mm, the melt passage may be lengthened, and 1.5 to 3 mm is preferable.

濡れの範囲は、坩堝の性質、孔の性質、融液の性質によって変わるが、個々につき予め実験などにより求めておき、それに対応して坩堝底部外面の面形状を設計すればよい。   The range of wetting varies depending on the nature of the crucible, the nature of the holes, and the nature of the melt, but each surface may be previously determined by experimentation and the surface shape of the crucible bottom outer surface may be designed accordingly.

例えば、白金坩堝を使用した場合、白金とフッ化物の濡れ性が比較的良い。よって、坩堝の形状を考慮しなければ融液が坩堝を伝って昇る現象が見られる。逆にこの現象を利用し、坩堝の底面の形状を工夫することにより、結晶の形状を制御できる特徴を持つ。すなわちカーボン坩堝では困難である直径2mm以上の結晶(直径2〜5mm)について育成可能であり、また直径2mm以下についても(直径0.5〜2mm)同様に可能である。   For example, when a platinum crucible is used, the wettability of platinum and fluoride is relatively good. Therefore, if the shape of the crucible is not taken into account, a phenomenon in which the melt rises along the crucible is observed. Conversely, by utilizing this phenomenon and devising the shape of the bottom surface of the crucible, the crystal shape can be controlled. That is, it is possible to grow a crystal having a diameter of 2 mm or more (diameter 2 to 5 mm), which is difficult with a carbon crucible, and also to a crystal having a diameter of 2 mm or less (diameter 0.5 to 2 mm).

この場合、坩堝の底穴は0.2〜0.5mmであり、その孔を有する底面すなわち融液が濡れにより伝わる部分を直径0.5〜5mm程度にすること、また融液が坩堝を伝って昇らないような構造を有することにより、その形状に依存した結晶を育成することができる。   In this case, the bottom hole of the crucible is 0.2 to 0.5 mm, and the bottom surface having the hole, that is, the portion where the melt is transmitted by wetting is set to about 0.5 to 5 mm in diameter, and the melt is transmitted through the crucible. Therefore, a crystal depending on the shape can be grown.

また、坩堝底面の形状を例えば幅0.5mm長さ10mmにすれば板状の結晶が育成可能であり、また例えば3mm角にすれば角状の結晶育成が可能である。   Further, if the shape of the bottom surface of the crucible is, for example, 0.5 mm wide and 10 mm long, a plate-like crystal can be grown, and if it is, for example, 3 mm square, a square crystal can be grown.

例としてYb添加YAGに少量のAl(サファイア)を添加したものを挙げる。少量のサファイアは、重量が軽いため対流により容易にメルトの端まで運ばれる。ここで、サファイアの融点(2050℃)は融液であるYAGの融点(1930℃)よりも高いため、サファイアはメルトの端で冷却されガーネット相をコーティングするように固化する。また添加したYbはガーネット相にのみに入り、発光媒質となる。Yb:YAGは、Ybが添加されることで屈折率が高くなりコアとなり、外側のサファイア相は屈折率の低いクラッドとなる。そのためコアで発光した光は全反射を繰り返し損失無く取り出すことが出来る。As an example, Yb-added YAG is added with a small amount of Al 2 O 3 (sapphire). A small amount of sapphire is light in weight and is easily carried to the end of the melt by convection. Here, since the melting point of sapphire (2050 ° C.) is higher than the melting point of YAG as a melt (1930 ° C.), sapphire is cooled at the end of the melt and solidifies so as to coat the garnet phase. The added Yb enters only the garnet phase and becomes a luminescent medium. When Yb is added, Yb: YAG has a high refractive index and becomes a core, and the outer sapphire phase becomes a clad with a low refractive index. Therefore, the light emitted from the core can be extracted with no loss repeatedly and totally reflected.

さらに、クラッド部のサファイアの熱伝導率は酸化物の中では希土類酸化物についで高く、発光過程で生じる熱を効率よく逃がすことができ、冷却装置を必要とせずに高出力でのレーザー発振が可能であり、デバイスの小型化に期待される。   In addition, the thermal conductivity of sapphire in the cladding is higher than that of rare earth oxides among oxides, so that heat generated during the light emission process can be efficiently released, and laser oscillation at high output is possible without the need for a cooling device. This is possible and is expected to reduce the size of the device.

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
セルフコーティングされた結晶の作製は高周波誘導加熱方式のマイクロ引き下げ(μ−PD法)により行った。坩堝材、及びアフターヒーターにはIr,またはPtを用いた。坩堝は、下方先端に平らなshaperがついたものを使用した。図1に示すように、坩堝底部のShaperの径をS,Body部半径をBと置いたとする。S:B=1:xとした時、1.2<x<5好ましくは1.5<x<4.5の時に結晶はセルフコーティングされた。
これは、図2に示すようにx<5の時にはshaperの中心部とエッジ部の温度差が100℃以上つき、この急峻な温度勾配のためにエッジ部で組成のずれによって生じた相が結晶をコーティングするように固化する。また、図3に示すようにx>5の時にはshaper中心部とエッジ部の温度差が100℃未満になり、結晶はコーティングされ難い。
極細ファイバーの作製時にはShaperのサイズを抑える必要があり、xが大きくなりセルフコーティングは困難である。この場合には、ArやNガスを坩堝下方から上に流すことで融液の外側が気体によって冷却され、急峻な温度勾配が実現されx〜30でも結晶のコーティングが可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The self-coated crystal was produced by high-frequency induction heating type micro-pulling (μ-PD method). Ir or Pt was used for the crucible material and the after heater. A crucible having a flat shaper at the lower end was used. As shown in FIG. 1, it is assumed that the diameter of the shaper at the bottom of the crucible is S and the radius of the body part is B. When S: B = 1: x, the crystals were self-coated when 1.2 <x <5, preferably 1.5 <x <4.5.
As shown in FIG. 2, when x <5, the temperature difference between the central portion and the edge portion of the shaper is 100 ° C. or more, and the phase caused by the composition deviation at the edge portion due to this steep temperature gradient is crystallized. Solidify to coat. Further, as shown in FIG. 3, when x> 5, the temperature difference between the shaper center and the edge becomes less than 100 ° C., and the crystal is difficult to be coated.
It is necessary to suppress the size of the shaper when producing ultrafine fibers, and x becomes large and self-coating is difficult. In this case, Ar or N 2 gas is allowed to flow upward from the bottom of the crucible so that the outside of the melt is cooled by the gas, a steep temperature gradient is realized, and crystals can be coated even at x-30.

セルフコーティングされたLN単結晶作製はPt坩堝、Ptアフターヒーターを用い、Arガスまたは2%酸素混合Arガス雰囲気下で行った。種結晶はLN単結晶を使用した。原料はLiCO(4N),Nb(4N),MnO(4N)粉末を用いた。
出発原料は、陽イオン比がLiMnNb1−x(0<x<0.5)と一致するようにし、800℃で24時間以上焼結したものを用いた。坩堝に原料を1.0gチャージした。結晶は、3.0mm/min以下の成長速度で作製した。得られた結晶は直径1.0mm〜3.0mm程度のファイバーで、x<0.3の時にLiNbO単結晶はLi(Mn,Nb)Oでコーティングされた。その外観を図4に示す。
得られた結晶の633nmにおける屈折率分布は、図5のように中心部で屈折率が高くなっており、コア、クラッドが形成されている。
The self-coated LN single crystal was produced using a Pt crucible and a Pt after heater in an Ar gas or 2% oxygen mixed Ar gas atmosphere. The seed crystal used was an LN single crystal. Li 2 CO 3 (4N), Nb 2 O 5 (4N), and MnO 2 (4N) powder were used as raw materials.
The starting material used was such that the cation ratio was matched with LiMn x Nb 1-x O 3 (0 <x <0.5) and sintered at 800 ° C. for 24 hours or more. The crucible was charged with 1.0 g of raw material. The crystal was produced at a growth rate of 3.0 mm / min or less. The obtained crystal was a fiber having a diameter of about 1.0 mm to 3.0 mm. When x <0.3, the LiNbO 3 single crystal was coated with Li (Mn, Nb) O 3 . The appearance is shown in FIG.
The refractive index distribution of the obtained crystal at 633 nm has a high refractive index at the center as shown in FIG. 5, and a core and a clad are formed.

セルフコーティングされたYb:YAGの作製は、坩堝及びアフターヒーターにIrを用い、Irの酸化を防ぐためAr雰囲気下で作製を行った。種結晶はYAG<111>単結晶を使用した。原料はY(4N),Yb(4N),Al(5N)粉末を用いた。
出発原料は、陽イオン比が(Yb1−xAl12+yAl(0<x<1,y<3)と一致するよう秤量し、1450℃で24時間以上焼結したものを用い、坩堝に2.0gチャージした。結晶は、3.0mm/min以下の成長速度で作製した。
得られた結晶は直径1.0mm〜3.0mm程度のファイバーで、0<x<1,y<1の時にYb:YAG単結晶はAlでコーティングされた。
The self-coated Yb: YAG was produced using Ir as a crucible and an after heater, and was produced in an Ar atmosphere in order to prevent Ir oxidation. YAG <111> single crystal was used as a seed crystal. Y 2 O 3 (4N), Yb 2 O 3 (4N), Al 2 O 3 (5N) powder was used as a raw material.
The starting material was weighed so that the cation ratio was equal to (Yb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 + yAl 2 O 3 (0 <x <1, y <3) and baked at 1450 ° C. for 24 hours or more. Using the ligated material, 2.0 g of the crucible was charged. The crystal was produced at a growth rate of 3.0 mm / min or less.
The obtained crystal was a fiber having a diameter of about 1.0 mm to 3.0 mm. When 0 <x <1, y <1, the Yb: YAG single crystal was coated with Al 2 O 3 .

本発明によれば、以下のもろもろの効果が達成される。
1.μ−PD法による結晶作製のため結晶の形状に選択性があり、作製後の結晶整形加工が不必要である。
2.結晶作製過程において結晶の表面を屈折率の低い材料でコーティングされる技術を確立した。また、この技術によって結晶作製後に結晶の切り出し及び全面加工を省略することが可能となった。
3.結晶表面を屈折率の低い膜でコーティングすることで、結晶内で前方向に輻射された光を全反射により少ない損失で検出器に集めることが可能となる。
4.結晶表面を熱伝導率の高い膜でコーティングすることにより、冷却効果が働き、発光過程にいて生じる発熱を結晶外部逃がすことに成功した。これにより、高出力での励起が可能になった。
5.セルフコーティング技術は、固体レーザー結晶、シンチレータ結晶など、全ての光媒質の作製において使用することが出来る。
6.μ−PD法によるロッド状の結晶作製過程でコーティングされるため、作製後の加工はロッドの切断及び切断面の加工のみとなり、将来安価に供給される可能性が高い。
7.セルフコーティングされた単結晶を用いた固体レーザーでは、発光量が増え、発光過程での損失を防ぐことができる。
8.コーティング材による発光媒質の冷却効果もあり、安定な高出力レーザー媒質として使用が可能となる。
9.結晶作製過程で発光媒質の表面が屈折率の小さな晶質でセルフコーティングされた単結晶においては、全反射によって発光過程に生じる光の損失を抑えることが可能となり、また熱伝導率の高い物質によってコーティングすることで、高い冷却効果も実現される。
10.コア部とクラッド部の両方にそれぞれ個別の種付けを行う必要は無い。また、用いる坩堝は1つであるので、第1、第2の坩堝間の位置合わせの必要も当然必要無い。
According to the present invention, the following effects are achieved.
1. Since the crystal is produced by the μ-PD method, the crystal shape is selective, and crystal shaping after the production is unnecessary.
2. We established a technique to coat the surface of the crystal with a material having a low refractive index in the crystal production process. In addition, this technique makes it possible to omit the cutting of the crystal and the entire processing after the crystal is produced.
3. By coating the crystal surface with a film having a low refractive index, it is possible to collect light radiated in the forward direction in the crystal to the detector with less loss due to total reflection.
4). By coating the crystal surface with a film with high thermal conductivity, the cooling effect worked, and the heat generated during the light emission process was successfully released outside the crystal. This allowed excitation at high power.
5. The self-coating technique can be used in the production of all optical media such as solid laser crystals and scintillator crystals.
6). Since the coating is performed in the rod-shaped crystal production process by the μ-PD method, the processing after the production is only the cutting of the rod and the processing of the cut surface, and there is a high possibility that it will be supplied at a low cost in the future.
7). In a solid-state laser using a self-coated single crystal, the amount of light emission increases, and loss during the light emission process can be prevented.
8). The light emitting medium is cooled by the coating material, and can be used as a stable high-power laser medium.
9. In a single crystal in which the surface of the luminescent medium is self-coated with a crystalline material having a low refractive index during the crystal preparation process, it is possible to suppress the loss of light caused by the luminescence process due to total reflection, and a substance with high thermal conductivity can be used. A high cooling effect is also realized by coating.
10. There is no need to individually seed both the core and the clad. Further, since only one crucible is used, it is naturally unnecessary to align the first and second crucibles.

Claims (20)

コア及びクラッドとなる結晶材料を単一の坩堝に溶融し、単結晶を引上げ法もしくは引き下げ法を用いて結晶成長する過程において、成長した単結晶がアズグロウスの状態で結晶の外周にコアより屈折率が低いクラッドがセルフコートされていることを特徴とするセルフコーティングされた単結晶。 In the process of melting the crystal material for the core and clad into a single crucible and growing the single crystal using the pulling or pulling method, the grown single crystal is in the as-gross state and has a refractive index from the core around the crystal. Self-coated single crystal characterized in that the low clad is self-coated. 前記単結晶は、マイクロ引下げ法により育成された単結晶であることを特徴とする請求項1記載のセルフコーティングされた単結晶。 The self-coated single crystal according to claim 1, wherein the single crystal is a single crystal grown by a micro-pulling down method. 上記セルフコーティングは、融液と結晶界面近傍の温度分布が、温度差により融液中の特定の構成成分の溶解度が選択的に下がり、結果としてクラッドの組成となり、セルフコーティングを起こす温度分布となっていることで、セルフコーティングが実現されることを特徴とする請求項1又は2記載のセルフコーティングされた単結晶。 In the above self-coating, the temperature distribution in the vicinity of the melt-crystal interface selectively decreases the solubility of specific constituents in the melt due to the temperature difference, resulting in a clad composition and a temperature distribution that causes self-coating. The self-coated single crystal according to claim 1, wherein self-coating is realized. 前記単結晶は、発光媒質用単結晶であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶。 The self-coated single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein the single crystal is a single crystal for a light emitting medium. 前記単結晶は、固体レーザー、シンチレータ用の単結晶であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶。 The self-coated single crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein the single crystal is a single crystal for a solid laser or a scintillator. 前記クラッド材となる材料は、コア材となる材料に希土類元素ないし遷移元素を添加した材料であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶。 The self-coated single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the material to be the cladding material is a material in which a rare earth element or a transition element is added to the material to be the core material. 前記単結晶は、コアとなる材料が、Yb:YAG、Nd:YAG、Yb:LuAG、Nd:LuAG、Ti:Sapphire、Cr:Sapphire、Ce:GSO、Ce:LSO、Ce:LiCAF、Ho:LuLF、HoTm:YLF、Ce:PrF、LN、LTのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶。In the single crystal, the core material is Yb: YAG, Nd: YAG, Yb: LuAG, Nd: LuAG, Ti: Sapphire, Cr: Sapphire, Ce: GSO, Ce: LSO, Ce: LiCAF, Ho: LuLF. The self-coated single crystal according to any one of claims 1 to 6, wherein the single-coated single crystal is made of any one of the following materials: HoTm: YLF, Ce: PrF 3 , LN, and LT. 融点の異なる材料を単一の坩堝に溶解し、固液界面において中心部からエッジ部に向かい温度が低くなるような温度勾配も設けて引き下げないし引上げ法により結晶成長を行うことを特徴とするセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 Self-melting materials with different melting points are melted in a single crucible, and crystal growth is performed by a pulling or pulling method with a temperature gradient that lowers the temperature from the center to the edge at the solid-liquid interface. A method for producing a coated single crystal. 坩堝の底部に形成された孔の出口側の周囲に、坩堝の内径(B)の5倍以下の外径(S)を有する平面状の突部を設けて単結晶の育成を行うことを特徴とする請求項8記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 A single crystal is grown by providing a planar protrusion having an outer diameter (S) not more than 5 times the inner diameter (B) of the crucible around the outlet side of the hole formed in the bottom of the crucible. A method for producing a self-coated single crystal according to claim 8. 1.2<(B/S)<5であることを特徴とする請求項9記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 10. The method for producing a self-coated single crystal according to claim 9, wherein 1.2 <(B / S) <5. 1.5<(B/S)<4.5であることを特徴とする請求項10記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 The method for producing a self-coated single crystal according to claim 10, wherein 1.5 <(B / S) <4.5. 不活性ガスを坩堝下方から上に流すことで融液の外側が冷却して所望の温度勾配を実現することを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 12. The self-coated single crystal according to any one of claims 8 to 11, wherein an inert gas is allowed to flow from the bottom of the crucible to cool the outside of the melt to achieve a desired temperature gradient. Manufacturing method. 前記クラッド材となる材料は、コア材となる材料に希土類元素ないし遷移元素を添加した材料であることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。 The self-coated single crystal manufacturing method according to any one of claims 8 to 12, wherein the material for the clad material is a material obtained by adding a rare earth element or a transition element to the material for the core material. Method. 前記単結晶のコアは、Yb:YAG、Nd:YAG、Yb:LuAG、Nd:LuAG、Ti:Sapphire、Cr:Sapphire、Ce:GSO、Ce:LSO、Ce:LiCAF、Ho:LuLF、HoTm:YLF、Ce:PrF、LN、LTのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項記載のセルフコーティングされた単結晶の製造方法。The single crystal cores are Yb: YAG, Nd: YAG, Yb: LuAG, Nd: LuAG, Ti: Sapphire, Cr: Sapphire, Ce: GSO, Ce: LSO, Ce: LiCAF, Ho: LuLF, HoTm: YLF. The method for producing a self-coated single crystal according to any one of claims 8 to 13, wherein the material is made of any one of, Ce: PrF 3 , LN, and LT. 始発原料の組成を、目的とする単結晶の組成に対して陽イオン比を5〜15%ずらした組成とすることを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項記載の単結晶の製造方法。 The production of a single crystal according to any one of claims 8 to 14, wherein the composition of the starting material is a composition in which the cation ratio is shifted by 5 to 15% with respect to the composition of the intended single crystal. Method. 坩堝の底部に形成された孔から単結晶の引下げ育成を行うための単結晶の製造装置において、固液界面近傍に温度勾配を与えるための手段を設けたことを特徴とする単結晶の製造装置。 A single crystal manufacturing apparatus for pulling and growing a single crystal from a hole formed in a bottom portion of a crucible, wherein means for providing a temperature gradient in the vicinity of a solid-liquid interface is provided. . 前記温度勾配を与えるための手段は、坩堝の孔の出口側の周囲に、坩堝の内径(B)の5倍以下の外径(S)を有する平面状の突部により構成されていることを特徴とする請求項16記載の単結晶の製造装置。 The means for giving the temperature gradient is constituted by a planar protrusion having an outer diameter (S) not more than 5 times the inner diameter (B) of the crucible around the outlet side of the crucible hole. The apparatus for producing a single crystal according to claim 16, characterized in that: 1.2<B/S<5であることを特徴とする請求項17記載の単結晶の製造装置。 18. The apparatus for producing a single crystal according to claim 17, wherein 1.2 <B / S <5. 1.5<B/S<4.5であることを特徴とする請求項18記載の単結晶の製造装置。 19. The apparatus for producing a single crystal according to claim 18, wherein 1.5 <B / S <4.5. 不活性ガスを坩堝下方から上に流すための手段を設けたことを特徴とする請求項17乃至19のいずれか1項記載の単結晶の製造装置。 The apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 17 to 19, further comprising means for flowing an inert gas from below the crucible.
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