KR101899587B1 - 세라믹스 자기 광학 재료 및 그 선정 방법 - Google Patents

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Abstract

하기 식 (1)
(TbxRe1 -x)2O3 (1)
(식 중, Re는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴, 루테튬으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 나타내고, 0.4≤x≤1.0이다.)로 표시되는 산화물을 주성분으로 하는 산화물 세라믹스로 이루어지고, 25℃에서의 상기 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 주상의 굴절률과의 차가 0.004 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 편광 상태가 양호하고, 소광비가 큰, 광 아이솔레이터 패러데이 회전자용 등의 세라믹스 자기 광학 재료를 확실하게 제공할 수 있고, 가공기용 파이버 레이저에 사용하는 광 아이솔레이터의 소형화를 제공할 수 있다.

Description

세라믹스 자기 광학 재료 및 그 선정 방법{MAGNETO-OPTICAL CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR SELECTING SAME}
본 발명은 광 아이솔레이터 등의 자기 광학 디바이스(예를 들면, 패러데이 회전자)를 구성하는데 사용되는 세라믹스 자기 광학 재료 및 그 선정 방법에 관한 것이다.
최근, 레이저 가공기의 진전에 따라, 광과 자기와의 상호작용을 이용한 자기광학 디바이스가 주목받고 있다. 그 하나로, 아이솔레이터가 있는데, 이것은 레이저광원으로부터 발진한 광이 도중의 광학계에서 반사되어 광원으로 되돌아오면, 레이저광원으로부터 발진한 광을 요란시켜, 불안정한 발진 상태가 되는 현상을 억제하는 것이다. 그 때문에 이 작용을 이용하여, 광 아이솔레이터는 레이저광원과 광학 부품 사이에 배치하여 이용되고 있다.
광 아이솔레이터는 패러데이 회전자와, 패러데이 회전자의 광입사측에 배치된 편광자와, 패러데이 회전자의 광 출사측에 배치된 검광자의 3개의 부품을 갖는다. 광 아이솔레이터는, 패러데이 회전자에 광의 진행방향에 평행하게 자계를 가한 상태에서, 광이 패러데이 회전자에 입사되면, 패러데이 회전자 중에서 편광면이 회전한다고 하는 성질, 소위 패러데이 효과를 이용한다. 즉, 입사광 중에서, 편광자와 같은 편광면을 갖는 광이 편광자를 통과하여, 패러데이 회전자에 입사된다. 이 광은 패러데이 회전자 중에서, 광의 진행방향에 대하여, 플러스 45도 회전되어, 출사된다.
이에 반해 입사방향과 역방향으로부터 패러데이 회전자에 입사되는 귀환광은, 최초에 검광자를 통과할 때에, 검광자와 같은 편광면을 갖는 성분의 광만이 검광자를 투과하고, 패러데이 회전자에 입사된다. 다음에 패러데이 회전자 중에서, 귀환광의 편광면이 최초의 플러스 45도로부터 플러스 45도 더 회전되기 때문에, 편광자와 플러스 90도의 직각의 편광면으로 되어, 귀환광은 편광자를 투과할 수 없게 된다.
상기한 바와 같은 광 아이솔레이터의 패러데이 회전자로서 사용되는 재료에서는, 패러데이 효과가 크고, 또한 그 사용하는 파장에 있어서, 투과율이 높은 것이 필요하다.
또한 입사한 광과 상이한 편광 성분이 출사광 내에 발생하면, 이 상이한 편광성분은 편광자를 투과하므로, 귀환광의 차단이 불충분하게 된다.
이 상이한 편광 성분의 발생 상태의 평가로서는 패러데이 회전자로서 사용할 수 있는 재료에 대하여, 0도∼90도의 편광을 입사하고, 출사광을 편광자를 통하여 수광기에 입사하고, 수광기에서 광의 강도를 측정하고, 최대값(Imax)과 최소값(Imin)으로부터, 소광비(S)를 다음 식으로 계산하여 평가한다.
S = -10 log (Imin/Imax) [단위 dB]
소광비는 큰 것이 바람직하지만, 일반적으로는 30dB 이상이 요구되고 있다.
일본 특개 2010-285299호 공보에서는, 베르데 상수가 큰 소재로서 (TbxRe1 -x)2O3:0.4≤x≤1.0의 산화물 단결정 및 투명 산화물 세라믹스가 개시되어 있다.
투명 산화물 세라믹스는 산화물 단결정에 비교하여, 반응온도가 낮게 억제되기 때문에, 단순한 설비로 대량생산을 행할 수 있어, 저렴하게 되기 때문에, 공업적으로 유망하다.
예를 들면, 일본 특허 제4033451호 공보에서, 일반식 R2O3(R은 희토류 원소)로 표시되는 희토류 산화물은 그 결정구조가 입방정이며 복굴절이 없다. 그 때문에 기공이나 불순물의 편석을 완전히 제거함으로써 투명성이 우수한 소결체를 얻는 것이 가능한 것이 기재되어 있다.
또한 일본 특개 평5-330913호 공보에서 개시되어 있는 바와 같이, 기공을 제거하기 위해서는 소결 조제의 첨가가 유효하다. 또한 일본 특허 제2638669호 공보에 있는 바와 같이, 열간 등방 가압 성형 공정의 후에 재소결을 행하여, 기공을 제거하는 방법도 개시되어 있다.
한편, 소결 조제를 가하여 열처리를 장시간 행하면 입계에 소결 조제 등의 편석이 생기고, 어떤 경우에는, 결정입자의 주상의 굴절률과 입계의 굴절률에 차가 생기고 있었다.
이와 같이, 주상과 입계의 굴절률에 차가 생긴 경우에는, 투과한 광의 편광 상태가 변화되어, 구체적으로는 소광비가 작아지고, 이것을 사용하여 제조한 광 아이솔레이터의 광 분리도가 열화된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 편광 상태가 양호하고, 소광비가 큰 세라믹스 자기 광학 재료 및 그 선정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 베르데 상수가 크고 상자성 원소인 테르븀 산화물과 희토류(스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴 및 루테튬) 산화물을 주성분으로 하고, 이것에 소결 조제를 하나 또는 복수 가하여 혼합하고, 성형하고, 하소한 후에, 진공 상태에서 소결하고, 또한 HIP 처리 후 어닐링 처리하여 세라믹스를 제조할 때의 각 공정의 시간, 온도, 분위기 등의 조건을 여러 가지로 바꾸고, 얻어진 세라믹스의 입자 주상과 입계의 굴절률차와 소광비의 관계를 조사한 결과, 굴절률차가 0.004보다 작으면, 입계로의 소결 조제 등의 편석도 적고, 대단히 균질하며, 소광비가 우수한 재료가 얻어지는 점을 발견하고, 본 발명을 이루게 되었다.
따라서, 본 발명은 하기에 나타내는 세라믹스 자기 광학 재료 및 그 선정 방법을 제공한다.
[1]
하기 식 (1)
(TbxRe1 -x)2O3 (1)
(식 중, Re는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴, 루테튬으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 나타내고, 0.4≤x≤1.0이다.)
로 표시되는 산화물을 주성분으로 하는 산화물 세라믹스로 이루어지고, 25℃에서의 상기 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 주상의 굴절률과의 차가 0.004 이하인 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료.
[2]
광 아이솔레이터 패러데이 회전자용인 [1] 기재의 세라믹스 자기 광학 재료.
[3]
하기 식 (1)
(TbxRe1 -x)2O3 (1)
(식 중, Re는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴, 루테튬보다 선택되는 적어도 1개의 원소를 나타내고, 0.4≤x≤1.0이다.)
로 표시되는 산화물을 주성분으로 하는 산화물 세라믹스로부터, 25℃에서의 상기 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 주상의 굴절률과의 차가 0.004 이하인 산화물 세라믹스를 선정하는 것을 특징으로 하는 소광비가 큰 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
[4]
세라믹스 자기 광학 재료가 광 아이솔레이터 패러데이 회전자용인 [3] 기재의 선정 방법.
본 발명에 의하면, 편광 상태가 양호하고, 소광비가 큰, 광 아이솔레이터 패러데이 회전자용 등의 세라믹스 자기 광학 재료를 확실하게 제공할 수 있고, 가공기용 파이버 레이저에 사용하는 광 아이솔레이터의 소형화를 제공할 수 있게 된 것이다.
도 1은 입계 및 주상의 굴절률 측정 장치의 설명도이다.
도 2는 위치 정보와 반사광 강도와의 관계의 1예를 나타내는 설명도이다.
도 3은 굴절률차와 소광비와의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 광 아이솔레이터 패러데이 회전자용 세라믹스 자기 광학 소자는,
하기 식 (1)
(TbxRe1 -x)2O3 (1)
(식 중, Re는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴, 루테튬으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 나타내고, 0.4≤x≤1.0이다.)
로 표시되는 산화물을 주성분으로 하고, 바람직하게는 파장 1.065㎛에서의 베르데 상수가 0.18min/Oe.cm 이상인 산화물 세라믹스로 이루어지고, 25℃에서의 이 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 결정 주상의 굴절률과의 차가 0.004 이하이며, 바람직하게는 소광비 25dB 이상, 보다 바람직하게는 30dB 이상, 특히 35dB 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 식 (1)에서, x는 0.4 이상이면 되는데, 바람직하게는 0.5∼0.9, 더욱 바람직하게는 0.5∼0.7이다. Re는 상기 원소이지만, 특히 Y, Gd가 바람직하다.
이 경우, 산화물 세라믹스는 티탄, 지르코늄, 하프늄, 칼슘 등의 산화물, 불화물 또는 질화물 등의 소결 조제를 포함하고, 또 필요에 따라 식 (1)의 산화물 100질량부에 대하여 산화마그네슘, 산화스트론튬, 산화바륨 등의 알칼리 토류 금속의 산화물을 0.0001∼0.01질량부 함유할 수 있다.
상기 산화물 세라믹스는 기본적으로는 일본 특개 2010-285299호 공보에 기재된 방법을 채용할 수 있고, 종래 사용되고 있는 일반적인 방법으로, 베르데 상수가 크고 상자성 원소인 테르븀 산화물과 희토류(스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴 및 루테튬) 산화물을 주성분으로 하여, 소결 조제로서, 예를 들면, 일본 특개 평5-330913호 공보 등에 개시되어 있는 소결 조제, 특히 티탄, 지르코늄, 하프늄, 칼슘 등의 산화물, 불화물 또는 질화물 등의 소결 조제를 1 또는 복수 가하여 혼합하고, 성형하고, 하소한 후에, 진공 상태에서 소결하고, 또한 HIP 처리하여, 제조할 수 있다.
이 경우, 본 발명에서는, 얻어진 산화물 세라믹스 중에서 이 산화물 세라믹스의 결정립계의 굴절률과 결정 주상의 굴절률과의 차가 0.004 이하의 것을 균질성이 높고, 소광비가 큰 것으로서 선정 채취한다.
주상과 입계의 굴절률차의 측정은, 반사광 강도가 굴절률에 의해 변화되는 점에서, 도 1에 나타내는 다음의 방법으로 구해진다.
측정하는 세라믹스(피측정물)(1)의 단면을 경면 연마하고, 이것을 이동하는 스테이지(2)에 설치한다. 이 이동 스테이지(2)는 모터(3)에 부착된 볼 나사(4)에 부착되어, 이동 가능하게 되어 있다. 또한, 5는 받침대이다.
그리고, 상기 피측정물(1)에는, 광원(6)으로부터의 측정광을 비스듬히 상방에서 조사한다. 측정광은 빔 익스팬더(7)로 확대한 후, 미러(8)로 반사시키고, 대물렌즈(9)로 피측정물(1)에 조사함으로써 미소 영역의 측정이 가능하게 된다. 또한 측정파장은 짧을수록 보다 미소 영역의 측정이 가능하게 된다. 그리고, 반사된 광을 수광기(파워 미터)(10)로 받아서 강도를 검지한다.
피측정물을 이동하면서, 검지기에서 얻어지는 신호를 관찰하면, 입계에서 굴절률이 변화된 경우, 수광기의 신호가 변화된다. 피측정물과 공기의 계면에서의 반사율 R은 피측정물의 굴절률을 n이라고 하면, R=(n-1)2/(n+1)2으로 표시된다.
따라서, 수광기의 신호의 변화량으로부터 굴절률을 구할 수 있다.
또한, 도 2는 모터로부터의 위치 정보와 파워 미터로부터의 반사광 강도와의 관계의 1 예를 나타낸다.
측정광학계에 의해, 굴절률의 변화량과 수광기의 신호의 변화량의 관계는 바뀌므로, 알려진 굴절률의 재료를 첩합하고, 그 첩합면과 수직하게 경면 연마하고, 이 샘플을 측정함으로써, 양자의 관계를 교정할 수 있다.
또한 굴절률차는 피측정물을 박편으로 하여 현미경 관찰함으로써 육안으로도 정성적으로 평가할 수 있다.
별도로, 상기의 반사광에 의해 굴절률차를 측정한 표준 샘플과 피상정물을 육안으로 비교함으로써, 대략 평가가 가능하게 된다.
(실시예)
이하, 실시예를 제시하여, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다.
여러 입자 사이즈의 산화테르븀 분말과 Y2O3 또는 Gd2O3 분말을 몰비(40∼70%:60∼30%)의 비율로 사용하고, 이것에 소결 조제로서 ZrO2, HfO2 또는 TiO2를 0.5질량%로 첨가하고, 또한 분산제 및 바인더로서의 에틸셀룰로오스와 폴리비닐알코올을 유효량 첨가한 후, 이것들을 포트밀로 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 이어서, 상기혼합물을 스프레이 드라이함으로써, 입경 수십㎛의 과립을 얻었다. 상기 과립을 사용하고, 1차성형으로서 금형 성형을 행한 후, 2차성형으로서 CIP를 행함으로써 성형체를 얻었다. 얻어진 성형체를 대기 중 400∼1,000℃에서 하소한 후, 소정의 분위기 중 1,600∼1,800℃에서 소성(본 소성)했다. 또한 얻어진 소성체를 또한 HIP 처리를 행하고, 필요에 따라 어닐링 처리함으로써, 15종류의 세라믹스(사이즈: 직경 6mmφ, 길이 10mm)를 얻었다. 얻어진 세라믹스에 대하여, 그 입계의 굴절률과 주상의 굴절률과의 굴절률차 및 소광비를 측정했다. 결과를 도면에 나타낸다.
또한, 굴절률은 굴절률계로서 「엘립소미터」를 사용하여 25℃에서의 브루스터각을 측정하고, 굴절률을 구했다. 또한 소광비의 평가는, 패러데이 회전자로서 사용되는 재료에 대하여, 0도∼90도의 편광을 입사하고, 출사광을 편광자를 통하여 수광기에 입사하고, 수광기에서 광의 강도를 측정하고, 최대값(Imax)과 최소값(Imin)으로부터, 소광비(S)를 다음 식으로 계산하여 평가한다.
S = -10 log (Imin/Imax) [단위 dB]
결과를 도 3에 나타낸다.
굴절률차 0.004 이하로 함으로써, 소광비 30dB 이상이 되고, 굴절률차가 작아질수록, 소광비는 향상되는 것이 확인된다.
1 세라믹스(피측정물)
2 이동 스테이지
3 모터
4 볼 나사
5 받침대
6 광원
7 빔 익스팬더
8 미러
9 대물렌즈
10 수광기

Claims (6)

  1. 하기 식 (1)
    (TbxRe1-x)2O3 (1)
    (식 중, Re는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴, 루테튬으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 나타내고, 0.4≤x<1.0이다.)
    로 표시되는 산화물 세라믹스로부터, 25℃에서의 상기 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 주상의 굴절률의 차가 0.004 이하인 산화물 세라믹스를 소광비가 30dB 이상의 세라믹스 자기 광학 재료로서 선정하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화물 세라믹스 결정의 입계의 굴절률과 주상의 굴절률의 차는 측정광의 빔을 대물 렌즈에서 조여서 상기 산화물 세라믹스의 피측정면의 미소 영역에 조사하면서 이 산화물 세라믹스를 이동시키고, 이때의 반사광의 강도의 변화를 측정하는 것을 행하여, 그 반사광의 강도의 변화량으로부터 굴절률의 변화량으로서 구한 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 기지의 굴절률의 재료를 첩합하고, 그 첩합면을 연마한 것에 대하여서 상기 반사광의 강도의 변화량을 측정함으로써, 상기 반사광의 강도의 변화량과 굴절률의 변화량의 관계를 교정하는 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 식 (1)로 표시되는 산화물 세라믹스는 산화테르븀 분말과, 스칸듐, 이트륨, 란탄, 유로퓸, 가돌리늄, 이테르븀, 홀뮴 및 루테튬으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1개의 희토류 산화물 분말과, 소결 조제를 혼합하여, 성형, 하소한 후에 소결하고, 또한 열간 등방압 프레스 처리하여 제조된 것인 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소광비는 하기 측정 방법으로 구해지는 것인 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
    (소광비의 측정 방법)
    소정 길이의 상기 산화물 세라믹스에 대하여 편광각을 0∼90도로 변화시킨 편광을 입사하고, 그 출사광의 강도를 측정하고, 이 강도의 최대값(Imax)과 최소값(Imin)을 식 (2)에 적용시켜서 소광비(S)를 구한다.
    S=-10×log(Imax/Imin)[단위 dB] (2)
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선정된 세라믹스 자기 광학 재료가 광 아이솔레이터 패러데이 회전자용인 것을 특징으로 하는 세라믹스 자기 광학 재료의 선정 방법.
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