TW202338447A - 磁光學元件用透明陶瓷、及磁光學元件 - Google Patents

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Abstract

本發明的磁光學元件用透明陶瓷，包含：含有以下述式(1)表示的鋱、鎦及鋁的順磁性石榴石型複合氧化物、及作為燒結助劑的100質量ppm以上1000質量ppm以下的Si： (Tb 1 ‐ xLu x) 3Al 5O 12・・・(1) (式中，0.05≦x≦0.45)。 本發明的磁光學裝置，其中，作為法拉弟轉子(110)具備上述磁光學元件用透明陶瓷，為在該法拉弟轉子的光學軸(102)上的前後具備偏光元件(120)及檢光元件(130)的能在波長帶0.9μm以上1.1μm以下利用的光隔離器。

Description

磁光學元件用透明陶瓷、及磁光學元件
本發明係有關於磁光學元件用透明陶瓷、及磁光學元件，更詳細為關於含有適合構成光隔離器等的磁光學元件的鋱的包含順磁性石榴石型複合氧化物的磁光學元件用透明陶瓷、及使用該磁光學元件用透明陶瓷的磁光學元件。
近年，也能夠高輸出化，使用光纖雷射的雷射加工機的普及變得顯著。此外，組入雷射加工機的雷射光源，若來自外部的光入射則共振狀態會不穩定化，會有振盪狀態混亂的現象產生。特別是振盪的光在途中的光學系統被反射返回光源時，振盪狀態會被大大地擾亂。為了防止該情形，通常光隔離器會設於光源的正前方等。
光隔離器由法拉弟轉子、配置於法拉弟轉子的光入射側的偏光元件、及配置於法拉弟轉子的光出射側的檢光元件形成。又，法拉弟轉子平行於光的進行方向施加磁場利用。此時，光的偏波線分即便在法拉弟轉子中前進或後進也不再只在一定方向旋轉。再來，法拉弟轉子調整成光的偏波線分剛好45度旋轉的長度。其中，若預先在偏光元件與檢光元件的偏波面前進的光的旋轉方向偏離45度，則前進的光的偏波因為在偏光元件位置與檢光元件位置一致而透過。另一方面，後進的光的偏波會與從檢光元件位置偏離45度的偏光元件的偏波面的偏角方向逆旋轉地進行45度旋轉。如此，偏光元件位置的返回光的偏波面相對於偏光元件的偏波面會有45度-(-45度)=90度的偏差，無法透過偏光元件。如此作為使前進的光透過、出射，後進的返回光遮斷的光隔離器發揮機能。
作為構成上述光隔離器的法拉弟轉子使用的材料中，從前已知TGG結晶(Tb 3Ga 5O 12)與TSAG結晶((Tb (3-x)Sc x)Sc 2Al 3O 12)(專利文獻1、專利文獻2)。TGG結晶作為現在標準的光纖雷射裝置用被廣泛地搭載，但因為具有高吸收係數，能使用的雷射其極限為80W。另一方面，TSAG結晶，因為具有比TGG結晶還高的旋轉角性能、及低吸收係數，能夠對應比TGG結晶還高的輸出的雷射。但是，因為多量使用高價的Sc 2O 3、生產的穩定性差等，未成為現在普及的材料。
又，作為其他法拉弟轉子材料，開發TAG陶瓷(專利文獻3)、YTAG陶瓷(非專利文獻1)、KTF單結晶(非專利文獻2)。TAG(Tb 3Al 5O 12)陶瓷，在TGG單結晶比較中，維爾德常數高，是適合高功率用途的材料。將TAG陶瓷的鋱的一部分置換成釔的YTAG陶瓷，維爾德常數相較於TAG陶瓷較差，但因為吸收係數比TAG陶瓷還低，有到達在TAG陶瓷中不可能的高功率區域的可能性。最後的KTF(KTb 3F 10)單結晶，吸收係數相較於其他材料壓倒性地低，在至此為止已知的法拉弟轉子之中最能對應到高功率。不過，該等3種法拉弟轉子，都會有製造穩定性差的課題。又，關於KTF單結晶，雷射損傷閾值也低，在短脈衝的雷射中也有引發損傷的可能性。
發明者至此為止，作為新磁光學材料，開發有C型稀土類的(Tb,Y) 2O 3(專利文獻4)及石榴石型的(Tb,Y,Sc) 3(Al,Sc) 5O 12(專利文獻5)。前者的C型稀土類型法拉弟轉子，因為具有高維爾德常數，吸收係數也高，作為高功率用途使用存在極限。另一方面，後者的石榴石型，維爾德常數雖為TGG單結晶比0.9~1.3倍，但因為吸收係數成為TGG單結晶以下，作為高功率用途最適合。再來，藉由添加少量Sc，製造穩定性相較於YTAG更為改善。
但是，明白(Tb,Y,Sc) 3(Al,Sc) 5O 12雖吸收係數小，但熱傳導率也低，不適合超過200W的高功率用途。對法拉弟轉子照射功率雷射光時，會在法拉弟轉子產生溫度分佈，產生熱透鏡效應。熱透鏡效應相依於吸收係數與熱傳導率，吸收係數越小越好，熱傳導率越高越好。雖期望達到和YTAG一樣的低吸收，且熱傳導率高的材料，但至此為止未存在該種材料。
熱傳導率為材料固有的值，會被結晶構造、組成、缺陷、晶界等影響。透明陶瓷的情形，因為晶界為1nm以下非常薄，晶界所造成的熱傳導率的影響小，又在無著色等的高度透明的陶瓷的情形中，缺陷非常少，實際在室溫中得到與單結晶同等等級的熱傳導率。因此，決定熱傳導率的成為了結晶構造及組成。
作為調查組成對熱傳導率造成的影響之例，有非專利文獻3及非專利文獻4。根據該等非專利文獻，得知例如在釔鋁石榴石摻雜其他稀土類時，熱傳導率會急劇降低。因此，得知為了提高熱傳導率，盡量以單一組成較佳，進行所謂混雜物，則會有熱傳導率降低之虞。
非專利文獻5中，記述關於作為混雜物時的熱傳導率的變化之式。根據該式，得知混雜物的熱傳導率，各自的熱傳導率、組成比、接著構造的原子的原子量差會造成影響。至此為止的例中，因為釔被稀土類置換，有約70~80左右的原子量差。因此，熱傳導率會急劇降低。
另一方面，若熱傳導率會影響原子量差，原子量差越小則熱傳導率的降低越小。非專利文獻5示出在鎦鋁石榴石添加鐿時的熱傳導率。釔與鐿，因為原子量差僅為2，熱傳導率的降低抑制在最小限。因此，為了提升(Tb,Y,Sc) 3(Al,Sc) 5O 12的熱傳導率，將Y變更成Lu是有效的。
非專利文獻6揭示(Tb 0.72Lu 0.28) 3Al 5O 12單結晶的維爾德常數及熱傳導率。維爾德常數比TGG單結晶還稍低，熱傳導率以TGG單結晶比呈現1.4倍。提升維爾德常數，有必要增加Tb的比例，但單結晶的情形難以製作上述組成以外(非專利文獻7)。因此，維爾德常數為TGG單結晶以上，且熱傳導率為TGG單結晶以上的LuTAG系法拉弟轉子到此為止還沒被發現。
專利文獻6中雖示出(Tb,Lu,Sc) 3(Al,Sc) 5O 12，但Sc與Tb及Lu比較，因為原子量差大，成為使熱傳導率大大地降低的要因。專利文獻6，Sc的添加量最低也多至0.10wt%左右(金屬Sc換算)，有熱傳導率的降低的懸念。因此，即便是專利文獻6的組成，150W為極限，需要更加高功率化。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2011-213552號公報 [專利文獻2]特開2002-293693號公報 [專利文獻3]專利第6438588號公報 [專利文獻4]專利第5397271號公報 [專利文獻5]專利第6879264號公報 [專利文獻6]專利第6881390號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1] “Fabrication and Properties of (TbxY1‐x)3Al5O12 Transparent Ceramics by Hot Isostatic pressing”, Optical Materials, 72, 58-62(2017) [非專利文獻2] “Promising Materials for High Power Laser Isolator”, Laser Tech Journal, Vol.13, Issue3, 18-21(2016) [非專利文獻3] “Effects of rare-earth doping on thermal conductivity in Y3Al5O12 crystals”, Optical Materials, Vol.31, Issue5, 720-724(2009) [非專利文獻4] “Crystal growth and properties of (Lu,Y)3Al5O12”, Journal of Crystal Growth,Vol 260, Issue2, 159-165(2004) [非專利文獻5] “Thermal and laser properties of Yb:LuAG for kW thin disk lasers”, Optical Express, Vol.18, Issue20, 20712-20722(2010) [非專利文獻6] “Magneto-optical property of terbium-lutetium-aluminum garnet crystals”, Optical Materials, 66, 207-210(2017)
[發明所欲解決的問題]
本發明為鑑於上述事情完成者，目的為提供包含含有鋱及鎦的順磁性石榴石型複合氧化物，能搭載於200W以上的高功率雷射的磁光學元件用透明陶瓷、及磁光學元件。 [解決問題的手段]
為了達成上述目的，本發明，作為一態樣為磁光學元件用透明陶瓷，包含：含有以下述式(1)表示的鋱、鎦及鋁的順磁性石榴石型複合氧化物、及作為燒結助劑的100質量ppm以上1000質量ppm以下的Si： (Tb 1 ‐ xLu x) 3Al 5O 12・・・(1) (式中，0.05≦x≦0.45)。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，作為燒結助劑更包含1000質量ppm以下的Sc也可以。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，室溫時的熱傳導率為4.2W/(m・K)以上較佳。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，消光比為35dB以上較佳。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，1064nm時的損耗係數為0.002cm -1以下。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，陶瓷的結晶粒徑為1μm以上40μm以下也可以。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，照射波長1064nm、輸出200W的雷射時的消光比為35dB以上較佳。
上述磁光學元件用透明陶瓷，其中，維爾德常數為30Rad/(T・m)以上較佳。
又，本發明，作為別的態樣，為一種磁光學元件，使用上述磁光學元件用透明陶瓷構成。
上述磁光學元件，其中，作為法拉弟轉子具備上述磁光學元件用透明陶瓷，為在該法拉弟轉子的光學軸上的前後具備偏光材料的能在波長帶0.9μm以上1.1μm以下利用的光隔離器也可以。 [發明的效果]
根據本發明，因為包含上述順磁性石榴石型複合氧化物與燒結助劑，與從前的法拉弟轉子相比較，熱傳導率高，另一方面吸收係數也是最佳的組合，因此即便照射200W以上的雷射光，消光比也是35dB以上，亦即能夠提供能作為高功率雷射用途適用的真正實用的磁光學元件用透明陶瓷、及使用其的磁光學元件。
[磁光學元件用透明陶瓷]
以下，說明關於本發明的磁光學元件用透明陶瓷的一實施形態。該磁光學元件用透明陶瓷，包含：含有以下述式(1)表示的順磁性石榴石型複合氧化物、作為燒結助劑的100質量ppm以上1000質量ppm以下的Si、及1000質量ppm以下的Sc： (Tb 1-xLu x) 3Al 5O 12・・・(1) (式中，0.05≦x≦0.45)。
式(1)中，鋱(Tb)是除了鐵(Fe)以外的順磁性元素之中具有最大的維爾德常數的材料，特別是含有在具有石榴石構造氧化物中的情形，因為在波長1064nm中完全透明，是最適合使用於該波長域的光隔離器的元素。
鎦(Lu)在與鋁化合形成複合氧化物的情形，因為相較於鈣鈦礦相將石榴石相更穩定形成，在本專利中是能夠較佳利用的元素。又，與其他稀土類元素比較，在可見~近紅外光區域不具有特性吸收(f-f遷移)，再來因為與鋱的原子量差小至16，是開發熱傳導率的高法拉弟轉子最適合添加的元素。
式(1)的B位置中，鋁(Al)是具有石榴石構造的氧化物中能夠穩定存在的3價離子之中具有最小離子半徑的材料，是能夠使Tb含有的順磁性石榴石型氧化物的晶格常數成為最小的元素。若不改變Tb的含有量而能夠縮小石榴石構造的晶格常數，則因能夠增大每單位長度的維爾德常數而較佳。再來鋁因為是輕金屬而與鎵比較反磁性較弱，期待在法拉弟轉子內部產生的磁力線密度相對提高的效果，因為其等也能夠增大每單位長度的維爾德常數而較佳。實際TAG陶瓷的維爾德常數提升至TGG的1.25~1.5倍。因此藉由將鋱離子的一部分以釔離子置換使鋱的相對濃度降低的情形也一樣，因為能夠使每單位長度的維爾德常數成為TGG同等以上、乃至止於若干低的程度，在本發明中為適合的構成元素。
式(1)中，x的範圍為0.05≦x≦0.45較佳、0.1≦x≦0.4更佳。若x為未滿0.05的情形，無法得到以鎦將鋱的一部分置換的效果，與實質製作TAG的條件並無差別，因此難以穩定製造低散射、低吸收的高品質陶瓷燒結體而不佳。又，x若超過0.45的情形，在波長1064nm的維爾德常數為未滿30rad/(T・m)而不佳。再來，若鋱的相對濃度過低，則使波長1064nm的雷射光45度旋轉所需的全長會超過25mm而變長，因為變得比TGG單結晶還長而不佳。
本發明的磁光學元件用透明陶瓷，將以上述式(1)表示的複合氧化物作為主成份包含。再來作為副成份，將發揮作為燒結助劑的角色的Si以100質量ppm以上1000質量ppm以下的範圍添加。若作為燒結助劑將Si以該預定量添加，則因為抑制了鈣鈦礦型的異相析出，能夠確保磁光學元件用透明陶瓷的透明性。再來，以該預定量添加的Si在1400℃以上的燒結中會玻璃化而帶來液相燒結效果，能夠促進石榴石型陶瓷燒結體的緻密化。但是，若超過1000質量ppm添加Si，則因為對長度(光路長)20mm的磁光學元件用透明陶瓷照射波長1064nm的200W雷射光線時的消光比會低於35dB，Si的添加量有設為1000質量ppm以下的必要。
此外，作為燒結助劑，Si例如能夠作為SiO 2等Si系無機化合物、及四乙氧基矽烷(TEOS)等Si系高分子化合物添加。此時，以金屬Si換算成為100質量ppm以上1000質量ppm以下的方式，調整添加量較佳。Si的添加量的下限為200質量ppm以上較佳、500ppm以上更佳。Si的添加量的上限為800質量ppm以下較佳。
又，作為燒結助劑除了Si以外將Sc以1000質量ppm以下添加也可以。藉由添加Sc，與Si一樣，抑制了鈣鈦礦型的異相析出，能夠提升磁光學元件用透明陶瓷的透明性。又，Sc，因為是能夠固溶於石榴石型構造的A位置與B位置兩者的元素，添加量越多則透明陶瓷的製造越容易。但是，Sc的原子量為44.96，與作為主成份的Tb及Lu比較，原子量差較大。因此，多量的添加會導致熱傳導率的惡化。因此，添加成比1000質量ppm還多並不佳。
Sc，例如，能夠作為Sc 2O 3等Sc系無機化合物添加。Sc的添加量的下限為100質量ppm以上較佳。Sc的添加量的上限為800質量ppm以下較佳。又，Si與Sc的合計，設為1000質量ppm以下較佳。
此外，本說明書中，「添加量」表示意圖添加燒結助劑的量，因此，添加量0質量ppm的情形表示無意圖的燒結助劑的添加，將在原料粉末該當元素作為雜質含有的情形除外。
又，「作為主成份包含」是指磁光學元件用透明陶瓷，將以上述式(1)表示的複合氧化物以90質量%以上包含。式(1)表示的複合氧化物的含有量為99質量%以上較佳、99.9質量%以上更佳、99.99質量%以上再佳。
本發明的磁光學元件用透明陶瓷，雖以上述主成份及副成份構成，但再含有其他元素也可以。作為其他元素，有釔(Y)、鈰(Ce)等稀土類元素、或者作為各種雜質群，典型能夠例示鈉(Na)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、磷(P)、鎢(W)、鉬(Mo)等。
其他元素的含有量，在將Tb的全量作為100質量份時，10質量份以下較佳、0.1質量份以下更佳、0.001質量份以下特佳。
本發明的磁光學元件用透明陶瓷呈無色透明的外觀，在該光路長20mm的波長1064nm中的損耗係數為0.002cm -1以下。損耗數的下限雖沒有特別限定，但例如為0.0001cm -1以上也可以。此外本發明中，「損耗係數」表示由下記式表示的透明陶瓷的性能的係數。 損耗係數[cm -1]=10×log(I/I 0)/(樣本長[cm]) (式中，I表示透過光強度(直線透過長度20mm的樣本的光強度)、I 0表示入射光強度。)
本發明的順磁性石榴石型透明陶瓷的熱傳導率為4.2W/(m・K)以上。熱傳導率的測定方法分為穩態法及非穩態法，穩態法有熱流計法，非穩態法有雷射快閃法、週期加熱法、熱線法，但本發明中以任何測定方法測定都可以。其中雷射快閃法，樣本尺寸相較於其他測定方法小也可以，從容易製作真正透明的陶瓷的觀點來看，是最佳的測定方法。熱傳導率的上限雖沒有特別限定，但例如為8.0W/(m・K)以下也可以。
本發明的磁光學元件用透明陶瓷，在波長1064nm的維爾德常數為30rad/(T・m)以上較佳、36rad/(T・m)以上更佳。維爾德常數若是36rad/(T・m)以上，則因為能夠在無部件的設計變更下進行與既存材料的TGG單結晶的置換，簡便而特佳。維爾德常數的上限雖沒有特別限定，但例如作為60W/(T・m)以下也可以。
本發明的磁光學元件用透明陶瓷，作為消光比為35dB以上。若是本發明的石榴石組成範圍，則因為變形及點缺陷等的材料缺陷會極劇地降低，材料元件單體的消光比穩定地管理在35dB以上。消光比的上限雖沒有特別限定，但例如作為50dB以下也可以。
又，本發明的磁光學元件用透明陶瓷，作為光路長20mm將波長1064nm的雷射光以入射功率200W入射時的消光比為35dB以上。高功率雷射照射時，觀測因應透明陶瓷的吸收量的發熱，因該發熱產生因應熱傳導率的溫度分佈，作為結果產生熱雙折射。因此，即便在低功率(例如1W)下消光比為35dB以上，因高功率照射而消光比會降低。在高功率的消光比若低於35dB，則因為引起雷射光源的損傷的可能性高而不佳。在高功率的消光比的上限雖沒有特別限定，但例如作為50dB以下也可以。
此外，與上述高功率照射時的消光比相同因發熱及熱傳導率而被影響的是出射射束焦點位置變化、出射射束徑變化。該等稱為熱透鏡效果，是因發熱所致的溫度分佈產生折射率分佈而引起的現象。出射射束焦點位置變化的情形，未放置樣本時的射束焦點位置、及射束通過樣本時的射束焦點位置的變化率未滿10%較佳，出射射束徑變化的情形，初始的射束徑與通過樣本時的射束徑的變化率未滿10%較佳。本發明中，高功率照射試驗時，在合否判定中也能夠以消光比變化、焦點位置變化、射束徑變化的任一者進行判斷。
[磁光學元件用透明陶瓷的製造方法] 以下，說明關於製造本發明的磁光學元件用透明陶瓷的方法的一實施形態。本實施形態中，首先，將原料粉末壓印成形成預定形狀後進行脫脂，接著進行燒結，製作相對密度最低也會是95%以上緻密化的燒結體。作為之後工程進行熱等靜壓(HIP)處理較佳。此外就這樣施予HIP處理後，磁光學元件用透明陶瓷會被還原而產生若干氧缺陷。因此微氧化HIP處理、乃至HIP處理後藉由施予在氧化氛圍中的退火處理而使氧缺陷回復較佳。藉此，能夠得到包含無缺陷吸收的透明的順磁性石榴石型複合氧化物的磁光學元件用透明陶瓷。以下，說明關於原料及各工程。
(1.原料) 作為本實施形態使用的原料，能夠適用由鋱、鎦、鈧、鋁組成的金屬粉末、及至硝酸、硫酸、尿酸等水溶液、或者上述元素的氧化物粉末等。
透明陶瓷用氧化物粉末的調製，雖分為分解式及積層式的2者，但若能透明化則沒有特別限定。積層式為將各種粉末粉碎調整透明陶瓷用氧化物粉末的方法，於生產性有優點，但在組成的均勻性中有課題。另一方面，積層式為從各種元素的溶液進行核生成、粒成長得到粉末的方法，在組成的均勻性有大大的優點，但在生產性及再現性有困難的方法。本發明中，若能夠高度透明化則沒有特別限定。
分解式中，秤量各種氧化物粉末及燒結助劑，以濕式或乾式進行粉碎處理最佳。各種氧化物粉末的純度為99.9%以上較佳、99.99%以上更佳。又，各種粉末的一次粒徑為0.05μm以上100μm以下較佳。若未滿0.05μm，則不只因為粒子的凝集性高而難以控制陶瓷的均勻性，在燒結工程中產生急速的緻密化，氣泡排出的控制變難而不佳。又，若超過100μm，因為以濕式粉碎、或乾式粉碎無法粉碎至微粒子而不適合。粉碎處理可以是濕式、或乾式，可以適用球磨機處理、珠磨機加工、噴射磨機加工、均質機加工的任一者。粉碎處理，處理至一次粒子的粒度分佈的中心值(D50)成為未滿1μm較佳。
積層式中，從各種元素溶液(不只是主成份，包含燒結助劑也可以)合成粉末，在1300℃以下進行燒結的方法較佳。各種元素的前驅體，例示氯化物、硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽，但沒有特別限定。又粉末的合成方法，例示共沉澱法、錯合物聚合法、均勻沈殿法，若是能夠製造高度透明的陶瓷則沒有特別限定。即便是任何合成法，一次粒徑為0.05μm以上較佳，該形狀沒有特別限定。根據得到的粉末的性狀，在燒結後以濕式、或乾式施予粉碎處理也可以，與分解式一樣特別是粉碎方法沒有限定。
此外，為了之後的製造良率穩定性及品質提升，添加分散劑、結合劑、可塑劑、潤滑劑等有機添加劑也可以，該情形因為進行濕式粉碎，在漿料中添加的方法最穩定而較佳。關於添加量沒有特別限制，若得到作為目標的特性即可。
(2.成形) 本實施形態的製造方法，能夠適用通常的壓印成形工程。亦即，能夠適用極一般的填充於模中從一定方向進行加壓的加壓工程、及在可變形的防水容器中密閉收納以靜水壓進行加壓的CIP(Cold Isostatic Pressing)工程或WIP (Warm Isostatic Pressing)工程。此外，施加壓力在確認得到的成形體的相對密度的同時適宜調整即可，雖沒有特別限制。或者又在成形時不只是成形工程而到燒結為止一口氣實施的熱加壓工程或放電電漿燒結工程、微波加熱工程等也能夠適合利用。再來非壓印成形法，鑄件成形法所致的成形體的製作也是可能的。加壓鑄件成形或遠心鑄件成形、壓出成形等成形法也能夠藉由將出發原料即氧化物粉末的形狀及尺寸與各種有機添加劑的組合最適化採用。
(3.脫脂) 本實施形態的製造方法，能夠適用通常的脫脂工程。亦即，能夠經由加熱爐所致的升溫脫脂工程。又，此時的氛圍氣體的種類沒有特別限制，能夠適用空氣、氧、氫等。脫脂溫度也在270℃以上1000℃以下較佳。低於270℃，則難以將有機添加劑完全除去，另一方面在比1000℃還高的溫度，因為緻密化在比燒結工程還之前進行，難以得到成為低散射的透明燒結體。
(4.燒結) 本實施形態的製造方法中，能夠適用一般的燒結工程。亦即，能夠適用電阻加熱方式、感應加熱方式等加熱燒結工程。此時的氛圍沒有特別限制，也可以是不活性氣體、氧氣、氫氣、氦氣等各種氛圍、或者在減壓下(真空中)的燒結，但在能夠高度透明化的真空中進行燒結最佳。
本實施形態的燒結工程中的燒結溫度為1400~1780℃較佳、1450~1750℃特佳。燒結溫度若在該範圍內，因為抑制異相析出並促進緻密化而較佳。
本實施形態的燒結工程中的燒結保持時間為數時間程度就足夠了，但燒結體的相對密度最低也必須緻密化至93%以上。若未滿93%，則因為無法以接著的HIP工程得到透明體，不適合。有以燒結體的相對密度成為93%以上的方式，管理燒結保持時間的必要。
在燒結工程的結晶粒徑為1μm以上40μm以下較佳、5μm以上35μm以下更佳。結晶粒徑若低於1μm，則因為結晶粒間的微小組成不均，透明度會變差而不適合。又，40μm以上時，在後工程的研磨加工中，有產生脫硫的風險而不佳。以使結晶粒徑成為該當範圍的方式，設定燒結溫度、燒結保持時間較佳。
此外，燒結粒子的平均粒徑(平均燒結粒徑)為將對象燒結體的燒結粒子的粒徑以金屬顯微鏡測定求出者，詳細如同以下的方式求出。 亦即，關於預備燒結體使用金屬顯微鏡，使用反射模式，使用50倍的對物透鏡攝影燒結體表面的反射像。詳細為考慮對物透鏡的有效影像尺寸攝影對象燒結體的光學有效面積的全區域，就該攝影到的影像進行解析處理。此時，首先在各攝影像描繪對角線，計數該對角線橫切的燒結粒子的總數，之後將對角線長除以該計數總數的值定義成該影像中的燒結粒子的平均粒徑。再來將合算以解析處理讀取的各攝影影像的平均粒徑後，除以攝影片數的值作為對象燒結體的平均燒結粒徑。
(5.熱等靜壓(HIP)) 本實施形態的製造方法中，能夠設置經由燒結工程後再追加進行熱等靜壓(HIP(Hot Isostatic Pressing))處理的工程。
此外，此時的加壓氣體媒體種類能夠適用氬、氮等不活性氣體、或Ar-O 2。藉由加壓氣體媒體加壓的壓力為50~300MPa較佳、100~300MPa更佳。壓力未滿50MPa有無法得到透明性改善效果的情形，超過300MPa使壓力增加也無法得到以上的透明性改善。施加壓力若是能夠以市售的HIP裝置處理的196MPa以下則因簡便而較佳。
又，此時的處理溫度(預定保持溫度)在1000~1780℃、較佳為1100~1730℃的範圍內設定。熱處理溫度超過1780℃則因氧缺陷產生風險增大而不佳。又，熱處理溫度為未滿1000℃則幾乎無法得到燒結體的透明性改善效果。此外，關於熱處理溫度的保持時間雖沒有特別限制，但因過長時間保持則氧缺陷產生風險會增大而不佳。典型為在1~3小時的範圍設定較佳。
此外，進行HIP處理的加熱材、隔熱材、處理容器沒有限制，但能夠適用石墨、乃至鉬(Mo)、鎢(W)、鉑(Pt)，作為處理容器更能夠適用氧化釔、氧化釓。特別是處理溫度為1500℃以下的情形，因為作為加熱器材、隔熱材、處理容器能夠使用鉑(Pt)，且能夠將加壓氣體媒體作為Ar-O 2，能夠防止HIP處理中的氧缺陷的產生因此較佳。
處理溫度為1500℃以上的情形中作為加熱材、隔熱材較佳為石墨，但此時作為處理容器選定石墨、鉬(Mo)、鎢(W)的任一者，更在其內側作為二重容器選定氧化釔、氧化釓的任一者後，在容器內先填充氧放出材後，因極力抑制HIP處理中的氧缺陷發生量成較少而較佳。
此外，本HIP處理後，為了成為更低散射，再施予燒結處理也可以、之後再施予HIP處理也可以。關於燒結處理、HIP處理，次數沒有特別限制，到達到低散射為止重複即可。
(6.退火處理) 本實施形態的製造方法中，結束HIP處理後，在得到的透明陶瓷燒結體中會產生氧缺陷，有微呈現薄灰色的外觀的情形。在該情形中，於前述HIP處理溫度以下，典型為1000~1500℃、在氧氛圍下或大氣氛圍下施予退火處理(氧缺陷回復處理)較佳。此時的保持時間雖沒有特別限制，但為了氧缺陷回復在充分的時間以上進行即可，10小時以上較佳、20小時以上更佳。
藉由該氧退火處理，即便是在HIP處理工程呈些微薄灰色的外觀的透明陶瓷燒結體，也能夠作為全部無色透明的無缺陷吸收的磁光學元件用透明陶瓷體。
(7.光學研磨) 本實施形態的製造方法中，關於經由上述一連的製造工程的磁光學元件用透明陶瓷，將該光學利用的軸上某兩端面進行光學研磨較佳。此時的光學面精度，在測定波長λ=633nm的情形，λ/2以下較佳、λ/8以下特佳。此外，藉由在光學研磨後面適宜形成抗反射膜也能夠更加使光學損耗降低。
如同以上，能夠提供將含有鋱及釔的順磁性石榴石型複合氧化物作為主成份包含，室溫時的熱傳導率為4.2W/mK以上的磁光學元件用透明陶瓷。又，能夠提供在波長1064nm的維爾德常數為30rad/(T・m)以上，作為光路長20mm將波長1064nm的雷射光以射束徑1.6mm、入射功率200W入射時的消光比為35dB以上的磁光學元件用透明陶瓷。
[磁光學元件] 再來，說明關於本發明的磁光學元件的一實施形態。本發明的磁光學元件為使用上述磁光學元件用透明陶瓷構成者。上述磁光學元件用透明陶瓷能夠作為磁光學材料利用，具體上，對該磁光學元件用透明陶瓷施加與其光學軸平行的磁場後，使偏光元件、檢光元件相互以其光軸45度偏差的方式設定構成、利用磁光學裝置較佳。特別是本發明的磁光學元件用透明陶瓷適合作為波長0.9~1.1μm的光隔離器的法拉弟轉子使用。
圖1為示意表示將由本發明的磁光學元件用透明陶瓷形成的法拉弟轉子作為光學元件具備的磁光學元件即光隔離器的一例的剖面圖。如圖1所示，光隔離器100，在該框體102的內部，具備由上述磁光學元件用透明陶瓷形成的法拉弟轉子110、及由偏光材料形成的偏光元件120及檢光元件130。該等沿著法拉弟轉子的光學軸104，以偏光元件120、法拉弟轉子110、檢光元件130的順序配置。偏光元件120的偏光振動面與檢光元件130的偏光振動面，以相對角度成為45°的方式配置。又，光隔離器100，在框體102內的法拉弟轉子110的周圍，具備用來對法拉弟轉子110施加磁場的磁體140。
這種光隔離器100能夠適用於產業用光纖雷射裝置(圖示省略)。藉由光隔離器能夠防止從雷射光源發出的雷射光的反射光返回光源，振盪成為不穩定。 [實施例]
以下，與實施例詳細說明關於本發明。 [實施例1~4、比較例1~4] (透明陶瓷的製造) 以預定量秤量純度99.999%以上的氧化鋱粉末(Tb 4O 7(信越化學工業股份公司製))、氧化鎦粉末(Lu 2O 3(信越化學工業股份公司製))、氧化鋁粉末(Al 2O 3(大明化學工業股份公司製grade TM-DAR))、作為燒結助劑的四乙氧基矽烷(Si(OC 2H 5) 4(KISHIDA化學股份公司製，以下稱為TEOS)及氧化鈧粉末(Sc 2O 3(信越化學工業股份公司製))，以乙醇(關東化學股份公司製)作為分散媒施予濕式球磨機處理。此外，球磨機的媒體使用2mm氧化鋁球(NIKKATO股份公司製)。在由球磨機處理得到的漿料中，作為結合劑添加1wt%聚乙烯醇(關東化學股份公司製)，以噴霧乾式進行顆粒化。以從得到的顆粒成為預定形狀的方式施予單軸加壓成型及CIP處理，以馬弗爐在500℃進行大氣脫脂。接著施予真空燒結處理(10 -3Pa、1600℃)及之後的HIP處理(198MPa、1600℃)，在1450℃以10小時實施大氣退火。以得到的透明體成為φ5mm×L20mm、光學面精度成為λ/8的方式進行研磨/加工。此外，比較例1~4除了無添加實施例的氧化釔粉末、或者變更成氧化釔粉末(Y 2O 3(信越化學工業公司製))以外以同樣的方法進行透明化。
(損耗係數測定) 損耗係數，使用NKT Photonics公司製的光源及Gentec公司製的功率計還有Ge光檢測器使用內製的光學系統，以在將波長1064nm的光設定成射束直徑1mmφ的大小使其透過時的光強度進行測定，基於以下式求出。 損耗係數[cm -1]=10×log(I/I 0)/(樣本長[cm]) (式中，I表示透過光強度(直線透過長度20mm的樣本的光強度)、I 0表示入射光強度。)
(熱傳導率測定) 熱傳導率依照JIS R 1611-1997(精細陶瓷的雷射快閃法所致的熱擴散、比熱、熱傳導率試驗法)進行測定。準備直徑10mm、厚度2mm的圓盤狀的透明陶瓷燒結體，向單面實施雷射照射。測定雷射照射面與其相反面的溫度上升之差，以半衰期法決定熱擴散率α。密度ρ以阿基米德法測定、比熱C以差示掃描熱重量法測定。熱傳導率以熱擴散率α、密度ρ、比熱C的積決定。
(消光比的測定方法) 消光比，使用NKT　Photonics公司製的光源、準直器透鏡、偏光元件、工件載台、檢光元件、Gentec公司製的功率計還有Ge光檢測器，使用內製的光學系統，在將波長1064nm的光設定成射束直徑大至3mmφ的狀態下透過樣本中，在該狀態下測定使檢光元件的偏光面與偏光元件的偏光面一致時的光強度I 0’，接著在將檢光元件的偏光面旋轉90度使其與偏光元件的偏光面垂直的狀態下再度測定受光強度I’後，基於以下式藉由計算求出。 消光比(dB)=-10×log 10(I’/I 0’)
(高功率照射時的消光比評價) 高功率照射時的消光比的測定參考JIS　C　5877-2：2012進行。使用線偏光的波長1064nm、出射功率200W、直徑1.6mm的準直後的CW雷射光進行測定。在該雷射光的光軸上配置樣本、PBS、功率計。首先，以對雷射光的偏光平行的方式配置PBS讀取透過光強度P //。接著，以對偏光垂直的方式配置PBS讀取透過光強度P ⊥。入射強度200W的消光比(dB)使用以下式算出。 消光比(dB)=-10×log 10(P ⊥/P //)
(隔離器搭載) 如圖1所示，將得到的各陶瓷樣本插入外徑32mm、內徑6mm、長度40mm的釹-鐵-硼磁體的中心，在其兩端插入偏光元件後，使用IPG光子學日本股份公司製的高功率雷射(射束徑1.6mm)，從兩端面入射波長1064nm的高功率雷射光線，決定法拉弟旋轉角θ。法拉弟旋轉角θ在使出射側的偏光元件旋轉時，作為表示最大的透過率的角度。基於以下式求出維爾德常數。此外，施加至樣本的磁場的大小(H)，使用從上述測定系的尺寸、殘留磁力線密度(Br)及保持力(Hc)藉由模擬算出的值。 θ=V×H×L (式中，θ為法拉弟旋轉角(rad)、V為維爾德常數(Rad/T・m)、H為磁場的大小(T)、L為法拉弟轉子的長度(此時為0.020m)。)
表1示出各種透明陶瓷的特性評價結果。得知將A位置以Lu置換的情形，熱傳導率為4.2W/mK以上，且損耗係數降低。作為結果，以200W照射的消光比為35dB以上。另一方面，將A位置置換成Y的情形，損耗係數為同程度，另一方面因為熱傳導率大大下降，在200W照射的消光比低於35dB。從該等結果，得知置換A位置的元素，Lu較Y為佳，能夠作為超過200W的高功率用的法拉弟轉子使用。
[實施例5~11、比較例5~8] 除了使TEOS與Sc 2O 3的添加量變化以外，與實施例2一樣製作透明陶瓷。結果顯示於表2。Sc的添加量若是1000質量ppm以下，不會看到熱傳導率的急劇降低，200W照射時的消光比為35dB以上。但是，將Sc放入超過1000質量ppm時，雖透明化的穩定性提升，但熱傳導率下降，200W照射時的消光比低於35dB。因此，得知Sc的添加量為1000質量ppm以下較佳。此外，若減少Sc的量，雖變得難以透明化，但藉由調整Si的量能夠透明化。得知Si的量也在100質量ppm以上1000質量ppm的範圍內，特別是不會對高功率照射時的消光比有影響，若是0質量ppm則因異相產生，沒有透明化。
此外，至此為止將本發明以上述實施形態說明，但本發明不限於該實施形態，其他實施形態、追加、變更、刪除等該技術領域的通常知識者能夠想到的範圍內能夠進行變更，任何態樣中只要能夠發揮本發明的作用效果，都包含於本發明的範圍。
100:光隔離器 102:框體 104:光學軸 110:法拉弟轉子 120:偏光元件 130:檢光元件 140:磁體
[圖1]表示將本發明的磁光學元件用透明陶瓷作為法拉弟轉子使用的光隔離器的構造例的剖面示意圖。
100:光隔離器
102:框體
104:光學軸
110:法拉弟轉子
120:偏光元件
130:檢光元件
140:磁體

Claims (10)

  1. 一種磁光學元件用透明陶瓷，包含：含有以下述式(1)表示的鋱、鎦及鋁的順磁性石榴石型複合氧化物、及作為燒結助劑的100質量ppm以上1000質量ppm以下的Si： (Tb 1 ‐ xLu x) 3Al 5O 12・・・(1) (式中，0.05≦x≦0.45)。
  2. 如請求項1記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，作為燒結助劑更包含1000質量ppm以下的Sc。
  3. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，室溫時的熱傳導率為4.2W/(m・K)以上。
  4. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，消光比為35dB以上。
  5. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，1064nm時的損耗係數為0.002cm -1以下。
  6. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，陶瓷的結晶粒徑為1μm以上40μm以下。
  7. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，照射波長1064nm、輸出200W的雷射時的消光比為35dB以上。
  8. 如請求項1或2記載的磁光學元件用透明陶瓷，其中，維爾德常數為30Rad/(T・m)以上。
  9. 一種磁光學元件，使用如請求項1至8中任一項記載的磁光學元件用透明陶瓷構成。
  10. 如請求項9記載的磁光學元件，其中，作為法拉弟轉子具備上述磁光學元件用透明陶瓷，為在該法拉弟轉子的光學軸上的前後具備偏光材料的能在波長帶0.9μm以上1.1μm以下利用的光隔離器。
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