WO2012133200A1 - ファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器 - Google Patents

ファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器 Download PDF

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WO2012133200A1
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single crystal
faraday rotator
optical
fluoride
less
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PCT/JP2012/057543
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島村　清史
ビジョラ エンカルナシオン アント二ア ガルシア
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独立行政法人物質・材料研究機構
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    • G02F2203/04—Function characteristic wavelength independent

Definitions

  • the present invention relates to a Faraday rotator, an optical isolator, and an optical processing device.
  • An optical processing device is a device capable of processing a workpiece by irradiating a laser beam, and is used in technologies such as metal processing, markers, optical lithography, and optical modeling.
  • An optical processing device is generally provided with an optical isolator.
  • An optical isolator usually includes a Faraday rotator (FR).
  • the Faraday rotator is a member capable of rotating the polarization plane of incident light by applying a magnetic field.
  • Optical isolators are used not only for optical processing devices but also for optical communications.
  • the most common material for the Faraday rotator is a garnet-type single crystal, for example, Y 3 Fe 5 O 12 (YIG).
  • YIG Y 3 Fe 5 O 12
  • a terbium gallium garnet (TGG: Tb 3 Ga 5 O 12 ) type single crystal has also been put into practical use (Non-patent Document 1).
  • TGG has a problem that the Faraday rotation angle (Verdet constant: V), which is one of magneto-optical characteristics, is not so large, and it is difficult to grow a high-quality single crystal.
  • a terbium-aluminum-based garnet (TAG: Tb 3 Al 5 O 12 ) type single crystal has also been developed (Non-patent Document 2).
  • TAG has a large Faraday rotation angle, it is extremely difficult to grow a large crystal and has not been put into practical use. Furthermore, a terbium / scandium / aluminum garnet (TSAG: Tb 3 Sc 2 Al 3 O 12 ) type single crystal has been studied (Patent Document 1). However, although TSAG single crystal is also transparent, there is a problem that cracks occur and it is difficult to grow a large crystal.
  • Patent Document 2 a single crystal composed of terbium, aluminum, garnet type single crystal, in which a part of Al is mainly replaced with Sc and Lu.
  • This single crystal has a Faraday rotation angle that exceeds that of a TGG single crystal. Furthermore, it is disclosed to suppress a decrease in transmittance in a short wavelength region (400 to 700 nm). As a result, it is possible to shorten the wavelength of laser light that enables higher-definition processing.
  • the single crystal absorbs light with respect to laser light in a shorter wavelength region (400 nm or less), so when the wavelength of the laser light is shortened for higher-definition processing, this single crystal is There was a problem that the optical isolator used could not be used.
  • JP 2002-293893 A International Publication WO2011 / 049102 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-119952 JP 2011-75686 A
  • An object of the present invention is to provide a Faraday rotator, an optical isolator, and an optical processing device capable of growing a large single crystal and having enhanced transmittance at a wavelength of 400 nm or less.
  • the present invention has the following configuration.
  • the Faraday rotator of the present invention is characterized by containing a fluoride represented by the following general formula (1) or (2) as a main component.
  • RE1F 3-x (1) LiRE2F 4-x (2)
  • RE1 or RE2 is an element selected from at least one group of rare earth elements.
  • the content of the fluoride is preferably 50 wt% or more.
  • the Faraday rotator of the present invention is preferably composed of a single crystal of the fluoride.
  • the Faraday rotator of the present invention is preferably made of the above-mentioned fluoride polycrystal.
  • the Faraday rotator of the present invention is preferably made of an amorphous body of the fluoride.
  • the Faraday rotator of the present invention is preferably at least one selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Tb, Dy, and Ho, where RE1 of the fluoride represented by the general formula (1) is More preferably, the fluoride is a material of CeF 3 , PrF 3 , NdF 3 , TbF 3 , DyF 3 or HoF 3 .
  • RE2 of the fluoride represented by the general formula (2) is at least one selected from the group consisting of Tb, Dy, Ho, Er, and Yb, and the fluoride is LiTbF 4 , LiDyF 4 , More preferably, the material is LiHoF 4 , LiErF 4, or LiYbF 4 .
  • the optical isolator according to the present invention includes the Faraday rotator described above and an analyzer or a polarizer.
  • An optical processing device according to the present invention includes the optical isolator described above and a laser light source.
  • the Faraday rotator of the present invention is configured to contain a fluoride represented by the general formula (1) as a main component, and the fluoride has only a higher transmittance than TGG in the wavelength range of infrared light to visible light.
  • a fluoride represented by the general formula (1) since the transmittance is high even in a wavelength region of 400 nm or less and high transparency is obtained in a wavelength region of 400 nm or less, a short wavelength laser having a wavelength of 400 nm or less can be used as a light source. Therefore, when a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device is used and a short wavelength laser is used as a light source, high-definition processing becomes possible. Furthermore, since the single crystal has high stability and no phase transition, cracks at the time of cutting out the single crystal can be sufficiently suppressed, the second phase is not generated, and a large single crystal can be formed. It can also be used for high performance optical communication parts.
  • the optical isolator of the present invention has a configuration including the Faraday rotator described above and an analyzer or a polarizer.
  • the fluoride constituting this Faraday rotator not only has a higher transmittance in the infrared to visible wavelength region than TGG, but also has a high transmittance in the wavelength region of 400 nm or less, and is highly transparent in the wavelength region of 400 nm or less. Therefore, a short wavelength laser having a wavelength of 400 nm or less can be used as a light source. By using a short wavelength laser, high-definition processing can be performed, and the performance of the optical isolator can be improved.
  • the optical processing device of the present invention has the optical isolator described above and a laser light source, high-definition processing using an optical isolator that can use a short wavelength laser with a wavelength of 400 nm or less as a light source, Optical processing performance can be improved.
  • CeF 3 is a graph showing the wavelength dependence of the absorption coefficient ⁇ of PrF 3 and TGG single crystal.
  • CeF 3 a PrF 3, LiTbF 4, LiDyF 4 , LiHoF 4, a graph showing the wavelength dependence of the absorption coefficient ⁇ of LiErF 4 and LiYbF 4.
  • CeF 3 a PrF 3, LiTbF 4, LiDyF 4 , LiHoF 4, LiErF 4, LiYbF 4 and TGG graph showing the wavelength dependence of the single crystal of Verdet constant. It is a graph which shows the wavelength dependence of the figure of merit (V / ⁇ ) of CeF 3 , PrF 3 and TGG single crystal.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an optical processing device according to an embodiment of the present invention.
  • the optical processing device 100 includes a laser light source 11 and an optical isolator 10 and is schematically configured.
  • the light L emitted from the laser light source 11 travels on the optical path P, enters the optical isolator 10, passes through the inside, is emitted from the other end side, and is irradiated onto the workpiece Q.
  • An optical isolator is an optical element having a function of transmitting light only in one direction and blocking light reflected and returned. By providing the optical isolator 10, the optical processing device 100 can protect the laser light source 11 from return light that causes instability and damage of the laser light source 11.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of an optical isolator that is an embodiment of the present invention.
  • the optical isolator 10 is schematically configured by a polarizer 1 disposed on one end side, a Faraday rotator 3, and an analyzer 2 disposed on the other end side in this order.
  • the Faraday rotator 3 has a columnar shape and is generally a substantially cylindrical shape. However, the shape of the Faraday rotator 3 may be any of a thin film, a bulk, a fiber, and the like, and is not limited to a specific shape.
  • the polarizer 1 and the analyzer 2 are arranged so as to form an angle of 45 °, for example, so that their transmission axes are not parallel to each other.
  • a polarizer may be used instead of the analyzer 2.
  • the Faraday rotator 3 is configured to be able to apply a magnetic field B in parallel to the incident direction of light by a magnet. By applying the magnetic field B, the Faraday rotator 3 rotates the plane of polarization of the light L that has passed through the polarizer 1.
  • the angle at which the Faraday rotator 3 can rotate the plane of polarization is the Faraday rotation angle. The larger this angle, the higher the efficiency as the Faraday rotator.
  • the Faraday rotation angle is related to the Verde constant by a certain relational expression.
  • this embodiment shows an example of the optical isolator which is embodiment of this invention, and is not restricted to this.
  • the Faraday rotator 3 which is an embodiment of the present invention contains a fluoride represented by the following general formula (1) or (2) as a main component.
  • RE1F 3-x (1) LiRE2F 4-x (2)
  • 0 ⁇ x ⁇ 0.1, and RE1 and RE2 are elements selected from at least one group of rare earth elements.
  • the Faraday rotator 3 according to the embodiment of the present invention only needs to contain a fluoride represented by the general formula (1) or (2) as a main component, and other components as subcomponents. Also good.
  • containing as a main component means containing 50 wt% or more of the fluoride represented by the general formula (1) or (2) in the constituent material of the Faraday rotator 3 according to the embodiment of the present invention.
  • the content of the fluoride represented by the general formula (1) or (2) is more preferably 80% by weight or more, further preferably 90% by weight or more, and 99% by weight or more. Particularly preferred. Thereby, transparency can be improved more.
  • Other components include metal halides and metal oxides represented by metal fluorides selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, and rare earth metals.
  • the above-mentioned other components are contained, for example, as dopants added at the time of producing a single crystal.
  • the fluoride of the general formula (1) or (2) where 0 ⁇ x ⁇ 0.1 is a fluoride in which defects in the crystal are more controlled. Therefore, when the Faraday rotator 3 is configured using this fluoride, sufficient optical quality can be obtained, the reproducibility of the Faraday rotation angle (Verde constant) can be maintained, and the Faraday rotation angle (Verde constant) can be maintained. Can be controlled.
  • x is 0.1 or more in the general formula (1) or (2), sufficient optical quality for use as a Faraday rotator cannot be obtained, and sufficient transparency in a wavelength region of 400 nm or less. Cannot be secured.
  • the single crystal is cut out, there is a possibility that cracks and second phases appear in the single crystal.
  • the Faraday rotator 3 is preferably made of the single crystal of the fluoride.
  • the single crystal has transparency in the wavelength range of infrared light to visible light, and in particular also has transparency in the wavelength range of 400 nm or less. Therefore, when the Faraday rotator 3 is configured, a short wavelength laser of 400 nm or less is used.
  • a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device high-definition processing is possible.
  • the single crystal has high stability and no phase transition, cracks at the time of cutting out the single crystal can be sufficiently suppressed, the second phase is not generated, and a large single crystal can be formed.
  • the Faraday rotator 3 may be composed of a polycrystal or an amorphous material. Good. More specifically, ceramics (including transparent ceramics) and glass may be used.
  • the transparent ceramic is a ceramic having a transmittance of 80% or more in the wavelength region of infrared light to visible light, and particularly having a transmittance of 80% or more in the wavelength region of 400 nm or less. Can be formed more easily.
  • the characteristics similar to those of the fluoride single crystal represented by the general formula (1) or (2) include transparency in the wavelength region of infrared light to visible light, particularly transparency in a wavelength region of 400 nm or less,
  • the reproducibility of the Faraday rotation angle (Verde constant) is equal to or higher than the characteristics of the fluoride single crystal represented by the general formula (1) or (2).
  • the fluoride represented by the general formula (1) is preferably a material of any one of CeF 3 , PrF 3 , NdF 3 , TbF 3 , DyF 3 , and HoF 3 .
  • the Faraday rotator 3 using any one of CeF 3 , PrF 3 , NdF 3 , TbF 3 , DyF 3 , and HoF 3 has transparency in the wavelength region of infrared light and visible light, and particularly 400 nm or less.
  • the Faraday rotator has a high transparency and a large Faraday rotation angle, can use a short wavelength laser with a wavelength of 400 nm or less as a light source, and has a high figure of merit (V / ⁇ ).
  • the fluoride represented by the general formula (2) is more preferably a material of any one of LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4 or LiYbF 4 .
  • the Faraday rotator 3 using any one of LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4, or LiYbF 4 has transparency in the wavelength region of infrared light and visible light, and particularly has a wavelength region of 400 nm or less.
  • the fluoride single crystal represented by the general formula (1) or (2) can be grown by the Czochralski (hereinafter, Cz) method, for example, as follows. First, a predetermined material is weighed at a predetermined molar ratio, mixed in a crucible, evacuated with a vacuum pump, then brought into a CF 4 (> 99, 99%) atmosphere, gradually melted, and then gradually cooled. Thus, a substantially disk-shaped first single crystal is formed. Next, a c-axis oriented rod-shaped seed crystal is cut out from the first single crystal.
  • Cz Czochralski
  • the crucible is placed in the chamber, and then a high vacuum is applied with a vacuum pump to efficiently remove oxygen in the chamber. Then, a CF 4 (> 99, 99%) atmosphere is obtained. Next, the crucible is heated by the high frequency coil connected to the high frequency oscillator (30 kW), and the mixed material is slowly melted in the crucible.
  • the rod-shaped seed crystal is immersed in the melt in the crucible from one end side and then pulled up in the direction of the other end of the rod while rotating around the central axis of the rod, thereby melting the rod-shaped seed crystal.
  • a single crystal is grown on the liquid side.
  • the rotation speed is 1 to 50 rpm
  • the pulling speed is 0.1 to 10 mm / h. Thereby, a single crystal can be formed around the rod from one end side of the rod.
  • the single crystal is cut into a predetermined shape.
  • it is a substantially cylindrical shape whose longitudinal direction is the c-axis.
  • predetermined surfaces for example, an incident surface and an output surface in the case of a Faraday rotator
  • an antireflection film is formed on the predetermined surface.
  • the Faraday rotator 3 is composed of a single crystal represented by the general formula (1) or (2), the single crystal has a wavelength range of infrared light to visible light. Not only has the transmittance higher than TGG, but also has a high transmittance in a wavelength region of 400 nm or less and high transparency, so that a short wavelength laser with a wavelength of 400 nm or less can be used as a light source. Therefore, when a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device is used and a short wavelength laser is used as a light source, high-definition processing becomes possible.
  • the single crystal body has high stability and no phase transition, cracks at the time of cutting out the single crystal body can be sufficiently suppressed, and generation of the second phase can be suppressed, so that a large single crystal can be formed. It can also be used for high performance optical communication parts.
  • the single crystal made of can be crystal-grown at a lower temperature than the TGG single crystal, and its manufacturing cost can be reduced. Furthermore, it has a high transmittance and a Verde constant at 400 nm or less, and the single crystal can be enlarged. Thereby, it can be easily set as the Faraday rotator which raised the transmittance
  • the single crystal can also be manufactured using a Bridgeman method. Crystal growth by the Bridgman method is, for example, as follows. A predetermined material is weighed in a predetermined molar ratio in the crucible and stirred in the crucible, and then the crucible is placed in the chamber. Thereafter, moisture is efficiently removed by making a high vacuum with a vacuum pump, and with the high vacuum maintained, a resistance heating type heating source disposed around the crucible is energized to melt the material in the crucible. The heating source has a temperature gradient in which the upper side is higher than the melting point of the material and the lower side is lower than the melting point of the material.
  • the crucible After the material is melted, the crucible is moved from the upper temperature higher than the melting point to the lower temperature lower than the melting point. At this time, the melt at a melting point or a temperature lower than that becomes a single crystal, and the single crystal can be continuously grown by performing this continuously.
  • the manufacturing method may be other methods such as a melting / solidification method, a floating zone method (FZ: floating zone method), a micro pull-down method ( ⁇ -PD method: ⁇ -Pulling Down method), and is not limited to a specific method. .
  • the Faraday rotator 3 which is an embodiment of the present invention contains a fluoride represented by the general formula (1) or (2) as a main component and the content of the fluoride is 50 wt% or more, Transparency can be further enhanced in a wavelength region of 400 nm or less, and a short wavelength laser having a wavelength of 400 nm or less can be used as a Faraday rotator that can be used as a light source. Therefore, when a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device is used and a short wavelength laser is used as a light source, high-definition processing becomes possible. It can also be used for high performance optical communication parts.
  • the Faraday rotator 3 is composed of the fluoride polycrystal, the transparency can be further improved in a wavelength region of 400 nm or less, and a short wavelength laser having a wavelength of 400 nm or less is used as a light source. It can be used as a usable Faraday rotator. Therefore, when a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device is used and a short wavelength laser is used as a light source, high-definition processing becomes possible. It can also be used for high performance optical communication parts.
  • the Faraday rotator 3 is composed of the amorphous substance of fluoride, the transparency can be further improved in a wavelength region of 400 nm or less, and a short wavelength laser having a wavelength of 400 nm or less is used as a light source. It can be used as a possible Faraday rotator. Therefore, when a Faraday rotator of an optical isolator of an optical processing device is used and a short wavelength laser is used as a light source, high-definition processing becomes possible. It can also be used for high performance optical communication parts.
  • the optical isolator 10 includes the Faraday rotator 3, the analyzer 2, and the polarizer 1, a short wavelength laser of 400 nm or less can be used, and high-definition processing is possible. The performance of the optical isolator can be improved.
  • the optical processing device 100 includes the optical isolator 10 and the laser light source 11, a short wavelength laser of 400 nm or less can be used, and high-definition processing is possible.
  • the Faraday rotator, the optical isolator, and the optical processing device that are the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. . Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
  • Example 1 Manufacture of single crystal and Faraday rotator> A CeF 3 single crystal (single crystal of Example 1) was produced by the following steps by the Cz method. [Preparation of seed crystal] First, a predetermined commercial material (CeF 3 (purity> 99, 99%)) was weighed in a predetermined amount and filled into a Pt crucible. Next, after placing the Pt crucible in the chamber, the oxygen in the chamber was efficiently removed by a vacuum pump to create a CF 4 (> 99, 99%) atmosphere.
  • a predetermined commercial material CeF 3 (purity> 99, 99%)
  • the crucible made of Pt was heated by a high-frequency coil arranged around the crucible connected to the high-frequency oscillator (30 kW) to bring the temperature in the crucible above the melting point of CeF 3 single crystal to slowly melt the material in the crucible.
  • the mixed material was gradually cooled to form a disk-like single crystal.
  • a rod-shaped seed crystal oriented in the c-axis was cut out from the single crystal.
  • the single crystal was grown on the melt side of the rod-shaped seed crystal by pulling it up while rotating.
  • the rotation speed was 15 rpm, and the pulling speed was 2 mm / h.
  • the length of the grown single crystal was 100 mm.
  • the CeF 3 single crystal (single crystal of Example 1) was manufactured by the above process.
  • Example 2 A PrF 3 single crystal (single crystal of Example 2) was produced by the following steps by the melting and solidification method. First, a predetermined commercial material (PrF 3 (purity> 99, 99%)) was weighed in a predetermined amount and filled into a Pt crucible. Next, after placing the Pt crucible in the chamber, the oxygen in the chamber was efficiently removed by a vacuum pump to create a CF 4 (> 99, 99%) atmosphere.
  • PrF 3 purity> 99, 99%
  • the crucible made of Pt was heated by a high-frequency coil arranged around the crucible connected to the high-frequency oscillator (30 kW) to bring the temperature in the crucible to a temperature equal to or higher than the melting point of PrF 3 single crystal, and the material in the crucible was slowly melted.
  • the material in the crucible was gradually cooled to form a disk-shaped single crystal.
  • a rod-shaped single crystal oriented in the c-axis was cut out from the single crystal.
  • a Faraday rotator made of PrF 3 single crystal (Faraday rotator of Example 2) was manufactured.
  • Example 3 A LiTbF 4 single crystal (single crystal of Example 3) was produced by the following steps by the Cz method. First, TbF 3 (purity> 99,99%) and LiF (purity> 99,99%) were weighed in predetermined amounts, mixed, and filled into a Pt crucible. In consideration of the binary equilibrium diagram, the melt was mixed to obtain an RE concentration of 37 mol% TbF 3 . After placing the Pt crucible in the chamber, the oxygen in the chamber was efficiently removed by a vacuum pump to create a CF 4 (> 99, 99%) atmosphere.
  • TbF 3 purity> 99,99%
  • LiF purity> 99,99%
  • Example 4 LiDyF 4 was used in the same manner as in Example 3 except that DyF 3 (purity> 99,99%) and LiF were mixed so that an RE concentration of 37.5 mol% DyF 3 was obtained in the melt. Crystals (single crystals of Example 4) were produced. Next, in the same manner as in Example 3, a Faraday rotator made of LiDyF 4 single crystal (Faraday rotator of Example 4) was manufactured.
  • Example 5 A LiHoF 4 single crystal (in the same manner as in Example 3 except that HoF 3 (purity> 99,99%) and LiF were mixed so that an RE concentration of 36 mol% HoF 3 was obtained in the melt. A single crystal of Example 5) was produced. Next, a Faraday rotator (Faraday rotator of Example 5) made of a LiHoF 4 single crystal was manufactured in the same manner as in Example 3.
  • Example 6 A LiErF 4 single crystal (Example 6) was prepared in the same manner as in Example 3 except that ErF 3 (purity> 99,99%) and LiF were mixed so that 46 mol% ErF 3 was obtained in the melt. Single crystal). Next, in the same manner as in Example 3, a Faraday rotator (Faraday rotator of Example 6) made of LiErF 4 single crystal was manufactured.
  • ErF 3 purity> 99,99%
  • Example 7 A LiYbF 4 single crystal (Example 7) was prepared in the same manner as in Example 3 except that YbF 3 (purity> 99,99%) and LiF were mixed so that 46 mol% YbF 3 was obtained in the melt. Single crystal). Next, a Faraday rotator (Faraday rotator of Example 7) made of a LiYbF 4 single crystal was manufactured in the same manner as in Example 3.
  • Example 1 After a predetermined commercial material as a raw material and an Ir crucible as a crucible by the Cz method, an atmosphere was formed by mixing 2% of oxygen gas (> 99.99%) with Ar gas (> 99.99%) without vacuum.
  • a TGG single crystal (single crystal of Comparative Example 1) was produced under the same crystal growth conditions as in Example 1, except that the melting point of TGG single crystal (Tb 3 Ga 5 O 12 ) was 1825 ° C. or higher.
  • a Faraday rotator made of a TGG single crystal (Faraday rotator of Comparative Example 1) was produced.
  • FR angle the angle of Faraday rotation of the Faraday rotator
  • FIG. 3 is a photograph of a CeF 3 single crystal immediately after growth grown by the Cz method.
  • FIG. 4 is a photograph of a PrF 3 single crystal grown by the melting / solidification method. None of the samples showed twinning or distortion and showed high optical properties.
  • 5 and 6 are graphs showing the wavelength dependence of the absorption coefficient ⁇ of CeF 3 , PrF 3 , LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4 , LiYbF 4 and TGG single crystals.
  • TGG has an absorption coefficient that increases as the wavelength becomes shorter in the region of more than 400 nm and less than 800 nm. Absorption coefficient is increasing rapidly.
  • the CeF 3 single crystal has an absorption coefficient ⁇ of almost 0 in the region from 306 nm to 800 nm.
  • the PrF 3 single crystal has an absorption coefficient ⁇ of almost 0 in the region of more than 220 nm and 800 nm or less, except for two peaks in the range of 426 to 496 nm and 564 to 618 nm.
  • the absorption of 220 nm or less corresponds to the transition from the ground state 3 H 4 to the excited state 1 S 0 .
  • the two peaks at 426-496 nm and 564-618 nm correspond to the transition from the ground state 3 H 4 to the excited state 3 P J and the transition from the ground state 3 H 4 to the excited state 1 D 2 , respectively. .
  • the CeF 3 single crystal has an absorption coefficient ⁇ of almost zero in the region of 306 nm super-visible light or less, particularly 400 nm or less.
  • the PrF 3 single crystal has an absorption coefficient ⁇ of almost 0 in the 220 nm super-visible light region or less, particularly in the region of 400 nm or less.
  • the CeF 3 single crystal has a sharp increase in absorption in the region of 306 nm or less. Therefore, when the CeF 3 single crystal is used as a Faraday rotator, light in the region of 306 nm or less should be used as light from the light source. Can not. On the other hand, when PrF 3 single crystal is used as a Faraday rotator, light in a region of 306 nm or less can be used as light from a light source, and considering application to a Faraday rotator using a laser of 306 nm or less, The PrF 3 single crystal is superior to the CeF 3 single crystal.
  • LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4 , and LiYbF 4 show several absorption peaks (due to the 4F-4F transition), but the absorption coefficient ⁇ is almost the same in other regions. 0. Therefore, when these single crystals are used as a Faraday rotator, light in the visible light region or less, particularly in the region of 400 nm or less can be used as light from the light source. Note that it is desirable to appropriately select a single crystal having an absorption coefficient ⁇ of 0 with respect to the wavelength of light used.
  • FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the Verde constant of each single crystal of CeF 3 , PrF 3 , LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4 , LiYbF 4 and TGG.
  • the Verde constant was measured in the usable range, that is, in the wavelength range where the absorption coefficient ⁇ increases rapidly. In any single crystal, the Verde constant increased rapidly as the wavelength became lower.
  • the Verde constant of the PrF 3 single crystal, CeF 3 single crystal and LiTbF 4 single crystal was almost the same as that of the reference TGG single crystal in the region of 600 nm or more, but LiDyF 4 , The Verde constant of each single crystal of LiHoF 4 , LiErF 4 and LiYbF 4 was slightly small.
  • the Verde constant of the LiYbF 4 single crystal is the smallest in the region of more than 400 nm and less than 600 nm, and the order of each single crystal of LiErF 4 , LiHoF 4 , LiDyF 4 , PrF 3 , LiTbF 4 , and CeF 3
  • the Verde constant increased, and the TGG single crystal had the largest Verde constant.
  • the TGG single crystal had no effect, and the Verde constant of the other single crystals increased in the above order, and the Verde constant of the CeF 3 single crystal was the largest.
  • LiTbF 4 and PrF 3 show similar Verde constants, but PrF 3 has the advantage of higher transparency in the region of 220 to 300 nm.
  • LiDyF 4 exhibits a high Verde constant in a narrow range of 200 to 220 nm. Below 200 nm, there are only three single crystals, LiHoF 4 , LiErF 4 and LiYbF 4 .
  • the first two single crystals have a relatively high Verde constant but also show 4f-4f absorption lines.
  • LiYbF 4 is transparent in a wide range up to 170 nm, but its Verde constant is relatively low. It is expected that the Verde constant increases sharply toward the absorption edge.
  • FIG. 8 is a graph showing the wavelength dependence of the figure of merit (V / ⁇ ) of CeF 3 , PrF 3 and TGG single crystals. Compared to the figure of merit (V / ⁇ ) of the TGG single crystal, the figure of merit of CeF 3 and PrF 3 single crystals was much larger.
  • the CeF 3 single crystal showed a performance index larger than that of both TGG and PrF 3 single crystals in the entire wavelength region shown in FIG.
  • the only material that can be used in the vicinity of 490 nm is CeF 3 single crystal. At this wavelength, the transparency of other materials is greatly reduced.
  • the figure of merit of CeF 3 increased rapidly between the visible wavelength region and the wavelength of about 300 nm, and reached about 100 rad / T at about 300 nm. Of the three, it is simultaneously shown that there is no Faraday rotator that can be used except for PrF 3 single crystal in the region of wavelength of about 300 nm or less.
  • the figure of merit of PrF 3 single crystal increases rapidly up to a wavelength of about 300 nm or less and 224 nm, and its peak value surpasses that of CeF 3 single crystal.
  • FIG. 9 is a graph showing the wavelength dependence of the figure of merit (V / ⁇ ) of LiTbF 4 , LiDyF 4 , LiHoF 4 , LiErF 4 and LiYbF 4 .
  • LiTbF 4 can be used as a Faraday rotator at wavelengths greater than 220 nm and not greater than 800 nm. At a wavelength of 220 nm or less, there is a high possibility as a Faraday rotator of LiDyF 4 , LiHoF 4 and LiErF 4 . Since 4f-4f absorption lines exist, which crystal is selected depends on the corresponding wavelength.
  • LiDyF 4 decreases from 200 nm, while the other two crystals are transparent up to about 170 nm.
  • LiYbF 4 has the highest transparency in the region of 170-800 nm because it lacks the 4f-4f absorption line, but its figure of merit is limited by a low Verde constant, so its effect as a Faraday rotator is It is noteworthy only at very short wavelengths near the absorption edge.
  • the Faraday rotator, optical isolator, and optical processing device of the present invention have a high transmittance and a large Verde's constant and a figure of merit in the visible wavelength region and particularly at a wavelength of 400 nm or less, and can grow a large single crystal as compared with TGG. Since a material is used, a laser having a visible wavelength region and particularly a wavelength of 400 nm or less can be used, high-definition processing can be performed, and the optical processing industry can be used.

Abstract

　本発明は、透過率がＴＧＧより大きく、大型化可能であるとともに、可視波長領域、特に４００ｎｍ以下の波長で高い性能指数をもつファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器を提供することを課題とする。　下記一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有することを特徴とするファラデー回転子。　ＲＥ１Ｆ３－ｘ　・・・（１）　ＬｉＲＥ２Ｆ４－ｘ・・・（２）　前記一般式（１）又は（２）で、０≦ｘ＜０．１であり、ＲＥ１及びＲＥ２は希土類元素の群から少なくとも一つ選択される元素である。

Description

ファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器
　本発明は、ファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器に関する。
　光加工器は、レーザー光を照射して被加工体の加工が可能な機器であり、金属加工やマーカー、光リソグラフィ―や光造形などの技術に用いられている。光加工器には、一般に、光アイソレーターが備えられている。
　光アイソレーター（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｓｏｌａｔｏｒ：ＯＩ）は、通常、ファラデー回転子（Ｆａｒａｄａｙ　ｒｏｔａｔｏｒ：ＦＲ）を備える。ファラデー回転子は、磁界の印加により入射光の偏光面を回転させることが可能な部材である。光アイソレーターは、光加工器だけでなく、光通信にも使用されている。
　ファラデー回転子の材料として最も一般的なものは、ガーネット型単結晶であり、例えば、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２（ＹＩＧ）がある。また、テルビウム・ガリウム・ガーネット（Ｔｅｒｂｉｕｍ　ｇａｌｌｉｕｍ　ｇａｒｎｅｔ：ＴＧＧ：Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）型単結晶も実用化されている（非特許文献１）。しかし、ＴＧＧは、磁気光学特性の一つであるファラデー回転角（ベルデ定数：Ｖｅｒｄｅｔ　ｃｏｎｓｔａｎｔ：Ｖ）があまり大きくなく、高品質な単結晶の育成が困難という問題があった。
　また、テルビウム・アルミニウム系ガーネット（ＴＡＧ：Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２）型単結晶も開発されている（非特許文献２）。ＴＡＧは、ファラデー回転角は大きいものの、大型の結晶育成が極めて困難であり、実用に至っていない。
　更に、テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＳＡＧ：Ｔｂ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２）型単結晶も研究されている（特許文献１）。しかし、ＴＳＡＧ単結晶も透明性を有するものの、クラックが生じ、大型の結晶育成が困難という問題があった。
　このような背景のもと、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなり、主としてＡｌの一部がＳｃとＬｕで置換されている単結晶も開発されている（特許文献２）。この単結晶は、ＴＧＧ単結晶を超えるファラデー回転角を備える。更に、短波長領域（４００～７００ｎｍ）において、透過率の低下を抑制することが開示されている。これにより、より高精細な加工を可能とするレーザー光の短波長化が可能とされている。
　しかし、前記単結晶でも、より短波長領域（４００ｎｍ以下）のレーザー光に対しては光を吸収するので、より高精細な加工の為にレーザー光をより短波長化した場合、この単結晶を用いた光アイソレーターを利用できないという問題があった。
　一方、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３等のフッ化物を光学素子として用いることも周知である（例えば、特許文献３及び４参照）が、これらの希土類フッ化物をファラデー回転子に用いることは知られていない。
特開２００２－２９３６９３号公報 国際公開ＷＯ２０１１／０４９１０２ 特開２００５－１１９９５２号公報 特開２０１１－７５６８６号公報
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　３０６（２００７）１９５－１９９． Ｃｒｙｓｔ．Ｒｅｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，３４（１９９９）５－６、ｐ６１５－６１９．
　本発明は、大型単結晶の育成が可能であるとともに、４００ｎｍ以下の波長の透過率を高めたファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器を提供することを課題とする。
　本発明は、以下の構成を有する。
　本発明のファラデー回転子は、下記一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有することを特徴とする。
　ＲＥ１Ｆ３－ｘ　　・・・（１）
　ＬｉＲＥ２Ｆ４－ｘ・・・（２）
　前記一般式（１）又は（２）で、０≦ｘ＜０．１であり、ＲＥ１又はＲＥ２は希土類元素の群から少なくとも一つ選択される元素である
　本発明のファラデー回転子は、前記フッ化物の含有量が５０ｗｔ％以上であることが好ましい。
　本発明のファラデー回転子は、前記フッ化物の単結晶体からなることが好ましい。
　本発明のファラデー回転子は、前記フッ化物の多結晶体からなることが好ましい。
　本発明のファラデー回転子は、前記フッ化物のアモルファス体からなることが好ましい。
　本発明のファラデー回転子は、前記一般式（１）で表されるフッ化物のＲＥ１がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｄｙ及びＨｏよりなる群から選択される１種以上であることが好ましく、前記フッ化物がＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３又はＨｏＦ３のいずれかの材料であることがより好ましい。
　前記一般式（２）で表されるフッ化物のＲＥ２がＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ及びＹｂよりなる群から選択される１種以上であることが好ましく、前記フッ化物がＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４又はＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料であることがより好ましい。
　本発明の光アイソレーターは、先に記載のファラデー回転子と、検光子又は偏光子とを有することを特徴とする。
　本発明の光加工器は、先に記載の光アイソレーターと、レーザー光源とを有することを特徴とする。
　本発明のファラデー回転子は、一般式（１）で表されるフッ化物を主成分として含有する構成であり、前記フッ化物は赤外光～可視光の波長領域で透過率がＴＧＧより高いだけでなく、４００ｎｍ以下の波長領域でも透過率が高く、４００ｎｍ以下の波長領域で高い透明性を有するので、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として用いることができる。
　そのため、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用い、短波長レーザーを光源として用いた場合、高精細な加工が可能となる。
　更に、前記単結晶は安定性が高く相転移もないので、単結晶の切り出し時におけるクラックを十分に抑制でき、第２相の発生がなく大型単結晶化が可能である。
　また、高性能な光通信用部品にも利用することができる。
　本発明の光アイソレーターは、先に記載のファラデー回転子と、検光子又は偏光子とを有する構成である。このファラデー回転子を構成するフッ化物は、赤外光～可視光の波長領域で透過率がＴＧＧより高いだけでなく、４００ｎｍ以下の波長領域でも透過率が高く、４００ｎｍ以下の波長領域で高い透明性を有するので、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として用いることができる。短波長レーザーを用いることにより、高精細な加工を可能とすることができ、光アイソレーターの性能を向上させることができる。
　本発明の光加工器は、先に記載の光アイソレーターと、レーザー光源とを有する構成なので、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として用いることができる光アイソレーターを用いて、高精細な加工や、光加工性能の向上が可能となる。
本発明の光加工器の一例を示す模式図である。 本発明の光アイソレーターの一例を示す模式図である。 Ｃｚ法により育成した成長直後のＣｅＦ３単結晶の写真である。 溶融・凝固法により育成したＰｒＦ３単結晶の写真である。 ＣｅＦ３、ＰｒＦ３及びＴＧＧ単結晶の吸収係数αの波長依存性を示すグラフである。 ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４の吸収係数αの波長依存性を示すグラフである。 ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４、ＬｉＹｂＦ４及びＴＧＧ単結晶のベルデ定数の波長依存性を示すグラフである。 ＣｅＦ３、ＰｒＦ３及びＴＧＧ単結晶の性能指数（Ｖ／α）の波長依存性を示すグラフである。 ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４の性能指数（Ｖ／α）の波長依存性を示すグラフである。
（本発明の実施形態）
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態であるファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器について説明する。
＜ファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器の構成＞
　図１は、本発明の実施形態である光加工器の一例を示す模式図である。
　図１に示すように、光加工器１００は、レーザー光源１１と、光アイソレーター１０と、を有して概略構成されている。
　レーザー光源１１から出射された光Ｌは光路Ｐ上を進行し、光アイソレーター１０に入射され、内部を通過して他端側から放射され、被加工体Ｑに照射される構成とされている。
 光アイソレーターは、光を片方向にのみ伝え、反射して戻ってくる光を阻止する機能を有する光学素子である。光アイソレーター１０を備えることにより、光加工器１００は、レーザー光源１１の不安定性および損傷の原因となる戻り光からレーザー光源１１を保護することができる。
　図２は、本発明の実施形態である光アイソレーターの一例を示す模式図である。
　図２に示すように、光アイソレーター１０は、一端側に配置された偏光子１と、ファラデー回転子３と、他端側に配置された検光子２とがこの順序で配置されて概略構成されている。
　ファラデー回転子３は柱状であり、通常、略円柱状とされる。しかし、ファラデー回転子３の形状は、薄膜、バルク、ファイバー等のいずれであってもよく、特定の形状に限るものではない。
　偏光子１及び検光子２は、それらの透過軸同士が互いに非平行となるように、例えば４５°の角度をなすように配置されている。なお、検光子２の代わりに偏光子を用いてもよい。
　ファラデー回転子３は、磁石により、光の入射方向と平行に磁界Ｂを印加可能な構成とされている。
　磁界Ｂを印加することにより、ファラデー回転子３は、偏光子１を通過した光Ｌについて、その偏光面を回転させる。
　ファラデー回転子３が偏光面を回転可能な角度が、ファラデー回転角であり、この角度が大きいほど、ファラデー回転子としての効率が高い。そして、ファラデー回転角は、一定の関係式により、ベルデ定数と関係づけられる。
　なお、本実施形態は、本発明の実施形態である光アイソレーターの一例を示すものであり、これに限られるものではない。
＜ファラデー回転子＞
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、下記一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有する。
　ＲＥ１Ｆ３－ｘ　　・・・（１）
　ＬｉＲＥ２Ｆ４－ｘ・・・（２）
　前記一般式（１）又は（２）で、０≦ｘ＜０．１であり、ＲＥ１及びＲＥ２は希土類元素の群から少なくとも一つ選択される元素である。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。
　ここで、主成分として含有するとは、一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を、本発明の実施形態であるファラデー回転子３の構成材料において５０ｗｔ％以上含有することを意味する。
　一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物の含有量は、８０重量％以上であることがより好ましく、９０重量％以上であることが更に好ましく、９９重量％以上であることが特に好ましい。これにより、透明性をより高めることができる。
　その他の成分として、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属よりなる群から選択される金属フッ化物に代表される金属ハロゲン化物及び金属酸化物を挙げることができる。上記その他の成分は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパント等として含有される。
　一般式（１）又は（２）で０≦ｘ＜０．１のフッ化物は、結晶内の欠陥などがより制御されたフッ化物である。そのため、このフッ化物を用いてファラデー回転子３を構成した場合、十分な光学的品質を得ることができ、ファラデー回転角（ベルデ定数）の再現性を維持できるとともに、ファラデー回転角（ベルデ定数）のバラつきを抑制できる。
　一般式（１）又は（２）でｘが０．１以上である場合には、ファラデー回転子として使用するために十分な光学的品質が得られず、４００ｎｍ以下の波長領域で十分な透明性を確保できない。また、単結晶の切り出しの際、単結晶にクラックや第２相が出現するおそれが発生する。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、前記フッ化物の単結晶体からなることが好ましい。
　前記単結晶体は、赤外光～可視光の波長領域において透明性を有するとともに、特に４００ｎｍ以下の波長領域でも透明性を有するので、ファラデー回転子３を構成した場合、４００ｎｍ以下の短波長レーザーを用いることができ、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用いた場合、高精細な加工を可能とする。
　更に、前記単結晶体は安定性が高く相転移もないので、単結晶の切り出し時におけるクラックを十分に抑制でき、第２相の発生がなく大型単結晶化が可能である。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、一般式（１）又は（２）で示されるフッ化物の単結晶体と同様の特性を有する場合、多結晶体又はアモルファス体から構成してもよい。
　より具体的には、セラミックス（透明セラミックスを含む）、ガラスであってもよい。
　なお、透明セラミックスは、赤外光～可視光の波長領域において８０％以上の透過率を有し、特に４００ｎｍ以下の波長領域でも８０％以上の透過率を有するセラミックスであり、加圧焼結法により容易に形成できる。
　一般式（１）又は（２）で示されるフッ化物の単結晶体と同様の特性とは、赤外光～可視光の波長領域における透明性と、特に４００ｎｍ以下の波長領域の透明性と、ファラデー回転角（ベルデ定数）の再現性が、一般式（１）又は（２）で示されるフッ化物の単結晶体の特性と同等以上であることである。
　これにより、ファラデー回転子３を多結晶体又はアモルファス体から構成しても、４００ｎｍ以下の短波長レーザーを用いることができ、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用いた場合、高精細な加工を可能とする。
　一般式（１）で表されるフッ化物がＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３、ＨｏＦ３のいずれかの材料であることが好ましい。
　ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３、ＨｏＦ３のいずれかの材料を用いたファラデー回転子３は、赤外光及び可視光の波長領域において透明性を有するとともに、特に４００ｎｍ以下の波長領域でも高い透明性と大きなファラデー回転角を有し、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として使用可能で、性能指数（Ｖ／α）の高いファラデー回転子となる。
　特に、ファラデー回転子３の構成材料として、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３、ＨｏＦ３のいずれかの材料の単結晶を用いた場合には、赤外光及び可視光の波長領域において透明性をより高めることができるとともに、特に４００ｎｍ以下の波長領域でもより高い透明性とより大きなファラデー回転角を有し、更に、単結晶の切り出し時におけるクラックや第２相の発生を十分に抑制することができる。
　一般式（２）で表されるフッ化物がＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４又はＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料であることがより好ましい。
　ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４又はＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料を用いたファラデー回転子３は、赤外光及び可視光の波長領域において透明性を有するとともに、特に４００ｎｍ以下の波長領域でも高い透明性と大きなファラデー回転角を有し、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として使用可能で、性能指数（Ｖ／α）の高いファラデー回転子となる。
　特に、ファラデー回転子３の構成材料として、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４又はＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料の単結晶を用いた場合には、赤外光及び可視光の波長領域において透明性をより高めることができるとともに、特に４００ｎｍ以下の波長領域でもより高い透明性とより大きなファラデー回転角を有し、更に、単結晶の切り出し時におけるクラックや第２相の発生を十分に抑制することができる。
＜ファラデー回転子の製造方法＞
　一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物の単結晶は、チョクラルスキー（以下、Ｃｚ）法により、例えば、次にようにして、成長させることができる。
　まず、所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で混合し、真空ポンプで真空にした後ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とし、徐々に融解させた後、徐々に冷却して、略円板状の第１の単結晶を形成する。
　次に、前記第１の単結晶から、ｃ軸配向の棒状の種結晶を切り出す。
　次に、前記同様に所定材料を所定モル比で量りとり、るつぼの中で混合した後、るつぼをチャンバー内に配置してから、真空ポンプで高真空にすることでチャンバー内の酸素を効率的に除去した後、ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とする。
　次に、高周波発振器（３０ｋＷ）に接続された高周波コイルにより、るつぼを加熱して、るつぼ内で混合材料をゆっくり溶融する。
　次に、るつぼ中の融液に前記棒状の種結晶を一端側から浸漬してから、棒の中心軸周りに回転させながら、棒の他端側方向に引き上げることにより、棒状の種結晶の融液側に単結晶を成長させる。例えば、回転速度は１～５０ｒｐｍとし、引上げ速度は０．１～１０ｍｍ／ｈとする。
　これにより、棒の一端側から棒の周りに単結晶を形成することができる。
　次に、前記単結晶から所定の形状に切り出す。例えば、長手方向がｃ軸となる略円柱状とする。これにより光アイソレーターとした場合、前記単結晶のｃ軸方向と磁場B方向が並行となる。
　次に、略円柱状とした単結晶の所定の面（例えば、ファラデー回転子とした場合の入射面、出射面）を所定の方法により研磨する。
　次に、前記所定の面に反射防止膜を形成する。
　以上の工程により、実施形態である一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物の単結晶体からなるファラデー回転子３を製造することができる。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、一般式（１）又は（２）で表される単結晶体からなる構成なので、前記単結晶体は、赤外光～可視光の波長領域で透過率がＴＧＧより高いだけでなく、４００ｎｍ以下の波長領域でも透過率が高く、高い透明性を有するので、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として用いることができる。
　そのため、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用い、短波長レーザーを光源として用いた場合、高精細な加工が可能となる。
　更に、前記単結晶体は安定性が高く相転移もないので、単結晶体の切り出し時におけるクラックを十分に抑制でき、第２相の発生も抑制できるため大型単結晶化が可能である。
　また、高性能な光通信用部品にも利用することができる。
　また、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３若しくはＨｏＦ３のいずれかの材料からなる単結晶、又は、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４若しくはＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料からなる単結晶は、ＴＧＧ単結晶に比べ、低温で結晶成長させることが可能であるとともに、その製造コストも低くすることができる。
　更にまた、４００ｎｍ以下で高い透過率とベルデ定数を持ち、単結晶の大型化も可能である。これにより、容易に、４００ｎｍ以下の透過率を高めたファラデー回転子とすることができ、これを用いて、光アイソレーターの性能を向上させることができる。
　前記単結晶は、ブリッジマン（Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）法を用いての製造も可能である。
　ブリッジマン法による結晶育成は例えば以下のようである。
　るつぼ内に所定の材料を所定のモル比で量りとり、るつぼの中で撹拌した後、チャンバー内にるつぼを設置する。
　その後真空ポンプにより高真空にすることで効率的に水分を除去し、その高真空を保ったまま、るつぼ周囲に配置された抵抗加熱型の加熱源に通電し、るつぼ内の材料を融解する。なお、前記加熱源は上方が材料の融点より温度が高く下方が材料の融点より温度が低い温度勾配を有している。
　材料が融解した後、融点より温度が高い上方から融点より温度の低い下方に向かいるつぼを移動させる。この際、融点、あるいはそれよりも温度が低い所に来た融液が単結晶化し、これを連続的に行うことで単結晶を連続的に育成することができる。
　これら引き上げ法、ブリッジマン法は一例であり、これに限るものではない。
　製造方法はその他、溶融・凝固法、浮遊帯域法（ＦＺ：ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｚｏｎｅ法）、マイクロ引き下げ法（μ－ＰＤ法：μ－Ｐｕｌｌｉｎｇ　Ｄｏｗｎ法）等の方法でもよく、特定の方法に限るものではない。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有し、前記フッ化物の含有量が５０ｗｔ％以上である構成なので、４００ｎｍ以下の波長領域で透明性をより高めることができ、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として使用可能なファラデー回転子として利用することができる。そのため、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用い、短波長レーザーを光源として用いた場合、高精細な加工が可能となる。また、高性能な光通信用部品にも利用することができる。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、前記フッ化物の多結晶体からなる構成なので、４００ｎｍ以下の波長領域で透明性をより高めることができ、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として使用可能なファラデー回転子として利用することができる。そのため、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用い、短波長レーザーを光源として用いた場合、高精細な加工が可能となる。また、高性能な光通信用部品にも利用することができる。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子３は、前記フッ化物のアモルファス体からなる構成なので、４００ｎｍ以下の波長領域で透明性をより高めることができ、波長４００ｎｍ以下の短波長レーザーを光源として使用可能なファラデー回転子として利用することができる。そのため、光加工器の光アイソレーターのファラデー回転子として用い、短波長レーザーを光源として用いた場合、高精細な加工が可能となる。また、高性能な光通信用部品にも利用することができる。
　本発明の実施形態である光アイソレーター１０は、ファラデー回転子３と、検光子２及び偏光子１とを有する構成なので、４００ｎｍ以下の短波長レーザーを用いることができ、高精細な加工を可能とし、光アイソレーターの性能を向上させることができる。
　本発明の実施形態である光加工器１００は、光アイソレーター１０と、レーザー光源１１とを有する構成なので、４００ｎｍ以下の短波長レーザーを用いることができ、高精細な加工が可能となる。
　本発明の実施形態であるファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
＜単結晶及びファラデー回転子の製造＞
　Ｃｚ法により、以下の工程で、ＣｅＦ３単結晶（実施例１の単結晶）を製造した。
〔種結晶の作製〕
　まず、所定の市販材料（ＣｅＦ３（純度＞９９，９９％））を所定の量で量りとり、Ｐｔ製るつぼに充填した。
　次に、Ｐｔ製るつぼをチャンバー内に配置してから、チャンバー内の酸素を真空ポンプにより効率的に除去し、ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とした。
　次に、高周波発振器（３０ｋＷ）に接続されるつぼの周囲に配置された高周波コイルにより、Ｐｔ製るつぼを加熱し、ＣｅＦ３単結晶の融点以上の温度にして、るつぼ内の材料をゆっくり溶融した。
　次に、混合材料を徐冷して、円板状の単結晶を形成した。
　次に、前記単結晶からｃ軸に配向した棒状の種結晶を切り出した。
〔単結晶の成長〕
　Ｐｔ製るつぼをチャンバー内に配置してから、真空ポンプによりチャンバー内の酸素を効率的に除去し、ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とした。
　次に、高周波発振器（３０ｋＷ）に接続されるつぼの周囲に配置された高周波コイルにより、Ｐｔ製るつぼを加熱し、ＣｅＦ３単結晶の融点以上の温度にして、るつぼ内の材料をゆっくり溶融した。
　次に、Ｐｔ製るつぼ中の融液に前記棒状の種結晶を浸漬してから、回転させながら引き上げることにより、棒状の種結晶の融液側に単結晶を成長させた。回転速度は１５ｒｐｍとし、引上げ速度は２ｍｍ／ｈとした。
　成長させた単結晶の長さは１００ｍｍとした。
　以上の工程により、ＣｅＦ３単結晶（実施例１の単結晶）を製造した。
〔ファラデー回転子の製造〕
　前記単結晶からｃ軸に配向した直方体状の単結晶を切り出した。結晶長さは、結晶長さ１０ｍｍのＴＧＧ－リファレンス結晶と比較するために同じ長さとした。
　次に、光学軸（ｃ軸）に垂直な２面を研磨した。その後研磨面に対し反射防止膜を形成した。
　以上の工程により、ＣｅＦ３単結晶からなるファラデー回転子（実施例１のファラデー回転子）を製造した。
（実施例２）
　溶融・凝固法により、ＰｒＦ３単結晶（実施例２の単結晶）を以下の工程で製造した。
　まず、所定の市販材料（ＰｒＦ３（純度＞９９，９９％））を所定の量で量りとり、Ｐｔ製るつぼに充填した。
　次に、Ｐｔ製るつぼをチャンバー内に配置してから、チャンバー内の酸素を真空ポンプにより効率的に除去し、ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とした。
　次に、高周波発振器（３０ｋＷ）に接続されるつぼの周囲に配置された高周波コイルにより、Ｐｔ製るつぼを加熱し、ＰｒＦ３単結晶の融点以上の温度にして、るつぼ内の材料をゆっくり溶融した。
　次に、るつぼ内の材料を徐冷して、円板状の単結晶を形成した。
　次に、前記単結晶からｃ軸に配向した棒状の単結晶を切り出した。
　実施例１と同様にして、ＰｒＦ３単結晶からなるファラデー回転子（実施例２のファラデー回転子）を製造した。
（実施例３）
　Ｃｚ法により、ＬｉＴｂＦ４単結晶（実施例３の単結晶）を以下の工程で製造した。
　まず、ＴｂＦ３（純度＞９９，９９％）とＬｉＦ（純度＞９９，９９％）を所定の量で量りとり、混合してＰｔ製るつぼに充填した。二元系平衡状態図を考慮して溶融物中で３７モル％ＴｂＦ３のＲＥ濃度が得られるように混合した。
　Ｐｔ製るつぼをチャンバー内に配置してから、チャンバー内の酸素を真空ポンプにより効率的に除去し、ＣＦ４（＞９９，９９％）雰囲気とした。
　次に、Ｐｔ製るつぼ中の融液にａ配向ＬｉＹＦ４の棒状の種結晶を浸漬してから、回転させながら引き上げることにより、棒状の種結晶の融液側に単結晶を成長させた。回転速度は１０ｒｐｍとし、引上げ速度は１ｍｍ／ｈとした。
　次に、前記単結晶からｃ軸に配向した棒状の単結晶（長さ：１０ｍｍ）を切り出し、実施例１と同様にして、前記ＬｉＴｂＦ４単結晶からなるファラデー回転子（実施例３のファラデー回転子）を製造した。
（実施例４）
　溶融物中で３７．５モル％ＤｙＦ３のＲＥ濃度が得られるように、ＤｙＦ３（純度＞９９，９９％）とＬｉＦを混合したこと以外は、実施例３と同様にして、ＬｉＤｙＦ４単結晶（実施例４の単結晶）を製造した。
　次に、実施例３と同様にして、ＬｉＤｙＦ４単結晶からなるファラデー回転子（実施例４のファラデー回転子）を製造した。
（実施例５）
　溶融物中で３６モル％ＨｏＦ３のＲＥ濃度が得られるように、ＨｏＦ３（純度＞９９，９９％）とＬｉＦを混合したこと以外は、実施例３と同様にして、ＬｉＨｏＦ４単結晶（実施例５の単結晶）を製造した。
　次に、実施例３と同様にして、ＬｉＨｏＦ４単結晶からなるファラデー回転子（実施例５のファラデー回転子）を製造した。
（実施例６）
　溶融物中で４６モル％ＥｒＦ３が得られるように、ＥｒＦ３（純度＞９９，９９％）とＬｉＦを混合したこと以外は、実施例３と同様にして、ＬｉＥｒＦ４単結晶（実施例６の単結晶）を製造した。
　次に、実施例３と同様にして、ＬｉＥｒＦ４単結晶からなるファラデー回転子（実施例６のファラデー回転子）を製造した。
（実施例７）
　溶融物中で４６モル％ＹｂＦ３が得られるように、ＹｂＦ３（純度＞９９，９９％）とＬｉＦを混合したこと以外は、実施例３と同様にして、ＬｉＹｂＦ４単結晶（実施例７の単結晶）を製造した。
　次に、実施例３と同様にして、ＬｉＹｂＦ４単結晶からなるファラデー回転子（実施例７のファラデー回転子）を製造した。
（比較例１）
　Ｃｚ法により、原料として所定の市販材料、るつぼとしてＩｒ製るつぼを用い、真空とせずＡｒガス（＞９９．９９％）に酸素ガス（＞９９．９９％）を２％混合した雰囲気とした後、ＴＧＧ単結晶（Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）の融点１８２５℃以上の温度で溶融した他は実施例１と同じ結晶成長条件で、ＴＧＧ単結晶（比較例１の単結晶）を製造した。
　実施例１と同様にして、ＴＧＧ単結晶からなるファラデー回転子（比較例１のファラデー回転子）を製造した。
＜単結晶の特性測定＞
　製造した単結晶の以下の特性測定を室温で行った。なお、磁気光学特性の測定は、光学軸、すなわちｃ軸に沿って実行した。
　Ｊａｓｃｏ　Ｖ５７０　スペクトロメーターを用いて、透過及び反射スペクトルを測定した。そして、前記スペクトルから吸収係数αを計算した。
　次に、２つのグラン－テイラー偏光子（Ｇｌａｎ－Ｔａｙｌｏｒ　ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）と、磁石、Ｘｅランプ、分光器を用い、ファラデー回転子のファラデー回転の角度（以下、ＦＲ角度という。）を測定した。
＜ＣｅＦ３単結晶（実施例１）、ＰｒＦ３単結晶（実施例２）の測定結果・考察＞
　図３は、Ｃｚ法により育成した成長直後のＣｅＦ３単結晶の写真である。また、図４は溶融・凝固法により育成したＰｒＦ３単結晶の写真である。
　いずれのサンプルも双晶や歪がなく、高い光学特性を示した。
　次に、透過率と反射率から吸収係数を計算した。
　図５及び図６は、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４、ＬｉＹｂＦ４及びＴＧＧ単結晶の吸収係数αの波長依存性を示すグラフである。
　図５に示すように、ＴＧＧは、４８０～５００ｎｍの範囲にある１つのピークを除いて、４００ｎｍ超８００ｎｍ以下の領域では波長が短くなるにつれて、吸収係数が増加しており、それ以下の波長では吸収係数が急激に増加している。
　ＣｅＦ３単結晶は、３０６ｎｍ超８００ｎｍ以下の領域では吸収係数αがほぼ０である。
　更にまた、ＰｒＦ３単結晶は、４２６～４９６ｎｍと、５６４～６１８ｎｍの範囲にある２つのピークを除いて、２２０ｎｍ超８００ｎｍ以下の領域では吸収係数αがほぼ０である。ここで、２２０ｎｍ以下の吸収は、基底状態３Ｈ４から励起状態１Ｓ０への遷移に対応する。また、４２６～４９６ｎｍと、５６４～６１８ｎｍにおいての２つのピークはそれぞれ、基底状態３Ｈ４から励起状態３ＰＪへの遷移及び基底状態３Ｈ４から励起状態１Ｄ２への遷移に対応する。
　つまり、ＴＧＧは可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域では吸収が急激に増加するので、ＴＧＧをファラデー回転子として用いた場合には、可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域の光を光源からの光として用いることができない。
　一方、ＣｅＦ３単結晶は、３０６ｎｍ超可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域では吸収係数αがほぼ０である。ＰｒＦ３単結晶は、２２０ｎｍ超可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域で、吸収係数αがほぼ０となる。よって、これらの単結晶をファラデー回転子として用いた場合には、可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域の光を光源からの光として用いることができ、可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下のレーザーを用いるファラデー回転子への応用を考えると、ＣｅＦ３単結晶及びＰｒＦ３単結晶はＴＧＧ単結晶と比較して優位性を有する。
　なお、ＣｅＦ３単結晶は３０６ｎｍ以下の領域では吸収が急激に増加するので、ＣｅＦ３単結晶をファラデー回転子として用いた場合には、３０６ｎｍ以下の領域の光を光源からの光として用いることができない。
　一方、ＰｒＦ３単結晶をファラデー回転子として用いた場合には、３０６ｎｍ以下の領域の光を光源からの光として用いることができ、３０６ｎｍ以下のレーザーを用いるファラデー回転子への応用を考えると、ＰｒＦ３単結晶はＣｅＦ３単結晶と比較して優位性を有する。
　図６に示すように、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４、ＬｉＹｂＦ４はいくつかの吸収ピーク（４Ｆ－４Ｆ遷移による）を示しているが、それ以外の領域では吸収係数αがほぼ０である。よって、これらの単結晶をファラデー回転子として用いた場合には、可視光領域以下、特に４００ｎｍ以下の領域の光を光源からの光として用いることができる。なお用いる光の波長に対して吸収係数αが０となる単結晶を適宜選択することが望ましい。
　図７は、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４、ＬｉＹｂＦ４及びＴＧＧの各単結晶のベルデ定数の波長依存性を示すグラフである。それぞれ使用できる範囲、つまり、吸収係数αが急激に増加する波長以上で、ベルデ定数を測定したものである。
　いずれの単結晶も、低波長となるに従い、ベルデ定数が急激に増加した。
　同一波長で比較すると、６００ｎｍ以上の領域では、ＰｒＦ３単結晶、ＣｅＦ３単結晶及びＬｉＴｂＦ４単結晶のベルデ定数と、リファレンスのＴＧＧ単結晶のベルデ定数はほとんど同一であったが、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４の各単結晶のベルデ定数はやや小さかった。
　また、同一波長で比較すると、４００ｎｍ超６００ｎｍ未満の領域では、ＬｉＹｂＦ４単結晶のベルデ定数が最も小さく、ＬｉＥｒＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＣｅＦ３の各単結晶の順にベルデ定数が大きくなり、ＴＧＧ単結晶のベルデ定数が最も大きかった。
　３００～４００ｎｍの領域では、ＴＧＧ単結晶は効果がなく、他の単結晶は、上記の順にベルデ定数は大きくなり、ＣｅＦ３単結晶のベルデ常数が最も大きかった。ＬｉＴｂＦ４とＰｒＦ３は、同様なベルデ常数を示すが、ＰｒＦ３は、２２０～３００ｎｍの領域では透明性がより高い利点がある。ＬｉＤｙＦ４は、２００～２２０ｎｍの狭い範囲では高いベルデ常数を示す。２００ｎｍ以下では、３つの単結晶、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４しか存在しない。最初の２つの単結晶は、比較的高いベルデ常数を有するが、４ｆ－４ｆ吸収線も示す。それに対して、ＬｉＹｂＦ４は、１７０ｎｍまで広い範囲で透明であるが、そのベルデ常数は、比較的低い。吸収端に向かってベルデ常数がシャープに増大することが予想される。
　次に、吸収係数（図５及び図６）とベルデ定数（図７）を結び付けて、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４の各単結晶の性能指数（Ｖ／α）を計算した。
　図８は、ＣｅＦ３、ＰｒＦ３及びＴＧＧ単結晶の性能指数（Ｖ／α）の波長依存性を示すグラフである。
　ＴＧＧ単結晶の性能指数（Ｖ／α）に比較して、ＣｅＦ３及びＰｒＦ３単結晶の性能指数ははるかに大きかった。特にＣｅＦ３単結晶はおよそ３００ｎｍ以上と図８に示す全波長域においてＴＧＧ、ＰｒＦ３両単結晶よりも大きな性能指数を示した。
　特筆すべきは、３者のうち、４９０ｎｍ近辺で利用できる材料はＣｅＦ３単結晶しかないことが示された点である。この波長では他の材料は透明性が大きく低下する。
　可視波長域から波長およそ３００ｎｍの間においてＣｅＦ３の性能指数は急激に増加し、およそ３００ｎｍにおいては１００ｒａｄ／Ｔ台にまで達した。
　３者のうち、波長およそ３００ｎｍ以下の領域においてはＰｒＦ３単結晶を除いて使用できるファラデー回転子がないことが同時に示されている。
　波長およそ３００ｎｍ以下２２４ｎｍに至るまでＰｒＦ３単結晶の性能指数は急激に増加し、そのピーク値はＣｅＦ３単結晶のそれをも凌駕する。
　図９は、ＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４及びＬｉＹｂＦ４の性能指数（Ｖ／α）の波長依存性を示すグラフである。
　ＬｉＴｂＦ４は、２２０ｎｍ超８００ｎｍ以下の波長でファラデー回転子として使用することができる。
　２２０ｎｍ以下の波長では、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４及びＬｉＥｒＦ４のファラデー回転子としての可能性が高い。４ｆ－４ｆ吸収線が存在するため、どの結晶を選択するかは、該当する波長に依存する。ＬｉＤｙＦ４の透過率は、２００ｎｍから減少するが、他の２つの結晶は、約１７０ｎｍまで透明である。ＬｉＹｂＦ４は、４ｆ－４ｆ吸収線がないため、１７０～８００ｎｍの領域で最も高い透明性を示すが、その性能指数は、低いベルデ常数によって限定され、したがってそのファラデー回転子としての効果は、その吸収端に近い極めて短い波長でのみ注目に値する。
　本発明のファラデー回転子、光アイソレーター及び光加工器は、ＴＧＧと比較して、可視波長領域と特に４００ｎｍ以下の波長で透過率が高くベルデ定数と性能指数が大きく、大型単結晶育成が可能な材料を用いているので、可視波長領域と特に４００ｎｍ以下の波長のレーザーを用いることができ、高精細加工を行うことができ、光加工産業等において利用可能性がある。
１…偏光子、２…検光子、３…ファラデー回転子、１０…アイソレーター、１１…レーザー光源、１００…光加工器、Ｂ…磁束密度（磁界）、Ｌ…光、Ｐ…光路、Ｑ…被加工体。

Claims (11)

  1. 　下記一般式（１）又は（２）で表されるフッ化物を主成分として含有することを特徴とするファラデー回転子。
    　ＲＥ１Ｆ３－ｘ　　・・・（１）
    　ＬｉＲＥ２Ｆ４－ｘ・・・（２）
    　前記一般式（１）又は（２）で、０≦ｘ＜０．１であり、ＲＥ１及びＲＥ２は希土類元素の群から少なくとも一つ選択される元素である。
  2. 　前記フッ化物の含有量が５０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  3. 　前記フッ化物の単結晶体からなることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  4. 　前記フッ化物の多結晶体からなることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  5. 　前記フッ化物のアモルファス体からなることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  6. 　前記一般式（１）で表されるフッ化物のＲＥ１がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｄｙ及びＨｏよりなる群から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  7. 　前記フッ化物がＣｅＦ３、ＰｒＦ３、ＮｄＦ３、ＴｂＦ３、ＤｙＦ３又はＨｏＦ３のいずれかの材料であることを特徴とする請求項６に記載のファラデー回転子。
  8. 　前記一般式（２）で表されるフッ化物のＲＥ２がＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ及びＹｂよりなる群から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  9. 　前記フッ化物がＬｉＴｂＦ４、ＬｉＤｙＦ４、ＬｉＨｏＦ４、ＬｉＥｒＦ４又はＬｉＹｂＦ４のいずれかの材料であることを特徴とする請求項８に記載のファラデー回転子。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載のファラデー回転子と、検光子又は偏光子とを有することを特徴とする光アイソレーター。
  11. 　請求項１０に記載の光アイソレーターと、レーザー光源とを有することを特徴とする光加工器。
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