WO2018110122A1 - 磁気光学素子 - Google Patents

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鈴木太志
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日本電気硝子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a magneto-optical element such as a Faraday rotator.
  • An optical isolator is an electronic component that transmits light in only one direction and blocks light reflected and reflected, and is used in a laser diode used in an optical communication system, a laser processing system, or the like.
  • the optical isolator includes a magneto-optical element, a magnet, and a polarizer.
  • an object of the present invention is to provide a magneto-optical element capable of reducing the size of an optical isolator without being damaged even if the diameter is reduced.
  • the magneto-optical element of the present invention is made of a columnar glass material having a diameter of 20 mm or less, and has a laser damage threshold of 10 J / cm 2 or more.
  • a laser damage threshold 10 J / cm 2 or more.
  • the length of the magneto-optical element used is preferably 2 to 20 mm. This makes it easier to reduce the size of the optical isolator.
  • the magneto-optical element of the present invention contains, in mol%, Tb 2 O 3 of 50% or more (however, not including 50%) and P 2 O 5 of 5 to 50% (however, not including 5% and 50%). It is preferable.
  • Tb 2 O 3 of 50% or more (however, not including 50%)
  • P 2 O 5 of 5 to 50% (however, not including 5% and 50%).
  • An optical isolator includes the above-described magneto-optical element, a cylindrical magnet in which a through-hole for inserting the magneto-optical element is formed, and a pair of polarized lights provided on two opposing main surfaces of the magneto-optical element. A child is provided.
  • the diameter of the through hole of the cylindrical magnet is preferably 2 to 21 mm.
  • the volume of the cylindrical magnet is preferably 20 to 100 cm 3 .
  • the present invention it is possible to provide a magneto-optical element that can reduce the size of an optical isolator without being damaged even if the diameter is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of an optical isolator.
  • the optical isolator 1 is a device that blocks the reflected return light of laser light, and includes a magneto-optical element 10, a cylindrical magnet 11 provided with a through-hole for inserting a magneto-optical element (Faraday rotator) 10, and a magnetic A pair of polarizers 12 and 13 are provided on two opposing main surfaces of the optical element.
  • the light incident on the optical isolator 1 passes through the polarizer 12, becomes linearly polarized light, and enters the magneto-optical element 10.
  • the incident light is rotated by 45 ° by the magneto-optical element 10 and passes through the polarizer 13 whose light transmission axis is inclined at 45 °.
  • Part of the light that has passed through the polarizer 13 becomes reflected return light, and the polarization plane passes through the polarizer 13 at an angle of 45 °.
  • the reflected return light that has passed through the polarizer 13 is further rotated by 45 ° by the magneto-optical element 10 and becomes an orthogonal polarization plane of 90 ° with respect to the light transmission axis of the polarizer 12, so that it cannot pass through the polarizer 12. Is cut off.
  • the magneto-optical element 10 of the present invention is made of a columnar glass material.
  • the diameter of the glass material is 20 mm or less, 15 mm or less, 10 mm or less, 8 mm or less, 6 mm or less, 5.5 mm or less, 5 mm or less, 4.5 mm or less, 4 mm or less, 3.8 mm or less, 3.5 mm or less, particularly It is preferable that it is 3.4 mm or less.
  • the lower limit of the diameter of the glass material is not particularly limited, but is practically 0.5 mm or more.
  • the condensing diameter of the laser light is usually adjusted to be smaller than the diameter of the magneto-optical element.
  • the magneto-optical element 10 of the present invention has a diameter of 20 mm or less, and the condensing diameter of the laser beam must be reduced accordingly. When the condensing diameter of the laser beam is reduced, the energy per unit area applied to the magneto-optical element 10 is increased, and the magneto-optical element 10 is easily damaged.
  • laser damage threshold of the magneto-optical element 10 is 10J / cm 2 or more, 13J / cm 2 or more, 15 J / cm 2 or more, 17 J / cm 2 or more, 20 J / cm 2 or more, 22J / cm 2 or more, In particular, 25 J / cm 2 or more is preferable.
  • the upper limit of the laser damage threshold is not particularly limited, but is practically 500 J / cm 2 or less.
  • the length of the magneto-optical element 10 of the present invention is 2 to 20 mm, 3 to 19 mm, 5 to 18.5 mm, 7.5 to 18 mm, 8 to 18 mm, 8.1 to 17 mm, 8.2 to 16 mm, particularly 8. It is preferably 3 to 15.5 mm. If the length of the magneto-optical element 10 is too small, it is difficult to reduce the size of the optical isolator 1 because it is necessary to increase the magnetic field, that is, to increase the cylindrical magnet 11. On the other hand, if the length of the magneto-optical element 10 is too large, it is difficult to reduce the size of the optical isolator 1.
  • the magneto-optical element of the present invention contains, in mol%, Tb 2 O 3 of 50% or more (however, not including 50%) and P 2 O 5 of 5 to 50% (however, not including 5% and 50%). It is preferable. Below, the reason which limited the glass composition in this way is demonstrated. In the following description regarding the content of each component, “%” means “mol%” unless otherwise specified.
  • Tb 2 O 3 is a component that increases the Faraday effect by increasing the absolute value of the Verde constant.
  • the content of Tb 2 O 3 is preferably 50% or more (but not 50%), 51% or more, particularly 52% or more.
  • the absolute value of the Verdet constant is reduced, a sufficient Faraday effect is difficult to obtain.
  • the content of Tb 2 O 3 is too large, vitrification tends to be difficult, and therefore it is preferably 75% or less, 70% or less, particularly 69% or less.
  • the content of Tb 2 O 3 in the present invention is a representation in terms of Tb present in the glass to the oxide of any trivalent.
  • the magnetic moment that causes the Verde constant for Tb is greater for Tb 3+ than for Tb 4+ . Therefore, the larger the ratio of Tb 3+ in the glass material, the greater the Faraday effect, which is preferable.
  • the ratio of Tb 3+ in the total Tb is preferably 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, and particularly 90% or more in mol%.
  • P 2 O 5 is a component that improves the laser damage resistance. Moreover, it becomes a glass skeleton and has the effect of expanding the vitrification range.
  • the content of P 2 O 5 is 5 to 50% (5% and 50% not included), 5.1 to 45%, 5.5 to 40%, 5.7 to 30%, particularly 6 to 25%. It is preferable that When the content of P 2 O 5 is too small, the effect is difficult to obtain. On the other hand, when the content of P 2 O 5 is too large, it is difficult enough Faraday effect. Moreover, thermal stability tends to be lowered.
  • the glass material used in the present invention can contain the following various components in addition to the above components.
  • B 2 O 3 becomes a glass skeleton and is a component that widens the vitrification range.
  • the content of B 2 O 3 is preferably 0 to 45% (but not 45%), 1 to 44%, 2 to 40%, particularly 5 to 35%.
  • Al 2 O 3 is a component that forms a glass skeleton as an intermediate oxide and widens the vitrification range.
  • the content of Al 2 O 3 is 0 to 45% (but not 45%), 0.1 to 40%, 0.5 to 30%, 0.8 to 20%, especially 1 to 15%. Preferably there is.
  • SiO 2 becomes a glass skeleton and is a component that widens the vitrification range. However, since SiO 2 does not contribute to the improvement of the Verde constant, if the content is too large, it becomes difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Accordingly, the SiO 2 content is preferably 0 to 45% (but not 45%), 0 to 40%, 0 to 30%, particularly preferably 0 to 20%.
  • La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 have the effect of improving the stability of vitrification. However, if the content is too large, it becomes difficult to vitrify. Therefore, the contents of La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Y 2 O 3 are each preferably 10% or less, particularly preferably 5% or less.
  • Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 and Ce 2 O 3 improve the stability of vitrification and contribute to the improvement of the Verde constant. However, when the content is too large, it becomes difficult to vitrify. Therefore, the contents of Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 and Ce 2 O 3 are each preferably 15% or less, particularly preferably 10% or less. The contents of Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 , and Ce 2 O 3 are expressed by converting all the components present in the glass into trivalent oxides.
  • the content of these components is preferably 0 to 10%, particularly 0 to 5%.
  • Ga 2 O 3 has the effect of increasing the glass forming ability and expanding the vitrification range. However, when there is too much the content, it will become easy to devitrify. Further, since the Ga 2 O 3 it does not contribute to the improvement of the Verdet constant, when the content is too large, a sufficient Faraday effect difficult to obtain. Therefore, the Ga 2 O 3 content is preferably 0 to 6%, 0 to 5%, particularly preferably 0 to 4%.
  • Fluorine has the effect of increasing the glass forming ability and expanding the vitrification range. However, if its content is too large, it may volatilize during melting, causing a compositional change or affecting the stability of vitrification. Accordingly, the fluorine content (F 2 conversion) is preferably 0 to 10%, 0 to 7%, particularly preferably 0 to 5%.
  • Sb 2 O 3 can be added as a reducing agent.
  • the content of Sb 2 O 3 is preferably 0.1% or less in order to avoid coloring or in consideration of environmental load.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing apparatus for producing a glass material by a containerless floating method.
  • the manufacturing method of the glass material used for this invention is demonstrated, referring FIG.
  • the glass material manufacturing apparatus 2 has a mold 20.
  • the mold 20 also serves as a melting container.
  • the molding die 20 has a molding surface 20a and a plurality of gas ejection holes 20b opened in the molding surface 20a.
  • the gas ejection hole 20b is connected to a gas supply mechanism 21 such as a gas cylinder. Gas is supplied from the gas supply mechanism 21 to the molding surface 20a via the gas ejection holes 20b.
  • the type of gas is not particularly limited, and may be, for example, air or oxygen, or a reducing gas containing nitrogen gas, argon gas, helium gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, or hydrogen. Good.
  • the glass raw material lump 22 is first arrange
  • the glass raw material block 22 for example, a raw material powder integrated by press molding or the like, a sintered body obtained by integrating raw material powder by press molding or the like, and a composition equivalent to the target glass composition are used. For example, an aggregate of crystals.
  • the glass raw material block 22 is floated on the molding surface 20a by ejecting gas from the gas ejection holes 20b. That is, the glass raw material mass 22 is held in a state where it is not in contact with the molding surface 20a. In this state, the glass material block 22 is irradiated with laser light from the laser light irradiation device 23. Thereby, the glass raw material lump 22 is heated and melted to be vitrified to obtain molten glass. Thereafter, the glass material can be obtained by cooling the molten glass.
  • the glass raw material block 22 may be floated on the molding surface 20a using magnetic force generated by applying a magnetic field, or the glass raw material block 22 may be floated on the molding surface 20a using sound waves. Also good.
  • the method of heating and melting may be radiant heating.
  • the magneto-optical element 10 of the present invention can be obtained by subjecting the obtained glass material to processing such as cutting, polishing, and pressing to obtain a desired columnar shape.
  • the cylindrical magnet 11 has a cylindrical shape such as a cylindrical shape, and the diameter of the through hole is 1 to 21 mm, 1 to 16 mm, 2 to 14 mm, 2.5 to 12 mm, 3 to 11 mm, 3 to 10 mm, particularly 3 to 3 mm. It is preferably 9 mm. If the diameter of the through hole of the cylindrical magnet 11 is too small, the diameter of the magneto-optical element 10 is reduced, so that the condensing diameter of the laser light is also reduced, and the energy per unit area applied to the magneto-optical element 10 is increased, The magneto-optical element 10 is easily damaged.
  • the volume of the cylindrical magnet 11 is preferably 20 to 100 cm 3 , 20 to 45 cm 3 , 21 to 44 cm 3 , 22 to 43 cm 3 , particularly preferably 25 to 40 cm 3 .
  • the volume of the cylindrical magnet 11 is too small, it becomes difficult to apply a magnetic field of a desired magnitude to the magneto-optical element 10.
  • the volume of the cylindrical magnet 11 is too large, it is difficult to reduce the size of the optical isolator 1.
  • the material of the cylindrical magnet 11 is preferably a neodymium-iron-boron system having a large magnetic field strength. Further, a plurality of cylindrical magnets may be combined in order to obtain a larger magnetic field strength.
  • the material of the polarizers 12 and 13 may be ceramic, glass, or a polymer material, but a material having a large polarization extinction ratio is preferable. Specifically, a material having a polarization extinction ratio of 20 dB or more, 30 dB or more, 40 dB or more, and particularly 50 dB or more is preferable.
  • Table 1 shows examples and comparative examples of the present invention.
  • Each sample was prepared as follows. First, raw materials prepared so as to have the glass composition shown in Table 1 were press-molded, and sintered at 700 to 1400 ° C. for 6 hours to prepare glass raw material blocks.
  • the glass raw material lump was coarsely pulverized using a mortar to obtain small pieces of 0.05 to 1.5 g.
  • a glass material (about 1 to 10 mm in diameter) was produced by the containerless floating method using the apparatus according to FIG. A 100 W CO 2 laser oscillator was used as the heat source. Further, nitrogen gas was used as a gas for suspending the glass raw material lump and supplied at a flow rate of 1 to 30 L / min.
  • a cylindrical magneto-optical element having the diameter and length shown in Table 1 was obtained by cutting, polishing, and the like of the obtained glass.
  • an optical isolator was fabricated as shown in FIG.
  • the cylindrical neodymium iron boron magnet which has the volume and through-hole diameter which were shown in Table 1 was used for the cylindrical magnet.
  • a Glan-Thompson polarizer (extinction ratio 50 dB) was used as the polarizer.
  • the Verde constant was measured using the rotational analyzer method. Specifically, the obtained glass material was polished to a thickness of 1 mm, the Faraday rotation angle at a wavelength of 1064 nm was measured in a magnetic field of 10 kOe, and the Verde constant was calculated.
  • the laser damage threshold was measured by the N-on-1 method using a single mode Nd: YAG laser having a wavelength of 1064 nm and a pulse width of 10 ns.
  • a fixed irradiation location on the target member is irradiated with laser light while continuously increasing the incident energy density. Is defined as a laser damage threshold.
  • the irradiation beam area is the area in which the width of the 1 / e 2 value of the Gaussian distribution peak intensity and diameter.

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Abstract

直径を小さくしても破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供する。　直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする磁気光学素子。

Description

磁気光学素子
　本発明は、ファラデー回転子等の磁気光学素子に関する。
　光アイソレータは、光を一方向だけに伝え反射して戻る光を阻止する電子部品であり、光通信システムやレーザー加工システム等に用いられるレーザーダイオードに使用される。光アイソレータは、磁気光学素子、磁石及び偏光子を備えている。
　従来、光アイソレータに用いられる磁気光学素子としては、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が２０モル％以下のガラスが用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平０５－１７８６３８号公報
　近年、光アイソレータの小型化が求められている。磁気光学素子の直径を小さくすることにより、磁気光学素子に掛かる磁場を大きくすることができるため磁石の体積を小さくすることができ、光アイソレータを小型化することが可能になる。しかし、磁気光学素子として上記のガラスを用いる場合、その直径を小さくするとレーザー光により破損するという問題があった。
　以上に鑑み、本発明は、直径を小さくしても破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供することを目的とする。
　本発明の磁気光学素子は、直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする。直径を２０ｍｍ以下とすることで、筒状磁石の貫通孔径を小さくし、ガラス材に掛かる磁場を大きくすることができる。これにより、筒状磁石の体積を小さくすることができるため、光アイソレータの小型化につながる。また、磁気光学素子の直径が小さくなると、レーザー光を集光するため磁気光学素子にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなるが、レーザー損傷閾値を１０Ｊ／ｃｍ２以上とすることで、磁気光学素子が破損しにくくなる。
　本発明の磁気光学素子は、用いられる磁気光学素子の長さが２～２０ｍｍであることが好ましい。このようにすれば、光アイソレータを小型化しやすくなる。
　本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ２Ｏ５　５～５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３を上記の通り多量に含むことでベルデ定数が大きくなり、筒状磁石の体積を小さくしやすいため、光アイソレータを小型化しやすくなる。
　本発明の光アイソレータは、上記の磁気光学素子、磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、を備えることを特徴とする。
　本発明の光アイソレータは、筒状磁石の貫通孔の直径が２～２１ｍｍであることが好ましい。
　本発明の光アイソレータは、筒状磁石の体積が２０～１００ｃｍ３であることが好ましい。
　本発明によれば、直径を小さくしても破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供することができる。
光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。 無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。
　まず、光アイソレータの原理、構造について図１を用いて説明する。
　図１は、光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。
　光アイソレータ１は、レーザー光の反射戻り光を遮断する装置であり、磁気光学素子１０、磁気光学素子（ファラデー回転子）１０を挿入するための貫通孔を設けた筒状磁石１１、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子１２、１３を備えている。光アイソレータ１に入射された光は、偏光子１２を通過し、直線偏光となって、磁気光学素子１０へ入射する。入射した光は磁気光学素子１０により４５°回転され、光透過軸が４５°に傾けられた偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した光の一部が反射戻り光となり、偏光面が４５°の角度で偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した反射戻り光は、磁気光学素子１０により、さらに４５°回転され、偏光子１２の光透過軸に対して９０°の直交偏光面となるため、偏光子１２を透過できず、遮断される。
　以下に各要素ごとに説明する。
　（磁気光学素子１０）
　本発明の磁気光学素子１０は柱状のガラス材からなる。ガラス材の直径は、２０ｍｍ以下であり、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５．５ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４．５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３．８ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下、特に３．４ｍｍ以下であることが好ましい。ガラス材の直径が大きすぎると、筒状磁石の貫通孔径が大きくなり、ガラス材に掛かる磁場が小さくなりやすい。そのため、筒状磁石の体積を大きくしなければいけないため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。ガラス材の直径の下限は特に限定されないが、現実的には０．５ｍｍ以上である。
　レーザー光の集光径は、通常、磁気光学素子の直径より小さくなるように調整する。本発明の磁気光学素子１０は直径が２０ｍｍ以下であり、それに応じてレーザー光の集光径を小さくしなければならない。レーザー光の集光径が小さくなると、磁気光学素子１０にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなり、磁気光学素子１０が破損しやすくなる。そのため、磁気光学素子１０のレーザー損傷閾値は、１０Ｊ／ｃｍ２以上であり、１３Ｊ／ｃｍ２以上、１５Ｊ／ｃｍ２以上、１７Ｊ／ｃｍ２以上、２０Ｊ／ｃｍ２以上、２２Ｊ／ｃｍ２以上、特に２５Ｊ／ｃｍ２以上が好ましい。レーザー損傷閾値の上限は特に限定されないが、現実的には５００Ｊ／ｃｍ２以下である。
　本発明の磁気光学素子１０の長さは２～２０ｍｍ、３～１９ｍｍ、５～１８．５ｍｍ、７．５～１８ｍｍ、８～１８ｍｍ、８．１～１７ｍｍ、８．２～１６ｍｍ、特に８．３～１５．５ｍｍであることが好ましい。磁気光学素子１０の長さが小さすぎると、磁場を大きくする、つまり、筒状磁石１１を大きくする必要があるため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。一方、磁気光学素子１０の長さが大きすぎると、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。
　本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ２Ｏ５　５～５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することが好ましい。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。
　Ｔｂ２Ｏ３はベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Ｔｂ２Ｏ３の含有量は５０％以上（ただし５０％は含まない）、５１％以上、特に５２％以上であることが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、７５％以下、７０％以下、特に６９％以下であることが好ましい。
　なお、本発明におけるＴｂ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在するＴｂを全て３価の酸化物に換算して表したものである。
　Ｔｂについてベルデ定数の起源となる磁気モーメントはＴｂ４＋よりもＴｂ３＋の方が大きい。よって、ガラス材におけるＴｂ３＋の割合が大きいほど、ファラデー効果が大きくなるため好ましい。具体的には、全Ｔｂ中のＴｂ３＋の割合は、モル％で５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。
　Ｐ２Ｏ５は耐レーザー損傷性を向上させる成分である。またガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる効果もある。Ｐ２Ｏ５の含有量は５～５０％（ただし５％、５０％は含まない）、５．１～４５％、５．５～４０％、５．７～３０％、特に６～２５％であることが好ましい。Ｐ２Ｏ５の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Ｐ２Ｏ５の含有量が多すぎると、十分なファラデー効果が得られにくくなる。また、熱的安定性が低下しやすくなる。
　本発明に使用されるガラス材には、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
　Ｂ２Ｏ３はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｂ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ２Ｏ３の含有量は０～４５％（ただし４５％は含まない）、１～４４％、２～４０％、特に５～３５％であることが好ましい。
　Ａｌ２Ｏ３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ２Ｏ３の含有量は０～４５％（ただし４５％は含まない）、０．１～４０％、０．５～３０％、０．８～２０％、特に１～１５％であることが好ましい。
　ＳｉＯ２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ＳｉＯ２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０～４５％（ただし４５％は含まない）、０～４０％、０～３０％、特に０～２０％が好ましい。
　Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。
　Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て３価の酸化物に換算して表したものである。
　ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０～１０％、特に各々０～５％であることが好ましい。
　Ｇａ２Ｏ３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ２Ｏ３の含有量は０～６％、０～５％、特に０～４％であることが好ましい。
　フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こしたり、ガラス化の安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量（Ｆ２換算）は０～１０％、０～７％、特に０～５％であることが好ましい。
　還元剤としてＳｂ２Ｏ３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ２Ｏ３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。
　本発明に使用されるガラス材は、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図２は、無容器浮遊法によりガラス材を作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図２を参照しながら、本発明に使用されるガラス材の製造方法について説明する。
　ガラス材の製造装置２は成形型２０を有する。成形型２０は溶融容器としての役割も果たす。成形型２０は、成形面２０ａと、成形面２０ａに開口している複数のガス噴出孔２０ｂとを有する。ガス噴出孔２０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構２１に接続されている。このガス供給機構２１からガス噴出孔２０ｂを経由して、成形面２０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
　製造装置２を用いてガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に配置する。ガラス原料塊２２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
　次に、ガス噴出孔２０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊２２を、成形面２０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置２３からレーザー光をガラス原料塊２２に照射する。これによりガラス原料塊２２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊２２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊２２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面２０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁場を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁気光学素子１０は、得られたガラス材を切削、研磨、プレス等の加工を施し、所望の柱状形状にすることにより得られる。
　（筒状磁石１１）
　筒状磁石１１は円筒状等の筒状であり、その貫通孔の直径は、１～２１ｍｍ、１～１６ｍｍ、２～１４ｍｍ、２．５～１２ｍｍ、３～１１ｍｍ、３～１０ｍｍ、特に３～９ｍｍであることが好ましい。筒状磁石１１の貫通孔の直径が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が小さくなるため、レーザー光の集光径も小さくなり、磁気光学素子１０にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなり、磁気光学素子１０が破損しやすくなる。一方、筒状磁石１１の貫通孔の直径が大きすぎると、磁気光学素子１０に磁場が掛かりにくくなり、筒状磁石１１を大きくする必要があるため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。
　筒状磁石１１の体積は２０～１００ｃｍ３、２０～４５ｃｍ３、２１～４４ｃｍ３、２２～４３ｃｍ３、特に２５～４０ｃｍ３であることが好ましい。筒状磁石１１の体積が小さすぎると、磁気光学素子１０に所望の大きさの磁場をかけにくくなる。一方、筒状磁石１１の体積が大きすぎると、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。
　なお、筒状磁石１１の材質は、大きな磁場強度を有するネオジム－鉄－ボロン系であることが好ましい。また、より大きな磁場強度を得るために複数の筒状磁石を組み合わせても構わない。
　（偏光子１２及び１３）
　偏光子１２及び１３の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、２０ｄＢ以上、３０ｄＢ以上、４０ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上の偏光消光比を有する材料が好ましい。
　以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　表１は本発明の実施例及び比較例を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　各試料は次のようにして作製した。まず表１に示すガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、７００～１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
　次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、０．０５～１．５ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図２に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス材（直径約１～１０ｍｍ）を作製した。なお、熱源としては１００Ｗ　ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１～３０Ｌ／分で供給した。
　得られたガラス材について、ベルデ定数とレーザー損傷閾値を測定した。結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１～８は、レーザー損傷閾値が２０～５７Ｊ／ｃｍ２と高かった。一方、比較例１は、レーザー損傷閾値が８Ｊ／ｃｍ２と低かった。
　次に、得られたガラスを切削、研磨等により表１に示した直径、長さを有する円柱状の磁気光学素子を得た。得られた磁気光学素子を用いて、図１に示した構成のように光アイソレータを作製した。なお、筒状磁石には、表１に示した体積、貫通孔径を有する円筒状ネオジム鉄ホウ素磁石を用いた。偏光子には、グラントムソン偏光子（消光比５０ｄＢ）を用いた。
　作製した光アイソレータに、波長　１０６４ｎｍ、出力　２０Ｗ、レーザースポット径（（磁気光学素子の直径）－０．８）ｍｍのレーザー光を入射した。実施例１～８は、４５°の回転角が得られ、光アイソレータとして作動することが確認された。一方、比較例１は、磁気光学素子が破損した。
　ベルデ定数は回転検光子法を用いて測定した。具体的には、得られたガラス材を１ｍｍの厚さとなるよう研磨加工し、１０ｋＯｅの磁場中で波長１０６４ｎｍでのファラデー回転角を測定し、ベルデ定数を算出した。
　レーザー損傷閾値の測定は、波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓのシングルモードＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いて、Ｎ－ｏｎ－１方式で行った。Ｎ－ｏｎ－１方式とは、対象部材おける固定された照射箇所に対して、連続的に入射エネルギー密度を増加させながらレーザー光を照射し、照射ごとに対象部材の状態を確認して、損傷が生じたエネルギー密度をレーザー損傷閾値として定義するものである。レーザー損傷閾値は、レーザー損傷閾値＝２×（損傷したときの照射エネルギー／照射ビーム面積）の式より算出した。なお、照射ビーム面積は、ガウス分布ピーク強度の１／ｅ２値の幅を直径とした面積である。
　１　光アイソレータ
　２　ガラスの製造装置
　１０　磁気光学素子
　１１　筒状磁石
　１２　偏光子
　１３　偏光子
　２０　成形型
　２０ａ　成形面
　２０ｂ　ガス噴出孔
　２１　ガス供給機構
　２２　ガラス原料塊
　２３　レーザー光照射装置 

Claims (6)

  1. 　直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする磁気光学素子。
  2. 　長さが２～２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学素子。
  3. 　モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ２Ｏ５　５～５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気光学素子。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載の磁気光学素子、
    　磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、
    　磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、
    　を備えることを特徴とする光アイソレータ。
  5. 　筒状磁石の貫通孔の直径が１～２１ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の光アイソレータ。
  6. 　筒状磁石の体積が２０～１００ｃｍ３であることを特徴とする請求項４または５に記載の光アイソレータ。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044650A1 (en) * 2004-08-27 2006-03-02 Liren Du Low insertion loss circulator
JP2013520847A (ja) * 2010-02-24 2013-06-06 アルコン レンゼックス， インコーポレーテッド 調節可能な繰り返し率および簡素化された構造を有する高出力のフェムト秒レーザ
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060044650A1 (en) * 2004-08-27 2006-03-02 Liren Du Low insertion loss circulator
JP2013520847A (ja) * 2010-02-24 2013-06-06 アルコン レンゼックス， インコーポレーテッド 調節可能な繰り返し率および簡素化された構造を有する高出力のフェムト秒レーザ
JP2016145143A (ja) * 2015-01-28 2016-08-12 日本電気硝子株式会社 ガラス材及びその製造方法

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