WO2019017179A1 - 磁気光学素子 - Google Patents

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鈴木太志
高山佳久
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日本電気硝子株式会社
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Definitions

  • the present invention relates to a magneto-optical device.
  • An optical isolator is an electronic component that transmits light in one direction and reflects it back to block the light back, and is used for a laser diode used in a laser processing system.
  • the optical isolator comprises a magneto-optical element, a magnet and a polarizer.
  • the output of a laser diode has been increased, and the diameter of a laser beam (incident laser beam) incident on an optical isolator has been increased accordingly.
  • the diameter of the incident laser light increases, the diameter of the magneto-optical element needs to be increased.
  • the shape of the laser beam (emitted laser beam) transmitted through the optical isolator is disturbed and the accuracy of the laser processing system is deteriorated. there were.
  • the magneto-optical device of the present invention is made of a columnar glass material having a diameter of 1 mm or more, and an area of striae per 1 mm 2 in a cross section is 0.9 mm 2 or less. Even if the diameter is 1 mm or more, the wavefront aberration is reduced by reducing the area of the portion where the striae is formed in the cross section, and the shape of the outgoing laser light can be stabilized.
  • the wavefront aberration is a deviation between an ideal wavefront and a real wavefront.
  • the magneto-optical device of the present invention preferably has a wavefront aberration of 700 nm or less. By so doing, the shape of the outgoing laser light can be stabilized.
  • the magneto-optical device of the present invention preferably has a length of 2 mm or more.
  • the magneto-optical device of the present invention preferably contains 30 to 80% of Tb 2 O 3, 20 to 70% of B 2 O 3 + P 2 O 5 , and 0 to 45% of SiO 2 in mole%.
  • Tb 2 O 3 By setting the content of Tb 2 O 3 to 30 mol% or more, the Verdet constant is increased, and the Faraday effect can be enhanced. Further, by controlling the content of B 2 O 3 + P 2 O 5 to 70 mol% or less and the content of SiO 2 to 45 mol% or less, the evaporation of the glass component that causes the striae is suppressed.
  • B 2 O 3 + P 2 O 5 means the total amount of the content of B 2 O 3 and P 2 O 5.
  • An optical isolator comprises the above-described magneto-optical element, a cylindrical magnet having a through hole for inserting the magneto-optical element, and a pair of polarized lights provided on two opposing main surfaces of the magneto-optical element. And a child.
  • the cross-sectional area of the through hole of the cylindrical magnet is preferably 0.79 mm 2 or more.
  • the diameter of the through hole of the cylindrical magnet is preferably 1 mm or more.
  • the volume of the cylindrical magnet is preferably 1 cm 3 or more.
  • the present invention it is possible to provide a magneto-optical device capable of stabilizing the shape of the outgoing laser beam even if the diameter is increased.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of an optical isolator.
  • the optical isolator 1 is a device for blocking the reflected return light of the laser beam, and the magneto-optical element 10, the cylindrical magnet 11 having a through hole for inserting the magneto-optical element 10, and the magneto-optical element face each other.
  • a pair of polarizers 12 and 13 provided on two main surfaces is provided.
  • the light that has entered the optical isolator 1 passes through the polarizer 12, becomes linearly polarized light, and enters the magneto-optical element 10.
  • the incident light has its polarization plane 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. , Blocked.
  • the magneto-optical device 10 of the present invention is made of a columnar glass material such as a cylindrical shape.
  • the diameter of the glass material is 1 mm or more, 1.5 mm or more, 2 mm or more, 2.2 mm or more, 2.5 mm or more, 2.8 mm or more, 3 mm or more, 4 mm or more, 5 mm or more, 10 mm or more, particularly 15 mm or more Is preferred. If the diameter of the glass material is too small, the diameter of the magneto-optical device 10 becomes smaller than the diameter of the incident laser beam, and it becomes difficult to fulfill the function as the magneto-optical device.
  • the upper limit of the diameter of the glass material is not particularly limited, but is practically 100 mm or less.
  • the area of the portion where striae is formed per 1 mm 2 in the cross section is 0.9 mm 2 or less, and 0.85 mm 2 or less, particularly 0.8 mm 2 or less. Is preferred. If the area of the portion where the striae is formed is too large, the wavefront aberration becomes large, and the shape of the outgoing laser light tends to be disturbed.
  • the lower limit of the area of the part where the striae is formed is not particularly limited, but is practically 0.001 mm 2 or more.
  • the magneto-optical device 10 of the present invention preferably has a wavefront aberration of 700 nm or less, 600 nm or less, and particularly 500 nm or less. If the wavefront aberration is too large, the shape of the outgoing laser light is likely to be disturbed.
  • the lower limit of the wavefront aberration is not particularly limited, but is practically 0.1 nm or more.
  • the length of the magneto-optical device 10 of the present invention is preferably 2 mm or more, 3 mm or more, 4 mm or more, 5 mm or more, particularly 8 mm or more. If the length of the magneto-optical element 10 is too small, the Faraday effect will be small.
  • the upper limit of the length of the magneto-optical element 10 is not particularly limited, but is practically 100 mm or less.
  • the magneto-optical device of the present invention preferably contains 30 to 80% of Tb 2 O 3, 20 to 70% of B 2 O 3 + P 2 O 5 , and 0 to 45% of SiO 2 in mole%. 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 noted.
  • Tb 2 O 3 is a component that increases the Faraday effect by increasing the absolute value of the Verdet constant.
  • the content of Tb 2 O 3 is preferably 30 to 80%, 31 to 79%, 33 to 77%, 35 to 75%, and particularly 40 to 70%.
  • the absolute value of the Verdet constant decreases, and it is difficult to obtain a sufficient Faraday effect.
  • vitrification tends to be difficult.
  • the content of Tb 2 O 3 is expressed by converting all Tb present in the glass into a trivalent oxide.
  • the proportion of Tb 3+ in the glass material is preferably 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, and particularly 90% or more in mol%.
  • B 2 O 3 and P 2 O 5 are components that form a glass skeleton and extend the vitrification range.
  • the content of B 2 O 3 + P 2 O 5 is preferably 20 to 70%, 25 to 65%, particularly 30 to 60%.
  • the content of B 2 O 3 + P 2 O 5 is too small, the above-described effect is hardly obtained.
  • the content of B 2 O 3 + P 2 O 5 is too large, evaporation of the glass component increases and striae tends to occur.
  • a preferable range of the content of B 2 O 3 and P 2 O 5 is as follows.
  • the content of B 2 O 3 is preferably 0 to 50%, 5 to 45%, particularly 10 to 40%.
  • the content of P 2 O 5 is preferably 0 to 40%, 3 to 35%, particularly 5 to 30%.
  • SiO 2 forms a glass skeleton and is a component that extends the vitrification range.
  • SiO 2 does not contribute to the improvement of the Verdet constant, so if the content is too large, it is difficult to obtain a sufficient Faraday effect.
  • the content of SiO 2 is preferably 0 to 45%, 0 to 40%, 0 to 30%, particularly 0 to 20%.
  • the glass material used for this invention can be made to contain the various components shown below besides the said component.
  • Al 2 O 3 is a component that forms a glass skeleton as an intermediate oxide and extends the vitrification range.
  • Al 2 O 3 does not contribute to the improvement of the Velde constant, so when the content is too large, it is difficult to obtain a sufficient Faraday effect.
  • the content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 45%, 0.1 to 40%, 0.5 to 30%, 0.8 to 20%, and particularly preferably 1 to 15%.
  • 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, but when the content is too large, vitrification becomes difficult. Therefore, the content of each of La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 is preferably 10% or less, and more preferably 5% or less.
  • Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 and Ce 2 O 3 not only improve the stability of vitrification but also contribute to the improvement of the Verdet constant. However, when the content is too large, it becomes difficult to vitrify. Therefore, the content of each of Dy 2 O 3 , Eu 2 O 3 , and Ce 2 O 3 is preferably 15% or less, and more 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 each of these components is preferably 0 to 10%, particularly 0 to 5%.
  • Ga 2 O 3 has an effect of enhancing the glass forming ability and widening the vitrification range. However, when the content is too large, devitrification tends to occur. Further, since Ga 2 O 3 does not contribute to improvement of the Verdet constant, if the content is too large, it is difficult to obtain a sufficient Faraday effect. Accordingly, the content of Ga 2 O 3 is preferably 0 to 6%, 0 to 5%, and particularly 0 to 4%.
  • Fluorine has the effect of enhancing the glass forming ability and expanding the vitrification range.
  • the fluorine content is preferably 0 to 10%, 0 to 7%, and particularly 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.
  • the glass material used in the present invention can be produced, for example, by the non-container floating method.
  • FIG. 2 is typical sectional drawing which shows an example of the manufacturing apparatus for producing a glass material by the non-container floating method.
  • FIG. 2 a method of manufacturing a glass material used in the present invention will be described.
  • the glass material manufacturing apparatus 2 has a forming die 20.
  • the mold 20 also plays a role as a melting container.
  • the forming die 20 has a forming surface 20 a and a plurality of gas injection holes 20 b opened to the forming surface 20 a.
  • the gas injection holes 20 b are connected to a gas supply mechanism 21 such as a gas cylinder.
  • a gas is supplied from the gas supply mechanism 21 to the molding surface 20a via the gas injection holes 20b.
  • the type of gas is not particularly limited, and may be, for example, air or oxygen, or nitrogen gas, argon gas, helium gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, or a reducing gas containing hydrogen. Good.
  • the glass raw material mass 22 is first arrange
  • the glass raw material mass 22 for example, one obtained by integrating raw material powders by press molding or the like, a sintered body obtained by integrating the raw material powders after being integrated by press molding, etc., a composition equivalent to the target glass composition The aggregation of the crystal which it has, etc. are mentioned.
  • the glass material mass 22 is floated on the molding surface 20a by injecting gas from the gas injection holes 20b. That is, the glass raw material mass 22 is held in a state not in contact with the molding surface 20a. In this state, the laser beam is irradiated to the glass material block 22 from the laser beam irradiation device 23. Thus, the glass material mass 22 is heated, melted and vitrified to obtain a molten glass. Thereafter, the molten glass is cooled to obtain a glass material.
  • the glass material block 22 In the step of heating and melting the glass material block 22 and the step of cooling the temperature of the molten glass and further the glass material to at least the softening point, at least the injection of gas is continued, and the glass material block 22, molten glass, Furthermore, it is preferable to suppress the contact between the glass material and the molding surface 20a.
  • the glass material block 22 may be floated on the molding surface 20a using magnetic force generated by applying a magnetic field, or the glass material mass 22 may be floated on the molding surface 20a using sound waves. It is also good.
  • radiation heating may be used other than the method of irradiating a laser beam.
  • the magneto-optical device 10 of the present invention is obtained by processing the obtained glass material, such as cutting, polishing, and pressing, to form a desired columnar shape.
  • Cylindrical magnet 11 is cylindrical, a cylindrical prismatic such, the cross-sectional area of the through-holes (cross-sectional area in the longitudinal direction perpendicular to the direction of the through hole) is, 0.79 mm 2 or more, 1 mm 2 or more, 2 mm 2 or more, 3 mm 2 or more, 4 mm 2 or more, 6 mm 2 or more, 8 mm 2 or more, 9 mm 2 or more, particularly preferably 12 mm 2 or more.
  • the diameter of the through hole is 1 mm or more, 1.5 mm or more, 2 mm or more, 2.2 mm or more, 2.5 mm or more, 2.8 mm or more, 3 mm or more, 4 mm or more,
  • the diameter is preferably 5 mm or more, 10 mm or more, particularly 15 mm or more. If the cross-sectional area of the through hole of the cylindrical magnet 11 is too small, the diameter of the magneto-optical device 10 becomes smaller than the diameter of the incident laser beam, and the function as the magneto-optical device becomes difficult to achieve.
  • the upper limit of the cross-sectional area of the through hole is not particularly limited, but is practically 10000 mm 2 or less.
  • the volume of the cylindrical magnet 11 is preferably 1 cm 3 or more, 10 cm 3 or more, particularly 20 cm 3 or more. If 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. Although the upper limit of the volume is not particularly limited, it is practically 3000 cm 3 or less.
  • the cylindrical magnet 11 is preferably a rare earth magnet having a large magnetic field strength, in particular, a neodymium-iron-boron magnet, or a samarium-cobalt magnet. Also, a plurality of cylindrical magnets may be combined to obtain a larger magnetic field strength.
  • the material of the polarizers 12 and 13 may be any of ceramics, glass, and 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, particularly 50 dB or more is preferable.
  • Tables 1 and 2 show examples of the present invention and comparative examples.
  • Each sample was produced as follows. First, a raw material prepared to have the glass composition shown in the table was press-formed and sintered at 700 to 1400 ° C. for 6 hours to produce a glass raw material mass.
  • the glass material mass was coarsely crushed into small pieces using a mortar.
  • the glass material was produced by the non-container floating method using the device according to FIG. 2 using the small piece of the obtained glass raw material lump.
  • a 100 W CO 2 laser oscillator was used as a heat source.
  • nitrogen gas was used as a gas for suspending the glass material block, and was supplied at a flow rate of 1 to 30 L / min.
  • the obtained glass was cut, polished, and the like to obtain a cylindrical magneto-optical device having the diameter and the length shown in the table.
  • an optical isolator was produced as shown in FIG.
  • the cylindrical magnet which has the material, the volume, and the through-hole diameter which were shown to the surface was used for the cylindrical magnet.
  • a polarizer a Grant-Mathon polarizer (extinction ratio: 50 dB) was used.
  • the area of the cord and the wavefront aberration were measured for the obtained magneto-optical element. The results are shown in the table. As is apparent from the table, in Examples 1 to 12, since the area of the cord was as small as 0.53 to 0.82 mm 2 , the wavefront aberration was as small as 132 to 552 nm, and the shape of the outgoing laser light was stabilized. . On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, since the area of the striae is as large as 0.95 mm 2 or more, the wavefront aberration is as large as 872 nm or more, and the shape of the outgoing laser light is disturbed.
  • the area of the cord was measured as follows.
  • the cross section of the obtained sample was observed by a shadow graph method using infrared light with a wavelength of 1 ⁇ m, and the area where striae was formed was determined.
  • the wavefront aberration was measured by a laser interferometer (Verifire manufactured by Zygo).

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Abstract

直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定化できる磁気光学素子を提供する。　直径１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下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、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、レーザー加工システム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、レーザーダイオードが高出力化しており、それに伴い光アイソレータ―に入射するレーザー光（入射レーザー光）の直径が大きくなってきている。入射レーザー光の直径が大きくなると、磁気光学素子の直径を大きくする必要がある。しかし、磁気光学素子として上記のガラスを用いる場合、その直径を大きくすると、光アイソレータを通過し出射したレーザー光（出射レーザー光）の形状が乱れ、レーザー加工システムの精度が悪化する等の問題があった。
　以上に鑑み、本発明は、直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定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１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下であることを特徴とする。直径が１ｍｍ以上であっても、横断面における脈理が形成されている部分の面積を小さくすることで波面収差が小さくなり、出射レーザー光の形状を安定化することができる。なお、波面収差とは、理想波面と実波面とのズレである。
　本発明の磁気光学素子は、波面収差が７００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、出射レーザー光の形状を安定化することができる。
　本発明の磁気光学素子は、磁気光学素子の長さが２ｍｍ以上であることが好ましい。
　本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　３０～８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５　２０～７０％、ＳｉＯ２　０～４５％を含有することが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量を３０モル％以上にすることでベルデ定数が大きくなり、ファラデー効果を高めることができる。また、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量を７０モル％以下、及び、ＳｉＯ２の含有量を４５モル％以下にすることで、脈理の原因となるガラス成分の蒸発を抑制することができる。なお、「Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５」は、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の各含有量の合量を意味する。
　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断面積が０．７９ｍｍ２以上であることが好ましい。
　本発明の光アイソレータは、筒状磁石の貫通孔の直径が１ｍｍ以上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１ｃｍ３以上であることが好ましい。
　本発明によれば、直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定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に入射した光は、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により偏光面が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は円柱状等の柱状のガラス材からなる。ガラス材の直径は、１ｍｍ以上であり、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、特に１５ｍｍ以上であることが好ましい。ガラス材の直径が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が入射レーザー光の直径より小さくなり、磁気光学素子としての機能を果たしにくくなる。ガラス材の直径の上限は特に限定されないが、現実的には１００ｍｍ以下である。
　本発明の磁気光学素子１０は、横断面における１ｍｍ２当りの脈理が形成されている部分の面積が０．９ｍｍ２以下であり、０．８５ｍｍ２以下、特に０．８ｍｍ２以下であることが好ましい。脈理が形成されている部分の面積が大きすぎると、波面収差が大きくなり出射レーザー光の形状が乱れやすくなる。脈理が形成されている部分の面積の下限は特に限定されないが、現実的には０．００１ｍｍ２以上である。
　本発明の磁気光学素子１０は、波面収差が７００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、特に５００ｎｍ以下であることが好ましい。波面収差が大きすぎると、出射レーザー光の形状が乱れやすくなる。波面収差の下限は特に限定されないが、現実的には０．１ｎｍ以上である。
　本発明の磁気光学素子１０の長さは２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、特に８ｍｍ以上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、ファラデー効果が小さくなる。磁気光学素子１０の長さの上限は特に限定されないが、現実的には１００ｍｍ以下である。
　本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　３０～８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５　２０～７０％、ＳｉＯ２　０～４５％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３０～８０％、３１～７９％、３３～７７％、３５～７５％、特に４０～７０％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。
　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。
　Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５は、ガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量は２０～７０％、２５～６５％、特に３０～６０％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３＋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、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量が多すぎると、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。
　なお、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の含有量の好ましい範囲は以下の通りである。
　Ｂ２Ｏ３の含有量は０～５０％、５～４５％、特に１０～４０％であることが好ましい。
　Ｐ２Ｏ５の含有量は０～４０％、３～３５％、特に５～３０％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。また、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０～４５％、０～４０％、０～３０％、特に０～２０％が好ましい。
　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。
　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％、０．１～４０％、０．５～３０％、０．８～２０％、特に１～１５％であることが好ましい。
　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、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。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、角柱状等の筒状であり、その貫通孔の断面積（貫通孔の長さ方向と垂直な方向の断面積）は、０．７９ｍｍ２以上、１ｍｍ２以上、２ｍｍ２以上、３ｍｍ２以上、４ｍｍ２以上、６ｍｍ２以上、８ｍｍ２以上、９ｍｍ２以上、特に１２ｍｍ２以上であることが好ましい。筒状磁石１１が円筒状である場合、その貫通孔の直径は、１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、特に１５ｍｍ以上であることが好ましい。筒状磁石１１の貫通孔の断面積が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が入射レーザー光の直径より小さくなり、磁気光学素子としての機能を果たしにくくなる。貫通孔の断面積の上限は特に限定されないが現実的には１００００ｍｍ２以下である。
　筒状磁石１１の体積は１ｃｍ３以上、１０ｃｍ３以上、特に２０ｃｍ３以上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。体積の上限は特に限定されないが現実的には３０００ｃｍ３以下である。
　なお、筒状磁石１１は、大きな磁場強度を有する希土類磁石、特にネオジム－鉄－ボロン系磁石、サマリウム－コバルト系磁石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及び２は本発明の実施例及び比較例を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　各試料は次のようにして作製した。まず表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、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。
　次に、得られたガラスを切削、研磨等により表に示した直径、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、表に示した材質、体積、貫通孔径を有する円筒状磁石を用いた。偏光子には、グラントムソン偏光子（消光比５０ｄＢ）を用いた。
　得られた磁気光学素子について、脈理の面積と波面収差を測定した。結果を表に示す。表から明らかなように、実施例１～１２は、脈理の面積が０．５３～０．８２ｍｍ２と小さいため、波面収差が１３２～５５２ｎｍと小さく、出射レーザー光の形状が安定化していた。一方、比較例１～４は脈理の面積が０．９５ｍｍ２以上と大きいため、波面収差が８７２ｎｍ以上と大きく、出射レーザー光の形状が乱れていた。
　脈理の面積は次のようにして測定した。得られた試料を波長１μｍの赤外光を用いたシャドウグラフ法にて横断面観察を行い、脈理が形成されている面積を求めた。
　波面収差は、レーザー干渉計（Ｚｙｇｏ社製　Ｖｅｒｉｆｉｒｅ）により測定した。
　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 (8)

  1. 　直径１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下であることを特徴とする磁気光学素子。
  2. 　波面収差が７００ｎｍ以下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. 　長さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気光学素子。
  4. 　モル％で、Ｔｂ２Ｏ３　３０～８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５　２０～７０％、ＳｉＯ２　０～４５％を含有することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の磁気光学素子。
  5. 　請求項１～４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。
  6. 　筒状磁石の貫通孔の断面積が０．７９ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項５に記載の光アイソレータ。
  7. 　筒状磁石の貫通孔の直径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の光アイソレータ。
  8. 　筒状磁石の体積が１ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項５～７のいずれかに記載の光アイソレータ。
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