WO2023079656A1 - 単結晶ファイバの製造方法 - Google Patents

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    • C30B13/08Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the molten zone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/28Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a Nd:YAG single crystal fiber.
  • Yttrium aluminum garnet (hereinafter referred to as YAG) is a composite oxide of yttrium (Y) and aluminum (Al) represented by the chemical formula Y3Al5O12 , and is a typical laser.
  • YAG Yttrium aluminum garnet
  • Al aluminum
  • YAG containing neodymium (Nd) (hereinafter referred to as Nd:YAG) as a laser medium has been widely put into practical use in the fields of processing and medicine. It is also used as an amplification medium.
  • a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD: Laser Diode) with high conversion efficiency from electricity to light is often used as excitation light for oscillating an Nd:YAG laser using Nd:YAG as a laser medium.
  • LD Laser Diode
  • a method of using a single crystal fiber as the laser medium has been developed in order to improve the efficiency of oscillation by LD excitation.
  • high-power LDs oscillate in multi-transverse modes, so they are said to have poor light-gathering performance.
  • a longitudinal waveguiding can be realized. Therefore, stimulated emission is efficiently generated in the multimode waveguide, and the oscillation efficiency of a laser using a single crystal as a laser medium can be improved.
  • Main methods of manufacturing single-crystal fibers for lasers include the micro-pull-down method (hereinafter referred to as ⁇ -PD method) and the laser-heated pedestal growth method (hereinafter referred to as LHPG method). .
  • the ⁇ -PD method has the advantage that the concentration of Nd in the cross section of the fiber is distributed almost uniformly, but it also has the problem that only large-diameter fibers with a diameter of approximately 500 ⁇ m or more can be produced.
  • the LHPG method can produce a single crystal fiber with a diameter of 50 to 500 ⁇ m, the LHPG method is considered to be suitable for the production of the Nd:YAG single crystal fiber as the laser medium described above.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the manufacturing process of a single crystal fiber by the LHPG method.
  • FIG. 2 is also a flow chart illustrating a method 20 for manufacturing single crystal fibers using an exemplary LHPG method.
  • An exemplary method 20 for manufacturing a single crystal fiber by the LHPG method is carried out in an atmosphere containing oxygen, and as shown in FIGS. Forming the portion 12 (corresponding to step 21 in FIG. 2), bringing the seed crystal 18 into contact with the melting portion 12, and growing the single crystal fiber 14 while pulling up the seed crystal 18 (corresponding to step 22 in FIG. 2). ) and (see, for example, Non-Patent Document 4).
  • Conventional manufacturing methods have used Nd:YAG single crystals or polycrystals as the preform 11 used in the Nd:YAG single crystal fiber manufacturing method 20 using the LHPG method.
  • the concentration distribution of Nd which is the emission center responsible for the gain, in the radial cross section becomes maximum at the central axis of the fiber. is desirable. Also, for efficient amplification in an optical amplifier, it is desirable to have a concentration distribution in which the concentration of Nd is maximized at the center of the fiber axis.
  • the concentration distribution of Nd has a maximum on the circumference equidistant from the central axis of the fiber. is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • FIG. 3 is a diagram conceptually showing the aspect of the fusion zone 12 in the manufacturing process of the Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method according to the prior art.
  • the melt convection 13 in the melting zone 12 is indicated by the arrowed line.
  • the Nd:YAG single crystal or polycrystal is used as the base material 11 in the production of the Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method.
  • the segregation coefficient of Nd in the YAG crystal is 0.21. It is concentrated twice (see, for example, Non-Patent Document 2). It is also known that in Nd:YAG crystals, Nd substitutes at the cation site of Y.
  • the atomic weight of Nd is approximately 1.6 times greater than the atomic weight of Y. .
  • the density of the melt in the initially formed melted portion 12 is relatively high. lower than that of the melt. That is, since this newly melted melt receives a strong buoyant force from the previously formed surrounding melt, as shown in FIG. A convection current 13 is generated which has a flow from the material 11 side to the grown single crystal fiber 14 side.
  • the incorporation of Nd atoms is maximized near the apex of the upper outer convection where the concentration of Nd is highest, so the area 15 where the concentration of Nd is maximized on the circumference equidistant from the central axis of the fiber. is formed.
  • the concentration distribution in the radial direction is such that Nd has a maximum on the circumference equidistant from the central axis of the single crystal fiber. becomes. Therefore, from the viewpoint of efficiency improvement in a laser oscillator and an optical amplifier using a Nd:YAG single crystal fiber, Nd:YAG having a radial concentration distribution such that the concentration of Nd is maximized at the central axis of the single crystal fiber.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing a Nd:YAG single crystal fiber.
  • the present disclosure provides a method for producing a YAG single crystal fiber containing Nd, which comprises a rod-shaped matrix containing a YAG single crystal or polycrystal, Nd, and calcium (Ca). forming a melted portion by melting one end of the base material; bringing a seed crystal into contact with the melted portion and growing the single crystal fiber while pulling up the seed crystal; , provides a method of making a single crystal fiber.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a method 20 for manufacturing single crystal fibers using an exemplary LHPG method.
  • 1 is a diagram conceptually showing the state of a melted portion in the manufacturing process of a Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method according to the prior art;
  • FIG. 3 is a diagram conceptually showing the appearance of a melted portion 12 during the manufacturing process of a Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method according to the present disclosure
  • 1A and 1B are diagrams illustrating a base material used in the LHPG method in the first embodiment of the present disclosure, where (a) is an axial cross-sectional view and (b) is a radial cross-sectional view
  • 4 is a flow chart illustrating a method for manufacturing single crystal fibers using the LHPG method according to the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a base material used in the LHPG method in the second embodiment of the present disclosure, where (a) is an axial cross-sectional view and (b) is a radial cross-sectional view;
  • the method of manufacturing a Nd:YAG single crystal fiber according to the present disclosure is similar to the prior art in that it uses the LHPG method. However, by adding an additional element other than Nd to the base material of YAG and changing the fluid behavior of the melt in the melted portion 12 as shown in FIG. is formed on the central axis of the fiber, which is different from the prior art.
  • the single crystal fiber 14 is A concentration distribution in the radial direction is generated such that the concentration of Nd is maximized in a region away from the central axis of .
  • the molten zone is formed while maintaining the density of the melt at the same level as the base material, so the density gradient of the melt can be suppressed. can. That is, it is possible to fabricate an Nd:YAG single crystal fiber having a radial concentration distribution that maximizes the Nd concentration along the central axis of the single crystal fiber 14 by the LHPG method.
  • An additional element that satisfies such conditions is calcium (Ca).
  • the conditions for adding Ca to Nd:YAG will be described in detail below.
  • Nd:YAG added with Ca the chemical formula of the substance is Nd 3x Ca 3y Y 3 ( 1-xy) Represented by Al 5 O 12 . Since each atomic weight of the constituent atoms of this Ca-added Nd:YAG is Y: 88.91, Al: 26.98, O: 16.00, Nd: 144.24, Ca: 40.08 , Ca-added Nd:YAG molecular weight S(x, y) can be expressed by (Equation 1).
  • Equation 1 S (x, y) in (Equation 1) is a parameter that substantially corresponds to the density becomes.
  • the upper limit of the number of Ca atoms added to YAG is 0.08 in terms of the ratio to the number of Y atoms (corresponding to y above).
  • Nd:YAG single crystal fiber is produced by the LHPG method under the condition that satisfies (Equation 4)
  • the produced Nd:YAG single crystal fiber has a Nd concentration of has a concentration distribution that maximizes at the central axis of .
  • FIG. 4 is a diagram conceptually showing the aspect of the fusion zone 12 in the manufacturing process of the Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method according to the present disclosure. Similar to FIG. 3, the melt convection 13 in the melt zone 12 is indicated in the figure by lines with arrows. Further, the base material 17 in the present disclosure is a single crystal or polycrystal of YAG containing Nd and Ca so as to satisfy (Equation 4), unlike the base material 11 in the conventional technology. In the production of the Nd:YAG single crystal fiber using the LHPG method according to the present disclosure, based on the principle described above, the density gradient of the melt due to the difference in segregation coefficient and atomic weight does not occur in the melt zone 12 .
  • the convection 13 does not exhibit fluid behavior such that it has a flow around the central axis of the single crystal fiber 14 from the base material 17 side of the molten portion 12 toward the grown single crystal fiber 14 side.
  • the concentration of Nd becomes maximum at the central axis of the single crystal fiber 14 which is the axis of symmetry of the convection 13 .
  • the Nd:YAG single-crystal fiber manufactured by the Nd:YAG single-crystal fiber manufacturing method according to the present disclosure can easily obtain fundamental transverse mode oscillation and has a high Efficient laser oscillators and optical amplifiers can be realized.
  • the method of manufacturing the Nd:YAG single crystal fiber according to the present disclosure changes only the structure of the base material, and manufacturing by the LHPG method itself remains the same as before. Therefore, there is no need to change the existing manufacturing process significantly, and there is also the advantage that the conventional production line can be maintained.
  • the base material used in the LHPG method is a YAG single crystal or polycrystal containing Nd and Ca as additive elements.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams illustrating the base material 17 used in the LHPG method in this embodiment, FIG. 5(a) being an axial sectional view and FIG. 5(b) being a radial sectional view.
  • the base material 17 in the present embodiment is a rod material having a YAG single crystal or polycrystal as a matrix phase and containing Nd and Ca as additive elements inside the matrix phase.
  • the base material 17 is configured such that the contents of Nd and Ca satisfy (Equation 4).
  • a Nd:YAG single crystal fiber 14 is manufactured from the base material 17 having such a shape by using the LHPG method.
  • the base material 17 is desirably a round bar (cylinder), but the shape is not limited to this as long as it is bar-shaped.
  • the base material 17 can be produced by techniques such as melting, sintering, element diffusion, and ion implantation using an ion beam, but the production method is not limited to these.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method 60 for manufacturing single crystal fibers using the LHPG method, according to one embodiment of the present disclosure.
  • a method 60 for manufacturing a single crystal fiber using the LHPG method according to one embodiment of the present disclosure includes adding Nd and Ca to a single crystal or polycrystal of YAG (formula 4) fabricating a matrix containing inclusions (corresponding to step 61 in FIG. 6).
  • the Nd:YAG single crystal fiber is usually grown in an oxygen-containing atmosphere, but in the manufacturing method according to the present disclosure, it may be grown in an oxygen-free atmosphere.
  • the addition of Ca suppresses the density gradient of the melt, as described above, so that the melted portion 12 has the aspect shown in FIG. Become. Therefore, the manufactured Nd:YAG single crystal fiber 14 has a concentration distribution such that the concentration of Nd is maximized at the central axis.
  • FIG. 7 is an illustration of a preform 70 used in the LHPG process, where FIG. 7(a) is an axial cross-section and FIG. 7(b) is a radial cross-section, according to one embodiment of the present disclosure.
  • the base material 70 in this embodiment further includes a base material 71 and an oxide layer 72 formed on the outer surface of the base material 71 .
  • the substrate 71 is Nd:YAG single crystal or polycrystal
  • the oxide layer 72 is CaO, but other forms may be used as described later.
  • the amounts of Nd and Ca must satisfy (Formula 4) in the entire base material 70 including the base material 71 and the oxide layer 72 .
  • the oxide layer 72 is formed by, for example, a physical vapor deposition method such as a vacuum deposition method or a magnetron sputtering method, a chemical vapor deposition method such as a plasma CVD method or an optical CVD method, a liquid phase deposition method such as a plating method or a sol-gel method, a flame spraying method or the like.
  • a film can be formed on the outer surface of the substrate 71 by a technique such as thermal spraying such as plasma spraying, sintering such as hot isostatic pressing or discharge plasma sintering, but the film forming technique is not limited to these. .
  • Nd:YAG single crystal fiber 14 is manufactured by the method shown in FIG. A Nd:YAG single crystal fiber 14 having a concentration distribution such that the concentration of Nd is maximized in the axis is obtained.
  • the base material 71 of the base material 70 is Nd:YAG
  • the oxide layer 72 is CaO
  • the combination of materials is not limited to this.
  • the base material 71 may be YAG (Ca:YAG) containing Ca as an additive element
  • the oxide layer 72 may be a combination of neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), and the YAG additive elements (Nd and Ca) may be It may be included in either the base material 71 or the oxide layer 72 .
  • the base material 70 having the oxide layer 72 formed on the outer surface of the base material 17 described in the first embodiment may be used.
  • the method for manufacturing a single crystal fiber according to the present disclosure can manufacture an Nd:YAG single crystal fiber having a concentration distribution that maximizes the concentration of Nd at the central axis. Since the Nd:YAG single crystal fiber having such a concentration distribution can easily obtain fundamental transverse mode oscillation, it is expected to be applied to laser oscillators and optical amplifiers.

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Abstract

本開示は、単結晶ファイバの中心軸においてNdの濃度が極大となるような径方向の濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法を提供する。本開示によるNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法は、YAGの単結晶、又は多結晶と、Ndと、Caとを含む、棒状の母材を作製することと、母材の一端を溶融し、溶融部を形成することと、溶融部に種結晶を接触させ、種結晶を引き上げながら前記単結晶ファイバを成長させることと、を備える。

Description

単結晶ファイバの製造方法
 本開示は、Nd:YAGの単結晶ファイバの製造方法に関する。
 イットリウム・アルミニウム・ガーネット(以下、YAGという。:Yttrium Aluminum Garnet)は、YAl12の化学式で表されるイットリウム(Y)とアルミニウム(Al)の複合酸化物であり、代表的なレーザ媒質材料として知られている。さらに、ネオジム(Nd)を含んだYAG(以下、Nd:YAGという。)をレーザ媒質とした固体レーザは、加工や医療の分野で広く実用化されており、また、Nd:YAGは光増幅器の増幅媒体にも応用されている。
 Nd:YAGをレーザ媒質としたNd:YAGレーザを発振するための励起光には、電気から光への変換効率が高い半導体レーザ(以下、LDという。:Laser Diode)が、しばしば用いられる。そして、Nd:YAGレーザなどの単結晶をレーザ媒質とするレーザではLD励起による発振の効率を向上させるために、単結晶ファイバをレーザ媒質として用いる方法が開発されている。一般に、高出力LDはマルチ横モード発振であるため、集光性に乏しいとされるが、レーザ媒質を直径50-500μmの単結晶ファイバとすれば、マルチモード導波路断面内に励起光を閉じ込めた長手方向の導波が実現できる。このため、マルチモード導波路内にて効率的に誘導放出が生じ、単結晶をレーザ媒質とするレーザの発振効率を向上させることが可能となる。
 レーザ用の単結晶ファイバの主な製造方法としては、マイクロプルダウン法(以下、μ-PD法という。)やレーザ溶融ペデスタル成長法(以下、LHPG法という。LHPG:Laser heated pedestal growth)が挙げられる。μ-PD法は、ファイバ断面内におけるNdの濃度がほぼ均一に分布されるという利点を有するが、概ね直径500μm以上の大径ファイバしか作製できないという課題もある。一方、LHPG法は、直径50-500μmの単結晶ファイバが作製できるため、上述したレーザ媒質としてのNd:YAGの単結晶ファイバの製造には、LHPG法が好適であると考えられる。
 図1は、LHPG法による単結晶ファイバの製造過程を概念的に示す図である。また、図2は、例示的なLHPG法を用いた単結晶ファイバの製造方法20を示すフローチャートである。例示的なLHPG法による単結晶ファイバの製造方法20は酸素を含む雰囲気中で施工され、図1及び図2に示される通り、母材11の先端に加熱用の炭酸ガスレーザ16を照射し、溶融部12を形成すること(図2における工程21に対応)と、溶融部12に種結晶18を接触させ、種結晶18を引き上げながら単結晶ファイバ14を成長させること(図2における工程22に対応)とを含む(例えば、非特許文献4参照)。このようなLHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法20に用いられる母材11について、従来の製造方法では、Nd:YAGの単結晶又は多結晶が用いられてきた。
 上述したようなマルチモード導波路をレーザ媒質に用いて、基本横モード発振をさせるためには、ゲインを担う発光中心であるNdの径方向断面における濃度分布が、ファイバの中心軸において極大となることが望ましい。また、光増幅器において効率的な増幅を行うにあたっても、同様に、ファイバの軸中心においてNdの濃度が極大になるような濃度分布が望ましい。しかしながら、従来の報告によれば、LHPG法により作製されたNd:YAGの単結晶ファイバでは、Ndがファイバの中心軸から等距離だけ離れた円周上に極大を有するような濃度分布となることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
 図3は、従来技術による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造過程における溶融部12の様相を概念的に示した図である。図中において、溶融部12における融液の対流13は、矢印の付いた線で示されている。上述の通り、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造においては、母材11は、Nd:YAGの単結晶又は多結晶が用いられる。既存の報告によれば、YAGの結晶中におけるNdの偏析係数は0.21であることが知られているため、溶融部12におけるNdの濃度は、母材11における濃度と比べて、約5倍に濃縮される(例えば、非特許文献2参照)。また、Nd:YAGの結晶中では、NdはYのカチオンサイトに置換することが知られているが、その一方で、Ndの原子量はYの原子量と比べて約1.6倍大きい値を示す。このため、初期に形成された溶融部12における融液の密度は比較的高くなるが、新たに溶融した融液は、Ndの含有量が元のままであるため、その密度は先行して形成された融液に比べて低くなる。すなわち、この新たに溶融した融液は、先行して形成された周囲の融液から強い浮力を受けることとなるため、図3に示されるように、ファイバの中心軸周りに溶融部12の母材11側から成長した単結晶ファイバ14側への流れを有する対流13を生ずる。これにより、Ndの濃度が最も高くなる上部外側対流の頂点付近でNd原子の取り込みが最大となるため、ファイバの中心軸から等距離だけ離れた円周上でNdの濃度が極大となる領域15が形成される。
 このように、LHPG法により作製されたNd:YAGの単結晶ファイバでは、径方向における濃度分布は、Ndが単結晶ファイバの中心軸から等距離だけ離れた円周上に極大を有するような分布となる。したがって、Nd:YAGの単結晶ファイバを用いたレーザ発振器及び光増幅器における効率向上の観点から、単結晶ファイバの中心軸においてNdの濃度が極大となるような径方向の濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法が求められる。
S. Bera et al., "Dopant segregation in YAG single crystal fibers grown by the laser heated pedestal growth technique", Journal of Crystal Growth, 547, P125801, 2020 白木健一,桑野泰彦,「引き上げ法によるNd:Y3Al5O12単結晶育成におけるネオジムの実効偏析係数」,日本化学会誌, 7, P940, 1978 A. Sugimoto et al., "Crystal growth and optical characterization of Cr,Ca: Y3A15012, Journal of Crystal Growth", 140, P349-354, 1994 S. Ishibashi et al.,"Cr,Ca: Y3A15012 laser crystal grown by the laser-heated pedestal growth method", Journal of Crystal Growth, 183, P614-621, 1998 Yener Kuru et al., "Enhanced co-solubilities of Ca and Si in YAG (Y3Al5O12)", Physica Status Solidi (c) 5,P3383-3386, 2008
 本開示は、上記のような課題に対して鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単結晶ファイバの中心軸においてNdの濃度が極大となるような径方向の濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法を提供することにある。
 上記のような課題に対し、本開示では、Ndを含むYAGの単結晶ファイバの製造方法であって、YAGの単結晶又は多結晶と、Ndと、カルシウム(Ca)とを含む、棒状の母材を作製することと、母材の一端を溶融し、溶融部を形成することと、溶融部に種結晶を接触させ、種結晶を引き上げながら前記単結晶ファイバを成長させることと、を備えた、単結晶ファイバの製造方法を提供する。
LHPG法による単結晶ファイバの製造過程を概念的に示す図である。 例示的なLHPG法を用いた単結晶ファイバの製造方法20を示すフローチャートである。 従来技術による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造過程における溶融部の様相を概念的に示した図である。 本開示による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造過程における溶融部12の様相を概念的に示した図である。 本開示の第1の実施形態において、LHPG法で用いられる母材を例示する図であり、(a)は軸方向断面図であり、(b)は径方向断面図である。 本開示による、LHPG法を用いた単結晶ファイバの製造方法を例示するフローチャートである。 本開示の第2の実施形態において、LHPG法で用いられる母材を例示する図であり、(a)は軸方向断面図であり、(b)は径方向断面図である。
 以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一又は類似の参照符号は、同一又は類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。以下の説明は、一例であって本開示の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、又は追加の構成とともに実施することができる。
 本開示による、Nd:YAGの単結晶ファイバの製造方法は、LHPG法を用いる点においては、従来技術と同様である。しかしながら、YAGの母材に対してNdとは別に追加の元素を加え、図2に示されるような溶融部12に融液の流体挙動を変化させることで、Ndの濃度が極大となる領域15をファイバの中心軸に形成するという点で、従来技術とは異なる。
 上述した通り、従来技術による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバ14の製造方法20では、YAG結晶中におけるNdの偏析係数に応じた溶融部12における密度勾配により、単結晶ファイバ14の中心軸から離れた領域にNdの濃度が極大となるような径方向の濃度分布が生じる。しかしながら、偏析係数が小さく、且つ原子量も小さい元素を追加で添加すれば、融液の密度を母材と同等に維持したまま溶融部が形成されるため、融液の密度勾配を抑制することができる。すなわち、単結晶ファイバ14の中心軸にNdの濃度が極大となるような径方向の濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバを、LHPG法によって作製することが可能となる。
 このような条件を満たす追加の元素として、カルシウム(Ca)が挙げられる。以下にNd:YAGに対して添加するCaの条件について、詳細に述べる。
 Caを添加したNd:YAGにおいて、YAGを構成するYの原子数に対するNdの原子数の比率をx、Caの原子数の比率をyとすると、当該物質の化学式はNd3xCa3y3(1-x-y)Al12で表される。このCaを添加したNd:YAGの構成原子の各原子量は、それぞれ、Y:88.91、Al:26.98、O:16.00、Nd:144.24、Ca:40.08であるため、Caを添加したNd:YAGの分子量S(x,y)は、(式1)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 YAGに対する添加元素(Nd及びCa)の存在によるYAGの融液の体積変化は、ここでは重要でないと考えられるため、(式1)におけるS(x,y)が実質的に密度に対応するパラメータとなる。
 一方、偏析係数keffは、Ndについてはkeff,Nd=0.21、Caについてはkeff,Ca=0.1であることが知られている(例えば、非特許文献2及び非特許文献3参照)。したがって、融液中の各添加元素の濃度は、Ndがx/keff,Nd=x/0.21、Caがy/keff,Ca=y/0.1となる。
 これらに基づいて、LHPG法におけるCaを添加したNd:YAGの単結晶ファイバが育成中(安定成長中)であるとすると、先行して形成された融液に対して新たに溶融した融液の密度が等しくなる、もしくは大きくなる条件を検討すると、(式2)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 したがって、(式1)及び(式2)に各値を代入することにより、添加物を含有しない場合における融液の対流と同様の対流が生じる条件は、(式3)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 一方、YAG中に他の元素(例えば、Ca)を加える場合において、そのCaが過剰に添加されれば、YAG結晶における系の自由エネルギーが増加し、結晶構造が維持できなくなる。また、Yのカチオンサイトではなく、格子間に介在するCaが増加し、結果的に、YAGがアモルファスとなり得る、又は添加したCaが酸化カルシウム(CaO)の状態で相分離され得る。換言すれば、本開示によるNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法において、YAGに対して加えられるCaの量には上限が存在する。
 CaがYAGの結晶に添加された場合、Caは、Ndと同様に、YAG中のYのカチオンサイトに置換され、CaOとして添加すると概ね8at.%までであれば、YAGの結晶構造が維持されることが知られている(例えば、非特許文献5参照)。CaOを添加する際に電気的中和性を保つためにシリコン(Si)を添加することも行われる(例えば、非特許文献5参照)。この場合、SiはAlサイトに置換するため、添加したSiと同じ原子数のAlを原料より減じる。Siの有効イオン半径はAlより小さいため、YAGに対するSiの偏析係数は概ね1であり、融液中の対流には影響を及ぼさない。
 上記より、YAGに添加するCaの原子数は、Yの原子数に対する比率(上述のyに相当)で表すと、0.08が上限となる。これを(式3)に対して加味すると、(式4)が導出され、この(式4)が、本開示におけるCaの添加量に対する条件範囲となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 以上のことから、(式4)を満足するような条件下において、LHPG法によりNd:YAGの単結晶ファイバを作製すれば、製造されるNd:YAGの単結晶ファイバは、Ndの濃度がファイバの中心軸で極大となるような濃度分布を有することとなる。
 図4は、本開示による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造過程における溶融部12の様相を概念的に示した図である。図3と同様に、図中において、溶融部12における融液の対流13は、矢印の付いた線で示されている。また、本開示における母材17は、従来技術における母材11とは異なり、(式4)を満たすようにNd及びCaを含んだYAGの単結晶又は多結晶である。本開示による、LHPG法を用いたNd:YAGの単結晶ファイバの製造では、上述の原理に基づき、溶融部12において偏析係数及び原子量の差に起因する融液の密度勾配が生じない。したがって、従来技術とは異なり、対流13は、単結晶ファイバ14の中心軸周りに溶融部12の母材17側から成長した単結晶ファイバ14側への流れを有するような流体挙動とはならない。その結果、対流13の対称軸となる単結晶ファイバ14の中心軸においてNdの濃度が極大となる。
 このように、本開示によれば、Ndの濃度がファイバの中心軸で極大となるような径方向の濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバを、LHPG法によって製造することが可能となる。したがって、本開示によるNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法で製造されたNd:YAGの単結晶ファイバは、従来技術により製造されたものと比べて、基本横モード発振が容易に得られ、高効率なレーザ発振器及び光増幅器を実現することができる。
 加えて、本開示によるNd:YAGの単結晶ファイバの製造方法は、母材の構成のみを変化させており、LHPG法で製造すること自体は従来と変わらない。したがって、既存の製造工程を大幅に変更する必要がなく、従来の生産ラインを維持することができるという利点も有する。
(第1の実施形態)
 以下に、本開示の第1の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、LHPG法で用いられる母材がYAGの単結晶又は多結晶の結晶中にNd及びCaが添加元素として含有された形態である。
 図5は、本実施形態において、LHPG法で用いられる母材17を例示する図であり、図5(a)は軸方向断面図であり、図5(b)は径方向断面図である。本実施形態における母材17は、YAGの単結晶又は多結晶を母相とし、添加元素として母相の内部にNd及びCaが含有された棒材である。上述の通り、母材17は、Nd及びCaの含有量が(式4)を満足するように構成されている。このような形態を有する母材17に対し、LHPG法を用いてNd:YAGの単結晶ファイバ14が製造される。なお、母材17は図中に示されるように、丸棒(円柱)であることが望ましいが、棒状であればよく、形状はこれに限定されない。
 母材17は、例えば、溶解、焼結、元素拡散、イオンビームによるイオン注入等の技術により作製され得るが、製法はこれらに限定されない。
 図6は、本開示の一実施形態による、LHPG法を用いた単結晶ファイバの製造方法60を例示するフローチャートである。本開示の一実施形態による、LHPG法を用いた単結晶ファイバの製造方法60は、図2に示される従来の製造方法の事前に、YAGの単結晶又は多結晶にNd及びCaを、(式4)を満たすように含有させた母材を作製すること(図6における工程61に対応)をさらに含む。なお、Nd:YAGの単結晶ファイバの育成は通常酸素を含む雰囲気中で行われるが、本開示による製造方法では、酸素を含まない雰囲気中で行われてもよい。
 このような方法によって製造されたNd:YAGの単結晶ファイバは、上述の通り、Caの添加によって融液の密度勾配が抑制されるため、溶融部12は、図4に示されるような様相となる。したがって、製造されたNd:YAGの単結晶ファイバ14は、中心軸においてNdの濃度が極大となるような濃度分布を有する。
(第2の実施形態)
 以下に、本開示の第2の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、LHPG法で用いられる母材が、外側面上に酸化物層を有する形態である。
 図7は、本開示の一実施形態による、LHPG法で用いられる母材70を例示する図であり、図7(a)は軸方向断面図であり、図7(b)は径方向断面図である。本実施形態における母材70は、基材71と、基材71の外側面上に成膜された酸化物層72とをさらに含む。ここでは、例として、基材71はNd:YAGの単結晶又は多結晶とし、酸化物層72はCaOとして述べるが、後述の通り、他の形態であってもよい。ただし、Nd及びCaの量は、基材71及び酸化物層72を合わせた母材70全体で(式4)を満たす必要がある。
 酸化物層72は、例えば、真空蒸着法やマグネトロンスパッタ法といった物理的気相成長法、プラズマCVDや光CVDといった化学的気相成長法、めっきやゾルゲル法などの液相成長法、フレーム溶射やプラズマ溶射などの溶射法、熱間等方圧プレスや放電プラズマ焼結などの焼結、などの技術により基材71の外側面上に成膜され得るが、成膜技術は、これらに限定されない。
 このように構成された、本実施形態における母材70を用いて、図6に示されるような方法によりNd:YAGの単結晶ファイバ14を製造すれば、第1の実施形態と同様に、中心軸においてNdの濃度が極大となるような濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバ14が得られる。
 なお、本実施形態では、例として、母材70の基材71はNd:YAG、酸化物層72はCaOとしたが、材料の組み合わせはこれに限定されない。例えば、基材71がCaを添加元素として含むYAG(Ca:YAG)、酸化物層72が酸化ネオジム(Nd)の組み合わせであってもよく、YAGの添加元素(Nd及びCa)は基材71及び酸化物層72のいずれに含まれてもよい。
 加えて、第1の実施形態で述べた、母材17の外側面上に酸化物層72を成膜したものを母材70として用いてもよい。
 ただし、いずれの形態であっても、上述の通り、Nd及びCaの量は、母材70全体で(式4)を満足するように構成される必要がある。
 本開示による単結晶ファイバの製造方法は、従来技術とは異なり、中心軸においてNdの濃度が極大となるような濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバを製造することが可能である。このような濃度分布を有するNd:YAGの単結晶ファイバは、基本横モード発振が容易に得られるため、レーザ発振器や光増幅器への適用が見込まれる。

Claims (4)

  1.  ネオジム(Nd)を含むイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)の単結晶ファイバの製造方法であって、
     YAGの単結晶又は多結晶と、Ndと、カルシウム(Ca)とを含む、棒状の母材を作製することと、
     前記母材の一端を溶融し、溶融部を形成することと、
     前記溶融部に種結晶を接触させ、前記種結晶を引き上げながら前記単結晶ファイバを成長させることと、
     を備えた、単結晶ファイバの製造方法。
  2.  前記YAGの単結晶又は多結晶に含まれるイットリウム(Y)の原子数に対する前記母材に含まれる前記Ndの原子数の比率を第1の比率とし、
     前記YAGの単結晶又は多結晶に含まれるYの原子数に対する前記母材に含まれる前記Caの原子数の比率を第2の比率とすると、
     前記第2の比率は、前記第1の比率の0.47倍以上であり、且つ0.08以下である、請求項1に記載の単結晶ファイバの製造方法。
  3.  前記母材が、YAGの単結晶又は多結晶を母相とし、前記母相の内部にNd及びCaが含有されている、請求項1又は2に記載の単結晶ファイバの製造方法。
  4.  前記母材が、基材と、前記基材の外側面上に成膜された酸化物層とをさらに備えた、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の単結晶ファイバの製造方法。
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JPH08288582A (ja) * 1995-04-19 1996-11-01 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光学材料の製造方法

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Title
JACOBSEN STUART M., TISSUE BRIAN M., YEN WILLIAM M.: "New methods for studying the optical properties of metal ions in solids", THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 96, no. 4, 18 September 1991 (1991-09-18), pages 1547 - 1553, XP093064504, ISSN: 0022-3654, DOI: 10.1021/j100183a012 *

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