单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器的制作方法
专利名称：单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种作为法拉第旋转器(Faraday rotator)优选的单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器。
背景技术：
一直以来，光隔离器被用于光通信，而近年来随着光加工器的发展，光加工器也开始需要光隔离器。此时，要求对应的波长主要是Nd:YAG激光的波长1064nm。近年来，作为适用于该波长的材料，一直对铽镓石榴石(TGG = Tb3Gii5O12)单晶进行开发并已实用化(非专利文献1)。但是，由于TGG中作为原料成分的氧化镓蒸发剧烈，所以结晶难以大型化，这成为了其成本无法降低的原因。因此，期望开发出具有比TGG更大的法拉第旋转角(费尔德 (Verdet)常数)且能够以低成本进行生产的材料(非专利文献1)。为了解决上述TGG的课题，一直在进行关于铽铝系石榴石(TAG = Tb3Al5O12)单晶培育的开发。作为TAG的培育法，已知基于熔液生长法(LPE法)的制造方法，其中，所述熔液生长法是将衬底晶体置于过冷状态的坩埚内熔液，在其表面使晶体以膜状进行生长的方法 (非专利文献2)。另外，也有关于铽钪铝石榴石(TSAG = TbJc2Al3O12)单晶培育的研究，也有报告显示 TSAG单晶优于大型化(专利文献1)。专利文献专利文献1 日本特开2002-293693号公报非专利文献非专利文献1 Journal of Crystal Growth 306(2007) 195-199非专利文献2 :Crtst. Res. Technol.，34 (1999) 5-6，p615_619
发明内容
然而，非专利文献2中记载的TAG，虽然因具有比TGG大的费尔德常数而优于TGG， 但另一方面由于其具有不一致熔融组分(非专利文献1)所以难以培育大型的结晶，还未实现实际应用。另外，专利文献1中记载的TSAG虽然具有比TGG大的费尔德常数，且与TAG相比能够培育大型的单晶，但是与TGG相比，则单晶的大型化较为困难。因此，现状为市面中只有TGG可以利用的状况。本发明是鉴于这种以往的实际情况而进行的，其目的在于，提供一种具备超过TGG 单晶的法拉第旋转角并能够实现充分的大型化的单晶、其制造方法、光隔离器及使用该光隔离器的光加工器。本发明的单晶的特征在于，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝(Al)的一部分被镥 (Lu)取代。
其中，“主要是”是指Al的一部分必须被Lu取代，而Tb是否被Lu取代是任意的。该单晶在波长1064nm以上的波长区域或低于1064nm的波长区域内，具备超过TGG 单晶的法拉第旋转角，能够实现充分的大型化。此外，该单晶特别是在短波长区域GOO 700nm)内，与TGG单晶不同，能够充分抑制透过率的降低。上述单晶，通常由下述化学式(I)表示(Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)(在上式中，L表示M或N，M表示选自中的至少1种，N含有Lu。a和b满足下式2.8 彡 a彡 3. 21. 8 < b < 2. 2)。在上述化学式(I)中，N优选为Lu。在上述化学式(I)中，N可以进一步含有选自％和Tm中的至少1种。在上述化学式(I)中，优选M为&，N为Lu，χ满足下式0. 01 < χ < 0. 6。如果χ在上述范围内，则与χ低于0. 01的情况相比，能够更充分地得到Lu的取代效果；与X大于0. 6的情况相比，能够使熔点降低从而更容易进行培育。另外，优选上述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 5-0.5 彡 ζ 彡 0.5。其中，进一步优选上述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 2-0.2 彡 ζ 彡 0.2。其中，进一步优选y为0。此时，与y不是0的情况相比，能够充分抑制费尔德常数的降低。另外，本发明涉及一种单晶的制造方法，其特征在于，将含有氧化铽、氧化铝及氧化镥的粉末原料加热溶解，由得到的熔液利用熔液生长法获得上述单晶。另外，本发明涉及一种具有上述单晶的光隔离器。该光隔离器具有上述单晶，如上所述，上述单晶不论是在1064nm以上的波长区域内、还是在短波长区域000 700nm)内均能够具备超过TGG单晶的法拉第旋转角。因此，本发明的光隔离器能够作为具备各种振荡波长的激光光源的光加工器的光隔离器使用，具有极高的通用性。进而，本发明涉及一种光加工器，其具备激光光源和被配置于从所述激光光源射出的激光的光程上的光隔离器，其中，所述光隔离器是上述光隔离器。根据该光加工器，通过作为单晶使用由铽铝石榴石单晶构成的、主要是Al的一部分被Lu取代的单晶，从而与TGG相比能够使法拉第旋转角增大。因此，与使用TGG时相比， 能够使光隔离器小型化。其结果，与将TGG用于光隔离器的情况相比，能够使光加工器小型化。其中，优选上述激光光源的振荡波长为1064nm。或者，上述激光光源的振荡波长也可以为400 700nm。上述单晶即使在短波长区域GOO 700nm)内，也具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。因此，即便光加工器中的激光光源的振荡波长为400 700nm，也能够充分防止由光隔离器导致的输出功率的降低。本发明的单晶通过在铽铝石榴石单晶中主要是将Al的一部分用Lu取代，从而不仅在波长1064nm以上的波长区域内，即便在低于1064nm的波长区域内也能够实现超过TGG 单晶的法拉第旋转角。因此，根据本发明，能够实现适于例如使用Nd:YAG激光的光加工器的光隔离器的单晶。另外，本发明的单晶还能够实现大型化。并且本发明的单晶在短波长区域GOO 700nm)内，与TGG单晶不同，其能够充分抑制透过率的降低。根据本发明的单晶的制造方法，能够容易地培育由铽铝石榴石单晶构成的、主要是Al的一部分被Lu取代的铽铝系石榴石型单晶。因此，本发明涉及的制造方法能够有助于单晶的量产。
图1是表示使用本发明涉及的单晶的光隔离器的一个实施方式的示意图。图2是表示使用拉晶炉培育本发明涉及的单晶的工序的图。图3是表示使用本发明涉及的单晶的光加工器的一个实施方式的示意图。图4是表示相对于TGG的实施例1的单晶(结晶A)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图5是表示相对于TGG的实施例2的单晶(结晶C)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图6是表示相对于TGG的实施例3的单晶(结晶E)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图7是表示实施例1的单晶(结晶A)的透过率与波长的关系的坐标图。图8是表示实施例2的单晶(结晶C)的透过率与波长的关系的坐标图。图9是表示实施例3的单晶(结晶E)的透过率与波长的关系的坐标图。
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示本发明的光隔离器的一个实施方式的示意图。如图1所示，光隔离器 10具备起偏振器1、检偏振器2、配置于起偏振器1与检偏振器2之间的法拉第旋转器3。其中，起偏振器1和检偏振器2以它们的透过轴彼此互相成为非平行的方式，例如以形成45° 的角度的方式被配置。例如沿着从起偏振器1朝向检偏振器2的方向，即沿着光L的入射方向，对法拉第旋转器3施加有磁通密度B，而法拉第旋转器3由于磁通密度B的施加，使其偏振面旋转，使穿过起偏振器1的光L穿过检偏振器2的透光轴。在此，对法拉第旋转器3进行详细说明。法拉第旋转器3由单晶构成，该单晶由铽铝石榴石单晶构成，主要是Al的一部分被Lu取代。该单晶在波长1064nm或比其更长的波长区域内，具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，且能够实现充分的大型化。此外该单晶即便在短波长区域GOO 700nm)内，仍具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。这样，根据本发明的单晶，能够在广域波长区域内得到比TGG更大的法拉第旋转角。因此，本发明的单晶具有极高的通用性。其中，Al的一部分可以被Al和Lu以外的元素取代，也可以未取代。Al的一部分被Al和Lu以外的元素取代时，作为这样的Al和Lu以外的元素，可举出Sc、Y、Tm&%等。上述单晶通常由下述化学式⑴表示(Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)(在上式中，L表示M或N，M表示选自中的至少1种，N含有Lu)。在上式中，a通常为3，但由于发生缺陷等而可在2. 8 3. 2的区域内变动。另外 b通常为2，但由于发生缺陷等而可在1. 8 2. 2的区域内变动。在上述化学式(I)中，N只要含有Lu即可。因此，N可以仅由Lu构成，除Lu以夕卜， 也可以进一步含有由％和/或Tm中的元素。在上述化学式(I)中，优选M为&，N为Lu，χ满足下式0. 01 < χ < 0. 6。这种情况下，如果χ在上述范围内，则与χ低于0. 01的情况相比，能够更加充分地得到Lu的取代效果；与χ大于0. 6的情况相比，能够使熔点降低从而更容易进行培育。其中，特别优选χ满足下式0.05 彡 χ彡 0.2。另外，在上述化学式(I)中，优选y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 5-0.5 彡 ζ 彡 0.5。这种情况下，与y和ζ脱离上述范围的情况相比，结晶内的应变被抑制成较小。其中，更优选所述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 2-0.2 彡 ζ 彡 0.2。其中，优选y值越小越好，最优选为0。即，优选Tb未被Tb以外的元素取代。此时，与y不是0的情况，即与Tb被Tb以外的元素取代的情况相比，能够充分抑制费尔德常数的降低。另外，最优选ζ为0。接着，对上述法拉第旋转器3的制造方法进行说明。首先，边参照图2边对培育构成法拉第旋转器3的石榴石型单晶的拉晶炉进行说明。图2是表示使用拉晶炉培育上述石榴石型单晶的工序的图。如图2所示，拉晶炉20在密封外壳M中主要具备铱制坩埚21、收容坩埚21的陶瓷制的内侧保温材料22A、以包裹内侧保温材料22k的方式设置的外侧保温材料22B、以及设置于内侧保温材料22A和外侧保温材料22B之间的高频线圈23。高频线圈23用于对坩埚21产生感应电流从而加热坩埚21。另外，拉晶炉20具备用于载置内侧保温材料22A的载置台25和支撑载置台25的支撑部沈，坩埚21介由用于调整坩埚21的位置的位置调整台27配置在载置台25上。应予说明，在图2中，符号四表示籽晶，箭头A表示籽晶四的旋转方向，即培育结晶30的旋转方向，箭头C表示培育结晶30的提拉方向。接着，对使用上述拉晶炉20的上述单晶的培育方法进行说明。
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首先，准备含有Tb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的粉末原料。此时，根据需要，粉末原料也可以进一步含有^2O3粉末、Tm2O3粉末和IO3粉末中的至少一种。上述粉末原料例如可以通过将上述Tb4O7粉末、Al2O3粉末以及Lu2O3粉末进行湿式混合后，干燥而获得。粉末原料中的Tb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的配比将根据需要培育的单晶的组成而决定。此时，iTb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的配比，例如，如下即可。S卩，Tb4O7粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准(100摩尔％ )，为18 30 摩尔％。Al2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为35 55摩尔％。Lu2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，大于0摩尔％且在10摩尔％ 以下。应予说明，粉末原料中含有Sc2O3粉末、Tm2O3粉末以及^O3粉末时，粉末原料中的 Sc2O3粉末、Tm2O3粉末或IO3粉末的配比通常如下即可。S卩，^2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 35摩尔％。Tm2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 10摩尔％。IO3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 35摩尔％。应予说明，上述粉末原料含有^2O3粉末时，优选将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数成为0. 5 30摩尔％的范围的方式进行配合。此时，能够得到更优质的结晶。特别是，进一步优选将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数成为2. 5 10摩尔％的范围的方式进行配合。此时，结晶形状可控性及结晶性均变良好， 能够得到整体透明的结晶。换言之，与将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数低于2.5摩尔％的比例进行配合的情况相比，结晶整体不易发生裂纹。另一方面，与将LuXO3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数大于10摩尔％的比例进行配合的情况相比，结晶形状容易固定且直径变动小，能够得到更透明的结晶。应予说明，此处所说的“摩尔％”是指相对于Sc和Lu的总原子数的Lu原子数的比例。然后，将上述粉末原料装入坩埚21后，对高频线圈23施加电流。于是，坩埚21被加热，在坩埚21内粉末原料从室温被加热至规定的温度。此处，规定的温度是能够使粉末原料溶解的温度。这样粉末原料被溶解，获得熔液观。接着，将熔液观通过熔液生长法进行生长。具体而言，首先准备棒状的拉晶轴，即籽晶四。然后，将籽晶四的前端浸于熔液 28后，一边以规定的转数使籽晶四旋转，一边以规定的提拉速度提拉。此时，例如使用钇铝石榴石(YAG)等石榴石型单晶作为籽晶四。籽晶四的转数优选设为3 50rpm，更优选设为3 lOrpm。籽晶四的提拉速度优选设为0. 1 3mm/h，更优选设为0. 5 1. 5mm/h。籽晶四的提拉优选在非活性气体环境下进行。可以使用Ar、氮气等作为非活性气体。为了使籽晶四处在非活性气体环境下，可以一边以规定的流量向密闭外壳M中导入非活性气体，一边排出。如此地提拉籽晶四，则在籽晶四的前端能够得到由上述化学式(I)表示的块状的培育结晶30。此时，培育结晶30由铽铝石榴石型单晶构成、且主要是Al的一部分被Lu取代，则能够容易地制备出培育结晶30，能够实现培育结晶30的大型化。接着，边参照图3边对本发明的光加工器进行详细说明。应予说明，在图3中，对于与图1相同或等同的构成要素标记相同符号，省略重复的说明。图3是表示本发明的光加工器的一个实施方式的示意图。如图3所示，光加工器 100具备激光光源11和被配置于由激光光源11射出的激光L的光程P上的光隔离器10。 根据该光加工器100，由激光光源11射出的激光L穿过光隔离器10射出，利用该射出光能够加工被加工体Q。此处，光隔离器10中所使用的单晶，如上所述，在波长1064nm以上的波长区域内， 具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够实现充分的大型化。因此，优选使用振荡波长为1064nm的Nd: YAG激光器、振荡波长为1080nm的掺％ 光纤激光器作为激光光源11。应予说明，在光隔离器10中使用的单晶在短波长区域GOO 700nm)内也显示超过TGG单晶的法拉第旋转角。因此，使用这种单晶时，也可以使用振荡波长为400 700nm 的激光光源作为激光光源11。作为这样的激光光源11，例如可举出振荡波长为405nm的 GaN系半导体激光器、振荡波长为700nm的掺钛蓝宝石激光器等。应予说明，利用具备了具有短波长区域振荡波长的激光光源11的光加工器100，则由于被加工体Q的切断部不会因热而受损，所以能够使切断面变光滑。另外，上述单晶与TGG单晶不同，其即使在短波长区域GOO 700nm)内，也能够充分抑制透过率的降低。因此，光加工器100的激光光源11 的振荡波长为400 700nm，也能够充分防止因光隔离器10导致的输出功率的降低。本发明并不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为激光光源11的振荡波长举出了 1064nm以上或400 700nm的范围，但并不限于这些。激光光源的振荡波长可以在700 1064nm区域内，例如可以在800nm附近或1030 1080nm。另外在上述实施方式中，在光加工器的光隔离器中使用单晶，但并不限于光隔离器，也可以应用于通过使用法拉第旋转器测量法拉第旋转角的变化来观测磁场变化的光纤磁场传感器等中。实施例以下，通过列举实施例更具体地说明本发明的内容，但本发明并不限于下述的实施例。(实施例1)首先，准备纯度99. 99 %的氧化铽(Tb4O7)原料粉末、纯度99. 99 %的氧化铝 (Al2O3)原料粉末、纯度99. 99%的氧化钪(Sc2O3)原料粉末、纯度99. 99%的氧化镥(Lu2O3) 原料粉末。然后，将上述各原料粉末进行湿式混合得到混合粉末。此时，以^2O3原料粉末和 Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准(100摩尔％ )，将Lu2O3原料粉末以2. 5摩尔％的比例使其含有。接着，干燥上述混合粉末，作为最终原料(粉末原料)投入Ir坩埚。坩埚的形状为圆筒形，直径约60mm，高约60mm。然后，通过将粉末原料由室温加热至1950°C使其溶解，获得熔液。接着，将由 YAG (钇铝石榴石)构成的3mmX 3mmX 70mm的角棒状籽晶的前端浸于该熔液，一边使籽晶以 IOrpm的转数旋转，一边以每小时Imm的速度提拉籽晶，培育成块状的结晶。这样得到直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶A)。此时，结晶的培育在Ar气体环境中进行，Ar气体的流量设为3. 3X 10_5m3/S。
对这样得到的结晶A进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外， 对得到的结晶A进行了利用X射线衍射和电子自旋共振(EPR)的结构解析，其结果确认到了 Al的一部分被Sc和Lu所取代，Tb的一部分被Sc所取代。并且，对上述结晶A进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析，确认了单晶的组成(Tb、k、Al、Lu以及0的原子数比)。利用ICP的化学分析具体按以下进行。艮口， 首先从结晶A的直晶身部下端切下50mg，得到切片。接着，将切片放入钼金坩埚中，然后添加250mg四硼酸锂。接着，将该钼金坩埚收容于高温加热炉中，以1030°C加热2小时，使切片熔解。之后，自然冷却钼金坩埚后，将切片放入50ml的烧杯中，进一步添加20ml HCl0接着，将烧杯配置在热板上缓慢加热，从切片使各元素成分(Tb、Sc、Al以及Lu)向HCl中溶解。此时，将烧杯内得到的溶液定容至50ml，对该溶液进行利用ICP的化学分析。其结果， 确认到得到了具有下式表示的组成(χ = 0. 05、y = 0. 02、ζ = 0. 03、a = 2. 99、b = 1. 99) 的单晶(Tb2 97Sc0i 02) (Sc1 94Lu0 05) Al2 97012。(实施例2)在得到混合粉末时，以^2O3原料粉末和Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准，将 Lu2O3原料粉末以5摩尔％的比例含有，除此之外，与实施例1同样地得到直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶C)。对该结晶C进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外，对得到的结晶C进行了利用X射线衍射和EI5R的结构解析，其结果，确认到了 Al的一部分被&和Lu 所取代，Tb的一部分被&所取代。并且，对上述结晶C，与实施例1同样进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析。其结果，确认到得到了具有下式表示的组成(X = 0. 13、y = 0. 06、Z = 0. 05、a = 3. 02、b = 2. 04)的单晶(Tb2 96Sc0 06) (Sc1 91Lu0 13) Al2 95012。(实施例3)在得到混合粉末时，以^2O3原料粉末和Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准，将 Lu2O3原料粉末以10摩尔％的比例含有，除此之外，与实施例1同样，制得直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶E)。对该结晶E进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外，对得到的结晶E进行利用X射线衍射和EPR的结构解析，其结果，确认到了 Al的一部分被&和Lu 所取代，Tb的一部分被&所取代。并且，对上述结晶E，与实施例1同样进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析。其结果，确认到得到了具有下式表示的组成(χ = 0. 21、y = 0. 09、ζ = 0. 02、a = 3. 04、b = 2. 06)的单晶(Tb2 95Sc0 09) (Scl85Lu0. 21) Al2.98012。(比较例1)作为比较例，使用了Fujian Castech Crystals 公司制造的 Tbfa5O12 (TGG)。[特性评价](法拉第旋转角)
对于如上所述得到的实施例1 3和比较例1的单晶，测定其在633nm、1064nm以及1303nm波长下的法拉第旋转角。此时，法拉第旋转角的测定如下进行。即，首先在起偏振器和检偏振器之间不配置单晶的状态下使检偏振器旋转，使其成为消光状态。接着，将实施例1 3和比较例1的单晶以成为W[mm] XH[mm] X L[mm] = 3. 5mmX 3. 5mmX 12mm的方式切成角棒状，将其配置于起偏振器和检偏振器之间，在沿单晶的长度方向施加0. 42T的磁通密度的状态下入射光，再次使检偏振器旋转，使其成为消光状态。然后，算出在起偏振器和检偏振器之间夹设单晶前的检偏振器的旋转角与夹设单晶后的检偏振器的旋转角之差，将该角度差作为法拉第旋转角。此时，将光源的波长设为633nm、1064nm和1303nm，分别测定法拉第旋转角。然后，根据这样测得的法拉第旋转角，算出法拉第旋转角比率。此处，法拉第旋转角比率是根据各实施例的法拉第旋转角和TGG的法拉第旋转角由下式算出的
、+ +…、fa—作为法拉第旋转角比率的计算对象的单晶的法拉第旋转角法拉弟旋转角比率=TGG的法拉第旋转角其中，TGG的法拉第旋转角和成为法拉第旋转角比率的计算对象的单晶的法拉第旋转角使用同一波长下的值。将结果示于图4 图6。图4 图6分别是表示实施例1 3的单晶的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。在图4 图6中，分别用实线表示实施例1 3的单晶的法拉第旋转角比率与波长的关系，用虚线一并记载了比较例1的TGG 的法拉第旋转角比率(=1)与波长的关系。(透过率)将如上所述得到的实施例1 3和比较例1的单晶，以成为W[mm] XH[mm] XL[mm] =3. 5mm X 3. 5mm X 12mm的方式切成角棒状，对该切成的结晶，测定在广域的波长区域 (200 1400nm)中的透过率。将结果示于图7 图9。图7 图9分别表示实施例1 3 的单晶的透过率与波长的关系，即表示透过光谱的坐标图。在图7 图9中分别还一并记载了比较例1的TGG的透过光谱的结果。应予说明，在图7 图9中，实施例1 3的透过光谱用实线表示，比较例1的透过光谱用虚线表示。根据图4 图9中所示结果，可以明确以下点。(1)由铽铝石榴石单晶构成且Al的一部分被Lu取代的实施例1 3的单晶，在进行评价的3个波长的任一个中，法拉第旋转角均比TGG大。(2)实施例1 3的单晶均在几乎全波长区域内具有TGG以上的透过率。特别是， 在400 700nm的波长区域内，观测到相对于随着波长变短比较例1 (TGG)的透过率剧减， 实施例1 3的单晶在波长400nm的透过率与在700nm的透过率是同等级的值。即，实施例1 3的光隔离器在400 700nm区域内也维持了高的透过率。(3)实施例1 3的单晶均能够得到直径约2. 5cm、长度约12cm的大型且透明的单晶。根据以上结果，在铽铝石榴石单晶中使Al的一部分用Lu取代的单晶，在波长 1064nm或比其更长的波长区域内，能够得到超过TGG的法拉第旋转角。因此，本发明适合作为使用Nd:YAG激光的光加工器的光隔离器用单晶。此外，根据本发明的单晶，即便在短波长区域GOO 700nm)内，也具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。因此，根据本发明的单晶，能够在广域的波长区域内得到比TGG更大的法拉第旋转角。因此，本发明的单晶具有极高的通用性。另外，本发明涉及的单晶能够实现充分的大型化。因此，能够从得到的单晶切出多个单晶，从而能够降低光隔离器的价格。并且，本发明涉及的单晶不仅在长波长区域(1064nm以上)，在短波长区域00 700nm)内也保持超过TGG的高透过率，法拉第旋转角也比TGG大。因此，本发明涉及的单晶，即便在短波长区域GOO 700nm)内也够作为优于TGG的光隔离器而发挥作用，作为短波长激光用的光隔离器能有效地发挥作用。在产业上的可利用性本发明的单晶不仅在波长1064nm以上的长波长区域内，在波长低于1064nm的波长区域内作为光隔离器用单晶也是有效的。即，本发明的单晶虽然主要适用于长波长区域， 例如1064nm或比其更长的波长区域用途，但除此之外，还适用于波长SOOnm左右的宽带区域用途、波长1030 IOSOnm的高功率用途、进一步波长4000 700nm的短波长用途。本发明还能适用于通过使用法拉第旋转器测量法拉第旋转角的变化来观测磁场变化的光纤磁场传感器等。符号说明10...光隔离器，11...激光光源，20...拉晶炉，21...铱制坩埚，22A...内侧保温材料，22B...外侧保温材料，23...高频线圈，28...熔液，29...拉晶轴，30...培育结晶， 100. · ·光加工器
权利要求
1.一种单晶，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝的一部分被镥即Lu取代。
2.如权利要求1所述的单晶，其由下述化学式表示 (Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)上式中，L表示M或N，M表示选自&和Y中的至少1种，N含有Lu，a和b满足下式2.8 ≤ a ≤ 3. 2 1. 8 ≤ b≤ 2. 2。
3.如权利要求2所述的单晶，其中，所述化学式中的N为Lu。
4.如权利要求2所述的单晶，其中，所述化学式中的N进一步含有选自％和Tm中的至少1种。
5.如权利要求2或3所述的单晶，其中，所述化学式中的M为Sc，N为Lu，χ满足下式 0. 01 ≤ χ ≤ 0. 6。
6.如权利要求5所述的单晶，其中，所述化学式中的y和ζ满足下式 0 ≤ y ≤ 0. 5-0. 5 ≤ ζ ≤ 0. 5。
7.如权利要求6所述的单晶，其中，所述化学式中的y和ζ满足下式 0≤ y ≤ 0. 2-0. 2 ≤ ζ ≤ 0. 2。
8.如权利要求6或7所述的单晶，其中，y为0。
9.一种隔离器用单晶的制造方法，其特征在于，将含有氧化铽、氧化铝及氧化镥的粉末原料加热溶解，由得到的熔液利用熔液生长法获得权利要求1所述的单晶。
10.一种光隔离器，具有权利要求1 8中任一项所述的单晶。
11.一种光加工器，具备 激光光源，和被配置于从所述激光光源射出的激光的光程上的光隔离器； 其中，所述光隔离器为权利要求10所述的光隔离器。
12.如权利要求11所述的光加工器，其中，所述激光光源的振荡波长为1064nm。
13.如权利要求11所述的光加工器，其中，所述激光光源的振荡波长为400 700nm。
全文摘要
本发明提供一种光隔离器用单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器，该光隔离器用单晶在波长1064nm以上的波长区域或低于1064nm的波长区域内，具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，且能够实现大型化。本发明涉及的单晶的特征在于，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝的一部分被镥取代。
文档编号G02B27/28GK102575382SQ20108004662
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月21日
发明者岛村清史, 比略拉·恩卡纳西翁·安东尼亚·加西亚, 真田和夫 申请人:株式会社藤仓, 独立行政法人物质·材料研究机构
技术领域：
本发明涉及一种作为法拉第旋转器(Faraday rotator)优选的单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器。
背景技术：
一直以来，光隔离器被用于光通信，而近年来随着光加工器的发展，光加工器也开始需要光隔离器。此时，要求对应的波长主要是Nd:YAG激光的波长1064nm。近年来，作为适用于该波长的材料，一直对铽镓石榴石(TGG = Tb3Gii5O12)单晶进行开发并已实用化(非专利文献1)。但是，由于TGG中作为原料成分的氧化镓蒸发剧烈，所以结晶难以大型化，这成为了其成本无法降低的原因。因此，期望开发出具有比TGG更大的法拉第旋转角(费尔德 (Verdet)常数)且能够以低成本进行生产的材料(非专利文献1)。为了解决上述TGG的课题，一直在进行关于铽铝系石榴石(TAG = Tb3Al5O12)单晶培育的开发。作为TAG的培育法，已知基于熔液生长法(LPE法)的制造方法，其中，所述熔液生长法是将衬底晶体置于过冷状态的坩埚内熔液，在其表面使晶体以膜状进行生长的方法 (非专利文献2)。另外，也有关于铽钪铝石榴石(TSAG = TbJc2Al3O12)单晶培育的研究，也有报告显示 TSAG单晶优于大型化(专利文献1)。专利文献专利文献1 日本特开2002-293693号公报非专利文献非专利文献1 Journal of Crystal Growth 306(2007) 195-199非专利文献2 :Crtst. Res. Technol.，34 (1999) 5-6，p615_619
发明内容
然而，非专利文献2中记载的TAG，虽然因具有比TGG大的费尔德常数而优于TGG， 但另一方面由于其具有不一致熔融组分(非专利文献1)所以难以培育大型的结晶，还未实现实际应用。另外，专利文献1中记载的TSAG虽然具有比TGG大的费尔德常数，且与TAG相比能够培育大型的单晶，但是与TGG相比，则单晶的大型化较为困难。因此，现状为市面中只有TGG可以利用的状况。本发明是鉴于这种以往的实际情况而进行的，其目的在于，提供一种具备超过TGG 单晶的法拉第旋转角并能够实现充分的大型化的单晶、其制造方法、光隔离器及使用该光隔离器的光加工器。本发明的单晶的特征在于，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝(Al)的一部分被镥 (Lu)取代。
其中，“主要是”是指Al的一部分必须被Lu取代，而Tb是否被Lu取代是任意的。该单晶在波长1064nm以上的波长区域或低于1064nm的波长区域内，具备超过TGG 单晶的法拉第旋转角，能够实现充分的大型化。此外，该单晶特别是在短波长区域GOO 700nm)内，与TGG单晶不同，能够充分抑制透过率的降低。上述单晶，通常由下述化学式(I)表示(Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)(在上式中，L表示M或N，M表示选自中的至少1种，N含有Lu。a和b满足下式2.8 彡 a彡 3. 21. 8 < b < 2. 2)。在上述化学式(I)中，N优选为Lu。在上述化学式(I)中，N可以进一步含有选自％和Tm中的至少1种。在上述化学式(I)中，优选M为&，N为Lu，χ满足下式0. 01 < χ < 0. 6。如果χ在上述范围内，则与χ低于0. 01的情况相比，能够更充分地得到Lu的取代效果；与X大于0. 6的情况相比，能够使熔点降低从而更容易进行培育。另外，优选上述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 5-0.5 彡 ζ 彡 0.5。其中，进一步优选上述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 2-0.2 彡 ζ 彡 0.2。其中，进一步优选y为0。此时，与y不是0的情况相比，能够充分抑制费尔德常数的降低。另外，本发明涉及一种单晶的制造方法，其特征在于，将含有氧化铽、氧化铝及氧化镥的粉末原料加热溶解，由得到的熔液利用熔液生长法获得上述单晶。另外，本发明涉及一种具有上述单晶的光隔离器。该光隔离器具有上述单晶，如上所述，上述单晶不论是在1064nm以上的波长区域内、还是在短波长区域000 700nm)内均能够具备超过TGG单晶的法拉第旋转角。因此，本发明的光隔离器能够作为具备各种振荡波长的激光光源的光加工器的光隔离器使用，具有极高的通用性。进而，本发明涉及一种光加工器，其具备激光光源和被配置于从所述激光光源射出的激光的光程上的光隔离器，其中，所述光隔离器是上述光隔离器。根据该光加工器，通过作为单晶使用由铽铝石榴石单晶构成的、主要是Al的一部分被Lu取代的单晶，从而与TGG相比能够使法拉第旋转角增大。因此，与使用TGG时相比， 能够使光隔离器小型化。其结果，与将TGG用于光隔离器的情况相比，能够使光加工器小型化。其中，优选上述激光光源的振荡波长为1064nm。或者，上述激光光源的振荡波长也可以为400 700nm。上述单晶即使在短波长区域GOO 700nm)内，也具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。因此，即便光加工器中的激光光源的振荡波长为400 700nm，也能够充分防止由光隔离器导致的输出功率的降低。本发明的单晶通过在铽铝石榴石单晶中主要是将Al的一部分用Lu取代，从而不仅在波长1064nm以上的波长区域内，即便在低于1064nm的波长区域内也能够实现超过TGG 单晶的法拉第旋转角。因此，根据本发明，能够实现适于例如使用Nd:YAG激光的光加工器的光隔离器的单晶。另外，本发明的单晶还能够实现大型化。并且本发明的单晶在短波长区域GOO 700nm)内，与TGG单晶不同，其能够充分抑制透过率的降低。根据本发明的单晶的制造方法，能够容易地培育由铽铝石榴石单晶构成的、主要是Al的一部分被Lu取代的铽铝系石榴石型单晶。因此，本发明涉及的制造方法能够有助于单晶的量产。
图1是表示使用本发明涉及的单晶的光隔离器的一个实施方式的示意图。图2是表示使用拉晶炉培育本发明涉及的单晶的工序的图。图3是表示使用本发明涉及的单晶的光加工器的一个实施方式的示意图。图4是表示相对于TGG的实施例1的单晶(结晶A)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图5是表示相对于TGG的实施例2的单晶(结晶C)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图6是表示相对于TGG的实施例3的单晶(结晶E)的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。图7是表示实施例1的单晶(结晶A)的透过率与波长的关系的坐标图。图8是表示实施例2的单晶(结晶C)的透过率与波长的关系的坐标图。图9是表示实施例3的单晶(结晶E)的透过率与波长的关系的坐标图。
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示本发明的光隔离器的一个实施方式的示意图。如图1所示，光隔离器 10具备起偏振器1、检偏振器2、配置于起偏振器1与检偏振器2之间的法拉第旋转器3。其中，起偏振器1和检偏振器2以它们的透过轴彼此互相成为非平行的方式，例如以形成45° 的角度的方式被配置。例如沿着从起偏振器1朝向检偏振器2的方向，即沿着光L的入射方向，对法拉第旋转器3施加有磁通密度B，而法拉第旋转器3由于磁通密度B的施加，使其偏振面旋转，使穿过起偏振器1的光L穿过检偏振器2的透光轴。在此，对法拉第旋转器3进行详细说明。法拉第旋转器3由单晶构成，该单晶由铽铝石榴石单晶构成，主要是Al的一部分被Lu取代。该单晶在波长1064nm或比其更长的波长区域内，具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，且能够实现充分的大型化。此外该单晶即便在短波长区域GOO 700nm)内，仍具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。这样，根据本发明的单晶，能够在广域波长区域内得到比TGG更大的法拉第旋转角。因此，本发明的单晶具有极高的通用性。其中，Al的一部分可以被Al和Lu以外的元素取代，也可以未取代。Al的一部分被Al和Lu以外的元素取代时，作为这样的Al和Lu以外的元素，可举出Sc、Y、Tm&%等。上述单晶通常由下述化学式⑴表示(Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)(在上式中，L表示M或N，M表示选自中的至少1种，N含有Lu)。在上式中，a通常为3，但由于发生缺陷等而可在2. 8 3. 2的区域内变动。另外 b通常为2，但由于发生缺陷等而可在1. 8 2. 2的区域内变动。在上述化学式(I)中，N只要含有Lu即可。因此，N可以仅由Lu构成，除Lu以夕卜， 也可以进一步含有由％和/或Tm中的元素。在上述化学式(I)中，优选M为&，N为Lu，χ满足下式0. 01 < χ < 0. 6。这种情况下，如果χ在上述范围内，则与χ低于0. 01的情况相比，能够更加充分地得到Lu的取代效果；与χ大于0. 6的情况相比，能够使熔点降低从而更容易进行培育。其中，特别优选χ满足下式0.05 彡 χ彡 0.2。另外，在上述化学式(I)中，优选y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 5-0.5 彡 ζ 彡 0.5。这种情况下，与y和ζ脱离上述范围的情况相比，结晶内的应变被抑制成较小。其中，更优选所述化学式(I)中的y和ζ满足下式0 ^ y ^ 0. 2-0.2 彡 ζ 彡 0.2。其中，优选y值越小越好，最优选为0。即，优选Tb未被Tb以外的元素取代。此时，与y不是0的情况，即与Tb被Tb以外的元素取代的情况相比，能够充分抑制费尔德常数的降低。另外，最优选ζ为0。接着，对上述法拉第旋转器3的制造方法进行说明。首先，边参照图2边对培育构成法拉第旋转器3的石榴石型单晶的拉晶炉进行说明。图2是表示使用拉晶炉培育上述石榴石型单晶的工序的图。如图2所示，拉晶炉20在密封外壳M中主要具备铱制坩埚21、收容坩埚21的陶瓷制的内侧保温材料22A、以包裹内侧保温材料22k的方式设置的外侧保温材料22B、以及设置于内侧保温材料22A和外侧保温材料22B之间的高频线圈23。高频线圈23用于对坩埚21产生感应电流从而加热坩埚21。另外，拉晶炉20具备用于载置内侧保温材料22A的载置台25和支撑载置台25的支撑部沈，坩埚21介由用于调整坩埚21的位置的位置调整台27配置在载置台25上。应予说明，在图2中，符号四表示籽晶，箭头A表示籽晶四的旋转方向，即培育结晶30的旋转方向，箭头C表示培育结晶30的提拉方向。接着，对使用上述拉晶炉20的上述单晶的培育方法进行说明。
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首先，准备含有Tb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的粉末原料。此时，根据需要，粉末原料也可以进一步含有^2O3粉末、Tm2O3粉末和IO3粉末中的至少一种。上述粉末原料例如可以通过将上述Tb4O7粉末、Al2O3粉末以及Lu2O3粉末进行湿式混合后，干燥而获得。粉末原料中的Tb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的配比将根据需要培育的单晶的组成而决定。此时，iTb4O7粉末、Al2O3粉末、Lu2O3粉末的配比，例如，如下即可。S卩，Tb4O7粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准(100摩尔％ )，为18 30 摩尔％。Al2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为35 55摩尔％。Lu2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，大于0摩尔％且在10摩尔％ 以下。应予说明，粉末原料中含有Sc2O3粉末、Tm2O3粉末以及^O3粉末时，粉末原料中的 Sc2O3粉末、Tm2O3粉末或IO3粉末的配比通常如下即可。S卩，^2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 35摩尔％。Tm2O3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 10摩尔％。IO3粉末的配比通常以粉末原料的摩尔数为基准，为0 35摩尔％。应予说明，上述粉末原料含有^2O3粉末时，优选将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数成为0. 5 30摩尔％的范围的方式进行配合。此时，能够得到更优质的结晶。特别是，进一步优选将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数成为2. 5 10摩尔％的范围的方式进行配合。此时，结晶形状可控性及结晶性均变良好， 能够得到整体透明的结晶。换言之，与将Lu2O3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数低于2.5摩尔％的比例进行配合的情况相比，结晶整体不易发生裂纹。另一方面，与将LuXO3粉末以相对于^2O3粉末和Lu2O3粉末的总摩尔数大于10摩尔％的比例进行配合的情况相比，结晶形状容易固定且直径变动小，能够得到更透明的结晶。应予说明，此处所说的“摩尔％”是指相对于Sc和Lu的总原子数的Lu原子数的比例。然后，将上述粉末原料装入坩埚21后，对高频线圈23施加电流。于是，坩埚21被加热，在坩埚21内粉末原料从室温被加热至规定的温度。此处，规定的温度是能够使粉末原料溶解的温度。这样粉末原料被溶解，获得熔液观。接着，将熔液观通过熔液生长法进行生长。具体而言，首先准备棒状的拉晶轴，即籽晶四。然后，将籽晶四的前端浸于熔液 28后，一边以规定的转数使籽晶四旋转，一边以规定的提拉速度提拉。此时，例如使用钇铝石榴石(YAG)等石榴石型单晶作为籽晶四。籽晶四的转数优选设为3 50rpm，更优选设为3 lOrpm。籽晶四的提拉速度优选设为0. 1 3mm/h，更优选设为0. 5 1. 5mm/h。籽晶四的提拉优选在非活性气体环境下进行。可以使用Ar、氮气等作为非活性气体。为了使籽晶四处在非活性气体环境下，可以一边以规定的流量向密闭外壳M中导入非活性气体，一边排出。如此地提拉籽晶四，则在籽晶四的前端能够得到由上述化学式(I)表示的块状的培育结晶30。此时，培育结晶30由铽铝石榴石型单晶构成、且主要是Al的一部分被Lu取代，则能够容易地制备出培育结晶30，能够实现培育结晶30的大型化。接着，边参照图3边对本发明的光加工器进行详细说明。应予说明，在图3中，对于与图1相同或等同的构成要素标记相同符号，省略重复的说明。图3是表示本发明的光加工器的一个实施方式的示意图。如图3所示，光加工器 100具备激光光源11和被配置于由激光光源11射出的激光L的光程P上的光隔离器10。 根据该光加工器100，由激光光源11射出的激光L穿过光隔离器10射出，利用该射出光能够加工被加工体Q。此处，光隔离器10中所使用的单晶，如上所述，在波长1064nm以上的波长区域内， 具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够实现充分的大型化。因此，优选使用振荡波长为1064nm的Nd: YAG激光器、振荡波长为1080nm的掺％ 光纤激光器作为激光光源11。应予说明，在光隔离器10中使用的单晶在短波长区域GOO 700nm)内也显示超过TGG单晶的法拉第旋转角。因此，使用这种单晶时，也可以使用振荡波长为400 700nm 的激光光源作为激光光源11。作为这样的激光光源11，例如可举出振荡波长为405nm的 GaN系半导体激光器、振荡波长为700nm的掺钛蓝宝石激光器等。应予说明，利用具备了具有短波长区域振荡波长的激光光源11的光加工器100，则由于被加工体Q的切断部不会因热而受损，所以能够使切断面变光滑。另外，上述单晶与TGG单晶不同，其即使在短波长区域GOO 700nm)内，也能够充分抑制透过率的降低。因此，光加工器100的激光光源11 的振荡波长为400 700nm，也能够充分防止因光隔离器10导致的输出功率的降低。本发明并不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为激光光源11的振荡波长举出了 1064nm以上或400 700nm的范围，但并不限于这些。激光光源的振荡波长可以在700 1064nm区域内，例如可以在800nm附近或1030 1080nm。另外在上述实施方式中，在光加工器的光隔离器中使用单晶，但并不限于光隔离器，也可以应用于通过使用法拉第旋转器测量法拉第旋转角的变化来观测磁场变化的光纤磁场传感器等中。实施例以下，通过列举实施例更具体地说明本发明的内容，但本发明并不限于下述的实施例。(实施例1)首先，准备纯度99. 99 %的氧化铽(Tb4O7)原料粉末、纯度99. 99 %的氧化铝 (Al2O3)原料粉末、纯度99. 99%的氧化钪(Sc2O3)原料粉末、纯度99. 99%的氧化镥(Lu2O3) 原料粉末。然后，将上述各原料粉末进行湿式混合得到混合粉末。此时，以^2O3原料粉末和 Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准(100摩尔％ )，将Lu2O3原料粉末以2. 5摩尔％的比例使其含有。接着，干燥上述混合粉末，作为最终原料(粉末原料)投入Ir坩埚。坩埚的形状为圆筒形，直径约60mm，高约60mm。然后，通过将粉末原料由室温加热至1950°C使其溶解，获得熔液。接着，将由 YAG (钇铝石榴石)构成的3mmX 3mmX 70mm的角棒状籽晶的前端浸于该熔液，一边使籽晶以 IOrpm的转数旋转，一边以每小时Imm的速度提拉籽晶，培育成块状的结晶。这样得到直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶A)。此时，结晶的培育在Ar气体环境中进行，Ar气体的流量设为3. 3X 10_5m3/S。
对这样得到的结晶A进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外， 对得到的结晶A进行了利用X射线衍射和电子自旋共振(EPR)的结构解析，其结果确认到了 Al的一部分被Sc和Lu所取代，Tb的一部分被Sc所取代。并且，对上述结晶A进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析，确认了单晶的组成(Tb、k、Al、Lu以及0的原子数比)。利用ICP的化学分析具体按以下进行。艮口， 首先从结晶A的直晶身部下端切下50mg，得到切片。接着，将切片放入钼金坩埚中，然后添加250mg四硼酸锂。接着，将该钼金坩埚收容于高温加热炉中，以1030°C加热2小时，使切片熔解。之后，自然冷却钼金坩埚后，将切片放入50ml的烧杯中，进一步添加20ml HCl0接着，将烧杯配置在热板上缓慢加热，从切片使各元素成分(Tb、Sc、Al以及Lu)向HCl中溶解。此时，将烧杯内得到的溶液定容至50ml，对该溶液进行利用ICP的化学分析。其结果， 确认到得到了具有下式表示的组成(χ = 0. 05、y = 0. 02、ζ = 0. 03、a = 2. 99、b = 1. 99) 的单晶(Tb2 97Sc0i 02) (Sc1 94Lu0 05) Al2 97012。(实施例2)在得到混合粉末时，以^2O3原料粉末和Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准，将 Lu2O3原料粉末以5摩尔％的比例含有，除此之外，与实施例1同样地得到直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶C)。对该结晶C进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外，对得到的结晶C进行了利用X射线衍射和EI5R的结构解析，其结果，确认到了 Al的一部分被&和Lu 所取代，Tb的一部分被&所取代。并且，对上述结晶C，与实施例1同样进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析。其结果，确认到得到了具有下式表示的组成(X = 0. 13、y = 0. 06、Z = 0. 05、a = 3. 02、b = 2. 04)的单晶(Tb2 96Sc0 06) (Sc1 91Lu0 13) Al2 95012。(实施例3)在得到混合粉末时，以^2O3原料粉末和Lu2O3原料粉末的总摩尔数为基准，将 Lu2O3原料粉末以10摩尔％的比例含有，除此之外，与实施例1同样，制得直径约2. 5cm、长度约12cm的透明单晶(结晶E)。对该结晶E进行X射线衍射分析的结果，确认到了 Tb3Al5O12的峰。另外，对得到的结晶E进行利用X射线衍射和EPR的结构解析，其结果，确认到了 Al的一部分被&和Lu 所取代，Tb的一部分被&所取代。并且，对上述结晶E，与实施例1同样进行了利用ICP(电感耦合等离子体)的化学分析。其结果，确认到得到了具有下式表示的组成(χ = 0. 21、y = 0. 09、ζ = 0. 02、a = 3. 04、b = 2. 06)的单晶(Tb2 95Sc0 09) (Scl85Lu0. 21) Al2.98012。(比较例1)作为比较例，使用了Fujian Castech Crystals 公司制造的 Tbfa5O12 (TGG)。[特性评价](法拉第旋转角)
对于如上所述得到的实施例1 3和比较例1的单晶，测定其在633nm、1064nm以及1303nm波长下的法拉第旋转角。此时，法拉第旋转角的测定如下进行。即，首先在起偏振器和检偏振器之间不配置单晶的状态下使检偏振器旋转，使其成为消光状态。接着，将实施例1 3和比较例1的单晶以成为W[mm] XH[mm] X L[mm] = 3. 5mmX 3. 5mmX 12mm的方式切成角棒状，将其配置于起偏振器和检偏振器之间，在沿单晶的长度方向施加0. 42T的磁通密度的状态下入射光，再次使检偏振器旋转，使其成为消光状态。然后，算出在起偏振器和检偏振器之间夹设单晶前的检偏振器的旋转角与夹设单晶后的检偏振器的旋转角之差，将该角度差作为法拉第旋转角。此时，将光源的波长设为633nm、1064nm和1303nm，分别测定法拉第旋转角。然后，根据这样测得的法拉第旋转角，算出法拉第旋转角比率。此处，法拉第旋转角比率是根据各实施例的法拉第旋转角和TGG的法拉第旋转角由下式算出的
、+ +…、fa—作为法拉第旋转角比率的计算对象的单晶的法拉第旋转角法拉弟旋转角比率=TGG的法拉第旋转角其中，TGG的法拉第旋转角和成为法拉第旋转角比率的计算对象的单晶的法拉第旋转角使用同一波长下的值。将结果示于图4 图6。图4 图6分别是表示实施例1 3的单晶的法拉第旋转角比率与波长的关系的坐标图。在图4 图6中，分别用实线表示实施例1 3的单晶的法拉第旋转角比率与波长的关系，用虚线一并记载了比较例1的TGG 的法拉第旋转角比率(=1)与波长的关系。(透过率)将如上所述得到的实施例1 3和比较例1的单晶，以成为W[mm] XH[mm] XL[mm] =3. 5mm X 3. 5mm X 12mm的方式切成角棒状，对该切成的结晶，测定在广域的波长区域 (200 1400nm)中的透过率。将结果示于图7 图9。图7 图9分别表示实施例1 3 的单晶的透过率与波长的关系，即表示透过光谱的坐标图。在图7 图9中分别还一并记载了比较例1的TGG的透过光谱的结果。应予说明，在图7 图9中，实施例1 3的透过光谱用实线表示，比较例1的透过光谱用虚线表示。根据图4 图9中所示结果，可以明确以下点。(1)由铽铝石榴石单晶构成且Al的一部分被Lu取代的实施例1 3的单晶，在进行评价的3个波长的任一个中，法拉第旋转角均比TGG大。(2)实施例1 3的单晶均在几乎全波长区域内具有TGG以上的透过率。特别是， 在400 700nm的波长区域内，观测到相对于随着波长变短比较例1 (TGG)的透过率剧减， 实施例1 3的单晶在波长400nm的透过率与在700nm的透过率是同等级的值。即，实施例1 3的光隔离器在400 700nm区域内也维持了高的透过率。(3)实施例1 3的单晶均能够得到直径约2. 5cm、长度约12cm的大型且透明的单晶。根据以上结果，在铽铝石榴石单晶中使Al的一部分用Lu取代的单晶，在波长 1064nm或比其更长的波长区域内，能够得到超过TGG的法拉第旋转角。因此，本发明适合作为使用Nd:YAG激光的光加工器的光隔离器用单晶。此外，根据本发明的单晶，即便在短波长区域GOO 700nm)内，也具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，能够充分抑制透过率的降低。因此，根据本发明的单晶，能够在广域的波长区域内得到比TGG更大的法拉第旋转角。因此，本发明的单晶具有极高的通用性。另外，本发明涉及的单晶能够实现充分的大型化。因此，能够从得到的单晶切出多个单晶，从而能够降低光隔离器的价格。并且，本发明涉及的单晶不仅在长波长区域(1064nm以上)，在短波长区域00 700nm)内也保持超过TGG的高透过率，法拉第旋转角也比TGG大。因此，本发明涉及的单晶，即便在短波长区域GOO 700nm)内也够作为优于TGG的光隔离器而发挥作用，作为短波长激光用的光隔离器能有效地发挥作用。在产业上的可利用性本发明的单晶不仅在波长1064nm以上的长波长区域内，在波长低于1064nm的波长区域内作为光隔离器用单晶也是有效的。即，本发明的单晶虽然主要适用于长波长区域， 例如1064nm或比其更长的波长区域用途，但除此之外，还适用于波长SOOnm左右的宽带区域用途、波长1030 IOSOnm的高功率用途、进一步波长4000 700nm的短波长用途。本发明还能适用于通过使用法拉第旋转器测量法拉第旋转角的变化来观测磁场变化的光纤磁场传感器等。符号说明10...光隔离器，11...激光光源，20...拉晶炉，21...铱制坩埚，22A...内侧保温材料，22B...外侧保温材料，23...高频线圈，28...熔液，29...拉晶轴，30...培育结晶， 100. · ·光加工器
权利要求
1.一种单晶，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝的一部分被镥即Lu取代。
2.如权利要求1所述的单晶，其由下述化学式表示 (Tba_yLy) (Mb_xNx) A13_z012 (I)上式中，L表示M或N，M表示选自&和Y中的至少1种，N含有Lu，a和b满足下式2.8 ≤ a ≤ 3. 2 1. 8 ≤ b≤ 2. 2。
3.如权利要求2所述的单晶，其中，所述化学式中的N为Lu。
4.如权利要求2所述的单晶，其中，所述化学式中的N进一步含有选自％和Tm中的至少1种。
5.如权利要求2或3所述的单晶，其中，所述化学式中的M为Sc，N为Lu，χ满足下式 0. 01 ≤ χ ≤ 0. 6。
6.如权利要求5所述的单晶，其中，所述化学式中的y和ζ满足下式 0 ≤ y ≤ 0. 5-0. 5 ≤ ζ ≤ 0. 5。
7.如权利要求6所述的单晶，其中，所述化学式中的y和ζ满足下式 0≤ y ≤ 0. 2-0. 2 ≤ ζ ≤ 0. 2。
8.如权利要求6或7所述的单晶，其中，y为0。
9.一种隔离器用单晶的制造方法，其特征在于，将含有氧化铽、氧化铝及氧化镥的粉末原料加热溶解，由得到的熔液利用熔液生长法获得权利要求1所述的单晶。
10.一种光隔离器，具有权利要求1 8中任一项所述的单晶。
11.一种光加工器，具备 激光光源，和被配置于从所述激光光源射出的激光的光程上的光隔离器； 其中，所述光隔离器为权利要求10所述的光隔离器。
12.如权利要求11所述的光加工器，其中，所述激光光源的振荡波长为1064nm。
13.如权利要求11所述的光加工器，其中，所述激光光源的振荡波长为400 700nm。
全文摘要
本发明提供一种光隔离器用单晶及其制造方法、以及光隔离器及使用其的光加工器，该光隔离器用单晶在波长1064nm以上的波长区域或低于1064nm的波长区域内，具备超过TGG单晶的法拉第旋转角，且能够实现大型化。本发明涉及的单晶的特征在于，由铽铝石榴石单晶构成，主要是铝的一部分被镥取代。
文档编号G02B27/28GK102575382SQ20108004662
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月21日
发明者岛村清史, 比略拉·恩卡纳西翁·安东尼亚·加西亚, 真田和夫 申请人:株式会社藤仓, 独立行政法人物质·材料研究机构
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