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JP7567920B2 - Laser damage resistance evaluation method for paramagnetic garnet-type transparent ceramics - Google Patents

Laser damage resistance evaluation method for paramagnetic garnet-type transparent ceramics Download PDF

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JP7567920B2 JP2022547489A JP2022547489A JP7567920B2 JP 7567920 B2 JP7567920 B2 JP 7567920B2 JP 2022547489 A JP2022547489 A JP 2022547489A JP 2022547489 A JP2022547489 A JP 2022547489A JP 7567920 B2 JP7567920 B2 JP 7567920B2
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Description

本発明は、可視及び/又は近赤外域において透光性を有する常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法に関し、より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適なテルビウムを含む常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法に関する。
The present invention relates to a method for determining the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic having transparency in the visible and/or near infrared region, and more particularly to a method for determining the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic containing terbium that is suitable for forming magneto-optical devices such as optical isolators.

産業用レーザー加工機には反射光などの光の逆戻りを防ぐ目的で光アイソレータが設けられており、その内部はテルビウム添加ガラスやテルビウムガリウムガーネット結晶(TGG結晶)がファラデー回転子として搭載されている(例えば、特開2011-213552号公報(特許文献1))。ファラデー効果の大きさはベルデ定数で定量化され、TGG結晶のベルデ定数は40rad/(T・m)(0.13min/(Oe・cm))、テルビウム添加ガラスでは0.098min/(Oe・cm)であり、TGG結晶のベルデ定数は比較的大きいことから、標準的なファラデー回転子として広く使用されている。その他に、テルビウムアルミニウムガーネット結晶(TAG結晶)があり、TAG結晶のベルデ定数はTGG結晶の1.3倍程度であることから、ファラデー回転子の長さを短くできるため、ファイバーレーザーに使用可能かつ良好な結晶である(例えば、特開2002-293693号公報(特許文献2)、特許第4107292号公報(特許文献3))。 Industrial laser processing machines are equipped with optical isolators to prevent the return of light, such as reflected light, and inside these are mounted terbium-doped glass or terbium gallium garnet crystals (TGG crystals) as Faraday rotators (for example, JP 2011-213552 A (Patent Document 1)). The magnitude of the Faraday effect is quantified by the Verdet constant, and the Verdet constant of TGG crystals is 40 rad/(T·m) (0.13 min/(Oe·cm)), while that of terbium-doped glass is 0.098 min/(Oe·cm). Since the Verdet constant of TGG crystals is relatively large, they are widely used as standard Faraday rotators. Another example is terbium aluminum garnet crystal (TAG crystal). The Verdet constant of the TAG crystal is about 1.3 times that of the TGG crystal, and therefore the length of the Faraday rotator can be shortened, making it a good crystal that can be used in fiber lasers (for example, JP-A-2002-293693 (Patent Document 2) and JP-A-4107292 (Patent Document 3)).

近年、TAGを透明セラミックスで作製する方法が開示されている(例えば、国際公開第2017/033618号(特許文献4)、“High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics”(非特許文献1))。またテルビウムの一部をイットリウムで置換した(Tbx1-x3Al512(0.2≦x≦0.8、又は0.5≦x≦1.0)(YTAG)の透明セラミックスの作製方法も報告されている(例えば、“Fabrication and properties of (TbxY1-x)3Al5O12 transparent ceramics by hot isostatic pressing”(非特許文献2)、“Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material”(非特許文献3))。Tbを含有する希土類アルミニウムガーネットはTGGと比較して高い熱伝導率を示すため、熱レンズ効果が小さいファラデー素子になると期待されている。 In recent years, a method for producing TAG from transparent ceramics has been disclosed (for example, International Publication No. 2017/033618 (Patent Document 4), "High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics" (Non-Patent Document 1)). In addition, a method for producing transparent ceramics (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (0.2≦x≦0.8, or 0.5≦x≦1.0) (YTAG) in which part of the terbium is replaced with yttrium has also been reported (for example, "Fabrication and properties of (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 transparent ceramics by hot isostatic pressing" (Non-Patent Document 2), "Development of optical grade (Tb x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 ceramics as Faraday rotator material" (Non-Patent Document 3)). Since Tb-containing rare earth aluminum garnet exhibits higher thermal conductivity than TGG, it is expected to become a Faraday element with a smaller thermal lens effect.

上記のように熱レンズ効果が小さいことが期待されるTAG系透明セラミックスであるが、不純物の混入や不適切な製造プロセスなどにより使用波長で吸収が発生する場合は発熱量に応じた熱レンズ効果が発生し、材料本来のポテンシャルを発揮することができない。近年のパルスレーザー加工機のハイパワー化により、0.1%/cm未満の小さな吸収でさえ発熱につながるため、熱レンズ効果の小さい優れた光アイソレータを提供するためには微量な吸収の管理が必須である。As mentioned above, TAG-based transparent ceramics are expected to have a small thermal lens effect, but if absorption occurs at the wavelength used due to the inclusion of impurities or an inappropriate manufacturing process, a thermal lens effect occurs according to the amount of heat generated, and the material's inherent potential cannot be realized. Due to the increasing power of pulsed laser processing machines in recent years, even small absorption of less than 0.1%/cm can lead to heat generation, so managing minute absorption is essential to provide an excellent optical isolator with a small thermal lens effect.

更に、近年のパルスレーザーのハイパワー化及び短パルス化により、高いパワー密度のレーザー光が透過することでファラデー回転子が損傷する問題がしばしば発生している。“Optical properties and Faraday effect of ceramic terbium gallium garnet for a room temperature Faraday rotator”(非特許文献4)ではTGG単結晶及びTGG透明セラミックスの波長1,064nmのパルスレーザー光によるレーザー損傷閾値に関する情報が示されている。ファラデー回転子が損傷すると透過率やアイソレーション、ビーム品質が悪くなり、最悪の場合には光アイソレータが故障してしまう。パルスレーザーによる光学損傷は多光子吸収による電離、電子なだれ崩壊、そして不純物による吸収などが考えられる。特に吸収係数が大きい材料ほどレーザー損傷耐力は高い傾向があるため、高いレーザー損傷閾値をもつファラデー回転子を提供するためには吸収の管理が重要である。Furthermore, in recent years, the high power and short pulses of pulsed lasers have often caused problems with the Faraday rotator being damaged by the transmission of high power density laser light. "Optical properties and Faraday effect of ceramic terbium gallium garnet for a room temperature Faraday rotator" (Non-Patent Document 4) provides information on the laser damage threshold of TGG single crystals and TGG transparent ceramics due to pulsed laser light with a wavelength of 1,064 nm. If the Faraday rotator is damaged, the transmittance, isolation, and beam quality will deteriorate, and in the worst case, the optical isolator will break down. Possible optical damage caused by pulsed lasers includes ionization due to multiphoton absorption, electron avalanche collapse, and absorption by impurities. In particular, materials with a large absorption coefficient tend to have high laser damage resistance, so absorption management is important in order to provide a Faraday rotator with a high laser damage threshold.

吸収量を測定する最も簡便な方法は透過率の測定であるが透明セラミックスの透過率は吸収と散乱(及び反射)を反映した値となる。透明セラミックスは多くの散乱源を含むため、透過率から微量の吸収量を正確に決定することが困難となる場合がある。The simplest method to measure the amount of absorption is to measure the transmittance, but the transmittance of transparent ceramics is a value that reflects absorption and scattering (and reflection). Because transparent ceramics contain many scattering sources, it can be difficult to accurately determine the small amount of absorption from the transmittance.

特開2011-213552号公報JP 2011-213552 A 特開2002-293693号公報JP 2002-293693 A 特許第4107292号公報Patent No. 4107292 国際公開第2017/033618号International Publication No. 2017/033618

“High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics”, Optical Materials Express, Vol. 6, No. 1 191-196 (2016)“High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics”, Optical Materials Express, Vol. 6, No. 1 191-196 (2016) “Fabrication and properties of (TbxY1-x)3Al5O12 transparent ceramics by hot isostatic pressing”, Optical Materials, 72 58-62 (2017)“Fabrication and properties of (TbxY1-x)3Al5O12 transparent ceramics by hot isostatic pressing”, Optical Materials, 72 58-62 (2017) “Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material”, Journal of American Ceramics Society, 100, 4081-4087 (2017)“Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material”, Journal of American Ceramics Society, 100, 4081-4087 (2017) “Optical properties and Faraday effect of ceramic terbium gallium garnet for a room temperature Faraday rotator”, Optical Materials Express, Vol. 19, No. 16 15181-15187 (2011)“Optical properties and Faraday effect of ceramic terbium gallium garnet for a room temperature Faraday rotator”, Optical Materials Express, Vol. 19, No. 16 15181-15187 (2011) “Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms”, Physical Review Letters, 91, 127402 (2003)“Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms”, Physical Review Letters, 91, 127402 (2003)

以上のように、パルスレーザー加工機のハイパワー化及び短パルス化に伴い、高いレーザー損傷閾値のファラデー回転子が求められている。しかしながら先行文献の通りに試作したTb含有アルミニウムガーネットをファラデー回転子として搭載した光アイソレータの試験を行ったところ、ある一定のハイパワーのパルスレーザーを照射するとファラデー回転子が損傷してしまう問題が発生した。As described above, with the trend toward higher power and shorter pulses in pulsed laser processing machines, there is a demand for Faraday rotators with a high laser damage threshold. However, when testing an optical isolator equipped with a Faraday rotator made of Tb-containing aluminum garnet prototyped as described in the previous literature, a problem occurred in which the Faraday rotator was damaged when irradiated with a certain high-power pulsed laser.

ところで、Tb(III)イオンを構成元素にもつTb含有希土類アルミニウムガーネットは、励起させるとテルビウムイオン(III)イオンによる緑色の発光を示すものでもある。Tb含有希土類アルミニウムガーネットを発光材料として用いる場合、その発光効率を高める手段として、発光波長に他の元素に由来する吸収帯が重ならないことが重要である。例えば、第1遷移金属のイオンはd-d遷移吸収や酸化物イオンとの電荷移動吸収帯が可視域にあることが多いため、Tb含有希土類アルミニウムガーネット中に不純物として含まれると、Tbイオンの発光が不純物イオンにより再吸収されるため、発光が阻害されてしまう。また金属酸化物は高温で低酸素分圧下にさらされると酸素が脱雛して欠陥を生じる。このような酸化物イオン欠陥をもつ金属酸化物は灰色から黒色を呈することが多く、これもまたTbイオンの発光を阻害してしまう。以上のように、有色の不純物イオンや、Tb含有希土類アルミニウムガーネット自身の格子欠陥が少ないものが発光材料として優れている。By the way, Tb-containing rare earth aluminum garnet, which has Tb(III) ions as a constituent element, also emits green light due to terbium(III) ions when excited. When Tb-containing rare earth aluminum garnet is used as a luminescent material, it is important that the emission wavelength does not overlap with the absorption bands derived from other elements as a means of increasing its luminescence efficiency. For example, since ions of first transition metals often have d-d transition absorption and charge transfer absorption bands with oxide ions in the visible range, if they are contained as impurities in Tb-containing rare earth aluminum garnet, the emission of Tb ions is reabsorbed by the impurity ions, inhibiting the emission. In addition, when metal oxides are exposed to high temperatures and low oxygen partial pressure, oxygen is removed and defects are generated. Metal oxides with such oxide ion defects often exhibit a gray to black color, which also inhibits the emission of Tb ions. As described above, colored impurity ions and Tb-containing rare earth aluminum garnets with few lattice defects in themselves are excellent as luminescent materials.

発光効率(即ち発光量子収率)は、物質が強く光るかどうかを表す指標であり、最低励起状態から発光を伴う輻射遷移の速度定数と発光を伴わない無輻射遷移速度定数の割合でその値が決定する。具体的には励起状態が輻射遷移によって基底状態に戻る確率と定義される。励起状態の寿命(励起状態の数が1/eに減少するまでの時間)をτとすると、発光量子収率との間には比例の関係が成り立つ。言い換えれば、同じ組成を持つTb含有希土類アルミニウムガーネットであれば、励起状態の寿命を測定することで消光(無輻射遷移)の原因となる不純物イオンや欠陥量を間接的に見積もることができる。また発光は母材の結晶内でおこる現象のため、セラミックス特有の散乱の影響を受けにくい。 Luminescence efficiency (i.e., luminescence quantum yield) is an index that indicates whether a substance emits strong light, and its value is determined by the ratio of the rate constant of the radiative transition from the lowest excited state that accompanies luminescence to the rate constant of the non-radiative transition that does not accompany luminescence. Specifically, it is defined as the probability that the excited state returns to the ground state by radiative transition. If the lifetime of the excited state (the time until the number of excited states decreases to 1/e) is τ, there is a proportional relationship between the luminescence quantum yield and the lifetime of the excited state. In other words, if the Tb-containing rare earth aluminum garnet has the same composition, the amount of impurity ions and defects that cause quenching (non-radiative transition) can be indirectly estimated by measuring the lifetime of the excited state. In addition, since luminescence is a phenomenon that occurs within the crystals of the base material, it is not easily affected by the scattering that is unique to ceramics.

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、TAG系、TYAG系又はTYSAG系のレーザー損傷閾値の高い常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an object to provide a method for judging the laser damage resistance of TAG-based, TYAG-based or TYSAG-based paramagnetic garnet-type transparent ceramics having a high laser damage threshold.

上述したように、これまで透明セラミックスを用いたファラデー回転子の光損失において、散乱と原因である吸収を切り分けることが困難であった。またレーザー損傷の試験は試料の破壊を伴うため、非破壊で間接的に評価する方法が求められていた。そこで本来、発光体の発光強度とファラデー回転子のレーザー損傷は全く関連しない現象であるが、本発明者らがTb含有希土類アルミニウムガーネット(TAG系、TYAG系又はTYSAG系)に対して、Tb(III)イオンの5475遷移に由来する発光寿命とファラデー回転子としてのレーザー損傷閾値を鋭意調査したところ、発光寿命が長いTb含有希土類アルミニウムガーネット(常磁性ガーネット型透明セラミックス)はレーザー損傷閾値が高く、発光寿命が短いTb含有希土類アルミニウムガーネット(常磁性ガーネット型透明セラミックス)はレーザー損傷閾値が低いこと、即ち常磁性ガーネット型透明セラミックスにおいてTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光寿命とレーザー損傷閾値との間に相関があることを発見した。また発光寿命の測定は非破壊で行われるため、簡便にファラデー回転子のレーザー損傷耐力を評価できることを発見した。本発明者らは、これらの知見を基に鋭意検討を行い、本発明を成したものである。 As mentioned above, it has been difficult to distinguish between scattering and absorption, which is the cause of optical loss in Faraday rotators using transparent ceramics. In addition, because testing for laser damage involves destruction of the sample, a non-destructive, indirect evaluation method was required. Therefore, originally, the emission intensity of the light emitter and the laser damage of the Faraday rotator are completely unrelated phenomena, but the present inventors have intensively investigated the emission lifetime derived from the 5D47F5 transition of Tb(III) ions and the laser damage threshold as a Faraday rotator for Tb-containing rare earth aluminum garnet (TAG system, TYAG system or TYSAG system), and have found that Tb - containing rare earth aluminum garnet (paramagnetic garnet type transparent ceramics) with a long emission lifetime has a high laser damage threshold, and Tb-containing rare earth aluminum garnet (paramagnetic garnet type transparent ceramics) with a short emission lifetime has a low laser damage threshold, that is, in paramagnetic garnet type transparent ceramics , there is a correlation between the emission lifetime derived from the 5D47F5 transition of Tb(III) ions and the laser damage threshold. In addition, since the measurement of the emission lifetime is performed non-destructively, it has been found that the laser damage resistance of the Faraday rotator can be easily evaluated. The present inventors have intensively investigated based on these findings and have made the present invention.

即ち、本発明は、下記の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法を提供する。
1.
下記式(1’)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体からなる常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上であるときに、波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値が10J/cm 2 以上のレーザー損傷耐力を有すると判定することを特徴とする常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法
(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz5121’
(式中、0≦x<0.45、0≦y<0.08、0≦z<0.16である。)

波長350nmの励起光による発光の最強強度が波長500~600nmの間にある1に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法

上記焼結体が更に焼結助剤を含むものである1又は2に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法

上記焼結体は、HIP処理され、更に酸化雰囲気でアニール処理されたものである1~のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法

上記焼結体におけるチタンの含有量が2,000ppm未満である1~のいずれかに記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法
That is, the present invention provides the following method for determining the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic.
1.
A method for judging the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic comprising a sintered body of a garnet-type composite oxide represented by the following formula ( 1' ) , characterized in that when the lifetime of light emission derived from the 5D47F5 transition of Tb(III) ions contained in the sintered body is 346 μs or longer, the method judges that the paramagnetic garnet-type transparent ceramic has a laser damage threshold of 10 J/cm2 or more at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 ( 1' )
(Wherein, 0≦x<0.45, 0≦y<0.08, and 0≦z< 0.16 .)
2 .
2. The method for evaluating laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to 1 , wherein the maximum intensity of light emitted by excitation light having a wavelength of 350 nm is between 500 and 600 nm.
3 .
3. The method for evaluating laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to 1 or 2, wherein the sintered body further contains a sintering aid.
4 .
The method for determining laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 3 , wherein the sintered body is subjected to HIP treatment and further annealing treatment in an oxidizing atmosphere.
5 .
5. The method for evaluating laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to any one of 1 to 4 , wherein the titanium content in the sintered body is less than 2,000 ppm.

本発明によれば、波長1,064nm、パルス幅5nsにおいて10J/cm2以上のレーザー損傷閾値をもつ常磁性ガーネット型透明セラミックスを提供でき、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適なものを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a paramagnetic garnet-type transparent ceramic having a laser damage threshold of 10 J/ cm2 or more at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns, and thus to provide a material suitable for forming magneto-optical devices such as optical isolators.

本発明に係る常磁性ガーネット型透明セラミックスをファラデー回転子として用いた光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of an optical isolator using the paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to the present invention as a Faraday rotator.

[常磁性ガーネット型透明セラミックス]
以下、本発明に係る常磁性ガーネット型透明セラミックスについて説明する。
本発明に係る常磁性ガーネット型透明セラミックスは、下記式(1)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体からなり、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上であることを特徴とするものである。
(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512 (1)
(式中、0≦x<0.45、0≦y<0.08、0≦z<0.16、0.001<y+z<0.20である。)
[Paramagnetic garnet-type transparent ceramics]
The paramagnetic garnet-type transparent ceramics according to the present invention will now be described.
The paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention comprises a sintered body of a garnet-type composite oxide represented by the following formula (1), and is characterized in that the lifetime of luminescence derived from the 5D47F5 transition of Tb( III ) ions contained in the sintered body is 346 μs or longer.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1)
(In the formula, 0≦x<0.45, 0≦y<0.08, 0≦z<0.16, and 0.001<y+z<0.20.)

なお、式(1)で表されるガーネット結晶構造においてTbが主として占有するサイト、即ち式(1)の前半の括弧をAサイト、Alが主として占有するサイト、即ち式(1)の後半の括弧をBサイトと称する。In the garnet crystal structure represented by formula (1), the site primarily occupied by Tb, i.e., the first half of the parentheses in formula (1), is referred to as the A site, and the site primarily occupied by Al, i.e., the second half of the parentheses in formula (1), is referred to as the B site.

式(1)のAサイトにおいて、テルビウム(Tb)は、3価の希土類イオンの中で最大のベルデ定数を有する元素であり、ファイバーレーザーで使用する1,070nm領域(波長帯0.9μm以上1.1μm以下)で吸収が極めて小さいため、この波長域の光アイソレータ用材料に用いるには好適な最も適している元素である。ただし、Tb(III)イオンは容易に酸化されTb(IV)イオンが生じる。金属酸化物中にTb(IV)イオンが生じると紫外から近赤外域にかけて広範囲の波長で光を吸収するため、できる限り排除することが望ましい。Tb(IV)イオンを発生させない1つのストラテジーとしてTb(IV)イオンが不安定な結晶構造、つまりガーネット構造を採用することが有効である。In the A site of formula (1), terbium (Tb) is an element with the largest Verdet constant among trivalent rare earth ions, and has extremely small absorption in the 1,070 nm region (wavelength band 0.9 μm to 1.1 μm) used in fiber lasers, making it the most suitable element for use as a material for optical isolators in this wavelength range. However, Tb(III) ions are easily oxidized to generate Tb(IV) ions. When Tb(IV) ions are generated in metal oxides, they absorb light over a wide range of wavelengths from ultraviolet to near infrared, so it is desirable to eliminate them as much as possible. One strategy to prevent the generation of Tb(IV) ions is to adopt a crystal structure in which Tb(IV) ions are unstable, i.e., a garnet structure.

イットリウム(Y)はイオン半径がテルビウムよりも2%程度小さく、アルミニウムと化合して複合酸化物を形成する場合に、ペロブスカイト相よりもガーネット相を安定して形成し、かつ結晶子中の残存歪みを縮小することのできる材料であり、これにより異相による散乱や、内部応力による消光比劣化やテルビウムイオンのf-f遷移吸収を防止することができるため、本発明においては重要な構成元素である。更にテルビウムイオンの一部をイットリウムイオンで置換することにより焼結性が平準化されるため、セラミックス焼結体中の気孔残存量を1ppm以下に制限することが可能となるため、本発明においては好ましく利用することのできる元素である。 Yttrium (Y) has an ionic radius about 2% smaller than that of terbium, and when it combines with aluminum to form a composite oxide, it is a material that can stably form a garnet phase rather than a perovskite phase and reduce residual strain in the crystallites, which makes it possible to prevent scattering due to different phases, deterioration of the extinction ratio due to internal stress, and ff transition absorption of terbium ions, making it an important constituent element in the present invention. Furthermore, by replacing some of the terbium ions with yttrium ions, the sinterability is leveled out, making it possible to limit the amount of residual pores in the ceramic sintered body to 1 ppm or less, making it an element that can be preferably used in the present invention.

式(1)のBサイトにおいて、アルミニウム(Al)はガーネット構造を有する酸化物中で安定に存在できる3価のイオンの中で最小のイオン半径を有する材料であり、Tb含有の常磁性ガーネット型酸化物の格子定数を最も小さくすることのできる元素である。Tbの含有量を変えることなくガーネット構造の格子定数を小さくすることができると、単位長さあたりのベルデ定数を大きくすることができるため好ましい。更にアルミニウムは軽金属であるためガリウムと比較すると反磁性が弱く、ファラデー回転子内部に生じる磁束密度を相対的に高める効果が期待され、こちらも単位長さあたりのベルデ定数を大きくすることができるため好ましい。実際TAGセラミックスのベルデ定数はTGGのそれの1.25~1.5倍に向上する。そのためテルビウムイオンの一部をイットリウムイオンで置換することでテルビウムの相対濃度を低下させた場合でも、単位長さあたりのベルデ定数をTGG同等、ないしは若干下回る程度にとどめることが可能となるため、本発明においては好適な構成元素である。In the B site of formula (1), aluminum (Al) is a material with the smallest ionic radius among trivalent ions that can exist stably in an oxide having a garnet structure, and is an element that can minimize the lattice constant of a paramagnetic garnet-type oxide containing Tb. If the lattice constant of the garnet structure can be reduced without changing the Tb content, it is preferable because the Verdet constant per unit length can be increased. Furthermore, since aluminum is a light metal, it has weak diamagnetism compared to gallium, and is expected to have the effect of relatively increasing the magnetic flux density generated inside the Faraday rotator, which is also preferable because it can increase the Verdet constant per unit length. In fact, the Verdet constant of TAG ceramics is improved to 1.25 to 1.5 times that of TGG. Therefore, even if the relative concentration of terbium is reduced by replacing some of the terbium ions with yttrium ions, it is possible to keep the Verdet constant per unit length equal to or slightly lower than that of TGG, making it a suitable constituent element in the present invention.

ここで、構成元素がTb、Y及びAlだけの複合酸化物では微妙な秤量誤差によってガーネット構造を有さない場合があり、光学用途に使用可能な透明セラミックスを安定に製造することが難しい。そこで、本発明では構成元素としてスカンジウム(Sc)を添加することにより微妙な秤量誤差による組成ずれを解消する。Scは、ガーネット構造を有する酸化物中でAサイトにも、Bサイトにも固溶することができる中間的なイオン半径を有する材料であり、Tb及びYからなる希土類元素とAlとの配合比が秤量時のばらつきによって化学量論比からずれた場合に、ちょうど化学量論比に合うように、そしてこれにより結晶子の生成エネルギーを最小にするように、自らAサイト(Tb及びYからなる希土類サイト)とBサイト(アルミニウムサイト)への分配比を調整して固溶することのできるバッファ材料である。また、アルミナ異相のガーネット母相に対する存在割合を1ppm以下に制限し、かつ、ペロブスカイト型の異相のガーネット母相に対する存在割合を1ppm以下に制限することのできる元素であり、製品の歩留り向上のために添加できる元素である。Here, a composite oxide whose constituent elements are only Tb, Y, and Al may not have a garnet structure due to a subtle weighing error, making it difficult to stably manufacture transparent ceramics that can be used for optical applications. Therefore, in the present invention, scandium (Sc) is added as a constituent element to eliminate the composition deviation due to a subtle weighing error. Sc is a material with an intermediate ionic radius that can be dissolved in both the A site and the B site in an oxide having a garnet structure, and is a buffer material that can adjust the distribution ratio to the A site (rare earth site consisting of Tb and Y) and the B site (aluminum site) to exactly match the stoichiometric ratio and thereby minimize the energy of crystallite formation when the compounding ratio of the rare earth elements consisting of Tb and Y and Al deviates from the stoichiometric ratio due to variations in weighing. In addition, it is an element that can limit the presence ratio of the alumina heterophase in the garnet parent phase to 1 ppm or less, and can limit the presence ratio of the perovskite type heterophase in the garnet parent phase to 1 ppm or less, and can be added to improve product yields.

式(1)中、xの範囲は0≦x<0.45であり、0.1≦x≦0.4が好ましく、0.2≦x≦0.4がより好ましい。xがこの範囲にあると、常温(23±15℃)、波長1,064nmでのベルデ定数が30rad/(T・m)以上となり、ファラデー回転子として使用することができる。またこの範囲においてxが大きいほど熱レンズ効果が小さくなる傾向があるため好ましい。また、xが0.45以上の場合、波長1,064nmでのベルデ定数が30rad/(T・m)未満となるため好ましくない。即ちTbの相対濃度が過剰に薄まると、一般的な磁石を使用した場合、波長1,064nmのレーザー光を45度回転させるのに必要な全長が30mmを超えて長くなり、製造が難しくなるため好ましくない。In formula (1), the range of x is 0≦x<0.45, preferably 0.1≦x≦0.4, and more preferably 0.2≦x≦0.4. When x is in this range, the Verdet constant at room temperature (23±15°C) and wavelength of 1,064 nm is 30 rad/(T·m) or more, and it can be used as a Faraday rotator. In addition, the larger x is in this range, the smaller the thermal lens effect tends to be, which is preferable. In addition, when x is 0.45 or more, the Verdet constant at wavelength of 1,064 nm is less than 30 rad/(T·m), which is not preferable. In other words, if the relative concentration of Tb is excessively diluted, when a general magnet is used, the total length required to rotate the laser light of wavelength 1,064 nm by 45 degrees exceeds 30 mm, which is not preferable because it becomes difficult to manufacture.

式(1)中、yの範囲は0≦y<0.08であり、0.002≦y≦0.07が好ましく、0.003≦y≦0.06がより好ましい。yがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相をX線回折(XRD)分析で検出されないレベルまで減少させることができる。更に光学顕微鏡観察で150μm×150μmの視野におけるペロブスカイト型の異相(典型的なサイズが直径1~1.5μmで、薄茶色に着色して見える粒状のもの)の存在量が1個以下になるため好ましい。このときのペロブスカイト型の異相のガーネット母相に対する存在割合は1ppm以下となっている。In formula (1), the range of y is 0≦y<0.08, preferably 0.002≦y≦0.07, and more preferably 0.003≦y≦0.06. When y is in this range, the perovskite-type heterophase can be reduced to a level that is not detectable by X-ray diffraction (XRD) analysis. Furthermore, this is preferable because the number of perovskite-type heterophases (typically 1-1.5 μm in diameter and granular, light brown in color) present in a 150 μm x 150 μm field of view observed under an optical microscope is one or less. In this case, the ratio of the perovskite-type heterophase to the garnet parent phase is 1 ppm or less.

yが0.08以上の場合、Tb及びYがBサイトに、AlがAサイトに入るアンチサイト欠陥吸収が発生するリスクが高まるため好ましくない。また、yが0.1以上の場合、Tbの一部をYで置換することに加えて、更にScでもTbの一部を置換してしまい、結果的にTbの固溶濃度が不必要に低下してしまうため、ベルデ定数が小さくなり好ましくない。また、Scは原料代が高額なため、Scを不必要に過剰ドープすることは製造コスト上からも好ましくない。 When y is 0.08 or more, the risk of antisite defect absorption, in which Tb and Y enter the B site and Al enters the A site, increases, which is not preferable. Also, when y is 0.1 or more, in addition to substituting part of Tb with Y, part of Tb is also substituted with Sc, which results in an unnecessary decrease in the solid solution concentration of Tb, which is undesirable as it reduces the Verdet constant. Also, since the raw material cost of Sc is high, unnecessary excessive doping of Sc is not preferable in terms of manufacturing costs.

式(1)中、zの範囲は0≦z<0.16であり、0.01≦z≦0.15が好ましく、0.03≦z≦0.15がより好ましい。zがこの範囲にあると、ペロブスカイト型異相がXRD分析で検出されない。更に光学顕微鏡観察で150μm×150μmの視野におけるペロブスカイト型の異相(典型的なサイズが直径1~1.5μmで、薄茶色に着色して見える粒状のもの)の存在量が1個以下になるため好ましい。このときのペロブスカイト型の異相のガーネット母相に対する存在割合は1ppm以下となっている。In formula (1), the range of z is 0≦z<0.16, preferably 0.01≦z≦0.15, and more preferably 0.03≦z≦0.15. When z is in this range, the perovskite-type heterophase is not detected by XRD analysis. Furthermore, this is preferable because the number of perovskite-type heterophases (typically 1-1.5 μm in diameter and granular, light brown in color) present in a 150 μm x 150 μm field of view observed under an optical microscope is one or less. In this case, the ratio of the perovskite-type heterophase to the garnet parent phase is 1 ppm or less.

zが0.16以上の場合、Tb及びYがBサイトに、AlがAサイトに入るアンチサイト欠陥吸収が発生するリスクが高まるため好ましくない。またzの値の増加に連動してyの値、即ちScによるTbの置換割合も高まってしまうため、結果的にTbの固溶濃度が不必要に低下してしまうため、ベルデ定数が小さくなり好ましくない。更にまたScは原料代が高額なため、Scを不必要に過剰ドープすることは製造コスト上からも好ましくない。 When z is 0.16 or more, the risk of antisite defect absorption, in which Tb and Y occupy the B site and Al occupies the A site, increases, which is undesirable. In addition, the value of y, i.e., the substitution ratio of Tb by Sc, increases in conjunction with an increase in the value of z, which results in an unnecessarily lowered solid solution concentration of Tb, which undesirably reduces the Verdet constant. Furthermore, since the raw material cost of Sc is high, unnecessarily excessive doping of Sc is also undesirable in terms of manufacturing costs.

式(1)中、y+zの範囲は0.001<y+z<0.20である。y+zがこの範囲にあるとペロブスカイト型異相がXRD分析で検出されない。更に光学顕微鏡観察で150μm×150μmの視野におけるペロブスカイト型の異相(典型的なサイズが直径1~1.5μmで、薄茶色に着色して見える粒状のもの)の存在量が1個以下になるため好ましい。このときのペロブスカイト型の異相のガーネット母相に対する存在割合は1ppm以下となっている。なお、y+zの範囲が0≦y+z≦0・001の範囲であっても本発明の効果は得られるが、原料の秤量誤差によって異相が発生しやすくなり、その結果歩留まりが低下するため好ましくない。In formula (1), the range of y+z is 0.001<y+z<0.20. When y+z is in this range, the perovskite-type heterophase is not detected by XRD analysis. Furthermore, when observed by optical microscope, the number of perovskite-type heterophases (typically 1-1.5 μm in diameter and granular, light brown in color) in a field of view of 150 μm x 150 μm is preferably one or less. In this case, the ratio of the perovskite-type heterophase to the garnet parent phase is 1 ppm or less. Note that the effect of the present invention can be obtained even if the range of y+z is 0≦y+z≦0.001, but this is not preferable because the heterophase is more likely to occur due to weighing errors in the raw materials, resulting in a decrease in yield.

また、本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスでは、上記焼結体が更に焼結助剤を含むものであることが好ましい。具体的には、焼結助剤としてSiO2を0質量%超0.1質量%以下(0ppm超1,000ppm以下)含有することが好ましい。含有量が0.1質量%(1,000ppm)超では過剰に含まれるSiによる結晶欠陥により微量な光吸収が発生するおそれがある。
なお、上記焼結体におけるチタンの含有量が2,000ppm未満であることが好ましい。
In addition, in the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention, the sintered body preferably further contains a sintering aid. Specifically, it is preferable that the sintering aid contains more than 0 mass% and 0.1 mass% or less (more than 0 ppm and 1,000 ppm or less) of SiO2 . If the content exceeds 0.1 mass% (1,000 ppm), there is a risk of a slight amount of light absorption occurring due to crystal defects caused by the excessive Si contained.
The titanium content in the sintered body is preferably less than 2,000 ppm.

本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスは、Tbの発光を示す。詳しくは、焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上であり、好ましくは500μs以上である。なお、「焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命」の測定方法としては、対象の常磁性ガーネット型透明セラミックスに波長350nmの励起光を照射し、その発光における波長545nmの成分の発光寿命を蛍光分光光度計で測定する。詳しくは、波長545nmの発光成分の発光減衰の時間依存を測定し、これが単一の発光寿命であると仮定して発光開始の発光強度の1/e(約37%)になる時間を上記発光寿命とする。
また、波長350nmの励起光による発光の最強強度が波長500~600nmの間にあることが好ましい。
The paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention exhibits Tb emission. Specifically, the lifetime of the emission derived from the 5D47F5 transition of the Tb(III) ion contained in the sintered body is 346 μs or more, preferably 500 μs or more. The method for measuring the "lifetime of the emission derived from the 5D47F5 transition of the Tb(III ) ion contained in the sintered body " is to irradiate the target paramagnetic garnet-type transparent ceramic with excitation light of 350 nm wavelength, and measure the emission lifetime of the component of the emission with a wavelength of 545 nm with a fluorescence spectrophotometer. Specifically, the time dependence of the emission decay of the emission component with a wavelength of 545 nm is measured, and assuming that this is a single emission lifetime, the emission lifetime is the time at which the emission intensity becomes 1/e (about 37%) of the emission intensity at the start of emission.
It is also preferable that the maximum intensity of the emission emitted by excitation light with a wavelength of 350 nm is between 500 and 600 nm.

また本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスは、波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値が10J/cm2以上であることが好ましい。本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスはファラデー回転子として利用することを想定しているため、パルスレーザーによる損傷を負わない(レーザー損傷耐力を有する)ことが好ましい。その損傷閾値は極力高い方が好ましく、波長λ=1,064nm、パルス幅5nsの場合、10J/cm2以上が好ましく、15J/cm2以上がより好ましい。なお、「波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値が10J/cm2以上である」か否かの判定方法は、対象の常磁性ガーネット型透明セラミックスの任意の複数個所(5か所以上、好ましくは10か所以上)にエネルギー密度10J/cm2の波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー光を照射し、対象の領域を光学(偏光)顕微鏡等で観察して、その領域がすべて損傷を受けていない場合を「レーザー損傷閾値が10J/cm2以上」であるとし、1か所でも損傷を受けている場合を「レーザー損傷閾値が10J/cm2以上」ではないと判定する。 The paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention preferably has a laser damage threshold of 10 J/ cm2 or more at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns. Since the paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is intended to be used as a Faraday rotator, it is preferable that it is not damaged by a pulse laser (has laser damage resistance). The damage threshold is preferably as high as possible, and in the case of a wavelength λ=1,064 nm and a pulse width of 5 ns, it is preferably 10 J/cm2 or more , and more preferably 15 J/cm2 or more . The method for determining whether or not "the laser damage threshold of a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns is 10 J/ cm2 or more" is to irradiate a laser beam having an energy density of 10 J/ cm2 , a wavelength of 1,064 nm, and a pulse width of 5 ns to any multiple locations (five or more, preferably ten or more) of the target paramagnetic garnet-type transparent ceramic, and observe the target area with an optical (polarized) microscope or the like. If the entire area is not damaged, it is determined that the "laser damage threshold is 10 J/ cm2 or more," and if even one location is damaged, it is determined that the "laser damage threshold is not 10 J/ cm2 or more."

ところで、レーザー損傷閾値(LIDT)は、照射レーザー光の波長、パルス幅及びビームスポット径に依存する。そのため、波長1,064nm、波長5ns、照射ビーム径100μm(ガウス分布1/e2強度)でのレーザー損傷試験が実施できない場合は、LIDTのスケーリングを用いて波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値としてもよい。ここで、"Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms"(非特許文献5)によれば、初期条件の波長(λ1)、パルス幅(τ1)、照射ビーム径(φ1)から新たな波長(λ2)、パルス幅(τ2)、照射ビーム径(φ2)へスケーリング(変換)する一般則として、式(S1)を適用することができる。
LIDT(λ2,τ2,φ2)=LIDT(λ1,τ1,φ1)×(λ1/λ2)×(τ2/τ1)1/2×(φ1/φ2)2 (S1)
したがって、下記式(S2)により、波長1,064nm、波長5ns、照射ビーム径100μm(ガウス分布1/e2強度)とは異なる条件の波長(λ1(nm))、パルス幅(τ1(ns))、照射ビーム径(φ1(μm))で測定されたレーザー損傷閾値(LIDT)から波長1,064nm、パルス幅5ns(照射ビーム径100μm)のレーザー損傷閾値を換算することができる。
LIDT(1064,5,100)=LIDT(λ1,τ1,φ1)×(λ1/1064)×(5/τ1)1/2×(φ1/100)2 (S2)
Incidentally, the laser damage threshold (LIDT) depends on the wavelength, pulse width and beam spot diameter of the irradiated laser light. Therefore, if it is not possible to perform a laser damage test with a wavelength of 1,064 nm, a wavelength of 5 ns and an irradiation beam diameter of 100 μm (Gaussian distribution 1/ e2 intensity), the laser damage threshold may be set to a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns by using LIDT scaling. Here, according to "Wavelength Dependence of Laser-Induced Damage: Determining the Damage Initiation Mechanisms" (Non-Patent Document 5), the formula (S1) can be applied as a general rule for scaling (converting) the initial conditions of wavelength (λ1), pulse width (τ1) and irradiation beam diameter (φ1) to new wavelength (λ2), pulse width (τ2) and irradiation beam diameter (φ2).
LIDT (λ2, τ2, φ2) = LIDT (λ1, τ1, φ1) × (λ1/λ2) × (τ2/τ1) 1/2 × (φ1/φ2) 2 (S1)
Therefore, using the following formula (S2), it is possible to convert the laser damage threshold (LIDT) measured under conditions of wavelength (λ1 (nm)), pulse width (τ1 (ns)), and irradiation beam diameter (φ1 (μm)) different from those of wavelength 1,064 nm, wavelength 5 ns, and irradiation beam diameter 100 μm ( Gaussian distribution 1/e2 intensity) to the laser damage threshold of a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns (irradiation beam diameter 100 μm).
LIDT (1064, 5, 100) = LIDT (λ1, τ1, φ1) × (λ1/1064) × (5/τ1) 1/2 × (φ1/100) 2 (S2)

なお、上記式(1)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体である常磁性ガーネット型透明セラミックスにおいて、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命を測定し、その発光寿命が346μs以上であれば、波長1,064nmのレーザー損傷閾値が10J/cm2以上であると判定可能である。 In addition, in a paramagnetic garnet-type transparent ceramic, which is a sintered body of the garnet-type composite oxide represented by the above formula (1), the lifetime of the luminescence originating from the 5D47F5 transition of the Tb(III ) ions contained in the sintered body is measured, and if the luminescence lifetime is 346 μs or more, it can be determined that the laser damage threshold at a wavelength of 1,064 nm is 10 J/ cm2 or more.

また本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスは、後述するように、上記焼結体が、HIP処理され、更に酸化雰囲気でアニール処理されたものであることが好ましい。In addition, as described below, it is preferable that the paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is obtained by subjecting the above-mentioned sintered body to HIP treatment and then annealing treatment in an oxidizing atmosphere.

ここでは、本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスを以下の手順で製造するとよい。
(焼結用原料粉末)
まず、上述した式(1)で表されるガーネット型複合酸化物粉末(セラミックス粉末)を含有する焼結用原料粉末を作製する。
Here, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics of the present invention may be produced by the following procedure.
(raw powder for sintering)
First, a raw powder for sintering containing the garnet-type composite oxide powder (ceramic powder) represented by the above formula (1) is prepared.

本発明で用いる上記ガーネット型複合酸化物の焼結用原料粉末の作製方法は、特に限定されるものではないが、共沈法、粉砕法、噴霧熱分解法、ゾルゲル法、アルコキシド加水分解法、その他あらゆる合成方法を用いてもよい。場合によって、得られた希土類複合酸化物のセラミックス原料を所望の粒径とするために適宜湿式ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、乾式ジェットミル、ハンマーミル等によって処理してもよい。例えば、複数種の酸化物粒子を混ぜて焼成し、イオンの熱拡散によって均一性を生みだす固相反応法や、酸化物粒子を溶解させたイオン含有溶液から水酸化物、炭酸塩などを析出させ、焼成によって酸化物にすることで均一性を生みだす共沈法を用いて焼結用原料粉末とするとよい。The method for producing the raw powder for sintering of the above-mentioned garnet-type complex oxide used in the present invention is not particularly limited, but may be a coprecipitation method, a grinding method, a spray pyrolysis method, a sol-gel method, an alkoxide hydrolysis method, or any other synthesis method. In some cases, the obtained ceramic raw material of rare earth complex oxide may be appropriately processed by a wet ball mill, a bead mill, a jet mill, a dry jet mill, a hammer mill, etc. to obtain a desired particle size. For example, a solid-phase reaction method in which multiple types of oxide particles are mixed and fired to produce uniformity by thermal diffusion of ions, or a coprecipitation method in which hydroxides, carbonates, etc. are precipitated from an ion-containing solution in which oxide particles are dissolved, and then fired to produce oxides, thereby producing uniformity, may be used to produce the raw powder for sintering.

複数種の酸化物粒子を混ぜて焼成し、イオンの熱拡散によって均一性を生みだす固相反応法の場合、出発原料としては、テルビウム、イットリウム、スカンジウム、アルミニウムからなる金属粉末、ないしは前記金属粉末を硝酸、硫酸、尿酸等の水溶液で溶解したもの、あるいは上記元素の酸化物粉末等が好適に利用できる。また、上記原料の純度は99.9質量%以上が好ましく、99.99質量%以上が特に好ましい。それらの出発原料を式(1)に対応する組成となるように所定量秤量し、混合してから焼成して所望の構成の立方晶ガーネット型酸化物を主成分とする焼成原料を得る。このときの焼成温度はガーネット構造にするために950℃以上、かつこの後に行われる焼結温度よりも低い温度が好ましく、1,100℃以上、かつこの後に行われる焼結温度よりも低い温度がより好ましい。焼成時間は1時間以上行えばよく、そのときの昇温速度は100℃/h以上500℃/h以下が好ましい。焼成の雰囲気は、大気、酸素の酸素含有雰囲気が好ましく、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気、水素雰囲気等は不適である。また、焼成装置は縦型マッフル炉、横型管状炉、ロータリーキルン等が例示され、目標の温度に到達及び酸素フローができれば特に限定されない。なお、ここでいう「主成分とする」とは、焼成原料の粉末X線回折結果から得られる主ピークがガーネット構造由来の回折ピークからなることを指す。なお、ペロブスカイト型の異相のガーネット母相に対する存在割合が1ppm以下である場合、実質的に粉末X線回折パターンはガーネット単相パターンしか検知されない。In the case of the solid-phase reaction method in which multiple types of oxide particles are mixed and fired to produce uniformity by thermal diffusion of ions, metal powders consisting of terbium, yttrium, scandium, and aluminum, or the metal powders dissolved in an aqueous solution of nitric acid, sulfuric acid, uric acid, etc., or oxide powders of the above elements can be suitably used as starting materials. The purity of the above raw materials is preferably 99.9% by mass or more, and particularly preferably 99.99% by mass or more. The starting materials are weighed in a predetermined amount so as to have a composition corresponding to formula (1), mixed, and then fired to obtain a fired raw material mainly composed of a cubic garnet-type oxide of the desired composition. The firing temperature at this time is preferably 950°C or more and lower than the sintering temperature to form a garnet structure, and more preferably 1,100°C or more and lower than the sintering temperature to be performed thereafter. The firing time may be 1 hour or more, and the heating rate at this time is preferably 100°C/h or more and 500°C/h or less. The firing atmosphere is preferably air or an oxygen-containing atmosphere, and is not suitable for nitrogen, argon, or hydrogen. The firing apparatus is not particularly limited as long as it can reach the target temperature and oxygen flow. The term "main component" as used herein means that the main peak obtained from the powder X-ray diffraction results of the firing raw material is a diffraction peak derived from the garnet structure. When the ratio of the perovskite-type heterophase to the garnet parent phase is 1 ppm or less, the powder X-ray diffraction pattern will essentially only detect a single garnet phase pattern.

また、焼結用原料粉末は焼結助剤を含むことが好ましい。例えば、上記出発原料と共に焼結助剤としてテトラエトキシシラン(TEOS)をSiO2換算で原料粉末全体(ガーネット型複合酸化物粉末+焼結助剤)において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)添加し、又はSiO2粉末を原料粉末全体(ガーネット型複合酸化物粉末+焼結助剤)において0ppm超1,000ppm以下(0質量%超0.1質量%以下)添加し、混合し焼成して焼成原料とするとよい。添加量が1,000ppm超では過剰に含まれるSiによる結晶欠陥により微量な光吸収が発生するおそれがある。なお、その純度は99.9質量%以上が好ましい。焼結助剤は後述する原料粉末スラリーの調製時に添加してもよい。また、焼結助剤を添加しない場合には、使用する焼結用原料粉末(即ち、上記複合酸化物粉末)についてその一次粒子の粒径がナノサイズであって焼結活性が極めて高いものを選定するとよい。こうした選択は適宜なされてよい。 In addition, the raw powder for sintering preferably contains a sintering aid. For example, tetraethoxysilane (TEOS) is added as a sintering aid together with the above starting raw materials in an amount of more than 0 ppm and not more than 1,000 ppm (more than 0 mass% and not more than 0.1 mass%) in terms of SiO2 in the entire raw powder (garnet-type complex oxide powder + sintering aid), or SiO2 powder is added in an amount of more than 0 ppm and not more than 1,000 ppm (more than 0 mass% and not more than 0.1 mass%) in the entire raw powder (garnet-type complex oxide powder + sintering aid), mixed and fired to obtain a fired raw material. If the amount added exceeds 1,000 ppm, there is a risk of slight light absorption occurring due to crystal defects caused by the excess Si. The purity is preferably 99.9 mass% or more. The sintering aid may be added when preparing the raw powder slurry described later. In addition, when no sintering aid is added, it is advisable to select the raw material powder for sintering (i.e., the above-mentioned composite oxide powder) to be used, which has a nano-sized primary particle size and has extremely high sintering activity. Such a selection may be made appropriately.

次いで、得られた焼成原料を粉砕して焼結用原料粉末とする。粉砕方法は乾式、湿式のどちらでも選択できるが、目的のセラミックスが高度に透明になるように粉砕する必要がある。例えば湿式粉砕の場合、焼成原料をボールミル、ビーズミル、ホモジナイザー、ジェットミル、超音波照射等の各種粉砕(分散)方法によってスラリー化し一次粒子まで粉砕(分散)する。この湿式スラリーの分散媒としては最終的に得られるセラミックスの高度の透明化が可能であれば特に制限されず、例えば炭素数1~4の低級アルコール等のアルコール類、純水が挙げられる。またこの湿式スラリーはその後のセラミックス製造工程での品質安定性や歩留り向上の目的で、各種の有機添加剤が添加される場合がある。本発明においては、これらについても特に限定されない。即ち、各種の分散剤、結合剤、潤滑剤、可塑剤等が好適に利用できる。ただし、これらの有機添加剤としては、不要な金属イオンが含有されない、高純度のタイプを選定することが好ましい。湿式粉砕の場合、最終的にスラリーの分散媒を除去することで焼結用原料粉末とする。Next, the obtained sintered raw material is pulverized to obtain raw material powder for sintering. Either dry or wet pulverization can be used, but pulverization is required to obtain a highly transparent ceramic. For example, in the case of wet pulverization, the sintered raw material is slurried by various pulverization (dispersion) methods such as ball mills, bead mills, homogenizers, jet mills, ultrasonic irradiation, etc., and pulverized (dispersed) to primary particles. The dispersion medium of this wet slurry is not particularly limited as long as it can make the final ceramic highly transparent, and examples of such dispersion medium include alcohols such as lower alcohols with 1 to 4 carbon atoms, and pure water. In addition, various organic additives may be added to this wet slurry for the purpose of improving the quality stability and yield in the subsequent ceramic manufacturing process. In the present invention, these are also not particularly limited. In other words, various dispersants, binders, lubricants, plasticizers, etc. can be suitably used. However, it is preferable to select high-purity types of organic additives that do not contain unnecessary metal ions. In the case of wet pulverization, the dispersion medium of the slurry is finally removed to obtain raw material powder for sintering.

[製造工程]
本発明では、上記焼結用原料粉末を用いて、所定形状にプレス成形した後に脱脂を行い、次いで焼結して、相対密度が最低でも94%以上に徴密化した焼結体を作製する。その後工程として熱間等方圧プレス(HIP)処理を行うことが好ましい。なお熱間等方圧プレス(HIP)処理をそのまま施すと、常磁性ガーネット型透明セラミックスが還元されて若干の酸素欠損を生じてしまう。そのため微酸化HIP処理、ないしはHIP処理後に酸化雰囲気でのアニール処理を施すことにより酸素欠損を回復させることが好ましい。これにより、欠陥吸収のない透明なガーネット型酸化物セラミックスを得ることができる。
[Manufacturing process]
In the present invention, the above-mentioned raw powder for sintering is used to press-mold into a predetermined shape, followed by degreasing and then sintering to produce a sintered body with a relative density of at least 94%. It is preferable to carry out hot isostatic pressing (HIP) as a post-process. If hot isostatic pressing (HIP) is carried out directly, the paramagnetic garnet-type transparent ceramics will be reduced and some oxygen deficiency will occur. Therefore, it is preferable to carry out a slight oxidation HIP process or an annealing process in an oxidizing atmosphere after the HIP process to recover the oxygen deficiency. This makes it possible to obtain a transparent garnet-type oxide ceramics without defect absorption.

(成形)
本発明の製造方法においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧するCIP(Cold Isostatic Pressing)工程やWIP(Warm Isostatic Pressing)工程が好適に利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されないが、例えば市販のCIP装置で対応可能な300MPa以下程度の圧力範囲で管理すると製造コストが抑えられてよい。あるいはまた、成形時に成形工程のみでなく一気に焼結まで実施してしまうホットプレス工程や放電プラズマ焼結工程、マイクロ波加熱工程なども好適に利用できる。更にプレス成形法ではなく、鋳込み成形法による成形体の作製も可能である。加圧鋳込み成形や遠心鋳込み成形、押出し成形等の成形法も、出発原料である酸化物粉末の形状やサイズと各種の有機添加剤との組合せを最適化することで、採用可能である。
(Molding)
In the manufacturing method of the present invention, a normal press molding process can be suitably used. That is, a very common press process in which the material is filled into a mold and pressed from a certain direction, or a cold isostatic pressing (CIP) process or a warm isostatic pressing (WIP) process in which the material is sealed and stored in a deformable waterproof container and pressed with hydrostatic pressure can be suitably used. The applied pressure can be appropriately adjusted while checking the relative density of the resulting molded body, and is not particularly limited. For example, the manufacturing cost can be reduced by managing the pressure within a pressure range of about 300 MPa or less that can be handled by a commercially available CIP device. Alternatively, a hot press process, a discharge plasma sintering process, a microwave heating process, etc., in which not only the molding process but also sintering is performed at once during molding, can also be suitably used. Furthermore, it is possible to produce a molded body by a casting molding method instead of a press molding method. Molding methods such as pressurized casting molding, centrifugal casting molding, and extrusion molding can also be adopted by optimizing the combination of the shape and size of the oxide powder, which is the starting material, and various organic additives.

(脱脂)
本発明の製造方法においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の雰囲気ガスの種類も特に制限はなく、空気、酸素、水素等が好適に利用できる。脱脂温度も特に制限はないが、もしも有機添加剤が混合されている原料を用いる場合には、その有機成分が分解消去できる温度まで昇温することが好ましい。
(Degreasing)
In the manufacturing method of the present invention, a normal debinding process can be suitably used. That is, a heating debinding process using a heating furnace can be used. The type of atmospheric gas used at this time is not particularly limited, and air, oxygen, hydrogen, etc. can be suitably used. There is no particular limit to the debinding temperature, but if a raw material containing an organic additive is used, it is preferable to heat the raw material to a temperature at which the organic component can be decomposed and eliminated.

(焼結)
本発明の製造方法においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。この時の雰囲気は特に制限されず、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス、ヘリウムガス等の各種雰囲気、あるいはまた、減圧下(真空中)での焼結も可能である。ただし、最終的に酸素欠損の発生を防止することが好ましいため、より好ましい雰囲気としては、酸素ガス、減圧酸素ガス雰囲気が例示される。
(Sintering)
In the manufacturing method of the present invention, a general sintering process can be preferably used. That is, a heat sintering process such as a resistance heating method or an induction heating method can be preferably used. The atmosphere at this time is not particularly limited, and sintering can be performed in various atmospheres such as an inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, helium gas, or under reduced pressure (vacuum). However, since it is preferable to prevent the occurrence of oxygen deficiency in the end, more preferable atmospheres include an oxygen gas atmosphere and a reduced pressure oxygen gas atmosphere.

本発明の焼結工程における焼結温度は、1,500~1,780℃が好ましく、1,550~1,750℃が特に好ましい。焼結温度がこの範囲にあると、異相析出を抑制しつつ級密化が促進されるため好ましい。本発明の焼結工程における焼結保持時間は数時間程度で十分だが、焼結体の相対密度は最低でも94%以上に級密化させなければいけない。The sintering temperature in the sintering process of the present invention is preferably 1,500 to 1,780°C, and particularly preferably 1,550 to 1,750°C. Sintering temperatures in this range are preferable because they promote densification while suppressing heterogeneous phase precipitation. A sintering holding time of several hours in the sintering process of the present invention is sufficient, but the relative density of the sintered body must be densified to at least 94%.

(熱間等方圧プレス(HIP))
本発明の製造方法においては、焼結工程を経た後に更に追加で熱間等方圧プレス(HIP(Hot Isostatic Pressing))処理を行う工程を設けることができる。なお、このときの加圧ガス媒体種類は、アルゴン、窒素等の不活性ガス、又はAr-O2が好適に利用できる。加圧ガス媒体により加圧する圧力は、50~300MPaが好ましく、100~300MPaがより好ましい。圧力50MPa未満では透明性改善効果が得られない場合があり、300MPa超では圧力を増加させてもそれ以上の透明性改善が得られず、装置への負荷が過多となり装置を損傷するおそれがある。印加圧力は市販のHIP装置で処理できる196MPa以下であると簡便で好ましい。
(Hot Isostatic Pressing (HIP))
In the manufacturing method of the present invention, a step of performing hot isostatic pressing (HIP) can be additionally provided after the sintering step. In addition, the type of pressurized gas medium at this time can be an inert gas such as argon or nitrogen, or Ar- O2 . The pressure applied by the pressurized gas medium is preferably 50 to 300 MPa, more preferably 100 to 300 MPa. If the pressure is less than 50 MPa, the transparency improvement effect may not be obtained, and if the pressure exceeds 300 MPa, even if the pressure is increased, no further transparency improvement can be obtained, and the load on the device may be excessive, which may damage the device. It is convenient and preferable that the applied pressure is 196 MPa or less, which can be processed with a commercially available HIP device.

また、その際の処理温度(所定保持温度)は1,000~1,780℃、好ましくは1,100~1,730℃の範囲で設定される。処理温度が1,780℃超では酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。また、処理温度が1,000℃未満では焼結体の透明性改善効果がほとんど得られない。なお、処理温度の保持時間については特に制限されないが、あまり長時間保持すると酸素欠損発生リスクが増大するため好ましくない。典型的には1~3時間の範囲で好ましく設定される。なお、HIP処理するヒーター材、断熱材、処理容器は特に制限されないが、グラファイト、ないしはモリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(Pt)が好適に利用でき、処理容器として更に酸化イットリウム、酸化ガドリニウムも好適に利用できる。特に処理温度が1,500℃以下である場合、ヒーター材、断熱材、処理容器として白金(Pt)が使用でき、かつ加圧ガス媒体をAr-O2とすることができるため、HIP処理中の酸素欠損の発生を防止できるため好ましい。処理温度が1,500℃を超える場合にはヒーター材、断熱材としてグラファイトが好ましいが、この場合は処理容器としてグラファイト、モリブデン(Mo)、タングステン(W)のいずれかを選定し、更にその内側に二重容器として酸化イットリウム、酸化ガドリニウムのいずれかを選定したうえで、容器内に酸素放出材を充填しておくと、HIP処理中の酸素欠損発生量を極力少なく抑えられるため好ましい。 The treatment temperature (predetermined holding temperature) is set in the range of 1,000 to 1,780°C, preferably 1,100 to 1,730°C. A treatment temperature of more than 1,780°C is not preferable because the risk of oxygen deficiency increases. A treatment temperature of less than 1,000°C hardly improves the transparency of the sintered body. The holding time of the treatment temperature is not particularly limited, but holding for too long a period of time is not preferable because the risk of oxygen deficiency increases. Typically, it is preferably set in the range of 1 to 3 hours. The heater material, heat insulating material, and treatment container for the HIP treatment are not particularly limited, but graphite, molybdenum (Mo), tungsten (W), and platinum (Pt) can be preferably used, and yttrium oxide and gadolinium oxide can also be preferably used as the treatment container. In particular, when the treatment temperature is 1,500° C. or less, platinum (Pt) can be used as the heater material, heat insulating material, and treatment vessel, and Ar—O 2 can be used as the pressurized gas medium, which is preferable since it prevents the occurrence of oxygen deficiency during HIP treatment. When the treatment temperature exceeds 1,500° C., graphite is preferable as the heater material and heat insulating material, but in this case, it is preferable to select graphite, molybdenum (Mo), or tungsten (W) as the treatment vessel, and further select either yttrium oxide or gadolinium oxide as a double vessel inside it, and fill the vessel with an oxygen release material, since this minimizes the amount of oxygen deficiency during HIP treatment.

(アニール)
本発明の製造方法においては、HIP処理を終えた後に、得られた透明セラミックス焼結体中に酸素欠損が生じてしまい、灰色の外観を呈する場合がある。その場合には、前記HIP処理温度以下、典型的には1,000~1,500℃にて、酸素雰囲気下で酸素アニール処理(酸素欠損回復処理)を施すことが好ましい。この場合の保持時間は特に制限されないが、酸素欠損が回復するのに十分な時間以上で、かつ無駄に長時間処理して電気代を消耗しない時間内で選択されることが好ましい。該酸素アニール処理により、たとえHIP処理工程でかすかに薄灰色の外観を呈してしまった透明セラミックス焼結体であっても、すべて無色透明の欠陥吸収の少ない常磁性ガーネット型透明セラミックスとすることができる。
(Annealing)
In the manufacturing method of the present invention, after the HIP treatment, oxygen deficiency may occur in the obtained transparent ceramic sintered body, resulting in a gray appearance. In that case, it is preferable to perform oxygen annealing treatment (oxygen deficiency recovery treatment) in an oxygen atmosphere at a temperature equal to or lower than the HIP treatment temperature, typically 1,000 to 1,500°C. In this case, the holding time is not particularly limited, but it is preferable to select a time that is sufficient to recover the oxygen deficiency and is within a time that does not consume electricity by performing the treatment for a long time unnecessarily. By the oxygen annealing treatment, even if the transparent ceramic sintered body has a faint light gray appearance in the HIP treatment process, it is possible to turn it into a colorless, transparent paramagnetic garnet-type transparent ceramic with little defect absorption.

(光学研磨)
本発明の製造方法においては、上記一連の製造工程を経た常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、その光学的に利用する軸上にある両端面を光学研磨することが好ましい。このときの光学面精度は測定波長λ=633nmの場合、λ/2以下が好ましく、λ/8以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。
(Optical Polishing)
In the manufacturing method of the present invention, it is preferable to optically polish both end faces on the optically utilized axis of the paramagnetic garnet-type transparent ceramics that has undergone the above-mentioned series of manufacturing steps. In this case, the optical surface accuracy is preferably λ/2 or less, and particularly preferably λ/8 or less, when the measurement wavelength λ is 633 nm. It is also possible to further reduce optical loss by appropriately forming an anti-reflection film on the optically polished surface.

以上のようにして、上記式(1)で表されるテルビウムを含有した常磁性ガーネット型複合酸化物の焼結体であって、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上である常磁性ガーネット型透明セラミックスを提供することができる。また、好ましくは波長1,064nm、パルス幅5nsでのレーザー損傷閾値が10J/cm2以上あるものとすることができる。 In this manner, it is possible to provide a paramagnetic garnet-type transparent ceramic which is a sintered body of a paramagnetic garnet-type composite oxide containing terbium represented by the above formula ( 1), and in which the lifetime of the emission derived from the 5D47F5 transition of the Tb(III ) ion contained in the sintered body is 346 μs or more. In addition, it is possible to provide a laser damage threshold of 10 J/ cm2 or more at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns.

[磁気光学デバイス]
更に、本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスは磁気光学材料として利用することを想定しているため、該常磁性ガーネット型透明セラミックスにその光学軸と平行に磁場を印加したうえで、偏光子、検光子とを互いにその光学軸が45度ずれるようにセットして磁気光学デバイスを構成利用することが好ましい。即ち、本発明の磁気光学材料は、磁気光学デバイス用途に好適であり、特に波長0.9~1.1μmの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
[Magneto-optical devices]
Furthermore, since the paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is intended to be used as a magneto-optical material, it is preferable to apply a magnetic field parallel to the optical axis of the paramagnetic garnet-type transparent ceramic, and then set a polarizer and an analyzer so that their optical axes are shifted by 45 degrees from each other to form a magneto-optical device. That is, the magneto-optical material of the present invention is suitable for use in magneto-optical devices, and is particularly suitable for use as a Faraday rotator in an optical isolator with a wavelength of 0.9 to 1.1 μm.

図1は、本発明の磁気光学材料からなるファラデー回転子を光学素子として有する光学デバイスである光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
図1において、光アイソレータ100は、本発明の磁気光学材料からなるファラデー回転子110を備え、該ファラデー回転子110の前後には、偏光材料である偏光子120及び検光子130が備えられている。また、光アイソレータ100は、光学軸112上に偏光子120、ファラデー回転子110、検光子130の順序で配置され、それらの側面のうちの少なくとも1面に磁石140が載置されていることが好ましい。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an optical isolator, which is an optical device having a Faraday rotator made of the magneto-optical material of the present invention as an optical element.
1, an optical isolator 100 includes a Faraday rotator 110 made of the magneto-optical material of the present invention, and a polarizer 120 and an analyzer 130, which are polarizing materials, are provided in front of and behind the Faraday rotator 110. In the optical isolator 100, the polarizer 120, the Faraday rotator 110, and the analyzer 130 are arranged in this order on an optical axis 112, and it is preferable that a magnet 140 is placed on at least one of the side surfaces of these elements.

また、上記光アイソレータ100は産業用ファイバーレーザー装置に好適に利用できる。即ち、レーザー光源から発したレーザー光の反射光が光源に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。 The optical isolator 100 can also be used effectively in industrial fiber laser devices. That is, it is effective in preventing reflected light from a laser light source returning to the light source, causing oscillation to become unstable.

[常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法]
本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法は、下記式(1’)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体からなる常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命でレーザー損傷耐力を判定することを特徴とするものである。
(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz512 (1’)
(式中、0≦x<0.45、0≦y<0.08、0≦z<0.16である。)
[Method for assessing laser damage resistance of paramagnetic garnet-type transparent ceramics]
The method for determining the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic of the present invention is characterized in that the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic made of a sintered body of a garnet-type composite oxide represented by the following formula (1' ) is determined based on the lifetime of emission derived from the 5D47F5 transition of Tb(III) ions contained in the sintered body.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 (1')
(In the formula, 0≦x<0.45, 0≦y<0.08, and 0≦z<0.16.)

ここで、上記Tb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上であるときに、波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値が10J/cm2以上のレーザー損傷耐力を有すると判定することが好ましい。
式(1’)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体及びその製造方法の詳細は、「0.001<y+z<0.20」の条件を除き、上述した本発明の常磁性ガーネット型透明セラミックス及びその製造方法と同じである。
Here, when the lifetime of the emission derived from the 5D47F5 transition of the Tb(III) ion is 346 μs or more, it is preferable to determine that the laser damage threshold at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns is 10 J/cm2 or more .
The details of the sintered body of the garnet-type composite oxide represented by formula (1') and the method for producing the same are the same as those of the paramagnetic garnet-type transparent ceramics and the method for producing the same of the present invention described above, except for the condition "0.001<y+z<0.20".

以下に、実施例、参考例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, reference examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
実施例1として式(1)中のy=0.004、z=0.03(y+z=0.034)に固定し、xの値を0≦x≦0.396とした場合について示す。
信越化学工業(株)製の酸化イットリウム粉末、酸化テルビウム粉末、酸化スカンジウム粉末、及び大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末を入手した。更にキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)及び関東化学(株)製のポリエチレングリコール200の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.9質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。上記原料を用いて、以下のように混合比率を調整して表1に示す最終組成となる計4種類の原料粉末を作製した。なお、それぞれの原料粉末におけるチタンの含有量は、1ppm未満であった。
[Example 1]
Example 1 shows a case where y in formula (1) is fixed at 0.004, z is fixed at 0.03 (y+z=0.034), and the value of x is set to 0≦x≦0.396.
Yttrium oxide powder, terbium oxide powder, and scandium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., and aluminum oxide powder manufactured by Taimei Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. and polyethylene glycol 200 liquid manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. were obtained. The purity of the powder raw material was 99.9% by mass or more, and the purity of the liquid raw material was 99.999% by mass or more. Using the above raw materials, a total of four types of raw material powders with the final composition shown in Table 1 were prepared by adjusting the mixing ratio as follows. The titanium content in each raw material powder was less than 1 ppm.

(実施例1-1及び比較例1-1用原料)
テルビウム、イットリウム、アルミニウム及びスカンジウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=1.794:1.194:0.162:4.850となるよう秤量した(Tb0.5980.398Sc0.0043(Al0.97Sc0.03512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw materials for Example 1-1 and Comparative Example 1-1)
Terbium, yttrium, aluminum and scandium were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y:Sc:Al=1.794: 1.194 : 0.162 :4.850, respectively , to prepare a mixed powder for (Tb0.598Y0.398Sc0.004)3(Al0.97Sc0.03)5O12 . Next , TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(実施例1-2及び比較例1-2用原料)
テルビウム、イットリウム、アルミニウム及びスカンジウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=2.091:0.897:0.162:4.850となるよう秤量した(Tb0.6970.299Sc0.0043(Al0.97Sc0.03512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw materials for Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2)
Terbium, yttrium, aluminum and scandium were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y:Sc:Al=2.091: 0.897 : 0.162 :4.850, respectively , to prepare a mixed powder for (Tb0.697Y0.299Sc0.004)3(Al0.97Sc0.03)5O12 . Next , TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(実施例1-3及び比較例1-3用原料)
テルビウム、イットリウム、アルミニウム及びスカンジウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=2.391:0.597:0.162:4.850となるよう秤量した(Tb0.7970.199Sc0.0043(Al0.97Sc0.03512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw materials for Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3)
Terbium, yttrium, aluminum and scandium were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y:Sc:Al=2.391: 0.597 : 0.162 :4.850, respectively , to prepare a mixed powder for (Tb0.797Y0.199Sc0.004)3(Al0.97Sc0.03)5O12 . Next , TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(実施例1-4及び比較例1-4用原料)
テルビウム、アルミニウム及びスカンジウムのモル数がそれぞれTb:Sc:Al=2.988:0.162:4.850となるよう秤量した(Tb0.996Sc0.0043(Al0.97Sc0.03512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw materials for Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4)
The mole numbers of terbium, aluminum, and scandium were weighed out to give Tb:Sc:Al=2.988: 0.162 :4.850, respectively, to prepare a mixed powder for ( Tb0.996Sc0.004 ) 3 ( Al0.97Sc0.03 ) 5O12 . Next, TEOS was weighed out as a sintering aid so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , and this was used as a raw material.

次に、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらポリエチレン製のポットに入れ、分散剤としてポリエチレングリコール200を酸化物粉末に対して0.5質量%になるように添加した。それぞれエタノール中でボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。Next, each was placed in a polyethylene pot, taking care to prevent mixing, and polyethylene glycol 200 was added as a dispersant to the oxide powder at 0.5% by mass. Each was dispersed and mixed in ethanol using a ball mill. The processing time was 24 hours. After that, a spray drying process was carried out to produce granular raw materials with an average particle size of 20 μm.

続いて、これらの顆粒状原料をイットリアるつぼに入れ高温マッフル炉にて1,100℃にて保持時間3時間で焼成処理し、それぞれの組成での焼成原料粉末を得た。得られた4種類の粉末原料につき、それぞれ一軸プレス成形、198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を得た。得られた成形体をマッフル炉中で1,000℃、2時間の条件にて脱脂処理した。These granular raw materials were then placed in an yttria crucible and sintered in a high-temperature muffle furnace at 1,100°C for three hours to obtain sintered raw material powders of the respective compositions. The four types of powder raw materials obtained were each subjected to uniaxial press molding and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain CIP compacts. The resulting compacts were then degreased in a muffle furnace at 1,000°C for two hours.

実施例として当該脱脂成形体を酸素雰囲気炉に仕込み、1,730℃で3時間処理して計4種類の焼結体を得た。このとき、サンプルの焼結相対密度はいずれも94%以上であった。得られた各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1,700℃、2時間の条件でHIP処理した。続いてHIP処理した焼結体を再び酸素雰囲気炉に仕込み、1,450℃で6時間の条件でそれぞれ酸化アニール処理を行った。As an example, the degreased molded body was placed in an oxygen atmosphere furnace and treated at 1,730°C for 3 hours to obtain a total of four types of sintered bodies. At this time, the sintered relative density of all samples was 94% or more. Each of the obtained sintered bodies was placed in a carbon heater HIP furnace and HIP-treated under conditions of 200 MPa, 1,700°C, and 2 hours in Ar. The HIP-treated sintered bodies were then placed again in the oxygen atmosphere furnace and subjected to oxidation annealing treatment at 1,450°C for 6 hours.

比較例として当該脱脂成形体を真空炉に仕込み、1,600℃で3時間処理して計4種類の焼結体を得た。このとき、サンプルの焼結相対密度はいずれも94%以上であった。得られた各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1,600℃、3時間の条件でHIP処理した。先行技術文献に従い、HIP処理した焼結体の酸化アニール処理は行わなかった。As a comparative example, the degreased molded body was placed in a vacuum furnace and treated at 1,600°C for three hours to obtain a total of four types of sintered bodies. At this time, the sintered relative density of all samples was 94% or more. Each of the obtained sintered bodies was placed in a HIP furnace made of a carbon heater and HIP-treated under conditions of 200 MPa, 1,600°C, and 3 hours in Ar. In accordance with prior art documents, the HIP-treated sintered bodies were not subjected to oxidation annealing treatment.

こうして得られた各透明セラミックスは直径10mmに円筒研削し、長さ10mmとなるように研削及び研磨処理した。更にそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ/8(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。続いて、上記光学研磨したサンプルについて中心波長が1,064nmとなるように設計された反射防止膜をコートした。Each transparent ceramic thus obtained was cylindrically ground to a diameter of 10 mm, and then ground and polished to a length of 10 mm. Furthermore, both optical end faces of each sample were subjected to final optical polishing with an optical surface precision of λ/8 (when the measurement wavelength λ = 633 nm). Next, the optically polished samples were coated with an anti-reflection film designed to have a central wavelength of 1,064 nm.

以上のようにして得られた各サンプルについて以下のようにして発光寿命測定、レーザー損傷試験を評価した。 Each sample obtained in the above manner was evaluated by measuring the luminescence lifetime and performing laser damage tests as follows.

(発光寿命測定)
発光寿命測定は、モジュール型蛍光分光光度計Fluorolog-3(HORIBA製作所製)を用いて測定した。測定場所は円筒研削した粗面とした。励起光は350nmとし、波長545nmの発光成分について寿命を測定した。励起光を当てると、測定試料は励起状態となり、最低励起状態54を経由してエネルギーを放出しながら基底状態へと戻る。このとき発光が起きる。なお、いずれのサンプルにおいても波長500~600nmの間で最大強度を示す発光が認められた。
このとき、発光強度の時間変化F(t)は下記式で与えられる。
F(t)=F0×exp(-t/τ)
(式中、F0はt=0における発光強度であり、τが発光寿命(μs)である。)
つまり、F(t)=1/eF0(約37%)になる時間が発光寿命となる。
発光寿命τは発光減衰の時間依存を測定し、単一の発光寿命と仮定して上記式を用いて最小二乗法により決定した。
(Luminescence lifetime measurement)
The luminescence lifetime was measured using a modular fluorescence spectrophotometer Fluorolog-3 (manufactured by HORIBA Seisakusho). The measurement location was a cylindrically ground rough surface. The excitation light was 350 nm, and the lifetime was measured for the luminescence component with a wavelength of 545 nm . When the excitation light was applied, the measured sample became excited and returned to the ground state while releasing energy via the lowest excited state 5D4 . At this time, luminescence occurred. Note that luminescence with maximum intensity was observed between wavelengths of 500 and 600 nm in all samples.
In this case, the change in emission intensity over time F(t) is given by the following formula.
F(t)=F 0 ×exp(-t/τ)
(In the formula, F 0 is the emission intensity at t = 0, and τ is the emission lifetime (μs).)
In other words, the time required for F(t) to become 1/eF 0 (approximately 37%) is the emission lifetime.
The luminescence lifetime τ was determined by measuring the time dependence of luminescence decay and by the least squares method using the above formula, assuming a single luminescence lifetime.

(レーザー損傷試験)
レーザー損傷閾値の測定は、波長1,064nm、パルス幅5nsのNd:YAGレーザーを用いて測定した。照射角度を研磨面(サンプルの光学端面)に対して垂直、照射サイズをビーム径100μm(ガウス分布1/e2強度)とし、エネルギー密度が10~11J/cm2となるように照射した。サンプルの光学端面の光学有効領域内で位置を変えながら10ショット照射し、損傷した数を偏光顕微鏡でカウントした。具体的には倍率12.5倍の偏光顕微鏡を用いて光学端面方向から光学有効領域全体のクロスニコル像を観察し、Hv(Horizontal-vertical)光散乱が確認された場合、これがレーザー損傷歪により生じたものであり、その位置でレーザー損傷したものと判定した。なお、レーザー損傷した位置(材料内部、出射端面など)は問わないものとした。
以上の結果を表1にまとめて示す。
(Laser damage test)
The laser damage threshold was measured using a Nd:YAG laser with a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns. The irradiation angle was perpendicular to the polished surface (optical end surface of the sample), the irradiation size was a beam diameter of 100 μm (Gaussian distribution 1/e 2 intensity), and the energy density was 10 to 11 J/cm 2. 10 shots were irradiated while changing the position within the optical effective area of the optical end surface of the sample, and the number of damages was counted with a polarizing microscope. Specifically, a cross-Nicol image of the entire optical effective area was observed from the optical end surface direction using a polarizing microscope with a magnification of 12.5 times, and when Hv (Horizontal-vertical) light scattering was confirmed, it was determined that this was caused by laser damage distortion and that laser damage occurred at that position. Note that the position of the laser damage (inside the material, the exit end surface, etc.) was not important.
The above results are shown in Table 1.

Figure 0007567920000001
Figure 0007567920000001

上記結果から、酸化アニール処理した透明セラミックス(実施例1-1~1-4)の発光寿命は346μsから751μsであった。また、酸化アニール処理をしなかった透明セラミックス(比較例1-1~1-4)の発光寿命は232μsから280μsであった。即ち、酸化アニール処理した透明セラミックスは酸化アニール処理しなかった透明セラミックスと比較して発光寿命が346μs以上と長いことが確認された。なお、酸化アニール処理した透明セラミックス(実施例1-1~1-4)について、xが小さくなるにつれて発光寿命が短くなる傾向はTbイオンの濃度消光によるものと考えられる。また、エネルギー密度10~11J/cm2のレーザー光照射した場合、酸化アニール処理した透明セラミックス(実施例1-1~1-4)のレーザー損傷数は全て0であるのに対して、酸化アニール処理しなかった透明セラミックス(比較例1-1~1-4)の損傷数は全て10であった。即ち、HIP処理後に酸化アニール処理を施すことにより発光寿命が346μs以上と長い透明セラミックスが得られ、レーザー損傷閾値が10J/cm2より高い透明セラミックスが得られることが確認された。 From the above results, the emission lifetime of the oxidatively annealed transparent ceramics (Examples 1-1 to 1-4) was 346 μs to 751 μs. The emission lifetime of the non-oxidatively annealed transparent ceramics (Comparative Examples 1-1 to 1-4) was 232 μs to 280 μs. That is, it was confirmed that the emission lifetime of the oxidatively annealed transparent ceramics was longer than that of the non-oxidatively annealed transparent ceramics, at 346 μs or more. It is considered that the tendency of the emission lifetime to become shorter as x becomes smaller for the oxidatively annealed transparent ceramics (Examples 1-1 to 1-4) is due to the concentration quenching of Tb ions. In addition, when irradiated with a laser beam having an energy density of 10 to 11 J/cm 2 , the number of laser damages of the oxidatively annealed transparent ceramics (Examples 1-1 to 1-4) was 0, whereas the number of damages of the non-oxidatively annealed transparent ceramics (Comparative Examples 1-1 to 1-4) was 10. In other words, it was confirmed that by performing oxidation annealing treatment after HIP treatment, transparent ceramics with a long emission lifetime of 346 μs or more and a laser damage threshold of higher than 10 J/cm 2 can be obtained.

[実施例2]
実施例2として式(1)中のx=0.4に固定し、yの値を0≦y≦0.07、zの値を0≦z≦0.15、y+zの値を0.001<y+z<0.20とした場合について示す。
実施例1と同様に、信越化学工業(株)製の酸化イットリウム粉末、酸化テルビウム粉末、酸化スカンジウム粉末、及び大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末を入手した。更にキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)及び関東化学(株)製のポリエチレングリコール200の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.9質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。上記原料を用いて、以下のように混合比率を調整して表2に示す最終組成となる計3種類の原料粉末を作製した。
[Example 2]
Example 2 shows the case where x in formula (1) is fixed at 0.4, the value of y is 0≦y≦0.07, the value of z is 0≦z≦0.15, and the value of y+z is 0.001<y+z<0.20.
As in Example 1, yttrium oxide powder, terbium oxide powder, and scandium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., and aluminum oxide powder manufactured by Taimei Chemical Co., Ltd. were obtained. In addition, tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. and polyethylene glycol 200 liquid manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. were obtained. The purity of the powder raw materials was 99.9% by mass or more, and the purity of the liquid raw materials was 99.999% by mass or more. Using the above raw materials, a total of three types of raw material powders with the final compositions shown in Table 2 were prepared by adjusting the mixing ratio as follows.

(実施例2-1用原料)
テルビウム、イットリウム、スカンジウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=1.797:1.200:0.008:4.995となるよう秤量した(Tb0.5990.4Sc0.0013(Al0.999Sc0.001512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw material for Example 2-1)
Terbium, yttrium, scandium and aluminum were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y:Sc:Al=1.797: 1.200 : 0.008 :4.995, respectively, to prepare a mixed powder for ( Tb0.599Y0.4Sc0.001 ) 3 ( Al0.999Sc0.001 ) 5O12 . Next, TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(実施例2-2用原料)
テルビウム、イットリウム、スカンジウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=1.68:1.20:0.52:4.60となるよう秤量した(Tb0.560.4Sc0.043(Al0.92Sc0.08512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw material for Example 2-2)
Terbium, yttrium, scandium and aluminum were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y: Sc :Al=1.68: 1.20 : 0.52 :4.60, respectively, to prepare a mixed powder for ( Tb0.56Y0.4Sc0.04 ) 3 ( Al0.92Sc0.08 ) 5O12 . Next, TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(実施例2-3用原料)
テルビウム、イットリウム、スカンジウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれTb:Y:Sc:Al=1.59:1.20:0.86:4.35となるよう秤量した(Tb0.530.4Sc0.073(Al0.87Sc0.13512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw materials for Examples 2-3)
Terbium, yttrium, scandium and aluminum were weighed out so that the mole numbers were Tb:Y: Sc :Al=1.59: 1.20 : 0.86 :4.35, respectively, to prepare a mixed powder for ( Tb0.53Y0.4Sc0.07 ) 3 ( Al0.87Sc0.13 ) 5O12 . Next, TEOS was added as a sintering aid, weighed out so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO2 , to prepare a raw material.

(参考例2-1用原料)
テルビウム、イットリウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれTb:Y:Al=1.8:1.2:5.0となるよう秤量した(Tb0.60.43Al512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw material for Reference Example 2-1)
The mole numbers of terbium, yttrium and aluminum were weighed out so that Tb:Y:Al=1.8:1.2:5.0, respectively, to prepare a mixed powder for (Tb 0.6 Y 0.4 ) 3 Al 5 O 12 . Then, TEOS was added as a sintering aid so that the amount added was 100 ppm in terms of SiO 2 to prepare a raw material.

次に、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらポリエチレン製のポットに入れ、分散剤としてポリエチレングリコール200を酸化物粉末に対して0.5質量%になるように添加した。それぞれエタノール中でボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。Next, each was placed in a polyethylene pot, taking care to prevent mixing, and polyethylene glycol 200 was added as a dispersant to the oxide powder at 0.5% by mass. Each was dispersed and mixed in ethanol using a ball mill. The processing time was 24 hours. After that, a spray drying process was carried out to produce granular raw materials with an average particle size of 20 μm.

続いて、これらの顆粒状原料をイットリアるつぼに入れ高温マッフル炉にて1,100℃にて保持時間3時間で焼成処理し、それぞれの組成での焼成原料粉末を得た。得られた4種類の粉末原料につき、それぞれ一軸プレス成形、198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を得た。得られた成形体をマッフル炉中で1,000℃、2時間の条件にて脱脂処理した。These granular raw materials were then placed in an yttria crucible and sintered in a high-temperature muffle furnace at 1,100°C for three hours to obtain sintered raw material powders of the respective compositions. The four types of powder raw materials obtained were each subjected to uniaxial press molding and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain CIP compacts. The resulting compacts were then degreased in a muffle furnace at 1,000°C for two hours.

当該脱脂成形体を酸素雰囲気炉に仕込み、1,730℃で3時間処理して計4種類の焼結体を得た。このとき、サンプルの焼結相対密度はいずれも94%以上であった。得られた各焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1,700℃、2時間の条件でHIP処理した。続いてHIP処理した焼結体を再び酸素雰囲気炉に仕込み、1,450℃で6時間の条件でそれぞれ酸化アニール処理を行った。The degreased molded body was placed in an oxygen atmosphere furnace and treated at 1,730°C for 3 hours to obtain a total of four types of sintered bodies. At this time, the sintered relative density of all samples was 94% or more. Each of the obtained sintered bodies was placed in a carbon heater HIP furnace and HIP-treated under conditions of 200 MPa, 1,700°C, and 2 hours in Ar. The HIP-treated sintered bodies were then placed again in the oxygen atmosphere furnace and subjected to oxidation annealing treatment at 1,450°C for 6 hours.

こうして得られた各透明セラミックスは直径10mmに円筒研削し、長さ10mmとなるように研削及び研磨処理した。更にそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ/8(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。続いて、上記光学研磨したサンプルについて中心波長が1,064nmとなるように設計された反射防止膜をコートした。Each transparent ceramic thus obtained was cylindrically ground to a diameter of 10 mm, and then ground and polished to a length of 10 mm. Furthermore, both optical end faces of each sample were subjected to final optical polishing with an optical surface precision of λ/8 (when the measurement wavelength λ = 633 nm). Next, the optically polished samples were coated with an anti-reflection film designed to have a central wavelength of 1,064 nm.

以上のようにして得られた各サンプルについて実施例1と同様にして発光寿命測定、レーザー損傷試験を評価した。
以上の結果を表2にまとめて示す。
For each sample thus obtained, the emission lifetime was measured and a laser damage test was performed in the same manner as in Example 1 to evaluate the sample.
The above results are summarized in Table 2.

Figure 0007567920000002
Figure 0007567920000002

上記結果から、実施例2-1~2-3の透明セラミックスの発光寿命は705μsから729μsであった。また、実施例2-1~2-3の透明セラミックスの損傷数は全て0であった。即ち、発光寿命が705μsから729μsの透明セラミックスが得られ、レーザー損傷閾値が10J/cm2より高い透明セラミックスが得られることが確認された。 From the above results, the luminescence lifetime of the transparent ceramics of Examples 2-1 to 2-3 was 705 μs to 729 μs. In addition, the number of damages in all of the transparent ceramics of Examples 2-1 to 2-3 was 0. In other words, it was confirmed that transparent ceramics with luminescence lifetimes of 705 μs to 729 μs and laser damage thresholds of higher than 10 J/ cm2 were obtained.

[実施例3]
実施例3として式(1)中のx=0、y=0、z=0.002(y+z=0.002)とし、使用する波長に吸収を与える常磁性不純物が含まれた場合の効果について示す。常磁性不純物の例として非特許文献1を参考にTiをドープした場合の効果について示す。
信越化学工業(株)製の酸化テルビウム粉末、大明化学(株)製の酸化アルミニウム粉末及び(株)高純度化学研究所製の酸化チタン粉末を入手した。更にキシダ化学(株)製のオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)及び関東化学(株)製のポリエチレングリコール200の液体を入手した。純度は粉末原料がいずれも99.9質量%以上、液体原料が99.999質量%以上であった。上記原料を用いて、以下のように混合比率を調整して表3に示す最終組成となる計2種類の原料粉末を作製した。
[Example 3]
In Example 3, x=0, y=0, z=0.002 (y+z=0.002) in formula (1) are used, and the effect of including paramagnetic impurities that absorb the wavelength to be used is shown. As an example of paramagnetic impurities, the effect of doping with Ti is shown with reference to Non-Patent Document 1.
Terbium oxide powder manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., aluminum oxide powder manufactured by Taimei Chemical Co., Ltd., and titanium oxide powder manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. were obtained. In addition, tetraethyl orthosilicate (TEOS) manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd. and polyethylene glycol 200 liquid manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. were obtained. The purity of the powder raw materials was 99.9% by mass or more, and the purity of the liquid raw materials was 99.999% by mass or more. Using the above raw materials, a total of two types of raw material powders with the final composition shown in Table 3 were prepared by adjusting the mixing ratio as follows.

(実施例3-1用原料)
テルビウム、スカンジウム及びアルミニウムのモル数がそれぞれTb:Sc:Al=3:0.01:4.99となるよう秤量したTb3(Al0.998Sc0.002512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。
(Raw material for Example 3-1)
A mixed powder for Tb3 ( Al0.998Sc0.002 ) 5O12 was prepared by weighing out the moles of terbium, scandium, and aluminum to be Tb:Sc:Al=3:0.01: 4.99 , respectively. Next, TEOS was added as a sintering aid in an amount of 100 ppm calculated as SiO2 , to prepare a raw material.

(比較例3-1及び比較例3-2用原料)
非特許文献1を参考にテルビウム、スカンジウム、アルミニウム及びチタンのモル数がそれぞれTb:Sc:Al:Ti=3:0.01:4.95:0.04となるよう秤量したTb3(Al0.990Sc0.002Ti0.008512用混合粉末を用意した。続いて焼結助剤としてTEOSを、その添加量がSiO2換算で100ppmになるように秤量して加え、原料とした。このときのチタンの含有量は2.4×103ppmである。
(Raw materials for Comparative Example 3-1 and Comparative Example 3-2)
With reference to Non-Patent Document 1 , a mixed powder for Tb3 ( Al0.990Sc0.002Ti0.008 )5O12 was prepared by weighing out the moles of terbium, scandium, aluminum and titanium in the ratio Tb:Sc:Al:Ti=3:0.01:4.95: 0.04 . Then, TEOS was added as a sintering aid in an amount of 100 ppm calculated as SiO2 , to prepare a raw material. The titanium content at this time was 2.4 x 103 ppm .

次に、それぞれ互いの混入を防止するよう注意しながらポリエチレン製のポットに入れ、分散剤としてポリエチレングリコール200を酸化物粉末に対して0.5質量%になるように添加した。それぞれエタノール中でボールミル装置にて分散・混合処理した。処理時間は24時間であった。その後スプレードライ処理を行って、いずれも平均粒径が20μmの顆粒状原料を作製した。Next, each was placed in a polyethylene pot, taking care to prevent mixing, and polyethylene glycol 200 was added as a dispersant to the oxide powder at 0.5% by mass. Each was dispersed and mixed in ethanol using a ball mill. The processing time was 24 hours. After that, a spray drying process was carried out to produce granular raw materials with an average particle size of 20 μm.

続いて、これらの顆粒状原料をイットリアるつぼに入れ高温マッフル炉にて1,100℃にて保持時間3時間で焼成処理し、それぞれの組成での焼成原料粉末を得た。得られた2種類の粉末原料につき、それぞれ一軸プレス成形、198MPaの圧力での静水圧プレス処理を施してCIP成形体を得た。得られた成形体をマッフル炉中で1,000℃、2時間の条件にて脱脂処理した。These granular raw materials were then placed in an yttria crucible and sintered in a high-temperature muffle furnace at 1,100°C for three hours to obtain sintered raw material powders with the respective compositions. The two types of powder raw materials obtained were each subjected to uniaxial press molding and isostatic pressing at a pressure of 198 MPa to obtain CIP compacts. The obtained compacts were degreased in a muffle furnace at 1,000°C for two hours.

実施例としてTb3(Al0.998Sc0.002512の脱脂成形体を酸素雰囲気炉に仕込み、1,650℃で3時間処理して焼結体を得た。このとき、サンプルの焼結相対密度は98%であった。得られた焼結体をカーボンヒーター製HIP炉に仕込み、Ar中、200MPa、1,650℃、2時間の条件でHIP処理した。続いてHIP処理した焼結体を再び酸素雰囲気炉に仕込み、1,450℃で6時間の条件で酸化アニール処理を行ったものを実施例3-1とした。 As an example, a degreased molded body of Tb3(Al0.998Sc0.002)5O12 was placed in an oxygen atmosphere furnace and treated at 1,650°C for 3 hours to obtain a sintered body. At this time, the sintered relative density of the sample was 98 %. The obtained sintered body was placed in a carbon heater HIP furnace and HIP-treated under conditions of 200 MPa, 1,650°C, and 2 hours in Ar. The HIP-treated sintered body was then placed again in an oxygen atmosphere furnace and subjected to oxidation annealing treatment at 1,450°C for 6 hours, which was designated as Example 3-1.

非特許文献1を参考に、比較例としてTb3(Al0.990Sc0.002Ti0.008512の脱脂成形体を真空炉に仕込み、1,600℃で8時間処理して焼結体を得た。このとき、サンプルの焼結相対密度はいずれも99%以上であった。外観は透光性があり、色は茶色を呈していた。真空焼結後に酸化アニール処理を行わないものを比較例3-1とした。 Referring to Non-Patent Document 1 , a degreased molded body of Tb3(Al0.990Sc0.002Ti0.008)5O12 was placed in a vacuum furnace and sintered at 1,600°C for 8 hours to obtain a sintered body as a comparative example. The sintered relative density of each sample was 99% or more. The external appearance was translucent and brown in color. Comparative Example 3-1 was a sample that was not subjected to oxidation annealing treatment after vacuum sintering.

続いて真空焼結体を酸素雰囲気炉に仕込み、1,450℃で6時間の条件で酸化アニール処理を行ったものを比較例3-2とした。外観は透光性があり、色は茶色を呈していた。The vacuum sintered body was then placed in an oxygen atmosphere furnace and subjected to oxidation annealing treatment at 1,450°C for 6 hours, resulting in Comparative Example 3-2. The appearance was translucent and the color was brown.

こうして得られた各透明セラミックスは直径10mmに円筒研削し、長さ10mmとなるように研削及び研磨処理した。更にそれぞれのサンプルの光学両端面を光学面精度λ/8(測定波長λ=633nmの場合)で最終光学研磨した。続いて、上記光学研磨したサンプルについて中心波長が1,064nmとなるように設計された反射防止膜をコートした。Each transparent ceramic thus obtained was cylindrically ground to a diameter of 10 mm, and then ground and polished to a length of 10 mm. Furthermore, both optical end faces of each sample were subjected to final optical polishing with an optical surface precision of λ/8 (when the measurement wavelength λ = 633 nm). Next, the optically polished samples were coated with an anti-reflection film designed to have a central wavelength of 1,064 nm.

以上のようにして得られた各サンプルについて実施例1と同様にして発光寿命測定、レーザー損傷試験を評価した。
以上の結果を表3にまとめて示す。
For each sample thus obtained, the emission lifetime was measured and a laser damage test was performed in the same manner as in Example 1 to evaluate the sample.
The above results are summarized in Table 3.

Figure 0007567920000003
Figure 0007567920000003

上記結果から、チタンをドープしてない透明セラミックス(実施例3-1)の発光寿命は374μsであった。また、チタンをドープした透明セラミックス(比較例3-1、3-2)の発光寿命は198μs及び234μsであった。即ち、チタンをドープすると酸化アニール処理の有無にかかわらずチタンをドープしなかった透明セラミックスと比較して発光寿命が短いことが確認された。また、エネルギー密度10~11J/cm2のレーザー光照射した場合、チタンをドープしなかった透明セラミックス(実施例3-1)のレーザー損傷数は0であるのに対して、チタンをドープした透明セラミックス(比較例3-1、3-2)のレーザー損傷数はいずれも10であった。言い換えれば、酸化アニール処理の有無にかかわらず発光寿命が234μs未満の透明セラミックスはレーザー損傷閾値が10J/cm2未満であることが確認された。 From the above results, the emission lifetime of the transparent ceramics not doped with titanium (Example 3-1) was 374 μs. The emission lifetimes of the transparent ceramics doped with titanium (Comparative Examples 3-1 and 3-2) were 198 μs and 234 μs. That is, it was confirmed that the emission lifetime of the titanium-doped transparent ceramics was shorter than that of the titanium-doped transparent ceramics regardless of the presence or absence of oxidation annealing treatment. In addition, when irradiated with a laser beam having an energy density of 10 to 11 J/cm 2 , the number of laser damages of the titanium-doped transparent ceramics (Example 3-1) was 0, whereas the number of laser damages of the titanium-doped transparent ceramics (Comparative Examples 3-1 and 3-2) was 10. In other words, it was confirmed that the transparent ceramics with an emission lifetime of less than 234 μs had a laser damage threshold of less than 10 J/cm 2 regardless of the presence or absence of oxidation annealing treatment.

なお、これまで本発明を、上記実施形態をもって説明してきたが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。Although the present invention has been described above using the above embodiments, the present invention is not limited to these embodiments and can be modified, such as by other embodiments, additions, changes, deletions, etc., within the scope of what a person skilled in the art can conceive. As long as the effects of the present invention are achieved in any form, it is within the scope of the present invention.

100 光アイソレータ
110 ファラデー回転子
112 光学軸
120 偏光子
130 検光子
140 磁石
150 筐体
100 Optical isolator 110 Faraday rotator 112 Optical axis 120 Polarizer 130 Analyzer 140 Magnet 150 Housing

Claims (5)

下記式(1’)で表されるガーネット型複合酸化物の焼結体からなる常磁性ガーネット型透明セラミックスについて、該焼結体に含まれるTb(III)イオンの5475遷移に由来する発光の寿命が346μs以上であるときに、波長1,064nm、パルス幅5nsのレーザー損傷閾値が10J/cm 2 以上のレーザー損傷耐力を有すると判定することを特徴とする常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法
(Tb1-x-yxScy3(Al1-zScz5121’
(式中、0≦x<0.45、0≦y<0.08、0≦z<0.16である。)
A method for judging the laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic comprising a sintered body of a garnet-type composite oxide represented by the following formula ( 1' ) , characterized in that when the lifetime of light emission derived from the 5D47F5 transition of Tb(III) ions contained in the sintered body is 346 μs or longer, the method judges that the paramagnetic garnet-type transparent ceramic has a laser damage threshold of 10 J/cm2 or more at a wavelength of 1,064 nm and a pulse width of 5 ns.
(Tb 1-xy Y x Sc y ) 3 (Al 1-z Sc z ) 5 O 12 ( 1' )
(Wherein, 0≦x<0.45, 0≦y<0.08, and 0≦z< 0.16 .)
波長350nmの励起光による発光の最強強度が波長500~600nmの間にある請求項1に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法 2. The method for judging laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to claim 1 , wherein the maximum intensity of light emitted by excitation light having a wavelength of 350 nm is between 500 and 600 nm. 上記焼結体が更に焼結助剤を含むものである請求項1又は2に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法 3. The method for evaluating laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to claim 1, wherein the sintered body further contains a sintering aid. 上記焼結体は、HIP処理され、更に酸化雰囲気でアニール処理されたものである請求項1~のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法 4. The method for evaluating laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to claim 1, wherein the sintered body is subjected to HIP treatment and further annealing treatment in an oxidizing atmosphere. 上記焼結体におけるチタンの含有量が2,000ppm未満である請求項1~のいずれか1項に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスのレーザー損傷耐力判定方法 5. The method for determining laser damage resistance of a paramagnetic garnet-type transparent ceramic according to claim 1, wherein the titanium content in the sintered body is less than 2,000 ppm.
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