JP7749233B2 - Ｔｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、新規なＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス及びその製造方法に関する。

１μｍ帯～可視域で偏光（ファラデー回転）できる最も有望な材料は、Ｔｂを含むガーネットである。この中でもＴＧＧ（Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）で比較的大型の材料が作製できることから、ファラデー効果を有する素子として利用することができる。

特に、上記材料の１μｍ域でのベルデ定数は３６ｒａｄＴ^－１ｍ^－１と比較的大きく、１Ｔの磁場下かつ媒質長が２０ｍｍのときの挿入損失も０．１～０．２ｄＢ程度以下と小さく、加工用ファイバーレーザーのアイソレータとしても利用可能であることから、近年の主流の材料となっている。

１９９５年には、粒界の存在するセラミックス（多結晶）でも、単結晶に近い性能を付与できることが証明されている。ＴＧＧセラミックスに関しても、比較的光学ロスの小さな材料が報告されている（非特許文献１）が、可視域以下の短波長領域で単結晶に劣る欠点があり、このためレーザー損傷閾値がやや低い欠点も有している。

ＴＧＧを越える性能をもつ材料として、ＴＡＧ（Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）単結晶（非特許文献２，３）が有望であるが、この材料は状態図上の問題からＣＺ法では製造できず、フローティングゾーン法（ＦＺ法）に依存するので小型の結晶しか合成できない。また、ＦＺ法では、結晶サイズの問題とともに高品質材料の製造も困難であり、同単結晶を工業材料として応用することは不可能である。

この問題を解決するため、セラミックス技術を用い、かつ、ＳｉＯ_２（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）の分解により得られるＳｉＯ_２）単独、あるいはＴＥＯＳ＋ＭｇＯを焼結助剤として用いた透明体の合成が提案されている（非特許文献４，６）。

非特許文献４ではＴＥＯＳを添加することで透明なＴＡＧセラミックスを合成したことが報告されているが、材料の組織構造は非常に不均一で材料内部に多くのボイド又は不純物相が析出しており、厚さ２．４ｍｍのサンプルの透過率が１５～７０％と極めて低いのでファラデー素子としては不向きである。

非特許文献６では、焼結助剤としてＴＥＯＳ及びＭｇＯが用いられているが、試料（厚さ１．５ｍｍ）の透過率は７０～８０％程度であり、この論文に記載された光学ロスは実用レベルの数百～数千倍も大きいので光学用途としては不適である。

他方、焼結助剤として少量のＴＥＯＳ（ＳｉＯ_２）を添加することにより（Ｔｂ_ｘＹ_１－ｘ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ｘ＝０．５～１．０）セラミックスで初めて単結晶ＴＧＧの基本特性に匹敵する光学特性のセラミックスが得られている（非特許文献５）。当該材料のベルデ定数はガーネット中のＴｂ濃度の増加により変化し、ｘ＝１．００（すなわちＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２組成）の波長１０６４ｎｍに対するベルデ定数は６０ｒａｄＴ^－１ｍ^－１となり、優れた特性が発揮される。より高いベルデ定数をもつ材料は、アイソレータデバイスを構成するマグネット容量を小さくできるメリットがある。

特許文献１又は特許文献２（以下、両者をまとめて「特許文献１等」という。）では、Ｒｅ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（Ｒｅは原子番号６５～７１の元素）で表されるセラミック材料において、焼結助剤としてＳｉ及びＹ、あるいは焼結助剤としてＳｉ及びＬｕを添加することでファラデー素子を合成している。特許文献１等では、非特許文献５と同様、アイソレータに必要とされる光学特性に至っているが、Ｓｉが焼結助剤であるのでレーザー照射時の熱発生を保証できない。なお、特許文献１等では、焼結助剤としてＳｉ及びＹ、あるいは焼結助剤としてＳｉ及びＬｕを添加すると記載されているものの、両者はＲｅ_３Ａｌ_５Ｏ_１２のＲｅサイトを構成する原子そのものであり、焼結助剤として挙動するものとはいえず、実質的にはＳｉのみが焼結助剤となる。

ファラデー素子においては、挿入損失（材料に磁場をかけかつ媒質内を通過するレーザー光を偏光させたときの光学ロス）が低く、かつ、消光比が大きいことが重要であるが、熱発生を抑制できることが実用上さらに重要となる。なぜなら、ファラデー素子を使うアイソレータデバイスはレーザーの戻り波をシャットダウンさせる機能が目的であるが、ファラデー素子を通過するレーザー光は一定量のパワーを持っている。レーザーパワーが上昇するにつれて、材料内部で発熱が起こり、この熱により熱レンズ効果又は熱複屈折が生じるため、出射したレーザーの性能が変化し、ビーム品質の低下、焦点距離の変動等の問題が起こり、加工用レーザーとしての機能を失うことになる。

ここに、熱レンズ効果とは、前記の理由による熱発生により媒質内部に温度分布、換言すれば屈折率分布が発生してビーム品質の低下とともに焦点距離が変動する現象をいう。また、熱複屈折とは、レーザーの熱発生により媒質中に複屈折が発生すること（熱発生のない立方晶系材料中では基本的に存在し難い）であり、これにより材料の消光比が低下してレーザーのシャットダウン能力が低下する。

ＴＧＧ単結晶の光学ロスは０．２％／ｃｍ程度であるが、これは散乱だけでなく母材の吸収も含めた数値である。母材内部でのレーザー光の吸収及び発熱が起これば、材料の温度上昇に伴う屈折率の変動ｄｎ／ｄＴ＝１．８×１０^－５Ｋと大きくなるため、容易に熱レンズ効果が発生してしまう。光ファイバーを伝送源とする通信用光源は波長１．５μｍであり、パワーレベルが数十ｍＷクラスであるので、アイソレータの熱発生は極めて軽微で実用上問題はない。

これに対し、可視～１μｍ帯で使用するファイバーレーザー又は結晶材料を発振源とする一般の固体レーザーは出力が高く、ｋＷクラスに達するものがある。このようなファイバー又は固体レーザー用のアイソレータでの熱発生はアイソレータの生命線である消光比を低下させる（すなわち、熱複屈折によりレーザー光のシャットダウン能力を極度に低下させる）。しかも、媒質内部が温度分布を持つことによる不均一な屈折率分はレーザー光の集光スポットを変動させる。その結果、レーザー応用上深刻な問題が起こる。

例えば、前述したＴＧＧ単結晶に加工用途のファイバーレーザーから出射した５０Ｗ程度以上のレーザーを照射すると顕著な熱レンズ効果を生じ、加工困難となる不具合を生じる。特許文献１等又は非特許文献５に記載されたセラミック材料はベルデ定数がやや大きいアドバンテージとともにＴＧＧ単結晶と同等程度の光学特性を有するが、熱発生の問題については根本的に解決できていない。

この理由は、明確でないが、以下の作用機序によるものと考えられる。添加したＳｉ（Ｓｉ^４＋）が焼結過程で希土類・アルミニウム・ガーネットの４配位サイトに位置するＡｌ^３＋と置換するが、価数の違いにより陽イオン欠陥を形成する。この陽イオン欠陥がレーザー光を吸収することにより熱発生を生じ、前記熱複屈折又は熱レンズ効果の原因になると考えられる。

米国特許 No. 10,494,307 国際公開WO2017/33618

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このように、ＴＧＧセラミックス等においては、特にファイバーレーザーの高出力化による熱レンズ効果、熱複屈折等の問題を低減させる新たな要求があるが、そのような問題を解決できる有望な材料が未だ提供されるに至っていない。

従って、本発明の主な目的は、アイソレータに用いられているＴＧＧ単結晶と同程度のベルデ定数を有し、ＴＧＧ単結晶と同等又はそれ以上の挿入損失と消光比をもち、さらにはハイパワーレーザー適用時に熱発生が少なく、熱レンズ効果又は熱複屈折を起こし難いＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックスを提供することにある。

本発明者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の製造方法により得られた材料が特異な構造を有するがゆえに上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス及びその製造方法に係る。
１． 組成式（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）で表わされるガーネット型多結晶体を含み、かつ、Ｃａ及びＭｇの少なくとも１種とＳｉとを含むことを特徴とするＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
２． Ｓｉ、Ｃａ及びＭｇの含有量（酸化物換算値）が、ＳｉＯ_２として５０～５００重量ｐｐｍであり、かつ、ＣａＯ及びＭｇＯとしての合計含有量が１００～２０００重量ｐｐｍである、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
３． Ｓｉ、Ｃａ及びＭｇの重量比率（酸化物換算値）［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ_２］が１以上である、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
４． 平均結晶粒径が１～３０μｍの範囲である、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
５． 相対密度が９９．９９９％以上である、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
６． 前記ガーネット型多結晶体以外の結晶相及び非晶質相が実質的に検出されない、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
７． 波長λｎｍ（但し、１２００≧λ≧５５０）の光が４５度のファラデー回転を起こす厚さｔにおいて、前記光に対する挿入損失が０．２ｄＢ以下であり、かつ、消光比が３０ｄＢ以上である、前記項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
８． Ｔｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを製造する方法であって、
（１）（１－１）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるテルビウム酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるアルミニウム酸化物、（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｄ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料又は
（１－２）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下である（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料
をアルコール中で湿式混合することにより混合物を得る工程、
（２）前記混合物をプレス成形することにより圧粉体を得る工程、
（３）前記圧粉体を温度１４５０～１６００℃で予備焼結することにより相対密度９５～９９％の予備焼結体を得る工程、
（４）前記予備焼結体を温度１５００～１６８０℃かつ圧力４９～１９６ＭＰａにてＨＩＰ処理する工程、及び
（５）前記ＨＩＰ処理で得られた焼結体を１２００～１５００℃でアニールする工程
を含むことを特徴するＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスの製造方法。
９． テルビウム酸化物としてＴｂ_２Ｏ_３を用いる、前記項８に記載の製造方法。
１０． 前記項１～７のいずれかに記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを含むファラデー素子。
１１． 前記項１０に記載のファラデー素子を含む光アイソレータデバイス。

本発明によれば、アイソレータに用いられているＴＧＧ単結晶と同程度のベルデ定数を有し、ＴＧＧ単結晶と同等又はそれ以上の挿入損失と消光比をもち、さらにはハイパワーレーザー適用時に熱発生が少なく、熱レンズ効果又は熱複屈折を起こし難いＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックスを提供することができる。

本発明によって、可視～近赤外領域における高出力レーザー用の高性能ファラデー素子が提供できる。その結果、ＴＧＧ単結晶では実現できない、高出力領域で防御性能に優れたアイソレータを提供することも可能となる。もちろん、本発明セラミックスによるファラデー素子は、これまでの比較的低いパワーのレーザーにも適用できることは言うまでもない。

Ｔｂ濃度が６５％以上の本発明の材料はベルデ定数がＴＧＧ単結晶と同等以上であることから、媒質長を短く、或いは使用するマグネットを最大４０％程度減少できるので、ダウンサイジング可能なアイソレータデバイスの製造が可能となり、小型化はマーケット拡大のトリガーとなり得る。

また、本発明セラミックスは、ＴＧＧ単結晶のような吸収はないので、基本性能はＴＧＧよりハイパワー用途に適している。特許文献１等又は非特許文献５に記載されたＳｉＯ_２の添加により、挿入損失は０．１ｄＢ程度と低く、消光比も低いものが得られているが、これはあくまでも基本特性を測定する１０ｍＷ程度かつ波長１μｍのレーザーで測定されたものである。Ｔｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスにＳｉＯ_２を添加するとＳｉ^４＋イオンは最終的にガーネット構造中のＡｌ^３＋イオンと置換することになり、陽イオン欠陥を形成する。欠陥構造を持つＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックスにレーザー光を照射するとＴＧＧより改善はされるものの、やはり発熱を起こし、熱レンズ効果又は熱複屈折を生じる。本発明においては、ＳｉＯ_２のみの添加ではファラデー素子の総合特性においては不十分であるとの知見に基づき、その他の特定の元素を組み合わせて加えることで熱発生を効果的に抑制できることを見出し、その結果として低～高パワーレーザーに最適な材料を提供することに成功したものである。

このように、本発明の透明セラミックスは、従来のＣＺ法で得られるＴＧＧ単結晶に匹敵又は凌駕する低挿入損失を有し、かつ、従来技術では実現困難とされていた高い消光比を発揮することができる。また、最大の特徴はハイパワーにも対応可能であり、産業にも応用可能な特性を発揮することができる。

また、本発明の製造方法は、特定の条件が設定されているほかは、基本的にはセラミックスの製造方法に準じた方法で実施することができるので、これまでＦＺ法では作製困難とされていた大型サイズの媒質も作製できるほか、量産性も有していることから、工業的規模での製造に適している。

図１（ａ－１）は、本発明セラミックス（化学量論組成）の反射顕微鏡写真を示す。図１（ａ－２）は、Ａｌ_２Ｏ_３リッチ組成のセラミックスの反射顕微鏡写真を示す。図１（ｂ－１）は、本発明セラミックスの透過型偏光顕微鏡写真を示す。図１（ｂ－２）は、Ｒｅ_２Ｏ_３リッチ組成のセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真を示す。図１（ｂ－３）は、平均径１μｍの残留気孔もつセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真を示す。図１（ｂ－４）は、数～１０μｍの残留気孔をもつセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真を示す。図１（ｂ－５）は、製造時の不均一性によりインクリュージョンの残存するセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真を示す。 図２（ａ）は、 粒界相が存在するセラミックスを示す。図２（ｂ）は、クリーンな粒界を有するセラミックスを示す。（いずれも（Ｔｂ_０．８０Ｙ_０．２０）_３Ａｌ_５Ｏ_１２）組成のセラミックスを２０万倍で透過型電子顕微鏡にて観察） 磁気光学特性を評価する方法を示す概略図である。この測定では、長さ２０ｍｍのＴＧＧ単結晶と、長さ１３ｍｍのＴＡＧ（Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）セラミックスを用いた。 ＴＧＧ単結晶及び（Ｔｂ_０．６５Ｙ_０．３５）_３Ａｌ_５Ｏ_１２セラミックスの磁気光学特性を示す。１Ｔの磁場下で材料中にレーザー光を照射し、出力側偏光子の回転角度に対して透過損失を測定することで、挿入損失と消光比の値が得られる。 ファラデー素子を搭載したアイソレータデバイスの概略図を示す。ファラデー素子の周りに永久磁石（Ｎｄ－ＦｅＢ）を配置し、レーザーの入力側と出力側に偏光子とアパーチャーがあり、デバイスは金属製となっている。

１．Ｔｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス
本発明のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス（本発明セラミックス）は、組成式（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）で表わされるガーネット型多結晶体を含み、かつ、Ｃａ及びＭｇの少なくとも１種とＳｉとを含むことを特徴とする。

本発明セラミックスは、基本組成として、組成式（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）で示される組成を有する。Ｒｅ及び／又はＳｃで置換されている組成は、ａ）０．５≦ｘ＜１、０．６≦ｙ＜１、ｂ）０．５≦ｘ≦１、０．６≦ｙ＜１、ｃ）０．５≦ｘ＜１、０．６≦ｙ≦１のいずれかの組み合わせがある。なお、上記ｘは、例えばｘ＝０．９９～０．５と設定することもできる。また、上記ｙは、例えばｙ＝０．９９～０．６と設定することもできる。

可視～近赤外域においてランタニド希土類元素で最大のファラデー効果を示す元素はＴｂである。このため、Ｔｂには劣るが同様にファラデー効果を示すＤｙ,Ｈｏ等は指定波長領域で多くのかつ強力な光吸収帯をもつので、特に本発明ではＴｂのみをファラデー効果を示す元素に限定するものである。

ガーネット構造を形成するために、Ｄｙ，Ｈｏ等のように吸収帯が存在せず、イオン半径がＴｂより小さく安定的なＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを形成できる他のランタニド元素として、Ｙ又はＬｕのみが選択される。材料のベルデ定数の観点ではＴｂが１００％（ｘ＝１）であるＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２が最も好ましいが、Ｔｂのイオン半径が希土類（Ｔｂ：１００％）・アルミニウム・ガーネット構造を形成できる最大サイズであるため、本発明セラミックスはやや不安定となることがある。このことが、Ｔｂよりイオン半径が小さく吸収帯のないＹ、Ｌｕ及びＳｃがガーネット構造の希土類の一部に適用される理由となる。また、Ｓｃを添加した場合もＴＡＧより安定となり、可視～１．５μｍ域で吸収がないことが選定理由に挙げられる。

本発明セラミックスは、Ｃａ及びＭｇの少なくとも１種とＳｉとを含む（以下、これらをまとめて「添加剤」ともいう。）。このような添加剤の特定の組み合わせを採用することにより、高出力動作で極めて熱発生の少ないセラミック素子を提供することができる。

Ｓｉは、本発明セラミックスの透明化に必要な元素であるが、当該元素を単純に添加するだけでは透明化と同時に粒成長が促進されるので、散乱源である残留気孔も増大してしまう。同時に、格子欠陥の形成に伴い、照射されたレーザーエネルギーの吸収及び熱発生も併発される。これに対し、本発明ではＣａ及びＭｇの少なくとも１種とＳｉとを併用することによって、上記のような残留気孔又は熱発生の弊害を効果的に抑制ないしは防止することができる。

これらの添加剤に関し、特許文献１等及び非特許文献５では、アイソレータに必要とされる光学特性に至っているものの、実質的にＳｉのみが添加剤として使用されているだけであるので熱発生を抑制できない。本発明では、材料の透明化に有効なＳｉとともに、材料の組織構造を均一化し、より光学特性を高めると同時に熱発生を抑制できるＭｇ及び／又はＣａを併用することが重要であることを見出したところに根本的な違いがある。本発明の焼結助剤は、基本的に焼結過程においてＴｂ含有希土類・アルミニウム・ガーネットセラミックスの格子中に置換されるので光散乱源とはならないため、極めて小さな挿入損失を示す。従って、本発明では、例えば添加剤としてＳｉとＹ又はＬｕとの組み合わせを含まないことが好ましい。

添加剤の含有量は、限定的ではなく、例えば上記組成式に示される組成、所望の物性等に応じて適宜設定できるが、通常は酸化物換算で以下のように設定することが望ましい。Ｓｉは、ＳｉＯ_２含有量として５０～５００重量ｐｐｍであり、特に１００～５００重量ｐｐｍであることが望ましい。また、Ｃａ及びＭｇは、ＣａＯ及びＭｇＯとしての合計含有量で１００～２０００重量ｐｐｍであり、特に３００～２０００重量ｐｐｍであることが望ましい。これによって、材料の透明化とともに熱発生を確実に抑制することができる結果、より高性能なセラミック素子を提供することが可能となる。

また、添加剤の割合も、特に限定されないが、通常は酸化物換算による重量比で（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ_２が１以上とすることが好ましく、特に１．５以上とすることがより好ましく、その中でも２．０以上とすることが最も好ましい。上記割合の上限値は、材料の透明化に不可欠なＳｉがＳｉＯ_２含有量で５０重量ｐｐｍ以上含まれている限りは制限されないが、例えば６程度とすることができる。上記割合の範囲内に設定することによって、例えば２００Ｗ以上のハイパワー領域でもより確実に用いることができる。

本発明セラミックスは、上記組成を有するガーネット型多結晶体から構成されているが、焼結助剤等の添加成分を除き、その純度は９９．８重量％以上（好ましくは９９．９重量％以上）である。

特に、本発明セラミックスでは、前記ガーネット型多結晶体以外の結晶相及び非晶質相（以下、両者をまとめて「第二相」ともいう。）が実質的に検出されないことが好ましい。第２結晶相の代表例としては、本発明のセラミックスを構成する元素（陽イオンと酸素イオン）を含むコランダム相（六方晶）又はぺロブスカイト相（正方晶）が挙げられる。また、結晶粒界に出現する相としては、前記コランダム相のほか、本発明のセラミックスを構成する元素（陽イオン）の酸化物から構成される結晶相又は非晶質相が例示される。なお、本発明において上記「検出されない」とは、１）透過偏光顕微鏡による分析及び２）高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲ－ＴＥＭ）による分析のいずれによっても第二相が確認できないことをいう。

本発明で特に重要なことは、本発明セラミックスの組成は化学量論組成とほぼ一致する組成で構築され、本発明セラミックス内部にはガーネット結晶相以外の異相が実質的に検出されないことはもとより、ガーネット構造即ち立方晶構造であるがゆえに実質的に複屈折さえ検出されないことにある。

本発明セラミックスは、多結晶体であり、その平均結晶粒径は通常１～３０μｍであることが望ましい。平均結晶粒径が小さすぎると、使用するレーザー波長が短くなるにつれて散乱が大きくなる傾向になるおそれがある。平均結晶粒径が大きすぎると、粒子内部に最大の散乱源である気孔が残留しやすくなることがある。

本発明セラミックスは、気孔率は通常２０ｐｐｍ以下であり、特に１０ｐｐｍ以下であることが好ましく、その中でも１ｐｐｍ％以下であることが好ましい。すなわち、本発明セラミックスは、高い緻密性（特に相対密度９９．９９９％以上）を有することから、優れた光学特性を発揮することができる。残留気孔の屈折率は１．００であるのに対し、本発明セラミックスの屈折率は約１．８５であるので、上記の高い緻密性により散乱体数の低減化、ひいては磁気光学特性における挿入損失の低減化に寄与することができる。

また、本発明セラミックスが残留気孔を含む場合、その平均気孔直径は、限定的ではないが、通常は１μｍ以下であることが望ましく、特に０．５μｍ以下であることがより望ましい。平均気孔直径が大きすぎると、ハイパワーレーザー、特にピークパワーの高いパルスレーザーをファラデー素子に挿入した際に破壊の原因となる。平均気孔直径については、例えば透過顕微鏡にて特定することができる。散乱体数（残留気孔数）は、レーザー照射により散乱体数を計測し、この散乱体数と前記平均気孔直径との結果から気孔体積を求めることができる。

本発明セラミックスは、波長λｎｍ（但し、１２００≧λ≧５５０）の光が４５度のファラデー回転を起こす厚さｔにおいて、前記光に対する挿入損失が０．２ｄＢ以下であり、かつ、消光比が３０ｄＢ以上であることが望ましい。本発明のセラミックスは比較的大量のＴｂを含有するため、ファラデー素子の透過波長帯は５５０～１４００ｎｍである。この領域内であれば事実上利用できる。しかし、長波長になるとベルデ定数が小さくなるために素子長さが長くなり、また１２００～１４００ｎｍの波長で特段の応用がないために前記波長に限定している。

ここで、測定試料としての本発明セラミックスの厚さ（光が通過する距離）は、当該光が４５度のファラデー回転を起こす厚さｔとする。例えば波長１０６４ｎｍでベルデ定数が３６ｒａｄＴ^－１ｍ^－１のサンプルを１Ｔの磁場下に置いたときの媒質長は約２０ｍｍとなる。（ファラデー式 θ＝ＶＨＬ（但し、θ：ファラデー回転角、Ｖ：ベルデ定数、Ｈ：磁束密度、Ｌ：ファラデー素子の長さをそれぞれ示す。）上記のような特性をもつ本発明セラミックスは、アイソレータの基本特性である挿入損失及び消光比において、これまで主流とされているＴＧＧ単結晶体と同等又はそれ以上の性能を発揮できる。

上記の挿入損失については、通常は０．２ｄＢ以下であり、特に０．１ｄＢ以下であることが好ましい。挿入損失が小さいことは、強磁場中で材料内部に入射したレーザー光のエネルギーをロスなく出射できるという点で重要な意味がある。基本性能を計測するため、小出力（１０ｍＷ）のＹＡＧレーザー（波長１．０６４μｍ）を使って１Ｔの強磁場中でＴＧＧ単結晶の挿入損失を計測すると０．１ｄＢ前後（最も低損失な部分では０．０５ｄＢ）である。本発明セラミックスでも、単結晶と同等の０．１ｄＢ程度の挿入損失を得ることは困難ではなく、材料合成の最適化により（ＴＧＧ単結晶体では困難な）０．０２ｄＢ程度以下の挿入損失を実現することも可能である。従って、上記の挿入損失の下限値は０．００２ｄＢ程度とすることができるが、これに限定されない。

また、レーザーの戻り波をシャットダウンさせる能力である上記消光比は、通常は３０ｄＢ以上であり、特に４０ｄＢ以上であることが好ましい。アイソレータデバイスは、レーザーの戻り波をシャットダウンする性能をレーザー発振器の防御システムとして発揮できるので、消光比の高さは防御性能の完成度を示す重要なパラメーターである。一般に、ＴＧＧ単結晶の消光比が３０ｄＢ程度であるのに対し、本発明セラミックスでは３４～４７ｄＢ（計測限界）まで発揮させることができる。従って、上記消光比の上限値は、例えば４７ｄＢ程度とすることができるが、これに限定されない。

防御システムにおける消光比の値は重要である。消光比は、レーザーの入射パワーにより容易に変動する。産業応用上は可視～近赤外域に使用されるアイソレータは波長１μｍ帯がほとんどである。透明物質内にレーザー光が照射されると、パワー上昇に伴って材料内部での発熱が起こる。発熱により材料内部には一定の温度分布を生じるが、これは材料内部の屈折率分布（熱レンズ効果）の発生を意味し、ファラデー素子自身がレンズ効果を示すためにレーザー光の焦点距離を変動させてしまう。焦点距離が変わると、レーザー加工が困難となり、機能は完全に失われる。また、発熱により、ファラデー素子内部に複屈折が生じる（熱複屈折）ため、レーザーパワーにより消光比が低減する。消光比が極端に低くなると、戻り波のレーザーを防御できなくなり、レーザー発振器の損傷を惹起してしまう。

これに関し、ＴＧＧ単結晶体は、僅かではあるが光吸収（微量Ｔｂ^４＋の残存）があるため、レーザーパワー増大に伴って前述した熱レンズ効果と熱複屈折が顕著に起こるため、冷却なしではハイパワー用途には不向きである。波長１μｍのファイバーレーザー光を３００μｍに集光し、無冷却のＴＧＧ単結晶体に挿入すると５０Ｗ程度でも消光比が低下し、レーザー装置の防御が難しくなる。これに対し、本発明セラミックスは、熱発生が極めて軽微であるがゆえに熱レンズ効果又は熱複屈折が起こりにくいので、上記のような消光比を維持・発揮することができる。

本発明セラミックスにおいて、ファラデー効果の強さを示すベルデ定数は、限定的ではないが、通常は８０～２５ｒａｄＴ^－１ｍ^－１程度であることが好ましい。この数値は、特にＴｂ濃度で制御することができる。例えば、Ｔｂ１００％（すなわち、Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２からＴｂ濃度の下限値となる組成（Ｔｂ_０．５Ｒｅ_０．５）_３Ａｌ_５Ｏ_１２では、およそ６０～２９ｒａｄＴ^－１ｍ^－１の間で制御することができる。これは、Ａｌサイトの一部がＳｃで置換された（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２でも若干の違いはあるもの、同様の傾向が見られる（すなわち、６０～２９ｒａｄＴ^－１ｍ^－１程度）。ベルデ定数が小さすぎると、１Ｔの磁場中では媒質長を長く（また媒質長に合致する長尺のマグネットハウス）する必要性があることに加え、媒質長を長くしたくない場合はベルデ定数から算出される強力な磁石を用いる必要がある。

また、本発明セラミックスは、有色透明又は無色透明のいずれでも良いが、特に無色透明であることが好ましい。本発明セラミックスでは、ＴＧＧ単結晶特有の着色（微量のＴｂ^４＋残存に伴う着色）は認められないため、材料内部には実質的にＴｂ^４＋は残存していないことがわかる。このようなことから、本発明では、無色透明なセラミックスを提供することができる。

２．Ｔｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックスの製造方法
本発明セラミックスは、下記の製造方法より好適に製造することができる。すなわち、Ｔｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを製造する方法であって、
（１）（１－１）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるテルビウム酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるアルミニウム酸化物、（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｄ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料又は
（１－２）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下である（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料
をアルコール中で湿式混合することにより混合物を得る工程（混合工程）、
（２）前記混合物をプレス成形することにより圧粉体を得る工程（成形工程）、
（３）前記圧粉体を温度１４５０～１６００℃で予備焼結することにより相対密度９５～９９％の予備焼結体を得る工程（予備焼結工程）、
（４）前記予備焼結体を温度１５００～１６８０℃かつ圧力４９～１９６ＭＰａにてＨＩＰ処理する工程（ＨＩＰ処理工程）及び
（５）前記ＨＩＰ処理で得られた焼結体を１２００～１５００℃でアニールする工程（アニール工程）
を含むことを特徴するＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスの製造方法によって好適に本発明セラミックスを製造することができる。

混合工程
まず、混合工程としては、本発明セラミックスの基本組成を構成するために原料の違いにより、上記（１－１）又は（１－２）のいずれかを採用することができる。

上記（１－１）では、（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるテルビウム酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるアルミニウム酸化物、（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｄ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料を用いる。

上記（１－２）では、上記（ａ）及び（ｂ）に代えて、（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下である（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）酸化物を用いるほかは、上記（１－１）と同じである。Ｒｅ及び／又はＳｃで置換されている組成は、ａ）０．５≦ｘ＜１、０．６≦ｙ＜１、ｂ）０．５≦ｘ≦１、０．６≦ｙ＜１、ｃ）０．５≦ｘ＜１、０．６≦ｙ≦１のいずれかの組み合わせがある。なお、上記ｘは、例えばｘ＝０．９９～０．５と設定することもできる。また、上記ｙは、例えばｙ＝０．９９～０．６と設定することもできる。

上記（１－１）において、粉末混合原料を調製するための出発材料としては、本発明セラミックスの基本組成を構成する元素については、その元素の酸化物を好適に用いることができる。従って、テルビウム酸化物（Ｔｂ_４Ｏ_７，Ｔｂ_２Ｏ_３）、アルミニウム酸化物（α－Ａｌ_２Ｏ_３，γ－Ａｌ_２Ｏ_３等）のほか、Ｔｂサイト又はＡｌサイトの一部を置換する場合はイットリウム酸化物（Ｙ_２Ｏ_３）、ルテチウム酸化物（Ｌｕ_２Ｏ_３）、スカンジウム酸化物（Ｓｃ_２Ｏ_３）等を用いることが望ましい。

これらの酸化物における元素の価数等は、限定的ではないが、特に本発明ではテルビウム酸化物としてＴｂ_２Ｏ_３を用いることが好ましい。Ｔｂ源となる材料はＴｂ_４Ｏ_７が一般的な市販材料である。これを使ってファラデー素子に使用できる本発明セラミックスを作製することは可能であるが、より均一かつ安定して製造できるという点でＴｂ_２Ｏ_３を用いることが好ましい。

一般的に市販されているＴｂ_４Ｏ_７は、理論的にはモル比Ｔｂ：Ｏ＝４：７ではあるが、実際上その比率は正確なものではない。このため、本発明セラミックスを作製する際に極めて微量であるが、ガーネット構造の希土類部（Ｔｂサイト）の組成変動が起こるので特性が完全に一定となり難いだけでなく、部分的にＴｂＯ_２がクラスター状で混入するおそれもある。このような理由により、Ｔｂ_４Ｏ_７を出発原料とする場合は組成調整が困難であるため、（１）予めＴｂ：Ｏの正確な比率を調べておいたうえで原料秤量の際に微調整する、（２）Ｔｂ：Ｏ＝４．００：７：００で原料秤量を行い、焼成した試料の微構造観察（Ａｌリッチ、希土類リッチを判定）からフィードバックして混合原料の組成再調整を行うことでジャストガーネット組成に仕上げることで達成できるが、プロセスが煩雑となる欠点もある。これに対し、本発明では、組成調整得を含めた材料の均一性をより完璧なものにするために鋭意研究・検討したところ、上記のとおりＴｂ源としてＴｂ_２Ｏ_３が最も好ましいことが確認されている。

Ｔｂ_２Ｏ_３は、一般的には原料メーカーで製造されていないのが現状である。このため、Ｔｂ_２Ｏ_３を合成することによって出発原料として利用することができる。Ｔｂ_２Ｏ_３を製造する方法は、特に限定されないが、その一つの方法として、Ｔｂ_４Ｏ_７（黒～茶色）を水素、ＣＯガス等の還元雰囲気下１２００～１３００℃で熱処理する工程を含む方法によって、白色のＴｂ_２Ｏ_３粉末を好適に得ることができる。Ｔｂ_２Ｏ_３は、純粋にＴｂ^３＋とＯ^２－から構成されているのでガーネット構造のセラミックスを作製した際、より光学的に均一な焼結体を作製することができる。但し、上記の熱処理にて得られたＴｂ_２Ｏ_３粉末は、熱処理中に粉末粒子どうしが焼結して強い凝集を起こしているので、ボールミル等で粉砕することが好ましい。

これらの原料は、通常は粉末状の形態で使用されるが、その際の平均一次粒子径は上記のとおり、通常１μｍ以下であり、好ましくは０．０１～０．５μｍとすれば良い。

他方、上記（１－２）では、Ｔｂ供給源及びＡｌ供給源として（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）酸化物（以下「Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２系酸化物」ともいう。）を用いる。その他の点は、上記（１－１）と同じである。Ｔｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２系酸化物は、例えば共沈法等の公知の製法で調製することができる。ｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２系酸化物も、平均一次粒子径は１μｍ以下とし、特に０．０１～０．５μｍとすることが好ましい。

上記（１－１）及び（１－２）における添加剤としては、（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｄ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物及び液状のケイ素化合物の少なくとも１種を用いる。

これらの化合物は、本発明の効果を妨げない限り、いずれの化合物も用いることができる。カルシウム化合物としては、例えばＣａＣＯ_３、Ｃａ（ＯＨ_２）、ＣａＯ、ＣａＦ_２等の無機化合物、カルシウムアルコキシド等の有機系化合物が挙げられる。これらは１種又は２種以上を使用することができる。マグネシウム化合物としては、例えばＭｇＣＯ_３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、ＭｇＦ_２等の無機系化合物、マグネシウムアルコキシド等の有機系化合物が挙げられる。これらは１種又は２種以上を使用することができる。ケイ素化合物としては、例えばフィラー用ＳｉＯ_２粉末、コロイダルシリカ等の無機系化合物、アルコキシシラン（例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラプロポキシシラン（ＴＰＯＳ）等の有機系化合物が挙げられる。これらは１種又は２種以上を使用することができる。

本発明では、これらの中でも、酸化物のほか、加熱により分解し、最終的に酸化物となる化合物（特に水酸化物、炭酸塩、アルコキシド等）も好適に用いることができる。

これらの無機系化合物及び有機系化合物は、高純度であることが好ましい。例えば、上記無機系化合物の純度は、通常９９．８重量％以上、好ましくは９９．９重量％（３Ｎ）以上、より好ましくは９９．９９重量％（４Ｎ）以上の高純度原料を用いることができる。これらの原料自体は、市販品を使用することもできる。上記有機系化合物の純度は、純度９９重量％以上、好ましくは９９．９重量％以上の試薬等を用いることができる。

これらのカルシウム化合物、マグネシウム化合物及びケイ素化合物は、通常は粉末状の形態で使用できる。その際の平均一次粒子径は、上記のとおり、通常１μｍ以下であり、好ましくは０．０１～０．５μｍとすれば良い。

本発明では、これらの各成分をガーネット組成に一致した化学量論組成となるように秤量した後、アルコール中での湿式混合に供する。アルコールとしてはエタノールを主成分とする工業用アルコール（例えば製品名「ソルミックス」（登録商標、日本アルコール販売（株）等）が経済的に有効であるが、特に限定されず、例えばエタノール、イソプロピルアルコール等の第一級アルコールを含むアルコール系溶媒を好適に使用することができる。

また、吸湿性又は水和性がない原料粉末（ガーネット粉末）を用いる場合あるいは反応焼結の場合であっても水とほとんど反応しない原料の組合せであれば、アルコール中に水が含まれていても良い。すなわち、本発明では、１００％アルコールのほか、水で希釈されたアルコールも、本発明の「アルコール」に包含される。

アルコールの使用量は限定的でなく、通常は粉末混合原料１００重量部に対して１００～３００重量部倍程度とすることができる。

また、湿式混合に際しては、必要に応じて粉砕用メディア（ボール）を用いることもできる。これにより、混合中の粒子どうしの凝集を効果的に抑制し、微細な粒子からなる混合物を調製することができる。

粉砕用メディアとしては、例えば純度９９．６重量％以上のアルミナボール、ＹＡＧ等の本発明の構成元素から構成されるガーネットボール等を用いることにより、ボールからのコンタミネーションを極小化できる。また、粉砕用メディアを用いる場合の容器も、前記と同様の理由から合成樹脂製容器を用いることが好ましい。従って、容器及び粉砕用メディアともに、フッ素樹脂（例えばテフロン（登録商標））のほか、各種のエンジニアリングプラスチック等の合成樹脂から構成されているボット、本発明の構成元素から構成される純度９９．６％以上のＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）等のガーネットポットを用いた粉砕・混合装置等も好適に用いることができる。これらの装置等は、公知又は市販のものを使用することもできる。

粉砕用メディアを用いる場合、その使用量は、例えば粉末混合原料１００重量部に対して５００～２０００重量部とすることができるが、これに限定されない。

混合時間は、粉末混合原料の組成が均一となるようにできれば良く、通常は１０～４０時間程度とすることができるが、これに限定されない。

混合工程を実施した後は、得られた混合物を回収すれば良い。混合物は、通常はスラリーの形態で得ることができる。例えば、スラリーは、耐熱プラスチック容器、テフロン（登録商標）容器等に収容することができる。スラリーは、そのまま成形工程に供することができるが、必要に応じて乾燥処理、造粒処理等を実施して得られるものを成形工程に供することもできる。

乾燥処理としては、例えば１）スラリーを７０～９０℃の温度下で溶媒を蒸発させることにより乾燥粉末を得る行程、２）乾燥粉末を破砕処理した後、１００メッシュ程度の篩を通過した粉末を得る工程を含む方法を採用することができる。

造粒処理としては、例えばスラリーを造粒及び乾燥する工程を含む方法を採用することができる。造粒及び乾燥を実施できる方法としては、例えば攪拌造粒、転動造粒、スプレードライ等の公知の方法で実施することができる。この場合の造粒物（顆粒）の平均粒径は、限定的ではないが、通常は１０～５０μｍ程度とすることが望ましい。

成形工程
成形工程では、前記混合物をプレス成形することにより圧粉体を得る。なお、本発明における「前記混合物」とは、前記工程で得られた混合物そのもの（水分調整されていないもの）のほか、その水分含有量を調整したものも包含する。なお、混合物中の固形分量（又は水分含有量）は、例えば前記のような乾燥処理等に従って適宜調節することができる。

プレス成形の方法は、特に限定されず、例えば一軸プレス成形、冷間静水圧プレス法（ＣＩＰ成形）等の公知の方法を１種又は２種以上組み合わせて採用することができる。例えば、１次成形として一軸プレス成形をした後に、２次成形としてＣＩＰ法により圧粉体を得ることができる。

成形する際の圧力は、用いる原料粉末の粒径、原料粉末の組成等に応じて適宜設定することができるが、一般的には得られる成形体の理論密度の４０～６５％程度の密度となるように加圧することが好ましい。

例えばファーバーレーザー、ロッド等を使うレーザー出射に対するアイソレータ素子としては、丸棒状に成型（例えば直径：８ｍｍ×長さ：任意長）し、スラブレーザーの出射用途には長方形の断面をもつスラブ形状に成型すれば良い。ファイバーレーザー又は固体レーザーの励起用アイソレータに対しては必要形状に応じて形状を制御しなければならない。ＣＩＰ成形による場合は９８～１９８ＭＰａ程度の範囲内で適宜設定することができるが、これに限定されない。上記のように２段階で成形する場合は、金型を用いて５～２０ＭＰａ程度の範囲内で一軸プレス成形した後、９８～１９８ＭＰａ程度の範囲でＣＩＰ成形すれば良い。

得られた圧粉体は予備焼結工程に供される。ただし、成形工程で有機バインダーを用いた場合、粉砕用メディア（特に合成樹脂製メディア）を用いた場合等は、得られた圧粉体を焼成することにより有機成分を除去することが好ましい。この場合の焼成（脱有機物）条件は、限定的でなく、例えば酸化性雰囲気中にて６００～１１００℃程度とすることができる。

予備焼結工程
予備焼結工程では、前記圧粉体を温度１４５０～１６００℃で予備焼結することにより相対密度９５～９９％の予備焼結体を得る。

予備焼結温度は、通常１４５０～１６００℃とすれば良く、特に１５００～１６００℃とすることが好ましいが、使用する原料の焼結特性に応じて適宜調整すれば良い。従って、例えば１５００～１５８０℃と設定することもできる。上記温度が低すぎる場合は、緻密化が不十分な予備焼結体（開口気孔の多い焼結体）をＨＩＰしても圧力が内部に伝達できないため、緻密化そのものが不十分となり、十分な透明度が得られない。上記温度が高すぎると、残留気孔サイズに対して構成粒子が大きすぎるため、残留気孔を効率的に除去できない理由により緻密化と透明化が不十分となり、最悪の場合は異常粒成長（不均一な微構造組織）の形成によりさらに緻密化、不均一化及び透明化が阻害される。予備焼結時間は、予備焼結体の密度と粒子サイズ、圧粉体のサイズ等に応じて適宜設定すれば良い。

また、予備焼結時の昇温速度は、例えば圧粉体の焼結性、大きさ等に応じて適宜設定できるが、特に１０００℃以上の温度範囲では２００℃／ｈｒ以下とすることが好ましい。これによって、より効果的に残存気孔量を減らすことができる。

予備焼結雰囲気は、水素雰囲気、酸素雰囲気又は真空下のいずれかが好ましいが、特に真空下とすることがより好ましい。その真空度は、限定的ではないが、特に１０^－１～１０^－５Ｐａ程度とすることが好ましい。

このようにして得られた予備焼結体をＨＩＰ処理工程に供する。この場合の予備焼結体は、相対密度９５～９９％とし、特に９８～９９．９％とすることが好ましい。さらに、予備焼結体の平均結晶粒径を５μｍ以下とすることが望ましい。このような特性は、上記のような条件の範囲内で予備焼結することによってより確実に得ることができる。

ＨＩＰ処理工程
ＨＩＰ処理工程では、前記予備焼結体を温度１５００～１６８０℃かつ圧力４９～１９６ＭＰａにてＨＩＰ処理する。

ＨＩＰ処理における温度は、通常１５００～１６８０℃とすれば良いが、特に１５５０～１６５０℃とすることが好ましい。このような温度範囲に設定することにより、得られる焼結体中に残存する気孔量及び気孔サイズを効果的に低減することができる。

ＨＩＰ処理の圧力は、通常は４９～１９６ＭＰａとし、特に９８～１９６ＭＰａとすることが好ましい。

ＨＩＰ処理の雰囲気は、特に制約されず、例えば酸素含有雰囲気、不活性ガス雰囲気等のいずれも採用することができる。酸素含有雰囲気としては、酸素濃度２０体積％以下のＯ_２－Ａｒ混合ガス、Ｏ_２－Ｎ_２混合ガスを好適に用いることができる。本発明では、特にアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下とすることがより好ましい。

ＨＩＰ処理時間は、ＨＩＰ処理温度等に応じて適宜変更することができるが、通常は１～１０時間の範囲内とすれば良い。

ＨＩＰ処理において、昇温速度及び降温速度は特に限定されるものではないが、いずれも通常３００～６００℃／ｈｒ程度であれば良い。

アニール工程
アニール工程では、前記ＨＩＰ処理で得られた焼結体を１２００～１５００℃でアニール（焼鈍）する。アニール工程を実施することによって、焼結体内部に存在し得る格子欠陥、歪み等をより確実に取り除くことができる。

アニール処理の温度は、通常は１２００～１５００℃とすれば良く、特に１２５０～１４００℃とすることが好ましい。処理雰囲気は、酸素含有雰囲気とすれば良く、例えば大気中（空気中）のほか、Ｏ_２－Ａｒ混合ガス、Ｏ_２－Ｎ_２混合ガス等の雰囲気としても良い。圧力は、特に制限されないが、通常は大気圧下（常圧下）で実施すれば良い。アニール処理時間は、例えば焼結体の大きさ、処理温度等に応じて適宜変更することができるが、通常は３～１０時間程度の範囲内とすれば良い。

アニール処理がなされた焼結体は、そのまま又は必要に応じて所定の形状に加工された後、光アイソレータ等の光学材料として用いることができる。加工方法は、特に限定されず、公知の切削方法、研磨方法等に従って実施することができる。

３．本発明セラミックスの使用
本発明セラミックスは、各種の光学材料として利用することができる。特に、光アイソレータデバイスに用いるファレデー回転素子として有効である。本発明セラミックスを光アイソレータとして使用する場合、ファラデー回転子として本発明セラミックスを用いる以外は、公知のアイソレータ装置と同様の構成を採用することができる。

図４には、本発明セラミックスを用いた光アイソレータの構成例を示す。材料周辺にはＮｄ－Ｆｅ－Ｂ等の永久磁石、レーザー光の入力出力側双方に偏光子が配置されている。一般の光アイソレータと異なるのは、ファラデー回転子の部分に本発明セラミックスを利用することにある。可視～近赤外域で使用する一般的なアイソレータのファラデー素子にはＴＧＧ単結晶が利用されているが、そのＴＧＧ単結晶に代えて本発明の多結晶セラミックスを用いることができる。

＜発明の実施の形態＞
本発明では基本的に材料を構成する酸化物（Ｔｂ_４Ｏ_７,Ｌｕ_２Ｏ_３，Ｙ_２Ｏ_３の希土類酸化物の１種以上, Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３と各添加剤を秤量した後、湿式混合→乾燥→１軸成型→冷間静水圧プレス→脱脂→予備焼結→熱間等方圧プレスして材料を合成し、得られた透明焼結体を酸素を含む雰囲気中１２００～１５００℃でアニール処理して材料内部の格子欠陥、歪等を除去した後、所定の形状に機械加工（例えば代表例として直径５ｍｍ×長さ２０ｍｍのロッド形状）した。次いで、レーザー光が通過する入出力面（直径５ｍｍ面両面）を平坦度λ／１０（λ＝６３３ｎｍ）、平行度＜１０ｓｅｃ、表面粗度Ｒａ０．２ｎｍ程度に仕上げた後、研磨面を使用する波長帯でのＡＲ（Anti Reflection、無反射）コート処理を行うことにより、ファラデー（本発明セラミックス）素子を得ることができる。

図１には、（Ｔｂ_０．８Ｙ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２透明セラミックスの顕微鏡写真を示す。図１（ａ－１）は、ジャスト化学量論組成の試料研磨→熱エッチングした反射顕微鏡写真である。図１（ａ－２）は、前記ジャスト化学量論組成から０．０２％Ａｌ_２Ｏ_３リッチのセラミックスの反射顕微鏡写真であり、異常粒子が見られるものである。図１（ｂ－１）は、前記ジャスト化学量論組成の試料を研磨して透過型偏光顕微鏡写真であり、均一な呈色（複屈折が実質的に検出されない）で残留気孔も実質的に存在しないことがわかる。図１（ｂ－２）は、前記ジャスト化学量論組成から０．０２％希土類リッチのセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真であり、複屈折が観察される。図１（ｂ－３）は、前記ジャスト化学量論組成のセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真であり、複屈折は検出できないが、深さ方向に平均１μｍの気孔が３ｐｐｍ存在する。図１（ｂ－４）は、前記ジャスト化学量論組成のセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真であり、複屈折は事実上存在しないが、数～十μｍの気孔が２００ｐｐｍ存在する。図１（ｂ－５）は、前記ジャスト化学量論組成のセラミックスの透過型偏光顕微鏡写真であり、複屈折は事実上存在しないが、混合状態が良くないため、数～十μｍのインクリュージョン［（ＴｂＹ）Ａｌ_２Ｏ_３］が存在する。

材料の評価は、図３に示した測定装置を用い、材料のベルデ定数を計測し、使用するマグネットの容量に対して必要とされる媒質長を決定する。図中に示すように、周辺に評価用として磁束密度１Ｔのマグネットを設置し、材料の両端に偏光子を設置する。波長１．０６４μｍ, １０ｍＷのＮｄ：ＹＡＧレーザーを照射すると１Ｔのマグネット内に接しされたファラデー素子内でレーザー光の偏光が起こるので、出力側の偏光子を回転させると偏光角に対するレーザー光の出力を計測することができる。

ここでもファラデーの式θ＝ＶＨＬ（ただし、θ：ファラデー回転角、Ｖ：ベルデ定数、Ｈ：磁束密度、Ｌ：媒質長をそれぞれ示す。）の理論式からベルデ定数を求めることができる。

図４は、長さ２０ｍｍの（Ｔｂ_０．６５Ｙ０_．３５）_３Ａｌ_５Ｏ_１２セラミックスを１Ｔの磁場中に置いたときの偏光特性を示す。（参考としてほぼ同一のベルデ定数を持つＴＧＧ単結晶の偏光特性も示した。出力側の偏光子の回転角に対して－４５と＋１３５ｄｅｇ．の位置でレーザー光はシャットダウンされる。出力側の偏光子を回転していくと順次透過していくようになり、入射側の偏光子と出力側の偏光子とが＋４５ｄｅｇ．の位置で最大の透過率（最小の透過損失）となる。材料にロスが少ないほどこの値が小さく、この値が挿入損失（ｄＢ）である。さらに出力側の偏光子を回転させるとレーザー光がシャットダウンされ、θ=＋１３５ｄｅｇ．で元の値となる。また出力偏光子を－４５→＋３１５（－４５）ｄｅｇ．（すなわち０→３６０（０）ｄｅｇ．まで１回転させると消光（最大の透過損失）→透過（極小の透過損失）→消光→透過の２サイクルが）が出てくるので、磁場に対する媒質長（ベルデ定数から計算）の設計がマッチしていることになる。偏光子を平行にした時にシャットダウンした状態の値を消光比と呼び、この値がレーザー光のシャットダウン能力の優劣を示す。図４からも明らかなように、ベルデ定数がＴＧＧ単結晶に類似する本発明セラミックス（多結晶体）は、同程度又はそれ以上の磁気光学特性を有していることがわかる。

材料の基本的磁気光学特性は、レーザー光のパワーレベルが低い状態で計測される。しかし、実用しているレーザーパワーは高く、この時に材料内部で発生した熱が熱レンズ効果又は熱複屈折を引き起こすので、高出力でも安定した特性のファラデー素子とアイソレータが不可欠である。

本発明セラミックスの組成、添加剤等は、例えば以下のような方法により検出又は測定することができる。

（ａ）添加剤
材料中に添加された添加剤は、例えば一般的な機器分析装置ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）－ＭＡＳＳにて材料中のＳｉ,Ｍｇ,Ｃａ含有量をｐｐｍ単位で検出することができる。

（ｂ）セラミック材料の組成分析
本発明のセラミックスはＸＲＤにてガーネット単相であることが前提であるが、材料組成は蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）にてＴｂ,Ｙ, Ｌｕ,Ａｌの組成を同定することができる。組成分析は、検量線を用いた一般的な方法により実施することができる。

（ｃ）化学量論組成
一般的にはＸ線回折分析（ＸＲＤ）にて単一相か否かを判定するが、本発明のジャスト化学量論組成の判定は従来法では不可能である。このため、本発明では、材料組織を反射顕微鏡及び透過型偏光顕微鏡で観察することによって判定することができる。
図１（ａ－１）に示すように透明なセラミックスが均一な粒子から構成されていることは最低条件である。
図１（ｂ－１）に示したものは、透過＋偏光顕微鏡写真であるが、偏光下でも均一な画面であることは複屈折が存在しない（立方晶＝ガーネット以外の粒子がない）ことになり、この状態に達したものをジャスト化学量論組成と称する。
図１（ｂ－２）は、僅かに希土類側に僅かに組成ズレしたものであり、不純物相は検出できないものの、複屈折（色ムラ）が存在しているので、光損失も大きくなるため、本発明の範囲外となる。
図１（ａ－２）は、アルミナが僅かに組成ズレしたサンプルであり、局所的に異常粒子が見られる。このような微構造を持つセラミックスは、異常粒子周辺に複屈折が見られ、残留気孔量も多くなるため、本発明の範囲外となる。

以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。

実施例１
出発原料として、市販のＴｂ_４Ｏ_７粉末（純度＞９９．９％, 平均一次粒子径０．１μｍ）及びα－Ａｌ_２Ｏ_３粉末（純度＞９９．９％、均一次粒子径０．３μｍ）を用いた。これらの粉末に添加剤として３００ｐｐｍのコロイダルシリカ、１００ｐｐｍのＣａＯ（平均一次粒子径０．１μｍ，ＣａＣＯ_３の分解物)、９００ｐｐｍのＭｇＯ（平均一次粒子径０．０５μｍ）を加え、これらの粉末をガーネット組成となるように秤量し、有機バインダー（低分子量のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の２０％溶液）を原料粉末に対して３ｗｔ％添加し、合成樹脂製容器に入れた。粉末合計１００ｇ対して粉砕用高純度Ａｌ_２Ｏ_３製ボール（粒径約３ｍｍ）１ｋｇ及びエタノール２５０ｍｌを入れたうえで１５時間かけて湿式混合することによってスラリーを得た。
回収されたスラリーは、温度９０℃でエタノールを蒸発させ、乾燥させることにより、成形用粉末を調製した。成形用粉末をナイロン製篩（１００メッシュ）で篩いにかけた。次に、篩いをパスした粉末を約１０ＭＰａの圧力下にてプレス成形した後、９８ＭＰａの圧力下にてＣＩＰ成形を行った。
次いで、得られた成形体について１×１０^－３Ｐａの真空中にて昇温速度１５０℃／ｈｒにて最高到達温度１５００℃で予備焼結を実施した。予備焼結体の相対密度をアルキメデス法で測定したところ９８％であった。
続いて、前記の予備焼結体のＨＩＰ処理を行った。処理条件は、処理雰囲気：Ａｒガス、圧力：１９６ＭＰａ、温度：１５５０℃、処理時間：３時間とした。ＨＩＰ処理した焼結体は透明ではあるが灰色であるので、さらに空気中１３００℃で１０時間アニールを行い、内部に存在する格子欠陥を取り除いた。このようにして焼結体を作製した。

実施例２～２７
表１～６に示す組成及び合成条件としたほかは、実施例１と同様にして焼結体を作製した。

実施例２８～３６
表７～８に示す組成及び合成条件としたほかは、実施例１と同様にして焼結体を作製した。なお、表中に記載された原料粉末の平均一次粒子径は１００～３００ｎｍの範囲であり、添加剤はＴＥＯＳ（Ｓｉ供給源）、ＭｇＣＯ_３（Ｍｇ供給源）, ＣａＣＯ_３（Ｃａ供給源）を用いた。

実施例３７～４５
出発原料として水素還元により得られたＴｂ_２Ｏ_３粉末を粉砕処理して平均一次粒子径を１μｍとしたものを出発原料とし、表９～１０に示す組成及び合成条件としたほかは、実施例１と同様にして焼結体を作製した。

実施例４６～５４
表１１～１２に示す（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２セラミックスの組成とし、かつ、表１１～１２に示す合成条件としたほかは、実施例１と同様にして焼結体を作製した。Ｓｃ供給源としては、いずれの実施例も平均一次粒子径５００ｎｍのＳｃ_２Ｏ_３粉末を用いた。なお、Ｓｃは、基本的にガーネット構造の６配位サイトのＡｌと格子置換するので、その点を考慮して各原料の配合比を計算した。

比較例１～９
比較例１としてＣＺ法で作製されたＴＧＧ単結晶、比較例２としてＦＺ法のＴＡＧ単結晶の性能を示す。比較例３～９は、表１３～１４に示す組成とし、かつ、表１３～１４に示す合成条件としたほかは、実施例１と同様にして焼結体を作製した。

比較例１０～１３
表１５に示す合成条件としたほかは、実施例１と同様にして、Ｔｂ_４Ｏ_７，Ｙ_２Ｏ_３，Ｌｕ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３及び添加剤の反応焼結と１６００℃でＡｒガスを圧力媒体として１９６ＭＰａの圧力で（ａ）（Ｔｂ_０．２Ｌｕ_０．８）_３Ａｌ_５Ｏ_１２と（ｂ）（Ｔｂ_０．４Ｙ_０．６）_３Ａｌ_５Ｏ_１２セラミックスを作製した。

試験例１
各実施例及び比較例で最終的に得られた焼結体等について、次に示すような物性をそれぞれ測定した。その結果を表１～表１５に示す。各表中において、１）は出力１０ｍＷのＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いたときの測定値を示し、２）は出力２００Ｗのレーザーを用いたビーム直径の増大（熱レンズ）及び消光比（熱複屈折）を示す。
なお、各表における単位は、気孔体積は「体積ｐｐｍ」、平均気孔径は「μｍ」、平均結晶粒子径は「μｍ」、挿入損失は「ｄＢ」、消光比は「ｄＢ」をそれぞれ示す。

（１）予備焼結体の相対密度
予備焼結した焼結体中の気孔率をアルキメデス法（乾燥重量、含水重量、水中重量の測定から算出）により測定し、その測定結果に基づいて相対密度を算出した。

（２）焼結体の平均結晶粒径（粒子サイズ）
焼結体を鏡面研磨し、１５００～１６００℃の温度範囲で熱エッチングした表面を反射顕微鏡にて測定した。より具体的には、任意に５ヶ所撮影した表面写真（倍率：２００～１０００倍の範囲で観察）から、（観察視野の面積）／（観察視野内の結晶粒子の個数）の値から１個の結晶粒子当たりの面積を算出し、結晶粒子を球形と仮定した場合の直径を焼結体の平均結晶粒径とした。例えば、図１（ａ－１）は本発明のセラミックスであり、平均粒子径は１０μｍである。

（３）気孔率
可視（透過）顕微鏡及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を併用して測定した。可視（透過）顕微鏡の場合は材料内部に存在する気孔を１００倍以上の倍率で観察し、気孔の直径を観察し、それに基づいて気孔率を算出した。
材料内部の気孔数は、カウントできる程度の少なさでないと挿入損失は０．２ｄＢ以下とはならない。通常の焼結体では、比較的多くの気孔を有するのでアルキメデス法で測定できるのに対し、本発明セラミックスは超緻密であるために気孔を発見することが極めて困難であることから、上記のような特殊な測定方法を用いる。赤外（透過）顕微鏡及び可視（透過）顕微鏡では小さなボイドを観察しても散乱があるために必ず見えるが、サブミクロンサイズになると気孔直径が特定できない。そこで、ＳＥＭを併用することで１μｍ以下の小さな残留気孔の直径を特定することができ、これにより平均気孔直径を求めることができる。すなわち、本発明では、上記の透過型偏光顕微鏡で材料の深さ方向（内部）にある残留気孔の数を求めたうえで、それらの気孔直径は分解能の高いＳＥＭにて確定する方法を採用する。そのうえで、（各気孔直径の合計値）／（残留気孔の合計数）にて平均気孔直径を算出することができる。
なお、透過顕微鏡を用いた残留気孔量の測定例は、“A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, K. Yoshida, “Fabrication and Optical Properties of High-Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid-State Lasers”, J. Am. Ceram. Soc., 78 [4] 1033 (1995).”に記載されており、ここに記載の方法に従って実施することもできる。
気孔率の算出方法は、各気孔を球形と仮定し、各気孔体積（又は気孔面積）とその個数＝全体の気孔体積を測定体積（又は測定面積）で割ることで気孔率（体積ｐｐｍ）を求めた。
参考として、図１（ｂ－１）は本発明で気孔率が＜１ｐｐｍ (実質的にゼロ)の透過型偏光顕微鏡写真を示す。材料の深さ方向に１個のボイドも検出できない。図１（ｂ－２）は平均気孔直径が1μｍかつ３ｐｐｍの残留気孔が有るものである。図１（ｂ－３）は数～数十μｍの気孔が２００ｐｐｍ存在するセラミックスであり、気孔直径と量はカウント可能である。

（４）第二相の有無
（４－１）不純物相の有無
通常の透過偏光顕微鏡の観察下にて任意に選んだ１０ヶ所の粒界を観察し、偏光子を用いて複屈折（立方晶相以外）の有無を調べ、当該領域を有する場合はその領域が不純物相であると判定した。図１（ｂ－４）のセラミックスはジャスト化学量論組成となっているものの、混合が不十分なため、数～１０μｍ程度のインクリュージョンが検出される。このインクリュージョンは透過型偏光顕微鏡による観察下で顕著な複屈折を示すことから本発明の対象外となる。
（４－２）粒界相の有無
ＨＲ－ＴＥＭ（数十～１００万倍）にて粒界部の組織（格子像）観察により粒界相の有無を確認し、さらに透過型偏光顕微鏡（１００倍）で観察し、明暗差（複屈折）が生じている領域の有無を調べ、当該領域を有する場合はその領域が粒界相（不純物相）であると判定した。図２（ｂ）のセラミックスは粒界相を含まないので粒界はクリーンな構造である。図２（ａ）は粒界部に１０ｎｍ程度の不純物相が存在するセラミックスである。粒界相と粒子内部をＴＥＭ－ＥＤＳで分析すると全く組成が異なるので、容易に粒界相と判断できる。

（５）挿入損失及び消光比
“(Tb_xY_1-x)₃Al₅O₁₂ ceramics as Faraday rotator material”, J. Am. Ceram. Soc., DOI: 10.1111/jace.14961 (2017) に記載された方法とほぼ同じであるが、光源に出力１０ｍＷ、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いた。
まず、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を用いて印加磁場とファラデー回転角からベルデ定数を求め、４５度偏光できる材料厚さを求める。規定された厚さの材料両面をλ／１０の平坦度に光学研磨した後、測定波長帯に対するＡＲ（無反射）コートを施し、図３の磁気光学特性評価のセットアップ例に従って一般的な光学測定とアイソレータとしての評価を行った。図３に示すように、波長１０６４ｎｍ、出力１０ｍＷのＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、レーザーの入射とアイソレータの出射側に偏光子（双方が４５度交差）を設け、１テスラ磁場を掛けた状態で偏光特性を測定した。この場合、ＣＺ法で作製した直径５ｍｍ×長さ２０ｍｍのＴＧＧ単結晶をリファレンスとした。
図４は、ＴＧＧ単結晶と（Ｔｂ_０．６５Ｙ_０．３５）_３Ａｌ_５Ｏ_１２セラミックスの測定値を示した。双方の材料は直径５ｍｍ×Ｌ２０ｍｍに調整し、直径５ｍｍ面両面を光学研磨している。この材料に１Ｔの磁場を与えてベルデ定数を測定すると双方とも３６ｒａｄＴ^－１ｍ^－１であった。１Ｔの磁場中にファラデー素子を入れ、入射側に対して出力側の偏光子を－４５ｄｅｇ．にセットした点を出発点とし、一定出力のＮｄ：ＹＡＧレーザーを照射した状態で出力側の偏光子を回転させながらレーザー光の透過量（透過損失）を計測していく。開始点は入力と出力の偏光子が直交しているので、この点から消光比、出発点から出力側の偏光子を９０ｄｅｇ．回転させた（図中４５ｄｅｇ．）で透過率が最大（透過損失が最小）とある点が挿入損失となる。
ベルデ定数を計測して媒質長を調整しておけば、ＴＧＧ単結晶及び多結晶セラミックスは常に類似する挙動を示すが、各材料の相違点は挿入損失と消光比の絶対値である。

（６）透過波面歪
測定方法は、サンプルを光学研磨し、さらにＡＲコートした後、干渉計で測定した。

これらの結果からも明らかなように、所定の添加剤を含む本発明セラミックスは、微細な結晶粒子から構成され、残留気孔もほとんどない単一の結晶相（ガーネット型多結晶体）から構成されているがゆえに、低い挿入損失及び高い消光比を有するとともに、ビーム径の増大割合が＋４％まで抑制されていることから発熱が効果的に抑制されていることがわかる。

これに対し、比較例１のＴＧＧ単結晶は挿入損失、消光比は比較的良好であるが、ビーム径の増大割合が高く、ハイパワーに対する特性が劣っている。また、比較例２のＴＡＧ単結晶の基本特性はＴＧＧよりも劣っているほか、ハイパワーに対する特性も低いことがわかる。

比較例３～９は、一部の特性は良好であるが、特にビーム径の増大割合が高い又は測定不能（透過率又は光学特性が低すぎるため測定不可）となっていることがわかる。特に、添加剤としてＳｉのみを含む比較例３～４は、ビーム径の増大割合が＋１２％～＋２５％であり、ハイパワー域では特性が低下することがわかる。

比較例１０～１１は、Ｔｂの含有量が少ない組成であり、波長１．０６４μｍに対する挿入損失と消光比は、前者が０．０５ｄＢ及び０．０４ｄＢであり、後者は３９ｄＢ及び３８ｄＢであり、ＴＧＧ単結晶より優れている。また、２００Ｗのレーザーを照射したときの消光比の低下とビーム径増大も実施例に記載されたもの以上の特性が得られた。しかし、これらのセラミックスのベルデ定数は、それぞれ１１ｒａｄＴ^－１ｍ^－１（比較例１０）及び２３ｒａｄＴ^－１ｍ^－１（比較例１１）あった。ベルデ定数から算出される１Ｔの磁場長はそれぞれ６５ｍｍ及び３２ｍｍとなり、デバイスが非常に大きくなる。このように、素子機能自体は良好であるが、デバイス容積の観点から本発明の範囲外とした。

比較例１２～１３は、純度９９．９％のＴｂ_４Ｏ_７とＹ_２Ｏ_３、純度９９．５％のアルミナ（主な不純物はＮａとＦｅ）を原料として合成したものであり、磁気光学特性及び光学的均一性は実施例と遜色ない。ところが、２００Ｗのレーザーを照射したときに発熱が生じ、熱レンズと熱複屈折の結果が劣っていることが確認された。

さらに付言すると、実施例の中でも、例えばＴｂ_４Ｏ_７を出発原料とする実施例（実施例１～９）のサンプルの透過波面歪がλ／８～λ／１２であるのに対し、Ｔｂ_２Ｏ_３を出発原料とする実施例（実施例３７～４５）ではλ／１０～λ／１５であり、Ｔｂ_２Ｏ_３を出発原料とすることでより確実に高い均一性が得られることがわかる。透過波面歪が改善されることは、ファラデー素子を通過したビーム品質がより良くなるということであり、ビーム品質の維持はレーザー機能を最大限に発揮することが可能となる。

本発明は、透明かつ磁気光学特性を有するＴｂ含有アルミニウムガーネット透明セラミックスに関し、可視～近赤外領域におけるファラデー回転子に適用できるものであり、特にハイパワー用光アイソレータとして優れた性能を発揮することができる。

Claims (11)

1. 組成式（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）で表わされるガーネット型多結晶体を含み、かつ、Ｃａ及びＭｇの少なくとも１種とＳｉとを含むことを特徴とするＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
2. Ｓｉ、Ｃａ及びＭｇの含有量（酸化物換算値）が、ＳｉＯ_２として５０～５００重量ｐｐｍであり、かつ、ＣａＯ及びＭｇＯとしての合計含有量が１００～２０００重量ｐｐｍである、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
3. Ｓｉ、Ｃａ及びＭｇの重量比率（酸化物換算値）［（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ_２］が１以上である、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
4. 平均結晶粒径が１～３０μｍの範囲である、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
5. 相対密度が９９．９９９％以上である、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
6. 前記ガーネット型多結晶体以外の結晶相及び非晶質相が実質的に検出されない、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックス。
7. 波長λｎｍ（但し、１２００≧λ≧５５０）の光が４５度のファラデー回転を起こす厚さｔにおいて、前記光に対する挿入損失が０．２ｄＢ以下であり、かつ、消光比が３０ｄＢ以上である、請求項１に記載のＴｂ含有希土類－アルミニウム系ガーネット型セラミックス。
8. Ｔｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを製造する方法であって、
   （１）（１－１）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるテルビウム酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるアルミニウム酸化物、（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｄ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料又は
   （１－２）（ａ）平均一次粒子径が１μｍ以下である（Ｔｂ_ｘＲｅ_１－ｘ）_３（Ａｌ_ｙＳｃ_１－ｙ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒｅは、Ｙ及びＬｕの少なくとも１種を示す。ｘ＝１．０～０．５であり、ｙ＝１．０～０．６である。）酸化物、（ｂ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるカルシウム化合物及び平均一次粒子径が１μｍ以下であるマグネシウム化合物の少なくとも１種ならびに（ｃ）平均一次粒子径が１μｍ以下であるケイ素化合物を含み、かつ、ガーネット組成の化学量論組成を有する粉末混合原料
   をアルコール中で湿式混合することにより混合物を得る工程、
   （２）前記混合物をプレス成形することにより圧粉体を得る工程、
   （３）前記圧粉体を温度１４５０～１６００℃で予備焼結することにより相対密度９５～９９％の予備焼結体を得る工程、
   （４）前記予備焼結体を温度１５００～１６８０℃かつ圧力４９～１９６ＭＰａにてＨＩＰ処理する工程、及び
   （５）前記ＨＩＰ処理で得られた焼結体を１２００～１５００℃でアニールする工程
   を含むことを特徴するＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスの製造方法。
9. テルビウム酸化物としてＴｂ_２Ｏ_３を用いる、請求項８に記載の製造方法。
10. 請求項１～７のいずれかに記載のＴｂ含有希土類－アルミ二ウム系ガーネット型セラミックスを含むファラデー素子。
11. 請求項１０に記載のファラデー素子を含む光アイソレータデバイス。