CN103364972A - 1μm带宽光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化的1μm带宽光隔离器，它适合作为激光加工等用途中使用的大功率激光器，譬如光纤激光器中的光隔离器。该1μm带宽光隔离器包括：法拉第转子，其在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上；第1中空磁铁，被配置在上述法拉第转子的外周；以及第2及第3中空磁铁单元，在光轴上配置成将第1中空磁铁夹在中间。其特征在于：第2及第3中空磁铁单元，由沿与光轴方向成90度角的方向均等分割而得到的两个以上的磁铁构成；施加到所述法拉第转子上的磁通密度B(Oe)在下式(1)的范围之内；所述法拉第转子所配置的光路长L(cm)在下式(2)的范围之内。0.5×10⁴≤B≤1.5×10⁴ (1)，0.70≤L≤1.10 (2)。

Description

1μm带宽光隔离器

技术领域

本发明涉及在约1μm波长带宽下使用的光隔离器。这种光隔离器，在工业激光领域被广泛应用于加工或打标用途等，与大功率激光器一起被广泛利用。

背景技术

以前，在用于切断、焊接、打标等的工业激光加工机中，一直是采用CO2激光(10.6μm)或灯泵浦YAG激光(1μm)。

近几年，对其加工性能的要求越发严格，要求激光加工机具有更高的精度、更大的输出功率和更长的寿命。在这种市场要求下，受到人们关注的是光纤激光器。光纤激光器的特征是，其光路全部由光纤构成，通过掺入了镱(Yb)等稀土元素的光纤对由激光二极管(LD)光源振荡而产生的1μm带宽的光进行放大，能够由光纤输出高精度且大功率的激光。与相同波长带宽的灯泵浦式YAG激光比较，光纤激光器的激发光的变换效率高，散热性能好，故只用风冷即可，不需要灯泵浦，因而具有电力消耗小、输出功率大、寿命长等优点，正是由于这个理由颇受人们的关注。

然而，光纤激光器，虽然由于其发射光谱窄具有变换效率高的特征，但另一方面，对于反射回光非常敏感，来自光纤的结合端面或高反射率的金属面的反射光一旦返回，会使其特性处于不稳定的状态，甚至会因其大输出功率的发光，有导致LD光源单元损坏的危险。因此，为了让光纤激光器稳定地工作，防止反射光回射到发光元件即发光光源上去，必须在发光光源与加工体之间配置一种光隔离器(an optical isolator)，其具有能让正方向的光通过而将逆方向的光遮断的功能，以遮断从光纤向发光光源反射回来的光(专利文献1)。

这里，光隔离器是由以下3个主要部件构成的，即，法拉第转子、配置于法拉第转子的光入射侧及光出射侧的一对起偏器、向法拉第转子的光透过方向(光轴方向)上施加磁场的磁铁。在这种形态中，当光入射到法拉第转子时，会发生偏振面在法拉第转子中旋转的现象。这种现象被称为法拉第效应，将偏振面旋转的角度成为法拉第旋转角，其大小θ可用下式表示。

θ＝V×H×L

V为费尔德常数，是由法拉第转子的材料及测量波长所决定的常数；H为磁通密度；L为法拉第转子的长度。从上式可知，在具有某一定大小的费尔德常数的转子中，若要得到所希望的法拉第旋转角，施加于法拉第转子上的磁场越大，越能够缩短转子的长度；转子的长度越长，越能够减小磁通密度。

专利文献1公开了一种由用液相外延法培养的特定组成的结晶体构成的法拉第转子，以及采用该法拉第转子的光隔离器。

并且，一般来讲，为了具有光隔离器的功能，需要有45度左右的法拉第旋转角。具体而言，当入射到光隔离器的光透过入出射起偏器时，该入出射起偏器的偏振面通过法拉第转子被旋转45度在各个角度上进行了调整。另一方面，反向光利用法拉第转子的非互易性，使偏振面反向旋转45度，使其与入射起偏器成为90度的正交偏振面，从而不能透过。光隔离器正是利用这一原理，只允许光单方向通过，阻断反射回来的光。

专利文献

[专利文献1]日本特平6-324294号公报

发明内容

发明要解决的课题

目前所使用的光隔离器中，通常是采用譬如铽·镓·石榴石(TGG)结晶的法拉第转子。在波长1.06μm下，TGG的费尔德常数为0.135min/(Oe*cm)左右，故为了满足法拉第旋转角45度的条件，至少需要2.0cm左右的长度。因此，为了增强施加于法拉第转子的磁通密度，必须增大其周围的磁铁的形状，从而使得光隔离器整体的尺寸也不得不变得很大。其结果，将给光学器件内部的设计上带来限制，并且也会导致向光隔离器外部的漏泄磁场变大，给使用上带来困难。这里，1分(min)表示1/60度。

本发明所要解决的课题，是提供一种小型化的光隔离器，特别是提供一种适合作为激光加工等用途中使用的大功率激光器，譬如光纤激光器中的光隔离器的小型光隔离器。

本发明所要解决的另一个课题，是提供一种使用法拉第效应大的法拉第转子且与外形小的磁铁进行组合的光隔离器。本发明的其他课题，将会从下面的说明中清楚。

解决课题的技术方案

上述的诸课题，通过下面的技术方案(1)得以实现，与优选实施方式(2)～(10)一起叙述如下：

(1)一种1μm带宽光隔离器，包括：法拉第转子，其在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上；第1中空磁铁，被配置在上述法拉第转子的外周；以及第2及第3中空磁铁单元，在光轴上配置成将第1中空磁铁夹在中间。其特征在于：所述第2及第3中空磁铁单元，由沿与光轴方向成90度角的方向均等分割而得到的两个以上的磁铁构成；施加到所述法拉第转子上的磁通密度B(Oe)在下式(1)的范围之内；所述法拉第转子被配置的光路长L(cm)在下式(2)的范围之内。

0.5×10⁴≤B≤1.5×10⁴  (1)

0.70≤L≤1.10          (2)

(2)如(1)所述的光隔离器，在所述法拉第转子中，下式(I)所表示的氧化物的含量在99重量％以上。

(Tb_xR_1-x)₂O₃           (I)

(式(I)中，x为0.5≤x≤1.0；R包含从由除钪、钇、铽以外的镧系元素群组成的集合中所选择的至少1种元素。)

(3)如(2)所述的光隔离器，其中，所述氧化物为单晶体。

(4)如(2)所述的光隔离器，其中，所述氧化物为陶瓷。

(5)如(1)～(4)中任意一项所述的光隔离器，其中，所述法拉第转子，在光路长L(cm)中，有1dB 以下的***损耗和25dB 以上的消光比。

(6)如(1)～(5)中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁以及第2和第3中空磁铁单元是由钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁构成的。

(7)如(1)～(6)中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁的磁场极性为光轴方向，第2及第3中空磁铁单元的磁场极性在光轴的法线方向上互相反转。

(8)如(1)～(7)中任意一项所述的光隔离器，其中，还具备两块以上的双折射晶体板及1个以上的45度方位旋转子。

(9)如(8)所述的光隔离器，其中，所述双折射晶体板的光学轴相对于光轴大体为45度方向，厚度为1.0cm以上。

(10)如(1)～(9)中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁、第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元被装在碳钢框体内。

发明的效果

在本发明中，通过采用费尔德常数大的法拉第转子和磁通密度大的磁铁材料及磁性回路，实现了光隔离器的小型化。

用于本发明中的法拉第转子，与像TGG晶体那样的以前的转子相比，由于其具有两倍以上的费尔德常数，所以能做成短光路的法拉第转子。通过在该法拉第转子中使用磁通密度大的磁铁材料及磁性回路，使光隔离器的小型化变成了可能。因而增大了内嵌了光隔离器的设备内的空间尺寸的自由度。并且，因为能够将法拉第转子的光路长度缩短为1/2左右，所以能够减小因大功率激光所担忧的对法拉第转子的光损伤。

通过上述(7)所述的发明，提高了施加于法拉第转子上的磁通密度，从而实现了进一步的小型化。

通过上述(8)所述的发明，除小型化之外，还能够实现偏振无关化。

附图说明

图1是表示本发明的光隔离器的构成例的截面模式图。

图2是表示第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9的截面模式图。

图3有上下2图，是表示光隔离器内的入射光和反射回光的偏振面沿光轴方向变化情况的模式图。上图从左体起，依次为入射光、入射起偏器、法拉第转子、45度方位旋转子、出射起偏器；下图从左起依次为入射起偏器、法拉第转子、45度方位旋转子、出射起偏器、反射回光。

图4是表示相对于在实施例1～3及比较例1中使用的法拉第转子的光路长L(0.7～1.1cm)，使法拉第旋转角成为45度的磁通密度T(10⁴Oe)的大小的图。竖轴为磁通密度，横轴为光路长，曲线从上向下依次为比较例1、实施例1、实施例2、实施例3。

图5是表示基于有限要素法的NdFeB系磁铁的形状解析结果的图。从上向下依次为比较例1(光路长2.00cm)，实施例2(光路长0.70cm)，实施例2(光路长1.10cm)，实施例1(磁通密度分布a)，实施例3(光路长1.10cm)

图6是表示浮动熔区法装置例的截面图，该装置用来制造作为法拉第转子使用的氧化物单晶体。

图7是表示微拉法例的示意图，该方法用来制造作为法拉第转子使用的氧化物单晶体。

标号说明

1 入射起偏器

2 楔玻璃

3 起偏器支架

4 法拉第转子

5 45度方位旋转子

6 出射起偏器

7 第1中空磁铁

8 第2中空磁铁单元

9 第3中空磁铁单元

10 框体

11 光学轴

12 光轴

100 氙灯FZ装置

110 上轴

112 下轴

114 给料杆

116 种子杆

120 氙灯

130 椭圆镜

140 石英管

200 微拉装置

210 融液

220 坩埚

222 坩埚支架

230 保温筒

240 石英管

250 感应加热装置

260 种子保持器

具体实施方式

本发明的光隔离器，包括：法拉第转子，其在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上；第1中空磁铁，被配置在上述法拉第转子的外周；以及第2及第3中空磁铁单元，在光轴上配置成将第1中空磁铁夹在中间。其特征在于：所述第2及第3中空磁铁单元，由沿与光轴方向成90度角的方向均等分割而得到的两个以上的磁铁构成；施加到所述法拉第转子上的磁通密度B(Oe)在下式(1)的范围之内；所述法拉第转子被配置的光路长L(cm)在下式(2)的范围之内。

0.5×10⁴≤B≤1.5×10⁴  (1)

0.70≤L≤1.10          (2)

以下对本发明进行详细说明。

本发明的隔离器，优选使用于波长带宽为0.90～1.10μm的激光。此范围的激光中，包含灯泵浦式YAG激光。

需要说明的是，本领域的技术人员能够通过变更本发明的隔离器的设计，使其适用于上述以外的波长带宽。

下面，参照附图对本发明的光隔离器的基本构成例进行说明。

图1是表示本发明的光隔离器的构成例的截面模式图。

图1中，入射起偏器1、法拉第转子4和出射起偏器6，被依次配置于从左侧的入射侧到右侧的出射侧的光轴12上。

图1中，入射起偏器1和出射起偏器6分别由楔玻璃2被固定于光轴12上。在入射侧，入射起偏器1被固定在起偏器支架3上，在出射侧，45度方位旋转子和出射起偏器6被固定在偏器支架3上。此外，在入射起偏器1及出射起偏器6上给出了光学轴11的标示。

对于法拉第转子4的形状没有特别限定，也可以是三角柱状或四角形柱状，不过，优选圆筒状。以下以圆筒状的法拉第转子为例进行说明。

该法拉第转子4的外周，配置有第1中空磁铁7，以及在光轴上将第1中空磁铁夹持在中间的第2中空磁铁单元8和第3中空磁铁单元9。法拉第转子4若为圆筒状，则第1中空磁铁7及第2中空磁铁单元8和第3中空磁铁单元9均优选为中空圆筒状，法拉第转子4的中心轴及第1中空磁铁7的中空部和两个中空磁铁单元8，9的中空部的中心轴优选为同轴。并且，优选法拉第转子4的外径和第1中空磁铁7的中空部的内径以及两个中空磁铁单元8，9的中空部的内径大体相等，光隔离器组装后进行调芯。通过上述配置，法拉第转子4能够被配置在第1中空磁铁7的中心。

第1中空磁铁7和第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9，被配置成使其中空部与光轴同轴。这两个中空磁铁单元8，9，均为在与光轴成90度的方向上被均等分割成两个以上的多个磁铁的集合体。

图2是表示两个中空磁铁单元8，9的一实施方式的截面模式图。两个中空磁铁单元均为以90度将圆筒磁铁4分割而得到的4个磁铁的集合体。因为适合加工，优选4分割的磁铁单元(集合体)。除了这种4分割的磁铁单元的形态外，也可以是以180度2分割的2个磁铁的集合体，或以120度3分割的3个磁铁的集合体。

如图2所示，第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9，各自被收纳在框体10内。

在图2所示的实施方式中，将圆筒磁铁4分割的磁铁，其磁场极性为外周方向。这种情况下，由于各个磁铁之间互相具有反磁力，只要磁铁单元能够***让组合磁铁单元的外周外径与框体10的内径大体相等，仅靠各自的反磁力便会固定于框体10的内部。利用这种固定方法，通过第2中空磁铁单元8和第3中空磁铁单元9在两侧的压紧，能够无缝隙地将第1中空磁铁7固定住，所以所构成的磁铁整体的固定不需要粘着剂等，可实现可靠性高的构成。

本发明的光隔离器所具有的法拉第转子，在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上。下面，对该法拉第转子进行说明。

能用于本发明的法拉第转子，在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上。费尔德常数，只要是在0.27min/(Oe*cm)以上即可没有特别限定，不过，优选大的费尔德常数。如果费尔德常数小于0.27min/(Oe*cm)，要使法拉第旋转角为45度所需要的法拉第转子的长度变长，从而使光隔离器的小型化变得困难。

再者，从便于制造的观点，法拉第转子在波长1.06μm下的费尔德常数优选0.36min/(Oe*cm)以下。

在本发明中，费尔德常数可按照规定的方法进行测定，没有特别限定。

具体来说，就是切取所规定厚度的氧化物，进行镜面抛光加工，将法拉第转子设置为已知磁通密度大小的永久磁铁，然后测定在波长1.06μm下的费尔德常数。还有，测定条件为25±10℃，大气中进行测定。

在本发明的光隔离器中，上述法拉第转子被配置的光路长L(cm)在下式(2)的范围之内。

0.70≤L≤1.10    (2)

若光路长超过1.10cm，隔离器的小型化变得困难，而若小于0.70cm，则由于为了得到所期望的法拉第旋转角所需要的磁通密度的大小变大，同样使隔离器的小型化变得困难。

在用于本发明的法拉第转子中，下式(I)所表示的氧化物的含量优选99重量％以上。

(Tb_xR_1-x)₂O₃    (I)

(式(I)中，x为0.5≤x≤1.0；R包含从由除钪、钇、铽以外的镧系元素群组成的集合中所选择的至少1种元素。)

上述氧化物的含量优选99.9重量％以上，更优选99.99重量％以上。

在式(I)中，优选R包含从由钪、钇、镧、铕、钆及镥组成的组中选择的至少1种元素。

这里，对于R没有特别限定，即可以是单独一种，也可以以任意比率包含多个R。

在它们当中，从原料便于入手的观点，R优选钇、钆及镥，更优选为钇。

式(I)中，x为0.5以上1.0以下。即，按摩尔换算，用式(I)所表示的氧化物含有40摩尔％以上的Tb₂O₃。

x的优选范围为0.5以上且小于1.0，更优选范围为0.5以上0.8以下，更加优选范围为0.5以上0.75以下。当x处于上述范围内时，可获得大的费尔德常数，并且透明性好，故较为理想。尤其当x为0.8以下时，培养后的晶体在冷却时发生裂纹的问题以及结晶的混浊得到抑制，故更为理想。

还有，上式(I)所表示的氧化物优选固溶体。

需要说明的是，在本实施方式中，「固溶体」是指，作为原料粉末的氧化铽的结晶层的晶格点上的铽，处于完全不规则地与其他种类的元素(譬如，钇等)相置换的状态。因此，包含单晶体、多晶体以及由烧结制成的多晶体即陶瓷等。

在它们当中，上式(I)所表示的氧化物，优选单晶体或陶瓷，更优选单晶体。

能够用于本发明的法拉第转子所能包含的其他成分，优选从由碱土金属的氧化物、第13族元素的氧化物、第14族元素的氧化物、其他第4族元素、第5族元素(V，Nb，Ta等)、第6族元素(Mo，W等)及第17族元素(F，Cl，Br等)的氧化物组成的组中选择的金属氧化物。

能够用于本发明的法拉第转子，优选包含0.0001重量％以上1.0重量％未满的、碱土金属、第13族元素、第14族元素、第4族元素、第5族元素(V，Nb，Ta等)、第6族元素(Mo，W等)、第17族元素(F，Cl，Br等)中的1个或2个以上的元素的氧化物。

这些氧化物的含量，相对于本发明的氧化物，优选0.000001重量％以上1.0重量％未满，更优选0.00001～0.1重量％，更加优选0.0001～0.01重量％。

碱土金属的氧化物，可具体例示氧化镁、氧化锶、氧化钡，13族元素的氧化物，可例示氧化铝(矾土)、氧化镓，14族元素的氧化物，可例示氧化硅、氧化锗、氧化锡，4族元素的氧化物，可例示氧化钛、氧化锆、氧化铪。

上述金属氧化物，例如作为制造单晶体时添加的掺杂剂，或作为制造陶瓷制时添加的烧结助剂的残留物被包含在产品中。

作为制造单晶体时添加的掺杂剂，碱土金属的氧化物是比较合适的，优选氧化镁、氧化锶、氧化钡等。这些氧化物，相对于整个法拉第转子的含量优选0.000001重量％以上1.0重量％未满，更优选0.00001～0.1重量％，更加优选0.0001～0.01重量％。

作为烧结助剂，可例示出碳酸镁等碱土金属的碳酸盐、氧化铝、氧化镓、氧化钛、氧化硅、氧化锗、氧化锆、氧化铪等。此外，例如使用碱土金属的碳酸盐作为烧结助剂时，在烧结中被氧化掉，作为碱土金属的氧化物包含在所得到的氧化物中。

碱土金属氧化物相对于整个法拉第转子的含量，优选0.00001～1.0重量％，更优选0.0001～0.1重量％，更加优选0.0001～0.01重量％。

在氧化物单晶体及陶瓷等的法拉第转子或其材料的制造过程中，有时会混入副成分，譬如，有时可能会混入坩埚的构成成分。

本发明的氧化物，虽然并不排除这些所不期望的副成分的混入，但其混入量优选与上述其他成分的合计量小于1重量％，更优选0.1重量％以下，特别优选0.01重量％以下。

-单晶体-

可用于本发明的法拉第转子，能够使用上述的式(I所表示的氧化物的单晶体。

对于制造氧化物结晶的方法，没有特别限定，可例示：动熔区法、微拉法、拉晶法，Skull Melt法及布里奇曼法。

关于这些方法，在「大量单晶体的最新技术和应用开发」(福田承生监修，CMC出版，2006年3月)、「结晶生长手册」(日本结晶生长学会「结晶生长手册」编辑委员会编辑，共立出版株式会社，1995年9月」中有详细介绍。

制造氧化物单晶体时，如上所述，出于让其稳定地形成结晶的目的，优选掺杂0.001～0.01重量％的碱土金属的氧化物(例如镁、钙、锶、钡)。

以下，对代表性的制造方法进行详述说明。

<浮动熔区法>

描述用浮动熔区法制造氧化物单晶体的实施方式。

关于用浮动熔区法制造单晶体的方法，可以参照例如日本特开昭62-271385号公报。

首先，作为原料准备高纯度(优选99.9重量％以上)的粉末原料(Tb₂O₃、Re₂O₃以及其他成分)，将其混合，调制混合粉末。Re优选从由钪、钇、镧、铕、钆及镥组成的组中选择。

供制造用的混合粉末及其成形体的调制方法将在后面详述。

下面，参照图6，对光学式浮动熔区法的一例-氙灯浮动熔区法(氙灯FZ法)进行详细说明。

在以下的描述中，除非有特别说明，同一个标号表示同一个对象。

图6是表示在氙灯FZ法中使用的氙灯FZ装置100的构成的概念截面图。氙灯FZ装置100的构成中设有溶融用的氙灯120光源和椭圆镜130，椭圆镜130是将两个椭圆体连接一起形成为无边形状，能够从氙灯120向试料聚光进行加热融化。在图6中，氙灯FZ装置100，有一个内部为中空装试料的石英管140和位于1个椭圆镜130上的两个氙灯。形成椭圆镜130的两个椭圆体各有两个焦点，对椭圆镜130而言，共有4个焦点。椭圆镜130的4个焦点中，两个焦点相重叠，石英管140被设置在通过该重叠点的位置。并且，两个氙灯120的轴心，被设置在通过椭圆镜130的4个焦点中的另外两个焦点的位置。

椭圆镜130的内侧被施以镜面处理。从氙灯120照射来的氙光，通过由镜面处理过的椭圆镜130反射，几乎从全方位入射到轴心部的石英管140上。除了氙灯以外，也可以使用卤素灯作为光源，不过，由于氙灯的到达温度高，聚光敏锐，所以具有能形成陡峭的温度梯度的优点。

石英管140内，设有可以旋转的上轴110和从上轴110的下端留有间隔配置在下方的下轴112。上轴110和下轴112在石英管140内可上下移动。为了让结晶生长，石英管140可控制其空气环境。上轴110上装有原料成形体即原料棒。并且，下轴上优选装设晶种材料，不过也可以装设原料的成形体或原料的烧结体。这里，把装设在上轴上的原料成形体叫做给料杆114，把装设在下轴上的原料成形体、烧结体或者晶种材料叫做种子杆116。

图6中的石英管140，优选从未图示的一端朝其另一端放入氩气和数％的氢气使其内部为正压。这样做的目的之一是为了不让大气从石英管140的外部侵入，另一个目的是为了在结晶培养的过程中，不让包含在原料棒(给料杆114)中的氧化铽被氧化。

接着，分别在上下轴110，112上安装给料杆114和种子杆116之后，以各端部互相接近的状态进行配置，在此状态下，加大氙灯120的输出，直到给料杆114的下端和种子杆112的上端双方开始溶解的温度为止。并且一边让各自的杆互相反向转动一边让其接近。再者，不让这些杆转动也没关系。在此状态下，让两个杆接触形成融液部分。此时，为了让所形成的融液部分通过表面张力保持适当的融液形状，一边微调整氙灯120的输出，一边缓缓降下种子杆116和给料杆114。由此，所定的组成的结晶便会形成在融液部分下部即种子杆116的上部。只要保持种子杆116和给料杆114的降下速度相同，结晶体便会被培养出来。当达到所希望的长度，或当种子杆116被消费完后，停止杆的降落，缓慢地降低氙灯120的输出让温度下降，便能得到透明的结晶体。

需要说明的是，在浮动熔区法中所得到的结晶，因为是在温度梯度很大的条件下培养的，所以还残留着生长时的热失真，在结晶切断时，有时会出现裂纹。为此，当结晶生长后，优选使用碳素焙烧炉等，将结晶放入碳素容器内，在1,200℃以上的惰性气氛或者还原气氛中进行退火处理以便除去热失真的。此时的退火处理的温度没有特别限定，不过，优选1,200～2,200℃，更优选1,400～2,200℃，更加优选1,600～2,000℃。再者，退火处理的时间没有特别限定，不过，优选1～100小时，更优选5～50小时，更加优选10～50小时。

此外，如果将所得到的单晶体作为隔离器的法拉第转子使用，切断后，优选采用抛光剂等对其表面施以镜面处理。对于抛光剂没有特别限定，例如可以例示硅胶。

<微拉法>

关于氧化物单晶体的制造方法，下面说明用另一个方法即微拉法制造单晶体的情况。关于微拉法，可参照日本特开2001-226196号公报。

首先对原料粉末进行称量，以使其成为所希望的摩尔比。将上述粉末原料装入装置时，只要预先充分地混合并且干燥或烧结即可，可适当采用通常所知的方法。关于混合粉末的制造方法将在后面进行说明。

接下来，使用微拉装置培养单晶体。

图7是表示适合用于本实施方式的微拉法的一个例子的说明图。

微拉法中所使用的微拉装置200，是一种单晶体生长装置，具备：坩埚220、保持与从设置在坩埚底部的细孔中流出的融液210相接触的种子的种子保持器260、让种子保持器260往下方移动的移动机构(未图示)、该移动机构的移动速度控制装置(未图示)以及用于加热坩埚220的感应加热装置250。此外，在图7中，坩埚220下部由坩埚支架222所保持，并且，在坩埚220外部设有保温筒230及石英管240，从石英管240的外部，通过感应加热装置250对坩埚220进行加热。

从耐热性的观点，该坩埚220优选铼金属烧结体或铼合金金属烧结体，优选在坩埚底部外周配置由铼金属烧结体或铼合金金属烧结体构成的发热体即后热器(未图示)。坩埚220及后热器，可通过调整感应加热装置250的输出来调整发热量，由此能够对从设置在坩埚底部的细孔抽出的融液210的固液界面的加热温度及温度梯度进行控制。

在上述装置上设有多个细孔，其大小控制在不让融液垂落(优选直径为200～300μm)，多个细孔的配置方式，优选在晶种或由烧结了相同组成的原料成形的烧结体接触之前使流下的融液合流。

使用该装置，将按上述方法准备的烧结原料装入坩埚220内。在加温之前，优选将炉内体调节成惰性气氛，通过缓缓地向高频感应加热线圈(感应加热装置250)上加以高频电力，加热坩埚220，使坩埚220内的原料融化。可能的话，为了使融液210的组成均匀，优选将这个状态保持数小时。

让晶种或烧结成形棒以所定的速度缓缓上升，让其顶端与坩埚下端的细孔相接触使其充分地溶合。接着，一边调节融液温度一边下降降低轴，从而让结晶生长。当所准备的材料全部结晶化，融液消失时，结晶的生长便结束。生长的结晶，优选保持在后热器的状态，徐徐地冷却至室温。

-陶瓷(透明陶瓷)-

上述的式(I)所表示的氧化物，如果在波长1.06μm下的透明性好且没有热失真等的各向异性，也可以是多晶体的陶瓷(在本发明中也称为透明陶瓷)，这里，本发明中的所谓的透明陶瓷，是指在波长1.06μm，光路长0.3cm的条件下的透射率为70％以上的陶瓷。

如果是制造单晶体，为了让其变成融液状态，必须升温至高温，氧化铽的熔点约为2,600℃，氧化钇的熔点约为2,300℃，对于这两个固溶体，需要升温至它们的中间温度，所以需要升温至非常高温度。因此，如果在坩埚内进行溶融制造单晶体，坩埚的选择非常受限制，只有铼、钨或它们的合金等。

而如果是透明陶瓷的情况，则无需升温至熔点，只要进行加压烧结，在熔点以下即可以使其透明化。烧结时，还可以加入烧结助剂，来提高烧结密度，使其精细化。

透明陶瓷的制作方法，可以适当选择现有公知的制造方法，没有特别限定。作为透明陶瓷的制造方法，可以例示：热等静压处理的方法、固相法和形成法的组合方法、利用铸模成形等进行真空烧结的方法等，在池末明生著「由光学单晶体向光学多晶体」应用物理，第75卷，第5号，579-583(2006)、柳谷高公，八木秀喜著「陶瓷激光材料的现状和将来」激光研究，第36卷，第9号，544-548(2008年)等中有介绍。

下面，就作为透明陶瓷的制造方法，使用热等静压法(HIP(Hot IsostaticPressing)制造透明陶瓷的一例进行说明。

首先调制原料粉末(Tb₂O₃，R₂O₃及其他成分)的混合粉末。关于混合粉末的制造方法将在后面叙述。向所得到的混合粉末中添加溶剂、粘合剂、增塑剂、润滑剂等，以湿法混合制成粉浆状。并且，此时优选添加所定量的上述的烧结助剂，其添加量优选全体原料的0.00001～1.0重量％，更优选0.0001～0.1重量％，更加优选0.001～0.01重量％。将得到的粉浆用喷雾干燥器处理，使之干燥后进行成形处理。成形处理即可以一次进行，也可以分多阶段进行。此外，成形之后，也优选通过加热(优选400～600℃)进行脱脂处理。

此后，优选在真空炉中进行烧结。作为烧结条件，优选1,600～2,000℃，更优选1,700～1,900℃，更加优选1,750～1,850℃。烧结时间优选1～50小时，更优选2～25小时，更加优选5～20小时。此时，升温至1,200℃左右的升温速度，优选100～500℃/hr，更优选200～400℃/hr，更加优选250～350℃/hr。在更高的温度时，优选减慢升温速度，以25～75℃/hr为宜。再者，烧结时真空度，优选1Pa以下，更优选1×10-1Pa以下。

还有，上述烧结之后，为了进一步提高透明性，用热等静压(HIP)法进行处理。其处理温度，优选高于上述烧结温度的温度，优选1,600～2,000℃，更优选1,700～1,900℃，更加优选1,750～1,850℃。处理压力优选为10～1,000MPa，更优选为20～500MPa，更加优选为40～200MPa。处理时间没有特别限定，优选50小时以下，更优选25小时以，更加优选10小时以下。并且，优选15分以上，更优选30分以上，更加优选1小时以。

<混合粉末及成形体的制造>

例如，可以通过称量，使混合粉末及其成形体(包括烧结体)成为所希望的摩尔比，根据上述的方法等制取用上述式(I)表示的氧化物的单晶体及透明陶瓷。

粉末材料(Tb₂O₃，R₂O₃及其他成分)，优选使用高纯度的材料，优选纯度为99.9重量％以上，更优选为99.99重量％以上，更加优选为99.999重量％以上。这里，上述R₂O₃中的R与式(I)中的R同义，优选范围也相同。

再者，作为氧化铽，并不限定于Tb₂O₃，也可以使用Tb₄O₇，不过，由于所得到的氧化物的结晶性出色，优选使用Tb₂O₃。

按所希望的摩尔比对粉末材料称量后，即可以采用干法混合，也可以操用湿法混合，没有特别限定。并且，通过湿法或干法混合后，即可以进行烧结处理，也可以在烧结处理之后，再进行粉碎处理。

具体而言，可以例示用球磨机等干法混合后，在惰性气氛下烧结混合粉末的方法。烧结温度及烧结时间没有特别限定，不过，烧结温度优选600～2,000℃，更优选800～1,800℃，更加优选1,000～1,800℃。作为惰性气氛，可列举稀有气体气氛、氮气气氛等的惰性气氛，不过，优选在氩气气氛下进行烧结。并且，烧结时间没有特别限定，可根据混合粉末的含水量和烧结温度适当选选择，不过，优选1～100小时，更优选5～50小时，更加优选10～30小时。还有，进行烧结的情况下，优选在烧结之后再用球磨机等进行粉碎混合。

并且，为了使混合粉末的平均粒径的分布陡峭，达到高纯度的目的，也可以将粉末材料进行溶化，再结晶化及粉碎后，作为原料粉末使用。

具体而言，可以例示以下方法：准备高纯度(例如，99.9重量％以上)的原料粉末，通过称量使Tb₂O₃∶R₂O₃成为所希望的摩尔比。将这些原料粉末溶解于浓度为1mol/l的硝酸水溶液里，然后往里面混合浓度为1mol/l的硫酸铵水溶液，再加入超纯水调整期浓度，对于所得到的水溶液，一边搅拌，一边以一定的滴下速度滴入浓度为0.5mol/l的碳酸氢铵水溶液，直到成为pH8为止，然后，边搅拌边在室温下放置数天，此后，通过过滤和用超纯水冲洗，在150℃下干燥数天。将得到的混合粉末，放入氧化铝坩埚，在氮气氛或氩气氛等的惰性气氛中，优选800～1,500℃，更优选1,000～1,400℃，更加优选1,100～1,200℃下，进行优选0.5～10小时，更优选1～7小时，更加优选2～4小时的预焙烧，这里，之所以控制为惰性气氛，是为了不使氧化铽的价数变化。

将混合粉末材料充分混合后，可使用成形机将混合物成形为所希望的形状及大小。成形的形状没有特别限定，可根据装置等的情况适当选择，例如，可成形为圆柱状。

关于粉末材料的形成方法，譬如可例示用成形机加压成形被充分地干法混合后的粉末原料的方法。

此外，还可以往粉末材料里加入有机粘结剂，做成粉浆状，将其成形后，通过烧结制成烧结体，将该烧结体作为原料成形体使用。烧结温度，优选600～2,000℃，更优选800～1,800℃，更加优选1,000～1,800℃。烧结气氛优选希有气体或惰性气体气氛，更优选氩气氛。烧结时间虽然没有特别限定，优选1～100小时，更优选5～50小时，更加优选10～30小时。

还有，使用HIP法制造透明陶瓷时，制造成形体后，用HIP法处理该成形体。

成形体的具体制造方法可以例示如下方法：在原料粉末里加入溶剂、粘合剂(粘结剂)、增塑剂、润滑剂等，通过湿法混合制成粉浆状的方法。此时，也可以加添所定量的烧结助剂。对于成形体的制造方法没有特别限定，例如，可以例示用喷雾干燥机处理所得到的粉浆，得到干燥球状体的方法。

作为用于上述粉浆里的溶剂没有特别限定，从使用方便的观点，优选水或低级醇，优选水、甲醇、乙醇，特别优选甲醇。此外，粘合剂可以从公知的粘合剂中适当选择，没有特别限定，可以例示聚乙烯醇。

关于增塑剂、润滑剂，也没有特别限定，可以从公知的增塑剂、润滑剂中适当选择。作为增塑剂的具体例，可例示聚乙二醇，作为润滑剂的具体例，可例示硬脂酸。

对于上述干燥球状体，优选成形之后进行脱脂处理。成形方法没有特别限定，可以从公知的成形方法中适当选择。并且，成形处理即可以一次进行，也可以分多阶段进行。

脱脂处理优选通过加热来进行。加热温度优选400～600℃。还有，进行脱脂处理时，400℃以下加热在大气中进行，超过400℃的高温，优选在惰性气氛下进行加热。

可用于本发明的法拉第转子，在本发明的光隔离器中的所述光路长L(cm)中，优选具有1dB以下的***损耗和25dB以上的消光比。在此范围内，能够制作具有低损耗和高隔离的光学特性的光隔离器，故为优选范围。

此外，***损耗及消光比等的光学特性，按照规定，在波长1.06μm下进行测量。还有，测量条件为25±10℃，且在大气中进行测量。

可用于本发明的法拉第转子，其在波长1.06μm、光路长Lcm(0.70≤L≤1.10)时的透射率(光的透射率)优选70％以上，更优选72％以上，更加优选75％以上。透射率越高越理想，其上限没有特别限定，只要在100％以下即可。

透射率是通过让波长为1.06μm的光透过厚度为Lcm的法拉第转子时的光的强度而测定的。即，透射率可用下式表示。

透射率＝I/Io×100

(上式中，I表示透过光强度(透过厚度Lcm的样本的光强度)，Io表示入射光强度。)

另外，如果所得到的氧化物的透射率不均匀，透射率因测量位置有所变动时，取任意10点的平均透射率作为该氧化物的透射率。

对在本发明的隔离器中的中空磁铁单元群进行补充说明。该中空磁铁单元群包括第1中空磁铁及第2中空磁铁单元和第3中空磁铁单元。

优选的情况是，第1中空磁铁及第2和第3中空磁铁单元尽可能均为小型永久磁铁，且为了获得大的磁场强度，优选使用钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁。

在本发明的隔离器中，如图1所示，优选第1中空磁铁的磁场极性为光轴方向，第2中空磁铁单元的磁场极性与第3中空磁铁单元的磁场极性，在光轴的法线方向上互相反转。通过采用这种结构，能够使施加于法拉第转子上的磁通密度为最大。

在本发明的光隔离器的基本设计中，缩短法拉第转子的长度对于小型化来讲是很重要的，因此，小型化是通过组合采用法拉第效果大的法拉第转子和磁通密度大的磁铁材料(磁石)以及磁性回路得以实现的。并且，在激光加工机中成为问题的大功率光对法拉第转子的光损伤，因为取决于法拉第转子的透射率和长度，所以法拉第转子的透射率越高长度越短理想。

在本发明的光隔离器中，优选在光轴上还具备两块以上的双折射晶体板及1个以上的45度方位旋转子。通过这种构成，能使其成为偏振无关隔离器。

这种情况下，优选上述双折射晶体板的光学轴相对于光轴的方向约为45度，厚度为1.0cm以上。此种情况，能够对应的最大光束直径为厚度的1/10即

伴随光纤激光器的大功率化，对于装载于其上的光隔离器的要求事项，可以列举出：各个零部件对大功率光应具抗性；应为偏振无关型，即不受所传播的光的偏振光状态的影响。为满足这些要求，作为所使用的起偏器，以利用其折射率之差对光束进行分离的双折射晶体最为适合。代表性的双折射晶体有：波长为0.9～1.1μm且透明的钇·钒酸盐(YVO₄)、金红石单晶体(TiO₂)、方解石单晶体(CaCO₃)、α-BBO晶体(BaB₂O₄)。可以使用它们当中的一种。此外，为了实现上述的偏振无关化，优选实施平板加工，以使双折射晶体的光学轴相对于光轴大约成为45度。还有，由于其厚度与异常光的分离距离成正比关系，故各自高精度地加工成能满足所希望的光束位移量的厚度即可。作为入出射起偏器，配置两块该平板型双折射起偏器，并在它们之间配置在波长0.9～1.1μm中某点，与有45度法拉第旋转角的法拉第转子具有同一波长且使偏振面旋转45度的45度方位旋转子，以及在45度方位旋转子的周围配置在法拉第转子的光轴方向上给予磁场的磁铁，由此构成偏振无关型光隔离器。

图3表示光隔离器内的入射光和反射回光的偏振面沿光轴方向变化。

图3上端表示入射光的偏振面的变化。最初，入射光遵从斯奈尔定律，分离成两束光，即向入射起偏器的光学轴偏振光方向上移动的异常光和相对于光学轴沿正交偏振光方向一直前进的常光。入射光在入射起偏器1中分别被分离成的偏振面0度和90度的常光和异常光，通过法拉第转子4分别被右旋了45度。为使该偏振面的角度再右旋45度，将1/2波长板的光学轴配置成面内22.5度。通过这个构成，当常光、异常光透过1/2波长板时，其偏振面均被右旋45度，所以常光、异常光分别旋转90度偏振面。其结果，在出射起偏器6中，因为在与入射起偏器1相同方向上有光学轴，所以常光作为异常光发生光束位移，异常光作为常光一直前进，双方光束一致从而实现了偏振无关化。

对图3下端表示反射回光的偏振面的变化。

反射回光利用法拉第转子的非互易性，让偏振面朝反方向旋转45度，与入射起偏器成为90度的正交偏振面，使其不能透过。

本发明的光隔离器，优选将第1中空磁铁及第2中空磁铁单元、第3中空磁铁单元安装于碳钢框体内。通过收纳于碳钢框体内，相当于在磁铁周围构成了轭铁(磁轭)部件，能增强磁铁所具有吸着力或吸引力。

此外，正像在如图2的说明中所指出的，如果将均等分割的4个磁铁单元外周外径与框体10的内径做成大体相等，并且让磁铁能够***的话，仅靠各个磁铁的反磁力便能将两个磁铁单元固定于框体内。

实施例

(实施例1)

制作了如图1所示构成的1μm带宽光隔离器。

入射起偏器1及出射起偏器6采用了金红石单晶体，将其光透过面加工成厚度为1.0cm的平行平板，其光学轴11相对于光轴12倾斜47.8度。图1中所描绘的倾斜方向是朝向纸面内的。并且，在该平板型起偏器的光透过面上，实施了中心波长1.06μm的反射防止膜，同时，为了回避光透过面的反射光回射到入射光路，将起偏器底面粘着固定于仅有5度倾斜角的楔玻璃2上，装载于起偏器支架3上。

并且，让法拉第转子4位于第1中空磁铁7的中空部的中心位置，固定于包括第2中空磁铁单元8和第3中空磁铁单元9的全部磁铁所形成的磁场分布最强的位置。如图2所示，第2及第3磁铁单元组合使用了被均等分割成4个的磁铁。按入射光路的顺序配置在法拉第转子4之后的45度方位旋转子5，使用人工水晶材质的1/2波长板，并在其光透过面上实施了中心波长1.06μm的反射防止膜。

作为法拉第转子，使用了在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe*cm)以上的铽·钇氧化物，光路长为0.7～1.1cm。法拉第转子的外周，配置了由钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁构成的中空磁铁。在该中空磁铁的两侧，配置磁场极性相反且在与光轴成90度的方向上均等分割成4个的中空磁铁单元，构成被分割的各个磁铁的磁场极性为光轴法线方向的磁性回路。还有，在磁铁及磁铁单元的外侧配置了碳钢框体。

再者，前述光束位移量依存于平行平板起偏器的厚度。在本实施例中，平行平板起偏器的厚作为1.0cm，光束位移量约为1mm。

关于反射回光，由于分别离开入射位置上下1mm被分离出射，所以考虑到光隔离器的功能，可对应的最大光束直径(1/e²)为

此外，出于减小大功率光的能量密度的目的，若要对应更大的光束直径，可以在确保法拉第转子的有效领域的同时，将平行平板起偏器的厚度做成1.0cm以上任意的大小即可。

其次，对本实施例1中使用的法拉第转子4的细节进行说明。材料为含铽·钇氧化物99.99重量％的单晶体，其组成，使用了在上述式(I)中令x＝0.6(Tb_0.6Y_0.4)₂O₃的单晶体。在波长1.06μm下对该单晶体进行了测定，结果表明其具有以下光学特性：***损耗为0.5dB，消光比为35dB，费尔德常数为0.30min/(Oe*cm)。此时所测定的样品为外径

长度10.5mm的圆柱形状。

(实施例2及3)

在上述式(I)中，对Tb的含有率x(0.5～1.0)和费尔德常数的对应关系进行了探讨。作为实施例2，使用了包含相同重量％的、由x＝0.5的(Tb_0.5Y_0.5)₂O₃组成的氧化物的单晶体，除此之外，与实施例1完全同样进行了实施。

再者，作为实施例3，使用了包含相同重量％的、x＝1.0的Tb₂O₃氧化物的单晶体，除此之外，与实施例1完全同样地进行了实施。

对具有以上组成的单晶体的费尔德常数进行了测定。从结果可知，其费尔德常数为：x＝0.5时，0.27min/(Oe*cm)；x＝1.0时，0.43min/(Oe*cm)。此外，在实施例2及3中，其消光比都是35dB。

对于实施例1～3中使用的单晶体的样品长(光路长)，让其在0.7～1.1cm范围内以0.1cm为间隔变化时，将让法拉第旋转角成为45度时的磁通密度T(10⁴Oe)作为光路长L(cm)的函数。图4表示该函数关系。

这里，当前述的样品光路长为1.05cm时，若由实施例1的费尔德常数(0.30min/(Oe*cm))的值，求算法拉第旋转角成为45度时的磁通密度，可知所需要的磁通密度约为8,500[Oe](＝0.85[T])。

(比较例1)

如图4所示，比较例1是以TGG晶体(费尔德常数为0.135min/(Oe*cm))作为法拉第转子制作了光隔离器。

通过计算施加在该TGG晶体的磁通密度可知，光路长1.05cm时所需要的磁通密度约为19,000[Oe](＝1.9[T])，同样，在表示磁通密度下限值的光路长2.00cm时约为10,000[Oe](＝1.0[T])。

因此，在本发明的光隔离器中，磁通密度对光路长之间具有如实施例1～3所示关系。均在满足上述(1)中的式(1)及式(2)的范围之内(参照图4的斜线部分)。

与用于TGG晶体的磁铁比较，在本发明的隔离器中，由于能够缩短法拉第转子的光路长和减小所施加的磁通密度，所以能及减小磁铁的外径，从而能够实现光隔离器的小型化。除了光隔离器产品形状的小型化以外，还能够期待降低由光隔离器向外部漏泄的磁场。

为了使其更具体化，分别以各磁铁的外径作为参数，通过磁场解析计算了所得到的磁通密度的分布。解析方法选择了有限元法(JMAG-Designer)，磁铁材质采用信越化学工业(株)制钕-铁-硼(NdFeB)磁铁，外部框体10的材质采用碳钢。图5表示模拟结果。满足式(1)、式(2)的上限磁通密度表示实施例2中的光路长0.70cm时的磁通密度分布，下限磁通密度表示实施例3中的光路长1.10cm时的磁通密度分布，各磁铁的形状为内径

外径

再者，要满足施加于实施例1中所使用的法拉第转子4(光路长1.05cm，外径

)上的磁通密度8,500[Oe](＝0.85[T])，图5中的磁通密度分布a最为适合。基于这个结果，对于采用实施例1的构成时所使用的磁铁形状，将第1中空磁铁和第2及第3中空磁铁单元组合起来实际制作的结果，其内径为

外径为

长度为3.2cm。对该组装构成品的法拉第旋转角，在波长1.06μm下进行了实际测量，结果为45.0度，与模拟结果一致。并且，由于比较例1所示的以往构成中的下限值即光路长2.00cm时的TGG晶体的磁铁形状是内径

外径长度3.8cm，所以比较两者可知，与以往产品相比，本发明实现了体积比65％的尺寸缩小。

因此，本发明的光隔离器表明，所使用的各个部件及其构成对于1μm带宽的大功率光具有抗性，将作为充分小型化的偏振无关型光隔离器发挥作用。

Claims (10)

1.一种1μm带宽光隔离器，包括：

法拉第转子，其在波长1.06μm下的费尔德常数为0.27min/(Oe·cm)以上；

第1中空磁铁，被配置在上述法拉第转子的外周；以及

第2及第3中空磁铁单元，在光轴上配置成将第1中空磁铁夹在中间。

其特征在于：

所述第2及第3中空磁铁单元，由沿与光轴方向成90度角的方向均等分割而得到的两个以上的磁铁构成；

施加到所述法拉第转子上的磁通密度B(Oe)在下式(1)的范围之内；

所述法拉第转子被配置的光路长L(cm)在下式(2)的范围之内。

0.5×10⁴≤B≤1.5×10⁴  (1)

0.70≤L≤1.10          (2)。

2.如权利要求1所述的光隔离器，在所述法拉第转子中，下式(I)所表示的氧化物的含量在99重量％以上。

(Tb_xR_1-x)₂O₃           (I)

(式(I)中，x为0.5≤x≤1.0；R包含从由除钪、钇、铽以外的镧系元素群组成的集合中所选择的至少1种元素。)

3.如权利要求2所述的光隔离器，其中，所述氧化物为单晶体。

4.如权利要求2所述的光隔离器，其中，所述氧化物为陶瓷。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的光隔离器，其中，所述法拉第转子，在光路长L(cm)中，有1dB以下的***损耗和25dB以上的消光比。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁以及第2和第3中空磁铁单元是由钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁构成的。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁的磁场极性为光轴方向，第2及第3中空磁铁单元的磁场极性在光轴的法线方向上互相反转。

8.如权利要求1～7中任意一项所述的光隔离器，其中，还具备两块以上的双折射晶体板及1个以上的45度方位旋转子。

9.如权利要求8所述的光隔离器，其中，所述双折射晶体板的光学轴相对于光轴大体为45度方向，厚度为1.0cm以上。 

10.如权利要求1～9中任意一项所述的光隔离器，其中，第1中空磁铁、第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元被装在碳钢框体内。 

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