CN112888989A - 光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种光隔离器，所述光隔离器(100)含有：包含三价离子取代TAG(铽铝石榴石)的法拉第旋转片(3)；及配置在所述法拉第旋转片(3)周围的中央空心磁体(5)、以及沿光轴方向夹持所述中央空心磁体而配置的第一空心磁体单元(6)及第二空心磁体单元(7)，将所述法拉第旋转片中的磁通密度设为B[T]、并将配置所述法拉第旋转片的光路长度设为L[mm]时，满足：0＜B(1)、14.0≤L≤24.0(2)。由此，可提供一种与如铽镓石榴石(TGG)晶体这种以往的法拉第旋转片相比，有助于减弱高功率光纤激光器中尚未解决的热透镜效应的光隔离器。

Description

光隔离器
技术领域
本发明涉及一种光隔离器。
背景技术
光纤激光器具有通过将从激光二极管(LD)光源振荡产生的1μm波段的光传播至镱(Yb)等稀土类元素掺杂纤维，并利用泵浦LD进行放大，由此能够光纤输出高精度且高功率的激光的特征。与相同波段的灯泵浦YAG激光器相比，由于泵浦光的转换效率高，冷却的要求少或不需要灯泵浦，因此具有功耗低及寿命长的优点，因而备受瞩目。
光纤激光器根据振荡形式可大致分为两种，存在连续振荡的CW光纤激光器、及脉冲光纤激光器。由于该振荡形式的不同，各个加工用途也大相径庭，擅长热加工的CW光纤激光器主要用于切断/焊接加工中，脉冲光纤激光器的主要用途为需要非热加工的打标、划线等表面加工。近年来，在需要对半导体材料及玻璃窗材料进行精细开孔/切断的加工用途中，还存在将脉冲光纤激光器高功率化为100W以上而进行应用的情况。
脉冲光纤激光器的代表性振荡方式为，被称为主振荡功率放大器(MasterOscillator Power Amplifier：MOPA)的、将用于产生高质量的光束的高度稳定的主振荡器(或种子光源)与高功率的光放大器分开，并分别独立地进行控制的方式。其特征在于，可以以维持良好的光束特性的状态获得高功率。另一方面，对于来自金属等加工对象材料的返回光(反射光)，具有返回光本身因其构成而被放大，并对主振荡器(种子光源)造成损伤、进而发生破损的危险性。因此，为了脉冲光纤激光器的稳定运行，为了防止反射光返回至作为发光光源的种子光源，需要在种子光源与加工体之间配置具有单向透光功能(使顺向的光透射，并将逆向的光遮断)的光隔离器，遮断由光纤向发光源的方向的反射光的返回光。
其中，光隔离器主要由三个部件构成，该三个部件由法拉第旋转片、配置于法拉第旋转片的光入射侧及出射侧的起偏镜、及由沿法拉第旋转片的透光方向(光轴方向)施加磁场的磁体组成。该构成中，一旦光入射至法拉第旋转片，则会在法拉第旋转片中产生偏振面旋转的现象。其为被称为法拉第效应的现象，将偏振面旋转的角度称为法拉第旋转角，其大小θ用下式表示。
θ＝V×H×L
V为维尔德(Verdet)常数，是由法拉第旋转片的材料及测定波长确定的常数，H为磁场的大小，L为法拉第旋转片的长度。根据该式可知，对于具有恒定大小的维尔德常数的旋转片，想要得到所需的法拉第旋转角的情况下，磁场较大时可缩短旋转片长度，旋转片长度较长时可减小磁场。
此外，通常为了具有光隔离器的功能，必须使法拉第旋转角为45度左右。具体而言，对于入射至光隔离器的光，利用法拉第旋转片使其偏振面旋转45度，从而使其透射被调节至各角度的入射及出射起偏镜。另一方面，对于返回光，利用法拉第旋转片的不可逆性，使偏振面逆向旋转45度，成为与入射起偏镜呈90度的正交偏振面，变得无法透射。光隔离器利用该现象防止产生返回光。
专利文献1中记载了使用(TbxY1-x)2O3(x＝0.6～1.0)作为法拉第旋转片，并进行磁体形状的小型化及法拉第旋转片的短缩化(7.0≤L≤11.0mm)，及***损耗为1.0dB以下。
此外，非专利文献1中公开了与现有的TGG晶体相比，组成为(TbxY1-x)3Al5O12(x＝0.5～1.0)的致密的陶瓷烧结体的消光比高(由现有的35dB改善至39.5dB以上)，且能够降低***损耗(由现有的0.05dB改善至0.01～0.05dB)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-83381号公报
专利文献2：实用新型公开昭61-114420号公报
非专利文献
非专利文献1：Yan Lin Aung，Akio Ikesue，Development of optical grade(TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material，J.Am.Ce ram.Soc.，(2017)，100(9)，4081-4087
发明内容
本发明要解决的技术问题
由于以往的例如使用铽镓石榴石(TGG)晶体的法拉第旋转片的维尔德常数在波长1.06μm下为37Rad/T·m左右，因此法拉第旋转片满足法拉第旋转角45度的长度必需为20mm(2.0cm)左右。而且，由于同波长下的吸收系数为0.0015～0.0020cm-1，因此影响热透镜效应的吸收损耗为0.03-0.04dB(0.7-1.0％)。其结果，在平均功率为100W以上的脉冲光纤激光器中，由于光隔离器所带来的热透镜效应，输出光束的束腰位置发生变化，结果导致加工对象处的光束直径发生变化，因此难以进行高精度的加工。
对于近年来搭载于光纤激光加工机、尤其是平均功率为100W以上的脉冲光纤激光器的光隔离器，对低损耗(低吸收)化的要求变高，谋求用作上述光隔离器的法拉第旋转片的材料的法拉第效应与作为现有材料的TGG大致等同且因热透镜引起的吸收系数低。
即，只要能够制成使左右隔离器形状(大小)的法拉第旋转片的维尔德常数与作为以往所使用的材料的TGG为大致等同的大小，并具有更低的吸收系数的法拉第旋转片的构成，则可提供一种不用改变以往的构成与大小也能够应对100W以上的高功率光的光隔离器，因此这会是激光装置开发中最现实的解决手段。
此外，当今以更广范围的加工为目的的脉冲光纤激光器不断高功率化，搭载的光隔离器也谋求更低损耗的特性。因此，要求较之专利文献1中记载的光隔离器进一步低损耗的特性。而且，为了实现高精度的加工，低热透镜效应的法拉第旋转片的开发需求也逐渐上升。
其中，热透镜是指例如100W的高功率激光入射至法拉第旋转片材料时，在材料中发生因发热导致的折射率变化并透镜化的现象。若发生热透镜，则加工对象中光束焦点位置发生变化，变得难以进行良好的材料加工。即，热透镜(单位：m)越长，越适合以低热透镜进行加工。
非专利文献1中虽然公开了也能够降低***损耗，但通常通过减少异相、气泡等散射源也可达成***损耗的降低，因此尚不明确该文献的低损耗化是否是因为在光路长度为24mm以下时吸收系数达成0.001cm-1以下而实现的。
目前，尚未发现在将新型材料加工成法拉第旋转片并进一步使其与磁体单元在碳钢壳体内一体化的基础上，组装成光隔离器，并确定了光路长度为24mm以下时的吸收系数的现有实例，也尚未发现搭载于100W以上的脉冲光纤激光器中并确认了稳定运行的现有实例。
本发明为了解决上述技术问题而成，其目的在于提供一种与如铽镓石榴石(TGG)晶体这种以往的法拉第旋转片相比，有助于减弱高功率光纤激光器中尚未解决的热透镜效应的光隔离器。
解决技术问题的技术手段
本发明为了达成上述目的而成，提供一种光隔离器，其含有：包含三价离子取代TAG(铽铝石榴石)的法拉第旋转片；配置在所述法拉第旋转片周围的中央空心磁体；以及沿光轴方向夹持所述中央空心磁体而配置的第一空心磁体单元及第二空心磁体单元，将所述法拉第旋转片中的磁通密度设为B[T]、并将配置所述法拉第旋转片的光路长度设为L[mm]时，满足：
0＜B (1)
14.0≤L≤24.0 (2)。
若为这样的光隔离器，则可以成为小型且减弱了热透镜效应的光隔离器。
此时，所述法拉第旋转片可以含有下述式(3)所表示的单晶或陶瓷材料。
(TbXRe1-X)3(Al1-yQy)5O12 (3)
其中，x＝0.6～0.95、y＝0～0.4，Re包含选自除钪、钇、铽(Tb)以外的镧系元素组中的至少一种元素，Q包含选自钪、镓中的至少一种元素。
由此，可以成为进一步减弱了热透镜效应的光隔离器。
此时，所述法拉第旋转片可以设为陶瓷材料。
由此，可以以低成本制作。
此时，所述法拉第旋转片中的磁通密度B[T]可以满足：0＜B≤1.7。
由此，可以更加小型化。
此时，所述法拉第旋转片在光路长度L≤24.0mm时，可以具有吸收系数为0.001cm-1以下及消光比为25dB以上的光学特性。
由此，可以具有更低损耗且更高隔离度的光学特性。
此时，所述中央空心磁体、以及所述第一空心磁体单元及第二空心磁体单元可设为搭载于碳钢壳体内。
由此，磁体所具有的吸附力或吸引力增大。
发明效果
如上所述，根据本发明的光隔离器，通过使用与如铽镓石榴石(TGG)晶体这种以往的法拉第旋转片相比，维尔德常数虽等同但吸收系数为大致一半的法拉第旋转片、和磁通密度较大的磁体材料及磁路，可将光隔离器用于搭载在高功率光纤激光器中的用途，可有助于减弱小型且高功率光纤激光器中尚未解决的热透镜效应。
附图说明
图1示出光隔离器中的输入光及返回光的偏振态的状况。
图2示出本发明的光隔离器的构成例的截面示意图。
图3示出第一空心磁体单元及第二空心磁体单元的截面图。
图4示出实施例1、4及比较例1中使用的法拉第旋转角相对于法拉第旋转片的样品长度方向呈45度的磁通密度的大小的模拟结果。
具体实施方式
以下，对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。
如上所述，谋求一种小型且有助于减弱热透镜效应的光隔离器。
本申请的发明人对上述技术问题反复进行了认真研究，结果发现下述光隔离器为小型且减弱了热透镜效应的光隔离器，从而完成了本发明，所述光隔离器含有：包含三价离子取代TAG(铽铝石榴石)的法拉第旋转片；配置在所述法拉第旋转片周围的中央空心磁体；以及以沿光轴方向夹持所述中央空心磁体而配置的第一空心磁体单元及第二空心磁体单元，将所述法拉第旋转片中的磁通密度设为B[T]、并将配置所述法拉第旋转片的光路长度设为L[mm]时，满足：
0＜B (1)
14.0≤L≤24.0 (2)。
以下，参照附图进行说明。
首先，对光隔离器的概要进行说明。
图1示意性地示出光隔离器中的输入光及返回光的偏振态的状况。
输入光的P波透射入射起偏镜的偏振面。该偏振光束的偏振面被法拉第旋转片旋转45度。进一步在即将入射的出射起偏镜中进行45度旋转调整，由此P波偏振光束透射，显示出偏振相关的功能。
另一方面，返回光入射至出射起偏镜时，透射出出射起偏镜的P波偏振光束入射至法拉第旋转片。此时，由于法拉第旋转片的不可逆性，所述输入光沿与偏振旋转方向相反的方向旋转45度。其结果，在入射起偏镜处，由于返回光的偏振面为S偏振，因此光束在入射起偏镜面上反射，不会返回至入射位置。如此，作为偏振相关型光隔离器而发挥功能。
图2中示出本发明的光隔离器100的构成例的截面示意图。
在图2中，入射起偏镜1、法拉第旋转片3、出射起偏镜4由入射侧向出射侧依次配置在光轴9上。
在入射侧，入射起偏镜1固定在起偏镜支架2上，在出射侧，出射起偏镜4固定在起偏镜支架2上。
在法拉第旋转片3的周围配置有中央空心磁体5、及沿光轴方向夹持中央空心磁体5的入射侧的第一空心磁体单元6与出射侧的第二空心磁体单元7。法拉第旋转片3以位于中央空心磁体5的空心部的中心的方式，固定于由合并了中央空心磁体5、第一空心磁体单元6及第二空心磁体单元7的所有磁体形成的磁场分布最大的位置。
入射侧及出射侧的起偏镜支架2、内部配置有法拉第旋转片3的中央空心磁体5、第一空心磁体单元6、第二空心磁体单元7被收纳于外部壳体8的内部。
(起偏镜)
尤其对于适合用于高功率的光纤激光器的光隔离器，优选各部件对高功率光具有抗性并在空间***中利用线偏振光的偏振相关型。
本发明的光隔离器中，入射起偏镜1、出射起偏镜4没有特别限定，但最适宜为偏振分束器(Polarization Beam Spliter。以下，称为PBS)。其功能为当输入的线偏振光为P偏振光(Tp)时透射且当输入的线偏振光为S偏振光(Ts)时反射。
作为通常的低功率用PBS，有用粘合剂等将两个在粘合面上具有PBS的三角立方体贴合而制成立方体形状的低功率用PBS。其中，当用于平均功率为数十W以上的高功率光时，为了避免三角立方体贴合面上的光损伤，适宜为无粘合剂而以光学粘合的光学接触(Optical Contacted)型。此外，表面具有PBS膜的单板型能够通过相对于输入光束倾斜而获得与PBS立方体型等同的透射损耗、消光特性，因此也可使用于同样的高功率激光器用途，适当选择与反射光束的操作等各种激光设计相应的类型即可。
为了谋求偏振相关化，通过以使到达PBS的入射偏振光为P偏振光(Tp)的方式，配置两个PBS，在这两个PBS之间配置在波长1.0～1.1μm的范围内具有45度法拉第旋转角的法拉第旋转片，并在该法拉第旋转片的周围配置沿法拉第旋转片的光轴方向施加磁场的磁体，由此构成偏振相关型光隔离器。
(磁体磁路)
对磁体磁路进行说明。
本发明的光隔离器中，在法拉第旋转片3的周围配置有中央空心磁体5、第一空心磁体单元6及第二空心磁体单元7。第一空心磁体单元6及第二空心磁体单元7如专利文献2所记载，以使彼此的磁场极性方向相反(相同磁极面对面的方式)的方式配置在中央空心磁体5的两端。
一般而言，在光隔离器中，优选以使法拉第旋转片所处的位置的磁通密度较大的方式配置磁体。例如，在专利文献1中，在本发明中的第一空心磁体单元、第二空心磁体单元的位置分别配置由4个磁体构成的空心磁体单元。若为上述构成，则可使磁通密度变大。
因此，对于本发明的磁体构成，由于也要应对维尔德常数小于TGG而需要更大磁通密度的法拉第旋转片材料，因此对上述磁体单元的外径及长度进行了研究。
图3中示出本发明的光隔离器中使用的第一空心磁体单元6与第二空心磁体单元7的截面图。
第一空心磁体单元6与第二空心磁体单元7以下述方式配置在中央空心磁体5的两端：沿光轴方向夹持中央空心磁体5，彼此的磁场极性方向相反，且第一空心磁体单元6的相同磁极以光轴为中心面对面，第二空心磁体单元7的相同磁极以光轴为中心面对面。
另外，中央空心磁体5、第一空心磁体单元6、第二空心磁体单元7的外形没有特别限定，可以为圆柱体、四边体、多面体等任意一种外形。
此外，光隔离器中使用的磁体优选具有尽可能大的磁通密度。因此，本发明中使用的磁体的种类虽然没有特别限定，但从显示较大的磁通密度的角度出发，优选使用钕铁硼(NdFeB)类磁石。
在图2所示的实例中，使中央空心磁体5、第一空心磁体单元6、第二空心磁体单元7为同外径的圆筒形状，将它们与同外径的起偏镜支架2一同***外部壳体8，用螺丝或滚销等将起偏镜支架2的侧面部固定，由此可无间隙地固定各构件。若以此方式进行，则磁体整体的固定不需要粘合剂等，可实现可靠性高的安装。
另外，通过采用碳钢壳体作为外部壳体8，可在磁体的周围构成磁轭(铁轭)件，因此可增加磁体所具有的吸附力或吸引力。
(磁通密度)
本发明的光隔离器的法拉第旋转片中的磁通密度B[T]满足：
0＜B (1)。
这是由于若法拉第旋转片中的磁通密度B[T]为0以下，则不会有助于法拉第旋转，或者会使法拉第旋转角减小。
此外，优选磁通密度B[T]满足：0＜B≤1.7。
这是由于若磁通密度B[T]为1.7以下，则可进一步小型化。
(法拉第旋转片)
本发明的光隔离器中使用的法拉第旋转片包含三价离子取代TAG(铽铝石榴石)。三价离子取代TAG是虽然具有与作为以往所使用的材料的TGG大致等同的法拉第效应，但具有更低的吸收系数的材料。
对于这种法拉第旋转片，优选波长1.0～1.1μm下的维尔德常数为33Rad/T·m以上。更优选波长1.06μm下的维尔德常数为37Rad/T·m以上。优选具有更大的维尔德常数。若为具有上述维尔德常数的法拉第旋转片，则能够将使法拉第旋转角为45度时所需的法拉第旋转片的长度进一步缩短，这在光隔离器的低损耗化这一点上是有利的。
另外，维尔德常数可按照常规方法进行测定。具体而言，切取规定厚度的氧化物，进行镜面抛光处理，将法拉第旋转片设置在已知磁通密度大小的永久磁体上，测定所需波长(例如1.0～1.1μm)下的维尔德常数。另外，可将测定条件设定为25±10℃，并在大气中进行测定。
法拉第旋转片的形状没有特别限定，可以为三棱柱状、四棱柱状等，优选为圆柱状。
配置法拉第旋转片的光路长度L[mm]在下述式(2)的范围内。
14.0≤L≤24.0 (2)
这是由于若长度L大于24.0mm，则法拉第旋转片的长度变长，光隔离器的低损耗化变得困难。若小于14.0mm，则用于获得所需法拉第旋转角的磁通密度的大小变大，隔离器的小型化变得困难。
此外，本发明的光隔离器中使用的法拉第旋转片优选含有下述式(3)所表示的单晶或陶瓷材料。
(TbXRe1-X)3(Al1-yQy)5O12 (3)
其中，x＝0.6～0.95、y＝0～0.4，Re包含选自除钪、钇、铽(Tb)以外的镧系元素组中的至少一种元素，Q包含选自钪、镓中的至少一种元素。
此时，Re可以为单独一种，也可以以任意的比率含有多种Re。其中，从容易获得原料的角度出发，作为Re，优选钇、钆、镥及钪。更优选为钇。
此外，Q可以为单独一种，也可以以任意的比率含有多种Q。其中，从石榴石型结构的稳定化的角度出发，作为Q，更优选钪。
包含上述材料的法拉第旋转片的热透镜效应进一步减弱。
法拉第旋转片也可以含有除上述式(3)所表示的氧化物以外的成分。
作为法拉第旋转片可含有的其他成分，可列举出选自由碱土金属的氧化物、第IIIA族元素的氧化物、第IVA族元素的氧化物、除此以外的第IVB族元素、第VB族元素(V，Nb，Ta等)、第VIB族元素(Mo，W等)、及第VIIA族元素(F，Cl，Br等)的氧化物组成的组中的金属氧化物等，但并不限定于此。此外，也可含有2种以上其他成分，其含量优选为法拉第旋转片整体的0.000001～1.0质量％，更优选为0.00001～0.1质量％。
上述金属氧化物例如可作为在制作单晶时添加的掺杂剂、在制作陶瓷时添加的烧结助剂而含有。此外，在制备法拉第旋转片的材料时，坩埚的构成成分等有时会作为副成分而混入。
另外，作为烧结助剂，优选选择硅、镁、钙的各氧化物中的任意一种以上。
上述式(3)所表示的氧化物优选为单晶或陶瓷，由于可在低温下合成，因此更优选陶瓷。
制造氧化物的单晶时，为了使原料为熔融状态，必须为高温。例如，氧化铽的熔点为约2，600℃，氧化钇的熔点为约2，300℃，在制备这两种固溶体时，必须升温至相图上显示的温度(近似温度)。因此，如此在坩埚中使原料熔融来制作单晶时，坩埚的选择会被限定于铼、钨、或它们的合金等，存在制造成本增加的技术问题。
另一方面，为陶瓷时，无需升温至熔点，可以以比熔点低400℃～1000℃的温度进行烧结制作。此外，在烧结时，若选择并添加合适的烧结助剂而进行，则可促进致密化，故而优选。
作为制作单晶的方法，可使用公知的方法。例如，可例示出区熔法、微下拉法、提拉法、壳熔法、布里奇曼(Bridgman)法等。对于上述各种方法，详细内容参见“バルク単結晶の最新技術と応用開発”(福田承生监制，CMC出版，2006年3月)、“結晶成長ハンドブック”(“日本晶体生长学会“結晶成長ハンドブック”编集委员会编，共立出版株式会社，1995年9月”。
单晶的制作中，如上所述，出于使其稳定地结晶化的目的，可以掺杂碱土金属的氧化物(例如镁、钙、锶、钡)。
作为陶瓷的制作方法，可适当选择使用以往公知的制造方法。作为主要的制作方法，可列举出热等静压处理的方法、将固相法与冲压成型法组合的方法、利用铸造成型等进行真空烧结的方法等。详情记载于池末明生著“光学単結晶から光学多結晶へ”应用物理，第75卷，第5号，579-583(2006)、柳谷高公、八木秀喜著“セラミックレーザー材料の現状と将来”激光研究，第36卷，第9号，544-548(2008年)等。
还优选在成型后，通过加热(优选400～1000℃)进一步进行脱脂处理。作为烧成条件，可以为在氧气气氛炉中，于1，380～1，780℃，时间为1～40小时。此外，在烧成后，为了进一步提高透明性，利用热等静压(HIP)法进行处理也是有效的。处理温度优选低于所述烧成温度，可设为1,000～1,750℃。此外，此时的处理压力可设为100～200MPa。处理时间没有特别限定，可以以4小时以下进行。由此得到的透明陶瓷烧结体仍旧呈现因起因于氧缺位的F色心吸收产生的灰色外观，因此继续在大气炉中实施退火处理也是有效的。作为退火温度，优选1300～1700℃，处理时间优选为3小时以上。
本发明的光隔离器中的法拉第旋转片优选在长度为24.0mm以下时具有吸收系数为0.001cm-1以下及消光比为25dB以上的光学特性。消光比为25dB以上即可，优选更高。吸收系数的下限值及消光比的上限值没有特别限定，例如吸收系数的下限值可以为0.0001cm-1，消光比的上限值可以为50dB。
此外，包括施加于法拉第旋转片的两个端面的对空气防反射膜的反射损耗，***损耗只要为0.04dB以下即可，优选更低。
只要在上述的范围内，则可成为具有更低损耗、且更高隔离度的光学特性的光隔离器。
另外，***损耗及消光比等的光学特性可按照常规方法在规定的波长(使用的目标波长)下进行测定。另外，将测定条件设定为25±10℃，并在大气中进行测定。
此外，法拉第旋转片在规定的波长、例如波长1.06μm时的、光路长度为Lmm(14.0≤L≤24.0)时的透射率(透光率)优选为99％以上。法拉第旋转片的透射率只要为100％以下即可，优选更高。
其中，透射率利用使规定的波长、例如波长1.06μm的光透射厚度为Lcm的法拉第旋转片时的光的强度来测定。即，透射率用以下的数学式表示。
透射率＝(I/Io)×100
另外，上述式中，I表示透射光强度(透射厚度为Lcm的试料的光的强度)，Io表示入射光强度。
当得到的氧化物的透射率不均匀，透射率根据测定位置而变动时，可以将任意10个点的平均透射率作为该氧化物的透射率。
本发明的光隔离器优选用于1.0～1.1μm的波段的激光。作为上述激光器，包括灯泵浦YAG激光器、盘状激光器。此外，也可将本发明的光隔离器用于除上述以外的波段的激光。
实施例
以下，列举出实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于此。
(实施例1)
首先，制作了与图2所示的光隔离器相同的光隔离器。
作为入射起偏镜及出射起偏镜，使用了立方体状的PBS(偏振分束器)。对于该PBS，在透光面施加中心波长1.06μm的防反射膜，并且为了避免透光面的反射光返回至入射光路，将其搭载于具有仅1度的倾斜角的起偏镜支架。此外，施加了中心波长1.06μm的防反射膜的法拉第旋转片以位于中央空心磁体的空心部中心的方式，固定于由合并了第一空心磁体单元与第二空心磁体单元的所有磁体形成的磁场分布最大的位置。
接着，对实施例1中制作的法拉第旋转片的详情进行说明。作为材料，使用了为含铽的石榴石型氧化物的上述式(3)中x＝0.6、y＝0的(Tb0.6Y0.4)3Al5O12透明陶瓷。
作为上述透明陶瓷的制作方法，首先制备原料粉末(Tb4O7、Y2O3、Al2O3)的混合粉末。对于混合粉末的制备方法，使用高纯度的粉末材料(Tb4O7、Y2O3、Al2O3)，使其纯度为99.99质量％以上。另外，作为氧化铽，并不限定于Tb4O7，也可使用Tb2O3，但由于在成本的方面优异，使用了Tb4O7。
接着，向得到的混合粉末中加入溶剂、结合剂、增塑剂、润滑剂等，进行湿式混合而制成浆状。另外，此时添加规定量的烧结助剂，将得到的浆料用喷雾干燥器进行处理而使其干燥，然后单轴冲压成型为圆柱状。
然后，在氧气气氛炉中进行烧成。关于烧成条件，于1，500℃，烧成时间为5小时。
此外，在上述烧成后，为了进一步提高透明性，利用热等静压(HIP)法进行处理。处理温度低于所述烧成温度，为1，300℃。此外，此时的处理压力为150MPa，处理时间为1小时。
由此得到透明陶瓷烧结体。然而，该状态中，仍旧呈现因起因于氧缺位的F色心吸收产生的灰色外观，因此继续在大气炉中实施退火处理。退火温度为1500℃，处理时间为5小时。
对于由此得到的含铽的石榴石型氧化物透明陶瓷烧结体，进行外周磨削及圆柱两端面的光学研磨，在两个端面施加针对中心波长1.064μm的防反射涂层。
其维尔德常数为33.8Rad/T·m。在同波长1.064μm下进行光学测定，结果可知，具有***损耗为0.03dB、吸收系数为0.0007cm-1、消光比为42dB的特性。另外，此时测定的样品为外径
Figure BDA0003028874430000141
长度24.0mm的形状。
(实施例2)
作为实施例2，利用与实施例1相同的方法制作了组成为上述式(3)中x＝0.8、y＝0的(Tb0.8Y0.2)3Al5O12陶瓷。其维尔德常数为45.9Rad/T·m。此外，在波长1.064μm下进行光学测定，其结果，***损耗为0.03dB、吸收系数为0.0008cm-1、消光比为42dB。
(实施例3)
作为实施例3，利用与实施例1相同的方法制作了组成为上述式(3)中x＝0.95、y＝0.01的(Tb0.95(Y+Sc)0.05)3(Al0.99Sc0.01)5O12陶瓷。其维尔德常数为53.5Rad/T·m。此外，在波长1.064μm下进行光学测定，结果可知，***损耗为0.04dB、吸收系数为0.0010cm-1、消光比为40dB。
(实施例4)
实施例4中，作为铸造成型的一个实例，使用离心铸造法制作了法拉第旋转片。制备了组成为上述式(3)中x＝0.6、y＝0.01的(Tb0.6(Y+Sc)0.4)3(Al0.99Sc0.01)5O12的混合粉末。向该混合粉末中添加溶剂、分散剂、结合剂等，进行湿式混合得到泥浆。通过离心分离将该泥浆固液分离，去除上清后，使固形物干燥而得到离心铸造成型体。
然后，利用与实施例1～3相同的方法制作了法拉第旋转片。维尔德常数为33.8Rad/T·m。此外，在同波长1.064μm下进行光学测定，结果，***损耗为0.03dB、吸收系数为0.0003cm-1、消光比为42dB，显示了最低的吸收值。
接着，针对实施例1～4的法拉第旋转片，计算了法拉第旋转角(θf)为45度的磁通密度的大小。
针对实施例1及4，根据样品长度(24.0mm)与维尔德常数33.8Rad/T·m值计算法拉第旋转角为45度的磁通密度时，所需的磁通密度为0.97[T]左右。
针对实施例2，根据样品长度(17.0mm)与维尔德常数45.9Rad/T·m值计算法拉第旋转角为45度的磁通密度时，所需的磁通密度为1.01[T]左右。
针对实施例3，根据样品长度(14.0mm)与维尔德常数53.5Rad/T·m值计算法拉第旋转角为45度的磁通密度时，所需的磁通密度为1.05[T]左右。
作为最近的高功率脉冲激光器的波段，1030nm至1064nm成为主流。在本发明中，应考虑法拉第旋转角的波长适性进行评价。另外，法拉第旋转角规格设为在各个波长下为θf：45±3度。
实施例1及实施例4的法拉第旋转片(样品长度24mm、外径
Figure BDA0003028874430000151
)在波长1.030μm下得到θf：45度，在1.064μm下得到θf：42度。实施例2及3的法拉第旋转片(样品长度17mm及14mm、外径
Figure BDA0003028874430000152
)与实施例1相同，法拉第旋转角在波长1.030μm下得到θf：45度，在1.064μm下得到θf：42度，可知均可制作对应于两种波长的隔离器。
(比较例)
作为比较例，制作了专利文献1中记载的TGG(Tb3Ga5O12)陶瓷，并对维尔德常数及光学特性进行了测定。其结果，维尔德常数为38.5Rad/T·m。此外，在波长1.064μm下，***损耗为0.04dB、吸收系数为0.0015cm-1、消光比为37dB。因此，样品长度为20.0mm时，法拉第旋转角为45度时所需的磁通密度为1.02[T]。
使用上述法拉第旋转片(样品长度20mm、外径
Figure BDA0003028874430000161
)及图4所示的比较例的磁路对法拉第旋转角进行测定，结果在波长1.030μm下得到θf：47度，在1.064μm下得到θf：44度。
然后，制作偏振相关型光隔离器，结果光隔离器的外径为
Figure BDA0003028874430000162
长度为76mm。
使用实施例1及4中得到的法拉第旋转片，制作了偏振相关型光隔离器。其结果，光隔离器的外径为
Figure BDA0003028874430000163
长度为86mm，其大小为可搭载至光纤激光器或者水冷式固体激光器等高功率脉冲激光器的级别。
在平均功率超过100W的高功率脉冲激光器中，以光学特性、热透镜特性等性能方面判断可否搭载的情况较多。因此，进行了实施例1及4与比较例的性能评价。使用波长取决于1.030μm、100W-3ps的脉冲激光器。
另外，针对有无隔离器的情况进行实测，并根据透射光束的束腰位置变化算出热透镜特性。
其结果，在实施例1中，透射率为97％、隔离度为43dB、热透镜特性为2.50[m]。此外，在实施例4中，透射率为97％、隔离度为43dB、热透镜特性为2.85[m]。
另一方面，在比较例中，透射率为97％、隔离度为37dB、热透镜特性为1.45[m]。
将实施例1-4、比较例的结果总结在表1中。
[表1]
Figure BDA0003028874430000171
可知实施例1、4的光隔离器可得到比比较例良好的隔离特性，且具有1.7倍～2倍的热透镜特性。
接着，通过以磁体外径尺寸为参数的磁场分析的模拟求出磁体的磁通密度分布。作为分析手法，选择有限元法(JMAG-Designer)。磁体材质为Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.制造的钕铁硼(NdFeB)磁铁，外部壳体8的材质为碳钢。
图4中示出实施例1、4及比较例1中使用的法拉第旋转角相对于法拉第旋转片的样品长度方向呈45度的磁通密度的大小的磁场分析的模拟结果。
其中，横轴位置Z表示沿着光轴(空心磁体的空心部的中心轴)的位置，0点相当于中央空心磁体与第一空心磁体单元和第二空心磁体单元整体的长度的中心。
可知实施例1～4中使用的磁体形状为内径
Figure BDA0003028874430000181
外径
Figure BDA0003028874430000182
长度50mm，在作为实施例1～4的最大样品长度的24.0mm的范围内，磁通密度为0.0＜B≤1.7。其结果，可知若超过作为式(2)的上限值的24.0mm，则磁通为负，法拉第旋转角减小。这表明该样品长度不能充分发挥法拉第效应所带来的隔离功能，因此可确认式(2)的上限值24.0mm的妥当性。
另一方面，比较例中使用的磁体形状为内径
Figure BDA0003028874430000183
外径
Figure BDA0003028874430000184
长度40mm，在样品长度为20.0mm时，磁通密度为0.1≤B≤1.55，但当样品长度为22mm以上时，磁通密度为负，确认了样品长度20.0mm为大致上限的长度。
如以上所详细描述的，具备有助于减弱热透镜效应的低吸收法拉第旋转片、及供给其法拉第效应的磁路的本发明的光隔离器可促进1μm波段的高功率脉冲激光装置的小型化、稳定化及高性能化。
另外，本发明并不限定于上述实施方案。上述实施方案为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的技术构思实质相同的构成、起到相同作用效果的技术方案均包含在本发明的技术范围内。

Claims (6)

1.一种光隔离器，其特征在于，含有：包含三价离子取代TAG(铽铝石榴石)的法拉第旋转片；配置在所述法拉第旋转片周围的中央空心磁体；以及沿光轴方向夹持所述中央空心磁体而配置的第一空心磁体单元及第二空心磁体单元，
将所述法拉第旋转片中的磁通密度设为B[T]、并
将配置所述法拉第旋转片的光路长度设为L[mm]时，满足：
0＜B (1)
14.0≤L≤24.0 (2)。
2.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转片含有下述式(3)所表示的单晶或陶瓷材料，
(TbXRe1-X)3(Al1-yQy)5O12 (3)
其中，x＝0.6～0.95、y＝0～0.4，Re包含选自除钪、钇、铽(Tb)以外的镧系元素组中的至少一种元素，Q包含选自钪、镓中的至少一种元素。
3.根据权利要求2所述的光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转片为陶瓷材料。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转片中的磁通密度B[T]满足：
0＜B≤1.7。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光隔离器，其特征在于，所述法拉第旋转片在光路长度L≤24.0mm时，具有吸收系数为0.001cm-1以下及消光比为25dB以上的光学特性。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光隔离器，其特征在于，所述中央空心磁体、以及所述第一空心磁体单元及所述第二空心磁体单元搭载于碳钢壳体内。
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