JP2005350330A - 光学ガラス - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザーガラスと放熱板としての単結晶を接合するのに好適な接着用材料を提供する。特にレーザーガラスとサファイアを接合するのに好適な接着用材料を提供する。
【解決手段】SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、およびLa2O3を含有し、屈折率(nd)が 1.70を超え〜1.82、100〜300℃における平均線膨張係数(α)が 50〜80×10−7/℃、ガラス転移点(Tg)が600℃以下であるガラス組成物。
【選択図】なし
Description
本発明は、光学ガラスに関するものであり、とりわけレーザー媒質であるガラスとサファイアを接合するのに好適な接着用ガラスに関する。
近年、固体レーザーの高出力、短パルス、高繰り返し化が進んでいる。これら高出力固体レーザーはその発熱から由来する熱応力や熱疲労による破損を防止するため、光学活性成分をドープした単結晶をレーザー媒質とし、光学活性成分を含まない単結晶を放熱板として両者を接合し、固体レーザー素子とする技術が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかし、固体レーザーのさらなる高出力化の要求はますます高まっている。単結晶は組成の自由度が低いため、レーザー出力のさらなる高出力化を達成するべく単結晶中における光学活性成分の含有量を多くしようとしても、結晶構造が変化してしまったり、単結晶が得られないという問題があった。
福井大学 工学部電気電子工学科 大学院工学研究科 ファイバーアメニティ工学専攻 光エレクトロニクス研究室、Yb:YAGレーザーの開発、2)本研究で用いる結晶の特徴、[online]、[平成16年5月11日検索]、インターネット〈http://fuee.fukui−u.ac.jp/〜optele/JP/solid/slab.html〉
そこで単結晶に対して組成の自由度が高いガラスに多量の光学活性成分を含有させ、固体レーザー媒質とすることが考えられる。
しかし、一般にガラスは単結晶に比べ熱伝導率が低く耐熱性が悪い。したがって、レーザー媒質の発熱に由来する熱応力や熱疲労による破損を防止するための放熱板の必要性は、単結晶レーザー媒質よりガラスのレーザー媒質の方が高い。放熱板は熱伝導率の高い単結晶が好適であるが、この際、レーザー媒質であるガラス(レーザーガラス)と放熱板である単結晶との熱膨張率が大きく異なっていると、両者の接合が不可能であったり、一時的に接合できても熱疲労や熱応力によって破損するなど接合不良の原因となる。またレーザー光の出力方向にレーザー媒質と放熱板を接合し、レーザー媒質から放熱板を透過してレーザー光を出力させる場合には、レーザー媒質と放熱板の屈折率が大きく異なっていると接合界面でレーザー光の反射が大きくなりロスの原因となる。したがって、レーザーガラスの平均線膨張係数(α)および屈折率(nd)を放熱板である単結晶の平均線膨張係数、屈折率と近似させること(これを本明細書においてマッチングという)が必要となる。
そしてレーザーガラスと単結晶の接合の際に両者に介在し接着するための材料も上述の理由と同様、放熱板である単結晶とマッチングしている必要がある。
またレーザーガラスの失透などを防ぐ為、前記接着材料が接着に必要とする熱処理の温度はレーザーガラスのガラス転移点(Tg)より低いものである必要がある。
またレーザーガラスの失透などを防ぐ為、前記接着材料が接着に必要とする熱処理の温度はレーザーガラスのガラス転移点(Tg)より低いものである必要がある。
本発明の課題はレーザーガラスと放熱板としての単結晶を接合するのに好適な接着用材料を提供することである。
本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、放熱板としての単結晶として透明で高い熱伝導率を有するサファイアが好適であることに着目し、ガラスの組成を特定のものにすることによって、サファイアとのマッチングが良好で、ガラス転移点(Tg)が低く、レーザーガラスとサファイアの接合において、両者に介在する接着用材料として好適なガラスが得られることを見いだし、本発明をなすに至った。
前記目的を達成するための本発明の第1の構成は、SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、およびLa2O3の各成分を含有し、屈折率(nd)が 1.70を超え〜1.82、100〜300℃における平均線膨張係数(α)が 50〜80×10−7/℃、ガラス転移点(Tg)が600℃以下であるガラス組成物である。
本発明の第2の構成は質量%で、
SiO2 5.0%を超え〜15.0%、および
B2O3 10.0%を超え〜30.0%未満、および
Al2O3 4.0%を超え〜10.0%、および
ZnO 10.0を超え〜40.0%未満、および
La2O3 5〜30.0%未満、および
TiO2 0〜5.0%、および/または
Nb2O5 0〜20.0%、および/または
Ta2O5 0〜8.0%未満、および/または
Bi2O3 0〜10.0%、および/または
WO3 0〜10.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%未満、および/または
MgO 0〜5.0%未満、および/または
CaO 0〜5.0%未満、および/または
BaO 0〜5.0%未満、および/または
Li2O 0〜3.5%未満、および/または
Na2O 0〜3.5%未満、および/または
K2O 0〜3.5%未満、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する前記第1の構成のガラス組成物である。
SiO2 5.0%を超え〜15.0%、および
B2O3 10.0%を超え〜30.0%未満、および
Al2O3 4.0%を超え〜10.0%、および
ZnO 10.0を超え〜40.0%未満、および
La2O3 5〜30.0%未満、および
TiO2 0〜5.0%、および/または
Nb2O5 0〜20.0%、および/または
Ta2O5 0〜8.0%未満、および/または
Bi2O3 0〜10.0%、および/または
WO3 0〜10.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%未満、および/または
MgO 0〜5.0%未満、および/または
CaO 0〜5.0%未満、および/または
BaO 0〜5.0%未満、および/または
Li2O 0〜3.5%未満、および/または
Na2O 0〜3.5%未満、および/または
K2O 0〜3.5%未満、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する前記第1の構成のガラス組成物である。
本発明の第3の構成はmol%で、
mol%で、
SiO2 8.0〜30.0%、および
B2O3 15.0〜50.0%、および
Al2O3 1.0〜10.0%未満、および
ZnO 13.0〜50.0%、および
La2O3 1.5〜10.0%、および
TiO2 0〜7.0%、および/または
Nb2O5 0〜8.0%、および/または
Ta2O5 0〜3.0%、および/または
Bi2O3 0〜3.0%、および/または
WO3 0〜5.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%、および/または
MgO 0〜5.0%、および/または
CaO 0〜5.0%、および/または
BaO 0〜5.0%、および/または
Li2O 0〜12.0%、および/または
Na2O 0〜6.0%、および/または
K2O 0〜4.0%、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する前記第1の構成のガラス組成物である。
mol%で、
SiO2 8.0〜30.0%、および
B2O3 15.0〜50.0%、および
Al2O3 1.0〜10.0%未満、および
ZnO 13.0〜50.0%、および
La2O3 1.5〜10.0%、および
TiO2 0〜7.0%、および/または
Nb2O5 0〜8.0%、および/または
Ta2O5 0〜3.0%、および/または
Bi2O3 0〜3.0%、および/または
WO3 0〜5.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%、および/または
MgO 0〜5.0%、および/または
CaO 0〜5.0%、および/または
BaO 0〜5.0%、および/または
Li2O 0〜12.0%、および/または
Na2O 0〜6.0%、および/または
K2O 0〜4.0%、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する前記第1の構成のガラス組成物である。
本発明の第4の構成は質量%で、
SiO2+B2O3 15.0%を超え〜30.0%未満、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 20.0〜50.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 3.0〜25.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 3.0〜20.0%、および/または
ZnO+La2O3 16.0〜55.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO 10.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 10.5〜40.0%未満、および/または
Li2O+Na2O+K2O 0.1〜5.0%未満、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
20.0〜48.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 1.6〜11.0
である前記第1または第2の構成のガラス組成物である。
SiO2+B2O3 15.0%を超え〜30.0%未満、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 20.0〜50.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 3.0〜25.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 3.0〜20.0%、および/または
ZnO+La2O3 16.0〜55.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO 10.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 10.5〜40.0%未満、および/または
Li2O+Na2O+K2O 0.1〜5.0%未満、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
20.0〜48.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 1.6〜11.0
である前記第1または第2の構成のガラス組成物である。
本発明の第5の構成はmol%で、
SiO2+B2O3 13.0〜50.0%、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 15.0〜58.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 1.0〜10.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 1.0〜8.0%、および/または
ZnO+La2O3 15.0〜47.0%、および/または
MgO+CaO+BaO 8.0%以下、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 13.5〜50.0%、および/または
Li2O+Na2O+K2O 0.1〜16.0%、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
7.0%を超え〜35.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 2.4〜39.0
である前記第1または第3の構成のガラス組成物である。
SiO2+B2O3 13.0〜50.0%、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 15.0〜58.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 1.0〜10.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 1.0〜8.0%、および/または
ZnO+La2O3 15.0〜47.0%、および/または
MgO+CaO+BaO 8.0%以下、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 13.5〜50.0%、および/または
Li2O+Na2O+K2O 0.1〜16.0%、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
7.0%を超え〜35.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 2.4〜39.0
である前記第1または第3の構成のガラス組成物である。
本発明を詳細に説明する。以下、各成分の含有率の説明については特に明記しない限りは、質量%で表わすものとする。
本発明においてガラスの屈折率(nd)の下限が1.70より大きいと、放熱板としてのサファイアと、サファイアにマッチングされたレーザーガラスを本発明のガラスにより接合した場合、接合界面でのレーザー光の反射が起こりにくくなり、固体レーザーとして効率の良いものとなる。屈折率の下限としてより好ましくは1.72であり、1.75を超えるのが最も好ましい。また、屈折率の上限が1.82であると同様にレーザー光の反射が起こりにくくなる。屈折率の上限としてより好ましくは1.81であり、最も好ましくは1.80である。ガラスの屈折率が上述の範囲であると、本発明のガラスを用いてサファイアとレーザーガラスを接合した場合、効率の良い固体レーザーを得ることが出来る。
本発明においてガラスの屈折率(nd)の下限が1.70より大きいと、放熱板としてのサファイアと、サファイアにマッチングされたレーザーガラスを本発明のガラスにより接合した場合、接合界面でのレーザー光の反射が起こりにくくなり、固体レーザーとして効率の良いものとなる。屈折率の下限としてより好ましくは1.72であり、1.75を超えるのが最も好ましい。また、屈折率の上限が1.82であると同様にレーザー光の反射が起こりにくくなる。屈折率の上限としてより好ましくは1.81であり、最も好ましくは1.80である。ガラスの屈折率が上述の範囲であると、本発明のガラスを用いてサファイアとレーザーガラスを接合した場合、効率の良い固体レーザーを得ることが出来る。
また、ガラスの100〜300℃における平均線膨張係数(α)が50×10−7/℃以上であるとサファイアとの平均線膨張係数の差が小さくなり、接合が良好となる。平均線膨張係数の下限は、より好ましくは60×10−7/℃であり、最も好ましくは62×10−7/℃である。また、平均線膨張係数が80×10−7/℃以下であると同様に接合が良好となる。平均線膨張係数の上限は、より好ましくは75×10−7/℃、最も好ましくは73×10−7/℃である。
ガラスの屈折率、平均線膨張係数が上述の範囲内とする事により、レーザーガラスとサファイアの接合が容易となり易く、更に熱疲労や熱応力による破損などに起因する接合不良を生じ難く、より良好な接合を得ることができる。
ガラスの屈折率、平均線膨張係数が上述の範囲内とする事により、レーザーガラスとサファイアの接合が容易となり易く、更に熱疲労や熱応力による破損などに起因する接合不良を生じ難く、より良好な接合を得ることができる。
本発明のガラスが接着に必要とする熱処理の温度は、ガラス転移点(Tg)付近であるため、本発明のガラス転移点(Tg)はレーザーガラスのガラス転移点(Tg)より低いものである必要がある。本発明のガラスはガラス転移点が概ね600℃を超えるTgを有するレーザーガラスとサファイアの接合を想定している。したがって、本発明のガラス転移点は600℃以下であることが好ましく、590℃以下であることがより好ましく、570℃以下であることが最も好ましい。
本発明において各成分の組成範囲を限定した理由は次の通りである。
すなわち、SiO2成分はガラス形成酸化物として重要な成分であり、失透なく、安定なガラスを得る為に、好ましくは5%を超えて含有される。より好ましくは6.0%、最も好ましくは7.0%を下限として含有される。ただし、溶融性を良くするため、ガラス転移点を低くするためにはその上限は15.0%とすることが好ましく、10.0%とすることがより好ましく、9.0%とすることが最も好ましい。
すなわち、SiO2成分はガラス形成酸化物として重要な成分であり、失透なく、安定なガラスを得る為に、好ましくは5%を超えて含有される。より好ましくは6.0%、最も好ましくは7.0%を下限として含有される。ただし、溶融性を良くするため、ガラス転移点を低くするためにはその上限は15.0%とすることが好ましく、10.0%とすることがより好ましく、9.0%とすることが最も好ましい。
B2O3成分はガラス形成酸化物として重要な成分であり、失透なく、安定なガラスを得る為に、好ましくは10.0%を超えて含有され、より好ましくは12.0%、最も好ましくは13.0%を下限として含有される。ただし、屈折率を小さくする成分であるのでサファイアとのマッチングのため、好ましくは30.0%未満、より好ましくは25.0%、最も好ましくは16.0%未満を上限として含有される。
ただし、B2O3およびSiO2成分は屈折率を下げる成分であるので、サファイアとのマッチングを考慮しつつ安定なガラスを得るためには、これら成分の和の下限は15.0%を超えることが好ましく、19.0であることがより好ましく、21.0%であることが最も好ましい。同様に和の上限は30.0%未満であることが好ましく、28.0%であることがより好ましく、26.0%であることが最も好ましい。
ただし、B2O3およびSiO2成分は屈折率を下げる成分であるので、サファイアとのマッチングを考慮しつつ安定なガラスを得るためには、これら成分の和の下限は15.0%を超えることが好ましく、19.0であることがより好ましく、21.0%であることが最も好ましい。同様に和の上限は30.0%未満であることが好ましく、28.0%であることがより好ましく、26.0%であることが最も好ましい。
Al2O3成分はガラスの化学的耐久性の改良に有効であり、好ましくは4.0%より多く含有されることが好ましく、より好ましくは4.3%、最も好ましくは4.5%を下限として含有される。ただし良好な耐失透性を得るため、好ましくは10.0%、より好ましくは9.5%、最も好ましくは9.0%を上限として含有される。
ただし、B2O3、SiO2、およびAl2O3成分はいずれもガラスの安定性に寄与する成分であるので、これらの成分の和は20.0%以上とすることが好ましく、24.0%以上とすることがより好ましく、26.0%以上とすることが最も好ましい。ただし、所望の屈折率を得るためにはこれら成分の和は50.0%以下とすることが好ましく、45.0%以下とすることがより好ましく、40.0%以下とすることが最も好ましい。
また、各成分の質量%の比率で(SiO2+B2O3)/Al2O3の値を下限として好ましくは1.6、より好ましくは2.0、最も好ましくは2.5、上限として好ましくは11.0、より好ましくは9.0、最も好ましくは7.0とすると、耐失透性、化学的耐久性が共に良好でガラスとしてより安定したものとなる。
また、各成分の質量%の比率で(SiO2+B2O3)/Al2O3の値を下限として好ましくは1.6、より好ましくは2.0、最も好ましくは2.5、上限として好ましくは11.0、より好ましくは9.0、最も好ましくは7.0とすると、耐失透性、化学的耐久性が共に良好でガラスとしてより安定したものとなる。
ZnO成分は平均線膨張係数を下げるのに有効であり、サファイアとのマッチングを考慮して、好ましくは10.0%を超えて含有され、より好ましくは15.0%を下限として含有され、最も好ましくは20.0%を超えて含有される。また、良好な耐失透性を得る為に好ましくは40.0%未満、より好ましくは35.0%、最も好ましくは33.0%を上限として含有される。
La2O3成分は屈折率を大きくするのに有効な成分であり、サファイアとのマッチングを考慮して、好ましくは5.0%、より好ましくは7.0%、最も好ましくは9.0%を下限として含有され、好ましくは30.0%未満、より好ましくは28.0%未満、最も好ましくは27.7%を上限として含有される。
ここでZnO およびLa2O3成分の和はサファイアとのマッチングの観点から16.0%以上であることが好ましく、23.0%以上であることがより好ましく、30.0%以上であることが最も好ましく、また、耐失透性の観点から55.0%未満であることが好ましく、54.0%以下であることがより好ましく、52.0%以下であることが最も好ましい。
TiO2成分は屈折率を大きくするのに有効な成分であるが過剰の添加は耐失透性を悪化させる。サファイアとのマッチングと耐失透性を考慮して、好ましくは5.0%、より好ましくは4.5%、最も好ましくは4.3%を上限として含有される。
ZrO2成分は屈折率を上げ平均線膨張係数を下げるのに有効な成分であるが、過剰の添加は耐失透性、溶解性を悪化させる。サファイアとのマッチングと耐失透性、溶解性を考慮して、好ましくは3.0%未満、より好ましくは2.8%、最も好ましくは2.7%を上限として含有される。
Nb2O5成分は屈折率を大きくし、平均線膨張係数を小さくするのに有効な成分である。任意で含有されるが、含有量の下限を1.0%とする事がサファイアとのマッチングのためより好ましく、3.0%とする事が最も好ましい。ただし、過剰の添加は耐失透性を悪化させる。良好な耐失透性維持のため、好ましくは20.0%、より好ましくは19.5%、最も好ましくは19.0%を上限として含有される。
Ta2O5成分は屈折率を上げ平均線膨張係数を下げるのに有効な成分であるが、過剰の添加は耐失透性を悪化させる。サファイアとのマッチングと耐失透性を考慮して、好ましくは8.0%未満、より好ましくは7.0%、最も好ましくは6.0%を上限として含有される。
Nb2O5とTa2O5の両成分は、上述のとおり屈折率、平均線膨張係数の調整に有効な成分である。サファイアとのマッチングのために、両成分の和は3.0%以上が好ましく、5.0%以上がより好ましく、7.0%以上が最も好ましい。ただし、耐失透性の観点から両成分の和は25.0%以下が好ましく、22.0%以下が好ましく、20.0%以下が好ましい。
Nb2O5とTa2O5の両成分は、上述のとおり屈折率、平均線膨張係数の調整に有効な成分である。サファイアとのマッチングのために、両成分の和は3.0%以上が好ましく、5.0%以上がより好ましく、7.0%以上が最も好ましい。ただし、耐失透性の観点から両成分の和は25.0%以下が好ましく、22.0%以下が好ましく、20.0%以下が好ましい。
Bi2O3成分は屈折率を大きくするのに有効な成分であり、サファイアとのマッチングを考慮して、好ましくは10.0%、より好ましくは9.5%、最も好ましくは8.8%を上限として含有される。
WO3成分は屈折率を大きくするのに有効な成分であり、サファイアとのマッチングを考慮して、好ましくは10.0%、より好ましくは9.5%、最も好ましくは8.8%を上限として含有される。
Bi2O3およびWO3は屈折率を大きくするのに有効な成分であり、サファイアとのマッチングを考慮して、両成分の和は3.0%以上が好ましく、3.5%以上がより好ましく、4.5%以上が最も好ましい。ただし、良好な耐失透性を得るため両成分の和は20.0%以下が好ましく、15.0%以下がより好ましく、13.0%以下が最も好ましい。
Bi2O3およびWO3は屈折率を大きくするのに有効な成分であり、サファイアとのマッチングを考慮して、両成分の和は3.0%以上が好ましく、3.5%以上がより好ましく、4.5%以上が最も好ましい。ただし、良好な耐失透性を得るため両成分の和は20.0%以下が好ましく、15.0%以下がより好ましく、13.0%以下が最も好ましい。
またTiO2、 Nb2O5、Ta2O5、Bi2O3、WO3、ZrO2およびLa2O3の各成分の和は、サファイアとのマッチング考慮して、20.0%以上であることが好ましく、25.0%以上であることがより好ましく、30.0%以上であることが最も好ましい。ただし良好な耐失透性を得るため、各成分の和は48.0%以下であることが好ましく、47.5%以下であることがより好ましく、46.5%以下であることが最も好ましい。
MgO成分はガラスの失透抑制に有効であるが、平均線膨張係数を大きくし、屈折率を小さくするので、サファイアとのマッチングのため、好ましくは5.0%未満、より好ましくは3.0%を上限として含有され、実質的に含まないことが最も好ましい。
CaO成分はガラスの失透抑制に有効であるが、平均線膨張係数を大きくし、屈折率を小さくするので、サファイアとのマッチングのため、好ましくは5.0%未満、より好ましくは3.0%を上限として含有され、実質的に含まないことが最も好ましい。
BaO成分は屈折率を大きくするのに有効な成分である。ただし、平均線膨張係数を大きくするため、サファイアとのマッチングを考慮して、好ましくは5.0%未満、より好ましくは4.0%、最も好ましくは3.0%を上限として含有される。
必要な平均線膨張係数を維持するためにはMgO、CaO、およびBaO成分の和は10.0%未満であることが好ましく、7.0%以下であることがより好ましく、5.0%以下であることが最も好ましい。また、原料組成物をガラス化しやすくする為、RO成分(R=Mg、Ca、Ba、Zn)の和は下限が10.5%であることが好ましく、15.5%であることがより好ましく、20.5%であることが最も好ましく、上限が40.0%未満であることが好ましく、37.0%であることがより好ましく、34.0%であることが最も好ましい。
Li2O成分はガラスの溶解性を向上させ、ガラス転移点を下げる効果がある成分である。任意で含有されるが、より好ましくは0.5%、最も好ましくは1.0%を下限として含有される。ただし平均線膨張係数を非常に大きくする成分であるので好ましくは3.5%未満、より好ましくは3.3%、最も好ましくは3.2%を上限として含有される。
Na2O成分はガラスの溶解性を向上させ、ガラス転移点を下げる効果がある成分であるが、平均線膨張係数を非常に大きくする成分であるので好ましくは3.5%未満、より好ましくは2.0%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
K2O成分はガラスの溶解性を向上させ、ガラス転移点を下げる効果がある成分であるが、平均線膨張係数を非常に大きくする成分であるので好ましくは3.5%未満、より好ましくは2.0%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
また、Li2O、Na2O、K2O各成分の和は、ガラス転移点を下げるために0.1%以上であることが好ましく、0.5%以上であることがより好ましく、1.0%以上であることが最も好ましい。また、前記平均線膨張係数の観点から5.0%未満であることが好ましく、4.5%以下であることがより好ましく、3.8%以下であることが最も好ましい。
Na2O成分はガラスの溶解性を向上させ、ガラス転移点を下げる効果がある成分であるが、平均線膨張係数を非常に大きくする成分であるので好ましくは3.5%未満、より好ましくは2.0%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
K2O成分はガラスの溶解性を向上させ、ガラス転移点を下げる効果がある成分であるが、平均線膨張係数を非常に大きくする成分であるので好ましくは3.5%未満、より好ましくは2.0%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
また、Li2O、Na2O、K2O各成分の和は、ガラス転移点を下げるために0.1%以上であることが好ましく、0.5%以上であることがより好ましく、1.0%以上であることが最も好ましい。また、前記平均線膨張係数の観点から5.0%未満であることが好ましく、4.5%以下であることがより好ましく、3.8%以下であることが最も好ましい。
Sb2O3成分はガラスの清澄剤として有効であり任意に含有されるが、含有量の下限を0.05%とすることがより好ましく、0.08%とすることが最も好ましい。ただし、他成分の組成のバランスにおいて得られる所望の物性に影響を及ぼさないよう、含有量の上限は1.0%とすることが好ましく、0.7%とすることがより好ましく、0.5%とすることが最も好ましい。
本発明のガラス組成物は、その組成が質量%で表わされているため直接的にmol%の記載に表せるものではないが、本発明において要求される諸特性を満たすガラスは、mol%による表示で概ね以下の値の各成分を含有する。
mol%で、
SiO2 8.0〜30.0%、および
B2O3 15.0〜50.0%、および
Al2O3 1.0%〜10.0未満、および
ZnO 13.0〜50.0%、および
TiO2 0〜7.0%、および/または
Nb2O5 0〜8.0%、および/または
Ta2O5 0〜3.0%、および/または
Bi2O3 0〜3.0%、および/または
WO3 0〜5.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%、および/または
La2O3 1.5〜10.0%、および/または
MgO 0〜5.0%、および/または
CaO 0〜5.0%、および/または
BaO 0〜5.0%、および/または
Li2O 0〜12.0%、および/または
Na2O 0〜6.0%、および/または
K2O 0〜4.0%、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
mol%で、
SiO2 8.0〜30.0%、および
B2O3 15.0〜50.0%、および
Al2O3 1.0%〜10.0未満、および
ZnO 13.0〜50.0%、および
TiO2 0〜7.0%、および/または
Nb2O5 0〜8.0%、および/または
Ta2O5 0〜3.0%、および/または
Bi2O3 0〜3.0%、および/または
WO3 0〜5.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%、および/または
La2O3 1.5〜10.0%、および/または
MgO 0〜5.0%、および/または
CaO 0〜5.0%、および/または
BaO 0〜5.0%、および/または
Li2O 0〜12.0%、および/または
Na2O 0〜6.0%、および/または
K2O 0〜4.0%、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
本発明の構成の一つにおいて、上述した各成分の効果を奏するために、mol%表示によれば、各成分は以下に記載の範囲で含有される。
すなわち、SiO2成分は、好ましくは概ね8.0mol%、より好ましくは概ね10.0mol%、最も好ましくは概ね12.0mol%を下限として含有される。また上限は概ね30.0mol%とすることが好ましく、概ね25.0mol%とすることがより好ましく、概ね20.0mol%とすることが最も好ましい。
すなわち、SiO2成分は、好ましくは概ね8.0mol%、より好ましくは概ね10.0mol%、最も好ましくは概ね12.0mol%を下限として含有される。また上限は概ね30.0mol%とすることが好ましく、概ね25.0mol%とすることがより好ましく、概ね20.0mol%とすることが最も好ましい。
B2O3成分は、好ましくは概ね15.0mol%、より好ましくは概ね17.0mol%、最も好ましくは概ね19.0mol%を下限として含有され、好ましくは概ね50.0mol%、より好ましくは概ね42.0mol%、最も好ましくは概ね34.0mol%を上限として含有される。
ただし、B2O3およびSiO2成分の和の下限は概ね13.0mol%であることが好ましく、概ね28.0mol%であることがより好ましく、概ね32.0mol%であることが最も好ましい。同様に和の上限は概ね50.0mol%であることが好ましく、概ね45.0mol%であることがより好ましく、概ね40.0mol%未満であることが最も好ましい。
ただし、B2O3およびSiO2成分の和の下限は概ね13.0mol%であることが好ましく、概ね28.0mol%であることがより好ましく、概ね32.0mol%であることが最も好ましい。同様に和の上限は概ね50.0mol%であることが好ましく、概ね45.0mol%であることがより好ましく、概ね40.0mol%未満であることが最も好ましい。
Al2O3成分は、好ましくは概ね1.0mol%、より好ましくは概ね2.0mol%、最も好ましくは概ね3.0mol%を下限として含有される。また、好ましくは概ね10.0mol%未満、より好ましくは概ね9.5mol%、最も好ましくは概ね9.0mol%を上限として含有される。
ただし、B2O3、SiO2、およびAl2O3の成分の和は概ね15.0mol%以上とすることが好ましく、概ね31.0mol%以上とすることがより好ましく、概ね36.0mol%以上とすることが最も好ましい。ただしこれら成分の和は概ね58.0mol%以下とすることが好ましく、概ね54.0mol%とすることがより好ましく、概ね48.5mol%とすることが最も好ましい。
また、各成分の質量%の比率で(SiO2+B2O3)/Al2O3の値を下限として好ましくは概ね2.4、より好ましくは概ね3.0、最も好ましくは概ね3.5、上限として好ましくは概ね39.0、より好ましくは概ね30.0、最も好ましくは概ね20.0の値をとる。
ただし、B2O3、SiO2、およびAl2O3の成分の和は概ね15.0mol%以上とすることが好ましく、概ね31.0mol%以上とすることがより好ましく、概ね36.0mol%以上とすることが最も好ましい。ただしこれら成分の和は概ね58.0mol%以下とすることが好ましく、概ね54.0mol%とすることがより好ましく、概ね48.5mol%とすることが最も好ましい。
また、各成分の質量%の比率で(SiO2+B2O3)/Al2O3の値を下限として好ましくは概ね2.4、より好ましくは概ね3.0、最も好ましくは概ね3.5、上限として好ましくは概ね39.0、より好ましくは概ね30.0、最も好ましくは概ね20.0の値をとる。
ZnO成分は、好ましくは概ね13.0mol%を下限として含有され、より好ましくは概ね15.0mol%を超えて含有され、最も好ましくは概ね20.0mol%を下限として含有される。また、好ましくは概ね50.0mol%、より好ましくは概ね43.0mol%、最も好ましくは概ね40.0mol%を上限として含有される。
La2O3成分は、好ましくは概ね1.5mol%、より好ましくは概ね2.0mol%、最も好ましくは概ね2.5mol%を下限として含有され、好ましくは概ね10.0mol%未満、より好ましくは概ね9.7mol%、最も好ましくは概ね9.5mol%を上限として含有される。
ここでZnO およびLa2O3成分の和は概ね15.0mol%以上であることが好ましく、概ね18.0mol%以上であることがより好ましく、概ね24.0mol%以上であることが最も好ましく、また概ね47.0mol%以下であることが好ましく、概ね45.0mol%以下であることがより好ましく、概ね43.0mol%以下であることが最も好ましい。
TiO2成分は、好ましくは概ね7.0mol%、より好ましくは概ね6.5mol%、最も好ましくは概ね6.0mol%を上限として含有される。
ZrO2成分は、好ましくは概ね3.0mol%未満、より好ましくは概ね2.8mol%、最も好ましくは概ね2.5mol%を上限として含有される。
Nb2O5成分は任意で含有されるが、含有量の下限を概ね0.5mol%とする事がより好ましく、概ね1.0mol%とする事が最も好ましい。ただし、好ましくは概ね8.0mol%、より好ましくは概ね7.8mol%、最も好ましくは概ね7.5mol%を上限として含有される。
Ta2O5成分は、好ましくは概ね3.0mol%未満、より好ましくは概ね2.0mol%、最も好ましくは概ね1.5mol%を上限として含有される。
Nb2O5とTa2O5の両成分の和は概ね1.0mol%以上が好ましく、概ね1.8mol%以上がより好ましく、概ね2.5mol%以上が最も好ましい。ただし、概ね10.0mol%以下が好ましく、概ね9.0mol%以下が好ましく、概ね8.5mol%以下が好ましい。
Bi2O3成分は、好ましくは概ね3.0mol%、より好ましくは概ね2.5mol%、最も好ましくは概ね2.0mol%を上限として含有される。
WO3成分は、好ましくは概ね5.0mol%、より好ましくは概ね4.5mol%、最も好ましくは概ね4.0mol%を上限として含有される。
Bi2O3およびWO3両成分の和は概ね1.0mol%以上が好ましく、概ね1.05mol%以上がより好ましく、概ね1.10mol%以上が最も好ましい。また、両成分の和は概ね8.0mol%以下が好ましく、概ね6.5mol%以下がより好ましく、概ね5.0mol%以下が最も好ましい。
またTiO2、 Nb2O5、Ta2O5、Bi2O3、WO3、ZrO2およびLa2O3の各成分の和は概ね7.0mol%を超えることが好ましく、概ね10.0mol%を超えることがより好ましく、概ね11.0mol%以上であることが最も好ましい。ただし、各成分の和は概ね35.0mol%以下であることが好ましく、概ね30.5mol%以下であることがより好ましく、概ね26.0mol%以下であることが最も好ましい。
またTiO2、 Nb2O5、Ta2O5、Bi2O3、WO3、ZrO2およびLa2O3の各成分の和は概ね7.0mol%を超えることが好ましく、概ね10.0mol%を超えることがより好ましく、概ね11.0mol%以上であることが最も好ましい。ただし、各成分の和は概ね35.0mol%以下であることが好ましく、概ね30.5mol%以下であることがより好ましく、概ね26.0mol%以下であることが最も好ましい。
MgO成分は好ましくは概ね5.0mol%未満、より好ましくは概ね3.0mol%を上限として含有され、実質的に含まないことが最も好ましい。
CaO成分は、好ましくは概ね5.0mol%未満、より好ましくは概ね3.0mol%を上限として含有され、実質的に含まないことが最も好ましい。
BaO成分は好ましくは概ね5.0mol%、より好ましくは概ね4.0mol%、最も好ましくは概ね2.0mol%を上限として含有される。
MgO、CaO、およびBaO成分の和は概ね8.0mol%以下であることが好ましく、概ね7.0mol%以下であることがより好ましく、概ね1.5mol%以下であることが最も好ましい。また、RO成分(R=Mg、Ca、Ba、Zn)の和は下限が概ね13.5mol%であることが好ましく、概ね15.5mol%であることがより好ましく、概ね20.5mol%であることが最も好ましく、上限が概ね50.0mol%であることが好ましく、概ね45.0mol%であることがより好ましく、概ね41.0mol%であることが最も好ましい。
MgO、CaO、およびBaO成分の和は概ね8.0mol%以下であることが好ましく、概ね7.0mol%以下であることがより好ましく、概ね1.5mol%以下であることが最も好ましい。また、RO成分(R=Mg、Ca、Ba、Zn)の和は下限が概ね13.5mol%であることが好ましく、概ね15.5mol%であることがより好ましく、概ね20.5mol%であることが最も好ましく、上限が概ね50.0mol%であることが好ましく、概ね45.0mol%であることがより好ましく、概ね41.0mol%であることが最も好ましい。
Li2O成分は任意で含有されるが、より好ましくは概ね1.5mol%、最も好ましくは概ね3.0mol%を下限として含有される。ただし好ましくは概ね12.0mol%、より好ましくは概ね11.5mol%、最も好ましくは概ね11.0mol%を上限として含有される。
Na2O成分は好ましくは概ね6.0mol%、より好ましくは概ね4.0mol%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
K2O成分は好ましくは概ね4.0mol%、より好ましくは概ね2.0mol%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
また、Li2O、Na2O、K2O各成分の和は、概ね0.1mol%以上であることが好ましく、概ね1.5mol%以上であることがより好ましく、概ね3.5mol%以上であることが最も好ましい。また、概ね16.0mol%未満であることが好ましく、概ね14.0mol%以下であることがより好ましく、概ね12.0mol%以下であることが最も好ましい。
Na2O成分は好ましくは概ね6.0mol%、より好ましくは概ね4.0mol%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
K2O成分は好ましくは概ね4.0mol%、より好ましくは概ね2.0mol%を上限として含有され、実質的に含有されないことが最も好ましい。
また、Li2O、Na2O、K2O各成分の和は、概ね0.1mol%以上であることが好ましく、概ね1.5mol%以上であることがより好ましく、概ね3.5mol%以上であることが最も好ましい。また、概ね16.0mol%未満であることが好ましく、概ね14.0mol%以下であることがより好ましく、概ね12.0mol%以下であることが最も好ましい。
Sb2O3成分は任意に含有されるが、含有量の下限は概ね0.02mol%とすることがより好ましく、概ね0.03mol%とすることが最も好ましい。含有量の上限は概ね1.0mol%とすることが好ましく、概ね0.08mol%とすることがより好ましく、概ね0.06mol%とすることが最も好ましい。
なお、本発明のガラスに、Rb2O、Cs2O、等の上記以外の成分を合計で概ね3mol%程度まで必要に応じて添加しても差し支えない。
次に本発明のガラスについて、実質的に含有しないことが好ましい成分について説明する。
本発明のガラスは、環境上有害なPbOやAs2O3成分を実質的に含有しないことが好ましい。
本発明のガラスは、環境上有害なPbOやAs2O3成分を実質的に含有しないことが好ましい。
Lu2O3は一般にガラスの成分としては、他の成分に比べて使用頻度が少ない。また、一般のガラス原料と比較して希少価値の高い物質でもあることから、ガラス原料としては高額であり、経済的な面からは使用したくない成分である。本発明のガラスは上記の特性とガラスとしての安定性を兼ね備えているので、Lu2O3成分を実質的に含有しないことが好ましい。
F成分は屈折率を低下させる成分であり、サファイアとのマッチングの観点からは実質的に含有しないことが好ましい。
P2O5、Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、CeO2、Nd2O3、SnO、Tb2O3、MnO2、等の成分は、ガラスの安定性、耐酸性、溶融性等が低下するので実質的に含有しないことが好ましい。
V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo等の着色成分は実質的に含有しないことが好ましい。
なお、本明細書において実質的に含有しないとは、不純物として混入される場合を除き、人為的に含有させないことを意味する。
本発明によれば、屈折率(nd)が 1.70を超え〜1.82、100〜300℃における平均線膨張係数(α)が 50〜80×10−7/℃、ガラス転移点(Tg)が600℃以下であって、レーザーガラスとサファイア接合において接着用材料として好適なガラスを得ることが出来る。
次に本発明にかかるガラスの実施組成例(単位:質量%)を、屈折率(nd)、100〜300℃の平均線膨張係数(α)およびガラス転移点(Tg)とともに表1〜3に示した。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
これらの表において、屈折率(nd)は溶融ガラスをキャストし、Tg付近の温度で3時間保持し、その後25℃/時の速度で10時間降温したのち、アニール炉内にて室温になるまで自然降温して得られたガラスについて、示差自動屈折計を用いて測定した。また、平均線膨張係数(α)は各実施例のガラスを長さ20.0(+0.0、−1.0)mm、直径4.7(±0.1)mmの棒状試料に加工し、(株)リガク製 TAS200−TMA縦型熱膨張計を用いて、試料に98mNの力を加え、毎分4℃で上昇するように加熱し、100〜300℃の温度範囲において測定した。
ガラス転移点(Tg)は前記平均線膨張係数の測定方法と同様の試料、装置、昇温条件で測定した。
これらの表において、屈折率(nd)は溶融ガラスをキャストし、Tg付近の温度で3時間保持し、その後25℃/時の速度で10時間降温したのち、アニール炉内にて室温になるまで自然降温して得られたガラスについて、示差自動屈折計を用いて測定した。また、平均線膨張係数(α)は各実施例のガラスを長さ20.0(+0.0、−1.0)mm、直径4.7(±0.1)mmの棒状試料に加工し、(株)リガク製 TAS200−TMA縦型熱膨張計を用いて、試料に98mNの力を加え、毎分4℃で上昇するように加熱し、100〜300℃の温度範囲において測定した。
ガラス転移点(Tg)は前記平均線膨張係数の測定方法と同様の試料、装置、昇温条件で測定した。
本発明の実施例のガラスは、いずれも硝酸塩、炭酸塩および酸化物の原料を用いて秤量・混合し、これを白金るつぼを用い、約1100〜1500℃、約2〜5時間で溶解脱泡し、攪拌均質化した後、金型に鋳込み、徐冷することにより得た。
表1〜3に見られるように、本発明の実施組成例のガラスはいずれも、100〜300℃の平均線膨張係数が50〜80×10−7/℃の範囲にあり、屈折率(nd)は1.70より大きく1.82以下の範囲にあった。かつ、これらのガラスは、いずれも600℃以下のガラス転移点(Tg)を示した。またレーザーガラスが失透しない温度でサファイアと接着することができ、また本発明のガラス自身も失透することがなく、接着用ガラスとして良好な特性を示した。
これらの諸特性により本発明のガラスは、レーザーガラスが失透しない温度でサファイアと接合することができ、かつ、サファイアおよびレーザーガラスとの接合界面においてもレーザー光の反射が少なく、接着用材料として好適なガラスであることがわかる。
上述のとおり、レーザーガラスとサファイア単結晶との接合用材料として好適であるので、本発明を使用して両者を接合することにより、熱的な問題のない高出力固体レーザーを得ることができる。また、ガラスと単結晶の接合だけでなく単結晶と単結晶の接合、例えば光学活性成分をドープしたサファイアとドープしていないサファイアとの接合においても接合用材料として好適である。
本発明のガラスは接着用材料としてだけでなく、光学レンズ、光学レンズ用ガラスゴブなど、光学ガラスとして、それ自身で光学的な用途に使用することもできる。
Claims (5)
- SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、およびLa2O3の各成分を含有し、屈折率(nd)が 1.70を超え〜1.82、100〜300℃における平均線膨張係数(α)が 50〜80×10−7/℃、ガラス転移点(Tg)が600℃以下であるガラス組成物。
- 質量%で、
SiO2 5.0%を超え〜15.0%、および
B2O3 10.0%を超え〜30.0%未満、および
Al2O3 4.0%を超え〜10.0%、および
ZnO 10.0%を超え〜40.0%未満、および
La2O3 5.0〜30.0%未満、および
TiO2 0〜5.0%、および/または
Nb2O5 0〜20.0%、および/または
Ta2O5 0〜8.0%未満、および/または
Bi2O3 0〜10.0%、および/または
WO3 0〜10.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%未満、および/または
MgO 0〜5.0%未満、および/または
CaO 0〜5.0%未満、および/または
BaO 0〜5.0%未満、および/または
Li2O 0〜3.5%未満、および/または
Na2O 0〜3.5%未満、および/または
K2O 0〜3.5%未満、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する請求項1に記載のガラス組成物。 - mol%で、
SiO2 8.0〜30.0%、および
B2O3 15.0〜50.0%、および
Al2O3 1.0〜10.0%未満、および
ZnO 13.0〜50.0%、および
La2O3 1.5〜10.0%、および
TiO2 0〜7.0%、および/または
Nb2O5 0〜8.0%、および/または
Ta2O5 0〜3.0%、および/または
Bi2O3 0〜3.0%、および/または
WO3 0〜5.0%、および/または
ZrO2 0〜3.0%、および/または
MgO 0〜5.0%、および/または
CaO 0〜5.0%、および/または
BaO 0〜5.0%、および/または
Li2O 0〜12.0%、および/または
Na2O 0〜6.0%、および/または
K2O 0〜4.0%、および/または
Sb2O3 0〜1.0%
の各成分を含有する請求項1に記載のガラス組成物。 - 質量%で、
SiO2+B2O3 15.0%を超え〜30.0%未満、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 20.0〜50.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 3.0〜25.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 3.0〜20.0%、および/または
ZnO+La2O3 16.0〜55.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO 10.0%未満、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 10.5〜40.0%未満、および/または
Li2O+Na2O+K2O 0.1〜5.0%未満、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
20.0〜48.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 1.6〜11.0
である請求項1または2に記載のガラス組成物 - mol%で、
SiO2+B2O3 13.0〜50.0%、および/または
SiO2+B2O3+Al2O3 15.0〜58.0%、および/または
Nb2O5+Ta2O5 1.0〜10.0%、および/または、
Bi2O3+WO3 1.0〜8.0%、および/または
ZnO+La2O3 15.0〜47.0%、および/または
MgO+CaO+BaO 8.0%以下、および/または
MgO+CaO+BaO+ZnO 13.5〜50.0%、および/または
Li2O+Na2O+K2O0.1〜16.0%、および/または
TiO2+ Nb2O5+Ta2O5+Bi2O3+WO3+ZrO2+La2O3
7.0%を超え〜35.0%、および/または
(SiO2+B2O3)/Al2O3 2.4〜39.0
である請求項1または3に記載のガラス組成物。
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