JP2011225400A - 磁気光学素子用の単結晶および当該結晶を用いたデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＧＧ単結晶よりもベルデ定数が大きな磁気光学素子用の結晶体及び、等軸晶系以外の結晶体を磁気光学素子に適用する方法を提供する。
【解決手段】磁気光学素子用の複合酸化物であってその化学組成がＭＶＯ_４（ＭはＳｃ、Ｙ、ランタノイドから選択した１種類以上の元素）である単結晶であって、フローティングゾーン法（ＦＺ法）等の融液からの結晶成長法によって単結晶化される。更に、当該単結晶を用いることにより、磁気光学素子の構成を単結晶の結晶方位のｃ軸をレーザの伝搬方向と一致させたレーザ用の磁気光学デバイスが得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁気光学素子用の複合酸化物単結晶に関する。本発明は、また、磁気光学素子として前記単結晶が用いられた磁気光学デバイスに関する。

磁気光学効果を利用した光アイソレータは、レーザシステムに使用される磁気光学素子である。光アイソレータは、偏光子、ファラデー回転子、検光子および磁石からなる。磁場中におかれた材料中を偏光が通過するとその偏光面が回転する現象は、ファラデー効果として知られ、その回転角Θは、磁場の強さＨと物質の長さＬに対して、（１）式
Θ＝ＶＨＬ （１）
で表される。比例係数のＶはベルデ定数といい、材料に依存する特性値である。Ｖの大きな材料をファラデー回転子に用いると、ファラデー回転子と永久磁石が小さくても同等のアイソレーション性能を得ることができるため、素子の小型化が可能となる。光アイソレータはレーザに反射光が戻ることを防いでレーザを安定に動作させる働きがあるために、半導体の微細加工用レーザ、光ファイバ通信用の半導体レーザ、鋼材やセラミックスの切断及び熱処理用レーザ、医療用レーザメス等に組み込まれ、広い産業分野で利用されている。

光アイソレータに要求される性能には、ベルデ定数の他に、消光比が高いこと、挿入損失が低いこと、が必要とされる。消光比が低いとレーザ光の偏光の制御性が悪く、その結果、戻り光の分離能（アイソレーション性能）が損なわれる。挿入損失が高いとレーザ出力のロスや吸熱による光アイソレータの耐性低下をまねく。

１．３μｍから１．５μｍの光通信用レーザの光アイソレータには、鉄を主成分とするガーネット結晶が使われている。しかし、鉄を含むガーネット結晶は、可視から近赤外の波長域には吸収があるために、この波長域のレーザ用には使うことができない。そのために、可視から近赤外の波長域の光アイソレータには、希土類元素を含む結晶やガラスがファラデー回転子として提案されている。ここでいう希土類元素は、原子番号２１のＳｃ、原子番号３９のＹ、原子番号５７から７１までのランタノイド（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）を指し、以下記号Ｍで表わす。

希土類元素を含む結晶には、３価のテルビウムイオン（Ｔｂ^３＋）を主成分とするガーネットがファラデー回転子として実用化されている。例えば、ＴＧＧ（テルビウム・ガリウム・ガーネット、化学式Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）単結晶は１．０６μｍのファイバーレーザ用光アイソレータに使われている。しかし、ＴＧＧのべルデ定数は４０ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）と小さいために、通常、２ｃｍから３ｃｍの長さの結晶をファラデー回転子に必要とする。さらにファラデー回転子長を短くするためには、大きいベルデ定数を有する単結晶材料が望まれている。

現在、実用化されている光アイソレータのファラデー回転子は、ガラスやガーネット結晶のような等軸晶系に属する結晶体に限られている。その理由は、正方晶系や六方晶系などの等軸晶系以外の結晶系に属する単結晶は、複屈折があるために消光せず、ベルデ定数が大きくてもアイソレータとしての機能を果たさないと思われていたためである。
特開2002-293693 Journal of Applied Physics, Volume 35, Number 8, p2338

本発明が解決すべき課題は、従来のＴＧＧ単結晶よりもベルデ定数が大きな磁気光学素子用の結晶体を提供することにある。更に、等軸晶系以外の結晶系に属する結晶体を磁気光学素子に適用せしめる方法を提供することも課題とする。

本発明は、
（１）磁気光学素子用の複合酸化物であってその化学組成がＭＶＯ_４（ＭはＳｃ、Ｙ、ランタノイドから選択した１種類以上の元素）であることを特徴とする単結晶
（２）磁気光学素子用のＴｂＶＯ_４単結晶
（３）前記の単結晶を用いた磁気光学素子であって、単結晶の結晶方位のｃ軸と光の伝搬方向を一致させたことを特徴とするレーザ用の磁気光学デバイス
（４）前記の単結晶の結晶方位のｃ軸と光の伝搬方向の一致精度が±０．５度以内であることを特徴とする磁気光学デバイス
（５）前記の単結晶が、融液からの結晶成長法によって単結晶化されたことを特徴とする磁気光学素子用の単結晶の製造方法
に関する。

本発明（１）および（２）によれば、ＴＧＧよりも大きなベルデ定数を持つ磁気光学素子用の単結晶を得ることができる。本単結晶は、ＴＧＧよりも小さなサイズでも大きなファラデー回転角が得られる。
本発明（３）および（４）によれば、より高性能で小型の磁気光学デバイスが可能になる。小型の磁気光学デバイスは、ファイバーレーザに搭載するに適している。
本発明（５）によれば、磁気光学素子用の単結晶を必要十分な寸法で工業生産することが可能である。

結晶の作製方法を説明する。以下は、希土類元素とバナジウム元素の比が化学量論比の１：１の希土類バナデート（ＭＶＯ_４）結晶の作製法を説明する。希土類バナデートは、正方晶系に属しジルコン型結晶構造をとる。希土類バナデートは、化学量論比１：１の近傍に固溶域を持つことが知られているが、そのような化学量論比からのずれのある結晶であっても正方晶系のジルコン型結晶構造をとる結晶体に対しては、同様の作製方法が適用できる。

原料は、希土類元素の酸化物とバナジウム元素の酸化物を混合して用いることができる。原料の純度は９９．９％以上が好ましく、より望ましくは９９．９９％以上である。酸化物以外にも、アンモニウム塩、炭酸塩、水酸化物などの加熱によって溶融するまでに揮発性物質と酸化物に分解する化合物、例えば炭酸塩、アンモニウム塩、水酸化物などを原料に用いてもよい。希土類とバナジウムの元素比は、化学量論比１：１でよい。バナジウムは融液から蒸発するので、蒸発分を考慮してバナジウムを多めに加えてもよい。

秤量した原料は、ボールミル混合器、Ｖ型混合器、シェイカー、メノウ乳鉢等の既存の器具を用いて十分に混合する。混合粉は、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）によって成形体を作製する。

希土類バナデート単結晶を融液から製造する結晶育成法には、チョクラルスキー法（ＣＺ法）、フローティングゾーン法（ＦＺ法）、ブリッジマン法、ＥＦＧ法など複数あるので、適宜選択すれば良い。いずれの方法も、種結晶以外の原料を加熱溶融せしめ、次に種結晶の方位を引き継ぐように融体を徐々に固化させて大きな単結晶を成長させる。加熱方法も、抵抗加熱、誘導加熱、集光加熱等から選べばよい。

融液から単結晶を成長させるときの雰囲気は、Tbイオンが3価から４価に過酸化される事を防ぐために、大気またはこれよりも低酸素分圧の雰囲気が好ましい。

結晶の成長速度は、０．１ｍｍ／ｈから１０ｍｍ／ｈの範囲から、結晶育成法に応じて、結晶品質と生産性を考慮して選択すれば良い。所定の大きさまで単結晶が成長したら、育成を止め、ゆっくりと室温まで冷却する。

育成した結晶は、必要に応じて熱処理を施すことができる。熱処理の目的は、結晶の熱歪を低減して加工時の割れを防ぎ、歪複屈折に起因する消光比を改善し、結晶欠陥に起因する使用波長域の吸収を低減すること、である。

次に、単結晶から磁気光学素子を作製する手順を示す。例示する素子は光アイソレータである。

育成した単結晶から、断面が数ｍｍの正方形または円形、レーザの光を伝搬させる方向の長さが数ｍｍから数ｃｍの角柱状または円柱状の素子を切断する。断面の大きさは、使用するレーザ光学系に依存する。長さは磁石の磁場強度や光アイソレータの設計に依存する。

柱状素子を加工するときは、角柱または円柱の中心軸を希土類バナデート単結晶の結晶方位のｃ軸と一致するように加工する。結晶方位は、Ｘ線を用いて決めることができる。切断には、外周刃切断機、内周刃切断機、マルチワイヤーソー、超音波コアドリル等を用いる。

素子の両端面は鏡面研磨する。研磨の平坦度は使用するレーザの波長λに対してλ／８以下にすることが望ましい。研磨面の平行度は１分以内とする。また、研磨面に無反射コーティングを施しても良い。

光アイソレータの構成は、通常のガーネット結晶やガラスをファラデー回転素子として用いたときに準じれば良い。例えば、偏波依存型の光アイソレータの構成は、ファラデー回転材料の希土類バナデート単結晶の周りを磁石で囲み、結晶の前後に偏光子と検光子を置く。

作製した結晶の磁気光学特性は、光アイソレータと同じ素子配置の光学系で評価することができる。ベルデ定数は、光路長さＬの結晶に強さＨの磁場を加えたときの偏光面の回転角Θを測れば（１）式から、算出できる。挿入損失は、レーザ装置から射出した光が、照射目的物に向かって、光アイソレータを通過するときに、失うエネルギーから求める。消光比は、目的物側からの戻り光が、光アイソレータによってどれだけ減光されたかを測定する。測定に用いるレーザは、光アイソレータを装着すると同じ波長のものを使う。例えば、１．０６μｍのファイバーレーザ用の光アイソレータならば、市販の発振波長１．０６μｍのレーザを光源として特性を測定する。消光比が、２０ｄＢ以下では戻り光の減光が不十分であり、光アイソレータとして実用にならない。

以下に本発明の実施例を説明する。

（実施例１）純度９９．９９％のＴｂ_４Ｏ_７粉末３４ｇと、純度９９．９９％のＶ_２Ｏ_５粉末１７ｇをモル比で１：１となるように秤量した。アルミナ乳鉢へそれぞれの粉末とエチルアルコール５０ｃｃを入れ２〜３時間、エチルアルコールが蒸発し混合物が液状ではなくなるまで、乳棒を用いて混合した。混合した粉末を、さらに自然乾燥させた。

この粉末をラバーチューブに詰め、直径５ｍｍ、長さ１００ｍｍの棒状に形を整えた後、１００ＭＰａの圧力でＣＩＰを用いて成形した。成形した棒は、１３００℃から１６００℃で焼結することによってＴｂＶＯ_４の緻密な焼結棒を得た。

単結晶の作製は、集光加熱によるイメージ炉を用いたＦＺ法によった。使用した炉の概念図を図１に示す。回転楕円鏡１の一方の焦点にランプ２を熱源として置き、もう一方の焦点の原料棒３を集光加熱する。原料棒３は上シャフト７に固定し、種結晶４は下シャフト８に固定する。原料棒３の下端を加熱融解してから上下シャフトを近づけて種結晶４と接合させ、適当な長さの融液帯５を形成する。両シャフトは融液帯を撹拌して均一化するために相反する方向に回転させることができる。融液帯をゆっくりと原料棒側に移動すると、種結晶と融液帯の間に単結晶６が成長する。融液帯は透明な石英管９によって大気から隔離され、結晶育成雰囲気が自由に制御できるようになっている。

成形した原料棒と種結晶を炉に取り付け、ランプの出力を調整して原料棒の下端を溶融させた後、種結晶と接合させた。融液帯を１〜１０ｍｍ／ｈｒで移動し、ＴｂＶＯ_４単結晶を成長させた。得られた単結晶は、黄色から茶色を呈していた。

作製した単結晶から、正方柱のファラデー回転子を加工した。正方柱の中心軸とＴｂＶＯ_４単結晶の結晶方位のｃ軸との一致精度は±０．０５度以内とした。中心軸の長さは２．８ｍｍとし、両端面の形状は３ｍｍ×３ｍｍの正方形にした。両端面は鏡面研磨を施した。

研磨したファラデー回転子の透過スペクトルを測定した。日立分光光度計Ｕ４１００を用いて、１４００ｎｍから４００ｎｍの波長範囲を測定した。４８８ｎｍ付近に３価のテルビウムによる鋭い吸収帯が観測された。８００ｎｍ以下では徐々に吸収が大きくなって透過率が低下するが、１４００ｎｍから１０００ｎｍの波長域にはほとんど吸収が無く、高い透過率を示していた。波長１．０６μｍのファイバーレーザをはじめとする近赤外波長域のレーザ用の光学材料として適していることが示された。

次に磁気光学特性を測定した。ファラデー回転子は、レーザの伝搬方向がＴｂＶＯ_４単結晶のｃ軸と±０．０５度以内の精度で一致するように調整して設置した。素子は０．５Ｔの磁場中においた。グラントムソンプリズムによる偏光子、検光子に挟んで、１．０６μｍのレーザにおいて、偏光子を回転させて検光子による消光角度によるベルデ定数の測定を行った結果を図２に示す。ベルデ係数は６２ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）だった。このときの消光比は、３５ｄＢだった。

ＴｂＶＯ_４単結晶をファラデー回転子とした光アイソレータを作製した。光アイソレータの構成を図３に示す。レーザの伝搬方向１０と平行に結晶のｃ軸を合わせたＴｂＶＯ_４単結晶１２を中心に配置する。磁石１３で結晶の周りを囲む。結晶の前後に偏光子１１を配置する。結晶、磁石、偏光子はハウジング１４に収納されている。ＴｂＶＯ_４単結晶は大きなベルデ定数を持つために、これを用いた光アイソレータが小型化できた。

（実施例２）
実施例１と同様の手順をふみ、ＦＺ法によって単結晶を作製した。正方柱のファラデー回転子に加工する際に、正方柱の中心軸と単結晶のｃ軸は０．２度、及び０．３度ずらして加工した。中心軸の長さは２．８ｍｍとした。両端面の形状は３ｍｍ×３ｍｍの正方形とし、鏡面研磨を施した。正方柱の中心軸にレーザの光を伝搬させた。消光比は、正方柱の中心軸と単結晶のｃ軸を０．２度ずらしたものが２８ｄＢ、０．３度ずらしたものが２５ｄＢだった。

（実施例３）
純度９９．９９％のＴｂ_２Ｏ_３粉末２２８．１ｇと、純度９９．９９％のＶ_２Ｏ_５粉末１１３．４ｇを秤量した。２種類の粉をシェイカーで２時間混合後、ＣＩＰを用いて加圧成形した。

成形原料をイリジウムルツボに充填し、高周波誘導加熱によって原料を融解した。種結晶を融液につけ、一般的なチョクラルスキー法によって単結晶を成長させた。育成は、低酸素雰囲気下でおこなった。所定の長さまで成長させた後、結晶を融液から切り離し、徐冷した。

育成した単結晶から、実施例１と同様の手順で正方柱状のファラデー回転子を作製した。正方柱の中心軸と単結晶のｃ軸は０．１度の精度で一致させた。磁気光学特性を測定した。ベルデ係数は６１ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）だった。消光比は３４ｄＢだった。

（比較例１）
実施例１と同様の手順をふみ、ＦＺ法によって単結晶を作製した。正方柱のファラデー回転子に加工する際に、正方柱の中心軸と単結晶のｃ軸は−０．８度から＋１．２度ずらした。中心軸の長さは２．８ｍｍとした。両端面の形状は３ｍｍ×３ｍｍの正方形とし、鏡面研磨を施した。正方柱の中心軸にレーザの光を伝搬させた。消光比は、ずれ角度が＋１．２度のとき１４ｄＢ、−０．６度のとき１７．５ｄＢという低い値しか得られなかった。光の伝搬方向とｃ軸のずれ角度が消光比に及ぼす影響を図４に示す。ずれ角度が±０．５度を超えると消光比が２０ｄＢよりも小さくなり、光アイソレータとして十分な性能が得られないことが分かった。

以上の試験結果に示すとおり、大きなベルデ定数と消光比を持ち、透過率の高い磁気光学素子に適した結晶体が得られていることが判る。さらに、この結晶をファラデー回転材料として用いることで、高性能な光アイソレータが実現できる。

フローティングゾーン法の模式図 ベルデ定数の測定結果１ 作製した光アイソレータの模式図 光の伝搬方向とｃ軸のずれ角度と消光比

１ 回転楕円鏡
２ ランプ
３ 原料棒
４ 種結晶
５ 融液帯
６ 単結晶
７ 上シャフト
８ 下シャフト
９ 石英管
１０ レーザの伝搬方向
１１ 偏光子
１２ 希土類バナデート結晶
１３ 磁石
１４ ハウジング

Claims (5)

1. 磁気光学素子用の複合酸化物であってその化学組成がＭＶＯ_４（ＭはＳｃ、Ｙ、ランタノイドから選択した１種類以上の元素）であることを特徴とする単結晶
2. 磁気光学素子用のＴｂＶＯ_４単結晶
3. 請求項１または請求項２に記載の単結晶を用いた磁気光学素子であって、単結晶の結晶方位のｃ軸と光の伝搬方向を一致させたことを特徴とする磁気光学デバイス
4. 請求項３に記載の磁気光学素子において、単結晶の結晶方位のｃ軸と光の伝搬方向の一致精度が±０．５度以内であることを特徴とする磁気光学デバイス。
5. 請求項１又は２記載の単結晶が、融液からの結晶成長法によって単結晶化されたことを特徴とする磁気光学素子用の単結晶の製造方法