JP3127015B2 - 酸化物レーザ単結晶の製造方法 - Google Patents

酸化物レーザ単結晶の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物レーザ単結晶の
製造方法に関し、詳しくはルツボを用いて溶融し、結晶
化する際の製造用原料を一定手段で調整することによっ
て、ルツボ材の混入を低減させ、レーザ損傷閾値を向上
させるた酸化物レーザ単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、酸化物レーザ単結晶の育成には、
純度4N(99.99%)〜5N(99.999%)の
酸化物原料が用いられ、灼熱減量分を増量した酸化物原
料を混合し、圧粉体に成型した後、焼成し、製造用原料
とし、この製造用原料をルツボを用いて溶融し、引き上
げ法等によって酸化物単結晶を育成していた。このよう
にして得られた単結晶の内部には、育成に用いられたル
ツボ材が微細な形で混入されることが確認されている。
また、圧粉体に成形した後、そのまま焼成を行なわず
に、製造用原料とした場合にもルツボ材の混入は避けら
れない。
【0003】特に融点1500%以上の高融点の酸化物
単結晶の場合、原料中の水分(H2O)が分解されるた
め、発生した酸素がルツボへ悪影響を及ぼすので、ルツ
ボ材が融液に入り結晶に取り込まれるものと考えられ
る。
【0004】酸化物レーザ単結晶の場合、このルツボ材
という不純物が励起光の散乱源となりレーザ発振の閾値
を下げることとなる。また、発振中にレーザ光により、
この不純物が溶融し、結晶に大きなボイドや微細な劈開
を発生させる。これらのことによりレーザ発振のエネル
ギー変換効率を低下させ、波長可変レーザの場合には、
発振可能波長範囲を狭めることになる。
【0005】この酸化物レーザ単結晶中へのルツボ材の
混入を除くため、例えばイリジウムルツボを利用する場
合は、不活性雰囲気に数パーセントの酸素を混入するこ
とが提案されている。しかし、酸素は融液中のイリジウ
ムと反応し、酸化物として蒸発させるが、同時に高価な
イリジウムルツボ自体の酸化も引き起こし好ましくな
い。
【0006】さらに、遷移金属を含む単結晶の場合、育
成雰囲気の酸素濃度を制御のため制御する必要があり、
このために数パーセントの酸素導入は困難である。また
モリブテンルツボやタンタルルツボのように著しく酸化
され易い材料には原理的に利用できない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
技術の課題を解決すべくなされたもので、ルツボ材の混
入を低減し、レーザ損傷閾値を向上させた酸化物レーザ
単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、ル
ツボを用いて酸化物単結晶を製造する際の製造用原料を
一定手段で調整することによって達成される。
【0009】すなわち、本発明の酸化物レーザ単結晶の
製造方法は、粉体である酸化物原料を混合前または混合
後にそのまま焼成脱水し、次いで再度混合した後、圧粉
体に成型して得られた製造用原料を、ルツボを用いて溶
融し、結晶化することを特徴とする。
【0010】本発明では、粉体からなる酸化物原料を圧
粉体とせず、混合前または混合後に粉体のまま焼成脱水
する。この場合にも従来法と同様に酸化物原料は灼熱減
量分を考慮し、その分を増量しなければならない。この
焼成のための容器は特に制限はないが、酸化物原料に対
して悪影響を及ぼさないものがよく、好ましくは白金等
である。酸化物原料を容器に入れた場合、最密充填はせ
ず、また嵩の高さがなるべく低い方がよく、好ましくは
3cm以下とするとよい。ここでいう粉体である酸化物
原料とは、例えば、フォルステライト(Mg2SiO4
単結晶を製造する場合には、酸化マグネシウムと酸化ケ
イ素である。ここでの焼成温度は、好ましくは800℃
以上、さらに好ましくは1000℃以上で、原料の融点
未満で行なう。
【0011】この酸化物原料を再度混合後、静水圧プレ
ス等により圧粉体とし、そのまま製造用原料(原料棒)
とするか、この圧粉体を1200℃以上、原料の融点未
満で焼成し、製造用原料(原料棒)とする。
【0012】そして、この原料棒をルツボに投入して溶
融し、引き上げ法等により単結晶を育成する。
【0013】また、本発明の他の製造方法は、粉体であ
る酸化物原料を混合後、溶融脱水せしめ、これを塊状に
粉砕して得られた製造用原料を、ルツボを用いて溶融
し、結晶化することを特徴とする酸化物レーザ単結晶の
製造方法にある。
【0014】この製造方法では、上記と同様の酸化物原
料を用い、これを混合後、ルツボ等を用いて溶融脱水さ
せる。この場合にも酸化物原料は灼熱減量分を考慮し、
その分を増量しなければならない。ここに用いられるル
ツボとしてはイリジウムルツボ等が例示される。次に、
溶融脱水し、固形化した酸化物原料ブロックをルツボ等
から取り出し、これを所定の塊状に粉砕し、これを製造
用原料(原料棒)とする。
【0015】そして、この原料棒を上記と同様にルツボ
に投入して溶融し、引き上げ法等により単結晶を育成す
る。
【0016】このようにして得られた酸化物レーザ単結
晶にはルツボ材の混入が大幅に低減される。
【0017】本発明の製造方法で得られる酸化物レーザ
単結晶は特に制限されないが、一般的にはクリソベリル
(BeAl24)、フォルステライト(Mg2Si
4)、サファイア(コランダム型構造)、GSAG
(ガドリニウムスカンジウムアルミニウム;Gd3Sc2
Al312)等が例示される。さらには、その他の酸化
物やフッ化物の結晶やガラスにも応用可能である。
【0018】本発明の製造方法は、ルツボを用いる育成
法、特にチョクラルスキ法やブリッジマン法、熱交換法
に好適に用いることができる。また、バルク結晶以外に
も例えば金属製高温用ヒーターを用いる単結晶ファイバ
ーの製造にも応用が可能である。
【0019】
【実施例】以下、実施例等に基づいて本発明を具体的に
説明する。
【0020】実施例1〜2および比較例1〜2 フォルステライト(化学式Mg2SiO4)単結晶の育成
は純度99.99%の酸化マグネシウム(MgO)と9
9.99%の酸化ケイ素(SiO2)を原料として用い
ている。それぞれの原料の灼熱減量分を増量し2:1
(モル比)の割合で混合した後、この粉体を、次のよう
に処理した。
【0021】(1)静水圧プレス(1t/cm2)によ
り圧粉体とし、これを製造用原料とした(比較例)。
【0022】(2)1000℃で焼成した後、再度均一
に混合し、静水圧プレス(1t/cm2)で圧粉体と
し、この圧粉体を1300℃で再度焼成し、これを製造
用原料とした(実施例)。
【0023】このようにして得られた2種類の原料棒
(製造用原料)を溶融し、引き上げ法により単結晶を育
成した。ルツボにはイリジウムルツボを用いた。育成雰
囲気は酸素分圧(logPO2)=−2.0と−3.6
の2種の雰囲気下で育成した。
【0024】得られた単結晶は、4本とも直径約25m
m、長さ約70mmであった。この結晶を切断し研磨し
たのち顕微鏡を用いて観察を行なった。観察方法は、顕
微鏡の視野を500μmとし、深さ方向に250μm移
動して、存在する不純物としてのイリジウムの数を数え
た。図1にその結果を示す。
【0025】図1に示されるように、実施例1〜2は比
較例1〜2に比べ、フォルステライト単結晶中のイリジ
ウムの混入が大幅に低減される。
【0026】実施例3および比較例3〜4 3価のチタンをドープしたクリソベリル(BeAl
24)をイリジウムルツボを用いて育成した。原料は9
9.99%の酸化ベリリウム(BeO)と99.999
%の酸化アルミナ(Al23)と酸化チタン(Ti
23)を用いた。実施例1と同様に灼熱減量分を予め測
定しその分をBe OとAl23とTi3+の純分で1:
1:0.05(モル比)となるように混合した。この混
合原料を3ロット作り、以下の処理を行ない、イリジウ
ムルツボを用い、それぞれの単結晶を育成した。
【0027】(1)静水圧プレス(1t/cm2)し、
得られた圧粉体をそのまま製造用原料とした(比較例
3)。
【0028】(2)静水圧プレス(1t/cm2)後、
得られた圧粉体を窒素ガス雰囲気で1300℃、6時間
焼成後、これを製造用原料とした(比較例4)。
【0029】(3)混合した酸化物原料を白金ボートに
高さ3cm以下になるように粉体のまま入れ、窒素ガス
雰囲気中で1300℃、6時間焼成後、静水圧プレス
(1t/cm2)で圧粉体とし、これを製造用原料とし
た(実施例3)。
【0030】これらの製造用原料を用いてチョクラルス
キー炉を用いて結晶を育成した。育成速度は0.5mm
/hrs、回転数は20rpmであった。
【0031】この結晶からスライスサンプルを切り出
し、表面および端面を研磨後、レーザスキャッタリング
トモグラフィを撮影した。He−Neレーザービームを
10μmφに絞り上面から入射した。サンプルをステッ
ピングモータで移動してイリジウムの散乱像を画像情報
としコンピュータに蓄積し、吸収補正等の画像処理をし
て得られた像の模式図を図2に示す。同図の(a),
(b),(c)はそれぞれ比較例3〜4、実施例3から
の散乱像の模式図であり、一視野750μm×750μ
mである。この図2から明瞭にわかる通り、実施例3の
酸化物原料を粉体のまま焼成し、その後に圧粉体成型
し、得られた圧粉体を製造用原料としたもののみがイリ
ジウムが低減されているので判る。また、比較例4は、
焼成を圧粉体成型後に行なっものであるが、脱水が不十
分なことが判る。
【0032】実施例4〜5および比較例5 モリブデンルツボを用いて実施例3および比較例3〜4
と同様の単結晶を育成した。酸化物原料の組成は実施例
3等と同様である。酸化物原料の処理は次のように行な
った。
【0033】(1)静水圧プレス(1t/cm2)後、
得られた圧粉体をそのまま製造用原料とした(比較例
5)。
【0034】(2)イリジウムルツボで原料を予め溶融
させ、これを塊状に粉砕したものを製造用原料とした
(実施例4)。
【0035】(3)粉体を1300℃、6時間窒素ガス
雰囲気下で焼成し、次いで静水圧プレス(1t/c
2)し、得られた圧粉体を製造用原料とした(実施例
5)。
【0036】この結果、比較例5は図3に示されるよう
に、融体表面に多量のモリブデン箔が浮き、結晶を育成
することができなかった。さらに融液中にもICP分析
の結果平均、濃度55ppmのモリブデンの溶け込みが
確認された。これに対し実施例2および実施例3は、モ
リブデンの混入しないクリソベリル単結晶が育成可能で
あった。
【0037】
【発明の効果】本発明の製造方法によって、酸化物レー
ザ単結晶中へのルツボ材の混入が低減され、レーザ損傷
閾値を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 イリジウムルツボを用いて育成したフォルス
ラライト結晶のイリジウムの数と融液の固化率との関係
を示すグラフ。
【図2】 イリジウムルツボを用いて育成したチタンド
ープクリソベリル結晶のレーザ散乱トモグラフィの模式
図。
【図3】 モリブデンルツボにチタンドープクリソベリ
ルの未焼成の製造用原料(比較例5)を溶融した際の融
液の表面状態を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−111998(JP,A) 特開 昭62−216286(JP,A) 特開 平2−97493(JP,A) 特開 平2−59496(JP,A) 特開 平3−28198(JP,A) 特開 昭64−28299(JP,A) 特開 平1−197395(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/42 - 35/51 JICSTファイル(JOIS) CA(STN)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粉体である酸化物原料を混合前または混
    合後にそのまま焼成脱水し、次いで再度混合後、圧粉体
    に成型して得られた製造用原料を、ルツボを用いて溶融
    し、結晶化することを特徴とする酸化物レーザ単結晶の
    製造方法。
  2. 【請求項2】前記圧粉体に成形後、再度焼成する請求項
    1に記載の酸化物レーザ単結晶の製造方法。
  3. 【請求項3】 粉体である酸化物原料を混合後、溶融脱
    水せしめ、これを塊状に粉砕して得られた製造用原料
    を、ルツボを用いて溶融し、結晶化することを特徴とす
    る酸化物レーザ単結晶の製造方法。
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