JPH05301769A - レーザ用多結晶透明セラミックス - Google Patents
レーザ用多結晶透明セラミックスInfo
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- JPH05301769A JPH05301769A JP4108078A JP10807892A JPH05301769A JP H05301769 A JPH05301769 A JP H05301769A JP 4108078 A JP4108078 A JP 4108078A JP 10807892 A JP10807892 A JP 10807892A JP H05301769 A JPH05301769 A JP H05301769A
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- laser
- ion
- single crystal
- polycrystalline
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 単結晶のように製造上の欠点や素材そのもの
の欠点がなく、かつ発振特性に優れたレーザ用多結晶透
明セラミックスを得る。 【構成】 Ｆイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎａ，
Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及びＣ
ｒ、Ｔｉ元素の一種以上とを含有し、焼結体の平均粒子
径が５〜１０００μｍで気孔率が１％以下のガーネット
構造を有するレーザ用多結晶透明セラミックス。
の欠点がなく、かつ発振特性に優れたレーザ用多結晶透
明セラミックスを得る。 【構成】 Ｆイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎａ，
Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及びＣ
ｒ、Ｔｉ元素の一種以上とを含有し、焼結体の平均粒子
径が５〜１０００μｍで気孔率が１％以下のガーネット
構造を有するレーザ用多結晶透明セラミックス。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振素子として
好適に使用されガーネット構造を有する、イットリウム
・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ），ガドリニウム
・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ），ガドリニウム・ス
カンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ）等のレ
ーザ用多結晶透明セラミックスに関する。
好適に使用されガーネット構造を有する、イットリウム
・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ），ガドリニウム
・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ），ガドリニウム・ス
カンジウム・ガリウム・ガーネット（ＧＳＧＧ）等のレ
ーザ用多結晶透明セラミックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】ＹＡＧに代表されるガーネット構造の固
体レーザは、その市場の約９５％を占め、半導体の微細
加工、鋼材やセラミックスの切断及び熱処理、医療用レ
ーザメス等多岐に応用され、近年ではＳＨＧ（第二高調
波）素子を用いて波長変換したグリーンやブルーレーザ
が、光磁気記録材料の書込み操作用としても用いられて
いる。
体レーザは、その市場の約９５％を占め、半導体の微細
加工、鋼材やセラミックスの切断及び熱処理、医療用レ
ーザメス等多岐に応用され、近年ではＳＨＧ（第二高調
波）素子を用いて波長変換したグリーンやブルーレーザ
が、光磁気記録材料の書込み操作用としても用いられて
いる。
【０００３】ところでＹＡＧは発光に関与する元素とし
て、Ｎｄやその他の発光元素を添加したものが、チョコ
ラルスキー法やブリッジマン・ストックバーガー法等で
製造されているが、それらはいずれも単結晶である。
て、Ｎｄやその他の発光元素を添加したものが、チョコ
ラルスキー法やブリッジマン・ストックバーガー法等で
製造されているが、それらはいずれも単結晶である。
【０００４】このような方法で単結晶ＹＡＧを製造する
場合、育成温度が約２０００°Ｃを必要とし、かつ育成
速度が０．２〜０．３ｍｍ／ｈｒと極めて遅い。このこ
とから１本の単結晶を製造するのに約１ケ月を要し、且
つ製造された単結晶ＹＡＧの発光元素が均一とはなり難
い。特にＮｄ元素を添加するものに限っては単結晶を育
成する際、ホスト材料中の発光元素を均一に分散させる
ことが難しいばかりでなく、その濃度も１原子％程度が
限界となっている。このことからたとえ単結晶ＹＡＧを
製造したとしても、レーザ材料として使用できるのはご
く一部である。また単結晶育成技術では極めて高価なイ
リジウム坩堝が必要なため、製造される単結晶ＹＡＧが
高価であることは勿論、生産性の面でも十分満足すべき
ものではない。
場合、育成温度が約２０００°Ｃを必要とし、かつ育成
速度が０．２〜０．３ｍｍ／ｈｒと極めて遅い。このこ
とから１本の単結晶を製造するのに約１ケ月を要し、且
つ製造された単結晶ＹＡＧの発光元素が均一とはなり難
い。特にＮｄ元素を添加するものに限っては単結晶を育
成する際、ホスト材料中の発光元素を均一に分散させる
ことが難しいばかりでなく、その濃度も１原子％程度が
限界となっている。このことからたとえ単結晶ＹＡＧを
製造したとしても、レーザ材料として使用できるのはご
く一部である。また単結晶育成技術では極めて高価なイ
リジウム坩堝が必要なため、製造される単結晶ＹＡＧが
高価であることは勿論、生産性の面でも十分満足すべき
ものではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、単結晶のように製造上の欠点や素材そのものの欠
点がなく、かつ発振特性に優れたレーザ用多結晶透明セ
ラミックスを得ることにある。
題は、単結晶のように製造上の欠点や素材そのものの欠
点がなく、かつ発振特性に優れたレーザ用多結晶透明セ
ラミックスを得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のガーネット構造
のレーザ用多結晶透明セラミックスは、上記課題を解決
するために、Ｆイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎ
ａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及
びＣｒ、Ｔｉ元素の一種以上とを含有し、焼結体の平均
粒子径が５〜１０００μｍの範囲で気孔率を１％以下と
することによって上記課題を解決したものである。
のレーザ用多結晶透明セラミックスは、上記課題を解決
するために、Ｆイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎ
ａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及
びＣｒ、Ｔｉ元素の一種以上とを含有し、焼結体の平均
粒子径が５〜１０００μｍの範囲で気孔率を１％以下と
することによって上記課題を解決したものである。
【０００７】
【作用】本発明のレーザ用多結晶透明セラミックスは、
ＹＡＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧ等の適切な粒度の原料粉末を
使用し、これにＦイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎ
ａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及
びＣｒ、Ｔｉ元素の発光元素又は増感元素を一種又は二
種以上含有し、適正な条件下で焼結を行なうことで、レ
ーザ発振機能を付加された透明な高密度焼結体を得るこ
とができる。
ＹＡＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧ等の適切な粒度の原料粉末を
使用し、これにＦイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎ
ａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及
びＣｒ、Ｔｉ元素の発光元素又は増感元素を一種又は二
種以上含有し、適正な条件下で焼結を行なうことで、レ
ーザ発振機能を付加された透明な高密度焼結体を得るこ
とができる。
【０００８】ＹＡＧの場合、まず純度９９重量％、好ま
しくは９９．９重量％以上のＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 を用
い、さらに発光元素や増感元素となるランタニド元素の
酸化物（Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 、Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2
Ｏ3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ
3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ
2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＴ
ｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 などの酸化物をガーネット組成とな
るように秤量する。または、アルコキシド法や共沈法な
どによって予め組成的に均一にした湿式合成粉末を用い
ることもできる。これにＦイオン一種またはＦイオンと
Ｓｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を適量添加す
る。ここで、Ｙ2 Ｏ3 及びＡｌ2 Ｏ3 の純度が９９重量
％未満では不純物の作用によって良品のレーザ材料を得
ることが困難となる。また、焼結体の平均粒子径や密度
として特許請求の範囲のものを得るためには、原料粉末
の一次粒径が１μｍ以下のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 を使
用することが好ましい。
しくは９９．９重量％以上のＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 を用
い、さらに発光元素や増感元素となるランタニド元素の
酸化物（Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 、Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2
Ｏ3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ
3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ
2 Ｏ3 、Ｔｍ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＴ
ｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 などの酸化物をガーネット組成とな
るように秤量する。または、アルコキシド法や共沈法な
どによって予め組成的に均一にした湿式合成粉末を用い
ることもできる。これにＦイオン一種またはＦイオンと
Ｓｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を適量添加す
る。ここで、Ｙ2 Ｏ3 及びＡｌ2 Ｏ3 の純度が９９重量
％未満では不純物の作用によって良品のレーザ材料を得
ることが困難となる。また、焼結体の平均粒子径や密度
として特許請求の範囲のものを得るためには、原料粉末
の一次粒径が１μｍ以下のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 を使
用することが好ましい。
【０００９】Ｆイオンは、Ｆイオン単独で添加するとき
は、ＹＦ3 やＡｌＦ3 等を原料秤量時に加える。また、
ＦイオンとＳｉ，Ｌｉなどのカチオンを併用する場合に
はＹＦ3 ，ＡｌＦ3 ，ＣａＦ2 ，ＬｉＦ，ＮａＦ及びＭ
ｇＦ2 などのフッ素化合物を、又はこれらのフッ素化合
物とＳｉＯ2 ，ＣａＯ，Ｌｉ2 Ｏなどの酸化物を適切に
組合せたものを添加する。
は、ＹＦ3 やＡｌＦ3 等を原料秤量時に加える。また、
ＦイオンとＳｉ，Ｌｉなどのカチオンを併用する場合に
はＹＦ3 ，ＡｌＦ3 ，ＣａＦ2 ，ＬｉＦ，ＮａＦ及びＭ
ｇＦ2 などのフッ素化合物を、又はこれらのフッ素化合
物とＳｉＯ2 ，ＣａＯ，Ｌｉ2 Ｏなどの酸化物を適切に
組合せたものを添加する。
【００１０】これら、アニオンであるＦイオンや、カチ
オンであるＳｉ、Ｌｉ，Ｎａ2 ，Ｍｇ及びＣａイオン
は、その量が適切である限り多結晶体の微構造を改善す
ると共に、異相（焼結体中に残存するＹＡｌＯ3 やＡｌ
2 Ｏ3 など）を排除するため、材料の透明度（ホスト材
料の透明度）を向上させ、結果的にレーザの発振効率を
向上させる。一方これらアニオンやカチオン成分には、
ｄやｆ電子等の電子構造が存在せず、レーザ発振特性に
は殆ど悪影響を与えない。Ｆイオンはガーネット結晶の
同じアニオンであるＯイオンと置換し、またＳｉ，Ｌ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ及びＣａイオンはガーネット中のＡｌや
Ｙイオンと置換する。しかし置換する元素の価数（電
価）は、アニオンサイトでは−２価のＯイオンが−１価
のＦイオンと、カチオンサイトでは原子価が＋３価のイ
オンであるＡｌ及びＹイオンと＋１価元素のＬｉ，Ｎ
ａ、＋２価元素のＭｇ，Ｃａ及び＋４価元素のＳｉと置
換するが、それぞれの価数がＯ，Ａｌ及びＹとは異なる
ので、単純な系の原子レベルでは、多結晶体中の結晶の
電荷を保つためアニオン又はカチオンサイトへ格子欠陥
を生じる。この欠陥量は比較的少ないレベルでは光学的
特性を劣化させることはないが、あまりにも多過ぎる
と、ホスト材料の格子欠陥に伴い光学的特性を劣化させ
ることとなる。したがって、Ｆイオンを単独で添加する
場合には、その量を出来るだけ少なくすること、またＦ
イオンとＳｉ、Ｌｉ等のカチオンを併用する場合は、価
数の異なる元素を組み合わせることによって、例えばＦ
イオン置換でプラス側に帯電した電荷をＬｉイオンで補
償することでより良い光学特性を有するホスト材となり
得る。
オンであるＳｉ、Ｌｉ，Ｎａ2 ，Ｍｇ及びＣａイオン
は、その量が適切である限り多結晶体の微構造を改善す
ると共に、異相（焼結体中に残存するＹＡｌＯ3 やＡｌ
2 Ｏ3 など）を排除するため、材料の透明度（ホスト材
料の透明度）を向上させ、結果的にレーザの発振効率を
向上させる。一方これらアニオンやカチオン成分には、
ｄやｆ電子等の電子構造が存在せず、レーザ発振特性に
は殆ど悪影響を与えない。Ｆイオンはガーネット結晶の
同じアニオンであるＯイオンと置換し、またＳｉ，Ｌ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ及びＣａイオンはガーネット中のＡｌや
Ｙイオンと置換する。しかし置換する元素の価数（電
価）は、アニオンサイトでは−２価のＯイオンが−１価
のＦイオンと、カチオンサイトでは原子価が＋３価のイ
オンであるＡｌ及びＹイオンと＋１価元素のＬｉ，Ｎ
ａ、＋２価元素のＭｇ，Ｃａ及び＋４価元素のＳｉと置
換するが、それぞれの価数がＯ，Ａｌ及びＹとは異なる
ので、単純な系の原子レベルでは、多結晶体中の結晶の
電荷を保つためアニオン又はカチオンサイトへ格子欠陥
を生じる。この欠陥量は比較的少ないレベルでは光学的
特性を劣化させることはないが、あまりにも多過ぎる
と、ホスト材料の格子欠陥に伴い光学的特性を劣化させ
ることとなる。したがって、Ｆイオンを単独で添加する
場合には、その量を出来るだけ少なくすること、またＦ
イオンとＳｉ、Ｌｉ等のカチオンを併用する場合は、価
数の異なる元素を組み合わせることによって、例えばＦ
イオン置換でプラス側に帯電した電荷をＬｉイオンで補
償することでより良い光学特性を有するホスト材となり
得る。
【００１１】以上よりこれらの添加量としては、Ｆイオ
ンを単独で添加する場合には、ＹＦ3 ，ＭｇＦ2 などの
フッ化物の組合せで０．００５〜１．０重量％、またＦ
イオンとＳｉ，Ｌｉ等のカチオンを併用する場合は、添
加量を０．００５〜２．０重量％とすることが肝要であ
る。
ンを単独で添加する場合には、ＹＦ3 ，ＭｇＦ2 などの
フッ化物の組合せで０．００５〜１．０重量％、またＦ
イオンとＳｉ，Ｌｉ等のカチオンを併用する場合は、添
加量を０．００５〜２．０重量％とすることが肝要であ
る。
【００１２】この配合粉末に、アルコール等の有機溶媒
又は蒸留水を加え、ポットミル中で混合し、この混合さ
れた粉末を減圧下又は常圧下で乾燥させる。得られた粉
末は一軸プレスまたはコールドアイソスタティックプレ
ス（ＣＩＰ）などで成形した後に焼結を行なう。焼結の
手段も特に限定されるものではないが、真空焼結の場合
は、１６００〜１８５０°Ｃの温度範囲、ホットプレス
（ＨＰ）やホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）
の場合は１４００〜１８５０°Ｃの温度範囲で適正な焼
結時間処理することによって目的とする焼結体が得られ
る。また酸素ガスや水素ガス中で焼結することも可能で
あり、それらの焼結方法を組み合わせることによっても
目的とする焼結体が得られる。
又は蒸留水を加え、ポットミル中で混合し、この混合さ
れた粉末を減圧下又は常圧下で乾燥させる。得られた粉
末は一軸プレスまたはコールドアイソスタティックプレ
ス（ＣＩＰ）などで成形した後に焼結を行なう。焼結の
手段も特に限定されるものではないが、真空焼結の場合
は、１６００〜１８５０°Ｃの温度範囲、ホットプレス
（ＨＰ）やホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）
の場合は１４００〜１８５０°Ｃの温度範囲で適正な焼
結時間処理することによって目的とする焼結体が得られ
る。また酸素ガスや水素ガス中で焼結することも可能で
あり、それらの焼結方法を組み合わせることによっても
目的とする焼結体が得られる。
【００１３】固体レーザとして用いるためには、焼結体
の密度が理論密度の９９．０％以上（気孔率では１％以
下）を有し、且つ多結晶体を構成する平均粒子径が５〜
１０００μｍの範囲であることが必要である。焼結体の
密度が９９．０％より低ければ、光の透過率が極端に低
下する。焼結体の相対密度に関しては同じ化学組成の単
結晶と多結晶を学振法又はＸ線法により測定した両者の
密度を比較することで求められる。それ以外の方法とし
ては焼結体内部に存在する気孔を顕微鏡やＳＥＭ等で表
面観察した画像を解析するこによっても求められる。ま
た焼結体の粒子径が１０００μｍより大きいと発光元素
を均一に固溶できなかったり、粒界部に発光元素が偏析
したりして光学的に均質で透明なものとはなりにくく、
逆に５μｍより小さいと実用に供するだけの透明度が得
られない。
の密度が理論密度の９９．０％以上（気孔率では１％以
下）を有し、且つ多結晶体を構成する平均粒子径が５〜
１０００μｍの範囲であることが必要である。焼結体の
密度が９９．０％より低ければ、光の透過率が極端に低
下する。焼結体の相対密度に関しては同じ化学組成の単
結晶と多結晶を学振法又はＸ線法により測定した両者の
密度を比較することで求められる。それ以外の方法とし
ては焼結体内部に存在する気孔を顕微鏡やＳＥＭ等で表
面観察した画像を解析するこによっても求められる。ま
た焼結体の粒子径が１０００μｍより大きいと発光元素
を均一に固溶できなかったり、粒界部に発光元素が偏析
したりして光学的に均質で透明なものとはなりにくく、
逆に５μｍより小さいと実用に供するだけの透明度が得
られない。
【００１４】焼結体の透明度はレーザ発振させた場合の
発振効率と密接な関係があることから、できるだけ高い
ことが望ましい。この値は光吸収係数で表現できる。す
なわち、ランバート・ベールの法則、ｌｏｇ（Ｉo ／
Ｉ）＝αｄ 〔ここで、Ｉo ：入射光強度，Ｉ：透過光
強度（試料を透過した光の強度) ，α：光吸収係数，
ｄ：試料厚さ〕におけるαの値が０．２０４ｃｍ-1、好
ましくは０．１２５ｃｍ-1以下に止める必要がある。ま
た、透明度は直線透過光の内部損失でも表すことがで
き、厚さ１０ｍｍの試料に直線光を照射した場合、その
内部損失は３０％以下が必要である。この意味は、表面
の加工精度が同一の試料において、厚さ１ｍｍと１１ｍ
ｍの試料の直線透過率の差異が３０％以内ということで
ある。これ以上母材内部での吸収損失が大きいと、光の
増幅により吸収損失が大きくなりレーザ発振しないばか
りでなく、場合によっては母材の破壊にまで至る。母材
の吸収損失については発光元素の吸収がない可視波長領
域（または測定波長に対する透過率のバックグラウンド
レベル）で、試料の厚さに対して透過率をプロットした
ときの傾きによって求められる。レーザ発振効率は母材
の透明度に依存する傾向との予測はできるが、より好ま
しくはその値が２０％以下（α値で表現すればα＝０．
１２５ｃｍ-1以下）のロスに止めることが肝要である。
また、透過率の絶対値についても（試料の面粗さが０．
１μｍ以下のものに限って）厚さ１ｍｍの試料が４００
〜９００ｎｍの波長範囲で、発光元素等の吸収を除く部
分の直線透過率が７５％以上であることも必要である。
発振効率と密接な関係があることから、できるだけ高い
ことが望ましい。この値は光吸収係数で表現できる。す
なわち、ランバート・ベールの法則、ｌｏｇ（Ｉo ／
Ｉ）＝αｄ 〔ここで、Ｉo ：入射光強度，Ｉ：透過光
強度（試料を透過した光の強度) ，α：光吸収係数，
ｄ：試料厚さ〕におけるαの値が０．２０４ｃｍ-1、好
ましくは０．１２５ｃｍ-1以下に止める必要がある。ま
た、透明度は直線透過光の内部損失でも表すことがで
き、厚さ１０ｍｍの試料に直線光を照射した場合、その
内部損失は３０％以下が必要である。この意味は、表面
の加工精度が同一の試料において、厚さ１ｍｍと１１ｍ
ｍの試料の直線透過率の差異が３０％以内ということで
ある。これ以上母材内部での吸収損失が大きいと、光の
増幅により吸収損失が大きくなりレーザ発振しないばか
りでなく、場合によっては母材の破壊にまで至る。母材
の吸収損失については発光元素の吸収がない可視波長領
域（または測定波長に対する透過率のバックグラウンド
レベル）で、試料の厚さに対して透過率をプロットした
ときの傾きによって求められる。レーザ発振効率は母材
の透明度に依存する傾向との予測はできるが、より好ま
しくはその値が２０％以下（α値で表現すればα＝０．
１２５ｃｍ-1以下）のロスに止めることが肝要である。
また、透過率の絶対値についても（試料の面粗さが０．
１μｍ以下のものに限って）厚さ１ｍｍの試料が４００
〜９００ｎｍの波長範囲で、発光元素等の吸収を除く部
分の直線透過率が７５％以上であることも必要である。
【００１５】また、発光元素の均一性は焼結体で固体レ
ーザ材料を作製する際の最も大きな利点であり、特に大
型形状の大出力レーザを目的とした場合に重要な技術と
なる。その均一度については、焼結体を構成する各々の
粒子の８０％以上が、濃度差が±１５％の範囲（例えば
２原子％の発光元素を含むものは２±０．３％の範囲）
にあることが必要である。その濃度分布については、焼
結体の粒子の５０個程度、少なくとも２０個程度の粒子
をランダムに分析することによって判定する。焼結体中
の発光元素や増感元素の濃度分布はＥＤＸ（エネルギー
分散型Ｘ線分光器）やＩＭＡ（イオンマイクロアナライ
ザー）などの微小領域を計測する機器分析装置によって
容易に測定できる。
ーザ材料を作製する際の最も大きな利点であり、特に大
型形状の大出力レーザを目的とした場合に重要な技術と
なる。その均一度については、焼結体を構成する各々の
粒子の８０％以上が、濃度差が±１５％の範囲（例えば
２原子％の発光元素を含むものは２±０．３％の範囲）
にあることが必要である。その濃度分布については、焼
結体の粒子の５０個程度、少なくとも２０個程度の粒子
をランダムに分析することによって判定する。焼結体中
の発光元素や増感元素の濃度分布はＥＤＸ（エネルギー
分散型Ｘ線分光器）やＩＭＡ（イオンマイクロアナライ
ザー）などの微小領域を計測する機器分析装置によって
容易に測定できる。
【００１６】レーザは元来フラッシュランプまたはＬＤ
（レーザダイオード）で材料内部に存在する発光元素を
励起させ、これを連続して増幅することから強力なレー
ザ光が発振できる。ここで、多結晶セラミックスのよう
な粒界がある材料を励起させ、レーザ発振する場合、粒
子内部で増幅されたレーザ光が粒界部で損失（異相や結
晶欠陥等に起因する減衰）するため、多結晶体でレーザ
発振することは不可能と考えるのが一般的である。また
仮にレーザ発振したとしても、粒界部の光損失が大きい
はずであり、単結晶材料に比べ特性劣化が著しいと予測
されることから固体レーザ材料はすべて単結晶であるべ
きと考えられており、現状もその通りとなっている。多
結晶体は粒子内部の結晶欠陥（格子欠陥）のレベルは元
来単結晶より低くなるはずであるが（溶融しないた
め）、焼結過程で完璧に近い物質移動が起きにくいため
粒子内部に組織的または結晶構造的欠陥を残すこととな
る。しかしこのような不都合を回避すれば、多結晶セラ
ミックスの粒子内部の光学的特性は単結晶を上回り、レ
ーザの増幅能力は高くなる。粒界部の光損失については
否定できないが、粒界部の損失を極力低減させることに
よって実用に十分耐えうるものとなる。また、レーザ材
料としての特性はこの透過率だけが全てでなく、発光元
素の均一性、ホスト材料中の発光元素濃度、材料の歪み
など様々な因子があり、透明度を除くその他の要因につ
いては多結晶体の方が単結晶体よりも優れている可能性
が高いことから、特性全体から考えれば同等または単結
晶を凌駕するものが存在する。例えば材料の歪みに関し
て、単結晶では偏光板を通して観察したときにかなりの
残留歪みが確認できるが、多結晶体ではこのような歪み
を殆ど検出できないなど優れた特徴を有する。
（レーザダイオード）で材料内部に存在する発光元素を
励起させ、これを連続して増幅することから強力なレー
ザ光が発振できる。ここで、多結晶セラミックスのよう
な粒界がある材料を励起させ、レーザ発振する場合、粒
子内部で増幅されたレーザ光が粒界部で損失（異相や結
晶欠陥等に起因する減衰）するため、多結晶体でレーザ
発振することは不可能と考えるのが一般的である。また
仮にレーザ発振したとしても、粒界部の光損失が大きい
はずであり、単結晶材料に比べ特性劣化が著しいと予測
されることから固体レーザ材料はすべて単結晶であるべ
きと考えられており、現状もその通りとなっている。多
結晶体は粒子内部の結晶欠陥（格子欠陥）のレベルは元
来単結晶より低くなるはずであるが（溶融しないた
め）、焼結過程で完璧に近い物質移動が起きにくいため
粒子内部に組織的または結晶構造的欠陥を残すこととな
る。しかしこのような不都合を回避すれば、多結晶セラ
ミックスの粒子内部の光学的特性は単結晶を上回り、レ
ーザの増幅能力は高くなる。粒界部の光損失については
否定できないが、粒界部の損失を極力低減させることに
よって実用に十分耐えうるものとなる。また、レーザ材
料としての特性はこの透過率だけが全てでなく、発光元
素の均一性、ホスト材料中の発光元素濃度、材料の歪み
など様々な因子があり、透明度を除くその他の要因につ
いては多結晶体の方が単結晶体よりも優れている可能性
が高いことから、特性全体から考えれば同等または単結
晶を凌駕するものが存在する。例えば材料の歪みに関し
て、単結晶では偏光板を通して観察したときにかなりの
残留歪みが確認できるが、多結晶体ではこのような歪み
を殆ど検出できないなど優れた特徴を有する。
【００１７】また、Ｎｄを含有した単結晶ＹＡＧは、Ｎ
ｄの濃度分布が不均一であるばかりでなく、その濃度は
１原子％程度までしか含有できないが、焼結による多結
晶ＹＡＧの場合であればそのＮｄ濃度は１０〜１２原子
％まで含有でき、しかもその分布は極めて均一にでき
る。このことから、小型・ハイパワー等の特徴を有する
新型固体レーザへの応用も可能と考えられる。
ｄの濃度分布が不均一であるばかりでなく、その濃度は
１原子％程度までしか含有できないが、焼結による多結
晶ＹＡＧの場合であればそのＮｄ濃度は１０〜１２原子
％まで含有でき、しかもその分布は極めて均一にでき
る。このことから、小型・ハイパワー等の特徴を有する
新型固体レーザへの応用も可能と考えられる。
【００１８】
【実施例】実施例としてホスト材がＹＡＧであるレーザ
用多結晶透明セラミックスについて述べる。
用多結晶透明セラミックスについて述べる。
【００１９】Ａｌ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 と発光元素及び増感
元素としてのランタニド元素及びＣｒ，Ｔｉを合量１０
０ｇ秤量し、さらにこれにＦイオン一種またはＦイオン
とＳｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を所定量添
加し、ポットミル中へそれぞれの粉末とエチルアルコー
ル３００ｃｃ、さらにアルミナボール５００ｇを入れ、
２４時間混合した。混合した粉末を５００ｍｍＨｇの減
圧下で乾燥し、乾燥した粉末を乳鉢で軽く再混合した。
元素としてのランタニド元素及びＣｒ，Ｔｉを合量１０
０ｇ秤量し、さらにこれにＦイオン一種またはＦイオン
とＳｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を所定量添
加し、ポットミル中へそれぞれの粉末とエチルアルコー
ル３００ｃｃ、さらにアルミナボール５００ｇを入れ、
２４時間混合した。混合した粉末を５００ｍｍＨｇの減
圧下で乾燥し、乾燥した粉末を乳鉢で軽く再混合した。
【００２０】この粉末を直径５０ｍｍ、高さ１５ｍｍの
タブレットに仮成形後、１０００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で
ラバープレスした。
タブレットに仮成形後、１０００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で
ラバープレスした。
【００２１】この成形体を電気炉に入れ、１００°Ｃ／
ｈｒで昇温し、所定温度にて焼成後、１００°Ｃ／ｈｒ
で冷却した。得られた焼結体から直径６ｍｍ、厚さ１０
ｍｍの試料を作成し、両面の面粗さを５ｎｍ、平行度を
１／８λに仕上げた。
ｈｒで昇温し、所定温度にて焼成後、１００°Ｃ／ｈｒ
で冷却した。得られた焼結体から直径６ｍｍ、厚さ１０
ｍｍの試料を作成し、両面の面粗さを５ｎｍ、平行度を
１／８λに仕上げた。
【００２２】
【表１】 表１に示す実施例１〜１２は、焼結温度、焼結時間、焼
成雰囲気等を選ぶことにより、焼結体の平均粒子径及び
気孔率を変化させたもので、これをＬＤやキセノンフラ
ッシュランプで励起した時の発振特性の結果を示す。
成雰囲気等を選ぶことにより、焼結体の平均粒子径及び
気孔率を変化させたもので、これをＬＤやキセノンフラ
ッシュランプで励起した時の発振特性の結果を示す。
【００２３】〔比較例〕表２は、ホスト材がＹＡＧで発
光元素を１原子％含んだ単結晶、及び特許請求の範囲外
の組成の多結晶ＹＡＧを示す。比較例１は、従来のチョ
コラルスキー法で育成された１原子％ＮｄのＹＡＧ単結
晶で、８０８ｎｍＬＤ（５００ｍＷ）で励起した時の出
力は、１５２ｍＷで出力効率は３０．４％であった。
光元素を１原子％含んだ単結晶、及び特許請求の範囲外
の組成の多結晶ＹＡＧを示す。比較例１は、従来のチョ
コラルスキー法で育成された１原子％ＮｄのＹＡＧ単結
晶で、８０８ｎｍＬＤ（５００ｍＷ）で励起した時の出
力は、１５２ｍＷで出力効率は３０．４％であった。
【００２４】
【表２】 〔結果〕表１より明らかなように本実施例のレーザ用多
結晶透明セラミックスは、Ｎｄ及びＦ，Ｓｉ，Ｎａ，Ｍ
ｇ，Ｃａを添加した場合、特にＮｄの濃度上昇に伴って
レーザ出力が高くなっていることがわかる。また実施例
４，５に示すように、従来の単結晶育成技術では添加が
不可能なＮｄ元素の高濃度化が可能となった。これら多
結晶セラミックスは濃度消光によってＮｄ濃度に完全に
比例して出力が向上していないものの、従来の単結晶よ
りも２倍程度の高出力化が可能となった。また、実施例
８〜１２はＮｄ以外のランタニド元素及びＣｒを添加し
た例を示しているが、いずれもかなり高いレべルのレー
ザ発振効率を示しているのがわかる。一方特許請求の範
囲外の平均粒子径又は気孔率を有する比較例２〜４は、
発振効率が極度に低いか、または発振しないものとなっ
ている。また、特許請求の範囲の平均粒径及び気孔率を
有し、Ｆ，Ｓｉ，Ｌｉ等の添加元素を加えていない比較
例５は、比較的高い発振効率を確保することができる
が、同じ平均粒径及び気孔率で添加元素を含む実施例２
と比較すると発振効率が低下しているのがわかる。
結晶透明セラミックスは、Ｎｄ及びＦ，Ｓｉ，Ｎａ，Ｍ
ｇ，Ｃａを添加した場合、特にＮｄの濃度上昇に伴って
レーザ出力が高くなっていることがわかる。また実施例
４，５に示すように、従来の単結晶育成技術では添加が
不可能なＮｄ元素の高濃度化が可能となった。これら多
結晶セラミックスは濃度消光によってＮｄ濃度に完全に
比例して出力が向上していないものの、従来の単結晶よ
りも２倍程度の高出力化が可能となった。また、実施例
８〜１２はＮｄ以外のランタニド元素及びＣｒを添加し
た例を示しているが、いずれもかなり高いレべルのレー
ザ発振効率を示しているのがわかる。一方特許請求の範
囲外の平均粒子径又は気孔率を有する比較例２〜４は、
発振効率が極度に低いか、または発振しないものとなっ
ている。また、特許請求の範囲の平均粒径及び気孔率を
有し、Ｆ，Ｓｉ，Ｌｉ等の添加元素を加えていない比較
例５は、比較的高い発振効率を確保することができる
が、同じ平均粒径及び気孔率で添加元素を含む実施例２
と比較すると発振効率が低下しているのがわかる。
【００２５】なお、ここではホスト材としてＹＡＧを用
いたもののみ示したが、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ等の他のガー
ネット構造のセラミックスでも同等の結果が得られた。
いたもののみ示したが、ＧＧＧ、ＧＳＧＧ等の他のガー
ネット構造のセラミックスでも同等の結果が得られた。
【００２６】
【発明の効果】本発明により結晶構造が立方晶系に属す
る多結晶透明セラミックスを用いてレーザの発振が可能
となった。材料特性上発光元素（特にＮｄ）の高濃度
化ができる発光元素が均一となる材料の大型化が図
れるなどの特徴を有するものとなる。このため、工業的
には通常のレーザとしての用途に適する以外に、レーザ
の小型化や高出力化が可能となることから、最近話題と
なっているマイクロチップレーザとしての用途の拡大、
更には大型・均一化、更には高出力化が図れるメリット
を利用して、レーザ加工やレーザ核融合などの応用が期
待される。
る多結晶透明セラミックスを用いてレーザの発振が可能
となった。材料特性上発光元素（特にＮｄ）の高濃度
化ができる発光元素が均一となる材料の大型化が図
れるなどの特徴を有するものとなる。このため、工業的
には通常のレーザとしての用途に適する以外に、レーザ
の小型化や高出力化が可能となることから、最近話題と
なっているマイクロチップレーザとしての用途の拡大、
更には大型・均一化、更には高出力化が図れるメリット
を利用して、レーザ加工やレーザ核融合などの応用が期
待される。
【００２７】また、経済性を考慮しても、従来の単結晶
育成技術で不可欠な貴金属ルツボ（イリジウム）や高価
な単結晶育成装置が不要となり有利である。その他、焼
結法では素材の焼結に必要な温度はその融点より低く、
また焼結時間も数〜数十時間程度であるので合成に消費
される電力量も格段に少ない。更には一台の焼結炉でた
くさんの焼結体が作製できることやニアネットシェイプ
技術で素材を使用する形状に近いまま効率良く作製でき
るので、コスト、量産、経済性（希土類資源の有効利用
や電力費削減）等の利点がある。
育成技術で不可欠な貴金属ルツボ（イリジウム）や高価
な単結晶育成装置が不要となり有利である。その他、焼
結法では素材の焼結に必要な温度はその融点より低く、
また焼結時間も数〜数十時間程度であるので合成に消費
される電力量も格段に少ない。更には一台の焼結炉でた
くさんの焼結体が作製できることやニアネットシェイプ
技術で素材を使用する形状に近いまま効率良く作製でき
るので、コスト、量産、経済性（希土類資源の有効利用
や電力費削減）等の利点がある。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年６月３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】
【作用】本発明のレーザ用多結晶透明セラミックスは、
ＹＡＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧを構成する適切な粒度の原料
粉末を使用し、これにＦイオン一種またはＦイオンとＳ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド
元素及びＣｒ、Ｔｉ元素の発光元素又は増感元素を一種
又は二種以上含有し、適正な条件下で焼結を行なうこと
で、レーザ発振機能を付加された透明な高密度焼結体を
得ることができる。
ＹＡＧ，ＧＧＧ，ＧＳＧＧを構成する適切な粒度の原料
粉末を使用し、これにＦイオン一種またはＦイオンとＳ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド
元素及びＣｒ、Ｔｉ元素の発光元素又は増感元素を一種
又は二種以上含有し、適正な条件下で焼結を行なうこと
で、レーザ発振機能を付加された透明な高密度焼結体を
得ることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】ＹＡＧの場合、まず純度９９重量％、好ま
しくは９９．９重量％以上のＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 を用
い、さらに発光元素や増感元素となるランタニド元素の
酸化物（Ｌａ2 Ｏ3 ，ＣｅＯ2 、Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2 Ｏ
3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ
2 Ｏ3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2
Ｏ3、Ｔｍ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＴｉ
Ｏ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 などの酸化物をガーネット組成となる
ように秤量する。または、アルコキシド法や共沈法など
によって予め組成的に均一にした湿式合成粉末を用いる
こともできる。これにＦイオン一種またはＦイオンとＳ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を適量添加す
る。ここで、Ｙ2 Ｏ3 及びＡｌ2 Ｏ3 の純度が９９重量
％未満では不純物の作用によって良品のレーザ材料を得
ることが困難となる。また、焼結体の平均粒子径や密度
として特許請求の範囲のものを得るためには、原料粉末
の一次粒径が１μｍ以下のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 を使
用することが好ましい。
しくは９９．９重量％以上のＹ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 を用
い、さらに発光元素や増感元素となるランタニド元素の
酸化物（Ｌａ2 Ｏ3 ，ＣｅＯ2 、Ｐｒ6 Ｏ11，Ｎｄ2 Ｏ
3 ，Ｐｍ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ
2 Ｏ3 ，Ｔｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2
Ｏ3、Ｔｍ2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ）及びＴｉ
Ｏ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 などの酸化物をガーネット組成となる
ように秤量する。または、アルコキシド法や共沈法など
によって予め組成的に均一にした湿式合成粉末を用いる
こともできる。これにＦイオン一種またはＦイオンとＳ
ｉ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上を適量添加す
る。ここで、Ｙ2 Ｏ3 及びＡｌ2 Ｏ3 の純度が９９重量
％未満では不純物の作用によって良品のレーザ材料を得
ることが困難となる。また、焼結体の平均粒子径や密度
として特許請求の範囲のものを得るためには、原料粉末
の一次粒径が１μｍ以下のＡｌ2 Ｏ3 及びＹ2 Ｏ3 を使
用することが好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】この成形体を電気炉に入れ、１００°Ｃ／
ｈｒで昇温し、所定温度にて焼成後、１００°Ｃ／ｈｒ
で冷却した。得られた焼結体から直径６ｍｍ、厚さ１０
ｍｍの試料を作成し、両面の面粗さを５ｎｍ、平坦度を
１／８λに仕上げた。
ｈｒで昇温し、所定温度にて焼成後、１００°Ｃ／ｈｒ
で冷却した。得られた焼結体から直径６ｍｍ、厚さ１０
ｍｍの試料を作成し、両面の面粗さを５ｎｍ、平坦度を
１／８λに仕上げた。
Claims (1)
- 【請求項１】 Ｆイオン一種またはＦイオンとＳｉ，Ｎ
ａ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉの二種以上と、ランタニド元素及
びＣｒ、Ｔｉ元素の一種以上とを含有し、焼結体の平均
粒子径が５〜１０００μｍで気孔率が１％以下のガーネ
ット構造を有するレーザ用多結晶透明セラミックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4108078A JPH05301769A (ja) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | レーザ用多結晶透明セラミックス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4108078A JPH05301769A (ja) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | レーザ用多結晶透明セラミックス |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05301769A true JPH05301769A (ja) | 1993-11-16 |
Family
ID=14475320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4108078A Pending JPH05301769A (ja) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | レーザ用多結晶透明セラミックス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05301769A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0877453A1 (en) * | 1996-09-04 | 1998-11-11 | Fanuc Ltd. | Laser oscillator |
| JP2008124389A (ja) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Megaopto Co Ltd | コヒーレントドップラーライダー |
| JP2008124371A (ja) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Megaopto Co Ltd | レーザー発振方法およびレーザー装置 |
| US7691765B2 (en) | 2005-03-31 | 2010-04-06 | Fujifilm Corporation | Translucent material and manufacturing method of the same |
-
1992
- 1992-04-27 JP JP4108078A patent/JPH05301769A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0877453A1 (en) * | 1996-09-04 | 1998-11-11 | Fanuc Ltd. | Laser oscillator |
| EP0877453A4 (en) * | 1996-09-04 | 1999-01-13 | Fanuc Ltd | LASER OSCILLATOR |
| US7691765B2 (en) | 2005-03-31 | 2010-04-06 | Fujifilm Corporation | Translucent material and manufacturing method of the same |
| JP2008124389A (ja) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Megaopto Co Ltd | コヒーレントドップラーライダー |
| JP2008124371A (ja) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Megaopto Co Ltd | レーザー発振方法およびレーザー装置 |
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