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制造石榴石型晶体的方法

2021-03-24 05:55:15

制造石榴石型晶体的方法

　　相关申请的交叉引用

　　该非临时申请根据35 U.S.C.§119(a)要求于2018年4月9日提交的、申请号为No.2018-074724的日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

　　技术领域

　　本发明涉及一种法拉第转子，一种使用该法拉第转子的光隔离器，一种用于该法拉第转子等的石榴石型晶体的制造方法。

　　背景技术

　　在使用激光的光处理技术或光测量技术中，当激光从设置在传播路径中的构件的表面反射并且反射的光返回到激光光源时，激光振荡是不稳定的。为了阻挡这种反射并返回的光，使用了光隔离器，该光隔离器使用法拉第转子，该法拉第转子使偏振平面非往复地旋转。

　　近年来，使用Yb掺杂的光纤激光器的光处理机器增加了。在Yb掺杂的光纤激光器中，激光的输出由光纤放大器放大。因此，诸如光隔离器的部件及其材料需要具有对1W或更高的高功率的放大的光的耐受性。

　　作为法拉第转子的材料，对高功率光具有良好的耐受性，Tb3Ga5O12(铽 -镓-石榴石：TGG)单晶已经得到开发并投入实际使用(例如，参见W.Zhang 等，晶体生长杂志(Journal of Crystal Growth)，306，2007，195-199)。

　　此外，还研究了具有比TGG更大的维尔德(Verdet)常数的Tb3Sc2Al5O12 (铽-钪-铝-石榴石：TSAG)单晶(参见，例如，WO 2011/132668A)，但是作为原材料的Sc2O3价格昂贵，因此存在成本高的问题。

　　发明内容

　　本发明要解决的问题

　　Tb3Al5O12(铽-铝-石榴石：TAG)单晶具有比TGG更大的维尔德常数，并且不使用昂贵的原材料，如Sc2O3，但是由于是不一致的熔融类化合物，因此不能通过单晶生长方法如Czochralski方法进行制造，没有报道表明晶体已成功生长到实用水平。

　　此外，作为法拉第转子，与TGG和TSAG相比，TAG还具有更高导热率和更小热透镜效应的优点。

　　然而，法拉第转子需要在例如维尔德常数和透光率等方面具有优异特性，特别是，适合于高功率光的法拉第转子需要具有高透光率。这是因为当透光率低时，法拉第转子中吸收的光能被转换成热能以产生热量，因此，法拉第旋转角改变并且这导致隔离的恶化以及其他问题，例如在高功率光的情况下，当散射光照射到诸如法拉第转子的保持材料和磁体之类的周边部件，周边部件发热时，会引起诸如隔离劣化的问题。

　　因此，本发明的一个目的是提供一种制造TAG单晶的实用方法，提供一种具有高透光率和高维尔德常数的法拉第转子，以及使用该法拉第转子的光隔离器。

　　解决问题的手段

　　为了解决上述问题，本发明的制造石榴石型晶体的方法将原材料溶液与由Y3Al5O12晶体或Dy3Al5O12晶体形成的基板接触以进行液相外延生长。该石榴石型晶体由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示(R是选自Y或镧系元素(La，Ce， Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu)中的一种或多种元素，0≤x，并且0≤y)。

　　在本发明中，优选地，Tb4O7和Al2O3分别以1.0至5.0mol％和30.0至 40.0mol％的比例溶解在原材料溶液中。

　　在本发明中，优选地，Al元素在原材料溶液中的含量为Tb元素含量的 3.0-20.0倍。

　　发明效果

　　根据本发明，可以容易地制造由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体(R是Y或镧系元素(La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho， Er，Tm，Yb或Lu)中的一种或多种元素，0≤x，并且0≤y)。

　　另外，根据本发明，可以获得具有高透光率和高维尔德常数的法拉第转子，并且可以制造适于高功率光的光隔离器。

　　附图说明

　　图1是一种普通光隔离器的结构示意图。

　　具体实施方式

　　本发明的法拉第转子包含由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体(R 表示Y，Er，Yb或Lu中的一种或多种元素，0<x，并且0≤y)。

　　另外，本发明的法拉第转子包含由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体(R是选自Y或镧系元素(La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu)中的一种或多种元素，0≤x，并且0<y)。

　　通过用选自Er，Yb，Lu或Y中的一种或多种元素取代Tb3Al5O12中的部分Tb，可以改善透光率。

　　另外，通过用Bi取代Tb3Al5O12中的部分Tb，可以提高维尔德常数。

　　此时，x优选为2.0或以下，更优选为1.5或以下，进一步优选为1.0或以下。当x增加时，透光率增加而维尔德常数减小。当x设定为1.5或更大时，维尔德常数减小到x＝0的情况下的维尔德常数的约1/2。另外，与x设定为1.0或更大时的维尔德常数的减小相比，透光率略微提高。

　　此外，优选地，用Er，Yb，Lu，或Y中的一种或多种元素取代Tb3A15O12中的部分Tb，用Bi取代Tb3A15O12中的部分Tb(0<x且0<y)。以这种方式，可以在不大幅度降低维尔德常数的情况下提高透光率。

　　此时，y优选为1.0或以下，更优选为0.5或以下，进一步优选为0.3以下。当y为0.3或以上时，某些情况下，取决于R的种类和取代量，透光率可以低于在x＝0时的透光率。当y为0.3以下时，无论R的种类和取代量如何，透光率可以增加到高于在x＝0的情况下的透光率。

　　优选的，由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体的透光率(R表示选自Y，Er，Yb或Lu中的一种或多种元素，并且0<x，0<y)被设定为高于由Tb3Al5O12表示的石榴石型晶体的透光率，由Tb3Al5O12表示的石榴石型晶体是通过与由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体同样的方法制造的。

　　另外，期望的是石榴石型晶体的维尔德常数尽可能大，并且优选为由 Tb3Al5O12表示的并且通过与由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体相同的方法制造的石榴石型晶体的维尔德常数的至少60％或更大，更优选为70 ％或更大，进一步优选为80％或更大。

　　这里，透光率是当石榴石型晶体用作法拉第转子时的透光率。如上所述，假设TAG应用于掺杂稀土元素的光纤激光器，并且透光率优选地是指对于掺杂稀土元素的光纤激光器的波长区域(450nm至2150nm)中的光的透过率，并且更优选地是指对于掺杂Yb的光纤激光器的波长区域(1030nm至1100nm) 中的光的透过率。

　　同样地，维尔德常数是指当石榴石型晶体用作法拉第转子时光的维尔德常数，并且维尔德常数优选地是掺杂稀土元素的光纤激光器的波长区域(450nm至2150nm)中的光的维尔德常数。更优选的是掺Yb的光纤激光器的波长区域(1030nm至1100nm)中的光的维尔德常数。

　　通过将石榴石型晶体加工成所需形状，可以获得本发明的法拉第转子。该形状没有特别限制，可以是圆柱形，棱柱形，长方体形，平板形等。

　　通过使用该法拉第转子，可以构造适于大功率光的光隔离器。

　　光隔离器可以具有例如图1所示的结构。

　　如图1所示，偏振器104和分析器105设置在壳体101内的法拉第转子 102的两端。此时，将偏振器104的偏振振荡平面和分析器105的偏振振荡平面之间的相对角度设置为45°。另外，在法拉第转子102的周围配置有用于向法拉第转子102施加磁场的磁体103。

　　正向入射的光被偏振器104偏振，入射在法拉第转子102上。随后，光的偏振平面被法拉第转子102旋转45°，并且光入射到分析器105上。因为偏振器104的偏振振荡平面和分析器105的偏振振荡平面具有45°的相对角，所以光正常发出。

　　另一方面，从相反方向入射的光中，能够通过分析器105的偏振光入射在法拉第转子102上。在法拉第转子102中，光的偏振平面相对于传播方向在相反于正向的方向上旋转45°。这里，到达偏振器104的光的偏振平面与偏振器104的偏振振荡平面成90°角，因此从相反方向入射的光不能通过光隔离器。

　　顺便提及，除了要使用的法拉第转子之外，本发明的光隔离器没有特别限制，并且只要表现出作为光隔离器的功能，其结构、部件和材料可以任意选择。

　　由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体(R是选自Y或镧系元素 (La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu) 中的一种或多种元素，0≤x，并且0≤y)可以通过使原材料溶液与由Y3Al5O12 (YAG)晶体或Dy3Al5O12(DAG)晶体形成的基板接触来制造，并进行液相外延生长。

　　液相外延生长(LPE)是通过使原材料溶液与基板接触并逐渐降低溶液温度以设定过饱和状态而在基板上沉积和生长晶体的方法，并且其是生长具有大面积和高质量的单晶膜的有利方法。对于液相外延生长，存在梯度法、浸渍法、滑舟法，具体方法没有特别限制，但是浸渍法是优选的，因为容易生长厚度为几百μm或更大的厚膜。

　　本发明适于生长膜厚度为几百μm或更大的晶体，优选为300μm或更大，更优选为500μm或更大，并且还更优选为800μm或更大。

　　下面描述该制造方法的具体实施例，但是本发明不限于此。

　　首先，将原材料以所需比例放入坩埚中并加热使其熔化。此时，Tb4O7， R2O3(R是选自Y或镧系元素(La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb， Dy，Ho，Er，Tm，Yb或Lu)中的一种或多种元素，Al2O3，Bi2O3等可作为原材料。

　　另外，BaCo3，B2O3，Bi2O3等可用作助熔剂。在Bi2O3用作助熔剂的情况下，Bi最终结合到生长的晶体中。当使用Bi2O3时，可以通过将Bi2O3与其他助熔剂同时使用来调节生长的晶体中的Bi含量。另外，由于助熔剂的粘度增加并且几乎不产生杂晶，因此优选使用B2O3。

　　原材料溶液优选为其中Tb4O7和Al2O3分别以1.0至5.0mol％和30.0至 40.0mol％的比例溶解的原材料溶液，并且优选Al元素存在于原材料溶液的量为Tb元素量的3.0至20.0倍。以这种方式，可以通过LPE法生长由(Tb3-x-yRxBiy)Al5O12表示的石榴石型晶体。

　　优选地，通过在原材料溶液中含有Tb4O7和Al2O3，所占比例分别为从1.5 到4.6mol％，从34.0至38.0mol％，Al元素在原材料溶液中的含量为Tb元素量的3.6-12.7倍。

　　优选地，原材料溶液中的R2O3的含量为3.0mol％或更低，原材料溶液中的Bi2O3的含量为70.0mol％或更低，R元素在原材料溶液的含量为Tb元素的1.5倍或更少，Bi元素在原材料溶液的含量为Tb元素的35.0倍或更少。

　　优选地，通过原材料溶液含有R2O3和Bi2O3，并且R2O3的含量为0.05至 2.5mol％，Bi2O3的含量为20.0至60.0mol％，R元素在原材料溶液中的含量为Tb元素量的0.005～0.84倍，Bi元素在原材料溶液中的含量为Tb元素量的 2.1～20.0倍。

　　使该原材料溶液与由YAG晶体或DAG晶体形成的基板接触，在降低溶液温度时外延生长晶体。在DAG晶体(晶格常数：)和YAG晶体 (晶格常数：)的晶格常数之间，DAG晶体的晶格常数更接近于TAG 晶体的晶格常数(晶格常数：)，并且特别是当试图生长相对厚的晶体时，可以生长具有高质量和高透光率的晶体。另外，当使用DAG晶体作为基板时，生长的晶体中的Tb含量趋于增加。

　　外延生长在基板上的晶体可以通过去除基板并进行所需的处理而用作法拉第转子等。

　　[实例]

　　<实例1>

　　将原材料和助熔剂以Tb4O7：3.9mol％，Lu2O3：0.1mol％，Al2O3：37.0mol ％，BaCo3：38.0mol％和B2O3：21.0mol％的比例放入铂坩埚中，在1300℃下熔化，并搅拌。此后，将温度降至1040℃，将由Y3Al5O12(YAG)晶体形成并且直径为3英寸、厚度为1.0mm的基板浸入原材料溶液的液体表面中。在将温度从1040℃降低到1020℃时，外延生长晶体。

　　在YAG基板上获得厚度为1.2mm的晶体。通过ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱法)对该晶体进行组成分析，结果，生长的晶体的组成为Tb2.8Lu0.2Al5O12。

　　在将YAG基板从晶体上研磨并除去后，抛光该晶体的两个表面，得到厚度为1.1mm的Tb2.8Lu0.2Al5O12晶体。将该晶体切割成20mm×20mm×1.1mm的板，并通过无机粘合将两块晶体板的抛光表面粘合在一起。无机粘合可以通过用氩原子束活化经过光学抛光的晶体表面(平坦度λ/8或更大，λ＝633nm) 并在室温下在真空室中对晶体加压来进行。

　　进一步处理如此获得的20mm×20mm×2.2mm的晶体，得到 2.2mm×2.2mm×20mm的晶体，然后制成直径为2.0mm，长度(L)为 18mm的法拉第转子。