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公開番号2025003006
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-09
出願番号2023103433
出願日2023-06-23
発明の名称常磁性ガーネット型透明セラミックス及び磁気光学デバイス
出願人信越化学工業株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C04B 35/44 20060101AFI20241226BHJP(セメント;コンクリート;人造石;セラミックス;耐火物)
要約【課題】 Scを意図的に含まない、TYSAGに代わる新しい常磁性ガーネット型透明セラミックス及びそれを用いた磁気光学デバイスを提供する。
【解決手段】常磁性ガーネット型透明セラミックスは、下記式(1)で表される複合酸化物を99質量パーセント以上含有する焼結体を含み、
Tb_8-x-y-zY_xLu_yAl_zO₁₂ (1)
(式中、0.10≦x<1.35、0.05≦y<0.30、4.80≦z<5.00、5.00≦y+zである。)
光路長20mmでの波長1,064nmにおける反射を除いた光の挿入損失が0.05dB以下である。磁気光学素子は、上記常磁性ガーネット型透明セラミックスをファラデー回転子110として備え、ファラデー回転子の光軸104上の前後に偏光子120と検光子130を備えた波長帯0.9μm以上、1.1μm以下で利用可能な光アイソレータである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
下記式（１）で表される複合酸化物を９９質量パーセント以上含有する焼結体を含む常磁性ガーネット型透明セラミックスであって、
Ｔｂ
８－ｘ－ｙ－ｚ
Ｙ
ｘ
Ｌｕ
ｙ
Ａｌ
ｚ
Ｏ
１２
（１）
（式中、０．１０≦ｘ＜１．３５、０．０５≦ｙ＜０．３０、４．８０≦ｚ＜５．００、５．００≦ｙ＋ｚである。）
光路長２０ｍｍでの波長１，０６４ｎｍにおける反射を除いた光の挿入損失が０．０５ｄＢ以下である常磁性ガーネット型透明セラミックス。
続きを表示（約 470 文字）【請求項２】
焼結助剤としてＳｉＯ
２
を０．００質量％超、０．１０質量％以下含有する請求項１に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックス。
【請求項３】
波長１，０６４ｎｍでのベルデ定数が３０ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）以上である請求項１又は２に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックス。
【請求項４】
光路長２０ｍｍにおける波長１，０７０ｎｍのレーザー光を、ビーム径１．６ｍｍ、入射パワー１００Ｗで入射した場合の熱レンズによるビーム径変化率の絶対値が１５％以下である請求項１又は２に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックス。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の常磁性ガーネット型透明セラミックスを用いて構成される磁気光学デバイス。
【請求項６】
上記常磁性ガーネット型透明セラミックスをファラデー回転子として備え、該ファラデー回転子の光学軸上の前後に偏光材料を備えた波長帯０．９μｍ以上、１．１μｍ以下で利用可能な光アイソレータである請求項５記載の磁気光学デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視及び／又は近赤外域において透光性を有する常磁性ガーネット型透明セラミックス及び磁気光学デバイスに関し、より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適なテルビウムを含む常磁性ガーネット型透明セラミックス及びそれを用いた磁気光学デバイスに関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
産業用レーザー加工機には反射光などの光の逆戻りを防ぐ目的で光アイソレータが設けられており、その内部はテルビウム添加ガラスやテルビウムガリウムガーネット（ＴＧＧ）がファラデー回転子として搭載されている（例えば、特開２０１１－２１３５５２号公報（特許文献１））。ファラデー効果の大きさはベルデ定数で定量化され、ＴＧＧ結晶のベルデ定数は４０ｒａｄ／（Ｔ・ｍ）（０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））、テルビウム添加ガラスでは０．０９８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であり、ＴＧＧ結晶のベルデ定数は比較的大きいことから、標準的なファラデー回転子として広く使用されている。その他にアルミニウムを含むガーネットとして、テルビウムスカンジウムアルミニウムガーネット結晶（ＴＳＡＧ結晶）、テルビウムスカンジウムルテチウムアルミニウムガーネット結晶（ＴＳＬＡＧ結晶）（例えば、特開２０１７－１３７２２３号公報（特許文献２））、テルビウムアルミニウムガーネット結晶（ＴＡＧ結晶）があり、特にＴＡＧ結晶のベルデ定数はＴＧＧ結晶の１．３倍程度であることから、ファラデー回転子の長さを短くできるため、ファイバーレーザーに使用可能かつ良好な結晶である（例えば、特開２００２－２９３６９３号公報（特許文献３）、国際公開第２００４／０２９３３９号（特許文献４））。
【０００３】
近年、ＴＡＧを透明セラミックスで作製する方法が開示されている（例えば、国際公開第２０１７／０３３６１８号（特許文献５）、国際公開第２０１８／１９３８４８号（特許文献６）、国際公開第２０２２／０５４５９６号（特許文献７）、“High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics”（非特許文献１））。またテルビウムの一部をイットリウムで置換したＹＴＡＧ（Ｔｂ
ｘ
Ｙ
１－ｘ
）
３
Ａｌ
５
Ｏ
１２
（０．２≦ｘ≦０．８、または０．５≦ｘ≦１．０またはｘ＝０．６）の透明セラミックスの作製方法も報告されている（例えば、“Fabrication and properties of (Tb
x
Y
1-x
)
3
Al
5
O
12
transparent ceramics by hot isostatic pressing”（非特許文献２）、“Development of optical grade (Tb
x
Y
1-x
)
3
Al
5
O
12
ceramics as Faraday rotator material”（非特許文献３）、“Effect of (Tb+Y)/Al ratio on Microstructure Evolution and Densification Process of (Tb
0.6
Y
0.4
)
3
Al
5
O
12
Transparent Ceramics”（非特許文献４））。Ｔｂを含有する希土類アルミニウムガーネットはＴＧＧと比較して高い熱伝導率を示すため、熱レンズ効果が小さいファラデー素子になると期待されている。更に３価イオン置換したＴＡＧ透明セラミックスを搭載した光アイソレータついて開示されており、ＴＧＧを搭載した光アイソレータと比較して熱レンズ効果が小さい光アイソレータである事が示されている。（例えば、特開２０２０－０６７５２３号公報（特許文献８））
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１１－２１３５５２号公報
特開２０１７－１３７２２３号公報
特開２００２－２９３６９３号公報
国際公開第２００４／０２９３３９号
国際公開第２０１７／０３３６１８号
国際公開第２０１８／１９３８４８号
国際公開第２０２２／０５４５９６号
特開２０２０－０６７５２３号公報
【非特許文献】
【０００５】
“High Verdet constant of Ti-doped terbium aluminum garnet (TAG) ceramics”, Optical Materials Express, Vol.6, No.1, 191-196 (2016)
“Fabrication and properties of (TbxY1-x)3Al5O12 transparent ceramics by hot isostatic pressing”, Optical Materials, 72, 58-62 (2017)
“Development of optical grade (TbxY1-x)3Al5O12 ceramics as Faraday rotator material”, Journal of American Ceramics Society, 100, 4081-4087 (2017)
“Effect of (Tb+Y)/Al ratio on Microstructure Evolution and Densification Process of (Tb0.6Y0.4)3Al5O12Transparent Ceramics”, Materials, 12, 300 (2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
テルビウムイットリウムスカンジウムアルミニウムガーネット（ＴＹＳＡＧ）系のファラデー回転子用透明セラミックスが発明され、それを搭載した光アイソレータが上市されている（特許文献７、特許文献８）。この特許文献７で開示された材料はＳｃを微量添加することでガーネット相以外の異相の発生を抑制することから製造を安定化させるための必須元素となっている。この効果は、Ｓｃがガーネット結晶構造の８配位サイトおよび６配位サイトにそれぞれ入ることができるため、原料秤量時のガーネット組成比率からのずれを緩衝するはたらきがあると考えられている。そのためＳｃは希土類アルミニウムガーネットにおいて母材の材料特性に影響を与えない、いわゆる助剤としてみなされていたが、（直接的か不純物による間接的か）近赤外域で微量の吸収をもつ可能性が示唆されている。また一般にＳｃは価格も高く、高純度な原料を入手するのが困難なため、その使用量を減らすことが課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みたもので、Ｓｃを意図的に含まない、ＴＹＳＡＧに代わる新しい常磁性ガーネット型透明セラミックス及びそれを用いた磁気光学デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らが上記課題に対し検討を行った結果、Ｔｂ（ＩＩＩ）イオンやＹ（ＩＩＩ）イオンのイオン径より小さく、かつＡｌ（ＩＩＩ）イオンよりイオン径が大きい中間的なイオン径をもち、希土類アルミニウムガーネットの構成元素となりうる３価の陽イオンかつ近赤外域において吸収を与えない元素としてＬｕ（ＩＩＩ）イオンを添加することにより、ＴＹＳＡＧと同等のベルデ定数、かつ同等の挿入損失かつ、同等の熱レンズ効果を示す透明セラミックスが作製できることを見出し、この知見に基づき鋭意検討を行い、本発明をなすに至った。
【０００９】
本発明は、その一態様として、常磁性ガーネット型透明セラミックスであって、下記式（１）で表される複合酸化物を９９質量パーセント以上含有する焼結体を含み、
Ｔｂ
８－ｘ－ｙ－ｚ
Ｙ
ｘ
Ｌｕ
ｙ
Ａｌ
ｚ
Ｏ
１２
（１）
（式中、０．１０≦ｘ＜１．３５、０．０５≦ｙ＜０．３０、４．８０≦ｚ＜５．００、５．００≦ｙ＋ｚである。）
光路長２０ｍｍでの波長１，０６４ｎｍにおける反射を除いた光の挿入損失が０．０５ｄＢ以下である。
【００１０】
本発明に係る常磁性ガーネット型透明セラミックスは、焼結助剤としてＳｉＯ
２
を０．００質量％超、０．１０質量％以下含有してよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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