顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光学材料和磁光学器件的制作方法

本发明涉及顺磁性石榴石型透明陶瓷，更具体地，涉及适于构成光隔离器等磁光学器件的包含含有铽的石榴石型透明陶瓷的磁光学材料以及使用该磁光学材料的磁光学器件。

背景技术：

1、近年来，有时可实现光纤激光的高输出化，使用该光纤激光的激光加工器的普及显著。就组装到激光加工器中的激光源而言，如果从外部的光入射，则共振状态变得不稳定，发生振荡状态紊乱的现象。特别是如果振荡的光被途中的光学系反射而返回光源，则振荡状态被大幅地扰乱。为了防止该现象，通常将光隔离器设置在激光源与光纤之间等光源的光射出侧。

2、光隔离器包含法拉第转子、配置在法拉第转子的光入射侧的起偏器、和配置在法拉第转子的光射出侧的检偏器。另外，就法拉第转子而言，在光的行进方向上平行地施加磁场而利用。此时，光的偏振波分量无论在法拉第转子中前进或后退，只在一定方向上旋转。进而，将法拉第转子调整为光的偏振波分量正好旋转45度的长度。在此，如果使起偏器和检偏器的偏振面在前进的光的旋转方向上偏离45度，则前进的光的偏振波在起偏器位置和检偏器位置一致，因此透射。另一方面，后退的光的偏振波与从检偏器位置偏离45度的起偏器的偏振面的偏离角方向反旋转，旋转45度。于是，起偏器位置的返回光的偏振面相对于起偏器的偏振面，偏离45度-(-45度)＝90度，不能透过起偏器。这样作为使前进的光透射、射出而将后退的返回光阻断的光隔离器发挥功能。

3、在用作构成上述光隔离器的法拉第转子的材料中，目前已知tgg晶体(tb3ga5o12)和tsag晶体((tb(3-x)scx)sc2al3o12)(日本特开2011-213552号公报(专利文献1)、日本特开2002-293693号公报(专利文献2))。tgg晶体作为现在标准的光纤激光装置用晶体，广泛地搭载。另一方面，tsag晶体的费尔德常数据说为tgg晶体的1.3倍左右，它们是能够搭载于光纤激光装置的材料，但sc为价格极高的原料，因此从制造成本的方面出发，尚未采用。

4、之后，如日本专利第5611329号公报(专利文献3)、日本专利第5935764号公报(专利文献4)那样，继续开发tsag晶体，均未能实现sc使用量的减少，尚未普及。

5、除了上述以外，作为与tsag相比费尔德常数更大的法拉第转子，目前为止也已知tag晶体(tb3al5o12)。不过，tag晶体由于为分解熔融型晶体，因此具有在固液界面，首先，最先生成钙钛矿相，然后生成tag相的限制。即，只能在tag晶体的石榴石相与钙钛矿相总混杂的状态下培育晶体，未实现培育优质、大尺寸的tag晶体。

6、在日本专利第3642063号公报(专利文献5)、日本专利第4107292号公报(专利文献6)中，作为抑制该混晶的手段，提出了如下方式：通过使fz培育用的多晶原料棒或者种晶为多孔质，从而使作为初相的钙钛矿相在多孔质介质中优先地析出。不过，实际上随着熔融位置移动，钙钛矿相容易析出的位置也移动，因此虽然只使种晶和多晶原料棒的界面多孔质化，但本质上不可能完全地抑制钙钛矿相的析出。

7、在具有这样的限制的情况下，在日本特开2008-7385号公报(专利文献7)中提出了用陶瓷制造tag组成的氧化物、并且具有透光性的材料。陶瓷能够在比熔点低100℃以上的温度下烧结制造，因此能够解决单晶培育中成为问题的分解熔融的问题。实际上tag的分解在1840℃以上开始，因此只要能够在该温度以下烧结致密以刚好达到理论密度，就能够得到tag单相的透明烧结体。

8、在专利文献7中，公开了具有石榴石结构、包含铽-铝氧化物的陶瓷的制造方法，该方法包括制备原料的工序、预烧的工序、将预烧粉粉碎的工序、成型的工序、和烧成的工序，如果在将预烧粉粉碎的工序中粉碎后的预烧粉的平均粒径为0.2～1.6μm，在成型的工序中成型后的密度为3.26g/cm3以上，则能够制造透光率大的tag陶瓷。

9、但是，在专利文献7中，其透光性极不充分，就连厚度1.5mm下的直线透射率也顶多最大不过35％。顺便提及，在将tag作为光隔离器等的法拉第元件利用的情况下，例如，如果用于1.06μm波段激光，则为了使该光旋转45度所需的元件长需要为约15mm，其相当于该文献的大致10倍的长度。对于厚度1.5mm下只透射35％的光的材料而言，如果将该元件长延长10倍，则透射率不到0.01％，即大致为零，完全不再发挥功能。

10、即，即使是能够抑制异相发生的陶瓷制造法，实用水平的tag目前也尚不存在。

11、应予说明，在专利文献6中示出了如果将tag晶体中的tb的一部分用ce置换，则与tag相比，费尔德常数变大。如果费尔德常数变大，则能够缩短使入射光旋转45度所需的元件长，因此总的吸收量变少，但如果厚1.5mm下的直线透射率为35％，即使元件长成为一半，45度旋转厚度透射率也不到1％，离实用化还很远。

12、在上述这样的状况中，最近，公开了组成为(tbxy1-x)3al5o12(x＝0.5～1.0)的致密的陶瓷烧结体与现有的tgg晶体相比，消光比高(现有的35db改善到39.5db以上)，也能够减小插入损失(现有的0.05db改善到0.01～0.05db)(yan lin aung，akio ikesue，development of optical grade(tbxy1-x)3al5o12 ceramics as faraday rotatormaterial，j.am.ceram.soc.,(2017)，100(9),4081-4087(非专利文献1))。该非专利文献1中公开的材料首先为陶瓷，因此也不存在tgg晶体中成为问题的钙钛矿异相的析出，进而通过将tb离子的一部分用y离子置换，从而能够实现进一步的低损失化，是能够得到极高品质的石榴石型法拉第转子的材料。

13、另外，最近，在国际公开第2018/193848号(专利文献8)中公开了顺磁性石榴石型透明陶瓷，其特征在于，为由下述式(1)表示的复合氧化物的烧结体，光程长15mm下的波长1064nm下的直线透射率为83％以上。

14、(tb1-x-yscxcey)3(al1-zscz)5o12(1)

15、(式中，0＜x＜0.08、0≤y≤0.01、0.004＜z＜0.16。)

16、在专利文献8中，由于进行改善使得具有不逊色于tag的费尔德常数并且光程长为15mm下直线透射率也确保为83％以上，因此可以说基本达到了实用水平。

17、现有技术文献

18、专利文献

19、专利文献1：日本特开2011-213552号公报

20、专利文献2：日本特开2002-293693号公报

21、专利文献3：日本专利第5611329号公报

22、专利文献4：日本专利第5935764号公报

23、专利文献5：日本专利第3642063号公报

24、专利文献6：日本专利第4107292号公报

25、专利文献7：日本特开2008-7385号公报

26、专利文献8：国际公开第2018/193848号

27、非专利文献1：yan lin aung，akio ikesue，development of optical grade(tbxy1-x)3al5o12 ceramics as faraday rotator material，j.am.ceram.soc.,(2017)，100(9),4081-4087

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、但是，对于非专利文献1的材料，本发明人实际上尝试再次实验，然后非常缺乏再现性，确认了几乎得不到与tgg晶体相比插入损失小的高品质的陶瓷烧结体。

3、另外，对于再现了专利文献8的实施例的材料的样品，本发明人将实际上波长1064nm的激光调整为射束直径1.6mm后尝试以入射功率100w的输出入射，结果查明了热透镜的发生导致的入射激光射束直径的变化量超过15％。使波长1064nm、入射功率100w的激光入射时的射束直径的变化量优选为10％以下，因此难以说专利文献8的材料真具有高功率应用性。

4、本发明鉴于上述实际情况而完成，目的在于提供包含含有铽和钇的顺磁性石榴石型氧化物的烧结体的、真正透明、光学均质性高的顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光学材料和使用该磁光学材料的磁光学器件。

5、用于解决课题的手段

6、本发明为了实现上述目的，提供下述的顺磁性石榴石型透明陶瓷、磁光学材料和磁光学器件。

7、1.

8、顺磁性石榴石型透明陶瓷，其为由下述式(1)表示的复合氧化物的烧结体，其特征在于，作为烧结助剂，含有大于0质量％且0.1质量％以下的sio2，平均烧结粒径为5μm以上，光程长25mm、波长1064nm下的全光线透射率为84.0％以上，并且前向散射为0.5％以下，而且光程长25mm、波长1300nm下的全光线透射率为84.0％以上，并且前向散射为0.5％以下，

9、(tb1-x-yyxscy)3(al1-zscz)5o12(1)

10、式中，0.05≤x≤0.4、0≤y＜0.004、0.6≤1-x-y＜0.95、0≤z＜0.004、0.001＜y+z＜0.005。

11、2.

12、根据1所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中，波长1064nm的费尔德常数为32rad/(t·m)以上。

13、3.

14、根据1或2所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中，光程长25mm的使波长1064nm的激光入射时的光学有效直径内整面的消光比为42db以上。

15、4.

16、根据1～3中任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其中，光程长25mm的使波长1064nm的激光以射束直径1.6mm、入射功率100w入射时的该射束直径的变化量为10％以下。

17、5.

18、根据1～4中任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷，其热导率为4.8w/(m·k)以上。

19、6.

20、磁光学材料，其包含根据1～5中任一项所述的顺磁性石榴石型透明陶瓷。

21、7.

22、磁光学器件，其使用根据6所述的磁光学材料构成。

23、8.

24、根据7所述的磁光学器件，其包括所述顺磁性石榴石型透明陶瓷作为法拉第转子，该磁光学器件是在该法拉第转子的光学轴上的前后具备偏振材料的能够在波段0.9μm以上且1.1μm以下利用的光隔离器。

25、发明的效果

26、根据本发明，能够提供真正透明的、光学均质性高的顺磁性石榴石型透明陶瓷，该陶瓷为含有铽和钇的顺磁性石榴石型氧化物。进而，由于热导率高，光学均质性也良好，因此可应用于输出100w以上的高输出激光装置，由于陶瓷烧结体，因此是放大容易的、真正实用的装置。