(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、該種結晶を引き上げることによって単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、
該種結晶を引き上げる方向に、該種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲１９にある一の方向、または該一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とするガーネット型構造単結晶の製造方法。
【請求項２】
ガーネット型構造を有する結晶からなる母材の先端部を溶融し、溶融された該先端部に種結晶を接触させ、該種結晶を引き上げることによってファイバ状の単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、該種結晶を引き上げる方向に、該種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲１９にある一の方向、または該一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とするガーネット型構造単結晶の製造方法。
【請求項３】
るつぼに収納されたガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、回転しながら該種結晶を引き上げることによって棒状の単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、
該種結晶を引き上げる方向に、該種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲１９にある一の方向、または該一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とするガーネット型構造単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記ガーネット型構造を有する結晶が、イットリウム・アルミニウム・ガーネットであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガーネット型構造単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記ガーネット型構造を有する結晶が、イットリウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｓｃｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）、イットリウム・ガリウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｇａｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｌｕ３  Ａｌ５  Ｏ１２）、イットリウム・鉄・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｆｅ５  Ｏ１２）のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガーネット型構造単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置やアイソレーター等の光学装置に用いられるガーネット型構造単結晶の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ装置やアイソレーター等の光学装置に用いられるガーネット型構造単結晶ファイバにおいては、光学的均一性がその性能に大きな影響を及ぼす。作製される結晶において、（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面におけるファッセット成長により屈折率変動部、いわゆるコアができると、光学的均一性が下がり、その結果素子性能の低下を招く。この問題についての例として、固体レーザに用いるガーネット型構造単結晶ファイバの育成について述べる。
【０００３】
一般に固体レーザにおいて、レーザ活性種は励起エネルギーの一部を熱の形で放出するため、励起中は励起前に比べてレーザロッドの温度が上昇する。レーザ活性種の発光効率は温度上昇に伴い減少するので、効率的なレーザ発振の条件として、レーザロッドからの充分な熱の放散が重要である。標準的な直径５ｍｍ程度のロッドに比べ、直径５００μｍ程度以下のファイバ形状のロッドは、励起されたレーザ活性種のある中心部からロッド外縁の冷却部までの距離が短く、効率的に熱の放散が行われる。そのためレーザ用に単結晶ファイバが必要とされる。
【０００４】
従来のレーザ用ガーネット型構造単結晶ファイバの製造方法においては、図４に示したように、育成方向に対し＜１００＞方位や、＜１１１＞方位を向いた種結晶１４を用いて、レーザ加熱溶融法などにより作製される結晶１３を引き上げていた。この場合作製される結晶１３の固液界面の一部分２３に、（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面におけるファッセット成長があらわれ、そのために屈折率変動部、いわゆるコアができた。これは従来チョクラルスキー法によって作製された結晶に見られたものと同じ現象である。屈折率変動の原因は格子歪みによるとされている。（Ｂ．Ｃｏｃｋａｙｎｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ８（１９７３）ｐ．３８２  参照）
図５に作製される結晶１３の、クロスニコル配置偏光顕微鏡断面写真を示す。屈折率変動に伴う複屈折により偏光回転が起こり、コアが観察された。作製される結晶１３に光を通したところ、このコアによって光が散乱されたため、レーザ発振特性は非常に悪かった。例えば、カルシウムとクロムを添加したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｃｒ，Ｃａ：Ｙ３  Ａｌ５  Ｏ１２，Ｃｒ，Ｃａ：ＹａＧと略す）ファイバレーザの場合は、ゲインが＜１１１＞方位より大きい＜１００＞方位に育成した単結晶ファイバをレーザ装置に組み込み、波長１．０６μｍ、強度１０Ｗの光で励起したが、ロッド内での光の散乱が強く、発振しなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかるガーネット単結晶ファイバの製造方法においては、作製される結晶の一部分に（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面におけるファッセット成長により屈折率変動部、いわゆるコアができ、レーザ装置やアイソレータ等の光学装置に用いる場合、光学的品質に問題があった。本発明の目的はコアのないガーネット型構造単結晶の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、該種結晶を引き上げることによって単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、
ガーネット型構造を有する結晶からなる母材の先端部を溶融し、溶融された該先端部に種結晶を接触させ、該種結晶を引き上げることによってファイバ状の単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、あるいは、
るつぼに収納されたガーネット型構造を有する結晶の溶融液に、種結晶を接触させ、回転しながら該種結晶を引き上げることによって棒状の単結晶を育成するガーネット型構造単結晶の製造方法において、
該種結晶を引き上げる方向に、該種結晶の＜１００＞方向から１０度以上、＜１１０＞方向から２０度以上、および＜２１１＞方向から２０度以上離れた範囲１９にある一の方向、または該一の方向に結晶学的同価な方向を、一致させることを特徴とするガーネット型構造単結晶の製造方法である。
【０００７】
また、前記ガーネット型構造を有する結晶が、イットリウム・アルミニウム・ガーネットであることを特徴とする前記のガーネット型構造単結晶の製造方法である。
【０００８】
さらに、前記ガーネット型構造を有する結晶が、イットリウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｓｃｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）、イットリウム・ガリウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｇａｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｌｕ３  Ａｌ５  Ｏ１２）、イットリウム・鉄・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｆｅ５  Ｏ１２）のいずれかであることを特徴とする前記のガーネット型構造単結晶の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ガーネット結晶の育成方位が＜１００＞方位や＜１１１＞方位である場合、固液界面はファッセット成長面の（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面と浅い角度を持つため、ファセット成長によるコアが現れるが、本発明においては、＜１００＞方位に等価な方位から１０度以上、＜１１０＞方位に等価な方位から２０度以上、および＜２１１＞方位に等価な方位から２０度以上の角度に結晶を育成するため、育成結晶と溶融部の固液界面は（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面と充分深い角度を持ち、ファッセット成長は起きない。したがってコアのない光学的品質に優れたガーネット型構造単結晶を作製することができる。
【００１０】
【実施例】
本発明によるガーネット型構造単結晶ファイバの製造方法の概要を、模式的に図１に示す。本実施例では、レーザ加熱溶融法を用いて、Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧを作製する場合について述べる。酸化カルシウムと酸化クロムを表面に蒸着したＹＡＧ単結晶を母材１１に用いる。母材の上端をＣＯ２  レーザー光１５により加熱溶融する。ＹＡＧの種結晶１４を溶融部１２に接触させ、種結晶１４を上方に移動すると、Ｃｒ，Ｃｒ：ＹＡＧ単結晶ファイバ１３が育成される。育成結晶の半径Ｒｆ  は、
【００１１】
【数１】
Ｒｆ  ＝Ｒｓ  （Ｖｓ  ／Ｖｆ  ）２  、
により決定される。ここでＲｓ  は母材の半径、Ｖｆ  は種結晶の引き上げ速度、Ｖｓ  は母材の送り出し速度であり、Ｒｆ  が５００μｍ以下になるように調整する。単結晶ファイバ１３の結晶方位は、種結晶１４の結晶方位と同一になる。種結晶１４は、結晶方位が成長方向に対し＜００１＞方向に垂直かつ＜１００＞方位から１５°にセットする。この育成方向１６に育成した結晶は、ファセット成長によるコアが発生することがなく、光学的均一性に優れていた。なお、１７は結晶軸方向を示す。
【００１２】
図６に作製結晶１３のクロスニコル配置による偏光顕微鏡断面写真を示す。屈折率変動に伴う複屈折は全く観察されていない。育成結晶を使ってレーザ共振器を構成したところ、波長１．０６μｍの励起光により、波長１．３４μｍから１．５８μｍにおいて、レーザ発振した。発振波長１．４５μｍにおいて、しきい値は０．３Ｗ、スロープ効率は５０％であった。従来の方法で作製された結晶では発振しなかったのであるから、本発明の効果は明らかである。
【００１３】
上記以外の育成方位の結晶を実際に作製した結果をステレオ投影図に示す。ガーネットの結晶構造はＩａ３ｄであり、対称性を考慮すると、図２の太枠で囲んだ対象部分１８のみ調べれば良い。その他の方位は対象部分の中に同等な方位がある。図３に対象部分を拡大し、コアの生じなかった育成方位を斜線１９で示した。
【００１４】
まず上記例を含む点１０１〜１０７で示した育成方位を調べたところコアを生じなかった。これらの方位は、＜００１＞からの角度をθ、（０１０）面からの角度をφとして、（θ，φ）＝（９０°，１０°），（９０°，１５°），（９０°，２５°），（８６°，２５°），（８４°，１８°），（７９°，１１°），（８３°，７°）である。また、図３中に点２０１〜２０６で示した方位（θ，φ）＝（９０°，９°），（９０°，２６°），（８５°，２６°），（８３°，１９°），（７８°，１２°），（８４°，６°）に引き上げると、コアを生じた。さらにその周囲の育成方位を調べたところ＜１００＞方位から１０度以上、＜１１０＞方位から２０度以上、および＜２１１＞方位から２０度以上の方位（１９の斜線部分）でコアを生じないことを確認した。
【００１５】
次に、コアを生じなかった育成実施方位およびコアを生じた育成実施方位について、図３に示した番号と対応させて、それぞれ表１および表２として示す。
【００１６】
【表１】
0003555098.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003555098.tif 000003
【００１８】
なお、図３中、２０は＜１００＞方位から１０度の方位を示す線であり、２１は＜１１０＞方位から２０度の方位を示す線であり、さらに２２は＜２１１＞方位から２０度の方位を示す線である。
【００１９】
育成方向が＜１００＞方位や＜１１１＞方位である従来の場合には、育成結晶と溶融部の固液界面がファッセット成長面の（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面と浅い角度になるため、ファセット成長が起こり、コアが現れる。それに対し、本発明においては、＜１００＞方位に等価な方位から１０度以上、＜１１０＞方位に等価な方位から２０度以上、および＜２１１＞方位に等価な方位から２０度以上、の角度に結晶を育成するため、固液界面は（２１１）面、（１１０）面、もしくは（１００）面と充分深い角度になり、ファセット成長は起きない。そのためコアのない光学的品質に優れたガーネット型構造単結晶ファイバを作製することができる。
【００２０】
Ｃｒ，Ｃａ：ＹＡＧの他に、不純物を添加しないＹＡＧ単結晶ファイバや、ネオジウムなど他の不純物元素を添加したＹＡＧ単結晶ファイバを育成する際にもこの方法は有効であった。またイットリウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｓｃｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）単結晶ファイバ、イットリウム・ガリウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｇａｘ  Ａｌ５−ｘ  Ｏ１２）単結晶ファイバ、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（分子式：Ｌｕ３  Ａｌ５  Ｏ１２）単結晶ファイバ、イットリウム・鉄・ガーネット（分子式：Ｙ３  Ｆｅ５  Ｏ１２）単結晶ファイバを育成方位１０１〜１０７に引き上げたところやはりコアは生じなかった。
【００２１】
本発明の製造方法が、ここに挙げた以外のガーネット型構造単結晶ファイバの製造にも適用できることはもちろんである。固体レーザ用ガーネット型構造単結晶ファイバに限らず、アイソレータなどの他の光学素子に用いるガーネット型構造単結晶ファイバにも適用できる。さらに本発明の製造方法を用いて、チョクラルスキー法によるＹＡＧ単結晶ファイバ（直径５００μｍ）育成を行ったところコアは生じなかった。レーザ加熱溶融法、チョクラルスキー法以外の引き上げ方法による、ガーネット型構造単結晶ファイバ育成にも、さらにその他のガーネット型構造単結晶の育成にも、本発明の製造方法が用いられうることもまたもちろんである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガーネット型構造単結晶の製造方法によると、育成方向に対する種結晶の方位を＜１００＞方位に等価な方位から１０度以上、＜１１０＞方位に等価な方位から２０度以上、および＜２１１＞方位に等価な方位から２０度以上の角度を持つ方位として、結晶を育成したため、作製されたガーネット型構造単結晶はファセット成長によるコアを含んでおらず、優れた光学的均質性を有していた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ加熱溶融法を用いたガーネット型構造単結晶ファイバの製造方法を表わす模式図である。
【図２】本発明において引き上げられる結晶の育成方位を示す図である。
【図３】本発明において引き上げられる結晶の育成方位を示す図である。
【図４】従来のレーザ加熱溶融法を用いたガーネット型構造単結晶ファイバの製造方法を示す図である。
【図５】従来法によって作製されたガーネット型構造単結晶のクロスニコル配置による偏光顕微鏡断面写真を示す図である。
【図６】本発明の方法で作成した結晶のクロスニコル配置による偏光顕微鏡断面写真を示す図である。
【符号の説明】
１１  母材
１２  溶融部
１３  育成単結晶ファイバ
１４  種結晶
１５  加熱用ＣＯ２  レーザ光
１６  育成方向
１７  結晶軸方向
１８  検討対象結晶育成方位
１９  本発明で育成される結晶の育成方位
２０  ＜１００＞方位から１０度の方位を示す線
２１  ＜１１０＞方位から２０度の方位を示す線
２２  ＜２１１＞方位から２０度の方位を示す線
２３  ファセット成長部
１０１〜１０７  コアを生じなかった育成実施方位
２０１〜２０６  コアを生じた育成実施方位
【図１】
0003555098.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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