(57)【要約】【課題】  複屈折が好ましく大きく、機械的および化学的に安定で高品質の結晶を得ることができ、光通信の偏光光学系などに適用が好ましいアルカリ土類ボレート系複屈折材料を用いた服屈折部品を提供すること【解決手段】  ＢａｘＸ（１−ｘ）２（ＭｇｙＹ（１−ｙ））（ＢＯ３）２で表すものとし、Ｘ，Ｙは共にアルカリ土類元素で空間群Ｒ３−ｍに属する構成とし、ｘ，ｙは０＜ｘ，ｙ≦１を満たす数とする。この光学結晶では、光学軸とそれ以外の方向との間に架橋構造のような配置となり、著しく非等方的な電子状態が実現し、このため光の電界ベクトルの方向によって著しく屈折率が異なることが実現し、大きな複屈折を有することになる。そして、大きなバンドギャップを有するので可視光領域での吸収が極めて小さく、このため近紫外領域に至るまで光の吸収が低くなり、大きな複屈折を有する材料となる。【選択図】        図２
2006349876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ土類ボレート系の光学結晶であって、
次の一般式
ＢａｘＸ（１−ｘ）２（ＭｇｙＹ（１−ｙ））（ＢＯ３）２
で表すものであり、上記一般式においてＸ，Ｙは共にアルカリ土類元素で空間群Ｒ３−ｍに属する物質をアルカリ土類ボレート系複屈折材料として使用してなる複屈折応用部品。
【請求項２】
前記一般式において、ｘ，ｙは
０  ＜  ｘ，ｙ  ≦  １
を満たす数であることを特徴とする請求項１に記載の複屈折応用部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折応用部品に関するものであり、より具体的には、複屈折応用部品を構成する新規な複屈折材料（アルカリ土類ボレート系複屈折材料）の改良に関し、光通信の偏光光学系などに適用し得るような複屈折が大きい光学結晶の物性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られるように、高分子配向膜，液晶高分子，光学結晶などは複屈折性を示し、複屈折材料としては、水晶，方解石（カルサイト：ＣａＣＯ３），ルチル（ＴｉＯ２），イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４），バリウム・ボレート（α−ＢＢＯ）などが使われている。
【０００３】
なお、特許文献１や非特許文献１〜３などには、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２を用いたものについて開示があり、これらでは当該物質における蛍光性の利用を示している。また、非特許文献４などには複屈折材料としてＣａ３（ＢＯ３）２を用いたものについての開示がある。
【特許文献１】特開２００１−２４２４５９号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ａ．Ｋｅｓｚｌｅｒ  ａｎｄ  Ａ．Ａｋｅｌｌａ，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．３０（１９９５）１０５
【非特許文献２】Ｄ．Ｆｅｄｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｌｉｄｓ，５８（１９９７）１４５１
【非特許文献３】Ｊ．Ｍ．Ｐ．Ｊ．Ｖｅｒｓｔｅｇｅｎ，Ｊ．ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２１（１９７４）１６３１
【非特許文献４】Ｓ，Ｚｈａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，２５２（２００３）２４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、そうした従来の複屈折材料では以下に示すような問題がある。
【０００５】
水晶は複屈折率が約０．０１程度であり小さく、複屈折性を利用する用途での光学系をコンパクトに設計することが難しい。
方解石（カルサイト：ＣａＣＯ３）は潮解性があり湿気に弱く、柔らかいため高品質の結晶が得にくい欠点がある。
【０００６】
ルチル（ＴｉＯ２）は屈折率が高く可視光領域の短波長付近での吸収がある欠点があり、硬すぎるため加工性が悪い。
イットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）やバリウム・ボレート（α−ＢＢＯ）などは、結晶育成が難しいなどの欠点がある。
【０００７】
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、複屈折が好ましく大きく、機械的および化学的に安定で高品質の結晶を得ることができ、光通信の偏光光学系などに適用が好ましい複屈折応用部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的を達成するために、本発明に係る複屈折応用部品は、アルカリ土類ボレート系の光学結晶であって、
次の一般式
ＢａｘＸ（１−ｘ）２（ＭｇｙＹ（１−ｙ））（ＢＯ３）２
で表すものであり、上記一般式においてＸ，Ｙは共にアルカリ土類元素で空間群Ｒ３−ｍに属する（請求項１）。
【０００９】
また、前記一般式において、ｘ，ｙは
０  ＜  ｘ，ｙ  ≦  １
を満たす数である（請求項２）。
【００１０】
係る構成にすることにより本発明では、光学軸とそれ以外の方向との間に架橋構造のような配置となり、著しく非等方的な電子状態が実現することになる。このため、光の電界ベクトルの方向によって著しく屈折率が異なることが実現し、大きな複屈折を有することになる。
【００１１】
また、多くのアルカリ土類金属を含む硼酸化物の完全結晶は一般に大きなバンドギャップを有するので可視光領域での吸収が極めて小さく、このため、本発明に係る複屈折材料は近紫外領域に至るまで光の吸収が低くなる。
【００１２】
ところで、複屈折は異常光と常光に対する屈折率の差（ｎｅ−ｎｏ）で定義されているが、請求項１で決定される物質群において、光が入射した際にｎｅに最も寄与する光学遷移は、ＢＯ３上のπ電子状態（πＢＯ３）と伝導帯下端状態（ＣＢ）間の遷移である。一方、ｎｏにおいては酸素上の非結合性ｐ電子状態（Ｏｎｂｐ）とＣＢ間の遷移である。したがって絶対値の大きな複屈折を得るためにはπＢＯ３とＯｎｂｐの間のエネルギー差を大きくすればよい。そして、Ｏｎｂｐは非結合性のため周辺のアルカリ土類の種類に鈍感であるので、それよりエネルギー的に低いπＢＯ３のバンドをより深い準位にすればよい。
【００１３】
そのためには、ＢＯ３を架橋しているＭｇｙＹ（１−ｙ)イオンとしてできるだけ共有結合性の強いＢＯ３との結合を形成するＭｇ、すなわち、ｙ＝１が最も望ましい組成である。
【００１４】
更にπＢＯ３バンドのエネルギーを下げるためには、ＢＯ３に電荷を供給するＢａｘＸ（１−ｘ）のイオンとしてＢａ、すなわち、ｘ＝１の組成が最適となる。したがって、最も複屈折の絶対値が大きくなる組成として、ｘ＝ｙ＝１のＢａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２が最適であるといえる。
【００１５】
一例としてＸ＝Ｓｒでｘ＝１，０．７５，０．５，０．２５，０の組成における複屈折の計算値を図６に示す。この図からわかるように、ｘ＝１、すなわち、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２の複屈折の絶対値が最も大きくなることが示され、前述の理論と矛盾がないことがわかる。
【００１６】
また、本発明が適用される複屈折応用部品は、複屈折現象を利用する部品全般に適用できるのはもちろんであるが、ルチル結晶ほどの複屈折の大きさは期待できないため、ルチル結晶では吸収があり使用できない波長帯（５５０nm以下）を含む光を使用する場合に特に有効に適用できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係る複屈折応用部品では、複屈折が大きくなる。そして、機械的および化学的に安定で高品質の結晶を得ることができ、その結果、光通信の偏光光学系などに適用が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の好適な一実施の形態を説明する。本形態において、アルカリ土類ボレート系複屈折材料は、次の一般式
ＢａｘＸ（１−ｘ）２（ＭｇｙＹ（１−ｙ））（ＢＯ３）２
で表すものとし、上記一般式においてＸ，Ｙは共にアルカリ土類元素で空間群Ｒ３−ｍに属する構成になっている。
【００１９】
また、前記一般式において、ｘ，ｙは
０  ＜  ｘ，ｙ  ≦  １
を満たす数とする。
【００２０】
上記一般式による光学結晶にあっては、原子配置は図１に示すように、光学軸と垂直な面内に（ＢＯ３）が、ＢａまたはＸがその（ＢＯ３）間の光学軸上に、ＭｇまたはＹが（ＢＯ３）間の光学軸に垂直な方向への架橋になるような配置となる。このため、光学軸とそれ以外の方向との間に、著しく非等方的な電子状態が実現することになる。このような電子状態の下では、光が入射した際は光の電界ベクトルの方向によって電子の応答が異なるため、光の電界ベクトルの方向によって著しく屈折率が異なることが実現し、大きな複屈折を有することになる。
【００２１】
また、多くのアルカリ土類金属を含む硼酸化物の完全結晶は、一般に大きなバンドギャップを有するので可視光領域での吸収が極めて小さい。したがって、本発明に係る複屈折材料は、近紫外領域に至るまで光の吸収が低く、大きな複屈折を有する材料となる。
この種の複屈折材料（光学結晶）の製造は、チョクラルスキ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ：ＣＺ法）など、標準的な光学結晶の育成法により行なえばよい。
【００２２】
本発明に係る複屈折材料は複屈折が大きいことから、偏光光学系などの多く光学系に応用が期待でき、例えば光通信の偏光子などに好ましく適用することができる。つまり、光通信の分野では複屈折板，偏光板（Ｇｌａｎなど），プリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎなど），Ｂｅａｍ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｒなどへの適用が期待でき、高解像度ＣＣＤカメラのモアレ抑制や液晶プロジェクタのｃｈｉｃｋｅｎ−ｗｉｒｅ効果防止のための光学ローパスフィルタへの適用も好ましい。
【実施例】
【００２３】
本発明の効果を実証するため次にように数値解析を行なった。まず実施例にあっては、ｘ＝０，ｙ＝０と設定して構造式はＢａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２とし、この条件において密度汎関数理論に基づく第一原理電子構造解析を行なった。その結果、複屈折Δｎは図２に示すような特性が得られた。
【００２４】
比較例は水晶とし、同様に第一原理電子構造解析を行なった。その結果、複屈折Δｎは図２に示すような特性が得られた。水晶の複屈折Δｎについては実験結果があり、「Ｇ．Ｃｈｏｓｈ，ｏｐｔｉｃｓ  ｃｏｍｍｕｎｌｃａｔ，Ｉｏｎｓ  １６３（１９９９）９５−１０２）」による実験値を図２に併記してある。なお、第一原理電子構造解析によれば、複屈折について精度よく実測値を再現できることが知られている。
【００２５】
図２から明らかなように、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２結晶は、一般的な水晶結晶と比較して約１０倍程度の複屈折の大きさ（絶対値）を有することがわかる。例えばエネルギが３．１５ｅＶ（波長３９４ｎｍ）の光において、水晶は０．００９５９（実験値）の複屈折であるのに対して、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２は−０．１４（計算値）程度を見込むことができ、絶対値にして１０倍以上の複屈折となる。また、水晶において計算値と実験値がよく一致していることは、ここで行なった第一原理電子構造解析における計算値の信頼性の高さを証明している。
【００２６】
さらに、この第一原理電子構造解析における計算値の信頼性の高さは、図３からも明らかである。すなわち、いずれの組成・材料においても、計算値と実験値がよく一致している。
【００２７】
第一原理電子構造解析ではバンド構造，状態密度についても解析してあり、図４はバンド構造の解析結果を示すグラフ図であり、図５は状態密度を示すグラフ図である。図４，図５から明らかなように、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２にあっては、バンドギャップは少なくとも５ｅＶ以上を見込むことができ、波長が２５０ｎｍ以上の光に対しては透明であると言える。一般に、密度汎関数法はバンドギャップを過小評価するので、実際のバンドギャップは更に大きいことが予想でき、したがって、Ｂａ２Ｍｇ（ＢＯ３）２は可視光において透明であり、水晶に比べて１０倍程度の複屈折を有する複屈折結晶であると言える。
【００２８】
このように、本発明に係るアルカリ土類ボレート系複屈折材料を用いて構成される複屈折部品では、複屈折が大きくなる。そして、機械的および化学的に安定で高品質の結晶を得ることができ、その結果、光通信の偏光光学系などに適用が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に用いられるアルカリ土類ボレート系複屈折材料の結晶構造を示す概念図である。
【図２】複屈折の解析値を示すグラフ図である。
【図３】複屈折の解析値を示すグラフ図である。
【図４】バンド構造の解析結果を示すグラフ図である。
【図５】状態密度を示すグラフ図である。
【図６】本発明の効果・理論を実証するグラフ図である。
【図１】
2006349876.tif 000003
【図２】
2006349876.tif 000004
【図３】
2006349876.tif 000005
【図４】
2006349876.tif 000006
【図５】
2006349876.tif 000007
【図６】
2006349876.tif 000008