(57)【要約】【課題】直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定化できる磁気光学素子を提供する。【解決手段】直径１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下であることを特徴とする磁気光学素子。【選択図】図１
2019023155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下であることを特徴とする磁気光学素子。
【請求項２】
波面収差が７００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学素子。
【請求項３】
長さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気光学素子。
【請求項４】
モル％で、Ｔｂ２Ｏ３  ３０〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  ２０〜７０％、ＳｉＯ２  ０〜４５％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の磁気光学素子、
磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、
磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、
を備えることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項６】
筒状磁石の貫通孔の断面積が０．７９ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項５に記載の光アイソレータ。
【請求項７】
筒状磁石の貫通孔の直径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の光アイソレータ。
【請求項８】
筒状磁石の体積が１ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光アイソレータは、光を一方向だけに伝え反射して戻る光を阻止する電子部品であり、レーザー加工システムに用いられるレーザーダイオードに使用される。光アイソレータは、磁気光学素子、磁石及び偏光子を備えている。
【０００３】
従来、光アイソレータに用いられる磁気光学素子としては、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が２０モル％以下のガラスが用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−１７８６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、レーザーダイオードが高出力化しており、それに伴い光アイソレータ―に入射するレーザー光（入射レーザー光）の直径が大きくなってきている。入射レーザー光の直径が大きくなると、磁気光学素子の直径を大きくする必要がある。しかし、磁気光学素子として上記のガラスを用いる場合、その直径を大きくすると、光アイソレータを通過し出射したレーザー光（出射レーザー光）の形状が乱れ、レーザー加工システムの精度が悪化する等の問題があった。
【０００６】
以上に鑑み、本発明は、直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定化できる磁気光学素子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】
【０００７】
本発明の磁気光学素子は、直径１ｍｍ以上の柱状ガラス材からなり、横断面における１ｍｍ２当りの脈理の面積が０．９ｍｍ２以下であることを特徴とする。直径が１ｍｍ以上であっても、横断面における脈理が形成されている部分の面積を小さくすることで波面収差が小さくなり、出射レーザー光の形状を安定化することができる。なお、波面収差とは、理想波面と実波面とのズレである。
【０００８】
本発明の磁気光学素子は、波面収差が７００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、出射レーザー光の形状を安定化することができる。
【０００９】
本発明の磁気光学素子は、磁気光学素子の長さが２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３  ３０〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  ２０〜７０％、ＳｉＯ２  ０〜４５％を含有することが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量を３０モル％以上にすることでベルデ定数が大きくなり、ファラデー効果を高めることができる。また、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量を７０モル％以下、及び、ＳｉＯ２の含有量を４５モル％以下にすることで、脈理の原因となるガラス成分の蒸発を抑制することができる。なお、「Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５」は、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の各含有量の合量を意味する。
【００１１】
本発明の光アイソレータは、上記の磁気光学素子、磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の光アイソレータは、筒状磁石の貫通孔の断面積が０．７９ｍｍ２以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の光アイソレータは、筒状磁石の貫通孔の直径が１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明の光アイソレータは、筒状磁石の体積が１ｃｍ３以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、直径を大きくしても出射レーザー光の形状を安定化できる磁気光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。
【図２】無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、光アイソレータの原理、構造について図１を用いて説明する。
【００１８】
図１は、光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。
【００１９】
光アイソレータ１は、レーザー光の反射戻り光を遮断する装置であり、磁気光学素子１０、磁気光学素子１０を挿入するための貫通孔を設けた筒状磁石１１、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子１２、１３を備えている。光アイソレータ１に入射した光は、偏光子１２を通過し、直線偏光となって、磁気光学素子１０へ入射する。入射した光は磁気光学素子１０により偏光面が４５°回転され、光透過軸が４５°に傾けられた偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した光の一部が反射戻り光となり、偏光面が４５°の角度で偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した反射戻り光は、磁気光学素子１０により、さらに４５°回転され、偏光子１２の光透過軸に対して９０°の直交偏光面となるため、偏光子１２を透過できず、遮断される。
【００２０】
以下に各要素ごとに説明する。
【００２１】
（磁気光学素子１０）
本発明の磁気光学素子１０は円柱状等の柱状のガラス材からなる。ガラス材の直径は、１ｍｍ以上であり、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、特に１５ｍｍ以上であることが好ましい。ガラス材の直径が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が入射レーザー光の直径より小さくなり、磁気光学素子としての機能を果たしにくくなる。ガラス材の直径の上限は特に限定されないが、現実的には１００ｍｍ以下である。
【００２２】
本発明の磁気光学素子１０は、横断面における１ｍｍ２当りの脈理が形成されている部分の面積が０．９ｍｍ２以下であり、０．８５ｍｍ２以下、特に０．８ｍｍ２以下であることが好ましい。脈理が形成されている部分の面積が大きすぎると、波面収差が大きくなり出射レーザー光の形状が乱れやすくなる。脈理が形成されている部分の面積の下限は特に限定されないが、現実的には０．００１ｍｍ２以上である。
【００２３】
本発明の磁気光学素子１０は、波面収差が７００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、特に５００ｎｍ以下であることが好ましい。波面収差が大きすぎると、出射レーザー光の形状が乱れやすくなる。波面収差の下限は特に限定されないが、現実的には０．１ｎｍ以上である。
【００２４】
本発明の磁気光学素子１０の長さは２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、特に８ｍｍ以上であることが好ましい。磁気光学素子１０の長さが小さすぎると、ファラデー効果が小さくなる。磁気光学素子１０の長さの上限は特に限定されないが、現実的には１００ｍｍ以下である。
【００２５】
本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３  ３０〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  ２０〜７０％、ＳｉＯ２  ０〜４５％を含有することが好ましい。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。
【００２６】
Ｔｂ２Ｏ３はベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Ｔｂ２Ｏ３の含有量は３０〜８０％、３１〜７９％、３３〜７７％、３５〜７５％、特に４０〜７０％であることが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向がある。
【００２７】
なお、本発明におけるＴｂ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在するＴｂを全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００２８】
Ｔｂについてベルデ定数の起源となる磁気モーメントはＴｂ４＋よりもＴｂ３＋の方が大きい。よって、ガラス材におけるＴｂ３＋の割合が大きいほど、ファラデー効果が大きくなるため好ましい。具体的には、全Ｔｂ中のＴｂ３＋の割合は、モル％で５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。
【００２９】
Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５は、ガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量は２０〜７０％、２５〜６５％、特に３０〜６０％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５の含有量が多すぎると、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。
【００３０】
なお、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の含有量の好ましい範囲は以下の通りである。
【００３１】
Ｂ２Ｏ３の含有量は０〜５０％、５〜４５％、特に１０〜４０％であることが好ましい。
【００３２】
Ｐ２Ｏ５の含有量は０〜４０％、３〜３５％、特に５〜３０％であることが好ましい。
【００３３】
ＳｉＯ２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ＳｉＯ２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。また、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０〜４５％、０〜４０％、０〜３０％、特に０〜２０％が好ましい。
【００３４】
本発明に使用されるガラス材には、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
【００３５】
Ａｌ２Ｏ３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ２Ｏ３の含有量は０〜４５％、０．１〜４０％、０．５〜３０％、０．８〜２０％、特に１〜１５％であることが好ましい。
【００３６】
Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。
【００３７】
Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００３８】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０〜１０％、特に各々０〜５％であることが好ましい。
【００３９】
Ｇａ２Ｏ３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ２Ｏ３の含有量は０〜６％、０〜５％、特に０〜４％であることが好ましい。
【００４０】
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると、ガラス成分の蒸発が多くなり、脈理が発生しやすくなる。従って、フッ素の含有量（Ｆ２換算）は０〜１０％、０〜７％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００４１】
還元剤としてＳｂ２Ｏ３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ２Ｏ３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。
【００４２】
本発明に使用されるガラス材は、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図２は、無容器浮遊法によりガラス材を作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図２を参照しながら、本発明に使用されるガラス材の製造方法について説明する。
【００４３】
ガラス材の製造装置２は成形型２０を有する。成形型２０は溶融容器としての役割も果たす。成形型２０は、成形面２０ａと、成形面２０ａに開口している複数のガス噴出孔２０ｂとを有する。ガス噴出孔２０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構２１に接続されている。このガス供給機構２１からガス噴出孔２０ｂを経由して、成形面２０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
【００４４】
製造装置２を用いてガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に配置する。ガラス原料塊２２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
【００４５】
次に、ガス噴出孔２０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊２２を、成形面２０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置２３からレーザー光をガラス原料塊２２に照射する。これによりガラス原料塊２２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊２２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊２２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面２０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁場を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁気光学素子１０は、得られたガラス材を切削、研磨、プレス等の加工を施し、所望の柱状形状にすることにより得られる。
【００４６】
（筒状磁石１１）
筒状磁石１１は円筒状、角柱状等の筒状であり、その貫通孔の断面積（貫通孔の長さ方向と垂直な方向の断面積）は、０．７９ｍｍ２以上、１ｍｍ２以上、２ｍｍ２以上、３ｍｍ２以上、４ｍｍ２以上、６ｍｍ２以上、８ｍｍ２以上、９ｍｍ２以上、特に１２ｍｍ２以上であることが好ましい。筒状磁石１１が円筒状である場合、その貫通孔の直径は、１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上、２．５ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、特に１５ｍｍ以上であることが好ましい。筒状磁石１１の貫通孔の断面積が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が入射レーザー光の直径より小さくなり、磁気光学素子としての機能を果たしにくくなる。貫通孔の断面積の上限は特に限定されないが現実的には１００００ｍｍ２以下である。
【００４７】
筒状磁石１１の体積は１ｃｍ３以上、１０ｃｍ３以上、特に２０ｃｍ３以上であることが好ましい。筒状磁石１１の体積が小さすぎると、磁気光学素子１０に所望の大きさの磁場をかけにくくなる。体積の上限は特に限定されないが現実的には３０００ｃｍ３以下である。
【００４８】
なお、筒状磁石１１は、大きな磁場強度を有する希土類磁石、特にネオジム−鉄−ボロン系磁石、サマリウム−コバルト系磁石であることが好ましい。また、より大きな磁場強度を得るために複数の筒状磁石を組み合わせても構わない。
【００４９】
（偏光子１２及び１３）
偏光子１２及び１３の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、２０ｄＢ以上、３０ｄＢ以上、４０ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上の偏光消光比を有する材料が好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５１】
表１及び２は本発明の実施例及び比較例を示している。
【００５２】
【表１】
2019023155.tif 000003
【００５３】
【表２】
2019023155.tif 000004
【００５４】
各試料は次のようにして作製した。まず表に示すガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、７００〜１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
【００５５】
次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図２に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス材を作製した。なお、熱源としては１００Ｗ  ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。
【００５６】
次に、得られたガラスを切削、研磨等により表に示した直径、長さを有する円柱状の磁気光学素子を得た。得られた磁気光学素子を用いて、図１に示した構成のように光アイソレータを作製した。なお、筒状磁石には、表に示した材質、体積、貫通孔径を有する円筒状磁石を用いた。偏光子には、グラントムソン偏光子（消光比５０ｄＢ）を用いた。
【００５７】
得られた磁気光学素子について、脈理の面積と波面収差を測定した。結果を表に示す。表から明らかなように、実施例１〜１２は、脈理の面積が０．５３〜０．８２ｍｍ２と小さいため、波面収差が１３２〜５５２ｎｍと小さく、出射レーザー光の形状が安定化していた。一方、比較例１〜４は脈理の面積が０．９５ｍｍ２以上と大きいため、波面収差が８７２ｎｍ以上と大きく、出射レーザー光の形状が乱れていた。
【００５８】
脈理の面積は次のようにして測定した。得られた試料を波長１μｍの赤外光を用いたシャドウグラフ法にて横断面観察を行い、脈理が形成されている面積を求めた。
【００５９】
波面収差は、レーザー干渉計（Ｚｙｇｏ社製  Ｖｅｒｉｆｉｒｅ）により測定した。
【符号の説明】
【００６０】
１  光アイソレータ
２  ガラスの製造装置
１０  磁気光学素子
１１  筒状磁石
１２  偏光子
１３  偏光子
２０  成形型
２０ａ  成形面
２０ｂ  ガス噴出孔
２１  ガス供給機構
２２  ガラス原料塊
２３  レーザー光照射装置
【図１】
2019023155.tif 000005
【図２】
2019023155.tif 000006