(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミノホウケイ酸ガラス組成物であって、
ＳｉＯ２                                  ２５．００〜５７．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２８．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ２．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３ 最大２８．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２７．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜３０．００ｍｏｌ％
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）０．３０ｍｏｌ％より多く１０．００ｍｏｌ％まで、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物が０．１０〜１０．００ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３及び/又は０．１０〜５．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３/Ｌａ２Ｏ３の比が０．７５〜３．５０である、
アルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ３０．００〜５５．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３ 最大２５．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２０．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）０．３０ｍｏｌ％より多く９．０ｍｏｌ％まで
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              ０．３０ｍｏｌ％より多く２８．００ｍｏｌ％まで、
を含む、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項３】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ５０．００〜５７．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜２０．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  １．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３ 最大１０．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３ 最大５．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）  １５．００〜２０．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ土類金属を本質的に含まない、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項４】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．０ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜１５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３ 最大５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３ 最大５．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３ 最大５．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）  １５．００〜２５．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属を本質的に含まない、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項５】
アルミノホウケイ酸ガラス組成物であって、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                １１．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ６．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない、アルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項６】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜１８．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                １１．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ６．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない、請求項５に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項７】
Ｌｎ２Ｏ３の量が、０．５ｍｏｌ％〜８ｍｏｌ％である、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項８】
前記レーザー発振元素ＬｎがＮｄ又はＹｂである、請求項１又は２に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項９】
２７．００ｍｏｌ％〜５７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１０】
６．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１１】
２．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１２】
１．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３を含有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１３】
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物中の前記Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との含有量の合計が、０．５０ｍｏｌ〜２８．００ｍｏｌである、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１４】
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物が、Ｒ２Ｏ（式中、Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓである）を含有し、Ｒ２Ｏ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｒ２Ｏ）の比が０．４０より小さいか、又は０．６０より大きい、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１５】
少なくとも３３ｎｍの有効発光帯域幅（Δλｅｆｆ）を示す、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１６】
少なくとも８０ＧＰａのヤング率を有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１７】
少なくとも０．８０ＭＰａ・ｍ１／２の３．０Ｎの負荷に関する押込み破壊靭性、ＫＩＣを有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１８】
少なくとも５５０のヌープ硬度（ＨＫ）を有する、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項１９】
固体利得媒体と励起光源とを含む固体レーザーシステムにおいて、前記固体利得媒体が、請求項１〜１３及び１４〜１８のいずれか１項に記載の組成物を有するガラスである、固体レーザーシステム。
【請求項２０】
アルミノホウケイ酸ガラス組成物であって、
ＳｉＯ２                                  ２５．００〜５７．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２８．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ２．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  １３．００〜２８．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２７．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜３０．００ｍｏｌ％
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）０．３０ｍｏｌ％より多く８．００ｍｏｌ％まで、
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              １３．３０ｍｏｌ％より多く３０．００ｍｏｌ％まで、
を含む、アルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２１】
ＳｉＯ２                                  ３０．００〜５５．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  １３．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２０．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）０．３０ｍｏｌ％より多く８．００ｍｏｌ％まで、
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              １３．３０ｍｏｌ％より多く２８．００ｍｏｌ％まで、
を含む、請求項２０に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２２】
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                １３．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜８．００ｍｏｌ％、
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜６．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない、請求項２０に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２３】
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜１８．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                １３．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜８．００ｍｏｌ％、
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜６．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない、請求項２２に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２４】
前記レーザー発振元素ＬｎがＮｄ又はＹｂである、請求項２０に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２５】
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物中のＬａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３の合計が１３．３０ｍｏｌ％より多く２８．００ｍｏｌ％までである、請求項２０に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２６】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ５０．００〜５７．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜２０．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  ５．００〜１０．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  最大１０．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３                                  最大５．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）  １５．００〜２０．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ土類金属を本質的に含まない、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２７】
前記ガラス組成物が、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜１５．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２５．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  最大５．００ｍｏｌ％
Ｙｂ２Ｏ３                                  最大１０．００ｍｏｌ％
Ｎｄ２Ｏ３                                  最大５．００ｍｏｌ％
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）  １５．００〜２５．００ｍｏｌ％、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属を本質的に含まない、請求項１に記載のアルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【請求項２８】
ＳｉＯ２                                  ２５．００〜５７．００ｍｏｌ％
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２８．００ｍｏｌ％
Ａｌ２Ｏ３                                  ２．００〜２７．００ｍｏｌ％
Ｌａ２Ｏ３                                  ５．００〜２８．００ｍｏｌ％
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００ｍｏｌ％より多く２７．００ｍｏｌ％まで
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜３０．００ｍｏｌ％
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ）０．３０ｍｏｌ％より多く１０．００ｍｏｌ％まで、
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              ５．３０ｍｏｌ％より多く３０．００ｍｏｌ％まで、
を含み、
前記アルミノホウケイ酸ガラス組成物が、Ｒ２Ｏ（式中、Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓである）を含有し、Ｒ２Ｏ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｒ２Ｏ）の比が０．４０より小さいか、又は０．６０より大きい、アルミノホウケイ酸ガラス組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体レーザー媒質としてのアルミノホウケイ酸塩をベースとしたガラスの使用に関する。とりわけ、本発明は、アルミノホウケイ酸塩をベースとしたガラス組成物においてレーザー発振イオン（lasing ions）として用いられる希土類イオンの発光帯域幅を拡大することに関する。完全には分かっていないが、発光帯域幅を拡大することは、ガラスマトリックス中の有効量のランタニドイオンの存在によって達成されると考えられる。加えて、ヤング率、破壊靭性及び硬度の高い値のために、希土類アルミノホウケイ酸ガラス系はまた透明な防弾窓材料としても好適である。
【背景技術】
【０００２】
レーザーガラスは、ホストガラス系を、レーザー発振能力を有する希土類元素、例えばネオジム及びイッテルビウムでドープすることによって製造される。これらの希土類でドープされたレーザーガラスのレーザー発振能力は、ガラス中の励起した希土類元素イオンの誘導発光による光増幅に起因する。
【０００３】
リン酸レーザーガラスは、高平均パワー及び高ピークエネルギーのレーザーシステムのためのホストマトリックスとして使用されるものとして知られている。例えば、広い発光帯域幅を有するものとして記載される、Ｎｄでドープされたリン酸レーザーガラスの使用を開示している特許文献１を参照されたい。特許文献２も、Ｎｄでドープされたリン酸レーザーガラスを開示している。この場合、レーザーガラスは、抽出効率（extraction efficiency）を改善させる狭い発光帯域幅（２６ｎｍ未満）を有することが望ましいといわれている。この典型的なタイプのレーザーにおいて、典型的なレーザーの発光はその発光帯域幅に比して狭いため、レーザーが機能する狭い帯域の外側の波長で放射された光が事実上無駄になってしまう。この理由から、狭い発光帯域幅が望ましいとされてきた。
【０００４】
固体レーザーにおける一般的な傾向の一つとしては、パルスのパワーを極めて高い数値とするより短いパルス幅で、高エネルギーレーザーを発生させることである。例えば、１０ナノ秒のパルス幅での１０キロジュールのレーザーは、１ＴＷ（１ＴＷ＝１０ナノ秒当たり１００００Ｊ）のパワーである。しかしながら、超短パルスを用いた高強度レーザー（high peak power lasers）（１００未満のフェムト秒パルス）では、既知のリン酸レーザーガラスによりもたらされる発光帯域幅が、要求されるものと比して狭すぎる。この問題に対処するために、いわゆる「混合」レーザーガラスレーザー設計（“mixed”laser glass laser designs）が使用される。リン酸ガラス及びケイ酸ガラスを連続して使用すると、現行のペタワットレーザーシステムに必要な総帯域幅が達成される。しかし、混合ガラスを使用する技術は、将来のエクサワットレーザーシステムにとって不十分なものである。連続してケイ酸ガラスを使用しているか否かに関わらず、新たなより広い帯域のリン酸ガラスが要求されると考えられる。
【０００５】
より短いパルス幅での高エネルギーレーザーの使用に向けた動きは、非特許文献１に記載されている。これらのレーザーは、チャープパルス増幅（ＣＰＡ）と称される技法を使用して、超短レーザーパルスを発生させる。効率的に作用させるために、この技法は、可能な限り大きな発光帯域幅を有する利得媒体を必要とする。表１で、M.D. Perry及びG. Mourouは、幾つかの典型的な固体レーザーシステムについて、パルス幅及び理論ピーク値と共に発光帯域幅を記載している。
【０００６】
リン酸ガラスに加えて、ケイ酸塩、ホウ酸塩、ホウケイ酸塩、及びアルミン酸塩を、レーザー発振イオンのためのホストガラスマトリックス系として使用してきた。ケイ酸ガラス、ホウ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、及びアルミン酸ガラスは、リン酸ガラスに比べて、Ｎｄレーザー発振イオンに関するより広い発光帯域幅を有する。
【０００７】
しかしながら、これらのガラスの使用に関連する欠点が存在している。例えば、ケイ酸ガラスは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属等の有効量の改質剤を含有しない限り、通常極めて高い温度で溶融する。他方、ホウ酸ガラスは、低温溶融特徴を有するものの、周囲環境で安定となるためには実質的に高い濃度のアルカリ金属又はアルカリ土類金属を要する。ホウケイ酸ガラスは、周囲温度で耐性であり得る上、ソーダ石灰ガラス等の標準的な市販のガラスと同程度の温度で溶融する。しかしながら、典型的な市販のホウケイ酸ガラスは、ホウ酸塩の高揮発性を促す、溶融中にリン酸ガラスと同様の有効量のアルカリ金属を含有する。アルミン酸ガラスは、特に広い発光帯域幅を示し、短パルスレーザー操作にとって魅力的なものである。しかし、これらのガラスは、結晶化しようとする傾向が極めて高い。
【０００８】
ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２及びＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３の組成系は、高ヤング率値をもたらすことが知られている。しかしながら、両方の系とも、極めて高い、すなわち、１６００℃以上の溶融温度を招く。さらに、ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系は、高結晶化速度を招く。例えば、組成物を１５５０℃から冷却させる場合、５×１０５℃／分を超える高速冷却速度でのみ、結晶のないガラスを得ることができる。その結果、この組成系は、レーザーガラス又は防弾窓等の用途のために応力の残留しないバルク形態を作製するのに実用的でない。
【０００９】
短パルスを利用するレーザーシステムを設計する上で重要な要素は、レーザー遷移のために広い発光帯域幅を有する利得材料を見つけることである。発光帯域幅とパルス幅との関係は、帯域幅×パルス時間≧０．４４である。さらに短いパルス時間を達成するためには、広い発光帯域幅を有するガラスを特定することが要件となることは明らかである。
【００１０】
遷移金属でドープされた結晶は、広い発光帯域幅をもたらす。例えば、非特許文献２に記載されているＨｅｒｃｕｌｅｓレーザーは、Ｔｉでドープされたサファイア結晶を使用する。
【００１１】
超短パルス幅レーザーを発生させる別の方法は、希土類でドープされたガラスによるものである。結晶に対するこのようなガラスの利点としては、（ガラスは高光学特性を有する大きなサイズで製造され得るのに対し、Ｔｉでドープされたサファイアは一定のサイズに限定されるため）より低いコスト、より高い有効エネルギーが挙げられ、また、ガラスによるアプローチは、フラッシュランプにより誘起され得る（Ｔｉでドープされたサファイアの短パルスレーザーは、フラッシュランプにより励起されるガラスレーザーにより励起され、ガラスによるアプローチは、初めにポンプレーザーを構築する必要がない）ため、より単純な設計を実現することができる。
【００１２】
上記で述べたように、特許文献１は広帯域ガラスの有用性を開示している。しかしながら、そこに記載されるＮｄでドープされたリン酸ガラスは、高収率で作製することが難しい。その上、さらに大きな発光帯域幅を有する材料に対する需要が依然として存在している。
【００１３】
高弾性率、破壊靭性及び硬度等の所望の物理学的特性を有する、ガラス、ガラスセラミック、セラミック、及びそれらの複合体を、透明な装甲用途に使用してもよい。例えば、非特許文献３を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５，６６３，９７２号
【特許文献２】米国特許第５，５２６，３６９号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】"Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers", M.D. Perry and G. Mourou, Science, Vol 264, 917-924 (1994)
【非特許文献２】Laser Focus World, April 2008, pp. 19-20
【非特許文献３】"Transparent Armor, "P.J. Patel et al., The AMPTIAC Newsletter, Vol. 4, No. 3, pp 1-21 (2000)
【非特許文献４】“Optical Spectroscopy of Neodymium in Sodium Alumino−Borosilicate Glasses，” Hong Li et al.
【非特許文献５】JJ Swab, ''Recommendations for Determining the Hardness of Armor Ceramics'', Int. J. Applied Ceram. Technol., Vol. 1 [3] (2004), pp 219-225
【非特許文献６】E. Desurvire, Erbium Doped Fiber Amplifiers, John Wiley and Sons (1994)
【非特許文献７】Miniscalco and Quimby, Optics Letters 16(4) pp 258-266 (1991)
【非特許文献８】Kassab, Journal of Non-Crystalline Solids 348 (2004) 103-107
【発明の概要】
【００１６】
本発明の一態様によれば、レーザー発振イオンとして使用される希土類イオンの広い発光帯域幅を有する固体レーザー媒質として使用されるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が提供される。本発明の別の態様によれば、透明な防弾窓材料として適する希土類アルミノホウケイ酸ガラス系が提供される。透明な防弾窓材料として使用する場合、本発明によるガラス組成物は、如何なるレーザー発振イオンも含有する必要がない。本発明によるガラス系であるＲＥ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２（式中、「ＲＥ」は希土類を表す）は、系を、有効利得（レーザー）材料又は防弾窓材料として使用される、応力の残留しないバルク形態を作製するのに適したものとする、より少ない厳格な溶融及びアニール工程を提供する。
【００１７】
明細書及び添付の特許請求の範囲のさらなる理解により、本発明のさらなる態様及び利点が当業者に明らかになるであろう。
【００１８】
本発明によれば、高含有量のランタニドイオン（例えば、Ｌａ２Ｏ３）を含有するアルミノホウケイ酸ガラス組成物を、広い発光帯域幅のレーザーガラスとして使用する。
【００１９】
本明細書中に開示されるガラスは、１０００倍〜１００００００倍高いパワー（ペタワット〜エクサワットレベル以上）で使用するのに好適である。開示されるガラスは、１００フェムト秒未満のパルス幅を達成するのに使用することができ、１００ｋＪを超える出力エネルギーを得るという十分に高い利得を有すると考えられる。レーザーシステムにおいて、本発明によるガラスは、励起光源としてのフラッシュランプの使用により励起させることができる。レーザーダイオードによる励起も可能である。
【００２０】
本発明によれば、アルミノホウケイ酸ガラスは、それらの包含物が乏しい溶融挙動を示さず、またアルミノホウケイ酸ガラスの所望特質を損なわせない限り、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属等の従来の改質剤酸化物を任意に一定量含有していてもよい。このような改質剤の総量は、２７ｍｏｌ％未満の一価の改質剤、例えばＮａ２Ｏ、及び３０ｍｏｌ％未満の二価の改質剤、例えばＭｇＯであることが望ましい。
【００２１】
しかし、本発明による包括的なガラス組成物は、アルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属を含んでいてもよく、本発明の別の態様によれば、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を全く含有しない。この場合、アルカリ金属及びアルカリ土類金属が存在しないことにより、溶融中に極めて低い揮発性がもたらされる。
【００２２】
特定の理論に縛られるものではないが、本発明によれば、帯域の拡大は、網目構造領域、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ単位に富むもの、及びＢ−Ｏ−Ｂ単位に富む別のものの割合を制御することによって達成することができると考えられる。ケイ酸に富む網目構造領域とホウ酸に富む網目構造領域との割合を制御することによって、両領域におけるレーザー発振イオンの分割は制御することができるため、レーザー発振イオンの発光帯域幅を広くすることができる。加えて、一定量のＡｌ２Ｏ３を有する、ホウ酸に富む網目構造領域を調整することによって、レーザー発振イオンがその領域と関連付けられると考えられる。異なる領域におけるレーザー発振イオンは、異なる配位子場を経ると考えられ、それゆえ、各領域による発光帯域幅は、発光ピーク位置の観点から異なり、また発光幅の合計が異なる。その結果、発光帯域幅が拡大されると考えられる。
【００２３】
さらに、Ａｌ２Ｏ３とＬａ２Ｏ３との比及びＬａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３との総濃度を調節して、両網目構造領域におけるレーザー発振イオンの分割に影響を与えることができる。レーザー発振イオンの濃度は、２つの網目構造領域間のレーザー発振イオンの分割を制御する上での要素でもあるため、帯域の拡大を制御する上での要素でもある。
【００２４】
例えば、本発明によれば、レーザー発振イオンの幾つか（例えば、Ｎｄ２Ｏ３又はＹｂ２Ｏ３）を、Ｌａ２Ｏ３と置き換えることによって、発光帯域幅を拡大することができると考えられる。非特許文献４を参照されたい。アルミノホウケイ酸ガラス組成物中のレーザー発振イオン濃度の一部をＬａ２Ｏ３と置き換えることにより、レーザー発振イオン濃度を低減させ、Ｌａ３＋が、レーザー発振イオンを互いに分離し、それにより、２つのレーザー発振イオン間のエネルギー移行（例えば、Ｎｄ３＋→Ｎｄ３＋）から起こる発光消光が低減される。
【００２５】
加えて、本発明のガラスが、高品質光学ガラスを得るようにＲ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）を含有する場合、Ｒ２Ｏ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｒ２Ｏ）の比は、一方が低く一方が高い２つの範囲にあることが好ましい。詳細には、これらの比の値は、相分離及び結果として起こる関連する光学特性の低下を避けるように、０．４０より小さいか、又は０．６０より大きい。
【００２６】
本発明の一態様によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ２５．００〜５７．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２８．００
Ａｌ２Ｏ３                                  ２．００〜２７．００
Ｌａ２Ｏ３                                  ０．００〜２８．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２７．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜３０．００
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザー発振用の希土類イオン）０．３０より多く１０．００まで、
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              ０．３０より多く３０．００まで、
を含む。
【００２７】
透明な防弾窓用途を目指した本発明の一態様によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ２５．００〜５７．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２８．００
Ａｌ２Ｏ３                                  ２．００〜２７．００
Ｌａ２Ｏ３                                  ０．００〜２８．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２７．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜３０．００
を含む。
【００２８】
本発明の別の態様によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ３０．００〜５５．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜２５．００
Ｌａ２Ｏ３                                  ０．００〜２５．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２０．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜２７．００
Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ＝Ｎｄ、Ｙｂ、又は他のレーザー発振用の希土類イオン）  ０．３０より多く９．００まで、
Ｌａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との合計              ０．３０より多く２８．００まで、
を含む。
【００２９】
透明な防弾窓用途を目指した本発明の一態様によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ３０．００〜５５．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜２５．００
Ｌａ２Ｏ３                                  ０．００より多く２５．００まで、
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）    ０．００〜２０．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）    ０．００〜２７．００
を含む。
【００３０】
本発明によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ５０．００〜５７．００
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜２０．００
Ａｌ２Ｏ３                                  ３．００〜１０．００
Ｌａ２Ｏ３                                  １．００〜１０．００
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ６．００
Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）  １５．００〜２０．００
を含み、このアルミノホウケイ酸ガラス組成物はアルカリ土類金属を本質的に含まない。
【００３１】
本発明によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００
Ｂ２Ｏ３                                  １０．００〜１５．００
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２５．００
Ｌａ２Ｏ３                                  ０．００〜  ５．００
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜  ５．００
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ５．００
ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ）  １５．００〜２５．００
を含み、このアルミノホウケイ酸ガラス組成物はアルカリ金属を本質的に含まない。
【００３２】
本発明によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜２５．００
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００
Ｌａ２Ｏ３                                １１．００〜２５．００
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ６．００
を含み、このアルミノホウケイ酸ガラス組成物がアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない。
【００３３】
本発明によると、アルミノホウケイ酸ガラス組成物は、ｍｏｌ％で、
ＳｉＯ２                                  ４０．００〜５０．００
Ｂ２Ｏ３                                    ５．００〜１８．００
Ａｌ２Ｏ３                                １５．００〜２７．００
Ｌａ２Ｏ３                                １１．００〜２５．００
Ｙｂ２Ｏ３                                  ０．００〜１０．００
Ｎｄ２Ｏ３                                  ０．００〜  ６．００
を含み、このアルミノホウケイ酸ガラス組成物はアルカリ金属及びアルカリ土類金属を本質的に含まない。
【００３４】
アルカリ金属を本質的に含まないとは、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が０．５ｍｏｌ％未満、特に０．１ｍｏｌ％未満のアルカリ金属（例えば、Ｎａ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ及びＫ２Ｏ）を含有することを意味する。アルカリ土類金属を本質的に含まないとは、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が、０．５ｍｏｌ％未満、特に０．１ｍｏｌ％未満のアルカリ土類金属（例えば、ＢａＯ、ＣａＯ及びＭｇＯ）を含有することを意味する。
【００３５】
レーザーガラスの用途では、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が、十分量のＬｎ２Ｏ３（式中、Ｌｎは希土類のレーザー発振イオンを表す）を含有することにより、レーザー発振能力がもたらされる。包括的に、Ｌｎ２Ｏ３の量は、約０．３ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％、例えば、０．５ｍｏｌ％〜８ｍｏｌ％又は０．５ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％である。レーザー発振元素Ｌｎは好ましくはＮｄ又はＹｂであるが、例えば、Ｅｒ又はＰｒであってもよい。Ｅｒは、目に安全なレーザー発振波長を有し、Ｐｒは、可視波長でレーザー発振し得る。Ｙｂ及びＮｄは両方とも、ＩＲ範囲でレーザー発振する。さらに他のレーザー発振イオンは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＴｍである。レーザー発振イオンは、単独で又は２つ以上の元素を組合せて使用することができる。
【００３６】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、２５．００ｍｏｌ％〜５７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、例えば、２７．００ｍｏｌ％〜５７．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、又は２８．００ｍｏｌ％〜５６．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、又は２９．００ｍｏｌ％〜５５．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、又は４３．００ｍｏｌ％〜５０．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、又は４４．００ｍｏｌ％〜４９．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２、又は４５．００ｍｏｌ％〜４８．００ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含有する。
【００３７】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、５．００ｍｏｌ％〜２８．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、例えば、６．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、又は７．００ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、又は８．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、又は６．００ｍｏｌ％〜１５．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、又は７．５０ｍｏｌ％〜１４．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３、又８．００ｍｏｌ％〜１３．００ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含有する。
【００３８】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、２．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、例えば、２．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、又は３．００ｍｏｌ％〜２４．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、又は４．００ｍｏｌ％〜２３．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、又は１６．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、又は１６．５０ｍｏｌ％〜２４．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３、又は１７．００ｍｏｌ％〜２３．００ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３を含有する。
【００３９】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、０．００ｍｏｌ％〜２８．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、例えば、１．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、又は３．００ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、又は５．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、又は１２．００ｍｏｌ％〜２４．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、又は１３．００ｍｏｌ％〜２３．５０ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３、又は１４．００ｍｏｌ％〜２３．００ｍｏｌ％のＬａ２Ｏ３を含有する。
【００４０】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物中のＬａ２Ｏ３とＬｎ２Ｏ３との含有量の合計は、包括的に、Ｌａ２Ｏ３の０．５０ｍｏｌ％〜２８．００ｍｏｌ％、例えば、８．００ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％若しくは９．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％であるか、又は２０．００ｍｏｌ％〜２６．００ｍｏｌ％である。
【００４１】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、０．１０ｍｏｌ％〜１０．００ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３及び／又は０．１０ｍｏｌ％〜５．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３、例えば、０．１０ｍｏｌ％〜８．００ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３、又は０．５ｍｏｌ％〜８．００ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３及び／又は０．５ｍｏｌ％〜６．００ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３、及び／又は０．５０ｍｏｌ％〜４．００ｍｏｌ％のＮｄ２Ｏ３を含有する。
【００４２】
別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３とＬａ２Ｏ３との比は、例えば、０．７０〜５．００（０．７０〜１．２５、又は０．７５〜３．５０、又は０．７５〜１．１０、又は０．８０〜１．０５等）である。
【００４３】
本発明の別の態様によれば、アルミノホウケイ酸ガラス組成物が、Ｒ２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）を含有する場合、比Ｒ２Ｏ／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｒ２Ｏ）は、例えば、０．４０より小さいか、又は０．６０より大きい（例えば、０．３０より小さいか、又は０．７０より大きい）である。
【００４４】
ガラス組成物中、ＳｉＯ２及びＢ２Ｏ３はそれぞれ、２つの網目構造領域（一方はＳｉ−Ｏ−Ｓｉ単位に富み、他方はＢ−Ｏ−Ｂ単位に富む）を形成する主な網目構造形成剤として作用する。ガラスを調製するのに使用されるＳｉＯ２の量は、２７．００ｍｏｌ％〜５７．００ｍｏｌ％、例えば、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６又は５７ｍｏｌ％である。ガラスを調製するのに使用されるＢ２Ｏ３の量は、６．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％、例えば、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６又は２７ｍｏｌ％である。
【００４５】
ガラス組成物中、Ａｌ２Ｏ３及びＬａ２Ｏ３は、中間ガラス形成剤として作用する。それらは、ガラス形成剤とガラス改質剤との両方の特徴を示し得る。ガラスを調製するのに使用されるＡｌ２Ｏ３の量は、２．００ｍｏｌ％〜２５．００ｍｏｌ％、例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４又は２５ｍｏｌ％である。ガラスを調製するのに使用されるＬａ２Ｏ３の量は、１．００ｍｏｌ％〜２７．００ｍｏｌ％、例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６又は２７ｍｏｌ％である。
【００４６】
上記で述べたように、Ｙｂ２Ｏ３及び／又はＮｄ２Ｏ３は、ガラス組成物に好ましいレーザー発振イオンをもたらす。代替的には、他の希土類又は希土類酸化物の組合せ、例えばＥｒ２Ｏ３及び／又はＰｒ２Ｏ３を、レーザー発振イオンとして使用してもよい。加えて、当業者に既知であるように、これらのレーザーガラスを、主なレーザー発振イオン（複数可）に対する増感剤として作用する、少量の遷移金属（例えばＣｒ２Ｏ３）又は他の希土類イオン（例えばＹｂ２Ｏ３及びＣｅＯ２）でドープしてもよい。例えば、Ｃｒ２Ｏ３は、Ｙｂの増感剤として機能することができ、ＣｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３及びＹｂ２Ｏ３は、Ｅｒの増感剤として機能し得る。Ｃｒ２Ｏ３に関して、増感剤の量は、例えば、０．００ｗｔ％より多く０．４０ｗｔ％まで、好ましくは０．０１ｗｔ％〜０．２０ｗｔ％であり、Ｙｂ２Ｏ３に関して、増感剤の量は、例えば、０．００より多くガラス中におけるＹｂ２Ｏ３の溶解度の限界まで、好ましくは５ｗｔ％〜２５ｗｔ％である。
【００４７】
また、本発明によるガラスは一般に、レーザー発振イオンを含まずに調製することができる。上記で述べたように、このようなガラスは、透明な装甲用途、例えばガラス層／セラミック層複合体のガラス層に使用することができる。
【００４８】
人員保護及び車両保護のための透明な装甲システムは典型的に、ポリマーにより互いに結合される、ガラス−、透明ガラス−セラミック及び／又はセラミック材料の複数の層を含む多層複合体である。得られる複合体は、十分に透明でなければならず、光学的ひずみを本質的に有してはならず、その上、様々な脅威からの適切な保護が最小重量及び最小コストで得られる必要がある。
【００４９】
衝撃からの保護に現在使用されている透明な無機材料としては、（ａ）圧延法、フロート法、及び他の延伸法、例えば、オーバーフローヒュージョン法により典型的に製造される、ガラス、例えばホウケイ酸ガラス及びソーダ石灰シートガラス；（ｂ）キャストシート、圧延シート、又は延伸シートをセラミック化することにより製造される、ガラス−セラミック材料、例えばＧＥＣ  Ａｌｓｔｏｍ  ＴｒａｎｓＡｒｍ；並びに、（ｃ）スピネル、サファイア及びアルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯＮ）等の結晶性材料が挙げられる。
【００５０】
透明な装甲システムの個々の層は、以下で中間層と称される接着材料によって互いに結合されていてもよい。接着中間層材料の形態としては、液体、ペースト、ゲル、及びシート又はフィルムが挙げられるが、これらに限定されない。シート状又はフィルム状の中間層を使用する場合、結合は、典型的には熱及び／又は圧を利用して積層材料となるようにして達成される。空気の取込みを回避するために、典型的には層及び中間層の集合堆積を減圧バッグに入れる。液体、ペースト又はゲルの形態の接着剤を、噴霧、圧延又はキャスティング等の既知の技法を用いて、積層プロセス中、個々の層の表面に塗布してもよく、又は集合堆積の層の間隙内にキャストしてもよい。これらの接着剤の硬化は典型的には、塗布プロセス前又は塗布プロセス中の熱及び／又は放射物への曝露、及び／又は化学触媒の添加によって達成される。
【００５１】
スピネル、サファイア及びＡｌＯＮ等の透明なセラミック材料は、他の透明材料を超える優れた衝撃性能を示す。しかしながら、これらの材料は現在、装甲用途を対象としたサイズで市販されていない。現在、１／４インチの厚みを有する装甲グレードの透明なセラミックプレートは典型的に１平方インチ当たり２５ドルを超える。
【００５２】
弾丸を止めるために、装甲システムは典型的に、弾丸の不安定化、破裂及び侵食を含む様々な無効機構を組み合わせると共に、標的に対する破損を遅らせ及び／又は標的内の破損の進展を抑える。
【００５３】
包括的に、材料の硬度及び破壊靭性は、その衝撃性能に寄与すると考えられる。一般的な仮説の一つでは、弾丸をばらばらにするために、標的材料が十分な硬度を有していなければならないこと、及び、また或る特定の閾値を超えると、標的材料の硬度の増大によってはもはや衝撃性能の増大はもたらされないことを述べている。非特許文献５を参照されたい。
【００５４】
透明なセラミックに対する衝撃性能のギャップを近づけるために、高い弾性率、硬度及び破壊靭性を有し、かつ比較的低いコストで大きなシートとして製造することができるガラスが、特段の関心を集めている。例えば、ガラスは、１００ＧＰａ以上の弾性率、６２０以上の硬度（ＫＨ）、及び１．０ＭＰａを超える破壊靭性（ＫＩＣ）を有する。
【００５５】
透明な装甲用途に加えて、レーザー発振イオンを含むことなく調製される本発明によるガラスはまた、レーザー導波装置におけるクラッディングガラスとして使用することができる。付加的に、本発明によるガラスを、レーザー発振波長における吸収を誘導する１つ又は複数の遷移金属でドープすることによって、得られる遷移金属でドープされたガラスは、或る特定のレーザーシステム設計において端面クラッディングガラスとしての役割を果たし得る。
【００５６】
付加的な構成成分に関して、ガラスは、最大４重量パーセント、特に最大２重量パーセントの従来の添加剤又は不純物、例えば、清澄剤（例えば、Ａｓ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３）及び太陽光遮蔽剤（antisolarant）（例えば、Ｎｂ２Ｏ５）を含有する。加えて、ガラス組成物は、溶融物又は残留水を乾燥させるのを助け、またガラスの清澄を助けるハロゲン化物を含有していてもよい。例えば、ガラス組成物は、９ｗｔ％まで、好ましくは５ｗｔ％以下のＦ、及び５ｗｔ％までのＣｌを含有していてもよいが、ＣｌはＦよりも好ましくない。
【００５７】
本発明の別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物は、少なくとも３３ｎｍ、好ましくは少なくとも３５ｎｍ、特に少なくとも４０ｎｍ、とりわけ少なくとも４２ｎｍ、例えば３３ｎｍ〜６５ｎｍ又は３５ｎｍ〜６５ｎｍの有効発光帯域幅（Δλｅｆｆ）を有する。
【００５８】
レーザー特性は、Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論、Ｆｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論、又はＭｃＣｕｍｂｅｒ法に従って測定することができる。Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論及びＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論の考察は、非特許文献６に見ることができる。ＭｃＣｕｍｂｅｒ法は、例えば、非特許文献７に論じられている通りである。また、非特許文献８を参照されたい。Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ理論及びＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ理論は、発光曲線からレーザー特性を評価するものであるのに対し、ＭｃＣｕｍｂｅｒ法は、ガラスの吸収曲線を使用するものである。
【００５９】
発光帯域幅に関して、測定された発光曲線（例えば、Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ解析又はＦｕｃｈｔｂａｕｅｒ−Ｌａｄｅｎｂｕｒｇ解析により集められたもの）、又は算出された発光曲線（ＭｃＣｕｍｂｅｒ解析により）があれば、２つの方法で発光帯域幅を得ることができる。第１の方法は、最大値の半値幅（いわゆる発光帯域幅の半値全幅、すなわちΔλＦＷＨＭ）を単に測定することである。
【００６０】
Ｙｂの発光曲線は、約９８０ｎｍの狭い特質を示す。この特質が顕著なものであれば、ΔλＦＷＨＭ値は、この１つの特質の幅を反映しているに過ぎず、曲線の残りは役に立たないと考えられる。その結果、ΔλＦＷＨＭ値が常に、Ｙｂに関する発光帯域幅の信頼できる指標となるわけではない。
【００６１】
第２の方法は、発光曲線上のあらゆる点を曲線下の全面積で除算するものである。線幅関数（linewidth function）と称されるこの結果は、有効帯域幅（Δλｅｆｆ）の逆数として定義されるピーク値を有すると考えられる。この方法によって、全発光曲線は常に発光帯域幅の結果に寄与する。この数値が、発光帯域幅の最良の指標として、解析において本明細書中で使用される。
【００６２】
本発明の別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が、少なくとも８０ＧＰａ、好ましくは少なくとも９０ＧＰａ、特に少なくとも１００ＧＰａ、とりわけ少なくとも１０５ＧＰａ、例えば８０ＧＰａ〜１１０ＧＰａ、又は１０５ＧＰａ〜１１０ＧＰａのヤング率を有する。
【００６３】
本発明の別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が、少なくとも０．８０ＭＰａ・ｍ１／２、好ましくは少なくとも０．９０ＭＰａ・ｍ１／２、特に少なくとも０．９５ＭＰａ・ｍ１／２、とりわけ少なくとも１．００ＭＰａ・ｍ１／２、例えば０．８０ＭＰａ・ｍ１／２〜１．２０ＭＰａ・ｍ１／２、又は１．００ＭＰａ・ｍ１／２〜１．２０ＭＰａ・ｍ１／２の、３．０Ｎの負荷に関する押込み破壊靭性（ＫＩＣ）を有する。
【００６４】
本発明の別の態様によれば、本発明によるアルミノホウケイ酸ガラス組成物が、少なくとも５５０、好ましくは少なくとも６００、特に少なくとも６２０、とりわけ少なくとも６３０、例えば５５０〜６９０又は６３０〜７００のヌープ硬度（ＨＫ）を有する。
【００６５】
上述の物理学的特性（ヤング率、押込み破壊靭性及びヌープ硬度）は、本発明によるガラスを透明な装甲用途で使用する場合に、特に有用である。
【００６６】
本発明及び本発明のさらなる詳細、例えば、特質及び付随的な利点を、図面に図式的に描かれる例示的な実施形態に基づき以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】Ｎｄでドープされた市販のリン酸レーザーガラス（Ｎｄ：ＡＰＧ−１）と相対的に比較される、実施例８の発光帯域幅の改良を示す図である。
【図１Ｂ】Ｙｂでドープされた市販のリン酸レーザーガラス（Ｙｂ：ＡＰＧ−１）と相対的に比較される、実施例７の発光帯域幅の改良を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
表１Ａ及び表１Ｂは、本発明によるガラス組成物の例を挙げるものである。ガラスは全て、レーザーグレードの成分を用いて作製され、より良好な均質性のためにＰｔ撹拌子を用いて撹拌しながら、乾燥酸素環境下で溶融される。
【００６９】
発光スペクトルを求めるために、ガラスをモールドにキャストし、適宜、アニールして応力を取り除く。Ｙｂでドープされたガラスをその後、タングステンカーバイド粉砕セルを用いて微粉に粉砕する。Ｎｄでドープされたガラスを、少なくとも公称１０ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍサイズのバルクキュベットサンプルとして調製する。Ｙｂでドープされた各ガラスの粉末サンプル及びＮｄでドープされた各ガラスのキュベットサンプルは、発光スペクトルを測定するのに使用し、これから、有効発光帯域幅（Δλｅｆｆ）を式（１）に従って求める：
【００７０】
【数１】
0005825911.tif 000002
【００７１】
ここで、Ｙｂに関しては９２５ｎｍ〜１１００ｎｍ、Ｎｄに関しては１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの発光スペクトルの積分面積が作成され、最大発光強度（Ｉｍａｘ）は、Ｙｂに関しては９７５ｎｍに近い波長、Ｎｄに関しては１０５５ｎｍに近い波長に見られる。
【００７２】
表１Ａ中、実施例１のガラスは、レーザー発振イオンを含有しないため、レーザーガラス態様に対する対照としての実施形態を表す。このガラスは、本発明の透明な装甲態様の実施形態でもある。
【００７３】
表２Ａ及び表２Ｂは、本発明によるアルミノホウケイ酸ランタンガラスの特性をまとめたものである。表２Ｃは、Ｎｄでドープされた市販のリン酸レーザーガラスＡＰＧ−１（Ｎｄ：ＡＰＧ−ｌ）、ＡＰＧ−２（Ｎｄ：ＡＰＧ−２）、及びＩＯＧ−１（Ｎｄ：ＩＯＧ−１）、並びに、Ｙｂでドープされたリン酸レーザーガラスＡＰＧ−１（Ｙｂ：ＡＰＧ−１）、ＡＰＧ−２（Ｙｂ：ＡＰＧ−２）、及びＩＯＧ−１（Ｙｂ：ＩＯＧ−１）の特性をまとめたものである。これらのガラスはSchott North America, Inc.により販売されている。
【００７４】
表から分かるように、本発明によるガラスは、１）高ヤング率、２）高熱伝導率、及び３）高破壊靭性及び微小硬度を示す。これらの物理学的特性の特質は、本発明のガラス組成物が、レーザーガラスとして使用されるのに好適であること、及び衝撃からの保護の用途で透明な防弾窓に使用されるのに好適であることを実証する。
【００７５】
表３Ａ及び表３Ｂは、本発明によるアルミノホウケイ酸ランタンガラスのレーザー特性をまとめたものである。表３Ｃ及び表３Ｄは、市販のリン酸レーザーガラスのレーザー特性をまとめたものである。表から分かるように、本発明によるガラスは、広い有効発光帯域幅を特徴とし、その大多数が、比較用の市販のリン酸レーザーガラスの全てではないが大半に比べて広い有効発光帯域幅を示す。
【００７６】
図１中、発光強度は、Ｎｄを含有するガラスの場合５３０ｎｍ、Ｙｂを含有するガラスの場合９１８ｎｍの光でサンプルを励起させる際の発光波長の関数としてグラフ化される。ガラスは全てモールドにキャストし、適宜、アニールして応力を取り除く。Ｙｂを含有する実施例７を、タングステンカーバイド粉砕セルを用いて微粉に粉砕する。信頼できる発光スペクトルを得るために粉末状サンプルを使用し、励起状態吸収（ＥＳＡ）を最小限に抑える。Ｎｄを含有する実施例８では、ＥＳＡは、わずかであり、それゆえ、透明なガラスブロックを使用してＮｄ発光スペクトルを測定した。
【００７７】
図１は、実施例８のＮｄ発光スペクトル及び実施例７のＹｂ発光スペクトルと、Ｙｂを含有するＡＰＧ−１ガラス及びＮｄを含有するＡＰＧ−１ガラス（Schott North America, Inc.により販売されている市販のレーザーガラス）との比較をそれぞれ図示している。結果から、本発明によるアルミノホウケイ酸ランタンガラスが、レーザー発振イオンの発光スペクトルを有効に拡大することが確認されるため、本発明によるガラス組成物がレーザーガラス用途に極めて好適であることがさらに実証される。
【００７８】
本発明によるアルミノホウケイ酸ランタンガラスに関する帯域幅は、広い帯域のアルミン酸ガラスが有する帯域幅に匹敵する。しかも、広い帯域幅を有することに加えて、ランタンを含有する本発明によるアルミノホウケイ酸ガラスはまた、有意な製造上の利点を示す。それらの低いアルカリ金属含有量及びアルカリ土類金属含有量に起因して、ランタンを含有する本発明によるアルミノホウケイ酸ガラスは、アルミン酸ガラスと比べて溶融結晶化する傾向が低い。
【００７９】
【表１】
0005825911.tif 000003
【００８０】
【表２】
0005825911.tif 000004
【００８１】
【表３】
0005825911.tif 000005
【００８２】
【表４】
0005825911.tif 000006
【００８３】
【表５】
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【００８４】
【表６】
0005825911.tif 000008
【００８５】
【表７】
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【００８６】
【表８】
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【００８７】
【表９】
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【００８８】
本明細書中に引用される全ての出願、特許及び刊行物の開示は全体として、参照により本明細書中に援用される。
【００８９】
これまでの実施例で使用したものの代わりに、包括的又は詳細に記載した本発明の反応物質及び／又は操作条件を使用することによって、これまでの実施例を同様に首尾よく繰り返すことができる。
【００９０】
上述の記載から、当業者は、本発明の不可欠な特徴を容易に見極めることができ、その精神及び範囲を逸脱することなく、その特徴が様々な用法及び条件に適応するように本発明の様々な変更及び改良を行うことができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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