(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアから構成された柱状部を用意する第１工程と、
前記柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムの少なくとも１つの層からなるチタン還元層および前記チタン還元層を覆う酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする第２工程と、
レーザー溶融ペデスタル成長法により、前記母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンが添加した溶融部を形成し、前記溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなるファイバを引き上げる第３工程と
を備えることを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記第２工程において、前記チタン還元層と前記柱状部との間、もしくは前記チタン還元層と前記酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタンからなる酸化チタン層を形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記第２工程において、前記酸化チタン層は、前記柱状部の側面を取り巻く筒型に形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記第２工程において、前記チタン還元層は、前記柱状部の側面を取り巻く筒型に形成する
ことを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の単結晶ファイバの製造方法において、
前記柱状部は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成することを特徴とする単結晶ファイバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー装置などに用いられるチタンが添加されたサファイアからなる単結晶ファイバの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超短パルス発振が可能であることなどによりチタンサファイアレーザーが注目されている。チタンサファイアレーザーは、上記特性により、超短パルスおよびこれに伴う非線形現象の研究に利用されている。チタンサファイアレーザーは、固体レーザーの一種であり、レーザー媒質にはチタン（Ｔｉ）を添加したサファイアが用いられている。チタンは、三価のイオン（Ｔｉ3+）の状態でサファイア中に存在している。
【０００３】
上述したようなレーザー媒質などに用いられるＴｉ3+が添加されたサファイア単結晶ファイバの製造においては、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材の一端を炭酸ガスレーザーにより加熱溶融し、種結晶を溶融部に接触させて上方に移動させている（非特許文献１参照）。母材はチョクラルスキー法などにより作製されたバルクのＴｉ3+添加サファイア単結晶から機械加工により成形されている。
【０００４】
図４のフローチャートを用いて簡単に説明すると、ステップＳ２０１で、バルクのＴｉ3+添加サファイア単結晶を機械加工により成形することで母材部を作製する。図５に示すように、円柱の母材部２０１を作製する。
【０００５】
次に、ステップＳ２０２で、例えば、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材の一端を炭酸ガスレーザーにより加熱溶融し、溶融している母材部の一端より単結晶ファイバを引き上げる。図６に示すように、アルゴンと水素を含む雰囲気中で母材部２０１の端部にＣＯ2レーザー光２３１を照射して加熱し、溶融して溶融部２０２を形成する。ここに、軸方向上部から種結晶２１０を接触させ、単結晶ファイバ２０３を引き上げる。母材部２０１は鉛直方向の下から、溶融部２０２（レーザー照射部）に向けてせり上げられ、溶融部２０２から上方向に作製された単結晶ファイバ２０３が引き上げられる。
【０００６】
溶融部２０２においては、Ｔｉ3+の一部が酸化されて四価のチタンイオン（Ｔｉ4+）に価数変化するため、作製された単結晶ファイバ２０３には、Ｔｉ4+が含まれた状態となる。このＴｉ4+が原因となって発振波長の０．８μｍ付近に吸収を生じることが知られており、Ｔｉ4+をＴｉ3+に再変換する必要がある。従来の技術では、Ｔｉ4+をＴｉ3+にするために、ステップＳ２０３で、還元雰囲気で３日間、１８００℃程度での加熱処理を実施している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】L. Wu et al., "Growth and laser properties of Ti:sapphire single crystal fibres", Electronics Letters, vol.31, no.14, pp.1151-1152, 1995.
【非特許文献２】L. G. DeSh et al., "Tunable Titanium Doped Sapphire Fiber Laser", Proceedings of SPIE, vol.843, pp.118-122, 1987.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した技術では、まず、ファイバ引き上げ時の加熱を、水素を含む雰囲気で実施しており、作業が容易ではないという問題があった。また、Ｔｉ4+をＴｉ3+にするための加熱処理に長期間を必要としており、この点でも作業が容易ではないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易にＴｉ3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る単結晶ファイバの製造方法は、サファイアから構成された柱状部を用意する第１工程と、柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムの少なくとも１つの層からなるチタン還元層およびチタン還元層を覆う酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする第２工程と、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンが添加した溶融部を形成し、溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなるファイバを引き上げる第３工程とを備える。
【００１１】
上記単結晶ファイバの製造方法において、第２工程において、チタン還元層と柱状部との間、もしくはチタン還元層と酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタンからなる酸化チタン層を形成してもよい。この場合、酸化チタン層は、柱状部の側面を取り巻く筒型に形成すればよい。
【００１２】
上記単結晶ファイバの製造方法において、第２工程において、チタン還元層は、柱状部の側面を取り巻く筒型に形成すればよい。
【００１３】
上記単結晶ファイバの製造方法において、柱状部は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことにより、本発明によれば、より容易にＴｉ3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが製造できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における単結晶ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、母材部１００の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、レーザー溶融ペデスタル成長法により母材部１００から単結晶ファイバ１０６を引き上げる状態を示す説明図である。
【図４】図４は、従来のＴｉ3+が添加された単結晶ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、従来のＴｉ3+が添加された単結晶ファイバの製造方法における母材部２０１の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、従来のＴｉ3+が添加された単結晶ファイバの製造方法における母材部２００から単結晶ファイバ２０３を引き上げる状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における単結晶ファイバの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００１７】
まず、第１工程Ｓ１０１で、サファイアから構成された柱状部を用意する。柱状部は、例えば、直径２４０μｍ程度の円柱に形成されていればよい。なお、柱状部の断面形状は、円形に限らず、３角形、４角形、５角形、６角形、８角形、長円などであってもよい。
【００１８】
次に、第２工程Ｓ１０２で、上述した柱状部の側面に一酸化チタン（ＴｉＯ）、チタン、またはアルミニウムの少なくとも１つの層からなるチタン還元層およびチタン還元層を覆う酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる酸化アルミニウム層を形成して母材部とする。チタン還元層は、チタン層のみまたはＴｉＯ層のみから構成してもよく、チタン層とＴｉＯ層との積層構造としてもよい。またチタンとアルミニウムの合金層としてもよい。なお、この工程において、チタン還元層と柱状部との間、もしくはチタン還元層と酸化アルミニウム層の間に三酸化二チタン（Ｔｉ2Ｏ3）からなる酸化チタン層を形成してもよい。
【００１９】
例えば、図２に示すように、母材部１００は、酸化アルミニウムの単結晶（コランダム）であるサファイアから構成された円柱１０１と、円柱１０１の側面を取り巻く状態に形成されたＴｉ2Ｏ3からなる酸化チタン層１０２と、酸化チタン層１０２の外側側面を取り巻く状態に形成されたチタン層（チタン還元層）１０３と、チタン層１０３の外側側面を取り巻く状態に形成された酸化アルミニウム層１０４とを備える。酸化チタン層１０２、チタン層１０３、および酸化アルミニウム層１０４は、筒型に形成されている。
【００２０】
上述した各層は、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などにより形成できる。また、酸化チタン層１０２は、層厚０．１１μｍとし、チタン層１０３は、層厚０．２２μｍとし、酸化アルミニウム層１０４は、層厚０．２μｍとすればよい。また、円柱１０１は、四価のチタンイオンを含まないサファイアから構成するとよい。また、円柱１０１（柱状部）は、レーザー発振などを阻害する他の添加元素などが含まれていない方がよい。なお、円柱１０１（柱状部）は、三価のチタンイオンが含まれていても何ら問題は無い。
【００２１】
次に、第３工程Ｓ１０３で、レーザー溶融ペデスタル成長法により、母材部の一端を溶融させて酸化アルミニウムにチタンイオンを添加した溶融部を形成し、溶融部より三価のチタンイオンが添加されたサファイアからなる単結晶ファイバを引き上げる。
【００２２】
例えば、図３に示すように、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気で、母材部１００の端部にＣＯ2レーザー光１５１を照射して加熱し、溶融して溶融部１０５を形成する。ここに、軸方向上部から種結晶１３１を接触させ、サファイアからなる単結晶ファイバ１０６を引き上げる（非特許文献２参照）。引き上げた単結晶ファイバ１０６においては、三価のチタンイオンが添加された状態となる。なお、図３は、母材部１００および単結晶ファイバ１０６の軸方向に平行な断面を破断図で示している。
【００２３】
上述したファイバの引き上げにおいて、サファイアを溶融させるために加熱温度は２０４０℃程度となっている。最外層の酸化アルミニウム層を構成する酸化アルミニウムの融点は２０３０℃とサファイアの融点とほぼ等しい。一方、チタン（金属チタン）の融点は１６６０℃である。また、酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ3）の融点は、１９００℃である。なお、ＴｉＯの融点は、１７３０℃である。
【００２４】
従って、チタン層１０３およびＴｉ2Ｏ3からなる酸化チタン層１０２は、溶融部１０５に到達する前に溶融して溶融部１０５に到達する。一方、酸化アルミニウム層１０４は、固相のまま溶融部１０５に達して溶融する。溶融部１０５では、円柱１０１の成分と、酸化チタン層１０２、チタン層１０３、酸化アルミニウム層１０４の成分が、液体（融液）の状態で混合される。従って、溶融部１０５には、Ｔｉ2Ｏ3から生成されるＴｉ3+に加え、金属チタンから生成される２価のチタンイオン（Ｔｉ2+）が混入する。チタン還元層をＴｉＯ層とした場合、これより生成されるＴｉ2+が含まれることになる。
【００２５】
この状態の溶融部１０５に、種結晶１３１を接触させ、種結晶１３１を上方に移動すると、溶融部１０５から単結晶ファイバ１０６が得られる。ここで、一部のＴｉ3+が溶融部１０５において酸化されてＴｉ4+となっても、チタン層１０３から生成される金属チタンの作用により還元されＴｉ3+にもどる。チタン層の代わりにＴｉＯ層を用いても同様である。また、金属チタンやＴｉＯから生成されるＴｉ2は、酸化されてＴｉ3となる。この結果、最終的に得られる単結晶ファイバ１０６においては、Ｔｉ4+は含まれない状態となる。このため、第３工程Ｓ１０３において雰囲気に水素は不要である。また、形成した単結晶ファイバ１０６の加熱処理も不要である。なお、単結晶ファイバ１０６におけるＴｉ3+濃度は０．１８ａｔ％程度となる。
【００２６】
なお、柱状部は、無添加のサファイアに限らず、Ｔｉ3+が添加されていてもよい。例えば、チョクラルスキー法などバルク結晶成長法により作製されたＴｉ3+添加サファイア単結晶を機械加工することで、柱状部としてもよい。また、上述したＴｉ3+添加サファイア単結晶からレーザー溶融ペデスタル成長法でより細い柱状（ファイバ）とした柱状部を作製して用いてもよい。このように、Ｔｉ3+添加サファイアを用いる場合、Ｔｉ2Ｏ3からなる酸化チタン層を形成する必要は無い。
【００２７】
なお、柱状部に、Ｔｉ4+が含まれていても、チタン還元層の厚さ、単結晶ファイバの成長条件などを適宜に設定することで、含まれているＴｉ4+を還元してＴｉ3+とすることが可能である。ただし、柱状部には、Ｔｉ4+が含まれていない方が、Ｔｉ4+が含まれない単結晶ファイバの製造が容易である。
【００２８】
以上に説明したように、本発明によれば、サファイアからなる柱状部の側面に一酸化チタン、チタン、またはアルミニウムからなるチタン還元層を形成して母材部としたので、より容易にＴｉ3+が添加されたサファイア単結晶ファイバが、Ｔｉ4+を含まない状態で製造できるようになる。
【００２９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、蒸着法やスパッタリング法などに限らず、ゾルゲル法、多結晶焼結法、イオンプレーティング法など、他の方法でチタン還元層や酸化アルミニウム層を形成してもよいことは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００３０】
１００…母材部、１０１…円柱、１０２…酸化チタン層、１０３…チタン層（チタン還元層）、１０４…酸化アルミニウム層、１０５…溶融部、１０６…単結晶ファイバ、１３１…種結晶、１５１…ＣＯ2レーザー光。
【図１】
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【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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