(57)【要約】【課題】光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法及びこの結晶から切り出された波長変換素子において、良好な育成歩留まりが得られ、安定した供給を可能すること。【解決手段】四ほう酸リチウム単結晶Ｃのｃ軸から所定の角度だけ傾けた方位に切り出した種結晶Ｓを用いてチョクラルスキー法により光学用四ほう酸リチウム単結晶Ｃを育成する方法であって、前記方位を、５６度から６２．５度の範囲内に設定する。さらに、この光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法で作製された光学用四ほう酸リチウム単結晶Ｃから波長変換素子を切り出す。【選択図】図１
2007176746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸から所定の角度だけ傾けた方位に切り出した種結晶を用いてチョクラルスキー法により光学用四ほう酸リチウム単結晶を育成する方法であって、
前記方位を、５６度から６２．５度の範囲内に設定することを特徴とする光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法において、
前記方位を、６０度に設定することを特徴とする光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法で作製された光学用四ほう酸リチウム単結晶から切り出されたことを特徴とする波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の高調波発生に用いる光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法及びこの結晶から切り出された波長変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
四ほう酸リチウム単結晶（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長λ＝１０６４ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦ２レーザ（波長λ＝１０４７ｎｍ、１０５３ｎｍ）又はＮｄ：ＹＶＯ４レーザ（波長λ＝１０６４ｎｍ）等の波長変換結晶としての利用が注目されている。この四ほう酸リチウム単結晶は、良質かつ大型の単結晶の育成が容易で、潮解性が低く安定して取り扱いに優れていると共に、良好な加工性を有しているという特徴を備えている。従来、この四ほう酸リチウム単結晶の育成方法としては、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やブリッジマン法（ＢＺ法）等が用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、所定の位相整合方位に切り出した種結晶を四ほう酸リチウム融液に上方より接触させた後、この種結晶を引き上げて四ほう酸リチウム単結晶の育成するチョクラルスキー法が記載されている。この育成方法では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの２倍波、３倍波、４倍波、５倍波のそれぞれに対応した位相整合角度である四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸から３２±３度、４０±３度、６６±３度、７４±３度の方位に切り出した種結晶を用いて育成することが提案されている。
【０００４】
なお、上記位相整合角度は、図３に示すように、四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸から所定角度θだけ傾いた角度であり、高調波を発生させる際は、この角度に平行にレーザ光を入射させる。四ほう酸リチウム単結晶は、一軸結晶であるため位相整合条件はタイプＩの結晶である。したがって、位相整合条件としては、位相整合角度のみを考慮すれば良く、ｃ面上の回転角φは考慮する必要がない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２５９０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
特許文献１では、４倍波発生に使用するため、ｃ軸から６６度傾いた方位で切り出した種結晶で結晶を育成する場合、インゴットからの素子の取り出し効率は良いが育成歩留まりが悪いという不都合があった。すなわち、ｃ軸から６６度方位を用いた育成では、直胴部の結晶側面に形成されるファセットが引き上げ軸に対して結晶の内側に向かって形成されるため、アブノーマルリッジと言われる異常成長が発生してクラックが発生する可能性が高くなるためである。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、良好な育成歩留まりが得られ、安定した供給が可能な光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法及びこの結晶から切り出した波長変換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】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法は、四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸から所定の角度だけ傾いた方位に切り出した種結晶を用いてチョクラルスキー法により光学用四ほう酸リチウム単結晶を育成する方法であって、前記方位を、５６度から６２．５度の範囲内に設定することを特徴とする。
この光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法では、ｃ軸から５６度から６２．５度の範囲内の角度に種結晶の方位を設定するので、育成される単結晶の引き上げ方位とファセットとの角度は狭くなり、アブノーマルリッジの発生が抑制される。また、この角度範囲内では、６６度方位とほぼ同じ数の波長変換素子を切り出すことができ、取り出し効率も維持される。
【０００９】
また、本発明の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法は、前記方位を、６０度に設定することを特徴とする。すなわち、この光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法では、ｃ軸から６０度傾けた方位に種結晶を設定するので、育成される単結晶の引き上げ方位がファセット面に平行となり、アブノーマルリッジの発生がさらに抑制される。
【００１０】
本発明の波長変換素子は、上記本発明の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法で作製された光学用四ほう酸リチウム単結晶から切り出されたことを特徴とする。すなわち、この波長変換素子では、良好な育成歩留まりで得られた光学用四ほう酸リチウム単結晶から切り出されるので、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の４倍波発生用として良質で低コストな波長変換素子が安定して得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法によれば、ｃ軸から５６度から６２．５度の範囲内に傾けた角度に種結晶の方位を設定するので、アブノーマルリッジの発生が抑制されて育成歩留まりが向上すると共に、高い取り出し効率を維持することができる。したがって、この製法によれば、安定した波長変換素子の供給が可能になり、このように得られた波長変換素子によれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の４倍波発生において良質で低コストな波長変換素子を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法及び波長変換素子の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１３】
本実施形態の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法は、図１に示すように、育成装置１を用いてチョクラルスキー法により四ほう酸リチウム単結晶Ｃの育成を行う方法である。この育成装置１は、融液２となる四ほう酸リチウム原料が貯えられている白金るつぼ３と、白金るつぼ３の周囲に配された断熱材４、５と、断熱材４、５を介して白金るつぼ３内の四ほう酸リチウム原料を融解させて融液２の温度を加熱・冷却するための抵抗加熱ヒータである加熱装置６と、白金るつぼ３の上方を覆って二重に設けられた断熱壁７、８と、これら断熱壁７、８を貫通して設置された引き上げ軸９ａを有する回転引き上げ機構９と、を備えている。
【００１４】
上記回転引き上げ機構９は、引き上げ軸９ａの下端に種結晶Ｓが取り付けられ、所定回転速度及び所定引き上げ速度で種結晶Ｓを回転及び引き上げ可能としている。
この種結晶Ｓの方位は、四ほう酸リチウム単結晶のｃ軸から５６度から６２．５度の範囲内の角度に切り出した方位である。特に、本実施形態では、ｃ軸から６０度傾いた位相整合方位に切り出した種結晶Ｓを用いている。
また、融液２の温度は、白金るつぼ３の下部に配された熱電対１０で測定される。
【００１５】
この育成装置１によって本実施形態の育成方法を行うには、まず白金るつぼ３内に所定モル比の純度９９．９％の四ほう酸リチウムの原料粉末を充填し、これを加熱装置６で融解して融液２とし、所定温度まで加熱する。
次に、回転引き上げ機構９によって種結晶Ｓを下降させて融液２に接触させ、所定回転数で回転させながら所定引き上げ速度で引き上げることで四ほう酸リチウム単結晶Ｃを育成する。
【００１６】
この際、まず略円錐状の肩部Ｃ１を形成し、所定外径にまで育成したところで、一定外径のまま引き上げ育成することで直胴部Ｃ２を形成する。
このとき、融液２表面と融液２直上１０ｍｍとの間の温度勾配を３０〜２００℃／ｃｍの範囲内に設定している。なお、温度勾配を３０℃／ｃｍ未満とすると、引き上げられる四ほう酸リチウム単結晶Ｃが多結晶化しやすくなる。また、温度勾配を２００℃／ｃｍより大きくすると、熱歪みにより、引き上げられた四ほう酸リチウム単結晶Ｃ中に転位が生じやすくなる。
【００１７】
また、融液２直上１０ｍｍより上部の温度勾配を５〜５０℃／１０ｃｍの範囲内に設定している。このように温度勾配を小さくすることにより、育成後期の熱膨張差によるクラックを抑制することができる。
また、引き上げ速度は、０．１〜２ｍｍ／ｈ（時間）の範囲内に設定し、回転速度を０〜５ｒｐｍの範囲内に設定している。なお、引き上げ速度を上記範囲よりも高く設定すると、四ほう酸リチウム単結晶Ｃ中に白濁、すなわち「巣」が発生しやすくなる。
【００１８】
なお、育成雰囲気としては、大気、乾燥空気、乾燥アルゴン、乾燥窒素のいずれでもよいが、乾燥雰囲気であることが好ましい。特に、乾燥空気、乾燥アルゴン、乾燥窒素は、いずれも育成中相対湿度が、１０％以下であることが好ましい。さらには、５％以下がより好ましく、０％が最適である。また、これら乾燥空気、乾燥アルゴン、乾燥窒素は、融液２表面に当たるように育成装置１内に供給することが好ましい。このように、融液２表面に当たるように乾燥雰囲気を供給することで、結晶中の散乱体の原因である融液２中の残存水分に基づく気泡の量を減らすことができ、散乱体が結晶に取り込まれることを防止できる。
【実施例】
【００１９】
上記実施形態の育成方法に基づいて四ほう酸リチウム単結晶Ｃを実際に製造した結果を、以下に示す。
本実施例では、ｃ軸から５６度及び６０度の各方位に切り出した２つの種結晶Ｓを用いて育成を行った。また、比較例として、ｃ軸から４６度、６６度及び７０度の各方位に切り出した３つの種結晶Ｓを用いて育成を行った。
【００２０】
ｃ軸から傾けた角度を引上げ方位とし、実施例及び比較例において結晶１本からの波長変換素子の切り出し本数、育成回数、育成歩留まり及び波長変換素子の取得素子本数について調べた結果を、表１に示す。
なお、波長変換素子として取り出す結晶形状は、１０ｍｍ角断面×３０ｍｍ長のものとした。
【００２１】
【表１】
2007176746.tif 000003
【００２２】
また、上記引上げ方位と上記取得素子本数との関係を、図２に示す。なお、図２において、育成歩留まりを考慮した取得素子本数と育成歩留まりが１００％とした場合の取得素子本数とを併せて表示している。
これら表１及び図２からわかるように、引上げ方位が５６度より小さいと育成歩留まりは高いが、結晶１本からの切り出し本数が少なく取得素子本数が少なくなってしまう。また、引上げ方位が６２．５度を超えると結晶１本からの切り出し本数を多く取れるが、アブノーマルリッジが発生して育成歩留まりが顕著に悪化して取得素子本数が少なくなってしまう。すなわち、引上げ方位が５６度から６２．５度までの範囲内では、結晶１本からの切り出し本数が多いと共に育成歩留まりも高いため、取得素子本数が２００本以上の高歩留まりを得ることができる。特に、引上げ方位が６０度では、最も取得素子本数が高いことがわかる。
【００２３】
このように本実施形態に基づいた実施例では、ｃ軸から５６度から６２．５度の範囲内の方位に種結晶Ｓを設定するので、育成される四ほう酸リチウム単結晶Ｃの引き上げ方位とファセットとの角度は狭くなり、アブノーマルリッジの発生が抑制される。また、この角度範囲内では、６６度方位とほぼ同じ数の波長変換素子を切り出すことができ、取り出し効率も維持される。
【００２４】
特に、ｃ軸から６０度傾けた方位に種結晶Ｓを設定することで、育成される四ほう酸リチウム単結晶Ｃの引き上げ方位がファセット面に平行となり、アブノーマルリッジの発生がさらに抑制される。
このように育成された四ほう酸リチウム単結晶Ｃを用いることにより、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの４倍波（波長λ＝２６６ｎｍ）発生用として良質で低コストな波長変換素子が安定して得られる。なお、このように得られた波長変換素子に対して切り出し方向(素子の長手方向)に平行にＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波の２倍波を入射することで、４倍波を発生させることができる。
【００２５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、加熱装置６として抵抗加熱方式を採用しているが、他の加熱方式、例えば高周波誘導加熱方式を適用しても構わない。
また、上記実施形態では、四ほう酸リチウムの融点が９１７℃と比較的低融点であるため、白金るつぼ３を用いているが、イリジウム製るつぼやカーボン製るつぼを採用しても構わない。
また、上記実施形態で作製した四ほう酸リチウム単結晶Ｃは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの４倍波発生用に好適であるが、近接した波長であるＮｄ：ＹＬＦ２レーザや同波長であるＮｄ：ＹＶＯ４レーザの４倍波発生用としても適している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る一実施形態の光学用四ほう酸リチウム単結晶の製造方法及びこの結晶から切り出された波長変換素子において、育成装置を示す断面図である。
【図２】本実施形態において、引上げ方位と１２回育成した場合の取得素子本数との関係を示すグラフである。
【図３】結晶中の位相整合角度の定義を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…育成装置、２…融液、３…白金るつぼ、４、５…断熱材、６…加熱装置、９…回転引き上げ機構、Ｃ…四ほう酸リチウム単結晶、Ｓ…種結晶
【図１】
2007176746.tif 000004
【図２】
2007176746.tif 000005
【図３】
2007176746.tif 000006