(57)【要約】【課題】本発明は、５００〜１１００ｎｍの波長域の光透過性が高く、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶よりも大きなファラデー回転角を備え、大型化が可能な光アイソレータ材料、その製造方法、光アイソレータ及びこれを用いた光加工器を提供することを課題とする。【解決手段】Ｃｅを含有する酸化物であることを特徴とする光アイソレータ材料を用いることによって前記課題を解決できる。【選択図】図４
2013230958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｅを含有する酸化物であることを特徴とする光アイソレータ材料。
【請求項２】
テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶のテルビウムの一部がセリウムで置換されているテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ材料。
【請求項３】
テルビウムとセリウムの総モル数に対するセリウムのモル数の比、即ちセリウムの組成比が０．０１ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光アイソレータ材料。
【請求項４】
アルミニウムの一部がスカンジウムで置換されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光アイソレータ材料。
【請求項５】
アルミニウム、あるいはスカンジウムの一部がテルビウム、セリウム、イットリウム、ルテチウム、イッテルビウム、ツリウムのいずれか１種又は２種以上で置換されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光アイソレータ材料。
【請求項６】
アルミニウム、あるいは前記スカンジウムの一部が＋２価と＋４価の元素の組み合わせで置換されていることを特徴とする請求項５に記載の光アイソレータ材料。
【請求項７】
下記化学式（Ｉ）で表されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光アイソレータ材料。
＜化１＞
（（Ｔｂ１−ｚＣｅｚ）１−ｙＬｙ）ａ（Ｍ１−ｘＮｘ）ｂＡｌｃＯ１２−ｗ…（Ｉ）
上記式（Ｉ）中、ＬはＳｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表し、ＭはＳｃを表し、ＮはＴｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表す。ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚ及びｗは下記式を満たす。
２．５≦ａ≦３．５…（ＩＩ）
０≦ｂ≦２．５…（ＩＩＩ）
２．５≦ｃ≦５．５…（ＩＶ）
０≦ｘ≦１…（Ｖ）
０≦ｙ≦０．５…（ＶＩ）
０．０００１≦ｚ≦０．５…（ＶＩＩ）
０≦ｗ≦０．５…（ＶＩＩＩ）
【請求項８】
融液成長法による単結晶の製造方法であって、酸化テルビウム、酸化アルミニウム及び酸化セリウムを含む粉末原料を加熱溶解し、得られた溶液から種結晶を引き上げてテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を育成することを特徴とする光アイソレータ材料の製造方法。
【請求項９】
前記粉末原料に、更に、酸化スカンジウムを添加してから、加熱溶解して、溶液を調整することを特徴とする請求項８に記載の光アイソレータ材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光アイソレータ材料を有し、偏光依存型又は偏光無依存型であることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項１１】
偏光無依存型であることを特徴とする請求項１０に記載の光アイソレータ。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の光アイソレータと、レーザ光源とを有し、前記光アイソレータが、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光路上に配置されていることを特徴とする光加工器。
【請求項１３】
前記レーザ光源の発振波長が１０８０ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載の光加工器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデー回転子として好適な光アイソレータ材料、その製造方法、光アイソレータ及び光加工器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光アイソレータは光通信に用いられている。近年、光加工器にも光アイソレータが用いられてきている。光加工器は金属等へのマーキングや溶接・切断に用いられる場合が増えており、それに伴い、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザが用いられる光加工器が主流となってきた。Ｙｂドープファイバレーザはレーザダイオード（ＬＤ）からなる光源とファイバー増幅器を組み合わせたものであり、パワーの弱いＬＤからの光出力をファイバー増幅器で増幅したものである。
【０００３】
そのため、１０８０ｎｍの波長の反射戻り光を効率よくカットし、光源の劣化を防止できるとともに、高出力の光に対する耐久性の高い光アイソレータが求められるようになった。このような光アイソレータには、（１）１０８０ｎｍの波長の光透過性が高いこと、（２）大きなファラデー回転角を備えること、（３）大きな単結晶が得られることが必要とされる。この波長に適した材料として、近年、テルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ：Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）単結晶が開発され実用化されている（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、ＴＧＧは、原料成分である酸化ガリウムの蒸発が激しく、結晶の大型化や高品質化、その再現性が難しく、このことが、コストが下がらない原因となっていた。ゆえに、ＴＧＧよりも大きなファラデー回転角（ベルデ定数）を持ち、低コストで生産可能な材料の開発が望まれていた（非特許文献１）。しかし、前記の条件を満たす単結晶が得られておらず、依然として、ＴＧＧだけが市場で利用されている状況であった。
【０００５】
上記ＴＧＧの課題を解決すべく、テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ：Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２）単結晶の開発がすすめられた。ＴＡＧの育成法としては、過熱源としてレーザを用いる改良型の浮融帯溶融法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ法：ＦＺ法）による製造方法が知られている（非特許文献２）。しかし、非特許文献２に記載のＴＡＧは、ＴＧＧよりも大きなベルデ定数を持つためＴＧＧよりも優れるとされる反面、非調和溶融組成を持つ（非特許文献１）ため大型の結晶育成が困難であり、実用に至っていない。
【０００６】
また、テルビウム・スカンジウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＳＡＧ：Ｔｂ３Ｓｃ２Ａｌ３Ｏ１２）単結晶の育成についても研究が行われ、ＴＳＡＧ単結晶は、大型化に優位との報告もある（特許文献１）。しかし、特許文献１に記載のＴＳＡＧは、ＴＧＧより大きなベルデ定数を有し、ＴＡＧに比べて大型の単結晶を育成できるものの、ＴＧＧに比べると、単結晶の大型化が困難であった。
【０００７】
その後、テルビウム・スカンジウム・ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＳＬＡＧ）単結晶が開発された。ＴＳＬＡＧ単結晶は、ＴＧＧ単結晶を越えるファラデー回転角を備え、大型化を実現できた。ところがＴＳＬＡＧ単結晶は高価なＬｕを含有するため、コストが高いことが問題となっている。更に、ファラデー回転角もＴＧＧ単結晶よりは大きいが、更に大きなファラデー回転角を持つ材料も必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９３６９３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ３０６（２００７）１９５−１９９
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２６７（２００４）１８８−１９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、５００〜１１００ｎｍの波長域の光透過性が高く、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶よりも大きなファラデー回転角を備え、かつコストダウンと大型・高品質単結晶育成を再現性良く実現する光アイソレータ材料、その製造方法、光アイソレータ及び光加工器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】
【００１１】
上記問題を解決するため、我々は様々な角度から検討を行った。
ＴＳＬＡＧはＴｂをベースとしたガーネット型単結晶という観点から考えると、光アイソレータ材料としては優れた結晶であった。そこでＴＳＬＡＧよりも大きなファラデー回転角を有し、かつ大型単結晶が育成可能である材料を開発するためには、Ｔｂよりも大きなファラデー回転角を有する元素を見出す必要があると考えた。その結果、ＣｅがＴｂよりも大きなファラデー回転角を持つ可能性を有することを見出した。
そこでＣｅをできるだけ高い濃度で含有し、かつ大型単結晶を育成可能な組成を探索した結果、テルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を見出した。
【００１２】
本発明は以下の構成を有する。
（１）本発明の光アイソレータ材料は、Ｃｅを含有する酸化物であることを特徴とする。
（２）本発明の光アイソレータ材料は、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶のテルビウム（Ｔｂ）の一部がセリウム（Ｃｅ）で置換されているテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶であることが好ましい。
（３）本発明の光アイソレータ材料は、テルビウムとセリウムの総モル数に対するセリウムのモル数、すなわちセリウムの組成比が０．０１ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１３】
（４）本発明の光アイソレータ材料は、アルミニウムの一部がスカンジウムで置換されていてもよい。
（５）本発明の光アイソレータ材料は、アルミニウム、あるいは前記スカンジウムの一部がテルビウム、セリウム、イットリウム、ルテチウム、イッテルビウム、ツリウムのいずれか１種又は２種以上で置換されていてもよい。
（６）本発明の光アイソレータ材料は、アルミニウム、あるいは前記スカンジウムの一部が＋２価と＋４価の元素の組み合わせで置換されても良い。
【００１４】
（７）本発明の光アイソレータ材料は、下記化学式（Ｉ）で表されることが好ましい。
【００１５】
＜化１＞
（（Ｔｂ１−ｚＣｅｚ）１−ｙＬｙ）ａ（Ｍ１−ｘＮｘ）ｂＡｌｃＯ１２−ｗ…（Ｉ）
【００１６】
上記化学式（Ｉ）中、ＬはＳｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表し、ＭはＳｃを表し、ＮはＴｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表す。ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚ及びｗは下記式を満たす。
【００１７】
２．５≦ａ≦３．５…（ＩＩ）
０≦ｂ≦２．５…（ＩＩＩ）
２．５≦ｃ≦５．５…（ＩＶ）
０≦ｘ≦１…（Ｖ）
０≦ｙ≦０．５…（ＶＩ）
０．０００１≦ｚ≦０．５…（ＶＩＩ）
０≦ｗ≦０．５…（ＶＩＩＩ）
【００１８】
（８）本発明の光アイソレータ材料の製造方法は、融液成長法による単結晶の製造方法であって、少なくとも酸化テルビウム、酸化アルミニウム及び酸化セリウムを含む粉末原料を加熱溶解し、得られた溶液から種結晶を引き上げてテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を育成することを特徴とする。
（９）本発明の光アイソレータ材料の製造方法は、前記粉末原料に、更に、酸化スカンジウムを添加してから、加熱溶解して、溶液を調整することが好ましい。
【００１９】
（１０）本発明の光アイソレータは、（１）〜（７）のいずれかに記載の光アイソレータ材料を有し、偏光依存型又は偏光無依存型であることを特徴とする。
（１１）本発明の光アイソレータは、偏光無依存型であることが好ましい。
【００２０】
（１２）本発明の光加工器は、（１０）又は（１１）に記載の光アイソレータと、レーザ光源と、を有し、前記光アイソレータが、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光路上に配置されていることを特徴とする。
（１３）本発明の光加工器は、前記レーザ光源の発振波長が１０８０ｎｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光アイソレータ材料は、Ｃｅを含有する酸化物材料、好ましくは単結晶である構成なので、テルビウムよりも大きなファラデー回転角を有するＣｅを含有することとなり、ファラデー回転角を大きくすることができる。また、波長５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域において、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を超える大きなファラデー回転角を備える材料とすることができる。また、同波長域の透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）を７９％以上にできる。これはコーティングを施すことにより更なる増加が可能である。更に、１０ｍｍ径以上の大径化を実現でき、上記特性を有する大径化単結晶を用いることにより、光アイソレータに容易に加工することができる。
【００２２】
本発明の光アイソレータ材料は、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶のテルビウム（Ｔｂ）の一部がセリウム（Ｃｅ）で置換されているテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶である構成なので、テルビウムよりも大きなファラデー回転角を有するＣｅを含有することとなり、ファラデー回転角を大きくすることができる。また、波長５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域において、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を超える大きなファラデー回転角を備える材料とすることができる。また、同波長域の透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）を７９％以上にできる。これはコーティングを施すことにより更なる増加が可能である。更に、１０ｍｍ径以上の大径化を実現でき、上記特性を有する大径化単結晶を用いることにより、光アイソレータに容易に加工することができる。
【００２３】
本発明の光アイソレータ材料の製造方法は、融液成長法による単結晶の製造方法であって、少なくとも酸化テルビウム、酸化アルミニウム及び酸化セリウムを含む粉末原料を加熱溶解し、得られた溶液から種結晶を引き上げてテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を育成する構成なので、先に記載の光アイソレータ材料を、容易に製造でき、量産も容易であり、製造コストを低減できる。１０ｍｍ径以上の大径化も容易であるので、製造コストをより低減できる。
【００２４】
本発明の光アイソレータは、先に記載の光アイソレータ材料を有し、偏光依存型又は偏光無依存型である構成なので、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザに対して、また、５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域であっても、光アイソレータによりレーザ光源の出力の低下を防止できる。また、同波長域において、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を超えるファラデー回転角を備えるようにできる。これにより、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を用いた場合よりも光アイソレータを小型化できる。更にＴＳＬＡＧ単結晶に対してＬｕを含まない構成とできるので、大幅なコストダウンができる。また、１０ｍｍ径以上の大径化と高品質化ができる単結晶を備えるので、光アイソレータに加工できる。以上により、反射戻り光を効率よくカットし、光源の劣化を防止できるとともに、高出力の光に対する耐久性の高い光アイソレータとすることができる。
【００２５】
本発明の光加工器は、先に記載の光アイソレータと、レーザ光源とを有し、前記光アイソレータが、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光路上に配置されている構成なので、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザを用いたときに、反射戻り光を効率よくカットし、光源の劣化を防止できるとともに、高出力の光に対して耐久性を高く使用できる。また、光アイソレータの小型化により、光加工器を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る単結晶を用いた光アイソレータの一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係る単結晶を、結晶引上げ炉を用いて育成する工程を示す図である。
【図３】本発明に係る単結晶を用いた光加工器の一実施形態を示す概略図である。
【図４】実施例１のＴＣＳＡＧ２％単結晶（結晶Ａ）の写真である。
【図５】実施例１のＴＣＳＡＧ２％単結晶及び実施例２のＴＣＳＡＧ２０％単結晶の透過スペクトルを示すグラフである。
【図６】実施例１（ＴＣＳＡＧ２％単結晶）、実施例２（ＴＣＳＡＧ２０％単結晶）及び比較例１（ＴＧＧ単結晶）、比較例２（ＴＳＬＡＧ単結晶）のベルデ定数（Ｖｅｒｄｅｔ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）と波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態である光アイソレータ材料、その製造方法、光アイソレータ及び光加工器について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
＜光アイソレータ＞
図１は、本発明の実施形態である光アイソレータの一実施形態を示す概略図である。
図１に示すように、光アイソレータ１０は、偏光子１と、検光子２と、偏光子１と検光子２との間に配置されるファラデー回転子３とを備えている。ここで、偏光子１及び検光子２は、それらの透過軸同士が互いに非平行となるように、例えば４５°の角度をなすように配置されている。
【００２９】
ファラデー回転子３には、例えば偏光子１から検光子２に向かう方向、即ち光Ｌの入射方向に沿って磁束密度Ｂが印加されるようになっており、ファラデー回転子３は、磁束密度Ｂの印加により、偏光子１を通過した光Ｌについて、その偏光面を回転させて、検光子２の透過軸を通過させるようになっている。
なお、光アイソレータ１０は上記構成に限られるものではなく、偏光子又は検光子の少なくともいずれか一つを有する構成であればよい。即ち、偏光子１の代わりに検光子２を用いて、２枚とも検光子としてもよく、検光子２の代わりに偏光子１を用いて、２枚とも偏光子としてもよい。
この構成は偏光依存型と呼ばれるが、光アイソレータの構成はこれに限られることはなく、例えば偏光無依存型としても良い。
偏光無依存型は、偏光子１及び検光子２の代わりに、複屈折結晶製くさびを配置した光アイソレータである。光入射側の複屈折結晶製くさびによって偏光を常光と異常光に分離し、ファラデー回転子内を通過させてから、光出射側の複屈折結晶製くさびに入射し、この中で、１つの光としてから出射する。しかし、逆方向の光は、最終的に１つの光とならない。入射光の状態を問わず使用でき、汎用性の高いアイソレータとして使用できる。
【００３０】
＜光アイソレータ材料（ファラデー回転子）＞
次に、ファラデー回転子３について詳細に説明する。
ファラデー回転子３は、本発明の実施形態である光アイソレータ材料で構成されている。即ち、Ｃｅを含有する酸化物で構成されている。
より具体的には、テルビウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶のテルビウム（Ｔｂ）の一部がセリウム（Ｃｅ）で置換されたテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶で構成されている。
前記構成を有することにより、本発明の実施形態である光アイソレータ材料は、（１）５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域の透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）が７９％以上であり（コーティングにより更なる増加が可能）、（２）同波長域のベルデ定数がＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶より大きく、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を越えるファラデー回転角を備え、（３）１０ｍｍ径以上の大径化を実現可能である。
【００３１】
本発明の実施形態である光アイソレータ材料は、テルビウムに対して０．０１ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の組成比でテルビウムの一部がセリウムで置換されていることが好ましい。
【００３２】
本発明の実施形態である光アイソレータ材料は、アルミニウムの一部がスカンジウムで置換されていてもよい。スカンジウムが含有されていても、前記（１）〜（３）の特性を備えた単結晶とすることができる。
【００３３】
また、本発明の実施形態である光アイソレータ材料は、アルミニウム、あるいはスカンジウムの一部がテルビウム、セリウム、イットリウム、ルテチウム、イッテルビウム、ツリウムのいずれか１種又は２種以上で置換されていてもよい。これらの元素を含有していても、前記（１）〜（３）の特性を備えた単結晶とすることができる。
【００３４】
本発明の実施形態である光アイソレータ材料は、下記化学式（Ｉ）で表されることが好ましい。
【００３５】
＜化１＞
（（Ｔｂ１−ｚＣｅｚ）１−ｙＬｙ）ａ（Ｍ１−ｘＮｘ）ｂＡｌｃＯ１２−ｗ…（Ｉ）
【００３６】
上記化学式（Ｉ）中、ＬはＳｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表し、ＭはＳｃを表し、ＮはＴｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上を表す。ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚ及びｗは下記式を満たす。
【００３７】
２．５≦ａ≦３．５…（ＩＩ）
０≦ｂ≦２．５…（ＩＩＩ）
２．５≦ｃ≦５．５…（ＩＶ）
０≦ｘ≦１…（Ｖ）
０≦ｙ≦０．５…（ＶＩ）
０．０００１≦ｚ≦０．５…（ＶＩＩ）
０≦ｗ≦０．５…（ＶＩＩＩ）
【００３８】
上記化学式（Ｉ）中、ａは通常３であるが、構成元素の種類や欠陥等の発生、結晶の安定性により２．５〜３．５の範囲で変動し得る。また、ｂは通常２であるが、構成元素の種類や欠陥等の発生、結晶の安定性により、０〜２．５の範囲で変動し得る。更にまた、ｃは通常３であるが、構成元素の種類や欠陥等の発生、結晶の安定性により、２．５〜５．５の範囲で変動し得る。
【００３９】
上記化学式（Ｉ）中、ＮはＴｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種のみで構成されていてもよく、前記１種のほか更に別のＴｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種以上を含むものであってもよい。
【００４０】
ｘが上記範囲内にあると、Ｍ、即ち、ＳｃのサイトへのＮ、即ち、Ｔｂ、Ｃｅ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上の置換効果がより充分に得られ、ｘが１より大きい場合に比べて結晶を安定化させることができ、育成がより容易になる。
【００４１】
また、ｙが上記範囲内にあると、ｙが上記範囲を外れる場合に比べて、結晶内の歪を小さく抑えられる。ここで、ｙは小さい値であればある程好ましい。即ち、Ｔｂ及びＣｅのサイトは、Ｌ、即ち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｈｆ又はＺｒのいずれか１種又は２種以上の元素でできるだけ置換されていないことが好ましい。ｙが小さい程ベルデ定数を向上させることができる。
【００４２】
ｚは、Ｔｂに対するＣｅの置換量を示す数である。ＴｂとＣｅの総モル数に対するＣｅのモル数、すなわちＣｅの組成比は０．０１ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下とすることが好ましく、０．０００１≦ｚ≦０．５を満たすことが好ましい。Ｃｅの濃度が高い方がベルデ定数は大きくなるが、あまり濃度が高いと結晶育成が難しくなる。
【００４３】
アルミニウム、あるいはスカンジウムの一部は＋２価と＋４価の元素の組み合わせで置換されても良い。例えば、Ｃａ２＋とＭｇ２＋、Ｚｒ４＋、Ｈｆ４＋のような元素の組み合わせで置換されても良い。
【００４４】
＜光アイソレータ材料（ファラデー回転子）の製造方法＞
次に、上記光アイソレータ材料（ファラデー回転子３）の製造方法について説明する。
まず、ファラデー回転子３を構成するガーネット型単結晶を育成する結晶引上げ炉について、図２を参照しながら説明する。図２は、上記ガーネット型単結晶を、結晶引上げ炉を用いて育成する工程を示す図である。
【００４５】
図２に示すように、結晶育成装置２０は、イリジウム製ルツボ２１と、ルツボ２１を収容するセラミック製の筒状容器２２と、筒状容器２２の周囲に巻回される高周波コイル２３とを主として備えている。高周波コイル２３は、ルツボ２１に誘導電流を生じさせ、ルツボ２１を加熱するためのものである。
【００４６】
次に、上記結晶引上げ炉２０を用いた上記単結晶の育成方法について説明する。
まずＴｂ４Ｏ７粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末、ＣｅＯ２粉末を含む粉末原料を用意する。このとき、粉末原料は、必要に応じ、Ｓｃ２Ｏ３粉末、Ｌｕ２Ｏ３粉末及びＹ２Ｏ３粉末の少なくとも１種をさらに含んでもよい。上記粉末原料は、例えば上記Ｔｂ４Ｏ７粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末、及びＣｅＯ２粉末を乾式混合して、得ることができる。
乾式混合の代わりに、湿式混合した後、乾燥させてもよい。
【００４７】
粉末原料中のＴｂ４Ｏ７粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末、ＣｅＯ２粉末の配合率は、育成すべき単結晶の組成に基づいて決定する。
【００４８】
そして、上記粉末原料をルツボ２１に詰めた後、高周波コイル２３に高周波電流を印加する。すると、ルツボ２１が加熱され、ルツボ２１内で粉末原料が室温から所定の温度まで加熱される。ここで、所定の温度は、粉末原料を溶解させることが可能な温度である。こうして粉末原料が溶解され、溶液２４が得られる。続いて、溶液２４を融液成長法によって成長させる。具体的には、まず棒状の結晶引き上げ軸、即ち種結晶２５を用意する。そして、種結晶２５の先端を溶液２４に接触させた後、種結晶２５を所定の回転数で回転させながら、所定の引上げ速度で引き上げる。
【００４９】
このとき、種結晶２５としては、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などのガーネット型単結晶を用いる。種結晶２５の回転数は、好ましくは３〜５０ｒｐｍとし、より好ましくは３〜１０ｒｐｍとする。種結晶２５の引き上げ速度は、好ましくは０．１〜３ｍｍ／ｈとし、より好ましくは０．５〜１．５ｍｍ／ｈとする。種結晶２５の引上げは、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、Ａｒ、窒素などを用いることができる。種結晶２５を不活性ガス雰囲気下にするためには、密閉ハウジング中に不活性ガスを所定の流量で導入しながら排出すればよい。
【００５０】
こうして種結晶２５を引き上げると、種結晶２５の先端に、上記化学式（Ｉ）で表されるバルク状の育成結晶２６を得ることができる。このとき、Ｔｂの一部がＣｅで置換されているテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなる育成結晶２６を容易に作製することができ、育成結晶２６の大型化を実現することができる。
【００５１】
＜光加工器＞
次に、本発明の光加工器について図３を参照しながら詳細に説明する。
なお、図３において、図１と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００５２】
図３は、本発明の光加工器の一実施形態を示す概略図である。
図３に示すように、光加工器１００は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌの光路Ｐ上に配置される光アイソレータ１０とを備えている。この光加工器１００によれば、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌが光アイソレータ１０を通って出射され、その出射光により被加工体Ｑを加工することが可能となっている。
【００５３】
ここで、光アイソレータ１０に用いられる光アイソレータ材料は、テルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を一例として上述したように、（１）５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域の透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）が７９％以上であり（コーティングにより増加可能）、（２）同波長域のベルデ定数がＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶より大きく、同波長域でＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を越えるファラデー回転角を備え、（３）十分な大型化を実現することも可能である。  
【００５４】
従って、レーザ光源１１としては、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザを用いることが好適である。しかし、これに限られるものではなく、５００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域のレーザ光源を使用してもよい。これにより、反射戻り光を効率よくカットし、光源の劣化を防止できるとともに、高出力の光に対して耐久性を高く使用できる。また、光アイソレータの小型化により、光加工器を小型化できる。
【００５５】
上記実施形態では、テルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなる光アイソレータ材料を、光加工器の光アイソレータに使用しているが、光アイソレータに限らず、ファラデー回転子を使用し、ファラデー回転角の変化を計測することで磁界の変化を観測する光磁界センサなどにも適用可能である。
【００５６】
本発明の実施形態である光アイソレータ材料、その製造方法、光アイソレータ及び光加工器は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００５７】
（実施例１：ＴＣＳＡＧ２％サンプル）
まず、純度９９．９９％の酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化セリウム（ＣｅＯ２）原料粉末とを準備した。
【００５８】
そして、上記各原料粉末を乾式混合して混合粉末を得た。このとき、ＣｅＯ２原料粉末は、Ｔｂ元素とＣｅ元素の合計モル数を基準（１００モル％）としてＣｅ元素が２モル％の割合で含まれる、つまりモル比でＴｂ４Ｏ７：ＣｅＯ２：Ｓｃ２Ｏ３：Ａｌ２Ｏ３＝１．４７：０．１２：２：３となるようにした。次いで、最終原料（粉末原料）としてＩｒるつぼに投入した。るつぼの形状は円筒形であり、直径は約４０ｍｍ、高さは約４０ｍｍであった。
【００５９】
そして、粉末原料を室温から１９５０℃まで加熱して溶解させることにより溶液を得た。次いで、この溶液に、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）からなる３ｍｍ×３ｍｍ×７０ｍｍの角棒状の種結晶の先端を接触させ、種結晶を、１０ｒｐｍの回転数で回転させながら、種結晶を１時間当たり１ｍｍの速度で引き上げ、バルク状の結晶を育成した。このとき、結晶の育成はＮ２ガス雰囲気下で行い、Ｎ２ガスの流量は１．０（ｌ／ｍｉｎ）とした。こうして直径約１．４ｃｍ、長さ約４．５ｃｍの透明な単結晶（結晶Ａ）を得た。図４は、結晶Ａの写真である。黄色みがかった透明な単結晶であった。
【００６０】
こうして得られた結晶ＡについてＸ線回折を行ったところ、ガーネット型単結晶が単相で得られていることが確認された。また、得られた結晶Ａについて、Ｘ線回折による構造解析を行った結果、Ｔｂの一部がＣｅで、Ａｌの一部がＳｃで置換されていることが確認された。
【００６１】
さらに、上記結晶Ａについて、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）による化学分析を行い、単結晶の組成（Ｔｂ、Ｓｃ、Ａｌ及びＣｅの原子数比）を確認した。
この結果、下記式：
Ｔｂ２．８７３Ｃｅ０．０１８Ｓｃ１．８５９Ａｌ３．２５０Ｏ１２
で表される組成を有する単結晶が得られていることが確認された。
【００６２】
（実施例２：ＴＣＳＡＧ２０％サンプル）
混合粉末を得る際、ＣｅＯ２原料が、Ｔｂ元素とＣｅ元素の合計モル数を基準（１００モル％）としてＣｅ元素が２０モル％の割合で含まれるようにしたこと以外は実施例１と同様にして直径約１．３ｃｍ、長さ約４．３ｃｍの透明な単結晶（結晶Ｂ）を得た。
【００６３】
こうして得られた結晶ＢについてＸ線回折を行ったところ、ガーネット型単結晶が単相で得られていることが確認された。また、得られた結晶Ｂについて、Ｘ線回折による構造解析を行った結果、Ｔｂの一部がＣｅで、Ａｌの一部がＳｃで置換されていることが確認された。
【００６４】
さらに、上記結晶Ｂについて、実施例１と同様にしてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）による化学分析を行った。
その結果、下記式：
Ｔｂ２．６９９Ｃｅ０．１９５Ｓｃ１．９１５Ａｌ３．１９１Ｏ１２
で表される組成を有する単結晶が得られていることが確認された。
【００６５】
（比較例１）
比較例１として、Ｆｕｊｉａｎ  Ｃａｓｔｅｃｈ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ社製Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２（ＴＧＧ）を使用した。
【００６６】
（比較例２）
比較例２として、以下の方法で生成したＴｂ３（Ｓｃ，Ｌｕ，Ａｌ）５Ｏ１２（ＴＳＬＡＧ）を使用した。
【００６７】
まず、純度９９．９９％の酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）原料粉末と、純度９９．９９％の酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）原料粉末とを準備した。
【００６８】
そして、上記各原料粉末を乾式混合して混合粉末を得た。このとき、Ｌｕ２Ｏ３原料粉末は、Ｓｃ２Ｏ３原料粉末及びＬｕ２Ｏ３原料粉末の合計モル数を基準（１００モル％）として２．５モル％の割合で含まれるようにした。次いで、上記混合粉末をＩｒるつぼに投入した。るつぼの形状は円筒形であり、直径は約５０ｍｍ、高さは約５０ｍｍであった。
【００６９】
そして、粉末原料を室温から１９５０℃まで加熱して溶解させることにより溶液を得た。次いで、この溶液に、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）からなる３ｍｍ×３ｍｍ×７０ｍｍの角棒状の種結晶の先端を接触させ、種結晶を、１０ｒｐｍの回転数で回転させながら、種結晶を１時間当たり１ｍｍの速度で引き上げ、バルク状の結晶を育成した。このとき、結晶の育成はＮ２ガス雰囲気下で行い、Ｎ２ガスの流量は２．０（ｌ／ｍｉｎ）とした。こうして直径約２．５ｃｍ、長さ約１２ｃｍの透明な単結晶を得た。  
【００７０】
［特性評価］
（透過率）  
上記のようにして得られた実施例１、２の単結晶を、Ｗ［ｍｍ］×Ｈ［ｍｍ］×Ｌ［ｍｍ］＝３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×１２ｍｍとなるように角棒状に切り出し、この切り出した結晶について、広い波長域（２００〜２５００ｎｍ）における透過率を測定した。結果を図５に示す。
図５は、実施例１のＴＣＳＡＧ２％単結晶及び実施例２のＴＣＳＡＧ２０％単結晶の透過率と波長との関係、即ち透過スペクトルを示すグラフである。なお、図５において、実施例１の透過スペクトルは実線で、実施例２の透過スペクトルは破線で示した。実施例１、２いずれの単結晶も５００〜１５００ｎｍの波長域で７９％以上の透過率を示した。
【００７１】
（ファラデー回転角）
上記のようにして得られた実施例１、２及び比較例１、２の単結晶について、４００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域におけるファラデー回転角を測定した。  
【００７２】
ファラデー回転角の測定は以下のようにして行った。即ちまず偏光子と偏光子との間に単結晶を配置しない状態で偏光子を回転させて消光状態にした。
次に、実施例１、２及び比較例１、２の単結晶を、Ｗ［ｍｍ］×Ｈ［ｍｍ］×Ｌ［ｍｍ］＝３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×１２ｍｍとなるように角棒状に切り出し、これを、偏光子と偏光子との間に配置し、単結晶の長手方向に沿って０．４２Ｔの磁束密度を印加した状態で光を入射し、再度偏光子を回転させて消光状態にした。
そして、偏光子と偏光子との間に単結晶を挟む前の偏光子の回転角と、単結晶を挟んだ後の偏光子の回転角との差を算出し、この角度差をファラデー回転角とした。
光源の波長は４００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長域で変化させた。
【００７３】
次に、ファラデー回転角θと、光の通過距離Ｌｌｉｇｈｔ、磁界の強さＨから、ファラデー効果においてθ＝γＬｌｉｇｈｔＨと表される式の比例定数γであるベルデ定数（Ｖｅｒｄｅｔ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）を算出した。
図６は、実施例１（ＴＣＳＡＧ２％単結晶）、実施例２（ＴＣＳＡＧ２０％単結晶）及び比較例１（ＴＧＧ単結晶）、比較例２（ＴＳＬＡＧ単結晶）のベルデ定数（Ｖｅｒｄｅｔ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）と波長との関係を示すグラフである。
図６に示すように、比較例１（ＴＧＧ）が４００〜１１００ｎｍの波長域で最も小さなベルデ定数を示した。また、比較例２（ＴＳＬＡＧ）が４００〜１１００ｎｍの波長域でＴＧＧに次いで小さなベルデ定数を示した。また、実施例１（ＴＣＳＡＧ２％）は、５００〜１１００ｎｍの波長域で、比較例２（ＴＳＬＡＧ）よりわずかに大きいベルデ定数を示した。そして、実施例２（ＴＣＳＡＧ２０％）は、５００〜１１００ｎｍの波長域で、比較例１（ＴＧＧ）、比較例２（ＴＳＬＡＧ）及び実施例１（ＴＣＳＡＧ２％）のいずれよりも大きいベルデ定数を示した。
【００７４】
図６に示す結果より、以下の点が明らかとなった。
（１）Ｔｂの一部がＣｅで置換されたテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶からなる実施例１、２の単結晶はいずれも、５００〜１５００ｎｍの波長域で７９％以上の透過率を示した。即ち、１０８０ｎｍ近傍の範囲で高い透過率が維持された。
（２）５００〜１１００ｎｍの波長域において、実施例１、２の単結晶はベルデ定数がＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶に比べて大きかった。
（３）実施例１、２において、直径約１．３〜１．４ｃｍ、長さ約４．３〜４．４ｃｍの大型で且つ透明な単結晶を得ることができた。
【００７５】
以上の結果より、Ｔｂの一部をＣｅで置換させたテルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶は、１０８０ｎｍの波長において、ＴＧＧ単結晶及びＴＳＬＡＧ単結晶を超えるファラデー回転角を持つことが分かった。ゆえに、本発明は、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザを用いた光加工機の光アイソレータ用単結晶として好適である。
【００７６】
また本発明に係る光アイソレータ材料は、テルビウム・セリウム・アルミニウム・ガーネット型単結晶を一例とするように、十分な大型化を実現することができる。このため、得られた単結晶から、多数の単結晶を切り出すことができ、光アイソレータの価格を低下させることができる。また高価なＬｕを用いないため、ＴＳＬＡＧに比べて原料代のコストダウンもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の光アイソレータ材料は、発振波長が１０８０ｎｍのＹｂドープファイバレーザを用いた光加工機の光アイソレータ用単結晶として好適に使用することができ、光加工産業、光デバイス産業等において利用可能性がある。更に、本発明はファラデー回転子を使用しファラデー回転角の変化を計測することで磁界の変化を観測する光磁界センサなどにも適用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…偏光子、２…検光子、３…光アイソレータ材料（ファラデー回転子）、１０…光アイソレータ、１１…レーザ光源、２０…結晶育成装置、２１…イリジウム製ルツボ、２２…筒状容器、２３…高周波コイル、２４…溶液、２５…種結晶、２６…単結晶、１００…光加工器、Ｌ…レーザ光、Ｐ…光路、Ｑ…被加工体。
【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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