(57)【要約】  本発明は、希土類元素のイオンによってドーピングされた固体ホスト材料15の主相を基本的にもつ利得媒体10を有する固体レーザデバイス1に関する。本発明によれば、希土類元素イオンの少なくとも一部が、エネルギ的にホスト材料15の最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間に位置する少なくとも一つの4f‐状態16、同17及び少なくとも一つの5d‐帯18を備えたCe3+イオン19であり、最も高い4f‐状態17と5d‐帯18の底縁とが第1のエネルギ準位の差△1をもち、最も低い4f‐状態16と5d‐帯18の上部縁とが第2のエネルギ準位の差△2をもつことを特徴とし、結果として生じる利得媒体10が、励起状態吸収を機能停止にするために、非占有状態が全くないエネルギ区域20をもつよう前記ホスト材料15が選択されることを特徴とし、当該エネルギ区域20は、前記第1のエネルギ準位の差△1の値だけ前記5d-帯18の底縁の上にある低いエネルギ21と、前記第2のエネルギ準位の距離△2の値だけ前記5d-帯18の上部縁の上にある、より高いエネルギとの間に位置しており、考え得るホスト材料はY3AlGa4O12、Ca3Sc2Si3O12である。本発明は更に、少なくとも一つの固体レーザデバイス1を有する、対応する照明システムに関する。
2012521650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類イオンでドーピングされた固体ホスト材料の主相を基本的にもつ利得媒体を有する固体レーザデバイスであって、当該希土類イオンの少なくとも一部が、少なくとも一つの4f-状態及び少なくとも一つの5d-帯を、前記ホスト材料のエネルギ的に最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間に有するCe3+イオンであり、
−    最も高い前記4f-状態と前記5d-帯の底縁とが 第1のエネルギ準位距離をもち、
-    最も低い前記4f-状態と前記5d-帯の上部縁とが第2のエネルギ準位距離をもち、
結果として生じる前記利得媒体が、励起状態吸収を機能停止にするために、非占有状態がないエネルギの区域をもつよう前記ホスト材料が選択され、当該エネルギの区域が、
-    前記第1のエネルギ準位距離の値だけ前記5d-帯の前記底縁の上にある低いエネルギと、
−    前記第2のエネルギ準位の距離の値だけ前記5d-帯の前記上部縁の上にある、より高いエネルギと、
の間の位置にあることを特徴とする、固体レーザデバイス。
【請求項２】
前記5d-帯が、少なくとも0.5 eVだけ導電帯から熱的に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項３】
前記希土類イオンがCe3+イオンであるか、又はCe3+イオンと他の希土類イオンとの混合物であり、当該他の希土類イオンがPr3+イオン、Sm3+イオン、Eu3+イオン、Tb3+イオン、Dy3+イオン、及びTm3+イオンのグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項４】
前記ホスト材料が（Y1-x-yGdxLuy)3Al5‐zGaz012（ここで1≦z≦5、0≦x≦1、0≦y≦1、x＋y ≦l)で表される材料から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項５】
前記ホスト材料が、Ca3Sc2Si3O12であるよう選択されることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項６】
前記ホスト材料が、0.005 mol％乃至5 mol％の範囲の希土類イオンのドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項７】
前記ホスト材料がセラミック材料又は単結晶材料であることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載の固体レーザデバイスが更に、青色光及び/又は紫外光を発する励起光源を有し、前記利得媒体が当該励起光源の光路中にあることを特徴とする、固体レーザデバイス。
【請求項９】
前記レーザデバイスが、緑色のレーザ光を発するレーザデバイスであることを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項１０】
前記利得媒体により発されるレーザ光が、前記光路の主軸に対して平行又は垂直に位置合わせされていることを特徴とする、請求項８に記載の固体レーザデバイス。
【請求項１１】
前記ホスト材料が、最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間に5.5 eV以上のエネルギ・ギャップを有することを特徴とする、請求項１に記載の固体レーザデバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載の少なくとも一つの固体レーザデバイスを有する照明システムであって、当該システムが
−    スポット照明システム、
−    劇場用照明システム、
−    光ファイバのアプリケーション・システム、
−    プロジェクタのシステム、
−    自己点灯するディスプレイ・システム、
−    ピクセル化されたディスプレイ・システム、
−    セグメント化されたディスプレイ・システム、
−    警告標識システム、
−    医療用の照明応用システム、
−    標識サインのシステム、
−    携帯用のシステム、及び
−    自動車用のアプリケーション、
の内の一つ以上で使用されることを特徴とする、照明システム。
【請求項１３】
前記レーザデバイスが、緑色のレーザ光を発するレーザデバイスであることを特徴とする、請求項１２に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記システムが複数の更なるレーザデバイスを有するRGB‐システムであり、これらの更なるレーザデバイスのうちの1つが赤色光を発し、当該更なるレーザデバイスの別のデバイスが青色光を発することを特徴とする、請求項１３に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類元素のイオンでドーピングされた固体のホスト材料の主相を基本的にもつ利得媒体を有する固体レーザデバイスに関する。本発明は更に、少なくとも一つの前記固体レーザデバイスを有する、対応する照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、高い輝度の光源を必要とするプロジェクタのシステム用及び他のシステム用の光源として、UHP（超高性能）ランプと置き換わることだろう。赤色レーザダイオード及び青色レーザダイオードが入手可能である一方、緑色光の波長域の一体化されたレーザ光源の欠如は  −これまで‐  表示アプリケーション又は照明アプリケーションに対するレーザの広範囲にわたる使用をブロックしてきた。これまで、一体化された緑色レーザは入手不可能で、波長変換スキームが適用されねばならなかった。
【０００３】
利得媒体としてPr3+でドーピングされたフッ化物材料に基づく青色ダイオード励起固体レーザ（bDPSSL）が、斯様な一体化された緑色レーザ用として多数の関心を近年引きつけてきた。これらのレーザは、波長が選択された安定な励起ダイオードに限定される。これらのレーザは線形な波長変換スキームを使用する。これは結果として二次高調波を用いるシステムよりも温度ドリフトに対する感度がより低くなり、一体化され、これ故低コストの解決案になる可能性を生じる。Pr3+でドーピングされたフッ化物材料に基づく斯様な青色ダイオード励起型固体レーザの典型的な構成は、レーザ利得媒体（レーザ発振媒体）としてPr:YLF（YLF：イットリウム・フッ化リチウム）を使用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのレーザは非常に高い効率に達するが、一体化されたプロジェタなどのアプリケーションに関して複数の欠点及び不利な点を同時にもっている。即ちPr:YLFは、通常の青色レーザダイオード（〜445 nm）の照射波長では吸収線の幅が狭い。これは、Prの吸収に正確に適合した発光スペクトルをもつレーザダイオードの選択を必要とする。斯様なレーザダイオードの取捨選択は、励起型のレーザ及びトータルシステムのコストを直接上昇させることであろう。更にまた、レーザダイオードの発した光がダイオード電流と温度とによってシフトする。
【０００５】
セリウム（Ce)でドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ce:YAG）は、発光ダイオード（LED）の蛍光体として広範囲にわたる用途を見出してきた。異なる4f-状態間の電気双極子禁制遷移である、可視域でのPr3+イオンの光学的な遷移とは異なり、Ce3+イオンの関連する遷移は4f-準位と5d-準位との間であり、電気双極子を許容する。YAG:Ceでは、これは結果として青色波長域において強く幅の広い吸収を生じ、黄色の波長で最大値をもち、500 nmから650 nmにわたって幅が広く強い発光帯を生じる。
【０００６】
これらの有利な特徴に起因して、Ce:YAGは固体レーザ用の材料としても研究された。しかしながら、予想される上位のレーザ準位から導電帯への、又は別の高い位置にある5d-準位へのCeイオンの強い吸収が、この材料のレーザ発振を阻止する。この吸収現象は、励起状態吸収（ESA）と呼ばれている。同じ状況がCe:Lu3Al5O12（Ce:LuAG）にもある。Ce:Lu3Al5O12では、ESAプロセスはエネルギが在る場所のところで終わり、励起スペクトルは強い信号を示す。この強い信号は、ESAに関するエネルギが高い状態密度にあるとの表示であり、これ故、ESAはCe:LuAGのレーザ動作を阻止する。
【０００７】
本発明の目的は、480 nmから580 nmまでの緑色の波長域の光を発するか、又はこの波長域の何らかの下位波長域の光を発する固体レーザを提供することであり、当該固体レーザは、より短波長で発光するLED又はレーザダイオードのような発光デバイスにより励起されることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、請求項１による固体レーザにより達成される。好都合な実施例は従属請求項の主題であり、及び/又は、本発明を実施するための実施例を含む以下の記述において説明されている。
【０００９】
提案された固体レーザは、希土類元素のイオンでドーピングされた固体のホスト材料の主相を基本的にもつ利得媒体を有し、希土類元素のイオンの少なくとも一部は、4f-基底状態をもつCe3+イオンであり、少なくとも一つの5d-帯が、エネルギ的に、ホスト材料の最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間にあり、最も高い4f-状態と5d-帯の底縁とが第1のエネルギ準位の距離を有し、最も低い4f-状態と5d-帯の上部縁とが第2のエネルギ準位の距離を有し、結果として生じる利得媒体は非占有状態が全くないエネルギの区域をもつようホスト材料が選択され、当該エネルギの区域が励起状態吸収（ESA）を機能停止にし、当該エネルギの区域は、第1のエネルギ準位の距離の値だけ5d-帯の底縁の上にある低いエネルギと、第2のエネルギ準位の距離の値だけ5d-帯の上部縁の上にある、より高いエネルギとの間に位置している。好ましくは、固体のホスト材料はガーネットである。
【００１０】
用語「基本的に」は、特に95％以上、好ましくは98％以上を意味し、利得媒体のホスト材料の最も好ましくは99.5％以上が、所望の構造及び/又は構成をもっている。
【００１１】
用語「主相」は、上述の材料と、例えばセラミック処理の間に加えられる添加物との混合物から生じる他の相があることを意味する。これらの添加物は、最終材料に完全に又は部分的に組み込まれることができ、複数の化学的に異なる種類の混合物でもよいし、特に溶剤のような従来から知られている種類を含んでいてもよい。
【００１２】
適切な固体のホスト材料は、Ceでドーピングされた固体のホスト材料を調合する際に見つかることがあり、結果として生じた利得媒体の、どちらも約150 nmから約700 nmの波長域にある光励起スペクトル、発光スペクトル、及び光導電性スペクトルを測定する際に見つかることがある。
【００１３】
本発明に関して、用語「非占有状態が全く無く、励起状態吸収を機能停止させるエネルギの区域」は特に、前記非占有状態に対応するしかるべきスペクトルによるエネルギの区域内では、励起スペクトルが如何なる観察可能な信号パターンも示していないことを意味する。
【００１４】
本発明の好ましい実施例によれば、レーザ発振プロセスに関与する5d-帯は導電帯から熱的に分離されている。5d-帯を導電帯から熱的に分離するためのエネルギ差は、少なくとも0.5 eVである。
【００１５】
本発明の好ましい実施例によれば、希土類元素イオンはCe3+イオン、又はCe3+イオンと他の希土類元素イオンとの混合物であり、他の希土類元素イオンはPr3+イオン、Sm3+イオン、Eu3+イオン、Tb3+イオン、Dy3+イオン、及びTm3+イオンのグループから選択される。
【００１６】
本発明の好ましい実施例によれば、ホスト材料は（Y1-x-yGdxLuy)3Al5-zGazO12（1≦z≦5、0≦x≦l、0≦y≦l、及びx＋y≦1）から選択される。当該ホスト材料は、好ましくはY3AlGa4O12である。
【００１７】
本発明の別の好ましい実施例によれば、ホスト材料はCa3Sc2Si3O12であるよう選択される。好ましくは、希土類元素イオンでドーピングされる固体のホスト材料はCa3-xCexSc2Si3O12（0.005≦x≦0.2）であり、好ましくは、希土類元素イオンでドーピングされる固体ホスト材料はCa2.97Ce0.03Sc2Si3O12である。
【００１８】
本発明の好ましい実施例によれば、ホスト材料は0.005 mol％乃至5 mol％、特に0.1 mol％乃至1 mol％の範囲にある希土類元素イオンのドーパント濃度をもつ。
【００１９】
本発明の好ましい実施例によれば、ホスト材料はセラミック又は単結晶の材料である。提案された材料が標準的な結晶成長技術によって、及びセラミックの焼結技術により調合されることができる。両方法はYAGベースのレーザ材料用として全く普通に見られるものであり、提案されたガーネット構造へと容易に転用されることができる。セラミック加工に対する可能性は、青色ダイオード励起型固体レーザ（bDPSSL）のコスト構造に関しては、Pr:YLFと比較して、更に有利である。
【００２０】
本発明の好ましい実施例によれば、固体レーザは更に、青色光及び/又は紫外光を発する励起光源を有し、利得媒体は当該励起光源の光路中にある。当該励起光源は、好ましくは半導体の励起ダイオードであり、特に利得媒体を励起するためのレーザダイオードである。
【００２１】
本発明の好ましい実施例によれば、レーザデバイスは緑色のレーザ光を発するレーザデバイスである。用語「緑色のレーザ光」は、（適切に励起されると）利得物質が480 nmと580 nmとの間で最大発光する可視域の発光を示すことを特に意味する、及び/又は含む。
【００２２】
本発明の好ましい実施例によれば、利得媒体により発されるレーザ光は、光路の主軸に対して平行又は垂直に位置合わせされる。
【００２３】
本発明の好ましい実施例によれば、ホスト材料は、最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間で5.5 eV以上のエネルギ・ギャップをもつ。
【００２４】
本発明は更に、少なくとも一つの上に記した固体レーザデバイスを有する照明システムに関し、当該システムは、以下のアプリケーション、即ち
−    スポット照明システム
−    劇場照明システム
−    光ファイバの応用システム
−    プロジェクション・システム、
−    自己点灯するディスプレイ・システム、
−    ピクセル化されたディスプレイ・システム、
−    セグメント化されたディスプレイ・システム、
−    警告標識システム、
−    医療用の照明応用システム、
−    標識サインのシステム、
−    携帯用のシステム、及び
−    自動車用アプリケーション、
の一つ以上で使われる。
【００２５】
本発明の好ましい実施例によれば、当該システムのレーザデバイスは、緑色のレーザ光を発するレーザデバイスである。
【００２６】
本発明の好ましい実施例によれば、当該システムは更なるレーザデバイスを有するRGB-システム（R：赤色、G：緑色、B：青色）であり、これらの更なるレーザデバイスの一つが赤色光を発し、更なるレーザデバイスの別の一つが青色光を発する。
【００２７】
上に記したコンポーネント、請求項に記載のコンポーネント、及び説明された実施例中にある本発明に従って使用されるコンポーネントは、当該コンポーネントのサイズ、形状、材料選択に関して、どのような特別な例外にも従属することはなく、関連する分野で知られている選択基準などの技術的な概念が、制限なく適用されることができる。
【００２８】
本発明の目的の追加の詳細、特徴、特性、及び長所が、従属請求項、図、並びにそれぞれの図及び例についての以下の説明で開示されており、これらは  ‐例示的な態様で‐  本発明による固体レーザの一実施例及び例を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好ましい実施例による、横方向に励起された固体レーザデバイスの例の平面図を示す。
【図２】利得媒体の好ましい実施例の励起方式を示す。
【図３】0.2 mol％のCeをドーピングした種々異なるガーネット材料の励起スペクトルを示す。
【図４】0.2 mol％のCeをドーピングしたY3AlGa4O12（Ce3+:Y3AlGa4O12）材料の発光スペクトルを示す。
【図５】CeをドーピングしたCa3Sc2Si3O12 (Ce3+:Ca3Sc2Si3O12)材料の励起スペクトルと発光スペクトルとを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図1は、360 nmから480 nmの波長域の光（レーザ光）を発する励起ダイオード3として形成された励起光源2を有する固体レーザデバイス1を示す。当該固体レーザデバイス1は更に、利得デバイス4と光学デバイス5とを有する。
【００３１】
利得デバイス4及び光デバイス5は励起光源2の光路6中に配置され、光学デバイス5は励起光源2と利得デバイス4との間に配置され、コリメーション及びビーム・シェーピングのための合焦レンズ7と更なる光学素子8とを有する。光路6は主軸9を有する。
【００３２】
利得デバイス4は、空腔（図示せず）と利得媒体10とを有する。当該利得媒体10は、希土類元素のイオンでドーピングされた固体のホスト材料を有する。
【００３３】
固体のホスト材料は、（Y1-x-yGdxLuy)3Al5-zGaz012（1≦z≦5、0≦x≦1、0≦y≦1、及びx＋y≦1）から選択される。希土類元素のイオンはCe3+イオン又はCe3+と他の更なる希土類元素イオンの混合物であり、更なる希土類元素のイオンはPr3+イオン、Sm3+イオン、Eu3+イオン、Tb3+イオン、Dy3+イオン、及びTm3+イオンのグループから選択される。
【００３４】
励起レーザ2は青色光及び/又は紫外光を発する。当該励起光源2により発される青色光又は紫外光が、利得デバイス4を出てゆく緑色のレーザ光を作るために、利得デバイス4を励起する目的で使われる。固体レーザデバイス1は、長手方向に励起される固体レーザデバイス1（図示せず）として、又は横方向に励起される固体レーザデバイス1として構成されることができ、レーザ光線11は、励起光の光路6の主軸9に対して垂直に、又はある角度をもって位置合わせされる。光路7の焦点スポット又は焦点線12は、利得デバイス4内の場所にある。
【００３５】
図2は、利得媒体10の好ましい実施例の励起スキームを示す。図の左側に、固体のホスト材料15の電子価帯13と導電帯14とが示されている。右側に、Ce3+イオン19の2つの4f-状態16、同17と、1つの5d-帯18とが示されている。4f-状態16、同17及び5d-帯18はエネルギ的に、ホスト材料15の最も高い電子価帯の状態（電子価帯13の上部縁）と、最も低い導電帯の状態（導電帯14の下部縁）との間にあり、最も高い4f-状態17と5d-帯18の底縁とが第1のエネルギ準位の距離△1をもっており、最も低い4f-状態16と5d-帯18の上部縁とが第2のエネルギ準位の距離△2をもっており、結果として生じる利得媒体10が、第1のエネルギ準位の距離△1の値だけ5d-帯18の底縁の上にある低いエネルギ21と、第2のエネルギ準位の距離△2の値だけ5d-帯18の上部縁の上にある、より高いエネルギ22との間での励起状態吸収を機能停止にするために、非占有状態が全くないエネルギの区域20をもつよう、ホスト材料が選択される。利得媒体10は、励起光源2により発された青色光23で励起される。利得媒体10は、Ce3+イオンの電気双極子遷移が可能な4f-5d遷移（矢印24）を介して青色光23の照射光を吸収する。エネルギがCe3+イオンの5d-帯からCe3+イオンの上側のレーザ発振状態（又は代替的には他の希土類元素イオン）へと伝達される（矢印25）。このエネルギ伝達が、次に、上側のレーザ発振状態と下側のレーザ発振状態との間の遷移（矢印27）を通じて、所望のレーザ光26（特に緑色のレーザ光）を発光させる。他に選択可能な励起状態吸収プロセス（ESAプロセス - 矢印28）は、生じることができない。何故ならば、利得媒体10の（この例ではCe3+:Y3AlGa4012の）より低いエネルギ21とより高いエネルギ22との間のエネルギ区域20内では、この励起状態吸収プロセスのための非占有最終状態が、レーザ光及び励起照射光の両方に対して無いからである。
【００３６】
本発明の開示では、青色光23で励起される固体レーザ1用にCe3+:Y3AlGa4012が適切な材料として提案されている。図3には、Ceでドーピングした5つの異なる利得媒体のホスト材料15、即ち、（Ce3+:Y3AlGa4O12）29、（Ce3+:Gd3Ga5O12）30、（Ce3+:Y3Ga5O12）31、（Ce3+:Y2GdAl5O12）32、及び（Ce3+:YGd2Al5O12）33の励起スペクトルが示されている。
【００３７】
これらの材料の全てがガーネットである。これらの材料の内、Y3Ga5O12（YGG）及びGd3Ga5O12（GGG）は使用できない。何故ならば両者は励起スペクトル中で非常に低い信号を示すのみならず、可視波長範囲内での発光も非常に弱いからである。他の3つの材料（Y2GdAl5O12、YGd2Al5O12、及びY3AlGa4O12）は200 nmで急傾斜を示し、これはホスト材料15の導電帯14の下部縁を含むバンドギャップ吸収に起因しているのかもしれない。Ce:Y2GdAl5012及びCe:YGd2Al5012は200 nmと250 nmとの間で最大値を呈しており、これはCe3+の、より高い位置にある5d-準位のうちの一つに起因することがある。
【００３８】
驚くべきことに、この5d-準位はCe:Y3AlGa4012 29に対しては検出されることができない。これは、Ce3+の最も低い5d-準位からの緑色レーザ波長で、励起状態吸収（ESA）に対する最終状態が予想される波長域であるので、この材料では励起状態吸収は機能せず、レーザ発振がCe:Y3AlGa4012の緑色の波長で生じ得る。これゆえ利得媒体Ce3+:Y3AlGa4012は、4f-状態16、同17を備え、且つホスト材料15のエネルギ的に最も高い原子価状態と最も低い導電状態との間に少なくとも一つの5d-帯18を備えたCe3+イオンによってドーピングされた固体ホスト材料Y3AlGa4O12の主相をもつ。
【００３９】
図4は、0.2 mol％のCeをドーピングしたY3AlGa4O12（Ce3+:Y3AlGa4O12）の発光スペクトル34を示す。
【００４０】
CeをドーピングしたY3AlGa4O12は、吸収スペクトル及び発光スペクトルの両方が比較的幅広である。関心対象となるスペクトル域の吸収スペクトルは、図3に示された380 nmから470 nmまで延在する励起スペクトル29から推論されることができる。発光は幅広で、520 nmで最大値をもち、図4の発光スペクトル34にて示されている。幅広の吸収スペクトルに起因して、特定のレーザダイオード3が選択される必要はなく、  ‐Pr:YLFと比較して‐  コストを大幅に減じることであろう。幅広の発光スペクトル34は波長可変レーザの実現を可能にし、又は、  ‐プロジェクタのアプリケーションで‐  妨げとなる小斑点と干渉効果とを抑制することを可能にする。
【００４１】
青色光23で励起する固体レーザ1用の別の適切な材料として、本発明の開示では更にCe3+:Ca3Sc2Si3O12が提案されている。図5では、Ceでドーピングした利得媒体のホスト材料Ca3Sc2Si3O12（Ca2.97Ce0.03Sc2Si3O12）の正規化された励起スペクトル（破線）35及び正規化された発光スペクトル（実線）36が、約150 nmから800 nmまでの波長域で示されている。関心対象となるスペクトル域の吸収スペクトルは、390 nmから約520 nmまで延在する励起スペクトル35から推論されることができる。発光スペクトル36は、520 nmで最大値を有する幅広のパターンを示す。
【００４２】
本発明では、青色励起された固体レーザ1用に提案された材料はCe3+:Y3AlGa4O12又はCe3+:Ca3Sc2Si3O12の組成をもつ結晶又は透明な多結晶質のガーネットの何れかである。活性体Ce3+の典型的な濃度は、0.005 mol％から5 mol％、好ましくは0.1 mol%から1 mol％の範囲である。この材料は、多くの種々異なる方法により調合されてきた。当該調合は、種々異なる連続した合成ステップを必要とする。
【００４３】
Ce3+:Y3AlGa4O12の組成をもつ結晶は、いわゆるブリッジマン法又はチョクラルスキー法などの周知の結晶成長法の何れかによる溶融物から成長する。適切な量の酸化物（Y2O3、Al2O3、Ga2O3、CeO2）が、不活性物質の坩堝中で混合され、ガーネット相の均一な溶融物を形成するために、空気中で加熱される（T≧1750℃）。当該溶融物が前記組成の結晶を形成するために冷却されるか、又はチョクラルスキー法が用いられた場合、結晶は種結晶を有する溶融物から引き出される。
【００４４】
上に記した好ましい化学量論の何れかの組成を有するガーネット相の透明な多結晶セラミック体の調合は、異なる連続した合成ステップを必要とする。最初に、適切なガーネット組成物を有する微粒子粉、又は加熱後にガーネット相を形成する微粒子状の酸化物粉の混合物が合成される。この粉末又は粉末の混合物は、いわゆる緑体を形成するために押圧される。当該緑体は、50％未満の有孔率をもつ小体を形成するために、平衡圧力又は単軸の圧力によって更に密度が高められる。当該小体は約1400℃乃至1700℃で焼結される。理論密度の98％よりも高い透明なセラミック体が形成される。当該セラミック体が閉じた気孔の包含を示す場合、これらの気孔は熱い均衡プレス炉内部での後処理によって取り除かれる。
【００４５】
Ce3+:Y3AlGa4O12の組成をもつ透明なセラミック体の形成を説明している好ましい実施例が以下に与えられる。例えば陽イオン構成要素の高純度の酸化物（＞99.9％）を化学量論的に正しく混合し、粉末を塊にしないために、当該混合物をボールミル内で1 mmのアルミナ真珠を有する有機溶剤中で砕くことによって粉末状の組成物が調合される。少量の焼結助剤（1 mol％）が、ボールミルのベースに加えられる。
【００４６】
より均一な粉末状の混合物を調合するために、異なる方法も用いられた。所望の化学量論の陽イオン構成要素が酸性媒体中で溶解された。溶解された陽イオンが、シュウ酸塩プロセス、尿素プロセス、又はアンモニウム炭酸水素塩プロセスのような当業者には知られている方法によって均一に沈殿した。これらの方法は、シュウ酸塩、水酸化物、又はヒドロキシ炭酸塩の白い沈殿物を結果として生じる。密な混合酸化物の粉末を形成するために、前駆物質の粉末が600℃乃至950℃で乾燥され、焙焼される。前駆物質の混合物に対する焙焼温度が約1200℃に設定された場合、相変換が生じ、所望の立方体のガーネット相Y3AlGa4O12が形成される。
【００４７】
調合された何れの粉末も、焙焼の間に形成される凝集体の塊を砕くために、ボールミル内で粉砕される。この粉砕プロセスの間、焼結助剤が加えられる。更にまた、後続する高密度化ステップを支援する少量の有機バインダ及び可塑剤（例えばそれぞれプリビニルブチレン及びグリコール）が加えられる。
【００４８】
粉砕された粉末は乾燥され、型で押圧され、次に所望の形状の小体（例えば15 mmの直径で5 mmの厚さのディスク）を形成するために、平衡圧力に晒される。別の好ましい方法では、当該粉末が熱間単軸圧縮成形（HUP)炉の型に充填された。
【００４９】
押圧された小体は、1400℃乃至1550℃の温度の真空中又は空気中で3時間乃至9時間の間、ほとんど理論密度へと焼結される。熱間単軸圧縮成形炉の型に充填された粉末は、焼結の間、50 MPaまで押圧された。
【００５０】
上に記した温度範囲の低温域での焼結が、結果として残留密閉気孔を有するセラミック小体を生じさせた。これらの小体は、熱間等静圧圧縮成形（HIP）炉内で、ほとんど理論密度にまで更に密度を高められた。
【００５１】
本発明が、図面及び上に記した説明にて詳細に例示され且つ説明された反面、斯様な図例及び説明は、例示的又は典型的であると看做され、拘束するものではない。即ち、本発明は、開示された実施例に限定されることはない。
【００５２】
開示された実施例に対する他のバリエーションが、図面、開示物、及び添付の請求項の学習から、請求された本発明を実施する際に当業者により理解されることができ且つ遂行されることができる。請求項において単語「有する」が他のエレメント又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」が複数を除外することはない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において再引用されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示してはない。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。
【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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【国際調査報告】
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