浮遊させた大過冷却融液からの高屈折率ガラスファイバーの作製と特性評価
東京大学 生産技術研究所
助教 増野敦信（平成 25 年度奨励研究助成 AF-2013216）
キーワード：無容器浮遊法，ガス浮遊，CO2 レーザー

１．研究の目的と背景
試料を浮遊させた状態で，レーザー等の非接触加熱による．これは，網目形成酸化物を主成分とするような従来の組成の場合，可視域で無色透明かつ高屈折率低分散というり溶融，凝固させる手法を無容器浮遊法と呼ぶ．冷却時，性質をすべて満たすガラスを作るのが困難であり，それに容器壁面からの不均一核生成が抑制されるため，極めて大対するブレークスルーと考えられたためである．屈折率をきな過冷度が得られるという特徴がある．熱力学的非平衡上げることだけを考えれば Bi や Pb などの重元素を含有相（準安定相）の融点 Tm’は安定相よりも低いので，このさせればよいが，重元素に起因して呈色してしまい，可視手法によって融液を Tm’以下に冷却すれば，準安定相が生域では使えない．無色透明を保ったままガラスを高屈折率成し得る 1,2)．また，結晶化を極限まで抑制していること化するには，網目形成酸化物に TiO2 や Nb2O5，La2O3 なから，通常のメルト法ではガラス化しない物質でもバルクどを添加することが効果的とされているが，これらの添加ガラスの作製が可能となる（図１）．

酸化物のガラス形成能はかなり低いため，大量に含有させることができない．従来の酸化物ガラス組成におけるこうした常識に対して，そこからはずれた組成でのガラス化を可能にする無容器浮遊法は，ニューガラス合成法として有用であると認識されつつある．
ガラスの場合，ファイバーに引くことができれば，光通信用等への応用が一気に広がる．1998 年に Weber らは無容器浮遊法を用いて Y3Al5O12 組成のガラスファイバーの引き上げに成功した 11)．しかし以降の報告は無く，無容器浮遊法を利用したファイバー引き上げ手法は，未だ確立されてはいない．本研究では，レーザー溶融させた融液を，無容器浮遊させることで安定化した大過冷却液体から，熱力学的非平衡相のガラスファイバーを引き上げる手法を確立することを目的とする．特に，浮遊させた融液は極めて大きな過冷度を得ることができるため，広い温度域にわたって凝固開始温度を選択することができる．これは，ファイバーを引く場合には融液の粘度を適切に制御できる

図１

通常の溶融法と無容器浮遊法の比較．

一般に酸化物ガラスを合成する際には，組成の制限がある．SiO2 や B2O3，P2O5，GeO2 等のいわゆる網目形成酸ことを意味している．

２．実験装置の製作
2.1

ガス浮遊炉

化物を多量に含んでいなければガラスにならず結晶化し無容器状態で浮遊させるシステムにはいくつかあるが，てしまう．このことが酸化物ガラス研究を進める上での足本研究ではガス浮遊炉を使用する．ガス浮遊炉は，ノズル枷となる場合がある．近年我々は，無容器浮遊法を用いるに乗せた試料を下から吹き付けるガスで浮かせるシンプことで，網目形成酸化物を全く含んでいない組成でもガラルなシステムで，レーザーなどの非接触加熱により試料をス化させることに成功している．新しく開発されたガラス溶融する．図２に我々が用いているガス浮遊炉の概略を示の中で，TiO2 や Nb2O5，WO3，La2O3 などを主成分とすす．ノズル部分はチャンバー内に組み込まれている．そのるガラスには，2 を超える高い屈折率を有しているものが他の構成要素としては，加熱用 CO2 レーザー，マスフロ多く見出された 3-10)．これらは可視域で無色透明であるだ

ーコントローラー，パイロメータ，CCD カメラ，制御用

けでなく，屈折率の波長依存性が小さく抑えられていたたPC がある．吹き付けるガスの種類は問わないが，本研究め，光学レンズへの応用の観点から大きな注目を集めてい

では酸化物を浮遊させるので，酸素を用いる．ターゲット

として，原料粉末を焼結させたものを用意する．ノズルのてしまうことがわかった．そのため，より大きな融液をよ上にターゲットをセットし，レーザーを照射して溶融する．

り安定に浮遊させられるノズルを開発することになった．

試料の温度勾配をできる限り抑えたい場合は，ノズルの穴いくつかの試行錯誤の後，浅い椀状のノズルに穴をたくさを通して下方からもレーザーを入れることができる．試料ん空けたものが，最も大きな融液を安定浮遊させられるこの温度はパイロメータで測定する．CCD カメラで試料のとを見出した（図４）．このとき，融液はもはや球形には拡大映像を見ながら，レーザーパワーやガス流量を微調整ならず，扁平な形状となる．これにより融液から直接凝固し，安定した浮遊を保つ．ガラス球を一つ作るときは，焼させることで得られるガラスのサイズが，直径約 2 mm 程結体のセット，溶融，凝固，取り出しまで，最短で 1 分前度から，約 5 mm 程度まで大きくすることができた．

後しかかからない．得られる試料の大きさは，ノズル径や物質に依存する．より詳細に凝固過程を観察したいときは，高速ビデオカメラや高速パイロメータを用いる場合もある．

図４

改良したノズルと，浮遊溶融から得られた扁平ガラス．
2.3

浮遊融液からのファイバー引き上げ（電気炉溶融）

次に取り組んだのは，ファイバー引き上げ機構の作製とその動作確認である．ファイバー引き上げ機構の主要部品
は，市販の滑車を利用して組み上げた（図５）
．引き上げ
図２

ガス浮遊炉．滑車と針はファイバー引き上げ時のみ設置する．

用ワイヤー先端には，反応性の低い Pt 針を取り付けた．
動作確認の際は CO2 レーザーによる高温は不要なので，開閉できる管状電気炉を用いて，ノズル周辺を加熱した（図６）．溶融させる試料として，やや高温（～300°C）
では金属スズ，より低温（～150°C）では市販のゴム粘土を用いた．

図３2.2

浮遊融液からのファイバー引き上げ法．
安定浮遊のためのノズル開発

ある程度の量のファイバーを引き上げるためには，浮遊融液自体に一定以上の量が必要となる．当初の計画では，円錐状に切り抜いた一つ穴のシンプルなノズルで引き上げることを考えていた（図３）．しかしながら実際に取り組んでみると，試料サイズを大きくしようとして，ノズルの径を拡げると，融液を安定に浮かせることが難しくなっ

図５

ファイバー引き上げ用滑車．

ここでは，これまでに開発した浮遊システム＋ファイバー引き上げ機構に，CO2 レーザー溶融系を追加することで，2000°C を超える超高温まで対応できる装置を組み上げた（図７）．引き上げ用ワイヤー先端には，反応性の低い針を装着する．Pt の他に，高融点金属である Nb，Ta，Mo，W，あるいはセラミックス系の Al2O3 や石英硝子等の利用を想定している．融液との濡れ性，反応性等を考慮して最適な針材を選択する必要がある．針先端の大きさを調節することで，引き上げるファイバーの径を約 10 m から数百 m まで変化させることができる．また，引き上げるファイバーの長さは，当初は 1 mm 程度から始めて，徐々に長くすることが可能となった．

３．まとめ
レーザーで溶融させた浮遊融液を過冷却させ，そこからガラスファイバーを引き上げるための実験装置を組み上げた．いくつかの技術的課題があったが，順番に対応する
図６

浮遊システム，管状電気炉，滑車．

ことで一つずつ解決することができた．その結果，当初想定していたよりも多くの技術開発に成功した．特により大2.4

浮遊融液からのファイバー引き上げ（レーザー溶

きなサイズの融液を浮かせるために新たに設計した多数
穴あきノズルは，本研究のようなファイバー引き上げのた融）
これまでに我々が合成に成功した TiO2 や Nb2O5，La2O3めだけでなく，レンズ作製など，より広範な応用が期待でなどを主成分としたガラスは，2.1 を超え 2.3 に達する極きる．また，本研究で開発した浮遊＋ファイバー引き上げめて高い屈折率を有することから，ファイバーにしてレーシステムは，加熱源として CO2 レーザーだけでなく電気ザー光を導入した場合，強い非線形光学効果の発現が期待炉を併用することで，使用温度範囲を約 100°C～3000°Cできる．これにより，連続で広帯域なレーザー光であるスまで幅広く設定することが可能となった．無機材料だけでーパーコンティニュウム光を生成する革新的光ファイバなく有機材料にも用途先を拡げることが期待できる．

ー材料として利用できる．ただし，これらの新しいガラス

今回対象とした高屈折率ガラスは，一般的な酸化物ガラの融点はいずれも高く，組成によっては 2000℃以上の高スよりもフォノン散乱が小さく，様々な希土類を大量に導温まで上げなければならないものもある．このような高温入できるため，希土類イオンをドープすることで，優れたはもはや電気炉では到達できないため，CO2 レーザーによ発光特性を示す．そこで今後は Er3+を導入し，その光学る直接加熱が必須となる．

特性を調べ，光信号増幅器用光ファイバー（EDFA）としての応用可能性を探ることを計画している．Er3+をドープしたガラスファイバーに，975 nm の半導体レーザーを用いて励起し，1.5 m 帯での赤外の蛍光分光と寿命測定を行う 12,13)．さらに，光増幅実験を行い，実用可能性を評価する．
また最近新たに，極めて大きな弾性率を持つガラスの開発に成功した 14)．これを本研究で開発した装置を利用してファイバー化することで，機械的強度の優れたガラスファイバーが作製できると考えられる．
無容器浮遊法でしか合成できないガラスの中には，極めて高い機能性を有する物質が見出されているが，球状という形状の制限が研究の幅を狭めてきた．ファイバーでも作製できることを示した本研究は，無容器浮遊法の研究領域を広げる上で大きな役割を果たした．また，大過冷却液体

図７

レーザー溶融＋ファイバー引き上げ可能な浮遊システム．

から引き上げるため，通常の方法では熱力学的に結晶化し得ない準安定相でも，引き上げることが可能となる．これ

は相図による束縛を超えた新しい作製法であり，その手法を確立することは，物質科学において極めて重要である．
したがって本研究をさらに発展させることは，基礎と応用の両面から，意義深い結果を与えると期待される．

謝 辞
本研究は公益財団法人天田財団平成 25 年度奨励研究助成（AF-2013216）の支援によって実施されました．ここに深く感謝の意を表します．

参考文献
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