МОНОКРИСТАЛЛ ГРАНАТА, ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР И ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР
GARNET MONOCRYSTAL, OPTICAL INSULATOR AND OPTICAL PROCESSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к монокристаллу граната, оптическому изолятору и оптическому процессору.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Современное развитие оптической связи с использованием оптических волоконных кабелей и лазерных процессоров для точной обработки сопровождается проблемой большой выходной мощности различного типа лазеров, используемых в качестве источников света. В связи с этим становится важной проблема стабилизации этих источников света и предотвращение их разрушения. Оптические изоляторы используются как устройства, отвечающие за стабилизацию источников света и предотвращение их разрушения.
[0003] Оптические изоляторы снабжены фарадеевским вращателем, который поворачивает плоскость поляризации падающего на него света в ответ на приложение магнитного поля. Железоиттриевый гранат традиционно использовался в фарадеевских вращателях для применений в оптической связи. Вместе с тем железоиттриевый гранат имеет недостатки, заключающиеся в ухудшении тонкой пленки монокристалла при большой выходной мощности источника света, а также в ограничениях на диапазоны длин волн, в которых он может использоваться из-за узкой полосы его прозрачности. Вследствие этих обстоятельств был разработан монокристалл алюмотербиевого граната, который обладает большим коэффициентом пропускания света в широком диапазоне длин волн, от 400 нм до 1500 нм, а также имеет большой угол фарадеевского вращения (Патентный документ 1), и ожидается, что этот монокристалл будет использоваться как фарадеевский вращатель для оптических изоляторов. Этот монокристалл представлен следующей общей формулой:
3-x
x
2
3
12
(TbSc)ScAlO (0,1≤x<0,3).
Документы уровня техники
Патентные документы
[0004] Патентный документ 1: Японская Выложенная Патентная заявка No. 2002-293693
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Монокристалл граната, описанный в вышеупомянутом Патентном документе 1, имеет указанные ниже недостатки.
[0006] В частности, фарадеевские вращатели получают вырезанием из монокристалла необходимой формы, полученного выращиванием. Однако в случае монокристалла, описанного в патентном документе 1, возникала проблема трещин, образующихся во время этой резки, что препятствует получению монокристалла хорошего качества. В данном случае, оказывается возможным разрезать только тот участок кристалла, где трещины не образовались. Однако даже в случае разреза участка, где трещины не образовались, все же оставался риск распространения трещин. Следовательно, монокристалл, описанный в патентном документе 1, нельзя считать подходящим для массового производства или в достаточной степени практичным.
[0007] Следовательно, желательно получить монокристалл, который имеет большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн, и который имеет большой угол фарадеевского вращения при устойчивости к образованию трещин.
[0008] В связи со сказанным, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить монокристалл граната хорошего качества, который имеет большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн, и имеет большой угол фарадеевского вращения, оптический изолятор и оптический процессор.
Средство решения проблемы
[0009] Авторы настоящего изобретения провели обширные исследования, чтобы решить вышеупомянутые проблемы. В результате авторы настоящего изобретения предположили, что вышеупомянутые проблемы обусловлены причинами, изложенными ниже. А именно в вышеупомянутом монокристалле делается попытка достичь стабилизации, заменяя шестикоординатный алюминий (далее он может быть обозначен как "Al") на скандий (далее он может быть обозначен как "Sc"). Однако авторы настоящего изобретения сочли, что, поскольку стабилизирующий эффект при этом оказался все же недостаточным, то внутри монокристалла возникают напряжения, приводящие, в результате, к образованию трещин. В результате проведения дополнительных обширных исследований, авторы настоящего изобретения установили, что вышеупомянутые проблемы могут быть решены, не только заменой части Al в монокристалле алюмотербиевого граната на Sc, но и заменой части по меньшей мере одного из тербия (далее он может быть обозначен как "Tb") или Al на тулий (далее он может быть обозначен как "Tm"), иттербий (далее он может быть обозначен как "Yb") или иттрий (далее он может быть обозначен как "Y"), тем самым приводя к завершению настоящего изобретения.
[0010] А именно настоящее изобретение заключается в обеспечении монокристалла граната, содержащего монокристалл алюмотербиевого граната, причем часть алюминия заменяется скандием, и часть по меньшей мере одного из алюминия или тербия заменяется по меньшей мере одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0011] В соответствии с данным изобретением, может быть эффективно предотвращено появление трещин и может быть получен монокристалл хорошего качества. Следовательно, монокристалл граната по настоящему изобретению пригоден для массового производства и имеет удовлетворительную практическую применимость. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, монокристалл граната может быть выполнен как имеющий большой коэффициент пропускания света и имеющий большой угол фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм).
[0012] Авторы настоящего изобретения предположили следующие причины для отсутствия образования трещин. В основном в результате замены части из шестикоординатного Al на Tm, Yb или Y, имеющими ионный радиус, несколько больше такового для Sc, или замены части восьмикоординатного Tb на Tm, Yb или Y, имеющими ионный радиус, меньше такового для Tb, ионный радиус в пределах монокристалла становится в значительной степени сбалансированным, и структура граната становится устойчивой. В результате авторы настоящего изобретения предположили, что образование напряжений в монокристалле в достаточной степени сдерживается, тем самым приводя к меньшей вероятности образования трещин в монокристалле. Кроме того, авторы настоящего изобретения полагают, что основание для получения монокристалла граната по настоящему изобретению, имеющего большой коэффициент пропускания света и имеющего большой угол фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн (400 нм-1500 нм), заключается в том, что указано ниже. А именно, монокристалл граната по настоящему изобретению объединяет в себе обычный монокристалл алюмотербиевого граната патентного документа 1, который имеет большой коэффициент пропускания света и характеризуется большим углом фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн 400 нм - 1500 нм, и компоненты, которые составляют монокристалл граната, также общие с монокристаллом патентного документа 1, за исключением части Tb и части Al, заменяемых на Tm, Yb или Y. Следовательно, авторы настоящего изобретения полагают, что это именно то, почему монокристалл граната по настоящему изобретению имеет большой коэффициент пропускания света и характеризуется большим углом фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн.
[0013] Кроме того, в вышеупомянутом монокристалле граната часть и алюминия, и тербия, предпочтительно, дополнительно заменяется, по меньшей мере, на один компонент, выбранный из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0014] В этом случае, структура граната становится более устойчивой по сравнению со случаем, когда часть только либо алюминия, либо тербия заменяется по меньшей мере компонентом одного вида, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0015] Кроме того, в вышеупомянутом монокристалле граната, тербий предпочтительно дополнительно заменяется на скандий.
[0016] В этом случае, структура граната становится более устойчивой при замене Tb на скандий, по сравнению со случаем, когда тербий не заменяется на скандий.
[0017] Кроме того, вышеупомянутый монокристалл граната предпочтительно представлен следующей общей формулой:
3-x-z
z
x
2-y
y
3
12
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
(TbScM) (ScM) AlO
(1)
(причем М представляет, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, состоящей из Tm, Yb и Y, и x, y и z удовлетворяют следующему соотношению:
0<x+y≤0,30 и
0≤z≤0,30).
[0018] В соответствии с настоящим изобретением, может быть эффективно сдержано образование трещин, и может быть получен монокристалл лучшего качества. Следовательно, монокристалл граната по настоящему изобретению оказывается подходящим для массового производства и имеет удовлетворительную практическую применимость. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, может быть выполнен такой монокристалл граната, который имеет более высокий оптический коэффициент пропускания и демонстрирует больший угол фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм).
[0019] В вышеупомянутой общей формуле (1), x и y предпочтительно одновременно удовлетворяют следующему соотношению:
0≤x≤0,30
0≤y≤0,30
x<y.
В этом случае, структура граната становится более устойчивой.
[0020] Кроме того, в вышеупомянутой общей формуле (1), z предпочтительно одновременно удовлетворяет следующему соотношению:
0<z≤0,05.
В этом случае, структура граната становится более устойчивой.
[0021] Кроме того, в вышеупомянутой общей формуле (1), x и z предпочтительно одновременно удовлетворяют следующему соотношению:
x>z.
В этом случае, структура граната становится более устойчивой.
[0022] Кроме того, монокристалл граната по настоящему изобретению предпочтительно используется как фарадеевский вращатель.
[0023] Кроме того, настоящее изобретение представляет собой оптический изолятор, имеющий фарадеевский вращатель, причем фарадеевский вращатель сформирован из вышеупомянутого монокристалла граната.
[0024] В соответствии с этим оптическим изолятором вышеупомянутый монокристалл, имеющий большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн, используется как фарадеевский вращатель. Следовательно, поглощение света, связанное с монокристаллом, уменьшается. Следовательно, стойкость к повреждению, вызванному светом, фарадеевского вращателя также может быть увеличена. Кроме того, поскольку вышеупомянутый монокристалл имеет большой угол фарадеевского вращения, заставляя поворачиваться плоскость поляризации света приложением постоянного магнитного поля к вышеупомянутому монокристаллу, длина фарадеевского вращателя по направлению распространения света может быть уменьшена, тем самым позволяя уменьшить размер оптического изолятора. Кроме того, поскольку вышеупомянутый монокристалл, используемый как фарадеевский вращатель, свободен от образования трещин, частота образования трещин во время его обработки очень мала. Следовательно, срок службы оптического изолятора может быть увеличен.
[0025] Кроме того, настоящее изобретение представляет собой оптический процессор, снабженный лазерным источником света, и оптический изолятор, размещенный на световом пути лазерного света, испускаемого от лазерного источника света, причем оптический изолятор представляет собой вышеупомянутый оптический изолятор.
[0026] В этом оптическом процессоре, монокристалл граната, имеющий большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм), используется как монокристалл граната, используемый для фарадеевского вращателя оптического изолятора. Следовательно, снижение оптической выходной мощности лазерного источника света может быть в достаточной мере предотвращено. Кроме того, поглощение света, связанное с монокристаллом, оказывается малым вследствие большого коэффициента пропускания света монокристалла. Следовательно, стойкость к повреждению, обусловленному светом оптического изолятора, также может быть улучшена. Кроме того, поскольку вышеупомянутый монокристалл имеет большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн, то могут быть использованы источники света с различными длинами волн генерации в качестве рабочего лазерного источника света. Кроме того, вышеупомянутый монокристалл граната имеет большой угол фарадеевского вращения для каждой длины волны в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм). Следовательно, в случае, когда возникает вращение плоскости поляризации света посредством приложения к монокристаллу постоянного магнитного поля, длина оптического изолятора в направлении распространения света может быть уменьшена, тем самым позволяя уменьшить размер оптического изолятора. Таким образом, уменьшение размера оптического процессора также может быть выполнено.
[0027] Кроме того, поскольку в достаточной степени сдерживается образование трещин в вышеупомянутом монокристалле, используемом в оптическом изоляторе, вероятность образования трещин во время обработки оказывается очень малой. Следовательно, срок службы оптического изолятора может быть увеличен. В результате частота, с которой оптический изолятор заменяется в оптическом процессоре, может быть снижена.
[0028] В данном случае, длина волны генерации вышеупомянутого лазерного источника света предпочтительно составляет 1064 нм. Это так потому, что монокристалл граната настоящего изобретения имеет большой коэффициент пропускания света, в частности, на длине волны 1064 нм, и поглощение лазерного света от лазерного источника света может быть сделано для монокристалла граната достаточно малым.
Эффекты изобретения
[0029] В соответствии с настоящим изобретением обеспечиваются монокристалл граната, в котором образование трещин в достаточной степени сдерживается, имеющий большой коэффициент пропускания света и имеющий большой угол фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн, оптический изолятор и оптический процессор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0030] Фиг. 1 изображает схематичную диаграмму, показывающую вариант осуществления оптического изолятора в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 - технологический чертеж, показывающий этап выращивания монокристалла граната в соответствии с настоящим изобретением; иФиг. 3 - схематичная диаграмма, показывающая вариант осуществления оптического процессора, который использует монокристалл граната в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0031] Ниже, со ссылкой на чертежи, обеспечивается подробное объяснение вариантов осуществления настоящего изобретения.
[0032] На Фиг. 1 показан чертеж варианта осуществления оптического изолятора настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, оптический изолятор 10 имеет поляризатор 1, анализатор 2 и фарадеевский вращатель 3, размещенный между поляризатором 1 и анализатором 2. В данном случае, осевые плоскости пропускания поляризатора 1 и анализатора 2 устанавливаются так, чтобы быть взаимно непараллельными, например, они устанавливаются под углом 45°.
[0033] Магнитное поле B прикладывается к фарадеевскому вращателю 3 в направлении оптической оси от поляризатора 1 к анализатору 2, и фарадеевский вращатель 3 поворачивает плоскость поляризации света L, который проходит через поляризатор 1, и побуждает свет проходить в соответствии с осевой плоскостью пропускания анализатора 2 вследствие приложения магнитного поля B.
[0034] Ниже обеспечивается подробное объяснение фарадеевского вращателя 3.
[0035] Фарадеевский вращатель 3 выполнен из монокристалла алюмотербиевого граната. Часть алюминия, по меньшей мере, заменяется скандием, и часть по меньшей мере одного из алюминия или тербия заменяется по меньшей мере одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0036] Кроме того, в вышеупомянутом монокристалле граната части алюминия и тербия, каждая, предпочтительно дополнительно заменяется по меньшей мере одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0037] В этом случае, структура граната становится более устойчивой по сравнению со случаем, когда только часть алюминия или тербия заменяется по меньшей мере одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия.
[0038] Кроме того, в вышеупомянутом монокристалле граната тербий предпочтительно дополнительно заменяется на скандий.
[0039] Вышеупомянутый монокристалл граната предпочтительно представлен следующей общей формулой:
3-x-z
z
x
2-y
y
3
12
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable></mrow>
(TbScM) (ScM) AlO
(1)
(причем М отображает по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Tm, Yb и Y, и x, y и z удовлетворяют следующим соотношениям:
0<x+y≤0,30, и
0≤z≤0,30).
2-y
y
3-x-z
z
x
[0040] В данном случае, вышеупомянутая общая формула (1) отображает монокристалл алюмотербиевого граната со скандием. В вышеупомянутой общей формуле (1) доля (ScM) указывает, что часть Al заменяется на Sc, или заменяется на Sc и М, или, иначе говоря, по меньшей мере заменяется одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из Tm, Yb и Y, тогда как доля (TbScM) указывает, что часть Tb может быть заменена по меньшей мере одним из Sc и М.
[0041] В соответствии с представленным вышеупомянутой общей формулой (1) монокристаллом граната в достаточной степени сдерживается образование трещин, и может быть выполнен монокристалл хорошего качества. Следовательно, монокристалл граната по настоящему изобретению оказывается пригодным для массового производства и имеет удовлетворительную практическую применимость. Кроме того, в соответствии с вышеупомянутым монокристаллом также может быть выполнен монокристалл граната, который имеет большой коэффициент пропускания света и характеризуется большим углом фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм).
[0042] Монокристалл, имеющий большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм), как предварительно описано, используется для фарадеевского вращателя 3. Следовательно, поглощение света, связанное с монокристаллом, уменьшается. Следовательно, стойкость к повреждению, обусловленному светом, фарадеевского вращателя 3 может быть улучшена.
[0043] Кроме того, вышеупомянутый монокристалл имеет большой угол фарадеевского вращения для каждой длины волны в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм). Следовательно, в случае вращения плоскости поляризации света посредством приложения постоянного магнитного поля, длина фарадеевского вращателя 3 вдоль направления распространения света может быть уменьшена, тем самым позволяя уменьшить размер оптического изолятора 10.
[0044] Кроме того, поскольку вышеупомянутый монокристалл, используемый как фарадеевский вращатель 3, свободен от образующихся трещин, вероятность образования трещин во время обработки очень мала. Следовательно, срок службы оптического изолятора 10 может быть увеличен.
[0045] В вышеупомянутой общей формуле (1) М отображает по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из Tm, Yb и Y. А именно М может быть одним компонентом - Tm, Yb или Y, или может быть комбинацией двух или более этих компонентов.
[0046] В вышеупомянутой общей формуле (1), x и y удовлетворяют следующему соотношению:
0<x+y≤0,30.
[0047] В данном случае, хотя x или y могут быть 0, если x+y составляют 0, то это означает, что ни Tb, ни Al частично не заменяются на М, структура граната не стабилизируется и могут быть случаи, когда трещины могут образоваться, тем самым препятствуя выполнению монокристалла граната хорошего качества.
[0048] Кроме того, если x+y составляет 0,30 или менее, это означает, что структура граната становится более устойчивой, и образование трещин сдерживается в большей степени, тем самым позволяя выполнить монокристалл граната лучшего качества.
[0049] Кроме того, x и y предпочтительно удовлетворяют следующему соотношению одновременно:
0≤x≤0,30
0≤y≤0,30
x<y.
В этом случае, структура граната становится более устойчивой.
[0050] В данном случае, x и y более предпочтительно удовлетворяют следующему соотношению одновременно:
0≤x≤0,20
0≤y≤0,20.
[0051] В вышеупомянутой общей формуле (1), z удовлетворяет следующему соотношению 0≤z≤0,30. Если z имеет значение в этих пределах, по сравнению со случаем, когда z имеет значение вне этих пределов, структура граната становится более устойчивой, образование трещин сдерживается в большей степени, и может быть выполнен монокристалл граната лучшего качества.
[0052] В данном случае, z предпочтительно удовлетворяет следующему соотношению:
0≤z≤0,05
В этом случае, структура граната становится более устойчивой, по сравнению со случаем, когда значение z лежит вне этих пределов.
[0053] Кроме того, z также может быть 0. В этом случае, концентрация Tb становится большей, по сравнению со случаем, когда z больше 0, и в результате этого угол фарадеевского вращения для монокристалла может быть сделан большим. В данном случае, z=0 означает, что часть Tb не заменяется на Sc.
[0054] Кроме того, когда z=0, то предпочтительно, чтобы и x=0. В этом случае, угол фарадеевского вращения для монокристалла может быть сделан еще большим, по сравнению со случаем z=0 и x>0. В данном случае, z=0 и x=0 означает, что Tb не заменяется ни на Sc, ни на М.
[0055] Кроме того, в вышеупомянутой общей формуле (1), x и z предпочтительно удовлетворяют следующему соотношению одновременно:
x>z.
В этом случае, структура граната становится более устойчивой, по сравнению со случаем, когда x равно или меньше, чем z.
[0056] Ниже обеспечивается объяснение способа выращивания вышеупомянутого монокристалла.
[0057] Прежде всего, перед объяснением способа выращивания вышеупомянутого монокристалла, в связи с Фиг. 2, рассматривается устройство роста кристаллов для выращивания вышеупомянутого монокристалла. На Фиг. 2 показан технологический чертеж этапа выращивания монокристалла граната в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на Фиг. 2, устройство 20 роста кристаллов в основном представляет собой иридиевый тигель 21, цилиндрический керамический контейнер 22, в который помещается тигель 21, и высокочастотную индукционную катушку 23, намотанную вокруг цилиндрического контейнера 22. Высокочастотная катушка 23 используется для нагрева тигля 21 созданием в тигле 21 индуцированного тока.
[0058] Далее, рассматривается способ выращивания вышеупомянутого монокристалла с использованием вышеупомянутого устройства 20 роста кристаллов.
4
7
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
[0059] Вначале приготавливаются порошок TbO, порошок ScO и порошок AlO. Оксид М также приготавливается. А именно, порошок TmO приготавливается в случае, когда М представляет собой Tm. Кроме того, порошок YbO приготавливается в случае, когда М представляет собой Yb, и порошок YO приготавливается в случае, когда М представляет собой Y. Порошок оксида двух или более компонентов из элементов Tm, Yb и Y может быть приготовлен в случае, когда М сформирован из двух или более компонентов этих элементов.
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
[0060] Формульные отношения порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO определяются, чтобы получить монокристалл, имеющий состав, представленный вышеупомянутой общей формулой (1). Вместе с тем, формульные отношения порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO соответственно таковы, как указано ниже.
4
7
4
7
2
3
2
3
2
3
[0061] А именно, формульное отношение порошка TbO составляет обычно 21,5% мол. к 23,5% мол., исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO.
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
[0062] Формульное отношение порошка ScO составляет обычно 27,0% мол. к 31,0% мол., исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO.
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
[0063] Формульное отношение порошка MO составляет 0,5% мол. к 5,0% мол., исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO.
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
[0064] Формульное отношение порошка AlO составляет 45,0% мол. к 47,0% мол., исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка MO и порошка AlO.
4
7
2
3
2
3
2
3
[0065] Вышеупомянутый порошок TbO, порошок ScO, порошок MO и порошок AlO затем в сухом виде смешиваются в определенных формульных отношениях, чтобы получить смешанный порошок.
[0066] Далее, вышеупомянутый смешанный порошок помещается в тигель 21.
[0067] Далее, когда электрический ток подается на высокочастотную индукционную катушку 23, тигель 21 нагревается, и смешанный порошок внутри тигля 21 плавится, образуя расплав 24. Далее, приготавливается имеющая форму прута кристаллическая затравка 25, и заостренный конец этой кристаллической затравки 25 погружается в расплав 24, при вращении с заданной скоростью вращения и одновременным подъемом из расплава 24 с заданной скоростью подъема.
[0068] При этом для кристаллической затравки 25 может быть использован монокристалл граната, например, монокристалл алюмоитриевого граната (YAG).
[0069] Кроме того, скорость вращения кристаллической затравки 25 предпочтительно составляет от 3 оборотов в минуту до 50 оборотов в минуту и, более предпочтительно, от 3 оборотов в минуту до 10 оборотов в минуту.
[0070] Кроме того, скорость подъема предпочтительно составляет от 0,1 мм/час до 3 мм/час и, более предпочтительно, от 0,2 мм/час до 1 мм/час.
[0071] Кроме того, кристаллическая затравка 25 предпочтительно поднимается в инертной газовой атмосфере, и обычно в качестве инертного газа используется азот. Кроме того, кристаллическая затравка 25 обычно поднимается при атмосферном давлении.
[0072] Когда кристаллическая затравка 25 поднята из расплава 24 таким образом, объемный монокристалл 26, представленный вышеупомянутой общей формулой (1), может быть получен на конце кристаллической затравки 25.
[0073] Ниже, в связи с Фиг. 3, подробно рассматривается оптический процессор настоящего изобретения. На Фиг. 3 те же самые цифровые обозначения относятся к тем же самым составляющим или эквивалентным таковым на Фиг. 1, и их повторное объяснение опускается.
[0074] На Фиг. 3 показана схематичная диаграмма варианта осуществления оптического процессора настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 3, оптический процессор 100 имеет лазерный источник 11 света и оптический изолятор 10, размещенный на световом пути P лазерного света L, испускаемого от лазерного источника 11 света. В данном случае, оптический изолятор 10 имеет фарадеевский вращатель 3. В соответствии с этим оптическим процессором 100, лазерный свет L, испускаемый от лазерного источника 11 света, испускается через оптический изолятор 10, и обрабатываемый предмет Q может быть обработан этим испускаемым светом.
[0075] В данном случае, монокристалл граната, имеющий большой коэффициент пропускания в широком диапазоне длин волн (400 нм-1500 нм), как предварительно описано, используется как монокристалл граната для фарадеевского вращателя 3 оптического изолятора 10. Следовательно, снижение выходной оптической мощности лазерного источника 11 света может быть в достаточной мере предотвращено. Кроме того, поскольку монокристалл имеет большой коэффициент пропускания света, поглощение света, связанное с монокристаллом, оказывается малым. Следовательно, стойкость к повреждению, обусловленному светом, фарадеевского вращателя 3 может быть улучшена. Кроме того, поскольку вышеупомянутый монокристалл имеет высокий коэффициент пропускания в широком диапазоне длин волн, лазерные источники света с различными длинами волн генерации могут быть использованы в качестве рабочего лазерного источника 11 света.
[0076] Кроме того, вышеупомянутый монокристалл граната имеет большой угол фарадеевского вращения для каждой длины волны в широком диапазоне длин волн (400 нм - 1500 нм). Следовательно, в случае вращения плоскости поляризации света приложением постоянного магнитного поля, длина фарадеевского вращателя 3 вдоль направления распространения света может быть уменьшена, тем самым позволяя уменьшить размер оптического изолятора 10. Таким образом, уменьшение размера оптического процессора 100 также может быть выполнено.
[0077] Кроме того, поскольку образование трещин в достаточной степени сдерживается в вышеупомянутом монокристалле, используемом для фарадеевского вращателя 3, вероятность образования трещин во время обработки очень мала. Следовательно, срок службы оптического изолятора 10 может быть увеличен. В результате частота, с которой оптический изолятор 10 заменяется в оптическом процессоре 100, может быть уменьшена.
[0078] Вышеупомянутый монокристалл имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны 1064 нм. Таким образом, лазерный источник 11 света, особенно предпочтительно, представляет собой лазерный источник света, имеющий длину волны генерации 1064 нм, например лазер Nd:YAG. Однако вышеупомянутый монокристалл также имеет высокий коэффициент пропускания в широком диапазоне длин волн. Следовательно, легированный Yb волоконный лазер, имеющий длину волны генерации 1080 нм, также может быть использован в качестве лазерного источника 11 света.
[0079] Кроме того, лазерный источник света, имеющий длину волны генерации в пределах 400 нм - 700 нм, также может быть использован. Примеры этого типа лазерного источника света включают в себя полупроводниковый лазер GaN, имеющий длину волны генерации 405 нм, и лазер сапфир-титан, имеющий длину волны генерации 700 нм. Кроме того, в соответствии с оптическим процессором 100, имеющим лазерный источник 11 света с длиной волны генерации в коротковолновой области длин волн, вырезанный таким образом участок обрабатываемого предмета Q не подвергается повреждению от нагрева, тем самым позволяя получение гладкой поверхности сечения. Кроме того, вышеупомянутый монокристалл имеет в достаточной степени высокий коэффициент пропускания даже в коротковолновой области длин волн (400 нм - 700 нм). Следовательно, даже если длина волны генерации лазерного источника 11 света в оптическом процессоре 100 составляет 400 нм-700 нм, снижение выходной мощности, связываемое с оптическим изолятором 10, в достаточной степени предотвращается.
[0080] Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Например, хотя длины волн генерации лазерного источника 11 света обозначены в вышеупомянутых вариантах осуществления в пределах от 1064 нм или больше, или 400 нм - 700 нм, длина волны генерации не ограничивается этими значениями. Длина волны генерации лазерного источника 11 света также может быть в пределах диапазона 700 нм - 1064 нм, например около 800 нм или в пределах диапазона 1030 нм - 1080 нм.
[0081] Кроме того, хотя в вышеупомянутых вариантах осуществления монокристалл использовался как оптический изолятор оптического процессора, монокристалл не ограничивается использованием в качестве оптического изолятора, и может также применяться, например, как оптический датчик магнитного поля, который контролирует изменения магнитного поля посредством измерения угла фарадеевского вращения, используя фарадеевский вращатель.
ПРИМЕРЫ
[0082] Хотя ниже обеспечивается более определенное объяснение содержания настоящего изобретения на его примерах, настоящее изобретение не ограничивается нижеследующими примерами.
[0083] Пример 1
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Вначале были приготовлены порошок TbO (чистота: 99,99%), порошок ScO (чистота: 99,99%), порошок AlO (чистота: 99,99%) и порошок TmO (чистота: 99,99%) и затем в сухом виде перемешаны, чтобы получить смешанный порошок. В то же время формульные отношения порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO составляли 22,8% мол., 30,4% мол., 0,8% мол. и 46,0% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO. Затем смешанный порошок был помещен в цилиндрический тигель 21, имеющий диаметр 50 мм и глубину 50 мм.
[0084] Затем тигель 21 нагревался путем подачи тока на высокочастотную индукционную катушку 23, чтобы расплавить смешанный порошок и получить расплав 24. Затем была приготовлена имеющая форму прута кристаллическая затравка 25, выполненная из YAG и имеющая размеры 3мм×3мм×70мм, и конец кристаллической затравки 25 был погружен в расплав 24, тогда как кристаллическая затравка 25 вращалась со скоростью вращения 10 оборотов в минуту, и затем была поднята со скоростью подъема 1 мм/час. В это время в цилиндрический контейнер 22 был впущен азот с объемным расходом 2 л/мин, и подъем кристаллической затравки 25 проводился в атмосфере азота при атмосферном давлении.
[0085] Этим способом был получен объемный монокристалл, имеющий диаметр 25 мм.
3
2
3
12
2,97
0,01
0,02
1,97
0,03
3
12
[0086] Когда полученный таким образом монокристалл был исследован методом порошковой рентгеновской дифракции, то был подтвержден пик для TbScAlO. Кроме того, монокристалл был подвергнут химическому анализу индуктивно связанной плазмой (ICP), чтобы подтвердить состав монокристалла (атомные отношения Tb, Sc, Tm, Al и O). Кроме того, структура получающегося монокристалла была проанализирована методом монокристальной рентгеновской дифракции, используя Smart Apex, изготовленный Bruker AXS K.K. Из вышеупомянутого было установлено, что был получен монокристалл граната, представляемый композиционной формулой (TbScTm) (ScTm) AlO.
[0087] Пример 2
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO как 22,5% мол., 30,0% мол., 1,5% мол. и 46,0% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0088] Пример 3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO как 22,1% мол., 29,0% мол., 3,1% мол. и 45,8% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0089] Пример 4
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO как 22,0% мол., 27,7% мол., 4,6% мол. и 45,7% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка TmO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0090] Пример 5
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YbO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO как 22,8% мол., 30,4% мол., 0,8% мол. и 46,0% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0091] Пример 6
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YbO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO как 22,7% мол., 29,8% мол., 1,5% мол. и 46,0% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0092] Пример 7
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YbO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO как 22,4% мол., 28,6% мол., 3,1% мол и 45,9% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0093] Пример 8
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YbO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO как 22,0% мол., 27,6% мол., 4,6% мол. и 45,8% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YbO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0094] Пример 9
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YO и порошка AlO как 22,6% мол., 29,9% мол., 1,5% мол. и 46,0% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0095] Пример 10
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением использования порошка YO вместо порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO, порошка YO и порошка AlO как 21,8% мол., 28,0% мол., 4,5% мол. и 45,7% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO, порошка YO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0096] Сравнительный Пример 1
2
3
4
7
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением неиспользования порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO и порошка AlO как 23,0% мол., 30,9% мол. и 46,1% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0097] Сравнительный Пример 2
2
3
4
7
2
3
2
3
4
7
2
3
2
3
Монокристалл был получен таким же образом, что и в Примере 1, за исключением неиспользования порошка TmO, и установки формульных отношений порошка TbO, порошка ScO и порошка AlO как 22,1% мол., 32,1% мол. и 45,8% мол., соответственно, исходя из общего количества молей порошка TbO, порошка ScO и порошка AlO. Когда состав полученного таким образом монокристалла был исследован таким же образом, что и в Примере 1, было подтверждено получение монокристалла, который представляется композиционной формулой, приведенной в Таблице 1.
[0098] Оценка свойств
Свойства монокристалла граната Примеров 1-10 и Сравнительных Примеров 1 и 2, полученных описанным выше образом, были исследованы так, как описано ниже.
(1) Наличие трещин
Монокристаллы Примеров 1-10 и Сравнительных Примеров 1 и 2 были визуально исследованы на наличие трещин. Результаты показаны в Таблице 1.
(2) Коэффициент пропускания
Коэффициент пропускания монокристаллов Примеров 1-10 и Сравнительных Примеров 1 и 2 был измерен для длин волн 405 нм, 633 нм, 1064 нм и 1500 нм. Результаты показаны в Таблице 1.
(3) Угол фарадеевского вращения
Анализатор вначале вращался без помещения монокристалла между поляризатором и анализатором, чтобы создать заблокированное состояние. Затем монокристаллы Примеров 1-10 и Сравнительных Примеров 1 и 2 были вырезаны в формы квадратных полос с размерами 3,5 мм ×3,5 мм ×20 мм, каждый монокристалл помещался между поляризатором и анализатором, свет был введен при приложении магнитной индукции 0,42 T по продольному направлению монокристалла, и анализатор снова вращался, чтобы создать заблокированное состояние. Разность между углом поворота анализатора до помещения монокристалла между поляризатором и анализатором и углом поворота анализатора после помещения монокристалла между поляризатором и анализатором была рассчитана, и разность этих углов рассматривалась как угол фарадеевского вращения этого монокристалла. В то же время, фарадеевские углы вращения были соответственно измерены, изменяя длину волны источника света как 633 нм, 1064 нм и 1303 нм. Результаты показаны в Табл.1.
Таблица 1
Композиционная формула
x+y
x
y
z
Оценкас Свойств
Трещи-ны
Коэффициент пропускания (%)
Угол фарадеевского вращения (°)
405 нм
633 нм
1064 нм
1500 нм
633 нм
1064 нм
1303 нм
Пример 1
(Tb<sub>2,97</sub>Sc<sub>0,01</sub>Tm<sub>0,02</sub>)(Sc<sub>1,97</sub>Tm<sub>0,03</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,05
0,02
0,03
0,01
Отсут-ствуют
79,6
83,0
85,2
80,6
73,7
20,9
12,9
Пример 2
(Tb<sub>2,94</sub>Sc<sub>0,02</sub>Tm<sub>0,04</sub>)(Sc<sub>1,94</sub>Tm<sub>0,06</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,10
0,04
0,06
0,02
Отсут-ствуют
80,3
82,6
85,5
80,5
78,7
23,2
15,7
Пример 3
(Tb<sub>2,9</sub>Sc<sub>0,03</sub>Tm<sub>0,07</sub>)(Sc<sub>1,87</sub>Tm<sub>0,13</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,20
0,07
0,13
0,03
Отсут-ствуют
80,0
82,3
84,7
80,3
70,5
21,2
13,0
Пример 4
(Tb<sub>2,88</sub>Sc<sub>0,02</sub>Tm<sub>0,1</sub>)(Sc<sub>1,8</sub>Tm<sub>0,2</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,30
0,10
0,20
0,02
Отсут-ствуют
80,3
82,7
85,0
80,1
73,5
20,5
13,2
Пример 5
(Tb<sub>2,97</sub>Sc<sub>0,01</sub>Yb<sub>0,02</sub>)(Sc<sub>1,97</sub>Yb<sub>0,03</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,05
0,02
0,03
0,01
Отсут-ствуют
80,1
83,2
85,2
80,6
74,2
22,2
13,4
Пример 6
(Tb<sub>2,96</sub>Sc<sub>0,01</sub>Yb<sub>0,03</sub>)(Sc<sub>1,93</sub>Yb<sub>0,07</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,10
0,03
0,07
0,01
Отсут-ствуют
79,5
82,9
84,2
80,5
75,3
23,0
14,8
Пример 7
(Tb<sub>2,93</sub>Sc<sub>0,02</sub>Yb<sub>0,05</sub>)(Sc<sub>1,85</sub>Yb<sub>0,15</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,20
0,05
0,15
0,02
Отсут-ствуют
79,1
81,5
83,5
80,3
73,6
22,5
13,1
Пример 8
(Tb<sub>2,89</sub>Sc<sub>0,02</sub>Yb<sub>0,09</sub>)(Sc<sub>1,79</sub>Yb<sub>0,21</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,30
0,09
0,21
0,02
Отсут-ствуют
78,7
81,3
83,2
80,1
74,9
22,6
14,5
Пример 9
(Tb<sub>2,95</sub>Sc<sub>0,01</sub>Y<sub>0,04</sub>)(Sc<sub>1,94</sub>Y<sub>0,06</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,10
0,04
0,06
0,01
Отсут-ствуют
78,7
82,8
85,1
79,5
74,2
21,8
14,1
Пример 10
(Tb<sub>2,86</sub>Sc<sub>0,02</sub>Y<sub>0,12</sub>)(Sc<sub>1,82</sub>Y<sub>0,18</sub>)Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0,30
0,12
0,18
0,02
Отсут-ствуют
78,1
82,5
83,4
79,3
73,6
21,5
13,7
Сравните-льный Пример 1
(Tb<sub>2,99</sub>Sc<sub>0,01</sub>)Sc<sub>2</sub>Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0
0
0
0,01
Присут-ствуют
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Сравните-льный Пример 2
(Tb<sub>2,9</sub>Sc<sub>0,1</sub>)Sc<sub>2</sub>Al<sub>3</sub>O<sub>12</sub>
0
0
0
0,10
Прису-тству-ют
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
Неизмеримо
[0099] В соответствии с результатами, показанными в Табл.1, было установлено, что монокристаллы граната Примеров 1-10 не имели образовавшихся трещин. Напротив, было установлено, что большие трещины образовались в монокристаллах граната Сравнительных Примеров 1 и 2.
[0100] Кроме того, было установлено, что монокристаллы Примеров 1-10 имели высокий коэффициент пропускания по всем диапазонам длин волн 405 нм, 633 нм, 1064 нм и 1500 нм. Напротив, коэффициент пропускания было невозможно измерить для монокристаллов Сравнительных Примеров 1 и 2 вследствие образования больших трещин.
[0101] Кроме того, было установлено, что монокристаллы Примеров 1-10 имели большие углы фарадеевского вращения для каждой из длин волн 633 нм, 1064 нм и 1303 нм. Напротив, угол фарадеевского вращения было невозможно измерить для монокристаллов Сравнительных Примеров 1 и 2 вследствие образования больших трещин.
[0102] На основе вышеупомянутых результатов, было подтверждено, что монокристалл граната по настоящему изобретению становится монокристаллом хорошего качества, с высоким коэффициентом пропускания в широком диапазоне длин волн, и характеризуется большим углом фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0103] Монокристалл граната по настоящему изобретению является монокристаллом хорошего качества, имеет высокий коэффициент пропускания в широком диапазоне длин волн и характеризуется большим углом фарадеевского вращения в широком диапазоне длин волн. Таким образом, монокристалл граната по настоящему изобретению может предпочтительно использоваться как фарадеевский вращатель оптического изолятора, используемого в устройстве источника света для оптических процессоров и оптической связи.
ОБЪЯСНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0104] 1: Поляризатор
2: Анализатор
3: Фарадеевский вращатель
10: Оптический изолятор
11: Лазерный источник света
100: Оптический процессор