铋置换稀土类铁石榴石单晶、法拉第转子、光隔离器及铋置换稀土类铁石榴石单晶的制备方法与流程

1.本发明涉及一种用于光加工和光学测量的光隔离器和一种用于其中的法拉第转子(faraday rotator)的晶体。


背景技术：

2.在光加工机或光学测量机中使用的激光光源中，当发射的激光在设置在传播路径中的材料的表面上反射并且反射光返回激光光源时，激光振荡变得不稳定。为了阻挡这样的反射光和返回光，使用了使用使偏振面不往复旋转的法拉第转子的光学隔离器。
3.照惯例，作为诸如光隔离器的磁光元件的材料，使用通过液相外延法在基板晶体上生长的铋置换稀土类铁石榴石单晶。这些石榴石单晶中混入了来自作为制造中使用的助熔剂组分的氧化铅的pb(铅)离子和来自作为坩埚材料的铂的pt(铂)离子。结果，在石榴石单晶中以三价离子形式存在的fe(铁)离子的化合价变动为二价或四价，这导致石榴石单晶的透光率降低。
4.当将如上所述的含有三价以外化合价的fe离子的石榴石单晶用于光隔离器和磁光元件时，在光学加工和光学测量中常用的波长(0.8μm、1.3μm、1.55μm)的光吸收增加，导致光隔离器和磁光元件的插入损耗增加。
5.作为降低光隔离器中插入损耗的方法，已知在制造石榴石单晶时，将诸如tio2的金属氧化物与其他材料一起放入诸如铂坩埚的坩埚材料中，并将加入少量的ti(钛)添加到石榴石单晶中以平衡从铂坩埚中溶解的pt离子并抑制fe离子的化合价变动。然而，平衡从铂坩埚溶解的痕量pt离子所需的ti量也非常少。因此，在pt坩埚中将ti引入到石榴石单晶的tio2的量也很少，并且难以均匀引入ti使得其与石榴石单晶各区域中的pt离子平衡。
6.现有技术参考文件
7.专利文件
8.专利文献1：日本专利no.3490143


技术实现要素：

9.本发明要解决的问题
10.本发明的目的是提供一种适用于法拉第转子和光隔离器的铋置换稀土类铁石榴石单晶，其由于抑制fe离子的化合价变动而降低了插入损耗。
11.解决问题的手段
12.本发明人发现，通过在生长石榴石单晶时将过量的mgo和tio2添加到原料熔体中和通过平衡pt和ti组合的组成比与mg的组成比，容易地降低插入损耗。
13.换言之，为了解决上述问题，本发明的铋置换稀土类铁石榴石单晶的特征在于，组成式为(gdalnbbicmg
3-(a b c)
)(fedgaetifpt
5-(d e f)
)o
12
。在上述组成式中，0.02≤f≤0.05，0.02≤{3-(a b c)}≤0.08，-0.01≤{3-(a b c)}-{f 5-(d e f)}≤0.01。ln为可以选自
eu、dy、gd、ho、tm、yb、lu和y的稀土元素。当ln为ho时尤其有益。这些稀土元素可以同时使用多种。铋置换稀土类铁石榴石单晶可以用不含pbo的熔体组合物生长。
14.这种配置通过添加过量的作为化合价变动元素的ti和mg，而不是简单地以高精度抑制由作为杂质混入的pt的量引起的fe的化合价变动，从而有利于单晶生长熔体的组成的调节。它还扩大了生长晶体中二价和四价离子的调节范围，从而抑制作为光吸收因子的fe
2
和fe
4
离子的产生。然而，添加太多过量的ti和mg会降低单晶中fe元素的比例，导致每单位长度法拉第旋转能力下降。换言之，法拉第转子长度越长，晶体生长时间越长。此外，即使每单位长度的插入损耗相等，法拉第转子长度的增加也会导致插入损耗的增加。此外，较长的法拉第转子长度增大了光隔离器。这会导致诸如隔离器几何形状扩大的缺点。为了解决这些问题，ti组成比的上限为0.08或更小，mg组成比的上限为0.05或更小。
15.法拉第转子的特征在于其由上述铋置换稀土类铁石榴石单晶构成。该光隔离器的特征在于其由上述法拉第转子构成。
16.根据本发明的铋置换稀土类铁石榴石单晶的制备方法包括：制备石榴石单晶基板作为基底基板的步骤；将至少含有tio2和mgo作为原料的金属氧化物在铂坩埚中熔融以制备原料熔体的步骤；和使基底基板与原料熔体接触并拉起基底基板，从而生长出铋置换稀土类铁石榴石单晶膜的步骤。在该制备方法中，原料熔体可以具有不含pbo的组合物。
17.发明效果
18.本发明是一种在pt坩埚中生长石榴石单晶膜时，用少量添加元素容易控制由溶解的pt离子引起的fe离子化合价变动的方法，并且可以容易地获得具有低插入损耗的石榴石单晶膜。
附图说明
19.图1示出了制备铋置换稀土类铁石榴石单晶的方法的流程图。
20.图2示出了mg的组成比与将pt和ti组合的组成比之差和光隔离器的插入损耗之间的相应关系。
具体实施方式
21.在下文中，将详细描述本发明的实施方案，但本发明不限于此。
22.《铋置换稀土类铁石榴石单晶的组成》
23.下面对本发明的铋置换稀土类铁石榴石单晶进行说明。这种铋置换稀土类铁石榴石单晶适用于法拉第转子和光隔离器。铋置换稀土类铁石榴石单晶由下述组成式(1)表示。
24.(gdalnbbicmg
3-(a b c)
)(fedgaetifpt
5-(d e f)
)o
12
...(1)
25.组成式(1)中的ln是选自eu、dy、gd、ho、tm、yb、lu、y的稀土元素。其中ln为ho时特别有益。这些稀土元素可以同时使用多种。在组成式(1)中，ti组成比为0.02≤f≤0.05，mg组成比为0.02≤{3-(a b c)}≤0.08，mg组成比和ti组成比的差异为-0.01≤{3-(a b c)}-{f 5-(d e f)}≤0.01，a》0，b》0，c》0，d》0，e》0，和0《d e f《5.0。
26.在组成式(1)中，ln、bi和fe是为了提高石榴石单晶的verde常数和透光率而添加的元素。特别是，fe在提高verde常数方面非常有效，可以作为三价离子稳定地存在于石榴石单晶中。
27.在组成式(1)中，pt通过从用于制造石榴石单晶的铂坩埚中溶解而进入晶体中。在组成式(1)中，ti和mg是为了抑制由从铂坩埚溶解的pt离子引起的fe离子的化合价变动而添加的元素。如上所述，表示ti的组成比的f的范围为0.02≤f≤0.05，表示mg的组成比的{3-(a b c)}的范围为0.02≤{3-(a b c)}≤0.08。
28.通过分别如上述那样设定ti的组成比和mg的组成比的下限，而能够容易地调节用于抑制fe离子的化合价变动的元素的添加量。
29.通过分别如上述那样设定ti和mg的组成比的上限，而可以防止石榴石单晶中fe元素的比例相对降低，并且可以防止透光率降低。由于可以防止透光率的降低，因此可以使偏振面旋转预定角度(例如，45度)所需的单晶膜的厚度更薄，从而具有诸如减少单晶膜的制造时间和使法拉第转子和光隔离器小型化的优点。
30.此外，通过将上述组成式(1)中mg的组成比与将ti和pt组合的组成比之间的差平衡为-0.01≤{3-(a b c)}-{f 5-(d e f)}≤0.01，而可以抑制fe离子的化合价变动，同时防止石榴石单晶的透光率降低。
31.《铋置换稀土类铁石榴石单晶的制备方法》
32.本发明的铋置换稀土类铁石榴石单晶可以用不含pbo的熔体组合物生长。下面结合图1所示的流程图对制备铋置换稀土类铁石榴石单晶的方法的一个具体实施例进行说明。
33.首先，准备用作生长铋置换稀土类铁石榴石单晶的基板的石榴石单晶基板(以下称为“基底基板”)(步骤s10)。准备的基板例如可以是添加了ca、mg、zr、y等的gd3ga5o
12
(ggg；钆、镓、石榴石)单晶基板。这样的基板可以通过乔克拉斯基法(choklarsky method)提拉单晶而得到。
34.接着，将成为铋置换稀土类铁石榴石单晶的原料的金属氧化物熔融在铂坩埚中以制备原料熔体(步骤s20)。原料金属氧化物包括例如gd2o3、ho2o3、bi2o3、fe2o3、ga2o3、tio2和mgo。通过以预定的摩尔重量比准备这些金属氧化物，将其放入铂坩埚中，和在预定温度下加热熔融来制备原料熔体。从pt坩埚中溶出的pt的量通过对用不包括ti的组合物制备的单晶的材料分析来实验确定。待添加的tio2和/或mgo的量根据待溶解的pt的量调节至平衡。
35.然后，通过使基底基板与准备好的原料熔体接触并向上提拉来生长单晶膜(步骤s30)。然后对生长到所需厚度的单晶膜进行切割和抛光，得到可用于法拉第转子和光隔离器的铋置换稀土类铁石榴石单晶(步骤s40)。
36.实施例
37.为了确认本发明的有效性，制备了铋置换稀土类铁石榴石单晶，由这些晶体制成的法拉第转子如下评价。
38.(比较例)
39.首先，制备石榴石单晶基板作为生长铋置换稀土类铁石榴石晶体单晶膜的基底基板。基底基板可以是nog(shin-etsu chemical co.,ltd.的产品名称)或sggg(saint-gobain的产品名称)，它是添加了ca、mg、zr、y等的gd3ga5o
12
。这样的基板可以通过用乔克拉斯基法(choklarsky method)拉制单晶来获得。该基板上的晶格常数为
40.然后制备原料熔体作为铋置换稀土类铁石榴石单晶的原料。作为金属氧化物，准备gd2o3：46.9g、ho2o3：48.8g、bi2o3：5810g、fe2o3：363.5g和ga2o3：12.1g，将它们放入铂坩埚
中，加热至1100℃使其熔融。由此获得原料熔体。
41.然后将原料熔体设定为790至785℃，使基板与其接触并拉起，得到厚度为612μm的石榴石单晶膜。
42.用icp分析单晶膜，发现是由(gdhobi)3(fegapt)5o
12
所示的化合物。即，获得了具有常规组成的石榴石单晶膜，其中混合了源自铂坩埚的pt，而没有添加ti和mg以抑制由pt引起的fe离子的化合价变动。
43.然后将单晶膜从基板上剥离，将剥离的单晶膜切割并抛光，在膜表面涂上防空气的抗反射涂层，并切割成1.5
×
1.5
×
0.51mm。在切割加工后研究单晶膜在1.55μm波长处的磁光特性，结果如下：法拉第旋转角为46.3度，光吸收损耗为0.35db，饱和磁化强度为650g。
44.(实施例)
45.通过以与比较例相同的方式将gd、ho、bi、fe和ga的氧化物放置在铂坩埚中，并进一步添加0至5.0g范围内的tio2和0至15g范围内的mgo并加热使其熔化来制备13种不同的原料熔体。使用这些原料熔体制备13种不同的铋置换稀土类铁石榴石的单晶膜(组合物no.1至13)。各单晶膜的磁光特性的结果如表1所示。mg的组成比与将ti和pt组合的组成比之差(置换量差)和插入损失之间的关系如图2所示。
46.[表1]
[0047][0048]
如表1，添加mg和ti往往会抑制插入损耗。特别是，当mg的组成比与将ti和pt组合的组成比之间的差异在-0.01至0.01的范围内时(组合物no.3至9)，发现光隔离器的插入损耗特别低，小于0.15db。
[0049]
即使mg的组成比与将ti和pt组合的组成比之间的差异在-0.01至0.01的范围内，将极化旋转45度所需的晶体厚度也会随着置换量的增加而增加，因为晶体中fe的组成比相对降低。为实现光隔离器的小型化和插入损耗的降低，mg的组成比与将ti和pt组合的组成比的差异应在-0.01至0.01的范围内，ti的成分比应为0.05或更小，mg的组成比应为0.08或更小。
[0050]
一般来说，很难用少量的添加元素在平面内均匀地控制晶体组成。然而，根据本发明上述内容，通过替换相应的二价、四价等元素，可以放宽单晶膜的生长条件范围，并且容易得到具有低插入损耗(低于0.05db)的铋置换稀土类铁石榴石的单晶膜。
[0051]
尽管上面描述了实施方案，但是本发明不限于这些实施例。本领域技术人员对上述实施方案的任何适当的组分添加、删除或设计修改，以及每个实施方案的特征的适当组合，都包含在本发明的范围内，只要它们提供了本发明的要点。