JPH04295094A - 高品位チタンサファイア単結晶の製造方法 - Google Patents
高品位チタンサファイア単結晶の製造方法Info
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- JPH04295094A JPH04295094A JP8435591A JP8435591A JPH04295094A JP H04295094 A JPH04295094 A JP H04295094A JP 8435591 A JP8435591 A JP 8435591A JP 8435591 A JP8435591 A JP 8435591A JP H04295094 A JPH04295094 A JP H04295094A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、３価のチタンをドープ
した高品位チタンサファイア単結晶（Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３
）の製造方法に関する。
した高品位チタンサファイア単結晶（Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３
）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】チタンドープサファイア単結晶、いわゆ
るチタンサファイア単結晶は近赤外域（約６６０ｎｍ〜
１１００ｎｍ）で発振波長を連続的に同調できる波長可
変レーザー媒質として用いられている。
るチタンサファイア単結晶は近赤外域（約６６０ｎｍ〜
１１００ｎｍ）で発振波長を連続的に同調できる波長可
変レーザー媒質として用いられている。
【０００３】チタンサファイア単結晶の製造方法として
は、従来、引上げ法（ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．ＱＥ−２１，ｐ１６
１４（１９８５））、熱交換法（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓ
ｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｓａｌｅｍ，ＭＡ）、フロー
ティングゾーン法（Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔ．Ｔｕ
ｎａｂｌｅ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅ
ｒｓ．，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．Ｓｅｒ．，Ｖｏｌ．２０，
５３（１９８７））などが提案されている。
は、従来、引上げ法（ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．ＱＥ−２１，ｐ１６
１４（１９８５））、熱交換法（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓ
ｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．，Ｓａｌｅｍ，ＭＡ）、フロー
ティングゾーン法（Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔ．Ｔｕ
ｎａｂｌｅ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅ
ｒｓ．，Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．Ｓｅｒ．，Ｖｏｌ．２０，
５３（１９８７））などが提案されている。
【０００４】レーザー結晶としては、まず３価のチタン
を結晶にドープする必要があるが、そのためには、育成
時の酸素分圧を１０−７〜１０−１３ａｔｍに保つ必要
がある。更に、レーザー結晶としては、結晶内部に気泡
などの光散乱源のないこと、低転位密度であること、及
び、結晶内の屈折率差Δｎが小さいことが望まれている
。上記したチタンサファイア単結晶の製造方法のうち、
引上げ法は、製造時に気泡が混入しやすいという問題、
及び１０３／ｃｍ２〜１０４／ｃｍ２の大きな転位密度
、また屈折率差Δｎが大きくなりやすいという問題があ
った。又、上記したその他の方法も、必ずしも充分に好
ましい光学的に均質な高品位チタンサファイア単結晶の
製造方法ではない。
を結晶にドープする必要があるが、そのためには、育成
時の酸素分圧を１０−７〜１０−１３ａｔｍに保つ必要
がある。更に、レーザー結晶としては、結晶内部に気泡
などの光散乱源のないこと、低転位密度であること、及
び、結晶内の屈折率差Δｎが小さいことが望まれている
。上記したチタンサファイア単結晶の製造方法のうち、
引上げ法は、製造時に気泡が混入しやすいという問題、
及び１０３／ｃｍ２〜１０４／ｃｍ２の大きな転位密度
、また屈折率差Δｎが大きくなりやすいという問題があ
った。又、上記したその他の方法も、必ずしも充分に好
ましい光学的に均質な高品位チタンサファイア単結晶の
製造方法ではない。
【０００５】
【発明が解決しょうとする問題点】本発明は前記したよ
うな問題点のない、即ち、光散乱源となる気泡の混入の
ない、また低転位密度で且つ屈折率差の小さい光学的に
均質な高品位チタンサファイア単結晶の引上げ法による
製造方法を提供することを目的とする。
うな問題点のない、即ち、光散乱源となる気泡の混入の
ない、また低転位密度で且つ屈折率差の小さい光学的に
均質な高品位チタンサファイア単結晶の引上げ法による
製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】即ち本発明は、引上げ
法による、３価のチタンをドープしたチタンサファイア
単結晶の製造方法において、単結晶と溶融液との固液界
面を実質的に平面状に保ちながら単結晶を成育させるこ
とを特徴とするチタンサファイア単結晶の製造方法を提
供するものであり、更に、本発明の好ましい態様として
、３価のチタンをドープしたチタンサファイア単結晶の
製造時に要求される酸素分圧を１０−７〜１０−１３ａ
ｔｍに保ち、かつヘリウムガスをキャリアガスとして用
いると得られる結晶内の屈折率差小さくなり、気泡の生
成が抑制されるとの知見を得た。
法による、３価のチタンをドープしたチタンサファイア
単結晶の製造方法において、単結晶と溶融液との固液界
面を実質的に平面状に保ちながら単結晶を成育させるこ
とを特徴とするチタンサファイア単結晶の製造方法を提
供するものであり、更に、本発明の好ましい態様として
、３価のチタンをドープしたチタンサファイア単結晶の
製造時に要求される酸素分圧を１０−７〜１０−１３ａ
ｔｍに保ち、かつヘリウムガスをキャリアガスとして用
いると得られる結晶内の屈折率差小さくなり、気泡の生
成が抑制されるとの知見を得た。
【０００７】次ぎに本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて、チタンサファイア単結晶の製造方法は、いわゆ
る引上げ法を用い、例えば高周波誘導加熱方式の引上げ
装置を用る。本発明での出発原料は、酸化アルミニウム
（Ａｌ２Ｏ３）と三酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）又は二酸
化チタン（ＴｉＯ２）を用いる。三酸化チタンあるいは
二酸化チタンは、製品としての結晶中のチタンが０．０
１〜０．５ａｔｍ％になるようにチタンの実効偏析係数
を考慮して調整する。チタンの濃度が０．０１ａｔｍ％
より低いとレーザー発振効率が低く、又、０．５ａｔｍ
％より高いと濃度消光を起こし蛍光寿命が短くなるなど
で好ましくない。
おいて、チタンサファイア単結晶の製造方法は、いわゆ
る引上げ法を用い、例えば高周波誘導加熱方式の引上げ
装置を用る。本発明での出発原料は、酸化アルミニウム
（Ａｌ２Ｏ３）と三酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）又は二酸
化チタン（ＴｉＯ２）を用いる。三酸化チタンあるいは
二酸化チタンは、製品としての結晶中のチタンが０．０
１〜０．５ａｔｍ％になるようにチタンの実効偏析係数
を考慮して調整する。チタンの濃度が０．０１ａｔｍ％
より低いとレーザー発振効率が低く、又、０．５ａｔｍ
％より高いと濃度消光を起こし蛍光寿命が短くなるなど
で好ましくない。
【０００８】このような原料は、原料の溶融温度、例え
ば２０００〜２０６０℃で加熱し溶融状態とする。本発
明は、前記したように、原料の溶融液から引上げ法を用
いて結晶の育成を図るが、その条件は、引上げ速度０．
３〜１ｍｍ／ｈ、結晶回転速度は８０ｒｐｍ以下で、結
晶の成長と共に融液の深さは減少するが、結晶と融液と
の固液界面の形状を実質的に平面状として結晶を育成さ
せることが本発明では必須である。このような条件は、
前記した、引上げ速度、結晶回転速度等を調節すること
により保たれるが、固液界面の形状が実質的に平面状で
あるかどうかは、結晶の成長縞の観察によって確認する
ことができる。
ば２０００〜２０６０℃で加熱し溶融状態とする。本発
明は、前記したように、原料の溶融液から引上げ法を用
いて結晶の育成を図るが、その条件は、引上げ速度０．
３〜１ｍｍ／ｈ、結晶回転速度は８０ｒｐｍ以下で、結
晶の成長と共に融液の深さは減少するが、結晶と融液と
の固液界面の形状を実質的に平面状として結晶を育成さ
せることが本発明では必須である。このような条件は、
前記した、引上げ速度、結晶回転速度等を調節すること
により保たれるが、固液界面の形状が実質的に平面状で
あるかどうかは、結晶の成長縞の観察によって確認する
ことができる。
【０００９】本発明での結晶の育成雰囲気は、系内の酸
素分圧を１０−７〜１０−１３ａｔｍに保持することが
好ましく、かつキャリアガスにヘリウムガスを用いるこ
とが好ましい。このような雰囲気を保持するには、必要
に応じて、水素ガス又は一酸化炭素ガス、又は水素と二
酸化炭素の混合ガス、二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガ
スを用いた還元雰囲気とすることが好ましい。この時、
水素ガス又は一酸化炭素ガスあるいは水素と二酸化炭素
の混合ガス又は二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガスの濃
度はヘリウムガスと混合して用いる場合、０．１〜２ｖ
ｏｌ％程度とすることが目安である。キャリアガスにヘ
リウムガスを用いると、原料溶融液の温度変動幅が１℃
以内に抑えられ、結晶内の屈折率差が小となるものと考
えられる。しかし、アルゴン、窒素などの不活性ガスを
キャリアガスとして用いても、前記温度変動幅は大きく
なり結晶内に気泡が生成しやすくなる。又、ヘリウムガ
スを用いると、可燃性のガス、又は、毒性の強いガスを
系内の酸素分圧の調節に用いた場合の安全性の確保の面
からも好ましいものである。
素分圧を１０−７〜１０−１３ａｔｍに保持することが
好ましく、かつキャリアガスにヘリウムガスを用いるこ
とが好ましい。このような雰囲気を保持するには、必要
に応じて、水素ガス又は一酸化炭素ガス、又は水素と二
酸化炭素の混合ガス、二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガ
スを用いた還元雰囲気とすることが好ましい。この時、
水素ガス又は一酸化炭素ガスあるいは水素と二酸化炭素
の混合ガス又は二酸化炭素と一酸化炭素の混合ガスの濃
度はヘリウムガスと混合して用いる場合、０．１〜２ｖ
ｏｌ％程度とすることが目安である。キャリアガスにヘ
リウムガスを用いると、原料溶融液の温度変動幅が１℃
以内に抑えられ、結晶内の屈折率差が小となるものと考
えられる。しかし、アルゴン、窒素などの不活性ガスを
キャリアガスとして用いても、前記温度変動幅は大きく
なり結晶内に気泡が生成しやすくなる。又、ヘリウムガ
スを用いると、可燃性のガス、又は、毒性の強いガスを
系内の酸素分圧の調節に用いた場合の安全性の確保の面
からも好ましいものである。
【００１０】
【発明の効果】本発明は、結晶中に気泡の混入が抑制さ
れ、得られた結晶は、転位密度、屈折率差が小で、光学
的に均質な高品位チタンサファイア単結晶を得ることが
できる
れ、得られた結晶は、転位密度、屈折率差が小で、光学
的に均質な高品位チタンサファイア単結晶を得ることが
できる
【００１１】。
【実施例】以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明
する。
する。
【００１２】実施例１
純度５Ｎの酸化アルミニウム及び純度４Ｎの三酸化チタ
ンをモル比で０．９９：０．０１に調整し、これを混合
成形した後約１６００℃焼結した。この焼結体を内径４
７ｍｍ、深さ４８．５ｍｍのイリジウムるつぼに充填し
、２０５０℃に加熱、融解した。育成雰囲気としては、
水素と二酸化炭素ガスを体積比で５００：１に調整した
混合ガスをキャリアガスであるヘリウムガスに混合し、
酸素分圧を１０−８ａｔｍとした。
ンをモル比で０．９９：０．０１に調整し、これを混合
成形した後約１６００℃焼結した。この焼結体を内径４
７ｍｍ、深さ４８．５ｍｍのイリジウムるつぼに充填し
、２０５０℃に加熱、融解した。育成雰囲気としては、
水素と二酸化炭素ガスを体積比で５００：１に調整した
混合ガスをキャリアガスであるヘリウムガスに混合し、
酸素分圧を１０−８ａｔｍとした。
【００１３】引上げ速度は０．４ｍｍ／ｈで、結晶回転
速度を結晶径が一定になって後、固液界面形状を平面状
態に保つように自然対流と強制対流の強さが釣り合うと
いう条件から計算した、図１に示すような融液の深さ変
化に対する結晶回転速度変化曲線に従って、融液の深さ
の減少とともに回転速度を５５ｒｐｍから減少させなが
ら引上げた。このようにして育成されたチタンサファイ
ア単結晶には光散乱源となる気泡は結晶径が一定になっ
た後、即ち直胴部には存在していなかった。
速度を結晶径が一定になって後、固液界面形状を平面状
態に保つように自然対流と強制対流の強さが釣り合うと
いう条件から計算した、図１に示すような融液の深さ変
化に対する結晶回転速度変化曲線に従って、融液の深さ
の減少とともに回転速度を５５ｒｐｍから減少させなが
ら引上げた。このようにして育成されたチタンサファイ
ア単結晶には光散乱源となる気泡は結晶径が一定になっ
た後、即ち直胴部には存在していなかった。
【００１４】転位密度はＸ線トポグラフを測定した結果
、（０００１）面、（１１２０）面共に１０３／ｃｍ２
以下であつた。又、トワイマングリーン干渉計により結
晶内の屈折率差を測定した結果、Δｎ＝３×１０−５で
あった。
、（０００１）面、（１１２０）面共に１０３／ｃｍ２
以下であつた。又、トワイマングリーン干渉計により結
晶内の屈折率差を測定した結果、Δｎ＝３×１０−５で
あった。
【００１５】比較例１
純度５Ｎの酸化アルミニウムと純度４Ｎの三酸化チタン
をモル比で０．９９：０．０１になるように調整、混合
、成形し約１６００℃焼結した。この焼結体を内径４７
ｍｍ，深さ４８．５ｍｍのイリジウムるつぼに充填し、
２０５０℃で融解した。育成雰囲気はキャリアガスにア
ルゴンガスを用い、これに水素ガスを水素濃度が１ｖｏ
ｌ％になるようにした混合ガスを用いて、酸素分圧を１
０−８ａｔｍとした。引上げ速度は０．４ｍｍ／ｈで、
結晶回転速度は育成中６ｒｐｍに保持し、固液界面の形
状を融液に対して凸状態にして育成した。
をモル比で０．９９：０．０１になるように調整、混合
、成形し約１６００℃焼結した。この焼結体を内径４７
ｍｍ，深さ４８．５ｍｍのイリジウムるつぼに充填し、
２０５０℃で融解した。育成雰囲気はキャリアガスにア
ルゴンガスを用い、これに水素ガスを水素濃度が１ｖｏ
ｌ％になるようにした混合ガスを用いて、酸素分圧を１
０−８ａｔｍとした。引上げ速度は０．４ｍｍ／ｈで、
結晶回転速度は育成中６ｒｐｍに保持し、固液界面の形
状を融液に対して凸状態にして育成した。
【００１６】このようにして育成されたチタンサファイ
ア単結晶には、結晶の中心軸に引上げ方向に沿って気泡
が少し存在していた。また転位密度はＸ線トポグラフか
ら、（０００１）面及び（１１２０）面では各々１０３
／ｃｍ２、１０４／ｃｍ２であった。結晶内の屈折率差
Δｎはトワイマングリーン干渉計を用いた測定から３×
１０−４であった。
ア単結晶には、結晶の中心軸に引上げ方向に沿って気泡
が少し存在していた。また転位密度はＸ線トポグラフか
ら、（０００１）面及び（１１２０）面では各々１０３
／ｃｍ２、１０４／ｃｍ２であった。結晶内の屈折率差
Δｎはトワイマングリーン干渉計を用いた測定から３×
１０−４であった。
【図１】結晶の育成中、固液界面形状を平面状に保つた
めの融液の深さ変化に対する結晶回転速度変化との関係
を表す図
めの融液の深さ変化に対する結晶回転速度変化との関係
を表す図
Claims (2)
- 【請求項１】引上げ法による３価のチタンをドープした
サファイア単結晶の製造方法において、単結晶と溶融液
との固液界面を実質的に平面状に保ちながら単結晶を成
育させることを特徴とするチタンサファイア単結晶の製
造方法。 - 【請求項２】単結晶の育成時に、系内の酸素分圧を１０
−７〜１０−１３ａｔｍに保ち、かつヘリウムガスをキ
ャリアガスとして用いて単結晶を育成することを特徴と
する請求項１記載の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8435591A JPH04295094A (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 高品位チタンサファイア単結晶の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8435591A JPH04295094A (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 高品位チタンサファイア単結晶の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04295094A true JPH04295094A (ja) | 1992-10-20 |
Family
ID=13828211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8435591A Pending JPH04295094A (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 高品位チタンサファイア単結晶の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04295094A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2265365A (en) * | 1992-03-19 | 1993-09-29 | Douglas Patrick J | Decomposition of organic waste material |
| JPH06199597A (ja) * | 1992-10-15 | 1994-07-19 | Natl Inst For Res In Inorg Mater | 酸化アルミニウム単結晶の製造方法 |
| EP0948105A3 (de) * | 1998-04-03 | 2001-05-09 | TRUMPF LASERTECHNIK GmbH | HF-angeregter Gaslaser sowie Laserrohr für einen Gaslaser |
| US6641939B1 (en) | 1998-07-01 | 2003-11-04 | The Morgan Crucible Company Plc | Transition metal oxide doped alumina and methods of making and using |
| JP2008207993A (ja) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Hitachi Chem Co Ltd | サファイア単結晶の製造方法 |
| JP2009502729A (ja) * | 2005-08-02 | 2009-01-29 | モギレフスキー、ラディオン | 緻密なブロックの精製及び製造方法 |
-
1991
- 1991-03-26 JP JP8435591A patent/JPH04295094A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2265365A (en) * | 1992-03-19 | 1993-09-29 | Douglas Patrick J | Decomposition of organic waste material |
| JPH06199597A (ja) * | 1992-10-15 | 1994-07-19 | Natl Inst For Res In Inorg Mater | 酸化アルミニウム単結晶の製造方法 |
| EP0948105A3 (de) * | 1998-04-03 | 2001-05-09 | TRUMPF LASERTECHNIK GmbH | HF-angeregter Gaslaser sowie Laserrohr für einen Gaslaser |
| US6466600B1 (en) | 1998-04-03 | 2002-10-15 | Trumpf Lasertechnik Gmbh | Laser tube for high-frequency laser and laser incorporating same |
| US6641939B1 (en) | 1998-07-01 | 2003-11-04 | The Morgan Crucible Company Plc | Transition metal oxide doped alumina and methods of making and using |
| JP2009502729A (ja) * | 2005-08-02 | 2009-01-29 | モギレフスキー、ラディオン | 緻密なブロックの精製及び製造方法 |
| JP2008207993A (ja) * | 2007-02-26 | 2008-09-11 | Hitachi Chem Co Ltd | サファイア単結晶の製造方法 |
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