JPH05235462A - 固体レーザ用多結晶透明yagセラミックスの製造方法 - Google Patents

固体レーザ用多結晶透明yagセラミックスの製造方法

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JPH05235462A
JPH05235462A JP3356592A JP3356592A JPH05235462A JP H05235462 A JPH05235462 A JP H05235462A JP 3356592 A JP3356592 A JP 3356592A JP 3356592 A JP3356592 A JP 3356592A JP H05235462 A JPH05235462 A JP H05235462A
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JP
Japan
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powder
specific surface
molded
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composition
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JP3356592A
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English (en)
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Akio Ikesue
明生 池末
Toshiyuki Kinoshita
俊之 木下
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Krosaki Harima Corp
Original Assignee
Kurosaki Refractories Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種のレーザ発光元素を添加した透明YAG
セラミックスを比較的簡単に製造する手段を見出すこ
と。 【構成】 99.9重量%以上の純度を有し、かつそれ
ぞれの比表面積が1〜50m2 /g及び5〜100m2
/gであるAl2 3 及びY2 3 粉末をYAG組成近
傍となるよう秤量し、これにCeを除くランタニド元素
及びCr、Ti元素成分を添加して、単純な機械的混合
処理によって混練後、一軸または等方圧プレス等によっ
て所定形状となるように成形し、さらにこの成形体を1
600〜1850℃の酸素,水素ガス中、または10-1
Torr以上を有する真空下において焼成することによ
って、アルコキシドや共沈法等の複雑でかつコスト的に
高価な湿式法による粉末合成も必要とせず、比較的簡単
なプロセスによって単結晶とほぼ同等の光学的特性を有
する透明なYAGセラミックスの合成が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振素子として
好適に使用されるガーネット構造を有し、化学式がY3
Al5 12として表される透明化したイットリウム・ア
ルミニウム・ガーネット・セラミックス(YAG)の製
造に関する。
【0002】
【従来の技術】YAGは、発光に関与するイオンとし
て、Nd3+、Ho3+等のランタニドイオンを添加し、チ
ョコラルスキー法、フローティングゾーン法あるいはブ
リッジマン法にて単結晶化することによってレーザ光を
発振することが可能となる。
【0003】YAGレーザは、添加イオンにより発振波
長が異なり、高出力なレーザ光が得られることから、フ
ァイバー分岐用光源や各種材料の切断、溶接、アニール
または近年SHG素子を用い波長変換することによる微
細加工及びレーザメス等の利用が行われている。
【0004】単結晶を合成する場合に、単結晶を育成す
る装置や育成に用いるイリジウム坩堝が極めて高価であ
ること、育成温度が約2000℃を必要とし、かつ育成
速度が0.2〜0.3mm/hrと極めて遅く、製造コ
スト及び製造時間がかかりすぎること、装置1基に対し
1本の単結晶ロッドしか得られず生産性が低いこと、単
結晶ロッドの径が50mm前後の小さなものしか得られ
ないこと、さらには添加イオンの偏析が起こるため添加
イオン濃度を1原子%以上にできない等、様々な問題が
存在している。
【0005】近年、透明YAGセラミックスの合成法と
して、たとえば、特開平1−264963号公報、特開
平2−283663号公報に記載されているが、これら
は複雑な湿式法により複合粉末を合成しなくてはなら
ず、製造コストの面で問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、各種レーザ発光元素を添加した透明YAGセラミ
ックスを比較的簡単に製造する手段を見出すことにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の透明YAGセラ
ミックスの合成法は、99.9重量%以上の純度を有
し、かつそれぞれの比表面積が1〜50m2 /g及び5
〜100m2 /gであるAl2 3 及びY2 3 粉末を
YAG組成近傍となるよう秤量し、これにCeを除くラ
ンタニド元素及びCr、Ti元素成分を添加して、単純
な機械的混合処理によって混練後、一軸又は等方圧プレ
ス等によって目的となるように成形し、さらにこの成形
体を1600〜1850℃の酸素,水素ガス中、または
10-1Torr以上を有する真空下において焼成するこ
とによって前記目的を達成した。
【0008】
【作用】本発明は、適正な純度及び比表面積のAl2
3 、Y2 3 粉末を用い、Ceを除くランタニド元素及
びCr、Ti元素成分を添加し、適正な条件下での合成
を行うことで、レーザ発振機能が付加された透明な高密
度焼結体を得ることができ、大型のセラミックスレーザ
を工業的に安価に製造することができる。
【0009】本発明で使用するAl2 3 、Y2 3
それぞれの原料粉末の合成プロセスは、特には限定され
ないが、焼結性、すなわち、低温焼結の観点及び反応焼
結の観点からいえば、易焼結性で、かつ比表面積もでき
るだけ大きい方が望ましい。
【0010】Al2 3 、Y2 3 粉末をYAG組成に
秤量する。このとき、Ceを除くランタニド元素成分を
添加する場合はY2 3 の一部を、またCr、Ti元素
成分を添加する場合にはAl2 3 の一部を置換する。
添加に際しては、硫酸塩,硝酸塩等の塩類、アルコキシ
ド、酸化物粉末を使用できるが、適用する添加方法につ
いて特に限定されるものではない。この配合にアルコー
ル等の有機溶媒又は蒸留水を加え、ポットミル中で混合
する。この混合された粉末を減圧下又は常圧下で乾燥さ
せる。得られた均一な混合粉末は、一軸プレスまたは冷
間等方圧プレス等によって所定形状に成形する。次いで
1600〜1850℃の温度で5〜100時間、酸素ガ
ス,水素ガス中、または真空中で焼成することによっ
て、透明度の高い高密度YAGセラミックスが得られ
る。
【0011】本発明では、焼結中に出発原料であるAl
2 3 、Y2 3 粉末が反応をしながら焼結が進行して
いくが、最初にY4 Al2 9 が生成し、その後YAl
3が生成し、次いでこのYAlO3 が残存するAl2
3 と反応して最終的にYAGとなる。この焼結過程に
おいて、使用粉末の反応性が低い場合は、焼結の最終段
階まで光学的に異方性を示すYAlO3 が残存し、焼結
体の透明度を著しく低下させる。本発明では、特にY2
3 粉末の反応性が重要であることが判明しており、適
用するY2 3 粉末の比表面積はAl2 3 の約2倍以
上に設定することが好ましい。
【0012】また、焼結助剤としてSiO2 成分を添加
する際には、硫酸塩,硝酸塩等の塩類、アルコキシド、
SiO2 粉末そのものを使用できるが、適用する添加方
法について特に限定されるものではない。SiO2 は、
焼結体中の粒子を若干粒成長させると同時に、前述した
光学的異方性を示す物質の除去を促進させる効果があ
り、SiO2 の添加により焼成時間を短縮できる。Si
イオンはAlイオンと置換できることから、焼結体中に
異物として存在することはなく、したがって光学的特性
を低下させる要因にはならない。しかし、所定量以上を
添加した場合には、粒界中にSiO2 が析出したり、ま
た異常粒成長を起こして不均一な組織となり、光学的性
質を低下させる要因となる。また、SiO2 量が少ない
場合には、その効果を十分に発揮できず、特定の範囲に
限定される。
【0013】
【実施例】Al2 3 、Y2 3 それぞれの粉末を合量
100g秤量し、ポットミル中へそれぞれの粉末とエチ
ルアルコール300cc、さらにアルミナボール500
gを入れ、24時間混合した。混合した粉末を500m
mHgの減圧下で乾燥し、乾燥した粉末を乳鉢で軽く再
混合した。
【0014】この粉末を直径50mm、高さ15mmの
タブレットに仮成形後、ラバープレスにより成形圧10
00kg/cm2 で成形した。
【0015】この成形体を電気炉に入れ、100℃/h
rで昇温し、所定温度にて5時間焼成後、100℃/h
rで冷却した。得られた焼結体は直径15mm、厚さ1
mmの試料に加工した。試料の両面は1μmのダイヤモ
ンドペーストにより鏡面仕上げした。
【0016】表1に示す実施例1〜19は、純度99.
99重量%のAl2 3 、Y2 3粉末の組成比を4
2.9:57.1(すなわちモル比で5:3)とするこ
とを基準とし、R及びCr、Ti元素成分の添加量によ
ってAl2 3 、Y2 3 量を調節したもの、またAl
2 3 、Y2 3 粉末の比表面積がそれぞれ2〜50m
2 /g、5〜100m2 /gの範囲で変動させたもの、
さらには焼結温度を1600〜1800℃まで変化させ
た結果を示す。ここでは、R及びCr、Ti元素として
Ndのみの記載となっているが、他の添加物質において
も同等の結果が得られた。
【0017】
【表1】 表2に示す実施例20〜31は同じく純度99.99重
量%のAl2 3 、Y2 3 粉末のそれぞれの比表面積
を8m2 /g、25m2 /gと固定した。これに前記と
同様のR及びCr、Ti元素成分を添加し、さらに焼結
助剤としてSiO2 を添加し、真空中で焼成したときの
結果を示す。
【0018】
【表2】 比較例 市販されているNd:YAG(0.6at%)単結晶を
同じ試料サイズに切り出し、両面研磨後、透過率を測定
したところ、波長700nmでの透過率が80%であっ
た。
【0019】表3に示す比較例1〜9は、市販のAl2
3 、Y2 3 粉末(比表面積0.5m2 /g、2m2
/g)を使用した場合、または、Al2 3 あるいはY
2 3 のどちらかの粉末が特許請求範囲外であるもの、
さらにはこれに特許請求範囲内のSiO2 を添加した場
合の結果を示す。さらには特許請求範囲内のAl
2 3 、Y2 3 粉末にSiO2 を特許請求範囲外の添
加量加えた場合の結果を示す。
【0020】
【表3】 比表面積の小さな粉末を使用した場合、あるいはどちら
かの粉末が特許請求範囲外の比表面積の粉末を用いた場
合は、粉末の反応性が低いために焼結体中に光学的異方
性を示す相が多く存在し、このため透過率が低い。さら
に、この配合に特許請求範囲内のSiO2 を添加しても
透過率の向上は見られない。また、SiO2 の添加量が
50ppm以下の場合には、焼結促進の効果は全く見ら
れず、逆に添加量が多い場合には、異常粒成長が起こり
透過率が低くなった。
【0021】
【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏すること
ができる。
【0022】(1)アルコキシドや共沈法等の複雑でか
つコスト的に高価な湿式法による粉末合成も必要とせ
ず、比較的簡単なプロセスによって単結晶とほぼ同等の
光学的特性を有する透明なYAGセラミックスの合成が
可能となる。
【0023】(2)得られた各種元素を添加した透明な
YAGセラミックスは、レーザ発振小ロッドとして好適
に使用される。
【0024】(3)得られた各種元素を添加した透明な
YAGセラミックスは、従来の単結晶に比較してレーザ
発振に寄与する元素を高濃度にすることが可能であるの
で、高出力のレーザが発振でき、従来の単結晶より小型
化できる。
【0025】(4)製造法自体が従来とは異なるセラミ
ックス技術により、合成が可能であるので、製造コスト
の大幅低下、製造工程の大幅短縮、さらには大型ロッド
やスラブの作成が可能である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純度99.9重量%以上でそれぞれの比
    表面積が1〜50m2 /g及び5〜100m2 /gのA
    2 3 及びY2 3 粉末に、R(RはCeを除くラン
    タニド元素)及びCr、Ti元素の1種または複数種を
    添加した配合物を機械的混合により混練し、常圧又は減
    圧下で乾燥、成形後、1600〜1850℃の温度によ
    り焼成することによる透明イットリウム・アルミニウム
    ・ガーネット・セラミックスの製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の記載において、焼結助剤とし
    てSiO2 成分を50〜10000ppmの範囲で添加
    してなる透明イットリウム・アルミニウム・ガーネット
    ・セラミックスの製造方法。
JP3356592A 1992-02-20 1992-02-20 固体レーザ用多結晶透明yagセラミックスの製造方法 Pending JPH05235462A (ja)

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