磁気光学材料、ファラデー回転子、及び光アイソレータ
【課題】波長１．０６μｍ域（０．９〜１．１μｍ）でのベルデ定数が大きく、かつ、高い透明性を有する、酸化テルビウムを含む酸化物を主成分として含有する磁気光学材料を提供すること、及び、加工機用ファイバーレーザに好適に使用される小型化した光アイソレータを提供すること。
【解決手段】下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９％以上含有することを特徴とする磁気光学材料。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【解決手段】下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９％以上含有することを特徴とする磁気光学材料。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学材料、ファラデー回転子、及び光アイソレータに関する。より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な磁気光学材料及び前記磁気光学材料を備えた磁気光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ加工機の進展に伴い、光と磁気との相互作用を利用した磁気光学デバイスが注目されている。その１つに、アイソレータがあるが、これは、レーザ光源から発振した光が、途中の光学系で反射されて光源に戻ると、レーザ光源から発振した光を擾乱させて、不安定な発振状態になる現象を抑制するものである。そのため、この作用を利用して、光アイソレータは、レーザ光源と光学部品との間に配置して利用されている。
【０００３】
光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子との３つの部品を有する。光アイソレータは、ファラデー回転子に光の進行方向に平行に磁界を加えた状態で、光がファラデー回転子に入射すると、ファラデー回転子の中で偏光面が回転するという性質、いわゆるファラデー効果を利用する。すなわち、入射光のなかで、偏光子と同じ偏光面を有する光が偏光子を通過して、ファラデー回転子に入射される。この光は、ファラデー回転子の中で、光の進行方向に対して、プラス４５度回転されて、出射する。
【０００４】
これに対して、入射方向と逆方向からファラデー回転子に入射する戻り光は、最初に検光子を通過する際に、検光子と同じ偏光面を有する成分の光のみが検光子を透過し、ファラデー回転子に入射される。次にファラデー回転子の中で、戻り光の偏光面が、最初のプラス４５度からさらにプラス４５度回転されるため、偏光子とプラス９０度の直角の偏光面となり、戻り光は、偏光子を透過できなくなる。
【０００５】
上記のような光アイソレータのファラデー回転子として用いられる材料では、ファラデー効果が大きく、かつその使用する波長において、透過率が高いことが必要である。
近年、レーザ加工機として、ファイバーレーザを用いた装置が多く利用されている。このレーザの発振波長は、０．９〜１．１μｍであり、その波長において、ファラデー効果が大きく、透過率が高い材料として、テルビウムガリウムガーネット単結晶（略称：ＴＧＧ）、若しくはテルビウムアルミニウムガーネット単結晶（略称：ＴＡＧ）などが用いられている（特許文献１参照）。
【０００６】
ファラデー回転角θは、下記式（Ａ）で表される。
θ＝Ｖ＊Ｈ＊Ｌ （Ａ）
式（Ａ）中、Ｖはベルデ定数でファラデー回転子の材料で決まる定数であり、Ｈは磁束密度、Ｌはファラデー回転子の長さである。光アイソレータとして用いる場合は、θ＝４５度になるように、Ｌを決定する。
そのため、光アイソレータの大きさを決める要因は、ベルデ定数、磁束密度である。テルビウムガリウムガーネット単結晶のベルデ定数は、０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、テルビウムアルミニウムガーネット単結晶のベルデ定数は、０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）である。これらの単結晶を用いて、磁束密度を１０，０００ Ｏｅとしたならば、入射光の偏光面をプラス４５度回転させるには、２０〜２５ｍｍの長さが必要になる。そのため、この大きさのファラデー回転子を使い、さらにファラデー回転子の両側に、例えばルチル結晶などからなる偏光子、検光子を取り付ける必要があるため、光アイソレータの大きさは、約７０ｍｍ以上の大きさになってしまう。ファイバーレーザのモジュールの大きさを小型化するためには、この光アイソレータを小型化する必要があるため、その構成部品であるファラデー回転子を短くできる材料を開発する必要がある。
【０００７】
一方、単一長さ当たりのファラデー回転角度が大きい材料としては、鉄（Ｆｅ）を含むイットリウム鉄ガーネット（通称：ＹＩＧ）単結晶があるが（特許文献２参照）、これらの材料は、波長０．９μｍに大きな光吸収があり、波長０．９〜１．１μｍにその吸収の影響が出るため、当該領域では、前記の材料は使用に適していない。
また、特許文献３は、テルビウム含有ガラス及びこれを用いた磁気光学デバイスを開示する。このガラスもテルビウム含有量に限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−８９７９７号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６９４７号公報
【特許文献３】特開２００８−２３０９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、波長１．０６μｍ域（０．９〜１．１μｍ）でのベルデ定数が大きく、かつ、高い透明性を有する、酸化テルビウムを含む磁気光学材料を提供することである。本発明のさらなる目的は、加工機用ファイバーレーザに好適に使用される小型化した光アイソレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記課題は、以下の＜１＞、＜９＞及び＜１０＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜８＞とともに以下に記載する。
＜１＞下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする磁気光学材料、
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【００１１】
＜２＞波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上である、＜１＞に記載の磁気光学材料、
＜３＞前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、＜１＞又は＜２＞に記載の磁気光学材料、
＜４＞アルカリ土類金属、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第４族元素、第５族元素、若しくは第６族元素の酸化物、又は、第１７族元素の化合物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜５＞アルカリ土類金属の酸化物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜６＞単結晶である、＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜７＞フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法、及びＥＦＧ法よりなる群から選択された製造方法で作製された、＜６＞記載の磁気光学材料、
＜８＞セラミックスである、＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜９＞＜１＞〜＜８＞いずれか１つに記載の磁気光学材料を用いた、波長０．４０μｍ以上１．２μｍ以下におけるファラデー回転子、
＜１０＞＜９＞に記載のファラデー回転子の前後に偏光材料を配置した、光アイソレータ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、波長１．０６μｍ域でのベルデ定数が大きく、かつ、高い透明性を有する、酸化テルビウムを含む磁気光学材料を提供することができた。また、本発明によれば、加工機用ファイバーレーザに好適に使用される小型化した光アイソレータを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】フローティングゾーン法に好適に使用される装置の一例を示す断面図である。
【図２】マイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
【図３】ファラデー回転子を磁気光学素子として有する磁気光学デバイスである、光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の磁気光学材料は、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
この磁気光学材料は、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上であることが好ましい。
【００１５】
発明者等は、常磁性元素であるテルビウム、及び、その酸化物が波長１．０６μｍにおいて透明性が高いという特徴を生かし、その波長においてベルデ定数が大きくできる実現可能性について、鋭意検討を行った。その結果、酸化テルビウムをモル比換算で、４０％以上含み、かつその酸化物と、波長１．０６μｍにおいて透明な希土類、例えば、前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、磁気光学材料を作製することで、波長１．０６μｍでのベルデ定数が、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上の値を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
テルビウム（Ｔｂ）は、常磁性元素であり、波長１．０６μｍにおいて、酸化テルビウムは、光路長３ｍｍにおいて光の透過率が７０％以上の元素であるため、この波長域のアイソレータに使用するには、最も適した元素である。したがって、式（Ｉ）において、このテルビウムをできるだけ多く含む化合物を作製することが、１．０６μｍにおけるその化合物のベルデ定数を大きくし、ファラデー回転角を多くできることにつながる。さらに波長１．０６μｍにおいて透明性が高い化合物を作製するには、構成する他の元素も、その波長域において透明性が高いことが好ましく、それに最も適した化合物は、波長１．０６μｍで光路長３ｍｍにおける光の透過率が７０％以上の元素との酸化物である。
【００１７】
本発明の磁気光学材料は、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上であることが好ましい。上記の消光比であると、高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータの作製を可能にするという観点で好ましい。
なお、消光比は、定法に従い、波長１．０６μｍにおいて測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００１８】
本発明において、ベルデ定数は、定法に従い測定すればよく、特に測定条件は限定されない。具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラデー回転子をセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００１９】
一方、テルビウムを最も多く含み、かつ最もベルデ定数が大きい酸化物は、酸化テルビウムそのものである。フローティングゾーン法で、この単結晶を成長させてみたが、結晶成長後、冷却時にクラックが生じてしまった。詳細な原因は不明であるが、酸化テルビウムは、Ｔｂが３価のＴｂ2Ｏ3と、Ｔｂが４価のＴｂＯ2の２形態があり、冷却時に相転移が生じて、クラックが生じたと考えられる。
【００２０】
そこで、酸化テルビウムと同じ結晶構造を有し、同じ希土類元素で、酸価数が３価で安定しており、かつ波長１．０６μｍにおいて透明性が高い酸化物との固溶体を検討した。その候補として、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムが挙げられ、これらの金属の酸化物と酸化テルビウムとの固溶体が適していることが分かった。
さらに、これら固溶体の場合、酸化テルビウムの濃度をある程度自由に変更できるため、酸化テルビウムの濃度を変化させて、フローティングゾーン法で、結晶を作製し、その結晶のベルデ定数を測定したところ、酸化テルビウムがモル比換算で４０％以上あれば、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上の値を示すことが分かった。
また、固溶体の場合、Ｘ線粉末回折で結晶構造を測定すると、酸化テルビウムと他の上記に示した希土類酸化物は同じ立方晶なので、それらと同じ立方晶を示すことが分かった。
なお、本実施形態において、「固溶体」とは、原料粉末である酸化テルビウムの結晶層の格子点にあるテルビウムが、全く不規則に別種の元素（例えば、イットリウム等）と置換している状態を意味する。したがって、単結晶、多結晶、及び、焼結により作製された多結晶であるセラミックス等を包含するものである。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
なお、本発明において、数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」の記載は、特に断りのない限り、「Ａ以上Ｂ以下」を表す。すなわち、端点であるＡ及びＢを含む数値範囲を意味する。
【００２１】
（式（Ｉ）で表される酸化物）
本発明の磁気光学材料は、式（Ｉ）で表される酸化物を、主要成分として、すなわち９９重量％以上含有する。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、テルビウム以外のランタノイド元素群（好ましくは、ランタン（Ｌａ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、及び、ルテチウム（Ｌｕ））よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【００２２】
上記式（Ｉ）中、Ｒとしては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むものであれば特に限定されず、その他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、エルビウム、ツリウムが例示できる。
その他の元素の含有量は、Ｒの全量を１００重量部としたとき、５０重量部以下であることが好ましく、１０重量部以下であることがより好ましく、その他の元素の含有量が０、すなわち、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された元素のみからなり、他の元素を含有しないことが好ましい。
ここで、Ｒは一種単独であってもよいし、複数のＲが任意の比率で含まれていてもよく、特に限定されない。
これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒとしては、イットリウム、ガドリニウム及びルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。
【００２３】
式（Ｉ）中、ｘは０．４以上１．０以下である。すなわち、式（Ｉ）で表される酸化物は、モル比換算でＴｂ2Ｏ3を４０モル％以上含有する。
式（Ｉ）中、ｘが０．４未満であると、高いベルデ定数を得ることができない。
ｘは、０．４以上１．０未満であることが好ましく、０．４以上０．８以下であることがより好ましく、０．４５以上０．７５以下であることがさらに好ましい。ｘが上記範囲内であると高いベルデ定数が得られ、さらに、透明性に優れるので好ましい。特にｘが０．８以下であると、結晶育成後の冷却中のクラックの発生が抑制され、結晶の白濁が抑制されるので好ましい。
【００２４】
（磁気光学材料）
本発明の磁気光学材料（以下、「本発明の酸化物」ともいう。）は、式（Ｉ）で表される酸化物を主要成分として含有する。
すなわち、本発明の磁気光学材料は、式（Ｉ）で表される酸化物を主要成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。換言すれば、本発明の酸化物は、式（Ｉ）で表される酸化物を主成分として含有し、その他の成分（その他の酸化物等）を含有していてもよい。
ここで、主成分として含有するとは、式（Ｉ）で表される酸化物を、５０重量％以上含有することを意味する。式（Ｉ）で表される酸化物の含有量は、８０重量％以上であることが好ましく、９０重量％以上であることがより好ましく、９９重量％以上であることがさらに好ましく、９９．９重量％以上であることが特に好ましく、９９．９９重量％以上であることが最も好ましい。
【００２５】
本発明の酸化物が含有しうるその他の成分としては、アルカリ土類金属の酸化物、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素の酸化物、第１４族元素の酸化物、第１５族元素、その他第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、及び第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）の酸化物、並びに、第１７族元素の化合物よりなる群から選択される金属酸化物又は化合物が好ましい。第１７族元素としては、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒが好ましく、Ｆがより好ましく、第１７族元素の化合物としてＹＦ3、ＭｇＦ2が例示できる。
本発明の酸化物が、アルカリ土類金属、第１３族元素、第１４族元素、第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、若しくは第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）の酸化物、又は第１７族元素の化合物のうち１つまたは２つ以上を０．０００００１重量％以上１．０重量％以下含有することが好ましい。
これらの酸化物の含有量は、本発明の酸化物に対して、０．００００１重量％以上１．０重量％以下であることが好ましく、０．００００１〜０．１重量％であることさらに好ましい。
【００２６】
具体的には、アルカリ土類金属の酸化物としては、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムが例示され、第１１族元素の酸化物としては、酸化銅、酸化銀が例示され、第１２族元素の酸化物としては、酸化亜鉛、酸化カドミウムが例示され、第１３族元素の酸化物としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ガリウムが例示され、第１４族元素の酸化物としては酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化スズが例示され、第１５族元素の酸化物としては、酸化ビスマスが例示され、第４族元素の酸化物としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムが例示される。
【００２７】
上記の金属酸化物は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパントや、セラミックス作製時に添加する焼結助剤の残留物として含有される。
単結晶作製の際に添加する、ドーパントとしては、アルカリ土類金属の酸化物が好ましく、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等がより好ましく、酸化マグネシウムが特に好ましい。これらの酸化物は、本発明の酸化物全体に対して、０．０００００１〜１．０重量％含有することが好ましく、０．００００１〜０．１重量％含有することがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％含有することが特に好ましい。
【００２８】
焼結助剤としては、炭酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属の炭酸塩、アルミナ、酸化ガリウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム等が例示できる。なお、例えばアルカリ土類金属の炭酸塩を焼結助剤として使用した場合、得られる酸化物においては、焼結によって酸化されており、アルカリ土類金属の酸化物として含有される。
アルカリ土類金属の酸化物以外の金属酸化物の含有量も、本発明の酸化物全体の０．００００１〜１．０重量％であることが好ましく、０．０００１〜０．１重量％であることがさらに好ましい。
【００２９】
本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスの製造時に、副成分が混入する場合があり、例えば、坩堝の構成成分が混入する場合が挙げられる。本発明の酸化物は、これらの意図しない副成分の混入を排除するものではないが、その混入量は、上記その他の成分と合計して、５０重量％以下であり、２０重量％以下であることが好ましく、１０重量％以下であることがより好ましく、１重量％以下であることがさらに好ましく、０．１重量％以下であることが特に好ましく、０．０１重量％以下であることが最も好ましい。
【００３０】
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である。ベルデ定数は０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、高いベルデ定数を有することが好ましい。ベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）未満であると、ファラデー回転角を４５度とするために必要なファラデー回転子の長さが長く、光アイソレータが大型化する。
ベルデ定数は０．２０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることが好ましく、０．２１ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることがより好ましく、０．２２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることがさらに好ましい。また、製造の容易性の観点から、０．３６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以下であることが好ましい。
【００３１】
本発明において、ベルデ定数は定法に従い測定すればよく、特に限定されない。
具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度が既知の永久磁石にセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００３２】
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率（光の透過率）が７０％以上であることが好ましい。上記透過率が７０％以上であると、透明性が高く、ファラデー回転子としての使用に適する。
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍにおける光路長３ｍｍでの透過率は、７０％以上であり、７２％以上であることが好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。透過率は高いことが好ましく、その上限は特に限定されず、１００％以下であればよい。
透過率は、波長１．０６μｍの光を厚さ３ｍｍの酸化物に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さ３ｍｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であることが好ましいが、より長い光路長であっても高い透過率を有することが好ましく、光路長１０ｍｍでの透過率は、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、７２％以上であることがさらに好ましく、７５％以上であることが特に好ましい。光路長が１５ｍｍでの透過率についても同様に、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、７２％以上であることがさらに好ましく、７５％以上であることが特に好ましい。
また、特に本発明の酸化物をファラデー回転子として用いる場合には、光路長１０ｍｍの透過率が７０％以上であることが好ましい。
【００３３】
（酸化物単結晶、セラミックス）
本発明の酸化物は、上記の要件を満たすものであれば、単結晶であっても、セラミックスであってもよく、特に限定されない。以下に、本発明の酸化物が酸化物単結晶である場合、及び、本発明の酸化物がセラミックスである場合について、その製造方法を含めて詳述する。
【００３４】
＜酸化物単結晶＞
本発明の酸化物は、酸化物単結晶であってもよい。すなわち、前記酸化物単結晶は、本発明の酸化物よりなる酸化物単結晶である。
酸化物結晶を作製する方法しては、特に限定されないが、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、及び、ブリッジマン法が例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
酸化物単結晶の作製においては、上述したように、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）を０．００１〜０．０１重量％ドーピングすることも好ましい。
以下、代表的な製造方法について詳述する。
【００３５】
＜フローティングゾーン法＞
フローティングゾーン法にて酸化物単結晶を作製する一実施態様を記載する。
フローティングゾーン法による単結晶の製造方法としては、例えば、特開昭６２−２７１３８５号公報を参照することができる。
先ず原料として、高純度（好ましくは９９．９ｗｔ％以上）の粉末原料（Ｔｂ2Ｏ3及びＲ2Ｏ3並びにその他の成分）を用意し、これを混合して、混合粉末を調製する。Ｒは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含み、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択されることが好ましい。
製造に供する混合粉末及びその成形体の調製については後述する。
【００３６】
以下、図１を参照して光学式フローティングゾーン法の一例である、キセノンランプフローティングゾーン法（キセノンランプＦＺ法）について詳述する。
なお、以下の説明において、特に断りのない限り、同一の符号は同一の対象を意味する。
図１は、キセノンランプＦＺ法に使用されるキセノンランプＦＺ装置１００の構成を示す概念断面図である。キセノンランプＦＺ装置１００は、溶融用のキセノンランプ１２０光源と楕円体鏡１３０を設けた構成になっており、楕円体鏡１３０は２つの楕円体を無端状に繋げた形状に形成されており、キセノンランプ１２０から試料に集光して加熱融解することができる。図１において、キセノンランプＦＺ装置１００は、内部が中空で試料を入れる石英管１４０と、２つのキセノンランプ１２０が１つの楕円体鏡１３０内にある。楕円体鏡１３０を形成する２つの楕円体はそれぞれ２つの焦点を有しており、楕円体鏡１３０としては、計４つの焦点を有している。楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、２つの焦点は重なっており、石英管１４０は、この重なった点を通るように置かれている。また、２つのキセノンランプ１２０の軸心は、楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、残り２つの焦点をそれぞれ通るように置かれている。
楕円体鏡１３０内側は、鏡面処理が施されている。キセノンランプ１２０から照射されたキセノン光は、鏡面処理された楕円体鏡１３０に反射して、軸心部の石英管１４０にほぼ全方向から入射される。光源には、キセノンランプ以外にハロゲンランプを用いることができるが、キセノンランプは、到達温度を高くでき、集光度をシャープにできるので、温度勾配を急峻にできる利点がある。
【００３７】
石英管１４０内には、回転可能な上シャフト１１０と上シャフト１１０の下端から下方に隔てられて配置された下シャフト１１２とを有する。上シャフト１１０と下シャフト１１２は、石英管１４０内で上下移動が可能である。石英管１４０は、結晶成長させるための雰囲気制御が可能になっている。上シャフト１１０に原料棒として、原料の成形体を取り付ける。また下シャフトは、種結晶となる材料を取り付けるのが望ましいが、原料の成形体や原料の焼結体を取り付けてもよい。ここで、上シャフトに取り付けた原料成形体をフィードロッド１１４、下シャフトに取り付けた原料の成形体、焼結体又は種結晶になる材料をシードロッド１１６という。
【００３８】
図１において、石英管１４０は、図示しない一端から他端に向けて、アルゴンガスと数％の水素ガスを入れて陽圧にすることが好ましい。これは、１つには石英管１４０外部から大気が侵入しないようにするためであり、もう１つは、結晶育成時に原料棒（フィードロッド１１４）に含まれる酸化テルビウムが酸化されないようにするためである。
次に上下シャフト１１０、１１２に、それぞれフィードロッド１１４及びシードロッド１１６を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッド１１４の下端とシードロッド１１２の上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプ１２０の出力を上げる。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づける。なおこれら２つのロッドを回転しなくても構わない。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させる。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプ１２０の出力を微調整しながら、シードロッド１１６とフィードロッド１１４をゆっくり降下していく。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッド１１６の上部に形成されていく。シードロッド１１６とフィードロッド１１４の降下速度を同じにすれば、結晶体が育成されていく。所望の長さ、あるいは、シードロッド１１６が消費されたら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりキセノンランプ１２０の出力を下げて温度を下げていくと、透明な結晶体を得ることができる。
【００３９】
なお、フローティングゾーン法において、得られた結晶は、温度勾配が強い条件で育成されているので、成長時の熱歪が残っており、結晶を切断するときに、クラックが生じる場合がある。そのため、結晶成長後、カーボン炉などを用いて、カーボン容器に、結晶を入れて、１，２００℃以上の不活性雰囲気若しくは還元雰囲気でアニールして、熱歪を除去しておくことが好ましい。このときのアニール温度は特に限定されないが、１，２００〜２，２００℃であることが好ましく、１，４００〜２，２００℃であることがより好ましく、１，６００〜２，０００℃であることがさらに好ましい。また、アニール時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜５０時間であることがさらに好ましい。
【００４０】
なお、得られた単結晶をアイソレータのファラデー回転子として使用する場合には、切断後、研磨剤等により表面に鏡面仕上げを施すことが好ましい。研磨剤は特に限定されないが、例えば、コロイダルシリカが例示される。
【００４１】
＜マイクロ引下げ法＞
酸化物単結晶の作製方法として、別の方法である、マイクロ引下げ法にて単結晶を作製する場合について以下に説明する。なお、マイクロ引下げ法については、特開２００１−２２６１９６号公報を参照することができる。
先ず原料粉末を所望のモル比となるように、秤量する。装置に仕込む際に、上記粉末原料は十分に混合され、また、乾燥又は焼結されていればよく、公知の方法を適宜採用すればよい。混合粉末の調製方法については後述する。
【００４２】
次にマイクロ引下げ装置を用いて単結晶を育成する。
図２は、本実施形態に好適に使用されるマイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
マイクロ引下げ法に使用されるマイクロ引下げ装置２００は、坩堝２２０と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液２１０に接触させる種を保持する種保持具２６０と、種保持具２６０を下方に移動させる移動機構（不図示）と、該移動機構の移動速度制御装置（不図示）と、坩堝２２０を加熱する誘導加熱装置２５０とを具備した単結晶成長装置である。なお、図２において、坩堝２２０の下部は、坩堝支持治具２２２により保持されており、また、坩堝２２０の外部には、保温筒２３０及び石英管２４０が設けられており、石英管２４０の外部から、誘導加熱装置２５０により坩堝２２０を加熱している。
【００４３】
該坩堝２２０は、耐熱性の観点からレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体であることが好ましく、坩堝底部外周にレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体からなる発熱体であるアフターヒーター（不図示）を配置することが好ましい。坩堝２２０及びアフターヒーターは、誘導加熱装置２５０の出力を調整することで、発熱量を調整でき、それによって、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液２１０の固液界面の加熱温度及び温度勾配を制御することができる。
【００４４】
この装置において、細孔を複数個設けて、融液が垂れ落ちない大きさ（好ましくは直径２００〜３００μｍ）とし、流下する融液が、種結晶若しくは焼結した同じ組成の原料を成形した焼結体を、接触する前に合流するように複数の細孔を配置することが好ましい。
【００４５】
この装置を用いて、上述の方法で準備した焼結原料を坩堝２２０にセットする。昇温する前に、炉内を不活性ガス雰囲気とすることが好ましく、高周波誘導加熱コイル（誘導加熱装置２５０）に高周波電力を徐々に印加することで、坩堝２２０を加熱して、坩堝２２０内の原料を完全に融解する。できれば融液２１０の組成が均一になるように、この状態で数時間保持しておくことが好ましい。
【００４６】
種結晶若しくは焼結成形棒を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませる。次いで、融液温度を調整しながら引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了になる。成長した結晶は、アフターヒーターに保持された状態で、徐々に室温まで冷却することが好ましい。
【００４７】
（セラミックス（透明セラミックス））
固溶体は、波長１．０６μｍにおいて透明性が高く、かつ熱歪などの異方性がなければ、単結晶である必要はなく、多結晶であるセラミックス（本発明において、透明セラミックスともいう。）でもよい。なお、本発明において透明セラミックスとは、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であるセラミックスを意味する。
単結晶を製造する場合は、融液状態になるよう、高温まで昇温しなくてはならず、酸化テルビウムは融点が約２，６００℃、酸化イットリウムでは融点が約２，３００℃であり、それら２つの固溶体の場合は、それらの中間温度まで昇温する必要があり、非常に高温まで昇温する必要がある。したがって、坩堝の中で溶融して単結晶を作製する場合は、坩堝の選定が、レニウム、タングステン、又はそれらの合金等と、非常に限られてしまう。
一方、透明セラミックスの場合は、その融点まで昇温する必要がなく、加圧焼結すれば、融点以下で、透明化することができる。焼結時に、焼結助剤を入れて、焼結密度を上げて、緻密化させることも可能である。
【００４８】
透明セラミックスの作製方法としては、従来公知の製造方法を適宜選択して使用することができ、特に限定されない。透明セラミックスの製造方法としては、熱間等方圧加圧処理する方法、固相法とプレス成形法とを組み合わせる方法、鋳型成形等を利用して真空焼結する方法等が例示され、池末明生著「光学単結晶から光学多結晶へ」応用物理、第７５巻、第５号、５７９−５８３（２００６）、柳谷高公、八木秀喜著「セラミックレーザー材料の現状と将来」レーザー研究、第３６巻、第９号、５４４−５４８（２００８年）等に記載されている。
以下、透明セラミックスの作製方法として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）を使用して透明セラミックスを作製する場合の一例について説明する。
先ず原料粉末（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3及びその他の成分）の混合粉末を調製する。なお、混合粉末の調製方法については後述する。得られた混合粉末に、溶媒、結合剤、可塑剤、潤滑剤等を添加し、湿式混合してスラリー状とする。なお、このとき上述した焼結助剤を所定量、好ましくは原料全体の０．００００１〜１．０重量％、より好ましくは０．０００１〜０．１重量％、さらに好ましくは０．００１〜０．０１重量％添加することも好ましい。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して、乾燥させ、その後、成形する。成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。また、成形後、加熱（好ましくは４００〜６００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。
【００４９】
その後、真空炉で焼成を行うことが好ましい。焼成条件としては、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。焼成時間は１〜５０時間であることが好ましく、２〜２５時間であることがより好ましく、５〜２０時間であることがさらに好ましい。このとき、好ましくは１，２００℃程度までは昇温速度を１００〜５００℃／ｈｒ、より好ましくは２００〜４００℃／ｈｒ、さらに好ましくは２５０〜３５０℃／ｈｒとし、それ以上の温度では、昇温速度を遅くすることが好ましく、２５〜７５℃／ｈｒとすることがより好ましい。また、焼成時真空度は、１Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０-1Ｐａ以下であることがより好ましい。
また、上記の焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行う。処理温度は、前記焼成温度よりも高いことが好ましく、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。処理圧力は、１０〜１，０００ＭＰａであることが好ましく、２０〜５００ＭＰａであることがより好ましく、４０〜２００ＭＰａであることがさらに好ましい。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下が好ましく、２５時間以下がより好ましく、１０時間以下がさらに好ましい。また、１５分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、１時間以上がさらに好ましい。
【００５０】
＜混合粉末及び成形体の調製＞
本発明において、酸化物単結晶及び透明セラミックスの製造に使用される混合粉末及びその成形体（焼結体を含む）について所望のモル比となるように秤量する。
粉末材料（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3、及び、その他の成分）は、高純度のものを使用することが好ましく、純度９９．９ｗｔ％以上であることが好ましく、９９．９９ｗｔ％以上であることがより好ましく、９９．９９９ｗｔ％以上であることがさらに好ましい。なお、前記Ｒ2Ｏ3中のＲは式（Ｉ）におけるＲと同義であり、好ましい範囲も同様である。
なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ2Ｏ3に限定されるものではなく、Ｔｂ4Ｏ7を使用することもできるが、得られる酸化物の結晶性に優れることから、Ｔｂ2Ｏ3を使用することが好ましい。
【００５１】
粉末材料を所望のモル比で秤量した後、乾式で混合してもよく、湿式で混合してもよく、特に限定されない。また、湿式又は乾式で混合した後、焼成処理を行ってもよく、焼成処理の後、さらに粉砕処理を行ってもよい。
具体的には、ボールミル等で乾式混合した後、混合粉末を不活性ガス雰囲気下で焼成する方法が例示できる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。不活性ガス雰囲気としては、希ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気下が挙げられるが、アルゴン雰囲気下で焼成することが好ましい。また、焼成時間は特に限定されず、混合粉末の含水量や焼成温度に応じて適宜選択すればよいが、１〜１００時間であることが好ましく、より好ましくは５〜５０時間であり、さらに好ましくは１０〜３０時間である。また、焼成を行う場合には、焼成後にさらにボールミル等で粉砕混合することも好ましい。
【００５２】
また、混合粉末の平均粒子径の分布をシャープにし、さらに、高純度とする目的で、粉末材料を溶解して、再結晶化及び粉砕した後、原料粉末として使用してもよい。
具体的には、高純度（例えば９９．９ｗｔ％以上）の原料粉末を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｒ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量する。これらの原料粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整し、得られた水溶液を撹拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で数日間放置し、その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で数日間乾燥する方法が例示できる。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気若しくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、好ましくは８００〜１，５００℃、より好ましくは１，０００〜１，４００℃、さらに好ましくは１，１００〜１，２００℃にて、好ましくは０．５〜１０時間、より好ましくは１〜７時間、さらに好ましくは２〜４時間仮焼きを行う。ここで、不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
【００５３】
粉末材料をよく混合した後、混合物を成形機を用いて所望の形状及び大きさに成形してもよい。成形する形状は特に限定されず、使用する装置等に応じて適宜選択すればよく、例えば、円柱状に成形することが例示される。
粉末材料の成形方法としては、例えば、十分に乾式混合した粉末原料を、成形器により加圧成形する方法が例示できる。
また、粉末材料に有機バインダーを加えて、スラリー状にし、これを成形した後、焼成して焼結体とし、これを原料成形体として使用することもできる。焼結温度は、６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。焼結雰囲気は、希ガス又は不活性ガス雰囲気であることが好ましく、アルゴン雰囲気であることがさらに好ましい。焼結時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜３０時間であることがさらに好ましい。
【００５４】
また、ＨＩＰ法にて透明セラミックスを製造する場合には、成形体を製造後、これをＨＩＰ法にて処理する。
具体的な成形体の製造方法としては、原料粉末に溶媒、結合剤（バインダー）、可塑剤、潤滑剤等を加えて湿式混合してスラリー状とする方法が例示できる。このとき、焼結助剤を所定量添加してもよい。成形体の製造方法としては特に限定されないが、例えば得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して乾燥球状体を得る方法が例示される。
前記スラリーに使用する溶媒としては特に限定されないが、取扱いの容易さから、水又は低級アルコールが好ましく、水、メタノール、エタノールが好ましく例示され、特にメタノールが好ましい。また、結合剤としては、公知の結合剤から適宜選択すればよく特に限定されないが、ポリビニルアルコールが例示される。
可塑剤、潤滑剤についても特に限定されず、公知の可塑剤、潤滑剤から適宜選択すればよい。可塑剤の具体例としては、ポリエチレングリコールが例示され、潤滑剤の具体例としては、ステアリン酸が例示される。
前記乾燥球状体を、成形後、脱脂を行うことが好ましい。成形方法としては特に限定されず、公知の成形方法から適宜選択すればよい。また、成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。
脱脂は、加熱により行うことが好ましい。加熱温度は４００〜６００℃であることが好ましい。また、脱脂を行う際には、４００℃までの加熱は大気中で行い、それより高い温度は、不活性雰囲気下で加熱を行うことが好ましい。
【００５５】
（磁気光学材料）
本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスは、磁気光学材料用途に好適である。特に、本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスは、波長０．９〜１．１μｍの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
図３は、ファラデー回転子を光学素子として有する光デバイスである、光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
図３において、光アイソレータ３００は、ファラデー回転子３１０を備え、該ファラデー回転子３１０の前後には、偏光材料である偏光子３２０及び検光子３３０が備えられている。また、光アイソレータ３００は、偏光子３２０−ファラデー回転子３１０−検光子３３０が光軸３１２上にこの順で配置され、それらの側面のうちの少なくとも１面に磁石３４０が載置され、磁石３４０は筐体３５０の内部に収納されていることが好ましい。
また、前記アイソレータは加工機用ファイバーレーザに好適に使用される。すなわち、レーザ素子から発したレーザ光の反射光が素子に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をさらに説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１〜６、比較例１〜３）
原料として、９９．９ｗｔ％以上の高純度のＴｂ2Ｏ3と純度９９．９ｗｔ％以上のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量した。次に上記原料組成物をよく混合し、混合物を成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。
【００５８】
次に図１に示すキセノンランプＦＺ装置を用いて単結晶を育成した。
石英管１４０は、乾燥脱酸素処理を行ってから、図示しない一端から他端に向けて、アルゴンガスと８％の水素ガスを入れて陽圧にした。これは、１つには石英管外部から大気が侵入しないようにするためであり、もう１つは、結晶育成時に原料棒に含まれる酸化テルビウムが酸化されないようにするためである。
【００５９】
上下シャフトに、それぞれ同じ組成の直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの上記の原料の成形体を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッドの下端とシードロッドの上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプの出力を上げた。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づけた。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させた。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプの出力を微調整しながら、シードロッドとフィードロッドをゆっくり８ｍｍ／ｈｒの速度で降下させた。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッドの上部に形成された。シードロッドとフィードロッドの降下速度を同じにして、直径３ｍｍの結晶体を育成した。３０ｍｍの長さに到達したら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりと（約１時間程度かけて）キセノンランプの出力を下げて温度を下げ、透明な結晶体を得た。
【００６０】
なお、結晶成長後、真空熱処理炉に結晶を入れて、１，６００℃のアルゴン雰囲気で１５時間アニールし、熱歪を除去した。
【００６１】
アニールした固溶体単結晶、直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にした。得られた直径３ｍｍ×長さ２５ｍｍの円筒状の結晶のベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表１に示す。
式（Ｉ）において０．４≦ｘ≦１．０の場合、波長１．０６μｍにおいてベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
光路長３ｍｍでの透過率（％）及び消光比（ｄＢ）の測定値を示した。以下、透過率と消光比は、無反射コートのない状態で測定した。
【００６２】
なお、実施例６においては、結晶化をより安定化させることを目的として、アルカリ土類金属酸化物である、ＭｇＯを添加した。ＭｇＯを添加する場合には、Ｔｂ2Ｏ3及びＹ2Ｏ3を、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量した後、ＭｇＯを所定量添加し、上記原料組成物をよく混合し、混合物を成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
（実施例７〜１２、比較例４〜９）
次に、スカンジウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、ルテチウムなどの希土類酸化物のうち、酸化ガドリニウムまたは酸化ルテチウムと酸化テルビウムとの固溶体単結晶について、結果を示す。酸化物単結晶の製造方法は、Ｙ2Ｏ3の代わりに、Ｇｄ2Ｏ3又はＬｕ2Ｏ3を使用した以外は、実施例１と同様である。
【００６５】
【表２】
【００６６】
【表３】
【００６７】
（実施例１３〜１９及び比較例１０〜１２）
図２に示すマイクロ引下げ装置を用いて単結晶を育成した。直径２０ｍｍレニウム坩堝と、レニウム坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、該移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱装置とを具備した単結晶成長装置を用いた。またレニウムからなるアフターヒーターを配置した。坩堝底部に直径２００μｍの細孔を２〜３個設けた。
【００６８】
原料として、９９．９ｗｔ％以上の純度のＴｂ2Ｏ3と９９．９ｗｔ％以上の純度のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所定のモル比になるように、秤量した。次に上記原料組成物に、純水を加え、３時間湿式混合して、混合した粉末を脱水し、真空乾燥した。次にその粉末を粉砕した後、エタノール、エチレングリコールを加えて、湿式混合して、スラリー状にした。このスラリー状になった混合物を、成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。この成形体を１，６００℃で２時間、アルゴン雰囲気で焼成して、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍのセラミックス焼結体を得た。
【００６９】
マイクロ引下げ装置を用いて、上述の方法で乾燥した焼結原料を坩堝にセットした。昇温する前に、真空排気してから、９９．９９％純度のアルゴンガスを炉内に導入することで、炉内を不活性ガス雰囲気とし、高周波誘導加熱コイルに高周波電力を徐々に印加することで、坩堝を加熱して、坩堝内の原料を完全に融解した。融液の組成が均一になるように、この状態で８時間保持した。
【００７０】
直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍのセラミックス焼結体を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませた。次いで、融液温度を調整しながら引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させた。準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了にした。成長した結晶は、アフターヒーターに保持された状態で、徐々に室温まで冷却した。
【００７１】
なお、得られた結晶は、温度勾配が強い条件で育成されているので、成長時の熱歪が残っており、結晶を切断するときに、クラックが生じてしまう場合がある。そのため、結晶成長後、真空熱処理炉に結晶を入れて、１，８００℃のアルゴン雰囲気で１２時間アニールして、熱歪を除去した。
【００７２】
アニールした酸化物単結晶 直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にした。得られた直径３ｍｍ×２５ｍｍの円筒状の結晶のベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表４に示す。Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が０．４：０．６以上のモル比の場合、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
【００７３】
【表４】
【００７４】
（実施例２０〜２５及び比較例１３〜１５）
セラミックス（透明セラミックス）の作製方法として、熱間等方圧加圧法にて透明セラミックスを作製する実施例、比較例を記述する。
先ず原料として、９９．９％の高純度のＴｂ2Ｏ3と９９．９９９％のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所定のモル比になるように、秤量した。Ｔｂ2Ｏ3粉末及びＹ2Ｏ3粉末を所定のモル比で混合し、混合粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整した。得られた水溶液を攪拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で２日間放置した。その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で２日間乾燥した。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気若しくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、電気炉で、１，２００℃３時間仮焼きを行った。不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
【００７５】
得られた原料粉末１００ｇ、溶媒としてメタノール５０ｇ、結合剤として、ポリビニルアルコール１ｇ、可塑剤として、ポリエチレングリコール１ｇ、潤滑剤として、ステアリン酸０．５ｇを加え、ナイロンボールミルを使って、湿式混合して、スラリー状とした。このとき、焼結助剤を所定量、例えば、０．００１〜０．０１重量部入れて混合した。
得られたスラリーをスプレードライヤーに掛けて、乾燥球状体を作製した。その乾燥球状体を、５ｍｍφの金型に入れ、一次成形をした後、２００ＭＰａの圧力で、冷間静水圧（ＣＩＰ）法により成形した。この成形体を、４００〜６００℃に昇温して脱脂を行った。４００℃までは大気中で、それより高い温度は、不活性雰囲気で行った。
【００７６】
その後、真空炉で１，７００℃にて、８〜１０時間焼成した。焼成条件として、１，２００℃までは、３００℃／ｈｒとし、それ以上は、５０℃／ｈｒとして昇温した。真空度は、０．５×１０-1Ｐａで行った。
さらに透明性を上げるため、１，８００℃、及び１００ＭＰａの圧力で、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で、１０時間の処理を行った。
【００７７】
アニールしたセラミックス 直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にする。得られた３ｍｍφ×２５ｍｍの円筒状のセラミックスのベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表４に示す。Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が０．４：０．６以上のモル比の場合、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
【００７８】
【表５】
【００７９】
（実施例２６〜４９及び比較例１６〜２６）
Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3＝０.６：０．４で一定とし、焼結助剤を変化させた以外は実施例１９と同様にして、透過率、消光比及びベルデ定数を評価した。結果を以下の表６〜９に示す。
【００８０】
【表６】
【００８１】
【表７】
【００８２】
【表８】
【００８３】
【表９】
【００８４】
（実施例５０）
作製した（Ｔｂ0.6Ｙ0.4）2Ｏ3結晶５ｍｍφを、４．５ｍｍφに外径を仕上げ、内周刃式スライサーでスライス切断し、その両面を、ＳｉＣ砥粒によるラッピング及びコロイダルシリカによるポリッシングで、最終的に長さ１２ｍｍに仕上げてファラデー回転子を得た。この長さは、波長１．０６μｍにおいて、４５度の回転角を得られる長さである。なお、波長１．０６μｍ、光路長１２ｍｍでの透過率は、７０％であった。
ファラデー回転子の両面には、空気用無反射コートを施した。
一方、光アイソレータの偏光子、検光子となる、１０ｍｍ角の偏光ビームスプリッタを２個用意した。これら偏光子及び検光子の両面に、空気用無反射コートを施した。
ファラデー回転子、偏光子及び検光子の各々を、金属筐体に組合わせながら、組み込み、中心にレーザビームを透過させながら逆方向挿入損失が最大になるように偏光子（または検光子）を回転させて調整した後、接合固定した。このとき、ファラデー回転子外周には永久磁石を配置している。この光学素子を飽和磁場中に配置して光学特性を測定したところ、逆方向挿入損失４３ｄＢ、順方向挿入損失は、０．２０ｄＢであった。放棄アイソレータは、従来品に比して挿入損失が少なく、光アイソレータとして高い性能を示した。また、従来品に比して、ファラデー回転子の長さが短く、小型の光アイソレータであった。
【符号の説明】
【００８５】
１００ キセノンランプＦＺ装置
１１０ 上シャフト
１１２ 下シャフト
１１４ フィードロッド
１１６ シードロッド
１２０ キセノンランプ
１３０ 楕円体鏡
１４０ 石英管
２００ マイクロ引下げ装置
２１０ 融液
２２０ 坩堝
２２２ 坩堝支持治具
２３０ 保温筒
２４０ 石英管
２５０ 誘導加熱装置
２６０ 種保持具
３００ 光アイソレータ
３１０ ファラデー回転子
３１２ 光軸
３２０ 偏光子
３３０ 検光子
３４０ 磁石
３５０ 筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学材料、ファラデー回転子、及び光アイソレータに関する。より詳細には、光アイソレータなどの磁気光学デバイスを構成するのに好適な磁気光学材料及び前記磁気光学材料を備えた磁気光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ加工機の進展に伴い、光と磁気との相互作用を利用した磁気光学デバイスが注目されている。その１つに、アイソレータがあるが、これは、レーザ光源から発振した光が、途中の光学系で反射されて光源に戻ると、レーザ光源から発振した光を擾乱させて、不安定な発振状態になる現象を抑制するものである。そのため、この作用を利用して、光アイソレータは、レーザ光源と光学部品との間に配置して利用されている。
【０００３】
光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光入射側に配置された偏光子と、ファラデー回転子の光出射側に配置された検光子との３つの部品を有する。光アイソレータは、ファラデー回転子に光の進行方向に平行に磁界を加えた状態で、光がファラデー回転子に入射すると、ファラデー回転子の中で偏光面が回転するという性質、いわゆるファラデー効果を利用する。すなわち、入射光のなかで、偏光子と同じ偏光面を有する光が偏光子を通過して、ファラデー回転子に入射される。この光は、ファラデー回転子の中で、光の進行方向に対して、プラス４５度回転されて、出射する。
【０００４】
これに対して、入射方向と逆方向からファラデー回転子に入射する戻り光は、最初に検光子を通過する際に、検光子と同じ偏光面を有する成分の光のみが検光子を透過し、ファラデー回転子に入射される。次にファラデー回転子の中で、戻り光の偏光面が、最初のプラス４５度からさらにプラス４５度回転されるため、偏光子とプラス９０度の直角の偏光面となり、戻り光は、偏光子を透過できなくなる。
【０００５】
上記のような光アイソレータのファラデー回転子として用いられる材料では、ファラデー効果が大きく、かつその使用する波長において、透過率が高いことが必要である。
近年、レーザ加工機として、ファイバーレーザを用いた装置が多く利用されている。このレーザの発振波長は、０．９〜１．１μｍであり、その波長において、ファラデー効果が大きく、透過率が高い材料として、テルビウムガリウムガーネット単結晶（略称：ＴＧＧ）、若しくはテルビウムアルミニウムガーネット単結晶（略称：ＴＡＧ）などが用いられている（特許文献１参照）。
【０００６】
ファラデー回転角θは、下記式（Ａ）で表される。
θ＝Ｖ＊Ｈ＊Ｌ （Ａ）
式（Ａ）中、Ｖはベルデ定数でファラデー回転子の材料で決まる定数であり、Ｈは磁束密度、Ｌはファラデー回転子の長さである。光アイソレータとして用いる場合は、θ＝４５度になるように、Ｌを決定する。
そのため、光アイソレータの大きさを決める要因は、ベルデ定数、磁束密度である。テルビウムガリウムガーネット単結晶のベルデ定数は、０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、テルビウムアルミニウムガーネット単結晶のベルデ定数は、０．１４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）である。これらの単結晶を用いて、磁束密度を１０，０００ Ｏｅとしたならば、入射光の偏光面をプラス４５度回転させるには、２０〜２５ｍｍの長さが必要になる。そのため、この大きさのファラデー回転子を使い、さらにファラデー回転子の両側に、例えばルチル結晶などからなる偏光子、検光子を取り付ける必要があるため、光アイソレータの大きさは、約７０ｍｍ以上の大きさになってしまう。ファイバーレーザのモジュールの大きさを小型化するためには、この光アイソレータを小型化する必要があるため、その構成部品であるファラデー回転子を短くできる材料を開発する必要がある。
【０００７】
一方、単一長さ当たりのファラデー回転角度が大きい材料としては、鉄（Ｆｅ）を含むイットリウム鉄ガーネット（通称：ＹＩＧ）単結晶があるが（特許文献２参照）、これらの材料は、波長０．９μｍに大きな光吸収があり、波長０．９〜１．１μｍにその吸収の影響が出るため、当該領域では、前記の材料は使用に適していない。
また、特許文献３は、テルビウム含有ガラス及びこれを用いた磁気光学デバイスを開示する。このガラスもテルビウム含有量に限界がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−８９７９７号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６９４７号公報
【特許文献３】特開２００８−２３０９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、波長１．０６μｍ域（０．９〜１．１μｍ）でのベルデ定数が大きく、かつ、高い透明性を有する、酸化テルビウムを含む磁気光学材料を提供することである。本発明のさらなる目的は、加工機用ファイバーレーザに好適に使用される小型化した光アイソレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記課題は、以下の＜１＞、＜９＞及び＜１０＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜８＞とともに以下に記載する。
＜１＞下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする磁気光学材料、
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【００１１】
＜２＞波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上である、＜１＞に記載の磁気光学材料、
＜３＞前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、＜１＞又は＜２＞に記載の磁気光学材料、
＜４＞アルカリ土類金属、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第４族元素、第５族元素、若しくは第６族元素の酸化物、又は、第１７族元素の化合物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、＜１＞〜＜３＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜５＞アルカリ土類金属の酸化物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、＜１＞〜＜４＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜６＞単結晶である、＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜７＞フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法、及びＥＦＧ法よりなる群から選択された製造方法で作製された、＜６＞記載の磁気光学材料、
＜８＞セラミックスである、＜１＞〜＜５＞いずれか１つに記載の磁気光学材料、
＜９＞＜１＞〜＜８＞いずれか１つに記載の磁気光学材料を用いた、波長０．４０μｍ以上１．２μｍ以下におけるファラデー回転子、
＜１０＞＜９＞に記載のファラデー回転子の前後に偏光材料を配置した、光アイソレータ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、波長１．０６μｍ域でのベルデ定数が大きく、かつ、高い透明性を有する、酸化テルビウムを含む磁気光学材料を提供することができた。また、本発明によれば、加工機用ファイバーレーザに好適に使用される小型化した光アイソレータを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】フローティングゾーン法に好適に使用される装置の一例を示す断面図である。
【図２】マイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
【図３】ファラデー回転子を磁気光学素子として有する磁気光学デバイスである、光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の磁気光学材料は、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
この磁気光学材料は、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上であることが好ましい。
【００１５】
発明者等は、常磁性元素であるテルビウム、及び、その酸化物が波長１．０６μｍにおいて透明性が高いという特徴を生かし、その波長においてベルデ定数が大きくできる実現可能性について、鋭意検討を行った。その結果、酸化テルビウムをモル比換算で、４０％以上含み、かつその酸化物と、波長１．０６μｍにおいて透明な希土類、例えば、前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、磁気光学材料を作製することで、波長１．０６μｍでのベルデ定数が、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上の値を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
テルビウム（Ｔｂ）は、常磁性元素であり、波長１．０６μｍにおいて、酸化テルビウムは、光路長３ｍｍにおいて光の透過率が７０％以上の元素であるため、この波長域のアイソレータに使用するには、最も適した元素である。したがって、式（Ｉ）において、このテルビウムをできるだけ多く含む化合物を作製することが、１．０６μｍにおけるその化合物のベルデ定数を大きくし、ファラデー回転角を多くできることにつながる。さらに波長１．０６μｍにおいて透明性が高い化合物を作製するには、構成する他の元素も、その波長域において透明性が高いことが好ましく、それに最も適した化合物は、波長１．０６μｍで光路長３ｍｍにおける光の透過率が７０％以上の元素との酸化物である。
【００１７】
本発明の磁気光学材料は、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上であることが好ましい。上記の消光比であると、高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータの作製を可能にするという観点で好ましい。
なお、消光比は、定法に従い、波長１．０６μｍにおいて測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００１８】
本発明において、ベルデ定数は、定法に従い測定すればよく、特に測定条件は限定されない。具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラデー回転子をセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００１９】
一方、テルビウムを最も多く含み、かつ最もベルデ定数が大きい酸化物は、酸化テルビウムそのものである。フローティングゾーン法で、この単結晶を成長させてみたが、結晶成長後、冷却時にクラックが生じてしまった。詳細な原因は不明であるが、酸化テルビウムは、Ｔｂが３価のＴｂ2Ｏ3と、Ｔｂが４価のＴｂＯ2の２形態があり、冷却時に相転移が生じて、クラックが生じたと考えられる。
【００２０】
そこで、酸化テルビウムと同じ結晶構造を有し、同じ希土類元素で、酸価数が３価で安定しており、かつ波長１．０６μｍにおいて透明性が高い酸化物との固溶体を検討した。その候補として、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムが挙げられ、これらの金属の酸化物と酸化テルビウムとの固溶体が適していることが分かった。
さらに、これら固溶体の場合、酸化テルビウムの濃度をある程度自由に変更できるため、酸化テルビウムの濃度を変化させて、フローティングゾーン法で、結晶を作製し、その結晶のベルデ定数を測定したところ、酸化テルビウムがモル比換算で４０％以上あれば、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上の値を示すことが分かった。
また、固溶体の場合、Ｘ線粉末回折で結晶構造を測定すると、酸化テルビウムと他の上記に示した希土類酸化物は同じ立方晶なので、それらと同じ立方晶を示すことが分かった。
なお、本実施形態において、「固溶体」とは、原料粉末である酸化テルビウムの結晶層の格子点にあるテルビウムが、全く不規則に別種の元素（例えば、イットリウム等）と置換している状態を意味する。したがって、単結晶、多結晶、及び、焼結により作製された多結晶であるセラミックス等を包含するものである。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
なお、本発明において、数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」の記載は、特に断りのない限り、「Ａ以上Ｂ以下」を表す。すなわち、端点であるＡ及びＢを含む数値範囲を意味する。
【００２１】
（式（Ｉ）で表される酸化物）
本発明の磁気光学材料は、式（Ｉ）で表される酸化物を、主要成分として、すなわち９９重量％以上含有する。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、テルビウム以外のランタノイド元素群（好ましくは、ランタン（Ｌａ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、及び、ルテチウム（Ｌｕ））よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【００２２】
上記式（Ｉ）中、Ｒとしては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むものであれば特に限定されず、その他の元素を含有していてもよい。その他の元素としては、エルビウム、ツリウムが例示できる。
その他の元素の含有量は、Ｒの全量を１００重量部としたとき、５０重量部以下であることが好ましく、１０重量部以下であることがより好ましく、その他の元素の含有量が０、すなわち、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された元素のみからなり、他の元素を含有しないことが好ましい。
ここで、Ｒは一種単独であってもよいし、複数のＲが任意の比率で含まれていてもよく、特に限定されない。
これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒとしては、イットリウム、ガドリニウム及びルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。
【００２３】
式（Ｉ）中、ｘは０．４以上１．０以下である。すなわち、式（Ｉ）で表される酸化物は、モル比換算でＴｂ2Ｏ3を４０モル％以上含有する。
式（Ｉ）中、ｘが０．４未満であると、高いベルデ定数を得ることができない。
ｘは、０．４以上１．０未満であることが好ましく、０．４以上０．８以下であることがより好ましく、０．４５以上０．７５以下であることがさらに好ましい。ｘが上記範囲内であると高いベルデ定数が得られ、さらに、透明性に優れるので好ましい。特にｘが０．８以下であると、結晶育成後の冷却中のクラックの発生が抑制され、結晶の白濁が抑制されるので好ましい。
【００２４】
（磁気光学材料）
本発明の磁気光学材料（以下、「本発明の酸化物」ともいう。）は、式（Ｉ）で表される酸化物を主要成分として含有する。
すなわち、本発明の磁気光学材料は、式（Ｉ）で表される酸化物を主要成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として含有していてもよい。換言すれば、本発明の酸化物は、式（Ｉ）で表される酸化物を主成分として含有し、その他の成分（その他の酸化物等）を含有していてもよい。
ここで、主成分として含有するとは、式（Ｉ）で表される酸化物を、５０重量％以上含有することを意味する。式（Ｉ）で表される酸化物の含有量は、８０重量％以上であることが好ましく、９０重量％以上であることがより好ましく、９９重量％以上であることがさらに好ましく、９９．９重量％以上であることが特に好ましく、９９．９９重量％以上であることが最も好ましい。
【００２５】
本発明の酸化物が含有しうるその他の成分としては、アルカリ土類金属の酸化物、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素の酸化物、第１４族元素の酸化物、第１５族元素、その他第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、及び第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）の酸化物、並びに、第１７族元素の化合物よりなる群から選択される金属酸化物又は化合物が好ましい。第１７族元素としては、Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒが好ましく、Ｆがより好ましく、第１７族元素の化合物としてＹＦ3、ＭｇＦ2が例示できる。
本発明の酸化物が、アルカリ土類金属、第１３族元素、第１４族元素、第４族元素、第５族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａなど）、若しくは第６族元素（Ｍｏ，Ｗなど）の酸化物、又は第１７族元素の化合物のうち１つまたは２つ以上を０．０００００１重量％以上１．０重量％以下含有することが好ましい。
これらの酸化物の含有量は、本発明の酸化物に対して、０．００００１重量％以上１．０重量％以下であることが好ましく、０．００００１〜０．１重量％であることさらに好ましい。
【００２６】
具体的には、アルカリ土類金属の酸化物としては、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムが例示され、第１１族元素の酸化物としては、酸化銅、酸化銀が例示され、第１２族元素の酸化物としては、酸化亜鉛、酸化カドミウムが例示され、第１３族元素の酸化物としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ガリウムが例示され、第１４族元素の酸化物としては酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化スズが例示され、第１５族元素の酸化物としては、酸化ビスマスが例示され、第４族元素の酸化物としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムが例示される。
【００２７】
上記の金属酸化物は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパントや、セラミックス作製時に添加する焼結助剤の残留物として含有される。
単結晶作製の際に添加する、ドーパントとしては、アルカリ土類金属の酸化物が好ましく、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等がより好ましく、酸化マグネシウムが特に好ましい。これらの酸化物は、本発明の酸化物全体に対して、０．０００００１〜１．０重量％含有することが好ましく、０．００００１〜０．１重量％含有することがより好ましく、０．０００１〜０．０１重量％含有することが特に好ましい。
【００２８】
焼結助剤としては、炭酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属の炭酸塩、アルミナ、酸化ガリウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム等が例示できる。なお、例えばアルカリ土類金属の炭酸塩を焼結助剤として使用した場合、得られる酸化物においては、焼結によって酸化されており、アルカリ土類金属の酸化物として含有される。
アルカリ土類金属の酸化物以外の金属酸化物の含有量も、本発明の酸化物全体の０．００００１〜１．０重量％であることが好ましく、０．０００１〜０．１重量％であることがさらに好ましい。
【００２９】
本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスの製造時に、副成分が混入する場合があり、例えば、坩堝の構成成分が混入する場合が挙げられる。本発明の酸化物は、これらの意図しない副成分の混入を排除するものではないが、その混入量は、上記その他の成分と合計して、５０重量％以下であり、２０重量％以下であることが好ましく、１０重量％以下であることがより好ましく、１重量％以下であることがさらに好ましく、０．１重量％以下であることが特に好ましく、０．０１重量％以下であることが最も好ましい。
【００３０】
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である。ベルデ定数は０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、高いベルデ定数を有することが好ましい。ベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）未満であると、ファラデー回転角を４５度とするために必要なファラデー回転子の長さが長く、光アイソレータが大型化する。
ベルデ定数は０．２０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることが好ましく、０．２１ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることがより好ましく、０．２２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることがさらに好ましい。また、製造の容易性の観点から、０．３６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以下であることが好ましい。
【００３１】
本発明において、ベルデ定数は定法に従い測定すればよく、特に限定されない。
具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度が既知の永久磁石にセットし、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。
【００３２】
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率（光の透過率）が７０％以上であることが好ましい。上記透過率が７０％以上であると、透明性が高く、ファラデー回転子としての使用に適する。
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍにおける光路長３ｍｍでの透過率は、７０％以上であり、７２％以上であることが好ましく、７５％以上であることがさらに好ましい。透過率は高いことが好ましく、その上限は特に限定されず、１００％以下であればよい。
透過率は、波長１．０６μｍの光を厚さ３ｍｍの酸化物に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さ３ｍｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。
本発明の酸化物は、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であることが好ましいが、より長い光路長であっても高い透過率を有することが好ましく、光路長１０ｍｍでの透過率は、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、７２％以上であることがさらに好ましく、７５％以上であることが特に好ましい。光路長が１５ｍｍでの透過率についても同様に、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、７２％以上であることがさらに好ましく、７５％以上であることが特に好ましい。
また、特に本発明の酸化物をファラデー回転子として用いる場合には、光路長１０ｍｍの透過率が７０％以上であることが好ましい。
【００３３】
（酸化物単結晶、セラミックス）
本発明の酸化物は、上記の要件を満たすものであれば、単結晶であっても、セラミックスであってもよく、特に限定されない。以下に、本発明の酸化物が酸化物単結晶である場合、及び、本発明の酸化物がセラミックスである場合について、その製造方法を含めて詳述する。
【００３４】
＜酸化物単結晶＞
本発明の酸化物は、酸化物単結晶であってもよい。すなわち、前記酸化物単結晶は、本発明の酸化物よりなる酸化物単結晶である。
酸化物結晶を作製する方法しては、特に限定されないが、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、及び、ブリッジマン法が例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
酸化物単結晶の作製においては、上述したように、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）を０．００１〜０．０１重量％ドーピングすることも好ましい。
以下、代表的な製造方法について詳述する。
【００３５】
＜フローティングゾーン法＞
フローティングゾーン法にて酸化物単結晶を作製する一実施態様を記載する。
フローティングゾーン法による単結晶の製造方法としては、例えば、特開昭６２−２７１３８５号公報を参照することができる。
先ず原料として、高純度（好ましくは９９．９ｗｔ％以上）の粉末原料（Ｔｂ2Ｏ3及びＲ2Ｏ3並びにその他の成分）を用意し、これを混合して、混合粉末を調製する。Ｒは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含み、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択されることが好ましい。
製造に供する混合粉末及びその成形体の調製については後述する。
【００３６】
以下、図１を参照して光学式フローティングゾーン法の一例である、キセノンランプフローティングゾーン法（キセノンランプＦＺ法）について詳述する。
なお、以下の説明において、特に断りのない限り、同一の符号は同一の対象を意味する。
図１は、キセノンランプＦＺ法に使用されるキセノンランプＦＺ装置１００の構成を示す概念断面図である。キセノンランプＦＺ装置１００は、溶融用のキセノンランプ１２０光源と楕円体鏡１３０を設けた構成になっており、楕円体鏡１３０は２つの楕円体を無端状に繋げた形状に形成されており、キセノンランプ１２０から試料に集光して加熱融解することができる。図１において、キセノンランプＦＺ装置１００は、内部が中空で試料を入れる石英管１４０と、２つのキセノンランプ１２０が１つの楕円体鏡１３０内にある。楕円体鏡１３０を形成する２つの楕円体はそれぞれ２つの焦点を有しており、楕円体鏡１３０としては、計４つの焦点を有している。楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、２つの焦点は重なっており、石英管１４０は、この重なった点を通るように置かれている。また、２つのキセノンランプ１２０の軸心は、楕円体鏡１３０の４つの焦点のうち、残り２つの焦点をそれぞれ通るように置かれている。
楕円体鏡１３０内側は、鏡面処理が施されている。キセノンランプ１２０から照射されたキセノン光は、鏡面処理された楕円体鏡１３０に反射して、軸心部の石英管１４０にほぼ全方向から入射される。光源には、キセノンランプ以外にハロゲンランプを用いることができるが、キセノンランプは、到達温度を高くでき、集光度をシャープにできるので、温度勾配を急峻にできる利点がある。
【００３７】
石英管１４０内には、回転可能な上シャフト１１０と上シャフト１１０の下端から下方に隔てられて配置された下シャフト１１２とを有する。上シャフト１１０と下シャフト１１２は、石英管１４０内で上下移動が可能である。石英管１４０は、結晶成長させるための雰囲気制御が可能になっている。上シャフト１１０に原料棒として、原料の成形体を取り付ける。また下シャフトは、種結晶となる材料を取り付けるのが望ましいが、原料の成形体や原料の焼結体を取り付けてもよい。ここで、上シャフトに取り付けた原料成形体をフィードロッド１１４、下シャフトに取り付けた原料の成形体、焼結体又は種結晶になる材料をシードロッド１１６という。
【００３８】
図１において、石英管１４０は、図示しない一端から他端に向けて、アルゴンガスと数％の水素ガスを入れて陽圧にすることが好ましい。これは、１つには石英管１４０外部から大気が侵入しないようにするためであり、もう１つは、結晶育成時に原料棒（フィードロッド１１４）に含まれる酸化テルビウムが酸化されないようにするためである。
次に上下シャフト１１０、１１２に、それぞれフィードロッド１１４及びシードロッド１１６を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッド１１４の下端とシードロッド１１２の上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプ１２０の出力を上げる。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づける。なおこれら２つのロッドを回転しなくても構わない。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させる。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプ１２０の出力を微調整しながら、シードロッド１１６とフィードロッド１１４をゆっくり降下していく。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッド１１６の上部に形成されていく。シードロッド１１６とフィードロッド１１４の降下速度を同じにすれば、結晶体が育成されていく。所望の長さ、あるいは、シードロッド１１６が消費されたら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりキセノンランプ１２０の出力を下げて温度を下げていくと、透明な結晶体を得ることができる。
【００３９】
なお、フローティングゾーン法において、得られた結晶は、温度勾配が強い条件で育成されているので、成長時の熱歪が残っており、結晶を切断するときに、クラックが生じる場合がある。そのため、結晶成長後、カーボン炉などを用いて、カーボン容器に、結晶を入れて、１，２００℃以上の不活性雰囲気若しくは還元雰囲気でアニールして、熱歪を除去しておくことが好ましい。このときのアニール温度は特に限定されないが、１，２００〜２，２００℃であることが好ましく、１，４００〜２，２００℃であることがより好ましく、１，６００〜２，０００℃であることがさらに好ましい。また、アニール時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜５０時間であることがさらに好ましい。
【００４０】
なお、得られた単結晶をアイソレータのファラデー回転子として使用する場合には、切断後、研磨剤等により表面に鏡面仕上げを施すことが好ましい。研磨剤は特に限定されないが、例えば、コロイダルシリカが例示される。
【００４１】
＜マイクロ引下げ法＞
酸化物単結晶の作製方法として、別の方法である、マイクロ引下げ法にて単結晶を作製する場合について以下に説明する。なお、マイクロ引下げ法については、特開２００１−２２６１９６号公報を参照することができる。
先ず原料粉末を所望のモル比となるように、秤量する。装置に仕込む際に、上記粉末原料は十分に混合され、また、乾燥又は焼結されていればよく、公知の方法を適宜採用すればよい。混合粉末の調製方法については後述する。
【００４２】
次にマイクロ引下げ装置を用いて単結晶を育成する。
図２は、本実施形態に好適に使用されるマイクロ引下げ法の一例を示す説明図である。
マイクロ引下げ法に使用されるマイクロ引下げ装置２００は、坩堝２２０と、坩堝底部に設けた細孔から流出する融液２１０に接触させる種を保持する種保持具２６０と、種保持具２６０を下方に移動させる移動機構（不図示）と、該移動機構の移動速度制御装置（不図示）と、坩堝２２０を加熱する誘導加熱装置２５０とを具備した単結晶成長装置である。なお、図２において、坩堝２２０の下部は、坩堝支持治具２２２により保持されており、また、坩堝２２０の外部には、保温筒２３０及び石英管２４０が設けられており、石英管２４０の外部から、誘導加熱装置２５０により坩堝２２０を加熱している。
【００４３】
該坩堝２２０は、耐熱性の観点からレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体であることが好ましく、坩堝底部外周にレニウム金属焼結体またはレニウム合金金属焼結体からなる発熱体であるアフターヒーター（不図示）を配置することが好ましい。坩堝２２０及びアフターヒーターは、誘導加熱装置２５０の出力を調整することで、発熱量を調整でき、それによって、坩堝底部に設けた細孔から引き出される融液２１０の固液界面の加熱温度及び温度勾配を制御することができる。
【００４４】
この装置において、細孔を複数個設けて、融液が垂れ落ちない大きさ（好ましくは直径２００〜３００μｍ）とし、流下する融液が、種結晶若しくは焼結した同じ組成の原料を成形した焼結体を、接触する前に合流するように複数の細孔を配置することが好ましい。
【００４５】
この装置を用いて、上述の方法で準備した焼結原料を坩堝２２０にセットする。昇温する前に、炉内を不活性ガス雰囲気とすることが好ましく、高周波誘導加熱コイル（誘導加熱装置２５０）に高周波電力を徐々に印加することで、坩堝２２０を加熱して、坩堝２２０内の原料を完全に融解する。できれば融液２１０の組成が均一になるように、この状態で数時間保持しておくことが好ましい。
【００４６】
種結晶若しくは焼結成形棒を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませる。次いで、融液温度を調整しながら引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させる。準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了になる。成長した結晶は、アフターヒーターに保持された状態で、徐々に室温まで冷却することが好ましい。
【００４７】
（セラミックス（透明セラミックス））
固溶体は、波長１．０６μｍにおいて透明性が高く、かつ熱歪などの異方性がなければ、単結晶である必要はなく、多結晶であるセラミックス（本発明において、透明セラミックスともいう。）でもよい。なお、本発明において透明セラミックスとは、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であるセラミックスを意味する。
単結晶を製造する場合は、融液状態になるよう、高温まで昇温しなくてはならず、酸化テルビウムは融点が約２，６００℃、酸化イットリウムでは融点が約２，３００℃であり、それら２つの固溶体の場合は、それらの中間温度まで昇温する必要があり、非常に高温まで昇温する必要がある。したがって、坩堝の中で溶融して単結晶を作製する場合は、坩堝の選定が、レニウム、タングステン、又はそれらの合金等と、非常に限られてしまう。
一方、透明セラミックスの場合は、その融点まで昇温する必要がなく、加圧焼結すれば、融点以下で、透明化することができる。焼結時に、焼結助剤を入れて、焼結密度を上げて、緻密化させることも可能である。
【００４８】
透明セラミックスの作製方法としては、従来公知の製造方法を適宜選択して使用することができ、特に限定されない。透明セラミックスの製造方法としては、熱間等方圧加圧処理する方法、固相法とプレス成形法とを組み合わせる方法、鋳型成形等を利用して真空焼結する方法等が例示され、池末明生著「光学単結晶から光学多結晶へ」応用物理、第７５巻、第５号、５７９−５８３（２００６）、柳谷高公、八木秀喜著「セラミックレーザー材料の現状と将来」レーザー研究、第３６巻、第９号、５４４−５４８（２００８年）等に記載されている。
以下、透明セラミックスの作製方法として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）を使用して透明セラミックスを作製する場合の一例について説明する。
先ず原料粉末（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3及びその他の成分）の混合粉末を調製する。なお、混合粉末の調製方法については後述する。得られた混合粉末に、溶媒、結合剤、可塑剤、潤滑剤等を添加し、湿式混合してスラリー状とする。なお、このとき上述した焼結助剤を所定量、好ましくは原料全体の０．００００１〜１．０重量％、より好ましくは０．０００１〜０．１重量％、さらに好ましくは０．００１〜０．０１重量％添加することも好ましい。得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して、乾燥させ、その後、成形する。成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。また、成形後、加熱（好ましくは４００〜６００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。
【００４９】
その後、真空炉で焼成を行うことが好ましい。焼成条件としては、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。焼成時間は１〜５０時間であることが好ましく、２〜２５時間であることがより好ましく、５〜２０時間であることがさらに好ましい。このとき、好ましくは１，２００℃程度までは昇温速度を１００〜５００℃／ｈｒ、より好ましくは２００〜４００℃／ｈｒ、さらに好ましくは２５０〜３５０℃／ｈｒとし、それ以上の温度では、昇温速度を遅くすることが好ましく、２５〜７５℃／ｈｒとすることがより好ましい。また、焼成時真空度は、１Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０-1Ｐａ以下であることがより好ましい。
また、上記の焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行う。処理温度は、前記焼成温度よりも高いことが好ましく、１，６００〜２，０００℃であることが好ましく、１，７００〜１，９００℃であることがより好ましく、１，７５０〜１，８５０℃であることがさらに好ましい。処理圧力は、１０〜１，０００ＭＰａであることが好ましく、２０〜５００ＭＰａであることがより好ましく、４０〜２００ＭＰａであることがさらに好ましい。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下が好ましく、２５時間以下がより好ましく、１０時間以下がさらに好ましい。また、１５分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、１時間以上がさらに好ましい。
【００５０】
＜混合粉末及び成形体の調製＞
本発明において、酸化物単結晶及び透明セラミックスの製造に使用される混合粉末及びその成形体（焼結体を含む）について所望のモル比となるように秤量する。
粉末材料（Ｔｂ2Ｏ3、Ｒ2Ｏ3、及び、その他の成分）は、高純度のものを使用することが好ましく、純度９９．９ｗｔ％以上であることが好ましく、９９．９９ｗｔ％以上であることがより好ましく、９９．９９９ｗｔ％以上であることがさらに好ましい。なお、前記Ｒ2Ｏ3中のＲは式（Ｉ）におけるＲと同義であり、好ましい範囲も同様である。
なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ2Ｏ3に限定されるものではなく、Ｔｂ4Ｏ7を使用することもできるが、得られる酸化物の結晶性に優れることから、Ｔｂ2Ｏ3を使用することが好ましい。
【００５１】
粉末材料を所望のモル比で秤量した後、乾式で混合してもよく、湿式で混合してもよく、特に限定されない。また、湿式又は乾式で混合した後、焼成処理を行ってもよく、焼成処理の後、さらに粉砕処理を行ってもよい。
具体的には、ボールミル等で乾式混合した後、混合粉末を不活性ガス雰囲気下で焼成する方法が例示できる。焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。不活性ガス雰囲気としては、希ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気下が挙げられるが、アルゴン雰囲気下で焼成することが好ましい。また、焼成時間は特に限定されず、混合粉末の含水量や焼成温度に応じて適宜選択すればよいが、１〜１００時間であることが好ましく、より好ましくは５〜５０時間であり、さらに好ましくは１０〜３０時間である。また、焼成を行う場合には、焼成後にさらにボールミル等で粉砕混合することも好ましい。
【００５２】
また、混合粉末の平均粒子径の分布をシャープにし、さらに、高純度とする目的で、粉末材料を溶解して、再結晶化及び粉砕した後、原料粉末として使用してもよい。
具体的には、高純度（例えば９９．９ｗｔ％以上）の原料粉末を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｒ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量する。これらの原料粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整し、得られた水溶液を撹拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で数日間放置し、その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で数日間乾燥する方法が例示できる。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気若しくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、好ましくは８００〜１，５００℃、より好ましくは１，０００〜１，４００℃、さらに好ましくは１，１００〜１，２００℃にて、好ましくは０．５〜１０時間、より好ましくは１〜７時間、さらに好ましくは２〜４時間仮焼きを行う。ここで、不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
【００５３】
粉末材料をよく混合した後、混合物を成形機を用いて所望の形状及び大きさに成形してもよい。成形する形状は特に限定されず、使用する装置等に応じて適宜選択すればよく、例えば、円柱状に成形することが例示される。
粉末材料の成形方法としては、例えば、十分に乾式混合した粉末原料を、成形器により加圧成形する方法が例示できる。
また、粉末材料に有機バインダーを加えて、スラリー状にし、これを成形した後、焼成して焼結体とし、これを原料成形体として使用することもできる。焼結温度は、６００〜２，０００℃であることが好ましく、８００〜１，８００℃であることがより好ましく、１，０００〜１，８００℃であることがさらに好ましい。焼結雰囲気は、希ガス又は不活性ガス雰囲気であることが好ましく、アルゴン雰囲気であることがさらに好ましい。焼結時間は特に限定されないが、１〜１００時間であることが好ましく、５〜５０時間であることがより好ましく、１０〜３０時間であることがさらに好ましい。
【００５４】
また、ＨＩＰ法にて透明セラミックスを製造する場合には、成形体を製造後、これをＨＩＰ法にて処理する。
具体的な成形体の製造方法としては、原料粉末に溶媒、結合剤（バインダー）、可塑剤、潤滑剤等を加えて湿式混合してスラリー状とする方法が例示できる。このとき、焼結助剤を所定量添加してもよい。成形体の製造方法としては特に限定されないが、例えば得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して乾燥球状体を得る方法が例示される。
前記スラリーに使用する溶媒としては特に限定されないが、取扱いの容易さから、水又は低級アルコールが好ましく、水、メタノール、エタノールが好ましく例示され、特にメタノールが好ましい。また、結合剤としては、公知の結合剤から適宜選択すればよく特に限定されないが、ポリビニルアルコールが例示される。
可塑剤、潤滑剤についても特に限定されず、公知の可塑剤、潤滑剤から適宜選択すればよい。可塑剤の具体例としては、ポリエチレングリコールが例示され、潤滑剤の具体例としては、ステアリン酸が例示される。
前記乾燥球状体を、成形後、脱脂を行うことが好ましい。成形方法としては特に限定されず、公知の成形方法から適宜選択すればよい。また、成形は一段階で行ってもよく、多段階で行ってもよい。
脱脂は、加熱により行うことが好ましい。加熱温度は４００〜６００℃であることが好ましい。また、脱脂を行う際には、４００℃までの加熱は大気中で行い、それより高い温度は、不活性雰囲気下で加熱を行うことが好ましい。
【００５５】
（磁気光学材料）
本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスは、磁気光学材料用途に好適である。特に、本発明の酸化物、酸化物単結晶及びセラミックスは、波長０．９〜１．１μｍの光アイソレータのファラデー回転子として好適に使用される。
図３は、ファラデー回転子を光学素子として有する光デバイスである、光アイソレータの一例を示す断面模式図である。
図３において、光アイソレータ３００は、ファラデー回転子３１０を備え、該ファラデー回転子３１０の前後には、偏光材料である偏光子３２０及び検光子３３０が備えられている。また、光アイソレータ３００は、偏光子３２０−ファラデー回転子３１０−検光子３３０が光軸３１２上にこの順で配置され、それらの側面のうちの少なくとも１面に磁石３４０が載置され、磁石３４０は筐体３５０の内部に収納されていることが好ましい。
また、前記アイソレータは加工機用ファイバーレーザに好適に使用される。すなわち、レーザ素子から発したレーザ光の反射光が素子に戻り、発振が不安定になるのを防止するのに好適である。
【実施例】
【００５６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をさらに説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１〜６、比較例１〜３）
原料として、９９．９ｗｔ％以上の高純度のＴｂ2Ｏ3と純度９９．９ｗｔ％以上のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量した。次に上記原料組成物をよく混合し、混合物を成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。
【００５８】
次に図１に示すキセノンランプＦＺ装置を用いて単結晶を育成した。
石英管１４０は、乾燥脱酸素処理を行ってから、図示しない一端から他端に向けて、アルゴンガスと８％の水素ガスを入れて陽圧にした。これは、１つには石英管外部から大気が侵入しないようにするためであり、もう１つは、結晶育成時に原料棒に含まれる酸化テルビウムが酸化されないようにするためである。
【００５９】
上下シャフトに、それぞれ同じ組成の直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの上記の原料の成形体を取り付けた後、各端部がお互いに接近する状態で配置し、この状態で、フィードロッドの下端とシードロッドの上端とが両方溶解し始める温度までキセノンランプの出力を上げた。そしてそれぞれのロッドをお互いに逆回転しながら近づけた。この状態で、２つのロッドを接触させて融液部分を形成させた。このとき、形成した融液部分が、表面張力で融液形状を適正に保てるように、キセノンランプの出力を微調整しながら、シードロッドとフィードロッドをゆっくり８ｍｍ／ｈｒの速度で降下させた。それによって、所定の組成の結晶が、融液部分の下部、すなわちシードロッドの上部に形成された。シードロッドとフィードロッドの降下速度を同じにして、直径３ｍｍの結晶体を育成した。３０ｍｍの長さに到達したら、ロッドの降下を停止し、ゆっくりと（約１時間程度かけて）キセノンランプの出力を下げて温度を下げ、透明な結晶体を得た。
【００６０】
なお、結晶成長後、真空熱処理炉に結晶を入れて、１，６００℃のアルゴン雰囲気で１５時間アニールし、熱歪を除去した。
【００６１】
アニールした固溶体単結晶、直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にした。得られた直径３ｍｍ×長さ２５ｍｍの円筒状の結晶のベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表１に示す。
式（Ｉ）において０．４≦ｘ≦１．０の場合、波長１．０６μｍにおいてベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
光路長３ｍｍでの透過率（％）及び消光比（ｄＢ）の測定値を示した。以下、透過率と消光比は、無反射コートのない状態で測定した。
【００６２】
なお、実施例６においては、結晶化をより安定化させることを目的として、アルカリ土類金属酸化物である、ＭｇＯを添加した。ＭｇＯを添加する場合には、Ｔｂ2Ｏ3及びＹ2Ｏ3を、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所望のモル比になるように、秤量した後、ＭｇＯを所定量添加し、上記原料組成物をよく混合し、混合物を成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。
【００６３】
【表１】
【００６４】
（実施例７〜１２、比較例４〜９）
次に、スカンジウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、ルテチウムなどの希土類酸化物のうち、酸化ガドリニウムまたは酸化ルテチウムと酸化テルビウムとの固溶体単結晶について、結果を示す。酸化物単結晶の製造方法は、Ｙ2Ｏ3の代わりに、Ｇｄ2Ｏ3又はＬｕ2Ｏ3を使用した以外は、実施例１と同様である。
【００６５】
【表２】
【００６６】
【表３】
【００６７】
（実施例１３〜１９及び比較例１０〜１２）
図２に示すマイクロ引下げ装置を用いて単結晶を育成した。直径２０ｍｍレニウム坩堝と、レニウム坩堝底部に設けた細孔から流出する融液に接触させる種を保持する種保持具と、種保持具を下方に移動させる移動機構と、該移動機構の移動速度制御装置と、坩堝を加熱する誘導加熱装置とを具備した単結晶成長装置を用いた。またレニウムからなるアフターヒーターを配置した。坩堝底部に直径２００μｍの細孔を２〜３個設けた。
【００６８】
原料として、９９．９ｗｔ％以上の純度のＴｂ2Ｏ3と９９．９ｗｔ％以上の純度のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所定のモル比になるように、秤量した。次に上記原料組成物に、純水を加え、３時間湿式混合して、混合した粉末を脱水し、真空乾燥した。次にその粉末を粉砕した後、エタノール、エチレングリコールを加えて、湿式混合して、スラリー状にした。このスラリー状になった混合物を、成形機を用いて、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍの円柱状に成形した。この成形体を１，６００℃で２時間、アルゴン雰囲気で焼成して、直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍのセラミックス焼結体を得た。
【００６９】
マイクロ引下げ装置を用いて、上述の方法で乾燥した焼結原料を坩堝にセットした。昇温する前に、真空排気してから、９９．９９％純度のアルゴンガスを炉内に導入することで、炉内を不活性ガス雰囲気とし、高周波誘導加熱コイルに高周波電力を徐々に印加することで、坩堝を加熱して、坩堝内の原料を完全に融解した。融液の組成が均一になるように、この状態で８時間保持した。
【００７０】
直径３ｍｍ×長さ５０ｍｍのセラミックス焼結体を所定の速度で徐々に上昇させて、その先端を坩堝下端の細孔に接触させて充分になじませた。次いで、融液温度を調整しながら引き下げ軸を下降させることで結晶を成長させた。準備した材料が全て結晶化し、融液が無くなった時点で結晶成長は終了にした。成長した結晶は、アフターヒーターに保持された状態で、徐々に室温まで冷却した。
【００７１】
なお、得られた結晶は、温度勾配が強い条件で育成されているので、成長時の熱歪が残っており、結晶を切断するときに、クラックが生じてしまう場合がある。そのため、結晶成長後、真空熱処理炉に結晶を入れて、１，８００℃のアルゴン雰囲気で１２時間アニールして、熱歪を除去した。
【００７２】
アニールした酸化物単結晶 直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にした。得られた直径３ｍｍ×２５ｍｍの円筒状の結晶のベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表４に示す。Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が０．４：０．６以上のモル比の場合、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
【００７３】
【表４】
【００７４】
（実施例２０〜２５及び比較例１３〜１５）
セラミックス（透明セラミックス）の作製方法として、熱間等方圧加圧法にて透明セラミックスを作製する実施例、比較例を記述する。
先ず原料として、９９．９％の高純度のＴｂ2Ｏ3と９９．９９９％のＹ2Ｏ3の粉末原料を用意し、Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が所定のモル比になるように、秤量した。Ｔｂ2Ｏ3粉末及びＹ2Ｏ3粉末を所定のモル比で混合し、混合粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整した。得られた水溶液を攪拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で２日間放置した。その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で２日間乾燥した。得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気若しくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、電気炉で、１，２００℃３時間仮焼きを行った。不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。
【００７５】
得られた原料粉末１００ｇ、溶媒としてメタノール５０ｇ、結合剤として、ポリビニルアルコール１ｇ、可塑剤として、ポリエチレングリコール１ｇ、潤滑剤として、ステアリン酸０．５ｇを加え、ナイロンボールミルを使って、湿式混合して、スラリー状とした。このとき、焼結助剤を所定量、例えば、０．００１〜０．０１重量部入れて混合した。
得られたスラリーをスプレードライヤーに掛けて、乾燥球状体を作製した。その乾燥球状体を、５ｍｍφの金型に入れ、一次成形をした後、２００ＭＰａの圧力で、冷間静水圧（ＣＩＰ）法により成形した。この成形体を、４００〜６００℃に昇温して脱脂を行った。４００℃までは大気中で、それより高い温度は、不活性雰囲気で行った。
【００７６】
その後、真空炉で１，７００℃にて、８〜１０時間焼成した。焼成条件として、１，２００℃までは、３００℃／ｈｒとし、それ以上は、５０℃／ｈｒとして昇温した。真空度は、０．５×１０-1Ｐａで行った。
さらに透明性を上げるため、１，８００℃、及び１００ＭＰａの圧力で、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で、１０時間の処理を行った。
【００７７】
アニールしたセラミックス 直径３ｍｍ×長さ３０ｍｍを、内周刃切断機にて両端を切断し、その両端面を、コロイダルシリカなどの研磨剤で鏡面にする。得られた３ｍｍφ×２５ｍｍの円筒状のセラミックスのベルデ定数を測定した。それぞれ実施例、比較例の結果を表４に示す。Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3が０．４：０．６以上のモル比の場合、０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であった。これは、ＴＧＧ結晶のベルデ定数０．１３ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のほぼ２倍以上の大きさであった。
【００７８】
【表５】
【００７９】
（実施例２６〜４９及び比較例１６〜２６）
Ｔｂ2Ｏ3：Ｙ2Ｏ3＝０.６：０．４で一定とし、焼結助剤を変化させた以外は実施例１９と同様にして、透過率、消光比及びベルデ定数を評価した。結果を以下の表６〜９に示す。
【００８０】
【表６】
【００８１】
【表７】
【００８２】
【表８】
【００８３】
【表９】
【００８４】
（実施例５０）
作製した（Ｔｂ0.6Ｙ0.4）2Ｏ3結晶５ｍｍφを、４．５ｍｍφに外径を仕上げ、内周刃式スライサーでスライス切断し、その両面を、ＳｉＣ砥粒によるラッピング及びコロイダルシリカによるポリッシングで、最終的に長さ１２ｍｍに仕上げてファラデー回転子を得た。この長さは、波長１．０６μｍにおいて、４５度の回転角を得られる長さである。なお、波長１．０６μｍ、光路長１２ｍｍでの透過率は、７０％であった。
ファラデー回転子の両面には、空気用無反射コートを施した。
一方、光アイソレータの偏光子、検光子となる、１０ｍｍ角の偏光ビームスプリッタを２個用意した。これら偏光子及び検光子の両面に、空気用無反射コートを施した。
ファラデー回転子、偏光子及び検光子の各々を、金属筐体に組合わせながら、組み込み、中心にレーザビームを透過させながら逆方向挿入損失が最大になるように偏光子（または検光子）を回転させて調整した後、接合固定した。このとき、ファラデー回転子外周には永久磁石を配置している。この光学素子を飽和磁場中に配置して光学特性を測定したところ、逆方向挿入損失４３ｄＢ、順方向挿入損失は、０．２０ｄＢであった。放棄アイソレータは、従来品に比して挿入損失が少なく、光アイソレータとして高い性能を示した。また、従来品に比して、ファラデー回転子の長さが短く、小型の光アイソレータであった。
【符号の説明】
【００８５】
１００ キセノンランプＦＺ装置
１１０ 上シャフト
１１２ 下シャフト
１１４ フィードロッド
１１６ シードロッド
１２０ キセノンランプ
１３０ 楕円体鏡
１４０ 石英管
２００ マイクロ引下げ装置
２１０ 融液
２２０ 坩堝
２２２ 坩堝支持治具
２３０ 保温筒
２４０ 石英管
２５０ 誘導加熱装置
２６０ 種保持具
３００ 光アイソレータ
３１０ ファラデー回転子
３１２ 光軸
３２０ 偏光子
３３０ 検光子
３４０ 磁石
３５０ 筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする磁気光学材料。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【請求項２】
波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上である、請求項１に記載の磁気光学材料。
【請求項３】
前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、請求項１又は２に記載の磁気光学材料。
【請求項４】
アルカリ土類金属、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第４族元素、第５族元素、若しくは第６族元素の酸化物、又は、第１７族元素の化合物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、請求項１〜３いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項５】
アルカリ土類金属の酸化物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、請求項１〜４いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項６】
単結晶である、請求項１〜５いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項７】
フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法、及びＥＦＧ法よりなる群から選択された製造方法で作製された、請求項６に記載の磁気光学材料。
【請求項８】
セラミックスである、請求項１〜５いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項９】
請求項１〜８いずれか１つに記載の磁気光学材料を用いた、波長０．４０μｍ以上１．２μｍ以下におけるファラデー回転子。
【請求項１０】
請求項９に記載のファラデー回転子の前後に偏光材料を配置した、光アイソレータ。
【請求項１】
下記式（Ｉ）で表される酸化物を９９重量％以上含有することを特徴とする磁気光学材料。
（ＴｂxＲ1-x）2Ｏ3 （Ｉ）
（式（Ｉ）中、ｘは、０．４≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、テルビウム以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。）
【請求項２】
波長１．０６μｍでのベルデ定数が０．１８ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、かつ、波長１．０６μｍ、光路長３ｍｍでの透過率が７０％以上であり、光路長３ｍｍでの消光比が２５ｄＢ以上である、請求項１に記載の磁気光学材料。
【請求項３】
前記式（Ｉ）において、Ｒがスカンジウム、イットリウム、ランタン、ユウロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ホルミウム、及び、ルテチウムよりなる群から選択される、請求項１又は２に記載の磁気光学材料。
【請求項４】
アルカリ土類金属、第１１族元素、第１２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第４族元素、第５族元素、若しくは第６族元素の酸化物、又は、第１７族元素の化合物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、請求項１〜３いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項５】
アルカリ土類金属の酸化物を０．００００１重量％以上１．０重量％以下含有する、請求項１〜４いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項６】
単結晶である、請求項１〜５いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項７】
フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法、及びＥＦＧ法よりなる群から選択された製造方法で作製された、請求項６に記載の磁気光学材料。
【請求項８】
セラミックスである、請求項１〜５いずれか１つに記載の磁気光学材料。
【請求項９】
請求項１〜８いずれか１つに記載の磁気光学材料を用いた、波長０．４０μｍ以上１．２μｍ以下におけるファラデー回転子。
【請求項１０】
請求項９に記載のファラデー回転子の前後に偏光材料を配置した、光アイソレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−８２０７９（Ｐ２０１２−８２０７９Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２６８６７（Ｐ２０１０−２２６８６７）
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月６日（２０１０．１０．６）
【出願人】（０００００２０６０）信越化学工業株式会社 (3,361)
【Ｆターム（参考）】
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