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JP2796632B2 - Transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet and method for producing the same - Google Patents

Transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet and method for producing the same

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Publication number
JP2796632B2
JP2796632B2 JP1106664A JP10666489A JP2796632B2 JP 2796632 B2 JP2796632 B2 JP 2796632B2 JP 1106664 A JP1106664 A JP 1106664A JP 10666489 A JP10666489 A JP 10666489A JP 2796632 B2 JP2796632 B2 JP 2796632B2
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JP
Japan
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aluminum garnet
yttrium aluminum
yag
atomic
ions
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JP1106664A
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肇 羽田
信一 白崎
伸一 松田
明男 渡辺
正實 関田
俊宏 黒木
高公 柳谷
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
KONOSHIMA KAGAKU KOGYO KK
Original Assignee
KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
KONOSHIMA KAGAKU KOGYO KK
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Publication date
Application filed by KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO, KONOSHIMA KAGAKU KOGYO KK filed Critical KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、透明多結晶イットリウムアルミニウムガ
ーネット、(単味での組成Y3Al5O12、以下単にYAGとい
うことがある。)と、その製造方法とに関する。この発
明でのイットリウムアルミニウムガーネットは、レーザ
やシンチレータ等の発振用あるいは発光用の光学材料に
用いる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet (composition Y 3 Al 5 O 12 in simple terms, sometimes simply referred to as YAG hereinafter) and the like. A manufacturing method. The yttrium aluminum garnet in the present invention is used for an optical material for oscillation or light emission such as a laser or a scintillator.

[従来技術] イットリウムアルミニウムガーネットは、発振・発光
用の光学材料として周知である。例えばイットリウムア
ルミニウムガーネットのイットリウムをNdで置換したYA
Gレーザは、高出力レーザの代表的なものの1つであ
る。光学材料としてのイットリウムアルミニウムガーネ
ットは、主として単結晶が用いられている。単結晶の育
成は例えば、イリジウムるつぼを用いて熔融YAGから単
結晶を引き上げるチョクラルスキー法(以下単にCZ法と
いう)や、YAGの焼結棒を帯域熔融して単結晶とする浮
遊帯域法(以下単にFZ法という)、あるいはフラックス
を用いるフラックス法が知られている。しかしながらCZ
法でのイリジウム坩堝は高価であり、かつ坩堝からのイ
リジウムによる汚染が問題となる。またFZ法では単結晶
の口径に制限が生じ、大きな単結晶が得られない。更に
フラックス法では、フラックスによる汚染が生じる。
[Prior Art] Yttrium aluminum garnet is well known as an optical material for oscillation and light emission. For example, YA in which yttrium of yttrium aluminum garnet is replaced with Nd
The G laser is one of the typical high-power lasers. A single crystal is mainly used for yttrium aluminum garnet as an optical material. The single crystal can be grown by, for example, the Czochralski method (hereinafter simply referred to as CZ method) in which the single crystal is pulled from the molten YAG using an iridium crucible, or the floating zone method in which a sintered rod of YAG is melted into a single crystal by band melting ( Hereinafter, simply referred to as FZ method) or a flux method using a flux is known. However CZ
The iridium crucible by the method is expensive, and contamination by iridium from the crucible becomes a problem. In the FZ method, the diameter of a single crystal is limited, and a large single crystal cannot be obtained. Further, in the flux method, contamination by the flux occurs.

なお単結晶YAGの置換、特にY元素の置換は周知であ
る。例えば関田や木村は、Y元素を1atm%Ndで置換した
YAGの光学活性に付いて報告している(ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス 54巻3415〜3421頁,198
3年)。
Note that substitution of single crystal YAG, particularly substitution of Y element, is well known. For example, Sekida and Kimura replaced the Y element with 1 atm% Nd
Report on the optical activity of YAG (Journal of Applied Physics 54: 3415-3421, 198
3 years).

ここで関連する他の先行技術を示す。発明者らは、Y
イオンとAlイオンとを尿素を用いて沈澱させ、YAGを得
ることを提案した(特願昭62−248,957号)。更に発明
者らは、尿素による沈澱時に母液中に硫酸イオンを存在
させ、沈澱の性質を改良することを提案した(特願昭63
−242,890号)。
Here, other related prior art is shown. We have found that Y
It has been proposed that YAG be obtained by precipitating ions and Al ions using urea (Japanese Patent Application No. 62-248,957). Furthermore, the present inventors have proposed that sulfate ions be present in the mother liquor during precipitation with urea to improve the properties of the precipitation (Japanese Patent Application No. Sho 63).
-242,890).

[発明の課題] この発明の課題は、単結晶YAGとほぼ同等の光学的性
質を有する透明多結晶のYAG、並びにその製造方法を提
供することにある。
[Problems of the Invention] An object of the present invention is to provide a transparent polycrystalline YAG having optical properties substantially equal to those of a single crystal YAG, and a method for producing the same.

[発明の構成] 請求項1の発明は、 YAGのY元素を、0.1〜5原子%原子番号58〜71のラン
タニド元素及びCr元素からなる群の少なくとも一員の元
素で置換すると共に、 YAGに対する重量比で100〜2500wtppmのSiO2を添加し
た、透明多結晶イットリウムアルミニウムガーネットに
ある。なおSiO2の添加量は、SiO2添加前のYAG量に対す
る重量比を基準に示す。
[Constitution of the Invention] The invention according to claim 1 is to replace the Y element of YAG with at least one member of the group consisting of a lanthanide element having an atomic number of 58 to 71 and a Cr element of 0.1 to 5 at. It was added SiO 2 of 100~2500wtppm a ratio, in the transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet. The addition amount of SiO 2 is shown based on the weight ratio to the YAG amount before addition of SiO 2 .

請求項2,3の発明はその製造方法である。 The invention according to claims 2 and 3 is a manufacturing method thereof.

請求項2の発明は、イットリウムイオンとアルミニウ
ムイオンと原子番号58〜71のランタニド元素及びCr元素
からなる群の少なくとも一員の元素のイオンとを含む酸
性水溶液を、イットリウムアルミニウムガーネット1モ
ルに対して0.8〜10モルの割合での硫酸イオンの存在下
で、尿素で中和して粒状の沈澱を生成させ、 生成した沈澱を仮焼成型後に、酸素フリーの条件下で
1650〜1900℃で焼結して、YAGのY元素を0.1〜5原子%
原子番号58〜71のランタニド元素及びCr元素からなる群
の少なくとも一員の元素で置換したYAGとすると共に、 YAGの焼結前の段階に、YAGに対する重量比で100〜250
0wtppmのSiO2を加える段階を設けた、透明多結晶イット
リウムアルミニウムガーネットの製造方法にある。SiO2
の添加形態は任意で、添加時期は例えば沈澱の形成時や
形成後の沈澱、あるいは仮焼後のYAGとする。
The invention of claim 2 provides an acidic aqueous solution containing yttrium ions, aluminum ions, and ions of at least one member of the group consisting of lanthanide elements and atomic Cr elements having atomic numbers of 58 to 71 in an amount of 0.8 to 1 mol of yttrium aluminum garnet. Neutralized with urea in the presence of sulfate ions at a ratio of ~ 10 mol to form a granular precipitate, and the formed precipitate was calcined and then subjected to oxygen-free conditions.
Sintered at 1650 ~ 1900 ℃, 0.1 ~ 5 atomic% of Y element of YAG
A lanthanide element having an atomic number of 58 to 71 and a YAG substituted with at least one member of the group consisting of a Cr element, and at a stage before sintering of the YAG, a weight ratio to the YAG of 100 to 250.
A method for producing a transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet, comprising a step of adding 0 wtppm of SiO 2 . SiO 2
The addition form is optional, and the addition time is, for example, the time of formation of a precipitate, the precipitation after formation, or the YAG after calcination.

請求項3の発明は、前記の置換元素を、Ce,Pr,Nd,Sm,
Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb及びCrからなる群の少なくとも一
員の元素とすると共に、焼結雰囲気を真空中とし、かつ
置換の割合を0.1〜3原子%に限定したことを特徴とす
る。
The invention according to claim 3 is characterized in that the substitution element is Ce, Pr, Nd, Sm,
At least one member of the group consisting of Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Cr, the sintering atmosphere being vacuum, and the substitution ratio being limited to 0.1 to 3 atomic%. Features.

なおこの明細書において透明とは、光がYAG中におい
てExp(−α・t)に従ったランバート・バール型の減
衰をするとした場合に、吸光係数αが4cm-1以下である
ことを意味する。ここにtは媒質の厚さであり、吸光係
数は、置換物イオンによる固有の吸収のない波長で測定
するものとする。吸光係数αが5cm-1を越えると肉眼で
不透明となり、この発明の条件では全て透明のYAG焼結
体が得られる。
In this specification, the term “transparent” means that the light absorption coefficient α is 4 cm −1 or less when the light is subjected to Lambert-Barre attenuation according to Exp (−α · t) in YAG. . Here, t is the thickness of the medium, and the extinction coefficient is measured at a wavelength where there is no inherent absorption by the substitute ions. When the extinction coefficient α exceeds 5 cm −1 , it becomes opaque to the naked eye, and under the conditions of the present invention, a transparent YAG sintered body can be obtained.

この発明のYAGは、多結晶である点で従来の単結晶YAG
と相違する。そしてこの発明ではYAGの光学活性を引き
出すため、YAGのY元素を0.1〜5原子%、より好ましく
は0.1〜3原子%、置換する。置換イオン(以下単にR
イオンという)は、原子番号58〜71のランタニド元素や
Cr元素を用いる。置換したRイオンは結晶中のYイオン
の位置を占めるものと考えられるが、詳細は不明であ
る。またR元素はより好ましくは、Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,
Dy,Ho,Er,Tm,YbまたはCr元素とする。勿論これらの元素
はその1つのみを用いるのではなく、組み合わせて添加
しても良い。
The YAG of the present invention is a conventional single crystal YAG in that it is polycrystalline.
Is different from In the present invention, in order to bring out the optical activity of YAG, the Y element of YAG is substituted with 0.1 to 5 atomic%, more preferably 0.1 to 3 atomic%. A substituted ion (hereinafter simply referred to as R
Lanthanide elements with atomic numbers 58-71)
Cr element is used. It is considered that the substituted R ion occupies the position of the Y ion in the crystal, but the details are unknown. The R element is more preferably Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb or Cr element. Of course, these elements need not be used alone but may be added in combination.

置換の程度について説明すると、十分な発光強度を得
るためには少なくとも0.1原子%以上の置換が必要であ
り、かつ発光寿命を維持するには置換量を5原子%以
下、より好ましくは3原子%以下とする必要が生じる。
Explaining the degree of substitution, it is necessary to substitute at least 0.1 atomic% or more in order to obtain a sufficient luminous intensity, and to maintain the emission lifetime, the amount of substitution is 5 atomic% or less, more preferably 3 atomic% or less. It is necessary to:

次にSiO2の添加は、緻密なYAGを得るためと、焼結後
のYAG中の結晶粒子径の不規則な分布を除き、結晶粒径
の不規則分布に伴う光散乱を除くために必要である。Si
O2の含量はYAGに対して、(SiO2分を除いたYAGに対し
て)、100〜2500wtppmに限られ、これより少なくても、
またこれより多くても、不透明なYAG多結晶した得られ
ない。
Next, the addition of SiO 2 is necessary to obtain dense YAG, to remove the irregular distribution of crystal grain size in YAG after sintering, and to eliminate light scattering accompanying the irregular distribution of crystal grain size. It is. Si
With respect to the amount of O 2 is YAG, (against YAG excluding the SiO 2 minutes), limited to 100~2500Wtppm, be less than this,
Also, if it is more than this, opaque YAG polycrystal cannot be obtained.

この発明の透明多結晶YAGの製造方法を説明する。YAG
の沈澱には、硫酸イオンの存在下に、尿素でPHを上昇さ
せて沈澱させることが必要である。また硫酸イオンの量
は、YAG1モル当たり0.8〜10モル、より好ましくは1.2〜
8モルに限られる。尿素も硫酸イオンも用いない場合、
(例えばアンモニアのみで沈澱させた場合)、沈澱はゼ
リー状であり、濾過不能である。尿素のみを用いた際の
沈澱はゲル状で、塩化アンモニウム等の不純物を多量に
含むと共に、2次粒子が成長している。
The method for producing the transparent polycrystalline YAG of the present invention will be described. YAG
Requires the precipitation of urea to raise the pH in the presence of sulfate ions. The amount of sulfate ion is 0.8 to 10 moles per mole of YAG, more preferably 1.2 to 10 moles.
Limited to 8 moles. When neither urea nor sulfate ion is used,
When precipitated (eg, with ammonia only), the precipitate is jelly-like and cannot be filtered. When urea alone is used, the precipitate is gel-like, contains a large amount of impurities such as ammonium chloride, and secondary particles are growing.

これに対して硫酸イオンの存在下に尿素で沈澱させる
と、粒状の沈澱が得られ、ろ過が容易であると共に、不
純物含量が少ない。更にこの沈澱では2次粒子成長が少
なく、緻密な焼結体を得るのが容易である。なお硫酸イ
オンの量をYAG1モル当たり10モルよりも増すと、焼結性
が低下する。
On the other hand, when precipitation is performed with urea in the presence of sulfate ions, a granular precipitate is obtained, which facilitates filtration and has a low impurity content. Furthermore, in this precipitation, secondary particle growth is small, and it is easy to obtain a dense sintered body. If the amount of sulfate ions is more than 10 moles per 1 mole of YAG, the sinterability decreases.

YAGの置換に用いるRイオンは、沈澱時の溶液に存在
させて共沈により沈澱中に混入させる。
R ions used for YAG substitution are present in the solution at the time of precipitation, and are mixed into the precipitate by coprecipitation.

沈澱は仮焼後に成型し、焼結する。なお焼結前の段階
でYAGには、100〜2500wtppmのSiO2を添加する。SiO2
添加は、例えばYAGの沈澱時や、沈澱後に乾燥させたYA
G、あるいは仮焼後焼結前のYAGに対して行う。SiO2の添
加形態は任意である。
The precipitate is molded after calcination and sintered. Before sintering, 100 to 2500 wtppm of SiO 2 is added to YAG. The addition of SiO 2 can be performed, for example, during precipitation of YAG or after drying YA
G or YAG after calcination and before sintering. The form of addition of SiO 2 is optional.

焼結は酸素フリーの条件下、例えば水素中やAr中、N2
中、あるいは真空中で行う。酸素中や空気中での焼結で
は、YAGの結晶粒径分布が不規則で、結晶粒界等での光
散乱が生じ、焼結体は不透明となる。また焼結温度は16
50〜1900℃に限られ、これ以下では緻密な焼結体が得ら
れず、これ以上では焼結時にYAGの溶融と蒸発が生じ
る。
Sintering is carried out under oxygen-free conditions, such as in hydrogen or Ar, N 2
Medium or in a vacuum. In sintering in oxygen or air, the crystal grain size distribution of YAG is irregular, light scattering occurs at crystal grain boundaries and the like, and the sintered body becomes opaque. The sintering temperature is 16
The temperature is limited to 50 to 1900 ° C, below which a dense sintered body cannot be obtained, and above this temperature, melting and evaporation of YAG occur during sintering.

[実施例] 実施例1 Nd置換型のYAGを得るため、各1モル/リットル濃度
の水溶液の、塩化イットリウムを30(1−x)ミリリッ
トルと、塩化アルミニウムを50ミリリットル、塩化ネオ
ジウムを30xミリリットルと硫酸アンモニウムを30ミリ
リットル混合した。これに水を加えて全量を1リットル
とし、更にコロイダルシリカを3mgr添加した。なおイッ
トリウムやアルミニウム、あるいはネオジウム等のイオ
ンの形態は任意で、例えば硝酸塩や酢酸塩等としても良
い。この溶液に尿素を72gr投入し、溶解後に95℃で120
分間反応させ、イットリウムとアルミニウム、ネオジウ
ム、シリカの共沈を得た。
[Examples] Example 1 In order to obtain Nd-substituted YAG, 30 (1-x) milliliters of yttrium chloride, 50 milliliters of aluminum chloride, and 30 x milliliters of neodymium chloride were prepared from aqueous solutions each having a concentration of 1 mol / liter. 30 ml of ammonium sulfate was mixed. Water was added thereto to make the total volume 1 liter, and 3 mgr of colloidal silica was further added. The form of ions such as yttrium, aluminum, and neodymium is arbitrary, and may be, for example, nitrate or acetate. To this solution was added 72 gr of urea, and after dissolution,
The reaction was carried out for minutes to obtain a coprecipitation of yttrium with aluminum, neodymium and silica.

この沈澱はYAG10m molに対応し、塩化ネオジウム量を
変えることにより、YAGの組成を変化させた。次に尿素
量は2.4当量で、YAGの0.24当量の10倍である。またSiO2
量は、YAGに対して500wtppmである。
This precipitation corresponded to 10 mmol of YAG, and the composition of YAG was changed by changing the amount of neodymium chloride. Next, the amount of urea is 2.4 equivalents, which is 10 times 0.24 equivalents of YAG. Also SiO 2
The amount is 500 wtppm with respect to YAG.

得られた沈澱は粒状で、塩化アンモニウム等の不純物
含量が小さく、2次粒子の成長も少ない。このため緻密
な焼結体を得るのが容易となる。また沈澱の粒状のた
め、ろ過も容易である。
The resulting precipitate is granular, has a low content of impurities such as ammonium chloride, and has little secondary particle growth. For this reason, it becomes easy to obtain a dense sintered body. In addition, filtration is easy due to the granular nature of the precipitate.

溶液を室温まで冷却し、沈澱をろ過した後に、水で洗
浄して乾燥させ、空気中1000℃で3時間仮焼した。仮焼
条件は、YAGの焼結性を低下させない範囲で充分に不純
物を除去し得る温度が好ましく、例えば500〜1400℃、
好ましくは900〜1300℃とする。仮焼により沈澱はYAGに
転化する。仮焼後のYAGを粉砕し、2t/cm2でアイソスタ
チックプレスしてディスク状に成型し、真空中で1700℃
で3時間焼結した。焼結雰囲気は酸素フリーであれば良
く、真空中には限定されない。
The solution was cooled to room temperature, and the precipitate was filtered, washed with water, dried, and calcined in air at 1000 ° C. for 3 hours. The calcination condition is preferably a temperature at which impurities can be sufficiently removed within a range that does not reduce the sinterability of YAG, for example, 500 to 1400 ° C.
Preferably it is 900-1300 degreeC. The precipitate is converted to YAG by calcination. The calcined YAG is pulverized, isostatically pressed at 2 t / cm 2 and shaped into a disk, and heated to 1700 ° C in vacuum.
For 3 hours. The sintering atmosphere may be oxygen-free, and is not limited to vacuum.

このディスクの分光特性を評価した。Nd置換YAGディ
スクを他の高周波レーザで励起した際のレーザ遷移波長
1.064μmでの発光寿命を第1図に示す。1原子%置換
の場合の発光寿命は220μsで、関田や木村による前記
の文献での値、(FZ法単結晶YAGのY元素を1原子%Nd
で置換)、226μsとほぼ等しい。なおここに発光寿命
は、発光強度が初期強度の1/eまで減少する時間を意味
する。また1原子%Nd置換での、レーザ発振に寄与する
1.0634μm及び1.0638μmでの発光スペクトルの線幅
は、それぞれ5.02cm-1及び5.27cm-1である。これは関田
らによる報告での値、4.53〜4.80cm-1及び4.95〜5.46cm
-1と同程度である。従ってこの発明でのNd置換YAGは、
同一組成の単結晶とほぼ同じ分光学的性質をもち、多結
晶であるが故の分光学的特性の劣化は見いだせない。
The spectral characteristics of this disk were evaluated. Laser transition wavelength when Nd-substituted YAG disk is excited by another high-frequency laser
FIG. 1 shows the emission lifetime at 1.064 μm. The emission lifetime in the case of 1 atomic% substitution is 220 μs, and the value in the above-mentioned document by Sekida and Kimura (1 atomic% Nd
), Approximately equal to 226 μs. Here, the light emission lifetime means a time during which the light emission intensity decreases to 1 / e of the initial intensity. Also contributes to laser oscillation with 1 atomic% Nd substitution
The line width of the emission spectra at 1.0634μm and 1.0638μm are respectively 5.02Cm -1 and 5.27cm -1. This is the value reported by Sekida et al., 4.53-4.80 cm -1 and 4.95-5.46 cm
It is about the same as -1 . Therefore, the Nd-substituted YAG in the present invention is
It has almost the same spectroscopic properties as a single crystal of the same composition, and no deterioration in spectroscopic properties due to being a polycrystal can be found.

更に同報告による方法に基づいて、レーザ発振誘導遷
移断面積を計算すると、4.9×10-19cm2である。これ
は、同報告やそこで引用された報告でのCZ法あるいはFZ
法による単結晶Nd置換YAGの文献値、2.7×10-19cm2〜8.
8×10-19cm2に匹敵する。なおレーザ発振誘導遷移断面
積は、レーザへの入力エネルギーと出力エネルギーとの
関係を表す定数で、この値が高い程高効率のレーザが得
られる。
Further, the laser oscillation induced transition cross section is calculated to be 4.9 × 10 -19 cm 2 based on the method reported in the same report. This is the CZ method or FZ in the report and the reports cited there.
Literature value of single crystal Nd-substituted YAG by the method, 2.7 × 10 −19 cm 2 to 8.
Equivalent to 8 × 10 -19 cm 2 . The laser oscillation induced transition cross-sectional area is a constant indicating the relationship between the input energy and the output energy to the laser, and the higher the value, the higher the efficiency of the laser.

第1図に戻り、Nd置換量について検討する。レーザ発
振のために必要な電子の反転分布状態を維持するために
は、1.064μmでの発光寿命を100μs程度以上とするこ
とが好ましい。この条件を満たすためにはNd量を5原子
%以下、より好ましくは3原子%以下とすることが必要
である。一方レーザ発振を起こすためには、十分な発光
強度が必要である。発光強度は置換イオンの量に比例し
て増加し、0.5原子%程度から強度の増加が鈍化して、
置換量に比例しなくなる。Nd置換YAGレーザの場合、レ
ーザ発振に必要な発光強度を得るには、0.1原子%以上
の置換が必要であった。なお置換量の影響は、Nd以外の
他の置換元素についても同様であった。例えばPrやHoの
場合も、十分な発光強度を得るには0.1原子%以上の置
換が、十分な発光寿命を得るには5原子%以下の置換が
必要であった。
Returning to FIG. 1, the Nd substitution amount will be examined. In order to maintain the inversion distribution state of electrons necessary for laser oscillation, the emission lifetime at 1.064 μm is preferably set to about 100 μs or more. In order to satisfy this condition, the Nd content needs to be 5 atomic% or less, more preferably 3 atomic% or less. On the other hand, sufficient laser emission intensity is required to cause laser oscillation. The emission intensity increases in proportion to the amount of substitution ions, and the increase in intensity slows down from about 0.5 atomic%,
It is not proportional to the replacement amount. In the case of the Nd-substituted YAG laser, substitution of 0.1 atomic% or more was necessary to obtain the emission intensity required for laser oscillation. The effect of the substitution amount was the same for the other substitution elements other than Nd. For example, in the case of Pr or Ho, substitution of 0.1 atomic% or more was required to obtain sufficient luminescence intensity, and substitution of 5 atomic% or less was required to obtain sufficient luminescence lifetime.

実施例2 Nd以外の置換イオンについて、置換量1原子%を例
に、YAG組成物の色、主たる発光のピーク波長、並びに
発光寿命を表1に示す。なお透明多結晶YAGの製法は、
ネオジウムイオンに変えて各置換体のイオンを用いた他
は、実施例1と同様である。表の色は1原子%置換での
色調であり、色調は置換量によって異なる。
Example 2 Table 1 shows the color of the YAG composition, the main emission peak wavelength, and the emission life of the substituted ions other than Nd with the substitution amount of 1 atomic% as an example. The production method of transparent polycrystalline YAG is as follows.
It is the same as Example 1 except that the ion of each substituent is used instead of neodymium ion. The colors in the table are the color tone at 1 atomic% substitution, and the color tone varies depending on the substitution amount.

ここまではレーザへの応用を主として説明したので、
シンチレータへの応用を説明する。シンチレータ用の多
結晶組成物は、Pr置換のGd2O2S等に付いて研究されてい
る。Pr置換のGd2O2Sの場合、文献値では1mm厚で透過率
が60%、これを吸光係数になおすと5.1cm-1となる。こ
れに対して表1の1原子%Pr置換の試料では、1mm厚で
の透過率は82%であり、吸光係数としては2cm-1とな
る。即ち実施例でのシンチレータ材料は透明で、シンチ
レータとしての効率が高い。
So far, we have mainly described applications to lasers,
An application to a scintillator will be described. Polycrystalline compositions for scintillators have been studied for Pr-substituted Gd 2 O 2 S and the like. In the case of Pr-substituted Gd 2 O 2 S, the transmittance in the literature is 60% at a thickness of 1 mm, which translates into an extinction coefficient of 5.1 cm −1 . On the other hand, in the sample of 1 atomic% Pr substitution in Table 1, the transmittance at a thickness of 1 mm is 82%, and the extinction coefficient is 2 cm -1 . That is, the scintillator material in the embodiment is transparent, and the scintillator efficiency is high.

実施例3 以上の説明では、透明な多結晶YAGが得られることを
前提に議論を行った。以下に透明な多結晶YAGを得る条
件を示す。なおここでのNd等の置換イオン等の影響は、
実施例1,2の場合と同様であり、置換イオンの添加は実
施例1,2の場合と全く同様に行えば良い。
Example 3 In the above description, discussion was made on the assumption that transparent polycrystalline YAG was obtained. The conditions for obtaining a transparent polycrystalline YAG are shown below. In this case, the influence of substitution ions such as Nd is as follows.
This is the same as in the case of the first and second embodiments, and the addition of the substitute ion may be performed in exactly the same manner as in the first and second embodiments.

中和に尿素を用いるのは沈澱反応を緩やかにし、反応
の制御を容易にするためである。尿素に変えてアンモニ
アを中和剤に用いると、反応の制御は難しく一般にゼリ
ー状のろ過不能の沈澱となる。尿素の量に付いて特に限
定するものではないが、定量的な沈澱を可能にするには
水溶液中の酸当量の2倍以上を加えるのが好ましく、よ
り好ましくは5倍以上とする。次に過剰量の尿素は反応
過程で分解しCO2とNH3として気化するため、尿素量の上
限には特に制約はなく、例えば20倍当量以下とすれば良
い。なお尿素による沈澱反応は70℃〜沸点で行うのが好
ましい。これは70℃以下では尿素の分解が遅く、反応時
間が長すぎることによる。そして好ましくは、80〜100
℃で中和反応を行う。
Urea is used for neutralization in order to moderate the precipitation reaction and to facilitate the control of the reaction. If ammonia is used as the neutralizing agent instead of urea, the control of the reaction is difficult and generally results in a jelly-like unfilterable precipitate. Although the amount of urea is not particularly limited, it is preferable to add at least twice the acid equivalent in the aqueous solution, more preferably at least 5 times, in order to enable quantitative precipitation. Next, since an excessive amount of urea is decomposed in the course of the reaction and vaporized as CO 2 and NH 3 , the upper limit of the amount of urea is not particularly limited, and may be, for example, 20 equivalents or less. The precipitation reaction with urea is preferably performed at 70 ° C. to the boiling point. This is because the decomposition of urea is slow at 70 ° C. or lower, and the reaction time is too long. And preferably, 80-100
Perform the neutralization reaction at ℃.

次に硫酸イオンの効果は、2次粒子の成長が少ない沈
澱を得る点にある。2次粒子の成長が少ない沈澱では、
沈澱への不純物の混入が少なく、また緻密な焼結体を得
るのが容易である。更に硫酸イオンを用いた沈澱は一般
に粒状であり、沈澱のろ過等の処理が容易である。表2
に、実施例1での硫酸イオン含量を変えた際の結果を示
す。なおこの結果は、仮焼条件を酸素中1300℃1時間、
焼結条件を酸素中1600℃30時間とした際のものである。
また簡単のため、単味のYAGを用い、SiO2やNd等は添加
しなかった。表中粒径は仮焼後の2次粒子径を表す。ま
た密度は理論密度に対する相対密度を表す。YAG1モル当
たり1〜10モルの硫酸イオンを用いることにより、緻密
な焼結体が得られる。
Next, the effect of the sulfate ion is to obtain a precipitate in which the growth of secondary particles is small. In a precipitate where the growth of secondary particles is small,
There is little contamination of the precipitate with impurities and it is easy to obtain a dense sintered body. Further, the precipitates using sulfate ions are generally granular, and the treatment such as filtration of the precipitates is easy. Table 2
The results when the sulfate ion content in Example 1 was changed are shown below. In addition, this result shows that the calcination condition is 1300 ° C for 1 hour in oxygen,
The sintering conditions were at 1600 ° C. for 30 hours in oxygen.
For simplicity, plain YAG was used, and SiO 2 , Nd, etc. were not added. The particle size in the table represents the secondary particle size after calcination. The density indicates a relative density with respect to the theoretical density. By using 1 to 10 mol of sulfate ions per 1 mol of YAG, a dense sintered body can be obtained.

次に表3に、焼結雰囲気とSiO2の影響とを示す。この
実験では、Nd無添加のYAGを用い、仮焼条件を空気中100
0℃3時間、焼結条件を各雰囲気中で1700℃3時間とし
た。
Next, Table 3 shows the sintering atmosphere and the effect of SiO 2 . In this experiment, Nd-free YAG was used, and the calcination condition was 100
The sintering conditions were set at 1700 ° C. for 3 hours in each atmosphere at 0 ° C. for 3 hours.

[発明の効果] この発明では、単結晶に匹敵する光学的性能を持っ
た、多結晶の透明YAG光学材料が得られる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, a polycrystalline transparent YAG optical material having optical performance comparable to that of a single crystal can be obtained.

またこの発明の製造方法は、水溶液からの沈澱を用い
るため、不純物による汚染が少なく、低コストで量産性
に富み、かつ任意の形状のYAG焼結体が得られるとの利
点がある。
In addition, since the production method of the present invention uses precipitation from an aqueous solution, there is an advantage that contamination by impurities is small, a YAG sintered body of any shape can be obtained at low cost, which is rich in mass productivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、実施例でのNd置換量の発光寿命への影響を示
す特性図である。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the influence of the Nd substitution amount on the light emission lifetime in the example.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 明男 茨城県つくば市竹園3―106―105 (72)発明者 関田 正實 茨城県つくば市吾妻1―406―402 (72)発明者 黒木 俊宏 香川県三豊郡詫間町詫間3500―3 (72)発明者 柳谷 高公 香川県三豊郡詫間町詫間610―5 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/42 - 35/50──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Akio Watanabe 3-106-105 Takezono, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Masami Sekida 1-406-402 Azuma, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Toshihiro Kuroki Kagawa Prefecture 3500-3 Takuma, Takuma-cho, Mitoyo-gun (72) Takayuki Yanagiya Inventor 610-5 Takuma, Takuma-cho, Mitoyo-gun, Kagawa (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C04B 35/42-35/50

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】イットリウムアルミニウムガーネット(組
成式Y3Al5O12)のY元素を、0.1〜5原子%原子番号58
〜71のランタニド元素及びCr元素からなる群の少なくと
も一員の元素で置換し、 かつイットリウムアルミニウムガーネットに対する重量
比で、100〜2500wtppmのSiO2を添加した、透明多結晶イ
ットリウムアルミニウムガーネット。
1. The method according to claim 1, wherein the Y element of yttrium aluminum garnet (composition formula Y 3 Al 5 O 12 ) is 0.1 to 5 atomic% atomic number 58.
A transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet, which is substituted with at least one member of the group consisting of lanthanide elements and Cr elements of up to 71, and to which 100 to 2500 wtppm of SiO 2 is added in a weight ratio to yttrium aluminum garnet.
【請求項2】イットリウムイオンとアルミニウムイオン
と原子番号58〜71のランタニド元素及びCr元素からなる
群の少なくとも一員の元素のイオンとを含む酸性水溶液
を、 イットリウムアルミニウムガーネット1モルに対して0.
8〜10モルの割合での硫酸イオンの存在下で、尿素で中
和して粒状の沈澱を生成させ、 生成した沈澱を仮焼後に成型すると共に、 焼結前の段階に、イットリウムアルミニウムガーネット
に対する重量比で100〜2500wtppmのSiO2を加える段階を
設け、 かつ前記の成型体を、酸素フリーの条件下で、1650〜19
00℃で焼結して、イットリウムアルミニウムガーネット
のY元素を、0.1〜5原子%原子番号58〜71のランタニ
ド元素及びCr元素からなる群の少なくとも一員の元素で
置換したイットリウムアルミニウムガーネットとするよ
うにした、透明多結晶イットリウムアルミニウムガーネ
ットの製造方法。
2. An acidic aqueous solution containing yttrium ions, aluminum ions and ions of at least one member of the group consisting of a lanthanide element and an Cr element having an atomic number of 58 to 71 is added to 0.1 mol / mol of yttrium aluminum garnet.
Neutralize with urea in the presence of sulfate ions at a ratio of 8 to 10 moles to form a granular precipitate, mold the formed precipitate after calcination, and at the stage before sintering, the yttrium aluminum garnet A step of adding 100 to 2500 wtppm of SiO 2 by weight ratio, and the above-mentioned molded body is subjected to oxygen-free conditions of 1650 to 19
By sintering at 00 ° C., yttrium aluminum garnet is replaced by yttrium aluminum garnet in which the Y element of yttrium aluminum garnet is replaced with at least one member of the group consisting of a lanthanide element having an atomic number of 58 to 71 and a Cr element of 0.1 to 5 atomic%. Of producing a transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet.
【請求項3】前記の置換元素を、Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,D
y,Ho,Er,Tm,Yb及びCrからなる群の少なくとも一員の元
素とすると共に、Y元素の置換の割合を0.1〜3原子%
とし、 かつ焼成雰囲気を真空中としたことを特徴とする、 請求項2に記載の透明多結晶イットリウムアルミニウム
ガーネットの製造方法。
3. The method according to claim 2, wherein the substitution element is Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, D
y, Ho, Er, Tm, Yb, and at least one member of the group consisting of Cr, and the substitution ratio of the Y element is 0.1 to 3 atomic%.
The method for producing a transparent polycrystalline yttrium aluminum garnet according to claim 2, wherein the firing atmosphere is in a vacuum.
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