DE1497545A1

DE1497545A1 - Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern

Info

Publication number: DE1497545A1
Application number: DE19661497545
Authority: DE
Inventors: Paul Fyfe
Original assignee: Poly Optics Inc
Current assignee: Poly Optics Inc
Priority date: 1965-05-20
Filing date: 1966-05-20
Publication date: 1970-01-08
Also published as: US3472921A; DE1497545B2; DE1497545C3

Description

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Poly-Optic Systems, Inc., Paramount / California

Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern

Die Erfindung bezieht sich auf optische Fasern oder Fäden für die Leiterleitung von Licht und im besonderen auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern.

Optische, aus beschichtetem Glas hergestellte Fasern wurden für mehrere Zwecke verwendet z.B. bei dem diagnostischen Instrument nach der amerikanischen Patentschrift 3 091 235, bei dem eine Vielzahl von außerordentlich feinen Fasern oder Fäden zu einem biegsamen Fadenbündel zusammengefasst sind, mit dem Bilder über biegsame Lichtpfade übertragen werden können.

Die in solchen Fadenbündeln verwendeten Glasfaden weisen verscfe-^dene Nachteile auf, da sie im besonderen verhältnismäßig spröde sind und leicht brechen, wenn sie übermäßig stark gebogen

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oder unvorsichtig .gehandhabt werden.

Die Erfindung sieht außerordentlich feine, ausorgahischen Kunststoff fen hergestellte optische fasern oder Fädeii ' vor, deren Festigkeit und Biegsamkeit die der oekannteη Glasfaden übersteigt, und deren Fähigkeit, Licht weiterzuleiten, außerdem die Fähigkeit übersteigt, die bisher mit optischen, aus organischen Kunststoffen hergestellten Faaen erreicht werden konnte.

Die Erfindung sieht einen Lichtleiter vor, der gekennzeichnet ist durch einen langgestreckten Körper aus einem, ersten organischen Kunststoff mit einer bestimmten Brecuzahl, und durch einen den genannten-Körper umgebenden haftenden Belag aus einem zweiten organischen Kunststoff, dessen Brechzahl niedriger ist als die Brechzahl des erstgenannten Materials.

.Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum'herstellen von optischen Fasern oder Fäden vor, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein langgestreckter rohrförmiger, aus einem ziehfähigen ersten material hergestellter mantel· abgestützt wird, dass der Mantel mit einer menge eines lichtleitenden materials gefüllt wird, dessen Brechzahl großer ist als die Brechzahl des erstgenannten Materials, und das gleichfalls ziehfähig ist, wobei ein langgestreckter ummantelter Körper aus dem lichtleitenden material erzeugt wird, und dass danach der ummantelte Körper langgezogen wird.

Außerdem sieht die Erfindung eine Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern oder Fäden vor, welche üinricntung gekennzeichnet ist durch ein langgestrecktes Rohr mit einem ersten und einem zweiten Ende, durch eine mit dem ersten jinde des Sohres in Verbindung stehende Strangpresseinrichtung, die in das erste Ende des Bohres einen Kunststoff hineinpresst, durch ein Gleitglied,

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das am genannten riohr nahe am ersten Ende angebracht ist und einen Abstützungsteil aufweist, der dem zweiten jinde des Rohres , zugewandt ist und aas eine Ende eines auf das Bohr aufgeschobenen kanteis abstützt, und durch einen stopfen, der am zweiten Ende · des Bohres angebracht ist und das Ende eines auf das flohr aufgeschobenen Mantels verschließt, wobei das Gleitglied und der , ' Stopfen längs des Jäohres zugleich bewegbar sind.

Die Hauptvorzüge der Erfindung bestehen darin, dass eine Wechselwirkung zwischen den Fäden eines Fadenbündels wesentlich vermindert wird, während die innere Reflexion eines jeden I Fadens wesentlich erhöht wird. Durch das Verfahren nach der Erfindung wird zwischen dem lichtleitenden Kern des Fadens und einem Belag auf dem Faden eine feine Zwischenfläche erzeugt, wobei Örtliche Mangel an der Zwischenfläche und damit Stellen beseitigt werden, an denen a.us dem Faden Licht hindurchdringt.

Werden die zum Herstellen der optischen Fäden verwendeten Materialien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt, so können sehr lange Fäden mit einer hohen Lichtleitfähigkeit bei geringster Absorption des von dem Faden weitergeleiteten Lichtes erzeugt werden. -

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung ist die

Fig.1 ein Längsschnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung zum Herstellen von optischen Faden mit einem

großen Durchmesser,
Fig.2 ein Längsschnitt durch die Einrichtung nach der Fig.Λ^

der Teile der Einrichtung in einer anderen Stellung zeigt, Fig„3 eine Schnittzeichnung, die Teile der Einrichtung nach den Figuren 1 und 2 in einer Zwischenstellung bei der

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Herstellung eines optischen Fadens zeigt, und die Fig.4 eine schaubildlielie Darstellung der mit der Einrichtung

nach der Fig.1 hergestellten optischen Faser, die zum

Teil langgezogen dargestellt ist.

Die in der Fig.1 dargestellte Einrichtung weist ein Untergestell. 10 auf, das eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Einrichtung zum Strangpressen von Kunststoffen trägt» Diese Strangpresseinrichtung weist ein Rohr 14 auf, das von Heizwicklungen 16 umgeben ist, eine Strangpressdüse 18, eine Lochplatte 20 sowie eine Strangpresschnecke 22, mit der der flüssige Kunststoff in das rechte Ende 24 eines Rohres 26 hineingepresst wird.

Für den Antrieb der Strangpresschnecke ist ein Motor 28 vorgesehen. Die .Hinrichtung weist ferner einen Fülltrichter 30 auf, der über einen Durchlass 52 mit der Strangpresschnecke in Verbindung steht und diese mit dem Kunststoffmaterial versorgt. Der Fülltrichter JO ist mit einem abnehmbaren Deckel 34 aüsgestattet, der an der Gebrauchestelle mittels einer Schraube 36 befestigt werden kann, die in ein im Fülltrichter angeordnetes Gewindestück 38 eingeschraubt wird. Am oberen Rand des Fülltrichters ist ein Dichtungsring 40 vorgesehen, und ferner ist der Fülltrichter mit Rohrleitungen 42 ausgestattet, durch die ein inertes Gas, z.B. Stickstoff in die gesamte Strangpresseinrichtung eingelassen wird. Abgesehen davon, dass Mittel vorgesehen sind, die in der Strangpresseinrichtung eine inerte Atmosphäre aufrechterhalten, arbeitet die Strangpresse in der herkömmlichen Weise und führt dem Einlassende 24 des Rohres 26 den flüssigen Kunst-. stoff zu.

Das Inde 24 des Rohres 26 ist an einer Platte 44 angebracht, die an dem Ende der Strangpresse angeschraubt ist, wobei,

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das Bohr 26 in Kichtuüg zum Außenende 46 vorsteht. Auf dem Bohr 26 ist ein GleitblocJc 48 gelagert, der eine Gleitbewegung von dem .JSnde 24 aus zum Ende 46 .ausführen kann und mit einer ersten Schulter 50 versehen ist, äie das eine Ende eines vorgeformten -KunststoffmanteIs 52 abstützt, sowie mit einer zweiten Schulter 54, die das eine Ende eines steifen jketa Habs tut zr ohres 56 aufnimmt, .auf dem Metallrohr 56 sind mehrere Heizelemente 58 angeordnet, die den Kunststoff im Innern des Bohres erhitzen.

Der Gleitblook 48 ist ferner mit einem Absaugkanal 60 versehen, der mit dem Inneren des Gleitblockes an dem ringförmigen Baum 62 zwischen der Außenseite des flohres 26 und der Innenseite des vorgeformten Mantels 52 in Verbindung steht.

Am außen gelegenen freien Ende des ketalIrohres 56 ist ein Stopfen 64 angeordnet, der das Außende des Kunststoffmantels 52 verschließt, der vom Bohr 56 abgestützt wird. Der Stopfen wird vorzugsweise an einer Antriebseinrichtung angebracht, die in den Figuren 1 und 2 bei 66 dargestellt ist und aus einem pneumatischen Zylinder 68 mit einem Kolben 70 und mehreren Anschluss leitungen besteht, von denen eine Leitung bei 72 dargestellt ist, so dass durch die über die Leitung 72 zugeführte Luft die Bewegung des Stopfens 64 in der Richtung des Pfeiles 74 reguliert werden kann. ;

Soll die in der Fig.1 dargestellte Einrichtung zum Herstellen eines optischen Fadens benutzt werden, so wird die Einrichtung zuerst zusammengesetzt, wie in der Fig,1dargestellt, wobei in das Metallrohr 56 ein Mantel 52 aus einem noch zu beschreibenden Kunststoff eingesetzt wird, der die Kunststoffummantelung des optischen Fadens bilden soll· ■Nach dem Zusammensetzen der Einrichtung nach der Fig.1

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wird .das Kuaststoffmaterial,- das den Kern des optischen Fadens' bilden soll, von der Strangpresseinrichtung^ in Richtung, des Pfeiles 76 ausgepresst, wobei aas. ausgepresste-.ixaterial zuerst am linken Ende des Bohres 52 abgesetzt wird. Danach wird das ^! Strangpressen fortgesetzt, während der Gleitbloek 48 und der Stopfen 64 nach links (Figd) in Sichtung des Pfeiles 74- bewegt' werden, wobei das Bohr 52 in dem an aas freie Ende 46 des Strangpressrohres 26 angrenzenden Bezirk vollständig gefallt wird, das aus dem mantel 52 bei dessen fortschreitender Fällung allmählich herausgezogen wird, während des Hineinpressens des Kunst-Stoffmaterials in den Äantel 52 wird über den Absaugkanal ein Unterdruck ausgeübt, der Gase aus dem Inneren des Rohres 52 entfernt und die Bildung von Blasen an der Zwischenfläche zwischen dem Bohr 52 und dem Kunststoffkern verhindert»

Die Fig.3 zeigt eine Zwischenstufe der Füllung des Bohres 52 mit dem kunststoff, wobei eine Menge des Kunststoffmaterials 78 das Kunststoffrohr zwischen dem Stopfen 64 und dem linken Ende 46 des Bohres 26 füllt. Das Füllen des Bohres 52 wird in dieser itfeise fortgesetzt, bis die Einrichtung den in der Fig.2 dargestellten Betriebszustand erreicht, in dem das Kunststoffmaterial 78 das Bohr 52 vollständig ausfüllt.

nachdem der optische Faden mit der Einrichtung nach den Figuren 1-3 hergestellt worden ist, wird der einen großen Durchmesser aufweisende Faden mittels herkömmlicher Einrichtungen und Verfahren langgereckt oder langgezogen und weist dann einen wesentlich kleineren Durchmesser auf, wie in der Fig»4 bei 80 dargestellt, wobei die Dicke des Kernmaterials 78 und des Mantels 52 während des I»ang.ziehens entsprechend verringert worden sind. Bei der Herstellung de.r optischen Fäden nach dem in den

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figuren 1-4· dargestellten Verfahren wird zwischen dem in der Mitte gelegenen lichtleitenden Teil 78 und dem Mantel 52 eine ausgezeichnete Zwischenfläche erzeugt,und im wesentlichen werden alle Stellen beseitigt, an denen Licht aus der Faser austreten kann. , . ·

tfie bereits bemerkt, ist die Behandlung der Kunststoffmaterialien 52 und 78 vor der Herstellung des Fadens sehr wichtig, wenn Fäden mit ausgezeichneter Lichtleitfähigkeit erzeugt werden sollen» Außerdem hat sich gezeigt, dass die liiahl der zu verwendenden besonderen Kunststoffe außerordentlich wichtig ist, und i nachstehend wird beschrieben, in welcher Weise das Kunststoffmaterial ausgewählt und zubereitet werden soll, damit außerordentlich feine Kunststoffäden erzeugt werden können.

Der lichtleitende Kern 78 wird aus Polystyren hergestellt und vorzugsweise aus dem besonderen !material, das von der Dow Chemical Company unter der Bezeichnung Styron 683 vertrieben wird, und das eine Zugfestigkeit von 7.5OO, einen Elastizitätsmodul von 5OO.OOO, eine Härte von 72 Hockwell k, ein sprezifisches Gewicht von 1,04·, eine Ablenktemperatur νοώ 99⁰Q, eine Schmelzviskosität von 2.700 Poise.und eine Brechzahl von 1,60 aufweist. Als Material für den Mantel 58 wird vorzugsweise ein Polymethane thakrylat gewählt, das von der Firma Hohm & Haas unter der Bezeichnung v-100 vertrieben wird, und das eine Zugfestigkeit von 7.OOO-II.OOO, eine Hockwellhärte von M 85 - M 105, ein spezifisches Gewicht von 1,17 - Ί _t-20\ eine Ablenktemperatur von 71 - 90⁰C und eine Brechzahl von 1,49 aufweist.

Um bei diesen beiden Kunststoffen die größte Lichtieit,-fähigkeit zu erreichen, werden diese vor der Herstellung .der optischen Fäden in der folgenden Weise behandelt. Beide Kunst-

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Kunststoffe werden in einer Vakuumkammer ungefähr vier Stunden lang bei einem Vakuum von weniger als 1 mm QS aufbewahrt und vorzugsweise 24 Stunden lang bei einem Vakuum von ungefähr 1 Mkron QS und bei der Umgebungstemperatur, wonach die Kunststoffe vier Stunden lang bei einer Temperatur von 65,5°0 in der Vakuumkammer aufbewahrt werden.

Danach wird das Rohr 52 in den Metallmantel 56 eingesetzt, und in den Fülltrichter 30 der Strangspresseinrichtung wird das Polystyren eingefüllt, wobei der Fülltrichter so rasch wie möglich verschlossen und mit Stickstoff ausgespült wird, um eine Zersetzung des Polystyrene infolge einer Oxydierung zu verhindern. Danach wird das in den Figuren 1-3 dargestellte Strangpressverfahren durchgeführt und das Bohr 52 mit dem Styren 78 gefüllt, das sich beim Abkühlen verfestigt. Danach werden die gefüllten Kunststoffröhreheη in die Vakuumkammer wieder eingetragen und und stehen zum Langziehen bereit.

An dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung können von Sachkundigen im Bahmeη des Irfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt*

Patentansprüche

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Claims

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a t e η t a ⁿ s P ^ & c h e

1) Lichtleiter, gekennzeichnet durch einen langgestreckten' Körper aus einem ersten organischen Kunststoffmaterial mit einer bestimmten Brechzahl, und durch einen den Körper umgebenden und an diesem haftenden Belag aus einem zweiten organischen Kunststoff material, das eine niedrigere Brechzahl aufweist als das erstgenannte Material,

2) Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der langgestreckte Körper aus PoIystyren hergestellt ist.

3) Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Körper umgebende und an diesem haftende Belag aus Methy1-methakrylat besteht.

4) Lichtleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der langgestreckte Körper eine Brechzahl von ungefähr 1,6 und der den Körper umgebende Belag eine Brechzahl von ungefähr 1,4-9 aufweist. ' .

5) Verfahren zum Herstellen von optischen lasern, dadurch gekennzeichnet, dass ein langgestreckter» rohrförmiger, aus einem ziehfähigen ersten Material hergestellter Mantel abgestützt ■ wird, dass der Mantel mit einer Menge eines liehtieitenden Materials gefüllt wird, das eine höhere Brechzahl aufweist als das

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erstgenannte Material und gleichfalls ziehfahig ist, wobei ein langgestreckter ummantelter Körper aus dem lichtleitenden Material erzeugt wird, und dass danach der ummantelte Körper langgezogen wird. .

6) Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel gefallt wird durch Einlassen des lichtleitenden materials in flüssiger Form in den kante1 an dessem einen Ende und an Stellen, die vom anderen Ende des Mantels aus zum genannten einen Ende fortschreiten

7) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

der Mantel aus einem ersten thermoplastischen Material hergestellt wird, dass das lichtleitende Material aus einem zweiten.thermoplastischen Material besteht, und dass der Mantel in der vVeise gefüllt wird, dass in das eine Ende des Mantels eine Menge des lichtleitendeη thermoplastischen Materials eingeführt wird, und dass in den Mantel vom anderen Ende aus weitere Mengen des lichtleitenden Materials vom einen Ende des Mantels zum anderen Ende fortschreitend eingelassen werden.

8) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein erstes und ein zweites Ende aufweisendes Strangpressrohr zum Strangpressen des lichtleitenden Materials vorgesehen wird, dass auf das genannte Rohr der langgestreckte rohrförmige Mantel aufgesetzt wird, dass der Mantel mit dem lichtleitenden Material durch das Rohr und aus dem genannten zweiten Ende des Rohres und des Mantels in bezug auf einander in einer Richtung gefüllt wird, wobei der Mantel sich vom genannten ersten Ende des Rohres aus zum zweiten Ende des Rohres hin bewegt.

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9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Strangpressens und der Bewegung aus dem Inneren des Mantels an dem an das erste Ende des Rohres angrenzenden Ende Gas abgesaugt wird.

10) Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, dass der langgestreckte rohrförmige Mantel eine unterhalt» von ungefähr 1,6 liegende Brechzahl aufweist, dass das lichtleitende inaterial aus Polystyren mit einer Brechzahl von ungefähr 1,6 und einem unter dem Erweichungspunkt des langgestreckten rohrförmigen Mantels liegenden Erweichungspunkt besteht, dass das Polystyren stranggepresst wird, während der rohrförmige Mantel sich in derselben Sichtung bewegt, in der das Polystyren strömt.

11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Menge Polystyren in einer Vakuumkammer bei einem absoluten Druck von weniger als 1 mm QS mindestens vier Stunden lang gelagert wird, dass das Polystyren bei Abwesenheit von, freiem Sauerstoff auf die Strangpresstemperatur erhitzt wird, und dass danach das erhitzte Polystyren durch das Strangpressrohr ausgepresst wird. . ■ .

12) Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der langgestreckte rohrförmige Mantel aus Poly-methyl-Methakrylat hergestellt ist und eine Brechzahl von ungefähr 1,5 aufweist. -

13)

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13) Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Material aus einer Menge Polystyren besteht, das in einer Vakuumkammer bei einem absoluten Druck von weniger als 1 mm QS mindestens vier Stunden lang gelagert worden ist, und dass während des Einf iillens ein Kontakt des Polystyrene mit freiem Sauerstoff verhindert wird.

Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Bohr mit einem ersten und einem zweiten Ende, durch eine mit dem ersten Ende des Rohres in Verbindung stehende Strangpresseinrichtung, die in das erste Ende des Bohres einen Kunststoff hineinpresst, durch ein Gleitglied, das am genannten Bohr nahe am ersten Ende angebracht ist und einen Abstutzungsteil aufweist, der dem zweiten Ende des Bohres zugewandt ist und das eine Ende eines auf das Bohr aufgeschobenen Mantels abstützt, und durch einen Stopfen, der am zweiten Ende des Bohres angebracht ist und das Ende eines auf das

Bohr aufgeschobenen Mantels verschließt, wobei das Gleitglied und der Stopfen längs des Bohres bewegbar sind.

15) Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen im Gleitglied vorgesehenen Absaugkanal zum Absaugen von Gas aus einem, ringförmigen Bezirk außerhalb des genannten Bohres und innerhalb eines auf das Bohr aufgeschobenen Mantels.

16) Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet " durch Bohrleitungen, die mit der Strangpresseinrichtung in Verbin dung stehen und durch diese ein inertes Gas hindurehielten.

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17) Einrichtung nach Anspruch 14, 15 oder'16, gekennzeichnet durch eine steife Metallhülse, die das genannte Bohr teleskopartig umgibt, sich zwischen dem Gleitglied und dem stopfen erstreckt •und einen auf das Rohr aufgeschobenen J&antel am Umfang abstützt.

18) Einrichtung naoh Anspruch 17, gekennzeichnet durch Heizmittel, die an der genannten Metallhülse diese umgebene angebracht sind und das in der Metallhülse befindlich· Material erhitzen*

19) Einrichtung naoh einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch Antriebsmittel, die mit dem Stopfen verbunden sind und diesen längs de· genannten Böhres mit geregelter Geschwindigkeit bewegen.

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L e e r s e i t e