DE1901053C2 - Lichtleitfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtleitfaser, bei der die Totalreflexion nicht an einer definierten Grenzschicht niedriger Brechung, sondern in einer Zone endlicher Dicke am Rande der Faser stattfindet. Im allgemeinen bestehen Lichtleitfasern aus einem transparenten Kernmaterial mit höherem Brechungsindex, z. B. Glas, und einem Mantel mit niedrigem Brechungsindex. Dieser Mantel mit niedrigerem Brechungsindex besteht häufig ebenfalls aus Glas, kann aber z. B. aus Kunststoff bestehen. An der Grenzschicht zwischen Kern- und Mantelglas erfolgt eine Totalreflexion des in der Faser geführten Lichtstrahls.

Nachteile dieser Lichtleitfasern mit definiertem Mantel, welcher einen niedrigeren Brechungsindex als das Kernglas besitzt, sind technologische Schwierigkeiten im Herstellungsprozeß und darauf basierende, bei der Anwendung auftretende Streuverluste der eingestrahlten Lichtenergie. Solche Streuverluste treten an der Grenzfläche zwischen Kern- und Mantelmaterial auf und sind auf Fehlstellen, Staubteilchen und ähnliche Ursachen zurückzuführen, welche sich bei der Verbindung von Kern- und Mantelmaterial nicht vollständig vermeiden lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Streuverluste zu vermeiden.

Es wurde nun gefunden, daß mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens eine Lichtleitfaser, welche nur aus einem Kernmaterial besteht, so verändert werden kann, daß ihre durch den Diffusionsprozeß in der Zusammensetzung veränderte Außenschicht wie ein Mantel wirkt. Insbesondere ist es z. B. möglich, durch ein lonenaustauschverfahren eine Glasfaser, die nur aus einem Kernglas besteht, so zu verändern, daß die durch den Ionenaustausch veränderte Außenschicht wie ein Mantelglas wirkt. Eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser erhält man auf diese Weise, wenn man beispielsweise ein Kernglas mit hohem Brechungsindex benutzt, dessen Alkaligehalt vorwiegend aus Lithiumionen besteht. Dieses in Form einer dünnen Glasfaser vorliegende Glas wird einem Ionenaustausch unterworfen, beispielsweise durch Eintauchen der Glasfaser in eitie SaIz- »chmelze. Die Salzschmelze besteht dabei aus dem Salz eines Alkalimetalls, welches, wenn es gegen das Lithiumion, welches ursprünglich in der Glasfaser vorhanden ist, ausgetauscht wird, in den Austauschbereichen eine Erniedrigung des Brechungsindexes bewirkt. Geeignet dafür sind beispielsweise Natrium-Salzschmelzen. Bei geeigneten Temperaturen und geeigneter Dauer des lonenaustausches entsteht auf diese Weise in der Glasfaser unter der Oberfläche eine Zone

mit niedrigerem Brechungsindex.

In einem Alkali-Erdalkalisilicat-Glas, welches beispielsweise 4,8 Molprozent L12O enthält, ändert sich der Brechungsindex bei vollkommenem Ersatz dieses LbO-Gehaltes durch Na2O um 5 Einheiten in der dritten Stelle hinter dem Komma. Es ist dabei unwesentlich, ob der Austausch des ALkaüoxids durch Gernengeänderung oder geeigneten Ionenaustausch erfolgt

In den erfindungsgemäß behandelten Lichtleitfasern ίο tritt eine erhebliche Verminderung der Verluste an eingestrahlter Lichtenergie pro Längeneinheit der Faser ein. Das beruht wahrscheinlich darauf, daß die Totalreflexion des im Kern geführten Lichtstrahls nicht wie in den handelsüblichen Lichtleitfasern an einer definierten Grenzschicht, bei der die als Streuverlust zu bezeichnende Lichtenergie dem optischen System verlorengeht, erfolgt, sondern daß es in einem Grenzbereich endlicher Dicke zu einem kontinuierlichen Abbeugen des in der Faser geführten Lichtstrahls kommt.

Das Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern, deren Außenzone durch Ionenaustausch oder ein anders äquivalentes Diffusionsverfahren in ihrem Brechungsindex erniedrigt wird, kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, wie im folgenden für den Fall einer Glasfaser beschrieben werden soll:

Aus einem festen Glaskörper, der partiell auf Temperaturen erhitzt wird, die eine Viskosität des Glases bewirken, die zum Ziehen geeignet ist, wird eine Glasfaser gezogen. Die Zusammensetzung des Glaskörpers ist so zu wählen, daß später ein Ionenaustausch durchgeführt werden kann, welcher eine Erniedrigung des Brechungsindex bewirkt. Die gezogene Glasfaser kann nachträglich oder während des Ziehprozesses einem Ionenaustausch unterworfen werden. Beispielsweise wird die Glasfaser mit einer definierten Geschwindigkeit entweder vertikal oder horizontal mit oder ihne Umlenkung gezogen und anschließend in ein geeignet zusammengesetztes Salzbad so lange eingetaucht, daß ein Ionenaustausch bei geeigneter Temperatur erfolgt, der eine ausreichend dicke Schicht mit niedrigerem Brechungsindex erzeugt.

An Stelle des festen Glaskörpers, wie im vorstehenden Beispiel, kann auch ein Schmelzbehälter mit Glas verwendet werden, wobei die Glasfaser aus dem flüssigen Zustand und nicht, wie vorher beschrieben, nach dem Wiederziehverfahren gewonnen wird.

Es wurde weiter gefunden, daß man den Ionenaustausch nicht unbedingt im Anschluß an den Ziehprozeß durchführen muß. Man kann ebensogut einen Stab formen, ihn einem Ionenaustausch unterwerfen und ihn später ausziehen. Dieser Stab muß eine Zusammensetzung besitzen, die für einen Ionenaustauschprozeß, welcher eine Zone mit niedrigerem Brechungsindex unter der Oberfläche ergibt, geeignet ist. Zu diesem Stab wird vor dem Ziehprozeß durch Ionenaustausch die Zusammensetzung der Außenzone verändert. Nach dem Ausziehen verhält sich die Dicke der ausgetauschten Außenzone zum Gesamtquerschnitt der Faser genauso wie vorher die Dicke der Austauschzone zur Gesamtdicke des Stabes.

Da die Totalreflexion nicht an einer definierten Grenzschicht erfolgt, ist ein leichtes Verschmieren der Konzentrationsschwelle der Ionen, die am lonenaustausch beteiligt sind, der Faserqualität nicht abträglich, sondern wünschenswert. Dieses Verschmieren der Konzentrationsschwelle während des Ziehprozesses bewirkt einen Fata-Morgana-Effekt, bei dem ein

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Lichtstrahl,, der in der Faser unter einem Winkel geführt wird, welcher eine Reflexion an der Oberfläche zur Folge haben müßte, auf Grund der verschmierten Konzentrationsschwelle und damit auf Grund des in der Stufe langsam absinkenden Brechungsindex in die Faser zurückgebeugt wird. Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Glasfaser, die einem solchen Ionenaustausch unterworfen wurde; dabei ist der Bereich, in dem der Brechungsindex durch Ionenaustausch erniedrigt wurde, schraffiert gekennzeichnet. In F i g. 2 ist der Verlauf des Brechungsindex innerhalb der in F i g. 1 gezeigten Glasfaser dargestellt Die verschmierte Konzentrationsschwelle ist durch den Buchstaben A dargestellt. In F i g. 1 ist das Abbeugen des Lichtstrahles, der mit dem Buchstaben C gekennzeichnet ist, innerhalb der verschmierten Konzentrationsschwelle zusätzlich dargestellt. Durch geeignete Führung des lonenaustauschprozesses kann die Steilheit der Konzentrationsschwelle zwischen ausgetauschter und nicht ausgetauschter Zone gesteuert werden.

Ebenso wie mit Hilfe der hier beschriebenen lonenaustauschverfahren ist auch mittels anderer äquivalenter Diffusions- und Auslaugprozesse, wie sie beispielsweise als Silberdiffusion oder als Auswandern bzw. Einwandern einzelner oder mehrerer Komponenten bekannt sind, eine Änderung des Brechungsindex möglich. Am prinzipiellen Gedanken der Erfindung ändert sich dadurch nichts.

Beispiel 1

Ein 30 mm dicker Glasstab, dessen -Alkaloidgehalt aus 10 Molprozent L12O besteht, wird in eine Natriumnitrat-Salzschmelze, deren Temperatur 20⁰C über der Transformationstemperatur des Glasstabes liegt,

120 Min. eingetaucht. Durch diesen Ionenaustausch wird von der Oberfläche her eine Zone von 2 mm Dicke in ihrer Zusammensetzung so verändert, daß sich der Brechungsindex vom Grundglas unterscheidet. Der Glasstab wird anschließend der Salzschmelze entnommen und mit einer Geschwindigkeit von 35°C/Std. auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wird dieser Glasstab partiell über die E-weichungstemperatur hinaus bis zu Temperaturen, bei denen eine Viskosität um 3000 Poise erreicht wird, erhitzt und zu einer Glasfaser von 60 μιτι Dicke ausgezogen. Diese Glasfaser besitzt eine 4 μΐη dicke Außenzone mit vom Glasinneren abweichenden Brechungsindex und ist als Lichtleitfaser mit verringerten Reflexionsverlusten geeignet.

Beispiel 2

Ein Glasstab, dessen Alkaligehalt 6,5 Molprozent L12O und 2,2 Molprozent Na2O beträgt, wird partiell auf eine Temperatur erhitzt, die einer Viskosität von 3300 Poise entspricht. Bei dieser Temperatur wird aus dem Stab eine Faser kontinuierlich gezogen und mit der gleichen Geschwindigkeit durch ein Salzschmelzbad mit Kaliumionen geleitet. Das Salzschmelzbad hat eine Temperatur von 735° C und ist so zur Ziehanlage angeo^rdnet, daß der Glasfaden nicht unter 490°C in seiner Temperatur absinkt. Die Ziehgeschwindigkeit der Glasfaser ist so eingestellt, daß bei einer Faserdicke von 55 μΐη jeder Teil der Faser 150 Sekunden in der Salzschmelze verbleibt. Nach dem Verlassen der Salzschmelze wird die Faser kontinuierlich abgekühlt und gleichzeitig geschmälzt und geputzt. Dieses Verfahren ergibt eine Lichtleitfaser mit verringerten Reflexionsverlusten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Lichtleitfaser aus thalliumfreiem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine vor oder nach dem Faserziehprozeß durch ein Diffusionsverfahren, bei dem LJthiumionen aus dem Ausgangsgias gegen Natrium- und/oder Kaliumionen ausgetauscht worden sind, erzeugte Obsrflächenzone ohne scharf definierte Grenzfläche besitzt, deren Brechungsindex niedriger ist als der des Ausgangsglases, während der restliche Querschnitt der Faser einen einheitlichen ursprünglichen Brechwert aufweist.