DE1949029C3 - Lichtleiter-Glaskörper - Google Patents
Lichtleiter-GlaskörperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungswirkung, der senkrecht zu einer
Mittelachse Kreisquerschnitt aufweist und mindestens zwei Arten von Kationen enthält, deren Konzentration
innerhalb des Glaskörpers unterschiedliche Werte hat, damit der Brechungsindex η in jeder Querschnittsfläche
von der Mittelachse aus radial gegen die Außenfläche des Glaskörpers hin abnimmt nach der Beziehung
n=/7o(l -ar2).
Eine Glasfaser mit Fokussierungswirkung für die Lichtübertragung und einer Verteilung des Brechungsindex
mit fortschreitender Abnahme vom Zentrum gegen die Außenfläche ist in dem älteren Bundespatent
19 13 358 vorgeschlagen. Bei einem solchen Glaskörper
sind im wesentlichen keine Unterschiede innerhalb der verschiedenen Lichtwege, es treten also keine Verschiebungen
oder Verzerrungen der Phasengeschwindigkeit zwischen den einzelnen Lichtstrahlen eines Lichtbündels
auf. Deshalb ist ein solcher Glasaufbau für die Übertragung von Bildausschnitten geeignet.
Unter der Annahme einer Gaußschen Querschnittsverteilung
der Intensität eines Lichtbündels kann man eine Fleckgröße definieren, vergleiche »The Bell System
Technical Journal« Bd. 44, 1965, Seiten 455—494. Diese Fleckgröße soll optimal etwa Vj bis V20 der Eintrittsfläche
einer optischen Übertragungsanordnung ausmachen. Dieses gilt auch beim Eintritt eines Lichtbündels in
einen Glaskörper der genannten Art. Da jedoch die meisten Lichtleiter-Glaskörper einen Halbmesser unter
1 mm, insbesondere zwischen 0,05 und 0,3 mm haben, treten in den meisten Fällen für eine genaue Einleitung
_'o eines Lichtbündels mit optimaler Fleckgröße Schwierigkeiten
auf.
Bei optimaler Fleckgröße wird im Glaskörper im wesentlichen nur die Grundwellenform erregt, die
bekanntlich die geringste Dämpfung hat. Durch entsprechende Bemessung der Fleckgröße erreicht man
also eine Modusanpassung.
Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung eines Glaskörpers der genannten Art, daß auch bei
vergleichsweise großen Werten der Fleckgröße eine Modusanpassung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Größe — 2ano mindestens in der Nähe
einer Stirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.
Γ, Die Erfindung stellt damit für den Lichtleiter-Glaskörper
einen trichterartigen Einlaufbereich zur Verfügung, so daß auch bei größeren Werten der Fleckgröße
eine Modusanpassung gewährleistet ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Sicherstellung einer Modusanpassung für die Einleitung eines Lichtbündels
in einen Glaskörper der genannten Art.
Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers der genannten Art vor,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Glaskörper mit einem Mittelbereich und mit mindestens einer
Kationenart als Abwandlungsoxyde der Einwirkung einer Ionenquelle mit einem Anteil mindestens einer
anderen Kationenart als Abwandlungsoxyde ausgesetzt wird, deren Wert (Elektronenpolarisierbarkeit) (Ionenradius)3
kleiner als der entsprechende Wert der zuerst genannten Kationen ist, damit eine Substitution der
Kationen innerhalb des Glaskörpers durch die Kationen des Salzes in einem größeren Ausmaß in der Nähe
mindestens einer axialen Stirnquerfläche als in den übrigen Teilen des Glaskörpers erfolgt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß im Anschluß an die Austauschbehandlung
des Glaskörpers in dem Salz eine Längsreckung unter Erwärmen erfolgt, wobei das Reckverhältnis in der
Nähe mindestens einer Querstirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.
Durch die Erfindung wird die Ausrichtung eines Eintrittslichtbündels für einen Glaskörper der genannten
Art wesentlich erleichtert. Die nutzbare Lichtintensität wird vergrößert.
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert, welche darstellen:
Fig. 1 eine sehemalische Ansicht eines Ausführungsbeispieles eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der
Erfindung,
F i g. 2 bis 4 Verteilungskui ven des Brechungsindex in
der Stirnfläche A und den Schnittflächen 111-111 sowie
IV-IVder Fig. 1.
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung,
Fig.6bis8 Verteilungskurven des Brechungsindex in
der Stirnfläche D sowie den Schnittflächen VII-VII und VlIl-VIlI der Fig. 5,
F i g. 9 in schematischem Vertikalschnitt eine Herstellungseinrichtung
für einen Glaskörper nach der Erfindung,
Fig. 10 eine Verteilungskurve der gemessenen Radien in jeder Querschnittsfläche bezogen auf die
Mittellinie des Glaskörpers,
Fig. 11 eine Kennlinie für die Auszugsgeschwindigkeit
des Glaskörpers aus dem Salzbad,
Fig. 12 eine Verteilungskurve des Brechungsindex,
Fig. 13 einen schematischen Vertikalschnitt einer Reckeinrichtung für einen Glaskörper nach der
Erfindung,
Fig. 14 eine Verteilungskurve der gemessenen Radien in einem jeden Vertikalschnitt bezogen auf die
Mittellinie des Glaskörpers und
Fig. 15 eine Verteilungskurve des Brechungsindex im
Mittelbereich eines weiteren Glaskörpers nach eier
Erfindung, und zwar in Abhängigkeit von der zuneh· menden Tauchzeit in einem Salzbad.
Innerhalb eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung hat der Brechungsindex η in einer Quer·
schnittsfläche bezüglich der Mittellinie mit einem Abstand ζ von einer Stirnfläche des Glaskörpers eine·
Verteilung nach der folgenden Beziehung:
mit r als radialen Abstand von der Mittellinie des Glaskörpers und no als Brechungsindex des Glaskörpers
auf der Mittellinie.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, daß der Brechungsindex von der Mittellinie in Richtung zur Außenfläche
des Glaskörpers fortgesetzt abnimmt. Das wichtigste Merkmal bei einem Glaskörper nach der Erfindung liegt
darin, daß sich der Wert a (ζ) in Abhängigkeit vom Abstand ζ in der Nähe mindestens einer Stirnfläche des
Glaskörpers ändert. Der Wert afc) ist in der Nähe einer
Stirnfläche kleiner als im Mittelteil des Glaskörpers. Das Abnahmeverhältnis des Brechungsindex in einer
Querschnittsfläche im Bereich der betreffenden Stirnfläche ist kleiner als im Mittelteil zwischen den
Stirnflächen des Glaskörpers.
Im Endbereich des Glaskörpers soll ausgehend von einem Wert z=0 der Wert a (ζ) mit zunehmendem
Abstand ζ fortgesetzt zunehmen, zumindest in einem Stirnbereich des Glaskörpers. Der Wert a (ζ) ist so
festgelegt, daß man im Mittelteil einen vorgegebenen Werterreicht.
Für das Zunahmeverhältnis des Wertes a (z) mit zunehmendem Abstand ζ in einem Stirnbereich des
Glaskörpers ist folgender Verlauf zweckmäßig:
ii(z)=k(]+t\zP
mit k und λ als positiven Konstanten, wobei λ
gegenüber k genügend klein ist.
Der zentrale Wert des Brechungsindex nü braucht
nicht auf allen Abschnitten der Mittellinie konstant sein.
sondern kann sich auch in Abhängigkeit von dem Abstand zändern.
Der Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungseffekt läßt rich leicht mit einer Querschnittserweiterung unter
geringem Anstieg in der Nähe mindestens einer Stirnfläche herstellen. In diesem Fall hat die Stirnfläche
einen größeren Halbmesser als der Mittelteil zwischen den beiden Enden des Glaskörpers; der Radius wird von
der Stirnfläche zum Mittelteil hin allmählich kleiner. Für
ίο die Form der Querschnittserweiterung im Bereich der
Stirnfläche für z=0 hat sich ein Verlauf nach folgender Gleichung als zweckmäßig erwiesen:
d=do(\+<xz)-'
mit i/als Radius einer Querschnittsebene im Abstand ζ
von der genannten Stirnfläche und do als Radius in der Stirnfläche für z=0.
Die Formgebung des Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung ist jedoch nicht auf den genannten Fall
eingeschränkt. Vielmehr ist bspw. auch ein Glasstab mit im wesentlichen konstantem Durchmesser möglich.
F i g. 1 zeigt die Formgebung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Änderung des Durchmessers,
der von einem Maximalwert in der Stirnfläche A fortgesetzt zur gegenüberliegenden Stirnfläche hin
kleiner wird. Die Abnahme des Brechungsindex von der Mittellinie gegen den Umfang des Glaskörpers ist für
die Stirnfläche A in F i g. 2 angegeben.
Die Abnahme ist hier weniger steil als in den anderen
jo Querschnittsflächen. Die Verteilung des Brechungsindex
in einer Querschnittsfläche III-III der Fig. 1 ist in
Fig. 3, diejenige in einer Querschnittsfläche nach der Linie IV-IV in F i g. 4 angegeben.
Anstelle eines Glaskörpers mit Querschnittserweite-
Anstelle eines Glaskörpers mit Querschnittserweite-
j-, rungen nach Fig. I kann auch ein stabförmiger
Glaskörper mit konstantem Durchmesser gemäß F i g. 5 benutzt werden. In diesem Fall soll zweckmäßigerweise
die Verteilung des Brechungsindex eine fortschreitende Änderung nach den F i g. 6 bis 8 aufweisen. F i g. 6 gibt
die Verteilung des Brechungsindex in der Stirnfläche B der F i g. 5, Fi g. 7 in der Querschnittsfläche VII-VlI und
F i g. 8 in der Querschnittsfläche VIII-VIII an.
Die Herstellung des Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung erfolgt in folgender Weise.
Ein Glaskörper in Faser- oder Stabform wird nach oben aus der freien Oberfläche einer Glasschmelze
herausgezogen und dann zum Zwecke einer Erstarrung gekühlt. Dabei läßt sich der Durchmesser des Glaskörpers
leicht durch Änderung der Auszugsgeschwindigkeit, der Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Schmelzentemperatur
ändern. Eine Zunahme des Durchmessers läßt sich durch Verringerung der Auszugsgeschwindigkeit,
durch Vergrößerung der Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. durch Absenkung der Schmelzentemperatur
erreichen. Durch Einstellung der genannten Größen kann man also einen Glaskörper einer gewünschten
Formgebung erhalten. Ein Glaskörper der gewünschten Formgebung läßt sich auch dadurch erhalten, daß ein
zunächst mit im wesentlichen konstantem Durchmesser
bo hergestellter Glasstab darauf mit einem Endteil in einen
Heizofen eingebracht wird und daß zur Reckung am anderen Endteil eine konstante Zugkraft einwirkt.
Wenn der gereckte Stab eine gewünschte Form erreicht hat, wird er aus dem Heizofen herausgenommen.
h5 Wenn man einen Glaskörper vergleichsweise geringer
Länge benötigt, kann ein Glasstab geschliffen werden, bis man die gewünschte Form erhält.
Es werden nunmehr im einzelnen die Verfahrenswei-
sen zur Einstellung der angegebenen Verteilung des
Brechungsindex erläutert. Normalerweise hängt der Brechungsindex eines Körpers mit den molekularen
Brechungskoeffizienten und dem Molekulai volumen zusammen; der Brechungsindex nimmt mit zunehmenden
molekularen Brechungskoeffizienten und mit abnehmendem Molekularvolumen zu. Der molekulare
Brechungskoeffizient ist der Polarisierbarkcit proportional. Der molekulare Brechungskocffizicni eines
Glases läßt sich näherungsweise als Summe der Brechungsanteile der einzelnen Ionen ausdrucken.
Demgemäß kann der quantitative Einfluß bestimmter Ionen auf den Brechungsindex eines Glases aus einem
Vergleich der Werte der Elektronenpolarisierbarkeit pro Einheitsvolumen bzw. der Größe Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius3
abgeschätzt werden. Normalerweise wirken Kationen mit größerem Verhältnis der Elektronenpolarisierbarkeit zum lonenradius innerhalb
eines Glases ziemlich ausgeprägt im Sinne einer Vergrößerung des Brechungsindex. Diese Wirkung
nimmt im Falle einwertiger Kationen in der Reihe ab:
TI>Li>K = Na = Rb.
Zweiwertige Kationen lassen sich hinsichtlich der Größe ihres Beitrags zum Brechungsindex in folgender
Reihe anordnen:
Pb>Ba>Cd>Sr>Ca>Zn>Be>Mg.
Ein Glaskörper mit einem Gehalt von Metalloxyden mit vergleichsweise großem Wert des Verhältnisses
Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius3 bspw. mit einem Tl-Anteil (Anteil A) wird in eine Salzschmelze aus
Nitraten und Sulfaten von Metallen wie Li, Na, K oder dgl. getaucht, deren Ionen einen vergleichsweise kleinen
Wert des Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/ lonenradius3 haben (Metall B), damit die Α-Ionen in dem
Glaskörper durch die B-Ionen substituiert werden. Dadurch erreicht man eine Änderung der Verteilung
des Brechungsindex. Die Größe des Ionenaustauschers hängt von der Temperatur der Salzschmelze und der
Tauchdauer ab. Folglich kann man durch Einstellung dieser Größen einen Lichtleiter-Glasaufbau mit gewünschter
Verteilung des Brechungsindex erhalten. Außerdem kann Größe und Geschwindigkeit der
Substitution von A- durch B-Ionen dadurch eingestellt werden, daß man nicht nur eine einzige B-Ionenart
verwendet, sondern ein Mischsalz mit einer geringeren Konzentration von Α-Ionen als in dem Glas.
Der Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung kann auch auf solche Weise hergestellt werden, daß eine
solche Ionenaustauschbehandlung an einem Glasstab mit im wesentlichen konstantem Durchmesser durchgeführt
wird; dann wird der Glasstab in einen Heizofen eingestellt, wo eine Temperaturerhöhung auf eine
Verformungstemperatur durchgeführt wird. Sodann erfolgt eine Reckung des Glaskörpers in eine gewünschte
Form. Damit erhält man einen Glaskörper der gewünschten Gestalt dadurch, daß ein Glasstab
allmählich von einem Stirnende aus in einen Heizofen eingeführt wird, während zur Reckung eine äußere
Zugkraft einwirkt Sobald der gereckte Stab die gewünschte Form erhalten hat, wird er aus dem
Heizofen herausgenommen. Zweckmäßigerweise schleift man beide Enden des erhaltenen Lichtleiter-Glaskörpers.
Wenn der Glaskörper geschnitten werden muß, werden zweckmäßigerweise auch die Schnittflächen
geschliffen.
Wenn ein Lichtbündel in eine Stirnfläche (z=0) des Glaskörpers nach der Erfindung eintritt, wo dii
Abnahme des Brechungsindex von der Mittellinie ii
Richtung der Oberfläche weniger steil als in anderei Teilen des Glaskörpers ist, hat die optimale Flcckgrößi
■-, in dieser Stirnfläche nach der folgenden Gleichunj einen vergleichsweise großen Wert:
I »ο -τ
mil A als Wellenlänge des Einfallslichts und a(0) al
Wert der Größe a (z)\ür z=0.
Somit kann man durch Anwendung eines Lichtleiter Glaskörpers nach der Erfindung für ein Lichtbünde
eine Modusanpassung erzielen, damit einfallendi Lichtbündel genau eingeleitet werden. Die Fleckgrößi
des Einfallslichtbündels verringert sich fortschreite™ entsprechend der optimalen Fleckgröße in einem jedei
Querschnitt; die Fleckgröße erreicht schließlich einei festen Wert, wenn der Wert a (z)\n z-Richtung konstan
bleibt.
Da der Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindun; sowohl eine geringe Dispersion als auch ein hohe:
Auflösungsvermögen hat, kann ein Bild mit hohe Auflösung oder ein Laserimpuls damit übertraget
werden.
Da außerdem in einem Lichtleiter-Glaskörper mi Fokussierungseffekt die axiale Länge aus Herstellungs
gründen begrenzt ist, müssen zwei Lichtleiter-Glaskör per miteinander verbunden werden können. Wenn ir
diesem Fall Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung verwendet werden, wird die Ausrichtung der optischer
Achse und die Modusanpassung leicht, weil die optimale Fleckgröße eines Einfallslichtbündels innerhalb dei
genannten Stirnfläche des Glaskörpers groß ist unc diese Stirnfläche eine vergleichsweise große Fläche hat
Man kann Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung miteinander verbinden; ebenso kann ein Glaskörpei
nach der Erfindung mit einem herkömmlichen Lichtlei tcr-Glaskörpcr mit Fokussierungseffekt, jedoch ohn«
Änderung der Verteilung des Brechungsindex in axialei Richtung verbunden werden. Wenn in den genannter
Fällen zwei Glaskörper mit Fokussierungseffekt unc gleichen Verteilungen des Brechungsindex in der
jeweiligen Stirnflächen miteinander verbunden werden brauchen diese Körper lediglich miteinander verklebt
zu werden. Wenn zwei Glaskörper mit unterschiedlichen Verteilungen des Brechungsindex in den Stirnflächen
miteinander verbunden werden, müssen sie über
5n ein entsprechendes Linsensystem miteinander gekoppelt
werden. In diesem Fall, wo zwei Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungseffekt unterschiedlicher Verteilungen
des Brechungsindex in den Stirnflächen miteinander verbunden werden, kann man dieselben
durch Verbindung einer jeden Stirnfläche mit der anderen über einen weiteren Lichtleiter-Glaskörper
nach der Erfindung verbinden, wo die Verteilung des Brechungsindex in einer Stirnfläche gleich der Verteilung
in einer Stirnfläche des ersten Glaskörpers und die
(,o Verteilung des Brechungsindex in der anderen Stirnfläche
gleich der Verteilung des Brechungsindex in der Stirnfläche des weiteren Glaskörpers ist.
Wenn eine Stirnfläche des Glaskörpers nach der Erfindung, wo die Abnahme des Brechungsindex von
der Mittellinie gegen den Umfang hin weniger steil als in anderen Teilen ist, als Lichtaustrittsfläche vorgesehen
ist kann man leicht ein vergrößertes Bild erhalten, weil die Breite des in die jeweils andere Stirnfläche des
Glaskörpers eingeleiteten l.ichibiindel allmählich gegen
die Lichtauslrittsflächc zunimmt, wobei die fokussierung
des l.iehtbündcls erhalten bleibt, besonders bei einer Bildübertragung. Der Glaskörper nach der
Erfindung kann infolgedessen bevorzugt zur Beobacli- r>
Hing kleiner Hohlleilc benutzt werden. In diesem Fall
kann man selbstverständlich ein verkleinertes UiId erhalten, wenn die genannte l.ichiausirittsfläche des
Glaskörpers als Lichtcintriltsfläche benutzt wird.
Im folgenden wird die F.rfindung unter Bezugnahme
auf Einzelbeispiele erläutert, womit jedoch der lirfindungsgedanke
nicht eingeschränkt werden soll.
Die Erfindung betrifft auch einen Glaskörper, wo der
Brechungsindex ausgehend von einer Mittclebcnc gegen die Deckfläche hin abnimmt, also einen im
wesentlichen plattenförmigen Glaskörper. Derselbe wirkt als Zylinderlinse.
Nach Fig.9 wird ein Glas einer Zusammensetzung
von 5b Gewichts-% SiO2, 14 Gewichts-% Na2O. 20
Gewichts-% TI2O und 10 Gewichts-% PbO in einem Platintiegel 1 aufgeschmolzen. Die Glasschmelze 2 wird
auf einer konstanten Temperatur zwischen 9500C und
11000C gehalten. In einer isolierenden Abdeckung 3 des
Schmelztiegel 1 befindet sich ein kleiner Durchgang 4. Geschmolzenes Glas wird durch diesen kleinen
Durchgang 4 nach oben abgezogen und läuft durch den Spalt zwischen Walzen 5 mit einem Durchmesser von
150 mm. die mit etwa 20 Umdrehungen pro Minute «ι
umlaufen. Dadurch wird das Glas mit einer konstanten Geschwindigkeit zu einer Glasfaser ausgezogen. Nach
Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer wird die Drehzahl der Walzen allmählich herabgesetzt und erreicht einen
Wert von 1—5 Umdrehungen pro Minute, wenn die ji
Länge der abgezogenen Glasfaser nach Herabsetzung der Drehzahl etwa I m beträgt.
Die Meßwerte der Radien der erhaltenen Glasfasern sind in Fig. 10angegeben.
Zur Ausschaltung von Spannungen der Glasfaser infolge schneller Abkühlung, wird die Glasfaser in einem
Heizofen mit einer Temperatur von etwa 460" C während einer Dauer von 5 Stunden gehalten, damit die
Abkühlung langsam erfolgt. Der Brechungsindex der erhaltenen Glasfaser beträgt 1.562. die Verteilung 4-,
desselben ist im wesentlichen gleichförmig.
Dann wird die Glasfaser in eine Salzschmelze eingetaucht, um eine gewünschte Verteilung des
Brechungsindex einzustellen. Die Salzmischung enthält als Hauptbestandteil Kaliumnitrat und einen Anteil von -,0
etwa 0.5 Gewichts-% Thalliumnilral. dessen Zweck eine Ausschaltung von merklichen Unterschieden der Brcchungsindiccs
in der Mittellinie und den Obcrflächcnteilcn der Glasfaser sowie in einer Vcrglcichsmäßigung
der Änderung der Verteilung des Brechungsindex liegt, ■;,
Solange die genannte Glasfaser in die Mischsalzschniclzc
getaucht wird, wird die Temperatur derselben auf einem Wert von etwa 500"C gehalten. Die
TI4-Ionen innerhalb des Glases werden fortschreitend durch K1-Ionen des Salzbadcs substituiert, wobei die en
Substitution von der Oberfläche gegen die Mittellinie der Glasfaser fortschreitet. Nach etwa 5 Stunden
gelangen K4-Ionen in die Nähe der Mittellinie der
Glasfaser mit einem konstanten Radius von etwa O.l mm: entsprechend erreichen TI4- und Na4-Ionen. (,5
die sich im Miltelbcrcich befunden hatten, die Oberfläche der Glasfaser. Nunmehr wird ein Teil der
Glasfaser mit konstantem Radius von etwa O.l mm aus dem Salzbad herausgezogen. Die Glasfaser wird
fortschreitend ausgehend von dem Teil mit kleinem Durchmesser in Richtung des Teils mit großem
Durchmesser mit einer in Fig. Il angegebenen Geschwindigkeit herausgezogen, so daß jeder Abschnitt
der Glasfaser aus dem Salzbad austritt, wenn die K4-Ionen die Mittellinie des betreffenden Abschnitts
erreichen. Dabei erfolgt die Steuerung der Auszugsgeschwindigkeit der Glasfaser zweckmäßig nach einem
Stcucrprogramm. Nach Kühlung. Wasserspülung und Trocknung der ausgezogenen Glasfaser werden beide
Stirnflächen nach einer ebenen Oberfläche geschliffen.
Die Messung der Verteilung des Brechungsindex der Glasfaser innerhalb einer jeden Querschnittsflächc folgt
im wesentlichen der Beziehung:
Ein Beispiel der Verteilung des Brechungsindex innerhalb einer Greiffläche von 0,2 mm Radius um die
Mittelachse der Glasfaser ist in F i g. 12 dargestellt.
Wenn ein Lichtbündel in eine Stirnfläche der Glasfaser eintritt, sind im wesentlichen keine Unterschiede
der verschiedenen Licht wege vorhanden, so daß Versetzungen oder Unterschiede der Phasengcschwindigkcitcn
der Lichtanteile in der anderen Stirnfläche der Glasfaser fehlen. Folglich kann diese Glasfaser zur
Lichtübertragung benutzt werden. Ferner ist zu bemerken, daß die Bildübertragung mit einer einzelnen
Glasfaser nach der Erfindung erzielt werden kann. Wenn die Stirnfläche mit größerem Durchmesser als
Eintriitflächc benutzt wird, können Einfallslichlbündcl
genau ausgerichtet werden, da die optimale Flcckgrößc groß ist. sie beträgt in diesem Fall etwa das 1.6fachc der
Flcckgrößc in der anderen Stirnfläche.
Ein Glas gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wird in dem Tiegel nach F i g. 9 aufgeschmolzen und mit
konstanter Geschwindigkeit herausgezogen, wobei die Temperatur zwischen 900"C und 950"C gehallen wird,
damit man einen Glasstab mit etwa 0.5 mm Radius und etwa 1 m Länge erhält. Der Glasstab wird allmählich
gekühlt.
Weiterhin wird ein Salzbad mit Kaliumnitrat als Hauptbestandteil und einem Zusatz von etwa 0.5
Gcwichts-% Thalliumnitrat 24 h auf einer Temperatur von etwa 500nC gehalten. Der genannte Glasstab wird
in dieses Bad getaucht. Dann wird der Stab gekühl:, mit Wasser gespült und getrocknet. Aufgrund von Messungen
ergibt sich eine Vcriciinng des Brechungsindex
dieses Glaskörpers mit einem Wert n,,= 1.560 auf der
Mittellinie und einem Brechungsindex im Obcrflächenbcrcich
von 1.550. Innerhalb einer jeden Qucrschnittsflächc folgt die Verteilung des Brechungsindex im
wesentlichen der folgenden Beziehung:
n=/*i(l -ar2)
mit a als einer positiven Konstanten.
Sodann wird der Glaskörper zur Reckung in einen Heizofen nach Fig. 13 eingebracht. Danach ist eine
Zuführeinrichtung 12 über dem Heizofen Il mit einer
Höhe von 1.5 m an" .»rdnet. Durch diese Zuführeinrichtung
wird der Glaskörper 13 durch eine Öffnung 14 am Obcrcndc des Heizofens mit konstanter Geschwindigkeit
eingeführt. In vorliegendem Fall ist die Gcschwin-
digkcit auf einen Wen /wischen 2b und 50 mm pro
Minute eingestellt.
Der Glaskörper II. der durch den Heizofen Il
gelaufen ist. wird durch Heizelemente 15 aufgeheizt. Durch Ziehen mit einem Gewicht 17 von 0.5 bis J g. das
mit einem Kupferdrahl 16 am IJntcrende des Glaskörpers
13 befestigt ist. wird derselbe gereckt. Da ein Teil mit vergleichsweise großem Durchmesser des Glaskörpers
im inneren Oberteil des I leizofens 11 aufgeheizt ist.
macht man /weekmäßigerweise die Temperatur in diesem Oberteil des Heizofens Il höher, als im
Unterteil. Im Rahmen des vorliegenden Beispiels werden Ober- und Unterteile des Heizofens auf
Temperaturen von etwa 700 C und 450"C gehalten. Die
Temperatur ändert sich vom Oberteil gegen den Unterteil des Heizofens hin allmählich. Isolierende
Zwischenwände 18 dienen zur Aufrechierhaltung der
angegebenen Temperaturverteilung.
Der durch eine Öffnung 19 am IJntcrende des Heizofens unter Zugwirkung stehende Glaskörper Ii
hat einen im wesentlichen konstanten Radius von 0,1 mm. Nach dem Recken wird der Glaskörper 13 in
einem Zustand aus dem Heizofen herausgezogen, wo ein Teil des Glaskörpers noch nicht in den Heizofen 11
eingetreten ist, sondern noch oberhalb desselben verbleibt: der Glaskörper wird in einen Warmhalteofen
eingebracht, damit während einer Dauer von etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa 460"C eine
allmähliche Abkühlung erfolgt. Dadurch werden Spannungen in dem Glaskörper beseitigt.
Der Verlauf des Radius des Glaskörpers ist in I- i g. 14
angegeben. Außerdem wurde gefunden, daß der Brechungsindex des Glaskörpers in jeder Quersehniltscbene
mit Ausnahme des Obcrflächcnteils im wesentlichen die folgende Beziehung erfüllt:
Der Brechungsindex im Mittelbereich des Glaskörpers mit 0,1 mm Radius betrügt 1.5W). Der Brechungsindex
im Oberflächenteil betrügt 1.551. Diese Werte sind im wesentlichen die gleichen wie für einen Glaskörper
mit 0.5 mm Radius. Der Wert ;i (/) steigt allmählich von
der Stirnfläche größerer Ausdehnung gegen den Mittelteil hin an. Die beiden Stirnflächen des erhaltenen
Glaskörpers werden für eine Verwendung geschliffen
Der auf diese Weise erhaltene Glaskörper hat die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile wie im Falle
des Beispiels I. Die Hinleitung eines l.ichibündcls in die
größere Stirnfläche wird erleichtert. Wenn außerdem die genannte Stirnfläche als l.ichlauslritlsfläche benutzt
wird, iälil sich leicht ein vergrößertes iiiid erhalten, da
die Breite des durch die andere Stirnfläche eintretenden l.ichibündcls innerhalb Jcs Glaskörpers allmählich
zunimmt. Folglich kann der Glaskörper nach der Hrfindung als Endoskop, als Bohrlochunicrsuchungsgerät
oder für ähnliche Zwecke benutzt werden.
10
Hin Glas gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel I wird in dem Gerät nach Fig. 9 aufgeschmolzen. Die
". Glasschmelze wird mit konstanter Geschwindigkeit bei einer konstanten Temperatur zwischen 900 C und
9>0"C abgezogen, so daß man einen Glasstab mit etwa
0.5 mm Radius und etwa 2 in Lunge erhält. Dieser Glasstab wird allmählich abgekühlt.
m Hinc Salzschmelze mit Kaliumnitrat als Hauptbestandteil
und etwa 0,2 Gewichts-% Thallitminitrat als Zusatz wird auf einer Temperatur von etwa 500 C
gehalten. Wenn der genannte Glasstab 70 Stunden lang in dieses Bad eingetaucht wird, erreichen die K *-Ionen
I) die Mittellinie des Stabes. In diesem Zustand wird der
Glasslab allmählich von einem Hnde aus mit einer allmählich abnehmenden Geschwindigkeit herausgezogen.
Schließlich ist der Glasstab mit dem gegenüberliegenden Stirnbereich 350 Stunden lang in das Salzbad
getaucht. Der Glasslab wird gespült und getrocknet. Hs
wurde eine Verteilung des Brechungsindex gemessen, wo die Brechungsindices im Millelbereich einerseits
einen Wert von 1.545 im Bereich der länger eingetauchten Stirnfläche und andererseits einen Wert von 1.5b0
2; im Bereich der anderen Stirnfläche haben. Die
Brechungsindices ändern sich also allmählich vom einen zum anderen Stirnende. Im Oberflächenbereich des
Glaskörpers hat der Brechungsindex einen im wesentlichen konstanten Wen von 1.530. Da K »-Ionen bis zur
in Mittellinie in dem längere Zeil eingetauchten Teil des
Cilaskörpers vorgedrungen sind, wird der Brechungsindex
in diesem Bereich kleiner im Vergleich zu anderen Teilen des Cilaskörpers.
Der Verlauf des Brechungsindex im Mittelbereich des
ti Glaskörpers ist in Fig. 15 in Abhängigkeit von der
Tauch/eil angegeben.
Weiterhin zeigt sich, daß der Brechungsindex in jeder
Qiierschnittsflüche mit Ausnahme des Oberflüchenteils
im wesentlichen der folgenden Gleichung genügt:
Wenn die für eine längere Zeitdauer eingetauchte Stirnfläche, dem Wert κ = 0 zugeordnet ist. stellt der
Wert iht(y) den jeweiligen Brechungsindex auf der
■r. Mittellinie des Cilaskörpers dar. Dieser Wert steigt mit
zunehmendem Abstand /. allmählich an.
Der so erhaltene Glaskörper hat einen im wesentlichen konstanten Durchmesser. Da jedoch die Abnahme
des Brechungsindex vom Zentrum zur Oberfläche des
κι Körpers in der Nähe der längere Zeil getauchten
Stirnfläche weniger steil als in anderen Bereichen ist. ist
die optimale Ficckgroße für diese Stirnfläche groß, so daß ein l.ichlbüntlcl genau eingeleitet werden kann.
Folglich IaUl sich ähnlich wie bei den oben bcschriebe-
Vi ncn Heispielen auch eine Bildvergrößerung erhallen,
wenn diese Hndfläche als l.ichtaustritisflächc bcnut/t
wird.
! licr/ii 4 lihitl Zeichnungen
Claims (7)
1. Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungswirkung, der senkrecht zu einer Mittelachse Kreisquerschnitt
aufweist und mindestens zwei Arten von Kationen enthält, deren Konzentration innerhalb
des Glaskörpers unterschiedliche Werte hat, damit der Brechungsindex (η) in jeder Querschnittsfläche
von der Mittelachse aus radial gegen die Außenfläche des Glaskörpers hin abnimmt nach der
Beziehung η=^0(I —ar2), dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe ( — 2a/7o) mindestens in der Nähe einer Stirnfläche kleiner als in den übrigen
Teilen des Glaskörpers ist.
2. Lichtleiter-Glaskörper n?ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper stab-
oder faserförmig ausgebildet ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiter-Glaskörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Glaskörper mit einem Mittelbereich und mit mindestens einer Kationenart
als Abwandlungsoxyde der Einwirkung einer Ionenquelle mit einem Anteil mindestens einer anderen
Kationenart als Abwandlungsoxyde ausgesetzt wird, deren Wert (Elektronenpolarisierbarkeit)/(lonenradius)3
kleiner als der entsprechende Wert der zuerst genannten Kationen ist, damit eine Substitution der
Kationen innerhalb des Glaskörpers durch die Kationen des Salzes in einem größeren Ausmaß in
der Nähe mindestens einer axialen Stirnquerfläche als in den übrigen Teilen des Glaskörpers erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das größere Ausmaß der Substitution
durch eine längere Einwirkungszeit erzielt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das größere Ausmaß der Substitution
durch eine höhere Behandlungstemperatur erzielt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen der in
dem Glaskörper enthaltenen Abwandlungsoxyde aus der Gruppe von Thallium, Lithium, Blei und
Barium sowie die Kationen der Ionenquelle aus der Gruppe von Kalium, Natrium und Rubidium
ausgewählt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Austauschbehandlung
des Glaskörpers in dem Salz eine Längsreckung unter Erwärmen erfolgt, wobei das Reckverhältnis in
der Nähe mindestens einer Querstirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.
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