DE1957626B2 - Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch und Vorrichtung zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser durch Ionenaustausch.
Außerdem betrifft die Erfindung verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Eine bekannte Lichtleiterglasfaser besitzt einen Kernteil mit vergleichsweise hohem Brechungsindex
zur Lichtübertragung und eine Mantelschicht mit vergleichsweise kleinem Brechungsindex, die den
Kernteil umgibt Zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht liegt eine Grenzfläche vor. Ein in eine '"
Stirnfläche unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel der genannten Grenzfläche eintretendes
Lichtbündel wird in dem Kernteil unter fortgesetzter Reflexion an der Grenzfläche übertragen. Da ein in die
Faser eintretendes Lichtbündel bei der Ausbreitung innerhalb der Faser fortgesetzt eine Totalreflexion
erleidet, ergeben sich Längenunterschiede der Lichtwege der einzelnen Lichtstrahlen, so daß innerhalb des
Lichtbündels auf der Ausgangsseite der Faser eine Verzerrung oder Versetzung der Phasengeschwindigkeit
vorliegt Dieses ergibt Schwierigkeiten bei der Übertragung von Lichtsignalen mit hoher Taktfrequenz
innerhalb einer Lichtnachrichtenverbindung. Da das Lichtbündel bei der Ausbreitung fortgesetzte Totalreflexionen
an der Grenzfläche erleidet, nehmen die Querabmessungen des Lichtbündels fortschreitend zu.
Gleichzeitig ergeben sich an der Grenzfläche Reflexionsverluste. Dies setzt den Wirkungsgrad der
Lichtübertragung zusätzlich herab.
Aus mehreren, parallel zueinander angeordneten optischen Fasern werden optische Faserplatten und
optische Faserbündel zu Bildübertragungszwecken aufgebaut Dabei übertragen jedoch die einzelnen
Fasern das Licht jeweils nur fleckenweise. Deshalb ist das Auflösungsvermögen auf den Faserdurchmesser
begrenzt Durch Verringerung des Faserdurchmessers kann man zwar das Auflösungsvermögen bis zu einem
gewissen Grade steigern; doch besteht herstellungsmäßig eine untere Grenze des Faserdurchmessers. Die
Herstellung optischer Fasern mit Durchmessern unterhalb 10 μ ist außerdem sehr schwierig. Entsprechend ist
das erzielbare Auflösungsvermögen begrenzt Ferner ergibt ein kleinerer Faserdurchmesser weitere Schwierigkeiten
und Probleme bei der Herstellung der Bildübertragungseinrichtungen aus optischen Fasern.
Infolgedessen wird die wirtschaftliche Herstellung eingeschränkt.
Eine Lichtleitergradientenglasfaser weist senkrecht zur Faserachse einen Gradienten des Brechungsindex
auf. Im einzelnen kann der Brechungsindex von der Außenfläche in das Faserinnere zunehmen. Die
Herstellung einer solchen Lichtleitergradientenglasfaser ist sehr schwierig.
Das ältere deutsche Patent 19 13 358 enthält bereits
einen Vorschlag zur Herstellung von Glasfasern für Lichtübertragungszwecke. Danach wird eine Glasfaser
aus glasbildenden Oxiden und Glasabwandlungsoxiden (einschließlich amphoterer Oxide) in eine Salzschmelze
getaucht, die Kationen enthält, welcher mit den Kationen der Glasabwandlungsoxide innerhalb der
Faser austauschbar sind. Dabei ergibt sich ein Ionenaustausch. In anderer Weise hält man eine
schichtartige Glasfaser auf einer hohen Temperatur, bei der noch keine Verformung auftritt; dies bedingt eine
thermische Diffusion der Glasabwandlungsoxide infolge der Konzentrationsunterschiede der Glasabwandlungsoxide
in dem Kernteil und der Mantelschicht Man erhält dadurch eine stellungsabhängige, sich ändernde
Konzentrationsverteilung der Glasabwandlungsoxide in radialer Richtung der Glasfaser, so daß der Brechungsindex
vom Faserinnern fortschreitend in Richtung der Außenfläche abnimmt
Da nach dieser Technik zuerst eine Glasfaser hergestellt und dann eine Behandlung derselben in der
beschriebenen Weise erfolgt, nimmt die Behandlung eine lange Zeitdauer in der Größe einiger zehn Stunden
in Anspruch, so daß die Herstellungskosten unerwünscht hoch liegen. Außerdem ist die Länge einer
jeden Faser vergleichsweise kurz, was durch die [onenaustauschbchandlung oder die thermische Diffusion
bedingt ist Mehrere solcher kurzer Fasern müssen
aneinanderstoßend miteinander verbunden werden, damit diese als Lichtleiter brauchbar sind. Die
Verbindung dieser Fasern erfordert eine präzise und umfangreiche Fertigungstechnik. An den Verbindungsfiächen
ergibt sich eine Impulsverzerrung mit entsprechender Verschlechterung der Genauigkeit der Lichtübertragung.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens, womit eine günstige Herstellung solcher Glasfasern möglich ist
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst
Das Verfahren nach der Erfindung kann damit unmittelbar in Zusammenhang mit dem Ausziehen der
Glasfaser durchgeführt werden. Ein zusätzlicher Herstellungsaufwand ist nicht damit verbunden. Man kann
kontinuierlich Lichtleitergradientenglasfasern beliebiger Länge herstellen. Insbesondere kann man Glasfasern
mit parabolischem Gradienten des Brechungsindex erhalten.
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 9
angegeben.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in
welcher darstellt
Fig. 1 eine vergrößerte, schematische Seitenansicht
einer herkömmlichen schichtartigen Lichtleiterglasfaser, JO
F i g. 2 eine entsprechende Seitenansicht einer Lichtieitergradientenglasfaser,
F i g. 3 ein Schaubild zur Erläuterung der Abbildungsfunktion einer Lichtleitergradientenglasfaser und
F i g. 4 bis 8 jeweils vertikale oder axiale Schnitte von Ausführungsformen der Erfindung.
Eine Lichtleiterglasfaser mit Schichtaufbau nach F i g. 1 besitzt einen Kernteil 1 mit vergleichsweise
hohem Brechungsindex zur Lichtübertragung und eine Mantelschicht 2 mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex,
die den Kernteil abdeckt. Ein Lichtbündel 3, das in eine Stirnfläche des Kernteils 1 unter einem
Winkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für die Grenzfläche zwischen Kernteil 1 und Mantelschicht
2 eintritt, wird unter fortgesetzter Reflexion an dieser Grenzflache innerhalb des Kernteils übertragen.
Wenn im Gegensatz dazu ein LichtbUndel in ein Stirnende einer Lichtleitergradientenglasfaser mit von
der Oberfläche in das Faserinnere zunehmendem Brechungsindex eintritt, wird das Lichtbündel 3, jeweils so
in Richtung des ansteigenden Brechungsindex gekrümmt, wie dies in Fig.2 veranschaulicht iit Das
Lichtbündel schreitet innerhalb der Faser ohne Reflexion an der Faseroberfläche fort Infolgedessen fehlt die
Verzerrung der Phasengeschwindigkeit, die Queraufspreizung des Lichtbündels und der Reflexionsverlust
können weitgehend herabgesetzt werden. Diese Wirkung entspricht der sogenannten Gaslinse.
Die zweckmäßigste Verteilung des Brechungsindex in einer Querschnittsfläche senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung
ist die folgende quadratische Beziehung:
i7-flb(l-ar2)
Wenn ein Lichtbünde! mit einer bestimmten Breite in eine Glasfaser mit solcher Verteilung des Brechungsindex
eintritt, breitet sich das Lichtbündel innerhalb der Faser unter Beibehaltung der Ausgangsbreite aus; das
Lichtbündel verläßt die Faser auf der Austrittsseite ohne Verzerrung der Phasengeschwindigkeit
Wenn die Lichtleitergradientenglasfaser mit einem Krümmungsradius unterhalb eines Grenzwertes gebogen wird, wird ein in die Faser eintretendes Lichtbündel
an der Faseroberfläche reflektiert oder tritt in den Außenraum aus. Dieser Grenzradius der Krümmung
hängt von der Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Faser ab. Er wird normalerweise kleiner mit
ansteigendem Gradienten des Brechungsindex.
Die Abbildungswirkung einer Lichtleitergradientenglasfaser 6 ist in F i g. 3 veranschaulicht Die Verteilung
des Brechungsindex in einem Faserquerschnitt senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung genügt im wesentlichen
der obigen Beziehung n=no (1 —ar2). Lichtstrahlen
eines Gegenstandes 7 im Gegenstandsraum vor der Eintrittsfläche der Faser 6 verlaufen innerhalb des
Faserinnern auf sinusförmigen Lichtwegen mit einer jeweiligen Wellenlänge
S=2nl]/2a,
wobei ein reelles Bild 8 im Außenraum der Faser 6 jenseits des Austrittsendes entsteht Fig.3 zeigt ein
reelles Bild 8 im Außenraum der Faser. Man kann jedoch durch entsprechende Bemessung der Faserlänge
sowie des Gegenstandsabstandes ein Bild in der Austrittsfläche der Faser erhalten. Außerdem läßt sich
die Vergrößerung oder Verkleinerung einstellen.
Normalerweise zeigt der Brechungsindex eines Stoffes eine Beziehung zu der molekularen Brechung
und dem Molekülvolumen des Stoffes. Der Brechungsindex steigt mit zunehmender molekularer Brechung und
mit abnehmendem Molekülvolumen an. Außerdem ist die molekulare Brechung der Polarisierbarkeit des
Stoffes proportional. Die molekulare Brechung eines Glases läßt sich näherungsweise durch die Summe der
einzelnen Ionenbrechungen darstellen. Deshalb läßt sich der qualitative Einfluß bestimmter Ionen auf dem
Brechungsindex eines Glases durch Vergleich der Werte der spezifischen Elektronenpolarisierbarkeit der
betreffenden Ionen
no als Brechungsindex im Zentrum der Faser,
η als Brechungsindex in einem Abstand rvom Zentrum
und
a als einer positiven Konstanten.
a als einer positiven Konstanten.
Ionenradius3
bestimmen.
bestimmen.
Jede Ionenart hat ein bestimmtes Verhältnis der Elektronenpolarisierbarkeit zum Ionenradius3 innerhalb
des betreffenden Glases. Wenn folglich der Brechungsindex eines Glases mit Glasabwandlungsoxiden mit dem
Brechungsindex eines Glases verglichen wird, worin die Kationen der Abwandlungsoxide teilweise oder vollständig
durch Kationen ersetzt sind, für die das Verhältnis Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius3
kleiner als für die zuerst genannten Kationen ist, ergibt es sich, daß der Brechungsindex in letzterem Falle
kleiner als in ersterem Falle ist
Die Kationen lassen sich hinsichtlich ihres Beitrages zur Vergrößerung des gesamten Verhältnisses in
folgender Reihe anordnen:
TI>Li>K Na Rb
für einwertige Kationen und
für einwertige Kationen und
Pb>Ba>Cd>Sr>Ca>Zn>Be>Mg
für zweiwertige Kationen.
für zweiwertige Kationen.
Wenn entsprechend erste Kationen von Abwandlungsoxiden eines Glases durch zweite Kationen mit
größerem Wert des charakteristischen Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius3 substituiert
werden, erhält man für den Brechungsindex des Glases in solchen Bereichen, wo diese Substitution erfolgt ist,
einen hohen Wert Auch wenn die Kationen der Abwandlungsoxide nicht substituiert sind, läßt sich eine
veränderliche Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide innerhalb des Glases in bestimmten Gläsern,
wie Silikatgläsern und Boratgläsern erhalten, da die Brechungsindices dieser Gläser mit zunehmender
Menge der Glasabwandlungsoxide ansteigen, so daß man eine veränderliche Verteilung des Brechungsindex
erhält
Die folgenden Einzelbeispiele erläutern die Verwirklichung der Erfindung.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 4 fließt eine Glasschmelze 10 durch einen
kegelmantelförmigen Ringraum zwischen einer konischen zentralen Anode 11 mit einem porösen leitenden
Mantel und einer die Anode konzentrisch umgebenden Kathode 12 ebenfalls mit einem porösen leitenden
Mantel nach unten.
Durch eine DUse 15a wird eine Glasfaser 13 ausgezogen.
Der poröse Mantel der Anode 11 bildet ein Gefäß zur
Aufnahme einer Metallegierungsschmelze 14; das Metall ist als Kation für ein Glasabwandlungsoxid
geeignet, wenn es in die Metallschmelze in Lösung geht. Außerdem wird dann der Brechungsindex des Glases
durch Ionenaustausch vergrößert. Die Kathode 12 ist außen durch ein Gefäß 15 abgeschlossen. Die Ausflußmündung
der Kathode 12 ist mit der Düse 15a am Boden
des Gefäßes 15 verbunden. Eine Metallegierungsschmelze 16 zur Aufnahme der Kationen der Abwandlungsoxide
aus der Glasschmelze befindet sich innerhalb des Gefäßes 15.
Wenn während des Ausziehens einer Glasfaser 13 aus der Glasschmelze 10 eine Gleichspannung zwischen den
Elektroden 11 und 12 anliegt, fließt ein Gleichstrom von der Anode 11 zur Kathode 12 durch die nach unten
strömende Glasschmelze hindurch. Die Metallegierung 14 durchsetzt die poräse Anode 11 und gibt Kationen in
die Glasschmelze mit einer höheren Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung in Lösung.
Aus der Glasschmelze werden Kationen der Abwandlungsoxide durch die Kathode 12 extrahiert und
durchdringen den porösen Mantel. Sie lösen sich in der Metalllegierung 16. Die Glasschmelze zwischen den
Elektroden U und 12 kann erforderlichenfalls mittels eines nicht dargestellten auf der Außenseite der
Elektrode U angebrachten Temperaturreglers auf einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes gehalten
werden.
Die au« der Legierungsschmelze 14 auf der Anodenseite in die Glasschmelze in Lösung gehenden
Kationen sind so ausgewählt, daß sie den Brechungsindex vergrößern, wenn sie die Kationen der Abwandlungsoxide
der Glasschmelze substituieren. Da die Konzentration der Kationen, die den Brechungsindex
vergrößern, in der Nähe der Anode höher ist, hat die
hergestellte Glasfaser 13 einen Brechungsindex mit einem Maximalwert im Zentrum und einer fortschreitenden
Abnahme zur Außenfläche.
Der poroie Mantel für Anode U und Kathode 12
besteht aus einem Stoff, der mit Glas nicht reagiert und außerdem von demselben nicht angegriffen wird,
beispielsweise poröser Graphit und eine Platinplattenzubereitung mit einer großen Anzahl von Durchbrüchen.
Die Legierungsschmelze tritt durch die Durchbrüche des porösen Stoffes in Bereiche in der Nähe der
5 Oberfläche der Elektrode. Die Legierungsschmelze
befindet sich in Berührung mit der Glasschmelze in einem durch die Oberflächenspannung bedingten
Gleichgewichtszustand. Deshalb gibt es kaum eine Möglichkeit, daß das Glas selbst in den Raum der
lu Legierungsschmelze einströmen kann oder daß sich die
Legierungsschmelze unmittelbar mit der Glasschmelze vermischt Wenn auch im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels eine Legierungsschmelze 14 sowie eine
Legierungsschmelze 16 für die Kationenquelle sowie für die Kationensenke beschrieben sind, kann man auch
andere Stoffe benutzen wie Metallschmelzen oder eine Salzschmelze einer einzigen Verbindung. Im Rahmen
dieses Ausführungsbeispiels dienen die porösen Mäntel selbst als Elektroden U und 12. Man kann jedoch die
Elektroden U und 12 auch gesondert von den porösen Mänteln vorsehen, wie das Beispiel der F i g. 5 zeigt.
Außerdem kann man eine Glasfaser mit der genannten Verteilung des Brechungsindex herstellen,
wenn die Elektroden U und 12 mit umgekehrter Polung als Kathode und Anode benutzt sind, indem man eine
Glaszusammensetzung von vergleichsweise hohem Brechungsindex auswählt und Kationen zur Verkleinerung
des Brechungsindex bei Substitution von Kationen innerhalb des Glases von sehen der porösen Elektrode
jo 12 in die Glasschmelze eintreten sowie Kationen innerhalb des Glases durch die Elektrode 11 auf der
läßt.
Erfindung nach F i g. 5 läßt man die Glasschmelze 20 durch einen kegelförmigen Ringraum zwischen einet
zentralen Anode 21 und einem porösen Mantel 22 nach unten strömen, der konzentrisch die Anode umgibt. Eine
Glasfaser 23 wird durch eine Düse 24a ausgezogen. Die Anode 21 ist ein massiver Körper aus einem Metall odet
einer Legierung, die im Sinne einer Vergrößerung des Brechungsindex des Glases wirksam sind, wenn aus det
Anode 21 Kationen in die Glasschmelze in Lösung gehen und dabei Kationen innerhalb des Glases
-»5 ersetzen. Der poröse Mantel 22 hat eine ähnliche
Formgebung wie der poröse Mantel der Elektrode nach F i g. 4. Er ist am Unterende mit der Düse 24a im Fußtei!
des Gefäßes 24 verbunden. Eine Metallegierungsschmelze 25 befindet sich in dem Gefäß 24 und ist mil
der Außenfläche des porösen Mantels 22 in Berührung Innerhalb der Legierungsschmelze 25 befindet sich eine
Kathode 26 in konzentrischer Anordnung jeweils ir Abstand von dem porösen Mantel 22. Der poröse
Mantel 22 braucht nicht elektrisch leitend zu sein. Be der Herstellung der Glasfaser 23 aus der Glasschmelze
20 fließt ein Gleichstrom von der Anode 21 durch die Glasschmelze zur Kathode 26, wobei die Glasschmelze
zwischen der Anode 21 und dem porösen Mantel 22 nach unten strömt. Dabei werden dann Kationen vor
w> Abwandlungsoxiden aus der Glasschmelze in di<
Legierungsschmelze 25 übernommen.
Die Konzentration von Kationen, die sich in dem Glas von seilen der Anode 21 gelöst haben, ist an Stellen ir
der Nähe der Anode höher. Infolgedessen hat di<
i>- Glasfaser 23 eine Verteilung des Brechungsindex mi
einem Höchstwert im Faserzentrum und einer fort schreitenden Abnahme zur Außenfläche. Das Ausfüh
rungsbeispiel nach F i g. 5 kann in verschiedener Weist
abgewandelt werden. Beispielsweise kann der poröse Mantel 22 dann, wenn er elektrisch leitend ist, als
Kathode benutzt werden. Man kann auch eine andere Schmelze benutzen, beispielsweise eine Metallschmelze
oder eine Salzschmelze aus einer einzigen Verbindung anstelle der Legierungsschmelze 25.
Wenn man eine Glaszusammensetzung mit vergleichsweise hohem Brechungsindex auswählt, kann
man eine Glasfaser mit der genannten Verteilung des Brechungsindex erhalten, indem man eine Anode 21
ähnlich dem Beispiel der F i g. 4 als Kathode benutzt und als Anode einen Mantel aus einem Metall oder einer
Legierung vorsieht, der Kationen in das Glas in Lösung gibt, die den Brechungsindex des Glases bei Obergang
in die Glasschmelze herabsetzen. Es wird dann ein Gleichstrom in umgekehrter Richtung wie nach F i g. 5
durchgeleitet
Wenn auch im Rahmen der Ausführungsformen der Fig.4 und 5 die Glasschmelze nach unten Hießt und
nach unten zu einer Glasfaser ausgezogen wird, kann die Glasfaser auch durch Aufwärtsziehen erhalten
werden. Im Rahmen der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein poröser Mantel auf der Kathodenseite
benutzt, und die aus der Glasschmelze extrahierten Kationen werden in einer Schmelze wie einer
Legierungsschmelze gelöst, die sich auf der Außenseite des porösen Mantels befindet Man kann die gewünschte
Verteilung des Brechungsindex auch ohne porösen Mantel erhalten, indem man nur auf der Kathodenseite
Kationen aus dem Glas in metallischer Form auszieht
Abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung sind in den F i g. 6 und 7 beschrieben. Nach F i g. 6 ist
eine Metallegierungsschmelze 31 beispielsweise eine Legierung mit höherem spezifischem Gewicht als die
Glasschmelze in einem Gefäß 30 gespeichert. Eine Glasschmelze 32 einer Zusammensetzung von 48
Gew.-% SiO2,12 Gew.-% NaA 16 Gew.-% Tl2O und 24
Gew.-% PbO sowie einer Temperatur von 80O0C
befindet sich in dem gleichen Gefäß oberhalb der Legierungsschmelze 31. Aus dem Mittelteil der Glasschmelze
32 wird eine Glasfaser 33 nach oben gezogen und durch eine nichtdargestellte Aufnahmeeinrichtung
aufgenommen. Ein Ringkörper 33 aus einer KNO3-Salzschmelze ist infolge der Oberflächenspannung an einer
Ringelektrode 34 gehalten und umgibt den Unterteil der Glasfaser 33 oberhalb der Glasschmelze 32.
Das Salz des Ringkörpers 35 enthält eine Kationenart zur Herabsetzung des Brechungsindex des Glases, wenn
K+-Ionen in dem Glas gelöst sind und die Tl+-Ionen innerhalb desselben substituieren. Die Glasschmelze 32
hat eine Zusammensetzung mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex.
Wenn ein Gleichstrom von 1OA zwischen der Elektrode 34 als Anode und der Legierungsschmelze 31
als Kathode durch die Glasschmelze 32 geleitet wird, gehen Kationen aus der Salzschmelze des Ringkörpers
35 in die Glasschmelze 32 in Lösung, und hauptsächlich Kationen der Abwandlungsoxide gehen von Seiten der
Glasschmelze 32 in der Legierungsschmelze 31 über. Infolgedessen nimmt innerhalb der Glasschmelze 32 die
Konzentration der Kationen, die aus der Salzschmelze des Ringkörpers 35 in das Glas in Lösung gegangen
sind, fortschreitend von der mit dem Ringkörper 35 in Berührung befindlichen Oberfläche in das Glasinnere
ab; die Konzentration der ursprünglich in dem Glas enthaltenen Kationen steigt fortschreitend in gleicher
Richtung an. Die Mantelteile der Glasfaser 33 werden aus Bereichen der Glasschmelze 012 gebildet, die sich in
der Nähe der mit der Salzschmelze des Ringkörpers 35 in Berührung befindlichen Oberfläche befunden haben.
Infolgedessen erhält man eine Glasfaser 33 der obengenannten gewünschten Verteilung des Bres
chungsindex.
Die F i g. 7 betrifft ein Ausführungsbeispiel mit einem Gefäß 40, das zentral in der Fußwandung eine
Ausziehdüse 41 besitzt, die mit ihrem entgegen der Ausziehrichtung gelegenen Oberteil in das Innere des
ίο- Gefäßes hineinragt Das Gefäß 40 enthält auf dei
Innenfläche des Bodenteils eine Legierungsschmelze 42 die den hineinragenden Teil der Düse 41 umgibt; diese
Legierungsschmelze hat ein höheres spezifisches Gewicht als die Glasschmelze 43, die auf dei
is Legierangsschmelze 42 in Berührung mit derselben
liegt Eine Glasfaser 44 wird aus der Glasschmelze 43 durch die Düse 41 nach unten ausgezogen. Die
Legiemingsschmelze 42 enthält einen Stoff zur Herabsetzung
des Brechungsindex des Glases bei Auflösung ir der Glasschmelze 43 und bei Substitution der Kationer
innerhalb des Glases. Oberhalb der Glasschmelze 43 befindet sich eine Legierungsschmelze 46, die durch die
Oberflächenspannung an einer Elektrode 45 gehalter ist
Wenn zwischen der Legierungsschmelze 42 ah Anode und der Elektrode 45 als Kathode eir
Gleichstrom durch die Glasschmelze 43 fließt, geher Kationen der genannten Art in die Glasschmelze 43 au;
der Legierungsschmelze 42 in Lösung, während Kationen der Abwandlungsoxide aus der Glasschmelze
43 in die Legierungsschmelze 46 übergehen. Damit nimmt die Konzentration der Kationen, die aus dei
Legierungsschmelze in das Glas übergegangen sind fortschreitend in dem Abstand ab. Die Konzentratior
der zunächst in dem Glas enthaltenen Kationen steig!
innerhalb der Glasschmelze 43 fortschreitend von der ir der Legierungsschmelze 42 in Berührung befindlicher
Oberfläche zum Glasinnern hin an. Der Teil der nacr unten ausgezogenen Glasfaser 44 in der Nähe dei
der Nähe der Kontaktfläche mit der Legierungsschmel
ze 42 gebildet Infolgedessen hat die Glasfaser die ober beschriebene Verteilung des Brechungsindex.
und 431 gemäß den Beispielen der Fig.6 und "ι
umgekehrt wird, so daß eine Substitution der Kationer
des Glases durch Kationen aus der anodenseitigei Legierungsschmelze erfolgt, und wenn Kationen zui
Vergrößerung des Brechungsindex in die Glasschmelz«
so in Lösung gehen sowie Kationen des Glases in di< kathodenseitige Legierungsschmelze Übernommen wer
den, nimmt die Konzentration der in dem Glas gelöster Ionen aus der Legierung fortschreitend ab und dii
Konzentration der zunächst in dem Gins enthaltene!
Kationen steigt entsprechend innerhalb des Glases vor derjenigen Oberfläche aus an, die mit der anodenseiti
gen Legierungsschmelze in Berührung steht In diesen Fall enthält das den Mittelteil der Glasfaser 43 oder ¥
bildende Glas eine vergleichsweise hohe Glasmenge, di< zunächst in Oberflächennähe in Berührung mit dei
anodeniteitigen Legierungsschmelze war. Infolgedesser
erhält man eine Glasfaser mit der gewünschter
beispiele der F i g. 4,5,6 und 7 werden Kationen von der
Anodenseite in die Glasschmelze in Lösung gegeben Man kann auch eine Glasfaser mit der gewünschten
Verteilung des Brechungsindex herstellen, indem man
einen Gleichstrom durch die Glasschmelze ohne äußere Zufuhr von Kationen hindurchleitet, damit sich innerhalb
der Glasschmelze eine Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide und anderer Oxide mit vergleichsweise
geringer Bindungsfestigkeit einstellt.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 hat das Gefäß 50 eine kegelförmige: Fußwandung, die in eine Düse 50a
konvergiert, aus der die Glasschmelze zu einer Faser 52 ausgezogen wird. Die kegelförmige Fußwandung ist im
Oberteil mit einer ringförmigen oder kegelstumpfförmigen Anode 53 ausgestattet und besteht aus einem
porösen Stoff, beispielsweise einem Platinblech mit zahlreichen Durchbrechungen. Am Unterende sitzt eine
ebenfalls kegelstumpfförmige Kathode 54. Anode 53 und Kathode 54 bilden Teile der kegelförmigen
Fußwandung des Gefäßes 50 und dienen zur Durchleitung eines Gleichstromes durch die Glasschmelze 51.
Die Stromdichte des zwischen Anode 53 und Kathode 54 innerhalb der Glasschmelze 51 fließenden Gleichstromes
hat im Bereich der Innenwandung des Gefäßes 50 ihren höchsten Wert und nimmt gegen den Mittelteil
der Glasschmelze 511 hin fortschreitend ab. Innerhalb der Glasschmelze sammeln sich jeweils Kationen und
Anionen der Glasabwandlungsoxide an den kathoden- und anodenseitigen Finden der Stromfäden des Gleichstromes.
Da die Stromstärke in der Nähe der Gefäßwandung hoch ist, werden die !Ionen in diesem Wandungsbereich
sehr stark in Richtung der Anode bzw. der Kathode angezogen, wogegen mit abnehmender Stromdichte
gegen den Mittelteil der Glasschmelze 51 hin, der Trennungsgrad für Ionen längs der Stromfäden
herabgesetzt ist Infolgedessen nimmt die Konzentration der Glasabwandlungsoxide vom Mittelteil gegen
die Außenfläche der Glasschmelze 51 hin ab. Dadurch stellt sich eine Konzentrationsverteilung der Abwandlungsoxide
in radialer Richtung innerhalb der erhaltenen Glasfaser 52 mit einer Abnahme vom Mittelteil zur
Außenfläche der Faser ein.
Bei Gläsern wie Silikatgläsern und Boratgläsern bedingt eine Konzentrationszunahme eines Abwandlungsoxides
einen Anstieg des Brechungsindex. Wenn ein solches Glas für die Glasschmelze 51 benutzt wird,
weist die erhaltene Glasfaser 52 eine fortschreitende Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide von
der Fasermitte zur Außenfläche auf, so daß man die gewünschte Verteilung des Brechungsindex erhält
Auf der Außenseite der Kathode 54 befindet sich ein Gefäß 55 zur Aufnahme einer Legierungsschmelze 56,
welche zur Lösung von Metallen aus Kationen der Abwandlungsoxide nach Extraktion aus der Glasschmelze
51 dient Die Anionen sammeln sich als Gas, hauptsächlich Sauerstoff, an der Anode 53. Deshalb ist
eine Ringleitung 57 auf der Außenseite der Anode 53 angeordnet, die einen dichten Abschluß des Gefäßes 50
bildet. Diese Ringleitung wird über eine Anschlußleitung 57a evakuiert, damit das gebildete Gas entfernt
wird.
Die Lage der Elektroden ist nicht unbedingt an die Wandung des Gefäßes 50 gebunden. Die Elektroden
können sich auch innerhalb der Glasschmelze 51 befinden. Indem man beispielsweise mehrere Ringelektroden
konzentrisch innerhalb der Glasschmelze auf der Innenseite der Gefällwandung anordnet, so daß das
Glas durch die Zwischenräume zwischen den Ringelektroden strömen muß, und indem man einen höheren
Strom zwischen den Elektroden in der Nähe der Gefäßwandung fließen läßt, läßt sich eine fortschreitende
Konzentrationsabnahme der Abwandlungsoxide und anderen Oxiden mit vergleichsweise geringer Bindungsfestigkeit innerhalb der Glasschmelze in Richtung der
Gefäßwandung einstellen.
Die Erfindung läßt sich auch bei Lichtleiterglasfasern anderer Art anwenden. Man kann beispielsweise bei
einer schichtartigen Glasfaser einen Gleichstrom senkrecht zur Grenzfläche zwischen der Mantelschicht
und dem Kernteil der Glasfaser durchleiten, solange
ίο sich die Glasfaser auf einer hohen Temperatur oberhalb
des Erweichungspunktes befindet, damit die Abwandlungsoxide im Bereich der Grenzfläche zwischen dem
Kernteil und der Mantelschicht wandern und damit die Konzentrationsänderung der Abwandlungsoxide gets
glättet verläuft Dadurch kann man eine Glasfaser der gewünschten Verteilung des Brechungsindex erhalten,
wo derselbe vom Faserzentrum fortschreitend in Richtung der Außenfläche abnimmt.
Die Glaszusammensetzung ist durch die Erfindung nicht eingeschränkt; man kann Silikatgläser, Boratgläser, Phosphatgläser und andere Oxidgläser verwenden.
Die Glaszusammensetzung ist durch die Erfindung nicht eingeschränkt; man kann Silikatgläser, Boratgläser, Phosphatgläser und andere Oxidgläser verwenden.
Ein Kationenaustausch in einem Glas unter Substitution
von Kationen mit vergleichsweise niedrigem Wert des genannten Verhältnisses durch Kationen mit hohem
Wert dieses Verhältnisses beispielsweise Tl+-Ionen ergibt eine Zunahme des Brechungsindex des Glases.
Umgekehrt führt die Substitution von Kationen mit großem Wert dieses Verhältnisses durch Kationen mit
niedrigem Wert beispielsweise Na+-Ionen zu einer
Verringerung des Brechungsindex des Glases. Man kann verschiedene Arten von Kationenquellen in fester
Metallform und Metallegierungsform, in Metallegierungsschmelzform, in Metallschmelzenform und in
Salzschmelzenform zur Lieferung der in der Glasschmelze
von der Anodenseite in Lösung gehenden Kationen vorsehen; als besonders günstig haben sich
Kationen in flüssigem Zustand hinsichtlich einer gleichmäßigen Zufuhr von Ionen in die Glasschmelze
erwiesen.
Obgleich die erforderlichen Eigenschaften der Quelle der Kationen, die in dem Glas gelöst werden sollen, in
Abhängigkeit von der Glaszusammensetzung, dem gewünschten Gradienten des Brechungsindex und der
Behandlungstemperatur verschieden sind, sind unter den flüssigen Stoffen besonders Legierungsschmelzen
geeignet da man die Legierungen unter Berücksichtigung der genannten Kenngrößen durch nahezu
beliebige Kombinationen verschiedener Metalle auswählen kann. Die Kationen in der Glasschmelze werden
an der Kathode in Metallform ausgezogen. Wenn eine Metallschmelze oder eine Legierungsschmelze in
flüssigem Zustand zur Auflösung des extrahierten Metalls benutet ist, kann man leicht und vorteilhafterweise
eine Legierung mit diesem Metall erhalten. Eine Salzschmelze als Kationenquelle ist insoweit vorteilhaft,
als sie leicht durch den porösen Stoff hindurchdringt
Die Stärke des durch die Glasschmelze in den beschriebenen Ausführungsbeispielen geleiteten
Gleichstromes wird sehr stark von solchen Größen wie
μ dem Durchmesser der herzustellenden Glasfaser, der
Faserausziehgeschwindigkeit, dem gewünschten Gradienten des Brechungsindex, der Glaszusammensetzung,
der Art der für den Ionenaustausch bestimmten Kationen, der Glasviskosität im Verarbeitungszustand
und der Form des Gerätes beeinflußt. Die optimale Stromstärke ist dabei von Fall zu Fall verschieden.
Wenn eine Metallschmelze oder eine Legierungsschmelze benutzt wird, ist die Anwendung einer
11
nichtoxydierenden Atmosphäre innerhalb der Gasphase vorzuziehen, die mit der Metallschmelze oder der
Legierungsschmelze in Berührung ist, damit keine Oxydation dieser Metall- oder Legierungsschmelze
erfolgt
Claims (9)
1. Verfahren zuir Herstellung einer Lichtleitergradientenglasfaser
durch Ionenaustausch, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus einer
Schmelze gezogen wird, in der mittels mindestens zweier Gleichstromelektroden der Ionenaustausch
durchgeführt wird, wobei kathodenseitig der Glasschmelze Kationen entzogen werden. ι ο
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anodenseitig der Schmelze Kationen
zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen anodenseitig von einer is
festen Elektrode oder einer Salzschmelze oder einer Metallschmelze abgegeben werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen kathodenseitig
von einer Metallschmelze oder einer Salzschmelze aufgenommen werden.
5. Vorrichtung a;ur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb einer Ziehdüse (15a)
innerhalb der Glasschmelze eine konische Elektrode (14) konzentrisch iron einer Elektrode (12) umgeben
ist (F ig. 4 und 5).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden als
massiver Elektrodcnkörper ausgebildet ist (F i g. 5).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode einen
porösen Mantel umfaßt, der eine Metallschmelze, eine Legierungsschmelze oder eine Salzschmelze
abschließt (F ig. 4)
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bit 4, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb eines Gefäßes (30 bzw. 40) einerseits eine plattenförmige Schmelze (31
bzw. 46) als eine Elektrode und andererseits eine ■»<
> ringförmig ausgebildete Schmelze (35, 42) als die andere Elektrode angeordnet sind, zwischen denen
sich eine Glasschmelze (32 bzw. 43) befindet, und daß die zentrale öffnung der ringförmigen Schmelze (35)
als Ziehdüse vorgesehen ist (F i g. 6 und 7).
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gefäß (50) einen kegelförmigen,
in eine Ziehdüse (SOa) übergehenden Mantel aufweist, der zwei poröse Ringe (53, 54) als so
Elektroden aufweist
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