DE2311823C3 - Optische Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt - Google Patents
Optische Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer GestaltInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt,
welcher TbO und S1O2 enthält, wobei die
Konzentration der in dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich von seiner Zentralachse zur
Umfangsobecfläche so abnimmt, daß auch der Brechungsindex
des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche abnimmt.
Glaskörper, worin der Brechungsindex kontinuierlich von der Zentralachse zur Umfangsoberfläche abnimmt,
besitzen Lichtfokussiereigenschaften und sind deshalb wertvoll als Glasfasern zum Durchleiten von Licht.
Wenn ein Glasstab mit einem Brechungsindexgradienten in einer gegebenen Länge geschnitten wird, werden
worin No den Brechungsindex in der Querschnittsmitte des Glaskörpers bei einem Schnitt senkrecht zur
Zentralachse desselben, rden Abstand von der Mitte in
radialer Richtung, a eine positive Konstante und N den Brechungsindex bedeutet
In der japanischen Patent-Veröffentlichung 816/1972 (US-Patentanmeldung Serial Nr. 147 256, britische Patentanmeldung
12 66 521 und in der deutschen Patentschrift 19 13 358) sowie in »Applied Physics letters«,
Bd. 15, Nr. 2 vom 15.JuIi 1969, S. 76 und 77, ist ein
Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers mit einem Brechungsindexgradienten beschrieben, wobei ein Glasstab
oder eine Glasfaser mit einem Gehalt an Thallium mit einem geschmolzenen Salz eines Alkalimetalls zum
Austausch der in dem Glasstab enthaltenen Thalliumionen gegen die Alkaliionen in Berührung gebracht wird,
wobei der Austausch in größerem Ausmaß in Nähe der Oberfläche des Glaskörpers erfolgt, wodurch der
gewürsdue Brechungsindexgradient im Glasstab hervorgerufen
wird.
Als Ausgangsglas wird bei der Herstellung von Glas mit einem Brechungsindexgradienten gemäß der vorstehend
beschriebenen Arbeitsweise in großem Umfang ein Glas mit der Zusammensetzung von S1O2, 70,2
Molprozent Na2O 17,0 Molprozent TI2O 3,3 Molprozent
und PbO 9,5 Molprozent verwendet.
Es gibt handelsübliche Gläser, welche als Hauptbestandteil S1O2, B2O3 oder P2O5 enthalten. Gläser, deren
Hauptbestandteil aus S1O2 besteht, werden für die
vorstehend beschriebenen Zwecke bevorzugt, da sie nicht so leicht entglasen. Gläser mit S1O2 als Hauptbestandteil,
d. h. Silikatgläser, die zusätzlich PbO enthalten, besitzen eine hohe Durchsichtigkeit und können leicht
zu Produkten von gleichförmiger Qualität mit erwünschter Form heißgeformt werden, da die Viskositätsänderung
in Abhängigkeit von der Temperatur relativ gering ist Der zusätzliche Gehalt an TI2O ist im
Hinblick auf die Erzielung eines relativ großen Brechungsindexgradienten erforderlich. Der Gehalt an
Na2O dient der Erleichterung des Schmelzens und der
Heißverformung des Glases. Bisher wurden Gläser der vorstehend angegebenen Zusammensetzung verwendet,
da sie am besten die Bedingungen erfüllen, nämlich nicht leicht entglasen, eine hohe Transparenz und eine
relativ gute Witterungsbeständigkeit besitzen, praktisch keine Korrosion beim Inberührungbringen mit einem
geschmolzenen Salz zum Austausch der Ionen erfahren und mühelos geschmolzen und heißverformt, beispielsweise
zu Stäben oder Fasern, werden können.
Die üblichen Gläser mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung besitzen jedoch die folgenden
Nachteile:
1. Da die Schmelztemperatur relativ hoch ist, etwa 13000C, löst sich etwas Platin in dem Glas, wenn die
Glasmasse in einem Platinschmelztiegel geschmolzen wird. Das in dem Glas gelöste Platin bewirkt
eine Absorption und Streuung des Lichtes. Außerdem ist Thallium stark flüchtig, wodurch
Schwierigkeiten bei der Formung bei hohen
Temperaturen eines Glases, das Thallium homogen enthält hervorgerufen werden.
2. Die lonenaustauschbehandlung in dem geschmolzenen Alkalisalz erfordert eine lange Zeitdauer.
3. Die Witterungsbeständigkeit des erhaltenen Glases ist noch nicht vollständig zufriedenstellend.
Die Transparenz eines Glases wild durch Lichtabsorption der Übergangsmetallionen, beispielsweise Fe,
Ni und Co, die Streuung und Absorption von Licht auf Grund von kolloidalem Platin und die Streuung von
Licht auf Grund von Blasen und Phasentrennung verschlechtert Zur Gewinnung von Gläsern von hoher
Transparenz muß das Rohmaterial von hoher Reinheit sein und eine solche Zusammensetzung besitzen, daß
keine Phasentrennung auftritt und muß einen niedrigen Koeffizienten der Lichtabsorption aufweisen. Überdies
muß das Rohmaterial gut schmelzbar sein, ohne daß ein Einmischen von Platin in die Schmelze auftritt wobei
keine Blasen in der Schmelze zurückbleiben. Zur Erzielung einer hohen Homogenität und zur Verhinderung
der Bildung von Schlieren auf Grund der Eluierung von Schmelztiegelmaterial wird üblicherweise für das
Schmelzen des Rohmaterials ein Platinschmelztiegel verwendet. Die Menge des dabei aufgelösten Platins
steigt exponentiell mit der Schmelztemperatur. Ein geringer Anstieg der Schmelztemperatur verursacht
einen abrupten Anstieg der gelösten Menge. Daher wird die Schmelztemperatur des Glases möglichst niedrig
gehalten. Die Einführung von ThO erhöht im allgemeinen stark die Neigung zur Entglasung und zur
Verschlechterung der Witterungsbeständigkeitseigen-5Chaften des Glases. Auf Grund der Flüchtigkeit von
ThO findet bei einer hohen Schmelztemperatur eine starke Verflüchtigung statt, so daß die Herstellung von
Gläsern mit hohem und gleichzeitig homogenem Tl2O-Gehalt schwierig ist Infolgedessen leidet die
Auflösungskraft der erhaltenen Linsen. Bei Verwendung einer Glasmasse mit einer niedrigen Verträglichkeit
gegenüber Thalliumionen wird beim Schmelzen Thallium so stark verflüchtigt, daß die Gewinnung eines
Glases mit großen Anteilen an TI2O schwierig wird. Überdies tritt bei Verwendung von TI2O als Glaskomponente
eine Neigung zur Färbung des Glases auf. Im Hinblick auf die Erzielung einer höheren Homogenität
des Glases ist daher eine Erniedrigung der Schmelztemperatur sehr erwünscht
Bei der Herstellung von Glaskörpern mit Brechungsindexgradionten
wird der thalliumiontnhaltige Glasstab in eine Alkalisalzschmelze, beispielsweise in eine
Schmelze von Kaliumnitrat während einer geeigneten Zeitdauer eingetaucht um den Ionenaustausch der in
dem Glas enthaltenen Thalliumionen gegen die in dem Salzbad enthaltenen Kaliumionen zu bewirken und um
dadurch den Glaskörper mit der gewünschten Brechungsindexverteilung
zu erhalten. Um zu erreichen, daß der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich
von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche des Glaskörpers abnimmt ist es notwendig, daß der
Ionenaustausch bis in Nähe der Zentralachse stattfindet Um die gewünschte Brechungsindexverteilung zu
erzielen, werden Temperatur des Salzbades und Eintauchzeit gesteuert. Mit zunehmender Temperatur
steigt die Geschwindigkeit des Ionenaustausches an. Die Dauer der lonenaustauschbehandlung kann daher
gekürzt werden. Falls die Temperatur des Salzbades jedoch zu stark erhöht wird, findet ein Erweichen und
Verformen des Glaskörpers statt, was unerwünscht ist. Die maximal anzuwendende Temperatur des Salzbades
ohne Verursachung einer Verformung des Glaskörpers ist die Temperatur, hei welcher die Viskosität des
Glaskörpers etwa 1010 Poise erreicht. Die Eintauchzeit wird größer, wenn der Durchmesser des Glaskörpers
> zunimmt Eine kürzere Salzbehandlungsdauer wiM bevorzugt, um die Wirksamkeit der Salzbehandlung zu
erhöhen und auch um eine Entglasung des Glases während der Behandlung zu vermeiden. Hierfür ist es
günstig, den Glaskörper bei einer Temperatur zu behandeln, bei welcher seine Viskosität 1010 Poise
erreicht
Da gegebenenfalls der Glaskörper mit Brechungsindexdradienten während längerer Zeitdauern Umgebungsbedingungen
von hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird, soll der Glaskörper eine gute Witterungsstabilität
besitzen, um eine Korrosion der Oberfläche des Glases und damit eine Verschlechterung der Lichtdurchlässigkeit
zu ve· hindern.
Der Glaskörper mit dem Brechungsgradier.ten wurde in folgender Weise hergestellt: Zunächst wurde die
lonenaustauschbehandlung durch Eintauchen eines Glasstabes von 1 mm Durchmesser während 20 Tagen
in ein Kaliumnitratschmelzbad von 4600C durchgeführt.
worauf die Konzentration des Thalliums an der Zentralachse des Stabes praktisch die gleiche wie vor
der Behandlung war, jedoch die Konzentration des Thall'ums kontinuierlich von der Achse zur Umcangsoberfläche
hin abnahm. Andererseits nahm die Konzentration des Kaliums von der Achse des Stabes zu deren
Umfangsoberflächen hin allmählich zu. Auf Grund der Verteilung des Thalliums innerhalb des Stabes wurde
die Verteilung des Brechungsindex entsprechend der Gleichung N = No (1 - ar2) erhalten. Für die Gewinnung
einer Glasfaser, welche zur Signalübertragung auf optischem Wege verwendbar ist, wird der Glasstab
heißgestreckt, um ein Lichtübertragungsglied mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm zu bilden. Wenn dieser
Stab in Abschnitte von 4,1 mm Länge geschnitten wird und die beiden Schnittflächen poliert werden, werden
zylindrische Linsen mit einem Brechungsindexgradienten und einer Brennweite von 1,6 mm, einem Aperturwinkel
von 32° und einem Auflösungsvermögen von 400 Linien je mm gebildet. Der Ausdruck »Aperturwinkel«
bezeichnet den Grenzwinkel der Breite des tatsächlichen Sichtfeldes der Linse und ist doppelt so
groß wie der kritische Einfallswinkel 6c, d. h. er beträgt
2 Qc, wobei der kritische Einfallswinkel von dem Licht, welches nach Durchgang an dem einen Ende der
zylindrischen Linse das andere Ende derselben ohne Auftreffen auf die Seitenoberfläche der Linse erreicht,
gebildet wird. Wenn die Länge der zylindrischen Linse gleich oder größer als ifl(2\J2a) ist, worin
<■? die Konstante der vorstehend angegebenen Gleichung
hinsichtlich der Verteilung der Brechungsindizes darstellt kann der Aperturwinkel 2 θο durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden.
6c
· ΔΝ,
worin ΔΝ die Differenz zwischen dem Brechungsindex an der Zentralachse der Linse No und dem Brechungsindex
an der Umfangsoberfläche Ni, d. h., /Vo-M ist. Bei kürzerer Linsenlänge als n/{2]/7a) wird der Aperturwinkel
allmählich größer, und die Brennbreite nimm; zu, wobei die Tiefenschärfe verringert wird. Da dies
unerwünscht ist, wird zumeist eine Linse mit einer Länge von etwa gleich π/{2 ]f2a) gewählt. Deshalb ist
der Aperturwinkel etwa gleich oder größer als .i/(2 /2a). Das Auflösungsvermögen gibt an. in welchem
Ausmaß die Linse Einzelteile des damit betrachteten Gegenstandes übertragen kann, und wird ausgedrückt
durch die maximale Anzahl von Linien, die bei einem parallele Linien enthaltenden Bild unterschieden werden
können.
Linsen mit einem Brechungsindexgradienten besitzen gegenüber gewöhnlichen Linsen mit gekrümmten
Oberflächen die Vorteile, daß
1. Linsen mit außerordentlich kleiner Apertur in der
Größenordnung von 0,3 bis 3 mm ohne komplizierte Arbeitsweisen hinsichtlich der Polierung von
gekrümmten Oberflächen erhalten werden können, wobei die Endoberflächen lediglich flach gemacht
werden, und
2. daß bei Verwendung als Objektivlinsen die Linse mit
Brechungsindexgradienten mit einer minimalen Länge der Brennweite gebildet werden, d. h. mit
einer Linsenlänge von etwa π/(2 ^2i), wobei Linsen
mit einer außerordentlich großen Tiefenschärfe erhalten werden, d. h. Linsen, bei welchen Gegenstände
mit Abmessungen von einigen Millimetern bis zu unendlich großen Abmessungen innerhalb
des Fokus liegen, und
3. daß das Auflösungsvermögen der Linse, obgleich
deren Aperturwinkel klein ist, gut ist
Diese Linsen können einzeln oder in Kombination als kleine optische Systeme, beispielsweise als Abstandobjektivlinsen
für Fiberskope oder nadeiförmige Endoskope oder in Lesegeräten von Computern verwendet
werden. Jedoch ist ein Aperturwinkel in der Größenordnung von 32° bei den gebräuchlichen Linsen mit
Brechungsindexgradienten nicht ausreichend zur Anwendung als Abstandobjektivlinsen von Fiberskopen
und nadeiförmigen Endoskopen, und die Entwicklung von Linsen mit Brechungsindexgradienten, die einen
größeren Aperturwinkel von oberhalb 45° gewährleisten, ist dringend erwünscht. Zur Vergrößerung des
Aperturwinkels muß der Wert von 2No · ΔΝ größer gemacht werden. In der Praxis kann jedoch der Wert No
nicht so groß gemacht werden. Bei Vergrößerung des Aperturwinkels muß daher der Wert von ΔN vergrößert
werden. Wenn daher /Vo bei 1,60 festgelegt wird und die Zahlenwerte in der vorstehend angegebenen Gleichung
substituiert werden, ergibt sich, daß die Werte von Δ Ν entsprechend den Aperturwinkeln von 30 und 60°
jeweils 0,020 bzw. 0,078 betragen. Um daher den Aperturwinkel von 30 bis 60° zu vergrößern, muß der
Wert ΔΝ etwa vervierfacht werden. Zur Herstellung von Linsen mit Brechungsindexgradienten und mit einer
großen Brechungsindexdifferenz ΔΝ ist der TbO-Gehalt
der verwendeten Glasmasse wesentlich, wobei ein großer Wert ΔΝ mit einer relativ geringen Änderung
der Konzentration erhalten wird. Für die Erzielung eines Aperturwinkels von oberhalb 45° muß die
Brechungsindexdifferenz ΔΝ nach Ausführung der Ionenaustauschbehandlung bei oberhalb etwa 0,05
liegen, und ein wichtiges Kriterium liegt darin, daß die
Glasmasse das TbO in einer Menge von oberhalb 5,5 Molprozent enthält
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines
optischen Glaskörpers von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher TbO und S1O2 enthält und einen
Brechungsindexgradienten aufweist, homogen ist und kaum Schlieren oder Blasen aufweist und eine
überlegene Transparenz und Witterungsbeständigkeit besitzt
Gemäß der Erfindung wird ein optischer Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher
ThO und S1O2 enthält, wobei die Konzentration der in
dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche so
abnimmt, daß der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche
abnimmt, geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er an seiner Zentralachse aus 50 bis 70
Molprozent SiOi, 10 bis 30 Molprozent B2O3, 10 bis 30
Molprozent (ΊΠ2Ο + R2O), wobei die Menge von ThO 1
bis 25 Molprozent beträgt und R wenigstens eines der Alkaliionen Na, K, Li, Cs und Rb bedeutet, besteht.
Hinsichtlich der Gewinnung eines Glases, das, verglichen mit üblichen Gläsern vom Brechungsindexgradiententyp,
homogen ist, kaum Schlieren oder Blasen enthält und eine ausgezeichnete Durchlässigkeit und
Witterungsbeständigkeit aufweist, wobei die Ionenaus^
tauschbehandlung in relativ kurzer Zeit bewirkt werden kann, wurden verschiedene Arten von Gläsern,
beispielsweise Silikatgläser, Borsilikatgläser, Boratgläser und Phosphatgläser, untersucht, wobei festgestellt
wurde, daß Gläser mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung gemäß der Erfindung diese Bedingungen
erfüllen.
Als Glaskörper, die für eine Signalübertragung auf optischem Wege geeignet sind, werden solche mit einem Gehalt von 1 bis 5,5 Molprozent TI2O bevorzugt. Wenn der Gehalt an TI2O niedriger als 1 Molprozent ist, ist dies ungünstig, da die Brechungsindexdifferenz ΔΝ auf unterhalb 0,005 erniedrigt wird. Andererseits ist ein Tl2O-Gehalt von 5,5 Molprozent ausreichend, um die notwendige Brechungsindexdifferenz zu erhalten, und jede weitere Erhöhung derTl2O-Menge ist unnötig.
Als Glaskörper, die für eine Signalübertragung auf optischem Wege geeignet sind, werden solche mit einem Gehalt von 1 bis 5,5 Molprozent TI2O bevorzugt. Wenn der Gehalt an TI2O niedriger als 1 Molprozent ist, ist dies ungünstig, da die Brechungsindexdifferenz ΔΝ auf unterhalb 0,005 erniedrigt wird. Andererseits ist ein Tl2O-Gehalt von 5,5 Molprozent ausreichend, um die notwendige Brechungsindexdifferenz zu erhalten, und jede weitere Erhöhung derTl2O-Menge ist unnötig.
Wie vorstehend angegeben, wird der Aperturwinkel der Linse von der Konzentration von TI2O bestimmt,
d. h, der Aperturwinkel wird größer, wenn die
Brechungsindexdifferenz ΔΝ zunimmt. Um einen Aperturwinkel von oberhalb 45° zu erhalten, muß der
Gehalt von ThO größer als 5,5 Molprozent sein. Wenn jedoch der Gehalt von TI2O den Wert von 25
Molprozent übersteigt, tritt leicht ein Entglasen des Glases ein, und das Glas neigt zu einer unerwünschten
Färbung.
Bei einem niedrigeren Gehalt an S1O2 als 50
Molprozent ist die Schmelztemperatur des Glases niedrig, wobei dies im Hinblick auf die dadurch bedingte
ausgeprägte Verschlechterung der Entglasungs- und Witterungsbeständigkeitseigenschaften nicht erwünscht
ist Falls aber der Gehalt von S1O2 erhöht wird, findet ein
abrupter Anstieg der Schmelztemperatur des Glases statt Eine Erhöhung des SiO2-Gehaltes auf oberhalb 70
Molprozent ist im Hinblick auf die Bildung von Schlieren auf Grund der Auflösung von Platin aus dem
Schmelztiegel und der Verflüchtigung des Thalliums ungünstig. Vorzugsweise liegt der SiO2-Gehalt im
Bereich von 50 bis 65 Molprozent Wenn dei SiOi-Gehalt 65 Molprozent überschreitet, wird keine
entsprechende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber Entglasung durch
einen erhöhten Zusatz von S1O2 erzielt
Der B2O3-Gehalt des Glaskörpers ist für dit
Erniedrigung der Schmelztemperatur des Glases, du Verbesserung der Witterungsbeständigkeit, die Verhin
derung der Entglasung während der Ionenaustauschbe handhing des Glaskörpers und die Verkürzung de
Badeintauchzeit während der Ionenaustauschbehand lung von Bedeutung. Wenn der B2O3-Gehalt niedrige
als 10 Molprozent ist, wird keine Erniedrigung de Schmelztemperatur erreicht, und es tritt eine Neigun;
zur Abnahme der Durchsichtigkeit und zur Bildung von
Schlieren auf Grund der Auflösung von Platin und der Verflüchtigung von Thallium auf. Weiterhin sind
Witterungsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Entglasung nicht zufriedenstellend. Wenn ein Glaskörper
mit einem niedrigeren B2O3 Gehalt als 10 Molprozent der Ionenaustauschbehandlung unterworfen
wird, wird das Glas dabei instabil, wobei sich häufig eine Entglasung einstellt. Der BKDs-Zusatz bewirkt auch
eine Erhöhung der Temperatur, bei welcher eine Viskosität des Glases von 1010 Poise — eine Viskosität,
die für das Eintauchen des Glases in das Salzbad zur Bewirkung des Ionenaustausches am besten geeignet ist
— erreicht wird. Durch die Einverleibung des B2O3 in das Glas in einer Menge oberhalb 10 Molprozent kann
diese Temperatur des Glases und infolgedessen diejenige des Salzbades erhöht werden, wodurch die
lonenaustauschbehandlungsdauer abgekürzt werden kann. Wenn daher der Gehalt an B2O3 weniger als 10
Molprozent beträgt, isu die Glasmasse zur Herstellung von Glaskörpern vom Brechungsindexgradiententyp
nicht geeignet.
Wenn der Gehalt an B2O3 30 Molprozent übersteigt, neigt das Glas zur Entglasung während der Schmelzformung
und während des lonenaustausches, und überdies wird seine Witterungsbeständigkeit verschlechtert.
Außerdem tritt der Nachteil auf, daß die Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von Temperaturänderungen
groß wird, wodurch sich Schwierigkeiten bei der Heißformung des Glaseis einstellen.
Der Gehalt des Glases an TI2O + R2O muß im
Bereich von 10 bis 30· Molprozent liegen. Bei einem niedrigeren Gehalt als 10 Molprozent tritt eine abrupte
Erhöhung der Schmelztemperatur auf, und außerdem besteht die Neigung zur Phasentrennung und zur
Bildung von Schlieren auf Grund der Verflüchtigung von TI2O. Dabei verursacht die Phasentrennung eine
Streuung des Lichtes und bedingt dadurch einen Lichtverlust Dies ist insbesondere nachteilig, falls der
Glaskörper für Signa.lübertragungen auf optischem Weg vorgesehen ist.
Wenn andererseits der Gehalt an (TlK) + R2O) 30
Molprozent übersteigt, ist die Schmelztemperatur niedrig, und der Schmelzvorgang wird erleichtert
Jedoch wird dadurch die Witterungsstabilität und die Stabilität gegenüber Entglasung beeinträchtigt wobei
sich auch eine Neigung zur Erhöhung des Lichtverlustes des Glases einstellt
Die Gläser können Übergangsmetallionen, wie Fe, Ni und Co als Verunreinigungen, enthalten, wobei diese
Ionen Licht absorbieren und dadurch Verluste hinsichtlich der Lichtdurchlässigkeit des Glases verursachen.
Die Lichtabsorption von Strahlen mit relativ großen Wellenlängen ist bei Ionen mit einer Koordinationszahl
von 4 größer als bei Ionen mit einer Koordinationszahl 6. Wenn der Gehalt an (ThO + R2O) erhöht wird,
nimmt die Menge der Honen mit der Koordinationszahl 4 zu, und infolgedessen nimmt auch der Verlust durch
Lichtabsorption selbst dann zu, wenn die Menge der enthaltenen Übergangsmetalle die gleiche ist Von den
Alkalimetallen R wird Natrium insbesondere bevorzugt, sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Eigenschaften (Neigung zur Entglasung od. dgl).
Bei Erhöhung des Gehaltes an ThO wird das Glas plötzlich instabil und neigt zur Entglasung, wobei auch
seine Witterungsbestäradigkeit verschlechtert wird. Ein
Glas, das noch keiner Ionenaustauschbehandlung unterworfen wurde, kann selbst in dem Fall ohne
Entglasung erhalten werden, wenn die Bestandteile lediglich SiCh, B2O3, TbO und R2O umfassen. Da jedoch
ein Glaskörper mit einem Brechungsindexgradienten während einer beträchtlichen Zeitdauer der lonenaustauschbehandlung
bei einer Temperatur, bei welcher die Viskosität des Glases etwa 1010 Poise erreicht, d. h. einer
Temperatur, bei welcher das Glas zur Entglasung neigt, unterworfen wird, darf die Glasmasse nicht Bestandteile,
wie RO, die die Entglasung fördern, enthalten. Zur Verhinderung dieser Entglasung wird den Glasmassen
gemäß der Erfindung vorzugsweise mindestens eine der Verbindungen R'O, R"2Cb (unter Ausschluß von B2O3)
und R'"O2 (unter Ausschluß von S1O2) in einer
Gesamtmenge von 1 bis 20 Molprozent einverleibt Im allgemeinen wird die Schmelztemperatur des Glases
infoige der Einverleibung von R'O, R"2O3 und R'"O2
erhöht. Deshalb ist der Zusatz dieser Verbindungen in Mengen oberhalb 20 Molprozent ungünstig. Die
Gesamtmenge von S1O2 + B2O3 + TI2O + R2O soll
mindestens 80 Molprozent der Glasmasse betragen. Die durch R' dargestellten Ionen umfassen Mg2+, Ca2 + ,
Ba2 + , Zn2+ und Pb2 + . Die Durch R" dargestellten Ionen
sind z. B.Al3+ und die durch R'" dargestellten Ionen sind beispielsweise Sn4+ und Ti4+. Die Entglasung wird
insbesondere vorteilhaft durch den Zusatz von Mg2 + ,
Ca2+ und Zn2+ verhindert. Hiervon wird Zn2+ besonders
bevorzugt, da bei dessen Anwendung kaum irgendein Anstieg der Schmelztemperatur eintritt.
Durch die Einverleibung von etwa 2 bis 15 Moiprozent
ZnO wird ein Glas erhalten, das während der Ionenaustauschbehandlung kaum entglast und außerdem
eine gute Witterungsstabilität besitzt.
Die Glaskörper gemäß der Erfindung können Spuren von beispielsweise AS2O3 enthalten. Andererseits werden
vorzugsweise Maßnahmen getroffen, die gewährleisten, daß Oxyde der Übergangsmetalle, die die
Durchlässigkeit des Lichtes durch den Glaskörper hindern oder beeinträchtigen, nicht in das Glas
eingemischt werden. Insbesondere bei Glaskörpern, die für die Signalübertragung auf optischem Wege vorgesehen
sind, muß gewährleistet werden, daß die Menge derartiger Verunreinigungen auf einen Wert von
nahezu 0 gebracht wird.
Ein Glasstab oder eine Glasfaser mit rundem Querschnitt mit der Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung wird mit einer Schmelze eines Alkalisalzes, z. B. Natrium- oder Kaliumsalzes, in Berührung gebracht um den Austausch von Thalliumionen gegen Alkaüionen durchzuführen. Der Austausch findet in zunehmend größerer Menge in Nähe der Umfangsoberfläche des Glasstabes als in dessen Innerem statt wodurch der Glaskörper mit einem Brechungsindexgradienten erhalten wird
Die Änderungen in der Verteilung dieser Ionen und der Verteilung der Brechungsindizes im Verlauf dei
Ein Glasstab oder eine Glasfaser mit rundem Querschnitt mit der Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung wird mit einer Schmelze eines Alkalisalzes, z. B. Natrium- oder Kaliumsalzes, in Berührung gebracht um den Austausch von Thalliumionen gegen Alkaüionen durchzuführen. Der Austausch findet in zunehmend größerer Menge in Nähe der Umfangsoberfläche des Glasstabes als in dessen Innerem statt wodurch der Glaskörper mit einem Brechungsindexgradienten erhalten wird
Die Änderungen in der Verteilung dieser Ionen und der Verteilung der Brechungsindizes im Verlauf dei
schmelze in Berührung gebracht ist, wird nachstehenc
an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert
radialem Abstand von der Zentralachse einer Quer schnittsfläche senkrecht zur Zentralachse des Glassta
bes gezeigt
Zu Beginn der Ionenaustauschbehandlung erfolgt dei
Ionenaustausch in dem Glasstab nahe an seinei Umfangsoberfläche. Die ausgezogene Linie 1 voi
F i g. 1 zeigt, daß die Konzentration der Thalliumionei
innerhalb des Stabes in Nähe der Zentralachse zt diesem Zeitpunkt praktisch gleich der Konzentratioi
609 642'218
881
vor der Ionenaustauschbehandlung ist, wohingegen die
Konzentration der Thalliumionen in Richtung zur Umfangsoberfläche stark abnimmt. Die Konzentration
der in den Glasstab eindiffundierenden Alkaliionen, beispielsweise Kaliumionen, nimmt von der Oberfläche
zu der Zentralachse hin ab, wobei in Nähe der Zentralachse deren Konzentration praktisch gleich Null
ist, wie dies durch die gestrichelte Linie Γ in Fig. 1
gezeigt ist. Im Verlauf der Kontaktzeit schreitet der Ionenaustausch zum Inneren des Glasstabes fort, wobei ι ο
die Kaliumionen weiter nach innen diffundieren. Die Konzentration der Thallium- und Kaliumionen zu dem
Zeitpunkt, bei welchem die Kaliumionen praktisch die Zentralachse erreicht haben, wird durch die Kurven 2
und 2'in F i g. 1 dargestellt. Bei weiterem Fortschreiten des Ionenaustausches werden Konzentrationen der
Thallium- und Kaliumionen erhalten, wie sie durch die Kurven 3 und 3' von F i g. 1 gezeigt sind. Die
Konzentrationen der Thalliumionen nehmen von der Zentralachse zur Umfangsoberfläche in einem Verhältnis
entsprechend etwa dem Quadrat des Radialabstandes ab, wie dies aus den Kurven 2 und 3 ersichtlich ist.
Hierdurch wird die Konzentration der Thalliumionen in Nähe der Zentralachse des Stabes niedriger als vor dem
Ionenaustausch, und die Konzentration der Kaliumionen wird in Nähe der Zentralachse des Glasstabes
höher.
Die Brechungsindizesverteilungen des Glasstabes entsprechend den Konzentrationen gemäß F i g. 1 sind
in Fig.2 an Hand der Kurven 1", 2" und 3" jeweils
entsprechend der Thalliumionenkonzentration der Kurven 1, 2 und 3 von F i g. 1 veranschaulicht. Die
Brechungsindexkurve 1" erfüllt die Gleichung N = No (1 —ar1) nicht, während die Brechungsindexkurven 2"
und 3" diese Gleichung erfüllen. Demgemäß wird die geeignete Berührungsdauer so bestimmt, daß die
Thalliumkonzentration die durch Kurven 2 und 3 angegebene Verteilung erreicht und die durch die
Kurven 2" und 3" angegebene Brechungsindexverteilung erzielt wird. Eine zu lange Berührungsdauer ist
ungünstig, da hierdurch der Gradient der Konzentrationen der Metallionen und der Gradient der Brechungsindizes
verringert wird, wobei die erforderliche Höhe von ΔΝ, d. h. der Differenz der Brechungsindizes zwischen
der Zentralachse und der Umfangsoberfläche, nicht erhalten werden kann.
Wenn der Glasstab vor der Ionenaustauschbehandlung Thalliumionen und Ionen eines Alkalimetalls,
beispielsweise Natriumionen, enthält, ergibt die Konzentration der Natriumionen gewöhnlich ähnliche
Kurven wie die Konzentration von Thalliumionen gemäß der Kurven 1,2 und 3 infolge des Ionenaustausches.
Da die Natrium- und Kaliumionen größere Diffusionsgesdiwindigkeiten als die Thalliumionen
besitzen, kann der Ionenaustausch zwischen den in dem Glasstab enthaltenen Natriumionen und den Kaliumionen einer äußeren Quelle erfolgen. Jedoch wird der
Brechungsindex durch einen Ionenaustausch zwischen Natrium und Kalium kaum geändert Daher beeinflussen die Gradienten der Konzentrationen dieser Ionen
den Gradienten der Brechungsindizes des Glasstabes kaum, so daß der Brechungsindexgradient hauptsächlich
auf den Gradienten der Konzentration der Thalliumionen zurückzuführen ist
Die Konzentration der Thalliumionen an der Umfangsoberfläche des Glasstabes gemäß der Erfindung ist zumeist praktisch Null, wobei es jedoch nicht
unbedingt notwendig ist daß der Wert Null erreicht wird. So kann bisweilen der Wert 4/Vdurch Zusatz einer
geringen Menge von Thalliumionen zu der Quelle für die Alkaliionen, die gegen die in dem Glas enthaltenen
Thalliumionen ausgetauscht werden sollen, gesteuert werden, wobei in diesem Fall die Konzentration der
Thalliumionen an der Umfangsoberfläche nicht Null wird.
In der Querschnittsfläche senkrecht zur Zentralachse des Glaskörpers gemäß der Erfindung sind die
Konzentrationen der anderen Komponenten außer TbO und R2O, beispielsweise von S1O2, B2O3 od. dgl.
praktisch konstant in radialer Richtung beibehalten Auch die Gesamtkonzentration von TbO und R2O in
Molprozent wird in radialer Richtung im wesentlichen unverändert beibehalten.
Die Temperatur, bei welcher der homogene Glasstab mit der Alkalisalzschmelze in Berührung gebracht wird
sollte mindestens 4000C sein, damit die im Glasstab enthaltenen Thalliumionen diffundieren können. Bei
einer zu hohen Behandlungstemperatur neigt jedoch der Glasstab zur Verformung, und daher sollte die
Temperatur beim Inberührungbringen vorzugsweise einen Wert von 600° C nicht übersteigen.
Der so erhaltene Glasstab mit dem Brechungsindexgradienten wird erforderlichenfalls heißgestreckt, um
seinen Durchmesser zu verringern. Auf diese Weise wird ein lichtdurchlässiger Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp
mit der gewünschten Brechungsindexverteilung erhalten.
Wenn ein solcher Glasstab senkrecht zu seiner Zentralachse geschnitten wird und die Schnittflächer
poliert werden, wird eine zylindrische Linse mit dem gewünschten Brechungsindexgradienten erhalten.
Der Durchmesser der Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp trägt im allgemeinen 0,03 bis 10 mm
und die Differenz zwischen den Brechungsindizes an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche des
Glaskörpers ΔΝliegt im Bereich von 0,005 bis 0,15. Bei
einem für die Signalübertragung auf optischem Wege vorgesehenen Glaskörper soll die Differenz zwischen
den Brechungsindizes an der Zentralachse und der Umfangsoberfläche ΔΝ vorzugsweise im Bereich von
0,005 bis 0,06 liegen, während der Wert der Konstante ί
m der Gleichung der Brechungsindexverteilung im Bereich von 0,02 bis 20 000 cm-2 und vorzugsweise von
0,1 bis 10 000 cm-2 liegen soll. Andererseits sollte die Differenz der Brechungsindizes zwischen der Zentralachse
und der Umfangsfläche AN eines als Linse zu verwendenden Glaskörpers im Bereich von 0,05 bis 0,15
liegen, wobei der Wert der Konstante a in der Gleichung der Brechungsindexverteilung im Bereich
von 0,1 bis 1000 cm-2 und vorzugsweise 0,5 bis 300 cm-:
liegen soll. Die auf diese Weise hergestellten Linsen haben einen Aperturwinkel von 45 bis 80°. Die
Brennweite / einer solchen Linse wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben
JMj ]fla sin ((/Ιοί)
worin
t
die Linsenlänge angibt
Dabei sind natürlich von den den angegebener Werten für a und r nur solche Wertepaare brauchbar
die für N an der Oberfläche einen physikalisch sinnvollen Wert ergeben.
3
ii Kj
kürzesten wird, wird durch den Ausdruck nr/(2 j/2a),
multipliziert mit einer ungeraden Zahl, angegeben, wobei die Brennweite 1/(M>
/2~i) beträgt. Wenn parallele Lichtstrahlen durch eine Linse mit einer
solchen Länge hindurchgehen, gelangen sie zu einem Brennpunkt an der Endoberfläche dieser Linse. Eine
Linse, die aus einem Glaskörper gemäß der Erfindung so geschnitten wurde, daß die Brennweite einen
minimalen Wert annimmt, besitzt üblicherweise eine Brennweite im Bereich von 14,0 bis 0,3 mm.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.
In Tabelle I sind die Eigenschaften eines Glaskörpers A aus einer üblichen Standardzusammensetzung, eines
Glaskörpers B für Vergleichszwecke und von Glaskörpern 1 bis 11 gemäß der Erfindung angegeben. Die
Glaskörper 1 bis 7 gemäß der Erfindung sind insbesondere für Signalübertragungen auf optischem
Wege geeignet, während die Glaskörper 8 bis 11 gemäß
der Erfindung zur Verwendung als Linsen brauchbar sind. Diese Glaskörper sind aus Ausgangsmaterialien
von im wesentlichen gleicher Reinheit hergestellt, die bei den in der Tabelle angegebenen Schmelztemperaturen
unter Verwendung von Platinschmelztiegeln geschmolzen wurden. Der Brechungsindex von diesen
Gläsern und die Temperatur, bei welchen deren Viskosität den Wert von 1010 Poise erreicht, sind
ebenfalls in der Tabelle aufgeführt. Glasstäbe mit einem Durchmesser von 1,0 mm und einer Länge von etwi
100 cm werden aus diesen Gläsern hergestellt. Di( erhaltenen Stäbe werden dann in ein geschmolzene:
Bad von KnCb bei den in Tabelle 11 angegebener Temperaturen und während der darin genannter
Zeitdauer eingetaucht, worauf sie aus dem Bad entfern werden. Die so behandelten Glasstäbe besitzen
abgesehen von ihren beiden Endteilen, die in Tabelle II
angegebenen Zusammensetzungen an der Zentralachsi
ίο und an der 'Jmfangsoberfläche und überdies die ii
Tabelle IV angegebenen Brechungsindizes an de Zentralachse und an der Umfangsoberfläche. Es wurd<
festgestellt, daß die Komponenten TbO und K2O jeweil:
eine kontinuierliche Abnahme bzw. Zunahme von de Zentralachse des Glasstabes zu dessen Umfangsoberflä
ehe aufweisen. Die Brechungsindizes zeigen ein< kontinuierliche Abnahme von der Zentralachse de:
Glasstabes zu seiner Umfangsoberfläche. Die Vertei lung dieser Brechungsindizes entsprach im wesentlicher
der vorstehend angegebenen Gleichung, wobei de Wert von a ii: Tabelle IV angegeben ist.
Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß bei einer gebräuchli chen Glaszusammensetzung die Zeitdauer, wahrem
welcher der Glasstab in das Salzbad eingetaucht werdei mußte, von 300 auf 480 Stunden verlängert wurde
wohingegen bei den Glasmassen gemäß der Erfindunj eine kurze Eintauchzeitdauer von weniger als 250 Stun
den ausreichend war.
Übliches Glas | B | B | Erfindungsgemäßes Glas | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 4 | Nr. 5 | Nr. 6 | Nr. 7 | Nr. 8 | Nr. 9 | Nr. 10 | Nr. 11 | |
A | Nr. 1 | |||||||||||||||
Glaszusam | ||||||||||||||||
mensetzung | ||||||||||||||||
(Molprozent) | 67,2 | 60,0 | 65,0 | 57,4 | 60,0 | 53,0 | 57,0 | 58,2 | 55,9 | 61,5 | 51,0 | |||||
S1O2 | 70,2 | 83 | 60,0 | 20,0 | 15,0 | 143 | 15,0 | 25,0 | 14,0 | 19,3 | 18,7 | 21,0 | 11,0 | |||
B2O3 | 0 | 18,6 | 15,0 | 16,0 | 16,0 | 20,0 | 23,0 | 9,0 | 10,0 | 13,7 | 9,3 | 6,5 | 3,2 | |||
Na2O | 17,0 | 5,9 | 21,0 | 4,0 | 4,0 | 3,8 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,8 | 9,3 | 8,0 | 17,8 | |||
TI2O | 3,3 | 0 | 4,0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||
PbO | 9,5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4,4 | 0 | 10,0 | 5,0 | 3,0 | 6,8 | 3,0 | 12,0 | |||
ZnO | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 10,0 | 0 | 0 | 0 | 5,0 | |||
K2O | 0 | 1350 | 0 | 1200 | 1250 | 1200 | 1200 | 1250 | 1200 | 1150 | 1200 | 1250 | 1200 | |||
Schmelztem | 1300 | 1150 | ||||||||||||||
peratur (0C) | 1,585 | 1,54 | 1,54 | 1,55 | 1,53 | 144 | 1,55 | 1,580 | 1,625 | 1,625 | 1,680 | |||||
Brechungs | 1,60 | 1,55 | ||||||||||||||
index | 480 | 550 | 560 | 520 | 540 | 590 | 520 | 510 | 500 | 520 | 490 | |||||
Temperatur | 460 | 520 | ||||||||||||||
bei der Vis | ||||||||||||||||
kosität von | ||||||||||||||||
10'° Poise | ||||||||||||||||
CQ | ||||||||||||||||
Tabelle II | Übliches Glas | Erfindungsgemäßes Glas | ||||||||||||||
A | Nr. 1 | Nr. 4 | Nr. 5 | Nr. 6 | Nr. 7 | Nr. 8 | Nr. 9 | Nr. 10 | Nr. 11 | |||||||
Salzbad- 460 480 520 550 560 520 540 590 520 510 500 520 490
temperatur
Eintauchzeit 480 300 96 72 72 96 96 100 96 200 180 180 220
(Stunden)
13
14
Übliches Glas A B |
■ Ober | Erfindungsgemäßes C Nr. 1 Nr. 2 |
Erfindungsgemäßes Glas Nr. 6 Nr. 7 |
Mitte | Ober | Ober | Übliches Glas Erfindungsgemäßes Glas | B Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 4 | Mine | 31as | Nr. 9 | Nr. 3 | Nr. 4 | 7 | 57,4 57,4 | Nr. | 5 | fläche | |
Mitte Ober- Mille | fläche | Mine | Mitte Ober | fläche | fläche | A | Ober | Mitte | Mine | Ober- Mitte Ober | 143 143 | Mitte Ober- | ||||||||||
fläche | fläche | flache | fläche fläche | 7,0 6,0 | ||||||||||||||||||
GSaszusammen- | 3.8 0.8 | |||||||||||||||||||||
setzung | 57.0 | 57.0 | 0 0 | 60 | ||||||||||||||||||
(Molprozent) | 672 | 53,0 53.0 | 14,0 | 14.0 | 60,0 | 60.0 | 55,9 | 13.1 17.2 | 15 | |||||||||||||
SiO2 | 702 7O^ 672 | 83 | 60.0 | 25,0 25,0 | 3,0 | 2,7 | 15,0 | 20.0 | 60,0 | 18,7 | 65 | 65 | 4,4 43 | 60 | 7 | |||||||
B2O3 | O O 83 | 52 | 15,0 | 3,0 2,5 | 3,7 | 0.4 | 6,0 | 6.0 | 20,0 | 3,0 | 15 | 15 | 15 | 0,3 | ||||||||
NaX) | 6.0 5,0 62 | 0,8 | 7.0 | 2,7 03 | 0 | 0 | 0.8 | 4.0 | 5.0 | 93 | 6 | 5 | Nr. 10 | 8 | 0 | |||||||
TI2O | 33 0.5 53 | 0 | 4,0 | 0 0 | 173 | 203 | 0 | 0 | 0.8 | 0 | 4 | 0,8 | Mitte Ober | 2 | 17,7 | |||||||
PbO | 9.5 93 0 | 18,5 | 0 | 6,3 9,2 | 5,0 | 5,0 | 182 | 10.0 | 0 | 6,3 | 0 | 0 | fläche | 0 | 0 | |||||||
K.2O | 11,0 15.0 12.4 | 0 | 14 | 10.0 10.0 | 0 | 0 | 142 | 6,8 | 10 | 142 | 15 | |||||||||||
ZnO | 0 0 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||||||||||||
Tabelle Hl (Fortsetzung) | Nr. 8 | 61,5 61,5 | Ober | |||||||||||||||||||
Mitte | Ober | Nr. 6 | 21.0 21,0 | Nr. 11 | fläche | |||||||||||||||||
fläche | Ober | 2,3 1,5 | Mitte | |||||||||||||||||||
fläche | 8,0 1,2 | |||||||||||||||||||||
Glaszusammenset | 0 0 | 51,0 | ||||||||||||||||||||
zung (Molprozent) | 582 | 582 | 4,2 11.8 | 11,0 | ||||||||||||||||||
SiOi | !93 | 193 | 55,9 | 3.0 3,0 | 51,0 | 1,0 | ||||||||||||||||
B2O3 | 4,5 | 3,5 | 18,7 | 11,0 | 22 | |||||||||||||||||
NaX) | 5,8 | 0,8 | 2,5 | 1.4 | 0 | |||||||||||||||||
TlX) | 0 | 0 | 1,5 | Nr. 8 Nr. 9 | 16,8 | 22,8 | ||||||||||||||||
PbO | 92 | 152 | 0 | 0 | 12,0 | |||||||||||||||||
KX) | 3,0 | 3,0 | 14,64 | 7,8 | ||||||||||||||||||
ZnO | 6.8 | 12,0 | ||||||||||||||||||||
Tabelle IV | Nr. U | |||||||||||||||||||||
Nr. 5 | ||||||||||||||||||||||
Nr. | Nr. 10 | |||||||||||||||||||||
Brechungs- 1.60 1.585 155 1.54 1,54 1,55 1,53 1.54 1,55 1,580 1.625 1,605 1,675
index in der Mitte
Brechungs- 1.57 1,535 1,51 1,50 UO 1,51 UI 1,51 1,51 1,530 1.545 1,540 1,550
index an der Oberfläche
Wert von a 7,5 13 103 10,4 10,4 103 52 7.8 10,3 13 20 16 c 30
(cm 2)
Verlust mit 220 - 90 130 90 80 100 150 120 -
Licht vorr 1 - «> I - 00
0,63 μ (dB/km)
Verlust mit 130 - 60 70 60 55 65 80 70
Licht von 1,06 μ (dB/km)
Linsenlänge 4,1 3.1 ------- 3^ 2·5 2'8 2·0
entsprechend (mm)
Tabelle IV (Fortsetzung)
Ühliche-i Glas Erfindungsgemäßes Glas
AB Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8 Nr. 9 Nr. 10 Nr. 11
Brennweite 1,6 1.2 — (mm)
Fokustiefe 2 — 00 2 — « —
1,0 1,1
0,8
1 — 00 1 — 00 1 — 00 1 — <
(Fortsetzung)
Übliches Glas Erfintiungsgeniaucs CJljs
A B NrI Nr.-' Nr. 3 Nr. 4 \r. 5 Nr. b Nr. 7 Nr. 8 Nr. 1 Nr. 10 Nr. 11
Apertur- 32 45 _______ 48 60 54 75
winkel (Grad)
Auflösungs- 400 30 - - - - - - - 500 500 500 500
vermögen
(Linien/mm)
(Linien/mm)
Witterungs- 48 71 168 120 120 ober- 192 192 288 288 240 240 144 beständig- halb
keitstest (Stunden)
Die Glasstäbe 1 bis 7 wurden mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 cm je Minute in einen erhitzten Ofen bei
etwa 680° C mit einer Länge von etwa 20 cm eingeführt
und mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 cm je Minute abgezogen, wobei eine Glasfaser mit einem
Durchmesser von etwa 0,1 mm und mit einer Länge von etwa 90 m erhalten wurde. Es wurde festgestellt, daß die
Glaszusammensetzung, ausgedrückt in Molprozent, an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche dieser
Glasfaser und deren Brechungsindizes im wesentlichen den entsprechenden Werten vor der Streckbehandlung
des Glasstabes gleich waren. Die innere Brechungsindexverteilung entsprach ebenfalls der vorstehend
angegebenen Gleichung, und es wurde durch Messung festgestellt, daß der Wert von a dieser Gleichung in
jedem Fall etwa das lOOfache des Wertes von a, wie in Tabelle IV angegeben, betrug. Wenn die Enden dieser
Glasfaser so poliert wurden, daß die Endoberflächen senkrecht zur Zentralachse der Faser vorlagen und
Lichtimpulse von einem Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 0,63 Mikron von dem einen Ende der
Faser her durchgeleitet wurden, war keine Impulsverzerrung beobachtbar.
Der Übertragungsverlust auf Grund von Absorption und Streuung des Lichtes innerhalb der Faser je
Einheitslänge der Faser (dB/km) ist in der Tabelle IV angegeben. Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn
Lichtimpulse unter Verwendung eines YAG-Lasers an Stelle des Helium-Neon-Lasers durch die Glasfaser
geleitet wurden. Der Übertragungsverlust in diesem Fall
ist ebenfalls in Tabelle IV angegeben.
Die Ergebnisse der vorstehenden Tabelle zeigen, daß, während bei einer gebräuchlichen Glasmasse der
Verlust mit Licht von 0,63 Mikron und 1,06 Mikron 220 dB/km und 130 dB/km betrug, der Verlust bei
Glaskörpern gemäß der Erfindung im Höchstfall 150 dB/km bnr. 80 dB/km betrug. Die Hauptgründe für
diesen geringen Lichtverlust bei Glaskörpern gemäß der Erfindung sind die folgenden: Zunächst können die
erfindungsgemäßen Gläser bei relativ niedriger Temperatur, nämlich unterhalb 1250° C geschmolzen werden.
Daher ist der Lichtabsorptionskoeffizient auf Grund der Auflösung von Platin in das Glas aus dem Platinschmelztiegel
gering, und überdies wird die Ausbildung von Schlieren auf Grund der Verflüchtigung von Glasmaterialien
verhindert. Obwohl die unerwünschten Übergangsmetallverunreinigungen, die in das Glas aus den
Rohmaterialien eintreten, im Falle der erfindungsgemäßen Gläser ebenso wie im Falle der üblichen Gläser
gleich sind, ist der Lichtverlust bei den erfindungsgemäßen Gläsern geringer, da der Lichtabsorptionskoeffizient
auf Grund der ÜbergangsmetaUverunreinigungen
bei den Gläsern gemäß der Erfindung niedriger ist.
Die GJasstäbe 8 bis 11 wurden senkrecht zur Zentralachse in Abschnitte geschnitten, wobei zylindrische
Linsen mit einer Länge von π/(2|/2β) mit
minimalen Brennweiten erhalten wurden. Die Schnittflächen jeder so erhaltenen Linse wurden poliert, um zu
gewährleisten, daß die Schnittflächen der Linsen eine plane Oberfläche senkrecht zur Zentralachse der Stäbe
aufweisen. Die Bestimmungen der Brennweite, der Fokustiefe, des Aperturwinkels und des Auflösungsvermögens
dieser Linsen sind in Tabelle IV angegeben. Die Fokustiefe bezeichnet den Bereich der Abstände, bei
welchen ein Gegenstand, der in einem gegebenen Abstand vor dem vorderen Ende einer Linse angeordnet
ist, ein klares Bild auf einem in Berührung mit dem hinteren Ende der Linse angebrachten Schirm bildet.
Das Auflösungsvermögen wird in folgender Weise gemessen: Eine Karte, auf welcher parallele Linien
eingezeichnet sind, wird etwa 30 cm vor der Linse, die geprüft werden soll, angebracht und auf eine unmittelbar
hinter der Linse angeordnete Trockenplatte photographiert. Die Trockenplatte wird dann entwikkelt
und die Bilder werden durch ein Mikroskop beobachtet
Die maximale Anzahl der parallelen Linien, die getrennt je Millimeter auf der entwickelten Trockenplatte
gesehen werden können, wird bestimmt und als Auflösungsvermögen angegeben.
Zur Prüfung der Witterungsbeständigkeit der Glaskörper
1 bis 11 wurden diese in einen geschlossenen Behälter gebracht, der Luft bei einer Temperatur von
60° C und einer relativen Feuchtigkeit von 100% enthielt und die Zeitdauer, bei welcher Änderungen
(Schleier) auf der Glasoberfläche in Erscheinung traten, wurde bestimmt Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind
ebenfalls in Tabelle IV aufgeführt. Wenn ein Glas eine Witterungsbeständigkeit von etwa 96 Stunden bei dem
vorstehend beschriebenen Versuch aufweist, besitzt das Glas eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit für
praktische Anwendungszwecke. Die Witterungsbeständigkeit der gebräuchlichen Glasmassen betrugen 48
bzw. 72 Stunden, wohingegen die Gläser gemäß der Erfindung eine Witterungsbeständigkeit von mehr als
120 Stunden aufwiesen.
Die Glaskörper gemäß der Erfindung besitzen die folgenden Vorteile:
1. Da die Schmelztemperatur niedrig ist, ist das Ausmaß des Auflösens von Platin gering, wenn das
Glas in einem Platinschmelztiegel geschmolzen wird, und da die Verflüchtigung der Glasbestandtei-
le verringert werden kann, werden Gläser von hoher Transparenz und hoher Homogenitat erhalten.
.
2. Da die Ionenaustauschbehandlungstemperatur hoch
ist, ist keine lange Zeitdauer für die Ionenaustauschbehandlung
zur Einführung des Brechungsindexgradienten erforderlich, so daß die Gefahr der
Entgasung der Gläser während dieser Behandlung herabgesetzt ist.
3. Da die Witterungsstabilität der Gläser gemaU der
Erfindung verbessert ist, tritt eine markante Verlängerung der Gebrauchsdauer der GJaskorper
ein. .
Gemäß der Erfindung ist es möglich, durch eine relativ kurzzeitige lonenaustauschbehandlung Linsen
vom Brechungsindexgradiententyp mit eine.n Aperturwinkel
von mehr als 45° herzustellen, deren Herstellung bisher mit Wesentlichen Schwierigkeiten verbunden
war. Die so erhaltenen Linsen besitzen neben ihrem guten Auflösungsvermögen und ihrer guten Witterungsstabilität auch eine große Fokustiefe. Infolgedessen sind
die so erhaltenen Linsen als Abstandsobjektivlinsen von Fiberskopen, die ein breites Gesichtsfeld erfordern,
besonders brauchbar.
Bei Verwendung eines Glaskörpers gemäß der Erfindung als Abstandsobjektivlinsen in einem Fiberskop
wird im allgemeinen eine Linse mit einer Länge verwendet, die etwas größer als .t/(2y7a) ist, d. h. eine
Linse mit einer Länge, in der ein Objekt etwa 5 mm vor der Vorderoberfläche der Linse ein Bild an der
Rückseite der Linse bildet. Wenn diese Linse an die Abstandsoberfläche eines optischen Faserbundeis eines
Ftoerckopes mittels eines transparenten Klebstoffes befestigt wird, hat diese Linse eine Fokustiefe von 1 rron
bis unendlich. Deshalb ist ein Fokussiermechanismus,
der im Fall der üblichen Fiberskope notwendig war, be·
Verwendung der Linsen gemäß der Erfindung nicht mehr erforderlich. ,, , ,. „
Die Ausführung der lonenaustauschbehandlung muß nicht unbedingt durch Eintauchen der Gläser in ein
geschmolzenes Salzbad erfolgen, sondern kann auch nach anderen Arbeitsweisen, wie sie z.B. in der
Japanischen Patentveröffentlichung 823/1972 angegeben sind, erfolgen, wobei das Glas in dem inneren Tiegel
eines Platindoppeltiegels geschmolzen wurde, wahrend in dem äußeren Tiegel eine andere Klasse von Glas mn
einem Gehalt an Aikaliionen geschmolzen wird, worauf
eine gegenseitige Wärmediffusion der m dem inneren Tiegel enthaltenen Thalliumionen und der in dem
äußeren Tiegel enthaltenen Alkaliionen während des Soinnens der Glasfaser aus dem Platindoppeltiegel so
herbeigeführt wird, daß ein Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp erhalten wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Optischer Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher TlK) und SiCh
enthält, wobei die Konzentration der in dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich
von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche so abnimmt, daB der Brechungsindex des Glaskörpers
kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umf angs- ι ο
oberfläche abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daB er an seiner Zentralachse aus 50 bis
70 Molprozent S1O2, 10 bis 30 Molprozent B2O3, 10
bis 30 Molprozent (TbO + R2O), wobei die Menge
von TbO 1 bis 25 Molprozent beträgt und R wenigstens eines der Alkaliionen Na, K, Li, Cs und
Rb bedeutet, besteht
2. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er 1,0 bis 5,5 Molprozent TI2O an seiner
Zentralachse enthält
3. Glaskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 50 bis 65 Molprozent S1O2 an
seiner Zentralachse enthält
4. Glaskörper nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als weitere Bestandteile an
seiner Zentralachse insgesamt 0 bis 15 Molprozent MgO, CaO, BaO, ZnO, PbO, AI2O3, SP.O2 oder T1O2
oder Mischungen hiervon enthält.
5. Glaskörper nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als zusätzlichen Bestandteil
an seiner Zentralachse 2 bis 15 Molprozent ZnO enthält
6. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß er an seiner Zentralachse 54 bis 25
Molprozent TbO enthält
7. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß er an seiner Zentralachse 50 bis 65
Molprozent S1O2,10 bis 25 MoJprozent B2O3 und 15
bis 30 Molprozent (TI2O + R2O), wobei TI2O in einer
Menge von 5,5 bis 25 Molprozent vorhanden ist enthält
8. Glaskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse als weitere
Bestandteile insgesamt 1 bis 20 Molprozent MgO, CaO, BaO, ZnO, PbO, AI2O3, SnOi oder T1O2 oder
Mischungen hiervon enthält
9. Glaskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß er an seiner Zentralachse als
zusätzlichen Bestandteil 2 bis 15 Molprozent ZnO enthält.
zylindrische Linsen mit der gleichen Funktion, wie konvexe Linsen, erhalten.
Vorzugsweise nimmt der Brechungsindex von der Zentralachse zur Umfangsobenläche des Glaskörpers
parabolisch ab, d. h, es liegt eine Verteilung der Brechungsindizes vor, die im wesentlichen durch die
folgende Gleichung wiedergegeben wird:
- afi).
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP47025018A JPS5129524B2 (de) | 1972-03-10 | 1972-03-10 | |
JP2501872 | 1972-03-10 | ||
JP3233772 | 1972-03-30 | ||
JP3233772A JPS5317605B2 (de) | 1972-03-30 | 1972-03-30 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2311823A1 DE2311823A1 (de) | 1973-09-13 |
DE2311823B2 DE2311823B2 (de) | 1976-02-19 |
DE2311823C3 true DE2311823C3 (de) | 1976-10-14 |
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