DE3131742C2

DE3131742C2 -

Info

Publication number: DE3131742C2
Application number: DE3131742A
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Suita Osaka Jp Shimizu; Takashi Itami Hyogo Jp Yamagishi; Yukio Toyonaka Osaka Jp Noguchi
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1980-08-11
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1988-12-29
Also published as: GB2083922A; DE3131742A1; FR2488413A1; GB2083922B; US4462663A; FR2488413B1; JPS5734502A; CA1195540A

Description

Die Erfindung betrifft einen lichtdurchlässigen, zylindri schen Glaskörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Optical Technology Contact", Band 16, Nr. 5, Seiten 25 bis 37 ist ein lichtdurchlässiger Glaskörper bekannt, dessen Brechungsindex sich graduell von seiner Achse zu seiner Ober fläche in einer Richtung quer zur Achse ändert und der eine ideale Brechungsindexverteilung mit einer verzerrungs freien Linsenwirkung aufweist. Dabei gilt für Meridional strahlen folgende Gleichung 1:

N(r) = N _o sech (√ r) (1)

worin A eine Brechungsindexverteilungskonstante in einem beliebigen Querschnitt des lichtdurchlässigen Körpers im rechten Winkel zur Achse N _o den Brechungsindex auf der Achse des Querschnitts und N(r) den Brechungsindex in einem Abstand r von der Achse bedeuten.

Für schraubenlinienförmig parallel zur Achse sich ausbreitende Lichtstrahlen (nachfolgend "Helicalstrahlen" genannt) gilt dabei folgende Gleichung 2:

N(r) = N _o(1 + A · r ²)^-1/2 (2)

worin sämtliche Symbole die vorstehende Bedeutung haben.

Wenn die Beziehungen (1) und (2) polynom dargestellt werden, gilt für Meridionalstrahlen die Gleichung 1′

und für Helicalstrahlen die Gleichung 2′

Aus der DE-OS 19 13 358 ist ein lichtdurchlässiger Glaskörper bekannt, der einen von seiner Achse zu seiner Oberfläche sich graduell verändernden Brechungsindex hat. Dieser licht durchlässige Körper weist folgende Beziehung auf:

worin in einem im rechten Winkel zur Achse beliebig ge legten Querschnitt N _o den Brechungsindex am Mittelpunkt des Querschnitts und N(r) den Brechungsindex in einem Abstand r vom Mittelpunkt bedeuten.

Ein Vergleich der Gleichung 3 mit den Gleichungen 1′ und 2′ zeigt, daß dieser lichtdurchlässige Körper einen Brechungsindex von etwa einem lichtdurchlässigen Körper mit einer idealen Brechungsindexverteilung, jedoch nicht den idealen Brechungsindex aufweist. Insbesondere zeigt dieser bekannte lichtdurchlässige Körper Brechungsindices, die einem licht durchlässigen Körper mit einer idealen Brechungsindexvertei lung in Bereichen, die einen kleinen Abstand r von der Achse des lichtdurchlässigen Körpers aufweisen, gut entsprechen. Wenn jedoch der Abstand r von der Achse zunimmt (d. h. näher an der Oberfläche liegt), zeigt der bekannte lichtdurchlässige Körper einen niedrigeren Brechungsindex als ein lichtdurch lässiger Körper mit der idealen Brechungsindexverteilung.

Wegen dieser Brechungsindexverteilung muß der bekannte licht durchlässige Körper für die praktische Anwendung noch in folgenden zwei Punkten verbessert werden.

Da er beim Entfernen von der Achse einen Brechungsindex auf weist, der von einer idealen Brechungsindexverteilung abweicht, wird einerseits das übertragene Licht geschwächt und ungenau. Um diesen Nachteil auszugleichen, wird in der Praxis der Mittelteil des lichtdurchlässigen Körpers verwendet, der eine Brechungsindexverteilung nahe der idealen Verteilung aufweist. Anwendungen, in denen der lichtdurchlässige Körper in dieser Weise verwendet werden kann, sind natürlich begrenzt und sein Wirkungsgrad ist gering.

Wegen dieser Brechungsindexverteilung genügen übliche licht durchlässige Körper den hohen Anforderungen nicht, wie sie sich in den letzten Jahren ergaben, z. B. bei optischen Detektoreinrichtungen für Videoplatten, optischen Betrach tungseinrichtungen, wie Arthroskopen, und verschiedenen optischen Kommunikationseinrichtungen.

Da andererseits die üblichen lichtdurchlässigen Körper beim Entfernen von der Achse einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als er einer idealen Brechungsindexverteilung ent spricht, wird Licht, welches durch den Randbereich der licht durchlässigen Körper geht, stärker nach innen (gesehen in der Richtung, in der sich das Licht fortpflanzt) zur Achse konvergiert als das Licht, welches durch den mittleren Bereich der lichtdurchlässigen Körper geht. Da ein lichtdurchlässiger Körper oder Lichtübertragungskörper im allgemeinen in Form eines sehr feinen Fadens vorliegt, ist die Ausbildung einer konvexen Fläche durch Bearbeiten der Stirnfläche des licht durchlässigen Körpers die einzig verfügbare Technik zur Kom pensierung von Aberrationen, d. h. einer Abweichung hinsicht lich der Lage des Brennpunktes auf der Achse. Die üblichen lichtdurchlässigen Körper mit einem niedrigeren Brechungs index in einer Entfernung von der Achse als er einer idealen Brechungsindexverteilung entspricht, haben jedoch eine er höhte Aberration, wenn sie konvex ausgebildet sind.

Aus der DE-OS 19 13 358 sind eine Gradientenlinse mit einem Brechungsindexgradienten quer zur Lichtausbreitungsrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Linse bekannt. Diese Linse enthält Thalliumionen als erste Kationen, deren Konzentration von der Oberfläche zur Achse der Linse hin zunimmt, und zweite Kationen, deren Konzentration zur Achse hin abnimmt.

Die US-PS 38 27 785 beschreibt eine Glaslinse, die eine ver ringerte chromatische Aberration und eine Brechungsindexver teilung gemäß folgender Beziehung

N = N _o (1 - ar ²)

aufweist, wobei N der Brechungsindex im Abstand r von der Linsenachse in einem Querschnitt senkrecht zu dieser Achse, N _o der Brechungsindex an dieser Achse und a eine positive Konstante ist. Die Glaslinse wird durch Einwirkung von Salz schmelzen auf einen Glasstab hergestellt, wobei ein Ionen austausch erfolgt und die Konzentration eines ersten Ions sich zur Achse des Glasstabs hin erhöht und die Konzentra tion eines zweiten Ions sich in derselben Richtung verringert.

Diese bekannten Linsen weisen jedoch im Randbereich keine ideale Brechungsindexverteilung auf.

Aus dem "SELFOC-HANDBOOK" sind die Idealprofile des Brechungs index für Meridionalstrahlen und Helicalstrahlen bekannt, wobei für Meridionalstrahlen die Beziehung

n ²(r) = n _o ² sech² (gr)

und für Helicalstrahlen die Beziehung

n ²(r) = n _o ²{1 - (gr)²}

gelten, worin g die quadratische Konstante 2π p, n _o den Brechungsindex in der Achse des Glaskörpers und n(r) den Brechungsindex im Abstand r von der Achse bedeuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen lichtdurch lässigen, zylindrischen Glaskörper bereitzustellen, bei dem durch eine spezielle Konzentrationsverteilung einer dritten Kationenart eine verbesserte Brechungsindexverteilung im Randbereich des Glaskörpers erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Glaskörper gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Glaskörper weist ins besondere die dort angegebenen kennzeichnenden Merkmale auf.

Bevorzugte Ausführungsform des Glaskörpers sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Fig. 1 bis 6 zeigen die Konzentrationsverteilung von Kationen des lichtdurchlässigen Glaskörpers gemäß der Erfin dung in einer Richtung quer zur Achse des Glaskörpers.

Im erfindungsgemäßen Glaskörper ist ein erstes Kation der mindestens drei Metalloxide ein Thalliumion.

Beispiele für das zweite und dritte Kation sind einwertige Kationen, wie Lithium (Li⁺), Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Rubidium (Rb⁺) und Cäsium (Cs⁺), zweiwertige Kationen, wie Magnesium (Mg⁺⁺), Calcium (Ca⁺⁺), Strontium (Sr⁺⁺), Barium (Ba⁺⁺), Zink (Zn⁺⁺), und Blei (Pb⁺⁺), dreiwertige Kationen, wie Lanthan (La⁺⁺⁺), und vierwertige Kationen, wie Zinn (Sn⁺⁺⁺⁺). Bevorzugt sind die einwertigen Kationen, weil sie in das Glas bei niedrigeren Temperaturen als die zwei- bis vierwertigen Kationen eindiffundieren können.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glaskörpers wird ein ein Metalloxid eines ersten Kations enthaltender Glaskörper mit einer Ionenquelle kontaktiert, welche ein zweites Kation enthält, wobei ein vorläufiger Glaskörper gebildet wird, der dann mit einer ein drittes Kation enthaltenden Ionen quelle kontaktiert wird.

In der ersten Stufe wird ein Teil des ersten Kations in dem Glaskörper durch das zweite Kation unter Bildung des vorläufi gen Glaskörpers ersetzt, in dem das erste und zweite Kation praktisch kontinuierliche Konzentrationsänderungen mit entgegengesetzten Gradienten zwischen der Achse und der Oberfläche des Glaskörpers aufweisen. Die Konzentration des ersten Kations nimmt von der Achse des Glaskörpers zu seiner Oberfläche hin ab, und die Konzentration des zweiten Kations nimmt von der Achse des Glaskörpers zur Oberfläche hin zu.

Somit diffundiert in der ersten Stufe das zweite Kation in den Glaskörper hinein und substituiert dort das erste Kation. Das erste Kation diffundiert in entsprechender Weise aus dem Glaskörper heraus in die das zweite Kation liefernde Ionenquelle.

Dann wird in der zweiten Stufe der vorläufige Glaskörper mit einer das dritte Kation enthaltenden Ionenquelle kontaktiert. Dabei wird ein Teil des ersten Kations und/oder des zweiten Kations durch das dritte Kation substituiert, wobei ein Glas körper erhalten wird, in dem das dritte Kation praktisch keine Konzentrationsänderung im Mittelteil des Glaskörpers zeigt, jedoch eine praktisch kontinuierliche Konzentrations änderung in Richtung auf dessen Oberfläche hin. Die Konzen tration des dritten Kations nimmt im wesentlichen von der Oberfläche des Glaskörpers zu dessen Achse hin ab und bleibt nach einem gewissen Abstand von der Oberfläche konstant.

Die Herstellung des fertigen Glaskörpers, in welchem das dritte Kation die vorstehende Konzentrationsänderung aufweist, wird durch Kontaktieren des vorläufigen Glaskörpers mit einer das dritte Kation enthaltenden Ionenquelle in Abhängigkeit von der Kontaktierungstemperatur und -zeit gesteuert, die experimentell bestimmt werden können.

In der ersten und der zweiten Stufe dieser Herstellung wird der Glaskörper bei hohen Temperaturen in eine die entsprechen den zweiten und dritten Kationen enthaltende Ionenquelle, beispielsweise ein geschmolzenes Bad wenigstens eines Salzes, wie eines Nitrats oder Sulfats, der entsprechenden Kationen getaucht.

Die Kontaktierungstemperatur liegt unterhalb der Erweichungs temperatur des Glases, vorzugsweise zwischen dem Umwandlungs punkt des Glaskörpers und dessen Deformierungspunkt.

Der in der ersten Stufe erhaltene vorläufige Glaskörper wird aus dem Behandlungsbad der ersten Stufe herausgenommen und dann in einem das dritte Kation enthaltenden Bad der zweiten Stufe behandelt, oder der in der ersten Stufe erhaltene vor läufige Glaskörper wird in einem Bad der zweiten Stufe be handelt, das durch Zugabe einer Quelle für das dritte Kation zu dem Behandlungsbad der ersten Stufe erhalten worden ist.

Die qualitative Wirkung eines bestimmten vorliegenden Ions auf den Brechungsindex eines Glases kann im allgemeinen durch einen Vergleich der Werte der elektronischen Polarisation je Volumeneinheit innerhalb des Glases oder durch einen Ver gleich der Werte der elektronischen Polarisierbarkeit/(Ionen radius)³ bestimmt werden.

Beispiele für Kationen in Oxiden zum Modifizieren von Glas haben die in der Tabelle I wiedergegebenen Ionenradien, elektronische Polarisierbarkeit und Verhältnis von elektroni scher Polarisierbarkeit zum (Ionenradius)³.

Tabelle I

Beispielsweise zeigt Tabelle I, daß Glas, in dem Na⁺ ein Kation eines modifizierenden Oxids ist, einen kleineren Berechungsindex aufweist als Glas, das K⁺ als ein solches Kation enthält. Die Tabelle zeigt auch, daß ein Glaskörper hergestellt werden kann, in welchem Na⁺ und K⁺ als solche Kationen vorliegen, wobei die Konzentration von K⁺ von der Achse zur Oberfläche des Glaskörpers abnimmt und die Kon zentration von Na⁺ von der Achse zur Oberfläche hin zunimmt. In einem derartigen Glaskörper würde der Brechungsindex von der Achse zur Oberfläche des Glaskörpers graduell abnehmen.

Unter Berücksichtigung der in Tabelle I angegebenen Daten ist es möglich, qualitativ zu bestimmen, welche Ionen als erste bis dritte Kationen gewählt werden sollen.

In dem erfindungsgemäßen Glaskörper ist das erste Kation ein Thalliumion und vorzugsweise das zweite Kation ein Kalium ion sowie das dritte Kation ein Cäsiumion.

Beim erfindungsgemäßen Glaskörper ändert sich die Konzentration des dritten Kations in einem Abstand von der Oberfläche von 0,1 r bis 0,7 r, vorzugsweise von 0,3 r bis 0,5 r, wobei r den Abstand zwischen der Oberfläche und der Achse des Glas körpers bedeutet. Ein Glaskörper mit der gewünschten Kon zentrationsverteilung der Kationen kann leicht durch Ein stellen der Behandlungstemperatur und -zeit erhalten werden. Diese Temperatur und diese Zeit hängen von den Arten der ersten bis dritten Kationen ab.

Der Glaskörper der Erfindung kann auch durch Kontaktieren eines ein modifizierendes Oxid des ersten Kations enthaltenden Glaskörpers mit einer Ionenquelle hergestellt werden, die ein zur Bildung modifizierender Oxide geeignetes zweites und drittes Kation enthält.

Durch dieses Verfahren kann ein Glaskörper hergestellt werden, in dem die Konzentration des ersten Kations schrittweise von der Achse zur Oberfläche abnimmt und das dritte Kation praktisch keine Änderung der Konzentration im Bereich der Achse, jedoch eine kontinuierliche Konzentrationsänderung zur Oberfläche hin zeigt.

Nach diesem zweiten Verfahren wird der das erste Kation ent haltende Glaskörper in einem Bad einer sowohl das zweite als auch das dritte Kation enthaltenden Ionenquelle behandelt. Damit die einzelnen Kationen die vorstehende Konzentrations verteilung erreichen, ist es notwendig, den Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit zwischen dem zweiten Kation und dem dritten Kation in dem Glaskörper oder die Konzentra tionen des zweiten Kations und des dritten Kations in dem Behandlungsbad zu berücksichtigen.

Geeignete Behandlungsbedingungen können in der Praxis durch Versuche leicht ermittelt werden. Spezielle Bedingungen ergeben sich auch aus den nachfolgenden Beispielen.

Der erfindungsgemäße Glaskörper kann auch nach einem dritten Verfahren hergestellt werden, indem ein ein modifizierendes Oxid des ersten Kations und ein modifizierendes Oxid des dritten Kations enthaltender Glaskörper mit einer Ionenquelle kontaktiert wird, welche die zur Bildung eines modifizieren den Oxids geeignete zweite Ionenquelle enthält.

Das dritte Verfahren liefert einen Glaskörper, bei dem die Konzentration des ersten Kations graduell von der Achse zur Oberfläche abnimmt und die Konzentration des zweiten Kations graduell von der Achse zur Oberfläche zunimmt sowie das dritte Kation praktisch keine Änderung der Konzentration im Bereich der Achse, jedoch eine graduell zunehmende Konzentration in Richtung auf die Oberfläche zeigt.

Diese Art von Glaskörper wird hergestellt, wenn das zweite Kation einen höheren Betrag zum Brechungsindex im Bereich der Oberfläche des Glaskörpers leistet als das dritte Kation. Wenn beispielsweise das erste Kation ein Thalliumion, das zweite Kation ein Kaliumion und das dritte Kation ein Lithiumion ist, kann ein Glaskörper, der diese Kationen in der gewünsch ten Konzentrationsverteilung enthält, in vorteilhafter Weise nach diesem Verfahren hergestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ein Glaskörper vor, bei dem für Meridionalstrahlen in einem beliebig gelegenen Schnitt quer zur Achse des Glaskörpers für den Brechungsindex die folgende Beziehung

N(r) N _o sech (√ r)x

und für Helicalstrahlen für den Brechungsindex die folgende Beziehung

N(r) N _o (1 + A · r)^-1/2

gilt, wobei A eine Brechungsindexverteilungskonstante, N _o den Brechungsindex auf der Achse des Schnitts und N(r) den Brechungsindex in einem Abstand r von der Achse bedeuten.

Gemäß der Erfindung wird also ein Glaskörper angegeben, der optische Eigenschaften liefert, die sowohl für Meridional strahlen als auch für Helicalstrahlen einem Glaskörper mit einer idealen Brechungsindexverteilung entsprechen.

Ferner wird gemäß der Erfindung ein Glaskörper zur Verfügung gestellt, der im Oberflächenbereich einen höheren Brechungs index aufweist als ein Glaskörper mit einer idealen Brechungs indexverteilung für sowohl Meridionalstrahlen als auch Heli calstrahlen, was sich aus den nachfolgenden Beispielen ergibt. Diese Art von Glaskörper kann leicht in einen Körper umge wandelt werden, dessen optische Eigenschaften denjenigen eines Glaskörpers mit einem idealen Brechungsindex praktisch äquivalent sind, indem eine konvexe Oberfläche an der licht aufnehmenden und/oder der lichtemittierenden Stirnfläche des Glaskörpers gebildet wird, beispielsweise durch Schleifen und Polieren der Stirnfläche in einer vorbestimmten Krümmung oder durch Ausbilden von planen Stirnflächen an dem Glas körper und Aufsetzen einer Linse aus gewöhnlichem Glas ohne Brechungsindexverteilung, die auf einer Seite konvex und auf der anderen Seite planar gestaltet ist.

Der für konvergierendes Licht durchlässige Glaskörper der Erfindung hat optische Eigenschaften, die denjenigen idealer Linsen fast entsprechen, und kann daher für Zwecke, für die übliche, für konvergierendes Licht durchlässige Körper nicht verwendet werden können, eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einer optischen Gleichrichtereinrichtung einer Video scheibe, die zur Fokussierung von Laserstrahlen auf einen extrem kleinen Punkt erforderlich ist, ein üblicher, für konvergierendes Licht durchlässiger Körper nur bis etwa 60% seines Durchmessers ausgenutzt werden, während der Glaskörper der Erfindung in seiner Gesamtheit verwendet werden kann. Da ein Laserstrahl proportional zum Querschnitt wirksam ist, beträgt bei einem üblichen Glaskörper das Nutzungsverhältnis des Laserstrahls nur 30 bis 40%, während dieses Verhältnis bei dem Glaskörper der Erfindung auf mehr als 90% erhöht ist.

Die Brechungsindexverteilung des Glaskörpers der Erfindung kann auf einen höheren Wert als dem idealen Wert eingestellt werden, d. h. die Brechungsindexverteilungskurve kann sanfter ansteigend gemacht werden als die ideale Verteilungskurve. Somit kann durch Ausbildung einer konvexen Oberfläche am Ende des Glaskörpers eine Linsenaberration aufgrund eines Unterschiedes im Brechungsindex gegenüber der idealen Vertei lung im Oberflächenbereich des Glaskörpers korrigiert werden. Gleichzeitig kann ein größerer Öffnungswinkel erhalten werden als bei üblichen Glaskörpern, deren Stirnfläche eben sind.

Im allgemeinen hat der für konvergierendes Licht durchlässige Körper der Erfindung einen kreisförmigen Querschnitt und zeigt die vorstehende Brechungsindexverteilung in radialer Richtung von seiner Achse aus. Der Glaskörper der Erfindung kann auch als Parallelepiped ausgebildet sein, in der die vorstehende Brechungsindexverteilung in einer Richtung eines Querschnitts senkrecht zu zwei parallelen Oberflächen und eines Querschnitts in einer Richtung im rechten Winkel zu der vorstehenden Richtung besteht, wobei der Brechungsindex gleichmäßig ist und Lichtstrahlen in einer Linie konvergiert werden.

Gewöhnlich sind die lichtaufnehmenden und lichtemittierenden Oberflächen des Glaskörpers der Erfindung poliert.

Der Glaskörper der Erfindung weist viel bessere optische Eigenschaften als die üblichen Glaskörper auf.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 1,0 mm, der aus einem Glas der Zusammensetzung 58,2 Mol-% SiO₂, 19,3 Mol-% B₂O₃, 13,7 Mol-% Na₂O, 5,8 Mol-% Tl₂O und 3,0 Mol-% ZnO hergestellt worden war, wurde 11 h in einem bei 510°C gehal tenen Kaliumnitratbad vorbehandelt. Der vorbehandelte runde Glasstab wurde während 24 h bei 510°C in einem Bad aus einem Gemisch aus 99 Gew.-% Kaliumnitrat und 1 Gew.-% Cäsiumnitrat gehalten, aus dem Bad genommen und auf seine Brechungsindex verteilung hin untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabel le II wiedergegeben.

Zum Vergleich wurde ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 1,0 mm aus einem Glas der gleichen Zusammensetzung nach dem üblichen Verfahren während 35 h in einem bei 510°C ge haltenen Kaliumnitratbad behandelt. Die Brechungsindexverteilung des behandelten Glasstabs wurde bestimmt und ist in Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II zeigt auch die Werte für N _o sech (√ r), berechnet für die Abstände r (mm) von der Achse des behandelten Glasstabs (A = 0,194 mm^-2, N_o = 1,580).

Die Verteilung der Konzentrationen von Thalliumion, Natrium ion, Cäsiumion und Kaliumion der in Beispiel 1 erhaltenen Probe wurde durch eine Röntgenanalyse unter Verwendung einer Elektronenmikrosonde gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 gezeigt, in der die Ionenkonzentrationen in einer willkürlichen Skala ausgedrückt sind.

Tabelle II

Die in Tabelle II aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß die Brechungsindexverteilung des in Beispiel 1 behandelten Gegen standes näher an der Verteilung N(r) = N _o · sech (√ r) liegt als der im Vergleichsbeispiel 1 behandelte Gegenstand.

Aus Tabelle II und Fig. 1 ist ersichtlich, daß Cäsiumionen in einer Konzentration vorlagen, die von der Oberfläche der Probe bis zu einer Tiefe von etwa 50 µm (10% des Radius der Probe) abnahm. Folglich war der Brechungsindex in diesem Bereich höher als derjenige, der nach dem üblichen Verfahren erhalten wird.

Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 2,0 mm aus einem Glas aus 55,9 Mol-% SiO₂, 18,7 Mol-% B₂O₃, 9,3 Mol-% Na₂O, 9,3 Mol-% Tl₂O und 6,8 Mol-% ZnO wurde 140 h in einem bei 500°C gehaltenen Kaliumnitratbad vorbehandelt. Dann wurde er während 140 h in einem bei 500°C gehaltenen Bad aus einem Gemisch aus 90 Gew.-% Kaliumnitrat und 10 Gew.-% Cäsiumnitrat weiterbehandelt.

Zum Vergleich wurde ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 2,0 mm aus einem Glas der gleichen Zusammensetzung nach einem üblichen Verfahren während 280 h in einem bei 500°C gehaltenen Nitratbad behandelt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle III wiedergegeben.

Der Wert N _o · sech (√ r) wurde in Tabelle III für eine Kon stante A von 0,09 mm^-2 berechnet. Die Verteilungen der Ionen konzentrationen der in Beispiel 2 erhaltenen behandelten Probe wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt.

Aus Tabelle III und Fig. 2 ist ersichtlich, daß in dem behan delten Gegenstand gemäß Beispiel 2 Cäsiumionen von der Ober fläche bis zu einer Tiefe von etwa 400 µm (40% des Radius) vorlagen und der Brechungsindex des Glasstabs in diesem Bereich höher war als im Vergleichsbeispiel 2.

Tabelle III

Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 3

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 3,0 mm aus einem Glas aus 51,0 Mol-% SiO₂, 11,0 Mol-% B₂O₃, 3,2 Mol-% Na₂O, 17,8 Mol-% Tl₂O, 12,0 Mol-% ZnO und 5,0 Mol-% K₂O wurde 800 h in einem bei 490°C gehaltenen Bad aus einem Gemisch aus 80 Gew.-% Kaliumnitrat und 20 Gew.-% Cäsiumnitrat gehal ten.

Zum Vergleich wurde der gleiche Glasstab durch ein übliches Verfahren während 800 h in einem bei 490°C gehaltenen Kalium nitratbad behandelt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle IV wiedergegeben.

Die berechneten Brechungsindices in Tabelle IV wurden für eine Konstante A von 0,049 mm^-2 erhalten. Die Verteilungen der Ionenkonzentrationen der gemäß Beispiel 3 behandelten Probe wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 wiedergegeben.

Aus Tabelle IV und Fig. 3 ist ersichtlich, daß Cäsiumionen in einer Konzentration, die von der Oberfläche des behandel ten Produkts bis zu einer Tiefe von etwa 1050 µm (70% des Radius) abnahm, vorlagen, der Brechungsindex des behandel ten Produkts in diesem Bereich höher war als derjenige des im Vergleichsbeispiel 3 erhaltenen Produkts und die Vertei lung des Brechungsindex weitgehend der Beziehung N(r) = N _o sech (√ r) entsprach.

Tabelle IV

Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 2,0 mm aus einem Glas aus 60,9 Mol-% SiO₂, 18,8 Mol-% B₂O₃, 9,2 Mol-% Na₂O, 8,6 Mol-% Tl₂O und 2,6 Mol-% ZnO wurde 180 h in einem bei 530°C gehaltenen Bad aus einem Gemisch aus 40 Gew.-% Kaliumnitrat und 60 Gew.-% Cäsiumnitrat behandelt. Dann wurde er aus dem Bad herausgenommen, und seine Brechungsindexver teilung wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle V wiedergegeben.

Zum Vergleich wurde ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 2,0 mm aus einem Glas der gleichen Zusammensetzung durch ein übliches Verfahren während 180 h in einem bei 350°C ge haltenen Kaliumnitratbad behandelt. Die Brechungsindexver teilung des erhaltenen Produktes ist in Tabelle V wieder gegeben.

Die in Tabelle V angegebenen berechneten Brechungsindices wurden für eine Konstante A von 0,053 mm^-2 bestimmt.

Die Verteilungen der Konzentrationen der in Beispiel 4 erhal tenen Produkte sind in Fig. 4 gezeigt.

Tabelle V

Die in Tabelle V aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß das in Beispiel 4 erhaltene Produkt eine Brechungsindexverteilung aufweist, die einer Verteilung gemäß N(r) = N _o sech (√ r) näher liegt als es beim Produkt des Vergleichsbeispiels 4 der Fall ist.

Ferner ist aus Tabelle V und Fig. 4 ersichtlich, daß Cäsium ionen in einer von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 600 µm (60% des Radius) der Probe abnehmenden Konzen tration vorlagen, der Brechungsindex der Probe an der Ober fläche höher war als im Fall des Vergleichsbeispiels 4 und nahe an dem berechneten Wert lag.

Beispiel 5 und Vergleichsbeispiel 5

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 1,0 mm aus einem Glas aus 60,1 Mol-% SiO₂, 13,1 Mol-% K₂O, 5,7 Mol-% Tl₂O und 21,1 Mol-% ZnO wurde 40 h in einem bei 550°C ge haltenen Kaliumnitratbad vorbehandelt. Anschließend wurde er 60 h in einem bei 550°C gehaltenen Bad aus einem Gemisch aus 50 Gew.-% Kaliumnitrat und 50 Gew.-% Cäsiumnitrat behandelt.

Zum Vergleich wurde ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 1,0 mm aus Glas der gleichen Zusammensetzung durch ein übliches Verfahren während 100 h in einem bei 550°C gehal tenen Kaliumnitratbad behandelt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle VI wiedergegeben.

Die in Tabelle VI gezeigten berechneten Brechungsindices wurden für eine Konstante A von 0,176 mm^-1 erhalten.

Die Verteilungen der Ionenkonzentration des in Beispiel 5 erhaltenen Produktes sind in Fig. 5 wiedergegeben.

Tabelle VI

Aus Tabelle VI und Fig. 5 ist ersichtlich, daß in dem in Beispiel 5 erhaltenen Produkt Cäsiumionen von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 100 µm (20% des Radius) verteilt waren, der Brechungsindex in diesem Bereich höher war als derjenige des im Vergleichsbeispiel 5 erhaltenen Produktes und etwas höher lag als der berechnete Wert in der Nähe der Oberfläche.

Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 6

Ein runder Glasstab mit einem Durchmesser von 3,0 mm aus einem Glas aus 61,6 Mol-% SiO₂, 9,9 Mol-% K₂O, 8,2 Mol-% Tl₂O und 20,3 Mol-% ZnO wurde 900 h in einem bei 570°C gehalte nen Bad aus einem Gemisch aus 20 Gew.-% Kaliumnitrat und 80 Gew.-% Cäsiumnitrat behandelt.

Zum Vergleich wurde dergleiche Glasstab durch ein übliches Verfahren während 900 h in einem bei 570°C gehaltenen Kalium nitratbad behandelt.

Die Ergebnisse sind zusammen mit den berechneten Werten in Tabelle VII wiedergegeben. Die berechneten Werte wurden für eine Konstante A von 0,036 mm^-1 und einen N _o -Wert von 1,640 erhalten.

Die Verteilungen der Ionenkonzentrationen des in Beispiel 6 erhaltenen Produktes wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen, und die Ergebnisse sind in Fig. 6 wieder gegeben.

Tabelle VII

Aus Tabelle VII und Fig. 6 ist ersichtlich, daß in dem in Beispiel 6 erhaltenen Produkt Cäsiumionen in abnehmender Konzentration von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 750 µm (50% des Radius) verteilt waren sowie der Berechnungs index in diesem Bereich höher war als derjenige des nach dem üblichen Verfahren erhaltenen Produktes und eine Vertei lung hatte, die bei Annäherung an die Oberfläche allmählich zunimmt, verglichen mit einer durch N(r) = N _o sech (√ r) wiedergegebene ideale Verteilung.

Die Wellenlänge (P) des Lichtweges in der in Beispiel 6 er haltenen Linse wurde aus der folgenden Gleichung unter Ver wendung einer Konstante A von 0,036 mm^-2 berechnet.

P = 2π/(√

Die Linse wurde auf eine Länge von 8 mm geschnitten, die kürzer war als P/4, und die beiden Enden wurden parallel poliert. Wenn man parallele Lichtstrahlen mit einer Wellen länge von 0,63 µm auf ein Ende der Linse fallen ließ, bildete sich ein Lichtfleck mit einer Stärke etwa in Form einer Gauß-Verteilung an einer Stelle, die 0,20 mm von der Ober fläche des Auslaßendes der Linse lag. Der Lichtfleckdurch messer (die Ausdehnung der Energie 1/e ²) betrug bei diesem Fokus 2,2 µm und die numerische Öffnung (NA) der Linse 0,40.

Das Auslaßende der Linse wurde in konvexer Form mit einem Krümmungsradius von 9 mm (ξ = 3 · do = 3 × 3) (do: Durchmesser der Linse = 3 mm) ausgebildet. Durch diese Bearbeitung konnte der Lichtfleckdurchmesser im Brennpunkt auf 1,5 µm vermindert werden und der Wert für NA konnte auf 0,45 erhöht werden.

Wenn das Auslaßende der im Vergleichsbeispiel 6 erhaltenen Linse in konvexer Form mit einem Krümmungsradius von 9 mm gestaltet wurde, betrug der Lichtfleckdurchmesser im Brenn punkt 2,56 µm und der Wert für NA betrug 0,40.

Claims

1. Lichtdurchlässiger, zylindrischer Glaskörper mit mindstens drei Metalloxiden, die jeweils nur eine Kationenart enthalten, und die den Brechungsindex von der Oberfläche zur Achse des Glaskörpers in einer Richtung quer zur Achse graduell ändern, wobei ein erstes Kation eines der Oxide ein Thalliumion ist, dessen Konzentrationsänderung von der Oberfläche zur Achse sich erhöht, und ein zweites Kation eines der Oxide eine Konzentrationsänderung aufweist, die von der Oberfläche zur Achse abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrations änderung des dritten Kations eines der Oxide von der Ober fläche zur Achse abnimmt, und daß die Konzentration nach einem Abstand von 0,1 r bis 0,7 r von der Oberfläche konstant bleibt, wobei r der Radius des zylindrischen Glaskörpers ist.

2. Lichtdurchlässiger, zylindrischer Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kation ein Kaliumion ist.

3. Lichtdurchlässiger, zylindrischer Glaskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Kation ein Cäsiumion ist.

4. Lichtdurchlässiger, zylindrischer Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Meridionalstrahlen in einem beliebig gelegenen Schnitt quer zur Achse des Glaskörpers für den Brechungsindexs folgende Beziehung gilt: N(r) N _o sech (√ r)und daß für schraubenlinienförmig parallel zur Achse sich ausbreitende Lichtstrahlen für den Brechungsindex die folgende Beziehung gilt:N(r) N _o (1 + A · r ²)^-1/2wobei A eine Brechungsindexverteilungskonstante, N_o den Brechungsindex auf der Achse des Schnitts und N(r) den Bre chungsindex in einem Abstand r von der Achse bedeuten.