KR100535956B1

KR100535956B1 - 제어된 반경 방향의 결합 계면층을 구비한 광학 예비 형성물

Info

Publication number: KR100535956B1
Application number: KR1019950703719A
Authority: KR
Inventors: 로버트 엠. 워드; 데이비드 엔. 펄시퍼
Original assignee: 로버트 엠. 워드; 데이비드 엔. 펄시퍼
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 2006-04-17
Also published as: DK0738239T3; DE69434585D1; JP3652366B2; DE69434585T2; EP0738239B1; EP0738239A1; US5522003A; US5673353A; WO1994020870A1; EP0738239A4; JPH08507492A; AU6356294A; ATE313520T1

Abstract

예비 형성물 구조는 첫 번째 물질의 중앙 막대(12), 두 번째 물질의 둘러싸는 관(14), 그리고 첫 번째와 두 번째 물질의 열 이동된 내부 분산에 의해 우선적으로 막대와 관 사이에 전체적으로 형성된 깊게 위치 결합된 층(16)으로 구성된다. 결과적 예비 형성물 구조의 깊게 위치된 계면층(16)은 막대(12)와 관(14) 물질의 내부 분산 물질 특성에 대한 물질 특성을 나타낸다. 깊은 계면층 예비 형성물 구조는 막대 위로 관이 내려앉도록 하고, 연결된 구조를 지지 하고, 상기 관(14)와 상기 막대(12) 사이의 계면에 깊은 결합층을 형성하기 위해 예비 형성물 구조를 가열함에 의해 형성된다. 예비 형성물은 예비 형성물과 계면층(16)의 기하학적 대칭성을 유지하기 위해 가열동안 원통형으로 회전된다. 캡슐이 씌워진 운반체는 깊은 계면층 들을 형성하기 위해 가열동안 모든 면적에서 예비 형성물을 지지하기 위해 사용된다.

Description

제어된 반경 방향의 결합 계면층을 구비한 광학 예비 형성물 {OPTICAL PREFORM WITH CONTROLLED RADIAL BONDED INTERFACE LAYER}

도 1은 중앙 막대의 둘레에 내려앉도록 마련된 튜브의 사시도이다.

도 2a는 내려앉은(collapsed) 막대-튜브 구조의 단면도(端面圖)와, 깊이에 대한 굴절률과 같은 재료 특성의 변화를 도시한 그래프이다.

도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 막대와 튜브 사이에 개재되어 반경 방향으로 깊게 위치된 결합층을 구비한 내려앉은 막대-튜브 구조의 단면도와, 반경 방향의 깊이의 함수로서 깊게 위치된 반경 방향의 결합 계면층을 가로질러 반경 방향으로 부드러운 계단형 구배를 갖는 굴절률과 같은 재료 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 연속적인 튜브층들 사이에 놓여진 2개의 깊게 위치된 반경 방향의 결합 계면층을 구비한 다중 막대-튜브 예비 형성물(preform) 구조를 도시한 단면도와, 반경 방향의 깊이에 따라 변화하는 부드러운 계단형 구배를 갖는 굴절률과 같은 재료 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2d는 예비 형성층 구조의 전체 깊이를 가로질러 반경 방향에 따라 매끄러운 계단형 구배를 갖는 굴절률 등의 재료 특성을 도시한 그래프이다.

도 3a는 깊게 위치한 반경 방향의 결합 계면층을 어닐링하고 생성시키기 위하여 본 발명에 따라 구성된 광학적 예비 형성물 구조를 회전시키기 위한 바람직한 세라믹 롤러 장치의 사시도.

도 3b는 내려앉은 튜브와 막대 사이의 계면에서 튜브 속에 갇힌 가스와 틈의 존재를 제거하기 위한 압착 롤러가 장착된 바람직한 세라믹 롤러 장치의 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 깊게 위치된 반경 방향의 결합 계면층을 생성하도록 하는 회전을 허용하는 설계 조건을 만족시키는, 광학적 예비 형성물 구조를 감싸는데 사용되는 유리 운반체의 사시도.

** 도면의 주요 부분에 관한 부호 설명 **

10 : 광학적 예비 형성물 12 : 막대

14 : 튜브 16 : 계면층

20 : 두 번째 광학 예비 형성물 22 : 코어 막대

24, 28 : 깊게 위치된 결합 계면층들

26 : 제1튜브 30 : 제2튜브

32 : 합성 예비 형성물 34 : 유리 막대

36 : 튜브 38 : 세라믹 롤러

40 : 유리 운반체 42, 44 : 석영 유리 튜브

본 발명은 예를 들면 광섬유, 방사체, 감지기의 제조에서 이용되는 영상(imaging)과 비영상(non-imaging) 광학 예비 형성물(preform)과, 제어된 반경 방향의 깊이와 대칭성을 갖는 계면에 깊게 위치되어 반경 방향으로 결합된 계면층을 구비한 독특한 광학 예비 형성물의 성형 방법에 관한 것이다.

광학적 예비 형성물의 제조하는 방법은 매우 다양하며 수많은 응용 분야가 있다. 보다 일반적인 예비 형성물의 응용 분야는 광섬유를 드로잉하는 구성원이나, 렌즈 여백을 위한 벌크 재료원이나, 광학적 방사체(emitter)의 뚜껑이나 캡슐로 둘러싸인 렌즈로서 사용되는 것을 포함한다. 예비 형성물을 다양하게 응용함에 있어서, 광학적 예비 형성물의 광학적 특성, 기계적 특성 및 열적 특성에 대하여 정확하게 정의를 내릴 필요성이 점점 높아지고 있다. 더욱이, 구조적 공정이나 재료 공정 중 어느 하나의 공정을 통하여, 완성품 내의 상기 특성이 점진적으로 변화하도록 하는 것이 절실히 요구되었다.

본 발명에 따른 광학적 예비 형성물의 제조 방법과 관련하여 적어도 3가지의 주요 방법들은 종래의 기술로 알려져 있다. 첫 번째 방법은, 유리 튜브의 내부 표면상의 재료를 증착시키는 화학 증기 증착법(CVD)을 사용하는 것이다. 상기 공정은 제2세트의 광학적 특성을 갖는 클래딩층에 둘러싸인 제1세트의 광학적 특성을 갖는 재료의 코어부를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 광학적 예비 형성물을 생산함에 있어서, 고순도의 실리카에 기초한 유리로 형성된 클래딩 튜브를 사용하는 것이 요구된다. 여기서, 상기 고순도의 실리콘에 기초한 유리는 주로 95%이상의 실리카와, 상기 클래딩의 광학적 특성을 확보하기 위하여 낮은 분산도를 갖는 도판트가 미량 첨가되어 구성된다. 공정 중에 도판트의 직접적인 손실이 없다면, 열 이동을 최소화하기 위하여 도판트의 분산도가 낮은 것이 요구된다. 실리카와 도판트가 클래딩의 내부 표면상으로 증기상(vapor phase)으로부터 실제적인 증착을 촉진시키기 위하여, 상기 클래딩이 그 길이 방향을 따라 반복적으로 기계적인 왕복 운동을 하는 영역에서 가열되는 동안에, 높은 순도를 갖는 실리카 증기는 낮은 농도를 갖는 선택된 도판트를 포함하고 있더라도 클래딩 튜브를 통하여 주입된다. 증기상의 도판트 재료와 그 농도를 선택하는 것은 증착된 실리카에 대한 도판트의 균일한 증착의 필요 조건에 의하여 제한되며, 이로부터 얻어진 증착으로 형성된 코어 재료의 광학적 특성도 역시 증착된 실리카에 대한 도판트의 균일한 증착의 필요 조건에 의하여 특히 제한된다. 또한, 원래의 재료와 증착된 재료 내에서 도판트가 균일한 농도로 유지되는 동안에, 실리카의 균일한 증착을 위해서는 온도와 유량이 주의 깊게 유지되어야만 한다. 상기 클래딩을 과열시키기 않도록 정교한 온도 조절이 필요하다. 상기 클래딩이 과열된 경우에는 비대칭 변형이 야기되어 광학 예비 형성물의 원하는 기하학적 구조를 얻기 어려워질 수 있다. 코어 실리카 재료의 층이 일단 증착되면, 상기 클래딩과 코어에 균일하게 고온 처리함으로써, 예비 형성물의 중앙을 채우는데 필요한 전체 구조를 내려앉히게 된다.

상기 CVD 공정은 정확성이 많은 공정 단계에서 요구되므로 비용이 많이 소요되고 복잡할 뿐 아니라, 증기상의 균일한 증착율이 낮기 때문에 상당한 시간이 걸리는 문제점을 갖는다. 그러나, 가장 큰 문제점은 공정의 기본적인 특성에 의하여 적응 가능한 재료에 실질적으로 제한이 있다는 것이다. 특히, 클래딩과 증기 증착 코어 재료는 종래의 동일한 유리 "족(family)" 으로 표현되는 동일한 기초 유리 성분을 갖는 것이 요구된다. 종래의 유리족들의 예들은 봉 규소 유리들, 납 유리들과 바륨 유리들을 포함한다. 코어와 클래딩은 동일한 유리족으로 형성되고 실리카에 대한 도판트의 비가 모두 매우 낮으므로, 코어와 클래딩 사이의 재료의 특성 차이는 본래 제한된다. 예컨대, CVD 예비 형성물은 약 0.1 정도의, 보다 전형적으로는 0.03 이하의, 코어에 대한 클래딩의 굴절률의 차이에 의하여 실질적으로 제한된다.

또한, 증기 증착되는 코어 재료와 클래딩 재료의 열적, 기계적 특성은 커다란 변형량이 클래딩 재료에 작용하지 않도록 공정의 마지막 내려앉음 단계에서 올바르게 수행되도록 하기 위하여 상호 의존적인 관계를 갖게 된다. 따라서, CVD공정에서 제조된 예비 형성물의 광학적, 기계적, 열적 특성은 상당히 제한된다.

광학적 예비 형성물을 형성하기 위한 또 다른 공정은 다른 동일한 광학적 재료를 갖는 막대 표면의 광학적, 기계적, 열적 특성을 변경시키기 위해 이온 분산을 사용하는 것이다. 이 공정에서, 막대는 막대 재료의 표면에 이온 수송을 촉진하기 위해 충분한 온도로 가열되며 이온 염욕에 넣어진다. 결국, 표면 재료의 거르기는 거르기 부분내의 재료 특성의 변화를 가져온다. 이 부분은 비록 막대 재료의 표면만이라도 실제로 반경 방향의 깊이를 형성하게 될 수도 있다. 그러나, 실제적 문제로서, 이 부분은 약 3개월 내지 4개월의 걸러내기 기간동안 단지 1mm 의 몇 분의 일의 반경 방향의 깊이를 몇 밀리미터까지 이를 수 있다. 게다가, 광학적 막대 재료의 표면에 특수한 이온 농도에 매우 의존하는 이온 수송 체계 때문에 결과적 광학적 특성의 정확한 제어는 매우 어렵다. 또한, 거르기 작용은 영향을 받는 부분에서 예비 형성물의 완전성과 재료의 강도를 감소시키게 된다. 따라서, 결과적 예비 형성물의 마무리된 광학적 특성은 많은 광학적 예비 형성물 사용에 대해 상업적으로 받아들이기 어려운 정도로 악화된다.

마지막으로, 광학적 예비 형성물을 형성하기 위한 세 번째 방법은 동일하거나 다른 광학적 재료의 막대로 광학적 재료의 클래딩 튜브를 단지 내려앉도록 하는 것이다. l984년 12월 4일에 린치에 허여된 미국 특허 제4,486,214호에는 이와 같은 공정의 일례가 개시되어 있다. 예비 형성물 제조 공정의 목적은 내부 막대와 외부 튜브의 재료 사이의 굴절률에 있어서 뚜렷이 한정된 변화를 갖는 예비 형성물을 생성한다는 것이다. CVD 공정과 같이 제한되지 않더라도, 외부 튜브용 재료는 막대 재료의 변형을 야기하지 않으면서 막대 상으로 균일하게 내려앉아야 하는 필요 조건에 의하여 제한된다. 따라서, 증착 튜브의 열적 특성과 기계적 특성은 막대 재료와 융접 온도보다 대략 낮은 온도에서 균일한 증착을 야기하도록 선택된다. 증착 튜브는 예비 형성물 형성의 일부분이 아니라 광학적 예비 형성물을 광섬유로 당기는 별도의 후속 단계에서만 막대 재료를 용융시킨다. 섬유를 용융시키고 당기는 동시 단계는 튜브와 막대 재료 사이의 갑작스런 광학적 계면이 뚜렷이 유지되도록 하며, 예비 형성물의 정확한 목적이 이 공정에 의하여 만들어진다. 그러나, 당김 단계에서의 재료 용융은 재료 계면에 존재할 지도 모르는 불순물과 틈을 유지한다. 따라서, 이 공정을 이행하면서 튜브는 막대 상으로 초기의 정확한 내려앉기가 이루어진다.

그러므로 본 발명의 일반적 목적은 예비 형성물 형태로 중앙 코어 재료와 외부 클래딩 재료의 특성들에 관계된 물리적 또는 광학적 구배를 갖는 제어된 두께의 계면층을 나타내는 깊게 위치된 결합 계면층을 이루는 광학적 예비 형성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 제1재료로 형성된 코어 막대와, 제2재료로 형성된 둘러싸는 튜브와, 상기 코어 막대와 상기 튜브 사이에 일체로 형성된 얕거나 깊게 형성된 계면층으로 구성된 예비 형성물 구성에 의하여 구현된다. 여기서, 상기 얕거나 깊게 형성된 계면층은 제1재료와 제2재료의 내부 확산에 의하여 형성된다. 결과적인 예비 형성물의 계면층은 막대 재료와 튜브 재료의 내부 확산된 재료의 재료 특성을 나타낸다. 예비 형성물 구조를 생성하는 공정은 튜브가 막대 상으로 내려앉는 단계와, 결합된 구조를 지지하는 단계와, 예비 형성물 구조를 가열하여 튜브와 막대 사이의 계면에서 깊게 위치된 결합층을 형성하는 단계를 포함한다. 예비 형성물은 가열하는 동안 원통형 축을 중심으로 회전되는 것이 바람직하다. 캡슐로 둘러싸인 운반체는 깊은 계면층을 형성하는 공정에서 가열하고 회전하는 동안 예비 형성물을 지지하는데 사용되는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명은 광학적 예비 형성물 구조에서 연속적이거나 매끄러운 계단식으로 반경 방향으로 구배진 부분을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다. 반경 방향으로 구배진 부분의 구배 프로파일은 상기 영역의 반경 방향의 깊이와 직접적으로 관계되며, 상기 영역의 반경 방향의 깊이에 의해 상당히 제어된다.

또한, 본 발명은 두 재료의 층들 사이에 하나 또는 그 이상의 특성들의 부드러운 전이를 제공하는 상당히 제어될 수 있는 깊게 위치된 반경 방향의 결합 계면층을 광학적 예비 형성물 내에 효과적으로 제공하는 장점을 갖는다. 제어되는 특성들은 굴절률, 열 팽창 계수, 밀도, 재료 성분, 신장과 압력 강도, 및 열 전달 특성을 포함하지만 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명의 또 다른 장점은 광학적 예비 형성물의 완전한 반경 방향의 치수까지 반경 방향의 두께 또는 깊이를 이루는 것이다. 게다가, 계면층은 막대와 튜브의 반경 방향의 상대적인 치수에 따라 막대층이나 튜브층을 효과적으로 소멸시킨다.

본 발명의 또 다른 장점은 발명의 광학적 예비 형성물 구조를 제조하는 공정이 재료의 어떤 특별한 족, 예를 들면 납 실리카, 붕 규소(硼硅素), 바륨 실리카 등으로 제한되지 않는다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 다른 반경을 갖는 동심적으로 계면에 깊게 위치된 다수의 코어가 본 발명에 따라 제조될 수 있다는 것이다.

또한, 본 발명은 발명의 광학적 예비 형성물 제조 공정이 예비 형성물의 구조적, 광학적 대칭을 유지하는 장점을 갖는다.

본 발명의 또 다른 장점은 깊게 위치된 반경 방향의 결합 계면층에서 도판트 원자를 열적으로 이동하는 데 영향을 미치는 열 중력 제어 단계를 이용한다는 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 광학적 예비 형성물 제조에서 초기 단계가 도 1에 도시되어 있다. 광학적 예비 형성물의 제조를 완성하기 위한 공정이 상세히 설명되지만, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 특히 치수 및 재료의 선택과 관련하여 여러 가지로 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 이하에서 상술한 실시예는 단지 본 발명의 범위를 한정하는 특허 청구 범위에 대한 대표적인 예를 제공하는 것에 그칠 뿐이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 광학적 예비 형성물(10)은 튜브(14)의 원통형 중 공을 통하여 삽입된 초기의 원통형 막대(12)로 이루어져 있다. 막대(12)와 튜브(14)의 재료는 광학적 재료의 많은 족들로부터 선택될 수 있으며, 이러한 재료들은 전형적으로 이 기술 분야에서 널리 알려진 납 실리카, 붕 규소, 그리고 다른 유리족들을 포함하는 유리 재료로 언급된다. 비록 유리의 적당한 결정화, 투명도와 탄성을 유지하는 일반적 요구 조건에 의해 한정된다 하더라도, 전형적으로 유리의 각 족들은 같은 구성 성분을 갖는 유리로서 특징지어진다.

본 발명에 따르면, 막대(12)와 튜브(14)는 비슷한 재료나 동일한 유리족의 재료로 형성될 필요는 없다. 오히려, 광학적 예비 형성물(10) 제조 공정은 다른 유리 재료 성분의 선택에 의해 한정되는 것으로서 광학적, 기계적, 열적 특성이 매우 상이한 막대 재료와 튜브 재료를 적용할 수 있다. 그러나, 막대(12)와 튜브(14)의 재료 선택에 제한이 없는 것은 아니다. 본 발명에 따른 재료는 다음 공정을 수행하는 동안에 막대(12)와 튜브(14) 사이에 있는 재료의 혼합은 대류 혼합 보다는 주로 내부 분산(interdiffusion)에 의하여 이루어지므로 유사한 융점 온도를 갖는 재료로 선택되어야 한다. 일반적으로, 약 100℃ 이내의 융점 온도 차이, 더욱 바람직하게는 약 50℃ 이내의 융점 온도 차이가 본 발명의 목적을 이루는 데 있어서 적당하다. 또한, 막대(12)와 튜브(14)의 유리 성분은 내부 분산되는 경우에 적당한 결정화도, 투명성, 탄성을 갖는 유리를 생산할 수 있도록 선택되어야 한다.

또 다른 제한은 막대(12)와 튜브(14) 사이의 팽창 계수는 막대와 튜브 유리 재료의 연화점 이상에서 그리고 제어된 낮은 냉각 속도로 실온에 이르기까지 냉각되는 동안에 광학적 예비 형성물(10)을 처리할 수 있도록 근접하게 매칭되어야 한다. 물론, 막대(12)와 튜브(14)의 재료의 기계적 특성은 팽창 계수가 특정 재료에 대하여 충분히 매칭되는지 여부를 결정하는 데에 있어서 고려되어야 한다. 보다 구체적으로는, 막대 재료의 팽창 계수가 튜브 재료의 팽창 계수보다 높은 경우에 있어서, 팽창 계수가 냉각 공정 중에 튜브(14)에 균열이 발생하는 것을 억제하는 데 충분히 매칭되는 것인지 여부를 결정하는 데 있어서, 튜브(14)의 취성(brittleness, 脆性)은 제한 인자로서 작용할 가능성이 높다.

또한, 재료의 분리 선택은 막대(12)의 외주 표면과 튜브(14)의 내주 표면에 다소 말끔히 다듬질된 표면을 필요로 한다. 균일한 구조를 제조하기 위하여, 막대(12)와 튜브(14)사이의 계면에서 모든 종류의 틈새를 제거하여야 한다. 막대(12)를 튜브(14)의 구멍으로 삽입하기 위하여, 막대(12)의 직경은 튜브(14)의 구멍의 직경 보다 약간 더 작게 형성되어야 한다. 광학적 예비 형성물 구조(10)가 가열된 경우에, 막대(12)와 튜브(14) 사이의 환상형(annular) 틈새으로부터 가스가 유입되는 것을 방지하여야 한다. 가열되기 이전에 모든 가스를 배출시킨 경우라고 하더라도, 인접하는 거친 표면에 의하여 틈새가 형성될 수도 있다. 따라서, 예비 형성물(10)의 가스 배출 공정에서도, 매끄럽게 다듬질된 표면이 요구된다. 그러나, 다듬질 정도는 사용되는 재료에 따라 다르다. 즉, 광학적 예비 형성물의. 현미경 검사를 통하여, 의도된 용도에 대하여 허용될 수 있는 직경 상에 틈새가 제거된 것으로 판명되는 경우라면 충분할 것이다. 일반적으로, 충분한 다듬질 정도를 얻는 것은 어렵지 않다.

마지막으로, 막대(12)와 튜브(14) 사이에 있는 환상형 공간의 치수는, 특히, 막대(12) 재료의 융점 온도는 튜브(14) 재료의 융점보다 낮은 경우에, 튜브(14)에 대한 막대(12)의 열팽창 계수를 고려한 크기로 만들어져야 한다. 이상적으로는, 환상형 공간은 막대(12) 재료가 반경 방향으로 팽창하여 막대(12) 재료의 융점에 도달하는 중에, 튜브(14) 의 팽창 강도를 초과하여 튜브(14)의 내주 면에 팽창에 따른 힘을 가하지 않으면서, 막대(12)와 튜브(14) 사이의 환상형 공간을 밀폐시키는데 충분하도륵 그 크기가 형성된다.

도 2a는 막대(12)위로 튜브(14)이 내려앉은 예비 형성물이 단면도(端面圖)를 도시한 것이다. 굴절률이 예시되어 있지만, 예비 형성물(10)의 모든 재료 특성은 각각 막대(12)와 튜브(14)내에서 기본적으로 균일하다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 막대(12)와 튜브(14) 사이의 계면에 깊게 위치된 반경 방향의 결합층이 생성됨에 따라, 계면층(16)은 막대(12)의 재료 특성으로부터 튜브(14)의 재료 특성에 이르는 부드럽고 연속된 계단 형태로 변화하도록 제조된다. 더욱이, 상기 깊게 위치된 결합 계면층(16)은 밀접하게 용융되고 막대(12)와 튜브(14)의 재료 모두가 혼합되어 형성된다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 동심적으로 깊게 위치된 다수의 결합 계면층은 동시 다발적으로 생성된다. 제 2의 광학 예비 형성물(20)은 코어 막대(22); 막대(22) 주위의 원통상의 제1튜브(26), 제1튜브(26) 주위의 원통상의 제2튜브(30)를 구비하고 있다. 계면층들(24, 28)을 동시에 생성하기 위하여, 깊게 위치된 결합 계면층들(24, 28)은 공정 시작 전에 튜브(26, 30)는 막대(22)위로 둘 다 내려앉는다. 계면층들 (24, 28)의 연속적 생성동안 제1튜브(26)는 막대(22)에 대해 내려앉게 되고 합성 예비 형성물 구조는 초기 요구된 두께를 갖는 깊게 위치 결합된 계면층(24)을 형성하기 위해 처리된다. 즉 합성 예비 형성물(22,26)은 튜브(26)와 막대(24)의 마주보는 표면을 용융하거나 결합하기 위해 본 발명에 따라 가열되며, 이에 따라, 계면층(24)의 최저 초기 두께가 만들어진다. 제2튜브(30)는 튜브(26)의 외부 표면에 내려앉게 되고 결과적인 합성 예비 생성물 구조는 그들의 마지막 의도된 두께로 제1계면층(24)이 완전히 형성된다. 그리고, 제2계면층(28)을 생성하기 위하여 본 발명에 따라 다시 가열된다. 여러 가지 층들 사이의 굴절률에서의 변화를 통하여 언급된 바와 같이, 계면층(24, 28)은 코어 막대(22), 내부 튜브(26), 그리고 외부 튜브(30)사이에 연속적이고 매끄러운 계단형 특성 구배가 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 도 2a, 도 2b, 도 2c에 도시된 합성 구조는 막대와 튜브의 깊이 전체에 걸쳐 막대 재료와 튜브 재료의 내부 분산이 형성되도록 가열될 수 있다. 따라서, 도 2d에 상세히 도시된 바와 같이, 막대와 튜브 재료의 내부 분산은 합성 예비 형성물(22, 26, 30)의 전체 깊이를 가로질러 뻗어 형성된 대칭적인 단일의 매끄러운 계단식 반경 방향의 구배가 있는 지점까지 진행될 수 있다.

도 3a를 참조하여, 단순한 막대-튜브 구조의 합성 예비 형성물(32)의 초기 열처리를 설명한다. 일단 유리 막대(34)가 튜브(36)의 원통형 구멍 내로 기계적으로 삽입되고 나면, 합성물 구조(32)는 종래의 용광로(미도시)내에 위치된다. 용광로는 합성 예비 형성물(32)을 그 내부에 세라믹 롤러(38)를 지지하고 세라믹 롤러(38)를 회전시킬 수 있도록 개조된다. 바람직한 실시예에서는, 대략 1인치의 직경을 갖는 예비 형성물 경우, 롤러(38)들의 직경은 각각 약 20mm이다.

상기 처리 단계의 목적은 튜브 재료(36)의 연화 온도 바로 위의 온도까지 합성 예비 형성물(32)을 가열하는 것으로, 동시에 막대 재료를 튜브(36)의 내주 표면까지 팽창시켜 용융시키는 것이다. 상기 열처리동안에 합성 조립체(32)를 회전시킴으로써, 막대(34)를 튜브(36)에 연결시켜 균일한 결합 계면층을 형성할 수 있게 되며, 합성 조립체(32)의 전체 길이에 걸쳐 가열의 균일성을 향상시키게 된다.

먼저, 합성 예비 형성물(32)의 온도는 초기 실온으로부터 튜브(36)의 연화 온도 바로 위의 온도 ( 거의 연화 온도 ) 까지 선택된 재료의 열 충격 저항에 관련된 종래의 결정할 수 있는 비율로 가열된다. 막대가 튜브(36)의 내부 구멍 표면에 접촉하도록 팽창하는 온도에서 세라믹 롤러(38)는 예비 형성물(32)에 대하여 50 rpm 내지 150 rpm 사이의 회전 속도로 회전하기 시작한다. 훨씬 높은 회전 속도로 회전하는 것이 유리하지만, 낮은 회전 속도로 회전시키는 것도 적당히 효과적이다.

튜브(36)가 거의 연화점 온도에 이르면, 도 3b에 일반적으로 도시된 바와 같이, 추가 세라믹 롤러(38')는 세라믹 롤러(38)에 기계적 반대편에서 튜브(36)의 외부 표면에 대하여 압착된다. 압착 롤러(38')는 예비 형성물(32)의 외부 표면에 작은 접촉면을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 압착 롤러(38')는 약 20mm의 직경과 2mm의 접촉 폭을 갖는다. 롤러(38,38')와 예비 형성물(32)의 회전은 예비 형성물 (32)의 길이를 따라 이동하는 압착 롤러(38')의 접촉면과 함께 압착되는 동안 유지 된다. 롤러(38')에 의해 부가되는 응력은 막대(34)와 튜브(36) 사이의 계면에 존재할 지도 모르는 남아 있는 대기 가스와 틈새를 없애기에 충분하게 되도록 선택된다.

그리고 나서, 세라믹 롤러(38')는 제거되고 합성 조립체(32)는 튜브(36)의 내부구멍 표면으로 막대(34)의 외부 표면을 용융시키기에 충분한 시간동안 막대(36)의 거의 연화 온도에서 회전을 유지시킨다. 그리고 나서, 합성 예비형성물(32)의 제어된 냉각은 종래 결정될 수 있는 비율로 온도 감소와 함께 다시 이행된다.

막대(34)와 튜브(36)의 온도가 튜브(36)의 거의 연화 온도와 실온 사이에 있는 적어도 막대와 튜브 재료 사이에 더 이상의 중요한 내부 분산 활동도 없는 중간점까지 감소되면, 세라믹 롤러(38)의 회전을 중지시킨다. 막대(34)와, 튜브(36), 및 막대(34)와 튜브(36) 사이의 계면의 어닐링은 중간 온도 수준에서 일어나도록 한다. 이 어닐링 단계는 열처리의 결과로서 막대(34)와 튜브(36)에서 뿐 아니라 막대(34)와 튜브(36) 사이의 계면에서 생성되는 재료 응력을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 상기 어널링 단계는 사용된 재료, 합성물의 크기와 기하학상 도형과 결합 온도와 시간을 토대로 일반적으로 결정될 수 있다. 어닐링 단계가 완료된 후, 합성 예비 형성물(32)은 실온까지 느리게 냉각된다. 막대(34)와 튜브(36) 사이의 깊게 위치된 결합 결과는 막대(34)와 튜브(36)를 구성하는 재료의 상대적 내부 분산 특성, 결합 형성이 일어나는 온도, 용융이 계속되는 시간과 합성 예비 형성물(32)의 회전 비율에 직접 관계되는 두께 전체에 걸친 막대와 튜브 재료의 상세한 용융을 나타낸다.

합성 예비 형성물(32)의 추가적인 처리에서 사용된 유리 운반체(40)가 도 4에 도시되어 있다. 유리 운반체(40)는 일단이 밀폐되고 외부의 고온에 저항력을 가진 재질로 형성된 제1의 석영 유리 튜브(42)와, 마찬가지로 일단이 밀폐되고 유사한 재질로 형성된 제2의 석영 유리 튜브(44)로 구성된 것이 바람직하다. 미세하게 분말화된 질화 붕소와 같이 달라붙지 않게 하는 작용제로 코팅된 합성 예비 형성물(32)은 외부 튜브(42)의 밀폐된 선단 내부에 인접하게 위치된다. 다른 비-고착 작용제가 사용될 수도 있지만, 산화 대기 상태에서도 높은 용융 온도를 갖는 질화붕소 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

합성 예비 형성물(32)의 외경과 튜브(42)의 내경은 비-고착 작용제의 얇은 연속 층을 허용하면서 근접하게 매칭되도록 선택된다. 제2튜브(44)의 외경은 제1튜브(42)의 내경과 매칭되는 크기로 형성된다. 제2튜브(44)는 튜브(44)의 짧고 굵게 밀폐된 일단이 합성 예비 형성물(32)의 일단과 접하도록 제l튜브(42) 내로 삽입된다. 튜브(42, 44)의 전체 원통형 길이는 예비 형성물(32) 맞은편의 개방된 타단이 예비 형성 재료의 연화 온도의 적당한 부분에 의하여, 합성 예비 형성물 (32)을 가열하는 운반체(40)에서 형성된 예비 형성물 구획에 충분한 열을 가하지 않고도 밀봉되어 가열될 수 있도록 선택된다. 내부와 외부의 튜브(44, 42)는 그들의 상호 원통형 계면(46) 전체를 따라 밀봉될 필요는 없다. 오히려, 약간의 환상 형태의 계면부가 내부 튜브(44)의 외부 원통형 표면과 외부 튜브(43)의 원통형 구멍 표면 사이에 남아있도록 한다. 운반체(40)와 예비 형성물(32)의 차후 열처리 공정 중에 상기 환상 형태의 계면부의 안쪽으로부터 가스 배출을 허용하기 위한 작은 구멍 통로(48)가 제2튜브(44)의 열린 내부와 상기 환상형 영역의 사이에 형성된다.

상기와 같은 제1튜브(42) 및 제2튜브(44) 사이의 관계가 바람직하지만, 예비 형성물(32)의 고온 처리를 통하여 예비 형성물의 구획으로부터 액화된 기체 재료가 최소한도로 누출될 것이 요구된다. 예비 형성물의 구획으로부터 가스가 거의 나오지 않도록 예비 형성물의 재료와 비-고착 작용제가 선택되어, 내부와 외부 튜브(44, 42) 사이의 환상형 영역은 밀봉되고 작은 구멍(48)은 제거된다.

유리 운반체(40)는 막대 재료와 튜브 재료의 연화 온도 바로 위의 온도에서 합성 예비 형성물(32)의 처리를 가능하게 하는 기능을 수행한다. 상기 고온 처리는 합성 예비 형성물(32)을 포함하는 운반체(40)를 용광로 내부와 세라믹 롤러 (38)위로 위치시킴으로써 구현된다. 용광로 내의 온도는 막대(34)와 튜브(36)의 연화 온도를 초과하는 온도로 결정 가능한 속도로 상승하는 것이 바람직하다. 실질적인 대류 혼합에 이르지 않으면서, 막대 재료와 튜브 재료의 내부 분산율을 최대로 하기 위하여, 보다 높은 온도로 선택될 수 있다. 상기 온도를 최대로 하기 위하여, 예비 형성물(32)의 비균일한 가열에 따른 대류 혼합의 가능성을 최소화 하고. 예비 형성물(32)의 구조 대칭을 유지하기 위하여, 막대 재료나 튜브 재료의 연화 온도 약간 아래의 온도에서 운반체(40)를 회전시키기 시작한다. 회전 비율은 예비 형성물(32)이 용광로 내부에서 균일하게 가열되도록 하기에 충분한 것이 바람직하다.

운반체(40)를 회전시킴으로써, 막대 재료가 튜브 재료 내로 내부 분산되는 상대적인 비율이 바람직한 범위 내에서만 치우치도록 한다. 이와 같은 치우침의 크기는 유리의 밀도와 유리 내에 존재하는 도판트의 밀도에따라 크게 달라질 것이다. 어떤 경우, 적당한 회전 비율은 막대 재료와 튜브 재료 사이의 내부 분산이 대칭적 으로 형성되는 것을 확보할 수 있게 할 것이다. 보다 높은 회전 속도는 막대 재료가 튜브 재료의 내부로의 내부 분산이 튜브 재료의 막대 재료 내의 내부 분산에 비하여 보다 빠른 속도와 보다 깊은 깊이로 이루어지는 것을 야기할 것이다. 결과적으로 얻어지는 합성 예비 형성물(32)의 광학적, 열적, 기계적 특성은 막대(34)와 튜브(36) 사이에 형성된 깊게 위치된 계면층에서의 막대와 튜브 재료의 상대적 농도에 따라 달라지므로, 회전 속도를 조절함으로써 상기 특성에 직접적인 영향을 가할 수 있게 된다.

운반체(40)의 회전 시간은 막대(34)와 튜브(36) 사이에 형성된 계면층의 두께를 실제로 결정할 것이다. 약 0.1mm 에 이르는 계면층 두께는 얕은 것으로써 언급될 수 있으며, 약 0.1mm 보다 더 큰 계면 두께는 깊은 것으로써 언급될 수 있다. 본 발명은 합성 예비 형성물의 반경에 의해서만 제한된 단지 몇 개의 원자 직경 두께의 얕은 계면층으로부터 10mm 두께의 깊은 계면층에 이르는 제어된 생산을 용이 하게 할 수 있다. 계면층을 형성한 이후에, 운반체(40)의 제어된 냉각은 깊은 결합층의 온도 뿐만 아니라 막대와 튜브 재료의 연화 온도 아래의 어닐링 온도까지 내려가 행해진다. 그러나, 상기 어닐링 온도는 깊게 위치된 계면층을 충분히 어닐링 할 수 있도록 선택된다. 상기 어닐링 온도에 이르면, 세라믹 롤러(38)에 의한 운반체(40)의 회전은 중지되는 것이 바람직하다. 일반적으로 확정 가능한 어닐링 시간이 경과한 후에, 최종적으로 운반체(40)는 실온까지 느리게 냉각된다.

그리고 나서, 운반체(10)는 완성된 합성 예비 형성물(32)을 꺼내기 위하여 균열이 발생하면서 개방된다. 종래의 방법으로 청결하게 된 후에, 결과적으로 얻어진 예비 형성물(32)은 정확히 제어되고 깊게 위치된 반경 방향의 구배에 의해 특징 지어지는 유일한 특성들을 갖는 광학 섬유 또는 광학 렌즈로 처리될 수 있다.

[실시예]

이하의 실시예를 통하여, 용융된 얕은 결합이 존재하는 단계와 이로부터 깊은 결합 계면층이 생성되는 단계에 이르기까지의 예비 형성물의 제조 방법을 상술 한다. 상기 두 단계는 두 개의 다른 예비 형성물 조합에 대하여 이루어진다. 첫번째 두 개의 실시예는 같은 유리족의 유리 재료를 사용한다. 두 번째 두 개의 실시예는 두 개의 다른 유리 성분족의 유리 재료를 사용한다.

실시예 1

주문형 납 유리를 갖는 깊게 위치된 얕은 계면 결합.

광학적 예비 형성물은 2개의 유리 재질의 원통형 조각들로부터 제조된다. 중실형 코어, 또는 코어 막대(이하, 간단히 '코어' 라고 함)는 그 직경이 약 12.78mm 이다. 클래딩 튜브(이하, 간단히 '클래딩' 이라고 함)은 약 25.25mm 의 외경과 약 12.90mm 의 내경을 갖는다. 코어와 클래딩은 모두 약 28mm 의 길이를 갖는다. 코어와 클래딩의 두 성분은 실제로 조화되는 성분의 주문형 납 유리로부터 제조된다. 상기 두 성분들 사이의 주요한 차이는, 굴절률 차이를 의미하는, 실리카와 납 사이의 약간 서로 다른 비였다. 상기 코어는 1.67 의 굴절률과 약 630℃의 연화 온도를 가지며, 상기 클래딩은 1.59 의 굴절률과 약 665℃의 연화 온도를 갖는다.

코어는 코어 재료의 유리 덩어리로부터 외경 부근에 드릴링을 하는 것에 의하여 마련된다. 그리고, 처음에는 350메시(mesh)에서 나중에는 1250메시의 다이아몬드가 주입된 패드상에서 코어를 빠르게 회전시킴으로써 코어 외경의 최종적인 다듬질이 이루어진다.

클래딩 샘플은 클래딩 재료의 유리 덩어리로부터 내경에 구멍을 가공하고, 외경을 가공하여 실린더 형태로 마련된다. 그리고나서, 내측 구멍의 표면은 처음에는 350메시(mesh)에서 나중에는 1250메시의 다이아몬드가 주입된 패드를 적용함으로써 최종적인 내경의 다듬질이 이루어진다.

코어와 클래딩의 상기 재료 특성을 감안하여 가열 중의 기대되는 팽창의 차이를 보상하기 위하여 코어와 클래딩 사이에 환상형 공간이 선택된다.

코어는 클래딩 실린더에 삽입되고, 이 조립체는 용광로 내의 회전 롤러 기구상에 놓여진다. 본 발명에 따르면, 코어와 클래딩 재료의 초기 용융 결합을 위하여 기계적으로 준비된 코어의 클래딩 조립체에 열과 회전을 적용시키는 것이 필요하다. 종래의 용광로는 용광로를 완전히 관통하여 뻗어 있는 세라믹 롤러를 수용하기 위하여 개조된다. 세라믹 롤러는 외부적으로 지지되고 구동된다.

코어와 클래딩 조립체는 용광로 내의 롤러 상에서 자유롭게 놓여진다. 코어와 클래딩 조립체는 약 3시간 이상 동안 670℃의 계면 결합 온도로 가열된다. 일단 온도가 560℃ 에 이르면 회전하기 시작된다. 그리고, 약 97rpm의 속도로 회전이 유지된다. 670℃에 이르면, 약 20mm 의 직경과 약 2mm 폭의 접촉면을 가지며 코어와 클래딩 조립체에 대하여 압착된 세라믹 롤러를 사용하여 조립체를 선단으로부터 선단까지 느리게 압착한다. 압착 롤러의 회전축은 예비 형성물의 회전측에 대해 약간 휘게 된다. 압착 롤러와 예비 형성물의 회전은 전체 압착 공정 동안에 실제로 동시에 이루어진다. 이와 같은 압착은 잔존하는 공기 방울들이 조립체의 단들로 움직이게 하는 역할을 수행한다. 압착되는 동안 용광로는 부수적으로 620℃로 냉각된다. 압착이 완료되면, 계면 결합 기간을 지속시키기 위하여 670℃의 온도로 복귀시킨다.

계면 결합 기간이 종료되면, 어닐링 단계가 이행된다. 계면 결합된 예비 형성물, 용광로, 회전 기구는 분당 약 2,0℃의 속도로 결합 온도로부터 440℃까지 냉각된다. 일단 450℃에 이르면, 회전은 중지된다. 그리고 나서, 한 시간동안 440℃의 온도로 유지되고, 그리고 나서, 분당 약 0.2℃의 냉각 속도로 냉각된다. 그리고 나서, 용광로는 실온에 이르기까지 수 시간 이상 동안 느리게 냉각된다.

실온에 이른 후에, 계면 결합된 예비 형성물의 직경은 약 25.10mm 정도로 측정된다. 광학 측정을 위하여 하나의 선단으로부터 작은 얇은 조각을 벗겨낸다. 계면 결합의 직경은 약 0.062mm 정도로 측정된다.

이와 같은 처리는, 코어와 클래딩 층에 밀접하게 용융 접촉되어 형성되어 코어 재료와 클래딩 재료의 조합으로 형성된, 제어되고 균일한 두께를 갖는 깊게 위치된 얕은 계면 결합을 성공적으로 생성한다.

예비 형성물의 조각의 각 축 선단 위에 편광 필터를 위치시킴으로써 이행되는 재료의 응력 해석을 통하여, 코어를 밀접하게 둘러싼 응력 집중 부분이 존재하는 것과 코어 자체에는 뚜렷한 응력이 발생되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 집중 응력의 유형은 코어에 대한 압축 응력이 예비 형성물에 강도를 부여하므로 바람직하다.

실시예 2

주문형 납 유리를 갖는 깊게 위치된 깊은 결합 계면층

실시예 2에서는 실시예 1에서 준비된 얕은 계면 결합 예비 형성물을 이용한다. 깊은 계면층의 형성에 요구되는 보다 높은 온도에서 예비 형성물의 형상을 유지하기 위하여, 예비 형성물은, 예비 형성물의 외부 치수에 대응하는 내부 치수를 가지며 높은 온도에서도 저항성이 있는 석영 유리 용기에 의하여 모든 면적이 지지 된다. 먼저, 예비 형성물은 용기 내로 삽입되기 이전에 비-고착 작용제로서 미세 분말화된 질화 붕소로 완전하게 코팅된다. 삽입된 이후에, 용기는 가스의 누출을 가능하게 하는 하나의 작은 공기 구멍만을 남긴 채 밀봉된다. 그리고 나서, 마련된 예비 형성물과 용기는 용광로로 다시 보내지고, 롤러 조립체 상에 위치된다.

그리고 나서, 예비 형성물과 용기는 약 4시간 20분에 걸치 840℃까지 가열된다. 온도가 595℃에 이르면, 예비 형성물과 용기는 회전하기 시작한다. 회전속도는 약 82rpm의 속도로 이루어진다. 일단 온도가 840℃에 이르면, 온도는 약 4시간 동안 일정하게 유지된다. 그리고 나서, 예비 형성물과 용기는 분당 3,81℃의 냉각 속도로 440℃까지 냉각된다. 예비 형성물과 용기는 1시간동안 440℃로 유지되고 회전이 정지된다. 그리고 나서, 예비 형성물과 용기는 분당 약 0,21℃의 냉각 속도로 320℃까지 냉각되고 난 후에, 느리게 실온까지 냉각된다. 실온에서 용기는 균열이 발생됨에 따라 개방되며, 깊은 계면층 예비 형성물은 쉽게 분리된다.

깊은 결합 공정이 이루어진 선단에서 예비 형성물의 치수는 직경이 약 24.89mm로 측정된다. 깊은 결합층의 두께는 1.31mm로 측정된다. 상기 깊은 계면층은 코어와 클래딩 층 사이에 균일하게 존재하게 된다.

깊은 결합층 예비 형성물의 코어 길이 11.28mm 에서의 응력 해석을 통하여, 코어를 둘러싼 국부적인 압축 응력 패턴이 발생됨을 알 수 있으며, 이는 예비 형성물의 강도가 바람직하게 높아졌다는 것을 의미한다.

실시예 3

특수한 유리를 갖는 깊게 위치된 얕은 계면 결합

코어와 클래딩은 실시예 l에서 설명된 것처럼 마련되지만, 다음과 같은 점에 있어서 차이점을 갖는다. 종실형 코어는 약 81.20mm의 길이를 가지며, 그 직경 이 12.70mm으로 형성된다. 클래딩은 외경이 약 25.40mm이고, 내경이 약 12.98mm이고, 길이가 약 80.95mm로 형성된다.

코어 재료는 1.56의 굴절률과, 약 3g/㎠ 의 밀도와, 약 600℃ 의 연화온도를 갖는 납붕 규소(硼硅素)이다. 클래딩은 1.48의 굴절률과, 2.4g/㎠의 밀도와, 약 628℃의 연화 온도를 갖는 알칼리 붕규소이다. 상기 코어 재료와 클래딩 재료는 미국 플로리다주 올드스마 말보로가 305번지의 특수 유리 회사로부터 상업적으로 구입할 수 있는 합성물이다.

코어와 클래딩의 조립체는 3시간이 경과하면 660℃의 결합 온도로 가열된다. 온도가 600℃ 에 이르면 약 46rpm의 회전 속도로 회전하기 시작한다. 온도가 660℃에 이르면, 약 20mm 세라믹 롤러를 이용하여 조립체를 하나의 선단으로부터 다른 선단에 이르기까지 압착시키고, 이와 동시에 세라믹 롤러와 조립체는 계속하여 회전한다. 압착하는 동안, 용광로는 부수적으로 630℃까지 냉각된다. 압착에 이어, 용광로는 660℃까지 재가열되고, 10분 동안 유지된다. 그리고 나서, 두 번째로 다른 방법의 동일한 압착이 행해진다.

예비 형성물을 어닐링 하기 위해, 용광로와 회전 기구는 분당 약 5.7℃의 냉각 속도로 결합 온도로부터 460℃까지 냉각된다. 460℃에 이르면 회전은 중지된다. 온도는 한시간 동안 460℃로 유지되고, 그리고 나서, 분당 0.9℃의 냉각 속도로 383℃까지 냉각된다. 그리고 나서, 용광로는 수 시간에 걸쳐 실온까지 느리게 냉각 된다.

실온에 이르게 되면, 예비 형성물 직경은 약 24.94mm가 된다. 측정을 위하여 작은 얇은 조각을 선단의 한쪽으로부터 떼어낸다. 계면 결합층의 두께는 약 0.035mm로 측정된다.

다시, 제어되고 균일한 두께를 갖는 깊게 위치된 얕은 계면 결합이 이루어진다. 또한, 예비 형성물의 코어 주변에 국부적인 압축 응력의 영역이 존재하는 것이 다시 발견되었으며, 이는 예비 형성물의 강도가 증가되었다는 것을 나타낸다.

실시예 4

특수 유리를 갖는 깊게 위치된 깊은 결합 계면층

실시예 3에서 준비된 얕은 계면 결합 예비 형성물은 실시예 2에서 설명된 것과 같이 처리되지만, 다음과 같은 점에 있어서 차이점이 있다.

약 25.26mm 길이의 코어 조각을 얕은 계면 결합된 예비 형성물로부터 잘라낸다. 용기에 예비 형성물을 위치시킨 후, 예비 형성물과 용기를 3시간 10분에 걸쳐 760℃ 까지 가열한다. 그리고 나서, 온도가 460℃에 이르면, 약 83rpm 의 회전 속도로 회전시킨다. 온도가 760℃에 이르면, 그 온도를 두 시간 동안 유지한다. 용기와 예비 형성물을 분당 약 3℃의 냉각 속도로 460℃까지 냉각시키고, 한시간 동안 460℃로 온도를 유지한다. 그리고 나서, 회전을 중지시키고, 용기와 예비 형성물을 분당 약 0.2℃의 냉각 속도로 350℃까지 냉각시킨다. 그리고 나서, 용기와 예비 형성물을 실온에 이르기까지 느리게 냉각시킨다.

처리의 끝 무렵의 깊은 계면층 예비 형성물의 직경은 약 25.12mm이다. 깊게 결합된 층의 두께는 적어도 시작한 얕은 계면층의 두께보다 보다 큰 0.45mm로 측정된다. 또한 예비 형성물 코어 주위에 집중된 압축 응력 부분은 다시 존재하는 것으로 확인되었으며, 이는 강도가 증가하였다는 것을 말한다.

전술한 실시예로부터 본 발명은 전술한 제약 하에 광학적, 기계적, 그리고 열적 특성이 상이한 재료들을 용이하게 이용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명은 예컨대, 코어 막대용의 납 유리, 튜브용의 바륨이나 희토 유리로부터 얻어진 재료와 같은 다른 유리족들을 선택함으로써, 0.3 이상의 굴절률 차이를 실현할 수 있다. 전술한 설명을 통하여, 매우 제어되고 깊게 위치된 얕고 깊은 계면층에 의해 특정 지워지는 독특한 예비 형성물과 이러한 예비 형성물을 생산하는 방법이 설명되었다. 적용할 수 있는 재료와 특성을 확인하였을 뿐 아니라 구조와 방법에 대한 앞의 설명은 철저하기 보단 예증되도록 하였다. 따라서, 튜브 관련 분야의 기술을 가진 사람에 의해 용이하게 인정될 수 있는 상이한 재료와 특성들을 적용하는 것은 특허 청구 범위에 속하는 것이다.

Claims

a) 제1광학 재료로 형성된 1mm보다 큰 직경을 갖는 중실형(中實形) 중앙 원통형 코어와;

b) 제2광학 재료로 형성되고, 상기 중실형 중앙 원통형 코어를 동심적으로 둘러싸는 덮개 원통형 층과;

c) 상기 중실형 중앙 원통형 코어와 상기 덮개 원통형 층 사이에 동심적으로 그리고 균일하게 놓여진 결합 계면층으로서, 상기 중실형 중앙 원통형 코어와 상기 덮개 원통형 층 사이에 하나 이상의 재료 특성이 매끄럽게 전이되도록, 상기 제1광학 재료와 상기 제2광학 재료의 반경 방향으로의 연속적인 구배를 갖는 내부 분산에 의하여 형성된 결합 계면층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 유리 예비 형성물.
제 1 항에 있어서, 상기 결합 계면층은 상기 중실형 중앙 원통형 코어의 예정된 축에 대하여 실제로 평행한 회전축에 대해 균일한 반경 방향의 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 유리 예비 형성물.
제 1 항에 있어서, 상기 결합 계면층은 반경 방향의 구배를 따라 상기 제1광학 재료와 상기 제2광학 재료의 상호 내부 분산 특성에 비례하여 실제로 상기 제1광학 재료와 상기 제2광학 재료로 구성된 광학 재료인 것을 특징으로 하는 광학 유리 예비 형성물.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 광학 유리 예비 형성물의 원통형 축에 대한 상기 결합 계면층의 반경 방향의 중앙점은 상기 덮개 원통형 층의 반경 방향의 외주 표면으로부터 1mm 보다 깊은 깊이에 위치한 것을 특징으로 하는 광학 유리 예비 형성물.
a) 제1광학 재료로 형성된 1mm 보다 큰 직경을 갖는 균일한 중실형 중앙 원통형 코어와,

b) 제2광학 재료로 형성되고, 상기 중실형 중앙 원통형 코어를 동심적으로 둘러싼 균일한 덮개 원통형 층과,

c) 상기 중실형 중앙 원통형 코어와 상기 덮개 원통형 층 사이에 동심적으로 놓여지고, 반경 방향으로의 연속적인 구배를 따라 상기 제1광학 재료와 상기 제2광학 재료의 상호 내부 분산 특성에 비례하는, 상기 제1광학 재료와 상기 제2광학 재료로 형성된 광학 재료로 이루어진 결합 계면층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물.
제 5 항에 있어서,

상기 광학적 예비 형성물의 원통형 축에 대하여 결합 계면층의 반경 방향의 중앙점은 상기 덮개 원통형 층의 반경 방향의 외주 표면으로부터 1mm 보다 깊은 깊이에 위치한 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물.
제 6 항에 있어서,

상기 깊게 위치 결합된 계면층은 실제적으로 상기 유리 예비 형성물의 반경 전체에 걸쳐 반경 방향으로 뻗어 형성된 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물.
a) 완전한 유리 구조체를 형성하도록 1mm 보다 큰 직경을 갖는 중실형 유리 코어 재료의 초기 표면 상에 걸쳐, 각각 재형성할 수 있게 균일한 두께를 가지며 상기 초기 표면의 표면 윤곽을 균일하게 재형성하는 유리 재료로 형성된 하나 이상의 유리층을 제공하는 단계와;

b) 상기 유리 층들과 상기 유리 코어 재료 사이에서 상호 내부 분산이 일어날 수 있도록 상기 유리 층들과 유리 코어 재료를 가열하는 단계와;

c) 상기 유리 층들과 상기 중실형 유리 코어 재료 사이의 재형성할 수 있는 균일한 상호 내부 분산을 이루기 위하여, 상기 가열 단계 동안에 상기 초기 표면에 평행한 축을 중심으로 상기 완전한 유리 구조체를 회전시켜, 상기 유리층과 상기 중실형 유리 코어 재료의 상호 내부 분산된 부분을 포함하여 상기 유리층과 상기 중실형 유리 코어 재료에 걸쳐 연속적인 반경 방향의 구배를 갖도록 하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 가열 단계를 통하여 상기 초기 표면의 표면 윤곽 재형성을 지속하기 위해 상기 완전한 유리 구조체를 지지하는 단계를 추가적으로 포함하고,

상기 가열 단계는 상기 중실형 유리 코어 재료의 연화 온도보다 더 높은 온도로 상기 완전한 유리 구조체를 가열하는 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 가열 단계는 상기 유리 층들 중에 선정된 하나의 유리 층의 두께를 통하여 퍼지는, 상기 유리 층들과 상기 중실형 유리 코어 재료 사이의 상호 내부 분산을 제공하는 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

두 개 이상의 유리 층이 형성된 것을 특징으로 하는 유리 예비 형성물 제조 방법.