CN101405232A - 作为芯玻璃用于纤维光学光导的光学玻璃以及具有该芯玻璃的纤维光学阶跃折射率光纤 - Google Patents

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Abstract

描述一种作为芯玻璃用于纤维光学光导的新型光学玻璃，该光学玻璃具有如下组成成分(以基于氧化物的摩尔％计)：50－60 SiO2、0－15 B2O3、10－35 BaO、0－18 SrO、10－35∑ SrO+BaO、0－15 ZnO、10－40∑ SrO，BaO+ZnO、5－35∑ B2O3+ZnO、0.1－1.9 Al2O3、0－4 ZrO2、0－4 La2O3、0－4 Y2O3、0－4 Nb2O5、0－4∑ La2O3+Y2O3+Nb2O5、4.5－10 Na2O、0.1－1 K2O、0－1.5 Rb2O、0－1.5 Cs2O、0－1.5∑ Rb2O+Cs2O、4.8－11∑碱氧化物、0－6 MgO、0－＜5 CaO。此外，描述一种由所述的芯玻璃与含硼硅酸盐玻璃制成的包层组成的光学阶跃光纤，其中包层玻璃具有某一折射率值nd，该折射率值nd比芯玻璃的折射率值至少低2％，其中包层玻璃具有某一粘度，在纤维制造的温度下，该粘度等于或者优选大于芯玻璃的粘度并且具有某一线性热膨胀系数σ，该线性热膨胀系数等于或者特别是比芯玻璃的线性热膨胀系数小至少 2·10－6K－1。

Description

作为芯玻璃用于纤维光学光导的光学玻璃以及具有该芯玻璃的纤维光学阶跃折射率光纤
技术领域
本发明的主题是一种新型光学玻璃，该新型光学玻璃作为芯玻璃适合用于纤维光学光导，以及一种具有与基于硼硅酸盐的包层玻璃组合的这种芯玻璃的纤维光学阶跃折射率光纤。
背景技术
一般地，用于光传播的玻璃纤维由高折射的芯玻璃和包围该芯玻璃的包层玻璃构造而成，该包层玻璃具有比芯玻璃的折射率低的折射率。传播光的纤维形式的玻璃体被称为阶跃折射率光纤，在该玻璃体中通过该芯玻璃的横截面的折射率恒定。这种类型的玻璃纤维将耦合到该纤维的一端内的光传播到该纤维的另一端，其中光在芯玻璃与包层玻璃之间的界面上被完全反射(全反射)。
可以耦合到这样的纤维中并被传播的光量与纤维芯的横截面积和纤维的数值孔径(NA)平方成比例。为使尽可能大的光量通过短距离至中距离(＜100m)传播，这种阶跃光纤经常被包在一起形成紧密的纤维束，设有保护软管，把其末端粘接在金属套内并通过磨光和抛光把该端面处理成光学上平整的面。相应地，集束光学纤维束被称为纤维光学光导。
纤维光学光导被应用于极为多样的技术和医学领域(普遍的工业技术、照明技术、交通技术、汽车工业、建筑、内窥镜检查、牙科医学)。其重要的功能是从地点A向地点B，大多通过短距离至中距离(稍小些直至最大为100m)传播尽可能大的光通量。在此，通常从功率强劲的光源发出的光，例如卤素灯或放电灯的光借助诸如透镜/反射器的光学辅助工具被耦合到纤维束中。
含有束的单纤维的NA越高，该光导就可以传播越大的光量。
通过纤维光学光导传播的光量除了取决于该光导的纤维的NA之外，同样取决于含有纤维的芯玻璃的传输特性。只有由完全确定的特殊的组成成分的和具有由极低杂质度的原料熔化而成的芯玻璃传导光尽可能低损耗地通过整个光导长度。
用来熔制这种芯玻璃的原料由于其高纯度而相当昂贵，这可以导致这种纤维或由这种纤维制造的光导的巨大的制造成本。
除了纤维光学光导传播的光量之外，穿过该光导低色偏地传播光通常也是重要的。基于含有纤维的芯玻璃的光谱传输依赖性，发生被耦合的光源的色度坐标或多或少强度的色移，这大多可以见于从光导传出的光的黄度。这在由色中性显像决定的各个地方起到干扰作用，例如在医用内窥镜中，在摄制的图像文件中来区分例如健康和恶性组织等。
此外，特别是在可移动的应用(汽车、飞机)中，纤维的可靠性，也就是说，在-40℃与直至110℃之间的温度变化要求下的抗老化性和其相对于环境影响的化学稳定性是重要的。此外，纤维或纤维束的密度对于可移动的应用也是重要的，因为汽车或飞机的重量影响汽车或飞机的消耗。
阶跃折射率光纤的密度主要由芯玻璃的密度来决定。
为了能够从纤维的一端向另一端传导限定的光量，遵循预先规定的数值孔径和纤维横截面。如前所述，纤维可以凭借高孔径和低损耗来传导高光量。该特性基本上由芯玻璃决定。在采用高质量芯玻璃的情况下，可以窄地选择横截面并节省重量。而芯玻璃的密度也具有决定性的影响。芯玻璃的密度越小，结构件的重量越小。结构件的重量越小，例如在预先规定总重量的载重汽车中净载重量就越高从而驱动燃料消耗就越小。
由多成分玻璃制造光学阶跃光纤，要么通过所谓的双坩埚法，要么是棒-管法进行。在这两种情况下，芯玻璃和包层玻璃被加热至这样的温度，该温度与在104到103分帕·秒(dPa·s)的粘度范围相对应，并在此被拉长成为纤维。由此可以制造出稳定的、具有低损耗的纤维，芯玻璃和包层玻璃必须在诸如粘度特性曲线、热膨胀、结晶倾向等一系列特性方面彼此相容。特别是不允许在纤维芯与纤维包层之间的界面内发生接触反应或结晶，这可能将明显地干扰在纤维芯中被引导的光的全反射并由此可能将使得该纤维不适合用于低损耗的光传播。此外，纤维的机械强度也可能由于结晶受到不利的影响。
根据现有技术，已知三种不同的、被考虑用于这种应用的纤维系统。
最为人所知且最广泛地被加工的纤维系统由高含铅量的芯玻璃(大多≥35％PbO)和作为包层玻璃的碱硼硅酸盐玻璃组成。其优点在于，在低制造成本与良好的可拉成纤维的性能的情况下，实现高的数值孔径(在芯玻璃PbO-成分＞50％的情况下，直至＞0.7)，而没有结晶问题。
与之相比，存在诸如中等至严重的损耗(＝200到300dB/km)以及相比而言较强的色偏的缺点，主要是由铅-自吸收性(可见光谱的蓝边)以及被引入的诸如铬和镍的强着色元素杂质造成的。此外，铅作为增加环境负担的物质越来越陷入声名狼藉并因此在光纤的新发展中实际不再使用。这种具有含铅的芯玻璃的纤维的另一个缺点是高密度，高密度导致高的结构件重量。
另一种纤维系统由碱硼硅酸盐玻璃组成，这种碱硼硅酸盐玻璃即可被用作芯玻璃又可被用作包层玻璃。
在专利文献中，例如在EP 0081928、DE 2840451C2或者US4,264,131中描述了这些不同的玻璃系统。该玻璃除了含有高份额的硼之外，还含有高份额的碱土和/或氧化锆石和氧化锗，以便实现所希望的高折射率。这种玻璃的优点在于极其低的损耗(部分在＝10dB/km)和在采用大多对环境无害的原料(存在变动方案的例外，该变动方案含有高份额的钡，例如DE 2940451C2)的同时的非常小的色偏。这种玻璃系统的缺点在于纤维的大多较小的数值孔径NA以及不太高的化学稳定性。后者取决于，纤维直接在其生产时紧随例如从双坩埚上的喷嘴中拉出之后，在线被设置合成材料包层，作为对抗可能的化学和/或机械侵害的保护。此外，该低损耗以应用高纯度和由此昂贵的原料作为代价。由此，两个最后所述的方面，高制造成本和合成材料包层使得作为成束纤维的应用实际不再可能广泛采用。而是作为单纤维被应用于大量专门的应用，用于数据-或者能量传播(激光纤维)。
最后，作为第三种纤维系统的石英玻璃被考虑作为成束纤维，也就是说，以纤维束的形式用于光传播。相对于石英玻璃的极端低的损耗(至6dB/km)、非常好的色中性以及良好的环境亲和性的优点，高成本是重大的缺点。纯净的石英材料由于高加工温度而极其昂贵，此外需要非常费力的掺杂工艺用于所谓的预制件，在掺杂工艺中，通过把氟置入到圆柱形棒的表面内，获得纯净石英的所必需的折射率的降低，该折射率的降低作为光学绝缘对于在后来的纤维中的光传播是必需的。此外，石英纤维的可达到的NA恰好受到限制(＝0.22)。
发明内容
本发明的任务在于，在硼硅酸盐玻璃-系统中找到一种作为光学纤维用芯玻璃的光学玻璃以及一种具有该芯玻璃的纤维光学阶跃折射率光纤，该玻璃具有在0.51之上的高数值孔径(NA)，在整个可见光谱范围内具有低度至中度的损耗，仅具有小的色偏，而在纤维制造时具有良好的可拉出性没有结晶或界面反应的趋向，具有在1000℃以下的低的加工温度VA(VA用英语表达为working point(工作点)是这样的温度，在该温度下玻璃具有103Pa·s的粘度)，可由物美价廉的原料制造而成，具有小的密度(优选在3.6g·cm-3以下)以及与由硼硅酸盐玻璃-系统制成的包层玻璃是相容的。
该任务通过在权利要求1中所描述的芯玻璃和在权利要求7中所描述的阶跃折射率光纤来解决。
该玻璃具有1.58到1.65的折射率值nd、50到59.0的阿贝数和如下的组成成分(以基于氧化物的摩尔％计)
SiO2                    50-60
B2O3                    0-15
BaO                     10-35
SrO                     0-18
∑Sr、Ba                10-35
ZnO                     0-15
∑Sr、Ba、Zn            10-40
∑B2O3、ZnO             5-30
Al2O3                   0.1-1.9
ZrO2                    0-4
La2O3                   0-4
Y2O3                    0-4
Nb2O5                   0-4
∑La2O3、Y2O3、Nb2O5    0-4
Na2O                    4.5-10
K2O                     0.1-1
Rb2O                    0-1.5
Cs2O            0-1.5
∑Rb2O、Cs2O    0-1.5
∑碱氧化物      4.8-11
MgO             0-6
CaO             0-＜5
BaO首要用于调节高的折射率值。BaO的含量应在10和35摩尔％之间。当该份额低于10摩尔％时，不再达到所希望的折射率值，当该份额高于35摩尔％时，玻璃变得不稳定并易于结晶。另外，密度上升超过所希望的值并影响化学稳定性。BaO的含量优选为16到26摩尔％。其次，BaO被作为网络修饰体并改善玻璃的可熔性。
原则上SrO具有类似的特性，但是其可达到的折射率值较低。SrO可以在玻璃中以0-18摩尔％的量存在。BaO可以出于微调特性的目的部分地被SrO替代，但是SrO比起BaO没有显示出优点，特别是SrO不适于抵销玻璃的由BaO引发的结晶的危险。BaO和SrO的含量的提高应避免总共超过35摩尔％，因为那样玻璃的密度过于强烈地升高并且玻璃的化学稳定性减弱。优选BaO+SrO的含量应不超过26摩尔％。
碱土氧化物MgO和CaO可以在玻璃中以0到6摩尔％MgO和0到小于5摩尔％CaO的量存在。但是它们在其它与BaO类似的表现方面导致更低的折射率值。因此，加入它们没有带来优点。在个别情况下，可能有利的是，加入总共直至2摩尔％的少量的MgO和/或CaO来微调或者优化玻璃的特性。但是特别优选的是，不向玻璃添加MgO或者CaO。
SiO2在玻璃中作为网络形成体存在。其含量应该在50与60摩尔％之间。SiO2的含量低于50摩尔％时，形成稳定的玻璃变得越来越难并且其化学稳定性减弱，在SiO2的含量高于60摩尔％时，需要逐渐升高的熔化温度并且折射率值回落。更高的熔化温度不仅显著提高熔化成本，而且可以导致玻璃的恶化，因为在高温下由于来自澄清室或者其它铂-结构件的被溶解的铂，可以在玻璃中产生不应有的黄色的变色。因此，在高SiO2含量时，需要添加其它成分用于降低温度。
在BaO-SiO2二元系统中存在多种结晶相，例如2BaO·SiO2，熔点1820℃(摩尔比SiO2/BaO＝v＝0.5)，BaO·SiO2，熔点1604℃，v＝1，2BaO·3SiO2，熔点1450℃，v＝1.5和BaO·2SiO2，熔点1420℃，v＝2。在v≤1的范围内，在两种物质的系统中没有形成玻璃的可能，因为玻璃形成体SiO2的份额处于50摩尔％以下。
在1＜v＜1.5的范围内，原则上玻璃应该是可能形成的，但是低共熔物以约1440℃非常接近晶体化合物的熔点。来自该范围的玻璃，当其假如产生时，是非常不稳定和结晶强烈的。因为所述玻璃在此强烈结晶，所以对于其间发生多次冷却和再次升温的纤维应用，这种玻璃是不可使用的。在v＝1到1.5的范围内不产生可使用的玻璃。
在v＝1.5与v＝2之间的范围内，在两种晶体化合物之间出现完全的溶混性(固溶体)，这种固溶体包含所有存在于其间的组成成分(＝SiO2/BaO-比)。因此，在该全体组成成分范围内，玻璃同样不可能形成。玻璃的形成在v＝2以上时才是可能的，这意味着，SiO2-份额大于66摩尔％。低共熔物在75摩尔％，在此玻璃是最稳定的。但是，伴随该SiO2含量得到高粘度的、难于加工的玻璃，具有变为黄色的强烈倾向和趋于过低的折射以及具有其它缺点。
同样地，添加通常量的碱氧化物使得非常稳定的相比例关系不能显现。
本发明发明人已经发现，添加足够量的B2O3和/或ZnO导致，BaO-SiO2-系统的结晶相瓦解或完全不能形成，并且形成低熔融的、结晶稳定的玻璃。B2O3和ZnO组分的总量应该为5到30摩尔％，特别是10到25摩尔％，而B2O3和ZnO在玻璃中分别自身可以以0到15摩尔％的量存在。B2O3的最小含量优选为6摩尔％。当在玻璃中不含有ZnO时，B2O3的最小含量优选为7摩尔％。当B2O3-含量超过15摩尔％时，那么化学稳定性下降并且可达到的折射率值受到向上的限制，当ZnO-含量高于15摩尔％时，那么化学稳定性同样恶化。ZnO对结晶稳定性和折射率值具有正面的影响并且降低阿贝数。因此优选，ZnO的含量大于3摩尔％，特别是大于5摩尔％。
但是，SrO+BaO+ZnO的总量不应超过40摩尔％，因为否则会产生玻璃变得不稳定的危险。
为了改善可熔性和调节高的膨胀系数以及低的VA，向玻璃中添加碱氧化物。该玻璃应具有高于包层玻璃的最小为2*10-6K-1的线性热膨胀系数α，以便可以与常用的包层玻璃很好地组合。如果未满足该条件，纤维的机械强度受到损害。在对于通常使用的包层玻璃的常见的α为5*10-6K-1的情况下，芯玻璃的α也应该至少为7*10-6K-1。但是芯玻璃的膨胀系数优选应不大于α＝11，否则这可以在玻璃冷却到室温时形成不被希望的高应力并且难于制备。
碱氧化物Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O在玻璃中应以4.8-11摩尔％的量存在。但是由于所需的纯度和有利的价格，优选为Na2O和K2O。Na2O在玻璃中应以4.5到10摩尔％的量存在，因为结果表明，当玻璃主要含有Na2O对于纤维拉出是有利的。对此的理论是未知的。K2O在玻璃中以0-1，优选0.1-1摩尔％的量存在。虽然Rb2O和Cs2O比起所述两个较轻的同类物质Na2O和K2O具有更有利的折射率值增量，但是较高纯度的Rb2O和Cs2O只能以过高的成本得到，这样其份额应分别处于0和1.5摩尔％之间并且总共也不应超过1.5摩尔％。Rb2O和Cs2O的份额优选分别为0-0.75摩尔％。
Li2O以在玻璃陶瓷生产中作为晶体形成体公知。因为芯玻璃和包层玻璃可以含有ZrO2和/或Al2O3，所以在添加Li2O到玻璃中时，可以形成晶体，该晶体特别是在芯与包层的界面上出现并且阻碍纤维对光的传导。因此，只有当在芯玻璃和/或包层玻璃中ZrO2和/或Al2O3的浓度太小，以致这种(接触-)结晶不发生时，那么应添加Li2O。因为Li2O在玻璃中比起常用碱氧化物不具备优点，所以Li2O-含量应尽可能受到限制。Li2O-含量优选在0.5摩尔％以下，特别是在玻璃中完全放弃Li2O的存在。
Al2O3是一种在低温下与玻璃形成体一样发挥作用的氧化物并由此使得玻璃抗结晶而更加稳定。在高温下Al2O3与网络修饰体一样发挥作用，也就是说，Al2O3使粘度曲线下降。此外，Al2O3改善了化学稳定性。Al2O3在芯玻璃中以0.1-1.9摩尔％的量存在。因为用于纤维应用所需的纯度的Al2O3是极其昂贵的，所以出于经济原因，较高的Al2O3-含量是行不通的。
为了提高折射率值和化学稳定性，玻璃可以含有直至4摩尔％的量的ZrO2，优选在0.5和3摩尔％之间。因为ZrO2-原料仅可以具有相对高含量的杂质地得到，所以推荐浓度不要多于4摩尔％。此外，在高的ZrO2-份额时可熔性发生恶化。
同样地，为了提高折射率值以及进一步改善粘度表现可以添加在0-4摩尔％范围内，优选在1-3.5摩尔％范围内的La2O3。在更高的份额时，玻璃的化学稳定性受到损害并且对耐火材料的侵蚀增加。Y2O3和Nb2O5可选地可以被加入到La2O3中。那么该浓度也分别在0-4摩尔％的范围内。出于成本原因，一般放弃添加Nb2O5和Y2O3。La2O3、Nb2O5和Y2O3的总含量应不超过4摩尔％。
为了保障玻璃良好的传输性能，玻璃不允许含有着色氧化物，例如V、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Os、Pr、Nd等的氧化物。而经常被用作铅替代物质的Ti和Bi的氧化物也不适合，因为它们由于其在近紫外区的自吸收性而引发玻璃的黄度。
此外，该玻璃还可以含有常用的澄清剂，例如最大量为0.1摩尔％的As2O3和Sb2O3。虽然已知的是，这些氧化物可以以较大的量作为玻璃形成体发挥作用，但是由于其毒性，这些氧化物的添加被保持限制在达到澄清效果所需的量并且总共不超过0.1摩尔％。
具体实施方式
玻璃通过由常用原料在1350℃到1400℃熔化制造而成，熔融体在1400℃与1450℃之间的温度下被澄清，随后被均质化和在1220℃到1270℃被浇铸到所希望的模具中。
结果被总结在表1中。在该表中nd代表折射指数，vd代表阿贝-数，CTE代表线性热膨胀系数，Tg代表玻璃的转变温度，ρ代表密度，VA代表加工点以及AKT代表后面详细说明的搅拌-结晶-温度。
AKT给出玻璃抗(不被希望的)结晶的稳定性。
该ATK依如下方法得出：
玻璃被熔化、澄清和均质化。然后在搅拌下温度以10K逐步下降。在调节热平衡之后观察，在空气-铂-玻璃的三相分界处在搅拌杆的浸没点上是否有晶体形成。该点即为所选装置的最冷点，此外晶体优选形成在三相分界处。
如果在所测量时间(10分钟)之后没有形成晶体，那么温度再次下降10K。这样多次重复，直到要么可以观察到晶体，由此得到AKT的具体温度值，要么搅拌器由于玻璃逐渐增加的粘度而不再转动，以此达到试验-终点。在这种情况下，AKT位于温度测量范围之下(AKT＜T终点)。在未发生结晶的硅酸盐玻璃中，该温度测量范围在高于VA的大约20-70℃，同样在大约103到104dPa·s粘度时结束。
如本发明发明人已经发现的，AKT＜T终点，也就是说，在103-104dPa·s的粘度范围内意味着，玻璃在熔化-和热成型工艺的范围内，在常用的光学熔池处可以毫无问题地被加工成棒，该棒被作为开端材料(芯玻璃)用于根据棒-管法的纤维制造。根据棒-管系统的纤维拉出工艺通常在不发生干扰性的自结晶的情况下进行。还有唯一一个可能的干扰因素就是在工艺步骤中，在芯玻璃与包层玻璃之间的接触反应。
但是当在试验时得到可测得的结晶温度时，只要结晶出现在某一温度，在该温度下玻璃的粘度处于102与103dPa·s之间时，芯棒-和纤维的生产通常还是可能的。尽管不能保证，由这样的玻璃是否还可以浇铸成棒或者拉出纤维，但是对此通常需要特别的方法步骤和注意措施。当AKT处于某一温度，在该温度下玻璃具有102dPa·s或以下的粘度时，还是几乎不可能以有意义和能收回成本的方式生产芯棒和纤维。
示例1到15示出根据本发明的组成成分，示例A到E示出基于现有技术(JP 56-005344)的熔化后的示例。
表1(以摩尔％表示)(注：在本说明书中，各表中的“,”代表小数点“.”)
  示例   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12
  SiO2   56,50   56,50   56,50   56,50   54,50   53,96   54,50   54,17   52,19   54,42   54,63   59,50
  B2O3   9,72   9,72   11,46   13,25   9,72   9,62   8,72   8,67   8,67   9,29   9,40   6,72
  Al2O3   0,17   0,17   0,17   0,17   0,17   0,17   0,17   0,17   0,67   0,13   0,13   0,17
  Na2O   5,10   7,10   7,10   7,10   7,10   7,03   7,10   7,06   7,06   6,56   6,48   5,10
  K2O   0,54   0,54   0,54   0,54   0,54   0,53   -   0,54   0,54   0,48   0,49   0,51
  Li2O   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  MgO   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  SrO   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  Cs2O   -   -   -   -   -   -   0,50   0,50   -   -   -   -
  BaO   17,16   15,16   15,16   15,16   17,16   16,99   17,16   17,06   17,55   17,45   17,31   17,16
  ZnO   7,28   7,28   7,28   7,28   7,28   7,21   7,28   7,24   8,23   7,14   7,09   7,28
  ZrO2   1,79   1,79   1,79   -   1,79   1,77   1,79   1,78   1,78   1,72   1,70   1,79
  La2O3   1,74   1,74   -   -   1,74   2,71   2,74   2,72   3,22   2,71   2,68   1,74
  Nb2O5   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  As2O3   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,10   0,09   0,10
  As/Sb2O3   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -   -
  总数   100,1   100,1   100,1   100,1   100,1   100,1   100,06   100,0   100,0   100,0   100,0   100,1
  nd   1,614   1,607   1,592   1,583   1,616   1,624   1,624   1,62314   1,63196   1,62431   1,623   1,611
  vd   55,4   55,3   56,9   58,7   54,8   54,3   54,0   53,94   53,00   54,40   54,3   55,0
  CTE(10-6K-1)   7,97   8,30   8,04   8,18   不确定   8,66   不确定   不确定   不确定   8,59   不确定   8,01
  Tg(℃)   605   587   586   573   不确定   583   不确定   不确定   不确定   586   -   609
  ρ(g/cm3)   3,4847   3,4118   3,2783   3,2276   不确定   3,566   不确定   不确定   不确定   3,5553   -   3,4808
  VA   920   902   897   872   不确定   886   不确定   不确定   不确定   893   -   953
  AKT(℃)   ＜980   ＜950   ＜970   ＜970   ＜950   ＜950   ＜950   ＜950   ＜950   ＜950   ＜950   ＜980
表1(续表)
Figure A20078000930000181
虽然含钡的玻璃比含铅的玻璃更强烈地易于结晶，但是所发现的玻璃是出类拔萃的用于制造阶跃折射率光纤合适的芯玻璃。包层玻璃由某种的硅酸盐玻璃制成，该硅酸盐玻璃具有比芯玻璃的折射指数低至少2％的折射指数，并具有某一粘度，该粘度在纤维被拉出的温度下优选等于或高于芯玻璃的粘度。包层玻璃的与芯玻璃相比较高的粘度改善了目标工艺的稳定性。此外，包层玻璃的线性热膨胀系数α应等于或者特别优选比芯玻璃的线性热膨胀系数小至少2·10-6K-1。通过较小的膨胀系数，纤维包层在冷却时得到预应力，该预应力提高纤维机械稳定性。但是该预应力不允许这样大，以致在纤维制备时出现问题。这通常可以在热膨胀系数差值保持在约5-6·10-6K-1以下的情况下得以避免。
对于所发现的芯玻璃特别有利的是，用于合适的包层玻璃的组成成分范围可以明显扩大。
适合的包层玻璃是这样的玻璃，该玻璃含有60-72重量-％SiO2、＜20重量-％B2O3、＜10重量-％Al2O3、＜18重量-％Na2O、＜15重量-％K2O，并且在US 7,072,562(EP 1405834)中有所描述，以及这样的玻璃，该玻璃含有55-67摩尔％SiO2、0-7.5摩尔％Al2O310-15摩尔％(ZnO+CaO+MgO)，其中0-7.5摩尔％MgO、0-15摩尔％CaO、和0-10摩尔％ZnO、5-15摩尔％B2O3和10-25摩尔％(Li2O+Na2O+K2O)并且在US 4,573,762中有所描述。另外的包层玻璃含有例如70-80重量-％SiO2、＜5重量-％B2O3、＜10重量-％Al2O3、＜2重量-％La2O3、＜15重量-％Na2O、＜10重量-％K2O或者72-78重量-％SiO2、5-15重量-％B2O3、4-10重量-％Al2O3、＜10重量-％Na2O、＜10重量-％K2O、＜6重量-％CaO。专业人士也能够借助其专业知识使用其它包层玻璃。但是不能可靠性地预见，是否包层玻璃在具有所需要的物理特性时，在各种情况下都可与芯玻璃协调并得到好的阶跃光纤。因此，推荐在具体的单个情况下针对其相配性通过实验检查设计的包层玻璃-芯玻璃-配对。
包层玻璃要达到的基本要求在于与芯玻璃相配合的粘度、折射指数、热膨胀以及这样的需要，即在包层玻璃与芯玻璃之间不发生不希望的反应，例如在包层与芯之间的界面内形成晶体。
一些关于包层玻璃组成成分的具体示例被编制在表2中。在表2中，W表示根据DIN/ISO 719的水解稳定性的等级，S表示根据DIN12116的耐酸性以及L表示根据DIN/ISO695的耐碱性(碱洗稳定性)。
表2：包层玻璃
Figure A20078000930000201
由不同的芯玻璃和包层玻璃，依照现有技术根据已知的棒-管-拉出方法在具有圆柱形熔炉的棒-管-拉丝机上拉出直径为50μm和70μm的纤维并且其损耗性能根据DIN 58141的第一部分确定以及传输性能根据DIN 58141的第二部分确定。
结果被总结在表3中。
表3：纤维特性(纤维直径50或70μm)
Figure A20078000930000211
优选被用作用于光学纤维的芯玻璃的根据本发明的光学玻璃具有附带所属低损耗值的极好的传输性能、在1.57和1.63之间的折射率值nd以及在大约58和50之间的阿贝数vd。所述光学玻璃作为芯玻璃可与大量包层玻璃组合成具有低损耗和大于0.52的高数值孔径NA的纤维。所述玻璃的另一个优点在于，这种玻璃可以由对环境无害的和物美价廉的原料生产而成并且使得高度色中性地传播光成为可能。

Claims (13)

1.含钡的、光学硼硅酸盐玻璃，具有1.58到1.65的折射率值nd和50到59.0的阿贝数vd，其特征在于如下组成成分(以基于氧化物的摩尔％计)
SiO2                    50-60
B2O3                    0-15
BaO                     10-35
SrO                     0-18
∑Sr、Ba                10-35
ZnO                     0-15
∑Sr、Ba、Zn            10-40
∑B2O3、ZnO             5-35
Al2O3                   0.1-1.9
ZrO2                    0-4
La2O3                   0-4
Y2O3                    0-4
Nb2O5                   0-4
∑La2O3、Y2O3、Nb2O5    0-4
Na2O                    4.5-10
K2O                     0.1-1
Rb2O                    0-1.5
Cs2O                    0-1.5
∑Rb2O、Cs2O            0-1.5
∑碱土氧化物            4.8-11
MgO                     0-6
CaO                     0-＜5。
2.根据权利要求1所述的玻璃，其特征在于，在所述玻璃不含ZnO的情况下，B2O3含量为至少7摩尔％。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃，其特征在于，K2O含量为0.1-1摩尔％。
4.根据权利要求1到3之一所述的玻璃，其特征在于，ZrO2含量为0.5-3摩尔％。
5.根据权利要求1到4之一所述的玻璃，其特征在于，La2O3含量为1-3.5摩尔％。
6.根据权利要求1到5之一所述的玻璃，其特征在于，BaO含量为16-28摩尔％。
7.由多成分玻璃制成的光学阶跃光纤，由芯玻璃和完全包围所述芯的包层玻璃构成，其中，所述芯玻璃具有1.58到1.635的折射率值nd和52.5到59.0的阿贝数vd以及具有如下组成成分(以基于氧化物的摩尔％计)
SiO2                50-60
B2O3                0-15
BaO                 10-35
SrO                 0-18
∑Sr、Ba            10-35
ZnO                 0-15
∑Sr、Ba、Zn        10-40
∑B2O3、ZnO         5-30
Al2O3               0.1-1.9
ZrO2                0-4
La2O3               0-4
Y2O3                0-4
Nb2O5               0-4
∑La2O3、Y2O3、Nb2O5    0-4
Na2O                    4.5-10
K2O                     0.1-1
Rb2O                    0-1.5
Cs2O                    0-1.5
∑Rb2O、Cs2O            0-1.5
∑碱土氧化物            4.8-11
MgO                     0-6
CaO                     0-＜5
以及所述包层由含硼的硅酸盐玻璃制成，所述硅酸盐玻璃具有某一折射指数nd，所述折射指数nd比所述芯玻璃的折射指数低至少2％，所述硅酸盐玻璃具有某一粘度，所述粘度在纤维制造的温度下等于或者优选大于所述芯玻璃的粘度，并且所述硅酸盐玻璃具有某一线性热膨胀系数α，所述线性热膨胀系数α等于或者特别是比所述芯玻璃的线性热膨胀系数α小至少2·10-6K-1。
8.根据权利要求7所述的光学阶跃光纤，其特征在于，在所述玻璃不含ZnO的情况下，芯玻璃具有含量为至少7摩尔％的B2O3。
9.根据权利要求7和/或8所述的光学阶跃光纤，其特征在于，芯玻璃具有含量为0.1-1摩尔％的K2O。
10.根据权利要求7到9之一所述的光学阶跃光纤，其特征在于，芯玻璃具有含量为0.5-3摩尔％的ZrO2。
11.根据权利要求7到10之一所述的光学阶跃光纤，其特征在于，芯玻璃具有含量为1-3.5摩尔％的La2O3。
12.根据权利要求7到11之一所述的光学阶跃光纤，其特征在于，芯玻璃具有含量为16-28摩尔％的BaO。
13.根据权利要求7所述的光学阶跃光纤，其特征在于，包层玻璃具有某一线性热膨胀系数α，所述线性热膨胀系数α最高比所述芯玻璃的线性热膨胀系数α小6·10-6K-1。
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