CN102515526B

CN102515526B - 一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃

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Publication number: CN102515526B
Application number: CN201110378012.4A
Authority: CN
Inventors: 黄英; 贾金升
Original assignee: China Building Materials Academy CBMA
Current assignee: China Building Materials Academy CBMA
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: CN102515526A

Abstract

一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃，包括包括芯玻璃和皮玻璃；所述芯玻璃是折射率(n_d)为1.850-1.865的光学玻璃，BaO含量为20-45％、La₂O₃含量为18-27％、B₂O₃含量为12-20％、Nb₂O₅+Y₂O₃+Ta₂O₅含量为5-20％、ZrO₂含量为3-10％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-5％、K₂O含量为1-1.5％、Na₂O含量为0.5-0.8％；所述皮玻璃是折射率折射率(n_d)为1.495-1.515的光学玻璃，SiO₂含量为63-69％、B₂O₃含量为16-21％、Na₂O含量为0.5-1％、K₂O含量为7-12％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-2.5％、BaO含量为0.2-1.8％、MgO含量为0.5-1.5％。本发明的积极效果是：本发明所述的一组相容性好的芯、皮玻璃，是芯、皮玻璃是具有热学性能相互匹配、化学性能相容性好的光学玻璃。这两种玻璃热熔在一起界面处无中和反应和有害离子扩散。

Description

一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃

技术领域

本发明涉及光学纤维技术领域，特别是一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃。

背景技术

硬质光纤是一种能够传递图象，移动象面的玻璃元件，用它来制作各种电子光学管的输入屏或输出屏比采用玻璃片或云母片作屏性能要优良很多，它能补偿静电透镜产生的不可避免的场曲；能避免光学图像穿过透明物质时所产生的弥散，提高分辨率；能收集和传导来自荧光体弥散的大部分光能量，从而使屏幕的亮度增强等等。

数值孔径(用NA表示)、透过率和分辨率是纤维光学元件的主要质量指标。其中数值孔径是表征光学纤维集光能力大小的一个参数，数值孔径越大，光学纤维的集光能力就越强。

硬质光纤是由直径为3-10um的数以百万计的玻璃纤维制成的大面积阵列式无源传像元件。

单根光学纤维是由芯皮两种玻璃热熔在一起的，两种玻璃的接触面应该是良好的光学界面，因此芯、皮玻璃的化学相容性要好。化学性能相容要求：

①两种玻璃的化学成分要有“亲近”关系，即它们的酸碱性不能相差太大。也就是说，在两种玻璃接触的界面上不发生中和反应。

②在两种玻璃之间的界面上不发生有害的互相扩散即离子交换。当然，在纤维的芯、皮的界面上的相互扩散是不可避免的，但是应当使这种相互扩散特别是有害的扩散减少到最低限度。

中和反应和有害扩散会引起以下不良后果：

①使两种玻璃界面上出现析晶、乳化或分层现象，破坏了界面的完美性，使反射系数明显下降，形成大量的暗丝。

②引起光学纤维数值孔径显著下降。由于扩散后形成了中间层，此层的折射率n小于芯玻璃n₁大于皮玻璃n₂。也就是说在新的发射界面上，n₂提高了，从数值孔径的计算公式(公式1)可知，数值孔径要下降，这就会降低传递图象的对比度和象质。

NA = \sqrt{n_{1}^{2} - n_{2}^{2}}

公式1

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃，包括包括芯玻璃和皮玻璃；所述芯玻璃是折射率(n_d)为1.850-1.865的光学玻璃，BaO含量为20-45％、La₂O₃含量为18-27％、B₂O₃含量为12-20％、Nb₂O₅+Y₂O₃+Ta₂O₅含量为5-20％、ZrO₂含量为3-10％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-5％、K₂O含量为1-1.5％、Na₂O含量为0.5-0.8％；所述皮玻璃是折射率折射率(n_d)为1.495-1.515的光学玻璃，SiO₂含量为63-69％、B₂O₃含量为16-21％、Na₂O含量为0.5-1％、K₂O含量为7-12％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-2.5％、BaO含量为0.2-1.8％、MgO含量为0.5-1.5％。

本发明的积极效果是：本发明所述的一组相容性好的芯、皮玻璃，是芯、皮玻璃是具有热学性能相互匹配、化学性能相容性好的光学玻璃。这两种玻璃热熔在一起界面处无中和反应和有害离子扩散。

附图说明

图1是硬质光纤生产工艺图

图2是光路示意图

图3是芯玻璃的具体实施例

图4是皮玻璃的具体实施例

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，硬质光纤用芯、皮玻璃是由芯料玻璃皮料玻璃和光吸收玻璃经过热熔合而成。其中①②③都需要高温加热到玻璃的软化温度，如果芯、皮玻璃的化学相容性差，玻璃成分相互渗透，芯、皮界面处得折射率就会发生变化使界面处的全反射受到影响，降低硬质光纤的集光能力。

另外为了满足工艺需求，三种玻璃材料的热学性能也必须相互匹配，要求芯玻璃的软化点比皮玻璃高(约30-100℃)，这样在拉制纤维的时候皮料才会紧贴芯料；芯玻璃和皮玻璃在拉丝时的粘度也应大致接近，这样才有利于纤维直径的稳定；芯、皮玻璃的热膨胀系数在皮玻璃转变点以下的整个温度区域内尽量保持一致，而且芯玻璃的膨胀系数要比皮玻璃的稍高，这样的膨胀系数匹配能大大提高光学纤维的抗弯、抗拉、抗扭强度；硬质光纤是一种基于全反射原理进行传像的器件，如图2所示，芯料玻璃折射率n₁必须要高于皮料玻璃的折射率n₂，根据光学反射原理，当入射角a_i小于全反射临界角a₁时，全部光线只能在芯料玻璃中独立地传递。

以下叙述本发明的实施例，但本发明并不限于这些实施例。

为了解决芯、皮玻璃相容性问题，本发明采用模拟拉丝工艺，采用大坩埚熔制皮玻璃，并将皮玻璃拉制成管；采用铂金坩埚熔制芯玻璃，并将芯玻璃熔制成棒。将皮玻璃管套在芯玻璃棒外进行拉丝，采用扫描电镜观察芯皮界面处的成分和形貌变化。

本发明所述的拉制光学纤维所需的芯玻璃是：折射率(n_d)为1.850-1.865的光学玻璃，软化温度590-632℃，300℃的膨胀系数为89±4×10^-7/℃。BaO含量为20-45％、La₂O₃含量为18-27％、B₂O₃含量为12-20％、Nb₂O₅+Y₂O₃+Ta₂O₅含量为5-20％、ZrO₂含量为3-10％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-5％、K₂O含量为1-1.5％、Na₂O含量为0.5-0.8％。(均为质量百分比)

本发明所述的拉制光学纤维所需的皮玻璃是：折射率折射率(n_d)为1.495-1.515的光学玻璃，软化温度547-595℃，300℃的膨胀系数为75±4×10^-7/℃。SiO₂含量为63-69％、B₂O₃含量为16-21％、Na₂O含量为0.5-1％、K₂O含量为7-12％、Al₂O₃含量为0-6％、CaO含量为0-2.5％、BaO含量为0.2-1.8％、MgO含量为0.5-1.5％。(均为质量百分比)

按照前述限定构成本发明的芯、皮玻璃的各成分组成范围的理由叙述如下。各成分氧化物标准的质量百分比(％)表达。

BaO成分在芯玻璃中是玻璃系统的基础，具有高膨胀系数，为了保证玻璃的耐失透性，优选20-45％，为了设定的折射率、膨胀系数以及转变温度(Tg)更优选30-40％。BaO成分在皮玻璃中是为了调节玻璃的膨胀系数和耐失透性，引入量过大，皮玻璃的折射率达不到设定要求。为了使玻璃的熔制气氛获得氧化气氛，BaO以BaCO₃和Ba(NO₃)₂两种原料引入，两种原料的比例是1∶2。

La₂O₃在芯玻璃中是玻璃系统的基础，能够提高芯玻璃的折射率，优选范围18-27％，当其引用量不足18％，玻璃的折射率难以达到设定值，引用量超过27％，玻璃的耐失透性变坏，难以满足后续加工工艺的要求。

B₂O₃是玻璃系统的基础，在芯玻璃中引入量为12-20％，皮玻璃中引入量为16-21％。

Nb₂O₅和Ta₂O₅两种氧化物具有高折射、低色散，能够改善芯玻璃的成玻性能，提高耐失透性和化学稳定性，但是引入量超过20％时，失透性能反而降低，引入量低于5％达不到设定的折射率。三种氧化物总百分比优选10-15％。

ZrO₂成分对调节芯玻璃光学常数和耐失透性、提高玻璃的化学稳定性有效。实验表明系统中ZrO₂引入量低于3％时，玻璃的抗酸腐蚀能力很低。引入量超过10％时，玻璃的耐失透性变差，优选范围5-7％。

Al₂O₃成分主要提高玻璃的化学稳定性，在两种玻璃中的引入量不能超过6％。在芯、皮玻璃中Al₂O₃成分的优选范围0-6％，更优选2-4％。

CaO成份主要是提高玻璃的耐久性、耐水性等化学稳定性，但在芯玻璃中引入量超过5％玻璃的耐失透性降低，优选范围0-5％，更优选2-3％；在皮玻璃中对皮玻璃折射率有害，优选范围0-2.5％。

K₂O、Na₂O是玻璃中常用的碱金属氧化物，主要是降低玻璃的粘度和熔融温度，但对玻璃的耐失透性有害。在芯玻璃中K₂O引入量优选1-1.5％，Na₂O成分引入优选范围0.5-0.8％；在皮玻璃中K₂O成份优选7-12％，Na₂O优选于0.5-1％

SiO₂成分是皮玻璃的形成体，对皮玻璃的粘度、耐失透性有效，引入量优选范围63-69％。

MgO对皮玻璃的膨胀系数、玻璃的均匀性有效，但对皮玻璃的折射率有害，优选范围0.5-1.5％；

图3中编号1-6是芯玻璃的具体实施例，芯玻璃的原料采用高纯原料，其中BaO以BaCO₃和Ba(NO₃)₂两种原料引入，两种原料的比例是1∶2。芯玻璃是在铂金坩埚1480-1520℃的温度范围中熔融2个小时，搅拌均化，出料温度1450℃，浇注在预热到580℃的模具中，600℃退火得到。

图4中编号1-6是皮玻璃的具体实施例，皮玻璃的原料采用高纯原料，其中BaO以BaCO₃和Ba(NO₃)₂两种原料引入，两种原料的比例是1∶2。皮玻璃是在1350-1450℃的温度范围中熔融4个小时，搅拌均化后，在1250℃手工拉制成直径均匀的玻璃管，并在550℃退火得到。

图3和图4中列出的转变点(Tg)是使用美国Theta公司玻璃平板粘度仪测定长度为6mm，直径8mm的样品在粘度为10^7.6泊时的温度。

Claims

1.一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃，其特征在于，包括芯玻璃和皮玻璃；所述芯玻璃是折射率（n_d）为1.850-1.865的光学玻璃，BaO的质量百分比为20-45%、La₂O₃质量百分比为18-27%、B₂O₃质量百分比为12-20%、Nb₂O₅+Ta₂O₅质量百分比为5-20%、ZrO₂质量百分比为3-10%、Al₂O₃质量百分比为0-6%、CaO质量百分比为0-5%、K₂O质量百分比为1-1.5%、Na₂O质量百分比为0.5-0.8%；所述皮玻璃是折射率折射率（n_d）为1.495-1.515的光学玻璃，SiO₂质量百分比为63-69%、B₂O₃质量百分比为16-21%、Na₂O质量百分比为0.5-1%、K₂O质量百分比为7-12%、Al₂O₃质量百分比为0-6%、CaO质量百分比为0-2.5%、BaO质量百分比为0.2-1.8%、MgO质量百分比为0.5-1.5%。

2.根据权利要求1所述的一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃，其特征在于，所述芯玻璃的转变点（Tg）在590-632℃，300℃膨胀系数在89±4×10^-7/℃范围，在900℃1小时条件的失透试验中看不到失透。

3.根据权利要求1所述的一种相容性好的硬质光纤用芯皮玻璃，其特征在于，所述皮玻璃的转变点（Tg）在547-595℃，300℃膨胀系数在75±4×10^-7/℃范围。