DD269615A1 - METHOD FOR GENERATING LARGE BREAKDOWN DIFFERENCES IN COMPACT GLASSES - Google Patents

METHOD FOR GENERATING LARGE BREAKDOWN DIFFERENCES IN COMPACT GLASSES Download PDF

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Peter Popp
Rolf Goering
Adalbert Feltz
Christian Kaps
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Univ Schiller Jena
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches geeignet ist, in kompakten Glasproben durch Ionenaustausch von M exp +-Ionen (M exp +:Li, Na, K, Rb) gegen Ag -Ionen hohe Brechzahlunterschiede zu erzeugen, wobei ungewöhnlich geringe Dämpfungen der Lichtausbreitung in den durch Interdiffusion modifizierten Bereichen großer lateraler Ausdehnung erreicht werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Ionenaustausch-Verfahren Gläser verwendet werden, die einen Alkaligehalt von 20-35 Mol.-% und einen Gehalt an M* O ind 3 (M exp III: B, Al, Ga) besitzen, so dass das Molverhältnis M*O ind 3:M*O * 0,8 beträgt. Die ausgetauschten Schichten zeigen bis zu Austauschtemperaturen von 400 Grad C keine merkliche Verfärbung, obwohl Brechzahlunterschiede von 0,1 bis 0,15 erreicht werden. Die Dämpfung (* 632nm) in den erzeugten wellenleitenden Schichten beträgt weniger als 1 dB/cm. Diese Gläser sind für die Herstellung inhomogener optischer Medien auf dem Gebiet der abbildenden Gradientenoptik bzw. in Lichtleitermikrooptiken geeignet.The invention relates to a method which is suitable for generating high refractive index differences in compact glass samples by ion exchange of M exp + ions (M exp +: Li, Na, K, Rb) against Ag ions, with unusually low attenuation of the light propagation in achieved by interdiffusion modified areas of large lateral extent. According to the invention, this object is achieved in that glasses are used in the ion exchange process, which have an alkali content of 20-35 mol .-% and a content of M * O ind 3 (M exp III: B, Al, Ga), so the molar ratio M * O ind 3: M * O * is 0.8. The exchanged layers show no noticeable discoloration up to exchange temperatures of 400 degrees C, although refractive index differences of 0.1 to 0.15 are achieved. The attenuation (* 632nm) in the generated waveguiding layers is less than 1 dB / cm. These glasses are suitable for the production of inhomogeneous optical media in the field of imaging gradient optics or in fiber optic micro-optics.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches die Erzeugung von hohen Brechzahlunterschieden großer lateraler Ausdehnung in kompakten Gläsern ermöglicht.The invention relates to a method which allows the generation of high refractive index differences of large lateral extent in compact glasses.

Aus diesem Grund ist dieses Verfahren für die Herstellung inhomogener optischer Medien, z. B. auf dem Gebiet der abbildenden Gradientenoptik bzw. Lichtleiter-Mikrooptik geeignet.For this reason, this method for the production of inhomogeneous optical media, for. B. in the field of imaging gradient optics or optical fiber micro-optics suitable.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die Erzeugung von Brechzahlgradienten durch Austausch von M+-Ionen gegen Ag*lonen unterhalb der Transformationsterr.peratur eines Glases ist bekannt und in der Lite.atur bereits mehrfach beschrieben worden. Dabei werden zwar vielfach relativ große Austauschtiefen bei zugleich hinreichenden Brechzahländerungen erreicht, die Transmission der auf diesem Wege der Interdiffusion modifizierten Bereiche großer lateraler Ausdehnung aber negativ beeinflußt. Ag+lonen ergeben in der Wechselwirkung mit stark polarisierbaren endständigen Sauerstoffionen \ on Glasbildneranionen ein? intensive Eigenabsorption (Jansen, M.—Angew. Chem. 91 [1979] 500), womit eine große Transmissiunseinschränkung in diesen Gläsern verbunden ist. Darüber hinaus wird häufig eine durch Reduktion der Silberionen verursachte Färbung durch Kolloidteilchen festgestellt (Peters, E.; Diss. Clausthal, 1979; Giallorenzi, T. G. et al., Appl. Optics 12 (1973] 1240; Lagu, R. K. und Ramaswamy, O. Appl. Phys. Lett. 45, [1984] 117). Die Entstehung einer solchen, durch Silberkolloide verursachten Färbung nimmt mit zunehmender Basizität des Glases zu (Bastres, A. W., J. Amer. Ceram. Soc. 30, [1947], 52). Dieser Effekt wird beim Farbbeizen technisch genutzt.The generation of refractive index gradients by exchange of M + ions for Ag ions below the transformation state temperature of a glass is known and has already been described several times in the literature. Although in many cases relatively large exchange depths are achieved with at the same time sufficient refractive index changes, the transmission of the regions of large lateral extent modified in this way of interdiffusion is negatively influenced. Ag + ions interact with highly polarizable terminal oxygen ions on glass-forming anions? intense self-absorption (Jansen, M.-Angew. Chem. 91 [1979] 500), which is associated with a large Transmissiunreinschränkung in these glasses. In addition, colloidal particle staining caused by reduction of silver ions is frequently found (Peters, E. Diss. Clausthal, 1979; Giallorenzi, TG et al., Appl. Optics 12 (1973) 1240; Lagu, RK and Ramaswamy, O. Appl. Phys., Lett., 45, [1984] 117. The formation of such colouration caused by silver colloids increases with increasing basicity of the glass (Bastres, AW, J. Amer., Ceram., Soc., 30, [1947], 52 This effect is used technically in color pickling.

Von Guaker, R. und Urnes, S. (Phys. Chem. Glases 12, [1971 ] 64) wurden an einem Alumosilikatglas im Ergebnis eines Austausches von Na+ gegen Ag+lonen durch Einwirkung einer AgNO3-Schmelze bei 300°C farblose, insgesamt aber graustichige Glasproben erhalten, so daß auch in diesem Fall eine partielle Reduktion nicht ausgeschlossen werden konnte.Guaker, R. and Urnes, S. (Phys. Chem. Glass 12, [1971] 64) on an aluminosilicate glass as a result of an exchange of Na + for Ag + ions by the action of an AgNO 3 melt at 300 ° C colorless , but received a total of grayish-tinted glass samples, so that even in this case, a partial reduction could not be excluded.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung großer Brechzahlunterschiede in kompakten Gläsern zu entwickeln, bei dem eine Transmissionsbegrenzung durch Farbeffekte wirksam unterbunden wird.The aim of the invention is to develop a method for producing large refractive index differences in compact glasses, in which a transmission limitation is effectively prevented by color effects.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, durch einen großen M/Ag-Interdiffusionskoeffizienten in vertretbaren Zeiten eine für die Anwendung auf dem Gebiet der abbildenden Gradientenoptik bzw. Lichtleiter-Mikrooptik hinreichende Austauschtiefe bei zugleich hoher Transmission der durch Ionenaustausch modifizierten Glasbereiche zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im M+/Ag+-lonenaustauschverfahren oxidische Gläser mit einem Alkalioxidgehalt von 20-35 mol-% und einem solchen Gehalt an Mi11O3 (M"1: B, Al, Ga) verwendet werden, daß das Molverhältnis Mj11O3 zu MjO sO,8 beträgt (M1: Li, Na, K, Rb). Dabei kommen vorzugsweise Gläser mit einem Gemisch der Oxide M]11O3 zum Einsatz. Derartige Gläser werden in Kontakt mit Silber oder silberhaltigen Mischungen wie Legierungen, Salzschmelzen oder Lösungen aller Art gebracht und anschließend einer dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechenden Temperung unterworfen. Durch die Bildung von M'^^-Baugruppen und deren Bindung im Strukturgerüst des Glases wird die Bildung hochpolarisierbarer Sauerstoffionen weitgehend herabgemindert.The object of the invention is to achieve, by means of a large M / Ag interdiffusion coefficient in reasonable times, a sufficient exchange depth for use in the field of imaging gradient optics or optical waveguide microoptics with at the same time high transmission of the glass regions modified by ion exchange. According to the invention the object is achieved in that in the M + / Ag + ion exchange method, oxide glasses having an alkali oxide content of 20-35 mol% and a content of Mi 11 O 3 (M " 1 : B, Al, Ga) are used in that the molar ratio Mj 11 O 3 to MjO sO, is 8 (M 1 : Li, Na, K, Rb), in which case preference is given to glasses with a mixture of the oxides M] 11 O 3. Such glasses are in contact with Silver or silver-containing mixtures, such as alloys, molten salts or solutions of all kinds, are then subjected to a heat treatment which corresponds to the particular intended use.

Erfindungsgemäß wird im Verfahren des MVAg+-Austausches durch Einsatz der speziell ausgewählten Gläser mittels Verschiebung der Absorptionskante in das UV-Gebiet und Unterdrückung der Kolloidbildung eine Verfärbung im sichtbaren Spektralbereich wirksam unterbunden.According to the invention, discoloration in the visible spectral range is effectively prevented in the process of MVAg + exchange by using the specially selected glasses by means of displacement of the absorption edge in the UV region and suppression of colloid formation.

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll an folgenden Beispielen näher erläutert werden.The essence of the invention will be explained in more detail by the following examples.

In Tabelle 1 sind unter der Bezeichnung 1 bis 4 eine Auswahl von Gläsern und entsprechenden lonenaustausch-Bedingungen sowie die im Austausch-Verfahren erzielten Eigenschaften aufgeführt: Substratglas-Brechzahl n„; Brechzahlerhöhung an derTable 1 lists, under the names 1 to 4, a selection of glasses and corresponding ion exchange conditions and the properties achieved in the exchange process: substrate glass refractive index n "; Refractive index increase at the

Oberfläche Ann,,,; Eindringtiefe x,0%, bei welcher Δη auf 1/10 des Oberflächenwertes abgesunken ist; Wellenlänge X50(parallel zur Diffusionsrichtung gemessen), bei der die Transmission 50% beträgt und Dämpfung D (λ = 632 nm, senkrecht zur Diffusionsrichtung gemessen) in der ionenausgetauschten Schicht.Surface An n ,,,; Penetration depth x, 0 % at which Δη has dropped to 1/10 of the surface value; Wavelength X 50 (measured parallel to the direction of diffusion) at which the transmission is 50% and attenuation D (λ = 632 nm, measured perpendicular to the direction of diffusion) in the ion-exchanged layer.

Tabelle 1Table 1

GlasGlass 11 22 (AgNO3J91(NaNO3 (AgNO 3 J 91 (NaNO 3 423423 33 44 Eigenschaftproperty 40,040.0 Zusammensetzung in mol-%Composition in mol% 2525 3030 1,51001.5100 2525 3030 Na2ONa 2 O 2525 3030 0,150.15 2525 3030 AI2O3 Al 2 O 3 12,512.5 3030 450450 5050 3030 B2O3 B 2 O 3 37,537.5 1010 395395 - 1010 SiO2 SiO 2 0,340.34 Molverhältnismolar ratio 1,51.5 22 33 22 M2O3:M2OM 2 O 3 : M 2 O *>.9*>. 9 Austausch mit:Exchange with: 410410 347347 283283 Austauschtemperat'jr/°CAustauschtemperat'jr / ° C 40,040.0 23,523.5 38,338.3 Austauschzeit/hReplacement time / h 1,50961.5096 1,5021.502 1,5101,510 ηο(λ = 632 nm)η o (λ = 632 nm) 0,110.11 0,0550,055 0,150.15 Anmix(\ = 632 nm)An mix (\ = 632 nm) 570570 4040 110110 Eindringtiefe x)0%/umPenetration depth x ) 0 % / um 350350 360360 - Aso/nmAso / nm 0,70.7 - - Dämpfung D/dB cm"1 Damping D / dB cm " 1

Claims (2)

1. Verfahren zur Erzeugung großer Brechzahlunterschiede in kompakten, optisch hochtransparenten Glaskörpern, dadurch gekennzeichnet, daß Gläser mit einem Alkalioxidgehalt von 20-35 mol-% und einem Gehalt an Mi11O3 (M1": B, Al, Ga) verwendet werden, so daß das Molverhältnis M"1 zu M2O (M1: Li, Na, K, Rb) >0,8 beträgt, und daß diese Gläser in Kontakt mit Silber oder silberhaltigen Mischungen wie Legierungen, Salzschmelzen oder Lösungen aller Art gebracht werden und einer dem Verwendungszweck entsprechenden Temperatur unterworfen werden.1. A method for producing large refractive index differences in compact, optically highly transparent glass bodies, characterized in that glasses with an alkali oxide content of 20-35 mol% and a content of Mi 11 O 3 (M 1 ": B, Al, Ga) are used , so that the molar ratio M " 1 to M 2 O (M 1 : Li, Na, K, Rb)> 0.8, and that these glasses brought into contact with silver or silver-containing mixtures such as alloys, molten salts or solutions of all kinds be subjected to a temperature corresponding to the intended use. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Gläser zusätzlich noch bis zu 2 mol- % ZnO oder P2O5 bzw. Nb2O5 oder TiO2 enthalten.2. The method according to item 1, characterized in that the glasses used additionally contain up to 2 mol% of ZnO or P 2 O 5 or Nb 2 O 5 or TiO 2 .
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