DD290871A5

DD290871A5 - LIGHT LENS FROM GLASS AND METHOD OF MANUFACTURE

Info

Publication number: DD290871A5
Application number: DD31131287A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Greiner-Baer
Original assignee: Trisola Steinach,De
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1991-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser aus Glas die vorzugsweise zur Lichtuebertragung im Infrarotbereich geeignet ist sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Lichtleitfaser, die zur UEbertragung energiereicher Lichtstrahlen im Infrarotbereich dient und ein bewegliches und unkompliziertes UEbertragungssystem darstellt, sowie ein Verfahren zur oekonomischen Herstellung derselben. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz die Lichtleitfaser als Hohlfaser mit einem Innendurchmesser von 10 bis 2 000 mm ausgebildet ist und auf ihrer Innenwandung eine strahlenreflektierende Metallschicht, vorzugsweise aus Silber, Molybdaen, Aluminium oder Titannitrid, besitzt. Das erfindungsgemaesze Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dasz ein Glasrohr oder Glasroehrchen auf seiner Innenwandung mit einem strahlenreflektierenden Metall beschichtet und daraus eine Hohlfaser gezogen wird oder dasz aus einem Glasrohr, einem Glasroehrchen oder aus der fluessigen Glasschmelze eine Hohlglasfaser gezogen, die anschlieszend auf ihrer Innenwandung mit einem strahlenreflektierenden Metall beschichtet wird.{Lichtleitfaser; Hohlglasfaser; Beschichtung; Metall; Strahlenreflektion}The invention relates to an optical fiber made of glass which is preferably suitable for transmitting light in the infrared range and to processes for their preparation. The object of the invention is the development of an optical fiber, which serves for the transmission of high-energy light beams in the infrared range and is a mobile and uncomplicated transmission system, as well as a method for the economic production of the same. According to the invention, the object is achieved in that the optical fiber is formed as a hollow fiber with an inner diameter of 10 to 2,000 mm and on its inner wall has a radiation-reflecting metal layer, preferably of silver, molybdenum, aluminum or titanium nitride. The method according to the invention is characterized in that a glass tube or glass tube is coated on its inner wall with a radiation-reflecting metal and a hollow fiber is drawn therefrom, or a hollow glass fiber is drawn from a glass tube, a glass tube or from the molten glass melt, which subsequently has a hollow glass fiber on its inner wall radiation-reflecting metal is coated {optical fiber; Hollow glass fiber; coating; Metal; Radiation reflection}

Description

Fields of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser aus Glas und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei diese Faser vorzugsweise und insbesondere zur Lichtübertragung im Infrarotbereich geeignet ist und in Medien und Technik z. B. in der Laserchirurgie und beim Laserschneiden Verwendung findet.The invention relates to an optical fiber made of glass and process for their preparation, said fiber is preferably and in particular suitable for light transmission in the infrared range and in media and technology z. B. in laser surgery and laser cutting is used.

Character / istlk of the prior art Special glass fibers were used to make fiber optics and optical fibers. These fibers consist of

einem Kern mit einem ihn umgebenden Mantel. Dabei ist die Brechzahl des Kernglases höher als die des Mantelglases, um eine für das optische System notwendige Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel zu erreichen. Einea core with a surrounding coat. In this case, the refractive index of the core glass is higher than that of the cladding glass in order to achieve a total reflection necessary for the optical system at the interface between core and cladding. A

Further development are the gradient glass fibers in which the refractive index is continuous to the edge of the glass fibers

abnimmt, wodurch eine spezielle Umhüllung durch e'n Mantelglas überflüssig wird. Man erreicht den parabolischen Ve lauf dordecreases, whereby a special enclosure by e'n jacket glass is unnecessary. One reaches the parabolic passage dor

Refractive index in the glass fiber by an ion exchange between TI · and Na ions during the manufacturing process or

durch eine nachträgliche Ionenimplantation an der gezogenen Glasfaser.by a subsequent ion implantation on the pulled glass fiber.

As starting material for optical fibers, multi-component glasses or quartz glass are used. A number of methods have been developed for the production of optical fiber and image fibers. Most Manufacturing processes are based on a preform, from which the fiber is pulled at high local heating. A known method is based on the fact that a high-purity rod made of optical glass or silica glass, the later core

der Glasfaser bildet, in ein Glasrohr mit niedrigerer Brechzahl gesteckt wird, wobei Stab und Rohr zueinander eng toleriert sind.forms the glass fiber, is inserted into a glass tube with a lower refractive index, with rod and tube are closely tolerated each other.

From this rod-tube preform, the glass laser is then pulled. Another known technology is the double-crucible method. This is based on the fact that core and cladding glass

getrennt geschmolzen und im flüssigen Zustand einem Doppeltiegel zugeführt werden. Aus diesem Tiegel wird die Faser abgezogen.melted separately and fed in the liquid state a double crucible. From this crucible, the fiber is removed.

A modification of this technology is the Selfoc process, which involves the production of fibers with a parabolic Course of the refractive index of the fiber by ion exchange allows, which takes place during the time in which the core glass through the Casing glass flows through. For the production of optical fibers made of quartz glass, a whole series of methods have become known, wherein a

sogenannte Preform geschaffen wird, woraus anschließend die eigentliche Lichtleitfaser mit Hilfe einer H₂O₂Flamme, einesSo-called preform is created, from which then the actual optical fiber using a H ₂ O ₂ flame, one

Resistance furnace, an induction furnace or a CC> 2 laser. One known process for making the preform is the IVPO (Inside Vapor Phase Oxidation) process, a technology

der inneren Gasphasenoxidation, wobei der Schichtaufbau der Preform durch Abscheiden reinsten Materials aus der Gasphase erzielt wird.the inner gas phase oxidation, wherein the layer structure of the preform is achieved by depositing purest material from the gas phase.

A modification of this technology, the OVPO (Outside Vapor Phase Oxidation) method or as OVD (Outside Vapor Deposition) method, dar. These methods are based on heating a so-called quartz glass substrate rod and thermal reaction

der in einen Brenner eingeleiteten Dotiergase GeCI₄ oder TiCI₄ und SiCI₄ Glasstaub entsteht, der sich auf der Oberfläche desthe doping gases GeCl ₄ or TiCl ₄ and SiCl ₄ glass dust introduced into a burner, which forms on the surface of the

Substrate precipitates.

Des weiteren ist das CVD- (Chemical Vapour Deposition) Verfahren bekannt und die daraus entstandenen DDS- (Dopiertes, deponiertes Silicat) Verfahren und MCVD- (Modified Chemical Vapour Deposition) Verfahren. Diese Verfahren beruhen darauf, daß der Niederschlag des Qlasstaubs auf der Innenwandung eines Quaraglasrohr as erfolgt, das als Substrat dient. Bei diesen Verfahren findet keine Flammenhydrolyse statt. Die gasförmigen Dotierstoffe mii dem SiCI₄ werden in das Innere des Substratrohres eingeleitet. Dort scheiden sich die glasbildenden Stoffe unter direkter Oxidation aus der Gasphase ab. Eine Modifizierung dieser Technologie stellt das PCVD- (Plasma aktivierter CVD-Prozeß) Verfahren dar. Eine Weiterentwicklung der zuletzt genannten bekannten Verfahren stellt das VAD- (Vapour Phase Axial Deposition) Verfahren dar. Dabei wächst die Preform durch einen Zonenschmelzprozeß transparent wird.Furthermore, the CVD (Chemical Vapor Deposition) method is known and the resulting DDS (Dopiertes, deposited silicate) method and MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) method. These methods are based on the fact that the precipitate of Qlasstaubs takes place on the inner wall of a Quaraglasrohr as, which serves as a substrate. In these methods, no flame hydrolysis takes place. The gaseous dopants with the SiCI ₄ are introduced into the interior of the substrate tube. There, the glass-forming substances separate under direct oxidation from the gas phase. A modification of this technology is the PCVD (plasma activated CVD process) method. A further development of the last-mentioned known methods is the VAD (Vapor Phase Axial Deposition) method. In the process, the preform grows transparent by a zone melting process.

Ein anderes bekanntes Verfahren ist unter dem Namen Phasil-Verfahren bekannt geworden, bei dem als Basismaterial germaniiimdioxiddotiertes Natriumborosilikatglas eingesetzt wird, das einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, wobei eine Phasentrennung eintritt. Danach erfolgt die Extraktion der sich gebildeten lonenphase aus Bor- und Natriumoxid, so daß eine poröse, wabenförmige Struktur aus SiO₂ und GeO₂, entsteht, die später durch Sintern wieder geschlossen wird. Die Herstellung von optischen Lichtleit- und Bildleitfasern nach diesen bekannten Verfahren und Systemen stellt höchste Anforderungen an Qualität und gegenseitige Anpassung der Gläser und an damit zusammenhängende Probleme. In jedem Fall ist eine höchste Reinheit des Kernglases erforderlich, d. h. absorptiv stark wirkende Schwermetallionen dürfen nur in verschwindend geringen Mengen vorhanden sein. Dies gilt ebenfalls für die Homogenität (Mikrophasen, Kristalle), um durchlaßschwächende Streuverluste auszuschalten. An die Qualität der Rohstoffe und der Schmelzverfahren werden daher extrem hohe Forderungen gestellt. Die bekannten optischen Fasern sind nur äußerst kosten- und zeitaufwendig herstellbar und die Herstellungsverfahren sind sehr kompliziert.Another known method has become known under the name of Phasil method, is used as the base material germaniiimdioxidged sodium borosilicate glass, which is subjected to a heat treatment, wherein a phase separation occurs. Thereafter, the extraction of the ion phase formed from boron and sodium oxide, so that a porous honeycomb structure of SiO ₂ and GeO ₂ , is formed, which is later closed again by sintering. The production of optical light guiding and image guiding fibers according to these known methods and systems places the highest demands on the quality and mutual adaptation of the glasses and on related problems. In any case, a highest purity of the core glass is required, ie absorptive strong-acting heavy metal ions may be present only in vanishingly small amounts. This also applies to the homogeneity (micro-phases, crystals), in order to eliminate Durchlaßschwächende scattering losses. Therefore, extremely high demands are placed on the quality of the raw materials and the melting processes. The known optical fibers are extremely expensive and time consuming to produce and the manufacturing processes are very complicated.

Lichtleitfasern aus Silikatgläsern haben weiterhin den Nachteil, nur Licht mit einer Wellenlänge bis ca. 2 pm übertragen zu können, jedoch Lichtstrahfen mit einer größeren Wellenlänge aufgrund der Gitterschwingung im erheblichen Umfange zu absorbieren. Für Lichtwellenlängen im Infrarotbereich über 10Mm gibt es bisher keine existierende Übertragungsmöglichkeit mittels Lichtleitfaser, da auch die Halogenidgläser und Chalkogenidgläser einen hohen Anteil des Lichts im Infrarotbereich absorbieren. So muß bisher z. B. das von Kohlendioxidlasern ausgestrahlte Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 10,4 bis 10,6pm über Spiegelsysteme übertragen werden.Optical fibers made of silicate glasses also have the disadvantage of being able to transmit only light having a wavelength of up to about 2 pm, but to absorb light beams having a larger wavelength on account of the lattice vibration to a considerable extent. For light wavelengths in the infrared range above 10 μm, there is currently no existing transmission possibility by means of optical fiber, since the halide glasses and chalcogenide glasses also absorb a high proportion of the light in the infrared range. So far z. B. emitted by carbon dioxide lasers infrared light in the wavelength range of 10.4 to 10.6pm are transmitted via mirror systems.

Object of the invention

Ziel üor Erfindung ist die Entwicklung einer Lichtleitfaser, die durch ihre Eigenschaften die Nachteile der bekannten optischen Fasern beseitigt, für die Übertragung in einem größeren Lichtwellenbereich geeignet ist, und deren Herstellungsverfahren garantiert unkompliziert und ökonomisch vorteilhaft ablaufen.Target üor invention is to develop an optical fiber eliminated by their properties, the drawbacks of the known optical fibers, is suitable for transmission in a wider optical range, and their manufacturing process ensures easy and economically advantageous to proceed.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtleitfaser zu entwickeln, die durch ihren strukturellen Aufbau und ihre physikalischen, insbesondere optischen Eigenschaften, zur Übertragung energiereicher Lichtstrahlen im Infrarotbereich, vor allem im Bereich von 10,4 bis 10,6Mm geeignet ist und ein bewegliches und unkompliziertes Übertragungssystem darstellt, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen.The invention has for its object to develop an optical fiber, which is suitable by their structural design and their physical, especially optical properties, for the transmission of high-energy light beams in the infrared range, especially in the range of 10.4 to 10.6 mm and a movable and uncomplicated transmission system, as well as to provide methods for their production.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Lichtleitfaser aus einer Hohlglasfaser besteht, deren Innenwandung mit einer strahlenreflektierenden Metallschicht beschichtet ist. Vorteilhafterweise besteht diese strahlenreflektierende Metallschicht aus Silber, Molybdän, Aluminium oder Titannitrid. Die beschichtete Hohlglasfaser weist einen Innendurchmesser von 10 bis 2000Mm auf, der vom Einsatzfall abhängig ist. Die reflektierende Metallschicht auf der Innenwandung der Hohlglasfaser hat eine Dicke von 0,1 bis 15Mm. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen beschichteten Hohlglas'asern werden beliebige Glasarten, vor allem aber kostengünstige Alkalisilikat-, Alkali-Erdalkalisilikat-, Alumoborosilikat- und Alkaliborosilikatgläser verwendet.According to the invention the object is achieved in that an optical fiber consists of a hollow glass fiber whose inner wall is coated with a radiation-reflecting metal layer. Advantageously, this radiation-reflecting metal layer consists of silver, molybdenum, aluminum or titanium nitride. The coated hollow glass fiber has an inner diameter of 10 to 2000 μm, which depends on the application. The reflective metal layer on the inner wall of the hollow glass fiber has a thickness of 0.1 to 15 μm. For the production of the coated hollow glass fibers according to the invention, it is possible to use any type of glass, but above all inexpensive alkali metal silicate, alkali earth alkaline silicate, aluminoborosilicate and alkali borosilicate glasses.

Die erfindungsgemäßen beschichteten Hohlgasfasern werden hergestellt, indem ein Glasrohr oder Glasröhrchen an der Innenwandung mit einem strahlenreflektierenden Metall, vorzugsweise Silber, Molybdän, Aluminium oder Titannitrid, beschichtet und diese mittels bekannter Verfahren zu Hohlfasern ausgezogen werden oder daß aus einem Glasrohr, einem Glasröhrchen oder aus der flüssigen Glasschmelze eine Hohlfaser gezogen, die anschließend an ihrer Innenwandung mit einem strahlenreflektierenden Metall beschichtet wird.The coated hollow gas fibers according to the invention are prepared by coating a glass tube or glass tube on the inner wall with a radiation-reflecting metal, preferably silver, molybdenum, aluminum or titanium nitride, and these are drawn by known methods to hollow fibers or that of a glass tube, a glass tube or from liquid glass melt drawn a hollow fiber, which is then coated on its inner wall with a radiation-reflecting metal.

Das Beschichten der Innenwandung der Glasrohre, Glasröhrchen oder Hohlglasfaser erfolgt dabei aus der flüssigen, gas- oder dampfförmigen Metallphase und kann mit Hochvakuumverdampfung, chemischer Abscheidung oder mittels Pyrolyse metallorganischer Verbindungen durchgeführt werden. Mit den erfindungsgemäßen beschichteten Hohlglasfasern stöht u. a. der Medizin und Industrie ein bewegliches und unkompliziertes Übertragungssystem für den energiereichen Lichtstrahl zur Verfügung. Dieses Übertragungssystem kann vor allem im Infrarotbereich vorteilhaft eingesetzt werden und findet vorzugsweise zur Fortleitung der von CO₂-Lasern abgestrahltem Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 10,4 bis 10,6Mm Anwendung. Durch das auf der Innenwandung der Hohlglasfasern befindliche lichtstrahlenreflektierende Metall, wie z. B. einer Verspiegelung, wird das Licht erhitzungs- und absorbtionsfrei weitergeleitet. Die Verwendung herkömmlicher Gläser für die Hohlfasern sowie die unkomplizierte Herstellungstechnologie gewährleisten eine ökonomische Herstellung der erfindungsgemäßen beschichteten Hohlglasfasern. Die verwendete Preform und das gesamte Verfahren gestatten, die erfindungsgemäße Hohlglasfaser in jeder benötigten Abmessung herzustellen.The coating of the inner wall of the glass tubes, glass tubes or hollow glass fiber takes place from the liquid, gaseous or vaporous metal phase and can be carried out with high-vacuum evaporation, chemical deposition or by pyrolysis of organometallic compounds. With the coated hollow glass fibers according to the invention, inter alia, medicine and industry provide a mobile and uncomplicated transmission system for the high-energy light beam. This transmission system can be used advantageously, especially in the infrared range, and is preferably used for the transmission of the infrared light radiated by CO ₂ lasers in the wavelength range from 10.4 to 10.6 μm. By located on the inner wall of the hollow glass fibers light beam reflecting metal such. As a mirror coating, the light is forwarded unhindered heating and absorption. The use of conventional glasses for the hollow fibers and the uncomplicated production technology ensure an economical production of the coated hollow glass fibers according to the invention. The preform used and the entire process make it possible to produce the hollow glass fiber according to the invention in any required dimension.

embodiment

Die erfindungsgemäße Lichtleitfaser und ihre verfahrenstechnische Herstellung werden nachstehend an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.The optical fiber according to the invention and its process engineering production are explained in more detail below with reference to several embodiments.

example 1

Glasröhrchen aus Alkalisilikatglas mit einem Außendurchmesser von 4mm und einer Wanddicke von 0,4mm werden mit destilliertem Wasser gründlich gereinigt, mit frischer SnCI₂-Lösung gewaschen und mit destilliertem Wasser gespült Danach erfolgt nach bekannter Art und Weise durch chemische Abscheidung die Beschichtung der Innenwandung der Glasröhrchen mittels einer ammoniakalischen Silbernitratlösung unter Zugabe von Glycose. Nach erfolgter Versilberung wird mittels destilliertem Wasser nochmals nachgewaschen und anschließend die beschichteten Glasröhrchen bei 100⁰C getrocknet. Danach werden aus den beschichteten Glasröhrchen Hohlfasern mit einem Innendurchmesser von 20Mm und einer Wanddicke von 10μιη gezogen, während die Beschichtungsdicke 2 \im beträgt. Zum Verziehen der Glasröhrchen zu Hohlglasfasern wird vorzugsweise das bekannte Verfahren nach der US-PS 2.269.459 angewandt. Mit den hergestellten beschichteten Hohlfasern lassen sich energiereiche Lichtstrahlen im Infrarotbereich erhitzungs- und absorbtionsfrei übertragen.Glass tubes made of alkali silicate glass with an outer diameter of 4 mm and a wall thickness of 0.4 mm are thoroughly cleaned with distilled water, washed with fresh SnCl ₂ solution and rinsed with distilled water. The coating of the inner wall of the glass tubes then takes place in a known manner by chemical deposition by means of an ammoniacal silver nitrate solution with addition of glycose. After silver plating is washed once again by means of distilled water and then dried, the coated glass tube at 100 ⁰ C. Thereafter, hollow fibers having an inner diameter of 20mm and a wall thickness of 10μιη be pulled from the coated glass tubes, while the coating thickness is 2 \ im. For distorting the glass tubes into hollow glass fibers, the known process according to US Pat. No. 2,269,459 is preferably used. With the coated hollow fibers produced, energy-rich light beams can be transmitted in the infrared range without heating and absorption.

Beispie! 2Step Example! 2

Aus Alkaliborosilikatglasröhrchen mit einem Außendurchmesser von 5mm und einem Innendurchmesser von 2,6mm werden Hohlglasfäden mit einem Innendurchmesser von 50 pm hergestellt. Diese Hohlglasfasern werden entsprechend der im Beispiel 1 dargestellten Art und Weise mit Silber beschichtet.Hollow glass filaments with an inner diameter of 50 μm are produced from alkali borosilicate glass tubes with an outer diameter of 5 mm and an inner diameter of 2.6 mm. These hollow glass fibers are coated according to the manner shown in Example 1 with silver.

Example 3

In einem Glasröhrchen aus Alumoborosilikatglas mit einem Außendurchmesser von 4mm wird zentrisch ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 0,3 mm über die gesamte Länge des Glasröhrchens eingeführt und die beiden Enden des Röhrchens verschmolzen, wobei gleichzeitig im Röhrchen oin Vakuum hergestellt wird. Danach werden kontinuierlich Hohlfasern mit einem Außendurchmesser von 100 pm gezogen, wobei gleichzeitig der sich im Glasröhrchen befindliche Aluminium. Iraht durch ein induktives Hochfrequenzfeld verdampft wird und sich gleichmäßig an der Innenwandung der Hohlfasern niederschlägt.In a glass tube made of aluminoborosilicate glass with an outer diameter of 4 mm, a 0.3 mm diameter aluminum wire is introduced centrally over the entire length of the glass tube and the two ends of the tube are fused together, simultaneously in a vacuum tube. Thereafter, hollow fibers are drawn continuously with an outside diameter of 100 pm, at the same time as the aluminum contained in the glass tube. Wire is vaporized by an inductive high frequency field and is reflected uniformly on the inner wall of the hollow fibers.

Claims

1. Optical fiber made of glass, characterized by a provided on its inner wall with a radiation-reflecting metal layer hollow glass fiber having an inner diameter of 10 to 2,000 pm and a reflective metal layer thickness of 0.1 to 15 pm.

2. Optical fiber according to claim 1, characterized in that the reflective metal layer consists of silver, molybdenum, aluminum or titanium nitride.

3. Optical fiber according to claims 1 and 2, characterized in that the hollow fiber of alkali silicate glass, alkali-Erdalkalisilikatjias.Alumoborosilikatglas or Al kaliborosilikatglas consists.

4. optical fiber according to claims 1 to 3, characterized in that the hollow glass fiber is coated with a thermoplastic material.

5. A process for producing an optical fiber according to claims 1 to 4, characterized in that a hollow glass fiber drawn from a liquid glass melt or from an uncoated or coated on its inner wall glass tube or tube and then the uncoated hollow glass fiber on its inner wall with a radiation-reflecting metal is coated.

6. The method according to claim 5, characterized in that the coating of the inner wall of the glass tube, the glass tube or the hollow glass fiber from the liquid, gaseous or vaporous metal phase is carried out.

7. Process according to claims 5 and 6, characterized in that the coating is carried out by vacuum deposition, chemical deposition or by pyrolysis.