DE1496399A1

DE1496399A1 - Verfahren fuer die Herstellung von lichtleitenden optischen Elementen

Info

Publication number: DE1496399A1
Application number: DE19641496399
Authority: DE
Inventors: Bazinet Jun Wilfred Pierre
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1963-04-12
Filing date: 1964-04-02
Publication date: 1969-03-27
Also published as: GB1011570A; BE694064A; US3278283A

Description

8000 MITNCHEN-SOLLN ^; FnasHabStTaSe21 „

Telefon796213 ^«1<V'^ H96399

P<wtfach48

AO 1198 v^ ■ München, den J.April 1964

American Optical Company
Southbridge, Massachusetts United States of America.

Verfahren für die Herstellung von lichtleitenden optischen

Elementen.

Priorität: 12. April 1963 - U.S.A. - Serial No. 272,733

Diese Erfindung bezieht sich auf lichtleitende optische Elemente und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von lichtleitenden optischen Elementen, die jedes einen Glaskern aufweisen, der aus einer vorbestimmten Glasart mit vorbestimmten optischen und physikalischen Merkmalen besteht, welcher Kern von einer Umhüllung umgeben ist, die aus einer anderen vorgewählten Glasart mit verschiedenen vorgewählten optischen und physikalischen Merkmalen besteht.

Dieser Kern und die Umhüllung sind auf eine Art und Weise miteinander verschmolzen, daß eine genau festgelegt optische

Grenzfläche zwischen ihnen für nachfolgende beschriebene !

Zwecke erzielt wird.

-1-909813/1162

Bei der Herstellung von länglichen, lichtleitenden "optischen Elementen, und insbesondere von solchen, die für"die optische Lichtübertragung durch Fasern und für die Erzeugung und für Verstärkungszwecke von Laser-Licht bestimmt sind, wobei die genaue Auswahl von besonderen Glasarten mit besonderen optischen und physikalischen Merkmalen von größter Bedeutung ist, ist es oft schwierig oder beinahe unmöglich, Glasstangen und Glasrohre dieser besonderen Glasarten in den erwünschten Größen und Durchmesser herzustellen. Da außerdem die Nachfrage für derartige besondere Glasarten in Stangen oder Rohren verschiedener Größen begrenzt ist, wäre es wirtschaftlich nicht möglich, diese Stangen und Rohre durch im Händel verfügbare Glasstangen und GlasrohrziehausrUstungen herstellen zu wollen.

Insbesondere hat es sich als in gewissen Fällen bei der Herstellung von Elementen für die Erzeugung und Verstärkung von Laser-L-i-cht als wünschenswert erwiesen, beispielsweise eine Glasart, die mit einer vorherbestimmten Menge von aktivem Laser-Material vermischt ist, als länglichen Kern zu verwenden, um den herum eine Umhüllung angeordnet wird, die aus einer davon verschiedenen besonderen Glasart besteht, die wiederum mit einer vorherbestimmten Menge eines verschiedenen aktiven Laser-Materia,ls vermischt ist, und diese Glasarten dann in guter optische Berührung miteinander zu verschmelzen, um ein Mindestmaß an oder im wesentlichen keine Blasen, Knoten, Schlieren od.dgl. ent stehen zu lassen. Weiterhin sollten in dem fertiggestellten

909813/1162

optischen Element die Querschnittsabmessungen und infolgedessen die Verhältnisanteile der· verschiedenen Glasarten sorgfältig gesteuert werden, damit best- -. mögliche Erfolge mit den Elementen während ihrer Verwendung erzielt werden können.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Durchführung der vorliegenden Erfindung optische lemente aus mit Glas umhüllten Glaskernen, die die erwünschten besonderen optischen und physikalischen Merkmale und Abmessungen besitzen, leicht, genau und wirtschaftlich hergestellt werden können. H

Es ist demgemäß ein Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, gemäß dem lichtleitende optische Elemente wirksam, genau und wirtschaftlich hergestellt werden können, die mit Kernen und Umhüllungen auf besonderen Gläsern vorgewählter Art versehen sind, und gemäß welchem Verfahren eine genaue Steuerung der Verhältnisanteile Jeder in das optische ^lement einzuführenden Glasart genau gesteuert werden kann. Die Erfindung ermöglicht ebenfalls die leichtere Wahl von Glasarten mit verschiedenen erwünschten Beugungsindizes und erleichtert es, miteinander verträgliche Glasarten zu wählen und außerdem Gläser, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten näher beieinander liegen.

Ueitere Gegenstände und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der

909813/1162

iGIHÄL INSPECTED

. I.

beigefügten Zeichnung, in der: ■

Fig. 1 eine Endansicht einer zusammengesetzter, Anordnung von optischen Elementen für die Verwendung bei aer Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 eine Endansicht eines optischen Elementes ist, das bei der Durchführung der verbesserten Methode unter Verwendung der zusammengesetzten Anordnung nach Fig. 1 hergestellt worden ist;

Fig. 3 eine Endansicht einer etwas anders zusammengesetzten Anordnung von optischen Elementen für die Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist; und

Fig. 4 eine Endansicht eines optischen Elementes ist, das -bei der Durchführung des verbesserten Verfahrens unter. Verwendung der in Fig. J5 gezeigten Anordnung ■ hergestellt worden ist. .

Bei-der Herstellung von faserartigen lichtleitenden optischen Elementen, und in dem Falle, in dem diese Elemente Kerne aus Glas mit hohem Index besitzen, die von aus Glas mit niederem Beugungsindex gebildeten Umhüllungen umgeben sind, ist es nützlich, ein sogenanntes Vakuumstab und -Rohr-Ziehverfähren und -Gerät zu verwenden, da Elemente von guter gleichmäßiger optischer Qualität

9098 13/1162

GRISINAL INSPECTED

mit zusammengeschmolzenen Zwischenseiten damit hergestellt werden können,· Ein derartiges Verfahren ist schon bekannt. Wenn es sich mehr um besondere Glase handelt, die nicht leicht im Handel verfügbar sind, beispielsweise für die herstellung lichterzeugenden und lichtverstärkenden Laser-Bestandteilen, ist es vorzuziehen, die Lehren der vorliegenden Erfindung zu benutzen, und zwar unabhängig davon, ob diese Bestandteile verhältnismäßig große Querschnittsabmessungen oder kleinere Abmessungen oder sogar in der Größenordnung von Pasern liegen« -.■-."

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird eine erste Glasmenge einer vorgewählten Art mit den erwünschten, vorherbestimmten optischen und physikalischen Merkmalen entsprechend dem besonderen Verwendungszweck, bei dem das fertiggestellte Element eingesetzt werden soll, in die Form einer länglichen Stange oder eines Stabes mit einem Querschnittsmaß verformt, das. größer als dasjenige ist, das für dieses Glas in dem fertiggestellten Element erwünscht ist. Diese Stange oder Stab wird mit im wesentlichen parallelen Seiten versehen, an denen eine optische Endbehandlung vorgenommen wird. In Fig. 1 ist bei 10 eine zusammengesetzte Anordnung dargestellt, die einen derartigen fertiggestellten Stab oder Stange 12 in der Mitte aufweist. Diese Stange oder Stab kann jede erwünschte Länge besitzen. Ihre äußere Oberfläche 14 kann einen optischen Belag erhalten.

909813/1162 -5-

■ . ■ ORiGiMAL IMSPECTED

Eine zweite Glasmerige einer verschiedenen vorgewählten Art, die ebenfalls vorherbestimmte optische und physikalische Merkmale entsprechend dem besonderen Verwendungszweck, zu dem das fertiggestellte Element benutzt werden soll, wird zur Bildung der Umhüllung in die Form einer zweiten länglichen Stange oder Stabes mit erwünschten Querschnittsabmessungen und und -Form gebracht.· Sie besitzt ebenfalls' parallele Selten unü eine optisch behandelte äußere Oberfläche. Diese aweite Stange oder Stab wird dann an einem Ende auf Ervreichungstemperatur gebracht und dann zu einer kleineren länglichen Stange ausgezogen. Dabei wird der Querschnittsbereich dieser kleineren Stange gesteuert, damit ein im wesentlichen vorherbestimmter Bereich in Bezug auf den Querschnittsbereich der ersten Stange oder Stab 12 erzielt wird. Es ist natürlich offensichtlich, daß der Prozentsatz der zweiten Glasart in der Umhüllung in Bezug auf die erste-ölasart in dem Kern um so größer ist, je größer der Durchmesser dieser kleineren Stangen, die für die Umhüllung bestimmt sind, im Vergleich zu dem Durchmesser der Stange 12 ist.

Die kleinere längliche Stange wird dann zerschnitten, um eine Vielzahl von ähnlichen kürzeren kleinen Stangen herzustellen, die wie bei 16 in Fig. 1 gezeigt am Umgang 14 der Stange 12 angeordnet werden. Diese Anordnung kann dann in einen äußeren parallelseitigen Rohrmantel aus Glas eingeführt werden, der vorzugsweise nur gering-ίfügig größere Innenabmessungen zur Aufnahme der Anordnung besitzt. Seine V/andstärke hängt etwas von der Art des

909813/1162 -6-

herzustellenden Elementes ab. Wenn beispielsweise das Glas dieses Mantels 18 später etwa durch Schleifen entfernt v/erden soll, ist es vorteilhaft, einen so dünn wie irgend möglichen Mantel zu verwenden.

Die umhüllte Anordnung wird dann in eine bekannte Art eines Ziehgerätes mit geeignetem Halter und einer Vakuumquelle eingebracht, die, falls erwünscht, mit dem oberen Ende der Anordnung verbunden wird. Auf diese Art und V/eise wird gleichzeitig mit dem Erhitzen des unteren Endes der Anordnung eine Saugwirkung auf das obere Ende ausgeübt, um alle Gase aus den Hohlräumen innerhalb M

der Anordnung, wie sie in Pig.l bei 20 und 22 angezeigt sind, auszuziehen.

Während sich das untere Ende der zusammengesetzten Anordnung der Fig. 1 erweicht, ergibt dementsprechend die Saugwirkung eine Neigung, das Glas oder die Gläser der Teile 16 und 18, die den Kern umgeben, zusammenfallen zu lassen. Dies würde mehr oder weniger nach innen wirken, wenn eine kleinere Stange oder Faser ausgezogen wird. Das Ergebnis ist eine zusammengesetzte Stange "

oder Faser, die im wesentlichen das in Fig. 2 gezeigte Querschnittsaussehen aufweist und in der im wesentlichen keine Hohlräume zwischen den Teilen bestehen bleiben. Daraus ist ersichtlich, daß eine Verbundstange 23 mit einem Kern 2k aus der ersten Glasart gebildet wird, welcher Kern 24 vollständig von einer Umhüllung 26 umgeben ist, die aus der zweiten Glasart besteht, die mit

909813/1162

3/

der des Kernes verschmolzen ist. Die -Umhüllung besteht aus einer Vielzahl von miteinander verschmolzenen, . im wesentlichen Schlußstein-förmigen Segmenten 28·.

Natürlich istdie äußere· Schicht JO, die von dem rohr- * förmigen Mantel -10 stammt, der mit der Anordnung zusammengedrückt und ausgezogen worden ist, mit der so her- ■ gestellten Umhüllung verschmolzen. Wenn diese Schicht; in dem fertiggestellten Element nicht erwünscht ist, kann sie durch Schleifen oder.auf andere'Art undiitfeise : entfernt werden. . . - '--.--.. ' ■ : .,

.Während die Verwendung des äußeren rohrförmigen Mantels bei der Durchführung des bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung vorgezogen wird, ist-es möglich, nur das obere Ende der Anordnung nach Fig. 1 ohne den Mantel 18 ϊη einer (nicht dargestellten) Klemmäho.rdnung, die einen

Saugstutzen besitzt, um fortlaufend-ein Vakuum am oberen Ende der Anordnungwährend der Erwärmung und dem Ausziehen einer kleineren Verbundstange oder Faser aus dem unteren ^ Ende besitzt,, anzuordnen. . . .

In Fig. j5ist eine ^ndansicht einer abgeänderten Anordnung der Teile dargestellt, die jedoch der in Fig. 1 sehr ähnlich ist. Die Zwischenräume oder Hohlräume 20 und 22 in Fig. 1 wurden jedoch zumindest teilweise mit kleineren Stangen J2 und J4 ausgefüllt. Bei einer 'derartigen Anordnung ist ein geringeres Vakuum zum Zusammenfallenlassen

9098>ly1162

der zusammengesetzten Teile während dem Erwärmen und dem Ausziehen einer kleineren Stange oder Paser erforderlich. Diese Stangen 32 und 34 können aus der für die Umhüllung verwendeten Glagart oder, falls erwünscht, aus einer verschiedenen Art bestehen, um verschiedene optische oder physikalische Merkmale je nach Wunsch zu schaffen, wie . etwa eine begrenzte Absorption gewisser Wellenlängen in dem sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich,

Die so hergestellte Verbundstange oder Faser ist in Pig. K allgemein bei 36 dargestellt. Dort ist das von den Stangen 32 und 34 gelieferte Glas, wie bei 38 und 40 gezeigt, verformt worden, um den Raum zwischen dem Umhüllungsglas 42 und dem mittigen Kern 44 bezw. zwischen dem Umhüllungsglas 42 und dem äußeren Mantel 46 auszufüllen.

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den äußeren Mantel 18 oder 46 aus Qlas herzustellen, das gegenüber sichtbarem Licht oder einer vorherbestimmten Wellenlänge oder Wellenlängen optischer Strahlungen opak 1st, so daß dieser Mantel als eine optische Isolierung dient, um den Austritt derartiger Strahlungen dadurch zu verhindern.

808813/1182

Claims

Patentansprüche .

1./) Verfahren zur Herstellung einer mit Glas überzogenen Glasstange zur Verwendung bei der Herstellung von lichtleitenden optischen Elementen od.dgl., dadurch gekennzeichnet , daß eine Glasmenge einer ersten gewählten Art mit vorherbestimmten optischen und physikalischen Merkmalen zu einem "länglichen Teil mit optisch behandelten, im wesentlichen parallelen Seitenwandabschnitten geformt wird, daß eine Glasmenge einer zweiten ausgewählten Art mit anderen vorherbestimmten optischen und physikalischen Merkmalen zu einem zweiten länglichen Teil mit optisch behandelten, im wesentlichen parallelen Seitenwandabschnitten geformt wird, daß danach ein Ende des zweiten Teiles auf Erweichungstemperatur gebracht und dann zu einer länglichen Stange mit wesentlich verringerten gesteuerten Querschnittsabmessungen ausgezogen, diese längliche Stange in eine Vielzahl von kürzeren Stangen gleicher Länge zerschnitten, diese kürzeren Stangen nahe nebeneinander liegend und im wesentlich parallel zueinander um den Umfang des ersten länglichen Teiles in einer solchen Art und Weise angeordnet und befestigt werden« daß dieser erste Teil im wesent lichen vollständig umgeben wird« und daß ein Ende der so hergestellten Anordnung auf Erweichungstemperatur gebracht und ausgezogen wird« um eine Verbundstange zu

"¹⁰"

001813/1162

/50

U 96 39

schaffen-, .'die einen aus der ersten Glasart bestehenden Kern aufweist, der von einer Umhüllung aus der zweiten Glasart mit erwünschten kleineren Querschnittsabmessungen umgeben ist.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, "dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen eines Endes der Anordnung auf Erweichungstemperatur und das Ausziehen zur Herstellung einer Verbundstange kleineren Durchmessers durchgeführt wird, während das gegenüberliegende Ende der Anordnung einem Vakuum unterworfen wird, so daß im wesentlichen alle Gase aus den Zwischenräumen zwischen.den Teisn der Anordnung entfernt werden und eine vollständige Einhüllung eines Kernes aus einer Giasart in einer Umhüllung aus. einer anderen Glas art durchgeführt wird. ■·-■ '

35.) -..,, Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß.die den ersten, von einer Vielzahl von längliehen Stangen verringerter Größe umgebene länglichen Teil aufweisende Anordnung in einen dünnwandigen Rohrmantel aus Glas,von geeigneter Große eingeführt und dann an einem Ende auf Erweichungstemperatur erhitzt und ausgezogen .wird, um eine Verbundstange.mit den erwünschten kleineren Querschnittabmessungen herzustellen.

4.) Verfahren nach den Anspinichen 1, 2 oder j3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Vielzahl von Glasstangen einer anderen ausgewählten Art, jedoch von v/es ent Ii oh

- BAD

9098 täV-1 162

kleineren gesteuerten Querschnittsabmessungen innerhalb der zwischen dem ersten länglichen Teil und den umfangsmäßig um den ersten Teil herum angeordneten Stangen gebildeten Hohlräume eingeführt werden, um diese Hohlräume auszufüllen, bevor die Anordnung an einem Ende erhitzt und zu einer Verbundstange kleinerer Querschnittsabmessungeri ausgezogen wird.

5.) Verfahren nach Anspruch p_t dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Vielzahl von Glasstangen einer anderen vorherbestimmten Art mit wesentlich kleineren gesteuerten Querschnictsabmessungen in den zwischen dem ersten länglichen Teil und den umfangsmäßig darum angeordneten Stangen gebildeten Hohlräumen angeordnet werden, um den größeren Teil davon auszufüllen und das andere in c.ie zwischen den umfangsmäßig 'angeordneten Stangen uiia dem rohrförmigen Glasmantel gebildeten Hohlräume, eingeführt werden, um den größten Teil davon auszufüllen, bevor uie Anordnung an einem Ende erhitzt und zu einer Vsrburiustange ausgezogen wird.

6.) Verfahren nach den Ansprüchen j? oder 5* dadurch gekennzeichnet', daß die Verburidstange mit kleineren Q.uerschnittsabmessungen einem Schleif Vorgang unterworfen :;ir.·, um aas von dem Mantel stammende Glas von der Verbündst auge au entfernen.

BAD 0

9 09 81 jyJ16 2