DE1901053B1

DE1901053B1 - Lichtleitfaser und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1901053B1
Application number: DE19691901053D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Georg Gliemeroth; Dipl-Phys Alfred Jacobsen
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1969-01-10
Filing date: 1969-01-10
Publication date: 1970-06-04
Also published as: BE744288A; FR2028128B1; GB1289673A; FR2028128A1; CA939515A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtleitfaser, daß die Totalreflexion des im Kern geführten Lichtbei der die Totalreflexion nicht an einer definierten Strahls nicht wie in den handelsüblichen Lichtleit-Grenzschicht niedriger Brechung, sondern in einer fasern an einer definierten Grenzschicht, bei der die Zone endlicher Dicke am Rande der Faser stattfindet; als Streuverlust zu bezeichnende Lichtenergie dem die Erfindung betrifft zugleich ein Verfahren zur 5 optischen System verlorengeht, erfolgt, sondern daß Herstellung einer solchen Faser. es in einem Grenzbereich endlicher Dicke zu einem

Im allgemeinen bestehen Lichtleitfasern aus einem kontinuierlichen Abbeugen des in der Faser geführtransparenten Kernmaterial mit höherem Brechungs- ten Lichtstrahls kommt.

index, ζ. B. Glas, und einem Mantel mit niedrigerem Das Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern,

Brechungsindex. Dieser Mantel mit niedrigerem io deren Außenzone durch Ionenaustausch oder ein Brechungsindex besteht häufig ebenfalls aus Glas, anders äquivalentes Diffusionsverfahren in ihrem kann aber z. B. aus Kunststoff bestehen. An der Brechungsindex erniedrigt wird, kann auf verschie-Grenzschicht zwischen Kern- und Mantelglas erfolgt dene Weise durchgeführt werden, wie im folgenden eine Totalreflexion des in der Faser geführten Licht- für den Fall einer Glasfaser beschrieben werden soll: Strahls. 15 Aus einem festen Glaskörper, der partiell auf

Nachteile dieser Lichtleitfasern mit definiertem Temperaturen erhitzt wird, die eine Viskosität des Mantel, welcher einen niedrigeren Brechungsindex Glases bewirken, die zum Ziehen geeignet ist, wird als das Kernglas besitzt, sind technologische Schwie- eine Glasfaser gezogen. Die Zusammensetzung des rigkeiten im Herstellungsprozeß und darauf basie- Glaskörpers ist so zu wählen, daß später ein Ionenrende, bei der Anwendung auftretende Streuverluste 20 austausch durchgeführt werden kann, welcher eine der eingestrahlten Lichtenergie. Solche Streuverluste Erniedrigung des Brechungsindex bewirkt. Die getreten an der Grenzfläche zwischen Kern- und Man- zogene Glasfaser kann nachträglich oder während telmaterial auf und sind auf Fehlstellen, Staubteil- des Ziehprozesses einem Ionenaustausch unterworfen chen und ähnliche Ursachen zurückzuführen, welche werden. Beispielsweise wird die Glasfaser mit einer sich bei der Verbindung von Kern- und Mantel- 25 definierten Geschwindigkeit entweder vertikal oder material nicht vollständig vermeiden lassen. horizontal mit oder ohne Umlenkung gezogen und

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Streuverluste anschließend in ein geeignet zusammengesetztes zu vermeiden und die Herstellung von Lichtleitfasern Salzbad so lange eingetaucht, daß ein Ionenaustausch allgemein zu vereinfachen. bei geeigneter Temperatur erfolgt, der eine aus-

Es wurde nun gefunden, daß mit Hilfe eines Diffu- 30 reichend dicke Schicht mit niedrigerem Brechungssionsverfahrens eine Lichtleitfaser, welche nur aus index erzeugt.

einem Kernmaterial besteht, so verändert werden An Stelle des festen Glaskörpers, wie im vorkann, daß ihre durch den Diffusionsprozeß in der stehenden Beispiel, kann auch ein Schmelzbehälter Zusammensetzung veränderte Außenschicht wie ein mit Glas verwendet werden, wobei die Glasfaser aus Mantel wirkt. Insbesondere ist es z. B. möglich, 35 dem flüssigen Zustand und nicht, wie vorher bedurch ein Ionenaustauschverfahren eine Glasfaser, schrieben, nach dem Wiederziehverfahren gewonnen die nur aus einem Kernglas besteht, so zu verändern, wird.

daß die durch den Ionenaustausch veränderte Es wurde weiter gefunden, daß man den Ionenaus-

Außenschicht wie ein Mantelglas wirkt. Eine erfin- tausch nicht unbedingt im Anschluß an den Ziehdungsgemäße Lichtleitfaser erhält man auf diese 40 prozeß durchführen muß. Man kann ebensogut einen Weise, wenn man beispielsweise ein Kernglas mit Stab formen, ihn einem Ionenaustausch unterwerfen hohem Brechungsindex benutzt, dessen Alkaligehalt und ihn später ausziehen. Dieser Stab muß eine Zuvorwiegend aus Lithiumionen besteht. Dieses in Form sammensetzung besitzen, die für einen Ionenauseiner dünnen Glasfaser vorliegende Glas wird einem tauschprozeß, welcher eine Zone mit niedrigerem Ionenaustausch unterworfen, beispielsweise durch 45 Brechungsindex unter der Oberfläche ergibt, geeignet Eintauchen der Glasfaser in eine Salzschmelze. Die ist. Zu diesem Stab wird vor dem Ziehprozeß durch Salzschmelze besteht dabei aus dem Salz eines Ionenaustausch die Zusammensetzung der Außen-Alkalimetalls, welches, wenn es gegen das Lithium- zone verändert. Nach dem Ausziehen verhält sich ion, welches ursprünglich in der Glasfaser vorhanden die Dicke der ausgetauschten Außenzone zum Geist, ausgetauscht wird, in den Austauschbereichen 50 samtquerschnitt der Faser genauso wie vorher die eine Erniedrigung des Brechungsindexes bewirkt. Ge- Dicke der Austauschzone zur Gesamtdicke des eignet dafür sind beispielsweise Natrium-Salz- Stabes.

schmelzen. Bei geeigneten Temperaturen und ge- Da die Totalreflexion nicht an einer definierten

eigneter Dauer des Ionenaustausches entsteht auf Grenzschicht erfolgt, ist ein leichtes Verschmieren diese Weise in der Glasfaser unter der Oberfläche 55 der Konzentrationsschwelle der Ionen, die am eine Zone mit niedrigerem Brechungsindex. Ionenaustausch beteiligt sind, der Faserqualität nicht

In einem Alkali-Erdalkalisilicat-Glas, welches bei- abträglich, sondern wünschenswert. Dieses Verspielsweise 4,8 Molprozent Li₂O enthält, ändert sich schmieren der Konzentrationsschwelle während des der Brechungsindex bei vollkommenem Ersatz dieses Ziehprozesses bewirkt einen Fata-Morgana-Effekt, Li₂O-Gehaltes durch Na₂O um 5 Einheiten in der 60 bei dem ein Lichtstrahl, der in der Faser unter einem dritten Stelle hinter dem" Komma. Es ist dabei un- Winkel geführt wird, welcher eine Reflexion an der wesentlich, ob der Austausch des Alkalioxides durch Oberfläche zur Folge haben müßte, auf Grund der Gemengeänderung oder geeigneten Ionenaustausch verschmierten Konzentrationsschwelle und damit auf erfolgt. Grund des in der Stufe langsam absinkenden

In den erfindungsgemäß behandelten Lichtleit- 65 Brechungsindex in die Faser zurückgebeugt wird, fasern tritt eine erhebliche Verminderung der Ver- F i g. 1 ist ein Querschnitt durch eine Glasfaser, die luste an eingestrahlter Lichtenergie pro Längenein- einem solchen Ionenaustausch unterworfen wurde; heit der Faser ein. Das beruht wahrscheinlich darauf, dabei ist der Bereich, in dem der Brechungsindex

durch Ionenaustausch erniedrigt wuide, schraffiert gekennzeichnet. In F i g. 2 ist der Verlauf des Brechungsindex innerhalb der in F i g. 1 gezeigten Glasfaser dargestellt. Die verschmierte Konzentrationsschwelle ist durch den Buchstaben A dargestellt. In Fig. 1 ist das Abbeugen des Lichtstrahles, der mit dem Buchstaben C gekennzeichnet ist, innerhalb der verschmierten Konzentrationsschwelle zusätzlich dargestellt. Durch geeignete Führung des Ionenaustauschprozesses kann die Steilheit der Konzen- j ο trationsschwelle zwischen ausgetauschter und nicht ausgetauschter Zone gesteuert werden.

Ebenso wie mit Hilfe der hier beschriebenen Ionenaustauschverfahren ist auch mittels anderer äquivalenter Diffusions- und Auslaugprozesse, wie sie beispielsweise als Silberdiffusion oder als Auswandern bzw. Einwandern einzelner oder mehrerer Komponenten bekannt sind, eine Änderung des Brechungsindex möglich. Am prinzipiellen Gedanken der Erfindung ändert sich dadurch nichts.

Beispiel 1

Ein 30 mm dicker Glasstab, dessen Alkalioxidgehalt aus 10 Molprozent Li₂O besteht, wird in eine Natriumnitrat-Salzschmelze, deren Temperatur 20° C über der Transformationstemperatur des Glasstabes liegt, 120 Min. eingetaucht. Durch diesen Ionenaustausch wird von der Oberfläche her eine Zone von 2 mm Dicke in ihrer Zusammensetzung so verändert, daß sich der Brechungsindex vom Grundglas unterscheidet. Der Glasstab wird anschließend der Salzschmelze entnommen und mit einer Geschwindigkeit von 35° C/Std. auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wird dieser Glasstab partiell über die Erweichungstemperatur hinaus bis zu Temperaturen, bei denen eine Viskosität um 3000 Poise erreicht wird, erhitzt und zu einer Glasfaser von 60 ,um Dicke ausgezogen. Diese Glasfaser besitzt eine 4 μΐη dicke Außenzone mit vom Glasinneren abweichendem Brechungsindex und ist als Lichtleitfaser mit verringerten Refiexionsverlusten geeignet.

Beispiel 2

Ein Glasstab, dessen Alkaligehalt 6,5 Molprozent Li₂O und 2,2 Molprozent Na₂O trägt, wird partiell

auf eine Temperatur erhitzt, die einer Viskosität von 3300 Poise entspricht. Bei dieser Temperatur wird aus dem Stab eine Faser kontinuierlich gezogen und mit der gleichen Geschwindigkeit durch ein Salzschmelzbad mit Kaliumionen geleitet. Das Salzschmelzbad hat eine Temperatur von 735° C und ist so zur Ziehanlage angeordnet, daß der Glasfaden nicht unter 490° C in seiner Temperatur absinkt. Die Ziehgeschwindigkeit der Glasfaser ist so eingestellt, daß bei einer Faserdicke von 55 am jeder Teil der Faser 150 Sekunden in der Salzschmelze verbleibt. Nach dem Verlassen der Salzschmelze wird die Faser kontinuierlich abgekühlt und gleichzeitig geschmälzt und geputzt. Dieses Verfahren ergibt eine Lichtleitfaser mit verringerten Refiexionsverlusten.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtleitfaser aus einem transparenten Material, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine durch ein Diffusionsverfahren vor oder nach dem Faserziehprozeß erzeugte Oberfiächenzone ohne scharf definierte Grenzfläche besitzt, deren Brechungsindex niedriger ist als der des transparenten Ausgangsmaterials.

2. Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern aus einem transparenten Material, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Diffusionsverfahren vor oder nach dem Ziehprozeß in dem transparenten Material eine Zone an der Oberfläche erzeugt wird, deren Brechungsindex niedriger als der des transparenten Ausgangsmaterials ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als transparentes Material Glas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaskörper einem lonenaustauschprozeß oder einem äquivalenten Diffusionsverfahren unterworfen wird, bei dem im Körper eine Zone an der Glasoberfläche entsteht, die einen kleineren Brechungsindex als der ursprüngliche Körper besitzt, worauf dieser Glaskörper zu einer Faser ausgezogen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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