DE1949029B2

DE1949029B2 - Lichtleiter-Glaskörper

Info

Publication number: DE1949029B2
Application number: DE1949029A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Osaka Matsumura; Seiichi Itami Hyogo Ono
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1968-09-28
Filing date: 1969-09-27
Publication date: 1979-06-07
Also published as: NL6914684A; GB1274955A; US3877783A; DE1949029C3; BE739417A; FR2022206A1; DE1949029A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungswirkung, der senkrecht zu einer Mittelachse Kreisquerschnitt aufweist und mindestens zwei Arten von Kationen enthält, deren Konzentration innerhalb des Glaskörpers unterschiedliche Werte hat, damit der Brechungsindex η ίπ jeder Querschnittsfläche von der Mittelachse aus radial gegen die Außenfläche des Glaskörpers hin abnimmt nach der Beziehung π=πο(1 -an).

Eine Glasfaser mit Fokussierungswirkung für die Lichtübertragung und einer Verteilung des Brechungs index mit fortschreitender Abnahme vom Zentrum gegen die Außenfläche ist in dem älteren Bundespatent 19 13 358 vorgeschlagen. Bei einem solchen Glaskörper sind im wesentlichen keine Unterschiede innerhalb der verschiedeneu Lichtwege, es treten also keine Verschiebungen oder Verzerrungen der Phasengeschwindigkeit zwischen den einzelnen Lichtstrahlen eines Lichtbündels auf. Deshalb ist ein solcher Glasaufbau für die Übertragung von Bildausschnitten geeignet Unter der Annahme einer Gaußschen Querschnitts verteilung der Intensität eines Lichtbündels k«nn man eine Fleckgröße definieren, vergleiche »The Bell System Technical Journal« Bd. 44,1965, Seiten 455-494. Diese Fleckgröße soll optimal etwa '/3 bis '/m der Eintrittsfläche einer optischen Übertragungsanordnung ausma- chen. Dieses gilt auch beim Eintritt eines Lichl.bündels in °inen Glaskörper der genannten Art Da jedoch die meisten Lichtleiter-Glaskörper einen Halbmesser unter 1 mm, insbesondere zwischen 0,05 und 0,3 mm haben, treten in den meisten Fällen für eine genaue Einleitung eines Lichtbündels mit optimaler Fleckgröße Schwierigkeiten auf.

Bei optimaler Fleckgröße wird im Glaskörper im wesentlichen nur die Grundwellenform erregt die bekanntlich die geringste Dämpfung hat Durch entsprechende Bemessung der Fleckgröße erreicht man also eine Modusanpassung.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung eines Glaskörpers der genannten Art daß auch bei vergleichsweise großen Werten der Fleckgröße eine

Modusanpassung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst daß die Größe — 2ano mindestens in der Nähe einer Stirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.

Die Erfindung stellt damit für den Lichtleiter-Glaskörper einen trichterartigen Einlaufbereich zur Verfügung, so daß auch bei größeren Werten der Fleckgröße eine Modusanpassung gewährleistet ist Aufgabe der Erfindung ist die Sicherstellung einer Modusanpassung für die Einleitung eines Lichtbündels in einen Glaskörper der genannten Art.

Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers der genannten Art vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Glaskörper mit einem Mittelbereich und mit mindestens einer Kationenart als Abwandlungsoxyde der Einwirkung einer Ionenquelle mit einem Anteil mindestens einer anderen Kationenart als Abwandlungsoxyde ausgesetzt wird, deren Wert. (Elektronenpolarisierbarkeit) (lonen radius)³ kleiner alt der entsprechende Wert der zuerst genannten Kaiionen ist, damit eine Substitution der Kationen innerhalb des Glaskörpers durch die Kationen des Salzes in einem größeren Ausmaß in der Nähe mindestens einer axialen Stirnquerfläche als in den übrigen Teilen des Glaskörpers erfolgt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß im Anschluß an die Austauschbehandlung des Glaskörpers in dem Salz eine Längsreckung unter Erwärmen erfolgt wobei das Reckverhältnis in der Nähe mindestens einer Querstirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.

Durch die Erfindung wird die Ausrichtung eines Eintrittslichtbündels für einen Glaskörper der genannten Art wesentlich erleichtert. Die nutzbare Lichtinten- sität wird vergrößert.

Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispieie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert welche darstellen:

F i g. I eine schemacische Ansicht eines Ausfübrungsbeispieles eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung,

F i g. 2 bis 4 Verteilungskurven des Brechungsindex in der Stirnfläche A und den Schnittflächen III—III sowie IV-IV der F ig. 1,

Fig.5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung,

F i g. 6 bis 8 Verteilungskurven des Brechungsindex in der Stirnfläche D sowie den Schnittflächen VtI-VIl und VIII-VIHder Fig.5,

F ί g. 9 in schematischem Vertikalschnitt eine Herstellungseinrichtung für einen Glaskörper nach der Erfindung,

Fig. 10 eine Verteilungskurve der gemessenen Radien in jeder Querschnittsfläche bezogen auf die Mittellinie des Glaskörpers,

F i g. 11 eine Kennlinie für die Auszugsgeschwindigkeit des Glaskörpers aus dem Salzbad,

F i g. 12 eine Verteilungskurve des Brechungsindex,

Fig. 13 einen schematischen Vsrtikalschnitt einer Reckeinrichtung für einen Glaskörper nach der Erfindung,

Fig. 14 eine Verteilungskurve der gemessenen Radien in einem jeden Vertikalschnitt bezogen auf die Mittellinie des Glaskörpers und

F i g. 15 eine Verteilungskurve des Brechungsindex im Mittelbereich eines weiteren Glaskörpers nach der Erfindung, und zwar in Abhängigkeit von der zunehmenden Tauchzeit in einem Salzbad.

Innerhalb eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung hat der Brechungsindex π in einer Querschnittsfläche bezüglich der Mittellinie mit einem Abstand ζ von einer Stirnfläche des Glaskörpers eine Verteilung nach der folgenden Beziehung:

n=/jfc[l —afzjr¹]

mit r als radialen Abstand von der Mittellinie des Glaskörpers und n» als Brechungsindex des Glaskörpers auf der Mittellinie.

In diesem Fall ist es vorzuziehen, daß der Brechungsindex von der Mittellinie in Richtung zur Außenfläche des Glaskörpers fortgesetzt abnimmt. Das wichtigste Merkmal bei einem Glaskörper nach der Erfindung liegt darin, daß sich der Wert a(z) in Abhängigkeit vom Abstand z'm der Nähe: mindestens einer Stirnfläche des Glaskörpen ändert. Der Wert a(z)isl in der Nähe einer Stirnfläche kleiner als im Mittelteil des Glaskörpers. Das Abnahmeverhältiiis des Brechungsindex in einer Querschnittsfläche im Bereich der betreffenden Stirnfläche ist kleiner als im Mittelteil zwischen den Stirnflächen des Glaskörpers.

Im Endbereich des Glaskörpers soll ausgehend von einem Wert 2=0 der Wert a (ζ) mit zunehmendem Abstand ζ fortgesetzt zunehmen, zumindest in einem Stirnbereich des Glaskörpers. Der Wert a (ζ) ist so festgelegt, daß man im Mittelteil einen vorgegebenen Wert erreicht.

Für das Zunahmeverhältnis des Wertes a(z) mit zunehmendem Abstand ζ in einem Stirnbereich des Glaskörpers ist folgender Verlauf zweckmäßig:

a(.z)-k(\ +azp

mit k und <x als positiven Konstanten, wobei α gegenüber k genügend klein ''M.

Der zentrale Wert des Brechungsindex /J₀ braucht nicht auf allen Abschnitten der Mittellinie konstant sein, sondern kann sich auch in Abhängigkeit von dem Abstand ζ ändern.

Der Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungseffeki läßt sich leicht mit einer Querschnittserweiterung unter geringem Anstieg in der Nähe mindestens einer Stirnfläche herstellen. In diesem Fall hat die Stirnfläche einen größeren Halbmesser als der Mittelte.il zwischen den beiden Enden des Glaskörpers; der Radius wird von der Stirnfläche zum Mittelteil hin allmählich kleiner. Für die Form der Querschnittserweiterung im Bereich der Stirnfläche für z=0 hat sich ein Verlauf nach folgender Gleichung als zweckmäßig erwiesen:

mit t/als Radius einer Querschnittsebene im Abstand ζ von der genannten Stirnfläche und ob als Radius in der Stirnfläche für z=0.

Die Formgebung des Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung ist jedoch nicht auf den genannten Fall eingeschränkt Vielmehr ist bspw. auch ein Glasstab mit im wesentlichen konstantem Durchmesser möglich.

F i g. 1 zeigt die Formgebung ei ν es Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Änderung des Durchmessers, der von einem Maximalwert in der Stirnfläche A fortgesetzt zur gegenüberliegenden Stirnfläche hin kleiner wird. Die Abnahme des Brechungsindex von der MitteRnie gegen den Umfang des Glaskörpers ist für die Stirnfläche A in F i g. 2 angegeben.

Die Abnahme ist hier weniger steil als in den anderen

Querschnittsflächen. Die Verteilung des Brechungsindex in einer Querschnittsfläche IH-IIi der Fig. 1 ist in F i g. 3. diejenige in einer Querschnittsfläche nach der Linie IV-IV in F i g. 4 angegeben. Anstelle eines Glaskörpers mit Querschnittserweite rungen nach F i g. 1 kann auch ein stabförmiger Glaskörper mit konstantem Durchmesser gemäß F i g. 5 benutzt wercfcn. In diesem Fall soll zweckmäßigerweise die Verteilung des Brechungsindex eine fortschreitende Änderung nach den F i g. 6 bis 8 aufweisen. F i g. 6 gibt die Verteilung des Brechungsindex in der StirnJIäche B der F i g. 5, F i g. 7 in der Querschnittsfläche VII-VII und F i g. 8 in der Querschnittsfläche VIII-VIII an.

L)ie Herstellung des Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung erfolgt in folgender Weise.

Ein Glaskörper in Faser- oder Siabform wird nach oben aus der freien Oberfläche einer Glasschmelze herausgezogen und dann zum Zwecke einer Erstarrung gekühlt. Dabei läßt sich der Durchmesser des Glaskörpers leicht durch Änderung der Auszugsgeschwindig- keit, der Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Schmelzentemperatur ändern. Eine Zunahme des Durchmessers läßt sich durch Verringerung der Auszugsgeschwindigkeit, durch Vergrößerung der Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. durch Absenkung der Schmelzentemperatur -^rechen. Durch Einstellung der genannten Größen kann man also einen Glaskörper einer gewünschten Formgebung erhalten. Ein Glaskörper der gewünschten Formgebung läßt sich auch dadurch erhalten, daß ein zunächst mit im wesentlichen konstantem Durchmesser

μ hergestellter Glasstab darauf mit einem Endteil in einen Heizofen eingebracht wird und daß zur Reckung am anderen Endteil eine konstante Zugkraft einwirkt. Wenn der gereckte Stab eine gewünschte Fort.i erreicht hat, wird er aus dem Heizofen herausgenommen.

Wenn man einen Glaskörper vergleichsweise geringer Länge benötigt, kann ein Glasstab geschliffen werden, bis man die gewünschte Form erhält.

Es werden nunmehr im einzelnen die Verfahrenswei-

sen zur Einstellung der angegebenen Verteilung des Brechungsindex erläutert. Normalerweise hängt der Brechungsindex eines Körpers mit den molekularen Brechungskoeffizienten und dem Molekularvolumen zusammen; der Brechungsindex nimmt mit zunehmenden molekularen Brechungskoeffizienten und mit abnehmendem Molekularvolumen zu. Der molekulare Brechungskoeffizient ist der Polarisierbarkeit proportional. Der molekulare Brechungskoeffizient eines Glases läßt sich näherungsweise als Summe der Brechungsanteile der einzelnen Ionen ausdrucken Demgemäß kann der quantitative Einfluß bestimmter Ionen auf den Brechungsindex eines Glases aus einem Vergleich der Werte der Elektronenpolarisierbarkeit pro Einheitsvolumen bzw. der Größe Elektronenpolarisierbarkeit/lonenradius³ abgeschätzt werden. Normalerweise wirken Kationen mit größerem Verhältnis der Elektronenpolarisierbarkeit zum lonenradius innerhalb eines Glases ziemlich ausgeprägt im Sinne einer Vergrößerung des Brechungsindex. Diese Wirkung nimmt im Falle einwertiger Kationen in der Reihe ab:

TI > Li > K = Na= Rb.

Zweiwertige Kationen lassen sich hinsichtlich der Größe ihres Beitrags zum Brechungsindex in folgender Reihe anordnen:

Pb > Ba > Cd > Sr > Ca > Zn > Be > Mg.

Ein Glaskörper mit einem Gehalt von Metalloxyden mit vergleichsweise großem Wert des Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius³ bspw. mit einem Tl-Anteil (Anteil A) wird in eine Salzschmelze aus Nitraten und Sulfaten von Metallen wie Li, Na, K oder dgl. getaucht, deren Ionen einen vergleichsweise kleinen Wert des Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/ lonenradius³ haben (Metall B), damit die Α-Ionen in dem Glaskörper durch die B-Ionen substituiert werden. Dadurch erreicht man eine Änderung der Verteilung des Brechungsindex. Die Größe des Ionenaustauschers hängt von der Temperatur der Salzschmelze und der Tauchdauer ab. Folglich kann man durch Einstellung dieser Größen einen Lichtleiter Glasaufbau mit gewünschter Verteilung des Brechungsindex erhalten. Außerdem kann Größe und Geschwindigkeit der Substitution von A- durch B-Ionen dadurch eingestellt werden, daß man nicht nur eine einzige B-Iorenart verwendet, sondern ein Mischsalz mit einer geringeren Konzentration von Α-Ionen als in dem Glas.

Der Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung kann auch auf solche Weise hergestellt werden, daß eine solche lonenaustauschbehandlung an einem Glasstab mit im wesentlichen konstantem Durchmesser durchgeführt wird; dann wird der Glasstab in einen Heizofen eingestellt wo eine Temperaturerhöhung auf eine Verformungstemperatur durchgeführt wird Sodann erfolgt eine Reckung des Glaskörpers in eine gewünschte Form. Damit erhält man einen Glaskörper der gewünschten Gestalt dadurch, daß ein Glasstab allmählich von einem Stirnende aus in einen Heizofen eingeführt wird, während zur Reckung eine äußere Zugkraft einwirkt. Sobald der gereckte Stab die gewünschte Form erhalten hat, wird er aus dem Heizofen herausgenommen. Zweckmäßigerweise schleift man beide Enden des erhaltenen Lichtleiter-Glaskörpers, Wenn der Glaskörper geschnitten werden muß, werden zweckmäßigerweäse auch die Schnittflächen geschliffen.

Wenn ein Lichtböndel in eine Stirnfläche (z=0) des Glaskörpers nach der Erfindung eintritt, wo die Abnahme des Brechungsindex von der Mittellinie in Richtung der Oberfläche weniger steil als in anderen Teilen des Glaskörpers ist. hat die optimale Fleckgröße in dieser Stirnfläche nach der folgenden Gleichung einen vergleichsweise großen Wert:

M₀-T

mit A als Wellenlänge des Einfallslichts und a(0) als Wert der Größe a fc/für z= 0.

Somit kann man durch Anwendung eines Lichtleiter-Glaskörpers nach der Erfindung für ein Lichtbündel eine Modusanpassung erzielen, damit einfallende Lichtbündel genau eingeleitet werden. Die Fleckgröße des Einfallslichtbündels verringert sich fortschreitend entsprechend der optimalen Fleckgröße in einem jeden Querschnitt; die FleckgröUe erreicht schließlich einen

2(i festen Wert, wenn der Wert a(z)m z-Richtung konstant bleibt.

Da der Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung sowohl eine geringe Dispersion als auch ein hohes Auflösungsvermögen hat, kann ein Bild mit hoher

2ϊ Auflösung oder ein Laserimpuls damit übertragen werden.

Da außerdem in einem Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungseffekt die axiale Länge aus Herstellungsgründen begrenzt ist, müssen zwei Lichtleiter-Glaskör-

jo per miteinander verbunden werden können. Wenn in diesem Fall Lic'uleiter-Glaskörper nach der Erfindung verwendet werden, wird die Ausrichtung der optischen Achse und die Modusanpassung leicht, weil die optimale Fleckgröße eines Einfallslichtbündels innerhalb der genannten Stirnfläche des Glaskörpers groß ist und diese Stirnfläche eine vergleichsweise große Fläche hat. Man kann Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfindung miteinander verbinden; ebenso kann ein Glaskörper nach der Erfindung mit einem herkömmlichen Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungseffekt, jedoch ohne Änderung der Verteilung des Brechungsindex in axialer Richtung verbunden werden. Wenn in den genannten Fällen zwei Glaskörper mit Fokussierungseffekt und gleichen Verteilungen des Brechungsindex in den jeweiligen Stirnflächen miteinander verbunden werden, brauchen diese Körper lediglich miteinander verklebt zu werden. Wenn zwei Glaskörper mit unterschiedlichen Verteilungen des Brechungsindex in den Stirnflächen miteinander verbunden werden, müssen sie über ein entsprechendes Linsensystem miteinander gekoppelt werden. In diesem Fall, wo zwei Lichtleuer-Glaskörper mit Fokussierungseffekt unterschiedlicher Verteilungen des Brechungsindex in den Stirnflächen miteinander verbunden werden, kann man dieselben durch Verbindung einer jeden Stirnfläche mit der anderen über einen weiteren Lichtleiter-Glaskörper nach der Erfiridung verbinden, wo die Verteilung des Brechungsindex in einer Stirnfläche gleich der Verteilung in einer Stirnfläche des ersten Glaskörpers und die Verteilung des Brechungsindex in der anderen Stirnfläche gleich der Verteilung des Brechungsindex in der Stirnfläche des weiteren Glaskörpers ist

Wenn eine Stirnfläche des Glaskörpers nach der Erfindung, wo die Abnahme des Brechungsindex von der Mittellinie gegen den Umfang hin weniger steil als in anderen Teilen ist als Lichtaustrittsfläche vorgesehen ist kann man leicht ein vergrößertes Bild erhalten, weil die Breite des in die jeweils andere Stirnfläche des

Glaskörpers eingeleiteten Lichtbündel allmählich gegen die Lichtaustrittsfläche zunimmt, wobei die Fokussierung des Lichtbündels erhalten bleibt, besonders bei einer Bildübertragung. Der Glaskörper nach der Erfindung kann infolgedessen bevorzugt zur Beobachtung kleiner Hohlteile benutzt werden. In diesem Fall kann man selbstverständlich ein verkleinertes Bild ι;.-halten, wenn die genannte Lichtaustrittsfläche des Glaskörpers als Lichteintrittsfläche benutzt wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Einzelbeispiele erläutert, womit jedoch der Erfindungsgedanke nicht eingeschränkt werden soll.

Die Erfindung betrifft auch einen Glaskörper, wo der Brechungsindex ausgehend von einer Mittelebene gegen die Deckfläche hin abnimmt, also einen im wesentlichen plattenförmigen Glaskörper. Derselbe wirkt als Zylinderlinse.

Rp i ϊ pi rl I

Nach Fig. 9 wird ein Glas einer Zusammensetzung von 56 Gewichts-% SiO₂. 14 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-% TI₂O und 10 Gewichts-% PbO in einem Platintiegel 1 aufgeschmolzen. Die Glasschmelze 2 wird auf einer konstanten Temperatur zwischen 950"C und 110O⁰C gehalten In einer isolierenden Abdeckung 3 des .Schmelztiegels 1 befindet sich ein kleiner Durchgang 4. Geschmolzenes Glas wird durch diesen kleinen Durchgang 4 nach oben abgezogen und läuft durch den Spalt zwischen Walzen 5 mit einem Durchmesser von 150 mm, die mit etwa 20 Umdrehungen pro Minute umlaufen. Dadurch wird das Glas mit einer konstanten Geschwindigkeit zu einer Glasfaser ausgezogen. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer wird die Drehzahl der Walzen allmählich herabgesetzt und erreicht einen Wert von 1—5 Umdrehungen pro Minute, wenn die Länge der abgezogenen Glasfaser nach Herabsetzung der Drehzahl etwa 1 m beträgt.

Die Meßwerte der Radien der erhaltenen Glasfasern sind in F i g. 10 angegeben.

Zur Ausschaltung von Spannungen der Glasfaser infolge ichneller Abkühlung, wird die Glasfaser in einem Heizofen mit einer Temperatur von etwa 460⁰C während einer Dauer von 5 Stunden gehalten, damit die Abkühlung langsam erfolgt. Der Brechungsindex der erhaltenen Glasfaser beträgt 1,562, die Verteilung desselben ist im wesentlichen gleichförmig.

Dann wird die Glasfaser in eine Salzschmelze eingetaucht, um eine gewünschte Verteilung des Brechungsindex einzustellen. Die Salzmischung enthält als Hauptbestandteil Kaliumnitrat und einen Anteil von etwa 0,5 Gewichts-% Thalliumnitrat, dessen Zweck eine Ausschaltung von merklichen Unterschieden der Brechungsindices in der Mittellinie und den Oberflächenteilen der Glasfaser sowie in einer Vergleichsmäßigung der Änderung der Verteilung des Brechungsindex liegt.

Solange die genannte Glasfaser in die Mischsalzschmelze getaucht wird, wird die Temperatur derselben auf einem Wert von etwa 500⁰C gehalten. Die Tl⁺-Ionen innerhalb des Glases werden fortschreitend durch K+-Ionen des Salzbades substituiert, wobei die Substitution von der Oberfläche gegen die Mittellinie der Glasfaser fortschreitet. Nach etwa 5 Stunden gelangen K+-Ionen in die Nähe der Mittellinie der Glasfaser mit einem konstanten Radius von etwa 0,1 mm; entsprechend erreichen Tl⁺- und Na+-Ionen, die sich im Mittelbereich befunden hatten, die Oberfläche der Glasfaser. Nunmehr wird ein Teil der Glasfaser mit konstantem Radius von etwa 0,1 mm aus dem Salzbad herausgezogen. Die Glasfaser wird fortschreitend ausgehend von dem Teil mit kleinem Durchmesser in Richtung des Teils mit großem Durchmesser mit einer in Fig. Il angegebenen Geschwindigkeit herausgezogen, so daß jeder Abschnitt der Glasfaser aus dem Salzbad austritt, wenn die K+ -Ionen die Mittellinie des betreffenden Abschnitts erreichen. Dabei erfolgt die Steuerung der Auszugsgeschwindigkeit der Glasfaser zweckmäßig nach einem

ίο Steuerprogramm. Nach Kühlung, Wasserspülung und Trocknung der ausgezogenen Glasfaser werden beide Stirnflächen nach einer ebenen Oberfläche geschliffen.

Die Messung der Verteilung des Brechungsindex der Glasfaser innerhalb einer jeden Querschnittsfläche folgt

ι > im wesentlichen der Beziehung:

* citciiui

UC3 LIIl

innerhalb einer Greiffläche von 0,2 mm Radius um die Mittelachse der Glasfaser ist in F i g. 12 dargestellt.

Wenn ein Lichtbündel in eine Stirnfläche der Glasfaser eintritt, sind im wesentlichen keine Unterschiede der verschiedenen Lichtwege vorhanden, so daß Versetzungen oder Unterschiede der Phasengeschwindigkeiten der Lichtanteile in der anderen Stirnfläche der Glasfaser fehlen. Folglich kann diese Glasfaser zur Lichtübertragung benutzt werden. Ferner ist zu bemerken, daß die Bildübertragung mit einer einzelnen Glasfaser nach der Erfindung erzielt werden kann. Wenn die Stirnfläche mit größerem Durchmesser als Eintrittfläche benutzt wird, können Einfallslichtbündel genau ausgerichtet werden, da die optimale Fleckgröße groß ist. sie beträgt in diesem Fall etwa das 1.6fache der Fleckgröße in der anderen Stirnfläche.

Beispiel 2

Ein Glas gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wird in dem Tiegel nach F i g. 9 aufgeschmolzen unH mit konstanter Geschwindigkeit herausgezogen, wobei die Temperatur zwischen 900⁵C und 950° C gehalten wird, damit man einen Glasstab mit etwa 0,5 mm Radius und etwa 1 m Länge erhält. Der Glasstab wird allmählich gekühlt.

Weiterhin wird ein Salzbad mit Kaliumnitrat als Hauptbestandteil und einem Zusatz von etwa 0.5 Gewichts-% Thalliumnitrat 24 h auf einer Temperatur von etwa 500°C gehalten. Der genannte Glasstab wird in dieses Bad getaucht. Dann wird der Stab gekühlt, mit Wasser gespült und getrocknet. Aufgrund von Messungen ergibt sich eine Verteilung des Brechungsindex dieses Glaskörpers mit einem Wert Πο= 1.560 auf der Mittellinie und einem Brechungsindex im Oberflächenbereich von 1350. Innerhalb einer jeden Querschnittsflächc folgt die Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen der folgenden Beziehung:

n=/7o(l -ar²)

mit a als einer positiven Konstanten.

Sodann wird der Glaskörper zur Reckung in einen Heizofen nach Fig. 13 eingebracht. Danach ist eine Zufuhreinrichtung 12 über dem Heizofen 11 mit einer Höhe von 13 m angeordnet. Durch diese Zufuhreinrichtung wird der Glaskörper 13 durch eine Öffnung 14 am Oberende des Heizofens mit konstanter Geschwindigkeit eingeführt. In vorliegendem Fall ist die Geschwin-

digkeit auf einen Wert zwischen 26 und 50 mm pro Minute eingestellt.

Der Glaskörper 13, der durch den Heizofen 11 gelaufen ist, wird durch Heizelemente 15 aufgeheizt. Durch Ziehen mit einem Gewicht 17 von 0,5 bis 3 g, das mit einem Kupferdraht 16 am Unterende des Glaskörpers 13 befestigt ist, wird derselbe gereckt. Da ein Teil mit vergleichsweise großem Durchmesser des Glaskörpers im inneren Oberteil des Heizofens 11 aufgeheizt ist, macht man zweckmäßigerweise die Temperatur in diesem Oberteil des Heizofens 11 höher, als im Unterteil. Im Rahmen des vorliegenden Beispiels werden Ober- und Unterteile des Heizofens auf Temperaturen von etwa 700⁰C und 450⁰C gehalten. Die Temperatur ändert sich vom Oberteil gegen den Unterteil des Heizofens hin allmählich. Isolierende Zwischenwände 18 dienen zur Aufrechterhaltung der angegebenen Temperaturverteilung.

Der durch eine Öffnung 19 am Unterende des Heizofens unter Zugwirkung stehende Glaskörper 13 hat einen im wesentlichen konstanten Radius von 0.1 mm. Nach dem Recken wird der Glaskörper 13 in einem Zustand aus dem Heizofen herausgezogen, wo ein Teil des Glaskörpers noch nicht in den Heizofen 11 eingetreten ist, sondern noch oberhalb desselben verbleibt; der Glaskörper wird in einen Warmhalteofen eingebracht, damit während einer Dauer von etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa 460⁰C eine allmähliche Abkühlung erfolgt. Dadurch werden Spannungen in dem Glaskörper beseitigt.

Der Verlauf des Radius des Glaskörpers ist in Fig. 14 angegeben. Außerdem wurde gefunden, daß der Brechungsindex des Glaskörpers in jeder Querschnittsebene mit Ausnahme des Oberflächenteils im wesentlichen die folgende Beziehung erfüllt:

Der Brechungsindex im Mittelbereich des Glaskörpers mit 0,1 mm Radius beträgt 1,560. Der Brechungsindex im Oberflächenteil beträgt 1,551. Diese Werte sind im wesentlichen die gleichen wie für einen Glaskörper mit 0.5 mm Radius. Der Wert ansteigt allmählich von der Stirnfläche größerer Ausdehnung gegen den Mittelteil hin an. Die beiden Stirnflächen des erhaltenen Glaskörpers werden für eine Verwendung geschliffen.

Der auf diese Weise erhaltene Glaskörper hat die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile wie im Falle des Beispiels 1. Die Einleitung eines Lichtbündels in die größere Stirnfläche wird erleichtert. Wenn außerdem die genannte Stirnfläche als Lichtaustrittsfläche benutzt wird, läßt sich leicht ein vergrößertes Bild erhalten, da die Breite des durch die andere Stirnfläche eintretenden Lichtbündels innerhalb des Glaskörpers allmählich zunimmt. Folglich kann der Glaskörper nach der Erfindung als Endoskop, als Bohrlochuntersuchungsgerät oder für ähnliche Zwecke benutzt werden.

10

Beispiel 3

Ein Glas gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel I wird in dem Gerät nach F i g. 9 aufgeschmolzen. Die Glasschmelze wird mit konstanter Geschwindigkeit bei einer konstanten Temperatur zwischen 900⁰C und 950⁰C abgezogen, so daß man einen Glasstab mit etwa 0,5 mm Radius und etwa 2 m Länge erhält. Dieser Glasstab wird allmählich abgekühlt.

ίο Eine Salzschmelze mit Kaliumnitrat als Hauptbestandteil und etwa 0,2 Gewichts-% Thalliumnitrat als Zusatz wird auf einer Temperatur von etwa 500⁰C gehalten. Wenn der genannte Glasstab 70 Stunden lang in dieses Bad eingetaucht wird, erreichen die K+ -Ionen

i) die Mittellinie des Stabes. In diesem Zustand wird der Glasstab allmählich von einem Ende aus mit einer allmählich abnehmenden Geschwindigkeit herausgezo gen. Schließlich ist der Glasstab mit dem gegenüberliegenden Stirnbereich 350 Stunden lang in das Salzbad

ι . r-\ /—' I * ι_ - Λ "I* Λ * L * tr

J(I gClUUCni. L-fCI VJiaaStaL/ r»nu gvjpuii tinw gvuu^nn^l. L·.:, wurde eine Verteilung des Brechungsindex gemessen, wo die Brechungsindices im Mittelbereich einerseits einen Wert von 1,545 im Bereich der länger eingetauchten Stirnfläche und andererseits einen Wert von 1,560 im Bereich der anderen Stirnfläche haben. Die Brechungsindices ändern sich also allmählich vom einen zum anderen Stirnende. Im Oberflächenbereich des Glaskörpers hat der Brechungsindex einen im wesentlichen konstanten Wert von 1,530. Da K + -Ionen bis zur

in Mittellinie in dem längere Zeit eingetauchten Teil des Glaskörpers vorgedrungen sind, wird der Brechungsindex in diesem Bereich kleiner im Vergleich zu anderen Teilen des Glaskörpers.

Der Verlauf des Brechungsindex im Mittelbereich des

Vj Glaskörpers ist in Fig. 15 in Abhängigkeit von der Tauchzeit angegeben.

Weiterhin zeigt sich, daß der Brechungsindex in jeder Querschnittsfläche mit Ausnahme des Oberflächenteils im wesentlichen der folgenden Gleichung genügt:

•Ό „— „/-IM η

Wenn die für eine längere Zeitdauer ei"getauchte Stirnfläche, dem Wert z=0 zugeordnet ist, stellt der Wert no(z) den jeweiligen Brechungsindex auf der Mittellinie des Glaskörpers dar. Dieser Wert steigt mit zunehmendem Abstand zallmählich an.

Der so erhaltene Glaskörper hat einen im wesentlichen konstanten Durchmesser. Da jedoch die Abnahme des Brechungsindex vom Zentrum zur Oberfläche des Körpers in der Nähe der längere Zeit getauchten Stirnfläche weniger steil als in anderen Bereichen ist, ist die optimale Fleckgröße für diese Stirnfläche groß, so daß ein Lichtbündel genau eingeleitet werden kann. Folglich läßt sich ähnlich wie bei den oben beschriebenen Beispielen auch eine Bildvergrößerung erhalten, wenn diese Endfläche als Lichtaustrittsfläche benutzt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtleiter-Glaskörper mit Fokussierungswirkung, der senkrecht zu einer Mittelachse Kreisquerschnitt aufweist und mindestens zwei Arten von Kationen enthält, deren Konzentration innerhalb des Glaskörpers unterschiedliche Werte hat, damit der Brechungsindex (n) in jeder Querschnittsfläche von der Mittelachse aus radial gegen die Außenfläche des Glaskörpers hin abnimmt nach der Beziehung /J=Ho(I-S/*), dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (—2ano) mindestens in der Nähe einer Stirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist

2. Lichtleiter-Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper stab- oder faserförmig ausgebildet ist

3. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiter-Glaskörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaskörper mit einem Mittelbereich und mit mindestens einer Kationenart als Abwandlungsoxyde der Einwirkung einer Ionenquelle mit einem Anteil mindestens einer anderen Kationenart als Abwandlungsoxyde ausgesetzt wird, deren Wert (Elektronenpolarisierbarkeit)/(loner.radius)³ kleiner als der entsprechende Wert der zuerst genannten Kationen ist damit eine Substitution der Kationen innerhalb des Glaskörpers durch die Kationen des Salzes in einem größeren Ausmaß in der Nähe mindestens einer axialen Stirnquerfläche als in den übngen Teilen des Glaskörpers erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das größere Ausmaß der Substitution durch eine längere Einwirkungszeit erzielt wird.

5. Verfahren nach Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet daß das größere Ausmaß der Substitution durch eine höhere Behandlungstemperatur erzielt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen der in dem Glaskörper enthaltenen Abwandlungsoxyde aus der Gruppe von Thallium, Lithium, Blei und Barium sowie die Kationen der Ionenquelle aus der Gruppe von Kalium, Natrium und Rubidium ausgewählt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Austauschbehandlung des Glaskörpers in dem Salz eine Längsreckung unter Erwärmen erfolgt wobei das Reckverhältnis in der Nähe mindestens einer Querstirnfläche kleiner als in den übrigen Teilen des Glaskörpers ist.