DE2039239C - Lichtleitendes Glaselement mit einer Zone aus hoher brechendem Glas, einer angren zenden niedriger brechenden Glaszone und einem durch Ionendiffusion entstandenen Über gangsbereich mit kontinuierlichem Brechungs index Gradienten und Verfahren zu semer Her Stellung - Google Patents
Lichtleitendes Glaselement mit einer Zone aus hoher brechendem Glas, einer angren zenden niedriger brechenden Glaszone und einem durch Ionendiffusion entstandenen Über gangsbereich mit kontinuierlichem Brechungs index Gradienten und Verfahren zu semer Her StellungInfo
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- DE2039239C DE2039239C DE19702039239 DE2039239 DE2039239C DE 2039239 C DE2039239 C DE 2039239C DE 19702039239 DE19702039239 DE 19702039239 DE 2039239 DE2039239 DE 2039239 DE 2039239 C DE2039239 C DE 2039239C
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Description
ι 2
Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtleitendes Erzeugung von Diffusionsprofilen für Spannungszonen
Glaselement mit einer Zone aus höher brechendem bei der chemischen Härtung durch Ionenaustausch.
Glas, die an eine niedriger brechende Glaszone grenzt, Eine Zusammenfassung der Arbeitsmethoden des
wobei zwischen beiden ein Ubergangsbereich mit Ionenaustausches zur Erzeugung von solchen Spankontinuierlichem Brechungsindex-Gradient liegt, so 5 nungszonen im Glas findet sich bei H. Schröder
daß ein Lichtstrahl, der sich senkrecht zu diesem und G. Gliemeroth (Chemische Härtung, Na-Brechungsindexgradienten
ausbreitet, in Richtung auf turwissenschaften, Bd. 70, 1970, im Druck),
den Bereich höherer Brechung abgelenkt wird, wobei Ebenfalls bekannt sind die Änderungsmöglichdieser Ubergangsbereich durch einen Ionenaustausch- keiten des Brechungsindex im Glas beim Ersatz eines prozeß zwischen Alkaliionen des Glases und einer io Oxids durch ein anderes (vgl. H. Sch öl ze, Glas, geeigneten Ionenquelle entstanden ist. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1964, S. 128).
den Bereich höherer Brechung abgelenkt wird, wobei Ebenfalls bekannt sind die Änderungsmöglichdieser Ubergangsbereich durch einen Ionenaustausch- keiten des Brechungsindex im Glas beim Ersatz eines prozeß zwischen Alkaliionen des Glases und einer io Oxids durch ein anderes (vgl. H. Sch öl ze, Glas, geeigneten Ionenquelle entstanden ist. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1964, S. 128).
Die Erfindung betrifft zugleich ein Verfahren zur Es zeigte sich jedoch, daß die zur chemischen
Herstellung solcher lichtleitender Glaselemente. Erfin- Härtung durch Ionenaustausch (Diffusionsprozesse)
dungsgemäß besteht das lichtleitende Glaselement aus geeigneten Glaszusammensetzungen, die speziell zur
einem Glas der Synthesezusammensetzung in Ge- 15 Erzeugung hoher Druckspannungen in der Austauschwichtsprozent,
zone sowie auf möglichst niedrige Spannungsrelaxa-
.. , . ,_ tion abgestimmt sind, nicht für die Herstellung von
,„?·„, Gradientenfasern geeignet sind,
η β - · τη Neben der Schwierigkeit, ausreichend hohe Bre-
η E-S ? η 20 chungsunterschiede zu erzeugen, hat sich gezeigt,
s " ™s A*3 daß die zur chemischen Härtung durch Ionenaus-
.ι! ΑΪ π" Ϊ 7rn "jlvn"' « hi* 7fi tausch geeigneten Gläser nur unter großen Schwierig-
-Ϊ A η A 2 5 " ο w Ia leiten im optischen Sinn schlierenfrei zu erschmelzen
? - 2 2 5
'?!s:n sind. Besonders schwierig ist die HersteUung hin-
1^ bls 2JO 25 reichend homogener Stücke, wie sie für Lichtleiter
Xη w· ο η mit hohen Durchlässigkeiten und geringer Bildver-
ZnO ° bls 2'° zerrung benötigt werden.
wobei folgende Bedingungen erfüllt sind: Es zeigte sich außerdem, daß viele der für den Ionenaustausch
zum Zweck der Härtung geeigneten Gläser
BaO + ZnO 3° zwar so sta^ ra ihrem Kristallisationsverhalten sind,
= 0,08 bis 0,5 daß aus ihnen ein technisches Produkt geblasen,
gepreßt oder direkt aus der Schmelze gezogen werden kann, diese Gläser, sofern sie überhaupt einen aus-
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5 _ , . reichenden Brechungsunterschied zu erzeugen erlau-
PbO + Alkalioxid ~~ " 35 ben, jedoch meist keine so große Kristallisationsstabilität besitzen, daß aus ihnen ein optisches Glas
erschmolzen werden kann, welches beispielsweise
Lichtleitfasern aus einem transparenten Kernmate- nach einem Wiederziehverfahren zu einer Lichtleit-
rial mit höherem Brechungsindex, z. B. Glas, und faser ausziehbar ist.
einem Mantel aus einem Material, z. B. ebenfalls Glas, 40 Ziel der Erfindung ist es, Glaszusammensetzungen
mit niedrigerem Brechungsindex, sind bekannt. Licht- aufzufinden, die zur Herstellung von optischen EIeleiter,
insbesondere Lichtleitfasern, bei denen die menten, insbesondere Lichtleitern mit Brechungs-Totalreflexion
nicht an einer definierten Grenzschicht index-Gradienten, geeignet sind, wobei diese Breniedrigerer
Brechung, sondern in einer Zone endlicher chungsindex-Gradienten durch Diffusionsverfahren
Dicke mit kontinuierlichem Brechungsindex-Gradien- 45 erzeugt werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist
ten am Rande der Faser stattfindet, sind durch die es, Gläser aufzufinden, die bei technologisch einfachen
deutsche Auslegeschrift 1 901 053 bekanntgeworden Diffusionsprozessen bereits relativ hohe Brechungs-(Gradientenfasem).
indexunterschiede zwischen nicht ausgetauschtem und
Diese Lichtleitfasern nach der deutschen Auslege- ausgetauschtem Glas zeigen.
schrift 1 901 053 sind dadurch gekennzeichnet, daß 50 Ein weiteres Ziel der Erfindung sind Gläser, in
sie eine Oberflächenzone besitzen, die durch ein vor denen durch Diffusionsprozesse ein Brechungsindexoder
nach dem Faserziehprozeß stattfindendes Dif- Gradient erzeugt wird, wobei diese Gläser infolge
fusionsverfahren (Ionenaustausch) erzeugt wird. Diese ihrer Kristallisationsstabilität für einen Wiederzieh-Oberflächenzone
besitzt keine scharf definierte Grenz- prozeß geeignet sind.
fläche. Durch den Diffusionsprozeß wird ein konti- 55 Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Gläser in
nuierlicher Konzentrationsgradient in bezug auf die optischer Homogenität herzustellen, die zur Erzeudie
Brechung beeinflussenden Komponenten erzeugt. gung von Lichtleitern durch Diffusion geeignet sind.
Daraus resultiert ein Brechungsindex-Gradient in Zur Erzeugung eines Lichtleiters aus Glas mit einer
dieser Ionenaustauschzone. Ader aus höher brechendem Glas, die in niedriger Der Ionenaustausch, welcher zu einem Konzen- 60 brechendes Glas eingebettet ist, sind prinzipiell zwei
trationsprofil durch Variation der Konzentration Wege der Herstellung möglich, wenn man im Grenzbestimmter
Austausch-Ionen im Glas in Abhängig- bereich zwischen beiden Zonen unterschiedlicher
keit von der Lage führt und die Herstellung von Brechung einen kontinuierlichen Brechungsindexsolchen
Brechungsindex-Profilen ermöglicht, ist be- Gradienten erzeugen will und die Herstellung durch
kannt. 65 einen Ionenaustauschprozeß erfolgen soll.
Die Erzeugung von Diffusionsprofilen zur Erzeu- Es kann einerseits von einem höher brechenden
gung von Brechungsindex-Gradienten durch Ionen- Glas ausgegangen werden, z. B. einer Faser, die mit
austausch im Glas steht in deutlicher Analogie zur einer geeigneten Ionenquelle in Kontakt gebracht
3 l 4
wird, wobei Außenzonen dieses höher brechenden SiO2 · 43 bis 62
fiziert werden, daß sie einen niedrigeren Brechungs- ZrO2 · 0,8 bis 3,0
index bekommen. P2O5 O bis 2,0
quelle in Kontakt gebracht wird. In diesem zweiten ZnO · · - 0 bis 2,0
eine Ader aus höher brechendem Glas durch den io In diesem Glas für Lichtleiter mit kontinuierlichem
Es wurde gefunden, daß für die beiden erläuterten unterschiedlicher Brechung können je nach Herstel-Herstellungswege ein Grundglastyp gleichermaßen lungsverfahren die Alkalioxide so gewählt werden,
besonders geeignet ist, der durch folgende Synthese- daß ein Ionenaustausch entweder zu einer Brechungszusammensetzung in Gewichtsprozent charakterisiert 15 indexerhöhung oder zu einer Brechungsindexerniedriist: gung führt.
SiO2
Al2O3
Na2O
Li2O
BaO
ZnO
PbO
ZrO2
P2O5
TAl2O3 + ZrO2 + P2O5
Σ Alkalioxid
BaO+ ZnO
., ...u . BaO + ZnO
Verhältnis
TAl2O3 +
ZiO2
+
P2O5
Alkalioxid
TSiO2
+ Al2O3 + ZrO2 + P2O5
PbO
TSiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5
TSiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5
And- IO4
II | Gewichtsprozent | III | IV | V | VI | |
I | 61,8 | 55,0 | 56,0 | 52,0 | 50,8 | |
43,0 | 8,2 | 17,0 | 5,7 | 21,0 | 10,5 | |
20,1 | 12,3 | 18,3 | 25,0 | 5,0 | 18,7 | |
19,0 | 4,5 | 1,0 | — | 5,5 | 5,0 | |
0,8 | 0,8 | 0,5 | 0,7 | 0,9 | 0,3 | |
0,4 | 1,2 | 0,6 | 2,0 | 1,3 | 0,9 | |
0,8 | 9,6 | 6,0 | 5,6 | 11,3 | 11,3 | |
14,4 | 0,8 | 1,5 | 3,0 | 3,0 | 1,6 | |
1,0 | 0,8 | 0,1 | 2,0 | — | 0,9 | |
0,5 | 71,6 | 73,6 | 66,7 | 76,0 | 63,8 | |
64,6 | 9,8 | 18,6 | 10,7 | 24,0 | 13,0 | |
21,6 | 16,8 | 19,3 | 25,0 | 10,5 | 23,7 | |
19,8 | 2,0 | 1,1 | 2,7 | 2,2 | 1,2 | |
1,2 | 0,209 | 0,183 | 0,483 | 0,195 | 0,106 | |
0,083 | 0,58 | 0,96 | 0,43 | 2,29 | 0,55 | |
1,09 | 7,46 | 12,27 | 11,91 | 6,73 | 5,65 | |
4,49 | 2,71 | 2,91 | 2,18 | 3,49 | 1,82 | |
1,89 | 61 | 35 | 31 | 175 | 81 | |
53 | ||||||
Die Gläser der Tabelle 1 zeichnen sich durch einen erhöhten Gehalt an Oxiden aus, die eine verstärkte
Trennstellen-Bildung im Glasnetzwerk bei Erhöhung des Alkalianteils verhindern. Diese werden durch die
Maßzahl TAl2O3 + ZrO2 + P2O5 charakterisiert.
Die Gläser der Tabelle 1 zeichnen sich weiter durch einen beträchtlichen Gehalt an PbO aus, der für Glas,
welches zu Ionenaustauschzwecken verwendet werden soll, vollkommen unüblich ist. Der Bleigehalt ist
ein Merkmal der erfindungsgemäßen Gläser.
Zu diesem Bleigehalt müssen die übrigen Komponenten in ganz bestimmten Relationen stehen, um
einen geeigneten Brechungsindexunterschied, geeignete Herstellbedingungen, vernünftige Ionenaus-
VII
52,0 21,0 12,5
0,1 75,1 23,1 17,5
31,29
.3,77 84
tauschbedingungen, Kristallisationsstabilität und tragbare Preisrelationen zu gewährleisten.
BaO + ZnO
PbO"
PbO"
muß zwischen 0,08 und 0.5 liegen. Die Summe
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5
muß zwischen 63 und 76 Gewichtsprozent liegen, für Gehalte an PbO zwischen 2,0 und 14.5 darf der
Mkalioxidgehalt 10,5 Gewichtsprozent nicht unterschreiten.
Das Verhältnis
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5
PbO + Alkalioxid
muß zwischen 1,8 und 3,8 liegen.
Es wurde gefunden, daß es zur Erzeugung von Brechungsindexunterschieden im Glas durch Ionenaustausch
zur Herstellung von Lichtleitern günstiger ist, nicht eine einzelne Ionenart der für den Ionenaustausch
in Betracht kommenden Ionengruppe (in diesem Fall Alkaliionen) vorliegen zu haben, sondern
schon einen gewissen Anteil der Ionen, die durch den Ionenaustauschprozeß zur Änderung des Brechungsindcx
in das Glas eingebaut werden sollen, von vornherein im Glas vorliegen zu haben.
Es wurde gefunden, daß es zur Erzeugung von geeigneten Brechungsindexunterschieden nicht darauf
ankommt, Gläser mit möglichst niedriger Spannungsrelaxation in Temperaturabhängigkeit auszuwählen
(vgl. H. Schröder und G. Gliemeroth, loc. cit.), wie dieses für die chemische Härtung durch
Ionenaustausch erforderlich ist. Deswegen sind Gläser, die zur chemischen Härtung durch Ionenaustausch
entwickelt wurden, meist für die Herstellung von Lichtleitern unbrauchbar. Vielmehr muß die Zusammensetzung
und damit die Struktur des Glases, d. h. das Verhältnis von Netzwerkbildnern, Netzwerkwandlern
und Stabilisatoren so gewählt werden, daß geeignete Diffusionsgeschwindigkeiten und ausreichend hohe
Brechungsindexunterschiede vor und nach dem Iouenaustausch
erzielt werden können.
Es wurde weiter gefunden, daß die Temperatur, bei welcher der Ionenaustauschprozeß stattfindet, der
nicht grundsätzlich von bekannten Ionenaustauschprozessen abweicht und deshalb nicht ausführlich
diskutiert zu werden braucht, im wesentlichen nur die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflußt. Höhere
Temperaturen als bei der chemischen Härtung durch Ionenaustausch unterhalb der Transformationstemperatur
können deshalb angewendet werden, weil eine Relaxation der durch den Ionenaustauschprozeß
im Glas erzeugten Spannung im Gegensatz zum Härtungsprozeß sogar erwünscht ist.
Abweichend von dieser Erkenntnis wurde aber bei einigen Versuchen beobachtet, daß ein höherer Brechungsindexunterschied,
im folgenden als Δ nd · 10* beschrieben, beobachtet wurde, wenn die Temperatur
des Ionenaustausches etwa 30 bis 1000C unter der
Transformationstemperatur lag. Vor allem gilt das für Ionenaustausch versuche, bei denen ein höher brechendes
Glas mit einem Mantel niedrigerer Brechung versehen werden soll. Der Grund für dieses Verhalten
ist bisher noch nicht endgültig geklärt.
Um an Versuchsgläsern die maximal erreichbaren Brechungsindexunterschiede durch Ionenaustauschprozesse
näher zu prüfen, wurden Proben der Abmessungen 1,5 x 8 χ 8 mm aus den verschiedenen
Versuchsgläsern hergestellt. An diesen Proben wurde der Brechungsindex nä vor und nach dem Ionenaustausch,
der mindestens 24 Stunden bei ausreichend hoher Temperatur durchgeführt wurde, gemessen.
Mit diesen Meßverfahren bekommt man einen Anhaltswert für den maximal in der jeweiligen Glaszusammensetzung
erreichbaren Brechungsindexunterschied Λ nd · 10*.
Dieser Wert des In,, · 10* ist meist etwas höher
als der Brechungsindexunterschied, den man unter technologisch günstigen Bedingungen bei der Herstellung
von Lichtleitern aus Glas mit einer Ader aus höher brechendem Glas erzeugt.
Als Beispiel für die Variationsmöglichkeit des Alkalioxidgenaltes
im Hinblick auf die beiden obengenannten Verfahrenswege dienen die in den Tabellen
2 und 3 gezeigten Versuche.
Die Tabelle 2 zeigt die Variation des Alkalioxidgehaltes in einem Glas, das für Lichtleiter aus Glas
besonders geeignet ist, wobei durch Ionenaustausch das höher brechende Glas in definierten Bereichen
im Brechungsindex erniedrigt wird.
Das Verhältnis von Natrium- und Lithium-Ionen im Glas ist dabei so abgestimmt, daß bei annähernd
gleicher Viskosität des Glases (annähernd gleiche Transformationstemperatur) der Brechungsindexunterschied
In--IO* einen Bereich von -90 bis
-195 überstreicht. Die Grenzen für dieses spezielle Glas der Tabelle 2 sind technologisch durch die
Kristallisationsstabilität gegeben. Eine Steigerung des Lithiumgehaltes über 6% hinaus ergibt Gläser, die
kristallisationsanfällig sind und damit tür eine technologische
Verwendung ausscheiden.
Die Verwendung von anderen Alkaliionenaustauschpaaren ergibt keine Verbesserung; das gleiche
gin für die Verwendung von Thallium, da in allen Fällen eine Verschlechterung der technologischen
Eigenschaften (Kristallisation, Viskosität usw.) oder eine überhöhte Kostensteigerung die Folge sind.
Die Grenze der technologischen Verwendbarkeit liegt für die verschiedenen in Tabelle 1 gezeigten
Gläser bei unterschiedlichen Lithiumoxid-Natriuinoxid-Verhältnissen.
Gewich tsteüe | DC | X | XI | |
vm | 56,00 | 56,00 | 56,00 | |
56,00 | 17,00 | 17,00 | 17,00 | |
17,00 | IUO | 93O | 530 | |
1330 | 5,50 | •6,50 | S^O | |
4,50 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | |
0,25 | 1,50 | UO | UO | |
UO | 6,40 | 6,40 | Λ40 | |
6,40 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | |
0,10 | 130 | UO. | 130 | |
1,30 | ||||
SiO2 .
Fortsetzung
VIII
Gewichtsteile
ix I x
Xl
Transformationstemperatur in 0C
.In-- 104
Kristallisationsstabilität*)
529
-90
-90
keine Kristallisation
529
-110
-110
keine Kristallisation
530
-130
-130
einzelne Kristalle an der
Oberfläche
nach 1 Stunde
Temperung bei
Oberfläche
nach 1 Stunde
Temperung bei
532
-195
-195
starke Kristallisation nach
1 Stunde Temperung bei
KG,,,«
8000C
1 Stunde Temperung bei
KG,,,«
8000C
8100C
*) Die Prüfung der Kristallisationsstabilität erfolgte im Temperaturgradientenofen auf einem Pt-Trägerblech durch 1 stündige Temperung.
Anschließend wurden an den auf diesem Trägerblech angeordneten Glasbröckchen die untere und obere Kristallisationsgrenze, das Kristallisationsmaximum
(KGm„) und die Kristallisationsgeschwindigkeit mikroskopisch bestimmt.
Tabelle 3 erläutert an einem Glas, welches dem Glas der Tabelle 2 relativ ähnlich ist, jedoch für den
zweiten beschriebenen Herstellungsweg für Lichtleiter aus Glas unter Verwendung eines niedriger
brechenden Ausgangsglases und Erzeugung von höher brechenden Adern im Glas zur Führung eines Lichtstrahles
bestimmt ist, ebenfalls die Auswahl geeigneter Alkalioxid-Verhältnisse.
Transfonnationstemperatur in 0C...
468 I 500 + 145 ι +80
Aus dieser Tabelle wird besonders deutlich, daß es günstig für die Erzeugung des Brechungsindexunterschiedes
ist, wenn von den nachträglich in das Glas durch Ionenaustausch einzubauenden Alkaliionen
schon ein gewisser Betrag von vornherein in der Glaszusammensetzung vorhanden ist
Es wurde gefunden, daß eine Verwendung von mit den Glaszusammensetzungen der Tabelle 1 verträglichen
Oxiden möglich ist So kann beispielsweise an Stelle des Gehaltes an Bariumoxid auch Magnesiumoxid,
Calziumoxid, Thalliumoxid oder Strontiumoxid verwendet werden, doch verschlechtern
sich dadurch in den meisten Fällen die Diffusionsbedingungen, die Kristallisationsbeständigkeit, die
Gemengekosten oder die Höhe des erreichbaren Brechungsindexunterschiedes nach dem Ionenaustausch.
Ähnliches gilt für die übrigen Oxide der Glaszusammensetzung in Tabelle 1.
Zur leichteren Läuterung dieser Gläser ist es möglich,
den Glasgemengen die üblichen Läutennittel, wie Arsenoxid, Antimonoxid oder Chloride bzw.
Nitrate, beizufügen.
Die Verwendung von anderen Ionenpaaren für
den Austauschprozeß zur Veränderung des Brechungsindex ist grundsätzlich möglich, es gilt jedoch auch
hierbei das für die Austauschbarkeit der übrigen Glasoxide genannte. . .
Es wurde weiter gefunden, daß man Lichtleiter aus Glas mit einer in ein niedriger brechendes Glas
eingebetteten Ader aus höher brechendem Glas und einem Grenzbereich zwischen den Bereichen unterschiedlicher
Brechung mit kontinuierlichem Brechungsindex-Gradienten besonders gut nach dem
to folgenden Verfahren herstellen kann: Ein Glasblock geeigneter Größe soll nahe der Oberfläche einen
solchen Lichtleiter impliziert bekommen. Dazu wird die Oberfläche geschliffen und poliert Weiter wird
eine Siebdruckschablone hergestellt die dem ge-
wünschten Verlauf des Lichtweges entspricht. In F i g. 1 ist z. B. ein kreisbogenförmiger Lichtweg S
gewählt worden. Andere Formen des Lichtweges sind ebenfalls möglich.
Mit Hufe dieser Siebdruckschablone wird auf die
polierte Glasoberfläche eine Siebdruckmasse aufgebracht Die Glaszusammensetzung des Substratglases
(großer Probekörper, Quader in Fig. 1) besitzt den niedrigeren Brechungsindex. Die zu implizierende
Ader soll den höheren Brechungsindex erhalten. Deshalb enthält die Siebdruckmasse eine
Ionenart angereichert, die den Brechungsinaex m
den Glasbereichen des Substrates, die mit der Siebdruckmasse in Kontakt kommen, erhöht
Für das Glas 4 der Tabelle 1 hat sich z. B. eine
Für das Glas 4 der Tabelle 1 hat sich z. B. eine
so Siebdruckmasse bewährt, die wie folgt zusammengesetzt
ist:
Siebdrucköl 25,8 Teile
Kaolin VAl^
Lithiumcarbonat 46,7 Teüe
Diese Siebdruckmasse wird nach ihrer Mischung 24 Stunden in einer Kugelmühle von Porzellankugeln
zermahlen und dann in einer geometrischen Anordnung gemäß Fig. 1 auf das Glas aufgebracht
Nach Trocknen der Siebdruckmasse läßt man die Litbiumionen aus dieser Siebdruckmasse bei einer
Temperatur, die im Bereich der Transformationstemperatur des Glassubstrates liegt, in das Glassubstrat eindiffundieren. Je nach den Temperatur- und
Zeitbedingungen erhält man einen mehr oder weniger scharf begrenzten Bereich, in dem sich die Glaszusammensetzung
durch das Eindiffundieren der Lithiumionen verändert hat Bei entsprechender Dimen-
209 633/441
2493
sionierung der Siebdruckschablone kann ohne Schwierigkeit ein aderförmiger Bereich von 1 mm Querschnittsfläche
in das Glas impliziert werden.
Mit Ausnahme der Glasoberfläche ist diese höher brechende Ader von niedriger brechendem Glassubstrat
umgeben. Die Oberfläche ist, wenn die Glasprobe sich an Luft befindet, ebenfalls als Grenzfläche zu
einem niedriger brechenden Medium anzusehen. Im Prinzip kann also das Verfahren schon in dieser Stufe
als beendet betrachtet werden.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein weiterer Ionenaustausch, mit dessen Hilfe die höher brechende
Ader weiter in das Glas hineinverlegt wird, zu erheblich günstigeren Ergebnissen führt. Dazu wird die
Glasprobe, nachdem ihr die höher brechende Ader impliziert wurde, in ein Salzschmelzbad bei Temperaturen
um den Transformationsbereich eingetaucht. Die Tauchzeit kann zwischen 10 Minuten und
24 Stunden liegen. Längere Zeiten sind ebenfalls möglich. Das Salzschmelzbad, in das die Probe
getaucht wird, enthält Ionen, die, wenn sie in das Glassubstrat eindiffundieren, den Brechungsindex im
Diffusionsbereich erniedrigen. Für das Beispiel 4 der Tabelle 1 soll die Salzschmelze Natriumionen enthalten.
Durch diesen Verfahrensschritt wird der oberflächennächste Bereich der in das Glas implizierten
höher brechenden Ader wieder auf einen niedrigeren Brechungsindex gebracht. Dadurch ist der Querschnitt
der höher brechenden Ader zwar verringert worden, die Ader hat jedoch keinen Kontakt mehr
zur Substratoberfläche, und ihre Form ist geeigneter für die Lichtleitung. Besonders günstig ist es für die
zwei Diffusionsschritte, wenn die Implikation der höher brechenden Ader bei einer etwas höheren Temperatur
erfolgt als der zweite Diffusionsprozeß, bei welchem ein Teil der Ader wieder auf den ursprünglichen
Substratbrechungsindex gebracht wird. Eine Temperaturdifferenz von 200C ist für die meisten Fälle
ausreichend.
Aus folgenden Komponenten wird ein Gemenge gemischt und in einen keramischen Tiegel bei 15100C
eingelegt:
Technisch reiner Quarzsand 5,168 kg
Aluminiummonohydrat 3,120 kg
Natriumkarbonat 3,749 kg
Kochsalz 0,068 kg
Natriumnitrat 0,166 kg
Lithiumkarbonat 0,240 kg
Bariumkarbonat 0,062 kg
Zinkoxid 0,096 kg
Mennige 1,770 kg
Zirkoniumoxid 0,120 kg
Aluminiumphosphat 0,119 kg
Nach dem Einlegen wird 2 Stunden bei 1525°C geläutert, anschließend wird die Schmelze bei 1495° C
1Z2 Stunde gerührt Der Tiegelinhalt wird in eine
Metallform gegossen, welche in einem Kühlofen von 585° C auf Raumtemperatur mit einer Kühlgeschwindigkeit
von 35° C/Std. abgekühlt wird. Aus der Metallfonn
wird das Glas anschließend herausgenommen. - Aus diesem Glas wird eine Platte der Abmessungen
20 χ 20 χ 10 mm herausgesägt, allseitig geschliffen
undipoliert.
Eine Probe aus diesem Glas wird derart durch eine geeignete Siebdruckmaske mit einer nachfolgend beschriebenen
Masse beschichtet, daß gemäß F i g. 1 eine 1 mm breite, kreisabschnittförmige Linie S aus
dieser Masse entsteht. Die Enden dieser Linie S liegen über den gedachten Punkten A und B. Die
Punkte A und B liegen in den Begrenzungsebenen der Probe und symbolisieren den Beginn und das
Ende der zu erzeugenden Ader als Lichtleiter.
Die Siebdruckmasse wird hergestellt aus
30 Teilen Kaolin,
60 Teilen Lithiumkarbonat,
30 Teilen Siebdrucköl.
Nach dem Aufdrucken dieser Masse wird die Probe V2 Stunde bei 8O0C, anschließend 1 Stunde bei 18O0C
im Trockenschrank getrocknet.
Bei 4200C wird die Probe 2 Stunden in einem elektrisch
beheizten Kammerofen eingebracht, auf 395° C mit 40° C/Std. auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die erkaltete Probe wird in einen anderen elektrisch beheizten Kammerofen eingebracht, auf 3950C
mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 250° C/Std. erhitzt und anschließend in ein ebenfalls in diesem
Ofen befindliches Salzschmelzbad, dessen Temperatur ebenfalls 395° C beträgt, 2 Stunden lang eingetaucht.
Danach wird die Probe dem Salzschmelzbad entnommen und von der Ofentemperatur auf Raumtemperatur
mit einer Geschwindigkeit von 35° C/Std, abgekühlt
Richtet man einen Laserstrahl oder einen gui fokussieren Kohlelichtbogen so auf den Punkt A
der F i g. 1, daß er in der Flächennormalen verläuft
und beobachtet man mit Hufe eines Empfangen
(Photomultiplier oder Photozelle), dem eine Lochblende
mit 1 mm öffnung vorgeschaltet ist, so stelli
man fest daß die Lichtintensität im Bereich des Punktes B wesentlich höher ist als die Lichtintensitäi
von Flächenabschnitten, die in der gleichen Ebern
wie B liegen, obwohl die Beobachtungsrichtung senk
recht zur Strahlrichtung des Lasers steht.
Aus den nachstehenden Komponenten wird eil Gemenge eingewogen und gemischt:
Technisch reiner Quarzsand 4,555 kg
Eisenfreier Eukryptit 6,194 kg
Natriumkarbonat 2,084 kg
Natriumnitrat 0,660 kg
Lithiumkarbonat 0,643 kg
Bariumkarbonat 0,125 kg
Zinkoxid 0,144 kg
Mennige 1,180 kg
Zirkoniumoxid 0,096 kg
Phosphorpentoxid , 0,096 kg
Das Gemenge wird in einen keramischen Tiege bei einer Temperatur von 16000C eingelegt Nach der
Einlegen wird 12 Stunden bei 15900C geläuter
anschließend 2 Stunden bei 15900C gerührt Da Glas wird anschließend in eine Metallfonn gegosse
und von 5200C auf Raumtemperatur mit einer Küh]
geschwindigkeit von 12° C/Std. abgekühlt Aus der Glasblock werfen Proben herausgeschnitten, die ei
Ausziehen auf 1 mm dicke Rundstäbe erlauben.
Diese Stäbe werden in ein Salzschmelzbad, welche Natrium-Ionen enthält, bei 485° C 1 Stunde lan
2493
eingetaucht. Nach dem Herausnehmen der Stäbe aus dem Salzbad werden die Stäbchen in 2 mm lange
Abschnitte zersägt. Die Stirnflächen eines solchen Abschnittes werden anpoliert, und der Brechungsindex-Gradient
wird interferometrisch vermessen. Es ergibt sich ein Brechungsindexprofil entsprechend
Fig. 2, das annähernd parabelförmigen Verlauf besitzt. (In F i g. 2 ist der Durchmesser des Stäbchens
von Rand zu Rand gegen die Brechungsindexänderung /lnd ■ 10* aufgetragen.)
Folgende Gemengekomponenten werden eingewogen, gemischt und bei 1555°C in einen keramischen
Tiegel eingelegt:
Eisenfreier Eukryptit 235,0 g
Natronfeldspat.". 464,0 g
Sand 148,8 g
Tonerdehydrat 164,8 g
Lithiumkarbonat 125,4 g
Natriumkarbonat 41,2 g
Baryt 14,0 g
Zinkoxid 15,6 g
Mennige 138,8 g
Zirkoniumoxid 36,1 g
Das Glas wird nach dem Einlegen bei 16100C
3 Stunden geläutert, anschließend 1 Stunde bei 1555° C gerührt. Das Glas wird anschließend in eine
Metallform gegossen und von 5370C auf Raumtemperatur mit einer Kühlgeschwindigkeit von 30°C/Std.
abgekühlt Aus dem Glasblock wird eine viereckige Glasprobe mit den Abmessungen 10 χ 10 χ 1,2 cm
herausgeschnitten. Dieser Rohglasblock mit den Abmessungen 10 χ 10 χ 1,2 cm wird durch Schleifen
und Polieren zu einem optischen Element in der Art geformt, daß eine 6 mm dicke zylindrische Rundscheibe
entsteht, die an der einen Stirnfläche plan ist,
an der anderen Stirnfläche eine konvexe Halblinse besitzt, deren Dicke in der Achse des optischen Elementes
6 mm beträgt Dieses optische Element wird einem Diffusionsverfahren unterworfen, bei dem es
in ein Salzschmelzbad, das Natriumionen enthält, bei 5150C 7 Stunden lang eingetaucht wird. Nach
dem Herausnehmen des optischen Elementes aus dem Salzbad läßt man es in Kieselgur abkühlen und
säubert es anschließend. Die bisher plane Fläche des optischen Elementes wird nun durch Schleifen und
Polieren derart bearbeitet, daß am Rand Glas in einer Dicke der beim Diffusionsprozeß entstandenen
Austauschzone abgetragen wird, während in der Mitte (Achse des optischen Elementes) die Austauschzone
voll erhalten bleibt Auf diese Weise wird ein optisches Element erzeugt, dessen lichtbrechende
Wirkung wesentlich durch die Brechungsindexänderung in einer unterschiedlich dicken Austauschzone
hervorgerufen wird. Die Brechungsindexänderung in dieser Zone gegenüber dem Ausgangsglas beträgt
IO4 = 85.
Claims (4)
1. Lichtleitendes Glaselement mit einer Zone aus höher brechendem Glas, die an eine niedriger
brechende Glaszone grenzt, wobei zwischen beiden ein Ubergangsbereich mit kontinuierlichem Brechungsindex-Gradient
liegt, so daß ein Lichtstrahl, der sich senkrecht zu diesem Brechungsindex-Gradienten
ausbreitet, in Richtung auf den Bereich höherer Brechung abgelenkt wird, wobei dieser
Ubergangsbereich durch einen Ionenaustauschprozeß zwischen Alkaliionen des Glases und einer
geeigneten Ionenquelle entstanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus
einem Glas der Synthesezusammensetzung in Gewichtsprozent
SiO2 43 bis 62
PbO 2,0 bis 14,5
ZrO2 0,8 bis 3,0
P2O5 0 bis 2,0
Al2O3 5 bis 21
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O5 63 bis 76
Al2O3 + ZrO2 + P2O5 9 bis 24
Alkalioxid 10,5 bis 25,0
BaO 0,2 bis 0,9
ZnO 0 bis 2,0
erschmolzen worden ist, wobei folgende Bedingungen erfüllt sind:
BaO + ZnO
und PbO
= 0,08 bis 0,5
SiO2 + Al2O3 + ZrO2 + P2O
PbO + Alkalioxid
■*- = 1.8 bis 3,8 .
2. Verfahren zur Herstellung eines lichtleitenden
Glaselementes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glas der im Anspruch 1
genannten Zusammensetzung mit einer Ionenquelle in Berührung gebracht wird, aus der den
Brechungsindex erhöhende Ionen in das Glas eindiffundieren, so daß eine höher brechende
Oberflächenzone entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Diffusionsprozeß gemäß
Anspruch 2 ein zusätzlicher Diffusionsprozeß angeschlossen wird, bei dem mindestens der Oberflächenbereich,
der über der höher brechenden Zone liegt nut einer anderen Ionenquelle in
Berührung gebracht wird, die Ionen enthält welche nach Eindifrundieren in das Glas eine Brechungsindexerniedrigung
zur Folge haben, wodurch eine Zone niedrigerer Brechung entsteht deren Bre
chungsindex mit dem des ursprünglichen Sub stratglases übereinstimmt
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet daß der zweite Diffusionsprozeß bei eine;
Temperatur durchgeführt wird, die mindesten: 15°C tiefer üegt als die des ersten Difiusionspro
zesses.
Hierzu 1 Blatt -Zeichnungen
2493
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2039239C true DE2039239C (de) | 1972-12-28 |
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