DE2311823B2 - Optische glaskoerper von zylindrischer oder prismatischer gestalt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher TI2O und S1O2 enthält, wobei die Konzentration der in dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche so abnimmt, daß auch der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche abnimmt.

Glaskörper, worin der Brechungsindex kontinuierlich von der Zentralachse zur Umfangsoberfläche abnimmt, besitzen Lichtfokussiereigenschaften und sind deshalb wertvoll als Glasfasern zum Durchleiten von Licht. Wenn ein Glasstab mit einem Brechungsindexgradienten in einer gegebenen Länge geschnitten wird, werden zylindrische Linsen mit der gleichen Funktion, wie konvexe Linsen, erhalten.

Vorzugsweise nimmt der Brechungsindex von der Zentralachse zur Umfangsoberfläche des Glaskörpers parabolisch ab, d. h., es liegt eine Verteilung der Brechungsindizes vor, die im wesentlichen durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:

N= No(I - afi\

worin No den Brechungsindex in der Querschnittsmitte des Glaskörpers bei einem Schnitt senkrecht zur Zentralachse desselben, rden Abstand von der Mitte in radialer Richtung, a eine positive Konstante und N den Brechungsindex bedeutet.

In der japanischen Patent-Veröffentlichung 816/1972 (US-Patentanmeldung Serial Nr. 147 256, britische Patentanmeldung 12 66521 und in der deutschen Patentschrift 19 13 358) sowie in »Applied Physics letters«, Bd. 15, Nr. 2 vom 15. Juli 1969, S. 76 und 77, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers mit einem Brechungsindexgradienten beschrieben, wobei ein Glasstab oder eine Glasfaser mit einem Gehalt an Thallium mit einem geschmolzenen Salz eines Alkalimetalls zum Austausch der in dem Glasstab enthaltenen Thalliumionen gegen die Alkaliionen in Berührung gebracht wird, wobei der Austausch in größerem Ausmaß in Nähe der Oberfläche des Glaskörpers erfolgt, wodurch der gewünschte Brechungsindexgradient im Glasstab hervorgerufen wird.

Als Ausgangsglas wird bei der Herstellung von Glas mit einem Brechungsindexgradienten gemäß der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise in großem Umfang ein Glas mit der Zusammensetzung von S1O2, 70,2 Molprozent, Na2O 17,0 Molprozent, TI2O 3,3 Molprozent und PbO 9,5 Molprozent verwendet.

Es gibt handelsübliche Gläser, welche als Hauptbestandteil S1O2, B2O3 oder P2O5 enthalten. Gläser, deren Hauptbestandteil aus S1O2 besteht, werden für die vorstehend beschriebenen Zwecke bevorzugt, da sie nicht so leicht entglasen. Gläser mit S1O2 als Hauptbestandteil, d. h. Silikatgläser, die zusätzlich PbO enthalten, besitzen eine hohe Durchsichtigkeit und können leicht zu Produkten von gleichförmiger Qualität mit erwünschter Form heißgeformt werden, da die Viskositätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur relativ gering ist. Der zusätzliche Gehalt an TI2O ist im Hinblick auf die Erzielung eines relativ großen Brechungsindexgradienten erforderlich. Der Gehalt an Na2O dient der Erleichterung des Schmelzens und der Heißverformung des Glases. Bisher wurden Gläser der vorstehend angegebenen Zusammensetzung verwendet, da sie am besten die Bedingungt ι erfüllen, nämlich nicht leicht entglasen, eine hohe Tiansparenz und eine relativ gute Witterungsbeständigkeit besitzen, praktisch keine Korrosion beim Inberührungbringen mit einem geschmolzenen Salz zum Austausch der Ionen erfahren und mühelos geschmolzen und heißverformt, beispielsweise zu Stäben oder Fasern, werden können.

Die üblichen Gläser mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung besitzen jedoch die folgenden Nachteile:

1. Da die Schmelztemperatur relativ hoch ist, etwa 1300⁰C, löst sich etwas Platin in dem Glas, wenn die Glasmasse in einem Platinschmelztiegel geschmolzen wird. Das in dem Glas gelöste Platin bewirkt eine Absorption und Streuung des Lichtes. Außerdem ist Thallium stark flüchtig, wodurch Schwierigkeiten bei der Formung bei hohen

Temperaturen eines Glases, das Thallium homogen enthält, hervorgerufen werden.

2. Die Ionenaustauschbehandlung in dem geschmolzenen Alkalisalz erfordert eine lange Zeitdauer.

3. Die Witterungsbeständigkeit des erhaltenen Glases ist noch nicht vollständig zufriedenstellend.

Die Transparenz eines Glases wird durch Lichtabsorption der Übergar.gsrneiaüionen, beispielsweise Fe, Ni und Co, die Streuung und Absorption von Licht auf Grund von kolloidalem Platin und die Streuung von Licht auf Grund von Blasen und Phasentrennung verschlechtert. Zur Gewinnung von Gläsern von hoher Transparenz muß das Rohmaterial vcn hoher Reinheit sein und eine solche Zusammensetzung besitzen, daß keine Phasentrennung auftritt, und muß einen niedrigen Koeffizienten der Lichtabsorption aufweisen. Überdies muß das Rohmaterial gut schmelzbar sein, ohne daß ein Einmischen von Platin in die Schmelze auftritt, wobei keine Blasen in der Schmelze zurückbleiben. Zur Erzielung einer hohen Homogenität und zur Verhinderung der Bildung von Schlieren auf Grund der Eluierung von Schmelztiegelmaterial wird üblicherweise für das Schmelzen des Rohmaterials ein Platinschmelztiegel verwendet. Die Menge des dabei aufgelösten Platins steigt exponentiell mit der Schmelztemperatur. Ein geringer Anstieg der Schmelztemperatur verursacht einen abrupten Anstieg der gelösten Menge. Daher wird die Schmelztemperatur des Glases möglichst niedrig gehalten. Die Einführung von ThO erhöht im allgemei nen stark die Neigung zur Entglasung und zur Verschlechterung der Witterungsbeständigkeitseigenschaften des Glases. Auf Grund der Flüchtigkeit von ThO findet bei einer hohen Schmelztemperatur eine starke Verflüchtigung statt, so daß die Herstellung von Gläsern mit hohem und gleichzeitig homogenem ThO-Gehalt schwierig ist. Infolgedessen leidet die Auflösungskraft der erhaltenen Linsen. Bei Verwendung einer Glasmasse mit einer niedrigen Verträglichkeit gegenüber Thalliumionen wird beim Schmelzen Thallium so stark verflüchtigt, daß die Gewinnung eines Glases mit großen Anteilen an ThO schwierig wird. Überdies tritt bei Verwendung von ThO als Glaskomponente eine Neigung zur Färbung des Glases auf. Im Hinblick auf die Erzielung einer höheren Homogenität des Glases ist daher eine Erniedrigung der Schmelztemperatur sehr erwünscht.

Bei der Herstellung von Glaskörpern mit Brechungsindexgradienten wird der thalliumionenhaltige Glasstab in eine Alkalisalzschmelze, beispielsweise in eine Schmelze von Kaliumnitrat, während einer geeigneten Zeitdauer eingetaucht, um den Ionenaustausch der in dem Glas enthaltenen Thalliumionen gegen die in dem Salzbad enthaltenen Kaliumionen zu bewirken und um dadurch den Glaskörper mit der gewünschten Brechungsindexverteilung zu erhalten. Um zu erreichen, daß der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche des Glaskörpers abnimmt, ist es notwendig, daß der Ionenaustausch bis in Nähe der Zentralachse stattfindet. Um die gewünschte Brechungsindexverteilung zu erzielen, werden Temperatur des Salzbades und Eintauchzeit gesteuert. Mit zunehmender Temperatur steigt die Geschwindigkeit des Ionenaustausches an. Die Dauer der Ionenaustauschbehandlung kann daher gekürzt werden. Falls die Temperatur des Salzbades jedoch zu stark erhöht wird, findet ein Erweichen und Verformen des Glaskörpers statt, was unerwünscht ist. Die maximal anzuwendende Temperatur des Salzbades ohne Verursachung einer Verformung des Glaskörpers ist die Temperatur, bei welcher die Viskosität des Glaskörpers etwa 10¹⁰ Poise erreicht Die Eintauchzeit wird größer, wenn der Durchmesser des Glaskörpers zunimmt. Eine kürzere Salzbehandlungsdauer wird bevorzugt, um die Wirksamkeit der Salzbehandlung zu erhöhen und auch um eine Entgiasung des Glases während der Behandlung zu vermeiden. liierfür ist es günstig, den Glaskörper bei einer Temperatur zu

ίο behandeln, bei welcher seine Viskosität 10^!0 Poise erreicht.

Da gegebenenfalls der Glaskörper mit Brechungsindexdradienten während längerer Zeitdauern Umgebungsbedingungen von hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird, soll der Glaskörper eine gute Witterungsstabilität besitzen, um eine Korrosion der Oberfläche des Glases und damit eine Verschlechterung der Lichtdurchlässigkeit zu verhindern.
Der Glaskörper mit dem Brechungsgradienten wurde in folgender Weise hergestellt: Zunächst wurde die ionenaustauschbehandlung durch Eintauchen eines Glasstabes von 1 mm Durchmesser während 20 Tagen in ein Kaliumnitratschmelzbad von 460⁰C durchgeführt, worauf die Konzentration des Thalliums an der Zentralachse des Stabes praktisch die gleiche wie vor der Behandlung war, jedoch die Konzentration des Thalli'.ims kontinuierlich von der Achse zur Umfangsoberfläche hin abnahm. Andererseits nahm die Konzentration des Kaliums von der Achse des Stabes zu deren Umfangsoberflächen hin allmählich zu. Auf Grund der Verteilung des Thalliums innerhalb des Stabes wurde die Verteilung des Brechungsindex entsprechend der Gleichung N = No (1 — ar²) erhalten. Für die Gewinnung einer Glasfaser, welche zur Signalübertragung auf

.15 optischem Wege verwendbar ist, wird der Glasstab heißgestreckt, um ein Lichtübertragungsglied mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm zu bilden. Wenn dieser Stab in Abschnitte von 4,1 mm Länge geschnitten wird und die beiden Schnittflächen poliert werden, werden zylindrische Linsen mit einem Brechungsindexgradienten und einer Brennweite von 1,6 mm, einem Aperturwinkel von 32° und einem Auflösungsvermögen von 400 Linien je mm gebildet. Der Ausdruck »Aperturwinkel« bezeichnet den Grenzwinkel der Breite des tatsächlichen Sichtfeldes der Linse und ist doppelt so groß wie der kritische Einfallswinkel Qc, d. h. er beträgt 2 0c, wobei der kritische Einfallswinkel von dem Licht, welches nach Durchgang an dem einen Ende der zylindrischen Linse das andere Ende derselben ohne Auftreffen auf die Seitenoberfläche der Linse erreicht, gebildet wird. Wenn die Länge der zylindrischen Linse gleich oder größer als ^/(2j/2a) ist, worin e die Konstante der vorstehend angegebenen Gleichung hinsichtlich der Verteilung der Brechungsindizes darstellt, kann der Aperturwinkel 2 0c durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.

2 0c= 2sin-'v/2ÄÄ> - ΔΝ,

worin 4Ndie Differenz zwischen dem Brechungsindex an der Zentralachse der Linse No und dem Brechungsindex an der Umfangsoberfläche Ni, d. h., /Vo-Ni ist. Bei kürzerer Linsenlänge als π/(2 i/2a) wird der Aperturwinkel allmählich größer, und die Brennbreite nimmt zu, wobei die Tiefenschärfe verringert wird. Da dies unerwünscht ist, wird zumeist eine Linse mit einer Länge von etwa gleich π/(2 ]/2a) gewählt. Deshalb ist der Aperturwinkel etwa gleich oder größer als JtI(I fäa). Das Auflösungsvermögen gibt an, in welchem

Ausmaß die Linse Einzelteile des damit betrachteten Gegenstandes übertragen kann, und wird ausgedrückt durch die maximale Anzahl von Linien, die bei einem parallele Linien enthaltenden Bild unterschieden werden können.

Linsen mit einem Brechungsind^xgradienten besitzen gegenüber gewöhnlichen Linsen mit gekrümmten Oberflächen die Vorteile, daß

1. Linsen mit außerordentlich kleiner Apertur in der

Größenordnung von 0,3 bis 3 mm ohne komplizierte Arbeitsweisen hinsichtlich der Polierung von gekrümmten Oberflächen erhalten werden können, wobei die Endoberflächen lediglich flach Remacht werden, und

2. daß bei Verwendung als Objektivlinsen die Linse mit

Brechungsindexgradicnten mit einer minimalen Länge der Brennweite gebildet werden, d. h. mit einer Linsenlänge von etwa jt/(2 j/2a), wobei Linsen mit einer außerordentlich großen Tiefenschärfe erhalten werden, d. h. Linsen, bei welchen Gegenstände mit Abmessungen von einigen Millimetern bis zu unendlich großen Abmessungen innerhalb des Fokus liegen, und

3. daß das Auflösungsvermögen der Linse, obgleich

deren Aperturwinkel klein ist, gut ist.

Diese Linsen können einzeln oder in Kombination als kleine optische Systeme, beispielsweise als Abstandobjektivlinsen für Fiberskope oder nadeiförmige Endoskope oder in Lesegeräten von Computern verwendet werden. Jedoch ist ein Aperturwinkel in der Größenordnung von 32° bei den gebräuchlichen Linsen mit Brechungsindexgradienten nicht ausreichend zur Anwendung als Abstandobjektivlinsen von Fiberskopen und nadeiförmigen Endoskopen, und die Entwicklung von Linsen mit Brechungsindexgradienten, die einen gröberen Aperturwinkei von oberhalb 45^C gewährleisten, ist dringend erwünscht. Zur Vergrößerung des Aperturwinkels muß der Wert von 2/Vb · ΔΝ größer gemacht werden. In der Praxis kann jedoch der Wert Na nicht so groß gemacht werden. Bei Vergrößerung des Aperturwinkels muß daher der Wert von Δ Ν vergrößert werden. Wenn daher No bei 1,60 festgelegt wird und die Zahlenwerte in der vorstehend angegebenen Gleichung substituiert werden, ergibt sich, daß die Werte von ΔΝ entsprechend den Aperturwinkeln von 30 und 60° jeweils 0,020 bzw. 0,078 betragen. Um daher den Aperturwinkel von 30 bis 60° zu vergrößern, muß der Wert ΔΝ etwa vervierfacht werden. Zur Herstellung von Linsen mit Brechungsindexgradienten und mit einer großen Brechungsindexdifferenz Δ N ist der Tl2O-Gehalt der verwendeten Glasmasse wesentlich, wobei ein großer Wert ΔΝ mit einer relativ geringen Änderung der Konzentration erhalten wird. Für die Erzielung eines Aperturwinkels von oberhalb 45° muß die Brechungsindexdifferenz Δ N nach Ausführung der Ior.enaustauschbehandlung bei oberhalb etwa 0,05 liegen, und ein wichtiges Kriterium liegt darin, daß die Glasmasse das ThO in einer Menge von oberhalb 5,5 Molprozent enthält

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines optischen Glaskörpers von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher ThO und S1O2 enthält und einen Brechungsindexgradienten aufweist, homogen ist und kaum Schlieren oder Blasen aufweist und eine überlegene Transparenz und Witterungsbeständigkeit besitzt

Gemäß der Erfindung wird ein optischer Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher ThO und 61Ο2 enthält, wobei die Konzentration der in dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche so abnimmt, daß der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche abnimmt, geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist. daß er an seiner Zentralachse aus 50 bis 70 Molprozent S1O2, 10 bis 30 Molprozent B2O3, 10 bis 30 Molprozent (ThO + R2O), wobei die Menge von ThO 1 bis 25 Molprozent beträgt und R wenigstens eines der Mkalüonen Na, K, Li. Cs und Rb bedeutet, besteht.

Hinsichtlich der Gewinnung eines Glases, das, verglichen mit üblichen Gläsern vom Brechungsindexgradiententyp, homogen ist, kaum Schlieren oder Blasen

is enthält und eine ausgezeichnete Durchlässigkeit und Witterungsbeständigkeit aufweist, wobei die lonenaustauschbehandlung in relativ kurzer Zeil bewirkt werden kann, wurden verschiedene Arten von Gläsern, beispielsweise Silikatgläser, Borsilikatgläser, Boratgläser und Phosphatgläser, untersucht, wobei festgestellt wurde, daß Gläser mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung gemäß der Erfindung diese Bedingungen erfüllen.
Als Glaskörper, die für eine Signalübertragung auf optischem Wege geeignet sind, werden solche mit einem Gehalt von 1 bis 5,5 Molprozeni ThO bevorzugt. Wenn der Gehalt an ThO niedriger als 1 Molprozent ist, ist dies ungünstig, da die Brechungsindexdifferenz Δ Ν auf unterhalb 0,005 erniedrigt wird. Andererseits ist ein ThO-Gehalt von 5,5 Molprozent ausreichend, um die notwendige Brechungsindexdifferenz zu erhalten, und jede weitere Erhöhung der ThO-Menge ist unnötig.

Wie vorstehend angegeben, wird der Aperturwinkel der Linse von der Konzentration von ThO bestimmt,

d. h., der Aperiurwinkel wird größer, wenn die

Aperturwinkel von oberhalb 45° zu erhalten, muß der Gehalt von TI2O größer als 5,5 Molprozent sein. Wenn jedoch der Gehalt von ThO den Wert von 25 Molprozent übersteigt, tritt leicht ein Entglasen des Glases ein, und das Glas neigt zu einer unerwünschten Färbung.

Bei einem niedrigeren Gehalt an S1O2 als 50 Molprozent ist die Schmelztemperatur des Glases niedrig, wobei dies im Hinblick auf die dadurch bedingte ausgeprägte Verschlechterung der Entglasungs- und Witterungsbeständigkeitseigenschaften nicht erwünscht ist. Falls aber der Gehalt von S1O2 erhöht wird, findet ein abrupter Anstieg der Schmelztemperatur des Glases statt Eine Erhöhung des SiO2-Gehaltes auf oberhalb 70 Molprozent ist im Hinblick auf die Bildung von Schlieren auf Grund der Auflösung von Platin aus dem Schmelztiegel und der Verflüchtigung des Thalliums ungünstig. Vorzugsweise liegt der SiO2-Gehalt im Bereich von 50 bis 65 Molprozent Wenn dei SiO2-Gehalt 65 Molprozent überschreitet, wird keine entsprechende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber Entglasung durct einen erhöhten Zusatz von S1O2 erzielt.

Der B2O3-Gehalt des Glaskörpers ist für di< Erniedrigung der Schmelztemperatur des Glases, di< Verbesserung der Witterungsbeständigkeit, die Verhin derung der Entglasung während der Ionenaustauschbe handlung des Glaskörpers und die Verkürzung de Badeintauchzeit während der Ionenaustauschbehand lung von Bedeutung. Wenn der B2O3-Gehalt niedrige als 10 Molprozent ist, wird keine Erniedrigung de Schmelztemperatur erreicht, und es tritt eine Neigtin

zur Abnahme der Durchsichtigkeit und zur Bildung von Schlieren auf Grund der Auflösung von Platin und der Verflüchtigung von Thallium auf. Weiterhin sind Witterunesbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Entglasung nicht zufriedenstellend. Wenn ein Glaskörper mit einem niedrigeren B2O3 Gehalt als 10 Molprozent der lonenaustauschbehandlung unterworfen wird, wird das Glas dabei instabil, wobei sich häufig eine Entglasung einstellt. Der B2Cb-Zusatz bewirkt auch eine Erhöhung der Temperatur, bei welcher eine Viskosität des Glases von 10¹⁰ Poise — eine Viskosität, die für das Eintauchen des Glases in das Salzbad zur Bewirkung des lonenaustausches am besten geeignet ist — erreicht wird. Durch die Einverleibung des B2O3 in das Glas in einer Menge oberhalb 10 Molprozent kann diese Temperatur des Glases und infolgedessen diejenige des Salzbades erhöht werden, wodurch die Ionenaustauschbehandlungsdauer abgekürzt werden kann. Wenn daher der Gehalt an B2O3 weniger als 10 Molprozent beträgt, ist die Glasmasse zur Herstellung von Glaskörpern vom Brechungsindexgradiententyp nicht geeignet.

Wenn der Gehalt an B2O3 30 Molprozent übersteigt, neigt das Glas zur Entglasung während der Schmelzformung und während des lonenaustausches, und überdies wird seine Witterungsbeständigkeit verschlechtert. Außerdem tritt der Nachteil auf, daß die Änderung der Viskosität in Abhängigkeit von Temperaturänderungen groß wird, wodurch sich Schwierigkeiten bei der Heißformung des Glases einstellen.

Der Gehalt des Glases an TI2O + R2O muß im Bereich von 10 bis 30 Molprozent liegen. Bei einem niedrigeren Gehalt als 10 Molprozent tritt eine abrupte Erhöhung dsr SchT"*l»*prnperatiir auf. und außerdem besteht die Neigung zur Phasentrennung und zur Bildung von Schlieren auf Grund der Verflüchtigung von TI2O. Dabei verursacht die Phasentrennung eine Streuung des Lichtes und bedingt dadurch einen Lichtverlust. Dies ist insbesondere nachteilig, falls der Glaskörper für Signalübertragungen auf optischem Weg vorgesehen ist.

Wenn andererseits der Gehalt an (ThO + R2O) 30 Molprozent übersteigt, ist die Schmelztemperatur niedrig, und der Schmelzvorgang wird erleichtert. Jedoch wird dadurch die Witterungsstabilität und die Stabilität gegenüber Entglasung beeinträchtigt, wobei sich auch eine Neigung zur Erhöhung des Lichtverlustes des Glases einstellt.

Die Gläser können Übergangsmetallionen, wie Fe, Ni und Co als Verunreinigungen, enthalten, wobei diese Ionen Licht absorbieren und dadurch Verluste hinsichtlich der Lichtdurchlässigkeit des Glases verursachen. Die Lichtabsorption von Strahlen mit relativ großen Wellenlängen ist bei Ionen mit einer Koordinationszahl von 4 größer als bei Ionen mit einer Koordinationszahl 6. Wenn der Gehalt an (ThO + R2O) erhöht wird, nimmt die Menge der Ionen mit der Koordinationszahl 4 zu, und infolgedessen nimmt auch der Verlust durch Lichtabsorption selbst dann zu, wenn die Menge der enthaltenen Übergangsmetalle die gleiche ist Von den Alkalimetallen R wird Natrium insbesondere bevorzugt, sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Eigenschaften (Neigung zur Entglasung od. dgl.).

Bei Erhöhung des Gehaltes an ThO wird das Glas plötzlich instabil und neigt zur Entglasung, wobei auch seine Witterungsbeständigkeit verschlechtert wird. Ein Glas, das noch keiner lonenaustauschbehandlung unterworfen wurde, kann selbst in dem Fall ohne Entglasung erhalten werden, wenn die Bestandteile lediglich S1O2, B2O3, ThO und R2O umfassen. Da jedoch ein Glaskörper mit einem Brechungsindexgradienten während einer beträchtlichen Zeitdauer der lonenaustauschbehandlung bei einer Temperatur, bei welcher die Viskosität des Glases etwa 10^to Poise erreicht, d. h. einer Temperatur, bei welcher das Glas zur Entglasung neigt, unterworfen wird, darf die Glasmasse nicht Bestandteile, wie R'O, die die Entglasung fördern, enthalten. Zur Verhinderung dieser Entglasung wird den Glasmassen gemäß der Erfindung vorzugsweise mindestens eine der Verbindungen R'O, R"2O3 (unter Ausschluß von B2O3) und R'"O2 (unter Ausschluß von S1O2) in einer Gesamtmenge von 1 bis 20 Molprozent einverleibt. Im allgemeinen wird die Schmelztemperatur des Glases infolge der Einverleibung von R'O, R"2O3 und R'"O2 erhöht. Deshalb ist der Zusatz dieser Verbindungen in Mengen oberhalb 20 Molprozent ungünstig. Die Gesamtmenge von S1O2 + B2O3 + ThO + R2O soll mindestens 80 Molprozent der Glasmasse betragen. Die durch R' dargestellten Ionen umfassen Mg²⁺, Ca^{2 +} , Ba^{2 +} , Zn²+ und Pb²⁺. Die Durch R" dargestellten Ionen sind z. B. Al³⁺ und die durch R'" dargestellten Ionen sind beispielsweise Sn⁴⁺ und Ti^{4 +} . Die Entglasung wird insbesondere vorteilhaft durch den Zusatz von Mg²⁺, Ca²⁺ und Zn²⁺ verhindert. Hiervon wird Zn²⁺ besonders bevorzugt, da bei dessen Anwendung kaum irgendein Anstieg der Schmelztemperatur eintritt. Durch die Einverleibung von etwa 2 bis 15 Molprozent

ίο ZnO wird ein Glas erhalten, das während der lonenaustauschbehandlung kaum entglast und außerdem eine gute Witterungsstabilität besitzt.

Die Glaskörper gemäß der Erfindung können Spuren von beispielsweise AS2O3 enthalten. Andererseits werden vorzugsweise Maßnahmen getroffen, die gewährleisten, daß Oxyde der Übergangsmetalle, die die Durchlässigkeit des Lichtes durch den Glaskörper hindern oder beeinträchtigen, nicht in das Glas eingemischt werden. Insbesondere bei Glaskörpern, die für die Signalübertragung auf optischem Wege vorgesehen sind, muß gewährleistet werden, daß die Menge derartiger Verunreinigungen auf einen Wen von nahezu 0 gebracht wird.

Ein Glasstab oder eine Glasfaser mit rundem Querschnitt mit der Glaszusammensetzung gemäß der Erfindung wird mit einer Schmelze eines Alkalisalzes z. B. Natrium- oder Kaliumsalzes, in Berührung gebracht, um den Austausch von Thalliumionen geger Alkaliionen durchzuführen. Der Austausch findet ir zunehmend größerer Menge in Nähe der Umfangsober fläche des Glasstabes als in dessen Innerem statt wodurch der Glaskörper mit einem Brechungsindexgra dienten erhaiien wird.

Die Änderungen in der Verteilung dieser Ionen um der Verteilung der Brechungsindizes im Verlauf de Zeit, während welcher der Glasstab mit der Alkalisalz schmelze in Berührung gebracht ist, wird nachstehen!

an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert In F i g. 1 ist die Konzentration der Metallionen ii radialem Abstand von der Zentralachse einer Quer schnittsfläche senkrecht zur Zentralachse des Glassta bes gezeigt

Zu Beginn der lonenaustauschbehandlung erfolgt de Ionenaustausch in dem Glasstab nahe an seine Umfangsoberfläche. Die ausgezogene Linie 1 vo F i g. 1 zeigt, daß die Konzentration der Thalliumione innerhalb des Stabes in Nähe der Zentralachse ζ diesem Zeitpunkt praktisch gleich der Konzentratio

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vor der Ionenaustauschbehandlung ist, wohingegen die Konzentration der Thalliumionen in Richtung zur Umfangsoberfläche stark abnimmt. Die Konzentration der in den Glasstab eindiffundierenden Alkaliionen, beispielsweise Kaliumionen, nimmt von der Oberfläche zu der Zentralachse hin ab, wobei in Nähe der Zentralachse deren Konzentration praktisch gleich Null ist, wie dies durch die gestrichelte Linie 1' in Fig. 1 gezeigt ist. Im Verlauf der Kontaktzeit schreitet der ionenaustausch zum Inneren des Glasstabes fort, wobei ι ο die Kaliumionen weiter nach innen diffundieren. Die Konzentration der Thallium- und Kaliumionen zu dem Zeitpunkt, bei welchem-die Kaliumionen praktisch die Zentralachse erreicht haben, wird durch die Kurven 2 und 2' in F i g. 1 dargestellt. Bei weiterem Fortschreiten des Ionenaustausches werden Konzentrationen der Thallium- und Kaliumionen erhalten, wie sie durch die Kurven 3 und 3' von Fig. 1 gezeigt sind. Die Konzentrationen der Thalliumionen nehmen von der Zentralachse zur Umfangsoberfläche in einem Verhältnis entsprechend etwa dem Quadrat des Radialabstandes ab, wie dies aus den Kurven 2 und 3 ersichtlich ist. Hierdurch wird die Konzentration derThalliumionen in Nähe der Zentraiachse des Stabes niedriger als vor dem Ionenaustausch, und die Konzentration der Kaliumionen wird in Nähe der Zentralach&e des Glassiabes höher.

Die Brechungsindizesverteilungen des Glasstabes entsprechend den Konzentrationen gemäß F i g. 1 sind in Fig. 2 an Hand der Kurven 1", 2" und 3" jeweils entsprechend der Thalliumionenkonzentration der Kurven 1, 2 und 3 von Fig. 1 veranschaulicht. Die Brechungsindexkurve 1" erfüllt Hie Gleichung Λ/ — ΛΌ (1 —ar⁷) nicht, während die Brechungsindexkurven 2" und 3" diese Gleichung erfüllen. Demgemäß wird die geeignete Beriihrungsdauer so bestimmt, daß die Thalliumkonzentration die durch Kurven 2 und 3 angegebene Verteilung erreicht und die durch die Kurven 2" und 3" angegebene Brechungsindexverteilung erzielt wird. Eine zu lange Beriihrungsdauer ist ungünstig, da hierdurch der Gradient der Konzentrationen der Metallionen und der Gradient der Brechungsindizes verringert wird, wobei die erforderliche Höhe von AN, d. h. der Differenz der Brechungsindizes zwischen der Zentralachse und der Umfangsoberfläche, nicht erhalten werden kann.

Wenn der Glasstab vor der Ionenaustauschbehandlung Thalliumionen und Ionen eines Alkalimetalls, beispielsweise Natriumionen, enthält, ergibt die Konzentration der Natriumionen gewöhnlich ähnliche Kurven wie die Konzentration von Thalliumionen gernäß der Kurven 1, 2 und 3 infolge des Ionenaustausches. Da die Natrium- und Kaliumionen größere Diffusionsgeschwindigkeiten als die Thalliumionen besitzen, kann der Ionenaustausch zwischen den in dem Glasstab enthaltenen Natriumionen und den Kaliumionen einer äußeren Quelle erfolgen. Jedoch wird der Brechungsindex durch einen Ionenaustausch zwischen Natrium und Kalium kaum geändert Daher beeinflussen die Gradienten der Konzentrationen dieser Ionen den Gradienten der Brechungsindizes des Glasstabes kaum, so daß der Brechungsindexgradient hauptsächlich auf den Gradienten der Konzentration der Thalliumionen zurückzuführen ist.

Die Konzentration der Thalliumionen an der Umfangsoberfläche des Glasstabes gemäß der Erfindung ist zumeist praktisch Null, wobei es jedoch nicht unbedingt notwendig ist, daß der Wert Null erreicht wird. So kann bisweilen der Wert ΔΝdurch Zusatz einer geringen Menge von Thalliumionen zu der Quelle für die Alkaliionen, die gegen die in dem Glas enthaltenen Thalliumionen ausgetauscht werden sollen, gesteuert werden, wobei in diesem Fall die Konzentration der Thalliumionen an der Umfangsoberfläche nicht Null wird.

In der Querschnittsfläche senkrecht zur Zentralachse des Glaskörpers gemäß der Erfindung sind die Konzentrationen der anderen Komponenten außer ThO uüd R2O, beispielsweise von SiCh, B2O3 od. dgl., praktisch konstant in radialer Richtung beibehalten. Auch die Gesamtkonzentration von ThO und R2O in Molprozent wird in radia'er Richtung im wesentlichen unverändert beibehalten.

Die Temperatur, bei welcher der homogene Glasstab mit der Alkalisalzschmelze in Berührung gebracht wird, sollte mindestens 400°C sein, damit die im Glasstab enthaltenen Thalliumionen diffundieren können. Bei einer zu hohen. Behandlungstemperatur neigt jedoch der Glasstab zur Verformung, und daher sollte die Temperatur beim Inberührungbringen vorzugsweise einen Wert von 600⁰C nicht übersteigen.

Der so erhaltene Glasstab mit dem Brechungsindexgradienten wird erforderlichenfalls heißgestreckt, um seinen Durchmesser zu verringern. Auf diese Weise wird ein lichtdurchlässiger Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp mit der gewünschten Brechungsindexverteilung erhalten.

Wenn ein solcher Glasstab senkrecht zu seiner Zentralachse geschnitten wird und die Schnittflächen poliert werden, wird eine zylindrische Linse rni» dem gewünschten Brechungsindexgradienten erhalten.

Der Durchmesser der Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp trägt im allgemeinen 0,03 bis 10 mm, und die Differenz zwischen den Brechungsindizes an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche des Glaskörpers ΔΝ liegt im Bereich von 0,005 bis 0,15. Bei einem für die Signalübertragung auf optischem Wege vorgesehenen Glaskörper soll die Differenz zwischen den Brechungsindizes an der Zentralachse und der Umfangsoberfläche Δ N vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 0,06 liegen, während der Wert der Konstante a in der Gleichung der Brechungsindexverteilung im Bereich von 0,02 bis 20 000 cm"² und vorzugsweise von 0,1 bis 10 000 cm-² liegen soll. Andererseits sollte die Differenz der Brechungsindizes zwischen der Zentralachse und der Umfangsfläche ΔΝ eines als Linse zu verwendenden Glaskörpers im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegen, wobei der Wert der Konstante a in der Gleichung der Brechungsindexverteilung im Bereich von 0,1 bis 1000 cm -² und vorzugsweise 0,5 bis 300 cm -^: liegen soll. Die auf diese Weise hergestellten Linsen haben einen Aperturwinkel von 45 bis 80°. Die Brennweite / einer solchen Linse wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben

I/2a sin 0'2

worin t die Linsenlänge angibt.

Dabei sind natürlich von den den angegebenei Werten für a und r nur solche Wertepaare brauchbai die für N an der Oberfläche einen physikaliscl sinnvollen Wert ergeben.

Die Linsenlänge, bei welcher die Brennweite ar

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kürzesten wird, wird durch den Ausdruck π/(21
multipliziert mit einer ungeraden Zahl, angegeben, wobei die Brennweite l/(M>i/2a) beträgt. Wenn parallele Lichtstrahlen durch eine Linse mit einer solchen Länge hindurchgehen, gelangen sie zu einem Brennpunkt an der Endoberfläche dieser Linse. Eine Linse, die aus einem Glaskörper gemäß der Erfindung so geschnitten wurde, daß die Brennweite einen minimalen Wert annimmt, besitzt üblicherweise eine Brennweite im Bereich von 14,0 bis 0,3 mm.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.

In Tabelle I sind die Eigenschaften eines Glaskörpers A aus einer üblichen Standardzusammensetzung, eines Glaskörpers B für Vergleichszwecke und von Glaskörpern 1 bis 11 gemäß der Erfindung angegeben. Die Glaskörper 1 bis 7 gemäß der Erfindung sind insbesondere für Signalübertragungen auf optischem Wege geeignet, während die Glaskörper 8 bis 11 gemäß der Erfindung zur Verwendung als Linsen brauchbar sind. Diese Glaskörper sind aus Ausgangsmaterialien von im wesentlichen gleicher Reinheit hergestellt, die bei den in der Tabelle angegebenen Schmelztemperaturen unter Verwendung von Platinschmelztiegeln geschmolzen wurden. Der Brechungsindex von diesen Gläsern und die Temperatur, bei welchen deren Viskosität den Wert von 10¹⁰ Poise erreicht, sind ebenfalls in der Tabelle aufgeführt. Glasstäbe mit einem

Durchmesser von 1,0 mm und einer Länge von etwa 100 cm werden aus diesen Gläsern hergestellt. Die erhaltenen Stäbe werden dann in ein geschmolzenes Bad von KnOi bei den in Tabelle II angegebenen Temperaturen und während der darin genannten Zeitdauer eingetaucht, worauf sie aus dem Bad entfernt werden. Die so behandelten Glasstäbe besitzen, abgesehen von ihren beiden Endteilen, die in Tabelle III angegebenen Zusammensetzungen an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche und überdies die in Tabelle IV angegebenen Brechungsindizes an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche. Es wurde festgestellt, daß die Komponenten TI2O und K2O jeweils eine kontinuierliche Abnahme bzw. Zunahme von der Zentralachse des Glasstabes zu dessen Umfangsoberfläche aufweisen. Die Brechungsindizes zeigen eine kontinuierliche Abnahme von der Zentralachse des Glasstabes zu seiner Umfangsoberfläche. Die Verteilung dieser Brechungsindizes entsprach im wesentlichen der vorstehend angegebenen Gleichung, wobei der Wert von a in Tabelle IV angegeben ist.

Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß bei einer gebräuchlichen Glaszusammensetzung die Zeitdauer, währenc welcher der Glasstab in das Salzbad eingetaucht werder mußte, von 300 auf 480 Stunden verlängert wurde wohingegen bei den Glasmassen gemäß der Erfindung eine kurze Eintauchzeitdauer von weniger als 250 Stun den ausreichend war.

Tabelle

	Übliches	Glas	Erfindungsgemäßes Glas	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4	Nr. 5	Nr. 6	Nr. 7	Nr. 8	Nr. 9	Nr. 10	Nr. 11
	A	B	Nr. 1
Glaszusai!
mensetzung
(Molprozent)				60,0	65,0	57,4	60,0	53,0	57,0	58,2	55,9	61,5	51.0
SiO2	70,2	67,2	60,0	20,0	15,0	14,3	15,0	25,0	14,0	19,3	18,7	21,0	11,0
B2O3	0	8,3	15,0	16,0	16,0	20,0	23,0	9,0	10,0	13,7	9,3	6,5	3,2
Na2O	17,0	18,6	21,0	4,0	4,0	3,8	2,0	3.0	4,0	5,8	9,3	8,0	17,8
TI2O	3,3	5,9	4,0	0	0	0	0	0	0	0
PbO	9,5	0	0	0	0	4,4	0	10,0	5,0	3,0	6,8	3,0	12,0
ZnO	0	0	0	0	0	0	0	0	10,0	0	0	0	5,0
K:O	0	0	0

Schmelztem- 1300 1350 1150 1200 1250 1200 1200 1250 1200 1150 1200 1250 1200 pcratur (⁰C)

Brechungs- 1,60 1,585 1,55 1,54 1,54 1,55 1,53 1,54 1,55 1,580 1,625 1,625 i,680 index

Temperatur 460 480 520 550 560 520 540 590 520 510 500 520 490 bei der Viskosität von
10¹⁰ Poise

Tabelle II

Übliches Glas Erfindungsgemäßes Glas

A B Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8 Nr. 9 Nr. 10 Nr. 1

Salzbad- 460 480 520 550 560 520 540 590 520 510 500 520 490

temperatur

Eintauchzeit 480 300 96 72 72 96 96 100 96 200 180 180 220

(Stunden)

2

23 II 823

13

14

Tabelle III

	Übliches Glas A B	Ober	Erfindungsgemäßes Glas Nr. 1 Nr. 2	Erfindungsgemäßes Glas	Nr. 7	Ober	Ober	Übliches Glas Erfindungsgemäßes Glas	B Nr. 1	Nr. 2	Nr. 3	Nr. 4	Mitte	Ober	Nr. 9	Nr. 3	Nr. 4	7	57,4 57,4	Nr.	5	fläche
	Mi'.te Ober- Mine	fläche	Mitte	Nr. 6	Mitte	fläche	fläche	A		fläche	Mitte	Mitte	Ober- Mitte Ober		14,3 14,3	Mitte Ober
	fläche			Mitte Ober								fläche fläche		7,0 6,0
Glaszusammen-				fläche										3,8 0,8
setzung						57,0							0 0		60
(Molprozent)		67,2			57,0	14,0	60,0	60,0	60,0	55,9			13,1 17,2		15
S1O2	70,2 70,2 67,2	8,3	60,0	53,0 53,0	14,0	2,7	15,0	20,0	20,0	18,7	65	65	4,4 4,3	60	7
B2O3	O O 8,3	5,2	15,0	^5,0 25,ö	3,0	0,4	6,0	6,0	5,0	3,0	15	15		15	0,3
Na2O	6,0 5,0 6,2	0,8	7,0	3,0 2,5	3,7	0	0,8	4,0	0,8	9,3	6	5		8	0
TbO	3,3 0,5 5,9	0	4,0	2,7 0,3	0	20,9	0	0	0	0	4	0,8	Nr. 10	2	17,7
PbO	9,5 9,3 0	18,5	0	0 0	17,3	5,0	18,2	10,0	14,2	6,3	0	0	Mitte Ober	0	Ö
K2O	11,0 15,0 12,4	0	14	6,3 9,2	5,0		0	0	0	6,8	10	14,2	fläche	15
ZnO	0 0 0		0	10,0 10,0						0	0		0
Tabelle III (Fortsetzung)
	Nr. 8		1 Nr. 6			61,5 61,5		Ober
	Mitte	Ober			21,0 21,0	Nr. 11	fläche
		fläche	Ober		2,3 1,5	Mitte
			fläche		8,0 1,2
Glaszusammenset					0 0		51,0
zung (Molprozent)	58,2	58,2			4,2 11,8		11,0
S1O2	19,3	19,3	55,9		3,0 3,0	51,0	1,0
B:Ö3	4,5	3,5	18,7			11,0	2,2
Na2O	5,8	0,8	2,5			1,4	0
TbO	0	0	1.5		Nr. 8 Nr. 9	16,8	22,8
PbO	9,2	15,2	0		0	12,0
Κ2θ	3,0	3,0	14,64		7,8
ZnO			6,8		12,0
Tabelle IV					Nr. 11
	Nr. 5
Nr.	Nr. 10

Brechungs- 1,60 1,585 1,55 1,54 1,54 1,55 1,53 1,54 1,55 1,580 1,625 1,605 1,675

index in der

Brechungs- 1,57 1,535 1,51 1,50 1,50 1,51 1,51 1,51 1,51 1,530 1,545 1,540 1,550

index an der

Oberfläche

Wert von a 7,5 13 10,3 10,4 10,4 10,3 5,2 7,8 10,3 13 20 16 c 30

(cm 2)

Verlust mit 220 - 90 130 90 80 100 150 120 — — — —

Licht vorr 1 - 00 1 - 00

0,63 μ (dB/km)

Verlust mit 130 - 60 70 60 55 65 80 70 - - - -

Licht von 1,06 μ (dB/km)

Linsenlänge 4,1 3,1 ------ - 3,1 2,5 2,8 2,0

entsprechend w/(2V2a) (mm)

Tabelle IV (Fortsetzung)

Übliches Glas Erfindungsgemäßes Glas A B Nr. 1 Nr 2 Nr. 3 Nr.

4 Mr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8 Nr. 9 Nr. 10 Nr. 11

Brennweite 1,6 1,2 — (mm) Fokustiefe 2-00 2-<» (mml

1,2 1,0 1,1 0,8

I — OO 1 — cn 1 — OO 1 — OO

(Fortsetzung)

Übliches Glas Erfindungsgemäßes Glas

A B Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 Nr. 6 Nr. 7 Nr. 8 Nr. 9 Nr. 10 Nr. Π

Apertur- 32 45

winkel (Grad)

Auflösungs- 400 30

vermögen

(Linien/mm)

Witterungs- 48 71

beständig-

keitstest

(Stunden)

48 60 54 75
500 500 500 500

168 120 120 ober- 192 192 288 288 240 240 144 halb 360

Die Glasstäbe 1 bis 7 wurden mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 cm je Minute in einen erhitzten Ofen bei etwa 680⁰C mit einer Länge von etwa 20 cm eingeführt und mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 cm je Minute abgezogen, wobei eine Glasfaser mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm und mit einer Länge von etwa 90 m erhalten wurde. Es wurde festgestellt, daß die Glaszusammensetzung, ausgedrückt in Molprozent, an der Zentralachse und an der Umfangsoberfläche dieser OiSSiüscr urivi uCrcri uirccuungsinuizcs im "wcscntiicucn den entsprecht nden Werten vor der Streckbehandlung des Glasstäbe^ gleich waren. Die innere Brechungsindexverteilung entsprach ebenfalls der vorstehend angegebenen Gleichung, und es wurde durch Messung festgestellt, daß der Wert von a dieser Gleichung in jedem Fail etwa das lOOfache des Wertes von a, wie in Tabelle IV angegeben, betrug. Wenn die Enden dieser Glasfaser so poliert wurden, daß die Endoberflächen senkrecht zur Zentralachse der Faser vorlagen und Lichtimpulse von einem Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 0,63 Mikron von dem einen Ende der Faser her durchgeleitet wurden, war keine Impulsverzerrung beobachtbar.

Der Übertragungsverlust auf Grund von Absorption und Streuung des Lichtes innerhalb der Faser je Einheitslänge der Faser (dB/km) ist in der Tabelle IV angegeben. Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn Lichtimpulse unter Verwendung eines YAG-Lasers an Stelle des Helium-Neon-Lasers durch die Glasfaser geleitet wurden. Der Übertragungsverlust in diesem Fall ist ebenfalls in Tabelle IV angegeben.

Die Ergebnisse der vorstehenden Tabelle zeigen, daß, während bei einer gebräuchlichen Glasmasse der Verlust mit Licht von 0,63 Mikron und 1,06 Mikron 220 dB/km und 130 dB/km betrug, der Verlust bei Glaskörpern ge.näß der Erfindung im Höchstfall 150 dB/km bzw. 80 dB/km betrug. Die Hauptgründe für diesen geringen Lichtverlust bei Glaskörpern gemäß der Erfindung sind die folgenden: Zunächst können die erfindungsgemäßen Gläser bei relativ niedriger Temperatur, nämlich unterhalb 1250⁰C geschmolzen werden. Daher ist der Lichtabsorptionskoeffizient auf Grund der Auflösung von Platin in das Glas aus dem Platinschmelztiegel gering, und überdies wird die Ausbildung von Schlieren auf Grund der Verflüchtigung von Glasmaterialien verhindert. Obwohl die unerwünschten Übergangsmetallverunreinigungen, die in das Glas aus den Rohmaterialien eintreten, im Falle der erfindungsgemäßen Gläser ebenso wie im Falle der üblichen Gläser gleich sind, ist der Lichtverlust bei den erfindungsgemäßen Gläsern geringer, da der Lichtabsorptionskoeffizient auf Grund der Übergangsmetallverunreinigungen bei den Gläsern gemäß der Erfindung niedriger ist.

Die Glasstäbe 8 bis 11 wurden senkrecht zur Zentralachse in Abschnitte geschnitten, wobei zylindrische Linsen mit einer Länge von Tcl(2]fta) mit minimalen Brennweiten erhalten wurden. Die Schnittflächen jeder so erhaltenen Linse wurden poliert, un zu gewährleisten, daß die Schnittflächen der Linsen eine plane Oberfläche senkrecht zur Zentralachse der Stäbe aufweisen. Die Bestimmungen Her Brennweite, der Fokustiefe, des Aperturwinkels und des Auflösungsvermögens dieser Linsen sind in Tabelle IV angegeben. Die Fokustiefe bezeichnet den Bereich der Abstände, bei welchen ein Gegenstand, der in einem gegebenen Abstand vor dem vorderen Ende einer Linse angeordnet ist, ein klares Bild auf einem in Berührung mit dem hinteren Ende der Linse angebrachten Schirm bildet.

Das Auflösungsvermögen wird in folgender Weise gemessen: Eine Karte, auf welcher parallele Linien eingezeichnet sind, wird etwa 30 cm vor der Linse, die geprüft werden soll, angebracht und auf eine unmittelbar hinter der Linse angeordnete Trockenplatte photographiert. Die Trockenplatte wird dann entwikkelt, und die Bilder werden durch ein Mikroskop beobachtet.

Die maximale Anzahl der parallelen Linien, die getrennt je Millimeter auf der entwickelten Trockenplatte gesehen werden können, wird bestimmt und als Auflösungsvermögen angegeben.

Zur Prüfung der Witterungsbeständigkeit der Glaskörper 1 bis 11 wurden diese in einen geschlossenen Behälter gebracht, der Luft bei einer Temperatur von 60° C und einer relativen Feuchtigkeit von 100% enthielt, und die Zeitdauer, bei welcher Änderungen (Schleier) auf der Glasoberfläche in Erscheinung traten, wurde bestimmt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle IV aufgeführt. Wenn ein Glas eine Witterungsbeständigkeit von etwa 96 Stunden bei dem vorstehend beschriebenen Versuch aufweist, besitzt das Glas eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit für praktische Anwendungszwecke. Die Witterungsbeständigkeit der gebräuchlichen Glasmassen betrugen 48 bzw. 72 Stunden, wohingegen die Gläser gemS>8 der Erfindung eine Witterungsbeständigkeit von mehr als 120 Stunden aufwiesen.

Die Glaskörper gemäß der Erfindung besitzen die folgenden Vorteile:

1. Da die Schmelztemperatur niedrig ist, ist das Ausmaß des Auflösens von Platin gering, wenn das Glas in einem Platinschmelztiegel geschmolzen wird, und da die Verflüchtigung der Glasbestandtei-

le verringert werden kann, werden Gläser von hoher Transparenz und hoher Homogenität erhalten.

2. Da die lonenaustauschbehandlungstemperatur hoch

ist, ist keine lange Zeitdauer für die lonenaustauschbehandlung zur Einführung des Brechungsindexgradienten erforderlich, so daß die Gefahr der Entglasung der Gläser während dieser Behandlung herabgesetzt ist.

3. Da die Witterungsstabilität der Giäser gemäß der

Erfindung verbessert ist, tritt eine markante Verlängerung der Gebrauchsdauer der Glaskörper ein.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, durch eine relativ kurzzeitige Ionenaustauschbehandlung Linsen vom Brechungsindexgradiententyp mit einem Aperturwinkel von mehr als 45° herzustellen, deren Herstellung bisher mit wesentlichen Schwierigkeiten verbunden war. Die so erhaltenen Linsen besitzen neben ihrem guten Auflösungsvermögen und ihrer guten Witterungs-Stabilität auch eine große Fokustiefe. Infolgedessen sind die so erhaltenen Linsen als Abstandsobjektivlinsen von Fiberskopen, die ein breites Gesichtsfeld erfordern, besonders brauchbar.

Bei Verwendung eines Glaskörpers gemäß der Erfindung als Abstandsobjektivlinsen in einem Fiberskop wird im allgemeinen eine Linse mit einer Länge verwendet, die etwas größer als η/(2]/2ε^ ist, d. h. eine Linse mit einer Länge, in der ein Objekt etwa 5 mm vor der Vorderoberfläche der Linse ein Bild an der Rückseite der Linse bildet. Wenn diese Linse an die Abstandsoberfläche eines optischen Faserbündels eines Fiberskopes mittels eines transparenten Klebstoffes befestigt wird, hat diese Linse eine Fokustiefe von 1 mm bis unendlich. Deshalb ist ein Fokussiermechanismus, der im FaI! der üblichen Fiberskope notwendig war, bei Verwendung der Linsen gemäß der Erfindung nicht mehr erforderlich.

Die Ausführung der Ionenaustauschbehandlung muß nicht unbedingt durch Eintauchen der Gläser in ein geschmolzenes Salzbad erfolgen, sondern kann auch nach anderen Arbeitsweisen, wie sie z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung 823/1972 angegeben sind, erfolgen, wobei das Glas in dem inneren Tiegel eines Platindoppeltiegels geschmolzen wurde, während in dem äußeren Tiegel eine andere Klasse von Glas mit einem Gehalt an Alkaliionen geschmolzen wird, worauf eine gegenseitige Wärmediffusion der in dem inneren Tiegel enthaltenen Thalliumionen und der in dem äußeren Tiegel enthaltenen Alkaliäonen während des Spinnens der Glasfaser aus dem Platindoppeltiegel so herbeigeführt wird, daß ein Glaskörper vom Brechungsindexgradiententyp erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

23 i ÖZ3 Patentansprüche:

1. Optischer Glaskörper von zylindrischer oder prismatischer Gestalt, welcher TI2O und S1O2 enthält, wobei die Konzentration der in dem Glaskörper enthaltenen Thalliumionen allmählich von seiner Zentralachse zur Umfangsoberfläche so abnimmt, daß der Brechungsindex des Glaskörpers kontinuierlich von seiner Zentralachse zur Umf angs- ι ο oberfläche abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse aus 50 bis 70 Molprozent SiO:, 10 bis 30 Molprozent B2O3, 10 bis 30 Molprozent (ThO + R2O), wobei die Menge von ThO 1 bis 25 Molprozent beträgt und R wenigstens eines der Alkaliionen Na, K, Li, Cs und Rb bedeutet, besteht

2. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 1,0 bis 5,5 Molprozent TI2O an seiner Zentralachse enthält.

3. Glaskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 50 bis 65 Molprozent S1O2 an seiner Zentralachse enthält.

4. Glaskörper nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als weitere Bestandteile an seiner Zentralachse insgesamt 0 bis 15 Molprozent MgO, CaO, BaO, ZnO, PbO, AI2O3, SnO2 oder T1O2 oder Mischungen hiervon enthält.

5. Glaskörper nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als zusätzlichen Bestandteil an seiner Zentralachse 2 bis 15 Molprozent ZnO enthält.

6. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse 5,5 bis 25 Molprozent TI2O enthält.

7. Glaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse 50 bis 65 Molprozent S1O2, 10 bis 25 Molprozent B2O3 und 15 bis 30 Molprozent (TI2O + R2O), wobei TI2O in einer Menge von 5,5 bis 25 Molprozent vorhanden ist, enthält.

8. Glaskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse als weitere Bestandteile insgesamt 1 bis 20 Molprozent MgO₁ CaO, BaO, ZnO, PbO, AI2O3, SnO2 oder T1O2 oder Mischungen hiervon enthält.

9. Glaskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner Zentralachse als zusätzlichen Bestandteil 2 bis 15 Molprozent ZnO enthält.