DE2614631A1

DE2614631A1 - Verfahren zur herstellung von gradientenfasern

Info

Publication number: DE2614631A1
Application number: DE19762614631
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr Aulich; Josef Dipl Phys Dr Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1976-04-05
Publication date: 1977-10-13
Also published as: JPS52121342A; US4061484A

Description

Verfahren zur Herstellung von Gradientenfasern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gradientenfasern.

Derartige Lichtleiterfasern sind bekannt. Sie besitzen einen parabolischen Verlauf des Brechungsindex, d.h. in der Mitte der Lichtleiterfaser ist der Brechungsindex am höchsten, am Rande der Lichtleiterfaser hat der Brechungsindex seinen niedrigsten Wert. Die Herstellung dieser Lichtleiterfasern geschieht bislang entweder durch Abscheidung aus einer Gasphase, wie es beispielsweise in der Druckschrift R.D. Maurer, 10. Int. Congr. on Glass, Kyoto, Japan (1974) S. 59 - 63 beschrieben ist, oder nach einem Ionenaustauschprozeß, wie es beispielsweise in der Druckschrift J. Kitano, K. Koizumi, H. Matsumura, T. Uchida, M. Furnkawa, Proc. Int. Conf. Solid State Devices, Tokyo, (1969), S. 63 70 beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues, besonders einfaches Herstellungsverfahren für derartige Gradientenfasern anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Merk male des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein rotierender beheizter Schmelztiegel vorgesehen, in den nacheinander Glasmassen mit unterschiedlichen Brechungsindices eingegeben werden. Durch die Rotationsbewegung des Tiegels wird die Glasmasse an der Vfandung des Tiegels hochgedrückt und bildet dort einen geschichteten Glasfilm, wobei an der Wandung befindliche Glasschicht durch die zuerst in den Tiegel eingeführten Glasmasse gebildet wird, und wobei die innerste Glasschicht durch die zuletzt in den Tiegel eingeführte Glasmasse gebildet wird. Es bildet sich also an der Wandung des Schmelztiegels ein Glas-

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zylinder, der aus Glasschichten mit unterschiedlichen Brechungsindices besteht. Aus dem rotierenden Tiegel kann nun eine Glasfaser abgezogen -werden. Dabei entspricht das Verhältnis der Querschnitte der einzelnen Glasschichten in der Glasfaser dem Verhältnis der Querschnitte der einzelnen Glasschichten in dem Glaszylinder.

• Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Figuren erläutert.

Gemäß der Fig. 1 ist ein rotierender Schmelztiegel 20, z.B. aus Platin oder Iridium, vorgesehen. Dieser Tiegel ist mit einer Wärmedämmung 2 umhüllt. Der Schmelztiegel wird beispielsweise induktiv beheizt, dafür ist eine Induktionsspule 5 vorgesehen.

Zuerst wird ein Glasstab, der einen Brechungsindex η aufweist, in den Tiegel eingeführt und durch die Wärmestrahlung der Tiegelwandung erschmolzen. Statt eines Glasstabes kann auch eine flüssige Glasschmelze der entsprechenden Zusammensetzung direkt in den rotierenden Tiegel gegossen werden. Durch die schnelle Rotationsbewegung des Tiegels wird die Glasschmelze an der Tiegelwandung hochgedrückt und bildet dort einen Glasfilm a. Die Dicke dieses Glasfilmes hängt von der zugeführten Glasmenge ab, die Gleichmäßigkeit der Dicke ist um so größer, je höher die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels und die Tiegeltemperatur sind.

Danach wird ein neuer Glasstab mit einem Brechungsindex n. eingeschmolzen, wobei der Brechungsindex n, größer als der Brechungsindex η ist. Aufgrund der Rotationsbewegung des Tiegels legt sich nun ein neuer Glasfilm b glatt an den bereits vorhandenen Glasfilm a an. Dieser Vorgang läßt sich entsprechend dem gewünschten Brechungsindexprofil mehrmals wiederholen, so daß schließlich ein rotierender Glashohlzylinder entsteht, dessen Glasschichten a, b, c, d, u.s.w. Brechungs indices aufweisen, die von der Tiegelwandung zum Zentrum hin zunehmen, so daß

n_a< n_b<n_c< <n_N gilt, dabei ist N die Zahl der verschiedenen Schichten.

In der Fig. 2 ist der Brechungsindexverlauf eines aus fünf Schichten bestehenden Glashohlzylinders durch die Kurve 10

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wiedergegeben. An der Ordinate ist der Brechungsindex η aufge- " tragen, an der Abszisse die Schichtdicke D.

Durch eine entsprechende Temperaturwahl im Schmelztiegel und eine entsprechende Rotationsgeschwindigkeit kann nach einer gewissen Zeit erreicht werden, daß durch Diffusion der verschiedenen Glaskomponenten der Glasschichten an den Grenzflächen zwischen den Glasschichten anstatt einer abrupten Brechungsindexänderung ein kontinuierlicher Verlauf des Brechungsindex erreicht wird, dies ist in der Kurve 11 in der Fig. 2 dargestellt.

Damit ist innerhalb der Glasschmelze im Tiegel das gewünschte Brechungsindexprofil erreicht.

Jetzt wird der Schmelztiegel auf eine Temperatur gebracht, bei der Glasfasern gezogen werden können. Danach wird direkt aus dem rotierenden Tiegel mittels eines Ziehdorns eine Glasfaser 1 herausgezogen.

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Besitzt der Schmelztiegel am Boden ein zentrisch angeordnetes Loch, welches während des Einfüllens der Glasmassen geschlossen ist, so ist es möglich, eine Faser durch dieses Loch nach unten abzuziehen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Glasschmelze im Tiegel noch während der Rotation abzukühlen und zum Erstarren zu bringen, danach wird der Schmelztiegel auf den Kopf gestellt, eine schmale ringförmige Zone wird erhitzt, und bei Erreichen der Ziehtemperatur wird eine Faser abgezogen. Durch eine kontinuierliche Absenkung des Tiegels bei feststehender Heizzone, bzw. durch eine kontinuierliche Bewegung der Heizzone, wird nacheinander die gesamte Glasmasse auf Ziehtemperatur gebracht, so daß sie abgezogen werden kann.

In der Fig. 1 ist dargestellt, wie mittels eines Ziehdorns eine Glasfaser 1 aus der geschichteten Glasschmelze abgezogen wird.

In der Fig. 3 ist dargestellt, wie die bereits im Tiegel erstarrte Glasmasse mit einer Induktionsspule 40 in einem schmalen VPA 75 E 7195 7O98A1/0397

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Bereich aufgeschmolzen wird, so daß eine Glasfaser 1 ausgezogen werden kann. Der auf den Kopf gestellte Schmelztiegel . braucht während des Ausziehens keine Rotationsbewegungen auszuführen. Die Induktionsspule 40 wird langsam, entsprechend der Pfeilrichtung 400 , am Tiegel entlanggeführt, bzw. der Schmelztiegel wird gegenüber der Induktionsspule entsprechend der Pfeilrichtung 500 bewegt.

Das Ziehen der Glasfasern kann in bekannter Weise mittels einer Ziehtrommel erfolgen.

Die Schmelz- und Ziehtemperaturen für die Glasmassen hängen von der Zusammensetzung der Gläser ab, typische Temperaturbereiche sind ca. 1000⁰C - 1300⁰C für das Schmelzen der Gläser und ca. 700⁰C- 1000°C für das Ziehen der Glasfasern.

Für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden verschiedene Si0p-K₂0-Nap0-Gläser mit verschiedenen Beimengungen von PbO aus hochreinen Ausgangsraaterialien erschmdken. Der PbO-Anteil lag bei 33 %, 36 %, 39 %, 42 % und 45 %. Die verschiedenen homogenen Glasschmelzen wurden nacheinander direkt in den rotierenden Schmelztiegel gegossen, damit wurde ein Glaszylinder mit einem Brechungsindexprofil, wie es beispielsweise die Fig. 2 zeigt, hergestellt» Die Größe des Brechungsindex hängt im wesentlichen von der PbO-Konzentration ab, dabei lag der Brechungsindex außen bei ca. 1,58, innen bei ca. 1,62.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erkennt man, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft bei solchen Gläsern anwenden läßt, bei denen im wesentlichen nur eine Komponente, hier PbO, oder nur wenige Komponenten der Glaszusammensetzung den Brechungsindex bestimmen, und bei denen diese Komponenten über einen größeren Konzentrationsbereich variiert werden können. Bei derartigen Glassorten ist die Interdiffusion zwischen den Grenzflächen der verschiedenen Schmelzen im Schmelztiegel besonders stark, so daß die von Schfcht zu Schicht stufenweise ansteigende Kurve der Brechungsindices besonders schnell geglättet wird, d.h. der Brechungs-

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index, der anfangs einen Verlauf entsprechend der Kurve 10 in Fig. 2 hat, hat nach kurzer Zeit einen Verlauf entsprechend der Kurve 11 in Fig. 2.

Es können aber auch Gläser verschiedener Glassysteme verwendet werden, jedoch müssen in diesem Fall die chemischen, physikalischen und thermischen Eigenschaften der Glassysteme entsprechend aufeinander abgestimmt sein.

6 Patentansprüche
3 Figuren

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Leerseite

Claims

26U631 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gradientenfasern, dadurch g e - y kennzeichnet , daß in einen rotierenden, zylinderförmigen, geheizten Schmelztiegel (2) nacheinander Glasmassen mit verschiedenen Brechungsindices (n , n, ,...., n__T) eingegeben

a D N

werden, wobei die zuerst eingegebene Glasmasse den kleinsten Brechungsindex aufweist, die zuletzt eingegebene Glasmasse den größten Brechungsindex, daß der Schmelztiegel so schnell rotiert wird, so daß jede Glasmasse an der Tiegelwandung eine zylinderförmige Schicht (a, b, c, ...) bildet, und daß die im Schmelztiegel befindliche Masse zu einer Lichtleiterfaser ausgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß Glasmassen verwendet werden, bei denen im wesentlichen der Anteil einer Komponente den Brechungsindex der Glasmasse bestimmt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet , daß die im Tiegel befindliche geschichtete Glasschmelze während der Tiegelrotation zum Erstarren gebracht wird, daß dann ein schmaler ringförmiger Bereich der Glasmasse fortlaufend auf die Ziehtemperatur erhitzt wird* und daß, darauf abgestimmt, die Glasmasse zu einer Faser ausgezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet , daß die im Tiegel befindliche geschichtete Glasschmelze von ihrer Schmelztemperatur auf ihre Ziehtemperatur abgekühlt wird, und daß dann direkt aus dem rotierenden Tiegel eine Glasfaser abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet , daß der Schmelztiegel aus Platin oder Iridium besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet , daß der Schmelztiegel induktiv beheizt wird. 709841/0397

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ORIGINAL INSPECTED