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Lichtübertragende Körper vom Stufentyp mit aus-
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gezeichneter Wasserbeständigkeit Die Erfindung betrifft lichtübertragende
Körper vom Stufentyp mit ausgezeichneter Wasserbeständigkeit, insbesondere lichtübertragende
Körper mit einer großen numerischen Öffnung und einem niedrigen Verlust, die ein
Kernglas mit überlegener Wasserbeständigkeit enthalten, Im allgemeinen ist eine
lichtübertragende Glasfaser aus einem Kernglas und einem Deckglas mit einem geringfügig
niedrigerem
Brechungsindex als das Kernglas aufgebaut Ein lichtdurchlässiger Körper, worin der
Brechungsindex des Kernglases einheitlich entlang seiner radial-en Querschnittsrichtung
ist, , wird als lichtübertragender Körper vom Stufentyp bezeichnet Derartige Glasfasern
vom Stufentyp übermitteln eine optische Information, die auf ein Ende des Kernglases
trifft, zu dem anderen Ende, wailrend sie praktisch vollständig in der Grenzfläche
zwischen dem Kernglas und dem DecOcgBas reflektiert wird Da ein optisches Kommunikationssystem
unter Anwendung einer Glasfaser vom Stufentyp als Lichtübermittlungsweg überlegene
Eigenschaften wie leichtes Gewicht, keine Induktion, kein Quergespräch, niedrigen
Verlust und große Kapazität besitzt, wurde es in den letzten Jahren stark untersucht
und kam in technischen Gebrauch.
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Nit diesem Fortschritt der optischen Kommunikationstechnologie, der
optischen Eigenschaften, der chemiscizen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften,
welche die Glasfasern zur Anwendung auf einem derartigen Gebiet besitzen müssen,
wurden diese Eigenschaften allmählich klargestellt.
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Eine für Glasfasern für Lichtübertragungswege erforderliche sehr
wichtige Eigenschaft besteht in der ausgezeichneten Wasserbeständigkeit, insbesondere
in einen bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit gehaltenen Atmosphäre, der
die Lichtübertragungswege unter natürlichen Umgebungen ausgesetzt sind. Die Wasserbeständigkeit
ist besonders in dem Deckglas von Glasfasern, die als Lichtübertragungswege verwendet
werden, erforderlich Auch das Kernglas muß eine überlegene Wasserbeständigkeit besitzen,
da ein Verbindungsende, insbesondere ein Stoßende, in den
Lichtübertragungswegen
zur Eingabe oder Ubermittlung einer Liclitlnformation ausgebildet sein muß und das
Kernglas direkt die äußere Atmosphäre an einer derartigen Stelle berührt.
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Glas für die Herstellung derartiger optischer Glasfasern muß eine
überlegene Wasserteständigkeit, überlegene optische Eigenschaften und eine markant
verringerte Tendenz zur Ausfällung von Kristallen bei hohen Ziehtemperaturen während
des Spinnarbeitsganges besitzen.
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Die wichtigen für diese optischen Glasfasern erforderlichen optischen
Eigenschaften sind niederer Lichtdurchlassigkeitsverlust, hohe Transparenz und einheitlicher
Brechungsindex.
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Insbesondere ist es für das Kernglas von Glasfasern vom Stufentyp
erforderlich, uaß ein nIedriger Verlust vorliegt, da die Hauptmenge des übermittelten
Lichtes sich im Kernglas ausbreitet.
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Die Glasfasern vom Stufentyp müssen auch eine große numerische Öffnung
(NA) besitzen, so daß es ermöglicht wird, daß Lichtstrahlen von einer Lichtquelle
auf den li:htübermittelnden Körper mit hoher Wirksamkeit fallen.
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Wenn der Brechungsindex des Kernglases mit n1 und der Brechungsindex
des Deckglases mit n2 bezeichnet wird, wird die numerische öffnung (NA) durch die
folgende Gleichung wiedergegeben:
Wenn somit die numerische Öffnung größer ist, wird die Differenz
zwischen den Brechungsindexen von Kernglas und Deckglas größer. Allgemein hat ein
Deckglas aus einer Mehrkomponentenmasse mit einer praktischen Wasserbeständigkeit
und Freiheit von Kristallisation während des Zieharbeitsganges einen Brechungsindex
von 1,51 bis 1,52.
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Somit ist es zur Erhöhung der numrischen Öffnung notwendig, den Brechungsindex
des Kernglases zu erhöhen.
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Zahlreiche Mehrkomponentengläser wurden bereits zur Anwendung als
Lichtübermittlungswege vorgeschlagen. Diesc bisherigen Mhrkomponentenglasmassen
lassen sich grob wie folgt einteilen: 1) Mehrkomponentengläser mit dem Gehalt von
Si02, Na2O und CaO als Hauptbestandteile; 2) Mehrkomponentengläser mit dem Gehalt
an SiO2, Na20 lwnd PbO als Hauptbestandteile; 3) Mehrkomponentengläser mit dem Gehalt
an Si02, Ge02 und R20, wobei R20 ein Alkalioxid wie Na0 oder K2O darstellt; 4) Mehrkomponentengläser
mit dem Gehalt an Si02, Na20 und B203 als Hauptbestandteile.
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Kerngläser oder Deckgläser aus Glasfasern zur Anwendung als Lichtübermittlungswege
werden z.Zt. durch geeignete Variierung der Bestandteilsanteile dieser Mehrkomponentenglässer
hergestellt.
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Kerngläser und Deckgiäser, welche aus den vorstehenden Mehrkompomentengl:isern
1) bis 3) hergestellt werden haben allgemein die folgenden Fehler
Die
aus den Mehrkomponentengläsern 1) hergestellten Glasfasern haben eine schlechte
Wasserbeständigkeit.
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Ferner müssen zur Verbesserung der Wasserbeständigkeit dieser Mehrkomponentengläser
Al203, MgG und dergleichen eingeführt werden, wie es auf deni Gebiet der Glasscheibenindustrie
bekannt ist. Die Einführung dieser Bestandteile ergibt jedoch eine abrupte Steigerung
in der Glas schmelztemperatur und in der zum Betrieb geeigneten Temperatur und Glasfasern
für Lichtübermittlungswege mit einem niedrigen Verlust sind schwierig aus derartigen
Gläsern herzustellen.
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Die aus den vorstehend abgehardeltcn Mehrkomponentenglasern 2) hergestellten
Glasfasrn haben eine schlechte Wasserbeståndigkeit, wenn ihr PbO-Gehalt niedrig
ist. Falls der PbO-Gehalt auf einige 10 % erhöht wird, wird die Wasserbeständigkeit
der erhaltenen Gläser verbessert, jedoch wird mit einem Anstieg des PbO-Gehaltes
der Lichtverlust auf Grund von Streuung stark erhöht. Deshalb sind Glasfasern mit
niedrigem Verlust für Lichtübermittlungswege schwierig herzustellen.
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Die aus den vorstehenden Mehrkomponectengläsern 3) hergestellten
Glasfasern ergeben einen großen Lichtverlust auf Grund von Streuung, da diese Gläser
eine große Neigung zur Kristallisation besitzen. infolgedessn sind Glasfasern mit
niedrigem Verlust für Lichtübermittlungswege schwierig herzustellen.
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Andererseits haben die Mehrkomponentengläser 4) allgemein den Vorteil,
daß die Glasschmelzungstemperatur so niedrig wie. niedriger als 1 3000C ist und
der Lichtabsorptionsverlust auf Grund von Eisenmetall als Veruiireinigng niedrig
ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde auch die Glasmasse 4) untersucht
und in der ,,apanischen
Patentveröffentlichung 29524/76 ein Glaszusammensetzungsbereich
vorgeschlagen, der zur Herstellung von Glasfasern vom konvergierenden Typ, d.n.
Focusiertyp, geeignet ist Weiterhin ist in der japanischen Patentveröffentlichung
3352/78 ein Mehrkomponentenglas vom SiO2-Na2O-B203-Typ vorgeschlagen Diese Veröffentlichung
schlägt Glasfasern vom Stufentyp für optische Kommunikation vor, worin die Kernkomponente
aus einem Mehrkomponentenglas aus 45 bis 65 Gew.-% SiO2, 1 bis 5 Gew.-% Al2O3, 17
bis 23 Gew.-% Alkalioxiden hauptsächlich aus Na2O, 5 bis 12 Gew.-% CaO, 4 bis 15
Gew-% B203 und 1 bis 12 Gew.-% ZrO2 besteht Die japanische Patentveröffentlichung
3354/78 schlägt Glasfasern vom Stufentyp für optische Kommunikation vor, worin die
Kernkomponente aus einem Mehrkomponentenglas aus 55 bis 65 Gew.-% Si02, 1 eis 5
Gew.-% A12031 14 bis 21 Gew.-% Alkalioxiden, 1 bis 7 Gew.-% CaO und 11 bis 20 Gew.-%
SrO+BaO besteht 9 oder ein Mehrkomponentenglas aus dem vorstehenden Mehrkomponentenglas
und 2 bis 8 Gew.-% ZrO2 und 2 bis 8 Gew.-% B203 vor Die japanische Patentveröffentlichung
60240/78 beschreibt Glasfasern vom Stufentyp für optische Kommnika.
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tion, wobei die Kernkomponente aus einem Mehrkomponentenglas aus 35
bis 55 Gew.-0% SiO2, 13 bis 21 Gew.-% Alkalioxiden und 27 bis 52 Gew.-% CaO+BaO+Zn0
besteht.
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Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeigen, daß die
Mehrkomponentenglässer der vorstehend abgehandelten Zusammensetzungen, falls sie
als Kernkomponente von lichtübermittelnden Glasfasern verwendet werden,
immer
noch Wasserbeständigkeiten besitzen, die noch zu verbessern sind, und höchstens
einen Brechungsindex von 1,600 besitzen und daß zur Anwendung zur Herstellung von
lichtübermittelnden Glasfasern mit einer Abdeckungskomponente eines üblichen Mehrkomponentenglases
mit einem Brechungsindex von 1,51 bis 1,52 es günstig ist, deren Brechungsindex
weiterhin vom Gesichtspunkt der numerischen Öffnung zu erhöhen.
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Die japaniscne Patentveröffentlichung 4126/57 beschreibt ein Glas
aus 35 bis 52 Gew.-% SiO2, 6 bis 12 Gew.-% Alkalimetalloxiden, 28 bis 34 Gew.-%
Bariumoxid, 2 bis 15 Gew.-% ZrO2 und 5 bis 15 Gew.-% eines Oxids aus der Gruppe
von CaO, ZnO, PbO, CdO und SrO, wobei der Anteil jedes dieser Oxide 10 Gew.-% nicht
überschreitet, welches als kleiner Linsen teil von mehrfokale-n optischen Linsen
geeignet ist. rierüäß dieser Patentveröffentlichung kann das vorstehende Glas weiterhin
eine geringe Menge von B203 enthalten, jedoch ist festgestellt, daß, falls die Menge
an B203 1 Gew.-% übersehreitet, es schwierig wird, ein Glas mit einem hohen Erweichungspunkt
und weiteren günstigen Eigenschaften zu erhalten. Diese Patentveröffentlichung schweigt
sich vollständig hinsichtlich Lichtübertragungskörpern aus, die aus einem Glas mit
guter Wasserbestär.diO-keit aufgebaut sind, welches leicht zu ziehen ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in einem Mehrkomponentenglas
mit verbesserter W"sserbeständigkeits welches zur Anwendung als Kernkomponente von
Glasfasern vom Stufentyp für die Lichtdurchlässigkeit geeignet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Mehrkomponentenglas,
welches zur Anwendung als Kernkomponente geeignet ist, die zum leichten Strecken
bei der Herstellung
von Glasfasern vom Stufentyp für die Lichtübertragung
geeignet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht-in einem Mehrkomponentenglas
mit einem hohen Brechungsindex, weiches zur Anwendung als Kernkomponente eines Lichtübertragungskörpers
vom Stufentyp geeignet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Lichtübertragungskörper
vom Stufentyp, wobei als Kernkomponente ein Mehrkomponentenglas verwendet wird,
welches eine verbesserte Wasserbeständigkeit und einen hohlen Refraktionsindex besitzt
und vorzugsweise um leichten Ziehen geeignet ist.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung.
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Die Aufgaben und Vorteile gemäß der Erfindung werden erfindungsgemäß
durch einen Lichtübertragungskörper vom Stufentyp mit ausgezeichneter Wasserbeständigkeit
erreicht, wobei die Kernkomponente aus einem Glas mit der folgenden Zusammensetzung
in Gewichtsprozent besteht: (1) SiO2 15 - 40 (2) ZrO2 8 - 17, (3) B203 5 - 15, (4)
BaO 30 - 45, (a) Na20 3 - 15, t6) GeO2 O - 30, Ti02 0 - 3, Al2O3 0 - 5, La2O3 0
- 5,
MgO 0 - 5, CaO 0 - 7, ZnO 0 - 7, SrO 0 - 5, Li20 0 - 8, K
0 0 - 10, 2 Rb2O 0 - 5, und Cs2o 0 - 8 mit der Maßgabe,daß daß Si20 + GeO2 15 -
50, ZrO2 + BaO 38 - 55, Na2O+Li20+K20+Rb20+Cs20 5 - 15 und MgO+CaO+ZnO+SrO+TiO2+Al2O3+La2O3
0 - 1 Das charakteristische Merkmal der Zusammensetzung des als Kern für den Lichtübertragungskörper
gemäß der Erfindung vom Stufentyp verwendeten Mehrkomponentenglases liegt darin,
daß (I) es als wesentliche Bestandteile SiO2, Zr02, B203, BaO und Na20 und (II)
als zusätzliche Komponenten mindestens eines der Materialien Ge02, Ti02, Al203,
La2O3, MgO, CaO, ZnO, SrO, Li2O, K2O, RbO und Ca2O enthält.
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Die 5 wesentliche Bestandteile sind notwendig zur Erzielung verschiedener
für eine Kernkomponente eines Lichtübermittlungskörpers erforderlichen Eigenschaften
für ein Mehrkomponentenglas. Insbesondere trägt der Einschluß von ZrO2 und BaO zusammen
zur vollen Ausbildung der verschiedenen
Eigenschaften bei, wie
nachfolgend abgehandelt werden wird Das Mehrkomponentenglas für die Kernkomponente
des Lichtübermittlungskörpers gemäß der Erfindung kann weiterhin die vorstehenden
zusätzlichen Bestandteile enthalter. Diese zusätzlichen Bestandteile dürfen nicht
als Komponenten, die einfach vorliegen können, betrachtet werden, sondern müssen
als Komponenten betrachtet werden, die zusätzliche Eigenschaften für das aus den
vorstehenden wesentlichen Bestandteilen aufgebaute Mehrkomponentenglas ergeben,
ohne daß dessen ausgezeichnete Eigenschaften verschlethtert werken.
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Das 31ehrkomponentenglas enthält die wesentlichen Komponenten und
die zusätzlichen Komponenten in den vorstehend abgehandelten spezifischen Anteilen.
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Das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung unterscheidet sich von
dem Mehrkomponentenglas gemäß der vorstehend abgehandelten japanischen Patentveröffentlichung
3352/78 dadurch, daß es BaO enthält, und unterscheidet sich auch von dem Mehrkomponentenglas
der vorstehend abgehandelten japanischen Patentveröffentlichung 3354/78 hinicb'tlich
der Gehalte an SiO2 und SrO+BaO.
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Das Kernglas gemäß der Erfindung unterscheidet sich auch völlig in
den Gehalten an BaO und ZvO2 vom dem Mehrkomponentenglas gemäß der Patentanmeldung
entsprechend der US Serial No. 81257 vom 2.Okt. 1979.
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Auf Grund der unterschiedlichen Zusammensetzung gegen über den bekannten
Gläsern zeigt das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung unterschiedliche Eigenschaften
gegenüber den bisherigen bekannten Mehrkomponentengläsern, beispielsweise
ausgezeichnete
Wasserbeständigkeit, hohe Brechungsindexe und Leichtigkeit des Ziehens oder Spinnens.
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Die Einzelkomponenten der Mehrkomponentengläser gemäß der Erfindung
werden nachfolgend abgehandelt.
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SiO2 Dieser Bestandteil ist wesentlich zur Erzielung von Transparenz
und Wasserbeständigkeit für die Mehrkomponentengläser.
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Die Mehrkomponentengläser gemäß der Erfindung enthalten 15 bis 40
Gew. - Si02. Falls der Gehalt an SìO2 weniger als 15 Gew.-% beträgt, wird die Wasserbeständigkeit
des Glases geschädigt. Falls er 40 Gew.-% überschreitet, nimmt die Viskosität des
Glases zu und der Brechungsindex nimmt ab, so daß es unmöglich wird, ein Mehrkomponentenglas
zu erhalten, welches zur Herstellur.g von Lichtübertragungskörper mit einer großen
numerischen Öffnung geeignet ist.
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Vorzugsweise enthält das Mehrkomponentenglas SiO2 in einem Anteil
von 20 bis 35 Gew.-%.
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B203 Dieser Bestandteil dient zur Erhöhung der Wasserbeständigkeit
des Glases und zur Verhinderung von dessen Kristallisation. Das Mehrkomponentenglas
gemäß der Erfindung enthält B2O3 in einem Anteil von 5 bis 15 Gew.-So, Wenn der
Gehalt von B203 weniger als 5 Gew.-% beträgt, wird der Effekt zur Hemmung der Kristallisation,
der als
Entgasung zu bezeichnen ist , des Glases verringert und
die Viskosität des Glases nimmt zu Falls er andererseits 15 Gew.-% überschreitet,
wird die Wasserbeständigkeit des Glases verringert und die Entglasung des Glases
wird erhöht Vorzugsweise enthält das Mehrkomponentenglas 7 bis 12 Gew.-% B2O3.
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Alkalioxide Die Alkaloxide, worauf sich die worliegende Erfindung
bezieht, sind Na2O, Li2C, K2O, Rb2O und Cs2O.
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Na2O ist einwesentliches Bestandteilselement des Mehrkomponentenglases
gemäß der Erfindung und einer Menge von 3 bis 15 Gew.-% enthalten Di,e weiteren
Alkalimetalloxide Li20, K20, Rb20 und Cs2O können einzeln oder als Gemisch miteinander
in solchen Anteilen verwendet werden, daß die Gesamtmenge dieser Oxide und Na2v
5 bis 15 Gew.-% beträgt Falls beispielsweise die Alkalioxide in einem Anteil von
5 Gew.-% in dem Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung enthalten sind, können die
Alkalioxide 3 Gew.-% Na20 und 2 Gew.-% mindestens eines der anderen Alkalioxide
enthalten.
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Li20 und Cs20 können jeweils in einer Menge bis zu 8 Gew.-% enthalten
sein K20 kann in einer Menge bis zu 10 Gew.-% und Rb20 in einer Menge bis zu 5 Gew.-%
enthalten sein.
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Falls des Gehalt der Alkalioxide weniger al 5 Gew.-% beträgt, wird
die Viskosität des Glases hoch und dLe Entglasungstendenz des Glases nimmt zu Falls
andererseits ihr Gehalt 15 Gew.-% überschreitet, wird die Wasserbeständigkeit des
Glases geschädigt.
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Die Wasserbeständigkeit des Glases wird gleichfalls geschädigt, falls
die zusätzlichen Alkalioxide außer Na20 in Mengen enthalten sind, die die jeweiligen
oberen Grenzen überschreiten.
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Vorzugsweise enthält das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung
5 bis 12 Gew.-% Na2O und 5 bis 15 Gew. -% der zusätzlichen Alkalioxide.
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BaO Dieser Bestandteil erhöht den Brechungsindex des Glases und ergibt
infolgedessen ein Mehrkomponentenglas für einen Lichtübertragungskörper mit einer
großen numerischen Öffnung.
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Das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung enthält BaO in einer
relativ großen Menge, nämlich in einer Menge von 30 bis 45 Gew.-%.
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Falls die Menge des BaO weniger als 30 Gew.-% beträgt, kann kein
Glas mit einem so hohen Brechungsindex wie gewünscht gemäß der Erfindung erhalten
werden. Falls der Betrag 45 Gew.-% überschreitet, nimmt die Fntglasung des Glases
zu und die Wasserbeständigkeit wird gleichfalls geschädigt.
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Vorzugsweise enthält das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung
<0 bis 40 Gew.-% BaO ZrO2 Dieser Bestandteil erhöht den Brechungsindex des Glases
und ergibt infolgedessen ein Mehrkomponentenglas für einen lichtübermittelnden Körper
mit einer großen
numerischen Öffnung.
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Zr02 ist dadurch charakteristisch, daß es, falls es zusammen mit
BaO in dem Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung enthalten ist, synergistisch
den Brechungsindex des Mehrkomponentenglases erhöht.
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Untersuchungen im Rahmen der Erfindung zeigten, daß, falls drei Arten
von Glas durch Einverleibung von ZrO2 oder BaO oder ZrO2+BaO in eine Grundmasse
SiO2-B203-Na20 hergestellt werden, das sowohl Zr02 als auch RaO enthaltende Mehrkomponentenglas
eine weit größere Erhöhung des Brechungsindexes zeigt, als die Gesamte Zunahme des
Brecilungsindexes des Zr02 oder BaO eizeln enthaltenden Mehrkomponentenglases. Es
wurde auch im Rahmen der Erfindung gefunden,daß die Einwirkung von Zr02 zur synergistischen
Erhöhung des Brechungsindexes nicht nur in Kombination mit BaO, sondern auch in
Kombination mit weiteren Oxiden wie CaO, TiO2, ZnO, GeO2, SrO und La203 gezeigt
wird.
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Ein weiteres Merkmal von ZrO2 liegt darin, daß es den Brechungsindex
von Glas je Prozentsatz Einheitsgewicht an ZrO2 zu einem größeren Ausmaß als die
anderen Oxide erhöhe.
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Das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung hat somit den Vorteil,
daß der Einschluß von Zr02 zu einem hohen Breehungsinde- des Glases ohne die Notwendigkeit
der Einverleibung großer Mengen weiterer Oxide führt und infolgedessen die Verringerung
der Wasserbeständigkeit auf Grund der weiteren Oxide auf einem Minimum gehalten
werden kann Das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung kann 8 bis 17 Gew.-% ZrO2
enthalten. Falls der Gehalten an ZrO2 weniger als 8 Gew.-% beträgt, ist der synergistische
Effekt zur Erhöhung
des Blechungsindexes des Glases gering. Falls
der Betrag 17 Gew.-% überschreitet, nimmt die Entglasungstendenz des Glases abrupt
zu.
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Falls die Gehalte an ZrO2 und BaO die spezifischen oberen Grenzen
überschreiten, wird die Entglasungstendenz des Glases erhöht. Die obere Grenze des
Gesamtbetrages aus ZrO2 und BaC beträgt günstigerweise 55 Gew.-%, vorzugsweise 50
Gew.-%.
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Zusätzliche Bestandteile Unter den zusätzlichen Bestandteilen wurden
Li20, K20, Rb20 und Cs2O bereits vorstehend abgehandelt.
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Die weiteren zusätzlichen erfindungsgemäß einsetzbaren Bestandteile
sind GeO2, TiOz, A1203, La203, MgO, CaO, ZnO und SrO.
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Das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung kann 0 bis 30 Gew.-%
Ge02, 0 bis 3 Gew.-% TiO2, 0 bis 5 Gew.-% Al203, 0 bis 5 Gew.-% La203, 0 bis 5 Gew.-%
MgO, 0 bis 7 Gew.-% CaO, 0 bis 7 Gew.-% ZnO und 0 bis 5 Gew.-% SrO enthalten.
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Mit Ausnahme von A1203 dienen diese Komponenten zur Erhöhung des
Brechungsindexes in synergistischer Weise in Kombination mit ZrO2 oder BaO. Insbesondere
besitzen Ti02, MgO, CaO und ZnO ein hohes Ausmaß dieser synergistischen Wirkung
und werden infolgedessen erfindungsgemäß bevorzugt.
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Bevorzugt werden die vorstehenden zusätzlichen Bestandteile in einer
Menge von mindestens 1 Gew.-% eingesetzt.
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Sie werden so verwendet, uaß die Gesamtmenge an MgO, CaO, ZnOy SrO,
TiO2, A1200 und La203 nicht mehr als 12 Gew.-% beträgt,und das GeO2 wird so verwendet,
daß die Gesamtmenge
an GeO2 und rriO2 1¢ bis 50 Gew.-% beträgt
Wie das vorstehend beschriebene SiO2 wirkt das GeO2 als Vernetzungsbildner im Mehrkomponentenglas
gemaß der Erfindung Da jedoch GeO2 eine größere Wirkung zur Verringerung der Wasserbeständigkeit
des Glases als TiO2 besitzt, ist es ungünstig, zu viel GeO2 einzuverleiben Gemäß
der Erfindung ergibt sich ein Lichtübertragungskörper vom Stufentyp, welcher als
Kernkomponente -das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung mit ausgezeichneter
Wasserbeständigkeit 9 einem hohen Brechungsindex von beispielsweise 1,60 bis ,66
und einem niedriger Verlust an Lichtdurchlässigkeit aufweist Ein weiteres charakteristisches
Merkmal des Mehrkomponentenglases gemäß der Erfindung liegt darin, daß -es wirksam
einen Lichtübertragungskörper vom Stufentyp mit einem einheitlichen Verhalten liefern
kann, da es eine verringerte Tendenz zur Entgasung besitzt und leicht zur Übereinstimmung
seiner Viskosität und des linearen Ausdehnungskoeffizienten mit denjenigen eines
Deckglases gebracht werden kann Der Lichtübertragungskörper vom Stufentyp aus dem
Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung als Kernkomponente kann üblicherweise durch
Verfahren hergestellt werden, die als Doppeh- oder Mehrfach-Schmelztiegelverfahren
und Stangenstabverfahren, das auch als Stab-in-Rohr-Verfahren bezeichnet wird, bekannt
sind Nach dem Doppelschmelztiegelverfahren kann der Liclltübertragungskörper vom
Stufentyp dadurch hergestellt werden, daß eine Glasmasse für die Kernkomponente
und eine Glasmasse für die Deckkomponente im geschmolzenen Zustand
in
einem konzentrisch angebrachten inneren Schmelztiegel und einem äußeren Schmelztiegel
gehalten werden, die Glasmassen nach abwärts jeweils von den Öffnungen an den unteren
Enden der Schmelztiegel strömen gelassen werden und die strömenden Glasschmelzen
zusammengestreckt werden.
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Das Rohr-Stab-Verfahren umfaßt die Einsetzung eines runden Stabes,
der aus der Glasmasse für die Kernkomponente aufgebaut ist, in ein aus der Glasmasse
für die Deckkomponente aufgebautes Rohr, Erhitzen derselben und Schmelzen derselben
miteinander und, Strecken der Ar£3rdnung Gemaß der Erfindung wird ein Mehrkomponentenglas
mit einem Refraktionsindex von 1,60 bis 1,66 angewandt. Durch die Anwendung desselben
in Kombination mit einem als Deckkomponente für lichtübertragende Körper vom Stufentyp
verwendcten gewöhillichen Mehrkomponentenglases wird vorteilhafterweise ein Lichtübertragungskörper
vom Stufentyp mit einer so großen numerischen Öffnung wie etwa 0,50 bis 0,69 erhalten.
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Auf Grund seiner verringerten Tendenz zur Entgasung und des hohen
Brechungsindexes kann das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung als Kernkomponente
von licutübertragenden Körpern vom Stufentyp verwendet werden, die verschiedene
Mehrkomponentengläser als Deckkomponente enthalten.
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Mehrkomponentenglasmassen mit in gleicher Weise ausgezeichneter Wasserbeständigkeit
für die Kernkomponente werden vorzugsweise als Deckkomponente in dem Lichtübermittlungskörper
gemäß der Erfindung vom Stufentyp verwendet. Besonders bevorzugte Mehrkomponentenglasmassen
zur Anwendung als Deckkomponente sind solche, die in ae älteam
24.
April 1980 ren DE-OS 2940451 beschrieben sind. Auf die / veröffentlichte DE-OS 2940451
wird deshalb hier besonders Bezug genommen.
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Das Mehrkomponentenglas als Deckkomponente gemäß der vorstehenden
DE-OS umfaßt (a) 38 bis 70 Gew.-% SiO2, 4 bis 22 Gew.-% B203, 8 bis 24 Gew.-% Na2u,
1 bis 22 Gew.-% Al203 und 1 bis 16 Gew.-% ZnO als wesentliche Bestandteile und (b)
1 bis 15 Gew.-% K2O, 0 bis 15 Gew.-% Li2O, 0 bis 15 Gew.-% Cs2O, 0 bis 7 Gew.-%
TiO2, 0 bis 7 Gew.-% ZrO2, 0 bis 7 Gew-.% CaO, O bis 7 Gew.-% BaO und 0 bis 7 Gew.-%
MgO als zusätzliche Bestandteile mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge der Alkalioxide
'3 bis 24 Gew.-% und dic Gesamtmenge an Al203, ZnO, TiO2, ZrO2, CaO, BaO und MgO
2 bis 32 Gew.-% betragen.
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Vorzugsweise enthält dieses Mehrkomponentendeckglas (a') 46 bis 70
Gew.- SiO2, 6 bis 20 Gew.-% B203, 8 bis 24 Gew.-% Na2O, 1 bis 15 Gew.-% A1203 und
1 bis 16 Gew.-% ZnO und (b) 0 bis 15 Gew.-% K20, 0 bis 15 Gew.-% Li2O, 0 bis 15
Gew.-% Cs2O, 0 bis 7 Gew.-% TiO2, O bis 5 Gew.-% ZrO2, 0 bis 7 Gew.-% CaO und O
bis 7 Gew.-% BaO, mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge der Alkalioxide 16 bis 24
Gew.-% und die Gesamtmenge an Al203, ZnO, TiO2, ZrO2,
CaO und BaO
2 bis 20 Gew.-% beträgt.
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Bevorzugt enthält dieses Deckglas (a") 38 bis 57 Gew.-% SiO2, 4 bis
22 Gew.-% B203, 8 bis 2t Gew.-% Na2O, 15 bis 22 Gew.-% Al2O3 und 1 bis 16 Gew.-o
ZnO und (b") 0 bis 15 Gew.-% K20, 0 bis 15 Gew.-% Li2O, O bis 15 Gew.-% Cs20, 0
bis 7 Gew.-% TiO2, O bis 7 Gew.-% ZrO2, 0 bis 7 Gew.--% CaO, O bis 7 Gew.- BaO und
G bis 7 Gew.-% MgO mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge der Alkalioxide 13 bis 24
Gew.-%o und die Gesamtmenge an Al3O3, ZnO, TiO2, ZrO2, CaO, BaO und MgO 16 bis 32
aew.-% beträgt.
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Vorzugsweise hat die Deckglaskomponente zur Herstellung des Lichtübertragungskörpers
vom Stufentyp gemäß der Erfindung eine Differenz in der Temperatur, bei der di Viskosität
des Glases 103,5 Poisen ist, von nicht mehr als 1900C gegenüber der Kernglaskomponente
und eine Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten von nicht mehr als 14 x
10-7 gegenüber der Kernglaskomponente.
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Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele erläutern die Erfindung
im einzelnen. Die verschiedenen Eigenschaften der Gläser und Lichtübertragungskörper
in diesen Beispielen wurden nach den folgenden Verfahren bestimmt.
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Wasserbeständigkeit des Glases Ein Glasstab mit einem Durchmesser
von 2 bis 3 mm wurde aus einer Schmelze einer Mehrkomponentenglasprobe gezogen und
ein Siliconharz wurde auf die Oberfläche des erhaltenen Glasstabes aufgezogen Der
mit Silicon überzogene Glasstab wurde dann in destilliertes Wasser von 900C eingetaucht
und alle 10 Std zur Untersuchung seiner Oberfläche unter einem optischen Mikroskop
entnommen Die Zeitdauer, bei der ein Niederschlag einen Verlust des Platzes auf
der Oberfläche des Glasstabes verursachte, wurde beobachtet und wird als Grenze
der Wasserbeständigkeit des Glasstabes angegeben Die in dieser Weise bestimmte Wasserbeständigkeit
gibt gut die Wasserbeständigkeit eines mit Kunststoffen wie Siliconharz überzogenen
Lichtübertragungskörperc in Wasser wieder Untersuchungen im Rahmen der Erfindung
zeigten, daß ein Mehikomponentenglas mit einer Wasserbeständigkeit von mehr als
90 Std einen lichtübertragenden Körper von sehr hohem Gebrauchswert ergibt Linearer
Ausdehnungskoeffizient und Brechungsindex Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde
mittels der üblicherweise auf dem Fachgebiet angewerdten Instrumente gemessen. Der
Brechungsindex wurde unter Anwendung eines Abbe-Refraktometers gemessen Viskosität
Die Viskosität der Glasprobe wurde bei 800 Lis 1 nach einem Sedimentationsverfahren
unter Anwendung einer Platinkugel gemessen und die Temperatur-Viskositatskurve
der
Probe wurde aufgezeichnet. Aus dieser Kurve wurde die Temperatur, bei der das Glas
eine Viskosität von 103,5 $Poisen hatte, bestimmt. Diese Temperatur entspricht der
für das Spinnen (Ziehen) geeigneten Temperatur.
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Entgla sungstendenz Etwa 50 g Glasmasse wurden von dem durch Schmelzen
in einem Elektroofen hergestellten Glas genommen. Die Oberfläche wurde gewaschen
und getrocknet und dann wurde die Glasmasse auf einen Platinboden gegeben. Sie wurde
dann in einem Elektroofen bei 9500C während 5 Std. gha1 ten. Dann wurde das Glas
aus dem Elektroofen entnommen und der Abkühlung auf Raumtemperatur überlassen. Die
Oberfläche und das In-nre der Glasmasse wurden sorgfältig auf das Vorhandensein
oder Fehlen von ausgefällten Kristallen untersucht. Falls keine Ausfällung von Kristallen
auftrat, wurde die Probe mit "gut" bewertet. Es wurde gefunden, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung die mit gut bewerteten Gläser eine überlegene Brauchbarkeit hatten, bohne
daß irgendwelche auf die Ausfällung von Kristallen zurückzuführende Störungen auftraten.
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Übertragungsverlust eines lichtübertragenen Körpers Die Ubertragungsverluste
bei 830 nm und 630 nm wurden unter Anwendung einer Licht emittierenden Diode gemessen.
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Beispiele 1 bis 20 und Verglej.chsbeispiele 1 bis 4 Gläser mit den
in Tabelle I aufgeführten Zusammensetzungen wurden hergestellt. 1 000 g jedes dieser
Gläser wurden in einen Platin- oder Quarzschmelztiegel gegeben und in einem Elektroofen
bei 1 200 bis 1 300C während 2 bis 4 Std. geschmolzen. Zur Entfernung sehr kleiner
Lftblasen in dem Glas wurden 0,3 bis 0,69 g arsenige Säure oder Antimontrioxid auf
100 g Glas zugesetzt. Ein deralntig geringer Anteil an arseniger Säure oder Antimontrioxid
übt keinerlei feststellbaren Einfluß auf die Eigenschaften des Glases aus.
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Die Eigenschaften der geschmolzenen Gläser wurden nach den vorstehend
beschriebenen Verfahren ermittelt; die Ergebnisse sind in Tabelle I enthalten.
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Zum Vergleich sind auch vier bekannte Glasmassen und deren Eigenschaften
in die Tabelle I aufgenommen. Bei den Vergleiehsbeispielen zeigen die bei den Ziffern
hinsichtlich deren Zusammensetzungen angegebenen Sternchen an, daß diese Werte außerhalb
der erfindungsgemäß vorgeschriebenen Zusammensetzung legen.
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Tabelle I Beispiel Zusammensetzung 1 2 3 4 5 6 7 8 SiO2 34 33 27
30 33 38 30 33 B203 8 7 10 9 11: 6 11 11 Li2O3 7 - - - - - - -Na2O 4 11 9 10 15
12 10 11 K20 - - - - - - - -Rb2O - - - - - - - -Cs2O - - - - - - - -MgO - - - -
- 4 - -CaO - - - 1 - - - -SrO - - - - - - - 3 ZrO@ 8 10 17 13 9 8 10 10 BaO 33 36
32 37 30 32 35 32 ZnO - 3 - - - - - -TiO2 - - - - 2 - - -GeO2 5 - 5 - - - - -La2O3
- - - - - - 4 -A1203 1 - - - - - - -Eigenschaften des Glases Wasserbeständig- 180
190 250 210 190 180 190 200 keit (Std.) Temperatur, bei der die Viskosi- 881 902
964 916 900 918 897 88G tät 103,5 Poisen beträgt (°C) Entglasungsten- gut gut gut
gut gut gut gut gut denz Brechungsindex 1,618 1,634 1,653 1,645 1,618 1,613 1,639
1,628 Linearer Ausdehnungskoeffizient 93 95 98 94 95 105 96 96 (x 107)
Tabelle
I (Fortsetzung) Beispiel Zusammensetzung 9 10 11 12 13 14 1516 SiO2 32 30 35 30
31 17 29 30 B2O3 7 10 8 11 8 6 11 14 Li2O3 - - - - - 3 - -Na2O 11 7 4 10 10 3 10
4 K2O - 3 - - - - - -Rb2O - - - - - - - -Cs2O - - 7 - - - - 4 MgO - - - - - - -
2 CaO - 7 - 4 - - 2 5 SrO - - - 2 - - -ZrO2 9 8 11 8 8 9 15 8 BaO 35 32 35 32 43
35 33 30 ZnO 6 - - - - - -TiO2 - 1 - - - - -GeO2 - - - - 27 -La203 3 - - 3- - -
2 A1203 - 2 = - - - - 1 Eingeschaften des Glases Wasserbestän- 200 190 i90 180 160
180 230 180 digkeit (Std.) Temperatur, bei der die Visko- 895 853 905 856 851 860
935 861 sität 103,5 Poisen beträgt (°C) Entglasungs gut gut gut gut gut gut gut
gut tendenz Brechungsindex 1,633 1,638 1,630 1,636 1,638 1,641 1,649 1,637 Linearer
Ausdehnungskoeffi- 93 95 96 95 96 98 100 93 zient (x 107)
Tabelle
I (Fortsetzung) Beispiel Vergleichsbeispiel Zusammensetzung 17 18 19 20 1 2 3 SiO2
36 37 33 38 32 24 30 B2O3 12 9 13 10 8 8 18* 10 Li2O3 - - -2 10* - - -Na2O 7 3 6
7 2* 9 7 1@ K2O - 9 2 3 - - - -Rb2O 5 - - - - - - -Cs2O - - - - - - - -MgO w 2 -
- - - -CaO - - - - 2 -SrO - - - - - - -ZrO 10 8 9 8 10 22 8 BaO 30 30 32 32 33 35
32 4! ZnO TiO2 - - - - - -GeO2 La2O3 - - - - - - 5 Al2O3 - 2 5 - 3 2 Eigenschaften
des Glases Wasserbestän- 200 190 210 180 - - 80 3 digkeit (Std.) Temperatur, bei
der die Visko- 900 892 899 884 - - 824 sität 10@,@ Poisen beträgt (°C) Entglasungsten-
gut gut gut gut schlecht schlecht ziemlich denz gut gut gnt gut schlecht gu Brechungsindex
1,622 1,610 1,618 1,614 - - 1,605 1,61 Linearer Ausdehnungskoeffi- 94 94 95 93 -
- 95 10 zient (x 107)
Die Mebrkomponentengläser in den Vergleichsbeispielen
1 und 2 zeigen eine starke Entglasungstendenz. Das Mehrkomponentenglas des Vergleichsbeispiels
3 zeigt eine starke Entglasungstendenz und hat eine schlechte Wasserbeständigkeit.
Das Mehrkomponentenglas des Vergleichsbeispiels 4 hat eine schlechte Wasserbeständigkeit.
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Im Gegensatz hierzu besitzen die Mehrkomponentengläser der Beispiele
1 bis 20 eine ausgezeichnete Wasseroeständigkeit von 160 bis 250 Stunden, eine verringerte
Entglasungstendenz und einen hohen Brechungsindex von 1,610 bis 1,654 in gut ausgewogener
Kombination.
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Beispiele 21 bis 24 In Tabelle II sind die Sigenschaften von Lichtübertragungskörpern
gezeigt, welche unter Anwendung der Mehrkomponentengläser der Beispiele 6, 1, 16
und 3 (Beispiele 21, 22, 23 und 24) als Kernkomponente hergestellt wurden, sowie
die Zusammensetzungen der eingesetzten Deckglaskomponenten.
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Diese Lichtübertragungskörper wurden unter Anwendung eines Platindoppelschmelztiegels
hergestellt. Das Kernglas hatte einen Durchmesser von 100 nm und der Außendurchmesser
des erhaltenen Lichtubertragungskörpers betrug 150 nm.
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Tabelle II Beispiel 21 22 23 24 Kern- Deck- Kern- Deck- Kern- Deck-
Kern- Decl Zusammensetzung glas glas glas glas glas glas glas gla; SiO2 38 55 34
45 .30 58 27 4 B203 6 13 8 17 14 10 10 Li2O - 2 7 - - - -Na2O 12 14 4 15 4 20 9
K2O - 4 - - - 2 ~ Rb2O - - - - - - -Cs2O - - - - 4 - -Mg 4 2 - - 2 - -CaO - - -
- 5 - -SrO - - - - - - -ZrO2 8 - 8 - 8 - 17 BaO 32 - 33 - 30 - 32 ZnO - 7 - 8 -
5 -TiO2 - - - - - - -GeO2 - - 5 - - - 5 La2O3 - - - - 2 - -Al2O3 - 3 1 15 1 5 -Eigenschaften
Linearer Ausdehnungskoeffizient 105 95 93 87 93 92 98 (x 107) Temperatur, bei der
die Viskosi- 918 976 881 1010 861 9#2 964 10 tät 103,5 Poisen beträgt (°C) Entglasungsten-
gut gut gut gut gut gut gut g denz Übertragungsver- 9,2 dB/km 10,5 dB/km 12,3 dB/km
14,6 dB.
-
lust (830 nm) Übertragungsver- 16,4 dB/km 18,0 dB/km 18,7 dB/km 22,8
dB lust (630 nm) Numerische Öff- 0,56 0,57 0,61 0,66 nung