DE3101998A1

DE3101998A1 - Infrarot-lichtleitfaser

Info

Publication number: DE3101998A1
Application number: DE19813101998
Authority: DE
Inventors: Kyoshiro Minami Kyoto Imagawe; Shiro Sakuragi
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1981-01-22
Publication date: 1981-11-26
Also published as: JPS56104303A; JPS585407B2; US4717238A; DE3101998C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Lichtleitfaser, deren IR-Transmissionseigens cha ft über einen langen Zeitraum stabil bleibt,

IR-Lichtleitfasern mit einem Kernmaterial aus einem Halogenid, wie TlBr, TlCl, AgBr, CsJ und CsBr können Infrarotlicht größerer Wellenlänge übertragen als IR-Lichtleitfasern aus Materialien, wie Quarz und Glas, und werden daher in vorteilhafter Weise als Übertrager im Langwellenbereich, etwa für COp- oder CO-Laser eingesetzt. Diese IR-Lichtleitfasern haben jedoch den Nachteil, daß ihre Infrarot-Transmissionseigenschaften rasch abnehmen.

Die vorstehenden Halogenide weisen derartig schmale Elastizitätsbereiche auf, daß die daraus hergestellten Lichtleitfasern bereits bei Einwirkung einer sehr geringen Biegekraft sehr leicht plastisch verformt werden. Die plastische Verformung verstärkt die Übergangsschicht zwischen dem Kern und der Überzugsschicht der optischen Fasern bis zu einem Punkt, wo die unebene Zwischenschicht Streuverluste des Infrarotlichts sowie eine Verschlechterung der Transmission verursacht.

Die vorstehenden IR-Lichtleitfasern werden durch Extrusion oder durch Ziehen hergestellt, so daß die erzeugten Kerne eine polykristalline Textur annehmen. Mit fortschreitendem Zeitablauf ermöglichen daher die Kerne ein Wachstum der Mlkrokristalle und unterliegen daher allmählich einer inneren Texturänderung. Gleichzeitig wird die Zwischenschicht zwischen dem Kern und der Umhüllungsschicht allmählich so weit gestört, daß sich eine Abnahme der Transmission der Lichtleitfaser ergibt.

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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine IR-Lichtleitfaser zu schaffen, deren IR-Transmissionseigenschaften für einen langen Zeitraum stabil bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei der erfindungsgemäßen Infrarot-Lichtleitfaser der Kern aus einem Halogenid, wie T13r, TlCl, AgBr, AgCl, CsJ und/oder CrBr, der mit einem geringen Halogenidzusatz dotiert ist.

Da der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz/das andernfalls mögliche gegenseitige Verschieben der Mikrokristalle behindert, weist die erfindungsgemäße Lichtleitfaser eine erhöhte mechanische Festigkeit des Kerns, eine Vergrößerung des Elastizitätsbereichs sowie eine Abnahme der Zwischenflächenver-Stärkung aufgrund plastischer Verformung auf. Ferner behindert der Zusatz das Wachstum der Mikrokristalle und ermöglicht eine lange Aufrechterhaltung der inneren Textur des Kerns, die sich bei der Herstellung der Lichtleitfaser eingestellt hat; dadurch ergibt sich eine lang andauernde Stabilität der Infrarot-Transmissionseigenschaften des Kerns.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Stufenindex-Fig. 1 eine schematische Darstellung einer/IR-Lichtleitfaser

ohne Umhüllungsglas, auf die die Erfindung anwendbar ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer IR-Lichtleit-

faser mit einem Kern sowie Um-

hüllungsglas, auf die die Erfindung anwendbar ist, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der IR-Transmission der erfindungsgemäßen Lichtleitfaser.

Fig. 1 zeigt eine IR-Lichtleitfaser ohne Umhüllungsglas mit einem Kern 1 aus einem Material, dessen Brechungsindex größer

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ist als der von Luft. Ein IR-Lichtstrahl 1, der in den Kern durch dessen eines Ende eingetreten ist, wird zum anderen Ende des Kerns 1 fortgeleitet und dabei einer wiederholten Totalreflexion an der Oberfläche des Kerns 1 unterworfen (d.

h. an der Grenzfläche zwischen dem Kern 1 und der Umgebungsluft).

Stufenindex-

Fig. 2 zeigt eine/iR-Lichtleitfaser mit Duplex-Struktur, bestehend aus einem Kern 1 mit hohem Brechungsindex und einem Umhüllungsglas 2 mit niedrigem Brechungsindex. Ein am einen Ende des Kerns 1 eingetretener IR-Lichtstrahl 1 wird zum anderen Ende des Kerns 1 fortgeleitet und dabei an der Grenzschicht zwischen Kern 1 und dem Umhüllungsglas 2 wiederholt totalereflektiert.

Der Kern 1 der vorstehend beschriebenen IR-LichtIeitfaser gemäß der Erfindung wird in der Weise hergestellt, indem als Hauptbestandteil ein Metallhalogenid, wie TlBr, TlCl, AgBr, AgCl, CsI und CsBr, ausgewählt wird, und diesem Hauptbestandteil wird als Spurenzusatz im Molverhältnis 10 bis 10 , bezogen auf die Hauptkomponente, ein Halogenid zugegeben, das aus einem der Alkalimetalle Li, Na, K, Rb oder Cs oder aus einem der Erdalkalimetalle Ca, Sr oder Ba sowie aus einem der Halogene P, Cl, Br oder J besteht; das erhaltene Gemisch wird thermisch verschmolzen, und das geschmolzene Gemisch

wird zu einem dünnen Stab gegossen, dessen Durchmesser durch das anschließende Extrudieren oder Ziehen vorgegeben wird. Beispielsweise kann als Zusatz ein Tl-Halogenid aus einem der vorstehend erwähnten Halogene eingesetzt werden. 30

Wenn der Anteil des Spurenzusatzes nicht weniger als 10 beträgt, so ist die Gleichförmigkeit der Verteilung des Zusatzes in dem Kernmaterial so stark beeinträchtigt, daß die

Herstellung einer Paser homogener Qualität schwierig wird. 35

Wenn der Anteil des Spurenzusatzes nicht mehr als 10 be-

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trägt, so ist jedoch die gewünschte Wirkung des Zusatzes hinsichtlich der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Kerns nicht in zufriedenstellender Weise zu erreichen.

Das Halogenid der Hauptkomponente des Kerns und das Halogenid des Spurenzusatzes sollten so ausgewählt werden, daß sie in dem Kernmaterial das gleiche Kation oder Anion aufweisen. Wird beispielsweise TlBr als Material für den Kern 1 verwendet, so kann als Spurenzusatz eine der folgenden Substanzen verwendet werden: TlCl, TlI, LiBr, CaBr₂, SrBr₂, BaBr₂, NaBr, KBr, RbBr oder CsBr.

Eine IR-Lichtleitfaser mit einem Kern ohne Umhüllungsglas gemäß Fig. 1 kann in der Weise hergestellt werden, indem etwa

*⁵ TlBr als Hauptmaterial für den Kern ausgewählt wird; diesem Hauptmaterial wird als Spurenzusatz eine geringe Menge an TlCl zugegeben, und das erhaltene Gemisch wird thermisch verschmolzen, und das geschmolzene Gemisch wird zu einem dünnen Stab gegossen, dessen Durchmesser durch das anzuwendende Extrusions- oder Ziehverfahren festgelegt wird. Die so erhaltene IR-Iiichtleitfaser weist einen höheren Brechungsindex als Luft auf.

Eine IR-Lichtleitfaser gemäß Fig. 2 er-

hält man durch Auswahl etwa von TlBr als Hauptmaterial für den Kern, durch Zugabe einer geringen Menge von etwa TlCl oder TU als Spurenzusatz zum Hauptmaterial, durch Herstellen des Stabes aus dem erhaltenen Gemisch in der gleichen Weise wie vorstehend erläutert, durch Auswahl von etwa TlCl als Umhüllungsmaterial und durch Ausformen dieses Halogenids zu einem Rohr, dessen Innendurchmesser groß genug ist, damit der vorstehend erwähnte Stab eingeführt werden kann; schließlich wird der Stab in das Rohr eingeführt, und das aus dem Stab und dem Rohr bestehende Verbundteil wird zu einem umhüllten Kern geformt, dessen Durchmesser durch das anzuwendende Extrusions- oder Ziehverfahren vorgegeben wird. Dadurch

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erhält man eine IR-Lichtleitfaser mit Duplex-Struktur (2-Stufenindexfaser ).

Die erfindungsgemäße IR-Lichtleitfaser verwendet als Spurenzusatz ein Halogenid, das vorzugsweise das gleiche Kation oder das gleiche Anion wie das Ilauptmaterial des Kerns aufweist. Da die Regelmäßigkeit der Kristalle in dem Kernmaterial durch die Zugabe dieses Spurenzusatzes aufgehoben ist, werden das Verschieben zwischen den Kristallmolekülen des Kernmaterials sowie das Mikrokristallwachstum in dem Kern behindert, so daß die Elastizitätsgrenze stark erhöht wird; gleichzeitig wird die Infrarot-Transmission der Paser für einen langen Zeitraum stabilisiert.

Beispiel

Als Hauptmaterial für den Kern wird TlBr verwendet, dem TlCl als Spurenzusatz im Molverhältnis von 10 bezogen auf die Menge des Hauptmaterials zugegeben wird. Das erhaltene Gemisch wird bei etwa 440⁰C geschmolzen, und das geschmolzene Gemisch wird zu einem Stab von 500 um Durchmesser und 3 m Länge extrudlert. Man erhält so eine nicht umhüllte IR-Lichtleitfaser.

Die Transmission der erhaltenen Lichtleitfaser wird gemessen, und die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt; dort gibt die durchgezogene Linie die Transmission der erfindungsgemäßen IR-Lichtleitfaser mit dem Spurenzusatz wieder. Zum Vergleich gibt die gestrichelte Linie die Transmission einer IR-Lichtleitfaser wieder, die unter den gleichen Bedingungen wie die vorstehende Paser hergestellt wurde, wobei jedoch kein Spurenzusatz zugegeben wurde.

Aus der graphischen Darstellung ergibt sich, daß durch die erhöhte Elastizitätsgrenze bei der IR-Lichtleitfaser mit dem Spurenzusatz alle Verformungen in den elastischen Bereich fallen, so daß der oberflächliche und der innere Zustand der

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Faser nicht merklich verschlechtert werden und so die Lichttransmission der Faser über einen langen Zeitraum stabil bleibt.

Derartige Verformungen der Lichtleitfaser werden beispielsweise durch Kräfte verursacht, die zum Biegen oder Verformen der Faser bei der Formgebung der Lichteintritts- oder Lichtaustritts-Endfläche der Faser oder zum Durchführen verschiedener Maßnahmen beim Messen der Transmission einwirken. 10

Demgegenüber ist die zum Vergleich hergestellte Lichtleitfaser ohne Spurenzusatz bei Einwirkung von Kräften zum Biegen oder Verformen sehr leicht einer plastischen Verformung ausgesetzt, und hieraus ergaben sich eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften auf der Oberfläche und im Innern der Faser sowie eine Beeinträchtigung der Transmission der Faser in kurzer Zeit.

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Leerseite

Claims

VOSSIUS ■ VOSS I US ,-TA(J-CcKNiER; '■'j-i fUNEMANN · RAUH SIEBERTSTRASSE 4 ■ 8OOO MÜNCHEN 86 ■ PHONE: (O89) 47 4O7B CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN -TELEX 5-29463VOPAT D U.Z.: P 970 22. Januar 1981 Case: 3318 AGENCY OF INDUSTRIAL SCIENCE & TECHNOLOGY MINISTRY OF INTERNATIONAL TRADE & INDUSTRY " Infrarot-Lichtleitfaser " Patentansprüche

1. Infrarot-Lichtleitfaser mit einem Kern aus einem Halogenid, wie TlBr, TlCl, AgBr, CsJ oder CsBr, dadurch gekennzei chnet , daß der Kern (1) eine geringe Menge eines Halogenidzusatzes enthält, der Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba oder Tl und als Halogen F, Cl, Br oder J aufweist.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halogenidzusatz ein gleiches Kation oder Anion wie das Kernmaterial aufweist.

3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Halogenidzusatzes zum Kernmaterial, bezogen auf die Menge des Kernamterials, 10~¹ bis 10~⁴ Mol beträgt.

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