DE3617363C2

DE3617363C2 -

Info

Publication number: DE3617363C2
Application number: DE3617363A
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Dr. 6500 Mainz De Hoffmann
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1986-05-23
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1989-04-13
Also published as: DE3617363A1; JPS6325234A; US4986939A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zylindersymmetrische Formkörper mit einstellbarem Gefälle der Materialeigenschaften.

Die bisherigen Herstellungsverfahren und die Verwendung von Materialien mit einem radialen Gefälle eines physikalischen Materialparameters können am Beispiel der Herstellung von Gradienten-Index-Linsen erläutert werden. Bei diesen Linsen werden Gläser mit einem radialen Gefälle der Brechzahl verwendet. Die Brechzahl n(r) als Funktion des Radius r vom Mittelpunkt der scheibenförmigen Linse hat bevorzugt einen quadratischen Verlauf

wobei n₀ und n₁ die Brechzahlen in der Mitte bei r = 0 bzw. am Rand bei r=R sind.

Solche Gradienten-Index-Linsen können aus Glas durch Ionenaustausch hergestellt werden. Man bringt dabei einen zylindrischen Glasstab z. B. in ein Salzbad, das Ionen enthält, die gegen andere Ionen im Glas durch Ein- bzw. Ausdiffusion bei höheren Temperaturen ausgetauscht werden. Da sich mit dem Ionenaustausch die Zusammensetzung des Glases in den Diffusionszonen verändert, verändert sich auch mit der Konzentration an jeweils ausgetauschten Ionen die Brechzahl. Zerlegt man die Stäbe in Scheiben und poliert diese Scheiben, so erhält man Gradienten-Index-Linsen. Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile, die bisher einen verbreiteten Einsatz verhindert haben:

- Die gewünschten n(r)-Verläufe lassen sich nur schwierig mit genügender Genauigkeit einstellen.
- Die Diffusionsprozesse laufen über große Entfernungen auch bei höheren Temperaturen nur sehr langsam ab, so daß lange Diffusionszeiten benötigt werden und Gradienten-Index-Linsen mit nur relativ kleinem Durchmesser hergestellt werden.
- Die Variation Δ n der Brechzahlen durch den Ionenaustausch ist klein (maximal Δ n ≈ 0,15), da nur Ionen mit vergleichsweise geringer Konzentration und mit geringem Beitrag zur elektronischen Polarisierbarkeit der Gläser ausgetauscht werden können.
- Es kann nur bei einer geringen Anzahl von Gläsern ein hinreichender Ionenaustausch vorgenommen werden, so daß man nur eine begrenzte Auswahl an möglichen Dispersionsverläufen n(r, λ) herstellen kann. Hierdurch sind die Korrekturmöglichkeiten eingeschränkt.

Weiterhin kann man Stäbe mit radialem Gefälle der Brechzahl herstellen, indem schichtweise Material mit variabler Zusammensetzung abgeschieden wird. Hierzu können CVD-Verfahren (chemical vapor deposition), Aufdampfen und ähnliche Verfahren eingesetzt werden. Um die erforderliche Homogenität zu erreichen, darf bei diesem Verfahren jeweils nur eine dünne Schicht an Material abgeschieden werden, und die Zusammensetzung muß sich von Schicht zu Schicht ändern. Es sind deshalb lange Herstellungszeiten erforderlich, so daß diese Verfahren in vielen Fällen nicht wirtschaftlich sind.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem die angegebenen Nachteile der bisherigen Verfahren weitgehend vermieden werden. Dieses Ziel wird mit einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen erreicht. Es stellte sich heraus, daß man mit diesem neuen Verfahren eine radiale Veränderung vieler Materialeigenschaften einstellen kann. Nachstehend soll das Verfahren am Beispiel der Herstellung von Stäben mit radialer Änderung der Brechzahl n(r) ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Stabes, der symmetrisch zu gleichen Teilen aus zwei Materialien mit den Brechzahlen n₀ und n₁ zusammengesetzt ist. Durch Erhöhung der Temperatur wird die Viskosität beider Materialien soweit herabgesetzt, daß der Stab um seine Längsachse bleibend verdrillt werden kann. Es genügt dabei, daß man zunächst an einem Ende des Stabes mit der Erwärmung beginnt und dort den Stab zu verdrillen beginnt. Bewegt man die durch die Erwärmung gebildete Zone niedriger Viskosität durch den Stab zum anderen Ende, während der Stab weiter verdrillt wird, so sind die beiden Bereiche mit den Brechzahlen n₀ und n₁ spiralig miteinander verbunden.

Die Gänge der Spiralen liegen umso dichter, je größer die Anzahl der verdrillenden Umdrehungen ist. Man kann auf diese Weise jede gewünscht Ganghöhe und Homogenität der Brechzahl einstellen. Wenn die Ganghöhe bereits sehr klein ist, kann man je nach Anforderung die Homogenität weiter dadurch verbessern, daß man den Stab noch längere Zeit bei höheren Temperaturen beläßt und auf diese Weise einen Austausch zwischen beiden Materialien durch Diffusion begünstigt.

Während der Stab nach Fig. 1 aus zwei Hälften mit den Brechzahlen n₀ und n₁ bestand, besitzt er im vorliegenden Beispiel nach dem Verdrillen, dem Halten bei erhöhter Temperatur und Abkühlen auf niedrige Viskosität eine annähernd gleichförmige mittlere Brechzahl. Wählt man eine andere Verteilung der Querschnittsflächen der Materialien mit Brechzahlen n₀, n₁, n₂ usw., so sind auf vielfältige Weise unterschiedliche n(r)-Abhängigkeiten einstellbar. Einige Beispiele für die Verteilung der Brechzahlen vor dem Verdrillen sind in den Fig. 2 bis 10 dargestellt.

Die entsprechenden Formkörper der Teile können z. B. durch Ziehen, Gießen, Bohren, Schleifen, Pressen, Strangpressen oder Ultraschallbohren hergestellt werden. Durch Gießen oder Ziehen aus einem Doppel- oder Mehrfachtiegel mit geeignet geformten Düsen lassen sich solche Profile mit unterschiedlichen Materialien unmittelbar herstellen und anschließend bleibend verdrillen. Setzt man voraus, daß die einzelnen Materialkomponenten mit den Brechzahlen n₁, n₂, n₃ usw. entsprechend ihrem Volumenanteil zur mittleren Brechzahl beitragen, so ist die Brechzahl n im Abstand r gegeben durch die relativen einzelnen Winkelanteile der entsprechenden Kreisbögen

In Fig. 2 sind die Winkel α₀ und α₁ zu den Materialien mit den Brechzahlen n₀ und n₁ beim Radius r eingezeichnet.

Wenn die Brechzahl sich nicht einfach als additive Überlagerung der einzelnen Komponenten darstellen läßt, muß man Korrekturen anbringen, die man mit hinreichender Genauigkeit experimentell bestimmen kann.

Von besonderer praktischer Bedeutung für Gradienten-Index-Linsen ist das Brechzahlprofil nach Gleichung (1). Bei additiver Überlagerung der relativen Anteile zweier Komponenten kann man ein derartiges Profil erreichen, wenn man die relativen Anteile

Mit Hilfe dieser Bedingung lassen sich die Profile für beide Materialien mit den Brechzahlen n₀ und n₁ vor dem Verdrillen auf vielfältige Weise festlegen. Mögliche Verteilungen sind in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Es handelt sich hierbei um Begrenzungskurven, die aus der Bedingung

mit N = 1, 2, 3 usw. und k = 0, . . . N - 1 für 0 r R folgen. In (4) bedeuten r und ϕ die Polarkoordinaten der Begrenzungskurven.

Fig. 3 zeigt die Verteilung mit N = 1, Fig. 4 mit N = 2 und Fig. 5 mit N = 4. Diese Verteilungen der Materialien mit den Brechzahlen n₀ und n₁ auf den Querschnitt stellen jedoch nur Spezialfälle der viel allgemeineren Bedingungen (3) dar. Für die Praxis kann es jedoch von Vorteil sein, möglichst einfache geometrische Formen als Begrenzung der einzelnen Komponenten zu verwenden. Tatsächlich kann man jede Verteilung der Materialien unterschiedlicher Brechzahlen auch z. B. durch Kreisflächen hinreichend genau approximieren. Da man Gläser nicht nur mit unterschiedlichen Brechzahlen n _i, sondern auch mit unterschiedlichen Dispersionen kombinieren kann, läßt sich nicht nur eine beliebige Vielzahl von verschiedenen Brechzahlverläufen n(r), sondern sogar gleichzeitig eine Vielzahl von Dispersionsverläufen n(λ, r) herstellen. Man hat hier demnach einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Korrektur von Linsen zur Verfügung.

Gradienten-Index-Linsen können aus einem Stab, in dem in der beschriebenen Weise durch ein gewünschtes Brechzahlprofil n(r) eingestellt wurde, durch Zersägen in Scheiben und anschließendes Polieren hergestellt werden. Da die Brennweite einer derartigen Linse von ihrer Dicke abhängt, kann man eine kontinuierliche Brennweitenveränderung in der Linse erreichen, indem man die Dicke der Linse keilförmig gestaltet. Weiterhin kann man beliebige Schnittwinkel zur Achse des Gradientenstabes einstellen. Dann wird die Brechkraft der Linse zylindrisch verzerrt. Somit lassen sich auf relativ einfache Weise zylindrische Linsenkorrekturen einstellen.

Solche Gradientenlinsen lassen sich auf bekannte Weise durch Beschichtung oder Auslagen entspiegeln. Wegen des Brechzahlgefälles hat auch die Güte der Entspiegelung ein leichtes Gefälle, das aber in den meisten Fällen wegen seines geringen Effektes vernachlässigt werden kann.

Beschichtet man die Rückseite von Gradientenlinsen mit einer Spiegelschicht, so lassen sich wegen der vorgelagerten Gradientenlinse ebene Sammel- oder Zerstreuungsspiegel herstellen. Auch hierbei kann man die vielfältigen Korrekturmöglichkeiten analog zu den Gradientenlinsen nutzen; man erhält Spiegel mit kontinuierlicher Brennweitenveränderung als Funktion des Ortes in der Spiegelebene, wenn man keilförmige Gradientenlinsen verspiegelt, und Ellipsoid-, Paraboloid- oder Hyperboloidspiegel, wenn man Linsen, die nicht senkrecht zur Achse des Gradientenstabes geschnitten wurden, auf der Rückseite verspiegelt. Der Vorteil dieser Spiegel liegt darin, daß sie ebene Oberflächen haben können. Dies erleichtert die Herstellung insbesondere von asphärischen Spiegeln.

Das beschriebene Verfahren läßt sich nicht nur für Stäbe mit einem radialen Gefälle der Brechzahl verwenden. Man kann z. B. auch mehrere Materialien mit unterschiedlichen Absorptionsverläufen kombinieren und auf diese Weise eine gewünschte radiale Verteilung des Absorptionsvermögens einstellen. Auch eine radiale Verteilung der Konzentration von fluoreszenzfähigen Ionen läßt sich gezielt einstellen. So läßt sich z. B. für Laserstäbe die Dotierungsdichte mit aktiven Ionen gezielt so einstellen, daß die Stäbe beim radialen Pumpen homogen angeregt werden. Auch eine Kombination verschiedener fluoreszenzfähiger Ionen mit unterschiedlichen Konzentrationen ist auf diese Weise in den verschiedenen Teilen eines Laserstabes möglich.

Bisher wurde nur die Einstellung radialer Abhängigkeiten optischer Eigenschaften und mögliche Anwendungen beschrieben. Prinzipiell lassen sich mit dem angegebenen Verfahren aber radiale Änderungen fast aller Materialparameter von festen Stoffen auf die gleiche Weise einstellen. Dies gilt z. B. für

- die thermische Ausdehnung,
- die elektrische und thermische Leitfähigkeit,
- die Temperaturabhängigkeit von Brechzahl, Reflexions- und Absorptionsvermögen,
- der Bandabstand kristalliner und amorpher Halbleiter,
- der Elastizitätsmodul, der Schermodul,
- die Dichte,
- die Magnetisierbarkeit,
- die chemische Beständigkeit.

Wählt man bei den Profilen nach Fig. 6 und 7 ein Material, das sich unter der Einwirkung geeigneter Lösungsmittel auflöst und ein anderes, das nicht aufgelöst wird, so erhält man Stäbe oder Rohre mit einer extrem vergrößerten Oberfläche. Andererseits kann man auch ein Material wählen, das erst nach einer geeigneten Temperbehandlung partiell zu einer porösen Struktur auslaugbar ist. Die Gänge des nicht auslaugbaren Materials wirken dann als Stützmaterial für das porös ausgelaugte Material. Hierdurch kann die Oberfläche von Rohren innen und außen beträchtlich vergrößert werden. Man kann das Profil der auslaugbaren und der nicht auslaugbaren Materialkomponenten auch so gestalten, daß nach dem Verdrillen dünne poröse Schichten zwischen soliden Schichten aus Stützmaterial spiralig in einer Rohrwand liegen. Das Profil vor dem Verdrillen ist in Fig. 11 skizziert, wenn das Material n₀ auslaugbar ist und das Material n₁ nicht auslaugbar ist.

Dies ist ein Beispiel, wie man mit dem beschriebenen Verfahren nicht nur bei kompakten zylindrischen Formen, sondern auch bei Rohren die Materialeigenschaften verändern kann.

Weiterhin ist wichtig, daß man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf die Verwendung von Gläsern beschränkt ist. Man kann das Verfahren bei allen Materialien anwenden, bei denen man die Viskosität in irgendeiner Weise erniedrigen kann. Dies wird in vielen Fällen durch Temperaturerhöhung zu erreichen sein. Es ist aber auch - insbesondere bei Kunststoffen - möglich, daß man die Viskosität durch geeignete Lösungsmittel oder andere Chemikalien erniedrigt und dann die Materialien verdrillt und sich wieder verfestigen läßt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines zylindersymmetrischen Körpers mit vorgegebenem radialem Gefälle der Materialeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei stabförmige Formkörper aus Materialien, die unterschiedliche Eigenschaften haben und durch eine viskositätserniedrigende Behandlung zeitweilig in plastisch verformbare Zustände etwa gleicher Viskosität überführbar sind, parallel zusammengebracht und nach ausreichender Erniedrigung der Viskosität beider Materialien um eine Längsachse so oft verdrillt werden, daß ein gewünschtes radiales Gefälle der Materialeigenschaften entsteht, und daß der verdrillte Körper wieder verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität durch Änderung der Temperatur verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verdrillen die Homogenität durch Halten bei erhöhter Temperatur verbessert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität durch Zugabe oder Wegnahme eines Lösungsmittels verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien aus organischen oder anorganischen Gläsern oder Kunststoffen mit unterschiedlichen Brechzahlen bestehen und ein Formkörper mit einem vorgegebenen radialen Gefälle der mittleren Brechzahl hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein schichtförmiger Aufbau erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Material verwendet wird, welches direkt oder nach einer Temperbehandlung ganz oder teilweise auslaugbar ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Material verwendet wird, welches gefärbt ist oder in welchem fluoreszenzfähige Ionen, Atome, Moleküle oder Partikel enthalten sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Material verwendet wird, das photochrome Eigenschaften aufweist.

10. Verwendung der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Körper zur Herstellung von Gradientenlinsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper senkrecht oder unter einem beliebigen Winkel zur Stabachse in planparallele Scheiben oder keilig zertrennt und poliert werden.

11. Verwendung der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Körper zur Herstellung von Linsen mit mindestens einer sphärischen oder asphärischen Oberfläche.

12. Verwendung der nach Anspruch 8 hergestellten Körper zur Herstellung von Scheiben und Platten mit einem Gefälle der Absorption oder Fluoreszenz.

13. Verwendung der nach Anspruch 8 hergestellten Körper als aktive Medien für Festkörperlaser.