DE3803421A1 - Optical glasses having extended refractive index gradients - Google Patents
Optical glasses having extended refractive index gradientsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Gläser, die durch einen Ionenaustausch mit einem ausgedehnten Brechzahlgradienten versehen sind und als Basismaterial für inhomogene optische Medien dienen. Solche Medien mit definierter Brechzahlverteilung sind sowohl zum Einsatz in Baugruppen der abbildenden Gradientenoptik (z. B. Mikrolinsensysteme in Kopiergeräten) als auch zur Verwendung als lichtführendes Bauelement in Lichtleiter-Kommunikationssystemen (z. B. Koppel- bzw. Verzweigerelemente in optisch gekoppelten Rechenanlagen oder in entsprechenden Mess-, Kontroll- und Steuereinrichtungen) vorgesehen.The invention relates to glasses by ion exchange are provided with an extended refractive index gradient and serve as base material for inhomogeneous optical media. Such media with a defined refractive index distribution are both for use in modules of the imaging gradient optics (e.g. microlens systems in copiers) as well as for use as a light-guiding component in fiber optic communication systems (e.g. coupling or branching elements in optically coupled computing systems or in corresponding measuring, Inspection and control devices).
Bisher wurden zur Herstellung optisch inhomogener Medien durch Ionenaustausch vorzugsweise kommerzielle optische Gläser eingesetzt, deren Ionentransportverhalten nicht optimiert ist (Glas BK, Jap. Journ. appl. Phys. 20 (4) (1981), p. L 296). Im allgemeinen handelt es sich dabei um Na₂O- oder Na₂O- und K₂O-haltige Vielkomponentengläser, die nur ein begrenztes Ionenaustauschvermögen aufweisen. Größere Brechzahldifferenzen (<0,01) können nur durch einen Alkali/Ag- oder Alkali/Tl-Austausch realisiert werden, wobei die eindiffundierenden Ag⁺-Ionen im allgemeinen zu starken Verfärbungen oder Trübungen im Glas führen. Die hohe Brechkraft von Tl⁺-Ionen dagegen ist in Verbindung mit einem Ionenaustausch in Na₂O-haltigen Gläsern auf Grund des geringen Austauschgrades (DE-AS 27 49 683) bzw. in Na₂O- und K₂O-haltigen Gläsern wegen minimaler Diffusionstiefen infolge des Mischalkalieffektes (DE-OS 23 09 788) nicht ausnutzbar.So far, have been used to produce optically inhomogeneous media Ion exchange preferably used commercial optical glasses, whose ion transport behavior is not optimized (glass BK, Jap. Journ. appl. Phys. 20 (4) (1981), p. L 296). In general it is Na₂O- or Na₂O- and K₂O-containing Multi-component glasses that only have a limited ion exchange capacity exhibit. Larger refractive index differences (<0.01) can realized only by an alkali / Ag or alkali / Tl exchange are, the diffusing Ag⁺ ions in general lead to severe discoloration or clouding in the glass. The height Refractive power of Tl⁺ ions, however, is in connection with one Ion exchange in Na₂O-containing glasses due to the small Exchange degrees (DE-AS 27 49 683) or in Na₂O and K₂O-containing Glasses due to minimal diffusion depths due to the mixed alkali effect (DE-OS 23 09 788) cannot be used.
Alkaliborosilikatgläser, die als Netzwerkwandleroxid nur K₂O enthalten und eine geeignete Kombination von hydrolytischer Beständigkeit sowie gefordertem Ionenaustauschverhalten aufweisen, sind bisher nicht beschrieben. Der Einsatz von Nitrat- und Sulfatschmelzen im Alkali/Tl-Austausch ist bekannt (DD-PS 2 22 290 A1, JP-OS 59-214004). Alkali borosilicate glasses, which as a network converter oxide only K₂O contain and a suitable combination of hydrolytic Have resistance and required ion exchange behavior, have not yet been described. The use of nitrate and sulfate melts in alkali / Tl exchange is known (DD-PS 2 22 290 A1, JP-OS 59-214004).
Ziel der Erfindung ist es, dem Hersteller von optischen Bauelementen für Glasfaser-Kommunikationssysteme oder von Baugruppen der abbildenden Gradientenoptik Gläser zur Verfügung zu stellen, die durch einen Ionenaustausch mit ausgedehnten Bereichen ( 150 µm) deutlich erhöhter Brechzahl (Δ n max <0,05) versehen werden können. Die Gläser sollen eine für die feinoptische Bearbeitung erforderliche Hydrolysebeständigkeit aufweisen.The aim of the invention is to provide the manufacturer of optical components for optical fiber communication systems or units of the imaging gradient optical glasses available, by ion exchange with expanded regions (150 microns) significantly increased refractive index (Δ n max <0.05) can be provided. The glasses should have the hydrolysis resistance required for fine optical processing.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch Auffinden geeigneter Glaszusammensetzungen, solche gegen Hydrolyse stabilisierten Gläser herzustellen, die nach einem Alkali/Tl⁺-Austausch auf einer ausreichenden Tiefe ( 150 µm) Brechzahldifferenzen von mehr als 0,05 aufweisen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beim Ionenaustausch durch Kontakt mit Tl⁺-haltigen Schmelzen eingesetzten Gläser ausThe object of the invention is to find more suitable Glass compositions, those stabilized against hydrolysis Manufacture glasses after an alkali / Tl⁺ exchange at a sufficient depth (150 µm) refractive index differences have more than 0.05. According to the task solved in that the ion exchange by contact with Glasses used from Tl⁺-containing melts
12,1 bis 25,0 Mol-% K₂O,
66,0 bis 81,7 Mol-% SiO₂,12.1 to 25.0 mol% of K₂O,
66.0 to 81.7 mol% SiO₂,
zusammengesetzt sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Glassynthese zusätzlich nochare composed. It is advantageous if the glass synthesis in addition
0 bis 17,0 Mol-% B₂O₃ und/oder
0 bis 4,4 Mol-% ZnO und/oder
0 bis 1,0 Mol-% Al₂O₃ und/oder
0 bis 2,1 Mol-% PbO und/oder
0 bis 0,6 Mol-% KF enthält.0 to 17.0 mol% of B₂O₃ and / or
0 to 4.4 mol% of ZnO and / or
0 to 1.0 mol% Al₂O₃ and / or
0 to 2.1 mol% of PbO and / or
Contains 0 to 0.6 mol% of KF.
Zum K/Tl-Austausch bei Temperaturen unterhalb von 500°C werden die Gläser in Kontakt mit Schmelzen der Zusammensetzung (KNO₃)0,9(TlNO₃)0,1 gebracht. Bei Austauschtemperaturen von ϑ 500°C werden thermisch stabilere Sulfatschmelzen eingesetzt, deren chemische ZusammensetzungFor K / Tl exchange at temperatures below 500 ° C, the glasses are brought into contact with melts of the composition (KNO₃) 0.9 (TlNO₃) 0.1 . At exchange temperatures of ϑ 500 ° C, thermally more stable sulfate melts are used, their chemical composition
(ZnSO₄)0,45(K₂SO₄)0,45(Tl₂SO₄)0,10 (ZnSO₄) 0.45 (K₂SO₄) 0.45 (Tl₂SO₄) 0.10
so ausgewählt ist, daß der Schmelzpunkt (380°C) hinreichend tief unter der Einsatztemperatur beim Ionenaustausch liegt.is selected so that the Melting point (380 ° C) sufficiently low below the operating temperature ion exchange.
Überraschenderweise lassen sich in Alkaliborosilikatgläsern, die gemäß dieser Erfindung als Netzwerkwandleroxid nur K₂O enthalten und gegen Hydrolyse stabilisiert sind, in Verbindung mit einem K/Tl-Ionenaustausch in vertretbaren Diffusionszeiten Brechzahlverteilungen mit Δ n max < 0,05 über eine Tiefe von mehr als 150 µm realisieren. Gemäß der Erfindung kommt es im Falle der Gläser 1, 3, 4, 5 und 6 während des K/Tl-Austausches zur spontanen Ausbildung von Brechzahlprofilen, die im Glasvolumen steil abfallen (Fig.). Derartige modifizierte Brechzahlprofile sind für optische Koppelelemente in Zusammenhang mit einer verlustarmen Anpassung an die Brechzahlverteilungen von anderen optischen Nachbarbaugruppen (z. B. Stufenindex-Glasfasern) von Bedeutung. Surprisingly, in alkali borosilicate glasses, which according to this invention only contain K₂O and are stabilized against hydrolysis as a network converter oxide, in conjunction with a K / Tl ion exchange, refractive index distributions with Δ n max <0.05 over a depth of more than 150 µm are within reasonable diffusion times realize. According to the invention, in the case of glasses 1, 3, 4, 5 and 6, during the K / Tl exchange there is a spontaneous formation of refractive index profiles which drop steeply in the glass volume ( FIG. ). Modified refractive index profiles of this type are important for optical coupling elements in connection with a low-loss adaptation to the refractive index distributions of other neighboring optical assemblies (for example step index glass fibers).
In der Tabelle sind in den Beispielen 1 bis 6 die erfindungsgemäßen Gläser (chemische Zusammensetzung, Verbrauch an N/100 HCl gemäß TGL 14809 zur Hydrolyseklassen-Bestimmung) wiedergegeben. Die Gläser werden im Platintiegel bei 1450°C bis 1550°C erschmolzen. Weiterhin sind in Tabelle 1 die beim Ionenaustausch eingesetzten Salzschmelzen I bzw. II sowie die Austauschbedingungen (Temperatur ϑ, Zeit t) angegeben. Die maximale Brechzahländerung Δ n max bezieht sich auf den Brechzahlunterschied zwischen der Glasoberfläche und dem -volumen. Die Diffusionstiefe Δ x 10% entspricht jener Tiefe, wo die Brechzahländerung gegenüber dem Wert des Substratglases noch 10% der Änderung der Brechzahl in der Glasoberfläche beträgt. In the table in Examples 1 to 6 the glasses according to the invention (chemical composition, consumption of N / 100 HCl according to TGL 14809 for determining the hydrolysis classes) are shown. The glasses are melted in the platinum crucible at 1450 ° C to 1550 ° C. Table 1 also shows the molten salts I and II used for ion exchange and the exchange conditions (temperature ϑ , time t) . The maximum change in refractive index Δ n max relates to the difference in refractive index between the glass surface and the volume. The diffusion depth Δ x 10% corresponds to the depth where the change in refractive index compared to the value of the substrate glass is still 10% of the change in the refractive index in the glass surface.
Claims (3)
12,1 bis 25,0 Mol-% K₂O
66,0 bis 81,7 Mol-% SiO₂
zusammengesetzt und durch einen K/Tl-Ionenaustausch mit einem ausgedehnten Brechzahlgradienten
(Δ n max < 0,05 Δ x 10% < 150 µm)
versehen sind.1. Optical glasses with extensive refractive index gradients, characterized in that they are made of
12.1 to 25.0 mol% K₂O
66.0 to 81.7 mol% SiO₂
composed and by a K / Tl ion exchange with an extensive refractive index gradient
( Δ n max <0.05 Δ x 10% <150 µm)
are provided.
0 bis 17,0 Mol-% B₂O₃ und/oder
0 bis 4,4 Mol-% ZnO und/oder
0 bis 1,0 Mol-% Al₂O₃ und/oder
0 bis 2,1 Mol-% PbO und/oder
0 bis 0,5 Mol-% KF
enthalten.2. Optical glasses according to claim 1, characterized in that they additionally in the synthesis
0 to 17.0 mol% of B₂O₃ and / or
0 to 4.4 mol% of ZnO and / or
0 to 1.0 mol% Al₂O₃ and / or
0 to 2.1 mol% of PbO and / or
0 to 0.5 mol% of KF
contain.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883803421 DE3803421A1 (en) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | Optical glasses having extended refractive index gradients |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883803421 DE3803421A1 (en) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | Optical glasses having extended refractive index gradients |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3803421A1 true DE3803421A1 (en) | 1989-08-17 |
Family
ID=6346681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19883803421 Withdrawn DE3803421A1 (en) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | Optical glasses having extended refractive index gradients |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3803421A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108975692A (en) * | 2018-09-30 | 2018-12-11 | 江苏耀兴安全玻璃有限公司 | A kind of preparation method of the tempered glass of resistance to instantaneous alternating temperature |
-
1988
- 1988-02-05 DE DE19883803421 patent/DE3803421A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108975692A (en) * | 2018-09-30 | 2018-12-11 | 江苏耀兴安全玻璃有限公司 | A kind of preparation method of the tempered glass of resistance to instantaneous alternating temperature |
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