DE3803422A1 - Saeurebestaendige glaeser fuer mikrooptische strukturierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft säurebeständige Gläser für die mikroop­ tische Strukturierung, die als Basisgläser für die Erzeugung lateral strukturierter Brechzahlverteilungen in partiell mas­ kierten Glasoberflächen dienen. Derartig strukturierte opti­ sche Medien sind sowohl für den Einsatz in Baugruppen der ab­ bildenden als auch der lichtleitenden Mikrooptik (plane Mikrolinsen bzw. Koppel- und Verzweigerelemente für Lichtleiter- Glasfasersysteme) vorgesehen. Solche optischen Bauelemente be­ sitzen ein breites Anwendungsfeld (optische Kopiergeräte, op­ tische Buskoppler in elektronischen Rechnern bzw. in Steuer- und Regelkreisen, Kopplung und Verzweigung von lichtleitenden Glasfasern für die Informations- und Energieübertragung im Fernsprechwesen bzw. in der medizinischen Diagnostik und Thera­ pie).

Bisher wurden als Substratgläser zur Herstellung mikrooptischen Strukturen durch Austausch von Ionen mit unterschiedlicher elek­ tronischer Polarisierbarkeit vorzugsweise kommerzielle optische Gläser des Kron-Typs bzw. Massengläser des Soda-Kalk-Typs einge­ setzt (Glas BK7: Jap. J. Appl. Phys. 20 [1981] L 296; Optical Science Vol. 48 [1985] 71; IEEE J. Quant. Electron. QE-22 [1986] 892; Optics Letters 11 [1986] 100; Soda-Kalk-Glas: Appl. Phys. 6 [1975] 223; Electron. Letters 14 [1978] 132; Appl. Phys. 26 [1981] 61; Appl. Phys. Lett. 45 [1984] 117; IEEE J. Quant. Elec­ tron. QE-22 [1986] 883; Appl. Phys. Lett. 48 [1986] 19).

Derartige Glaszusammensetzungen sind für die Anforderungen des Ionenaustausches zwecks Erzeugung lateral strukturierter Brech­ zahlverteilungen in Glasoberflächen nicht bzw. nur in ungenügen­ dem Maße optimiert. Insbesondere weisen sie nur ein stark be­ grenztes Ionenaustauschvermögen auf, das heißt, mit diesen Glä­ sern sind nur kleine Brechzahländerungen Δ n ≲ 0,02 und kleine Austauschtiefen x _10% « 200 µm (x _10% ist x für Δ n/n _Substrat = 0,1) erreichbar. Die Voraussetzung für einen hinreichend tie­ fen Ionenaustausch ist eine entsprechend große Alkalibeweglich­ keit im Substratglas, wofür die elektrische Leitfähigkeit σ ein experimentell leicht zugängliches Maß ist. Auf Grund der erfor­ derlichen feinoptischen Bearbeitung der Gläser bzw. des notwen­ digen Ablösens von metallischen Aufdampfmasken von den Glasober­ flächen müssen optimierte Glaszusammensetzungen für den genann­ ten Einsatz darüberhinaus eine hinreichende Hydrolyse- bzw. Säurebestimmung (HB bzw. SB) aufweisen.

In der Offenlegungsschrift DE-OS 36 08 967 werden hydrolysebestän­ dige Gläser mit einer hinreichenden Na⁺-Ionenbeweglichkeit als Basisgläser für die Erzeugung von ausgedehnten Brechzahlgra­ dienten vorgestellt. Wie jedoch anhand der Ausführungsbeispiele 1, 2, 3 und 8 dieser Schrift experimentell nachgewiesen werden kann, ist die zusätzlich zu fordernde Säurebeständigkeit dieser Gläser gering (s. Tab. 1; SB: m » 10 mg Eluat).

Tabelle 1

Gläser nach DE-OS 36 08 967

In der Offenlegungsschrift DE-OS 27 49 683 werden Gläser beschrie­ ben, die als wichtigsten Bestandteil für den Ionenaustausch MgO und Li₂O enthalten und für einen Li/Na-Austausch im Tg-Be­ reich entwickelt wurden. Die dabei resultierenden Brechzahldif­ ferenzen sind nur gering (Δ n 0,025). In dieser Schrift wird auch auf nachteilige Verfärbungen und Trübungen hingewiesen, die in vielen Gläsern bei einem Alkali/Silberaustausch (Glasbeizen) entstehen. Der Na/Ag-Austausch ist jedoch auf Grund des großen Unterschieds in den Ionenpolarisierbarkeiten bzw. der minimalen Neigung zur Kristallisation und mechanischen Spannungen der am häufigsten angewendete Ionenaustauschprozeß zur Erzeugung von mikrooptischen Strukturen in Gläsern.

Ziel der Erfindung ist es, dem Hersteller von mikrooptischen Bauelementen Gläser für die Strukturierung mittels Na/Ag-Aus­ tausch unter Verwendung von metallischen Aufdampfmasken zur Verfügung zu stellen. Diese Gläser sollen eine hinreichende Hydrolyse- und Säurebeständigkeit aufweisen und gleichzeitig die Ausbildung transparenter sowie tief ins Glasvolumen rei­ chender Brechzahlprofile gestatten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, geeignete Glaszusammen­ setzungen aufzufinden, die die Herstellung von Substratgläsern für die mikrooptische Strukturierung mittels Ionenaustausch ge­ statten. Diese Gläser sollen sowohl gegen Hydrolyse (H₂O) als auch gegen Säureeinwirkung (NHO₃) hinreichend stabil sein (HB: ϑ < 8 ml · g^-1; SB: m < 10 mg) und darüber hinaus durch einen Na/Ag-Austausch die Erzeugung von Brechzahlprofilen ge­ statten, die sich durch maximale Brechzahländerungen von Δ n 0,05 und Austauschtiefen von x _10% 200 µm bei hin­ reichender Transparenz der ausgetauschten Glasbereiche aus­ zeichnen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beim Ionenaustausch im Kontakt mit Ag⁺-haltigen Salzschmelzen ein­ gesetzten Gläser aus

11,4 bis 30,0 mol-% Na₂O
 8,7 bis 26,4 mol-% MgO
50,0 bis 70,8 mol-% SiO₂

zusammengesetzt sind und durch einen Na/Ag-Ionenaustausch die Ausbildung transparenter Bereiche erhöhter Brechzahl gestatten. Es ist für die Erhöhung der Säurebeständigkeit vorteilhaft, wenn die Glassynthese zusätzlich noch

0 bis 15 mol-% ZrO₂ und/oder
0 bis 5 mol-% TiO₂

enthält.

Bei der Glassynthese kann der MgO-Gehalt bis zur Hälfte durch ZnO substituiert werden.

Überraschenderweise zeigen die hoch MgO-haltigen Alkalisilikat­ gläser die geforderte Kombination von hoher Säure- und Hydrolyse­ beständigkeit sowie hinreichender Alkalibeweglichkeit als Vor­ aussetzung für große Ag⁺-Diffusionstiefen bzw. bis weit ins Glasvolumen reichende Brechzahlprofile. Darüber hinaus weisen die Glasbereiche der erfindungsgemäßen Gläser, die dem Na/Ag- Austausch unterworfen werden, eine hinreichende Transparenz auf.

Ausführungsbeispiele

In der Tabelle 2 sind in den Beispielen 1 bis 9 die erfindungs­ gemäßen Gläser wiedergegeben (chemische Zusammensetzung, Massen­ dichte ρ , Glastransformationstemperatur Tg, Hydrolysebeständig­ keit HB als Verbrauch j an N/100 HCl gemäß TGL 14809, Säurebe­ ständigkeit SB als Eluat m gemäß TGL 21791 und dekadische Loga­ rithmen der elektrischen Leitfähigkeit bei 300°C lg σ _300°C bzw. bei TG lg σ _TG ). Die Gläser sind im Platin-Tiegel bei 1450 bis 1500°C in blasenfreier Form verschmelzbar. Die Rohstoffkomponente MgO wird am zweckmäßigsten als basisches Magnesiumcarbonat (3 MgCO₃ · Mg(OH)₂ · 4 H₂O) eingesetzt.

Fig. 1 belegt anhand von Brechzahlprofilen der Glasbeispiele 1 und 3 die durch einen Na/Ag-Austausch (Temperatur/°C, Zeit/h, eingesetzte Salzschmelze/Mol-Anteile) in den erfindungsgemäßen Gläsern erreichten Brechzahländerungen (0,05 n 0,15) und Austauschtiefen (200 µm x _10% 475 µm).

Tabelle 2

Angaben zu den erfindungsgemäßen Gläsern

Claims (3)

1. Säurebeständige Gläser für mikrooptische Strukturierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 11,4 bis 30,0 mol-% Na₂O
 8,7 bis 26,4 mol-% MgO
50,0 bis 70,8 mol-% SiO₂zusammengesetzt sind und durch einen Na/Ag-Ionenaustausch die Ausbildung von transparenten Bereichen erhöhter Brech­ zahl auf einer ausgedehnten Tiefe gestatten.(Δ n 0,05; x _10% 200 µm)

2. Säurebeständige Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in ihrer Synthese der MgO-Gehalt bis zur Hälfte durch ZnO substituiert ist.

3. Säurebeständige Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie in der Synthese zusätzlich 0 bis 5,0 mol-% ZrO₂ und/oder
0 bis 5,0 mol-% TiO₂enthalten.