DE3403107C2

DE3403107C2 -

Info

Publication number: DE3403107C2
Application number: DE3403107A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Yamato Tokio/Tokyo Jp Asahara; Hiroyuki Sakai; Seiichi Akishima Tokio/Tokyo Jp Shingaki; Shigeaki Tokorozawa Saitama Jp Ohmi
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1983-02-04
Filing date: 1984-01-30
Publication date: 1987-09-24
Also published as: FR2540638B1; JPS615661B2; FR2540638A1; GB2137190B; JPS59146946A; DE3403107A1; GB2137190A; US4563205A; GB8402209D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen Brechungsindex-Gradienten aufweisenden, plattenförmigen Glaskörpers, bei dem in die Poren eines porösen Glaskörpers brechwertändernde Dotierstoffe eingebracht werden, diese Dotierstoffe teilweise wieder unter Bildung eines Dotierstoff-Konzentrationsgradien ten in dem porösen Glaskörper entfernt und die in dem porösen Glaskörper verbliebenen Dotierstoffe ausgefällt werden, woraufhin der poröse Glaskörper getrocknet und unter Wärmeeinwirkung kollabiert wird.

Die wirkungsvolle Kopplung des von einem Halbleiter laser (LD) oder einer lichtaussendenden Diode (LED) als Lichtquelle abgegebenen Lichtes an eine Übertra gungsleitung aus einer optischen Faser ist bei Kommu nikationssystemen mit optischen Fasern bedeutend, um die Zuverlässigkeit des Kommunikations-Schaltkreises zu erhöhen. Im allgemeinen wird das von einer Licht quelle abgegebene Licht mittels eines optischen Ele mentes, beispielsweise einer Linse, konvergiert, um seinen Wirkungsgrad beim Ankoppeln an eine optische Faser zu verbessern. Als ein solches optisches Element werden eine Zylinderlinse, eine sphärische Linse, eine konvergierende Stablinse mit einem Brechungsindex- Gradienten, eine gewöhnliche Linse mit nichtsphärischer Fläche oder eine Kombination hiervon als wirksam ange sehen.

Bei diesen optischen Elementen bewirkt die Zylinderlinse, daß ein Lichtbündel in einer Richtung konvergiert wird und insbesondere, daß ein Lichtbündel, das bei seiner Erzeugung durch eine Halbleiter-Laser-Lichtquelle ei nen in Abhängigkeit von seiner Richtung variierenden Ausstrahlungswinkel aufweist, kollimiert wird. Ein Lichtbündel kann jedoch durch die Zylinderlinse wegen ihrer Aberration nicht völlig kollimiert werden. Eine Zylinderlinse mit nichtsphärischer Fläche läßt sich ferner durch Glasschleifen nur schwer herstellen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 25 07 069 bekannt. Die in dieser Druckschrift an gegebene Zielsetzung besteht darin, einen Glaskörper her stellen zu können, dessen Brechkraft sich über größe re räumliche Ausdehnungen kontinuierlich ändert. Es soll auch ein Glaskörper mit einem linear ausgerichteten Gra dienten hergestellt werden. Aus den dort angegebenen Beispielen ergibt sich, daß die erhaltenen Glaskörper Brechwertgradienten aufweisen, die sowohl in Richtung der Dickenabmessung als auch in Richtung der Breitenab messung der quaderförmigen Glaskörper verlaufen, wobei der Brechwertgradient auch in der Richtung verläuft, in der das Licht durch den Glaskörper hindurchtritt.

Ein Verfahren zur Herstellung von Glasvorformlingen, die zu Glasfasern ausgezogen werden können, ist aus der DE-OS 28 33 051 bekannt. Diese Vorformlinge sind aufgrund der üblichen Herstellungsverfahren rotationssymmetrisch, d. h. es handelt sich um zylinderförmige Körper mit kreis förmigem Querschnitt. Es ist vorgesehen, daß diese Vor formlinge eine radiale Konzentrationsverteilung an Do tierstoffen aufweisen.

Aus der DE-OS 30 03 104 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, dessen Brechwert eine Funktion des radialen Abstandes von der mittleren Achse sein soll. Auch hier handelt es sich wieder darum, eine Glasfaser oder einen Lichtleiter herzustellen.

In der veröffentlichten, japanischen Patentanmeldung 1 26 207/76 ist sowohl ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Glases als auch ein Verfahren zum Herstellen eines Glas-Werkstückes beschrieben, welche aus einem stangen förmigen Glas-Werkstück hergestellt werden, das einen Brechwert-Gradienten aufweist. Dieser wird dadurch her vorgerufen, daß einer als Ausgangsmaterial verwendeten Glasstange Dotierstoffe in ihre feinen Poren einge bracht werden. Durch die Dotierstoffe läßt sich der Brech wert ändern.

Das letztgenannte Verfahren zum Herstellen eines Glas- Werkstückes, welches einen Brechwert-Gradienten aufweist, wird im folgenden beschrieben.

Ein Borsilikat-Glas wird unter vorbestimmten Bedingungen einer Wärmebehandlung unterzogen, um es in eine SiO₂- reiche Phase und in eine Alkalimetalloxid- und B₂O₃- reiche Phase zu trennen. Diese Alkalimetalloxid- und B₂O₃-reiche Phase ist in Säuren leicht löslich und wird daher durch Behandeln mit einer wässrigen Lösung einer Säure, beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, herausgelöst, um ein poröses Glas zu prägarieren, das durchgehende Mikroporen und die SiO₂-reiche Phase als ein Skelett aufweist. Die Mikro poren des wie obenstehend präparierten porösen Glas- Werkstückes werden mit einer Lösung von Dotierstoffen getränkt (Einbringen), sodann wird ein Teil der Dotier stoffe von der Außenseite des Glas-Werkstückes her her ausgelöst (Austreiben), um in dem Glas-Werkstück einen Dotierstoffkonzentrations-Gradienten auszubilden. Danach werden die Dotierstoffe ausgefällt bzw. abgelagert und das Glas-Werkstück getrocknet und einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Mikroporen zu kollabieren, wodurch sich das gewünschte Glas-Werkstück, das einen Brechungs index-Gradienten in radialer Richtung aufweist, ergibt. Bei dem so hergestellten, stabförmigen Glas-Werkstück, das in radialer Richtung einen Brechungsindex-Gradienten aufweist, ändert sich der Brechungsindex-Gradient gemäß der folgenden Gleichung (1):

n(r) ² = n _O ²[1-(gr) ²],

in der r den Radius darstellt, n _O den Brechungsindex des zentralen Bereiches darstellt und g eine Konstante ist. Das Glas-Werkstück kann daher als eine stabförmige Linse für Mikrolinsen-Anordnungen oder als eine Mikro linse zum Koppeln optischer Kommunikations-Fasern ver wendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein plattenförmiger Glaskörper erhalten werden kann, des sen Brechwert-Gradient nur in Richtung der Dickenabmes sung des Glaskörpers verläuft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach dem Kollabieren von dem plattenförmigen Glaskörper beide seitlichen Randbereiche des plattenförmigen Glas körpers entfernt werden oder daß die beiden Seitenflä chen des porösen Glaskörpers vor dem Einbringen der brechwertändernden Dotierstoffe mit einer wärmebeständi gen Schicht überdeckt werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Glaskörper erhalten werden, der die Wirkung einer Zylinder linse aufweist, wobei von Bedeutung ist, daß bei Verwen dung des erfindungsgemäßen Glaskörpers hindurchgehendes Licht senkrecht zu der Richtung des Brechwert-Gradienten verläuft.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Aus führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung des er findungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines platten förmigen, porösen Glas-Werkstückes, das an bei den Seitenflächen mit einem Film abgedeckt ist,

Fig. 3(a) und 3(b) dreidimensionale Kurven zur Verdeutlichung der Dotierstoffkonzentrations-Verteilung in einem plattenförmigen Glas-Werkstück,

Fig. 4 eine Kurve einer Brechungsindex-Verteilung in der erfindungsgemäßen plattenförmigen Linse in Richtung ihrer Dicke,

Fig. 5 eine Kurve einer Brechungsindex-Verteilung in der erfindungsgemäßen plattenförmigen Linse in Richtung ihrer Breite und

Fig. 6 und 7 jeweils eine Darstellung zur Verdeutlichung der Verwendung der erfindungsgemäßen platten förmigen Linsen.

In der Zeichnung sind ein plattenförmiges, poröses Glas- Werkstück 1, Seitenflächen 2, 2′ des porösen Glas-Werkstückes, eine Konzentrationsverteilungskurve 3, Lichtquellen 4, 7, eine plattenförmige Linse 5, paralleles Licht 6 und kon vergentes Licht 8 dargestellt.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als ein Rohmaterial verwendete plattenförmige, poröse Glas-Werkstück kann bei spielsweise durch ein nachstehend beschriebenes Verfahren präpariert werden.

Ein zum Durchführen einer Phasenseparation geeignetes plattenförmiges Borsilikat-Glas wird unter vorbestimmten Bedingungen einer Wärmebehandlung unterzogen, um es in eine SiO₂-reiche Phase und eine Alkalimetalloxid- und B₂O₃-reiche Phase zu trennen. Die Glasplatte wird sodann mit einer flüssigen Lösung, die eine Säure, beispiels weise Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure hält, behandelt, um die leicht säurelösliche Alkalimetalloxid- und B₂O₃-reiche Phase herauszulösen, wodurch sich das ge wünschte poröse Glas-Werkstück ergibt, das durchgehende Mikroporen und die SiO₂-reiche Phase als ein Skelett auf weist. Bei dem hier verwendeten plattenförmigen, porösen Glas-Werkstück beträgt die Breite vorzugsweise wenigstens das Zweifache der Dicke.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung aller er findungsgemäßer Schritte, bei dem eine Folge (a) wie oben beschrieben die erste erfindungsgemäße Ausführungsform und eine Folge (b) die zweite Ausführungsform darstellen, Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein platten förmiges, poröses Glas-Werkstück 1 als solches oder, wie in Fig. 2 dargestellt, nach Bedecken beider Seiten flächen 2 und 2′ des Glas-Werkstückes 1 mit einem wärme beständigen Film in einer Dotierstoff-Lösung getränkt. Auf diese Weise werden die Mikroporen des Glas-Werk stückes 1 mit dem Dotierstoff gefüllt. Das Glas-Werkstück 1 wird sodann in Wasser oder in einer gemischten Lösung von Wasser und einem organischen Lösungsmittel getränkt, um einen Teil des Dotierstoffes von der Außenseite des porösen Glas-Werkstoffes 1 her herauszulösen, wodurch in dem Glas-Werkstück 1, wie in den Fig. 3(a) oder 3(b) dargestellt, ein Dotierstoff-Konzentrations-Gradient aus gebildet wird. Fig. 3(a) zeigt dabei eine Dotierstoff- Verteilungskurve 3 für das Verfahren, bei dem das Ein bringen und das Austreiben ohne Bedecken beider Seiten flächen des Glas-Werkstückes 1 mit dem Film durchgeführt wird, während Fig. 3(b) eine Dotierstoff-Verteilungskurve 3 für das Verfahren zeigt, bei dem das Einbringen und das Austreiben nach Bedecken beider Seitenflächen des Glas- Werkstückes 1 durchgeführt wird. Unabhängig davon, ob beide Seitenflächen des Glas-Werkstückes 1 mit dem Film bedeckt werden oder nicht, werden vorzugsweise die obere und die untere Fläche des Glas-Werkstückes 1 mit einem wärmebeständigen Film abgedeckt, um das Einbringen und das Austreiben des Dotierstoffes in Längsrichtung des Glas-Werkstückes 1 zu hemmen.

Nach dem Ausbilden der vorbestimmten Dotierstoff-Verteilung in dem porösen Glas-Werkstück wird das Glas-Werkstück in einem auf einer niedrigen Temperatur gehaltenen organischen Lösungsmittel gewässert, um den Dotierstoff in seinen Mikroporen auszufällen bzw. abzulagern. Zum Verflüchtigen des in den Mikroporen be findlichen Lösungsmittels wird das Glas-Werkstück sodann getrocknet. Nach Abnehmen des Films, sofern die Seiten flächen hiermit abgedeckt wurden, werden die Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung kollabiert. Auf diese Weise läßt sich ein plattenförmiges Glas-Werkstück ge winnen, das einen Brechungsindex-Gradienten aufweist.

Die Brechungsindex-Verteilungskurve des wie obenstehend präparierten plattenförmigen Glas-Werkstückes verläuft analog zu der in Fig. 3 gezeigten Dotierstoff-Verteilungs kurve. Die Brechungsindex-Verteilungskurve des ohne Be decken seiner Seitenflächen präparierten plattenförmigen Glas-Werkstückes verläuft, wie aus Fig. 3(a) abgeschätzt werden kann so, daß der Brechungsindex in Richtung der Dicke auf die Außenseite zu allmählich kleiner wird, in Richtung der Breite wird er lediglich an beiden seitlichen Endbereichen ebenfalls allmählich kleiner, in dem zentralen Bereich ist er jedoch konstant oder gleichförmig. Beträgt die Breite des plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes weniger als das Zweifache der Dicke, so kann in diesem Fall in Richtung der Breite in dem zentralen Bereich kein Teil ausgebildet werden, das einen gleichförmigen Brechungsindex aufweist. Doch auch dann, wenn das erfindungs gemäße Verfahren ohne Bedecken der Seitenflächen mit dem Film durchgeführt wird, kann ein plattenförmiges Glas- Werkstück, das einen gleichförmigen Brechungsindex in Richtung der Breite in seinem zentralen Bereich aufweist, gewonnen werden, indem als Rohmaterial ein plattenförmiges, poröses Glas-Werkstück verwendet wird, bei dem die Breite wenigstens das Zweifache der Dicke beträgt. Werden daher die seitlichen Endbereiche von dem plattenförmigen Glas- Werkstück abgeschnitten, um Teile, in denen der Brechungs index in Richtung der Breite kleiner wird, zu entfernen und um lediglich einen Teil zu belassen, in dem der Brechungs index in Richtung der Breite gleichförmig ist, so kann ein plattenförmiges Glas gewonnen werden, das einen Brechungs index-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist.

Andererseits kann, falls das plattenförmige Glas-Werkstück an beiden Seitenflächen mit dem Film abgedeckt präpariert ist, wie sich aus Fig. 3(b) abschätzen läßt, bereits zu dem Zeitpunkt, zu dem die Wärmebehandlung abgeschlossen wird, ein plattenförmiges Glas-Werkstück erzielt werden, das einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist. Ein Glas-Prisma oder eine -Platte, von dem oder von der ein Teil des oberen und des unteren Bereiches abgenommen wurde, weist somit einen Brechungs index-Gradienten auf, der, wie in Fig. 4 gezeigt, in Richtung der Dicke die oben beschriebene Gleichung (1) nahezu erfüllt, während es oder sie andererseits in Richtung der Breite, wie in Fig. 5 dargestellt, einen gleichförmigen Brechungsindex aufweist.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren präparierte plattenförmige Linse ist daher als optisches Element wirksam, beispielsweise, wie in Fig. 6 gezeigt, als ein optisches Element 5, das zum Kollimieren eines Licht bündels einer Lichtquelle 4, deren Licht-Strahlungswinkel in lediglich einer Richtung groß ist oder sich verändert, in ein Bündel parallelen Lichtes 6 oder, wie in Fig. 7 gezeigt, als ein optisches Element 5, das zum Konvergieren eines von einer Lichtquelle 7 ausgestrahlten Bündels parallelen Lichtes verwendet wird.

Nähere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ein aus 54,50 Gew.-% SiO₂, 34,30 Gew.-% B₂O₃, 5,20 Gew.-% Na₂O und 6,00 Gew.-% K₂O bestehendes Glasmaterial wurde 3 Stunden lang bei 1450°C geschmolzen, wobei es ungefähr eine Stunde lang während des Schmelzverfahrens verrührt wurde. Das geschmolzene Glas wurde in eine Gießform einge gossen, eine Stunde lang auf 580°C gehalten und danach konnte es sich in einem Ofen abkühlen, um so einen Glas block zu ergeben. Dieser Glasblock wurde beschnitten, um eine Glasplatte mit einer Dicke von 4 mm, einer Breite von 12 mm und einer Länge von 70 mm auszubilden. Diese Glasplatte wurde 120 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 540°C unterzogen, um die Phasentrennung zu bewirken. Die so behandelte Glasplatte wurde 12 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 100°C in einer 1,5normalen wäßrigen Lösung von H₂SO₄ zum Erzielen einer porösen Glasplatte behandelt.

Die poröse Glasplatte wurde zum Bewirken des Einbringens 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 100°C in einer 120 g CsNO₃ pro 100 ml Wasser enthaltenden wässrigen Lösung gewässert und danach zum Bewirken des Austreibens 20 Minuten lang bei einer Temperatur von 70°C in einer 40 Vol.-% Äthanol enthaltenden wässrigen Lösung gewässert. Zum Ausfällen bzw. zum Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen wurde die Glasplatte sodann 3 Stunden lang bei 0°C in einer Äthanol-Lösung gewässert. Die Glasplatte wurde getrocknet, indem sie einen Tag lang auf Raumtem peratur gehalten wurde, während sich das Lösungsmittel verflüchtigte. Die Glasplatte wurde zum Kollabieren der Mikroporen 6 Stunden lang bei 90°C einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch eine durchsichtige Glasplatte mit einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 10,5 mm und einer Länge von 60 mm erzielt wurde.

Beide Seitenbereiche der Glasplatte mit einer Breite von 2 mm von der Außenseite in Richtung der Breite wurden abgeschnitten. Zusätzlich wurden der obere und der untere Endbereich mit einer Breite von 2,5 mm von der Außen seite in Richtung der Länge abgeschnitten, um ein platten förmiges Glas-Werkstück mit einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 6,5 mm und einer Länge von 55 mm herzustellen.

Das so hergestellte Glas-Werkstück wies lediglich in Richtung der Dicke einen Brechungsindex-Gradienten auf. Entsprechend der oben beschriebenen Gleichung (1) betrug die Brechungsindex-Verteilung n _O = 1,47 und g = 0,10. Es handelte sich somit um eine plattenförmige Linse, die in Richtung der Breite einen gleichförmigen Brechungsindex aufwies.

Beispiel 2

Beide Seitenflächen eines auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 präparierten porösen Glas-Werkstückes wurden mit Teflon-Klebeband abgedeckt. Die Schritte Einbringen, Austreiben, Ausfällen bzw. Ablagern und Trocknen wurden bei dem porösen Glas-Werkstück unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Danach wurden die Teflon bänder abgenommen und das Glas-Werkstück unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 einer Wärmebehandlung unter zogen, um ein transparentes Glas-Werkstück mit einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 10,5 mm und einer Länge von 60 mm herzustellen. Ein oberer und ein unterer Endbe reich mit einer Breite von 2,5 mm von außen in Rich tung der Länge der Glasplatte wurden abgeschnitten und die Länge des zentralen Bereiches wurde auf 55 mm eingerichtet. Die auf diese Weise hergestellte Glasplatte war eine platten förmige Linse mit denselben Verteilungskonstanten wie in Beispiel 1 und einem Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines einen Brechungsindex- Gradienten aufweisenden, plattenförmigen Glaskörpers, bei dem in die Poren eines porösen Glaskörpers brechwert ändernde Dotierstoffe eingebracht werden, diese Dotier stoffe teilweise wieder unter Bildung eines Dotierstoff- Konzentrationsgradienten in dem porösen Glaskörper ent fernt und die in dem porösen Glaskörper verbliebenen Dotierstoffe ausgefällt werden, woraufhin der poröse Glaskörper getrocknet und unter Wärmeeinwirkung kolla biert wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kollabieren von dem plattenförmigen Glaskörper beide seitlichen Randbereiche des plattenförmigen Glas körpers entfernt werden oder daß die beiden Seitenflächen des porösen Glaskörpers vor dem Einbringen der brechwert ändernden Dotierstoffe mit einer wärmebeständigen Schicht überdeckt werden.