СИСТЕМА ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ОПТИЧЕСКИМ ВОЛОКНОМ, ПОЛУЧАЕМЫМ В РЕЗУЛЬТАТЕ СПЛАВЛЕНИЯ
SYSTEM OF OPTICAL DEVICES WITH OPTICAL FIBRE MADE THROUGH FUSION

Волоконная оптика предполагает прохождение света по волокнистым оптическим материалам небольшого размера или волокнам. Обычно волокна включают расположенную в центре сердцевину и внешнюю оболочку (плакировку), окружающую сердцевину по всей длине волокна. Прохождение (передача) света по волокну основывается на явлении полного внутреннего отражения. Для полного внутреннего отражения показатель преломления (n) сердцевины должен быть больше, чем показатель преломления оболочки. Материалы, используемые для изготовления оптических волокон, в зависимости от области применения различаются. Однако обычно требуется значительное различие показателей преломления сердцевины и оболочки.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к области систем оптических устройств с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, более конкретно, к устройству, включающему оптическое волокно с высоким показателем преломления.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к системам оптических устройств с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, содержащим по меньшей мере один оптический компонент, включающий оптические волокна, и по меньшей мере один другой компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам.
-7
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения оптические волокна имеют сердцевину из стекла, которая характеризуется показателем преломления, составляющим по меньшей мере 1,8, и имеет ПТР (показатель термического расширения) ≥74×10, стеклянная сердцевина по существу не содержит CdO и имеет следующий состав, мольные проценты:
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-23
ZrO<sub>2</sub>
1-10
WO<sub>3</sub>
≥2,5
ZnO
1-15
BaO
0-9
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
20-70
Та<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3
CaO
0-7
PbO
6-35
SiO<sub>2</sub>
0-40
Аs<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-0,1
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3 и
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-8
-7
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стеклянная сердцевина оптических волокон имеет показатель преломления, составляющий по меньшей мере 1,8 и ПТР ≥74×10, по существу не содержит CdO и РbО и имеет следующий состав, мольные проценты:
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-23
ZrO<sub>2</sub>
1-10
WO<sub>3</sub>
≥2,5
ZnO
1-15
BaO+CaO
≥4
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
20-70
Та<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3
SiO<sub>2</sub>
0-40
Аs<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-0,1
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3 и
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-8
-7
2
5
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стеклянная сердцевина оптических волокон имеет показатель преломления, составляющий по меньшей мере 1,8 и ПТР ≥74×10, по существу не содержит CdO, РbО и TaO и имеет следующий состав, мольные проценты:
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-23
ZrO<sub>2</sub>
1-10
WO<sub>3</sub>
≥2,5
ZnO
1-15
BaO+CaO
≥4
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
20-70
SiO<sub>2</sub>
0-40
Аs<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-0,1
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3 и
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-8
-7
2
3
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения стеклянная сердцевина оптических волокон имеет показатель преломления, составляющий по меньшей мере 1,8 и ПТР ≥74×10, по существу не содержит CdO и YО и имеет следующий состав, мольные проценты:
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-23
ZrO<sub>2</sub>
1-10
WO<sub>3</sub>
≥2,85
ZnO
1-15
BaO
0-9
В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
20-70
CaO
0-7
PbO
5-35
SiO<sub>2</sub>
0-40
Аs<sub>2</sub>O<sub>3</sub> и/или
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-0,1
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-3
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-8 и
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0-2,9
В дополнение к отсутствию кадмия в композиции в соответствии с настоящим изобретением также предпочтительно получать системы с пониженным содержанием мышьяка, свинца, иттрия и тантала или композиции, в которых такие элементы отсутствуют. В композициях для получения стекла, используемого для изготовления систем оптических волокон, согласно настоящему изобретению преимущественно значительно снижено или ограничено содержание оксидов свинца, иттрия и тантала и мышьяка и/или кадмия, обнаруживаемых в традиционных композициях для получения стекла, без какого-либо значительного ухудшения при этом оптических и физических свойств.
2
2
3
3
2
Хорошая сплавляемость и плавкость стеклянной сердцевины, состоящей из композиции, которая применяется для получения оптических волокон согласно настоящему изобретению, достигается посредством сбалансированного соотношения стеклообразующих компонентов (т.е. SiO, ВО) и трудно расплавляемых компонентов с высоким показателем преломления (т.е. ВаО, CaO, WO, ZrO).
2
3
2
Композиция стеклянной сердцевины согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит приблизительно 20-70 мольных % основного стеклообразующего компонента ВО, в частности предпочтительно приблизительно 25-50 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 30-40 мольных %. Другой стеклообразующий компонент - SiO присутствует в количестве приблизительно 0-40 мольных %. Наиболее предпочтительно композиции содержат
2
SiO в количестве приблизительно 9-15 мольных %.
3
3
Оксид вольфрама присутствует в стекле в количестве ≥2,5 мольных %, и в дополнение к тонкой регулировке оптических характеристик оксид вольфрама также служит для дополнительного снижения тенденции стекла к кристаллизации. Содержание WO, составляющее ≥2,5 мольных %, является предпочтительным, более предпочтительно содержание ≥2,75 мольных % и наиболее предпочтительно содержание ≥2,85 мольных %. Обычно содержание WO составляет менее чем 6 мольных %.
2
5
2
5
3
2
5
Композиция стеклянной сердцевины согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит TaO в количестве ≤3 мольных %, предпочтительно в количестве приблизительно 0-1,5 мольных %, и для некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предпочтительно отсутствие ТаО в составе композиции. Для некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения максимальное суммарное содержание WO+TaOпредпочтительно составляет приблизительно 3,5-10 мольных %, наиболее предпочтительно приблизительно 3,5-7,5 мольных %.
2
Для стабилизации процессов кристаллизации и достижения длительного срока эксплуатации стеклянная сердцевина может содержать ZrO в количестве приблизительно 1-10 мольных %, предпочтительно в количестве приблизительно 5-10 мольных % и наиболее предпочтительно в количестве 6-9 мольных %.
2
3
Для повышения показателя преломления и улучшения дисперсионных характеристик предпочтительно использовать ВаО в количестве приблизительно 0-9 мольных %, особенно предпочтительно в количестве приблизительно 0-5 мольных % и наиболее предпочтительно в количестве приблизительно 2-4,50 мольных %. Содержание LаО предпочтительно составляет приблизительно 1-23 мольных %, особенно предпочтительно приблизительно 5-15 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 7-13 мольных %.
2
3
2
3
Как правило, SbO может быть использован вместо АsО или в комбинации с
2
3
2
3
2
3
АsO, и особенно полезно, если AsO отсутствует в составе композиции. SbO обычно используют в количестве 0-0,1 мольного %.
2
5
Предпочтительно суммарное содержание щелочно-земельных компонентов СаО и ВаО составляет ≥4 мольных %, особенно предпочтительно ≥6 мольных % и наиболее предпочтительно ≥8 мольных %. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно используют оксид ниобия, преимущественно для того, чтобы повысить показатель преломления стекла и увеличить ресурс прочности. Содержание NbO предпочтительно составляет приблизительно 0-3 мольных %, особенно предпочтительно приблизительно 0-2 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 0-1 мольных %.
-7
-7
-7
Согласно другому аспекту настоящего изобретения новая композиция стеклянной сердцевины для применения в оптических системах в соответствии с настоящим изобретением имеет ПТР (показатель термического расширения) ≥74×10, особенно предпочтительно ПТР ≥75×10, и наиболее предпочтительно, ПТР ≥76×10, например приблизительно 76, 77, 78, 80 и т.п. Согласно другому аспекту настоящего изобретения показатель преломления (натриевая d-линия, 589,29 нм) составляет по меньшей мере 1,8, например имеет какое-либо из значений, составляющих приблизительно 1,800; 1,805; 1,815; 1,820; 1,825; 1,830; 1,835 и т.п.
Все компоненты стеклянной сердцевины могут быть получены общепринятым образом. Обычно штабики (стержни) для изготовления стеклянной сердцевины получают вытяжением с использованием жидкого расплава, имеющего необходимый состав. Альтернативой является расплавление и получение жидкого расплава в специальных формах. Пропускающие свет оптические волокна могут быть получены с использованием предпочтительной композиции для изготовления стеклянных волокон, описанной в тексте настоящей заявки, с последующим нанесением стеклянной оболочки общепринятыми методами (например, с использованием метода двухкратного плавления или способа "штабик в трубке"). Пучок волокон может быть изготовлен из нескольких оптических волокон. Посредством скручивания получают твистер (волоконно-оптический оборачивающий элемент). Такой волоконно-оптический оборачивающий элемент используется для поворота изображения, получаемого, например, с использованием фотоумножителя, и может быть использован, например, в телескопических оптических системах ночного видения. Методы нанесения оболочки на стеклянную сердцевину, методы вытяжки, методы компоновки узлов и т.п. являются общепринятыми и описаны, например, в: W.B.Allan. Fibres Optics, Theory and Practice. Plenum Press, 1973; J.Wilbur Hicks, Jr. and Paul Kiritsu. Fiber Optics. Glass Industry, April-May, 1962; J.Hecht. Understanding Fiber Optics. Prentice Hall, 1999.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагаются стеклянные сердцевины оптических волокон, не содержащие кадмия, которые обладают улучшенными свойствами. Такие свойства, особенно оптические характеристики, позволяют эффективно использовать получаемые оптические волокна в различных областях оптики, например для изготовления плавных волноводных переходов для получения рентгеновского изображения, в кристаллографии, в кристаллографии белка, для анализа изображений в астрономии, для передачи селекторных импульсов, для изготовления переносных телефонов, для изготовления сенсоров, например для биометрии, в приборах ночного видения, например для очков, телескопов, телескопических оптических систем и т.п., для изготовления светоделительных устройств, например расщепителей пучка и т.п., для получения изображений, например для изготовления плавных волноводных переходов, твистеров (волоконно-оптический оборачивающий элемент для поворота изображения) и т.п., для проекции изображений, для телекоммуникации (дистанционной передачи информации), в лазерной технологии и в тех областях, помимо перечисленных в тексте настоящей заявки, где обычно используют оптические волокна.
Системы оптических устройств с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления согласно настоящему изобретению, включают системы, обычно используемые в указанных областях применения, которые часто включают один или более источник света, линзы, “окна”, светоделительные устройства, отражающие или прозрачные поверхности, оптические детекторы, CCD (приборы с зарядовой связью), детекторные матрицы, люминофоры, полосовые фильтры, сенсорные матрицы, фильтрующие покрытия, многоканальные платы, микропроцессоры, элементы изображения (основные графические элементы, которые используются для создания изображения на экране дисплея) - жидкокристаллический индикатор (англ. LCD), светоизлучающий диод, СИД (англ. LED) и т.п.
Оптоволоконные компоненты согласно настоящему изобретению могут быть использованы вместе с вышеперечисленными компонентами или как часть таких компонентов и т.п. Такие конфигурации являются общепринятыми (см., например, N.Gibson. Seeing in the Dark. American Heritage of Invention and Technology, 14 (1), pp.47-54 (1998), I.P.Csorba, (book) Image Tube, Sams @Co. 1985).
Используя предшествующее описание, специалист в данной области техники без каких-либо сложностей сможет использовать настоящее изобретение в полном объеме. Приведенные ниже примеры служат в основном для иллюстрации и их не следует рассматривать как какое-либо ограничение объема притязаний.
Далее в тексте настоящей заявки и в примерах все значения температуры приведены в градусах Цельсия, без корректировки, а все части и проценты выражены как мольные проценты, если не указано иное.
Примеры
d
g
Стекло согласно настоящему изобретению получают из обычного сырья посредством сплавления. В таблицах 1-3 приведены соответствующие композиции (в мольных % в расчете на оксид), показатель преломления n, показатель термического расширения (ПТР) и температура стеклования T (°C) для различных стекол согласно примерам.
Таблица 1
1
2
3
4
5
6
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10,99%
11,14%
11,14%
11,14%
11,14%
11,14%
ZrO<sub>2</sub>
6,13%
6,21%
6,21%
6,21%
6,21%
6,21%
WO<sub>3</sub>
2,86%
2,89%
2,89%
2,89%
2,89%
2, 89%
ZnO
12,86%
11,85%
11,85%
11,85%
11,85%
11,85%
BaO
5,49%
4,24%
4,24%
4,24%
4,24%
4,24%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
36,96%
35,97%
36,43%
36,43%
36,42%
36,43%
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
2,99%
2,63%
2,33%
2,23%
2,03%
1,72%
CaO
4,79%
4,86%
4,86%
4,86%
4,86%
4,86%
PbO
4,82%
8,08%
8,44%
8,61%
9,07%
9,76%
SiO<sub>2</sub>
12,05%
12,07%
11,55%
11,48%
11,23%
10,84%
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,06%
0,06%
0,06%
0,06%
0,06%
0,06%
Показатель преломления
1,80962
1,8171
1,8193
(измерение)
Показатель преломления,
1,79
1,785
1,785
1,805
1,805
линия Бекке (SFO)
Дисперсия
39,56
37,88
ПТР (×10<sup>-7</sup>)
75,7
76,6
76,7
Т<sub>g</sub> (°С)
598
581
577
Температура
692
680
размягчения (°С)
Температура
542
545
деформации (°С)
Температура отжига (°С)
572
575
Рабочая температура (°С)
Прочность по Кнуппу
(Knoop)
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Таблица 3
14
15
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
11,49%
11,49%
ZrO<sub>2</sub>
7,00%
7,10%
WO<sub>3</sub>
3,50%
3,50%
ZnO
12,86%
13,16%
BaO
6,80%
6,80%
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
37,30%
37,50%
Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,00%
0,00%
CaO
5,79%
5,79%
PbO
0,00%
0,00%
SiO<sub>2</sub>
13,40%
13,40%
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,06%
0,06%
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
1,80%
1,20%
Показатель преломления
1,808
1,800
(измерение)
ПТР (×10<sup>-7</sup>)
74,2
74,2
Все стекла согласно примерам получают следующим образом: взвешивают необходимое количество оксидов. Затем добавляют осветлитель или осветлители стекломассы и проводят тщательное смешение. Смесь для изготовления стекла расплавляют при приблизительно 1300°С в непрерывном Pt модуле или в стеклоплавильном сосуде (2I crucible), осветляют при приблизительно 1427°С и тщательно гомогенизируют. При температуре разливки, составляющей приблизительно 1149°С, стекло разливают и перерабатывают с получением изделий необходимого размера. Приведенные выше примеры могут быть также успешно воспроизведены с заменой указанных в общем виде или конкретно указанных реагентов и/или условий проведения операций на те, которые были указаны в предшествующих примерах. Из приведенного описания специалист в данной области техники сможет легко установить существенные признаки изобретения и, не выходя за его рамки, осуществить различные изменения и модификации в пределах объема изобретения для того, чтобы сделать возможным различное использование изобретения в разнообразных условиях.