專利名稱：熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖用于傳導(dǎo)光線通過(guò)細(xì)絲狀光學(xué)材料或纖維。這些纖維通常包括纖芯以及沿纖維整個(gè)長(zhǎng)度方向的外部圍繞的包層。光線通過(guò)纖維的傳導(dǎo)是基于全內(nèi)反射現(xiàn)象。對(duì)于全內(nèi)反射，纖芯的折射率(n)必須大于包層的折射率。用于制造光纖的材料根據(jù)應(yīng)用情況而不同。通常期望纖芯玻璃與包層玻璃之間折射率的差異大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)的領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種包括高折射率光纖的器件。
更具體而言，本發(fā)明涉及一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與來(lái)自所述光纖的光線相互作用的光學(xué)元件。
在一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，該光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，熱膨脹系數(shù)(CTE)大于等于74×10-7，其基本上不含CdO，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70
Ta2O50-3CaO 0-7PbO 6-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和PbO，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5Ta2O50-3ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70Ta2O50-3SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO、PbO和Ta2O5，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成
La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和Y2O3，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.85ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70CaO 0-7PbO 5-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3Al2O30-8，及Ta2O50-2.9。
除不含鎘的組合物以外，本發(fā)明還優(yōu)選提供具有低含量或不含砷、鉛、釔和鉭的系統(tǒng)。用于本發(fā)明的光纖系統(tǒng)的纖芯中的玻璃組合物，有利地顯著降低或消除了傳統(tǒng)纖芯玻璃組合物中的鉛、釔、鉭、砷和/或鎘的氧化物的含量，并且不會(huì)對(duì)光學(xué)和物理性能造成任何明顯的負(fù)面影響。
用于本發(fā)明的光纖系統(tǒng)中的纖芯玻璃組合物良好的熔度和可熔性，是通過(guò)玻璃構(gòu)成物(如SiO2、B2O3)相對(duì)于低可熔性高折射率成分(如BaO、CaO、WO3、ZrO2)的平衡配比而達(dá)到的。
用于本發(fā)明的纖芯玻璃組合物優(yōu)選含有約20至70摩爾％的主要玻璃構(gòu)成物B2O3，更優(yōu)選約含25至50摩爾％，最優(yōu)選約含30至40摩爾％。另一種玻璃構(gòu)成物SiO2的含量約為0至40摩爾％。該組合物最優(yōu)選含有約9至15摩爾％的SiO2。
該玻璃中氧化鎢WO3的含量大于等于2.5摩爾％，除精細(xì)調(diào)節(jié)光位置以外，氧化鎢還用于進(jìn)一步降低玻璃系統(tǒng)中的結(jié)晶化趨勢(shì)。WO3的含量?jī)?yōu)選大于等于2.5摩爾％，更優(yōu)選大于等于2.75摩爾％，最優(yōu)選大于等于2.85摩爾％。WO3的含量通常小于6摩爾％。
用于本發(fā)明的纖芯玻璃組合物優(yōu)選含有小于等于3摩爾％的Ta2O5，更優(yōu)選約含0至2摩爾％，特別優(yōu)選約含0至1.5摩爾％，而在某些具體實(shí)施方案中，優(yōu)選不含Ta2O5。在某些具體實(shí)施方案中，WO3與Ta2O5的最大總和優(yōu)選約為3.5至10摩爾％，更優(yōu)選約為3.5至7.5摩爾％。
為穩(wěn)定結(jié)晶作用和耐久性，纖芯玻璃中ZrO2的含量可為約1至10摩爾％，更優(yōu)選約為5至10摩爾％，最優(yōu)選約為6至9摩爾％。
為提高折射率并提高分散體的特性，BaO的含量?jī)?yōu)選約為0至9摩爾％，更優(yōu)選約為0至5摩爾％，最優(yōu)選約為2至4.50摩爾％。La2O3的含量?jī)?yōu)選約為1至23摩爾％，更優(yōu)選約為5至15摩爾％，最優(yōu)選約為7至13摩爾％。
Sb2O3通?？捎糜诖鍭s2O3或結(jié)合As2O3使用，而在不含As2O3時(shí)Sb2O3是尤其有利的。Sb2O3的使用量通常為0至0.1摩爾％。
堿土成分CaO與BaO的總含量?jī)?yōu)選大于等于4摩爾％，更優(yōu)選大于等于6摩爾％，最優(yōu)選大于等于8摩爾％。CaO與BaO的總量通常小于16摩爾％。在某些具體實(shí)施方案中，可有利地使用氧化鈮以提高玻璃的折射率，并提高其耐久性。Nb2O5的含量?jī)?yōu)選約為0至3摩爾％，更優(yōu)選約為0至2摩爾％，尤其優(yōu)選約為0至1摩爾％。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于本發(fā)明光纖系統(tǒng)的新型纖芯玻璃組合物的CTE大于等于74×10-7，優(yōu)選大于等于75×10-7，更優(yōu)選大于等于76×10-7，例如約為76、77、78、79、80等。根據(jù)另一個(gè)方面，折射率(鈉d-線，589.29納米)至少為1.8，例如約為1.800、1.805、1.801、1.815、1.820、1.825、1.830、1.835等的任何值。
本發(fā)明的所有玻璃纖維元件均可以傳統(tǒng)的方式制造。纖芯玻璃棒通常是由具有預(yù)期組成的熔融液體拉制而成。一種可選擇方案是在特定的模子中澆鑄熔融液體。光傳導(dǎo)光纖可依照已知方法(例如雙坩堝法或套管法rod-in-tube)采用這里所公開(kāi)的優(yōu)選的纖芯玻璃組合物以及合適的包層玻璃制得。一束纖維可由許多玻璃纖維制成。通過(guò)將一束纖維加以纏繞而制得纏繞物。該纏繞物使例如來(lái)自光電倍增管的圖像旋轉(zhuǎn)，并可用于例如夜視望遠(yuǎn)鏡。用于包覆纖芯玻璃、拉伸棒材、組裝纖維束等的方法均是傳統(tǒng)的，例如參見(jiàn)W.B.Allan，F(xiàn)ibre Optics，Theory and Practice，Plenum press 1973；J.Wilbur Hicks，Jr And Paul Kiritsy，“Fiber Optics”，Glass Industry April-May 1962；J.Hecht Understanding Fiber Optics，Prentice Hall，1999。
根據(jù)本發(fā)明的玻璃組成范圍提供一組具有提高的性能的不含鎘的光學(xué)纖芯玻璃。具有這些性能，特別是它們的光位置的產(chǎn)品光纖，突出地適用于以下光學(xué)應(yīng)用中，例如X射線成像的錐體、結(jié)晶學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)、天文學(xué)成像陣列、傳導(dǎo)窗口、手機(jī)；傳感器，如生物測(cè)量技術(shù)；夜視技術(shù)，如護(hù)目鏡、望遠(yuǎn)鏡、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)等；分束技術(shù)，如分束器等；成像，如傳導(dǎo)錐體、纏繞物等；投影、通訊及激光技術(shù)等，其中除這里所指定的方式，它們還以傳統(tǒng)的方式加以使用。
本發(fā)明的熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)通常用于這些應(yīng)用，其中通常包括一種或更多種光源、透鏡、窗、分束器、反射或透射表面、光學(xué)器件(CCD’s等)、檢測(cè)器陣列、磷涂層、帶通濾波器、傳感器陣列、濾光膜、多通道板、微處理器、顯示元件(LCD、LED等)等。本發(fā)明的光纖元件可與這些元件一起使用，或作為這些元件等的部分使用。這些配置是傳統(tǒng)的[例如參見(jiàn)T.Gibson，“Seeing in the Dark”American Heritage of Inventionand Technology，14(1)pp47-54(1998)；I.P.Csorba，(book)Image Tubes，Sams & Co.(1985)]。
無(wú)需進(jìn)一步的闡述，相信本領(lǐng)域技術(shù)人員可利用以上描述而最大程度地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此以下優(yōu)選的特定具體實(shí)施方案僅理解為說(shuō)明性，無(wú)論如何并不對(duì)本發(fā)明所公開(kāi)的其余部分加以限制。
前述的以及以下實(shí)施例中，除非另有說(shuō)明，所有溫度均為未修正的攝氏度，而所有份數(shù)和百分?jǐn)?shù)均為摩爾％。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的玻璃是由常用的原材料通過(guò)熔化而制得的。表1至3所示為實(shí)施例玻璃各自的組成(以摩爾％計(jì)，基于氧化物)、折射率nd、CTE及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg[℃]。
表1

表2

表3

根據(jù)本發(fā)明的玻璃是以如下方式制得的稱出氧化物的原材料。加入精煉劑，并徹底混合。該玻璃混合物在一組連續(xù)的Pt熔化組件中或2升坩堝中在約1300℃下熔化，在約1427℃下精煉，并徹底均勻化。在約1149℃的澆鑄溫度下，澆鑄玻璃，并加工成預(yù)期的尺寸。
通過(guò)替換用于前述實(shí)施例中的本發(fā)明的預(yù)期反應(yīng)物和/或操作條件，可以類似地重復(fù)前述的實(shí)施例。由以上的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地確定本發(fā)明的基本特征，而不會(huì)離開(kāi)本發(fā)明的精神和范圍，并可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種不同的改變或修改以使其適應(yīng)于各種不同的用途和條件。
權(quán)利要求
1.一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導(dǎo)的光線相互作用的光學(xué)元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70Ta2O50-3CaO 0-7PbO 6-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中Ta2O5的含量為0至2摩爾％。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中Ta2O5的含量為0至1.5摩爾％。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中WO3的含量大于等于2.75摩爾％。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE≥75×10-7。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE≥76×10-7。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中PbO的含量約為9至35摩爾％。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中PbO的含量約為10至35摩爾％。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其是夜視望遠(yuǎn)鏡。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括夜視護(hù)目鏡。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括分束器。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中BaO與CaO的總含量大于等于約4摩爾％。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中BaO與CaO的總含量大于等于約6摩爾％。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中BaO與CaO的總含量大于等于約8摩爾％。
15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中WO3與Ta2O5的總含量約為3.5至7.5摩爾％。
16.一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導(dǎo)的光線相互作用的光學(xué)元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO和PbO，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5Ta2O50-3ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70Ta2O50-3SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中Ta2O5的含量約為0至2摩爾％。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中Ta2O5的含量約為0至1.5摩爾％。
19.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中WO3的含量大于等于約2.75摩爾％。
20.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE大于等于約75×10-7。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE大于等于約76×10-7。
22.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其是夜視望遠(yuǎn)鏡。
23.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括夜視護(hù)目鏡。
24.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括分束器。
25.一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導(dǎo)的光線相互作用的光學(xué)元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO、PbO和Ta2O5，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO1-15BaO+CaO≥4B2O320-70SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
26.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中WO3的含量大于等于約2.75摩爾％。
27.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE大于等于約75×10-7。
28.如權(quán)利要求27所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其中CTE大于等于約76×10-7。
29.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其是夜視望遠(yuǎn)鏡。
30.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括夜視護(hù)目鏡。
31.如權(quán)利要求25所述的光學(xué)器件系統(tǒng)，其包括分束器。
32.一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導(dǎo)的光線相互作用的光學(xué)元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO和Y2O3，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計(jì)的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.85ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70CaO 0-7PbO 5-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3Al2O30-8，及Ta2O50-2.9。
全文摘要
一種熔融光纖光學(xué)器件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有至少一種包括光纖的光學(xué)元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導(dǎo)的光線相互作用的光學(xué)元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO，其折射率n
文檔編號(hào)G02B6/02GK1773316SQ20051011604
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月27日
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