СИСТЕМА ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ОПТИЧЕСКИМ ВОЛОКНОМ, ПОЛУЧАЕМЫМ В РЕЗУЛЬТАТЕ СПЛАВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G02B6/02 

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.

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^-7, стеклянная сердцевина по существу не содержит CdO и имеет следующий состав, мольные проценты:

La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 ZnO 1-15 BaO 0-9 В₂О₃ 20-70 Та₂O₅ 0-3 CaO 0-7 PbO 6-35 SiO₂ 0-40 Аs₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

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^-7, по существу не содержит CdO и РbО и имеет следующий состав, мольные проценты:

La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 ZnO 1-15 BaO+CaO ≥4 В₂О₃ 20-70 Та₂O₅ 0-3 SiO₂ 0-40 Аs₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

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^-7, по существу не содержит CdO, РbО и Ta₂O₅ и имеет следующий состав, мольные проценты:

La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 ZnO 1-15 BaO+CaO ≥4 В₂О₃ 20-70 SiO₂ 0-40 Аs₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

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^-7, по существу не содержит CdO и Y₂О₃ и имеет следующий состав, мольные проценты:

La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,85 ZnO 1-15 BaO 0-9 В₂О₃ 20-70 CaO 0-7 PbO 5-35 SiO₂ 0-40 Аs₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 Аl₂O₃ 0-8 и Ta₂O₅ 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.

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. SiO₂, В₂О₃) и трудно расплавляемых компонентов с высоким показателем преломления (т.е. ВаО, CaO, WO₃, ZrO₂).

Композиция стеклянной сердцевины согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит приблизительно 20-70 мольных % основного стеклообразующего компонента В₂О₃, в частности предпочтительно приблизительно 25-50 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 30-40 мольных %. Другой стеклообразующий компонент - SiO₂ присутствует в количестве приблизительно 0-40 мольных %. Наиболее предпочтительно композиции содержат

SiO₂ в количестве приблизительно 9-15 мольных %.

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 WO₃, составляющее ≥2,5 мольных %, является предпочтительным, более предпочтительно содержание ≥2,75 мольных % и наиболее предпочтительно содержание ≥2,85 мольных %. Обычно содержание WO₃ составляет менее чем 6 мольных %.

Композиция стеклянной сердцевины согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит Ta₂O₅ в количестве ≤3 мольных %, предпочтительно в количестве приблизительно 0-1,5 мольных %, и для некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения предпочтительно отсутствие Та₂О₅ в составе композиции. Для некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения максимальное суммарное содержание WO₃+Ta₂O₅ предпочтительно составляет приблизительно 3,5-10 мольных %, наиболее предпочтительно приблизительно 3,5-7,5 мольных %.

Для стабилизации процессов кристаллизации и достижения длительного срока эксплуатации стеклянная сердцевина может содержать ZrO₂ в количестве приблизительно 1-10 мольных %, предпочтительно в количестве приблизительно 5-10 мольных % и наиболее предпочтительно в количестве 6-9 мольных %.

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 Lа₂О₃ предпочтительно составляет приблизительно 1-23 мольных %, особенно предпочтительно приблизительно 5-15 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 7-13 мольных %.

Как правило, Sb₂O₃ может быть использован вместо Аs₂О₃ или в комбинации с

Аs₂O₃, и особенно полезно, если As₂O₃ отсутствует в составе композиции. Sb₂O₃ обычно используют в количестве 0-0,1 мольного %.

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 Nb₂O₅ предпочтительно составляет приблизительно 0-3 мольных %, особенно предпочтительно приблизительно 0-2 мольных % и наиболее предпочтительно приблизительно 0-1 мольных %.

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^-7, особенно предпочтительно ПТР ≥75×10^-7, и наиболее предпочтительно, ПТР ≥76×10^-7, 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

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_d, показатель термического расширения (ПТР) и температура стеклования T_g (°C) для различных стекол согласно примерам.

Таблица 1   1 2 3 4 5 6 La₂O₃ 10,99% 11,14% 11,14% 11,14% 11,14% 11,14% ZrO₂ 6,13% 6,21% 6,21% 6,21% 6,21% 6,21% WO₃ 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% B₂O₃ 36,96% 35,97% 36,43% 36,43% 36,42% 36,43% Ta₂O₅ 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% SiO₂ 12,05% 12,07% 11,55% 11,48% 11,23% 10,84% As₂O₃ 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^-7) 75,7       76,6 76,7 Т_g (°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/см³)            

Таблица 3   14 15 La₂O₃ 11,49% 11,49% ZrO₂ 7,00% 7,10% WO₃ 3,50% 3,50% ZnO 12,86% 13,16% BaO 6,80% 6,80% B₂O₃ 37,30% 37,50% Ta₂O₅ 0,00% 0,00% CaO 5,79% 5,79% PbO 0,00% 0,00% SiO₂ 13,40% 13,40% As₂O₃ 0,06% 0,06% Nb₂O₅ 1,80% 1,20% Показатель преломления 1,808 1,800 (измерение)     ПТР (×10^-7) 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.

Изобретение относится к области систем оптических устройств с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления. Заявленная оптическая система с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, включает, по меньшей мере, один оптический компонент, включающий оптические волокна, и, по меньшей мере, один другой оптический компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам, которые включают стеклянную сердцевину следующего состава: Lа₂О₃ - 1-23 мольных %, ZrO₂ - 1-10 мольных %, WO₃ - ≥2,5 мольных %, ZnO - 1-15 мольных %, ВаО - 0-9 мольных %, В₂O₃ - 20-70 мольных %, Та₂О₅ - 0-3 мольных %, СаО - 0-7 мольных %, РbО - 6-35 мольных %, SiO₂ - 0-40 мольных %, Аs₂O₃ и/или Sb₂О₃ - 0-0,1 мольного %, Nb₂O₅ - 0-3 мольных % и Аl₂О₃ - 0-8 мольных %. Сердцевина из стекла по существу не содержит CdO и характеризуется показателем преломления, составляющим, по меньшей мере, 1,8, и показателем термического расширения: ПТР≥приблизительно 74×10^-7. Технический результат - повышение показателя преломления и улучшение дисперсионных характеристик. 4 н. и 28 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Оптическая система с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, включающим по меньшей мере один оптический компонент, включающий оптические волокна, и по меньшей мере один другой оптический компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам, которые включают стеклянную сердцевину следующего состава, мол.%:
La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 ZnO 1-15 BaO 0-9 В₂O₃ 20-70 Ta₂O₅ 0-3 CaO 0-7 PbO 6-35 SiO₂ 0-40 As₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

причем указанная сердцевина по существу не содержит CdO и характеризуется показателем преломления, составляющим по меньшей мере 1,8, и показателем термического расширения ≥74·10^-7.

2. Оптическая система по п.1, где количество Та₂О₃ составляет 0-2 мол.%.

3. Оптическая система по п.2, где количество Та₂О₃ составляет 0-1,5 мол.%.

4. Оптическая система по п.1, где количество WO₃ составляет ≥2,75 мол.%.

5. Оптическая система по п.1, где показатель термического расширения составляет ≥75·10^-7.

6. Оптическая система по п.5, где показатель термического расширения составляет ≥76·10^-7.

7. Оптическая система по п.1, где количество РbО составляет приблизительно 9-35 мол.%.

8. Оптическая система по п.7, где количество РbО составляет приблизительно 10-35 мол.%.

9. Оптическая система по п.1, которая представляет собой телескоп ночного видения.

10. Оптическая система по п.1, которая включает очки ночного видения.

11. Оптическая система по п.1, которая включает светоделитель.

12. Оптическая система по п.1, где суммарное количество ВаО+СаО составляет приблизительно ≥4 мол.%.

13. Оптическая система по п.12, где суммарное количество ВаО+СаО составляет приблизительно ≥6 мол.%.

14. Оптическая система по п.13, где суммарное количество ВаО+СаО составляет приблизительно ≥8 мол.%.

15. Оптическая система по п.13, где суммарное количество WO₃+Ta₂O₅ составляет приблизительно 3,5-7,5 мол.%.

16. Оптическая система с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, включающим по меньшей мере один оптический компонент, включающий оптические волокна, и по меньшей мере один другой оптический компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам, которые включают стеклянную сердцевину следующего состава, мол.%:
Lа₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 Ta₂O₅ 0-3 ZnO 1-15 BaO+CaO ≥4 В₂О₃ 20-70 Та₂O₅ 0-3 SiO₂ 0-40 Аs₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

причем указанная сердцевина по существу не содержит CdO и РbО, характеризуется показателем преломления, составляющим по меньшей мере 1,8, и показателем термического расширения, составляющим ≥74·10^-7.

17. Оптическая система по п.16, где количество Та₂O₅ составляет приблизительно 0-2 мол.%.

18. Оптическая система по п.17, где количество Та₂O₅ составляет приблизительно 0-1,5 мол.%.

19. Оптическая система по п.16, где количество WO₃ приблизительно составляет ≥2,75 мол.%.

20. Оптическая система по п.16, где показатель термического расширения приблизительно составляет 75·10^-7.

21. Оптическая система по п.20, где показатель термического расширения приблизительно составляет ≥76·10^-7.

22. Оптическая система по п.16, которая представляет собой телескоп ночного видения.

23. Оптическая система по п.16, которая включает очки ночного видения.

24. Оптическая система по п.16, которая включает светоделитель.

25. Оптическая система с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, включающим по меньшей мере один оптический компонент, включающий оптические волокна, и по меньшей мере один другой оптический компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам, которые включают стеклянную сердцевину следующего состава, мол.%:
Lа₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,5 ZnO 1-15 BaO+CaO ≥4 В₂О₃ 20-70 SiO₂ 0-40 As₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8

причем указанная сердцевина по существу не содержит CdO, PbO и Та₂O₅ и характеризуется показателем преломления, составляющим по меньшей мере 1,8, и показателем термического расширения, составляющим ≥74·10^-7.

26. Оптическая система по п.25, где количество WO₃ составляет приблизительно 2,75 мол.%.

27. Оптическая система по п.25, где показатель термического расширения приблизительно составляет ≥75·10^-7.

28. Оптическая система по п.27, где показатель термического расширения приблизительно составляет ≥76·10^-7.

29. Оптическая система по п.25, которая представляет собой телескоп ночного видения.

30. Оптическая система по п.25, которая включает очки ночного видения.

31. Оптическая система по п.25, которая включает светоделитель.

32. Оптическая система с оптическим волокном, получаемым в результате сплавления, включающим по меньшей мере один оптический компонент, включающий оптические волокна, и по меньшей мере один другой оптический компонент, с которым взаимодействует свет, проходящий по указанным оптическим волокнам, которые включают стеклянную сердцевину следующего состава, мол.%:
La₂O₃ 1-23 ZrO₂ 1-10 WO₃ ≥2,85 ZnO 1-15 BaO 0-9 В₂O₃ 20-70 CaO 0-7 PbO 6-35 SiO₂ 0-40 As₂O₃ и/или   Sb₂O₃ 0-0,1 Nb₂O₅ 0-3 и Аl₂O₃ 0-8 Та₂O₅ 0-2,9

причем указанная сердцевина по существу не содержит CdO и Y₂O₃ и характеризуется показателем преломления, составляющим по меньшей мере 1,8, и показателем термического расширения, составляющим ≥74·10^-7.