СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ Советский патент 1972 года по МПК C03B37/35 G02B6/00 

Изобретение относится к элементу, действие которого основано на эффекте Фарадея, предназначенного для применения в качестве оптического изолятора, и к способу изготовления такого элемента. В более общем смысле изобретение относится к оптическому изолятору.

Предложено изготавливать элемент, действие которого основано на эффекте Фарадея и показатель преломления которого имеет наибольшее значение у его оси и постепенно уменьшается по направлению к его поверхности.

Показатель преломления стекла зависит, в основном, от его состава. Отсюда следует, что градиент показателя преломления задан по отношению к элементу, основанному на эффекте Фарадея и имеющему световод волокнистой структуры, посредством установления подходящего градиента в составе стекла в отношении способности к фарадеевскому вращению, так что показатель преломления может убывать по величине по направлению от оси к поверхности.

В данной области развития техники хорошо известно, что редкоземельные элементы, такие как церий, европий и тербий, придают стеклу парамагнитные свойства, в то время как свинец, таллий и другие, сходные с ними металлы, делают стекло диамагнитным. Однако считалось почти невозмон ным предусмотреть

такой световод, состоящий из стекловолокна, который одновременно обладал бы не только градиентом показателя преломления, но также парамагнитными или диамагнитными свойствами.

В общем, окисное стекло содержит окиси, образующие основу стекла (512Оз, ВгОз, РаОз и т. д.) и модифицирующие окиси.

Стекло, обладающее парамагнитным или диамагнитным свойством, содержит модифицирующие окиси с парамагнитными или диамагнитными свойствами. Авторами открыто следующее. Если соотношение каждой из окисей, входящих в состав модифицирующих окисей, постепенно изменяется по направлению к поверхности, в то время как молекулярные соотношения меладу окисями, составляющими стекло, и модифицирующими окисями остаются неизменными, то получается масса стекла, у которого показатель преломления будет постепенно изменяться по направлению, перпендикулярному к оси световода. Таким образом

возможно создание элементов, действие которых основано на эффекте Фарадея, обладающих парамагнитными и диамагнитными свойствами, с постепенным уменьшением по направлению от оси к поверхности световода поПоказатель преломления вещества тесно связан с молекулярной рефракцией и молекулярным объемО М, присущим веществу, т. е. чем больще значения молекулярной рефракции или чем меньще молекулярный объем, тем больще показатель преломления вещества. С другой стороны, молекулярная рефракция пропорциональна поляризуемости вещества, следовательно, она приближенно определяется суммарным значением показателей молекулярных рефракций отдельных ионов. А значит, качественный эффект, распределяемый наличием таких ионов и оказываемый на показатель преломления стекла, может быть определен путем сравнения в пределах массы стекла, значений электронной поляризации на единицу объема родственных ионов или значений, определенных соотнощением.

Как видно нз иредыдущего, элемент, действие которого основано на эффекте Фарадея, содержащнй световод волокнистого тина, у которого показатель преломления уменьшается по направлению к поверхности световода в плоскости, перпендикулярной оси световода, может быть изготовлен путем увеличения концентрации в составе стекла катионов, содержащихся Б модифицирующих окисях по направлепию к поверхности световода. При этом предусматривается иаличие в стекле в определенной концентрации катионов, имеющихся в составе окислов, образующих само стекло и придающих ему парамагнитные или диамагнитные свойства. Такое новыщение концентрации катиона является следствием уменьщенил по направлению от осп стекла, составляющего цветовод к его поверхности - концентрации других катионов, составляющих модифицирующие окиси, имеющие больщее соотнощение между показателем электронной поляризуемости к радиусу иона в третьей степени по сравнению с катионами, составляющими модифицирующие окиси.

Катионы, входящие в состав модифицирующей окиси, содержащейся в стекле, могут быть трех или , более разновидностей, например, если три различных вида катионов, имеющих различные величины соотнощений между электронной поляризуемостью и радиусом иона в третьей степени, имеют наименование А-ион, Б-ион и В-ион по порядку значений соотнощения, тогда получится стекло, у которого концентрация Б-иона возрастает по направлению от внутренних слоев к поверхности, в то время как концентрация обоих А- и В-ионов будет уменьщаться в том же направлении. В итоге распределение, показателей преломления у отекла будет характеризоваться постепенным уменьщением по направлению к поверхности. Коцкретнее, если различие между В- и Бионами в соотнощений между электронной поляризуемостью и кубом радиуса иона значительно меньще, чем соответствующее различие между А- и Б-ионами, если изменение концентрации В-иона меньще, чем у любого из А- и

Б-ионов, то ноказатель преломления будет характеризоваться таким распределением в плоскости, перпеидикулярной к оси световода, что наибольщие значения показателя будут у оси, постепенно ослабляясь по направлению к поверхности световода, потому что наличие А- и Б-нонов сокращает эффект, производимый Вионом. Допуская далее, что А-ион является диамагнитным ионом с больщей электронной

поляризуемостью, как это имеет место, наиример, у Т1+, и что Б- и В-ноны сходны, имеют сравнительную малую поляризуемость, как наблюдается, например, соответственно у /(+ и Na, можно предположить, что значение константы Верде V будет постепенно уменьщаться по направлению к поверхности элемента, основанного на эффекте Фарадея.

В соответствии с настоящим изобретением элемент, основанный на эффекте Фарадея, изготовляют по следующей методике.

Стекловолокно, содержащее первые катионы, способные образовывать модифицирующие окиси, приводят в соприкосновение с такой солью, в составе которой имеются вторые катионы, снособные образовывать модифицирующие окиси, характеризуемые меньщим соотнопдением между электронной поляризуемостью и кубом величины радиуса иона. При этом условии первые катионы, раснределенные у

поверхностной области стекла, могут захмещаться вторыми катионами, имеющимися в составе соли. Для того чтобы содействовать замещеиию, соль и стекло нагревают до температуры, при которой и первые н вторые катионы приобретают способность диффундировать в пределах массы стекла. В результате диффузии вторых катионов в массу стекла через пограничный слой между стеклом н солью часть первых катионов, уже содержащихся в стекле,

выходит из стекла за счет диффузии. Это прнводит к замещению нервых катионов у поверхностной области стекла вторыми катионами, входящими в состав соли. Концентрация вторых катионов, диффундирующих в массу

стекла, будет наибольщей у поверхности изделия стекла, ностепенно уменьщаясь по нацравлению к его оси.

Наоборот, концентрация первых катионов, содержащихся внутри стекла в начальной стадни его обработки, имеет тенденцию уменьщаться у поверхностной области. Такая концентрация, будучи максимальной у оси изделия из стекла, уменьщается по направлению к его поверхности пропорционально расстоянию

от оси. Поэтому следует, что после процесса замещения иона показатель преломления будет наименьщим у поверхности, возрастая пропорционально степени приближения к оси. Фактически показатель преломления непосредственно у оси должен быть таким, как у самого стекла до обработки для замещения ргона.

В случае стеклянного изделия, имеющего обычную удлиненную цилиндрическую форму и понеречное сечение в виде окружности, распределение величин иоказателя .преломления зависит от размера и геометрических очертаний стеклянного тела до осуществления процесса замещения, далее - от состава стекла перед внесением его в ванну для замещения иона, от температуры и продолжительности обработки с целью замещения. В связи с тем, что степень диффузии иона в пределах стеклянного тела зависит от расстояния от его поверхности, приводимой в непосредственное соприкосновение с солью, показатель преломления цилиндрического стеклянного тела, имеющего форму стержня, характеризуется после замещения иона симметричным распределением по отношению к оси тела. Если рассматривать данное тело у плоскости поперечного сечения, имеющего форму окружности, окажется, что распределение значений показателя нреломления будет симметрично зависеть от радиального расстояния от оси.

Выбор различных условий проведения процесса обработки позволяет осуществить градиент показателя преломления, приближающийся к идеальному значению.

Такой элемент обеспечивает создание оптического изолятора, особенно приспособленного к передаче импульсных сигналов «ультравысокой скорости.

Он не нуждается в каких-либо вспомогательных линзах для корректировки искривленности светового луча. Сам но себе элемент образуется в виде тонкого стеклянного волокна, имеющего круговое ноперечное сечение диаметром несколько десятых микрона. Это облегчает уменьщение соленоидной обмотки, применяемой для создания магнитного ноля, необходимого для такого элемента; кроме того, облегчается уменьшение конструкции оптического изолятора в целом. Следовательно, гибкость и конвергирующее свойство корпуса элемента при изготовлении его из стекловолокна позволяет изолятору произвольно изгибаться. В частности, если придать большее значение градиенту показателя преломления, или иными словами, увеличить величину константы «а, то размер пятна может быть уменьщен, что обеспечивает возможность большего изгиба корпуса волокнистой структуры. Световой пучок соответствующей формы, падающий на концевую поверхность входного

участка световода элемента волокнистой

структуры, нроходит через элемент, осциллизируя по его оси.

Кроме того, такой световой пучок при падеНИИ его перпендикулярно входной торцевой поверхности у центра будет проходить непосредственно по оси. Допускаем, что магнитное поле, налагаемое на элемент, действующий на основе эффекта Фарадея, вдоль его продольной оси является однородным по всему поперечному сечению, перпендикулярному оси. В связи с тем, что диаметр элемента достаточно мал, это допущение легко доказуемо.

25

Предмет изобретения

Способ изготовления элемента, действующего на основе эффекта Фарадея, отличающийся тем, что, с целью расщирения области примеиеиия элемента, удлиненное стеклянное тело, содержащее по меньшей мере один из числа первых катионов, погружают в солевую ванну, содержащую вторые катионы, имеющие меньшее отношение электронной поляризуемости к

радиусу иона в третьей степени по сравнению с первыми катионами; выдерживают ванну при температуре, обеспечивающей диффузию вторых катионов в стеклянное тело с таким расчетом, чтобы первые катионы могли замещаться вторыми катионами; удаляют стеклянное тело из ванны по истечении заранее определенного промежутка времени; ополаскивают стеклянное тело и высушивают его.