CN100487502C - 熔融光纤光学器件系统 - Google Patents

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CN100487502C CNB2005101160437A CN200510116043A CN100487502C CN 100487502 C CN100487502 C CN 100487502C CN B2005101160437 A CNB2005101160437 A CN B2005101160437A CN 200510116043 A CN200510116043 A CN 200510116043A CN 100487502 C CN100487502 C CN 100487502C
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating

Abstract

一种熔融光纤光学器件系统，该系统具有至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与在所述光纤中传导的光线相互作用的光学元件，其中所述光纤的纤芯玻璃基本上不含CdO，其折射率nd至少为1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩尔%计的组成：La2O31-23，ZrO21-10，WO3≥2.5，ZnO 1-15，BaO 0-9，B2O320-70，Ta2O50-3，CaO0-7，PbO 6-35，SiO20-40，As2O3和/或Sb2O30-0.1，Nb2O50-3，及Al2O30-8。

Description

熔融光纤光学器件系统
技术领域
本发明涉及熔融光纤光学器件系统。
背景技术
光纤用于传导光线通过细丝状光学材料或纤维。这些纤维通常包括纤芯以及沿纤维整个长度方向的外部围绕的包层。光线通过纤维的传导是基于全内反射现象。对于全内反射，纤芯的折射率(n)必须大于包层的折射率。用于制造光纤的材料根据应用情况而不同。通常期望纤芯玻璃与包层玻璃之间折射率的差异大。
发明内容
本发明涉及熔融光纤光学器件系统的领域，更具体而言，涉及一种包括高折射率光纤的器件。
更具体而言，本发明涉及一种熔融光纤光学器件系统，该系统具有至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与来自所述光纤的光线相互作用的光学元件。
在一个优选的具体实施方案中，该光纤的纤芯玻璃的折射率至少为1.8，热膨胀系数(CTE)大于等于74×10-7，其基本上不含CdO，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3              1-23
ZrO2               1-10
WO3                ≥2.5
ZnO                1-15
BaO                0-9
B2O3               20-70
Ta2O5                0-3
CaO                  0-7
PbO                  6-35
SiO2                 0-40
As2O3和/或Sb2O3      0-0.1
Nb2O5                0-3，及
Al2O3                0-8。
在另一个优选的具体实施方案中，光纤的纤芯玻璃的折射率至少为1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和PbO，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3                1-23
ZrO2                 1-10
WO3                  ≥2.5
Ta2O5                0-3
ZnO                  1-15
BaO+CaO              ≥4
B2O3                 20-70
Ta2O5                0-3
SiO2                 0-40
As2O3和/或Sb2O3      0-0.1
Nb2O5                0-3，及
Al2O3                0-8。
在另一个优选的具体实施方案中，光纤的纤芯玻璃的折射率至少为1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO、PbO和Ta2O5，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3                 1-23
ZrO2                  1-10
WO3                   ≥2.5
ZnO                   1-15
BaO+CaO               ≥4
B2O3                  20-70
SiO2                  0-40
As2O3和/或Sb2O3       0-0.1
Nb2O5                 0-3，及
Al2O3                 0-8。
在另一个优选的具体实施方案中，光纤的纤芯玻璃的折射率至少为1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和Y2O3，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3                 1-23
ZrO2                  1-10
WO3                   ≥2.85
ZnO                   1-15
BaO                   0-9
B2O3                  20-70
CaO                   0-7
PbO                   5-35
SiO2                  0-40
As2O3和/或Sb2O3       0-0.1
Nb2O5                 0-3
Al2O3                 0-8，及
Ta2O5                 0-2.9。
除不含镉的组合物以外，本发明还优选提供具有低含量或不含砷、铅、钇和钽的系统。用于本发明的光纤系统的纤芯中的玻璃组合物，有利地显著降低或消除了传统纤芯玻璃组合物中的铅、钇、钽、砷和/或镉的氧化物的含量，并且不会对光学和物理性能造成任何明显的负面影响。
用于本发明的光纤系统中的纤芯玻璃组合物良好的熔度和可熔性，是通过玻璃构成物(如SiO2、B2O3)相对于低可熔性高折射率成分(如BaO、CaO、WO3、ZrO2)的平衡配比而达到的。
用于本发明的纤芯玻璃组合物优选含有约20至70摩尔％的主要玻璃构成物B2O3，更优选约含25至50摩尔％，最优选约含30至40摩尔％。另一种玻璃构成物SiO2的含量约为0至40摩尔％。该组合物最优选含有约9至15摩尔％的SiO2。
该玻璃中氧化钨WO3的含量大于等于2.5摩尔％，除精细调节光位置以外，氧化钨还用于进一步降低玻璃系统中的结晶化趋势。WO3的含量优选大于等于2.5摩尔％，更优选大于等于2.75摩尔％，最优选大于等于2.85摩尔％。WO3的含量通常小于6摩尔％。
用于本发明的纤芯玻璃组合物优选含有小于等于3摩尔％的Ta2O5，更优选约含0至2摩尔％，特别优选约含0至1.5摩尔％，而在某些具体实施方案中，优选不含Ta2O5。在某些具体实施方案中，WO3与Ta2O5的最大总和优选约为3.5至10摩尔％，更优选约为3.5至7.5摩尔％。
为稳定结晶作用和耐久性，纤芯玻璃中ZrO2的含量可为约1至10摩尔％，更优选约为5至10摩尔％，最优选约为6至9摩尔％。
为提高折射率并提高分散体的特性，BaO的含量优选约为0至9摩尔％，更优选约为0至5摩尔％，最优选约为2至4.50摩尔％。La2O3的含量优选约为1至23摩尔％，更优选约为5至15摩尔％，最优选约为7至13摩尔％。
Sb2O3通常可用于代替As2O3或结合As2O3使用，而在不含As2O3时Sb2O3是尤其有利的。Sb2O3的使用量通常为0至0.1摩尔％。
碱土成分CaO与BaO的总含量优选大于等于4摩尔％，更优选大于等于6摩尔％，最优选大于等于8摩尔％。CaO与BaO的总量通常小于16摩尔％。在某些具体实施方案中，可有利地使用氧化铌以提高玻璃的折射率，并提高其耐久性。Nb2O5的含量优选约为0至3摩尔％，更优选约为0至2摩尔％，尤其优选约为0至1摩尔％。
根据本发明的另一个方面，用于本发明光纤系统的新型纤芯玻璃组合物的CTE大于等于74×10-7，优选大于等于75×10-7，更优选大于等于76×10-7，例如约为76、77、78、79、80等。根据另一个方面，折射率(钠d-线，589.29纳米)至少为1.8，例如约为1.800、1.805、1.801、1.815、1.820、1.825、1.830、1.835等的任何值。
本发明的所有玻璃纤维元件均可以传统的方式制造。纤芯玻璃棒通常是由具有预期组成的熔融液体拉制而成。一种可选择方案是在特定的模子中浇铸熔融液体。光传导光纤可依照已知方法(例如双坩埚法或套管法rod-in-tube)采用这里所公开的优选的纤芯玻璃组合物以及合适的包层玻璃制得。一束纤维可由许多玻璃纤维制成。通过将一束纤维加以缠绕而制得缠绕物。该缠绕物使例如来自光电倍增管的图像旋转，并可用于例如夜视望远镜。用于包覆纤芯玻璃、拉伸棒材、组装纤维束等的方法均是传统的，例如参见W.B.Allan，Fibre 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。
根据本发明的玻璃组成范围提供一组具有提高的性能的不含镉的光学纤芯玻璃。具有这些性能，特别是它们的光位置的产品光纤，突出地适用于以下光学应用中，例如X射线成像的锥体、结晶学、蛋白质结晶学、天文学成像阵列、传导窗口、手机；传感器，如生物测量技术；夜视技术，如护目镜、望远镜、望远镜光学等；分束技术，如分束器等；成像，如传导锥体、缠绕物等；投影、通讯及激光技术等，其中除这里所指定的方式，它们还以传统的方式加以使用。
本发明的熔融光纤光学器件系统通常用于这些应用，其中通常包括一种或更多种光源、透镜、窗、分束器、反射或透射表面、光学器件(CCD’s等)、检测器阵列、磷涂层、带通滤波器、传感器阵列、滤光膜、多通道板、微处理器、显示元件(LCD、LED等)等。本发明的光纤元件可与这些元件一起使用，或作为这些元件等的部分使用。这些配置是传统的[例如参见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)]。
无需进一步的阐述，相信本领域技术人员可利用以上描述而最大程度地实现本发明。因此以下优选的特定具体实施方案仅理解为说明性，无论如何并不对本发明所公开的其余部分加以限制。
前述的以及以下实施例中，除非另有说明，所有温度均为未修正的摄氏度，而所有份数和百分数均为摩尔％。
具体实施方式
实施例
根据本发明的玻璃是由常用的原材料通过熔化而制得的。表1至3所示为实施例玻璃各自的组成(以摩尔％计，基于氧化物)、折射率nd、CTE及玻璃态转化温度Tg[℃]。
表1
 
1 2 3 4 5 6
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>ZrOWO<sub>3</sub>ZnOBaOB<sub>2</sub>O<sub>3</sub>Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>CaOPbOSiO<sub>2</sub>As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 10.99％6.13％2.86％12.86％5.49％36.96％2.99％4.79％4.82％12.05％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％35.97％2.63％4.86％8.08％12.07％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.43％2.33％4.86％8.44％11.55％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.43％2.23％4.86％8.61％11.48％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.42％2.03％4.86％9.07％11.23％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.43％1.72％4.86％9.76％10.84％0.06％ 
折射率测量 1.80962 1.8171 1.8193
SFO处的贝克线折射率 1.79 1.785 1.785 1.805 1.805
分散体 39.56 37.88
CTE(×10<sup>-7</sup>) 75.7 76.6 76.7
T<sub>g</sub>(℃) 598 581 577
软化Pt.(℃) 692 680
应变Pt.(℃) 542 545
退火Pt.(℃) 572 575
工作Pt.(℃)
努普硬度
密度(g/cm<sup>3</sup>)
表2
 
7 8 9 10 11 12 13
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>ZrOWO<sub>3</sub>ZnOBaOB2O<sub>3</sub>Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>CaOPbOSiO<sub>2</sub>As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.42％1.42％4.86％10.47％10.44％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.43％1.11％4.86％11.08％10.13％0.06％  11.13％6.75％2.89％11.36％4.24％36.42％0.91％4.86％11.45％9.93％0.06％  11.14％6.21％2.89％11.86％4.24％36.43％0.91％4.86％11.07％10.33％0.06％  10.99％6.13％2.85％12.86％5.49％38.14％2.99％4.79％0.00％13.20％0.06％2.50％  11.14％6.21％2.89％11.85％4.24％36.43％1.42％4.86％10.13％10.77％0.06％  10.99％6.25％2.85％12.86％7.00％37.30％2％5.49％0.00％12.70％0.06％1.20％ 
折射率测量 1.8182 1.817 1.817 1.818
SFO处的贝克线折射率 1.805 1.815 1.808 1.805
分散体
CTE(×10<sup>-7</sup>) 77.0 70.94 76.7 73.55
T<sub>g</sub>(℃) 578 575
软化Pt.(℃) 670
应变Pt.(℃) 576
退火Pt.(℃) 543 590
工作Pt.(℃) 573 781
努普硬度 600
密度(g/cm<sup>3</sup>) 4.847
表3
 
14 15
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>ZrOWO<sub>3</sub>ZnOBaOB<sub>2</sub>O<sub>3</sub>Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub>CaOPbOSiO<sub>2</sub>As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 11.49％7.00％3.50％12.86％6.80％37.30％0.00％5.79％0.00％13.40％0.06％1.80％  11.49％7.10％3.50％13.16％6.80％37.50％0.00％5.79％0.00％13.40％0.06％1.20％ 
折射率测量 1.808 1.800
CTE(×10<sup>-7</sup>) 74.2 74.2
根据本发明的玻璃是以如下方式制得的：称出氧化物的原材料。加入精炼剂，并彻底混合。该玻璃混合物在一组连续的Pt熔化组件中或2升坩埚中在约1300℃下熔化，在约1427℃下精炼，并彻底均匀化。在约1149℃的浇铸温度下，浇铸玻璃，并加工成预期的尺寸。
通过替换用于前述实施例中的本发明的预期反应物和/或操作条件，可以类似地重复前述的实施例。由以上的描述，本领域技术人员可容易地确定本发明的基本特征，而不会离开本发明的精神和范围，并可对本发明进行各种不同的改变或修改以使其适应于各种不同的用途和条件。

Claims (32)

1、一种熔融光纤光学器件系统，该系统包括至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与在所述光纤中传导的光线相互作用的光学元件，其中所述光纤的纤芯玻璃不含CdO，其折射率nd至少为1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3            1-23
ZrO2             1-10
WO3              ≥2.5
ZnO              1-15
BaO              0-9
B2O3             20-70
Ta2O5            0-3
CaO              0-7
PbO              6-35
SiO2             0-40
As2O3和/或Sb2O3  0-0.1
Nb2O5            0-3，及
Al2O3            0-8。
2、如权利要求1所述的光学器件系统，其中Ta2O5的含量为0至2摩尔％。
3、如权利要求2所述的光学器件系统，其中Ta2O5的含量为0至1.5摩尔％。
4、如权利要求1所述的光学器件系统，其中WO3的含量大于等于2.75摩尔％。
5、如权利要求1所述的光学器件系统，其中CTE≥75×10-7。
6、如权利要求5所述的光学器件系统，其中CTE≥76×10-7。
7、如权利要求1所述的光学器件系统，其中PbO的含量为9至35摩尔％。
8、如权利要求7所述的光学器件系统，其中PbO的含量为10至35摩尔％。
9、如权利要求1所述的光学器件系统，其是夜视望远镜。
10、如权利要求1所述的光学器件系统，其包括夜视护目镜。
11、如权利要求1所述的光学器件系统，其包括分束器。
12、如权利要求1所述的光学器件系统，其中BaO与CaO的总含量大于等于4摩尔％。
13、如权利要求12所述的光学器件系统，其中BaO与CaO的总含量大于等于6摩尔％。
14、如权利要求13所述的光学器件系统，其中BaO与CaO的总含量大于等于8摩尔％。
15、如权利要求13所述的光学器件系统，其中WO3与Ta2O5的总含量为3.5至7.5摩尔％。
16、一种熔融光纤光学器件系统，该系统包括至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与在所述光纤中传导的光线相互作用的光学元件，其中所述光纤的纤芯玻璃不含CdO和PbO，其折射率nd至少为1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3            1-23
ZrO2             1-10
WO3              ≥2.5
Ta2O5            0-3
ZnO              1-15
BaO+CaO          ≥4
B2O3             20-70
SiO2             0-40
As2O3和/或Sb2O3  0-0.1
Nb2O5            0-3，及
Al2O3            0-8。
17、如权利要求16所述的光学器件系统，其中Ta2O5的含量为0至2摩尔％。
18、如权利要求17所述的光学器件系统，其中Ta2O5的含量为0至1.5摩尔％。
19、如权利要求16所述的光学器件系统，其中WO3的含量大于等于2.75摩尔％。
20、如权利要求16所述的光学器件系统，其中CTE大于等于75×10-7。
21、如权利要求20所述的光学器件系统，其中CTE大于等于76×10-7。
22、如权利要求16所述的光学器件系统，其是夜视望远镜。
23、如权利要求16所述的光学器件系统，其包括夜视护目镜。
24、如权利要求16所述的光学器件系统，其包括分束器。
25、一种熔融光纤光学器件系统，该系统包括至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与在所述光纤中传导的光线相互作用的光学元件，其中所述光纤的纤芯玻璃不含CdO、PbO和Ta2O5，其折射率nd至少为1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3                1-23
ZrO2                 1-10
WO3                  ≥2.5
ZnO                  1-15
BaO+CaO              ≥4
B2O3                 20-70
SiO2                 0-40
As2O3和/或Sb2O3      0-0.1
Nb2O5                0-3，及
Al2O3                0-8。
26、如权利要求25所述的光学器件系统，其中WO3的含量大于等于2.75摩尔％。
27、如权利要求25所述的光学器件系统，其中CTE大于等于75×10-7。
28、如权利要求27所述的光学器件系统，其中CTE大于等于76×10-7。
29、如权利要求25所述的光学器件系统，其是夜视望远镜。
30、如权利要求25所述的光学器件系统，其包括夜视护目镜。
31、如权利要求25所述的光学器件系统，其包括分束器。
32、一种熔融光纤光学器件系统，该系统包括至少一种包括光纤的光学元件，以及至少一种其他的与在所述光纤中传导的光线相互作用的光学元件，其中所述光纤的纤芯玻璃不含CdO和Y2O3，其折射率nd至少为1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩尔％计的组成：
La2O3               1-23
ZrO2                1-10
WO3                 ≥2.85
ZnO                 1-15
BaO                 0-9
B2O3                20-70
CaO                 0-7
PbO                 5-35
SiO2                0-40
As2O3和/或Sb2O3     0-0.1
Nb2O5               0-3
Al2O3               0-8，及
Ta2O5               0-2.9。
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