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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen bilderzeugende und
nicht-bilderzeugende optische
Vorformen, die zum Beispiel bei der Herstellung von optischen Fasern,
Emittern und Sensoren verwendet werden, und insbesondere die Bildung
einer einmaligen optischen Vorform mit einer tief angeordneten,
radial verbundenen Zwischenschicht von kontrollierter radialer Tiefe
und Symmetrie.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik:
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Es
gibt zahlreiche Anwendungen und Verfahren zum Herstellen von optischen
Vorformen. Einige der üblicheren
Anwendungen einer Vorform umfassen die Verwendung als Ausgangselement
für das Ziehen
einer optischen Faser, als Massenausgangsmaterial für Linsenrohlinge
und als Abdeckung oder gekapselte Linse von optischen Emittern.
Bei diesen oder anderen Anwendungen werden die optischen, mechanischen
und thermischen Eigenschaften der optischen Vorform und die genaue
Definition dieser Eigenschaften hoch bewertet. Ferner ist eine abgestufte
Veränderung
dieser Eigenschaften im fertigen Produkt, entweder durch Gefüge- oder
Materialbehandlung, ebenfalls hoch erwünscht.
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Es
sind wenigstens drei Hauptverfahren zum Herstellen von optischen
Vorformen für
gewöhnlich bekannt,
die für
die vorliegende Erfindung relevant sind. Das erste ist die Anwendung
des chemischen Aufdampfens (CVD) zum Auftragen eines Materials auf
die Innenfläche
eines Glasrohrs. Das Ziel dieses Prozesses ist die Schaffung eines
Kernteils aus einem Material mit einem ersten Satz von optischen
Eigenschaften, das von einer Überzugsschicht
umgeben ist, die einen zweiten Satz von optischen Eigenschaften
aufweist. Das Erzeugen der optischen Vorform erfordert die Anwendung
eines Überzugrohrs, das
aus einem hochreinen Quarzglas gebildet ist und typisch aus mindestens
95% Quarz besteht, wobei eine kleine Menge an Dotierstoff mit geringem
Diffusionsvermögen
zugesetzt wird zum Erzeugen der optischen Eigenschaften des Überzugs.
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Das
geringe Diffusionsvermögen
des Dotierstoffs ist erforderlich, um die thermische Wanderung wenn
nicht einen unmittelbaren Verlust des Dotierstoffs während der
Verarbeitung zu minimieren. Ein hochreiner Quarzdampf, auch wenn
er eine geringe Konzentration eines gewählten Dotierstoffs enthält, wird
dann durch das Überzugrohr
gepumpt, während der Überzug in
einer Zone erhitzt wird, die mechanisch wiederholt längs der
Länge des Überzugs
bewegt wird, um den tatsächlichen
Niederschlag von Quarz und Dotiermittel aus der Dampfphase auf die Innenfläche des Überzugs
zu erleichtern. Die Wahl des Dampfphase-Dotierstoffs und seine Konzentration
und hierdurch die optischen Eigenschaften des durch Niederschlag
gebildeten Kemmaterials sind besonders begrenzt durch das Erfordernis
eines gleichmäßigen Niederschlags
des Dotierstoffs bezüglich
des niedergeschlagenen Quarzes. Zusätzlich müssen Temperaturen und Durchflüsse ferner
sorgfältig
aufrecht erhalten werden, um den gleichmäßigen Niederschlag des Quarzes
aufrecht zu erhalten, während
eine gleichmäßige Dotierstoffkonzentration im
originalen und niedergeschlagenen Material beibehalten wird. Eine
genaue Temperaturkontrolle ist auch erforderlich, damit der Überzug nicht überhitzt wird,
was eine asymmetrische Verformung ergibt, die wiederum die gewünschte geometrische
Struktur der optischen Vorform gefährden würde. Ist einmal eine Schicht
des Kernquarzmaterials niedergeschlagen, so muss eine Hochtemperaturbehandlung
gleichmäßig am Überzug und
am Kern ausgeführt
werden, damit die gesamte Struktur soweit nötig anliegt, um die Mitte der
Vorform zu füllen.
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Der
CVD-Prozess ist nicht nur kostspielig und komplex aufgrund der erforderlichen
Präzision bei
vielen Prozessschritten, sondern der Prozess ist ziemlich zeitintensiv,
da die Rate des gleichförmigen Dampfphasenniederschlags
von Natur aus gering ist. Jedoch ist vielleicht die ausgeprägteste Begrenzung die,
dass aufgrund der grundsätzlichen
Natur des Prozesses wesentliche Materialgrenzen vorliegen. Insbesondere
müssen
der Überzug
und die aus der Dampfphase niedergeschlagenen Kernmaterialien aus
derselben elementaren Glaszusammensetzung bestehen, die für gewöhnlich als
dieselbe "Glasfamilie" bezeichnet wird.
Beispiele für
herkömmliche Glasfamilien
enthalten Borsilikatgläser,
Bleigläser und
Bariumgläser.
Dadurch, dass der Kern und der Überzug
zur gleichen Glasfamilie gehören
und das Verhältnis
von Dotierstoffen zu Quarz in beiden ziemlich gering ist, ist der
Unterschied der Materialeigenschaften zwischen dem Kern und dem Überzug von Natur
aus beschränkt.
Zum Beispiel sind die CVD-Vorformen im Wesentlichen beschränkt auf eine
Kern-Überzug-Differenz
bezüglich
Brechungsindex von etwa 0,1 und typischer 0,03 oder weniger.
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Auch
sind die thermischen und mechanischen Eigenschaften der bedampften
Kern- und Überzugmaterialien
in hoher Weise voneinander abhängig,
um im endgültigen
Zusammenfallzustand des Prozesses korrekt zu arbeiten, so dass übermäßige Spannungen
nicht auf das Überzugmaterial ausgeübt werden.
Folglich sind die optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften
der in einem CVD-Prozess hergestellten Form bedeutend eingeschränkt.
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Ein
weiterer Prozess zur Bildung von optischen Vorformen verwendet die
Ionendiffusion zum Ändern
der optischen, mechanischen und thermischen Oberflächeneigenschaften
einer sonst homogenen optischen Materialstange. Bei diesem Prozess wird
die Stange in ein Ionensalzbad platziert und auf eine Temperatur
erhitzt, die den Ionentransport an der Oberfläche des Stangenmaterials fördert. In
der Tat findet ein Auslaugen des Oberflächenmaterials statt, was eine Änderung
der Materialeigenschaften innerhalb der ausgelaugten Zone ergibt.
Diese Zone kann jedoch an der Oberfläche des Stangenmaterials bis
zu einer beträchtlichen
radialen Tiefe gebildet werden. In der Praxis jedoch kann die Zone
eine radiale Tiefe von nur einem Bruchteil eines Millimeters bis
einigen Millimetern während
einer Auslaugdauer von etwa drei bis vier Monaten erzielen. Weil
ferner die Ionentransportmechanik in hohem Maße von der spezifischen Ionenkonzentration
an der Oberfläche des
optischen Stangenmaterials abhängt,
ist eine genaue Kontrolle der resultierenden optischen Eigenschaften
ziemlich schwierig. Der Auslaugvorgang verringert auch unmittelbar
die Materialfestigkeit und -unversehrtheit der Vorform in der beeinflussten
Zone. Folglich können
die endgültigen
optischen Eigenschaften der resultierenden Vorform in einem Ausmaß variieren,
das für
viele optischen Vorformnutzungen kommerziell nicht annehmbar ist.
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Schließlich besteht
ein drittes Verfahren zum Bilden einer optischen Vorform einfach
im Anlegen eines Überzugrohrs
aus einem optischen Material an eine Stange aus demselben oder einem
unterschiedlichen optischen Material. Das am 4. Dezember 1984 an
Lynch erteilte US Patent 4 486 214 offenbart ein Beispiel dieses
Prozesses. Das dort offenbarte Ziel des Vorformherstellungsprozesses
besteht in der Schaffung einer Vorform mit einer genau definierten Änderung
des Brechungsindex zwischen der inneren Stange und dem äußeren Rohrmaterial.
Wenn auch nicht so wie bei den CVD-Prozessen beschränkt, wird
die Materialwahl für
das äußere Rohr
durch das Erfordernis beschränkt,
das das äußere Rohr
gleichmäßig auf
die Stange anliegt, ohne das Stangenmaterial zu verformen. Die thermischen
und mechanischen Eigenschaften des anliegenden Rohrs müssen daher
gewählt
werden, um ein gleichmäßiges Anlegen
bei einer Temperatur von etwa unter dem Schmelzpunkt des Stangenmaterials
zu ermöglichen.
Das angelegte Rohr wird schließlich
nicht als Teil der Bildung der Vorform auf das Stangenmaterial geschmolzen,
sondern während
eines getrennten nachfolgenden Schritt des Ziehens der optischen Vorform
zu einer optischen Faser. Der gleichzeitige Schritt des Schmelzens
und Ziehens der Faser gestattet es der abrupten optischen Zwischenfläche zwischen
dem Rohr und dem Stangenmaterial deutlich aufrecht erhalten zu werden,
wobei das genaue Ziel der Vorformen durch diesen Prozess erreicht wird.
Jedoch bewahrt der Materialschmelzvorgang im Ziehstadium einige
Verunreinigungen und Spalten, die an der Materialzwischenfläche vorhanden sein
können.
Folglich wird bei der Durchführung
dieses Prozesses bei dem anfänglichen
genauen Anlegen des Rohrs an der Stange eine Prämie ausgesetzt.
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GB-A-1
456 371 offenbart ein ähnliches
Verfahren, bei dem die Vorform genau definierte Teile hat, die sich
ineinander fügen,
wenn die Faser gezogen wird. In ähnlicher
Weise offenbart JP-A-63/147837 eine Einrichtung zum Erzeugen eines
Glaskörpers,
dessen Brechungsindex stufenweise variiert durch Schweißen von
Glasrohren zur Bildung eines massiven Rohrs. Ein weiteres Erhitzen und
Strecken des Körpers
erzeugt einen Körper,
dessen Brechungsindex kontinuierlich variiert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird eine optische Glasvorform geschaffen, die sich zur Verwendung
bei der Fertigung von Linsen und Fasern eignet und folgendes umfasst:
- (a) einen Kern aus einem ersten Glasmaterial,
der eine Mittelachse aufweist,
- (b) ein Rohr aus einem zweiten Glasmaterial, das um den Kern
herum an einem Stück
der Mittelachse entlang bereit gestellt wird,
- (c) eine Zwischenschicht, die zwischen den sich gegenüberliegenden
Flächen
des Kerns und des Rohrs ausgebildet und durch radial erfolgende
Interdiffusion des ersten und des zweiten Materials mit diesen Flächen verbunden
ist, wodurch sich ein radialer Mittelpunkt der Zwischenschicht tief unter
der Außenfläche des
Rohrs ergibt und es sich bei der Zwischenschicht um eine tief angeordnete
Verbundzwischenschicht handelt.
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Ein
allgemeiner Zweck von wenigstens bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer optischen
Vorform mit einer tief angeordneten Verbundzwischenschicht, die
eine Zwischenschicht von kontrollierter Dicke mit einem physikalischen
oder optischen Gradient darstellt, der auf die Eigenschaften eines
zentralen Kernmaterials und eines äußeren Überzugmaterials bezogen ist.
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Dies
wird erzielt durch eine Vorformstruktur mit einer zentralen Stange
aus einem ersten Material, mit einem umgebenden Rohr aus einem zweiten
Material und mit einer seichten oder tiefen Zwischenschicht, die
zwischen der Stange und dem Rohr integral ausgebildet ist vorzugsweise
durch eine durch Wärme
erfolgende Interdiffusion des ersten und des zweiten Materials.
Die Zwischenschicht der resultierenden Vorformstruktur weist Materialeigenschaften auf,
die auf die Eigenschaften des interdiffundierten Materials der Stange
und des Rohrs bezogen sind.
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Ein
Verfahren zur Erzeugung der Vorformstruktur von wenigstens bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung enthält
folgende Schritte: (1) Anlegen eines Rohrs an einer Stange, (2)
Tragen der kombinierten Struktur und (3) Erhitzen der Vorformstruktur
zur Bildung einer tief angeordneten Verbundschicht an der Grenzfläche zwischen
dem Rohr und der Stange. Vorzugsweise wird die Vorform während des
Erhitzens um ihre Zylinderachse gedreht. Es wird vorzugsweise ein
einschließender
Träger
verwendet zum Tragen der Vorform während des Erhitzens und Drehens
bei der Bildung der tiefen Zwischenschichten.
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Somit
besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung dann, dass sie einen
kontinuierlichen oder sanft gestuften, radial eingeteilten Eigenschaftsbereich
in einer optischen Vorformstruktur erzielen kann. Das Gradientenprofil
des Bereichs ist direkt bezogen auf die radiale Tiefe des Bereichs
und wird durch diese ausgeprägt
kontrolliert.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dann, dass sie
in wirksamer Weise eine gut kontrollierbare, tief angeordnete, radiale
Verbundzwischenfläche
in einer optischen Vorform schafft zum Vorsehen eines glatten Übergangs
einer oder mehrerer Eigenschaften zwischen zwei Materialschichten.
Die kontrollierten Eigenschaften können folgendes umfassen, sind
aber nicht darauf beschränkt:
Brechungsindex, Wärmeausdehnungskoeffizient,
Dichte, Materialzusammensetzung, Zug- und Druckfestigkeit und Wärmeüberigangseigenschaften.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dann, dass die
tief angeordnete radiale Verbundzwischenschicht eine radiale Dicke
oder Tiefe von bis zur ganzen radialen Abmessung der optischen Vorform
erreichen kann. Im Wesentlichen abhängig von den relativen radialen
Abmessungen der Stange und des Rohrs kann ferner die Zwischenschicht
entweder die Stange oder Rohrschicht einnehmen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
der Prozess für
die Fertigung der erfindungsgemäßen optischen
Vorformstruktur nicht auf irgendeine besondere Familie von Materialien,
wie Bleiquarz, Borquarz, Bariumquarz oder dergleichen, beschränkt ist.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass irgendeine
Anzahl von konzentrischen, tief angeordneten Zwischenschichten, von
denen jede einen unterschiedlichen Radius hat, gemäß der Erfindung
aufgebaut sein kann.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass der
Prozess für
die Fertigung der optischen Vorform die strukturelle und optische Symmetrie
der Vorform aufrecht erhält.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung
eines thermischen, mit Schwerkraft arbeitenden Kontrollschritts
zur Beeinflussung der thermischen Wanderung der Dotierstoffatome
in der tief angeordneten radialen Verbundzwischenschicht und hierdurch
des Gradients der Materialeigenschaften radial durch die tief angeordnete radiale
Verbundzwischenschicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
besser verständlich bei
Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile in allen Figuren bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine
erläuternde
Schrägansicht
eines Rohrs, das bereit ist, um eine mittlere Stange zur Anlage
zu kommen;
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2a eine
typische Endansicht einer aneinander liegenden Struktur aus Stange
und Rohr und eine graphische Darstellung der Veränderung einer Materialeigenschaft,
wie Brechungsindex, mit einer plötzlichen
Veränderung
bezüglich
der Tiefe;
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2b eine
Endansicht einer Struktur aus aneinander liegender Stange und Rohr
mit einer dazwischen liegenden, tief angeordneten, radialen Verbundzwischenschicht
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und eine graphische Darstellung bezüglich einer
Materialeigenschaft, wie Brechungsindex, mit einem sanft abgestuften
radialen Gradient über
der tief angeordneten radialen Verbundzwischenschicht in Abhängigkeit
von der radialen Tiefe;
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2c eine
Endansicht einer mehrfachen, aneinander liegenden Vorformstruktur
aus Rohr und Stange gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit zwei tief angeordneten radialen Verbundzwischenschichten,
die zwischen aufeinander folgenden Rohrschichten angeordnet sind,
und eine graphische Darstellung eines sanft abgestuften, radialen
Gradients einer Materialeigenschaft, etwa Brechungsindex, die mit
der radialen Tiefe variiert;
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2d eine
graphische Darstellung eines sanft abgestuften, radialen Gradients
einer Materialeigenschaft, etwa Brechungsindex, die sich über die
gesamte Tiefe der Vorformstruktur erstreckt;
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3a eine
erläuternde
Schrägansicht
eines bevorzugten Keramikrollenmechanismus zum Drehen einer optischen
Vorformstruktur, die gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet ist für
das Tempern und Erzeugen einer tief angeordneten radialen Verbundzwischenschicht;
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3b eine
Schrägansicht
des bevorzugten Keramikrollenmechanismus mit einer Druckrolle zum Beseitigen
von eingeschlossenem Gas und Hohlräumen an der Zwischenschicht
zwischen dem aneinander liegenden Rohr mit Stange; und
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4 eine
Schrägansicht
eines Glasträgers zum
Einkapseln einer optischen Vorformstruktur gemäß einem Konstruktionserfordernis
zum Ermöglichen
einer Drehung beim Erzeugen einer tief angeordneten radialen Verbundzwischenschicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Das
anfängliche
Stadium der Fertigung einer optischen Vorform gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 1 gezeigt. Während der Prozess der Durchführung der
Fertigung der optischen Vorform im Einzelnen beschrieben ist, ist
für den
Fachmann ohne weiteres ersichtlich, dass viele Änderungen und Modifikationen,
insbesondere bezüglich
Abmessungen und Wahl von Materialien, gemacht werden können, ohne
von der Erfindung in ihren weiteren Aspekten abzuweichen. Demnach
sind die offenbarten speziellen Ausführungsformen nur repräsentativ
und schaffen eine Basis für
die Patentansprüche,
die den Bereich der vorliegenden Erfindung definieren.
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1 zeigt
eine optische Vorform 10 bei dem bevorzugten Bauvorgang
aus einer anfänglichen
zylindrischen Stange 12, die durch einen passenden zylindrischen
Hohlraum in ein Rohr 14 eingesetzt wird. Das Material der
Stange 12 und des Rohrs 14 kann aus einer Anzahl
von Familien von optischen Materialien gewählt werden, die typisch als
glasartige Materialien bezeichnet werden, einschließlich Bleiquarz,
Borquarz oder anderen Glasfamilien, die in der Technik allgemein
bekannt sind. Typisch wird jede Familie von Gläsern gekennzeichnet als ein Glas
mit den gleichen Bestandteilen, wenn auch beschränkt durch das allgemeine Erfordernis
des Aufrechterhaltens einer angemessenen Kristallinität, Klarheit
und Elastizität
des Glases.
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Erfindungsgemäß müssen bei
der vorliegenden Erfindung die Stange 12 und das Rohr 14 nicht aus ähnlichen
Materialien oder sogar aus Materialien aus denselben Glasfamilien
gebildet sein. Vielmehr ist der Fertigungsprozess der optischen
Vorform 10 kompatibel mit Stangen- und Rohrmaterialien,
die ziemlich unähnlich
sind in ihren optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften,
die durch die Wahl von unterschiedlichen Materialzusammensetzungen
der Gläser
definiert sind. Die Auswahl der Materialien für die Stange 12 und
das Rohr 14 ist jedoch nicht unbegrenzt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung müssen
die Materialien so gewählt
werden, dass sie im Allgemeinen ähnliche
Schmelztemperaturen haben, so dass während der nachfolgenden Verarbeitung
der vorherrschende Mechanismus für das
Mischen der Materialien zwischen der Stange 12 und dem
Rohr 14 ein Mischen durch Interdiffusion statt durch Konvektion
ist. Im Allgemeinen eignet sich eine Schmelztemperaturdifferenz
von etwa 100°C, vorzugsweise
etwa 50°C,
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung. Auch muss die Wahl der Glaskomponenten
der Stange 12 und des Rohrs 14, wenn sie interdiffundiert
werden, ein Glas mit einer angemessenen Kristallinität, Klarheit
und Elastizität
erzeugen.
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Eine
weitere Einschränkung
besteht dann, dass die Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Stange 12 und
dem Rohr 14 verhältnismäßig nahe beieinander
liegen müssen,
um eine Verarbeitung der optischen Vorform 10 bei Temperaturen
an oder über
den Erweichungspunkten der glasartigen Materialien von Stange und
Rohr und bei kontrolliertem langsamem Rückkühlen auf Raumtemperatur zu
gestatten. Natürlich
müssen
die mechanischen Eigenschaften sowohl der Stange 12 als
auch des Rohrs 14 in Betracht gezogen werden, wenn bestimmt
wird, ob die Ausdehnungskoeffizienten für die besonderen Materialien
angemessen passen. Insbesondere wenn der Ausdehnungskoeffizient
für das
Stangenmaterial größer als
für das
Rohrmaterial ist, wird wahrscheinlich die Sprödigkeit des Rohrs 14 als
begrenzender Faktor dienen bei der Bestimmung, ob die Ausdehnungskoeffizienten
ausreichend passen, um ein Brechen des Rohrs 14 während des
Abkühlens
auszuschließen.
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Die
gesonderte Wahl der Materialien muss auch die Erzeugung einer ziemlich
fein polierten Oberfläche
auf der zylindrischen Außenfläche der Stange 12 und
der inneren Bohrungsfläche
des Rohrs 14 ermöglichen.
Zum Erzeugen einer gleichmäßigen Struktur
müssen
an der Grenzfläche
zwischen der Stange 12 und dem Rohr 14 Hohlräume aller
Art vermieden werden. Zum Einsetzen der Stange in die Bohrung des
Rohrs 14 muss der Radius der Stange 12 geringfügig kleiner
als derjenige der Bohrung sein. Wenn die optische Vorformlstruktur
erhitzt wird, darf keinerlei vorhandenes Gas am Ausströmen aus
dem Ringspalt zwischen der Stange 12 und dem Rohr 14 gehindert
werden. Selbst wenn das gesamte Gas vor dem Erhitzen evakuiert wird,
können
bei Vorliegen von rauen Passflächen
Hohlräume
auftreten. Somit sind sogar bei dem evakuierten Herstellen der Vorform 10 polierte
Passflächen
erforderlich. Der Grad des Polierers hängt jedoch stark von den verwendeten
Materialien ab, kann aber leicht als ausreichend bestimmt werden,
wenn eine mikroskopische Prüfung
der optischen Vorform das Fehlen von Hohlräumen über einem Durchmesser offenbart,
die für den
beabsichtigten Gebrauch der optischen Vorform annehmbar sind. Im
Allgemeinen ist ein angemessener Grad der Politur schwierig zu erzielen.
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Schließlich müssen die
Abmessungen des Ringraums zwischen der Stange 12 und dem
Rohr 14 bemessen werden in Anbetracht jeglichen größeren Wärmedehnungskoeffizients
der Stange 12 gegenüber
dem Rohr 14, insbesondere wenn der Schmelzpunkt des Stangenmaterials
niedriger als derjenige des Rohrmaterials ist. Im Idealfall ist
der Ringraum so bemessen, dass das Stangenmaterial seinen Schmelzpunkt
bei einer radialen Ausdehnung erreicht, die ausreicht zum Schließen des
Ringraums zwischen der Stange 12 und dem Rohr 14 ohne
Ausübung
einer Ausdehnungskraft auf die Innenfläche des Rohrs 14,
die die Ausdehnungsfestigkeit des Rohrs 14 übersteigt.
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2a zeigt
eine Endansicht der Vorform 10 im Anschluss an das Anliegen
des Rohrs 14 an der Stange 12. Während der
Brechungsindex dargestellt ist, sind alle Materialeigenschaften
der Vorform 10 in der Stange 12 bzw. im Rohr 14 im
Wesentlichen gleichförmig.
Durch die Erzeugung einer tief angeordneten radialen Verbundschicht
an der Grenzfläche
zwischen der Stange 12 und dem Rohr 14, wie in 2b gezeigt,
ist eine Verbundschicht 16 mit Materialeigenschaften ausgebildet,
die von einem ruckfreien kontinuierlichen Schritt von denjenigen
der Stange 12 zu denjenigen des Rohrs 14 variieren.
Ferner ist diese tief angeordnete Verbundzwischenschicht 16 innig
verschmolzen mit und gebildet aus einem Gemisch aus sowohl dem Material
der Stange 12 als auch demjenigen des Rohrs 14.
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Wie
allgemein in 2c angegeben, können mehrfache
konzentrische, tief angeordnete Verbundzwischenschichten sowohl
gleichzeitig als auch aufeinander folgend erzeugt werden. Eine zweite
optische Vorform 20 hat eine zentrale Stange 22,
ein erstes Rohr 26, das die Stange 22 zylindrisch
umgibt, und ein zweites Rohr 30, das das erste Rohr 26 zylindrisch
umgibt. Zum gleichzeitigen Erzeugen der Zwischenschichten 24, 28 werden
beide Rohre 26, 30 auf die Stange 22 zur
Anlage gebracht, bevor mit einem Prozess zur Erzeugung der tief
angeordneten Verbundzwischenschichten 24, 28 begonnen
wird.
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Zum
aufeinander folgenden Erzeugen der Zwischenschichten 24, 28 kann
das erste Rohr 26 an der Stange 22 zur Anlage
gebracht werden, und kann die Verbundvorformstruktur verarbeitet
werden zur Bildung einer tief angeordneten Verbundzwischenschicht 24 mit
einer gewünschten
Anfangsdicke. Das heißt,
die Verbundvorform 22, 26 kann erfindungsgemäß so erhitzt
werden, dass die Passflächen
des Rohrs 26 und der Stange 24 verschmelzen oder
sich verbinden, wodurch wenigstens eine Anfangsdicke der Zwischenschicht 24 erzeugt
wird. Ein zweites Rohr 30 kann dann auf die Außenfläche des Rohrs 26 zur
Anlage gebracht werden, und die resultierende Verbundverformstruktur
kann erfindungsgemäß erneut
erhitzt werden zum Beenden der Bildung der Zwischenschicht 24 und
zum Erzeugen einer zweiten Zwischenschicht 28, und zwar
bei beiden mit ihren schließlich
beabsichtigten Dicken. Wie allgemein durch die Veränderung
des Brechungsindex zwischen den Schichten angegeben ist, bilden
die Zwischenschichten 24, 28 Bereiche mit kontinuierlichen, sanft
gestuften Eigenschaften zwischen der zentralen Stange 22,
dem inneren Rohr 26 und dem äußeren Rohr 30.
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Weiter
kann erfindungsgemäß das Erhitzen der
in 2a, 2b und 2c gezeigten
Verbundstrukturen in einem Ausmaß durchgeführt werden, bei dem eine Interdiffusion
der Stangen- und Rohrmaterialien auf der vollen Tiefe der Stange
und der Rohre stattfindet. Wie typisch in 2d gezeigt, kann
die Interdiffusion der Stangen- und Rohrmaterialien ineinander bis
zu einem Punkt fortschreiten, wo ein symmetrischer einziger radialer
Gradient mit sanften Stufe vorliegt, der sich über die gesamte Tiefe der Verbundvorform 22, 26, 30 erstreckt.
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Nun
wird gemäß 3a die
anfängliche thermische
Verarbeitung einer Verbundvorform 32 aus einer einfachen
Stangen- und Rohrstruktur beschrieben. Sobald eine Glasstange 34 mechanisch
in die zylindrische Bohrung eines Rohrs 36 eingesetzt ist,
wird die Verbundstruktur 32 in einen nicht gezeigten Ofen
eingesetzt, dessen Bauart im Wesentlichen herkömmlich ist. Die relevante Abänderung
des Ofens besteht im Vorsehen von keramischen Walzen 38 innerhalb
des Ofens zum Tragen und Drehen der Verbundvorform 32.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
hat die Vorform einen Durchmesser von etwa 1 Zoll, wobei jede der
Walzen 38 einen ungefähren
Durchmesser von 20 Millimeter hat.
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Bei
diesem Verarbeitungsstadium besteht das Ziel im Erhitzen der Verbundvorform 32 auf
eine Temperatur, die nahe der Erweichungstemperatur des Rohrmaterials 36 jedoch
im Allgemeinen über dieser
Temperatur liegt, während
ein Ausdehnen des Stangenmaterials und das Verschmelzen mit der Bohrungsinnenfläche des
Rohrs 36 ermöglicht
wird. Das Drehen der Verbundanordnung 32 während dieser
thermischen Behandlung ergibt die Bildung einer gleichmäßigen Verbundzwischenschicht,
die die Stange 34 mit dem Rohr 36 verbindet. Das
Drehen der Verbundanordnung 32 fördert auch das gleichmäßige Erhitzen
auf der gesamten Länge
der Verbundanordnung 32.
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Die
Temperatur der Verbundvorform 32 wird mit einer herkömmlich bestimmbaren
Geschwindigkeit erhöht,
die auf die Wärmeschockfestigkeit
der gewählten
Materialien bezogen ist, und zwar ausgehend von einer anfänglichen
Umgebungstemperatur auf eine Temperatur unmittelbar über der
Erweichungstemperatur des Rohrs 36, das heißt in Nähe der Erweichungstemperatur.
Bei ungefähr
der Temperatur, bei der sich die Stange ausgedehnt hat und die innere
Bohrungsfläche
des Rohrs 36 berührt,
beginnt das Drehen der Keramikwalzen 38 mit einer Drehzahl
der Verbundvorform 32 von etwa 50 bis 150 Umdrehungen je
Minute, obwohl sich viel höhere Drehzahlen
als vorteilhaft und kleinere Drehzahlen als angemessen wirksam erweisen
können.
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Ist
einmal die Nähe
der Erweichungstemperatur des Rohrs 36 erreicht, wird eine
zusätzliche
Keramikwalze 38',
wie allgemein in 3b gezeigt, auf die Außenfläche des
Rohrs 36 mechanisch entgegengesetzt zu den Keramikwalzen 38 gedrückt. Die Druckwalze 38' hat vorzugsweise
eine kleine Berührungsfläche mit
der Außenfläche der
Vorform 32. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat die Druckwalze 38' einen Durchmesser
von etwa 20 Millimeter und eine ungefähre Kontaktbreite von zwei
Millimeter. Die Drehung der Walzen 38, 38' und der Vorform 32 wird während des
Pressens aufrechterhalten, wobei die Kontaktfläche der Druckwalze 38' längs der
Länge der
Vorform 32 verschoben wird. Die durch die Walze 38' ausgeübte Kraft
wird so gewählt,
dass sie ausreicht, um im Wesentlichen jegliches verbleibende atmosphärische Gas
und Hohlräume
austreibt, die an der Grenzfläche
zwischen der Stange 34 und dem Rohr 36 vorhanden
sein können.
Die keramische Walze 38' wird
dann entfernt, und die Verbundanordnung 32 wird in der
Nähe der
Erweichungstemperatur des Rohrs 36 während einer Zeitspanne in Drehung gehalten,
die ausreicht, um die Außenfläche der Stange 34 mit
der inneren Bohrungsfläche
des Rohrs 36 zu verschmelzen.
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Es
erfolgt dann ein kontrolliertes Abkühlen der Verbundvorform 32,
wobei die Temperaturabnahme mit einer herkömmlich bestimmbaren Geschwindigkeit
erfolgt. Ist die Temperatur der Stange 34 und des Rohrs 36 auf
einen Punkt zwischen der angenäherten
Erweichungstemperatur des Rohrs 36 und der Umgebung abgesunken,
wobei dort wenigstens keine weitere bedeutende Interdiffusionsaktivität zwischen
dem Stangen- und Rohrmaterial stattfindet, kann die Drehung der
Keramikwalzen 38 angehalten werden.
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Ein
Erwärmen
der Stange 34, des Rohrs 36 und der Grenzfläche zwischen
der Stange 34 und dem Rohr 36 wird dann vorzugsweise
bei der Zwischentemperatur zugelassen. Dieser Erwärmungsschritt
soll die Materialspannungen verringern, die infolge der Wär mebehandlung
an der Grenzfläche
zwischen der Stange 34 und dem Rohr 36 und auch
in der Stange 34 und dem Rohr 36 erzeugt wurden.
Dieser Erwärmungsschritt
erfolgt während
einer Zeitdauer, die auf herkömmliche
Weise bestimmbar ist, auf der Basis der verwendeten Materialien,
der Größen und
Geometrien der Komponenten. Nach Beendigung des Erwärmungsschritts
kann die Verbundvorform 32 dann langsam auf Umgebungstemperatur abkühlen.
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Die
resultierende, tief angeordnete Verbindung zwischen der Stange 34 und
dem Rohr 36 stellt ein inniges Verschmelzen der Stangen-
und Rohrmaterialien auf einer Dicke dar, die unmittelbar bezogen ist
auf die relativen Interdiffusionseigenschaften der die Stange 34 und
das Rohr 36 bildenden Materialien, die Temperatur, bei
der die Verbindungsbildung stattfindet, die Zeitdauer, mit der das
Verschmelzen fortgesetzt wird, und in einem geringerem Ausmaß auf die
Drehzahl der Verbundvorform 32.
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In 4 ist
ein Glasträger 40 gezeigt,
der bei der weiteren Verarbeitung der Verbundvorform 32 verwendet
wird. Der Glasträger 40 besteht
vorzugsweise aus einem hochtemperaturfestem Quarzglasrohr 42 mit
einem stumpfen geschlossenen Ende und aus einem zweiten Quarzrohr 44 aus ähnlichem
Material mit ebenfalls einem stumpfen geschlossenen Ende. Die Verbundvorform 32,
die mit einem Antihaftmittel, wie fein pulverisiertem Bornitrid,
beschichtet ist, wird in und neben dem geschlossenen Ende des äußeren Rohrs 42 angeordnet.
Während
andere Antihaftmittel verwendet werden können, wird Bornitridpulver
wegen seiner hohen Schmelztemperatur selbst in Anwesenheit einer
oxidierenden Atmosphäre
bevorzugt.
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Der
Außendurchmesser
der Verbundvorform 32 und der Innendurchmesser des Rohrs 42 werden vorzugsweise
so gewählt,
dass sie eng passen und eine dünne
durchgehende Schicht aus dem Antiadhäsionsmittel zugelassen wird.
Der Außendurchmesser
des zweiten Rohrs 44 ist vorzugsweise so bemessen, dass
er sich an den Innendurchmesser des ersten Rohrs 42 anpasst.
Das zweite Rohr 44 wird so in das erste Rohr 42 eingesetzt,
dass es mit dem stumpfen geschlossenen Ende des Rohrs 44 am Ende
der Verbundform 32 anliegt. Die gesamte zylindrische Länge der
Rohre 42, 44 ist vorzugsweise so gewählt, dass
die der Vorform 32 gegenüberliegenden offenen Enden
gegen Wärme
isoliert werden können,
ohne ausreichend Wärme
zum Vorformabteil im Träger 40 zu
leiten, um die Verbundvorform 32 durch einen merklichen
Anteil der Erweichungstemperatur der Vorformmaterialien zu erwärmen.
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Die
inneren und die äußeren Rohre 44, 42 müssen nicht
auf ihrer gesamten gemeinsamen zylindrischen Grenzfläche aneinander
liegen. Stattdessen kann ein geringfügiger ringförmiger Zwischenbereich zwischen
der äußeren Zylinderfläche des
inneren Rohrs 44 und der zylindrischen Bohrungsfläche des äußeren Rohrs 42 verbleiben.
Um im Anschluss an die Wärmebehandlung
des Trägers 40 und
der Vorform 32 ein Entlüften
von Gasen aus diesem ringförmigen
Bereich zu ermöglichen,
ist zwischen diesem ringförmigen
Bereich und dem offenen Innenraum des zweiten Rohrs 44 eine
kleine Durchtrittsbohrung 48 vorgesehen.
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Während die
obige Beziehung zwischen den inneren und den äußeren Rohren 44, 42 die
bevorzugte Ausbildung ist, erfordert die Hochtemperaturbehandlung
der Vorform 32 auch, dass minimale Leckverluste an verflüssigtem
Glasmaterial aus dem Vorformabteil auftreten. Wo die Materialien
der Vorform und des Antiadhäsionsmittels
so gewählt
wurden, dass ein geringfügiges
Entgasen aus dem Vorformabteil stattfindet, kann der ringförmige Bereich zwischen
den äußeren und
inneren Rohren 44, 42 abgedichtet und die kleine
Bohrung 48 weggelassen werden.
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Die
Funktion des Glasträgers 40 besteht dann,
dass sie ein Verarbeiten der Verbundvorform 32 bei Temperaturen über der
Erweichungstemperatur des Stangen- und Rohrmaterials ermöglicht.
Diese Hochtemperaturverarbeitung erfolgt durch Platzieren des Trägers 40 einschließlich der
Verbundvorform 32 in den Ofen und auf die keramischen Walzen 38.
Die Temperatur im Ofen wird vorzugsweise mit einer herkömmlich bestimmbaren
Geschwindigkeit auf eine Temperatur über der Erweichungstemperatur der
Stange 34 und des Rohrs 36 angehoben. Diese höhere Temperatur
ist so gewählt,
dass die Rate der Interdiffusion der Stangen- und Rohrmaterialien
maximiert wird, ohne jegliches wesentliches Ausmaß eines
konvektiven Mischens. Zum Maximieren dieser zugelassenen Temperatur,
zum Minimieren der Wahrscheinlichkeit eines konvektiven Mischens
aufgrund von ungleichmäßiger Erwärmung der
Vorform 32 und zum Aufrechterhalten der strukturellen Symmetrie
der Vorform 32 wird der Träger 40 gedreht, und
zwar beginnend mit einer Temperatur, die deutlich unter der Erweichungstemperatur
des Stangen- oder
Rohrmaterials liegt. Die Drehzahl ist vorzugsweise ausreichend,
um der Vorform 32 ein gleichmäßiges Erwärmen im Ofen zu ermöglichen.
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Die
Drehung des Trägers 40 kann
der vorliegenden Erfindung gestatten, der relativen Interdiffusionsrate
des Stangenmaterials in das Rohrmaterial eine bevorzugte Tendenz
zu erteilen. Die Größe dieser
Tendenz hängt
zum großen
Teil von den Dichten der Glä ser
und den Dichten der Dotiermittel in den Gläsern ab. In jedem Fall gewährleistet
eine mäßige Drehzahl,
dass die Interdiffusion zwischen den Stangen- und Rohrmaterialien
symmetrisch bleibt. Höhere
Drehzahlen können
bewirken, dass die Interdiffusion des Stangenmaterials in das Rohrmaterial
mit einer größeren Rate
und einer größeren Tiefe
erfolgt als die Diffusion des Rohrmaterials in das Stangenmaterial.
Da die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der
resultierenden Verbundvorform 32 von den relativen Konzentrationen
der Stangen- und Rohrmaterialien abhängen, nämlich insbesondere in der tief
angeordneten Zwischenschicht zwischen der Stange und dem Rohr 34, 36, kann
die Drehzahl verwendet werden, um die erzielten Eigenschaften unmittelbar
zu beeinflussen.
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Die
Drehung des Trägers 40 wird
während einer
Zeit aufrecht erhalten, die im Wesentlichen die Dicke der Zwischenschicht
zwischen der Stange 34 und dem Rohr 36 definiert.
Die Zwischenschichtdicken bis zu etwa 0,1 Millimeter können als
flach bezeichnet werden. Zwischenschichtdicken von über etwa
0,1 Millimeter können
als tief bezeichnet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ohne
weiteres die kontrollierte Fertigung von flachen Zwischenschichten
mit einer Dicke von nur einigen Atomdurchmessern bis zu tiefen Zwischenschichten mit
einer Dicke von einigen 10 Millimetern, die nur durch den Radius
der Vorform selbst begrenzt ist.
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Nach
der Bildung der Zwischenschichten erfolgt ein kontrolliertes Abkühlen des
Trägers 40 herunter
bis zu einer Glühtemperatur
unter den Erweichungstemperaturen des Stangen- und des Rohrmaterials
und auch derjenigen der tiefen Verbundschicht. Diese Glühtemperatur
wird jedoch vorzugsweise so gewählt,
dass sie ausreicht, um die tief angeordnete Zwischenschicht zu glühen. Die
Drehung des Trägers 40 durch
die Keramikwalzen 38 wird vorzugsweise angehalten, sobald
diese Glühtemperatur erreicht
ist. Nach einer herkömmlich
bestimmbaren Glühzeit,
wird der Träger 40 langsam
auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
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Der
Träger 40 kann
dann aufgebrochen werden, um die fertige Verbundvorform 32 zu
gewinnen. Die resultierende Vorform 32 kann, sobald sie
auf herkömmliche
Weise gereinigt ist, weiter zu optischen Fasern oder Linsen mit
einzigartigen Eigenschaften verarbeitet werden, die sich auszeichnen durch
einen genau kontrollierten und tief angeordneten radialen Gradient.
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Beispiele:
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In
den folgenden Beispielen wird die Herstellung von Vorformen beschrieben,
und zwar zuerst bis zu einem Stadium, bei dem eine geschmolzene
flache Bindung existiert, und dann bis zu einem Stadium, bei dem
eine tiefe Verbundzwischenschicht erzeugt wurde. Beide Stadien werden
für zwei
unterschiedliche Vorformmaterialkombinationen erzielt. Die ersten
beiden Beispiele verwenden glasartige Materialien aus derselben
Glasfamilie. Die zweiten beiden Beispiele zeigen die Verwendung
zusammen mit glasartigen Materialien aus zwei unterschiedlichen
Glaszusammensetzungsfamilien.
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Beispiel 1: Tief angeordnete
flache Zwischenschichtbindung mit herkömmlichen Bleigläsern
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Eine
optische Vorform wurde aus zwei zylindrischen Glasteilen hergestellt.
Ein massiver Kern oder eine zentrale Stange hatte einen Durchmesser von
etwa 12,78 Millimeter. Das Überzugsrohr
hatte einen Außendurchmesser
von etwa 25,25 Millimeter und einen Innendurchmesser von ungefähr 12,90 Millimeter.
Beide Bestandteile hatten eine Länge
von etwa 28 Millimeter. Der Kern und der Überzug wurden aus herkömmlichen
Bleigläsern
mit im Wesentlichen zusammenpassender Zusammensetzung hergestellt.
Der Hauptunterschied zwischen den zwei Zusammensetzungen war ein
geringes Differenzverhältnis
von Quarz zu Blei in Anbetracht eines Unterschieds im Brechungsindex.
Der Kern hatte einen Brechungsindex von 1,67 und eine Erweichungstemperatur
von ungefähr
630°C. Der Überzug hatte
einen Brechungsindex von 1,59 und eine Erweichungstemperatur von
ungefähr
665°C.
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Der
Kern wurde hergestellt durch Bohren des ungefähren Außendurchmessers aus einem Glasrohling
des Kernmaterials. Der endgültige
polierte Durchmesser wurde dadurch erzielt, dass der Kern auf einem
schnell rotierenden diamantbesetzten Kissen gedreht wurde, und zwar
zuerst bei 350 Mesh und dann bei 1250 Mesh.
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Die Überzugprobe
wurde aus einem Glasrohling des Überzugmaterials
hergestellt durch zuerst erfolgendes Kernbohren des Innendurchmessers
und dann durch Kernbohren des Außendurchmessers zur Bildung
eines Zylinders. Die innere zylindrische Bohrungsfläche wurde
dann auf ihren endgültigen
Durchmesser poliert durch Anlegen eines schnell rotierenden diamantbesetzten
Kissens an der Oberfläche,
und zwar zuerst mit 350 Mesh und dann mit 1250 Mesh.
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Der
Ringraum zwischen dem Kern und dem Überzug wurde in Anbetracht
der obigen Materialeigenschaften des Kerns und des Überzugs
gewählt zum
Ausgleich für
die erwartete Differenzdehnung während
des Erhitzens.
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Der
Kern wurde in den Überzugzylinder
eingesetzt, und diese Anordnung wurde auf dem Drehwalzenmechanismus
im Ofen platziert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist erwünscht,
auf die mechanisch hergestellte Kern- und Überzuganordnung Wärme und
Drehung auszuüben,
um das anfängliche
Schmelzverbinden der Kern- und Überzugmaterialien
zu erzeugen. Ein herkömmlicher
Ofen wurde so abgeändert,
dass er die sich durch den Ofen vollständig hindurch erstreckenden,
keramischen Walzen aufnahm. Die keramischen Walzen wurden außen gelagert
und angetrieben. Die Kern- und Überzuganordnung
wurde im Ofen frei auf den Walzen positioniert.
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Die
Kern- und Überzuganordnung
wurde auf eine Grenzflächenverbindungstemperatur
von 670°C drei
Stunden lang erhitzt. Das Drehen wurde gestartet, sobald die Temperatur
560°C erreichte.
Die Drehung wurde dann mit einer Drehzahl von etwa 97 Umdrehungen
je Minute aufrecht erhalten. Sobald 670°C erreicht wurden, wurde die
Anordnung von einem Ende zum anderen Ende langsam unter Verwendung
einer Keramikwalze gedrückt,
die einen Durchmesser von etwa 20 Millimeter und eine Kontaktfläche von
ungefähr
2 Millimeter Breite hatte, die gegen die Kern- und Überzuganordnung
auf einer Dauer von etwa 50 bis 60 Sekunden gepresst wurde. Die
Drehachse der Druckwalze wurde gegenüber der Drehachse der Vorform
leicht schräg
angeordnet. Die Drehung der Druckwalze und der Vorform wurde während des
gesamten Pressens im Wesentlichen synchron gehalten. Dieses Pressen
erfolgte zur Sicherstellung, dass jegliche verbleibenden Luftblasen zu
den Enden der Anordnung getrieben wurden. Während des Pressens kühlte der
Ofen nebenher auf 620°C
ab. Sobald das Pressen beendet war, kehrte die Temperatur für die verbleibende
Dauer der Grenzflächenverbindungsperiode
auf 670°C
zurück.
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Bei
Beendigung der Grenzflächenverbindungsperiode
wurde ein Glühschritt
durchgeführt. Die
Grenzschichtverbundvorform, der Ofen und der Drehungsmechanismus
wurden von der Verbindungstemperatur auf 440°C mit einer Geschwindigkeit
von etwa 2,0°C
je Minute abgekühlt.
Sobald 450°C
erreicht wurden, wurde die Drehung angehalten. Die Temperatur wurde
dann auf 440°C
während einer
Stunde eingehalten und dann mit etwa 0,2°C je Minute auf 360°C abgekühlt. Der
Ofen konnte dann während
einer Dauer von einigen Stunden langsam auf Raumtemperatur abkühlen.
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Nachdem
Erreichen von Raumtemperatur wurde der Durchmesser der Verbundzwischenschicht
mit etwa 25,10 Millimeter gemessen. Für eine optische Messung wurde
von einem der Enden eine kleine Scheibe abgenommen. Der Durchmesser
der Grenzflächenverbindung
wurde zu etwa 0,062 Millimeter gemessen.
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Dieser
Prozess war erfolgreich bei der Erzeugung einer tief angeordneten
flachen Grenzflächenverbindung
von kontrollierter und gleichförmiger Dicke,
die in inniger Schmelzverbindung mit den Kern- und Überzugschichten
gebildet wurde und aus einer Kombination der Kern- und Überzugmaterialien bestand.
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Eine
Materialspannungsanalyse, durchgeführt durch Platzieren von Polarisationsfiltern
an jedem axialen Ende der Vorformscheibe, bestimmte, dass ein örtlicher
Spannungsbereich den Kern eng umgab, dass jedoch im Kern selbst
keine erkennbare Spannung vorhanden war. Dieses örtliche Spannungsmuster ist
allgemein erwünscht,
da die Druckspannung um den Kern der Vorform Festigkeit verleiht.
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Beispiel 2: Tief angeordnete
Verbundzwischenschicht mit herkömmlichen
Bleigläsern
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Dieses
Beispiel 2 verwendete die im Beispiel 1 hergestellte flache Verbundzwischenschicht.
Zum Beibehalten der Form und Geometrie der Vorform bei den höheren Temperatur,
die zur Bildung der tiefen Zwischenschicht erforderlich sind, wurde
die Vorform in allen Abmessungen durch eine hochtemperaturteste
Quarzglasverkleidung gestützt,
deren innere Abmessungen mit den äußeren Abmessungen der Vorform
eng zusammenpassen. Vor dem Einsetzen in die Verkleidung wurde die
Vorform zuerst vollständig
mit fein pulverisiertem Bornitrit als Antiadhäsionsmittel beschichtet. Nach
dem Einsetzen wurde die Verkleidung abgedichtet und hinterließ nur ein
kleines Luftloch, um das Entweichen von Gasen zu ermöglichen.
Die bereitete Vorform mit Gehäuse
wurde dann in den Ofen zurückgebracht
und auf der Walzenanordnung platziert.
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Die
Vorform und die Verkleidung wurden dann während einer Gesamtdauer von
ungefähr
4 Stunden und 20 Minuten auf 840°C
erhitzt. Eine Drehung der Vorform und der Verkleidung wurden eingeleitet,
sobald die Temperatur 595°C
erreicht hatte. Die Dre hung erfolgte mit einer Drehzahl von ungefähr 82 Umdrehungen
je Minute. Sobald die Temperatur 840°C erreichte, wurde die Temperatur
während etwa
4 Stunden konstant gehalten. Danach wurden die Vorform und die Verkleidung
mit 3,81°C
je Minute auf 440°C
abgekühlt.
Die Vorform und die Verkleidung wurden während einer Stunde auf 440°C gehalten,
und die Drehung wurde angehalten. Die Vorform und die Verkleidung
wurden dann mit etwa 0,21°C
je Minute auf 320°C
abgekühlt
und dann langsam auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Sobald die Verkleidung
Raumtemperatur angenommen hatte, wurde sie aufgebrochen und die
tiefe Zwischenschichtvorform ohne weiteres freigegeben.
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Die
Vorform hatte am Ende des tiefen Verbindungsprozesses einen gemessenen
Durchmesser von etwa 24,89 Millimeter. Die Dicke der tiefen Verbindungsschicht
wurde mit etwa 1,31 Millimeter gemessen. Diese tiefe Zwischenschicht
erstreckte sich gleichmäßig zwischen
den Kern- und Überzugschichten.
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Eine
Spannungsanalyse einer zentralen Länge von 11,28 Millimeter der
Vorform mit tief verbundener Schicht offenbarte den Kern umgebende, örtliche
Druckspannungsmuster, die wiederum eine allgemein wünschenswerte
Zunahme der Festigkeit der Vorform angibt.
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Beispiel 3: Tief angeordnete
flache Zwischenschichtverbindung mit Spezialgläsern
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Der
Kern und der Überzug
wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben bereitet jedoch
mit folgenden Unterschieden. Der massive Kern war etwa 81,20 Millimeter
lang und hatte einen Durchmesser von 12,70 Millimeter. Der Überzug hatte
eine Länge
von etwa 80,95 mm mit einem Außendurchmesser
von etwa 25,40 Millimeter und einem Innendurchmesser von etwa 12,98
Millimeter.
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Das
Kernmaterial war ein Blei-Borsilikatglas mit einem Brechungsindex
von 1,56, einer Dichte von etwa 3 Gramm je Kubikzentimeter und einer
Erweichungstemperatur von etwa 600°C. Der Überzug war ein Alkaliborsilikatglas
mit einem Brechungsindex von 1,48, einer Dichte von 2,4 Gramm je
Kubikzentimeter und einer Erweichungstemperatur von 628°C. Sowohl
die Kern- und Überzugmaterialien
sind im Handel erhältliche
Zusammensetzungen und erhältlich
von Specialty Glass Corporation, 305 Marlborough Street, Oldsmar,
Florida, 34677.
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Der
Kern- bzw. Überzuganordnung
wurde für eine
Dauer von 3 Stunden auf die Verbindungstemperatur von 660°C erhitzt.
Die Drehung mit einer Drehzahl von etwa 96 Umdrehungen je Minute
wurde begonnen, wenn die Temperatur 600°C erreichte. Einmal auf 660°C wurde die
Anordnung von einem Ende zum anderen unter Verwendung der etwa 20 Millimeter
dicken Keramikrolle, während
beide fortgesetzt gedreht wurden. Während des Pressens kühlte der
Ofen nebenher auf 630°C
ab. Im Anschluss an das Pressen wurde der Ofen erneut auf 660°C erhitzt und
10 Minuten lang gehalten. Danach erfolgte ein zweites, sonst identisches
Pressen.
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Zum
Glühen
der Vorform wurde der Ofen und der Drehmechanismus von der Verbindungstemperatur
auf 460°C
mit einer Geschwindigkeit von etwa 5,7°C je Minute abgekühlt. Bei
dem Erreichen von 460°C
wurde die Drehung gestoppt. Die Temperatur wurde während einer
Stunde auf 460°C
gehalten und dann auf 383°C
bei etwa 0,6°C
je Minute abgekühlt. Danach
konnte sich der Ofen nach einer Dauer von einigen Stunden langsam
auf Raumtemperatur abkühlen.
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Nach
dem Erreichen der Raumtemperatur wurde der Vorformdurchmesser zu
etwa 24,94 Millimeter gemessen. Zur Messung wurde eine kleine Scheibe
von einem der Enden abgenommen. Die Dicke der Zwischenverbindungsschicht
wurde gemessen und hatte eine Dicke von etwa 0,035 Millimeter.
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Wiederum
wurde eine tief angeordnete, flache Zwischenverbindung von kontrollierter
und gleichmäßiger Dicke
erzielt. Auch wurde der um den Kern der Vorform herum angeordnete
Druckspannungsbereich festgestellt, der angab, dass die Festigkeit
der Vorform zugenommen hatte.
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Beispiel 4: Tief angeordnete
Verbundzwischenschicht mit Spezialgläsern
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Die
in Beispiel 3 bereitete flache Verbundvorform wurde weiter im Wesentlichen
wie in Beispiel 2 verarbeitet jedoch mit folgenden Unterschieden.
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Es
wurde eine zentrale Scheibe von etwa 25,26 Millimeter Länge von
der flachen Verbundzwischenvorform abgeschnitten. Nach dem Platzieren der
Vorform in der Verkleidung wurden die Vorform und die Verkleidung
auf 760°C
während
einer Dauer von 3 Stunden und 10 Minuten erhitzt. Es wurde eine Drehung
mit einer Drehzahl von etwa 83 Umdrehungen je Minute gestartet,
wenn die Temperatur 460°C erreicht
hatte. Sobald die Temperatur 760°C
erreicht hat, wurde sie 2 Stunden lang eingehalten. Danach wurden
die Verkleidung und die Vorform bei etwa 3,5°C je Minute auf 460°C abgekühlt und
dann 1 Stunde lang auf 460°C
gehalten. Danach wurde die Drehung gestoppt, und die Verkleidung
und die Vorform wurden mit etwa 0,2°C je Minute auf 350°C abgekühlt. Die
Verkleidung und die Vorform konnten sich dann langsam auf Raumtemperatur
abkühlen.
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Der
Durchmesser der Vorform mit tiefer Zwischenschicht am Ende des Prozesses
betrug etwa 25,12 Millimeter. Die Dicke der tiefen Verbundschicht wurde
gemessen und hatte eine Dicke von 0,45 Millimeter, das heißt wenigstens
eine ganze Größenordnung
größer als
die Dicke der anfänglichen
flachen Zwischenschicht. Auch fand sich wieder der Druckspannungsbereich
um den Kern der Vorform, was eine Festigkeitszunahme angab.
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Aus
den obigen Beispielen ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung
ohne weiteres Materialien mit ziemlich unterschiedlichen optischen,
mechanischen und thermischen Eigenschaften verwenden kann, die den
oben beschriebenen Einschränkungen
unterworfen sind. Durch die Wahl von Materialien aus unterschiedlichen
Glasfamilien, wie Bleiglas für
eine Kernstange und ein Barium- oder ein Seltene-Erde-Glas für das Rohr
kann ein Brechungsindex in der Höhe
von 0,3 oder mehr mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
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Somit
wurden einzigartige Vorformstrukturen beschrieben, die gekennzeichnet
sind durch in hohem Maß kontrollierte,
tief angeordnete, flache und tiefe Verbundschichten, und ein Verfahren
zur Herstellung derselben beschrieben. Die obige Beschreibung der
Strukturen und des Verfahrens und auch die Identifizierung der anwendbaren
Materialien und Eigenschaften sollen nur der Erläuterung statt der Begrenzung
dienen. Demnach liegen, wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich
ist, weitere Materialien und Eigenschaften im Bereich der beigefügten Patentansprüche.