專利名稱：熔融光纖光學器件系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及熔融光纖光學器件系統。
背景技術：
光纖用于傳導光線通過細絲狀光學材料或纖維。這些纖維通常包括纖芯以及沿纖維整個長度方向的外部圍繞的包層。光線通過纖維的傳導是基于全內反射現象。對于全內反射，纖芯的折射率(n)必須大于包層的折射率。用于制造光纖的材料根據應用情況而不同。通常期望纖芯玻璃與包層玻璃之間折射率的差異大。
發明內容
本發明涉及熔融光纖光學器件系統的領域，更具體而言，涉及一種包括高折射率光纖的器件。
更具體而言，本發明涉及一種熔融光纖光學器件系統，該系統具有至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與來自所述光纖的光線相互作用的光學元件。
在一個優選的具體實施方案中，該光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，熱膨脹系數(CTE)大于等于74×10-7，其基本上不含CdO，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70
Ta2O50-3CaO 0-7PbO 6-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個優選的具體實施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和PbO，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5Ta2O50-3ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70Ta2O50-3SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個優選的具體實施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO、PbO和Ta2O5，且具有以下以摩爾％計的組成
La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
在另一個優選的具體實施方案中，光纖的纖芯玻璃的折射率至少為1.8，CTE≥74×10-7，其基本上不含CdO和Y2O3，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.85ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70CaO 0-7PbO 5-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3Al2O30-8，及Ta2O50-2.9。
除不含鎘的組合物以外，本發明還優選提供具有低含量或不含砷、鉛、釔和鉭的系統。用于本發明的光纖系統的纖芯中的玻璃組合物，有利地顯著降低或消除了傳統纖芯玻璃組合物中的鉛、釔、鉭、砷和/或鎘的氧化物的含量，并且不會對光學和物理性能造成任何明顯的負面影響。
用于本發明的光纖系統中的纖芯玻璃組合物良好的熔度和可熔性，是通過玻璃構成物(如SiO2、B2O3)相對于低可熔性高折射率成分(如BaO、CaO、WO3、ZrO2)的平衡配比而達到的。
用于本發明的纖芯玻璃組合物優選含有約20至70摩爾％的主要玻璃構成物B2O3，更優選約含25至50摩爾％，最優選約含30至40摩爾％。另一種玻璃構成物SiO2的含量約為0至40摩爾％。該組合物最優選含有約9至15摩爾％的SiO2。
該玻璃中氧化鎢WO3的含量大于等于2.5摩爾％，除精細調節光位置以外，氧化鎢還用于進一步降低玻璃系統中的結晶化趨勢。WO3的含量優選大于等于2.5摩爾％，更優選大于等于2.75摩爾％，最優選大于等于2.85摩爾％。WO3的含量通常小于6摩爾％。
用于本發明的纖芯玻璃組合物優選含有小于等于3摩爾％的Ta2O5，更優選約含0至2摩爾％，特別優選約含0至1.5摩爾％，而在某些具體實施方案中，優選不含Ta2O5。在某些具體實施方案中，WO3與Ta2O5的最大總和優選約為3.5至10摩爾％，更優選約為3.5至7.5摩爾％。
為穩定結晶作用和耐久性，纖芯玻璃中ZrO2的含量可為約1至10摩爾％，更優選約為5至10摩爾％，最優選約為6至9摩爾％。
為提高折射率并提高分散體的特性，BaO的含量優選約為0至9摩爾％，更優選約為0至5摩爾％，最優選約為2至4.50摩爾％。La2O3的含量優選約為1至23摩爾％，更優選約為5至15摩爾％，最優選約為7至13摩爾％。
Sb2O3通常可用于代替As2O3或結合As2O3使用，而在不含As2O3時Sb2O3是尤其有利的。Sb2O3的使用量通常為0至0.1摩爾％。
堿土成分CaO與BaO的總含量優選大于等于4摩爾％，更優選大于等于6摩爾％，最優選大于等于8摩爾％。CaO與BaO的總量通常小于16摩爾％。在某些具體實施方案中，可有利地使用氧化鈮以提高玻璃的折射率，并提高其耐久性。Nb2O5的含量優選約為0至3摩爾％，更優選約為0至2摩爾％，尤其優選約為0至1摩爾％。
根據本發明的另一個方面，用于本發明光纖系統的新型纖芯玻璃組合物的CTE大于等于74×10-7，優選大于等于75×10-7，更優選大于等于76×10-7，例如約為76、77、78、79、80等。根據另一個方面，折射率(鈉d-線，589.29納米)至少為1.8，例如約為1.800、1.805、1.801、1.815、1.820、1.825、1.830、1.835等的任何值。
本發明的所有玻璃纖維元件均可以傳統的方式制造。纖芯玻璃棒通常是由具有預期組成的熔融液體拉制而成。一種可選擇方案是在特定的模子中澆鑄熔融液體。光傳導光纖可依照已知方法(例如雙坩堝法或套管法rod-in-tube)采用這里所公開的優選的纖芯玻璃組合物以及合適的包層玻璃制得。一束纖維可由許多玻璃纖維制成。通過將一束纖維加以纏繞而制得纏繞物。該纏繞物使例如來自光電倍增管的圖像旋轉，并可用于例如夜視望遠鏡。用于包覆纖芯玻璃、拉伸棒材、組裝纖維束等的方法均是傳統的，例如參見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。
根據本發明的玻璃組成范圍提供一組具有提高的性能的不含鎘的光學纖芯玻璃。具有這些性能，特別是它們的光位置的產品光纖，突出地適用于以下光學應用中，例如X射線成像的錐體、結晶學、蛋白質結晶學、天文學成像陣列、傳導窗口、手機；傳感器，如生物測量技術；夜視技術，如護目鏡、望遠鏡、望遠鏡光學等；分束技術，如分束器等；成像，如傳導錐體、纏繞物等；投影、通訊及激光技術等，其中除這里所指定的方式，它們還以傳統的方式加以使用。
本發明的熔融光纖光學器件系統通常用于這些應用，其中通常包括一種或更多種光源、透鏡、窗、分束器、反射或透射表面、光學器件(CCD’s等)、檢測器陣列、磷涂層、帶通濾波器、傳感器陣列、濾光膜、多通道板、微處理器、顯示元件(LCD、LED等)等。本發明的光纖元件可與這些元件一起使用，或作為這些元件等的部分使用。這些配置是傳統的[例如參見T.Gibson，“Seeing in the Dark”American Heritage of Inventionand Technology，14(1)pp47-54(1998)；I.P.Csorba，(book)Image Tubes，Sams & Co.(1985)]。
無需進一步的闡述，相信本領域技術人員可利用以上描述而最大程度地實現本發明。因此以下優選的特定具體實施方案僅理解為說明性，無論如何并不對本發明所公開的其余部分加以限制。
前述的以及以下實施例中，除非另有說明，所有溫度均為未修正的攝氏度，而所有份數和百分數均為摩爾％。
具體實施例方式
實施例根據本發明的玻璃是由常用的原材料通過熔化而制得的。表1至3所示為實施例玻璃各自的組成(以摩爾％計，基于氧化物)、折射率nd、CTE及玻璃態轉化溫度Tg[℃]。
表1
表2
表3
根據本發明的玻璃是以如下方式制得的稱出氧化物的原材料。加入精煉劑，并徹底混合。該玻璃混合物在一組連續的Pt熔化組件中或2升坩堝中在約1300℃下熔化，在約1427℃下精煉，并徹底均勻化。在約1149℃的澆鑄溫度下，澆鑄玻璃，并加工成預期的尺寸。
通過替換用于前述實施例中的本發明的預期反應物和/或操作條件，可以類似地重復前述的實施例。由以上的描述，本領域技術人員可容易地確定本發明的基本特征，而不會離開本發明的精神和范圍，并可對本發明進行各種不同的改變或修改以使其適應于各種不同的用途和條件。
權利要求
1.一種熔融光纖光學器件系統，該系統包括至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導的光線相互作用的光學元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70Ta2O50-3CaO 0-7PbO 6-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
2.如權利要求1所述的光學器件系統，其中Ta2O5的含量為0至2摩爾％。
3.如權利要求2所述的光學器件系統，其中Ta2O5的含量為0至1.5摩爾％。
4.如權利要求1所述的光學器件系統，其中WO3的含量大于等于2.75摩爾％。
5.如權利要求1所述的光學器件系統，其中CTE≥75×10-7。
6.如權利要求5所述的光學器件系統，其中CTE≥76×10-7。
7.如權利要求1所述的光學器件系統，其中PbO的含量約為9至35摩爾％。
8.如權利要求7所述的光學器件系統，其中PbO的含量約為10至35摩爾％。
9.如權利要求1所述的光學器件系統，其是夜視望遠鏡。
10.如權利要求1所述的光學器件系統，其包括夜視護目鏡。
11.如權利要求1所述的光學器件系統，其包括分束器。
12.如權利要求1所述的光學器件系統，其中BaO與CaO的總含量大于等于約4摩爾％。
13.如權利要求12所述的光學器件系統，其中BaO與CaO的總含量大于等于約6摩爾％。
14.如權利要求13所述的光學器件系統，其中BaO與CaO的總含量大于等于約8摩爾％。
15.如權利要求13所述的光學器件系統，其中WO3與Ta2O5的總含量約為3.5至7.5摩爾％。
16.一種熔融光纖光學器件系統，該系統包括至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導的光線相互作用的光學元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO和PbO，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5Ta2O50-3ZnO 1-15BaO+CaO ≥4B2O320-70Ta2O50-3SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
17.如權利要求16所述的光學器件系統，其中Ta2O5的含量約為0至2摩爾％。
18.如權利要求17所述的光學器件系統，其中Ta2O5的含量約為0至1.5摩爾％。
19.如權利要求16所述的光學器件系統，其中WO3的含量大于等于約2.75摩爾％。
20.如權利要求16所述的光學器件系統，其中CTE大于等于約75×10-7。
21.如權利要求20所述的光學器件系統，其中CTE大于等于約76×10-7。
22.如權利要求16所述的光學器件系統，其是夜視望遠鏡。
23.如權利要求16所述的光學器件系統，其包括夜視護目鏡。
24.如權利要求16所述的光學器件系統，其包括分束器。
25.一種熔融光纖光學器件系統，該系統包括至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導的光線相互作用的光學元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO、PbO和Ta2O5，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.5ZnO1-15BaO+CaO≥4B2O320-70SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3，及Al2O30-8。
26.如權利要求25所述的光學器件系統，其中WO3的含量大于等于約2.75摩爾％。
27.如權利要求25所述的光學器件系統，其中CTE大于等于約75×10-7。
28.如權利要求27所述的光學器件系統，其中CTE大于等于約76×10-7。
29.如權利要求25所述的光學器件系統，其是夜視望遠鏡。
30.如權利要求25所述的光學器件系統，其包括夜視護目鏡。
31.如權利要求25所述的光學器件系統，其包括分束器。
32.一種熔融光纖光學器件系統，該系統包括至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導的光線相互作用的光學元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO和Y2O3，其折射率nd至少為1.8，CTE≥74×10-7，且具有以下以摩爾％計的組成La2O31-23ZrO21-10WO3≥2.85ZnO 1-15BaO 0-9B2O320-70CaO 0-7PbO 5-35SiO20-40As2O3和/或Sb2O30-0.1Nb2O50-3Al2O30-8，及Ta2O50-2.9。
全文摘要
一種熔融光纖光學器件系統，該系統具有至少一種包括光纖的光學元件，以及至少一種其他的與在所述光纖中傳導的光線相互作用的光學元件，其中所述光纖的纖芯玻璃基本上不含CdO，其折射率n
文檔編號G02B6/02GK1773316SQ20051011604
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年10月27日
發明者佩奇·希格比 申請人:肖特公司