Способ изготовления элемента, действующего на основе эффекта фарадея

 

О П И C А Н И Е 324758

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик АТЕНТу

Зависимый от патента №вЂ”

М. Кл. G 02b 5/14

Заявлено 14.XI.1969 (№ 1376061/26-25) Приоритет 05ХП.1968, №№ 47355 н 47356/с8, Япония

Комитет по делам еэоеретеиий и открытий ори Соеете й1иииотрое

СССР

Опубликовано 23.XII.1971. Бюллетснь № 2 за 1972

УДК 541.654(088.8) Дата опубликования описания 24.III.1972

Авторы изобретения

Иностранцы

Теидзи Утида, Мотоаки Фурукава, Coro Есикава, Итиро Китаио и Кен Коизуми (Япония) Иностранная фирма

«Ниппон Селфок Компани Лимитед> (Япония) Заявитель

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА, ДЕЙСТВУЮЩЕГО

НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

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 невозможным предусмотреть такой световод, состоящий из стекловолокна, который одновременно обладал бы не только градиентом показателя преломления, но также парамагнитными или диамагнитными свойст5 вами.

В общем, окисное стекло содержит окиси, образующие основу стекла ($40.-, ВэОз, Р Оз и т. д.) и модифицирующие окиси.

10 Стекло, обладающее парамагнитным или диамагнитным свойством, содержит модифицирующие окиси с парамагнитными или диамагнитными свойствами.

Авторами открыто следующее.

15 Если соотношение между каждой из окисей, входящих в состав модифицирующих окисен, постепенно изменяется по направлению к поверхности, в то время как молекулярные соотношения между окисями, составляющими стек20» модифицирующими окисями остаются неизменными, то получается масса стекла, у которого показатель преломления будет постепенно изменяться по направленшо, перпендикулярному к оси световода. Таким образом

25 возможно создание элементов, действие которых основано на эффекте Фарадея, обладающих парамагнитными и диамагнитными свойствами, с постепенным уменьшением по направлению от оси к поверхности световода по30 казателя преломления.

324758

Показатель преломления вещества тесно связан с молекулярной рефракцией и молекулярным объемом, присущим веществу, т. е. чем больше значения молекулярной рефракции или чем меньше молекулярный объем, тем больше показатель преломления вещества.

С другой стороны, молекулярная рефракция пропорциональна поляризуемости вещества, следовательно, опа приближенно определяется суммарным значением показателей молекулярных рефракций отдельных ионов. А значит, качественный эффект, распределяемый наличием таких ионов и оказываемый на показагель преломления стекла, может быть определен путем сравнения в пределах массы стекла, значений электронной поляризации на единицу объема родственных ионов или значений, oIIределенпых соотношением.

Как ьпдно пз предыдущего, элемент, действие которого основано на эффекте Фарадея, содержащий световод волокнистого типа, у которога показатель преломления уменьшается по направлению к поверхности световода в плоскости, перпспдикулярной оси световода, может быть изготовлен путем увеличения концентрации в составе стекла катионов, содержащихся в модифицирующих окисях по направлению к поверхности световода. При этом предусматривается наличие в стекле в определенной концентрации катионов, имеющихся в составе окислов, образующих само стекло и придающих ему парамагпптные или диамагнитные свойства. Такое повышение концентрации катпона является следствием уменьшения по направлению от осп стекла, составляющего световод к его поверхности — концентрации других катионов, составляющих модифицирующие окиси, имеющие большее соотношение 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 соотношений между электронной поляризуемостью и радиусом иона в третьей степени, имеют наименование А-ион, Б-ион и В-ион по порядку значений соотношения, 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 уменьшаться в том же направлении. В итоге распределение показателей преломления у стекла будет характеризоваться постепенным уменьшением по направлению к поверхности.

Конкретнее, если различие между В- и Бионами в соотношении между электронной поляризуемостью и кубом радиуса иона значительно меньше, чем соответствующее различие между А- и Б-ионами, если изменение концентрации В-иона меньше, чем у любого из Л- и

Зо

4

Ei-ионов, то показатель преломления будет характеризоваться таким распределением в плоскости, перпендикулярной к оси световода, что наибольшие значения показателя будут у оси, постепенно ослабляясь по направлению к поверхности световода, потому что наличие А- и

Б-ионов сокращает эффект, производимый Вионом. Допуская далее, что А-ион является диамагнитным ионом с большей электронной поляризуемостью, как это имеет место, например, у Т1+, и что Б- и В-ионы сходны, имеют сравнительную малую поляризуемость, как наблюдается, например, соответственно у К+ и Na, можно предположить, что значение константы Верде V будет постепенно уменьшаться по направлению к поверхности элемента, основанного на эффекте Фарадея.

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

Стекловолокна, содержащее первые катионы, способные образовывать модифицирующие окиси, приводят в соприкосновение с такой солью, в составе которой имеются вторые катионы, способные образовывать модифицирующие окиси, характеризуемые меньшим соотношением между электронной поляризуемостью и кубам величины радиуса иона. При этом условии первые катионы, распределенные у поверхностной области стекла, могут замещаться вторыми катионами, имеющимися в составе соли. Для того чтобы содействовать замещению, соль и стекло нагревают до температуры, при которой и первые и вторые катионы приобретают способность диффундировать в пределах массы стекла. В результате диффузии вторых катионов в массу стекла через пограничный слой между стеклом и солью часть первых катионов, уже содержащихся в стекле, выходит из стекла за счет диффузии, Зто приводит к замещению первых катионов у поверхностной области стекла вторыми катионами, входящими в состав соли. Концентрация вторых катионов, диффундирующих в массу стекла, будет наибольшей у поверхности изделия стекла, постепенно уменьшаясь по направлению к его оси.

Наоборот, концентрация первых катионов, содержащихся внутри стекла в начальной стадии его обработки, имеет тенденцию уменьшаться у поверхностной области. Такая концентрация, будучи максимальной у аси изделия из стекла, уменьшается по направлению к его поверхности пропорционально расстоянию от оси. Поэтому следует, что после процесса замещения иона показатель преломления будет наименьшим 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 иона.

Распределение значений показателя преломления в пределах внутренних слоев и стекла зависит от различных условий.

324758

Составитель В. Зверев

Текред T. Ускова

Редактор Л. Герасимова

Корректор Т. Бабакина

Заказ 1184!12 Изд. № 9 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская иаб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

В случае стеклянного изделия, имеющего обычную удлиненную цилиндрическую форму и поперечное сечение в виде окружности, распределение величин показателя 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 преломления 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 по себе элемент образуется в виде тонкого стеклянного волокна, имеющего круговое поперечное сечение диаметром несколько десятых микрона. Это облегчает уменьшение соленоидной обмотки, применяемой для создания магнитного поля, 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 ины5 ми словами, увеличить величину константы

«а», то размер пятна может быть уменьшен, что обеспечивает возможность большего изгиба корпуса волокнистой структуры.

Световой пучок соответствующей формы, па10 дающий на концевую поверхность входного участка световода элемента волокнистой структуры, проходит через элемент, осциллизируя по его оси.

Кроме того, такой световой пучок при паде15 нии 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 продоль20 ной 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 расширения области приме30 пения 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

35 радиусу иона в третьей степени по сравнению с первыми катионами; выдерживают ванну прп температуре, обеспечивающей диффузию вторых катионов в стеклянное тело с таким расчетом, чтобы первые катионы могли заме40 щаться вторыми катионами; удаляют стеклянное тело из ванны по истечении заранее определенного промежутка времени; ополаскивают стеклянное тело и высушивают его.