DE102004059804B4

DE102004059804B4 - Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Hohlzylinders als Ausgangsmaterial für eine optische Vorform oder für eine optische Faser und Verwendung

Info

Publication number: DE102004059804B4
Application number: DE200410059804
Authority: DE
Inventors: René Sowa
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2024-12-11
Also published as: DE102004059804A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Hohlzylinders als Ausgangsmaterial für eine optische Vorform oder für eine optische Faser, indem ein rohrförmiges Halbzeug mit einer Innenbohrung, deren Durchmesser ein Bearbeitungs-Aufmaß gegenüber einem Hohlzylinder-Endmaß aufweist, bereitgestellt und anschließend der Innenbohrungs-Durchmesser des Halbzeugs mechanisch auf das Hohlzylinder-Endmaß bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs durch Elongieren eines Quarzglas-Rohzylinders erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Hohlzylinders als Ausgangsmaterial für eine optische Vorform oder für eine optische Faser, indem ein rohrförmiges Halbzeug mit einer Innenbohrung, deren Durchmesser ein Bearbeitungs-Aufmaß gegenüber einem Hohlzylinder-Endmaß aufweist, bereitgestellt und anschließend der Innenbohrungs-Durchmesser des Halbzeugs mechanisch auf das Hohlzylinder-Endmaß bearbeitet wird.

Derartige Quarzglas-Hohlzylinder dienen zur Herstellung optischer Fasern und von Vorformen für optische Fasern. Sie werden als sogenannte „Jacketrohre" eingesetzt, um sogenannte „Kernstäbe" mit zusätzlichem Mantelglas zu überfangen. Das Überfangen kann durch Kollabieren und Elongieren einer koaxialen Anordnung des Quarzglas-Hohlzylinders auf den in der Innenbohrung eingesetzten Kernstab erfolgen, wobei dieses Verfahren auch unter der Bezeichnung „RIC-Verfahren" (Rod In Cylinder) bekannt ist. Auf diese Art und Weise werden Vorformen hergestellt, aus denen anschließend optische Fasern gezogen werden.

Es ist auch bekannt, den Hohlzylinder während des Faserziehens auf einen Kernstab zu kollabieren, wobei das letztgenannte Verfahren als „ODD-Verfahren" (Overclad-During-Drawing) bezeichnet wird.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Hohlzylinders gemäß der eingangs genannten Gattung ist aus der DE 102 14 029 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird ein Rohr aus synthetischem Quarzglas hergestellt, indem durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ ein Sootkörper erzeugt und dieser zu einem rohrförmigen Halbzeug verglast wird. Durch mechanische Bearbeitung von dessen Innenbohrung unter Einsatz eines Kernbohrers wird das vorhandene Bearbeitungs-Aufmaß gegenüber dem Hohlzylinder-Endmaß der Innenbohrung abgetragen. Zwecks einer präzisen Endbearbeitung wird vorgeschlagen, die Innen wandung des Hohlzylinders mittels einer Honmaschine nachzubearbeiten und abschließend unter Einsatz eines Schleifmittels der Feinheitsstufe # 800 zu honen. Um Oberflächenspannungen abzubauen und um Beschädigungen durch die Oberflächenbearbeitung zu entfernen, wird der mechanisch bearbeitete Quarzglas-Hohlzylinder in Flußsäure geätzt.

Durch die mechanische Bearbeitung (insbesondere durch Bohren, Honen und Schleifen) unter Einsatz bekannter Hon- und Schleifverfahren und dafür geeigneter handelsüblicher Vorrichtungen ist es möglich, Quarzglas-Hohlzylinder mit Außendurchmessern von mehr als 100 mm und einer Länge von 2 m und mehr herzustellen, die sich durch exakte Zylindersymmetrie mit genauem kreisförmigem Querschnitt und einer geringen Maßabweichung im Bereich von 1/100 mm auszeichnen.

Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Maßhaltigkeit der Innenbohrung zu richten, da diese dem Außendurchmesser des Kernstabs möglichst exakt anzupassen ist, um unkontrollierbare plastische Verformungen beim Aufkollabieren des Hohlzylinders bei der Vorform- bzw. Faserherstellung zu vermeiden. Dies bedingt Sicherheitsaufschläge beim Halbzeug sowohl in Bezug auf die radialen Abmessungen als auch in Bezug auf die Länge, was zu Materialverlusten und damit zu erhöhten Herstellkosten führt.

In der EP 598 349 A2 sind darüber hinaus Verfahren zur Herstellung rohrförmiger Quarzglas-Rohlinge aus Quarzglas-Vollzylindern beschrieben, indem diese mittels eines Kernbohrers mechanisch aufgebohrt oder einem Heißstauchverfahren unterworfen werden, um eine Mittenbohrung zu erzeugen. Die so erzeugten rohrförmigen Quarzglas-Rohlinge werden abschließend mechanisch bearbeitet, wie dies oben erläutert ist. Es wird auch vorgeschlagen, die Soll-Innenabmessungen des Quarzglas-Hohlzylinders einzustellen, indem der mechanisch bearbeitete Rohling einem abschließenden Elongierprozess unterzogen wird, um einen Quarzglas-Hohlzylinder mit geeigneten Innen- und Außenabmessungen zu erhalten.

Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass die plastische Verformung beim Elongieren eine Glättung der vorher mechanisch bearbeiteten Innenwandung bewirkt, so dass sich beim fertigen Quarzglas-Hohlzylinder eine qualitativ besonders hochwertige, feuerpolierte Innenoberfläche ergibt. Ein Nachteil dieser Verfah- rensweise besteht jedoch darin, dass beim Elongierprozess leicht wieder Durchmesserschwankungen entstehen können, die nur mittels einer überaus aufwendigen Ziehtechnik in den erforderlichen engen Grenzen gehalten werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines maßhaltigen Quarzglas-Hohlzylinders zum Einsatz bei der Herstellung von Vorformen und optischen Fasern anzugeben.

Auf den ersten Blick scheint ein besonders einfache Lösung dieser Aufgabe darin zu liegen, einen Rohling aus synthetischem Quarzglas zu erzeugen, der bereits genau oder annähernd an die Maße des einzusetzenden Kernstabs angepasst ist, so dass lediglich eine geringfügige mechanische Bearbeitung zum Erreichen der Soll-Abmessungen erforderlich ist, wie dies in dem bekannten, weiter oben genannten Verfahren vorgeschlagen wird.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Kernstäbe aus hochwertigem synthetischen Quarzglas bestehen, das durch einen besonders aufwändigen Abscheideprozess erzeugt wird, und die Kernstäbe daher nur so dick wie unbedingt nötig sind, in der Regel also einen kleinen Außendurchmesser aufweisen. Beispielsweise liegen die Durchmesser von Kernstäben, die nach dem sogenannte MCVD- oder PCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Deposition bzw. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) erhalten werden, typischerweise im Bereich zwischen 25 mm und 35 mm. Die Herstellung von dazu passenden Quarzglas-Hohlzylindern mit entsprechend geringerem Innendurchmesser durch Außenabscheideverfahren (OVD-Verfahren) ist jedoch aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen problematisch. Denn einerseits ist das Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf einem rotierenden Träger mit geringem Außendurchmesser unwirtschaftlich und andererseits erfordert das Gewicht besonders dickwandiger und damit wirtschaftlich herstellbarer Sootkörper den Einsatz mechanisch stabiler Träger mit entsprechend großem Außendurchmesser.

Die oben genannte Aufgabe wird daher ausgehend von dem eingangs genannten Quarzglas-Hohlzylinder erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs durch Elongieren eines Quarzglas-Rohzylinders erfolgt.

Bei erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs einen Elongierprozess, welcher der mechanischen Endbearbeitung vorgeschaltet ist. In Umkehrung des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensablaufes wird erfindungsgemäß zunächst ein Quarzglas-Rohzylinder in beliebiger Stärke und Länge bereitgestellt und dieser anschließend auf ein Zwischenmaß der Innenbohrung, die nahe am herzustellenden Endmaß liegt, elongiert, und erst danach wird das so hergestellte rohrförmige Halbzeug einer mechanischen Endbearbeitung unterzogen, bei der das Endmaß der Innenbohrung erzeugt wird.

Wesentliche Vorteile dieser Verfahrensumkehr liegen darin, dass die Verfahrensparameter bei der Herstellung des Quarzglas-Rohzylinders in technologischer und ökonomischer Hinsicht auf diesen Prozess optimiert werden können, ohne dass auf die Endabmessungen des herzustellenden Quarzglas-Hohlzylinders und dessen Einsatz zum Überfangen eines Kernstabs Rücksicht genommen werden muss. Dieser Aspekt der Erfindung trägt somit zu einer kostengünstigen Herstellungsweise bei.

Die Möglichkeit, von einem derartigen, großvolumigen und kostengünstig herstellbaren Quarzglas-Rohzylinder ausgehen zu können, erfordert eine Umformung in ein dem Endmaß des Quarzglas-Hohlzylinders nahekommendes Zwischenmaß. Diese Umformung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass der mechanischen Bearbeitung ein Elongierprozess vorgeschaltet wird, durch den der Quarzglas-Rohzylinder auf das Zwischenmaß des rohrförmiges Halbzeugs gebracht wird, das insbesondere hinsichtlich seiner Abmessung der Innenbohrung der Endabmessung des herzustellenden Quarzglas-Hohlzylinders nahekommt.

Durch den vorgeschalteten Elongierprozess ist es möglich, aus Quarzglas-Rohzylindern mit gleichen Außenabmessungen rohrförmiges Halbzeug für unterschiedliche Quarzglas-Hohlzylinderabmessungen zu erzeugen, was die Typenvielfalt beim Herstellprozess und den Aufwand für Lagerhaltung verringert. We sentlich ist aber, dass das zum Zwischenmaß elongierte Halbzeug erst anschließend der mechanischen Endbearbeitung unterzogen wird.

Die mechanische Bearbeitung erfolgt mit geringen Materialverlusten, sofern im Elongierprozess das Hohlzylinder-Endmaß der Innenbohrung weitgehend eingestellt wird. Unter einer mechanischen Endmaß-Bearbeitung im Sinne dieser Erfindung ist auch ein Verfahren zu verstehen, bei dem die Innenoberfläche der Innenbohrung mechanisch auf Endmaß bearbeitet wird und anschließend durch Ätzen gereinigt wird. Gleichmäßige Ätzprozesse bewirken keine wesentliche Änderung der geometrischen Abmessungen und Form mehr (wie beispielsweise eine Biegung oder Ovalität im Querschnitt).

Das Ergebnis ist ein besonders maßhaltiger Quarzglas-Hohlzylinder hinsichtlich seiner Außenabmessung, seiner Innenabmessung und seiner Wandstärke und hinsichtlich Zentrizität, Axialität und Ovalität der Innenbohrung mit außerdem definierten Oberflächenqualitäten. Dieser Aspekt der Erfindung trägt somit sowohl zu einer kostengünstigen Fertigung bei, und er ermöglicht die Einhaltung hoher Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Innenbohrung.

Eine maßhaltige und geometrische exakte Innenbohrung mit hoher Oberflächenqualität ist entscheidend für die Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Grenzfläche zum Kernstabmaterial. Die Wandstärke des Quarzglas-Hohlzylinders beeinflusst das Kern-/Mantel-Verhältnis der optischen Faser, das für deren Lichtführungseigenschaften relevant ist. Daher liegt auch ein Augenmerk auf der Einhaltung des Soll-Außendurchmessers des Quarzglas-Hohlzylinders und auf der Qualität der Außenwandung. Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, dass das rohrförmige Halbzeug einen Außendurchmesser mit einem Aufmaß gegenüber dem Hohlzylinder-Endmaß aufweist, und dass der Außendurchmesser mechanisch auf das Hohlzylinder-Endmaß bearbeitet wird.

Durch die mechanische Bearbeitung von Innen- und Außenwandung ist darüber hinaus eine exakte Koaxialität der Innenbohrung und eine gleichmäßige Wandstärke erreichbar, da eine etwaige Biegung oder eine Ovalität des Halbzeugs korrigiert werden können. Dabei kann im selben Arbeitsgang das eine stirnseitige Ende des Quarzglas-Rohzylinders verjüngt werden, was den Anziehvorgang beim anschließenden Elongierprozess erleichtert.

Es hat sich besonders bewährt, wenn das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs ein Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf einem langgestreckten, um seine Längsachse rotierenden träger unter Bildung eines porösen hohlzylindrischen Sootkörpers und ein anschließendes Verglasen des Sootkörpers unter Bildung eines rohrförmigen Halbzeugs mit einem Außendurchmesser von mehr als 150 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm, umfasst.

Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes „OVD-Verfahren" (Outside Vapor Deposition), das eine kostengünstige Herstellung eines rohrförmigen Halbzeugs erlaubt, sofern dessen Abmessungen, und insbesondere der Außendurchmesser ausreichend groß gewählt werden können und wenn der Herstellprozess für das rohrförmige Halbzeug hinsichtlich der Abscheideeffizienz optimiert werden kann, wie dies hier der Fall ist. In dem Zusammenhang wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, bei der die Innenbohrung des hohlzylindrischen Sootkörpers beim Verglasen auf einen sich darin erstreckenden, länglichen Kernkörper aufschrumpft.

Das Aufschrumpfen der Innenwandung der Innenbohrung auf den länglichen Kernkörper führt zu einer besonders geraden und maßhaltigen Innenbohrung beim Quarzglas-Rohzylinder. Dies ist eine Voraussetzung dafür, das der anschließende Elongierprozess zu einem rohrförmigen Halbzeug führt, das nur einer geringen Nachbearbeitung bedarf.

Vor dem Verglasen verbleibt zwischen der Innenwandung der Sootkörper-Innenbohrung und der Außenwandung des Kernkörpers ein Spalt, dessen mittlere Spaltweite vorzugsweise zwischen 1 % und 10 % des Innenbohrung-Durchmessers beträgt.

Ein vergleichsweise enger Spalt erleichtert das Kollabieren und Aufschrumpfen der verglasten Sootkörper-Wandung ohne nennenswerte plastische Verformungen und Verwerfungen und trägt so zu einer möglichst exakten Innenbohrung des Quarzglas-Rohzylinder bei und vereinfacht die Einhaltung der Soll-Abmessungen beim nachfolgenden Elongierprozess.

Vorteilhafterweise weist der Quarzglas-Rohzylinder eine Innenbohrung mit einem Durchmesser von mehr als 40 mm auf, die durch das Elongieren auf einen Durchmesser unterhalb von 35 mm, vorzugsweise unterhalb von 30 mm, und besonders bevorzugt unterhalb von 26 mm, verringert wird. Der Abscheideprozess gestaltet sich dann besonders wirtschaftlich, wenn ein großvolumiger Quarzglas-Rohzylinder hergestellt wird, und wenn der Träger, auf dem die SiO₂-Partikel anfänglich abgeschieden werden, einen Durchmesser von mehr als 40 mm aufweist. Der nach dem Verglasen resultierende Quarzglas-Rohzylinder hat in der Regel eine ähnlich weite Innenbohrung, wohingegen jedoch die Außendurchmesser der Kernstäbe üblicherweise unterhalb von 35 mm liegen. Diese Differenz wird erfindungsgemäß durch den Elongierprozess überbrückt, durch den Durchmesser der Innenbohrung des Quarzglas-Rohzylinders – abgesehen von dem Bearbeitungs-Aufmaß beim Halbzeug – in den Bereich des Soll-Innendurchmessers des herzustellenden Hohlzylinders gebracht wird. Die genannten Maximalwerte beziehen sich auf den Innendurchmesser des Halbzeugs vor der mechanischen Bearbeitung.

Das Einstellen des endgültigen Innendurchmessers des Quarzglas-Hohlzylinders erfolgt durch mechanische Bearbeitung. Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn die mechanische Bearbeitung ein Tieflochbohren zur Bearbeitung der Innenbohrung des rohrförmigen Halbzeugs umfasst.

Der zusätzliche Verfahrensschritt des Tieflochbohrens bewirkt – im Gegensatz zum Honen – nicht in erster Linie eine Glättung der Oberfläche, sondern er kann auch die Ausrichtung der Innenbohrung korrigieren und insbesondere einen exakt geraden Verlauf gewährleisten. Eine ähnlich korrigierende Wirkung auf die Geometrie des Quarzglas-Zylinders hat das Außenrundschleifen der Außenwandung des Halbzeugs.

Im Hinblick auf die abschließende mechanische Bearbeitung des rohrförmigen Halbzeugs hat es sich bewährt, wenn das Bearbeitungs-Aufmaß der Innenbohrung gegenüber dem Hohlzylinder-Endmaß mindestens 2 mm beträgt.

Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, wenn von dem elongierten rohrförmigen Halbzeug ein Teilstück mit vorgegebener Soll-Länge des Quarzglas-Hohlzylinders abgetrennt und dieses anschließend mechanisch bearbeitet wird.

Diese Verfahrensweise hat die Vorteile, dass nur vergleichsweise kurze Teilstücke, nämlich der Länge des herzustellenden Hohlzylinders entsprechend, mechanisch bearbeitet werden müssen. Die mechanische Bearbeitung der Innenbohrung gestaltet sich bei kurzen Längen leichter als bei langen Teilstücken und die notwendige Genauigkeit ist leichter einzuhalten. Darüber hinaus können aus einem rohrförmigen Halbzeug nach dem Elongierprozess mehrere Hohlzylinder mit genau den jeweils vorgegebenen Längen erzeugt werden, so dass Materialverluste zum Anziehen oder zum Halten des rohrförmigen Halbzeugs beim Elongierprozess weniger ins Gewicht fallen.

Üblicherweise erfolgt das Elongieren des Quarzglas-Rohzylinders in einem Vertikal-Ziehverfahren mit vertikal orientierter Rohzylinder-Längsachse. Bei sehr schweren Quarzglas-Rohzylinder kann sich aber auch das Elongieren mit horizontal orientierter Längsachse als weniger problematisch im Hinblick auf die Konstruktion und die Statik der Ziehanlage inklusive des Abzugs erweisen.

Die Außenwandung und die Innenwandung des Quarzglas-Rohzylinders können vor dem Elongierprozess grob mechanisch bearbeitet werden, um Oberflächenfehler oder Verunreinigungen zu entfernen und um den nachfolgenden Elongierprozess zu vereinfachen. Im Hinblick auf eine möglichst kostensparende Herstellung wird aber eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der Außenwandung und Innenwandung des Quarzglas-Rohzylinders vor dem Elongierprozess mechanisch nicht bearbeitet werden.

Der Zeit- und Materialaufwand für den entsprechenden Verfahrensschritt und das damit stets einhergehende Ausfallrisiko werden dadurch vermieden.

Es hat jedoch als günstig erwiesen, mindestens die Innenwandung des Quarzglas-Rohzylinders vor dem Elongieren mit einem Ätzmittel zu reinigen.

Bei der Reinigung werden Verunreinigungen entfernt, die den anschließenden Elongierprozess oder die Qualität der Oberfläche beeinträchtigen könnten. Das Reinigen umfasst mindesten die Wandung der Innenbohrung, in der Regel aber auch die Außenwandung.

Als Reinigungsmittel wird ein Ätzmittel bevorzugt, das Flusssäure oder Salpetersäure enthält.

Der Einsatz eines flusssäurehaltigen Ätzmittels führt zu einem Ätzabtrag der Quarzglas-Oberfläche, so dass Oberflächenfehler oder tiefgehende Verunreinigungen vermindert oder beseitigt werden können. Salpetersäurehaltige Ätzmittel lösen metallische Verunreinigungen.

Nach der mechanischen Bearbeitung wird vorzugsweise mindestens die Innenwandung des rohrförmigen Halbzeugs mit einem salpetersäurehaltigen Ätzmittel behandelt. Flusssäurehaltigen Ätzmittel können auf der Quarzglas-Oberfläche Ätzstrukturen hinterlassen. Im Gegensatz dazu greifen salpetersäurehaltige Ätzmittel die Quarzglasoberfläche nicht an, sondern lösen lediglich metallische Verunreinigungen. Dadurch bleibt die durch die mechanische Bearbeitung erzeugte, glatte Oberfläche erhalten.

Der erfindungsgemäße Quarzglas-Hohlzylinder wird bevorzugt zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser in einem RIC-Verfahren eingesetzt, indem der Hohlzylinder auf einen Kernstab aufkollabiert und gleichzeitig unter Bildung der Vorform elongiert wird.

Gleichermaßen bevorzugt ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Quarzglas-Hohlzylinders zur Herstellung einer optischen Faser in einem RIC-ODD-Verfahren, indem der Hohlzylinder auf einen Kernstab aufkollabiert und gleichzeitig unter Bildung der Faser elongiert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es wird zunächst ein Quarzglas-Rohling nach dem OVD-Verfahren hergestellt. Hierzu werden auf einem um seine Längsachse rotierenden Aiuminiumoxidrohr mit einem Außendurchmesser von 43 mm durch Hin- und Herbewegung einer Reihe von Abscheidebrennern schichtweise Sootpartikel abgeschieden, wobei den Abscheidebrennern SiCl₄ zugeführt und in einer Brennerflamme in Gegenwart von Sauerstoff zu SiO₂ oxidiert und hydrolysiert wird.
Nach Beendigung des Abscheideverfahrens und dem Entfernen des Aluminiumoxidrohres wird ein Sootrohr erhalten, das einer Dehydratationsbehandlung unterworfen und dabei in vertikaler Ausrichtung in einen Dehydratationsofen eingebracht und bei einer Temperatur im Bereich von 850°C bis etwa 1000°C in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt wird. Die Behandlungsdauer beträgt etwa sechs Stunden.
Das so behandelte Sootrohr wird anschließend in einem Verglasungsofen bei einer Temperatur im Bereich um 1400°C verglast, wobei das Sootrohr auf ein Graphitgestänge mit einem Außendurchmesser von 42 mm aufkollabiert. Der so erhaltene rohrförmige Quarzglas-Rohling aus synthetischem Quarzglas wiegt etwa 200 kg, sein Außendurchmesser beträgt 203 mm, der Innendurchmesser 42 mm und seine Länge liegt bei etwa 3000 mm.
Nach einem Reinigen der Innen- und Außenwandungen des Quarzglas-Rohlings in flusssäurehaltiger Ätzlösung wird aus dem Rohling ohne weitere mechanische Bearbeitung der Innen- und Außenwandung in einem Vertikal-Ziehverfahren ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 125 mm gezogen, wobei der Innendurchmesser gleichzeitig durch Anlegen und Aufrechterhalten eines Unterdrucks in der Innenbohrung und eine dementsprechende Druckregelung auf ca. 24 mm verjüngt wird. Aus dem so erhaltenen Rohrstrang werden Teilstücke mit einer Länge von etwa 1500 mm abgelängt.
Die Außenwandung der einzelnen Teilstücke wird anschließend durch Außenrundschleifen, zuletzt mit einer D46 Schleifscheibe nach FEPA-Standard, geschliffen. Hierbei werden etwaige vorhandene Blasen und Fehler der Oberflächen eliminiert. Die Wandung der Innenbohrung wird mittels einer Tiefloch-Bohrverfahrens unter Einsatz eines Bohrers bearbeitet, dessen Bohrkrone mit Diamantkörnung gemäß D91 (FEPA-Standard) belegt ist. Die durch das Bohren bewirkte Abtragtiefe der Innenwandung beträgt um 2,5 mm, so dass eine gerade Innenbohrung mit einem Innendurchmesser von 29 mm resultiert. Die Endbearbeitung der Innenbohrung erfolgt mittels Honen unter Einsatz einer Honmaschine in einem mehrstufigen Beabeitungsprozess, bei dem der Politurgrad fortlaufend verfeinert wird. Die Endbehandlung erfolgt mit einer D7-Honleiste (FEPA-Standard).
Der danach erhaltene Quarzglas-Hohlzylinder wird anschließend wenige Minuten lang in einer Flusssäure-Ätzlösung geätzt, in der sich bei Raumtemperatur eine Ätzrate von etwa 1 μm/min einstellt.
Auf diese Art und Weise wird ein Quarzglas-Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser von 29,5 mm und einem Außendurchmesser von 120 mm erhalten, der sich durch eine exakte, maßhaltige Geometrie auszeichnet, die an einen Kernstab mit einem Außendurchmesser um 28 mm optimal angepasst ist.
Der Quarzglas-Hohlzylinder ist somit zum Überfangen eines Kernstabs in einem RIC- oder in einem ODD-Verfahren geeignet. Dabei wird in seine Innenbohrung jeweils ein Kernstab eingesetzt und darin fixiert und der Verbund aus Quarzglas-Hohlzylinder und Kernstab wird in vertikaler Orientierung von oben einem elektrisch beheizten Ofen mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit zugeführt und darin zonenweise auf eine Temperatur im Bereich zwischen 2000°C und 2400°C erhitzt, wobei aus dem erweichten Bereich eine Vorform bzw. eine optische Faser abgezogen wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Hohlzylinders als Ausgangsmaterial für eine optische Vorform oder für eine optische Faser, indem ein rohrförmiges Halbzeug mit einer Innenbohrung, deren Durchmesser ein Bearbeitungs-Aufmaß gegenüber einem Hohlzylinder-Endmaß aufweist, bereitgestellt und anschließend der Innenbohrungs-Durchmesser des Halbzeugs mechanisch auf das Hohlzylinder-Endmaß bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs durch Elongieren eines Quarzglas-Rohzylinders erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Halbzeug einen Außendurchmesser mit einem Aufmaß gegenüber dem Hohlzylinder-Endmaß aufweist, und dass der Außendurchmesser mechanisch auf das Hohlzylinder-Endmaß bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des rohrförmigen Halbzeugs ein Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf einem langgestreckten, um seine Längsachse rotierenden Träger unter Bildung eines porösen hohlzylindrischen Sootkörpers und ein anschließendes Verglasen des Sootkörpers unter Bildung eines rohrförmigen Halbzeugs mit einem Außendurchmesser von mehr als 150 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung des hohlzylindrischen Sootkörpers beim Verglasen auf einen sich darin erstreckenden, länglichen Kernkörper aufschrumpft.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verglasen zwischen der Innenwandung der Sootkörper-Innenbohrung und der Außenwandung des Kernkörpers ein Spalt verbleibt, dessen mittlere Spaltweite zwischen 1 % und 10 % des Innenbohrung-Durchmessers beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Rohzylinder eine Innenbohrung mit einem Durchmesser von mehr als 40 mm aufweist, die durch das Elongieren auf einen Durchmesser unterhalb von 35 mm, vorzugsweise unterhalb von 30 mm, und besonders bevorzugt unterhalb von 26 mm, verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung ein Tieflochbohren zur Bearbeitung der Innenbohrung des rohrförmigen Halbzeugs umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungs-Aufmaß der Innenbohrung gegenüber dem Hohlzylinder-Endmaß mindestens 2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem elongierten rohrförmigen Halbzeug ein Teilstück mit vorgegebener Soll-Länge des Quarzglas-Hohlzylinders abgetrennt und mechanisch bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Außenwandung und Innenwandung des Quarzglas-Rohzylinders vor dem Elongieren mechanisch nicht bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwandung des Quarzglas-Rohzylinders vor dem Elongieren mit einem Ätzmittel gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel Flusssäure oder Salpetersäure enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Innenwandung des rohrförmigen Halbzeugs nach der mechanischen Bearbeitung mit einem salpetersäurehaltigen Ätzmittel behandelt wird.
Verwendung eines Quarzglas-Hohlzylinders nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser in einem RIC-Verfahren, indem der Hohlzylinder auf einen Kernstab aufkollabiert und gleichzeitig unter Bildung der Vorform elongiert wird.
Verwendung eines Quarzglas-Hohlzylinders nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung einer optischen Faser in einem RIC-ODD-Verfahren, indem der Hohlzylinder auf einen Kernstab aufkollabiert und gleichzeitig unter Bildung der Faser elongiert wird.