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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern mit Vieleckkern, wobei die Vorform einen Kern gemäß der gewünschten Vieleckfläche aufweist und der Kern von einem transparenten Mantelglas umgeben ist sowie die Brechzahlen von Kern und Mantelglas unterschiedliche Werte aufweisen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist bekannt, dass eine hohe Koppeleffizienz zwischen einer rechteckförmig strahlenden Strahlungsquelle und einer Faser dann erreicht wird, wenn eine Anpassung der Strahlungsquelle im Orts- und Winkelbereich an den Akzeptanzbereich der Faser vorgenommen wird. Üblicherweise besitzen optoelektronische Strahlungsquellen keine rotationssymmetrische Abstrahlcharakteristik. Damit sind optische Fasern mit einem rotationssymmetrischen Aufbau nicht optimal an Strahlungsquellen mit nicht rotationssymmetrischer Abstrahlcharakteristik ankoppelbar, d. h. der Koppelwirkungsgrad ist unbefriedigend. Es ist zwar bekannt, durch den Einsatz einer Koppeloptik Fehlanpassungen zu reduzieren, jedoch ist dies kostenaufwendig und führt im Allgemeinen nur zu graduellen Verbesserungen der Koppeleffizienz.
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Die Notwendigkeit des Einsatzes von Fasern mit rechteckförmigem Kernquerschnitt bei der Übertragung von Laserdiodenstrahlung besteht beispielsweise dann, wenn eine möglichst hohe Koppeleffizienz zwischen Laserdioden mit rechteckförmiger strahlender Fläche und der die Strahlung aufnehmenden Faser erreicht werden soll.
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Die Direktabscheidung von fluordotierten Schichten auf einem rotierenden Kernglaszylinder ist beispielsweise aus der
DE 103 16 487 A1 und dem dort erwähnten Outside-Plasmaverfahren vorbekannt.
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Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern durch Erzeugen eines mit Fluor dotierten Siliziumdioxid-Mantelglases auf einem um seine Längsachse rotierenden Kernglaszylinder bilden den am weitesten verbreiteten Stand der Technik. Dabei wird einem Plasmabrenner eine siliziumhaltige Ausgangssubstanz zugeführt. Diese Ausgangssubstanz gelangt in die Plasmaflamme des Plasmabrenners und wird dort zu SiO2-Partikeln oxidiert. Anschließend werden die SiO2-Partikel unter Gegenwart von Fluor auf der Oberfläche des rotierenden Kernglaszylinders schichtweise abgeschieden und dann zu einem Mantelglas gesintert.
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Das vorerwähnte direkte Abscheiden mittels Outside-Plasmas ist nicht für Targets mit extremen Abweichungen von der Kreiszylindergeometrie, d. h. insbesondere von Stäben mit rechteckförmigem Kernglasquerschnitt geeignet, weil der Abstand Plasmabrenner-Targetoberfläche sich bei diesen speziellen Targets so stark und laufend ändert, dass unterschiedliche Abscheidebedingungen und Abscheidetemperaturen auftreten, die einer homogenen Schichtabscheidung entgegenwirken.
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Die
DE 103 16 487 B4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern durch Erzeugung eines mit Fluor dotierten SiO
2-Mantelglases auf einem um seine Längsachse rotierenden Kernglaszylinder. Es wird auch dort einem Plasmabrenner eine siliziumhaltige Ausgangssubstanz zugeführt, diese in einer dem Plasmabrenner zugeordneten Plasmaflamme zu SiO
2-Partikeln oxidiert und die SiO
2-Partikel unter Gegenwart von Fluor auf der Zylindermantelfläche schichtweise abgeschieden mit anschließender Sinterung zu dem gewünschten Mantelglas. Zur Bildung und Abscheidung der SiO
2-Partikel auf dem Kernglaszylinder wird eine Plasmaflamme eingesetzt, die ultraviolettes Licht einer bestimmten Wellenlänge mit bestimmter Intensität ausstrahlt. Auf diese Weise wird der Einfluss schädigender UV-Strahlung auf das Kernglas reduziert.
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Aus der
EP 0 717 296 A1 ist eine Faser mit rechteckförmigem Kernquerschnitt und äußerer elliptischer Querschnittsfläche vorbekannt. Fasern mit rechteckförmiger Querschnittsfläche werden gemäß den dortigen Angaben benötigt, wenn hohe Laserleistungsdichten von Laserquellen mit rechteckförmiger Abstrahlung übertragen werden sollen, und zwar für Anwendungen insbesondere im Bereich der Medizintechnik.
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Nach der
EP 0 717 296 A1 wird die Abscheidung der sogenannten Cladding-Schicht über einen konventionellen Plasmaprozess vorgenommen. Allerdings wird die Preform vertikal in der Beschichtungsanlage erzeugt, um Verformungen zu vermeiden.
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Da eine konventionelle Beschichtungsanlage für die Beschichtung von ansonsten zylindersymmetrischen Targets eingesetzt wird, ändert sich bei der Beschichtung von rechteckförmigen Targets der Beschichtungsabstand in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rechtecktargets. Durch die Variation der Beschichtungsparameter in Abhängigkeit von der Winkelposition des Targets kann im Allgemeinen nur bei einer einzigen Winkelposition eine optimale Abscheidung stattfinden. Die Folge ist, dass in den Arbeitsabständen, in denen der Abstand nicht optimal ist, Schichten mit Blasen und anderen Inhomogenitäten entstehen. Es erfolgt also die Abscheidung ungleichmäßig über den Umfang des Rechtecktargets. Ein so abgeschiedenes Mantelglas ist nicht für Anwendungen in der Optik geeignet. Weitere Verfahren sind aus
US 2005/0008313 A1 und
GB 2205828 A bekannt.
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern mit Vieleckkern anzugeben, wobei die Vorform einen Kern gemäß der gewünschten Vieleckfläche aufweist und der Kern von einem transparenten Mantelglas umgeben ist. Das Verfahren soll sicherstellen, dass die thermische Belastung des Vieleckkernstabs, insbesondere eines Rechteckkernstabs geringer ist als beim Stand der Technik, d. h. bei der Direktbeschichtung. Außerdem soll eine Veränderung der ursprünglichen Form des Kernstabquerschnitts ausgeschlossen werden. Letztendlich ist die ultraviolette Belastung des Vieleckkernstabs zum Erhalt optimaler optischer Eigenschaften zu verringern.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre gemäß dem Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Es wird zunächst von einem Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern mit Vieleckkern ausgegangen, wobei die Vorform einen Kern gemäß der gewünschten Vieleckfläche aufweist und der Kern, insbesondere ein Kernstab, von einem transparenten Mantelglas umgeben ist sowie die Brechzahlen von Kern und Mantelglas unterschiedliche Werte aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein monolithischer Vieleckkernglasstab aus einem Quarzglasingot erzeugt und für die Verarbeitung in einer Behandlungsanlage vorbereitet.
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Weiterhin wird ein Mantelglasrohr in eine an die Umhüllende des Vieleckkernglasstabs angepasste Querschnittsform vorkollabiert, so dass ein bestimmter Spaltmaßbereich zwischen Kern und Rohr allseits eingehalten wird, wobei durch eine drehwinkelabhängige Verringerung des Mantelrohrdurchmessers eine Mantelovalität gezielt eingestellt wird.
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Das vorkollabierte Mantelglasrohr wird dann über den Vieleckkernstab geschoben und es wird ein Vakuum im Raum zwischen Stab und Kern angelegt.
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Weiterhin weist die Behandlungsanlage einen Ofen auf, welcher ein gesteuertes Ummanteln durch Verschmelzen von Stab und Rohr ermöglicht, wobei das hierbei erfolgende weitere Kollabieren des Rohres so vorgenommen wird, dass das Mantelglas sowohl in radialer als auch in azimutaler Richtung fließt.
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Das oben genannte Vorkollabieren erfolgt derart, dass zwischen Stab und Rohr ein Spalt von im Wesentlichen 1 bis 3 mm verbleibt, der dann beim endgültigen Kollabieren verschwindet.
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Der Stab ist bei einem Ausführungsbeispiel mit einem rechteckförmigen Querschnitt versehen und das Rohr weist nach dem Vorkollabieren einen ovalen Querschnitt auf.
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Zum Erhalt einer blasenfreien Ummantelung wird auf den Vieleckkernstab eine dünne, fluordotierte Siliziumdioxidschicht aufgebracht.
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Der Kernglasstab kann aus einem Quarzglasingot durch Sägen gefertigt sein. Weiterhin wird bevorzugt der gesägte Kernglasstab einem Temperschritt unterzogen.
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Die Rohrrotation beim Ummantelungsschritt liegt im Bereich ≤ 10 U/min.
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Im Anschluss an den Ummantelungsschritt ist ausgestaltend ein Tempern zum Abbau thermischer Spannungen der hergestellten Vorform möglich.
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Aus dem Vorgenannten ist ersichtlich, dass die Vorform nicht durch Direktbeschichtung des rotierenden Kernglasrechtecks gefertigt wird, sondern eine Ummantelung des Rechteckkernstabs in einer vertikalen Ummantelungsanlage erfolgt. Durch die vertikale Einbaulage des Kernstabs wird verhindert, dass selbst bei extremen Seiten-Verhältnissen ein Durchbiegen des Rechteckstabs eintritt und gegebenenfalls in unerwünschter Weise das Mantelrohr azentrisch aufkollabiert.
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Wie dargelegt, kann der Kernglasstab mit rechteckförmigem Querschnitt beispielsweise aus einem Quarzglasingot herausgesägt werden. Hiernach schließt sich eine Grobbearbeitung der Oberflächenform durch Schleifen an, um die vorgegebenen Abmessungen des Kernglasstabs mit entsprechendem Polieraufmaß zu erhalten.
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Vor dem Sägen des Rechteckstabs und dem Schleifen kann eine Temperung notwendig sein, insbesondere dann, wenn der Ausgangs-Quarzglasingot unter kritischen thermischen Spannungen steht.
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Nach dem Schleifen des rechteckförmigen Stabes schließt sich eine Feinbearbeitung der geschliffenen Oberflächen an. Die Feinbearbeitung kann in Form einer Oberflächenpolitur durchgeführt werden. Neben einer mechanischen Politur ist auch eine Feuerpolitur denkbar. Um Poliermittelreste aus den Mikrorissen der Oberfläche zu eliminieren, kann eine kurze Säurepolitur in Flusssäure erfolgen.
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Der so erzeugte Rechteckkernstab wird in eine vertikale Ummantelungsanlage mit einem Grafitofen als Wärmequelle eingespannt.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Rechteckkernstab vor dem Ummanteln mit dem fluordotierten Ummantelungsrohr mit einer dünnen fluordotierten Schicht aus Siliziumdioxid versehen wird.
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Durch die dünne fluordotierte Schicht auf dem Rechteckkernstab werden die Viskositäten an der Grenzfläche der Verschmelzung Rohr und Stab angepasst. Der Vorteil ist, dass durch diese Vorbehandlung die Verschmelzung bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden kann. Hierdurch wird auch bei der Ummantelung die Rechteckkerngeometrie nicht gestört und eine mögliche Blasenbildung verhindert.
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Die dünne fluordotierte Schicht auf dem Rechteckkernstab kann erzeugt werden, indem zunächst eine dünne Sootschicht bei geringer Temperatur auf dem Rechteckkernstab abgeschieden wird. Auf eine ansonsten übliche Rotation des Rechteckkernstabs bei dieser Beschichtung kann verzichtet werden, weil bei den geringen Sootabscheidetemperaturen eine Deformation eines Rechteckkernstabs nicht auftritt. Die Sootabscheidung kann in jeder Winkelposition des Targets unter angepassten Abscheidebedingungen stattfinden. Hierdurch wird eine über den gesamten Targetumfang homogene Schichtabscheidung gewährleistet.
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Die Sinterung der Sootschicht zu einer transparenten Schicht erfolgt nach der Sootabscheidung mit Hilfe eines separaten Knallgasbrenners, der eine breite heiße Erhitzungszone aufweist. Die Sintertemperatur und damit die thermische Belastung des Rechteckkernstabs können gering gehalten werden.
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Das Ummantelungsrohr wird für die spezielle Ummantelung des Rechteckkernstabs vorbereitet. Hierfür wird das Rohr auf ein Spaltmaß von ca. 1 mm bis 3 mm bezogen auf die entsprechenden Abmessungen des Rechteckkernstabs vorkollabiert.
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Das Vorkollabieren umfasst die drehwinkelabhängige Verringerung des Mantelrohrdurchmessers. Durch das Vorkollabieren des Mantelrohrs mit einer gezielt einzustellenden Mantelovalität wird beim späteren Ummantelungsprozess erreicht, dass das Mantelrohr beim Aufkollabieren sich im Bereich der Rechteckseitenflächen nicht faltet. Nachdem das Mantelrohr geeignet vorkollabiert wurde, wird das Rohr über den Kernglasstab eingefädelt und in der Ummantelungsanlage fixiert.
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Der eigentliche Ummantelungsschritt, bei dem das Mantelrohr mit dem Kernglasstab verschmilzt, wird bei einer geringen Kollabierrate mit einer geringen Rohrrotation durchgeführt. Die geringe Kollabierrate ist erforderlich, damit das Mantelglas während des Kollabierprozesses nicht nur in radialer, sondern auch in azimutaler Richtung innerhalb des Mantelrohrvolumens fließen kann.
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Die Rotation des Mantelrohr-Kernglasstab-Gebildes dient dazu, azimutale Inhomogenitäten im Ofen auszugleichen.
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Um Blasen in der Kernstab-Mantelglas-Grenzfläche zu verhindern, ist es hilfreich, wenn an den Kernglasstab-Mantelglasrohr-Zwischenraum ein Unterdruck angelegt wird.
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Nach dem Verschmelzvorgang schließt sich ein Temperschritt an, um thermische Spannungen in der Vorform so weit zu reduzieren, dass eine Zerstörung der Vorform bei weiteren Bearbeitungsschritten ausgeschlossen wird.
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In Abhängigkeit von der weiteren Verwendung der Rechteckkern-Preform kann der Mantelquerschnitt der Preform (Vorform) von elliptisch über rund bis hin zu rechteckförmig weiter bearbeitet werden. Eine runde oder rechteckförmige Querschnittsform des Mantelglases wird durch einen weiteren Schleifvorgang erreicht.
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Ein Polieren der Vorform vor dem Faserziehen nach dem Schleifen ist nicht notwendig, da die hohen Temperaturen im Ziehofen die zunächst raue Oberfläche zu einer glatten Oberfläche verschmelzen. Um die rechteckförmige Kerngeometrie beim Faserziehprozess nicht zu verschlechtern, erfolgt das Faserziehen bei möglichst geringen Ziehtemperaturen um ca. 1900°C und relativ hohen Abzugskräften von > 120 cN bei einem mittleren Faserdurchmesser von 125 μm.
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Aufgabengemäß ist die thermische Belastung des Rechteckkernstabs beim Ummanteln mit einem fluordotierten Rohr wesentlich geringer als bei der Plasma-Direktbeschichtung. Eine unerwünschte Änderung der ursprünglichen Form des Kernstabquerschnitts findet nicht statt. Weiterhin ist die UV-Belastung des Rechteckkernstabs bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ummantelungstechnologie geringer als bei einer vorbekannten Direktbeschichtung.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Prinzipdarstellung einer Ummantelungsanlage sowie einem Ausführungsbeispiel näher erörtert werden.
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Die Figur zeigt hierbei einen Längsschnitt sowie zwei Querschnittsdarstellungen längs der Linien A-A durch ein Gebilde, umfassend einen Rechteckkern sowie ein Mantelglasrohr.
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Der Rechteckkernstab 1 weist einen Rechteckquerschnitt mit einem Seitenverhältnis a:b von z. B. 2,74 auf. Die Oberfläche ist geschliffen und poliert, wobei jedoch die Kanten des Stabes ungebrochen bleiben.
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Über ein Futter 2 wird das Gebilde aus Kernstab 1 und Mantelglasrohr 3 gehalten und über eine nicht gezeigte Antriebseinrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt.
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Am Spalt 5 zwischen Kern 1 und Rohr 3 wird an die Öffnung 6 ein Vakuum angelegt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist ein Dichtelement bezeichnet. Wenn notwendig, kann über die Öffnung 6 im Dichtelement 7 eine Spülung mit Stickstoff oder Helium vorgenommen werden.
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Ein Grafitofen 9 umfasst sogenannte Liner 10. Wenn der Grafitofen 9 die erforderliche Temperatur erreicht hat, beginnt unter Ausnutzung des Vakuums 6 von z. B. < 100 mbar die Verschmelzung des Kernstabs 1 mit dem Ummantelungsrohr 9. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Verschmelzung des Stabes mit dem Rohr von oben nach unten. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Grafitofens 9 beträgt z. B. 15 mm/min. Die Länge des Verfahrwegs parallel zur Achse des Rohres 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 300 mm.
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Das Aufkollabieren des Mantelrohrs 3 auf den Kern 1 erfolgt sehr langsam bei einer geringstmöglichen Temperatur unter Nutzung des Unterdrucks wie erläutert.
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Das folgende Ausführungsbeispiel soll einen typischern Verfahrensablauf verdeutlichen.
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In einem ersten Schritt wird zunächst ein Kernstab mit Rechteckquerschnitt mit den Seitenlängen 15,9 mm zu 5,8 mm für den Verarbeitungsprozess vorbereitet. Die Oberfläche des Kernstabs ist geschliffen und poliert, wobei die Kanten ungebrochen sind.
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An einer Seite dieses Kernstabs wird ein Hilfsstab als Handhabungshilfe mit entsprechendem Durchmesser, z. B. 16 mm und einer Länge von ca. 400 mm bis 500 mm durch Anschmelzen fixiert. Der Hilfsstab wird vor dem Anschmelzen im Querschnitt an die Rechteckform über eine Länge von etwa 50 mm angepasst.
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Auch an der anderen Seite des Kernstabs wird ein gleichgestalteter Hilfsstab mit einer Länge von ca. 200 mm angebracht.
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Anschließend werden Oberflächenverunreinigungen durch Nassätzen in verdünnter Flusssäure entfernt. Dieser Ätzvorgang dauert z. B. 20 bis 25 Minuten.
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Die während des Ätzvorgangs wiederum entstandene Oberflächenrauigkeit wird durch eine Feuerpolitur mit Knallgasflamme beseitigt. Dabei wird darauf geachtet, dass die Rechteckprofilkanten nicht bzw. nur minimal einer Rundung unterliegen.
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Auf den so vorbereiteten Rechteckprofilstab wird mittels Plasmabrenner eine fluordotierte Silizium-Schicht (Soot) mit einer Stärke von ca. 0,5 mm aufgetragen.
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Das Auftragen dieser Schicht erfolgt bevorzugt in zwei Abschnitten. Erstens erfolgt das Abscheiden einer gleichmäßig porösen Sootschicht auf der Oberfläche des Rechteckprofilstabs über den Umfang. Zweitens erfolgt das Klären, d. h. das Klarschmelzen der Sootschicht zu einer homogenen transparenten Schicht.
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Quasi zeitgleich erfolgt die Vorbereitung des fluordotieren Quarzglas-Ummantelungsrohrs. Im Anwendungsbeispiel wird ein fluordotiertes Quarzglasrohr mit einem Außendurchmesser von 37 mm und einer Wandstärke von ca. 4,5 mm eingesetzt. Die Brechzahldifferenz gegenüber reinem Quarzglas beträgt –0,0175.
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Üblicherweise muss die Geometrie des Ummantelungsrohrs an den Rechteckprofilstab angepasst werden. Hierzu wird an beiden Seiten ein Anschmelzen von Hilfsrohren vorgenommen, um das Ummantelungsrohr in einer Glasbläseranlage vorkollabieren zu können. Im Beispiel wird das fluordotierte Quarzglasrohr von 37 mm Außendurchmesser auf ca. 29,5 mm kollabiert.
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Jetzt werden Rechteckprofilstab und das fluordotierte Quarzglasrohr für den Einbau in die vertikale Ummantelungsanlage vorbereitet. Am Rechteckprofilstab wird der kürzere Hilfsstab auf ca. 50 mm durch Abschmelzen weiter gekürzt und es wird eine Spitze geformt. Vom vorkollabierten fluordotierten Quarzglasrohr wird an einer Seite das Hilfsrohr abgetrennt. Das an der anderen Seite verbleibende Hilfsrohr wird nahe der Ansatzstelle zum fluordotieren Quarzrohr mit einer Einengung versehen, die einen Innendurchmesser von maximal 10 mm hat. Nunmehr erfolgt die Bestückung der vertikalen Ummantelungsanlage. Zunächst wird der Rechteckprofilstab in das obere Futter eingespannt und nach oben gefahren. Anschließend wird das fluordotierte Quarzglasrohr in das untere Futter gespannt und mit dem Vakuumsystem verbunden. Der Rechteckprofilstab wird nun von oben in das vorkollabierte fluordotierte Quarzglasrohr bis zum Aufsetzen auf die Einengung am Hilfsrohr eingeführt.
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Der Grafitofen wird jetzt auf Position oberes Ende des fluordotierten Quarzglasrohrs gefahren und angeheizt. Hat der Grafitofen die erforderliche Temperatur für die heiße Zone, im Anwendungsbeispiel 1500°C erreicht, beginnt unter Ausnutzung des Vakuums von ≤ 100 mbar die Verschmelzung des Kernstabs mit dem Ummantelungsrohr, und zwar von oben nach unten.
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Die Geschwindigkeit der Grafitofenbewegung beträgt hierbei ca. 15 mm/min. Wenn der Grafitofen nach dem Verschmelzen am Endpunkt angelangt ist, bleibt der Ofen stehen und die verschmolzene Preform bewegt sich mittels oberem Futter oder Reitstock vom unteren Hilfsstab weg, so dass ein sauberes Abschmelzende erzeugt werden kann.
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Die erhaltene Preform mit einem Rechteckkernprofil weist eine ovale Außenform auf. Wenn eine kreisrunde Preform außenumfangsseitig gewünscht wird, sind folgende weitere Schritte notwendig.
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Zunächst wird das weitere Hilfsstabende abgeschmolzen. Um vorhandene Spannungen, die beim Ummantelungsprozess entstanden sind, abzubauen, wird die Preform in einem Temperofen einer Temperaturbehandlung unterzogen. Im Anwendungsbeispiel wird hierzu folgendes Regime gefahren. Der Ofen wird mit der enthaltenen Preform über eine Zeit von 8 Stunden langsam auf eine Temperatur von 1040°C erwärmt. Diese Temperatur bleibt über 8 Stunden erhalten und es wird im Anschluss über einen weiteren Zeitverlauf von 8 Stunden auf Raumtemperatur heruntergekühlt. Anschließend wird die Preform mechanisch rund geschliffen, z. B. auf einen Außendurchmesser von 22,3 mm.
