DE69306621T2

DE69306621T2 - Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Glasteiles, insbesondere aus Fluoridglas

Info

Publication number: DE69306621T2
Application number: DE69306621T
Authority: DE
Inventors: Pascal Baniel
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2013-01-27
Also published as: CA2088216C; JP2637889B2; DE69306621D1; FR2686597A1; JPH05279063A; EP0560638B1; CA2088216A1; EP0560638A1; FR2686597B1; US5350433A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Glasbauteils wie z.B. eines Barrens oder eines Rohrs, insbesondere, aber nicht ausschließlich aus fluoriertem Glas, das beispielsweise für die Herstellung eines zylindrischen Rohlings für eine Lichtleitfaser bestimmt ist.
Es ist bekannt, daß die Bearbeitung bestimmter Glasarten, insbesondere von fluorierten Gläsern, sehr schwierig ist und daß insbesondere jede Berührung eines solchen Glases während der Ausformung Unreinheiten induziert und Kristallite oder Mikrokristalle bildet. Diese Mängel beeinträchtigen die optische Qualität der Faser.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten ergeben klassische glastechnische Verfahren nicht in einem einzigen Schritt ein zylindrisches Bauteil, das gleichzeitig die folgenden Eigenschaften besitzt:
- eine ausgezeichnete optische Qualität, d.h. eine Homogenität des gebildeten Glases,
- einen perfekten Oberflächenzustand,
- genau kontrollierte Innen- und Außendurchmesser (Genauigkeit auf mindestens 50 µm),
- eine größere Länge als 100 mm.
Aus der Druckschrift EP-A-0 406 796 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Barrens aus fluoriertem Glas bekannt, bei dem das Einschlußprinzip mittels gasförmigen Films verwendet wird und das folgende Schritte enthält:
- kontinuierliche Verteilung eines Pulvers einer Mischung von halogenierten Stoffen auf einen kontinuierlich von oben nach unten verschiebbaren Träger, der zu Beginn des Verfahrens in einen Behälter mit einem zylindrischen Innenraum gebracht wird, dessen Querschnitt um einige 10 µm größer als der des herzustellenden Barrens ist, wobei der Behälter Heizmittel besitzt, um das Pulver zum Schmelzen zu bringen,
- permanente Einspeisung eines Gases zwischen den sich bildenden Barren und die Innenwand des Hohlraums, um eine Gasschicht von einigen 10 µm Dicke mit einem größeren Druck als der Umgebungsdruck im Behälter zu erzeugen, wobei dieser Druck so permanent justiert wird, daß jeder Kontakt zwischen dem Material des Barren und der Innenwand des Behälters vermieden wird,
- Erwärmung des oberen Teils des sich bildenden Barren, um eine Zone zu erzeugen, deren Viskosität bei etwa 1 P liegt.
Diese Technik wurde bisher nicht für die Herstellung eines Rohres eingesetzt aufgrund der besonderen Schwierigkeiten der viel komplexere Rohrform.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Technik an die Herstellung eines Rohrs anzupassen, beispielsweise eines Rohrs aus fluoriertem Glas.
Ziel der Erfindung ist es auch, diese Technik bei der Herstellung eines Barrens zu verbessern.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Bauteils aus Glas, insbeson dere, aber nicht ausschließlich, aus fluoriertem Glas, wobei das Verfahren die folgende Schritte enthält:
- man verwendet einen vertikalen zylindrischen Hohlraum, der mit einer porösen Membran ausgekleidet ist und dessen Innenabmessungen um einige zehn um größer als die des Bauteils sind, wobei in dem Hohlraum ein zylindrischer Sockel gleiten kann, der das Bauteil trägt,
- auf dem Sockel wird ein Ursprungsstumpf aus dem Glas aufgelegt,
- man erwärmt den Stumpf bis zur Schmelze und speist perma nent ein Gas in die porösen Membranen ein, um zwischen diesen und dem geschmolzenen Stumpf eine Gasschicht von einigen pm Dicke aufrechtzuerhalten, die jeden direkten Kontakt verhindert,
- man verteilt auf dem geschmolzenen Stumpf von der Obersei te des Hohlraums kontinuierlich ein Pulver aus den Bestandteilen des Glases,
- man senkt den Sockel während der Bildung des zylindrischen Bauteils ausgehend von dem Stumpf ab.
Vorzugsweise
- besitzt der Sockel selbst die Form eines Hohlzylinders, der in seinem unteren Bereich durch einen Kolben verschlossen wird,
- enthält der Sockel ursprünglich einen Stumpf aus erstarrtem Glas, der den ursprünglichen Stumpf bilden soll,
- schiebt man zunehmend den Stumpf im geschmolzenen Zustand durch Verschieben des Kolbens aus dem Sockel nach oben hinaus.
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal gleitet der Sockel in dem Hohlraum auf einer Zwischengasschicht.
Vorzugsweise wird der Gasdruck in den porösen Membranen so geregelt, daß in dem Hohlraum im stationären Zustand eine stabile Säule aus geschmolzenem Glas konstanter Höhe aufrechterhalten wird.
Außerdem liegt vorzugsweise über dem sich bildenden Bauteil eine Säule aus geschmolzenem Glas, wobei der Übergang zur Glasphase bei der Übergangstemperatur in Höhe der Basis der Membranen liegt.
Vorzugsweise bestehen die porösen Membranen aus Graphit mit einer Durchlässigkeit nach DARCY von etwa 10&supmin;¹&sup5;m² und können außerdem mit einer dünnen Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt sein.
Außerdem können alle Seiten des Sockels und des Kolbens mit einer dünnen Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt sein.
Wenn das zylindrische Bauteil ein Rohr ist, ist der Hohlraum rohrförmig und mit porösen koaxialen Membranen ausgekleidet und der Sockel ist ringförmig.
Um die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu vereinfachen, haben die Membranen dann gleiche Dicke und die auf die Innen- und Außenseiten des sich bildenden Rohrs einwirkenden Drücke sind gleich.
Ist das zylindrische Bauteil ein Barren, dann ist der Hohlraum rohrförmig und hohl und der Sockel ist rohrförmig.
Die Rohre und Barren, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden, besitzen über ihre ganze Länge Toleranzen von höchstens 50 µm bezüglich ihres Innen- und Außendurchmessers.
Die mechanischen Eigenschaften der zylindrischen Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden, sind besser als diejenigen der bisher erhaltenen Bauteile, bei denen Mikrorisse aufgrund von Einschlüssen und von thermischen Belastungen aufgetreten sind, die vom Kontakt mit den Wänden der für die Herstellung verwendeten Form oder des Tiegels herrühren.
Außer der chemischen Reinheit der unbehandelten Oberfläche der erfindungsgemäßen zylindrischen Bauteile kann man sehr gute Hafteigenschaften für Überzüge wie z.B. dünne Schichten zum Schutz oder zur Aktivierung in Betracht ziehen. Die Schichten können beispielsweise im Plasma oder durch Laserabtragung aufgebracht werden.
Die Qualität der inneren Oberfläche eines erfindungsgemäßen Rohrs ermöglicht es, interessante Anwendungen bei der direkten Herstellung von Lichtleitfasern mit hohlem Kern in Betracht zu ziehen, beispielsweise für die Übertragung einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 µm. Die Qualität der inneren Oberfläche ist für eine solche Faser nämlich entscheidend.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von die Erfindung nicht einschränken den Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen sehr schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den verschiedenen Phasen bei der Herstellung eines Rohrs aus fluoriertem Glas.
Figur 6 zeigt die Temperaturverteilung in einem sich bildenden Rohr.
Figur 7 zeigt sehr schematisch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung eines Barren.
In allen Figuren tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen.
Zuerst wird die Herstellung eines Rohrs, beispielsweise eines Hüllrohrs für einen Rohling für Lichtleitfasern beschrieben, der aus einem Glas mit folgender Zusammensetzung (in Molprozent) besteht: 53 ZrF&sub4;-20 BaF&sub2;-4 LaF&sub3;-4 AlF&sub3;-19 NaF.
Die Länge dieses Rohrs beträgt 10 cm, der Innendurchmesser 15 mm und der Außendurchmesser 30 mm.
In den Figuren 1 bis 5 ist schematisch eine Vorrichtung zu sehen, die einen vertikalen rohrförmigen Hohlraum 1 besitzt, der zu einer Achse 10 drehsymmetrisch ist und über einen Teil seiner Höhe mit zwei koaxialen porösen Membranen 2 und 3 ausgekleidet ist, deren Durchlässigkeit nach DARCY etwa 10&supmin;¹&sup5; m² beträgt. Dieses Material kann mit einem hohen Reinheitsgrad erhalten werden und es ist gegenüber fluorierten Stoffen inert, insbesondere wenn es mit einer dünnen Schicht (z.B. einer Dicke von 0,1 µm) aus Pyrokohlenstoff bedeckt ist, die bei hoher Temperatur beispielsweise durch Pyrolyse von Methan erhalten wird. Die Membranen 2 und 3 werden also trotz der sehr korrosiven Umgebung aufgrund der fluorierten Stoffe nicht angegriffen.
Der Innendurchmesser der Membran 2 beträgt 30,05 mm und der Außendurchmesser der Membran 3 beträgt 14,95 mm (mit einer Toleranz jeder dieser Abmessungen von 0,01 mm). Vorzugsweise haben die beiden Membranen gleiche Dicke von 2 mm.
Der untere Bereich des nicht mit den Membranen 2 und 3 bedeckten rohrförmigen Hohlraums 1 hat die gleichen Abmessungen wie diese Membranen mit den gleichen Toleranzen.
Die Speisung mit einem Gasfluß erfolgt über zwei koaxiale Hohlräume 12 und 13 in Verbindung mit Einlässen 14 und 15 für Gas unter einem Druck P1 bzw. P2.
Heizeinsätze 21, 22, 23, deren Höhe regelbar ist, sind innerhalb und außerhalb des rohrförmigen Hohlraums 1 vorgesehen.
Ein ringförmiger Sockel 5, der auch zur Achse 10 drehsymmetrisch ist, kann im Hohlraum 1 gleiten. Er besteht aus einem ringförmigen, zylindrischen Hohlkörper 6, der im unteren Bereich durch einen ebenfalls ringförmigen Kolben 7 verschlossen ist. Alle inneren Oberflächen des Sockels 5, die mit den fluorierten Stoffen in Kontakt kommen sollen, sind mit einer dünnen Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt, was die oben erwähnten Vorteile bringt.
Nicht dargestellte Mittel drücken den Kolben 7 nach oben sowie die Sockeleinheit 5 nach unten.
Schließlich wurden schematisch mit dem Bezugszeichen Mittel bezeichnet, die kontinuierlich in Höhe des oberen Bereichs des rohrförmigen Hohlraums 1 ein Pulver aus den Bestandteilen des Glases des herzustellenden zylindrischen Bauteils verteilen. Ein nicht dargestelltes System zur Durchsatzregelung des Pulvers, wie dies dem Fachmann bekannt ist, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Vorzugsweise befindet sich die ganze oben beschriebene Vorrichtung in einem nicht dargestellten, gegen die Atmosphäre dichten Gefäß, in das ein neutrales Gas wie Argon oder Hehum eingespeist wird. Wenn die hergestellten zylindrischen Bauteile aus fluoriertem Glas sind, kann man in dieses neutrale Gas ein fluoriertes Gas wie z.B. Schwefelhexafluorid SF&sub6; oder Stickstofftriflorid NF&sub3; einmischen, um eine fluorhaltige Atmosphäre in Höhe des sich bildenden Bauteils zu erzeugen. Das die Atmosphäre in dem Gefäß bildende Gas dient auch zum Einschluß des sich bildenden zylindrischen Bauteils. Dies ist günstig für das Läutern des Glases und für die Homogenisierung des Glases bei der Läuterung.
Zu Beginn des Verfahrens zur Herstellung des gewünschten Rohrs setzt man in den Sockel 5 bei Umgebungstemperatur ein Stück 11 aus festem Glas (Ursprungsstumpf) mit der oben angegebenen Zusammensetzung ein (siehe Figur 1). Der Sockel 5 ist seinerseits zwischen den porösen Membranen 2 und 3 installiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dann folgendermaßen ab:
Mit den Heizwiderständen 21 bis 23 wird der Glasstumpf 11 im Inneren des Sockels 5 bei einer Temperatur zwischen 650 und 700ºC geschmolzen. Die Schmelze trägt in Figur 2 das Bezugszeichen 100.
Der Kolben 7 wird dann im Sockel 5 nach oben geschoben, um ausgehend von dem geschmolzenen Stumpf 100 einen geschmolzenen Bereich 101 am oberen Ende des Sockels zu bilden (siehe Figuren 3 und 4).
Gleichzeitig legt man die Drücke P&sub1; und P&sub2; um 0,1 Bar oberhalb des Atmosphärendrucks fest, um eine Gasschicht von einigen zehn Mikrometer Dicke zwischen den Membranen 2 und 3 und dem geschmolzenen Bereich 101 zu bilden. Eine Gasschicht wird auch zwischen diesen Membranen und der Außenseite des Sockels 5 unterhalten. Die Gasschicht schließt den geschmolzenen Bereich 101 ein und vermeidet den Kontakt mit dem Hohlraum 1.
Zugleich speist man den Bereich 101 mit den pulverförmigen Bestandteilen des Glases aus den Verteilungsmitteln (siehe Figur 4) und senkt den Sockel 5 beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/min ab (siehe Pfeile 50).
Nach dem Beginn des Prozesses ist der stationäre Zustand in Figur 5 zu sehen. Das Temperaturprofil entlang des rohrförmigen Hohlraums 1 ist in Figur 6 gezeigt.
Es ergibt sich ein erstarrter Rohrbereich 60 und darüber eine Säule aus geschmolzenem Glas 61. Der Übergang zwischen diesen beiden entsprechend der Temperatur Tg des Übergangs in die Glasphase (zwischen 260 und 270ºC) liegt im wesentlichen in Höhe der unteren Basis der Membranen 2 und 3.
In der Schmelzensäule 61 wird eine Zone in unmittelbarer Nähe der oberen Oberfläche auf eine sehr hohe Tempera tur zwischen 750 und 800ºC gebracht, um das Glas zu läutern, d.h. um alle Mikrobläschen zu eliminieren, die sich bilden könnten. Diese Heizzone ist auf einige Millimeter beschränkt, um die Läuterung zu gewährleisten, ohne eine wesentliche Zersetzung von bestimmten fluorierten Stoffen zu erhalten.
Der Temperaturgradient in dem erstarrten Rohr 60 beträgt beispielsweise 100ºC/cm. Dieser Gradient kann ggf. durch Hinzufügung von Kühlsystemen (nicht dargestellt) kontrolliert werden.
Ein schematisch angedeuteter Druckmesser 51 mißt den Druck in der Nähe des Übergangs 62 und dient der Regelung der beiden Drücke P1 und P2, um das Druckfeld in der Gasschicht geeignet festzulegen, so daß die Höhe der Säule aus geschmolzenem Glas 61 während des ganzen Ziehens konstant bleibt.
Natürlich ist die kontinuierliche Speisung mit Pulver durch die Verteilmittel 30 an die Ziehgeschwindigkeit angepaßt. Ein die Oberseite der Säule aus geschmolzenem Glas 61 erfassender Detektor kann hierfür verwendet werden.
Die Vertikalverschiebung des Rohrs kann durch bekannte mechanische Translationssysteme realisiert werden, wie z.B. das System MFL-133-6 der Firma HUNTINGTON. Alle Verfahrensschritte können durch einen Mikrorechner kontrolliert werden, der die Drücke und die Ziehgeschwindigkeit des Rohrs kontrollieren und den Pulverdurchsatz regeln kann.
Nun wird die Bildung eines Barrens beschrieben, beispielsweise eines Barrens, der den Kern eines Rohlings für Lichtleitfasern bilden soll und aus einem fluorierten Glas vom Typ ZBLAN mit folgender Zusammensetzung (in Molprozent) besteht: 54 ZrF&sub4;-23 BaF&sub2;-4 LaF&sub3;-3 AlF&sub3;-16 NaF.
Man verwendet eine Vorrichtung ähnlich der oben anhand der Figuren 1 bis 5 beschriebenen, die aber an die Herstellung eines Barrens angepaßt ist. Hierzu ist der Hohlraum 1 ein Hohlzylinder und kein rohrförmiger Zylinder, wie dies Figur 7 zeigt. Die poröse Membran 3, der Hohlkörper 13, der Heizeinsatz 23 und der Gaseinlaß 14 fehlen daher.
Die Vorrichtung enthält eine poröse Membran 2 mit einem Innendurchmesser von 15,095 mm und einer Nutzhöhe von etwa 80 mm, die aus Graphit mit einer Durchlässigkeit nach DARCY von 2,7.10&supmin;¹&sup5; m² ist. Der Sockel 5 wird von einem Hohlzylinder 6 mit einer Höhe von etwa 50 mm und einem Außendurchmesser von 15,059 µm gebildet, so daß sich ein radiales Spiel von 18 mm bei Umgebungstemperatur zwischen der Membran 2 und dem Sockel 5 ergibt. Der Kolben 7, der den Sockel 5 verschließt und die Form einer Scheibe mit einem Außendurchmesser von 9,95 mm besitzt, ist im Innenraum des Körpers 6 des Sockels 5 beweglich, wobei der Durchmesser dieses Raums 10 mm beträgt. Der Sockel 5 und der Kolben 7 sind allseitig mit einer dünnen Schicht von Pyrokohlenstoff bedeckt, die die Eigenschaften der Träger gegenüber fluoriertem Glas (chemisch inert, nicht-haftend) verbessert.
Ein ursprünglicher Stumpf 110 aus fluoriertem Glas in Festform von etwa 9 g Masse mit einem Durchmesser, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Hohlraums des Sockels 5 ist, ruht auf dem Kolben 7 und besitzt eine Höhe von 27 mm. Die Einheit aus Sockel 5, Kolben 7 und festem Stumpf 110 ist bei Umgebungstemperatur von der porösen Membran 2 umgeben.
Alle anderen Elemente der an die Herstellung eines Barren angepaßten Vorrichtung gleichen denen, die anhand der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurden.
Die ganze Vorrichtung befindet sich in einem gegen die Außenatmosphäre dichten rohrförmigen Gefäß, so daß man unter einer kontrollierten Atmosphäre arbeiten kann. Dieses Gefäß kann gespült und unter Vakuum gesetzt werden, so daß Restfeuchtigkeit entfernt wird. Es ist auch günstig, dieses Gefäß an einen Handschuhkasten anzuschließen, der von einem chemisch neutralen und sehr trockenen Gas (mit weniger als 1 ppm Wasser) durchströmt wird und das keine Staub enthält, mit dem das Glas bei den nachfolgenden Herstellungsschritten verunreinigt werden könnte. In diesem Fall kann das Glas in das Gefäß geschützt von der Außenatmosphäre eingebracht werden.
Während der ganzen Herstellung des gewünschten Barrens wird das Gefäß kontinuierlich mit 2 l/min einer sehr reinen Gasmischung durchströmt, die aus 5 Vol.% SF&sub6; einer Reinheit von 99,97%, vermischt mit Argon einer Reinheit von 99,9996% sowie weniger als 2 Vol.ppm Wasser und weniger als Vol.ppm Sauerstoff durchströmt wird. Der Druck des Einschließungsgases, das die poröse Membran durchquert, wird während der ganzen Verfahrensdauer auf 120 mbar bezüglich des Innendrucks des Gefäßes (nahe bei Atmosphärendruck) eingestellt. Das Einschließungsgas ist beispielsweise dasselbe wie das für die Spülung des Gefäßes.
Alle soeben erwähnten Maßnahmen können genauso bei der Herstellung eines Rohres ergriffen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung des gewünschten Barrens enthält die folgenden Verfahrensschritte:
Der ursprüngliche Stumpf 110 wird in den Sockel eingesetzt, der seinerseits von der porösen Membran 2 umgeben ist.
Der Gesamtgasdurchsatz durch die poröse Membran wird auf einen Wert in der Größenordnung von 0,135 l/min bei Umgebungstemperatur eingestellt.
Das Heizsystem (Einsätze 21 und 22) wird eingeschaltet und die Aufheizung erfolgt mit 100ºC/min, bis die Temperatur in Höhe des Glases 710ºC erreicht. Das den ursprünglichen Stumpf bildende Glas 110 ist dann geschmolzen. Es wird auf der Temperatur von 710ºC während etwa 15 Minuten gehalten, um ein thermisches Gleichgewicht zu erzielen und eventuelle Gasblasen zu eliminieren, die an dem Übergang zwischen dem Glas und dem Sockel 5 auftreten können. Der Gesamt-Gasdurchsatz für die Einschließung durch die poröse Membran hindurch beträgt dann 0,06 l/min aufgrund der Erhöhung der Temperatur und der daraus resultierenden Erhöhung der Viskosität des Gases.
Dann schiebt man den Kolben 7 im Hohlraum 1 mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/min über eine Gesamthöhe von 27 mm nach oben. Das aus dem geschmolzenen Glas des Stumpfs gebildete fluorierte Bad steigt damit langsam an und wird zunehmend aus dem Sockel hinausgeschoben. Es wird dann zwischen den Wänden der porösen Membran 2 eingeschlossen, ohne diese irgendwann zu berühren, wobei die eingeschlossene Höhe gleichmäßig zunimmt. Die Gasschicht wird so gleichmäßig und reproduzierbar gebildet. Der obige Verfahrensschritt wird auch als Einspeisung des Glases im geschmolzenen Zustand bezeichnet.
Wenn diese Einspeisung beendet ist, wird die Tempera tur des Bades bis auf 750ºC für die Läuterung erhöht und auf diesem Wert während 15 Minuten gehalten.
Dann bringt man in den eingeschlossenen Stumpf die pulverförmigen Bestandteile des Glases von den Verteilmitteln 30 ein und befördert gleichzeitig die Einheit aus Sockel 5, Kolben 7 und dem eingeschlossenen fluorierten Bad mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2 mm/min nach unten und hält dabei stets die gleichen Bedingungen für die verschiedenen Gasströme aufrecht. Das Glas wird kontinuierlich mit einem mittleren thermischen Gradienten von 75ºC/cm zwischen 620ºC und 310ºC abgekühlt, was einer Abkühlgeschwindigkeit von 15ºC/min in dieser kritischen Temperaturzone entspricht, in der die Kristallisation des Glases eintreten könnte. Die Abkühlung endet mit einer Geschwindigkeit von 7,5ºC/min bei der Übergangstemperatur von 260ºC in die Glasphase, ehe der Rohling aus erstarrtem Glas die untere Grenze der porösen Membran 2 überschreitet. Während der Translation des fluorierten Bads und seiner Abkühlung benetzt das Glas nirgends die Wand, und die Druckbedingungen bleiben zeitlich konstant.
Wie bei der Herstellung des Rohrs entnimmt man am Ende des Verfahrens auch hier den Glasbarren.
Da die stabilen Einschlußbedingungen in erster Näherung weder vom Querschnitt der Säule aus flüssigem Bad noch von deren Durchmesser oder Durchmessern, sondern von Merkmalen der porösen Membran oder Membranen, des radialen Abstands zwischen Sockel und porösen Membranen, der Höhe des Sockels und der Höhe der flüssigen Säule abhängt, sind die Herstellungsbedingungen eines Glasrohrs im wesentlichen die gleichen wie die der Herstellung eines Barren. Die Abstände zwischen Sockel und Membran haben ähnliche Werte sowohl für die äußere Membran als auch für die innere Membran im Fall des Rohrs.
Die Herstellung des Glasstumpfs durch gasförmige Einschließung ergibt im erfindungsgemäßen Verfahren über einige Millimeter Höhe einen Gasfilm, der das Glas einschließt und den Herstellungsprozeß durch kontinuierliche Zuführung der Pulver fortzusetzen erlaubt.
Die Verwendung eines ursprünglichen Stumpfs und ggf. des Sockels mit Gaseinspeisung im erfindungsgemäßen Verfahren ergibt daher eine sehr regelmäßige Gasschicht und erlaubt es, auf einfache und reproduzierbare Weise sowohl ein Rohr als auch einen Barren herzustellen, dessen endgültige Reinheit nur von der ursprünglichen Reinheit der fluorierten Ursprungsprodukte, den reaktiven Gasen und den verwendeten Graphitarten abhängt.
Außerdem liegt ein Vorteil der Technik des Einschließens mit einer Gasschicht in der Tatsache, daß keine zusätzliche Verschmutzung von Kontakten des schmelzflüssigen Bads mit den Wänden während der Herstellung herrührt. Da keine Formen für die Herstellung eines Rohrs oder Barren verwendet werden und damit auch kein mechanisches und/oder chemisches Polieren der Oberflächen erforderlich ist, wird die Qualität der erhaltenen Bauteile weiter verbessert.
Die optische Qualität des erhaltenen Glases kann durch die Anzahl von Diffusionszentren (Fehlern) beschrieben werden, die sich im Inneren der Glasmatrix niedergeschlagen haben und zur Dämpfung der aus dem Rohr oder dem Barren hergestellten Faser beitragen, d.h. Diffusionsverluste hervorrufen.
Die Einschließung mit einer Gasschicht hat zu Körpern aus fluoriertem Glas geführt, die einen sehr geringen Bestandteil an Diffusionszentren enthalten (in der Größenordnung von 100 Zentren je cm³), wobei diese Zentren kleiner als 1 pm sind. Dies entspricht Diffusionsverlusten in der Größenordnung von 0,015 dB/km bei einer Wellenlänge von 2,55 um. Die Anzahl der Fehler ist zwischen 10 und 100 mal kleiner als die in der Literatur angegebene Zahl (klassische Methode), und die globale optische Qualität ähnelt der von Körpern aus Suprasil 1, wobei es sich bei diesem Material um eine der besten Qualitäten von synthetischem Siliziumoxid der Art handelt, wie es derzeit für Lichtleitfasern Verwendung findet.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man einen Barren oder ein Rohr aus fluoriertem Glas zur Bildung eines Rohlings für Lichtleitfasern herstellen. Hierzu bereitet man einen Barren aus dem Kernglas vor, beispielsweise mit der Zusammensetzung (in Molprozent) 54 ZrF&sub4;-23 BaF&sub2;-4 LaF&sub3;-3 AlF&sub3;-16 NaF.
In gleicher Weise wie oben beschrieben wird ein Rohr des Hüllglases hergestellt, das beispielsweise folgende Zusammensetzung hat (in Molprozent): 53 ZrF&sub4;-20 BaF&sub2;-4 LaF&sub3;-4 AlF&sub3;-19 NaF.
Die Höhe des Barrens oder des Rohrs kann auf 10 cm festgelegt werden (kann aber auch wesentlich größer sein). Der Barren des Kernglases hat beispielsweise einen mittleren Außendurchmesser von 10,05 mm, während das Rohr aus dem Hüllglas einen Innendurchmesser von 10,00 mm und einen Außendurchmesser von 20,00 mm besitzt. Die genauen Abmessungen ergeben sich durch eine angepaßte Wahl der Abmessungen der verschiedenen Bauteile, die im erfindungsgemäßen Verfahren wichtig sind (poröse Membran, Sockel usw.)
Der Barren wird dann in das Rohr nach der dem Fachmann bekannten Technik "Barren in Rohr" (rod in tube) so hineingesteckt, daß sich ein Rohling ergibt, der in dem gewählten Beispiel einen Brechungsindexabstand von 5 10&supmin;³ besitzt. Die Einstellung von Barren und Rohr ist praktisch vollkommen aufgrund der sehr engen Abmessungstoleranzen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet werden.
Alle Verfahrensschritte der Lagerung, die verschiede nen Handhabungen der Gläser und die Vorbereitung des Rohlings erfolgen vorzugsweise unter neutraler und hinsichtlich der Feuchtigkeit kontrollierter Atmosphäre, so daß jede Beschdigung der sehr qualitativ hochwertigen Oberfläche der Gläser vor dem Faserziehen durch die Umgebungsatmosphäre vermieden wird.
Der so gebildete Rohling wird in eine Ziehvorrichtung transferiert und auf eine geeignete Temperatur erwärmt, beispielsweise etwa 310ºC, wobei die gezogenen Faser zum ursprünglichen Rohling homothetisch geformt ist. Im obigen Beispiel ergibt sich für einen Gesamtdurchmesser der Faser von 125 µm ein Kerndurchrnesser von etwa 62,5 µm. Die so hergestellte Faser ist also eine Multimode-Faser.
Zur Herstellung einer Monomode-Faser aus dem obigen Rohling kann man in einem ersten Schritt eine grobe Zwischenfaser mit einigen Millimetern Durchmesser herstellen. Diese Zwischenfaser wird dann in ein weiteres Rohr aus dem Hüllglas gesteckt (das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einem anderen klassischen Verfahren hergestellt ist, da die Qualität des Glases weniger wichtig ist für den Übergang zwischen den beiden Hüllgläsern). Dieser neue Rohling ergibt dann eine Faser mit einem Kerndurchmesser, der bezüglich des ursprünglichen Rohlings erheblich verringert wurde. Man kann so Monomode-Fasern mit Durchmessern des Kerns von einigen Mikrometern herstellen, die somit für Anwendungen in der Fernmeldetechnik als Übertragungsfasern für große Entfernungen mit geringer Dämpfung und als optische Verstärker verwendbar sind (Dotierung des Kernglases mit seltenen Erden, großer Brechungsindexunterschied).
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Insbesondere ist die Schicht aus Pyrokohlenstoff nicht unbedingt erforderlich. Wenn jedoch die Schicht aus Pyrokohlenstoff fehlt, kann das fluorierte Gas an Graphit anhaften und es ergeben sich Risse beim Abkühlen aufgrund der großen Unterschiede zwischen den Ausdehnungenskoeffizienten des Graphits (5 10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹) und des fluorierten Glases ZBLAN (20 10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹).
Andererseits wurden die Werte der verschiedenen Parameter nur als Beispiel erwähnt.
Insbesondere wurden in anderen Versuchen Injektionsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 3 mm/min und Translationsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 3 mm/min erfolgreich getestet.
Auch Graphitarten mit einer Durchlässigkeit von 7 10&supmin;¹&sup6;m² bis 7 10&supmin;¹&sup5;m² wurden getestet. Es ist jedoch günstig, den Druck des Einschließungsgases abhängig vom Wert der Durchlässigkeit anzupassen: Wenn die Durchlässigkeit abnimmt, erhöht man den Wert des Regeldrucks des Einschließungsgases.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren weder auffluorierte Gläser noch auf die besonderen Formen von Rohren oder Barren beschränkt, und außerdem könnte man jedes Mittel durch ein äquivalentes Mittel ersetzen, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Bauteils aus Glas, insbesondere, aber nicht ausschließlich, aus fluoriertem Glas, wobei das Verfahren die folgende Schritte enthält:

- man verwendet einen vertikalen zylindrischen Hohlraum (1), der mit einer porösen Membran (2, 3) ausgekleidet ist und dessen Innenabmessungen um einige zehn um größer als die des Bauteils sind, wobei in dem Hohlraum ein zylindrischer Sockel (5) gleiten kann, der das Bauteil trägt,

- auf dem Sockel (5) wird ein Ursprungsstumpf (11) aus dem Glas aufgelegt,

- man erwärmt den Stumpf bis zur Schmelze und speist permanent ein Gas in die porösen Membranen (2, 3) ein, um zwischen diesen und dem geschmolzenen Stumpf (110) eine Gasschicht von einigen µm Dicke aufrechtzuerhalten, die jeden direkten Kontakt verhindert,

- man verteilt auf den geschmolzenen Stumpf (101) von der Oberseite des Hohlraums (1) kontinuierlich ein Pulver aus den Bestandteilen des Glases (30),

- man senkt den Sockel (5) während der Bildung des zylindrischen Bauteils ausgehend von dem Stumpf (11) ab.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Sockel (5) selbst die Form eines Hohlzylinders besitzt, der an seinem unteren Bereich durch einen Kolben (7) verschlossen wird,

- daß der Sockel ursprünglich einen Stumpf aus erstarrtem Glas (11) enthält, der den ursprünglichen Stumpf bilden soll,

- daß man durch Verschieben des Kolbens (7) nach oben den Stumpf im geschmolzenen Zustand zunehmend aus dem Sockel (5) hinausschiebt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (5) in dem Hohlraum (1) auf einer Zwischengasschicht gleitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck in den porösen Membranen (2, 3) so geregelt wird, daß in dem Hohlraum (1) im stationären Zustand eine stabile Säule aus geschmolzenem Glas konstanter Höhe aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich über dem sich bildenden Bauteil eine Säule aus geschmolzenem Glas befindet, wobei der Übergang zur Glasphase bei der Übergangstemperatur in Höhe der Basis der Membranen (2, 3) liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Membranen (2, 3) aus Graphit mit einer Durchlässigkeit nach DARCY von etwa 10&supmin;¹&sup5;m² bestehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Membranen (2, 3) mit einer dünnen Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Seiten des Sockels (5) mit einer dünnen Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) mit einer Schicht aus Pyrokohlenstoff bedeckt ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß das zylindrische Bauteil ein Rohr ist,

- daß der Hohlraum (1) rohrförmig ist und mit koaxialen porösen Membranen (2, 3) ausgekleidet ist,

- daß der Sockel (5) ringförmig ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (2, 3) gleiche Dicke besitzen und daß die auf die Innenseite und die Äußenseite des sich bildenden Rohrs einwirkenden Drücke einander gleich sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß das zylindrische Bauteil ein Barren ist,

- daß der Hohlraum (1) rohrförmig und hohl ist,

- daß der Sockel (5) rohrförmig ist.