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Die
Erfindung betrifft eine optische Faser für einen Hochleistungs-Faserlaser.
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Die
Materialbearbeitung mit Laserstrahlen ist ein wachsender Markt.
Moderne Laserschneidewerkzeuge werden immer leistungsfähiger und
finden Eingang in immer neue Einsatzgebiete. Hochleistungslaser
auf Basis klassischer Festkörperlaser
unter Verwendung von Blitzlampen oder Dioden-gepumpte Festkörperlaser bedeuten
in der Regel nicht nur hohe Anschaffungskosten, sondern auch hohe
Unterhaltskosten.
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Heute
werden Gas-Laser, Festkörperlaser
und bereits sogenannte mehrlagige Scheibenlaser zur Erzeugung von
Hochleistungslaserpulsen verwendet. Außerhalb des Hochleistungsbereichs
kommen vermehrt auch Faserlaser hauptsächlich auf Basis von dotierten
Silicatgläsern
zum Einsatz.
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Ein
Faserlaser besteht üblicherweise
aus einem mit laseraktiven Materialien dotierten aktiven Kern, der
in einem Mantel oder Cladding angeordnet ist, an den Enden mit dielektrischen
Spiegeln versehen ist und einer Pumplichtquelle, üblicherweise
einer Laserdiode, deren Strahlung über eine Koppeloptik als Pumplicht in
die aktive Faser einkoppelt wird. Als Dotierstoffe werden dazu,
abhängig
vom Anwendungsbereich, die sogenannten Selten-Erdatome verwendet.
Im Gegensatz zu anderen optisch gepumpten Festkörperlasern bleibt die Pumpstrahlung über die
ganze Faserlänge
fokussiert, also einige cm bis einige 10 m. Dies hat sehr hohe Effizienzen
zur Folge. Gleichzeitig führt
die dünne
Faser die Verlustleistung (Wärme)
sehr gut ab, so dass schon Faserlaser mit über 100 W Ausgangsleistung
realisiert werden konnten.
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Bekannte
Laser auf Basis von Gasen und Festkörpern haben bekanntermaßen hohe
Anschaffungs- und Unterhaltskosten. Faserlaser bieten hier jedoch
nur bedingt eine Alternative. Um eine hohe Strahlqualität zu erhalten,
darf in konventionellen Glasfaserlasern der Kerndurchmesser einen
bestimmten Durchmesser nicht überschreiten.
Der Kerndurchmesser muss in Abhängigkeit
von den Brechungsindizes der umgebenden Materialien so gewählt werden,
dass keine Oberschwingungen auftreten können.
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In
letzter Zeit wurden vermehrt sogenannte „large mode area”-Fasern
verwendet. Dieser Typ von Fasern hat außer dem eigentlich optisch
aktiven Kern in der Fasermitte noch einen sogenannten Pumpkern,
der den aktiven Kern umgibt, d. h. bei diesen Doppelkernfasern ist
der dotierte Faserkern umgeben von einem weiteren, undotierten Faserkern,
der die Pumpstrahlung führt.
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Die
Brechungsindizes von aktivem und Pumpkern sind gerade so gewählt, dass
der aktive Kern möglichst
groß werden
kann, ohne zu Oberschwingungen zu führen. Der umgebende Pumpkern
gewährleistet
eine hohe Einkoppeleffizienz der Pumpdioden. Der Pumpkern selbst
ist im Gegensatz zum aktiven Laserkern kein aktives Lasermedium.
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Ein
derartiger Doppelkern-Faserlaser geht beispielsweise aus der
DE 195 35 526 C1 hervor,
worin zur besseren Absorption des Pumplichts im Laserkern der Pumpkern
an der Oberseite in Längsrichtung
abgeschliffen wurde.
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Ein
Nachteil von Doppelkernfasern ist, dass nur wenig aktives Material
im eigentlichen Faserkern zur Verfügung steht. Daher muss die
Faserlänge
vergrößert werden,
um ein bestimmtes, für
die gewünschte
Verstärkung
notwendiges, laseraktives Volumen zu erreichen. Eine längere Faser
ist aber wiederum schwieriger zu pumpen, da der Pumpkern im Idealfall
die Pumpleistung absorbiert, also mit wachsender Faserlänge immer weniger
Pumpleistung zur Verfügung
steht. Es sind demnach mehrere Pumpstationen hintereinander nötig. Bei
geeigneter Pumpleistung erhält
man dann eine hohe Laserleistung auf einem kleinen Querschnitt.
Dies führt
aber zu einer Reihe weiterer Probleme, so zum Beispiel einer erhöhten Wärmebelastung
des Materials und damit zu einem Effizienzverlust durch strahlungslose
Relaxationsprozesse im Material.
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Aus
dem Übersichtsartikel „Faserlaser” im Physik-Journal
4, Nr. 6, (2005), S. 29–34,
sind Faserverstärker
bekannt geworden, die aus hochreinem Quarzglas bestehen, indem durch
Dotieren mit Germanium, Aluminium und Phosphor ein Kernbereich mit
erhöhter
Brechzahl erzeugt wird. Zusätzlich
kann der Kern mit Selten-Erdionen, beispielsweise Nd3+,
Er3+ oder Yb3+ dotiert
sein.
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Aus
der
WO 03/022766
A1 sind Schwermetalloxidgläser wie bismuthaltige Gläser bekannt
geworden, die beispielsweise mit Germaniumoxid dotiert sind und
in einer Glasfaser Verwendung finden. Des Weiteren ist aus der
WO 03/022755 A2 ein
Verfahren zur Herstellung eines bismuthaltigen Glases bekannt geworden.
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Auch
die
DE 103 31 103
A1 und die
EP
1 616 844 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Glasfasern.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die
geschilderten Nachteile und Probleme zu vermeiden und Fasern zur
Verwendung in einem Faserlaser bereitzustellen, welche ohne zusätzlichen Pumpkern
eine hohe Strahlungsqualität
ermöglichen
ohne dabei unerwünschte
Oberschwingungen zu erzeugen, wobei die Größe des Faserkerns auch die
Verwendung relativ kurzer Faserlängen
ermöglichen
soll. Ferner soll ein Hochleistungs-Faserlaser unter Verwendung
der optischen Faser bereitgestellt werden, der einen hohen Pumpwirkungsgrad
bei gleichzeitig niedrigen Kosten erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die
vorstehend geschilderte Aufgabe gelöst durch eine optische Faser
zur Verwendung als Lasermedium in einem Faserlaser, umfassend
einen
Kern, dotiert mit laseraktivem Material, insbesondere Selten-Erdatomen,
einen
Mantel, der den Kern umgibt,
wobei der Mantel eine Mikrostrukturierung
aufweist und
das Material für
den Faserkern und/oder Fasermantel, insbesondere für den Faserkern,
bestehend aus Glaskeramik basiert auf den Gläsern Lithium- und Aluminium
haltigen Silikatgläsern,
Schwermetalloxidgläsern, Quarzgläsern, Phosphatgläsern, phasenentmischten
Gläser
oder Gläsern
mit Domänen.
Schwermetalloxidgläser
sind zum Beispiel Telluroxidgläser,
Antimonoxidgläser
und Bismutoxidgläser,
wobei die letzteren besonders bevorzugt sind.
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Eine
erfindungsgemäße optische
Faserlaser-Faser bzw. Hochleistungslaser-Faser weist demnach einen
inneren mit laseraktivem Material dotierten Kern auf, durch welchen
die Laserstrahlung erzeugt wird, und einen diesen Kern umhüllenden
Fasermantel, welcher mikrostrukturiert ist.
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Unter „Mikrostrukturierung” sollen
im Rahmen der Erfindung Strukturen im Mikro- oder Nanometerbereich verstanden werden,
beispielsweise in Form von Mikro-Kanälen oder
Lochstrukturen oder dergleichen, die sich im Mantel der optischen
Faser befinden.
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Besonders
bevorzugt sind nur ausgewählte
Bereiche des Fasermantels strukturiert, wobei dem Fachmann derartige
Strukturen bekannt sind. Die Strukturierung wir je nach dem Anwendungsbereich
entsprechend ausgewählt.
Beispielsweise können
im Mantel sogenannte Lochstrukturen zum Einsatz kommen, deren spezielle
Geometrie durch den Lochdurchmesser und die Wandstärke festgelegt
werden können.
So kann durch Angabe von Lochgröße (Lochdurchmesser)
und Abstand der Löcher
(Pitch) die Strukturierung spezifiziert werden. Üblicherweise werden Verhältnis aus
Wandstärke/Lochdurchmesser
angegeben. Erfindungsgemäß liegt
dieses Verhältnis
bei Verwendung einer derartigen Lochstruktur bevorzugt in einem
Bereich von etwa 0,2 bis 0,6, bevorzugt 0,25 bis 0,55, noch bevorzugter
von 0,3 bis 0,5, ganz besonders bevorzugt um etwa 0,4. Hierbei können zum
Beispiel größere und
kleinere Löcher
in unterschiedlichen Strukturierungen, je nach Anwendungszweck,
vorgesehen werden.
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Solche
mikrostrukturierten Bereiche im Glasfasermantel können hergestellt
werden durch Erwärmen und
Ziehen einer entsprechenden Vorform in eine lang gestreckte Glasfaser,
welche zum Beispiel eine Vielzahl von Mikro-Kanälen aufweist. Diese Mikrostruktur
kann unter einem Rasterelektronenmikroskop überprüft werden. Dem Fachmann sind
mikrostrukturierte optische Fasern (auch bekannt als „photonic
crystal fibers” PCF) und
deren Herstellung bekannt.
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Besonders
bevorzugt werden erfindungsgemäß die Fasern
derart hergestellt, dass die Strukturierung bzw. Geometrie der gewählten Struktur
im Mantel bei Herstellung der optischen Fasern, insbesondere beim Ziehen
der Fasern, erhalten bleibt.
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Optische
Fasern mit einem mikrostrukturierten Mantel erlauben in überraschender
Weise die oben angesprochenen Probleme zu vermeiden. So kann die
Mikrostrukturierung der Faser dafür sorgen, dass auch in einem
dicken Kern keine harmonischen Oberschwingungen auftreten können. Dadurch
kann der aktive Kern weitaus größer sein
als bei bislang bekannten, klassischen Faserlasern und damit kann
ein weiterer Pumpkern entfallen. Die Nachteile der oben geschilderten
Doppelkern-Faserlaser können
damit vermieden werden.
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Es
ist demnach erfindungsgemäß möglich die
Fasermantel-Strukturparameter in weiten Grenzen zu variieren. Besonders
bevorzugt wird der Mantel der Faser derart strukturiert, dass ein
monomodiges Strahlprofil mit nahezu gaußförmiger Intensitätsverteilung
abgestrahlt wird. Die erfindungsgemäße Strukturierung führt dazu,
dass unerwünschte
Oberschwingungen nicht mehr auftreten können, da diese zu physikalisch
verbotenen Zuständen
werden, so dass nur noch die Grundschwingung möglich ist. Demzufolge können sich
harmonische Oberschwingungen nicht mehr ausbreiten. Für die Materialbearbeitung
bietet ein Strahlprofil mit gaußförmiger Intensitätsverteilung,
bei der die maximale Strahlintensität exakt inmitten des Strahls
lokalisiert ist und nach außen
exponentiell abfällt,
den Vorteil, dass höhenwertige
Materialschnitte und Trennkanten entstehen. Hierdurch tritt keine
inhomogen verteilte Intensität
auf, deren höchste
Leistung sich beispielsweise am Rand des Strahls befindet, was gänzlich unerwünscht ist.
Dieser spezielle Aufbau gemäß der Erfindung
erlaubt es daher, ein monomodiges Strahlprofil zu erhalten.
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Die
erfindungsgemäße Mikrostrukturierung
des Mantels erlaubt es ferner, dass ein Faserkern mit größerem Durchmesser
als üblicherweise
verwendet, eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ein
vorzugsweise mit Selten-Erdatomen dotiertes Material für den Kern
der Faser verwendet.
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Das
Material für
Faserkern und/oder -mantel wird erfindungsgemäß aus einer geeigneten Glaskeramik ausgewählt. Als
Ausgangsgläser
für eine
Glaskeramik kommen in Frage: Lithium- und Aluminium-haltige Silikatgläser, Schwermetalloxidgläser, Quarzgläser, Phosphatgläser, phasenentmischte,
Gläser,
Gläser
mit Domänen,
insbesondere bevorzugt sind Bismutoxid-haltige Gläser.
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Besonders
bevorzugt sind silkatische Gläser,
Quarzgläser,
Schwermetalloxidgläser
oder nicht-silikatische Phosphatgläser. Erfindungsgemäß kommen
vorzugsweise demnach sogenannte Spezialgläser zum Einsatz, d. h. für den speziellen
Anwendungszweck ausgewählte
Glaszusammensetzungen, die je nach Einsatzgebiet des Lasers, besonders
geeignet sind. Mit anderen Worten, es ist nicht jedes Glas bzw.
jede Glaskeramik verwendbar, sondern es muss eine geeignete Auswahl
getroffen werden.
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So
sind erfindungsgemäße Fasern
mit mikrostrukturiertem Mantel, dotiertem Kern und dotiertem oder undotiertem
Mantel für
Hochleistungs-Laser besonders geeignet, wenn das Material für Kern und/oder
Mantel aus Glaskeramik besteht, basierend auf Phosphatgläsern, Schwermetalloxidgläsern, phasenentmischten
Gläsern,
Gläsern
mit Domänen.
Fasern für
Kurzpulslaser werden bevorzugt hergestellt.
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Insbesondere
führen
Schwermetalloxide aufgrund entsprechender zwischenatomarer Bindungen,
resultierender elektrischer Felder und daher aufgrund einer größeren Stark-Aufspaltung
der angeregten Zustände
der Selten-Erdatome
zu breiteren Emissionen bzw. breitbandigeren Emissionsbanden.
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Als
Hostmaterial oder Matrix wird besonders bevorzugt Glaskeramik verwendet.
Bevorzugt ist die Glaskeramik beispielsweise eine LAS-Glaskeramik
(Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid-haltige Glaskeramik) oder
eine MAS-Glaskeramik (Magnesium-, Aluminium- und Silikathaltige
Glaskeramik).
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Von
besonderem Vorteil kann das Material mit einer Phononeenergie so
gewählt
werden, dass Konkurrenzprozesse, wie eine Aufwärtskonversion (up-conversion),
vermindert sind. Dies wird beispielsweise durch einen hohen Anteil
von SiO2-Verbindungen in der Glaskeramikzusammensetzung
erreicht.
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Die
erfindungsgemäß ausgewählten Spezialgläser oder
-glaskeramiken ermöglichen
eine besonders hohe laseraktive Dotierung, insbesondere mit Selten-Erdatomen, ohne eine
unerwünschte
Clusterbildung. Dies führt
zu einer deutlich höheren
Leistung der Fasern in Lasern als erwartet werden konnte.
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Die
erfindungsgemäße Faser
enthält
nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform im Gegensatz zu
konventionellen Glasfasern nicht verschieden dotierte Glasmaterialien
bzw. Variationen eines Glases, sondern Faserkern und Fasermantel
sind vorzugsweise aus dem gleichen Material aufgebaut bzw. enthalten das
gleiche Material. Durch Vorsehen eines mikrostrukturierten Mantels
wird es erfindungsgemäß demnach möglich, dass
Faserkern und -mantel aus demselben Material aufgebaut sein können. Nach
einer erfindungsgemäß ganz besonders
bevorzugten Ausführungsform
sind Faserkern und Fasermaterial der optischen Faser daher aus derselben
Glaskeramikzusammensetzung aufgebaut. Es können aber auch verschiedene
Glaskeramikzusammensetzungen für
den Kern und den Mantel kombiniert werden. Eine Auswahl der Glaskeramikmaterialien
erfolgt vorzugsweise durch Abstimmung der Wärmeleiteigenschaften und Oberflächenspannung des
Materials von Kern und Mantel der Faser aufeinander.
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Optisch
aktive Kerne von Fasern für
Faserverstärker
sollten zudem in der Regel mit einem Mantel mit geringerem Brechwert
als demjenigen des Kernmaterials ummantelt sein, um eine ausreichende
Lichtleitung im Kern zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß besonders
bevorzugt verwendete Ausgangsglaszusammensetzungen für Glaskeramiken,
die für
den Faserkern und/oder Fasermantel eingesetzt werden können, sind
nachfolgend erläutert. Ganz
besonders bevorzugt stellt die erfindungsgemäße optische Faser eine Glaskeramik-Faser
dar, von der das Material für
die Faser und den Mantel aus den entsprechenden Glaskeramiken ausgewählt sind.
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Bevorzugte
Glaszusammensetzungen sind Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen.
Hierbei enthalten die Gläser
bevorzugt mindestens 15 Mol-% Bismutoxid. Bevorzugter beträgt die Menge
an Bismutoxid mindestens 20 Mol-%, insbesondere mindesten 30 Mol-%.
Die Obergrenze liegt vorzugsweise bei 80 Mol-%, da Glas oberhalb
dieses Werts sehr leicht auskristallisiert. Noch bevorzugter beträgt der Gehalt
an Bismutoxid maximal 70 Mol-%, ganz besonders bevorzugt höchstens
etwa 60 Mol-%.
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Bevorzugt
sind Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen, die zusätzlich mehrwertige
Kationen enthalten. Diese sind bevorzugt ausgewählt aus Oxiden des Typs R2O5, insbesondere
kommen in Frage: Nb2O5,
Sb2O5, SnO2, Cr2O3,
As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen.
Derartige mehrwertige Kationen wirken stabilisierend auf den Oxidationszustand
des Bismuts und sind deutlich effizienter als beispielsweise ein
Zusatz von Ceroxid.
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Die
mehrwertigen Kationen werden in einer Menge von mindestens 0,001
Mol-% und bevorzugt höchstens
20 Mol-%, noch bevorzugter höchstens
10 Mol-%, eingesetzt. Es kann ein mehrwertiges Kation oder eine
Mischung dieser vorliegen. Besonders bevorzugt liegen mehrwertige
Kationen in einer Menge von mindestens 0,01 Mol-%, noch bevorzugter
mindestens 0,1 Mol-%, vor.
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Besonders
bevorzugt sind auch Bismutoxidgläser,
die als Zusatz La2O3 enthalten,
das vorzugsweise in einer Menge von 0,001–20 Mol-% vorhanden ist. Bevorzugt
beträgt
der Gehalt and La2O3 höchstens
10 Mol-%, noch bevorzugter höchstens
8 Mol-%; besonders bevorzugt sind mindestens 0,005 Mol-%. Der Zusatz von
La2O3 führt zu einer
Stabilisierung der Bismutoxid-haltigen Gläser durch positive Beeinflussung
der Entglasungsstabilität
der Gläser.
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Weiterhin
bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser
sind solche, die einen Gehalt an GeO2 besitzen. Durch
die Anwesenheit von Germaniumoxid wird die thermische Belastbarkeit
von oxidhaltigen Gläsern
verbessert. Unter einer verbesserten bzw. erhöhten thermischen Belastbarkeit
eines Glases wird dabei verstanden, dass zur Einstellung einer bestimmten
Viskosität
eines Glases eine höhere
Temperatur erforderlich ist, als bei einem Glas mit einer geringeren
bzw. schlechteren thermischen Belastbarkeit. Beispielsweise sind
die Transformationstemperatur Tg und/oder der Erweichungspunkt EW
eines thermisch belastbareren Glases im Vergleich zu einem germaniumoxidfreien
Ausgangsglas erhöht.
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Der
Gehalt an Germaniumoxid liegt vorzugsweise bei mindestens 0,1 Mol-%,
noch bevorzugter ≥ 1 Mol-%,
besonders bevorzugt ≥ 3
Mol-%. Diese erfindungsgemäße Glaszusammensetzung
weist vorzugsweise höchstens
60 Mol-%, noch bevorzugter höchstens
50 Mol-%, ganz besonders bevorzugt höchstens 40 Mol-% Germaniumoxid
auf.
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In
Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen können weitere Oxide zur Einstellung
der physikochemischen und optischen Eigenschaften oder zur Erniedrigung
der Kristallisationsneigung enthalten sein.
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Zur
Verbesserung der Faserziehbarkeit können beispielsweise klassische
Netzwerkbildner, wie B2O3 und
Al2O3, eingesetzt
werden. Der Zusatz von SiO2 hat positiven
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Glases, verschlechtert
jedoch die spektroskopischen Eigenschaften. Vorzugsweise sind 1
Mol-%, noch bevorzugter 5 Mol-%, SiO2 enthalten.
Die bevorzugte Höchstgrenze
für SiO2 liegt bei 50 Mol-%, insbesondere 40 Mol-%,
noch bevorzugter 30 Mol-%.
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Ein
Zusatz von B2O3 verbessert
die spektroskopischen Eigenschaften des Glases, so dass bevorzugt 5
Mol-%, noch bevorzugter mindestens 10 Mol-%, besonders bevorzugt
mindestens 15 Mol-%, im Glas enthalten sind.
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Zur
erleichterten Glasbildung kann Al2O3 zugesetzt werden.
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Weiterhin
können
Oxide ausgewählt
aus Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Sn, Ta, Nb, W, Ti, Zr,
Cd und In vorhanden sein. Der Anteil dieser Oxide beträgt bevorzugt
1 Mol-% und vorzugsweise höchstens 60
Mol-%, noch bevorzugter höchstens
40 Mol-%.
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Je
nach Anwendungsfeld ist bei den erfindungsgemäßen Gläsern die Zugabe von Lithiumoxid
besonders bevorzugt. Es wurde gefunden, dass die Zugabe von Li2O bei Bismutoxid-haltigen Gläsern die
Glasbildungsbereiche vergrößern kann.
Darüber
hinaus ist Li2O vorteilhaft, wenn ein Verstärker mit
besonders guter Effizienz im sog. L-Band, also bei Wellenlängen von
etwa 1.450 nm bis etwa 1.650 nm, generiert werden soll. Günstig ist
der Einsatz von vorzugsweise mindestens 1 Mol-%, noch bevorzugter
von mindestens 3 Mol-%, Li2O.
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Gegebenenfalls
können
die erfindungsgemäßen Gläser auch
Anteile an Halogenidionen wie F oder Cl in einem Gewichtsanteil
von höchstens
etwa 10 Mol-%, besonders bevorzugt von höchstens etwa 5 Mol-%, enthalten.
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Der
Oxidationsstufe von Bismut in den Bismutoxid-haltigen Gläsern lässt sich
beispielsweise durch Aufschmelzen des Glases unter oxidativen Bedingungen
stabilisieren. Dies kann durch Einblasen von Sauerstoff in die Glasschmelze
erfolgen. Wird Cer zur Stabilisierung eingesetzt, so stabilisiert
dies den Oxidationszustand nur oberhalb einer Schmelztemperatur
von 1000°C.
Jedoch bewirkt der Zusatz von Cer eine gelb-orange Färbung durch
Verschiebung der UV-Kante, was häufig
unerwünscht
ist.
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Die
oben beschriebenen Bismutoxid-haltige Gläser sind beispielsweise aus
der
DE 103 08 476
A1 bzw. der
WO
2004/074197 A1 der
DE 102 07 583 A1 bzw. der
EP 1 425 250 A1 ; der
WO 03/022763 A2 und der
WO 03/022764 A1 bekannt,
deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegenden
Offenbarung miteinbezogen wird.
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Nachfolgend
sind beispielhafte Glaszusammensetzungen beschrieben, die in der
vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Erfindung ist aber
nicht auf diese Glaszusammensetzungen beschränkt.
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Bismutoxid-haltige
Glaszusammensetzungen, die eines oder mehrere mehrwertige Kationen
enthalten, weisen beispielsweise die nachfolgenden Zusammensetzungen
auf (bezogen auf Oxidbasis):
Bi2O3 | ≥ 20 Mol-% |
mehrwertige
Kationen | 0,001–20 Mol-% |
andere
Oxide | 0–79,999
Mol-% |
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Hierbei
sind die mehrwertigen Kationen bevorzugt ausgewählt aus Oxiden des Typs R2O5, insbesondere
kommen in Frage: Nb2O5,
Sb2O5, SnO2, Cr2O3,
As2O3 und V2O5 oder deren Mischungen.
Derartige mehrwertige Kationen wirken stabilisierend auf den Oxidationszustand
des Bismuts und sind deutlich effizienter als beispielsweise ein
Zusatz von Ceroxid.
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Besonders
bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser,
die mehrwertige Kationen enthalten, weisen die nachfolgenden Zusammensetzungen
auf (in Mol-%, auf Oxidbasis):
Bi2O3 | 30–70 |
mehrwertige
Kationen | 0,001–8 |
SiO2 | 0–60 |
GeO2 | 0–30 |
B2O3 | 0–60 |
Al2O3 | 0–50 |
Ga2O3 | 0–50 |
In2O3 | 0–30 |
La2O3 | 0–20 |
WO3 | 0–30 |
MoO3 | 0–30 |
Nb2O5 | 0–30 |
Ta2O5 | 0–15 |
TiO2 | 0–30 |
ZrO2 | 0–30 |
M'2O | 0–40 |
M''O | 0–30 |
F und/oder
Cl | 0–10 |
SiO2 und GeO2 | 0,5–60 |
B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 | 0,5–60 |
wobei M' mindestens
eines ausgewählt
aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens
eines ausgewählt aus
Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt.
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Besonders
bevorzugt enthält
das Glas 0,001 bis 10 Mol-% mehrwertige Kationen.
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Besonders
bevorzugt wird das mehrwertige Kation im höchst möglichen Oxidationszustand zugesetzt. Zum
Beispiel Antimon im 5-wertigen Zustand als NaSb(OH)6.
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Die
Glaszusammensetzungen kann vorzugsweise Sc- und/oder Y-Verbindungen
enthalten.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Lanthanoxid
enthalten, ausgewählt
aus:
Bi2O3 | ≥ 20 Mol-%,
bevorzugt 20–70
Mol-% |
La2O3 | 0,001–20 Mol-% |
andere
Oxide | 0–80 Mol-%. |
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Bevorzugt
beträgt
der Gehalt and La2O3 höchstens
10 Mol-%, noch bevorzugter höchstens
8 Mol-%; besonders bevorzugt sind mindestens 0,005 Mol-%. Lanthan
beeinflusst die physikalischen Eigenschaften der Glaszusammensetzung
fast in derselben Weise wie die Selten-Erdatome, nur dass Lanthan
nicht optisch aktiv ist.
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Besonders
bevorzugte Bismutoxid-haltige Gläser
mit Lanthanoxid-Zusatz weisen die nachfolgenden Zusammensetzungen
auf (in Mol-%, auf Oxidbasis):
Bi2O3 | 30–70 |
La2O3 | 0,001–20 |
SiO2 | 0–60 |
GeO2 | 0–30 |
B2O3 | 0–60 |
Al2O3 | 0–50 |
Ga2O3 | 0–50 |
In2O3 | 0–30 |
WO3 | 0–30 |
MoO3 | 0–30 |
Nb2O5 | 0–30 |
Ta2O5 | 0–15 |
TiO2 | 0–30 |
SnO2 | 0–40 |
ZrO2 | 0–30 |
M'2O | 0–40 |
M''O | 0–30 |
F und/oder
Cl | 0–10 |
SiO2 und GeO2 | 0,5–60 |
B2O3 + Al2O3 + Ga2O3 | 0,5–60, |
wobei M' mindestens
eines ausgewählt
aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens
eines ausgewählt aus
Be, Mg, Ca, Sr, Ba und/oder Zn darstellt.
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Besonders
bevorzugt können
in dieser Glaszusammensetzung auch mehrwertigen Kationen enthalten sein,
bevorzugt ausgewählt
aus Oxiden des Typs R2O5,
insbesondere kommen in Frage: Nb2O5, Sb2O5,
SnO2, Cr2O3, As2O3 und
V2O5 oder deren
Mischungen. Besonders bevorzugt sind im Glas 0,01 bis 10 Gew.-%
mehrwertige Kationen enthalten, insbesondere bevorzugt 5 Gew.-%.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Germaniumoxid
aufweisen, besonders bevorzugt ausgewählt aus:
Bi2O3 | 10–80 Mol-% |
GeO2 | ≥ 1 Mol-% |
B2O3 + SiO2 | ≥ 0,1 aber < 5 Mol-% |
weitere
Oxide | 18,9–88,9 Mol-%. |
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Die
erfindungsgemäßen Bismutoxid-haltigen
und Germaniumoxid-haltigen Gläser
zeigen, insbesondere wenn der Gesamtanteil von B2O3 und SiO2 kleiner
als 5 Mol-% ist und gleichzeitig jedoch größer als 0,1 Mol-% ist, eine
besonders gute Glasqualität
mit guten optischen Eigenschaften. Hierbei liegt die Transformationstemperatur
Tg ausreichend hoch und die Kristallisationstemperatur Tx weist
einen ausreichenden Abstand zur Transformationstemperatur auf. Dies
ist vorteilhaft, wenn das Glas nach einem ersten Abkühlen und Erkalten
aus der Schmelze durch Umformen weiterverarbeitet werden soll, wie
es zur Herstellung der Vorform und der Faser nötig ist. Je weiter die Kristallisationstemperatur
Tx oberhalb der Transformationstemperatur Tg liegt, um so geringer
ist die Gefahr, dass beim Wiedererwärmen eine Kristallisation und
damit in der Regel ein Unbrauchbarwerden des Glases vorliegt.
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Der
Zusatz von Boroxid bzw. Siliciumoxid in der angegebenen Menge verbessert
nicht nur die mechanischen sondern insbesondere auch die spektroskopischen
Eigenschaften des Glases, die Bandbreite und Flachheit der Verstärkung. Eine
zu hohe Zugabe von B2O3 führt jedoch
als Folge des Wassergehaltes und durch Einfluss auf die Phononenenergien
zu einem Abfall der Lumineszenzlebensdauer. Eine hohe Lumineszenzlebensdauer
ist erwünscht,
um die für
eine Verstärkung
notwendige Inversion zu erzielen. Der erfindungsgemäße Bereich
insbesondere für
den Borsäuregehalt
ergibt somit einen optimalen Kompromiss zwischen homogener Verstärkung und
ausreichend langer Lumineszenzlebensdauer.
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Weiterhin
besonders bevorzugte Bismutoxid-haltige Glaszusammensetzungen, die
zusätzlich
Germaniumoxid aufweisen, haben folgende Zusammensetzungen (in Mol-%,
auf Oxidbasis):
B2O3 | ≥ 1 |
Bi2O3 | 10–60 |
GeO2 | 10–60 |
La2O3 | 0–15 |
Ga2O3 | 0–40 |
Al2O3 | 0–20 |
ZnO | 0–30 |
CeO2 | 0–10 |
M'2O | 0–30 |
M''O | 0–20 |
weitere
Oxide | Rest, |
wobei M' mindestens
eines ausgewählt
aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens
eines ausgewählt aus
Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Bismutoxid-haltigen Glaszusammensetzungen, die zusätzlich Germaniumoxid
enthalten, ausgewählt
aus:
Bi2O3 | ≥ 15 Mol-% |
GeO2 | ≥ 0,01 Mol-% |
weitere
Oxide | 0–79,9 Mol-% |
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Die
erfindungsgemäßen Germaniumoxid-haltigen
Gläser
weisen, wie bereits erläutert,
verglichen mit Germaniumoxid-freien Gläsern einen größeren Abstand
zwischen der Transformationstemperatur Tg und der Kristallisationstemperatur
Tx auf, was die beschriebenen Vorteile mit sich bringt. Ferner ist
ein solches Glas beispielsweise besser zum Verziehen aus einer Preform
in eine Glasfaser geeignet, da beim Erwärmen zum Verziehen ein ausreichender
Abstand zur Kristallisationstemperatur eingehalten werden kann.
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Zudem
wurde festgestellt, dass die Einführung der netzwerkbildenden
Komponente GeO2 insbesondere in Kombination
mit SiO2 die mechanischen Eigenschaften
des Glases verbessert. So ist beispielsweise der sogenannte Y-Wert bei den erfindungsgemäßen Gläsern verbessert.
Der Y-Wert wird durch die Bestimmung der Vicker's-Härte
ermittelt. Dazu wird in einem Eindruckversuch auf die Oberfläche einer
Glasplatte für einen
gegebenen Druck die Eindringtiefe bestimmt. Auch wurde festgestellt,
dass aus den erfindungsgemäßen Gläsern gezogene
Single-Mode-Fasern eine bessere Weibull-Statistik aufweisen, als
entsprechende Germaniumoxid-freie Glasfasern.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weisen besonders bevorzugte Bismutoxidhaltige Gläser, die zusätzlich Germaniumoxid
enthalten, die nachfolgenden Zusammensetzungen auf (in Mol-%, auf
Oxidbasis):
Bi2O3 | 15–70 |
GeO2 | 1–60 |
La2O3 | 0–20 |
SiO2 | 0,5–60 |
B2O3 | 5–60 |
Al2O3 | 0,5–50 |
Ga2O3 | 0–50 |
WO3 | 0–30 |
Nb2O5 | 0–30 |
Ta2O5 | 0–15 |
TiO2 | 0–30 |
ZnO | 0–40 |
ZrO2 | 0–30 |
SnO2 | 0–30 |
M'2O | 0–40 |
M''O | 0–30 |
F und/oder
Cl | 0–10 |
Bi2O3 + GeO2+ B2O3 +
Al2O3 | 0,5–60 |
wobei M' mindestens
eines ausgewählt
aus Li, Na, K, Rb und/oder Cs, und M'' mindestens
eines ausgewählt aus
Be, Mg, Ca, Sr und/oder Ba darstellt.
-
Wie
bereits erläutert,
wird durch die Anwesenheit von Germaniumoxid die thermische Belastbarkeit von
oxidhaltigen Gläsern
verbessert.
-
Bei
der Verwendung von B2O3 haben
sich insbesondere Zusätze
zwischen etwa 3 und 4,95 Mol-% als vorteilhaft im Hinblick auf die
Verbesserung der optischen Eigenschaften erwiesen. Zusätze von
Ga2O3 und La2O3 haben sich als
vorteilhaft erwiesen, um die Glasbildung zu unterstützen und
einer Kristallisation entgegenzuwirken. Der Zusatz von Wolframoxid
ist zwar grundsätzlich
geeignet, um die Bandbreite und Homogenität der Verstärkung zu verbessern, birgt
jedoch insbesondere die Gefahr einer verstärkten Kristallisationsneigung.
-
Durch
den Zusatz von Li2O lässt sich die Bandbreite insbesondere
im niedrigen Energiebereich des Spektrums (L-Band) verbessern. Auch
ergibt sich im Vergleich zu Na2O-Zusätzen ein
verbreiterter Glasbildungsbereich. Es hat sich ferner gezeigt, dass
der Zusatz dieser klassischen Netzwerkwandler Na2O
bzw. Li2O ggf. sinnvoll ist, um die Glasbildung
zu verbessern. Ferner führt
der Zusatz dieser Netzwerkwandler insbesondere im Bereich zwischen
etwa 0,5 und 15 Mol-% Na2O und/oder Li2O teilweise zu verbesserten optischen Eigenschaften
in gewissen Grenzen. Während
der Zusatz von Na2O die Verstärkung zu
niedrigen Energien hin verschiebt, wird die Bandbreite im Allgemeinen
nachteilig beeinflusst.
-
Auch
ein Zusatz von La2O3 verbessert
die Glasbildung, insbesondere, wenn maximal etwa 8 Mol-%, insbesondere
maximal etwa 5 Mol-% zugesetzt werden. Dabei lässt sich La2O3 leicht durch Er2O3 oder Eu2O3 ersetzen. Das Verstärkungsmaximum wird durch den
Zusatz von La2O3 zu
höheren
Energien hin verschoben, während
die Bandbreite tendenziell verringert wird. Das Verstärkungsmaximum
wird durch den Zusatz von La2O3 zu
höheren
Energien hin verschoben, während
die Bandbreite tendenziell verringert wird.
-
Ein
Zusatz von Al2O3 hat
im Wesentlichen keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften
und ist allenfalls in geringen Mengen sinnvoll, da sonst, insbesondere
wenn mehr als 5 Mol-% zugesetzt werden, die Glasstabilität beeinträchtigt werden
kann.
-
Zusätze von
ZnO und BaO (bzw. BeO, MgO, CaO, SrO) haben sich als vorteilhaft
erwiesen, um die Glasstabilität
zu verbessern. Hierbei werden vorzugsweise etwa 1 bis 15 Mol-%,
besonders bevorzugt etwa 2 bis 12 Mol-%, ZnO zugesetzt. Insbesondere
bis zu etwa 10 Mol-% ZnO zeigen sich vorteilhafte Auswirkungen auf
die Glasstabilität.
Bezüglich
des Zusatzes von BaO (bzw. BeO, MgO, CaO, SrO) haben sich Zusätze bis zu
etwa 10 Mol-%, insbesondere bis zu etwa 5 Mol-%, als zweckmässig zur
Verbesserung der Glasstabilität erwiesen.
-
Auch
Zusätze
von Ga2O3 und Gd2O3 von bis zu 40
Mol-% bzw. von bis zu 10 Mol-% haben sich als vorteilhaft für die Glasbildung
erwiesen.
-
Ggf.
können
die bezeichneten erfindungsgemäßen Gläser auch
Anteile an Halogendionen wie F– oder Cr– in
einem Gewichtsanteil von bis zu 10 Mol-%, insbesondere bis zu etwa
5 Mol-%, enthalten.
-
Die
erfindungsgemäßen Gläser können auch
Ceroxid enthalten. Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemäßen Gläser nur
einen geringen Anteil von CeO2 im Bereich
von maximal etwa 1 Mol-% oder sind cerfrei.
-
Weiterhin
bevorzugte Glaszusammensetzungen für Glaskeramiken, die erfindungsgemäß als Material für den Faserkern
und/oder Fasermantel eingesetzt werden können, sind phasenseparierte
optische Gläser, welche
auf einer SiO2-Matrix basieren und mindestens eine
Sorte von in der Matrix eingebetteten, diskreten Bereichen umfassen,
wobei die in der Matrix eingebetteten, diskreten Bereiche eine von
der Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen und wobei diese
Bereiche im wesentlichen nichtkristallin sind.
-
Beispielhafte
phasenseparierte Glaszusammensetzungen sind die Nachfolgenden (in
Mol-%, auf Oxidbasis):
SiO2 | 20–80 |
GeO2 | 0–30 |
Al2O3 | 0–40 |
Ga2O3 | 0–40 |
In2O3 | 0–30 |
TiO2 | 0–30 |
ZrO2 | 0–30 |
V2O5 | 0–30 |
B2O3 | 30–50 |
M'2O | 0–40 (M' = Li, Na, K, Rb
und/oder Cs) |
M''O | 0–40 (M'' = Mg, Ca, Sr, Ba, Pb und/oder Zn) |
F,
Cl, Br | 0–20 |
P2O5 | 0–40 |
Schwermetalloxid | 0–80 |
-
Derartige
Gläser
sind aus der
DE 101
63 553 A1 bzw. der
WO
2003/053873 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch
Bezugnahme in die vorliegenden Offenbarung miteinbezogen wird.
-
Vorzugsweise
liegt in diesen phasenseparierten Gläsern Siliziumdioxid in einer
Menge von 30 bis 75 Mol-% vor. In diesem Bereich wird in der Regel
die maximale Festigkeit der Glaszusammensetzung erhalten.
-
Weiterhin
können
Oxide von Elementen enthalten sein, welche aus der Gruppe von Oxiden
der Elemente Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, W, Ti, Zr, Cd
und/oder In ausgewählt
sind.
-
Zusätzliche
Oxide können
zur Einstellung physikochemischer bzw. optischer Eigenschaften oder
zur Erniedrigung der Kristallisationsneigung enthalten sein.
-
Beispielsweise
ist die Zugabe mindestens einer weiteren klassischen netzwerkbildenden
Komponente wie B2O3,
Al2O3, GeO2 usw. bevorzugt.
-
Ferner
können
Komponenten in dem erfindungsgemässen
Glas vorliegen, welche eine Stabilisierung der glasigen Phase gegen
Kristallisation bewirken, wie beispielsweise Al2O3, ZnO und Li2O.
Diese Komponenten liegen vorzugsweise in einem Gesamtanteil Al2O3 + ZnO+ Li2O von 0, 1 bis 20 Mol-% vor.
-
Lithiumoxid
kann der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung
in einem Anteil von vorzugsweise 0,01 bis 10 Mol-%, noch bevorzugter
0,1 bis 5 Mol-%, zugefügt
werden, um die Phasenseparation zu verbessern und um eine Kristallisation
der in der Matrix eingebetteten Bereiche zu verhindern. Ferner kann
die Zugabe von Li2O bevorzugt sein, da es
in Schwermetalloxid-haltigen Gläsern
die Glasbildungsbereiche vergrößern kann.
-
Ferner
kann das erfindungsgemäße Glas
zur Verbesserung der Phasentrennung Fluor in einem Anteil von 0,01
bis 20 Mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 10 Mol-% enthalten.
-
Zinkoxid
kann dazu verwendet werden, die Teilchengröße zu regulieren. Zinkoxid
kann sowohl in der Matrixphase als auch in den eingebetteten Bereichen
auftreten. Es wird angenommen, dass es die Oberflächenspannung
der eingebetteten Bereiche verändert.
Liegt Zinkoxid in einem Anteil von mindestens etwa 0,4 Mol-% vor,
so kann dies in kleineren eingebetteten Bereichen resultieren. Besonders
bevorzugt ist die Zugabe von Zinkoxid, wenn Lithiumoxid in einem
Gehalt von mindestens 0,2 Mol-% vorliegt.
-
Phosphat
bzw. Phosphorverbindungen, wie Phosphoroxide, kann/können bei
einigen Glaszusammensetzungen eine Phasenseparation unterstützen. Bei
derartigen Glaszusammensetzungen ist daher die Zugabe von Phosphat
besonders bevorzugt. Auch Phosphoroxide unterscheiden sich von ihren
physikalischen Eigenschaften von der silikatischen Matrix und neigen
daher dazu, eine separate Phase auszubilden. Liegen in der Schmelze
weitere Verbindungen vor, welche eher mit der phosphatischen Phase
kompatibel sind als mit der silikatischen, so können diese zusammen mit der
phosphatischen Phase die von der silikatischen Matrix verschiedenen
Bereiche bilden.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der Matrix eines phasenseparierten Glases um
ein Multikomponentensystem, wobei vorzugsweise mindestens drei Komponenten
nebeneinander in der Matrix vorliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Matrix Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Kaliumoxid, wobei Kaliumoxid
durch andere Alkalimetalle und/oder Erdalkalimetalle ausgetauscht
sein kann bzw. im Gemisch mit diesen vorliegen kann.
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Das
erfindungsgemäße phasenseparierte
optische Glas enthält
neben der Matrix ferner in der Matrix eingebettete diskrete Bereiche,
welche eine von der Matrix verschiedene Zusammensetzung aufweisen
und welche im Wesentlichen nicht kristallin sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der molare Anteil der Matrixkomponenten
größer als
der molare Anteil der Komponenten, welche die in der Matrix eingebetteten
Bereiche bilden, beispielsweise liegt der molare Anteil an SiO2 bei 50 bis 80 Mol-%, mehr bevorzugt 60
bis 70 Mol-%, der
molare Anteil der Komponente, welche den Hauptbestandteil der in
der Matrix eingebetteten Bereiche bildet, bei 50 bis 20 Mol-%, noch
bevorzugter bei 40 bis 30 Mol-%.
-
Besonders
bevorzugt enthält
das erfindungsgemäße Glas
mindestens eine Schwermetallverbindung, welche aus Verbindungen
von Antimon, Molybdän,
Tellur, Wolfram, Bismut, Arsen, Tantal, Lanthan, Niob und/oder Gemischen
dieser Verbindungen ausgewählt
ist.
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Insbesondere
diese Schwermetalle weisen, verglichen mit Silizium, eine wesentlich
geringere Bindungsstärke
zu Sauerstoffatomen auf. Sie weisen in Form der Oxide im Vergleich
zu Siliziumdioxid einen wesentlich tiefer liegenden Schmelzpunkt
auf. Es wird angenommen, dass aus diesen Gründen diese Schwermetalloxide
mit Siliziumdioxid in geschmolzenem Zustand nur schlecht mischbar,
d. h. nicht kompatibel, sind. Dadurch bilden sich beim Aufschmelzen
der Ausgangszusammensetzungen in der flüssigen Phase diskrete Phasen
aus. Beim Abkühlen
bleiben diese entmischten Phasen bestehen und bilden ein phasensepariertes Glas.
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Der
Anteil der Schwermetallverbindung in der Glaszusammensetzung beträgt vorzugsweise
mindestens 1 Mol-% auf Oxidbasis, noch bevorzugter mindestens 5
Mol-% auf Oxidbasis, besonders bevorzugt mindestens 10 Mol-% auf Oxidbasis,
und vorzugsweise höchstens
80 Mol-% auf Oxidbasis, noch bevorzugter höchstens 70 Mol-% auf Oxidbasis,
besonders bevorzugt höchstens
60 Mol-% auf Oxidbasis.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass bei Antimonoxid-haltigen Gläsern die
Zugabe von Borsäure
zur Glaszusammensetzung die Phasentrennung verschlechtert. Für eine klare
Phasentrennung ist daher gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Zugabe von Boroxid bzw. Borsäure zu der
Glaszusammensetzung nicht bevorzugt. Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Glas
gemäß dieser
Ausführungsform daher
nur geringe Mengen von höchstens
10 Mol-% und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen kein Boroxid.
Ferner wurde gefunden, dass auch BaO die Phasenseparation bei Antimonoxid-haltigen
Gläsern
verschlechtern kann, und BaO liegt daher gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorzugsweise in einem Anteil
von höchstens
10 Mol-% vor, mehr bevorzugt enthält das erfindungsgemäße Glas
im wesentlichen kein BaO.
-
Der
Ausdruck ”im
Wesentlichen kein” bedeutet
dabei erfindungsgemäß, dass
diese Komponente höchstens
als Verunreinigung vorliegt und nicht als zusätzliche Komponente zu der Ausgangsglaszusammensetzung
hinzugegeben wird.
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Erfindungsgemäß besteht
das Material für
den Faserkern und/oder -mantel aus einer Glaskeramik. Die zuvor
beschriebenen Glaszusammensetzungen dienen hierbei zum Beispiel
als Ausgangsglaszusammensetzungen für eine Glaskeramik.
-
Bei
Verwendung von Glaskeramik für
die Faser sollte die thermische Belastung von einer Änderung der
optischen Parameter weitestgehend entkoppelt werden können, was
bedeutet, dass die thermische Belastung während des Laserbetriebs nicht
zu einer Längenänderung
des Laserresonators führt.
-
Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
werden Schwermetalloxidgläser
oder -Keramiken eingesetzt, die phasenentmischte Domänen enthalten.
Diese phasenentmischten Domänen
enthalten dann im Faserkern laseraktives Material, insbesondere
ein oder mehrere Selten-Erdatome. Durch Vorsehen von Bereichen mit
hoher Konzentration von dotierten Ionen und Bereichen mit niedrigen
Konzentrationen von dotierten Ionen kann eine Effizienzsteigerung
erreicht werden.
-
Als
laseraktives Material, insbesondere laseraktive Ionen, im Kern der
optischen Faser können
alle Selten Erden-Elemente verwendet werden, beispielsweise genannt
seien: Cer (Ce), Neodym (Nd), Erbium (Er), Holmium (Ho), Thulium
(Tm), Ytterbium (Yb), Praseodym (Pr), Promethium (PM), Samarium
(SM), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Lutetium (Lu), Dysprosium
(Dy) und Terbium (Tb), oder Kombinationen dieser. Besonders bevorzugt
sind Oxide der Elemente Er, Pr, Tm, Eu, Nd und/oder Dy. Durch eine
Co-Dotierung oder Kombination mehrerer Selten Erdatome in einer
Faser lassen sich zum Teil andere Wellenlängenbereiche erschließen und
die Leistung effizienter nutzbar machen. Zum Beispiel kann durch
Co-Dotierung mit optisch aktiven Selten-Erdatome die Pumpeffizienz
eines Verstärkers
erhöht
werden. Eine Co-Dotierung kann auch mit optisch inaktiven Selten-Erdatome,
wie zum Beispiel Lanthan (La) und/oder Yttrium (Y) erfolgen. Hierdurch wird
zum Beispiel die Dauer der Emissionen verlängert. Als Faustregel kann
beispielsweise eine bis zu etwa 3fach höhere Co-Dotierung als die eigentliche
Dotierung zum Einsatz kommen.
-
Erfindungsgemäß können im
Faserkern höhere
Dotierungen mit laseraktivem Material zum Einsatz kommen als dies
im Stand der Technik bislang üblich
war. In silikatischen Gläsern
verwendet man üblicherweise
einen Dotiergrad von 1000 ppm an Selten-Erdatomen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Mindest-Dotierung
im Laserkern an aktivem Material, insbesondere einem oder mehreren
Selten-Erdenatomen von vorzugsweise über 1000 ppm, bevorzugter über 2000
ppm, insbesondere über
3000 ppm, noch bevorzugter über
4000 ppm, besonders bevorzugt über
5000 ppm, ganz besonders bevorzugt etwa 6000 ppm oder darüber eingestellt.
Eine Höchstgrenze
für den
Dotierungsgrad liegt bei etwa 6.500 ppm.
-
In
den erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten Schwermetalloxidgläsern
kann somit beispielsweise eine zu Kristallen vergleichbar hohe Dotierung
mit aktiven Selten-Erdatomen erreicht werden.
-
Bei
einer gegebenen Laserleistung wird die benötigte Faserlänge durch
den Kerndurchmesser und den Dotiergrad bestimmt. Ein höherer Dotiergrad
als er bislang im Stand der Technik beispielsweise in silikatischen
Gläsern üblich ist,
eröffnet
erfindungsgemäß also weitaus
kürzere
Faserlängen
als bisher üblich,
oder erlaubt deutlich höhere
Laserleistungen bei vergleichbarer Faserlänge.
-
Das
Laservolumen ergibt sich damit aus dem Produkt von Kerndurchmesser
und Faserlänge.
Die Anzahl der aktiven Laserionen ergibt sich dann aus dem Laservolumen
und der Anzahl der laseraktiven Ionen je Volumeneinheit.
-
Bei
vergleichbarer Laserleistung kann die aktive Laserfaser der Erfindung
um das 80 bis 100 fache kürzer
sein als eine konventionelle, nicht mikrostrukturierte Faser, beispielsweise
aus dotiertem Quarzglas. Dies bedeutet, dass sich eine material-inhärente Dämpfung,
die mit der Länge
der Faser zunimmt, nicht allzu sehr nachteilig auswirkt.
-
Bei
Verwendung beispielsweise von Schwermetalloxidgläsern kann die maximale Phoonenergie
deutlich größer als
beispielsweise bei Fluoridgläsern
sein und damit wird das Auftreten von „up-conversion” (Aufwärtskonversion)
als Konkurrenzprozess verhindert.
-
Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen
Faser, wobei mittels eines Tiegels mit Doppelauslauf die Ausgangskomponenten
des Glases nach dem Aufschmelzen und gegebenenfalls Läutern in
Vorformen gezogen werden, die dann zu einer endgültigen Faservorform gefügt werden.
-
Erfindungsgemäß kann die
Vorform für
die optische Faser, die bevorzugt eine kurze Faserlänge aufweist,
zum Beispiel einige Zentimeter, demnach in einem Tiegel hergestellt
werden. Dies ist beispielsweise ein Tiegel mit einem Doppelmantel
und Doppelauslauf, wobei der Auslauf über die Wandstärke entsprechend
dimensioniert werden kann. Nach Aufschmelzen der Ausgangsmaterialien
und gegebenenfalls Läutern
können Vorformen
gezogen werden, die dann zu einer endgültigen Faservorform gefügt werden.
D. h. aus den erhaltenen Stäben
kann die Faser mit Faserkern und Fasermantel hergestellt werden.
Hierbei müssen
keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wie Durchführung des
Verfahrens in einem Reinraum für
hochreine Substanzen. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße Faser,
dass auf hohe Anforderungen an die Reinheit der Glas-Rohstoffe verzichtet
werden kann und besondere Reinheitsanforderungen an das Herstellungsverfahren
deutlich abgesenkt werden können,
so dass beispielsweise das für
die Faser notwendig Rohglas auch aus weniger reinen Rohstoffen in
einem Schmelztiegel hergestellt werden kann.
-
Erfindungsgemäß erfolgt
bei Verwendung von Glaskeramik der Keramisierungsprozess aus dem Grünglaskörper nach
dem Ziehen in eine Faservorform. Bevorzugt wird der Keramisierungsprozess
aus dem Grünglaskörper während dem
Ziehen in eine Faservorform durchgeführt oder der Keramisierungsprozess
aus dem Grünglaskörper wird
nach dem Ziehen der Vorform aus dem Tiegel aber vor dem eigentlichen
Ziehen oder Zusammenfügen
der Faser durchgeführt.
-
Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Hochleistungs-Faserlaser, der die oben
geschilderte optische Faser als Lasermedium aufweist.
-
Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen
Faser als Lasermedium in einem Faserlaser, insbesondere Hochleistungs-Faserlaser.
-
Auch
ist die Verwendung der optischen Faser der Erfindung in Kurzpulslasern
von Interesse. Die Verwendung faserbasierter Kurzpulslasersysteme
ermöglicht
den Einsatz in völlig
neuen Anwendungsfeldern, wie zum Beispiel die präzise Bearbeitung von Metallen
und Dielektrika.
-
Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind außerordentlich vielschichtig:
Es
werden erfindungsgemäß bevorzugt
im Mantel mikrostrukturierte Fasern mit extrem hoher Selten-Erdatom-Dotierung
im aktiven Laserkern zur Verfügung
gestellt, wobei die erfindungsgemäß vorgesehene Mikrostrukturierung
des Fasermantels die Vermeidung unerwünschter Oberschwingungen ermöglicht.
Derartige mikrostrukturierte Fasern sind in dieser Form im Stand
der Technik bislang nicht bekannt. Die Erfindung verwendet demnach
designbare Materialeigenschaften und kombiniert diese mit der Formgebung
des Materials, um optimale Laserleistung zu erhalten.
-
Der
Dotierungsgrad des Laserkerns gemäß der Erfindung liegt deutlich
oberhalb der üblicherweise zum
Einsatz kommenden Menge.
-
Da
bei vorgegebener Laserleistung die benötigte Faserlänge durch
den Kerndurchmesser und den Dotiergrad bestimmt wird, können durch
den erfindungsgemäß möglichen
höheren
Dotierungsgrad weitaus kürzere
Faserlängen
als bisher üblich
verwendet werden, zum Beispiel um das 80- bis 100-fache kürzere Fasern,
wodurch eine deutlich höhere
Laserleistungen als bei vergleichbaren Faserlängen resultiert. Man erhält eine
zu Festkörperlasern
vergleichbare Leistungsdichte.
-
Damit
kann ein hoher Ausbeute- und Wirkungsgrad auch bei kurzer Faserlänge erreicht
werden, und es können
Faserkerne verwendet werden, die mit aktivem Material hochdotiert
sind.
-
Die
Anforderungen an das Material der Faser, insbesondere Rohglas, und
die Herstellung werden demnach weniger restriktiv, so dass keine
hoch reinen Rohstoffe mehr verwendet werden müssen.
-
Bei
Verwendung des gleichen Materials für Faserkern und -mantel wird
zudem die Herstellung der Faser vereinfacht und erleichtert.
-
Im
Falle von Kurzpulslasern wird durch Verwendung von Schwermetalloxidgläsern ein
unerwünschtes Auftreten
einer Aufwärtskonversion
(up-conversion) als Konkurrenzprozess mit Hilfe der Mikrostrukturierung verhindert.
Vorzugsweise finden die schwermetalloxidhaltigen Gläser, als
Faserkern- und Fasermantelmaterial Verwendung, deren maximale Photonenergie
deutlich größer ist
als beispielsweise bei Fluoridgläsern,
wie ZBLAN.
-
Die
nachfolgenden Figuren dienen der Illustration der erfindungsgemäßen Lehre.
Sie sind lediglich als mögliche,
exemplarisch dargestellte Ausführungsformen
zu verstehen, ohne die Erfindung auf deren Inhalt zu beschränken.
-
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben werden. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Draufsicht auf eine Doppelkernfaser gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 eine
schematische Schnittansicht einer Doppelkernfaser gemäß dem Stand
der Technik;
-
3 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Faser
und
-
4 eine
schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Hochleistungs-Faserlasers.
-
1 und 2 zeigen
verschiedene schematische Ansichten einer Doppelkernfaser 10 aus
dem Stand der Technik. Diese Faser 10 weist einen Pumpkern 30 auf,
beispielsweise aus Quarzglas, in dem sich zentrisch angeordnet ein
runder Laserkern 20, dotiert mit laseraktivem Material,
beispielsweise ein mit Selten-Erdatomen dotiertes Medium, vorliegt.
Der Pumpkern 30 weist eine Umhüllung 40, zum Beispiel
aus einem transparenten Polymer mit niedrigem Brechungsindex auf.
Durch die Doppelkernfaser 10 eingekoppeltes Pumplicht 45 tritt
als Laserstrahlung 55 am Faserende aus.
-
In 3 ist
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Faser 100 dargestellt.
Es ist ein laseraktiver Faserkern 200 aus einem Glaskeramikmaterial,
basierend auf einem Schwermetalloxid, gezeigt, der zum Beispiel
mit Selten-Erdatomen
dotiert ist. Dieser ist von einem Fasermantel 300, der
beispielsweise aus demselben Schwermetalloxid aufgebaut ist, umgeben,
der eine Mikrostrukturierung 350 aufweist.
-
Für eine erfindungsgemäße Faser
100 sind
beispielhaft die folgenden Parameter angeführt:
Radius
des aktiven Kerns: | 2 μm bis 20 μm; |
die
Länge der
Faser: | 100
mm bis 5000 mm |
-
Hierdurch
kann der aktive Kern weitaus größer sein
als bei klassischen Faserlasern. Die erfindungsgemäße Faser
verwendet keinen weiteren Pumpkern.
-
4 zeigt
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Hochleistungs-Faserlasers 500, welcher
die in 3 dargestellte erfindungsgemäße optische Faser 100 als
Lasermedium verwendet. Der Laser 500 besteht aus einer
Laserdiode 510, deren Licht über eine Koppeloptik 520 und
einen Einkoppelspiegel 530 als Pumplicht in die erfindungsgemäße Faser 100 eingekoppelt
wird. Die in der Faser 100 erzeugte Laserstrahlung 550 wird über einen
Auskoppelspiegel 540 ausgekoppelt, wobei die beiden Spiegel
an den jeweiligen Faserenden angeordnet sind.
-
Der
dargestellte Hochleistungs-Faserlaser hat eine zu Festkörperlasern
vergleichbare Leistungsdichte.