DE102006033603B3

DE102006033603B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas

Info

Publication number: DE102006033603B3
Application number: DE200610033603
Authority: DE
Inventors: Michael HÜNERMANN
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2026-07-19

Abstract

Die Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas nach dem RIC-Verfahren ist bekannt. Dabei wird eine koaxiale Anordnung aus mehreren zylinderförmigen Komponenten, umfassend einen ersten Kernstab und mindestens einen ersten Hohlzylinder, der den ersten Kernstab unter Belassung eines evakuierbaren, ersten Ringspalts umgibt, zu einem optischen Bauteil elongiert. Die Komponenten, weisen jeweils ein distales und ein proximales Ende auf und werden mit ihrem distalen Ende beginnend einer Heizzone zugeführt, darin erweicht, der erste Ringspalt dabei bereichsweise kollabiert, wobei das optische Bauteil aus dem kollabierten Bereich unter Bildung einer Ziehzwiebel kontinuierlich abgezogen wird. Um hiervon ausgehend das RIC-Verfahren hinsichtlich der Möglichkeit einer kontinuierlichen Verfahrensweise zu erweitern und zu verbessern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass vor dem vollständigen Kollabieren des Ringspalts an das proximale Ende des ersten Hohlzylinders mittelbar oder unmittelbar das distale Ende eines zweiten Hohlzylinders einer anderen koaxialen Anordnung unter Bildung einer Verbindung angesetzt wird, wobei die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder beim Bilden der Verbindung fluidisch voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren einer koaxialen Anordnung aus mehreren zylinderförmigen Komponenten, umfassend einen ersten Kernstab und mindestens einen ersten Hohlzylinder, der den ersten Kernstab unter Belassung eines evakuierbaren, ersten Ringspalts umgibt, wobei die Komponenten jeweils ein distales und ein proximales Ende aufweisen und mit ihrem distalen Ende beginnend einer Heizzone zugeführt, darin erweicht, der erste Ringspalt dabei bereichsweise kollabiert und das optische Bauteil aus dem kollabierten Bereich unter Bildung einer Ziehzwiebel kontinuierlich abgezogen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verbindung von Hohlzylindern.

Bei den optischen Bauteilen handelt es sich beispielsweise um einfache Vollzylinder, um Vorformen für optische Fasern oder um die optische Faser selbst. Für die Herstellung derartiger optischer Bauteile durch Elongieren kann je nach Art des zu elongierenden Ausgangsproduktes zwischen mehrere Methoden unterschieden werden.

Beispielsweise werden Ausgangsprodukte in Form optischer Vorformen in der Regel unmittelbar zu optischen Fasern gezogen. Für diese Methode sind Modifikationen bekannt, die einen kontinuierlichen Elongierprozess ermöglichen. So wird vorgeschlagen, Vorformteilstücke während des Faserziehprozesses stirnseitig kontinuierlich miteinander zu verschweißen ( DE 38 37 135 A1 , DE 39 29 894 A1 und US 6,098,429 A ) oder Vorformstücke mittels Quarzglas-Gewinden miteinander zu verbinden (JP-52-121334 A).

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine Methode, bei der das zu elongierende Ausgangsprodukt eine koaxiale Anordnung von Kernstab und einem oder mehreren Hohlzylindern bildet. Durch Elongieren derartiger koaxialer Anordnungen werden einfache Vollzylinder oder Vorformen für optische Fasern erhalten. Dieses Verfahren ist auch unter der Bezeichnung „RIC-Verfahren" (Rod In Cylinder) bekannt. Bei einer Verfahrensabwandlung erfolgt das Aufkollabieren des Hohlzylinders auf den Kernstab gleichzeitig mit dem Faserziehen.

Wie die Länge der Vorform beim Faserziehen ist auch die Länge der koaxialen Anordnung beim RIC-Verfahren durch die Abmessung der Ziehvorrichtung be grenzt. Zur Steigerung der Produktivität besteht somit grundsätzlich ein Bedürfnis für eine kontinuierliche Verfahrensweise. Deren Realisierung wird jedoch durch die komplexe Anordnung der Komponenten beim RIC-Verfahren erschwert, so dass hierfür eine entsprechende Modifikation bisher nicht bekannt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das RIC-Verfahrens hinsichtlich der Möglichkeit einer kontinuierlichen Verfahrensweise zu erweitern und zu verbessern.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor dem vollständigen Kollabieren des Ringspalts an das proximale Ende des ersten Hohlzylinders mittelbar oder unmittelbar das distale Ende eines zweiten Hohlzylinders einer anderen koaxialen Anordnung unter Bildung einer Verbindung angesetzt wird, wobei die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder beim Bilden der Verbindung fluidisch voneinander getrennt sind.

Bei der erfindungsgemäßen Modifikation des RIC-Verfahrens werden während des Kollabier- und Elongierprozesses der ersten koaxialen Anordnung von Komponenten ein oder mehrere Hohlzylinder sowie ein oder mehrere neue Kernstäbe hinzugefügt. Diese kontinuierliche Verfahrensweise führt zu einer Verringerung der Rüstzeiten an der Ziehapparatur sowie der Anzahl der zeit- und materialauf wändigen Anzugsvorgänge.

Ein Problem besteht darin, beim Ansetzprozess die Druck- und Atmosphärenbedingungen innerhalb der Innenbohrung des ersten Hohlzylinders möglichst unverändert zu lassen. Denn Druckschwankungen oder Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre können sich unmittelbar auf die Ziehbedingungen im erweichten Bereich (Ziehzwiebel) auswirken oder die Qualität der Kontaktfläche zwischen Kernstab und Hohlzylinder verschlechtern, was zu Material-Ausschuss führen oder langwierige Korrekturmaßnahmen beim Elongierprozess erfordern kann.

Insbesondere ist in der Innenbohrung stets ein Unterdruck aufrechtzuerhalten, so dass sich der Ringspalt zuverlässig schließt. Gase in der Innenbohrung, die nicht mehr entweichen können, führen zu langgestreckten Blasen im elongierten Bauteil und somit zu Ausschuss.

Gemäß der Erfindung sind die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder zumindest beim Bilden der Verbindung fluidisch voneinander getrennt. Dies ermöglicht die Einstellung oder die Einhaltung einer vorgegebenen Zusammensetzung der Atmosphäre und eines geeigneten Drucks in der Innenbohrung des zweiten Hohlzylinders. Druckschwankungen und Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre beim Ansetzvorgang werden so vermieden oder sie lassen sich minimieren.

Bei dem Kernstab handelt es sich um einen Quarzglasstab mit radial homogener oder mit radial inhomogener Brechzahlverteilung. In der Regel besteht der Kernstab aus einem Kernglas mit höherem Brechungsindex, das von einem Mantelglas mit geringerem Brechungsindex umgeben ist. Der Kernstab ist einteilig ausgebildet, oder er ist aus mehreren kurzen Kernstabstücken zusammengesetzt, die in der Innenbohrung des Hohlzylinders übereinander gestapelt sind. Das Mantelglas ist integraler Bestandteil des Kernstabes, oder es wird ganz oder teilweise in Form eines oder mehrere Mantelglasrohre bereitgestellt, die einen Quarzglasstab umgeben. Im letztgenannten Fall besteht der Kernstab selbst aus einer koaxialen Anordnung eines Quarzglasstabs und einem oder mehreren Mantelglasrohren.

Im Fall einer koaxialen Anordnung mit mehreren den Kernstab umgebenden Hüllrohren bildet das äußerste Hüllrohr den ersten bzw. den zweiten Hohlzylinder im Sinne der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zum Herstellen von optischen Fa sern und von Vorformen zum Ziehen derselben. Außerdem können mit dem Verfahren auch optische Halbzeuge in Form von Stäben mit radial homogenem oder radial inhomogenem Brechungsindexprofil, beispielsweise für Vorformkerne, hergestellt werden.

Die Innenbohrung des ersten Hohlzylinders ist somit von der Innenbohrung des angesetzten Hohlzylinders zumindest für die Dauer des Ansetzvorgangs abgekoppelt. Bei einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante bleiben die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder während des Elongierprozesses fluidisch getrennt.

Die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder sind somit dauerhaft voneinander getrennt. Die dauerhafte Trennung ermöglicht die Einstellung oder die Einhaltung einer vorgegebenen Zusammensetzung der Atmosphäre und eines vorgegebenen Drucks in jeder der Hohlzylinder-Innenbohrungen ohne gegenseitige Beeinflussungen. Druckschwankungen und Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre beim Ansetzvorgang sind ausgeschlossen.

Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann geeignet, wenn der erste Hohlzylinder bereits weitgehend elongiert ist und seine Innenbohrung nur noch eine kurze Länge aufweist. Für die Realisierung der dauerhaften Trennung der Innenbohrungen voneinander ist beispielsweise ein Bauteil geeignet, das gleichzeitig als mechanisches Verbindungselement für die Herstellung der Hohlzylinder-Verbindung eingesetzt wird und das die jeweiligen Innenbohrungen abdichtet.

Die Einstellung der vorgegebenen Druck- und Atmosphärenbedingungen in den jeweiligen Innenbohrungen kann vor dem Ansetzvorgang erfolgen, wobei auf eine Einstellung während des Elongierprozesses verzichtet werden kann. Etwaigen unerwünschten Veränderungen der Druck- und Atmosphärenbedingungen während des Elongierprozesses kann dann jedoch nicht mehr entgegengewirkt wer den. Vorzugsweise erfolgt daher zumindest ergänzend dazu die Einstellung der vorgegebenen Druck- und Atmosphärenbedingungen in der oder in den Innenbohrungen während des Elongierprozesses. Hierfür kann eine Leitung verwendet werden, die beispielsweise seitlich aus dem jeweiligen Hohlzylinder oder aus einem etwaigen Verbindungselement zwischen den Hohlzylindern herausgeführt ist. Diese Maßnahme ist bei beiden Hohlzylindern oder mindestens bei dem angesetzten, zweiten Hohlzylinder vorgesehen.

Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante werden die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder während des Elongierprozesses fluidisch miteinander verbunden.

Auch hierbei sind die Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder während des Ansetzvorgangs zunächst voneinander getrennt, werden aber nach dem Ansetzen und im Verlauf des weiteren Elongierprozesses miteinander verbunden. Die temporäre Trennung ermöglicht insbesondere in der Innenbohrung des zweiten Hohlzylinders die Einstellung oder die Einhaltung einer vorgegebenen Zusammensetzung der Atmosphäre und eines vorgegebenen Drucks bevor die fluidische Verbindung zur Innenbohrung des ersten Hohlzylinders hergestellt wird. Druckschwankungen und Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre beim Ansetzvorgang lassen sich so vermeiden oder minimieren. Ein Vorteil gegenüber einer dauerhaften Trennung der Innenbohrungen liegt darin, dass Atmosphäre und Druck der verbundenen Innenbohrungen über eine gemeinsame Leitung einstellbar sind.

Die Durchführung des Ansetzvorgangs erfordert eine gewisse – wenn auch kurze – Zeitspanne. Während dieser Zeitspanne wird in der Innenbohrung des ersten Hohlzylinders vorteilhafterweise ein vorgegebener Unterdruck erzeugt und aufrechterhalten.

Dadurch werden Druckänderungen während der Durchführung des Ansetzvorgangs und damit einhergehende Geometrieänderungen des elongierten Bauteils vermieden oder vermindert. Zur Durchführung dieser Maßnahme ist die Innenbohrung mit einer Zuleitung zu einer Vakuumeinrichtung versehen.

Andererseits erfordert diese Maßnahme eine konstruktiv aufwändige Ausbildung oder Beibehaltung einer Zuleitung zur Innenbohrung des ersten Hohlzylinders auch während des Ansetzvorgangs.

Diese Nachteil vermeidet eine gleichermaßen bevorzugte Verfahrensvariante, bei 5 der während des Ansetzvorgangs in der Innenbohrung des ersten Hohlzylinders Unterdruck aufrechterhalten wird.

Dabei wird lediglich dafür Sorge getragen, dass während der kurzen Zeitspanne für den Ansetzvorgang ein Unterdruck in der Innenbohrung des ersten Hohlzylinders verbleibt, ohne dass hierfür eine Verbindung zu einer Vakuumpumpe beste hen muss. Dies kann beispielsweise durch Abdichtung der Innenbohrung mittels eines Verbindungselementes erfolgen.

Bei einer besonders geschickten Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ansetzen innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, während der das optische Bauteil aus einem Bereich abgezogen wird, der von einer vorher erzeugten Verbindung von erstem Hohlzylinder und einem anderen Hohlzylinder gebildet wird.

Die Montage- und Abkopplungsarbeiten zur Durchführung des Ansetzvorgangs werden somit in einer Phase vorgenommen, während der in der Heizzone ein Verbindungsbereich zwischen vorhergehenden koaxialen Anordnungen elongiert wird. In dieser Phase ergibt sich ohnehin Ausschussmaterial.

Alternativ zu einer fluidischen Trennung der Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder beim Bilden der Verbindung, kann der Ansetzprozess auch in einer evakuierbaren Kammer erfolgen, in welcher der Druck und die Atmosphäre an die Gegebenheiten in der Innenbohrung des ersten Hohlzylinders angepasst werden können. Auch durch diese Maßnahme lassen sich Druck- und Atmosphärenschwankungen beim Ansetzvorgang – wenn auch konstruktiv aufwändig – weitgehend vermeiden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kernstab aus stapelweise übereinander angeordneten Kernstabstücken gebildet.

Eine zugfeste mechanische Verbindung zwischen den Kernstäben oder den Kern stabstücken ist nicht erforderlich. Es reicht aus, wenn der Zusammenhalt der koaxialen Anordnung über die jeweiligen Hohlzylinder hergestellt wird. Gerade bei einem kontinuierlichen Elongierprozess hat das Stapeln von Kernstabstücken große Vorteile gegenüber dem Einsatz massiver Kernstäbe.

Es hat sich bewährt, wenn die Verbindung von erstem und zweitem Hohlzylinder als Fügeverbindung ausgeführt wird.

Dabei sind die beiden Hohlzylinder entweder mittelbar – über ein oder mehrere Zwischenelemente – oder unmittelbar form- oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Dadurch ist eine mechanisch belastbare Verbindung der Hohlzylinder bei gleichzeitig dichtem Abschluss der Innenbohrungen voneinander herstellbar.

Die Fügeverbindung kann durch Verschweißen oder durch mechanische Mittel, wie Bolzen oder Klemmen erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine Fügeverbindung, die als Gewindeverbindung ausgeführt wird.

Für die Ausbildung einer mechanisch stabilen Gewindeverbindung ist keine Heißverformung der zu verbindenden Komponenten erforderlich, und sie ist vergleichsweise schnell herstellbar, so dass sich ein kurzer Ansetzvorgang ergibt.

Vorzugsweise umfasst die Verbindung von erstem und zweitem Hohlzylinder ein zwischen den Hohlzylindern angeordnetes Verbindungselement aus Quarzglas.

Die Hohlzylinder sind hierbei mittelbar über ein Verbindungselement miteinander verbunden. Das Verbindungselement kann zusätzliche Aufgaben erfüllen, beispielsweise können darin Leitungen zu den Innenbohrungen der jeweiligen Hohlzylinder ausgebildet sein, die für die Einstellung des Drucks und der Atmosphäre in der Innenbohrung nutzbar sind. Der Einsatz eines Verbindungselements hat auch den Vorteil, dass an den Hohlzylindern selbst keine oder einfachere Be arbeitungsmaßnahmen für die Herstellung der Verbindung erforderlich sind. Beispielsweise kann eine Gewindeverbindung vorgesehen sein, wobei die einfacher herzustellenden Außengewinde an den beiden Hohlzylindern vorgesehen sind und das Verbindungselement zwei entsprechende Innengewinde aufweist. Vorzugs weise ist jedoch zumindest der zweite Hohlzylinder mit einem Innengewinde versehen.

Die Ausbildung des zweiten Hohlzylinders mit Innengewinde in Verbindung mit einem Verbindungselement ermöglicht eine besonders einfache Halterung für den Kernstab in der Innenbohrung des zweiten Hohlzylinders, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.

Alternativ oder ergänzend dazu wird die Fügeverbindung als Schweißverbindung ausgeführt.

Ein Vorteil des Verschweißens der Hohlzylinder miteinander ist die hohe Dichtheit der Fügeverbindung, welche die Einstellung und Einhaltung vorgegebener Atmosphären und Drücke erleichtert. Nachteile sind jedoch der höhere Energie- und Zeitaufwand und es besteht die Gefahr, dass Verunreinigung eingeschleppt und mechanische Spannungen in den Hohlzylindern erzeugt werden.

In dem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn rein mechanisches Verbinden und Verschweißen miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel werden hierbei die Hohlzylinder zunächst mechanisch zusammengefügt und danach zur Verbesserung der Gasdichtheit die für die Dichtheit relevanten Kontaktflächen nur lokal verschweißt. Hierfür genügt ein oberflächliches Aufschmelzen, wodurch nur geringe Spannungen in die Komponenten eingebracht werden.

Die Herstellung einer Schweißverbindung, die ein stoßweises Verschweißen der Stirnflächen von erstem und zweitem Hohlzylinder umfasst, wird erleichtert, wenn in die Stirnflächen umlaufende Nuten eingearbeitet sind.

Die dabei verbleibende Wandung ist vergleichsweise dünn und daher mit geringerem Energie- und Zeitaufwand zu erweichen und zu verschweißen.

Bei Einsatz eines Verbindungselements zur Herstellung der Verbindung hat es sich als günstig erwiesen, wenn dieses eine verschließbare Verbindungsleitung zwischen den Innenbohrungen von erstem und zweitem Hohlzylinder umfasst.

Über die gemeinsame Verbindungsleitung kann die Einstellung von Druck und Atmosphäre in den Innenbohrungen von erstem Hohlzylinder und zweitem Hohlzylinder gemeinsam oder getrennt voneinander erfolgen, wobei hierzu vorteilhafterweise die Verbindungsleitung mittels eines beweglichen Schließkörpers verschließbar ist.

Der Schließkörper ist hierbei beispielsweise als beweglicher Schieber ausgebildet. Bevorzugt wird aber eine Ausführungsform, bei der der Schließkörper als drehbarer Zapfen mit radialer Durchgangsbohrung ausgebildet ist.

Durch Drehung des Zapfens um seine Längsachse sind auf einfache Art und Weise drei verschiedene Schließ- oder Offenstellungen der Verbindungsleitung zu realisieren, je nachdem, ob die Verbindungsleitung dabei zu einer der oder zu beiden Innenbohrungen korrespondiert.

Es hat sich auch bewährt, wenn die Hohlzylinder jeweils an ihrem oberen Ende über Greifer an einer Haltenut gehalten werden.

Dadurch wird die Verbindung nicht auf auf Zug belastet, so dass eine bessere Dichtheit erreicht wird.

Beim Ansetzvorgang gemäß vorliegender Erfindung wird zumindest der zweite Hohlzylinder an die koaxiale Anordnung mit dem ersten Hohlzylinder angesetzt. Vorzugsweise beinhaltet jedoch der Ansetzvorgang das gleichzeitige Ansetzen einer mehrere Komponenten umfassenden zweiten koaxialen Anordnung an die erste koaxiale Anordnung.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie ein zwischen den zu verbindenden Hohlzylindern anzuordnendes scheibenförmiges Verbindungselement aus Quarzglas umfasst, das beiderseits mit einem Gewindebolzen versehen ist, welcher in ein Innengewinde des zu verbindenden Hohlzylinders eingreift.

Das Verbindungselement ermöglicht eine stoßweise Verbindung zweier Hohlzylinder allein durch mechanische Mittel in Form einer Gewindeverbindung. Für die Ausbildung einer mechanisch stabilen Gewindeverbindung ist keine Heißverformung der zu verbindenden Komponenten erforderlich, und sie ist vergleichsweise schnell herstellbar, so dass sich eine kurzer Ansetzvorgang ergibt.

Das Verbindungselement kann zusätzliche Aufgaben erfüllen, beispielsweise können darin Leitungen zu den Innenbohrungen der jeweiligen Hohlzylinder ausgebildet sein, die für die Einstellung des Drucks und der Atmosphäre in der Innenbohrung nutzbar sind. Der Einsatz eines Verbindungselements hat auch den Vorteil, dass an den Hohlzylindern selbst keine oder einfachere Bearbeitungsmaßnahmen für die Herstellung der Verbindung erforderlich sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.

Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend näher erläutert.

Es wird eine Ausführungsform des Verbindungselements bevorzugt, bei der beiderseits auf dem Gewindebolzen des Verbindungselements eine Schraubplatte vorgesehen ist, gegen die die Stirnseiten des zu verbindenden Hohlzylinders anliegt, und die mindestens eine Durchgangsleitung aufweist, die mit der Innenbohrung des Hohlzylinders und der Verbindungsleitung korrespondiert.

Die Schraubplatte dient beim Auffüllen der Innenbohrung des Hohlzylinders mit einem Kernstab beziehungsweise mit Kernstabstücken als Gegenlager und sie verhindert ein Aufschwimmen des Kernstabs beziehungsweise der Kernstabstücke in der Innenbohrung eines unteren Hohlzylinders.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
1 eine Fügeverbindung zwischen einer ersten und einer zweiten koa xialen Anordnung unter Einsatz einer ersten Ausführungsform eines Verbindungselements gemäß der Erfindung, in einer Seitenansicht im Schnitt,
2 ein Detail der Fügeverbindung von 1 in einer Draufsicht, und
3 eine Fügeverbindung zwischen einer ersten und einer zweiten koa xialen Anordnung unter Einsatz einer zweiten Ausführungsform eines Verbindungselements gemäß der Erfindung, in einer Seitenansicht und im Schnitt.
Im Folgenden wird die Herstellung einer optischen Faser durch Kollabieren einer koaxiale Anordnung eines Kernstabs und eines den Kernstab umhüllenden Hohlzylinders (RIC-Verfahren) in einem kontinuierlichen Elongierprozess gemäß der Erfindung näher erläutert.
Kernstab-Herstellung
Die Kernstäbe werden nach den bekannten OVD-, MCVD-, VAD-, FCVD (Furnace-CVD) oder PCVD-Verfahren hergestellt.
Bei der Herstellung nach dem OVD-Verfahren werden auf einem um seine Längsachse rotierenden Träger durch reversierende Bewegung eines Abscheidebrenners schichtweise SiO₂-Partikel abgeschieden, wobei dem Abscheidebrenner SiCl₄ und GeCl₄ zugeführt und in einer Brennerflamme in Gegenwart von Sauerstoff zu SiO₂ und GeO₂ hydrolysiert werden. Es wird ein Sootrohr erhalten, das eine innere Kernschicht mit einer homogenen GeO₂-Konzentration von 5 Mol-% und eine Mantelglasschicht aus undotiertem SiO₂ aufweist.
Zum Entfernen der herstellungsbedingt eingebrachten Hydroxylgruppen wird das Sootrohr bei einer Temperatur im Bereich von 800 °C bis etwa 1000 °C in einer chlorhaltigen Atmosphäre während einer Dauer von etwa acht Stunden behandelt, wodurch eine Hydroxylgruppenkonzentration von weniger als 100 Gew.-ppb erhalten wird.
Das so behandelte Sootrohr wird in einem Verglasungsofen bei einer Temperatur im Bereich um 1350 °C verglast und dabei wird die Innenbohrung kollabiert, so dass ein Kernstab mit einem Außendurchmesser von 38 mm und dem gewünschten Brechzahlprofil erhalten wird. In der herzustellenden optischen Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm bildet das Kernglas des Kernstabs einen Kernbereich mit einem Durchmesser von ca. 8,5 μm.
Hohlzylinder-Herstellung
Der Kernstab wird mit weiterem SiO₂-Mantelmaterial umhüllt. Dieses wird in Form eines SiO₂-Hohlzylinders bereitgestellt, das beim Faserziehen in einem RIC-Verfahren auf den Kernstab aufkollabiert wird. Die Herstellung des Hohlzylinders erfolgt analog zu der oben beschriebenen Herstellung des Kernstabs anhand eines üblichen OVD-Verfahrens, jedoch ohne Zusatz eines Dotierstoffs. Nach dem Entfernen des Trägers wird ein Sootrohr erhalten, das der beschriebenen Dehydratationsbehandlung unterzogen und anschließend verglast wird.
Die Außenwandung des so erhaltenen Hohlzylinder-Rohlings wird auf die gewünschte Außenabmessung abgeschliffen und die Innenbohrung wird mittels eines Bohrers aufgebohrt und zum Zwecke einer hochpräzisen Endbearbeitung hinsichtlich Form und Oberflächenbeschaffenheit durch Honen nachbearbeitet. Der so erhaltene Hohlzylinder-Rohling hat einen Außendurchmesser von 200 mm, einen Innendurchmesser von 42 mm und eine Länge von 2500 mm.
Ausführungsbeispiel 1 für einen kontinuierlichen Elongierprozess
Eine koaxiale Bauteilanordnung von Kernstab und Hohlzylinder wird in vertikaler Ausrichtung einer Erhitzungszone zugeführt und darin mit dem unteren Ende beginnend in einem ringförmigen Ofen zonenweise auf eine Temperatur um 2050 °C erweicht und dabei eine optische Faser aus dem erweichten Bereich abgezogen. Beim ersten Anziehen zu Beginn des kontinuierlichen Elongierprozesses liegt der Kernstab auf einem in der Innenbohrung des Hohlzylinders fixierten Bolzen auf. Auf der oberen Stirnseite dieser Bauteilanordnung werden weitere Komponenten in Form von Kernstäben und Hohlzylindern aufgebracht, wie nachfolgend anhand von 1 näher erläutert wird.
Die Innenbohrung des anzusetzenden, oberen Hohlzylinders 1 wird zunächst mit Kernstabstücken 2 befüllt, wobei zwischen den Kernstabstücken 2 und der Innenwandung des Hohlzylinders 1 ein Ringspalt 3 verbleibt. Zum Befüllen wird der obere Hohlzylinder 1 horizontal oder vertikal gehalten und die Kernstabstücke 2 werden in die Innenbohrung von unten beziehungsweise horizontal eingeführt und an der unteren Stirnseite 4 mittels eines Gegenlagers gehalten. Bei der Ausführungsform gemäß 1 umfasst das Gegenlager ein Schraubelement 5 aus synthetischem Quarzglas, das in Innengewinde 6 mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Tiefe von etwa 10 mm an der unteren Stirnseite 4 der Hohlzylinders 1 eingeschraubt ist. Alternativ kann das Gegenlager auch eine mit der un teren Stirnseite 4 des Hohlzylinders 1 verschweißte Platte oder ähnliches sein.
Die Kernstabstücke 2 stützen sich während des Elongierprozesses auf dem Schraubelement 5 ab. Statt dessen kann ein monolithischer Kernstab auch hängend innerhalb der Hohlzylinder-Innenbohrung (siehe Ringspalt 3) gelagert werden.
Beim Ausführungsbeispiel ist die Oberseite 7 des unteren Hohlzylinders 1a mit einem entsprechenden Innengewinde 6a versehen, in das ein weiteres Schraubelement 5a eingesetzt ist. Das Schraubelement 5a dient dazu, die Kernstabstücke 2a über ein Stabhalteelement 9 daran zu hindern, gegen den Druck in der Ziehzwiebel nach oben auszuweichen. Die Schraubelemente 5, 5a haben jeweils Verbindungskanäle 10, die auf einem dem Ringspalt-Durchmesser entsprechenden Hüllkreis 21 (siehe 2) zwischen den Innenbohrungen der jeweiligen Hohlzylinder 1, 1a in und einem scheibenförmigen zentralen Verbindungsstück 8 vorgesehen sind, an dem die beiden Hohlzylinder 1, 1a mit ihren Stirnseiten dichtend anliegen und mittels dem sie zusammengehalten werden.
Das scheibenförmige Verbindungsstück 8 ist hierzu an beiden Flachseiten mit einem Gewindezapfen 12 versehen, der in das Innengewinde 6 des jeweiligen Hohlzylinders 1, 1a eingreift. Dichtflächen sind zwischen den Auflagen der Schraubelemente 5, 5a auf dem Gewindegrund und zwischen den Schraubelementen 5, 5a und dem scheibenförmigen Verbindungsstück 8 ausgebildet. Hierzu sind die jeweiligen Kontaktflächen präzise geschliffen.
Das Verbindungsstück 8 dient außer zur Halterung der Hohlzylinder 1, 1a und Abdichtung gleichzeitig zum Öffnen und Schließen einer fluidischen Verbindung zwischen den Innenbohrungen 3, 3a von unterem und oberem Hohlzylinder 1, 1a. Zu diesem Zweck sind die Stirnseiten der Gewindezapfen 12 jeweils mit einer kreisförmigen Ausfräsung versehen, deren Durchmesser größer ist als der Hüllkreis-Durchmesser der Verbindungskanäle 10, und die dementsprechend kreisförmige Hohlräume 13, 13a zwischen dem jeweiligen Schraubelement 5, 5a und dem Verbindungsstück 8 bilden.
Zwischen den über die Dichtflächen der Schraubelemente 5, 5a und des Verbindungsstücks 8 fluidisch voneinander getrennten Hohlräumen 13, 13a ist eine Durchgangsleitung 14 vorgesehen. Die Durchgangsleitung 14 erstreckt sich vertikal innerhalb des Verbindungsstücks 8 zwischen den Hohlräumen 13, 13a und sie kann mittels eines horizontalen drehbaren Zapfens 15 geöffnet und verschlossen werden. Hierzu ist der Zapfen 15 mit einem Kanal 16 versehen, der mit der Durchgangsleitung 14 korrespondiert. Der drehbare Zapfen 15 besteht aus synthetischem Quarzglas und ist leicht konisch ausgeführt. Zur Abdichtung gegenüber der Umgebung außerhalb der Hohlzylinder 1, 1a sind der Zapfen 15 und die Zapfenfassung schliffähnlich aufeinander angepasst und präzise gearbeitet. Durch Drehung des Zapfens 15 um seine Längsachse werden die Hohlräume 13, 13a und über diese die Innenbohrungen 3, 3a von erstem und zweitem Hohlzylinder fluidisch miteinander verbunden beziehungsweise voneinander getrennt.
Das Schraubelement 5a und das Verbindungsstück 8 werden zu Beginn des Ansetzvorgangs in den unteren Hohlzylinder 1 eingeschraubt. Der Zapfen 15 ist während des Elongierprozesses auf Offenstellung eingestellt, so dass mittels einer Vakuumpumpe in der Innenbohrung 3a ein möglichst geringer Druck (maximal etwa 1 mbar) erzeugt und aufrecht erhalten werden kann. Dabei wird der untere Hohlzylinder 1a mittels eines am Außenumfang in der Haltenut 17 angreifenden Greifers gehalten.
Die Oberseite des anzusetzenden oberen Hohlzylinders 1 ist entsprechend der Oberseite des unteren Hohlzylinders 1a mit einem Innengewinde versehen, in das ein Verbindungsstück und ein Schraubelement eingesetzt sind, gegen das die Kernstabstücke über ein Stabhalteelement anliegen.
Beim Ansetzen des oberen Hohlzylinders 1 wird der Zapfen 15 auf Geschlossenstellung gebracht und daraufhin die Verbindung zur Vakuumpumpe gelöst. Der obere Hohlzylinder 1 wird auf den Gewindezapfen 12 des Verbindungsstücks 8 aufgeschraubt, so dass die Dichtflächen fest zur Anlage aufeinander kommen. Die Vakuumpumpe wird mit dem oberen Hohlzylinder 1 verbunden und in dessen Innenbohrung 3 ein möglichst geringer Druck (maximal 1 mbar) eingestellt. Daraufhin wird durch eine entsprechende Drehung des Zapfens 15 die fluidische Verbindung zwischen den Hohlräumen 13 und 13a hergestellt, so dass die Vakuum- pumpe nunmehr auf die Innenbohrungen 3 und 3a gemeinsam einwirkt. Die Dauer für den Ansetzvorgang beträgt etwa eine Minute. Es ergibt sich keine nennenswerte Beeinträchtigung der Qualität der abgezogenen Faser. Der Ansetzvorgang wird kontinuierlich wiederholt und zeitlich so gelegt, dass das Ansetzen des jeweils oberen Hohlzylinders dann erfolgt, wenn das weiter unten liegende Verbin- dungsstück gerade in der Heizzone erweicht und elongiert wird.
2 zeigt eine Draufsicht auf das Schraubelement 5. Das Außengewinde ist mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Verbindungskanäle 10 auf einem Hüllkreis 21 liegen, der dem Innendurchmesser des Hohlzylinders 1 entspricht.
Ausführungsbeispiel 2 für einen kontinuierlichen Elongierprozess
Sofern bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Verbindungsvorrichtung dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der ersten Ausführungsform näher erläutert sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt eine Verbindungsvorrichtung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Innenbohrung 3a des unteren Hohlzylinders 1a auch während des Ansetzvorgangs mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und abgepumpt wird.
Hierzu ist der Zapfen 15 zusätzlich mit einer Vakuumleitung 31 versehen, die innerhalb des Zapfens 15 in Richtung von dessen Längsachse verläuft und die in einem Knick 33 an den Zapfen-Außenmantel geführt ist und dort mit einer zusätzlichen Bohrung 32 im Verbindungsstück 8 korrespondiert, die im Hohlraum 13a mündet. Der Knick 33 der Vakuumleitung 31 zum Zapfen-Außenmantel ist so ausgeführt, dass er senkrecht zur Durchgangsleitung 16 des Zapfens verläuft. Die Vakuumleitung 31 ist in Richtung der Zapfen-Längsachse nach außen über ein Quarzglasröhrchen 34 fortgesetzt, das nach Abschluss des Ansetzvorgangs mit einem Heizbrenner nahe an der Zylinderoberfläche abgetrennt und zugeschweißt werden kann.
Der Zapfen 15 weist drei verschiedene Drehstellungen auf. In der Stellung A korrespondiert die Durchgangsleitung 16 mit den Hohlräumen 13, 13a, dann ist die Vakuumleitung 31, 32 unterbrochen. In der Stellung B ist die Vakuumleitung 31, 32 offen, dann gibt es keine fluidische Verbindung zwischen den Hohlräumen 13, 13a. In der Zwischenstellung C sind alle Leitungen 31, 32, 14 unterbrochen.
Zu Beginn des Ansetzvorgangs ist der Zapfen in der Drehstellung C. Der untere Hohlzylinder 1a wird von der über seine obere Stirnseite einwirkenden Haupt-Vakuumleitung abgekoppelt, wie oben anhand Ausführungsbeispiel 1 erläutert. Daraufhin wird der Zapfen 15 in seine Drehstellung B gebracht, so dass die Innenbohrung 3a des unteren Hohlzylinders 1a weiterhin abgepumpt werden kann. Sobald der auf das Verbindungsstück 8 aufgesetzte obere Hohlzylinder 1 an die Vakuumpumpe angeschlossen ist, und in der Innenbohrung 3 ein möglichst geringer Druck (maximal 1 mbar) eingestellt ist, wird der Zapfen 15 in die Stellung A gebracht, so dass auch die Innenbohrung des unteren Hohlzylinders 1a über die Haupt-Vakuumleitung abgesaugt wird. Das Quarzglasröhrchen 34 wird dann abgeschmolzen und verschlossen.
Anhand der Ausführungsbeispiele 1 und 2 wurde das Ansetzen von koaxialen Anordnungen gleicher Abmessungen erläutert. Prinzipiell kann das Ansetzen unter Einsatz eines Verbindungsstücks aber auch dazu genutzt werden, um die Abmessungen des Hohlzylinders oder des Kernstabs oder die Anzahl der den Kernstab umgebende Mantelrohre zu ändern. Gleichermaßen kann bei der Gelegenheit auch der Kernstab-Typ (Dotierung, Brechungsindexverlauf) sehr einfach geändert werden, zumal beim Abziehen den Verbindungselements ohnehin Ausschussmaterial erzeugt wird. Bei Abmessungsänderungen sind Verbindungselemente sinnvoll, die an den Übergang von einem auf einen anderen Durchmesser angepasst sind, zum Beispiel über ein konisches Stück.
Bei den Hohlzylindern kann es sich um ein Quarzglasrohr mit einer werkzeugfrei im Schmelzfluss erzeugten Innenbohrung handeln. Vorzugsweise wird die Innenbohrung der Hohlzylinder aber mechanisch auf Endmaß bearbeitet.
Durch die mechanische Bearbeitung, die insbesondere Bohren und Schleifen – und optional Honen – umfasst, kann unter Einsatz bekannter Schleifverfahren und dafür geeigneter handelsüblicher Vorrichtungen ein vollständig gerader Hohlzylinder mit genauem kreisförmigem Querschnitt und einer geringen Maßabweichung, hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren einer koaxialen Anordnung aus mehreren zylinderförmigen Komponenten, umfassend einen ersten Kernstab (2a) und mindestens einen ersten Hohlzylinder (1a), der den ersten Kernstab (2a) unter Belassung eines evakuierbaren, ersten Ringspalts (3a) umgibt, wobei die Komponenten (1a, 2a) jeweils ein distales und ein proximales Ende (7) aufweisen und mit ihrem distalen Ende beginnend einer Heizzone zugeführt, darin erweicht, der erste Ringspalt (1a) dabei bereichsweise kollabiert und das optische Bauteil aus dem kollabierten Bereich kontinuierlich abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem vollständigen Kollabieren des Ringspalts (3a) an das proximale Ende (7) des ersten Hohlzylinders (1a) mittelbar oder unmittelbar das distale Ende (4) eines zweiten Hohlzylinders (1) einer anderen koaxialen Anordnung unter Bildung einer Verbindung angesetzt wird, wobei die Innenbohrungen (3, 3a) von erstem und zweitem Hohlzylinder (1, 1a) beim Bilden der Verbindung fluidisch voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrungen (3; 3a) von erstem und zweitem Hohlzylinder (1; 1a) während des Elongierprozesses fluidisch getrennt bleiben.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der vorgegebenen Druck- und Atmosphärenbedingungen in der jeweiligen Innenbohrung (3; 3a) zumindest auch während des Elongierprozesses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrungen (3; 3a) von erstem und zweitem Hohlzylinder (1; 1a) während des Elongierprozesses fluidisch verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ansetzvorgangs in der Innenbohrung (3a) des ersten Hohlzylinders (1a) ein vorgegebener Unterdruck erzeugt und aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ansetzvorgangs in der Innenbohrung (3a) des ersten Hohlzylinders (1a) Unterdruck aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansetzen innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, während der das optische Bauteil aus einem Bereich abgezogen wird, der von einer vorher erzeugten Verbindung von erstem Hohlzylinder (1a) und einem anderen Hohlzylinder gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab (2, 2a) aus stapelweise übereinander angeordneten Kernstabstücken gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von erstem und zweitem Hohlzylinder (1; 1a) als Fügeverbindung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Gewindeverbindung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verbindung von erstem und der zweitem Hohlzylinder (1; 1a) ein zwischen den Hohlzylindern (1; 1a) angeordnetes Verbindungselement (8) aus Quarzglas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hohlzylinder (1) mit einem Innengewinde (6) versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung als Schweißverbindung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung ein stoßweises Verschweißen der Stirnflächen von erstem und zweitem Hohlzylinder umfasst, wobei in die Stirnflächen umlaufende Nuten eingearbeitet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) eine verschließbare Verbindungsleitung (14) zwischen den Innenbohrungen (3; 3a) von erstem und zweitem Hohlzylinder (1; 1a) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (14) mittels eines beweglichen Schließkörpers (15) verschließbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (15) als drehbarer Zapfen mit radialer Durchgangsbohrung (16) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper als beweglicher Schieber ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlzylinder (1; 1a) jeweils an ihrem oberen Ende (7) über Greifer an einer Haltenut (17) gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansetzvorgang das gleichzeitige Ansetzen einer mehrere Komponenten umfassenden zweiten koaxialen Anordnung an die erste koaxiale Anordnung umfasst.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verbindung von erstem und zweitem Hohlzylinder (1; 1a), umfassend ein zwischen den Hohlzylindern (1; 1a) anzuordnendes scheibenförmiges Verbindungselement (8) aus Quarzglas, das beiderseits mit einem Gewindebolzen (12) versehen ist, welcher in ein Innengewinde (6, 6a) des zu verbindenden Hohlzylinders (1; 1a) eingreift.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) eine verschließbare Verbindungsleitung (14) zwischen den Innenbohrungen (3; 3a) von erstem und zweitem Hohlzylinder (1, 1a) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, die Verbindungsleitung mittels eines beweglichen Schließkörpers (15) verschließbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (15) als drehbarer Zapfen mit radialer Durchgangsbohrung (16) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits auf dem Gewindebolzen (12) des Verbindungselements (8) eine Schraubplatte (5, 5a) vorgesehen ist, gegen die die Stirnseite des zu verbindenden Hohlzylinders (1; 1a) anliegt, und die mindestens eine Durchgangsleitung (10) aufweist, die mit der Innenbohrung (3; 3a) des Hohlzylinders (1; 1a) und der Verbindungsleitung (14) korrespondiert.