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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
zylinderförmigen
optischen Bauteils aus Quarzglas, mit einer sich in Richtung einer
Längsachse
erstreckenden Innenzone aus einem Innenzonenglas, die von einer
Mantelzone aus einem Mantelzonenglas umhüllt ist, deren mittlere Wandstärke mindestens über einen
Teil ihrer Länge in
Richtung der Bauteil-Längsachse
variiert.
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Außerdem betrifft
die Erfindung einen zylinderförmigen
Rohling für
die Herstellung eines optisch aktiven Bauteils, der eine Längsachse,
mindestens einen sich entlang der Längsachse erstreckenden Kern
aus einem optisch aktiven Material, eine entlang des Kerns verlaufende
Pumplichtschicht, sowie eine die Pumplichtschicht umgebende Mantelschicht
mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Pumplichtschicht aufweist,
wobei die Pumplichtschicht entlang einer Auskoppelstrecke eine abnehmende
Wandstärke
aufweist.
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Technischer Hintergrund
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Seitengepumpte
optisch aktive Bauteile in Stab- oder Faserform werden zum Beispiel
als Hochleistungslaser oder in der Kommunikationstechnologie als
optische Faserverstärker
mit einem laseraktiven Kern und einen den Kern umhüllenden
Pumpmantel eingesetzt. Unter dem Begriff „optisch aktives Bauteil” werden
außer
Lasern auch optische Verstärker
und so genannte Superlumineszenzquellen zusammengefasst.
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Faserverstärker können Verluste
in Lichtwellenleitern bei der optischen Datenübertragung ausgleichen, indem
durch so genanntes „optisches
Pumpen” Laserlicht
in den Faserkern eingekoppelt wird, das laseraktive Substanzen der
Kernzone anregt. Der durch den Faserkern laufende Lichtpuls nimmt Energie
von den angeregten Ionen zusätzlich
auf und wird dadurch verstärkt.
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Alternativ
dazu können
die laseraktiven Substanzen durch das eingekoppelte Pumplicht auch selbst
zur Abgabe von Laserlicht angeregt werden, wie dies bei Hochleistungslasern
in Faser- oder Stabform der Fall ist.
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Das
laseraktive Material enthält
beispielsweise kristallines Nd:YAG oder es besteht aus Quarzglas,
das Dotierstoffe enthält,
die eine Abgabe oder eine Verstärkung
von Laserstrahlung im Wirtsmaterial Quarzglas bewirken. Bei den
Dotierstoffen handelt es sich in der Regel um Seltenerd-Kationen (Lanthanoide)
oder um Kationen der sogenannten Übergangsmetalle.
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Um
eine ausreichende Pumplichtwirkung auch noch nach einer gewissen
Eindringtiefe zu gewährleisten,
ist eine besonders hohe Energiedichte der Pumplichtstrahlung im
Einkoppelbereich erforderlich. Dies geht mit einer Degradation des
Kernbereichs durch Wärmeeinwirkung
und Photodarkening einher. Außerdem
führen
die hohe Energiedichte des Pumplichts im Einkoppelbereich einerseits
und die exponentielle Abnahme der Pumplichtleistung andererseits
zu unerwünschten
nicht-linearen Effekten.
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Diese
Nachteile vermeiden seitengepumpte optisch aktive Bauteile und Lasersysteme
gemäß der eingangs
genannten Gattung, bei denen das Pumplicht nicht direkt in den laseraktiven
Kern, sondern über
die Mantelfläche
in den Kern eingekoppelt wird. Wegen der Länge der Faser ist die Mantelfläche um ein
Vielfaches größer als
die Faser-Stirnfläche. Dies
ermöglicht
das Einkoppeln einer hohen Anregungsenergie ohne Beeinträchtigung
des Kernbereichs des optisch aktiven Bauteils.
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Ein
derartiges optisch aktives Bauteil in Form eines seitengepumpten
Lasers ist aus der
US-5,048,026
A bekannt. Es wird ein Faserverstärker beschrieben, mit einem
zylinderförmigen,
laseraktiven Kern aus Nd:YAG und einem Auskoppelende für die Laserstrahlung,
der von einem hülsenförmigen Pumpmantel
aus Quarzglas umgeben ist. Der Pumpmantel ist in einem vorderen
Längenbereich konisch
ausgebildet, so dass seine Dicke in Richtung auf das Auskoppelende
abnimmt und in einen hinteren, zylinderförmigen Teil mündet, der
mit dem Auskoppelende des Kerns bündig abschließt. Das Pumplicht
wird an der dem Auskoppelende gegenüberliegenden Stirnseite in
den Pumpmantel eingestrahlt und zwischen den Mantelflächen des
Pumpmantels hin- und herreflektiert und durchquert dabei den laseraktiven
Kern. Um dies zu gewährleisten, weist
der Pumpmantel einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex
der Umgebung (wie etwa Luft) aber kleiner als der Brechungsindex des
laseraktiven Kerns. Im konischen Teil des Pumpmantels wird dabei
mit jeder Reflexion der Winkel zu den Mantelflächen steiler, so dass das Pumplicht
auf den laseraktiven Kern im zylindrischen Bereich fokussiert wird.
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Ein ähnliches
Lasersystem ist auch aus der
US
5,086,433 A bekannt. Das Lasersystem umfasst ein Quarzglaselement,
das zum optischen Pumpen eines Laserstabes dient, welcher in eine
zentrale Bohrung des Quarzglaselements eingesetzt ist. Das Quarzglaselement
verjüngt
sich in Ausbreitungsrichtung konisch und es ist außen verspiegelt.
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Als
Pumplichtquellen werden mehrere Laserdioden eingesetzt, die an unterschiedlichen
radialen Positionen stirnseitig in das Quarzglaselement einstrahlen.
Je nach radialer Position der Laserdiode treffen die Pumplichtstrahlen
an axial unterschiedlichen Positionen auf die Verspiegelung und
werden von dort in den Laserstab reflektiert.
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Das
in das Quarzglaselement eingestrahlte Pumplicht hat eine im Wesentlichen
ringförmige
Intensitätsverteilung
und es ist auch möglich,
je nach Anzahl und Position der Laserdioden, die Einstrahlung des
Pumplichts über
die Länge
des Laserstabes mehr oder weniger gleichmäßig zu verteilen. Die Vorrichtung
selbst und die Justierung der Bauteile sind jedoch sehr aufwändig.
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Die
DE 28 44 129 A1 beschreibt
eine ähnliche
Vorrichtung zum optischen Pumpen eines Laserstabes. Die Vorrichtung
umfasst einen seitlich gepumpten Nd:YAG-Laser und eine Pumplichtquelle. Der
Laserstab ist von einem Mantel und dieser wiederum von einer innen
verspiegelten Hülle
umgeben. Der Mantel besteht aus einem Werkstoff mit niedrigerem
Brechungsindex als der Laserstab und er verjüngt sich konisch in Licht-Ausbreitungsrichtung.
Am Auskoppelende ist ein Glasplättchen
angeordnet, das sowohl das Pumplicht reflektiert als auch ein Auskoppeln
von Laserlicht ermöglicht.
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Das
von der Pumplichtquelle ab seinem breiten stirnseitigen Ende in
den Mantel eingestrahlte Pumplicht wird in einem bestimmten Winkel
an der verspiegelten Hülle
reflektiert und trifft dann auf die Mantelfläche des Laserstabs auf.
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Die
Herstellung eines Laserbauteils mit einem sich konisch verjüngenden
Pumplichtmantel aus Glas ist jedoch nicht ganz unproblematisch.
Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise herzustellen, indem der
Pumplichtmantel von außen
mechanisch bearbeitet wird, oder indem ein zylinderförmiges Bauteil zonenweise
erweicht und dabei elongiert wird, wobei sich beim Elongierprozess
die Ziehgeschwindigkeit kontinuierlich erhöht wird, so dass sich der Außendurchmesser
des abgezogenen Strangs kontinuierlich verringert. Diese Verfahrensweise
ist aufwändig und
erfordert eine komplizierte Steuerung, und sie ist insbesondere
zur Einstellung steiler Konuswinkel (zum Beispiel mehr als 10 Grad)
nicht geeignet.
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Darüber führt ein
konischer Pumplichtmantel zu einem Laserbauteil mit einem sich verjüngenden Außendurchmesser,
wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen
werden. Ein sich verjüngender
Außendurchmesser
hat jedoch Nachteile. So ist etwa eine Kühlung über einen Festkörper schwieriger
zu realisieren als bei einem konstanten Außendurchmesser und das Konfektionieren
des Laserbauteils, insbesondere einer Laserfaser, ist schwierig.
Daher wäre trotz
konischem Pumpmantel ein zylindrischer Außenmantel des optischen Bauteils
wünschenswert.
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Aus
der
WO 2006/049186
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform mit
konischem Kern bekannt, indem zunächst eine zylindrische Vorform
mit einem Kernbereich und einem Mantelbereich mit jeweils konstantem
Durchmesser konisch elongiert wird (wie oben erläutert), so dass zunächst ein
Halbzeug mit einem konischen Kernbereich und einem konischen Mantelbereich
erhalten wird. Anschließend
wird der Außendurchmesser
des Halbzeugs auf Kosten des Mantelbereichs auf konstantes Maß geschliffen.
Der so erhaltene Zylinder weist einen konischen Kernbereich und
einen gegenläufig konischen
Mantelbereich auf.
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Das
Schleifen ist mit einem hohen Arbeitsaufwand und Materialverlust
verbunden.
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Aus
der
JP 11021142 A ist
ein anderes Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen optischen
Bauteils mit konischem Kernbereich und gegenläufig konischem inneren Mantelbereich
bekannt. Dabei wird zunächst
ein zylinderförmiger
Kernstab mit zylinderförmigem
Kernbereich und zylinderförmigem
inneren Mantelbereich hergestellt. Anschließend wird der innere Mantelbereich
zu konischer Form abgetragen, so dass ein Halbzeug mit konischem
Außendurchmesserverlauf
erhalten wird. Das konische Halbzeug wird in einem Elongierprozess
zu einem zylinderförmigen
Halbzeug mit konstantem Außendurchmesser
abgezogen. Dieses weist danach einen konischen Kernbereich und einen
gegenläufig
konischen Mantelbereich auf. Das zylinderförmige Halbzeug wird anschließend mit
einem zusätzlichen
Außenmantel
versehen und zu einer Faser gezogen.
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Die
bekannten Verfahren erfordern einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand
zur Erzeugung eines zylinderförmigen
Außendurchmessers
des optischen Bauteils.
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Technische Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das
eine einfache und kostengünstige
Herstellung eines zylinderförmigen
optischen Bauteils aus Quarzglas ermöglicht, das mit einer radialen
Schicht versehen ist, die mindestens über einen Teil ihrer Länge eine
variierende Wandstärke
aufweist.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für ein optisch
aktives Bauteil bereitzustellen, bei dem eine geringe Beeinträchtigung
der Kernzone im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und des
Auftretens nichtlinearer Effekte durch hohe Absorption des Pumplichts
weitgehend vermieden werden kann, und bei dem sich ein hoher Wirkungsgrad
des Pumplichts ergibt.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das
ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung folgende
Verfahrensschritte umfasst:
- (a) Bereitstellen
einer ersten Vorform aus dem Innenzonenglas, die an einer Stirnseite
eine erste, außenkegelförmige Kontaktfläche aufweist,
- (b) Bereitstellen einer zweiten Vorform aus dem Mantelzonenglas,
- (c) Einbetten der außenkegelförmigen Kontaktfläche (13)
in Mantelzonenglas und Verschweißen der Kontaktfläche (13)
mit dem Mantelzonenglas unter Bildung einer Verbundvorform (18),
die in einem Kontaktbereich (16) einen kegelförmigen Innenzonenbereich
aus dem Innenzonenglas aufweist, der von einem Mantelzonenbereich
mit Innenkegelform umgeben ist, und
- (d) Elongieren der Verbundvorform zu dem optischen Bauteil oder
einem Vorprodukt des Bauteils.
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Ziel
des Verfahrens ist ein zylinderförmiges optisches
Bauteil (oder ein Vorprodukt desselben), das mindestens über einen
Teil seiner Länge
eine Innenzone mit einer in Richtung der Zylinderachse variierenden
Wandstärke
aufweist, und das gleichzeitig möglichst
Zylinderform aufweist.
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Bei
dem optischen Bauteil handelt es sich beispielsweise um eine Vorform
zum Ziehen optischer Fasern oder um eine optische Faser für die Lichtleitung.
Oder es handelt sich um einen Laser in Form eines Stabes, eines
Rohres oder einer Faser, wobei diese Bauteile typischerweise mindestens
eine laseraktive Zone aufweisen.
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Bei
den bekannten Verfahren erfolgt die Ausbildung einer Innenzone mit
variierender Wandstärke durch
Bearbeitung der Zylindermantelfläche
eines Halbzeugs oder durch axial inhomogene Abscheidung von Innenzonenmaterial
auf einer Zylindermantelfläche.
Die Wiederherstellung der Zylinderform erfordert einen oder mehrere
zusätzliche
Verfahrensschritte. Im Gegensatz dazu ist beim erfindungsgemäßen Verfahren
ein Schweißprozess
vorgesehen, bei dem zwei vorgefertigte Vorformen so miteinander verschweißt werden,
dass sie stirnseitig gegenseitig ineinander dringen. Zu diesem Zweck
ist die erste Vorform stirnseitig mit einer außenkegelförmigen Kontaktfläche ausgestaltet,
die in Mantelzonenglas der zweiten Vorform eingebettet werden kann,
beispielsweise dadurch, dass sie in das Mantelzonenglas eindringt.
In nur einem Arbeitsgang werden so über die Eindringtiefe des Außenkegels
aus dem Innenzonenglas in das Mantelzonenglas eine variierende Wandstärke der
Mantelzone und eine gegenläufig
variierende Wandstärke
der Innenzone erzeugt. Der Bereich der gegenseitigen Durchdringung von
Mantelzonenglas und Innenzonenglas wird im Folgenden als „Kontaktbereich” bezeichnet.
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Die
in Mantelzonenglas eingebettete außenkegelförmige Kontaktfläche wird
mit dem Mantelzoneglas verschweißt. Dabei wird eine Schmelzverbindung
erhalten, in der Mantelzonenglas an dem Außenkegel des Innenzonenglases
formschlüssig
anliegt und mit diesem verschmolzen ist.
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Die
Geometrie von Grundfläche
und Mantel des Außenkegels
bestimmen den axialen Verlauf von Innenzone und Mantelzone im Kontaktbereich.
Im einfachsten Fall nimmt die Wandstärke der Innenzone linear in
einer Richtung ab, so dass sich im axialen Längsschnitt entlang der Bauteil-Zylinderachse
ein konischer Verlauf der Innenzone ergibt. Je nach Form des Außenkegelmantels
ergeben sich andere axiale Wandstärkenverläufe, beispielsweise mit einer exponentiellen
oder einer stufenweisen Abnahme der Innenzonen-Wandstärke in Richtung
der Zylinderachse. Besonders zu erwähnen ist auch eine ziehzwiebelähnliche
Verjüngung
mit so genannter „Taperform”. Der Einfachheit
halber wird die Erfindung im Weiteren beispielhaft anhand eines
konischen Wandstärkenverlaufs
erläutert,
der auch andere Wandstärkenverläufe repräsentieren
soll. Insbesondere wird im Folgenden der Begriff „Konusstruktur” zur Beschreibung
des geometrischen Zusammenspiels von Mantelzonenglas und Innenzonenglas allgemein
verwendet.
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Die
Grundfläche
des Außenkegels
der ersten Vorform hängt
von der Funktion des herzustellenden optischen Bauteils ab. Im einfachsten
Fall ist die Grundfläche
kreisförmig,
aber auch ovale, polygonale Grundflächen und insbesondere Grundflächen mit einer
sogenannten „D”-Form (oder
beidseitiger D-Form, die auch als Doppel-D-Form bezeichnet wird)
sind für
Spezialanwendungen geeignet, die weiter unten noch näher erläutert werden.
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Die
durch das stirnseitige Verschweißen und das gegenseitige Durchdringen
von erster und zweiter Vorform erhaltene Verbundvorform wird in
der Regel weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen, wobei hier
insbesondere das Hinzufügen
weiterer Glaszonen im Innen- oder Außenbereich der Verbundvorform
zu nennen ist. Nach einem Elongierprozess oder nach mehreren Elongierprozessen
wird das optische Bauteil erhalten, das in einem Längenabschnitt
eine aus dem Kontaktbereich der ehemaligen Verbundvorform stammende
Konusstruktur aufweist, in der eine Innenzone mit variierender Dicke
und eine daran angrenzende Mantelzone mit gegenläufig variierender Dicke vorgesehen
sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders zur Herstellung seitengepumpter Laser in Faser-,
Rohr- oder Stabform mit einem oder mehreren laseraktiven Bereichen,
wobei Pumplicht in eine Pumplichtzone eingestrahlt wird, die an
einen laseraktiven Bereich unmittelbar oder über eine Trennzone getrennt
angrenzt, und die sich in Richtung der Faser- oder Stab-Längsachse
verjüngt
oder erweitert.
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Vorteilhafterweise
weist die zweite Vorform eine zweite Kontaktfläche auf, wobei die Bildung
der Verbundvorform ein Zusammenfügen
von erster und zweiter Kontaktfläche
umfasst.
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Das
Zusammenfügen
erfolgt mechanisch, so dass ein mechanischer Fügeverbund erhalten wird, aus
dem durch anschließendes
Verschweißen
der Kontaktflächen
die Verbundvorform hergestellt wird, oder das Zusammenfügen erfolgt
thermisch, wobei gleichzeitig die Kontaktflächen verschweißt werden.
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In
der Regel sind Blasen an der Grenzfläche zwischen Innenzonenglas
und Mantelzonenglas unerwünscht.
Daher ist bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen,
dass beim Zusammenfügen
ein Zwischenraum zwischen erster und zweiter Kontaktfläche evakuiert
wird.
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Dabei
wird beim Zusammenfügen
der Kontaktflächen
ein Unterdruck angelegt. Zu diesem Zweck ist entweder die erste
Vorform und/oder die zweite Vorform mit einer Durchgangsbohrung
versehen, die an der jeweiligen Kontaktfläche mündet und die somit beim Verschweißen in fluidischer
Verbindung mit dem Zwischenraum steht. Die Durchgangsbohrung ist
dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie möglichst erst am Ende des Verschweißungsprozesses
verschlossen wird, so dass der Unterdruck bis zum Schluss wirken
kann.
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Dabei
kann der Außenkegel
der ersten Vorform zur Abdichtung des Zwischenraumes herangezogen
werden. Dies geschieht bei einer bevorzugten Verfahrensvariante
dadurch, dass beim Zusammenfügen
der Vorformen der Kegelmantel der ersten Vorform an einer umlaufenden
Kante der zweiten Vorform dichtend zur Anlage kommt.
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Hierzu
ist beispielsweise die zweite Vorform stirnseitig mit einer kegelförmigen Vertiefung
versehen, die an der Stirnseite in Form einer umlaufenden Kante
endet. Der Außenkegel
der ersten Vorform ist ausreichend breit, so dass er beim Zusammenfügen der
Vorformen mit seinem Kegelmantel an der umlaufenden Kante zur Anlage
kommt. Dabei ist die Vertiefung der zweiten Vorform so tief ausgelegt,
dass die Kegelspitze des Außenkegels
nicht anstößt, bevor die
Abdichtung über
die Anlage des Außenmantels an
der umlaufenden Kante erzeugt ist.
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Das
Verschweißen
der Vorformen miteinander geschieht beispielsweise auf einer drehbankähnlichen
Vorrichtung, mittels der Vorformen um eine gemeinsame Rotationsachse
rotierbar und in Richtung der Rotationsachse axial verschiebbar
sind. Vor dem Verschweißen
kann die Kontaktfläche
der zweiten Vorform so erweicht werden, dass der Außenkegel der
ersten Vorform in das erweichte Mantelzonenglas eindringen kann,
oder dass das erweichte Mantelzonenglas auf den Außenkegel
aus Innenzonenglas aufkollabiert. In diesen Fällen muss die Kontaktfläche der
zweiten Vorform nicht an die Form des eindringenden Außenkegels
angepasst sein; sie kann beispielsweise eben oder rohrförmig sein.
Gegebenenfalls kann das beim Eindringen des Außenkegels verdrängte Mantelzonenglas
eine wulstförmige
Verdickung um den Kontaktbereich ausbilden. Die Verdickung kann
durch ein Formwerkzeug unmittelbar beim Verschweißungsprozess
ausgeglichen und vermieden werden, oder sie wird nachträglich durch
mechanische Bearbeitung entfernt. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante
ist jedoch vorgesehen, dass die Kontaktfläche der zweiten Vorform eine
Vertiefung ausweist, die vorzugsweise als Innenkegel ausgebildet
ist.
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Durch
die stirnseitige Vertiefung der zweiten Vorform ergibt sich eine
gewisse Zentrierung des Außenkegels
beim Zusammenfügen
der beiden Vorformen. Außerdem
ist die Masse des zu verdrängenden Mantelzonenglases
kleiner, so dass sich eine geringere Wulstbildung einstellt und
eine geringere Erweichung des Mantelzonenglases genügt. Insbesondere ist
es nicht unbedingt erforderlich, jedoch bevorzugt, wenn die Form
der Vertiefung an den Außenkegel
der ersten Vorform angepasst ist. Bei guter Anpassung stellt sich
beim Anschweißvorgang
keine Verdrängung
oder allenfalls eine geringe Verdrängung von Mantelzonenglas ein,
und es findet keine wesentliche Verformung im Kontaktbereich statt.
Damit einhergehend ist eine vergleichsweise geringe Erweichung im Kontaktbereich
erforderlich, die zum Verschweißen der
Kontaktflächen
genügt.
Auf diese Weise wird eine exakte und gut reproduzierbare Konusstruktur
erhalten. Bei einer Verfahrensvariante, bei der beim Verschweißen ein
Unterdruck im Kontaktbereich erzeugt und aufrecht erhalten wird
(wie oben bereits erläutert),
bietet es sich an, dass in der Vertiefung der zweiten Vorform eine
Durchgangsbohrung mündet, über die
ein Vakuum angelegt werden kann.
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Die
Vertiefung beziehungsweise die innenkegelförmige Kontaktfläche wird
vorzugsweise durch mechanische Bearbeitung erzeugt.
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Die
mechanische Bearbeitung umfasst Bohren, Fräsen oder Schleifen. Zur Glättung und
Beseitigung von Abrieb kann ein chemisches Ätzen hilfreich sein. Im einfachsten
Fall ist die Vertiefung beispielsweise als Sacklochbohrung ausgeführt; in
der Regel ist sie aber der Außenkegelform
mindestens näherungsweise
angepasst.
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Zum
stirnseitigen Zusammenfügen
der Vorformen verfügt
die erste Vorform somit über
die stirnseitige kegelförmige
Ausbuchtung, die mit der Zylinder-Längsachse einen mittleren Konuswinkel
von mindestens 25 Grad einschließt, und die Stirnseite der
zweiten Vorform ist vorzugsweise an die Außenkegelform angepasst, indem
sie einen Innenkonus mit einem mittleren Konuswinkel von mindestens
25 Winkelgraden aufweist.
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Bei
einer zweiten, gleichermaßen
bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Vertiefung
durch einen Heißformprozess
erzeugt wird.
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Beim
Heißformprozess
wird zumindest der stirnseitige Bereich der zweiten Vorform erweicht
und mittels eines Formwerkzeuges, beispielsweise mittels eines Grafitstempels,
die stirnseitige Vertiefung eingeprägt. Nach Entfernen des Formwerkzeugs
verschmilzt der oberflächennahe
Bereich der Vertiefung, so dass auf diese Weise eine besonders glatte
Oberfläche
mit wenig Aufwand erhalten wird.
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Vorzugsweise
wird als Mantelzonenglas ein mit Fluor dotiertes Quarzglas eingesetzt.
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Fluor
lässt sich
auch in hohen Konzentrationen bis zu 9 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich
zwischen 1 bis 5 Gew.-%, vergleichsweise einfach und homogen in
Quarzglas einbringen. Bekanntlich bewirkt die Dotierung von Quarzglas
mit Fluor sowohl eine Verringerung des Brechungsindex als auch eine Herabsetzung
der Viskosität.
Durch die Verringerung des Brechungsindex leistet das Mantelzonenglas
einen Beitrag zur Lichtführung.
Die Verringerung seiner Viskosität
führt dazu,
dass das Mantelzonenglas beim Schweißvorgang trotz gleicher Temperatur
weicher ist als das Innenzonenglas, was das Eindringen des Außenkegels
in das weichere Mantelzonenglas und die reproduzierbare Herstellung
einer vorgegebenen Konusstruktur erleichtert.
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Als
besonders günstig
hat es sich erwiesen, wenn die erste Vorform und die zweite Vorform
jeweils als Zylinder ausgebildet sind.
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Zum
Zusammenschweißen
werden die zylinderförmigen
Vorformen in Richtung ihrer gemeinsamen Zylinderlängsachse
zusammengefügt.
Dies kann beispielsweise auf einer Drehbank erfolgen, wobei die
Vorformen jeweils mittels eines Drehfutters gehalten werden. Dies
ermöglicht
ein besonders exaktes und reproduzierbares Zusammenfügen der Vorformen.
Vorformen mit gleichem Außendurchmesser
ergeben auf diese Weise eine Verbundvorform mit durchgehend gleichem
Außendurchmesser.
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Vorteilhafterweise
wird die außenkegelförmige Kontaktfläche der
ersten Vorform durch mechanische Bearbeitung erzeugt.
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Durch
die mechanische Bearbeitung, für
die in diesem Fall in erster Linie Schleifverfahren in Betracht
kommen, ergibt sich mit geringem Aufwand eine exakte Geometrie der
außenkegelförmigen Kontaktfläche.
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Alternativ
dazu ist es günstig,
die außenkegelförmige Kontaktfläche der
ersten Vorform durch einen Heißformprozess
zu erzeugen.
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Hierbei
wird die außenkegelförmige Kontaktfläche erzeugt,
indem die Stirnseite der ersten Vorform erweicht und mittels eines
Werkzeugs, wie etwa einer Grafitform, zu der gewünschten Außenform geformt wird. Bei Entnahme
der Grafitform schmilzt der erhaltene Außenkegel oberflächlich auf,
so dass sich eine besonders glatte Oberfläche ergibt.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die außenkegelförmige Kontaktfläche der
ersten Vorform mit einer abgerundeten Kegelspitze versehen wird.
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Die
abgerundete Kegelspitze weist eine höhere mechanische Stabilität als eine
scharfe Spitze auf und unterliegt beim Eindringen in die Stirnseite der
zweiten Vorform daher einer geringeren Verformung, was sich auf
die Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit
der Konusstruktur im Kontaktbereich vorteilhaft auswirkt.
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In
dem Zusammenhang hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn als Innenzonenglas
undotiertes Quarzglas eingesetzt wird. Undotiertes Quarzglas zeigt
gegenüber
dotiertem Quarzglas in der Regel eine höhere Viskosität.
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Sofern
die Mantelzone mit einem dem Außenkegel
entsprechenden Innenkegel versehen ist, können die Vorformen in kaltem
Zustand zusammengefügt
und anschließend
die aneinander liegenden Kontaktflächen verschweißt werden.
In der Regel ist es aber vorteilhafter, wenn bereits beim Zusammenpressen
mindestens die zweite Vorform im Bereich der zweiten Kontaktfläche erweicht
wird.
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Beim
Verschweißungsvorgang
werden vorzugsweise beide Vorformen im Kontaktbereich gleichmäßig erhitzt
und dabei mindestens die zweite Vorform erweicht, um ein Verschmelzen
mit dem Außenkegel
der ersten Vorform zu ermöglichen.
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Weiterhin
hat es sich bewährt,
wenn die Verbundvorform mit mindestens einer Innenbohrung zur Aufnahme
eines Kernstabs versehen und vor dem Elongieren mit einem Kernstab
bestückt
wird.
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Die
Innenbohrung beziehungsweise die Innenbohrungen werden mechanisch
erzeugt, und zwar nachdem die Konusstruktur in der Verbundvorform
fertig gestellt ist. Dadurch wird ein Elongierprozess, der zu einem
nicht konstanten axialen Durchmesserverlauf des Kernbereichs führt, der
in der Regel nicht erwünscht
ist, vermieden. Darüber
hinaus sind mechanische Bohrungen mit hoher Maßhaltigkeit ausführbar. In
die mindestens eine Innenbohrung wird ein Kernstab eingesetzt. Hierbei
kann es sich um einen optischen Kernstab für die Lichtwellenleitung oder
um einen Stab aus einem laseraktiven Glas handeln. Dabei kann jeweils
ein zentraler Kernglasbereich von einem inneren Mantelbereich umgeben sein.
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Weiterhin
hat es sich als günstig
erwiesen, wenn die Verbundvorform vor dem Elongieren mit einer Schicht
aus fluordotiertem Quarzglas umhüllt wird.
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Die
Schicht aus fluordotiertem Quarzglas wird beispielsweise durch Abscheiden
eines entsprechenden Quarzglases mittels eines so genannten POD-Verfahrens
(Plasma Outside Deposition) oder durch Überfangen mit einem fluordotiertem
Rohr erzeugt. Die fluordotierte Schicht wirkt sich auf die Lichtführungseigenschaften
im Mantelzonenbereich aus, insbesondere dann, wenn das Mantelzonenglas aus
einem Quarzglas mit höherem
Brechungsindex besteht.
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Bei
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Verbundvorform mit
einer Außenschicht
aus undotiertem Quarzglas versehen.
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Durch
seine höhere
Viskosität
stabilisiert die äußerste Schicht
aus undotiertem Quarzglas darunter liegende Quarzglasschichten mit
niedrigerer Viskosität
bei nachfolgenden Verfahrensschritten, insbesondere wirkt sie Verformungen
bei Heißverformungsschritten
entgegen. Die Außenschicht
aus undotiertem Quarzglas kann mittels üblicher Außenabscheideverfahren oder
durch Überfangen
mit einem Quarzglasrohr aufgebracht werden.
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Hinsichtlich
des Rohlings wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend
von einem Rohling der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Wandstärke der
Pumplichtschicht bei einem Außendurchmesser der
Mantelschicht im Bereich von 3 mm bis 50 mm mit einem mittleren
Konuswinkel zwischen 25 und 80 Winkelgraden entlang der Auskoppelstrecke
abnimmt, wobei die Mantelschicht mit demselben Konuswinkel gegenläufig zunimmt.
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Die
Weiterverarbeitung des Rohlings umfasst mindestens einen Ziehprozess,
bei dem der Kern, die Pumplichtschicht und die Mantelschicht zu „Zonen” eines
optisch aktiven Bauteils elongiert werden, das beispielsweise als
Laser in Form eines Stabes, eines Rohres oder einer Faser vorliegt.
Das nach dem Elongieren des Rohlings erhaltene optische Bauteil
weist demnach eine Längsachse
auf, mindestens eine sich entlang der Längsachse erstreckende zylinderförmige Kernzone
aus einem optisch aktiven Material, eine entlang der Kernzone verlaufende
Pumplichtzone, aus der entlang einer Auskoppelstrecke Pumplicht
in die Kernzone gelangen kann, sowie eine die Pumplichtzone umgebende
Mantelzone mit niedrigerem Brechungsindex als die Pumplichtzone,
wobei Kernzone, Pumplichtzone und Mantelzone Bestandteile eines
monolithischen Quarzglaskörpers
sind.
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Die
Ausbildung der Zonen des Bauteils (beziehungsweise der „Schichten
des Rohlings) aus ein und demselben Grundwerkstoff – nämlich dotiertem oder
undotiertem Quarzglas – erleichtert
die Herstellung und vermeidet weitgehend Probleme infolge unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungen. Die Zonen sind integrale Bestandteile
des optisch aktiven Bauteils, so dass jeglicher Aufwand für eine Justierung
der Zonen zueinander entfällt.
Das Bauteil besteht aus Quarzglas, wobei unter „Quarzglas” hier auch ein hochkieselsäurehaltiges
Glas mit einem SiO2-Anteil von mindestens 80 Gew.-% verstanden wird.
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Wichtig
ist, dass der Rohling mindestens über einen Teil seiner Länge eine
Pumplichtschicht mit einer in Richtung des eingestrahlten Pumplichts abnehmenden
Wandstärke
und eine Mantelschicht mit gegenläufig zunehmender Wandstärke sowie
einen zylinderförmigen
Kern aufweist.
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Dabei
wird der variable Wandstärkenverlauf der
Pumplichtschicht durch den gegenläufigen Wandstärkenverlauf
der Mantelschicht so kompensiert, dass sich ein axial gleichmäßiger Gesamt-Außendurchmesser
des Rohlings ergibt. Dies erleichtert die Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils.
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In
der Kernzone des Bauteils wird Lichtstrahlung geführt, erzeugt,
beziehungsweise verstärkt.
Die Kernzone grenzt unmittelbar oder mittelbar an die Pumplichtzone
an. Die Pumplichtzone erstreckt sich entlang der Kernzone. Die Pumplichtzone
ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie zur Lichtführung geeignet
ist. Das bedeutet, dass eine Mehrfachreflexion innerhalb der Pumplichtzone
möglich
ist. Insbesondere kann hierzu an ihrer der Kernzone zugewandten
Mantelfläche
ein „Brechzahlsprung
nach unten” vorgesehen
sein, das bedeutet, dass an diese Mantelfläche eine Quarzglasschicht mit
kleinerem Brechungsindex angrenzt. Das in der Pumplichtzone geführte Pumplicht
muss zur Anregung optisch aktiver Substanzen letztlich in die Kernzone
gelangen, damit es seinen bestimmungsgemäßen Zweck erfüllen kann.
Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich zumindest über einen
Teil der Länge
der Pumplichtzone – nämlich über die
Auskoppelstrecke – die
Bedingungen für
die Reflexion des geführten
Pumplichts so ändern,
dass Pumplicht in definierter Art und Weise nach und nach in die
Kernzone gelangt. Dies bewirkt eine gleichmäßige Aktivierung der optisch
aktiven Substanzen über
der Länge
der betreffenden Auskoppelstrecke und führt zu einem höheren Wirkungsgrad
des eingestrahlten Pumplichts.
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Der
Rohling wird vorzugsweise anhand des oben näher erläuterten Verfahrens erhalten,
wobei die „Pumplichtschicht” des erfindungsgemäßen Rohlings
in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem allgemeineren
Begriff „Innenzone” bezeichnet
ist. Auf diese Erläuterungen
wird daher verwiesen.
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Die
Wandstärke
der Pumplichtschicht nimmt (in Ausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung)
ab. Im einfachsten Fall nimmt die Wandstärke mit einem Konuswinkel linear
ab, so dass sich im axialen Längsschnitt
entlang der Rohling-Längsachse
ein konischer Verlauf ergibt. Es sind aber auch andere axiale Wandstärkenverläufe der
Pumplichtschicht möglich,
wie etwa mit exponentieller oder stufenweiser Abnahme der Wandstärke in Richtung
der Zylinderachse des Bauteils oder einer ziehzwiebelähnliche Verjüngung mit
so genannter „Taperform”. Unter
einem mittleren Konuswinkel wird dabei derjenige Konuswinkel verstanden,
der sich aus der linearen Verbindung zwischen den Punkten mit maximalem
und minimalem Außendurchmesser
und dem axialen Abstand dieser Punkte ergibt. Wie oben bereits erläutert, ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren
die Herstellung besonders steiler Konuswinkel. Bei einem Außendurchmesser
des Rohlings zwischen 3 mm bis 50 mm liegt der mittlere Konuswinkel
erfindungsgemäß zwischen
25 und 80 Winkelgraden. Das bedeutet, dass der Rohling ein Elongieren
mit großem
Ausziehverhältnis
ermöglicht,
ohne dass dabei der Konuswinkel der Pumplichtzone im Hinblick auf
eine Pumplicht-Auskopplung uneffektiv flach wird.
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Ein
größerer Konuswinkel
ermöglicht
eine Auskopplung von Pumplicht über
eine relativ kurze Auskoppelstrecke, ohne dass hierfür eine hohe
Intensität
des Pumplichts in Bereich der Pumplichteinkopplung erforderlich
ist. Die Pumplichtleistung wird über
die Länge
der Auskoppelstrecke in die Kernzone möglichst vollständig ausgekoppelt.
Eine lange Auskoppelstrecke erleichtert die axiale Vergleichmäßigung der
ausgekoppelten Pumplichtleistung. Andererseits unterliegt das Pumplicht
in der Pumplichtzone einer optischen Dämpfung, die durch einen steilen Konuswinkel
im Bereich der Auskoppelstrecke vermindert wird.
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Bei
einer mittleren Intensitätsabnahme
von weniger als 1%/m ergibt sich für eine vollständige Auskopplung
des Pumplichts eine Lichtführung
in der Pumplichtzone über
eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von mehr als 100 m, was – je nach
Art des optisch aktiven Bauteils und der Pumplichtzone – mit einem
merklichen Verlust durch optische Dämpfung des Pumplichts einhergehen
kann. Vorzugsweise wird das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke
mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von
maximal 10%/cm (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke)
gekennzeichnet ist. Bei einer mittleren Intensitätsabnahme von mehr als 10%/cm
ergibt sich eine Lichtführung
in der Pumplichtzone über
eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von weniger als 10 cm,
was mit einer vergleichsweise hohen mittleren Intensität des in
die Kernzone ausgekoppelten Pumplichts einhergeht.
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Die
radiale Geometrie der Pumplichtschicht kann vom kreisförmigen Querschnitt
abweichen und zum Beispiel ovale, polygonale Querschnitte und insbesondere
radiale Querschnitte mit einer sogenannten „D-Form” (oder beidseitiger D-Form,
die auch als „Doppel-D-Form” bezeichnet
wird) umfassen.
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Im
Hinblick auf eine effektive Auskopplung des Pumplichts aus der Pumplichtzone
wird eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rohlings besonders
bevorzugt, bei der die Pumplichtschicht mindestens über einen
Teil der Auskoppelstrecke einen radialen Querschnitt aufweist, der
von einer Kreisringform abweicht, insbesondere einen radialen Querschnitt
in Form eines Kreisrings mit mindestens einer Außenabflachung.
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Die
Abweichung von der Kreisringform bewirkt im optischen Bauteil eine
Veränderung
der Lichtführung
innerhalb der Pumplichtzone. Insbesondere werden dadurch Lichtmoden
(so genannte Helixmoden) behindert und geändert, die nicht ohne weiteres
in die Kernzone eingekoppelt werden können. Die Geometrieänderung
der Pumplichtzone trägt
insoweit zu einem effektiveren Auskoppeln des Pumplichts bei. Eine
einfache und besonders wirksame Geometrieänderung gegenüber einer
einfachen Kreisringform wird dadurch erzeugt, dass der Außenmantel
der Pumplichtzone an einer Seite oder an mehreren (vorzugsweise
gegenüberliegenden)
Seiten plan geschliffen wird, und so eine oder mehrere Abflachungen
der Kreisringform erzeugt werden. Die Ausführungsform mit einer Abflachung
wird in der Literatur auch als „D-Form” bezeichnet, diejenige mit zwei
gegenüberliegenden
Abflachungen auch als „Doppel-D-Form”. Die D-Form
und Doppel-D-Form der Pumplichtzone haben sich insbesondere in Verbindung
mit einer sich verjüngenden
Querschnittsfläche
der Pumplichtzone als besonders günstig erwiesen.
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Im
Hinblick auf möglichst
niedrige Fertigungskosten sind über
die Länge
des Rohlings mehrere Auskoppelstrecken vorgesehen.
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Jede
der „Auskoppelstrecken” dient
zur Herstellung eines optischen aktiven Bauteils.
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Weiterhin
hat es sich bewährt,
wenn mindestens ein Kern exzentrisch neben der Längsachse verläuft.
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Der
Rohling weist somit einen oder mehrere exzentrisch angeordnete Kerne
auf. Bei einem Einsatz des daraus hergestellten optischen Bauteils
als Laser hat die exzentrische Anordnung der Kernzone Vorteile bei
der Einkopplung von Pumplicht. Denn dadurch wird die Kernzone in
einen Bereich des Bauteils verlagert, in der sie weniger von dem
stirnseitig eingestrahlten Pumplicht getroffen wird. Dies reduziert
die Absorption des Pumplichts im Bereich der Einkoppelfläche. Darüber hinaus
lässt sich
eine exzentrische Anordnung der Kernzone auch leichter von außen kühlen. Darüber hinaus
beispielsweise wird bei einer Doppelkern-Laserfaser das Pumplicht stirnseitig
in die Faser eingekoppelt und sowohl im Kern als auch im Pumpmantel
geführt.
Die Faser wird somit stark ungleichmäßig beansprucht, das Pumplicht
wird in der Faser vorrangig in der Nähe der Einkoppelstelle absorbiert,
weil hier die Intensität
am höchsten
ist. Die absorbierte Leistung fällt
dann mit zunehmender Länge
exponentiell ab. Durch eine Verwendung von sehr langen und niedrig
dotierten aktiven Kernen wird hierbei vermieden, dass der aktive
Kern das Pumplicht zu stark in der Nähe der Einkoppelstelle absorbiert
und die Faser durch die entstehende Wärmeentwicklung oder durch einen
zu hohen Inversionsgrad (Photodarkening) geschädigt wird. Diese langen Fasern
sind aber durch nichtlineare Effekt wie SRS und SBS (stimulierte
Raman- und Brillouinstreuung) in ihrer Einsetzbarkeit begrenzt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Soweit in den Unteransprüchen
angegebene Ausgestaltungen des Bauteils den in Unteransprüchen zum
erfindungsgemäßen Verfahren genannten
Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen
zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer
Zeichnung näher erläutert. Im
Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:
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1 das
Bereitstellen von Vorformen als erstem Verfahrensschritt bei der
Herstellung eines optisch aktiven Bauteils in Form eines Laserstabes,
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2 das
stirnseitige Zusammenfügen
der Vorformen unter Bildung einer Verbundvorform,
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3 das
Erzeugen einer zentralen Innenbohrung in der Verbundvorform,
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4 das
Einbringen eines Kernstabes in die Innenbohrung in der Verbundvorform,
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5 das
Elongieren der Verbundvorform unter Ausbildung eines stabförmigen Rohlings
gemäß der Erfindung
mit einem Konusbereich,
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6 eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rohlings
mit mehreren Konusbereichen,
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7 eine
kreisförmige
Querschnittsgeometrie im Konusbereich,
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8 eine
D-förmige
Querschnittsgeometrie im Konusbereich,
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9 eine
erste Ausführungsform
eines aus dem Rohling erhaltenen optisch aktiven Bauteils in Form
einer zylinderförmigen
Laserfaser mit einer im radialen Querschnitt ringförmigen und
im axialen Querschnitt konischen Pumplichtzone, in einem Längsschnitt,
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10 eine
zweite Ausführungsform
eines optisch aktiven Bauteils in Form einer zylinderförmigen Laserfaser
in einem Längsschnitt,
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11 eine
weitere Variante des Bereitstellens und Zusammenfügens von
Vorformen bei der Herstellung eines optisch aktiven Bauteils,
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12 eine
weitere Variante des Bereitstellens und Zusammenfügens von
Vorformen bei der Herstellung eines optisch aktiven Bauteils,
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13 eine
weitere Variante des Bereitstellens von Vorformen bei der Herstellung
eines optisch aktiven Bauteils,
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14 das
stirnseitige Zusammenfügen
der Vorformen von 13 unter Bildung einer Verbundvorform
mit einem Außenwulst,
und
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15 den
nach Abschleifen des Außenwustes
der Verbundvorform von 14 erhaltenen Quarzglas-Rohling.
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1 zeigt
schematisch einen ersten Zylinder 11 aus undotiertem Quarzglas
und einen zweiten Zylinder 12 aus einem Quarzglas, das
mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist. Der erste Zylinder 11 weist
eine Stirnseite auf, die in Form eines Spitzkegels 13 geschliffen
ist. Der zweite Zylinder 12 weist eine Stirnseite auf,
in die eine kegelförmige
Vertiefung 14 eingefräst ist.
Der Außendurchmesser
beider Zylinder 11; 12 ist gleich und beträgt 40 mm.
Die Höhe
des Spitzkegels 13 und die Tiefe der kegelförmigen Vertiefung 14 sind ebenfalls
gleich und betragen jeweils 15,6 mm. Der Konuswinkel α (das ist
der halbe Kegelwinkel) beträgt
somit 52 Grad und entspricht dem Konuswinkel β der kegelförmigen Vertiefung 14.
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Die
Zylinder 11; 12 werden mit sich gegenüberliegenden
Stirnseiten 13; 14 in die Drehfutter einer Drehbank
eingespannt und auf eine gemeinsame Mittel- und Rotationsachse 15 justiert.
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Anschließend werden
die Zylinder 11; 12 entlang der Mittelachse 15 zu
einem Fügeverbund
zusammengepresst, so dass die stirnseitigen Enden 13; 14 miteinander
in Kontakt kommen, wie dies 2 schematisch
zeigt. Der Fügeverbund 17 wird
in dem durch gestrichelte Linien markierten Kontaktbereich 16 unter
Rotation erhitzt, so dass die Stirnseiten 13; 14 miteinander
verschmelzen. Wegen der Fluordotierung wird dabei das Quarzglas
des zweiten Zylinders 12 weicher als das des ersten Zylinders 11.
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Auf
diese Weise wird ein zylinderförmiger Schmelzverbund 18 erhalten,
in dem sich die Quarzgläser
von erstem und zweitem Zylinder 11; 12 im Kontakt 16 gegenseitig
kegelförmig
durchdringen. Der Außendurchmesser
des Schmelzverbundes 18 entspricht demjenigen der Ausgangszylinder 11, 12.
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Der
Schmelzverbund 18 wird nach dem Abkühlen mit einer Innenbohrung 19 versehen,
wie dies 3 schematisch zeigt. Der Durchmesser
der Innenbohrung 19 beträgt 4 mm und dient zur Aufnahme eines
Kernstabes 20, wie in 4 schematisch
dargestellt. Der Kernstab 20 besteht entweder aus einem
Kernglas mit radial homogenem Brechungsindex, oder er besteht aus
einem Kernglas, das von einem oder mehreren Mantelglasschichten
mit anderem Brechungsindex umhüllt
ist.
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Der
mit dem Kernstab 20 versehene Schmelzverbund 18 wird
anschließend
durch zonenweises Erhitzen gleichmäßig zu einem Stab 21 mit
einem Außendurchmesser
von 1 mm elongiert. Der ursprüngliche
Kontaktbereich 16 wird dabei zu einer Konusstruktur 22 mit
einer Länge
von 25 m lang gezogen, wie in 5 schematisch
gezeigt. Die Konusstruktur 22 setzt sich aus einer Innenzone 23 und
einer Mantelzone 24 zusammen. Der Durchmesser des Innenzylinders 23 nimmt
von einem Ende zum anderen Ende der Konusstruktur 22 kontinuierlich
ab und der Durchmesser der Mantelzone 24 nimmt über dieselbe
Strecke gegenläufig
zu. Aus der Konusstruktur 22 wird das gewünschte optische
Bauteil erhalten, indem die Enden beiderseits der Konusstruktur 22 ganz
oder teilweise entfernt werden. Die abgesägten Enden sind in diesem Fall
Abfall.
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Die
Abfallmenge wird bei der in 6 schematisch
gezeigten abgewandelten Ausführungsform des
Schmelzverbundes 25 verringert. Gleiche oder äquivalente
Bauteile sind dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in 5. Über die Länge des
Schmelzverbundes 25 sind mehrere Konusstrukturen 22 verteilt.
Diese werden durch Einsatz abgewandelter Zylinder 11'; 12' erzeugt, deren
beide Stirnseiten jeweils als Außenkegel (11') beziehungsweise
als Innenkegel (12')
ausgebildet sind.
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Außerdem sind
zwei, exzentrisch angeordnete Kernstäbe 20' vorgesehen. Bei einem Einsatz des
daraus hergestellten optischen Bauteils als Laserfaser hat die exzentrische
Anordnung der Kernzone Vorteile bei der Einkopplung von Pumplicht,
wie weiter oben bereits erläutert.
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7 zeigt
schematisch einen radialen Querschnitt entlang der Linie „A” der Konusstruktur 22 des
Bauteils von 5. Gleiche oder äquivalente Bauteile
sind dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in 5.
Innenzone 23 und Mantelzone 24 sind kreisringförmig ausgebildet.
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Demgegenüber zeigt 8 schematisch eine
von der Ringform abweichende radiale Querschnittsfläche, nämlich eine
Kontur mit einer sogenannten „D-Form”, bei der
eine Außenmantelfläche des
Bauteils als Planfläche 26 ausgebildet
sind. Diese Kontur wird erzeugt, indem die erste Vorform 11 mit
einem Außenkegel
versehen wird, der eine entsprechende Planfläche aufweist.
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Beim
Einsatz des Bauteils als seitengepumpter Laser reduzieren von der
Kreisringfläche abweichende
Konturen, die beispielsweise als Polygonal, mit D-Form oder Doppel-D-Form,
Sternform, Blütenform
und dergleichen ausgeführt
sein können, die
Ausbildung von Helixstrahlen, die nicht in den aktiven Kern eindringen
und damit nicht zum Pumpen desselben zur Verfügung stehen. Die Effizienz
des Pumplichts wird so verbessert.
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9 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch
eine Laserfaser gemäß der Erfindung.
Der laseraktive Kern 1 ist zylinderförmig ausgebildet und erstreckt
sich entlang der Längsachse 9.
Er ist über seine
gesamte Länge
umhüllt
von einem Pumpmantel 3 und einem Außenmantel 2.
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Der
Kern 1 besteht aus laseraktivem Quarzglas, das mit 0,25
mol.-% Yb2O3 und
mit 1,0 mol-% Al2O3 dotiert
ist. Der Brechungsindex des Kern-Quarzglases ist geringfügig größer als
der von undotiertem Quarzglas. Er hat einen Durchmesser von 0,1
mm. Im laseraktiven Kern 1 wird die zu emittierende Laserstrahlung 5 durch
optisches Pumpen über
den Pumpmantel 3 erzeugt.
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Der
Pumpmantel 3 besteht aus undotiertem Quarzglas. Der Pumpmantel 3 ist
konisch ausgeführt,
wobei seine Dicke über
eine Länge
von 20 m von der Einkoppelstirnseite 6 für das Pumplicht 8 bis zur
Auskoppelstirnseite 7 für
das Laserlicht von 1 mm auf 100 μm
kontinuierlich abnimmt. Der Konuswinkel beträgt somit etwa 0,02 mrad.
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Der
den Pumpmantel 3 umhüllende
Außenmantel 2 besteht
aus Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist und das einen
um 14 × 10–3 niedrigeren
Brechungsindex als undotiertes Quarzglas aufweist. Der niedrigere
Brechungsindex des Außenmantels 2 vermindert
das Austreten von Pumplicht 8 aus dem Pumpmantel 3.
Der Außenmantel 2 ist
umgekehrt konisch zum Pumpmantel 3 ausgeführt. Seine
Dicke nimmt über
eine Länge
von 20 m von der Einkoppelstirnseite 6 für das Pumplicht 8 bis
zur Auskoppelstirnseite 7 für das Laserlicht von 10 μm auf 1 mm
kontinuierlich zu. Dadurch ergibt sich eine insgesamt zylinderförmige Form
der Laserfaser.
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Das
Pumplicht 8 wird an der Einkoppelseite 6 (über die
größere der
beiden kreisförmigen
Endflächen 6 des
Pumpmantels 3) eingekoppelt. Die NA (Numerische Apertur)
des eingekoppelten Pumplichts 8 ist dabei an die NA des
Pumpmantels 3 so angepasst, dass eine gleichmäßige Einkopplung des
Pumplichts 8 über
die volle Länge
des Kerns 1 erreicht wird. Das Pumplicht 8 kann
hierbei vollständig
oder nur partiell die Endfläche 6 bestrahlen.
Vorzugsweise wird das Pumplicht 8 so in den Pumpmantel 3 eingestrahlt,
dass der Bereich der aktiven Kernfläche nicht oder möglichst
wenig mit Pumplicht 8 beaufschlagt wird.
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Das
Pumplicht 8 wird im Pumpmantel 3 so lange geführt, bis
die Bedingung für
die Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist und die Pumpstrahlung 8 in
den Kern 1 eindringen kann. Durch die konische Form des
Pumpmantels 3 kommt es bei jeder Reflexion an der Grenzfläche zum
Außenmantel 2 zu
einem zunehmend steileren Reflexionswinkel. Wird der Reflexionswinkel
nach mehreren Reflexionen zu steil, kann die Pumpstrahlung 8 in
den Kern 1 eindringen und eine Besetzungsinversion im aktiven
Kern 1 auslösen,
wodurch sich bei genügend
hoher Anregungsleistung die Laseremission 5 ergibt.
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Die
Lichtführung
im Pumpmantel 3 kann verbessert werden, wenn der Kern 1 von
einer dünnen inneren
Mantelschicht umhüllt
ist, deren Brechungsindex kleiner als derjenige des Pumpmantels
ist. In diesem Fall wird der Brechungsindex des Außenmantels 2 vorzugsweise
so gewählt,
dass er niedriger ist als derjenige der inneren Mantelschicht. Dadurch wird
verhindert, dass das Pumplicht 8 in Richtung des Außenmantels 2 austreten
kann.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
zeigt der Pumpmantel 3 anstelle einer sich in Richtung zum
Auskoppelende 7 hin linear verjüngenden, kegelförmigen Ausbildung
einen sich in Richtung zum Auskoppelende 7 hin nicht linear
verjüngenden,
gekrümmten
Verlauf. Ein derartiger Verlauf ergibt sich beispielsweise beim
Elongieren eines Glaszylinders in Form einer Ziehzwiebel oder eines
so genannten „Tapers”.
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Die
Länge des
optisch aktiven Bauteils kann in einem Bereich von einigen cm bis
zu einigen Metern betragen. Der Durchmesser liegt typischerweise im
Bereich von 0,2 mm bis 10 mm. Im Ausführungsbeispiel hat die Laserfaser
eine Länge
von 20 m und dies entspricht auch der Länge der Auskoppelstrecke.
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Bei
der in 10 dargestellten Ausführungsform
liegt der erfindungsgemäße Laser
in Form einer Faser vor, die hinsichtlich Kern 1, konischem
Pumpmantel 3 und gegenkonischem Außenmantel 2 der Ausführungsform
von 1 entspricht. Der Außenmantel 2 ist zusätzlich von
einer Stabilisierungsschicht 4 aus undotiertem Quarzglas
umgeben. Die Faser weist insgesamt einen gleichmäßigen Außendurchmesser auf.
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Die
folgenden 11 und 12 zeigen schematisch
Abwandlungen des in 1 dargestellten Verfahrensschrittes.
Sofern identische Bezugsziffern wie in 1 verwendet
sind, bezeichnen diese gleiche oder äquivalente Bauteile oder Bestandteile.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 11 ist vorgesehen,
dass der Zylinder 11 stirnseitig einen Außenkegel 13 aufweist,
dessen Konuswinkel α' kleiner ist als
der Konuswinkel β' der stirnseitigen
kegelförmigen
Vertiefung 14 des anderen Zylinders 12. Beim Zusammenfügen der
Zylinder 11, 12 kommt es daher definiert und reproduzierbar
zu einem ersten Kontakt zwischen der Kegelspitzen und dem Boden der
Vertiefung 14. Vom Boden der Vertiefung 14 ausgehend
wandert die Kontaktierungsfront von innen nach außen. Dadurch
können
Gase aus dem Spalt zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11, 12 bis
zum Schluss entweichen.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 12 ist vorgesehen,
dass der Zylinder 11 stirnseitig einen Außenkegel 13 aufweist,
dessen Konuswinkel α'' größer ist
als der Konuswinkel β'' der stirnseitigen kegelförmigen Vertiefung 14 des
anderen Zylinders 12. Der Zylinder 12 aus dem
Mantelzonenglas ist außerdem
mit einer Entlüftungsbohrung 28 versehen,
die sich in der Längsachse 15 erstreckt
und die am Boden der Vertiefung 13 mündet. Beim Zusammenfügen der
Zylinder 11, 12 kommt es daher definiert und reproduzierbar
zunächst
zu einer Anlage der Mantelfläche
des Außenkegels 13 am
umlaufenden Außenrand 27 der
Vertiefung 14. Dieser Kontakt führt zu einer Abdichtung des
verbleibenden Spaltes zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11; 12.
Das Gas aus diesem Spalt wird über
die Entlüftungsöffnung 28 abgesaugt
und anschließend
ein Vakuum aufrechterhalten. Vom Außenrand 27 ausgehend
wandert die Kontaktierungsfront von außen nach innen. Dadurch können Gase
aus dem Spalt zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11, 12 über die
Entlüftungsbohrung 28 bis
zum Schluss entweichen. Die Entlüftungsbohrung 28 wird
anschließend
zur Aufnahme eines Kernstabs aufbereitet und verwendet.
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13 zeigt
schematisch einen ersten Zylinder 11 aus undotiertem Quarzglas
und einen zweiten rohrförmigen
Zylinder 30 aus Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert
ist. Der erste Zylinder 11 weist eine Stirnseite auf, die
in Form eines Kegels 13 mit abgerundeter Kegelspitze geschliffen
ist. Der Konuswinkel beträgt
etwa 35 Grad. Der Außendurchmesser des
ersten Zylinders 11 beträgt 40 mm und ist an den Durchmesser
der Innenbohrung 31 (41 mm) angepasst.
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Die
Zylinder 11; 12 werden in die Drehfutter einer
Drehbank eingespannt und auf eine gemeinsame Mittel- und Rotationsachse 15 justiert.
Anschließend
wird der erste Zylinder 11 in die Innenbohrung 31 so
weit eingeführt,
dass die Zylindermantelfläche an
die Innenwandung der Innenbohrung anliegt.
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Der
so hergestellte Fügeverbund
wird im Kontaktbereich unter Rotation erhitzt, so dass der rohrförmige Zylinder 30 zunächst auf
den Zylinderaußenmantel
aufkollabiert und mit diesem verschmilzt. Wegen der Fluordotierung
wird dabei das Quarzglas des zweiten Zylinders 30 weicher
als das Quarzglas des ersten Zylinders 11.
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Anschließend wird über die
Innenbohrung 31 ein Unterdruck angelegt und aufrechterhalten,
wie dies der Blockpfeil 36 andeutet. Der rohrförmige Zylinder 30 kollabiert
auf den Außenkegel 13 auf.
Unterstützend
kann der Zylinder 30 dabei zu einem länglichen Vollzylinder abgezogen
werden, wie dies in 14 schematisch gezeigt ist.
Dabei verbleibt ein umlaufender Außenwulst 32 aus dem
Mantelzonenglas, der anschließend
entlang der Linien 33 abgeschliffen wird.
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Auf
diese Weise wird ein im Wesentlichen zylinderförmiger Rohling 35 gemäß 15 erhalten, der
in einem Kontaktbereich 37 eine sich konisch verjüngende Innenzone
(13) und eine sich gegenläufig konisch erweiternde Mantelzone
aufweist. Der Kontaktbereich wird zu einem optischen Bauteil weiterverarbeitet,
wie dies weiter oben erläutert
ist.
