DE102011103686A1

DE102011103686A1 - Verfahren und Herstellung einer mikrostrukturierten Faser mittels Hybridheiztechnik

Info

Publication number: DE102011103686A1
Application number: DE201110103686
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mannstadt; Bernd Hoppe
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: DE102011103686B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern mittels eines Ziehprozesses wobei
eine Pre-Form der Faser aus einem Fasermaterial, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung (1500) und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung (1200) auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Heizeinrichtung (1500) eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, so dass das Fasermaterial eine Viskosität im Bereich η = 10⁴ dPas bis η = 10⁸ dPas aufweist und
die zweite Heizeinrichtung (1200) eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, insbesondere im Bereich 1300 K bis 4000 K, ist, und die zweite Heizeinrichtung IR-Strahlung zur Erwärmung zur Verfügung stellt und erste und zweite Heizeinrichtung simultan in einer Heizzone die Pre-Form insbesondere von außen erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern in einem Ziehprozess sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung einer Vorform, insbesondere für einen Faserziehprozess zum Ziehen von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern.
Glasfasern zur Lichtleitung, wie sie vielfach beschrieben werden, beispielsweise Lexikon der Optik, Seiten 213–214, umfassen üblicherweise eine Kombination zweier Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, einem höher brechenden lichtleitenden Kernmaterial, das ummantelt wird von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um Glasmaterialien, wobei sich das Glasmaterial für das lichtleitende Kernglas von dem Glasmaterial des ummantelnden Glases mit niedrigerem Brechungsindex unterscheidet. Mit einem derartigen Aufbau kann Licht durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel entlang der Achse der Faser im Kern geführt werden, ohne dass das Licht durch den Mantel nach außen tritt. Derartige Fasern werden als so genannte Stufenindexfasern bezeichnet.
Eine andere Art von optischen Fasern stellen die sogenannten photonischen Kristallfasern, die auch als photonic-crystal-fibres (PCF) bezeichnet werden, dar. Bei derartigen Glasfasern erfolgt die Lichtleitung nicht durch den Brechungsindex unterschiedlicher Materialien, beispielsweise unterschiedlicher Gläser, sondern durch einen mittels Gas, insbesondere Luft erzeugten effektiven Brechungsindexunterschied innerhalb des Materials. Betreffend derartige Fasern wird beispielsweise auf P. St. J. Russel, „Photonic Crystal Fibres", Science 299, 358–362 (2003) verwiesen sowie P. St. J. Russel „Photonic Crystal Fibres", J. Light Wave Technology, 24(12), 4729–4749 (2006), deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Der mittels Gas, insbesondere Luft erzeugte effektive Brechungsindexunterschied innerhalb des Glases wird durch eine um den lichtleitenden Kern angeordnete Lochstruktur erreicht. Der lichtleitende Kern kann entweder ein Vollmaterial sein oder ein Gas, insbesondere Luft oder ein Edelgas, wie z. B. Argon.
Die Herstellung von photonischen Kristallfasern bereitet allerdings erhebliche Probleme, da bei einem herkömmlichen Ziehprozess die Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, aufgrund der Hohlräume sehr kompliziert war. Die Hohlräume tendieren bei steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen dazu, aufgrund der Oberflächenspannung zu kollabieren.
Das Kollabieren einzelner Strukturteile führte zum Kollabieren der gesamten Vorform, so dass im ungünstigsten Fall die komplette Struktur der Faser kollabiert ist.
Aus der FR 2 606 866 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mittels Ziehprozess bekannt geworden, wobei zwei Heizeinrichtungen eingesetzt werden. Bei dem Verfahren gemäß der FR 2 606 866 erfolgt ein Erwärmen in zwei getrennten Heizzonen, die hintereinander angeordnet sind. Als Materialien, die mit Hilfe der Einrichtung gemäß der FR 2 606 866 erwärmt werden, sind Polymeren beschrieben, insbesondere PMMA.
Die in der FR 2 606 866 gezeigte zweistufige Erwärmung verhindert ein gleichzeitiges Aufheizen des äußeren Teils und des inneren Teils einer Pre-Form bzw. Vorform. Das hieraus resultierende inhomogene Aufheizen mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der FR 2 606 866 führt zu einem Kollabieren der inneren Struktur der Pre-Form.
Weitere Schriften, die die Herstellung von Glasfasern betreffen sind die US 7,374,714 und die US 2005/0274149 , allerdings mit nur einer Heizeinrichtung.
Aus der DE 37 04 054 ist ein Verfahren zum Kollabieren eines Glasrohres bekannt geworden. Da das Glasrohr zuerst kollabiert werden muss, d. h. es muss schon heiß sein, bevor die CO₂-Strahlung überhaupt einen Effekt hervorrufen kann, kann die in der DE 37 04 054 erwähnte CO₂-Laserstrahlung nicht zur simultanen Aufheizung durch mehrere Heizeinrichtungen verwendet werden,
Des Weiteren wird in der DE 37 04 054 der innere Bereich des Glasrohres von innen geheizt und zwar durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO₂-Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann.
Weitere Schriften, die Glasfasern bzw. die Herstellung von Fasern zum Gegenstand haben sind die DE 698 27 630 und US 6,861,148 .
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren, insbesondere eine Vorrichtung anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können, insbesondere soll mit einem derartigen Verfahren und einer derartigen Vorrichtung das Ziehen von mikrostrukturierten Fasern ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren zur Herstellung von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern, ganz besonders bevorzugt von sogenannten photonischen Kristallfasern aus einem Fasermaterial mittels eines Ziehprozesses eine Vorform der Faser, insbesondere der mikrostrukturierten Fasern, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird, wobei die erste Heizeinrichtung eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermateriales liegt. Bevorzugt sind die Temperaturen, bei denen die Viskosität im Bereich η = 10⁴ dPas bis 10^7.6 dPas liegt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur bevorzugt 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials liegt. Die zweite Heizeinrichtung ist eine IR-Heizeinrichtung, wie beispielsweise in der WO 00/56674 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird, mit einer Temperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, ist. Erste und zweite Heizeinrichtung wirken im Wesentlichen simultan bzw. gleichzeitig in einer einzigen Heizzone. In einer einstufigen Erwärmung wird dann die Vorform der Faser bevorzugt von außen erwärmt.
Durch die erfindungsgemäße einstufige Erwärmung in einer Heizzone mit zwei Heizeinrichtungen wird ein gleichzeitiges Aufheizens des äußeren und inneren Teils der Pre-Form erreicht und ein Kollabieren der inneren Struktur vermieden.
Der Erweichungspunkt für unterschiedliche Fasermaterialien ist je nach Klasse des Fasermaterials bei unterschiedlichen Viskositäten definiert. Im Allgemeinen liegt der Erweichungspunkt im Viskositätsbereich von η = 10⁴ bis 10⁸ dPas.
Für Glas- und Glaskeramikmaterialien ist der Erweichungspunkt T_EW die Temperatur, bei der das Glas in Umgebungsatmosphäre eine Viskosität η = 10^7.6 dPas aufweist. Diesbezüglich wird auf „Schott-Guide to Glass", by Heinz G. Pfänder, Chapman & Hall, 1996, Seite 21, insbesondere Tabelle 2.1, verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird. Wie ebenfalls in Heinz G. Pfänder „Schott-Guide to Glass", Chapman & Hall, 1996, Seite 21 in Fig. 2.3 gezeigt, ist der Viskositätsverlauf über der Temperatur für unterschiedliche Glassorten unterschiedlich. Damit ergeben sich für unterschiedliche Glassorten unterschiedliche Erweichungspunkte bzw. Erweichungstemperaturen T_EW. Wie aus 2.3 hervorgeht, ist die Erweichungstemperatur für Quarzglas am höchsten, für bleihaltiges Lötglas am niedrigsten. Die Erweichungstemperatur für Aluminosilikatglas, für Borosilikatglas und für Kalk-Natron-Glas liegt dazwischen. Beispielsweise finden aber zum Ziehen von Fasern Gläser mit niedrigen Erweichungstemperaturen, wie beispielsweise Schwerflintgläser, z. B. das Glas SF6 der SCHOTT AG, Mainz, mit einer Erweichungstemperatur von T_EW = 519°C (n = 10^7.6 dPas) Verwendung. Alternativ hierzu könnten auch Quarzgläser Verwendung finden.
Durch die Verwendung von zwei Heizeinrichtungen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verhindert, dass eine unkontrollierte Veränderung der Hohlstruktur auftritt. Wie die Erfinder erkannt haben, tritt eine nicht kontrollierte, d. h. eine unkontrollierte, nicht beeinflussbare Formveränderung der Hohlstruktur immer dann auf, wenn eines der Heizverfahren für sich alleine betrieben wird.
Wird beispielsweise mit Hilfe einer konventionellen elektrischen Heizung, die beispielsweise die erste Heizeinrichtung sein kann, eine Vorform von außen nach innen durch Wärmeübergang der heißen Ofenatmosphäre an die Oberfläche der Vorform, die einen Hohlkörper darstellt, übertragen und von dort durch Wärmeleitung in das Innere der Hohlstruktur, so stellt die Hohlstruktur einen besonders hohen Wärmewiderstand dar, und der Temperaturgradient steigt in diesem Bereich der Vorform stark an. Es ist dann notwendig, die Oberfläche der äußeren Struktur über die eigentlich notwendige Ziehtemperatur hinaus zu erwärmen, damit das Innere der Hohlstruktur die Ziehtemperatur erreicht. Dies führt dazu, dass am äußeren Umfang der Struktur die Temperatur so hoch ansteigt, dass die dort befindlichen Hohlstrukturen aufgrund der Oberflächenspannung, die mit steigender Temperatur und kleineren Strukturgrößen wächst, ihre Form verändert oder sogar kollabiert. In der Folge verändern die weiter innen liegenden und benachbarten Löcher ihre Form ebenfalls, da der Wärmewiderstand von außen aufgrund der in der Form veränderten bzw. bereits kollabierten Löcher geringer wird und somit der Wärmeeintrag in die noch vorhandene Struktur ansteigt. Dieser Dominoeffekt setzt sich dann fort, bis die komplette Strukturform verändert bzw. kollabiert ist. Ein stabiler Ziehprozess alleine mit Aufheizen der Vorform durch eine einzige Heizeinrichtung, beispielsweise einer als elektrischer Heizung ausgelegten ersten Heizeinrichtung, ist daher nicht möglich.
Auch der alleinige Einsatz einer zweiten Heizeinrichtung, die im Wesentlichen auf einer IR-Heizung beruht, die lokal Infrarot-Strahlung emittiert, ist nicht möglich. Zwar kann die Infrarot-Strahlung ungehindert das Äußere der Struktur durchdringen, jedoch erfolgt durch Mehrfachreflexion an den einzelnen Oberflächen der Hohlstruktur ein Mehrfachdurchgang der IR-Strahlung durch die Hohlstruktur und bewirkt einen lokal erhöhten Anteil absorbierter IR-Strahlung, was zu einer starken Erwärmung der Hohlstruktur im Vergleich zum Äußeren der Struktur führt. Beim Erreichen der Ziehtemperatur im äußeren Bereich der Struktur ist somit in der Hohlstruktur die Temperatur schon deutlich erhöht, was eine geringere Viskosität zur Folge hat, weswegen die Struktur ihre Form verändert bzw. kollabiert.
Erfindungsgemäß werden nunmehr die beiden zuvor einzeln beschriebenen Heizmethoden, die für sich genommen jeweils zu einer unkontrollierten bzw. nicht beeinflussbaren Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur führen, kombiniert, nämlich die konventionelle Beheizung zusammen mit der IR-Beheizung. Überraschender Weise führt diese Kombination dazu, dass eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. ein Kollabieren der Struktur vermieden werden kann, obwohl die jeweilige Methode für sich alleine betrachtet dies nicht leisten kann. Die Erklärung dafür, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, ohne eine unkontrollierte bzw. nicht beeinflussbare Formveränderung bzw. Kollabieren der Struktur hohle Vorformen, wie sie beim Herstellen von PCF (photonic crystal fiber)-Fasern eingesetzt werden, aufzuheizen, ist darin zu sehen, dass mittels der konventionellen, d. h. der ersten Heizeinrichtung, lediglich das Äußere der Struktur, die auch als Hüllrohr bezeichnet wird, aufgeheizt wird, während mit Hilfe der IR-Beheizung gleichzeitig vorwiegend nur die innere Hohlstruktur erwärmt wird. Es ist dann möglich, die Temperaturen von äußerer Struktur und innerer Struktur nahezu unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere muss über die erste Heizeinrichtung, d. h. die in der Regel konventionellen Heizelemente, nur so viel Wärmeenergie in das Äußere der Struktur eingebracht werden, wie notwendig ist, um die äußere Struktur, insbesondere das Hüllrohr, exakt auf die Ziehtemperatur für einen nachfolgenden Ziehprozess zu bringen. Ein zusätzlicher, durch den großen Wärmewiderstand der Hohlstruktur relativ hoher Energieeintrag durch das Hüllrohr, der zum Aufheizen der inneren Struktur führt, muss nicht zur Verfügung gestellt werden. Umgekehrt ist es bei der Beheizung mit Infrarot-Strahlung nur erforderlich, so viel Energie in die innere Struktur zu transportieren bzw. einzutragen, wie im Bereich der inneren Struktur zur Aufheizung derselben auf exakt die Ziehtemperatur notwendig ist. Als weiterer positiver Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflussen sich die äußere Struktur sowie die Hohlstruktur gegenseitig, und es findet ein gewisser Wärmeaustausch statt. Zusammen mit den beiden Heizmethoden führt dies zu einer Homogenisierung der Temperatur über den gesamten Querschnitt der Vorform. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise das Temperaturniveau der Vorform im Ziehprozess absenken, da nur so viel Energie lokal eingebracht werden muss, wie lokal benötigt wird, um die Ziehtemperatur exakt zu erreichen. Dies ermöglicht, dass der Ziehprozess mit höchstmöglicher Viskosität durchgeführt wird. Die Ziehtemperatur liegt bevorzugt in einem Temperaturbereich, in dem die Viskosität des Fasermaterials im Bereich η = 1.10⁴ bis 1.10⁸ liegt. Für Glasmaterialien liegt die Viskosität bevorzugt im Bereich η = 1.10⁴ bis 1.10^7.6 dPas, d. h. die Ziehtemperatur des Glasmaterials liegt stets oberhalb der Temperatur des Glasmaterials am Erweichungspunkt, d. h. oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung finden als Glasmaterial Schwertflintgläser, beispielsweise das Schwertflintglas SF6 der SCHOTT AG, Verwendung. Bei Einsatz beispielsweise des Glases SF6 mit T_EW = 519°C (= η 1.10^7.6) liegt die Ziehtemperatur in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zwischen 540°C und 620°C. Da mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Viskosität auf sehr hohem Niveau bleibt, kann die Oberflächenspannung in den Löchern der Hohlstruktur niedrig gehalten werden, und eine Formveränderung, insbesondere ein vollständiges Kollabieren, wird verhindert. Um auch eine geringe Verkleinerung der Hohlstruktur beim Ziehen aufgrund der Oberflächenspannung des Glases zu vermeiden, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, durch Anlegen eines inneren Überdruckes an die Löcher der Hohlstruktur einem solchen Phänomen entgegen zu wirken. Hierbei ist die Höhe des Druckes so zu wählen, dass genau der Betrag der Oberflächenspannung ausgeglichen wird und sich die gewünschte Strukturgröße einstellt. Insbesondere ist es durch Anlegen eines Überdruckes möglich, die Strukturen gezielt einzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bevorzugt von Raumtemperatur an simultan mit beiden Heizeinrichtungen in einer einzigen gemeinsamen Heizzone geheizt und so ein homogenes Temperaturfeld erzeugt. Damit wird eine geometrische Veränderung der inneren Mikrostruktur im Gegensatz zu einem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 vermieden. Bei dem Verfahren gemäß der DE 37 04 054 wird nämlich durch das Heizen des inneren Bereiches des Glasrohres von Innen durch das oben offene Glasrohr mit Strahlung (durch CO₂-Laser), welche das Glas von außen nicht durchdringen kann das Glasrohr zum Kollabieren gebracht.
Besonders bevorzugt ist es, als Materialien, d. h. als Fasermaterialien zur Herstellung der mikrostrukturierten Fasern ein Glasmaterial, ein Glaskeramikmaterial, ein Kompositwerkstoff oder ein Glas-Metall-Verbund einzusetzen. Alternativ zu den zuvor genannten Glasmaterialien sind auch transparente Kunststoffmaterialien, insbesondere PMMA, denkbar.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn Glasmaterialien eingesetzt werden, beispielsweise Quarzglas, Multikomponenten-Gläser, insbesondere Schwertflintgläser. Während Quarzglas im Wesentlichen eine hohe Transmission zur Verfügung stellt, was insbesondere für lange Übertragungsstrecken, beispielsweise im Bereich der Nachrichtentechnik, vorteilhaft ist, wird bei kurzen Übertragungsstrecken, die keine hohe Transmission erfordern, sondern spezielle optische Eigenschaften, beispielsweise hohe Nichtlinearitäten ein Multikomponenten-Glas, insbesondere ein Schwertflintglas wie das Glas SF6 der Schott AG eingesetzt. Derartige Multi-Komponenten-Gläser besitzen hervorragende, nicht lineare optische Eigenschaften, die beispielsweise um 100 bis 1000 mal höher als bei Quarzglas sind.
Weitere Glasmaterialien sind: ein Phosphatglas, ein Chalkogenidglas, ein Oxynitridglas oder ein silikatisches Glas.
Um die Vorform zu erhalten, aus der die mikrostrukturierten Fasern gezogen werden können, kann in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, eine Vielzahl von einzelnen Hohlrohren, beispielsweise 4 mm starken Rohren, zusammenzustellen, ergebend eine Vorform mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm und einer Länge von bis zu 1 m. Je nach dem, ob Fasern hergestellt werden sollen, bei denen der Kern lichtleitend aus einem Vollmaterial hergestellt wird, oder alternativ zur Lichtleitung ein Hohlkern verwandt wird, wird vor dem Faserziehen entweder genau in der Mitte der Vorform das Rohr durch einen Stab gleichen Durchmessers ersetzt, der später den lichtleitenden Kern bildet oder mittig liegende innere Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt, so dass ein Hohlkern entsteht, der später den lichtleitenden Teil bildet. Anschließend wird die so zusammengestellte Form in einem ersten Ziehschritt, beispielsweise mit einem Faserziehturm, mit einer konventionellen elektrischen Heizung auf einen Durchmesser von beispielsweise 6 mm verjüngt. Dies ergibt dann die Vorform, wie sie im erfindungsgemäßen Ziehverfahren zum Ziehen der mikrostrukturierten Faser eingesetzt wird.
Je nach Material liegt die zum Ziehen notwendige Glastemperatur bei unterschiedlichen Temperaturen. Wird beispielsweise ein Multi-Komponenten-Glas, das hervorragende nicht lineare optische Eigenschaften besitzt, beispielsweise das Glas SF6 der Schott AG, Mainz, verarbeitet, so liegt die zum Ziehen notwendige Glastemperatur aus der Form in die Vorform, wie sie dem weiteren Ziehverfahren zugrunde liegt, abhängig vom Durchmesser der zu ziehenden Faser, zwischen 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K über dem Erweichungspunkt mit einer Viskosität von 10^7,6 dPas von 519°C Bei diesem ersten Ziehschritt ist es also möglich, ein konventionelles elektrisches Heizaggregat beispielsweise mit einer Ofentemperatur von 620°C einzusetzen, um eine Glastemperatur von 550°C zu erreichen. Durch den ersten Ziehschritt verkleben die einzelnen Rohre an deren Oberfläche entlang der Achse der Form, so dass ein fester Stab mit einer Lochstruktur entsteht. Die Struktur der einzelnen Rohre in dem strukturierten Stab wird dabei maßstäblich verkleinert. Bei dem ersten Ziehschritt sind die erzielten Lochdurchmesser aber noch so groß, dass ein Kollabieren infolge von Oberflächenspannungen nicht auftritt.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, um die endgültige Faser in der gewünschten Lochgröße von typischerweise > 1 μm Durchmesser pro Loch bei einem Gesamtfaserdurchmesser von typischerweise 125 μm zu erreichen, einen zweiten Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen durchzuführen. Hierbei ist zu beachten, dass ein entsprechendes Ziehverhältnis, d. h. ein Verhältnis von Vorformdurchmesser zu Faserdurchmesser, eingestellt wird. Um eine Faser mit einem Standarddurchmesser von 125 μm zu erhalten, ist es vorteilhaft, dass die Vorform, aus der die endgültige Faser im erfindungsgemäßen Verfahren gezogen wird, einen Durchmesser von 25 mm aufweist.
Bevorzugt wird ein derartiger Durchmesser dadurch erreicht, dass man den im ersten Ziehschritt erhaltenen Stab mit einem Durchmesser von beispielsweise 6 mm mit einem dickwandigen Hüllrohr gleichen Materials umgibt, so dass der Gesamtdurchmesser der Vorform 25 mm beträgt.
Die Temperatur, mit der der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung mit zwei Heizaggregaten durchgeführt wird, liegt im Bereich von 10 K bis 100 K, insbesondere 10 K bis 80 K, insbesondere 20 K bis 60 K über dem Erweichungspunkt, d. h. der Erweichungspunkt T_EW des zu ziehenden Fasermaterials, insbesondere Glasmaterials.
Um die Temperatur im Ziehprozess zu bestimmen, ist es vorteilhaft, wenn eine Temperaturmesseinrichtung eingesetzt wird. Bevorzugt wird als Temperaturmesseinrichtung ein Pyrometer eingesetzt. Mit Hilfe eines Pyrometers ist es möglich, die von einem Körper emittierte Wärmestrahlung zu erfassen und auszuwerten. Da die Wärmestrahlung in ihrer Intensität von der Temperatur abhängt, ist es mit Hilfe des Pyrometers möglich, die Temperatur zu bestimmen.
Bevorzugt wird ein Pyrometer eingesetzt, das mit einer Wellenlänge von 5 μm arbeitet, um exakt Oberflächentemperaturen zu messen.
Um mit Hilfe des Pyrometers die Temperatur im Inneren der Vorform zu bestimmen, wird bevorzugt ein Pyrometer in Abhängigkeit von der Materialart, insbesondere beispielsweise von der Glassorte, eingesetzt, bei der das Material bzw. das Glas bis zum Messort für die vom Pyrometer verwandte Strahlung transparent ist.
Bevorzugt ist es, wenn die mit Hilfe der Temperaturmesseinrichtung, insbesondere des Pyrometers, bestimmten Temperaturen dazu verwandt werden, die Heizleistung der Heizeinrichtungen zu beeinflussen, insbesondere zu regeln. Mit Hilfe der Pyrometermessung lässt sich eine Aussage über die Aufheizung der Vorform treffen und die Heizeinrichtung, entsprechend so ansteuern, dass die gewünschte Ziehtemperatur erreicht wird.
Neben der Herstellung einer mikrostrukturierten Faser mit einem einzigen lichtleitenden Kern ist es auch möglich, dass eine Vorform mehr Kerne umfassen kann, so dass aus einer derartigen Vorform eine multi-core-mikrostrukturierte Faser gezogen werden kann.
Zur Festigkeit der Faser kann direkt nach dem erfindungsgemäßen Ziehprozess eine Beschichtung der Faser, beispielsweise mit einer Kunststoffschicht, vorgenommen werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Verwendung von UV-aushärtendem Acrylat als Beschichtungsmaterial.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung, die insbesondere zur Erwärmung einer Vorform, bevorzugt für einen Faserziehprozess eingesetzt werden kann, zur Verfügung. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine erste und eine zweite Heizeinrichtung, wobei die erste Heizeinrichtung eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Fasermaterials liegt. Die Erweichungstemperatur T_EW, beispielsweise für Glasmaterialien, liegt bei einer Viskosität von η = 10^7.6 dPas. Bevorzugt liegt die Temperatur bei 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW. Die zweite Heizeinrichtung ist bevorzugt eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, besonders bevorzugt > 2500 K ist. Erste und zweite Heizeinrichtung sind in der Vorrichtung derart angeordnet, dass im Wesentlichen simultan, d. h. im Wesentlichen gleichzeitig die Vorform bzw. die sogenannte Pre-Form in einer einzigen Heizzone von außen erwärmt wird.
Durch die beiden Heizelemente ist es möglich, die Temperatur der Vorform sowohl im Außenbereich der Vorform, beispielsweise im Bereich des Hüllrohres, einzustellen und exakt genau dieselbe Temperatur im inneren der Vorform mit Hilfe der IR-Strahlungsquelle.
Durch die exakte Einstellung der Temperatur ist es möglich, den Ziehprozess mit geeigneter Viskosität durchzuführen. Besonders bevorzugt liegt die Viskosität beim Ziehprozess für Glasmaterialien im Bereich η = 10⁴ dPas bis 10^7.6 dPas. Bevorzugt liegt die Temperatur bei 10 K bis 100 K, insbesondere 20 K bis 60 K oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW. In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, zwei getrennte Heizelemente einzusetzen, wobei das eine Heizelement ein elektrisches Heizelement ist, das mit einer derartigen Temperatur betrieben wird, so dass das Fasermaterial eine Viskosität bevorzugt im Bereich η = 10⁴ bis 10^7.6 dPas bei Glasmaterialien aufweist. Das andere Heizelement ist ein IR-Heizelement, das mit einer Farbtemperatur > 1500 K, bevorzugt > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, betrieben wird. Betreffend die IR-Heizelemente und die Erwärmung von Glasmaterialien mit derartigen Heizelementen wird z. B. auf WO 00/56674 oder die WO 00/56675 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen wird. Ist die Strahlungsquelle schwarz oder grau und weist eine Farbtemperatur von 1500 K auf, so strahlt die Quelle 51% der Gesamtstrahlungsleistung in einem Wellenlängenbereich über 2,7 μm ab. Beträgt die Farbtemperatur weniger als 1500 K, wie bei den meisten Widerstandsheizelementen, so wird noch wesentlich mehr als 51% der Strahlungsleistung oberhalb von 2,7 μm Wellenlänge abgegeben. In diesem Wellenlängenbereich wird die Strahlung oberflächennah absorbiert, so dass eine inhomogene aber effiziente Aufheizung entsteht. Werden also Infrarot-Strahlungsquellen mit einer Farbtemperatur > 1500 K eingesetzt, so wird die von diesen Strahlungsquellen ausgehende kurzwellige Infrarot-Strahlung vom Glas bzw. der Glaskeramik beim einmaligen Auftreffen auf das Glas bzw. die Glaskeramik nicht absorbiert, sondern reflektiert, gestreut oder weitgehend durchgelassen. Auf diese Art und Weise kann über das gesamte Volumen eine weitgehend homogene aber geringe Erwärmung erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, anstelle der aktiven Beheizung mittels eines elektrischen Heizelementes als ein erstes Heizelement ein Heizelement vorzusehen, das mit einer indirekten Beheizung betrieben wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die IR-Heizelemente in Kombination mit einem Strahlungs-Hohlraum verwandt werden.
Wird die Erwärmung nur mit einem einzigen aktiven Heizelement durchgeführt, so ist das aktive Heizelement bei einer derartigen Ausgestaltung ein IR-Strahlungsheizelement, mit dem die innere Struktur der Vorform aufgeheizt wird. Zwischen dem IR-Heizelement und der Vorform befindet sich ein geeignetes Absorbermaterial, beispielsweise Edelstahl in Form eines Hohlzylinders, der wenigstens eine Öffnung enthält. Dies führt dazu, dass nur ein Teil der Strahlung des bzw. der IR-Heizelemente, nämlich derjenige Teil, der durch die Öffnungen hindurch tritt, zur Vorform und damit in das Innere der Vorform gelangt. Der restliche IR-Strahlungsanteil wird von dem eingebrachten Hohlzylinder absorbiert, der sich dadurch erwärmt. Die Größe, Anzahl und Anordnung der Öffnungen bestimmt den IR-Strahlungsanteil, der zur inneren Struktur der Vorform gelangt und denjenigen Anteil, der von dem Strahlungsstörkörper, hier dem Zylinderelement, aufgenommen wird. Der Strahlungsstörkörper stellt damit selbst ein Heizelement, nämlich das erste Heizelement, dar.
Von dem indirekten Heizelement, das die IR-Strahlung aufnimmt und somit selbst zum Heizelement wird, indem es konvektiv und über Strahlung Wärme in Richtung der Vorform abgibt, kann man sowohl die Temperatur des indirekten Heizelementes wie auch des IR-Heizelementes einstellen.
Damit hat man die Möglichkeit, nur mit der Veränderung der Leistung des IR-Heizelementes die Wärmeabgabe auch des ersten Heizelementes zu beeinflussen.
Ist eine Einstellung mit Hilfe des IR-Heizelementes für das erste Heizelement nicht alleine möglich, so können am Zylinder, der das erste Heizelement ausbildet, Zusatzheizungen oder eine aktive Kühlung des Zylinders vorgenommen werden.
Wiederum ist es vorteilhaft, wenn zur Bestimmung der Temperatur der Vorform im Ziehprozess eine Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise einen Pyrometer umfasst.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wie beschrieben auch einen Einsatz umfassen, der allerdings nicht wie der Filter in der FR 2 606 866 zum Herausfiltern von bestimmten Wellenlängen eingesetzt wird, sondern zur gleichmäßigen Intensitätsreduzierung des gesamten Spektrums dient. Der Einsatz dient gleichzeitig zur Emission anderer Wellenlängen, da er erwärmt wird und somit selbst abstrahlt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Es zeigen:
1a eine Pre-Pre-Form einer mikrostruktuierten Faser als Basis für einen ersten Ziehschritt;
1b Multifaserstab nach Durchführen des ersten Ziehschrittes, ergebend die Vorform (Pre-Form) für den zweiten Ziehschritt mit zwei Heizeinrichtungen;
2 gezogene Fasern nach dem zweiten Ziehschritt mit zwei Heizeinrichtungen;
3 Vorrichtungen zum Ziehen einer Faser aus einer Pre-Form mit zwei Heizeinrichtungen;
4 schematische Skizze einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik
5 schematische Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung
In 1a ist eine Pre-Pre-Form einer mikrostrukturierte Faser, die zu einer Vorform (Pre-Form) in einem ersten Schritt gezogen wird und dann in einem zweiten Ziehschritt bzw. Ziehprozess zu der gewünschten mikrostrukturierten Faser gezogen wird, dargestellt.
Die Pre-Pre-Form gemäß 1a, die Ausgangspunkt für eine mit Hilfe von Ziehprozessen, hier einem zweistufigen Ziehprozess, hergestellte mikrostrukturierte Faser ist, besteht aus mehreren, nebeneinander gestellten Rohren bzw. Röhren 100. Bevorzugt sind die Rohre aus dem Material, insbesondere dem technischen oder optischen Glas, aus dem die komplette Glasfaser hergestellt werden soll. Die Rohre können beispielsweise aus Quarzglas bestehen. Will man eine Faser erhalten, die sich durch große Nichtlinearitäten auszeichnet, so ist es besonders bevorzugt, wenn die einzelnen Rohre 100 aus einem Schwertflintglas, beispielsweise dem Glas SF6 der Schott AG, bestehen, das hervorragende nichtlineare optische Eigenschaften besitzt. Der Außendurchmesser D_außen der Rohre ist beispielsweise 4 mm und der Innendurchmesser D_innen 3 mm, bei Vollmaterial weist der zylinderförmige Körper bzw. das Rohr nur einen Außendurchmesser von 4 mm auf.
Setzt sich die Pre-Pre-Form, wie dargestellt, aus 15 nebeneinander gestellten Rohren mit je 4 mm Außendurchmesser zusammen, so beträgt der Gesamtdurchmesser der Pre-Pre-Form 15 × 4 mm = 60 mm. Selbstverständlich wären Pre-Pre-Formen auch mit einer anderen Rohranzahl möglich, z. B. mit 6, 12 oder 18 Rohren bzw. rohrförmigen Körpern.
Wird nun in einem ersten Ziehschritt die Pre-Pre-Form gezogen, so ergibt sich eine Pre-Form, d. h. eine Vorform beispielsweise mit einem 10-fach geringeren Außendurchmesser, der beispielsweise D_außen (Pre-Form) 6 mm beträgt. Die Pre-Form, die in 1b dargestellt ist, wird in einem zweiten Ziehschritt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter verarbeitet. Für den zweiten Ziehschritt wird die Pre-Form mit einem Außendurchmesser D_außen von 6 mm beispielsweise in ein hohles Hüllrohr derart eingebracht, dass das Hüllrohr die Pre-Form vollständig umgibt. Der Durchmesser der Öffnung des Hüllrohres, in die die Pre-Form eingelegt wird, entspricht in etwa dem Außendurchmesser der Pre-Form, d. h. ca. 6 mm. Das Hüllrohr selbst hat beispielsweise einen Durchmesser D_Hüll = 25 mm. In dem zweiten, erfindungsgemäßen Ziehschritt wird die Pre-Form zusammen mit dem sie umgebenden Hüllrohr gezogen. Nach dem Ziehen im zweiten Ziehschritt beträgt dann der Außendurchmesser des Hüllrohres mit innen liegenden Fasern 125 μm.
Die Länge D_L der Pre-Pre-Form, der Pre-Form und der Faser kann ein Meter oder mehr betragen.
In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist in der Mitte 102 der Pre-Pre-Form 110 gemäß 1a kein Vollmaterial eingelassen. Ein derartiges Vollmaterial könnte beispielsweise ein in die Mitte eingelassener Stab sein, der den gleichen Durchmesser aufweisen kann wie die Rohre, d. h. von 4 mm. Ein derartiger Stab (nicht gezeigt) würde in der späteren Phase den lichtleitenden Kern ausbilden.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist es hingegen so, dass einige in der Mitte liegenden inneren Rohre, beispielsweise sieben Stück, entfernt wurden, so dass ein Hohlkern 120 entsteht, der später den lichtleitenden Teil ausbildet.
Wie zuvor beschrieben, wird die Pre-Pre-Form in einem ersten Ziehschritt beispielsweise mit einem Faserziehturm, der mit einer elektrischen Heizung ausgestattet sein kann, gemäß 1a auf einen Durchmesser D_neu durch Ziehen von 60 mm auf beispielsweise 6 mm verjüngt. Die gezogene und verjüngte Pre-Form 135 ist in 1b dargestellt. Wird als Material für die mikrostrukturierte Faser ein Multikomponenten-Glas, beispielsweise das Glas SF6 der SCHOTT AG, eingesetzt, so liegt die zum Ziehen notwendige Glastemperatur über dem Erweichungspunkt, d. h. bei einer Viskosität von 10^7.6 dPas von 519°C Durch den Ziehprozess verkleben die einzelnen Rohre der Form 110, wie in 1a gezeigt, an deren Oberfläche entlang der Achse 140 der Form 110, so dass ein fester Stab mit einer Lochstruktur mit einem Hohlkern 130 entsteht. Die einzelnen Rohre 100 werden in diesem strukturierten Stab maßstäblich verkleinert. Ausgehend von der verjüngten Pre-Form 135, wie in 1b dargestellt, wird in einem erfindungsgemäßen Ziehverfahren mit zwei Heizeinrichtungen die in 2 dargestellte mikrostrukturierte Faser erhalten. Hierzu wird die Pre-Form gemäß 1b in ein Hüllrohr, beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 25 mm, eingeführt und anschließend der zweite Ziehprozess gemäß der Erfindung durchgeführt.
Bei der in 2 gezeigten Endform der mikrostrukturierten Fasern nach dem erfindungsgemäßen Ziehprozess mit zwei Heizeinrichtungen wird der Durchmesser der Löcher 130 auf einen Durchmesser von typischerweise 1 μm bis 5 μm verkleinert. Der Gesamtdurchmesser der Faser D_Faser beträgt nach dem Ziehen ca. 125 μm. Um ausgehend von beispielsweise der in 1b dargestellten verjüngten Pre-Form 135 mit einem Durchmesser von 6 mm eine Faser mit einem Durchmesser von 125 μm, wie in 2 dargestellt, zu ziehen, ist es vorteilhaft, wie zuvor beschrieben, den im ersten Ziehschritt in den 1a und 1b erhaltenen Stab, die sogenannte Pre-Form mit einem Durchmesser von 6 mm mit einem dickwandigen Hüllrohr gleichen Materials zu umgeben. Der Durchmesser der nicht gezeigten Faser mit einem derartigen Hüllrohr beträgt dann 25 mm. Ausgehend von einem derartigen Körper, kann beispielsweise mit einem Ziehverhältnis von 200 eine Faser mit dem gewünschten Außendurchmesser von 125 μm gezogen werden.
In 2 ist der Kern mit der Lochstruktur, d. h. die nach dem Ziehen mit Bezugsziffer 210 bezeichnet, die einzelnen Rohre mit Bezugsziffer 200 sowie der hohle Kern mit Bezugsziffer 230. Der die Lochstruktur umgebende Hüllkörper ist mit Bezugsziffer 250 gekennzeichnet. Wie zuvor ausgeführt, wird der Hüllkörper um die Pre-Form 135 nach dem ersten Ziehprozess angeordnet, ergebend die Ausgangsform mit einem Durchmesser von 25 mm für den erfindungsgemäßen Faserziehprozess.
Um die in 2 gezeigte Form der mikrostrukturierten Faser zu erreichen und eine Formveränderung bzw. Kollabieren der einzelnen Löcher beim Ziehen, ausgehend von der Pre-Form, zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwei Heizeinrichtungen einzusetzen, eine erste Heizeinrichtung, die eine Aufheizung des Hüllkörpers 250 bewirkt sowie eine zweite Heizeinrichtung, die die Aufheizung der Hohlstruktur mit Löchern und hohlem Kern zur Lichtleitung bewirkt. Die beiden Heizeinrichtungen wirken in einer einzigen Heizzone auf die Vorform, di im Wesentlichen gleichzeitig bzw. simultan erwärmt wird. Die Vorform wirkt somit von außen einstufig.
Bei einem derartigen Heizaggregat handelt es sich um eine konventionelle Beheizung für den Hüllkörper und eine Beheizung der Hohlstruktur, bestehend aus Löchern und hohlem leitenden Kern, die von dem Hüllkörper umgeben wird, mit Hilfe von IR-Strahlungsquellen beim Ziehprozess.
Eine derartige Vorrichtung ist detailliert in 3 dargestellt. In 3 dargestellt ist der Ziehturm 1000, in den die Pre-Form mit Hüllkörper, wie beschrieben, eingeführt wird. Die Pre-Form mit Hüllkörper wird durch einen Ziehprozess bei einer Ziehtemperatur, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung eingestellt wird, gezogen. Die gezogene Faser ist mit 1100 bezeichnet.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zwei Heizeinrichtungen. Vorliegend ist lediglich eine Heizeinrichtung aktiv ausgelegt, das ist die zweite Heizeinrichtung 1200, die in vorliegender Ausführungsform insgesamt vier IR-Strahler 1201.1, 1201.2, 1201.3, 1201.4 umfasst. Die zur Anwendung gelangten IR-Strahler können Halogen-IR-Strahler mit einer Nennleistung von 2000 Watt bei einer Spannung von 230 V sein, welche bevorzugt eine Farbtemperatur von 2400 K besitzen. Diese IR-Strahler haben entsprechend dem Wien'schen Verschiebungsgesetz ein Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von 1210 nm. Bei dem erfindungsgemäßen Ziehverfahren befinden sich die IR-Heizeinrichtung und das zu ziehende Gut in einem IR-Strahlungshohlraum 1300. Der Strahlungshohlraum 1300 sorgt dafür, dass die Erwärmung des zu ziehenden Glases zum einen Teil direkt durch die IR-Strahlung der IR-Strahler erfolgt und zum anderen indirekt durch von den Wänden, der Decke und/oder dem Boden des IR-Strahlungshohlraumes reflektierte bzw. rückgestreute IR-Strahlung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil der indirekten, d. h. der rückgestreuten bzw. reflektierten Strahlung, die auf dem zu erwärmenden Glas bzw. Glaskeramikrohling, hier die zu ziehende Faser 1100, einwirkt, mehr als 50%, bevorzugt mehr als 60%, bevorzugt mehr als 70%, bevorzugt mehr als 80%, besonders bevorzugt mehr als 90%, insbesondere mehr als 98% beträgt. Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines IR-Strahlungshohlraumes ist es, dass es sich bei Verwendung von sehr stark reflektierenden und/oder rückstreuenden Wand-, Boden- und/oder Deckenmaterialien um einen Resonator hoher Güte handelt, der nur mit geringen Verlusten behaftet ist und daher eine hohe Energieausnutzung gewährleistet. Bei der Verwendung diffus rückstreuender Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien wird eine besonders gleichmäßige Strahlung aller Volumenelemente des Hohlraums unter allen Winkeln erreicht. Damit werden etwaige Abschaltungseffekte vermieden. Als rückstreuendes, d. h. re-emittierendes Wandmaterial können beispielsweise geschliffene Quarzalplatten Verwendung finden. Auch andere IR-Strahler und rückstreuende Materialien sind als Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien oder Beschichtungen des IR-Strahlungshohlraumes möglich, beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien:
Al₂O₃;
BaF₂;
BaTiO₃;
CaF₂;
CaTiO₃;
MgO·3,5 Al₂O₃;
MgO;
SrF₂;
SiO₂;
TiO₃;
Sr₃;
TiO₂;
Spinell;
Cordierit;
Cordierit-Sinterglaskeramik.
Die IR-Strahler haben eine Farbtemperatur, die bevorzugt > 1500 K, besonders bevorzugt > 2000 K, ganz besonders bevorzugt > 2400 K, insbesondere > 2700 K, insbesondere bevorzugt > 3000 K ist.
Um eine Überhitzung der IR-Strahler zu vermeiden, sind diese vorteilhafterweise gekühlt, insbesondere luft- oder wassergekühlt (nicht dargestellt).
Zwischen dem zu ziehenden Gut, hier der zu ziehenden Faser 1100 und den IR-Strahlen 1201.1, 1201.2, 1201.3, 1201.4 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Metallhülse 1500 mit Öffnungen 1600.1, 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 angeordnet. Die Metallhülse 1500 mit Öffnung ist ein sogenannter Strahlungsstörkörper, der zwischen die IR-Heizelemente und die zu ziehende Faser 1100 eingebracht wird. Unter dem Einfluss der IR-Strahlung erwärmt sich die Metallhülse 1500 bzw. der Strahlungsstärkörper selbst auf eine bestimmte Temperatur und wird somit selbst zum Heizelement, vorliegend zum ersten Heizelement, das konvektiv und über Strahlung Wärme in Richtung der zu ziehenden Faser 1100 abgibt. Ein Teil der Strahlung der IR-Heizelemente gelangt durch die Öffnungen, z. B. axiale Schlitze am Umfang des Hohlzylinders zur Vorform bzw. zur zu ziehenden Faser und von dort in das Innere der Vorform, d. h. in die Hohlstruktur. Diese IR-Heizung wird als zweites Heizelement bezeichnet. Erstes und zweites Heizelement heizen zusammen den zu ziehenden Glaskörper auf. Durch geschickte Materialauswahl des Metallkörpers 1500 und der gewählten Leistung der IR-Heizelemente lässt sich die Temperatur des Zylinders auf einen beliebigen Wert unterhalb der IR-Strahlertemperatur, vorliegend auf eine Temperatur oberhalb, bevorzugt 10 K bis 100 K, oberhalb der Erweichungstemperatur T_EW des zu ziehenden Materials einstellen. Wird das Glasmaterial SF6 der SCHOTT AG Mainz verwandt, so ist die Erweichungstemperatur T_EW = 519°C. Die IR-Strahler werden dann beispielsweise so eingestellt, dass die Temperatur 600°C beträgt. Durch die Kombination der beiden Heizmethoden – konvektive Heizung mittels des ersten Heizelementes und IR-Beheizung mittels des zweiten Heizelementes – kann eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung des zu ziehenden Körpers, hier der Pre-Form für die zu ziehende Faser, erreicht werden.
Ist es nicht ausreichend, durch Ändern der Leistung der IR-Heizelemente die Wärmeleistung des ersten Heizelementes in Form der Metallhülse 1500 zu beeinflussen, so können (nicht gezeigt) an der Metallhülse 1500 eine aktive Kühlung bzw. eine Zusatzheizung vorgesehen sein
Bei der Ausführungsform in 3 ist innerhalb der Metallhülse 1500 mit Öffnungen 1600.1, 1600.2, 1600.3, 1600.4, 1600.5, 1600.6, 1600.7, 1600.8 ein Quarzglasrohr 1700 eingebracht. Das Quarzglasrohr 1700 ist für Wellenlängen von 200 nm bis 4000 nm, d. h. vom UV-Bereich bis weit in den IR-Bereich hochtransparent mit einer Transmission von mehr als 80%, insbesondere mehr als 90%. Das Ziehen der Faser erfolgt innerhalb des Quarzglasrohres 1700 in einem weitgehend hermetisch abgeschirmten Volumen. Dies hat den Vorteil, dass keine Konvektion auftritt und auch Verschmutzungen weitgehend vermieden werden. Durch Dotierung oder Beschichtung dieses Rohres kann zusätzlich die Temperaturhomogenität eingestellt werden.
In den 4 und 5 werden nochmals die unterschiedlichen Konzepte im Stand der Technik und gemäß der Erfindung gezeigt.
4 zeigt schematisch einen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der FR 2 606 866 A1 .
Deutlich zu erkennen ist der zweizonige Ofen 2000 gemäß dem Stand der Technik in der FR 2 606 866 A1 . Die Vorform 2010 wird somit in zwei geometrisch abgetrennten Bereichen oder Zonen 2002.1, 2002.2 erwärmt. In dem ersten Bereich 2002.1 wird Strahlung einer anderen Wellenlänge zur Erwärmung der Pre-Form bzw. Vorform verwandt wie in der zweiten Zonen 2002.2. Um in der ersten Zone oder dem ersten Bereich 2002.1 eine andere Strahlung zur Verfügung zu stellen, wird zwischen das Heizelement 2004.1 und das Glühgut 2010 ein Filter 2006 eingebracht, der Wellenlängen selektiv absorbiert aber nicht die Intensität der durchgelassenen Strahlung 2012 verringert.
Das bedeutet, dass bei der Vorrichtung gemäß der FR 2 606 866 entweder nur langwellige oder nur kurzwellige Strahlung in der einen oder der anderen Zone einwirkt, wobei die einzelnen Zonen 2002.1, 2002.2 geometrisch voneinander getrennt sind.
Im Gegensatz hierzu ist erfindungsgemäß, wie in 5 dargestellt, ein einzoniger Ofen 3000 vorgesehen, der simultan und regelbar lang- und kurzweilige Strahlung gleichzeitig über die gesamte Höhe des Ofens abgibt. Wiederum sind die Heizelemente bzw. Heizstrahler mit 3004 bezeichnet. Die von den Heizelementen 3004 abgegebene Strahlung trifft auf einen Ofeneinsatz 3016, wie beispielsweise detailliert in 3 gezeigt. Bei dem Ofeneinsatz kann es sich um eine Metallhülse handeln, wobei der Ofeneinsatz 3016 durchbrochen ist, wie ebenfalls in 3 dargestellt. Die von den Strahlern 3004 abgegebene Strahlung 3018 kann entweder ungehindert durchgelassen werden oder über alle Wellenlängen verringert werden. Durch die Erwärmung des Ofeneinsatzes 3016 wird der Einsatz selbst zu einem Heizelement, vorliegend zum ersten Heizelement des konvektiv und über Strahlung 3020 Wärme in Richtung der zu ziehenden Vorform 3010 über die gesamte Höhe des einzonigen Ofens abgibt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß 5, bei der in einer Heizzone 3002 über die gesamte Höhe H des Ofens 3000 die Vorform von außen simultan mit zwei unterschiedlichen Heizeinrichtungen erwärmt wird, ist es möglich, ein Kollabieren der Vorform zu verhindern, was bei dem zweitstufigen Erwärmen gemäß dem Stand der Technik in Form der FR 2 606 866 gemäß 4 nicht möglich ist.
Mit der Erfindung wird somit erstmals ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, mit der es möglich ist, eine mikrostrukturierte Faser, insbesondere eine photonische Kristallfaser aus einer Pre-Form weitgehend ohne Formveränderung bzw. ohne Kollabieren der Mikrostruktur in einem Ziehprozess herzustellen.
Die Erfindung umfasst Aspekte, die in nachfolgenden Sätzen offenbart sind, die Teil der Beschreibung sind, aber keine Ansprüche.
Sätze:

1. Verfahren zur Herstellung von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern mittels eines Ziehprozesses dadurch gekennzeichnet, dass eine Pre-Form der Faser aus einem Fasermaterial, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung (1500) und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung (1200) auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird, wobei die erste Heizeinrichtung (1500) eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, so dass das Fasermaterial eine Viskosität im Bereich η = 10⁴ dPas bis η = 10⁸ dPas aufweist und die zweite Heizeinrichtung (1200) eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, insbesondere im Bereich 1300 K bis 4000 K, ist, und die zweite Heizeinrichtung IR-Strahlung zur Erwärmung zur Verfügung stellt.
2. Verfahren nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pre-Form der Faser ein Hohlkörper mit einer äußeren Struktur (250) und einer inneren Hohlstruktur (210, 230) ist und die erste Heizeinrichtung (1500) im Wesentlichen die Oberfläche der äußeren Struktur (250) und die zweite Heizeinrichtung (1200) im Wesentlichen die innere Hohlstruktur (210, 230) erwärmt.
3. Verfahren nach Satz 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des ersten Heizelementes (1500) im Wesentlichen die äußere Struktur (250) auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird und mit dem zweiten Heizelement (1200) die innere Hohlstruktur (210, 230) auf Ziehtemperatur erwärmt wird und nach Erreichen der Ziehtemperatur die Faser (1100) gezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien umfasst: – ein Glasmaterial, insbesondere ein Schwertflintglas, ein Quarzglas, ein Phosphatglas, ein Chalcogenidglas, ein Oxynitridglas, ein silikatisches Glas oder ein anderes Multikomponentenglas, – ein Glaskeramikmaterial, – ein Kunststoff, – ein Metall, – ein Kompositwerkstoff, – ein Glas-Metall-Verbund.
5. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pre-Form durch eines der nachfolgenden Verfahren erhalten wird: – es werden eine Vielzahl von einzelnen Rohren (100) zu einer Form (110) zusammengestellt, wobei in die Mitte der Form (110) ein Stab eingebracht wird, und die Form (110) in einem ersten Zielschritt zu der Pre-Form für den nachfolgenden Ziehprozess gezogen wird; oder – es werden eine Vielzahl von einzelnen Rohren (100) zu einer Form zusammengestellt, wobei aus der Mitte der Form eines oder mehrere der Rohre entnommen wird/werden, so dass ein Hohlkern (130) ausgebildet wird und die Form in einem ersten Ziehschritt zu der Pre-Form für den nachfolgenden Ziehprozess gezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Pre-Form während des Ziehprozesses mit einer Temperaturmesseinrichtung, insbesondere einem Pyrometer, ständig erfasst und die Leistung der ersten und zweiten Heizeinrichtung derart eingestellt wird, dass stets eine vorgegebene Ziehtemperatur eingehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Sätze 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im direkten Anschluss an den Ziehprozess die gezogene Faser mit einer Kunststoffschicht überzogen wird.
8. Vorrichtung zur Erwärmung einer Pre-Form, insbesondere für einen Faserziehprozess, umfassend – eine erste und eine zweite Heizeinrichtung, wobei die erste Heizeinrichtung (1500) eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt derart, dass das Material, insbesondere das Fasermaterial, eine Viskosität im Bereich 10⁴ dPas bis 10⁸ dPas aufweist und die zweite Heizeinrichtung (1200) eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, ist; oder – die erste Heizeinrichtung (1500) ein zwischen die zu erwärmende Pre-Form um das IR-Heizaggregat eingebrachter Körper mit wenigstens einer Öffnung ist, durch die die IR-Strahlung hindurch treten kann und – die zweite Heizeinrichtung (1200) ein IR-Heizaggregat umfasst, das IR-Strahlung mit einer Farbtemperatur > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K emittiert;
9. Vorrichtung nach Satz 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren eine oder mehrere der nachfolgenden Einrichtungen umfasst: – eine Zusatzheizung für den Körper; – eine Zusatzkühleinrichtung für den Körper; – eine Temperaturmesseinrichtung.
10. Vorrichtung nach einem der Sätze 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen innerhalb des Körpers angeordneten weiteren, im Wesentlichen transparenten Körper im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 4000 nm, insbesondere ein Quarzglasrohr, umfasst.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2606866 [0006, 0007, 0046, 0076, 0077]
US 7374714 [0008]
US 2005/0274149 [0008]
DE 3704054 [0009, 0010, 0021]
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US 6861148 [0011]
WO 00/56674 [0013, 0039]
WO 00/56675 [0039]
FR 2606866 A1 [0074, 0075]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lexikon der Optik, Seiten 213–214 [0002]
P. St. J. Russel, „Photonic Crystal Fibres”, Science 299, 358–362 (2003) [0003]
P. St. J. Russel „Photonic Crystal Fibres”, J. Light Wave Technology, 24(12), 4729–4749 (2006) [0003]
„Schott-Guide to Glass”, by Heinz G. Pfänder, Chapman & Hall, 1996, Seite 21, insbesondere Tabelle 2.1 [0016]
Heinz G. Pfänder „Schott-Guide to Glass”, Chapman & Hall, 1996, Seite 21 in Fig. 2.3 [0016]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Fasern, insbesondere mikrostrukturierten Fasern mittels eines Ziehprozesses wobei eine Pre-Form der Faser aus einem Fasermaterial, insbesondere der mikrostrukturierten Faser, mittels wenigstens einer ersten Heizeinrichtung (1500) und wenigstens einer zweiten Heizeinrichtung (1200) auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizeinrichtung (1500) eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt, so dass das Fasermaterial eine Viskosität im Bereich η = 10⁴ dPas bis η = 10⁸ dPas aufweist und die zweite Heizeinrichtung (1200) eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, insbesondere im Bereich 1300 K bis 4000 K, ist, und die zweite Heizeinrichtung IR-Strahlung zur Erwärmung zur Verfügung stellt und erste und zweite Heizeinrichtung simultan in einer Heizzone (3002) die Pre-Form insbesondere von außen erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pre-Form der Faser ein Hohlkörper mit einer äußeren Struktur (250) und einer inneren Hohlstruktur (210, 230) ist und die erste Heizeinrichtung (1500) im Wesentlichen die Oberfläche der äußeren Struktur (250) und die zweite Heizeinrichtung (1200) im Wesentlichen die innere Hohlstruktur (210, 230) erwärmt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des ersten Heizelementes (1500) im Wesentlichen die äußere Struktur (250) auf eine Ziehtemperatur erwärmt wird und mit dem zweiten Heizelement (1200) die innere Hohlstruktur (210, 230) auf Ziehtemperatur erwärmt wird und nach Erreichen der Ziehtemperatur die Faser (1100) gezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien umfasst: – ein Glasmaterial, insbesondere ein Schwertflintglas, ein Quarzglas, ein Phosphatglas, ein Chalkogenidglas, ein Oxynitridglas, ein silikatisches Glas oder ein anderes Multikomponentenglas, – ein Glaskeramikmaterial, – ein Kunststoff, – ein Metall, – ein Kompositwerkstoff, – ein Glas-Metall-Verbund.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pre-Form durch eines der nachfolgenden Verfahren erhalten wird: – es werden eine Vielzahl von einzelnen Rohren (100) zu einer Form (110) zusammengestellt, wobei in die Mitte der Form (110) ein Stab eingebracht wird, und die Form (110) in einem ersten Zielschritt zu der Pre-Form für den nachfolgenden Ziehprozess gezogen wird; oder – es werden eine Vielzahl von einzelnen Rohren (100) zu einer Form zusammengestellt, wobei aus der Mitte der Form eines oder mehrere der Rohre entnommen wird/werden, so dass ein Hohlkern (130) ausgebildet wird und die Form in einem ersten Ziehschritt zu der Pre-Form für den nachfolgenden Ziehprozess gezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Pre-Form während des Ziehprozesses mit einer Temperaturmesseinrichtung, insbesondere einem Pyrometer, ständig erfasst und die Leistung der ersten und zweiten Heizeinrichtung derart eingestellt wird, dass stets eine vorgegebene Ziehtemperatur eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im direkten Anschluss an den Ziehprozess die gezogene Faser mit einer Kunststoffschicht überzogen wird.
Vorrichtung zur Erwärmung einer Pre-Form, insbesondere für einen Faserziehprozess, umfassend – eine erste und eine zweite Heizeinrichtung, wobei die erste Heizeinrichtung (1500) eine Heizeinrichtung ist, die eine Temperatur zur Verfügung stellt derart, dass das Material, insbesondere das Fasermaterial, eine Viskosität im Bereich 10⁴ dPas bis 10⁸ dPas aufweist und die zweite Heizeinrichtung (1200) eine IR-Heizeinrichtung mit einer Farbtemperatur > 1300 K, insbesondere > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K, ist; oder – die erste Heizeinrichtung (1500) ein zwischen die zu erwärmende Pre-Form um das IR-Heizaggregat eingebrachter Körper mit wenigstens einer Öffnung ist, durch die die IR-Strahlung hindurch treten kann und – die zweite Heizeinrichtung (1200) ein IR-Heizaggregat umfasst, das IR-Strahlung mit einer Farbtemperatur > 1500 K, insbesondere > 2000 K, bevorzugt > 2500 K emittiert und – erste und zweite Heizeinrichtung in einem Ofen auf eine Heizzone (3002) wirken, derart dass das Fasermaterial simultan mit einer von der ersten Heizeinrichtung abgegebenen ersten Strahlung und einer von der zweiten Heizeinrichtung abgegebenen zweiten Strahlung erwärmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren eine oder mehrere der nachfolgenden Einrichtungen umfasst: – eine Zusatzheizung für den Körper; – eine Zusatzkühleinrichtung für den Körper; – eine Temperaturmesseinrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen innerhalb des Körpers angeordneten weiteren, im Wesentlichen transparenten Körper im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 4000 nm, insbesondere ein Quarzglasrohr, umfasst.