DE19547904A1

DE19547904A1 - Verfahren zur Übertragung von energiereicher UV-Strahlung und für seine Ausführung geeignetes optisches Bauteil

Info

Publication number: DE19547904A1
Application number: DE19547904A
Authority: DE
Inventors: Karl-Friedrich Dr Klein; Georg Dr Hillrichs; Ulrich Dr Grzesik
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-06-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von energiereicher UV-Strahlung unter Verwendung eines optischen Bauteils, das einen die UV-Strahlung übertragenden mit Wasser stoff und/oder Deuterium beladenen Übertragungsbereich aus synthetisch hergestelltem Quarzglas aufweist.

Die mittels optischer Bauteile übertragbaren optischen Leistungs- und Energiedichten sind be grenzt durch materialspezifische Zerstörschwellen, oberhalb von denen die optischen Eigen schaften der Übertragungsmedien irreversibel verändert werden. Zur Erhöhung dieser Zerstör schwelle in Quarzglas wurde eine Beladung des Glases mit Wasserstoff vorgeschlagen. Es hat sich gezeigt, daß Wasserstoff in der Lage ist, Strahlenschäden in Quarzglas auszuheilen.

Ein derartiges Verfahren ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A1 0 401 845 be kannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren werden optische Bauteile, beispielsweise Lin sen, Prismen, Filter oder Fenster für die Übertragung energiereicher ultravioletter Strahlung im Wellenlängenbereich unterhalb von 360 nm eingesetzt, wobei die optischen Bauteile aus hochreinem, synthetischem Quarzglasmaterial bestehen, das eine Wasserstoffkonzentration im Bereich von 1×10¹⁶ Moleküle/cm³ bis 1×10²⁰ Moleküle/cm³ aufweist.

Die bei dem bekannten Verfahren übertragenen Energiedichten der UV-Strahlung betragen beispielsweise bei Strahlung einer Wellenlänge von 193 nm etwa 0,1 J/cm^2. Impuls bzw. bei Strahlung einer Wellenlänge von 248 nm etwa 0,4 J/cm^2. Impuls. Dabei wurde bei der Bestrah lung mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 248 nm bis zu einer Wasserstoffkonzentration von ca. 1×10¹⁹ Moleküle/cm³ des Quarzglases eine Zunahme der Strahlenbeständigkeit und bei höherem Wasserstoffgehalt eine Abnahme der Strahlenbeständigkeit beobachtet. Bei Be strahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm wurde ein ähnliches Ergebnis gefunden, wobei das Maximum der Strahlenbeständigkeit des Quarzglases bei einer Wasserstoffbeladung von ca. 1×10¹⁸ Molekülen/cm³ lag. Auch hier ergab sich bei höherem Wasserstoffgehalt eine deutliche Abnahme der Strahlenbeständigkeit des Quarzglases und damit eine Abnahme der übertragenen Strahlungsleistung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher insoweit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuge ben, beim dem die Übertragung von energiereicher UV-Strahlung hinsichtlich der Transmissi onsbeständigkeit und der Höhe der Energiedichte optimiert ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein optisches Bauteil für die Ausführung des Verfahrens, das einen Übertragungsbereich aus mit Wasserstoff und/oder Deuterium beladenem, synthetisch hergestelltem Quarzglas aufweist, der mindestens teilweise mit einer wasserstoffundurchlässi gen oder einer die Wasserstoffdiffusion hemmenden Sperrschicht umhüllt ist.

Ein Bauteil der angegebenen Gattung ist aus der DE-C1 40 34 054 bekannt. Das darin be schriebene optische Bauteil ist in Form einer Faser mit einem Kern aus synthetischem Quarz glas und einem den Kern umhüllenden Mantel, der eine kleinere Brechzahl als der Kern auf weist, ausgebildet. Das Kernglas des gattungsgemäßen Bauteils ist mit Wasserstoff in einer Konzentration von 1×10¹⁹ Moleküle/cm³ beladen und weist eine Hydroxyl-Ionen-Konzentration von 600 ppm auf. Zur Verhinderung der Ausdiffusion des Wasserstoffes ist die Faser von einer Diffusionssperrschicht aus Graphit mit einer Dicke von 0,2 µm umhüllt. In der DE-C1 40 34 054 werden Wasserstoffkonzentrationen im Kernglas bis zu 5×10²¹ Moleküle/cm³ als gün stig genannt. Für die Einkopplung hoher Flächen-Leistungsdichten von beispielsweise 20 MW/cm² ist das bekannte Bauteil mit einem taperförmigen Licht-Einkoppelbereich versehen. Dadurch wird die besonders empfindliche Einkoppelfläche bei dem bekannten Bauteil vor Strahlenschäden geschützt. Die Ausbildung eines Bauteils mit einem Taper ist aber sehr aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil für die Übertragung energiereicher UV-Strahlung bereitzustellen, bei dem die mechanischen und opti schen Eigenschaften beim praktischen Einsatz über einen langen Zeitraum erhalten bleiben und das einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein optisches Bauteil eingesetzt wird, bei dem der Übertragungsbereich eine Wasserstoff/Deuterium-Konzentration von mindestens 5×10¹⁹ Moleküle/cm³ aufweist, und in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine Mindest energiedichte der UV-Strahlung wie folgt eingestellt wird:
bei 193 nm eine Energiedichte von mindestens 1,5 J/cm²,
bei 248 nm eine Energiedichte von mindestens 2,0 J/cm²,
bei 265 nm eine Energiedichte von mindestens 2,5 J/cm² und
bei 308 nm eine Energiedichte von mindestens 3,5 J/cm²,
wobei zur Übertragung einer von einem Laser ausgehenden UV-Strahlung eine Impulslänge der Laserimpulse von mindestens 10 ns vorgesehen wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß nicht, wie aufgrund der aus dem Stand der Tech nik bekannten Verfahrens erwartet, bei sehr hohen Wasserstoffkonzentrationen von minde stens 5×10¹⁹ Moleküle/cm³ zwangsläufig eine weitere Verschlechterung der Strahlenbestän digkeit des Quarzglases auftritt. Vielmehr hat sich gezeigt, daß sogar eine ausgezeichnete Strahlenbeständigkeit erzielt wird, wenn in Verbindung mit hohen Wasserstoffkonzentrationen im Übertragungsbereich des Bauteils eine UV-Strahlung mit hohen Energiedichten übertragen wird.

Grundsätzlich wird mit zunehmender Energiedichte eine Verschlechterung der Strahlenbestän digkeit des Bauteils beobachtet. Um so mehr überraschte es, daß gerade die Übertragung einer im Vergleich zum gattungsgemäßen Verfahren sehr hohen Energiedichte in einem ausge zeichneten Lebensdauerverhalten des für die Übertragung verwendeten optischen Bauteils resultierte.

Zur Erklärung dieses überraschenden Effektes kann angenommen werden, daß jede UV-Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der eingestrahlten Energiedichte mit einer spezifischen Defekterzeugungsrate im Quarzglas einhergeht. Diese spezifischen Defekterzeu gungsraten sind jeweils korrelierbar mit einem Sättigungswert des Wasserstoffgehaltes. Bei ei ner Wasserstoffkonzentration unterhalb des Sättigungswertes ist die Ausheilungsrate durch den Wasserstoff zu langsam; bei Wasserstoffkonzentrationen oberhalb des Sättigungswertes könnten sich die überflüssigen Wasserstoffmoleküle nachteilig auswirken. Sie könnten bei spielsweise für die Ausheilung relevante Diffusionsmechanismen behindern oder sogar zu ei ner zusätzlichen Defektentstehung beitragen.

Es hat sich gezeigt, daß bei den oben angegebenen Wellenlängen und Energiedichten diese Sättigungskonzentration an Wasserstoff oberhalb des angegebenen Mindestwertes von 5× 10¹⁹ Moleküle/cm³ liegt. Dieser Zusammenhang wurde mit Wasserstoffbeladungen bis zu 5× 10²¹ Moleküle/cm³ als richtig nachgewiesen. Es ist anzunehmen, daß er auch bei noch höhe ren Wasserstoffkonzentrationen zu beobachten ist. Insbesondere ist zu erwarten, daß bei Energiedichten, die oberhalb der angegebenen Mindestwerte liegen, die Sättigungskonzentra tion an Wasserstoff jedenfalls oberhalb des angegebenen Mindestwertes liegen muß.

Als Übertragungsbereich wird derjenige Bereich des Bauteils verstanden, in dem die UV-Strahlung infolge ihrer Übertragung die höchsten Defektraten erzeugt. Dies ist bei einer Faser bei spielsweise der lichtführende Kern, bei einer Linse insbesondere die Einkoppel- und Auskop pelflächen für die Strahlung.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind Wasserstoff und Deuterium gleichermaßen wirk sam. Sofern im Zusammenhang mit der Beladung des Quarzglases der Ausdruck "Wasser stoff" verwendet wird, so ist diese im Sinne von Wasserstoff und/oder Deuterium zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes gesagt wird.

Die Ermittlung der Beladung des Quarzglases mit Wasserstoff bzw. mit Deuterium erfolgt spektroskopisch. Dabei wird für die Wasserstoff-Beladung die Grundschwingung bei 2,42 µm und für die Deuterium-Beladung die Grundschwingung bei 3,58 µm verwendet. Zur Ermittlung quantitativer Werte wird in herkömmlicher Art und Weise eine Eichprobe mit bekannter Was serstoff- bzw. Deuteriumbeladung bei diesen Wellenlängen gemessen und der so ermittelte Meßwert in Beziehung zu dem entsprechenden Meßwert bei der unbekannten Wasserstoff bzw. Deuteriumkonzentration gesetzt.

Die im Anspruch angegebenen Energiedichten werden gemessen, indem die Gesamtenergie der in den Übertragungsbereich eingestrahlten UV-Strahlung auf die Größe der bestrahlten Fläche bezogen wird. Die Fläche kann durch eine Blende festgelegt sein. Bei einer optischen Faser ergibt sich die Fläche durch den Querschnitt des Faserkerns. Die bestrahlte Fläche kann auch mittels eines Strahlenanalysegerätes bestimmt werden. Die zu übertragende UV-Strahlung kann beispielsweise von einem Laser, einem Excimerstrahler oder einer Deuteriumlampe ausgehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich für die im Anspruch angegebenen konkreten Wel lenlängen als wirksam erwiesen. Es ist aber davon auszugehen, daß das Verfahren auch für UV-Strahlung anderer Wellenlängen ebenso geeignet ist, wobei sich für die jeweilige UV-Strahlung die Mindestenergiedichte aus den im Anspruch genannten Werten interpolieren läßt.

Im Falle der Übertragung von Laserstrahlung wird die Impulslänge der Laserimpulse sinnvoller weise auf mindestens 10 ns eingestellt. Die übertragene Energie nimmt linear mit der Impuls länge zu, während zwischen der induzierten Dämpfung und der Impulslänge eine Wurzelab hängigkeit besteht.

Es hat sich ein Verfahren als günstig erwiesen, bei dem zur Übertragung einer von einem La ser ausgehenden UV-Strahlung die Repetitionsrate auf einen Wert von mindestens 10 Hz ein gestellt wird. Mit zunehmender Repetitionsrate nimmt auch die übertragene Energiedichte zu.

Als besonders günstig hinsichtlich der Langzeitstabilität bei der Übertragung sehr hoher Ener giedichten hat sich der Einsatz eines Bauteiles erwiesen, bei dem die Wasserstoffkonzentrati on im Übertragungsbereich mindestens 5×10²⁰ Moleküle/cm³ beträgt.

Es wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der ein Bauteil eingesetzt wird, bei dem der Über tragungsbereich einen OH-Gehalt von mindestens 100 ppm aufweist. Es hat sich gezeigt, daß mit Hydroxyl-Ionen dotiertes Quarzglas im Vergleich zu hydroxylarmem Quarzglas eine deutli che Erhöhung der Zerstörschwelle gegenüber den von energiereichem, ultraviolettem Licht verursachten Strahlenschäden aufweist.

Vorteilhafterweise wird die Betriebstemperatur beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Bau teils um mindestens 50°C niedriger gewählt als die Temperatur, die beim Beladen des Bauteil mit Wasserstoff und/oder Deuterium eingestellt worden ist, mit der Maßgabe, daß zum Bela den ein die Geometrie des Bauteils aufweisender Rohling aus Quarzglas hergestellt und bei einer Beladungstemperatur von mindestens 50°C einer wasserstoff-/deuteriumhaltigen Atmo sphäre ausgesetzt wird und dabei mit einem Druck von mindestens 50 atm beaufschlagt wird. Durch die niedrigere Betriebstemperatur wird gewährleistet, daß die Ausdiffusion von Wasser stoff aus dem Bauteil langsamer verläuft als die Eindiffusion von Wasserstoff beim Beladen des Rohlings zur Herstellung des Bauteils.

Hinsichtlich des Bauteils wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß ausgehend von dem eingangs genannten Bauteil die Wasserstoff-/Deuteriumkonzen tration im Übertragungsbereich mindestens 5×10¹⁹Moleküle/cm³ beträgt.

Wie hinsichtlich des Verfahrens dargelegt, ergibt sich aufgrund der relativ hohen Wasser stoffkonzentration im Übertragungsbereich des Bauteils in Verbindung mit einer relativ hohen Energiedichte der zu übertragenden Strahlung eine hervorragende Strahlenbeständigkeit des Bauteils. Eine besondere Formgebung des Bauteils, wie etwa ein taperförmiger Lichteintrittsbereich beim gattungsgemäßen Bauteil, ist nicht erforderlich. Dies erleichtert die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils wesentlich.

Die Sperrschicht trägt dazu bei, die Wasserstoffkonzentration auf ihrem hohen Niveau zu hal ten. Dies ist insbesondere bei hohen Temperaturen beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils wesentlich. Durch die Sperrschicht erübrigen sich andere Maßnahmen zur Verhinde rung der Wasserstoff-Ausdiffusion, wie beispielsweise ein Aufbewahren oder der Betrieb des Bauteils bei sehr niedrigen Temperaturen; oder derartige Maßnahmen können auf ein Mini mum begrenzt werden.

Das Bauteil kann mit der Sperrschicht vollständig oder teilweise umhüllt sein. Bei einigen An wendungen ist es wichtig, daß die Funktionsflächen mit der Sperrschicht versehen sind. Unter Funktionsflächen werden dabei diejenigen Oberflächen des Übertragungsbereiches verstan den, bei denen die UV-Strahlung in das Bauteil eintritt oder aus dem Bauteil austritt oder die zur Führung der UV-Strahlung beitragen, wie beispielsweise das den Kern umhüllende Mantel glas einer optischen Faser. Für den Fall, daß Lichteintrittsflächen oder Lichtaustrittsflächen mit der Sperrschicht vollständig belegt sind, ist eine ausreichende UV-Durchlässigkeit der Sperr schicht erforderlich. Als optische Bauteile kommen beispielsweise optische Fasern, Linsen, Prismen, Fenster, Etalon-Platten oder Filter in Frage.

Besonders bewährt hat sich eine Sperrschicht aus Graphit, aus einem Siliziumoxinitrid oder aus Aluminium. Derartige Sperrschichten lassen sich leicht aufbringen, beispielsweise durch geeignete Gasphasenreaktionen oder durch Kathodenzerstäubung.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Bauteil erwiesen, bei dem die Sperrschicht aus einem UV-durchlässigen Material, insbesondere aus Quarzglas besteht. Eine derartige Sperrschicht ist insbesondere bei Bauteilen in Form optischer Fasern geeignet. Dabei kann die Sperrschicht als aus einem Mantelglas mit niedrigerem Brechungsindex als das Kernglas ausgebildet sein. Es ist ausreichend, wenn die Sperrschicht aus einem Material besteht, das bei der jeweils ein gesetzten Arbeitswellenlänge UV-durchlässig ist.

Vorteilhafterweise wird als Material für die Sperrschicht Quarzglas vorgesehen. Quarzglas ist im gesamten UV-Wellenlängenbereich bis hinab zu Wellenlängen von ca. 180 nm optisch durchlässig.

Besonders bewährt hat sich ein optisches Bauteil, bei dem die Sperrschicht Bereiche mit ho her Wasserstoffdurchlässigkeit und Bereiche mit geringer Wasserstoffdurchlässigkeit aufweist. Die Unterschiede in der Wasserstoffdurchlässigkeiten verschiedener Bereiche der Sperrschicht können dabei auf unterschiedlichen Diffusionskonstanten der für die Sperrschicht eingesetzten Materialien oder auf unterschiedlichen Dicken der jeweiligen Sperrschicht-Bereiche beruhen. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils zeichnet sich dadurch aus, daß die Sperrschicht-Bereiche mit relativ hoher Wasserstoffdurchlässigkeit ein einfaches Beladen des Rohlings mit Wasserstoff erlauben, während die Bereiche mit ge ringer Wasserstoffdurchlässigkeit die spätere Ausdiffusion während des bestimmungsgemä ßen Einsatzes des Bauteiles vermindern. Dieser Effekt ist natürlich umso ausgeprägter, je grö ßer der Unterschied der Wasserstoffdurchlässigkeiten zwischen den jeweiligen Bereichen ist.

Besonders bewährt hat sich ein Bauteil, bei der die Sperrschicht aus mehreren Schichten auf gebaut ist, wovon eine erste Schicht vor einer Beladung des Übertragungsbereiches mit Was serstoff/Deuterium, und eine zweite Schicht nach der Beladung aufgebracht wird. Ein derarti ges Bauteil läßt sich besonders einfach mit Wasserstoff beladen und zeichnet sich durch eine besonders gute Langzeitstabilität aus. Vorteilhafterweise wird hierzu auf dem Rohling, bei spielsweise einer Faser, zunächst eine dünne Sperrschicht aufgebracht, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. Danach wird der Rohling mit Wasserstoff beladen, wobei die dün ne Sperrschicht eine nur geringe Diffusionsbarriere darstellt. Diese Diffusionsbarriere reicht je doch aus, um bei weiteren Verfahrensschritten, in denen die Sperrschicht verstärkt wird, die Ausdiffusion von Wasserstoff wirksam zu verhindern. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verstärkung der Sperrschicht bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt oder wesentlich schnel ler durchgeführt werden kann als die Beladung des Bauteils mit Wasserstoff.

Es wird eine Ausführungsform des Bauteils bevorzugt, bei der es als optische Faser ausgebil det ist, mit einem Übertragungsbereich aus synthetisch hergestelltem Quarzglas, der von einer Sperrschicht aus einem eine kleinere Brechzahl aufweisenden Quarzglas umhüllt ist, wobei die Dicke der Sperrschicht zwischen ca. 5% und ca. 50%, vorzugsweise um 20%, des Gesamt durchmessers der Faser beträgt. Der Kern der optischen Faser bildet dabei den Übertragungs bereich. Die Zylindermantelfläche des Kernglases ist umhüllt von einem Mantelglas, das eine kleinere Brechzahl aufweist und das gleichzeitig als Sperrschicht die Ausdiffusion von Wasser stoff aus dem Übertragungsbereich verhindert. Unter dem Gesamtdurchmesser der Faser wird der Außendurchmesser der Sperrschicht verstanden. Zwar wird mit zunehmender Dicke der Sperrschicht die Ausdiffusion von Wasserstoff aus dem Bauteil zunehmend gehemmt, dieser positive Effekt wird jedoch bei Dicken der Sperrschicht oberhalb der angegebenen Obergrenze durch die relative Vergrößerung der Querschnittsfläche der Faser auf Kosten des die UV-Strahlung übertragenden Kernbereiches aufgehoben.

Für die Übertragung von UV-Strahlung einer Wellenlänge kleiner als 270 nm hat sich ein Bau teil als besonders strahlenresistent erwiesen, bei dem der Übertragungsbereich einen OH-Gehalt von höchstens 5 ppm aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Bauteils ist der Übertragungsbereich in Form min destens einer Faser oder eines Stabes ausgebildet, und mindestens teilweise von einer Hülse umgeben, die ein flüssiges oder ein gasförmiges Kühlmittel enthält. Hiermit läßt sich der Über tragungsbereich auf niedriger Temperatur halten, wodurch die Ausdiffusion von Wasserstoff aus dem Übertragungsbereich verlangsamt wird. Als Kühlmittel kommen Luft, Sauerstoff, Inert gase oder eine geeignete Kühlflüssigkeit in Frage. Es ist nicht erforderlich, daß die Hülse das Bauteil vollständig umgibt. Üblicherweise sind die Stirnflächen der Faser bzw. des Stabes frei zugänglich. Aber auch die Zylindermantelfläche der Faser bzw. des Stabes muß von der Hülse nicht vollständig umgeben sein. Zwischen der Zylindermantelfläche und der Innenseite der Hülse verbleibt ein Spalt, der mit dem Kühlmittel gefüllt ist. Besonders einfach gestaltet sich ein Bauteil, bei dem die Hülse ein rohrförmiges Peltier-Element aufweist. Üblicherweise sind mehrere Peltier-Elemente vorgesehen. Diese können hülsenförmig ausgebildet sein. Mittels des Peltier-Elementes bzw. der Peltier-Elemente ist das Kühlmittel ohne großen apparativen Aufwand kühlbar.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Bau teils zur Durchführung des Verfahrens werden nachfolgend anhand der Patentzeichnung nä her erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen

Fig. 1 in schematisch er Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Faser in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Faser in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Linse,

Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form eines Lichtleitstabes in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 5 einen radialen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil in Form eines Lichtleitstabes in einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 6 ein Zeitstanddiagramm, das das Lebensdauerverhalten erfindungsgemäßer optischer Bauteile bei Bestrahlung mit UV-Strahlung wiedergibt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das optische Bauteil in Form einer opti schen Faser ausgebildet, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Die Faser 1 besteht aus einem Kern 2 aus undotiertem, synthetisch hergestelltem Quarzglas. Der Kern 2 ist um hüllt von einem Mantel 3. Der Mantel 3 besteht aus synthetischem Quarzglas, das mit ca. 4 Gew.-% Fluor dotiert ist. Die Faser 1 hat eine Länge von 1 m. Der Durchmesser des Kerns 2 der Faser 1 beträgt ca. 200 µm. Der Mantel 3 weist eine Dicke von 100 µm auf. Der Ge samtaußendurchmesser der Faser 1 beträgt somit 400 µm; das Verhältnis der Mantelstärke zum Gesamtaußendurchmesser beträgt 1 : 4.

Der Kern 2 ist mit Wasserstoff in einer Konzentration von 5×10²⁰ Moleküle/cm³ beladen und weist einen Hydroxylionen-Gehalt von ca. 2 ppm auf.

Die Beladung der Faser 1 mit Wasserstoff erfolgte bei einer Temperatur von 80°C und einem Druck von 300 Atmosphären in wasserstoffhaltiger Atmosphäre. Die Beladungsdauer betrug 200 Stunden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 1 dargestellten Aus führungsbeispieles näher erläutert:

Die Faser 1 zeichnet sich durch einen großen Kernquerschnitt aus und wird für eine Anwen dung im Bereich der Leistungsübertragung energiereicher UV-Strahlung für industrielle An wendungen, beispielsweise für die Übertragung von Excimerlaserlicht bei Stepper-Maschinen eingesetzt. Hierbei dürfen an die Biegsamkeit der Faser keine hohen Ansprüche gestellt wer den. Zur Verhinderung der Ausdiffusion des Wasserstoffes wird hierzu die Faser in einer (in der Fig. 1 nicht dargestellten) Hülse geführt, die mittels Peltier-Elementen kühlbar ist. Die übertragene UV-Strahlung hat eine Wellenlänge von 193 nm und eine Energiedichte von ca. 2 J/cm².

Sofern in den nachfolgenden Fig. 2 bis 6 identische Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwen det werden, sollen diese gleiche oder äquivalente Bauteile bezeichnen, wie sie anhand Fig. 1 für die jeweiligen Bezugsziffern erläutert sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Bauteil ebenfalls in Form einer optischen Faser 1 ausgebildet. Es weist einen Kern 2 aus Quarzglas, das mit ca. 1 Gew.-% Fluor dotiert ist und einen Mantel 3 aus mit ca. 5 Gew.-% Fluor dotiertem Quarzglas auf. Der Mantel 3 ist umhüllt von einer 0,5 µm dicken Diffusionssperrschicht 4 aus Graphit. Die Faser 1 hat eine Länge von ca. 0,5 m. Der Durchmesser des Kerns 2 der Faser 1 beträgt ca. 50 µm. Der Mantel 3 weist eine Dicke von 2,5 µm auf. Der Gesamtaußendurchmesser der Fa ser 1 beträgt somit 56 µm.

Der Kern 2 ist mit Deuterium in einer Konzentration von 5×10²⁰Molekülen/cm³ beladen und weist einen Hydroxylionen-Gehalt von ca. 600 ppm auf.

Die Beladung der Faser 1 mit Deuterium erfolgte bei einer Temperatur von 80°C und einem Druck von 370 Atmosphären in deuteriumhaltiger Atmosphäre. Die Beladungsdauer betrug 200 Stunden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 2 dargestellten Aus führungsbeispieles näher erläutert:

Die Faser 1 ist zur Anwendung in einem Dentalgerät zur Bestrahlung von Zähnen mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 193 nm bestimmt. Hierzu werden einer Vielzahl der Fasern 1 zu einem Lichtleitbündel zusammengefaßt.

Zur Behandlung von Zähnen wird eine von einem Excimerlaser ausgehende UV-Strahlung ei ner Wellenlänge von 193 nm und einer Energiedichte von 2 J/cm² übertragen, wobei die Im pulslänge der Laserimpulse auf 20 ns und die Repetitionsrate auf 25 Hz eingestellt ist. Dabei konnte auch nach längerer Betriebsdauer, die ca. 2000 Laserimpulsen entspricht, keine Ab nahme der anfänglichen Transmission des Quarzglases festgestellt werden. Die Diffusions sperrschicht 4 verhindert die Ausdiffusion von Deuterium und erlaubt einen Einsatz der Faser 1 auch bei höheren Temperaturen, beispielsweise um 80°C.

Die Faser ist auch zum Einsatz im Bereich der Angioplastie geeignet. Hierbei wird üblicherwei se mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 308 nm gearbeitet. Zur Herstellung eines Kathe ters werden mehrere der in Fig. 2 dargestellten Fasern zu einem Faserbündel zusammenge faßt. Es wird eine UV-Strahlung einer Wellenlänge von 308 nm mit einer Energiedichte von 4 J/cm² übertragen. Hierfür wird ein Krypton-Fluorid-Excimerlaser eingesetzt, bei dem die Im pulslänge der Laserimpulse auf 20 ns und die Repetitionsrate auf 20 Hz eingestellt ist. Die Be triebstemperatur während der Übertragung beträgt ca. 37°C, die Übertragungsdauer 24 Stun den. Unter diesen Bedingungen wurde bei einer Wellenlänge von 308 nm keine durch die UV-Strahlung erzeugte irreversible Zusatzdämpfung des Quarzglases festgestellt.

In Fig. 3 ist eine optische Linse 7 aus Quarzglas in einem Querschnitt dargestellt. Die Licht austrittsfläche 8 der Linse 7 ist an ihrem äußeren Rand mit einer umlaufenden, geschlossenen Metallschicht 9 aus Aluminium versehen. Diese Metallschicht 9, die nach dem Beladen der Lin se 7 durch Kathodenzerstäubung aufgesputtert worden ist, behindert die Ausdiffusion von Wasserstoff aus der Linse 7. Das Quarzglas der Linse 7 ist mit etwa 7,5 ×10²¹ Molekülen/cm³ Wasserstoff beladen.

Die Linse 7 wurde mit einer Excimerlaser-Strahlung der Wellenlänge 265 nm, einer Energie dichte von 3,5 J/cm², mit einer Impulslänge der Laserimpulse von 20 ns und mit einer Repetiti onsrate von 20 Hz, 24 Stunden lang bei Raumtemperatur bestrahlt. Danach wurde bei einer Meßwellenlänge von 248 nm eine durch die UV-Strahlung erzeugte irreversible Zusatzdämpfung des Quarzglases von lediglich 0,2 dB/m festgestellt.

Fig. 4 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt durch einen Lichtleitstab 10. Dieser weist einen Lichtleiter 11 auf, der aus einer Vielzahl einzelner Quarzglas-Lichtleitfasern gebildet ist. Sein Außendurchmesser beträgt 1 mm. Der Lichtleiter 11, der eine Wasserstoffkonzentration von 7,5×10²¹ Molekülen/cm³ aufweist, ist bereichsweise von einer Schutzhülle 12 umgeben, die aus einem aus der Dampfphase abgeschiedenen Siliziumoxinitrid besteht. Die Schutzhülle 12 läßt ringförmige Öffnungen 13 zum Lichtleiter 11 mit einer Breite von ca. 1 mm frei. Die Schutzhülle 12 weist eine Dicke von 2 µm auf und behindert die Ausdiffusion von Wasserstoff aus dem Lichtleiter 11. Die Schutzhülle 12 kann vor dem Beladen des Lichtleiters 11 mit Was serstoff aufgebracht werden. Die Öffnungen 13 erlauben die Eindiffusion von Wasserstoff in den Lichtleiter 11.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Querschnitt durch einen dem in Fig. 4 dargestellten ähnlichen Lichtleitstab 10, ist die Mantelfläche des Lichtleiters 11 vollständig von einer ersten, dünnen, geschlossenen Schutzschicht 14 und einer zweiten, dicken, geschlossenen Schutzschicht 15 umgeben. Die dünne Schutzschicht 14 weist eine Dicke von 0,5 µm, die dicke Schutzschicht 15 eine Dicke von 3 µm auf. Die Schutzschichten 14; 15, die aus Quarzglas bestehen, das ei nen kleineren Brechungsindex aufweist, als das Quarzglas des Lichtleiters 11, verhindern die Ausdiffusion von Wasserstoff aus dem Lichtleiter 11 und sie tragen gleichzeitig zur Lichtfüh rung innerhalb des Lichtleiters bei.

Das Beladen des Lichtleiters 11 mit Wasserstoff erfolgt derart, daß zunächst die dünne Schutzschicht 14 auf den Lichtleiter 11 aufgebracht wird. Diese schützt den Lichtleiter 11 vor mechanischen Beschädigungen. Danach wird der Lichtleiter 11, wie oben beschrieben, mit Wasserstoff beladen, und anschließend die dickere Schutzschicht 15 auf die dünne Schutz schicht 14 aufgebracht, die die Ausdiffusion von Wasserstoff verhindert.

In Fig. 6 ist ein Zeitstanddiagramm von erfindungsgemäßen optischen Fasern im Vergleich zu dem Zeitstanddiagramm einer üblichen optischen Faser dargestellt. Für die Messungen des Zeitstandverhaltens der Fasern wurden in diese UV-Strahlung eine Wellenlänge von 248 nm mittels eines KrF-Excimerlaser eingekoppelt. Die dabei eingestellte Energiedichte der Strah lung betrug 3,0 J/cm², die Impulslänge der Laserstrahlung 15 ns und die Repetitionsrate 20 Hz. Die Faserlänge war jeweils 1 m. Die Geometrie der Fasern entspricht im übrigen derjeni gen optischen Faser, wie sie anhand Fig. 2 erläutert worden ist. Es wurde die Transmission der Fasern in Abhängigkeit von der Anzahl der Laserimpulse gemessen. In dem Diagramm ge mäß Fig. 6 ist auf der y-Achse eine auf die Anfangstransmission der Fasern normierte Trans mission "T", und auf der x-Achse die Anzahl der Laserimpulse "N" aufgetragen. In dem Dia gramm sind die Zeitstandkurven von insgesamt vier unterschiedlichen Fasern eingetragen, die sich lediglich in ihrer Deuteriumkonzentration im Kern unterscheiden.

Die mit der Bezugsziffer 16 bezeichnete Kurve repräsentiert das Zeitstandverhalten einer Fa ser mit 5×10¹⁹ Molekülen/cm³, die Bezugsziffer 17 einer Faser mit 1×10²⁰ Molekülen/cm³ und die Bezugsziffer 18 einer Faser mit 5×10²⁰ Moleküle/cm³ Deuterium im Kern.

Das Zeitstanddiagramm zeigt deutlich, daß eine Photodegradation bei den erfindungsgemä ßen Fasern 16, 17, 18 nicht auftritt.

Demgegenüber zeigt die handelsübliche optische Faser mit einem mit 5×10¹⁸ Molekülen/cm³ Deuterium beladenen Kernglas, deren Zeitstandverhalten durch die Kurve 19 repräsentiert wird, bereits nach ca. 1000 Laserimpulsen eine deutliche, irreversible Abnahme der Transmission.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist zur Übertragung von Excimerlaser-Strahlung im medizini schen Bereich, beispielsweise in der Angioplastie, in der Augenheilkunde zur Ablation von Hornhautgewebe oder für die Behandlung von Zähnen geeignet. Weiterhin kommen industriel le Anwendungen der erfindungsgemäßen Bauteile, beispielsweise zur Übertragung von Exci merlaserlicht in Steppermaschinen oder zur Materialbehandlung, sowie in der Spektroskopie zur Übertragung von Deuteriumlampenlicht bei der Kapillarelektrophorese in Frage.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von energiereicher UV-Strahlung unter Verwendung eines optischen Bauteils, das einen die UV-Strahlung übertragenden mit Wasserstoff und/oder Deuterium beladenen Übertragungsbereich aus synthetisch hergestelltem Quarzglas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Bauteil (1; 7; 10) eingesetzt wird, bei dem der Übertragungsbereich (2; 8; 11) eine Wasserstoff-/Deuterium-Konzentration von mindestens 5×10¹⁹ Molekülen/cm³ aufweist, und in Abhängigkeit von der Wellen länge eine Mindestenergiedichte der UV-Strahlung wie folgt eingestellt wird:
bei 193 nm eine Energiedichte von mindestens 1,5 J/cm²,
bei 248 nm eine Energiedichte von mindestens 2,0 J/cm²,
bei 265 nm eine Energiedichte von mindestens 2,5 J/cm² und
bei 308 nm eine Energiedichte von mindestens 3,5 J/cm²,
wobei zur Übertragung einer von einem Laser ausgehenden UV-Strahlung eine Impuls länge der Laserimpulse von mindestens 10 ns vorgesehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übertragung einer von ei nem Laser ausgehenden UV-Strahlung die Repetitionsrate auf einen Wert von minde stens 10 Hz eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil eingesetzt wird, bei dem Wasserstoffkonzentration im Übertragungsbereich (2; 8; 11) mindestens 5×10²⁰ Moleküle/cm³ beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil (1; 7; 10) eingesetzt wird, bei dem der Übertragungsbereich (2; 8; 11) einen OH-Gehalt von mindestens 100 ppm aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils (1; 7; 10) um mindestens 50°C niedriger gewählt wird, als die Temperatur, die beim Beladen des Bau teils (1; 7; 10) mit Wasserstoff und/oder Deuterium eingestellt worden ist, mit der Maßga be, daß zum Beladen ein Rohling aus Quarzglas hergestellt und bei einer Bela dungstemperatur von mindestens 100°C einer wasserstoff-/deuteriumhaltigen Atmo sphäre ausgesetzt wird und dabei mit einem Druck von mindestens 50 atm beaufschlagt wird.

6. Optisches Bauteil für die Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Übertragungsbereich (2; 8; 11) aus mit Wasserstoff und/oder Deu terium beladenem, synthetisch hergestelltem Quarzglas aufweist, der mindestens teilwei se mit einer wasserstoffundurchlässigen oder einer die Wasserstoffdiffusion hemmenden Sperrschicht umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoff-/Deuteriumkon zentration im Übertragungsbereich (2; 8; 11) mindestens 5×10¹⁹Moleküle/cm³ beträgt.

7. Optisches Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3; 4; 9; 12; 14; 15) aus Graphit, aus einem Siliziumoxinitrid oder aus Aluminium besteht.

8. Optisches Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3; 4; 9; 12; 14; 15) aus einem UV-durchlässigen Material, insbesondere aus Quarzglas besteht.

9. Optisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sperrschicht (3; 4; 9; 12; 14; 15) Bereiche mit hoher Wasserstoffdurch lässigkeit (6) und Bereiche (7) mit geringer Wasserstoffdurchlässigkeit aufweist.

10. Optisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sperrschicht (3; 9; 12; 14; 15) aus mehreren Schichten aufgebaut ist, wovon eine erste Schicht (14) vor einer Beladung des Übertragungsbereiches (2; 8; 11) mit Wasserstoff/Deuterium, und eine zweite Schicht (15) nach der Beladung aufgebracht wird.

11. Optisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß es als optische Faser (1) ausgebildet ist, mit einem Übertragungsbe reich (2) aus synthetisch hergestelltem Quarzglas, der von einer Sperrschicht (3) aus ei nem eine kleinere Brechzahl aufweisenden Quarzglas umhüllt ist, wobei die Dicke der Sperrschicht (3) zwischen ca. 5% und ca. 50%, vorzugsweise um 20%, des Gesamt durchmessers der Faser (1) beträgt.

12. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Übertragung von UV-Strahlung einer Wellenlänge kleiner als 270 nm der Übertragungsbereich (2; 8; 11) einen OH-Gehalt von höchstens 5 ppm aufweist.

13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsbereich in Form mindestens einer Faser oder eines Stabes ausge bildet ist, und daß die Faser oder der Stab mindestens teilweise von einer Hülse umge ben sind, die ein flüssiges oder ein gasförmiges Kühlmittel enthält.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse ein rohrförmiges Peltier-Element aufweist.