DE2808676A1

DE2808676A1 - Verfahren zum bestimmen wenigstens einer kenngroesse der ausziehzone einer optischen faser

Info

Publication number: DE2808676A1
Application number: DE19782808676
Authority: DE
Inventors: Thomas Dixon Dudderar; Peter Gerald Simpkins
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-01
Publication date: 1978-09-07
Also published as: US4102661A; AU3366778A; JPS53143251A; FR2382674B1; BE864398A; IT7820805A0; GB1576569A; NL178244B; AU511241B2; FR2382674A1; NL7802262A; NL178244C; DE2808676B2; JPS618022B2; DE2808676C3; SE437369B; CA1086523A; SE7801939L; IT1115592B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Analyse der Ausziehzonen optischer Fasern, insbesondere auf eine Methode zum Überwachen der Ausziehzone während des Ziehvorgangs.

Die erfolgreiche Anwendung optischer Fasern bei Langstreckenübertragungssystemen erfordert die strenge Einhaltung bestimmter Faserentwurfsparameter. Beispielsweise müssen solche Fasern mit sehr kleinen Toleranzen im Durchmesser, in der Brechungsindexverteilung innerhalb der Faser und in der Anzahl Fehlstellen, wie Mikrosprünge längs der Faser hergestellt werden. Wegen dieser sehr engen Toleranzen der einzelnen Fasereigenschaften sind detaillierte Methode zum Messen solcher Parameter entwickelt worden.

In der ÜS-PS 3 879 128 (H. M. Presby) ist ein Verfahren zum Überwachen des Durchmessers einer optischen Faser beschrieben. Hiernach wird Licht an der Faser gestreut, das Streulicht festgestellt und das resultierende Interferenzmuster analysiert, um hieraus die Größe des Faserdurchmessers abzuleiten. Ein solches Verfahren nimmt an Bedeutung zu, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Übertragungseigenschaften der Faser hochkritisch vom Faserdurch-■esser abhängen und beeinträchtigt werden können. Bei bestimmten

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öbertragungsmoden muß der Faserdurchmesser längs der Faser auf innerhalb weniger als 1 % genau konstant sein, während bei anderen Anwendungsfällen vom Faserdurchmesser gefordert wird, daß er sich längs der Faser mit wohldefinierter Amplitude und Periodizität ändert. Solche Durchmesser-Vorschriften können im einzelnen nach der Presby-Methode überwacht werden. Man muß sich jedoch vergegenwärtigen, daß bei Überwachung der Faser während des Ziehprozesses das Ausmaß, zu dem die erhaltene Information in einer Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Ziehparameter wirksam eingesetzt werden kann, begrenzt ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Ziehen mit sehr hohen Geschwindigkeiten erfolgt und viele Meter unvollkommener Faser gezogen werden, bevor eine Korrektion voll durchgreift. Andere Schemata zum Bestimmen von Faserparameter leiden an ähnlichen Beschränkungen. Hiernach werden nämlich die Faser-Parameter erst festgestellt, nachdem die Faser gezogen worden ist, so daß die Parameter nur beschränkt zur Änderung oder Variierung der Ziehparameter im Rahmen einer Rückkopplungsschleife ausgenutzt werden können.

Die geometrische Optik, mit der die Presby-Methode beschrieben werden kann, ist ein Gebiet der Physik, das bereits vor dem 20. Jahrhundert gut verstanden wurde. Zu den zahlreichen in der optischen Literatur beschriebenen Phänomenen gehört ein Streuungsprozeß, der zu Gebieten erhöhter Lichtintensität, die als kaustische Strahlen bekannt sind, führt. Derartige kaustische

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Strahlen sind bei der Analyse optischer Oberflächen nur begrenzt angewandt worden. Ein Beispiel hierfür findet sich in International Journal of Solid Structures, Band 12, Seiten 377 - 389, wo kaustische Strahlenanalyse als eine Methode zum Messen der optischen Qualität von Glasoberflächen beschrieben ist. Dieser Methode sowie den hiermit verwandten Methoden war jedoch nur beschränkter Erfolg beschieden.

Bei der Erfindung handelt es sich nun um ein Verfahren zum Überwachen der Ausziehzone eines Vorformlings für eine optische Faser durch Analysieren der aus der Ausziehzone austretenden kaustischen Strahlen. Zahlreiche kaustische Strahlen können zum Austritt aus dieser Zone gebracht werden, und die Analyse dieser Strahlen ermöglicht die Bestimmung nicht nur der geometrischen Eigenschaften der Ausziehzone, sondern auch die Brechungsindexverteilung und Temperatur des geschmolzenen Glases innerhalb dieser Zone. Diese Eigenschaften der Ausziehzone können mit den begleitenden Eigenschaften in der resultierenden optischen Faser verknüpft werden. Das Verfahren kann zur Untersuchung einer "verfestigten" Ausziehzone oder zur Überwachung der erschmolzenen Ausziehzone während des tatsächlichen Ziehprozesses verwendet werden. Bei Echtzeitanwendungsfällen kann eine im wesentlichen momentan erfolgende Rückkopplung zur Steuerung der verschiedenen Ziehparameter (z. B. Vorformlings-Vorschubgeschwindigkeit und -kraft, Ziehgeschwindigkeit und -kraft, Vorformlingstempera-

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tür, Größe der Ausziehzone) vorgesehen werden, so daß eine optische Faser mit genauer gesteuerten Sollxferten hergestellt werden kann.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert j es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der verschiedenen einfachen Oberflächen zugeordneten kaustischen Strahlen,

Fig. 2 die Erzeugung eines kaustischen Strahls durch von außen erfolgende Beleuchtung der Ausziehzone eines optischen Faservorformlings,

Fig·⁴ 3 die Erzeugung eines kaustischen Strahls durch von innen erfolgende Beleuchtung der Ausziehzone eines optischen Faservorformlings,

Fig. 4 den Nachweis eines abgelenkten kaustischen Strahls bei einer Beleuchtung von außen,

Fig. 5 den Nachweis eines abgelenkten kaustischen Strahls bei einer Beleuchtung von innen,

Fig. 6a - f das Kaustik-Muster₉ das bei Seleuehtsmg einer ziehzone mit Strahlung in Form eines Spaltmusters resultiert,

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Fig. 7A und 7B die Effekte einer inneren Reflexion des kaustischen Strahlmusters,

Fig. 8A bis L die Abhängigkeit der kaustischen Strählung von der Steigung am Wendepunkt der Ausziehzone,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Kaustikstrahlabhängigkeit von der Wendepunktsteigung und

Fig. 1OA und 1OB den Nachweis kaustischer Strahlen im Ofen einer Ziehapparatur.

Wenn Licht an einer Oberfläche entweder reflektiert oder gebrochen wird, können die resultierenden abgelenkten Strahlen der geometrischen Optik eine bestimmte Enveloppe bilden. Längs der Oberfläche einer solchen Enveloppe kann die Intensität ein örtliches, phasenunabhängiges Maximum haben. Diese Enveloppe ist in der Literatur als Kaustik bekannt. Das Phänomen kann anhand der Fig. 1 leichter verstanden werden. In Fig. 1 sind mehrere Oberflächen 10 dargestellt, an denen das Licht entweder reflektiert oder gebrochen wird. In allen Fällen bilden die ablenkten Lichtstrahlen 11 eine Enveloppe, die eine Kaustik 12 liefert. In der Normalen-Richtung zur Kaustik ist die Intensität durch eine Airy-Funktion gekennzeichnet, die auf einer Seite, der Schattenzone, exponentiell abnimmt und sich auf der anderen Seite harmonisch ändert. Für einfache Geometrien kann die Kaustik

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auf direktem Wege errechnet werden. ¥enn jedoch die reflektierenden Flächen analytisch nicht dargestellt werden können, dann müssen die Berechnungen der Kaustik-Geometrie numerisch erfolgen.

Mit der Erfindung wurde gefunden, daß Licht, das an der Ausziehzone eines optischen Faservorformlings abgelenkt wird, kaustische Strahlen zu bilden vermag. Diese abgelenkte Strahlung kann auf wenigstens zwei Wegen erzeugt werden. Einmal kann das Licht durch den Vorformling längs dessen Achsrichtung zur Ausziehzone hin geschickt werden, wo es aus dem Vorformling unter Brechung austritt (Ablenkung von innen her); zum anderen kann das Licht, von außen her aufgestrahlt, an der Ausziehzone reflektiert werden (Ablenkung von außen her).

Fig. 2 zeigt einen Kaustik-Strahl, der durch Reflexion von aussen her an der Faservorformling-Ausziehzone entsteht. Hiernach trifft ein kollimiertes Beleuchtungsstrahlenbündel 12 auf die Ausziehzone 21 auf. Die Winkel zwischen den einzelnen gestreuten Strahlen 22 und dem kollimierten Strahlenbündel ändern sich in Abhängigkeit von derjenigen Stelle in der Ausziehzone, an der das einfallende Licht auf den Vorformling auftrifft. Als Ergebnis bildet hierbei das reflektierte Licht einen Fächer von Strahlen, die in sich zurückgefaltet sind. Der größte Winkel zwischen einem reflektierten Strahl und dem kollimierten Strahlen-

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bündel tritt für jenen Strahl auf, der im Wendepunkt 24 der Aus-?· ziehzone auf trifft. Dieser am Wendepunkt 24 des Vorfonnlings als Strahl 23 reflektierte Strahl bildet die Grenze zwischen der alles reflektierte Licht enthaltenden Zone 25 und einer vergleichsweise dunklen Zone 26. Dieser Grenzstrahl 23 ist der Kaustik-Strahl. Unter Verwendung einfacher geometrischer Überlegungen kann der Winkel 2 T zwischen dem Kaustik-Strahl und dem kollimierten Strahlenbündel zur Bestimmung der Steigung der Ausziehzone an deren Wendepunkt benutzt werden. Die Steigung der Ausziehzone am Wendepunkt wird durch den Winkel β zwischen der Normalen 27 zur Ausziehzone am Wendepunkt und der Vorformlingsachse gemessen. Offensichtlich können die geometrischen Eigenschaften der Ausziehzone leicht bestimmt werden, ob das kollimierte Strahlenbündel senkrecht auf die Vorformlingsachse auftrifft oder nicht.

Fig. 3 zeigt in schematischer Form die Kaustik, die von innerhalb des Vorformlings annähernd achsparallel verlaufendem und auf die Ausziehzone gerichtetem Licht erzeugt wird. In Fig. 3 werden die einfallenden Strahlen 31 zunächst an der Ausziehzone reflektiert und treten dann schließlich - entsprechend gebrochen - aus der Ausziehzone aus, um einen Strahlenfächer 32 zu bilden. Der Strahl 33, der anfänglich beim Wendepunkt der Ausziehzone auf trifft, bildet wiederum eine Kaustik-Grenze. Der Winkel, unter dem diese Kaustik-Grenze erscheint, ist eine Funktion von sowohl der Geometrie der Ausziehzone als auch der opti-

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sehen Eigenschaften innerhalb des Faservorformlings, von denen einige temperaturabhängig sein können. Während Fig. 3 nur einen Typ einer von innen her erzeugten Kaustik zeigt, sind in der im einzelnen noch zu erläuternden Fig. 8 verschiedene von innen her erzeugte Kaustik-Typen dargestellt, von denen ein jeder von der Geometrie und den optischen Eigenschaften der Vorformling-Ausziehzone abhängig und hiermit verknüpft ist. Die Messung des Ortes der verschiedenen Kaustiken ermöglicht dem Fachmann die Bestimmung der geometrischen und optischen Eigenschaften des Vorformlings und folglich der geometrischen und optischen Eigenschaften der hiervon gezogenen optischen Faser. Betroffene Kenngrößen sind u. a. der Durchmesser der Faser als Funktion der Faserlänge und die Brechungsindexverteilung innerhalb der Faser. Eine der Vorformling-Ausziehzone zugeordnete Asymmetrie kann gleichfalls untersucht werden und verhindert die wirksame Durchführung dieses Verfahrens nicht. Die Analyse dieser optischen und geometrischen Eigenschaften bildet ein Gesichtspunkt der Erfindung.

Bei der Durchführung des Verfahrens kann mit einer Fremdlichtquelle oder mit der natürlichen Glühlichtemission einer geschmolzenen Ausziehzone gearbeitet werden, um das Licht entweder von außen her oder von innen her an der Vorformling-Ausziehzone abzulenken, wobei weiterhin übliche Lichtdetektoren zur Messung der Lage der resultierenden Kaustik-Strahlen benutzt werden.

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Die Lichtquelle kann entweder kohärent oder inkohärent sein, wird aber im allgemeinen kollimiert sein. Sie kann Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Teil des Spektrums aussenden. Der Detektor kann ein beliebiger lichtelektrischer Wandler, beispielsweise ein Sekundärelektronenvervielfacher oder ein Festkörper-Lichtdetektor, sein und Filter zur Abtrennung von Licht einer bestimmten Quelle enthalten. Die speziell benutzte Lichtquelle oder Detektorapparatur ist für die Durchführung des Verfahrens nicht kritisch und kann ohne weiteres so variiert werden, daß die Empfindlichkeit der Messung optimalisiert ist. Die Ausziehzone kann im verfestigten Zustand, also kalt analysiert werden, oder auch während des Ziehprozesses im geschmolzenen Zustand. Nachstehend sind die Natur der kaustischen Strahlen und der experimsfcellen Methoden beschrieben, die zu deren Nachweis und Analyse benutzt werden.

Beispiel I Proben-Präparation, Apparatur und Betriebsweisen

Erstarrte Proben der üfoergaagszone zwischen Vorformling und Faser wurden geschnitten und senkrecht zur Achse am iforf ormlingaeitigen Ende etwa 50 mm vor der Aussiehzone poliert. Jede Probe begann auf der einen Ssit© bei einem Vorformling eines gleichförmigen Burcbmesssrs zwischen 6,5 und 8 mm und ©ndigte

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ORiG/HAL INSPECTED

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bei einem Faserdurchmesser von typischerweise 200 Mikrometer. Technisch erstreckt sich der Ausziehbereich viel weiter, nämlich auf einen Faserenddurchmesser von typischerweise etwa 100 Mikrometer. Obgleich jede Glaszusammensetzung benutzt werden kann, waren in diesem Teil der Untersuchungen alle Proben aus Quarzglas eines Brechungsindexes η = 1,457 bei einer Wellenlänge von 643,8 nm. Die einzelnen Proben wurden in einer kardanischen Spiegelaufhängung mit 5 Freiheitsgraden montiert, wobei jeder Freiheitsgrad mit einer Mikrometereinstellung versehen war. Die Probe wurde üblicherweise von innen her durch einen am vorformlingseitigen Ende und parallel zur Faserachse eingeführten Lichtstrahl beleuchtet. Diese Methode erzeugte Kaustiken, die sich sowohl in Stromaufv/ärts- als auch Stromabwärtsrichtung, bezogen auf die Ziehrichtung, ausbreiten. Die Probe könnte auch von außen her mit einem senkrecht zur Faserachse orientierten Strahlenbündel, das auf die Ausziehzone fällt, beleuchtet werden. Diese Alternative lieferte eine reflektierte Kaustik, aus der der maximale Gradient des Ausziehprofils bestimmt werden konnte.

Eine schematische Darstellung einer einfachen Apparatur zur Bestimmung kaustischer Strahlen, die aus einer Faservorformlings-Ausziehzone austreten, ist in Fig. 4 und 5 gezeigt. Fig. 4 zeigt eine Apparatur zum Nachweis einer von außen her reflektierten Kaustik. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine optische Faser 47 dargestellt, die von einem Vorformling 46 abgezogen

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und auf eine Trommel 48 aufgewickelt wird. Die speziell benutzte Ziehmethode ist nicht dargestellt, es kann hierfür jedes geeignete Verfahren benutzt werden, beispielsweise das Laser- oder das Ofenziehverfahren. Ein Argonionen- oder He-Ne-Laser 41 der bei einer Wellenlänge von λ = 514,5 bzw. 632,8 nm emittiert, liefert das Beleuchtungsstrahlenbündel 44. In jedem Fall wird der Strahl durch ein räumliches Filter 42 expandiert und kollimiert derart, daß der Vorformling von einer gleichförmigen, ebenen Wellenfront eines größeren Durchmessers als der Vorformling-Durchmesser beleuchtet wird. Die gestreuten kaustischen Strahlen 45 werden an einem geeigneten Strahlungsdetektor 43 nachgewiesen. In Fig. 4 ist eine einfache photographische Platte 43 als der Detektor vorgesehen.

Bei Beleuchtung von innen her (siehe beispielsweise Fig. 3) eignet sich die Kaustik-Nachweisapparatur nach Fig. 5 besser. Dort bezeichnen 55 den Vorformling und 56 den Beleuchtungsstrahl. Ein Umlenkspiegel 57 ist gleichfalls dargestellt. Weiterhin sind drei Nachweisebenen 51, 52 und 53 eingezeichnet. Bei der detaillierten Untersuchung des Kaustik-Phänomens wurden einstellbare Spalte und Blenden 54, die auf zweiachsigen Mikrojustiereinheiten montiert waren, zur selektiven Beleuchtung bestimmter Zonen des Vorformlingsquerschnittes benutzt. Soweit erforderlich,wurde eine nichtplanare Wellenfront durch Einfügen eines Zerstreuungsgliedes in das kollimierte Strahlenbündel am polierten Proben-

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ende erzeugt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wurden die Bilder der von einer /bestimmten Probe erzeugten Kaustik-Muster in Ebenen parallel (51) und senkrecht (52 und 53) zur Vorformlingsachse aufgezeichnet. Von der beleuchteten, entweder festen oder geschmolzenen Ausziehzone wurden stark vergrößerte Photograph!en gemacht. Diese Phötographien wurden mit einem Instrumentarium hoher Auflösung hergestellt, wobei ein für Luftaufnahmen vorgesehenes Objektiv einer Brennweite von 615 mm und einer relativen öffnung Ton f/6,0 in umgekehrter Richtung vor einem 2/m-Cassegrain-Ieleskop angeordnet war. Hiermit konnten bis zu 100-fache Vergrößerungen erhalten werden. In beiden Fällen waren die Kaustik-Enveloppen evident. Aus dem Umstand? daß die geschmolzene Probe selbstleuchtend ist, während die erstarrte Probe von innen her beleuchtet wird, wird geschlossen» daß die Bildung der Kaustik von der Matür der Beleuchtung nicht kritisch abhängt. Folglich sind die Daten₉ "'die anhand erstarrter Proben gewonnen wurden^ für. Kausti-= l£@n repräsentativ ₉." die bei tatsächlichen Faserziehoperationen auf-treten, ; .*

"'-*■■■■ ^;" Abschätzung, der Genauigkeit

Ps⁵Qf ilmessungen der erstarrten Proben x-mrden auf einem, optischen, !©apiträtor (Fabrikat Ηϋεόη) durchgeführt. Die Daten wurden alle

ORIGfMAL INSPECTED

0,13 mm (0,005 Zoll) längs des Profils mit einer Genauigkeit von 0,05 mm (0,002 Zoll) aufgezeichnet. Diese Daten wurden bei der geometrischen Strahlverfolgungsprozedur und bei den numerischen Berechnungen benutzt. Bei der Versuchsdurchführung während der die Kaustik-Bilder aufgezeichnet und/oder gemessen wurden, wurde translatorische Bewegungen auf eine Genauigkeit von 0,025 mm bestimmt. Da jedoch der Film (ein Polaroidfilm) innerhalb des Filmhalters nicht genauer als auf ± 1,0 mm angeordnet werden konnte, erfolgten alle detaillierten Untersuchungen der Kaustiken anhand von Daten, die durch direkte Messung der auf geeigneten Schirmen projizierten Bilder gewonnen wurden. Die Lage der Kaustik wurde mit einer metrischen Skala und einer Vernier-Lehre bestimmt. Es wurde geschätzt, daß bei horizontal angeordnetem Schirm die Kaustiken gegenüber dem Vorformling auf innerhalb + 0,1 mm genau in der Vertikalen und auf innerhalb ± 0,2 mm genau in der Horizontalen lokalisiert werden können.

Die Messungen des maximalen Gradienten des Ausziehprofils unter Verwendung der von außen her reflektierten Kaustik wurden als auf innerhalb 1 % genau reproduzierbar befunden. Bei weniger Sorgfalt war die Reproduzierbarkeit auf innerhalb 5 % genau. Diese Resultate waren leichter und genauer im Kaustik-Verfahren als durch eine Analyse der Daten zu erhalten, die mit dem optisehen Komparator ermittelt wurden.

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Ursprünge der Kaustiken

Zur Änderung des Durchmessers des einfallenden Strahlenbündels wurde eine Blendenöffnung benutzt, um festzustellen, welche Ringbereiche innerhalb eines Querschnittes der Probe dasjenige Licht überträgt, welches zu jeder Kaustik beiträgt. Unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 5 mit einem geschliffenen Glasschirm in der Position 52 oder 53 wurde der Durchmesser des Einfallsstrahlenbündels reduziert, bis die Kaustiken verschwanden. Waren Strahl- und Vorförmlingdurchmesser gleich, so waren sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts Kaustiken beobachtbar. Wenn der Strahldurchmesser um etwa 5 % reduziert wurde, verschwand die stromabwärtige Kaustik, während die stromaufwärtige Kaustik unbeeinflußt blieb. Die stromaufwärtige Kaustik blieb recht intensiv bis der Strahldurchmesser auf Werte zwischen 60 und 55 % des Probendurchmessers reduziert war, wonach sie rasch an Intensität zu verlieren begann. Diese Beobachtungen zeigen, daß die stromabwärtige Kaustik von einem sehr nahe an der Schulter der Ausziehzone gelegenen Bereich herrührt, während die stromaufwärtige Kaustik ihre Quelle in einem dicht am Wendepunkt der Ausziehzone gelegenen Bereich besitzt.

Beobachtungen mit planaren Strahlenbündeln

Eine Reihe Versuche wurden mit einem durch einen 0,89 mm breiten Spalt hindurchgeschickten kollimierten Lichtstrahlenbündel durch-

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geführt, mit dem der Vorformling in einer Richtung parallel zu seiner Achse beaufschlagt wurde. In Fig. 6 sind die mit einem in den Positionen 52 und 53 (Fig. 5) befindlichen Schirm beobachteten Bilder dargestellt. In Fig. 6 bedeutet weiterhin 61 die Stirnansicht des Vorformlings und 62 die Schnittansicht des einfallenden planaren Strahlenbündels. Fig. 6 illustriert die beobachteten Änderungen, wenn der Planarstrahl aus der Achse heraus bewegt wird. Diese Beobachtungen helfen bei der Identifizierung der Strahlwege in der Ausziehzone. Es seien zunächst die stromaufwärtigen Kaustik-Bilder (Fig. 6, untere Bildreihe) betrachtet. Venn das Planarstrahlenbündel mit der Achse zusammenfällt, sieht man, daß die Kaustik örtlich an zwei getrennten, um 180 ° auseinanderliegenden Stellen beleuchtet ist. Die kleine Divergenz im Strahlenbündel, die von Beugungseffekten herrührt, hat sich durch die Geometrie der Ausziehzone wesentlich vergrößert. Die beleuchteten Zonen der Kaustik treten aus jener Seite der Ausziehzone aus, die der des einfallenden Lichtes diametral entgegengesetzt ist. Die anderen Teile der Kaustik sind nicht beleuchtet, da das einfallende Strahlenbündel die entsprechenden Zonen der Probe nicht schneidet. Wenn das Planarstrahlenbündel aus der Achse nach der einen Seite (siehe Fig. 6b) herausbewegt wird, dann bewegen sich die örtlich beleuchteten Bereiche längs der Kaustik auf der entgegengesetzten Seite aufeinander zu. Möglicherweise schneiden sich in Fig. 6c die beiden beleuchteten Bereiche, und die örtliche Intensität·er-

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reicht ein Maximum. Wenn das planare Strahlenbündel zunehmend weiter aus der Achse herausbewegt wird, nimmt die örtliche Intensität rasch ab, siehe Fig. 6d. Während die Fig. 6a bis 6c Aufnahmen mit einer Sekunde Belichtungsdauer sind, wurde die Aufnahme nach Fig. 6d 5 Sekunden lang belichtet. Die in Fig. 6e, eine 20 Sekunden lang belichtete Aufnahme, aufgezeichnete extrem niedrige Intensität zeigt, daß sehr wenig Licht vom Rand der Probe zur stromaufwärtigen Kaustik beiträgt. Tatsächlich ist in diesem Fall das Auftreten einer kaustischen Beleuchtung wahrscheinlich die Ursache einer Randbeugung, die mit der Bildung des planaren Strahleribündels verknüpft ist. Schließlich verschwindet die stromaufwärtige Kaustik (Fig. 6f), wenn nur die halbe Strahlbündelbreite den Probenrand schneidet.

Betrachtet man nun die stromabwärtigen Kaustik-Bilder (Fig. 6, obere Bildreihe) sieht man, daß für die axiale Spaltlage (Fig. 6a) wiederum zwei diametral gegenüberliegende Teile der Kaustik beleuchtet sind. Dieses ist mit dem bei den stromaufwärtigen Kaustikkurven beobachteten Phänomen identisch. Wenn das einfallende Strahlenbündel aus der Achse herausbewegt wird (Fig. 6b 6f) wandern die beleuchteten Teile dieser Kaustik-Familie gleichfalls nach der anderen Seite aus und nähern sich einander ähnlich, wie bei der stromaufwärtigen Kaustik, jedoch langsamer. Während also sich die beleuchteten Teile der stromaufwärtigen Kaustik bereits vereinigt haben, wenn die Mitte des Strahlen-

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bündeis 50 % des Radius (Fig. 6c) erreicht hat, ist dieses bei der stromabwärtigen Kaustik erst dann der Fall, wenn die Mitte des Strahlenbündels mit dem Rand der Probe zusammenfällt (Fig. 6f). Diese Bilder zeigen, daß die stromabwärtigen Kaustiken von Strahlen herrühren, die sehr dicht an der Oberfläche der Probe verlaufen, die Probe in der Ausziehzone durchkreuzen und an der gegenüberliegenden Seite, immer noch stromabwärts gerichtet, austreten. Diese Strahlwege wurden identifiziert durch Beobachten der Wege eines Lichtstrahlenbündels von 1 mm Durchmesser, die stromabwärts des Vorformlings gebrochen wurden.

Ausbreitungswege der entstehenden Kaustiken

Die experimentelle Bestimmung der Ausbreitungsrichtungen der Kaustiken und der genauen Lage ihres Austrittes aus dem Vorformling wurden mit austretenden Kaustiken identifiziert, indem der geometrische Strahlweg durch eine bekannte Vorformlingsgeometrie verfolgt wurde. Diese Strahlenanalyse wurde graphisch bei einer 50-fachen Vergrößerung durchgeführt, um ausreichende Genauigkeit sicherzustellen. Dabei wurde bei einer typischen Probe ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen der experimentellen Beobachtung und der graphischen Strahlverfolgung erhalten. Als Ergebnis dieser Vergleiche folgt, daß die beobachteten Kaustiken in der Tat von Licht herrühren, das den durch die graphische Strahlverfolgungsanalyse bestimmten Wegen folgt. Die stromauf wärtige

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Kaustik wird durch Strahlen erzeugt, die längs der Probe nach unten in einer Entfernung von etwa dem halben Radius von der Achse verlaufen und nur einer inneren Reflexion unterliegen. Diese Strahlen durchqueren danach die Probe und treffen auf der diametral gegenüberliegenden Seite der Ausziehzone unter einem solchen Winkel auf, daß sie stromaufwärts von den stromabwärtigen Kaustiken austreten. Es sei wiederholt, daß ein Kaustikbild ein Begrenzungsphänomen ist, das davon herrührt, daß sich das Feld der austretenden gebrochenen Strahlen in sich zurückfaltet. Sonach stellt die stromaufwärtige Kaustik die am weitesten stromaufwärts gelegene Grenze dar, unter der die Strahlen aus dem Vorformling austreten können. Es ist jedoch möglich, daß bei bestimmten Ausziehgeometrien die stromaufwärtige Kaustik nicht auftritt, weil das Feld der austretenden Strahlen am kritischen Winkel aufhört. D. h., bevor sich das Feld in sich zurückfalten kann, unterliegt es einer inneren (Total-) Reflexion. Das stromaufwärtige Bild einer solchen Probe ist in Fig. 7A dargestellt, bei der keine Kaustik-Linie an der Grenze zwischen der Hell- und Dunkelzone zu sehen ist. Eine ähnliche innere Reflexion tritt örtlich in Fig. 7B auf. Die Asymmetrie der in Fig. 7B beobachteten Kaustik und deren örtliche Auslöschung rühren von Asymmetrien im Ausziehprofil her.

Wie erwähnt, ist im vorstehenden gezeigt worden, daß die stromabwärtigen Kaustiken von Licht herrühren, das sich längs der

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Probe sehr dicht an der Oberfläche nach unten ausbreitet und in stromabwärtiger Richtung gebrochen wird. Ihr Verhalten ist ansonsten ähnlich der stromauf wärtigen Kaustik. Nichtsdestoweniger ergibt die graphische StrahlVerfolgungsanalyse eine wichtige Unterscheidung zwischen den beiden Kaustik-Familien. Wie nachstehend im einzelnen erläutert wird, wird die stromabwärtige Kaustik durch Strahlen erzeugt, die, bevor sie die Probe durchqueren und aus ihr austreten, zweimal reflektiert worden sind, während die stromaufwärtige Kaustik durch Strahlen gebildet wird, die nur einmal vor ihrer Durchquerung der Probe und Austritt aus derselben reflektiert werden (siehe Fig. 8).

Die verschiedenen Kaustiken

Zwei grundsätzliche Kaustik-Familien, die von koaxialer Beleuchtung einer erstarrten Ausziehzonenprobe herrühren, sind von hauptsächlichem Interesse, da sie im größten Ausziehzonen-Kegelbereich auftreten. Die erste dieser Kaustiken wird durch Licht erzeugt, das einer inneren Reflexion an einer betrachteten Seite unterliegt, sodann die Achse der Ausziehzone überquert und auf der gegenüberliegenden Seite unter entsprechender Brechung austritt. Die zweite Kaustik-Familie rührt von Licht her, das zwei Reflexionen an der anfänglichen Seite unterliegt, bevor es die Achse überquert und an der gegenüberliegenden Seite entsprechend gebrochen austritt (Fig. 8). Nachstehend sind die beiden Kaustikfamilien als "Zweischnittpunkts¹¹- bzw. ^BDreischnittpunktsⁿ-

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Kaustiken bezeichnet. Diese Kaustiken sind üblicherweise als stromauf wärtige und stromabwärtige Kaustiken bezeichnet, da dieses die in der ersten experimentellen Proben ihre Fernfeld-Ausbreitungsrichtungen beschrieben hat.

Zwei Kaustiken von geringerem Interesse seien gleichfalls angegeben und nachstehend kurz erörtert. Die erste dieser Kaustiken ist eine "Ein-Schnittpunkts"-Kaustik, die wie ihr Name sagt, durch Licht erzeugt wird, das bereits beim erstmaligen Auftreffen auf der Glasfläche unter entsprechender Brechung austritt. Die zweite rührt von Licht her, das wie bei der Dreischnittpunktsfamilie einer zweimaligen Reflexion an der ersten Seite vor dem Durchqueren der Probe unterliegt. Jedoch unterliegt dieses Licht an seinem Auftreffpunkt an der gegenüberliegenden Seite einer inneren Reflexion und es tritt erst am zweiten Auftreffpunkt auf der zweiten Seite unter entsprechender Brechung aus dem Glas aus. Dieses wird als eine Vierschnittpunkts-Kaustik bezeichnet,

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Strahlen, die unter entsprechender Brechung aus der Ausziehzone einer Probe, deren Winkel ß gleich 69,3° beträgt, also nur "Zweischnittpunkts"-Licht emittiert wird. Die Beleuchtungsstrahlen, die unter einem größeren radialen Abstand als der Strahl 34 oder unter einem kleineren radialen Abstand als der Strahl 35 verlaufen, schneiden die zweite Seite unter Winkeln, die größer sind als der kritische

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Winkel (der für Quarzglas eines Brechungsindexes von 1,46 bei der Bezugswellenlänge 43,2 ° beträgt). Folglich unterliegen diese Strahlen fortlaufenden inneren Reflexionen und pflanzen sich auf diese Weise innerhalb der Faser fort. Der Strahl 33 ist jener Strahl, der etwa im Punkt maximaler Steigung auftrifft und deshalb um den größten Winkel abgelenkt wird. Folglich bildet einer eine Katakaustik, d. h., eine Kaustik durch Reflexion innerhalb des Glases. Diese Kaustik durchsetzt die Ausziehzone und bildet eine sichtbare äußere Kaustik-Enveloppe, nachdem sie auf der gegenüberliegenden Seite unter entsprechender Brechung ausgetreten ist. Anhand der Fig. 3 sieht man, daß Strahlen, die beiderseits des Strahls 33 verlaufen, unter größeren Winkeln zur Normalen das Glas als gebrochene Strahlen verlassen, als der anfänglich am Wendepunkt einfallende Strahl 33. Dieses wird immer auftreten, wenn alle Strahlen zwischen dem Strahl 34 und dem Strahl 33 vor dem Strahl 33 die Probe durchquert haben, bevor sie unter entsprechender Brechung austreten. Man sieht jedoch, daß es Fälle gibt, in denen diese Strahlen an der gegenüberliegenden Seite ankommen und dort das Glas unter Brechung verlassen, bevor sie alle vor dem Strahl 33 das Glas durchquert haben. Dann ist es möglich - wenn der Jinderungsbetrag der Steigung in der vorhandenen Zone genügend groß ist -, daß einer dieser nahe benachbarten undurchkreuzten Strahlen als das Extrem oder als der von außen sichtbare Kaustikstrahl anstelle des Strahls 33 austritt. Im Fall der Zweischnittpunktskaustiken

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sind die Winkelunterschiede zwischen dem Strahl 33 und jedem nahe benachbarten Strahl, der als der äußere Kaustikstrahl erscheint, für alle vernünftigen Geometrien ziemlich klein. Bei allen Beispielen war der maximale Unterschied im Kaustik-Winkel kleiner als 0,25 Grad.

Schließlich sei bemerkt, daß in Fig. 3 die zwischen den Strahlen 34 und 35 verlaufenden Strahlen, die ursprünglich gleichförmig während ihrer Ausbreitung innerhalb der Probe verteilt waren (und die gleichförmige kollimierte Beleuchtung darstellen), in der Nähe des kaustischen Strahls konzentriert werden, wenn dieser sich entwickelt. Diese Strahlkonzentration symbolisiert die üblicherweise längs der Fernfeld-Kaustik-Orte, die dem Strahl 33 zugeordnet sind, gefundene LichtIntensivierung. Umgekehrt werden die Strahlen aufgefächert, wenn sie sich den Begrenzungsstrahlen 34 und 35 nähern, was einen entsprechenden Intensitätsabfall darstellt.

¥enn ß abnimmt, treten andere Kaustiken der Zweischnittpunktsfamilie auf, die der Bildung einer inneren Katakaustik am Wendepunkt nicht zugeordnet sind. Statt dessen rühren sie von der Brechung eines inneren Lichtfächers her, der anfänglich durch Reflexion entstanden ist. Wenn es die letzte Brechung ist, die im Sinne einer Lichtsammlung in einer Kaustik wirksam ist, dann wird die Kaustik als Diakaustik bezeichnet.

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Die Dreischnittpunktskaustiken umfassen auch die Bildung einer inneren Katakaustik, die diesesmal von dem Zwischenspiel zwischen den beiden anfänglichen Reflexionen herrührt. In diesem Fall entstehen die Innenkaustikstrahlen aus axialen Beleuchtungsstrahlen, die in der Nähe der Oberfläche der Probe verlaufen und schließlich als Fernfeld-Kaustikstrahlen nach Brechung austreten.

Im folgenden Abschnitt sei eine weitgehend graphische Darstellung der Entwicklung der Kaustiken als Funktion einer sich ändernden Ausziehzonen-Geometrie wiedergegeben. Die funktioneile Abhängigkeit der untersuchten einzelnen Proben ist sehr ähnlich.

Abhängigkeit von der Geometrie

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der funktioneilen Abhängigkeit der einzelnen Kaustiken von der Steigung der Ausziehzone am Wendepunkt. Fig. 9 ist ein Diagramm für θ in Abhängigkeit von ß für die einzelnen Kaustiken, wobei θ der Winkel zwischen dem Kaustik-Strahl und der Vorformlingsachse ist. In Fig. 9 sind die Resultate von zwei verschiedenen Proben wiedergegeben. In Fig. 9 beschreibt die Kurve 93 die Einschnittpunktskaustik, die Kurve 91 eine Zweischnittpunktskaustik, die Kurve 94 eine zweite Zweischnittpunktskaustik, die Kurve 95 eine dritte Zweischnittpunktskaustik, die Kurve 92 eine Dreischnitt-

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punktskaustik, die Kurve 96 eine Vierschnittpunktskaustik tmd die Kurve 97 eine innere Kaustik.

Aus diesen Figuren sieht man, daß für Vorformlinge mit einem ilachen Kegel (ß größer als 75 Grad) kein Licht austreten wird. Werm jedoch β kleiner als 73 Grad wird, dann tritt zuerst die Zweischnittpunktskaustik aus, die anfänglich stromabwärts zur x-Achse hin gerichtet und längs der Oberfläche unter einem Winkel θ von nahezu 190 Grad verläuft. Wenn mit abnehmendem β der Kegel stumpfer wird₉ schwenkt der Kaustikstrahl in die Stromaufwärtsrichtung und erreicht einen Winkel θ Ύοη 9-0" Grad bei -einem ¥inkel β von etwa 50 Grad. Biese Strahlschwenkung nimmt zu, wenn sie den Ausloschpunkt durch innere Reflexion bei einem Winkel θ von 52 Grad, und einem Winkel J3 tob etwa 45 _s 6 Grad erreicht. Diese Kaustik ist diejenige,, die der inneren Katakaustik zugeordnet ist₉ die am Wendepunkt erzeugt wird. Bei einem Winkel S von etwa 37,5 Grad tritt die innere Kaustik wiederum aus. Sie ist jedoch nicht als äußere Kaustik-Trajektorie sichtbar, bis β auf weniger als 34 Grad abgenommen hat. Nichtsdestoweniger wird eine andere Zweischnittpunktskaustik schon früher, d. h. bei einem Winkel β von etwa 41 Grad, sichtbar. Diese Kaustik ist jedoch nicht der durch Reflexion am Wendepunkt erzeugten inneren Kaustik zugeordnet. Sie unterscheidet sich von der ursprünglichen Zweischnittpunktskaustik auch dahingehend, daß sie mit stumpfer werdendem Kegel, in einer Richtung geschwenkt

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wird, die der der ursprünglichen Zweischnittpunktskaustik entgegengesetzt ist, also zu größeren ¥inkeln hin geht. Sie kann auch anfänglich als eine intensive Kaustik austreten, wenn aber einmal der Einfallswinkel des beleuchtenden Strahlenbündels unter den kritischen Winkel abfällt, so daß das meiste Licht schon nach dem ersten Schnittpunkt entweicht, wird sie recht schwach. Wenn ß unterhalb 16,7 Grad abfällt, wird dieser neue Kaustikstrahl erneut durch einen Strahl beleuchtet, der unter einem Winkel größer als der kritische Winkel anfänglich einfällt und so gleichfalls hell wird. Der Halbwinkel θ dieser Kaustik nähert sich asymthotisch 90 Grad, wenn ß gegen Null geht. Betrachtet man erneut die innere Kaustik, dann sieht man, daß ihre Drehung anfänglich gleichfalls verzögert wird, wenn ß abnimmt. Wenn sie jedoch wiederum als der führende Zweischnittpunktskaustikstrahl sichtbar wird, kehrt sich ihre Drehung um. Von dieser Stelle an bis zu ihrer Äuslöschung bei einem Winkel ß von etwa 22 Grad ist diese erneut austretende Zweischnittpunktskaustik viel weniger intensiv als während ihres ursprünglichen Erscheinens. Zusammen mit ihrem Wiedererscheinen, tritt eine dritte schwache Zweischnittpunktskaustik auf. Sie dreht sich schließlich in der Richtung zunehmender Kaustikwinkel ähnlich wie die ihr vorausgehende zweite Zweischnittpunktskaustik.

Ein eingehender Vergleich der Fig. 8 und 9 zeigt, daß über den größten Teil ihres Bereiches die Θ-Abhängigkeit von ß für die

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erste 2weischnittpunktskaustik fur beide Proben nahezu die selbe ist* Jedoch die zweite und dritte Zweischnittpunktskaustile unterscheiden sich van der ersten in einer Reihe bedeutsamer' Wege« Erstens* falten sich die Fernfeldstrahltrajektorien entgegengesetzt zur Faltung der Strahltraäektorien der ersten Kaustik* Zweitens» beide neuen Kaustiken schwenken zu größeren statt zu kleineren Kaustikwinkeln mit abnehmendem ß. Drittens _t sind sie in keiner Weise der inneren Katakaustik zugeordnet, die am Wendepunkt entsteht. Dieser letztere Gesichtspunkt ist recht bedeutsam,, da* während ihre funktioneilen Formen für beide Proben recht äiinlieh sind„ diese zusätzlichen Kaustiken quantitativ die am höchsten differenzierten sind. Dieses ist ein Resultat ihres Ursprungs durch Strahlen.,, die anfänglich recht weit vom Wendepunkt entfernt einfallen_t wo sie stärker von anderen Gegebenheiten der Äusziehzonenmorphologie als durch den Winkel p beeinfIuEt werden*

Die Dreischnittpunktskaustik ist ebenfalls weniger eindeutig mit dem Wendepunkt im Zusammenhang υιοί zeigt eine gewisse Differenzierung zwischen den beiden Proben in ihrem gesamten Bereichir beginnend von ihrem ersten Auftreten bei einem Winkel B von etwa 61! Srad und ein^m Winkel & von etwa Wd- Qrad bis herab zit ihre** Äwsloschung bei g⁵ = 22 Grad bei einem Winkel 6 von etwa 6f Grad* Shnlich wie die erste Zweischnittpunktskaustik tritt die Efreischnittpunktskaustik unter entsprechender Brechung

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senkrecht: zur Ausziehzonenfläciie unter einem Winkel Θ von etwa 110 Grad aus, Jedoch für einen Winkel β von nur etwa 40 Grad. Da ihr anfänglicher Kaustikaustrittswinfcel von der stromabwärtigen Qberflächengeometrie in. weitgehend der selben Weise abhängt wie dieses für die ursprüngliche Zweischnittpunktskaustik der Fall war, ist es nicht überraschend, daß sie gleichfalls zu einem anfänglichen Kaustikwinkel & von etwa 190 Grad, obschon bei einem unterschiedlichen Winkel β (10 Grad küner) resultiert. Bei beiden Proben sind die anfänglichen Dreischnittpunktskaustik-Winkel weitgehend identisch« Gleichfalls verschwinden für beide Proben die Dreischnittpunktskaustiken bei praktisch dem selben Winkel P von 22 Grad,, wie dieses die Zweischnittpunktskaustiken tun. Tatsächlich können die der Dreischnittpunktskaustik zugeordneten Lichtstrahlen eventuell wieder erneut erscheinen. Zusätzlich erscheint eine helle Fierschnittpunktskaustik«, die von der innen reflektierten Breischnittpunktskaustik herrührte kurz in Stromaufwärtsrichtung gerichtet und verschwindet dann wieder« Dieses tritt sämtlich bei Werten für β auf _r die zu klein sind, um physikalisch bedeutsam zu sein«

Schließlich gibt es auch eine Biafcaustik (Kaustik der Brechung), die austritt, wenn β unter den kritischen Winkel abfällt« Diese Kaustik entsteht durch Licht* das nach seinem ersten Schnittpunkt mit der Oberfläche unter entsprechender Brechung austritt« Der Strahl«, der die innere Katakaustifc (und schließlich

die Zwelschnittpunktskaustlk) erzeugt,, produziert gleichfalls ein äußeres Extrem, wenn er die Elnschnltipunkfckaustlk bildet. Da nur wenig Licht In den Beleuchtungsstrablen reflektiert wird., sind, wenn einmal die Einsclmittpunktskaustlk auftritt,, ^©.gliche (aber nicht alle) Zwelschnlttpunktsstrahlen, -die bei Werten von ß unterhalb des kritischen Winkels erscheinen:, recht schwach. Folglich sind die Zweischnlttpunktskaustlken In praktisch ihrem gesamten Erscheinungslbereldh ,gleichfalls schwach.

Wahrend die zweite und dritte Zwelschnltitpuriktskaustik dahingehend einzigartig sind, daß sie sich nie stromabwärts oder in Richtung auf die Faserachse hin fortpflanzen, 1st die Einschnittpunktskaustik dahingehend gleichfalls einzigartig., daß sie sich immer stromabwärts und auf die Faserachse zu ausbreitet. Folglich folgt die Einschnittpunktskaustlk entweder der Oberfläche oder reflektiert sich aus der Faser sn einer gewissen stromabwärts gelegenen Stelle derart heraus, daß Ihre grundsätzliche Drehung als Funktion von ß umgekehrt wird. Da diese Kaustik nur von β abhängt, ist ihr Winkel für alle JLusziehzonenproflle eine Identische Funktion.

Schließlich kann zusammengefaßt werden, daß die brauchbarsten Kaustiken zur Untersuchung der Faserausziehzonen die erste Zweischnittpunktskaustlk und die Drelschnlttpunktskaustlk sind,

die zusammen einen sehr breiten Geometriebereich überdecken. Außer bei sehr großen Werten für ß hängt die erste Zweischnittpunktskaustik hauptsächlich vom Schmelzzonenprofil am Wendepunkt ab und differenziert nicht viel zwischen den einzelnen Proben. Im Gegensatz hierzu sind die Dreischnittpunktskaustiken für verschiedene Proben in ihrem gesamten Bereich leicht differenziert .

Obgleich weniger intensiv und von ziemlich begrenztem Bereich sind die zweite und die dritte Zweischnittpunktskaustik gleichfalls als Mittel zum Untersuchen von Ausziehzonengeometrien brauchbar. Es handelt sich dabei um die am höchsten differenzierten Kaustiken, da sie Licht betreffen, das anfänglich entweder zu Beginn der Ausziehzone (stromaufwärts vom Wendepunkt) im Falle der zweiten Zweischnittpunktskaustik oder am Ende der Ausziehzone (stromabwärts vom Wendepunkt) im Falle der dritten einfällt. Diese Kaustiken sind die einzigen primären Kaustiken, die für Werte von β unterhalb 22 Grad noch sichtbar sind, und sie bilden zusammen mit der Einschnittpunktskaustik ein Hilfsmittel zur Untersuchung extrem stumpfer Ausziehzonen.

Man muß sich vergegenwärtigen, daß, weil eine jede Kaustik bei ihrem Austritt aus der Probe einer Brechung unterliegt, alle Kaustiken vom Brechungsindex, n_c, und von der Oberflächengeometrie abhängen. Die aus einer von außen her beleuchteten Kata-

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kaustik erhaltene Information kann zur Abtrennung der ß-Abhängigkeit der Daten benutzt werden, die von einer geeignet von innen her beleuchteten Kaustik erhalten sind. Dieses kann eine ansonsten nicht erhältliche Information über den Brechungsindex liefern. Beispielsweise sei eine Ausziehzonenprobe eines unbekannten Brechungsindexes n_ betrachtet, die eine erste Zweischnittpunktskaustik bei einem Winkel O irgendwo zwischen 52 Grad und etwa 120 Grad habe. Dieses kann mit einer Computer-Analyse der vorliegenden Daten bei einem Winkel (3 in Übereinstimmung gebracht werden, der anhand einer direkten Winkelmessung der von außen her beleuchteten Katakaustik bestimmt worden ist. Die Einstellung des bei der Computer-Analyse benutzten η -Wertes zum Erhalt eines gleichen theoretischen Wertes für θ sollte eine gute Abschätzung des unbekannten Brechungsindexes liefern. Die Qualität dieser Abschätzung würde davon abhängen, wie gleichförmig n_ in der Probe war und wie nahe die Fortpflanzungsrichtung der austretenden Kaustik zur Tangente mit der Oberfläche gelegen ist. Mit dem Nachweis und der Analyse von mehreren Kaustiken können komplizierte Brechungsindexverteilungen bestimmt und mit der Verteilung innerhalb der Faser verknüpft werden.

Beispiel II

Eine rigorose Verifizierung der Möglichkeiten dieses Verfahrens als Mittel zum Überwachen der Ausziehzone während eines tat-

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sächlichen Ziehvorgangs wurde durch Ausführen von Versuchen mit einer Probe eines Durchmessers von 12,8 mm in einer Ziehapparatur bestätigt. Dieser Versuch substantiierte die Existenz einer neuartigen und stabilen Kaustik-Grenze auf dem Sichtfeld während des Schmelzens und tatsächlichen Ausziehens des Vorformlings zu einer Faser.

Das Experiment wurde unter Verwendung einer COp-Laser-Ziehapparatur und der optischen Anordnung, wie diese schematisch in Fig. 4 dargestellt sind, durchgeführt. Die Beleuchtung erfolgte mit einem 2 mW-Gaslaser im Dauerstrichbetrieb und die erzeugte Kaustik wurde auf einem geschliffenen Glasschirm beobachtet. Vegen der extrem niedrigen Leistung der Lichtquelle und des intensiven Glühlichtes der Ausziehzone wurden wesentliche Signal-/ Rauschspannungsprobleme erwartet. Aus diesem Grunde wurde eine Pyrex-Glasprobe, die bei 880 bis 890 ⁰C gezogen werden konnte, benutzt. In diesem Temperaturbereich ist das Eigenleuchten wesentlich kleiner als im Bereich von 2000 ⁰C, c zum Ziehen von Quarzglas erforderlich ist.

lieh kleiner als im Bereich von 2000 ⁰C, der zu Erschmelzung und

Im abgedunkelten Raum konnte der relevante Teil der Fernfeldkaustik auf einem geschliffenen Glasschirm beobachtet werden, und zwar nach Reflexion an der kalten (erstarrten) Probe. Der COp-Ziehlaser wurde dann aktiviert und, nachdem die Temperatur des Glases in der Ausziehzone auf den Erweichungspunkt gebracht und die Ziehoperation eingeleitet war, konnte man sehen, wie der

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Ort der Kaustik sich verschob. Fhotographien des Fernfeld-Kaustik-Husters wurden während eines kontinuierlichen Faserziehens mit einer Geschwindigkeit von 94 cm pro Sekunde aufgezeichnet. Auflösung und Kontrast waren ausreichend, um eine Identifizierung der Lage der Kaustik auf innerhalb 0,5 mm zu ermöglichen, wobei die Winkelauflösung etwa 4,5 χ 10"" rad betrug. Die Aufnahmen wurden auf Polaroidfilm Typ 52 bei Belichtungszeiten von 1/50 oder 1/100 Sekunden gemacht. Während der anfänglichen Ziehstuf en variierte der Faserdurchmesser langsam zwischen 1,34 χ 10 und 1,42 χ 10 m. Gleichzeitig wurde eine langsame 1 cm-Schwingung der Kaustik-Lage beobachtet, die eine Änderung von nur 9 x 10 im maximalen Gradienten der Ausziehzone darstellte.

Zusammenfassung

Man sieht also, daß eine Reihe Kaustiken vorhanden sind, die zur Untersuchung der Geometrie von Schmelzzonen beim Ausziehen von Fasern benutzt werden können. Sie können sowohl zur Identifizierung als auch zur Unterscheidung unterschiedlicher Ausziehzonengeometrien benutzt werden. Während im vorliegenden hauptsächlich symmetrische Schmelzzonen oder Ausziehzonen und Materialien mit gleichförmigen optischen Eigenschaften betrachtet worden sind, kann das Verfahren ersichtlich auch ausgedehnt werden zur Beurteilung der Auswirkungen verschiedener Ausziehzonen-Asymmetrien und kann weiterhin ausgedehnt werden zur Handhabung

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der mit ungleichförmigen optischen Eigenschaften verknüpften Probleme, wie diese bei optischen Gradientenfasern gefunden werden.

Offensichtlich eignet sich die Kaustikmethode zur Überwachung der Ausziehzone in einer Laser-Ziehapparatur, wo optischer Zugriff leicht möglich ist. Das Verfahren hat mehrere Vorteile zusätzlich zu seinen geringen Kosten, seinem hohen Auflösungsvermögen und seiner ausgezeichneten Empfindlichkeit. Erstens handelt es sich um ein berührungsfreies Verfahren und ist für dynamische Prozesse gut geeignet. Zweitens ist, solange die Ausziehzone innerhalb der Breite des Beleuchtungsstrahlenbündels liegt, was leicht zu arrangieren ist, das Kaustik-Muster vergleichsweise unempfindlich gegenüber Änderungen in der axialen Lage des Wendepunktes. Dieses stellt eine singuläre Gang-Abhängigkeit vom Gradienten allein sicher und vereinfacht die Ausrichtung. Drittens kann, während eine einzelne Strahlführung von außen her infolge Asymmetrien beim Ziehen ungenau sein kann, eine Reihe äußerer kollimierter Beleuchtungsstrahlenbündel oder ein äußeres Einzelstrahlenbündel unter Verwendung einfacher optischer Hilfsmittel so angeordnet werden, daß ein azimutialer Überblick über die Ausziehzone zur Überwachung der Rotationssymmetrie erhalten wird. Sicherlich führt dieses zu einer unmittelbaren und hochempfindlichen überwachung der Bedingungen, die die Geometrie der schließlichen Faser bestimmen.

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Wie bereits erläutert, braucht eine vollkommen gleichförmige Faser nicht immer beim Ziehen von optischen Fasern das Wunschziel sein. Ein Beispiel ist hier die vorgeschlagene Entwicklung optischer Fasern mit gesteuerten Störungen, die gezielt während des Ziehens eingeführt werden, um eine bessere Modenkopplung während des Betriebs zu erhalten. Ein derartiger Prozeß erfordert eine sehr ausgefeilte Überwachungskontrolle, die mit dem Prozeß so unmittelbar und so schnell ansprechend wie möglich verknüpft ist, wofür sich die optische Kaustik-Methode geradezu anbietet.

Schließlich kann die Kaustik-Methode bei den Ziehverfahren eingesetzt werden, die in einem widerstandsbehexzten oder einem Induktionsofen durchgeführt werden. Entweder Fenster oder ein innerer Ringspiegel (entweder gekühlt oder aus einem höher schmelzenden Material als das gezogenwerdende Glas) können wie in Fig. 10 dargestellt verwendet werden. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugsziffern 101 den Ziehofen, 102 den optischen Faservorformling, 103 die Faser, 104 den kaustischen Strahl und 105 einen geeigneten Detektor. In Fig. 10A ist 106 ein Ofenfenster, durch das ein kollimiertes Strahlenbündel 109 von außen her auf den Vorformling auftrifft. In Fig. 10B erfolgt der Einfall des Strahlenbündels 108 von außen her auf die Ausziehzone mit Hilfe eines Spiegels 107· Beide dieser Ausführungsformen können in Verbindung mit innerer Beleuchtung der Ausziehzone mit Hilfe des

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gleichen oder eines anderen Strahlenbündels benutzt werden. Wenn ein zweites Strahlenbündel benutzt wird, dann können die dem inneren und äußeren Strahlenbündel zugeordneten Kaustiken voneinander getrennt werden, indem Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlänge und entsprechenden Filtern vor den Detektoren benutzt werden.

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^L e e r s e ι t

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRÄMER ZWIRNER . HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 9 8 fi R fi 7 8 Patentconsult Radeckestraöe 43 8000 München 60 Telefon (089) 833603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palentconsul: Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Dudderar 4-1 Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer Kenngröße der Ausziehzone einer optischen Faser Patentansprüche

1. Verfahren! zum Bestimmen wenigstens einer Kenngröße der Ausziehzone einer optischen Faser, gekennzeichnet durch Feststellen der Lage wenigstens eines aus der Ausziehzone austretenden kaustischen Strahles und Verknüpfen der Strahllage mit der Kenngröße.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser zur Bildung des kaustischen Strahls mit optischer Strahlung beleuchtet wird.

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München: R. Kramer Dipl.-lng. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipi.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-lng. . P.Bergen Dipl.-lng. Dr.jur. · G.Zwirner Dipl.-lng. Dipl.-W.-Ing.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des optischen Faservorformlings mit annähernd axialer Strahlung zur Erzeugung des kaustischen Strahls beleuchtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die stromaufwärtige Zwei-Schnittpunkts-Kaustik festgestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die stromabwärtige Drei-Schnittpunkt s-Kaustik festgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Äußere der optischen Faser von außen beleuchtet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,, dadurch gekennzeichnet , daß der kaustische Strahl aus dem Wendepunkt der Ausziehzone der optischen Faser austritt und mit der Steigung am Wendepunkt verknüpft wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein kaustischer
Strahl während des Ziehvorgangs überwacht wird.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms B₉ dadurch gekennzeichnet , daß die Ziehparameter zur Ä*nderung der Kenngröße, ansprechend auf die Bestimmung des kaustischen Strahls, gesteuert werden.

10* Verfahren nach Anspruch 9₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehparameter zur periodischen Änderung des Faserdurchmessers gesteuert werden»

ο Verfahren nach Anspruch 9«, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehparameter zum Erhalt einer ungleichför= algen Zusammensetzungskenngröße gesteuert ^/erdeno

12» Verfahren nach Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Ziehparameter zum Erhalt eines Gradienten in der Kenngröße gesteuert werden»

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