DE2808676C3

DE2808676C3 - Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer Kenngröße der Ausziehzone einer optischen Faser

Info

Publication number: DE2808676C3
Application number: DE2808676A
Authority: DE
Inventors: Peter Gerald Chatham N.J. Simpkins
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-01
Publication date: 1982-04-15
Also published as: NL178244C; SE437369B; GB1576569A; DE2808676B2; JPS53143251A; SE7801939L; US4102661A; FR2382674B1; BE864398A; DE2808676A1; IT7820805A0; NL178244B; AU3366778A; CA1086523A; FR2382674A1; IT1115592B; AU511241B2; NL7802262A; JPS618022B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der optischen und/oder geometrischen Eigenschaften einer optischen Faser während des Ziehverfahrens mit Hilfe von Meßlicht.

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 US-PS 38 79 128 (H. M. Presby) und in der älteren Anmeldung P 28 03 535.0 sind Verfahren zum Überwachen des Durchmessers bzw. der Konzentizität des Kerns einer optischen Faser beschrieben. Hiernach wird Licht an bereits gezogener Faser gestreut, das Streulicht festgestellt und das resultierende Interferenzmuster analysiert, um hieraus die Größe des Faserdurchmesser bzw. der Konzentrizität des Kernes abzuleiten. Ein solches Verfahren nimmt an Bedeutung zu, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Obertragungseigenschaften der Faser hochkritisch von: Faserdurchmesser abhängen und beeinträchtigt werden

ίο können. Bei bestimmten Obertragungsmoden 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 bekannten Presby-Methode bzw. der älteren 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 Korrektur voll durchgreift. Mit anderen Worten handelt es sich dabei um eine träge Regelung. Andere Schemata zum Bestimmen von Faserparameter leiden an ähnlichen Beschränkungen. Auch hierbei 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. Hierher gehört z. B. auch die Schattenwurfmethode zum Erhalt einer faserdurchmesserproportionalen Änderung der Lichtintensität, die dann zum Erhalt einer elektrischen Stellgröße photometriert wird; vgl. DE-OS 19 31 555.

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 der, zahlreichen in der optischen Literatur beschriebenen Phänomenen gehört ein Streuungsprozeß, der zu Gebieten erhöhter Lichtintensität, die als Kaustik oder kaustische Strahlen bekannt sind, führt. Derartige kaustische Strahlen sind bei der Analyse optischer Oberflächen nur begrenzt angewandt worden. Ein Beispiel hierfür findet sich in International Journal of Solid Structures, 1976, 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.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Steuerungsverfahren der einleitend beschriebenen Art bereitzustellen, dessen Regelungsverhalten flinker ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich also um ein Verfahren zum Überwachen des Ziehbereichs eines Vorformlings für eine optische Faser durch Analysieren der aus dem Ziehbereich 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

des Ziehbereiches, sondern auch die Brechungsindexverteilung und Temperatur des geschmolzenen Glases innerhalb dieser Zone. Diese Eigenschaften des Ziehbereiches können mit den begleitenden Eigenschaften in der resultierenden optischen Faser verknüpft werden. Das Verfahren kann vorab zur Analyse eines »verfestigten« Ziehbereiches verwendet werden; entsprechendes geschieht dann bei der Überwachung des erschmolzenen Ziehbereiches während des tatsächlichen Ziehprozesses. Hierbei kann eine im wesentlichen momentan erfolgende Rückkopplung zur Steuerung der verschiedenen Ziehparameter (z. B. Vorformlings-Vorschubgeschwindigkeit und -kraft, Ziehgeschwindigkeit und -kraft, Vorformlingstemperatur, Länge des Ziehbereiches erfolgen, so daß eine optische Faser mit genauer !5 gesteuerten Sollwerten hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung der verschiedenen einfachen Oberflächen zugeordneten kaustischen St. ahlen,

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

F i g. 3 die Erzeugung eines kaustischen Strahls durch von innen erfolgende Beleuchtung des Ziehbereichs eines optischen Faservorformlings,

F i g. 4 den Nachweis eines abgelenkten kaustischen Strahls bei einer Beleuchtung von außen,

F i g. 5 den Nachweis eines abgelenkten kaustischen Strahls bei einer Beleuchtung von innen,

Fig. 6a—f das Kaustik-Muster, das bei Beleuchtung eines Ziehbereichs mit einem Flachstrahlenbündel resultiert,

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

F i g. 8A bis L die Abhängigkeit der kaustischen Strahlung von der Steigung am Wendepunkt des Ziehbereiches,

F i g. 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 F i g. 1 leichter verstanden werden. In F i g. 1 sind mehrere Oberflächen 10 dargestellt, an denen das Licht entweder reflektiert oder gebrochen wird. In allen Fällen bilden die abgelenkten Lichtstrahlen 11 eine Enveloppe, die eine Kaustik 12 liefert. Diese äußerst sich in einer einseitig scharf begrenzten höheren Lichtintensität. Im einzelnen ist in der Normalen-Richtung zur Kaustik die Intensität durch eine AiryFunktion gekennzeichnet, die auf einer Seite, der Schattenzone, exponentiell abnimmt (Kaustik-Grenze) und sich auf der anderen Seite harmonisch ändert. Für einfache Geometrien kann die Kaustik auf direktem Wege errechnet werden. Wenn 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 am Ziehbereich eines optischen Faservorformlings abgelenkt wird, Kaustiken zu bilden vermag, deren Grenzen mit dem Ziehparameiern korrelierbar sind. Diese abgelenkte Strahlung kann auf wenigstens zwei Wegen erzeugt werden. Einmal kann das Licht durch den Vorformling längs dessen Achsrichtung zum Ziehbereich hin geschickt werden, wo es aus dem Vorformling unter Brechung austritt (Ablenkung von innen her); zum anderen kann das Licht, von außen her aufgestrahlt, am Ziehbereich reflektiert werden (Ablenkung von außen her).

F i g. 2 zeigt einen Kaustik-Strahl, der durch Reflexion von außen her am Faservorformling-Ziehbereich entsteht- Hiernach trifft ein kollimiertes Meßlichtstrahlenbündel 20 auf den Ziehbereich 21 auf. Die Winkel zwischen den einzelnen gestreuten Strahlen 22 und dem kollimierten Strahlenbündel ändern sich in Abhängigkeit von derjenigen Stelle im Ziehbereich, 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 Strahlenbündel tritt für jenen Strahl auf, der im Wendepunkt 24 des Ziehbereichs auftrifft. Dieser am Wendeounkt 24 des Vorformlings 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 oder die Kaustik-Grenze. Unter Verwendung einfacher geometrischer Überlegungen kann der Winkel 2ψ zwischen dem Kaustik-Strahl und dem kollimierten Strahlenbündel zur Bestimmung der Steigung des Ziehbereiches an deren Wendepunkt benutzt werden. Die Steigung des Ziehbereiches am Wendepunkt wird durch den Winkel β zwischen der Normalen 27 zum Ziehbereich am Wendepunkt und der Vorformlingsachse gemessen. Offensichtlich können die geometrischen Eigenschaften des Ziehbereiches leicht bestimmt werden, ob das kollimierte Strahlenbündel nun 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 den Ziehbereich gerichtetem Licht erzeugt wird. In Fig.3 werden die einfallenden Strahlen 31 zunächst am Ziehbereich reflektiert und treten dann schließlich — entsprechend gebrochen — aus dem Ziehbereich aus, um einen Strahlenfächer 32 zu bilden. Der Strahl 33, der anfänglich beim Wendepunkt des Ziehbereiches auftrifft, bildet wiederum eine Kaustik-Grenze. Der Winkel, unter dem diese Kauslik-Grenze erscheint, ist eine Funktion von sowohl der Geometrie des Ziehbereiches als auch der optischen Eigenschaften innerhalb des Faservorformlings, von denen einige temperaturabhängig sein können. Während F i g. 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 des Vorformling-Ziehbereiches abhängig und hiermit verknüpft ist.

Die Messung des Ortes der verschiedenen Kaustiken ermöglicht nun 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

dem Vorformling-Ziehbereich etwa zugeordnete Asymmetrie kann gleichfalls nach dem vorliegenden Verfahren untersucht werden.

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

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

Beispiel I
Proben-Präparation, Apparatur und Betriebsweisen

Erstarrte Proben der Obergangszone zwischen Vorformling und Faser wurden geschnitten und senkrecht zur Achse am vorformlingseitigen Ende etwa 50 mm vor der Ausziehzone poliert Jede Probe begann auf der einen Seite bei einem Vorformling eines gleichförmigen Durchmessers zwischen 6,5 und 8 mm und endigte bei einem Faserdurchmesser von typischerweise 200 Mikrometer. Technisch erstreckt sich der Ausziehbereich viel weiter, nämlich auf einen Faserenddurehmesser von typischerweise etwa 100 Mikrometer. Obgleich jede Glaszusammensetzung benutzt werden kann, waren in diesem Teil der Untersuchungen alle Proben aus Quarzglas eines Brechungsindexes n—1,457 bei einer Wellenlänge von 643,8 nm. Die einzelnen Proben wurden in einer kardanischen Spiegelaufhängung mit 5 Freiheitsgraden (3 translatorische und 2 rotatorische Freiheitsgrade) montiert wobei für jeden rrcihcitsgrad eine Mikrcrnetereinsteilung vorgesehen -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 Stromaufwärts- als auch Stromabwärtsrichtung, bezogen auf die Ziehrichtung, ausbreiten. Die Probe könnte auch von außen her mit einem senkrecht zur Faserachse orientierten Strahlenbündel, das auf den Ziehbereich fällt beleuchtet werden. Diese Alternative lieferte eine reflektierte Kaustik, aus der der maximale Gradient des Ziehprofils bestimmt werden konnte.

Eine schematische Darstellung einer einfachen Apparatur zur Bestimmung von Kaustik-Strahlen, die aus einem Faservorformlings-Ziehbereich austreten, ist in F i g. 4 und 5 gezeigt F i g. 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 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

ίο jedem Fall wird der Strahl durch ein räumliches Filter 42 expandiert und koilimiert 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 F i g. 4 ist eine einfache photographische Platte 43 als der Detektor vorgesehen. Bei Beleuchtung von innen her (siehe beispielsweise F i g. 3) eignet sich die Kaustik-Nachweisapparatur nach F i g. 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 Zer-Streuungsgliedes in das kollimierte Strahlenbündel am polierten Probenende erzeugt

Wie in F i g. 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 Vom beleuchteten, entweder festen oder geschmolzenen Ziehbereich wurden stark vergrößerte Photographien gemacht Diese Photographien wurden mit einem Instrumentarium hoher Auflösung hergestellt wobei ein für Luftaufnahmen vorgesehenes Objektiv einer Brennweite von 615 mm und einer relativen öffnung von /76,0 in umgekehrter Richtung vor einem 2/m-Cassegrain-Teleskop angeordnet war. Hiermit konnten bis zu 10Ofache 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 Natur der Beleuchtung nicht kritisch abhängt Folglich sind die Daten, die anhand erstarrter Proben gewonnen wurden, für Kaustiken repräsentativ, die bei tatsächlichen Faserziehoperstionen auftreten.

Abschätzung der Genauigkeit

Profilmessungen der erstarrten Proben wurden auf einem optischen Komparator durchgeführt Die Daten wurden alle 0,13 mm (0,005ZoIl) 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 Kanstik-Bilder aufgezeichnet und/oder gemessen wurden, wurde translatorische Bewegungen auf eine Genauigkeit von 0,025 mm bestimmt Da jedoch

&5 der Film 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 Ziehprofils 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 optischen Komparator ermittelt wurden.

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 F i g. 5 mit einem geschliffenen Glasschirm in der Position 52 oder 53 wurde der Durchmesser des Einfallsstrahlenbündels reduziert, bis die Kaustiken verschwanden. Waren Strahl- und Vorformlingsdurchmesser gleich, so waren sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts Kaustiken beobachtet. 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 Strahlendurchmesser 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 Flachstrahlenbündel

Eine Reihe Versuche wurden mit einem durch einen 0,89 mm breiten Spalt hindurchgeschickten kollimierten Flachstrahlenbündel durchgeführt mit dem der Vorformling in einer Richtung parallel zu seiner Achse beaufschlagt wurde. In F i g. 6 sind die mit einem in den Positionen 52 und 53 (Fig.5) befindlichen Schirm so beobachteten Bilder dargestellt In Fig.6 bedeutet weiterhin 61 die Stirnansicht des Vorformlings und 62 die Schnittansicht des einfallenden pianaren Strahienbündels. F i g. 6 illustriert die beobachteten Änderungen, wenn der Planarstrahl aus der Achse heraus bewegt wird. Diese Beobachtungen helfen bei der Identifizierung der Strahlwege im Ziehbereich. Es seien zunächst die stromaufwärtigen Kaustik-Bilder (Fig.6, untere Bildreihe) betrachtet Wenn 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 Bezugseffekten herrührt hat sich durch die Geometrie des Ziehbereichs wesentlich vergrößert Die beleuchteten Zonen der Kaustik treten aus jener Seite des Ziehbereiches 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. 5c die beiden beleuchteten Bereiche, und die örtliche Intensität erreicht ein Maximum. Wenn das planare Strahlenbündel zunehmend weiter aus der Achse herausbewegt wird, nimmt die örtliche Intensität rasch ab, siehe F i g. 6d. Während die Fig. 6a bis 6c Aufnahme 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 Kaustik-Beleuchtung wahrscheinlich die Ursache einer Randbeugung, die mit der Bildung des pianaren Strahlenbündels verknüpft ist. Schließlich verschwindet die slromaufwärtige Kaustik (F i g. 6f), wenn nur die halbe Strahlenbündelbreite den Probenrand schneidet

Betrachtet man nun die stromabwärtigen Kaustik-Bilder (F i g. 6, obere Bildreihe) sieht man, daß für die axiale Spaltlage (F i g. 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 Strahlenbündels 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 (F i g. 6f). Diese Bilder zeigen, daß die stromabwärtigen Kaustiken von Strahlen herrühren, die sehr dicht an der Oberfläche der Probe verlaufen, die Probe im Ziehbereich 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 mii austretenden Kaustiken identifiziert indem der geometrische Strahlweg durch eine bekannte Vorformlingsgeometrie verfolgt wurde. Diese Strahlenanalyse wurde graphisch bei einer 50fachen Vergrößerung durchgeführt, um ausreichende Genauigkeit sicherzustellen. Dabei wurde bei einer typischen Probe ausgezeichnete Obereinstimmung 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 Strahlverfolgunsanalyse bestimmten Wegen folgt Die stromaufwärtige Kaustik wird durch Strahlen erzeugt die längs der Proben 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 des Ziehbereiches 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 zurückfallet. 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 Ziehbereichsgeometrien die stromaufwärtige Kaustik nicht auftritt, weil das Feld der austretenden Strahlen am kritischen Winkel aufhört. Das heißt, 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 HeIl- und Dunkelzone zu sehen ist. Eine ähnliche innere Reflexion tritt örtlich in Fig. 7B auf. Die Asymmetrie der in F i g. 7B beobachteten Kaustik und deren örtliche Auslöschung rühren von Asymmetrien im Ziehprofil her.

Wie erwähnt, ist im vorstehenden gezeigt worden, daß die stromabwärtigen Kaustiken von Licht herrühren, das sich längs der Probe sehr dicht an der Oberfläche nach unten ausbreitet und in stromabwärtiger Richtung gebrochen wird. Ihr Verhalten ist ansonsten ähnlich der stromaufwärtigen 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 F i g. 8).

Die verschiedenen Kaustiken

Zwei grundsätzliche Kaustik-Familien, die von koaxialer Beleuchtung einer erstarrten Ziehbereichsprobe herrühren, sind von hauptsächlichem Interesse, da sie in der größten Ziehbereichs-Kegelzone auftreten. Die erste dieser Kaustiken wird durch Licht erzeugt, das einer inneren Reflexion an einer betrachteten Seite unterliegt, sodann die Achse des Ziehbereichs überquert und auf der gegenüberliegenden Seite unter entsprechender Brechung austritt. Die zweite Kaustik-Familie rührt von Licht her. das 7wei Reflexionen an der anfänglichen Seite unterliegt bevor es die Achse überquert und an der gegenüberliegenden Seite entsprechend gebrochen austritt (F i g. 8). Nachstehend sind die beiden Kaustik-Familien als »Zweischnittpunkts«- bzw. »Dreischnittpunkts«-Kaustiken bezeichnet Diese Kaustiken sind üblicherweise als stromaufwärtige 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 s 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 β gleich 69,3° beträgt, also nur »Zweischnittpunktsw-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 7weite Seite unter Winkeln, die größer sind als der kritische 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 F i g. 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 Änderungsbetrag 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 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 F i g. 3 die zwischen aen 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 Femfeld-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

Wenn β 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.

Die Dreischnittspunktskaustiken umfassen auch die Bildung einer inneren Katakaustik, die diesmal 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.

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Abhängigkeit von der Geometrie

F i g. 8 zeigt eine graphische Darstellung der funktionellen Abhängigkeit der einzelnen Kaustiken von der Steigung der Ausziehzone am Wendepunkt. F i g. 9 ist ein Diagramm für Θ in Abhängigkeit von β für die einzelnen Kaustiken, wobei Θ der Winkel zwischen dem Kaustik-Strahl und der Vorformlingsachse ist. In Fi g. 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 Dreischnittpunktskaustik, die Kurve % eine Vierschnittpunktskaustik und die Kurve 97 eine innere Kaustik.

Au:> diesen Figuren sieht man, daß für Vorformlinge mit einem schlanken Kegel (ß größer als 75 Grad) kein Licht austreten wird. Wenn 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 wird, schwenkt der Kaustikstrah! in die Stromaufwärtsrichtung und erreicht einen Winkel Θ von 90 Grad bei einem Winkel β von etwa 50 Grad. Diese Strahlschwenkung nimmt zu, wenn sie den Auslöschpunkt durch innere Reflexion bei einem Winkel Θ von 52 Grad und einem Winkel β von etwa 45,6 Grad erreicht. Diese Kaustik ist diejenige, die der inneren Katakaustik zugeordnet ist, die am Wendepunkt erzeugt wird. Bei einem Winkel β 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 Zweisc'nnittpunklskaustik 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 Zweischnittspunktskaustik auch dahingehend, daß sie mit stampfer werdendem KegeL in einer Richtung geschwenkt wird, die der der ursprünglichen Zweischnittpunktskaustik entgegengesetzt ist also zu größeren Winkeln 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 8 unterhalb 16,7 Grad abfällt wird

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65 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 asymmetrisch 90 Grad, wenn β gegen Null geht. Betrachtet man erneut die innere Kaustik, dann sieht man, daß ihre Drehung anfänglich gleichfalls verzögert wird, wenn β abnimmt. Wenn sie jedoch wiederum als der führende Zweischnittpunktskaustikstrahl sichtbar wird, kehrt sich ihre Drehung um. Von dieser Stelle an bis zu ihrer Auslöschung bei einem Winkel β 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 F i g. 8 und 9 zeigt, daß über den größten Teil ihres Bereiches die ©-Abhängigkeit von β für die erste Zweischnittpunktskaustik für beide Proben nahezu die selbe ist. Jedoch die zweite und dritte Zweischnittp>unktskaustik unterscheiden sich von der ersten in einer Reihe bedeutsamer Wege. Erstens, falten sich die Fernfeldstrahltrajektorien entgegengesetzt zur Faltung der Strahltrajektorien der ersten Kaustik. Zweitens, beide neuen Kaustiken schwenken zu größeren statt zu kleineren Kaustikwinkeln mit abnehmendem ß. Drittens, sind sie in keiner Weise der inneren Katakaustik zugeordnet, die am Wendepunkt entsteht. Dieser letzte Gesichtspunkt ist recht bedeutsam, da, während ihre funktioneilen Formen für beide Proben recht ähnlich 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, wo sie stärker von anderen Gegebenheiten der Ausziehzopenmorphologie als durch den Winkel β beeinflußt werden.

Die Dreischnittpunktskaustik ist ebenfalls weniger eindeutig mit dem Wendepunkt im Zusammenhang und zeigt eine gewisse Differenzierung zwischen den beiden Proben in ihrem gesamten Bereich, beginnend von ihrem ersten Auftreten bei einem Winkel β von etwa 61 Grad und einem Winkel Θ von etwa 185 Grad bis herab zu ihrer Auslöschung bei 0 = 22 Grad bei einem Winkel Θ von etwa 67 Grad. Ähnlich wie die erste Zweischnittpunktskaustik tritt die Dreischnittpunktskaustik unter entsprechender Brechung senkrecht zur Ausziehzonenfläche unter einem Winkel Θ von etwa 110 Grad aus, jedoch für einen Winkel β von nur etwa -40 Grad. Da ihr anfänglicher Kaustikaustrittswinkel von der stromabwärtigen Oberflächengeometne in weitgehend derselben Weise abhängt wie dieses für die ursprüngliche Zweischnittpunktskaustik der Fall war, ist es nicht überraschend, daß sie gleichfalls zu einem anfänglichen Kaustikwinkel Θ von etwa 190 Grad, obschon bei einem unterschiedlichen Winkel β (10 Grad kleiner) resultiert Bei beiden Proben sind die anfänglichen Dreischnittpunktskaustik-Winkel weitgehend identisch. Gleichfalls verschwinden für beide Proben die Dreischnittpunktskaustiken bei praktisch demselben Winkel β von 22 Grad, wie dieses die Zweischnittpunktskaustiken tun. Tatsächlich können die der Dreischnittpunktskaustik zugeordneten Lichtstrahlen eventuell wieder erneut erscheinen. Zusätzlich erscheint eine helle Vierschnittpunktskaustik, die von der innen reflektierten DreischnittDunktskaustik herrührt kurz in

Stromaufwärtsrichtung gerichtet und verschwindet dann wieder. Dieses tritt sämtlich bei Werten tür β auf. die zu klein sind, um physikalisch bedeutsam zu sein.

Schließlich gibt es au ;h eine Diakaustik (Kaustik der Brechung), die austritt, wenn β 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 Katakaustik (und schließlich die Zweischnittpunktskaustik) erzeugt, produziert gleichfalls ein äußeres Extrem, wenn er die Einschnittpunktskaustik bildet Da nur wenig Licht in den Beleuchtungsstrahlen reflektiert wird, sind, wenn einmal die Einschnittpunktskaustik auftritt jegliche (aber nicht alle) Zweischnittpunktsstrahlen, die bei Werten von β unterhalb des kritischen Winkels erscheinen, recht schwach. Folglich sind die Zweischnittpunktskaustiken in praktisch ihrem gesamten Erscheinungsbereich gleichfalls schwach.

Während die zweite und dritte Zweischnitipunktskaustik dahingehend einzigartig sind, daß sie sich nie stromabwärts oder in Richtung auf die Faserachse hin fortpflanzen, ist die Einschnittpunktskaustik dahingehend gleichfalls einzigartig, daß sie sich immer stromabwärts und auf die Faserachse zu ausbreitet. Folglich folgt die Einschnittpunktskaustik entweder der Oberfläche oder reflektiert sich aus der Faser an einer gewissen stromabwärts gelegenen Stelle derart heraus, daß ihre grundsätzliche Drehung als Funktion von β umgekehrt wird. Da diese Kaustik nur von β abhängt, ist ihr Winkel für alle Ausziehzonenprofile eine identische Funktion.

Schließlich kann zusammengefaßt werden, daß die brauchbarsten Kaustiken zur Untersuchung der Faserausziehzonen die erste Zweischnittpunktskaustik und die Dre'schnittpunktskaustik sind, die zusammen einen sehr breiten Geometriebereich überdecken. Außer bei sehr großen Werten für β 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 Ziehbereichsgeometrien brauchbar. Es handelt sich dabei um die am höchsten differenzierten Kaustiken, da sie Licht betreffen, das anfänglich entweder zu Beginn des Ziehbereichs (stromaufwärts vom Wendepunkt) im Falle der zweiten Zweischnittpunktskaustik oder am Ende der des Ziehbereichs (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 Ziehbereiche.

Man muß sich vergegenwärtigen, daß, weil eine jede Kaustik bei ihrem Austritt aus der Probe einer Brechung unterliegt, alle Kaustiken vom Brechungsindex, n_a und von der Oberflächengeometrie abhängen. Die aus einer von außen her beleuchteten Katakaustik erhaltene Information kann zur Abtrennung der ^-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 Ziehbereichsprobe eines unbekannten Brechungsindexes n_c betrachtet, die eine erste Zweischnittpunktskaustik bei einem Winkel Θ irgendwo zwischen 52 Grad und etwa 120 Grad habe. Dieses kann mit einer Computer-Analyse der vorliegenen Daten bei einem Winkel β 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 benützten n_r\Vertes zum Erhalt eines gleichen theoretischen Wertes für Θ sollte eine gute Abschätzung des unbekannten Bre-

in chungsindexes liefern. Die Qualität dieser Abschätzung würde davon abhängen, wie gleichförmig n_c'm 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

is mehreren Kaustiken können komplizierte Brechungsindexverteilungen bestimmt und mit der Verteilung innerhalb der Faser verknüpft werden.

Beispiel

Eine rigorose Verifizierung der Möglichkeiten dieses Verfahrens als Mittel zum Überwachen des Ziehbereiches während eires tatsächlichen 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 CO2-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. Wegen der extrem niedrigen Leistung der Lichtquelle und des intensiven Glühlichtes der Ausziehzone wurden wesentliche SignaWRauschspannungsprobleme erwartet. Aus diesem Grunde wurde eine Pyrex-Glasprobe, die bei 880 bis 890° C gezogen werden konnte, benutzt. In diesem Temperaturbereich ist das Eigenleuchten wesentlich kleiner als im Bereich von 2000⁰C, der zu Erschmelzung und zum Ziehen von Quarzglas erforderlich ist

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 CO2-Ziehiaser 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 Ort der Kaustik sich verschob.

Photographien des Fernfeld-Kaustik-Musters 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 10-⁴ rad betrug. Die Aufnahmen wurden bei Belichtungszeiten von '/so oder Vioo Sekunden gemacht. Während der anfänglichen Ziehstufen variierte der Faserdurchmesser langsam zwischen 1,34XlO-⁴ und 1,42 χ 10~⁴ m. Gleichzeitig wurde eine langsame 1-cm-Schwingung der Kaustik-Lage beobachtet, die eine Änderung von nur 9xl0-⁴ im maximalen Gradienten des Ziehbereiches darstellte.

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Zusammenfassung

Man sieht also, daß eine Reihe Kaustiken vorhanden sind, die zur Untersuchung der Geometrie der Ziehbereiche beim Ziehen von Fasern benutzt werden können. Sie können sowohl zur Identifizierung als auch zur Unterscheidung unterschiedlicher Ziehbereichsgeometrien benutzt werden. Während im vorliegenden hauptsächlich symmetrische Ziehbereiche und Materialien mit gleichförmigen optischen Eigenschaften betrachtet worden sind, kann das Verfahren ersichtlich auch ausgedehnt werden zur Beurteilung der Auswirkungen verschiedener Ziehbereichs-Asymmetrien und kann weiterhin ausgedehnt werden zur Handhabung der mit ungleichförmigen optischen Eigenschaften verknüpften Probleme, wie diese bei optischen Gradientenfasern gefunden werden.

Offensichtlich eignet sich die Kaustikmethode zur Überwachung des Ziehbereiches 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 der Ziehbereich 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 äußerst kollimierter Beleuchtungsstrahlenbündel oder ein äußeres Einzelstrahlenbündel unter Verwendung einfacher optischer Hilfsmittel so angeordnet werden, daß ein azimuthaler 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.

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

is geradezu anbietet

Schließlich kann die Kaustik-Methode bei den Ziehverfahren eingesetzt werden, die in einem widerstandsbeheizten oder einem Induktionsofen durchgeführt werden. Entweder Fenster oder ein innerer Ringspiegel (entweder gekühlt oder aus einem höher schmelzenden Material als das zu ziehende Glas) können wie in F i g. 10 dargestellt verwendet werden. In Fi g. 10 bezeichnen die Bezugsziffern 101 den Ziehofen, 102 den optischen Faservorformling, 103 die Faser, 104 den kaustischen Strahl und 105 einen geeigneten Detektor. In Fi g. 1OA ist 106 ein Ofenfenster, durch das ein kollimiertes Strahlenbündel 109 von außen her auf den Vorformling auftrifft In F i g. 1OB erfolgt der Einfall des Strahlenbündels 108 von außen her auf den Ziehbereich mit Hilfe eines Spiegels 107. Beide dieser Ausführungsformen können in Verbindung mit innerer Beleuchtung des Ziehbereichs mit Hilfe des 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 v/erden, indem Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlänge und entsprechenden Filtern vor den Detektoren benutzt werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der optischen und/oder geometrischen Eigenschaften einer optischen Faser während des Ziehvorganges mit Hilfe von Meßlicht, dadurch gekennzeichnet,

— daß das Meßlicht in den Ziehbereich gerichtet und dadurch mindestens eine Kaustik erzeugt wird und

— daß der Ziehvorgang in Abhängigkeit von der Lage der Kaustik-Grenze gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser zur Bildung des Kaustik-Strahls mit optischer Strahlung als das Meßlicht wird.

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

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

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärüge Drei-Schnittpunkts-Kaustik nachgewiesen 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 Kaustik-Strahl aus dem Wendepunkt der Ausziehzone der optischen Faser austritt und mit dem Wert der Steigung am Wendepunkt verknüpft wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehparameter zur periodischen Änderung des Faserdurchmessers gesteuert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehparameter zum Erhalt einer ungleichförmigen Zusammensetzungseigenschaft gesteuert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehparameter zum Erhalt eines Gradienten in der Kenngröße gesteuert werden.