WO2005009913A1 - Verfahren zur herstellung eines optischen bauteils aus quarzglas - Google Patents

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WO2005009913A1
WO2005009913A1 PCT/EP2004/008033 EP2004008033W WO2005009913A1 WO 2005009913 A1 WO2005009913 A1 WO 2005009913A1 EP 2004008033 W EP2004008033 W EP 2004008033W WO 2005009913 A1 WO2005009913 A1 WO 2005009913A1
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core rod
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optical component
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Rene Sowa
Ralph Sattmann
Jan Vydra
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Heraeus Tenevo Gmbh
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    • C03B2205/14—Drawing solid optical fibre directly from a hollow preform comprising collapse of an outer tube onto an inner central solid preform rod

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an optical component made of quartz glass by elongating a coaxial arrangement of a core rod and a hollow cylinder of a predetermined length, by feeding the arrangement in vertical orientation to a heating zone, softening it zone by zone starting with its lower end and from the softened area the component is pulled down, the hollow cylinder having an inner bore which is provided in the region of its lower end with a constriction on which the core rod rests.
  • ODD process overclad during drawing. All process variants require an exactly coaxial guidance or fixation of the core rod in the hollow cylinder.
  • No. 4,812,154 A1 proposes a method for producing a preform, in which a constriction is produced in the lower region of the casing tube with an inner diameter that is smaller than the outer diameter of the core rod.
  • the jacket tube is aligned vertically and a nitrogen stream is passed through the jacket tube from the lower side.
  • the lower end of the core rod is inserted into the casing tube against the gas flow, the gas flow centering the core rod in the casing pipe, which prevents contact with the inner wall.
  • the core rod and jacket tube are fused together to form a preform.
  • the center bore of the retaining ring results in a stop for the core rod, which is provided with a conical lower end, while the first inner jacket tube rests on the retaining ring.
  • the jacket tubes and the core rod are then fused together, a vacuum being created and maintained in the inner bore of the outer jacket tube.
  • the invention is based on the object of specifying a further method for producing high-quality optical components by elongating a coaxial arrangement of the core rod and hollow cylinder, in which the hollow cylinder is provided with a constriction for the purpose of fixing the core rod, which constriction can be produced inexpensively, and which with as much as possible low effort allows a reproducible fixation of the core rod in the hollow cylinder.
  • this object is achieved according to the invention in that the constriction of the inner bore is produced in a first upper hollow cylinder, a) by the end face of the first, upper cylinder being fused with a second, lower hollow cylinder to form an axial cylinder assembly , b) a core rod is inserted into the lower hollow cylinder, and the axial cylinder assembly, beginning with its lower end, is fed to the heating zone, is softened zone by zone and elongated to form the optical component, c) where a onion which progresses in the cylinder composite to the first, upper hollow cylinder forms within which the inner bore at least partially collapses and thereby causes the narrowing of the inner bore, d) that the first hollow cylinder at a parting plane in the region of the constriction from the optical component removed separated, and e) is then elongated together with a core rod in a coaxial arrangement to produce an optical component.
  • the quartz glass component is manufactured by inserting a core rod into the inner bore of the lower hollow cylinder.
  • the coaxial arrangement of core rod and hollow cylinder is softened zone by zone and elongated to a solid rod, a preform or a fiber.
  • an optical component is drawn from the lower hollow cylinder with the core rod inserted therein, and at the same time the constriction for holding the core rod for the subsequent elongation process is generated on the upper hollow cylinder.
  • the upper hollow cylinder is melted onto the upper side of the lower hollow cylinder before the first elongation process.
  • Its inner bore is at least partially collapsible. In the inner hole of the lower one
  • a hollow rod is used, which can also protrude into the inner bore of the upper hollow cylinder.
  • the composite of the first, upper hollow cylinder and the second, lower hollow cylinder is fed to a heating zone in a vertical orientation and, beginning with its lower end, is softened zone by zone and elongated to form the optical component.
  • the onion moves gradually in the direction of the upper hollow cylinder.
  • its inner bore also begins to collapse, that is, the inner diameter tapers downward, so that the constriction forms.
  • the upper, first hollow cylinder is separated from the withdrawn optical component or the rest of the same. Its inner bore is now completely or partially collapsed in the area of the parting plane and thus exhibits the desired narrowing for the storage of a core rod in a subsequent, second elongation process.
  • the first hollow cylinder thus produced which has an inner bore with a constriction, is elongated in a coaxial arrangement with a core rod to form an optical component.
  • the core rod is previously inserted through the upper opening of the inner bore of the hollow cylinder.
  • the core rod is a quartz glass rod with a radially homogeneous or with a radially inhomogeneous refractive index distribution.
  • the core rod consists of a core glass with a higher refractive index, which is surrounded by a cladding glass with a lower refractive index.
  • the core rod is formed in one piece, or it is composed of several short core rod pieces, which are arranged one above the other in the inner bore of the hollow cylinder.
  • the cladding glass is an integral part of the core rod, or it is provided in whole or in part in the form of one or more cladding glass tubes which surround a quartz glass rod.
  • the core rod consists of a coaxial arrangement of a quartz glass rod and one or more cladding glass tubes; the outer diameter of the core rod in this case means the outer diameter of the outer cladding glass tube.
  • the core rod is guided within the inner bore of the lower hollow cylinder and axially by means of the constriction formed therein fixed.
  • the upper end of the core rod ends in the area of the connection between the upper and lower hollow cylinder or above.
  • the two hollow cylinders are formed in one piece or composed of several sections.
  • the optical component is a solid rod, a preform for the production of optical fibers or an optical fiber.
  • the first hollow cylinder is preferably used in the second elongation process as a second hollow cylinder in the sense of the invention.
  • an upper hollow cylinder is welded to its upper end face, in the inner bore of which the constriction for holding a core rod is produced in the course of the second elongation process.
  • This process can be repeated any number of times. It is a quasi-continuous drawing process that includes at least two elongation processes.
  • the core rod is held in the lower hollow cylinder in any way. In later elongation processes, it rests on a narrowing of the inner bore of the hollow cylinder, which was created in a previous elongation process.
  • the upper hollow cylinder is preferably used in the elongation process to hold the lower hollow cylinder.
  • the upper hollow cylinder has the holding function that is usually assigned to a so-called “dummy cylinder” made of low-quality quartz glass, on which the holding device engages and which is used to avoid material losses due to incomplete elongation of the hollow cylinder and the core rod inserted therein such a dummy cylinder is not required here.
  • the remaining opening in the inner bore simplifies the cleaning of the hollow cylinder before the next elongation process and enables gas flushing at the beginning of the elongation process.
  • the parting plane is selected in the area of the onion so that the inner bore of the separated hollow cylinder has the desired constriction on the one hand, but is not yet completely collapsed on the other hand.
  • the inside diameter of the constriction is smaller than the outside diameter of the core rod resting on it in the subsequent elongation process.
  • inner bore In the case of a core rod or holding rod used in the inner bore, there is still an open annular gap between the inner wall of the inner bore and the core rod / holding rod.
  • inner bore In the following explanations, the term “inner bore” is to be understood such that such an “annular-gap-shaped inner bore” is also intended to be included, even if an “annular gap” is not expressly mentioned.
  • the elongation process comprises a drawing phase and a drawing end phase, a vacuum being generated in the inner bore during the drawing phase in relation to the pressure applied to the outside.
  • a vacuum is at least temporarily generated and maintained in the inner bore compared to the outside pressure.
  • the negative pressure in the inner bore accelerates the collapse and generates additional, inwardly acting forces when collapsing, so that random fluctuations in other process parameters, which can lead to an undefined collapse process, are compensated for.
  • a negative pressure in the inner bore contributes to the better reproducibility of the process.
  • the pressure in the inner bore is increased in the final drawing phase.
  • the negative pressure during the drawing phase can cause the inner bore to close completely even in a higher area of the drawing bulb, in particular with a small inner diameter or with a narrow annular gap.
  • the parting plane - with the proviso that the inner bore is still open - should be selected in an upper area of the onion, with the result that a large part of the onion would be lost as a material and that the narrowing of the inner bore would be unusable due to the slight taper or mechanically weak.
  • the inner bore is widened, so that a complete collapse of the inner bore is delayed.
  • the parting line can be moved - as long as the inner bore is still open - to the lowest possible area of the onion, which reduces the material loss for the subsequent elongation process through better "tip shaping" and results in a more stable support for the core rod ,
  • the above-mentioned upper limit of 50 mbar above the ambient pressure (in the furnace) is determined by the risk of the hollow cylinder inflating at even higher pressures.
  • the stamp protrudes from above into the inner bore and presses on the core rod so that it prevents the core rod (or core rod pieces) from floating. This means an upward movement of the core rod against the direction of pull.
  • the floating can occur when the
  • Core rod has a low residual weight and clearance upwards. The effect leads to a relative lack of core rod material in the onion and thus accompanied by a change in the core / shell ratio "of the removed component.
  • the stamp has an outside diameter that is smaller than the outside diameter of the core rod, so that an annular gap is established in the region of the stamp for the inner wall of the inner bore, which is wider than the annular gap in the region of the core rod.
  • the upper end of the core rod preferably extends into the inner bore of the upper hollow cylinder.
  • the resulting offset between the ends of the two hollow cylinders and the core rod enables a lower overall height of the furnace in the above-mentioned quasi-continuous mode of operation.
  • the upper hollow cylinder is separated from the optical component in a shortened form as a "half cylinder", so that the composite of "half cylinder” and the new upper cylinder welded to it is shorter than two hollow cylinders of the same length. It is not necessary for the core rod or the hollow cylinder to have the same length; the method according to the invention also enables the use of remnants of these components.
  • the upper end of the core rod extends to half the length of the upper hollow cylinder.
  • a core rod is used which is approximately the same length as the upper hollow cylinder, whereas the lower hollow cylinder is shortened by half its length.
  • the length of the drawing furnace required to carry out the elongation process can be shortened by half the length of a hollow cylinder.
  • the elongation process ends as soon as the onion has reached the upper end of the core rod and a sufficient narrowing of the inner bore has formed above the core rod.
  • the half hollow cylinder piece thus produced has at its lower end the constriction of the Inner bore and is used in the subsequent elongation process as a lower hollow cylinder by intermittently fusing it with a complete, upper hollow cylinder and fitting it with a core rod that extends to half of the upper hollow cylinder. This process is repeated any number of times.
  • the chamfer counteracts the formation of internal or external beads when welding the upper and lower hollow cylinders.
  • An inner bead would hinder the insertion of the core rod or any other casing tube; an outer bead undesirably influences the gas flow in the drawing furnace. It is sufficient if one of the two hollow cylinders to be welded has a corresponding chamfer in the area of the joint.
  • the radial dimensions of the first and second hollow cylinders are ideally the same size. Acceptable results are achieved if the inside diameter of the upper hollow cylinder and the lower hollow cylinder deviate by a maximum of +/- 2 mm and the outer diameters of the upper hollow cylinder and the lower hollow cylinder by a maximum of +/- 3 mm.
  • the first hollow cylinder can be a quartz glass tube with an inner bore produced without tools in the melt flow.
  • the inner bore of the first, upper hollow cylinder is machined to the final dimension.
  • a quartz glass blank with an outer diameter of more than 100 mm and a length of more than 2 m can be completely integrated into one using known grinding methods and suitable commercial devices straight hollow cylinder with a precise circular cross-section and a small dimensional deviation, in the range of 1/10 mm.
  • a hollow cylinder mechanically machined to the final dimension in the sense of this invention is also to be understood as a cylinder whose inner surface has been mechanically machined to the final dimension and which is subsequently cleaned by etching. Uniform etching processes do not cause any significant change in the geometric final shape of the hollow cylinder (such as a bend or an ovality in the cross section).
  • FIG. 1 shows a schematic illustration in detail in a schematic representation: a method step for producing a constriction at the end of a quartz glass hollow cylinder by elongating an axial composite of upper and lower hollow cylinder in a first embodiment
  • FIG. 2 a method step for producing a constriction at the end of a quartz glass hollow cylinder by elongating an axial composite of upper and lower hollow cylinders in a second embodiment
  • Figure 3 a hollow cylinder suitable for producing the composite according to Figures 1 and 2 in a longitudinal section
  • Figure 4 Views of the onion to show different variants of the collapsing process of the inner bore and the selection of a suitable parting plane.
  • the hollow cylinders described in more detail below are used for the production of optical fibers, each of which has a core area which is surrounded by an inner cladding glass layer and an outer cladding glass layer.
  • the core area consists of quartz glass, which is homogeneously doped with 5% by weight germanium dioxide.
  • the two cladding glass layers consist of undoped quartz glass, the quartz glass for the outer of the cladding glass layers being provided by the respective hollow cylinder.
  • a so-called core rod is first produced using the OVD process.
  • soot particles are deposited in layers on a carrier rotating about its longitudinal axis by moving a separating burner back and forth, SiCI and GeCI being fed to the separating burner and hydrolyzed to SiO 2 and GeO 2 in a burner flame in the presence of oxygen.
  • the ratio of SiCI 4 and GeCI is adjusted during the deposition of the inner layers so that a predetermined homogeneous GeO 2 concentration of 5 mol% results over this part of the wall thickness of the soot tube.
  • the supply of GeCI 4 to the deposition burner is stopped and an inner cladding glass layer made of undoped SiO 2 is deposited.
  • a soot tube After completion of the deposition process and removal of the carrier, a soot tube is obtained which is subjected to a dehydration treatment in order to remove the hydroxyl groups introduced due to the production process.
  • the soot tube is placed in a dehydration furnace in a vertical orientation and first treated at a temperature in the range from 800 ° C. to about 1000 ° C. in a chlorine-containing atmosphere. The treatment lasts about eight hours. This gives a hydroxyl group concentration of less than 100 ppb by weight.
  • the soot tube treated in this way is glazed in a glazing furnace at a temperature in the region of 1350 ° G and the inner bore is collapsed, so that a core rod with an outer diameter of 38 mm and the desired refractive index profile is obtained.
  • the weight of the core rod is - depending on the length - up to 6 kg.
  • the core glass of the core rod forms a core area with a diameter of approximately 8.5 ⁇ m.
  • the core rods using the OVD process are produced using the known MCVD, VAD, FCVD (Furnace-CVD) or PCVD process.
  • further cladding material is provided for the formation of the outer cladding glass layer in the form of a hollow cylinder, which in the Fiber drawing is collapsed onto the core rod in an ODD process.
  • the hollow cylinder is produced analogously to the manufacture of the core rod described above using a conventional OVD process, but without the addition of a dopant. After the carrier has been removed, a soot tube is obtained which is subjected to the dehydration treatment described and then glazed.
  • the outer wall of the hollow cylinder blank obtained in this way is ground to the desired outer dimension in several work steps by means of circumferential plunge or longitudinal grinding.
  • the inner bore is drilled out by means of a drill and reworked by honing for the purpose of high-precision finishing in terms of shape and surface properties.
  • a straight bore with an exactly circular cross-section is obtained which runs in the longitudinal axis direction.
  • the quartz glass tube is briefly etched in a hydrofluoric acid bath, the HF concentration of which is between 5% and 30%, in order to reduce surface tensions and to remove damage caused by surface processing.
  • the hollow cylinder blank obtained in this way has an outer diameter of 180 mm, an inner diameter of 42 mm and a length of 2500 mm.
  • the dimensional deviation (t max - t m j n ) in the wall thickness is 0.5 mm. It is used - if necessary after cutting to length - as a hollow cylinder in the sense of this invention for the production of preforms for optical fibers or of optical fibers using an ODD process.
  • a coaxial arrangement of the core rod and the hollow cylinder is fed in a vertical orientation to a heating zone and, starting with the lower end, zone-wise in a ring-shaped oven to a temperature of around 2050 ° C. and an optical fiber is drawn off from the softened area.
  • the core rod rests on a constriction of the hollow cylinder. The production of a suitable constriction is explained in more detail below with reference to FIG. 1.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the production of a constriction of the inner bore 5 of a hollow cylinder 1. This is initially under formation of an axial composite 3 merged at the end face with a second, lower hollow cylinder 6 surrounding a core rod 4.
  • Length, inner diameter and outer diameter of the upper and lower hollow cylinder 1, 6 are the same.
  • the lower end of the axial cylinder assembly 3 produced in this way is fed to a ring furnace 11 in a vertical orientation, softened therein zone by zone and elongated to form a preform 8.
  • the upper hollow cylinder 1 is clamped by means of a clamping jaw 12 of a holding device and thus simultaneously serves to hold the lower hollow cylinder 6.
  • the elongation process is then ended and the upper hollow cylinder 1 is separated from the preform 8, in a parting plane which is indicated by the dotted line 10 and which also approximately corresponds to the welding point of the two hollow cylinders 1, 6.
  • the inner bore 5 of the hollow cylinder 1 now has a constriction which is suitable for holding a core rod in a subsequent elongation process.
  • the upper hollow cylinder 1 is accordingly equipped with a new core rod and fused with its upper, open end face to another hollow cylinder, which serves to hold the hollow cylinder 1 in the subsequent elongation process, and in which - as described above - during the elongation process to produce a Preform a narrowing of the inner bore is generated.
  • FIG. 2 schematically shows a modification of the method described with reference to FIG. 1, the same reference numerals denoting identical or equivalent components or components, as are explained in more detail above with reference to FIG. 1 for the relevant reference numerals.
  • the lower hollow cylinder 6 has an initial length of 125 cm
  • the upper hollow cylinder 1 welded to it - just like the core rod 4 - has a length of 250 cm.
  • the dashed line 8 characterizes the weld between the upper and lower hollow cylinders.
  • the core rod 4 thus extends approximately 125 cm into the inner bore 5 of the upper hollow cylinder 1.
  • the total length of the hollow cylinder assembly 3 is 125 cm shorter than in the procedure explained with reference to FIG. 1.
  • the elongation process ends as soon as the onion 9 has reached the upper end of the core rod 4 and a sufficient narrowing of the inner bore 5 has formed in the upper hollow cylinder 1 above the core rod 4.
  • the half hollow cylinder piece produced in this way has the narrowing of the inner bore at its lower end and becomes the lower one in the subsequent elongation process
  • Hollow cylinder used by intermittently fusing it with a complete, upper hollow cylinder and equipping it with a core rod that extends up to half of the upper hollow cylinder. This process is repeated any number of times.
  • the shorter overall length of the hollow cylinder assembly 3 enables a more compact design of the drawing furnace or the use of a dummy holding cylinder 2 which is connected to the upper end of the upper hollow cylinder 1 is welded, and act on the jaws 12 of a holding device which serves to hold both hollow cylinders 1, 6 in the furnace, as shown schematically in FIG.
  • the intermittent welding of the two hollow cylinders works best if the outer diameter and the inner diameter are chamfered in at least one of the hollow cylinders, as is shown schematically in FIG.
  • a linear chamfer 21 of the inside and outside diameter is produced, each of which has a width of 10 mm in the circumferential direction and in the longitudinal direction.
  • a recess 22 with a depth of 2 mm is provided at the upper end, through which the quality of the removed part is not noticeably impaired.
  • the chamfer counteracts the formation of internal or external beads when welding the upper and lower hollow cylinders at the end.
  • the edge areas of the end faces of the two hollow cylinders facing the welding point are heated by means of a propane gas burner and softened for about 20 minutes, and then the softened ends are pressed against one another.
  • FIG. 4 shows various views of the onion in the area of the weld between the upper and lower hollow cylinder before the separation.
  • the hollow cylinder is designated here with the reference number 30.
  • FIG. 4A shows the early closing of the inner bore 5 or the annular gap 32 during the elongation process in the event that a vacuum (absolute pressure ⁇ 1 mbar) is generated in the inner bore 5, 32 (drawing phase).
  • an inner bore which is open at the bottom (despite the constriction) is aimed for in order to effectively clean the hollow cylinder before the subsequent elongation step.
  • an open inner bore also allows gas purging before the elongation process begins.
  • a parting plane which would result in an inner bore open at the bottom, would have to be set in the upper region of the onion 9, with the result that almost the entire onion mass would have to be discarded as a loss of material.
  • FIG. 4B shows a variant for solving this problem by widening the annular gap 32 by increasing the pressure in the inner bore 5 or in the annular gap 32 to approximately ambient pressure (+ 10 mbar). As a result, the annular gap 32 extends far into the onion 9, so that even a parting plane 10 starting deep down on the onion 9 still results in an inner bore 5 which is open at the bottom.
  • FIGS. 4C and 4D show a modification of the method shown schematically in FIG. 1 and FIGS. 4A and 4B, a holding rod 34 being used to prevent the core rod 4 from floating, particularly in the last phase of the elongation process.
  • the holding rod 34 rests with its lower end on the core rod 4 via an intermediate plate 35, while its upper end rests against an abutment (not shown in FIG. 1).
  • the outer diameter of the holding rod 34 is significantly smaller than the inner diameter of the inner bore 5, so that there is a wide annular gap 36 between the hollow cylinder inner wall and the holding rod 34.
  • the annular gap 36 collapses late even under negative pressure and thereby extends far into the onion 9. Therefore, even in this case - without a change in pressure in the inner bore 5 - a parting plane 10 starting deep down on the onion 9 still results in an inner bore 5 which is open at the bottom.

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Abstract

Die Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren einer koaxialen Anordnung eines Kernstabs und eines Hohlzylinders ist bekannt. Dabei wird die Anordnung einer Heizzone zugeführt, darin mit ihrem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil abgezogen. Zur Bildung der Verengung der Innenbohrung des Hohlzylinders, auf welcher der Kernstab aufliegt wird erfindungsgemäss ein quasi-kontinuierliches Verfahren vorgeschlagen, indem ein oberer Hohlzylinder stirnseitig mit einem unteren Hohlzylinder unter Bildung eines axialen Zylinderverbundes verschmolzen wird, in den unteren Hohlzylinder ein Kernstab eingeführt wird, und der axiale Zylinderverbund zonenweise erweicht und unter Bildung des optischen Bauteils elongiert wird, wobei sich eine zum oberen Hohlzylinder fortschreitende Ziehzwiebel ausbildet, innerhalb der die Innenbohrung unter Bildung der Verengung mindestens teilweise kollabiert, und danach der obere Hohlzylinder an einer Trennebene im Bereich der Verengung von dem abgezogenen optischen Bauteil getrennt wird, und anschliessend zur Herstellung eines optischen Bauteils zusammen mit einem Kernstab elongiert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren einer koaxialen Anordnung eines Kernstabs und eines Hohlzylinders einer vorgegebenen Länge, indem die Anordnung in vertikaler Orientierung einer Heizzone zugeführt, darin mit ihrem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil nach unten abgezogen wird, wobei der Hohlzylinder eine Innenbohrung aufweist, die im Bereich ihres unteren Endes mit einer Verengung versehen wird, auf welcher der Kernstab aufliegt.
Durch Kollabieren und Elongieren einer koaxialen Anordnung von Kernstab und mindestens einem den Kernstab umhüllenden Hohlzylinder werden einfache Vollzylinder oder Zwischenprodukte (Vorformen) für optische Fasern hergestellt. Es ist auch bekannt, einen Hohlzylinder auf einen Kernstab während des Faserziehens aufzukollabieren, wobei das letztgenannte
Verfahren als „ODD-Verfahren" (Overclad-During-Drawing) bezeichnet wird. Alle Verfahrensvarianten erfordern eine exakt koaxiale Führung oder Fixierung des Kernstabs im Hohlzylinder.
Um dies zu gewährleisten und darüber hinaus ein beschädigungsfreies Einführen des Kernstabes in ein Mantelrohr zu gewährleisten wird in der
US 4,812,154 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform vorgeschlagen, bei dem im unteren Bereich des Mantelrohres eine Einschnürung erzeugt wird mit einem Innendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Kernstabs. Das Mantelrohr wird vertikal ausgerichtet und von der unteren Seite wird ein Stickstoffstrom durch das Mantelrohr geleitet. Gleichzeitig wird der Kernstab mit seinem unteren Ende beginnend gegen den Gasstrom in das Mantelrohr eingeführt, wobei durch den Gasstrom eine Zentrierung des Kernstabs im Mantelrohr erreicht wird, die einen Kontakt mit der Innenwandung verhindert. Sobald das untere, sich konisch nach Außen verjüngende Ende des Kernstabs auf der Einschnürung des Mantelrohres aufsetzt, werden Kernstab und Mantelrohr unter Bildung einer Vorform miteinander verschmolzen. Bei einem anderen Verfahren gemäß der EP 1 129 999 A2 wird vorgeschlagen, einen Kernstab mit einem inneren Mantelglasrohr und mit einem äußeren Mantelglasrohr gleichzeitig zu überfangen. Zur Fixierung des Kernstabes koaxial innerhalb des inneren und des äußeren Mantelglasrohres wird das äußere Mantelglasrohr im Bereich des unteren Endes durch Erhitzen mit einer Einschnürung versehen. Bei vertikal orientiertem äußerem Mantelrohr wird von oben ein Haltering in die Innenbohrung des Mantelrohres eingeführt, der einen Außendurchmesser hat, der geringfügig größer ist als der Durchmesser der Einschnürung, so dass sich der Haltering von oben auf den Bereich der Einschnürung auflegt. Bei exakt waagrechter Orientierung ergibt sich durch die Mittelbohrung des Halterings ein Anschlag für den mit einem konischen unteren Ende versehenen Kernstab, während das erste innere Mantelrohr auf dem Haltering aufliegt. Anschließend werden die Mantelrohre und der Kernstab miteinander verschmolzen, wobei in der Innenbohrung des äußeren Mantelrohres ein Vakuum erzeugt und aufrechterhalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Verfahren zur Herstellung hochwertiger optischer Bauteile durch Elongieren einer koaxialen Anordnung von Kernstab und Hohlzylinder anzugeben, bei welchem der Hohlzylinder zwecks Fixierung des Kernstabs mit einer Verengung versehen wird, welche kostengünstig erzeugt werden kann, und welche mit möglichst geringem Aufwand eine reproduzierbare Fixierung des Kernstabs in dem Hohlzylinder erlaubt.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verengung der Innenbohrung in einem ersten oberen Hohlzylinder erzeugt wird, a) indem der erste, obere Ho lzyli ider stirnseitig mit einem zweiten, unteren Hohlzylinder unter Bildung eines axialen Zylinderverbundes verschmolzen wird, b) ein Kernstab in den unteren Hohlzylinder eingeführt, und der axiale Zylinderverbund mit seinem unteren Ende beginnend der Heizzone zugeführt, darin zonenweise erweicht und unter Bildung des optischen Bauteils elongiert wird, c) wobei sich eine in dem Zylinderverbund zum ersten, oberen Hohlzylinder fortschreitende Ziehzwiebel ausbildet, innerhalb der die Innenbohrung mindestens teilweise kollabiert und dadurch die Verengung der Innenbohrung bewirkt, d) dass der erste Hohlzylinder an einer Trennebene im Bereich der Verengung von dem abgezogenen optischen Bauteil getrennt, und e) anschließend zur Herstellung eines optischen Bauteils zusammen mit einem Kernstab in einer koaxialen Anordnung elongiert wird.
Die Herstellung des Quarzglas-Bauteils erfolgt dadurch, dass ein Kernstab in die Innenbohrung des unteren Hohlzylinders eingebracht wird. Die koaxiale Anordnung von Kernstab und Hohlzylinder wird zonenweise erweicht und dabei zu einem Vollstab, einer Vorform oder zu einer Faser elongiert.
Im Unterschied zu den bekannten Verfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Elongierprozess aus dem unteren Hohlzylinder mit dem darin eingesetzten Kernstab ein optisches Bauteil gezogen, und gleichzeitig am oberen Hohlzylinder die Verengung zur Halterung des Kernstabs für den nachfolgenden Elongierprozess erzeugt.
Hierzu wird vor dem ersten Elongierprozess an die Oberseite des unteren Hohlzylinders der obere Hohlzylinder angeschmolzen. Dessen Innenbohrung ist wenigstens zum Teil frei kollabierbar. In der Innenbohrung des unteren
Hohlzylinders ist ein Kernstab eingesetzt, der auch in die Innenbohrung des oberen Hohlzylinder ragen kann.
Der Verbund aus erstem, oberen Hohlzylinder und zweitem, unteren Hohlzylinder wird in vertikaler Ausrichtung einer Heizzone zugeführt und darin mit seinem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und zu dem optischen Bauteil elongiert. Dabei kommt es zu einer Verjüngung des Außendurchmessers in Form einer Ziehzwiebel, wobei gleichzeitig die Innenbohrung des unteren Hohlzylinders vollständig kollabiert, indem sich der Ringspalt zwischen dem Kernstab und der Hohlzylinder-Innenwandung schließt. Infolge des fortlaufenden Vorschubes des Verbundes zu der Heizzone bewegt sich die Ziehzwiebel allmählich in Richtung des oberen Hohlzylinders. Spätestens dann, wenn die Ziehzwiebel den angeschweißten oberen Hohlzylinder erreicht hat, beginnt auch dessen Innenbohrung zu kollabieren, das heißt, der Innendurchmesser verjüngt sich nach unten, so dass sich die Verengung bildet. Der obere, erste Hohlzylinder wird von dem abgezogenen optischen Bauteil oder dem Rest desselben abgetrennt. Seine Innenbohrung ist im Bereich der Trennebene nunmehr ganz oder teilweise kollabiert und weist somit die gewünschte Verengung für die Lagerung eines Kernstabes in einem nachfolgenden, zweiten Elongierprozess auf.
In dem zweiten Elongierprozess wird der so hergestellte, eine Innenbohrung mit Verengung aufweisende, erste Hohlzylinder in einer koaxialen Anordnung mit einem Kernstab zu einem optischen Bauteil elongiert. Der Kernstab wird vorher durch die obere Öffnung der Innerrbohrung des Hohlzylinders eingeführt.
Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser besteht darin, dass sich das untere Ende des Hohlzylinders nach unten verjüngt und damit der Form einer Ziehzwiebel angenähert ist. Diese Form vereinfacht das Anziehverhalten beim zweiten Elongierprozess und verringert den Materialverlust beim sogenannten „tip-forming".
Bei dem Kernstab handelt es sich um einen Quarzglasstab mit radial homogener oder mit radial inhomogener Brechzahlverteilung. In der Regel besteht der Kernstab aus einem Kernglas mit höherem Brechungsindex, das von einem Mantelglas mit geringerem Brechungsindex umgeben ist. Der Kernstab ist einteilig ausgebildet, oder er ist aus mehreren kurzen Kernstabstücken zusammengesetzt, die in der Innenbohrung des Hohlzylinder übereinander angeordnet sind. Das Mantelglas ist integraler Bestandteil des Kernstabes, oder es wird ganz oder teilweise in Form eines oder mehrere Mantelglasrohre bereitgestellt, die einen Quarzglasstab umgeben. Im letztgenannten Fall besteht der Kernstab aus einer koaxialen Anordnung eines Quarzglasstabs und einem oder mehreren Mantelglasrohren; unter dem Außendurchmesser des Kernstabs ist in dem Fall der Außendurchmesser des äußern Mantelglasrohres zu verstehen.
Der Kernstab in diesem Sinne wird nnerhalb der Innenbohrung des unteren Hohlzylinders geführt und mittels der darin ausgebildeten Verengung axial fixiert. Das obere Ende des Kernstabs endet im Bereich der Verbindungsstelle von oberem und unterem Hohlzylinder oder darüber. Die beiden Hohlzylinder sind einteilig ausgebildet oder aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt.
Bei dem optischen Bauteil handelt es sich um einen Vollstab, eine Vorform für die Herstellung optische Fasern oder um eine optische Faser.
Vorzugsweise wird der erste Hohlzylinder beim zweiten Elongierprozess als zweiter Hohlzylinder im Sinne der Erfindung eingesetzt.
Das heißt, es wird wiederum an seine obere Stirnseite ein oberer Hohlzylinder angeschweißt, in dessen Innenbohrung im Verlauf des zweiten Elongierprozess die Verengung zur Halterung eines Kernstabes erzeugt wird. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden. Es handelt sich um ein quasikontinuierliches Ziehverfahren, das mindestens zwei Elongierprozesse umfasst.
Zu Beginn des quasi-kontinuierlichen Ziehverfahrens - beim ersten Elongierprozess - wird der Kernstab in dem unteren Hohlzylinder auf beliebige Art und Weise gehalten. In späteren Elongierprozessen liegt er auf einer Verengung der Innenbohrung des Hohlzylinders auf, die in einem vorherigen Elongierprozess erzeugt worden ist.
Vorzugsweise wird der obere Hohlzylinder beim Elongierprozess zum Halten des unteren Hohlzylinders eingesetzt.
Der obere Hohlzylinder hat insoweit die Haltefunktion, die üblicherweise einem aus geringwertigem Quarzglas bestehenden sogenannten „Dummy-Zylinder" zukommt, an dem die Haltevorrichtung angreift und der eingesetzt wird, um Materialverluste durch ein unvollständiges Elongieren des Hohlzylinders und des darin eingesetzten Kernstabs zu vermeiden. Ein derartiger Dummy-Zylinder wird hier nicht benötigt.
Es hat aber auch einen Vorteil, an den oberen Hohlzylinder einen Dummy- Zylinder anzuschweißen, an dem die Haltevorrichtung angreift. Die Oberfläche des oberen Hohlzylinders wird dabei nicht durch daran angreifende mechanische Greifelemente beschädigt. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Verengung im Bereich der Trennebene eine axial durchgängige Öffnung aufweist.
Die verbleibende Öffnung der Innenbohrung vereinfacht die Reinigung des Hohlzylinders vor dem nächsten Elongierprozess und sie ermöglicht eine Gasspülung zu Beginn des Elongierverfahrens. Die Trennebene wird hierbei im Bereich der Ziehzwiebel so gewählt, dass dort die Innenbohrung des abgetrennten Hohlzylinders einerseits die gewünschte Verengung aufweist, aber andererseits noch nicht vollständig- kollabiert ist. Der Innendurchmesser der Verengung ist kleiner als der Außendurchmesser des im folgenden Elongierprozess auf ihr aufliegenden Kernstabs.
Bei einem in der Innenbohrung eingesetzten Kernstab oder Haltestab ist zwischen der Innenwandung der Innenbohrung und dem Kernstab/Haltestab ein noch offener Ringspalt vorhanden. Bei den folgenden Erläuterungen ist der Begriff „Innenbohrung" so zu verstehen, dass auch eine derartige „ringspaltförmige Innenbohrung" umfasst sein soll, auch wenn ein „Ringspalt" nicht ausdrücklich erwähnt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensweise umfasst der Elongierprozess eine Ziehphase und eine Zieh-Endphase, wobei während der Ziehphase in der Innenbohrung ein Unterdruck gegenüber dem Außen anliegenden Druck erzeugt wird.
Während der Ziehphase des Elongierprozesses wird in der Innenbohrung mindestens zeitweise ein Unterdruck gegenüber dem Außen anliegenden Druck erzeugt und aufrecht erhalten. Der Unterdruck in der Innenbohrung beschleunigt den Kollabien/organg und er erzeugt zusätzliche, nach Innen wirkende Kräfte beim Kollabieren, so dass zufällige Schwankungen anderer Verfahrensparameter, welche zu einer Undefinierten Kollabierprozess führen können, kompensiert werden. Insoweit trägt ein Unterdruck in der Innenbohrung zur besseren Reproduzierbarkeit des Verfahrens bei.
Dabei hat es sich besonders bewährt, wenn der Druck in der Innenbohrung in der Zieh-Endphase erhöht wird. Der Unterdruck während der Ziehpftase kann ein vollständiges Schließen der Innenbohrung bereits in einem höher gelegenen Bereich der Ziehzwiebel bewirken, insbesondere bei kleinem Innendurchmesser oder bei engem Ringspalt. In dem Fall wäre die Trennebene - mit der Maßgabe einer noch offenen Innenbohrung - in einem oberen Bereich der Ziehzwiebel zu wählen, mit den Folgen, dass ein großer Teil der Ziehzwiebel als Materialverlust anfallen würde, und dass die Verengung der Innenbohrung wegen der geringen Verjüngung unbrauchbar oder mechanisch schwach ausfiele. Infolge einer Druckerhöhung kurz vor Ende des Elongierprozesses wird die Innenbohrung aufgeweitet, so dass ein vollständiges Kollabieren der Innenbohrung verzögert wird. Dadurch kann die Trennebene - unter der Bedingung einer noch offenen Innenbohrung - in einen möglichst weit unten liegenden Bereich der Ziehzwiebel verlegt werden, wodurch sich für den folgenden Elongierprozess durch ein besseres „tip-shaping" der Materialverlust verringert und eine stabilere Auflage für den Kernstab ergibt.
In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Druck in der Innenbohrung in der Zieh-Endphase auf einen Wert im Bereich des Umgebungsdrucks +/- 50 mbar erhöht wird.
Der durch die Druckerhöhung angestrebte Effekt mit den oben genannten Vorteilen ist umso ausgeprägter, je höher der Druck in der Innenbohrung gewählt wird. Die oben genannte Öbergrenze von 50 mbar oberhalb des Umgebungsdruckes (im Ofen) wird durch die Gefahr eines Aufblasens des Hohlzylinders bei noch höheren Drücken bestimmt.
Es hat sich bewährt, in der Innenbohrung oberhalb des Kernstabs einen Stempel einzusetzen, der einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der Kernstab.
Der Stempel ragt von oben in die Innenbohrung und drückt auf den Kernstab, so dass er ein Aufschwimmen des Kernstabs (oder von Kernstabstücken) vermeidet. Darunter wird eine Aufwärtsbewegung des Kernstabs entgegen der Ziehrichtung verstanden. Das Aufschwimmen kann auftreten, wenn der
Kernstab ein geringes Restgewicht und Spiel nach oben hat. Der Effekt führt zu einem relativen Mangel an Kernstabmaterial in der Ziehzwiebel und damit einhergehend zu einer Änderung des Kern-/Mantel-Verhältnisses" des abgezogenen Bauteils.
Der Kernstab liegt über den Stempel oder weitere Zwischenstücke an einem Widerlager an, das eine Aufwärtsbewegung verhindert. Erfindungsgemäß weist der Stempel einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Kernstabs, so dass sich im Bereich des Stempels ein Ringspalt zur Innenwandung der Innenbohrung einstellt, der breiter ist, als der Ringspalt im Bereich des Kernstabs. Mit der Folge, dass das vollständige Kollabieren des breiteren Ringspalts bis tief in die Ziehzwiebel verhindert wird, so dass sich eine weit unten liegende Trennebene mit entsprechend geringem Materialverlust ergibt.
Vorzugsweise erstreckt sich das obere Ende des Kernstabs in die Innenbohrung des oberen Hohlzylinders.
Der dadurch erzeugte Versatz zwischen den Enden der beiden Hohlzylinder und dem Kernstab ermöglicht eine geringere Bauhöhe des Ofens bei der oben genannten quasi-kontinuierlichen Betriebsweise. Denn der obere Hohlzylinder fällt nach dem Trennen vom optischen Bauteil in verkürzter Form als „Halbzylinder" an, so dass der Verbund aus „Halbzylinder" und daran angeschweißtem, neuem oberen Zylinder eine geringere Läge aufweist, als zwei gleich lange Hohlzylinder. Es ist nicht erforderlich, dass Kernstab oder die Hohlzylinder gleiche Länge haben; das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Verwendung von Reststücken dieser Bauteile.
Im Idealfall reicht das obere Ende des Kernstabs bis in den Bereich der halben Länge des oberen Hohlzylinders.
Dabei wird ein Kernstab eingesetzt, der etwa die gleiche Länge wie der obere Hohlzylinder aufweist, wohingegen der untere Hohlzylinder um die Hälfte seiner Länge gekürzt ist. Dadurch kann die zur Durchführung des Elongierprozesses benötigte Länge des Ziehofens um die Hälfte einer Hohlzylinder-Länge verkürzt werden. Der Elongierprozess endet, sobald die Ziehzwiebel das obere Ende des Kernstabes erreicht hat und sich oberhalb des Kernstabs eine ausreichende Verengung der Innenbohrung ausgebildet hat. Das so erzeugte halbe Hohlzylinderstück weist an seinem unteren Ende die Verengung der Innenbohrung auf und wird im nachfolgenden Elongierprozess als unterer Hohlzylinder eingesetzt, indem es mit einem vollständigen, oberen Hohlzylinder stoßweise verschmolzen und mit einem Kernstab bestückt wird, der bis zur Hälfte des oberen Hohlzylinders reicht. Dieser Vorgang wird beliebig häufig wiederholt.
Es hat sich als günstig erwiesen, vyenn der Innendurchmesser und/oder der Außendurchmesser des oberen Hohlzylinders und/oder des unteren Hohlzylinders angefast sind.
Durch die Anfasung wird der Bildung von Innen- beziehungsweise von Außenwulsten beim Verschweißen von oberem und unterem Hohlzylinder entgegengewirkt. Ein Innenwulst würde das Einführen des Kernstabes oder eines etwaigen weiteren Mantelrohres behindern; ein Außenwulst beeinflusst die Gasströmung im Ziehofen in unerwünschter Weise. Es genügt, wenn einer der beiden zu verschweißenden Hohlzylinder eine entsprechende Anfasung im Bereich der Stoßstelle aufweist.
Die radialen Abmessungen von erstem und zweitem Hohlzylinder sind im Idealfall gleich groß. Akzeptable Ergebnisse werden erreicht, wenn die Innendurchmesser von oberem Hohlzylinder und unterem Hohlzylinder um maximal +/- 2 mm, und die Außendurchmesser von oberem Hohlzylinder und unterem Hohlzylinder um maximal +/- 3 mm voneinander abweichen.
Bei dem ersten Hohlzylinder kann es sich um ein Quarzglasrohr mit einer werkzeugfrei im Schmelzfluss erzeugten Innenbohrung handeln. Vorzugsweise wird die Innenbohrung des ersten, oberen Hohlzylinders aber mechanisch auf Endmaß bearbeitet.
Durch die mechanische Bearbeitung, die insbesondere Bohren und Schleifen - und optional Honen - umfasst, kann unter Einsatz bekannter Schleifverfahren und dafür geeigneter handelsüblicher Vorrichtungen ein Quarzglas-Rohling mit einem Außendurchmesser von mehr als 100 mm und einer Länge von mehr als 2 m vollständig in einen geraden Hohlzylinder mit genauem kreisförmigem Querschnitt und einer geringen Maßabweichung, im Bereich von 1/10 mm hergestellt werden. Unter einem mechanisch auf Endmaß gearbeiteten Hohlzylinder im Sinne dieser Erfindung ist auch ein Zylinder zu verstehen, dessen Innenoberfläche mechanisch auf Endmaß bearbeitet wurde und der anschließend durch Ätzen gereinigt wird. Gleichmäßige Ätzprozesse bewirken keine wesentliche Änderung der geometrischen Endform des Hohlzylinders (wie beispielsweise eine Biegung oder eine Ovalität im Querschnitt).
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen Figur 1 : einen Verfahrensschritt zur Erzeugung einer Verengung am Ende eines Quarzglas-Hohlzylinders durch Elongieren eine axialen Verbundes aus oberem und unterem Hohlzylinder in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2: einen Verfahrensschritt zur Erzeugung einer Verengung am Ende eines Quarzglas-Hohlzylinders durch Elongieren eine axialen Verbundes aus oberem und unterem Hohlzylinder in einer zweiten Ausführungsform,
Figur 3: einen zur Herstellung des Verbundes gemäß den Figuren 1 und 2 geeigneten Hohlzylinder in einem Längsschnitt, und
Figur 4: Ansichten auf die Ziehzwiebel zur Darstellung von verschiedener Varianten des Kollabiervorgangs der Innenbohrung und der Auswahl einer geeigneten Trennebene.
Die im Folgenden näher beschriebenen Hohlzylinder werden für die Herstellung von optischen Fasern eingesetzt, die jeweils einen Kernbereich aufweisen, der von einer inneren Mantelglasschicht und einer äußeren Mantelglasschicht umgeben ist. Der Kernbereich besteht aus Quarzglas, das homogen mit 5 Gew.-% Germaniumdioxid dotiert ist. Die beiden Mantelglasschichten bestehen aus undotiertem Quarzglas, wobei das Quarzglas für die äußere der Mantelglasschichten von dem jeweiligen Hohlzylinder bereitgestellt wird. Es wird zunächst ein sogenannter Kernstab nach dem OVD-Verfahren hergestellt. Hierzu werden auf einem um seine Längsachse rotierenden Träger durch Hin- und Herbewegung eines Abscheidebrenners schichtweise Sootpartikel abgeschieden, wobei dem Abscheidebrenner SiCI und GeCI zugeführt und in einer Brennerflamme in Gegenwart von Sauerstoff zu SiO2 und GeO2 hydrolysiert werden. Das Verhältnis an SiCI4 und GeCI wird bei der Abscheidung der inneren Schichten so eingestellt, dass sich über diesem Teil der Wandstärke des Sootrohres eine vorgegebene homogene GeO2- Konzentration von 5 mol-% ergibt. Sobald die Sootschichten abgeschieden sind, die den Kernbereich des Kernstabs bilden, wird die Zufuhr von GeCI4zum Abscheidebrenner gestoppt und es wird eine innere Mantelglasschicht aus undotiertem SiO2 abgeschieden.
Nach Beendigung des Abscheideverfahrens und Entfernen des Trägers wird ein Sootrohr erhalten, das zum Entfernen der herstellungsbedingt eingebrachten Hydroxylgruppen einer Dehydratationsbehandlung unterworfen wird. Hierzu wird das Sootrohr in vertikaler Ausrichtung in einen Dehydratationsofen eingebracht und zunächst bei einer Temperatur im Bereich von 800 °C bis etwa 1000 °C in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt. Die Behandlungsdauer beträgt etwa acht Stunden. Dadurch wird eine Hydroxylgruppenkonzentration von weniger als 100 Gew.-ppb erhalten.
Das so behandelte Sootrohr wird in einem Verglasungsofen bei einer Temperatur im Bereich um 1350 °G verglast und dabei wird die Innenbohrung kollabiert, so dass ein Kernstab mit einem Außendurchmesser von 38 mm und dem gewünschten Brechzahlprofil erhalten wird. Das Gewicht des Kernstabs beträgt -je nach Länge - bis zu 6 kg. In der herzustellenden optischen Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm bildet das Kernglas des Kernstabs einen Kernbereich mit einem Durchmesser von ca. 8,5 μm.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren der Kernstäbe nach dem OVD-Verfahren werden dieselben nach dem bekannten MCVD-, VAD-, FCVD (Furnace-CVD) oder PCVD-Verfahren hergestellt.
In jedem Fall wird weiteres Mantelmaterial für die Ausbildung der äußeren Mantelglasschicht in Form des eines Hohlzylinders bereitgestellt, das beim Faserziehen in einem ODD-Verfahren auf den Kernstab aufkollabiert wird. Die Herstellung des Hohlzylinders erfolgt analog zu der oben beschriebenen Herstellung des Kernstabs anhand eines üblichen OVD-Verfahrens, jedoch ohne Zusatz eines Dotierstoffs. Nach dem Entfernen des Trägers wird ein Sootrohr erhalten, das der beschriebenen Dehydratationsbehandlung unterzogen und anschließend verglast wird.
Die Außenwandung des so erhaltenen Hohlzylinder-Rohlings wird mittels Umfangseinstech- bzw. -längssschleifen in mehreren Arbeitsgängen unter Verwendung sukzessiv feinerer Korngrößen auf die gewünschte Außenabmessung abgeschliffen. Ebenso wird die Innenbohrung mittels eines Bohrers aufgebohrt und zum Zwecke einer hochpräzisen Endbearbeitung hinsichtlich Form und Oberflächenbeschaffenheit durch Honen nachbearbeitet. Es wird so eine in Längsachsenrichtung verlaufende, gerade Bohrung mit einem genau kreisförmigen Querschnitt erhalten. Um Oberflächenspannungen abzubauen und um Beschädigungen durch die Oberflächenbearbeitung zu entfernen wird das Quarzglasrohr in einem Flusssäure-Bad, dessen HF- Konzentration zwischen 5 % und 30 % liegt, kurz geätzt.
Der so erhaltene Hohlzylinder-Rohling hat einen Außendurchmesser von 180 mm, einen Innendurchmesser von 42 mm und eine Länge von 2500 mm. Die Maßabweichung (tmax - tmjn) in der Wandstärke beträgt 0,5 mm. Er wird - gegebenenfalls nach einer Ablängung - als Hohlzylinder im Sinne dieser Erfindung zur Herstellung von Vorformen für optische Fasern oder von optischen Fasern anhand eines ODD-Verfahrens eingesetzt.
Hierzu wird eine koaxiale Anordnung von Kernstab und Hohlzylinder in vertikaler Ausrichtung einer Erhitzungszone zugeführt und darin mit dem unteren Ende beginnend in einem ringförmigen Ofen zonenweise auf eine Temperatur um 2050 °C erweicht und dabei eine optische Faser aus dem erweichten Bereich abgezogen. Zu Beginn des Ziehverfahrens liegt der Kernstab auf einer Verengung des Hohlzylinders auf. Die Herstellung einer geeigneten Verengung wird nachfolgend anhand von Figur 1 näher erläutert.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Herstellung einer Verengung der Innenbohrung 5 eines Hohlzylinders 1. Dieser wird zunächst unter Bildung eines axialen Verbundes 3 stirnseitig mit einem zweiten, einen Kernstab 4 umgebenden, unteren Hohlzylinder 6 verschmolzen.
Länge, Innendurchmesser und Außendurchmesser von oberem und unterem Hohlzylinder 1 , 6 sind gleich. Der so hergestellte axiale Zylinderverbund 3 wird mit seinem unteren Ende beginnend in vertikaler Ausrichtung einem Ringofen 11 zugeführt, darin zonenweise erweicht und unter Bildung einer Vorform 8 elongiert. Der obere Hohlzylinder 1 wird mittels einer Klemmbacke 12 einer Haltevorrichtung geklammert und dient somit gleichzeitig zur Halterung des unteren Hohlzylinders 6.
Beim Elongieren bildet sich eine Ziehzwiebel 9 aus, die im Zylindeπterbund 3 infolge des Vorschubes allmählich zum oberen Hohlzylinder 1 fortschreitet. In der Innenbohrung 5 wird während dieser Phase (Ziehphase) ein Absolutdruck von 1 mbar aufrecht erhalten. Dieser Unterdruck verhindert ein Absacken des Kernstabes 4 und er erleichtert und beschleunigt das Kollabieren des Innenbohrung 5, oder genauer, das Kollabieren des Ringspalts zwischen dem unteren Hohlzylinder 6 und dem Kernstab 4. Dadurch kann sich die • Innenbohrung (5) bereits in einem oberen Bereich der Ziehzwiebel 9 schließen, wie dies in Figur 4A schematisch dargestellt ist.
Sobald die Ziehzwiebel 9 das untere Ende des oberen Hohlzylinders 1 erreicht, beginnt sich dessen Innenbohrung 5 allmählich zu verengen. In dieser Endphase des Elongierprozesses wird der Druck in der Innenbohrung 5 auf 10 mbar oberhalb des Umgebungsdrucks (1 atm) erhöht, um das Schließen der Innenbohrung zu verzögern und trotz des sich verengenden Außendurchmessers eine Öffnung der Innenbohrung 5 bis in den unteren Bereich der Ziehzwiebel 9 aufrecht zu erhalten, wie dies anhand Figur 4B dargestellt ist.
Daraufhin wird der Elongierprozess beendet und der obere Hohlzylinder 1 wird von der Vorform 8 abgetrennt, in einer Trennebene, die durch die punktierte Linie 10 angedeutet ist, und die auch in etwa der Schweißstelle der beiden Hohlzylinder 1 , 6 entspricht. Die Innenbohrung 5 des Hohlzylinders 1 weist nunmehr eine Verengung auf, welche für die Halterung eines Kernstabes in einem nachfolgenden Elongierprozess geeignet ist. Der obere Hohlzylinder 1 wird dementsprechend mit einem neuen Kernstab bestückt und mit seiner oberen, offenen Stirnseite mit einem weiteren Hohlzylinder verschmolzen, der beim anschließenden Elongierprozess zur Halterung des Hohlzylinders 1 dient, und in dem nun - wie oben beschrieben - während des Elongierprozesses zur Herstellung einer Vorform eine Verengung der Innenbohrung erzeugt wird.
Figur 2 zeigt schematisch eine Abwandlung des anhand Figur 1 beschriebenen Verfahrens, wobei gleiche Bezugsziffern identische oder äquivalente Bauteile oder Bestandteile bezeichnen, wie sie oben anhand Figur 1 für die betreffenden Bezugsziffern näher erläutert sind.
Bei dieser Verfahrensmodifikation weist der untere Hohlzylinder 6 eine anfängliche Länge von 125 cm auf, der daran angeschweißte obere Hohlzylinder 1 - ebenso wie der Kernstab 4 - eine Läge von 250 cm. Die
Schweißstelle zwischen oberem und unterem Hohlzylinder kennzeichnet die gestrichelte Linie 8. Der Kernstab 4 erstreckt sich somit etwa 125 cm in die Innenbohrung 5 des oberen Hohlzylinders 1 hinein.
Dadurch ist die Gesamtlänge des Hohlzylinder- Verbundes 3 um 125 cm kürzer als bei der anhand Figur 1 erläuterten Verfahrensweise. Der Elongierprozess endet, sobald die Ziehzwiebel 9 das obere Ende des Kernstabs 4 erreicht hat und sich im oberen Hohlzylinder 1 oberhalb des Kernstabs 4 eine ausreichende Verengung der Innenbohrung 5 ausgebildet hat. Das so erzeugte halbe Hohlzylinderstück weist an seinem unteren Ende die Verengung der Innenbohrung auf und wird im nachfolgenden Elongierprozess als unterer
Hohlzylinder eingesetzt, indem es mit einem vollständigen, oberen Hohlzylinder stoßweise verschmolzen und mit einem Kernstab bestückt wird, der bis zur Hälfte des oberen Hohlzylinders reicht. Dieser Vorgang wird beliebig häufig wiederholt.
Die kürzere Gesamtlänge des Hohlzylinder-Verbundes 3 ermöglicht eine kompaktere Bauweise des Ziehofens oder den Einsatz eines Dummy- Haltezylinders 2, der an das obere Ende des oberen Hohlzylinders 1 angeschweißt ist, und an dem Klemmbacken 12 einer Haltevorrichtung angreifen, die zur Halterung beider Hohlzylinder 1 , 6 im Ofen dient, wie dies Figur 2 schematisch zeigt.
Das stoßweise Verschweißen der beiden Hohlzylinder gelingt am besten, wenn bei mindestens einem der Hohlzylinder der Außendurchmesser und der Innendurchmesser angefast sind, wie dies in Figur 3 schematisch dargestellt ist.
An beiden Stirnseiten des Hohlzylinders 1 wird eine lineare Anfasung 21 des Innen- und des Außendurchmessers erzeugt, die in Umfangsrichtung und in Längsrichtung jeweils eine Weite von 10 mm aufweist. Zur Verbesserung der Halterung des Hohlzylinder 1 mittels der Klemmbacken 12 (Figur 1 , Figur 2) ist am oberen Ende ein Einstich 22 mit einer Tiefe von 2 mm vorgesehen, durch den die Qualität des abgezogenenΕauteil nicht merklich beeinträchtigt wird.
Durch die Anfasung wird der Bildung von Innen- beziehungsweise von Außenwulsten beim stirnseitigen Verschweißen von oberem und unterem Hohlzylinder entgegengewirkt. Zum Verschweißen werden die Randbereiche der der Schweißstelle zugewandten Stirnseiten der beiden Hohlzylinder mittels eines Propangasbrennners aufgeheizt und während einer Dauer von etwa 20 Minuten erweicht, und anschließend die erweichten Enden gegeneinander gepresst werden.
Figur 4 zeigt verschiedene Ansichten auf die Ziehzwiebel im Bereich der Schweißstelle von oberem und unterem Hohlzylinder vor dem Trennen. Der Hohlzylinder ist hier jeweils mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet.
Figur 4A zeigt das frühzeitige Schließen der Innenbohrung 5 bzw. des Ringspalts 32 beim Elongierprozess für den Fall, dass in der Innenbohrung 5, 32 ein Vakuum (Absolutdruck ~ 1 mbar) erzeugt wird (Ziehphase).
Es ist zu beachten, dass nach dem Trennen des oberen Hohlzylinders 30 von der Vorform eine nach unten offene Innenbohrung (trotz Verengung) zwecks einer effektiven Reinigung des Hohlzylinders vor dem nachfolgenden Elongierschritt angestrebt wird. Außerdem erlaubt eine offene Innenbohrung auch eine Gasspülung vor dem Beginn des Elongierprozesses. In dem in Figur 4A dargestellten Fall wäre eine Trennebene, die eine nach unten offene Innenbohrung ergeben würde, im oberen Bereich der Ziehzwiebel 9 anzusetzen, mit der Folge, dass fast die gesamte Ziehzwiebel-Masse als Materialverlust verworfen werden müsste. Figur 4B zeigt eine Variante zur Lösung dieses Problems durch Aufweiten des Ringspalts 32, indem der Druck in der Innenbohrung 5 bzw. in dem Ringspalt 32 auf etwa Umgebungsdruck (+ 10 mbar) erhöht wird. Der Ringspalt 32 zieht sich dadurch bis weit in die Ziehzwiebel 9 hinein, so dass auch eine tief unten an der Ziehzwiebel 9 ansetzende Trennebene 10 immer noch eine nach unten offene Innenbohrung 5 ergibt.
Die Figuren 4C und 4D zeigen eine Abwandlung des in Figur 1 und den Figuren 4A und 4B schematisch dargestellten Verfahrens, wobei ein Haltestab 34 eingesetzt wird, der ein Aufschwimmen des Kernstabs 4 insbesondere in der letzten Phase des Elongierprozesses verhindern soll. Hierzu liegt der Haltestab 34 mit seinem unteren Ende über eine Zwischenplatte 35 auf dem Kernstab 4 auf, während sein oberes Ende gegen ein (in Figur 1 nicht dargestelltes) Widerlager anliegt.
Der Außendurchmesser des Haltestabes 34 ist mit 10 mm deutlich kleiner als der Innendurchmesser der Innenbohrung 5, so dass sich ein breiter Ringspalt 36 zwischen der Hohizylinder-Innenwandung und dem Haltestab 34 ergibt. Infolge seiner großen Breite kollabiert der Ringspalt 36 auch bei Unterdruck erst spät und zieht sich dadurch bis weit in die Ziehzwiebel 9 hinein. Daher ergibt auch in diesem Fall - ohne eine Druckveränderung in der Innenbohrung 5 - eine tief unten an der Ziehzwiebel 9 ansetzende Trennebene 10 immer noch eine nach unten offene Innenbohrung 5.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren einer koaxialen Anordnung eines Kernstabs und eines Hohlzylinders einer vorgegebenen Länge, indem die Anordnung in vertikaler Orientierung einer Heizzone zugeführt, darin mit ihrem unteren Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich das Bauteil nach unten abgezogen wird, wobei der Hohlzylinder eine Innenbohrung aufweist, die im Bereich ihres unteren Endes mit einer Verengung versehen wird, auf welcher der Kernstab aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung der Innenbohrung (5) in einem ersten Hohlzylinder (1) erzeugt wird, a) indem der erste, obere Hohlzylinder (1) stirnseitig mit einem zweiten, unteren Hohlzylinder (6) unter Bildung eines axialen Zylinderverbundes (3) verschmolzen wird, b) ein Kernstab (4) in den unteren Hohlzylinder (6) eingeführt, und der axiale Zylinderverbund (3) mit seinem unteren Ende beginnend der Heizzone (49) zugeführt, darin zonenweise erweicht und unter Bildung des optischen Bauteils (8) elongiert wird, c) wobei sich eine in dem Zylinderverbund (3) zum ersten, oberen Hohlzylinder (6) fortschreitende Ziehzwiebel (9) ausbildet, innerhalb der die Innenbohrung (5) mindestens teilweise kollabiert und dadurch die Verengung der Innenbohrung (5) bewirkt, d) dass der erste Hohlzylinder (1) an einer Trennebene im Bereich der Verengung von dem abgezogenen optischen Bauteil (8) getrennt wird, und e) anschließend zur Herstellung eines optischen Bauteils zusammen mit einem Kernstab in einer koaxialen Anordnung elongiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlzylinder (1) anschließend als zweiter Hohlzylinder (6) eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der obere Hohlzylinder (1) beim Elongierprozess zum Halten des unteren Hohlzylinders (6) eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung im Bereich der Trennebene (10) eine axial durchgängige Öffnung aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elongierprozess eine Ziehphase und eine Zieh- Endphase umfasst, und dass während der Ziehphase in der Innenbohrung (5) ein Unterdruck gegenüber dem Außen anliegenden Druck erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Innenbohrung (5) in der Zieh-Endphase erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Innenbohrung in der Zieh-Endphase auf einen Wert im Bereich des Umgebungsdrucks +/- 50 mbar erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenbohrung (5, 36) oberhalb des Kernstabs (4) ein Stempel (34) eingesetzt ist, der einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der Kernstab (4).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch fr- gekennzeichnet, dass sich das obere Ende des Kernstabs (4) in die Innenbohrung (5) des oberen Hohlzylinders (1) erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des Kernstabs (4) bis in den Bereich der halben Länge des oberen Hohlzylinders (1) reicht.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser und/oder der Außendurchmesser des oberen Hohlzylinders (1) und/oder des unteren Hohlzylinders (6) angefast sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendurchmesser von oberem Hohlzylinder (1) und unterem Hohlzylinder (6) um maximal +/- 2 mm, und die Außendurchmesser von oberem Hohlzylinder (1) und unterem Hohlzylinder (6) um maximal +/- 3 mm voneinander abweichen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (5) eines ersten, oberen Hohlzylinders (1) mechanisch auf Endmaß bearbeitet wird.
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