-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 (
DE 39 32 120 A1 ).
-
Derartige
Vorformen sind zur Herstellung für als
Lichtwellenleiter (LWL) verwendbare Glasfasern bekannt. Sie haben
beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2 cm und eine Länge von
etwa 10 cm. Die Vorformen werden zur Anpassung an spätere Anwendungsfälle durch
Dotieren mit unterschiedlichen Stoffen mit unterschiedlichen Brechzahlprofilen
vorgefertigt. Aus einer Vorform wird in vertikaler oder horizontaler
Arbeitsweise eine Glasfaser gezogen, indem unter kontinuierlichem
Vorschub ein Ende der Vorform in schmelzflüssigen Zustand gebracht und gehalten
wird. Die gegenüber
der Vorform wesentlich dünnere
Glasfaser hat das gleiche Brechzahlprofil wie die Vorform, aus der
sie gezogen wird. Für
die Herstellung brauchbarer Vorformen sind zahlreiche Verfahren
bekannt.
-
Ein
solches Verfahren zur Herstellung einer Vorform für Fluoridglasfasern
geht beispielsweise aus der
EP
0 326 401 A2 hervor. Bei diesem Verfahren werden ein Mantelglas
in ein zylindrisches Rohr und ein Kernglas in einen inneren Tiegel
eingefüllt. Beide
Gläser
werden dann mittels Hochfrequenz in den schmelzflüssigen Zustand
gebracht. Das Mantelglas wird anschließend von außen nach und nach abgekühlt. Nach
vorgegebener Zeit ist das Mantelglas bis zu einer vorgegebenen Wandstärke abgekühlt. Der
noch schmelzflüssige
Kern wird abschließend entfernt.
In den dadurch entstehenden Hohlraum wird das Kernglas eingefüllt. Nach
ausreichender Kühlzeit
wird die Vorform aus dem zylindrischen Rohr entnommen.
-
Die
EP 0 761 616 A2 zeigt
ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische
Fasern, bei dem zunächst
ein Rohr aus einem Mantelglas zu einem Röhrchen mit wesentlich verkleinertem Durchmesser
kollabiert wird. In das Röhrchen
wird ein Kernglas eingebracht, beispielsweise durch Anwendung eines
Vakuums. Die so gewonnene Vorform wird anschließend weiter im Durchmesser
reduziert und nach Abkühlung
auf Länge
geschnitten.
-
In
der
EP 0 814 063 A1 ist
ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für Fluoridglasfasern
beschrieben. Es wird hier Mantelglas in den zylindrischen Innenraum
eines Tiegels eingefüllt,
der mit vertikaler Achse angeordnet ist. In eine oberhalb des Innenraums
befindliche, ebenfalls zylindrische Erweiterung wird danach ein
Kernglas eingebracht. Der Tiegel wird dann verschlossen und mit
horizontaler Achse in Rotation versetzt. Im Mantelglas wird dadurch
ein zylindrischer Hohlraum erzeugt, der durch Abkühlung des
Mantelglases erhalten bleibt. In den Hohlraum fließt bei wieder
vertikaler Achse des Tiegels das Kernglas, das im schmelzflüssigen Zustand gehalten
wurde. Nach Abkühlung
wird die Vorform aus dem Tiegel entnommen.
-
Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung einer Vorform für Fluoridglasfasern
geht aus der
US 5 160 521 hervor.
Hier wird in einem Werkzeug mit zylindrischem Hohlraum durch Rotation
ein Rohr aus Mantelglas erzeugt, das auf einer Seite durch einen
Boden verschlossen ist. In den Boden wird danach ein Durchgangsloch
eingebracht. Das Werkzeug mit darin befindlichem Rohr aus Mantelglas
wird anschließend
mit seiner offenen Seite von oben in einen Tiegel mit geschmolzenem
Kernglas eingesetzt und unter Anwendung von Druck nach unten bewegt.
Das Kernglas dringt dadurch aufsteigend in das Rohr aus Mantelglas
ein und füllt
dessen Hohlraum aus. Im Rohr aus Mantelglas enthaltene Luft kann
durch das Durchgangsloch entweichen. Nach Abkühlung wird die fertige Vorform
aus dem Werkzeug entnommen.
-
Auch
die WO 92/00923 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer
Vorform für
Fluoridglasfasern, und zwar in einer Schutzgasatmosphäre. Mantelglas
wird bei diesem Verfahren in ein mit vertikaler Achse angeordnetes,
rohrförmiges
Werkzeug eingefüllt.
Das Werkzeug wird dann in eine horizontale Position gekippt und
in Rotation versetzt. Nach Abkühlung
des auf diese Weise erzeugten Rohres aus Mantelglas wird das Werkzeug
wieder in seine vertikale Position gebracht. Ein Kernglas wird danach
in das Rohr aus Mantelglas eingefüllt. Nach weiterer Abkühlung kann
die Vorform aus dem Werkzeug entnommen werden.
-
Das
Verfahren nach der eingangs erwähnten
DE 39 32 120 A1 bezieht
sich auf die Herstellung von Vorformen für hochwertige Glasfasern aus
Schwermetallfluoridgläsern.
Entsprechende Glasfasern eignen sich besonders als dotierte LWL
für Faserlaser und
Faserverstärker
oder Sensoranwendungen. Bei diesem bekannten, als „Suction
Casting" bezeichneten
Verfahren wird zur Herstellung einer Vorform ein zylindrischer Behälter zum
größten Teil
mit einer Schmelze aus einem Mantelglas gefüllt, die anschließend abkühlt, kontrahiert
und erstarrt. Dabei bildet sich entlang der Längsachse des erstarrenden Mantelglases
ein Hohlraum. In den Hohlraum wird Schmelze aus Kernglas gefüllt, und
zwar unter der Wirkung des äußeren Luftdrucks
und durch deren Eigengewicht. Bei diesem Verfahren ist die Fließgeschwindigkeit
der Schmelze aus dem Kernglas niedrig. Außerdem kann die Schmelze durch
Berührung der
kühleren
Wandung des Rohres erstarren und den Hohlraum blockieren, bevor
derselbe vollständig
gefüllt
ist. Um das zu vermeiden, wird das Rohr vor dem Einfüllen des
Kernglases erwärmt.
Durch die den Hohlraum des Rohres nach und nach füllende Schmelze
des Kernmaterials werden Luftblasen mitgeführt. Durch die Kontraktion
des beim Abkühlen
erstarrenden Glases entstehen außerdem Vakuumblasen, die ebenso
wie die Luftblasen in der fertigen Vorform verbleiben. Sie wirken
sich insbesondere im Grenzbereich vom Kernglas zum Mantelglas störend auf
die Übertragungseigenschaften
einer aus einer derartigen Vorform gezogenen Glasfaser aus.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte
Verfahren so weiterzubilden, daß auf
einfache Weise eine blasenfreie Vorform hergestellt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
-
Mit
diesem Verfahren kann der Hohlraum des Rohres aus dem Mantelglas
sehr schnell vollständig
mit schmelzflüssigem
Kernglas gefüllt
werden. Dafür
sorgt der vorher im Rohr erzeugte Unterdruck. Unmittelbar nach Beendigung
des Füllvorgangs
wird auf das dann noch weiche Kernglas ein Überdruck von mindestens 4 bar
aufgebracht, durch welchen im Kernglas vorhandene Blasen (Luftblasen und
Vakuumblasen) vollständig
zusammengedrückt werden.
Gleichzeitig wird das Kernmaterial an die Innenfläche des
aus dem Mantelglas bestehenden Rohres gedrückt, so daß an der kritischen Grenzfläche von
Kern und Mantel der Vorform gar keine Gaseinschlüsse vorhanden sind. Es ist
mit diesem Verfahren durch das gezielte Zusammenwirken von Unterdruck
und Überdruck
also sichergestellt, daß in
der fertigen Vorform keine störenden
Einschlüsse
vorhanden sind.
-
Das
Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung
eine Anordnung zum Ziehen einer Glasfaser aus einer Vorform.
-
2 ebenfalls schematisch eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung.
-
3 und 4 die Vorrichtung nach 2 während
der Herstellung einer Vorform in zwei unterschiedlichen Positionen.
-
In 1 ist eine Vorform V zur
Herstellung einer Glasfaser G dargestellt, die durch Dotierung unterschiedlicher
Stoffe ein vorgegebenes Brechzahlprofil hat. Die Vorform V ist in
einer nur schematisch angedeuteten Aufnahme 1 gehalten.
Sie wird kontinuierlich in Richtung des Pfeiles 2 bewegt.
An ihrem hier unteren Ende wird die Vorform V durch Wärmezufuhr,
die durch Pfeile 3 und 4 angedeutet ist, in den schmelzflüssigen Zustand
gebracht. Es wird dadurch zunächst
ein Tropfen aus geschmolzenem Glas erzeugt, an dem in Richtung des
Pfeiles 5 gezogen wird. Die dadurch entstehende Glasfaser
G kann auf eine Spule 6 aufgewickelt werden. In 1 ist eine Anordnung mit
vertikaler Arbeitsweise dargestellt. Die Glasfaser G könnte auch
in horizontaler Arbeitsweise aus der Vorform V gezogen werden.
-
Zur
Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung, mit dem eine Vorform V für eine Glasfaser G
hergestellt wird, kann eine aus den 2 bis 4 ersichtliche Vorrichtung 7 verwendet
werden. Die Vorrichtung 7 besteht aus einer beispielsweise
elektrisch beheizbaren Aufnahme 8, die einen Hohlraum 9 für eine herzustellende
Vorform V und eine gehäuseartige
Erweiterung 10 aufweist, in welcher ein für geschmolzenes
Kernglas bestimmter Behälter 11 angeordnet
werden kann. In die Erweiterung 10 ragt eine Rohrleitung 12 hinein.
Die Aufnahme 8 ist mittels eines Deckels 13 hermetisch
dicht verschließbar,
der ein Sichtfenster haben kann. In der Rohrleitung 12 befindet
sich ein Ventil 14, durch welches dieselbe wahlweise an
eine Evakuiereinrichtung 15 oder einen Druckerzeuger 16 anschließbar ist.
-
Das
Verfahren nach der Erfindung arbeitet beispielsweise wie folgt:
In
den Hohlraum 9 der Aufnahme 8 wird ein vorgefertigtes
Rohr 17 aus Mantelglas eingesetzt, das entsprechend der
zeichnerischen Darstellung einseitig verschlossen sein kann. Es
hat einen Hohlraum zur Aufnahme von Kernglas, der einen Durchmesser
von 3 mm bis 6 mm haben kann. Das Rohr 17 wird durch Beheizung
der Aufnahme 8 auf eine Temperatur von etwa 260 °C erwärmt. In
die Erweiterung 10 wird dann der Behälter 11 mit geschmolzenem
Kernglas 18 eingesetzt. Das Kernglas 18 wird in
einem Schmelzofen so weit erwärmt
und einer Vakuumbehandlung unterzogen, daß eventuell vorhandene Gasblasen
ausgetrieben werden. Es wird bei einer Temperatur von etwa 650 °C aus dem
Schmelzofen entnommen und in dem Behälter 11 in die Erweiterung 10 der
Aufnahme 8 gebracht.
-
Danach
wird die Aufnahme 8 mit dem Deckel 13 hermetisch
dicht verschlossen. Ihre Hohlräume werden
anschließend
mittels der Evakuiereinrichtung 15 über die Rohrleitung 12 evakuiert,
und zwar auf einen Druck von maximal 1 mbar. Der Druck liegt in
bevorzugter Ausführungsform
unter diesem Wert. Das dadurch in der Aufnahme 8 entstehende
Vakuum wird langsam angesetzt, mit einer Zeitdauer von etwa 2,5
min, nach denen der gewünschte
Unterdruck erreicht ist. Nach dieser Zeit ist das geschmolzene Kernglas 18 auf
etwa 440 °C
abgekühlt.
-
Zu
diesem Zeitpunkt wird die Aufnahme 8 entsprechend dem in 4 eingezeichneten Pfeil 19 geschwenkt
und in die aus 4 ersichtliche
Position gebracht. Das geschmolzene Kernglas 18 fließt dadurch
in den Hohlraum des Rohres 17 und füllt denselben schnell aus.
Das kann durch das Sichtfenster des Deckels 13 kontrolliert
werden. Sofort, nachdem der Hohlraum des Rohres 17 mit
Kernglas 18 gefüllt
ist, wird die Rohrleitung 10 auf den Druckerzeuger 16 umgeschaltet,
und es wird ein Druck von beispielsweise 5 bar auf das noch weiche
Kernglas 18 aufgebracht. Dieser Druck wird mindestens so lange
gehalten, bis das Kernglas 18 sich auf seine Umgebungstemperatur
abgekühlt
hat, also auf die 260 °C
des Rohres 17. Der Druck kann jedoch auch länger aufrecht
erhalten werden. Die Beheizung der Aufnahme 8 wird dann
unterbrochen. Die fertige Vorform V kann nach ausreichender Abkühlung aus
der Aufnahme 8 entnommen werden.
-
Der
nach dem Füllen
des Hohlraums des Rohres 17 auf das noch weiche Kernglas 18 ausgeübte Druck
soll mindestens 4 bar betragen. Bei einem geringeren Druck kann
es zur Blasenbildung kommen. Ein maximaler Druck von 7 bar ist für die Vermeidung
von Einschlüssen
in der fertigen Vorform V ausreichend. Höhere Drücke könnten auch angewendet werden.
Die Aufnahme 8 müßte entsprechend
dimensioniert werden.
-
Das
Verfahren nach der Erfindung wird in bevorzugter Ausführungsform
für Schwermetallfluoridgläser eingesetzt.
Die oben angegebenen Temperaturen gelten für das die Bestandteile Zirconium,
Barium, Lanthan, Aluminium und Natrium aufweisende Standardglas
ZBLAN. Für
andere Gläser
und insbesondere andere Fluoridgläser gelten andere Temperaturen,
die jedoch in der gleichen Größenordnung wie
die oben angegebenen Temperaturen liegen.