DE102004039645B3

DE102004039645B3 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Vorprodukt

Info

Publication number: DE102004039645B3
Application number: DE102004039645A
Authority: DE
Inventors: Joachim Peekhaus; Ralph Sattmann; Jörg WERNER
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-08-15
Also published as: US8015846B2; JP2008509874A; CN101014545A; US20070245773A1; WO2006018263A1; CN101014545B; JP5101279B2

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines zylinderförmigen Vorproduktes aus Quarzglas wird dieses mit einem verjüngten Endebereich ausgebildet, anschließend, mit dem verjüngten Endbereich beginnend, kontinuierlich einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise unter Ausbildung einer Ziehzwiebel erweicht und dabei aus der Ziehzwiebel kontinuierlich das Bauteil abgezogen. Um hiervon ausgehend ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, bei dem zusätzlich zu einer Verkürzung des Anzieh-Vorgangs der Materialaufwand minimiert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Vorprodukt einzusetzen, das einen Verbund eines Quarzglas-Zylinders und eines daran unter Bildung einer Ansetzzone angeschweißten Ansatzstücks aus Quarzglas, welches das verjüngte Ende aufweist, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines zylinderförmigen Vorproduktes aus Quarzglas, indem dieses mit einem verjüngten Endbereich ausgebildet wird, anschließend mit dem verjüngten Endbereich beginnend kontinuierlich einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise unter Ausbildung einer Ziehzwiebel erweicht und dabei aus der Ziehzwiebel kontinuierlich das Bauteil abgezogen wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Vorprodukt.

Bei dem zu elongierenden Vorprodukt aus Quarzglas handelt es sich beispielsweise um rohrförmiges Halbzeug für die Herstellung von Lampenrohren oder optischen Fasern, oder um eine massive, so genannte Vorform, aus der optische Fasern gezogen werden, oder es handelt sich um eine koaxiale Anordnung aus mehreren, zylinderförmigen Quarzglas-Bauteilen, die einen Quarzglas-Kernstab und ein den Kernstab umhüllendes Mantelrohr umfassen, und aus der durch Elongieren entweder eine massive Vorform oder unmittelbar eine optische Faser erhalten werden. Eine derartige koaxiale Anordnung zum unmittelbaren Ziehen einer optischen Faser ist beispielsweise in der DE 102 14 029 C2 beschrieben. Bei den durch Elongieren derartiger Vorprodukte erhaltenen optischen Bauteilen handelt es sich somit um Lampenrohre, um optische Fasern oder um Zwischenprodukte dafür in Form massiver Vorformen, Rohre oder Stäbe.

Beim Elongierprozess liegt ein besonderes Augenmerk auf der Anziehphase, während der sich am unteren erweichten Ende des Vorprodukts eine Ziehzwiebel ausformt, aus der das Bauteil mit vorgegebener Geometrie und Sollabmessung abgezogen werden kann. Das Ausformen der Ziehzwiebel erfordert eine gewisse Zeit, die zu Lasten der Ziehofen-Produktivität geht. Mit zunehmendem Außendurchmesser des Vorprodukts nimmt auch der Zeitaufwand für die Anziehphase zu.

Die unproduktive Anziehphase kann beträchtlich verkürzt werden, indem das untere Ende des Vorprodukts vorab mit einer ziehzwiebelähnlichen Außenform versehen wird. Im einfachsten Fall geschieht dies, indem das untere Ende konisch geschliffen wird.

In der US 6,649,261 B2 wird zur Beschleunigung des Anziehvorgangs beim Elongieren einer Vorform für optische Fasern vorgeschlagen, das untere Vorform-Ende konisch auszubilden, indem dieses vor dem eigentlichen Elongierprozess erhitzt und langgezogen wird.

Ein ähnliches Vorab-Anziehen einer Vorform vor dem Faserziehprozess wird in der WO 02/28789 A1 vorgeschlagen. Hierzu wird die Vorform mit ihrem unteren Ende einer Heizeinrichtung zugeführt, die ein ähnliches Temperaturprofil aufweist wie die eigentliche Ziehzone des Ziehofens. Dort erfolgt unter dem Einfluss der Hitze und der Schwerkraft eine konische Ausformung des Anzieh-Endes der Vorform, so dass sie der späteren Ziehzwiebel gleicht. Anschließend wird die Vorform mit dem so vorgeformten Anzieh-Ende dem Ziehofen zugeführt und zu einer Faser elongiert.

Ein weiteres Verfahren dieser Art wird in der US 6,644,069 B2 beschrieben. Vor dem Faserziehprozess wird das Anzieh-Ende der Vorform soweit erweicht, dass eine Masse abtropft. Der Tropfen wird entfernt und das verbleibende, ziehzwiebelähnliche Ende abgekühlt, bevor aus der Vorform eine Faser gezogen wird.

Die bekannten Verfahren führen zu einer Verkürzung der Anziehphase und verbessern so die Produktivität des Faser-Ziehofens. Allerdings bildet die während des Vorab-Anziehens abgezogene Quarzglasmasse einen Materialverlust, der sich gerade bei dem besonders kostenaufwändig herzustellenden synthetischen Quarzglas für den Faserkern als Kostenfaktor bemerkbar macht.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, zusätzlich zu einer Verkürzung des Anzieh-Vorgangs den Materialaufwand zu minimieren. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Vorprodukt anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Vorprodukt eingesetzt wird, das einen Verbund eines Quarzglas-Zylinders und eines daran unter Bildung einer Ansetzzone angeschweißten Ansatzstücks aus Quarzglas, welches das verjüngte Ende aufweist, umfasst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vorprodukt vor dem eigentlichen Elongierprozess mit einem ziehzwiebelähnlichen Anzieh-Ende versehen, welches den Anziehprozess erleichtert und die Anziehphase verkürzt. Ein wichtiger Unterschied zu den bekannten Verfahren besteht darin, dass das sich verjüngende Anzieh-Ende vollständig oder mindestens zum größten Teil von einem Ansatzstück gebildet wird, das stoßweise an den Quarzglas-Zylinder angeschweißt ist, und das aus einem weniger wertvollen Quarzglas besteht, zum Beispiel aus Ausschussmaterial oder aus Quarzglas-Reststücken. Dadurch kann das deutliche wertvollere Quarzglas-Zylindermaterial bei der Ausformung der Ziehzwiebel eingespart werden.

Das Ansatzstück weist hierbei den geringsten Querschnitt auf (in Richtung der Quarzglas-Zylinderlängsachse gesehen); der verjüngte Endbereich kann sich jedoch über die Ansetzstelle in den Quarzglas-Zylinder hinein erstrecken.

Das Ansatzstück kann bereits beim Ansetzen an den Quarzglas-Zylinder das sich verjüngende Anzieh-Ende aufweisen. Bevorzugt ist jedoch eine Verfahrensweise, bei der das Ausbilden des verjüngten Endbereichs ein stirnseitiges Verschweißen des Quarzglas-Zylinders mit dem Ansatzstück und ein anschließendes Erweichen und Verjüngen des Ansatzstücks unter Bildung des verjüngten Endbereichs umfasst.

Der verjüngte Endbereich des Ansatzstücks wird hierbei vollständig oder teilweise erst nach dem Ansetzen an den Quarzglas-Zylinder durch Erweichen und Elongieren ausgeformt. Das Verschweißen des Ansatzstück mit dem Quarzglas-Zylinder gestaltet sich dadurch einfacher. Die Geometrie des verjüngten Endbereichs des Ansatzstücks ist an die Gegebenheiten im Ziehofen und an den Durchmesser des herzustellenden Bauteils angepasst. Dabei spielt insbesondere der minimale Außendurchmesser des Ansatzstücks eine wichtige Rolle. Dieser sollte nicht wesentlich größer sein als der nominale Außendurchmesser des herzustellenden optischen Bauteils. Das Ansatzstück wird daher unter Ausbildung eines sich verjüngenden Strangs soweit elongiert, dass der minimale Außendurchmesser des Strangs in etwa dem Außendurchmesser des optischen Bauteils entspricht, oder nur wenig größer ist.

Nach dem Ausformen des verjüngten Endbereichs an dem Ansatzstück bildet das der Ansetzzone abgewandte, freie Ende eine Masse beliebiger Form, die aufgrund ihrer Gewichtskraft das Anziehen im anschließenden Elongierprozess erleichtern kann. Andererseits kann diese Masse die Handhabung vor und beim Elongierprozess erschweren, so dass es sich in der Regel als günstiger erwiesen hat, dieses Ende vor dem Elongierprozess abzutrennen. Das endgültige Ausbilden des verjüngten Endbereichs umfasst somit vorteilhafterweise ein Trennen des Ansatzstücks im verjüngten Bereich.

Dadurch wird ein verjüngter Endbereich mit definierter Geometrie erhalten, insbesondere mit reproduzierbarer minimaler Querschnittsfläche (in Richtung der Quarzglas-Zylinderlängsachse gesehen), welche an die vorgegebenen Geometrien im Ziehofen angepasst ist. Die Trennstelle liegt dabei nicht zwangsläufig an der dünnsten Stelle des verjüngten Endbereichs.

Aus Gründen der Verfahrensökonomie erfolgen das Verschweißen sowie das Erweichen und Elongieren in einem gemeinsamen Heißprozess.

In einem ersten Arbeitsschritt wird das Ansatzstück am Ende des Quarzglas-Zylinders angeschweißt, und in einem zweiten Arbeitsschritt wird am Ansatzstück der verjüngte Endbereich ausgeformt, indem das Ansatzstück ein Stück langgezogen wird.

Es hat sich bewährt, wenn ein Ansatzstück aus synthetischem Quarzglas eingesetzt wird.

Der Quarzglas-Zylinder besteht ebenfalls aus synthetischem Quarzglas. Durch die Verwendung von arteigenem Material für das Ansatzstück unterscheiden sich die beiderseitigen Viskositäten nicht oder wenig, und der Strahlungstransport im Bereich der Ansetzzone wird kaum behindert, wodurch der Ansetz-Prozess erleichtert wird.

Für die Viskosität und den Strahlungstransport ist bei synthetischem Quarzglas der Hydroxylgruppengehalt entscheidend. Im Hinblick hierauf weist das synthetische Quarzglas des Ansatzstücks vor der Bildung der Ansetzzone vorzugsweise einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen auf, der von demjenigen des Quarzglas-Zylinders um maximal 5 Gew.-ppm abweicht.

Das Ansatzstück dient in erster Linie dazu, das Anzieh-Ende des zu elongierenden Quarzglas-Vorprodukts zu verjüngen. Diese Funktion wird erleichtert, wenn ein Ansatzstück eingesetzt wird, dessen maximaler Außendurchmesser nicht mehr als 10 mm vom Außendurchmesser des Quarzglas-Zylinders an seinem dem Ansatzstück zugewandten Ende abweicht.

Vorteilhafterweise wird das dem Ansatzstück zugewandte Ende des Quarzglas-Zylinders als Außenkonus ausgebildet.

Der Außenkonus des Quarzglas-Zylinders trägt einen Teil zu dem verjüngten Endbereich des Vorprodukts bei. Außerdem kann der minimale Außendurchmesser des Außenkonus leicht an den Außendurchmesser des Ansatzstücks im Bereich der Ansetzzone angepasst werden, so dass eine Stufe und die damit einhergehenden Durchmesseränderungen beim Elongierprozess vermieden und eine rasche Einstellung des Soll-Durchmessers erleichtert wird.

In einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante ist der Quarzglas-Zylinder als Vorform ausgebildet, wobei ein stabförmiges Halbzeug zur Bildung des Ansatzstück eingesetzt wird.

Bei der Vorform handelt es sich um ein massives, zylinderförmiges Zwischenprodukt für die Herstellung optischer Fasern, das in radialer Richtung ein vorgegebenes Brechzahlprofil aufweist. Derartige Vorformen sind allgemein bekannt und beispielsweise in den eingangs genannten Druckschriften beschrieben.

Aus der massiven Vorform werden durch Ziehen (Elongieren) Fasern oder elongierte, dünnere Vorformen erhalten. An das Anzieh-Ende der Vorform wird vorzugsweise ein stabförmiges Halbzeug angeschweißt und verjüngt. Dieses hat gegenüber einem rohrförmigen Halbzeug Vorteile hinsichtlich seiner mechanischen Stabilität, insbesondere bei stark verjüngten Enden, und es vermindert die Gefahr einer Bildung von Hohlräumen beim Ansetz-Prozess, in denen sich Verunreinigungen ansammeln können.

In einer weiteren, gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante, bei der der Quarzglas-Zylinder das äußere Mantelrohr einer koaxialen Anordnung aus einem Kernstab und einem oder mehreren den Kernstab umhüllenden Mantelrohren bildet, wird jedoch ein rohrförmiges Halbzeug zur Bildung des Ansatzstück eingesetzt.

Das Vorprodukt für die Herstellung des optischen Bauteils setzt sich in dem Fall aus der koaxialen Anordnung und dem daran angesetzten Ansatzstück zusammen. Die koaxiale Anordnung umfasst einen Kernstab und einen oder mehrere koaxial dazu angeordnete Mantelrohre, die den Kernstab umhüllen. Durch Kollabieren und Elongieren einer derartigen koaxialen Anordnung werden entweder die oben erwähnten massiven Vorformen für optische Fasern hergestellt, oder der oder die Mantelrohre werden auf den Kernstab während des Faserziehens aufkollabiert, wobei das letztgenannte Verfahren als „ODD-Verfahren" (Overclad-During-Drawing) bezeichnet wird.

Zwischen dem Kernstab – der auch aus mehreren, lose übereinander gestapelten Kernstabstücken bestehen kann – und dem Mantelrohr und gegebenenfalls zwischen den Mantelrohren verbleibt jeweils ein Ringspalt. Das aus dem rohrförmigen Halbzeug erhaltene Ansatzstück, das zumindest mit der Stirnseite des äußeren Mantelrohres verschweißt ist, ermöglicht sowohl ein Reinigen der Innenwandung des äußeren Mantelrohrs nach dem Ansetz-Prozesses durch Spülen mit einem Reinigungsmittel (wie Flusssäure), als auch eine Gasspülung des noch offenen Ringspalts zu Beginn des Elongierprozesses, wodurch ein Eindringen von Verunreinigungen verhindert werden kann.

Zur Durchführung der Reinigungs- und Spülvorgänge weist das rohrförmige Ansatzstück auch im verjüngten Endbereich vorzugsweise eine noch offene Bohrung auf. Die Bohrung des Ansatzstücks verengt sich im Verlauf der Ausformung des verjüngten Endbereichs. Dieses Ausformen wird so geführt, dass die Bohrung bis zum Ende der Verjüngung oder mindestens bis zur Trennstelle offen bleibt.

Der Kernstab liegt vorteilhafterweise auf dem Ansatzstück auf.

Der Kernstab ruht dabei auf dem Ansatzstück, wobei die Bohrung des Ansatzstücks für eine radiale Fixierung des Kernstabs herangezogen werden kann. Dadurch ergibt sich eine definierte und reproduzierbare axiale Fixierung des Kernstabs. Andere Fixierungsmaßnahmen, die in der Regel einen Heißverformungsschritt erfordern – und damit einhergehend zusätzliche Kosten und die Gefahr einer Beeinträchtigung der Qualität des herzustellenden optischen Bauteils – können entfallen. Der Kernstab ruht unmittelbar oder mittelbar – über ein ihn umgebendes Mantelrohr oder ein Zwischenstück – auf dem Ansatzstück. Im erstgenannten Fall ist der Außendurchmesser des Kernstabs kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung des rohrförmigen Ansatzstücks.

Es hat sich auch bewährt, zwischen dem Ansatzstück und dem Kernstab eine Abstandsscheibe vorzusehen.

Der Kernstab liegt dabei auf der Abstandsscheibe unmittelbar oder mittelbar auf und wird mittels dieser von der Ansetzzone weggerückt. Das aus der Ansetzzone gezogene Bauteil erfüllt in der Regel noch nicht die Anforderungen an die Maßhaltigkeit und ist damit Ausschuss. Die obige Maßnahme eröffnet zum einen die Möglichkeit einer definierten axialen Positionierung des Kernstabs in der koaxialen Anordnung, und zum anderen ergibt sich dadurch eine Ersparnis an wertvollem Kernstabmaterial. Die Abstandsscheibe weist vorzugsweise Öffnungen auf, die eine Gasspülung zu Beginn des Elongierprozesses ermöglichen.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das Ansatzstück einen minimalen Außendurchmesser aufweist, der nicht mehr als 3 cm größer ist als der nominale Außendurchmesser des herzustellenden optischen Bauteils.

Im Fall eines optischen Bauteils in Form einer optischen Faser liegt der minimale Außendurchmesser somit bei maximal etwa 3 cm. Dadurch bildet sich beim Anziehen ein besonders kleiner Tropfen, was bei den Faserziehöfen wegen der geringen Öffnungsweiten etwaiger Blenden und Beschichtungseinrichtungen besonders vorteilhaft ist. Im Fall eines optischen Bauteils in Form einer massiven Vorform liegt der optimale minimale Außendurchmesser des Ansatzstück geringfügig über (etwa 3 cm) oder unter dem nominalen Außendurchmesser der Vorform.

Hinsichtlich des Vorprodukts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es einen Quarzglas-Zylinder umfasst, der über eine Ansetzzone mit einem Ansatzstück aus Quarzglas, welches ein verjüngtes freies Ende aufweist, verbunden ist.

Ähnlich wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorprodukten, ist auch das erfindungsgemäße Vorprodukt vor dem eigentlichen Elongierprozess mit einem ziehzwiebelähnlichen Anzieh-Ende versehen, welches den Anziehprozess erleichtert und die Anziehphase verkürzt.

Im Unterschied zum Stand der Technik besteht jedoch das Vorprodukt aus einem Quarzglas-Zylinder, an dessen Anzieh-Ende ein Ansatzstück angeschweißt ist. Derjenige Teil des Vorprodukts mit dem sich verjüngenden Anzieh-Ende wird vollständig oder mindestens zum größten Teil von dem angeschweißten Ansatzstück gebildet wird. Dieses besteht aus minderwertigem Quarzglas, zum Beispiel aus Ausschussmaterial oder aus Quarzglas-Reststücken, so dass sich eine Einsparung des wertvolleren Quarzglas-Zylindermaterials für die Ausformung der Ziehzwiebel ergibt.

Das Ansatzstück bildet das Anzieh-Ende des Vorprodukts und weist dort den geringsten Querschnitt auf (in Richtung der Quarzglas-Zylinderlängsachse gesehen). Der verjüngte Endbereich kann sich jedoch über die Ansetzzone in den Quarzglas-Zylinder hinein erstrecken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Vorprodukts ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen des Vorprodukts den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Vorprodukts werden nachfolgend näher erläutert.

Es hat sich bewährt, wenn das Ansatzstück aus dem gleichen Material wie der Quarzglas-Zylinder besteht, nämlich aus synthetischem Quarzglas. Durch die Verwendung von arteigenem Material für das Ansatzstück unterscheiden sich die beiderseitigen Viskositäten nicht oder wenig, und der Strahlungstransport im Bereich der Ansetzzone wird kaum behindert, wodurch der Ansetz-Prozess erleichtert wird.

Für die Viskosität und den Strahlungstransport ist bei synthetischem Quarzglas der Hydroxylgruppengehalt entscheidend. Im Hinblick hierauf weist das synthetische Quarzglas des Ansatzstücks vor der Bildung der Ansetzzone vorzugsweise einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen auf, der von demjenigen des Quarzglas-Zylinders um maximal 5 Gew.-ppm abweicht. Beim Ansetz-Prozess kann es infolge der hohen Temperaturen jedoch zu einer oberflächlichen Beladung des Quarzglases mit Hydroxylgruppen kommen. Insbesondere der Bereich um die Ansetzzone kann dadurch eine im Vergleich zum übrigen Quarzglas erhöhten Hydroxylgruppenkonzentration aufweisen. Entscheidend für den Erfolg beim Ansetzen des Ansatzstücks ist aber der mittlere Gehalt von Quarzglas-Zylinder und Ansatzstück vor dem Ansetz-Prozess. Dieser zeigt sich nach Ansetz-Prozess – unbeeinflusst von einer oberflächliche Beladung des Quarzglases mit Hydroxylgruppen – in einem gewissen Abstand von der Ansetzzone. Aus diesen Gründen ist ein Vorprodukt bevorzugt, bei dem das synthetische Quarzglas des Ansatzstücks in einem mindestens 1 cm von der Ansetzzone entfernten Bereich einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen aufweist, der von demjenigen des Quarzglas-Zylinders in einem mindestens 1 cm von der Ansetzzone entfernten Bereich um maximal 5 Gew.-ppm abweicht.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Vorprodukts ist der Quarzglas-Zylinder als Vorform, und ist das Ansatzstück als sich verjüngendes, massives Bauteil ausgebildet.

Bei der Vorform handelt es sich um ein massives, zylinderförmiges Zwischenprodukt für die Herstellung optischer Fasern wie dies oben anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits erläutert worden ist. An das Anzieh-Ende der Vorform wird vorzugsweise ein stabförmiges Halbzeug angeschweißt und verjüngt, so dass dieses nach dem Ansetz-Prozess ein sich verjüngendes, massives, mit der Vorform fest verschweißtes Bauteil bildet. Die Massivität des Bauteils bringt Vorteile hinsichtlich seiner mechanischen Stabilität, insbesondere bei stark verjüngten Enden.

Bei einer zweiten, gleichermaßen bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Vorprodukts bildet der Quarzglas-Zylinder das äußere Mantelrohr einer koaxialen Anordnung aus einem Kernstab und einem oder mehreren den Kernstab umhüllenden Mantelrohren, wobei das Ansatzstück eine Durchgangsbohrung aufweist.

Das Vorprodukt für die Herstellung des optischen Bauteils setzt sich in dem Fall aus der koaxialen Anordnung und dem daran angesetzten Ansatzstück zusammen, wie dies oben anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits erläutert worden ist.

Das Ansatzstück ist zumindest mit der Stirnseite des äußeren Mantelrohres verschweißt und ermöglicht wegen seiner Durchgangsbohrung sowohl ein Reinigen der Innenwandung des äußeren Mantelrohrs nach dem Ansetz-Prozesses durch Spülen mit einem Reinigungsmittel (wie Flusssäure), als auch eine Gasspülung des noch offenen Ringspalts zu Beginn des Elongierprozesses. Bei Einsatz eines rohrförmigen Halbzeugs zur Bildung des Ansatzstücks wird die zunächst zylindrische Begrenzungswandung der Innenbohrung verformt und verjüngt. Zur Durchführung von Reinigungs- und Spülvorgängen ist die sich verjüngende Durchgangsbohrung auch im verjüngten Endbereich noch offen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen
1: ein Vorprodukt zum Ziehen einer optischen Faser nach dem ODD-Verfahren in der Form einer koaxialen Anordnung von Kernstab und Mantelrohr und mit einem Anzieh-Ende, das von einem rohrförmigen Ansatzstück gebildet wird, und
2: ein Vorprodukt in Form einer massiven Vorform zum Ziehen einer optischen Faser, das ein Anzieh-Ende in Form eines stabförmigen Ansatzstücks aufweist.
1 zeigt ein Vorprodukt 1 zum Ziehen einer optischen Faser, umfassend eine koaxiale Anordnung, der insgesamt die Bezugsziffer 2 zugeordnet ist. Die koaxiale Anordnung 2 besteht aus einem Kernstab 3 und einem Mantelrohr 4 aus Quarzglas, deren Längsachsen jeweils koaxial zu einer vertikal orientierten Mittelachse 5 der Gesamtanordnung 2 verlaufen.
Der Kernstab 3 besteht aus hochreinem synthetischen Quarzglas, das durch Abscheiden von SiO₂-Partikeln nach dem sogenannten OVD-Verfahren hergestellt worden ist, und das eine Kern-Mantelstruktur mit einem in radialer Richtung gesehen nicht homogenen Brechzahlverlauf aufweist. Der koaxial zum Mantelrohr 4 in dessen Innenbohrung angeordnete Kernstab 3 hat einen Außendurchmesser von 50 mm.
Das Mantelrohr 4 besteht aus hochreinem, undotiertem Quarzglas mit einem Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm, das ebenfalls durch Außenabscheidung nach dem OVD-Verfahren hergestellt worden ist. Sein Außendurchmesser beträgt 194 mm, und der Innendurchmesser liegt bei 54 mm, so dass sich zwischen dem Mantelrohr 4 und dem Kernstab 3 ein Ringspalt 6 mit einer Spaltweite von etwa 2 mm ergibt.
Das Anzieh-Ende des Vorprodukts 1 ist konisch nach unten verjüngt. Der Verjüngungsbereich 7 wird zum Teil von der koaxialen Gesamt-Anordnung 2 und zum anderen Teil von einem ziehzwiebelähnlich geformten Ansatzstück 8 aus Quarzglas gebildet, das unter Bildung einer Ansetzzone 9 an das untere Ende des Mantelrohres 4 angeschweißt ist.
Das Ansatzstück 8, das aus synthetischem, undotiertem, jedoch geringwertigem Quarzglas mit einem Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm besteht, weist eine sich von oben nach unten verjüngende, offene Durchgangsbohrung 10 auf. Das Ansatzstück 8 schließt sich im Bereich der Ansetzzone 9 mit seinem oberen Ende übergangslos an das untere Ende des Mantelrohres 4 an. Sein maximaler Außendurchmesser beträgt 90 mm, seine Länge 160 mm, und sein minimaler Außendurchmesser am freien Ende liegt bei 25 mm. Die Durchgangsbohrung 10 verjüngt sich von 40 mm im Bereich der Ansetzzone 9 auf etwa 11 mm am unteren Ende.
Der Kernstab 3 stützt sich über eine Abstandsscheibe 11 auf dem Ansatzstück 8 ab. Die Abstandsscheibe 11 hat eine Dicke von 30 mm und einen Außendurchmesser von 52 mm. Sie ist mit seitlichen Schlitzen 12 versehen, die eine fluidische Verbindung vom Ringspalt 6 in die Durchgangsbohrung 10 des Ansatzstücks 8 bilden.
Nachfolgend werden die Herstellung des Anzieh-Endes in Form des Verjüngungsbereiches 7 und die Herstellung einer Faser durch Elongieren der Anordnung 2 näher beschrieben:
Zunächst wird das untere Ende des Mantelrohres 4 leicht konisch auf einen minimalen Außendurchmesser von etwa 90 mm geschliffen, wie dies 1 zeigt. An das konisch geschliffene Ende wird ein Rohrstück aus Quarzglas mit demselben Außendurchmesser (also 90 mm) angeschweißt. Bei dem Rohrstück handelt es sich um ein Reststück eines Mantelrohres aus der laufenden Produktion. Zum Verschweißen der beiden Zylinderteile werden die der Stoßstelle zugewandten Bereiche mittels eines Knallgasbrenners erweicht und danach zusammengepresst, so dass ein fester Verbund zwischen dem Mantelrohr 4 und dem Rohrstück entsteht. Im selben Heißprozess wird anschließend das Rohrstück erweicht und mittels eines Greifers langgezogen, so dass sich ein zu seinem freien Ende hin verjüngender Strang mit ziehzwiebelähnlicher Form ausbildet. Zum Schluss wird der Strang an einer von der Ansetzzone 9 160 mm entfernten Trennstelle getrennt, wobei dort der Außendurchmesser etwa 25 mm beträgt und bei der die Innenbohrung noch offen ist, so dass das in 1 dargestellte Ansatzstück 8 entsteht.
Die Innenbohrung des Mantelrohres 4 und des Ansatzstücks 8 werden anschließend mit Flusssäure gespült, dadurch gereinigt und von etwaigen Niederschlägen durch das Anschweißen des Ansatzstücks befreit.
Vor dem Elongierprozess wird in die Innenbohrung des Mantelrohres 4 der Kernstab 3 eingesetzt, der sich dabei mit seinem unteren Ende über die Abstandsscheibe 11 auf dem Ansatzstück 8 abstützt, und so eine definierte axiale Position und einen gewissen Abstand von der Ansetzzone 9 erfährt.
Zum Ziehen einer optischen Faser nach dem ODD-Verfahren wird das Mantelrohr 4 mittels eines Greifers erfasst, und das gesamte Vorprodukt 1 von Kernstab 3, Mantelrohr 2 und Ansatzstück 8 anschließend in vertikaler Ausrichtung mit dem unteren Ende beginnend einem ringförmigen Ofen zugeführt, darin zonenweise auf eine Temperatur um 2050°C erweicht und dabei eine optische Faser aus dem erweichten Bereich abgezogen. Solange das untere Ende der Anordnung noch nicht erweicht und kollabiert ist, wird ein Stickstoff-Spülgasstrom in die Innenbohrung des Mantelrohres 4 eingeleitet, der über den Ringspalt 6, die Schlitze 12 und die Durchgangsbohrung 10 ausströmt und so das Eindringen von Verunreinigungen in die Anordnung 2 vermeidet. Sobald der untere Bereich des Vorprodukts 1 kollabiert ist, wird in der Innenbohrung des Mantelrohres 4 ein Unterdruck von etwa 1000 mbar erzeugt und aufrechterhalten.
Der vorab ausgeformte Verjüngungsbereich 7 bewirkt ein beschleunigtes Ausbilden einer Ziehzwiebel am unteren Ende des Vorproduktes 1, wobei sich infolge der Schwerkraft aus dem Bereich zunächst Quarzglasmasse in Form eines Tropfens mit einem Außendurchmesser um 15 mm löst. Aus der sich allmählich stabilisierenden Ziehzwiebel wird eine optische Faser mit einem Durchmesser von 125 μm abgezogen.
Anstelle einer Faser kann durch Kollabieren und Elongieren des Vorproduktes 1 auch eine Vorform für eine optische Faser erzeugt werden. Beispielsweise wird bei einer Anordnung 1 mit einer Länge von 3 m und den oben genannten lateralen Abmessungen durch Elongieren ein Vorformstrang bei einem Außendurchmesser von 60 mm einer Gesamtlänge von 30 m erhalten. Durch Ablängen ergeben sich aus dem Vorformstrang mehrere Vorformen.
2 zeigt ein Vorprodukt 21 zum Ziehen einer optischen Faser in Form einer massiven zylinderförmigen Vorform 22, die aus einem Kernglas 23 aus GeO₂-dotiertem Quarzglas 23 besteht, das von einem Mantelglas 24 aus undotiertem Quarzglas umhüllt ist. Sowohl das Kernglas 23 als auch das Mantelglas 24 weisen eine Hydroxylgruppen-Konzentration von weniger als 1 Gew.-ppm auf.
An das untere Ende der Vorform 22 ist ein Ansatzstück 25 aus Quarzglas unter Bildung einer Ansetzzone 26 angeschweißt. Das Anzieh-Ende des Vorproduktes 21 verjüngt sich daher konisch entlang der Vorform-Mittelachse 28 nach unten, wobei der Verjüngungsbereich 27 zum Teil von dem Ansatzstück 25 und zum Teil von der Vorform 21 gebildet wird.
Das Ansatzstück 25 besteht aus synthetischem, undotiertem, jedoch geringwertigem Quarzglas mit einem Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm. Im Bereich der Ansetzzone 26 (punktierte Linie) schließt es sich mit seinem oberen Ende fast übergangslos an das untere, verjüngte Ende der Vorform 22 an. Sein maximaler Außendurchmesser beträgt etwa 90 mm, seine Länge 170 mm und sein minimaler Außendurchmesser 20 mm.
Nachfolgend werden die Herstellung des Anzieh-Endes in Form des Verjüngungsbereiches 27 und die Herstellung einer Faser durch Elongieren der Vorform 22 näher beschrieben:
Zunächst wird das untere Ende der Vorform 22 leicht konisch auf einen minimalen Außendurchmesser von etwa 90 mm geschliffen, wie dies 2 zeigt. An das konisch geschliffene Ende wird ein stabförmiges Vorformstück aus Quarzglas mit einem Außendurchmesser von 80 mm angeschweißt. Bei dem Vorformstück handelt es sich um ein Reststück einer massiven Vorform aus der laufenden Produktion. Zum Verschweißen der beiden Teile werden die der Stoßstelle zugewandten Bereiche mittels eines Knallgasbrenners erweicht und danach zusammengepresst, so dass ein fester Verbund zwischen der Vorform 22 und dem Vorformstück entsteht. Im selben Heißprozess wird das nicht abgekühlte Vorformstück zur Bildung einer ziehzwiebelähnlichen Form weiter erweicht und bei Gelegenheit die im Bereich der Ansetzzone 26 vorhandene Stufe mittels eines Grafitwerkzeugs etwas geglättet. Gleichzeitig wird das Vorformstück mittels eines Greifers langgezogen, so dass sich ein Strang mit ziehzwiebelähnlichen Form ausbildet, der sich zu seinem freien Ende hin verjüngt. Dieser wird bei einer Länge von 170 mm getrennt, so dass das in 1 dargestellte ziehzwiebelähnliche Ansatzstück 25 mit einem minimalen Durchmesser von etwa 20 mm entsteht.
Zum Ziehen einer optischen Faser wird an das obere Ende der Vorform 22 ein Haltestab angeschweißt. Mittels eines Greifers wird das gesamte Vorproduktes 21 anschließend in vertikaler Ausrichtung mit dem unteren Ende beginnend einem ringförmigen Ofen zugeführt, darin zonenweise auf eine Temperatur um 2050°C erweicht und dabei eine optische Faser aus dem erweichten Bereich abgezogen. Dabei bewirkt der vorab erzeugte ziehzwiebelähnliche Verjüngungsbereich 27 ein beschleunigtes Ausbilden einer Ziehzwiebel am unteren Ende des Vorproduktes 21, wobei sich infolge der Schwerkraft aus dem Bereich zunächst Quarzglasmasse in Form eines Tropfens mit einem Außendurchmessern um 15 mm löst. Aus der sich allmählich stabilisierenden Ziehzwiebel wird eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm abgezogen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus Quarzglas durch Elongieren eines zylinderförmigen Vorproduktes aus Quarzglas, indem dieses mit einem verjüngten Endbereich ausgebildet wird, anschließend mit dem verjüngten Endbereich beginnend kontinuierlich einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise unter Ausbildung einer Ziehzwiebel erweicht und dabei aus der Ziehzwiebel kontinuierlich das Bauteil abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt eingesetzt wird, das einen Verbund eines Quarzglas-Zylinders und eines daran unter Bildung einer Ansetzzone angeschweißten Ansatzstücks aus Quarzglas, welches das verjüngte Ende aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des verjüngten Endbereichs ein stirnseitiges Verschweißen des Quarzglas-Zylinders mit dem Ansatzstück und ein anschließendes Erweichen und Verjüngen des Ansatzstücks unter Bildung des verjüngten Endbereichs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des verjüngten Endbereichs ein Trennen des Ansatzstücks im verjüngten Bereich umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen sowie das Erweichen und Elongieren in einem gemeinsamen Heißprozess erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansatzstück aus synthetischem Quarzglas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das synthetische Quarzglas vor der Bildung der Ansetzzone einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen aufweist, der von demjenigen des Quarzglas-Zylinders um maximal 5 Gew.-ppm abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser des Ansatzstücks um nicht mehr als 10 mm vom Außendurchmesser des Quarzglas-Zylinders an seinem dem Ansatzstück zugewandten Ende abweicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ansatzstück zugewandte Ende des Quarzglas-Zylinders als Außenkonus ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Zylinder als Vorform ausgebildet ist, und dass ein stabförmiges Halbzeug zur Bildung des Ansatzstücks eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Zylinder das äußere Mantelrohr einer koaxialen Anordnung aus einem Kernstab und einem oder mehreren den Kernstab umhüllenden Mantelrohren bildet, und dass ein rohrförmiges Halbzeug zur Bildung des Ansatzstücks eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine auch im verjüngten Endbereich noch offene Bohrung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab auf dem Ansatzstück aufliegt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ansatzstück und dem Kernstab eine Abstandsscheibe vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansatzstück einen minimalen Außendurchmesser aufweist, der nicht mehr als 3 cm größer ist als der nominale Außendurchmesser des herzustellenden optischen Bauteils.
Vorprodukt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Quarzglas-Zylinder, der über eine Ansetzzone mit einem Ansatzstück aus Quarzglas, welches ein verjüngtes freies Ende aufweist, verbunden ist.
Vorprodukt nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansatzstück aus synthetischem Quarzglas besteht.
Vorprodukt nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das synthetische Quarzglas in einem mindestens 1 cm von der Ansetzzone entfernten Bereich einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen aufweist, der von demjenigen des Quarzglas-Zylinders in einem mindestens 1 cm von der Ansetzzone entfernten Bereich um maximal 5 Gew.-ppm abweicht.
Vorprodukt nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser des Ansatzstücks um nicht mehr als 10 mm vom Außendurchmesser des Quarzglas-Zylinders an seinem dem Ansatzstück zugewandten Ende abweicht.
Vorprodukt nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ansatzstück zugewandte Ende des Quarzglas-Zylinders als Außenkonus ausgebildet ist.
Vorprodukt nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Zylinder als Vorform und das Ansatzstück als sich verjüngendes, massives Bauteil ausgebildet sind.
Vorprodukt nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Zylinder das äußere Mantelrohr einer koaxialen Anordnung aus einem Kernstab und einem oder mehreren den Kernstab umhüllenden Mantelrohren bildet, und dass das Ansatzstück eine Durchgangsbohrung aufweist.
Vorprodukt nach einem der Ansprüche 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab auf dem Ansatzstück aufliegt.
Vorprodukt nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ansatzstück und dem Kernstab eine Abstandsscheibe vorgesehen ist.
Vorprodukt nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansatzstück einen minimalen Außendurchmesser aufweist, der nicht mehr als 3 cm größer ist als der nominale Außendurchmesser des herzustellenden optischen Bauteils.