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WO2010069768A2 - Verfahren zur herstellung eines zylinderförmigen optischen bauteils aus quarzglas sowie nach dem verfahren erhaltenes optisch aktives bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines zylinderförmigen optischen bauteils aus quarzglas sowie nach dem verfahren erhaltenes optisch aktives bauteil Download PDF

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WO2010069768A2
WO2010069768A2 PCT/EP2009/066230 EP2009066230W WO2010069768A2 WO 2010069768 A2 WO2010069768 A2 WO 2010069768A2 EP 2009066230 W EP2009066230 W EP 2009066230W WO 2010069768 A2 WO2010069768 A2 WO 2010069768A2
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WO
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preform
zone
glass
contact surface
quartz glass
Prior art date
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PCT/EP2009/066230
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French (fr)
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WO2010069768A3 (de
WO2010069768A9 (de
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Peter Bauer
Karsten Braeuer
Marco Flach
Andreas Langner
Richard Schmidt
Clemens Schmitt
Gerhard Schoetz
Matthias Stecher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Original Assignee
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01S3/176—Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cylindrical optical component of quartz glass, with an extending in the direction of a longitudinal axis inner zone of an inner zone glass, which is enveloped by a cladding zone of a jacket zone glass whose average wall thickness at least over a part of their length in Direction of the component longitudinal axis varies.
  • the invention relates to a cylindrical blank for the production of an optically active component having a longitudinal axis, at least one along the longitudinal axis extending core of an optically active material, extending along the core pumping light layer, and a surrounding the pumping light layer cladding layer with a lower refractive index than having the pumping light layer, wherein the pumping light layer along a Auskoppelrange has a decreasing wall thickness.
  • optically active components in rod or fiber form are used, for example, as high-power lasers or in communication technology as optical fiber amplifiers with a laser-active core and a pump casing enveloping the core.
  • optical fiber amplifiers with a laser-active core and a pump casing enveloping the core.
  • optically active component includes not only lasers but also optical amplifiers and so-called superluminescence sources.
  • Fiber amplifiers can compensate for losses in optical fibers in optical data transmission by coupling laser light into the fiber core by so-called "optical pumping", which excites laser-active substances in the core zone.
  • the light pulse passing through the fiber core additionally absorbs energy from the excited ions and thereby becomes active strengthened.
  • the laser-active substances can be excited by the coupled pump light itself for the delivery of laser light, as is the case with high-power lasers in fiber or rod form.
  • the laser-active material contains, for example, crystalline Nd: YAG or it consists of quartz glass which contains dopants which cause a release or a reinforcement of laser radiation in the host material quartz glass.
  • the dopants are usually rare earth cations (lanthanides) or cations of the so-called transition metals.
  • Such an optically active component in the form of a side-pumped laser is known from US-5,048,026 A.
  • a fiber amplifier is described, comprising a cylindrical, laser-active core of Nd: YAG and a laser radiation output end, which is surrounded by a sleeve-shaped quartz glass jacket.
  • the pump casing is conically formed in a front longitudinal region, so that its thickness decreases in the direction of the Auskoppelende and opens into a rear, cylindrical part, which is flush with the Auskoppelende of the core.
  • the pumping light is radiated into the pump casing at the end face opposite the outfeed end, and between the casing and the casing. surfaces of the pump shell back and forth and crosses the laser-active core.
  • the pump cladding has a refractive index that is greater than the refractive index of the environment (such as air) but less than the refractive index of the laser active core.
  • the angle to the lateral surfaces becomes steeper with each reflection, so that the pumping light is focused on the laser-active core in the cylindrical region.
  • the laser system comprises a quartz glass element which serves for optically pumping a laser rod which is inserted into a central bore of the quartz glass element.
  • the quartz glass element tapers conically in the propagation direction and it is mirrored on the outside.
  • a plurality of laser diodes are used, which radiate at different radial positions on the front side in the quartz glass element.
  • the pump light rays impinge on the reflective coating at axially different positions and are reflected from there into the laser rod.
  • the pumping light irradiated into the quartz glass element has a substantially annular intensity distribution and it is also possible, depending on the number and position of the laser diodes, to distribute the irradiation of the pumping light more or less evenly over the length of the laser rod.
  • the device itself and the adjustment of the components are very expensive.
  • the DE 28 44 129 A1 describes a similar device for optically pumping a laser rod.
  • the device includes a laterally pumped Nd: YAG laser and a pump light source.
  • the laser rod is surrounded by a sheath and this in turn by an inside mirrored sheath.
  • the cladding is made of a material with a lower refractive index than the laser rod and it tapers conically in the light propagation direction.
  • a glass plate is arranged which both reflects the pumping light and also makes it possible to uncouple laser light.
  • the pump light irradiated by the pump light source from its broad frontal end into the cladding is reflected at a certain angle on the mirrored shell and then impinges on the lateral surface of the laser rod.
  • a laser component with a conically tapered pumping light jacket made of glass is not without problems.
  • Such a component can be produced, for example, by mechanically machining the pumping light jacket from the outside, or by softening and elongating a cylindrical component in zones, whereby the pulling rate is continuously increased during the elongation process so that the external diameter of the drawn strand is reduced continuously.
  • This procedure is laborious and requires complicated control, and is not particularly suitable for setting steep cone angles (for example more than 10 degrees).
  • a conical pumping light jacket leads to a laser component with a tapering outer diameter, if no countermeasures are taken.
  • a tapered outer diameter has disadvantages. For example, cooling over a solid is more difficult to achieve than with a constant outside diameter, and assembling the laser component, in particular a laser fiber, is difficult. Therefore, despite a conical pump jacket, a cylindrical outer jacket of the optical component would be desirable.
  • WO 2006/049186 A1 discloses a method for producing a preform with a conical core by first of all conically elongating a cylindrical preform having a core region and a cladding region, each having a constant diameter (as explained above), so that firstly a semifinished product with a conical core area and a conical jacket area is obtained. Subsequently, the outer diameter of the semifinished product is ground to the constant extent at the expense of the jacket area. The cylinder thus obtained has a conical core region and a counter-conical jacket region.
  • the grinding is associated with a high workload and material loss.
  • JP 11021142 A another method for producing a cylindrical optical component with a conical core region and counterclockwise schem inner shell area known.
  • a cylindrical core rod having a cylindrical core region and a cylindrical inner cladding region is produced.
  • the inner cladding region is removed to a conical shape, so that a semi-finished product with a conical outer diameter profile is obtained.
  • the conical semi-finished product is drawn off in a Elongier pulp to a cylindrical semi-finished product with constant outside diameter. This then has a conical core region and a counter-conical jacket region.
  • the cylindrical semi-finished product is then provided with an additional outer sheath and pulled into a fiber.
  • the known methods require a lot of work and time to produce a cylindrical outer diameter of the optical component.
  • the invention has for its object to provide a method which allows a simple and cost-effective production of a cylindrical optical component of quartz glass, which is provided with a radial layer having at least over a part of its length a varying wall thickness.
  • a further object of the invention is to provide a blank for an optically active component, in which a slight impairment of the core zone in the region of the coupling point of the pump light and the occurrence of nonlinear effects due to high absorption of the pump light can be largely avoided, and in which there is a high efficiency of the pump light.
  • this object is achieved according to the invention by a method which, starting from a method of the type mentioned at the beginning, comprises the following method steps:
  • the aim of the method is a cylindrical optical component (or a precursor thereof) which has an inner zone with a wall thickness varying in the direction of the cylinder axis over at least part of its length, and at the same time has a cylindrical shape.
  • the optical component is, for example, a preform for drawing optical fibers or an optical fiber for the light pipe. Or it is a laser in the form of a rod, a tube or a fiber, these components typically have at least one laser-active zone.
  • the formation of an inner zone with varying wall thickness by machining the cylinder surface of a semifinished product or by axially inhomogeneous deposition of inner zone material on a cylindrical surface takes place. Restoring the cylindrical shape requires one or more additional process steps.
  • a welding process is provided in which two prefabricated preforms are welded together in such a way that they mutually penetrate one another at the ends.
  • the first preform is configured frontally with an outer cone-shaped contact surface, which can be embedded in jacket zone glass of the second preform, for example, by penetrating into the jacket zone glass.
  • a varying wall thickness of the mantle zone and a wall wall thickness of the inner zone which varies in the opposite direction are produced via the penetration depth of the outer cone out of the inner zone glass into the mantle zone glass.
  • the area of the mutual penetration of mantle zone glass and inner zone glass is referred to below as the "contact area”.
  • the outer cone-shaped contact surface embedded in jacket zone glass is welded to the jacket zone glass. In this case, a fusion bond is obtained, in the mantle zone glass on the outer cone of the inner zone glass is positively applied and merged with this.
  • the geometry of the base surface and the outer cone sheath determine the axial course of the inner zone and the jacket zone in the contact area.
  • the wall thickness of the inner zone decreases linearly in one direction, so that a conical course of the inner zone results in the axial longitudinal section along the component cylinder axis.
  • other axial wall thickness curves result, for example with an exponential or a stepwise decrease in the inner zone wall thickness in the direction of the cylinder axis.
  • the invention will be explained below by way of example with reference to a conical wall thickness curve which is also intended to represent other wall thickness profiles Interaction of jacket zone glass and inner zone glass commonly used.
  • the base area of the outer cone of the first preform depends on the function of the optical component to be produced.
  • the base is circular, but also oval, polygonal bases and in particular bases with a so-called "D" shape (or double-sided D-shape, which is also referred to as double-D shape) are suitable for special applications that continue will be explained in more detail below.
  • the composite preform obtained by the end-side welding and the mutual penetration of first and second preform is usually subjected to further processing steps, in which case in particular the addition of further glass zones in the interior or exterior of the composite preform is mentioned.
  • the optical component is obtained, which in a longitudinal section has a cone structure originating from the contact region of the former composite preform, in which an inner zone of varying thickness and an adjoining mantle zone of opposite varying thickness are provided.
  • the inventive method is particularly suitable for producing side-pumped laser in fiber, tube or rod form with one or more laser-active areas, pumped light is irradiated in a pumping light zone adjacent to a laser-active area directly or via a separation zone separately, and the tapers or widened in the direction of the fiber or rod longitudinal axis.
  • the second preform on a second contact surface wherein the formation of the composite preform comprises an assembly of first and second contact surface.
  • the assembly takes place mechanically, so that a mechanical joining composite is obtained, from which by subsequent welding of the contact surfaces, the composite is prepared preform, or the joining takes place thermally, at the same time the contact surfaces are welded.
  • a negative pressure is applied when joining the contact surfaces.
  • either the first preform and / or the second preform is provided with a through hole, which opens at the respective contact surface and thus is in fluid communication with the gap during welding.
  • the through hole is preferably arranged so that it is closed as possible only at the end of the welding process, so that the negative pressure can act until the end.
  • the outer cone of the first preform can be used to seal the gap. This is done in a preferred variant of the method in that when joining the preforms of the conical surface of the first preform sealingly abuts a peripheral edge of the second preform.
  • the second preform frontally provided with a conical recess, which ends at the front side in the form of a peripheral edge.
  • the outer cone of the first preform is sufficiently wide so that it comes into contact with the peripheral edge when joining the preforms with its conical surface.
  • the recess of the second preform is designed so deep that the cone tip of the outer cone does not abut before the seal is generated on the contact of the outer shell on the peripheral edge.
  • the preforms are welded together, for example, on a lathe-like device, by means of which preforms are rotatable about a common axis of rotation and axially displaceable in the direction of the axis of rotation.
  • the contact surface of the second preform can be softened so that the outer cone of the first preform can penetrate into the softened sheath zone glass, or the softened sheath zone glass can collapse onto the outer cone of inner zone glass.
  • the contact surface of the second preform does not have to be adapted to the shape of the penetrating outer cone; it may for example be flat or tubular.
  • the jacket zone glass displaced during the penetration of the outer cone can form a bead-shaped thickening around the contact region.
  • the thickening can be compensated and avoided by a molding tool immediately during the welding process, or it is subsequently removed by mechanical processing.
  • the contact surface of the second preform has a recess which is preferably designed as an inner cone.
  • the mass of the sheath zone glass to be displaced is smaller, so that less bead formation occurs and a lower softening of the sheath zone glass is sufficient.
  • the shape of the depression on the outer cone of the first shape is adapted. In the case of a good adaptation, no displacement or at most a slight displacement of jacket zone glass occurs during the welding process, and no substantial deformation takes place in the contact region. Along with this, a comparatively low softening in the contact area is required, which is sufficient for welding the contact surfaces. In this way an exact and well reproducible cone structure is obtained.
  • a through-hole opens in the recess of the second preform, via which a vacuum can be applied.
  • the depression or the inner cone-shaped contact surface is preferably produced by mechanical processing.
  • Mechanical processing includes drilling, milling or grinding. To smooth and eliminate abrasion, chemical etching can be helpful.
  • the recess is designed, for example, as a blind hole; As a rule, however, it is at least approximately adapted to the outer cone shape.
  • the first preform thus has the front cone-shaped recess which includes a central cone angle of at least 25 degrees with the cylinder longitudinal axis, and the end face of the second preform is preferably adapted to the outer cone shape by having an inner cone with has a mean cone angle of at least 25 degrees.
  • the depression is produced by a hot-forming process.
  • At least the frontal region of the second preform is softened and embossed by means of a molding tool, for example by means of a graphite stamp, the frontal depression.
  • a molding tool for example by means of a graphite stamp
  • the near-surface region of the depression melts, so that in this way a particularly smooth surface is obtained with little effort.
  • a fluorine-doped quartz glass is used as sheath zone glass.
  • Fluorine can also be introduced into quartz glass in high concentrations of up to 9% by weight, preferably in the range of from 1 to 5% by weight, comparatively easily and homogeneously.
  • the doping of quartz glass with fluorine causes both a reduction in the refractive index and a reduction in the viscosity.
  • the cladding zone glass contributes to the light guidance.
  • the reduction in its viscosity means that the jacket zone glass during the welding process, despite the same temperature far more than the inner zone glass, which facilitates the penetration of the outer cone into the softer mantle zone glass and the reproducible production of a given cone structure.
  • first preform and the second preform are each designed as cylinders.
  • the cylindrical preforms are joined together in the direction of their common cylinder longitudinal axis. This can be done for example on a lathe, the preforms are held by means of a lathe chuck. This allows a particularly accurate and reproducible assembly of the preforms. Preforms with the same outer diameter result in this way a composite preform with the same outer diameter throughout.
  • the outer cone-shaped contact surface of the first preform is produced by mechanical processing.
  • the outer conical contact surface of the first preform is produced by a hot forming process.
  • the outer conical contact surface is created by the end face of the first preform softens and is formed by means of a tool, such as a graphite form, to the desired outer shape.
  • a tool such as a graphite form
  • the rounded cone tip has a higher mechanical stability than a sharp tip and is therefore subject to a lower deformation upon penetration into the end face of the second preform, which has an advantageous effect on the reproducibility and dimensional stability of the cone structure in the contact region.
  • the inner zone glass used is undoped quartz glass.
  • Undoped quartz glass generally shows a higher viscosity than doped quartz glass.
  • the preforms can be joined together in the cold state and then the abutting contact surfaces can be welded. In general, however, it is more advantageous if at least the second preform in the area of the second contact surface is already softened during compression.
  • both preforms are preferably uniformly heated in the contact area, thereby softening at least the second preform to allow fusion with the outer cone of the first preform.
  • the composite preform provided with at least one inner bore for receiving a core rod and equipped before elongating with a core rod.
  • the inner bore or holes are mechanically generated after the cone structure in the composite preform is completed. As a result, an elongation process that leads to a non-constant axial diameter profile of the core region, which is generally undesirable, avoided.
  • mechanical holes with high dimensional accuracy are executable.
  • a core rod is used. This may be an optical core rod for the optical waveguide or a rod made of a laser-active glass. In each case, a central core glass region can be surrounded by an inner jacket region.
  • the composite preform is wrapped with a layer of fluorine-doped quartz glass before the e-lungeing.
  • the layer of fluorine doped quartz glass is, for example, by depositing a corresponding quartz glass by means of a so-called POD process (plasma outside deposition) or by overlapping with a fluorine doped
  • the fluorine-doped layer has an effect on the light-guiding properties in the mantle zone region, in particular when the mantle zone glass consists of a quartz glass having a higher refractive index.
  • the composite preform is provided with an outer layer of undoped quartz glass.
  • the outermost layer of undoped quartz glass stabilizes underlying quartz glass layers of lower viscosity in subsequent process steps, in particular it counteracts deformations in hot-forming steps.
  • the outer layer of undoped quartz glass can be applied by conventionalskyabscheideclar or by overlapping with a quartz glass tube.
  • the above-mentioned technical object is achieved, starting from a blank of the type mentioned in the introduction, in that the wall thickness of the pumping light layer is in the outer diameter of the jacket layer in the range of 3 mm to 50 mm with a mean cone angle between 25 and 80 degrees decreases along the Auskoppelhold, wherein the cladding layer increases in opposite directions with the same cone angle.
  • the further processing of the blank comprises at least one drawing process in which the core, the pumping light layer and the cladding layer form "zones" of an opaque material.
  • Table active component which is present for example as a laser in the form of a rod, a tube or a fiber.
  • the optical component obtained after elongation of the blank has a longitudinal axis, at least one cylindrical core zone of optically active material extending along the longitudinal axis, a pumping light zone running along the core zone from which pumping light can enter the core zone along a decoupling path, and a cladding zone of lower refractive index surrounding the pumping light zone than the pumping light zone, core zone, pumping light zone and cladding zone being constituents of a monolithic quartz glass body.
  • the formation of the zones of the component from one and the same base material - namely doped or undoped quartz glass - facilitates the production and largely avoids problems due to different thermal expansions.
  • the zones are integral parts of the optically active component, so that any effort is made to adjust the zones to one another.
  • the component consists of quartz glass, whereby "quartz glass” here also means a glass containing high silicic acid with a SiO 2 content of at least 80% by weight.
  • the blank at least over a part of its length has a pumping light layer with a decreasing in the direction of the radiated pump light wall thickness and a cladding layer with counter-increasing wall thickness and a cylindrical core.
  • variable wall thickness profile of the pump light layer is compensated by the opposing wall thickness profile of the cladding layer so that an axially uniform overall outer diameter of the blank results. This facilitates the production of a cylindrical component.
  • the core zone of the component In the core zone of the component, light radiation is guided, generated or amplified.
  • the core zone directly or indirectly adjoins the pumping light zone.
  • the pumping light zone extends along the core zone.
  • the pumping light zone is preferably designed so that it is suitable for guiding light. This means that a multiple reflection within the pumping light zone is possible.
  • a "refractive index" This means that the pumping light in the pumping light zone must finally reach the core zone for the purpose of exciting optically active substances so that it can fulfill its intended purpose
  • the invention provides that at least over part of the length of the pumping light zone - namely via the Auskoppelhold - change the conditions for the reflection of the guided pump light so that pumping light gradually passes in a defined manner in the core zone. This causes a uniform activation of the optically active substances over the length of the relevant decoupling path and leads to a higher efficiency of the irradiated pumping light.
  • the blank is preferably obtained on the basis of the method explained in greater detail above, the "pumping light layer" of the blank according to the invention being designated in the description of the method according to the invention by the more general term "inner zone”. Reference is therefore made to these explanations.
  • the wall thickness of the pumping light layer decreases (in the propagation direction of the pumped light radiation).
  • the wall thickness decreases linearly with a cone angle, so that a conical course results in the axial longitudinal section along the blank longitudinal axis.
  • a middle cone angle is understood to mean the cone angle which
  • the method according to the invention makes it possible to produce particularly steep cone angles, with an outer diameter of the blank of between 3 mm and 50 mm being the central one
  • the cone angle is between 25 and 80 degrees, which means that the blank enables elongation with a high extraction ratio, without the conical angle of the pumping light zone becoming ineffectually flat with regard to a pumping light outcoupling.
  • a larger cone angle makes it possible to decouple pumping light over a relatively short decoupling path, without requiring a high intensity of the pumping light in the area of the pumping light coupling.
  • the pumping light power is coupled as completely as possible over the length of the decoupling path into the core zone.
  • a long decoupling distance facilitates the axial equalization of the decoupled pumping light power.
  • the pumping light in the pumping light zone is subject to optical damping, which is reduced by a steep cone angle in the region of the coupling-out path.
  • a light guide in the pumping light zone over a decoupling distance with a length of more than 100 m, which - depending on the type of optically active component and the pump light zone - with a significant loss may be accompanied by optical attenuation of the pump light.
  • the light guided in the pumping light zone is decoupled via the decoupling path at a decoupling rate, which is characterized by an average intensity decrease of at most 10% / cm (based on the intensity value before the decoupling path starts).
  • a light guide in the pumping light zone results over a decoupling path with a length of less than 10 cm, which is accompanied by a comparatively high average intensity of the pump light coupled into the core zone.
  • the radial geometry of the pumping light layer may deviate from the circular cross-section and include, for example, oval, polygonal cross-sections, and in particular radial cross-sections with a so-called "D-shape" (or double-sided D-shape, also referred to as "double-D shape”) ,
  • an embodiment of the blank according to the invention is particularly preferred in which the pumping light layer has at least over a part of the decoupling path a radial cross section which deviates from a circular ring shape, in particular a radial cross section in the form of a circular ring at least one external flat.
  • the deviation from the Kreishngform causes a change in the light guide within the pumping light zone in the optical component.
  • light modes are thereby hindered and changed, which can not be readily coupled into the core zone.
  • the change in geometry of the pumping light zone contributes in this respect to a more effective decoupling of the pumping light.
  • a simple and particularly effective change in geometry compared to a simple circular ring shape is produced by grounding the outer jacket of the pumping light zone flat on one side or on several (preferably opposite) sides, thus producing one or more flats of the circular ring shape.
  • the embodiment with a flattening is also referred to in the literature as "D-shape", that with two opposite flats also as “double-D-shape”.
  • the D-shape and double-D shape of the pumping light zone have proven to be particularly favorable, especially in conjunction with a tapered cross-sectional area of the pumping light zone.
  • Each of the “decoupling sections” serves to produce an optically active component.
  • At least one core is eccentric next to the longitudinal axis.
  • the blank thus has one or more eccentrically arranged cores.
  • the eccentric arrangement of the core zone has advantages in the coupling of pumping light. Because of this, the core zone is displaced into an area of the component in which it is less hit by the end face irradiated pumping light. This reduces the absorption of the pump light in the area of the coupling surface. In addition, an eccentric arrangement of the core zone is also easier to cool from the outside.
  • the pump light is coupled into the fiber on the face side and guided both in the core and in the pump jacket.
  • the fiber is therefore very unevenly sprucht, the pumping light is absorbed in the fiber primarily near the Einkoppelstelle because here the intensity is highest. The absorbed power then decreases exponentially with increasing length.
  • the active core absorbs the pumping light too close to the coupling-in point and the fiber is damaged by the resulting heat generation or by a too high degree of inversion (photodarkening).
  • these long fibers are limited in their applicability by non-linear effects such as SRS and SBS (stimulated Raman and bromine scattering).
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the blank according to the invention with a plurality of cone areas
  • 7 shows a circular cross-sectional geometry in the cone region
  • FIG. 8 shows a D-shaped cross-sectional geometry in the cone region
  • FIG. 9 shows a first embodiment of an optically active component obtained from the blank in the form of a cylindrical laser fiber with an annular cross-section and conical in the axial cross-section
  • FIG. 10 shows a second embodiment of an optically active component in the form of a cylindrical laser fiber in a longitudinal section
  • FIG. 13 shows a further variant of the provision of preforms in the production of an optically active component
  • FIG. 14 shows the frontal assembly of the preforms of FIG. 13 to form a composite preform with an outer bead
  • FIG. 14 shows the frontal assembly of the preforms of FIG. 13 to form a composite preform with an outer bead
  • FIG. 15 shows the quartz glass blank obtained after abrading the outer chunk of the composite preform of FIG. 14.
  • Fig. 1 shows schematically a first cylinder 11 of undoped quartz glass and a second cylinder 12 of a quartz glass which is doped with 4 wt .-% fluorine.
  • the first cylinder 11 has an end face which is ground in the form of a pointed cone 13.
  • the second cylinder 12 has an end face into which a conical recess 14 is milled.
  • the outer diameter of both cylinders 11; 12 is the same and is 40 mm.
  • the height of the pointed cone 13 and the depth of the conical recess 14 are also the same and are each 15.6 mm.
  • the cone angle ⁇ (which is half the cone angle) is thus 52 degrees and corresponds to the cone angle ß of the conical recess 14th
  • the cylinders 11; 12 are with opposite end faces 13; 14 is clamped in the lathe chuck of a lathe and adjusted to a common center and rotation axis 15. Subsequently, the cylinder 11; 12 pressed together along the central axis 15 to a joint assembly, so that the front ends 13; 14 come into contact with each other, as shown in FIG. 2 shows schematically.
  • the joint assembly 17 is heated in the marked by dashed lines contact area 16 under rotation, so that the end faces 13; 14 merge together. Because of the fluorine doping while the quartz glass of the second cylinder 12 is softer than that of the first cylinder eleventh
  • the melt bond 18 is provided after cooling with an inner bore 19, as shown in FIG. 3 schematically.
  • the diameter of the inner bore 19 is 4 mm and serves to receive a core rod 20, as shown schematically in FIG. 4.
  • the core rod 20 consists either of a core glass with radially homogeneous refractive index, or it consists of a core glass, which is surrounded by one or more cladding glass layers with different refractive index.
  • the enamel bond 18 provided with the core rod 20 is then uniformly elongated by zone-wise heating to form a rod 21 with an outer diameter of 1 mm.
  • the original contact region 16 is thereby pulled to a cone structure 22 with a length of 25 m long, as shown schematically in FIG.
  • the cone structure 22 is composed of an inner zone 23 and a jacket zone 24.
  • the diameter of the inner cylinder 23 decreases continuously from one end to the other end of the cone structure 22 and the diameter of the jacket zone 24 increases in opposite directions over the same distance.
  • the desired optical component is obtained from the cone structure 22 by wholly or partially removing the ends on either side of the cone structure 22. The sawn ends are waste in this case.
  • eccentrically arranged core rods 20 ' are provided.
  • the eccentric arrangement of the core zone has advantages in the coupling of pump light, as already explained above.
  • FIG. 7 schematically shows a radial cross section along the line "A" of the coin structure 22 of the component of FIG. 5. Identical or equivalent components are designated by the same reference numerals as in FIG. 5. Inner zone 23 and jacket zone 24 are annular ,
  • Fig. 8 shows diagrammatically a radial cross-sectional area deviating from the annular shape, namely a contour with a so-called "D-shape" in which an outer circumferential surface of the component is designed as a plane surface 26.
  • This contour is produced by forming the first preform 11 with a External cone is provided, which has a corresponding plane.
  • the component When using the component as a side-pumped laser deviating from the annular surface contours, which may be embodied for example as polygonal, with D-shape or double-D shape, star shape, flower shape and the like, the formation of helix rays, not in the active core penetrate and thus are not available for pumping the same. The efficiency of the pump light is thus improved.
  • the laser-active core 1 has a cylindrical shape and extends along the longitudinal axis 9. It is enveloped over its entire length by a pump casing 3 and an outer casing 2.
  • the core 1 consists of laser-active quartz glass which is doped with 0.25 mol% Yb 2 O 3 and with 1.0 mol% Al 2 O 3.
  • the refractive index of the core quartz glass is slightly larger than that of undoped quartz glass. He has a diameter of 0.1 mm.
  • the laser radiation 5 to be emitted is generated by optical pumping via the pump casing 3.
  • the pump casing 3 consists of undoped quartz glass.
  • the pump casing 3 is conical, its thickness continuously decreasing from 1 mm to 100 ⁇ m over a length of 20 m from the input face 6 for the pump light 8 to the output end face 7 for the laser light.
  • the cone angle is thus about 0.02 mrad.
  • the outer jacket 2 enveloping the pump jacket 3 consists of quartz glass which is doped with 4% by weight of fluorine and which has a refractive index which is 14 ⁇ 10 -3 lower than undoped quartz glass.
  • the lower refractive index of the outer sheath 2 reduces the escape of pumping light 8 from the pump casing 3.
  • the outer casing 2 is conversely conical to the pump casing 3. Its thickness increases over a length of 20 m from the Einkoppelstirnseite 6 for the pump light 8 to Auskoppelstirnseite 7 for the laser light of 10 microns to 1 mm continuously. This results in a total cylindrical shape of the laser fiber.
  • the pumping light 8 is coupled in at the coupling-in side 6 (via the larger of the two circular end faces 6 of the pumping jacket 3).
  • the NA (numerical aperture) of the coupled pumping light 8 is adapted to the NA of the pumping jacket 3 in such a way that a uniform coupling of the pumping light 8 over the full length of the core 1 is achieved.
  • the pumping light 8 can in this case completely or only partially irradiate the end surface 6.
  • the pumping light 8 is irradiated into the pump casing 3 in such a way that the area of the active core surface is not acted upon or as little as possible supplied with pumping light 8.
  • the pumping light 8 is guided in the pumping jacket 3 until the condition for the total reflection is no longer satisfied and the pumping radiation 8 can penetrate into the core 1. Due to the conical shape of the pumping sheath 3, every reflection at the interface with the outer sheath 2 leads to an increasingly steeper reflection angle. If the reflection angle becomes too steep after several reflections, the pump radiation 8 can penetrate into the core 1 and a population inversion in the active core 1 trigger, resulting in sufficiently high excitation power, the laser emission 5.
  • the light guide in the pump casing 3 can be improved if the core 1 is enveloped by a thin inner cladding layer whose refractive index is smaller than that of the pump cladding.
  • the refractive index of the outer cladding 2 is preferably selected to be lower than that of the inner cladding layer. This prevents that the pumping light 8 can escape in the direction of the outer shell 2.
  • the pump casing 3 instead of a tapered in the direction of the Auskoppelende 7 out, conical training in a direction towards the Auskoppelende 7 towards non-linearly tapered, curved course.
  • a course results, for example, when elon- gating a glass cylinder in the form of a drawing bulb or a so-called "tapers".
  • the length of the optically active component may be in a range of several cm to several meters.
  • the diameter is typically in the range of 0.2 mm to 10 mm.
  • the laser fiber has a length of 20 m and this also corresponds to the length of the decoupling path.
  • the laser according to the invention is in the form of a fiber, which corresponds to the embodiment of FIG. 1 with regard to core 1, conical pump casing 3 and counter-conical outer casing 2.
  • the outer jacket 2 is additionally surrounded by a stabilization layer 4 of undoped quartz glass.
  • the fiber has a uniform outer diameter.
  • FIGS. 11 and 12 schematically show modifications of the method step illustrated in FIG. If identical reference numerals are used as in Fig. 1, these designate the same or equivalent components or components.
  • the cylinder 11 has an outer cone 13 at its front side whose cone angle ⁇ 'is smaller than the cone angle ⁇ ' of the frontal conical depression 14 of the other cylinder 12.
  • the cylinders 11, 12 are assembled therefore defined and reproducible to a first contact between the conical tips and the bottom of the recess 14. Starting from the bottom of the recess 14, the contacting front wanders from inside to outside. As a result, gases can escape from the gap between the end faces of the cylinders 11, 12 until the end.
  • the cylinder 11 has an outer cone 13 whose cone angle ⁇ "is greater than the cone angle ⁇ " of the frontal cone-shaped depression 14 of the other cylinder 12.
  • the cylinder 12 from the jacket zone glass is also with a vent hole 28 which extends in the longitudinal axis 15 and which opens at the bottom of the recess 13.
  • a vent hole 28 which extends in the longitudinal axis 15 and which opens at the bottom of the recess 13.
  • Fig. 13 schematically shows a first cylinder 11 of undoped quartz glass and a second tubular cylinder 30 of quartz glass doped with 4% by weight of fluorine.
  • the first cylinder 11 has an end face which is ground in the form of a cone 13 with a rounded conical tip. The cone angle is about 35 degrees.
  • the outer diameter of the first cylinder 11 is 40 mm and is adapted to the diameter of the inner bore 31 (41 mm).
  • the cylinders 11; 12 are clamped in the lathe chuck of a lathe and adjusted to a common center and rotational axis 15. Subsequently, the first cylinder 11 is inserted into the inner bore 31 so far that the cylinder jacket surface bears against the inner wall of the inner bore.
  • the joining compound produced in this way is heated in the contact area under rotation, so that the tubular cylinder 30 initially collapses onto the cylinder outer shell and melts with it.
  • the quartz glass of the second cylinder 30 becomes softer than the quartz glass of the first cylinder 11.
  • a negative pressure is applied and maintained via the inner bore 31, as indicated by the block arrow 36.
  • the tubular cylinder 30 collapses onto the outer cone 13.
  • Supporting the cylinder 30 can be deducted to an elongated solid cylinder, as shown schematically in Fig.14.
  • a peripheral outer bead 32 remains from the jacket zone glass, which is then ground down along the lines 33.
  • a substantially cylindrical blank 35 according to FIG. 15 is obtained, which in a contact region 37 has a conically tapering inner zone (13) and a mantle zone which widens conically in the opposite direction.
  • the contact region is processed further to form an optical component, as explained above.

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Abstract

Es sind zylinderförmige optische Bauteile aus Quarzglas bekannt, die ein sich in Richtung der Längsachse erstreckende Innenzone aus einem Innenzonenglas aufweisen, die von einer Mantelzone aus einem Mantelzonenglas umhüllt ist, deren mittlere Wandstärke mindestens über einen Teil ihrer Länge in Richtung der Bauteil-Längsachse variiert. Um ein Verfahren anzugeben, das eine einfache und kostengünstige Herstellung eines derartigen optischen Bauteils aus Quarzglas ermöglicht, wird erfindungsgemäß ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen: (a) Bereitstellen einer ersten Vorform aus dem Innenzonenglas, die an einer Stirnseite eine erste, außenkegelförmige Kontaktfläche aufweist, (b) Bereitstellen einer zweiten Vorform aus dem Mantelzonenglas, (c) Einbetten der außen kegelförmigen Kontaktfläche in Mantelzonenglas und Verschweißen der Kontaktfläche mit dem Mantelzonenglas unter Bildung einer Verbundvorform, die in einem Kontaktbereich einen kegelförmigen Innenzonenbereich aus dem Innenzonenglas aufweist, der von einem Mantelzonenbereich mit Innenkegelform umgeben ist, und (d) Elongieren der Verbundvorform zu dem optischen Bauteil oder einem Vorprodukt des Bauteils.

Description

Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen optischen Bauteils aus Quarzglas sowie nach dem Verfahren erhaltenes optisch aktives Bauteil
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen optischen Bauteils aus Quarzglas, mit einer sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Innenzone aus einem Innenzonenglas, die von einer Mantelzone aus einem Mantelzonenglas umhüllt ist, deren mittlere Wandstärke mindes- tens über einen Teil ihrer Länge in Richtung der Bauteil-Längsachse variiert.
Außerdem betrifft die Erfindung einen zylinderförmigen Rohling für die Herstellung eines optisch aktiven Bauteils, der eine Längsachse, mindestens einen sich entlang der Längsachse erstreckenden Kern aus einem optisch aktiven Material, eine entlang des Kerns verlaufende Pumplichtschicht, sowie eine die Pumplichtschicht umgebende Mantelschicht mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Pumplichtschicht aufweist, wobei die Pumplichtschicht entlang einer Auskoppelstrecke eine abnehmende Wandstärke aufweist.
Technischer Hintergrund
Seitengepumpte optisch aktive Bauteile in Stab- oder Faserform werden zum Bei- spiel als Hochleistungslaser oder in der Kommunikationstechnologie als optische Faserverstärker mit einem laseraktiven Kern und einen den Kern umhüllenden Pumpmantel eingesetzt. Unter dem Begriff „optisch aktives Bauteil" werden außer Lasern auch optische Verstärker und so genannte Superlumineszenzquellen zu- sammengefasst.
Faserverstärker können Verluste in Lichtwellenleitern bei der optischen Datenübertragung ausgleichen, indem durch so genanntes „optisches Pumpen" Laserlicht in den Faserkern eingekoppelt wird, das laseraktive Substanzen der Kernzone anregt. Der durch den Faserkern laufende Lichtpuls nimmt Energie von den angeregten Ionen zusätzlich auf und wird dadurch verstärkt. Alternativ dazu können die laseraktiven Substanzen durch das eingekoppelte Pumplicht auch selbst zur Abgabe von Laserlicht angeregt werden, wie dies bei Hochleistungslasern in Faser- oder Stabform der Fall ist.
Das laseraktive Material enthält beispielsweise kristallines Nd:YAG oder es be- steht aus Quarzglas, das Dotierstoffe enthält, die eine Abgabe oder eine Verstärkung von Laserstrahlung im Wirtsmaterial Quarzglas bewirken. Bei den Dotierstoffen handelt es sich in der Regel um Seltenerd-Kationen (Lanthanoide) oder um Kationen der sogenannten Übergangsmetalle.
Um eine ausreichende Pumplichtwirkung auch noch nach einer gewissen Ein- dringtiefe zu gewährleisten, ist eine besonders hohe Energiedichte der Pumplichtstrahlung im Einkoppelbereich erforderlich. Dies geht mit einer Degradation des Kernbereichs durch Wärmeeinwirkung und Photodarkening einher. Außerdem führen die hohe Energiedichte des Pumplichts im Einkoppelbereich einerseits und die exponentielle Abnahme der Pumplichtleistung andererseits zu unerwünschten nicht-linearen Effekten.
Diese Nachteile vermeiden seitengepumpte optisch aktive Bauteile und Lasersysteme gemäß der eingangs genannten Gattung, bei denen das Pumplicht nicht direkt in den laseraktiven Kern, sondern über die Mantelfläche in den Kern eingekoppelt wird. Wegen der Länge der Faser ist die Mantelfläche um ein Vielfaches größer als die Faser-Stirnfläche. Dies ermöglicht das Einkoppeln einer hohen Anregungsenergie ohne Beeinträchtigung des Kernbereichs des optisch aktiven Bauteils.
Ein derartiges optisch aktives Bauteil in Form eines seitengepumpten Lasers ist aus der US-5,048,026 A bekannt. Es wird ein Faserverstärker beschrieben, mit einem zylinderförmigen, laseraktiven Kern aus Nd:YAG und einem Auskoppelende für die Laserstrahlung, der von einem hülsenförmigen Pumpmantel aus Quarzglas umgeben ist. Der Pumpmantel ist in einem vorderen Längenbereich konisch ausgebildet, so dass seine Dicke in Richtung auf das Auskoppelende abnimmt und in einen hinteren, zylinderförmigen Teil mündet, der mit dem Auskoppelende des Kerns bündig abschließt. Das Pumplicht wird an der dem Auskoppelende gegenüberliegenden Stirnseite in den Pumpmantel eingestrahlt und zwischen den Mantel- flächen des Pumpnnantels hin- und herreflektiert und durchquert dabei den laseraktiven Kern. Um dies zu gewährleisten, weist der Pumpmantel einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der Umgebung (wie etwa Luft) aber kleiner als der Brechungsindex des laseraktiven Kerns. Im konischen Teil des Pumpmantels wird dabei mit jeder Reflexion der Winkel zu den Mantelflächen steiler, so dass das Pumplicht auf den laseraktiven Kern im zylindrischen Bereich fo- kussiert wird.
Ein ähnliches Lasersystem ist auch aus der US 5,086,433 A bekannt. Das Lasersystem umfasst ein Quarzglaselement, das zum optischen Pumpen eines Laser- Stabes dient, welcher in eine zentrale Bohrung des Quarzglaselements eingesetzt ist. Das Quarzglaselement verjüngt sich in Ausbreitungsrichtung konisch und es ist außen verspiegelt.
Als Pumplichtquellen werden mehrere Laserdioden eingesetzt, die an unterschiedlichen radialen Positionen stirnseitig in das Quarzglaselement einstrahlen. Je nach radialer Position der Laserdiode treffen die Pumplichtstrahlen an axial unterschiedlichen Positionen auf die Verspiegelung und werden von dort in den Laserstab reflektiert.
Das in das Quarzglaselement eingestrahlte Pumplicht hat eine im Wesentlichen ringförmige Intensitätsverteilung und es ist auch möglich, je nach Anzahl und Posi- tion der Laserdioden, die Einstrahlung des Pumplichts über die Länge des Laserstabes mehr oder weniger gleichmäßig zu verteilen. Die Vorrichtung selbst und die Justierung der Bauteile sind jedoch sehr aufwändig.
Die DE 28 44 129 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung zum optischen Pumpen eines Laserstabes. Die Vorrichtung umfasst einen seitlich gepumpten Nd:YAG- Laser und eine Pumplichtquelle. Der Laserstab ist von einem Mantel und dieser wiederum von einer innen verspiegelten Hülle umgeben. Der Mantel besteht aus einem Werkstoff mit niedrigerem Brechungsindex als der Laserstab und er verjüngt sich konisch in Licht-Ausbreitungsrichtung. Am Auskoppelende ist ein Glas- plättchen angeordnet, das sowohl das Pumplicht reflektiert als auch ein Auskop- peln von Laserlicht ermöglicht. Das von der Pumplichtquelle ab seinem breiten stirnseitigen Ende in den Mantel eingestrahlte Pumplicht wird in einem bestimmten Winkel an der verspiegelten Hülle reflektiert und trifft dann auf die Mantelfläche des Laserstabs auf.
Die Herstellung eines Laserbauteils mit einem sich konisch verjüngenden Pump- lichtmantel aus Glas ist jedoch nicht ganz unproblematisch. Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise herzustellen, indem der Pumplichtmantel von außen mechanisch bearbeitet wird, oder indem ein zylinderförmiges Bauteil zonenweise erweicht und dabei elongiert wird, wobei sich beim Elongierprozess die Ziehgeschwindigkeit kontinuierlich erhöht wird, so dass sich der Außendurchmesser des abgezogenen Strangs kontinuierlich verringert. Diese Verfahrensweise ist aufwändig und erfordert eine komplizierte Steuerung, und sie ist insbesondere zur Einstellung steiler Konuswinkel (zum Beispiel mehr als 10 Grad) nicht geeignet.
Darüber führt ein konischer Pumplichtmantel zu einem Laserbauteil mit einem sich verjüngenden Außendurchmesser, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen wer- den. Ein sich verjüngender Außendurchmesser hat jedoch Nachteile. So ist etwa eine Kühlung über einen Festkörper schwieriger zu realisieren als bei einem konstanten Außendurchmesser und das Konfektionieren des Laserbauteils, insbesondere einer Laserfaser, ist schwierig. Daher wäre trotz konischem Pumpmantel ein zylindrischer Außenmantel des optischen Bauteils wünschenswert.
Aus der WO 2006/049186 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform mit konischem Kern bekannt, indem zunächst eine zylindrische Vorform mit einem Kernbereich und einem Mantelbereich mit jeweils konstantem Durchmesser konisch elongiert wird (wie oben erläutert), so dass zunächst ein Halbzeug mit einem konischen Kernbereich und einem konischen Mantelbereich erhalten wird. An- schließend wird der Außendurchmesser des Halbzeugs auf Kosten des Mantelbereichs auf konstantes Maß geschliffen. Der so erhaltene Zylinder weist einen konischen Kernbereich und einen gegenläufig konischen Mantelbereich auf.
Das Schleifen ist mit einem hohen Arbeitsaufwand und Materialverlust verbunden.
Aus der JP 11021142 A ist ein anderes Verfahren zur Herstellung eines zylinder- förmigen optischen Bauteils mit konischem Kernbereich und gegenläufig koni- schem inneren Mantelbereich bekannt. Dabei wird zunächst ein zylinderförmiger Kernstab mit zylinderförmigem Kernbereich und zylinderförmigem inneren Mantelbereich hergestellt. Anschließend wird der innere Mantelbereich zu konischer Form abgetragen, so dass ein Halbzeug mit konischem Außendurchmesserverlauf erhalten wird. Das konische Halbzeug wird in einem Elongierprozess zu einem zylinderförmigen Halbzeug mit konstantem Außendurchmesser abgezogen. Dieses weist danach einen konischen Kernbereich und einen gegenläufig konischen Mantelbereich auf. Das zylinderförmige Halbzeug wird anschließend mit einem zusätzlichen Außenmantel versehen und zu einer Faser gezogen.
Die bekannten Verfahren erfordern einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand zur Erzeugung eines zylinderförmigen Außendurchmessers des optischen Bauteils.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine ein- fache und kostengünstige Herstellung eines zylinderförmigen optischen Bauteils aus Quarzglas ermöglicht, das mit einer radialen Schicht versehen ist, die mindestens über einen Teil ihrer Länge eine variierende Wandstärke aufweist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für ein optisch aktives Bauteil bereitzustellen, bei dem eine geringe Beeinträchtigung der Kernzo- ne im Bereich der Einkoppelstelle des Pumplichts und des Auftretens nichtlinearer Effekte durch hohe Absorption des Pumplichts weitgehend vermieden werden kann, und bei dem sich ein hoher Wirkungsgrad des Pumplichts ergibt.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gat- tung folgende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen einer ersten Vorform aus dem Innenzonenglas, die an einer Stirnseite eine erste, außenkegelförmige Kontaktfläche aufweist,
(b) Bereitstellen einer zweiten Vorform aus dem Mantelzonenglas, (c) Einbetten der außen kegelförmigen Kontaktfläche (13) in Mantelzonenglas und Verschweißen der Kontaktfläche (13) mit dem Mantelzonenglas unter Bildung einer Verbundvorform (18), die in einem Kontaktbereich (16) einen kegelförmigen Innenzonenbereich aus dem Innenzonenglas aufweist, der von einem Mantelzonenbereich mit Innenkegelform umgeben ist, und
(d) Elongieren der Verbundvorform zu dem optischen Bauteil oder einem Vorprodukt des Bauteils.
Ziel des Verfahrens ist ein zylinderförmiges optisches Bauteil (oder ein Vorprodukt desselben), das mindestens über einen Teil seiner Länge eine Innenzone mit ei- ner in Richtung der Zylinderachse variierenden Wandstärke aufweist, und das gleichzeitig möglichst Zylinderform aufweist.
Bei dem optischen Bauteil handelt es sich beispielsweise um eine Vorform zum Ziehen optischer Fasern oder um eine optische Faser für die Lichtleitung. Oder es handelt sich um einen Laser in Form eines Stabes, eines Rohres oder einer Faser, wobei diese Bauteile typischerweise mindestens eine laseraktive Zone aufweisen.
Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Ausbildung einer Innenzone mit variierender Wandstärke durch Bearbeitung der Zylindermantelfläche eines Halbzeugs oder durch axial inhomogene Abscheidung von Innenzonenmaterial auf einer Zylindermantelfläche. Die Wiederherstellung der Zylinderform erfordert einen oder mehrere zusätzliche Verfahrensschritte. Im Gegensatz dazu ist beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Schweißprozess vorgesehen, bei dem zwei vorgefertigte Vorformen so miteinander verschweißt werden, dass sie stirnseitig gegenseitig ineinander dringen. Zu diesem Zweck ist die erste Vorform stirnseitig mit einer außenkegelförmigen Kontaktfläche ausgestaltet, die in Mantelzonenglas der zweiten Vorform eingebettet werden kann, beispielsweise dadurch, dass sie in das Mantelzonenglas eindringt. In nur einem Arbeitsgang werden so über die Eindringtiefe des Außenkegels aus dem Innenzonenglas in das Mantelzonenglas eine variierende Wandstärke der Mantelzone und eine gegenläufig variierende Wandstärke der Innenzone erzeugt. Der Bereich der gegenseitigen Durchdringung von Mantel- zonenglas und Innenzonenglas wird im Folgenden als „Kontaktbereich" bezeichnet. Die in Mantelzonenglas eingebettete außen kegelförmige Kontaktfläche wird mit dem Mantelzoneglas verschweißt. Dabei wird eine Schmelzverbindung erhalten, in der Mantelzonenglas an dem Außenkegel des Innenzonenglases formschlüssig anliegt und mit diesem verschmolzen ist.
Die Geometrie von Grundfläche und Mantel des Außenkegels bestimmen den axialen Verlauf von Innenzone und Mantelzone im Kontaktbereich. Im einfachsten Fall nimmt die Wandstärke der Innenzone linear in einer Richtung ab, so dass sich im axialen Längsschnitt entlang der Bauteil-Zylinderachse ein konischer Verlauf der Innenzone ergibt. Je nach Form des Außenkegelmantels ergeben sich andere axiale Wandstärkenverläufe, beispielsweise mit einer exponentiellen oder einer stufenweisen Abnahme der Innenzonen-Wandstärke in Richtung der Zylinderachse. Besonders zu erwähnen ist auch eine ziehzwiebelähnliche Verjüngung mit so genannter „Taperform". Der Einfachheit halber wird die Erfindung im Weiteren beispielhaft anhand eines konischen Wandstärkenverlaufs erläutert, der auch andere Wandstärkenverläufe repräsentieren soll. Insbesondere wird im Folgenden der Begriff „Konusstruktur" zur Beschreibung des geometrischen Zusammenspiels von Mantelzonenglas und Innenzonenglas allgemein verwendet.
Die Grundfläche des Außenkegels der ersten Vorform hängt von der Funktion des herzustellenden optischen Bauteils ab. Im einfachsten Fall ist die Grundfläche kreisförmig, aber auch ovale, polygonale Grundflächen und insbesondere Grundflächen mit einer sogenannten „D"-Form (oder beidseitiger D-Form, die auch als Doppel-D-Form bezeichnet wird) sind für Spezialanwendungen geeignet, die weiter unten noch näher erläutert werden.
Die durch das stirnseitige Verschweißen und das gegenseitige Durchdringen von erster und zweiter Vorform erhaltene Verbund vorform wird in der Regel weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen, wobei hier insbesondere das Hinzufügen weiterer Glaszonen im Innen- oder Außenbereich der Verbundvorform zu nennen ist. Nach einem Elongierprozess oder nach mehreren Elongierprozessen wird das optische Bauteil erhalten, das in einem Längenabschnitt eine aus dem Kontaktbe- reich der ehemaligen Verbundvorform stammende Konusstruktur aufweist, in der eine Innenzone mit variierender Dicke und eine daran angrenzende Mantelzone mit gegenläufig variierender Dicke vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung seitengepumpter Laser in Faser-, Rohr- oder Stabform mit einem oder mehreren laser- aktiven Bereichen, wobei Pumplicht in eine Pumplichtzone eingestrahlt wird, die an einen laseraktiven Bereich unmittelbar oder über eine Trennzone getrennt angrenzt, und die sich in Richtung der Faser- oder Stab-Längsachse verjüngt oder erweitert.
Vorteilhafterweise weist die zweite Vorform eine zweite Kontaktfläche auf, wobei die Bildung der Verbund vorform ein Zusammenfügen von erster und zweiter Kontaktfläche umfasst.
Das Zusammenfügen erfolgt mechanisch, so dass ein mechanischer Fügeverbund erhalten wird, aus dem durch anschließendes Verschweißen der Kontaktflächen die Verbund vorform hergestellt wird, oder das Zusammenfügen erfolgt thermisch, wobei gleichzeitig die Kontaktflächen verschweißt werden.
In der Regel sind Blasen an der Grenzfläche zwischen Innenzonenglas und Mantelzonenglas unerwünscht. Daher ist bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass beim Zusammenfügen ein Zwischenraum zwischen erster und zweiter Kontaktfläche evakuiert wird.
Dabei wird beim Zusammenfügen der Kontaktflächen ein Unterdruck angelegt. Zu diesem Zweck ist entweder die erste Vorform und/oder die zweite Vorform mit einer Durchgangsbohrung versehen, die an der jeweiligen Kontaktfläche mündet und die somit beim Verschweißen in fluidischer Verbindung mit dem Zwischenraum steht. Die Durchgangsbohrung ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie möglichst erst am Ende des Verschweißungsprozesses verschlossen wird, so dass der Unterdruck bis zum Schluss wirken kann.
Dabei kann der Außenkegel der ersten Vorform zur Abdichtung des Zwischenraumes herangezogen werden. Dies geschieht bei einer bevorzugten Verfahrensvariante dadurch, dass beim Zusammenfügen der Vorformen der Kegelmantel der ersten Vorform an einer umlaufenden Kante der zweiten Vorform dichtend zur Anlage kommt.
Hierzu ist beispielsweise die zweite Vorform stirnseitig mit einer kegelförmigen Vertiefung versehen, die an der Stirnseite in Form einer umlaufenden Kante endet. Der Außenkegel der ersten Vorform ist ausreichend breit, so dass er beim Zusammenfügen der Vorformen mit seinem Kegelmantel an der umlaufenden Kante zur Anlage kommt. Dabei ist die Vertiefung der zweiten Vorform so tief ausgelegt, dass die Kegelspitze des Außenkegels nicht anstößt, bevor die Abdichtung über die Anlage des Außenmantels an der umlaufenden Kante erzeugt ist.
Das Verschweißen der Vorformen miteinander geschieht beispielsweise auf einer drehbankähnlichen Vorrichtung, mittels der Vorformen um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar und in Richtung der Rotationsachse axial verschiebbar sind. Vor dem Verschweißen kann die Kontaktfläche der zweiten Vorform so erweicht werden, dass der Außenkegel der ersten Vorform in das erweichte Mantelzonen- glas eindringen kann, oder dass das erweichte Mantelzonenglas auf den Außenkegel aus Innenzonenglas aufkollabiert. In diesen Fällen muss die Kontaktfläche der zweiten Vorform nicht an die Form des eindringenden Außenkegels angepasst sein; sie kann beispielsweise eben oder rohrförmig sein. Gegebenenfalls kann das beim Eindringen des Außenkegels verdrängte Mantelzonenglas eine wulstförmige Verdickung um den Kontaktbereich ausbilden. Die Verdickung kann durch ein Formwerkzeug unmittelbar beim Verschweißungsprozess ausgeglichen und vermieden werden, oder sie wird nachträglich durch mechanische Bearbeitung entfernt. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante ist jedoch vorgesehen, dass die Kontaktfläche der zweiten Vorform eine Vertiefung ausweist, die vorzugsweise als Innenkegel ausgebildet ist.
Durch die stirnseitige Vertiefung der zweiten Vorform ergibt sich eine gewisse Zentrierung des Außenkegels beim Zusammenfügen der beiden Vorformen. Außerdem ist die Masse des zu verdrängenden Mantelzonenglases kleiner, so dass sich eine geringere Wulstbildung einstellt und eine geringere Erweichung des Mantelzonenglases genügt. Insbesondere ist es nicht unbedingt erforderlich, jedoch bevorzugt, wenn die Form der Vertiefung an den Außenkegel der ersten Vor- form angepasst ist. Bei guter Anpassung stellt sich beim Anschweißvorgang keine Verdrängung oder allenfalls eine geringe Verdrängung von Mantelzonenglas ein, und es findet keine wesentliche Verformung im Kontaktbereich statt. Damit einhergehend ist eine vergleichsweise geringe Erweichung im Kontaktbereich erfor- derlich, die zum Verschweißen der Kontaktflächen genügt. Auf diese Weise wird eine exakte und gut reproduzierbare Konusstruktur erhalten. Bei einer Verfahrensvariante, bei der beim Verschweißen ein Unterdruck im Kontaktbereich erzeugt und aufrecht erhalten wird (wie oben bereits erläutert), bietet es sich an, dass in der Vertiefung der zweiten Vorform eine Durchgangsbohrung mündet, über die ein Vakuum angelegt werden kann.
Die Vertiefung beziehungsweise die innenkegelförmige Kontaktfläche wird vorzugsweise durch mechanische Bearbeitung erzeugt.
Die mechanische Bearbeitung umfasst Bohren, Fräsen oder Schleifen. Zur Glättung und Beseitigung von Abrieb kann ein chemisches Ätzen hilfreich sein. Im ein- fachsten Fall ist die Vertiefung beispielsweise als Sacklochbohrung ausgeführt; in der Regel ist sie aber der Außen kegelform mindestens näherungsweise angepasst.
Zum stirnseitigen Zusammenfügen der Vorformen verfügt die erste Vorform somit über die stirnseitige kegelförmige Ausbuchtung, die mit der Zylinder-Längsachse einen mittleren Konuswinkel von mindestens 25 Grad einschließt, und die Stirnseite der zweiten Vorform ist vorzugsweise an die Außen kegelform angepasst, indem sie einen Innenkonus mit einem mittleren Konuswinkel von mindestens 25 Winkelgraden aufweist.
Bei einer zweiten, gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Vertiefung durch einen Heißformprozess erzeugt wird.
Beim Heißformprozess wird zumindest der stirnseitige Bereich der zweiten Vorform erweicht und mittels eines Formwerkzeuges, beispielsweise mittels eines Grafitstempels, die stirnseitige Vertiefung eingeprägt. Nach Entfernen des Formwerkzeugs verschmilzt der oberflächennahe Bereich der Vertiefung, so dass auf diese Weise eine besonders glatte Oberfläche mit wenig Aufwand erhalten wird. Vorzugsweise wird als Mantelzonenglas ein mit Fluor dotiertes Quarzglas eingesetzt.
Fluor lässt sich auch in hohen Konzentrationen bis zu 9 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 bis 5 Gew.-%, vergleichsweise einfach und homogen in Quarzglas einbringen. Bekanntlich bewirkt die Dotierung von Quarzglas mit Fluor sowohl eine Verringerung des Brechungsindex als auch eine Herabsetzung der Viskosität. Durch die Verringerung des Brechungsindex leistet das Mantelzonenglas einen Beitrag zur Lichtführung. Die Verringerung seiner Viskosität führt dazu, dass das Mantelzonenglas beim Schweißvorgang trotz gleicher Temperatur wei- eher ist als das Innenzonenglas, was das Eindringen des Außenkegels in das weichere Mantelzonenglas und die reproduzierbare Herstellung einer vorgegebenen Konusstruktur erleichtert.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die erste Vorform und die zweite Vorform jeweils als Zylinder ausgebildet sind.
Zum Zusammenschweißen werden die zylinderförmigen Vorformen in Richtung ihrer gemeinsamen Zylinderlängsachse zusammengefügt. Dies kann beispielsweise auf einer Drehbank erfolgen, wobei die Vorformen jeweils mittels eines Drehfutters gehalten werden. Dies ermöglicht ein besonders exaktes und reproduzierbares Zusammenfügen der Vorformen. Vorformen mit gleichem Außendurchmesser ergeben auf diese Weise eine Verbundvorform mit durchgehend gleichem Außendurchmesser.
Vorteilhafterweise wird die außenkegelförmige Kontaktfläche der ersten Vorform durch mechanische Bearbeitung erzeugt.
Durch die mechanische Bearbeitung, für die in diesem Fall in erster Linie Schleif- verfahren in Betracht kommen, ergibt sich mit geringem Aufwand eine exakte Geometrie der außen kegelförmigen Kontaktfläche.
Alternativ dazu ist es günstig, die außen kegelförmige Kontaktfläche der ersten Vorform durch einen Heißformprozess zu erzeugen. Hierbei wird die außen kegelförmige Kontaktfläche erzeugt, indem die Stirnseite der ersten Vorform erweicht und mittels eines Werkzeugs, wie etwa einer Grafit- form, zu der gewünschten Außenform geformt wird. Bei Entnahme der Grafitform schmilzt der erhaltene Außenkegel oberflächlich auf, so dass sich eine besonders glatte Oberfläche ergibt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die außen kegelförmige Kontaktfläche der ersten Vorform mit einer abgerundeten Kegelspitze versehen wird.
Die abgerundete Kegelspitze weist eine höhere mechanische Stabilität als eine scharfe Spitze auf und unterliegt beim Eindringen in die Stirnseite der zweiten Vor- form daher einer geringeren Verformung, was sich auf die Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit der Konusstruktur im Kontaktbereich vorteilhaft auswirkt.
In dem Zusammenhang hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn als Innenzo- nenglas undotiertes Quarzglas eingesetzt wird. Undotiertes Quarzglas zeigt gegenüber dotiertem Quarzglas in der Regel eine höhere Viskosität.
Sofern die Mantelzone mit einem dem Außenkegel entsprechenden Innenkegel versehen ist, können die Vorformen in kaltem Zustand zusammengefügt und anschließend die aneinander liegenden Kontaktflächen verschweißt werden. In der Regel ist es aber vorteilhafter, wenn bereits beim Zusammenpressen mindestens die zweite Vorform im Bereich der zweiten Kontaktfläche erweicht wird.
Beim Verschweißungsvorgang werden vorzugsweise beide Vorformen im Kontaktbereich gleichmäßig erhitzt und dabei mindestens die zweite Vorform erweicht, um ein Verschmelzen mit dem Außenkegel der ersten Vorform zu ermöglichen.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die Verbund vorform mit mindestens einer Innenbohrung zur Aufnahme eines Kernstabs versehen und vor dem Elongieren mit einem Kernstab bestückt wird.
Die Innenbohrung beziehungsweise die Innenbohrungen werden mechanisch erzeugt, und zwar nachdem die Konusstruktur in der Verbundvorform fertig gestellt ist. Dadurch wird ein Elongierprozess, der zu einem nicht konstanten axialen Durchmesserverlauf des Kernbereichs führt, der in der Regel nicht erwünscht ist, vermieden. Darüber hinaus sind mechanische Bohrungen mit hoher Maßhaltigkeit ausführbar. In die mindestens eine Innenbohrung wird ein Kernstab eingesetzt. Hierbei kann es sich um einen optischen Kernstab für die Lichtwellenleitung oder um einen Stab aus einem laseraktiven Glas handeln. Dabei kann jeweils ein zent- raler Kernglasbereich von einem inneren Mantel bereich umgeben sein.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Verbundvorform vor dem E- longieren mit einer Schicht aus fluordotiertem Quarzglas umhüllt wird.
Die Schicht aus fluordotiertem Quarzglas wird beispielsweise durch Abscheiden eines entsprechenden Quarzglases mittels eines so genannten POD-Verfahrens (Plasma Outside Deposition) oder durch Überfangen mit einem fluordotiertem
Rohr erzeugt. Die fluordotierte Schicht wirkt sich auf die Lichtführungseigenschaften im Mantelzonenbereich aus, insbesondere dann, wenn das Mantelzonenglas aus einem Quarzglas mit höherem Brechungsindex besteht.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Verbund vorform mit einer Au- ßenschicht aus undotiertem Quarzglas versehen.
Durch seine höhere Viskosität stabilisiert die äußerste Schicht aus undotiertem Quarzglas darunter liegende Quarzglasschichten mit niedrigerer Viskosität bei nachfolgenden Verfahrensschritten, insbesondere wirkt sie Verformungen bei Heißverformungsschritten entgegen. Die Außenschicht aus undotiertem Quarzglas kann mittels üblicher Außenabscheideverfahren oder durch Überfangen mit einem Quarzglasrohr aufgebracht werden.
Hinsichtlich des Rohlings wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von einem Rohling der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wandstärke der Pumplichtschicht bei einem Außendurch- messer der Mantelschicht im Bereich von 3 mm bis 50 mm mit einem mittleren Konuswinkel zwischen 25 und 80 Winkelgraden entlang der Auskoppelstrecke abnimmt, wobei die Mantelschicht mit demselben Konuswinkel gegenläufig zunimmt.
Die Weiterverarbeitung des Rohlings umfasst mindestens einen Ziehprozess, bei dem der Kern, die Pumplichtschicht und die Mantelschicht zu „Zonen" eines op- tisch aktiven Bauteils elongiert werden, das beispielsweise als Laser in Form eines Stabes, eines Rohres oder einer Faser vorliegt. Das nach dem Elongieren des Rohlings erhaltene optische Bauteil weist demnach eine Längsachse auf, mindestens eine sich entlang der Längsachse erstreckende zylinderförmige Kernzone aus einem optisch aktiven Material, eine entlang der Kernzone verlaufende Pumplichtzone, aus der entlang einer Auskoppelstrecke Pumplicht in die Kernzone gelangen kann, sowie eine die Pumplichtzone umgebende Mantelzone mit niedrigerem Brechungsindex als die Pumplichtzone, wobei Kernzone, Pumplichtzone und Mantelzone Bestandteile eines monolithischen Quarzglaskörpers sind.
Die Ausbildung der Zonen des Bauteils (beziehungsweise der „Schichten des Rohlings) aus ein und demselben Grundwerkstoff - nämlich dotiertem oder undotiertem Quarzglas - erleichtert die Herstellung und vermeidet weitgehend Probleme infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen. Die Zonen sind integrale Bestandteile des optisch aktiven Bauteils, so dass jeglicher Aufwand für eine Jus- tierung der Zonen zueinander entfällt. Das Bauteil besteht aus Quarzglas, wobei unter „Quarzglas" hier auch ein hochkieselsäurehaltiges Glas mit einem Siθ2- Anteil von mindestens 80 Gew.-% verstanden wird.
Wichtig ist, dass der Rohling mindestens über einen Teil seiner Länge eine Pumplichtschicht mit einer in Richtung des eingestrahlten Pumplichts abnehmenden Wandstärke und eine Mantelschicht mit gegenläufig zunehmender Wandstärke sowie einen zylinderförmigen Kern aufweist.
Dabei wird der variable Wandstärkenverlauf der Pumplichtschicht durch den gegenläufigen Wandstärkenverlauf der Mantelschicht so kompensiert, dass sich ein axial gleichmäßiger Gesamt-Außendurchmesser des Rohlings ergibt. Dies erleich- tert die Herstellung eines zylinderförmigen Bauteils.
In der Kernzone des Bauteils wird Lichtstrahlung geführt, erzeugt, beziehungsweise verstärkt. Die Kernzone grenzt unmittelbar oder mittelbar an die Pumplichtzone an. Die Pumplichtzone erstreckt sich entlang der Kernzone. Die Pumplichtzone ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie zur Lichtführung geeignet ist. Das bedeutet, dass eine Mehrfachreflexion innerhalb der Pumplichtzone möglich ist. Insbesondere kann hierzu an ihrer der Kernzone zugewandten Mantelfläche ein „Brechzahl- sprung nach unten" vorgesehen sein, das bedeutet, dass an diese Mantelfläche eine Quarzglasschicht mit kleinerem Brechungsindex angrenzt. Das in der Pumplichtzone geführte Pumplicht muss zur Anregung optisch aktiver Substanzen letztlich in die Kernzone gelangen, damit es seinen bestimmungsgemäßen Zweck er- füllen kann. Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich zumindest über einen Teil der Länge der Pumplichtzone - nämlich über die Auskoppelstrecke - die Bedingungen für die Reflexion des geführten Pumplichts so ändern, dass Pumplicht in definierter Art und Weise nach und nach in die Kernzone gelangt. Dies bewirkt eine gleichmäßige Aktivierung der optisch aktiven Sub- stanzen über der Länge der betreffenden Auskoppelstrecke und führt zu einem höheren Wirkungsgrad des eingestrahlten Pumplichts.
Der Rohling wird vorzugsweise anhand des oben näher erläuterten Verfahrens erhalten, wobei die „Pumplichtschicht" des erfindungsgemäßen Rohlings in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem allgemeineren Begriff „Innenzone" bezeichnet ist. Auf diese Erläuterungen wird daher verwiesen.
Die Wandstärke der Pumplichtschicht nimmt (in Ausbreitungsrichtung der Pumplichtstrahlung) ab. Im einfachsten Fall nimmt die Wandstärke mit einem Konuswinkel linear ab, so dass sich im axialen Längsschnitt entlang der Rohling- Längsachse ein konischer Verlauf ergibt. Es sind aber auch andere axiale Wand- Stärkenverläufe der Pumplichtschicht möglich, wie etwa mit exponentieller oder stufenweiser Abnahme der Wandstärke in Richtung der Zylinderachse des Bauteils oder einer ziehzwiebelähnliche Verjüngung mit so genannter „Taperform". Unter einem mittleren Konuswinkel wird dabei derjenige Konuswinkel verstanden, der sich aus der linearen Verbindung zwischen den Punkten mit maximalem und minimalem Außendurchmesser und dem axialen Abstand dieser Punkte ergibt. Wie oben bereits erläutert, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung besonders steiler Konuswinkel. Bei einem Außendurchmesser des Rohlings zwischen 3 mm bis 50 mm liegt der mittlere Konuswinkel erfindungsgemäß zwischen 25 und 80 Winkelgraden. Das bedeutet, dass der Rohling ein Elongieren mit großem Ausziehverhältnis ermöglicht, ohne dass dabei der Konuswinkel der Pumplichtzone im Hinblick auf eine Pumplicht-Auskopplung uneffektiv flach wird. Ein größerer Konuswinkel ermöglicht eine Auskopplung von Pumplicht über eine relativ kurze Auskoppelstrecke, ohne dass hierfür eine hohe Intensität des Pump- lichts in Bereich der Pumplichteinkopplung erforderlich ist. Die Pumplichtleistung wird über die Länge der Auskoppelstrecke in die Kernzone möglichst vollständig ausgekoppelt. Eine lange Auskoppelstrecke erleichtert die axiale Vergleichmäßigung der ausgekoppelten Pumplichtleistung. Andererseits unterliegt das Pumplicht in der Pumplichtzone einer optischen Dämpfung, die durch einen steilen Konuswinkel im Bereich der Auskoppelstrecke vermindert wird.
Bei einer mittleren Intensitätsabnahme von weniger als 1 %/m ergibt sich für eine vollständige Auskopplung des Pumplichts eine Lichtführung in der Pumplichtzone über eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von mehr als 100 m, was - je nach Art des optisch aktiven Bauteils und der Pumplichtzone - mit einem merklichen Verlust durch optische Dämpfung des Pumplichts einhergehen kann. Vorzugsweise wird das in der Pumplichtzone geführte Licht über die Auskoppelstrecke mit einer Auskoppelrate ausgekoppelt, die durch eine mittlere Intensitätsabnahme von maximal 10%/cm (bezogen auf den Intensitätswert vor Beginn der Auskoppelstrecke) gekennzeichnet ist. Bei einer mittleren Intensitätsabnahme von mehr als 10%/cm ergibt sich eine Lichtführung in der Pumplichtzone über eine Auskoppelstrecke mit einer Länge von weniger als 10 cm, was mit einer vergleichsweise ho- hen mittleren Intensität des in die Kernzone ausgekoppelten Pumplichts einhergeht.
Die radiale Geometrie der Pumplichtschicht kann vom kreisförmigen Querschnitt abweichen und zum Beispiel ovale, polygonale Querschnitte und insbesondere radiale Querschnitte mit einer sogenannten „D-Form" (oder beidseitiger D-Form, die auch als „Doppel-D-Form" bezeichnet wird) umfassen.
Im Hinblick auf eine effektive Auskopplung des Pumplichts aus der Pumplichtzone wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohlings besonders bevorzugt, bei der die Pumplichtschicht mindestens über einen Teil der Auskoppelstrecke einen radialen Querschnitt aufweist, der von einer Kreisringform abweicht, insbesondere einen radialen Querschnitt in Form eines Kreisrings mit mindestens einer Außenabflachung. Die Abweichung von der Kreishngform bewirkt im optischen Bauteil eine Veränderung der Lichtführung innerhalb der Pumplichtzone. Insbesondere werden dadurch Lichtmoden (so genannte Helixmoden) behindert und geändert, die nicht ohne weiteres in die Kernzone eingekoppelt werden können. Die Geometrieänderung der Pumplichtzone trägt insoweit zu einem effektiveren Auskoppeln des Pumplichts bei. Eine einfache und besonders wirksame Geometrieänderung gegenüber einer einfachen Kreisringform wird dadurch erzeugt, dass der Außenmantel der Pumplichtzone an einer Seite oder an mehreren (vorzugsweise gegenüberliegenden) Seiten plan geschliffen wird, und so eine oder mehrere Abflachungen der Kreisringform erzeugt werden. Die Ausführungsform mit einer Abflachung wird in der Literatur auch als „D-Form" bezeichnet, diejenige mit zwei gegenüberliegenden Abflachungen auch als „Doppel-D-Form". Die D-Form und Doppel-D-Form der Pumplichtzone haben sich insbesondere in Verbindung mit einer sich verjüngenden Querschnittsfläche der Pumplichtzone als besonders günstig erwiesen.
Im Hinblick auf möglichst niedrige Fertigungskosten sind über die Länge des Rohlings mehrere Auskoppelstrecken vorgesehen.
Jede der „Auskoppelstrecken" dient zur Herstellung eines optischen aktiven Bauteils.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn mindestens ein Kern exzentrisch neben der Längsachse verläuft.
Der Rohling weist somit einen oder mehrere exzentrisch angeordnete Kerne auf. Bei einem Einsatz des daraus hergestellten optischen Bauteils als Laser hat die exzentrische Anordnung der Kernzone Vorteile bei der Einkopplung von Pumplicht. Denn dadurch wird die Kernzone in einen Bereich des Bauteils verlagert, in der sie weniger von dem stirnseitig eingestrahlten Pumplicht getroffen wird. Dies reduziert die Absorption des Pumplichts im Bereich der Einkoppelfläche. Darüber hinaus lässt sich eine exzentrische Anordnung der Kernzone auch leichter von außen kühlen. Darüber hinaus beispielsweise wird bei einer Doppelkern- Laserfaser das Pumplicht stirnseitig in die Faser eingekoppelt und sowohl im Kern als auch im Pumpmantel geführt. Die Faser wird somit stark ungleichmäßig bean- sprucht, das Pumplicht wird in der Faser vorrangig in der Nähe der Einkoppelstelle absorbiert, weil hier die Intensität am höchsten ist. Die absorbierte Leistung fällt dann mit zunehmender Länge exponentiell ab. Durch eine Verwendung von sehr langen und niedrig dotierten aktiven Kernen wird hierbei vermieden, dass der akti- ve Kern das Pumplicht zu stark in der Nähe der Einkoppelstelle absorbiert und die Faser durch die entstehende Wärmeentwicklung oder durch einen zu hohen Inversionsgrad (Photodarkening) geschädigt wird. Diese langen Fasern sind aber durch nichtlineare Effekt wie SRS und SBS (stimulierte Raman- und BrN- louinstreuung) in ihrer Einsetzbarkeit begrenzt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen des Bauteils den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensan- Sprüchen verwiesen.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:
Fig. 1 das Bereitstellen von Vorformen als erstem Verfahrensschritt bei der Her- Stellung eines optisch aktiven Bauteils in Form eines Laserstabes,
Fig. 2 das stirnseitige Zusammenfügen der Vorformen unter Bildung einer Verbundvorform,
Fig. 3 das Erzeugen einer zentralen Innenbohrung in der Verbundvorform,
Fig. 4 das Einbringen eines Kernstabes in die Innenbohrung in der Verbundvor- form,
Fig. 5 das Elongieren der Verbund vorform unter Ausbildung eines stabförmigen Rohlings gemäß der Erfindung mit einem Konusbereich,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohlings mit mehreren Konusbereichen, Fig. 7 eine kreisförmige Querschnittsgeometrie im Konusbereich, Fig. 8 eine D-förmige Querschnittsgeometrie im Konusbereich,
Fig. 9 eine erste Ausführungsform eines aus dem Rohling erhaltenen optisch aktiven Bauteils in Form einer zylinderförmigen Laserfaser mit einer im ra- dialen Querschnitt ringförmigen und im axialen Querschnitt konischen
Pumplichtzone, in einem Längsschnitt,
Fig. 10 eine zweite Ausführungsform eines optisch aktiven Bauteils in Form einer zylinderförmigen Laserfaser in einem Längsschnitt,
Fig. 11 eine weitere Variante des Bereitstellens und Zusammenfügens von Vor- formen bei der Herstellung eines optisch aktiven Bauteils,
Fig. 12 eine weitere Variante des Bereitstellens und Zusammenfügens von Vorformen bei der Herstellung eines optisch aktiven Bauteils,
Fig. 13 eine weitere Variante des Bereitstellens von Vorformen bei der Herstellung eines optisch aktiven Bauteils, Fig. 14 das stirnseitige Zusammenfügen der Vorformen von Fig. 13 unter Bildung einer Verbundvorform mit einem Außenwulst, und
Fig. 15 den nach Abschleifen des Außenwustes der Verbundvorform von Fig. 14 erhaltenen Quarzglas-Rohling.
Fig. 1 zeigt schematisch einen ersten Zylinder 11 aus undotiertem Quarzglas und einen zweiten Zylinder 12 aus einem Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist. Der erste Zylinder 11 weist eine Stirnseite auf, die in Form eines Spitzkegels 13 geschliffen ist. Der zweite Zylinder 12 weist eine Stirnseite auf, in die eine kegelförmige Vertiefung 14 eingefräst ist. Der Außendurchmesser beider Zylinder 11 ; 12 ist gleich und beträgt 40 mm. Die Höhe des Spitzkegels 13 und die Tiefe der kegelförmigen Vertiefung 14 sind ebenfalls gleich und betragen jeweils 15,6 mm. Der Konuswinkel α (das ist der halbe Kegelwinkel) beträgt somit 52 Grad und entspricht dem Konuswinkel ß der kegelförmigen Vertiefung 14.
Die Zylinder 11 ; 12 werden mit sich gegenüberliegenden Stirnseiten 13; 14 in die Drehfutter einer Drehbank eingespannt und auf eine gemeinsame Mittel- und Ro- tationsachse 15 justiert. Anschließend werden die Zylinder 11 ; 12 entlang der Mittelachse 15 zu einem Fügeverbund zusammengepresst, so dass die stirnseitigen Enden 13; 14 miteinander in Kontakt kommen, wie dies Fig. 2 schematisch zeigt. Der Fügeverbund 17 wird in dem durch gestrichelte Linien markierten Kontaktbereich 16 unter Rotation erhitzt, so dass die Stirnseiten 13; 14 miteinander verschmelzen. Wegen der Fluordotierung wird dabei das Quarzglas des zweiten Zylinders 12 weicher als das des ersten Zylinders 11.
Auf diese Weise wird ein zylinderförmiger Schmelzverbund 18 erhalten, in dem sich die Quarzgläser von erstem und zweitem Zylinder 11 ; 12 im Kontakt 16 ge- genseitig kegelförmig durchdringen. Der Außendurchmesser des Schmelzverbundes 18 entspricht demjenigen der Ausgangszylinder 11 , 12.
Der Schmelzverbund 18 wird nach dem Abkühlen mit einer Innenbohrung 19 versehen, wie dies Fig. 3 schematisch zeigt. Der Durchmesser der Innenbohrung 19 beträgt 4 mm und dient zur Aufnahme eines Kernstabes 20, wie in Fig. 4 schema- tisch dargestellt. Der Kernstab 20 besteht entweder aus einem Kernglas mit radial homogenem Brechungsindex, oder er besteht aus einem Kernglas, das von einem oder mehreren Mantelglasschichten mit anderem Brechungsindex umhüllt ist.
Der mit dem Kernstab 20 versehene Schmelzverbund 18 wird anschließend durch zonenweises Erhitzen gleichmäßig zu einem Stab 21 mit einem Außendurchmes- ser von 1 mm elongiert. Der ursprüngliche Kontaktbereich 16 wird dabei zu einer Konusstruktur 22 mit einer Länge von 25 m lang gezogen, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt. Die Konusstruktur 22 setzt sich aus einer Innenzone 23 und einer Mantelzone 24 zusammen. Der Durchmesser des Innenzylinders 23 nimmt von einem Ende zum anderen Ende der Konusstruktur 22 kontinuierlich ab und der Durchmesser der Mantelzone 24 nimmt über dieselbe Strecke gegenläufig zu. Aus der Konusstruktur 22 wird das gewünschte optische Bauteil erhalten, indem die Enden beiderseits der Konusstruktur 22 ganz oder teilweise entfernt werden. Die abgesägten Enden sind in diesem Fall Abfall.
Die Abfallmenge wird bei der in Fig. 6 schematisch gezeigten abgewandelten Aus- führungsform des Schmelzverbundes 25 verringert. Gleiche oder äquivalente Bauteile sind dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 5. Über die Länge des Schmelzverbundes 25 sind mehrere Konusstrukturen 22 verteilt. Diese werden durch Einsatz abgewandelter Zylinder 11 '; 12' erzeugt, deren beide Stirnseiten jeweils als Außenkegel (11 ') beziehungsweise als Innenkegel (12') ausgebildet sind.
Außerdem sind zwei, exzentrisch angeordnete Kernstäbe 20' vorgesehen. Bei einem Einsatz des daraus hergestellten optischen Bauteils als Laserfaser hat die exzentrische Anordnung der Kernzone Vorteile bei der Einkopplung von Pumplicht, wie weiter oben bereits erläutert.
Fig. 7 zeigt schematisch einen radialen Querschnitt entlang der Linie „A" der Ko- nusstruktur 22 des Bauteils von Fig. 5. Gleiche oder äquivalente Bauteile sind dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 5. Innenzone 23 und Mantelzone 24 sind kreisringförmig ausgebildet.
Demgegenüber zeigt Fig. 8 schematisch eine von der Ringform abweichende radiale Querschnittsfläche, nämlich eine Kontur mit einer sogenannten „D-Form", bei der eine Außenmantelfläche des Bauteils als Planfläche 26 ausgebildet sind. Diese Kontur wird erzeugt, indem die erste Vorform 11 mit einem Außenkegel versehen wird, der eine entsprechende Planfläche aufweist.
Beim Einsatz des Bauteils als seitengepumpter Laser reduzieren von der Kreisringfläche abweichende Konturen, die beispielsweise als Polygonal, mit D-Form oder Doppel-D-Form, Sternform, Blütenform und dergleichen ausgeführt sein können, die Ausbildung von Helixstrahlen, die nicht in den aktiven Kern eindringen und damit nicht zum Pumpen desselben zur Verfügung stehen. Die Effizienz des Pumplichts wird so verbessert.
Fig. 9 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Laserfaser gemäß der Er- findung. Der laseraktive Kern 1 ist zylinderförmig ausgebildet und erstreckt sich entlang der Längsachse 9. Er ist über seine gesamte Länge umhüllt von einem Pumpmantel 3 und einem Außenmantel 2.
Der Kern 1 besteht aus laseraktivem Quarzglas, das mit 0,25 mol.-% Yb2θ3 und mit 1 ,0 mol-% AI2O3 dotiert ist. Der Brechungsindex des Kern-Quarzglases ist ge- ringfügig größer als der von undotiertem Quarzglas. Er hat einen Durchmesser von 0,1 mm. Im laseraktiven Kern 1 wird die zu emittierende Laserstrahlung 5 durch optisches Pumpen über den Pumpmantel 3 erzeugt.
Der Pumpmantel 3 besteht aus undotiertem Quarzglas. Der Pumpmantel 3 ist konisch ausgeführt, wobei seine Dicke über eine Länge von 20 m von der Einkop- pelstirnseite 6 für das Pumplicht 8 bis zur Auskoppelstirnseite 7 für das Laserlicht von 1 mm auf 100 μm kontinuierlich abnimmt. Der Konuswinkel beträgt somit etwa 0,02 mrad.
Der den Pumpmantel 3 umhüllende Außenmantel 2 besteht aus Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist und das einen um 14 x 10~3 niedrigeren Brechungs- index als undotiertes Quarzglas aufweist. Der niedrigere Brechungsindex des Außenmantels 2 vermindert das Austreten von Pumplicht 8 aus dem Pumpmantel 3. Der Außenmantel 2 ist umgekehrt konisch zum Pumpmantel 3 ausgeführt. Seine Dicke nimmt über eine Länge von 20 m von der Einkoppelstirnseite 6 für das Pumplicht 8 bis zur Auskoppelstirnseite 7 für das Laserlicht von 10 μm auf 1 mm kontinuierlich zu. Dadurch ergibt sich eine insgesamt zylinderförmige Form der Laserfaser.
Das Pumplicht 8 wird an der Einkoppelseite 6 (über die größere der beiden kreisförmigen Endflächen 6 des Pumpmantels 3) eingekoppelt. Die NA (Numerische Apertur) des eingekoppelten Pumplichts 8 ist dabei an die NA des Pumpmantels 3 so angepasst, dass eine gleichmäßige Einkopplung des Pumplichts 8 über die volle Länge des Kerns 1 erreicht wird. Das Pumplicht 8 kann hierbei vollständig oder nur partiell die Endfläche 6 bestrahlen. Vorzugsweise wird das Pumplicht 8 so in den Pumpmantel 3 eingestrahlt, dass der Bereich der aktiven Kernfläche nicht oder möglichst wenig mit Pumplicht 8 beaufschlagt wird.
Das Pumplicht 8 wird im Pumpmantel 3 so lange geführt, bis die Bedingung für die Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist und die Pumpstrahlung 8 in den Kern 1 eindringen kann. Durch die konische Form des Pumpmantels 3 kommt es bei jeder Reflexion an der Grenzfläche zum Außenmantel 2 zu einem zunehmend steileren Reflexionswinkel. Wird der Reflexionswinkel nach mehreren Reflexionen zu steil, kann die Pumpstrahlung 8 in den Kern 1 eindringen und eine Besetzungsinversion im aktiven Kern 1 auslösen, wodurch sich bei genügend hoher Anregungsleistung die Laseremission 5 ergibt.
Die Lichtführung im Pumpmantel 3 kann verbessert werden, wenn der Kern 1 von einer dünnen inneren Mantelschicht umhüllt ist, deren Brechungsindex kleiner als derjenige des Pumpmantels ist. In diesem Fall wird der Brechungsindex des Außenmantels 2 vorzugsweise so gewählt, dass er niedriger ist als derjenige der inneren Mantelschicht. Dadurch wird verhindert, dass das Pumplicht 8 in Richtung des Außenmantels 2 austreten kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform zeigt der Pumpmantel 3 anstelle einer sich in Richtung zum Auskoppelende 7 hin linear verjüngenden, kegelförmigen Ausbildung einen sich in Richtung zum Auskoppelende 7 hin nicht linear verjüngenden, gekrümmten Verlauf. Ein derartiger Verlauf ergibt sich beispielsweise beim Elon- gieren eines Glaszylinders in Form einer Ziehzwiebel oder eines so genannten „Tapers".
Die Länge des optisch aktiven Bauteils kann in einem Bereich von einigen cm bis zu einigen Metern betragen. Der Durchmesser liegt typischerweise im Bereich von 0,2 mm bis 10 mm. Im Ausführungsbeispiel hat die Laserfaser eine Länge von 20 m und dies entspricht auch der Länge der Auskoppelstrecke.
Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform liegt der erfindungsgemäße La- ser in Form einer Faser vor, die hinsichtlich Kern 1 , konischem Pumpmantel 3 und gegenkonischem Außenmantel 2 der Ausführungsform von Fig. 1 entspricht. Der Außenmantel 2 ist zusätzlich von einer Stabilisierungsschicht 4 aus undotiertem Quarzglas umgeben. Die Faser weist insgesamt einen gleichmäßigen Außendurchmesser auf.
Die folgenden Figuren 11 und 12 zeigen schematisch Abwandlungen des in Fig. 1 dargestellten Verfahrensschrittes. Sofern identische Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet sind, bezeichnen diese gleiche oder äquivalente Bauteile oder Bestandteile. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist vorgesehen, dass der Zylinder 11 stirnseitig einen Außenkegel 13 aufweist, dessen Konuswinkel α' kleiner ist als der Konuswinkel ß' der stirnseitigen kegelförmigen Vertiefung 14 des anderen Zylinders 12. Beim Zusammenfügen der Zylinder 11 , 12 kommt es daher definiert und reproduzierbar zu einem ersten Kontakt zwischen der Kegelspitzen und dem Boden der Vertiefung 14. Vom Boden der Vertiefung 14 ausgehend wandert die Kon- taktierungsfront von innen nach außen. Dadurch können Gase aus dem Spalt zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11 , 12 bis zum Schluss entweichen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 ist vorgesehen, dass der Zylinder 11 stirnseitig einen Außenkegel 13 aufweist, dessen Konuswinkel α" größer ist als der Konuswinkel ß" der stirnseitigen kegelförmigen Vertiefung 14 des anderen Zylinders 12. Der Zylinder 12 aus dem Mantelzonenglas ist außerdem mit einer Entlüftungsbohrung 28 versehen, die sich in der Längsachse 15 erstreckt und die am Boden der Vertiefung 13 mündet. Beim Zusammenfügen der Zylinder 11 , 12 kommt es daher definiert und reproduzierbar zunächst zu einer Anlage der Mantelfläche des Außenkegels 13 am umlaufenden Außenrand 27 der Vertiefung 14. Dieser Kontakt führt zu einer Abdichtung des verbleibenden Spaltes zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11 ; 12. Das Gas aus diesem Spalt wird über die Entlüftungsöffnung 28 abgesaugt und anschließend ein Vakuum aufrechterhalten. Vom Außenrand 27 ausgehend wandert die Kontaktierungsfront von außen nach innen. Dadurch können Gase aus dem Spalt zwischen den Stirnseiten der Zylinder 11 , 12 über die Entlüftungsbohrung 28 bis zum Schluss entweichen. Die Entlüftungsbohrung 28 wird anschließend zur Aufnahme eines Kernstabs aufbereitet und verwendet.
Fig. 13 zeigt schematisch einen ersten Zylinder 11 aus undotiertem Quarzglas und einen zweiten rohrförmigen Zylinder 30 aus Quarzglas, das mit 4 Gew.-% Fluor dotiert ist. Der erste Zylinder 11 weist eine Stirnseite auf, die in Form eines Kegels 13 mit abgerundeter Kegelspitze geschliffen ist. Der Konuswinkel beträgt etwa 35 Grad. Der Außendurchmesser des ersten Zylinders 11 beträgt 40 mm und ist an den Durchmesser der Innenbohrung 31 (41 mm) angepasst. Die Zylinder 11 ; 12 werden in die Drehfutter einer Drehbank eingespannt und auf eine gemeinsame Mittel- und Rotationsachse 15 justiert. Anschließend wird der erste Zylinder 11 in die Innenbohrung 31 so weit eingeführt, dass die Zylindermantelfläche an die Innenwandung der Innenbohrung anliegt.
Der so hergestellte Fügeverbund wird im Kontaktbereich unter Rotation erhitzt, so dass der rohrförmige Zylinder 30 zunächst auf den Zylinderaußenmantel aufkollabiert und mit diesem verschmilzt. Wegen der Fluordotierung wird dabei das Quarzglas des zweiten Zylinders 30 weicher als das Quarzglas des ersten Zylinders 11.
Anschließend wird über die Innenbohrung 31 ein Unterdruck angelegt und aufrechterhalten, wie dies der Blockpfeil 36 andeutet. Der rohrförmige Zylinder 30 kollabiert auf den Außenkegel 13 auf. Unterstützend kann der Zylinder 30 dabei zu einem länglichen Vollzylinder abgezogen werden, wie dies in Fig.14 schematisch gezeigt ist. Dabei verbleibt ein umlaufender Außenwulst 32 aus dem Mantelzo- nenglas, der anschließend entlang der Linien 33 abgeschliffen wird.
Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen zylinderförmiger Rohling 35 gemäß Fig. 15 erhalten, der in einem Kontaktbereich 37 eine sich konisch verjüngende Innenzone (13) und eine sich gegenläufig konisch erweiternde Mantelzone aufweist. Der Kontaktbereich wird zu einem optischen Bauteil weiterverarbeitet, wie dies weiter oben erläutert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen optischen Bauteils aus Quarzglas, mit einer sich in Richtung einer Längsachse (15) erstreckenden Innenzone aus einem Innenzonenglas, die von einer Mantelzone aus einem Mantelzonenglas umhüllt ist, deren mittlere Wandstärke mindestens über einen
Teil ihrer Länge in Richtung der Bauteil-Längsachse (15) variiert, umfassend die Verfahrensschritte:
(a) Bereitstellen einer ersten Vorform (11 ) aus dem Innenzonenglas, die stirnseitig eine außenkegelförmige Kontaktfläche (13) aufweist, (b) Bereitstellen einer zweiten Vorform (12) aus dem Mantelzonenglas,
(c) Einbetten der außenkegelförmigen Kontaktfläche (13) in Mantelzonenglas und Verschweißen der Kontaktfläche (13) mit dem Mantelzonenglas unter Bildung einer Verbundvorform (18), die in einem Kontaktbereich (16) einen kegelförmigen Innenzonenbereich aus dem Innenzonenglas aufweist, der von einem Mantelzonenbereich mit Innenkegelform umgeben ist, und
(d) Elongieren der Verbund vorform (18) zu dem optischen Bauteil oder einem Vorprodukt des Bauteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorform (12) eine zweite Kontaktfläche (14) aufweist, und dass die Bildung der Ver- bundvorform ein Zusammenfügen von erster (13) und zweiter Kontaktfläche umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen ein Zwischenraum zwischen erster und zweiter Kontaktfläche evakuiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (14) der zweiten Vorform (12) eine Vertiefung aufweist, die vorzugsweise als Innenkegel ausgebildet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung der zweiten Vorform (12) eine umlaufende Kante und der Außenkegel der ersten Vorform (11 ) einen Kegelmantel aufweist, wobei beim Zusammenpressen der Vorformen (11 ; 12) der Kegelmantel auf der umlaufenden Kante dichtend zur Anlage kommt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch mechanische Bearbeitung erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung durch einen Heißformprozess erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mantelzonenglas ein mit Fluor dotiertes Quarzglas eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorform (11 ) und die zweite Vorform (12) jeweils als ZyMn- der ausgebildet sind.
10.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die außen kegelförmige Kontaktfläche (13) der ersten Vorform (11 ) durch mechanische Bearbeitung erzeugt wird.
11.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die außen kegelförmige Kontaktfläche (13) der ersten Vorform (11 ) durch einen Heißformprozess erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die außenkegelförmige Kontaktfläche (13) der ersten Vorform (11 ) mit einer abgerundeten Kegelspitze versehen wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Innenzonenglas undotiertes Quarzglas eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenpressen mindestens die zweite Vorform (12) im Bereich der zweiten Kontaktfläche erweicht wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Verbund vorform (18) vor dem Elongieren mit mindestens einer
Innenbohrung (19) zur Aufnahme eines Kernstabs (20) versehen und mit einem Kernstab (20) bestückt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbund vorform (18) vor dem Elongieren mit einer Schicht aus fluordotiertem Quarzglas umhüllt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundvorform (18) mit einer Außenschicht aus undotiertem Quarzglas versehen wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine Verbund vorform (25) erzeugt wird, die mehrere, in axialer Richtung aufeinander folgende Kontaktbereiche aufweist.
19. Zylinderförmiger Rohling für die Herstellung eines optisch aktiven Bauteils, der eine Längsachse (15), mindestens einen sich entlang der Längsachse (5) erstreckenden Kern (1 ) aus einem optisch aktiven Material, eine entlang des Kerns (1 ) verlaufende Pumplichtschicht (3), sowie eine die Pumplichtschicht (3) umgebende Mantelschicht (2) mit niedrigerem Brechungsindex als dem der Pumplichtschicht (3) aufweist, wobei die Pumplichtschicht (3) entlang einer Auskoppelstrecke eine abnehmende Wandstärke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Pumplichtschicht bei einem Außendurch- messer der Mantelschicht im Bereich von 3 mm bis 50 mm mit einem mittleren
Konuswinkel zwischen 25 und 80 Winkelgraden entlang der Auskoppelstrecke abnimmt, und die Mantelschicht (2) mit dem selben Konuswinkel gegenläufig zunimmt.
20. Rohling nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplicht- schicht (3) mindestens über eine Teillänge der Auskoppelstrecke einen radialen Querschnitt aufweist, der von einer Kreisringform abweicht.
21. Rohling nach Anspruch 19 oder 20, dass die Mantelschicht (2) aus mit Fluor dotiertem Quarzglas besteht.
22. Rohling nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtschicht (3) aus undotiertem Quarzglas besteht.
23. Rohling nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht (2) mit einer Schicht aus fluordotiertem Quarzglas umhüllt ist.
24. Rohling nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenschicht (4) aus undotiertem Quarzglas vorgesehen ist.
25. Rohling nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auskoppelstrecken vorgesehen sind.
26. Rohling nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kern exzentrisch neben der Längsachse verläuft.
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