Lichtquellen: Verbesserte Optische Fasern

  • Abb. 1: Schema des Repulsil-Prozesses. © IPHTAbb. 1: Schema des Repulsil-Prozesses. © IPHT
  • Abb. 1: Schema des Repulsil-Prozesses. © IPHT
  • Abb. 2: a) Extra-large-mode-area (X-LMA)- Faser mit 50 μm Kern- und 1,2 mm Außendurchmesser. © IPHT Jena
  • b) Multikern-Faser mit optimierter Pumpabsorption. © IPHT Jena

Optische Fasern dienen der Übertragung von Licht. Anwendung finden sie heute nicht nur in der Nachrichtentechnik zur Datenübertragung, in der Messtechnik oder zur Beleuchtung. Optische Spezialfasern wie Faserlaser werden darüber hinaus beispielsweise in der Automobilindustrie genutzt, um millimeterdicke Metallbleche zu schneiden, zu schweißen oder zu bohren.

Zentrales Element eines solchen Faserlasers ist eine optische Faser, deren Kern speziell dotiert ist. Mit herkömmlichen Verfahren konnten bislang nur Fasern mit einem limitierten Kerndurchmesser hergestellt werden, die eine Einschränkung hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Leistungsfähigkeit mit sich bringen. Um die Leistungsparameter dieser Fasern zu steigern, wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt „Hochleistungs-Faserlaser hoher Strahlqualität auf der Basis alternativer Materialien und integrierter optischer Komponenten (Falamat)" ins Leben gerufen. Zusammen mit dem langjährigen Industriepartner Heraeus Quarzglas entwickelten Wissenschaftler des Leibniz-Institutes für Photonische Technologien (IPHT) ein Verfahren, das nicht über Gasphasenabscheidung, sondern über Pulver-Sinter-Verfahren die Ausgangsgläser für diese speziellen Fasern erzeugt. Dabei werden die Dotierstoffe über eine Suspension an hochreine SiO2-Partikel gebunden und zu kompakten Glas weiterverarbeitet. Durch das neue Herstellungsverfahren können Fasern mit sehr großem Kerndurchmesser realisiert und dadurch beispielsweise geometrische Limitationen umgangen sowie die Möglichkeiten zur Herstellung dotierter Quarzgläser erweitert werden.

Pulver-Sinter-Technologie
Ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von Vorformen (Preformen) für optische Telekommunikations- und Spezialfasern ist die Modifizierte Chemische Dampfabscheidung (Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD). Mit dieser Technologie ist es möglich, dotierte Quarzgläser mit exzellenten Eigenschaften hinsichtlich Reinheit, Art der Dotanden und Dotandenmenge herzustellen. Diese auf Schichtaufbau basierende Technologie hat jedoch ihre Limitationen bezüglich der Herstellung homogenen Volumenmaterials.

Der entwickelte Repulsil-Prozess stellt eine Modifikation der bei der MCVD angewandten Lösungsdotierung (Tränken porös abgeschiedener Schichten mit Dotandenlösungen und anschließendem Versintern und Verglasen, hauptsächlich für Aluminium- und Ytterbiumdotierung) dar.

Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass das Repulsil-Verfahren auf einer Partikelsuspension (hochreine amorphe SiO2-Nanopartikel in Wasser) basiert, die gleichmäßig dotiert und in fast beliebiger Menge bereitgestellt werden kann.

Die Dotanden, wie beispielsweise AlCl3 x 6H2O, Seltenerd-Chloride oder Borate, werden in Wasser gelöst und unter streng definierten Bedingungen (pH-Wert, Temperatur) zur Partikelsuspension gegeben.

Nach dem Trocknen der Suspension bleibt ein Granulat zurück, das in einem isostatischen Pressverfahren zu einem Zylinder geformt wird. Dieser Zylinder wird als Grünkörper bezeichnet und kann in einem nachfolgenden Schritt chemisch gereinigt und getrocknet werden. Typische Verunreinigungen, die die späteren Anwendungen erheblich beeinträchtigen würden, sind Elemente der 3d-Reihe wie Eisen und Nickel.

Der gereinigte Grünkörper (Glasvorstufe) muss nun in ein hinsichtlich der geometrischen Abmessungen angepasstes Quarzglas-Rohr überführt und mit Hilfe des MCVD-Equipments (Glasmacherdrehbank, H2/O2-Brenner) unter thermischer Behandlung in einen transparenten Glaskörper umgewandelt werden. Der Sinter- und Verglasungsprozess wird schrittweise durchgeführt und findet bei Temperaturen bis zu 2200 °C statt. Alternativ zum Brenner ist es auch möglich für diesen Teilprozess einen elektrischen Ofen in Horizontal- oder Vertikalausführung zu verwenden.

Abbildung 1 beschreibt den Prozess schematisch. Das Verfahren kann, je nach Ausgangsverbindung für die Dotierung, in weiten Grenzen modifiziert werden. Denkbar und bereits in der Anwendung sind verschiedene Dotandenkombinationen zur Optimierung optischer Eigenschaften wie Brechzahl und Fluoreszenzverhalten Seltenerd-dotierter Materialien. Die weitere Prozessierung des dotierten Materials erfolgt entweder direkt bei der Faserherstellung oder zunächst über eine mechanische Vorbehandlung (Schleifen und Polieren) zur Entfernung des äußeren undotierten Mantels. Letztere Methode liefert dotierte zylinderförmige Vor- bzw. Preformen die nach dem Rod-in-Tube- oder dem Stack-and-Draw-Verfahren zu strukturierten Fasern verarbeitet werden.

Beim Rod-in-Tube-Verfahren wird ein Stab des dotierten Materials in ein Mantelrohr aus Quarzglas überführt und gemeinsam zur Faser verzogen. Das Stack-and-Draw-Verfahren ist ein Spezialfall der vorab beschriebenen Methode und erfordert die Herstellung vieler verschiedener Ausgangsstäbe gleichen Durchmessers aus dotierten und undotierten Materialien. Diese werden in geeigneter Weise zu einer Packung vereinigt und ebenfalls gemeinsam mit dem Mantelrohr zu einer Faser verzogen.

Abbildung 2 zeigt zwei Faserquerschnitte, bei denen die Kerne (2a: 1 Kern, 2b: 7 Kerne) aus Repusil-Material hergestellt wurden. Es verdeutlicht das enorme Potential der Technologie zur Herstellung strukturierter Fasern mit spezifischen Eigenschaften. Das Verfahren ist noch Limitationen hinsichtlich der Verwendung bestimmter Dotanden wie Germanium und Phosphor (beide sind Standard-Dotanden im MCVD-Prozess) unterworfen. Als komplementäre Technologien ergänzen sich beide Verfahren zu einer optimalen Möglichkeit der Herstellung maßgeschneiderter Hochleistungslaser- und Sensorfasern.

Von der Entwicklung zur Anwendung
Die hergestellten Fasern wurden mit Faserendcaps veredelt und schließlich in ein komplettes, kosteneffizientes Strahlkonvertersystem mit hervorragenden Lasereigenschaften integriert. Es wurden erste erfolgreiche Prototypen-Tests im Karosseriebau zum Verschweißen von Aluminium und Edelstahl durchgeführt. Weitere denkbare Anwendungsfelder der optimierten Fasern sind die Medizintechnik oder die Qualitäts- und Prozesskontrolle. Mit dem neuen Herstellungsverfahren wurde vom IPHT die Ausgangslage geschaffen, um neue, optimierte Lichtquellen zu entwickeln.

Ausblick
Die Verfügbarkeit der neuen Gläser sorgte für internationale Aufmerksamkeit und war Anlass für neue wissenschaftliche Kooperationen des IPHT unter anderem mit der Universität Limoges in Frankreich, dem College of Optics & Photonics in Orlando / USA sowie der Universität Adelaide in Australien. In dem ebenfalls vom BMBF geförderten Folgeprojekt „Remilas" wollen die Jenaer Wissenschaftler gemeinsam mit ihren Partnern das Herstellungsverfahren weiter optimieren, um diesen Lasertyp auch neuen, sehr anspruchsvollen Anwendungen, wie der Verbindung von Kupfer und Aluminium, zugänglich zu machen. Dazu ist es u. a. notwendig, verbesserte Schutzschichten für die Fasern zu entwickeln, so dass diese auch bei wesentlich höheren Leistungsanforderungen die sensible Glasfaser zuverlässig vor mechanischen Beanspruchungen schützen und eine ausreichende Kühlung der Faser gewährleisten. Die neuen hochreinen Gläser finden auch über Faseranwendungen hinaus großes Interesse. So laufen momentan erste Tests dieser Materialien als aktives Lasermaterial in klassischen Festkörperlasern.

Mehr Informationen zur Technologie (pdf): http://bit.ly/Repusil
ICORS 2014 in Jena: http://bit.ly/ICORS2014
Die Herstellung von Glasfasern (Video): http://bit.ly/Glasfaserherstellung

 

Autor(en)

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Leibniz-Institut für Photonische Technologien

Jena
Telefon: 03641/206-00
Telefax: 03641/206-099

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