Von nanoskaligen SiO2-Pulvern zur optischen Faser

Von nanoskaligen SiO2-Pulvern zur optischen Faser
J. Dellith1, S. Unger1, S. Pochert1, K. Götze2, A.-M. Schwager2 G. Kuka3, L. Otto3, S. Proschwitz4, M. Schilling5, R.Reetz6
1Leibniz-Institut
für Photonische Technologien, Albert-Einstein-Straße 9, 07745 Jena
2Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Carl-Zeiß-Promenade 2, 07745 Jena
3Fiberware GmbH, Bornheimer-Strasse 4, 09648 Mittweida
4MAICOM
Quarz GmbH, Stolzenberg 5, 04626 Posterstein
53D Schilling GmbH, Mühlenweg 4, 99706 Sondershausen
6HTM Reetz GmbH, Köpenicker Str. 325, 12555 Berlin
Kurzfassung
Die präsentierte Arbeit hat die Herstellung von Preformen für optische Fasern auf der
Basis hochdisperser Quarzglaspulver mittels additiver Technologien zum Ziel. Diese
Strategie bietet den Vorteil, dass auch unkonventionelle Preformgeometrien realisiert
werden können, deren Herstellung mit etablierten Methoden schwierig bzw. unmöglich
ist. Im Rahmen der dabei angestrebten Prozesskette stellen die Pulvervorbehandlung, das
Laser-Sintern, die Verglasung poröser Grünkörper sowie das Faserziehen besondere
Herausforderungen dar. Über erste Ergebnisse soll hier berichtet werden.
Technologierouten mit mechanischer und additiver Formgebung
Pulvertechnologie
Ausgangsmaterialien
Dispergierung & Granulation
Aerosile mit unterschiedlicher BET-Oberfläche
(50 – 75 m²/g) und Teilchengröße (5 – 100 nm)
Mit unterschiedlichen Methoden erzeugte
Granulate im gewünschten Größenbereich
Hochleistungs-/HochtemperaturPlasmabehandlung
Reinigung, Trocknung & Vorsinterung
Temperung und Chlorierung bei 950°C sowie
Vorsinterung zum Abbau der BET-Oberfläche
ICP–Plasma Behandlung zur Teilchensphäroidisierung und Vorverglasung
Grünkörperpräparation und Verglasung
Selektives Lasersintern
Pressen und mechanische Formgebung
Vorsinterung sowie Druck-Sinter-Verglasung
Lasergesinterte Grünkörper
Gepresste Grünkörper
Temperatur
Gasdruck / mbar
Vorgesinterter
Körper vor der
Verglasung
Verglasung
Druck
Temperatur
Entgasung / Trocknung
0
50
100
150
200
250
Prozesszeit
Neu entwickelter “Laser-Sinterofen”; off-set Temp.
bis 1050°C, minimale Pulverschichtdicke: 50 µm
Isostatisches Pressen und Abdrehen
der Presslinge für exakte Formgebung
15 mm
Gas-Druck-Sinter-Ofen für formtreue und störungsarme Verglasung
der Grünkörper. T: 1650 – 1750°C, P: 5 – 50 bar
Preformvorbereitung, Faserziehen & -charakterisierung
Ziehen optischer Fasern
Preformvorbereitung
Fasercharakterisierung
600
100 -> 2m
P2403AF0
OH
Prüfer: Fehling
07.11.2016
•
•
•
•
•
•
Dämpfung [dB/km]
OH
2 kW CO2 – Laser (cw)
Brennweite: ꝏ, Parallelstrahl
Scanner: 2D, Apertur 25 mm
Scangeschwindigkeit: 1000 mm/s
Leistung: 35 %
Vorschub: 36 mm/min
Außenrund-Laserpolitur
& Anschmelzen von Ansatzstäben für Faserziehen
400
OH
200
0
400
Sensible Kontrolle der
Viskositätsverhältnisse
und Zugkräfte;
Temp. ca. 1900 °C,
Abzuggeschwindigkeit
ca. 15 m/min
600
800
1000
1200
Wellenlänge [nm]
1400
1600
P2403AF0
Grunddämpfung in dB/km, Länge: 100.04m
100 -> 2m
( 666nm)=29.4dB/km
(1083nm)=43.1dB/km
OH-Gehalt:
d(942nm)=178.0dB/km->178.0ppm
D= 125µm
Dämpfungsmessungen bzgl. OH- Gehalt
und Grunddämpfung. Der OH-Gehalt
variiert mit Pulvertyp und Vorbehandlung.
Die Grunddämpfung liegt bei < 50 dB/km.
Charakterisierung der Faserfestigkeit
und Vergleich mit F300–Referenzfaser.
Parameter der Weibull-Auswertung:
- Referenzfaser: ≈ 45
- pulverbasierende Fasern: 1,5…3
Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.
Abt. Faseroptik & AG Instrumentelle Analytik
Telefon +49 (0) 3641 · 206-208/-104
Telefax +49 (0) 3641 · 206-390/-139
www.ipht-jena.de
Die Autoren danken Frau Birgit Müller und Herrn Hardy Baier für die Hilfe in experimentellen und präparativen
Belangen, Herrn Dr. Jens Kobelke und Frau Claudia Aichele für die Unterstützung beim Faserziehen und der
Fasercharakterisierung sowie Frau Andrea Dellith für die elektronenmikroskopische Charakterisierung.
Die Arbeit enstand im Rahmen des Verbundprojektes 3D-Quarz; FKZ VP2206918W04 und
wurde gefördert durch das BMWI.
Thüringer Werkstofftag, 30.03.2017, Jena