由石英玻璃製造空心圓筒體的方法、由此製成的空心圓筒體和光學元件及實施該方法的裝置的製作方法

2023-10-04 17:24:44 2

專利名稱：由石英玻璃製造空心圓筒體的方法、由此製成的空心圓筒體和光學元件及實施該方法的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及由石英玻璃製造空心圓筒體的方法，它包括在形成一有筒形內孔的多孔坯體的情況下將SiO2顆粒澱積在一縱長的且繞其縱軸線旋轉的載體上；使一個通過一懸掛裝置垂直懸掛於一爐子中的坯體玻璃化，懸掛裝置掛在一設置在坯體內孔的上部區域內的縮孔部位上。
此外，本發明涉及由石英玻璃管和由石英玻璃製成的光學元件，它包括導光結構，該結構由一系列有不同折射率的石英玻璃層同軸構成。
本發明還涉及實施本方法的裝置，它有一個可繞其縱軸線旋轉的且基本上呈圓筒形的載體，在載體的圓筒形圓周面上積澱SiO2顆粒並形成一有內孔的多孔坯體，它還有一個嵌入內孔中的並用來在玻璃化步驟中保持坯體處於垂直定位的懸掛裝置。
背景技術：
光纖預製坯的製造通常通過呈多孔的二氧化矽煙塵坯體形式的中間產品來實現(以下也稱為「坯體」或「煙塵圓筒體」)。煙塵圓筒體的進一步處理包括一個玻璃化步驟，其中煙塵圓筒體懸掛在一個玻璃化爐中被加熱並由此經玻璃化而形成一個緻密的石英玻璃管。為了在玻璃化步驟中保持該煙塵圓筒體，提出了許多措施。
在US-A 4252251所述的方法中，保持裝置由鉑絲做成，該鉑絲穿過在煙塵體的上部區域中的一個徑向通孔，煙塵體被懸掛在其上。
在DE-A1 2906070中提出了一種保持裝置，其中將一石英玻璃管從上面插入筒狀內孔中，該石英玻璃管在它的被指定用於插入煙塵體中的下端頭上具有突峰狀加厚部。為了將石英玻璃管固定在內孔中，使上述加厚部旋轉90°，從而它埋入柔軟的煙塵物質中。
上述方法帶來擾人的磨損，特別在大體積的重型煙塵體情況下無法保證可靠操作。
最後，在US-A 4362545中公開了一種保持裝置，其中一個套管在SiO2顆粒澱積過程中在其部分長度範圍內牢固地埋入煙塵體一端中。為此，載體延伸穿過該套管，其中它的幾何形狀利用夾在套管和載體之間空隙中的墊塊被固定住。套管和載體例如是用氧化鋁、石墨或石英玻璃製成的。在澱積過程中，載體和套管的一部分都埋入到逐漸形成的坯體中。澱積完成之後，將載體撤走，坯體可以垂直懸掛地保持在埋入的套管上，以便進行進一步處理。由於載體(旋轉)在運動時出現間隙，可能造成以下結果，即載體和套管之間的空隙快速張開或者未被所澱積的SiO2物質覆蓋，致使套管未埋在或不充分地埋在坯體中。因此，需要仔細確定套管和載體的尺寸，即需要準確保持尺寸允許誤差和複雜的校準，這使得已知保持裝置的製造和使用變困難了，尤其是保持裝置由石英玻璃製成時。
EP-A 701975公開了開頭所述類型的方法和裝置。在這裡，提出一種燒結有圓筒形內孔的煙塵圓筒體的方法，其中該顆粒圓筒體垂直豎立在支承腿上地被送至一加熱區並在該加熱區內分段燒結。在此，一由多孔石墨構成的支撐管穿過煙塵圓筒體的內孔，在進行玻璃化時，煙塵圓筒體熱縮裝配到該支撐管上。這種已知方法的一個特點在於在燒結時，煙塵圓筒體是自懸掛的。這是通過下述措施實現的，即在圓筒形內孔的上部擰入一個其內徑逐漸縮小的環繞支撐環，該支撐環因煙塵圓筒體的縱向收縮而在燒結過程中套在支撐管上端上。在這裡，煙塵圓筒體離開支腿，從而煙塵圓筒體處於垂直懸掛狀態地進一步進行燒結。
由於支撐環固定在煙塵圓筒體內孔中，可能出現不希望的磨損。來自支撐管石墨的雜質可能進入煙塵圓筒體中，特別是通過支撐環和煙塵圓筒體的內孔之間的直接接觸。
在已知的煙塵圓筒體的玻璃化完成之後，這些圓筒體被用於製造光學預製件。它們眾所周知地有一光導結構，該光導結構由一系列折射率不同的石英玻璃層同軸層疊而成的。從光學預製件中拉拔出光纖。光纖的光衰減受到預製件的石英玻璃的雜質含量且特別是光導區域中的雜質的嚴重影響。

發明內容
本發明的任務是如此改進開頭所述的方法，即在進行玻璃化時，即便使很重的坯體，也可以不要複雜的保持裝置地安全且沒有汙染內孔危險被保持著，同時提出一種適用於此目的的保持裝置。本發明的另一個任務是提出一種由石英玻璃做成的並有高純度內孔的空心圓筒體，提供一由石英玻璃製成的光學元件，它的特點是雜質含量極低。
根據本發明，與方法有關地基於上述方法來如此完成該任務，即，縮孔部位在SiO2顆粒澱積時通過內孔的成形而產生，為實現玻璃化，使用一個支撐在上述縮孔部位上的並且其它部位不接觸地伸入內孔中的懸掛裝置。
根據本發明，內孔縮孔部位已經在澱積過程中通過內孔的成形而產生。因此，避免了為固定保持件而事後加工多孔坯體和進而避免了隨之而來的磨損。由於內孔縮孔部位是在內孔成型時產生的，所以不需要埋置保持件(如以上關於現有技術所述地)。以下還將論證這一點。
在內孔形成時產生的縮孔部位的用途在坯體玻璃化時作為懸掛裝置的支座。懸掛裝置只有為了進行玻璃化才插入內孔中。在這裡，懸掛裝置如此伸入內孔中，即事先(在澱積過程中)已產生的縮孔部位支撐在該懸掛裝置上。由此一來，保證了坯體的可靠定位，而不需要將一個保持件埋在坯體中或將之固定在坯體上。
也消除了坯體受汙染的危險，這是因為內孔縮孔部位由同類型的物質形成。
除了在懸掛裝置區域內與縮孔部位接觸外，懸掛裝置在進行玻璃化時不接觸地伸入內孔。這樣，在玻璃化後出現一個無需工具形成的內孔。這種無工具成形導致具有平滑無損傷的內表面的高質量內壁，所形成的內壁的特點就是雜質含量低。
縮孔部位最好通過下述措施產生，即在澱積SiO2顆粒時使用一載體，該載體從其長度上看在一縮小區內有一個外直徑縮小部，其中SiO2顆粒的澱積也包括在縮小區內的澱積。縮小區內的外直徑減小造成坯體內孔縮窄。外直徑減小是指載體外直徑總體縮小或分段縮小。外直徑縮小與載體縱軸線有關地是旋轉對稱的、對稱的或不對稱的。例如，它可以存在於載體外周面的一個單側扁平部上。唯一重要的是，避免了側凹，這些側凹會妨礙在澱積過程後抽出載體。設置一個或多個縮小區。SiO2顆粒也澱積在縮小區上，所以，所形成的坯體至少覆蓋著載體外直徑的縮小部。
已被證明特別有利的是，外直徑縮小部被設計成與載體縱軸線有關地是旋轉對稱的。這種外直徑縮小部造成內孔旋轉對稱且徑向環繞地收縮，從而可保證穩定的保持。
外直徑這樣縮小是特別適當的，即這種縮小包括一個環繞凸緣。在這種情況下，內孔的縮孔部位具有一相應的徑向環繞的凸緣。通過這種簡單方式，可實現坯體的確定而穩靠的保持。
根據一個特別優選的方法變型方案，懸掛裝置從上面伸入內孔，從而它卡住縮孔部位的底面。由於懸掛裝置從上嵌入內孔中，所以一個在內孔裡的保持裝置就多餘了，如在上述類型方法中的「支撐管」。因此，可儘可能避免內孔內的汙染和內孔壁與外來物質接觸。在最簡單的情況下，內孔有一梯階狀縮孔部，其中懸掛裝置(近似於線捲軸)具有一支腿，支腿外直徑小於內孔的內徑，但大於在縮孔部位區域裡的內徑，而且該支腿與一支杆相連，該支杆的外直徑小於縮孔部位的內徑。
本發明方法的另一個改進方案是如此實現的，即懸掛裝置的至少一部分由石英玻璃製成。最好是，懸掛裝置的緊靠坯體的那些部分由石英玻璃製成。
還已被證明有利的是，懸掛裝置在玻璃化時與坯體熔合。因此，可實現緊密的且特別牢固的連接，以保證對坯體的安全可靠的操作。
與空心圓筒體相關地，根據本發明，如此完成該任務，即圓筒體在玻璃化後具有一個無工具成形的筒狀內孔。
空心圓筒體的筒狀內孔是在按上述方法進行玻璃化時獲得其形狀的。根據本發明，內孔是通過無工具的成形獲得的。無工具成形意味著，在進行玻璃化時，避免了內孔壁接觸一安置在內孔中的部件(如一個支杆)，從而形成一個高質量的且有平滑無損傷的內表面的內孔壁，此外，它的特點是雜質含量低。
由於筒狀內孔無損傷和無雜質，所以，如此獲得的空心圓筒體適於製造所謂的「基材管」。該基材管用於製造光學預製件，所用方法是將芯材內澱積在基材管內壁上(「MCVD-法」或「PCVD-法」，MCVD-法是「改進的化學汽相澱積法」，PCVD-法是等離子化學汽相澱積法)。但空心圓筒體也成所謂的「套管」形狀，它適於套在芯棒上，以便塗上附加的外表物質。
與光學元件有關地，根據本發明，如此完成該任務，即各石英玻璃層的至少一部分是用本發明的空心圓筒體製成的。
光學元件是指所謂的芯棒即光學預製件或光纖。由於光學元件的石英玻璃層的至少一部分是用本發明提出石英玻璃管制成的，所以其特點是其雜質含量極低。因此，由本發明的預製件拉制出的或使用本發明芯棒而獲得的光纖顯示出很小的光衰減。
與裝置有關地，根據本發明，基於上述裝置來如此完成該任務，即載體在一個第一局部長度上有一個較大的第一外直徑並在一個第二局部長度上有一個較小的第二外直徑；懸掛裝置包括一個縱長的並與一加厚部相連的把手，其中圍繞把手外橫截面的包絡圓的直徑(從縱向看)小於上述第二外直徑；圍繞加厚部的外橫截面的包絡圓的直徑(從縱向看)小於上述第一外直徑並大於上述第二外直徑。
本發明的裝置是通過相互協調地形成兩個獨立部件即一方面是載體且另一方面是懸掛裝置而獲得的，其中SiO2顆粒被澱積在載體上並形成一坯體，懸掛裝置在進行玻璃化時嵌入坯體內孔。坯體通過載體外輪廓獲得一內孔，內孔在一個第一局部長度上有一個較大的直徑並在一個第二局部長度上有一個較小的直徑；從較大直逕到較小直徑的過渡區被稱為「縮孔部位」，如以上結合本發明方法所詳細介紹的那樣。上述縮孔部位也作為懸掛裝置的支點。為此，懸掛裝置有一個把手，該把手穿過內孔的較細的那一段並與一個加厚部相連，該加厚部儘管也穿過內孔的較粗的那一段，但沒有穿過內孔的較細的那一段。利用該懸掛裝置，可以使坯體保持垂直取向，其中懸掛裝置的加厚部卡在內孔縮孔部位的底面上。無論是懸掛裝置還是載體，都是簡單地構成的。
下述做法已證明是特別有利的載體在第一局部長度和第二局部長度之間以及懸掛裝置在把手和加厚部之間各有一個環繞凸緣。這樣的凸緣可以特別簡單地製成並保證了在玻璃化時可重複地使坯體保持垂直取向中。


以下，參照實施例和附圖對本發明做詳細說明。附圖所示為圖1表示在採用階梯狀載體管時的多孔坯體的澱積工序。
圖2表示坯體的玻璃化工序。
具體實施例方式
圖1示意表示採用一階梯狀載體管3時的多孔坯體1的澱積工序。在這裡，坯體1的製取是如此實現的，即採用已知的火焰水解法並利用一個或多個沿著正在形成的坯體1的表面移動的澱積燃燒器(圖1中未示出)，將SiO2顆粒澱積在繞其縱軸繞2旋轉的載體管3的外表面上。
載體管3有一較大的第一縱向段4和一個較小的第二縱向段5。載體管3的縱向段4的外直徑60mm以一個環繞階梯部6的形式縮小到載體管3縱向段5的外直徑54mm。
在澱積過程結束後，如此取出載體管3，即它沿縱向段4方向被從坯體1中拉出。如此產生的坯體1有一內孔7，內孔基本上有60mm內徑，但該內徑在縱向段5b(見圖2)區域裡在10cm長度上縮小6mm。在圖2中，用參考標記6b表示坯體1內孔中由階梯部6產生的環繞凸緣。
圖2示意表示坯體1的玻璃化工序。為此，在上述澱積過程後得到的有階梯狀內孔7的坯體1垂直取向地在一玻璃化爐中被分區(從上部開始)加熱。在此，坯體1用一懸掛裝置8保持著，該懸掛裝置由一石英玻璃棒9做成，該石英玻璃棒同心地與一圓形石英玻璃板10焊接。石英玻璃板10的外直徑約為59mm；石英玻璃棒9的外直徑約為30mm。
懸掛裝置8從下方插入坯體1中並一直向上拉，直到抵靠在凸緣6b上。石英玻璃棒9的長度為50mm，所以它穿過整個縱向段5b並從坯體1上端11伸出。由於石英玻璃板10卡住凸緣6b，所以坯體1可利用懸掛裝置8被牢靠地保持著。在內孔7成形時產生的凸緣6b在坯體1玻璃化過程中用作懸掛裝置8的支座。
通過玻璃化，由坯體1獲得一個石英玻璃空心圓筒。在玻璃化過程中，懸掛裝置8的一部分(石英玻璃板10和石英玻璃棒9的一部分)同坯體1相熔合，從而保證坯體1和懸掛裝置8之間的牢固緊密的連接。由於懸掛裝置8絕不機械接觸到內孔7的筒面，所以在玻璃化完成之後，可獲得表面質量高的無工具成形的內壁。
由於凸緣6b是在內孔7成形時產生的，所以事後固定一保持件是多餘的，由此避免了磨損及帶入髒物。只有在澱積過程完成後，才將懸掛裝置8嵌入內孔7，其中它同已先產生的凸緣6b配合作用。因此，象在現有技術中那樣將一保持件埋到坯體中是多餘的。
除圖1所示的帶有階梯部6的載體3之外，在另一個實施例中設置一個過渡區，在該過渡區中，載體管3外直徑從外直徑為60mm的縱向段4呈錐形地縮小到外直徑為54mm的縱向段5。相應地，利用上述載體形成的坯體有一個內錐面。為了在進行玻璃化時保持坯體，從下面引入一個保持件，該保持件有一個對應於上述內錐面的外錐面。在此情況下，在玻璃化過程中，也避免了懸掛裝置同內孔筒面接觸，從而在玻璃化後獲得了一個表面質量高的無工具成形的內壁。
如此製得的石英玻璃空心筒體適用於作為「套管」地給一個芯棒鑲上石英玻璃殼材，或者它被進一步加工成所謂的「基材管」，以便用在按所謂的MCVD-法(改良的化學汽相澱積法)生產光波導用光學預製坯中。用本發明的石英玻璃空心筒體製成的預製坯和光纖的特徵在於光衰減極小。
權利要求
1.由石英玻璃製造空心筒體的方法，它包括在一個縱長的且繞其縱軸線旋轉的載體上澱積SiO2顆粒並形成一個有筒形內孔的多孔坯體；使通過一懸掛裝置垂直懸掛在一玻璃化爐中的坯體玻璃化，該懸掛裝置掛在一個設置在坯體內孔的上部區域裡的縮孔部位上，其特徵在於縮孔部位(6b)是在SiO2顆粒澱積時通過內孔(7)的形成而產生的，為進行玻璃化，使用一個支撐在縮孔部位(6b)上且其它部分不接觸地伸入內孔(7)中的懸掛裝置(8；9；10)。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵在於縮孔部位(6)是這樣產生的，即在進行SiO2顆粒澱積過程中插入一個載體(3)，該載體從其長度上看在一個縮小區域(6)內具有減小的外直徑，其中SiO2顆粒的澱積也包括在該縮小區域(6)中的澱積。
3.按權利要求2所述的方法，其特徵在於所述外直徑減小部被設計成關於載體(3)縱軸線(2)是旋轉對稱的。
4.按權利要求3所述的方法，其特徵在於所述外直徑減小部包括一個環繞的凸緣(6)。
5.按權利要求1-4之一所述的方法，其特徵在於懸掛裝置(8；9；10)從上部(11)伸入內孔(7)，從而它卡在縮孔部位(6b)的底面上。
6.按權利要求1-5之一所述的方法，其特徵在於懸掛裝置(8；9；10)的至少一部分是用石英玻璃製成的。
7.按權利要求1-6之一所述的方法，其特徵在於在進行玻璃化時，懸掛裝置(8；9；10)同坯體(1)熔合。
8.按照如權利要求1-7所述方法製得的空心圓筒體，其特徵在於該空心圓筒體在玻璃化後具有一個不用工具成形的筒形內孔(7)。
9.由石英玻璃製成的光學元件，它包括一個光導結構，該結構由折射率不同的多個石英玻璃層同軸層疊而成的，其特徵在於石英玻璃層中的至少一部分通過一如權利要求8所述的空心圓筒體製成的。
10.實施如權利要求1-7之一所述方法的裝置，它有一個可繞其縱軸線旋轉的且基本呈圓筒形的載體，在該載體的筒形外周面上澱積SiO2顆粒並形成一個具有一內孔的多孔坯體，該裝置還有一個嵌入上述內孔中的並用於在玻璃化過程中使上述坯體保持垂直取向的懸掛裝置，其特徵在於，載體(3)在一個第一局部長度(4)上有一個較大的第一外直徑並在一個第二局部長度(5)上有一個較小的第二外直徑；懸掛裝置(8)包括一個與一加厚部(10)相連的細長把手(9)，其中圍繞把手(9)的外橫截面的包絡圓的直徑(從縱向看)小於上述第二外直徑，而圍繞加厚部(10)的外橫截面的包絡圍的直徑(從縱向看)小於上述第一外直徑而大於上述第二外直徑。
11.按權利要求10所述的裝置，其特徵在於載體(3)在第一局部長度(4)和第二局部長度(5)之間有一個環繞凸緣(6)，懸掛裝置(8)在把手(9)和加厚部(10)之間有一個環繞凸緣(6)。
全文摘要
在已知的石英玻璃管生產方法中，在一個縱長的且繞其縱軸線旋轉的載體上澱積SiO
文檔編號C03B19/14GK1483005SQ01821190
公開日2004年3月17日 申請日期2001年12月18日 優先權日2000年12月22日
發明者G·科圖拉, K·魯佩爾特, G 科圖拉, 宥 申請人:赫羅伊斯·坦尼沃有限公司, 赫羅伊斯 坦尼沃有限公司