Wissenschaftliches Profil

Das Leibniz-IPHT vereint seit mehreren Jahrzehnten auf europaweit einzigartige Weise die Forschung an Materialien sowie die Entwicklung von Technologien für die Herstellung von innovativen optischen Fasern. Große Fachkompetenz und die exzellente infrastrukturelle Ausstattung auf so verschiedenen Gebieten wie Material- und Preformherstellung, Faserziehen, Faserfunktionalisierung, Faser- und Materialcharakterisierung sowie Modellierung und Simulation wurden 2021 im Kompetenzzentrum für optische Spezialfasern (KSF) zusammengefasst, um Neuentwicklungen auf dem Gebiet der optischen Spezialfasern am Leibniz-IPHT noch effizienter zu machen.

    Bei der Entwicklung und Herstellung innovativer Faserkonzepte steht das KSF wissenschaftlich an vorderster Front und unterstützt aktiv alle Forschungseinheiten des Leibniz-IPHT sowie externe Partner aus Forschung und Industrie bei gemeinsamen F&E-Vorhaben.

Preformentwicklung

Preformen sind die Basis jeder Glasfaserherstellung. Für die Fertigung dieser Vorformen nutzen unsere erfahrenen Technolog*innen etablierte Verfahren wie z.B. MCVD zur Abscheidung von hochreinem Quarzglas und Dotierelementen aus gasförmigen oder verdampfbaren Präkursoren (Seltene Erden, Aluminium, Germanium, Phosphor, Bor). Gleichzeitig werden alternative Material- und Preformtechnologien entwickelt und umgesetzt, die völlig neuartige Faserstrukturen und -funktionalitäten ermöglichen.

  • Chemische Gasphasenabscheidung (MCVD - Lösungs- und Gasphasendotierung)
  • Pulverbasierte Sinter- und Tiegelschmelztechnologie
  • Innenpolitur von Glasrohren mittels Plasmaflamme
  • Vollausgestattete Glasbläserwerkstatt sowie Labor zur mechanischen Bearbeitung von Glas in optischer Qualität (Schneiden, Schleifen, Polieren)
  • Glasmacherdrehbänke u.a. zur Anpassung von Glasrohren und -stäben durch Kollabieren, Aufblasen, Strecken, Stauchen, Ummanteln, Verglasen
  • Gasdrucksinteranlage, isostatische Pressen und Prozessöfen
  • gezielte Anordnung von am Leibniz-IPHT gefertigten Glasstäben und – kapillaren für mikrostrukturierte und Mehrkern Glasfasern unter Reinraumbedingungen

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Ziehtechnologien für Spezialfasern, Stäbe und Canes

Moderne optische Spezialfasern besitzen aufwendige, oft filigrane innere Strukturen oder vereinen extreme Materialkombinationen. Die langjährige Erfahrung der Spezialisten des KSF am Leibniz IPHT ermöglicht in Kombination mit mehreren, individuell optimierten und anpassbaren Faserziehlinien die Realisierung auch komplexester Fasern.

  • Große Bandbreite zur Einstellung von geometrischen und kinematischen Parametern zum Ziehen von Preformen zu Fasern, Stäben und Canes; Preformrotation
  • Breiter Temperaturbereich zum Verziehen von Quarzglas und anderen oxidischen, optischen Gläsern
  • Verschiedene Preform-basierte Ziehprozesse, z.B. Stack-and-draw, Rod-in-tube, Powder-in-tube
  • Hochpräzise Druck- und Vakuumsteuerung strukturierter Preformen während des Ziehprozesses zur definierten Beeinflussung der Zielgeometrie
  • Anwendungsspezifische Faserbeschichtung (bis Dreifachbeschichtung) mit unterschiedlichen hoch- und niedrigbrechenden Coatingmaterialien durch photochemische und/oder thermische Aushärtung

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Faser-Post-Processing und Funktionalisierung

Ob Spezialglasfaser oder einfache Telekommunikations- und Datenübertragungsfaser, ob am Leibniz-IPHT oder von Kooperationspartnern hergestellt - das KSF verfügt über eine Vielzahl von Methoden zur Modifikation von vorhandenen optischen Glasfasern, um nachträglich außergewöhnliche photonische Eigenschaften zu implementieren. Bei Bedarf entwickeln wir außerdem maßgeschneiderte glasfaserbasierte Systemlösungen für die Forschung und Industrie.

Laser-basierte Brechzahlstrukturierung für die Erzeugung von Faser-Bragg-Gittern (FBG) oder Wellenleiterstrukturen

  • Strukturierungswellenlängen: 248 nm bis 800 nm (ns und fs)
  • Strukturierung von Quarzglas, nicht-oxydischen Gläsern, Kristallen und Keramiken
  • FBG-Wellenlänge durch interferometrische Einschreibverfahrenkontinuierlich über den Wellenlängenbereich vom VIS bis MIR  gezielt einstellbar
  • FBG Länge und Position in weitem Bereich wählbar
  • FBG-Reflektivität nach Anwendungsanforderung einstellbar
  • Spektral breitbandige FBGs u.a. mittels gechirpter Phasenmasken
  • FBG-Einschreiben während des Faserziehprozesses (Ziehturmgitter)

 

Faser-Post-Processing

  • Präparation von Faserendflächen (Polieren von Faserstirnflächen, Cleaven von Fasern, Konfektionieren von Spezialfasern)
  • Herstellung von Fasertapern: Bi- und unidirektionale Ziehprozesse mittels Lichtbogen- oder Filament-basierter Wärmequelle
  • Design und Anfertigung angepasster faseroptische Bauelemente (Splitter, Combiner und Modenfeldadapter)
  • Spleißen von Spezialfasern (u.a. Laserfasern, mikrostrukturierte Fasern, Endcap)
  • Nachbeschichtung von einzelnen Sensorelementen bis hin zur gesamten Faser
  • Post-Processing Labor (virtuelle Tour)

 

Faseroptische Sensorsysteme

  • Beratung zu und Entwicklung von maßgeschneiderten faseroptischen Sensorsystemen auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern bis hin zur industriellen Produktionsreife
  • Saphirfaser-Bragg-Gitter basierte Sensorkonzepte für die Hochtemperaturdiagnostik
  • Angepasste Auswerteroutinen u.a. für:
    • Temperatursensorik (3K bis 2000°C)
    • Dehnungssensorik (0,0001% bis 5%)
    • Schnelle Messung für Schwingungsanalyse (> 10kHz)

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Charakterisierungsmethoden

Umfangreiche Messtechnik und die langjährige Erfahrung der Mitarbeiter ermöglichen die Untersuchung optischer und struktureller Eigenschaften von Materialien, Preformen und Glasfasern. Dies ermöglicht eine engmaschige Begleitung der Forschung und kontinuierliche Optimierung der Herstellungsprozesse im Leibniz-IPHT. Darüber hinaus werden alle Forschungsgruppen im Institut sowie externe Partner aus Industrie und Forschung unterstützt.

  • Hochauflösende Bestimmung von Brechzahl- und Spannungsverläufen in optischen Preformen und Fasern
  • UV-VIS-NIR Absorptionsmessungen an kompakten Glasproben
  • Lichtmikroskopie mit Bildauswertung zur geometrischen Analyse (Strukturen in komplexen optischen Fasern sowie auch Blasen, Kristalle, Entmischungen)
  • Spektrale Charakterisierung optischer Glasfasern (Dämpfung, Cut-off Wellenläng und Biegeverluste)
  • Zeitlich und spektral aufgelöste Fluoreszenzmessungen an Volumen - und Glasfaserproben
  • Zugfestigkeitsmessung an Fasern
  • Störstellenlokalisierung in Glasfasern mittels OTDR

Folgende ergänzende Untersuchungen sind am Leibniz-IPHT möglich:

Arbeitsgruppe Mikrostrukturanalytik des KMNT im Leibniz-IPHT

  • Strukturanalyse: Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Chemische Analyse: Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) zur Bestimmung der Konzentration chemischer Elemente
  • Röntgenstrukturanalyse

Arbeitsgruppe Optische Fasermaterialien und -Strukturen des Leibniz-IPHT

  • thermochemische Eigenschaften: Differentielle Thermoanalyse (DTA) und Dilatometer
  • Oberflächencharakterisierung von Pulverproben (BET)

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Design und Simulation optischer Spezialfasern

Moderne optische Fasern sollen oft sehr spezielle neuartige photonische Eigenschaften aufweisen. Dazu müssen viele optische Eigenschaften und Materialparameter exakt berechnet und aufeinander abgestimmt werden. Die Simulationsexperten nutzen hierzu optimierte Scripte und Routinen basierend auf kommerzieller Software wie z.B. MATLAB®, COMSOL Multiphysics®, ZEMAX® und Optiwave® sowie eigens entwickelte Programmbibliotheken.

  • Simulation der Eigenschaften von Licht in optischen Strukturen und Bauelementen
    • Strahlenoptisch z.B. Lichtausbreitung in Laserfasern, FBG-Einschreiben
    • Wellenoptisch z.B. Modenprofile in optischen Glasfasern mit realen Brechzahlprofilen sowie in mikrostrukturierten und Hohlkernfasern
  • Design neuer optischer Fasern und Strukturen / Bauelemente
  • Unterstützung der Struktureinheit „Charakterisierung“ bei der Interpretation von komplexen Messergebnissen und bei der Verfeinerung von Messverfahren

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Anwendungsbereiche

Fasern aus dem Leibniz-IPHT finden Anwendung in der Medizintechnik, Sensorik, Biophotonik, Quantenoptik, Faserlasertechnik, Informationstechnik/Telekommunikation.

  • Faser-Laser und Verstärker (z.B. mit Yb-, Er- oder Tm-Dotierung)
  • Temperatur- und Dehnungsmessung mit Faser-Bragg-Gittern (Prozess- und Infrastrukturüberwachung), Faseroptische Temperaturmessung bis 2000°C
  • Bildgebung (z.B. in der Endoskopie)
  • Spektroskopie (z.B. Flüssigkeits- und Gasanalyse)
  • Katheter in der Medizintechnik

Forschungseinblicke

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