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/Manufaktur 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 implementiert, 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

Optische Spezialglasfasern des Leibniz-IPHT können aus sehr unterschiedlichen Glas- und Kristall-Materialien bestehen sowie ausgefallene Strukturen und Geometrien für spezielle photonische Eigenschaften aufweisen. Am KSF werden darüber hinaus vielfältige Möglichkeiten der weiteren Funktionalisierung von optischen Fasern erforscht, entwickelt und als maßgeschneiderte Systemlösung für die industrielle Nutzung etabliert. 

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, Keramiken
  • FBG-Wellenlänge kontinuierlich über den Wellenlängenbereich vom VIS bis MIR durch interferometrische Einschreibverfahren 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 Singledirektionale Ziehprozesse mittels Lichtbogen- oder Filament-basierter Wärmequelle
  • Design und Anfertigung angepasster faseroptische Bauelemente (Splitter, Combiner, 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
  • Optimierten Auswerteroutinen u.a. für:
    • Temperatursensorik (3K bis 2000°C)
    • Dehnungssensorik (0,0001% bis 5%)
    • Schnelle Messung für Schwingungsanalyse (> 10kHz)

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Charakterisierungsmethoden

Das KSF verfügt über umfangreiche Messtechnik und langjährige Erfahrungen für die Untersuchung optischer und struktureller Eigenschaften von Materialien, Preformen und Glasfasern. Damit werden eine engmaschige Begleitung und kontinuierliche Optimierung der Herstellungsprozesse sichergestellt. Darüber hinaus werden auch Forschungsgruppen im Institut, die immer häufiger optische Fasern in ihren eigenen Forschungsbereichen nutzen, sowie externe Partner aus Industrie und Forschung unterstützt.

  • Hochauflösende Bestimmung von Brechzahl- und Spannungsverläufen sowohl in optischen Preformen als auch Fasern
  • UV-VIS-NIR Absorptionsmessungen an kompakten Glasproben
  • Lichtmikroskopie mit Bildauswertung zur geometrischen Analyse feiner Strukturelemente in Fasern
  • Optische Charakterisierung von einfachen aber auch komplexensten Glasfaserstrukturen (Dämpfung, Cut-off Wellenlänge, Biegeverluste, inkl. Substrukturen)
  • Zeitlich und spektral aufgelöste Fluoreszenzmessungen an Volumen - und Glasfaserproben
  • Zugfestigkeitsmessung von Fasern
  • Störstellenanalyse mittels OTDR

Sowie in enger Kooperation:

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Design und Simulation optischer Spezialfasern

Moderne optische Fasern sollen oft sehr spezielle neuartige photonische Eigenschaften aufweisen. Dazu müssen viele optische und Material-Parameter exakt berechnet und aufeinander abgestimmt werden. Die Simulationsexperten nutzen hierzu optimierte Scripte und Routinen basierend u.a. auf kommerzieller Software wie MATLAB®, COMSOL Multiphysics®, ZEMAX®, Optiwave® aber auch eigens entwickelte Programmbibliotheken.

  • Strahlenoptische Simulationen (Laserfasern, FBG-Einschreiben)
  • Wellenoptische Eigenschaften in Fasern (Modenprofile von realen Brechzahlprofilen, mikrostrukturierten und Hohlkernfasern)
  • Design und Simulation faseroptischer Module in optischen Spezialfasern
  • Eine enge Zusammenarbeit mit der Charakterisierung ermöglicht verfeinerte Messmethoden und Interpretation der Ergebnisse

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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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