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Homogenisierung dotierter Quarzgläser mittels plasmabasierter Prozesse

Zur Verbesserung der homogenen Konzentrationsverteilung von unterschiedlichen Dotanden in der Quarzglasmatrix insbesondere im REPUSIL-Prozess wurde ein plasmabasierter thermischer Nachbehandlungsschritt entwickelt und optimiert. Die Kombination der sehr selektiven Heizzone des Plasmabrenners mit der mechanischen Torsion des Materials führt dabei zu einer sehr effizienten Homogenisierung von dotierten Quarzgläsern.

Plasmahomogenisierung an Kieselglas

Rasterelektronen Aufnahme vor und nach der Homogenisierung

Von Volker Reichel // Hardy Baierl // Tom Trautvetter // Kay Schuster

Für die homogenere radiale Verteilung der Dotandenkonzentration mit dem Ziel eines homogenen Brechungsindexes in bulkoptischen Gläsern und im Kern von passiven und aktiven Lichtleitfasern wurden verschiedene plasmagestützte Prozesse entwickelt und getestet. Insbesondere bei pulverbasierten Herstellungsverfahren, wie beispielsweise dem REPUSIL-Prozess, ist zur Realisierung dieser Zielstellung die zusätzliche thermische und mechanische Nachbehandlung erforderlich.

Die technologische Basis des entwickelten Verfahrens ist eine Vorrichtung mit zwei rotierenden Dreibackenfuttern, in die die sogenannte Preform (dotierter Quarzglasstab) nach ihrer Fertigstellung eingespannt wird. Die Umlaufgeschwindigkeiten der Futter sind getrennt und definiert regelbar. Entlang der rotierenden Preform wird ein auf einem Linearversteller befestigter Plasmabrenner mit sehr schmaler Heizzone bewegt. Dieser sehr selektive Energieeintrag stellt die Formstabilität bei gleichzeitiger lokaler Homogenisierung sicher.

Durch systematische Variation der Gaszusammensetzung in der Plasmaflamme und der Torsionsrate konnten die entscheidenden Prozessparameter (Prozesstemperatur, Absolut wert und Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten) dahingehend optimiert werden, dass deutlich homogenere Dotandenverteilungen erreicht wurden. Der Einfluss des Verfahrens auf die Homogenität der Konzentration der im Präparationsprozess eingebrachten passiven und laseraktiven Dotanden wird an beidseitig polierten ca. 1 mm dicken Scheibchen der Probe nachgewiesen, einerseits durch Rasterelektronenmikroskopie und anderseits durch Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA). Abbildung 1 zeigt die Anlage mit einer Preform während des Homogenisierungsprozesses.

In Abbildung 2 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen vor und nach der Homogenisierung gegenübergestellt.

Angewendet wird das zum Patent angemeldete Homogenisierungsverfahren bei der Herstellung optischer Spezialpreformen für laseraktive Lichtleitfasern oder bulkoptische Komponenten zum Einsatz in Hochleistungs-Faserlasern und  gepulsten Hochenergie-Lasersystemen. 

Weiterhin wurden Laseraktive, Scheibenförmige Proben als laseraktives Medium für den Hochleistungslaser PENELOPE am HZDR in Rossendorf prozessiert. Dieser Petawatt Laser soll Ergebnisse zur Schwerionenkrebstherapie liefern, bei der ein sogenannter Bragg Peak erzeugt wird. Dieser Bragg Peak ermöglicht die patientenschonendere Tumorbehandlung in tiefliegendem Gewebe im Vergleich zur klassischen Strahlentherapie.

Die Preformen wurden nach der Verglasung homogenisiert und gesenkt. Danach erfolgten der Schliff und die Politur, sowie das Feinkühlen, um thermisch induzierte Spannungen zu minimieren.

Diese Laseraktiven Kieselglasscheiben besitzen gegenüber den derzeit eingesetzten Ytterbium dotierten Calciumfluoridscheiben einige wichtige Vorteile. Neben der deutlich höheren Härte ist vor allem die signifikant höhere Temperaturschockbeständigkeit zu nennen, welche bei Hochleistungslasern mit Pulsleistungen im Petawatt Bereich notwendig ist. Derzeit sind jedoch die aktiven Calciumfluoridscheiben bezüglich der Homogenität den Kieselglasscheiben überlegen. Durch die Aktivitäten im Wachstumskern PADES konnte ein Schritt in Richtung dieser erhöhten Qualitäten gemacht werden. Die Brechzahlhomogenität konnte durch die Homogenisierung um ungefähr eine Größenordnung gesteigert werden.

Gefördert von: BMBF, Leibniz-Gemeinschaft

Zugehörige Patentmeldung

EP-Anmeldenummer: 16176590.4-1375 

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