光子晶体光纤、特别地用于ir波长范围的单模光纤以及用于其生产的处理的制作方法

光子晶体光纤、特别地用于ir波长范围的单模光纤以及用于其生产的处理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在>1μm的IR波长范围内，特别地在1μm和20μm直径，优选地在9μm和20μm之间的波长范围内传输电磁辐射的光子晶体光纤，特别地单模光纤，所述光子晶体光纤包括具有直径D的光传导中空芯，特别地中空芯，和围绕所述光传导中空芯布置的多个中空体，特别地由硫族化物玻璃制成的中空体。本发明的特征在于所述中空体(10、20)布置成使得所述光传导中空芯的直径D大于待被传输的最小波长，优选地至少20μm、优选地至少50μm、特别优选地至少100μm、优选地在100μm和500μm之间的区域内，特别地在150μm和350μm之间的区域内，并且用于传输电磁辐射的阻尼<2dB/m，特别地<1dB/m、优选地<0.3dB/m、特别地<0.1dB/m。
【专利说明】
光子晶体光纤、特别地用于IR波长范围的单模光纤以及用于 其生产的处理
技术领域
[0001]本发明涉及光子晶体光纤，特别地用于IR波长范围的单模光纤，以及用于以拉伸 法生产该类型的微结构化光纤的处理。
【背景技术】
[0002] 如例如在Lexikon der Optik的第213-214页中已经描述多次的用于传导光的玻 璃光纤通常包括具有不同的折射率的两种材料的结合，相对高折射的光传导芯材被包覆在 具有低折射率的材料中。通常，这些是玻璃材料，其中用于光传导芯玻璃的玻璃材料不同于 具有低折射率的护套玻璃的玻璃材料。这样的结构使得光能够借助于在芯和护套之间的界 面处的全反射沿着芯中的光纤的轴线传导，而没有光穿过护套向外离开。这样的光纤被称 为阶梯折射率光纤。
[0003] 在这样的光纤中，芯玻璃对于期望波长的待传导辐射必须具有非常高的透明度， 使得光纤中的吸收损失保持得非常低。为了传输C0 2激光辐射，因此必须使用在例如从9μπι 至12μπι的激光波长范围中具有非常高的传输的材料。唯一已知的在所提及的波长范围中足 够透明的种类的材料是硫属化物。芯-护套光纤可以由其生产，但是这些具有相对高的5dB/ Μ的吸收，即输入辐射的仅30%在lm的距离之后到达光纤出口。
[0004] 然而，这样的光纤仅能经受几瓦的极低激光功率，因为它们对较高的功率显示非 常高的吸收，从而导致强加热并且因此导致光纤的破坏。这些光纤因此不适合工业用途。
[0005] 作为上述光纤的替代，为了获得改善的C02激光辐射的传输，熔融硅管在其内部可 用银涂覆以便反射C0 2激光辐射并且因此实现辐射在该玻璃管中在从一米到几米的一定距 离内的传输。典型的吸收在1 dB/m以上的范围内。替代可能性是使用由聚合物和硫属化物玻 璃交替构成的高达40个干涉层涂覆玻璃管内部。例如，在lOwn的波长下获得这样的反射性， 其使得C0 2激光辐射在内壁处反射并且因此在这样的光纤管内传输。典型的吸收或阻尼在 ldB/m以上的范围内。
[0006] 所有这些光纤管都不是单模的，即它们是多模光纤。
[0007] 具有涂覆的内管的两种变型具有以下缺点，由于高吸收，仅低激光功率下运行的 脉冲激光是可行的，因为否则光纤会由于吸收而被加热并且被破坏。甚至在低功率下，这样 的光纤的寿命仅能运行几小时。为此，这样的光纤通常仅使用一次，例如用于激光手术中的 医疗应用。另外，这些光纤管具有高达1mm的非常大的内径和外径，这仅允许非常大的弯曲 半径。
[0008] 另一类型的光纤是光子晶体光纤(PCF)。在这样的玻璃光纤中，光不是借助于不同 材料、例如不同玻璃的折射率，而是通过借助于气体、特别是空气产生的材料内的有效折射 率差进行传导。关于这样的光纤，可以例如参考Science 299,358-362 ( 2003 )， P.St.J.Russel，"Photonic Crystal Fibres"和J.Light Wave Technology,24(12),4729-4749(2006)，P. St · J.Russel "Photonic Crystal Fibres"，上述文章的全部内容通过引用 全部并入本专利申请。借助于气体、特别是空气产生的玻璃内的有效折射率差通过围绕光 传导芯布置的孔结构实现。光传导芯可以是固体材料或气体，特别是空气或者诸如氩之类 的惰性气体。
[0009] PCF中的有效折射率差通过围绕光传导芯布置的周期孔结构实现。PCF通常由石英 玻璃(Quarzglas)制成。这里，合适的玻璃管被组装以产生预成型件，其中位于中间的管由 相同尺寸的稍后形成光传导芯的棒代替。这样的预成型件包含高达几百个单独的管并且通 常具有 50mm的直径。在随后的单级或多级拉伸处理中，预成型件被拉伸成^δμπι光纤，其中 孔结构必须制成比相同程度更小。作为替代，结构中间的棒在拉伸光纤时可以被省略，使得 形成中空的芯光纤。如果光纤中的微结构的对称性和精确性足够好，该光纤也如同基于带 隙效应的经典芯-护套光纤传导辐射，这里不更加详细地描述。因为没有吸收介质存在于这 些中空芯光纤中，C0 2激光辐射原则上应该能够由此传导。然而，由石英玻璃构成的传统结 构化的中空芯光纤在5μπι的波长以上不再透明并且C0 2激光辐射必须与中空芯内的微结构 相互作用以便实现带隙效应。因为C02激光辐射在其撞击在石英玻璃上时被吸收，没有发生 带隙效应，但相反光纤被加热到破坏。
[0010] CN 10 298 1212 A已公开了由碲玻璃构成并且在从3μπι到5μπι的波长范围中透明 的PCFXN 10 298 1212 Α中描述的PCF被描述为单模光纤，但CN 10 298 1212 Α没有给出 关于中空芯的直径的信息并且未指出任何阻尼值。用于拉伸细光纤的处理也未说明。此外， 在拉伸处理之后没有产生关于光纤的尺寸的信息。
[0011] 光子晶体光纤的生产存在相当大的问题，因为在传统的拉伸处理中，光纤、特别是 微结构化的光纤的预成型件由于中空空间而非常复杂。在升高的温度和相对小的结构尺寸 下，中空空间倾向于由于表面张力而坍塌。
[0012] 结构的单独部件的坍塌导致总预成型件的坍塌，使得光纤的完整结构在大多数不 利的情况下坍塌。
[0013] FR 2 606 866已经公开了用于借助于拉伸处理利用两个加热装置生产光纤的处 理。在FR 2 606 866中描述的处理中，在两个串联布置的分开的加热区中实现加热。作为借 助于FR 2 606 866中描述的设备加热的材料，其由聚合物、特别是PMMA制成。
[0014] FR 2 606 866中说明的两级加热防止预成型件的外部和内部的同时加热。当利用 FR 2 606 866中所述的处理和设备时所得到的不均匀加热导致预成型件的内部结构的坍 塌。
[0015] 涉及玻璃光纤的生产的另外的文献是US 7,374,714和US 2005/0274149,但仅具 有一个加热装置。
[0016] DE 37 04 054已公开了一种使玻璃管坍塌的方法。因为玻璃管首先必须坍塌，即 它必须已经是热的，在C02辐射能够带来任何效果之前，在DE 37 04 054中提及的C02激光辐 射不能用于借助于多个加热装置同时加热。
[0017] 此外，在DE 37 04 054中，玻璃管的内部区域被从内部并且借助于辐射(借助于 c〇2激光)通过顶部处开口的玻璃管加热，该辐射不能从外部穿过玻璃。
[0018] 关于玻璃光纤和光纤的生产的主题的另外的文献是DE 698 27 630和US 6，861， 148〇
[0019] DE 10 2011 103 686 A1已经公开了用于生产微结构化的光纤、即PCF的处理，其 中可以成功地拉伸微结构化的光纤、非常特别优选的光子晶体光纤。根据DE 10 2011 103 686 A1，其公开内容通过引用完全并入本专利申请，光纤材料通过拉伸处理由光纤的预成 型件、特别是微结构化的光纤生产，并且借助于至少一个第一加热装置和至少一个第二加 热装置加热到拉伸温度，其中第一加热装置是提供高于光纤材料的软化温度的温度的加热 装置。优选在其下粘度在n=10 4dPas-107'6dPas的范围内的温度。这导致温度优选地在高于 光纤材料的软化温度10K到100K、特别是20K到60K的温度。第二加热装置根据DE 10 2011 103 686 A1是如例如在WO 00/56674中公开的IR加热装置，其公开内容通过引用完全并入 本专利申请，其具有>1300K、特别地>1500K、特别地>2000K、优选地>2500K的温度。第一和第 二加热装置基本上同时或同时在单个加热区内起作用。纤维的预成型件然后优选地在单级 加热操作中从外部被加热。
[0020] 在具有两个加热装置的加热区中依据DE 10 2011 103 686 Α1的单级加热实现预 成型件的外部和内部的同时加热并且防止内部结构的坍塌。
[0021] 各种光纤材料的软化点取决于光纤材料的分类以不同的粘度被限定。通常，软化 点在从η=1〇4到10 8dPas的粘度范围内。
[0022] 在玻璃材料和玻璃陶瓷材料的情况下，软化点Tew是在其下玻璃在环境气氛中具有 q=l〇7'6dPas的粘度的温度。在这方面，可以参考1996年Heinz G.Pft:ndcr，Chapman&Hall的 "Schott-Guide to Glass"的第21页，特别是表2.1，其公开内容通过引用全部并入本专利 申请。同样地如1996年Chapman&Hall的"Schott-Guide to Glass"的第21页图2 · 3所不，对 于不同类型的玻璃，粘度对温度曲线是不同的。因此对于不同类型的玻璃获得不同的软化 点或软化温度T EW。具有低软化温度的玻璃的在DE 10 2011 103 686A1中的实例是例如重火 石玻璃，例如来自美因茨的SCHOTT AG(肖特公司）的玻璃SF6,具有TEW = 519°C(n = 107'6dPas)的软化温度。
[0023]由于两个加热装置的使用，DE 10 2011 103 686 A1中描述的处理防止中空结构 中发生不受控制的变化。
[0024] US 2005/0025965 A1已公开了一种由硫族化物玻璃构成具有中空芯的光学玻璃 光纤。从US 2005/0025965 A1已知的玻璃光纤是具有光子带隙的玻璃光纤。US 2005/ 0025965 A1未公开导致小于2dB/m、优选地小于ldB/m、特别地小于0.3dB/m的阻尼值的中空 体的布置。US 2005/0025965 A1同样未公开晶体光纤是模保(Moden-erhaltende)的晶体光 纤。
[0025] US 2012/0141080 A1同样公开了具有光子带隙（光子隙）和中空芯的由硫族化物 构成的玻璃光纤。如同US 2005/0025965 A1、US 2012/0141080 A1没有说到任何有关在传 输期间导致低阻尼值或模保的中空管的布置的内容。
[0026] US 2008/0199135 A1描述了一种玻璃光纤，其中能由硫族化物玻璃制成的包层包 围光传导芯。包层本身具有多个孔，这些孔布置在六角形单元中，而六角形单元继而形成阿 基米德栅格。如同上述文献，没有关于导致低阻尼值的围绕芯的中空管的布置的信息。

【发明内容】

[0027]本发明的目的是克服现有技术的缺点并且提供允许以低损失在IR波长范围内传 输电磁辐射的光学纤维。此外，还提供用于生产这样的光纤的处理。
[0028] 该目的根据本发明由光子晶体光纤实现，该光子晶体光纤特别地被设计为单模光 纤并且允许在>1μπι的IR波长范围内、特别地在从Ιμπι到14μπι、优选地从9μπι到12μπι的波长范 围内传输电磁辐射，并且具有光传导中空芯和多个围绕光传导中空芯布置、由玻璃材料、特 别是硫族化物玻璃构成的中空体、特别地中空管。根据本发明，光子晶体光纤的特征在于， 中空体布置成使得光子晶体光纤的中空芯的直径D大于待被传输的最短波长，优选地至少 20μηι，优选地至少50μηι，特别优选地至少100μπι，优选地在从100μπι到500μηι的范围内，特别地 在从15Ομπι到350μηι的范围内，并且用于电磁福射的传输的阻尼〈2dB/m，优选地〈1 dB/m，优选 地〈0.3dB/m，特别地〈0.1 dB/m。
[0029] 现有技术未公开具有这样低的阻尼值的光子晶体光纤;特别是，现有技术中存在 的光纤和生产方法不适于提供用于从9μπι到12μπι的波长的传输范围的低阻尼、模保光纤。
[0030] 在本发明的特别有利的实施方式中，围绕光传导中空芯布置的单独的中空体特别 地是由硫族化物玻璃构成的中空管，这些中空管以环形方式布置在围绕中空芯的所谓的结 构环中。
[0031] 发明人已令人惊讶地发现，仅在围绕中空芯的一定数量之上的结构(孔)环获得例 如小于2dB/m的低阻尼。
[0032]这是令人惊讶的，因为现有技术已经暗示围绕中空芯的少量结构环、例如两个和 不超过三个结构环足以维持良好的辐射引导。该假设基于在10M1区域中的待被传导的电磁 辐射的波长。因此，结构尺寸、即围绕中空芯的孔的直径在?〇μπι区域中对于产生带隙效应也 是必需的。因为辐射仅在中空芯内被传导，辐射场不可以太深地"穿透"进入孔结构，以便不 被吸收或发射。本领域技术人员因此将假定，一个波长以上的结构宽度、即围绕中空芯的至 少两个结构环应该足以确保辐射的引导。
[0033] 发明人已令人惊讶地发现，至少6个数量的结构环能导致例如小于2dB/m的阻尼。 对于8个结构环已获得小于ldB/m的阻尼，并且对于10个结构环已获得小于0.5dB/m的阻尼。 这可以由容易消散的辐射场来解释，与经典的物理法则所解释的相比，该辐射场更深地穿 透进入介质。
[0034] 这能归因于当前光纤的不同传导机理。以类似于半导体中掺杂原子和其电子结构 的量子力学的方式，在这里考虑的光纤的情况下，光子(光）通过缺陷态/模被引导到带隙 中。
[0035] 在围绕芯延伸的完美的无限光子结构、这里为孔的偏差导致缺陷模场耦合到其环 境。该耦合极其敏感地取决于环的数量，并且仅一个环的减少导致损失的急剧增加。
[0036] 硫族化物玻璃是在其网络中玻璃形成元素硅和氧已被锗、砷以及较重的硫族元素 硫、硒和碲代替的玻璃。由于较重元素和较弱的化学键合，硫族化物玻璃的透光性从可见光 谱范围偏移到红外光谱范围。硫族化物玻璃通常是具有较小机械强度和热阻、但具有比在 用于可见光谱范围的玻璃的情况下显著更大的热膨胀的半导体。
[0037] 所指出的光子晶体光纤的特征在于，它首先由于硫族化物玻璃的使用而具有高IR 传输，并且其次，不管至少20μπι、优选地至少50μπι、特别优选地至少100μπι的中空芯的非常大 的直径，在> Ιμπι的IR波长范围内、优选地从1到14μπι、特别地从9到12μπι的范围内具有非常低 的阻尼，该阻尼优选地小于2dB/m，优选地ldB/m，优选地小于0.3dB/m，特别地小于0. ldB/m。 令人惊讶地，不管中空芯大于100μπι，仍可以传输单模。这不是可预见的，因为在现有技术中 单模光纤始终仅在光纤的芯直径或中空芯仅略大于或等于待被传输的波长时才能得到。如 果将芯直径制造成显著大于待被传输的波长，例如两倍大，则自动建立多模传输。不管大十 倍的芯直径，当前光纤允许对于在从1到14μπι、特别是从9到12μπι的波长范围内的IR辐射进 行单模传输，其阻尼值<2dB/m。
[0038] 特别是当中空管具有特别的几何结构时令人惊讶地实现了低阻尼值。因此，发明 人已令人惊讶的发现，中空体具有圆形或六角形横截面。
[0039] 已令人惊讶地发现，当中空芯不具有如现有技术中的圆形结构而相反具有多边形 横截面，特别是六角形横截面时，能实现<2dB/m、优选地〈ldB/m、特别地〈0.3dB/m、特别优选 地〈0.1dB/m的特别低的阻尼值。在六边形中空芯的情况下，能实现0.01dB/m或更小的阻尼 值。非常特别优选的是将中空芯的六角形横截面与管的六角形横截面结合。这里能实现〈 0.01dB/m的损失。
[0040] 显示低阻尼的光子晶体光纤具有以下构造中的一个：
[0041 ]-中空体被构造为具有基本上圆形的内部横截面和填充的装填间隙 (geschlossenen Packungsliicken)的中空管，
[0042 ]-中空体被构造为具有基本上圆形的内部和外部横截面和空的装填间隙(of f enen Packungsliicken)的中空管，
[0043]-中空体是致密装填(dichte Packungen)的六边形中空管并且该六边形中空管经 由它们的平坦侧接合，或者
[0044]-中空体是具有闭合的装填间隙（geschlossenen Packungsliicken)的六边形中空 管。
[0045]特别优选的是这样的中空体，其具有间隔a并且该间隔a在从Ιμπι到14μπι的范围内 的待被传输的波长下为>5μηι，特别地a>ΙΟμπι，优选地在从5到50μηι的范围内，优选地在从10 到20μπι的范围内。这些绝对值由发明人从以下发现导出，由间隔a与待被传输的波长λ的比 值限定的几何因子在a/λ多1时对于基本上无损传输是有利的，即中空光纤的间隔在9μπι的 待被传输的波长下是例如9μπι或更大。
[0046]非常特别优选的是这样的中空体，其具有内径d = 2r并且该内径d在从0.98 · a到 0.90· a的范围内，其中a是中空体的间隔，因为管的壁厚尽可能薄，使得带隙效应是特别显 著的。
[0047]此外，发明人令人惊讶地发现，阻尼取决于围绕中空芯的孔结构的精度。这适用于 这里由a表示的两个孔之间的间隔，并且也适用于孔本身的直径。这里所坚持的几何结构也 是重要的，即取决于该结构的预期形状，孔是完美的圆形或完美的多边形。避免卵形孔或相 邻孔的直径的偏差。甚至在超过4%的结构精度的偏差下阻尼增大。在具有ΙΟμπι的孔的直径 的圆形孔的情况下，4%将意味着孔被允许是9.6μπι或10.4μπι。这也适用于所有参数（间隔、 直径、与相邻孔比较的变化）。在10%的偏差之上，阻尼如此大，使得辐射不再能通过具有超 过50cm的长度的光纤被有效地输送。
[0048]在〈10%、例如9.5%的孔半径变化的情况下，从球状模式的显著偏离和损失是可 辨别的。
[0049]发明人也已意识到，光纤中的传导行为也取决于材料、特别是玻璃材料的折射率。 当对折射率η的特殊值显示特别令人满意的良好的传导的结构已被确定时，已发现仅大约 10%的小偏差显著增大阻尼。因此，例如，不可以将用于具有m的折射率的特殊材料的PCF 的设计应用于具有112的折射率的材料。阻尼受结构和玻璃类型、即折射率和在感兴趣的波 长范围内块状玻璃的传输的结合的影响。
[0050] 特别优选的是，包括具有2.0-2.7的折射率η的玻璃类型的光纤结构，使得光纤在 10Μ1的波长下具有基模。〈2的折射率η因此导致辐射在结构中的更大散发，这导致较高的阻 尼。
[0051] 特别优选的是由硫族化物玻璃构成的光子晶体光纤，其包括以下元素中的至少一 个：
[0053]特别优选的硫族化物玻璃是来自美因茨的肖特公司的硫族化物红外线玻璃。这里 实例是来自美因茨的肖特公司的玻璃IG2，用于从3到5μπι和从8到12μπι的范围内的红外线辐 射的Ge33.A S12.Se55透红外线的硫族化物玻璃。一个替代是来自美因茨的肖特公司的玻璃 163、663(^^13.3632 1625玻璃或者来自￥几1?0吧口62丨3^?^1^切€€6股份有限公司的玻璃164、 Ge1(). As4〇. Se5Q玻璃。替代地来自美因茨的肖特公司的玻璃IG5、Ge28. Sb12. Se6Q玻璃或者来自 美因茨的肖特公司的玻璃IG6、AS4Q.S e6Q玻璃，其也是硫族化物玻璃，其能用于本发明的工 作实例中。
[0054]首先使本发明的光纤可用作这样的光纤，即其具有至少20μπι、优选地至少50μπι、特 别优选地至少100μπι直径的中空芯以用于在单模运转中传输激光辐射。从现有技术中已知 的结构具有小于20μπι的中空芯尺寸，其对于实际使用不令人满意。本发明已第一次公开了 对于光子晶体光纤大于20μπι、优选地至少50μπι、特别优选地至少100μπι的中空芯尺寸与同时 具有以<2dB/m的低阻尼的单模传输的结合。本发明的特征在于，在IR波长范围内具有>2的 优选折射率η的硫族化物玻璃的材料分类和微结构的中空芯光纤的结合，其中该结构具有〉 20μL?、优选地至少50μL?、特别优选地至少100μπι的中空芯直径，并且允许具有小于2dB/m的阻 尼值的单模激光辐射的输送。已令人惊讶地发现，几何微结构的有限选择特别适于该目的。 [0055]除了中空芯中的空气，中空芯中的其他气体也是可想到的，以便保护周围材料不 被热影响和热反应损坏。具有复杂的几何微结构的高折射玻璃和这些结构的高精度制造的 结合第一次使得有可能在>20μπ?、优选地至少50μL?、特别优选地至少100μπι直径的中空芯中 输送>5μηι的单模激光福射。已令人惊讶地发现，从文献已知的已知几何结构、其中光纤的结 构通过简单堆叠玻璃管并且随后进一步拉伸而形成、对于这样的光子晶体光纤仅具有有限 的适用性。
[0056]除了光子晶体光纤，本发明还提供用于生产这样的光子晶体光纤的处理。
[0057] 因此，该类型的光纤可以仅通过如DE 10 2011 103 686 Α1中所述的特定拉伸处 理以足够的精度进行生产。非常小的偏差能导致单模的损失或增大低阻尼，这最终导致如 上所述光纤的破坏。
[0058]从外部(例如借助于水或气流)或内部(例如借助于结构或中空芯中的气流)冷却 光纤对于光纤的功能也是有利的。
[0059]与DE 10 2011 103 686 A1相反，如果热量仅借助于传统的电加热（例如可以是第 一加热装置），通过从热炉气氛到预成型件的表面(代表中空体）的热传递从外部向内供应 到预成型件，并且从那里通过热传导进入中空结构的内部，则中空结构表现出特别高的热 阻并且温度梯度在预成型件的该区域内大大增大。然后必须将外部结构的表面加热到实际 要求的拉伸温度之上以便中空结构的内部达到拉伸温度。这导致结构的外圆周上的温度增 大到这样的程度，使得那里存在的中空结构由于表面张力改变它们的形状或者甚至坍塌， 表面张力随着升高的温度和较小的结构尺寸而增大。结果，定位在更内部的孔和相邻的孔 同样地改变形状，因为热阻由于已改变形状或已坍塌的孔而从外部减小，并且进入剩余结 构中的热输入因此增大。该多米诺效应传播直到完整的结构形式已被改变或坍塌。因此单 独地就借助于单个加热装置、例如设计为电加热的第一加热装置加热预成型件而言，稳定 的拉伸处理是不可能的。
[0060]主要基于局部地发射红外线辐射的IR加热的第二加热装置的单独使用也是不可 能的。尽管红外线辐射能不受阻碍地通过结构的外部，IR辐射穿过中空结构的多次通过由 于在中空结构的各个表面处的多次反射而发生并且带来吸收的IR辐射的局部增大的比例， 从而导致中空结构的与结构的外部相比强烈的加热。当在结构的外部区域中达到拉伸温度 时，因此温度已经在中空结构内显著升高，从而导致较低粘度使得结构改变其形状或坍塌。 [0061 ] 在如DE 10 2011 103 686 A1所述用于生产光子晶体光纤所采用的处理中，在前 已被单独描述并且它们本身在每一情况下导致结构的不受控制的或不受影响的形状改变 或坍塌的两种加热方法现在被结合，即传统的加热与IR加热一起。该结合令人惊讶导致结 构的不受控制的或不受影响的形状改变或坍塌能够被避免，即使单独采用的相应的方法不 能实现这个。关于DE 10 2011 103 686 A1中描述的处理为什么使得有可能如在PCF(光子 晶体光纤)的生产中所使用的加热中空预成型件而没有结构的不受控制的或不受影响的形 状变化或坍塌的解释在于，仅结构的外部区域、也称为护套管借助于传统的、即第一加热装 置被加热，而主要地仅内部中空结构同时借助于IR加热被加热。因此可以实质性彼此独立 地设置外部结构和内部结构的温度。特别地，仅使外部结构、特别是护套管精确地达到用于 随后的拉伸处理的拉伸温度所必须的热能的量必须借助于第一加热装置、即通常传统的加 热元件被引入到结构的外部。由于中空结构的高热阻而相对高的、穿过护套管以便导致内 部结构的加热的附加的能量输入不必可用到。相反地，在借助于红外线辐射的加热的情况 下，仅必须将该量的能量输送或引入到内部结构中，因为在内部结构的区域中必须将内部 结构精确地加热到拉伸温度。本发明的处理的另一正面效应是外部结构和中空结构彼此相 互影响并且进行一些热传递。与两种加热方法一起，这导致在预成型件的整个横截面上的 温度的均匀化。本发明的处理有利地允许预成型件的温度水平在拉伸处理中被降低，因为 仅对于待精确实现的拉伸温度局部所必需的能量的量必须被局部引入。这使得可以以最高 可行粘度执行拉伸处理。拉伸温度优选地在其中光纤材料的粘度在n=l〇 4到l〇8dPas的范围 内的温度范围内。对于玻璃材料，粘度优选地在n= 1〇4到107'6dPas的范围内，即玻璃材料的 拉伸温度始终高于在软化点下的玻璃材料的温度、即软化温度τ?。因为当采用DE 10 2011 103 686 A1中描述的处理时粘度保持在非常高的水平，中空结构的孔中的表面张力能保持 得很低，并且防止了形状变化，特别是完全坍塌。为了防止中空结构由于玻璃的表面张力而 在拉伸期间变得甚至略小，在本发明的有利实施方式中，可以提供通过将内部超大气压力 施加到中空结构的孔而对抗的这样的现象。这里，压力的大小应该被选择为使得表面张力 的绝对值被精确地补偿并且期望的结构尺寸得到建立。特别地，超大气压力的施加使得有 可能以针对性方式设定结构。
[0062] 在该处理中，优选地借助于两个加热装置在单个接合的加热区中同时进行从室温 向上的加热，并且因此产生均匀的温度场。与DE 37 04 054中所述的处理相比，这避免了内 部微结构的几何改变。在DE 37 04 054中所述的处理中，玻璃管能被制造成通过借助于辐 射(C〇2激光)从内部加热玻璃管的内部区域而對塌，该福射不能从外部通过玻璃，并且穿过 顶部开口的玻璃管进入。
[0063] 根据本发明的拉伸的玻璃材料是硫族化物玻璃，优选地来自美因茨的肖特公司的 硫族化物玻璃。
[0064] 为了获得能由其拉伸微结构光纤的预成型件，多个单独的中空管被组装以产生具 有例如50mm的直径和高达lm的长度的预成型件。取决于光纤是否其中芯是光传导的并且由 固体材料制成、或者作为替代采用中空芯用于光传导，要么管精确地在预成型件的中间由 相同直径的后来形成光传导芯的棒代替，要么对中定位的内管、例如七个管被去除以便形 成中空芯，其后来在光纤拉伸之前形成光传导部件。以这样的方式已被组装的主体随后在 第一拉伸步骤中例如借助于光纤拉丝塔、利用传统的电加热被下拉。这然后产生了预成型 件，其用于本发明的拉伸处理中以用于拉伸微结构光纤。
[0065] 在取出管之后，还可以通过插入支撑管来使中空芯稳定，该支撑管是薄壁的并且 在另一改进的实施方式中与中空芯的内部接触。如果支撑管是薄壁的，则它对带隙效应没 有影响并且不会干涉带隙效应。
[0066] 取决于材料，拉伸所必需的玻璃温度可以是处于不同温度。从模具拉伸进一步的 拉伸处理所基于的预成型件所需的玻璃温度是取决于待被拉伸的光纤的直径，在高于 10 7'6dPas的粘度下的软化点10K到100K、特别地20K到60K的范围内。在该第一拉伸步骤中， 因此可以使用常规的电加热设备。作为第一拉伸步骤的结果，单独的管沿着模具的轴线在 表面处粘合在一起，使得形成具有孔结构的实心棒。结构化的棒中单独的管的结构被按比 例减小。然而，在第一拉伸步骤中实现的孔直径仍如此大使得作为表面张力的结果的坍塌 不会发生。
[0067] 根据本发明，执行使用两个加热装置的第二拉伸处理以便获得具有期望的孔尺寸 的最终光纤。这里，必需确保设置适当的拉伸比，即预成型件直径与光纤直径的比。
[0068] 这样的直径优选地通过在第一拉伸步骤中获得的、被相同材料的厚壁护套管包围 的棒实现。根据本发明使用两个加热装置执行第二拉伸处理所处的温度是在高于软化点、 即待被拉伸的光纤材料、特别是玻璃材料的软化点TewIOK到100K、特别地10K到80K、特别地 20K到60K的范围内。
[0069] 为了确定拉伸处理中的温度，有利的是使用温度测量装置。高温计优选地被用作 温度测量装置。高温计使得有可能测量和评估从主体发射的热辐射。因为热辐射的强度取 决于温度，因此可以借助于高温计确定温度。
[0070] 为了借助于高温计确定预成型件内部的温度，优选地是在材料或玻璃对于由高温 计采用的达到进行测量所处的地方的辐射是透明的情况下，利用高温计作为材料的类型、 特别是例如玻璃的类型的函数。
[0071] 优选的是，借助于温度测量装置、特别是高温计确定的温度被采用以影响、特别地 调节加热装置的加热功率。关于预成型件已被加热到的程度的结论可以基于高温计测量作 出，并且加热装置可以因此以达到期望的目标温度的这样的方式被控制。
[0072] 上述处理使得可以生产在结构中具有中空体的布置的光子晶体光纤，该结构具有 中空体的间隔a和/或中空体的横截面。该处理的特征在于，中空体的间隔a和/或横截面对 于不同的中空体偏离小于10%，优选地小于4%，特别地小于1 %。
[0073] 除了具有单个光传导芯的微结构光纤的生产，对于预成型件还可以包括多个芯， 使得可以从这样的预成型件拉出多芯微结构光纤。
[0074] 为了加强光纤，在本发明的拉伸处理之后可以立即执行例如用聚合物层涂覆光 纤。
[0075]在这里使用UV可固化丙烯酸盐作为涂覆材料是特别优选的。
[0076] 除了光子晶体光纤和用于生产该光纤的处理，本发明还提供具有这样的晶体光纤 的激光设备。
【附图说明】
[0077] 在下文借助于工作实例说明本发明。附图示出：
[0078]图1是穿过根据本发明的光子晶体光纤的横截面；
[0079] 图2a_2e是穿过光子晶体光纤的不同实施方式的横截面；
[0080] 图3a_3e是用于光子晶体光纤的不同结构类型；
[0081] 图3f_3j是用于不同几何结构和/或折射率的光纤中的模式；
[0082] 图4a是作为用于第一拉伸步骤的基础的微结构化光纤的预成型件；
[0083] 图4b是在执行第一拉伸步骤之后为利用两个加热装置的第二拉伸步骤提供预成 型件的多光纤棒；
[0084] 图5是在利用两个加热装置的第二拉伸步骤之后的拉伸光纤；
[0085] 图6是具有两个加热装置的用于从预成型件拉伸光纤的设备。
【具体实施方式】
[0086] 附图是不能从其推断中空芯和围绕中空芯的各个中空管的精确尺寸的示意图。
[0087] 图1以剖面图示出穿过作为光子晶体光纤的根据本发明的中空芯光纤的横截面。 整个光纤由1表不。
[0088] 在双拉伸处理之后光纤具有护套管3。护套管3通常在第一拉伸处理之后被应用到 预成型件并且用来在例如200的拉伸比的第二拉伸处理期间使光纤稳定。护套管也被称为 包层。由护套管确定的总光纤的光纤外径从450μπι到1 ΟΟΟμπι。
[0089] 在第一拉伸步骤中，在所绘的实施方式中具有圆形横截面的多个单独的管或管子 10被组装，但本发明不限于此。单独的管子的横截面也可以是六角形的，如图2c至2e所示。 多个单独的管10形成由护套管3包围的结构40。
[0090] 由多个单独的中空管10构成的结构40的直径在本工作实例中是350μπι。结构40的 直径由_表示。
[0091] 在由单独的管10组装的结构40的中间，存在中空芯5,其与结构40形成对比，在第 二拉伸处理之后的最终光纤中，也具有六边形轮廓和130μπι的直径D牲。中空芯5的六边形外 部轮廓是所绘的光纤1的非常良好的阻尼行为的原因。光纤的阻尼在从0.2到0.01dB/m的范 围内。在本情况下为硫族化物玻璃、例如来自肖特公司的玻璃IG6的玻璃的折射率在所指出 的IR波长范围内大约为n = 2.5。
[0092] 图1中通过实例还示出了多个结构环中的两个，即第一结构环50.1和第二结构环 50.2,所述结构环围绕中空芯布置。另外的结构环、诸如第三结构环未被示出，但遵循相同 的方式。结构环50.1、50.2的形状在本实施方式中是六边形的，但没有严格限制于此。发明 人已确认阻尼在很大程度上由结构环的数量影响。因此，例如，6个结构环能导致低于2dB/m 的阻尼值，8个结构环能导致低于ldB/m的阻尼值，并且10个结构环能导致低于0.5dB/m的阻 尼值。
[0093]两级拉伸处理使得可以在第一拉伸处理中以较小直径的结构化棒拉伸结构，该结 构化棒设置有包层或护套管，并且随后在第二拉伸处理中、例如在如下所述的下拉处理中 被拉伸以产生最终光纤，如图1所绘，其中嵌入护套管3中的光子光纤的总直径纤在从450μ m到ΙΟΟΟμηι的范围内。
[0094] 除了下拉处理，还可以在上拉处理中以两级拉伸光纤，该上拉处理在具有高重量 利用由重力对抗的自然或强制对流的较大预成型件的情况下是特别有利的。
[0095]图2a_2e示出具有用于各种结构类型的管10的不同中空芯5的光子晶体光纤。
[0096]在图2a中，能清楚地看到六边形外部形状的中空芯5,其中直径D牲是130μπι。
[0097]单独的管10的玻璃材料的折射率η为大约η = 2.5。单独的管10之间的玻璃材料由 11表示。中空空间5的折射率在使用空气时为η = 1。然而，还可以在中空芯5中使用其他气 体。结构40的单独的玻璃管或孔之间的间隔是a=10ym，并且单独的孔的直径是0.44a。在 10.6μπι的波长λ和10.6μπι的单独的孔的间隔a下，对于几何条件遵循大约1的值。在图2a中描 述的构造由于具有130μπι的直径的基本上六边形外部形状的中空芯5提供具有〈O.OldB/ m的阻尼的光子晶体光纤。单独的中空管之间的空间被填充有玻璃材料11。
[0098]图2b示出了与图2a相比结构化的替代构造。单独的中空管10的横截面再次是圆形 的，但是单独的中空管之间的中间空间14未填充玻璃材料，但是相反具有n = 2.5的折射率 的玻璃材料仅形成中空管10的外壁12。再一次，中空空间10以提供具有基本上六边形的外 部尺寸的中空芯5这样的方式被组装。图2b中描绘的结构40的中空芯5的直径D牲是大约117 μπι。单独的中空管10之间的间隔是11.28μπι，其对应于在λ = 1 〇 . 6μπι的光的波长下a/λ = 1.064的几何因数。与图2a中的实施方式形成对比，图2b中的中空管10之间的中间空间14未 填充玻璃材料并且玻璃材料仅仅由中空管的壁η提供。如图2a所示的工作实例中，玻璃材料 的折射率为大约n = 2.5。图2b中的结构的阻尼为大约0.01dB/m。通过在单独的中空管100之 间填充玻璃材料，如图2a，实现显著更好的阻尼值。
[0099]图2c示出本发明的另一变型。在图2c所示的实施方式中，结构通过布置 (Ineinanderstellen)具有六角形横截面的中空管20实现。中空芯5因此不具有圆形形状； 在目前情况下轮廓是具有边缘的六角形。
[0100] 如上，基本上六边形的中空管的外壁22的折射率为η = 2.5，并且具有六角形横截 面的单独的中空管之间的间隔为&=16.43以111。在入=1〇.6以1]1的波长下，几何因子3/入=1.55。 六边形蜂巢的直径是0.48 Xa，并且中空芯5的直径为大约115μπι。由于中空芯5的非常不 规则的形状，如图2c所示的结构的阻尼损失相对高，大约为0.2dB/m。
[0101] 高阻尼同样由如图2d所示的结构显示，在该情况下，单独的中空管20再次具有六 角形横截面，但中空管不再彼此直接邻接，而是相反在具有六角形横截面的单独的中空管 20之间的中间空间24内不存在玻璃材料，类似于图2b所示的构造。在图2d中材料的折射率 为n = 2.5。具有基本上六边形的外部直径的中空芯5的直径为大约109μπι。单独的结构元 件之间的间隔为15.58μπι，其对应于λ=1〇.6μπι的波长下几何因子a/A=1.47。对于图2d所绘 的结构测量出〈ldB/m的阻尼。
[0102] 图2e示出这样的结构，其与图2d中的结构的不同之处在于，具有基本上六角形横 截面的单独的中空管20之间的中间空间24填充玻璃材料21。再一次，具有六角形横截面的 中空管20，但是中空空间24、如在图2a所示的构造、填充玻璃材料21。中空芯5再一次具有基 本上六边形的形状并且中空空间的直径1)牲为大约122μπι。在基本上六边形的中空管之间引 入的玻璃材料21的折射率为η = 2.5。具有六角形横截面的单独的中空管之间的孔间隔为 11.15μπι，从而在波长λ=1〇.6μπι下产生几何因子a/X=l.〇52。具有如图2e所示六个边缘和 填充的中间空间24的单独的中空管以及填充有气体的六边形的内部中空空间5的横截面的 几何结构的构造到目前为止产生最低的损失，该损失小于〇.〇〇ldB/m。这样低的损失，特别 是与在从9到12μπι的IR波长范围内的电磁波的单模传输结合，是令人惊讶的并且对于本领 域技术人员是不可预见的。
[0103] 图2a至2e所示的不同结构类型也在图3a至3e的表格形式中进行了总结，其中不同 结构类型以及中空芯的直径、折射率和阻尼被描述。
[0104] 这里，根据本发明的〈ldB/m、特别是〈0.3dB/m的低阻尼可以通过图3a、3b、3c和3e 所示的布置来实现。图3a示出了具有基本上圆形内部横截面和填充的装填间隙的呈中空管 形式的中空体的布置。
[0105]图3b示出光子晶体光纤，其中中空体呈具有带敞开的装填间隙的基本上圆形的内 部和外部横截面的中空管的形式。
[0106]在图3c中，光子晶体光纤具有呈六边形中空管的致密装填的形式的中空体，其中 六边形中空管通过面接合。
[0107]最后，图3e示出其中中空体被构造为具有填充的装填间隙的六边形中空管的光子 晶体光纤。
[0108] 图3f_3h示出作为孔结构的精度的函数的晶体光纤中的基模的阻尼。
[0109] 发明人已发现，阻尼也取决于围绕中空芯的孔结构的精确度。这适用于两个孔之 间的间隔（由a表示）和孔本身的直径。还至关重要的是，取决于结构如何，孔是完美的圆形 或完美的六边形。卵形孔或相邻孔的直径中的偏差、在大于4%的结构精度的偏差下，导致 阻尼增大。当孔的直径是1 Ομπι时，4 %的偏差意味着孔可能具有9 · 6μηι或10 · 4μηι的尺寸。这适 用于所有参数（间隔、直径、与相邻孔相比的变化）。在10%的偏差之上，阻尼如此高使得辐 射能不再有效地通过具有大于50cm的长度的光纤传输。这在图3f-3h中示出。
[0110]图3f示出在良好传导的情况下的基模。与其相比，图3g示出在9.5%的几何结构的 偏差下相同的模式。模式的传导不再可辨别。图3h示出4.5%的偏差下的模式。甚至该偏差 导致已经遭受显著损失的非球形模式。
[0111] 图3i-3j示出模式的传导对用于相同结构的基体玻璃的折射率的依赖。当对于折 射率η的特殊值显示令人满意的良好的传导的结构被确定时，甚至大约10%的小偏差会导 致阻尼被显著增大。因此，例如，不可以将用于具有m的折射率的特殊材料的PCF的设计应 用于具有11 2的折射率的材料。阻尼因此取决于结构和玻璃类型的结合，即折射率和块状玻 璃在所感兴趣的波长范围内的传输。图3i示出用于特殊几何布置的基模。在图3j中，折射率 由与图3i相比的折射率改变，这导致对于相同波长的辐射的传导行为的完全损失。这意味 着当与玻璃类型结合的光纤结构已经例如针对2.0-2.7的折射率η被优化时，折射率n〈2导 致结构中辐射的极高散发，使得光模式不再被传导。
[0112] 下面参照图4a至5描述用于借助于图6所示的用于本发明的光子晶体光纤的设备 生产根据本发明的光纤的处理。
[0113] 图4a描绘了微结构化的光纤的预先-预成型件，其在第一步骤中被拉伸以产生预 成型件并且然后在第二拉伸步骤或拉伸处理中被拉伸以产生期望的微结构化光纤。
[0114] 图4a所示的是用于借助于拉伸处理、这里两级拉伸处理生产的微结构化光纤或光 子晶体光纤的起始点的预先-预成型件由并排放置的多个管100构成。管优选地由材料、特 别地工业或光学玻璃构成，由其生产完整的玻璃光纤。根据本发明，管由硫族化物玻璃构 成。管的外径以?为例如4mm并且内径Drt?为3mm;在固体材料的情况下，圆柱形主体或管仅具 有4mm的外径。
[0115]如果预先-预成型件，如所示，由管构成，这些管并排布置并且均具有4mm的外径， 则预先-预成型件的总直径为管的数量X4mm。在15个管的情况下，外径将例如是60mm。
[0116] 如果预先-预成型件然后在第一拉伸步骤中被拉伸，结果是预成型件，即具有例如 10倍更小外径的预成型件，其例如D個(预成型件）=6mm。图4b所示的预成型件借助于本发 明的处理在第二拉伸步骤中被进一步处理。对于第二拉伸步骤，具有6mm的外径1??的预成 型件例如被插入中空护套管或包层，使得护套管完全包围预成型件。供插入预成型件的护 套管的开口的直径大约对应于预成型件的外径，即大约6mm。护套管本身例如具有直径 = 25mm。在根据本发明的第二拉伸步骤中，预成型件与包围其的护套管一起被拉伸。在第二 拉伸步骤中拉伸之后，在其内部定位有光纤的护套管的外径因此例如是400μπι，并且中空芯 是大于20μηι，优选地至少50μηι，特别优选地至少100μπι。
[0117] 预成型件和光纤的预先-预成型件的长度Ιλ可以是一米或更多。
[0118] 在所示的实施方式中，定位于中间的一些内部管、例如七个管已被去除以便产生 中空芯120,该中空芯稍后形成光传导部分。
[0119] 如上所述，预先-预成型件在第一拉伸步骤中、例如使用能装备有电加热的光纤拉 丝塔、如图4a所示、通过从60mm拉伸到例如6mm被下拉到直径D新。图4b示出了拉伸的和变窄 的预成型件。由于拉伸处理，主体110的单独的管在沿着主体110的轴线140的表面处粘贴在 一起，如图4a所示，使得形成具有带中空芯130的孔结构的实心棒。在该结构化棒中单独的 管100被按比例减小尺寸。从如图4b所示的变窄的预成型件135开始，在根据本发明的具有 两个加热装置的拉伸处理中获得图5所绘的微结构化光纤。为此目的，图4b所示的预成型件 被引入例如具有25mm的外径的护套管，并且随后执行根据本发明的第二拉伸处理。
[0120] 在利用两个加热装置的本发明的拉伸处理之后图5所示的微结构化光纤的最终形 式中，孔130的直径减小到典型地从5μπι到15μπι的直径。在拉伸后光纤的总直径D槲为大约 400-1000μπι。为了从例如如图4b所绘的具有6mm直径的变窄的预成型件135开始，如图5所 示，拉伸具有400-1000μπι的直径的光纤，如上所述，有利的是利用由相同材料构成的厚壁护 套管或包层包围棒、"预成型件"，其具有在图4a和图4b中的第一拉伸步骤中获得的6mm的直 径。具有这样的护套管的光纤(未示出）的直径因此是25mm。从这样的主体开始，能例如以50 的拉伸比拉伸具有500μπι的期望的外径的光纤。
[0121] 在图5中，具有孔结构的芯，即拉伸之后的芯由附图标记210表示，单独的管由附图 标记200表示，并且中空芯由附图标记230表示。包围孔结构的护套主体由附图标记250表 示。如上所述，护套主体在第一拉伸处理之后围绕预成型件135布置，从而产生用于本发明 的光纤拉伸处理的具有25_的直径的起始主体。
[0122] 为了实现图5所示的微结构化光纤的形状并且避免在从预成型件开始拉伸期间单 独的孔的形状改变或坍塌，本发明提供使用两个加热装置，加热护套主体250的第一加热装 置和加热具有孔和用于光传导的中空芯的中空结构的第二加热装置。两个加热装置在预成 型件上的单个加热区中起作用，这基本上是同时或同步的。预成型件因此在单级中从外部 起作用。
[0123] 这样的加热设备是用于护套主体的传统的加热装置和在拉伸处理期间借助于IR 辐射源的用于被护套主体包围的由孔和中空传导芯构成的中空结构的加热装置。
[0124] 图6详细描绘了这样的设备。图6描绘了其中引入如上所述具有护套主体的预成型 件的拉丝塔1000。具有护套主体的预成型件在借助于根据本发明的加热装置设置的拉伸温 度下借助于拉伸处理被拉伸。被拉伸的光纤由1100表示。
[0125] 根据本发明，设备包括两个加热装置。在目前情况下，仅一个加热装置被构造为是 主动的，即在本实施方式中包含总共四个IR辐射器1201.1、1201.2、1201.3、1201.4的第二 加热装置1200。所采用的IR辐射器可以是在230V电压下具有2000瓦特的标称功率的卤素 IR 辐射器，其优选地具有2400Κ的色温。这些IR辐射器根据维恩位移定律具有在1210nm的波长 下的福射最大值。在根据本发明的拉伸处理中，IR加热装置和待被拉伸的材料定位于IR福 射腔1300内。辐射腔1300确保了待被拉伸的玻璃的加热部分地借助于IR辐射器的IR辐射直 接发生并且部分地通过已由IR辐射腔的壁、盖和/或底部反射或反向散射的IR辐射间接地 发生。对于作用于待被加热的玻璃或玻璃陶瓷坯料，这里待被拉伸的光纤110上的间接的、 即反向散射或反射的辐射的比例来说，特别优选地是大于50%，优选地大于60%，优选地大 于70%，优选地大于80%，特别优选地大于90%，特别是大于98%。使用IR辐射腔的特别优 点在于，使用非常强的反射和/或反向散射壁、底部和/或盖材料产生高质量的共振器，其仅 遭受小的损失并且因此确保能量的高度利用。当使用广泛地反向散射壁、盖和/或底部材料 时，实现在所有角度来自腔的所有体积元件的特别均匀的辐射。因此避免任何断开效果。作 为反向散射、即再发射壁材料，可以使用例如磨光的夸耳扎尔铝基轴承合金(Quarzal)板。 其他IR辐射器和反向散射材料也可能作为IR辐射腔的壁、盖和/或底部材料或涂层，例如以 下材料中的一个或多个：
[0126] Al2〇3；
[0127] BaF2；
[0128] BaTiOs；
[0129] CaF2；
[0130] CaTiOs；
[0131] MgO · 3.5Al2〇3；
[0132] MgO；
[0133] SrF2；
[0134] Si02；
[0135] Ti03；
[0136] Sr3；
[0137] Ti02；
[0138] 尖晶石；
[0139] 堇青石；
[0140] 堇青石烧结的玻璃陶瓷。
[0141] IR辐射器具有优选地>1500K、特别优选地>2000K、非常特别优选地>2400K，特别地 >2700Κ、尤其优选地>3000Κ的色温。
[0142] 为了避免IR辐射器的过热，这些优选地被冷却，特别地空气或水冷却(未示出）。
[0143] 在待被拉伸的材料、这里待被拉伸的光纤1100与IR辐射器1201.1、1201.2、 1201 · 3、1201 · 4之间，在所绘的实施方式中存在具有开口 1600 · 1、1600 · 2、1600 · 3、1600 · 4、 1600.5、1600.6、1600.7、1600.8的金属护套1500。具有开口的金属护套1500是插入IR加热 元件和待被拉伸的光纤1100之间的辐射干扰体。在IR辐射的作用下，金属护套1500或辐射 干扰体本身加热到特殊温度并且因此它本身变成加热元件、在目前情况下为第一加热元 件，其在待被拉伸的光纤1100的方向上对流地并通过辐射发出热量。IR加热元件的部分辐 射通过开口、例如在中空体的圆周上的轴向狭缝达到预成型件或待被拉伸的光纤并且从那 里进入预成型件内部，即进入中空结构中。该IR加热被称为第二加热元件。第一和第二加热 元件一起加热待被拉伸的玻璃体。金属体1500的材料的熟练选择和IR加热元件的选择的功 率允许将圆柱体的温度设定到低于IR辐射温度的任何值，目前情况下设置到高于待被拉伸 的材料的软化温度Tew优选地10Κ到100Κ的温度。两种加热方法-借助于第一加热元件的对流 加热和借助于第二加热元件的IR加热的结合使得有可能实现待被拉伸的主体、这里用于待 被拉伸的光纤的预成型件的在总体的均匀加热。
[0144] 如果改变IR加热元件的功率不足以影响呈金属护套1500的形式的第一加热元件 的热功率，则可以在金属护套1500上提供主动冷却或补充加热(未示出）。
[0145] 在图6的实施方式中，熔融硅管1700被插入具有开口 1600.1、1600.2、1600.3、 1600.4、1600.5、1600.6、1600.7、1600.8的金属护套1500内。熔融硅管1700高度透明，对于 从200nm到4000nm、即从UV范围远到IR范围的波长，具有超过80 %、特别地超过90%的透射。 在总体上气封的体积中在熔融石英管1700内执行光纤的拉伸。这具有不发生对流并且也总 体上避免污染的优点。另外，温度均匀性可以通过该管的掺杂或涂覆来调节。
[0146] 工作实例：
[0147] 下面描述由硫族化物玻璃生产光子晶体光纤的工作实例。
[0148] 作为硫族化物玻璃，来自肖特公司的硫族化物玻璃IG6被拉伸以形成光子晶体光 纤。硫族化物玻璃IG6是As4QSe6Q玻璃，其无锗并且在12.5μπι下具有最小吸收。在12.3μπι的波 长下，20°C下的折射率是η = 2.7721。
[0149] 具有31mm的外径和26mm的内径的管以及具有31mm的外径的棒首先从由来自肖特 公司的高IR透明玻璃构成的玻璃块通过机械处理生产。
[0150] 这些起始管通过在传统的拉丝塔中进一步拉伸被下拉以产生具有3.1mm的外径和 2.6mm的内径的预成型管。
[0151] 具有六角形横截面以及50mm的直径和高达lm或更长的长度的预成型件现在能通 过简单的组装而从3.1mm厚的管生产。这样的预成型件包含管的15个六边形环加上在预成 型件的中心的一个管。围绕包括在预成型件本身的中心的中间管的预成型件的中心的精确 定位的最内环5被取出而没有被替换。该中空空间形成在图2a_2e中由5表示的未来的光传 导中空芯。
[0152] 随后在具有传统的电加热的光纤拉丝塔中在第一拉伸步骤中将预成型件下拉到 10.5mm的直径。对于拉伸所必需的玻璃温度在来自肖特公司的玻璃材料的情况下，取决于 待被拉伸的预成型件的直径，高于软化点大约20K到60K(粘度η = 107·6dPs)，使得当使用传 统的电加热设备时，可以在从大约200 °C到300 °C的炉温下执行拉伸以便实现从200 °C到240 °C的必须的玻璃温度。作为特别匹配的拉伸处理的结果，单独的管沿着预成型件的轴线在 表面处粘贴在一起，使得形成具有孔结构的实心棒。在该结构化棒中单独的管的几何尺寸 已按比例制小。然而，这里实现的孔直径仍如此大使得作为表面张力的结果的坍塌不会发 生。
[0153] 为了在最终的光纤中实现11.28μπι直径的期望的孔尺寸，其中光纤的总直径应该 是500μπι，必须设置合适的拉伸比(预成型直径与光纤直径的比）。如果具有10.5mm的直径的 结构化预成型件将在本实例中必须以30的拉伸比变窄，则将获得具有350μπι的直径的光纤。 仅由极薄壁的管构成而没有强的外部光纤保护层的这样的单独光纤对于随后的操纵并且 也对于拉伸处理本身提出很大挑战。此外，这样的光纤不会具有500μπι的直径。为了获得这 样的期望的光纤，由其拉伸最终光纤的结构化棒必须具有15mm的直径。这通过用护套管包 覆在第一拉伸步骤中获得的10.5mm棒来实现，该护套管由相同材料构成并且其内径被精确 匹配。
[0154] 这样获得的最终组装的预成型件然后如上所述在第二拉伸步骤中，在大约240°C 的炉温下被下拉到500M1的直径。
[0155] 如上所述的混合加热技术的最重要的结果在于，在拉伸处理中预成型件的总温度 水平被降低，因为仅如被引入到那里为了精确地达到拉伸温度而局部所需的能量的量是必 要的。因此可以在最高可能的粘度下执行拉伸处理。这保持在这样高的水平下使得在中空 结构的孔中的表面张力能保持得如此低导致结构不会坍塌。由于较小的温度波动，然而可 以获得中空结构的尺寸的全部比例减小而没有任何孔完全坍塌。通过将几毫巴左右的内部 超大气压力施加到中空结构的孔可以针对性方式弥补该现象。压力的大小必须精确匹配使 孔坍塌的表面张力的绝对值。然而，如上面已经提及的，这仅当结构具有足够固有的稳定性 时没有孔就其本身而言完全坍塌时才可能。如果这发生，则由于不稳定性和自增强的物理 效果不可能实现总结构的稳定恢复和光纤尺寸的可靠按比例减小。
[0156] 在所述工作实例中，8_14μπι高温计被用于确定拉伸处理中预成型件的温度。为此 目的，必须存在从加热设备的外部到内部远到预成型件的表面的光学接近通路。如果预成 型件的内部、例如内部结构的表面的温度待被确定，则必须使用具有在其下玻璃是透明的 直到测量点的波长的高温计。
[0157] 这些测量的温度然后用于通过设定IR加热元件的功率而调节温度。
[0158] 利用上述处理，具有500μπι外径、由来自肖特公司的玻璃IG6构成的光纤可以在下 拉处理中从具有15mm的外径的200mm长护套管和具有10.5mm的直径并且已被精确地装配到 护套管中的结构化棒拉伸，其中预成型件的内部中的中空结构被保持在光纤中。尺寸的按 比例减小也可以通过在结构化棒的上端处施加附加的压力来实现。
[0159] 在实际拉伸处理之后，立即用聚合物层涂覆光纤以增大强度。为此目的，最终光纤 被输送通过涂覆模具，该涂覆模具用液态的50μπι厚的丙烯酸盐层涂覆光纤。这紧接着是UV 可固化丙烯酸盐的UV照射，利用围绕光纤放置的环形UV源进行该UV照射。UV部分的长度必 须被选择使得，取决于光纤的拉伸速度，UV照射区的停留时间足够高使丙烯酸盐能够完全 固化。随后将光纤卷绕到具有例如400mm的直径的合适的线轴上。
[0160] 因此本发明第一次提供了一种光子晶体光纤，借助于该光子晶体光纤可以传输在 从5μηι到15μηι的IR波长范围内的电磁辐射，而很大程度上没有损失，即具有<2dB/m、优选地〈 ldB/m、特别地〈0. ldB/m的阻尼值。这使得可以传输高IR功率而玻璃光纤没有过度加热并且 由此被破坏。为此原因，光子晶体光纤特别适于在C0 2激光装置中使用。除了光子晶体光纤， 提供一种用于从预成型件生产该光纤而在拉伸处理中没有形状改变并且没有微结构坍塌 的处理。
【主权项】
1. 一种光子晶体光纤，特别地单模光纤，用于在>1μπι的IR波长范围内、特别是从Ιμπι到 20μηι、优选从9μηι到12μηι的波长范围内的电磁辐射的传输，具有 光传导中空芯（5)，特别是具有直径和由硫族化物玻璃构成的多个中空体（10、20)、特 别是中空管的中空芯，所述中空体围绕所述光传导中空芯(5)布置， 其特征在于， 所述中空体（1〇、20)以所述光传导中空芯（5)的直径D大于待传输的最小波长、优选至 少20μηι、特别优选至少50μηι、特别优选至少100μπι、优选在从100μπι到500μηι的范围内、特别优 选从150μπι到350μπι的范围内的这样的方式布置， 用于电磁福射的传输的阻尼<2dB/m，特别〈1 dB/m，优选〈0.3dB/m，特别〈0.1 dB/m。2. 如权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，围绕所述光传导中空芯布置的由硫 族化物玻璃构成的所述中空体、特别是中空管布置在围绕所述中空芯的结构环（50.1、 50.2)中。3. 如权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，中空体、特别地中空管的至少4个、 优选地至少6个、特别优选地至少8个、非常优选地从4到20个结构环围绕所述中空芯布置。4. 如权利要求1至3中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体、特别是 中空管具有横截面，其中所述横截面的直径优选地在从5WI1到20μπι的范围内、特别是从8μπι 至ljl4ym的范围内。5. 如权利要求4所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、20)的所述横截面 是圆形或六角形横截面。6. 如权利要求1至5中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体的布置 形成由所述中空体的间隔a和/或所述中空体的横截面确定的结构。7. 如权利要求6所述的光子晶体光纤，其特征在于，对于不同中空体的所述中空体的所 述间隔a和/或所述横截面的偏差小于10%，优选地小于4%，特别地小于1 %。8. 如权利要求1至7中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，用于从Ιμπι到20μπι、 特别是从9μπι到12μπι的波长的所述硫族化物玻璃的折射率在从1.8到3、特别是在2.0和2.7 之间的范围内。9. 如权利要求1至8中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤 是模保晶体光纤。10. 如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)呈具有带填充的装填间隙的基本上圆的内部横截面的中空管的形式。11. 如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)呈具有带空的装填间隙的基本上圆的内部和外部横截面的中空管的形式。12. 如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)形成六边形中空管的致密装填并且所述六边形中空管经由它们的面接合。13. 如权利要求1至9中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)形成具有填充的装填间隙的六边形中空管。14. 如权利要求1至13中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光传导芯、特 别是所述中空芯(5)具有非圆形的横截面，特别是六角形横截面。15. 如权利要求1至14中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)相互具有间隔a，并且以此方式选择间隔a，使得所述间隔a与待传输的波长λ的比值、即 a/λ所限定的几何因子多1。16. 如权利要求1至15中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述中空体（10、 20)具有直径d = 2r，其中所述直径d在从0.98a到0.90a的范围内，其中a是所述中空体的相 互间隔。17. 如权利要求1至16中的任一项所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述硫族化物玻 璃包括以下元素中的至少一个或多个： -锗(Ge) -砷(As) -硒(Se) -碲(Te) -锑(Sb)〇18. -种用于生产如权利要求1至17中的任一项所述的光子晶体光纤的处理，其包括以 下步骤： -生产中空体的预先-预成型件，其中所述预先-预成型件横截面优选地是六角形的； -将在所述预先-预成型件的中间的所述中空体取出以提供所述光传导芯，特别是所述 中空芯， -在加热到高于玻璃材料的软化点20K到60K的温度的情况下，在第一拉伸步骤中将所 述预先-预成型件下拉到第一直径，从而导致呈具有光传导芯的实心、结构化棒的形式的预 成型件； -优选地利用优选地由与所述预成型件相同的玻璃材料构成的护套管包覆在所述第一 拉伸步骤中获得的所述预成型件； -在第二拉伸步骤中以在从10到200的范围内的比值下拉被包覆的预成型件，从而导致 具有至少20μηι、优选地至少50μηι、特别优选地至少100μπι的所述光传导芯、特别是所述中空 芯的直径的所述光子晶体光纤，其中被包覆的预成型件的外部结构借助于第一加热元件被 加热到拉伸温度并且所述预成型件的所述光传导芯、特别是所述中空芯借助于第二加热元 件被加热到拉伸温度。19. 如权利要求18所述的处理，其特征在于，所述预成型件的温度在所述拉伸处理期间 借助于温度测量装置、特别是高温计被连续测量，并且所述第一和第二加热装置的功率以 始终维持预定的拉伸温度的这样的方式来设置。20. 如权利要求18或19所述的处理，其特征在于，在已从所述预先-预成型件的中间取 出所述中空体以提供所述光传导芯、特别是所述中空芯之后，将支撑体、特别是薄壁支撑体 插入以稳定所述中空芯。21. 如权利要求18至20中的任一项所述的处理，其特征在于，所述光子晶体光纤包括所 述中空体在具有所述中空体的间隔a和/或所述中空体的横截面的结构中的布置，并且对于 不同中空体，所述中空体的所述间隔a和/或所述横截面的偏差小于10%，优选地小于4%， 特别地小于1 %。22. -种用于在波长>1μηι、特别是从Ιμπι到20μηι、优选从9μηι到12μηι范围内的IR波长范围 内生产电磁辐射的激光装置，特别是C0 2激光装置，包括如权利要求1至17中的任一项所述
【文档编号】G02B6/02GK106030358SQ201580009017
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】B·霍普, W·曼斯塔特
【申请人】肖特股份有限公司