CH673899A5

CH673899A5 -

Info

Publication number: CH673899A5
Application number: CH209187A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Bernsee; Emil Dr Koerber; Wolfgang Dr Siefert
Original assignee: Schott Glaswerke
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1987-06-02
Publication date: 1990-04-12
Also published as: FR2600425A1; GB2191873B; GB2191873A; DE3620368C2; GB8713640D0; DE3620368A1; FR2600425B1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Lichtleiters, der in seinem Stirnflächenbereich hochtemperaturbeständig ist, wobei der Stirnflächenbereich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmolzenen Glasrohrabschnitt besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist. Die Erfindung betrifft weiter einen 5 nach dem Verfahren hergestellten Lichtleiter. DESCRIPTION The invention relates to a method for producing a fiber optic light guide which is resistant to high temperatures in its end face region, the end face region consisting of one end of an optical fiber bundle and a glass tube section melted onto this end, and the end face being polished. The invention further relates to a light guide 5 produced by the method.

Faseroptische Lichtleiter und Sonden werden auf vielen Gebieten der Technik zur Übertragung von optischen Messsignalen eingesetzt. Temperaturbeständige flexible faseroptische Lichtleiter finden beispielsweise Verwendung in Pyrometern, io bei der Messsignalverarbeitung in Hochtemperaturräumen und bei der Lichtübertragung mit leistungsstarken Lichtquellen. Der Einsatz von flexiblen faseroptischen Lichtleitern blieb bislang auf Temperaturen bis 300°C begrenzt, da die bisher mögliche Endenpräparation keine höheren Temperaturen zulässt. 15 Aus der GB-PS 1 556 046 und der DE-OS 2 630 730 ist es bekannt, jedes Ende eines Lichtleitfaserbündels unter Verwendung eines schmelzbaren Materials in eine Hülse einzuschmelzen. Das Einschmelzmaterial dient dort jedoch nur zur Zentrierung und Ankopplung von Lichtleitkabeln für optoelektroni-20 sehe Übertragungssysteme; eine Anpassung der Lichtleiter an eine Anwendung bei hoher Temperatur wurde nicht versucht. Fiber optic light guides and probes are used in many areas of technology for the transmission of optical measurement signals. Temperature-resistant, flexible fiber-optic light guides are used, for example, in pyrometers, io for measuring signal processing in high-temperature rooms and for light transmission with powerful light sources. The use of flexible fiber optic light guides has so far been limited to temperatures up to 300 ° C, since the previously possible end preparation does not allow higher temperatures. 15 From GB-PS 1 556 046 and DE-OS 2 630 730 it is known to melt each end of an optical fiber bundle into a sleeve using a fusible material. However, the melting material is only used for centering and coupling fiber optic cables for optoelectronic transmission systems; no attempt was made to adapt the light guide to an application at high temperature.

Aus der DE-PS 3 247 500 ist es bekannt, durch geeignete Materialien die Lichtleiter temperaturbeständig zu machen. Hierbei werden die verwendeten Materialien so ausgewählt, 25 dass das gesamte System, bestehend aus Hülse, Einschmelzmaterial und optischen Fasern, im gesamten in Frage kommenden Temperaturbereich unter Druckspannung steht. Dies wird erreicht, indem die Materialien so gewählt werden, dass sie einen von aussen nach innen abnehmenden linearen Ausdehnungs-30 koeffizienten besitzen. From DE-PS 3 247 500 it is known to make the light guide temperature-resistant by means of suitable materials. The materials used are selected so that the entire system, consisting of sleeve, sealing material and optical fibers, is under compressive stress in the entire temperature range in question. This is achieved by choosing the materials so that they have a linear expansion coefficient that decreases from the outside inwards.

Wegen der Temperaturbelastung werden bevorzugt solche Hülsenmaterialien verwendet, die korrosionsbeständig sind, wie z.B. hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle. Infolge der hohen thermischen Ausdehnung dieser Stähle und der Verschmelzung zwi-35 sehen dem Stempel und dem Einschmelzmaterial treten nun im eingeschmolzenen System axiale Zugspannungen auf, die zur Rissbildung, d.h. zur Zerstörung des Lichtleiters führen können. Because of the temperature load, sleeve materials that are corrosion-resistant, such as e.g. high-alloy chrome-nickel steels. As a result of the high thermal expansion of these steels and the fusion between 35 and 35 mm, the stamp and the sealing material now experience axial tensile stresses in the melted system, which leads to crack formation, i.e. can lead to the destruction of the light guide.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Endenpräpara-40 tion von Lichtleitfaserbündeln durch Zusammenfassen der Lichtleitfasern in einer Hülse und Verkleben der einzelnen Fasern mit einem geeigneten Klebstoff vorzunehmen. It has also been proposed to carry out the end preparation of optical fiber bundles by combining the optical fibers in a sleeve and gluing the individual fibers with a suitable adhesive.

Je nach Präparation des Lichtleiterendes kann dieses verschiedenen Höchsttemperaturen ausgesetzt werden. Durch Ver-45 kleben gefasste Lichtleitfaserbündelenden können einer maximalen Temperatur von 150°C, solche, die durch Verschmelzen präpariert wurden, einer maximalen Temperatur von 300°C ausgesetzt werden. Depending on the preparation of the light guide end, it can be exposed to various maximum temperatures. The ends of the optical fiber bundles glued together can be exposed to a maximum temperature of 150 ° C, those prepared by fusing can be exposed to a maximum temperature of 300 ° C.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen faseroptischen so Lichtleiter zu entwickeln, der in seinem Stirnflächenbereich hochtemperaturbeständig ist, wobei der Stirnflächenbereich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmolzenen Glasrohrabschnitt besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist. The object of the invention is to develop a new fiber-optic light guide which is resistant to high temperatures in its end face region, the end face region consisting of an end of an optical fiber bundle and a glass tube section melted onto this end, and the end face being polished.

55 Der neue Lichtleiter soll so beschaffen sein, dass er bei Temperaturen bis zu 550°C eingesetzt werden kann. 55 The new light guide should be designed so that it can be used at temperatures up to 550 ° C.

Der neue Lichtleiter lässt sich erfindungsgemäss dadurch herstellen, dass man ein Bündel aus hochtemperaturbeständigen Lichtleitfasern in einem Rohrabschnitt aus hochtemperaturbe-60 ständigem Glas anordnet und diesen Rohrabschnitt über eine definierte Länge durch Erhitzen unter Kollabieren des Rohres auf das Bündel aufschrumpft, wobei die Temperatur so gewählt wird, dass die Zwickel zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und/oder die Zwickel zwischen den Lichtleitfasern und dem 65 Rohrabschnitt zumindest teilweise durch das Material des Glasrohrabschnitts und/oder das Material der Lichtleitfasermäntel aufgefüllt werden. Anschliessend wird die Stirnfläche noch poliert. The new light guide can be produced according to the invention by arranging a bundle of high-temperature-resistant optical fibers in a tube section made of high-temperature-resistant glass and shrinking this tube section over a defined length by heating and collapsing the tube onto the bundle, the temperature being selected in this way that the gusset between the individual optical fibers and / or the gusset between the optical fibers and the 65 pipe section are at least partially filled by the material of the glass pipe section and / or the material of the optical fiber jacket. The face is then polished.

3 3rd

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Verschiedene, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Various preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel im Stirnflächenbereich kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Im einfachsten Fall findet das Aufschrumpfen allein durch die beim Kollabieren wirkende Oberflächenspannung statt. The shrinking of the glass tube section onto the optical fiber bundle in the end face area can be carried out in various ways. In the simplest case, the shrinking takes place solely due to the surface tension acting upon collapse.

Es ist auch möglich, das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel durch eine Druckdifferenz zwischen Glasrohrabschnitt-Aussenwand und Glasrohrabschnitt-Innenwand herbeizuführen, wobei der Druck im Glas-rohrabschnitt-Aussenraum grösser ist als im Glasrohrabschnitt-Innenraum; dies kann beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums im Glasrohrabschnitt-Innenraum erreicht werden. It is also possible to shrink the glass tube section onto the optical fiber bundle by means of a pressure difference between the glass tube section outer wall and the glass tube section inner wall, the pressure in the glass tube section outer space being greater than in the glass tube section interior; this can be achieved, for example, by applying a vacuum in the interior of the glass tube section.

Auch durch Ausübung eines mechanischen Drucks von aussen auf den zu behandelnden Glasrohrabschnitt kann das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel erreicht werden. The shrinking of the glass tube section onto the optical fiber bundle can also be achieved by exerting a mechanical pressure from the outside onto the glass tube section to be treated.

Um das für den Aufschrumpfvorgang und das Verschmelzen der Lichtleitfasern erforderliche Erhitzen des Glasrohrabschnitts und der darin angeordneten Lichtleitfasern durchzuführen, kann der Glasrohrabschnitt von aussen mit einem Brenner, beispielsweise mit einem H2/02-Brenner, oder mit einem Ofen, beispielsweise mit einem widerstandbeheizten Röhrenofen, erhitzt werden. In order to carry out the heating of the glass tube section and the optical fibers arranged therein for the shrinking-on process and the fusing of the optical fibers, the glass tube section can be externally with a burner, for example with an H2 / 02 burner, or with a furnace, for example with a resistance-heated tube furnace. be heated.

Gemäss einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung erfolgt das Erhitzen des Glasrohrabschnitts durch Einwirkung von Mikrowellenstrahlung. According to another embodiment variant of the invention, the glass tube section is heated by the action of microwave radiation.

Zum Aufschrumpfen unter Kollabieren und Verschmelzen der Lichtleitfasern sowohl untereinander als auch mit dem Glasrohrabschnitt ist eine Einwirkung einer Temperatur erforderlich, die im Erweichungsbereich des Glasrohrabschnitts und des Materials des Fasermantels liegt. For shrinking while collapsing and fusing the optical fibers both with one another and with the glass tube section, an action of a temperature is required which lies in the softening range of the glass tube section and the material of the fiber jacket.

Durch geeignete Wahl dieser Temperatur und der Dauer des Erhitzens kann gesteuert werden, ob die Lichtleitfasern im Stirnflächenbereich teilweise oder vollständig verschmelzen. A suitable choice of this temperature and the duration of the heating can be used to control whether the optical fibers partially or completely fuse in the end face area.

Die verwendeten Lichtleitfasern bestehen vorzugsweise aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas, und der auf diese Lichtleitfasern aufgeschrumpfte Glasrohrabschnitt besteht ebenfalls aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas. The optical fibers used preferably consist of quartz glass and / or doped quartz glass, and the glass tube section shrunk onto these optical fibers likewise consists of quartz glass and / or doped quartz glass.

Eine andere Ausführungsform sieht als Materialien für die Lichtleitfasern hochtemperaturbeständige Mehrkomponentengläser vor; in diesem Fall wird für den Glasrohrabschnitt ebenfalls ein Mehrkomponentenglas verwendet. Another embodiment provides high-temperature-resistant multi-component glasses as materials for the optical fibers; in this case, a multi-component glass is also used for the glass tube section.

Bei der üblichen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Glasrohrabschnitt an einem Ende des Bündels aus Lichtleitfasern aufgeschrumpft. In the usual implementation of the method according to the invention, the glass tube section is shrunk on one end of the bundle of optical fibers.

Eine ökonomisch besonders interessante Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts etwa in der Mitte zwischen den beiden Enden des Lichtleitfaserbündels erfolgt. Anschliessend wird der aufgeschrumpfte Glasrohrabschnitt etwa in seiner Mitte senkrecht zur Bündelachse durchgetrennt, wobei zwei erfindungsgemässe, in ihrem Stirnflächenbereich hochtemperaturbeständige Lichtleiter erhalten werden. An economically particularly interesting variant of the present invention provides that the shrinking of the glass tube section takes place approximately in the middle between the two ends of the optical fiber bundle. The shrunk-on glass tube section is then severed approximately in its center perpendicular to the bundle axis, two light guides according to the invention being obtained which are resistant to high temperatures in their end face region.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigen: Show it:

Fig. I einen Längsschnitt durch den erfindungsgemässen 5 Lichtleiter in der Nähe des fixierten Endes; I shows a longitudinal section through the 5 light guide according to the invention in the vicinity of the fixed end.

Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Lichtleiter im Stirnflächenbereich a) vor dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts b) nach dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts bei teilwei-lo ser Verschmelzung c) nach dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts bei vollständiger Verschmelzung. Fig. 2 shows a cross section through the light guide according to the invention in the end face area a) before shrinking on the pipe section b) after shrinking on the pipe section with partial lo mer c) after shrinking the pipe section with complete fusion.

Fig. 1 zeigt das Ende des erfindungsgemässen Lichtleiters in der Umgebung des fixierten Endes, bei dem die einzelnen Licht-15 leitfasern des Faserbündels 1 in dem aufgeschrumpften Rohrabschnitt 4 innerhalb des Bereichs 2 untereinander und mit dem Rohrabschnitt 4 verschmolzen sind. Die Stirnfläche 5 des fixierten Lichtleitfaserbündels 1 ist poliert. Im Übergangsbereich 3 sind die Lichtleitfasern nicht mehr vollständig fixiert. 20 Fig. 2a gibt einen Querschnitt (schematisch) durch den erfindungsgemässen Lichtleiter im Stirnflächenbereich vor dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts wieder. Die einzelnen, jeweils aus einem Faserkern 7 und einem Fasermantel 6 bestehenden Fasern des Lichtleitfaserbündels 1 sind innerhalb des Rohr-25 abschnitts 4 angeordnet und ihre Fasermäntel berühren oder kommen sich am nächsten an ihren Aussenoberflächen in Längsrichtung und die am äusseren Umfang des Bündels liegenden Fasern befinden sich gegenüber der Innenwand des Glasrohrabschnitts 4. Die Zwickel 8 sind die zwischen den einzelnen 30 Lichtleitfasern und die zwischen den Lichtleitfasern und dem Glasrohrabschnitt in Längsrichtung verlaufenden Hohlräume. 1 shows the end of the light guide according to the invention in the vicinity of the fixed end, in which the individual light-conducting fibers of the fiber bundle 1 in the shrunk-on tube section 4 are fused to one another within the region 2 and to the tube section 4. The end face 5 of the fixed optical fiber bundle 1 is polished. In the transition area 3, the optical fibers are no longer completely fixed. 2a shows a cross section (schematically) through the light guide according to the invention in the end face region before the pipe section is shrunk on. The individual fibers of the optical fiber bundle 1, each consisting of a fiber core 7 and a fiber cladding 6, are arranged within the tube section 4 and their fiber claddings touch or come closest to their outer surfaces in the longitudinal direction and the fibers lying on the outer circumference of the bundle opposite to the inner wall of the glass tube section 4. The gussets 8 are the longitudinally extending cavities between the individual 30 optical fibers and the hollow spaces between the optical fibers and the glass tube section.

In Fig. 2b ist ein Querschnitt (schematisch) durch den erfindungsgemässen Lichtleiter im Stirnflächenbereich nach dem Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts bei teilweiser Ver-35 Schmelzung dargestellt. Bei der teilweisen Verschmelzung sind die Lichtleitfasern untereinander mit den jeweils nächsten Fasern und die sich am äusseren Umfang des Bündels befindenden Fasern auch mit der Glasrohrabschnitt-Innenwand an den Verschmelzungsstellen 9 über die gesamte Länge des Glasrohrab-40 schnitts verschmolzen. Die Verschmelzungsstellen entsprechen etwa der Position, an der sich die Fasern vor dem Verschmelzen berührten oder am nächsten kamen. 2b shows a cross section (schematically) through the light guide according to the invention in the end face region after shrinking on the glass tube section with partial melting. In the partial fusion, the optical fibers are fused to one another with the next fibers in each case and the fibers located on the outer circumference of the bundle are also fused to the inside of the glass tube section at the fusion points 9 over the entire length of the glass tube section. The fusion points correspond approximately to the position at which the fibers touched or came closest before the fusion.

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Lichtleiter nach dem Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts bei vollständiger Verschmelzung. Durch die vollständige Verschmelzung sind die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und die zwischen den Lichtleitfasern und dem Glasrohrabschnitt vor der vollständigen Verschmelzung bestehenden Zwik-kel 8 vollständig durch das Material der Lichtleitfasermäntel 6 sowie des Glasrohrabschnitts 4 ausgefüllt. 2c shows a cross section through the light guide according to the invention after shrinking on the glass tube section with complete fusion. As a result of the complete amalgamation, the gaps 8 between the individual optical fibers and between the optical fibers and the glass tube section before the complete amalgamation are completely filled by the material of the optical fiber jackets 6 and the glass tube section 4.

Durch den Aufschrumpfvorgang und die vollständige Verschmelzung verringert sich die Querschnittsfläche des erfindungsgemässen Lichtleiters gegenüber der Querschnittsfläche 55 der in Fig. 2a gezeigten Anordnung um etwa 15%. Due to the shrinking process and the complete fusion, the cross-sectional area of the light guide according to the invention is reduced by approximately 15% compared to the cross-sectional area 55 of the arrangement shown in FIG. 2a.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. A method for producing a fiber-optic light guide which is resistant to high temperatures in its end face area, the end face area consisting of an end of an optical fiber bundle and a glass tube section melted onto this end, and wherein the end face is polished, characterized in that a bundle of high temperature-resistant optical fibers arranged in a tube section made of high-temperature-resistant glass and shrinking this tube section over a defined length by heating while collapsing the tube onto the bundle, the temperature being selected such that the gusset between the individual optical fibers and / or the gusset between the optical fibers and the tube section are at least partially filled by the material of the glass tube section and / or by the material of the optical fiber cladding, and the end face is then polished.

2. The method according to claim 1, characterized in that the optical fibers are partially fused both to one another and to the shrunk glass tube section in the end face region.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the shrinking of the glass tube section on the optical fiber bundle is carried out without external pressure.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the shrinking of the glass tube section onto the optical fiber bundle is carried out with adjustment of a pressure difference between the outer wall of the glass tube section and the inner wall of the glass tube section, the pressure exerted on the outer wall of the glass tube section being greater than that the inner wall of the glass tube section is applied pressure.

5. The method according to claim 1, 2 or 4, characterized in that the shrinking of the glass tube section onto the optical fiber bundle takes place under the action of an external mechanical pressure on the glass tube section.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the heating of the glass tube section is carried out by external heat.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the optical fibers and / or the glass tube section consist of quartz glass and / or doped quartz glass.

8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the optical fibers and / or the glass tube section consist of high-temperature resistant multi-component glasses.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the shrinking of the glass tube section is carried out starting at one end of the optical fiber bundle.

10. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the shrinking of the glass tube section takes place at a point between both ends of the optical fiber bundle, and a cut is made in the middle of the shrunk glass tube section perpendicular to the bundle axis, so that two in their end face area high temperature resistant fiber optic light guides are created.

11. Light guide, produced by the method according to claim 1.