CH706262A2 - Pointer for watches or encoders with waveguides and Auskopplerstrukturen. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Zeiger für Messinstrumente und Uhren, die ganz oder teilweise aus fluoreszierenden oder phosphoreszierenden optischen Materialien mit Wellenleitereigenschaften bestehen können und deren Querschnitte, geometrische Formen und spezifische Oberflächenstrukturen zwecks Optimierung der optischen Eigenschaften oder Auskopplung des Lichtes besonders geeignet sind.The present invention relates to pointers for gauges and watches which may be wholly or partly made of fluorescent or phosphorescent optical materials having waveguide properties and whose cross-sections, geometrical shapes and specific surface structures are particularly suitable for optimizing the optical properties or decoupling the light.
Description
[0001] Verschiedene Verfahren, die die Sichtbarkeit von Zeigern in Uhren oder Messgeräten verbessern, sind bekannt. Oft basieren solche Verfahren auf Leuchtstoffe, die auf die Zeiger durch Beschichtungstechniken angebracht werden: solche Leuchtstoffe enthalten in der Regel fluoreszierende oder phosphoreszierende Pigmente. Various methods that improve the visibility of pointers in watches or gauges are known. Often such processes are based on phosphors applied to the hands by coating techniques: such phosphors typically contain fluorescent or phosphorescent pigments.
[0002] In der Patentanmeldung (beim Eidgenössischen Institut für Geistiges Eigentum) Nr. 00425/11 wurde ein Verfahren beschrieben, um die Sichtbarkeit der Zeiger durch auf der Zeigerfahne angeordneten optischen Wellenleiter entscheidend zu verbessern: die Wellenleiter werden optisch angeregt und können in verschiedenen Farben und Geometrien zum Leuchten gebracht werden Die Zeiger werden mit optischen Wellenleitern versehen, die in verschiedenen Anordnungen in oder auf das Zeigerblatt eingebaut werden. In der genannten Anmeldung wurden verschiedene geeignete Materialien und Dotierungen aufgeführt. In the patent application (the Federal Institute of Intellectual Property) No. 00425/11 a method has been described to improve the visibility of the hands by arranged on the pointer vane optical waveguide crucial: the waveguides are optically excited and can in different colors and geometries are illuminated The hands are provided with optical waveguides which are installed in various arrangements in or on the pointer blade. In the cited application various suitable materials and dopants were listed.
[0003] Ein Zeiger mit optischem Lichtleiter (z.B. eine Kunststofffaser, eine Glasfaser oder eine kristalline Faser) wird nach Anmeldung Nr. 00425/11 durch eine Lichtquelle so beleuchtet, dass im Lichtleiter das Licht geführt wird. Der Lichtleiter ist so gewählt, dass im Kern Lichtkonversion durch Photolumineszenz oder Phosphoreszenz stattfinden kann. Photolumineszierende oder phosphoreszierende Stoffe können z.B. Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, wenn sie im blauen oder ultravioletten Bereich angeregt werden. Als Kern des Lichtleiters bezeichnet man den inneren Teil des Wellenleiters, wo die Brechzahl höher ist als im äusseren Bereich: letzterer ist als Mantel bekannt. Für die Anwendung kann der Kern durchaus den gesamten Wellenleiter bilden, das Licht wird dann im Kern geführt, weil dessen Brechzahl höher ist als diejenige der umgebenden Atmosphäre. Zur Beleuchtung der Wellenleiter eignen sich die verschiedensten Lichtquellen, u.a., Leuchtdioden, Laserdioden, Lampen und Sonnenlicht. An optical fiber pointer (e.g., a plastic fiber, a glass fiber, or a crystalline fiber) is illuminated by a light source according to Application No. 00425/11 so that the light is guided in the optical fiber. The light guide is chosen so that in the core light conversion can take place by photoluminescence or phosphorescence. Photoluminescent or phosphorescent substances may e.g. Emit light in the visible wavelength range when excited in the blue or ultraviolet range. The core of the optical waveguide is the inner part of the waveguide, where the refractive index is higher than in the outer region: the latter is known as a cladding. For the application of the core may well form the entire waveguide, the light is then guided in the core, because its refractive index is higher than that of the surrounding atmosphere. To illuminate the waveguides, the most diverse light sources, u.a., LEDs, laser diodes, lamps and sunlight are suitable.
[0004] Der hier beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Wellenleiter erzeugte Licht wirksam auszukoppeln und für den Betrachter den Zeiger sichtbar zu machen. Dabei wird gewährleistet, dass die Funktionalität, geometrischen Dimensionen und Querschnitte, und die Oberflächenbeschaffenheit der auf optische Wellenleiter basierenden Zeiger durch geeignete Herstellungsverfahren in der Praxis kostengünstig realisiert werden können. The invention described herein is based on the object to effectively decouple the light generated in the waveguide and make the pointer visible to the viewer. This ensures that the functionality, geometric dimensions and cross-sections, and the surface condition of the optical waveguide-based pointer can be realized inexpensively by suitable manufacturing methods in practice.
[0005] Die Aufgabe ist durch verschiedene Verfahren mit den Merkmalen, die in den untenstehenden Ansprüchen und in den folgenden Beispielen definiert werden, gelöst. Einige mögliche Verfahren für bestimmte Materialien werden für typische Wellenleiter- und Beleuchtungsquellenanordnungen b eschrieben. The object is achieved by various methods having the features defined in the claims below and in the following examples. Some possible techniques for certain materials are described for typical waveguide and illumination source arrangements.
[0006] Die Funktion der mit den in den Beispielen angegebenen Geometrien bearbeiteten Materialien hat zum Ziel, die optischen Eigenschaften von Zeiger in Uhren oder Messinstrumente durch Farbe, Helligkeit oder ästhetische Aspekte durch wellenleitende Effekte in diesen fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Materialien zu verbessern. Dabei werden verschiedene kostengünstige Herstellungsmethoden erläutert. The function of the materials machined with the geometries given in the examples is to improve the optical properties of hands in watches or measuring instruments by color, brightness or aesthetic aspects by waveguiding effects in these fluorescent or phosphorescent materials. In this case, various cost-effective production methods are explained.
Beispiele:Examples:
[0007] In Fig. 1 werden verschiedene mögliche Wellenleiter in Faserform, mit verschiedenen Querschnitten und verschiedenen Beispielen für strukturierte Oberflächen gezeigt. Die Faser kann verschiedenartige Querschnittformen aufweisen: z.B. kann der Querschnitt rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein. Entlang der Längsachse der Faser kann der Querschnitt konstante oder variable Ausmasse aufweisen: z. B. kann die Faser zylindrisch oder konisch sein, über die gesamte Länge konstant bleiben oder variieren. In Fig. 1 various possible waveguides in fiber form, with different cross sections and different examples of structured surfaces are shown. The fiber may have various cross-sectional shapes: e.g. The cross-section may be round, square, rectangular or elliptical. Along the longitudinal axis of the fiber, the cross section may have constant or variable dimensions: z. For example, the fiber may be cylindrical or conical, remaining constant over the entire length or varying.
[0008] Typische geometrische Ausmasse für die für Anzeigezwecke zu verwendenden Fasern sind: Längen zwischen 2 und 500 bis 1000 mm, besonders zwischen 2,5 und 35 mm, ganz besonders zwischen 3 und 23 mm. Querschnitte (kreisförmig oder elliptisch) zwischen 0,02 und 3 mm (= Durchmesser), besonders zwischen 0,05 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,08 und 0,8 mm. Querschnitte (quadratisch) zwischen 0,02 und 3 mm (= Diagonale des Querschnittes), besonders zwischen 0,05 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,08 und 0,8 mm. Querschnitte (rechteckig) mit Kantenlängen 0,02 und 3 mm, besonders zwischen 0,03 und 1,5 mm, ganz besonders zwischen 0,04 und 1,2 mm.Typical geometrical dimensions for the fibers to be used for display purposes are: Lengths between 2 and 500 to 1000 mm, especially between 2.5 and 35 mm, especially between 3 and 23 mm. Cross sections (circular or elliptical) between 0.02 and 3 mm (= diameter), especially between 0.05 and 1.5 mm, especially between 0.08 and 0.8 mm. Cross sections (square) between 0.02 and 3 mm (= diagonal of the cross section), especially between 0.05 and 1.5 mm, especially between 0.08 and 0.8 mm. Cross sections (rectangular) with edge lengths of 0.02 and 3 mm, especially between 0.03 and 1.5 mm, especially between 0.04 and 1.2 mm.
[0009] Die Strukturen auf der Faseroberflächen können nicht nur verschiedene Ausmasse sondern auch verschiedene Ausrichtungen haben. Beispiele in Quer- und Längsrichtung sind in den Fig. A bis J aufgeführt. Die Strukturen werden in deren Geometrie dem jeweiligen Wellenleiter in Faserform angepasst. Die Strukturen können transversal, longitudinal, spiralförmig, auf einer oder mehreren Seiten verlaufen. Für eine zylindrische oder leicht konische Faser mit Querschnitt 0,08 bis 0,8 mm liegen die typische Ausmasse der Strukturen im Bereich Tiefe x Breite = 40 bis 200 µm × 10 bis 300 µm, mit gleichmässigen oder variablen Abständen = 10 bis 1000 µm. Kleinere, gitterförmige Strukturen im Mikrometerbereich sind ebenfalls denkbar. Experten auf diesem Gebiet werden sofort weitere Möglichkeiten und Kombinationen erkennen, die aus dieser Offenlegung hergeleitet werden können. The structures on the fiber surfaces may not only have different dimensions but also different orientations. Examples in the transverse and longitudinal directions are shown in Figs. A to J listed. The structures are adapted in their geometry to the respective waveguide in fiber form. The structures may extend transversely, longitudinally, spirally, on one or more sides. For a cylindrical or slightly conical fiber with a cross section of 0.08 to 0.8 mm, the typical dimensions of the structures in the range depth x width = 40 to 200 .mu.m.times.10 to 300 .mu.m, with uniform or variable distances = 10 to 1000 .mu.m. Smaller, lattice-shaped structures in the micrometer range are also conceivable. Experts in the field will immediately recognize other options and combinations that can be derived from this disclosure.
[0010] Die auf den Oberflächen der Wellenleiter aufgebrachten Strukturen ermöglichen ein effizientes und gut sichtbares Auskoppeln des durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz erzeugten Lichtes. Die Strukturen bilden kleine Facetten oder Gitter, die den Austritt der Lichtstrahlen aus den Wellenleitern ermöglichen. The structures applied to the surfaces of the waveguides enable efficient and highly visible decoupling of the light generated by fluorescence or phosphorescence. The structures form small facets or grids that allow the exit of the light rays from the waveguides.
[0011] Folgende Beispiele wurden skizziert: <tb>A.<sep>Muster mit gerundeter Aussparung. <tb>B.<sep>Muster mit rechteckiger Aussparung. <tb>C.<sep>Muster mit dreieckiger, asymmetrischer Aussparung. <tb>D.<sep>Muster mit dreieckiger, symmetrischer Aussparung. <tb>E.<sep>Muster mit jeweils dreieckiger und halbzylindrischer Aussparung. <tb>F.<sep>Muster mit kleiner, rechteckiger Aussparung und longitudinaler Nut. <tb>G.<sep>Muster mit zwei rechteckigen Aussparungen und doppelter longitudinaler Nut. <tb>H.<sep>Muster mit im Zickzack Kurs verlaufender longitudinaler Nut und konischem Ende. <tb>I.<sep>Muster mit longitudinaler Nut mit Unterbrechungen. <tb>J.<sep>Spiralförmiges Muster. <tb>K.<sep>Muster mit kreisförmigem Loch. <tb>L.<sep>Muster mit rechteckigem Loch.The following examples were sketched: <tb> A. <sep> Pattern with rounded recess. <tb> B. <sep> Pattern with rectangular notch. <tb> C. <sep> Triangular asymmetric pattern pattern. <tb> D. <sep> Pattern with triangular, symmetric recess. <tb> E. <sep> Patterns each with triangular and semi-cylindrical recess. <tb> F. <sep> Pattern with small rectangular recess and longitudinal groove. <tb> G. <sep> Pattern with two rectangular notches and double longitudinal groove. <tb> H. <sep> Pattern with zigzag course longitudinal groove and conical end. <tb> I. <sep> Pattern with longitudinal groove with breaks. <tb> J. <sep> Spiral pattern. <tb> K. <sep> Circular hole pattern. <tb> L. <sep> Pattern with rectangular hole.
[0012] Herstellungsmethoden für solche Strukturen sind bekannt und umfassen: Bearbeitung mit beschichteten (mit Schleifkörner, z.B. Diamant oder Carbide) oder unbeschichteten Werkzeugen, z.B. Innenloch, Draht oder Trennsägen. Hiermit wird das Muster mechanisch aufgebracht. Die aufgebrachte Oberfläche kann mit verschiedenen Arten der Rauigkeit versehen werden, je nach gewünschtem optischen Effekt. Bearbeitung mit Laserquellen, mit Wellenlängen im Bereich 1000–1100 nm, 500–550 nm, 333–367 nm, 250–275 nm, Pulsdauer zwischen 10 fs bis 1 µs und mittlere Leistungen im Bereich 0,3 bis 10 000 W. Besonders bevorzugt sind Pulsdauern zwischen 20 fs und 1 µs mit mittleren Leistungen im Bereich 1 bis 1000 W. Auch mit diesem Verfahren können unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden.Production methods for such structures are known and include: Machining with coated (with abrasive grains, e.g., diamond or carbides) or uncoated tools, e.g. Inner hole, wire or saws. This applies the pattern mechanically. The applied surface can be provided with various types of roughness, depending on the desired optical effect. Machining with laser sources, with wavelengths in the range 1000-1100 nm, 500-550 nm, 333-367 nm, 250-275 nm, pulse duration between 10 fs to 1 μs and average powers in the range 0.3 to 10 000 W. Particularly preferred are pulse durations between 20 fs and 1 μs with average powers in the range 1 to 1000 W. Also with this method, different surface properties can be achieved.
[0013] Weitere Bearbeitungsmethoden sind ebenfalls denkbar, wie z.B. chemisches Ätzen, Ionenstrahlquellen oder Plasmaätzen. Further processing methods are also conceivable, such as e.g. chemical etching, ion beam sources or plasma etching.
[0014] In Fig. 2 wird gezeigt, wie Wellenleiter aus scheibenförmigem Material hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teilen. In Fig. 2 it is shown how waveguides can be made of disk-shaped material, with production examples by separating and structuring individual monolithic parts.
[0015] In diesem beispielhaften Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine Scheibe (A) des Materials, das in Wellenleiterform verwendet werden soll. Diese Scheibe kann z.B. aus kristallinem Material wie z.B. Ce:YAG oder einer anderen kristallinen Substanz der in Anmeldung 1 aufgeführten Liste hergestellt und möglicherweise poliert (ein- oder beidseitig) werden. Typische Ausmasse für solche Scheiben sind Durchmesser 10 bis 100 mm, Dicke 0,05 bis 3 mm. Kristalline Scheiben mit anderen (als zylindrischen) Formen können ebenfalls verwendet werden. In this exemplary manufacturing process, the starting material is a disc (A) of the material to be used in waveguide form. This disc can e.g. made of crystalline material, e.g. Ce: YAG or other crystalline substance of the list listed in Application 1 and possibly polished (one or both sides). Typical dimensions for such disks are diameters of 10 to 100 mm, thickness of 0.05 to 3 mm. Crystalline disks with shapes other than cylindrical can also be used.
[0016] Diese Scheibe(n) werden in einem weiteren Schritt (ebenfalls in A skizziert) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (B) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In C sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert. Das Verfahren ist für relativ grosse Stückzahlen sehr gut geeignet: ausgehend von einem Zylinder mit Durchmesser = 60 mm × Länge = 100 mm aus geeignetem Material (wie z.B. Ce: YAG oder einer anderen kristallinen Substanz der weiter oben aufgeführten Liste) können ohne weiteres 80 Scheiben mit Dicke = 500 µm und aus jeder Scheibe über 150 Wellenleiterelemente mit Endausmassen von ca. 0,800 × 0,500 × 10 mm hergestellt werden. Das Prinzip des Verfahrens ist materialunabhängig und kann ebenfalls auf nichtkristalline Materialien erweitert werden. These disc (s) are processed in a further step (also outlined in A) in one direction with longitudinal sections and later (B) divided into as many waveguide elements with the desired dimensions. The resulting side surfaces can be reworked if necessary to change the surface texture or to engrave or engrave the desired pattern. In C, the usable waveguides that have stopped after the dicing and structuring process are outlined. The method is very well suited for relatively large numbers: starting from a cylinder with diameter = 60 mm × length = 100 mm of suitable material (such as Ce: YAG or another crystalline substance of the list listed above) can easily 80 discs with thickness = 500 microns and made of each disc over 150 waveguide elements with final dimensions of about 0.800 × 0.500 × 10 mm. The principle of the process is material-independent and can also be extended to non-crystalline materials.
[0017] In den in Fig. 2 beschriebenen Fällen ist das Wellenleitermaterial monolithisch, d.h., das Material ist im gesamten Volumen des Wellenleiters dasselbe. In den nun folgenden Beispielen ist dies nicht mehr der Fall. In the cases described in Fig. 2, the waveguide material is monolithic, that is, the material is the same throughout the volume of the waveguide. In the following examples, this is no longer the case.
[0018] In Fig. 3 wird gezeigt, wie Wellenleiter aus scheibenförmigem Material bestehend aus einem Substrat mit aufgebrachten dünnen Schichten hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teilen. In Fig. 3 it is shown how waveguides can be made of disc-shaped material consisting of a substrate with applied thin layers, with production examples by separating and structuring individual monolithic parts.
[0019] In diesem weiteren Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine aus mehreren Schichten bestehende Scheibe (A). Eine solche Scheibe kann auf verschiedene Arten hergestellt worden sein: z.B. kann durch ein «Flüssigphasenepitaxie» genanntes Verfahren beidseitig auf eine YAG Scheibe (das sog. Substrat, mit Dicke 0, 1 bis 2,5 mm) eine Ce:YAG Schicht (mit typischer Dicke zwischen 0,5 und 50 µm) aufgebracht worden sein. Andere Materialien können ebenfalls epitaktisch aufgewachsen werden, wie z.B. dotiertes Y2SiO5 auf undotiertes Y2SiO5 oder dotiertes KY(WO4)2auf undotiertem KY(WO4)2. Für Spezialisten auf diesem Gebiet ist ersichtlich, dass sehr viele epitaktische Kombinationen möglich und für die hier beschriebenen Anwendungen nützlich sein können: z.B. können dotierte Schichten auf dotierte Substrate mit verschiedenen Dotierungen aufgewachsen werden. Damit kann erreicht werden, dass ein Mehrschichtwellenleiter mit verschiedenen Farben gleichzeitig fluoresziert. Zusätzlich können über Oberflächenstrukturierungen neuartige optische Effekte erzeugt werden, dadurch dass die Struktur durch eine Oberflächenschicht hindurch auf eine tieferliegende und anders dotierte Schicht führt. ein weiteres Beispiel wäre die Herstellung von Scheiben mit aufeinander geklebten Substraten. Denkbar sind kristalline auf andere kristalline Schichten, Glas auf Glas, oder Glas auf Kristall. Weitere Kombinationen (mit z.B. Kunststoffschichten) sind ebenfalls denkbar.In this further manufacturing method, the starting material is a multi-layer disc (A). Such a disk can be produced in various ways: e.g. For example, by a process called "liquid phase epitaxy", a Ce: YAG layer (typically between 0.5 and 50 μm thick) may have been applied to both sides of a YAG wafer (the so-called substrate with a thickness of 0 to 1 to 2.5 mm) , Other materials may also be grown epitaxially, e.g. doped Y2SiO5 on undoped Y2SiO5 or doped KY (WO4) 2 on undoped KY (WO4) 2. It will be apparent to those skilled in the art that a great many epitaxial combinations may be possible and useful for the applications described herein: e.g. For example, doped layers can be grown on doped substrates with different dopings. It can thus be achieved that a multi-layer waveguide with different colors fluoresces simultaneously. In addition, new optical effects can be generated by means of surface structuring, in that the structure leads through a surface layer to a deeper and differently doped layer. another example would be the production of discs with substrates glued together. Conceivable are crystalline on other crystalline layers, glass on glass, or glass on crystal. Other combinations (with, for example, plastic layers) are also conceivable.
[0020] Im in der Fig. 3 erläuterten Beispiel bestehen ursprünglich (A) zwei Schichten auf dem Substrat. Beide Schichten können im Prinzip weiterverwendet werden. In dem in der Figur skizzierten Verfahren wird jedoch eine Schicht wegpoliert und, als Ausgangsmaterial für weitere Verarbeitungsschritte, dient eine Scheibe bestehend aus zwei Schichten (B). Diese Scheibe(n) werden in einem weiteren Schritt (C) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (D) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In E sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert. Die Schritte C bis E entsprechen den Schritten A bis C des anhand von Fig. 2 behandelten Beispiels. Im in der Fig. 3erläuterten Beispiel können zusätzliche Schritte eingesetzt werden: das Substrat kann mit Strukturen versehen werden, um im Substrat Wellenleiter zu erzeugen. Z.B. können entlang der vorgesehenen Längsschnittrichtung Materialänderungen vorgenommen werden, um in der gesägten Richtung eine Brechzahländerung hervorzurufen. Beispiele für solche Prozesse sind bekannt: bei YAG Substraten oder im Allgemeinen bei kristallinen oxidischen Substanzen können durch Diffusionsverfahren bei hohen Temperaturen, durch Ionenimplantation von z.B. Helium oder Wasserstoffionen oder durch feine Gravur mittels Laser- oder Ionenstrahlen gewünschte Strukturen erzeugt werden. Diese Strukturen müssen im fertigen Wellenleiterelement untergebracht werden und werden daher mit ähnlichen oder kleineren Dimensionen (als das fertige Element) im Substrat aufgebracht. Weitere Wellenleiterarten können mittels dem eben beschriebenen Verfahren im Substrat hergestellt werden, mit einem weiteren Herstellungsschritt basierend auf den beschriebenen Epitaxieverfahren. Damit kann der Wellenleiter auch oben und unten von kristallinem Material mit geeigneten optischen Eigenschaften umgeben werden. Noch weitere Wellenleiter können mittels einer Kombination von Strukturierung und weiteren Epitaxieschichten hergestellt werden. Epitaxie von YAG Schichten oder ähnlichen oxidischen Materialien (mit oder ohne Dotierungen) ist bekannterweise möglich ausgehend von bereits bestehenden epitaktischen Schichten. Damit können die hier beschriebenen Verfahren ohne wesentliche Änderungen auf durch mehrfache Epitaxie hergestellte Schichtstrukturen erweitert werden.In the example illustrated in FIG. 3, there are originally (A) two layers on the substrate. Both layers can be used in principle. In the process sketched in the figure, however, a layer is polished away and, as starting material for further processing steps, a slice consisting of two layers (B) is used. These disc (s) are processed in a further step (C) in one direction with longitudinal cuts and later (D) divided into as many waveguide elements with the desired dimensions. The resulting side surfaces can be reworked if necessary to change the surface texture or to engrave or engrave the desired pattern. In E, the usable waveguides that have stopped after the dicing and structuring process are outlined. Steps C to E correspond to steps A to C of the example discussed with reference to FIG. In the example illustrated in FIG. 3, additional steps can be used: the substrate may be patterned to produce waveguides in the substrate. For example, Material changes can be made along the intended longitudinal cutting direction to cause a refractive index change in the sawn direction. Examples of such processes are known: in YAG substrates, or generally in crystalline oxidic substances, by diffusion processes at high temperatures, by ion implantation of e.g. Helium or hydrogen ions or by fine engraving by laser or ion beams desired structures are generated. These structures must be accommodated in the finished waveguide element and are therefore applied with similar or smaller dimensions (as the finished element) in the substrate. Further waveguide types can be produced in the substrate by means of the method just described, with a further production step based on the described epitaxy method. Thus, the waveguide can also be surrounded at the top and bottom of crystalline material with suitable optical properties. Still further waveguides can be produced by means of a combination of structuring and further epitaxial layers. Epitaxy of YAG layers or similar oxidic materials (with or without dopants) is known to be possible from already existing epitaxial layers. Thus, the methods described herein can be extended without significant changes to multi-epitaxial layer structures.
[0021] In Fig. 4 wird gezeigt, wie Wellenleiter aus scheibenförmigem Material mit Oberflächenstrukturen hergestellt werden können, mit Herstellungsbeispielen durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teile. In Fig. 4 it is shown how waveguides can be made of disc-shaped material with surface structures, with production examples by separating and structuring individual monolithic parts.
[0022] In diesem weiteren Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial eine aus einer einzelnen oder mehreren Schicht(en) bestehende Scheibe (A). Eine solche Scheibe kann mit den erwähnten Strukturierungsverfahren vorbereitet werden. In this further production method, the starting material is a disc (A) consisting of a single or several layers. Such a disk can be prepared with the mentioned structuring methods.
[0023] Diese Scheibe wird dann in einem weiteren Schritt (B) in eine Richtung mit Längsschnitten bearbeitet und später (C) in möglichst viele Wellenleiterelemente mit den gewünschten Ausmassen unterteilt. Die entstehenden Seitenflächen können bei Bedarf nachbearbeitet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verändern oder um die gewünschten Muster einzuprägen oder zu gravieren. In D sind die verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind, skizziert. Die Schritte B bis D entsprechen ebenfalls den Schritten A bis C des anhand von Fig. 2 behandelten Beispiels. Die auf Fig. 4 bezogenen Schritte können auch mit dem Beispiel von Fig. 3 verknüpft werden. This disc is then processed in a further step (B) in one direction with longitudinal sections and later (C) divided into as many waveguide elements with the desired dimensions. The resulting side surfaces can be reworked if necessary to change the surface texture or to engrave or engrave the desired pattern. In D, the usable waveguides that have stopped after the dicing and structuring process are outlined. The steps B to D also correspond to the steps A to C of the example treated with reference to FIG. 2. The steps related to FIG. 4 may also be linked to the example of FIG. 3.
[0024] Beispiele für lumineszierende oder phosphoreszierende Materialien mit Emissionswellenlängen zwischen ca. 400 und 700 nm und Anregungswellenlängen zwischen 230 und 450 nm sind: anorganische Substanzen mit seltenen Erden Dotierungen: YVO4:Eu, Y2O2S:Eu, Gd2O2S:Tb, Y3Al5O12:Ce, Y2SiO5:Ce,Tb, (Ce,La)PO4:Tb, BaMgAl14O23:Eu, Sr2Al6On:Eu, SrAl2O4:Eu,Dy, CdSiO3:Mn,Y, Sr2MgSi2O7:Eu, AlN:Eu, Ba2Si5N8:Eu, LiEu(MoO4)2. sogenannte «Quantum Dots» wo ein anorganischer Nanokristall mit einer typischen Grösse von 2–20 nm (z.B. ZnS:Eu, Mn) in eine Matrix (z.B. aus Glas) eingebettet wird. organische Verbindungen (Phenoxazine, Phenotyazine, Phtalocyanine, Naphtalocyanine, Indoliumderivate, Pyrilliumderivate, Seltenerdchelate, Rhodamine, Pyranine, Triphenylmethanfarbstoffe, Stilbene, Coumarine, u.a.).Examples of luminescent or phosphorescent materials having emission wavelengths between about 400 and 700 nm and excitation wavelengths between 230 and 450 nm are: Inorganic substances with rare earth doping: YVO4: Eu, Y2O2S: Eu, Gd2O2S: Tb, Y3Al5O12: Ce, Y2SiO5: Ce, Tb, (Ce, La) PO4: Tb, BaMgAl14O23: Eu, Sr2Al6On: Eu, SrAl2O4: Eu, Dy, CdSiO3: Mn, Y, Sr2 MgSi2O7: Eu, AlN: Eu, Ba2Si5N8: Eu, LiEu (MoO4) 2. so-called "quantum dots" where an inorganic nanocrystal with a typical size of 2-20 nm (e.g., ZnS: Eu, Mn) is embedded in a matrix (e.g., glass). organic compounds (phenoxazines, phenotyazines, phthalocyanines, naphthalocyanines, indolium derivatives, pyrillium derivatives, rare earth chelates, rhodamines, pyranines, triphenylmethane dyes, stilbenes, coumarins, et al.).
[0025] Besonders geeignet für die Herstellung von einkristallinen Fasern oder Wellenleitern sind kongruent schmelzende Materialien: (SE)VO4, (SE)3A15O12, (SE)2SiO5, CaAl(SE)O4, (SE)AlO3, wo SE eine seltene Erde (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) oder eine Mischung von mehreren seltenen Erden darstellt. Diese Materialien können zusätzlich dotiert werden, um fluoreszierende oder phosphoreszierende Zentren im Kristall einzubauen. Particularly suitable for the production of monocrystalline fibers or waveguides are congruent melting materials: (SE) VO4, (SE) 3A15O12, (SE) 2SiO5, CaAl (SE) O4, (SE) AlO3, where SE is a rare earth (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) or a mixture of several rare earths. These materials may additionally be doped to incorporate fluorescent or phosphorescent centers in the crystal.
[0026] Für die Herstellung von Materialien mit aufgewachsenen epitaktischen Schichten können die aufgeführten Materialien ebenfalls eingesetzt werden. Epitaxie Versuche sind für Experten mit Erfahrung in diesem Bereich hinreichend bekannt und können für die Zwecke dieser Erfindung und die benötigten Materialzusammensetzungen verwendet werden. Epitaxie ist ein Kristallwachstumsverfahren, das erlaubt, dünne, einkristalline Schichten aus einer gesättigten Lösung auf einem kristallinen Substrat mit angepasstem Kristallgitter aufwachsen zu lassen. Dieses Verfahren kann für die oben genannten Materialien und zusätzlich auch, z. B., (SE)Al3(BO3)4, (SE)Ga3(BO3)4, (SE)Sc3(BO3)4, (A)(SE)(MoO4)2, (A)(SE)(WO4)2eingesetzt werden. Hier steht SE ebenfalls für Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, und A für Li Na, K, Rb, Cs. Dotierungen mit zusätzlichen seltenen Erden oder Übergangsmetallen können von Vorteil sein. Weitere Materialbeispiele sind für Experten durchaus denkbar und können für diese Erfindung ebenfalls verwendet werden, wie z.B. Li(SE)F4, K(SE)3F10, SrAl2O4, CaAl2O4. For the production of materials with grown epitaxial layers, the materials listed can also be used. Epitaxy experiments are well known to those skilled in the art and may be used for the purposes of this invention and the required material compositions. Epitaxy is a crystal growth process that allows thin, monocrystalline layers to grow from a saturated solution on a crystalline substrate with an adapted crystal lattice. This method can be used for the above materials and additionally also, for. B., (SE) Al3 (BO3) 4, (SE) Ga3 (BO3) 4, (SE) Sc3 (BO3) 4, (A) (SE) (MoO4) 2, (A) (SE) (WO4) 2 are used. Here, SE also stands for Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and A for Li Na, K, Rb, Cs. Doping with additional rare earths or transition metals may be beneficial. Other examples of materials are quite conceivable by those skilled in the art and may also be used for this invention, such as e.g. Li (SE) F4, K (SE) 3F10, SrAl2O4, CaAl2O4.
[0027] Des Weiteren können fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien in Einkristallform eingesetzt werden, z. B. nach dem Verfahren, das in Fig. 2. beschrieben wird und weiter oben ausführlich diskutiert wurde. Bedingung ist, dass der Kristall sich zu einem Wellenleiter verarbeiten lässt, ausgehend von einer dünnen Scheibe, oder von einer Kompositscheibe bestehend aus mehreren geklebten oder geschweissten Schichten. Furthermore, fluorescent or phosphorescent materials can be used in single crystal form, for. By the method described in Figure 2 and discussed in detail above. Condition is that the crystal can be processed into a waveguide, starting from a thin disc, or from a composite disc consisting of several glued or welded layers.
[0028] Des Weiteren können fluoreszierende oder phosphoreszierende Materialien in Form von Gläsern, Glaskeramiken, Keramiken oder Kunststoffe eingesetzt werden, z. B. nach dem Verfahren, dass in Fig. 2. beschrieben wird und weiter oben ausführlich diskutiert wurde. Bedingung ist, dass der Kristall sich zu einem Wellenleiter verarbeiten lässt, ausgehend von einer dünnen Scheibe, oder von einer Kompositscheibe bestehend aus mehreren geklebten oder geschweissten Schichten. Solche Kompositherstellungstechniken sind besonders bei der Verwendung von Gläsern als Stand der Technik durchaus bekannt und sind geeignet, Schichten aus fluoreszierenden Gläsern (z.B. Gläser, die mit Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb dotiert sind) mit Unterlagen zu verbinden. Bei der Verwendung von Keramiken werden transparente Keramiken bevorzugt, die ebenfalls mit fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Zentren dotiert werden können. Denkbar sind ebenfalls Verbindungen von kristallinen mit keramischen Materialien, von Kristallen mit Gläser, von Kunstoffen mit Gläser, usw. Furthermore, fluorescent or phosphorescent materials in the form of glasses, glass ceramics, ceramics or plastics can be used, for. By the method described in Figure 2 and discussed in detail above. Condition is that the crystal can be processed into a waveguide, starting from a thin disc, or from a composite disc consisting of several glued or welded layers. Such composite production techniques are well known in the art, especially when glasses are used, and are useful for providing layers of fluorescent glasses (eg, glasses containing Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb are endowed) with documents to connect. When using ceramics, transparent ceramics are preferred which can also be doped with fluorescent or phosphorescent centers. Also conceivable are compounds of crystalline with ceramic materials, of crystals with glasses, of plastics with glasses, etc.
Verzeichnis der Figuren:List of figures:
[0029] Fig. 1: Wellenleiter in Faserform, mit verschiedenen Querschnitten und verschiedenen Beispielen für strukturierte Oberflächen. Die Faser kann verschiedenartige Querschnittformen aufweisen: z.B. kann der Querschnitt rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein. Entlang der Längsachse der Faser kann der Querschnitt konstante oder variable Ausmasse aufweisen: z. B. kann die Faser zylindrisch oder konisch sein, über die gesamte Länge konstant bleiben oder variieren. Fig. 1: waveguides in fiber form, with different cross sections and different examples of structured surfaces. The fiber may have various cross-sectional shapes: e.g. The cross-section may be round, square, rectangular or elliptical. Along the longitudinal axis of the fiber, the cross section may have constant or variable dimensions: z. For example, the fiber may be cylindrical or conical, remaining constant over the entire length or varying.
[0030] Folgende Beispiele wurden skizziert: <tb>A.<sep>Muster mit gerundeter Aussparung. <tb>B.<sep>Muster mit rechteckiger Aussparung. <tb>C.<sep>Muster mit dreieckiger, asymmetrischer Aussparung. <tb>D.<sep>Muster mit dreieckiger, symmetrischer Aussparung. <tb>E.<sep>Muster mit jeweils dreieckiger und halbzylindrischer Aussparung. <tb>F.<sep>Muster mit kleiner, rechteckiger Aussparung und longitudinaler Nut. <tb>G.<sep>Muster mit zwei rechteckigen Aussparungen und doppelter longitudinaler Nut. <tb>H.<sep>Muster mit im Zick-zack Kurs verlaufender longitudinaler Nut und konischem Ende. <tb>I.<sep>Muster mit longitudinaler Nut mit Unterbrechungen. <tb>J.<sep>Spiralförmiges Muster. <tb>K.<sep>Muster mit kreisförmigem Loch. <tb>L.<sep>Muster mit rechteckigem Loch.The following examples were sketched: <tb> A. <sep> Pattern with rounded recess. <tb> B. <sep> Pattern with rectangular notch. <tb> C. <sep> Triangular asymmetric pattern pattern. <tb> D. <sep> Pattern with triangular, symmetric recess. <tb> E. <sep> Patterns each with triangular and semi-cylindrical recess. <tb> F. <sep> Pattern with small rectangular recess and longitudinal groove. <tb> G. <sep> Pattern with two rectangular notches and double longitudinal groove. <tb> H. <sep> Pattern with zig-zagging longitudinal groove and tapered end. <tb> I. <sep> Pattern with longitudinal groove with breaks. <tb> J. <sep> Spiral pattern. <tb> K. <sep> Circular hole pattern. <tb> L. <sep> Pattern with rectangular hole.
[0031] Fig. 2: Wellenleiter aus scheibenförmigen Material mit Herstellungsbeispiel durch Trennen und Strukturieren einzelner monolithischer Teilen. <tb>A.<sep>Bearbeitung mit Längsschnitten. <tb>B.<sep>Unterteilung in Wellenleiterelemente. <tb>C.<sep>Verwendbare Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind.Fig. 2: waveguide disc-shaped material with manufacturing example by separating and structuring individual monolithic parts. <tb> A. <sep> Processing with longitudinal sections. <tb> B. <sep> Division into waveguide elements. <tb> C. <sep> Usable waveguides that have stopped after the dicing and patterning process.
[0032] Fig. 3: Wellenleiter aus Scheiben bestehend aus auf einem Substrat aufgebrachten dünnen Schichten <tb>A.<sep>Ausgangsmaterial: aus mehreren Schichten bestehende Scheibe. <tb>B.<sep>Eine Schicht wird wegpoliert. <tb>D.<sep>Bearbeitung mit Längsschnitten. <tb>E.<sep>Unterteilung in Wellenleiterelemente. <tb>F.<sep>Verwendbare Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind.Fig. 3: waveguide of discs consisting of applied to a substrate thin layers <tb> A. <sep> Starting material: multi-layer disc. <tb> B. <sep> A layer is being polished away. <tb> D. <sep> Processing with longitudinal cuts. <tb> E. <sep> Division into waveguide elements. <tb> F. <sep> Usable waveguides that have stopped after the dicing and patterning process.
[0033] Fig. 4: Bearbeitungsschritte für Wellenleiter aus Scheibe mit Oberflächenstruktur. <tb>A.<sep>Scheibe mit Oberflächenstruktur. <tb>B.<sep>Bearbeitung mit Längsschnitten. <tb>C.<sep>Unterteilung in Wellenleiterelemente. <tb>D.<sep>Verwendbaren Wellenleiter, die nach dem Zertrennungs- und Strukturierungsverfahren stehen geblieben sind.Fig. 4: processing steps for waveguide disc with surface structure. <tb> A. <sep> Disc with surface texture. <tb> B. <sep> Processing with longitudinal sections. <tb> C. <sep> Division into waveguide elements. <tb> D. <sep> Usable waveguides that have stopped after the dicing and patterning process.
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