CN103959113B - 光学的传送纤维及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于传输激光射束(S0)的光学的传送纤维(10)概括地具有至少一个纤芯(1)、至少一个纤维护套(2，3)和一个包围所述纤维护套(2，3)的涂覆层(5)，其中，在所述纤维护套(2，3)与所述涂覆层(5)之间设有中间层(4)，所述中间层的折射指数小于相应的与所述中间层(4)接触的纤维护套(2，3)的折射指数。在此，所述纤维(10)构造有至少一个耦合输出装置(11)。

Description

光学的传送纤维及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的光学纤维以及一种用于制造光学纤维的方法和一种用于粘合光学纤维的方法。

背景技术

光学纤维作为用于传输光的传送纤维来使用。借助这种纤维例如在用于加工头的材料加工(高功率应用)中实施尤其高强度的激光功率的传输。在此，纤维的仅仅一部分(纤芯)借助所期望的特性传导光，而包裹的层实现光学的框架条件和纤维的用于其特殊使用的机械稳定性。

然而，尤其在将光耦合输入纤维时以及在纤维之间的过渡位置处、例如在连接器或者接合处发生，所谓的散射射束从纤芯进入包裹的层、尤其是所谓的包层(Cladding)中。在此，包层表示纤维的一个或多个护套层，所述一个或多个护套层包围纤芯。光可以从包层中例如在粘合位置或者通过直接过渡的方式过渡进纤维的涂层(Coating)中，所述包层原则上能够传导光。涂层尤其有利于纤维的稳定性，并且通常由一个或多个例如以直接施加在纤维上的缓冲层的形式的合成材料层以及所谓的外套组成，所述外套围绕缓冲层设置。以下也将所述涂层称作纤维的涂覆层(Umhüllung)。所述涂覆层可以进一步传导并且必要时部分地吸收射束。然而，由此主要在高的激光功率的情况下可能发生以下区域的强烈加热：在所述区域中可能发生射束的射出，例如在粘合位置处。在这些位置处，强烈加热可能导致纤维的毁坏。在极端情形中，这甚至随之引起激光源的毁坏。

因此值得期望的是，控制散射射束从纤维的包层排出。对此已知所谓的脱模器。所述脱模器优选安装在传送纤维的起始或者末端或者在过渡位置处，并且能够引起散射射束的有针对性的耦合输出。

图1示出由现有技术已知的纤维。纤维20具有纤芯21，所述纤芯由纤维护套22包裹。纤维护套22又由涂覆层25包裹，所述涂覆层由一个或多个层组成。脱模器26构造在纤维护套22和涂覆层25之间的分离层上。图1a中示出没有射入纤芯中的第一光束S1和第二光束S2的射束路径(“散射射束”)以及光束S0，其常规地在纤维的芯中传送。射束S1具有相对于纤维的端面的垂线L的平的(大的)入射角、即相对于纤维轴线的角(借助高的数值孔径NA的射束)，使得所述射束可以在脱模器26的区域中从纤维护套22中射出。射束S2具有更倾斜的(更小的)入射角(借助低的NA的射束)，从而所述射束没有在脱模器26处耦合输出并且可以在纤维中传送经过长的距离。

如在图1b中可以看出的那样，以较平的入射角进入纤维20、尤其是包层中的射束可以在低折射的并且低吸收的涂覆层的情况下在纤维护套22中持续被反射并且被继续传送并且在粘合位置29处通过粘合材料28射出。在此，粘合位置29通过粘合材料28将连接器27与纤维20连接，所述粘合材料直接与纤维护套22接触。然后，射束可以由粘合材料28吸收，这可能导致局部的加热并且因此导致纤维20的损坏。虽然能够通过以下方式应付所述问题：使用具有对于射束而言低折射指数和低吸收的粘合剂。然而，所述粘合剂具有对于应用而言不足够的粘合强度，从而其使用可能是不利的。

在图1b中仅仅示出散射射束，所述散射射束可能在激光耦合输入纤维时产生。在纤维中，散射射束也可能在接合位置或者其他接触位置处产生。在此，射束可以从芯区域到达包层中，并且在那继续传播或者侵入涂覆层或者粘合层中并且可能导致纤维的强烈的局部加热。

为了避免局部区域中的加热，GB2379279建议在包层和涂覆层之间置入由低折射玻璃制成的层，以便防止散射射束从包层侵入缓冲层。然而，由此散射射束没有从纤维中排出。因此，如此留在纤维的包层中的更高模的或者高模的散射射束可能降低所传送的射束的射束质量。这可能对激光器的应用产生负面的影响。尤其可以根据射束进入纤维护套中的入射角也引导光在所述纤维护套中通过长的路程。变差的射束质量恰恰在单模纤维中并且对于需要非常好的射束质量的应用、例如激光切割是大问题。

在特殊的纤维——例如具有厚的、未掺杂的石英护套中特别由于大的横截面面积可以引导大量散射射束。

发明内容

因此，本发明的任务是，避免现有技术的所述缺点中的至少一个并且提供以下纤维：所述纤维有针对性地排出散射射束并且避免尤其在粘合位置或者纤维过渡和界面处的过热。

根据本发明，所述任务通过根据权利要求1的光学纤维以及借助根据权利要求9的方法并且根据权利要求13的用于粘合纤维的方法解决。有利的扩展方案是从属权利要求的主题。

根据本发明，光学的传送纤维具有至少一个纤芯、至少一个纤维护套和一个涂覆层、一个中间层，所述中间层设置在纤维护套和涂覆层之间。借助所述一个中间层可以抑制纤维护套与包裹的层、涂覆层或者涂层之间的光过渡。这可能通过具有相应厚度的中间层的设置来实现，如稍后进一步详述的那样。

这尤其能够对于以下纤维来说是可能的：所述纤维的纤芯具有比包裹所述纤芯的护套材料更大的折射指数，如对于大多数纤维是这种情况。然而也可以设想，在替代的实施方式中使用以下纤维：所述纤维具有比护套材料更小的折射指数，例如在中空纤维中。

当然也可以考虑，纤维具有两个或者更多个护套层，其设置在纤芯周围。

在此，以下对于中间层或者保护层适用：其折射指数小于纤维护套的折射指数，所述纤维护套由所述中间层包裹。包裹中间层的涂覆层的材料也可以具有任意的折射指数，其中，涂覆层材料在特殊的情形中也可以是粘合材料，该粘合材料包裹纤维的粘合位置。中间层尤其能够由石英层组成，所述石英层由低折射的石英组成。

在本发明的一种优选的实施方式中，纤维护套尤其具有折射指数1.45，纤维护套具有折射指数1.44，并且中间层具有折射指数1.433。当然，在其他实施方式中也可以考虑其他折射指数。

以下对于中间层或者保护层适用：如此选择其厚度，使得所述中间层或者保护层可以简单地通过蚀刻或者不光泽化来去除。在此优选厚度为约5μm或者更大、尤其厚度为约10μm。所述厚度当然也可以小于5μm或者大于10μm。

这种光学纤维还具有至少一个耦合输出装置以耦合输出射束、尤其是来自纤维护套的散射射束。因此，可以在为此设置的位置处实现射束从纤维护套的耦合输出，所述射束有时对于相应的应用可能是有害的。这可以提高射束质量。所述耦合输出装置可以在纤维的制造流程中已经一起被构造。

普遍地，耦合输出装置是一种引起散射射束从纤维中沿着延伸方向耦合输出的装置。在一种实施方式中，耦合输出装置是经不光泽化的纤维区段，例如通过喷砂或者蚀刻来制造，其中，在经不光泽化的纤维区段的区域中涂覆层并且中间层至少局部地已去除。可以使光从纤维护套中在所述如此构成的脱模器处散射出。所述耦合输出装置可以以有规律的或者无规律的间距设置在纤维中。优选在通常会发生光耦合输入纤芯或者纤维中的位置之后设置这样的耦合输出装置，或者在会发生耦合输出的位置之前设置所述耦合输出装置。在自由的射束在两个纤维之间的过渡处、纤维的接合或者机械耦合等处进入纤维时可能是这种情况。

应提出，可以考虑，在耦合输出装置的区域中也不必完全去除中间层，而是仅仅可以在厚度方面降低和/或仅仅逐段地去除中间层。

在此，在相应的实施方式中，纤维也可以具有第二护套层，其或者设置在纤芯周围或者设置在第一纤维护套周围。也可以考虑其他这样的层。此外，纤维可以是单模纤维，或者是具有多个芯的纤维，或者确定用于传导光的特殊的更高模。所述其他的纤维类型是本领域技术人员充分已知的。

为了在连接器中保持/固定纤维经常是以下情况：纤维具有粘合位置，其中，在邻近中间层的粘合位置的区域中设置粘合剂。在此，粘合剂通常具有比中间层更大的折射指数。然而也可以考虑，粘合剂具有比中间层更小的折射指数。根据本发明的中间层可以避免，散射射束粘合位置的区域中在粘合材料处射出以及导致粘合剂的所不期望的加热。

在此，本发明的优点在于，至少发生在粘合位置处散射射束比现有技术中所发生的明显更少地射出。因此没有发生粘合位置的局部过热，并且可以降低纤维损坏的风险。

因此，借助根据本发明的纤维能够实现，有针对性地在已去除保护层的位置处耦合输出散射射束，而否则在纤维中引导散射射束。

在设有保护层，其折射指数小于其相邻的护套层时要注意，在纤维护套中所传送的散射射束的电场在中间层的界面处也总是在中间层的方向上、即在具有更低的折射指数的介质中延伸或者侵入所述介质中。根据光学特性电场在那在径向方向上损失强度。在此，称为隐失波(evaneszente Welle)。因此，为了避免从纤维护套中在径向方向上过渡进纤维的外层中，保护层的厚度必须选择得如此厚，使得在保护层中相应地降低射束的场强。因此，保护层的厚度必须至少是在纤维中传送的光的波长的多倍。

根据使用领域，中间层有利地具有小于20μm的厚度，尤其是具有10μm、5μm或者更小的厚度。用于中间层的这种小的厚度可以允许，简单去除、尤其蚀刻去除中间层，这相比于由现有技术已知的纤维能够实现更好的制造。

通过中间层的设置，在根据本发明的纤维中，包裹所述纤维的例如可以由硅酮或者丙烯酸盐制成的涂层不再需要具有比纤维或者纤维护套更低的折射指数。此外，可以将吸收射束的材料用于涂覆层。相反，低折射的中间层确保光在纤维内被传导。这能够使纤维的处理变得容易。对于包裹的涂层尤其可以选择以下材料：所述材料可以被选择用于纤维的特殊使用，如以下还进一步描述的那样。

为了制造根据本发明的光学纤维，构造至少一个纤芯、至少一个纤维护套和一个涂覆层，所述涂覆层设置在所述至少一个纤维护套的周围。在纤维护套与涂覆层之间构造中间层，所述中间层的折射指数至少小于纤维护套的折射指数。在设置具有以下厚度的中间层：所述厚度大于场进入中间层的侵入深度、典型地因此至少明显大于在纤维中传送的光的波长时，涂覆层的折射率、因此其材料至少很大程度上对纤维的光传导特性没有影响。因此，也可以使用不同于传统纤维中的材料的材料，这在制造纤维时可以随之带来经济的优点。

为了能够实现纤维端部与其他光学器件的连接——例如传送纤维与加工头的连接，通常使用连接器(Stecker)。在纤维与连接器连接时，首先在应该制造光学纤维的连接的区域中去除纤维的涂覆层。在去除涂覆层之后，中间层构成纤维在径向方向上的外表面。然后，使所述纤维借助其侧面与连接器等接触，并且在暴露的中间层周围设置粘合材料，所述粘合材料因此与中间层直接接触。例如可以通过加热或者通过所谓的收缩套管运用粘合材料。也可以考虑借助光、尤其是UV光(紫外光)硬化的粘合剂。粘合材料可以具有比中间层更大的折射指数并且允许对于射束是吸收性的。在此，中间层防止散射射束过渡进粘合材料中。有利地，在连接器之前或者在连接器中设置用于散射射束的耦合输出元件。在此，可以通过以下方式实现粘合位置的稳定性的提高：纤维的涂覆层的一部分伸入粘合位置中并且因此同样被粘合。

优选在光经过纤维的传送方向上，即在沿着纤芯的延伸方向并且沿着所述纤芯的中轴线定向的方向来看，在连接器之前或者在与另一个部件的粘合位置之前构造纤维中的至少一个耦合输出装置。因此，可以降低粘合位置、粘合剂和/或连接器或者所安装的部件的损坏的风险。

在其他替代的实施方式中，也可以使纤维构造有多于仅仅一个纤芯，以便选择性地传送光的不同模式或者多个模式。纤维尤其可以是单模纤维。在本发明的范畴内，也可以考虑其他纤维类型，例如中空纤维或者渐变折射率纤维。

附图说明

本发明的细节、其他优点和发展根据一种实施方式参考附图来进一步阐述。

附图示出：

图1：现有技术中的光学纤维，该光学纤维具有a)脱模器；b)粘合位置；

图2：根据本发明的一种实施方式的光学纤维，a)俯视图；b)作为折射率特性；

图3：根据本发明的一种实施方式的光学纤维的示图，该光学纤维具有a)脱模器；b)粘合位置。

具体实施方式

图2a)示出根据本发明的一种实施方式的光学纤维10。光学纤维10具有纤芯1、内纤维护套2和外纤维护套3。在此，外纤维护套相应于覆盖层。如在图2a)中可以看到的那样，纤芯1具有圆形的横截面并且设置在纤维10中心。内纤维护套2圆形地包围纤芯1，从而内纤维护套2围绕纤维10的中心对称地设置。因此，纤芯1和内纤维护套2相互同心地设置。外纤维护套3同样同心地包围内纤维护套2。

在替代的实施方式中，不仅纤芯而且内纤维护套和/或外纤维护套可以具有非圆形的横截面、尤其是椭圆的、矩形的或者其他形状的横截面。

在从纤维10的中心径向的、向外定向的方向上，在外纤维护套3的外表面上设置有中间层4、也称作保护层。在本发明的一种实施方式中，中间层4在径向的方向上具有以下厚度：该厚度使得可能的是，蚀刻去除所述层。尤其可以考虑厚度为10μm、特别优选为5μm或者更薄。当然也可以考虑其他厚度、尤其超过10μm的厚度，而不偏离本发明的思想。

在中间层4的周围设置涂覆层5。在所示的实施方式中，涂覆层5同样同心地包围纤维10的位于内部的部件。

图2b)示出图2a)中的纤维的折射率特性。如通过图2b)中的示意性坐标系系说明的那样，在此，根据水平方向——纤维的径向延展r——绘出折射率n。由图2b)明显看出，在所示的实施方式中，直接包裹纤芯1的内纤维护套2具有比纤芯1本身更低的折射指数。在此，中间层4的折射指数相应于内纤维护套2的折射指数。在此，外纤维护套3的折射指数相应于纤芯1的折射指数。要注意的是，在其他的实施方式中可以考虑折射率的其他关系。因此，只要保持如先前所描述的原则上的特性，则在此相等的值不必相等，而是可以彼此不同。这尤其仅仅意味着，在位于外部的纤维护套和中间层4之间的过渡中存在折射指数下降。

在所示的实施方式中，涂覆层5由2个层——缓冲层5a和外套5b组成。在所述实施方式中，缓冲层5a具有比中间层4更低的折射率，使得借助高的NA通过全反射也将散射射束保留在纤维中。在此，纤维的外套5b不具有光学功能，而是仅仅有利于机械稳定性。涂覆层5在中间层4的相应厚度的情况下也可以采用任何一个另外的折射率，而不损害纤维的功能。以下为清楚起见，仅仅谈及涂覆层5。然而要注意的是，可以如以上所描述的那样构造涂覆层5。

图3示出根据本发明的在外纤维护套3和涂覆层5之间具有中间层4的纤维。在此，为清楚起见没有示出内纤维护套2。然而，在替代的实施方式中，也可以忽略内纤维护套或者外纤维护套2、3。在图3a中针对两个不同的误耦合输入的射束S1、S2(“散射射束”)和射束S0示出在纤维护套3内的射束路径。在此，借助与纤维端面的垂线L平的进入纤维或者纤维护套2、3中的入射角示出第一光束S1。因此，所述射束S1以锐角射到纤维10内的纵向侧、即平行于纤芯1延伸的侧上，并且因此在纤维10的内部具有大量的反射点。因此，射束S1很可能射到设置在纤维10中的耦合输出装置上。以下也将耦合输出装置称作脱模器11。

脱模器11例如可以通过保护层4的蚀刻去除和纤维护套3的表面的不光泽化而产生，并且在所示的实施方式中表示具有不均匀折射特性和不规则表面的区域。在脱模器11处可以耦合输出来自纤维护套3的射束。在替代的实施方式中也可以考虑，所述耦合输出装置11以其他的方式——例如通过中间层的机械粗糙化、更高折射的材料的施加等等来制造。

在图3a中所示的第二射束S2以与纤维端部的垂线L所成的锐角进入纤维10(低的NA)并且因此在纤维护套2、3中的进一步传播过程中具有较少数量的反射点，这降低射束2在一个脱模器11处或者在多个脱模器11中的一个脱模器处耦合输出的可能性。

如还在图3a中示出的那样，脱模器11如此构造，使得其在没有涂覆层的位置处起作用。在所示的实施方式中，通过纤维10的中间层4的蚀刻去除构造脱模器。要注意的是，中间层4的仅仅部分的蚀刻去除可能也足够。

图3b示出根据本发明的纤维，其在粘合位置9的区域中与连接器连接。

在粘合位置9的周围设置连接器7，所述连接器接收纤维端部。在连接器7中设有粘合材料8，其与纤维、尤其是与粘合时位于外部的中间层4直接接触。粘合材料8与连接器7共同在纤维10的纵向方向、即垂直于纤维10的径向方向的方向上共同延伸并且构成粘合位置9。也可以通过这种方式将纤维与其他部件连接。

通过具有中间层4的纤维的构造——如在图3b中所示的那样——防止在纤维护套3中延伸的射束进入涂覆层5中。甚至在粘合位置处，通过在具有高折射指数的纤维护套3与通常同样具有高折射指数的粘合材料8之间的中间层4的设置而避免了过渡，在所述粘合位置处粘合剂通常具有高折射指数。

通过中间层4在径向方向上的相应大的尺寸可以完全避免从纤维护套到涂覆层中的过渡。

在此，中间层沿着纤维例如在其厚度或者其折射指数方面不必具有均匀的特性。

综上所述，用于传输激光射束S0的光学的传送纤维10具有至少一个纤芯1、至少一个纤维护套2、3和一个包围所述纤维护套2、3的涂覆层5，其中，在纤维护套2、3与涂覆层5之间设有中间层4，所述中间层的折射指数小于相应的与中间层4接触的纤维护套2或3的折射指数。中间层防止散射射束S1、S2从纤维护套射出进入涂覆层5中或者粘合位置9中。在此，纤维10构造有至少一个耦合输出装置11。

Claims (13)

1.一种用于传送激光射束的光学纤维，所述光学纤维具有至少一个纤芯(1)、至少一个纤维护套(2)和一个涂覆层(5)，所述涂覆层包围所述纤维护套(2)，其中，在所述纤维护套(2)和所述涂覆层(5)之间设有中间层(4)，其中，所述中间层(4)的折射指数小于所述纤维护套(2)的折射指数，并且在所述纤维中设有至少一个用于从所述纤维护套(2)中耦合输出射束的耦合输出装置(11)，所述纤维具有粘合位置(9)，其中，粘合剂(8)设置在邻近所述中间层(4)的粘合位置(9)的区域中，其特征在于，

连接器(7)定位在所述光学纤维的端部的附近，所述连接器(7)绕着所述粘合位置(9)布置在所述光学纤维上并通过沿着所述光学纤维的纵向接触所述中间层(4)的粘合剂(8)连接至所述光学纤维，其中，所述中间层(4)阻止射束在所述粘合位置(9)处逃出所述光学纤维。

2.根据权利要求1所述的光学纤维，其特征在于，所述耦合输出装置(11)是经不光泽化的纤维区段，其中，在所述经不光泽化的纤维区段的区域中所述中间层(4)已去除。

3.根据以上权利要求中任一项所述的光学纤维，其中，所述中间层的厚度如此选择，使得所述中间层能够通过蚀刻工艺去除，其中，所述中间层的厚度小于20μm。

4.根据权利要求3所述的光学纤维，其中，所述中间层的厚度处于5-10μm的范围之间。

5.根据权利要求1-2、4中任一项所述的光学纤维，其特征在于，所述纤维(10)具有另一个护套层(3)，其与所述纤维护套(2)接触并且围绕所述纤维护套设置。

6.根据权利要求1-2、4中任一项所述的光学纤维，其特征在于，所述纤维(10)是单模纤维。

7.根据权利要求1-2、4中任一项所述的光学纤维，其特征在于，所述纤维(10)具有多个纤芯(1)。

8.根据权利要求1-2、4中任一项所述的光学纤维，其特征在于，在光沿着所述纤维的传播方向上在所述粘合位置之前设有所述耦合输出装置。

9.一种用于制造光学纤维的方法，所述光学纤维用于传送激光射束，所述方法具有以下步骤：

构造纤芯(1)；

构造至少一个纤维护套(2)，所述至少一个纤维护套设置在所述纤芯(1)周围；

构造涂覆层(5)，所述涂覆层设置在所述纤维护套(2)周围，

其中，在纤维护套(2)与涂覆层(5)之间至少逐段地并至少在粘合位置(9)的区域中形成中间层(4)，以使中间层(4)阻止射束在所述粘合位置(9)处逃出所述光学纤维，其中，所述中间层(4)的折射指数小于所述纤维护套(2)的折射指数；

将连接器绕着所述粘合位置(9)布置在所述光学纤维的端部附近；并且

通过沿着所述光学纤维的纵向接触所述中间层(4)的粘合剂将所述连接器连接至所述光学纤维。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，借助用于散射射束的耦合输出装置(11)构造所述纤维。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过所述中间层(4)的蚀刻去除来构造所述耦合输出装置(11)。

12.一种用于粘合根据权利要求1至7中任一项所述的光学纤维(10)的方法，其特征在于，在粘合位置(9)的区域中如此去除所述纤维(10)的涂覆层(5)，使得所述中间层(4)构成所述纤维(10)的表面，并且围绕所述中间层(4)设置粘合材料(8)并且使所述粘合材料与所述中间层(4)接触。

13.根据权利要求12所述的用于粘合光学纤维(10)的方法，其中，如此去除所述涂覆层(5)，使得所述涂覆层(5)在粘合时伸入所述粘合位置中。