CN115857084A - 侧向发射的光波导和用于向光波导中引入微修饰的方法 - Google Patents

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维丽娜·克纳佩
大卫·阿什肯纳西
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Abstract

本发明涉及一种光波导以及一种用于制造按照本发明的光波导的方法，该光波导包括引导光波的芯部和在光波导中的一个区域，其中，在该光波导的区域中设置微修饰，其中，光波导的排布是有序的。

Description

侧向发射的光波导和用于向光波导中引入微修饰的方法
本申请是申请号为201680035698.8，发明名称为“侧向发射的光波导和用于向光波导中引入微修饰的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种光波导，以及一种用于向光波导中引入微修饰的方法。
背景技术
在现有技术中已知的光波导通常由光波导芯(以下称为芯部)和光波导护套(以下称为护套)组成。在此，石英玻璃是常用的制造材料，但不限于此。为了确保芯部内的无损光导，护套的折射率小于芯部的折射率。由此可以在芯部和护套之间的过渡处利用全反射，从而促使在光波导的芯部中光的引导。有时护套由另一个覆盖层覆盖。通常，常规的光波导还额外地具有包裹护套的所谓的涂层和/或缓冲层。这些附加层通常这样实施，以使得它们通常用于光波导的机械稳定性，并且特别地确保光波导的无损可弯曲性和光波导不受外部影响的机械保护。
通常，在一侧输入(einkoppeln)到芯部的光在芯部内几乎无损地行进而在光波导的另一端上从光波导输出(auskoppeln)。为了改变芯部内的光的光路，已知的是，向芯部的材料中或在芯部和护套之间的边缘区域中引入修饰部。通过光在这些可以被描述为干扰的修饰部上的衍射和/或散射和/或折射可以改变光路，从而由此实现所期待的、至少部分在光波导芯部中引导的光的侧面输出(seitliche Auskopplung)。如果沿着芯部和/或芯部与护套之间的边缘区域在限定的路径上引入设定的修饰部，则侧面输出同样可以在该限定的路径上进行。
这样处理的区域可以用作所谓的光纤施加器(Faserapplikator)，其通常设置在光波导的一端或在光波导之间。还已知的是，这些所谓的光纤施加器基本上通过外部附接的附件来实现。因此，例如已知在光波导的一端附接在光波导上的防水连接的附件。在此光波导的机械和/或化学粗糙化的端部或者通过散射颗粒错开的、在以液体密封的方式实施的附件中循环的液体用来使光路改变为光的侧面输出。这类施加器例如在DE 41 37 983C2，DE 42 11 526 A1或DE 43 16 176 A1中公开。
这种附接的施加器的另一种结构是已知的，例如在DE 101 29 029A1、US 4,660,925或US 5,196,005中公开了一种被设计为空心体的附件，其被固定在光波导的一端上。该空心体在此通过载体基体(例如硅胶)填充，其中引入了用作散射中心的粒子。在此，散射粒子的浓度可以均匀地分布或者向着端部逐渐增加。
这类附接的光纤施加器大多由聚合物材料制成并因此是弹性和机械可负载的，但也具有显著地缺点，这些缺点主要是基于由光波导和附接的施加器构成的两部分设计。例如，所附接的施加器的热负荷能力通常远低于光波导的热负荷能力。同样地，在这类施加器中存在从光波导上脱离的风险。通常，这类附接的施加器的不同制造商使用不同的材料，由此相应地导致施加器的不同的热特性和机械特性，并且仅适用于特定的波长和功率。因此使不同施加器之间的替换变得困难，特别是这些光纤施加器已针对特定的应用进行了优化。所附接的施加器的另一个主要缺点在于制造过程。组装通常由人工完成，而且由于其复杂性无法自动化。另外，在制造过程中可能会出现起气泡夹杂或异物夹杂，光在气泡夹杂或异物夹杂上被不成比例地分裂，并导致所谓的不期望的热点(Hotspot)，从而导致相对较高的废品率。
在DE 44 07 547 A1中描述了一种在使用聚焦的激光束的条件下在透明材料内部引入微修饰的方法。在此，借助纳秒级的激光脉冲在透明材料内产生可以作为光散射中心的微裂纹。在光波导的情况下将这种方法投入到应用中时，这样产生的微裂纹存在一个问题。这些裂纹在光波导内部可能导致这样的材料弱化，该材料弱化在热负荷或机械负荷的情况下可以导致光波导的弯曲、光波导的损坏甚至断裂。另外，这些微裂纹在大小和相对于光波导轴线的取向方面是不可控的。
DE 197 39 456A1公开了一种用于向光波导中引入作为散射中心的微修饰的方法。其中没有详细描述处理参数，例如所使用的激光束的脉冲持续时间，以致所产生的微修饰的确切的成型是不确定的。但是，确切的形状对光波导的发射和机械稳定性有决定性的作用。
同样在EP1342487 B1中已知一种激光施加器，其包括具有散射装置的光波导，该散射装置适于将在内部引导的光至少部分地由光波导的芯部向外散射，其中至少一部分散射中心形成衍射光栅。尽管描述了适合于在光波导内部引入散射中心的方法，但是没有描述对于有针对性地控制散射中心的成型而言所必需的参数的确切设置。
WO 2004/005982 A2中描述了一种用于光波导的微结构化的方法，其中使用了超短激光脉冲。该方法和其他上述方法以一般的方式表述并且包括对于所产生的微结构的形状、大小和分布/排布的说明，而没有对微结构和被处理的光波导的热稳定性和机械稳定性方面的特殊设计。
已知的是，在光波导的弯曲或其他负荷(例如机械和/或热负荷)的情况下，如果在光波导内部出现的应力极大地影响机械稳定性，则可能发生机械故障(光波导的断裂)。在制造过程中，特别是在牵拉过程中，在光波导护套的外部区域中可能会出现微裂纹。通过在涂层(和/或缓冲层)与护套的护套表面之间的机械连接可以使所产生的应力排散，从而不会导致(所谓的裂纹扩展的)增强并且因此不会损害光波导的机械稳定性。另外还已知的问题在于，光波导内部(例如芯部或护套)的任何进一步的处理会损害光波导的机械稳定性。由此，未处理的光波导所能容许的应力在光波导的处理过程中可能导致裂纹扩展，由此导致光波导的断裂。
发明内容
本发明的目的在于，避免或减少现有技术中的一个或多个缺点。本发明的目的特别是提供一种光波导，其适用于使至少部分在内部引导的光从侧面发射并同时提供尽可能高的机械稳定性。另外，本发明的目的还在于，提供一种用于向光波导中引入微修饰的方法，这些微修饰适于使至少部分在光波导内部中引导的光从侧面发射。
由根据权利要求1的前序部分的光波导出发，该目的通过权利要求1中给出的特征部分以及通过权利要求11所提到的用于引入微修饰的方法的特征得以实现。
按照本发明的光波导包括引导光波的芯部、在光波导的远端处的一个区域，其中，在该光波导的远端处的区域中设置微修饰，其中，微修饰的排布是有序的。与无序的或混乱的分布相比，通过微修饰的有序分布可以控制光波导中的应力分布和发射几何形状。在无序分布情况下可能发生的是，甚至在应力峰值区域设置其他可进一步提高应力的微修饰。这不可避免地会导致该区域中的进一步的机械弱化，这可能导致光波导的损坏。如果有序地引入微修饰，则可以主动的控制应力分布。由此实现了，机械负荷可以通过微修饰分布，从而在光波导损坏之前可以引入比与具有混乱分布的微修饰的光波导更高的机械负荷。此外，通过有针对性地排布微修饰，可以减少处理时间，因为只在微修饰也对在光波导中引导的光的侧面发射有显著作用的地方引入微修饰。而在无序排布的微修饰的情况下，这是不能保证的。因此，在无序排布的微修饰的情况下，必须引入更多的微修饰，以达到与微修饰的有序的排布相等的侧面发射强度。
在光波导的一个优选的实施方式中，将微修饰设置在一个或多个平行的截面上，其中，第一截面垂直于光波导轴线，而且其中，在第一截面上的微修饰的排布通过选自包括微修饰的对称排布、微修饰在第一截面上的密度、微修饰的大小、微修饰相对于光波导轴线的间距、微修饰彼此之间的间距、微修饰的取向或微修饰的位置和分布或其大小和外部形状的其他参数的参数组中的一个或多个参数而描述。
在光波导的另一个优选的实施方式中，在第一截面上的微修饰的排布在至少一个另外的截面上重复。这样的优点在于，可以重复处理程序并且也可以使由微修饰的特定排布所产生的应力分布在更长的范围内延续。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，第一截面上的微修饰的排布在其上重复的另外的截面相对于第一截面以一定角度旋转。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，第一截面和至少一个微修饰的排布在其上重复的另外的截面之间的间距大于单个微修饰的范围。
在本发明的另一个实施方式中，只要微修饰没有彼此重叠或者阻碍照射通路，第一截面和至少一个微修饰的排布在其上重复的另外的截面之间的间距小于微修饰在光波导的轴向方向上的范围。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，在第一截面和至少一个第一截面上的微修饰的排布在其上重复的另外的截面之间存在至少一个具有微修饰的另外的截面，该另外的截面所具有微修饰具有不同于第一截面的排布。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，在第一截面上的微修饰围绕光波导轴线旋转对称地设置。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，微修饰设置在一个空心椎体上，其中，该空心椎体的纵轴线位于光波导轴线上。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，微修饰设置在多个空心椎体上，其中，这些空心椎体具有不同的直径，并且其中，空心椎体的纵轴线位于光波导轴线上。微修饰不必将椎体直到顶部的整个区域填满，由此例如是在椎体上所包含的截锥或螺旋。
在光波导的另一个特别优选的实施方式中，在光波导轴线的方向上在光波导的远端处的区域被分为两个区段，其中，第一区段朝向光波导的远端而第二区段远离光波导的远端。
同样地，另一个特别优选的实施方式为，将光波导的处理的区域分为至少两个区段，不同的有序的微修饰分别以不同的取向和实施形状引入这两个区段中。
按照本发明的用于向光波导中引入微修饰的方法包括：将光波导固定在一个或多个支架中，其中，光波导和/或支架以可移动的方式设置；通过聚焦装置使高能的激光束在聚焦位置中聚焦，其中，聚焦位置能够在光波导的内部定位，其中，射束由发射源以脉冲的形式产生，其中，用于使高能的射束聚焦的聚焦装置以可移动的方式设置；通过光波导使聚焦位置移动，其中，聚焦位置在光波导内部中的移动有针对性地根据重复速率而选择，从而产生微修饰的预设定的排布。
优选地，用于向光波导中引入微修饰的方法包括光波导以旋转运动的方式移动。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的一个优选的实施方式中，聚焦位置通过光波导连续地移动。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的另一个优选的实施方式中，聚焦位置通过光波导的移动包括由旋转运动和一个或多个平移运动组成的组合。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的另一个优选的实施方式中，聚焦位置的移动通过重复速率进行修正，从而在光波导中产生有序均匀或对称变化的微修饰的排布。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的另一个特别优选的实施方式中，微修饰的排布通过选自包括微修饰的对称排布、微修饰在截面上的密度、微修饰的大小、微修饰相对于光波导轴线的间距、微修饰彼此之间的间距、微修饰的取向或微修饰的位置和分布或其大小和外部形状的其他参数的参数组中的一个或多个参数来描述。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的另一个特别优选的实施方式中，射束向光波导上的射入以光波导轴线和射入方向之间不等于90°的角度进行，在一个优选的范围内以不等于90°+/-5°的角度进行，在一个特别优选的范围内以不等于90°+/-10°的角度进行。
在用于向光波导中引入微修饰的方法的另一个特别优选的实施方式中，聚焦装置额外地在侧向和横向方向上以振动的形式移动。
优选地，在用于引入微修饰的方法中使用能够产生超短激光脉冲的激光系统。脉冲长度优选在0.01至1000ps的范围内，特别优选在0.05至10ps的范围内，更特别优选在50至500fs之间的范围内。所使用的波长范围从可见范围到近红外范围，优选在300至1500nm之间，特别优选在500至532nm或1000-1064nm之间。在此，所使用的单脉冲能量的范围优选为1μJ至100μJ，特别优选为1至50μJ。这导致在焦点范围内功率密度在1012和1015W/cm2之间。
激光系统所使用或可实现的重复速率决定性地确定了在将微修饰引入到光波导中时的处理速度。重复速率越高，聚焦装置能够在微修饰的间距保持相等的情况下移动得越快。高重复速率因此是优选的。然而，应该注意的是，处理轴必须能够相应快速和精确地移动。此外，在大于或等于1MHz的非常高的重复速率下，由于引入到光波导的受照射的体积中的能量不能足够快地排散，因此可能导致光波导内的热积聚。这种热积聚可能导致应力开裂并因此导致机械不稳定性，或甚至导致光波导的损坏。因此，优选地选择在1kHz至1MHz范围内，更优选地在1至100kHz范围内的重复速率。
使用超短光脉冲(脉冲持续时间<10ps)的优点是，传入的热能的影响范围保持为非常小，由此实现了在不损害周围材料的情况下引入空间上限定的微修饰。如果使用纳秒级内的激光脉冲，则在单个脉冲期间将能量传送到被照射材料的离子光栅(Ionengitter)。类似在重复速率过高的情况下，这导致受到照射的材料体积中的热积聚以及微观的应力裂纹形成，其范围整体而言可能在毫米级内。对光波导材料的这些损害可能导致机械稳定性的限制，直到在机械负荷和/或热负荷下可能导致光波导的断裂。
超短激光脉冲的使用实现了仅在几微米的被照射区域内有针对性地改变材料特性，而在此不会无意地损坏周围的区域。在这种情况下，脉冲持续时间不足以将能量释放到周围材料的离子光栅，从而不会导致或显著减少热积聚。这允许在周围材料中的应力非常低的情况下生产非常小的结构。尽可能小的结构和尽可能低的应力对于在光波导中有针对性地引入微修饰而言是必要条件。只有这样才能实现光波导材料的有针对性的结构化，而无需确保光波导的机械稳定性。
为用于向光波导中引入微修饰的方法提供了一种包括轴系统和发动机系统的装置。该装置一方面用于支撑光波导，而在另一方面，该装置实现有针对性地移动、旋转光波导，并且实现了激光系统的的焦点在光学波导内的任意定位。按照本发明的方法和相应的按照本发明的装置实现了在光波导内部任意地改变微修饰的形状、分布和位置。因此，通过线性轴线和旋转轴线的行进速度或通过重复速率而有针对性地影响例如微修饰的位置或形状。也可以有针对性地控制微修饰的分布，例如通过所谓的激光内部的“脉冲选取(pulsepicking)”或可编程的快门(Shutter)。微修饰相对于光波导护套的表面的深度可以通过焦点的有针对性的移动、通过有针对性地调整聚焦装置而影响。此外，也可以通过对单个脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲数(单脉冲、双脉冲、多脉冲)、空间和/或时间间隔的适当的选择，或者通过“脉冲剪裁(pulse tailoring)”有针对性地影响单个微修饰的深度范围。同样可能的是，通过穿过光波导的中心的聚焦而将微修饰引入到光波导背离激光系统的一侧上。在此还可能的是，额外地使用光波导曲面的透镜效应进行聚焦，从而产生具有更短的深度范围的微修饰。聚焦位置或者聚焦装置相对于光波导轴线的定位也会影响微修饰的排布。因此，可以通过射入位置从相对于光波导轴的垂线的偏移来控制微修饰的取向。
可以描述微修饰的任何参数，例如微修饰的深度位置、空间范围、分布、彼此的间距、位置、取向或甚至形状，均可能对光波导的机械稳定性有影响。微修饰的空间范围越小而且微修饰彼此的间距越大，对光波导的机械稳定性的影响就越小。另一方面，由微修饰引起的光输出的强度本质上与对机械稳定性的影响相反。因此，在输出的光强度与光波导的机械稳定性或热稳定性之间寻求折中是必要的。
关于微修饰的分布，可以想到不同的实施。因此，例如可能的是，有意识地制造不规则的微修饰的分布，从而避免光栅效应(例如干扰)并同时确保输出光的均匀分布。另一方面，可以想到的是，微修饰的有针对性定期或周期性的分布，例如，布拉格光栅(Bragg-Gitter)或多维光子结构。另一种可能性在于，光波导内部的微修饰可以紧密地设置，以使得这些微修饰形成本身具有波导特性的线。该线结构可以设计成任意长度，并且同样可以任意地设计其相对于光波导的变化，例如可以想到直线形、二维螺旋形或三维螺旋形的设计。
所描述的处理可能性不限于特定类型的光波导。通过适当调整加工参数可以实现对任意类型的光波导进行加工，例如空心光纤、梯度折射率光纤(Gradientenindexfaser)、新颖的无铅高科技玻璃光纤、光子晶体或光子晶体光纤。
附图说明
以下借助几个实施例进一步说明本发明。附图中：
图1示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构；
图2示意性示出了光波导，聚焦的激光的输入以及聚焦的激光和光波导之间相对运动的可能性；
图3示出了用于处理光波导的处理装置的示意性结构，
a)前视图，
b)侧视图；
图4示出了通过激光束用于处理光波导的方法；
图5示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)光波导，
b)沿剖面线A-A、B-B、C–C、D-D和E-E的横截面；
图6示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)光波导，
b)沿剖面线A-A、B-B、C–C、D-D和E-E的横截面；
图7示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)光波导，
b)沿剖面线A-A、B-B、C–C、D-D和E-E的横截面；
图8示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)-e)沿剖面线A-A、B-B、C–C、D-D和E-E的横截面，
f)沿光波导轴线的横截面；
图9示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)-c)不同的周期性序列；
图10示出了具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构，
a)具有不同的微修饰的分布和/或排布的横截面的序列，
b)具有横截面的相同序列的区域的周期性序列，其中，横截面具有不同的微修饰的分布和/或排布。
具体实施方式
图1示出了待处理的光波导(1)的示意图。光波导包括大范围没有微修饰(5)的第一区域(15)和其中引入了微修饰(5)的光波导(1)的第二区域(16)。该区域(16)大多设置在光波导(1)的远端处。可选地，光波导可以设置有防止光从光波导(1)的端部区域出射的端盖(14)。该端盖(14)可以通过光波的反射使光波通过微修饰再次输送到侧面输出。端盖(14)可以由在同样是按照本发明的光纤端面上直接形成的适合的镜面替代。芯部(11)由护套(12)包裹，随后是涂层和/或缓冲层(13)。芯部(11)和护套(12)通常由石英组成并且被不同地掺杂。护套材料的折射率小于芯部材料的折射率，以这种方式可以通过在光波导(1)内的芯部-护套过渡中的全反射来传输光。护套(12)由所谓的涂层和/或缓冲层(13)包裹，该涂层和/或缓冲层吸收在光波导(1)的弯曲过程中的应力，并由此确保无损的可弯曲性并且还用于保护位于其下方的层不受到机械作用。为了处理光波导(1)，可以除去对于所选的激光波长不透明的缓冲层(13)，以激光还必须通过护套(12)聚焦。在对于所选激光波长透明的缓冲材料(例如尼龙或PTFE)的情况下，也可以穿过缓冲层(13)处理光波导(1)。这具有以下优点：光波导(1)的处理区域具有与光波导(1)的其余部分基本相同的增加的弯曲强度。
在图2中同样示出了用于引入微修饰(5)的聚焦的激光(2)输入到光波导(1)中的原理。图2示出了为了将激光脉冲聚焦到光波导(1)的芯部区域中所需的聚焦光学器件(21)和所产生的微修饰(5)。对于向光波导(1)中引入微修饰(5)而言重要的透镜参数在此为象征性示出的聚焦光学器件(21)的焦距和数值孔径(NA)。焦距应选择尽可能短，因为这样可以使焦点的大小最小化。但是，在此焦距必须足够长，以便能够穿过光波导护套聚焦到芯部(11)中。在一个优选的变型中，聚焦光学器件(21)的焦距在1至5mm之间。但是，工作间距大于5mm的“长距离”显微镜物镜的使用也是优选的替代方案。聚焦光学器件(21)的尽可能大的NA是有利的，因为这确定了聚焦光学器件(21)的孔径角。孔径角越大，聚焦范围越短。这是非常重要的，因为这可以使所引入的微修饰(5)的深度延伸最小化。更大的孔径角导致更高的光束发散，并由此导致焦点前后的光束直径快速增加。这会降低焦点前后区域中的能量密度，并因此降低聚焦范围之外的吸收和损坏危险。
在一个特别优选的变型中，将具有NA＞0.68的数值孔径的短焦距(f＜3.1mm)的非球面透镜用作聚焦光学器件(21)。在另一个实施方式中使用了一种具有高NA的特殊物镜(透镜系统)。这被设计成，以使得聚焦的激光束(22)的波前具有与其所到达的材料表面相同的曲率半径。这具有以下优点：当通过光波导表面时，波前不会扭曲(波前畸变，wavefront distortion)，这又导致在光波导(1)的材料中明显更好的可聚焦性。
图3示出了根据本发明的用于将微修饰引入到光波导中的设备(20)的原理简图。该设备(20)包括用于在光波导(1)和聚焦的激光束(22)的焦点之间实施线性运动的不同的机动化的调节装置(33，34)。该运动优选通过直线式发动机(33，34)在空间方向(X，Y，Z)上进行。此外，该设备(20)包括用于将激光(2)输入聚焦光学器件(24)的结构(23)。此外，该设备(20)包括用于光波导(1)的支架(32)和用于其旋转的旋转轴线(α，β1，β2，β3)。与之前已知的解决方案不同，聚焦透镜不移动，而仅移动光波导(1)。这具有的优点在于，在处理期间不必使转向镜在光路中移动或运动。由于可以固定地安装光路中的所有光学元件，因此用于设备的设置或调整支出显著减少并且同时得到结构的更好的长期稳定性。例如在平移运动的偏转镜中，在光路上轻微的不准确或偏差可能会导致激光束(2)在聚焦光学器件(24)上移动。因此，焦点在X-Y平面中移动，而且由于相对于光波导(1)倾斜(非垂直)通过聚焦光学器件(24)的光路也在Z方向中移动。具有可重复的处理结果的长期稳定的结构是非常困难或不可能实现的。
Z轴(34)承载由X和Y轴(33)、旋转装置(31)和用于光波导(1)的支架/导向件(32)组成的另外的加工结构。该加工结构用于将光波导(1)移动到聚焦光学器件(24)上和远离聚焦光学器件。以这种方式，可以改变焦点与光波导(1)中心的距离，即，深度位置。X轴(33)用于在聚焦光学器件(24)下方沿着光波导延伸使光波导或支架/导向件(32)移动。因此，被修饰的区域的最大长度仅由该轴的最大移动路径来确定。Y轴(33)使支架/导向件(32)在聚焦光学器件(24)下方相对于光波导延伸成直角地移动。由于聚焦光学器件(24)和光波导(1)通过Y轴(33)可以彼此对准，以使得激光束(2)尽可能垂直地到达光波导表面，因此该轴用于控制微修饰(5)的定位。倾斜达到表面会导致具有聚焦范围失真的改变的光路，并因此除了对取向的影响之外还对所引入的微修饰的形状和大小也产生影响。所使用的激光束(20)大多经转向镜(23)引导到聚焦光学器件(24)中，但这不是必须的。待处理的光波导(1)通过支架/导向件(32)保持在聚焦光学器件(24)前方的精确位置中。该导向件在加工区域中被省略或对于所使用的激光束(2或22)而言是透明。旋转装置(31)用于使光波导(1)绕其纵轴旋转。为此，光波导(1)通过张紧装置固定在旋转装置(31)上。为了避免光波导(1)的过度的扭应力，该光波导在此总是以最大360度逐步地旋转并随后以最大360度沿相反的方向旋转。这既对于分散的光波导区段(例如批量生产的光波导)是能够实现的，也对于辊对辊的制造过程(Roll-to-Roll-Herstellungsprozesse)是能够实现的，在辊对辊的制造过程中光波导(1)可以是任意长的。
图4中，在本发明的一个实施方式中，示出了一个通过激光束(2)处理光波导(1)的方法。首先，借助支架/导向件(32)将光波导(1)固定在其位置中(41)。支架/导向件(32)设计为，光波导(1)的区域可供激光束(2)使用，在该区域中应产生微修饰。光波导这样放置，以使得其能在三个空间方向上相对于聚焦位置移动。这可以通过可移动的光学器件(24)和光波导(1)的固定支撑而实现，或者通过固定的光学器件(24)和移动设置的光波导(1)实现。移动可能性包括三个空间方向X，Y和Z以及围绕光波导(1)的纵轴的旋转α和/或围绕一个或多个轴的旋转
Figure BDA0004001132750000131
在另一个方法步骤(42)中，使激光束(2)聚焦。聚焦的激光束(22)这样定位，以使得焦点的位置能够借助于移动可能性通过整个区域移动，在该区域中应引入微修饰。根据预设的图案通过光波导移动聚焦位置(43)。优选使用脉冲激光束。借助具有恒定速度的光波导(1)聚焦位置的连续移动产生在移动方向上具有等距离的间距的微修饰(5)。根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动产生20个或更多的微修饰(5)。在本发明的一个优选的实施例中，根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动产生多于36个的微修饰(5)、特别优选多于360个的微修饰(5)。在另一个方法步骤(44)中，重复根据预设的图案借助光波导(5)的聚焦位置的移动。
在另一个有利的设计中，在通过根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动而引入微修饰(5)结束之后，相对于光波导(1)的聚焦位置通过平移运动和/或旋转运动而改变。
这可以避免，在重复步骤中通过根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动而引入光波导(1)中的微修饰(5)在光波导轴线(17)的方向上恰好位于在第一步骤中通过根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动而引入光波导(1)中的微修饰(5)之后。
本发明的另一个有利的设计中，聚焦位置的连续移动通过光波导(1)沿着光波导轴线实施并因此稍后得到在截面中的上述排布。因此，在多个截面中的加工过程被分成在沿着光波导轴线(17)通过的过程中各个点的产生。
本发明的另一个有利的设计中，根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的连续移动由另一种移动叠加。该移动例如可以是振动，其用于，在重复步骤中通过根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动而引入光波导(1)中的微修饰(5)和在第一步骤中通过根据预设的图案借助光波导(1)的聚焦位置的移动而引入光波导(1)中的微修饰(5)之间产生一定的侧向偏移。优选振动的幅度至少为相邻的微修饰(5)的间距的一半。这样产生了在本发明意义层面上微修饰的有序的排布。
微修饰(5)这样设置在光波导(1)中，即，在光沿着光波导轴线(17)照射通过光波导的过程中排布微修饰，以使得光通过这些微修饰被尽可能完全地偏转到侧面。
在本发明的另一个优选的实施方式中，通过使激光束(2)的光轴(25)在照射光波导(1)时在光波导轴线(17)旁边定位在光波导(1)上将微修饰(5)引入到光波导(1)中。在微修饰(5)的形状明显不同于圆形的情况下，更确切地说，具有长形的形状，仅通过旋转运动可以由微修饰(5)实现几乎封闭的面或线。
在本发明的另一个有利的设计中，通过使激光束(2)的光轴(25)在照射光波导(1)时以一定角度
Figure BDA0004001132750000141
到达光波导(1)，该角度不等于90°，将微修饰(5)引入到光波导(1)中。在微修饰具有长形形状的情况下，导致在微修饰(5)的取向与光波导轴线(17)之间的锐角。在本发明的另一个实施方式中，微修饰(5)的取向与光波导轴线(17)之间的角度
Figure BDA0004001132750000142
在10°至80°之间的范围内，在一个优选的设计中在20°至70°之间的范围内，并且在一个特别优选的实施方式中在30°至60°之间。
图5示出了一种具有通过激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构(部分图a))以及沿着剖面线A-A、B-B、C-C、D-D和E-E的截面图像(部分图b))。光波导(1)由芯部区域(11)和护套区域(12)构成。通过按照本发明的照射(40)，将微修饰(5)引入到光波导(1)的芯部区域(12)中。在所示出的截面(A-A、B-B、C-C、D-D和E-E)上的微修饰(5)围绕光波导轴线(17)旋转对称地设置。这些微修饰(5)在各个截面上相对于光波导轴线(17)具有相等的间距并且设置在围绕光波导轴线(17)的圆弧上。在截面A-A中，微修饰(5)靠近光波导(1)的护套(12)并且相对于光波导轴线(17)具有较大的间距。经截面B-B到截面E-E，微修饰(5)相对于光波导(1)的护套(12)的间距越变越大或者微修饰(5)相对于光波导轴线(17)的间距越变越小。在本发明的另一个有利的设计中，在一个截面中的圆弧上设置的微修饰(5)的数量随着微修饰(5)相对于光波导轴线(17)的间距逐渐变小。这可以通过改变两个激光脉冲之间的时间间隔和/或旋转速度得以实现。
在本发明的另一个有利的设计中，微修饰仅在此处示出的截面中的一个中(例如A-A)沿着整个光波导或在多个圆中进行排布，即，类似此处示出的截面在一个截面中的组合排布(例如，AA与C C和/或E E)。
图6在部分图a)中示出了具有由激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构。在部分图b)中示出了沿着剖面线A-A,B-B,C-C,D-D和E-E的横截面。光波导(1)由芯部区域(11)和护套区域(12)组成。按照本发明的方法(40)，通过高能射束的照射将微修饰(5)引入到光波导(1)的芯部区域(12)。在所示截面(A-A,B-B,C-C,D-D和E-E)上的微修饰(5)的微修饰(5)围绕光波导轴线(17)旋转对称地设置。微修饰(5)的数量和排布在每个截面中是相同的。在截面B-B上的微修饰(5)的排布相对于在截面A-A上微修饰(5)的排布围绕光波导轴线(17)以一定的角度旋转。微修饰(5)的排布的旋转可以通过在用于将微修饰(5)引入到光波导(1)中的处理间隔之间光波导的旋转而实现。各个截面B-B至E-E相对于截面A-A的旋转角度由截面A-A到截面E-E逐渐增加。在本发明的另一个有利的设计中，在一个处理间隔中具有不同旋转角度的截面A-A至E-E的数量这样选择，以使得加工间隔的最后一个截面E-E上的微修饰(5)的排布在旋转继续的情况下可能又导致加工间隔的第一个截面A-A上的微修饰(5)的排布。
图7示出了一种具有由激光束引起的微修饰的光波导的示意性结构(部分图a))以及沿着剖面线A-A、B-B、C-C、D-D和E-E的截面图像(部分图b))。光波导(1)由芯部区域(11)和护套区域(12)构成。通过按照本发明的照射(40)，将微修饰(5)引入到光波导(1)的芯部区域(12)中。在各个截面(A-A、B-B、C-C、D-D和E-E)上的微修饰(5)围绕光波导轴线(17)旋转对称地设置。这些微修饰(5)在各个截面上A-A至E-E设置在围绕光波导轴线(17)的圆弧上。圆弧的半径在从截面A-A至E-E的过程中变化。另外，在截面B-B上的微修饰(5)的排布相对于在截面A-A上微修饰(5)的排布围绕光波导轴线(17)以一定的角度旋转。为了从用于微修饰(5)在截面A-A上的排布的处理步骤过渡到用于微修饰(5)在相邻截面B-B上的排布的处理步骤，可以使围绕光波导轴线(17)的旋转结合聚焦的激光束(22)相对于光波导(1)在用于微修饰(5)在相邻截面上的排布的处理步骤之间的平移。
在本发明的另一个有利的设计方案中，微修饰的排布仅在此处示出的截面中的一个中(例如A-A)沿着整个光波导但绕光波导轴线(17)旋转，或者由多个截面的组合实现，即，类似此处示出的截面在一个截面中的组合排布(例如，AA与C C和/或E E)。在本发明的另一个有利的设计方案中，微修饰的排布以多个截面的组合而进行，即，类似此处示出的截面在一个截面中的组合排布(例如，A A与C C和/或E E)，但是根据各个截面的所述图案，该组合排布随着各个其他的截面而转变。
图8借助垂直于光波导轴线(17)切开的横截面图像(部分图a)至e))和沿着光波导轴线(17)的纵截面(部分图f))分别示出了本发明的不同实施方式，其中示出了不同的微修饰(5)的设计方案，这些微修饰通过激光束而引入到光波导中。部分图a)和b)示出了具有不同大小的微修饰(51，52)。微修饰的位置与大小无关地进行选择。可以通过焦点的大小和/或通过所引入的能量的量而影响微修饰(51，52)的大小。用于单个脉冲的能量可以为1至50μJ之间，而且微修饰随着增加的能量而增大，但这取决于光波导的材料和激光质量。另外，还可以这样排布微修饰(5)，以使得其接触面彼此接触或重叠。通过焦点的形状和位置也可以影响微修饰(52，53)的形状。在非常长的焦距下产生具有椭圆形横截面的微修饰(53)，该椭圆形的横截面具有较高的长宽比，而在短焦距下产生具有较小长宽比的微修饰(52)。由微修饰(53，54，55，56)组成了另一个可以用于制造微修饰(5)的有序排布的参数。在部分图c)至f)中示出了微修饰(53，54，55，56)的不同的纵向取向。在部分图c)中，微修饰(53)全部都在相同的方向上取向。这由此实现，即，在激光束的脉冲之间实施在光波导(1)和聚焦位置之间的沿Y方向的侧边平移，而且由倾斜到达光波导(1)表面上的聚焦的激光束(22)产生的折射通过聚焦的激光束(22)以
Figure BDA0004001132750000171
的适当旋转而均衡。在部分图d)中，微修饰(54)的取向围绕光波导(1)的光波导轴线(17)旋转对称设置。这在处理过程中这样实现，即，在激光脉冲之间使光波导(1)围绕光波导轴线(17)旋转。微修饰(54)这样取向，以使得沿微修饰(54)的纵向的轴线通过微修饰(54)的中心而剪切穿过光波导(1)的光波导轴线(17)。在部分图e)中示出了这样的微修饰(5)的取向和排布，即，除了部分图d)的处理过程之外，使聚焦的激光束(22)不是沿光波导轴线(17)的方向而引入，而是将光波导(1)推向光波导轴线(17)的侧边。于是，微修饰(55)这样取向，以使得沿微修饰(55)的纵向的轴线不剪切穿过光波导(1)的光波导轴线(17)。部分图f)示出了微修饰(56)，其轴线沿微修饰(56)的纵向通过微修饰(56)的中心相对于光波导轴线(17)形成锐角(γ)。位于微修饰(5)的取向和光波导轴线(17)之间的锐角(γ)在10°至80°之间的范围内，在一个优选的设计方案中在20°至70°之间的范围内，并且在一个特别优选的设计方案中在30°至60°之间的范围内。角度(γ)可以以顶尖至光波导(1)的远端或近端进行取向。微修饰的排布可以设计为相对于光波导轴线(17)旋转对称并且朝向光波导(1)的远端和近端变窄。
光波导(1)中用于使微修饰(5，51，52，53，54，55，56)排布和/或取向的运动模式包括：选自包括沿空间方向X，Y和/或Z的平移和/或围绕光波导轴线(17)的旋转和/或围绕垂直于光波导轴线(17)的轴线的旋转的组中的一个或多个运动。在一个运动模式内，在光波导(1)的芯部(11)中产生至少一个微修饰(5，51，52，53，54，55，56)。在运动模式的第一次实施与运动模式的第二次实施和/或随后的重复实施之间进行选自包括沿空间方向X，Y和/或Z的平移和/或围绕光波导轴线(17)和/或空间轴线的旋转的组中的一个或多个运动。在此，在第一运动模式中引入到光波导(1)中的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)所在的区域不同于在第二运动模式中引入到光波导(1)中的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)所在的区域。
图9在部分图a)至c)中示出了具有由激光束引起的微修饰(5)的光波导(1)的示意性结构。标记出的剖面线A，B和C表示由于聚焦的激光束(22)的聚焦位置通过光波导(1)的移动模式而在光波导(1)中引入微修饰(5)的区域。在部分图a)中，示出了微修饰(5)的排布的三个示例性的不同区域(A，B，C)的序列，其在光波导的长度上再次重复。重复次数也可以是多次。区域(A，B，C)具有不同的微修饰的排布。在此，通过从包括微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的大小、数量、取向、形状和/或排布的组中选出一个或多个特征来限定区域(A，B，C)。通过聚焦的激光束(22)的聚焦位置穿过光波导(1)的移动模式以及与之相关的照射而产生每个区域(A，B，C)的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)。由于微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的不同的排布，微修饰(5，51，52，53，54，55，56)在区域(A，B，C)中的排布通过不同的运动模式而创建。在用于产生区域(A，B，C)的运动模式的第一次实施之间，进行聚焦位置相对于光波导(1)的一个或多个运动，该一个或多个运动选自包括三个空间方向X，Y和Z、围绕光波导(1)的纵轴的旋转α以及围绕一个或多个轴线的旋转β1，β2，β3的组。
在图9的部分图b)中示出了在本发明的另一个实施方式中在光波导(1)中的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的相同排布的区域(A，B，C)的另一种序列。第一区域(A)存在一次，随后是具有第二种布设的第二区域(B)和具有第三种布设的第三区域具(C)。在处理后的光波导(1)中，并非所有具有按照特定图案排布的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的区域都是多次的。
在图9的部分图c)中示出了在本发明的另一个实施方式中微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的相同排布的区域(A，B，C)的另一种序列。第一区域(A)跟随在各个不同于第一区域(A)的区域(A，B，C)之后，第二和第三区域具(B，C)交替地跟随在第一区域(A)之后。
本发明的其他实施方式可以由任意的数学排列和序列表示。在此，在本发明的另一实施例中，根据本发明的光波导(1)包括多于三个的具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布的区域(A，B，C)。在本发明的一个优选实施方式中，光波导(1)包括多于五个的区域(A，B，C)，在特别优选的实施方式中包括多于十个的具有排布不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的区域(A，B，C)。
图10在部分图a)和b)中示出了具有由聚焦激光束(22)引起的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的光波导(1)的示意性结构。在部分图a)中是一种具有多个区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列，这些区域具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布。将具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布的区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列重复n次(部分图b))。在此，n，m是自然数，m代表具有多个区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列的重复次数，这些区域具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布。
在本发明的一个优选的实施方式中，具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布的多个区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列的重复次数大于五，在一个特别优选的实施方式中大于二十。
在本发明的另一个的实施方式中，具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布的多个区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列的重复在其排布方向上是交替的。
在本发明的另一个的实施方式中，具有不同的微修饰(5，51，52，53，54，55，56)的排布的多个区域(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)的序列的重复以交错和其排布方向的相同取向的混合形式排布。
附图标记列表
1 光波导
11 光波导的芯部
12 光波导的护套
13 光波导的涂层、缓冲层和/或其他覆层
14 端盖
15 光波导的近端
16 光波导的远端
17 光波导轴线
2 激光束
20 用于向光波导中引入微修饰的装置
21 象征性的聚焦光学器件
22 聚焦的激光束
23 转向镜
24 聚焦光学器件
25 光轴
31 旋转装置
32 光波导的支架/导向件
33 侧向的定位装置
34 垂直的定位装置
α 光波导围绕光波导轴线的旋转
β1，β2，β3 激光束的射入方向的旋转
40 用于向光波导中引入微修饰的方法
41 光波导在支架中的固定
42 激光束在聚焦位置中的聚焦
43 根据预设的图案通过光波导的聚焦位置的移动
44 根据预设的图案通过光波导的聚焦位置的移动的重复
5，51，52，53，54，微修饰
55，56
γ微修饰的纵向取向相对于光波导轴线的角度
A，B，C，D，E穿过光波导的径向截面，也可能是倾斜的
F穿过光波导的轴向截面
A，B，C，D，E，具有设置在其中的微修饰的光波导的区域
F，G，H，J
m具有不同的微修饰的排布的多个区域的序列的重复
次数
n具有不同的微修饰的排布的多个区域的序列的重复
最大次数

Claims (10)

1.一种光波导，包括：
-引导光波的芯部
-在所述光波导中的区域，其中，在所述光波导的所述区域中设置微修饰，
其中，所述微修饰的排布是有序的；
所述微修饰排布在多于一个的截面上，
其中，所述截面基本上垂直于光波导轴线，
其中，在所述截面的每个上的微修饰被排布成使得所述微修饰距所述光波导轴线具有至少两个不同的距离；
在第一截面上的微修饰的排布在至少一个另外的截面上重复，第一截面上的微修饰的排布在其上重复的截面相对于所述第一截面以一个角度旋转，从而使得所述微修饰沿着所述光波导轴线设置为二维螺旋形或三维螺旋形；并且
其中，在至少一个截面上的所述微修饰之间的间距与随后的截面相比是变化的。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，
所述第一截面和所述微修饰的排布在其上重复的另外的截面之间的间距大于一个微修饰的范围。
3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，
在所述第一截面和第一截面上的微修饰的排布在其上重复的截面之间存在至少一个具有微修饰的另外的截面，所述另外的截面所具有的微修饰具有不同于所述第一截面的排布。
4.根据权利要求1至3中任一项或多项所述的光波导，其特征在于，
在所述截面上的所述微修饰围绕所述光波导轴线旋转对称地设置。
5.根据权利要求1至3中任一项或多项所述的光波导，其特征在于，
所述微修饰设置在多个空心椎体上，其中，所述空心椎体具有不同的直径，并且
其中，所述空心椎体的纵轴线位于所述光波导轴线上。
6.根据上述权利要求中任一项或多项所述的光波导，其特征在于，
其中设置有所述微修饰的光波导的区域在所述光波导轴线的方向上分为至少两个区段，在所述区段中引入有序的微修饰的不同的取向和实施形状。
7.一种用于向光波导的截面中引入多个微修饰以获得权利要求1-6中任一项所述的光波导的方法，包括：
-将光波导固定在支架中，其中，所述光波导和/或所述支架以可移动的方式设置，
-使高能的射束在聚焦位置中聚焦，
其中，所述聚焦位置能够定位在所述光波导的内部，
其中，所述射束由发射源以脉冲的形式产生，
其中，用于使所述高能的射束聚焦的聚焦装置以可移动的方式设置，
-通过所述光波导使所述聚焦位置移动，
其特征在于，
通过所述光波导的所述聚焦位置的移动是旋转运动和平移运动的组合。
8.根据权利要求7所述的用于向光波导中引入微修饰的方法，其特征在于，
所述光波导的移动以旋转运动的方式实施。
9.根据权利要求7或8所述的用于向光波导中引入微修饰的方法，其特征在于，
所述聚焦位置通过所述光波导连续地移动。
10.根据权利要求7所述的用于向光波导中引入微修饰的方法，其特征在于，
在截面上的微修饰的排布通过选自包括微修饰的对称排布、微修饰在截面上的密度、微修饰的大小、微修饰相对于光波导轴线的间距、微修饰彼此之间的间距、微修饰的取向或微修饰的位置和分布或其大小和外部形状的其他参数的参数组中的一个或多个参数来描述。
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