DE102004047498A1

DE102004047498A1 - Lichtleiter mit einer strukturierten Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004047498A1
Application number: DE200410047498
Authority: DE
Inventors: Martin Franke; Tobias Happel; Clemens Scherer; Herbert Schober
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: WO2006032654A3; DE102004047498B4; EP1792215A2; WO2006032654A2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Strukturierung (22) in der Oberfläche eines Lichtleiters (11) mittels eines Lasers (13), wobei erfindungsgemäß das Verfahren der Laserablation angewendet wird. Die Herstellung mittels Laserablation hat den Vorteil, dass die Strukturierung (22), die beispielsweise aus parallelen Kanälen (25) besteht, mit hoher Fertigungsgenauigkeit hergestellt werden kann, wobei durch die konstante Tiefe der durch Laserablation hergestellten Kanäle eine verhältnismäßig geringe Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters (11) erfolgt. Weiterhin kann der durch die Strukturierung (22) erzeugte Dämpfungsgrad des Lichtleiters vorteilhaft während der Herstellung optisch ermittelt werden, wodurch vorteilhaft eine einfache Qualitätssicherung möglich ist. Unter Schutz gestellt ist weiterhin ein Lichtleiter, deren Strukturierung aus einem regelmäßigen Muster von einzelnen Strukturelementen wie Kanälen (25) besteht, die in der Oberfläche mit gleich bleibender Tiefe ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtleiters mit verformungsabhängiger optischer Dämpfung, bei dem zur Verstärkung der Verformungsabhängigkeit der Dämpfung die Oberfläche des Lichtleiters mit einer Strukturierung versehen wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US 5,633,494 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Strukturierung der Oberfläche durch ein Heißprägeverfahren durchgeführt, indem ein heißes Prägewerkzeug auf die vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Faser des Lichtleiters unter Abbildung der im Werkzeug realisierten Strukturierung der Oberfläche gedruckt wird. Die so erzeugte Strukturierung verstärkt die Verformungsabhängigkeit der Dämpfung, so dass bei einem Biegen der Faser die Dämpfung im Lichtleiter je nach Krümmungsrichtung zu- oder abnimmt. Alternativ wird vorgeschlagen, die Oberfläche des Lichtleiters durch Sandstrahlen oder Ätzen zu behandeln, um eine Strukturierung hervorzurufen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtleiters mit strukturierter Oberfläche anzugeben, mit dem sich einerseits eine möglichst genaue Geometrie der Oberflächenstrukturierung erzeugen lässt und andererseits eine mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters möglichst gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturierung mittels Laserablation hergestellt wird. Das Verfahren der Laserablation hat einerseits den Vorteil, dass die Strukturelemente, die die Strukturierung auf der Oberfläche des Lichtleiters bilden, mit einer sehr hohen Genauigkeit hinsichtlich ihrer Geometrie hergestellt werden können. Andererseits hat dieses Herstellungsverfahren den Vorteil, dass die Abmessungen der hergestellten Strukturelemente, insbesondere die Tiefe der Strukturelemente in der Oberfläche, klein gewählt werden können, so dass die mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters gering ausfällt. Diese Kombination der genannten Vorteile lässt sich weder durch Sandstrahl- oder Ätzverfahren erreichen, bei denen die Genauigkeit der erzeugten Strukturierung geringer ausfällt, noch durch ein Heißprägeverfahren, bei dem die erzeugbaren Strukturelemente der Strukturierung verfahrensbedingt größere Abmessungen aufweisen und dadurch eine stärkere mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters bewirken. Insbesondere gilt dies für die Einbringung von Heißprägestrukturen in die bevorzugt verwendeten Lichtleiter mit rundem Querschnitt. In diesem Fall bewirken die erzeugten Strukturelemente in ihrer Mitte eine verhältnismäßig starke Schwächung des Querschnitts, die sich in Richtung der Enden des Strukturelementes verringert (vgl. US 5,633,494 ).

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Laserstahl durch eine Maske geführt wird, die das Muster der Strukturierung wiedergibt, wobei das Muster auf dem Lichtleiter abgebildet wird. Damit ergibt sich die Strukturierung durch die in der Maske vorgesehenen Durchlässe für den Laserstrahl, die das Muster definieren. An den Auftreffstellen des Lasers auf dem Lichtwellenleiter werden die Strukturelemente gebildet. Diese Ausführung des Verfahrens ist vorteilhaft besonders einfach durchführbar, da für die zu erzeugenden Muster lediglich eine Maske bereitgestellt werden muss. Ein Programmieraufwand für die Herstellungsanlage für die strukturierten Lichtleiter fällt nicht an.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Laserstrahl unter Erzeugung des Musters der Strukturierung über die Oberfläche des Lichtleiters geführt wird. Hierzu ist beispielsweise eine Spiegelumlenkung oder eine Umlenkung mittels Kristallen für den Laserstrahl notwendig, so dass dieser sich unter Verstellung der Spiegel über die Oberfläche des zu strukturierenden Lichtleiters bewegen lässt. Hierbei werden die Muster der Strukturierung sozusagen auf den Lichtleiter geschrieben. Es sind vorteilhaft besonders feine Strukturen erzeugbar, deren geringst mögliche Abmessungen lediglich von der Wellenlänge des Lasers und dessen Fokussierung abhängen.

Wenn der Lichtleiter eine gekrümmte Oberfläche aufweist (also insbesondere einen runden Querschnitt aufweist), ist es vorteilhaft, wenn der Schärfentiefebereich der Laserfokussierung mittels einer Abbildungsoptik derart eingestellt wird, dass die Strukturierung unabhängig von der Krümmung der Oberfläche erfolgen kann. Dies bedeutet, dass innerhalb des Krümmungsbereiches des Lichtleiters, in dem die Strukturierung erzeugt werden soll, der Schärfentiefebereich der Laserfokussierung ausreicht, um die Strukturierung durch Laserablation mit der geforderten Genauigkeit herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Strukturierung auf dem Lichtleiter in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen dass während der Strukturierung des Lichtleites die Dämpfungseigenschaften des Lichtleiters gemessen werden. Hierdurch ist vorteilhaft während des Herstellungsprozesses der Strukturierung eine genaue Einstellung der geforderten Dämpfung möglich, wobei der Herstellungsprozess korrigiert werden kann, wenn sich Abweichungen von der geforderten Dämpfung ergeben.

Neben der Korrektur von Material- und Fertigungsungenauigkeiten kann die Ermittlung der Dämpfungseigenschaften während der Strukturierung des Lichtleiters auch dazu verwendet werden, um die Verfahrensparameter für eine Strukturierung für einen bestimmten Anwendungsfall festzulegen. Dabei kann insbesondere der Einfluss einer Veränderung der Strukturelemente in ihrer Geometrie auf den erreichten Dämpfungsgrad ermittelt werden. Die ermittelten Daten können für spätere Applikationen wieder herangezogen werden.

Es ist vorteilhaft, wenn der Lichtleiter vor der Strukturierung mit einer Umhüllung versehen wird. Diese schützt den Lichtleiter bei der Verarbeitung und im späteren Einsatz vor Beschädigungen. Bei der Strukturierung wird die Umhüllung von dem Laser durchdrungen, wodurch eine Erzeugung der Strukturierung auf dem Lichtleiter ermöglicht wird. Durch geeignete Einstellung der Fokussierung des Lasers (Schärfentiefebereich und Wellenlänge) kann die Umhüllung im Bereich der Strukturierung durch den Laser mit entfernt werden. Wenn die Umhüllung für das Laserlicht transparent ist, kann diese während des Strukturierungsprozesses zumindest weitgehend erhalten bleiben.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mehrere parallel nebeneinander verlaufende Lichtleiter vor der Strukturierung zu einem Band zusammengefasst werden. Hierdurch lässt sich fertigungstechnisch ein Produktivitätsgewinn erreichen, da die Fasern des Bandes in einem einzigen Fertigungsschritt mit der Struk turierung versehen werden können. Anschließend können die Lichtleiter wieder vereinzelt werden oder besonders vorteilhaft auch als Band zum Einsatz kommen. Insbesondere kann der Zusammenhalt des Bandes auch mittels einer gemeinsamen Umhüllung gewährleistet werden.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Lichtleiter mit einer gekrümmten, strukturierten Oberfläche zur Verstärkung der Verformungsabhängigkeit seines optischen Dämpfungsverhaltens.

Ein solcher Lichtleiter ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik ( US 5,633,494 ) bekannt. Als strukturierte Oberfläche kann der Lichtleiter mit rundem Querschnitt beispielsweise eine quer zur Richtung des Lichtleiters verlaufende Aneinanderreihung von V-förmigen Rillen aufweisen, die an einer Seite des Lichtleiters eine treppenartige Struktur erzeugen. Da der Lichtleiter einen runden Querschnitt aufweist und die Rillen zur Erreichung der geforderten Dämpfung eine bestimmte Länge aufweisen müssen, wird durch die Strukturierung der ursprünglich runde Leiterquerschnitt abgeflacht, was zu einer Schwächung des Querschnitts führt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Lichtleiter mit einer Strukturierung der Oberfläche anzugeben, der unter Erreichen des geforderten Dämpfungsverhaltens eine möglichst geringe Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturierung durch ein regelmäßiges Muster von Strukturelementen in der gekrümmten Oberfläche mit gleichbleibender Tiefe ausgebildet sind. Das regelmäßige Muster der Struktur elemente garantiert einerseits ein genau definiertes Dämpfungsverhalten, welches durch eine Strukturierung mit unbestimmter Geometrie (beispielsweise eine sandgestrahlte Oberfläche) nicht so genau einstellbar ist. Weiterhin sind die Strukturelemente jedoch derartig hergestellt, dass sie in der Oberfläche mit gleich bleibender Tiefe ausgebildet sind. Damit weist der erfindungsgemäße Lichtleiter keine Abflachung auf, die eine Querschnittsschwächung des Lichtleiters darstellen würde. Vielmehr ist die Strukturierung auf einem gekrümmten Oberflächenanteil des Lichtleiters angebracht. Damit ist vorteilhaft ein Lichtleiter realisiert, der einerseits eine hohe mechanische Stabilität aufweist und andererseits eine Strukturierung mit definierten Dämpfungseigenschaften besitzt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente durch parallel verlaufende Kanäle gebildet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Strukturelemente durch Vertiefungen gebildet sind, die in einem Feld jeweils mit gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann die Strukturierung durch Strukturelemente mit vergleichsweise einfacher Geometrie ausgebildet werden, was vorteilhaft deren Herstellung erleichtert. Die Vertiefungen und Kanäle können verschiedene Querschnitte aufweisen. Die Vertiefungen, die mit gleichmäßigen Abständen in einem Feld angeordnet sind, müssen zueinander nicht alle den gleichen Abstand aufweisen. Beispielsweise lassen sich die Vertiefungen auf einem quadratischen Raster anordnen, wobei die Vertiefungen, die durch die Diagonale der durch das Raster definierten Quadrate voneinander getrennt sind, einen größeren Abstand voneinander aufweisen, als diejenigen, die durch die Seitenkanten des quadratischen Rasters miteinander verbunden sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
1 und 2 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 bis 6 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Lichtleitern als Aufsicht und im Schnitt.
In 1 wird ein Lichtleiter 11 dem Verfahren einer Laserablation zur Herstellung einer nicht näher dargestellten Strukturierung auf seiner Oberfläche 12 unterzogen. Hierzu wird beispielsweise ein UV- oder CO2-Laser 13 verwendet, dessen Laserstrahl 14 über schwenkbare Umlenkspiegel 15a, 15b durch eine Abbildungsoptik 16 fokussiert auf die Oberfläche 12 des Lichtleiters 11 geleitet wird. Während des Herstellungsprozesses für die Strukturierung wird ein Lichtsignal 17 durch den Lichtleiter 11 geschickt, welches mittels einer optischen Sensorfläche 18 hinsichtlich seiner Lichtintensität ausgewertet werden kann. Da die Lichtintensität des Lichtsignals 17 am Eingang des Lichtleiters bekannt ist, kann so ein Rückschluss auf das Dämpfungsverhalten des Lichtleiters in Abhängigkeit der in Herstellung befindlichen Strukturierung gezogen werden. Der Herstellungsprozess kann unterbrochen werden, sobald das gewünschte Dämpfungsverhalten des Lichtleiters eingestellt ist. Weiterhin kann das Dämpfungsverhalten des verformten Lichtwellenleiters (vgl. strichpunktierte Kontur 19) überprüft werden, weswegen mittels der Sensorfläche auch die Verformungsabhängigkeit der Dämpfung ermittelt werden kann.
Bei dem Fertigungsverfahren gemäß 2 wird der durch den Excimer-Laser 13 erzeugte Laserstrahl 14 durch eine Maske 20 geleitet, wobei die Maske 20 Öffnungen 21 oder für das Laserlicht durchlässige Bereiche aufweist, die ein Muster der abzubildenden Strukturierung 22 ergeben. Nach Passieren der lichtdurchlässigen Bereiche der Maske 20 wird der Laserstrahl 14 über einen Umlenkspiegel 23 durch die Abbildungsoptik 16 auf den Lichtleiter 11 geleitet, wo durch Laserablation die Strukturierung 22 in Form eines radial verlaufenden Kanals 25 gebildet wird. Die Abbildungsoptik erzeugt dabei eine Fokussierung des Laserstrahls, die innerhalb eines Schärfentiefebereiches s eine Ausbildung des Kanals 25 mit für den Anwendungsfall hinreichender Genauigkeit erlaubt. Daher kann die gesamte Strukturierung 22 ohne Korrekturen bei der Positionierung des Lichtleiters 11 unter der Abbildungsoptik 16 erfolgen. Weiterhin kann unter Ausnutzung der Abbildungsoptik eine Maske 20 verwendet werden, die das Muster der Strukturierung vergrößert enthält, so dass die mittels der Maske hergestellte Strukturierung mit einer höheren Genauigkeit gefertigt werden kann.
In 3 ist der Lichtleiter 11 dargestellt, auf dessen gekrümmter Oberfläche die Strukturierung 22 aus in bestimmten Abständen auf dem Lichtleiter 11 angeordneten Feldern 26 von parallel angeordneten Kanälen 25 mit gleich bleibender Breite und Tiefe t (vgl. 4 als Schnitt IV-IV gemäß 3) ausgebildet ist. Die Kanäle 25 können beispielsweise nach dem Verfahren gemäß 2 hergestellt werden. Die Tiefe ist im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen (Durchmesser) des Lichtleiters 11 gering, so dass der Querschnitt durch die Strukturelemente (Kanäle 25, Vertiefungen 27) nur unwesentlich geschwächt wird.
Der 4 ist weiter zu entnehmen, dass mehrere Lichtleiter 11, 11a (weitere sind nicht dargestellt) zu einem Band auf einem Trägerstreifen 30 zusammengefasst sind. Diese können durch den Laser in einem Fertigungsschritt strukturiert werden. Wie 3 zu entnehmen ist, können die Felder 26 benachbarter Lichtleiter versetzt angeordnet sein.
Gemäß 5 bestehen die Felder 26 der Strukturierung 22 aus runden Vertiefungen 27, die gemäß 6 eine gleichmäßige Tiefe t aufweisen und beispielsweise napfartig ausgebildet sind. Die 6 stellt den Schnitt VI-VI in 5 dar. Die gleichmäßige Tiefe bezieht sich jeweils auf den Abstand des tiefsten Punktes des Bodens der Vertiefung bis zum Schnittpunkt eines auf diesen Punkt gefällten Lotes mit der Oberflächenkontur des Lichtleiters.
Der Lichtleiter 11 ist mit einer Umhüllung 28 versehen, die den Lichtleiter schützt. Diese wurde durch den Laser bei der Erzeugung der Vertiefungen 27 im gleichen Verfahrensschritt entfernt, wodurch in der Umhüllung 28 Ausnehmungen 29 entstanden sind, die die Vertiefungen sozusagen verlängern. Entscheidend für die optischen Eigenschaften des Lichtleiters ist jedoch die Tiefe t der Vertiefungen 27 im Lichtleiter 11 selbst.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Lichtleiters (11) zur Erzeugung einer verformungsabhängigen optischen Dämpfung, bei dem zur Verstärkung der Verformungsabhängigkeit der Dämpfung die Oberfläche (12) des Lichtleiters mit einer Strukturierung (22) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mittels Laserablation hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl durch eine Maske (20) geführt wird, die das Muster der Strukturierung wiedergibt, wobei das Muster auf dem Lichtleiter (11) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl unter Erzeugung des Musters der Strukturierung über die Oberfläche (12) des Lichteiters (11) geführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine gekrümmte Oberfläche (12) aufweist, wobei der Schärfentiefebereich der Laserfokussierung mittels einer Abbildungsoptik (16) derart eingestellt wird, dass die Strukturierung (22) unabhängig von der Krümmung der Oberfläche (12) erfolgen kann.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Strukturierung des Lichtleiters (11) die Dämpfungseigenschaften des Lichtleiters (11) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter vor der Strukturierung mit einer Umhüllung (28) versehen wird, die beim Erzeugen der Strukturierung von dem Laser durchdrungen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel nebeneinander verlaufende Lichtleiter (11, 11a) vor der Strukturierung zu einem Band (29) zusammengefasst werden und die Erzeugung der Strukturierung der Lichtleiter in einem einzigen Fertigungsschritt erfolgt.
Lichtleiter (11) mit einer gekrümmten, strukturierten Oberfläche (12) zur Verstärkung der Verformungsabhängigkeit seines optischen Dämpfungsverhaltens, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung durch ein regelmäßiges Muster von Strukturelementen (25, 27) in der gekrümmten Oberfläche (12) mit gleichbleibender Tiefe ausgebildet sind.
Lichtleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente durch parallel verlaufende Kanäle (25) gebildet sind.
Lichtleiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente durch Vertiefungen (27) gebildet sind, die in einem Feld (26) jeweils mit gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.