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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Lichtleiter mit einer gekrümmten, strukturierten
Oberfläche zur
Verstärkung
der Verformungsabhängigkeit
seines optischen Dämpfungsverhaltens.
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Ein
solcher Lichtleiter ist aus dem 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.
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Ein
Verfahren allgemein zur Oberflächenstrukturierung
ist aus der
US 5,633,494 auch
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.
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Ein ähnliches
Verfahren ist auch in der
WO 2004/089699 A1 beschrieben, welche nach
dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde. Als zusätzliche
Möglichkeit
der Oberflächenstrukturierung
wird gemäß der
WO 2004/089699 A1 ein
lasergestütztes
Verfahren vorgeschlagen, wobei ein zur Strukturierung der Oberfläche führender
Materialabtrag durch Laserablation erreicht werden soll. Hierdurch
lassen sich auf der Oberfläche
von Lichtwellenleitern mit rundem Querschnitt Vertiefungen unterschiedlicher
geometrischer Ausprä gung
erzeugen, die von der Oberfläche
des Lichtleiters senkrecht in das Material des Wellenleiters hineinragen.
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Weitere
Laserbehandlungsverfahren für Lichtwellenleiter
lassen sich der
US
2003/0231818 A1 , der
US
5,500,913 und der
US
4,889,407 entnehmen. Hierbei handelt es sich um Laserbehandlungsverfahren
für die
jeweilige Oberfläche
der Lichtwellenleiter, mit deren Hilfe hochgenaue Strukturen in die
Oberflächen
der Lichtwellenleiter eingebracht werden können, wobei die Genauigkeit
mittels einer geeigneten Laserfokussierung erfolgt. Unter Ausnutzung
der hohen Genauigkeit des Laser-Bearbeitungsverfahrens lassen sich
Vertiefungen in annähernd
beliebigen geometrischen Ausgestaltungen gleichsam in die Oberfläche der
Lichtwellenleiter schreiben, so dass deren optische Eigenschaften verhältnismäßig genau
vorhergesagt werden können.
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Im
Abstract zur
JP
2002-107270 A ist beschrieben, dass ein Lichtwellenleiter
zur Detektion von Öllecks
verwendet werden kann. Zu diesem Zweck wird der Lichtwellenleiter
mit einem Laser behandelt, wobei durch die Behandlung die Ummantelung
des Lichtwellenleiters entfernt wird, so dass die Kernfaser des
Lichtwellenleiters in diesen Bereichen frei liegt. In diesen Bereichen ändert sich
detektierbar die optische Dämpfung,
wenn diese im Falle eines Öllecks
mit Öl
benetzt werden.
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Gemäß der
US 4,947,022 ist es auch
bekannt, dass Laserablationsverfahren zum Herstellen von Gravuren
verwendet werden können.
Es kann zum Beispiel eine gekrümmte
Stuhllehne graviert werden, wobei die Fokuslage des Bearbeitungslasers
unabhängig
von der Krümmung
auf einen Mittelwert eingestellt wird. Dabei muss allerdings hingenommen
werden, dass die Schärfe der
hergestellten Konturen variiert, auch wenn dies mit dem bloßen Auge
kaum wahrnehmbar ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Lichtleiter mit strukturierter
Oberfläche
anzugeben, der sich wirtschaftlich mit einer genauen Geometrie der
Oberflächenstrukturierung
erzeugen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Strukturierung durch ein regelmäßiges Muster von napfartigen
Vertiefungen in der gekrümmten
Oberfläche
mit gleichbleibender Tiefe ausgebildet ist, wobei die Vertiefungen
jeweils in Querschnittebenen des Lichtleiters (11) und
in axialer Richtung des Lichtleiters (11) nebeneinander
liegen und hinsichtlich ihrer Tiefenaus dehnung unabhängig von
der Krümmung
der Oberfläche
parallel zueinander ausgerichtet sind. Das regelmäßige Muster
der Ver tiefungen 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 Vertiefungen
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.
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Es
kann vorteilhaft vorgesehen werden dass die Vertiefungen in einem
Feld jeweils mit gleichmäßigen Abständen zueinander
angeordnet sind. Diese weisen eine vergleichsweise einfache Geometrie
auf, was vorteilhaft deren Herstellung erleichtert. Die Vertiefungen
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.
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Da
der Lichtleiter eine gekrümmte
Oberfläche
aufweist (also insbesondere einen runden Querschnitt aufweist),
wird bei der Herstellung der Schärfentiefebereich
der Laserfokussierung des Ablationslasers mittels einer Abbildungsoptik
derart eingestellt, dass die Strukturierung unabhängig von,
d. h. ohne Berücksichtigung
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 Laser ablation
mit der geforderten Genauigkeit herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass
die gesamte Strukturierung auf dem Lichtleiter in einem Arbeitsgang
hergestellt werden kann. Das Verfahren der Laserablation hat außerdem den
Vorteil, dass die Strukturelemente, die die Strukturierung auf der
Oberfläche
des Lichtleiters bilden, mit einer genügenden Genauigkeit hinsichtlich
ihrer Geometrie hergestellt werden können. Zusätzlich 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 ).
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Es
ist möglich
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.
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Auch
ist es möglich
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.
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Es
kann vorgesehen werden 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.
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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.
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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.
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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
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1 und 2 verfahren
zur Herstellung von erfindungsgemäßen Erzeugnissen und
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3 und 4 Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Lichtleiters
als Aufsicht und im Schnitt.
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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.
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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.
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Gemäß 3 bestehen
die Felder 26 der Strukturierung 22 aus runden
Vertiefungen 27, die gemäß 4 eine gleichmäßige Tiefe
t aufweisen und beispielsweise napfartig ausgebildet sind. Die 4 stellt
den Schnitt VI-VI in 3 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. Aus der 3 ist erkennbar,
dass die Vertiefungen (27) jeweils in Querschnittsebenen
des Lichtleiters (11) und in axialer Richtung des Lichtleiters
(11) nebeneinander liegen und hinsichtlich ihrer Tiefenausdehnung
unabhängig
von der Krümmung
des Oberfläche parallel
zueinander ausgerichtet sind.
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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.