DE102004051294A1 - Method for producing a quartz glass component for a laser and laser component - Google Patents
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Abstract
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Quarzglas für einen Laser wird ein zylinderförmiges Formteil mit einem Kern aus laseraktivem Quarzglas erzeugt, das eine Zylinder-Mantelfläche und ein stirnseitiges Auskoppelende für Laserstrahlung aufweist und das zu einer Wicklungsanordnung geformt und in dieser Form fixiert wird. Um hiervon ausgehend ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für die Herstellung eines Laserbauteils aus laseraktivem Quarzglas anzugeben, in welches Pumplicht mit hohem Wirkungsgrad über den Zylindermantel in den Kernbereich eingekoppelt werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das zylinderförmige Formteil beim Formen der Wicklungsanordnung eine Temperatur oberhalb einer Verformungstemperatur aufweist, bei der das Quarzglas plastisch verformbar ist. Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Laserbauteil zeichnet sich durch eine Wicklungsanordnung aus, die selbsttragend aus einem plastisch verformten Formteil ausgebildet ist.In a known method for producing a component made of quartz glass for a laser, a cylindrical shaped part with a core of laser-active quartz glass is produced, which has a cylindrical outer surface and a frontal Auskoppelende for laser radiation and which is formed into a coil assembly and fixed in this form. To provide a simple and cost-effective method for the production of a laser component made of laser-active quartz glass, in which pumping light can be coupled into the core area via the cylinder jacket with high efficiency, it is proposed according to the invention that the cylindrical shaped part has a temperature above one during the forming of the winding arrangement Deformation temperature at which the quartz glass is plastically deformable. A laser component designed according to the invention is characterized by a winding arrangement which is designed to be self-supporting from a plastically deformed molded part.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Quarzglas für einen Laser, indem ein zylinderförmiges Formteil mit einem Kern aus laseraktivem Quarzglas erzeugt wird, das eine Zylinder-Mantelfläche und ein stirnseitiges Auskoppelende für Laserstrahlung aufweist, und das zu einer Wicklungsanordnung geformt und in dieser Form fixiert wird.The The present invention relates to a process for producing a Quartz glass component for one Laser by a cylindrical Molded part is produced with a core of laser-active quartz glass, that is a cylinder surface and has a frontal Auskoppelende for laser radiation, and formed into a winding assembly and fixed in this form becomes.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Laserbauteil, umfassend ein in Form einer Wicklungsanordnung fixiertes, zylinderförmiges Formteil mit einem Kern aus laseraktivem Quarzglas, das eine Zylinder-Mantelfläche und ein stirnseitiges Auskoppelende für Laserstrahlung aufweist.Farther The invention relates to a laser device comprising one in the form of a Winding arrangement fixed cylindrical shaped part with a core made of laser-active quartz glass, which has a cylindrical surface and has a frontal Auskoppelende for laser radiation.
Laseraktives Quarzglas enthält Dotierstoffe, die eine Abgabe oder eine Verstärkung von Laserstrahlung im Wirtsmaterial Quarzglas bewirken. Dabei handelt es sich in der Regel um Seltenerd-Kationen (Lanthanoide) oder um Kationen der sogenannten Übergangsmetalle.laser Writer Contains quartz glass Dopants which cause a discharge or amplification of laser radiation in the Host material quartz glass cause. This is usually to rare earth cations (lanthanoids) or to cations of the so-called transition metals.
In der Kommunikationstechnologie werden Bauteile aus laseraktivem Quarzglas beispielsweise als sogenannte Faserverstärker eingesetzt. Faserverstärker können Verluste in Lichtwellenleitern bei der optischen Datenübertragung ausgleichen, indem durch sogenanntes „optisches Pumpen" Laserlicht in den Faserkern eingekoppelt wird, das laseraktive Ionen im Quarzglas anregt. Der durch der Faserkern laufende Lichtpuls nimmt Energie von den angeregten Ionen zusätzlich auf und wird dadurch verstärkt. Alternativ dazu können die laseraktiven Ionen durch das eingekoppelte Pumplicht auch selbst zur Abgabe von Laserlicht angeregt werden, wie dies bei Hochleistungs-Faserlasern der Fall ist.In The communication technology becomes components made of laser-active quartz glass For example, used as a so-called fiber amplifier. Fiber amplifiers can be losses in optical fibers in the optical data transmission compensate by so-called "optical Pumps "laser light is coupled into the fiber core, the laser-active ions in the quartz glass stimulates. The light pulse passing through the fiber core takes energy in addition to the excited ions and is reinforced by it. alternative can do this the laser-active ions by the coupled pump light itself be excited for the delivery of laser light, as in high-power fiber lasers the case is.
Ein besonderes Augenmerk liegt stets darauf, eine möglichst hohe Ausgangsleistung und damit einhergehend, ein großes laseraktives Querschnittsvolumen bereit stellen zu können, so dass in der Regel Fasern mit großem Außendurchmesser eingesetzt werden.One special attention is always paid to the highest possible output power and with that, a big one to provide laser active cross-sectional volume, so that fibers with a large outer diameter are usually used.
Im einfachsten Fall wird das Pumplicht stirnseitig in die Faser eingekoppelt und im Kern der Faser durch Totalreflexion geführt, so dass es den Kernbereich der Faser wiederholt durchläuft. Allerdings ist der Kerndurchmesser einer optischen Faser klein, so dass sich über die Stirnfläche der Faser nur wenig Pumplicht in den Faserkern einkoppeln lässt.in the In the simplest case, the pump light is coupled into the front side of the fiber and at the core of the fiber is guided by total reflection, making it the core area traverses the fiber repeatedly. However, the core diameter of an optical fiber is small, so that is over the face the fiber only a few pump light can be coupled into the fiber core.
Um
die Anregungsenergie zu vergrößern, ist es
daher allgemein bekannt, Pumplicht über die Mantelfläche der
Faser in den Faserkern einzukoppeln. Wegen der Länge der Faser ist die Mantelfläche um ein
Vielfaches größer als
die Faser-Stirnfläche. Diese Verfahrensweise
trifft jedoch auf die im Folgenden erläuterten Schwierigkeiten:
Das
Pumplicht passiert den Faserkern nur einmal, so dass dessen Energie
in der Regel nicht vollständig absorbiert
wird und daher teilweise ungenutzt bleibt.In order to increase the excitation energy, it is therefore generally known to couple pumping light into the fiber core via the lateral surface of the fiber. Because of the length of the fiber, the lateral surface is many times larger than the fiber end face. However, this procedure meets the following difficulties:
The pump light passes through the fiber core only once, so that its energy is usually not completely absorbed and therefore remains partially unused.
Um
diesen Nachteil zu verringern, wird in der
Eine
weitere Vorrichtung dieser Art wird auch in der
Optische Fasern werden üblicherweise beim Ziehen direkt mit einem aus Kunststoff bestehenden Schutzmantel versehen, der die Faseroberfläche vor mechanischer Beschädigung und vor chemischem Angriff schützt. Auslöser von Faserbrüchen sind fast ausnahmslos Beschädigungen der Oberfläche. Eine Faser mit ungeschützter Faseroberfläche ist nur schwer handhabbar und hält nur geringen mechanischen Belastungen stand. Eine unter mechanischer Spannung stehende Oberfläche altert außerdem schnell, etwa durch chemische Reaktionen des SiO2 mit Wasser. Gerade bei kleinen Biegeradien und einer dementsprechend stark mechanisch vorgespannten Faser führen von der Oberfläche ausgehende Beschädigungen oder chemische Angriffe (Alterung ) daher rasch zum Faserbruch, so dass der Schutzmantel eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer im Vergleich zu einer ungemantelten Faser mit sich bringt. Ähnlich wirken die oben beschriebenen Fixierungsmassen für die Fixierung der Fasern in Konglomeratform. Allerdings behindern sowohl der Schutzmantel als auch derartige Fixierungsmassen das seitliche Einkoppeln des Pumplichts. Außerdem wird die Einsatztemperatur der Fasern auf Temperaturen unterhalb des Zersetzungs- oder Schmelzpunktes des Kunststoffes bzw. der Fixierungsmasse begrenzt, woraus sich gleichzeitig eine Beschränkung in Bezug auf die maximal mögliche Pumpleistung ergibt.Optical fibers are usually provided directly with a plastic protective sheath, which protects the fiber surface from mechanical damage and chemical attack. Triggers of fiber breaks are almost without exception damage to the surface. A fiber with unprotected fiber surface is difficult to handle and withstands only low mechanical loads. A surface under mechanical stress also ages rapidly, for example as a result of chemical reactions of the SiO 2 with water. Especially with small bending radii and a correspondingly highly mechanically biased fiber emanating from the surface damage or chemical attack (aging) therefore quickly lead to fiber breakage, so that the protective jacket brings a significant extension of life compared to an uncoated fiber with it. Similarly, the fixation masses described above for the fixation of the fibers act in conglomerate form. However, hinder both the protective sheath and such fixation measure the lateral coupling of the pump light. In addition, the operating temperature of the fibers is limited to temperatures below the decomposition or melting point of the plastic or the fixing mass, which at the same time results in a limitation with respect to the maximum possible pump power.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass gerade optische Fasern, die im Hinblick auf eine möglichst hohe Leistungsabgabe einen großen Kernquerschnitt aufweisen, wegen ihres größeren Außendurchmessers einen geringen minimalen Biegeradius haben. Enge Wicklungen zur Erzeugung kompakter und dichter Konglomeratformen sind deshalb mit diesen Fasern nicht ohne weiteres realisierbar. Es können dabei Faserbrüche und Beeinträchtigungen der Lichtführung im Faserkern durch Spannungsdoppelbrechung auftreten.One Another problem is that straight optical fibers, the with regard to a possible high power output a big one Have core cross section, because of their larger outer diameter a small have minimal bending radius. Narrow windings to produce more compact and dense conglomerate forms are therefore not with these fibers readily realizable. It can while fiber breaks and impairments of lighting occur in the fiber core due to stress birefringence.
In der WO 95/23771 ist ein Halter zur Herstellung von optischen Faserspulen für den „Farraday-Effekt" beschrieben. Durch Aufwickeln einer Monomode-Faser wird eine Faserspule erzeugt, die in den Halter eingelegt, und anschließend bei hoher Temperatur in einem Ofen, beispielsweise im Bereich zwischen 550° bis 1250°C, mehrere Stunden lang getempert wird. Dabei werden die vorhandenen Biegespannungen und eine damit einhergehende Spannungsdoppelbrechung im Quarzglas der Faserspule abgebaut.In WO 95/23771 is a holder for the production of optical fiber coils for the "Farraday effect" Winding a monomode fiber produces a fiber coil which placed in the holder, and then at high temperature in an oven, for example in the range between 550 ° to 1250 ° C, several Annealed for hours. This will be the existing bending stresses and an associated stress birefringence in the quartz glass the fiber coil degraded.
Auch bei diesem Verfahren ist der anfängliche Außendurchmesser der Faserspule durch den minimalen Biegeradius der verwendeten optischen Faser nach unten begrenzt.Also in this process is the initial one outer diameter the fiber coil through the minimum bending radius of the optical fiber used limited to the bottom.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für die Herstellung eines Laserbauteils aus laseraktivem Quarzglas anzugeben, in welches Pumplicht mit hohem Wirkungsgrad über den Zylindermantel in den Kernbereich eingekoppelt werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Laserbauteil aus laseraktivem Quarzglas bereitzustellen.Of the Invention is therefore the object of a simple and inexpensive Procedure for indicate the production of a laser component of laser-active quartz glass, in which pumping light with high efficiency over the cylinder jacket in the Core area can be coupled. Furthermore, the invention is the task is based, such a laser device of laser active To provide quartz glass.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zylinderförmige Formteil beim Anordnen zu der Wicklungsanordnung eine Temperatur oberhalb einer Verformungstemperatur aufweist, bei der das Quarzglas plastisch verformbar ist.Regarding of the method, this object is based on the above-mentioned Process according to the invention thereby solved, that the cylindrical Molded when placed to the winding assembly a temperature above a deformation temperature at which the quartz glass is plastic is deformable.
Das herzustellende Bauteil wird von einer Wicklungsanordnung gebildet, in der das zylinderförmige Formteil als möglichst kompakte Anhäufung in geordneter oder in ungeordneter Form vorliegt, und die dem Zweck dient, über die Zylinder-Mantelfläche des zylinderförmigen Formteils eingestrahltes Pumplicht möglichst effektiv zu nutzen. Folgende Aspekte sind beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der Erfüllung dieses Zwecks besonders wichtig:
- • Zum Einen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung der Wicklungsanordnung besonders enge Biegeradien. Dies wird dadurch erreicht, dass das Quarzglas beim Herstellen der Wicklungsanordnung auf eine Temperatur erhitzt ist, bei der es plastisch verformbar ist. Die plastische Verformung ermöglicht es, auch zylinderförmigen Formteilen mit großem Durchmesser beliebig enge Biegeradien aufzuprägen, ohne dass es zur Ausbildung übermäßiger Spannungen oder gar zu Brüchen kommt.
- • Zum Andern kann auf eine ansonsten zum Schutz der optischen Faser notwendige Ummantelung des Formteils verzichtet werden. Denn infolge der plastischen Verformung bei der Herstellung der Wicklungsanordnung weist das Formteil keine oder nur geringe mechanische Spannungen auf, so dass spannungsinduzierte Brüche und Alterungseffekte nicht auftreten. Auch werden bei der Herstellung des Formteils und beim Wickeln erzeugte Oberflächenbeschädigungen wenigstens teilweise aufgeschmolzen und dadurch eliminiert. Die Erfindung eröffnet somit erstmals die Möglichkeit enge Biegeradien (auch bei großem Faserdurchmesser) ohne Schutzmantel zu realisieren.
- • Weiterhin ist auch eine mechanische Fixierung der Wicklungsanordung mittels einer Fixierungsmasse oder einer Halterung – wie aus dem Stand der Technik bekannt – nicht erforderlich. Derartige Fixierungsmittel behindern das seitliche Einkoppeln von Pumplicht in den Fasermantel; wobei eine Fixierungsmasse in dieser Hinsicht ähnlich nachteilig wie ein Kunststoff-Schutzmantel wirkt. Demgegenüber ist die plastisch verformte Wicklungsanordung auch ohne Stütz- und Fixierungsmaßnahmen formstabil, eine Eigenschaft, die im Folgenden als „selbsttragend" bezeichnet wird.
- On the one hand, the method according to the invention makes it possible to produce particularly narrow bending radii in the production of the winding arrangement. This is achieved by heating the quartz glass to a temperature at which it is plastically deformable during the production of the winding arrangement. The plastic deformation makes it possible to impose even narrow bending radii on cylindrical shaped parts with a large diameter, without the formation of excessive stresses or even fractures.
- • To change it may be necessary to dispense with an otherwise necessary to protect the optical fiber sheathing of the molding. Because due to the plastic deformation in the manufacture of the winding assembly, the molding has no or only low mechanical stresses, so that stress-induced fractures and aging effects do not occur. Also, in the manufacture of the molded article and during winding, surface damage generated is at least partially melted and thereby eliminated. The invention thus opens the possibility for the first time to realize tight bending radii (even with a large fiber diameter) without a protective jacket.
- Furthermore, a mechanical fixation of the winding arrangement by means of a fixing compound or a holder - as known from the prior art - not required. Such fixatives hinder the lateral coupling of pumping light in the fiber cladding; wherein a fixing compound in this regard acts similarly disadvantageous as a plastic protective jacket. In contrast, the plastically deformed winding arrangement is dimensionally stable even without supporting and fixing measures, a property which is referred to below as "self-supporting".
Bei dem zylinderförmigen Formteil handelt es sich um einen Strang mit beliebigem radialem Querschnitt, insbesondere um eine Faser, einen Stab oder um ein hohlzylindrisches Bauteil mit zentralen Kernbereich aus laseraktivem Quarzglas. Der Kernbereich kann von einem oder mehreren Mantelglasschichten aus dotiertem oder undotiertem Quarzglas umgeben sein.at the cylindrical one Molded part is a strand of any radial cross-section, in particular a fiber, a rod or a hollow cylindrical Component with central core area made of laser-active quartz glass. Of the Core area may consist of one or more cladding glass layers be surrounded doped or undoped quartz glass.
Die Verformungstemperatur ist eine Temperatur, oberhalb der die Relaxationszeiten für die Umordnung der Glasstruktur in der Größenordnung der in der Praxis gewählten Verformungsdauern liegen. Die erforderliche Verformungstemperatur hängt von der Dotierung des Quarzglases und von den Verformungsgeschwindigkeiten beim Formen der Wicklungsanordnung ab. Bei geringen Verformungsge schwindigkeiten (lange Verformungsdauer) genügt eine geringere Temperatur. Wesentlich ist, dass das Formteil bei der Verformungstemperatur in endlichen Zeiten plastisch verformbar ist, ohne dass Spannungen in nennenswertem Umfang auftreten. Geeignete Verformungstemperaturen sind anhand weniger Versuche leicht zu ermitteln und liegen unterhalb von 1680°C.The deformation temperature is a temperature above which the relaxation times for the rearrangement of the glass structure are on the order of the deformation times chosen in practice. The required deformation temperature depends on the doping of the quartz glass and on the deformation mungsgeschwindigkeiten when forming the winding assembly. At low deformation speeds (long deformation time), a lower temperature is sufficient. It is essential that the molding is plastically deformable at the deformation temperature in finite times without significant stresses occurring. Suitable deformation temperatures are easy to determine based on a few experiments and are below 1680 ° C.
Die als „selbsttragend" bezeichnete Eigenschaft der Wicklungsanordung schließt eine Halterung beim Einsatz in einem Laserbauteil nicht aus, infolge der es auch zu einer elastischen Verformung der Wicklungsanordung kommen kann. Beispielsweise wird die Wicklungsanordung zwischen Halteteilen eingespannt und dabei elastisch verformt, oder sie kann sich infolge ihres eigenen Gewichts elastisch verformen. Dabei handelt es sich aber in der Regel um elastische Verformungen der plastisch verformten, selbsttragenden Wicklungsanordung insgesamt.The property called "self-supporting" the winding arrangement closes a holder when used in a laser device is not, as a result it also leads to elastic deformation of the winding arrangement can come. For example, the winding arrangement is between Clamps holding parts while elastically deformed, or she can deform elastically due to their own weight. It acts but it is usually elastic deformations of plastic deformed, self-supporting winding arrangement in total.
Das zylinderförmige Formteil weist einen Kernbereich auf, der aus Quarzglas besteht, das mit laseraktiven Ionen dotiert ist. Der SiO2-Anteil des Kern-Quarzglases überwiegt jedoch bei weitem alle anderen Bestandteile und beträgt mindestens 85 Gew.-%. Der Kernbereich ist im radialen Querschnitt kreis- oder ringförmig ausgebildet und von mindestens einem Mantelglas umgeben.The cylindrical shaped part has a core region consisting of quartz glass which is doped with laser-active ions. However, the SiO 2 content of the core quartz glass far outweighs all other components and is at least 85 wt .-%. The core region is circular or annular in radial cross-section and surrounded by at least one cladding glass.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich eine Verfahrensweise, bei der das zylinderförmige Formteil aus einem Halbzeug gezogen und beim Ziehen in einem auf die Verformungstemperatur erhitzten Zustand unter Bildung der Wicklungsanordnung auf einen Träger aufgewickelt wird.Especially advantageous designed a procedure in which the cylindrical shaped part pulled a semifinished product and pulling in one on the deformation temperature heated state to form the winding assembly to a carrier is wound up.
Bei dem Halbzeug handelt es sich um eine massive, so genannte Vorform, aus der optische Fasern gezogen werden, oder es handelt sich um eine koaxiale Anordnung aus mehreren, zylinderförmigen Quarzglas-Bauteilen, umfassend einen Quarzglas-Kernstab und mindestens ein den Kernstab umhüllendes Mantelrohr.at the semifinished product is a massive, so-called preform, are pulled out of the optical fibers, or it is about a coaxial arrangement of a plurality of cylindrical quartz glass components, comprising a quartz glass core rod and at least one core rod enveloping Casing pipe.
Die Herstellung des zylinderförmigen Formteils durch Elongieren des Halbzeugs und das Herstellen der Wicklungsanordnung erfolgen hierbei in einem Arbeitsgang. Das Halbzeug wird in einer Erhitzungszone von einem Ende beginnend zonenweise erweicht und aus dem erweichten Bereich unter Bildung einer Ziehzwiebel das zylinderförmige Formteil als Quarzglasstrang abgezogen.The Production of the cylindrical Molded part by elongating the semifinished product and producing the Winding arrangement take place here in one operation. The semi-finished product is softened zone by zone starting from one end in a heating zone and from the softened area to form a drawing onion cylindrical Molded part removed as quartz glass strand.
Das Formen der Wicklungsanordnung aus dem abgezogenen Formteil kann in einem Bereich unmittelbar unterhalb der Ziehzwiebel erfolgen, in dem das Formteil noch plastisch verformbar ist. Es hat sich aber auch eine andere Verfahrensweise als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher das aus dem Halbzeug gezogene Formteil zunächst abgekühlt und vor dem Aufwickeln auf den Träger auf die Verformungstemperatur erhitzt wird.The Forming the winding assembly from the withdrawn molding can take place in an area immediately below the drawing onion, in which the molding is still plastically deformable. It has become though another procedure has proven particularly advantageous in which the drawn from the semi-finished molding cooled and first before winding on the carrier is heated to the deformation temperature.
Beim Abkühlen erstarrt das zylinderförmige Formteil und nimmt dabei im Bereich unterhalb der Ziehzwiebel seine endgültige Querschnittsform ein. Dabei kann kontrolliert werden, ob eine vorgegebene Sollgeometrie eingehalten ist, und erforderlichenfalls kann nachgeregelt werden. Erst danach wird das zylinderförmige Formteil auf eine Temperatur oberhalb der Verformungstemperatur gebracht und zu der Wicklungsanordnung geformt.At the cooling down solidifies the cylindrical molding and takes in the area below the drawing bulb its final cross-sectional shape one. It can be checked whether a given target geometry is complied with and, if necessary, it can be readjusted. Only then is the cylindrical Molding to a temperature above the deformation temperature brought and formed into the winding assembly.
Bei einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensweise wird das zylinderförmige Formteil aus einem Halbzeug gezogen, in einem separaten Verfahrensschritt auf die Verformungstemperatur erhitzt und im erhitzten Zustand unter Bildung der Wicklungsanordnung auf einen Träger aufgewickelt.at an alternative and equally preferred procedure becomes the cylindrical shaped part drawn from a semi-finished product, in a separate process step heated to the deformation temperature and in the heated state below Forming the winding assembly wound on a support.
Die Herstellung des zylinderförmigen Formteils durch Elongieren des Halbzeugs und das Herstellen der Wicklungsanordnung erfolgen hierbei in separaten Arbeitsgängen. Dadurch können die Verfahrensparameter – insbesondere Ziehgeschwindigkeit und Aufwickelgeschwindigkeit – für jeden der Arbeitsgänge unabhängig voneinander optimiert werden. Der Außendurchmesser des Trägers bestimmt dabei den minimalen Innendurchmesser der Wicklungsanordnung.The Production of the cylindrical Molded part by elongating the semifinished product and producing the Winding arrangement take place here in separate operations. Thereby can the process parameters - in particular Pulling speed and take-up speed - for everyone the operations independently be optimized from each other. The outer diameter of the carrier determines the minimum inner diameter of the winding assembly.
Es hat sich bewährt, das Formteil zu einer mindestens eine Wicklungslage aufweisenden Spule oder zu einer Spirale aufzuwickeln.It has proved its worth, the molding to a at least one winding layer having Coil or to wind a spiral.
Die Spule besteht aus einem in der Regel hohlen Spulenkern mit vorgegebenem, möglichst engem Durchmesser, der von einer Lage oder von mehreren Lagen des geordnet oder ungeordnet aufgewickelten Formteils begrenzt ist. Diese Anordnung gewährleistet reproduzierbare Eigenschaften des herzustellenden Laserbauteils.The Coil consists of a generally hollow core with a given, preferably narrow diameter of one layer or several layers of the ordered or disordered wound molding is limited. This arrangement ensures reproducible properties of the laser component to be produced.
Während sich die Wicklungsanordnung in Form der Spule entlang der Spulenachse erstreckt, verläuft die Spirale in einer Ebene um ihre Mittelachse. Die Wick lungsanordnung besteht in dem Fall aus mindestens einer Spirale. Im Fall einer mehrere Spiralen umfassenden Wicklungsanordnung sind diese vorteilhafterweise optisch miteinander verbunden, indem sie aus einem gemeinsamen Formteil gewickelt sind.While the winding arrangement in the form of the coil along the coil axis extends, runs the spiral in a plane around its central axis. The Wick lungsanordnung In this case, there is at least one spiral. In the case of one several spiral winding arrangement comprising these are advantageously visually interconnected by making a common molding are wound.
Vorzugsweise weist das zylinderförmige Formteil einen Außendurchmesser von 200 μm oder mehr auf.Preferably has the cylindrical shaped part an outer diameter of 200 μm or more.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Wicklungsanordnungen, die trotz zylinderförmigem Formteil mit großem Außendurchmesser einen engen Biegeradius aufweisen. Dies ermöglicht eine kompakte Bauform des laseraktiven Bauteils bei gleichzeitig großem Anregungs- und Emissionsquerschnitt und wirkt sich dadurch einerseits auf die in den Kernbereich des Formteils einzukoppelnde Pumplichtleistung und andererseits auf die zu emittierende Ausgangsleistung vorteilhaft aus.The inventive method allows the production of winding arrangements, in spite of cylindrical shaped part with big outer diameter have a tight bend radius. This allows a compact design of the laser-active component with simultaneously large excitation and emission cross-section and thereby affects one hand, on the one hand into the core area of the Part to be coupled pumping power and on the other hand on the to be emitted output power advantageous.
In dem Zusammenhang hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das zylinderförmige Formteil in der Wicklung einen Biegeradius von 10 cm oder weniger aufweist.In the context, it has proved to be particularly advantageous when the cylindrical molding in the winding has a bending radius of 10 cm or less.
Hinsichtlich des Laserbauteils wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wicklungsanordnung selbsttragend aus einem plastisch verformten Formteil ausgebildet ist.Regarding the laser component, this task is based on the above mentioned component according to the invention thereby solved, that the winding arrangement is self-supporting from a plastically deformed Molded part is formed.
Bei dem zylinderförmigen Formteil handelt es sich um einen Strang mit beliebigem radialem Querschnitt, insbesondere um eine optische Faser, einen Stab oder ein Rohr mit zentralen Kernbereich aus laseraktivem Quarzglas. Der Kernbereich kann von einem oder mehreren Mantelglasschichten aus dotiertem oder undotiertem Quarzglas umgeben sein.at the cylindrical one Molded part is a strand of any radial cross-section, in particular to an optical fiber, a rod or a pipe with central core area of laser-active quartz glass. The core area can be doped by one or more cladding glass layers of surrounded undoped quartz glass.
Das herzustellende Laserbauteil wird von einer Wicklungsanordnung gebildet, in der das zylinderförmige Formteil plastisch verformt in einer geordneten oder in ungeordneten, möglichst kompakten Anhäufung vorliegt, die dem Zweck dient, über die Zylinder-Mantelfläche des zylinderförmigen Formteils eingestrahltes Pumplicht möglichst effektiv zu nutzen.The to be produced laser component is formed by a winding arrangement, in the cylindrical one Molded part plastically deformed in an ordered or disorderly, preferably compact buildup present, which serves the purpose over the cylinder surface of the cylindrical one Use molded part pumped-in light as effectively as possible.
Folgende Aspekte sind beim erfindungsgemäßen Laserbauteil bei der Erfüllung dieses Zwecks besonders wichtig:
- • Zum Einen liegt das Formteil in plastischer Verformung vor. Dieser Zustand ermöglicht es, zylinderförmige Formteile mit großem Durchmesser und nahezu beliebig engen Biegeradien einzusetzen, ohne dass es zur Ausbildung übermäßiger Spannungen oder gar zu Brüchen kommt.
- • Zum Andern kann beim erfindungsgemäßen Laserbauteil auf eine ansonsten zum Schutz der optischen Faser notwendige Ummantelung des Formteils verzichtet werden. Denn infolge seines plastischen Verformungszustands weist das Formteil keine oder nur geringe mechanische Spannungen auf, so dass spannungsinduzierte Brüche und Alterungseffekte nicht auftreten. Die Erfindung eröffnet somit erstmals die Möglichkeit enge Biegeradien (auch bei großem Faserdurchmesser) ohne Schutzmantel zu realisieren.
- • Weiterhin ist auch eine mechanische Fixierung der Wicklungsanordung mittels einer Fixierungsmasse oder einer Halterung – wie aus dem Stand der Technik bekannt – nicht erforderlich. Derartige Fixierungsmittel behindern das seitliche Einkoppeln von Pumplicht in den Fasermantel; wobei eine Fixierungsmasse in dieser Hinsicht ähnlich nachteilig wie ein Kunststoff-Schutzmantel wirkt. Demgegenüber ist die Wicklungsanordung auch ohne Stütz- und Fixierungsmaßnahmen formstabil und „selbsttragend", worunter hier eine Wicklungsanordung verstanden wird, die keines Stützkörpers oder Fixierungsmittels zur Stabilisierung ihrer Form bedarf. Die selbsttragende Ausbildung der Wicklungsanordung vermeidet die mit Stützkörper oder Fixierungsmittel ansonsten einhergehenden Nachteile hinsichtlich der Abschattung von Pumplicht, und ermöglicht einen Einsatz auch bei hoher thermischer Belastung und insbesondere bei hohen Pumplichtleistungen.
- • On the one hand, the molded part is in plastic deformation. This state makes it possible to use cylindrical shaped parts with a large diameter and almost any narrow bending radii, without causing excessive tensions or even fractures.
- • To change the laser device according to the invention can be dispensed with an otherwise necessary to protect the optical fiber sheathing of the molding. Because of its plastic deformation state, the molding has no or only low mechanical stresses, so that stress-induced fractures and aging effects do not occur. The invention thus opens the possibility for the first time to realize tight bending radii (even with a large fiber diameter) without a protective jacket.
- Furthermore, a mechanical fixation of the winding arrangement by means of a fixing compound or a holder - as known from the prior art - not required. Such fixatives hinder the lateral coupling of pumping light in the fiber cladding; wherein a fixing compound in this regard acts similarly disadvantageous as a plastic protective jacket. In contrast, the winding arrangement is dimensionally stable and "self-supporting" even without supporting and fixing measures, which is understood here as meaning a winding arrangement which requires no supporting body or fixing means to stabilize its shape Shading of pump light, and allows use even at high thermal stress and especially at high pumping light power.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Laserbauteils erfolgt bevorzugt anhand des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens durch plastische Verformung des zylinderförmigen Formteils.The Production of the laser component according to the invention is preferably carried out on the basis of the method according to the invention described above by plastic deformation of the cylindrical molding.
Die als „selbsttragende Ausbildung" bezeichnete Eigenschaft der Wicklungsanordung schließt deren Halterung beim Einsatz in einem Laserbauteil nicht aus, wobei es zu einer elastischen Verformung der Wicklungsanordung kommen kann. Beispielsweise wird die Wicklungsanordung zwischen Halteteilen eingespannt und dabei geringfügig verformt, oder sie kann sich infolge ihres eigenen Gewichts elastisch verformen. Dabei handelt es sich aber in der Regel um elastische Verformungen der plastisch verformten, selbsttragenden Wicklungsanordung insgesamt.The as "self-supporting Training " Property of the winding arrangement closes its support during use in a laser device is not, whereby it leads to an elastic deformation of the Winding arrangement can come. For example, the winding arrangement becomes clamped between holding parts and thereby slightly deformed, or she may deform elastically due to her own weight. These are usually elastic deformations the plastically deformed, self-supporting winding arrangement as a whole.
Das zylinderförmige Formteil weist einen Kernbereich auf, der aus Quarzglas besteht, das mit laseraktiven Ionen dotiert ist. Der SiO2-Anteil des Kern-Quarzglases überwiegt jedoch bei weitem alle anderen Bestandteile und beträgt mindestens 85 Gew.-%. Der Kernbereich ist im radialen Querschnitt kreis- oder ringförmig ausgebildet und von mindestens einem Mantelglas umgeben.The cylindrical shaped part has a core region consisting of quartz glass which is doped with laser-active ions. However, the SiO 2 content of the core quartz glass far outweighs all other components and is at least 85 wt .-%. The core region is circular or annular in radial cross-section and surrounded by at least one cladding glass.
Im Idealfall bestehen das Formteil und das daraus gebildete Laserbauteil vollständig aus Quarzglas.in the Ideally, the molded part and the laser component formed therefrom exist Completely made of quartz glass.
Das Formteil ist weder in eine Fixierungsmasse eingebettet, wie im oben genannten Stand der Technik vorgeschlagen, noch weist es eine Ummantelung auf, was sich auf das Einkoppeln des Pumplichts über den Zylinder-Außenmantel vorteilhaft auswirkt und einen Einsatz bei hoher thermischer Belastung ermöglicht.The The molded part is neither embedded in a fixation compound, as in the above mentioned prior art, nor does it have a sheath what, on the coupling of the pump light on the cylinder outer jacket beneficial effect and use at high thermal stress allows.
Vorzugsweise umfasst die selbsttragende Wicklungsanordnung eine selbsttragende Spule oder eine selbsttragende Spirale.Preferably the self-supporting winding arrangement comprises a self-supporting Coil or a self-supporting spiral.
Das erfindungsgemäße Bauteil wird von einer Spule gebildet, die von dem zylinderförmigen Formteil in einer einzelnen Lage oder in möglichst kompakter Anhäufung aus mehreren Wicklungslagen vorliegt. Die Spule besteht aus einem in der Regel hohlen Spulenkern mit vorgegebenem, möglichst engem Durchmesser, der von mehreren Lagen des geordnet oder ungeordnet aufgewickelten Formteils begrenzt ist. Die Spule dient dem Zweck, über die Zylinder-Mantelfläche des zylinderförmigen Formteils eingestrahltes Pumplicht möglichst effektiv zu nutzen.The Component according to the invention is formed by a coil that of the cylindrical molding in a single layer or as compact as possible multiple winding layers present. The coil consists of a in usually hollow spool core with a given, as narrow as possible diameter, that of several layers of the orderly or disorderly wound up Form part is limited. The coil serves the purpose over the Cylinder jacket surface of the cylindrical one Use molded part pumped-in light as effectively as possible.
Im Gegensatz zu einer Wicklungsanordnung in Form einer Spule, die sich entlang der Spulenachse erstreckt, verläuft eine Wicklungsanordnung in Form einer Spirale in einer Ebene um die Spirale-Mittelachse. Die Wicklungsanordnung besteht in dem Fall aus mindestens einer Spirale. Im Fall einer mehrere Spiralen umfassenden Wicklungsanordnung sind diese vorteilhafterweise optisch miteinander verbunden, indem sie aus einem gemeinsamen Formteil gewickelt sind.in the Contrary to a winding arrangement in the form of a coil, which itself extends along the coil axis, runs a winding arrangement in the form of a spiral in a plane around the spiral central axis. The winding arrangement consists in the case of at least one Spiral. In the case of a multi-spiral winding arrangement these advantageously optically interconnected by are wound from a common molding.
Vorzugsweise weist das zylinderförmige Formteil einen Außendurchmesser von 200 μm oder mehr, und in der Wicklungsanordnung einen Biegeradius von 10 cm oder weniger auf.Preferably has the cylindrical shaped part an outer diameter of 200 μm or more, and in the winding assembly, a bending radius of 10 cm or less.
Eine derartige Wicklungsanordnung stellt einen großen Anregungs- und Emissionsquerschnitt zur Verfügung, ermöglicht das Einkoppeln einer hohen Pumplichtleistung in den Kernbereich des Formteils und gewährleistet eine hohe und reproduzierbare Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Laserbauteils.A Such a winding arrangement provides a large excitation and emission cross section available allows the coupling of a high pumping light power into the core area of the molding and guaranteed a high and reproducible output power of the laser device according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen in schematischer Darstellungfollowing the invention is based on embodiments and a Drawing explained in more detail. In the drawing show in detail in a schematic representation
Unterhalb
des Schleppers
In
einer Verfahrensabwandlung wird zum Erhitzen und Erweichen des Stabs
Der
erweichte Stababschnitt
Nach
dem Fertigstellen der Spule
Die
Abmessungen der Spule richten sich nach den konkreten Erfordernissen,
wobei das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere die Herstellung einer Lichtleiter-Spule mit besonders
kleinem Innendurchmesser ermöglicht.
Im Ausführungsbeispiel hat
die Spule
Der Begriff „selbsttragende Spule" wird in der Elektrotechnik für elektronische Spulen benutzt, die keinen unabhängigen Spulenkörper erfordern, der sie stützt.The term "self-supporting coil" is used in electrical engineering for electronic coils which do not require an independent bobbin that supports them.
Die
Lichtleiter-Spule
Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die daraus resultierende spannungsfreie oder spannungsarme Ausbildung
der Spule
Zur
Herstellung eines leicht zu handhabenden Laserbauteils wird die
Spule
In
einer alternativen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Laserbauteils
ist die Wicklungsanordung als Faserspirale ausgebildet, wie in der
eingangs genannten
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