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Die
Erfindung betrifft eine Lichtleiteranordnung
- – mit einem
Lichtleiter, der einen Kern aus einem Material mit einem geringeren
Brechungsindex und einen Mantel aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex
umfasst, und
- – mit
einer Ausrichtungsstruktur, durch die der Lichtleiter entlang einer
von der Ausrichtungsstruktur vorgegebenen Ausrichtungsgeraden ausgerichtet
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleiteranordnung,
umfassend die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen
eines Lichtleiters, der einen Kern aus einem Material mit einem
geringeren Brechungsindex und einen Mantel aus einem Material mit
einem höheren
Brechungsindex umfasst,
- – Bereitstellen
einer Ausrichtungsstruktur, durch die der Lichtleiter entlang einer
von der Ausrichtungsstruktur vorgegebenen Ausrichtungsgeraden ausrichtbar
ist,
- – Ausrichten
des Lichtleiters mithilfe der Ausrichtungsstruktur.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
die Verwendung einer derartigen Lichtleiteranordnung.
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Zur
Erzeugung ultrakurzer Laserpulse ist das Prinzip der Pulskompression
durch nichtlineare Selbstphasenmodulation seit langem bekannt. Grundidee
dieser Art der Pulskompression ist es, das in einem Puls vorliegende
Wellenlängenspektrum
zu erweitern, indem man den Puls ein nichtlineares optisches Medium
passieren lässt,
was zur Erzeugung zusätzlicher
Spektralkomponenten in dem Puls führt. Eine nachfolgende Passage
durch eine Kompressionsstrecke mit geeigneter dispersiven optischen
Elementen staucht das zeitlich verteilte Pulsspektrum zu einem ultrakurzen
Puls zusammen, wobei die erreichbare Kürze des Pulses direkt von der
spektralen Breite des in dem Puls vertretenen Wellenlängenspektrums
ist. Es ist daher ein allgemeines Anliegen, möglichst viele zusätzliche
Spektralkomponenten zu erzeugen, wozu eine lange Wechselwirkungsstrecke zwischen
dem Puls und dem nichtlinearen optischen Medium erforderlich ist.
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Derartige
Pulskompressionsverfahren sind bekannt aus: NAGY, T., FÖRSTER, M.,
SIMON, P.: Generation of high-energy sub-20 fs pulses at 248 nm;
in: Europ. Conf. an Lasers and Electro-Optics and the International Quantum
Electronics Conf. CLEOEIQEC 2007, Juni 2007 und MANSOUR, B. F. et.
al.: Generation of 11 fs pulses by using hollow-core gas-filled
fibers at a 100 kHz repetition rate; in: Optics Letters, Vol. 31,
No. 21, S. 3185–3187,
November 2006.
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Bekannte
Lichtleiter können
diese Aufgabe erfüllen.
Ein typischer Lichtleiter weist einen Kern aus einem Material mit einem
höheren
Brechungsindex und einen den Kern umgebenden Mantel aus einem Material
mit einem optisch niedrigerem Brechungsindex auf. Hierdurch werden
an der Grenzfläche
zwischen Kern und Mantel die Bedingungen der Totalreflexion erfüllt, sofern
der Lichtleiter nicht in extrem engen Radien gebogen ist. Mit derartigen
Lichtleitern lassen sich auf platzsparende Weise sehr lange Wechselwirkungsstrecken
realisieren, indem der Laserpuls in einen beispielsweise auf eine
Trommel gewickelten Lichtleiter von bis zu mehreren Kilometern Länge eingespeist
wird. Nachteilig hierbei ist jedoch die typischerweise geringe Zerstörschwelle
des Lichtleitermaterials. Diese setzt der verwendbaren Pulsleistung
enge Grenzen. Im Bereich der Erzeugung ultrakurzer Hochleistungs-Laserpulse
sind herkömmliche
Lichtleiter daher nicht einsetzbar.
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Aus
der gattungsbildenden
US
6,151,155 A sowie aus der
US 5,956,173 A ist es bekannt, zur Überwindung
des oben erläuterten
Nachteils statt der herkömmlichen
Lichtleiter Hohlleiter mit einem gläsernen Mantel und einem hohlen
Kern zu verwenden, wobei der hohle Kern bedarfsgemäß mit einem
Gas, insbesondere einem Edelgas füllbar ist. Die Verwendung derartiger
Hohlleiter hat den Vorteil, dass sehr hohe Lichtenergien eingekoppelt
werden können. Insbesondere
wird eine Obergrenze der Intensität lediglich durch die Ionisationsschwelle
des zur Füllung des
Hohlkerns verwendeten Gases aufgestellt. Allerdings entspricht die
Verteilung der Brechungsindizes zwischen Mantel und Kern nicht derjenigen üblicher Lichtleiter.
Vielmehr wird der Brechungsindex des Mantelmaterials regelmäßig größer sein
als der Brechungsindex des hohlen Kerns. Somit sind die Voraussetzungen
für die klassische
Totalreflexion nicht gegeben. Bei sehr flachem Einfallswinkel des
Lichtes auf die Grenzfläche
zwischen Mantel und Kern kann jedoch die durch Transmission durch
den Mantel ausgekoppelte Energiemenge vernachlässigt werden. Diese Winkelverhältnisse
müssen über die
gesamte Länge
des Lichtleiters bestehen, was nur gewährleistet ist, wenn der Hohlkern
und damit die Grenzfläche
zwischen Mantel und Kern über
die gesamte Lichtleiterlänge
exakt gerade ausgerichtet ist. Die erforderliche Genauigkeit der
Ausrichtung liegt im Bereich weniger Mikrometer pro Meter Lichtleiterlänge.
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Eine
derart genaue mechanische Ausrichtung ist hochproblematisch. Es
ist bekannt, als Lichtleiter starre Glaskapillaren mit einem Außendurchmesser
von einigen Millimetern und einem Innendurchmesser von etwa 150
Mikrometern zu verwenden, die in Längen unter einem Meter mit
hinreichend guter Genauigkeit herstellbar sind. Allerdings ist es erforderlich,
diese Kapillaren durch eine besondere Ausrichtungsstruktur dauerhaft
gerade zu halten, da bereits ihre geringe Elastizität ausreicht,
die Winkelverhältnisse
an der Kern/Mantel-Grenzfläche
so zu beeinträchtigen,
dass die Lichtleitung mit erheblichen Verlusten behaftet ist.
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Als
geeignete Ausrichtungsstruktur werden in der vorgenannten
US 6,151,155 A langgestreckte Metallträger mit
einer V-Nut, in die die Glaskapillare eingelegt und dort fixiert
wird, vorgeschlagen. Selbst mit einer derartigen Ausrichtungsstruktur
ist die Realisierung von Lichtleiteranordnungen von mehr als einem
Meter Länge
problematisch. Zum einen erfordert die Herstellung einer V-Nut von solcher Länge mit
der geforderten Präzision
einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand. Zum anderen ist
es eine bekannte Schwierigkeit bei der Fertigung von Glaskapillaren,
sowohl den Außen-
als auch den Innendurchmesser über
die gesamte Länge
konstant zu halten. Vielmehr ist typischerweise wenigstens einer der
Durchmesser mit hohen Toleranzen über die Leiterlänge behaftet.
Für die
Lichtleitung entscheidend ist die Konstanz des Innendurchmessers über die Leiterlänge. Bei
der bekannten Ausrichtung mittels V-Nut wird aber der mit größeren Schwankungen
behaftete Außendurchmesser
an die V-Nut angepasst, was zu Verspannungen der gesamten Kapillare
und zu einer Fehlausrichtung, d. h. nicht geraden Ausrichtung des
Kerns führen
kann. Wird andererseits eine Kapillare mit über die Länge konstantem Außendurchmesser
verwendet, sind die Leitungsverlust aufgrund der Ungenauigkeiten
des Innendurchmessers nicht beliebig reduzierbar. Mit der bekannten Technologie
sind daher für
Hochenergieanwendungen nur vergleichsweise kurze Wechselwirkungsstrecken
(ca. 1 m) realisierbar.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lichtleiteranordnung
sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu
stellen, sodass die realisierbare Wechselwirkungslänge vergrößert wird.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass der Lichtleiter als eine flexible Faser ausgebildet ist, die
mit der Ausrichtungsstruktur an zwei voneinander beabstandeten Kontaktstellen in
kraft- und/oder stoffschlüssigem
Kontakt steht und mit einer parallel zu der Ausrichtungsgeraden
gerichteten Zugkraft beaufschlagt ist.
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Die
Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 8 dadurch gelöst,
dass der Lichtleiter als eine flexible Faser ausgebildet ist, und
der Schritt des Ausrichtens des Lichtleiters ein kraft- und/oder
stoffschlüssiges Kontaktieren
des Lichtleiters an zwei voneinander beabstandeten Kontaktstellen
und ein Beaufschlagen des Lichtleiters mit einer parallel zu der
Ausrichtungsgeraden ausgerichteten Zugkraft umfasst.
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Derartige
bzw. derartig hergestellte Lichtleiteranordnungen eignen sich vorteilhaft
als Bestandteil eines Faserkompressors zur Kompression von Laserpulsen,
wie einleitend beschrieben.
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Die
Erfindung wendet sich ab von dem bekannten Ansatz, die Lichtleiteranordnung
durch Verbesserung der Steifigkeit ihrer Elemente, d. h. sowohl des
Lichtleiters selbst als auch der Ausrichtungsstruktur, zu verbessern.
Vielmehr geht die Erfindung den umgekehrten Weg und verwendet besonders
flexible Lichtleiter. Insbesondere können flexible Hohlfasern verwendet
werden, wie sie beispielsweise aus dem Bereich der Gaschromatografie
bekannt und kostengünstig
erhältlich
sind. Derartige Glas- oder Quarz-Hohlfasern weisen typischerweise
einen Innendurchmesser von ca. 150 Mikrometern und eine Wandstärke von
ca. 40–100
Mikrometern auf. Solche Hohlfasern sind jedoch auch mit anderen
Innendurchmessern im Bereich zwischen 50 und 500 Mikrometern erhältlich.
Derartige Hohlfasern können mit
einer Länge
von mehreren Metern und einem gleichbleibenden Innendurchmesser über die
gesamte Leiterlänge
hergestellt werden. Ihre Flexibilität ist typischerweise so groß, dass
sie zur Aufwicklung auf Spulen mit Durchmessern von ca. 20 Zentimetern oder
darunter geeignet sind.
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Nach
dem bekannten Ansatz sind, wie oben erläutert, flexible Hohlfasern
zum Einsatz als Lichtleiter nicht geeignet, da die erforderliche
Genauigkeit der Ausrichtung im Wesentlichen allein von der Ausrichtungsstruktur
getragen werden muss, was insbesondere bei großen Leiterlängen mechanisch nicht realisierbar
ist. Die Erfindung wendet sich daher auch ab von der bekannten Ausbildungsform
der Ausrichtungsstruktur, beispielsweise als V-Nut. Vielmehr wird
die Ausrichtungsstruktur auf zwei Kontaktstellen reduziert, zwischen
denen die flexible Hohlfaser gespannt wird, sodass allein durch
die applizierte Zugkraft eine nahezu perfekt gerade Ausrichtung
des Hohlkerns erreicht wird. Dabei ist der Abstand der Kontaktpunkte,
der die Länge
des ausgerichteten Lichtleiters bestimmt, für die Genauigkeit der Ausrichtung
von untergeordneter Bedeutung, sodass Lichtleiteranordnungen von
mehreren Metern Länge ohne
erheblichen mechanischen Aufwand realisierbar sind. Insbesondere
ist bei der typischerweise – jedoch
nicht zwingend – gewählten, horizontalen
Ausrichtung die Biegung der Faser nicht von ihrer Länge, sondern
nur von dem Verhältnis
ihres Gewichtes zu der aufgewandten Zugkraft ab.
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Die
Kontaktstellen bilden zugleich die kritischen Punkte der erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung
bzw. das Kontaktieren des Lichtleiters an den Kontaktstellen den
kritischen Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
Vorzugsweise sollte darauf geachtet werden, dass die Lichtleiterbereiche,
die an den Kontaktstellen kontaktiert werden, einerseits zueinander
und andererseits zudem sich zwischen ihnen erstreckenden freien
Bereich des Lichtleiters entlang einer gemeinsam Achse ausgerichtet
sind. Knicke im Lichtleiter, die beispielsweise durch eine nicht
parallele Ausrichtung der Kontaktstellen und/oder einen parallelen
Versatz der Kontaktstellen zueinander entstehen können, führen, sofern
sie eine gegebene Maximalabweichung von der Idealausrichtung überschreiten,
zu den oben beschriebenen Verlusten durch Auskopplung von Lichtenergie
durch den Fasermantel.
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Eine
exakte Ausrichtung lässt
sich auf besonders günstige
Weise in einer Lichtleiteranordnung realisieren, die sich dadurch
auszeichnet, dass die Ausrichtungsanordnung ein den Lichtleiter
berührungsfrei
enthaltendes, starres Hohlprofil, bevorzugt ein starres Rohr, umfasst,
in dessen Endbereichen der Lichtleiter über an den Kontaktstellen angreifende
Kontaktelemente fest mit dem Hohlprofil verbunden ist.
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Im
Hinblick auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
bedeutet dies, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist,
- – dass
die Ausrichtungsstruktur ein starres Hohlprofil mit einer lichten
Weite, die größer ist
als der Außendurchmesser
des Lichtleiters, umfasst,
- – dass
der Schritt des Ausrichtens des Lichtleiters ein Einführen des
Lichtleiters in das Hohlprofil, ein Beaufschlagen des Lichtleiters
mit der Zugkraft und ein Ausrichten des Hohlprofils relativ zu dem Lichtleiter umfasst,
sodass das Hohlprofil den Lichtleiter berührungsfrei umgibt, und
- – dass
ein nachfolgender Schritt des Fixierens des Lichtleiters ein Auffüllen eines
Zwischenraums zwischen dem Lichtleiter und dem Hohlprofil im Bereich
jedes seiner Profilenden mit einem verzugsarm aushärtenden,
das Hohlprofil und den Lichtleiter stoffschlüssig kontaktierenden Klebstoff
umfasst.
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Mit
anderen Worten bedeutet dies, dass bevorzugt zunächst der Lichtleiter durch
ein gerades, starres, vorzugsweise transparentes Hohlprofil gefädelt wird,
sodass er beidseitig über
die Profilenden übersteht.
Die lichte Weite des Hohlprofils ist deutlich größer als der Außendurchmesser
des Lichtleiters zu bemessen. Besondere Genauigkeitsanforderungen an
die gerade Ausrichtung des Hohlprofils oder die Konstanz seiner
Innen- oder Außenabmessungen über die
Profillänge
sind nicht zu stellen, solange über
die gesamte Profillänge
eine gerade ausgerichtete, lichte Weite die größer als der Durchmesser des Lichtleiters
ist, gegeben ist. Anschließend
wird der Lichtleiter erfindungsgemäß gespannt, wobei die zur Spannung
erforderlichen Kontaktstellen zwischen einer Spannvorrichtung und
dem Lichtleiter vorzugsweise außerhalb
des Hohlprofils liegen. Danach wird das Hohlprofil relativ zu dem
gespannten Lichtleiter so ausgerichtet, dass der Lichtleiter an
keiner Stelle die Innenwand des Hohlprofil berührt. Schließlich wird im Bereich der Profilenden
der Zwischenraum zwischen dem Lichtleiter und der Profilinnenwand
mit einem Klebstoff aufgefüllt,
der ohne wesentliche Verziehungen aushärtet. Hierbei ist es auch möglich, wenigstens
Teile des Zwischenraumes durch spezielle Kontaktelemente, wie z.
B. scheiben- oder sternförmige
Abstandshalter zu füllen,
die von dem Klebstoff stoffschlüssig
mit dem Lichtleiter einerseits und der Profilinnenwand andererseits
verbunden sind. Man beachte, dass der Begriff Klebstoff hier als
Funktionsbezeichnung und nicht als Bezeichnung eines definierten
Stoffes oder einer definierten Stoffgruppe zu verstehen ist. Geeignet
sind sämtliche
Substanzen, die in plastisch verformbarem, vorzugsweise flüssigem,
halbflüssigem
oder gelartigem Zustand in den Zwischenraum zwischen Profilinnenwand
und Lichtleiter eingefüllt
werden können,
den Lichtleiter und die Profilinnenwand stoffschlüssig kontaktieren
und verzugsarm zu einem im Wesentlichen starren Zustand aushärten.
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Die
dahinterstehende Idee ist es, die Ausrichtungsstruktur, bestehend
aus dem Hohlprofil und dem Klebstoff und ggf. den Kontaktelementen
an dem durch die erfindungsgemäße Spannung
bereits gerade ausgerichteten Lichtleiter auszurichten und im ausgerichteten
Zustand dauerhaft mit ihm zu verbinden. Nach dem Aushärten des
Klebstoffs bleibt die auf den Lichtleiter wirkende Zugkraft als
Gegenkraft zu der senkrecht zu dem Lichtleiter wirkenden Gravitationskraft,
die dazu tendiert, den Lichtleiter gemäß einer Kettenlinie zu verformen
bzw. als Gegenkraft zu der (geringeren) Elastizität des Lichtleiters
erhalten. Damit bleibt auch die exakt gerade Ausrichtung des Lichtleiters
erhalten, wobei keine Schwierigkeit mit einem Knicken des Lichtleiters
an den Kontaktstellen zu befürchten
ist, da sich diese durch das Aushärten des Klebstoffs am Lichtleiter ausgerichtet
bilden. Die Starrheit des den Lichtleiter umgebenden Hohlprofils
sorgt für
die Dauerhaftigkeit der relativen Ausrichtung der Kontaktstellen zueinander
und somit für
die Dauerhaftigkeit der Ausrichtung des Lichtleiters. Bevorzugt
wird der Lichtleiter in einem letzten Schritt in unmittelbarer Nachbarschaft der
Kontaktstellen, vorzugsweise in der Profilendebene, abgelängt, sodass
eine einfache Einkopplung des zu leitenden Lichtes möglich wird.
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Grundsätzlich ist
es günstig,
ein sehr starres Hohlprofil zu verwenden. Eine geringfügige Biegsamkeit
des Hohlprofils ist jedoch tolerierbar und zwar insbesondere dann,
wenn, wie bevorzugt vorgesehen, die Lagerung des Profils, insbesondere
seine Unterstützung
an mehreren Stützstellen,
während der
Herstellung der Lichtleiteranordnung und ihrer anschließenden Verwendung
erhalten bleibt oder zumindest wiederhergestellt wird. Ist das Hohlprofil
beispielsweise während
der Herstellung des Lichtleiters, insbesondere während des Aushärtens des
Klebstoffs, an zwei Stützstellen
gelagert, so kann es sein, dass das Hohlprofil zwischen den Stützstellen und/oder
außerhalb
der Stützstellen
geringfügig durchbiegt.
Eine solche Durchbiegung ist dank des erfindungsgemäßen Gedankens
des Ausrichtens des Profils an dem gespannten Lichtleiter ebenso
unkritisch wie eine starre Imperfektion des Profils. Erst wenn das
Profil rotiert und/oder an anderen Stützstellen gelagert wird, kann
es zu einer andersartigen Verbiegung kommen, die dann auch zu einer
Verkippung der Kontaktstellen des Lichtleiters und somit zu dessen
Fehlausrichtung führen
können.
Um dem entgegenzuwirken ist bevorzugt vorgesehen, die Lichtleiteranordnung
während
ihrer Benutzung genauso zu lagern wie während des Aushärtens des
Klebstoffs.
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In
seltenen Fällen
kann es sein, dass sich das Hohlprofil z. B. durch Materialalterung
auch bei gleichbleibender Unterstützung an den Stützstellen mit
der Zeit weiter verbiegt. Um dem entgegenzuwirken ist bei einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wenigstens eine verstellbare
Stütze
vorgesehen, mit der ein Bereich des Hohlprofils gegenüber anderen
Profilbereichen senkrecht zur Profilachse ausgelenkt werden kann.
Auf diese Weise kann eine Profilverbiegung zu kompensiert werden.
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Bei
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hohlprofil ein Rohr ist und
die Endbereiche des Rohres gasdicht mit einer Gasdruckerzeugungseinheit
verbunden oder verbindbar sind. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass die Rohrenden gasdicht angeschlossene Vakuumflansche
aufweisen, die mit einer Vakuumpumpe oder einer anderen Druckerzeugungseinheit
verbunden werden können.
Je nach Art der Druckerzeugungseinheit kann hiermit die Umgebung
und im Fall eines Hohlleiters als Lichtleiter das Innere des Lichtleiters
evakuiert oder mit einer definierten Atmosphäre, z. B. einer Schutzgasatmosphäre, befüllt und/oder
ein Druckgefälle
zwischen den Rohr- bzw. Lichtleiterende eingestellt werden.
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Alternativ
zu der oben beschriebenen, besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann die Ausrichtungsstruktur auch ein mit der Zugkraft
beaufschlagtes Spannfutter aufweisen, das den Lichtleiter an einer
der Kontaktstellen kraftschlüssig kontaktiert.
Insbesondere ist die Verwendung zweier Spannfutter, nämlich eines
an jedem Ende des Lichtleiters, sinnvoll. Die Spannfutter sind vorzugsweise
in Ausrichtungsrichtung des Lichtleiters relativ zueinander linear
verschiebbar, um eine definierte Zugkraft zum Spannen des Lichtleiters
aufzubringen. Zur Vermeidung von Knicken des Lichtleiters im Bereich
der Angriffsstellen des bzw. der Spannfutter ist wenigstens ein
Spannfutter bevorzugt winkeleinstellbar und/oder senkrecht zur Ausrichtungsgeraden
linear verstellbar.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden,
speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 bis 5:
unterschiedliche Stadien der Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung.
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Die 1 bis 5 zeigen
fünf Stadien
der bevorzugten Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung.
Zur besseren Verdeutlichung der wesentlichen Merkmale sind die Zeichnungen
schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
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1 zeigt
den für
die vorliegende Erfindung grundlegenden Schritt des Spannens eines
flexiblen Lichtleiters 10. Der Lichtleiter 10 ist
bevorzugt ein Hohlleiter mit einem hohlen Kern und einem Mantel, der
vorzugsweise aus Glas oder Quarz besteht. Die Durchmesser sind jeweils
dem einzelnen Anwendungsfall anzupassen. Insbesondere können bevorzugte Innendurchmesser
zwischen 50 und 250 Mikrometer und bevorzugte Außendurchmesser zwischen 100
und 500 Mikrometer Anwendung finden. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf Hohlfasern als Lichtleiter beschränkt, insbesondere können z.
B. auch photonische Kristallfasern mit komplexem inneren Aufbau
verwendet werden, sofern die jeweilige Anwendung dies gestattet.
Wesentliches Merkmal des Lichtleiters 10 ist seine Flexibilität, die beispielsweise
dadurch zum Ausdruck kommt, dass der Lichtleiter 10 auf
eine Trommel mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 50 Zentimeter
Durchmesser aufwickelbar ist ohne durch die damit verbundene Biegung Schaden
zu nehmen oder sich dauerhaft zu verformen. Die Länge des
Lichtleiters 10 ist ebenfalls an den einzelnen Anwendungsfall
anzupassen und kann bis zu etliche Meter betragen.
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Bevorzugt
wird der Lichtleiter 10 beidseitig in Spannfutter 12, 14 eingespannt.
Andere Formen einer kraftschlüssigen
Kontaktierung des Lichtleiters 10 oder alternativ einer
stoffschlüssigen
Kontaktierung sind ebenfalls denkbar. Bei dem Ausführungsbeispiel
von 1 ist das in der Zeichnung linke Spannfutter 12 an
einer festen Referenz 16 festgelegt. Das in 1 rechte
Spannfutter 14 wird mit einer Zugkraft beaufschlagt, die
beispielsweise mittels eines Gewichtes 18, das über eine
Umlenkrolle 20 und eine Pufferfeder 22 mit dem
Spannfutter 14 verbunden ist, aufgebracht wird. Andere
Arten der Kraftaufbringung, beispielsweise durch einen Spindeltrieb oder
eine andere Spannvorrichtung sind ebenfalls möglich. Im Ergebnis wird der
Lichtleiter 10 mit einer Zugkraft, symbolisiert durch die
Zugpfeile 24, gespannt. Durch diese Spannung ergibt sich
eine exakt gerade Ausrichtung des Faserkerns, sodass auch bei einer
Brechungsindexverteilung, die eine klassische Totalreflexion im
Lichtleiter 10 nicht zulässt, eine verlustarme Leitung
von in den Lichtleiter 10 eingekoppeltem Licht möglich ist.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung wird
die zur Ausrichtung erforderliche Spannung des Lichtleiters 10 auch
während
der Benutzung des Lichtleiters 10 durch eine Vorrichtung,
wie in 1 schematisch dargestellt, aufrecht erhalten.
Die Spannfutter 12 und 14 sind dabei bevorzugt
winkeleinstellbar, sodass sich zwischen den eingespannten Endbereichen
des Lichtleiters 10 und seinem freien Bereich zwischen den
Spannfuttern 12 und 14 kein die Lichtleitung störender Knick
ergibt. Die Spannfutter 12 und 14 sowie ihre jeweilige
Befestigung werden bei dieser einfachen Ausführungsform so auszugestalten
sein, dass eine Ein- und Auskopplung von Licht, insbesondere Laserlicht,
möglich
ist, was beispielsweise mit geeignetem Ein- und Auskoppelfenstern
und Lichtlenkungsmitteln erreichbar ist.
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Die 2–5 zeigen
weitere Verfahrensschritte, die zur Herstellung einer bevorzugten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung
durchgeführt
werden.
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2 zeigt
den gemäß 1 gespannten Lichtleiter 10,
der durch ein starres, bei der dargestellten Ausführungsform
als transparentes Rohr 26 ausgebildetes Hohlprofil geführt ist.
Es versteht sich, dass der Lichtleiter 10 vorzugsweise
vor dem Einspannen in die Spannfutter 12, 14 durch
das Rohr 24 gefädelt
wird, obgleich dies in 1 der Klarheit der Darstellung
wegen nicht gezeigt ist. Das Rohr 26 weist einen Innendurchmesser
auf, der deutlich größer ist
als der Außendurchmesser
des Lichtleiters 10. Der Außendurchmesser des Lichtleiters 10,
der Innendurchmesser des Rohres 26, die Länge des
Rohres 26 und die Genauigkeit, mit der der Innendurchmesser über die
Rohrlänge
beibehalten bleibt, sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass,
wie in 2 dargestellt, das Rohr 26 relativ zu
dem Lichtleiter 10 so ausgerichtet werden kann, dass der
Lichtleiter 10 an keiner Stelle die Innenwand des Rohres 26 berührt. Der
Ausrichtungsvorgang des Rohres 26 relativ zu dem gespannten
Lichtleiter 10 ist durch die Ausrichtungspfeile 28 symbolisiert.
Es versteht sich, dass das Rohr 26 in seinem ausgerichteten
Zustand relativ zu der festen Referenz 16 beispielsweise
mit Stützen
fixiert wird. Es hat sich als günstig
erwiesen, das Rohr 26 in einer V-Nut auf einem Träger, der
vorzugsweise aus Metall gearbeitet ist, zu fixieren. Dabei ist jedoch
zu beachten, dass die Genauigkeit, mit der die V-Nut gearbeitet
ist, sehr gering sein kann. Es ist ausreichend, wenn das Rohr ohne
Berührung
mit dem Lichtleiter 10 fixierbar ist.
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Im
nachfolgenden, in 3 dargestellten Schritt werden,
wie durch die Füllpfeile 30 symbolisiert,
die Zwischenräume
zwischen dem Lichtleiter 10 und der Innenwand des Rohres 26 in
dessen Endbereichen mit einem Klebstoff verfüllt. Geeignet sind hier beispielsweise
Zweikomponenten-Epoxidharzkleber, die sehr verzugsarm und mit vernachlässigbarer
Schrumpfung aushärten.
Die entstehenden Klebstoffpfropfen 32 bilden Kontaktstellen
zwischen dem Lichtleiter 10 und dem Rohr 26 als
einen wesentlichem Teil der Ausrichtungsstruktur. Zur Stabilisierung
der Kontaktstellen können
auch zusätzliche starre
Abstandhalterelemente verwendet werden, die durch den Klebstoff
mit dem Rohr 26 einerseits und dem Lichtleiter 10 andererseits
stoffschlüssig
verbunden werden. Derartige Abstandshalter stabilisieren die durch
die Klebstoffpfropfen 32 gebildeten Kontaktstellen zusätzlich.
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Nach
dem Aushärten
der Klebstoffpfropfen 32 können, wie in 4 dargestellt,
die Spannfutter 12, 14 entfernt werden, ohne dass
die anfangs durch sie erzeugte Spannung des Lichtleiters 10 im
Inneren des Rohres 26 einbrechen würde. Die durch die Spannung
erzielte, gerade Ausrichtung des Lichtleiters 10 im Rohr 26 bleibt
somit auch nach Entfernen der Spannfutter 12, 14 erhalten.
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In
einem letzten, in 5 dargestellten Schritt werden
die Enden des Lichtleiters 10, die das Rohr 26 überragen,
abgelängt.
Dies erfolgt vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft der Klebstoffpfropfen 32.
Die Schnittflächen
können
dann zur Einkopplung von Licht genutzt werden.
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In
den Figuren nicht dargestellt, sind Anschlussmöglichkeiten des Rohres 26 an
Vorrichtungen zur Erzeugung definierter Atmosphären in dem Rohr bzw. in dem
Lichtleiter, sofern dieser als Hohlleiter ausgebildet ist. Beispielsweise
können
gasdicht mit den Rohrenden verbundene Flansche vorgesehen sein,
die an Vakuum- oder Druckkammern angeschlossen werden können, sodass
zur Einstellung einer gewünschten
Atmosphäre
Gase mit einstellbaren Druckdifferenzen zwischen den Rohrenden eingebracht
werden können.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren
gezeigten Ausführungsform
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen
Offenbarung ein breites Variationsspektrum anhand gegeben. Insbesondere
unterliegt die Wahl des speziellen Lichtleiters keiner besonderen
Beschränkung.
Beispielsweise ist die Verwendung eines Hohlleiters für die vorliegende
Erfindung nicht zwingend erforderlich. Vielmehr können auch
andere Arten von Wellenleitern, beispielsweise aus photonischen
Kristallen, Metallen, reflektiv beschichteten Dielektrika etc. verwendet
werden. Auch die Aufbringung der Zugkraft auf den Lichtleiter 10 ist nicht
auf die in Figuren gezeigte Krafterzeugungsform beschränkt. Neben
den dargestellten mechanischen Mitteln können auch hydraulische oder
pneumatische Mittel zur Kraftaufbringung eingesetzt werden. Schließlich ist
die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw.
erfindungsgemäß hergestellten
Lichtleiteranordnungen nicht auf die eingangs beschriebene Kompression
von Laserpulsen beschränkt.
Vielmehr eignen sich erfindungsgemäße Lichtleiteranordnungen für jedwede
Einsatzform von Lichtleitern, die eine besonders gute, gerade Ausrichtung
des Lichtleiters erfordert.
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- 10
- Lichtleiter
- 12,
14
- Spannfutter
- 16
- feste
Referenz
- 18
- Gewicht
- 20
- Umlenkrolle
- 22
- Pufferfeder
- 24
- Zugpfeil
- 26
- Hohlprofil,
Rohr
- 28
- Ausrichtungspfeil
- 30
- Einfüllpfeil
- 32
- Klebstoffpfropfen