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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle
gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs.
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Eine
derartige Lichtquelle ist aus der
DE 10 2004 006 932 B3 bekannt
und weist einen Diodenlaserbarren mit einer Vielzahl von schmalen
Emittern auf, die in Richtung ihrer Längsachse in einer
Reihe nebeneinander angeordnet sind. Dem Diodenlaserbarren ist eine
Einrichtung zur Strahlführung und Strahlformung des aus
ihm austretenden Laserstrahls zugeordnet, die eine Vielzahl von
in einer Reihe nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern enthält,
in die der Laserstrahl eingekoppelt wird.
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Ebenfalls
aus der
DE 10
2004 006 932 B3 bekannt ist es, eine derartige Lichtquelle
herzustellen, indem runde Lichtleitfasern nebeneinander angeordnet
werden und mit ihrem Endbereich in eine Form eingelegt werden, in
der sie durch ein Heißpressverfahren in einen Rechteckquerschnitt
gebracht werden, wobei die Ausdehnung der Fasern in einer ersten
Richtung etwa unverändert bleibt, während sich
die Ausdehnung der Fasern in einer zweiten Richtung um etwa 25%
reduziert.
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Beim
der industriellen Einsatz derartiger Verfahren ist es von großer
Bedeutung, dass eine Umformung der Fasern im gewünschten
Maß tatsächlich stattfindet, andererseits aber
eine übermäßige Verquetschung der Fasern
sicher ausgeschlossen wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
dass eine definierte Umformung der Fasern mit hoher Genauigkeit
sicherstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst,
indem eine Lichtquelle, insbesondere eine Lichtquelle zur optischen
Anregung einer Lasereinrichtung, beispielsweise einer Lasereinrichtung
eines Laserzündsystems einer Brennkraftmaschine, umfassend
einen Diodenlaser mit einer Vielzahl von Emittern und eine Lichtleiteinrichtung,
wobei die Lichtleiteinrichtung eine Vielzahl optischer Fasern umfasst
und jede optische Faser ein erstes Ende und eine Seitenfläche
aufweist, wobei die ersten Enden derart zu den Emittern angeordnet
sind, dass durch die Emitter erzeugtes Licht in die ersten Enden
der optischen Fasern einkoppelt, wobei die optischen Fasern zumindest
im Bereich ihrer ersten Enden entlang ihrer Seitenflächen
auf Stoß angeordnet sind, hergestellt wird, wobei das Herstellverfahren
die folgenden Schritte aufweist:
- – Anordnen
einer Vielzahl von optischen Fasern, die in einem Teilbereich einen
Faserabschnitt bilden, der zwischen zwei einander gegenüberliegenden
Pressflächen angeordnet ist,
- – Erwärmen des Faserabschnitts,
- – Ausüben einer Kraft auf die erwärmten
optischen Fasern durch die Pressflächen, wobei aus der
Kraft und der Erwärmung zunächst eine Verformung
der erwärmten optischen Fasern resultiert, wobei die ausgeübte
Kraft und/oder eine Temperatur der optischen Fasern so gewählt
ist, dass die Verformung zum Stillstand kommt, wenn die optischen
Fasern einen Bereich zwischen den Pressflächen erstmals
zumindest weitgehend ausfüllen.
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Unter
einem ersten Ende einer optischen Faser ist hierbei ein Ende einer
optischen Faser in Richtung seiner Längsachse zu verstehen,
beispielsweise bei einer zylindrischen optischen Faser eine Grundfläche
des Zylinders. Unter einer Seitenfläche einer optischen
Faser ist dabei die Fläche zu verstehen, die eine optische
Faser senkrecht zu ihrer Längsachse begrenzt, beispielsweise
bei einer zylindrischen optischen Faser die Mantelfläche
des Zylinders. Unter optischen Fasern, die entlang ihrer Seitenflächen
auf Stoß angeordnet sind, sind die optischen Fasern zu
verstehen, von denen alle oder fast alle, zum Beispiel mehr als
90% der optischen Fasern unmittelbar benachbarte optische Fasern
entlang ihrer Seitenflächen berühren.
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Dem
Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei auf Stoß zwischen
zwei Pressflächen angeordneten optischen Fasern im Bereich
der optischen Fasern zwischen den Pressflächen zunächst
freie Volumina befinden und dass es möglich ist, solche
Verfahrensparameter aufzufinden, dass eine Umformung der optischen
Fasern in die zunächst freien Volumina möglich
ist, eine weitere Umformung jedoch nicht erfolgt, wenn die optischen
Fasern einen Bereich zwischen den Pressflächen erstmals
zumindest weitgehend ausfüllen.
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Diese
Verfahrensparameter können zum Beispiel einen oder alle
der folgenden Größen umfassen: Minimaltemperatur
der Fasern bei der Umformung, Maximaltemperatur der Fasern bei der
Umformung, Minimalkraft zwischen den Pressflächen bei der
Umformung, Maximalkraft zwischen den Pressflächen bei der
Umformung. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Erwärmung
der optischen Fasern mindestens bis zu einer Mindesttemperatur vorgesehen
ist und ein Pressen der optischen Fasern über die Pressflächen
mindestens mit einer Mindestkraft vorgesehen ist und die Mindestkraft
und die Mindesttemperatur so gewählt sind, dass eine Umformung der
optischen Fasern möglich ist, wobei, wenn die optischen
Fasern den Bereich zwischen den Pressflächen erstmals zumindest
weitgehend ausfüllen, eine weitere Verformung der optischen
Fasern dadurch zum Stillstand kommt, dass eine Erwärmung der
optischen Fasern höchstens bis zu einer Maximaltemperatur
vorgesehen ist, und ein Pressen der Fasern über die Pressflächen
höchstens bis zu einer Maximalkraft vorgesehen ist und
die Maximalkraft und die Maximaltemperatur so gewählt sind,
dass eine weitere Umformung der optischen Fasern ausgeschlossen
ist, wenn die optischen Fasern einen Bereich zwischen den Pressflächen
zumindest weitgehend ausfüllen.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft möglich, dass das Verfahren
so durchgeführt wird, dass die Verformung zum Stillstand
kommt, ohne dass es dafür einer Änderung der einwirkenden
Kraft oder der Temperatur bedarf und/oder dass die Verformung zum Stillstand
kommt, während die ausgeübte Kraft und/oder eine
Temperatur der Fasern weitgehend konstant gehalten werden.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass die optischen Fasern zumindest
in dem Faserabschnitt entlang ihrer Seitenflächen auf Stoß angeordnet sind.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass die Verformung der erwärmten
optischen Fasern zum Stillstand kommt, wenn mehr als 95%, insbesondere mehr
als 99,5% eines Bereiches zwischen den Pressflächen ausgefüllt
ist.
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Vorteilhaft
ist zumindest eine der Pressflächen Teil eines Faserträgers
und es kommt zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur Ausbildung
einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den optischen
Fasern und dem Faserträger.
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Alternativ
oder zusätzlich ist vorteilhaft, dass eine der Pressflächen
Teil eines Faserträgers ist und die gegenüberliegende,
andere Pressfläche Teil eines zweiten Faserträgers
ist, und dass es zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur
Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den
optischen Fasern und dem zweiten Faserträger kommt.
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Es
ist andererseits bevorzugt, dass eine unmittelbare, insbesondere
stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Faserträger
und dem zweiten Faserträger vermieden wird.
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Es
ist vorteilhaft zur Verbesserung der Genauigkeit der Umformung der
optischen Fasern, wenn die optischen Fasern aus einem oder mehreren ersten
Gläsern bestehen und wenn der Faserträger oder
die Faserträger aus einem oder mehreren zweiten Gläsern
bestehen und wenn die Erweichungstemperatur des zweiten Glases oder
die Erweichungstemperaturen der zweiten Gläser einen höheren
Wert hat/haben als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder
die Erweichungstemperaturen der ersten Gläser. Sind die
Gläser entsprechend gewählt, so ist sichergestellt,
dass unter Einwirkung der Kraft eine Umformung der Fasern, nicht
aber der Faserträger erfolgt. Bevorzugt liegen die Erweichungstemperaturen
der ersten und der zweiten Gläser um mehr als 20 K auseinander.
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Es
ist ferner bevorzugt, dass die optischen Fasern aus einem oder mehreren
ersten Gläsern bestehen und der Faserträger oder
die Faserträger aus einem oder mehreren zweiten Gläsern
bestehen und dass die Härte bei Raumtemperatur des zweiten
Glases oder die Härten bei Raumtemperatur der zweiten Gläser
einen höheren Wert hat/haben als die Härte bei
Raumtemperatur des ersten Glases oder die Härten bei Raumtemperatur
der ersten Gläser.
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In
alternativen Ausführungen besteht eine oder bestehen beide
der Pressflächen aus mindestens einem wärmebeständigen
Material, das mit den optischen Fasern auch bei Temperaturen von
800°C keine Verbindung eingeht, zum Beispiel aus SiC.
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In
einer Ausführung ist es vorgesehen, dass das Erwärmen
der angeordneten optischen Fasern innerhalb des Faserabschnitts
erfolgt, indem die optischen Fasern über zumindest eine,
insbesondere über beide der Pressflächen, insbesondere
mittels mindestens einer elektrischen Widerstandheizung, erwärmt
werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Induktionsheizung
zum Einsatz kommen, sodass sich die Aufheizzeit verkürzt.
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Zeichnung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
Laserzündeinrichtung.
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2 zeigt
schematisch eine Laserzündeinrichtung im Detail.
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Die 3a, 3b, 3c und 3d zeigen
schematisch ein Beispiel einer Lichtquelle.
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Die 4, 4a zeigen
schematisch den Aufbau und die Anordnung von optischen Fasern.
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Die 4b zeigt
schematisch ein Beispiel der Anordnung von Lichtleiteinrichtung
und Diodenlaser.
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Die 5a, 5b und 5c zeigen
schematisch ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle.
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Die 6, 7a, 7b, 7c, 7e, 7f, 7g, 7h und 7i zeigen
exemplarisch und schematisch die Herstellung einer Lichtquelle.
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Die 8a, 8b, 8c, 8d und 8e sowie
die 9a und 9b zeigen
schematisch ein weiteres Beispiel der Herstellung einer Lichtquelle.
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Die 10 zeigt
ein Beispiel der Herstellung einer Lichtquelle.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 109. Sie dient zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines ebenfalls nicht dargestellten
Generators. Die Brennkraftmaschine 109 umfasst mehrere
Zylinder 129, von denen in 1 einer
gezeigt ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 129 wird
von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff 229 gelangt
in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18,
der an einen Kraftstoff-Druckspeicher 209 angeschlossen
ist.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 229 wird
mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der
von einer eine Lasereinrichtung 11 umfassenden Zündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer Fokussieroptik 261 fokussiert
wird. Die Lasereinrichtung 11 wird von einer Lichtquelle 10 über
eine Lichtleiteinrichtung 12 mit einem Pumplicht gespeist.
Die Lichtquelle 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert,
die auch den Injektor 18 ansteuert.
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Die
Lichtquelle 10 umfasst neben der Lichtleiteinrichtung 12 auch
einen Diodenlaser 13, der in Abhängigkeit eines
Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleiteinrichtung 12 an
die Lasereinrichtung 11 ausgibt.
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2 zeigt
schematisch eine Detailansicht des Festkörperlasers 260 der
Lasereinrichtung 11 aus 1. Wie aus 2 ersichtlich,
weist der Festkörperlaser 260 einen, nachfolgend
als Laserkristall 44 bezeichneten, laseraktiven Festkörper
auf, dem ein auch als Q-switch bezeichneter Kristall, der passive
Güteschalter 46, optisch nachgeordnet ist. Der Festkörperlaser 260 weist
ferner einen Einkoppelspiegel 42 und einen Auskoppelspiegel 48 auf.
Die Komponenten des Festkörperlasers 260 sind
in diesem Beispiel monolithisch ausgebildet, das heißt,
sie sind weitgehend unlösbar miteinander verbunden, zum
Beispiel durch Bonden und/oder Beschichten.
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Zur
Erzeugung eines auch als Riesenimpuls bezeichneten Laserimpulses
wird der Laserkristall 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch
mit Pumplicht 28a beaufschlagt, sodass es zu einem optischen
Pumpen und zur Ausbildung einer Besetzungsinversion in dem Laserkristall 44 kommt.
Zunächst befindet sich der passive Güteschalter 46 in seinem
Ruhezustand, in dem er eine verhältnismäßig geringe
Transmission für das von der Lasereinrichtung 11 zu
erzeugende Licht aufweist. Auf diese Weise werden der Prozess der
stimulierten Emission und damit die Erzeugung von Laserstrahlung
zunächst unterdrückt. Mit steigender Pumpdauer,
das heißt während einer Beaufschlagung mit dem
Pumplicht 28a, steigt jedoch die Strahlungsintensität
in dem Festkörperlaser 260 an, sodass der passive
Güteschalter 46 schließlich ausbleicht.
Hierbei steigt seine Transmission sprunghaft an, und die Erzeugung von
Laserstrahlung setzt ein. Dieser Zustand ist durch den Doppelpfeil 24' symbolisiert.
Während des Läserbetriebs erfolgt infolge des
Effekts der stimulierten Emission ein rascher Abbau der im Laserkristall 44 vorliegenden
Besetzungsinversion, sodass die Emission des Festkörperlasers 260 typischerweise nach
einigen Nanosekunden zum Erliegen kommt, und nachfolgend sinkt auch
die Transmission des Güteschalters 46 wieder auf
ihren ursprünglichen, geringen Wert.
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Auf
die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls
bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig
hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird,
gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleiteinrichtung
(nicht gezeigt) oder auch direkt, durch ein ebenfalls nicht abgebildetes
Brennraumfenster der Lasereinrichtung 11 in den Brennraum 14 (1)
der Brennkraftmaschine 109 eingekoppelt, sodass darin vorhandener
Kraftstoff 229 bzw. ein Luft/Kraftstoffgemisch entzündet
wird.
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Die 3a, 3b, 3c und 3d zeigen
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Lichtquelle 10. Der von der Lichtquelle 10 umfasste
Diodenlaser 13 weist die Bauform eines sogenannten Diodenlaserbarrens
auf. Er hat somit eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Emittern 131.
Die Emitter 131 weisen eine Seitenfläche 1310 auf,
durch die das von den Emittern 131 erzeugte Licht austritt.
Diese Seitenfläche 1310 hat typischerweise eine
etwa rechteckförmige Gestalt mit einer, üblicherweise
als Fast-Axis bezeichneten, kurzen, zum Beispiel 1 μm langen,
ersten Seite 1311 und einer, üblicherweise als
Slow-Axis bezeichneten, längeren, zum Beispiel 10–500 μm
langen, zweiten Seite 1312. Zwischen den in einer Schichtebene,
in Richtung der Slow-Axis nebeneinander angeordneten Emittern 131 befinden
sich als Trenngräben bezeichnete Bereiche, aus denen kein
Licht emittiert wird. Das von den Emittern 131 erzeugte
und aus den Seitenflächen 1310 austretende Licht
hat jeweils die Form eines Lichtkegels, wobei der halbe Öffnungswinkel
des Lichtkegels in der Ebene der Fast-Axis typischerweise im Bereich
von 30° bis 60° liegt und allgemeinen deutlich
größer ist als der Öffnungswinkel des
Lichtkegels in der Ebene der Slow Axis, der typischerweise nur einige
Grad beträgt.
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Wenngleich
in diesem Beispiel der Diodenlaser 13 die Bauform eines
sogenannten Diodenlaserbarrens aufweist, ist die Erfindung nicht
auf eine solche Bauform beschränkt, sondern umfasst beispielsweise
auch Diodenlaser 13 mit anderen Anordnungen von Emittern 131,
beispielsweise Anordnungen, die Emitter 131 in mehreren
Schichtebenen aufweisen, wobei diese Schichtebenen beispielsweise
in Richtung der Fast-Axis um einige Mikrometer zueinander versetzt
sind, zum Beispiel sogenannte Diodenlaserstacks oder Nanostacks.
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Die
von der Lichtquelle 10 ebenfalls umfasste Lichtleiteinrichtung 12 weist
eine Vielzahl von auch als optische Fasern 121 bezeichneten
Fasern 121 auf, wobei die Fasern 121 jeweils ein
erstes Ende 1211 und ein zweites Ende 1212 aufweisen.
Die Fasern 121 sind im Bereich ihrer ersten Enden 1211 in einer
Lage nebeneinander angeordnet. Ferner sind die Fasern 121 im
Bereich ihrer ersten Enden 1211 so angeordnet, dass die
den ersten Enden 1211 zugehörigen Stirnflächen 1216 der
Fasern 121 gemeinsam in einer Ebene liegen. Ferner sind
die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 entlang
ihrer Seitenflächen 1217 auf Stoß angeordnet,
also so angeordnet, dass alle Fasern 121 oder fast alle
Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121,
unmittelbar benachbarte Fasern 12 1 im Bereich ihrer ersten
Enden 1211 berühren.
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In
diesem Beispiel weisen die Stirnflächen 1216 der
Fasern 121 eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, desgleichen
weisen Querschnitte der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten
Enden 1211 eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Hierbei
berühren sich die Fasern 121 im Bereich ihrer
ersten Enden 1211 flächig entlang annährend
eben ausgebildeter Bereiche der Seitenflächen 1217 der
Fasern 121. Jedoch ist die Erfindung selbstverständlich
nicht auf Fasern 121, die im Bereich ihrer ersten Enden 1211 im
Wesentlichen rechteckige Querschnitte aufweisen, eingeschränkt.
Diese Querschnitte können auch trapezförmig sein
oder geschwungene Seiten aufweisen, wobei es bevorzugt ist, dass
sich die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 flächig entlang
ihrer Seitenflächen 1217 berühren und
dass die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gemeinsam
in einer Ebene liegen, wobei die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gemeinsam
möglichst dicht, das heißt ohne Einschlüsse
freier Flächen, liegen.
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Die
Stirnflächen 1216 der Fasern 121 und Querschnitte
der Fasern 121 haben untereinander einen zumindest weitgehend
gleichen Flächeninhalt, der bevorzugt zwischen 3000 μm2 und 5000 μm2 liegt.
Bevorzugt weisen die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 und
Querschnitte der Fasern 121, die im Bereich der ersten
Enden 1211 der Fasern 121 liegen, die Form eines
Rechteckes auf, dessen Seitenlängen ein Verhältnis
von etwa 0,78 oder pi/4 bilden, wobei sich die Fasern 121 bevorzugt
entlang der kurzen Seiten der Rechtecke berühren. Unter
einem Querschnitt einer Faser 121 ist im Rahmen dieser
Erfindung ein Querschnitt senkrecht zur Längsachse 1219 der
Faser 121 zu verstehen.
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Die
Fasern 121 bestehen aus mindestens einem Glas, wobei jede
individuelle Faser 121 bevorzugt aus mindestens zwei verschiedenen
Gläsern besteht. Glasorten, die zum Einsatz kommen, sind beispielsweise
sogenannte Flintgläser und/oder Kalknatrongläser.
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4 zeigt
einen Ausschnitt der Lichtleiteinrichtung 12, insbesondere
der den ersten Enden 1211 der Fasern 121 zugehörigen
Stirnflächen 1216, die Querschnitte der Fasern
121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 repräsentieren.
Im Querschnitt, beziehungsweise entlang der Stirnfläche 1216,
einer Faser 121 wird ein zentral in der Faser 121 angeordneter
Faserkern 1213 und ferner ein den Faserkern 1213 lateral,
also senkrecht zur Längsachse 1219 der Fasern 121,
umgebender Fasermantel 1214 sichtbar. Im Querschnitt, beziehungsweise
entlang der Stirnfläche 1216, einer Faser 121 wird
ferner eine den Fasermantel 1214 lateral umgebende Faserschlichte 1215 sichtbar.
Sowohl die Stirnfläche 1216 der Faser 121 als
auch Querschnitte der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten
Enden 1211 weisen in diesem Beispiel eine nahezu rechteckige
Form auf. Desgleichen weisen im Bereich des ersten Endes 1211 der Fasern 121 Querschnitte
des Faserkerns 1213 und des aus Faserkern 1213 und
Fasermantel 1214 zusammengesetzten Gebildes und des aus
Faserkern 1213 und Fasermantel 1214 und Faserschlichte 1215 zusammengesetzten
Gebildes nahezu rechteckige Querschnitte auf.
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Es
ist vorgesehen, dass die Dicke des Fasermantels 1214 zumindest
im Bereich der ersten Enden 1211 der Fasern 121 im
Vergleich zur Querschnittsfläche, insbesondere im Vergleich
zur Quadratwurzel des Flächeninhaltes der Querschnittsfläche,
des Faserkerns 1213 gering ist, wodurch erreicht wird,
dass ein hoher Anteil der Emission des Diodenlasers 13 in
Faserkerne 1213 einkoppelt, wo er verlustarm geführt
werden kann.
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Um
zu erreichen, dass das Licht, das dennoch in den Fasermantel 1214 einer
Faser 121 einkoppelt, dort zumindest teilweise zum zweiten
Ende 1212 der Faser 121 geführt wird,
ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Faserkern 1213 aus einem
ersten Material, der Fasermantel 1214 aus einem zweiten
Material und die Faserschlichte 1215 aus einem dritten
Material besteht, wobei das erste Material für das von
dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht, dessen Wellenlänge
beispielsweise 808 nm beträgt, einen Brechungsindex n1 hat, wobei das zweite Material für
das von dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht einen Brechungsindex
n2 hat und wobei das dritte Material für
das von dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht einen Brechungsindex
n3 hat und wobei gilt: n1 > n2 > n3 > 1.
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In
diesem Beispiel hat der Faserkern 1213 im Bereich der ersten
Enden 1211 der Faser 121 eine nahezu rechteckige
Gestalt und Kantenlängen von 60 μm und 77 μm,
der Fasermantel 1214 bildet eine etwa 2 μμm
dicke Schicht und die Faserschlichte 1215 eine etwa 0,05 μm
dicke Schicht. Das erste Material, das Material des Faserkerns 1213,
ist ein Glas mit einem Brechungsindex zwischen 1,5 und 1,6, beispielsweise
Flintglas. Das zweite Material, das Material des Fasermantels 1214,
ist ein Glas mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,5, zum
Beispiel Kalknatronglas. Das dritte Material, das Material der Faserschlichte 1215,
ist ein Kunststoff und weist einen Brechungsindex zwischen 1,15
und 1,35 auf. Die Faserschlichte 1215 hat zusätzlich
die Funktion, die Beständigkeit der Fasern 121 zu
verbessern. Die Faserschlichte 1215 kann ein Überzug
aus Lack (Acrylat oder Kunststoff) sein.
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Die
ersten Enden 1211 und/oder die zweiten Enden 1212 der
Fasern 121 können eine Politur und/oder, wie in 4a dargestellt,
eine Antireflexschicht 15 aufweisen. Eine solche Politur
und/oder eine solche Antireflexschicht 15 ist so ausgeführt, dass
sie optische Verluste beim Eintritt/Austritt in/aus der Lichtleiteinrichtung 12 vermindert.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es möglich, wie in 4b schematisch
dargestellt, einen Raum zwischen den ersten Enden der Fasern 1211 und
den Emittern 131 des Diodenlasers 13 vollständig
mit einem optisch homogenen Medium 17, zum Beispiel einem
optischen Gel, auszufüllen, vorzugsweise mit einem Gel,
dass optische Verluste bei der Einkopplung des von den Emittern 131 des
Diodenlasers 13 erzeugten Lichts in die Fasern 121 vermindert und/oder
einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder etwa gleich, zum
Beispiel um nicht mehr als 15% verschieden, dem Brechungsindex des
Faserkerns n1 ist.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es möglich, die ersten Enden 1211 der
Fasern 121 mit einem Abstand von 1 μm bis 10 μm
vor den Emittern 131 des Diodenlasers 13 anzuordnen.
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Wie
in den 3a, 3b und 3c ersichtlich,
sind die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 mit
einem Faserträger 20 verbunden. Der in diesem
Beispiel verwendete Faserträger 20 hat die Form
eines quaderförmigen Scheibchens, erstreckt sich über
die Breite, in der die Fasern 121 angeordnet sind, beispielsweise
ca. 20 mm, hat eine in Richtung der Längsachsen 1219 der
Fasern 121 orientierte Länge von 1 mm bis 20 mm,
zum Beispiel bis 10 mm. Der Faserträger 20 schließt
auf seiner dem Diodenlaser 13 zugewandten Seite mit den
Stirnflächen 1216 der Fasern 121 bündig
ab. Die Höhe des Faserträgers 20 liegt
im Bereich von einigen zehntel Millimeter bis einigen Millimetern
und ist typischerweise um ein Vielfaches höher als die
Höhe der Fasern 121.
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Der
Faserträger 20 besteht aus einem Glas und ist
mit den Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 stoffschlüssig
verbunden. Der Faserträger 20 besteht aus einem
Glas, welches im Vergleich zu der Glassorte oder zu den Glassorten,
aus denen die Fasern 121 bestehen, eine geringere Härte
bei Raumtemperatur, einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizient
und/oder eine höhere Erweichungstemperatur hat. Glasorten,
die zum Einsatz kommen, sind zum Beispiel Floatgläser.
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Der
Bereich, der vorliegend als Bereich der ersten Enden 1211 der
Fasern 121 bezeichnet wird, ist als der Bereich der Fasern 121 aufzufassen,
in dem die Fasern 121 auf dem Faserträger 20 angeordnet
sind.
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Der
Verbund aus Fasern 121 und Faserträger 20 ist
relativ zu dem Diodenlaser 13 fixiert, beispielsweise durch
eine Klebung. Eine weitere Möglichkeit ist es, eine Fixierung
durch Klemmen herzustellen, sodass sie zu einem späteren
Zeitpunkt gelöst werden kann, zum Beispiel zwecks Demontage oder
Nachjustieren.
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Eine
weitere Ausführungsform ist in den 5a, 5b und 5c dargestellt.
Diese weitere Ausführungsform unterscheidet sich von der
in den 3a, 3b und 3c dargestellten
Ausführungsform dadurch, dass die Fasern 121 im
Bereich ihrer ersten Enden 1211 nicht nur auf einem Faserträger 20 angeordnet
sind, sondern zwischen dem Faserträger 20 und
einem zweiten Faserträger 21 angeordnet sind.
Der Faserträger 20 und der zweite Faserträger 21 haben
jeweils die Form eines quaderförmigen Glasscheibchens und
sind beispielsweise gleich groß. Beispielsweise haben der
Faserträger 20 und der zweite Faserträger 21 die
im vorangehenden Beispiel für den Faserträger 20 angegebenen Abmessungen.
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Zwischen
den Faserträgern 20, 21 und den Fasern 121 besteht
eine stoffschlüssige Verbindung und sowohl der Faserträger 20 als
auch der Faserträger 21 schließt mit
den Stirnflächen 1216 der Fasern 121 bündig
ab.
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Es
ist einerseits möglich, dass die den Fasern 121 zugewandte
Fläche des Faserträgers 20 und die den
Fasern 121 zugewandte Fläche des zweiten Faserträgers 21 parallel
zueinander sind, sodass der zwischen den Faserträgern 20, 21 verbleibende
Spalt eine einheitliche Höhe hat. Alternativ sind die den
Fasern 121 zugewandte Fläche des Faserträgers 20 und
die den Fasern 121 zugewandte Fläche des zweiten
Faserträgers 20 zueinander so verkippt, dass der
zwischen den Faserträgern 20, 21 verbleibende
Spalt im Bereich der Stirnflächen 1216 der Fasern 121 eine
geringere Höhe aufweist als in dem den Stirnflächen 1216 der
Fasern 121 gegenüberliegenden Bereich der Faserträger 20,21.
Bevorzugt erfolgt eine Verkippung um einen Winkel von 0,1° bis
2,5°, zum Beispiel 0,2° bis 0,5°.
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Entsprechend
der Form des Spalts zwischen den Faserträgern 20, 21 ist
eine kontinuierliche Verjüngung der Fasern 121 vorgesehen.
Durch den kontinuierlichen Übergang zwischen einer der
Einkopplung in die Fasern 121 zweckdienlichen Querschnittsform
und einer der Lichtleitung in den Fasern 121 zweckdienlichen
Querschnittsform werden abrupte Übergänge, die
potenzielle mechanische Schwachstellen darstellen, vermieden.
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Die
beiden Faserträger 20, 21 können
bezüglich ihres Materials gleichartige, insbesondere gleiche
Eigenschaften aufweisen. Bevorzugt besteht der zweite Faserträger 21 aus
einem Glas, welches im Vergleich zu der Glassorte oder zu den Glassorten,
aus denen die Fasern 121 bestehen, eine geringere Härte
bei Raumtemperatur und/oder einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizient
und/oder eine höhere Erweichungstemperatur aufweist.
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Im
Folgenden wird anhand der 6 beispielhaft
die Herstellung einer Lichtquelle 10 erläutert.
Ausgangspunkt ist ein Faserträger 20 mit einer Höhe
von 1 mm, einer Länge von 5 mm und einer Breite von 14
mm. Längs der gesamten Breite des Faserträgers 20 werden
optische Fasern 121, die runde Stirnflächen 1216 und
runde Querschnittsflächen aufweisen und die eine Länge
von etwa 1000 mm und einen Durchmesser von etwa 70 μm aufweisen,
angeordnet, wobei die Fasern 121 im Bereich des Faserträgers 20 in
einer Lage und entlang ihrer Seitenflächen 1217 auf
Stoß liegen, das heißt, dass alle Fasern 121 oder
fast alle Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121,
unmittelbar benachbarte Fasern 121 im Bereich ihrer ersten
Enden 1211 entlang ihrer Seitenfläche 1217 berühren.
Es kommt somit zur Anordnung von etwa 200 Fasern 121.
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Die
Fasern 121 sind relativ zueinander und relativ zu dem Faserträger 20,
beispielsweise unter Ausnutzung einer gemeinsamen Anschlagfläche (nicht
gezeichnet), so ausgerichtet, dass die Stirnflächen 1216 der
Fasern 121 bündig miteinander und bündig
mit dem Faserträger 20 abschließen.
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Eine
Erwärmung der auf dem Faserträger 20 angeordneten
Fasern 121 erfolgt mittels einer Heizeinrichtung 70,
beispielsweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung, beispielsweise
auf eine Temperatur von 550°C bis 800°C, wobei
die von der Heizeinrichtung 70 erzeugte Wärme
den Fasern 121 im Beispiel durch den Faserträger 20 hindurch
zukommt. In Folge der Erwärmung der Fasern 121 und des
Faserträgers 20 kommt es zur Ausbildung einer stoffschlüssigen
Verbindung zwischen den Fasern 121 und dem Faserträger 20.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird,
wie in 7a und 7b dargestellt,
die Ausbildung einer Verbindung zwischen dem Faserträger 20 und
den Fasern 121 dadurch unterstützt und beschleunigt,
dass auf der dem Faserträger 20 abgewandten Seite
der Fasern 121 eine Gegenfläche 22 eines
Werkzeugs 200 mit den Fasern 121 unter Einwirkung
einer Kraft F in Kontakt gebracht wird. Somit wird auch zwischen
dem Faserträger 20 und den Fasern 121 eine
Kraft erzeugt. Um zu vermeiden, dass sich eine Verbindung auch zwischen
den Fasern 121 und der Gegenfläche 22 ausbildet,
ist letztere aus mindestens einem hitzebeständigen Material,
das sich auch unter Einwirkung von Wärme und Druck nicht
mit Glas verbindet, beispielsweise aus SiC, auszubilden.
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Alternativ
kann die Ausbildung einer Verbindung zwischen der Gegenfläche 22 und
den Fasern 121 auch erwünscht sein, insbesondere,
wenn die Gegenfläche, wie in 7c und 7d gezeigt,
Teil eines zweiten Faserträgers 21 ist. In diesem
Fall kann mittels einer zweiten Heizeinrichtung 71, beispielsweise
mittels einer zweiten elektrischen Widerstandsheizung, die auf der
der ersten elektrischen Widerstandsheizung 70 abgewandten
Seite des Verbundes aus Fasern 121 und Faserträgern 20, 21 angeordnet
ist, die Wärmezufuhr verbessert werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist die
fortgesetzte Erwärmung der Fasern 121 mit einer
Erweichung der Fasern 121 verbunden und/oder unter Einwirkung
der durch die Gegenfläche 22 eingebrachten Kraft,
kommt es zu einer Verformung der Fasern 121 im Bereich
ihrer ersten Enden 1211. Hierbei ist, wie in 7e gezeigt,
zu beobachten, dass sich die zunächst runden Querschnittsflächen
der Fasern 121 in den Bereichen, in denen die Fasern 121 einander
oder den Faserträger 20 oder die Gegenfläche 22 berühren,
abplatteten, die Krümmung der Seitenflächen 1217 der
Fasern 121 in diesen Bereichen also abnimmt (Vergrößerung
des Krümmungsradius), während die Krümmung
in noch freien Bereichen der Seitenflächen 1217 der
Fasern 121 zunimmt (Verkleinerung des Krümmungsradius).
Wird die Einwirkung der Wärme und der Kraft weiter fortgesetzt,
werden die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 weiter
deformiert, solange, bis der Raum zwischen dem Faserträger 20 und
der Gegenfläche 22 zumindest weitgehend vollständig
durch die Fasern 121 ausgefüllt ist (7e).
Die Fasern 121 weisen dann im Bereich ihrer ersten Enden
beispielsweise rechteckige Querschnitte auf, insbesondere mit einem
Seitenverhältnis von Pi zu 4, andererseits können
auch weniger regelmäßig geformte Querschnittsflächen
der Faser 121, beispielsweise trapezförmige Querschnitte
oder geschwungene Querschnitte, resultieren (7f).
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In
einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass, wie
in den 7g, 7h und 7i ersichtlich,
die Fasern 121 in einem ersten Teilbereich 121a,
der die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 umfasst,
stärker verpresst werden als in einem zweiten Teilbereich 121b,
wobei der zweite Teilbereich 121b von den Stirnflächen 1216 der
Fasern 121 beabstandet angeordnet ist. Beispielsweise werden
die Fasern 121 im ersten Teilbereich 121a so stark
verpresst, dass sie im Anschluss an die Verpressung nahezu rechteckige
Stirnflächen 1216 aufweisen (7h).
In diesem Beispiel werden die Fasern 121 im zweiten Teilbereich 121b so
wenig verpresst, dass sie im zweiten Teilbereich 121b einen
nahezu runden Querschnittsflächen beibehalten (7i).
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Hierfür
ist vorgesehen, dass die Gegenfläche 22 zur Auflagefläche
der Fasern 121 auf dem Faserträger 20 einen
Winkel von 0,1° bis 2,5° bildet. Alternativ oder
zusätzlich ist vorgesehen, dass die durch die Gegenfläche 22 auf
den Fasern einwirkende Kraft zur Normalen der Auflagefläche
der Fasern 121 auf dem Faserträger 20 einen
Winkel von 0,1° bis 2,5° bildet, sodass es zu
einer ungleichmäßigen Verpressung der Fasern 121 kommt.
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Vorangehend
wurde die Herstellung einer einzelnen Lichtquelle 10, insbesondere
die Herstellung einer einzelnen Lichtleiteinrichtung 12,
beschrieben. Es ist, wie nachfolgend exemplarisch beschrieben, zusätzlich
oder alternativ möglich, in einem Arbeitsgang jeweils mehrere
Lichtquellen 10, insbesondere jeweils mehrere Lichtleiteinrichtungen 12,
herzustellen.
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Hierfür
werden beispielsweise, wie in 8a und 8b dargestellt,
eine Vielzahl von Fasern 121, insbesondere eine sehr große
Anzahl von Fasern 121, zum Beispiel 1000 oder mehr Fasern 121, nebeneinander
angeordnet, sodass die Fasern 121 in einem Faserabschnitt 1218 entlang
ihrer Seitenfläche 1217 auf Stoß liegen,
das heißt so angeordnet, dass alle Fasern 121 oder
fast alle Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121,
unmittelbar benachbarte Fasern 121 im Bereich ihrer ersten
Enden 1211 entlang ihrer Seitenflächen 1217 in
dem Faserabschnitt 1218 berühren.
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Die
Fasern 121 sind so angeordnet, dass der Faserabschnitt 1218 in
Längsrichtung der Fasern 121 zumindest etwa in
der Mitte der Fasern 121 liegt. Die Fasern 121 liegen
ferner in dem Faserabschnitt 1218 auf einem Faserträger 20 auf,
der beispielsweise eine Glasplatte ist und eine Höhe von
etwa einem Millimeter, eine Länge von einigen Millimetern
und eine Breite von 50 mm bis 200 mm oder mehr aufweist. In diesem
Beispiel wird ein zweiter Faserträger 21, dessen
Eigenschaften bezüglich Geometrie und Material mit denen
des Faserträgers 20 übereinstimmen, gegenüber
dem ersten Faserträger 20 auf die Fasern 121 aufgelegt.
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In
der 8c sind die nachfolgenden Verfahrensschritte schematisch
dargestellt. Diese Verfahrensschritte umfassen ein Erwärmen
des Faserträgers 20 und des Faserträgers 21 mit
zwei als elektrische Widerstandsheizungen ausgebildeten Heizeinrichtungen 70, 71.
Indirekt werden somit auch die Fasern 121 erwärmt,
in diesem Beispiel auf 550 bis 850°C. Ferner umfassen diese
Verfahrensschritte die Einwirkung einer Kraft F auf den Faserträger 20 und die
Einwirkung einer Kraft F' auf den zweiten Faserträger 21.
Die Kräfte F und F' sind einander entgegengerichtet und
so orientiert, dass insgesamt über die beiden Faserträger 20, 21 ein
Druck auf die Fasern 121 ausgeübt wird, beispielsweise
ein Druck von 0,5 N/cm2 bis 50 N/cm2.
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Aufgrund
der Einwirkung des Drucks kommt es zu einer Verformung der Fasern 121 im
Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten
Faserträger 21, wobei die Fasern 121 im
Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten
Faserträger 21 zunächst runde Querschnittsflächen
aufweisen und sich diese runden Querschnittsflächen infolge
der der Verformung der Fasern 121 wie oben beschrieben
deformieren.
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Ein
Beispiel für entsprechend deformierte Fasern 121 ist
ferner in 8d gezeigt, wobei die Querschnittsflächen
der Fasern 121 in den Bereichen, in denen die Fasern 121 die
Faserträger 20, 21 oder einander berühren,
Abplattungen aufweisen. In der 8e ist
ein weiteres Beispiel gezeigt, in dem die Fasern 121 den
Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten
Faserträger 21 weitgehend ausfüllen,
sodass die Gesamtheit der Fasern 121 den zwischen den Faserträgern
befindlichen Raum weitgehend vollständig ausfüllen.
Die Querschnitte der einzelnen Fasern 121 im Bereich zwischen
den Faserträgern 20, 21 können
rechteckig oder trapezförmig sein.
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Nachfolgend
erfolgt eine Abkühlung der Fasern 121 und der
Faserträger 20, 21, wobei es zur Verfestigung
der Fasern 121 kommt und wobei sich zwischen Fasern 121 und
den Faserträgern 20, 21 eine stoffschlüssige
Verbindung ausbildet.
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Wie
in 9a schematisch dargestellt, ist es in diesem Beispiel
vorgesehen, dass nachfolgend der Verbund aus Faserträger 20,
Fasern 121 und zweitem Faserträger 21 mittels
eines Schnitts 55, der etwa senkrecht zu den Längsachsen 1219 der
Fasern 121 im Bereich des Faserabschnitt 1218 der
Fasern 121 vorgenommen wird, in zwei etwa gleiche Teile 301, 302 getrennt
wird. Der Schnitt 55 kann beispielsweise in an sich bekannter
Art und Weise mittels einer Diamantsäge oder mittels Ritzen
und Brechen oder mit Hilfe eines Laserstrahls, zum Beispiel Infrarot-Laser,
insbesondere CO2-Laser, durchgeführt
werden.
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Es
ist optional möglich, die beiden so erhaltenen Teile 300, 301 oder
eine Vielzahl von so erhaltenen Teilen 301, 302 aufeinander
zu stapeln und gemeinsam zu polieren und/oder mit einer Antireflexionsschicht
zu versehen.
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Die
erhaltenen Teile 301, 302 können als zwei
Lichtleiteinrichtungen 12 aufgefasst werden, die gemeinsam
hergestellt wurden.
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Optional
ist es ferner auch möglich, wie in 9b schematisch
dargestellt, die Teile 301, 302 einzeln oder gemeinsam
durch einen oder mehrere zweite Schnitte 56, die im Bereich
des Faserabschnitts 1218 der Fasern 121 längs
der Längsachsen 1219 der Fasern 121 durchgeführt
werden, weiter zu zerteilen und so eine Vielzahl von Lichtleiteinrichtungen 12 zu
erzeugen. Die zweiten Schnitte 56 können flexibel
durchgeführt werden, insbesondere so, dass die Breite der
erzeugten Lichtleiteinrichtungen 12 der Breite der Diodenlaser 13 entsprechen,
mit denen sie zusammenwirken.
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Die
zweiten Schnitte 56 können ebenso wie die Schnitte 55 durchgeführt
werden, beispielsweise mittels einer Diamantsäge oder mittels
Ritzen und Brechen oder mit Hilfe eines Laserstrahls, zum Beispiel
Infrarot-Laser, insbesondere CO2-Laser.
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Es
ist insbesondere möglich, zur Durchführung der
zweiten Schnitte 56, die Teile 301, 302 oder eine
Vielzahl von Teilen 301, 302 zu stapeln, sodass bei
jedem zweiten Schnitt 56 eine Vielzahl von Lichtleiteinrichtungen 12 vereinzelt
wird.
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Wie
vorstehend erläutert, kann die Herstellung einer Lichtquelle 10,
vorsehen, dass es unter Einwirkung einer Kraft F auf die erwärmten
Fasern 121 im Bereich der ersten Enden 1211 der
Fasern 121 oder in einem, beispielsweise etwa mittigen,
Faserabschnitt 1218 der Fasern 121 zu einer Verformung
der erwärmten Fasern 121 kommt, beispielsweise
so, dass die Gesamtheit der verformten Fasern 121 einen
Bereich zwischen einem Faserträger 20 und einem
zweiten Faserträger 21 vollständig ausfüllt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den Faserträger 20 und/oder
den zweiten Faserträger 21 durch ein Werkzeug 200,
beispielsweise aus SiC, zu ersetzen, das sich nicht mit den Fasern 121 verbindet und
das nach Verformung der Fasern 121 entfernt wird. Wesentlich
ist, dass die Fasern 121, wie in 10 dargestellt,
zwischen zwei Pressflächen 201, 202 angeordnet
sind, durch die die Kraft F und die Gegenkraft F' auf die Fasern 121 einwirkt.
In diesem Fall weist die hergestellte Vorrichtung nicht zwei Faserträger 21, 22 auf,
sondern höchstens einen Faserträger 21.
Es ist in diesem Fall besonders bevorzugt, die ersten und/oder zweiten
Schnitte 55, 56 durch Ritzen und Brechen einzubringen.
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Im
nachfolgenden Beispiel werden die Kräfte F und F' so gewählt,
dass es zwar zu einer Verformung der Fasern 121 kommt,
diese Verformung aber zum Stillstand kommt, wenn die Fasern 121 einen Bereich
zwischen den Pressflächen 201,202 erstmals
zumindest weitgehend (zum Beispiel > 99,5% des Querschnitts) ausfüllen.
Hierbei wird sowohl eine zu geringe Kraft F, die zum Verformen der
Faser 121 nicht ausreichend wäre, als auch eine
zu große Kraft, die zum seitlichen Heraustreten der Fasern 121 aus dem
Bereich zwischen den Pressflächen 201, 202 führen
würde, vermieden.
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Konkret
wurden 140 Fasern aus Flintglas/Kalknatronglas zwischen
zwei Pressflächen 201, 202 der Größe
15 mm·8 mm angeordnet und auf ca. 630°C, also
oberhalb der Erweichungstemperatur der Fasern 121 erhitzt.
Nachfolgend wurden die Fasern 121 mit einer Kraft F beaufschlagt.
Das gewünschte Verhalten wurde für Kräfte
zwischen 1 N und 35 N beobachtet.
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Selbstverständlich
ist es in gewissen Grenzen möglich, die Fasern 121 bis
zu einer höheren oder geringeren Temperatur zu erhitzen,
woraus eine erhöhte oder verminderte Fließfähigkeit
der Fasern 121 resultiert. Der Bereich der Kraft F, in
dem das Verhalten, dass es zwar zu einer Verformung der Fasern 121 kommt,
diese Verformung aber zum Stillstand kommt, wenn die Fasern 121 einen
Bereich zwischen den Pressflächen 201, 202 erstmals
zumindest weitgehend (zum Beispiel > 99,5% des Querschnitts) ausfüllen,
auftritt, verschiebt sich in diesem Fall und kann durch Versuche
aufgefunden werden. Im vorliegenden Beispiel wurde das erwünschte
Verhalten für Kräfte F zwischen 10 N und 20 N
und Fasertemperaturen zwischen 590°C und 690°C
erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004006932
B3 [0002, 0003]