DE102009001482A1

DE102009001482A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle

Info

Publication number: DE102009001482A1
Application number: DE102009001482A
Authority: DE
Inventors: Klaus Stoppel; Werner Herden; Hans-Jochen Schwarz; Andreas Letsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-16
Also published as: WO2010102885A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle (10), insbesondere einer Lichtquelle (10) zur optischen Anregung einer Lasereinrichtung (11), beispielsweise einer Lasereinrichtung (11) eines Laserzündsystems einer Brennkraftmaschine (109), umfassend einen Diodenlaser (13) mit einer Vielzahl von Emittern (131) und eine Lichtleiteinrichtung (12), wobei die Lichtleiteinrichtung (12) eine Vielzahl optischer Fasern (121) umfasst und jede optische Faser (11217) aufweist, wobei die ersten Enden (1211) derart zu den Emittern (131) angeordnet sind, dass durch die Emitter (131) erzeugtes Licht in die ersten Enden (1211) der optischen Fasern (121) einkoppelt, wobei die optischen Fasern (121) zumindest im Bereich ihrer ersten Enden (1211) entlang ihrer Seitenflächen (1217) auf Stoß angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Anordnen einer Vielzahl von optischen Fasern (121), die einem Teilbereich einen Faserabschnitt (1218) bilden, der zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressflächen (201, 202) eines Presswerkzeugs (200) angeordnet ist, wobei das Presswerkzeug zwei Teile (211, 212) umfasst und wobei jeder der zwei Teile des Presswerkzeugs (200) eine der Pressflächen (201, 202) umfasst, - Erwärmen des Faserabschnitts (1218), - Verformen der erwärmten optischen Fasern (121) innerhalb des Faserabschnitts (1218), durch eine Relativbewegung zwischen den Teilen (211, 212) des ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dass eine definierte Umformung der Fasern mit hoher Genauigkeit sicherstellt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Herstellung einer Lichtquelle, insbesondere einer 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, dadurch gelöst, dass 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 eines Presswerkzeugs angeordnet ist, wobei das Presswerkzeug zwei Teile umfasst und wobei jeder der zwei Teile des Presswerkzeugs eine der Pressflächen umfasst,
– Erwärmen des Faserabschnitts,
– Verformen der erwärmten optischen Fasern innerhalb des Faserabschnitts durch eine Relativbewegung zwischen den Teilen des Presswerkzeugs.
– Zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen des Presswerkzeugs wobei die Relativbewegung dadurch zum Stillstand kommt, dass die beiden Teile des Presswerkzeugs mittelbar oder unmittelbar aufeinanderstoßen.

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.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die optischen Fasern zumindest in dem Faserabschnitt entlang ihrer Seitenflächen auf Stoß angeordnet sind.
Vorteilhafterweise kann das Aufeinanderstoßen der beiden Teile des Presswerkzeugs unmittelbar erfolgen, dass heißt dadurch, dass die Teile des Presswerkzeugs einander berühren. In diesem Fall ist es direkt möglich, eine hohe Maßhaltigkeit des Werkzeugs auf eine definierte Umformung der optischen Fasern mit hoher Genauigkeit abzubilden.
Vorteilhafterweise kann das Aufeinanderstoßen der beiden Teile des Presswerkzeugs mittelbar, durch mindestens ein zwischen den Pressflächen des Presswerkzeugs angeordnetes Distanzstück erfolgen. Solche Distanzstücke lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen und anordnen, sodass mit einem Werkzeug verschiedenartige optische Fasern, beispielsweise optische Fasern mit verschiedenem Querschnitt oder aus verschiedenem Material, präzise umgeformt werden können.
Vorteilhafterweise werden die Teile des Presswerkzeugs so geformt und angeordnet oder das Distanzstück so dimensioniert und angeordnet, dass das zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen des Presswerkzeugs erfolgt, wenn die optischen Fasern einen Bereich zwischen den Pressflächen erstmals zumindest weitgehend ausfüllen, insbesondere wenn mehr als 95%, insbesondere mehr als 99,5% eines Bereichs zwischen den Pressflächen ausgefüllt sind.
Vorteilhafterweise sind die optischen Fasern in einer Lage angeordnet und weisen die optischen Fasern einen runden Querschnitt mit einem bekannten Durchmesser auf und sind die Teile des Presswerkzeugs so geformt und angeordnet oder die Distanzstück so dimensioniert und angeordnet, dass das zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen des Presswerkzeugs erfolgt, wenn die Distanz zwischen den Pressflächen des Presswerkzeugs zumindest etwa durch das Produkt aus dem Durchmesser der optischen Fasern mit dem Faktor pi/4 gegeben ist. In den genannten Fällen resultiert ein mechanisch besonders stabiler Lichtleiter.
Vorteilhafterweise erfolgt das Aufeinanderstoßen der Teile des Presswerkzeuges neben dem Bereich, in dem die optischen Fasern angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine möglichst dichte Anordnung der optischen Fasern realisiert werden.
Vorteilhaft ist eine der beiden Pressflächen oder sind beide Pressflächen Teil eines oder zweier Faserträger, die durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den optischen Fasern eine insbesondere stoffschlüssige Verbindung eingehen. In diesen Fällen ist es 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 es zu einer Verformung der Fasern, nicht aber der Faserträger erfolgt. Bevorzugt liegen die Erweichungstemperaturen um mehr als 20 K auseinander.
Ist zwischen den Pressflächen ein Distanzteil angeordnet, so ist es vorteilhaft zur Verbesserung der Genauigkeit der Umformung der optischen Fasern, wenn die optischen Fasern aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und das Distanzteil aus einem oder mehreren dritten Gläsern besteht und wenn die Erweichungstemperatur des dritten Glases oder die Erweichungstemperaturen der dritten 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 es zu einer Verformung der Fasern, nicht aber zu einer Verformung des Distanzstücks kommt. Bevorzugt liegen die Erweichungstemperaturen um mehr als 20 K auseinander.
Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.
2 zeigt schematisch eine Laserzündeinrichtung im Detail.
Die 3a, 3b, 3c und 3d zeigen schematisch ein Beispiel einer Lichtquelle.
Die 4, 4a zeigen schematisch den Aufbau und die Anordnung von optischen Fasern.
Die 4b zeigt schematisch ein Beispiel der Anordnung von Lichtleiteinrichtung und Diodenlaser.
Die 5a, 5b und 5c zeigen schematisch ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle.
Die 6, 7a, 7b, 7c, 7e, 7f, 7g, 7h und 7i zeigen exemplarisch und schematisch die Herstellung einer Lichtquelle.
Die 8a, 8b, 8c, 8d und 8e sowie die 9a und 9b zeigen schematisch ein weiteres Beispiel der Herstellung einer Lichtquelle.
Die 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen weitere Beispiele der Herstellung einer Lichtquelle.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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.
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.
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.
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.
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 Laserbetriebs 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.
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.
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.
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.
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 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 berühren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 μm 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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°.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die erhaltenen Teile 301, 302 können als zwei Lichtleiteinrichtungen 12 aufgefasst werden, die gemeinsam hergestellt wurden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In einer anderen Ausführungsform ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die Höhe des zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibenden Spaltes ermittelt wird, wobei die Ausübung der Kraft F beendet wird, wenn der ermittelte Wert einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, also dann, wenn die Höhe des zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibenden Spaltes eine vorgegebenen Höhe erreicht oder überschreitet.
Die Ausübung der Kraft kann einerseits beendet werden, wenn die Fasern 121 einen Bereich zwischen den Pressflächen 201, 202 zumindest weitgehend (zum Beispiel > 99% der Querschnittsfläche) ausfüllen, andererseits kann auch eine andere Höhe gewählt werden. In der in der 11 gezeigten Ausführungsform sind Fasern 121 mit zunächst rundem Querschnitt und dem Durchmesser D, der in diesem Beispiel 100 μm beträgt, einlagig und entlang der Seitenflächen 1217 der Fasern 121 auf Stoß zwischen zwei Pressflächen 201, 202 eingelegt. Die Pressflächen 201, 202 sind jeweils entweder Teil eines Faserträgers 20, 21, der sich mit den Fasern 121 verbindet oder eines Werkzeugs 200, zum Beispiel aus SiC, das mit den Fasern 121 keine Verbindung eingeht.
Die Pressflächen 201, 202 sind über Aktoren 60, hier beispielsweise über Piezoaktoren, verschiebbar, wobei die Verschiebung der Pressflächen 201, 202 durch ein an die Aktoren 60 angelegtes Signal, beispielsweise durch eine Spannung, ausgelöst wird. Es ist vorgesehen, dass der tatsächliche Abstand der Pressflächen 201, 202 zueinander erfasst wird, beispielsweise auf Basis der an die Aktoren angelegten Signale oder durch ein optisches System.
In diesem Beispiel wird die Lage der Pressflächen 201, 202 relativ zueinander vor Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor dadurch referenziert, dass die Pressflächen 201, 202 in Kontakt mit den noch nicht erweichten Fasern 121 gebracht werden. Nachfolgend wird die an die Piezoaktoren angelegte Spannung schrittweise oder kontinuierlich erhöht, bis die angelegte Spannung einer Längenausdehnung der Piezoaktoren von 22 μm entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird der zwischen den Pressflächen 201, 202 befindliche Raum zumindest weitgehend vollständig von den deformierten Fasern 121 ausgefüllt.
In alternativen Ausführungen ist vorgesehen, dass die Höhe des zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibenden Spaltes dadurch gegeben ist, dass die Pressung mittels eines Presswerkzeugs 200 erfolgt, das aus zwei Teilen 211, 212 besteht, wobei die erste Pressfläche 201 dem ersten Teil 211 des Presswerkzeugs 200 zugeordnet ist und die zweite Pressfläche 202 dem zweiten Teil 212 des Presswerkzeugs 200 zugeordnet ist. Wie in der in 12 gezeigt, weist hierbei das erste Teil 211 des Presswerkzeugs 200 in seinen Außenbereichen einen Vorsprung 2111 auf. Der Vorsprung 2111 ist so geformt und angeordnet, dass er eine Anschlagfläche 2112 aufweist, die plan zur zweiten Pressfläche 202 ist. Es ist zur definierten Verformung der erwärmten Fasern 121 vorgesehen, dass die beiden Teile 211, 212 des Presswerkzeuges 200 einander soweit angenährt werden, bis die Anschlagfläche 2112 des Vorsprungs 2111 des ersten Teils 211 des Presswerkzeugs 200 mit der zweiten Pressfläche 202 in Kontakt kommt. Der zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibende Spalt ist somit durch die durch den Vorsprung 2111 gegebene Maßverkörperung definiert.
Selbstverständlich ist es möglich, dass alternativ oder, wie in 13 gezeigt, zusätzlich, der zweite Teil 212 des Presswerkzeugs 200 in seinen Außenbereichen einen Vorsprung 2111 aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass beide Teile 211, 212 des Presswerkzeugs 20 0, zum Beispiel in ihren Außenbereichen Vorsprünge 2111 aufweisen, wobei die Vorsprünge 2111 zueinander parallele Anschlagflächen 2112 aufweisen. Es ist in diesem Fall zur definierten Verformung der erwärmten Fasern 121 vorgesehen, dass die beiden Teile des Presswerkzeuges 201, 202 einander soweit angenährt werden, bis die Anschlagflächen 2112 der Vorsprünge 2111 des ersten Teils 211 und des zweiten Teils 212 des Presswerkzeugs 200 miteinander in Kontakt kommt. Der zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibende Spalt ist somit durch die durch die Vorsprünge 2111 gegebene Maßverkörperung definiert.
Die vorstehend als erstes Teil 211 und zweites Teil 212 des Presswerkzeugs 200 bezeichneten Teile können einerseits beide im engen Wortsinn Werkzeuge, beispielsweise aus SiC, sein, die mit den Fasern 121 auch unter Einwirkung von Wärme und Druck, zum Beispiel bei Temperaturen bis 800°C und Drücken bis 50 N/cm², keine Verbindung eingehen. Andererseits ist es möglich, dass, wie in den 12 und 13 durch Verwendung der Bezugszeichen 20 und 21 angedeutet, das erste Teil 211 des Presswerkzeugs 200 ein Faserträger 20 ist und/oder das zweite Teil 212 des Presswerkzeugs 200 ein zweiter Faserträger 21 ist, wobei der Faserträger 20 und/oder der zweite Faserträger 21 bevorzugt aus einem Glas bestehen und mit den Fasern 121 unter Einwirkung von Wärme und Druck eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.
In einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass die Höhe des zwischen den Pressflächen 201,202 verbleibenden Spaltes dadurch gegeben ist, dass die Pressung mittels eines Presswerkzeugs 200 erfolgt, dass aus zwei Teilen 211, 212 besteht, wobei die erste Pressfläche 201 dem ersten Teil 211 des Presswerkzeugs 200 zugeordnet ist und die zweite Pressfläche 202 dem zweiten Teil 212 des Presswerkzeugs 200 zugeordnet ist und wobei zwischen den Pressflächen 201, 202, beispielsweise in einem Außenbereich des Presswerkzeugs 200, ein Distanzstück 40 angeordnet ist oder mehrere Distanzstücke 40 angeordnet sind.
In der in 14 gezeigten Ausführung dieses Beispiels ist zu beiden Seiten der Fasern 121 jeweils ein Distanzstück 40 angeordnet. Die Distanzstücke 40 weisen eine Höhe auf, die der Höhe des Spaltes entspricht, der zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleiben soll. Die Distanzstücke 40 bestehen entweder aus einem Material, dass mit den Fasern 121 auch unter Einwirkung von Wärme und Druck, zum Beispiel bei Temperaturen bis 800°C und Drücken bis 50 N/cm² keine Verbindung eingeht, oder die Distanzstücke 40 bestehen aus einem Glas und gehen mit den Fasern 121 unter Einwirkung von Wärme und Druck eine stoffschlüssige Verbindung ein.
Es ist zur definierten Verformung der erwärmten Fasern 121 vorgesehen, dass die beiden Teile des Presswerkzeuges 211, 212 einander soweit angenährt werden, bis die Distanzstücke 40 mit beiden Pressflächen 201, 202 in Kontakt kommen. Der zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibende Spalt ist somit durch die durch die Distanzstücke 40 gegebene Maßverkörperung definiert.
Wie im vorangegangenen Beispiel können das erste Teil 211 und das zweite Teil 212 des Presswerkzeugs 200 im engen Wortsinn Werkzeuge, beispielsweise aus SiC, sein, die mit den Fasern 121 auch unter Einwirkung von Wärme und Druck, zum Beispiel bei Temperaturen bis 800°C und Drücken bis 50 N/cm², keine Verbindung eingehen. Andererseits ist es möglich, dass das erste Teil 211 des Presswerkzeugs 200 ein Faserträger 20 ist und/oder das zweite Teil 212 des Presswerkzeugs 200 ein zweiter Faserträger 21 ist, wobei der Faserträger 20 und/oder der zweite Faserträger 21 bevorzugt aus einem Glas besteht und mit den Fasern 121, und optional auch mit den Distanzstücken 40 unter Einwirkung von Wärme und Druck eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Eine Verformung der Distanzstücke 40 wird bevorzugt vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004006932 B3 [0002, 0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle (10), insbesondere einer Lichtquelle (10) zur optischen Anregung einer Lasereinrichtung (11), beispielsweise einer Lasereinrichtung (11) eines Laserzündsystems einer Brennkraftmaschine (109), umfassend einen Diodenlaser (13) mit einer Vielzahl von Emittern (131) und eine Lichtleiteinrichtung (12), wobei die Lichtleiteinrichtung (12) eine Vielzahl optischer Fasern (121) umfasst und jede optische Faser (121) ein erstes Ende (1211) und eine Seitenfläche (1217) aufweist, wobei die ersten Enden (1211) derart zu den Emittern (131) angeordnet sind, dass durch die Emitter (131) erzeugtes Licht in die ersten Enden (1211) der optischen Fasern (121) einkoppelt, wobei die optischen Fasern (121) zumindest im Bereich ihrer ersten Enden (1211) entlang ihrer Seitenflächen (1217) auf Stoß angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist – Anordnen einer Vielzahl von optischen Fasern (121), die in einem Teilbereich einen Faserabschnitt (1218) bilden, der zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressflächen (201, 202) eines Presswerkzeugs (200) angeordnet ist, wobei das Presswerkzeug zwei Teile (211, 212) umfasst und wobei jeder der zwei Teile des Presswerkzeugs (200) eine der Pressflächen (201, 202) umfasst, – Erwärmen des Faserabschnitts (1218), – Verformen der erwärmten optischen Fasern (121) innerhalb des Faserabschnitts (1218), durch eine Relativbewegung zwischen den Teilen (211, 212) des Presswerkzeugs (200), – Zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen (211, 212) des Presswerkzeugs (200) wobei die Relativbewegung dadurch zum Stillstand kommt, dass die beiden Teile (211, 212) des Presswerkzeugs (200) mittelbar oder unmittelbar aufeinanderstoßen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) zumindest in dem Faserabschnitt (1218) entlang ihrer Seitenflächen (1217) auf Stoß angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufeinanderstoßen der Teile (211, 212) des Presswerkzeugs (200) unmittelbar erfolgt, dass heißt dadurch, dass der die Teile (211, 212) des Presswerkzeugs (200) einander berühren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufeinanderstoßen der Teile (211, 212) des Presswerkzeugs (200) mittelbar durch mindestens ein zwischen den Pressflächen (201, 202) des Presswerkzeugs (200) angeordnetes Distanzstück (40) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen (211, 212) des Presswerkzeugs (200) erfolgt, wenn die Fasern (121) einen Bereich zwischen den Pressflächen (201, 202) erstmals zumindest weitgehend ausfüllen, insbesondere wenn mehr als 95%, insbesondere mehr als 99,5% eines Bereiches zwischen den Pressflächen (201, 202) ausgefüllt sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) in einer Lage angeordnet sind und einen runden Querschnitt mit einem bekannten Durchmesser aufweisen und dass das zum Stillstand kommen der Relativbewegung zwischen den Teilen (211, 212) des Presswerkzeugs (200) erfolgt, wenn die Distanz zwischen den Pressflächen (201, 202) des Presswerkzeugs zumindest etwa durch das Produkt aus dem Durchmesser der optischen Fasern mit dem Faktor (1 – pi/4) gegeben ist.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufeinanderstoßen der Teile (211, 212) des Presswerkzeuges (200) neben dem Bereich erfolgt, in dem die optischen Fasern (121) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Pressflächen (201, 202) Teil eines Faserträgers (20) ist, und dass es zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung, zwischen den erwärmten optischen Fasern (121) und dem Faserträger (20) kommt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Pressflächen (201, 202) Teil eines Faserträgers (20) ist und eine der Pressflächen (201, 202) Teil eines zweiten Faserträgers (21) ist und dass es zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung, zwischen den erwärmten optischen Fasern (121) und dem Faserträger (20) und dem zweiten Faserträger kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und der Faserträger (20) oder die Faserträger (20, 21) aus einem oder mehreren zweiten Gläsern bestehen und dass 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.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur des zweiten Glases oder der zweiten Gläser einen um 20 bis 250 K, insbesondere 20 bis 150 K, höheren Wert hat als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder der ersten Gläser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und der Faserträger (20) oder die Faserträger (20, 21) 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.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und das mindestens eine Distanzstück (40) aus einem oder mehreren dritten Gläsern besteht und dass die Erweichungstemperatur des dritten Glases oder die Erweichungstemperaturen der dritten Gläser einen insbesondere um 20 bis 250 K, insbesondere um 20 bis 150 K höheren Wert hat/haben als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder die Erweichungstemperaturen der ersten Gläser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Pressflächen (201, 202) aus einem wärmebeständigen Material besteht, das mit den optischen Fasern (121) auch bei Temperaturen von 800°C keine Verbindung eingeht, zum Beispiel aus SiC.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Pressflächen (201, 202) aus mindestens einem wärmebeständigen Material bestehen, das mit den optischen Fasern (121) auch bei Temperaturen von 800°C keine Verbindung eingeht, zum Beispiel aus SiC.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der angeordneten Fasern (121) innerhalb des Faserabschnitts (1218) erfolgt, indem die optischen Fasern über zumindest eine, insbesondere über beide der Pressflächen (201, 202), insbesondere mittels einer elektrischen Widerstandsheizung oder mittels einer Induktionsheizung, erwärmt werden.