DE102016116409A1

DE102016116409A1 - Haltetechnologie für Fasern zum Transport von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102016116409A1
Application number: DE102016116409.7A
Authority: DE
Inventors: Björn Wedel; Ilya Kayander; Max Funck
Original assignee: Pt Photonic Tools GmbH
Current assignee: Pt Photonic Tools GmbH
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2017-03-09
Also published as: DE202016104842U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Grundkörper einer Steckverbindung-Vorrichtung mit einer Haltevorrichtung für eine optische Faser zum Transport von Laserstrahlung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Grundkörper einer Steckverbindung-Vorrichtung mit einer Haltevorrichtung für eine optische Faser zum Transport von Laserstrahlung
Optische Fasern werden zum Transport von Laserlicht in etlichen Anwendungen eingesetzt. In der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung lassen sich dadurch besonders vorteilhaft größere Distanzen zwischen Werkstück und Laserstrahlquelle flexibel überbrücken. Industriell etabliert sind dabei Stufenindexfasern für den Transport von Laserstrahlung im kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Betrieb. Weiterhin sind Fasern mit Gradientenprofilen im Brechungsindexverlauf sowie mikrostrukturierte Fasern mit festen oder gasförmigen Kernmaterialien bekannt. Insbesondere in der Materialbearbeitung sind die Fasern mitunter hohen Laserleistungen bis in den Multi-kW Bereich ausgesetzt. Der Aufbau der Fasern folgt in der Regel einem mehrschichtigen Aufbau aus den Regionen Kern, Mantel und Coating.
Um einsetzbar zu sein, werden die Fasern in einer geeigneten Vorrichtung gehalten, die über weitere optomechanische Elemente mit der Laserstrahlquelle und der Bearbeitungsoptik verbunden sind. Verbreitet ist es, die Faser an beiden Enden in einem Stecker oder steckerartigen Gebilde zu halten und mit einem Schutzschlauch über die Faserlänge vor Umwelteinflüssen zu schützen. Für die Halterung der Fasern sind im Bereich der Lasermaterialbearbeitung Lösungen bekannt, um die Fasern in einen Halter, einen Stecker und/oder eine Steckverbindungsvorrichtung einzukleben. Um eine Schädigung des Klebstoffes durch austretende Laserleistung zu vermeiden, können Klebstoffe mit niedrigem Brechungsindex (geringer als Fasermantel) verwendet werden, da diese die Auskopplung des Lichts aus der Faser durch Totalreflexion verhindern. Ferner ist beispielsweise aus der DE 10 2011 085 637 A1 bekannt, dass der Fasermantel von einer zusätzlichen niedrigbrechenden Schicht umhüllt werden kann, um den Einsatz von Klebstoffen mit höheren Brechungsindizes zu ermöglichen.
Vor allem aus dem Bereich der Telekommunikation ist ferner bekannt, Fasern in Ferrulen aus Metall, Keramik oder Glas zu halten. Die EP 0 905 534 B1 beschreibt etwa die Halterung in einer Glasferrule, bei der eine Verschmelzung zwischen Faser und Ferrule mittels Laser erzeugt wird. Die US 5 291 570 A beschreibt ferner eine transparente Glasferrule, die von einem absorbierenden und gut wärmeleitenden Material umgeben ist, um Glasfasern für hohe Leistungen zu halten. Dabei wird die Glasferrule von einem Halteelement umschlossen. Zur Befestigung der Faser in der Ferrule kommen Klebstoffe oder Verschweißungen zum Einsatz. Die Faser wird dabei bis zum Faserende in der Ferrule gehalten und in der Regel gemeinsam mit der Ferrule an deren Endfläche bearbeitet (z.B. durch polieren). Damit ist das Faserende direkt im Kontakt mit einer Klebeverbindung zur Ferrule. Diese Anordnung ist aufgrund der geringen Temperaturbeständigkeit nicht für Hochleistungsanwendungen im Dauereinsatz geeignet, da insbesondere Streu- oder Falschlicht die Klebestelle schädigen kann.
Die bekannten Realisierungen zur Terminierung von Lichtleitfasern verwenden freistehende Faserenden, die über Zentrierelemente gehalten werden. In den konventionellen Steckern für Hochleistungsanwendungen werden Zentrierelemente verwendet, die die Lichtleitfasern nahe der Faserenden positionieren. Diese Zentrierelemente sind bevorzugt aus Glas gefertigt, um eine Schädigung durch Laserlicht zu vermeiden und um hohen Temperaturen standhalten zu können. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist die Montage, bei der die Faserenden durch eine hochpräzise Öffnung in den Zentrierelementen geführt werden müssen, sowie die Herstellung der präzisen Zentrierelemente. Die erreichbaren Zentriertoleranzen liegen, bedingt durch die Montierbarkeit der Zentrierscheibe im Bereich von 5–10 µm, so dass eine Faser um diesen Betrag ihre Position verändern kann.
Als Haltetechnologie für freistehende Faserenden bei hohen thermischen Lasten werden zwei Lösungen in den genannten Erfindungen beschrieben, die eine Halterung ermöglichen:

1. der Einsatz niedrigbrechender Klebstoffe auf dem Fasermantel und
2. der Einsatz einer niedrigbrechenden Zwischenschicht der Faser und Klebung mit hochbrechenden Klebstoffen auf dem Fasermantel

Durch diese Maßnahmen wird eine Auskopplung des im Fasermantel befindlichen Lichts in den Klebstoff reduziert und folglich die thermische Belastung des Klebstoffs verringert.
Des Weiteren werden Fasern insbesondere für hohe Leistungen mit sogenannten Modenstrippern versehen, die Fehllicht aus dem Fasermantel herausfiltern. Dies geschieht insbesondere örtlich begrenz und gezielt. Hierzu sind u.a. Methoden zur Aufrauhung der Oberfläche bekannt.
In einem weiteren Typ von konventionellen Steckern werden Ferrulen verwendet, bei denen es sich um röhrenartige Elemente mit gleichbleibenden Innen- und Außendurchmesser handelt, die eine optische Faser aufnehmen können und gleichzeitig als Halte- und Führungselement dienen. Diese Führungsröhrchen bestehen bevorzugt aus Keramik, Kunststoff, Glas oder Metall. Diese Bauart wird dann eingesetzt, wenn eine Bearbeitung der Faserenden durch Schleifen und Polieren mit der Ferrule erfolgen kann.
Nachteilig ist, dass eine Befestigung zwischen Faser und Ferrule und zwischen Ferrule und Steckergehäuse üblicherweise durch Kleben realisiert werden muss. Damit ist eine Demontage des Steckers für den Reparaturfall ausgeschlossen und begrenzt den Einsatz von Ferrulen auf kostengünstige Stecker, beispielsweise aus der Telekommunikationsbranche. Eine Justage von Faser zu Stecker ist bei Ferrulen üblicherweise nicht vorgesehen. Nachteilig ist weiterhin, dass die bekannten Lösungen nicht als vorgefertigte Baugruppe montiert und das Faserende vor Verunreinigung bei der Montage in einem Lichtleitkabel geschützt werden kann, weshalb beim Einsatz von Ferrulen die Faserbearbeitung im konfektionierten Stecker erfolgt.
Weitere technische Herausforderungen bestehen beispielsweise darin, die Verwendung von Klebstoff auf dem Fasermantel und/oder in Nähe zur Faserspitze zu vermeiden. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass konventionelle Haltevorrichtungen keine vorkonfektionierte Einheit bilden, die ohne zusätzliche Elemente zur Ausrichtung oder Zentrierung verwendet werden kann. Dadurch wird die Endmontage deutlich verkompliziert. Des Weiteren wäre es wünschenswert, Klebstoffe mit besonderen optischen Eigenschaften einsetzen zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, einen Grundkörper für eine Steckverbindung-Vorrichtung bereitzustellen, die nicht die Mängel und Nachteile des Standes der Technik aufweist. Insbesondere soll ein Grundkörper für eine Steckverbindung-Vorrichtung bereitgestellt werden, bei dem eine optische Faser zum Transport von Laserlicht so gehalten wird, dass auf den Einsatz von Klebstoff im Bereich des Faserendes und auf dem Fasermantel in der Nähe des Faserendes verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Grundkörper einer Steckverbindungs-Vorrichtung mit einer Haltevorrichtung für eine optische Faser zum Transport von Laserlicht, wobei die Haltevorrichtung hülsenförmig ausgebildet ist und in der Haltevorrichtung zumindest teilweise eine Kapillare zur Führung der optischen Faser angeordnet vorliegt, wobei die Kapillare einen ersten Innendurchmesser d1 und einen zweiten Innendurchmesser d2 aufweist, wobei der erste Innendurchmesser d1 größer ist als der zweite Innendurchmesser d2 und die Kapillare in einem Befestigungsbereich, in dem die Kapillare von der Haltevorrichtung gehalten wird, den ersten Innendurchmesser d1 aufweist und die optische Faser in einem Innenraum der Kapillare angeordnet vorliegt. Im Sinne der Erfindung ist der Befestigungsbereich bevorzugt der Bereich von Haltevorrichtung und Kapillare, in dem die Kapillare innerhalb der Haltevorrichtung angeordnet vorliegt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, wenn die Verringerung des Innendurchmessers außerhalb der Haltevorrichtung beginnt, d.h. die Kapillare innerhalb der Haltevorrichtung den größeren Innendurchmesser d1 aufweist. Der Bereich der Kapillare, der den ersten Innendurchmesser d1 aufweist, wird bevorzugt als erster Bereich der Kapillare bezeichnet, während der Bereich der Kapillare außerhalb der Haltevorrichtung als zweiter Bereich der Kapillare bezeichnet wird, in dem die Kapillare bevorzugt den zweiten Innendurchmesser d2 aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser d1. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich der Innendurchmesser der Kapillare nicht in der Haltevorrichtung, sondern bevorzugt außerhalb der Haltevorrichtung.
Es kann allerdings für andere Anwendungen auch bevorzugt sein, wenn die Durchmesserreduktion innerhalb der Haltevorrichtung beginnt. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich der Innendurchmesser der Kapillare bevorzugt, bevor die Kapillare die Haltevorrichtung verlässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Grundkörper der Steckverbindungs-Vorrichtung eine Haltevorrichtung für eine optische Faser zum Transport von Laserlicht auf, wobei die Haltevorrichtung hülsenförmig ausgebildet ist und in der Haltevorrichtung zumindest teilweise eine Kapillare zur Führung der optischen Faser angeordnet vorliegt, wobei die Kapillare mindestens einen sich verändernden Innendurchmesser aufweist, wobei ein erster Innendurchmesser d1 in einem ersten Bereich der Kapillare, der in die hülsenförmige Haltevorrichtung angeordnet vorliegt, größer ist als ein zweiter Innendurchmesser d2 in einem zweiten Bereich der Kapillare, die außerhalb der hülsenförmigen Haltevorrichtung angeordnet vorliegt, wobei die optische Faser in einem Innenraum der Kapillare vorliegt.
Es war vollkommen überraschend, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Grundkörpers kein Kleber und keine absorbierende Materialien in der Nähe des Faserendes verwendet werden müssen. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Grundkörper die Verwendung von vorkonfektionierten, auswechselbaren Faser-Einheiten, mit denen die Faser, insbesondere während der Montage in einer Stecker-Vorrichtung, besonders gut gegen äußere mechanische Einflüsse geschützt werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung kann nun eine Steckverbindungs-Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der auf den Einsatz von Zentrierscheiben verzichtet wird. Insbesondere sind dadurch vorteilhafterweise keine Zusatzbauteile mehr zur Positionierung erforderlich. Erreicht wird dies durch die vorteilhafte Konstruktion des Grundkörpers und die hülsenförmige Haltevorrichtung, die im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Bolzen“ bezeichnet wird. Der Verzicht auf Zentrierscheiben oder klassische Ferrulenkonstruktionen stellt eine Abkehr vom Stand der Technik dar.
Es ist bekannt, dass die optische Faser zum Stecker überaus präzise zentriert sein muss. Dies erfolgt üblicherweise durch eine Einstellung der Faserposition, was im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt auch als Ausrichtung der Faser bezeichnet wird. Die Zentrierung der Faser erfolgt üblicherweise mittels einer Zentrierscheibe aus Glas, die Bestandteil konventioneller Steckverbindungs-Vorrichtungen ist. Somit erfolgen bei konventionellen Steckern die Zentrierung des Laserlichtstrahls und die Einstellung der Faserposition mit einem Element, das auch die Haltevorrichtung für die optische Faser darstellt. Es war vollkommen überraschend, auf die Verwendung einer Zentrierscheibe verzichtet und eine Trennung der Funktionen „Zentrierung“ und „Halterung“ gewährleistet werden kann. Denn es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zentrierung der Lichtleitfaser zum Stecker durch eine Relativbewegung einer Steckerschnittstelle zum Grundgehäuse erfolgt. Vorzugsweise ist diese Steckerschnittstelle modular und/oder austauschbar ausgebildet und kann über einen Kühlkörper gestülpt werden. Vorteilhafterweise wird mit Hilfe dieses Aufbaus die Justage der Faser in lateraler Richtung erleichtert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt ein Ende der optischen Faser in einen Hohlraum eines Kühlkörpers hinein und/oder der Hohlraum des Kühlkörpers ist von der hülsenförmigen Haltevorrichtung abdichtbar. Es kann im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt sein, dass der Kühlkörper im Wesentlichen einteilig ausgeführt ist. Der Begriff „einteilig“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Körper des Kühlkörpers nicht aus mehreren einzelnen Bestandteilen zusammengesetzt ist, sondern aus einem zusammenhängenden Werkstück besteht. Dies bedeutet allerdings nicht, dass nicht auch weitere funktionelle Bestandteile, wie beispielsweise Fenster, an dem bevorzugten Körper angebracht sein können. Solche zusätzlichen Anbauteile stehen der Verwendung des Begriffs „einteilig“ im Sinne der Erfindung nicht im Wege. Weitere funktionelle Bestandteile können beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Anschraubteile, Befestigungselemente, Anschlüsse und/oder Dichtelemente.
Der Kühlkörper umfasst bevorzugt einen Hohlraum, in dem die optische Faser und/oder die Haltevorrichtung enden. Vorzugsweise umschließt der Hohlraum ein zylinderförmiges Volumen, welches mit einem Gas und/oder einem Gasgemisch gefüllt und vorteilhafterweise auch evakuiert werden kann. Der durchschnittliche Fachmann weiß, dass die Evakuierung eines Hohlraums bevorzugt einen Vorgang bezeichnet, an dessen Ende der evakuierte Hohlraum einen Druck aufweist, der geringer ist als der Atmosphären-Druck der äußeren Umgebung. Der Begriff „Atmosphärendruck der äußeren Umgebung“ wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Luftdruck“ bezeichnet und ist für den durchschnittlichen Fachmann kein unklarer Begriff, denn der durchschnittliche Fachmann weiß, dass der mittlere Luftdruck bei p = 1 bar ≈ 1013 hPa liegt. Der durchschnittliche Fachmann weiß auch, dass der Atmosphärendruck durch die Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem sich auf ihr befindlichen Körper steht, entsteht und ständigen Schwankungen unterliegt. Insofern beschreibt der Begriff „Atmosphärendruck“ keinen festen Wert, sondern bezieht sich auf den jeweils aktuellen Luftdruck in der Atmosphäre.
Es ist bekannt, die Enden von optischen Fasern zum Transport von Laserlicht mit Steckverbindung-Vorrichtungen zu versehen und damit die optischen Fasern einfach und unkompliziert mit optischen Transportsystemen zu verbinden. Im Kontext dieser Erfindung werden „Steckverbindung-Vorrichtungen“ bevorzugt auch als „Stecker“ bezeichnet. Die im Stand der Technik bekannten Steckverbindung-Vorrichtungen sind üblicherweise vorkonfektioniert, wobei die Enden der optischen Fasern bearbeitet und präpariert sind. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein solcher Stecker einen Kühlkörper aufweist, der bevorzugt einteilig ausgeführt ist. Durch die bevorzugt einteilige Konstruktion weist der Kühlkörper insbesondere keine Versatz- und Übergangregionen auf, die die technische Wirkung und Funktion des Kühlkörpers beinträchtigen können. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Grundkörpers durch die einteilige Ausführung besonders glatt und frei von Kanten, so dass der Grundkörper bei einem Nutzer einen hochwertigen haptischen Eindruck hinterlässt.
Eine bevorzugte Konstruktion des Grundkörpers umfassend einen im Wesentlichen einteiligen Kühlkörper ermöglicht vorteilhafterweise die Bereitstellung eines abgedichteten Volumens zur Gasbefüllung. Darüber hinaus kann eine besonders effiziente Kühlung des Grundkörpers bei Auftreten von Fehllicht gewährleistet werden. Die einteilige Ausführung des Kühlkörpers ermöglicht des Weiteren eine vereinfachte Herstellung und einen reduzierten Wartungsaufwand. Darüber hinaus werden Verschiebungen durch etwaige Unstimmigkeiten zwischen nicht optimal zueinander ausgerichteten Einzelteilen eines mehrteilig ausgeführten Kühlkörpers vermieden. Es ist bevorzugt, wenn der Grundkörper Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Edelstahl, Kupfer und/oder andere metallische Legierungen. Die Bearbeitung erfolgt vorzugsweise durch spanende Verfahren, Gussverfahren und/oder 3D Druckverfahren. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, wenn die Kühlkanäle als Kühlbohrungen ausgeführt sind.
Insbesondere wird durch die Bereitstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit Bolzen eine effiziente Halterung der optischen Faser gewährleistet, wobei die Halterung der optischen Faser vorteilhafterweise mit großem Abstand zu dem Ort erfolgt, an dem das Laserlicht die optische Faser verlässt oder in diese eintritt. Dieser Ort wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Faserende“ bezeichnet. Dieser große Abstand zwischen Halterung und Austritt bzw. Eintritt des Laserlichts ist vor allem deswegen von Vorteil, da dadurch das Risiko, dass der Bolzen von Fehllicht getroffen und beschädigt wird, minimiert wird. Der Begriff Fehllicht beschreibt im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt solches Laserlicht, das ursprünglich in der optischen Faser transportiert wurde, aber die optische Faser verlassen hat. Zu einem solchen unkontrollierten Austritt von Laserlicht aus einer optischen Faser kann es beispielsweise bei Brüchen oder Beschädigungen der optischen Faser kommen, wenn das Laserlicht aus dem durch die optische Faser vorgegebenen Strahlverlauf austritt. Bei fehlerhafter Einstellung der Justage kann vor allem am Fasereingang Fehllicht in das Steckergehäuse eintreten. Solche als Fehllicht austretende Strahlung kann eine erhebliche Gesundheitsgefahr darstellen, wenn sich das Laserlicht unkontrolliert in Arbeits- und/oder Laborräumen ausbreitet.
Die Haltevorrichtung wird vorzugsweise von einem hülsenförmigen Element gebildet, das im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt auch als „Bolzen“ bezeichnet wird. Es ist bevorzugt, dass in dem Bolzen zumindest teilweise eine Kapillare zur Führung der optischen Faser angeordnet ist. Insbesondere stellt die hülsenförmige Haltevorrichtung keine Ferrule, wie aus dem Stand der Technik bekannt, dar. Bei konventionellen Steckern werden die Ferrulen zusammen mit den optischen Fasern poliert, was überraschenderweise durch die vorliegende Erfindung vermieden wird. Insofern stellt der erfindungsgemäße Grundkörper eine Abkehr vom Stand der Technik dar.
Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Bolzen einen zylinderförmigen Innenraum aufweist, in dem die Kapillare zur Halterung der optischen Faser vorliegt. Vorteilhafterweise korrespondieren der Außendurchmesser der Kapillare mit dem Innendurchmesser des Bolzens, so dass die Kapillare besonders einfach in den Bolzen eingeführt werden kann, dass aber ebenso eine optimale Haltewirkung gewährleistet wird.
Der vordere Teil der Elemente des Kühlkörpers und des Steckers wird demnach bevorzugt vom gegenüberliegenden Ende der Elemente gebildet, also insbesondere dem Bereich, an dem das Laserlicht aus dem Faserende oder durch das Fenster des Steckers heraustritt. Vorzugsweise liegt der zweite Bereich der Kapillare in dem Hohlraum des Kühlkörpers vor und/oder endet in diesem.
Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, den hinteren Teil der Kapillare, der innerhalb des Bolzens angeordnet vorliegt, als ersten Bereich der Kapillare zu bezeichnen. Vorzugsweise weist die Kapillare in diesem ersten Bereich einen Innendurchmesser d1 auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser d2 der Kapillare im zweiten vorderen Bereich kleiner ist als der Innendurchmesser der Kapillare im ersten, hinteren Bereich. Am meisten bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es, wenn der Innendurchmesser d2 im vorderen Bereich der Kapillare mit dem Durchmesser der optischen Faser korrespondiert. „Korrespondieren“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet bevorzugt, dass ein erstes Element mit einem Innendurchmesser a ein zweites Element mit einem außen Durchmesser b aufnimmt und sich der Innendurchmesser a des ersten Elements und der Außendurchmesser b des zweiten Elements so zueinander verhalten, dass das zweite Element in das erste Element eingeführt und dort befestigt werden kann.
Der Übergang vom größeren Innendurchmesser d1 zum kleineren Innendurchmesser d2 der Kapillare kann vorzugsweise linear erfolgen. Dies bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der Innendurchmesser der Kapillare im ersten, hinteren Bereich der Kapillare zunächst konstant verläuft, d.h. insbesondere in dem Bereich, in dem die Kapillare in dem Bolzen angeordnet vorliegt. Auch im zweiten, vorderen Bereich, in dem die Kapillare die optische Faser umschließt, weist die Kapillare vorzugsweise einen konstanten Innendurchmesser d2 auf, wobei der Übergang zwischen den beiden unterschiedlichen Innendurchmessern d1 und d2 bevorzugt durch eine im Wesentlichen gerade Verbindungslinie eines Endpunktes des ersten Bereiches und eines Anfangspunkts des zweiten Bereichs gebildet wird.
Im Sinne der Erfindung wird die Kapillare als sich verjüngende Kapillare bezeichnet, wobei sich der Begriff der „Verjüngung“ auf den Innendurchmesser der Kapillare bezieht und bevorzugt nicht auf den Außendurchmesser. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich der Innendurchmesser von einem größeren Innendurchmesser d1 im hinteren Bereich der Kapillare zu einem kleineren Innendurchmesser d2 der Kapillare im vorderen Bereich.
Es ist weiter bevorzugt, dass die optische Faser mit einem transparenten Fasermantel versehen ist, der im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt als „cladding“ bezeichnet wird. Vorzugsweise werden der Bolzen, die Kapillare und die Faser als Einheit in einen Stecker eingebaut, wodurch eine besonders einfache Verwendung einer solchen Steckverbindung-Vorrichtung ermöglicht wird. Es hat sich als überraschender Vorteil der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass der Bolzen sowie der Außendurchmesser der Kapillare stets einen gleichbleibenden Durchmesser aufweisen können und der bereitgestellte Grundkörper trotzdem für unterschiedliche Faserdurchmesser verwendet werden kann. Denn durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Grundkörpers muss lediglich der Innendurchmesser der Kapillare, insbesondere der Innendurchmesser d2 im vorderen Bereich der Kapillare an einen geänderten Durchmesser der optischen Faser angepasst werden. Dies erhöht die Flexibilität und Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung ganz erheblich.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Bolzen, die optische Faser und die Kapillare als ein Bestandteil des erfindungsgemäßen Kühlkörpers vormontiert werden können, wodurch eine besonders effiziente Montage und Einbau in ein optisches System ermöglicht wird.
Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bevorzugt, dass es sich bei der optischen Faser um eine freistehende Faser handelt, die insbesondere länger, kürzer oder gleich sein kann wie der vordere Bereich der Kapillare. Mit anderen Worten bedeutet dies bevorzugt, dass die optische Faser für einige Anwendungen innerhalb des vorderen zweiten Bereichs der Kapillare enden kann („kürzer“). Es kann aber für andere Anwendungen ebenso bevorzugt sein, dass die optische Faser über den vorderen Bereich der Kapillare hinausgeht und selbst im Hohlraum des Grundkörpers endet („länger“). In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die optische Faser zusammen mit dem vorderen zweiten Bereich der Kapillare abschließt (“gleich lang“). Es war vollkommen überraschend, dass ein Grundkörper für eine Steckverbindung-Vorrichtung mit einer Haltevorrichtung und einer Kapillare bereitgestellt werden kann, bei dem innerhalb der Kapillare unterschiedliche Längen von optischen Fasern angeordnet werden können. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders flexible Anwendung des erfindungsgemäßen Grundkörpers.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass die Kapillare zur Führung der optischen Faser dient. Dadurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht, die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Grundkörpers mit Kapillare erheblich zu verlängern, weil, anders als Stand der Technik, eine Faserbeschädigung nicht dazu führt, dass der ganze Stecker ausgetauscht und entsorgt werden muss. Dadurch werden Ressourcen gespart und ein wertvoller Beitrag für den Umweltschutz geleistet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine besonders effiziente thermische Entkopplung erreicht werden kann. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass die optische Faser von der Kapillare gehalten wird, während die Kapillare selbst vom Bolzen, d.h. der hülsenförmigen Haltevorrichtung, umschlossen und gehalten wird. Dadurch wird überraschenderweise das Beschädigungsrisiko für den Bolzen durch auftreffendes Fehllicht erheblich reduziert. Es ist weiter bevorzugt, dass die hülsenförmige Haltevorrichtung, d.h. der Bolzen, aus Metall besteht und insbesondere reversibel befestigbar und besonders einfach austauschbar ist.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein Grundkörper für einen Stecker bereitgestellt werden kann, bei dem die Halterung der optischen Faser und der Ort, an dem aus der optischen Faser das Laserlicht austritt, mit einem so großen Abstand zur Haltevorrichtung, d.h. dem Bolzen, bereitgestellt werden kann. Der Bolzen innerhalb des Grundkörpers stellt im Sinne der Erfindung insbesondere keine Ferrule dar, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es ist bevorzugt, dass die Kapillare eine freistehende Kapillare ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kühlkörper Kühlkanäle, die mit einem Kühlfluid gefüllt sind, wobei das Kühlfluid ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Gas, Gasgemisch und/oder Flüssigkeit. Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Kühlkörper einen Hohlraum umfasst, der in einem vorderen Bereich von einem Fenster verschlossen wird und in einem hinteren Bereich von dem Bolzen abgeschlossen wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Bereich des Grundkörpers, in dem sich der Bolzen und der Hohlraum befinden, bevorzugt als Kühlkörper bezeichnet wird und dass die Kühlkanäle insbesondere in diesem Kühlkörper vorgesehen sind. Die Kühlkanäle können mit einem Kühlfluid gefüllt werden, wobei insbesondere reine Gase, Gasgemisch und/oder Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, in diese Kanäle eingefüllt werden kann.
Es ist bevorzugt, dass das Kühl-Fluid im Falle einer Erwärmung oder Erhitzung des Grundkörpers die entstehende Wärme, d.h. die thermische Energie, teilweise oder vollständig aufnimmt. Dadurch wird dem Grundkörper vorteilhafterweise die Wärme oder die thermische Energie entzogen, sodass es nicht zu Beschädigungen des Grundkörpers oder des mit ihm verbunden vorliegenden Bolzens kommen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass jeweils ein Kühlkanal zwei Zuleitungen aufweist, wobei durch eine erste Zuleitung das Kühlfluid zuführbar und durch eine zweite Zuleitung das Kühl-Fluid abführbar ist und sich die Kühlkanäle im Wesentlichen entlang einer gesamten Länge des Grundkörpers erstrecken. Es ist bevorzugt, dass die Zuleitungen der Kühlkanäle dafür vorgesehen sind, das Kühlfluid aufzunehmen oder abzugeben. Die Erfinder haben erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Kühlkanäle einen Kreislauf bilden, der von zwei im Wesentlichen zueinander parallelen Abschnitten gebildet wird, die im vorderen Bereich des Grundkörpers mittels einem zu den beiden im Wesentlichen parallelen Abschnitten senkrecht verlaufenden Verbindungsstück miteinander verbunden werden. Es ist bevorzugt, dass mehrere solcher Kühl-Kreislaufläufe in der Wand des zylinderförmigen vorderen Bereiches des Grundkörpers angeordnet vorliegen. Es ist weiter bevorzugt, dass die Zuleitungen für das Kühlfluid, welches in den Kühlkanälen zirkuliert, im dem Bereich des Grundkörpers angeordnet vorliegen, in dem der Bolzen innerhalb des Hohlraums des Grundkörpers angeordnet vorliegt.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass ein erster Abschnitt eines Kühlkanals einen geringeren Abstand zu dem Bolzen und dem Hohlraum des Grundkörpers aufweist, während ein zweiter Abschnitt eines Kühlkanals einen größeren Abstand zu dem Bolzen und dem Hohlraum aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Kühlkanäle symmetrisch um den Hohlzylinder angeordnet vorliegen. Es kann darüber hinaus weiter bevorzugt sein, dass die Kühlkanäle aufeinander zu laufen. Vorzugsweise ist der erste Abschnitt des Kühlkanals mit der Zuleitung für das Kühlfluid verbunden, so dass durch den ersten Abschnitt des Kühlkanals das Kühlfluid mit einer im Vergleich zu der Temperatur T2 des zweiten Abschnitts des Kühlkanals reduzierten Temperatur T1 fließt. Während des Durchflusses des Kühlfluids durch den ersten Abschnitt des Kühlkanals nimmt das Kühlfluid thermische Energie und/oder Wärme auf, wodurch sich die Temperatur des Kühlfluids erhöht. Vorzugsweise fließt das Kühlfluid mit einer höheren Temperatur T2 durch den zweiten Abschnitt des Kühlkanals zu der zweiten Zuleitung, durch die das Kühlfluid aus dem Grundkörper abgeleitet wird. Überraschenderweise wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kühlkanäle eine besonders gleichmäßige Kühlwirkung über den gesamten Bereich des Grundkörpers erreicht, in dem sich die Kühlkanäle befinden. Vor es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die Kühlkanäle im Wesentlichen parallel zu den Rändern des Hohlraumes und des Bolzens angeordnet vorliegen. Insbesondere sind die Kühlkanäle nicht spiralförmig um den Hohlraum herum angeordnet.
Dadurch wird überraschenderweise erreicht, dass die im Wesentlichen parallel angeordneten Kühlkanäle besonders einfach mit mechanischen Mitteln hergestellt werden können und eine verbesserte Kühlwirkung bei geringerem Volumen im Vergleich zu beispielsweise spiralförmig ausgebildete Kühlkanälen ermöglichen. Es war insbesondere überraschend, dass durch die im Wesentlichen parallele Anordnung der Kühlkanäle eine besonders schlanke Konstruktion des Grundkörpers ermöglicht wird. Dies führt vorteilhafterweise zu einer besonders kompakten äußeren Form des Grundkörpers, so das überraschend große Mengen des Herstellungsmaterials für den Grundkörper eingespart werden können im Vergleich zu herkömmlichen Grundkörpern für Steckverbindungs-Vorrichtungen. Darüber hinaus kann vorteilhaferweise auf zusätzliche Dichtelemente in einem thermisch hochbelasteten Bereich in der Nähe des Faserendes verzichtet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steckverbindungs-Vorrichtung in einem vorderen Bereich ein Fenster auf und in einem hinteren Bereich die Haltevorrichtung für die optische Faser zum Transport des Laserlichts, wobei das Laserlicht in dem vorderen Bereich die Steckverbindungs-Vorrichtung durch das Fenster verlässt und in dem hinteren Bereich von einer Laserquelle kommend in die Steckverbindungs-Vorrichtung eintritt. Vorzugsweise umfasst das Fenster ein optisches Glas, besonders bevorzugt Quarzglas. Darüber hinaus kann eine Dichtung vorgesehen sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kapillare ein Material mit einem Brechungsindex kleiner oder gleich dem Brechungsindex eines Mantelmaterials der optischen Faser. Es ist bekannt, dass optischer Fasern aus mehreren Lagen bestehen können, die von einem Faserkern ausgehend schichtweise zylinderfömig umeinander herum angeordnet vorliegen. Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die optische Faser insbesondere mindestens aus einem inneren Bereich besteht, in dem das Laserlicht geführt wird, und einem Mantel, der diesen inneren Bereich umgibt. Der Brechungsindex stellt im Sinne der Erfindung bevorzugt eine optische Materialeigenschaft dar, die angibt, wie sich ein Lichtstrahl an der Grenzfläche zwischen zwei Medien verhält. Dabei wird das Medium mit höheren Brechungsindex bevorzugt als optisch dichteres Medium bezeichnet im Vergleich zu einem Medium mit einem kleineren Brechungsindex. Ein solches Medium wird bevorzugt als optisch dünneres Medium bezeichnet. Der Brechungsindex eines Mediums beschreibt insbesondere, wie sich Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit eines Lichtstrahls in besagten Medium im Vergleich zur Ausbreitung im Vakuum verhalten. Beispielsweise wird ein Lichtstrahl bei Auftritt auf eine Grenzfläche von einem senkrecht auf der Grenzfläche stehenden Lot weg gebrochen, wenn er aus einem optischen dichteren Medium mit höherer Brechzahl in einen optisch dünneren Stoff mit niedrigerer Brechzahl übergeht.
Im Sinne der Erfindung ist es einerseits bevorzugt, wenn die Brechungsindizes von Fasermantel und Kapillare gleich groß sind. Dies bedeutet anschaulich, dass ein Lichtstrahl bei einem gedachten Durchtritt durch die Grenzfläche zwischen Kapillare und Fasermantel unverändert bleibt und nicht zu einem gedachten senkrecht auf der Grenzfläche stehenden Lot hin oder von diesem weg gebrochen wird. Es ist für andere Anwendungen ebenso bevorzugt, wenn der Brechungsindex der Kapillare kleiner ist als der des Fasermantels, und zwar beispielsweise dann, wenn eine Lichtleitung im cladding einer Faser ausdrücklich erwünscht ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kapillare ein Material mit einem Brechungsindex größer dem Brechungsindex eines Mantelmaterials der optischen Faser. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, einen Brechungsindex größer als den des Fasercladdings einzusetzen, um Licht aus dem Fasercladding herauszuführen und durch einen Modenstripper auf der Kapillare gezielt zu zerstreuen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verbindung zwischen der optischen Faser und der Kapillare ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Schmelzen, Aufschrumpfen und/oder Bonding. Als „Schmelzen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt der Vorgang bezeichnet, bei dem ein Stoff direkt vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Wird die optische Faser mittels Schmelzen mit der Kapillare verbunden, so erfolgt vorzugsweise eine stoffschlüssige Verbindung, die Faser und Kapillare dicht miteinander verbindet. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Baugruppe aus Faser und Kapillare lokal an der Stelle der engsten Umschließung erhitzt wird, wobei dieses Erhitzen beispielsweise durch ein Plasma oder einen Laser erfolgen kann. Der Begriff „Aufschrumpfen“ stellt im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein technisches Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Teile dar, dem vorzugsweise das Prinzip der Wärmeausdehnung zugrunde liegt. Beim Aufschrumpfen wird ausgenutzt, dass sich Stoffe üblicherweise beim Erwärmen ausdehnen, während sie sich beim Abkühlen zusammenziehen. Es ist bevorzugt, dass die miteinander zu verbindenden Teile, hier die Kapillare und die optische Faser, mit einer Übermaßpassung gefertigt werden, d.h. die relevanten Abmessungen der Teile sind größer bemessen, als im verbundenen Zustand erforderlich. Um die Teile miteinander zu verbinden, wird eines der Teile, insbesondere die Kapillare, vorzugsweise erhitzt, wodurch sich das Teil, d.h. die Kapillare, ausdehnt. Es ist bevorzugt, das erhitzte Teil, beispielsweise die Kapillare, auf dem nicht-erhitzten Teil, insbesondere der optischen Faser, anzuordnen und abkühlen zu lassen. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Schrumpfen des äußeren Teiles erreicht, wodurch beispielsweise die Kapillare auf die optische Faser gepresst wird. Durch diesen Vorgang wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Kapillare und der optischen Faser erreicht.
Der Begriff des „Bondings“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass die nahen Bindungskräfte in der Materie, insbesondere die Van-der-Waals-Kräfte, zur Verbindung von Materialien ausgenutzt werden. Dieser Prozess kann beispielsweise durch eine zusätzliche Energiezufuhr unterstützt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Verbindung zwischen der optischen Faser und der Kapillare irreversibel ausgeführt wird, sodass eine dauerhafte, nicht lösbare Verbindung zwischen der Faser und der Kapillare hergestellt wird. Dadurch wird eine überraschend stabile und schwingungsarme Halterung der optischen Faser innerhalb der Kapillare gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die optische Faser mit der Kapillare unverbunden in derselben vor. In diesem Fall ist die thermische Ausdehnung unkritisch für die optische Faser und es wird eine enge Passung und dadurch eine präzise Positionierung ermöglicht. Dies führt darüber hinaus zu dem Vorteil, dass die Halterung an einer vom Faserende entfernten und thermisch gering belasteten Stelle erfolgt. Die Halterung erfolgt in diesem Fall bevorzugt über Klebung der Faser im Bolzen. Darüber hinaus wird vorteilhafterweise ein vereinfachter Zusammenbau für Laser im niedrigen Leistungsbereich möglich gemacht. Des Weiteren wird dadurch vorteilhafterweise eine Verklebung auf der Glasfaser und/oder auf dem Coating ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kapillare einen Modenstripper. Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass ein Modenstripper auf die Kapillare durch Ätzen aufgebracht wird. Für andere Anwendungen kann es jedoch auch bevorzugt sein, dass der Modenstripper auf eine andere Weise mit der Kapillare befestigt wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Strukturierung oder ein Anrauhen erfolgen.
Der Begriff „Modenstripper“ stellt im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt eine Vorrichtung dar, mit der unerwünschtes Laserlicht, Lichtmoden und/oder Fehllicht aus dem Fasermantel entfernt werden kann. Die Entfernung dieses störenden Lichts ist deswegen angezeigt, da es die Strahlqualität der optischen Faser verschlechtern oder zu Beschädigungen an der Faser führen kann. Weiter entsteht ein unerwünschter Leistungsverlust und Wärme an den Stellen der Faser, an denen Licht austritt. Es ist bevorzugt, dass mittels dem Modenstripper Fehllicht aus der optischen Faser, insbesondere dem Fasercladding, herausgezogen werden kann. Dadurch werden insbesondere Beschädigungen der optischen Faser, der Kapillare und/oder des Bolzens besonders wirksam vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlraum des Grundkörpers mittels einer Verbindung, die mit dem Hohlraum verbunden vorliegt, mit einem Gas oder einem Gasgemisch befüllbar oder evakuierbar. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Grundkörper neben den bevorzugt zwei Zuleitungen für das Kühlfluid eine weitere Zuleitung aufweist, mit der der Hohlraum im Inneren des Grundkörpers mit der Umgebung verbunden vorliegt. Es ist bevorzugt, dass durch diese Zuleitung ein Gas oder ein Gasgemisch in den Hohlraum eingeleitet werden kann, so das der Hohlraum des Grundkörpers entweder mit einem Gas oder einem Gasgemisch befüllt vorliegt. Es ist ebenso bevorzugt, dass der Hohlraum evakuiert werden kann.
Vorzugsweise weist der Hohlraum eine zylinderartige Form auf, wobei die Seitenwände des Zylinders bevorzugt von dem Grundkörper gebildet werden. Ein Zylinder weist bevorzugt eine untere Bodenfläche und eine obere Deckfläche auf, wobei die obere Deckfläche bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt von dem Fenster gebildet wird, durch welches das Laserlicht den Grundkörper der Steckverbindung-Vorrichtung verlässt. Vorzugsweise wird die untere Bodenfläche des Zylinders von dem Bolzen, d.h. der hülsenförmigen Haltevorrichtung, gebildet.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Hohlraum des Grundkörpers überraschenderweise von dem Bolzen, in dem die Kapillare gehalten wird, verschlossen werden kann, so dass der Bolzen vorteilhafterweise nicht nur zur Halterung der Kapillare dient, sondern überraschenderweise auch zum unteren Abschluss des zylinderförmigen Hohlraumes, welcher mit Gas und oder einem Gasgemisch befüllbar oder evakuierbar ist. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, wenn weitere Dichtelemente verwendet werden, insbesondere zwischen Bolzen und Grundkörper. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil der Abstand zum Faserende groß ist und somit die Dichtung thermisch nicht belastet wird. Durch die Befüllbarkeit des Hohlraums des Grundkörpers mit unterschiedlichen Gasen oder Gasgemisch oder durch die Erzeugung eines Vakuums kann der Laserlichtstrahl, der das Ende der optischen Faser innerhalb des Hohlraumes verlässt und auf das Fenster gerichtet ist, vorteilhafter Weise modifiziert und eingestellt werden.
Es hat sich gezeigt, dass bei Einsatz von kurzen und ultrakurzen Pulsen die Nichtlinearität über die Auswahl des Gases und die Einstellung des Gasdrucks gesteuert werden kann. Diese Steuerung kann vorteilhafterweise bei der Selbstphasenmodulation zur Pulskompression mit zusätzlichen Dispersionselementen hinter der Faserstrahlführung angewendet werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Steuerung der Nichtlinearität insbesondere auch zur Optimierung des Strahlübergangs hinsichtlich der Strahlqualität und des Spektrums eingesetzt werden kann, sowie zur Frequenzkonversion.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die hülsenförmige Haltevorrichtung an seiner dem Hohlraum des Grundkörpers zugewandten Seite eine abnehmbare Kappen-Vorrichtung zum Schutz des Faserendes auf.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Stecker mit einer Kappen-Vorrichtung versehen werden, die einen optimalen Schutz der optischen Faser vor mechanischen Beschädigungen ermöglicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass diese Kappen-Vorrichtung vor Benutzung des Steckers und der optischen Faser von dem Bolzen abgezogen wird. Durch die Verwendung einer abnehmbaren Kappen-Vorrichtung wird vorteilhafterweise der Einbau von vorkonfektionieren Elementen der Erfindung ermöglicht.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Grundkörper, bei dem die Verjüngung des Innendurchmessers der Kapillare so verläuft, dass die Kapillare in einem hinteren, ersten Bereich einen kleineren Innendurchmesser aufweist und in einem vorderen, zweiten Bereich einen größeren Innendurchmesser.
Die im Stand der Technik auftretenden Probleme werden gelöst, indem die Glasfaser in einer Kapillare gehalten wird, die die Faser in der Nähe des Faserendes umschließt und dort verjüngt ist. Die Fixierung der Kapillare erfolgt bevorzugt an dem vom Faserende abgewandten Ende in einem hülsenförmigen Halteelement und damit an einer thermisch unbelasteten Stelle. Dadurch kann vorteilhafterweise auf den Einsatz von Klebstoff am Fasermantel vollständig verzichtet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine vollständig ausgerichtete und fixierte Halteeinrichtung realisiert wird, die in einen Faserstecker integriert werden kann und für den Einsatz bei hohen Leistungen und hohen Anforderungen an Präzision geeignet ist. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere den Bolzen, eine Vorausrichtung des Winkels zwischen optischer Achse der Lichtleitfaser und Lichtstrahl erreicht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird im Folgenden anhand eines Anwendungsbeispiels veranschaulicht:
Anwendungsbeispiel:
Zur sicheren Verwendung der Lichtleitfaser ist diese in ein Lichtleitkabel integriert. Dieses besteht aus einem schlauchförmigen Mantel, in dem die Faser geführt wird sowie zwei Steckern an beiden Enden des Mantels die die Position der Faser relativ zum Stecker fixiert. Der Stecker kann so ausgeführt werden, dass eine Kühlung ermöglicht wird. Am Ende des Steckers befindet sich ein Fenster.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert.
1: Schnittzeichnung eines ausgewählten Bereiches einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers mit Bolzen, Kapillare und optischer Faser
2: Schnittzeichnung durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers mit Bolzen, Kapillare, optischer Faser, Kühlkanälen und Gaszuleitung zum Hohlraum.
Um eine Halterung der Faser (16) im Stecker (12) zu ermöglichen, wird sich eines Bolzens (14) bedient, der mechanisch im Steckergehäuse (12) befestigt werden kann und in dem die Faser (16) eingefügt ist (1).
Dargestellt ist in 1 der Bolzen (14), der auch als hülsenförmige Haltevorrichtung bezeichnet wird und eine hülsenartige und/oder zylinderartige Grundform aufweist. Der Zylinder wird von Seitenwänden gebildet, die einen definierten Innen- und Außendurchmesser aufweisen. Insbesondere umfasst der Bolzen (14) einen zylinderförmigen Innenraum, in dem die Kapillare (18) für die Halterung der optischen Faser (16) angeordnet vorliegt. Im vorderen Bereich des Bolzens (14) tritt das Laserlicht (20) von der Laserquelle kommend in den Bolzen (14) ein, so das der vordere Teil des Bolzens (14) der Laserquelle zugewandt angeordnet ist. In diesem vorderen Bereich des Bolzens (14) ist die optische Faser (16) mit einem Fasercoating (64) umgeben. Die Funktion des Fasercoatings (64) besteht vorteilhafterweise darin, die Glasoberfläche zu schützen und eine weitere Möglichkeit zur Lichtführung bereitzustellen.
Im vorderen Bereich des Bolzens (14) beginnt die Kapillare (18), wobei der Bereich der Kapillare (18), der in dem Bolzen (14) angeordnet vorliegt, als vorderer oder erster Bereich (26) der Kapillare (18) bezeichnet wird. Es kann auch bevorzugt sein, diesen Bereich als Befestigungsbereich zu bezeichnen. In diesem ersten Bereich (26) der Kapillare (18) weist die Kapillare (18) einen Innendurchmesser d1 (22) auf, der größer ist als der Innendurchmesser d2 (24) in einem zweiten Bereich (28) der Kapillare (18). Der erste Bereich (26) und der zweite Bereich (28) der Kapillare (18) sind bevorzugt mit einem Übergangsbereich (30) verbunden, in dem die Verjüngung des Innendurchmessers der Kapillare (18) stattfindet. Vorzugsweise erfolgt die Verjüngung der Kapillare (18) linear, so das ein Endpunkt des ersten Bereichs (26) der Kapillare (18) mit einer Verbindungslinie mit dem Anfangspunkt eines zweiten Bereichs (28) der Kapillare (18) verbunden wird. Es kann für einige Anwendungen aber auch bevorzugt sein, dass der Übergang von dem größeren Innendurchmesser d1 (22) zu dem kleineren Innendurchmesser d2 (24) der Kapillare (18) nicht linear verläuft.
Im zweiten Bereich (28) der Kapillare (18) umschließt die Kapillare (18) die optische Faser (16), die darüber hinaus ein cladding (58) umfassen kann. In dem in 1 gezeigten Beispiel ragt die optische Faser (16) mit dem cladding (58) über das Ende des zweiten Bereichs (28) der Kapillare (18) hinaus. Es kann aber für andere Anwendungen auch bevorzugt sein, dass die optische Faser (16) gemeinsam mit dem Ende der Kapillare (18) abschließt oder dass das Ende der optischen Faser (16) innerhalb des zweiten Bereichs (28) der Kapillare (18) vorliegt.
Im Endbereich des ersten Bereichs (26) der Kapillare (18) kann vorteilhafterweise ein Modenstripper (56) angeordnet vorliegen. Der Modenstripper (56) kann bevorzugt durch Ätzverfahren auf die Kapillare (18) aufgebracht oder auf andere Weise hergestellt werden.
Die optische Faser (16) wird an ihrem Ende eng von einer verjüngten Kapillare (18) umschlossen. Dadurch wird erreicht, dass a) ein vereinfachtes Einführen der Faser (16) in die Kapillare (18) und b) eine erhöhte Steifigkeit der herausragenden Kapillare (18) gegeben ist. Die Kapillare (18) kann im Bolzen (14) mit Klebstoff fixiert werden. Die Faser (16) ist auf dem Coating (64) mit Klebstoff fixiert. Die Ausrichtung von Haltelement (14) und Kapillare (18)/Faser (16) erfolgt bei der Montage in einer entsprechenden Vorrichtung (2).
2 zeigt eine Schnittzeichnung durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers (10) mit Bolzen (14), Kapillare (18), optischer Faser (16), Kühlkanälen (44) und Gaszuleitung (60) zum Hohlraum (42). Der Grundkörper (10) weist einen vorderen Bereich auf, der der Laserquelle und der Zuführung des Laserlichts (20) zugewandt ist. Der Grundkörper (10) weist eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf, wobei der Grundkörper (10) verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessern umfasst. Im Wesentlichen wird ein hinterer Bereich unterschieden in dem der Grundkörper (10) einen maximalen Außendurchmesser aufweist und einen Innendurchmesser, der mit dem Außendurchmesser der hülsenförmigen Haltevorrichtung (14) korrespondiert.
Der Grundkörper (10) weist einen zylindrischen Innenraum auf, in dem die hülsenförmige Haltevorrichtung (14) angeordnet vorliegt. Durch den Bolzen (14) wird ein hinterer Bereich des Innenraumes des Grundkörpers (10) eingeschlossen, der im Sinne der Erfindung als Hohlraum (42) bezeichnet wird. Dieser Hohlraum (42) wird in einem unteren Bodenbereich von den Bolzen (14) abgeschlossen und in einem oberen Deckel-Bereich von einem Fenster (50). Die Seitenwände des zylindrischen Hohlraums (42) werden von den Innenwänden des Innenraumes des Grundkörpers (10) gebildet. In dem Hohlraum (42) befindet sich zumindest ein Teil der Kapillare (18), in dem die optische Faser (16) angeordnet vorliegt. Der Hohlraum (42) ist mit einer Gasleitung (60), die im Sinne der Erfindung auch als Verbindung bezeichnet wird, mit einer Gasquelle verbunden, so dass der Hohlraum (42) mit einem Gas und/oder einem Gasgemisch befüllbar ist oder mittels der Gasverbindung (60) evakuiert werden kann.
Im hinteren Bereich des Grundkörpers (10) weisen die Wände des Grundkörpers (10) eine Dicke im Bereich von 1 cm auf. Innerhalb dieser Seitenwände des hinteren Bereichs des Grundkörpers (10) sind Kühlkanäle (44) angeordnet, die im Wesentlichen parallel zu den Seitenwänden des Grundkörpers (10) und zu den Seitenwänden des Innenraumes des Grundkörpers (10) verlaufen. Ein Kühlkanal (44) wird jeweils von einem ersten Abschnitt (44a) und einem zweiten Abschnitt (44b) gebildet. Diese beiden Abschnitte (44a, 44b), die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sind derart miteinander verbunden, dass ein Kreislauf gebildet wird. Dabei können die beiden Kühlkanalabschnitte (44a, 44b) beispielsweise aufeinander zu laufen.
Der erste Abschnitt (44a) des Kühlkanals (44) verläuft dabei mit dem geringsten Abstand zu dem Hohlraum (42) des Grundkörpers (10) der Steckverbindung-Vorrichtung (12). Dadurch wird erreicht, dass das Kühlfluid (46), das durch den Kreislauf, der von den Abschnitten (44a, 44b) eines Kühlkanals (44) gebildet wird, geführt wird, eine große Menge an thermischer Energie oder Wärme aufnehmen kann. Wärme entsteht in dem hinteren Bereich des Grundkörpers (10) beispielsweise durch austretendes Fehllicht. Durch die kontinuierliche Zuführung von frischem Kühlfluid (46) durch die Kühlkanäle (44) kann die durch den Austritt von Fehllicht entstehende Wärme besonders effizient aus dem Grundkörper (10) abgeführt werden. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, wenn die Kühlkanäle (44) im Wesentlichen symmetrisch um den Hohlzylinder herum verlaufen.
Der zweite Bereich (44b) des Kühlkanals (44) dient als Rücklauf für das Kühlfluid (46) zu einer zweiten Zuleitung (48b), an einer Außenwand im vorderen Bereich (10) des Grundkörpers (10). Das Kühlfluid (46) kann über eine erste Zuleitung (48a) in die Kühlkanäle (44) zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Grundkörper
12: Stecker oder Steckverbindung-Vorrichtung
14: hülsenförmige Haltevorrichtung oder Bolzen
16: optische Faser
18: Kapillare
20: Laserlicht oder Lichtstrahl
22: Innendurchmesser d1
24: Innendurchmesser d2
26: erster Bereich der Kapillare
28: zweiter Bereich der Kapillare
30: Übergangsbereich
42: Hohlraum
44: Kühlkanäle
44a: erster Abschnitt eines Kühlkanals
44b: zweiter Abschnitt einer Kühlkanals
46: Kühlfluid
48: Zuleitungen für das Kühlfluid
48a: erste Zuleitung zum Zuführen des Kühlfluids
48b: zweite Zuleitung zum Abführen des Kühlfluids
50: Fenster
56: Modenstripper
58: Cladding
60: Gasverbindung oder Gasleitung
62: Kappen-Vorrichtung (nicht dargestellt)
64: Faser-Coating
66: Faserkern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011085637 A1 [0003]
EP 0905534 B1 [0004]
US 5291570 A [0004]

Claims

Grundkörper (10) einer Steckverbindungs-Vorrichtung (12) mit einer Haltevorrichtung (14) für eine optische Faser (16) zum Transport von Laserlicht (20) dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) hülsenförmig ausgebildet ist und in der Haltevorrichtung (14) zumindest teilweise eine Kapillare (18) zur Führung der optischen Faser (16) angeordnet vorliegt, wobei die Kapillare (18) einen ersten Innendurchmesser d1 (22) und einen zweiten Innendurchmesser d2 (24) aufweist, wobei der erste Innendurchmesser d1 (22) größer ist als der zweite Innendurchmesser d2 (24) und die Kapillare (18) in einem Befestigungsbereich, in dem die Kapillare (18) von der Haltevorrichtung (14) gehalten wird, den ersten Innendurchmesser d1 (22) aufweist und die optische Faser (16) in einem Innenraum der Kapillare (18) angeordnet vorliegt.
Grundkörper (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der optischen Faser (16) in einen Hohlraum (42) eines Kühlkörpers hineinragt und/oder der Hohlraum (42) des Kühlkörpers von der hülsenförmigen Haltevorrichtung (14) abdichtbar ist.
Grundkörper (10) nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper Kühlkanäle (44) umfasst, die mit einem Kühlfluid (46) gefüllt sind, wobei das Kühlfluid (46) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Gas, Gasgemisch und/oder Flüssigkeit.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kühlkanal (44) zwei Zuleitungen (48) aufweist, wobei durch eine erste Zuleitung (48a) das Kühlfluid (46) zuführbar und durch eine zweite Zuleitung (48b) das Kühlfluid (46) abführbar ist und sich die Kühlkanäle (44) im Wesentlichen entlang einer gesamten Länge des Grundkörpers (10) erstrecken.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindungs-Vorrichtung (12) in einem vorderen Bereich ein Fenster (50) aufweist und in einem hinteren Bereich die Haltevorrichtung (14) für die optische Faser (16) zum Transport des Laserlichts (20), wobei das Laserlicht (20) in dem vorderen Bereich die Steckverbindungs-Vorrichtung (12) durch das Fenster (50) verlässt und in dem hinteren Bereich von einer Laserquelle kommend in die Steckverbindungs-Vorrichtung (12) eintritt.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (18) ein Material umfasst mit einem Brechungsindex kleiner oder gleich dem Brechungsindex eines Mantelmaterials der optischen Faser (16).
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (18) ein Material umfasst mit einem Brechungsindex größer dem Brechungsindex eines Mantelmaterials der optischen Faser (16).
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der optischen Faser (16) und der Kapillare (18) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Schmelzen, Aufschrumpfen, Kleben und/oder Bonding.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (16) mit der Kapillare (18) unverbunden in derselben vorliegt.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (18) und/oder Kapillare (18) einen Modenstripper (56) umfasst.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (42) des Grundkörpers (10) mittels einer Verbindung (60), die mit dem Hohlraum (42) verbunden vorliegt, mit einem Gas oder einem Gasgemisch befüllbar oder evakuierbar ist.
Grundkörper (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmige Haltevorrichtung (14) an seiner dem Hohlraum (42) des Grundkörpers (10) zugewandten Seite eine abnehmbare Kappen-Vorrichtung (62) zum Schutz des Faserendes aufweist.