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Die Erfindung betrifft eine optische Faser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen optischen Faser. Die optische Faser dient dabei insbesondere zur medizinischen Laserbehandung.
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Bei optischen Fasern, die zur Übermittlung von Licht, insbesondere Laserlicht, eingesetzt werden, mit dem eine Bearbeitung eines Werkstücks oder eine Behandlung erfolgen soll, weist die optische Faser üblicherweise einen Austrittsabschnitt auf, aus dem das Licht austritt. Um ein Auskoppeln des in der optischen Faser propagierenden Lichts zu ermöglichen, sind unterschiedliche Verfahren und Ansätze bekannt. Gemäß einem ersten Konzept wird eine Endfläche der Faser angeschliffen, sodass eine Spitze ausgebildet ist, an der das Licht radial oder all-gemein unter einem Winkel bezogen auf eine Axialrichtung austreten kann. Auch ist die Einbringung einer gestuften Endstruktur mithilfe eines Lasers an einer Stirnendseite der Faser bekannt, wie es beispielsweise aus dem Aufsatz „Femto-second laser and arc discharge induced microstructuring on optical fiber tip for the multi directional firing“, Ik-Bu Sohn et al., Optics Express 18,19755-19760 (2010), zu entnehmen ist. Eine weitere Möglichkeit zum Erzeugen einer radialen Abstrahlungscharakteristik ist die Anordnung von Reflektorelementen am Ende der optischen Faser.
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Ein neuerer Ansatz wird in dem Artikel „Radial-firing optical fiber-tip containing conical-shaped air-pocket for biomedical applications“, Seung Ho Lee et al., Optics Express 21254 - 21263 (2015) beschrieben. Zur Herstellung einer derartigen Faser wird in einem ersten Schritt endseitig an einem optischen Faserstrang eine optische Hohlfaser befestigt, welche anschließend bereichsweise einem elektrischen Entladungsbogen ausgesetzt wird, sodass ein lokales Erwärmen und Erweichen des Mantelmaterials der Hohlfaser sowie ein Verschließen des Hohlraums unter Verbleib eines inneren in etwa tropfenähnlichen Freiraums erfolgt. Hierbei werden Grenzflächen ausgebildet, die schräg zur Axialrichtung orientiert sind und über die ein etwa radiales Auskoppeln des Lichts erreicht wird, sodass eine etwa ringförmige Abstrahlungscharakteristik erzielt wird.
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In der US-Patentschrift
US 4,842,390 A wird eine becherförmige Kappe für einen Lichtwellenleiter offenbart, die über den Lichtwellenleiter gestülpt und mit diesem verklebt wird. Um einen schädlichen Druckaufbau in der becherförmigen Kappe zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Kappe zu evakuieren.
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In der US-Patentschrift
US 5,571,099 A wird vorgeschlagen, eine keilförmige Spitze eines Lichtwellenleiters in einer becherförmigen Kappe aufzunehmen, wobei Licht an der Keilform des Lichtwellenleiterendes reflektiert wird.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Faser mit radialer Abstrahlungscharakteristik sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Faser anzugeben, welche im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine verbesserte Langzeitbeständigkeit aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Faser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Die nachfolgend im Zusammenhang mit der optischen Faser angeführten Merkmale und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden und umgekehrt.
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Die optische Faser umfasst einen Austrittsabschnitt für Licht mit radialer Abstrahlungscharakteristik, wobei der Austrittsabschnitt sich in einer Axialrichtung erstreckt und zumindest einen inneren, nach außen abgeschlossenen Freiraum aufweist, welcher eine schräg zur Axialrichtung geneigte Grenzfläche umfasst, sodass beim Betrieb ein innerhalb der Faser propagierendes Licht gebrochen und unter einem von der Axialrichtung abweichenden Winkel aus der Faser austritt. Innerhalb des Freiraums ist weiterhin zumindest ein Unterdruck gegenüber einem normalen Umgebungsdruck eingestellt. Hierunter wird verstanden, dass im Frei-raum maximal ein Druck von 700 hPa oder geringer herrscht. Der übliche Umgebungsdruck liegt etwa um die Hälfte höher. Der mittlere Normdruck liegt beispielsweise bei 1.013 hPa.
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Vorzugsweise ist im Freiraum ein Vakuum mit einem Druck von ≤ 300 hPa, speziell ≤ 3000 Pa eingestellt. Im Freiraum herrscht insbesondere ein Grobvakuum. Bevorzugt ist ein Vakuum mit einem Druck im Bereich von 3000 Pa bis 0,1 Pa eingestellt.
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Die optische Faser dient allgemein zur Übermittlung von hochenergetischem Licht, insbesondere Laserlicht zu einer Bearbeitungs- oder Behandlungsposition. Die übertragene und ausgekoppelte Lichtleistung liegt dabei insbesondere im Bereich von zumindest mehreren Watt. Insbesondere wird die optische Faser für medizinische Laserbehandlungen eingesetzt, wie beispielsweise zur inneren Ablation von Gewebe oder einem anderen medizinischen intra- oder auch extrakorporalen Behandlungsverfahren. Daneben eignet sich eine derartige optische Faser grundsätzlich aber auch für andere Anwendungen, bei denen an einer Bearbeitungsposition ein radiales Austreten von Licht gewünscht ist.
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Für den bevorzugten Anwendungszweck der medizinischen Laserbehandlung ist die optische Faser insgesamt zur Übertragung einer Lichtleistung im Bereich beispielsweise von 0,1 W bis 150 W und typischerweise im Bereich von einigen Watt, insbesondere im Bereich von 5 bis 50 Watt ausgebildet.
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Unter radialer Abstrahlungscharakteristik wird vorliegend allgemein verstanden, dass das Licht unter einem Winkel von beispielsweise zumindest 20 relativ zur Axialrichtung aus der optischen Faser austritt. Der Austrittsabschnitt ist weiterhin üblicherweise ein Endabschnitt der optischen Faser. Unter Grenzfläche wird allgemein die Begrenzungsfläche des Freiraums zu dem den Freiraum umgebenden Material verstanden.
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Zur Herstellung einer derartigen optischen Faser wird ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 eingesetzt. Zur Erzeugung des Austrittsabschnitts wird hierbei an einen Hauptstrang der Faser ein Hohlkörper angebracht, wobei anschließend durch bereichsweises Erwärmen des Hohlkörpers dessen (Mantel-) Material erweicht wird, sodass sich eine Einschnürung und dadurch ein nach außen abgeschlossener innerer Freiraum ausbildet. Das Verfahren erfolgt hierbei bei Unterdruck und insbesondere zumindest bei Grobvakuum, sodass im Freiraum der gewünschte Unterdruck gegenüber einem normalen Umgebungsdruck eingestellt wird.
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Der Unterdruck bzw. das Vakuum muss dabei zumindest beim Verschließen des Freiraums anliegen, sodass also der gewünschte Unterdruck im Freiraum ausgebildet wird. Durch den Unterdruck wird quasi Luft aus dem sich schließenden Freiraum abgesaugt.
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Unter Einschnürung wird vorliegend allgemein ein Fließen des Wandungsmaterials des Hohlkörpers in den Hohlraum hinein und die Ausbildung einer End- oder Trennwandung verstanden, die vertikal zur Axialrichtung orientiert ist. Diese Wandung kann dabei wahlweise stirnendseitig des Hohlkörpers oder auch im Inneren des Hohlkörpers ausgebildet werden.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass es - einerseits beim Herstellen der Faser mit dem Freiraum und insbesondere auch bei einem nachfolgenden Betrieb aufgrund der hohen Lichtleistung - zu einer thermischen und damit auch zu einer mechani-schen Belastungen im Bereich des Austrittsabschnitts kommt, was im Laufe der Zeit zu einer Abtrennung des Austrittsabschnitts vom Hauptstrang, also zur Funktionsunfähigkeit führen kann. Durch die Einstellung eines Vakuums im Freiraum wird diese Gefahr zumindest reduziert. Durch das Vakuum befinden sich innerhalb des Freiraums nur noch wenige Luftpartikel, sodass eine durch Erwärmen bedingte Ausdehnung der Luft und damit eine durch Wärme bedingte mechanische Stressbelastung deutlich reduziert ist, sodass insgesamt die Langzeitbeständigkeit der optischen Faser verbessert ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass durch den Unterdruck die Ausbildung der Freiräume ebenfalls unterstützt wird.
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Zur Ausbildung des Unterdrucks wird zweckdienlicherweise der Hohlkörper mit einem Teilbereich über einen Endabschnitt des Hauptstrangs gestülpt, und zwar derart, dass zwischen einer Innenwandung des Hohlkörpers und dem Außenumfang des Endabschnitts ein Zwischenraum gebildet ist, welcher einen Saugraum definiert, über den während des Verfahrens Luft aus dem Hohlkörper abgesaugt wird. Es ist daher ein sehr gezieltes Absaugen lediglich aus dem Innenraum des Hohlkörpers vorgesehen. Um den gewünschten Unterdruck zu erzeugen ist beispielsweise an einem dem Hauptstrang zugewandten Endstück des Hohlkörpers eine Art Saugglocke befestigt, welche mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen des gewünschten Vakuums verbunden ist. Diese Saugglocke ist dabei insbesondere beabstandet von den lokalen Erwärmungsstellen und damit den später ausgebildeten Einschnürungen angeordnet, sodass also Absaugung und lokales Erwärmen voneinander unbeeinflusst sind.
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In einer bevorzugten Ausbildung sind in Axialrichtung mehrere Freiräume hintereinander angeordnet. Herstellungstechnisch wird dies erreicht, indem in Axialrichtung beabstandet zueinander mehrere Einschnürungen durch eine jeweils lokale Wärmebehandlung ausgebildet werden. Durch die Anordnung von mehreren hintereinander geschalteten Freiräumen, insbesondere von zwei Freiräumen, wird allgemein ein möglichst großer Lichtanteil radial ausgekoppelt.
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Die ausgebildeten Freiräume sind im Hinblick auf ihre Geometrie zueinander vorzugsweise ähnlich und insbesondere identisch. Alternativ hierzu können sie auch zueinander unterschiedlich ausgebildet sein, um beispielsweise unterschiedliche Abstrahlcharakteristika zu erreichen.
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Insbesondere aufgrund des speziellen Herstellungsverfahrens mit der Ausbildung der Einschnürung durch partielles, bereichsweises Erweichen und Verformen des Mantelmaterials des Hohlkörpers ist die Grenzfläche des Freiraums zumindest abschnittsweise konvex gekrümmt. Diese gewölbte Grenzfläche bildet sich insbesondere aufgrund von Oberflächenspannungen in der Glasschmelze aus. Der Freiraum ist insgesamt in etwa kugelförmig und bevorzugt tropfenförmig ausgebildet. Insbesondere weist der Freiraum eine in Richtung zum Hauptstrang orientierte Verjüngung auf. Im Bereich dieser Verjüngung sind Abschnitte der Grenzfläche schräg zur Axialrichtung orientiert, an denen das im Hauptstrang propagierende Licht entsprechend den optischen Brechungsgesetzen gebrochen wird. Eine weitere Brechung erfährt das Licht beim Austritt aus dem Freiraum in das (Mantel-) Material und schließlich beim Verlassen des (Mantel-)Materials. Insgesamt tritt hierdurch das reflektierte Licht unter einem definierten Winkel bezüglich der Axial-richtung aus der Faser aus. In dem zum Hauptstrang orientierten Bereich des Frei-raums ist dieser vorzugsweise in etwa nach Art eines Kegels ausgebildet.
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Bei dem eingesetzten Hohlkörper handelt es sich zweckdienlicherweise um eine einfache Glaskapillare, die also für den Austrittsabschnitt verwendet ist. Unter einfacher Glaskapillare wird insbesondere verstanden, dass der Hohlkörper und da-mit der Austrittsabschnitt - speziell an der Innenwandung des Hohlraums und da-mit des Freiraums - keine (Innen-) Beschichtung zur Reflexion oder Brechung des Lichts aufweist, wie dies bei optischen Hohlfasern üblicherweise der Fall ist, die gemäß dem eingangs zitierten Artikel „Radial-firing optical fiber-tip containing conical-shaped air-pocket for biomedical applications“ verwendet werden. Neben dem einfacheren und damit kostengünstigeren Aufbau im Vergleich zu einer Verwendung von optischen Hohlfasern wird durch die Verwendung einer einfachen Glaskapillare zudem auch eine optisch bessere Funktion im Vergleich zu einer optischen Hohlfaser erreicht. Da optische Hohlfasern üblicherweise einen mehrlagigen Wandungsaufbau aufweisen, haben diese im Vergleich zu einer einfachen, aus Glas bestehenden Glaskapillare bei gleicher Wandstärke eine kleinere numerische Apertur.
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Je nach Anwendung besteht weiterhin die Möglichkeit, außen auf die Glaskapillare, also außen auf den Austrittsabschnitt ergänzend einen Schutzmantel, beispielsweise aus einem Polymer und ggf. nach Art einer Beschichtung aufzubringen.
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Im Unterschied zu der einfachen Glaskapillare weist der Hauptstrang eine optische Faser mit einem mehrlagigen Aufbau auf. Die optische Faser umfasst hierbei einen optischen Kern sowie einen Mantel, welcher zumindest ein auf den optischen Kern aufgebrachtes Cladding aufweist. Dieses Cladding besteht dabei üblicherweise aus einem Polymermaterial. Das Cladding dient zur Gewährleistung der Totalreflexion innerhalb des optischen Kerns bei der Propagation des Lichts in Axialrichtung. Vorzugsweise umfasst der Mantel weiterhin eine äußere nach Art eines Schutzmantels ausgebildete Schutzschicht, insbesondere aus einem Polymer.
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Wie bereits dargelegt ist der Hohlkörper, also die Glaskapillare, in einem Verbindungsbereich, in dem der Hauptstrang und der Hohlkörper miteinander verbunden sind, vorzugsweise über den Hauptstrang gestülpt, umgibt diesen also. Der Hohl-körper ist dabei über eine Länge über die optische Faser gestülpt, die vorzugsweise mehrere Millimeter beträgt. Die Länge ist dabei insbesondere größer als der Durchmesser des Hauptstrangs. Insbesondere beträgt die Länge ein Vielfaches des Durchmessers, zumindest das Zweifache. Durch diese große Länge ist ein sicheres und zuverlässiges Herstellungsverfahren und zudem eine zuverlässige und dauerhafte Befestigung des Hohlkörpers am Hauptstrang gewährleistet.
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Speziell beträgt die Länge mehrere Millimeter, beispielsweise zumindest 3 mm oder zumindest 5 mm. Auch ist ein Großteil des Hohlkörpers über den Hauptstrang gestülpt, d.h. mehr als 50% und vorzugsweise etwa 2/3 des Hohlkörpers sind über den Hauptstrang gestülpt und lediglich in dem verbleibenden Restbereich ist zunächst ein in etwa zylindrischer Hohlraum ausgebildet, der beim Herstellungsverfahren dann für die Ausbildung des zumindest einen Freiraums herangezogen wird.
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Die Glaskapillare ist - im Ausgangszustand vor dem Befestigen am Hauptstrangentweder als ein Hohlzylinder mit beidseitig offenen Stirnseiten oder als ein einseitig, durch einen beispielsweise kalottenförmigen Boden verschlossener Hohlzylinder ausgebildet.
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Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Freiräumen, also der Abstand zwischen einem rückseitigen Ende des ersten Freiraums und einem vorderen Ende des nachfolgenden zweiten Freiraums liegt vorzugsweise im Bereich einiger Millimeter und insbesondere zwischen 1 bis 3 mm, vorzugsweise etwa im Bereich von 1,5 mm. Durch den Versatz in Längsrichtung und gleichem radialem Abstrahlungswinkel des ausgekoppelten Lichts werden im Betrieb zwei zueinander konzentrische Abstrahlringe erzeugt.
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Bei mehreren aufeinander folgenden Freiräumen sind die Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Freiräumen vorzugsweise identisch. Alternativ können sie in Axialrichtung auch zu- oder abnehmen.
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Die Gesamtlänge des Hohlkörpers liegt typischerweise im Bereich von mehreren Millimetern, insbesondere beispielsweise im Bereich von 3 bis 15 mm und vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 10 mm.
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Zweckdienlicherweise weist der Hohlkörper - zumindest im Ausgangszustand vor dem Erwärmen - einen Innendurchmesser auf, welcher größer als der Durchmesser des optischen Kerns ist. Hierdurch werden gute optische Ankopplungseigenschaften zwischen dem Hauptstrang und dem Austrittsabschnitt erreicht. Zudem wird hierdurch das Überstülpen des Hohlkörpers über den Hauptstrang ermöglicht. Der Innendurchmesser ist dabei lediglich geringfügig größer als der Durchmesser des optischen Kerns, beispielsweise lediglich um etwa 5% bis maximal 20%, bezogen auf den Durchmesser des optischen Kerns. Im endgefertigten Zustand führt dies dazu, dass die Freiräume senkrecht zur Axialrichtung eine Ausdehnung auf-weisen, welche vorzugsweise zumindest in etwa dem Außendurchmesser des optischen Kerns entspricht.
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Im Verbindungsbereich, in dem der Hohlkörper über den Hauptstrang gestülpt ist, ist in bevorzugter Weiterbildung weiterhin der Mantel des Hauptstrangs zumindest größtenteils und vorzugsweise vollständig entfernt und der Hohlkörper ist mit dem optischen Kern verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, dass sämtliches Polymer-material zwischen dem Hauptstrang und dem Hohlkörper vor der Ausbildung der Verbindung zwischen dem Hohlkörper und dem optischen Kern entfernt ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante sind dabei der Hohlkörper und der optische Kern durch eine Schmelzverbindung miteinander verbunden, d.h. das Material des Hohlkörpers und das des optischen Kerns sind im Grenzbereich miteinander verschmolzen.
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Alternativ hierzu ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eine Klebeverbindung zwischen Hohlkörper und Hauptstrang vorgesehen. Dies erfolgt mit-hilfe eines geeigneten Klebers, welcher eine gewisse Elastizität aufweist. Eine derartige elastische Klebeverbindung hat sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die thermische Belastung und der durch die thermische Belastung hervorgerufenen mechanischen Beanspruchungen gezeigt. Durch diese Klebeverbindung mit einem elastischen Kleber wird die Langzeitbeständigkeit zusätzlich verbessert. Als elastischer Kleber werden beispielsweise Acryl basierte oder Epoxidharz basierte Kleber eingesetzt.
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Im Hinblick auf eine möglichst gute Verbindung zwischen Hohlkörper und optischem Kern, insbesondere im Hinblick auf eine möglichst gute optische Anbindung, sind diese beiden Elemente aus dem gleichen Grundmaterial, also insbesondere aus dem gleichen Glas-Grundmaterial. Der optische Kern kann hierbei insbesondere in einer Mantelschicht ein beispielsweise mit Fluor dotiertes Glas-Grundmaterial aufweisen. Bis auf die Dotierung sind die Materialien vorzugsweise identisch.
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Zweckdienlicherweise ist im Verbindungsbereich zusätzlich ein Schrumpfschlauch aufgebracht, welcher also gemeinsam den Hauptstrang und den Hohlkörper über-deckt. Hierdurch ist insbesondere die Verbindungsstelle zwischen Hauptstrang und dem Endstück des Hohlkörpers zusätzlich geschützt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine ausschnittsweise Ansicht einer optischen Faser mit einem endseitigen Austrittsabschnitt für Licht,
- 2 einen Austrittsabschnitt zur Illustration von Lichtpfaden,
- 3 eine ausschnittsweise Ansicht eines Hauptstrangs mit daran angebrachtem Hohlkörper zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens
- 4 eine weitere ausschnittsweise Ansicht im Bereich des Austrittsabschnitts zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens sowie des Auf-baus sowie
- 5 eine weitere schematisierte Ansicht im Bereich des Austrittsabschnitts zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens und der Erzeugung eines Unterdrucks im Hohlkörper.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 schematisch dargestellte Endabschnitt einer optischen Faser 2 weist an seinem Ende einen Austrittsabschnitt 4 auf, welcher sich an einen Hauptstrang 6 der optischen Faser 2 anschließt. Der Austrittsabschnitt 4 bildet ein Ende der optischen Faser 2 aus. Im Betrieb wird in die Faser 2 an einem dem Austrittsabschnitt gegenüberliegenden Ende Licht L eingekoppelt. Die optische Faser 2 erstreckt sich in Axialrichtung 8 bis zu dem endseitig angeordneten Austrittsabschnitt 4. Innerhalb des Austrittsabschnitts 4 sind zwei etwa tropfenförmige Freiräume 10A, 10B gebildet, in denen ein Vakuum herrscht. Die Freiräume 10A, 10B sind jeweils von einer Grenzfläche 18 begrenzt, die den Übergang zu dem umgebenden Material definiert. Zwischen den beiden Freiräumen 10A, 10B ist eine Einschnürung 22 ausgebildet.
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Bei dem Hauptstrang 6 handelt es sich um eine Faser mit einem mehrlagigen Auf-bau, wie nachfolgend im Zusammenhang mit der 4 noch näher erläutert wird. Bei dem Austrittsabschnitt 4 handelt es sich demgegenüber um ein einfaches Glaselement ohne weitere Reflexionsbeschichtung oder Cladding. Der Austrittsabschnitt 4 ist durch einen im Ausgangszustand als Glaskapillare ausgebildeter Hohlkörper 12 (vgl. 3 - 5) gebildet. Der Austrittsabschnitt 4 weist daher im Unterschied zu dem Hauptstrang 6 keinen speziellen mehrlagigen Aufbau auf und besteht vorzugsweise vollständig - bis auf einen eventuellen Schutzmantel - aus einem homogenen Glas-Werkstoff.
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In 2 sind beispielhaft Lichtpfade L1, L2 des sich in der optischen Faser 2 aus-breitenden Lichts L dargestellt. Innerhalb des Hauptstrangs 6 propagiert das Licht L in an sich bekannter Weise in Längs- oder Axialrichtung 8 durch Totalreflexion im Grenzbereich zwischen einem optischen Kern 14 sowie einem diesen umgebenden Cladding16 (vgl. 4). Das propagierende Licht L trifft im Austrittsabschnitt 4 auf die schräg zur Längsrichtung 8 orientierte Grenzfläche 18 des ersten Freiraums 10A auf. Das Licht L wird dort entsprechend den üblichen optischen Brechungsgesetzen aufgrund des Brechungsindex-Unterschieds zwischen dem Brechungsindex ng des optischen Kerns 14 (Glas) und dem Brechungsindex n0 des Freiraums 10A (Vakuum) gebrochen. Entsprechend wird das Licht L auch beim Austritt aus dem Freiraum 10A wiederum an der Grenzfläche 18 gebrochen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind zwei Lichtpfade L1, L2 dargestellt. Der Lichtpfad L1 wird dabei aufgrund seines Einfallwinkels auf den vorderen Abschnitt der Grenzfläche 18 des ersten Freiraums 10A stärker gebrochen und verlässt den Austrittsabschnitt unter einem ersten Austrittswinkel α1 unmittelbar, ohne den zweiten Freiraum 10A, 10B zu berühren. Demgegenüber wird der zweite Lichtpfad L2 im ersten Freiraum 10A geringer gebrochen, sodass er zusätzlich in den zweiten Freiraum 10Beindringt und dort wiederum entsprechend den Brechungsgesetzen sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt an der Grenzfläche 18 gebrochen wird. Der zweite Lichtpfad L2 tritt aus der optischen Faser 2 unter einem zweiten Austrittswinkel α2 aus. Aufgrund der Rotationssymmetrie bilden sich daher insgesamt zwei Abstrahlringe aus.
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Insgesamt wird durch diesen Aufbau insoweit eine radiale Abstrahlungscharakteristik erzeugt, als dass das in der optischen Faser 2 propagierende Licht L nicht nach vorne in Axialrichtung 8, sondern vielmehr unter einem Austrittswinkel α1, α2 aus dem Austrittsabschnitt 4 austritt. Die Austrittswinkel α1, α2 sind dabei typischerweise größer als 20° und vorzugsweise größer als 30°. Im Ausführungsbei-spiel beträgt der erste Austrittswinkel α1 etwa 35° und der zweite Austrittswinkel α2 etwa 25°.
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Die Herstellung der optischen Faser 2 mit dem endseitigen Austrittsabschnitt 4 wird nachfolgend anhand der 3 bis 5 näher erläutert. Zur Ausbildung des Austrittsabschnitts 4 wird an den Hauptstrang 6 zunächst der als Glaskapillare ausgebildete Hohlkörper 12 teilweise über den Hauptstrang 6 gestülpt. Schließlich wird die Glaskapillare beispielsweise durch Ankleben oder auch durch Anschmelzen an dem Hauptstrang 6 befestigt. Bei der Glaskapillare kann es sich um einen zylindrischen Hohlkörper mit beidseitig offenen Stirnenden (3) oder auch um eine einseitig geschlossene Kapillare 12 handeln (4). Im nachfolgenden Schritt wird an lokal definierten Stellen, die in der 3 durch Pfeile 19 angedeutet sind, das Material des Hohlkörpers 12 bis oberhalb des Erweichungspunktes erwärmt, sodass das Material der Wandung 20 des Hohlkörpers 12 quasi kollabiert. Das Material von gegenüberliegenden Wandungsbereichen verbindet sich miteinander und bildet eine Einschnürung 22 (vgl. hierzu 1) aus.
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Zum definierten lokalen Erwärmen des Hohlkörpers 12 wird beispielsweise ein elektrischer Entladungsring um den Hohlkörper 12 herum erzeugt, sodass sich insbesondere ein heißes Plasma ringförmig um den Hohlkörper 12 ausbildet. Ein solches Verfahren zur Ausbildung der Freiräume 10A, 10B ist beispielsweise in der eingangs genannten Veröffentlichung „Radial-firing optical fiber-tip containing conical-shaped air-pocket for biomedical applications“ beschrieben. Alternativ zu der Verwendung eines Plasmas durch Entladungsbögen wird zur Erwärmung und zur Ausbildung der Einschnürungen 22 beispielsweise ein Laserstrahl eingesetzt. Auch die Verbindung des Hohlkörpers 12 mit dem Hauptstrang 6 durch partielles Aufschmelzen des Materials in der Grenzschicht zwischen Hohlkörper 12 und Hauptstrang 6 erfolgt insbesondere in gleicher Weise.
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Insgesamt bilden sich durch dieses lokale Aufschmelzen die in den 1 und 2 dargestellten Freiräume 10A, 10B aus.
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Von besonderer Bedeutung bei dem hier beschriebenen Verfahren ist, dass während des Verfahrens ein Vakuum angelegt wird, sodass sich in den entstehenden Freiräumen 10A, 10B ein Vakuum ausbildet. In der stark vereinfachten, schematisierten Darstellung der 3 ist das Absaugen von Luft und Anlegen von Vakuum durch die Pfeile 23 angedeutet.
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Aus der 4 geht das Verfahren und der Aufbau mit mehr Details hervor. Ein besonderes Merkmal beim Verbinden des Hohlkörpers 12 mit dem Hauptstrang 6 ist darin zu sehen, dass eine Verbindung zwischen dem Glas des Hohlkörpers 12 sowie dem Glas des optischen Kerns 14 erfolgt. Wie aus der 4 zu erkennen ist, weist der Hauptstrang 6 den optischen Kern 14 auf, welcher von einem Mantel 24 umgeben ist. Im Ausführungsbeispiel weist der optische Kern 14 einen Glas-kern 14a sowie einen Kernmantel 14b auf. Bei dem Kernmantel 14b handelt es sich um eine beispielsweise mit Fluor dotierte Schicht des Kerns 14. Der Mantel 24 wiederum weist zunächst das Cladding 16 aus einem Polymerwerkstoff sowie eine äußere Schutzschicht 26 ebenfalls aus einem Polymermaterial, beispielsweise Nylon, auf.
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Der Hauptstrang 6 der optischen Faser 2 weist mit einem derartigen Aufbau insgesamt einen Gesamtdurchmesser D auf, welcher üblicherweise im Bereich von 50 µm und 2 mm liegt. Vorzugsweise liegt er im Bereich oberhalb von 500 µm und insbesondere im Bereich zwischen 1.000 und 1.800 µm. Im Ausführungsbeispiel liegt er beispielsweise bei 1.300 µm.
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Der optische Kern 14 weist einen Durchmesser d1 auf, welcher beispielsweise im Bereich zwischen 30% und 70% des Gesamtdurchmessers D und insbesondere bei etwa 50% des Gesamtdurchmessers D liegt. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser d1 des optischen Kerns 14 etwa 600 µm. Der mit der Dotierung versehene Kernmantel 14b weist üblicherweise eine Wandstärke im Bereich von einigen 10 µm auf, im Ausführungsbeispiel etwa 20 bis 40 µm. Der Durchmesser des Glaskerns 14a beträgt im Ausführungsbeispiel beispielsweise etwa 550 µm.
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Wie weiterhin aus der 4 zu entnehmen ist, ist der Hohlkörper 12 in einem Verbindungsbereich 28 über den optischen Kern 14 mit einer Länge A geschoben. In dem Verbindungsbereich 28 ist der Mantel 24 des Hauptstrangs 6 entfernt. Diese Länge A liegt dabei typischerweise im Bereich von mehreren Millimetern und er-streckt sich über den größten Teil des Hohlkörpers 12. Innerhalb des übergestülpten Bereichs erfolgt die Verbindung zwischen dem optischen Kern 14 und dem Hohlkörper 12, beispielsweise durch Verschmelzen oder alternativ auch durch ei-nen elastischen Kleber. Der über den optischen Kern 14 überstehende Bereich des Hohlkörpers 12 liegt insbesondere lediglich im Bereich von wenigen Millimetern, beispielsweise im Bereich zwischen 2 bis 5 mm.
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Im unmittelbaren Übergangsbereich zwischen dem Hohlkörper 12 und dem Hauptstrang 6, an dem also der Hohlkörper 12 endet und dort beispielsweise direkt an den Mantel 24 anstößt, ist weiterhin ein Schrumpfschlauch 32 angeordnet. Dieser ist insbesondere lediglich im Übergangsbereich angeordnet und erstreckt sich im Ausführungsbeispiel vorzugsweise um lediglich wenige Millimeter über den Hohlkörper 12.
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Der in 4 dargestellte Aufbau ist in ähnlicher Weise nochmals in 5 dargestellt. Gut zu erkennen ist hierbei der im Verbindungsbereich 28 vom Mantel 24 befreite optische Kern 14. Der Hohlkörper 12 weist einen Innendurchmesser d2 auf, welcher größer als der Durchmesser d1 des optischen Kerns 14 ist. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser d2 um mehrere 10 µm größer, insbesondere um 50 bis 200 µm größer als der Durchmesser d1 des optischen Kerns 14. Hierdurch ist zwischen dem optischen Kern 14 und dem Hohlkörper 12 im Verbindungsbereich 28 ein Saugraum 34 ausgebildet, über den beim Verfahren die Luft aus dem Hohlkörper 12 abgesaugt wird. Sofern es sich bei dem Hohlkörper 12 nicht um eine bereits mit einem Boden versehene Kapillare handelt, wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist, so wird durch das Aufschmelzen und Ausbilden einer endseitigen Einschnürung 22 zunächst der Hohlkörper 12 endseitig verschlossen, bevor die Freiräume 10 ausgebildet werden.
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In 5 ist weiterhin schematisiert eine Saugglocke 36 dargestellt, die dichtend am Außenumfang des Hohlkörpers 12 anliegt. Das Absaugen der Luft ist wiederum durch die Pfeile 23 angedeutet.
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Weiterhin weist der Hohlkörper 12 einen Außendurchmesser auf, welcher vorzugsweise größer oder gleich dem Gesamtdurchmesser D ist. Der Außendurchmesser des Hohlkörpers 12 kann den Gesamtdurchmesser D um mehrere 100 µm, beispielsweise um bis zu 500 µm oder auch um bis zu 1.000 µm übersteigen. Durch das Herstellungsverfahren bedingt kann der Austrittsabschnitt 4 insgesamt auch eine konvex gekrümmte Außenoberfläche haben, wie dies beispielsweise in 2 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- optische Faser
- 4
- Austrittsabschnitt
- 6
- Hauptstrang
- 8
- Axialrichtung
- 10A, B
- Freiraum
- 12
- Hohlkörper
- 14
- optischer Kern
- 14a
- Glaskern
- 14b
- Kernmantel
- 16
- Cladding
- 18
- Grenzfläche
- 20
- Wandung
- 22
- Einschnürung
- 19, 23
- Pfeil
- 24
- Mantel
- 26
- Schutzschicht
- 28
- Verbindungsbereich
- 32
- Schrumpfschlauch
- 34
- Saugraum
- 36
- Saugglocke
- A
- Länge
- α1
- erster Austrittswinkel
- α2
- zweiter Austrittswinkel
- D
- Gesamtdurchmesser
- d1
- Durchmesser optischer Kern
- d2
- Innendurchmesser
- L
- Licht
- L1
- erster Lichtpfad
- L2
- zweiter Lichtpfad
