DE102017114002A1

DE102017114002A1 - Lichtleitfasereinheit mit Faserendkappe und Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfasereinheit

Info

Publication number: DE102017114002A1
Application number: DE102017114002.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Pricking; Stefan Baumbach; Johannes Overbuschmann
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-24
Also published as: DE102017114002B4; WO2018234081A1

Abstract

Eine Lichtleitfasereinheit (1) umfasst eine Lichtleitfaser (3), die einen lichtführenden Bereich (27) und an einem Faserende eine Endfläche (5) zur Einkopplung von Licht (7) in den lichtführenden Bereich (27) oder Auskopplung von Licht (7) aus dem lichtführenden Bereich (27) aufweist, wobei das Licht (7) durch einen inneren Bereich (5A) der Endfläche (5) in die Lichtleitfaser (3) eintritt oder aus dieser austritt. Ferner umfasst die Lichtleitfasereinheit (1) eine hohle Endkappe (11) mit einem Lochelement (15), das eine Anschlagsfläche (15C) und eine Öffnung (16) aufweist, und einem optischen Element (17), wobei das Lochelement an der Lichtleitfaser (3) derart befestigt ist, dass die Endfläche (5) der Lichtleitfaser (3) an der Anschlagsfläche (15C) anliegt und das Licht (7) aus der hohlen Endkappe (11) durch die Öffnung (16) in den lichtführenden Bereich (27) einkoppelbar oder aus dem lichtführenden Bereich (27) durch die Öffnung (16) in die hohle Endkappe (11) auskoppelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lichtleitfasern, insbesondere Lichtleitfasern zum Transportieren von Laserpulsen mit Pulsdauern im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Konfiguration eines Faserendes derartiger Lichtleitfasern.
Für den Transport von kurzen Pulsen sind Fasern mit einem Hohlkern (hollow core fiber) oder auch photonische Kristallfasern (photonic crystal fiber) geeignet. Derartige Fasern weisen spezielle lichtleitende Bereiche auf, in denen Laserpulse mit Pulsdauern im Nanosekundenbis Femtosekundenbereich transportiert werden können. Dies ist möglich, da die Spitzenintensitäten nicht im Material der Faser, sondern in im Wesentlichen festkörperfreien lichtleitenden Bereichen, beispielsweise in einem mit Luft oder allgemein mit Gas gefüllten Hohlkern, vorliegen und dort somit keine permanenten Materialveränderungen vornehmen können. Aufgrund dieser speziellen Struktur sind die Faserenden jedoch speziell zu konfigurieren, um beispielsweise eine Verschmutzung durch Partikel, Ausgasprodukte oder den Eintrag von unerwünschten Gasen oder unerwünschte Änderung der Gasparameter zu vermeiden und entsprechend die Lichtleitung durch derartige Effekte nicht zu beeinträchtigen. WO 03/032039 A1 offenbart eine hermetisch abgedichtete optische Faser, die Hohlräume oder Löcher aufweist. Zur Abdichtung derselben wird ein festes lichtdurchlässiges Fenster direkt am Faserende vorgesehen. Ein Herstellungsverfahren zum Erzeugen einer Transportfaser für kurze Wellenlängen, insbesondere einer „photonic band gap“-Faser, ist in US 2004/0258381 A1 offenbart.
EP 1 772 758 A1 offenbart ein Faserende einer optischen Faser, das mit einem Schutzelement staubdicht umgeben ist. Hierzu wird das Schutzelement aus ausgasungsfreiem Material, wie z.B. Metall oder Glas zur Abdichtung der Faser ausgebildet und weist ein Fenster zum Strahlaustritt auf. Das Schutzelement umschließt die Außenwand des Fasermantels und ist derart ausgebildet, dass ein Zwischenraum zwischen Faserausgang und Fenster gebildet wird. Das Schutzelement weißt außerdem eine als Gaseinlass bzw. Gasauslass verwendete Gehäuseöffnung auf, um ein Einstellen von Gasparametern in der Faser über den Zwischenraum mittels einer angeschlossenen Pumpe permanent oder in Intervallen zu ermöglichen.
Allgemein hängt die Einkopplung in Fasern von der korrekten Positionierung der Einkoppellinse bezüglich des lichtleitenden Bereichs ab. So kann eine Dejustage zwischen Einkoppellinse und dem lichtleitenden Bereich die Koppeleffizienz verschlechtern. Das gleiche gilt für die Auskopplung. Ferner besteht allgemein bei hohen (Laserpuls-) Intensitäten die Gefahr, dass die Endkappe durch laserinduzierte Materialbearbeitung beschädigt und sogar zerstört werden kann.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Faserendkonfiguration vorzuschlagen, die die Verwendung von derartigen Lichtleitfasern bei hohen Spitzenintensitäten erlaubt. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Methode zur Faserendkonfiguration anzugeben, die es erlaubt, spezielle Faserbedingungen über einen langen Zeitbereich zu gewährleisten.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Lichtleitfasereinheit mit einem konfigurierten Faserende nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtleitfasereinheit nach Anspruch 16. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist eine Lichtleitfasereinheit eine Lichtleitfaser auf, die einen lichtführenden Bereich und an einem Faserende eine Endfläche zur Einkopplung von Licht in den lichtführenden Bereich oder zur Auskopplung von Licht aus dem lichtführenden Bereich aufweist, wobei das Licht durch einen inneren Bereich der Endfläche in die Lichtleitfaser eintritt oder aus dieser austritt. Die Lichtleitfasereinheit umfasst ferner eine hohle Endkappe mit einem Lochelement, das eine Anschlagsfläche und eine Öffnung aufweist, und ein optisches Element, wobei das Lochelement an der Lichtleitfaser derart befestigt ist, dass die Endfläche der Lichtleitfaser an der Anschlagsfläche anliegt und das Licht aus der hohlen Endkappe durch die Öffnung in den lichtführenden Bereich einkoppelbar oder aus dem lichtführenden Bereich durch die Öffnung in die hohle Endkappe auskoppelbar ist.
In einem weiteren Aspekt weist eine Lichtleitfasereinheit eine Lichtleitfaser, die an einem Faserende eine Endfläche zur Einkopplung oder Auskopplung von Licht aufweist, wobei das Licht durch einen inneren, zum Beispiel mittig angeordneten, Bereich der Endfläche in die Lichtleitfaser eintritt oder austritt, und eine hohle Endkappe auf. Die Endkappe umfasst ein Lochelement, das eine Öffnung aufweist, und ein optisches Element. Das Lochelement ist an der Endfläche der Lichtleitfaser derart befestigt ist, dass der innere (insbesondere der durchstrahlte) Bereich der Endfläche mit der Öffnung überlappend, insbesondere vollständig überlappend, angeordnet ist.
Durch die Verwendung des Lochelements ergibt sich die Möglichkeit, eine Fixierung des optischen Elements der Endkappe bezüglich der Faserendfläche, insbesondere dem lichtführenden Bereich der Lichtleitfaser, in den drei Raumrichtungen zu gewährleisten. In der Ebene der Faserendfläche kann die Fixierung der relativen Lage durch die (festgelegte) Position des Lochelements erfolgen und in Ausbreitungsrichtung kann die Fixierung der relativen Lage über die (festgelegte) Geometrie der Endkappe erfolgen, beispielsweise über den Abstand zwischen den Enden (Seitenwänden) der Endkappe.
Die Endkappe umfasst optional einen Hohlkörper. Das Lochelement (z.B. eine Lochplatte) und das optische Element können z.B. an gegenüberliegenden Enden des Hohlkörpers angeordnet und mit dem Hohlkörper verbunden sein. In alternativen Ausführungsformen kann das Lochelement und/oder das optische Element derart ausgebildet sein, dass die strukturelle Funktion des Hohlkörpers von einem oder beiden dieser Elemente mitübernommen wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Lichtleitfaser eine den lichtführenden Bereich umfassende Hohlraumstruktur, welche an der Endfläche im inneren Bereich endet, und eine Mantelstruktur, der ein den inneren Bereich umgebenden Mantelbereich der Endfläche zugeordnet ist, aufweisen und das Lochelement kann derart an der Lichtleitfaser befestigt sein, dass ein Innenraum der hohlen Endkappe mit der Hohlraumstruktur in der Lichtleitfaser durch die Öffnung des Lochelements fluid verbunden ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Endfläche der Lichtleitfaser an der Anschlagsfläche des Lochelements und/oder die Mantelstruktur, insbesondere die Außenmantelseite der Lichtleitfaser, an einer Innenseite eines Faserbefestigungsabschnitts der Öffnung und/oder die Mantelstruktur, insbesondere eine Außenmantelseite der Lichtleitfaser, am Lochelement, insbesondere an einer Rückseite des Lochelements über eine Kehlverbindung, befestigt sein. Die Verbindungen können insbesondere auf (Glas-) Verschweißen oder Verkleben basieren.
In einigen Ausführungsformen ist die Endkappe bis auf die Öffnung und optional ein oder mehrere Gaskontrolllöchern gasdicht ausgebildet. Dadurch kann verhindert oder zumindest verzögert werden, dass sich eingestellte Parameter des Gases im Hohlkern im Laufe mehrerer Jahre unerwünscht und unkontrolliert ändern.
In einigen Ausführungsformen kann der lichtführende Bereich der Lichtleitfaser als Hohlkern ausgebildet sein, dessen Zugang von der Öffnung frei gehalten wird. Die Hohlraumstruktur kann ferner eine Lochmantelstruktur umfassen, die zwischen dem lichtführenden Bereich der Lichtleitfaser und der Mantelstruktur angeordnet ist und an der Endfläche im inneren Bereich endet. Insbesondere kann der Zugang zur Lochmantelstruktur von der Öffnung frei gehalten werden.
In einigen Ausführungsformen ist das Lochelement an der Endfläche der Lichtleitfaser derart befestigt ist, dass die Öffnung des Lochelements und der innere (durchstrahlte) Bereich der Endfläche aneinander angrenzen, d.h., der innere Bereich liegt in radialer Richtung überlappend mit der Öffnung. Hierbei wird die radiale Richtung auf die Ebene der Endfläche und die Zentralachse des inneren Bereichs bezogen. In weiteren Ausführungsformen liegt der innere Bereich zusätzlich auch in axialer Richtung überlappend mit der Öffnung. Hierbei wird die axiale Richtung auf die Ausdehnung der Öffnung im Lochelement bezogen, welche üblicherweise in Richtung der Zentralachse des inneren Bereichs, im Wesentlichen entsprechend der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Ein- oder Austritt aus der Faser, gegeben ist. Das Merkmal, dass der innere Bereich der Endfläche mit der Öffnung überlappend insbesondere vollständig überlappend angeordnet ist, umfasst hierin diese beiden Lagen.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfasereinheit mit mindestens einem konfigurierten Faserende einer Lichtleitfaser die folgenden Schritte auf: Anbringen einer hohlen Endkappe, die ein Lochelement, das eine Anschlagsfläche und eine Öffnung aufweist, und ein, insbesondere für von der Lichtleitfaser zu führendes Licht transparentes, optisches Element umfasst, an der Lichtleitfaser, wobei die Lichtleitfaser einen lichtführenden Bereich und am Faserende eine Endfläche zur Einkopplung von Licht in den lichtführenden Bereich oder Auskopplung von Licht aus dem lichtführenden Bereich aufweist, und Positionieren des Lochelements derart bezüglich der Lichtleitfaser, dass die Endfläche der Lichtleitfaser an der Anschlagsfläche anliegt, sodass das Licht durch das optische Element, einen Innenraum der Endkappe und die Öffnung in die Lichtleitfaser einkoppelbar oder aus dieser auskoppelbar ist.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfasereinheit mit mindestens einem konfigurierten Faserende einer Lichtleitfaser, beispielsweise zur Herstellung obiger Lichtleitfasereinheit die folgenden Schritte auf: Anbringen einer Endkappe, die ein Lochelement mit einer Öffnung und ein, insbesondere für von der Lichtleitfaser zu transportierendes Licht transparentes, optisches Element umfasst, an einer Endfläche der Lichtleitfaser, welche einen inneren Bereich aufweist, der vom von der Faser zu transportierenden Licht durchstrahlt wird, und Positionieren des Lochelements derart bezüglich der Lichtleitfaser, dass der innere Bereich der Endfläche mit der Öffnung überlappend, insbesondere vollständig überlappend, angeordnet ist, sodass Licht durch das optische Element, einen Innenraum der Endkappe und die Öffnung in die Lichtleitfaser einkoppelbar oder aus dieser auskoppelbar ist.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann die Endkappe derart an der Endfläche angebracht werden, dass der Innenraum der Endkappe in fluider Verbindung mit einer Hohlraumstruktur der Lichtleitfaser steht. Des Weiteren kann beim Anbringen der hohlen Endkappe zuerst das Lochelement auf der Endfläche der Lichtleitfaser angebracht werden bevor dann die hohle Endkappe durch Anbringen weiterer Komponenten, die ein optisches Element und optional einen Hohlkörper umfassen können, vervollständigt werden kann, um insbesondere den in fluider Verbindung mit der Hohlraumstruktur der Lichtleitfaser stehenden Innenraum der Endkappe auszubilden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Anbringen der hohlen Endkappe ferner umfassen, dass das optische Element relativ zur Faserendfläche hinsichtlich einer optischen Einkopplungs- und/oder Auskopplungskonfiguration ausgerichtet wird.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann mindestens ein Gaskontrollloch in der Endkappe vorgesehen werden, das eine äußere Umgebung mit den Innenraum fluid verbindet. Dabei kann das Verfahren zur Herstellung ferner die folgenden Schritten umfassen: Bringen des Innenraums der Endkappe und der mit dieser fluid verbundenen Hohlraumstruktur in einen definierten Gas- und/oder Druckzustand mithilfe des mindestens einen Gaskontrolllochs und Verschließen des mindestens einen Gaskontrolllochs, insbesondere mittels Laser-basierter Materialbearbeitung wie Laserschmelzen.
Die hierin offenbarten Konzepte sollen verbesserte Faserendkonfigurationen bereitstellen, bei denen der Aufbau der Endkappe beispielsweise ausschließlich durch Komponenten aus Glas und mit gasdichten Verbindungen zwischen den Glaskomponenten untereinander und der Lichtleitfaser erfolgt. Dies kann beispielsweise mit einem kleberfreiem Glasschweißprozess umgesetzt werden.
Allgemein kann die Fixierung der Lage des Faserendes an der Endkappe eine mechanisch feste Verbindung zwischen einer Einkoppellinse und der Faserendfläche, und damit einem Eintrittsbereich des Lichts in die Faser, oder entsprechend zwischen der Faserendfläche und einer Auskoppellinse bewirken. Diese Fixierung bezüglich der Faserendfläche (in den drei Raumrichtungen) erlaubt es, eine dauerhaft stabile optische Konstellation in der Einkopplung bzw. Auskopplung umzusetzen. Ferner kann durch entsprechende Dimensionierung des Hohlkörpers, allgemein bei entsprechender Dimensionierung des Abstands zwischen Faserendfläche und optischem Element (z.B. Linse), ein Durchgang des Lichtstrahls (z.B. hochintensive Laserpulse) durch das optische Element nur in einem Bereich des Strahlengangs erfolgen, bei dem eine Gefährdung von Material durch laserinduzierte Beschädigungen aufgrund z.B. hoher Laserpulsintensitäten nicht vorliegt.
Zusammenfassend kann in einigen Ausführungsformen eine gelochte Scheibe (als Lochelement) an einem Faserende befestigt werden, so dass beispielsweise ein Laserstrahl - allgemein Licht - nur durch das Loch der Scheibe in die Faser eingekoppelt oder ausgekoppelt werden kann. Das Loch der Scheibe, allgemein die Öffnung des Lochelements, kann z.B. gebohrt oder durch selektives Laseretching erzeugt werden. Beispielsweise kann Die Öffnung linear entlang der Ausbreitungsrichtung in der Faser im Endabschnitt mit konstantem Durchmesser (zylinderförmig) oder mit sich stufenförmig ändernden Durchmesser (abschnittsweise zylinderförmig) oder konisch oder in einer Kombination derartiger Formen ausgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen wird ein (z.B. zylinderförmiges) Rohr als Hohlkörper stirnseitig an der gelochten Scheibe befestigt, so dass die Scheibe das Innere des Rohrs an einem Ende (z.B. gasdicht) abschließt. Alternativ oder zusätzlich kann das Rohr auch am Fasermantel (Cladding) über eine Rückwand befestigt werden und das Lochelement kann optional zusätzlich am Rohr befestigt werden.
In einigen Ausführungsformen ist das Lochelement derart ausgestaltet, dass das Loch/die Öffnung mindestens so groß ist wie der Hohlkern einer Hohlkern-Faser, im Fall einer photonischen Kristallfaser bevorzugt mindestens so groß wie Hohlkern und eine den Hohlkern umgebende Lochmantelstruktur. Üblicherweise ist das Loch im Durchmesser kleiner als 1mm, und liegt beispielsweise im Durchmesserbereich von 50 µm bis 500 µm, beispielsweise im Bereich von 200 µm bis 400 µm.
In einigen Ausführungsformen der Endkappe ist die andere Seite des Rohrs (allgemein des Hohlkörpers) durch ein optisches Element abgeschlossen. Das optische Element kann ein (z.B. planes oder keilförmiges) Schutzfenster, eine Linse, ein diffraktives optisches Element, eine Wellenplatte oder ein Axicon sein. So erlauben z.B. Linsen eine Konvergenz-/Divergenzanpassung und diffraktive optische Elemente allgemein eine digitalisierte und z.B. pixelbasierte Phasenanpassung des transmittierten Lichts durch eine gezielte (fest eingestellte oder einstellbare) Phasenaufprägung.
Sollen die Verbindungen der einzelnen Komponenten per Laserschweißprozess durchgeführt werden, bestehen die genannten Komponenten z.B. aus Glas (Fused Silica (Quarz) oder BK7) oder Saphir.
Für Anwendungen im Hochintensitätsbereich kann die Länge des Rohrs (allgemein der Endkappe) so eingestellt werden, dass die Leistungsdichte des Lichtstrahls auf dem abschließenden optischen Element keine Beschädigungen verursacht. Bei Anwendungen im Hochintensitätsbereich kann die Lochblende ferner HR-beschichtet werden, so dass Laserlicht, das beispielsweise während einer mit dem hochintensiven Laserstrahl durchgeführten Materialbearbeitung in die Endkappe zurückreflektiert wird, nicht in den Mantel der Lichtleitfaser (zurück) eingekoppelt werden kann. D. h., allgemein kann eine (hoch) reflektierende Beschichtung der Innenseite des Lochelements als Schutz vor Beschädigung der Lichtleitfaser dienen.
Ferner kann der Abstand zwischen einem als Linse ausgebildeten optischen Element und der Faserendfläche im Wesentlichen der Brennweite der Linse für einen kollimierten einzukoppelnde Stahl oder einen kollimierten auszukoppelnden Strahl entsprechen.
Eine oder mehrere der genannten Komponenten der Endkappe können zusätzlich ein Loch oder mehrere Löcher (hierin als Gaskontolllöcher bezeichnet) aufweisen, durch die eine Gassorte und deren Druck im Innenraum der Endkappe und damit im Hohlkern eingestellt werden kann. Dieses Loch bzw. die Löcher können gasdicht verschlossen werden, ohne die in der Faser und im Innenraum eingestellten Parameter zu beeinträchtigen. Das Verschließen kann z.B. durch Einbringen eines Glasverschlusses (beispielsweise durch einen Laserschmelzvorgang) erfolgen, oder das Loch bzw. die Löcher können durch eine mechanische Anordnung abgedichtet werden.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u.a. folgende Vorteile aufweisen. Eine hermetische Abdichtung des Faserendes wird, insbesondere durch gasdichtes Laserverschweißen, möglich. Bei entsprechender Wahl der Materialien für die verschiedenen Komponenten (beispielsweise Quarzglas) ergibt sich ein ausgasungsfreier Aufbau. Beim Laserverschweißen von, beispielsweise aus Glas bestehenden, Komponenten wird ein quasi monolithischer Aufbau möglich, der entsprechend thermisch stabil ist und z.B. vergleichbare Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Bei entsprechend gasdicht und ausgasungsfrei ausgeführten Endkappen können die Gasparameter über Jahre stabil bleiben. Ferner können durch die fixierte Lage der Faserendfläche in den drei Raumrichtungen die optischen Parameter dauerhaft gleich bleiben. Die feste Lage einer Einkoppellinse zur Faserendfläche vereinfacht die Justage hinsichtlich einer Einkopplung bzw. Auskopplung des Laserstrahls in die Faser durch Verringerung der möglichen Freiheitsgrade. Ferner kann die Lichtleitfasereinheit sicherstellen, dass keine absorbierenden Materialien wie z.B. Metalle in der Nähe des Laserstrahls am Faserausgang positioniert werden können. Dies vermeidet überdies ein Aufwärmung der Anordnung durch Streustrahlung.
Letztendlich kann allgemein eine Dejustage zwischen Ein-/Auskoppellinse und der Faserendfläche vermieden werden, wodurch die Ein-/Auskoppeleffizienz stabil gehalten werden kann. Die Effizienz wird insbesondere dauerhaft festgelegt, da eine Fehljustage oder Dejustage des Faserendes in allen drei Raumrichtungen vermieden werden kann.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1A und 1B schematische Darstellungen zur Verdeutlichung einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Lichtleitfasereinheit,
2A, 2B und 2C schematische Darstellungen zur Verdeutlichung weiterer beispielhafter Ausführungsformen von Lichtleitfasereinheiten und
3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Umsetzung eines Verfahrens zum Einstellen fester Betriebsparameter einer derartigen Lichtleitfasereinheit.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil ferner auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung der Endfläche einer Lichtleitfaser eine optische Konfiguration zur Einkopplung bzw. zur Auskopplung fest umgesetzt werden kann. So dient die Endfläche als optischer Referenzpunkt für beispielsweise eine Fokussierlinse, sie dient gleichzeitig aber bei der hierin beschriebenen Lichtleitfasereinheit auch als mechanischer Referenzpunkt hinsichtlich einer fest eingestellten Position der Fokussierlinse. Durch Herstellen einer quasi monolithischen Ausführung kann allgemein ein optisches Element ferner bezüglich des lichtführenden Bereichs einer Lichtleitfaser in allen drei Raumrichtungen (mechanisch und thermisch) fixiert werden.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil ferner auf der Erkenntnis, dass durch gasdichtes Verbinden der Endfläche einer Lichtleitfaser eine kontrollierte Umgebung aufgebaut werden kann, die es erlaubt, die Ausbreitungsbedingung in einer Lichtleitfaser mit Hohlraumstrukturen festzulegen und diese insbesondere über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Insbesondere durch Laserschweißen lassen sich hermetisch abgedichtete, im Wesentlichen monolithische aufgebaute Endkappen erzeugen, die eine feste Einheit mit der Lichtleitfaser bilden. So wurde ferner erkannt, dass ein Einstellen der Gasart und/oder des Gasdrucks beispielsweise über Gaskontrolllöcher und ein anschließendes Abdichten dieser Gaskontrolllöcher vorgenommen werden kann, wobei sich die ergebenden optischen Parameter der Lichtleitfaser aufgrund der hermetischen Abdichtung anschließend weitgehend nicht mehr ändern.
Des Weiteren wurde erkannt, dass die hierin offenbarte Endkappe es nicht nur ermöglicht, ein Austrittsfenster oder eine Linse in sicherer Entfernung von den am Faserausgang vorliegenden hohen Intensitäten fest anzuordnen, und die hierin offenbarte Endkappe diese somit entsprechend schützen kann, sondern dass gleichzeitig auch eine Verunreinigung der Faser vermieden werden kann.
Nachfolgend werden in Verbindung mit den 1A bis 2C beispielhafte Lichtleitfasereinheiten sowie deren zugehörigen Komponenten erläutert.
1A zeigt schematisch eine Schnittansicht durch eine Lichtleitfasereinheit 1 im Bereich eines Faserendes einer Lichtleitfaser 3. Das Faserende hat eine Faserendfläche 5, durch die Licht 7 (ein beispielhafter Strahlengang wird durch zwei gestrichelte Linien in 1A angedeutet) in die Faser 3 eingekoppelt werden soll oder von der das Licht 7 aus der Faser 3 ausgekoppelt werden soll.
Die Lichtleitfasereinheit 1 umfasst neben der Lichtleitfaser 3 eine Endkappe 11. Die Endkappe 11 umfasst verschiedene Komponenten, die einen Innenraum 11A ausbilden, der (in einigen Ausführungsformen) im Wesentlichen gasdicht von der Außenumgebung abgetrennt ist. In 1A umfasst die Endkappe 11 beispielsweise einen Hohlkörper 13, ein als kreisrunde Lochplatte ausgebildetes Lochelement 15 und ein optisches Element 17. Das optisches Element 17 ist beispielsweise eine ebenfalls kreisrund ausgebildete Fokussierlinse 17A, wie an den außerhalb der Endkappe 11 parallel verlaufenden gestrichelten Linien des Strahlengangs zu erkennen ist. In alternativen Ausführungsformen ist das optische Element 17 beispielsweise einen plan-parallele Platte, durch die das Licht im Wesentlichen unbeeinflusst tritt (siehe 2A), ein (Glas-) Keil, ein diffraktives optisches Element, eine Wellenplatte oder ein Axicon.
In einer in 1B dargestellten Schnittansicht sieht man auf eine Innenseite 15A des Lochelements 15. Eine derartige Ansicht ergibt sich beispielsweise bei der Herstellung, wenn zuerst die Lochplatte an der Faserendfläche 5 befestigt wird, d. h., bevor die Endkappe 11 mit dem Hohlkörper 13 und dem optisches Element 17 fertig gestellt wurde. Man erkennt mittig angeordnet eine zylinderförmigen Öffnung 16. Hinter der Öffnung 16 erkennt man einen inneren Bereich 5A der Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3, durch den während der Verwendung der Lichtleitfaser 3 zum Transportieren von Licht das Licht 7 in die Faser 3, insbesondere in deren lichtführenden Bereich, gelangt oder aus dieser austritt. Beispielsweise endet, wie in 1B gezeigt wird, ein Hohlkern 27 im inneren Bereich 5A der Endfläche 5. Da der Durchmesser der Öffnung 16 größer ist als der Durchmesser des inneren Bereichs 5A, gelangt das Licht 7 ohne im Wesentlichen mit dem Lochelement 15 wechselzuwirken durch die Öffnung 16. Man erkennt, dass der innere Bereich 5A in radialer Richtung mit der Öffnung 16 überlappend, insbesondere vollständig überlappend, angeordnet ist.
In der in 1A gezeigten beispielhaften Anordnung fällt eine Zentralachse 21 des inneren Bereichs 5A mit einer Symmetrieachse 22 der Endkappe 11, und somit der runden Öffnung 16, zusammen. Überdies entspricht die Zentralachse 21 im Wesentlichen der Ausbreitungsrichtung des Lichts in der Lichtleitfaser 3, insbesondere in einem Endbereich derselben.
In 1B erkennt man ferner einen Mantelbereich 5B der Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3, der den inneren Bereich 5A umgibt. Der Mantelbereich 5B ist einer Mantelstruktur 3B zugeordnet, die der Lichtleitfaser 3 im Wesentlichen ihre mechanische Stabilität gibt. Die Mantelstruktur 3B wird durch eine Außenmantelseite der Lichtleitfaser 3 begrenzt. In 1B ist der Außendurchmesser der Faser 3 im Vergleich zum Lochelement 15 zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt.
Das Lochelement 15 ist an der Lichtleitfaser 3 derart befestigt, dass die Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3 an der Anschlagsfläche 15C anliegt. Die Anschlagsfläche 15C ist zur Verdeutlichung in 2B gestrichelt dargestellt. Sie grenzt auf einer Rückseite 15B der Lochplatte 15 beispielsweise an die Öffnung 16 an und erstreckt sich z.B. ringförmig bis zu einem dem Durchmesser der Lichtleitfaser 3 entsprechend Außendurchmesser. In der Ausführungsform gemäß 1A sind das Lochelement 15 und die Mantelstruktur 3B gasdicht miteinander im Bereich der Anschlagsfläche 15C verbunden.
In alternativen Ausführungsformen erfolgt die Verbindung zwischen Endkappe und Lichtleitfaser nicht oder nicht ausschließlich im Bereich der Anschlagsfläche, so dass die Endfläche z.B. abschnittsweise an der Anschlagsfläche anliegt, im Falle einer gasdichten Verbindung diese jedoch wieder umlaufend um die Lichtleitfaser erfolgt. Die Anschlagsfläche ist dann derart ausgebildet, dass sie die räumliche Position von Lichtleitfaser und Endkappe mit vorgibt.
Die Ausmaße der Endkappe 11 sind derart gewählt, dass - beispielsweise im Falle einer Auskopplung von Licht 7 - die Strahlverbreiterung bis zum optischen Element 17 soweit stattfinden kann, dass die Intensität im vom Licht 7 durchstrahlten Bereich des optischen Elements 17 zu keiner Beschädigung des optischen Elements 17 während des Betriebs führt. Entsprechend bedingt die jeweilige Anwendung der Lichtleitfasereinheit 1, insbesondere die benötigte Leistungsdichte, den notwendigen Abstand zwischen dem Lochelement 15 und dem optischen Element 17. Dabei ergibt sich der Abstand auch aus den jeweils vorliegenden optischen Bedingungen (Divergenz, Konvergenz) bei der Auskopplung bzw. Einkopplung. Zugleich mit dem Abstand ist der benötigten Mindestdurchmesser des optischen Elements 17 definiert. Beispielsweise liegt der Durchmesser des optischen Elements 17 im Bereich von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern und der Abstand zwischen dem Lochelement 15 und dem optischen Element 17 liegt im Bereich von einigen Zentimetern.
Wird der Hohlkörper 13 als zylinderförmiges Rohr ausgebildet, ist entsprechend auch der Mindestdurchmesser des Lochelements 15 gegeben. In alternativen Ausführungsformen kann der Hohlkörper 13 beispielsweise mit vom Faserende aus zunehmenden Durchmesser ausgebildet sein, sodass entsprechend das Lochelement 15 kleiner als das optische Element 17 ist. Allgemein werden das Lochelement 15 und das optische Element 17 an gegenüberliegenden Enden 19A, 19B des Hohlkörpers 13 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen kann eine Innenseite 15A des Lochelements 15 in den Innenraum 11A einfallendes Licht reflektieren, um zu verhindern, dass unerwünschtes, z.B. durch Rückreflexe oder Streuung entstandenes Licht in die Lichtleitfaser 3, insbesondere in den Mantelbereich 5B eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die Innenseite 15A mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden. Ferner kann das optische Element 17 mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein.
Ferner erkennt man in 1A Gaskontrolllöcher 25, die es erlauben, den Innenraum 11A kontrolliert mit Gas zu befüllen, unter (Über-/Unter-) Druck zu setzen oder zu spülen. Bevorzugt können die Gaskontrolllöcher 25 verschlossen werden, wenn ein gewünschter Füllungszustand des Innenraums 11A, und damit z.B. einer Hohlraumstruktur 3A im Lichtleitfaser 3, vorliegt. Dies kann beispielsweise durch Aufschmelzen des Materials des Hohlkörpers 13 mit einem Laser, durch Verkleben oder durch mechanisches Abdichten erfolgen. Siehe hierzu auch die Beschreibung der 3.
Die in den 2A und 2B gezeigte Ausführungsform wird nachfolgend mit Blick auf die sich zu den 1A und 1B unterscheidenden Merkmale erläutert. Für gleiche oder ähnliche Elemente und deren Funktionen werden die entsprechenden Bezugszeichen verwendet und auf die vorausgehende Beschreibung verwiesen.
Man erkennt in der schematischen Schnittdarstellung der 2A, dass das optische Element 17 als eine plan-parallele, das Licht 7 transmittierende, Platte 17B ausgeführt ist. Entsprechend passiert das Licht 7 das optische Element 17 im Wesentlichen unverändert.
Ferner kennt man in 2A eine Ausführungsform der Öffnung 16 mit einem lichtdurchstrahlten (zylindrisch ausgebildeten) Abschnitt 16A und einem (zylindrisch ausgebildeten) Faserbefestigungsabschnitt 16C.
Der Durchmesser des lichtdurchstrahlten Abschnitts 16A der Öffnung 16 ist so gewählt, dass das Licht 7 nicht auf das Lochelement 15 trifft und somit ungestört ein- oder ausgekoppelt werden kann.
Der Faserbefestigungsabschnitt 16C ist dazu ausgebildet, einen Endabschnitt 23 der Lichtleitfaser 3 aufzunehmen. Er ist in 2A entsprechend im Öffnungsdurchmesser größer (mindestens so groß wie der Durchmesser der Lichtleitfaser 3) als der Öffnungsdurchmesser des lichtdurchstrahlten Abschnitts 16A.
Der Übergang vom Faserbefestigungsabschnitt 16C zum lichtdurchstrahlten Abschnitt 16A, in diesem Fall die in radialer Richtung verlaufende Einschnürung, bildet die Anschlagsfläche 15C, an der die Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3 anliegt und beispielsweise mit der die Endfläche 5 im Mantelbereich 5B befestigt ist, insbesondere (glas-) verschweißt oder verklebt ist.
Ferner kann der Faserbefestigungsabschnitt 16C der Öffnung 16 auf der Innenseite mit der Außenmantelseite des Endabschnitts 23 der Lichtleitfaser 3 verbunden sein.
Dies stellt eine Maßnahme zur weiteren Stabilisierung der Befestigung der Endkappe 11 an der Lichtleitfaser 3 dar, denn üblicherweise haben Lichtleitfasern einen Außendurchmesser von einigen wenigen 100 µm, sodass die mechanische Verbindung zwischen Faser und Endkappe entsprechend vorsichtig handzuhaben ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Befestigung des Lochelements 5 an der Mantelstruktur 3B im Mantelbereich 5B der Endfläche 5 ermöglicht die Ausführungsform der 2A somit eine Befestigung an der Außenmantelseite im Endabschnitt 23 der Lichtleitfaser 3. Die Lichtleitfaser 3 kann somit großflächiger mit dem Lochelement 15 verbunden werden, wodurch der Übergang vom Endabschnitt 23 der Lichtleitfaser 3 zur Endkappe 11 hin stabiler ausgeführt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann ferner die Außenmantelseite des Endabschnitts 23 der Lichtleitfaser 3 in Form einer (z.B. gasdichten umlaufenden) Kehlverbindung mit der Rückseite 15B des Lochelements 15 verbunden sein.
In 2A erkennt man, dass der innere Bereich 5A nicht nur in radialer Richtung (hier quer zur Ausdehnungsrichtung/Symmetrieachse der Öffnung) mit der Öffnung 16 überlappend angeordnet ist, sondern auch in axialer Richtung (hier entlang der Ausdehnungsrichtung/Symmetrieachse der Öffnung) mit der Öffnung 16 überlappend angeordnet ist. Somit überlappt der innere Bereich 5A vollständig mit der Öffnung 16 und nimmt somit auch hier in allen drei Raumrichtungen eine durch die Anschlagsfläche 15B definierte und fixierte Lage ein.
Bei einer gasdichten Verbindung (z.B. durch Laserverschweißen der Komponenten) kann der Innenraum 11A zuverlässig hermetisch gegen die Umgebung abgedichtet werden, mit Ausnahme der fluiden Verbindung zu der Hohlraumstruktur 3A (und optional den Gaskontrolllöchern 25). Wie nachfolgend beschrieben kann die Hohlraumstruktur 3A sowohl einen Hohlkern der Lichtleitfaser 3 als auch eine Lochmantelstruktur umfassen.
Die abschnittsweise zylinderförmige Ausführung der Öffnung 16 mit den beiden unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern erkennt man ferner in der Schnittansicht der 2B, wobei der Öffnungsdurchmesser des lichtdurchstrahlten Abschnitts 16A dem durchgezogenen Kreis der Öffnung 16 entspricht und der Öffnungsdurchmesser des Faserbefestigungsabschnitts 16C dem gestrichelten, die Lichtleitfaser 3 begrenzenden, Kreis entspricht. Im dazwischenliegenden, gestrichelten Bereich liegt die Anschlagsfläche 15C, die hier beispielhaft den inneren Bereich 5A ringförmig vollständig umgibt.
Hinter dem lichtdurchstrahlten Abschnitt 16A ist in 2B eine Faserendfläche einer mikrostrukturierten Glasfaser mit einer Hohlraumstruktur 3A angedeutet (z.B. eine photonische Kristallfaser). So erkennt man zentral den Hohlkern 27 (insbesondere eine schematisch angedeutete runde Mündungsöffnung des lichtführenden Bereichs der Lichtleitfaser 3), der von einer Lochmantelstruktur 29 umgeben ist. Die Lochmantelstruktur 29 ist eine angeordnete Struktur von den Hohlkern 27 umgebenen Kanälen, die ein Führen des Lichts im Hohlkern 27 bewirken. In 2B sind die Enden der Kanäle der Lochmantelstruktur 29 schematisch durch Punkte dargestellt. Gemäß der Ausführung in 2B wird nicht nur der Zugang des Hohlkern 27 auf der Endfläche 5 von der Öffnung 16 frei gehalten, und zwar in seiner vollständigen Querschnittsfläche, sondern auch die Zugänge der Lochmantelstruktur 29 werden von der Öffnung (16) - in diesem Fall ebenfalls vollständig - frei gehalten.
Wie man anhand der 2A und 2B erkennt, ist der Durchmesser des lichtdurchstrahlten Abschnitts 16A der Öffnung 16 größer als ein (Außen-) Durchmesser der Lochmantelstruktur 29. Dies gewährleistet, dass das ein-/austretende Licht zum einen nicht gestört wird und dass die mikrostrukturierte Faser, insbesondere die gesamte Hohlraumstruktur 3A (Hohlkern 27 und Lochmantelstruktur 29), in fluider Verbindung mit dem Innenraum 11A steht.
So kann das sich in der Hohlraumstruktur 3A befindliche Gas beispielsweise über die Gaskontrolllöcher 25 bezüglich Zusammensetzung und Druckkontrolliert werden. Hierzu sind wie im Ausführungsbeispiel der 1A und 1B in der Endkappe 11 mehrere Gaskontrolllöcher 25 (in diesem Fall beispielhaft im Hohlkörper 13) vorgesehen. Durch die Gaskontrolllöcher 25 besteht eine fluide Verbindung von außen zum Innenraum 11A zum Einstellen von Gasparametern in der Lichtleitfasereinheit 1 und insbesondere in der Hohlraumstruktur 3A der Lichtleitfaser 3.
In alternativen Ausführungsformen können die Zugänge der Lochmantelstruktur 29 nur teilweise oder an nur einem Ende der Faser freigehalten werden, wenn dies z.B. die optische Ein- oder Auskopplung nicht stört und die Gasparameter noch entsprechend eingestellt werden können.
Ähnlich der Stabilisierung durch den Faserbefestigungsabschnitt 16C kann allgemein eine Rückwand oder auch eine, auf den Bereich um die Lichtleitfaser 3 beschränkte Struktur als Stützelement oder Stützplatte dienen. Letztere kann beispielsweise ringförmig im Übergangsbereich von der Lichtleitfaser zur Endkappe vorgesehen werden.
In der Ausführungsform der 2C erkennt man eine derartige Maßnahme zur weiteren Stabilisierung der Befestigung der Endkappe 11 an der Lichtleitfaser 3. Dabei ist zusätzlich zur Befestigung des Lochelements 5 an der Mantelstruktur 3B im Mantelbereich 5B der Endfläche 5 eine Rückwand 30 auf einer Rückseite 15B des Lochelements 15 vorgesehen. Die Rückwand 30 ist fest mit dem Außenumfang der Lichtleitfaser 3 verbunden und stabilisiert somit den Endabschnitt 23 der Lichtleitfaser 3 zur Endkappe 11.
Die Rückwand 30 erlaubt es, dass die Faserendfläche 5 durch sie hindurchtritt und an der Anschlagsfläche 15C anliegt.
Ferner ist die Rückwand 30 mit dem Hohlkörper 13 im gezeigten Ausführungsbeispiel im Außenbereich verbunden. Das Lochelement 15 kann (aber muss nicht) an seiner Rückseite mit der Rückwand 30 verbunden werden oder an seinem Außenumfang mit dem Hohlkörper 13 verbunden werden. Bevorzugt wird jedoch gewährleistet, dass der Innenraum 11A hermetisch bezüglich der Lichtleitfaser 3 abgedichtet ist, mit Ausnahme der fluiden Verbindung zur Hohlraumstruktur 3A (und optional zu den Gaskontrolllöchern 25). Wie zuvor beschrieben kann die Hohlraumstruktur 3A sowohl einen Hohlkern der Lichtleitfaser 3 als auch eine Lochmantelstruktur umfassen.
Ferner erkennt man in 2C eine abschnittsweise zylindrische und konische Ausführungsform der Öffnung 16. Diese Ausführungsform stellt sicher, dass das Licht 7 nicht auf das Lochelement 15 trifft, indem sich die Öffnung 16 in einem konischen Abschnitt 16B in Richtung zum Innenraum 11A hin öffnet.
Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass verschiedene Aspekte der beispielhaften Ausführungsformen in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden können. Beispielsweise kann die Fokussierlinse im Aufbau der 2A und 2C eingesetzt werden oder die konische Öffnungsform kann im Aufbau der 1A und 2A verwendet werden. Ferner kann die Gaskontrollöffnung im Lochelement, der Rückwand oder dem optischen Element vorgesehen werden.
3 verdeutlicht die Umsetzung eines Verfahrens zum Einstellen fester Betriebsparameter bei der Lichtleitfasereinheit 1 mit jeweils einer Endkappe 11 an jedem Ende, die hier beispielhaft gemäß der Ausführungsform der 1A und 1B aufgebaut sind.
Zur Einstellung der Gasparameter befindet sich die Lichtleitfasereinheit 1 in einer definierten Umgebung (beispielhaft dargestellt anhand eines schematischen Gehäuses 31) mit einstellbaren Gasparametern, d. h., mit einstellbaren Gasarten (z.B. Luft oder Schutzgas) und mit einstellbaren Druck (z.B. Vakuum bis mehrere Bar Überdruck). 3 verdeutlicht die Einstellung der Gasparameter anhand einer Gaseinheit 33.
Der gewünschte Gaszustand kann im Gehäuse 31 und damit in der Lichtleitfasereinheit 1 eingestellt werden. Beispielsweise kann das Gehäuse 31 zuerst weitgehend evakuiert werden, bevor es mit einem ausgewählten Gas bei einem spezifischen Gasdruck geflutet wird. Dies kann beispielsweise unter definierter Einkopplung von Laserlicht in die Lichtleitfasereinheit 1 erfolgen (nicht gezeigt), um die gewünschten optischen Parameter der Lichtleitfasereinheit 1 kontrolliert einstellen zu können.
Ist der gewünschte Gaszustand stationär in der Lichtleitfasereinheit 1, können die Gaskontrolllöcher 25 beispielsweise durch Verschmelzen mit einem Laserstrahl 35 verschlossen werden. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 31 beispielsweise mit einem Fenster 37 zum Einstrahlen des Laserstrahls 35 auf die Gaskontrolllöcher 25 versehen. In 3 erkennt man schematisch beispielhaft Schmelzzonen 39 am Eingang der verschiedenen Gaskontrolllöcher 25.
Die Herstellung einer Lichtleitfasereinheit mit mindestens einem konfigurierten Faserende einer Lichtleitfaser umfasst allgemein das Anbringen der hohlen Endkappe 11 an der Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3, wobei die Endfläche 5 einen inneren Bereich 5A aufweist, und das Positionieren des Lochelements 15 derart bezüglich der Lichtleitfaser 3, dass die Endfläche 5 der Lichtleitfaser 3 an der Anschlagsfläche 15C anliegt. Dadurch kann das Licht 7 durch das optische Element 17, einen Innenraum 11A der Endkappe 11 und die Öffnung 16 in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt oder aus dieser ausgekoppelt werden.
Beispielsweise kann eine vollständig zusammengesetzte Endkappe 11 an die Lichtleitfaser 3 angebracht werden. Alternativ kann zuerst nur das Lochelement 15 an der Faserendfläche 5 befestigt werden und anschließend können, z.B. unter sorgfältiger Ausrichtung des optischen Elements, die weiteren Komponenten der Endkappe angebracht werden. In beiden Herstellungsverfahren kann das optische Element bezüglich des Faserendes z.B. mit Hilfe von Anschlägen ausgerichtet werden.
Beispielhafte Materialien für die Komponenten der Endkappe sind verschiedene Glas-Arten, wie Quarzglas und BK7-Glas, oder Saphir etc., die z.B. ein Laserverschweißen ermöglichen. Werden insbesondere gleiche bzw. gleichartige Materialien für die verschiedenen Komponenten verwendet, kann die Endkappe als monolithisch betrachtet werden und hat bevorzugt für die verschiedenen Komponenten gleiche oder im Wesentlichen gleiche Ausdehnungskoeffizienten und/oder Wärmeleitfähigkeiten. Insbesondere im Fall von Laserglasschweißen können die verschiedenen optischen Elemente zuerst zueinander ausgerichtet werden, wobei beispielsweise ein Justage-Lichtstrahl zur Überprüfung der richtigen Ausrichtung verwendet werden kann. Dann werden die verschiedenen Komponenten miteinander verschweißt. Insbesondere Glas-Glas-Verschweißungen gewährleisten eine ausreichende Gasdichtigkeit bei entsprechender Festigkeit ohne Fremdmaterialien wie Klebstoffe einzubringen, die das eingestellte Gasgemisch im Inneren der Endkappe und im Hohlkern durch Ausgasungsprozesse unerwünschter Weise verändern können.
Hierin wird für eine auf einer gasdichten Verbindung basierende Endkappe der Aspekt „gasdicht“ derart verstanden, dass die Leckrate vom Innenraum der Endkappe nach außen kleiner ist als die Leckrate vom Hohlkern der Faser durch den Fasermantel nach außen. In anderen Worten ist die Leckrate der Faser größer als die der Endkappe. Somit ist allgemein eine Endkappe gasdicht, wenn sie im Wesentlichen nicht das limitierende Element bzgl. Gasdichtigkeit der Lichtleitfasereinheit darstellt.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Öffnung des Lochelements und das optische Element in einem Strahlengang des in die Lichtleitfaser eintretenden oder austretenden Lichts angeordnet. Insbesondere verläuft dabei der Strahlengang ohne jede optische Ablenkung im Innenraum der Endkappe. In alternativen Ausführungsformen kann eine Faltung oder Umlenkung des Strahlengangs im Innenraum mit einer Spiegelanordnung erfolgen. Beispielsweise kann ein Ablenkung um z.B. 90° erfolgen, so dass das Licht seitlich durch die Endkappe tritt.
In einigen Ausführungsformen kann die Endkappe (einige ihrer Komponenten) auch verklebt werden. So können beispielsweise das Lochelement 15 und der Hohlkörper 13 aus Metall bestehen, wobei dann ein gasdichtes Verbinden zwischen dem Lochelement 15 und dem Mantelbereich 5B der Lichtleitfaser 3 mit entsprechenden Verklebungen zu gewährleistet ist.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/032039 A1 [0002]
US 2004/0258381 A1 [0002]
EP 1772758 A1 [0003]

Claims

Lichtleitfasereinheit (1) mit einer Lichtleitfaser (3), die einen lichtführenden Bereich (27) und an einem Faserende eine Endfläche (5) zur Einkopplung von Licht (7) in den lichtführenden Bereich (27) oder Auskopplung von Licht (7) aus dem lichtführenden Bereich (27) aufweist, wobei das Licht (7) durch einen inneren Bereich (5A) der Endfläche (5) in die Lichtleitfaser (3) eintritt oder aus dieser austritt, und einer hohlen Endkappe (11) mit einem Lochelement (15), das eine Anschlagsfläche (15C) und eine Öffnung (16) aufweist, und einem optischen Element (17), wobei das Lochelement an der Lichtleitfaser (3) derart befestigt ist, dass die Endfläche (5) der Lichtleitfaser (3) an der Anschlagsfläche (15C) anliegt und das Licht (7) aus der hohlen Endkappe (11) durch die Öffnung (16) in den lichtführenden Bereich (27) einkoppelbar oder aus dem lichtführenden Bereich (27) durch die Öffnung (16) in die hohle Endkappe (11) auskoppelbar ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach Anspruch 1, wobei die Lichtleitfaser (3) eine den lichtführenden Bereich (27) umfassende Hohlraumstruktur (3A), welche an der Endfläche (5) im inneren Bereich (5A) endet, und eine Mantelstruktur (3B), der ein den inneren Bereich (5A) umgebenden Mantelbereich (5B) der Endfläche (5) zugeordnet ist, aufweist und das Lochelement (15) derart an der Lichtleitfaser (3) befestigt ist, dass ein Innenraum (11A) der hohlen Endkappe (11) mit der Hohlraumstruktur (3A) in der Lichtleitfaser (3) durch die Öffnung (16) des Lochelements (15) fluid verbunden ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Endfläche (5) der Lichtleitfaser (3) an der Anschlagsfläche (15C) des Lochelements (15) und/oder die Mantelstruktur (3B), insbesondere die Außenmantelseite der Lichtleitfaser (3), an einer Innenseite eines Faserbefestigungsabschnitts (16C) der Öffnung (16) und/oder die Mantelstruktur (3B), insbesondere eine Außenmantelseite der Lichtleitfaser (3), am Lochelement (15), insbesondere an einer Rückseite (15B) des Lochelements (15) über eine Kehlverbindung, befestigt ist, insbesondere (glas-) verschweißt oder verklebt ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lichtführende Bereich (27) der Lichtleitfaser (3) als Hohlkern ausgebildet ist, dessen Zugang von der Öffnung (16) frei gehalten wird, und/oder wobei die Hohlraumstruktur (3A) ferner eine Lochmantelstruktur (29) umfasst, die zwischen dem lichtführenden Bereich (27) der Lichtleitfaser (3) und der Mantelstruktur (3B) angeordnet ist und an der Endfläche (5) im inneren Bereich (5A) endet, und wobei insbesondere der Zugang zur Lochmantelstruktur (29) von der Öffnung (16) frei gehalten wird.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lochelement (15) aus einem mit der Lichtleitfaser (3), insbesondere der Mantelstruktur (3B), verschweißbaren Material wie Glas, z.B. Quarzglas oder BK7-Glas, oder Saphir, besteht.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Endkappe (11) einen Hohlkörper (13), das Lochelement (15) mit der Öffnung (16) und das, insbesondere für von der Lichtleitfaser (3) zu führendes Licht transparente, optische Element (17) umfasst, und wobei insbesondere das Lochelement (15) und das optische Element (17) an gegenüberliegenden Enden (19A, 19B) des Hohlkörpers (13) mit dem Hohlkörper (13) verbunden sind.
Lichtleitfasereinheit (1) nach Anspruch 6, wobei der Hohlkörper (13), das Lochelement (15) und/oder das optische Element (17) aus miteinander verschweißbaren Materialien wie Glas, z.B. Quarzglas oder BK7-Glas, oder Saphir, bestehen und miteinander verbunden sind, insbesondere (glas-) verschweißt, oder verklebt sind.
Lichtleitfasereinheit (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Hohlkörper (13) rohrförmig, insbesondere mit einem kreisförmigen oder mehreckigen Querschnitt, ausgebildet ist, und/oder wobei eine Länge des Hohlkörpers (13) derart ist, dass aus dem inneren Bereich (5A) austretendes Licht (7) sich im Innenraum (11A) derart aufweitet, dass das optische Element (17) mit einer Intensität durchtreten wird, die unterhalb einer Zerstörschwellenintensität des optischen Elements (17 liegt, und/oder wobei im Fall eines als Fokussierlinse ausgebildeten optischen Elements (17) die Länge des Hohlkörpers (13) im Bereich der Fokuslänge der Fokussierlinse liegt, sodass die Lichtleitfasereinheit (1) mit einem kollimierten Eingangsstahl und/oder einem kollimierten Ausgangsstrahl betreibbar ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (17) als plan-parallele Platte (17B), Keil, Linse (17A), diffraktives optisches Element, Wellenplatte oder Axicon ausgebildet ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleitfasereinheit (1) gasdicht ausgebildet ist und wobei insbesondere Komponenten der Lichtleitfasereinheit (1), insbesondere das Lochelement (15) und die Lichtleitfaser (3), und/oder Komponenten der Endkappe (11), insbesondere der Hohlkörper (13), das Lochelement (15) und/oder das optische Element (17), miteinander gasdicht verbunden sind, insbesondere gasdicht (glas-) verschweißt oder gasdicht verklebt sind.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lochelement (15) plattenförmig, insbesondere als kreisrunde Scheibe, in der die Öffnung (16) zentral angeordnet ist, ausgebildet ist und/oder wobei die Öffnung (16) als zylinderförmiges Loch (16A) oder als sich in Richtung des Innenraums (11A) im Durchmesser vergrößerndes, insbesondere konisch öffnendes, Loch (16B) ausgebildet ist und/oder wobei eine Zentralachse (21) des inneren Bereichs (5A) entlang einer Symmetrieachse (22) der Endkappe (11) ausgerichtet ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (16) im Durchmesser mindestens so groß ist wie ein Durchmesser des lichtführenden Bereichs (27) und insbesondere so groß ist wie ein Durchmesser der Lochmantelstruktur (29) und/oder wobei die Öffnung (16) im Durchmesser kleiner als 1 mm, insbesondere kleiner als 500 µm, ist, und beispielsweise im Bereich von 50 µm bis 500 µm liegt, und/oder wobei zumindest ein die Öffnung (16) umgebender Bereich einer Innenseite (15A) des Lochelements (15), insbesondere im Bereich der für die Lichtleitfaser (3) vorgesehenen Wellenlänge, reflektierend ausgebildet, insbesondere reflektierend beschichtet, ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Endkappe (11) ferner eine Rückwand (30) aufweist, die hinsichtlich des Innenraums (11A) auf einer Rückseite (15B) des Lochelements (15) angeordnet ist und die mit einer Außenmantelseite der Lichtleitfaser (3) und dem Hohlkörper (13) und/oder dem Lochelement (15), insbesondere gasdicht, verbunden ist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Gaskontrollloch (25) in der Endkappe (11) vorgesehen ist, dass die Umgebung mit dem Innenraum (11A) fluid verbindet, wobei das Gaskontrollloch (25) insbesondere einen Öffnungsdurchmesser aufweist, der, beispielsweise mittels Laser-basierter Materialbearbeitung wie Laseraufschmelzen, verschließbar ist, und/oder wobei die Lichtleitfasereinheit (1) an jedem Ende der Lichtleitfaser (3) eine Endkappe (11) aufweist, wobei insbesondere mindestens eine der Endkappen (11) ein, beispielsweise mittels Laser-basierter Materialbearbeitung, verschlossenes Gaskontrollloch (25) aufweist.
Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Endkappe (11) bis auf die Öffnung (16) und optional das mindestens eine Gaskontrollloch (25) gasdicht ausgebildet ist und/oder wobei die Öffnung (16) des Lochelements (15) und das optische Element (17) in einem Strahlengang des in die Lichtleitfaser (3) eintretenden oder austretenden Lichts (7) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfasereinheit mit mindestens einem konfigurierten Faserende einer Lichtleitfaser (3), insbesondere einer Lichtleitfasereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: Anbringen einer hohlen Endkappe (11), die ein Lochelement (15), das eine Anschlagsfläche (15C) und eine Öffnung (16) aufweist, und ein, insbesondere für von der Lichtleitfaser (3) zu führendes Licht transparentes, optisches Element (17) umfasst, an der Lichtleitfaser (3), wobei die Lichtleitfaser (3) einen lichtführenden Bereich (27) und am Faserende eine Endfläche (5) zur Einkopplung von Licht (7) in den lichtführenden Bereich (27) oder Auskopplung von Licht (7) aus dem lichtführenden Bereich (27) aufweist, und Positionieren des Lochelements (15) derart bezüglich der Lichtleitfaser (3), dass die Endfläche (5) der Lichtleitfaser (3) an der Anschlagsfläche (15C) anliegt, sodass das Licht (7) durch das optische Element (17), einen Innenraum (11A) der Endkappe (11) und die Öffnung (16) in die Lichtleitfaser (3) einkoppelbar oder aus dieser auskoppelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei mindestens ein Gaskontrollloch (25) in der Endkappe (11) vorgesehen ist, das eine äußere Umgebung mit dem Innenraum (11A) fluid verbindet, ferner mit den Schritten: Bringen des Innenraums (11A) der Endkappe (11) und der mit dieser fluid verbundenen Hohlraumstruktur (3A) in einen definierten Gas- und/oder Druckzustand mithilfe des mindestens einen Gaskontrolllochs (25) und Verschließen des mindestens einen Gaskontrolllochs (25), insbesondere mittels Laser-basierter Materialbearbeitung wie Laserschmelzen.