DE102018126791B4

DE102018126791B4 - Lichtleiteranordnung und Verwendung eines hohlzylindrischen Kapillarabschnitts

Info

Publication number: DE102018126791B4
Application number: DE102018126791.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Simon; Andreas Blumenstein; Tamás NAGY
Original assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2038-10-27
Also published as: DE102018126791A1

Abstract

Lichtleiteranordnung (10), umfassend- eine als Hohlleiter ausgebildete, gestreckt angeordnete Lichtleitfaser (20) mit einem Eingang zur Einkopplung von Laserlicht (60) und- ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Vorsatzelement (30) mit einer zentralen Durchgangsöffnung (32), dessen Wandstärke größer als die Wandstärke der Lichtleitfaser (20) ist, wobei das Vorsatzelement (30) eingangsseitig vor der Lichtleitfaser (20) angeordnet und konzentrisch zu dieser ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzelement (30) als steifer, hohlzylindrischer Kapillarabschnitt ausgebildet ist, wobei der Absolutbetrag der Differenz der Innendurchmesser (IDK, IDF) des Vorsatzelementes (30) und der Lichtleitfaser (20) kleiner ist als die Wandstärke der Lichtleitfaser (20).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtleiteranordnung, umfassend

- eine als Hohlleiter ausgebildete, gerade erstreckte Lichtleitfaser mit einem Eingang zur Einkopplung von Laserlicht und
- ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Vorsatzelement mit einer zentralen Durchgangsöffnung, dessen Wandstärke größer als die Wandstärke der Lichtleitfaser ist,

Die Erfindung bezieht sich weiter auf Verfahren zur Herstellung und Reparatur derartiger Lichtleiteranordnungen sowie auf die Verwendung grundsätzlich bekannter, hohlzylindrischer Kapillarabschnitte, insbesondere als Kit, umfassend eine Mehrzahl solcher Kapillarabschnitte.
Stand der Technik
Eine gattungsgemäße Lichtleiteranordnung ist bekannt aus Schweinberger, H. W.: „A Lasersource for the generation of intense attosecond pulses in first applications“, Dissertation, Ludwig-Maximilians Universität, München, 11.08.2014. Diese Druckschrift beschreibt den konstruktiven Aufbau und die Anwendung einer Lichtleiteranordnung, wie sie prinzipiell in DE 10 2007 048 769 B3 offenbart ist.
Zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse ist das Prinzip der Pulskompression durch nichtlineare Selbstphasenmodulation seit langem bekannt. Grundidee dieser Art der Pulskompression ist es, das in einem Puls vorliegende Wellenlängenspektrum zu erweitern, indem man den Puls ein nichtlineares optisches Medium passieren lässt, was zur Erzeugung zusätzlicher Spektralkomponenten in dem Puls führt. Eine nachfolgende Passage durch eine Kompressionsstrecke mit geeigneten dispersiven optischen Elementen staucht das zeitlich verteilte Pulsspektrum zu einem ultrakurzen Puls zusammen, wobei die erreichbare Kürze des Pulses direkt von der spektralen Breite des in dem Puls vertretenen Wellenlängenspektrums abhängig ist. Es ist daher ein allgemeines Anliegen, möglichst viele zusätzliche Spektralkomponenten zu erzeugen, wozu eine lange Wechselwirkungsstrecke zwischen dem Puls und dem nichtlinearen optischen Medium vorteilhaft ist.
Aus der US 6,151,155 A sowie aus der US 5,956,173 A ist es bekannt, als Lichtleiter (starre) Kapillaren aus Glas oder Quarz mit einem an die jeweilige Wellenlänge angepassten Innendurchmesser, der typischerweise zwischen 100 und 500 Mikrometern liegt, zu verwenden, wobei der Hohlkern der Kapillare mit Gas, bspw. mit Argon, als optisch nichtlinearem Medium gefüllt ist. Die Herstellung exakt gerader und weder hinsichtlich des Innen- noch des Außendurchmessers mit größeren Toleranzen behafteter Kapillaren ist äußerst schwierig, weshalb derartige Ansätze unter einer erheblichen Längenbeschränkung des Lichtleiters und damit der effektiven Wechselwirkungsstrecke leiden.
Die weiter oben genannte deutsche Patentschrift sowie die gattungsbildende Druckschrift offenbaren die Verwendung einer (flexiblen) Hohlfaser aus Glas oder Quarz, die in axialer Richtung zugkraftbeaufschlagt und daher gestreckt, d. h. nahezu exakt, insbesondere im Rahmen der Anforderungen hinreichend exakt, geradlinig ausgerichtet wird. Fertigungstoleranzen des Außendurchmessers der Faser spielen bei einem solchen Aufbau keine Rolle; Fertigungstoleranzen des Innendurchmessers sind auch bei langen Fasern technologisch gut beherrschbar.
Problematisch ist die große Empfindlichkeit derartiger Hohlfasern aufgrund ihrer dünnen Wandstärke, die allerdings unvermeidbar ist zum Erhalt der Faser-Flexibilität, die ihrerseits für das gewünschte Geraderichten durch Strecken benötigt wird. Insbesondere im Bereich der eingangsseitigen Stirnfläche erweist sich diese Empfindlichkeit als nachteilig. Bei idealer Einkopplung, d. h. bei ideal konzentrischer Ausrichtung eines ideal Gauß-profilierten Laserstrahls fällt zwar nur eine vernachlässigbare Lichtintensität auf besagte Stirnfläche. Bei geringfügiger Fehljustierung, Imperfektionen des Strahlprofils und anderen Abweichungen vom Idealzustand, die bspw. bereits durch geringfügige Temperaturänderungen, Luftzug oder Erschütterungen eintreten können, fällt Laserlicht mit u. U. stark erhöhter Energiedichte auf den Innenrand der Einkoppel-Stirnfläche, was durch Ablation, Erosion und/oder Aufschmelzen zur graduellen bis hin zur totalen Zerstörung der Einkoppelfläche führen kann. Dies führt zu einer drastischen Reduktion der Einkoppeleffizienz. Ein Austausch bzw. eine Reparatur der (nur) eingangsseitig beschädigten Faser ist aufgrund deren gestreckter Anordnung - in der Regel sogar innerhalb eines gasdichten Gehäuses - extrem aufwändig.
Zum Schutz der Faserstirnfläche schlägt die gattungsbildende Druckschrift die Verwendung eines trichterförmigen Vorsatzelementes vor. Dieses Vorsatzelement hat die Außenform eines Kegelstumpfes und ist von einer ebenfalls kegelstumpfförmigen, zentralen Durchgangsöffnung durchsetzt. Das Vorsatzelement hat eine Länge von drei bis vier Zentimetern und an der Kegelbasis einen Außendurchmesser von mehr als vier Millimetern. Sein Innendurchmesser ist an dieser Stelle um ein Vielfaches größer als der Innendurchmesser der Lichtleitfaser. Das Vorsatzelement ist konzentrisch vor der Lichtleitfaser positioniert, wobei seine Spitze zur Einkopplungsfläche der Lichtleitfaser weist und von dieser um einen schmalen Luftspalt beabstandet ist. Es kann aufgrund seiner im Vergleich zur Lichtleitfaser großen Wandstärke als ein starrer Körper betrachtet werden. Aufgrund der großen Eingangsöffnung kommt Licht eines nicht vollkommen fehljustierten Lasers bei der Einkopplung nicht in Kontakt mit der eingangsseitigen Stirnfläche des Vorsatzelementes. Die Schutzwirkung für die Stirnfläche der Lichtleitfaser kommt dadurch zustande, dass die innere Konizität des Vorsatzelementes eine zentrierende bzw. eine unkontrolliert eingekoppelte Lichtanteile nach außen ablenkende Wirkung haben soll, sodass nur noch perfekt geformte und ausgerichtete Lichtanteile den Luftspalt zwischen dem Vorsatzelement und der Lichtleitfaser durchlaufen und eine Einkopplung in letztere ohne Bestrahlung von deren Stirnfläche bewirken können sollen.
Diese Annahme hält einer experimentellen Überprüfung nicht stand. Es hat sich gezeigt, dass zumindest bei Parallelversetzung des Laserstrahls von der optischen Achse auch am Eingang der Lichtleitfaser eine Versetzung des Strahlzentrums erfolgt, sodass der Rand der Faseröffnung trotz des Vorsatzelementes einer erheblichen, durch das Vorsatzelement eigentlich zu vermeidenden Bestrahlung ausgesetzt wird. Ein Austausch des Vorsatzelementes scheint bei dieser Anordnung nur möglich, wenn eine aufwändige Justage des neu eingesetzten Vorsatzelementes erfolgt.
Aus der US 2004 0263842 A1 ist eine als Kapillare ausgebildete Raman-Sonde bekannt. Durch ihren innen verspiegelten Hohlkern wird Beleuchtungslicht von einer eingangsseitigen Laserquelle zu einer ausgangsseitigen Probe transportiert. Durch die Kapillarwandung wird Detektionslicht von der Probe zu einem eingangsseitig angeordneten Detektor zurück geleitet. Dabei wird zur Optimierung des Winkels, unter dem Detektionslicht in die Kapillarwandung eingeleitet werden kann, ausgangsseitig der Kapillare ein außen konisches Zusatzelement mit einer geraden Durchgangsbohrung angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem Zusatzelement um einen konisch geschliffenen Kapillarabschnitt derselben Art wie der Hohlleiter selbst.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Lichtleiteranordnung derart weiterzubilden, dass ein effektiverer Schutz der Lichtleitfaser-Stirnfläche erzielt wird. Insbesondere soll dies mit einer Vereinfachung der Reparatur einer solchen Lichtleiteranordnung verbunden sein.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Vorsatzelement als steifer, hohlzylindrischer Kapillarabschnitt ausgebildet ist, wobei der Absolutbetrag der Differenz der Innendurchmesser des Vorsatzelementes und der Lichtleitfaser kleiner ist als die Wandstärke der Lichtleitfaser. Mathematisch ausgedrückt, gilt für die Innendurchmesser: $| I D_{F} - I D_{K} | < W_{F},$
wo ID_F der Innendurchmesser der Lichtleiterfaser, ID_K der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Vorsatzelementes und W_F die Wandstärke der Lichtleiterfaser ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Insbesondere wird bevorzugt, dass die Innendurchmesser von Vorsatzelement und Lichtleiter mit einer Abweichung von nicht mehr als 30%, bevorzugt von nicht mehr als 20%, besonders bevorzugt von nicht mehr als 10% übereinstimmen. Je besser die Übereinstimmung ist, desto geringer sind die Verluste beim Übergang des Lichtes vom Vorsatzelement zur Lichtleitfaser. Die Länge des Vorsatzelementes beträgt bevorzugt höchstens 1/10 der Länge der Lichtleitfaser.
Eine gute Übereinstimmung der Innendurchmesser führt zu einer guten „Übergabe“ des in das Vorsatzelement eingekoppelten Lichtes an die Lichtleitfaser. D.h. die unerwünschte Anregung zusätzlicher Moden in der Lichtleitfaser unterbleibt weitgehend. Andererseits hat sich herausgestellt, dass eine exakte Übereinstimmung der Innendurchmesser in der Praxis nicht erforderlich ist. Übersteigt der Innendurchmesser-Unterschied jedoch den oben definierten Grenzwert, kann es - je nach Konstellation - zur Beschädigung der Lichtleitfaser-Stirnseite oder zu einer übermäßigen Anregung unerwünschter Moden kommen.
Die Erfindung wendet sich ab von dem im Stand der Technik verfolgten Grundgedanken, die fehljustierten oder nicht ideal profilierten Anteile eines Laserstrahls durch Passieren eines sich verengenden Kanals zu unterdrücken. Vielmehr sieht die Erfindung die Verwendung eines Vorsatzelementes vor, welches sich hinsichtlich des eigentlichen Lichtleitungsbereichs, d. h. hinsichtlich seines Hohlkerns, nicht oder zumindest nicht wesentlich von der das schlussendliche Einkopplungsziel darstellenden Lichtleitfaser unterscheidet. Der Unterschied zwischen Lichtleitfaser und Vorsatzelement liegt - neben deren unterschiedlichen Längen - im Wesentlichen lediglich in einer vorzugsweise deutlich vergrößerten Wandstärke des Vorsatzelementes im Vergleich zur Lichtleitfaser. Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, dass der Laserstrahl zwei hintereinander angeordnete und hinsichtlich ihrer Lichtleitungseigenschaften im Wesentlichen identische Lichtleitelemente durchläuft, deren Wandstärken und deren Längen sich jedoch unterscheiden. Während das erste Lichtleitelement, d. h. das Vorsatzelement, als vorzugsweise dickwandiger und daher starrer Körper von leicht handhabbarer Größe, vorzugsweise mit einer Länge von 10 bis 200 mm, insbesondere von 20 bis 50 mm, und einem Außendurchmesser von 1 bis 20 mm, insbesondere von 2 bis 5 mm, ausgebildet sein kann und vorzugsweise ist, kann das zweite Lichtleitelement, d. h. die Lichtleitfaser, als dünnwandige, flexible und mehr oder weniger aufwändig gestreckt installierte Hohlfaser ausgebildet sein.
Natürlich besteht aufgrund der weitgehend übereinstimmenden Innendurchmesser bei suboptimaler Justierung und/oder Profilierung des Laserstrahls bzw. bei einer temporären Dejustage durch Umwelteinflüsse am Eingang des Vorsatzelementes dieselbe Gefahr der Bestrahlung seiner Stirnfläche wie dies bei einer ungeschützten Lichtleitfaser wäre. Aufgrund seiner dickeren Wandstärke kann das Vorsatzelement jedoch wesentlich robuster sein als die dünnwandige Lichtleitfaser und wird weniger leicht beschädigt. Ein zu diesem Umstand beitragender Effekt mag in der besseren Wärmeableitung in dem dickwandigen Material liegen. Zudem kann bei einer ungeschützten, gestreckten Lichtleitfaser ggf. deren Fixierung durch fehljustierte Lichtanteile beschädigt werden, was die gesamte Lichtleiteranordnung unbrauchbar machen kann. Auch hiergegen bietet die vorliegende Erfindung einen effektiven Schutz, da das steife Vorsatzelement keine derart filigrane Fixierung benötigt wie eine gestreckte Faser.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Vorsatzelement berührungslos vor der Lichtleitfaser angeordnet ist. Der Aufbau der Anordnung wird dadurch erheblich erleichtert. Diese Ausgestaltung der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, die bei Einkopplung von Licht in ein Lichtleiterelement angeregten Moden zumindest über eine kurze Strecke hinter dem Lichtleiterelement aufrechtzuerhalten und in ein dahinter angeordnetes, konzentrisch ausgerichtetes Lichtleiterelement zu überführen, sofern dieses einen weitgehend übereinstimmenden Innendurchmesser aufweist. D. h. es ist möglich, das (nach erfolgreicher Einkopplung) im ersten Lichtleiterelement geführte Licht über einen Spalt hinweg, der ohne Weiteres mehrere Millimeter betragen kann, von dem einen Lichtleiterelement zum anderen hin zu übergeben. Entsprechend erfolgt die Einkopplung erfindungsgemäß in das Vorsatzelement; das nach der Einkopplung dort geführte Licht wird sodann an die berührungslos dahinter angeordneten Lichtleitfaser übergeben. Im Gegensatz dazu wird beim Stand der Technik versucht, den „Freistrahl“ mittels eines trichterartigen Vorsatzelementes durch Auskopplung (dauerhaft oder temporär) fehljustierter Lichtanteile zu konditionieren, sodass er sich für die eigentliche Einkopplung, die direkt in die Lichtleitfaser erfolgt, besser eignet als vor dem Vorsatzelement.
Da in die erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung eingekoppeltes Laserlicht also als bereits geführtes Licht vom Vorsatzelement an die Lichtleitfaser übergeben wird, ist keine Bestrahlung der empfindlichen Stirnfläche der Lichtleitfaser und damit deren Beschädigung zu befürchten.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung, insbesondere deren Vorsatzelementes, liegt darin, dass sich das Vorsatzelement aufgrund seiner hohlzylindrischen Form besonders einfach konzentrisch zur Lichtleitfaser justieren lässt. Auf Einzelheiten dieses Vorteils soll weiter unten im Kontext besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung noch näher eingegangen werden.
Da das Vorsatzelement zudem nicht mit der Lichtleitfaser verbunden ist, sondern bevorzugt berührungslos davor angeordnet ist, kann es bei Beschädigung leicht ausgetauscht oder repariert werden, ohne dass irgendwelche Änderungen an der Lichtleitfaser vorgenommen werden müssten. Günstigerweise beträgt der Abstand zwischen dem Vorsatzelement und der Lichtleitfaser weniger als das Zehnfache des größeren der im Wesentlichen übereinstimmenden Innendurchmesser. Veränderungen des Abstandes innerhalb dieses Bereichs haben sich als unkritisch erwiesen.
Die Länge des Vorsatzelementes liegt bevorzugt im Bereich zwischen 5 und 200 mm, insbesondere zwischen 20 und 50 mm. Solche Vorsatzelemente können als Einzelabschnitte, die aus handelsüblichen Kapillaren, typischerweise Glas- oder Quarzkapillaren, herausgeschnitten werden, hergestellt werden. Dabei weisen aus derselben Kapillare in unmittelbarer Nachbarschaft herausgeschnittene Einzelabschnitte extrem ähnliche, d. h. innerhalb der hier relevanten Toleranzen übereinstimmende Innen- und Außendurchmesser auf. Für die Übereinstimmung der Innendurchmesser gelten zwar recht großzügige Toleranzen - im Ergebnis darf die Innendurchmesser-Abweichung zwischen Vorsatzelement und Lichtleitfaser, auf die es funktional ankommt, lediglich nicht den erfindungsgemäßen Grenzwert überschreiten. In Bezug auf die Außendurchmesser ist jedoch im Hinblick auf ein weiter unten noch näher erläutertes Justier- bzw. Reparaturverfahren eine sehr hohe Übereinstimmung wünschenswert, insbesondere eine Übereinstimmung von 0,01 mm oder besser.
Um tatsächlich im Wesentlichen gleiche Lichtleitungsbedingungen im Vorsatzelement und in der Lichtleitfaser zu schaffen, besteht das Vorsatzelement vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Lichtleitfaser. Die Wahl des geeigneten Materials für beide Lichtleitelemente hängt ab von den Wellenlängen des zu leitenden Laserlichtes. Gewünscht ist hier eine möglichst geringe Absorption für die jeweils fraglichen Wellenlängen.
Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dem Eingang der Lichtleitfaser, abgewandte Stirnseite des Vorsatzelementes, d. h. dessen Eingangs-Stirnseite, und/oder die äußere Mantelfläche des Vorsatzelementes aufgeraut sind. Fehljustierte oder -profilierte Lichtanteile des Laserstrahls, die im Vorsatzelement nicht bestimmungsgemäß geleitet, sondern unkontrolliert gestreut werden, dringen in dessen Wandung ein. Eine aufgeraute Außenfläche führt zur radialen Auskopplung dieser Lichtanteile, die daher nicht durch Totalreflektion in der Wandung geleitet und auf die Eingangs-Stirnfläche der Lichtleitfaser fallen können. Die genannte Aufrauung führt also zu einem zusätzlichen Schutz der empfindlichen Eingangs-Stirnfläche der Lichtleitfaser.
Natürlich bedarf auch die erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung eines nicht unerheblichen Justageaufwandes. Um diesen zu reduzieren, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Vorsatzelement in einer V-Nut gelagert ist, die so justierbar bzw. justiert ist, dass das Vorsatzelement koaxial zur Lichtleitfaser ausgerichtet ist. Diese kann z.B. mit zwei axial beabstandeten, jeweils in zwei Richtungen senkrecht zu ihrer Nutachse verstellbaren Justiereinheiten versehen sein. Alternativ kann sie zunächst in zur optischen Achse paralleler Ausrichtung und dann insgesamt durch eine einzige Justiereinheit relativ zur Lichtleitfaser in einer senkrecht zu ihrer Nutachse liegenden Verstellebene justierbar sein. In jedem Fall macht sich hier die äußere Zylinderform des Vorsatzelementes, die die immer gleiche Relativlage des Vorsatzelementes zur V-Nut und damit den Erhalt der koaxialen Ausrichtung zur Lichtleitfaser selbst nach Entnahme und Wiedereinsetzen des Vorsatzelementes garantiert, vorteilhaft bemerkbar.
Die Justierung kann unter Zuhilfenahme eines leistungsschwachen Justierlasers erfolgen, dessen Einsatz keinerlei Gefahr einer Beschädigung der Eingangsflächen des Vorsatzelementes und/oder der Lichtleitfaser birgt. Sobald diese Justierung vollendet ist, kann mit der Justierung zur Einkopplung eines leistungsstarken, gepulsten Lasers begonnen werden. Während dieses Justierschrittes ist die empfindliche Eingangsfläche der Lichtleitfaser, bereits durch das justierte Vorsatzelement geschützt.
Sollte es aufgrund grober Fehljustage oder -profilierung des Lasers oder durch temporäre Störungen während des Betriebs zu einer Beschädigung der Eingangsfläche des Vorsatzelementes kommen, ermöglicht dessen erfindungsgemäße Formgebung eine leichte Reparatur. Ein entsprechendes Reparaturverfahren umfasst die Schritte:

- Entnehmen des beschädigten Vorsatzelementes,
- Einlegen eines hinsichtlich seines Außendurchmessers identischen, unbeschädigten Vorsatzelementes.

Besagtes unbeschädigtes Vorsatzelement kann ein neuer Kapillarabschnitt sein; es kann sich jedoch auch um denselben Kapillarabschnitt handeln, der zuvor einer Reparatur, bspw. einem Abschneiden oder Abschleifen des beschädigten Eingangsbereichs, unterworfen wurde. Aufgrund der erfindungsgemäßen Formgebung ist eine komplizierte Neujustierung nicht erforderlich. Vielmehr genügt, wie beschrieben, ein einfaches Einlegen des unbeschädigten Vorsatzelementes in die V-Nut. Natürlich sollte man bemüht sein, ein auch hinsichtlich des Materials und des Innendurchmessers möglichst mit dem entnommenen Vorsatzelement übereinstimmendes unbeschädigtes Vorsatzelement zu wählen. Von besonderer Bedeutung ist jedoch die übereinstimmende Wahl des Außendurchmessers. Dies gewährleistet die unmittelbare Koaxialausrichtung zum Lichtleiter ohne erneute Justierung der V-Nut.
Die spezielle Verwendung von im Grunde bekannten, handelsüblichen, hohlzylindrischen, gerade erstreckten Kapillarabschnitten, insbesondere aus Glas oder Quarz, d.h. von als (starre) Kapillare ausgebildeten, gerade erstreckten Lichtleitleiterabschnitten, einer Länge von 5 bis 200 mm, insbesondere 20 bis 50 mm, einem Innendurchmesser von 0,1 bis 1,5 mm und einer Wandstärke von mindestens 0,2 mm, als Vorsatzelement einer erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung und/oder zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens stellt einen eigenständigen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
Insbesondere im Hinblick auf das zuvor erläuterte Reparaturverfahren stellt ein Vorsatzelemente-Kit, d. h. ein Satz von mehreren erfindungsgemäßen Vorsatzelementen, die insbesondere als Ersatzteil-Vorrat für eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung dienen können, ein wichtiges, merkantiles Produkt dar. Wesentlich ist dabei die Gleichartigkeit der einzelnen Elemente des besagten Vorsatzelemente-Kits. Dies gilt insbesondere für ihre identischen Außen- und weitgehend übereinstimmenden Innendurchmesser. Hinsichtlich ihrer Länge können die Kit-Elemente ohne weiteres voneinander abweichen, wobei auch hier eine Übereinstimmung bevorzugt wird. Mit anderen Worten ist ein weiterer, eigenständiger Aspekt der vorliegenden Erfindung gegeben durch ein Vorsatzelemente-Kit, insbesondere als Ersatzteil-Vorrat für eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung, umfassend eine Mehrzahl hohlzylindrischer Kapillarabschnitte einer Länge von 5 bis 200 mm, insbesondere 20 bis 50 mm, einem Innendurchmesser von 0,1 bis 1,5 mm und einer Wandstärke, die wenigstens 0,2 mm beträgt, wobei sämtliche Kapillarabschnitte hinsichtlich ihres Außendurchmessers übereinstimmen und vorzugsweise auch aus identischem Material gefertigt sind und/oder hinsichtlich ihres Innendurchmessers im Rahmen der o. g. Toleranzen übereinstimmen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung in schematischem Längs- und Querschnitt,
2: schematische Längsschnitt-Darstellungen der Anordnungen von 1 zur Illustration eines erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens sowie
3: Aufnahmen von aus dem Vorsatzelement austretendem Licht zum Vergleich der Erfindung (3a) und des Standes der Technik (3b).

Beschreibung bevorzugter ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichnungen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung 10 in verschiedenen Längs- und Querdarstellungen, die stark schematisiert sind. Die Lichtleiteranordnung 10 umfasst eine grundsätzlich flexible Lichtleitfaser 20, die als Hohlfaser mit einer Wandung 21 und einem inneren Hohlraum, d. h. einem Hohlkern 22 ausgebildet ist. Der Außendurchmesser der Faser ist mit OD_F gekennzeichnet, ihr Innendurchmesser, d. h. die lichte Weite des Hohlkerns 22, ist mit ID_F gekennzeichnet.
Die Lichtleitfaser 20 ist an ihrem vorderen Ende in einem Halter 25 fixiert. Die Fixierung kann insbesondere durch eine Verklebung erreicht werden. Um eine exakt gerade Ausrichtung der Lichtleitfaser 20 zu erreichen, steht sie entsprechend dem mit dem Bezugszeichen 40 versehenen Zugpfeil unter Zugspannung, wobei ihr rückwärtiges, nicht dargestelltes Ende vorzugsweise in einem dem Halter 25 analogen Halter fixiert ist.
Eingangsseitig der Lichtleitfaser 20 ist erfindungsgemäß ein hohlzylindrisches Vorsatzelement 30 positioniert. Es umfasst eine Wandung 31 und ein Hohlkern 32. Das Wandungsmaterial der Wandung 31 ist vorzugsweise dasselbe wie das Wandungsmaterial der Wandung 21 der Lichtleiterfaser 20 und besteht bevorzugt aus Glas oder Quarz. Insbesondere handelt es sich bei dem Vorsatzelement 30 bevorzugt um einen senkrecht aus einer längeren Kapillare herausgeschnittenen Abschnitt. Das Vorsatzelement 30 ist berührungslos vor dem Eingang der Lichtleitfaser 20 positioniert. Die Breite des entsprechenden Abstandes d sollte so gering wie möglich gehalten werden, kann aber durchaus bis zu einige Millimeter betragen.
Der Außendurchmesser des Vorsatzelementes ist mit OD_K gekennzeichnet, sein Innendurchmesser, d. h. die lichte Weite des Hohlkerns 32, ist mit ID_K gekennzeichnet. Der Innendurchmesser ID_K des Vorsatzelementes 30 entspricht exakt dem Innendurchmesser ID_F der Lichtleitfaser 20, d.h. der Absolutbetrag der Differenzen der beiden Innendurchmesser ist kleiner als die Dicke der Wandung 21 der Lichtleitfaser 20.
Die Wandungsstärke des Vorsatzelementes 30, beträgt ein Mehrfaches der Wandungsstärke der Lichtleitfaser 20, d. h. (OD_K - ID_K)/2 = x (OD_F - ID_F)/2 mit x > 2, vorzugsweise x > 5, besonders bevorzugt x > 10, wobei x nicht ganzzahlig sein muss. Im Gegensatz zur flexiblen Lichtleitfaser 20 handelt es sich bei dem Vorsatzelement 30 daher um einen starren Körper.
Das Vorsatzelement 30 ist in einem Halter 35 gelagert, der im Wesentlichen eine V-Nut 36 aufweist, in die das Vorsatzelement 30 eingelegt ist. Der Halter 35 ist relativ zur Lichtleitfaser 20 so fixiert, dass seine V-Nut 36 exakt parallel zur Lichtleitfaser 20 ausgerichtet ist. Mit in den Figuren nicht im Detail dargestellten Justiermitteln ist der Halter 35, insbesondere die V-Nut 36, ohne Veränderung ihrer vorjustierten Parallelausrichtung zur Lichtleitfaser 20 in einer Verstellebene senkrecht zur optischen Achse 50 justierbar, wie durch die Justierpfeile 42 angedeutet. Auf diese Weise kann die in den Figuren gezeigte, koaxiale Ausrichtung des Vorsatzelementes 30 zur Lichtleitfaser 20 erreicht werden. Eine solche Justierung kann mit Hilfe eines leistungsschwachen Justierlasers vorgenommen werden. In dieser justierten Position wird die V-Nut relativ zur Lichtleitfaser fixiert. Bei nachfolgenden Justierarbeiten zur Einkopplung eines leistungsstarken Laserstrahls 60, wie in 2 gezeigt, ist die empfindliche Stirnfläche der Lichtleitfaser 20 durch das Vorsatzelement 30 geschützt.
Alternativ kann die Justierung auch durch zwei axial beabstandete Justierelemente, die jeweils eine Justierung in einer senkrecht zur optischen Achse 50 orientierten Ebene zulassen, oder auf andere Weise bewerkstelligt werden.
2 zeigt grob schematisiert die Anordnung von 10 mit eingekoppeltem Laserstrahl 60. Dessen exakte Fokalebene liegt idealerweise in der Ebene der eingangsseitigen Stirnfläche des Vorsatzelements 30. Da typischerweise aber Strahlen mit großer Rayleigh-Länge realisiert werden, sind hier Justagetoleranzen von bis zu mehreren Millimetern möglich. Bei korrekter Einkopplung wird/werden im Vorsatzelement 30 fast ausschließlich die gewünschte(n) Lichtleitmode(n) angeregt - in der Regel ist in der Tat nur die Anregung einer einzigen, in Ausnahmefällen jedoch auch mehrerer Lichtleitmoden erwünscht. Diese im Vorsatzelement 30 initiierte Lichtleitung setzt sich quasi verlustfrei über den Spalt d in die Lichtleitfaser fort. Fehljustage oder Störung des Laserstrahls 60 führt daher lediglich zu einer Abnahme der Einkoppeleffizienz im Vorsatzelement 30 und damit der vom Vorsatzelement 30 auf die Lichtleitfaser 20 übertragbaren Energie. An der grundsätzlichen Konstellation der Energieübertragung über den Spalt d ändert sich jedoch nichts; insbesondere erfolgt der Übergang unter Beibehaltung der angeregten Mode und ohne Bestrahlung der empfindlichen eingangsseitigen Stirnfläche der Lichtleitfaser 20.
Eine Fehljustierung des Laserstrahls 60 kann eine Bestrahlung und Beschädigung der eingangsseitigen Stirnfläche des Vorsatzelementes 30 verursachen. Diese lässt sich jedoch durch Ersetzen des Vorsatzelementes 30 mit einem „neuen“ Vorsatzelement 30' leicht beheben. Dies kann entweder durch Verwendung eines hinsichtlich Innen- und Außendurchmesser sowie Material identischen Kapillarabschnitts oder durch Kürzen des beschädigten Kapillarabschnitts, d. h. durch Abschneiden oder Abschleifen seines beschädigten Teils erfolgen. Vergleich der 2a und 2b zeigt, dass die Länge des Vorsatzelementes 30 für die Einkopplung des Laserstrahls 60 und/oder eine Änderung der Breite des Spaltes d bzw. d', keine bzw. nur eine sehr untergeordnete Rolle spielt: Sowohl hinsichtlich der Lage der eingangsseitigen Stirnfläche in Bezug auf die Strahltaille als auch hinsichtlich der Breite des Spaltes d bzw. d' hat sich die erfindungsgemäße Anordnung als äußerst tolerant erwiesen.
3a zeigt Aufnahmen der aus dem Vorsatzelement 30 der erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung austretenden Intensitätsverteilung bei unterschiedlicher Justierung. Der nachträglich eingezeichnete Ring 21' markiert Lage der Wandung der Lichtleitfaser. Speziell zeigt 3 das Strahlprofil die Intensitätsverteilung bei optimaler Justierung, (Δ = 0, linke Abbildung), Fehljustierung durch Parallelversatz nach unten um Δ = 0,1 mm (mittlere Abbildung) und Fehljustierung durch Parallelversatz nach unten um Δ = 0,2 mm (rechte Abbildung). Man erkennt, dass sich lediglich die Gesamtintensität aufgrund der reduzierten Einkopplungseffizienz verringert. Insbesondere kommt es zu keiner räumlichen Verschiebung des Intensitätsmaximums.
Dies ist anders bei Verwendung eines trichterartigen Vorsatzelementes gemäß dem Stand der Technik, wie dies in 3b illustriert ist. Hier ist zum einen eine deutliche Zunahme des Intensitätsmaximums und zum anderen eine erhebliche räumliche Verschiebung nach außen zu erkennen. Dies führt zu der erheblichen Gefahr einer übermäßigen Beaufschlagung der empfindlichen Eingangsstirnwand der Lichtleitfaser mit Laserlicht und damit zur Gefahr deren Beschädigung.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die der Erfindung zugrunde liegende Idee auch auf Lichtleiteranordnungen übertragbar, die anstelle einer flexiblen Lichtleitfaser eine starre Lichtleitkapillare einsetzen. Daher lässt sich die gesamte vorliegende Beschreibung auch verallgemeinert auf beliebige, gerade erstreckte, hohle Lichtleiter beziehen.
Bezugszeichenliste

10: Lichtleiteranordnung
20: Lichtleitfaser
21: Wandung von 20
22: Hohlkern von 20
25: Halter für 20
30, 30': Vorsatzelement
31: Wandung von 30
32: Hohlkern von 30
35: Halter für 30
36: V-Nut
40: Zugpfeil
42: Verstellpfeil
50: optische Achse
60: Laserstrahl
IDF: Innendurchmesser von 20
IDK: Innendurchmesser von 30
ODF: Außendurchmesser von 20
ODK: Außendurchmesser von 30
d, d': Spalt
Δ: Parallelversatz

Claims

Lichtleiteranordnung (10), umfassend - eine als Hohlleiter ausgebildete, gestreckt angeordnete Lichtleitfaser (20) mit einem Eingang zur Einkopplung von Laserlicht (60) und - ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Vorsatzelement (30) mit einer zentralen Durchgangsöffnung (32), dessen Wandstärke größer als die Wandstärke der Lichtleitfaser (20) ist, wobei das Vorsatzelement (30) eingangsseitig vor der Lichtleitfaser (20) angeordnet und konzentrisch zu dieser ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzelement (30) als steifer, hohlzylindrischer Kapillarabschnitt ausgebildet ist, wobei der Absolutbetrag der Differenz der Innendurchmesser (ID_K, ID_F) des Vorsatzelementes (30) und der Lichtleitfaser (20) kleiner ist als die Wandstärke der Lichtleitfaser (20).
Lichtleiteranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzelement (30) berührungslos vor der Lichtleitfaser (20) angeordnet ist.
Lichtleiteranordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem Vorsatzelement (30) und der Lichtleitfaser (20) weniger als das Zehnfache des größeren der Innendurchmesser (ID_K,ID_F) beträgt.
Lichtleiteranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Vorsatzelementes (30) höchstens 1/10 der Länge der Lichtleitfaser (20) beträgt.
Lichtleiteranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzelement (30) aus dem gleichen Material wie die Lichtleitfaser (20) besteht.
Lichtleiteranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Eingang der Lichtleitfaser (20) abgewandte Stirnseite und/oder die äußere Mantelfläche des Vorsatzelementes (30) aufgeraut sind.
Lichtleiteranordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzelement (30) in einer V-Nut (36) gelagert ist, die derart justiert ist, dass das Vorsatzelement koaxial zur Lichtleitfaser ausgerichtet ist.
Verwendung eines als starre Kapillare ausgebildeten, gerade erstreckten Lichtleitleiterabschnitts einer Länge von 5 bis 200 mm, insbesondere 20 bis 50 mm, mit einem Innendurchmesser (ID_K) von 0,1 bis 1,5 mm und einer Wandstärke, die wenigstens 0,2 mm beträgt, als Vorsatzelement (30) einer Lichtleiteranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.