DE102019116812A1

DE102019116812A1 - Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern

Info

Publication number: DE102019116812A1
Application number: DE102019116812.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Theeg; Tony Pulzer
Original assignee: Fiberbridge Photonics GmbH
Current assignee: Fiberbridge Photonics GmbH
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung (2) für Glasfasern (1) mit wenigstens einer Strahlungsquelle (21), welche ausgebildet ist, wenigstens einen Energiestrahl (A), vorzugsweise wenigstens einen Laserstrahl (A), zu erzeugen, und mit wenigstens einem Erhitzungselement (3), welches ausgebildet ist, wenigstens eine Glasfaser (1) in wenigstens einer Glasfaseraufnahme (33) aufzunehmen und die Glasfaser (1) in der Umfangsrichtung (U) ihrer Längsachse (X) zumindest abschnittsweise zu umgeben, wobei das Erhitzungselement (3) ferner ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) mittels wenigstens eines Absorptionselements (30) zumindest teilweise zu absorbieren und die absorbierte Energie des Energiestrahls (A) zumindest teilweise als Wärmestrahlung (D) in die Glasfaseraufnahme (33) abzugeben und/oder den Energiestrahl (A) mittels wenigstens eines Reflektionselements (32) zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme (33) zu reflektieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Erhitzungselement zur Verwendung bei einer derartigen Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 15.
Auf vielen verschiedenen technischen Gebieten werden heutzutage Glasfasern verwendet. Glasfasern werden üblicherweise als dünne Fäden aus einer Glasschmelze gezogen, so dass eine Glasfaser eine aus Glas bestehende lange dünne Faser darstellt. Glasfasern können z.B. als textiles Gewebe zur Wärmedämmung und bzw. oder zur Schalldämmung eingesetzt werden. Auch werden üblicherweise kurze Glasfaserstücke Kunststoffen beigemischt, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern; derartige Bauteile könne als glasfaserverstärkte Kunststoffe bezeichnet werden.
Es gibt jedoch auch zahlreiche technische und insbesondere hochtechnische Anwendungen, bei denen Glasfasern zur Lichtübertragung genutzt werden. So werden Glasfasern zur Datenübertragung mittels Licht verwendet; in diesem Fall können die Glasfasern auch als Lichtwellenleiter bzw. als passive Glasfaser bezeichnet werden. Auch werde Glasfasern in der Medizin z.B. zur Beleuchtung sowie zur Erzeugung von Abbildungen z.B. in Mikroskopen, in Inspektionskameras sowie in Endoskopen verwendet. Ferner werden Glasfasern bei Sensoren eingesetzt, welche dann als faseroptische Sensoren bezeichnet werden können.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für Glasfasern stellt die Lasertechnik dar. Hier kann die Laserstrahlung mittels einer Glasfaser von einer Laserstrahlungsquelle zu einer Bearbeitungsstelle geleitet werden, um dort z.B. in der Materialbearbeitung oder in der Medizin z.B. ein Schneiden oder ein Schweißen durchzuführen. Auch kann der Laserstrahl auf diese Art und Weise z.B. in der Messtechnik, in der Mikroskopie oder in der Spektroskopie z.B. einer Probe zugeführt werden. Der Einsatz von Glasfasern zur Leitung eines Laserstrahls kann z.B. bei Anwendungen im Maschinenbau, in der Telekommunikation, in der Medizintechnik sowie in der Sensortechnik erfolgen.
Auch können Glasfasern zur Erzeugung von Laserlicht verwendet und als aktive Glasfasern bezeichnet werden. Faserlaser oder auch Faserverstärker weisen einen dotierten Faserkern (siehe unten) auf, welcher das aktive Medium des Lasers bildet. Übliche Dotierungselemente des laseraktiven Faserkerns sind insbesondere Neodym, Ytterbium, Erbium, Thulium und Holmium. Derartige Faserlaser werden üblicherweise optisch gepumpt, indem parallel zum Faserkern im Fasermantel oder direkt in den Faserkern die Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Die Laserstrahlung, welche durch die laseraktive Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung.
Glasfasern, welche für die Lichtübertragung oder zur Erzeugung von Laserstrahlung verwendet werden sollen, weisen üblicherweise einen Faserkern (Englisch: fiber core) auf, welcher aus reinem Glas wie z.B. aus reinem Quarzglas bestehen oder auch eine Dotierung aufweisen kann. In Abhängigkeit von der Größe und der numerischen Apertur des Faserkerns kann man zwischen Single-Mode und Multi-Mode Glasfasern unterscheiden. Außerdem kann der Faserkern noch polarisationserhaltende Eigenschaften für das Licht aufweisen. Der Faserkern wird üblicherweise radial von außen von wenigstens einem Fasermantel (Englisch: fiber cladding) umgeben, welcher üblicherweise in der Umfangsrichtung geschlossen ist und somit den Faserkern vollständig umgibt, von den beiden offenen Enden der Glasfaser abgesehen. Üblicherweise wird die Glasfaser von einer Faserbeschichtung (Englisch: fiber coating) aus z.B. Polymer vergleichbar dem Fasermantel umgeben, welche dann der Glasfaser zugerechnet werden kann. Die Faserbeschichtung kann dem mechanischen Schutz des gläsernen Inneren der Glasfaser dienen sowie deren optische Eigenschaften beeinflussen. Üblicherweise dient bei Glasfasern, in denen das Licht ausschließlich im Faserkern geführt wird (Englisch: Single-Clad Glasfasern) die Faserbeschichtung primär dem mechanischen Schutz. Glasfasern, die Licht im Faserkern und im Fasermantel führen (Englisch: Double-Clad Glasfasern), sind üblicherweise mit einer Faserbeschichtung zur Erfüllung von mechanischen sowie optischen Eigenschaften ausgeführt. Zwei in der Praxis häufig vorkommende Querschnittsformen für den Fasermantel sind zylindrisch und oktogonal. Die oktogonale Form für den Fasermantel wird insbesondere bei aktiven Glasfasern eingesetzt. Derartige Glasfasern können in großen Längen hergestellt werden und sind üblicherweise als Rollenwaren erhältlich. Der Durchmesser des Fasermantels variiert üblicherweise zwischen ca. 80 µm und ca. 1 mm. Besonders bei den größeren Faserdurchmessern wird in der Praxis häufig schon von Faserstäben gesprochen (Englisch: rod-type fiber).
Zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Glasfasern wurden in den vergangenen ca. 20 Jahren neben den zuvor beschriebenen Standardglasfasern zahlreiche Spezialglasfasern entwickelt, wie z.B. aktive und passive photonische Kristallfasern (Englisch: photonic crystal fibers) oder Hohlkernglasfasern (Englisch: Hollow core fiber). Photonische Kristallglasfasern werden z.B. zur optischen Verstärkung von (ultra)kurzen Pulsen sowie zur Nutzung von optischen Nichtlinearitäten eingesetzt. Hohlkernglasfasern werden in der Praxis häufig zum Strahlungstransport von Kurzpulslasern sowie Ultrakurzpulslasern eingesetzt. Diese Glasfasern unterscheiden sich teilweise in den Lichtführungseigenschaften zu Standardglasfasern erheblich. Photonische Kristallfasern und Hohlkernglasfasern weisen üblicherweise einen deutlich komplexeren Aufbau als Standardglasfasern in der Glasstruktur auf. Aufgrund der komplexen Glasstruktur werden bei diesen Glasfasertypen besonders hohe Ansprüche an die Glasfaserbearbeitung wie z.B. an das Schweißen oder an das Ziehen gestellt, welche im Folgenden noch näher beschrieben werden.
Um Produkte für die zuvor beschriebenen technischen und insbesondere hochtechnischen Anwendungen herzustellen, können die Glasfasern weiterverarbeitet werden, um optische Glasfaserkomponenten herzustellen. So ist es bekannt, eine Glasfaser in der Längsrichtung abschnittsweise zu erwärmen und in der Längsrichtung zu ziehen. Bei einer Erwärmung der Glasfaser aus typischerweise Quarzglas auf üblicherweise ca. 1.200°C bis ca. 1.600°C kann das Material der Glasfaser ausreichend durch die Wärme erweicht werden, ohne die Glasfaser jedoch zu zerreißen, so dass der Durchmesser der Glasfaser durch das Ziehen in dem erwärmten Bereich verringert werden kann. Die Glasfaser wird hierdurch verjüngt (Englisch: tapering). Es können jedoch auch Glasmaterialien mit deutlich geringerem Schmelzpunkt oder z.B. auch eine Polymerfaser verwendet werden.
Ein derartiges Verjüngen kann z.B. erforderlich sein, um zwei Glasfasern mit unterschiedlichen Durchmessern endseitig miteinander verbinden zu können, indem die dickere Glasfaser in einem Abschnitt auf den Durchmesser der dünneren Glasfaser wie zuvor beschrieben verjüngt, dort abgeschnitten und dann mit dem abgeschnittenen Stoßende mit einem offenen Ende der dünneren Glasfaser verschmolzen wird, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird. Es können auch Glasfasern auf sehr unterschiedliche Durchmesser verjüngt und stirnflächig miteinander verschmolzen werden. Dies ist ggfs. bei der Umsetzung von Modenfeldadaptern (Englisch: Mode Field Adapter) zur Anpassung der im Faserkern geführten Fasermoden notwendig. Eine ggfs. vorhandene Faserbeschichtung ist zuvor abschnittsweise zu entfernen, da diese bei Verwendung von z.B. Polymer als Faserbeschichtung bereits bei ca. 180°C schmelzen bzw. verdampfen würde.
Ein derartiges endseitiges axiales Verschmelzen zweier Glasfasern miteinander kann auch als Schweißen bzw. Verschweißen oder Spleißen (Englisch: splicing) bezeichnet werden. Dabei werden üblicherweise zwei miteinander zu verschweißende offene Enden von zwei Glasfaser gleichen Durchmessers gleichermaßen von einem Laserstrahl erwärmt, so dass sich die Materialien der beiden Glasfasern miteinander verschmelzen. Es gibt allerdings auch gezieltes Offsetspleißen. In diesem Fall befindet sich die Stoßstelle bzw. die zu verschweißende Stelle nicht im Zentrum der Wärmezone, so dass eine Glasfaser stärker erwärmt wird als die andere Glasfaser, welche sensitiver auf Wärmeeintrag reagieren kann, so dass es bei einem zu starken Wärmeeintrag zu einer Beschädigung der Struktur der Faser kommen könnte.
Auch ist es bekannt, ein Ende einer ersten Glasfaser seitlich flächig an eine zweite Glasfaser anzulegen und dort lateral zu verschweißen. Hierdurch kann eine Anbindung quasi wie eine Weiche als Abzweig geschaffen werden, um die optische Leistung eines Lasers sowie einer anderen Lichtquelle vollständig oder teilweise in die zweite Glasfaser zu überführen. Letztere Glasfaserkomponenten können daher auch als Faserkoppler (Englisch: fiber coupler) bezeichnet werden. Diese Faserkoppler werden üblicherweise mit Single-Mode Glasfasern realisiert. Faserkoppler können auch zur Kombination oder Trennung von Laserquellen (oder anderen Lichtquellen) mit verschiedenen Wellenlängen eingesetzt werden.
Auch können mehrere Glasfasern wie z.B. sieben Glasfasern - eine Glasfaser axial mittig und sechs weitere Glasfasern radial in der Umfangsrichtung herum - auf diese Art und Weise mit ihren Enden parallel zueinander lateral angeordnet, verjüngt und verschweißt werden, um anschließend die Taille des verjüngten Faserbündels axial mit einer Glasfaser mit entsprechend großem Durchmesser und entsprechender numerischer Apertur stirnseitig zu verschweißen. Auf diese Art und Weise kann die optische Leistung aus den einzelnen Glasfasern in eine Glasfaser zusammengeführt werden, weshalb derartige Glasfaserkomponenten auch als Kombinierer (Englisch: signal combiner bzw. pump combiner) bezeichnet werden können. Diese Art von faserbasierten Kombinierern werden im englischen auch als Tapered Fused Bundle (TFB) bezeichnet. Bei den TFB-Pump-Kombinierern ist die axial mittig angeordnete Glasfaser üblicherweise mit oder ohne Signalkern ausgeführt (Englisch: with or without signal feedthrough). Diese Kombinierer werden in den verschiedenen Ausführungsformen (z.B. 7x1 oder 6+1x1) üblicherweise in faserbasierten Lasersystemen eingesetzt.
Eine weitere typische Variante der faserbasierten Kombinierer sind die Kombinierer mit seitlicher bzw. lateraler Lichtüberkopplung (engl. Side-Pump Combiner). Hier wird die optische Leistung von den seitlich bzw. lateral verschweißten Glasfasern in die axial mittige Glasfaser überführt. Die Lichtkopplung erfolgt hier im Gegensatz zum TFB-Kombinierer über die Mäntel und nicht über die Endfläche der Glasfaser. Side-Pump-Combinern bieten den großen Vorteil, dass die axial mittig angeordnete Glasfaser (signal feedthrough fiber) keine Unterbrechung bzw. Spleißverbindung aufweist.
In jedem Fall erfolgt das Verschweißen der wenigstens zwei Glasfasern aus typischerweise Quarzglas üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1.600°C bis ca. 2.000°C, um das Material der Glasfaser ausreichend zu erweichen, damit sich das Material der Glasfasern stoffschlüssig miteinander verbinden kann. Auch beim Verschweißen ist eine ggfs. vorhandene Faserbeschichtung zuvor abschnittsweise zu entfernen.
Sowohl zum Ziehen als auch zum Verschweißen ist es erforderlich, den Abschnitt der Glasfaser bzw. die Abschnitte der Glasfasern, welcher gezogen werden soll bzw. welche verschweißt werden sollen, ausreichend stark auf üblicherweise ca. 1.400°C bzw. auf ca. 1.800 C für Glasfasern aus Quarzglas zu erwärmen, wie zuvor beschrieben. Dies kann mit unterschiedlichen Wärmequellen erfolgen.
So kann z.B. eine Glasflamme verwendet werden. Auch kann eine Erwärmung mittels eines elektrischen Filaments z.B. in Form einer Glühkathode erfolgen. Ferner kann die erforderliche Wärme durch Elektroden wie beim Plasmaschweißen erzeugt werden, wobei die Plasmaerzeugung üblicherweise mittels zwei oder drei Elektroden realisiert wird.
Nachteilig ist bei der Erwärmung mittels Gasflamme, mittels elektrischer Erwärmung sowie mittels Plasmaschweißen, dass diese Wärmequellen nur zeitlich verzögert eingestellt werden können, d.h. dass sich bei einer Leistungsreduzierung der Wärmequelle die resultierende Temperatur der Glasfaser bzw. Glasfasern nur zeitlich verzögert reduziert. Dies kann die Durchführung des Zieh- bzw. Verschweißprozesses erschweren.
Nachteilig ist insbesondere beim Verschweißen, dass die Erwärmung entlang der Längsachse der Glasfaser bzw. der Glasfasern deutlich über den zu verschweißenden Abschnitt hinausgehen oder der zu erwärmende Abschnitt aufgrund der festen Bauform der Energiequelle zu klein ausfallen kann. In letzterem Fall erlauben die o.g. Energiequellen bzw. Wärmequellen keinerlei Flexibilität in der räumlichen Dimension der Energiequelle. Dies kann für bestimmte Glasfaserschweißverbindungen unerwünscht bzw. unzulässig sein, so dass diese optischen Glasfaserkomponenten durch eine Erwärmung mittels Gasflamme, mittels elektrischer Erwärmung sowie mittels Plasmaschweißen gar nicht hergestellt werden können. Auch ist die Faserbeschichtung entsprechend großflächig zu entfernen, was einen zusätzlichen Aufwand darstellen kann. Ferner wird mehr Energie für das Erwärmen aufgewendet als eigentlich erforderlich ist.
Nachteilig ist bei der Erwärmung mittels Gasflamme sowie mittels Plasmaschweißen ferner, dass die Temperatur insgesamt kaum variiert werden kann. Daher können thermisch sensitive Glasfasern wie z.B. photonische Kristallfasern nur schlecht bis gar nicht bearbeitet werden. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der herzustellenden optischen Glasfaserkomponenten reduzieren.
Nachteilig ist auch, dass es durch Verunreinigung der Gasflamme, durch eine Abnutzung des Filaments bei der elektrischen Erwärmung oder durch eine Abnutzung der Elektrode beim Plasmaschweißen zu einer Kontamination der Glasfasern kommen kann. In diesem Fall kann die hergestellte optische Glasfaserkomponente ggfs. nicht für hohe optische Leistungen einsetzbar sein.
Nachteilig ist des Weiteren, dass das Filament der elektrischen Erwärmung sowie die Elektrode des Plasmaschweißens Verschleißelemente sind, welche sich durch die Verwendung abnutzen und bei entsprechend hoher Abnutzung ausgetauscht werden müssen. Dies kann bei der Erwärmung mittels elektrischer Erwärmung sowie mittels Plasmaschweißen zu einer vergleichsweise schlechten Reproduzierbarkeit des Bearbeitungsprozesses führen. Hieraus können Schwankungen in den Eigenschaften der optischen Glasfaserkomponenten resultieren. Auch kann dies zu einem erhöhten Wartungsaufwand und damit zu höheren Kosten der Herstellung der optischen Glasfaserkomponenten führen.
Daher ist es bekannt, zur Erwärmung des zu bearbeitenden Abschnitts der Glasfaser bzw. der Glasfasern stattdessen Laserstrahlung einzusetzen. Hierzu wird der zu bearbeitende Abschnitt direkt mit wenigstens einem Laserstrahl bestrahlt. Die Glasfaser absorbiert bzw. die Glasfasern absorbieren die Energiestrahlung des Laserstrahls in der oberflächennahen Region des Fasermantels, woraus eine Erwärmung des Materials dort resultiert. Diese Art der Erwärmung kann sowohl zeitlich als auch räumlich besser vorbestimmt werden als die zuvor beschriebenen Arten der Erwärmung mittels Gasflamme, mittels elektrischer Erwärmung sowie mittels Plasmaschweißen, sodass deren zuvor beschriebenen Nachteile durch die Verwendung von Laserstrahlung zumindest teilweise überwunden oder zumindest reduziert werden können.
So beschreibt die US 4 263 495 A ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden oder Verschweißen von optischen Fasern, die ein Quarzglas oder eine Quarzglasfaser als Hauptkomponente enthalten und eine hohe Erweichungstemperatur aufweisen, unter Verwendung eines CO₂-Lasers mit TEMoo-Modus in einer Weise, dass eine Laserleistung von etwa 1 Watt auf die optische Faser pro Flächeneinheit derselben aufgebracht werden kann. Zwei oder mehr Glasfasern werden durch Fusion miteinander verbunden, wobei die Endabschnitte gegeneinander positioniert sind, was zu einer Verbindung mit geringem Verbindungsverlust und erhöhter Zugfestigkeit führt.
Nachteilig ist bei der Erwärmung mittels Laserstrahlung jedoch, dass Glas wie z.B. Quarzglas in dem Bereich der Wellenlänge üblicherweise verwendeter Laserstrahlungsquellen wie z.B. CO₂-Laser von ca. 10 µm Wellenlänge sehr gut absorbiert. Hierdurch kann es an der Oberfläche der Glasfaser bis etwa zu einer Tiefe von ca. 10 µm bis ca. 15 µm zu einer sehr starken Erwärmung kommen, welche z.B. ein Verschweißen dort bewirken kann, jedoch das Material im Inneren der Glasfaser nicht erreicht und somit auch nicht ausreichend stark erwärmt. Das Verschweißen findet dann nur randseitig statt, was die Haltbarkeit der Schweißverbindung reduzieren kann. Werden wenigstens zwei Glasfasern axial auf diese Art und Weise verschweißt, kann sich ein lediglich randseitiges Verschweißen besonders auf die Haltbarkeit der Schweißverbindung negativ auswirken. Auch kann es in diesem Fall im Inneren der Schweißstelle zu Lufteinschlüssen kommen, welche die Übertragung des Laserlichts bei der Benutzung der optischen Glasfaserkomponente stören können. Weiterhin können durch den asymmetrischen Aufheizprozess der Glasfaser verstärkte mechanische Spannungen im Glas auftreten, welche die optischen Eigenschaften wie z.B. die Polarisation des Lichts beeinflussen können. Erfolgt die Erwärmung zum Ziehen der Glasfaser, kann die ungleichmäßige Erwärmung der Glasfaser bzw. die unzureichende Erwärmung des Glaskerns zu einem unsymmetrischen Materialfluss beim Ziehen führen.
In beiden Fällen kann das Ergebnis des Zieh- bzw. Verschweißprozesses unzureichend sein, so dass die hergestellte optische Glasfaserkomponente nicht zu verwenden ist. Mit anderen Worten kann es zu einer inhomogenen Wärmeverteilung in der Tiefe der Glasfaser kommen, welche umso deutlicher auftreten kann, desto dicker die Glasfaser ist, da die Absorption der Laserstrahlung lediglich an der Oberfläche der Glasfasern stattfindet. Dies kann zu einem erhöhten Ausschuss in der Produktion und damit zu erhöhten Herstellungskosten für die optischen Glasfaserkomponenten führen.
Hieraus kann sich eine Einschränkung der Verwendbarkeit der entsprechenden Herstellungsvorrichtungen ergeben, da vergleichsweise dicke Glasfasern mittels Laserstrahl nicht ausreichend erwärmt werden können.
Auch kann es durch die Ausrichtung des Laserstrahl auf die Glasfaser zu einer inhomogen Wärmeverteilung entlang der Umfangsrichtung der Glasfaser kommen, da der Laserstrahl, welcher in transversaler Richtung betrachtet üblicherweise ein gaußähnliches Profil aufweist, zum Rand der Glasfaser hin eine geringere Leistung aufweist und somit dort aufgrund des geringeren Leistungseintrags auch eine geringere Erwärmung bewirken kann. Der mittlere Bereich des Umfangs der Glasfaser kann somit stärker als der randseitige Bereich des Umfangs der Glasfaser erwärmt werden.
Nachteilig ist auch, dass der Durchmesser des Laserstrahls fest vorgegeben ist und üblicherweise zwischen ca. 50 µm und ca. 5 mm beträgt. Daher kann der Laserstrahldurchmesser zur Erwärmung der Glasfaser nur auf bestimmte Faserdurchmesser optimal ausgelegt werden. Mit anderen Worten erfolgt üblicherweise die Erwärmung der Glasfaser bei einem zu kleinem Laserstrahldurchmesser nicht optimal sondern eher als punktuelle Erwärmung. Bei einem zu großen Laserstrahldurchmesser wird üblicherweise die optische Leistung des Lasers ggfs. ineffizient genutzt. Sollen mit einer Herstellungsvorrichtung Einzelglasfasern und mehrere Glasfasern z.B. in Form von einem Faserbündel (TFB-Kombinierer) erwärmt werden, ist die Diskrepanz zwischen Laserstrahldurchmesser und dünnster Glasfaser von z.B. ca. 80 µm und dickstem Glasfaserbündel von z.B. ca. 2 mm noch signifikanter ausgeprägt. Dies kann die Verwendbarkeit des Laserstrahls bzw. der entsprechenden Herstellungsvorrichtung einschränken. Dabei ist zu beachten, dass bei einem ungünstigen Verhältnis von Laserstrahldurchmesser zu Glasfaserdurchmesser bei entsprechend dünnen Glasfasern es zu einer vergleichsweise schlechten Absorption seitens der Glasfaser kommen kann, so dass auch in diesem Fall eine nicht ausreichende Erwärmung erfolgen kann. Der Laserstrahlung bzw. die entsprechende Herstellungsvorrichtung ist somit auch zu dünneren Glasfasern hin in ihrer Verwendbarkeit eingeschränkt. Auch wird in diesem Fall die Laserleistung vergleichsweise ineffizient genutzt, was zu erhöhten Kosten führen kann.
Nachteilig ist bei der Erwärmung mittels Laserstrahl auch, dass die Positionierung der zu erwärmenden Glasfaser gegenüber dem Laserstrahl derart genau erfolgen muss, dass der Laserstrahl die Glasfaser ausreichend erfasst. Zu beachten ist dabei, dass ein Laserstrahl bei einem üblicherweise vorhandenen gaußähnlichen Profil im Querschnitt eine zum Rand hin signifikant abnehmende Leistung aufweist, so dass die Positionierung der Glasfaser möglichst mittig zum Laserstrahl erfolgen sollte. Dies kann bei vergleichsweise kleinen Durchmessern des Laserstrahls zur Bearbeitung entsprechend dünner Glasfasern zu einer vergleichsweise hohen Empfindlichkeit der Positionierung bzw. Justierung führen. Erfolgt die Justierung bzw. Positionierung unzureichend, kann dies zu einer ungenügenden Erwärmung der Glasfaser bzw. der Glasfasern führen, woraus ein vergleichsweise hoher Ausschuss in der Herstellung und damit auch entsprechend erhöhte Produktionskosten der optischen Glasfaserkomponenten sowie Qualitätsschwankungen insgesamt resultieren können.
Nachteilig ist auch, dass üblicherweise mehrere Laserstrahlen gleichzeitig verwendet werden müssen, um die Glasfaser in dem zu bearbeitenden Abschnitt von mehreren Seiten zu erwärmen. Hierzu sind üblicherweise wenigstens zwei Laserstrahlen erforderlich, welche einander direkt oder zumindest im Wesentlichen diametral gegenüberliegend radial auf die Glasfaser ausgerichtet werden. Dies steigert jedoch die Komplexität der Herstellungsvorrichtung und führt hierdurch auch zu höheren Kosten. Auch erhöht sich ggfs. der Energieverbrauch entsprechend.
So beschreibt die US 2015 192 738 A1 eine Vorrichtung zum Verbinden, Verjüngen und Wärmebehandeln von optischen Fasern. Die Vorrichtung kann einen Laser beinhalten, der konfiguriert ist, um einen Abschnitt einer oder mehrerer Glasfasern mit mindestens zwei Laserstrahlen zu bestrahlen. Die Strahlen können konfiguriert werden, um verschiedene Bereiche der Außenfläche des Faserabschnitts zu bestrahlen, um so die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung über die Außenfläche eines Abschnitts der Glasfaser zu erhöhen. In einer Konfiguration, die zwei Strahlen verwendet, um den Faserabschnitt zu bestrahlen, kann der Winkel zwischen den Strahlen der engste Winkel zu 180 Grad sein, bei dem eine Kopplung zwischen dem ersten Strahl und dem zweiten Strahl vermieden wird. Die Vorrichtung kann drei oder mehr Strahlen beinhalten, die um die optische Faser herum verteilt sind, um den Faserabschnitt gleichmäßig zu bestrahlen und eine gleichmäßige Erwärmung der Faser zu gewährleisten.
Nachteilig ist allgemein ferner, dass die Glasfaser die Laserstrahlung in verschiedene Raumrichtungen reflektieren kann. Dies erfordert zusätzliche Maßnahmen zum Laserschutz, welche die Kosten der Herstellungsvorrichtung bzw. des Prozesses erhöhen können.
Nachteilig ist allgemein des Weiteren, dass eine Kontrolle der Prozesstemperatur lediglich indirekt über die Laserleistung erfolgen kann. Aus diesem Grund ist die Erwärmung mittels Laserstrahl grundsätzlich eher für dünnere Glasfasern von weniger als ca. 500 µm geeignet, da eine Temperaturmessung an den mikroskopisch kleinen Glasfasern von typischerweise einigen 100 µm üblicherweise technisch nur sehr schwierig und bzw. oder mit hohen Kosten umzusetzen ist. Auch muss regelmäßig eine Kalibrierung der Sensorik durchgeführt werden, um von der Laserleistung auf eine Prozesstemperatur schließen zu können. Dies kann zu erhöhtem Wartungsaufwand und zu erhöhten Kosten führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, so dass die zuvor beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zumindest reduziert oder sogar überwunden werden können. Insbesondere sollen dünnere und bzw. oder dickere Glasfasern als bisher bekannt mittels ein und derselben Bearbeitungsvorrichtung bzw. überhaupt bearbeitet werden können. Zusätzlich oder alternativ soll die Qualität der Bearbeitung verbessert werden. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Bearbeitungsvorrichtungen geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Erhitzungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern, um optische Glasfaserkomponenten herzustellen. Insbesondere können mittels der Bearbeitungsvorrichtung wenigstens zwei Glasfasern lateral und bzw. oder axial miteinander verschweißt und bzw. oder kann wenigstens eine Glasfaser axial gezogen werden. Die Glasfaser kann eine Singlemode-Glasfaser oder eine Multimode-Glasfaser sein. Die Glasfaser kann eine polarisationserhaltende oder eine nicht-polarisationserhaltende Glasfaser sein. Die Glasfaser kann eine photonische Kristallfaser, eine Large-Mode Area Glasfaser (LMA) oder eine Hohlkernglasfasern sein. Es können eine einzelne Glasfaser sowie mehrere Glasfasern bearbeitet werden, welche auch ein Glasfaserbündel bilden können.
Die Bearbeitungsvorrichtung weist wenigstens eine Strahlungsquelle auf, welche ausgebildet ist, wenigstens einen Energiestrahl, vorzugsweise wenigstens einen Laserstrahl, zu erzeugen. Unter einem Energiestrahl wird jegliche gerichtete Energiestrahlung verstanden, welche in der Lage ist, das Material der zu bearbeitenden Glasfaser ausreichend stark zu erwärmen, dass eine Bearbeitung wie z.B. ein Schweißen und bzw. oder Ziehen wie eingangs beschrieben erfolgen kann. Dies kann insbesondere durch einen entsprechenden Laserstrahl, wie eingangs beschrieben, erfolgen, ohne den Energiestrahl jedoch auch einen Laserstrahl einzuschränken. Die Strahlungsquelle ist entsprechend ausgebildet, den jeweiligen Energiestrahl erzeugen zu können. Die Strahlungsquelle kann bzgl. der Wellenlänge, der optischen Leistung, der Polarisation sowie weiterer optischer Eigenschaften für die Anwendung geeignet und vorzugsweise optimal anwendbar sein. Die Strahlungsquelle kann auch ausgebildet sein, mehrere gleiche oder unterschiedliche Energiestrahlen und insbesondere Laserstrahlen zu erzeugen. Auch kann wenigstens eine Linse verwendet werden, um den Energiestrahl zu bündeln bzw. zu fokussieren. Üblicherweise kann ein Energiestrahl mit einem kreisrunden Querschnitt erzeugt und verwendet werden. Mittels einer entsprechenden Zylinderlinse kann der Energiestrahl allerdings auch in einer Vorzugsrichtung, welche vorzugsweise der Richtung der Längsachse der Glasfaser entsprechenden kann, linienförmig geformt sein
Die Bearbeitungsvorrichtung weist wenigstens ein Erhitzungselement auf, welches ausgebildet ist, wenigstens eine Glasfaser in wenigstens einer Glasfaseraufnahme aufzunehmen und die Glasfaser in der Umfangsrichtung ihrer Längsachse zumindest abschnittsweise zu umgeben. Unter einer Glasfaseraufnahme ist ein Bereich des Erhitzungselements zu verstehen, welcher wenigstens eine zu bearbeitende Glasfaser aufnehmen kann. Hierzu wird dieser Bereich des Erhitzungselements zumindest abschnittsweise von einem Körper des Erhitzungselements zumindest abschnittweise begrenzt bzw. umgeben. Dies kann teilweise, im Wesentlichen oder sogar vollständig in der Umfangsrichtung der Längsachse der Glasfaser erfolgen, wie im Folgenden näher erläutert werden wird. Hiervon wird jedoch auch umfasst, dass das Erhitzungselement eben flächig ausgebildet und dem Energiestrahl hinsichtlich der zu bearbeitenden Glasfaser gegenüberliegend angeordnet sein kann, da auch in diesem Fall die erfindungsgemäße Funktion des Erhitzungselements umgesetzt werden kann, wie im Folgenden näher erläutert werden wird. In jedem Fall ist die Glasfaseraufnahme dazu ausgebildet, dass die zu bearbeitende Glasfaser dort angeordnet und bearbeitet werden kann. Entlang der Längsachse der Glasfaser ist das Erhitzungselement vorzugsweise wenigstens einseitig und vorzugsweise beidseitig zumindest abschnittsweise offen ausgebildet, so dass an dieser Stelle wenigstens eine Glasfaser in einer Richtung entlang ihrer Längsachse in die Glasfaseraufnahme eingeführt und bzw. oder aus der Glasfaseraufnahme entnommen werden kann.
Das Erhitzungselement ist ferner ausgebildet, den Energiestrahl mittels wenigstens eines Absorptionselements zumindest teilweise zu absorbieren und die absorbierte Energie des Energiestrahls zumindest teilweise als Wärmestrahlung in die Glasfaseraufnahme abzugeben und bzw. oder den Energiestrahl mittels wenigstens eines Reflektionselements zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme zu reflektieren. Mit anderen Worten kann der Energiestrahl mittels des Erhitzungselements zumindest teilweise indirekt auf wenigstens eine Glasfaser wirken, welche in der Glasfaseraufnahme angeordnet ist, um bestimmungsgemäß bearbeitet zu werden. Dies kann über eine Wandlung der Energie des Energiestrahls in Wärmestrahlung und bzw. oder durch eine Reflektion des Energiestrahls erfolgen.
Unter einem Absorptionselement wird jeglicher Körper verstanden, welcher aufgrund seines Materials, seiner Oberflächenstruktur, seiner Formgebung, seiner Oberflächenbeschichtung und dergleichen in der Lage ist, den verwendeten Energiestrahl und insbesondere einen Laserstrahl zu absorbieren und die absorbierte Energie zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme wieder abzugeben, so dass wenigstens eine dort aufgenommene Glasfaser mittels der Wärmestrahlung ausreichend erwärmt werden kann, um bestimmungsgemäß bearbeitet zu werden. Beispielsweise kann das Absorptionselement ein entsprechendes keramisches Material aufweisen oder hieraus bestehen.
Entsprechend wird unter einem Reflektionselement jeglicher Körper verstanden, welcher aufgrund seines Materials, seiner Oberflächenstruktur, seiner Formgebung, seiner Oberflächenbeschichtung und dergleichen in der Lage ist, den verwendeten Energiestrahl und insbesondere einen Laserstrahl in die Glasfaseraufnahme zu reflektieren, so dass wenigstens eine dort aufgenommene Glasfaser mittels der reflektierten Energiestrahlung ausreichend erwärmt werden kann, um bestimmungsgemäß bearbeitet zu werden. Beispielsweise kann ein für die Wellenlänge bzw. für die Wellenlängen der Strahlungsquelle spiegelndes Material als Reflektionselement verwendet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass bisher ein Laserstrahl oder auch mehrere Laserstrahlen als Energiestrahlen direkt von einer Seite bzw. von mehreren Seiten senkrecht bzw. radial auf die Oberfläche einer zu bearbeitenden Glasfaser bzw. mehrerer zu bearbeitenden Glasfasern gerichtet werden, was zu den zuvor beschriebenen Nachteilen führen kann.
Erfindungsgemäß wird daher der Energiestrahl teilweise bis vollständig auf das Erhitzungselement gerichtet, welches mittels einer Wandlung der Energie des Energiestrahls in Wärmestrahlung und bzw. oder mittels einer Reflektion des Energiestrahls eine Erwärmung der Glasfaser bzw. der Glasfasern bewirken und daher als Erhitzungselement bezeichnet werden kann.
Um eine Wärmestrahlung zu nutzen, kann wenigstens der eine Energiestrahl, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird, vollständig oder teilweise von außen und bzw. oder von innen auf das Absorptionselement des Erhitzungselements gerichtet werden. Dies kann die zuvor beschriebene teilweise bis vollständige Absorption sowie die teilweise bis vollständige Erzeugung von Wärmestrahlung ermöglichen. Diese Wärmestrahlung kann dann die gewünschte Erwärmung des Materials der Glasfaser bewirken. Unter Wärmestrahlung oder auch thermischer Strahlung ist diejenige elektromagnetische Strahlung zu verstehen, welche das Material einer Glasfaser erwärmen kann. Für Quarzglas als Material der Glasfaser kann die Erwärmung auf wenigstens ca. 1.200°C zum Ziehen bzw. auf wenigstens ca. 1.600°C zum Verspleißen erfolgen. Bei der Verwendung für Gläser mit geringerem Schmelzpunkt wie z.B. Soft Glass Fibers oder. Polymerfasern können die entsprechenden Temperaturen erreicht werden.
Die Verwendung einer mittels Energiestrahl erzeugten Wärmestrahlung kann dahingehend vorteilhaft sein, dass eine tiefere Erwärmung des Materials der Glasfaser erreicht werden kann als bisher durch die direkte Einwirkung von Laserstrahlen bekannt ist. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die Wellenlänge der Wärmestrahlung in einem Bereich liegen kann, welcher vom Material des Glasfaser weniger stark absorbiert werden und daher tiefer in das Material der Glasfaser eindringen kann. Auch kann die Wärmestrahlung einen deutlich breiteren Bereich an Wellenlängen aufweisen als ein Energiestrahl und insbesondere als ein Laserstrahl, welche üblicherweise im Wesentlichen eine vorbestimmte Wellenlänge aufweisen. Dies kann eine tieferreichende Erwärmung des Materials der Glasfaser begünstigen.
Des Weiteren kann mittels der Wärmestrahlung entlang der Längsachse der Glasfaser eine gegenüber dem Energiestrahl an sich großflächigere Erwärmung der Glasfaser erfolgen. Hierdurch kann z.B. es beim Ziehen zu einem gleichmäßigeren Materialfluss der Glasfaser kommen, so dass die gezogene, d.h. verjüngte, Glasfaser einen entsprechend symmetrischen Aufbau aus Faserkern zu Fasermantel vergleichbar ihrem ursprünglichen Durchmesser aufweisen kann. Beim Verschweißen kann hierdurch eine großflächigere bis sogar vollflächigere stoffschlüssige Verbindung der Glasfasern in dessen radialer Richtung erreicht werden, was sowohl die Haltbarkeit als auch die Lichtleitfähigkeit verbessern kann. Durch eine homogenere Erwärmung der Glasfaser kann beim Ziehen sowie beim Schweißen auch der Eintrag von potentiellen mechanischen Spannungen in das Glasmaterial reduziert und somit die Gefahr der Änderung der optischen Eigenschaften der Glasfaser, z.B. der Polarisation des Lichts, minimiert werden. Auch kann die Wärmestrahlung, welche nicht direkt von der Glasfaser aufgenommen wird, vom Absorptionselement aufgenommen und wieder an die Glasfaser abgegeben werden. Dies kann die Wirkung der Wärmestrahlung auf die Glasfaser verstärken.
Wird dabei weiterhin, wie bisher üblich, die Glasfaser einseitig direkt von einem Laserstrahl als Energiestrahl erwärmt, so kann der Energiestrahl gleichzeitig an der Glasfaser vorbei auf das Erhitzungselement treffen und von dort durch Wärmestrahlung und bzw. oder durch Reflektion wie zuvor beschrieben auf diejenigen Abschnitte der Glasfaser indirekt wirken, welche von dem Energiestrahl nicht direkt erreicht werden können. Dies kann die Verwendung eines zweiten Energiestrahl, ob durch die Aufteilung eines Energiestrahls in zwei Teilstrahlen oder durch die Verwendung eines separaten zweiten Energiestrahl derselben Strahlungsquelle oder einer zweiten Strahlungsquelle, vermeiden und dennoch mit dem Erhitzungselement, wie bereits beschrieben, eine Erwärmung der Glasfaser von mehreren Seiten ermöglichen.
Vorteilhaft ist diese Art der Erwärmung insbesondere bei vergleichsweise dünnen Glasfasern von z.B. weniger als ca. 50 µm und insbesondere weniger als ca. 1 µm, da bisher ein Großteil des Laserstrahls an der Glasfaser vorbeigeht und damit ungenutzt bleibt. Da erfindungsgemäß nun dieser Großteil des Laserstrahls als Energiestrahl von dem Erhitzungselement absorbiert und bzw. oder reflektiert werden kann, kann dieser Energieverlust vermieden werden, was die Prozesskosten reduzieren kann. Mit anderen Worten kann eine effizientere Nutzung der Leistung des Energiestrahls erfolgen. Auch kann dies die Bearbeitung bei sehr dünnen Glasfasern von z.B. weniger als ca. 10 µm ggfs. überhaupt erst ermöglichen.
Vorteilhaft ist bei dieser Art der Erwärmung außerdem, dass auch Gläser und andere Materialien, welche die Strahlung der Quelle nicht absorbieren, in dem Erhitzungselement zur Bearbeitung erwärmt werden können. Somit können die Vorteile von Lasern als Bearbeitungswerkzeug auch bei diesen Materialien genutzt werden.
Auf diese Art und Weise kann auch eine homogenere Wärmeverteilung an der zu bearbeitenden Glasfaser bewirkt werden, da die Wärmeerzeugung von wenigstens zwei Seiten erfolgen kann. Dies kann insbesondere für die Bearbeitung vergleichsweise dicker Glasfaserdurchmesser sowie für die Bearbeitung von Faserbündeln wie z.B. 7x1 Tapered Fused Bundle (TFB)-Combiner vorteilhaft sein.
Auch kann dies die Anwendungsmöglichkeiten der Bearbeitungsvorrichtung erhöhen. Mit anderen Worten kann eine bisher bekannte Bearbeitungsvorrichtung aufgrund der oberflächennahen Strahlungsabsorption sowie aufgrund der inhomogenen Erwärmung der Glasfaser bei großen Glasfaserdurchmessern und Bündeln aus mehreren Glasfasern als Obergrenze limitiert sein. Als Untergrenze wirkt der Durchmesser der Glasfasern, welcher derart geringer als der feste Durchmesser des Laserstrahls der Bearbeitungsvorrichtung ist, dass keine ausreichende Absorption der Energie des Laserstrahls mehr von der Glasfaser erfolgen kann, um die gewünschte Erwärmung zu erreichen, wie zuvor bereits beschrieben. Diese untere Grenze kann durch die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung aufgehoben werden, wie zuvor beschrieben, da in diesem Bereich die gewünschte Erwärmung eher bis vollständig durch die Absorption und bzw. oder durch die Reflektion bewirkt werden kann. Insbesondere kann es hierdurch überhaupt erst ermöglicht werden, derart dünne Glasfasern bis hin zu ultradünnen Glasfaser von ca. 2 µm Durchmesser herzustellen bzw. zu bearbeiten, deren Durchmesser für bisherige Laserstrahlen zu gering sind, um überhaupt eine ausreichende Energiemenge zu absorbieren, um sich ziehen bzw. verschweißen zu lassen. Derartig ultradünne Glasfaser können neue Produkte z.B. in der Sensortechnik erst ermöglichen. Nach oben hin kann die Grenze angehoben bzw. aufgehoben werden, indem ein Energiestrahl bzw. Laserstrahl verwendet werden kann, dessen Durchmesser ausreichend groß sein kann, um jegliche Glasfasern von maximal z.B. ca. 1 mm Durchmesser bearbeiten zu können. Auch hierdurch kann die Herstellung bisher nicht bekannter bzw. herstellbarer Produkte ermöglicht werden.
Somit kann erfindungsgemäß eine Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern geschaffen werden, welche jegliche Glasfaserdurchmesser bearbeiten kann. Mit anderen Worten kann die Breite der durchführbaren Prozesse derartiger Bearbeitungsvorrichtungen erhöht werden. Dies kann die Herstellung von optischen Glasfaserkomponenten kostengünstiger werden lassen, da die Anschaffungskosten der entsprechenden Bearbeitungsvorrichtung reduziert werden können. Auch kann die Durchführung der Herstellungsprozesse vereinfacht werden, da jegliche Glasfaserdurchmesser mit derselben Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet werden können. Weiterhin kann der Einsatzbereich der Bearbeitungsvorrichtung auch auf Materialien ausgedehnt werden, welche nicht oder kaum bei der Wellenlänge(n) der Strahlungsquelle absorbieren, z.B. bei der Bearbeitung mit einem CO₂-Laser für Gläser, welche im mittleren Infrarotbereich bei ca. 10 µm teilweise oder vollständig transparent sind. Ferner kann sowohl ein Ziehen als auch ein Verschweißen von Glasfasern mit derselben Bearbeitungsvorrichtung durchgeführt werden.
Die Bearbeitung der Glasfasern kann dabei vorzugsweise in der Horizontalen erfolgen, jedoch auch in der Vertikalen, um z.B. lange und dünne Glasfasern nicht der Schwerkraft auszusetzen. Auch kann die Bearbeitung in anderen Raumrichtungen erfolgen. Mit anderen Worten kann die Längsachse der Glasfaser in der Längs- bzw. Querrichtung sowie in der vertikalen Richtung in kartesischen Koordinaten ausgerichtet sein.
Vorteilhaft ist auch, dass die Erwärmung von mehreren Seiten mit lediglich einem Energiestrahl erfolgen kann. Dies kann die Herstellungskosten der Bearbeitungsvorrichtung selbst sowie deren Energieverbrauch im Betrieb gering halten. Dies kann sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten der optischen Glasfaserkomponenten auswirken.
Vorteilhaft ist ferner, dass die Glasfaser innerhalb der Glasfaseraufnahme des Erhitzungselements weniger genau positioniert bzw. justiert werden muss als bisher die Glasfaser gegenüber dem Laserstrahl bekannter Bearbeitungsvorrichtungen, da die Wärmestrahlung und bzw. oder der reflektierte Energiestrahl die Glasfaseraufnahme ausreichend flächig füllen kann, um die Glasfaser auch bei einer Abweichung der Positionierung bzw. Justierung in einem ausreichenden Maße erreichen und erwärmen zu können. Dies kann die erforderliche Positioniergenauigkeit für die Glasfasern in den Halterungselementen minimieren und somit die Kosten der Bearbeitungsvorrichtung reduzieren, da eine gröbere Anordnung der Glasfaser in der Glasfaseraufnahme ausreichend sein kann. Ebenso kann der Ausschuss, welcher bisher durch ungenügend positionierte bzw. justierte Glasfasern auftreten kann, reduziert werden. Der erhöhte Anteil an brauchbaren Produkten kann deren Kosten reduzieren. Auch kann eine Qualitätsverbesserung der hergestellten optischen Glasfaserprodukte erreicht werden.
Vorteilhaft ist des Weiteren, dass die Reflektionen von Laserstrahlung durch die Glasfaser, welche bisher entsprechend Laserschutzmaßnahmen erfordern können, bei einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung reduziert werden oder sogar entfallen können, wenn zumindest ein Teil der Energie des Energiestrahls und insbesondere des Laserstrahls von dem Erhitzungselement absorbiert und zumindest teilweise in Wärmestrahlung gewandelt werden kann. Dies kann den Anteil der Laserstrahlung, welcher überhaupt von der Glasfaser reflektiert werden kann, entsprechend reduzieren, so dass die Laserschutzmaßnahmen entsprechend schwächer ausfallen können. Dies kann die Kosten der Bearbeitungsvorrichtung selbst reduzieren und sich somit kostensenkend auch auf die hergestellten optischen Glasfaserprodukte auswirken. Auch kann die Baugröße der Bearbeitungsvorrichtung hierdurch reduziert werden.
Vorteilhaft ist auch, dass die zuvor beschriebene Erwärmung mittels Wärmestrahlung zur Erwärmung von Glasfasern verwendet werden kann, deren Material für die Wellenlängen der bisher verwendeten Laserstrahlen transparent ist und somit mangels Absorption gar nicht bzw. nur unzureichend erwärmt werden kann. Somit können erfindungsgemäß auch Glasfasern aus Materialien bearbeitet werden, für welche bisher keine Bearbeitungsvorrichtung zur Verfügung stand. Dies kann die Erschließung neuer Anwendungsfelder für optische Glasfaserkomponenten ermöglichen.
Dabei kann es vorteilhaft sein, den Energiestrahl von einer Seite, wie bisher bekannt, direkt teilweise auf die Glasfaser zu richten und dort die eingangs beschriebene Erwärmung durch Absorption zu bewirken. Ein weiterer Teil des Energiestrahls und vorzugsweise ein Großteil des Energiestrahls kann jedoch erfindungsgemäß wenigstens einseitig und vorzugsweise beidseitig an der Glasfaser vorbei dem Erhitzungselement zugeführt werden, um dort absorbiert und bzw. oder reflektiert zu werden. Dies kann die Umsetzung zumindest einiger der zuvor beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung mit vergleichsweise geringem Aufwand in der Herstellung sowie im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung ermöglichen. Auch kann die Baugröße der Bearbeitungsvorrichtung hierdurch reduziert werden.
Als Energiestrahl einen Laserstrahl - und entsprechend als Strahlungsquelle eine Laserstrahlquelle - zu verwenden kann dahingehend vorteilhaft sein, dass Laserstrahlen bereits erfolgreich zur Herstellung von optischen Glasfaserkomponenten wie eingangs beschrieben eingesetzt werden. Insbesondere kann ein CO₂-Laser verwendet werden, welcher vergleichsweise kostengünstig sein kann. Der Energiestrahl allgemein und insbesondere der Laserstrahl kann kontinuierlich oder gepulst eingesetzt werden. Vorzugsweise können die Wellenlänge und bzw. oder die Polarisation des Energiestrahls und insbesondere des Laserstrahls verändert werden, was die Einflussmöglichkeiten auf den Herstellungsprozess erhöhen kann.
Es können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Energiestrahlen miteinander kombiniert werden, welche gleichzeitig bzw. gemeinsam oder alternativ zueinander genutzt werden können. So können sich die Quellen der Energiestrahlen (Strahlungsquellen) in der Wellenlänge, Polarisation oder anderen optischen Eigenschaften unterscheiden, um z.B. das Absorptions- und Reflektionsverhalten am Erhitzungselement je nach Aufbau des Erhitzungselements gezielt zu nutzen. Hierdurch können je nach Anwendungsfall die unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedlicher Energiestrahlen bzw. dieselben Eigenschaften gleicher Energiestrahlen gemeinsam genutzt werden. Die schiedlichen Energiestrahlen können auf dieselbe Stelle oder auf unterschiedliche Stellen des Erhitzungselements gerichtet werden. Die Strahlungsquelle kann bzw. die Strahlungsquellen können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.
Das Erhitzungselement sowie dessen Absorptionselement, Reflektionselement sowie Glasfaseraufnahme sind je nach Anwendungsfall ausgebildet und miteinander kombiniert, ggfs. ferner mit einer Öffnung der Glasfaseraufnahme versehen, wie weiter unten noch näher beschrieben werden wird. Vorzugsweise erstreckt sich das Erhitzungselement entlang der Längsachse der Glasfaser deutlich weiter als in den Raumrichtungen bzw. radial zu der Längsachse, so dass die aufgenommene Glasfaser entsprechen großflächig entlang der Längsachse von dem Erhitzungselement durch die Wärmestrahlung und bzw. oder durch die Reflektion des Energiestrahls erwärmt werden kann. Dies kann insbesondere dem Prozess des Ziehens zugute kommen. Beispielsweise kann die Glasfaseraufnahme des Erhitzungselements einen Durchmesser von wenigen Millimetern aufweisen und sich das Erhitzungselement entlang der Längsachse etwas ca. 20 mm bis ca. 30 mm erstrecken. Auch kann das Erhitzungselement in der Umfangsrichtung der Längsachse der Glasfaser teilweise, im Wesentlichen oder auch vollständig um die aufgenommene Glasfaser herum ausgebildet sein, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.
Dies kann jeweils vorzugsweise durch ein bogenförmiges bzw. kreisrundes Erhitzungselement erfolgen, so dass eine üblicherweise zylindrisch oder oktogonal ausgebildete Glasfaser senkrecht bzw. radial zu ihrer Längsachse möglichst gleichmäßig von der Wärmestrahlung und bzw. oder von dem reflektierten Energiestrahl erreicht und erwärmt werden kann. Hierdurch kann eine möglichst homogene Erwärmung des Glasfaser begünstigt werden. Das Erhitzungselement kann jedoch, je nach Anwendungsfall, auch parabolisch, V-förmig, trapezartig und dergleichen ausgebildet sein. Hierdurch kann die Richtung der Wärmestrahlung und bzw. oder des reflektierten Energiestrahls beeinflusst werden, in der die Wärmestrahlung bzw. der reflektierte Energiestrahl von dem Erhitzungselement auf die Glasfaser gerichtet wird. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise bei einer in der Umfangsrichtung gleichförmig ausgebildeten Glasfaser, z.B. bei einer zylindrischen Glasfaser, eine bewusste inhomogene Erwärmung erzeugt werden, welche einen Einfluss auf den Prozess z.B. des Ziehens haben kann. Es kann die Richtung der Wärmestrahlung und bzw. oder des reflektierten Energiestrahls auf diese Art und Weise jedoch auch derart beeinflusst werden, dass bei einer in der Umfangsrichtung ungleichförmig ausgebildeten Glasfaser, z.B. bei einer oktogonalen Glasfaser, trotz der Formgebung eine möglichst homogene Erwärmung z.B. zum Ziehen oder zum Verschweißen durch die Verwendung eines selbst oktogonal geformten Erhitzungselements erreicht werden kann.
Das Erhitzungselement kann dabei einstückig ausgebildet sein, was die Herstellung und Anwendung vereinfachen kann. Das Erhitzungselement kann jedoch auch aus z.B. zwei Halbschalen bestehen, welche nach der Einbringung der Glasfaser geschlossen werden können. Hierzu kann wenigstens eine der beiden Halbschalen relativ zu der anderen Halbschale beweglich ausgebildet sein oder beide Halbschalen können gegenüber z.B. einem Aufnahmeelement bewegt werden.
Dabei kann das Erhitzungselement auch während des Prozesses beweglich und insbesondere drehbeweglich in der Umfangsrichtung der zu bearbeitenden Glasfaser sein. Dies kann eine homogene Erwärmung der Glasfaser verbessern, da der Energiestrahl üblicherweise den Bereich des Erhitzungselements am stärksten durch Absorption erwärmt, auf welchen er gerichtet ist. Die übrigen Bereiche des Erhitzungselements werden dann durch die Wärmeleitung durch das Material des Absorptionselements hindurch erwärmt, was eine geringere sowie zeitliche Verzögerung bedeuten kann. Wird das Erhitzungselement jedoch z.B. rotiert, so werden diese Bereiche zumindest teilweise ebenfalls von dem Energiestrahl direkt erreicht und erwärmt, was die Homogenität der Erwärmung des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements und damit auch die Homogenität der Wärmestrahlung erhöhen kann.
Zu bevorzugen ist es in jedem Fall, dass das Erhitzungselement wenigstens halbrund ausgebildet ist und die aufgenommene Glasfaser in der Umfangsrichtung der Längsachse der Glasfaser ausreichend weit umgibt, so dass die Glasfaser innerhalb der Glasfaseraufnahme des Erhitzungselements angeordnet ist, welche durch die beiden parallel zueinander verlaufenden und sich in der Richtung der Längsachse erstreckenden Kanten bzw. Ränder des Erhitzungselements gebildet wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Wärmestrahlung und bzw. oder der reflektierte Energiestrahl wenigstens über einen Bereich von ca. 270° in der Umfangsrichtung der Längsachse der Glasfaser auf diese wirken kann. Der übrige Bereich der Glasfaser kann vorzugsweise direkt von dem Energiestrahl erreicht werden, so dass eine Erwärmung des Glasfaser ringsum, teils direkt und teil indirekt wie zuvor beschrieben, erfolgen kann.
Vorteilhaft ist auch, dass das Erhitzungselement als Wärmespeicher wirken kann. Hierdurch können vergleichsweise schnelle zeitliche Schwankungen der Leistung der Strahlungsquelle durch die gespeicherte Wärme des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements kompensiert werden. Dies kann eine homogenere Erwärmung der Glasfaser als bisher bekannt begünstigen.
Vorteilhaft ist ferner, dass mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung bzw. dessen Erhitzungselements auch Glasstäbe, Kapillaren und dergleichen bearbeitet werden können. Ebenso können auch Polymerfasern bearbeitet werden. Dies gilt ebenso für Glasfasern für mittlere Infrarot-Anwendungen von ca. 2 µm bis ca. 10 µm.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, den Energiestrahl zumindest teilweise auf eine Außenseite des Erhitzungselements zu richten, welche der Glasfaseraufnahme abgewandt ist. Auf diese Art und Weise kann eine Absorption dieses Teils des Energiestrahls durch das Erhitzungselement bzw. durch dessen Absorptionselement von außen erfolgen, was die Führung des Strahlengangs des Energiestrahls vereinfachen kann. Auch kann der Energiestrahl in diesem Maße von der Glasfaser ferngehalten werden, welche innerhalb der jenseits des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements angeordneten Glasfaseraufnahme angeordnet ist. Hierdurch kann die Glasfaser von einem entsprechend großen Anteil des Energiestrahls durch die Wärmestrahlung erwärmt werden. Dies kann jeweils entsprechend verstärkt werden, indem der Energiestrahl vollständig auf die Außenseite des Erhitzungselements gerichtet wird. Auch kann in diesem Fall die Glasfaseraufnahme in der Umfangsrichtung der Längsachse der Glasfaser vollständig von dem Erhitzungselement bzw. von dessen Absorptionselement umschlossen werden, da eine Zufuhr der Energie des Energiestrahls ausschließlich von außen erfolgt und somit der Energiestrahl das Innere des Erhitzungselement nicht erreichen muss.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, den Energiestrahl zumindest teilweise auf eine Innenseite des Erhitzungselements zu richten, welche der Glasfaseraufnahme zugewandt ist. Dies kann die Reflektion des Energiestrahls begünstigen. Auch kann in diesem Fall der Energiestrahl sowohl direkt auf die zu bearbeitende Glasfaser als auch auf das Innere des Erhitzungselements gerichtet werden, um dort absorbiert und bzw. oder reflektiert zu werden. Auf diese Art und Weise können die jeweiligen Wirkungen durch Verwendung lediglich eines gemeinsamen Energiestrahls erreicht werden, was die Umsetzung vereinfachen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Glasfaseraufnahme eine Öffnung auf, durch welche hindurch die Glasfaser senkrecht zu ihrer Längsachse in die Glasfaseraufnahme eingeführt und bzw. oder aus der Glasfaseraufnahme entnommen werden kann. Auf diese Art und Weise kann eine in der Richtung ihrer Längsachse ausreichend lange Glasfaser, eine endlos geschlossene Glasfaser bzw. eine mit wenigstens einem Bauteil verbundene Glasfaser senkrecht zu ihrer Längsachse in die Glasfaseraufnahme eingeführt bzw. entnommen werden, was das Einlegen bzw. Entnehmen erst ermöglichen oder zumindest begünstigen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, den Energiestrahl zumindest teilweise durch die Öffnung der Glasfaseraufnahme hindurch zumindest teilweise auf die Innenseite des Erhitzungselements zu richten. Dies kann es ermöglichen, eine möglichst direkte und kleinflächige Bestrahlung der Innenseite des Erhitzungselements vorzunehmen, was die Absorption und bzw. die Reflektion wie zuvor beschrieben entsprechend kleinflächig werden lassen kann. Somit kann die Wärmestrahlung bzw. der reflektierte Energiestrahl gezielt auf den zu erwärmenden Bereich der Glasfaser ausgerichtet werden. Hierdurch kann eine zielgerichtete Erwärmung eines insbesondere kleinflächigen Bereichs der Glasfaser erfolgen. Gleichzeitig kann dies vergleichsweise energieeffizient erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Erhitzungselement zur Glasfaseraufnahme hin vollflächig das Absorptionselement auf oder das Erhitzungselement weist zur Glasfaseraufnahme hin vollflächig das Reflektionselement auf oder das Erhitzungselement weist zur Glasfaseraufnahme hin abschnittsweise das Absorptionselement und abschnittsweise das Reflektionselement auf. Hierdurch können die jeweils zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile entsprechend alleinig oder in Kombination miteinander genutzt werden. Dies kann in Abhängigkeit des Anwendungsfalls vorteilhaft sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Erhitzungselement ausgebildet, die Glasfaser in ihrer Umfangsrichtung zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, zu umgeben. Hierdurch kann eine in der Umfangsrichtung möglichst durchgängige Erwärmung mit Wärmestrahlung begünstigt werden, welche bei entsprechend hoher Wärmeleitfähigkeit des Absorptionselements des Erhitzungselements entsprechend homogen sein kann. Im Falle eines Erhitzungselements, welches ausgebildet, die Glasfaser in ihrer Umfangsrichtung zumindest vollständig zu umgeben, kann eine in der Umfangsrichtung durchgängige Erwärmung mit Wärmestrahlung erfolgen. Diese kann, wie zuvor bereits erwähnt, durch ein in der Umfangsrichtung rotierbares Erhitzungselement noch begünstigt werden. Dies kann die Qualität der Bearbeitung erhöhen. Auch kann dies die Prozesszeit verkürzen, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten der optischen Glasfaserkomponenten auswirken kann. Gleichzeitig kann durch eine ggfs. verbleibende Öffnung des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements ein Einführen bzw. Entnehmen der Glasfaser senkrecht zu ihrer Längsrichtung, wie zuvor beschrieben, weiterhin möglich sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Erhitzungselement in der Umfangsrichtung der Glasfaser zumindest abschnittsweise eine zylindrische, gebogene, parabolische, hexagonale und bzw. oder oktogonale Form auf. Hierdurch kann, wie bereits erwähnt, eine entsprechende Ausrichtung der Wärmestrahlung bzw. des reflektierten Energiestrahls erfolgen, welche auf diese Art und Weise der Form der zu bearbeitenden Glasfaser angepasst werden kann. Auch kann hierdurch bewusst eine inhomogene Erwärmung der Glasfaser erfolgen, was ggfs. für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Erhitzungselement der Glasfaseraufnahme abgewandt zumindest abschnittsweise wenigstens ein thermisches Isolationselement auf, welches das Absorptionselement zumindest abschnittweise umgibt. Hierdurch kann die Wärme bzw. die thermische Energie, welche von dem Absorptionselement durch Absorption aus dem Energiestrahl erzeugt wurde, zu möglichst großem Anteil als Wärmestrahlung in die Glasfaseraufnahme abgegeben werden. Mit anderen Worten können Verluste der Wärmestrahlung nach außerhalb der Glasfaseraufnahme reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Dies kann die Erwärmung der dort aufgenommenen Glasfaser begünstigen. Auch kann die erforderliche Erwärmung mit geringerer Leistung des Energiestrahls erreicht werden, was die Prozesskosten und damit die Herstellungskosten der optischen Glasfaserkomponenten reduzieren kann.
Das thermische Isolationselement kann beispielsweise mittels einer auf der Außenseite des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements aufgebrachten Beschichtung aus Aluminium bzw. durch eine entsprechende Aluminiumfolie umgesetzt werden. Auch kann ein thermisches Isolationselement z.B. in Form eines Schaumstoffkörpers oder dergleichen umgesetzt werden, welcher auf der Außenseite des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements angeordnet oder zu dieser beabstandet sein kann. Dies gilt ebenso für ein Aluminiumblech. In jedem Fall kann das thermische Isolationselement zumindest abschnittsweise vorzugsweise dort verwendet werden, wo der größte Wärmeverlust zu erwarten ist. Vorzugsweise kann eine möglichst vollflächige bis vollkommen vollflächige Anordnung des thermischen Isolationselements erfolgen, um dessen Wirkung entsprechend stark nutzen zu können. Dabei kann es zu bevorzugen sein, einen Abschnitt der Außenseite des Erhitzungselements bzw. dessen Absorptionselements frei von dem thermischen Isolationselement zu lassen, um auf diesen Abschnitt von außen den Energiestrahl richten und so die Erwärmung des Absorptionselements durchführen zu können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens ein Halterungselement auf, welches ausgebildet ist, die Glasfaser entlang ihrer Längsachse zu positionieren und bzw. oder zu ziehen und bzw. oder die Glasfaser in ihrer Umfangsrichtung zu rotieren und bzw. oder eine Zugspannung der Glasfaser entlang ihrer Längsachse zu erfassen. Mit anderen Worten kann die Glasfaser innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung von wenigstens einem Halterungselement aufgenommen und in einer vorbestimmten Orientierung an einer vorbestimmten Position gehalten werden. Ggfs. kann die Glasfaser zusätzlich oder alternativ von diesem Halterungselement gegenüber einem weiteren Halterungselement gezogen werden. Dies kann die Bearbeitung mittels Verschweißen und bzw. oder mittels Ziehen wie zuvor beschrieben ermöglichen.
Ggfs. kann die Glasfaser zusätzlich oder alternativ von diesem Halterungselement bzw. von zwei Halterungselementen gemeinsam in der Umfangsrichtung ihrer Längsachse rotiert werden, so dass mehr Bereiche der Oberfläche der Glasfaser von dem Energiestrahl und bzw. oder von der Wärmestrahlung und bzw. oder von dem reflektierten Energiestrahl erreicht werden können. Dies kann die Homogenität der Erwärmung der Glasfaser erhöhen. Auch kann hierdurch ein Verdrillen von wenigstens zwei Glasfasern zur Herstellung eines Fiber Couplers erfolgen. Ferner kann dies zur Herstellung eines Faserbündels (Fiber Combiner).
Ggfs. kann zusätzlich oder alternativ eine Zugspannung der Glasfaser entlang ihrer Längsachse von dem Halterungselement sensorisch erfasst werden, indem z.B. entsprechende Sensorik zwischen der aufgenommenen gehaltenen Glasfaser und dem Körper des Halterungselements angeordnet und ausgebildet ist, Kräfte in der relevanten Richtung zu erfassen. Dies kann die Steuerung bzw. Regelung von Ziehprozessen verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens ein Umlenkelement auf, welches ausgebildet ist, den Energiestrahl von der Strahlungsquelle zu erhalten und dem Erhitzungselement zumindest teilweise zuzuführen. Das Umlenkelement kann zumindest abschnittsweise eine planare, d.h. ebene, Oberfläche und bzw. oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, was sich jeweils auf die Umlenkung des Energiestrahls auswirken und entsprechend der gewünschten Bearbeitung angewendet werden kann. Hierzu kann das Umlenkelement auch auswechselbar ausgebildet sein. Das Umlenkelement kann vorzugsweise durch einen Spiegel oder durch einen Scanner mit entsprechender Optik vergleichsweise einfach und damit kostengünstig umgesetzt werden. Dies kann die Flexibilität der Anordnung der Strahlungsquelle gegenüber dem Erhitzungselement erhöhen, da der Energiestrahl nicht direkt auf das Erhitzungselement gerichtet werden muss sondern durch das Umlenkelement zu dem Erhitzungselement umgelenkt werden kann. Dies kann den Bauraum der Bearbeitungsvorrichtung verringern, was auch dessen Kosten und damit die Herstellungskosten der optischen Glasfaserkomponenten reduzieren kann. Auch kann dies die Gestaltungsmöglichkeiten der Bearbeitungsvorrichtung erhöhen. Auch kann durch das Umlenkelement der Energiestrahl räumlich geformt werden, so dass z.B. der Durchmesser des Energiestrahl wie z.B. der Laserstrahldurchmesser eingestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Umlenkelement schwenkbar ausgebildet, um den Energiestrahl entlang der Längsachse der Glasfaser und bzw. oder senkrecht zur Längsachse der Glasfaser umzulenken. Dies kann die Einsatzmöglichkeiten der Bearbeitungsvorrichtung erhöhen. Insbesondere kann eine zu verschweißende Stoßstelle zwischen zwei Glasfasern sowohl entlang der Längsachse als auch senkrecht zur Längsachse mit einer größeren Toleranz positioniert werden, welche dann durch eine entsprechende Umlenkung bzw. Ausrichtung des Energiestrahls mittels des entsprechend schwenkbaren Umlenkelements wieder ausgeglichen werden kann.
Dies gilt entsprechend für einen Abschnitt einer Glasfaser, welcher zum Ziehen zu erwärmen ist. In diesem Fall kann dieser Abschnitt auch entlang der Längsachse der Glasfaser von dem Energiestrahl wiederholend abgefahren werden, um einen entsprechend langen Abschnitt von z.B. ca. 3 mm bis ca. 30 mm der Glasfaser gleichzeitig zu erwärmen, was dem Fließverhalten zugute kommen kann. Mit anderen Worten kann zum Spleißen zweier Glasfaserenden lediglich eine vergleichsweise kleine Erwärmungszone von ca. 100 µm bis ca. 2mm entlang der Längsachse und zum Ziehen eine größere Erwärmungszone von ca. 2 mm bis ca. 30 mm benötigt werden. Für sehr lange Faser Taper kann eine Erwärmungszone von deutlich mehr als ca. 30 mm erforderlich sein. Dies kann u.a. zur Regulierung der Form der Verjüngung der Glasfaser (Fiber Taper Shape) und zur Regulierung der Verjüngungslänge der Glasfaser (Fiber Taper Length) gezielt genutzt werden. Auch kann die Erwärmung hierdurch beschleunigt werden, so dass auch der Ziehprozess schneller durchgeführt und die Glasfaser schneller bearbeitet werden kann, was die Herstellungskosten reduzieren kann.
Auch kann hierbei eine Positionierung bzw. Führung des Energiestrahls derart erfolgen, dass entlang der Längsachse der Glasfaser wenigstens ein Abschnitt stärker als wenigstens ein weiterer Abschnitt erwärmt werden kann. Vorzugsweise können mehrere Abschnitte stärker erwärmt werden als weitere dazwischenliegende Abschnitte. Dies kann über die Bewegung des Umlenkelements in Abhängigkeit von der Zeit erfolgen, z.B. mit einem Sinussignal und ggfs. mit der zeitlichen Modulation der Strahlungsquelle. Dies kann ein Ziehen ermöglichen, aus dem eine entlang der Längsachse wellenförmige Glasfaser mit sich abwechselnden Wellentälern und Wellenbergen resultieren kann. Die Wellentäler können durch die stärker erwärmten Abschnitte der Glasfaser gebildet werden, da das weichere Material beim Ziehen sich stärker verjüngen kann als die weniger stark erwärmten dazwischenliegenden Abschnitte, welche die Wellenberge bildet können. Dies kann eine Beeinflussung des Prozesses ermöglichen, so dass bisher nicht bekannte Konturen von Glasfasern geschaffen werden können. Dies kann auch die Realisierung von optischen Glasfaserkomponenten mit neuen bzw. verbesserten optischen Eigenschaften ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens ein thermisches Sensorelement auf, welches ausgebildet ist, eine Wärme des Erhitzungselements zumindest teilweise zu erfassen. Auf diese Art und Weise kann einem Benutzer, der Bearbeitungsvorrichtung und bzw. oder einer weiteren Vorrichtung eine Information über die Wärme des Erhitzungselements zur Verfügung gestellt werden. Diese Informationen kann zur Beurteilung des Prozesses z.B. im Rahmen einer Qualitätskontrolle ausgewertet werden. Auch kann hierdurch eine Überwachung des Prozesses erfolgen, um z.B. bei einer unzulässig hohen Erwärmung z.B. die Leistung des Energiestrahls zu verringern bzw. den Energiestrahl abzuschalten. Ferner können diese Informationen zur Steuerung und bzw. oder Regelung des Prozesses verwendet werden, wie weiter unten näher erläutert werden wird.
In jedem Fall kann das thermische Sensorelement ausgebildet sein, einen Messwert zu erfassen, welcher eine Temperatur an wenigstens einer Stelle des Erhitzungselements repräsentiert. Dies kann beispielsweise mittels eines Sensorelements z.B. als Kaltleiter oder als Heißleiter umgesetzt werden. Auch kann z.B. eine Wärmebildkamera verwendet werden, welche ggfs. auch Informationen einer Wärmeverteilung liefern kann, jedoch einen deutlich höheren Aufwand erfordert als ein zuvor beschriebenes Sensorelement, welches lediglich ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefern kann. Auch kann ein sog. Pyrometer verwendet werden, welches relativ preisgünstig sein und eine berührungslose Messung am Erhitzungselement erlauben kann.
Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass die Erfassung der Temperatur des Erhitzungselements einfacher durchzuführen sein kann als die Erfassung der Temperatur der Glasfaser an der Schweißstelle bzw. im Bereich des Ziehens. Dies kann daraus resultieren, dass die Temperatur an der Glasfaser an einem transparenten Material erfasst werden müsste, was die sensorische Erfassung erschweren kann. Auch kann die relevante Stelle der Temperaturmessung an der Glasfaser gerade beim Schweißen sehr kleinflächig sein, was die Aufwand weiter erhöhen bzw. zu einer entsprechenden Unsicherheit der erfassten Temperaturwerte führen kann. Da das Erhitzungselement, wie zuvor beschrieben, üblicherweise deutlich großflächiger ausgebildet ist als die zu bearbeitende Glasfaser sowie üblicherweise durch Absorption vergleichsweise homogen erwärmt werden kann, kann dessen Temperatur entsprechend einfacher, genauer und bzw. oder verlässlicher erfasst werden, was die Verwendung dieser Informationen begünstigen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung ausgebildet, eine Leistung der Strahlungsquelle und bzw. oder eine Positionierung des Energiestrahls entlang der Längsachse der Glasfaser und bzw. oder senkrecht zur Längsachse der Glasfaser zu steuern und bzw. oder in Abhängigkeit der erfassten Wärme des Erhitzungselements und bzw. oder einer erfassten Zugspannung der Glasfaser zu regeln. Mit anderen Worten kann auf diese Art und Weise eine zeitliche und bzw. oder räumliche Beeinflussung der Erwärmung der Glasfaser bzw. der Glasfasern z.B. als Faserbündel erfolgen, was die Flexibilität und bzw. oder die Qualität der Erwärmung bzw. des Prozesses erhöhen kann. Somit kann durch die zeitliche Variation der Leistung der Strahlungsquelle und bzw. oder durch die räumliche Variation der Positionierung des Energiestrahls z.B. mittels eines Umlenkelements z.B. in Form eines Spiegels z.B. durch elektrische oder elektromagnetische Antriebe die Erwärmungszone, welche von dem Energiestrahl auf der zu bearbeitenden Glasfaser erzeugt wird, zeitlich und bzw. oder räumlich eingestellt werden. Auf diese Art und Weise können die Bearbeitungseigenschaften wie z.B. die Zieh- und Schweißeigenschaften für den Prozess sehr flexibel gestaltet werden. Z.B. kann eine sinusförmige Erwärmungszone, eine Erwärmungszone mit einem bestimmten Gradienten oder mehrere kleinere nebeneinanderliegende Erwärmungszonen realisiert werden. Somit können z.B. zahlreiche Glasfaser-Verjüngungsformen (Englisch: Fiber Taper Shapes) realisiert werden. Durch das Einstellen der Glasfaser-Verjüngungsform können die optischen Eigenschaften in der Glasfaser bzw. der Glasfasern gezielt beeinflusst werden.
Mittels einer Steuerung kann eine Beeinflussung der Leistung der Strahlungsquelle bzw. der Positionierung des Energiestrahls wie zuvor beschrieben erfolgen, was diese Maßnahme einfach halten kann. Beispielsweise kann die Leistung der Strahlungsquelle bzw. der Positionierung des Energiestrahls zu Beginn eines Prozesses an die vorhandene Wärme des Erhitzungselements angepasst werden, welche aus dem vorangehenden Prozess verblieben sein kann. Hierdurch kann eine unzureichende Wärme bei zuvor vollständig abgekühltem Erhitzungselement auf Umgebungstemperatur z.B. zu Beginn einer Fertigung vermieden werden, da in diesem Fall zunächst z.B. eine höhere Leistung des Energiestrahls verwendet werden und diese für jeden weiteren Prozess in Abhängigkeit der Restwärme reduziert werden kann. Dies kann eine unnötig starke Erwärmung vermeiden und hierdurch die Energieeffizienz des Prozesses verbessern sowie die Prozesszeiten ggfs. verkürzen. Ferner kann eine unzureichende Erwärmung bei der Durchführung eines ersten Prozesses bei vollständig abgekühltem Erhitzungselement auf Umgebungstemperatur vermieden werden, was zu Qualitätseinbußen bei den hergestellten optischen Glasfaserkomponenten führen könnte.
Mittels einer Regelung kann eine Beeinflussung der Leistung der Strahlungsquelle bzw. der Positionierung des Energiestrahls in Reaktion auf die erfasst Wärme und bzw. oder auf die erfasste Zugspannung der Glasfaser über die Halterungselemente erfolgen. Dies kann fortlaufend während eines Prozesses zur Herstellung einer optischen Glasfaserkomponente ausgeführt werden. Dies kann die Energieeffizienz weiter erhöhen, die Prozesszeit weiter verkürzen und insbesondere die Qualität des Herstellungsprozesses weiter verbessern. Jedoch kann die Umsetzung einer derartigen Regelung im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Steuerung des Aufwand und damit die Kosten der Bearbeitungsvorrichtung erhöhen, was sich entsprechend auf die hergestellten optischen Glasfaserkomponenten auswirken kann. Auch kann das Maß des Ziehens der Glasfaser an dessen erfasste Zugspannung angepasst werden, was die Prozessführung verbessern kann.
In jedem Fall kann die Nutzung der Information über die Temperatur des Erhitzungselements die Reproduzierbarkeit der hergestellten optischen Glasfaserkomponenten verbessern und damit die Qualität der Produkte erhöhen. Dies kann insbesondere die Herstellung besonders präziser optischer Glasfaserkomponenten für die Medizintechnik sowie für die Präzisionsmaterialbearbeitung verbessern bzw. erst ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Erhitzungselement zur Verwendung bei einer Bearbeitungsvorrichtung für Glasfasern wie zuvor beschrieben, welches ausgebildet ist, wenigstens eine Glasfaser in wenigstens einer Glasfaseraufnahme aufzunehmen und die Glasfaser in der Umfangsrichtung ihrer Längsachse zumindest abschnittsweise zu umgeben, wobei das Erhitzungselement ferner ausgebildet ist, einen Energiestrahl der Bearbeitungsvorrichtung mittels wenigstens eines Absorptionselements zumindest teilweise zu absorbieren und die absorbierte Energie des Energiestrahls zumindest teilweise als Wärmestrahlung in die Glasfaseraufnahme abzugeben und bzw. oder den Energiestrahl der Bearbeitungsvorrichtung mittels wenigstens eines Reflektionselements zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme zu reflektieren. Auf diese Art und Weise kann ein Erhitzungselement zur Verfügung gestellt werden, um eine Bearbeitungsvorrichtung wie zuvor beschrieben umsetzen und deren Eigenschaften und Vorteile nutzen zu können.
Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:

1 eine seitliche schematische Darstellung bzw. Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung mit erfindungsgemäßem Erhitzungselement bei einer ersten Anwendung;
2 eine seitliche schematische Darstellung bzw. Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung mit erfindungsgemäßem Erhitzungselement bei einer zweiten Anwendung;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine Glasfaser;
4 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Erhitzungselements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
5 einen schematischen Querschnitt durch das Erhitzungselement der 3 mit der Glasfaser der 4; und
6 bis 20 jeweils einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Erhitzungselement gemäß einem zweiten bis vierzehnten Ausführungsbeispiel mit jeweils der Glasfaser der 4 bzw. weiteren Glasfasern.

Die o.g. Figuren werden hinsichtlich einer Bearbeitungsvorrichtung 2 in kartesischen Koordinaten betrachtet. Dabei erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann, senkrecht sowohl zu einer Längsrichtung (nicht dargestellt) als auch zu einer Querrichtung Y. Hinsichtlich einer Glasfaser 1 werden die o.g. Figuren in zylindrischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsachse X entlang der länglichen Erstreckungsrichtung der Glasfaser 1. Senkrecht zur Längsachse X erstreckt sich eine radiale Richtung R von der Längsachse X weg. Senkrecht zur radialen Richtung R und um die Längsachse X herum erstreckt sich eine Umfangsrichtung U. Die Längsrichtung der kartesischen Koordinaten entspricht der Richtung der Längsachse X der zylindrischen Koordinaten.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 für Glasfasern 1 weist ein Gehäuse 20 auf, welches einen Innenraum der Bearbeitungsvorrichtung 2 umschließt. Innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung 2 ist eine Strahlungsquelle 21 in Form einer Laserstrahlquelle 21 angeordnet, welche einen Energiestrahl A in Form eines Laserstrahls A erzeugen und gerichtet aussenden kann. Der Laserstrahl A kann durch eine Linse 22 gebündelt sowie durch ein schwenkbares Umlenkelement 23 in Form eines schwenkbaren Spiegels 23 um zwei Achse umgelenkt werden.
Auf dem Boden des Gehäuses 20 sind zwei bewegliche Halterungselemente 24 angeordnet. Die beiden Halterungselemente 24 können jeweils die Glasfaser 1 als Ganzes (siehe 2) oder in Form von zwei Glasfaserstücken 1a, 1b (siehe 1) klemmend aufnehmen, halten und bei einer Bewegung mit sich mit führen. Die dabei wirkenden Zugkräfte können ggfs. sensorisch erfasst und bei der Durchführung der Bewegung berücksichtigt werden. Dabei erstreckt sich die Glasfaser 1 in dieser aufgenommenen Anordnung geradlinig entlang ihrer bereits zuvor erwähnten Längsachse X. Die beiden Halterungselemente 24 sind entsprechend entlang der Längsachse X der aufgenommenen Glasfaser 1 jeweils in einer Bewegungsrichtung C unabhängig voneinander translatorisch hin und her beweglich, was über elektrische Antriebe umgesetzt werden kann. Auf diese Art und Weise kann eine aufgenommene Glasfaser 1 (siehe 2) entlang ihrer Längsachse X in die Länge gezogen werden, wenn wenigstens eines der beiden Halterungselemente 24 von dem anderen Halterungselement 24 in der Bewegungsrichtung C wegbewegt wird. Es kann aber auch durch eine Bewegung eines der beiden Halterungselemente 24 auf das andere Halterungselement 24 in der Bewegungsrichtung C zu eine Positionierung eines offenen Endes eines ersten Glasfaserstücks 1a auf Stoß an einem zweiten Glasfaserstück 1b (siehe 1) erfolgen, welches von dem anderen Halterungselement 24 gehalten wird. Auch können hierzu beide Halterungselemente 24 in der jeweiligen Bewegungsrichtung C aufeinander zu bewegt werden.
Zwischen den beiden Halterungselementen 24 ist auf dem Boden des Gehäuses 20 ein Aufnahmeelement 25 angeordnet, welches ein erfindungsgemäßes Erhitzungselement 3 hält und gegenüber dem Boden des Gehäuses 20 ausreichend hoch positioniert, so dass das Erhitzungselement 3 die aufgenommene Glasfaser 1 in dessen Umfangsrichtung U zumindest abschnittsweise umgeben und sich entlang der Längsachse X der aufgenommenen Glasfaser 1 in einem gewissen Maße erstrecken kann, wie anhand der 4 bis 16 noch näher erläutert werden wird. Das Aufnahmeelement 25 kann vorzugsweise in der Höhe Z verstellbar sein, um die Positionierung des Erhitzungselements 3 variieren zu können. Dies kann ggfs. auch für die beiden horizontalen Raumrichtungen senkrecht zur Höhe Z gelten, um die Positionierungsmöglichkeiten des Erhitzungselements 3 erweitern zu können. Auch kann das Erhitzungselement 3 von dem Aufnahmeelement 25 austauschbar aufgenommen werden, um verschiedene Erhitzungselemente 3 verwenden zu können.
Der schwenkbare Spiegel 23 ist derart ausgebildet, dass sich der schwenkbare Spiegel 23 in einer Bewegungsrichtung B drehen und hierdurch den Laserstrahl A entlang der Längsachse X der Glasfaser 1 positionieren kann. Die Positionierung entlang der Längsachse X kann über eine Länge von bis zu ca. 30 mm erfolgen. Auch kann der schwenkbare Spiegel 23 senkrecht zur Längsachse X geschwenkt werden (nicht dargestellt), so dass der Laserstrahl A innerhalb einer gewissen Fläche positioniert werden kann. Die Bewegung des schwenkbaren Spiegels 23 kann mit einer hohen Frequenz erfolgen, um eine möglichst homogene Erwärmungszone zu erzielen.
Die Bearbeitungsvorrichtung 1 weist ein thermisches Sensorelement 26 in Form eines Pyrometers 26 auf, welches von schräg oben auf das Erhitzungselement 3 gerichtet und ausgebildet ist, die Wärme des Erhitzungselements 3 zu erfassen. Diese Information kann z.B. für eine Regelung verwendet werden, welche in einer Steuerungseinheit (nicht dargestellt) der Bearbeitungsvorrichtung ausgeführt werden kann, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die bereits erwähnte Glasfaser 1. Die Glasfaser 1 weist einen Faserkern 10 auf, welcher zylindrisch aus Quarzglas ausgebildet ist. Der Faserkern 10 wird von einem zylindrischen Fasermantel 11 umgeben, welcher ebenfalls aus Quarzglas besteht. Der Faserkern 10 und der Fasermantel 11 bilden zusammen die Glasfaser 1. Der Fasermantel 11 kann von einer Faserbeschichtung (nicht dargestellt) aus Polymer umgeben werden, welche ebenfalls der Glasfaser 1 zugerechnet werden kann. Da die Faserbeschichtung jedoch zur Bearbeitung von Glasfasern 1, wie im Folgenden näher beschrieben werden wird, zu entfernen ist, wird auf die Darstellung der Faserbeschichtung verzichtet und in der 3 ein von der Faserbeschichtung freigelegter zu bearbeitender Abschnitt der Glasfaser 1 betrachtet.
4 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung des bereits erwähnten erfindungsgemäßen Erhitzungselements 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Erhitzungselement 3 besteht in diesem Fall aus einem Absorptionselement 30 aus einem keramischen Material, welches eine Hitzebeständigkeit bis mindestens ca. 1.800°C besitzt und die Energie bzw. die Wellenlänge des Laserstrahls sehr gut absorbieren kann. Das Absorptionselement 30 ist halbrund ausgebildet. Das Innere des Absorptionselements 30 bildet eine Glasfaseraufnahme 33 aus, so dass die Glasfaser 1 innerhalb der Glasfaseraufnahme 33 des Absorptionselements 30 angeordnet und seitlich in der Höhe Z von den Kanten bzw. Rändern des Absorptionselements 30 überragt werden kann, vgl. 5, welche sich parallel zueinander in der Richtung der Längsachse erstrecken, vgl. 4. Der Glasfaseraufnahme 33 zugewandt weist das Absorptionselement 30 bzw. das Erhitzungselement 3 eine Innenseite 3b und radial gegenüberliegend der Glasfaseraufnahme 33 abgewandt eine Außenseite 3a auf. Randseitig in beiden Richtungen entlang der Längsachse X ist das Absorptionselement 30 offen ausgebildet. Auch ist das Absorptionselement 30 in der Höhe Z nach oben hin offen ausgebildet, wobei die Fläche zwischen den Kanten bzw. Rändern des Absorptionselements 30 als Öffnung 34 des Absorptionselements 33 bezeichnet werden kann. Durch die Öffnung 34 des Absorptionselements 33 hindurch kann die Glasfaser 1 von oben in die Glasfaseraufnahme 30 eingeführt sowie aus dieser entnommen werden.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung 2 mit dem erfindungsgemäßen Erhitzungselement 3 kann u.a. dafür verwendet werden, zwei Glasfaserstücke 1a, 1b gleichen Durchmessers (siehe 1) zu einer Glasfaser 1 zu verschweißen. Hierzu können die beiden Glasfaserstücke 1a, 1b jeweils in eine der beiden beweglichen Halterungselemente 24 eingelegt und dort gehalten werden. Nun können die beiden Halterungselemente 24 entlang der Längsachse X aufeinander zu bewegt werden, bis sich die beiden offenen Enden der Glasfaserstücke 1a, 1b berühren. Dabei findet dieser Kontakt zwischen den Glasfaserstücken 1a, 1b entlang der Längsachse X etwa mittig innerhalb der Erhitzungselements 3 statt, siehe 1. Gleichzeitig ist das Erhitzungselement 3 gegenüber den Halterungselementen 24 derart angeordnet, dass der Kontakt zwischen den Glasfaserstücken 1a, 1b in der Höhe Z etwas unterhalb der Kanten bzw. Rändern des Absorptionselements 30 und damit innerhalb der Glasfaseraufnahme 33 stattfindet, siehe 5. Gleichzeitig erfolgt eine Positionierung der beiden Glasfaserstücke 1a, 1b in der Querrichtung Y mittig innerhalb der Glasfaseraufnahme 33, siehe ebenfalls 5.
In dieser Anordnung kann nun ein Verschweißen der beiden Enden der Glasfaserstücke 1a, 1b zu einer Glasfaser 1 derart erfolgen, dass der Laserstrahl A von dem schwenkbaren Spiegel 23 auf die Kontaktstelle der beiden Enden der Glasfaserstücke 1a, 1b ausgerichtet wird, siehe 1. Der obere halbrunde Bereich der Oberfläche der Glasfaserstücke 1a, 1b wird dabei direkt von dem Laserstrahl A erreicht und erwärmt, siehe 5, so dass in diesem Bereich das Verschweißen direkt bewirkt werden kann. Die seitlichen Bereiche der Oberfläche der Glasfaserstücke 1a, 1b sowie deren Unterseite werden jedoch von dem Laserstrahl A nicht bzw. nur tangential erreicht.
Da der Laserstrahl A jedoch in der Querrichtung Y breiter als die Glasfaserstücke 1a, 1b ist, wird ein wesentlicher Anteil der Energie des Laserstrahls A seitlich an den Glasfaserstücken 1a, 1b vorbeigeführt und trifft dort auf die Innenseite 3b des Absorptionselements 30. Diese Energie wird von dem Absorptionselement 30 absorbiert und als Wärmestrahlung D von allen Seiten radial in die Glasfaseraufnahme 33 wieder abgegeben, siehe 5. Auf diese Art und Weise können auch die Bereiche der Oberfläche der beiden Glasfaserstücke 1a, 1b indirekt durch den Laserstrahl A erwärmt werden, welche nicht direkt von dem Laserstrahl A erreicht werden können. Vielmehr können diese Bereiche sogar durch die Wärmestrahlung D wirkungsvoller und radial tiefer erwärmt werden als dies mit einer oberflächigen Erwärmung mittels Laserstahl A überhaupt möglich ist. Dies kann eine homogenere Schweißverbindung der beiden Glasfaserstücke 1a, 1b als bisher bekannt ermöglichen.
Alternativ kann eine durchgängige Glasfaser 1 von den Halterungselementen 24 gehalten werden, siehe 2. In diesem Fall kann der Laserstrahl A entlang der Längsachse X geschwenkt werden, um einen Abschnitt der Glasfaser 1 von einigen Millimetern zu erwärmen. Es können auch beide Halterungselemente 24 synchron mit einer bestimmten Frequenz beidseitig entlang der Längsachse X der Glasfaser 1, d.h. in der negativen und in der positiven Richtung entlang der Längsachse X, bewegt werden, um die Erwärmungszone zu vergrößern. Hierdurch kann auf eine Bewegung des schwenkbaren Spiegels 23 verzichtet werden oder der Spiegel 23 kann unbeweglich ausgebildet sein, was die Herstellungskosten und den Aufwand im Betrieb reduzieren kann. Während der Synchronbewegung können die beiden Halterungselemente 24 in der Geschwindigkeit variieren, um die Glasfaser 1 in die Länge entlang ihrer Längsachse X zu ziehen. Der schwenkbare Spiegel 23 kann auch zusätzlich bewegt werden.
Ist die Glasfaser 1 in diesem Bereich ausreichend erwärmt, wird wenigstens eines der beiden Halterungselemente 24 gegenüber dem anderen Halterungselement 24 in der Bewegungsrichtung C bewegt und das erwärmte weiche Material der Glasfaser 1 entlang der Längsachse X in die Länge gezogen. Hierdurch kann eine Verjüngung des Querschnitts der Glasfaser 1 bewirkt werden. Auch in diesem Fall erfolgt das Erwärmen der Glasfaser 1 nur teilweise durch den Laserstrahl A direkt in der Höhe Z von oben und teilweise durch die radiale Wärmestrahlung D des Absorptionselements 30, wie zuvor beschrieben.
In beiden Fällen wird die Erwärmung des Absorptionselements 33 von dem Pyrometer 26 erfasst und einer Regelung der Steuerungseinheit der Bearbeitungsvorrichtung 2 zur Verfügung gestellt. Die Regelung stellt in Abhängigkeit der erfassten Temperatur sowie eines vorbestimmten Soll-Werts der Temperatur beispielsweise die Leistung der Laserstrahlquelle 21 entsprechend ein, so dass ein Laserstrahl A mit einer regelten Leistung betrieben werden kann, um den jeweiligen Prozess des Verschweißens bzw. des Ziehens geregelt durchzuführen. Zusätzlich oder alternativ kann das Schwenken des schwenkbaren Spiegels 23 oder die Positionierung bzw. Bewegung der Halteelemente 24 von der Regelung beeinflusst werden.
6 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches ebenfalls aus dem Absorptionselement 33 besteht, jedoch in der Umfangsrichtung U vollständig geschlossen ist. Der Laserstrahl A ist somit auf die Außenseite 3a des Absorptionselements 30 gerichtet. In diesem Fall findet eine Erwärmung der Glasfaserstücke 1a, 1b bzw. der Glasfaser 1 vollständig durch die Wärmestrahlung D wie zuvor beschrieben statt.
7 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches in der Umfangsrichtung U weitestgehend geschlossen ist und in der Umfangsrichtung U lediglich eine vergleichsweise schmale Öffnung 34 der Glasfaseraufnahme 33 in der Höhe Z nach oben aufweist. Die Erwärmung des Absorptionselements 30 findet in diesem Fall durch den Laserstrahl A von unten statt, weshalb das Aufnahmeelement 25 der Bearbeitungsvorrichtung 2 zweigeteilt ausgeführt ist.
8 zeigt ein Erhitzungselement 3, bei welchem die Merkmale der Erhitzungselemente der 5 und 7 miteinander kombiniert werden, d.h. der Laserstahl A wirkt sowohl in der Höhe Z von oben als auch von unten auf das Absorptionselement 30. Der Laserstrahl A kann z.B. mittels eines Strahlteilers (Englisch: beam splitter) in zwei (Teil-)Laserstrahlen A getrennt werden. Alternativ können auch zwei Laserstrahlquellen 21 verwendet werden, um jeweils einen der beiden Laserstrahlen A zu erzeugen.
9 zeigt ein Erhitzungselement 3 vergleichbar dem Erhitzungselement 3 der 7, wobei zwei Laserstrahlen A von jeweils schräg unten von außen auf das Absorptionselement 30 gerichtet sind.
10 zeigt ein Erhitzungselement 3 vergleichbar dem Erhitzungselement 3 der 5, wobei in diesem Fall zwei zusätzliche Laserstrahlen A von jeweils schräg unten auf das Absorptionselement 30 gerichtet sind.
11 zeigt das Erhitzungselement 3 der 5, wobei in diesem Fall die Glasfaser 1 in der Querrichtung Y zur Mitte versetzt angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Glasfaser 1 hier außerhalb des Fokus des Laserstrahls A angeordnet. Entsprechend wirkt der Laserstrahl A nur mit seinem vergleichsweise energieschwachen randseitigen Bereich in der Höhe Z von oben auf die Glasfaser 1, was die hierdurch bewirkte Erwärmung reduzieren kann. Dennoch kann eine wirkungsvolle Erwärmung insgesamt erfolgen, da die Wärmestrahlung D vergleichsweise unvermindert auf die Glasfaser 1 wirken und die gewünschte Wirkung bis hin in den oberen Bereich der Glasfaser 1 erreichen kann. Somit kann auch bei einer nicht-mittigen Anordnung der Glasfaser 1 in der Querrichtung Y innerhalb der Glasfaseraufnahme 33 der Prozess erfolgreich durchgeführt werden.
12 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches neben dem Absorptionselement 30 radial außen an diesem anliegend ein thermisches Isolationselement 31 aufweist. Hierzu kann eine Aluminiumfolie verwendet werden. Auf diese Art und Weise kann ein Verlust an Wärmestrahlung D nach radial außen vermieden und die Wärmestrahlung D möglichst vollständig vom Absorptionselement 30 in die Glasfaseraufnahme 33 abgegeben werden.
13 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches neben dem Absorptionselement 30 radial innen an diesem anliegend ein Reflektionselement 32 in Form einer Verspiegelung aufweist. In diesem Fall wird der Anteil des Laserstrahls A, welcher seitlich an der Glasfaser 1 vorbei in die Glasfaseraufnahme 33 gelangt, von dem Reflektionselement 32 als reflektierter Laserstrahl E zu den übrigen Seiten radial zur Glasfaser 1 hin reflektiert, so dass der Laserstrahl A die Glasfaser 1 über dessen gesamten Umfang in der Umfangsrichtung U erreichen und erwärmen kann. Dies kann eine vollumfängliche Erwärmung mittels Laserstrahlung bewirken. In diesem Fall kann anstelle des Absorptionselements auch ein anderes Element verwendet werden, welches einfacher und bzw. oder kostengünstiger herzustellen sein kann, da die zuvor beschriebenen absorbierenden Eigenschaften des Absorptionselements 30 gar nicht erforderlich sind und somit hierauf auch verzichtet werden kann.
14 zeigt ein Erhitzungselement 3, dessen Absorptionselement 30 lediglich am Boden das Reflektionselement 32 aufweist, randseitig jedoch frei von dem Reflektionselement 32 ist. Auf diese Art und Weise kann die Glasfaser 1 von den beiden Seiten durch die Wärmestrahlung D und von unten sowie von oben von dem reflektierten Laserstrahl E erreicht und hierdurch erwärmt werden.
15 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches aus dem Absorptionselement 30 besteht. Das Absorptionselement 30 weist in diesem Fall eine parabolische Form auf, so dass die Wärmestrahlung D auf einen Brennpunkt hin gerichtet werden kann, in welchem die Glasfaser 1 angeordnet ist. Dies kann eine besonders wirkungsvolle Erwärmung der Glasfaser 1 ermöglichen.
16 zeigt ein Erhitzungselement 3, welches aus dem Absorptionselement 30 besteht. Das Absorptionselement 30 weist in diesem Fall eine im Wesentlichen V-förmige bzw. eine trapezartige Form auf, so dass die Wärmestrahlung D inhomogen in die Glasfaseraufnahme 33 gerichtet werden kann. Dies kann zu einer gezielten inhomogenen Erwärmung der Glasfaser 1 führen.
17 zeigt das Erhitzungselement 3 der 5 mit einem Glasfaserbündel bestehend aus der ersten Glasfaser 1 der 3, welche in diesem Fall als erste Glasfaser 1 bezeichnet werden kann, sowie sechs weiteren Glasfasern 1', welche auch als zweite Glasfasern 1' bezeichnet werden können. Die sechs zweiten Glasfasern 1' weisen jeweils einen Faserkern 10 sowie einen Fasermantel 11 vergleichbar der ersten Glasfaser 1 der 3 auf. Die sechs zweiten Glasfasern 1' sind in der Umfangsrichtung U um die erste Glasfaser 1 herum angeordnet und berühren diese jeweils in der radialen Richtung R. Gleichzeitig berühren sich die sechs zweiten Glasfasern 1' in der Umfangsrichtung U. Somit kann auch ein Glasfaserbündel wie beispielhaft in der 17 dargestellt wie zuvor beschrieben erfindungsgemäß bearbeitet werden. Hierbei kann es sich um die Herstellung eines TFB-Kombinierers (Englisch: TFB combiner) handeln, bei dem zuerst ein Verjüngen mittels Ziehen und anschließend ein Verschweißen wie in der 17 dargestellt erfolgen kann.
18 zeigt das Erhitzungselement 3 der 5 mit einem Glasfaserbündel bestehend aus der ersten Glasfaser 1 der 3, welche auch in diesem Fall als erste Glasfaser 1 bezeichnet werden kann, sowie vier weiteren Glasfasern 1'', welche auch als dritte Glasfasern 1'' bezeichnet werden können. Die vier dritten Glasfasern 1'' weisen jeweils keinen Faserkern 10 sondern lediglich einen Fasermantel 11 auf (Englisch: core-less fiber). Die vier weiteren Glasfasern 1'' sind in der Umfangsrichtung U um die erste Glasfaser 1 herum angeordnet und berühren diese jeweils in der radialen Richtung R. Gleichzeitig sind die vier dritten Glasfasern 1'' in der Umfangsrichtung U zueinander beabstandet. Somit kann auch ein Glasfaserbündel wie beispielhaft in der 18 dargestellt wie zuvor beschrieben erfindungsgemäß bearbeitet werden. Hierbei kann es sich um die Herstellung eines Side-Pump-Kombinierers (Englisch: side pump combiner) handeln, bei dem ebenfalls zuerst ein Verjüngen mittels Ziehen und anschließend ein Verschweißen wie in der 18 dargestellt erfolgen kann.
19 zeigt das Erhitzungselement 3 ähnlich der 5, wobei das Erhitzungselement 3 bzw. dessen Absorptionselement 30 in diesem Fall im Querschnitt eine oktogonale Form aufweist. Die Abstrahlung der Wärmestrahlung D kann auf diese Art und Weise entsprechend beeinflusst werden. Dies ist beispielsweise mittels einer hexagonalen Form vergleichbar möglich.
20 zeigt das Erhitzungselement 3 der 19 mit einem Reflektionselement 32, welches vollflächig das Erhitzungselement 3 bzw. dessen Absorptionselement 30 auskleidet. Die Reflektion des Laserstrahls A in Form des reflektierten Laserstrahls E kann auf diese Art und Weise entsprechend beeinflusst werden.
Bezugszeichenliste

A: Energiestrahl; Laserstrahl
B: Bewegungsrichtung des Umlenkelements 23
C: Bewegungsrichtung der Halterungselemente 24
D: Wärmestrahlung
E: reflektierter Energiestrahl A
R: radiale Richtung der Längsachse X
U: Umfangsrichtung der Längsachse X
X: Längsachse der Glasfaser 1
Y: Querrichtung
Z: vertikale Richtung; Höhe
1: (erste) Glasfaser
1': zweite Glasfaser
1'': dritte Glasfaser
1a: erstes Glasfaserstück der ersten Glasfaser 1
1b: zweites Glasfaserstück der ersten Glasfaser 1
10: Faserkern
11: Fasermantel
2: Bearbeitungsvorrichtung
20: Gehäuse
21: Strahlungsquelle; Laserstrahlquelle
22: Linse
23: (schwenkbares) Umlenkelement; (schwenkbarer) Spiegel
24: (bewegliche) Halterungselemente
25: Aufnahmeelement
26: thermisches Sensorelement; Pyrometer
3: Erhitzungselement
3a: Außenseite des Erhitzungselements 3
3b: Innenseite des Erhitzungselements 3
30: Absorptionselement
31: thermisches Isolationselement
32: Reflektionselement
33: Glasfaseraufnahme
34: Öffnung der Glasfaseraufnahme 33

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4263495 A [0023]
US 2015192738 A1 [0031]

Claims

Bearbeitungsvorrichtung (2) für Glasfasern (1) mit wenigstens einer Strahlungsquelle (21), welche ausgebildet ist, wenigstens einen Energiestrahl (A), vorzugsweise wenigstens einen Laserstrahl (A), zu erzeugen, und mit wenigstens einem Erhitzungselement (3), welches ausgebildet ist, wenigstens eine Glasfaser (1) in wenigstens einer Glasfaseraufnahme (33) aufzunehmen und die Glasfaser (1) in der Umfangsrichtung (U) ihrer Längsachse (X) zumindest abschnittsweise zu umgeben, wobei das Erhitzungselement (3) ferner ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) mittels wenigstens eines Absorptionselements (30) zumindest teilweise zu absorbieren und die absorbierte Energie des Energiestrahls (A) zumindest teilweise als Wärmestrahlung (D) in die Glasfaseraufnahme (33) abzugeben und/oder den Energiestrahl (A) mittels wenigstens eines Reflektionselements (32) zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme (33) zu reflektieren.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2) ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) zumindest teilweise auf eine Außenseite (3a) des Erhitzungselements (3) zu richten, welche der Glasfaseraufnahme (33) abgewandt ist.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2) ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) zumindest teilweise auf eine Innenseite (3b) des Erhitzungselements (3) zu richten, welche der Glasfaseraufnahme (33) zugewandt ist.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaseraufnahme (33) eine Öffnung (34) aufweist, durch welche hindurch die Glasfaser (1) senkrecht zu ihrer Längsachse (X) in die Glasfaseraufnahme (33) eingeführt und/oder aus der Glasfaseraufnahme (33) entnommen werden kann.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2) ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) zumindest teilweise durch die Öffnung (34) der Glasfaseraufnahme (33) hindurch zumindest teilweise auf die Innenseite (3b) des Erhitzungselements (3) zu richten.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzungselement (3) zur Glasfaseraufnahme (33) hin vollflächig das Absorptionselement (30) aufweist, oder das Erhitzungselement (3) zur Glasfaseraufnahme (33) hin vollflächig das Reflektionselement (32) aufweist, oder das Erhitzungselement (3) zur Glasfaseraufnahme (33) hin abschnittsweise das Absorptionselement (30) und abschnittsweise das Reflektionselement (32) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzungselement (3) ausgebildet ist, die Glasfaser (1) in ihrer Umfangsrichtung (U) zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, zu umgeben.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzungselement (3) in der Umfangsrichtung (U) der Glasfaser (1) zumindest abschnittsweise eine zylindrische, gebogene, parabolische, hexagonale und/oder oktogonale Form aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzungselement (3) der Glasfaseraufnahme (33) abgewandt zumindest abschnittsweise wenigstens ein thermisches Isolationselement (31) aufweist, welches das Absorptionselement (30) zumindest abschnittweise umgibt.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Halterungselement (24), welches ausgebildet ist, die Glasfaser (1) entlang ihrer Längsachse (X) zu positionieren und/oder zu ziehen und/oder die Glasfaser (1) in ihrer Umfangsrichtung (U) zu rotieren und/oder eine Zugspannung der Glasfaser (1) entlang ihrer Längsachse (X) zu erfassen.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Umlenkelement (23), welches ausgebildet ist, den Energiestrahl (A) von der Strahlungsquelle (21) zu erhalten und dem Erhitzungselement (3) zumindest teilweise zuzuführen.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (23) schwenkbar ausgebildet ist, um den Energiestrahl (A) entlang der Längsachse (X) der Glasfaser (1) und/oder senkrecht zur Längsachse (X) der Glasfaser (1) umzulenken.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein thermisches Sensorelement (26), welches ausgebildet ist, eine Wärme des Erhitzungselements (3) zumindest teilweise zu erfassen.
Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2) ausgebildet ist, eine Leistung der Strahlungsquelle (21) und/oder eine Positionierung des Energiestrahls (A) entlang der Längsachse (X) der Glasfaser (1) und/oder senkrecht zur Längsachse (X) der Glasfaser (1) zu steuern und/oder in Abhängigkeit der erfassten Wärme des Erhitzungselements (3) und/oder einer erfassten Zugspannung der Glasfaser (1) zu regeln.
Erhitzungselement (3) zur Verwendung bei einer Bearbeitungsvorrichtung (2) für Glasfasern (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ausgebildet ist, wenigstens eine Glasfaser (1) in wenigstens einer Glasfaseraufnahme (33) aufzunehmen und die Glasfaser (1) in der Umfangsrichtung (U) ihrer Längsachse (X) zumindest abschnittsweise zu umgeben, wobei das Erhitzungselement (3) ferner ausgebildet ist, einen Energiestrahl (A) der Bearbeitungsvorrichtung (2) mittels wenigstens eines Absorptionselements (30) zumindest teilweise zu absorbieren und die absorbierte Energie des Energiestrahls (A) zumindest teilweise als Wärmestrahlung (D) in die Glasfaseraufnahme (33) abzugeben und/oder den Energiestrahl (A) der Bearbeitungsvorrichtung (2) mittels wenigstens eines Reflektionselements (32) zumindest teilweise in die Glasfaseraufnahme (33) zu reflektieren.