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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Fluidikvorrichtung zur Durchführung optischer
Anwendungen.
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STAND DER
TECHNIK
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, mit
denen fluide Medien entweder optisch untersucht oder einer optischen
Behandlung wie beispielsweise einer Photopolymerisation unterzogen
werden können.
Die zu untersuchenden oder photochemisch zu behandelnden Fluide müssen dabei
stets in die fluidische Vorrichtung eingebracht bzw. injiziert werden.
Nach der optischen Anwendung wird das Fluid der Detektions- oder sonstigen
optischen Vorrichtung entnommen, beispielsweise durch ein Ventil.
Vorrichtungen, mittels derer optische Behandlungen im Online-Betrieb durchgeführt werden
können,
sind bekannt. Die entsprechende Vorrichtung muss Fluid dicht, druckbeständig, chemisch
inert und außerdem
geeignet sein für
die Lichtleitung, es ist auch eine entsprechende optische Weglänge von
Nöten,
um im Fall optischer Detektion reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Im
Stand der Technik sind verschiedene, insbesondere auch miniaturisierte
Vorrichtungen bekannt, welche die vorstehend genannten Punkte zum
Gegenstand haben.
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So
zeigen die
US 6,526,188
B2 und die US 2001/0010747 eine modulare Durchflusszelle,
die einen hohen Durchsatz ermöglicht,
die einen langen optischen Messpfad und einen kleinen Fließpfad aufweist.
Die Konfiguration der modularen Durchflusszelle umfasst die Beschreibung
verschiedener Lichtein- und -auslass- sowie Liquidein- und auslassverbindungen.
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Die
US 5,444,807 zeigt eine
Durchflusszelle für
den Einsatz von Messungen chemischer Eigenschaften kleiner Volumina
von Fluiden, die gelöste Analyten
enthalten.
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Schließlich offenbart
die
US 5,608,517 eine beschichtete
Flusszelle. Diese umfasst eine Durchflusspassage, worin Licht, welches
in die Flusszelle gelenkt wird, intern entlang der Durchflusspassage reflektiert
wird.
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OFFENBARUNG
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung optischer
Anwendungen in Fluiden zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine
Fluidikvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
werden durch die Unteransprüche
beschrieben.
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Die
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung, in
der ein fluides Medium der Behandlung mit Licht unterzogen wird,
wobei der hierzu eingesetzte oder die eingesetzten Lichtwellenleiter
und der Fluid führende Pfad
zumindest teilweise in eine Matrix eingebettet sind. Zwischen der
Matrix und dem Lichtwellenleiter wird dabei eine Fluid dichte Verbindung
durch einen Verbindungswerkstoff bereitgestellt. Hierbei ist von Vorteil,
dass die Matrix den Fluidpfad selbst bildet, sodass sich die Anzahl
der Komponenten verringert und somit auch die Anzahl der Stellen,
die einer Undichtigkeit oder Beschädigung unterliegen könnten. Die
Matrix als ein Stoff, der zur Aufnahme von Gegenständen geeignet
ist und die gleichzeitig selbst funktional wirken kann, kann ein-
oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorteilhaft dient sodann ein Teil
der Matrix als Aufnahmeebene für
die weiteren Komponenten der Fluidikvorrichtung, während ein
zweiter Teil der Matrix als schützende
und abdeckende Ebene dient. Damit wird die benötigte Komponentenzahl für eine solche
Vorrichtung möglichst
klein gehalten bei gleichzeitiger Vermeidung von Schwachstellen,
insbesondere in Bezug auf Dichtigkeit.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Weitere
Ausführungsbeispiele
und sowie einige der Vorteile, die mit den Ausführungsbeispielen verbunden
sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die
unterstützenden
Figuren dargestellt. Gegenstände
oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit
denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1a zeigt
eine Querschnittsseitenansicht der Fluidikvorrichtung mit Lichtwellenleiter
und Fluidpfad, die in eine Matrix aus zwei Halbschalen eingebettet sind.
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1b zeigt
die Querschnittsseitenansicht der vorhergehenden Figur, wobei das
aus den Lotdepots zur Ausbildung einer Verbindungsstelle zwischen
Lichtwellenleiter und Matrix geflossene Lot Verbindungsstellen bildet.
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2 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf die untere Halbschale der Fluidikvorrichtung,
in deren Schnittebene Lichtwellenleiter, Fluidpfad und Fluidzuführung eingebettet
sind.
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3 zeigt
eine Querschnittsseitenansicht der Fluidikvorrichtung mit zwei Lichtwellenleitern
und Fluidpfad, die in eine Matrix aus zwei Halbschalen eingebettet
sind.
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4 zeigt
eine Frontansicht auf die Matrix, die einen Lichtwellenleiter umschließt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Eine
Fluidikvorrichtung zur Durchführung
optischer Anwendungen umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung
im Wesentlichen einen Fluidpfad zur Aufnahme einer Flüssigkeit
sowie zumindest einen Lichtwellenleiter zur Lichtleitung in den
besagten Fluidpfad und somit in die Flüssigkeit.
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Da
optische Anwendungen grundsätzlich Anwendungen
aus dem Bereich der Photochemie ebenso umfassen können wie
optische Detektionsaufgaben, kann der genannte Lichtwellenleiter
einerseits die Aufgabe übernehmen,
lediglich in Verbindung mit einer Lichtquelle als Licht emittierendes
Mittel zu fungieren, um also Licht in das zu bestrahlende Fluid
hinein zu emittieren. Diese Aufgabe kann auch von mehreren Lichtwellenleitern
wahrgenommen werden. Der Einsatz mehrerer Lichtwellenleiter eröffnet die
Möglichkeit,
unterschiedliche zu belichtende Streckenabschnitte eines Fluidpfades
mit verschiedenen Wellenlängen
zu bestrahlen, sodass unterschiedliche photochemische Effekte erzielt
werden können.
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Schließlich kann
ein Licht emittierender Lichtwellenleiter auch mit einem Detektor
korrespondieren, der das Licht aufnimmt, sobald es aus dem Fluid
heraustritt, und der sodann mit einer Auswerteeinheit kommuniziert.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn zwei kommunizierende Lichtwellenleiter zum Zweck
der Detektion in die besagte erfindungsgemäße Fluidikvorrichtung als Paar
eingebracht werden: Dann hat der eine Lichtwellenleiter die Aufgabe
des Lichtemitters, er ist mit einer Lichtquelle verbunden. Der zweite
Lichtwellenleiter, der dem ersten gegenüber angeordnet ist, nimmt das
aus diesem ausgetretene und durch das Fluid transportierte Licht
auf und führt
es zum Detektor.
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In
den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der
Fluidikvorrichtung sind Fluidpfad und Lichtwellenleiter zumindest
teilweise in eine Matrix eingebettet, wobei der Lichtwellenleiter
mit einem Verbindungswerkstoff an einer Verbindungsstelle in der
Matrix fixiert ist. Der Begriff „Matrix" ist in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
als eine dreidimensionale Grundmasse zu verstehen, in die eine Vorrichtung entweder
eingebettet wird oder die selbst eine Vorrichtungsfunktion wahrnimmt.
So kann in die Matrix eine Struktur im Sinne von Vertiefung oder
Rille derart eingebracht sein, dass diese geeignet ist um das Fluid
aufzunehmen und somit einen Fluidpfad zu bilden, oder aber die Vertiefung
schafft Platz, um eine Kapillare oder einen Lichtwellenleiter aufzunehmen: Die
Matrix kann aus den Materialien Glas, Metall, Kunststoff oder Keramikmatrix
beschaffen sein.
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1a stellt
einen Querschnitt der Fluidikvorrichtung von der Seite dar. Es wird
eine Matrix 4 gezeigt, die aus zwei als Sandwich mit einer
Schnittebene angeordneten Teilen bzw. Halbschalen 9 besteht.
Ein Fluidpfad 3 wird lediglich aus zwei Rillen in der Schnittebene
gebildet, von denen jeweils eine in die obere Halbschale 9 und
die andere in die untere Halbschale 9 der Matrix 4 eingebracht
ist. Die beiden aufeinandergelegten Halbschalen 9 ergeben,
wie in 1a dargestellt, auf Grund der
vorauszusetzenden Kongruenz der beiden Rillen einen „Kanal", der zur Aufnahme
und zum Transport von Fluiden dient und somit den Fluidpfad 3 darstellt.
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Wie
sich insbesondere aus der 4 ergibt, liegen
zwei weitere Rillen in der Schnittebene der beiden Halbschalen 9 vor,
die sich zu einem weiteren „Kanal" ergänzen, in
den der Lichtwellenleiter 2 eingelegt werden kann. Wenn
der Lichtwellenleiter 2 von außen in die Matrix hineingesteckt
wird, wie es in den 1a – 3 der Fall
ist, so wird er zumindest teilweise von der Matrix umgeben. Der
aus der Matrix herausragende Teil kann in eine andere Vorrichtung hineinragen,
wie z. B. eine Lichtquelle oder Detektor umfassende Vorrichtung.
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Weiterhin
zeigt schließlich
zeigt 1a eine Aufweitung des Fluidpfades 3 an
seinem in die Matrix hineinragenden Ende. Diese Aufweitung bildet
eine Kavität 12,
in der ein definiertes Fluidvolumen aufgenommen werden kann. Der
Fluidpfad 3 und der Lichtwellenleiter 2 sind in
der Schnittebene 13 so angeordnet, dass der Lichtwellenleiter 2 durch
die Kavität 12 hindurch
bis in den Fluidpfad 3 hineinragt. Von der Unterseite der
Halbschale 9 durch die Matrix 4 bis in die Kavität 12 hinein
erstreckt sich eine Öffnung
in die Schnittebene 13, um eine Fluidzuführung 8 zu
bilden. Die Öffnung
ist hier eine Bohrung. Damit kann ein Fluid nun in die Fluidikvorrichtung 1 eingeführt werden,
es fließt
sodann durch die Kavität 12 in
den Fluidpfad 3 und verlässt die Matrix wieder, nachdem
es einer Behandlung mit Licht ausgesetzt worden ist. Diese Vorrichtung
kann nun vorteilhaft an eine Vorrichtung angeschlossen werden, in
der ein online zu untersuchendes Fluid entsteht. Die Fluidikvorrichtung 1 kann
als Durchflusszelle betrieben werden, so dass nach Wunsch das durchfließende Fluid
einer Behandlung mit Licht unterzogen werden kann.
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Vorteilhaft
ist es nun, den Fluidpfad – wie
in 1b gezeigt – mit
einer Kapillare 6 auszukleiden. Diese kann auf besondere
Weise ausgestaltet sein, um einen optimalen Lichttransport vom Lichtwellenleiter 2 durch
das Fluid bis zu einem Detektor zu gestatten. Hier ist insbesondere
eine Beschichtung der Kapillare an ihrer Außenseite, also der an der Matrix anliegenden
Seite vorteilhaft. Auch die Fluidzuführung 8 ist mit einer
Kapillare 6' ausgekleidet:
Diese kann ebenfalls aus der Matrix herausragen um mit einer Fluidquelle
verbunden zu sein.
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Weiterhin
kann es auch vorteilhaft sein, die gesamte Matrix 4 oder
den Lichtwellenleiter 2 sowie die Kapillaren 6,6' ganz oder teilweise
mit einer Beschichtung zu versehen. Die Beschichtung ist z. B. ein
metallisches Coating, insbesondere eine Goldbeschichtung, eine galvanische
Beschichtung, eine Bedampfungsschicht oder eine mehrschichtige Beschichtung.
Selbstverständlich
kommen weitere Beschichtungen in Frage, sofern sie insbesondere
einem der beiden Hauptzwecke dienen, die Komponenten der Fluidikvorrichtung 1 insgesamt
vor Beschädigung
und Verschmutzung zu schützen
oder die Lichtleitung zu optimieren, indem sie zur Totalreflexion
des Lichts innerhalb der Halbschalen 9, des Lichtwellenleiters 2 und
der Kapillare 6 beitragen.
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Wie
insbesondere 1b zeigt, werden die Kapillaren 6,6' und der Lichtwellenleiter 2 in
der Matrix positioniert. Dies kann entweder durch einen dichtenden
O-Ring 10 geschehen, der die Kapillaren 6, 6' und den Lichtwellenleiter 2 an
der Stelle ihres Übertritts
in die Kavität 12 oder
beim Eintritt in die Matrix umgibt, und/oder durch das Herstellen
einer ebenfalls dichtenden Verbindung an den Stellen, wo ein Spalt,
insbesondere ein Ringspalt 11, zwischen den Kapillaren 6, 6' und dem Lichtwellenleiter 2 besteht.
Hier kann geschickt ein Verbindungswerkstoff in den Spalt 11 eingebracht
werden, indem bereits in einer der vorbereiteten Halbschalen 9 von
dem Zusammensetzen mit der komplementären zweiten Halbschale 9 Vorkehrungen
getroffen werden:
Diese bestehen beispielsweise darin, ein
Depot mit einem Verbindungswerkstoff zu füllen und eine Zuführung des
Verbindungswerkstoffes zu der Stelle, an der die Verbindung entstehen
soll, zu generieren. Auf diese Möglichkeit
nehmen auch die 1b und 2 Bezug,
besonders in 2 ist das Depot 7 in der
Draufsicht deutlich zu sehen. Ein Kanal, der entweder auch in der
Schnitt- oder einer etwas tiefer liegenden Ebene liegt und der vom
Depot 7 des Verbindungswerkstoffes bis zu der Stelle führt, an
der die Verbindung erzeigt werden soll, ermöglicht ein Überführen des Verbindungswerkstoffs
an die gewünschten
Stelle.
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Schließlich ist
es außerdem
möglich,
auch ein oder mehrere „Depots" in die Matrix einzubauen, die
nicht mit Verbindungswerkstoff gefüllt sind, sondern im Gegenteil
dazu dienen, nach dem Einbringen des Verbindungswerkstoffen an die
gewünschte
Stelle überschüssiges Material
aufzunehmen. Die Anordnung dieses Aufnahmedepots ist sinnvoll so
gewählt, dass
das flüssige
Material nicht unmittelbar dorthin abfließt, sondern erst dann ein Abfließen erfolgt, wenn
die zu dichtende Stelle aufgefüllt
ist. Somit wird eine zu hohe Belastung der Fügstelle oder Verbindungsstelle
vermieden.
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Weiterhin
ist es auch möglich,
zusätzlich
zu den Kavitäten
aufweisenden Depots – oder
stattdessen – auch
flächige
Depots direkt an die Stelle der Rillen anzuordnen, an der die Verbindungsstelle 5 erzeugt
werden soll. Das flächige
Element, das als Folie, als Draht oder als Formteil ausgebildet
ist und aus einem löt-
oder kleb- oder
schweißbaren
Werkstoff besteht, wird vor der Verbindungserzeugung, vorzugsweise
bereits direkt im Fertigungsprozess des Matrixelements, an dem Ort
platziert, an dem später eine
Komponente mit der Matrix verbunden werden soll. Zum Zeitpunkt
der Verbindungserzeugung wird die Matrix ganz oder lokal nur an
der gewünschten Stelle
erhitzt oder erwärmt,
so dass sich der Verbindungswerkstoff deformiert und/oder sich zu
verflüssigen
beginnt. Wenn der Werkstoff die Stelle, an der die Verbindung erzeugt
werden soll, bereits vollständig
auskleidet, muss er nicht notwendig verflüssigt werden. Es kann dann
genügen,
durch Energiezufuhr eine Polymerisation derart auszuführen, dass Matrix
und die entsprechende Komponente-Kapillaren
oder Lichtwellenleiter – verbunden
werden.
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Eine
Fluid dichte Verbindung ergibt sich durch die Verwendung von folgenden
Verbindungswerkstoffen:
- – Lot wie zum Beispiel ein
AuSn-Lot oder insbesondere 80Au20Sn-Lot,
- – Polymere
bzw. Polymerklebstoffe wie Polyetheretherketon, PFA, FEP, Polyimid,
Epoxidklebstoffe oder
- – amorphes
Fluorpolymer
- – oder
Glaslote wie Quarz.
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Selbstverständlich hängt die
Dichtungseignung nicht lediglich vom Material, sondern von der Ausführung ab.
Es ist bei der Auslegung der Verbindungsstellen daher darauf zu
achten, in wie weit auch Druckbeständigkeit gefordert wird.
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Es
ist nicht figurativ gezeigt, dass ein O-Ring die Kapillaren und
den Lichtwellenleiter grundsätzlich auch
an der Stelle ihres Austritts aus der Matrix umgeben kann, der O-Ring
also außen
anliegt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Fluidikvorrichtung
gegen eine weitere Vorrichtung abgedichtet sein soll, die beispielsweise
mit der Fluidzuführung verbunden
ist.
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Bei
der Verwendung der genannten Polymerklebstoffe zur Verbindungsherstellung
kann die zuzuführende
Energie im Übrigen
statt thermischer Energie auch Lichtenergie sein, wenn eine Photopolymerisation
durchgeführt
wird. Die Übertragung
des benötigten
Lichts kann dann direkt über
den Lichtwellenleiter in die Matrix übertragen werden, so dass die Photopolymerisation
eines geeigneten Polymerklebers im Ringspalt zwischen Kapillare
und der Matrix an der Stelle ausgeführt werden kann, an der das Licht
emittierende Ende des Lichtwellenleiters im Fluidpfad endet.
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Die
Fluidikvorrichtung kann vollständig
aus Quarz beschaffen sein, was die Vorteile chemischer Inertheit
und Identität
der Ausdehnungskoeffizienten mit sich bringt, so dass Lichtwellenleiter,
Kapillaren und Matrix sich homogen ineinander fügen, auch bei Temperaturwechseln.
Als Verbindungswerkstoff könnte
dann ein Polyetherketon mit niedrigem Schmelzpunkt vorteilhaft sein.
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Die 2 und 3 verdeutlichen
die Gestaltung der erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtung als
Durchflusszelle:
Wie 2 zeigt,
wird das Fluid wird über
die Fluidzuführung 8 in
die Kavität 12 überführt und
fließt
von dort in den Fluidpfad 3, der mit einer Kapillare 6 ausgestattet
ist. Das Fluid passiert den Fluidpfad 3 und verlässt die
Fluidikvorrichtung über
den Fluidauslass 8, der durch eine Kapillare 6' ausgekleidet
ist, die aus der Matrix herausragt. Die Fluidzuführung erfolgt hier in der Schnittebene 13 der
Halbschalen 9 der Matrix 4.
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Dass
das nicht zwingend ist, zeigt 3:
In
der Seitenansicht der 3 sind die Fluidzuführung 8 und
der Fluidauslass 8' ohne
die Kapillaren 6,6' ausgeführt, sie
erstrecken sich nicht entlang der Schnittebene, sondern weisen vertikal
zur Schnittebene zur Unterseite (Fluidzuführung 8) bzw. zur Oberseite
(Fluidauslass 8').
Selbstverständlich
könnte
die Anordnung von Fluidauslass und -zuführung auch anders angeordnet
sein, wenn sich dies als technisch geschickt erwiese.
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Schließlich kann
die Fluidzuführung
auch über
einen Kanal ohne Kapillare erfolgen, wobei der Kanal mit Konus und
Gewinde versehen und als Fitting ausgelegt ist.
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Des
Weiteren sind in beiden Ausführungsbeispielen
der 2 und 3 ein erster und ein zweiter
Lichtwellenleiter 2 in der Matrix 4 einander gegenüber so angeordnet
sind, dass ein Ende des ersten Lichtwellenleiters 2 einem
Ende des zweiten Lichtwellenleiters 2 gegenüber in dem
Fluidpfad zu liegen kommt. Dabei enden die Lichtwellenleiter nicht in
den Kavitäten
sondern erstrecken sich durch diese hindurch, so dass es nicht zu
unerwünschten
optischen Effekten kommt.
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Auch
in diesen Beispielen gilt, dass sowohl die einzelnen Komponenten
als auch die Matrix bzw. die Halbschalenelemente beschichtet sein
können; als Beschichtung
kommen ein Coating, insbesondere ein Goldcoating, eine galvanische
Beschichtung, eine Bedampfungsschicht oder eine mehrschichtige Beschichtung
oder auch eine geeignete Farbe in Betracht. Die Oberflächen der
Matrix bzw. die Halbschalenelemente können auch mit Brechungsindex
modifizierenden Methoden behandelt werden.
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Die
notwendigen Abdichtungen werden ausgeführt wie oben dargelegt: Es
können
O-Ringe um den Lichtwellenleiter oder die Kapillaren gelegt werden,
so diese in die Kavität
eintreten, zusätzlich
oder stattdessen werden Verbindungsstellen mittels Verbindungswerkstoffen
zwischen Matrix und Lichtwellenleiter bzw. zwischen Matrix und den
Kapillaren erzeugt. Der sich bildende Ringspalt wird möglichst nahe
bei den Kavitäten
mit einem Verbindungswerkstoff abgedichtet. Dieser kann aus einem
Depot zu der Verbindungsstelle hingeführt werden, indem ein kleb-,
schweiß-
oder lötbarer
Verbindungsweckstoff wie ein Lot, vorzugsweise AuSn-Lot, insbesondere 80Au20Sn-Lot, oder ein Polymer/Polymerklebstoff, vorzugsweise
ein Polyetheretherketon, ein Fluorpolymer oder ein amorphes Fluorpolymer,
ein Glaslot oder Quarz durch Energie, z. B. thermische Energie oder
Lichtenergie, derart verändert
wird, dass die zu dichtende Stelle ausgefüllt und verklebt, verschweißt oder
verlötet
wird. Das Depot kann auch aus einem flächigen Element bestehen, das
bereits im Fertigungsprozess an die gewünschte Stelle verbracht und
im gewünschten
Zeitpunkt aufgeschmolzen, gelötet
oder polymerisiert wird.