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Verfahren zur Erzeugung eines Lichtleiterbündeis
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines flexiblen
Lichtleiterbündels aus mehreren Einzelfasern.
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Solche Lichtleiter sind an sich schon in mehreren Ausftilirungsformen
bekannt. So offenbart beispielsweise die Deutsche Offenlegungsschrift 2 408 300
ein Lichtleitfaserpaar, bei dem die Querschnittsfläche jeder der beiden Fasern an
der Verbindungsstelle kleiner als die Querschnittsfläche beider Fasern im normalen
Faserabschnitt ist. Hiermit soll eine kleinere Lichtsendefläche und damit eine stärkere
Bündelung erhalten werden.
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Eine ähnliche Anordnung offenbart die Deutsche Offenlegungsschrift
2 333 280, die einen biegsamen Lichtleiter mit einer einzigen Faser und einer diese
umgebenden Schutzanordnung zum Anmeldegegenstand hat. Hier ist das eine Ende der
Faser mit dem Ende eines Röhrchens verschmolzen und die Außenseite des Röhrchens
verjüngt sich konisch am verschmolzenen Ende. Die Halterung der lichtleitenden Faser
soll verbessert werden und gleichzeitig die durch die Biegung des Lichtleiters im
mittleren Teil bewirkte Auslenkung des nicht mehr gut biegsamen konusförmigen Teils
vermieden und somit die Beeinflussung der Ausgangsdivergenz des Lichtstrahles minimiert
werden. Nun hat es
sich gezeigt, daß in den Fällen, in denen Monofasern
verwendbar sind, die Ausgangsdivergenz des Lichtstrahles nicht so von Bedeutung
ist, wie allgemein angenommen wird.
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Wesentlich nachteiliger wirkt sich in diesen Fällen die hohe Wärmebelastung
aus.
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Zum weiteren Stand der Technik ist noch die in der Deutschen Offenlegungsschrift
2 348 924 offenbarte Ausbildung eines Lichtwellenleiters zu zählen, bei dem die
Wechselwirkung des übertragenen Lichts mit dem Mantel minimiert wird durch die Beschränkung
der übertragenen Strahlung auf niedrige Arbeitsmoden, indem nur in niedrige Wellentypen
eingespeist wird. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Konusabschnitt aus einem dielektrischen
Lichtwellenleiter mit einem festen Kern verwendet wird, wobei das Ende mit dem kleinen
Durchmesser die Lichtsendefläche ist und die der Diode zugewandte Endfläche größer
als letztere ist. Aber auch hier ist die Wärmebelastung noch zu groß.
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Vor allem bei der Verwendung von Lasern zu medizinischen Zwecken ist
eine Strahlführung von leistungsstarkem Laserlicht größer als 50 Watt erforderlich.
Bei der Übertragung des Lichts durch eine flexible Glasfaser besteht das eigentliche
Problem darin, den Laserstrahl in eine sehr dünne Glasfaser ein- und auszukoppeln.
Zwar läßt sich ein Laserstrahl auf einen sehr kleinen Brennfleck in der Größenordnung
von wenigen Wellenlängen fokussieren, in der Praxis aber zeigte sich, daß diese
Anordnungen mechanisch äußerst empfindlich sind und in der Praxis nicht verwendet
werden können. Diesen Mangel behob die vorgenannte Druckschrift, indem ein Quarzfaden
aus einem dickeren zylindrischen Stab gezogen und Anfang und Ende konisch geformt
wurden.
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Durch die hohe Leistungsdichte des zu übertragenden Laserlichts tritt
jedoch im dünnen Teil dieser gezogenen Faser eine sehr hohe Erwärmung auf. Zieht
man weiterhin in Betracht, daß die Divergenz des Strahlaustritts bei der medizinischen
Anwendung nicht voll ausnutzbar ist und außerdem der Durchmesser der Faser auch
für endoskopische Anwendungen nicht so klein gefordert wird, so ergibt sich die
Erkenntnis, daß der Fertigungsaufwand zu hoch ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtübertragungselement
für hohe Leistungsdichten zu schaffen, bei dem die Erwärmung wesentlich vermindert
und der Fertigungsaufwand reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig so gelöst, daß mehrere einzelne
Faserstränge parallel zueinander angeordnet werden, wobei jeweils die dritte Faser
in der Lücke der zwei anderen Fasern zu liegen kommt und die Enden des Bündels unter
gleichzeitigem Erhitzen der Stirnseiten der Fasern zu einem nahezu quadratischen
Querschnitt gepreßt, in einem Metallring gefaßt und anschließend die stirnseitigen
Oberflächen angeschliffen bzw. formgeschliffen werden.
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Durch diese Maßnahmen wird nun ein Lichtleiter geschaffen, dessen
einzelne Fasern nicht mehr einer so großen Wärmeentwicklung ausgesetzt sind und
die während des Laserbetriebes auftretende Erwärmung am Faseranfang durch den geformten
Metallring abgeführt wird. Die Praxis zeigte außerdem, daß der vorgeschlagene Lichtleiter
eine erheblich bessere Flexibilität aufweist als die vorgenannten Einfaserleiter,
weil hier die einzelnen Fasern erheblich dünner gewählt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben und gezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht der erfindungsgemäß angeordneten Einzelfaser; Fig. 2 zeichnerische Darstellung
der Bedeckungsformel; Fig. 3 einen Teilschnitt des Faserbündelendes mit dem Fassungsring;
Fig. 3a einen Teilschnitt des Faserbündelendes in der Quetschzange; Fig. 4 eine
Ansicht der Anordnung nach Fig. 3 nach dem Que ts chvorgang.
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Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines kommerziellen Lichtleitfaserbündels
10 mit einem Gesamtdurchmesser von etwa 2 bis 3 mm. Nun verursachen die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Fasern, daß am Bündeleingang nicht die gesamte Laserlichtleistung
eingekoppelt wird, wodurch dort eine erhebliche Erwärmung auftritt, die unter Umständen
sogar zur Zerstörung des Lichtleiters führen kann. Hierzu sieht nun als erste Maßnahme
die Erfindung vor, daß schon die parallele Lagerung der einzelnen Fasern eine optimale
Flächennutzung erreicht. Um dies zu erreichen, wird jede der Fasern so angeordnet,
daß jeweils die dritte Faser 13 in der Lücke zwischen den beiden Fasern 11 und 12
zu liegen kommt. Bedingt durch Fassungen und Legevorrichtungen lagen die einzelnen
Fasern bisher vorwiegend neben und genau untereinander. Dadurch aber wurde im Querschnitt
gesehen, nur eine mit Glas bedeckte Fläche von rund 78 % erzielt, während durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lagerung ein Bedeckungsgrad von etwa 91 ws 9
erreicht wird.
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Um nun auch diesen Bedeckungsgrad zu verbessern und eine Bedeckungsfläche
von 100 % zu erhalten, sieht die Erfindung
vor, daß die Enden des
Bündels 10 unter gleichzeitigem Erhitzen der Stirnseiten mittels einer innen konisch
geformten Ringzange 20 zu einem nahezu quadratischen Querschnitt gepreßt und in
einem Metallring 14 gefaßt werden.
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Abschließend wird die Stirnfläche des nunmehr gequetschten und zusammengeschweißten
Faserbündels geschliffen. Je nach Verwendungszweck wird es sich hier um eine Planfläche
oder um eine geformte Fläche handeln, die beispielsweise kugel-oder kalottenförmig
ist.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Ausbildung der Lichtbündelenden
vermindern den Durchmesser des Bündels um etwa 5 % gegenüber dem Anfangsdurchmesser.
Durch die Tatsache, daß Glas im Prinzip eine zähe Flüssigkeit ist, die durch Erwärmung
sukzessiv immer weniger zäh wird, lassen sich diese geringen Verformungen leicht
bewerkstelligen. Es ist selbstverständlich, daß bei dem Bearbeitungsverfahren darauf
zu achten ist, daß in den einzelnen Fasern keine Knicke oder sonstige "Lichtuskehrstellen"
entstehen.
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Um nun die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lichtleiterbündels
noch weiter zu verbessern, Jiri: ie Erfindung vor, daß die Bündelenden mit einem
Metallring 14, der denselben Konus wie die Innenseite der Quetschringzange 20 aufweist,
versehen werden. Dieser Metallring leitet die Wärme, vor allem der Einkoppelstelle
an die Außenluft ab. Dadurch ist die Wärmeentwicklung im Faserbündel gut zu beherrschen.
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Nun hat es sich gezeigt, daß eine nach dem erfindungegemäßen Verfahren
erstelltes Lichtleitfaserbündel eine erheblich bessere Flexibilität aufweist, da
hier die Einzelfaser wesentlich dünner gewählt werden kann als alle Einzelfaseranordnungen
nach dem Stand der Technik. Auch die Fertigungstechnik erfährt durch die erfindungsgenäßen
Maßnahmen
eine erhebliche Vereinfachung; der Ausschuß, der beim Glasziehen zwangsläufig relativ
hoch ist, wird hier nahe Null geführt.
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Freilich muß gesagt werden, daß die Divergenz am Ausgang des erfindungsgemäßen
Lichtleitfaserbündels etwas größer als bei derjenigen der Anordnungen nach dem Stand
der Technik ist. In der Praxis aber zeigte sich, insbesondere bei der Verwendung
für medizinische Zwecke, daß die geringe Divergenz des Strahlaustritts nie ausgenützt
wird. Bei den heute bekannten Anwendungen genügt allgemein ein Brennfleck mit einem
Durchmesser von etwa 1 mm.
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Die Fig. 2 zeigt die vorgeschlagene parallele Lagerung der Fasern
11, 12 und 13 zueinander, die sich innerhalb des Bündels immer wiederholt und die
rechnerische Ermittlung der Bedeckung rl[ , die sich aus dem Verhältnis der quadratischen
Fläche zur runden Fläche ergibt. Danach ergibt die Formel Bedeckung
= 0,907 Es zeigt sich also, daß eine relativ geringe Zusammenpressung erforderlich
ist, um auch noch die letzten Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern zu eliminieren.
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L e e r s e i t e