DE3620368A1 - Faseroptischer lichtleiter, der in seinem stirnflaechenbereich hochtemperaturbestaendig ist, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Faseroptischer lichtleiter, der in seinem stirnflaechenbereich hochtemperaturbestaendig ist, und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Lichtleiter, der in seinem Stirnflächenbereich hochtemperaturbeständig ist, wobei der Stirnflächenbreich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmol­ zenen Glasrohrabschnitt besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist.
Faseroptische Lichtleiter und Sonden werden auf vielen Gebieten der Technik zur Übertragung von optischen Meß­ signalen eingesetzt. Temperaturbeständige flexible faser­ optische Lichtleiter finden beispielsweise Verwendung in Pyrometern, bei der Meßsignalverarbeitung in Hochtemperatur­ räumen und bei der Lichtübertragung mit leistungsstarken Lichtquellen. Der Einsatz von flexiblen faseroptischen Lichtleitern blieb bislang auf Temperaturen bis 300°C begrenzt, da die bisher mögliche Endenpräparation keine höheren Temperaturen zuläßt.
Aus der GB-PS 15 56 046 und der DE-OS 26 30 730 ist es bekannt, jedes Ende eines Lichtleitfaserbündels unter Verwendung eines schmelzbaren Materials in eine Hülse einzuschmelzen. Das Einschmelzmaterial dient dort jedoch nur zur Zentrierung und Ankopplung von Lichtleitkabeln für optoelektronische Übertragungssysteme; eine Anpassung der Lichtleiter an eine Anwendung bei hoher Temperatur wurde nicht versucht.
Aus der DE-PS 32 47 500 ist es bekannt, durch geeignete Materialien die Lichtleiter temperaturbeständig zu machen. Hierbei werden die verwendeten Materialien so ausgewählt, daß das gesamte System, bestehend aus Hülse, Einschmelz­ material und optischen Fasern, im gesamten in Frage kommenden Temperaturbereich unter Druckspannung steht. Dies wird erreicht, indem die Materialien so gewählt werden, daß sie einen von außen nach innen abnehmenden linearen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
Wegen der Temperaturbelastung werden bevorzugt solche Hülsenmaterialien verwendet, die korrosionsbeständig sind, wie z. B. hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle. Infolge der hohen thermischen Ausdehnung dieser Stähle und der Ver­ schmelzung zwischen dem Stempel und dem Einschmelzmaterial treten nun im eingeschmolzenen System axiale Zugspannungen auf, die zur Rißbildung, d.h. zur Zerstörung des Lichtlei­ ters führen können.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Endenpräparation von Lichtleitfaserbündeln durch Zusammenfassen der Licht­ leitfasern in einer Hülse und Verkleben der einzelnen Fasern mit einem geeigneten Klebstoff vorzunehmen.
Je nach Präparation des Lichtleiterendes kann dieses verschiedenen Höchsttemperaturen ausgesetzt werden. Durch Verkleben gefaßte Lichtleitfaserbündelenden können einer maximalen Temperatur von 150°C, solche, die durch Verschmel­ zen präpariert wurden, einer maximalen Temperatur von 300°C ausgesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen faseroptischen Lichtleiter zu entwickeln, der in seinem Stirnflächenbereich hochtemperaturbeständig ist, wobei der Stirnflächenbereich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmolzenen Glasrohrabschnitt besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist.
Der neue Lichtleiter soll so beschaffen sein, daß er bei Temperaturen bis zu 550°C eingesetzt werden kann.
Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung dieses Licht­ leiters zur Verfügung gestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Lichtleiter gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl der Glasrohrabschnitt als auch das Lichtleitfaserbündel aus hochtemperaturbeständigem Glas bestehen, und der Rohrabschnitt über eine definierte Länge auf das Lichtleit­ faserbündel so aufgeschrumpft ist, daß die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und/oder den Lichtleitfasern und dem Rohrabschnitt bestehenden Zwickel zumindest teilweise durch das Material des Glasrohrabschnitts und/oder durch das Material der Lichtleitfasermäntel aufgefüllt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein Bündel aus hochtemperaturbeständigen Lichtleit­ fasern in einem Rohrabschnitt aus hochtemperaturbeständigem Glas anordnet und diesen Rohrabschnitt über eine definierte Länge durch Erhitzen unter Kollabieren des Rohres auf das Bündel aufschrumpft, wobei die Temperatur so gewählt wird, daß die Zwickel zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und/oder die Zwickel zwischen den Lichtleitfasern und dem Rohrabschnitt zumindest teilweise durch das Material des Glasrohrabschnitts und/oder das Material der Lichtleitfaser­ mäntel aufgefüllt werden, und anschließend die Stirnfläche poliert wird.
Verschiedene, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleit­ faserbündel im Stirnflächenbereich kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Im einfachsten Fall findet das Aufschrumpfen allein durch die beim Kollabieren wirkende Oberflächenspannung statt.
Es ist auch möglich, das Aufschrumpfen des Glasrohrab­ schnitts auf das Lichtleitfaserbündel durch eine Druckdiffe­ renz zwischen Glasrohrabschnitt-Außenwand und Glasrohrab­ schnitt-Innenwand herbeizuführen, wobei der Druck im Glas­ rohrabschnitt-Außenraum größer ist als im Glasrohrabschnitt- Innenraum; dies kann beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums im Glasrohrabschnitt-Innenraum erreicht werden.
Auch durch Ausübung eines mechanischen Drucks von außen auf den zu behandelnden Glasrohrabschnitt kann das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel erreicht werden.
Um das für den Aufschrumpfvorgang und das Verschmelzen der Lichtleitfasern erforderliche Erhitzen des Glasrohrab­ schnitts und der darin angeordneten Lichtleitfasern durchzu­ führen, kann der Glasrohrabschnitt von außen mit einem Brenner, beispielsweise mit einem H2/O2-Brenner, oder mit einem Ofen, beispielsweise mit einem widerstandsbeheizten Röhrenofen, erhitzt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung erfolgt das Erhitzen des Glasrohrabschnitts durch Einwirkung von Mikrowellenstrahlung.
Zum Aufschrumpfen unter Kollabieren und Verschmelzen der Lichtleitfasern sowohl untereinander als auch mit dem Glasrohrabschnitt ist eine Einwirkung einer Temperatur erforderlich, die im Erweichungsbereich des Glasrohrab­ schnitts und des Materials des Fasermantels liegt.
Durch geeignete Wahl dieser Temperatur und der Dauer des Erhitzens kann gesteuert werden, ob die Lichtleitfasern im Stirnflächenbereich teilweise oder vollständig verschmelzen.
Die erfindungsgemäß verwendeten Lichtleitfasern bestehen aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas, und der auf diese Lichtleitfasern aufgeschrumpfte Glasrohrabschnitt besteht ebenfalls aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas.
Eine andere Ausführungsform sieht als Materialien für die Lichtleitfasern hochtemperaturbeständige Mehrkompo­ nentengläser vor; in diesem Fall wird für den Glasrohrab­ schnitt ebenfalls ein Mehrkomponentenglas verwendet.
Bei der üblichen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird der Glasrohrabschnitt an einem Ende des Bündels aus Lichtleitfasern aufgeschrumpft.
Eine ökonomisch besonders interessante Variante der vorlie­ genden Erfindung sieht vor, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts etwa in der Mitte zwischen den beiden Enden des Lichtleitfaserbündels erfolgt. Anschließend wird der aufgeschrumpfte Glasrohrabschnitt etwa in seiner Mitte senkrecht zur Bündelachse durchgetrennt, wobei zwei erfin­ dungsgemäße, in ihrem Stirnflächenbereich hochtemperaturbe­ ständige Lichtleiter erhalten werden.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Lichtleiter in der Nähe des fixierten Endes;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Lichtleiter im Stirnflächenbereich
a) vor dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts
b) nach dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts bei teilweiser Verschmelzung
c) nach dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts bei vollständiger Verschmelzung.
Fig. 1 zeigt das Ende des erfindungsgemäßen Lichtleiters in der Umgebung des fixierten Endes, bei dem die einzelnen Lichtleitfasern des Faserbündels 1 in dem aufgeschrumpften Rohrabschnitt 4 innerhalb des Bereichs 2 untereinander und mit dem Rohrabschnitt 4 verschmolzen sind. Die Stirnflä­ che 5 des fixierten Lichtleitfaserbündels 1 ist poliert. Im Übergangsbereich 3 sind die Lichtleitfasern nicht mehr vollständig fixiert.
Fig. 2a gibt einen Querschnitt (schematisch) durch den erfindungsgemäßen Lichtleiter im Stirnflächenbereich vor dem Aufschrumpfen des Rohrabschnitts wieder. Die einzelnen, jeweils aus einem Faserkern 7 und einem Fasermantel 6 bestehenden Fasern des Lichtleitfaserbündels 1 sind inner­ halb des Rohrabschnitts 4 angeordnet und ihre Fasermäntel berühren oder kommen sich am nächsten an ihren Außenober­ flächen in Längsrichtung und die am äußeren Umfang des Bündels liegenden Fasern befinden sich gegenüber der Innenwand des Glasrohrabschnitts 4. Die Zwickel 8 sind die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und die zwischen den Lichtleitfasern und dem Glasrohrabschnitt in Längsrichtung verlaufenden Hohlräume.
In Fig. 2b ist ein Querschnitt (schematisch) durch den erfindungsgemäßen Lichtleiter im Stirnflächenbereich nach dem Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts bei teilweiser Verschmelzung dargestellt. Bei der teilweisen Verschmelzung sind die Lichtleitfasern untereinander mit den jeweils nächsten Fasern und die sich am äußeren Umfang des Bündels befindenden Fasern auch mit der Glasrohrabschnitt-Innenwand an den Verschmelzungsstellen 9 über die gesamte Länge des Glasrohrabschnitts verschmolzen. Die Verschmelzungsstellen entsprechen etwa der Position, an der sich die Fasern vor dem Verschmelzen berührten oder am nächsten kamen.
Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemä­ ßen Lichtleiter nach dem Aufschrumpfen des Glasrohrab­ schnitts bei vollständiger Verschmelzung. Durch die voll­ ständige Verschmelzung sind die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und die zwischen den Lichtleitfasern und dem Glasrohrabschnitt vor der vollständigen Verschmel­ zung bestehenden Zwickel 8 vollständig durch das Material der Lichtleitfasermäntel 6 sowie des Glasrohrabschnitts 4 ausgefüllt.
Durch den Aufschrumpfvorgang und die vollständige Verschmel­ zung verringert sich die Querschnittsfläche des erfindungs­ gemäßen Lichtleiters gegenüber der Querschnittsfläche der in Fig. 2a gezeigten Anordnung um etwa 15%.

Claims (11)

1. Faseroptischer Lichtleiter, der in seinem Stirn­ flächenbereich hochtemperaturbeständig ist, wobei der Stirn­ flächenbereich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmolzenen Glasrohrabschnittes besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Glasrohrabschnitt als auch das Lichtleitfaserbündel aus hochtemperaturbeständigem Glas bestehen, und der Rohrabschnitt über eine definierte Länge auf das Lichtleitfaserbündel so aufgeschrumpft ist, daß die zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und/oder die zwischen den Lichtleitfasern und dem Rohrabschnitt bestehenden Zwickel zumindest teilweise durch das Material des Glasrohr­ abschnitts und/oder durch das Material der Lichtleitfasermäntel aufgefüllt sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Lichtleiters, der in seinem Stirnflächenbreich hochtempe­ raturbeständig ist, wobei der Stirnflächenbereich aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf dieses Ende aufgeschmolzenen Glasrohrabschnitt besteht, und wobei die Stirnfläche poliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Bündel aus hochtemperaturbeständigen Lichtleitfasern in einem Rohrabschnitt aus hochtemperaturbeständigem Glas anordnet und diesen Rohrabschnitt über eine definierte Länge durch Erhitzen unter Kollabieren des Rohres auf das Bündel aufschrumpft, wobei die Temperatur so gewählt wird, daß die Zwickel zwischen den einzelnen Lichtleitfasern und/oder die Zwickel zwischen den Lichtleitfasern und dem Rohrabschnitt zumindest teilweise durch das Material des Glasrohr­ abschnitts und/oder durch das Material der Lichtleitfasermäntel aufgefüllt werden, und anschließend die Stirnfläche poliert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern sowohl untereinander als auch mit dem aufgeschrumpften Glasrohrabschnitt im Stirnflächenbe­ reich teilweise verschmolzen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel ohne äußere Druckeinwirkung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts auf das Lichtleitfaserbündel unter Einstellung einer Druck­ differenz zwischen der Außenwand des Glasrohrabschnitts und der Innnenwand des Glasrohrabschnitts durchgeführt wird, wobei der auf die Außenwand des Glasrohrabschnitts ausgeübte Druck größer als der auf die Innenwand des Glasrohrab­ schnitts ausgeübte Druck ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnit­ tes auf das Lichtleitfaserbündel unter Einwirkung eines äußeren mechanischen Drucks auf den Glasrohrabschnitt erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Glasrohrabschnitts durch äußere Wärmeeinwirkung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern und/oder der Glas­ rohrabschnitt aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas bestehen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern und/oder der Glas­ rohrabschnitt aus hochtemperaturbeständigen Mehrkomponenten­ gläsern bestehen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts beginnend an einem Ende des Lichtleitfaserbündels durchge­ führt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts an einer Stelle zwischen beiden Enden des Lichtleitfaser­ bündels erfolgt, und in der Mitte des aufgeschrumpften Glasrohrabschnitts senkrecht zur Bündelachse eine Durchtren­ nung vorgenommen wird, so daß zwei in ihrem Stirnflächen­ bereich hochtemperaturbeständige faseroptische Lichtleiter entstehen.
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