DE3620368C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Lichtleiter
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise
ein Herstellungsverfahren für einen solchen Lichtleiter.
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. Um dies zu verhindern, muß zwischen dem
Einschmelzmaterial und dem Stempel zusätzlich ein Trennmaterial
angeordnet werden, das sich nicht mit dem Einschmelzmaterial verbindet.
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 faseroptischen Licht
leiter der bekannten Art zu schaffen, der in seinem Stirn
flächenbereich bis zu Temperaturen von 550°C beständig ist, bzw.
ein Herstellungsverfahren für einen solchen Lichtleiter anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
aufgeführten Merkmale bzw. durch die im Kennzeichen des An
spruchs 2 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.
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.
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 beispielsweise 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 zeigt:
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.
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 (9)
1. Faseroptischer Lichtleiter mit einem Stirnflächenbereich
aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf
dieses Ende aufgebrachten Glasrohrabschnitts, wobei die
Stirnfläche poliert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Glasrohrabschnitt als auch das Lichtleit
faserbündel aus hochtemperaturbeständigem Glas bestehen
und der Glasrohrabschnitt über eine definierte Länge in
geschmolzenem Zustand auf das Lichtleitfaserbündel so
aufgeschrumpft ist, daß die zwischen den einzelnen Licht
leitfasern und/oder die zwischen den Lichtleitfasern und
dem Rohrabschnitt bestehenden Zwickel zumindest teilweise
durch das Material des Glasrohrabschnittes und/oder durch
das Material der Lichtleitfasermäntel aufgefüllt sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen
Lichtleiters mit einem Stirnflächenbereich
aus einem Ende eines Lichtleitfaserbündels und einem auf
dieses Ende aufgebrachten Glasrohrabschnitts, 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 schmilzt und 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 das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts
auf das Lichtleitfaserbündel ohne äußere mechanische Druckeinwirkung
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts
auf das Lichtleitfaserbündel durch Anlegen eines Vakuums
im Glasrohrabschnittinnenraum durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Glasrohrabschnitts
durch äußere Wärmeeinwirkung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern und/oder der Glas
rohrabschnitt aus Quarzglas und/oder dotiertem Quarzglas
bestehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern und/oder der Glas
rohrabschnitt aus hochtemperaturbeständigen Mehrkomponenten
gläsern bestehen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Aufschrumpfen des Glasrohrabschnitts
beginnend an einem Ende des Lichtleitfaserbündels durchge
führt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, 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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