EP1459116A1 - VERFAHREN ZUM TRENNEN VON LICHTLEITFASERN MITTELS CO sb 2 /sb −LASERSTRAHLUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUM TRENNEN VON LICHTLEITFASERN MITTELS CO sb 2 /sb −LASERSTRAHLUNG

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EP1459116A1
EP1459116A1 EP02798296A EP02798296A EP1459116A1 EP 1459116 A1 EP1459116 A1 EP 1459116A1 EP 02798296 A EP02798296 A EP 02798296A EP 02798296 A EP02798296 A EP 02798296A EP 1459116 A1 EP1459116 A1 EP 1459116A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
fibers
optical
pulse
separation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02798296A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gisbert Staupendahl
Jürgen Weisser
Gabriele Eberhardt
Norbert Preuss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Original Assignee
Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH filed Critical Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Publication of EP1459116A1 publication Critical patent/EP1459116A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/25—Preparing the ends of light guides for coupling, e.g. cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/42—Plastics
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a method for separating optical fibers by means of CO 2 laser radiation. It can be used for a wide range of such fibers, ranging from monomode to multimode to gradient fibers with a wide variety of user-specific diameters. Coated fibers can also be separated using this method. This method is particularly suitable for the assembly of fiber end faces in plugs or special end faces for the coupling to electro-optical converters of single glass fibers and fiber ribbons. It is characterized by great flexibility, high quality of the separating surfaces and thus low rework, as well as a high working speed and the possibility of automating the separating process.
  • a basic problem here is the simple separation due to the high flatness requirements on the end surface that arises, which generally has to enable low-loss coupling of the fiber to other optical or optoelectronic components.
  • the C0 2 laser whose radiation is suitable for everyone due to its high absorption, appears to be suitable for laser separation
  • Sheathing are used, distinguished.
  • the method should be suitable for creating separating surfaces perpendicular to the fiber core but also inclined to the fiber core. The required reworking of the separating surface should be minimal or even be completely eliminated.
  • the process should be fully automated.
  • This object is achieved for a method for separating optical fibers by means of CO 2 laser radiation in accordance with the preamble of claim 1 in that a working beam 8 consisting of individual pulses with the radiation parameters pulse peak power, a few W ⁇ p ⁇ 1 kW, consists of the CO 2 laser radiation.
  • Pulse half-width ⁇ imp, 10- 5 s ⁇ imp ⁇ 10 4 s and pulse repetition frequency fi mp , 100 Hz ⁇ fj mp ⁇ several kHz is coupled out and that the working beam 8 to a fixed optical fiber is focused and moved back and forth in one plane along a processing zone, so that an elementary volume per single pulse, approximately equal to the product of the optical penetration depth d and incident beam cross-section, with a diameter approximately equal to the focus diameter df, but in any case less than 2 df is removed until the optical fiber is completely severed.
  • the separation process regardless of the specific nature of the individual fiber to be separated or the fiber composite (object), does not take place "in one go” as a result of intensive radiation from a C0 2 laser, as is known from the prior art for glass, but instead a special pulse regime adapted to the respective material, by means of which the smallest material volumes are removed along a line in a "saw-like” process in a “saw-like” process in an extremely gentle manner for the fiber until the complete separation is achieved.
  • This means that the overall cut is made up of a large number of individual cuts.
  • the order of magnitude of the removed material volumes is determined from the product of the beam cross-sectional area in the processing plane and the depth of penetration into the material.
  • the laser radiation is advantageously focused on the surface of the still unprocessed object and so on shaped so that the Rayleigh length is greater than the overall diameter of the object, the peak power of the impulses and their duration (and thus the impulse energy) are selected such that just such an elementary volume is removed (essentially vaporized) by a pulse to do with an absorption-controlled removal in which the amount of molten material that occurs and thus the tendency to microcracks is minimized.
  • the repetition frequency should therefore be sufficiently high, typically in the order of kHz.
  • the overlap is advantageously about 70%. If the beam overflows over the single fiber or the fiber composite, a cutting depth is created which does not significantly exceed the depth of penetration of the radiation into the fiber material and thus the order of magnitude of 10 ⁇ m.
  • the total separation cut is achieved by a corresponding number of overflows of the jet over the individual fiber or the fiber composite (individual separation cuts).
  • the time interval between the generation of the individual separating cuts should be selected so large that the zone last worked on is adequately cooled. This again serves the goal of not generating any larger amounts of melt by impermissibly high summation of the radiation power introduced.
  • a cooling time of the order of 10- 2 ... 10- 1 s is advantageous.
  • the saw teeth correspond to the radiation pulses and the back and forth movement of the "saw” correspond to the individual overflows of the radiation over the single fiber or the fiber composite.
  • the method makes it possible not only to make cuts perpendicular to the fiber axes, but also to open up a wide angular range for the position of the separating surface with respect to the fiber axes. This affects Production of the total separation cut by a large number of individual cut cuts is extremely advantageous in terms of the precision of the desired angle, since the formation of the resulting separation surface is influenced only to a small extent by the surface tension of the melt components occurring during the separation process.
  • a further advantage of the method is based on the fact that all components of the fiber configuration in question, that is to say the most varied types of glass, plastics for the cladding or also adhesive, similarly absorb C0 2 laser radiation, so that all of these components with an optimized pulse regime can be separated, whereby the optimization of course focuses primarily on fiber core and fiber cladding.
  • Fig. 1 a structure of a coated optical fiber before separation
  • Fig. 2 basic structure of an apparatus for performing the method
  • Fig. 3 typical pulse train of the incident radiation
  • Fig. 5 top view of the kerf - overlap of the individual pulses
  • Fig. 6 auxiliary representation to explain the method on a
  • Fiber composite Fig. 7 Auxiliary representation to explain the method on a single fiber at a defined angle to the fiber axis
  • the basic problem of separating a coated single fiber by means of laser radiation is to be shown with the aid of FIGS. 1 a and 1 b.
  • the basic difficulties are firstly the required high precision of the cut and secondly the fact that the optical fiber consisting of a fiber core 1, a fiber jacket 2 and a protective jacket 3 and thus of three different materials is to be separated with the same radiation parameters.
  • the separating surface over the fiber core 1 and the fiber jacket 2 will never be ideally flat, but rather have a certain curvature with the arrow height h.
  • the arrow height h In order to achieve as flat a separation surface as possible with regard to the fiber coupling, the arrow height h must be kept as small as possible, so that either a reworking of the separation surfaces can be completely dispensed with or the effort required for this is as small as possible. It is crucial for this that the gradual separation takes place by removing individual elementary volumes, each with a pulse regime optimized for the material.
  • FIG. 2 a typical basic structure for an apparatus for carrying out the method is illustrated in FIG. 2, which has at least one CO 2 laser 6, a modulator unit 7, a beam collection unit 11, a beam deflection unit 12, an adjustable holding device 14 and a central one Control unit 17 includes.
  • the generally continuous radiation 4 from the C0 2 laser 6 is broken down into two beam components by means of the modulator unit 7, which operates in the "double transmission" mode, a working beam 8 and a residual beam 9 (cf. patent DE 40 4 744 C 2).
  • Pulses are periodically coupled out of the laser beam 4, the parameters of which vary widely Limits vary and can be optimally adapted to the respective separation process.
  • the residual beam 9 is intercepted by a beam collection unit 12, which is either simply an absorber that destroys the radiation, or a measuring device with which, for example, the constancy of the radiation power can be monitored online.
  • the working beam 8 is directed into a beam deflection unit 12 by a beam guiding unit 10, symbolized by a mirror.
  • This can advantageously be a scanner with an integrated focusing device (for example with an F- ⁇ lens), which ensures the required rapid movement of the focused working beam 8 by a deflection angle ⁇ over the object 13 to be processed.
  • the object 13 to be processed can be a single optical fiber (single fiber) with and without a sheathing, a bundle of optical fibers (fiber composite) with and without a sheathing, or else fiber components.
  • the object 13 is fixed on an adjustable precision holder 14 which, on the one hand, permits precise xy positioning, for example in the accuracy range 1/100 mm of the object, and on the other hand enables the setting of defined angles ⁇ between the fiber axis and the irradiation plane and thus enables precise bevel cuts.
  • this basic structure can be supplemented by a feed device 15 and a discharge device 16, so that the entire process can run automatically.
  • the central control unit 17 ensures the timed control of all relevant components.
  • the correct choice of the pulse parameters of the working beam 8 plays a central role in the process.
  • FIG. 3 illustrates a characteristic pulse train that is generated in the modulator 7 and used as a working beam 8 for the separation process.
  • the relevant parameters of the pulse train - pulse peak power p, pulse half-width ⁇ imp and pulse repetition frequency fimp - can be varied within wide limits using the modulator technology used and optimized for separating the respective object. Typical parameter ranges are: some W ⁇ p ⁇ 1 kW
  • the pulse parameters are selected depending on the material parameters of the object to be separated so that the one absorbed by the object
  • Radiant power per pulse heats a thin surface layer of a few ⁇ m (optical penetration depth d) to its evaporation temperature.
  • the evaporation also expels the melt fractions formed in the edge region of the evaporation zone.
  • Material vapor and the melt components can be cleaned by blowing the sample with a working gas, for example, is suitable for glass fibers
  • Compressed air at approx. 1 bar working pressure can be supported.
  • the expulsion per pulse represents the elementary volume defined above approximately the same product of the optical penetration depth d and incident
  • the modulated working beam 8 focused on the surface of the still unprocessed single fiber is moved over the single fiber by pivoting the working beam 8 back and forth by the deflection angle winkel.
  • At each sweep material is removed approximately around the optical penetration depth d in the order of 10- 5 m, hereinafter referred to as partial section.
  • the Rayleigh length z R of the focused beam - it characterizes the area of the beam caustic in which the intensity varies by a maximum of a factor of 2 - should be greater than the total diameter D of the fiber. This ensures that the Beam diameter in the respective working plane is always less than 2 df.
  • FIG. 5 shows the top view of the kerf approximately at the stage of the separation process, which corresponds to the cutting of half the fiber cross section.
  • Another relevant process parameter here is the distance a from adjacent elementary volumes, that is to say the overlap of the individual pulses, which should typically be approximately 70%.

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Abstract

Verfahren zum Trennen von Lichtleitfasern mittels C02-Laserstrahlung anwendbar für Fasern unterschiedlicher Art und Größe, mit und ohne Ummantelung sowie für Faserbündel und Faserkomponenten, bei dem die Trennung durch ein dem jeweiligen Material angepasstes, spezielles Impulsregime über den Abtrag kleinster Werkstoffvolumina entlang einer Linie so lange in einem „sägeähnlichen' Prozess erfolgt, bis die vollständige Trennung erreicht ist.

Description

Verfahren zum Trennen von Lichtleitfasern mittels C02 -Laserstrahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Lichtleitfasern mittels CO2 -Laserstrahlung. Es ist für eine breite Palette solcher Fasern einsetzbar, die von Monomode- über Multimode- bis hin zu Gradientenfasern mit unterschiedlichsten anwenderspezifischen Durchmessern reicht. Auch ummantelte Fasern können mit dieser Methode getrennt werden. Speziell ist dieses Verfahren geeignet zur Konfektionierung von Faserendflächen in Steckern oder speziellen Endflächen für die Kupplung zu elektro-optischen Wandlern von Einzelglasfasern und Faserbändchen. Es zeichnet sich durch große Flexibilität, hohe Qualität der Trennflächen und somit geringe Nacharbeit sowie durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und die Möglichkeit der Automatisierung des Trennprozesses aus.
Mit der weltweiten Umstellung der breitbandigen Datenübertragung auf Lichtleitfasern einher geht die Notwendigkeit der effizienten Konfektionierung dieser Fasern in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Ein Grundproblem stellt dabei aufgrund der hohen Ebenheitsanforderungen an die entstehende Endfläche, die im Allgemeinen eine dämpfungsarme Kopplung der Faser zu anderen optischen bzw. optoelektronischen Bauelementen ermöglichen muss, das einfache Trennen dar.
Im Gegensatz zu den Hightech Verfahren der Herstellung und der Applikationen der Fasern wirkt der gegenwärtige Stand der Technik des Fasertrennens eher altertümlich.
Nach wie vor sind die üblichen Verfahren des Trennens von Fasern rein manuell. Z.B. werden Trenngeräte auf der Basis des Anritzens der Faser mittels einer Diamantspitze genutzt. Die typische Arbeitsweise ist so, dass die abgemantelte Faser in eine große Führungsnut gelegt wird. Die exakte Bestimmung der Faserendlänge wird durch eine einstellbare Begrenzung oder durch eine Skalierung ermöglicht. Durch Schließen des Werkzeuges wird die Faser fixiert und vorgespannt, anschließend ritzt eine Diamantklinge die Faser an und erzielt einen zur Faserachse rechtwinkligen bzw. einen um 8° vom rechten Winkel abweichenden Bruch. Bei ummantelten Fasern ist ein Abmanteln an der Bearbeitungsstelle nötig. Noch einfacher in ihrer Funktion sind Diamant-Faserritzwerkzeuge (Cleaving Knifes) im Kugelschreiberformat, bei denen das Trennen (Brechen) der optischen Fasern durch leichtes Anritzen der Faseroberfläche (Kern bei Fasern mit Kunststoffcladding bzw. Cladding bei Quarz/Quarz-Fasern) erfolgt. Durch Ziehen der Faser übt man eine zur Faserachse axiale Kraft auf die angeritzte Stelle aus, die Faser bricht.
Die genannten Verfahren sind im Allgemeinen nur für Einzelfasern geeignet und optimiert. Versagen sie völlig, z.B. beim Trennen von Faserbändchen, wird die sehr grobe Methode des „Abschlagens" verwendet, bei der natürlich sehr stark gestörte Trennflächen entstehen, die hohen nachträglichen Polieraufwand erfordern.
Allen mechanischen Verfahren ist eine Reihe von gravierenden Nachteilen gemeinsam. So kann z.B. der Trennvorgang nicht automatisiert werden. Die Verfahren sind sehr unflexibel, akzeptable Resultate sind jeweils nur für spezielle Faserformen und Konfektionierungen erzielbar. Typisch für die Trennfläche sind Ausplatzungen, verbleibende überstehende Glasspitzen und Mikrorisse, so dass erheblicher Arbeitsaufwand in die Nachbearbeitung gesteckt werden muss.
Zum Trennen mittels Laser scheint grundsätzlich der C02 Laser geeignet zu sein, dessen Strahlung sich durch eine hohe Absorption aller für
Lichtleitfasern geeigneten Glassorten, aber auch der Kunststoffe, die zur
Ummantelung eingesetzt werden, auszeichnet.
Zum Trennen spröder Werkstoffe, insbesondere von Glas, mittels Laser sind aus dem Stand der Technik eine unüberschaubare Anzahl von Verfahren bekannt. Meist wird ein CQ2 Laser als Strahlungsquelle eingesetzt. Grundsätzlich unterscheiden sich diese Verfahren in solche, bei denen das Material entlang der gewünschten Trennlinie über die Transformations- bzw. Erweichungstemperatur erhitzt wird (Schmelzschneiden) und solche, bei denen mittels Laser eine thermische Spannung induziert wird, die spontan oder nach Setzen eines Initialrisses zum Bruch entlang der Trennlinie führt (Brechen). Für das Trennen mittels Schmelzschneiden sei hier beispielhaft die EP 0 062 484 genannt. Verfahren, bei denen Glas durch die Erzeugung von Bruchspannungen getrennt wird, sind z.B in der DE 28 13 302, DE 43 05 107, US 3,543,979 und US 5,084,604 beschrieben. Insbesondere bei dieser Art von Verfahren ist die Verbesserung der Qualität der Trennfläche regelmäßig die Aufgabe der Erfindung.
Wie es sich bei der praktischen Erprobung jedoch gezeigt hat, sind sowohl das Schmelzschneiden als auch das Brechen nicht geeignet, um Lichtleitfasern mit der erforderlichen Qualität der Trennfläche zu trennen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die Trennung unterschiedlichster Formen von Lichtleitfasern wie Mono- und Multimodefasem, Gradientenfasern, Glas- und Kunststoff fasern als Einzelfaser oder Faserverbund, mit und ohne Ummantelung mit höchstmöglicher Präzision der Positionierung der Trennfläche und einer hohen Qualität der Trennfläche ermöglicht. Das Verfahren soll geeignet sein, Trennflächen rechtwinklich zum Faserkern aber auch geneigt zum Faserkern zu erzeugen. Die erforderliche Nacharbeit der Trennfläche soll minimal sein oder sogar ganz wegfallen. Das Verfahren soll vollständig automatisierbar sein. Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zum Trennen von Lichtleitfasern mittels C02 -Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass aus der C02 -Laserstrahlung ein Arbeitsstrahl 8 bestehend aus Einzelpulsen mit den Strahlungsparametern Impulsspitzenleistung , einige W < p ≤ 1 kW, Impuls-Halbwertsbreite τimp,10-5 s < τimp ≤ 104s und lmpulsfolgefrequenz fimp,100 Hz < fjmp < mehrere kHz ausgekoppelt wird und dass der Arbeitsstrahl 8 auf eine fixierte Lichtleitfaser fokussiert und in einer Ebene entlang einer Bearbeitungszone hin- und herbewegt wird, so dass pro Einzelimpuls ein Elementarvolumen, annähernd gleich dem Produkt aus optischer Eindringtiefe d und auftreffendem Strahlquerschnitt, mit einem Durchmesser etwa gleich dem Fokusdurchmesser df, auf alle Fälle jedoch kleiner 2 df abgetragen wird, bis die Lichtleitfaservollständig durchtrennt ist.
Es ist erfindungswesentlich, dass der Trennprozeß unabhängig von der konkreten Beschaffenheit der zu trennenden Einzelfaser oder des Faserverbundes (Objekt), nicht wie aus dem Stand der Technik für Glas bekannt „in einem Zuge" durch intensive Strahlung eines C02 -Lasers erfolgt, sondern durch ein dem jeweiligen Material angepasstes spezielles Impulsregime mittels dem auf eine für die Faser extrem schonende Art und Weise Puls für Puls kleinste Werkstoffvolumina entlang einer Linie so lange in einem „sägeähnlichen" Prozess abgetragen werden, bis die vollständige Trennung erreicht ist. Das heißt, der Gesamttrennschnitt setzt sich aus einer Vielzahl von Einzeltrennschnitten zusammen. Die Größenordnung der abgetragenen Werkstoffvolumina, nachfolgend „Elementarvolumina" genannt, bestimmt sich aus dem Produkt von Strahlquerschnittsfläche in der Bearbeitungsebene und Eindringtiefe in das Material. Um die Strahlquerschnittsfläche möglichst klein zu halten, wird die Laserstrahlung vorteilhafterweise auf die Oberfläche des noch unbearbeiteten Objektes fokussiert und so geformt, dass die Rayleighlänge größer dem Gesamtdurchmesser des Objektes ist. Dabei wird die Spitzenleistung der Impulse und ihre Dauer (und damit die Impulsenergie) so gewählt, dass gerade ein solches Elementarvolumen durch einen Impuls abgetragen (im Wesentlichen verdampft) wird. Man hat es dann mit einem absorptionskontrollierten Abtrag zu tun, bei dem der auftretende Anteil des geschmolzenen Materials und damit die Neigung zu Mikrorissen minimiert wird. Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Lichtleitfasern trennen zu können, deren Gesamtdurchmesser > 0,1 mm beträgt, ist natürlich eine sehr hohe Anzahl von Einzelimpulsen erforderlich. Um zu vernünftigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu kommen, sollte deshalb die Folgefrequenz ausreichend groß, typisch in der Größenordnung kHz liegen. Um dadurch jedoch die günstige Wirkung des Elementarvolumen-Abtrags nicht wieder zu eliminieren, ist eine so schnelle Bewegung des fokussierten Laserstrahls über die Probe erforderlich, dass die Pulse mit einer gewissen Überlappung nebeneinander auftreffen und damit die Elementarvolumina sich überlappend abgetragen werden. Vorteilhaft beträgt die Überlappung etwa 70%. Bei einem Überlauf des Strahls über die Einzelfaser bzw. den Faserverbund entsteht damit eine Schnitttiefe, die nicht wesentlich die Eindringtiefe der Strahlung in das Fasermaterial und damit die Größenordnung von 10 μm übersteigt. Der Gesamttrennschnitt wird durch eine entsprechende Anzahl von Überläufen des Strahls über die Einzelfaser bzw. den Faserverbund erreicht (Einzeltrennschnitte).
Der zeitliche Abstand zwischen der Erzeugung der Einzeltrennschnitte sollte so groß gewählt sein, dass eine ausreichende Abkühlung der zuletzt bearbeiteten Zone erfolgt. Dies dient wieder dem Ziel, keine größeren Schmelzanteile durch unzulässig hohe Aufsummierung der eingebrachten Strahlungsleistung zu erzeugen. Vorteilhaft ist eine Abkühlzeit von größenordnungsmäßig 10-2...10-1 s. Zurückkommend auf die anschauliche Darstellung des Verfahrens als „sägeähnlichen" Prozeß entsprechen die Sägezähne den Strahlungsimpulsen und die Hin- und Herbewegung der „Säge" den einzelnen Überläufen der Strahlung über die Einzelfaser bzw. den Faserverbund. Das Verfahren ermöglicht es, nicht nur zu den Faserachsen senkrechte Schnitte durchzuführen, sondern einen weiten Winkelbereich für die Lage der Trennfläche zu den Faserachsen zu erschließen. Dabei wirkt sich die Herstellung des Gesαmttrennschnittes durch eine Vielzahl von Einzeltrennschnitten außerordentlich günstig auf die Präzision des gewünschten Winkels aus, da die Ausbildung der resultierenden Trennfläche nur in geringem Maße durch die Oberflächenspannung der beim Trennprozess auftretenden Schmelzanteile beeinflusst wird.
Ein weiterer Vorzug des Verfahrens beruht auf der Tatsache, dass alle Bestandteile der in Frage kommenden Faserkonfiguration, also die unterschiedlichsten Glassorten, Kunststoffe für die Ummantelung oder auch Kleber, auf ähnliche Weise C02 -Laserstrahlung absorbieren, so dass alle diese Bestandteile mit einem optimierten Impulsregime getrennt werden können, wobei sich die Optimierung selbstverständlich vorrangig auf Faserkern und Fasermantel konzentriert.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 a Aufbau einer ummantelten Lichtleitfaser vor der Trennung
Fig. 1 b die ummantelte Lichtleitfaser nach der Trennung
Fig. 2 Grundaufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Fig. 3 Typischer Impulszug der auftreffenden Strahlung
Fig.4 Hilfsdarstellung zur Erläuterung des Verfahrensablaufes
Fig. 5 Draufsicht auf die Schnittfuge - Überlappung der Einzelimpulse
Fig. 6 Hilfsdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens an einem
Faserverbund Fig. 7 Hilfsdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens an einer Einzelfaser unter definiertem Winkel zur Faserachse
An Hand der Fig. la und 1 b soll das Grundproblem beim Trennen einer ummantelten Einzelfaser mittels Laserstrahlung gezeigt werden. Die prinzipiellen Schwierigkeiten bestehen erstens in der geforderten hohen Präzision des Schnittes und zweitens in der Tatsache, dass die aus einem Faserkern 1 , einem Fasermantel 2 und einer Schutzummantelung 3 und damit aus drei unterschiedlichen Werkstoffen bestehende Lichtleitfaser mit gleichen Strahlungsparameterngetrennt werden soll.
Das hat grundsätzlich zur Folge, dass die Schutzummantelung 3, die im Allgemeinen aus einem Kunststoff besteht, wegen der wesentlich geringeren Abtragsschwelle im Vergleich zum Faserkern 1 und dem Fasermantel 2, auf einem wesentlich größeren Bereich abgetragen wird, d.h. nach dem Trennvorgang tritt die Schutzummantelung 3 um eine Strecke s hinter das Faserende zurück.
Darüber hinaus wird die Trennfläche über den Faserkern 1 und den Fasermantel 2 nie ideal eben sein, sondern eine gewisse Rundung mit der Pfeilhöhe h aufweisen. Um im Hinblick auf die Faserkopplung eine möglichst ebene Trennfläche zu erreichen, muss die Pfeilhöhe h möglichst klein gehalten werden, so dass entweder völlig auf eine Nachbearbeitung der Trennflächen verzichtet werden kann oder der dafür erforderliche Aufwand so klein wie möglich ist. Entscheidend hierfür ist, dass das stufenweise Trennen durch den Abtrag einzelner Elementarvolumina mit jeweils einem auf den Werkstoff optimierten Impulsregime erfolgt.
Zur Erläuterung des Verfahrens ist in Fig. 2 ein typischer Grundaufbau für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens illustriert, die wenigstens einen C02-Laser 6, eine Modulatoreinheit 7, eine Strahlauffangeinheit 1 1 , eine Strahlablenkeinheit 12, eine justierbare Halteeinrichtung 14 und eine zentrale Steuereinheit 17 umfasst.
Die im Allgemeinen kontinuierliche Strahlung 4 des C02-Lasers 6 wird mittels der Modulatoreinheit 7, die im Regime der „Doppeltransmission" arbeitet, in zwei Strahlanteile zerlegt, einen Arbeitsstrahl 8 und einen Reststrahl 9 (vgl. Patent DE 40 4 744 C 2). Dabei werden aus dem Laserstrahl 4 periodisch Impulse ausgekoppelt, deren Parameter in weiten Grenzen variiert und dem jeweiligen Trennprozess optimal angepasst werden können. Der Reststrahl 9 wird durch eine Strahlauffangeinheit 12 abgefangen, wobei dies entweder einfach ein Absorber ist, der die Strahlung vernichtet, oder ein Messgerät, mit dem z.B. die Konstanz der Strahlungsleistung online überwacht werden kann.
Durch eine Strahlführungseinheit 10, symbolisiert durch einen Spiegel, wird der Arbeitsstrahl 8 in eine Strahlablenkeinheit 12 gelenkt. Dies kann vorteilhaft ein Scanner mit integrierter Fokussiereinrichtung (z.B. mit einer F-Θ-Linse) sein, der für die erforderliche rasche Bewegung des fokussierten Arbeitsstrahls 8 um einen Auslenkwinkel Θ über das zu bearbeitende Objekt 13 sorgt. Bei dem zu bearbeitenden Objekt 13 kann es sich um eine einzelne Lichtleitfaser (Einzelfaser) mit und ohne Ummantelung, ein Bündel von Lichtleitfasern (Faserverbund) mit und ohne Ummantelung oder auch um Faserkomponenten handeln. Das Objekt 13 ist auf einer justierbaren Präzisionshalterung 14 fixiert, die einerseits eine präzise x-y-Positionierung, z.B. im Genauigkeitsbereich 1 /100 mm des Objektes gestattet und andererseits die Einstellung definierter Winkel φ zwischen Faserachse und Einstrahlebene und somit präzise Schrägschnitte ermöglicht. Schließlich kann dieser Grundaufbau durch eine Zuführungseinrichtung 15 und eine Abführungseinrichtung 16 ergänzt werden, so dass der gesamte Prozess automatisch ablaufen kann. Die zentrale Steuereinheit 17 sorgt für die taktgerechte Ansteuerung aller relevanten Komponenten. Eine zentrale Stellung im Verfahren nimmt die richtige Wahl der Impulsparameter des Arbeitsstrahles 8 ein. Fig. 3 illustriert einen charakteristischen Impulszug, der im Modulator 7 generiert und als Arbeitsstrahl 8 für den Trennprozess genutzt wird. Die relevanten Parameter des Impulszuges - Impulsspitzenleistung p, Impuls-Halbwertsbreite τimp und Impuls-Folgefrequenz fimp - können durch die eingesetzte Modulatortechnik in weiten Grenzen variiert und für das Trennen des jeweiligen Objektes optimiert werden. Typische Pαrαmeterbereiche sind: einige W < p ≤ 1 kW
10-5s ≤ τimp < 10-4s
100 Hz < fimp < mehrere kHz. Die Pulspαrαmeter werden abhängig von den Materialparametern des zu trennenden Objektes so gewählt, dass die vom Objekt absorbierte
Strahlungsleistung pro Impuls eine dünne Oberflächenschicht von wenigen μm (optische Eindringtiefe d) auf seine Verdampfungstemperatur aufheizt.
Mit der Verdampfung werden die im Randbereich der Verdampfungszone entstehenden Schmelzanteile mit ausgetrieben. Der Austrieb des
Materialdampfes und der Schmelzanteile kann durch Beblasung der Probe mit einem Arbeitsgas, beispielsweise eignet sich für Glasfasern gereinigte
Preßluft bei ca. 1 bar Arbeitsdruck, unterstützt werden.
Der Austrieb pro Impuls stellt das vorstehend definierte Elementarvolumen annähernd gleich Produkt aus optischer Eindringtiefe d und auftreffenden
Strahlquerschnitt dar.
Das Verfahren soll an Hand der Fig. 4 und 5 für das Trennen einer Einzelfaser erläutert werden. Entsprechend Fig. 4 wird der modulierte und auf die Oberfläche der noch unbearbeiteten Einzelfaser fokussierte Arbeitsstrahl 8 über die Einzelfaser bewegt, indem der Arbeitsstrahl 8 um den Auslenkwinkel Θ hin und her geschwenkt wird. Bei jedem Überstreichen erfolgt ein Materialabtrag annähernd um die optische Eindringtiefe d in der Größenordnung 10-5 m, nachfolgend Teilschnitt genannt.
Um für die einzelnen Teilschnitte weitgehend gleiche Fokussierbedingungen zu haben, sollte die Rayleighlänge zR des fokussierten Strahles - sie charakterisiert den Bereich der Strahlkaustik, in dem die Intensität um maximal einen Faktor 2 variiert -, größer sein als der Gesamtdurchmesser D der Faser. Dadurch wird gewährleistet, dass der Strαhldurchmesser in der jeweiligen Beαrbeitungsebene immer kleiner 2 df ist.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf die Schnittfuge etwa in dem Stadium des Trennprozesses, welcher der Durchtrennung des halben Faserquerschnittes entspricht. Als weiterer relevanter Verfahrensparameter ist hier der Abstand a benachbarter Elementarvolumina zu sehen, also die Überlappung der Einzelimpulse, die im typischen Fall ca. 70% betragen sollte.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel illustriert Fig. 6 schematisch - die Durchtrennung eines Faserbündels aus drei Einzelfasern. Dabei gelten für die Ausbildung der Schnittfuge 5 letztlich die analogen Aussagen, wie sie für die Einzelfaser diskutiert wurden.
Besonders hohe Anforderungen an das Verfahren stellt das Trennen von Einzelfasern und Faserbündeln unter definiertem Winkel φ zwischen der Faserachse und der Trennebene. Die geometrischen Verhältnisse für diesen Fall zeigt Fig. 7.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Fαserkern
2 Fαsermαntel
3 Schutzmαntel
4 Laserstrahl
5 Schnittfuge
6 C02 -Laser
7 Modulatoreinheit
8 Arbeitsstrahl
9 Reststrahl
10 Strahlführungseinheit
1 1 Strahlauffangeinheit
12 Strahlablenkeinheit
13 Objekt
14 Justierbare Präzisionshalterung
15 Zuführungseinrichtung
16 Abführungseinrichtung
17 Zentrale Steuereinheit
s Strecke h Pfeilhöhe
P Impulsspitzenleistung τimp Impuls-Halbwertsbreite
Timp Impuls-Folgefrequenz d optische Eindringtiefe
Z Rayleighlänge
D Gesamtdurchmesser df Fokusdurchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Trennen von Lichtleitfasern mittels CO2 -Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Cθ2-Laserstrahlung ein Arbeitsstrahl (8), bestehend aus Einzelpulsen mit den Strahlungsparametern Impulsspitzenleistung p , einige W < p < 1 kW, Impuls-Halbwertsbreite τimp,10-5s ≤ τιmp < lO^s und Impulsfolgefrequenz fimp, 100 Hz < fimp ≤ mehrere kHz ausgekoppelt wird, dass der Arbeitsstrahl (8) auf eine fixierte Lichtleitfaser fokussiert und in einer Ebene entlang einer Bearbeitungszone hin- und herbewegt wird, so dass pro Einzelimpuls ein Elementarvolumen, annähernd gleich dem Produkt aus optischer Eindringtiefe d und auftreffendem
Strahlquerschnitt, mit einem Durchmesser etwa gleich dem Fokusdurchmesser df, auf alle Fälle jedoch kleiner 2 df abgetragen wird, bis die Lichtleitfaser vollständig durchtrennt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Hin- und Herbewegungen über die Lichtleitfaser eine Abkühlphase im Bereich von 10...100 ms eingelegt wird, um eine eine ausreichende Abkühlung der Bearbeitungszone zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsparameter während der Bearbeitung in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe der Lichtleitfaser angepasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern Einzelfasern unterschiedlicher Form und Dicke, z.B. Monomode- und Multimodefasern, Gradientenfasern oder ummantelte und nicht ummantelte Fasern sein können.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch auf Faserbündel und Faserkomponenten anwendbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Elementarvolumen sehr klein, d.h. kleiner 10-3 gegenüber dem Gesamtabtrag bei der vollständigen Durchtrennung und insbesondere die optische Eindringtiefe d bei einem einzelnen Überlauf des Strahlbündels über die Probe klein gegen den Durchmesser des Faserkerns (1 ) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungszone mit einem Arbeitsgas beblasen wird, beispielsweise gereinigter Preßluft bei ca. 1 bar Arbeitsdruck, um die entstehenden Materialdämpfe aus der Bearbeitungszone abzuführen.
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