Beschreibung
Lichtleiter mit einer strukturierten Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtleiters mit verformungsabhängiger optischer Dämpfung, bei dem zur Verstärkung der Verformungsabhängigkeit der Dämp¬ fung die Oberfläche des Lichtleiters mit einer Strukturierung versehen wird.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US 5,633,494 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Struktu¬ rierung der Oberfläche durch ein Heißprägeverfahren durchge- führt, indem ein heißes Prägewerkzeug auf die vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Faser des Lichtleiters unter Abbil¬ dung der im Werkzeug realisierten Strukturierung der Oberflä¬ che gedruckt wird. Die so erzeugte Strukturierung verstärkt die Verformungsabhängigkeit der Dämpfung, so dass bei einem Biegen der Faser die Dämpfung im Lichtleiter je nach Krüm¬ mungsrichtung zu- oder abnimmt. Alternativ wird vorgeschla¬ gen, die Oberfläche des Lichtleiters durch Sandstrahlen oder Ätzen zu behandeln, um eine Strukturierung hervorzurufen.
Gemäß der WO 2004/089699 Al ist es bekannt, einen Lichtleiter mittels Laserablation zu strukturieren. Dabei soll eine Aufrauung der Oberfläche des Lichtleiters erzeugt werden, ähnlich einer Aufrauung durch Sandpapier oder Sandstrahlen. Sollen größere Vertiefungen in den Lichtleiter eingebracht werden, so lässt sich dies in der bereits erwähnten Weise durch Heißprägen erreichen.
Zuletzt ist der US 2003/0231818 Al zu entnehmen, dass das Verfahren der Laserablation bei Lichtleitern auch dazu
verwendet werden kann, um Oberflächenstrukturen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen in die Oberfläche einzubringen. Dabei ist die Genauigkeit der erzeugten Strukturen lediglich von der Größe des Fokuspunktes des Lasers abhängig.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Er¬ zeugen eines Lichtleiters mit strukturierter Oberfläche an¬ zugeben, mit dem sich einerseits wirtschaftlich eine genaue Geometrie der Oberflächenstrukturierung erzeugen lässt und andererseits eine mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters möglichst gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturierung mittels Laserablation hergestellt wird. Der Lichtleiter besitzt eine gekrümmte Oberfläche, ist also insbesondere mit einem runden Querschnitt ausgestattet. Daher wird vorteilhaft vorgesehen, dass der Schärfentiefebereich der Laserfokussierung mittels einer Abbildungsoptik derart eingestellt wird, dass der zu strukturierende Bereich der gekrümmten Oberfläche innerhalb des Schärfentiefebereiches liegt und die Strukturierung ohne Berücksichtigung der Krümmung der Oberfläche erfolgen kann. Dies bedeutet, dass innerhalb des Krümmungsbereiches des Lichtleiters, in dem die Strukturierung erzeugt werden soll, der Schärfentiefebereich der Laserfokussierung ausreicht, um die Strukturierung durch Laserablation mit der geforderten Genauigkeit herzustellen. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Strukturierung auf dem Lichtleiter in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann, das heißt, dass eine Neuausrichtung des Lasers bei der Erzeugung der Strukturierung über den gesamten zu strukturierenden Bereich nicht erforderlich ist. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass eine Strukturierung der Oberfläche des Lichtleiters nicht nur im Fokuspunkt des Lasers möglich ist, sondern auch in dem an diesen anschließenden
Schärfentiefebereich, der einerseits noch eine genügende Energiedichte zur Strukturierung des Lichtleiters aufweist und andererseits noch eine genügend starke Bündelung des Lasers aufweist, damit die geforderten Toleranzen für die zu erzeugende Strukturierung noch gewährleistet ist.
Das Verfahren der Laserablation hat außerdem den Vorteil, dass die Strukturelemente, die die Strukturierung auf der Oberfläche des Lichtleiters bilden, mit einer genügenden Genauigkeit hinsichtlich ihrer Geometrie hergestellt werden können. Andererseits hat dieses Herstellungsverfahren den Vorteil, dass die Abmessungen der hergestellten Strukturelemente, insbesondere die Tiefe der Strukturelemente in der Oberfläche, klein gewählt werden können, so dass die mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters gering ausfällt. Diese Kombination der genannten Vorteile lässt sich weder durch Sandstrahl- oder Ätzverfahren erreichen, bei denen die Genauigkeit der erzeugten Strukturierung geringer ausfällt, noch durch ein Heißprägeverfahren, bei dem die erzeugbaren Strukturelemente der Strukturierung verfahrensbedingt größere Abmessungen aufweisen und dadurch eine stärkere mechanische Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters bewirken. Insbesondere gilt dies für die Einbringung von Heißprägestrukturen in die bevorzugt verwendeten Lichtleiter mit rundem Querschnitt. In diesem Fall bewirken die erzeugten Strukturelemente in ihrer Mitte eine verhältnismäßig starke Schwächung des Querschnitts, die sich in Richtung der Enden des Struk¬ turelementes verringert (vgl. US 5,633,494) .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Laserstahl durch eine Maske geführt wird, die das Muster der Strukturierung wiedergibt, wobei das Muster auf dem Lichtleiter abgebildet wird. Damit ergibt sich
die Strukturierung durch die in der Maske vorgesehenen Durch¬ lässe für den Laserstrahl, die das Muster definieren. An den Auftreffstellen des Lasers auf dem Lichtwellenleiter werden die Strukturelemente gebildet. Diese Ausführung des Verfah- rens ist vorteilhaft besonders einfach durchführbar, da für die zu erzeugenden Muster lediglich eine Maske bereitgestellt werden muss. Ein Programmieraufwand für die Herstellungsan¬ lage für die strukturierten Lichtleiter fällt nicht an.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese¬ hen, dass ein Laserstrahl unter Erzeugung des Musters der Strukturierung über die Oberfläche des Lichtleiters geführt wird. Hierzu ist beispielsweise eine Spiegelumlenkung oder eine Umlenkung mittels Kristallen für den Laserstrahl notwen- dig, so dass dieser sich unter Verstellung der Spiegel über die Oberfläche des zu strukturierenden Lichtleiters bewegen lässt. Hierbei werden die Muster der Strukturierung sozusagen auf den Lichtleiter geschrieben. Es sind vorteilhaft beson¬ ders feine Strukturen erzeugbar, deren geringst mögliche Ab- messungen lediglich von der Wellenlänge des Lasers und dessen Fokussierung abhängen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge¬ sehen dass während der Strukturierung des Lichtleites die Dämpfungseigenschaften des Lichtleiters gemessen werden.
Hierdurch ist vorteilhaft während des Herstellungsprozesses der Strukturierung eine genaue Einstellung der geforderten Dämpfung möglich, wobei der Herstellungsprozess korrigiert werden kann, wenn sich Abweichungen von der geforderten Dämp- fung ergeben.
Neben der Korrektur von Material- und Fertigungsungenauigkei- ten kann die Ermittlung der Dämpfungseigenschaften während der Strukturierung des Lichtleiters auch dazu verwendet wer-
den, um die Verfahrensparameter für eine Strukturierung für einen bestimmten Anwendungsfall festzulegen. Dabei kann ins¬ besondere der Einfluss einer Veränderung der Strukturelemente in ihrer Geometrie auf den erreichten Dämpfungsgrad ermittelt werden. Die ermittelten Daten können für spätere Applikatio¬ nen wieder herangezogen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Lichtleiter vor der Strukturie¬ rung mit einer Umhüllung versehen wird. Diese schützt den Lichtleiter bei der Verarbeitung und im späteren Einsatz vor Beschädigungen. Bei der Strukturierung wird die Umhüllung von dem Laser durchdrungen, wodurch eine Erzeugung der Struktu¬ rierung auf dem Lichtleiter ermöglicht wird. Durch geeignete Einstellung der Fokussierung des Lasers (Schärfentiefebereich und Wellenlänge) kann die Umhüllung im Bereich der Struktu¬ rierung durch den Laser mit entfernt werden. Wenn die Umhül¬ lung für das Laserlicht transparent ist, kann diese während des Strukturierungsprozesses zumindest weitgehend erhalten bleiben.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mehrere parallel nebenein¬ ander verlaufende Lichtleiter vor der Strukturierung zu einem Band zusammengefasst werden. Hierdurch lässt sich fertigungs¬ technisch ein Produktivitätsgewinn erreichen, da die Fasern des Bandes in einem einzigen Fertigungsschritt mit der Struk¬ turierung versehen werden können. Anschließend können die Lichtleiter wieder vereinzelt werden oder besonders vorteil¬ haft auch als Band zum Einsatz kommen. Insbesondere kann der Zusammenhalt des Bandes auch mittels einer gemeinsamen Umhül- lung gewährleistet werden.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Lichtleiter mit einer gekrümmten, strukturierten Oberfläche zur Verstär-
kung der Verformungsabhängigkeit seines optischen Dämpfungs¬ verhaltens .
Ein solcher Lichtleiter ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik (US 5,633,494) bekannt. Als strukturierte Ober¬ fläche kann der Lichtleiter mit rundem Querschnitt beispiels¬ weise eine quer zur Richtung des Lichtleiters verlaufende Aneinanderreihung von V-förmigen Rillen aufweisen, die an einer Seite des Lichtleiters eine treppenartige Struktur er- zeugen. Da der Lichtleiter einen runden Querschnitt aufweist und die Rillen zur Erreichung der geforderten Dämpfung eine bestimmte Länge aufweisen müssen, wird durch die Strukturie¬ rung der ursprünglich runde Leiterquerschnitt abgeflacht, was zu einer Schwächung des Querschnitts führt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Lichtleiter mit einer Strukturierung der Oberfläche anzugeben, der unter Er¬ reichen des geforderten Dämpfungsverhaltens eine möglichst geringe Schwächung des Querschnitts des Lichtleiters auf- weist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturierung durch ein regelmäßiges Muster von Vertiefungen in der gekrümmten Oberfläche mit gleich bleibender Tiefe ausgebildet sind, die unabhängig von der Krümmung der Oberfläche parallel zueinander verlaufen. Hiermit ist gemeint, dass die Ausrichtung der Löcher sich nicht an der Krümmung der Oberfläche orientiert, sonders insbesondere an der Ausrichtung des Lasers orientiert ist. Bei Löchern mit Kreisquerschnitt bedeutet dies z. B., dass die
Symmetrieachsen dieser Löcher alle parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Herstellung der Vertiefungen durch den Laser wirtschaftlich möglich ist, da dieser nicht unter
Berücksichtigung der Krümmung der Oberfläche für jede zu erzeugende Vertiefung neu ausgerichtet werden muss. Vielmehr können alle Vertiefungen in einer Einstellung des Lasers hergestellt werden.
Das regelmäßige Muster der Strukturelemente garantiert einerseits ein genau definiertes Dämpfungsverhalten, welches durch eine Strukturierung mit unbestimmter Geometrie (beispielsweise eine sandgestrahlte Oberfläche) nicht so genau einstellbar ist. Weiterhin sind die Strukturelemente jedoch derartig hergestellt, dass sie in der Oberfläche mit gleich bleibender Tiefe ausgebildet sind. Damit weist der erfindungsgemäße Lichtleiter keine Abflachung auf, die eine Querschnittsschwächung des Lichtleiters darstellen würde. Vielmehr ist die Strukturierung auf einem gekrümmten
Oberflächenanteil des Lichtleiters angebracht. Damit ist vorteilhaft ein Lichtleiter realisiert, der einerseits eine hohe mechanische Stabilität aufweist und andererseits eine Strukturierung mit definierten Dämpfungseigenschaften besitzt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente durch parallel verlaufende Kanäle gebil¬ det sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Strukturelemente durch Vertiefungen gebildet sind, die in einem Feld jeweils mit gleichmäßigen Abständen zueinander an¬ geordnet sind. Hierdurch kann die Strukturierung durch Struk¬ turelemente mit vergleichsweise einfacher Geometrie ausgebil¬ det werden, was vorteilhaft deren Herstellung erleichtert. Die Vertiefungen und Kanäle können verschiedene Querschnitte aufweisen. Die Vertiefungen, die mit gleichmäßigen Abständen in einem Feld angeordnet sind, müssen zueinander nicht alle den gleichen Abstand aufweisen. Beispielsweise lassen sich die Vertiefungen auf einem quadratischen Raster anordnen, wo-
bei die Vertiefungen, die durch die Diagonale der durch das Raster definierten Quadrate voneinander getrennt sind, einen größeren Abstand voneinander aufweisen, als diejenigen, die durch die Seitenkanten des quadratischen Rasters miteinander verbunden sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren mit jeweils den glei- chen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figu¬ ren ergeben. Es zeigen
Figur 1 und 2 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 3 bis 6 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Lichtleitern als Aufsicht und im Schnitt.
In Figur 1 wird ein Lichtleiter 11 dem Verfahren einer La- serablation zur Herstellung einer nicht näher dargestellten Strukturierung auf seiner Oberfläche 12 unterzogen. Hierzu wird beispielsweise ein UV- oder CO2-Laser 13 verwendet, des¬ sen Laserstrahl 14 über schwenkbare Umlenkspiegel 15a, 15b durch eine Abbildungsoptik 16 fokussiert auf die Oberfläche 12 des Lichtleiters 11 geleitet wird. Während des Herstel- lungsprozesses für die Strukturierung wird ein Lichtsignal 17 durch den Lichtleiter 11 geschickt, welches mittels einer optischen Sensorfläche 18 hinsichtlich seiner Lichtintensität ausgewertet werden kann. Da die Lichtintensität des Lichtsig¬ nals 17 am Eingang des Lichtleiters bekannt ist, kann so ein Rückschluss auf das Dämpfungsverhalten des Lichtleiters in Abhängigkeit der in Herstellung befindlichen Strukturierung gezogen werden. Der Herstellungsprozess kann unterbrochen werden, sobald das gewünschte Dämpfungsverhalten des Licht¬ leiters eingestellt ist. Weiterhin kann das Dämpfungsverhai-
ten des verformten Lichtwellenleiters (vgl. strichpunktierte Kontur 19) überprüft werden, weswegen mittels der Sensorflä¬ che auch die Verformungsabhängigkeit der Dämpfung ermittelt werden kann.
Bei dem Fertigungsverfahren gemäß Figur 2 wird der durch den Excimer-Laser 13 erzeugte Laserstrahl 14 durch eine Maske 20 geleitet, wobei die Maske 20 Öffnungen 21 oder für das Laser¬ licht durchlässige Bereiche aufweist, die ein Muster der abzubildenden Strukturierung 22 ergeben. Nach Passieren der lichtdurchlässigen Bereiche der Maske 20 wird der Laserstrahl 14 über einen Umlenkspiegel 23 durch die Abbildungsoptik 16 auf den Lichtleiter 11 geleitet, wo durch Laserablation die Strukturierung 22 in Form eines radial verlaufenden Kanals 25 gebildet wird. Die Abbildungsoptik erzeugt dabei eine Fokus- sierung des Laserstrahls, die innerhalb eines Schärfentiefe¬ bereiches s eine Ausbildung des Kanals 25 mit für den Anwen¬ dungsfall hinreichender Genauigkeit erlaubt. Daher kann die gesamte Strukturierung 22 ohne Korrekturen bei der Positio- nierung des Lichtleiters 11 unter der Abbildungsoptik 16 er¬ folgen. Weiterhin kann unter Ausnutzung der Abbildungsoptik eine Maske 20 verwendet werden, die das Muster der Struktu¬ rierung vergrößert enthält, so dass die mittels der Maske hergestellte Strukturierung mit einer höheren Genauigkeit ge- fertigt werden kann.
In Figur 3 ist der Lichtleiter 11 dargestellt, auf dessen ge¬ krümmter Oberfläche die Strukturierung 22 aus in bestimmten Abständen auf dem Lichtleiter 11 angeordneten Feldern 26 von parallel angeordneten Kanälen 25 mit gleich bleibender Breite und Tiefe t (vgl. Figur 4 als Schnitt IV-IV gemäß Figur 3) ausgebildet ist. Die Kanäle 25 können beispielsweise nach dem Verfahren gemäß Figur 2 hergestellt werden. Die Tiefe ist im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen (Durchmesser) des
Lichtleiters 11 gering, so dass der Querschnitt durch die Strukturelemente (Kanäle 25, Vertiefungen 27) nur unwesent¬ lich geschwächt wird.
Der Figur 4 ist weiter zu entnehmen, dass mehrere Lichtleiter 11, IIa (weitere sind nicht dargestellt) zu einem Band auf einem Trägerstreifen 30 zusammengefasst sind. Diese können durch den Laser in einem Fertigungsschritt strukturiert wer¬ den. Wie Figur 3 zu entnehmen ist, können die Felder 26 be- nachbarter Lichtleiter versetzt angeordnet sein.
Gemäß Figur 5 bestehen die Felder 26 der Strukturierung 22 aus runden Vertiefungen 27, die gemäß Figur 6 eine gleichmä¬ ßige Tiefe t aufweisen und beispielsweise napfartig ausgebil- det sind. Die Figur 6 stellt den Schnitt VI-VI in Figur 5 dar. Die gleichmäßige Tiefe bezieht sich jeweils auf den Ab¬ stand des tiefsten Punktes des Bodens der Vertiefung bis zum Schnittpunkt eines auf diesen Punkt gefällten Lotes mit der Oberflächenkontur des Lichtleiters.
Der Lichtleiter 11 ist mit einer Umhüllung 28 versehen, die den Lichtleiter schützt. Diese wurde durch den Laser bei der Erzeugung der Vertiefungen 27 im gleichen Verfahrensschritt entfernt, wodurch in der Umhüllung 28 Ausnehmungen 29 ent- standen sind, die die Vertiefungen sozusagen verlängern. Ent¬ scheidend für die optischen Eigenschaften des Lichtleiters ist jedoch die Tiefe t der Vertiefungen 27 im Lichtleiter 11 selbst.