EP3987331A1 - Faseraustrittselement - Google Patents

Faseraustrittselement

Info

Publication number
EP3987331A1
EP3987331A1 EP20735288.1A EP20735288A EP3987331A1 EP 3987331 A1 EP3987331 A1 EP 3987331A1 EP 20735288 A EP20735288 A EP 20735288A EP 3987331 A1 EP3987331 A1 EP 3987331A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glass fibers
optical element
cores
fiber
open ends
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.)
Pending
Application number
EP20735288.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Theeg
Tony PULZER
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.)
Fiberbridge Photonics GmbH
Original Assignee
Fiberbridge Photonics 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 Fiberbridge Photonics GmbH filed Critical Fiberbridge Photonics GmbH
Priority to EP24183678.2A priority Critical patent/EP4431990A2/de
Priority to EP24178966.8A priority patent/EP4414759A2/de
Publication of EP3987331A1 publication Critical patent/EP3987331A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2551—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding using thermal methods, e.g. fusion welding by arc discharge, laser beam, plasma torch
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2552—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding reshaping or reforming of light guides for coupling using thermal heating, e.g. tapering, forming of a lens on light guide ends
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating

Definitions

  • the present invention relates to a fiber exit element according to the preamble of claim 1, a method for producing a fiber exit element according to claim 18 and a processing device for producing a fiber exit element according to claim 24.
  • Optical fibers are used in many different technical fields today.
  • the use of glass fibers for light transmission belongs to the technical and especially high-tech applications.
  • glass fibers are used for data transmission using light; in this case, the glass fibers can also be referred to as optical waveguides or as passive glass fibers.
  • Glass fibers are also used in medicine, for example, for lighting and for generating images, for example in microscopes, in inspection cameras and in endoscopes.
  • glass fibers are used in sensors, which can then be referred to as fiber optic sensors.
  • the laser radiation can be conducted as signal light radiation by means of a passive glass fiber from a laser radiation source as a signal light source or as a signal light radiation source to a processing point, for example in material processing or in medicine Cutting or welding.
  • the laser beam can also be supplied to a sample as laser radiation in this way, for example in measurement technology, in microscopy or in spectroscopy.
  • Passive glass fibers can be used to guide a laser beam, for example, in mechanical engineering, telecommunications, medical technology and sensor technology.
  • Fibers can also be used to generate or amplify laser light and are referred to as active glass fibers.
  • Fiber lasers for generating laser light or fiber amplifiers for amplifying laser light have a doped fiber core (see below) which forms the active medium of the fiber laser or the fiber amplifier, ie its active glass fiber.
  • Usual doping elements of the laser-active fiber core are in particular neodymium, ytterbium, erbium, thulium and holmium.
  • Fiber lasers and fiber amplifiers are used, among other things, in the industry for Short pulse laser systems are used (for example at a wavelength of approx. 1 pm), in measurement technology (for example for LIDAR measurements - laser detection and ranging), in medical applications (for example at a wavelength of approx. 2 pm) or in Space applications (for example at a wavelength of approx. 1.5 pm).
  • Glass fibers which are used to amplify the signal light such as the laser radiation in fiber amplifiers or to generate laser radiation in fiber lasers, usually have a fiber core, which consists of pure glass such as pure quartz glass and in the case of passive glass fibers is often doped with germanium; In the case of active glass fibers, doping as described above is usually used. In certain cases, the fiber cladding can also be doped; this applies to passive and active glass fibers. Depending on the size and the numerical aperture of the fiber core, a distinction can be made between single-mode and multi-mode glass fibers. In addition, the fiber core can also have polarization-maintaining properties for the light and can therefore be referred to as polarization-maintaining glass fibers (PM).
  • PM polarization-maintaining glass fibers
  • the fiber core is usually surrounded radially from the outside by at least one fiber cladding (English: fiber cladding) which is usually closed in the circumferential direction and thus completely surrounds the fiber core, apart from the two open ends of the glass fiber.
  • fiber cladding English: fiber cladding
  • Both passive glass fibers and active glass fibers are usually surrounded by a fiber coating made of, for example, polymer comparable to the fiber cladding, which can then be assigned to the glass fiber.
  • the fiber coating can serve to mechanically protect the glass interior of the glass fiber and influence its optical properties.
  • the fiber coating is primarily used for mechanical protection. Glass fibers that guide light in the fiber core and in the fiber cladding (English: double-clad glass fibers) are usually carried out with a fiber coating to meet mechanical and optical properties.
  • Two cross-sectional shapes for the fiber cladding that occur frequently in practice are cylindrical and octagonal.
  • the octagonal shape for the fiber cladding is used in particular for active glass fibers.
  • Such glass fibers can be produced in great lengths and are usually available as rolls.
  • the diameter of the fiber cladding usually varies between approx. 80 ⁇ m and approx. 1 mm.
  • fiber rods are often used, especially for larger fiber diameters.
  • a signal light radiation input as an interface for the feed or for the coupling of the signal light radiation to be amplified as input radiation from outside the fiber amplifier
  • a pump light coupler which transfers the pump light radiation from the pump light source into the jacket of the transports active glass fiber
  • a pump light trap that picks up unabsorbed pump light from the active glass fiber or removes it from the cladding of the glass fiber
  • a signal light radiation output that shapes and / or guides the output radiation and thereby decouples it to the outside of the fiber amplifier and makes it available .
  • the signal light radiation output can also be referred to as a fiber exit element or as a fiber exit optic.
  • a pump light coupler In the case of a fiber laser, a pump light coupler, an active glass fiber, a pump light trap and a signal light radiation output are also usually used. Since here no signal light radiation is fed in from outside, but the laser radiation is generated inside the fiber resonator between two reflectors or mirror elements, the signal light radiation input is omitted.
  • An optical window with an anti-reflective coating on one side for the corresponding wavelengths or a lens for collimation of the output radiation can serve as a signal light radiation output or as a fiber exit element.
  • the fiber exit optics can also be another glass fiber that guides the output radiation to a destination.
  • Such fiber exit optics are usually cohesively connected to the open end of the glass fiber, for example by welding, also called splicing.
  • the signal light or the laser light can pass directly into the fiber exit optics, for example as an optical window or as a lens, and from there exit to the outside, for example of the fiber amplifier or fiber laser.
  • the beam of the signal light or the laser light can be widened, i.e. increase its cross-section and thereby reduce its power density, which can be beneficial or necessary for certain applications.
  • US Pat. No. 6,819,858 B2 describes a shaped folding made of non-crystalline polymer material, which is configured such that it has a channel for folding a silicon chip with a plurality of V-grooves lying next to one another, which are formed in an upper surface between right and left 39ab cut thereof are, wherein a recessed area is provided in the channel behind the chip for receiving a fiber buffer coating and a notch is formed in an upper portion of the fold tion between the channel and a side portion thereof to hold reinforcing fibers of an optical fiber cable, the V Groove is configured to accept individual optical fibers at a time. Two such molded folds with silicon chips are securely layered together with the V-groove of the chips facing each other to hold the optical fibers therebetween.
  • the US 6,978,073 B2 describes an optical fiber array comprising an alignment substrate, a large number of ferrule elements and a large number of optical fibers.
  • the alignment substrate has a plurality of guide holes that are two-dimensionally arranged and extend through the substrate.
  • the ferrules are each inserted into the guide holes in the same direction and have through holes in the central sections.
  • the optical fibers are fitted and held in the respective through holes.
  • the guide hole is formed into a cylindrical shape, the diameter of which is substantially the same as the outer diameter of the ferrule.
  • the light entry / exit end face of the optical fiber is exposed on one end face of the ferrule.
  • the disadvantage of the two publications described above is their mechanically positive and / or non-positive Falt of the individual glass fibers, which can be seen as less stable, defined and or or durable compared to the previously described material welding or splicing.
  • the mechanical forces of these connections can also generate mechanical tensions within the glass fibers held, which can influence the optical transmission behavior of the glass fibers. In particular, this can take place in an undefined manner and have a disruptive effect on the signal light transmission.
  • a further disadvantage here is that with this procedure the free ends of the glass fibers, which form the interface between the material of the glass fiber such as glass and the environment such as air, when transmitting medium and high optical powers of a few watts to a few Kilowatts can be easily damaged or destroyed.
  • US 2012/045169 A1 describes a method and an apparatus for forming an optical fiber array assembly, comprising: providing a plurality of optical fibers including a first optical fiber and a second optical fiber, providing a fiber array plate which has a first upper surface and a second surface, connecting the plurality of optical fibers to the first surface of the fiber array plate, transmitting a plurality of optical signals through the optical fibers into the fiber array plate on the first surface of the fiber array plate, and emitting a composite output beam with Light of the plurality of optical signals from the second surface of the fiber array plate.
  • the majority of the optical fibers are butt welded to the first surface of the fiber array plate.
  • the disadvantage of connecting the open end of at least one glass fiber to an optical element of a fiber exit optic is that both when gluing using an additional adhesive and when fusing or welding the materials of the glass fiber and the optical element, there is material between the open end the glass fiber and the entrance surface of the optical element can get. This can lead to interference in the coupling or transmission of the signal light radiation from the core of the glass fiber into the optical element at its entrance surface.
  • the open end is butted onto the entry surface of the optical ele mentes and connected to one another in a materially bonded manner by gluing using an additional adhesive or by fusing or welding the materials of the glass fiber and the optical element, only one can be comparatively mechanically weak connection between tween the open end of the glass fiber and the optical element at its entrance surface can be achieved.
  • the alignment of the open end of the glass fiber with respect to the entry surface of the optical element can also differ in the case of uneven bonding or welding against the butt, i.e. vertical th, change placement, which has a corresponding effect on the propagation of the signal light of the glass fiber through the optical element and even lead to the manufactured component being unusable.
  • a further disadvantage is that the entry surface and other surfaces of the optical element on the outside of the sen exit surface can be optically roughened. This can be used to reduce stray light radiation in the optical element, for example from the cladding of the glass fibers or reflected signal light radiation from the exit surface of the optical element, to be extracted from the optical element or diffusely reflected.
  • the reduction of such stray light radiation can be absolutely necessary for the implementation of the respective application or the reduction of the susceptibility of the laser system to interference, particularly with higher optical powers. If the open end of the glass fiber is placed on such an optically roughened entry surface and there is a materially bonded edge there, the transition of the signal light radiation from the core of the glass fiber into the optical element can also be impaired by the roughened surface.
  • the impairments can, for example, have a significant effect on the signal transmission at the connection point, the beam quality or the polarization of the signal light radiation.
  • the complete optical element as a fiber arrangement (fiber array plate) and the connected laser systems can be destroyed. If, therefore, the roughened entry surface is dispensed with, the advantages of a roughened surface cannot be used, at least for the entry surface of the optical element.
  • a spatially as compact as possible arrangement of several glass fibers in the area of the fiber exit element should be made light.
  • the highest possible mechanical stability of the connection between the glass fiber or glass fibers and the optical element of the fiber exit element should be achieved.
  • a transition of the signal light from the glass fiber into the optical element of the fiber exit element should be achieved that is as undisturbed as possible.
  • the design options for several glass fibers in the area of the fiber exit element should be increased. At least an alternative to known fiber exit elements should be created.
  • the present invention thus relates to a fiber exit element with a plurality of glass fibers each with at least one core, which is each designed to guide signal light radiation, which can in particular be laser radiation.
  • the fiber exit element can also be referred to as a signal light radiation exit, as a fiber exit optics or as a fiber array.
  • the fiber outlet element also has at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter or an optical prism, which is connected and formed with an open end of the cores of the glass fibers, the signal light radiation from the open To obtain ends of the cores of the glass fibers and to deliver them to the outside as exit radiation via at least one exit area.
  • each of the glass fibers has at least two ends, one end of which, as described above, is connected to the same optical element together with the corresponding ends of the remaining glass fibers.
  • the fiber exit element is characterized in that the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the open ends of the sheaths of the glass fibers that essentially surround the cores, each have a penetration depth, preferably opposite an entry surface of the optical element, within the material of the optical Element are arranged, wherein at least the material of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the material of the open ends of the cladding of the glass fibers, is fused to the material of the optical element.
  • the open ends of at least the cores of the glass fibers and preferably also their sheaths are arranged within the material of the optical element and there connected and held with the material of the optical element by fusing the materials together.
  • the optical properties of the signal light radiation can be retained when the signal light radiation passes from the respective core of the glass fiber into the optical element.
  • the mechanical stability of the connection of the open ends of the glass fibers or their cores or their sheaths with respect to the optical element can also be improved in this way.
  • the optical element also serves for beam shaping of the exit radiation or the exit beam combined therefrom.
  • the material of the optical element can be melted at least in this area by heating, so that the open ends of the glass fibers are immersed in the melted material of the optical element and the melted material of the optical element then cools down or solidifies again can.
  • the depth of penetration of the glass fibers into the material of the optical element can be selected depending on the application in such a way that the properties and advantages described above can be achieved depending on the materials and shapes of the glass fibers and the optical element.
  • the depth of penetration of the glass fibers into the material of the optical element can be understood vorzugswei se relative to an entrance surface of the optical element, the entrance surface of the optical element being that outer surface of the optical element via which the glass fibers reach the optical element and in its material penetration.
  • the optical properties of the exit rays which can also be viewed as a combined exit ray, can also be influenced by means of the penetration depth.
  • the depth of penetration is dimensioned such that the open end is arranged within the material of the optical element and perpendicular to the elongate Chen extension direction of the glass fibers is laterally enclosed.
  • the depth of penetration is preferably at least as great as the diameter of the core, preferably of the cladding, of the open end of the glass fibers and / or or deeper than the maximum structure depth of an optically rough or optically roughened surface.
  • the optical element is connected in the region of an entry surface with at least some, preferably with all, open ends of the cores of the glass fibers, preferably also with the open ends of the sheaths of the glass fibers that essentially surround the cores, the optical Element from the entry surface to the exit surface is at least partially formed, preferably completely, preferably step-shaped or continuous, increasingly widening.
  • the entry area of the optical element is smaller than its exit area or the cross section of the optical element increases from the entry area to the exit area.
  • the transition from the entry surface to the exit surface can be straight or even step-shaped, for example in the form of rectangular steps but also as a wave shape.
  • interference radiation within the optical element comes into contact more frequently with the side surface or jacket surface or with the side surfaces or jacket surfaces of the optical element, whereby the extraction of the interference radiation out of the optical element can be improved.
  • the entry surface of the optical element can be reduced and thereby adjusted to the surface of the previously melting glass fibers, whereby the volume can be reduced, which is to be heated on the part of the optical element for melting. This can simplify, accelerate and / or reduce the energy required here for the merging.
  • material for forming the optical element can also be saved and / or the space required for the optical element can be kept small. This also makes it possible to provide options for influencing the propagation of the signal radiation within the optical element as well as the exit radiation.
  • the entry face and the exit face of the optical element are aligned parallel or at an angle to one another.
  • the propagation of the signal radiation within the optical element and the exit radiation can be influenced.
  • a parallel alignment of the entry surface and the exit surface of the optical element can simplify the production of the optical element and thereby reduce its costs.
  • By aligning the exit surface at an angle with respect to the entrance surface of the optical element back reflections of the signal light radiation from the optical element can be reduced back into the glass fibers. be adorned.
  • the exit radiation at the exit surface of the optical element can also be specifically deflected and the length of the respective beam path can be influenced.
  • At least the entrance surface of the optical element preferably all outer surfaces of the optical element except the exit surface of the optical element, are optically roughened and at least the exit surface of the optical element, preferably precisely the exit surface of the optical element, is with optically smooth surface quality.
  • An optically roughened surface can for example be done by means of machining with a mechanical tool such as grinding, but also by means of a laser beam as a tool.
  • An optically smooth surface can also take place by means of machining with a mechanical tool such as, for example, by polishing, but also by means of a laser beam as a tool.
  • An optically smooth surface quality is given if the necessary optical properties can largely be obtained for the respective application at the corresponding wavelength or in the corresponding wavelength range of the signal light radiation when exiting the exit surface or a corresponding optical coating can be applied professionally .
  • the scratch-dig specification of the MIL-PRF-13830B standard is often used to evaluate the surface quality.
  • An optically roughened surface of the optical element can be advantageous for its outer surfaces, apart from the exit surface, in order to allow interfering radiation to exit the optical element and thereby reduce the volume of the optical element.
  • Such stray light can be cladding light from the cladding of the glass fibers.
  • the signal radiation can also be reflected on the side surfaces of the optical element.
  • signal light radiation can be partially reflected in the optical element on the exit surface in the form of interference light.
  • signal light radiation can reach the optical element again by reflection from the outside, for example from the processing or application location of the signal light radiation.
  • an optically roughened surface can be advantageous to reduce the said stray light radiation in the optical element and thus to ensure a safe operating state.
  • the optical element preferably an entry surface of the optical element, has at least one depression with a depth, at least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the material of the cores in the Substantially enclosing sheaths of the glass fibers with the depth of penetration opposite the recess are arranged within the material of the optical element.
  • the open ends of the glass fibers can be introduced deeper into the material of the optical element in this way without increasing the penetration depth.
  • the depth of the recess of the entry surface of the optical element is for example by a previous laser processing or milling provided so deep that the open ends of the glass fibers can also be introduced into the material of the optical element by the depth of penetration, for example by melting.
  • the total distance between the open ends of the glass fibers relative to the entry surface of the optical element is thus obtained from the addition of the depth of the recess and the depth of penetration and can accordingly be easily increased.
  • At least one exit surface of the optical element has, at least in sections, preferably over the entire surface, an optical coating, preferably an optical anti-reflection coating.
  • an optical coating preferably an optical anti-reflection coating.
  • At least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers have at least one cladding which essentially surrounds the core, with at least one pump light trap, preferably as depressions, in the material of the fiber in the area of the fiber exit element
  • Cladding of the glass fiber is designed to conduct clad light from the cladding of the glass fiber to the outside of the glass fiber.
  • a pump light trap can also be referred to as a jacket light remover or a cladding light stripper.
  • the fiber exit element has at least one tensioning element in the region of the fiber exit element, which is designed to apply mechanical tension, preferably in the form of tensile forces, compressive forces, bending forces and / or shear forces, to at least the core of a, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers, preferably and on a sheath of the glass fiber that essentially encloses the core, over a predetermined section of the elongate extent of the glass fibers.
  • mechanical tension preferably in the form of tensile forces, compressive forces, bending forces and / or shear forces
  • the area of the fiber exit element comprises at least the area, for example, inside a housing of the fiber exit element and also an area outside the housing of the fiber exit element directly adjoining this.
  • the open end of the core is at least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers opposite an entry surface of the optical element at least at a first angle, the first angle being 90 ° or different from 90 °, the open ends of the cores of some, preferably all, of the glass fibers preferably having the same first angle or different first angles.
  • the directions of propagation of the signal radiation within the optical element can be influenced by the orientation of the open ends of the glass fibers relative to the entry surface of the optical element.
  • a vertical arrangement of the glass fibers opposite the entry surface can simplify production. By aligning the glass fibers at an angle with respect to the entry surface, the propagation of the signal light radiation can be designed accordingly. In particular, the optical path which the signal radiation traverses within the optical element can be increased without having to enlarge the optical element for this purpose.
  • the open end of the core is at least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers opposite an entry surface of the optical element's further arranged at a second angle, the second angle being 90 ° or different to 90 °, wherein preferably the open ends of the cores of some, preferably all, of the glass fibers have the same second angle or different second angles and / or wherein preferably the first angle and the second angle are the same or different.
  • the two angles are preferably oriented perpendicular to one another. This can further increase the design options.
  • At least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers preferably also the open ends of the sheaths of the glass fibers that essentially surround the cores, each have the same penetration depth or each have a different penetration depth within the material of the optical element arranged.
  • Using the same depth of penetration can simplify manufacture.
  • the exit radiation or a combined exit beam can be influenced in its optical properties.
  • the signal light radiations from the individual glass fibers can pass through optical paths of different lengths there due to their different depths of penetration into the optical element and thus have different optical properties such as different beam diameters at the exit surface of the optical element.
  • At least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers can be aligned around the axis of their longitudinal extension and is arranged in a preferred alignment.
  • at least one of the glass fiber It is not designed to be rotationally symmetrical but has the possibility, for example due to its cross-section, for example as an angular cross-section, to be oriented differently with respect to the optical element by rotation or by orientation around the axis of its elongated extent. This can additionally or alternatively also be the case with polarization-maintaining glass fibers and / or with glass fibers with stress cores.
  • the alignment allows specific optical properties of the signal output radiation to be achieved, which can increase the design options for the output radiation.
  • At least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers are arranged linearly, V-shaped, circular, semicircular, arc-shaped, bundle-shaped, hollow-cylindrical or rectangular. This can increase the design options for the emissions.
  • At least the open end of the core of one of the glass fibers is arranged forming a center point of a circle, at least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers being arranged in a circle around the center point of the circle, preferably at least a radially inner circle and a radially outer circle are formed who and or wherein preferably all of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably all of the sheaths of the glass fibers which essentially surround the cores, are arranged equally or differently spaced from one another or in contact with one another. In this way, a correspondingly shaped combined beam of the output radiation can be achieved.
  • the fiber types, shapes and diameters can vary within the fiber exit element.
  • At least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably all of the sheaths of the glass fibers which essentially surround the cores, are spaced apart equally or differently or are in contact with each other. This can increase the design options for the emissions.
  • At least some, preferably all, of the cores of the glass fibers, preferably and / or some, preferably all, of the cores essentially surrounding the sheaths of the glass fibers, at least in the area of the fiber exit element have a constant direction of extent in their elongated direction or different diameters and / or a constant or different cross-section. This can increase the design options for the output radiation.
  • the diameter of the glass fibers or their sheaths can be specifically reduced by etching before the welding process, so that, for example, the cores of the glass fibers in the optical element can be brought closer to one another.
  • the diameter of the individual Glass fibers are reduced, which can also lead to the geometric advantages described above.
  • the mode field diameter of the signal can be modified before the welding process in order to achieve the desired properties of the combined exit beam.
  • At least some, preferably all, of the cores of the glass fibers preferably and / or some, preferably all, of the cores essentially surrounding the sheaths of the glass fibers, the same or different materials and / or the same or different diameters and / or the same or different cross-sections, preferably circular, rectangular, square or octagonal.
  • This preferably also includes the fact that single-mode glass fibers, large-mode area glass fibers, multi-mode glass fibers, polarization-maintaining glass fibers, photonic crystal glass fibers and multicore glass fibers can be used. This can increase the design options for the output radiation.
  • the present invention also relates to a method for producing a fiber exit element, preferably as described above, with at least the following steps:
  • At least one optical element preferably an optical window, egg ner optical lens, an optical beam splitter or an optical prism, which is designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and as exit radiation via at least one exit surface submit outside,
  • the method has at least the further step:
  • At least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers has at least one sheath which essentially surrounds the core, the method having at least the further step:
  • the method has at least the further step:
  • a mechanical tension preferably in the form of tensile forces, compressive forces, bending forces and / or shear forces, on at least the core of one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers , preferably and on at least one cladding of the glass fiber that essentially surrounds the core, over a predetermined section of the elongated extent of the glass fiber.
  • the method has at least the further step:
  • the method has at least the further step:
  • the present invention also relates to a processing device for producing a fiber outlet element, preferably as described above, preferably by means of a method as described above, with at least one receiving unit for receiving a plurality of glass fibers, each with at least one core which is designed to carry signal light radiation to lead, at least one receiving unit for receiving at least one optical element, which is designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and emit it as exit radiation via an exit surface to the outside, and at least one first processing beam source, preferably a first laser beam source , particularly preferably a first CO 2 laser beam source, which is designed to generate a first machining beam and directly or indirectly by means of a first movable alignment element, preferably by means of a first pivotable mirror to be directed at a processing zone of the optical element, to move in the processing zone and to heat the processing zone of the optical element such that the material of the optical element at least in the processing zone has sufficient flowability to the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the
  • a processing device can be created in order to be able to produce fiber exit elements, preferably as described above, with the highest possible degree of mechanical support or automation. This can increase the quality of the manufactured products and / or reduce their costs.
  • heating or melting the processing zone of the optical element at least essentially and preferably exclusively by means of the first processing beam and accordingly hardly or not at all heating the glass fibers or their open ends by means of the first processing beam can be advantageous in that the comparatively Filigree glass fibers can thereby be protected and kept as unchanged as possible in the optical element.
  • the processing device has at least one second processing beam source, preferably a second laser beam source, particularly preferably a second CO 2 laser beam source, which is designed to generate a second processing beam and directly or indirectly by means of a second movable alignment element, preferably by means of a second pivotable mirror to be directed at a processing zone of the optical element and to move in the processing zone so that the heating of the processing zone of the optical element can be done jointly by the first processing beam and the second processing beam.
  • a second laser beam source particularly preferably a second CO 2 laser beam source
  • the first machining beam source preferably and the second machining beam source
  • the first machining beam source are formed directly or indirectly by means of the first movable alignment element, preferably and by means of the second movable alignment element, the first machining beam, preferably and the second machining beam, onto the material of the To align the cladding of the glass fiber in the area of the fiber exit element, so that at least one pump light trap, preferably as depressions, can be formed in the material of the cladding of the glass fiber in order to conduct clad light from the cladding of the glass fiber to the outside of the glass fiber.
  • a pump light trap by means of the processing device according to the invention can be implemented, which can keep the manufacturing cost of the fiber exit element with pump light trap low.
  • the pumping light trap in the area of the fiber exit element in particular in addition to at least one pumping light trap in the preceding course of the glass fibers outside the area of the fiber exit element, clad light or the remaining clad light can be removed from the cladding immediately in front of the fiber exit element and thus the penetration of clad light into the fiber exit element can be avoided which can otherwise lead to the development of interfering light signals within the fiber exit element. Reverse clad light coming from the optical element can also be reduced.
  • the receiving unit for receiving at least the glass fibers and / or the receiving unit for receiving at least the optical element is or are arranged and / or pivotably movable so that the open ends of the cores of the glass fibers are opposite an entry surface of the optical element can be aligned at least at a first angle, preferably also at a second angle, wherein the first angle, preferably and / or the second angle is 90 ° or different from 90 °, the first angle and the second angle preferably being the same or different.
  • a corresponding alignment can be made on the part of the processing device.
  • the processing device has at least one first image acquisition unit, preferably a first area camera, which is designed to hold the optical element received in the receiving unit from the side of the receiving unit for receiving at least the glass fibers or from that of the receiving unit for receiving at least the side facing away from the glass fibers optically at least in the area of the processing zone, the processing device preferably also has a second image capturing unit, preferably a second area camera, which is designed to at least imply the optical element received in the capturing unit from the side opposite the first image capturing unit Visually capture the area of the processing zone.
  • This can, for example, enable a person to at least check the arrangement or the alignment of the glass fibers with respect to the optical element.
  • the receiving unit for receiving at least the glass fibers is perpendicular and / or rotational to their direction of movement and / or the receiving unit for receiving at least the optical element is perpendicular and / or rotational to their direction of movement movable so that the open ends of the cores of the glass fibers and the processing zone of the optical element can be aligned with one another.
  • a corresponding alignment can also be carried out on the part of the processing device.
  • the processing device preferably a control unit of the processing device, is designed, the open ends of the cores of the glass fibers and the processing zone of the optical element depending on at least one captured optical image of the first image capture unit, preferably also the second image capture unit, automatically tig to align with each other. This can enable automation of the corresponding process.
  • the processing device has at least one alignment unit, preferably a translationally and rotationally movable gripper, which is designed to have at least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers together or independently of one another around the axis of their align elongated extent with respect to the optical element's rule.
  • the processing device is able, by means of at least one alignment unit, to grip at least one glass fiber, for example in the area of its coating, and to rotate it about its longitudinal axis, so that a predetermined alignment of the glass fiber can take place.
  • the alignment unit can reach individual or several glass fibers one after the other and align them in this way.
  • the alignment unit can be translated into Risch in one spatial direction and preferably in a plane perpendicular to the elongate direction of the glass fiber are moved and positioned. This can be implemented, for example, by means of a corresponding gripper.
  • non-rotationally symmetrical glass fibers can be oriented differently with respect to the optical element by rotating or by aligning them around the axis of their elongated extent, which, for example, in polarization-maintaining glass fibers and / or in glass fibers with stress cores, allows the optical properties of the signal output radiation to be influenced can, as previously described.
  • the processing device has at least one temperature detection unit, preferably an infrared area camera, which is designed to measure a temperature of the optical element received in the receiving unit from the side of the receiving unit for receiving at least the glass fibers at least in the area of To capture processing zone. This can at least make it possible to monitor the process of heating the processing zone.
  • at least one temperature detection unit preferably an infrared area camera, which is designed to measure a temperature of the optical element received in the receiving unit from the side of the receiving unit for receiving at least the glass fibers at least in the area of To capture processing zone. This can at least make it possible to monitor the process of heating the processing zone.
  • the processing device preferably a control unit of the processing device, is designed to generate, preferably at least the power, and / or the positioning of at least the first processing beam, preferably also the second processing beam, depending on the Temperature detection unit to control and / or regulate detected temperature.
  • the heating or melting of the processing zone can take place in a temperature-controlled or temperature-controlled manner. On the one hand, this can avoid unnecessary heating of the processing zone. On the other hand, this ensures sufficient heating of the processing zone before the open ends of the glass fibers are moved into the processing zone. This can improve the quality of the fiber outlet elements produced and / or reduce the reject rate of faulty fiber outlet elements.
  • the processing device has at least one cooling unit which is designed to cool the optical element accommodated in the receiving unit at least substantially outside the area of the processing zone, the cooling unit preferably having an air fan which is designed to have a To direct air flow on the receiving unit for receiving at least the glass fibers facing away from the optical element.
  • the heating of the optical element outside the processing zone can be reduced.
  • optical glass fibers are typically used today to generate laser radiation or to transport laser radiation (beam delivery) from the laser to the place of use.
  • This can be, for example, single or multi-mode glass fibers, polarization-maintaining glass fibers (PM) or photonic crystal glass fibers as well as hollow-core glass fibers - to name just a few examples of the types of glass fiber available on the market.
  • the optical components according to the invention and methods for producing these components therefore relate to the full range of fiberglass types available on the market. Even if the main area of application relates to glass fibers, polymer fibers or fibers made of other materials, for example so-called soft glass fibers for the middle IR range, can also be used for this application (s).
  • several glass fibers can be welded (spliced, fusion splicing) to an optical element in any arrangement (see, for example, FIG. 1).
  • welding one realizes a monolithic optical component, which is especially suitable for medium and high optical powers and at the same time in a compact form a fiberglass-based formation (usually spatial) of energy radiation, preferably laser radiation in a rough industrial environment or in a Area with high security aspects, such as in medical technology, or in an application area with extremely high temperature requirements.
  • energy radiation preferably laser radiation in a rough industrial environment or in a Area with high security aspects, such as in medical technology, or in an application area with extremely high temperature requirements.
  • other connection techniques could also be used.
  • the penetration depth of the optical glass fibers into the optical element can be adjusted depending on the application. It is also possible for the glass fibers to penetrate the optical element to different depths (z-direction in FIG. 1) when they are connected to the optical element, or for individual or all glass fibers to be inserted extra deep into the optical element through bores or other aids . In addition, individual glass fibers or all glass fibers can be connected to the optical element at a certain angle ⁇ (see, for example, FIG. 1). This also applies to the angle, not shown in FIG. 1, in the z-y plane.
  • FIG. 1 An exemplary structure of such an optical component for combining and shaping energy radiation, preferably laser radiation, is shown in FIG.
  • laser beam sources or other beam sources coherent or incoherent, possibly polarization-maintaining, possibly pulsed
  • the electromagnetic radiation from several laser sources or other radiation sources can be transported to the place of use.
  • the beam sources or the power components in the optical glass fibers can be operated simultaneously, staggered in time or with a time modulation of the individual power components in the optical glass fibers that makes sense for the process.
  • the beam sources can be of identical construction or differ, for example, in terms of polarization, wavelength or optical pulse length.
  • the laser or any other light source can work continuously or pulsed.
  • the glass fibers 1 to n can also be used for the coherent or incoherent combination of laser beam sources. Depending on the application, there are numerous possible variations based on the available properties of the laser systems or other available light sources.
  • the optical element can be, for example, an optical window with or without an optical coating or a lens and an optical beam splitter, to name just a few examples of optical elements.
  • the optical element can also consist of a multiplicity of individual optical elements, for example an array of microlenses or a flexible material (for example polymer) with useful optical properties for the respective application.
  • the optical element can also consist of different materials or vary in its material properties over its dimension (x, y and z direction, see for example FIG. 1), for example by partially doping the optical element. If the optical element consists of different materials, these can be glued, welded or bonded.
  • the optical element fulfills the following important properties in particular at least partially or completely:
  • Modification of the optical property for example beam shape, individual or all beam sources 1 to n before reaching the place of use;
  • the optical element can have a significantly larger size and almost any design and can thus be suitably well supported in mechanical holders.
  • the arrangement of the glass fibers on / on the optical element can be carried out in any way, depending on what the specific application requires.
  • Some exemplary embodiments of the arrangements of the glass fibers on or on the optical element are shown in FIGS. 2 to 6.
  • FIGS. 2 to 6 show by way of example that the targeted arrangement of the glass fibers on or on the optical element results in 1- or 2-dimensional fiber arrays.
  • the third dimension can be used by varying the depth of the glass fibers (z-direction).
  • the glass fibers can be in direct glass-to-glass contact (without spacing) or have a defined spacing.
  • the distance between the glass fibers on or on the optical element can vary from glass fiber to glass fiber - in both dimensions (x direction and y direction, see, for example, FIG. 1).
  • the diameter of the individual glass fibers can be reduced by etching the glass fibers and thus the distance between the glass fibers can be reduced.
  • the glass fibers or individual glass fibers can be tapered in diameter before the welding process on / onto the optical element.
  • the glass fibers or individual glass fibers can be arranged in any desired arrangement before the welding process on / onto the optical element (for example a fiber bundle) are already laterally welded ("fiber fusion"). The manufacturing steps of tapering and welding the glass fibers as a preliminary process before the actual connection of the glass fibers to the optical element can be combined as desired.
  • the glass fibers can have different diameters (typically approx. 80 ⁇ m to approx. 1.5 mm) and cross-sections, for example round, rectangular and octagonal. Due to the spatial arrangement of the individual glass fibers 1 to n (see for example Figure 1) on / on the optical element, a defined beam shape can be achieved for a specific application after the optical element (at the place of use), for example a line, a circle, a semicircle, a hollow cylinder or a V-shape.
  • the beam shape and other properties of the radiation source can also be varied depending on various process parameters.
  • the radiation can be controlled or regulated at the place of use.
  • the beam diameter of the energy beam preferably the laser beam
  • the beam diameter at the point of use is very small. If radiation is emitted from the glass fibers of the first ring, the beam diameter increases. The max.
  • Beam diameter is achieved as soon as the glass fibers emit radiation from the second ring of the optical element's rule. This can now be used as desired in the production process, for example in laser welding or laser cutting, by means of a control or regulation.
  • the temporal beam shaping or laser beam shaping could thus take place in the microsecond or millisecond range.
  • the optical component in FIG. 1 is particularly characterized by the fact that its structure allows the compact combination and shaping of optical radiation with optical glass fibers for medium and higher optical powers (typically greater than approx. 1 W to a few 10 kW).
  • the optical component is also characterized in particular by the fact that many glass fibers can be converted into a highly stable monolithic component in a very compact space in any shape or arrangement with the aid of an optical element, for example by welding the glass fibers to the optical element can transport, combine and shape optical radiation with high powers (up to a few 10 kW) in a very small space, usually approx. 100 ⁇ m to approx. 10 mm.
  • the optical component as shown by way of example in FIG. 1, enables targeted radiation shaping required for the site of use and / or the control or regulation of other optical properties in a very small space. Due to the monolithic and thus highly stable design of the optical component with fiber-based radiation feed, the component can, for example, be used excellently on a robot arm for laser production. The robot arm can move at high speeds and accelerations without influencing the light guidance and beam shaping.
  • the processing device shown in FIG. 13 can be used to produce the optical elements described above, as shown by way of example in FIG.
  • the processing device has at least one radiation source, for example in the form of a laser beam source, which can emit a directed energy beam in the form of a laser beam.
  • the laser beam can optionally be focused or defocused by a lens (not shown) and deflected around two axes by a pivotable deflection element in the form of a pivotable mirror (see FIG. 13).
  • the energy beam or the energy beams can, depending on the application, under any technical meaningful angle impinge on the optical element.
  • the diameter of the laser beam on the optical element can vary depending on the application and is usually a diameter (Gaussian beam 1 / e2) of approx. 100 ⁇ m to a few millimeters. In some applications, the laser beam diameter can be made significantly larger.
  • the energy radiation is partially or completely absorbed by the glass fibers and / or by the optical element. This results in the heating necessary for the welding process.
  • a targeted temporal and spatial shaping of the welding zone for the welding (splicing) of individual glass fibers or any fiber arrangements as exemplified in Figures 2 to 6 can be realized.
  • the welding zone can thus be realized, for example, round, square, V-shaped or ring-shaped.
  • the welding zone can be adapted to the glass fiber arrangements shown in FIGS. 2 to 6 for the welding process.
  • the deflection element can optionally be controlled electrically or electromagnetically (for example via a galvanometer scanner).
  • the heat radiation emitted from the welding zone can be recorded with a sensor and used to regulate or control the laser power and the deflection unit or other process variables.
  • the process temperatures can be recorded with a pyrometer or thermal imaging camera, for example.
  • the optical element can also be moved translationally and rotationally.
  • the glass fibers are immersed individually, in specific packages or all together in the optical element along the direction of movement (see FIG. 13).
  • the glass fibers can be in direct lateral contact or have a certain distance. The distance from fiber to fiber can also vary.
  • individual glass fibers or all glass fibers can be welded to the optical element at a certain angle.
  • the energy beam or laser beam is usually switched off.
  • the depth of immersion of the glass fibers in the optical element is usually a few ⁇ m to a few 10 ⁇ m, but can also be significantly greater than 100 ⁇ m for special applications.
  • the optical element During the welding process, usually only the optical element is heated by energy radiation. The glass fibers are therefore not directly irradiated with energy rays.
  • the large optical element serves as a heat store and heats the glass fibers sufficiently before they are immersed in the optical element. In order to fully materialize this welding process, process temperatures, immersion speeds of the glass fibers and other process parameters must be controlled very precisely. Should the temperature of the optical element experience excessive cooling during the immersion process of the glass fibers in the area of the welding zone, the optical egg can ment can also be heated with energy radiation during the immersion process of the glass fibers.
  • the energy radiation is directed onto the optical element in such a way that the optical element can be further heated or reheated without directing the energy radiation to the glass fibers.
  • the glass fiber arrangements that allow the glass fibers and the optical element to be simultaneously exposed to energy during the welding process.
  • the exclusive heating of the optical element with energy radiation i. the glass fiber is not irradiated with energy and thus heated, and is also of great technological relevance when welding temperature-sensitive individual glass fibers (for example hollow core glass fibers, photonic crystal glass fibers).
  • this approach can also be relevant when welding glass fibers with a low melting point (soft glass fibers) or when welding different materials. In this way, welded connections can be achieved which can hardly or not at all be realized with the energy irradiation methods described in the literature, that is, the simultaneous irradiation of glass fibers and optical element.
  • the CO 2 laser has proven to be particularly advantageous in practice due to the good absorption of the laser radiation (about 10 ⁇ m wavelength) in quartz glass and the comparatively inexpensive acquisition.
  • the laser radiation used for the processing device can be optimized for the particular application in terms of wavelength, polarization, pulse length and other optical properties.
  • the optical element in FIG. 13 could also be implemented by energy radiation, preferably laser radiation, from the side or from below (potentially from all spatial directions) from a combination of the variants described.
  • Several laser beam sources with different optical properties can also be used to heat the optical element and, if necessary, the glass fibers.
  • the first and second cameras can be used to position the glass fibers and the optical element or the optical elements, to check the quality of the welded connection during and after the process and to control or regulate the welding process (see FIG. 13).
  • the cameras can work in the visible wavelength range (VIS) and / or in the infrared wavelength range.
  • FIG. 13 shows a typical but not mandatory arrangement of the camera systems. It is also possible to use more than two cameras at other positions to position the glass fibers and the optical element or the optical elements, to check the quality of the welded connection during and after the process and to control or regulate the welding process.
  • the cameras can of course be equipped with appropriate lenses or objective lenses depending on the desired optical image.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fiber exit element according to the invention from the
  • FIGS. 2 to 6 show schematic representations of different arrangements of glass fibers from above;
  • Figure 7 to 11 schematic representations of different arrangements of glass fibers with different optical elements from the side;
  • FIG. 12 shows the representation of FIG. 1 with the housing
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a machining device according to the invention from the side.
  • a longitudinal direction X extends, which can also be referred to as depth X or length X. At right angles to the longitudinal direction X it extends a transverse direction Y, which can also be referred to as the width Y.
  • a vertical direction Z which can also be referred to as the height Z, extends perpendicular to both the longitudinal direction X and the transverse direction Y.
  • the longitudinal direction X and the transverse direction Y together form the horizontal X, Y, which can also be referred to as the horizontal plane X, Y.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fiber exit element 1 according to the invention from the side.
  • the fiber exit element 1 can also be referred to as a signal light radiation output 1, a fiber exit optics 1 or a fiber array 1.
  • the fiber exit element 1 has a plurality of glass fibers 10, each of which has a core 10a, which is each surrounded by a jacket 10b and the jacket 10b by a coating 10c cylin drical.
  • the cross-sections or the contours of the cores 10a, the jackets 10b and the coatings 10c are each circular.
  • the glass fibers 10 end in the vertical direction Z at a common, same height, each with an open end 11.
  • the cores 10a and the sheaths 10b of the glass fibers 10 extend equally far and end together at the respective open end 11
  • the coatings 10c are each spaced in the vertical direction Z at the same height from the open ends 11 of the glass fibers 10.
  • the fiber exit element 1 also has an optical element 14, which can also be referred to as an optical window 14, an optical lens 14, an optical beam splitter 14 or an optical prism 14.
  • the optical element 14 is designed, for example, in the shape of a cuboid according to FIG. 1 and has an entry surface 14a pointing upwards in the vertical direction Z and an exit surface 14b facing downwards on the opposite side.
  • the four sides of the cuboid optical element 14 are formed by the side surfaces 14c.
  • On the underside of the optical element 14 is an optical See coating 15 in the form of an anti-reflection coating 15 applied over the whole area, which can be assigned to the optical element 14, so that the exit surface 14b of the optical element 14 coincides with the underside or outside of the anti-reflection coating 15.
  • the open ends 11 of the cores 10a and the sheaths 10b of the glass fibers 10 are arranged with a penetration depth W opposite the entry surface 14a of the optical element 14 within the material of the optical element 14.
  • the materials of the cores 10a and the cladding 10b of the glass fibers 10 have been fused with the material of the optical element 14, as will be described in more detail below.
  • signal light radiation A for example in the form of laser light radiation A
  • the signal light radiation A introduced into the optical element 14 can pass through this and emerge to the outside as exit radiation A 'via the exit surface 14b of the optical element 14.
  • the exit beams A 'can thereby also form a combined exit beam.
  • the mechanical stability of the material connection between the glass fibers 10 and the optical element 14 can also be improved as a result.
  • the glass fibers 10 are aligned perpendicular to the entry surface 14a of the optical element, so that both a first angle ⁇ and a second angle ⁇ , see FIG. 10, are 90 °.
  • the jackets 10b of the glass fibers 10 each have a pump light trap 12 in the area in which the coatings 10c have been removed, which can also be referred to as a jacket light remover 12 or a stripping element 12 and is designed in the form of annular depressions 12.
  • a jacket light remover 12 or a stripping element 12 By aligning the annular recesses 12 perpendicular to the direction of propagation of the signal light rays A or the elongated direction of extension of the glass fibers 10, disturbing sheath light can be decoupled from the sheaths 10b of the glass fibers 10 to the outside immediately before reaching the optical element 14. In this way, the entry of interference radiation from the part of the light into the optical element 14 can be avoided. Reverse clad light coming from the optical element can also be reduced.
  • a tension element 13 is arranged across all of the glass fibers.
  • a mechanical tension for example in the form of compressive forces, can be exerted on the glass fibers 10 or at least their cores 10a via the tension element 13.
  • the transmission or the optical properties of the signal light radiation A can be specifically influenced by setting the mechanical tension.
  • the side surfaces 14c and the entry surface 14a of the optical element 14 are optically roughened in order to promote the escape of interfering radiation from the optical element 14.
  • the underside of the optical element 14, which is covered by the optical coating 15, is designed to be optically smooth, in order thereby to promote the exit of the exit radiation A ′.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement of glass fibers 10 from above.
  • the cylindrical glass fibers 10 are arranged linearly in the transverse direction Y without spacing, so that the sheaths 10b of the directly adjacent glass fibers 10 touch one another.
  • the optical element 14 is rectangular or cuboid.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an arrangement of glass fibers 10 from above.
  • the optical element 14 is rectangular or cuboid.
  • the cylindrical Glasfa fibers 10 are arranged in a semicircle and are spaced from one another in the circumferential direction.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an arrangement of glass fibers 10 from above.
  • the optical element 14 is circular or cylindrical.
  • the cylindrical glass fibers 10 are arranged in a V-shape without spacing, so that the sheaths 10b of the directly adjacent glass fibers 10 touch one another.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an arrangement of glass fibers 10 from above.
  • the optical element 14 is designed to be square or cuboid.
  • a cylindrical glass fiber 10 forms the center or the axis of symmetry of a point-symmetrical circular arrangement in which several further cylindrical glass fibers 10 extend around the center in a first inner ring and in a second outer ring.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an arrangement of glass fibers 10 from above.
  • the optical element 14 is triangular.
  • a plurality of square glass fibers 10 with square cores 10a and square sheaths 10b form a rectangular arrangement.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of glass fibers 10 with an optical element 14 from the side.
  • the glass fibers 10 are arranged in the transverse direction Y in a line next to one another and apart from one another beab stood.
  • the optical element 14 widens in the vertical direction Z from the entry surface 14a to the exit surface 14c in steps along all four side surfaces 14c. As a result, the weight and the volume of the optical element 14 can be reduced.
  • the area of the entry surface 14a of the optical element 14 can also be minimized, which can promote the process of melting the material of the optical element 14.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of glass fibers 10 with an optical element 14 from the side.
  • the optical element 14 widens in this case in the vertical direction Z from the entry surface 14a to the exit surface 14c continuously and continuously increasing.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of glass fibers 10 with an optical element 14 from the side. In this case, a groove-shaped recess 17 in the transverse direction Y, which has a depth V in the vertical direction Z, was introduced into the entry surface 14a of the optical element 14.
  • the penetration depth W of the open ends 11 of the cores 10a and the cladding 10b of the glass fibers 10 in the optical element 14 thus only begins at the bottom of the recess 17, so that the open ends 11 of the glass fibers 10 opposite the entry surface 14a of the optical element 14 the sum of the depth V and the penetration depth W are spaced apart. This can increase the mechanical stability of the connection of the glass fibers 10 to the optical element 14 without having to melt the open ends 11 of the glass fibers 10 deeper into the material of the optical element 14.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of glass fibers 10 with an optical element 14 from the side.
  • the glass fibers 10 are arranged linearly in the transverse direction Y.
  • the optical element 14 has a triangular cross-section in the plane of the longitudinal direction X of the vertical direction Z, so that the exit radiation A ′ can emerge from the optical element 14 both in the longitudinal direction X to the right and obliquely to the left.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of glass fibers 10 with an optical element 14 from the side.
  • the glass fibers 10 are arranged linearly in the longitudinal direction X.
  • FIG. 12 shows the illustration of FIG. 1 with the housing 16.
  • the housing 16 can also be referred to as a housing plate 16, a frame 16, a fiber connector 16, a heat sink 16 or a frame 16.
  • the optical element 14 is held in a bow-shaped manner by a holder 16b so that the exit radiation A 'can emerge undisturbed in the vertical direction Z downwards, see FIG. 1.
  • the glass fibers 10 are removed from the by means of the tension element 13 Ge housing 16 held by the tension element 13 is glued to the housing 16 by means of adhesive.
  • the housing 16 has a plurality of fastening elements 16a in the form of through openings 16a in order to be mounted and held on a base by means of screws or the like through the through openings 16a.
  • the housing 16 can be closed accordingly by means of a cover or the like (not shown).
  • the radiation emitted via the pump light trap 12 can be received in the housing 16 together with the cover as a heat sink 16.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a machining device 2 according to the invention from the side.
  • the machining device 2 has a housing 20 which holds the components or the components of the machining device 2 and encloses a working space (not designated) in which for example, the fiber exit element 1 described above can be processed or manufactured.
  • the work space can be locked and accessible to a person, for example by means of a door or flap.
  • a movable receiving unit 21 is provided, by which several glass fibers 10 can be picked up and held preferably in the area of their coatings 10c but optionally, alternatively or additionally in the area of their sheaths 10b, for example by means of a mechanical holding element, for example as a gripper or the like, to be moved with the receiving unit 21 in at least one movement direction B in the vertical direction Z.
  • a movable receiving unit 22 is also provided, by which the optical element 14 can be received and held over its side surfaces 14c, for example by means of a mechanical holding element, for example as a gripper or the like, in order to move with the receiving unit 22 at least in one direction of movement C in vertical direction Z to be moved.
  • the machining device 2 also has a first machining beam source 23 in the form of a first CO 2 laser beam source 23, which can generate a first machining beam D in the form of a first CO 2 laser beam D.
  • the first processing beam D is directed from the first processing beam source 23 onto a first movable alignment element 23a in the form of a first pivotable mirror 23a.
  • the first movable alignment element 23a is correspondingly suspended on the housing 20 and adjustable by means of drives (not shown), so that the first processing beam D can be aligned by the first movable alignment element 23a onto the entry surface 14a of the optical element 14. This allows by means of the first. Processing beam D heated a processing zone F of the entrance surface 14a of the optical element 14 and the material of the optical Ele element 14 melted in this area and made flowable.
  • a second processing beam E in the form of a second CO 2 laser beam E can also be used in the transverse direction Y from the opposite side of the optical element 14, which is preferably generated by a second processing beam source 24 in the form of a second CO 2 laser beam source 24 can be directed to the processing zone F by means of a second movable alignment element 24a in the form of a second pivotable mirror 24a.
  • the second processing beam E can also emanate from the first processing beam source 23, for example by means of a beam splitter.
  • the processing zone F can also be referred to as the heating zone F or the welding zone F.
  • the processing device 2 can independently carry out a method for connecting the open ends 11 of the glass fibers 10 to the optical element 14 in accordance with a user-defined parameterization.
  • the glass fibers 10 in the movable receiving unit 21 and the optical element 14 in the movable receiving unit 22 wor- the machining or manufacturing process on the part of the machining device 2 can be operated in such a way that the machining zone F is heated in a flowable manner as described above.
  • the glass fibers 10 can now be unilaterally or bilaterally from their movable receiving unit 21 in the direction of movement B in the vertical direction Z downwards and / or the optical element 14 from its movable receiving unit 22 in the movement
  • the direction of travel C is moved upward in the vertical direction Z so that the open ends 11 of the glass fibers 10 in the area of the processing zone F can penetrate into the flowable material of the entry surface 14a of the optical element 14 at the predetermined penetration depth W.
  • the heating of the processing zone F by means of the two processing beams D, E can have ended beforehand or can continue.
  • the heating of the machining zone F can be ended.
  • the heating of the processing zone F can be ended before the penetration depth W is reached.
  • the flowable material of the entry surface 14a of the optical element 14 can in any case also melt the materials of the cores 10a and the cladding 10b of the glass fibers 10 in the area of the open ends 11 and thereby form a material bond when cooling.
  • the processing device 2 also has a first image acquisition unit 25 in the form of a first area camera 25, which is arranged in the vertical direction Z centrally below the optical element 14 and is aligned with the exit surface 14b of the optical element 14. Furthermore, the processing device 2 has a second image acquisition unit 26 in the form of a second area camera 26, which is aligned at the height Z obliquely from above onto the processing zone F of the entry surface 14a of the optical element 14.
  • a person as a user can optically monitor the glass fibers 10 and the optical element 14 before, during and after the connection process described above.
  • Y can simultaneously align the open ends 11 of the glass fibers by means of the two image acquisition units 25, 26 10 with respect to the optical element 14 by the user or automatically automatically by the processing device 2.
  • the processing device 2 also has an alignment unit 29 in the form of a translationally and rotationally movable gripper 29, which grips exactly one of the glass fibers 10 independently of the other glass fibers 10 in the area of its coating 10c and around the axis of its elongated extent relative to the optical element 14 can align. Between the individual glass fibers 10, the gripper 29 can be moved in the transverse direction Y and in the longitudinal direction X in order to reach and align each glass fiber 10. This allows a predetermined alignment for each glass fiber 10 device can be made possible with respect to the optical element 14, whereby, for example, in polarization-maintaining glass fibers 10 and / or in glass fibers 10 with stress cores, the optical properties of the signal output radiation can be influenced.
  • an alignment unit 29 in the form of a translationally and rotationally movable gripper 29, which grips exactly one of the glass fibers 10 independently of the other glass fibers 10 in the area of its coating 10c and around the axis of its elongated extent relative to the optical element 14
  • the processing device 2 also has a temperature detection unit 27 in the form of an infrared area camera 27, which is likewise aligned in the flea Z obliquely from above onto the processing zone F of the entry surface 14a of the optical element 14.
  • the temperature detection unit 27 can be used to monitor the heating of the processing zone F, for example on the part of the person.
  • the temperature detection unit 27 can, however, also be used by the processing device 2 to perform the previously described process of heating the processing zone F and / or the previously described process of dipping the open ends 11 of the glass fibers 10 into the flowable material of the processing zone F of To monitor the entrance surface 14a of the optical element 14 and / or to carry out independently controlled depending on the detected temperature of the processing zone F.
  • the machining device 2 also has a cooling unit 28 in the form of an air blower 28, which is aligned with the exit surface 14b of the optical element 14.
  • a cooling unit 28 in the form of an air blower 28, which is aligned with the exit surface 14b of the optical element 14.
  • an air stream of ambient air can be generated and directed onto the exit surface 14b of the optical element 14, so that heat can be actively dissipated from the optical element 14 outside the processing zone F.
  • the heating of the optical element 14 outside the processing zone F can be deliberately kept low.
  • the previously described pump light traps 12 can also be introduced into the jackets 10b of the glass fibers 10 in a subsequent step of the lowering position.
  • the fiber exit element 1 can be removed by the user from the work space of the processing device 2 and provided with the tensioning element 13 in an additional setting step.
  • REFERENCE SIGNS LIST (part of the description) a first angle between glass fibers 10 and entrance surface 14a of optical element 14 ⁇ second angle between glass fibers 10 and entrance surface 14a of optical element 14
  • a signal light radiation Laser light radiation
  • I fiber exit element Signal light radiation output; Fiber exit optics, fiber array
  • optical element 14 optical element; optical window; optical lens, optical beam splitter; optical prism
  • optical coating of the exit surface 14b of the optical element 14 Anti-reflective coating 16 housing; Housing plate; Frame; , Fiber connector; Heat sink; frame
  • first machining beam source first (C02) laser beam source

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faseraustrittselement (1) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (10) mit jeweils wenigstens einem Kern (10a), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (14), vorzugsweise einem optischen Fenster (14), einer optischen Linse (14), einem optischen Strahlteiler (14) oder einem optischen Prisma (14), welches mit jeweils einem offenen Ende (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen (A') über wenigstens eine Austrittsfläche (14b) nach außerhalb abzugeben. Das Faseraustrittselement (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14), innerhalb des Materials des optischen Elements (14) angeordnet sind, wobei wenigstens das Material der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfasern (10), mit dem Material des optischen Elements (14) verschmolzen ist.

Description

BESCHREIBUNG
Faseraustrittselement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faseraustrittselement gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Faseraustrittselements gemäß des Patentanspruchs 18 sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zur Herstellung eines Faseraustrittselements gemäß des Patentan spruchs 24.
Auf vielen verschiedenen technischen Gebieten werden heutzutage Glasfasern verwendet. Zu den tech nischen und insbesondere hochtechnischen Anwendungen gehört die Verwendung von Glasfasern zur Lichtübertragung. So werden Glasfasern zur Datenübertragung mittels Licht verwendet; in diesem Fall können die Glasfasern auch als Lichtwellenleiter bzw. als passive Glasfasern bezeichnet werden. Auch werden Glasfasern in der Medizin zum Beispiel zur Beleuchtung sowie zur Erzeugung von Abbildungen zum Beispiel in Mikroskopen, in Inspektionskameras sowie in Endoskopen verwendet. Ferner werden Glasfasern bei Sensoren eingesetzt, welche dann als faseroptische Sensoren bezeichnet werden können.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für Glasfasern stellt die Lasertechnik dar. Hier kann die Laserstrahlung als Signallichtstrahlung mittels einer passiven Glasfaser von einer Laserstrahlungsquelle als Signallicht quelle bzw. als Signallichtstrahlungsquelle zu einer Bearbeitungsstelle geleitet werden, um dort zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder in der Medizin zum Beispiel ein Schneiden oder ein Schweißen durchzuführen. Auch kann der Laserstrahl als Laserstrahlung auf diese Art und Weise zum Beispiel in der Messtechnik, in der Mikroskopie oder in der Spektroskopie zum Beispiel einer Probe zugeführt werden. Der Einsatz von passiven Glasfasern zur Leitung eines Laserstrahls kann zum Beispiel bei Anwendungen im Maschinenbau, in der Telekommunikation, in der Medizintechnik sowie in der Sensortechnik erfol gen.
Auch können Glasfasern zur Erzeugung bzw. zur Verstärkung von Laserlicht verwendet und als aktive Glasfasern bezeichnet werden. Faserlaser zur Erzeugung von Laserlicht bzw. Faserverstärker zur Verstär kung von Laserlicht weisen hierzu abschnittsweise einen dotierten Faserkern (siehe unten) auf, welcher das aktive Medium des Faserlasers bzw. des Faserverstärkers, d.h. dessen aktive Glasfaser, bildet. Übli che Dotierungselemente des laseraktiven Faserkerns sind insbesondere Neodym, Ytterbium, Erbium, Thulium und Holmium. Faserlaser bzw. Faserverstärker werden unter anderem in der Industrie für Ul- trakurzpulslasersysteme eingesetzt (zum Beispiel bei einer Wellenlänge von ca. 1 pm), in der Messtech nik (zum Beispiel bei LIDAR-Messungen - laser detection and ranging), in medizinischen Anwendungen (zum Beispiel bei einer Wellenlänge von ca. 2 pm) oder in Weltraumanwendungen (zum Beispiel bei ei ner Wellenlänge von ca. 1,5 pm).
Glasfasern, welche zur Verstärkung des Signallichts wie zum Beispiel der Laserstrahlung bei Faserverstär kern oder zur Erzeugung von Laserstrahlung bei Faserlasern verwendet werden, weisen üblicherweise einen Faserkern (Englisch: fiber core) auf, welcher aus reinem Glas wie zum Beispiel aus reinem Quarz glas besteht und im Fall von passiven Glasfasern häufig mit Germanium dotiert ist; bei aktiven Glasfa sern wird üblicherweise eine Dotierung wie zuvor beschrieben verwendet. In bestimmten Fällen kann auch der Fasermantel dotiert sein; dies gilt für passive und für aktive Glasfasern. In Abhängigkeit von der Größe und der numerischen Apertur des Faserkerns kann man zwischen Single-Mode und Multi-Mode Glasfasern unterscheiden. Außerdem kann der Faserkern noch polarisationserhaltende Eigenschaften für das Licht aufweisen und daher als polarisationserhaltende Glasfasern (PM) bezeichnet werden. Auch kann es sich um photonische Kristallglasfasern sowie um Flollow-Core-Glasfasern handeln. Auch wenn sich das Flaupanwendungsgebiet auf Glasfasern bezieht, können Polymerfasern oder Fasern aus ande ren Materialien, zum Beispiel sogenannte Soft-Glass-Fibers für den mittleren IR Bereich, ebenfalls für derartige Anwendung(en) eingesetzt werden.
Der Faserkern wird üblicherweise radial von außen von wenigstens einem Fasermantel (Englisch: fiber cladding) umgeben, welcher üblicherweise in der Umfangsrichtung geschlossen ist und somit den Faser kern vollständig umgibt, von den beiden offenen Enden der Glasfaser abgesehen.
Üblicherweise werden sowohl passive Glasfasern als auch aktive Glasfasern von einer Faserbeschichtung (Englisch: fiber coating) aus zum Beispiel Polymer vergleichbar dem Fasermantel umgeben, welche dann der Glasfaser zugerechnet werden kann. Die Faserbeschichtung kann dem mechanischen Schutz des gläsernen Inneren der Glasfaser dienen sowie deren optische Eigenschaften beeinflussen. Üblicherweise dient bei Glasfasern, in denen das Licht ausschließlich im Faserkern geführt wird (Englisch: Single-Clad Glasfasern), die Faserbeschichtung primär dem mechanischen Schutz. Glasfasern, die Licht im Faserkern und im Fasermantel führen (Englisch: Double-Clad Glasfasern), sind üblicherweise mit einer Faserbe schichtung zur Erfüllung von mechanischen sowie von optischen Eigenschaften ausgeführt.
Zwei in der Praxis häufig vorkommende Querschnittsformen für den Fasermantel sind zylindrisch und oktogonal. Die oktogonale Form für den Fasermantel wird insbesondere bei aktiven Glasfasern einge setzt.
Derartige Glasfasern können in großen Längen hergestellt werden und sind üblicherweise als Rollenwa ren erhältlich. Der Durchmesser des Fasermantels variiert üblicherweise zwischen ca. 80 pm und ca. 1 mm. Besonders bei den größeren Faserdurchmessern wird in der Praxis häufig schon von Faserstä ben gesprochen (Englisch: rod-type fiber).
Für einen Faserverstärker sind typischerweise vier wesentliche passive Faserkomponenten notwendig: ein Signallichtstrahlungseingang als Schnittstelle für die Einspeisung bzw. für die Einkopplung der zu verstärkenden Signallichtstrahlung als Eingangsstrahlung von außerhalb des Faserverstärkers, ein Pum plichtkoppler, welcher die Pumplichtstrahlung nahezu verlustfrei von der Pumplichtquelle in den Mantel der aktiven Glasfaser transportiert, eine Pumplichtfalle, welche nicht absorbiertes Pumplicht aus der aktiven Glasfaser aufnimmt bzw. aus dem Mantel der Glasfaser entfernt, und ein Signallichtstrahlungs ausgang, welche die Ausgangsstrahlung formt und bzw. oder führt und hierdurch nach außerhalb des Faserverstärkers auskoppelt und zur Verfügung stellt. Der Signallichtstrahlungsausgang kann auch als Faseraustrittselement oder als Faseraustrittsoptik bezeichnet werden.
Bei einem Faserlaser werden üblicherweise ebenso ein Pumplichtkoppler, eine aktive Glasfaser, eine Pumplichtfalle und ein Signallichtstrahlungsausgang verwendet. Da hier keine Signallichtstrahlung von außerhalb zugeführt sondern die Laserstrahlung innerhalb des Faserresonators zwischen zwei Reflekto ren bzw. Spiegelelementen erzeugt wird, entfällt der Signallichtstrahlungseingang.
Als Signallichtstrahlungsausgang bzw. als Faseraustrittselement kann in jedem Fall zum Beispiel ein opti sches Fenster mit einer einseitigen Antireflexionsbeschichtung für die entsprechenden Wellenlängen oder eine Linse zur Kollimation der Ausgangsstrahlung dienen. Die Faseraustrittsoptik kann auch eine weitere Glasfaser sein, welche die Ausgangsstrahlung zu einem Bestimmungsort führt. Derartige Fa seraustrittsoptiken werden dabei üblicherweise stoffschlüssig zum Beispiel durch Schweißen, auch Splei ßen genannt, mit dem offenen Ende der Glasfaser verbunden. Hierdurch kann das Signallicht bzw. das Laserlicht direkt in die Faseraustrittsoptik zum Beispiel als optisches Fenster oder als Linse übergehen und von dort aus nach außerhalb zum Beispiel des Faserverstärkers bzw. Faserlasers austreten. Mittels des optischen Fensters bzw. mittels der Linse kann der Strahl des Signallichts bzw. des Laserlichts dabei aufgeweitet werden, d.h. seinen Querschnitt vergrößern und hierdurch seine Leistungsdichte reduzie ren, was für bestimmte Anwendungen günstig bzw. erforderlich sein kann.
Es ist somit bekannt, eine einzelne Glasfaser stoffschlüssig mit einem einzelnen Faseraustrittselement zu verbinden, wie zuvor beschrieben. Für viele Anwendungen, zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder in der Medizintechnik, ist es jedoch relevant, mehrere Laserstrahlen in einer möglichst räumlich kompakten und vor allem thermisch und mechanisch hochstabilen Anordnung am Einsatzort zu nutzen. Dies könnte man zum Beispiel in der Freistrahloptik mit einer beliebigen Anordnung von Mikrolinsen realisieren, aber hierdurch würde man die erheblichen Vorteile der Glasfasertechnologie verlieren. Werden stattdessen mehrere Glasfasern mit jeweils einem einzelnen Faseraustrittselement miteinander kombiniert, so führt dies zu einem zusätzlichen Aufwand, um die Faseraustrittselemente zueinander an zuordnen und auszurichten, so dass die jeweiligen Signallichtstrahlen wie gewünscht zueinander austre ten und genutzt werden können. Dies stellt gleichzeitig eine erhebliche Fehlerquelle bei der Montage dar, welche zu einem schlechten oder sogar unbrauchbaren Endprodukt führen kann. Auch vergrößert dies den Bauraum des Endprodukts zumindest im Bereich der Faseraustrittselemente. Ferner lassen sich gewisse Mindestabstände der einzelnen Glasfasern zueinander nicht vermeiden, welche der Größe der jeweiligen Faseraustrittselemente geschuldet sind, welche parallel zueinander angeordnet werden und gemeinsam das eigentliche Faseraustrittselement bilden.
Das US 6,819,858 B2 beschreibt eine geformte Flalterung aus nichtkristallinem Polymermaterial, welche derart konfiguriert ist, dass sie einen Kanal zum Flalten eines Siliziumchips mit einer Vielzahl von neben einander liegenden V-Nuten aufweist, die in einer oberen Fläche zwischen rechten und linken Seitenab schnitten davon gebildet sind, wobei ein ausgesparter Bereich in dem Kanal hinter dem Chip zur Aufnah me einer Faserpufferbeschichtung vorgesehen ist und eine Kerbe in einem oberen Abschnitt der Flalte rung zwischen dem Kanal und einem Seitenabschnitt davon gebildet ist, um Verstärkungsfasern eines optischen Faserkabels zu halten, wobei die V-Nut so konfiguriert ist, dass sie jeweils einzelne optische Fasern darin aufnimmt. Zwei solche geformten Flalterungen mit Siliziumchips sind sicher zusammenge schichtet, wobei die V-Nut der Chips einander gegenüberliegen, um die optischen Fasern dazwischen zu halten.
Das US 6,978,073 B2 beschreibt ein optisches Faserarray umfassend ein Ausrichtungssubstrat, eine Viel zahl von Ferrulelementen und eine Vielzahl von optischen Fasern. Das Ausrichtungssubstrat hat eine Vielzahl von Führungslöchern, die zweidimensional angeordnet sind und sich durch das Substrat erstre cken. Die Ferrule werden jeweils in der gleichen Richtung in die Führungslöcher eingesetzt und haben Durchgangslöcher in den zentralen Abschnitten. Die optischen Fasern werden in die jeweiligen Durch gangslöcher eingepasst und gehalten. Das Führungsloch wird zu einer zylindrischen Form geformt, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Ferrule entspricht. Die Lichteintritts-/Aus- trittsstirnfläche der optischen Faser ist an einer Stirnfläche der Ferrule freiliegend.
Nachteilig bei den beiden zuvor beschriebenen Druckschriften ist deren mechanisch formschlüssiger und bzw. oder kraftschlüssiger FHalt der einzelnen Glasfasern, welcher im Vergleich zu dem zuvor beschriebe nen stoffschlüssigen Schweißen bzw. Spleißen als weniger stabil, definiert und bzw. oder langlebig ange sehen werden kann. Auch können durch die mechanischen Kräfte dieser Verbindungen mechanische Spannungen innerhalb der gehaltenen Glasfasern erzeugt werden, welche das optische Übertragungs verhalten der Glasfasern beeinflussen können. Dies kann insbesondere Undefiniert erfolgen und störend auf die Signallichtübertragung wirken. Nachteilig ist hieran ferner, dass bei dieser Vorgehensweise die freien Enden der Glasfasern, welche die Grenzfläche zwischen dem Material der Glasfaser wie zum Beispiel Glas und der Umgebung wie zum Beispiel Luft bilden, bei der Übertragung von mittleren und hohen optischen Leistungen von einigen Watt bis einigen Kilo-Watt leicht beschädigt oder zerstört werden können.
Die US 2012/045169 Al beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden einer Lichtleitfaser- Array-Baugruppe, das umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von Lichtleitfasern einschließlich einer ersten Lichtleitfaser und einer zweiten Lichtleitfaser, Bereitstellen einer Faserarray-Platte, die eine erste Ober fläche und eine zweite Oberfläche umfasst, Verbinden der Vielzahl von Lichtleitfasern mit der ersten Oberfläche der Faserarray-Platte, Übertragen einer Vielzahl von optischen Signalen durch die Lichtleitfa sern in die Faserarray-Platte an der ersten Oberfläche der Faserarray-Platte, und Emittieren eines zu sammengesetzten Ausgangsstrahls mit Licht aus der Vielzahl von optischen Signalen von der zweiten Oberfläche der Faserarray-Platte. Bei einigen Ausführungen ist die Mehrzahl der optischen Fasern stumpf an die erste Oberfläche der Faseranordnungsplatte geschweißt.
Nachteilig bei der Verbindung des offenen Endes wenigstens einer Glasfaser mit einem optischen Ele ment einer Faseraustrittsoptik ist, dass sowohl bei einem Verkleben mittels eines zusätzlichen Klebstoffs als auch beim Verschmelzen bzw. Verschweißen der Materialien der Glasfaser und des optischen Ele mentes jeweils Material zwischen das offene Ende der Glasfaser und der Eintrittsfläche des optischen Elementes gelangen kann. Dies kann zu Störungen bei der Einkopplung bzw. Übertragung der Signallicht strahlung aus dem Kern der Glasfaser in das optische Element an dessen Eintrittsfläche führen.
Wird zur Vermeidung dieser Nachteile das offene Ende stumpf auf die Eintrittsfläche des optischen Ele mentes aufgesetzt und randseitig durch Verkleben mittels eines zusätzlichen Klebstoffs oder durch Ver schmelzen bzw. Verschweißen der Materialien der Glasfaser und des optischen Elementes miteinander stoffschlüssig verbunden, so kann lediglich eine vergleichsweise mechanisch schwache Verbindung zwi schen dem offenen Ende der Glasfaser und dem optischen Element an dessen Eintrittsfläche erreicht werden.
Auch kann sich die Ausrichtung des offenen Endes der Glasfaser gegenüber der Eintrittsfläche des opti schen Elements bei ungleichmäßiger Klebung bzw. Verschweißung gegen dem stumpfen, d.h. senkrech ten, Aufsetzen ändern, was sich entsprechend auf die Ausbreitung des Signallichts der Glasfaser durch das optische Element hindurch auswirken und sogar zur Unbrauchbarkeit der hergestellten Komponente führen.
Nachteilig ist ferner, dass die Eintrittsfläche sowie weitere Flächen des optischen Elements außen des sen Austrittfläche optisch angeraut sein können. Dies kann dazu dienen, um Störlichtstrahlung im opti schen Element, zum Beispiel aus dem Mantel der Glasfasern oder reflektiertes Signallichtstrahlung von der Austrittsfläche des optischen Elements, aus dem optischen Element zu extrahieren oder diffus zu re flektieren. Die Reduzierung derartiger Störlichtstrahlung kann insbesondere bei höheren optischen Leis tungen für die Umsetzbarkeit der jeweiligen Anwendung bzw. der Reduzierung der Störanfälligkeit des Lasersystems zwingend notwendig sein. Wird auf eine derart optisch angeraute Eintrittsfläche das offe ne Ende der Glasfaser aufgesetzt und dort randseitig stoffschlüssig verbunden, so kann hierdurch der Übergang der Signallichtstrahlung von dem Kern der Glasfaser in das optische Element hinein ebenfalls von der angerauten Oberfläche beeinträchtigt werden. Die Beeinträchtigungen können sich zum Beispiel auf die Signaltransmission an der Verbindungsstelle, die Strahlqualität oder die Polarisation der Signal lichtstrahlung signifikant auswirken. Bei mittleren und hohen optischen Leistungen kann sogar eine Zer störung des kompletten optischen Elementes als Faseranordnung (Faserarrayplatte) und der angebun denen Lasersysteme erfolgen. Wird daher auf die angeraute Eintrittsfläche verzichtet, so können die Vorteile einer angerauten Oberfläche zumindest bei der Eintrittsfläche des optischen Elements nicht genutzt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Faseraustrittselement der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, welches die Vorteile der Glasfasertechnologie nutzen und gleichzeitig die zuvor beschriebenen Nachteile überwinden oder zumindest reduzieren kann. Insbesondere soll eine räumlich möglichst kompakte Anordnung von mehreren Glasfasern im Bereich des Faseraustrittselements ermög licht werden. Zusätzlich oder alternativ soll eine möglichst hohe mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Glasfaser bzw. Glasfasern und optischem Element des Faseraustrittselements erreicht werden. Zusätzlich oder alternativ soll ein möglichst ungestörter Übergangs des Signallichts von der Glasfaser in das optische Element des Faseraustrittselements erreicht werden. Zusätzlich oder alternativ sollen die Gestaltungsmöglichkeiten von mehreren Glasfasern im Bereich des Faseraustrittselements erhöht wer den. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Faseraustrittselementen geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Faseraustrittselement mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 sowie durch eine Bearbei tungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, welche insbesondere eine Laserstrahlung sein kann. Das Faseraustrittselement kann auch als Signallicht strahlungsausgang, als Faseraustrittsoptik oder als Faserarray bezeichnet werden. Das Faseraustrittsele ment weist ferner wenigstens ein optisches Element, vorzugsweise ein optisches Fenster, eine optische Linse, einen optischen Strahlteiler oder ein optisches Prisma, auf, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austritts fläche nach außerhalb abzugeben. Mit anderen Worten weist jede der Glasfasern wenigstens zwei En den auf, von denen jeweils ein Ende wie zuvor beschrieben gemeinsam mit den entsprechenden Enden der übrigen Glasfasern mit demselben optischen Element verbunden ist.
Das Faseraustrittselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Enden der Kerne der Glasfa sern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils einer Eindringtiefe, vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche des opti schen Elements, innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind, wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Mit anderen Worten werden die offenen Enden wenigstens der Kerne der Glasfasern und vorzugsweise zusätzlich deren Mäntel innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet und dort mit dem Material des optischen Elements stoffschlüssig durch Verschmelzen der Materialien miteinander ver bunden und gehalten. Hierdurch können beim Übergang der Signallichtstrahlung vom jeweiligen Kern der Glasfaser in das optische Element hinein die optischen Eigenschaften der Signallichtstrahlung erhal ten bleiben. Auch kann auf diese Art und Weise die mechanische Stabilität der Verbindung der offenen Enden der Glasfasern bzw. deren Kerne bzw. deren Mäntel gegenüber dem optischen Element verbes sert werden. Das optische Element dient dabei neben der Strahlführung der Signallichtstrahlung durch sein Form und bzw. oder seine Materialeigenschaften auch zur Strahlformung der Austrittsstrahlungen bzw. des hieraus kombinierten Austrittsstrahls.
Zur Herstellung einer derartigen stoffschlüssige Verbindung kann das Material des optischen Elements zumindest in diesem Bereich durch Erwärmen aufgeschmolzen werden, sodass die offenen Enden der Glasfasern in das aufgeschmolzen Material des optischen Elements eingetaucht werden und das aufge schmolzen Material des optischen Elements dann wieder erkalten bzw. erstarren kann.
Die Eindringtiefe der Glasfasern in das Material des optischen Elements hinein kann dabei je nach An wendungsfall derart gewählt werden, dass die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile in Ab hängigkeit der Materialien sowie Formen der Glasfasern sowie des optischen Elements erreicht werden können. Die Eindringtiefe der Glasfasern in das Material des optischen Elements kann dabei vorzugswei se relativ zu einer Eintrittsfläche des optischen Elements zu verstehen sein, wobei die Eintrittsfläche des optischen Elements diejenige Außenfläche des optischen Elements ist, über welche die Glasfasern das optische Element erreichen und in dessen Material eindringen. Mittels der Eindringtiefe können auch die Austrittsstrahlungen, welche auch als ein kombinierter Austrittsstrahl betrachtet werden können, in seinen optischen Eigenschaften beeinflusst werden. Der Eindringtiefe ist dabei derart bemessen, so dass das offene Ende innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet und senkrecht zur längli- chen Erstreckungsrichtung der Glasfasern seitlich umschlossen ist. Die Eindringtiefe ist vorzugsweise we nigstens so groß wie der Durchmesser des Kerns, vorzugsweise des Mantels, des offenen Endes der Glasfasern und bzw. oder bzw. tiefer als die maximale Strukturtiefe einer optisch rauen bzw. optisch an gerauten Oberfläche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das optische Element im Bereich einer Eintrittsfläche mit wenigs tens einigen, vorzugsweise mit allen, offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner mit den offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, verbunden, wobei das optische Element von der Eintrittsfläche hin zur Austrittsfläche sich zumindest abschnittswei se, vorzugsweise vollständig, vorzugsweise stufenförmig oder durchgängig, zunehmend verbreiternd ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Eintrittsfläche des optischen Elements kleiner als dessen Austrittsfläche bzw. der Querschnitt des optischen Elements vergrößert sich von der Eintrittsfläche zur Austrittsfläche hin. Der Übergang der Eintrittsfläche zur Austrittsfläche kann dabei durchgängig gradlinig oder auch stufenförmig, zum Beispiel in Form von rechteckigen Absätzen aber auch als Wellenform, sein.
Vorteilhaft ist hierbei zum einen, dass Störstrahlungen innerhalb des optischen Elements häufiger in Kontakt mit der Seitenfläche bzw. Mantelfläche bzw. mit den Seitenflächen bzw. Mantelflächen des optischen Elements treten, wodurch die Extraktion der Störstrahlungen aus dem optischen Element heraus verbessert werden kann. Zum anderen kann die Eintrittsfläche des optischen Elements verklei nert und hierdurch der Fläche der zuvor schmelzenden Glasfasern angeglichen werden, wodurch das Volumen reduziert werden kann, welches seitens des optischen Elements zum Verschmelzen zu erwär men ist. Dies kann den Vorgang des Verschmelzens vereinfachen, beschleunigen und bzw. oder die hier für erforderliche Energie reduzieren.
Auch kann hierdurch Material zur Ausbildung des optischen Elements gespart und bzw. oder der erfor derliche Bauraum des optischen Elements geringgehalten werden. Ferner können hierdurch Möglichkei ten zur Verfügung gestellt werden, die Ausbreitung der Signalstrahlungen innerhalb des optischen Ele ments sowie die Austrittsstrahlungen zu beeinflussen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche des opti schen Elements parallel oder winkelig zueinander ausgerichtet. Flierdurch kann die Ausbreitung der Si gnalstrahlungen innerhalb des optischen Elements sowie die Austrittsstrahlungen beeinflusst werden. Dabei kann eine parallele Ausrichtung der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche des optischen Elements die Herstellung des optischen Elements vereinfachen und hierdurch dessen Kosten reduzieren. Durch eine winkelige Ausrichtung der Austrittsfläche gegenüber der Eintrittsfläche des optischen Elements können Rückreflexe der Signallichtstrahlung aus dem optischen Element in die Glasfasern zurück redu- ziert werden. Auch können die Austrittsstrahlungen an der Austrittsfläche des optischen Elements ge zielt hierdurch abgelenkt und die Länge des jeweiligen Strahlengangs beeinflusst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist wenigstens die Eintrittsfläche des optischen Elements, vorzugsweise sind alle Außenflächen des optischen Elements außer der Austrittfläche des optischen Elements, optisch angeraut ausgebildet und wenigstens die Austrittfläche des optischen Elements, vor zugsweise genau die Austrittfläche des optischen Elements, ist mit optisch glatter Oberflächenqualität ausgebildet. Eine optisch angeraute Oberfläche kann beispielsweise mittels einer Bearbeitung mit einem mechanischen Werkzeug wie zum Beispiel durch Schleifen aber auch mittels eines Laserstrahls als Werk zeug erfolgen. Eine optisch glatt ausgebildete Oberfläche kann ebenfalls mittels einer Bearbeitung mit einem mechanischen Werkzeug wie zum Beispiel durch Polieren aber auch mittels eines Laserstrahls als Werkzeug erfolgen. Eine optisch glatte Oberflächenqualität ist gegeben, wenn bei der entsprechenden Wellenlänge bzw. bei dem entsprechenden Wellenlängenbereich der Signallichtstrahlung die notwendi gen optischen Eigenschaften beim Austritt über die Austrittsfläche für die jeweilige Anwendung größ tenteils erhalten werden können bzw. eine entsprechende optische Beschichtung fachgerecht aufge bracht werden kann. Häufig wird zur Bewertung der Oberflächenqualität unter anderem die Scratch-Dig- Spezifikation der Norm MIL-PRF-13830B herangezogen.
Eine optisch angeraute Oberfläche des optischen Elements kann für dessen Außenflächen außer der Austrittsfläche vorteilhaft sein, um Störstrahlungen aus dem optischen Element austreten zu lassen und hierdurch im Volumen des optischen Elements zu reduzieren. Ein derartiges Störlicht kann Mantel licht aus dem Mantel der Glasfasern sein. Auch kann es an den Seitenflächen des optischen Elements zu Re flexion der Signalstrahlungen kommen. Außerdem kann Signallichtstrahlung im optischen Element an der Austrittsfläche teilweise in Form von Störlicht reflektiert werden. Ferner kann Signallichtstrahlung durch Reflexion von außen, zum Beispiel vom Bearbeitungs- oder Anwendungsort der Signallichtstrah lung, erneut ins optische Element gelangen. Zur Reduzierung der genannten Störlichtstrahlungen im optischen Element und damit zur Gewährleistung eines sicheren Betriebszustandes kann wie bereits erwähnt eine optisch angeraute Oberfläche vorteilhaft sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das optische Element, vorzugsweise eine Eintrittsflä che des optischen Elements, wenigstens eine Vertiefung mit einer Tiefe auf, wobei wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit der Eindringtiefe gegenüber der Vertiefung innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind.
Mit anderen Worten können die offenen Enden der Glasfasern auf diese Art und Weise tiefer in das Material des optischen Elements eingebracht werden, ohne hierfür die Eindringtiefe zu erhöhen. Statt- dessen wird die Tiefe der Vertiefung der Eintrittsfläche des optischen Elements zum Beispiel durch eine vorangehende Laserbearbeitung oder Fräsbearbeitung derart tief vorgesehen, dass die offenen Enden der Glasfasern zusätzlich um die Eindringtiefe in das Material des optischen Elements zum Beispiel durch Schmelzen eingebracht werden können. Der Gesamtabstand der offenen Enden der Glasfasern gegen über der Eintrittsfläche des optischen Elements ergibt sich somit aus der Addition der Tiefe der Vertie fung sowie der Eindringtiefe und kann entsprechend einfach erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens die eine Austrittfläche des optischen Elements zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollflächig, eine optische Beschichtung, vorzugswei se eine optische Anti-Reflektionsbeschichtung, auf. Hierdurch kann der Übergang von Strahlung durch die Austrittsfläche aus dem optischen Element hinaus und bzw. oder von der Seite der Austrittsfläche in das optische Element hinein beeinflusst werden. Insbesondere kann durch eine optische Anti-Reflekti- onsbeschichtung das Eindringen von Störstrahlung von außerhalb des optischen Elements verhindert oder zumindest reduziert werden. Eine derartige Beschichtung kann entsprechend gewählt werden, um die relevanten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche zu reflektieren. Dies kann das Maß von Stör strahlung innerhalb des optischen Elements reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens eine, vorzugsweise weisen einige, beson ders vorzugsweise alle, der Glasfasern wenigstens einen Mantel auf, welcher den Kern im Wesentlichen umschließt, wobei im Bereich des Faseraustrittselements wenigstens eine Pumplichtfalle, vorzugsweise als Vertiefungen, in dem Material des Mantels der Glasfaser ausgebildet ist, um Mantellicht aus dem Mantel der Glasfaser nach außerhalb der Glasfaser abzuführen. Eine derartige Pumplichtfalle kann auch als Mantellichtentferner oder als Cladding-Light-Stripper bezeichnet werden. Hierdurch kann störendes Mantellicht unmittelbar vor dem optischen Element aus den Mänteln der Glasfasern entfernt und bzw. oder rücklaufendes Mantellicht vom optischen Element reduziert werden. Dies kann den Eintrag von Störstrahlungen in das optische Element reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Faseraustrittselement wenigstens ein Span nungselement im Bereich des Faseraustrittselements auf, welches ausgebildet ist, eine mechanische Spannung, vorzugsweise in Form von Zugkräften, Druckkräften, Biegekräften und bzw. oder Scherkräf ten, auf wenigstens den Kern einer, vorzugsweise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern, vorzugsweise und auf einen den Kern im Wesentlichen umschließenden Mantel der Glasfaser, über einen vorbestimmten Abschnitt der länglichen Erstreckung der Glasfasern auszuüben. Auf diese Art und Weise kann die Übertragung der Signallichtstrahlung innerhalb des Kerns der jeweiligen Glasfaser gezielt beeinflusst werden. Der Bereich des Faseraustrittselements umfasst dabei wenigstens den Bereich zum Beispiel innerhalb eines Gehäuses des Faseraustrittselements sowie auch einen Bereich außerhalb des Gehäuses des Faseraustrittselements im direkten Anschluss hieran. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das offene Ende des Kerns wenigstens einer, vorzugs weise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern gegenüber einer Eintrittsfläche des opti schen Elements wenigstens in einem ersten Winkel angeordnet, wobei der erste Winkel 90° oder ver schieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden der Kerne einiger, vorzugsweise aller, der Glasfasern den gleichen ersten Winkel oder unterschiedliche erste Winkel aufweisen. In jedem Fall kön nen durch die Orientierung der offenen Enden der Glasfasern gegenüber der Eintrittsfläche des opti schen Elements die Ausbreitungsrichtungen der Signalstrahlungen innerhalb des optischen Elements beeinflusst werden. Eine senkrechte Anordnung der Glasfasern gegenüber der Eintrittsfläche kann dabei die Herstellung vereinfachen. Durch eine winkelige Ausrichtung der Glasfasern gegenüber der Eintritts fläche kann die Ausbreitung der Signallichtstrahlung entsprechend gestaltet werden. Insbesondere kann die optische Wegstrecke, welche die Signalstrahlungen innerhalb des optischen Elements durchlaufen, erhöht werden, ohne das optische Element hierzu vergrößern zu müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das offene Ende des Kerns wenigstens einer, vorzugs weise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern gegenüber einer Eintrittsfläche des opti schen Elements ferner in einem zweiten Winkel angeordnet, wobei der zweite Winkel 90° oder verschie den zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden der Kerne einiger, vorzugsweise aller, der Glasfa sern den gleichen zweiten Winkel oder unterschiedliche zweite Winkel aufweisen und bzw. oder wobei vorzugsweise der erste Winkel und der zweite Winkel gleich oder unterschiedlich sind. Dabei sind die beiden Winkel vorzugsweise senkrecht zueinander orientiert. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten weiter erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils der gleichen Eindringtiefe oder mit jeweils einer unterschiedlichen Eindringtiefe innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet. Die Ver wendung der gleichen Eindringtiefe kann die Herstellung vereinfachen. Durch die Variation der Eindring tiefe zwischen einzelnen Glasfasern können die Austrittsstrahlungen bzw. ein hieraus kombinierter Aus trittstrahl in seinen optischen Eigenschaften beeinflusst werden. Mit anderen Worten können die Signal lichtstrahlungen der einzelnen Glasfasern aufgrund ihrer unterschiedlichen Eindringtiefe in das optische Element dort unterschiedlich lange optische Wegstrecken durchlaufen und somit an der Austrittsfläche des optischen Elements unterschiedliche optische Eigenschaften wie zum Beispiel unterschiedliche Strahldurchmesser aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern um die Achse ihrer länglichen Erstreckung eine Ausrichtbarkeit auf und ist in einer bevorzugten Ausrichtung angeordnet. Mit anderen Worten ist wenigstens eine der Glasfa- sern nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sondern weist zum Beispiel aufgrund ihres Querschnitts, zum Beispiel als eckiger Querschnitt, die Möglichkeit auf, durch Drehung bzw. durch Ausrichtung um die Achse ihrer länglichen Erstreckung unterschiedlich gegenüber dem optischen Element ausgerichtet zu werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ auch bei polarisationserhaltende Glasfasern und bzw. oder bei Glasfasern mit Stresskernen der Fall sein. Durch die Ausrichtung können gezielt bestimmte optische Eigenschaften der Signalausgangsstrahlung erreicht werden, was die Gestaltungsmöglichkeiten der Aus trittstrahlungen erhöhen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern zueinander linienförmig, V-förmig, kreisförmig, halbkreisförmig, bogen förmig, bündelförmig, hohlzylinderförmig oder rechteckig angeordnet. Dies kann die Gestaltungsmög lichkeiten der Austrittstrahlungen erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist wenigstens das offene Ende des Kerns einer der Glasfa sern einen Mittelpunkt eines Kreises bildend angeordnet, wobei wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern kreisförmig um den Mittelpunkt des Kreises angeordnet sind, wobei vorzugsweise wenigstens ein radial innerer Kreis und ein radial äußerer Kreis gebildet wer den und oder wobei vorzugsweise alle der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise alle der die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mäntel der Glasfasern, zueinander gleich oder unter schiedlich beabstandet oder einander berührend angeordnet sind. Hierdurch kann ein entsprechend geformter kombinierter Strahl der Ausgangsstrahlungen erreicht werden. Die Glasfasertypen, -formen und -durchmesser können dabei innerhalb des Faseraustrittselements variieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise alle der die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mäntel der Glasfasern, zueinander gleich oder unterschiedlich beabstandet oder einander berührend angeordnet. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Austrittstrahlungen erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise und bzw. oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne im Wesentlichen um schließenden Mäntel der Glasfasern, zumindest im Bereich des Faseraustrittselements in ihrer längli chen Erstreckungsrichtung einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Durchmesser und bzw. oder einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Querschnitt auf. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Ausgangsstrahlungen erhöhen.
Dabei können durch Ätzen vor dem Schweißprozess die Durchmesser der Glasfasern bzw. deren Mäntel gezielt reduziert werden, so dass zum Beispiel die Kerne der Glasfasern im optischen Element räumlich näher aneinander gebracht werden können. Auch durch Tapern können die Durchmesser der einzelne Glasfasern reduziert werden, was auch zu den vorher beschreiben geometrischen Vorteilen führen kann. Zusätzlich kann beim Tapern noch der Modenfelddurchmesser des Signals vor dem Schweißpro zess modifiziert werden, um gewünschte Eigenschaften des kombinierten Austrittsstrahls zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise und bzw. oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne im Wesentlichen um schließenden Mäntel der Glasfasern, das gleiche oder unterschiedliche Materialien und bzw. oder den gleichen oder unterschiedliche Durchmesser und bzw. oder den gleichen oder unterschiedliche Quer schnitte, vorzugsweise kreisrund, rechteckig, quadratisch oder oktogonal, auf. Hiervon ist vorzugsweise auch umfasst, dass Single-Mode Glasfasern, Large-Mode Area Glasfasern, Multi-Mode-Glasfasern, pola risationserhaltende Glasasfern, photonische Kristallglasfasern und Multikern-Glasfasern verwendet wer den können. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Ausgangsstrahlungen erhöhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Faseraustrittselements, vor zugsweise wie zuvor beschrieben, mit wenigstens den Schritten:
• Bereitstellen einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen,
• Bereitstellen wenigstens eines optischen Elements, vorzugsweise eines optischen Fensters, ei ner optischen Linse, eines optischen Strahlteilers oder eines optischen Prismas, welches ausge bildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben,
• Ausrichten wenigstens eines ersten Bearbeitungsstrahls auf wenigstens eine Bearbeitungszone des optischen Elements,
• Erwärmen wenigstens der Bearbeitungszone des optischen Elements mittels wenigstens des ers ten Bearbeitungsstrahls derart, dass das Material des optischen Elements wenigstens in der Be arbeitungszone eine ausreichende Fließfähigkeit aufweist, um die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließen den Mänteln der Glasfasern, in sich aufzunehmen, und
• Bewegen wenigstens der Glasfasern und bzw. oder des optischen Elements derart aufeinander zu, so dass die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, in der Bearbeitungszone des optischen Elements mit einer Eindring tiefe in das Material des optischen Elements eindringen und wenigstens das Material der offe nen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements verschmolzen wird. Auf diese Art und Weise kann ein entsprechendes Faseraustrittselement, vorzugsweise wie zuvor be schrieben, hergestellt werden, um die entsprechenden und vorzugsweise die zuvor beschriebenen Ei genschaften und Vorteile umzusetzen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:
• Einbringen wenigstens einer Vertiefung mit einer Tiefe in das optische Element, vorzugsweise in eine Eintrittsfläche des optischen Elements, wobei die Bearbeitungszone des optischen Elements die Vertiefung des optischen Elements umfasst, vorzugsweise die Vertiefung des optischen Elements zumindest im Wesentlichen in der Mitte der Bear beitungszone des optischen Elements angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern wenigstens einen Mantel auf, welcher den Kern im Wesentlichen um schließt, wobei das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt aufweist:
• Einbringen wenigstens einer Pumplichtfalle, vorzugsweise als Vertiefungen, in das Material des Mantels der Glasfaser im Bereich des Faseraustrittselements, welche ausgebildet ist, um Man tellicht aus dem Mantel der Glasfaser nach außerhalb der Glasfaser abzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:
• Anordnen wenigstens eines Spannungselements im Bereich des Faseraustrittselements, welches ausgebildet ist, eine mechanische Spannung, vorzugsweise in Form von Zugkräften, Druckkräf ten, Biegekräften und bzw. oder Scherkräften, auf wenigstens den Kern einer, vorzugsweise eini ger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern, vorzugsweise und auf wenigstens einen den Kern im Wesentlichen umschließenden Mantel der Glasfaser, über einen vorbestimmten Ab schnitt der länglichen Erstreckung der Glasfaser auszuüben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:
• Ausrichten des offenen Endes des Kerns wenigstens einer, vorzugsweise einiger, besonders vor zugsweise aller, der Glasfasern gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements wenigs tens in einem ersten Winkel, vorzugsweise ferner in einem zweiten Winkel, wobei der erste Winkel, vorzugsweise und bzw. oder der zweite Winkel, 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden der Kerne einiger, vorzugsweise aller, der Glasfasern den glei chen ersten Winkel, vorzugsweise und bzw. oder den gleichen zweiten Winkel, oder unterschiedliche erste Winkel, vorzugsweise und bzw. oder unterschiedliche zweite Winkel, aufweisen, wobei vorzugs weise der erste Winkel und der zweite Winkel gleich oder unterschiedlich sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:
• Ausrichten wenigstens einer, vorzugsweise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern um die Achse ihrer länglichen Erstreckung.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsvorrichtung zur Herstellung eines Fa seraustrittselements, vorzugsweise wie zuvor beschrieben, vorzugsweise mittels eines Verfahrens wie zuvor beschrieben, mit wenigstens einer Aufnahmeeinheit zur Aufnahme einer Mehrzahl von Glasfa sern, mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, wenigstens einer Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens eines optischen Elements, welches ausge bildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlung über eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben, und wenigstens einer ersten Bearbeitungsstrahlquelle, vorzugsweise einer ersten Laserstrahlquelle, besonders vorzugsweise einer ersten C02-Laserstrahlquelle, welche ausgebildet ist, einen ersten Bearbeitungsstrahl zu erzeugen und direkt oder indirekt mittels eines ersten beweglichen Ausrichtelements, vorzugsweise mittels eines ers ten schwenkbaren Spiegels, auf eine Bearbeitungszone des optischen Elements zu richten, in der Bear beitungszone zu bewegen und die Bearbeitungszone des optischen Elements derart zu erwärmen, dass das Material des optischen Elements wenigstens in der Bearbeitungszone eine ausreichende Fließfähig keit aufweist, um die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, in sich aufzunehmen, wobei die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern in einer Bewegungsrichtung und bzw. oder die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens des optischen Elements in einer Bewegungsrich tung derart aufeinander zu beweglich ist bzw. sind, so dass wenigstens die Glasfasern und bzw. oder das optische Element derart aufeinander zu bewegt werden können, so dass die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, in der Bearbeitungs zone des optischen Elements mit einer Eindringtiefe in das Material des optischen Elements eindringen und wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Ma terial der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements ver schmolzen werden kann.
Auf diese Art und Weise kann eine Bearbeitungsvorrichtung geschaffen werden, um Faseraustrittsele mente, vorzugsweise wie zuvor beschrieben, mit einem möglichst hohen Grad an maschineller Unter stützung bzw. Automatisierung hersteilen zu können. Dies kann die Qualität der hergestellten Produkte erhöhen und bzw. oder deren Kosten reduzieren. Dabei die Bearbeitungszone des optischen Elements zumindest im Wesentlichen und vorzugsweise aus schließlich mittels des ersten Bearbeitungsstrahls zu erwärmen bzw. aufzuschmelzen und entsprechend die Glasfasern bzw. deren offenen Enden kaum bzw. gar nicht mittels des ersten Bearbeitungsstrahls zu erwärmen kann dahingehend vorteilhaft sein, dass die vergleichsweise filigranen Glasfasern hierdurch geschont und möglichst unverändert in dem optischen Element gehalten werden können.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens eine zweite Bearbei tungsstrahlquelle, vorzugsweise eine zweite Laserstrahlquelle, besonders vorzugsweise eine zweite C02- Laserstrahlquelle, auf, welche ausgebildet ist, einen zweiten Bearbeitungsstrahl zu erzeugen und direkt oder indirekt mittels eines zweiten beweglichen Ausrichtelements, vorzugsweise mittels eines zweiten schwenkbaren Spiegels, auf eine Bearbeitungszone des optischen Elements zu richten und in der Bear beitungszone zu bewegen, so dass das Erwärmen der Bearbeitungszone des optischen Elements ge meinsam durch den ersten Bearbeitungsstrahl und durch den zweiten Bearbeitungsstrahl erfolgen kann. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Erwärmung der Bearbeitungszone erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erste Bearbeitungsstrahlquelle, vorzugsweise und die zweite Bearbeitungsstrahlquelle, ausgebildet, direkt oder indirekt mittels des ersten beweglichen Ausrichtelements, vorzugsweise und mittels des zweiten beweglichen Ausrichtelements, den ersten Bearbeitungsstrahl, vorzugsweise und den zweiten Bearbeitungsstrahl, auf das Material des Mantels der Glasfaser im Bereich des Faseraustrittselements zu richten, so dass wenigstens eine Pumplichtfalle, vor zugsweise als Vertiefungen, in dem Material des Mantels der Glasfaser ausgebildet werden kann, um Mantellicht aus dem Mantel der Glasfaser nach außerhalb der Glasfaser abzuführen. Auf diese Art und Weise kann auch die Ausbildung einer Pumplichtfalle mittels der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvor richtung umgesetzt werden, was den Herstellungsaufwand des Faseraustrittselements mit Pumplichtfal le geringhalten kann. Mittels der Pumplichtfalle im Bereich des Faseraustrittselements, insbesondere zusätzlich zu wenigstens einer Pumplichtfalle im vorangehenden Verlauf der Glasfasern außerhalb des Bereich des Faseraustrittselements, kann Mantellicht bzw. restliches Mantellicht unmittelbar vor dem Faseraustrittselement aus dem Mantel entfernt und somit das Eindringen von Mantellicht in das Fa seraustrittselement vermieden werden, was sonst zur Entstehung von Störlichtsignalen innerhalb des Faseraustrittselements führen kann. Auch rücklaufendes Mantellicht, vom optischen Element kommend, kann reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bzw. sind die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigs tens der Glasfasern und bzw. oder die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens des optischen Ele ments derart angeordnet und bzw. oder schwenkbar beweglich, so dass die offenen Enden der Kerne der Glasfasern gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements wenigstens in einem ersten Win kel, vorzugsweise ferner in einem zweiten Winkel, ausgerichtet werden können, wobei der erste Winkel, vorzugsweise und bzw. oder der zweite Winkel, 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise der erste Winkel und der zweite Winkel gleich oder unterschiedlich sind. Hierdurch kann auch eine entspre chende Ausrichtung seitens der Bearbeitungsvorrichtung vorgenommen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens eine erste Bilderfassungseinheit, vorzugsweise eine erste Flächenkamera, auf, welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit aufgenommene optische Element von der Seite der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern oder von der der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern abgewandten Seite wenigstens im Bereich der Bearbeitungszone optisch zu erfassen, vorzugsweise weist die Bearbeitungsvorrichtung ferner eine zweite Bilderfassungseinheit, vorzugsweise eine zweite Flächenkamera, auf, welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit aufgenommene optische Ele ment von der der ersten Bilderfassungseinheit gegenüberliegenden Seite wenigstens im Bereich der Bearbeitungszone optisch zu erfassen. Dies kann es zum Beispiel eine Person ermöglichen die Anord nung bzw. die Ausrichtung der Glasfasern gegenüber dem optischen Element wenigstens zu überprüfen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bzw. sind die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigs tens der Glasfasern senkrecht und bzw. oder rotatorisch zu ihrer Bewegungsrichtung und bzw. oder die Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens des optischen Elements senkrecht und bzw. oder rotato risch zu ihrer Bewegungsrichtung derart beweglich, so dass die offenen Enden der Kerne der Glasfasern und die Bearbeitungszone des optischen Elements zueinander ausgerichtet werden können. Hierdurch kann auch eine entsprechende Ausrichtung seitens der Bearbeitungsvorrichtung vorgenommen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine Steue rungseinheit der Bearbeitungsvorrichtung, ausgebildet, die offenen Enden der Kerne der Glasfasern und die Bearbeitungszone des optischen Elements in Abhängigkeit wenigstens eines erfassten optischen Bildes der ersten Bilderfassungseinheit, vorzugsweise ferner der zweiten Bilderfassungseinheit, selbsttä tig zueinander auszurichten. Dies kann eine Automatisierung des entsprechenden Vorgangs ermögli chen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens eine Aus richtungseinheit, vorzugweise einen translatorisch und rotatorisch beweglichen Greifer, auf, welche ausgebildet ist, wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern ge meinsam oder unabhängig von einander um die Achse ihrer länglichen Erstreckung gegenüber dem opti schen Element auszurichten. Mit anderen Worten ist die Bearbeitungsvorrichtung mittels wenigstens einer Ausrichtungseinheit in der Lage, wenigstens eine Glasfaser zum Beispiel im Bereich dessen Be schichtung zu greifen und um ihre Längsachse zu drehen, so dass eine vorbestimmte Ausrichtung der Glasfaser erfolgen kann. Insbesondere kann die Ausrichtungseinheit hierzu nacheinander einzelne oder mehrere Glasfasern erreichen und derart ausrichten. Hierzu kann die Ausrichtungseinheit in translato- risch in einer Raumrichtung und vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur länglichen Erstreckungsrich tung der Glasfaser verfahren und positioniert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines entspre chenden Greifers umgesetzt werden.
Hierdurch können nicht rotationssymmetrisch ausgebildete Glasfasern durch Drehung bzw. durch Aus richtung um die Achse ihrer länglichen Erstreckung unterschiedlich gegenüber dem optischen Element ausgerichtet werden, was zum Beispiel bei polarisationserhaltenden Glasfasern und bzw. oder bei Glas fasern mit Stresskernen eine Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Signalausgangsstrahlung erlauben kann, wie zuvor beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens eine Tem peraturerfassungseinheit, vorzugsweise eine Infrarot-Flächenkamera, auf, welche ausgebildet ist, eine Temperatur des in der Aufnahmeeinheit aufgenommenen optischen Elements von der Seite der Aufnah meeinheit zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern wenigstens im Bereich der Bearbeitungszone zu erfassen. Dies kann wenigstens die Überwachung des Vorgangs des Erwärmens der Bearbeitungszone ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine Steue rungseinheit der Bearbeitungsvorrichtung, ausgebildet, das Erzeugen, vorzugsweise wenigstens die Leis tung, und bzw. oder das Positionieren wenigstens des ersten Bearbeitungsstrahls, vorzugsweise ferner des zweiten Bearbeitungsstrahls, in Abhängigkeit der von der Temperaturerfassungseinheit erfassten Temperatur zu steuern und bzw. oder zu regeln. Hierdurch kann das Erwärmen bzw. das Aufzuschmel zen der Bearbeitungszone temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregelt erfolgen. Dies kann zum einen eine unnötige Erwärmung der Bearbeitungszone vermeiden. Zum anderen kann hierdurch eine ausrei chende Erwärmung der Bearbeitungszone sichergestellt werden, bevor die offenen Enden der Glasfa sern in die Bearbeitungszone hinein bewegt werden. Dies kann die Qualität der hergestellten Fa seraustrittselemente verbessern und bzw. oder den Ausschuss von fehlerhaften Faseraustrittselemen ten reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Bearbeitungsvorrichtung wenigstens eine Küh lungseinheit auf, welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit aufgenommene optische Element zumindest im Wesentlichen außerhalb des Bereichs der Bearbeitungszone abzukühlen, wobei die Küh lungseinheit vorzugsweise ein Luftgebläse aufweist, welches ausgebildet ist, einen Luftstrom auf die der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern abgewandte Seite des optischen Elements zu richten. Hierdurch kann die Erwärmung des optischen Elements außerhalb der Bearbeitungszone redu ziert werden. Mit anderen Worten werden optische Glasfasern heute typischerweise zur Erzeugung von Laserstrah lung oder zum Transport von Laserstrahlung (engl, beam delivery) vom Laser zum Einsatzort verwendet. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Single- oder Multi-Mode Glasfasern, polarisationserhaltende Glas fasern (PM) oder Photonische Kristallglasfasern sowie Hollow-Core-Glasfasern handeln - um nur einige Beispiele an am Markt verfügbaren Glasfasertypen zu benennen. Die erfindungsgemäßen optischen Komponenten und Verfahren zur Herstellung dieser Komponenten beziehen sich deshalb auf die voll ständige Bandbreite der am Markt verfügbaren Glasfasertypen. Auch wenn sich das Haupanwendungs- gebiet auf Glasfasern bezieht, können Polymerfasern oder Fasern aus anderen Materialien, zum Beispiel sogenannte Soft-Glass-Fibers für den mittleren IR Bereich, ebenfalls für diese Anwendung(en) eingesetzt werden.
Für viele Anwendungen, zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder in der Medizintechnik, ist es je doch relevant, mehrere Laserstrahlen in einer möglichst räumlich kompakten und vor allem thermisch und mechanisch hochstabilen Anordnung am Einsatzort zu nutzen. Dies könnte man zum Beispiel in der Freistrahloptik mit einer beliebigen Anordnung von Mikrolinsen realisieren, aber hierdurch würde man die erheblichen Vorteile der Glasfasertechnologie verlieren.
Um diese Problematik zu überwinden, können erfindungsgemäß mehrere Glasfasern in einer beliebigen Anordnung an ein optisches Element geschweißt (gespleißt, engl. Fusion Splicing) werden (siehe zum Beispiel Figur 1). Durch das Schweißen (Spleißen) realisiert man eine monolithische optische Komponen te, die eben insbesondere für mittlere und hohe optische Leistungen geeignet ist und gelichzeitig in kompakter Form eine glasfaserbasierte Formung (üblicherweise räumlich) von Energiestrahlung vorzugs weise Laserstrahlung in einer rauen industriellen Umgebung oder in einem Bereich mit hohen Sicher heitsaspekten, wie zum Beispiel in der Medizintechnik, oder in einem Anwendungsbereich mit extrem hohen Temperaturanforderungen, ermöglicht. Wobei neben dem typischen Schweißen auch andere Verbindungstechniken genutzt werden könnten.
Dabei kann beim Verbinden der Glasfasern mit dem optischen Element die Eindringtiefe der optischen Glasfasern in das optische Element je nach Anwendung eingestellt werden. Es ist auch möglich, dass die Glasfasern beim Verbinden mit dem optischen Element unterschiedlich tief (z-Richtung der Figur. 1) in das optische Element eindringen oder einzelne bzw. alle Glasfasern durch Bohrungen oder weitere Hilfs mittel extra tief in das optische Element eingesetzt werden. Außerdem können einzelne Glasfasern oder alle Glasfasern unter einem bestimmten Winkel a (siehe zum Beispiel Figur 1) mit dem optischen Ele ment verbunden werden. Dies gilt ebenso für den in der Figur 1 nicht dargestellten Winkel in der z-y- Ebene.
Ein beispielhafter Aufbau einer solchen optischen Komponente zur Zusammenführung und Formung von Energiestrahlung, vorzugsweise Laserstrahlung ist in der Figur 1 dargestellt. An die Glasfasern 1 bis n können Laserstrahlquellen oder andere Strahlquellen (kohärent oder inkohärent, ggf. polarisationserhal tend, ggf. gepulst) angebunden werden. Somit kann die elektromagnetische Strahlung von mehreren La serstrahlquellen oder anderen Strahlquellen an den Einsatzort transportiert werden.
Dabei können die Strahlquellen bzw. die Leistungsanteile in den optischen Glasfasern gleichzeitig, zeit lich versetzt oder mit einer für den Prozess sinnvollen zeitlichen Modulation der einzelnen Leistungsan teile in den optischen Glasfasern betrieben werden. Die Strahlquellen können baugleich sein oder sich zum Beispiel in der Polarisation, in der Wellenlänge oder in der optischen Pulslänge unterscheiden. Au ßerdem ist es möglich, die Leistung bzw. einzelne spektrale Leistungsanteile einer Strahlquelle oder ggf. Laserstrahlquelle auf die Glasfasern 1 bis n in beliebigen Teilungsverhältnissen zu übertragen. Der Laser oder eine beliebige andere Lichtquelle kann kontinuierlich oder gepulst arbeiten. Die Glasfasern 1 bis n können auch zur kohärenten oder inkohärenten Kombination von Laserstrahlquellen genutzt werden. Hier gibt es je nach Anwendung zahlreiche Variationsmöglichkeiten basierend auf den zur Verfügung stehenden Eigenschaften der Lasersysteme bzw. anderer verfügbarer Lichtquellen.
Das optische Element (siehe zum Beispiel Figur 1) kann zum Beispiel ein optisches Fenster mit oder ohne optische Beschichtung oder eine Linse sowie ein optischer Strahlteiler sein, um nur einige Beispiele an optischen Elementen zu benennen. Das optische Element kann auch aus einer Vielzahl von optischen Einzelelementen bestehen, zum Beispiel einem Array von Mikrolinsen oder einem flexiblen Material (zum Beispiel Polymer) mit brauchbaren optischen Eigenschaften für die jeweilige Anwendung. Das opti sche Element kann auch aus verschiedenen Materialien bestehen oder in seine Materialeigenschaften über seine Dimension (x-,y- und z Richtung, siehe zum Beispiel Figur 1) variieren, zum Beispiel durch partielle Dotierung des optischen Elements. Besteht das optische Element aus verschiedenen Materiali en, so können diese verklebt, geschweißt oder gebondet sein.
Das optische Element erfüllt dabei insbesondere zu mindestens teilweise oder vollständig folgende wichtige Eigenschaften:
1. stabile Fixierung der Glasfaser(n) in einer bestimmten geometrischen Anordnung (üblicherwei se ohne die Verwendung von Zusatzhilfsmitteln wie Klebstoffen);
2. Modifikation der optischen Eigenschaft, zum Beispiel Strahlform, einzelner oder aller Strahl quellen 1 bis n vor dem Erreichen des Einsatzorts;
3. räumliche Aufweitung des optischen Strahls bei der Propagation durch das optische Element zur Reduzierung der optischen Intensität an der Grenzfläche Glas/Luft;
4. mechanisch und bzw. oder optisch stabile Aufnahme für die Glasfaser(n);
5. hohe thermische Beständigkeit, da üblicherweise keine Kleber oder andere Hilfsstoffe verwen det werden müssen;
6. hohe optische Leistungsbeständigkeit; 7. beliebige Formung von Energiestrahlung am Einsatzort auf sehr kleinem Raum;
8. geringe Absorption der optischen Strahlung im Volumen des Elements;
9. geringe Reflektionen an den Grenzflächen des optischen Elements, zum Beispiel durch eine An- ti-Reflektionsbeschichtung;
10. Umsetzung einer glasfaserbasierten Lösung;
11. Verbindung von (räumlicher) Strahlformung auf einer Skala von einigen lOpm bis einigen Milli metern und Führung von mittleren und hohen optischen Leistungen;
12. das optische Element kann im Vergleich zu den kleinen Glasfasern (einige lOOpm) eine signifi kant größere Baugröße und nahezu beliebige Bauform aufweisen und somit in mechanischen Halterungen entsprechend gut gehaltert werden.
Die Anordnung der Glasfasern an/auf dem optischen Element kann beliebig ausgeführt werden, je nach dem, was die spezifische Anwendung erfordert. Einige Ausführungsbeispiele zu Anordnungen der Glas- fasern(n) an bzw. auf dem optischen Element sind in den Figuren 2 bis 6 dargestellt. Die Figuren 2 bis 6 zeigen beispielhaft, dass durch die gezielte Anordnung der Glasfasern an bzw. auf dem optischen Ele ment 1- bzw. 2-dimensionale Faserarrays entstehen. Die dritte Dimension kann durch die Variation der Glasfasern in der Tiefe (z-Richtung) genutzt werden. Die Glasfasern können dabei direkt in Glas-zu-Glas Kontakt sein (ohne Abstand) oder einen definierten Abstand besitzen. Der Abstand der Glasfasern auf bzw. an dem optischen Element kann von Glasfaser zu Glasfaser variieren - in beide Dimensionen (x- Richtung und y-Richtung, siehe zum Beispiel Figur 1).
Zusätzlich kann ggf. durch Ätzen der Glasfasern der Durchmesser der einzelnen Glasfaser reduziert wer den und somit der Abstand zwischen den Glasfasern reduziert werden. Weiterhin können die Glasfasern oder einzelne Glasfasern vor dem Schweißprozess an/auf das optische Element im Durchmesser ver jüngt (engl.„Tapern") werden. Außerdem können die Glasfasern oder einzelne Glasfasern vor dem Schweißprozess an/auf das optische Element in einer beliebigen Anordnung (zum Beispiel einem Faser bündel) bereits lateral verschweißt (engl.„Fiber Fusion") werden. Die Herstellungsschritte Verjüngen und Verschweißen der Glasfasern als Vorprozess vor dem eigentlichen Verbinden der Glasfasern mit dem optischen Element können beliebig kombiniert werden.
Die Glasfasern können verschiedene Durchmesser (typischerweise ca. 80 pm bis ca. 1,5 mm) und Quer schnitte besitzen, zum Beispiel rund, rechteckig sowie oktogonal. Durch die räumliche Anordnung der einzelnen Glasfasern 1 bis n (siehe zum Beispiel Figur 1) an/auf dem optischen Element kann nach dem optischen Element (am Einsatzort) für eine bestimmte Anwendung eine definierte Strahlform erzielt werden, zum Beispiel eine Linie, ein Kreis, ein Halbkreis, ein Hohlzylinder oder eine V-Form.
Durch die zeitliche Variation der optischen Leistung, die in den jeweiligen Glasfasern 1 bis n geführt wird, kann die Strahlform sowie weitere Eigenschaften der Strahlungsquelle (Leistung, Intensität, Ener- gie, Polarisation, spektrale Bandbreite) zusätzlich in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter vari iert werden. Hierdurch kann eine Steuerung bzw. Regelung der Strahlung am Einsatzort erfolgen. So kann zum Beispiel bei der Anordnung der Glasfasern auf bzw. an dem optischen Element wie in Figur 5, der Strahldurchmesser des Energiestrahls, vorzugsweise Laserstrahls, am Einsatzort variiert werden. Wird ausschließlich Strahlung von der Zentralfaser emittiert, ist der Strahldurchmesser am Einsatzort sehr klein. Wird Strahlung aus den Glasfasern des ersten Rings emittiert, erhöht sich der Strahldurch messer. Der max. Strahldurchmesser wird erzielt, sobald die Glasfasern aus dem zweiten Ring des opti schen Elementes Strahlung emittieren. Dies kann nun durch eine Steuerung bzw. Regelung beliebig im Fertigungsprozess, zum Beispiel beim Laserschweißen oder Laserschneiden, genutzt werden. Die zeitli che Strahlformung bzw. Laserstrahlformung könnte somit im Mikro- oder Millisekunden Bereich erfol gen.
Die optische Komponente in Figur 1 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie durch ihre Aufbau art die kompakte Zusammenführung und Formung von optischer Strahlung mit optischen Glasfasern für mittlere und höhere optische Leistungen erlaubt (typischerweise größer als ca. 1 W bis einige 10 kW).
Die optische Komponente zeichnet sich weiterhin insbesondere dadurch aus, dass viele Glasfasern auf sehr kompakten Raum in einer beliebigen Form bzw. Anordnung mit Hilfe eines optischen Elementes durch zum Beispiel Verschweißen der Glasfasern mit dem optischen Element in eine hochstabile monoli thische Komponente überführt werden kann, die auf kleinstem Raum, üblicherweise ca. 100 pm bis ca. 10 mm, optische Strahlung mit hohen Leistungen (bis einige 10 kW) transportieren, zusammenführen und formen kann.
Außerdem ermöglicht die optische Komponente, wie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt, eine für den Einsatzort notwendige gezielte Strahlungsformung und bzw. oder die Steuerung oder Regelung anderer optischer Eigenschaften auf engstem Bauraum. Aufgrund der monolithischen und somit hochstabilen Ausführung der optischen Komponente mit faserbasierter Strahlungszuführung kann zum Beispiel die Komponente hervorragend an einem Roboterarm zu Laserfertigung eingesetzt werden. Der Roboterarm kann sich mit hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegen ohne die Lichtführung und Strahlformung zu beeinflussen.
Zur Herstellung der oben beschrieben optischen Elemente, wie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt, kann die in Figur 13 erkenntliche Bearbeitungsvorrichtung genutzt werden. Die Bearbeitungsvorrichtung besitzt mindestens eine Strahlungsquelle zum Beispiel in Form einer Laserstrahlquelle, welchen einen Energiestrahl in Form eines Laserstrahls gerichtet aussenden kann. Der Laserstrahl kann ggf. durch eine Linse fokussiert oder defokussiert werden (nicht dargestellt) sowie durch ein schwenkbares Umlenkele ment in Form eines schwenkbaren Spiegels (siehe Figur 13) um zwei Achsen umgelenkt werden. Der Energiestrahl bzw. die Energiestrahlen können je nach Anwendung unter jedem beliebigen, technisch sinnvollen Winkel auf das optische Element auftreffen. Der Durchmesser des Laserstrahl kann auf dem optischen Element je nach Anwendung variieren und beträgt üblicherweise einen Durchmesser (Gauß strahl l/e2) von ca. 100 pm bis einige Millimeter. Bei manchen Anwendungen kann der Laserstrahl durchmesser noch deutlich größer ausgeführt werden.
Der Energiestrahlung wird von den Glasfasern und bzw. oder von dem optischen Element teilweise oder vollständig absorbiert. Daraus resultiert die für den Schweißprozess notwendige Erwärmung. Durch die zeitliche Steuerung bzw. Regelung des Energiestrahls und bzw. oder des Umlenkelements kann eine gezielte zeitliche sowie räumliche Formung der Schweißzone für das Schweißen (Spleißen) von Einzel glasfasern oder beliebigen Faseranordnungen wie in den Figuren 2 bis 6 beispielhaft dargestellt, reali siert werden. Die Schweißzone kann somit zum Beispiel also rund, eckig, V-förmig oder ringförmig reali siert werden. Somit kann die Schweißzone an die in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Glasfaseranord nungen für den Schweißprozess angepasst werden. Das Umlenkelement kann ggf. elektrisch oder elek tromagnetisch gesteuert werden (zum Beispiel über einen Galvanometer-Scanner).
Um den Schweißprozess sehr präzise steuern zu können, kann die aus der Schweißzone emittierte Wär mestrahlung mit einem Sensor erfasst werden und zur Regelung bzw. Steuerung der Laserleistung sowie der Umlenkeinheit oder weiterer Prozessgrößen genutzt werden. Flierdurch kann zum Beispiel mit ei nem Pyrometer oder einer Wärmebildkamera die Prozesstemperaturen erfasst werden. Bei der Ausfor mung der Schweißzone kann zusätzlich das optische Element translatorisch sowie rotatorisch bewegt werden.
Nach der Ausformung der Schweißzone auf dem optischen Element werden die Glasfasern einzeln, in bestimmten Paketen oder alle gemeinsam in das optische Element entlang der Bewegungsrichtung (sie he Figur 13) eingetaucht. Die Glasfasern können dabei direkt in seitlichen Kontakt sein oder einen gewis sen Abstand haben. Der Abstand von Glasfaser zu Glasfaser kann auch variieren. Außerdem können einzelne Glasfasern oder alle Glasfasern unter einem bestimmten Winkel mit dem optischen Element verscheißt werden. Beim Eintauchprozess wird der Energiestrahl bzw. Laserstrahl üblicherweise abge schaltet. Die Eintauchtiefe der Glasfasern in das optische Element beträgt üblicherweise einige pm bis einige 10 pm, kann aber auch für besondere Anwendungen deutlich größer als 100 pm sein.
Beim Schweißprozess wird üblicherweise nur das optische Element durch Energiestrahlung erwärmt. Die Glasfasern werden somit nicht direkt mit Energiestrahlen bestrahlt. Beim Verschweißen dient das große optische Element als Wärmespeicher und erwärmt die Glasfasern vor dem Eintauchen in das optische Element ausreichend auf. Um diesen Schweißprozess vollständig stoffschlüssig zu realisieren, müssen Prozesstemperaturen, Eintauchgeschwindigkeiten der Glasfasern und weitere Prozessparameter sehr präzise gesteuert werden. Sollte die Temperatur des optischen Elementes beim Eintauchprozess der Glasfasern im Bereich der Schweißzone eine zu starke Abkühlung erfahren, so kann das optische Eie- ment auch während des Eintauchprozesses der Glasfasern mit Energiestrahlung geheizt werden. Mit Hil fe des Umlenkelements wird die Energiestrahlung so auf das optische Element gelenkt, dass ein Weiter- bzw. Nachheizen des optischen Elementes realisiert wird, ohne die Energiestrahlung an die Glasfasern zu lenken. Es gibt natürlich auch Glasfaseranordnungen, die eine gleichzeitige Energiebestrahlung der Glasfasern und des optischen Elementes beim Schweißprozess zulassen.
Das ausschließliche Erwärmen des optischen Elements mit Energiestrahlung, d.h. die Glasfaser wird nicht mit Energie bestrahlt und somit erwärmt, ist auch beim Schweißen von temperatursensiblen Ein zelglasfasern technologisch hochrelevant (zum Beispiel Hollow Core Glasfasern, Photonische Kristallglas fasern). Außerdem kann diese Herangehensweise auch beim Verschweißen von Glasfasern mit einem niedrigen Schmelzpunkt (Soft Glass Fibers) relevant sein oder beim Verschweißen von verschiedenen Materialien. Hierdurch können Schweißverbindungen erzielt werden, die mit bisherigen in der Literatur dargestellten Energie-Bestrahlungsmethoden, also der gleichzeitigen Bestrahlung von Glasfaser und optischen Element kaum bzw. nicht realisiert werden können.
Für die in Figur 13 dargestellte Bearbeitungsvorrichtung hat sich in der Praxis der C02 Laser aufgrund der guten Absorption der Laserstrahlung (etwa 10 pm Wellenlänge) in Quarzglas und der vergleichswei se kostengünstigen Anschaffung als besonders vorteilhaft erwiesen. Die für die Bearbeitungsvorrichtung verwendete Laserstrahlung kann hinsichtlich der Wellenlänge, der Polarisation, der Pulslänge und weite rer optischer Eigenschaften für die jeweilige Anwendung optimiert werden. Das optische Element in Figur 13 könnte auch durch Energiestrahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, von der Seite oder von un ten (potentiell von allen Raumrichtungen) aus einer Kombination der beschrieben Varianten realisiert werden. Es können zur Erwärmung des optischen Elementes sowie ggf. der Glasfasern auch mehrere Laserstrahlquellen mit verschiedenen optischen Eigenschaften genutzt werden.
Zur Positionierung der Glasfasern und des optischen Elements bzw. der optischen Elemente, zur Prüfung der Qualität der Schweißverbindung während und nach dem Prozess sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses kann die erste und zweite Kamera genutzt werden (siehe Figur 13). Die Kameras können im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) und bzw. oder im infraroten Wellenlängenbereich ar beiten. Die Figur 13 zeigt eine typische aber nicht zwingende Anordnung der Kamerasysteme. Es können auch mehr als zwei Kameras an anderen Positionen zur Positionierung der Glasfasern und des optischen Elements bzw. der optischen Elemente, zur Prüfung der Qualität der Schweißverbindung während und nach dem Prozess sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Schweißprozesses genutzt werden. Die Kame ras können natürlich je nach gewünschter optischer Abbildung mit entsprechenden Linsen bzw. Objekti ven ausgerüstet werden. Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammen hang mit den folgenden Figuren rein schematisch dargestellt und näher erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements von der
Seite;
Figur 2 bis 6 schematische Darstellungen auf verschiedene Anordnungen von Glasfasern von oben; Figur 7 bis 11 schematische Darstellungen auf verschiedene Anordnungen von Glasfasern mit ver schiedenen optischen Elementen von der Seite;
Figur 12 die Darstellung der Figur 1 mit Gehäuse; und
Figur 13 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung von der Seite.
Die o.g. Figuren werden in kartesischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsrichtung X, welche auch als Tiefe X oder als Länge X bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Längsrichtung X er streckt sich eine Querrichtung Y, welche auch als Breite Y bezeichnet werden kann. Senkrecht sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann. Die Längsrichtung X und die Querrichtung Y bilden gemeinsam die Ho rizontale X, Y, welche auch als horizontale Ebene X, Y bezeichnet werden kann.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1 von der Seite. Das Faseraustrittselement 1 kann auch als Signallichtstrahlungsausgang 1, als Faseraustrittsoptik 1 oder als Faserarray 1 bezeichnet werden.
Das Faseraustrittselement 1 weist eine Mehrzahl von Glasfasern 10 auf, welche jeweils einen Kern 10a besitzen, welcher jeweils von einem Mantel 10b und der Mantel 10b von einer Beschichtung 10c zylin drisch umschlossen wird. Die Querschnitte bzw. die Konturen der Kerne 10a, der Mäntel 10b und der Beschichtungen 10c sind jeweils kreisförmig. In ihrer länglichen Erstreckungsrichtung enden die Glasfa sern 10 in der vertikalen Richtung Z auf einer gemeinsamen gleichen Höhe mit jeweils einem offenen Ende 11. Dabei erstrecken sich die Kerne 10a und die Mäntel 10b der Glasfasern 10 gleichweit und en den gemeinsam an dem jeweiligen offenen Ende 11. Die Beschichtungen 10c sind jeweils in der vertika len Richtung Z auf gleicher Höhe zu den offenen Enden 11 der Glasfasern 10 beabstandet.
Das Faseraustrittselement 1 weist ferner ein optisches Element 14 auf, welches auch als optisches Fens ter 14, als optische Linse 14, als optischer Strahlteiler 14 oder als optisches Prisma 14 bezeichnet wer den kann. Das optische Element 14 ist beispielsweise gemäß der Figur 1 quaderförmig ausgebildet und weist in der vertikalen Richtung Z nach oben zeigend eine Eintrittsfläche 14a und gegenüberliegend nach unten zeigend eine Austrittsfläche 14b auf. Die vier Seiten des quaderförmigen optischen Elements 14 werden von den Seitenflächen 14c gebildet. An der Unterseite des optischen Elements 14 ist eine opti- sehe Beschichtung 15 in Form einer Anti-Reflektionsbeschichtung 15 flächendeckend aufgebracht, wel che dem optischen Element 14 zugerechnet werden kann, sodass die Austrittsfläche 14b des optischen Elements 14 mit der Unterseite bzw. Außenseite der Anti-Reflektionsbeschichtung 15 zusammenfällt.
Die offenen Enden 11 der Kerne 10a und der Mäntel 10b der Glasfasern 10 sind dabei mit einer Ein dringtiefe W gegenüber der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 innerhalb des Materials des optischen Elements 14angeordnet. Die Materialien der Kerne 10a und der Mäntel 10b der Glasfasern 10 sind hierzu mit dem Material des optischen Elements 14 verschmolzen worden, wie weiter unten noch näher beschrieben werden wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Signallichtstrahlungen A zum Beispiel in Form von Laserlichtstrahlungen A möglichst störungsfrei und vollständig in das optische Element 14 eingeleitet werden können. Die in das optische Element 14 eingeleiteten Signallichtstrahlun gen A können dieses durchlaufen und als Austrittsstrahlungen A' über die Austrittsfläche 14b des opti schen Elements 14 nach außen austreten. Die Austrittsstrahlungen A' können hierdurch auch einen kombinierten Ausgangstrahl bilden. Auch kann hierdurch die mechanische Stabilität der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Glasfasern 10 und dem optischen Element 14 verbessert werden.
Die Glasfasern 10 sind dabei senkrecht zur Eintrittsfläche 14a des optischen Elements ausgerichtet, so dass sowohl ein erster Winkel a als auch ein zweiter Winkel ß, siehe Figur 10, 90° betragen.
Die Mäntel 10b der Glasfasern 10 weisen in dem Bereich, in dem die Beschichtungen 10c entfernt sind, jeweils eine Pumplichtfalle 12 auf, welche auch als Mantellichtentferner 12 oder als Stripping-Element 12 bezeichnet werden kann und in Form von ringförmigen Vertiefungen 12 ausgebildet ist. Durch die Ausrichtung der ringförmigen Vertiefungen 12 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Signallichtstrah lungen A bzw. der länglichen Erstreckungsrichtung der Glasfasern 10 kann störendes Mantellicht unmit telbar vor Erreichen des optischen Elements 14 aus den Mänteln 10b der Glasfasern 10 nach außen hin ausgekoppelt werden. Auf diese Art und Weise kann der Eintrag von Störstrahlungen seitens des Man tellichts in das optische Element 14 vermieden werden. Auch rücklaufendes Mantellicht, vom optischen Element kommend, kann reduziert werden.
Im Bereich der Beschichtungen 10c der Glasfasern 10 ist ein Spannungselement 13 über alle Glasfasern hinweg angeordnet. Über das Spannungselement 13 kann eine mechanische Spannung zum Beispiel in Form von Druckkräften auf die Glasfasern 10 bzw. wenigstens deren Kerne 10a ausgeübt werden. Hier durch kann die Übertragung bzw. können die optischen Eigenschaften der Signallichtstrahlungen A ge zielt durch die Einstellung der mechanischen Spannung beeinflusst werden.
Die Seitenflächen 14c sowie die Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 sind dabei optisch ange raut, um das Austreten von Störstrahlungen aus dem optischen Element 14 hinaus zu begünstigen. Die Unterseite des optischen Elements 14, welche von der optischen Beschichtung 15 abgedeckt wird, ist optisch glatt ausgebildet, um hierdurch den Austritt der Austrittstrahlungen A' zu begünstigen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Glasfasern 10 von oben. In diesem Fall sind die zylindrischen Glasfasern 10 in der Querrichtung Y linienförmig abstandslos angeordnet, sodass sich die Mäntel 10b der unmittelbar benachbarten Glasfasern 10 berühren. Das optische Element 14 ist rechteckig bzw. quaderförmig ausgebildet.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Glasfasern 10 von oben. Auch in die sem Fall ist das optische Element 14 rechteckig bzw. quaderförmig ausgebildet. Die zylindrischen Glasfa sern 10 sind halbkreisförmig angeordnet und in der Umfangsrichtung zueinander beabstandet.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Glasfasern 10 von oben. In diesem Fall ist das optische Element 14 kreisrund bzw. zylindrisch ausgebildet. Die zylindrischen Glasfasern 10 sind v-förmig abstandslos angeordnet, sodass sich die Mäntel 10b der unmittelbar benachbarten Glasfasern 10 berühren.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Glasfasern 10 von oben. In diesem Fall ist das optische Element 14 quadratisch bzw. quaderförmig ausgebildet. Eine zylindrische Glasfaser 10 bildet den Mittelpunkt bzw. die Symmetrieachse einer punktsymmetrischen kreisförmigen Anordnung, bei welcher sich mehrere weitere zylindrische Glasfasern 10 in einem ersten inneren Ring und in einem zweiten äußeren Ring um den Mittelpunkt herum erstrecken.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von Glasfasern 10 von oben, In diesem Fall ist das optische Element 14 dreieckig ausgebildet. Mehrere quadratische Glasfasern 10 mit quadrati schen Kernen 10a und quadratischen Mänteln 10b bilden eine rechteckige Anordnung.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von Glasfasern 10 mit einem optischen Element 14 von der Seite. Die Glasfasern 10 sind in der Querrichtung Y linienförmig nebeneinander sowie zueinander beab standet angeordnet. Das optische Element 14 verbreitert sich in der vertikalen Richtung Z von der Ein trittsfläche 14a bis zur Austrittsfläche 14c stufenförmig entlang aller vier Seitenflächen 14c. Flierdurch können das Gewicht und das Volumen des optischen Elements 14 reduziert werden. Auch kann die Flä che der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 minimiert werden, was den Vorgang des Aufzu- schmelzens des Materials des optischen Elements 14 begünstigen kann.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung von Glasfasern 10 mit einem optischen Element 14 von der Seite. Im Unterschied zur Figur 7 verbreitert sich das optische Element 14 in diesem Fall in der vertikalen Richtung Z von der Eintrittsfläche 14a bis zur Austrittsfläche 14c stufenlos und durchgängig gleichmäßig zunehmend. Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung von Glasfasern 10 mit einem optischen Element 14 von der Seite. In diesem Fall wurde in die Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 eine nutförmige Vertie fung 17 in der Querrichtung Y eingebracht, welche eine Tiefe V in der vertikalen Richtung Z aufweist. Die Eindringtiefe W der offenen Enden 11 der Kerne 10a und der Mäntel 10b der Glasfasern 10 in das opti sche Element 14 beginnt somit erst auf dem Grund der Vertiefung 17, sodass die offenen Enden 11 der Glasfasern 10 gegenüber der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 um die Summe der Tiefe V und der Eindringtiefe W beabstandet sind. Dies kann die mechanische Stabilität der Verbindung der Glasfasern 10 zum optischen Element 14 erhöhen, ohne hierfür die offenen Enden 11 der Glasfasern 10 tiefer in das Material des optischen Elements 14 einschmelzen zu müssen.
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung von Glasfasern 10 mit einem optischen Element 14 von der Seite. In diesem Fall sind die Glasfasern 10 linienförmig in der Querrichtung Y angeordnet. Das optische Element 14 weist in der Ebene der Längsrichtung X der vertikalen Richtung Z einen dreieckigen Quer schnitt auf, sodass die Austrittstrahlungen A' sowohl in der Längsrichtung X nach rechts als auch nach schräg links unten aus dem optischen Element 14 austreten können.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung von Glasfasern 10 mit einem optischen Element 14 von der Seite. In diesem Fall sind die Glasfasern 10 linienförmig in der Längsrichtung X angeordnet.
Figur 12 zeigt die Darstellung der Figur 1 mit Gehäuse 16. Das Gehäuse 16 kann auch als Gehäuseplatte 16, als Gestell 16, als Faserstecker 16, als Wärmesenke 16 oder als Rahmen 16 bezeichnet werden. Auf dem Gehäuse 16 drauf wird das optische Element 14 von einer Halterung 16b derart bügelförmig gehal ten, sodass die Austrittstrahlungen A' ungestört in der vertikalen Richtung Z nach unten hin austreten können, vergleiche Figur 1. Die Glasfasern 10 werden mittels des Spannungselements 13 von dem Ge häuse 16 gehalten, indem der Spannungselement 13 mittels Klebstoff auf dem Gehäuse 16 aufgeklebt wird. Das Gehäuse 16 weist mehrere Befestigungselemente 16a in Form von Durchgangsöffnungen 16a auf, um mittels Schrauben oder dergleichen durch die Durchgangsöffnungen 16a hindurch auf einem Untergrund montiert und gehalten zu werden. Das Gehäuse 16 kann mittels eines Deckels oder derglei chen (nicht dargestellt) entsprechend geschlossen werden. Die über die Pumplichtfalle 12 abgegebene Strahlung kann im Gehäuse 16 samt Deckel als Wärmesenke 16 aufgenommen werden.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung 2 von der Seite. Mittels einer derartigen erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung 2 kann das zuvor be schriebene Faseraustrittselement 1 aber auch andere Faseraustrittselemente sowie vergleichbare Glas faserkomponenten hergestellt bzw. bearbeitet werden.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 weist ein Gehäuse 20 auf, welches die Komponenten bzw. die Bauteile der Bearbeitungsvorrichtung 2 hält und einen Arbeitsraum (nicht bezeichnet) umschließt, in welchem zum Beispiel das zuvor beschriebene Faseraustrittselement 1 bearbeitet bzw. hergestellt werden kann. Der Arbeitsraum kann zum Beispiel mittels einer Tür oder Klappe für eine Person verschließbar und zu gänglich sein.
Es ist eine bewegliche Aufnahmeeinheit 21 vorgesehen, von welcher mehrere Glasfasern 10 vorzugswei se im Bereich ihrer Beschichtungen 10c aber ggfs, alternativ oder zusätzlich im Bereich ihrer Mäntel 10b zum Beispiel mittels eines mechanischen Halteelements zum Beispiel als Greifer oder dergleichen aufge nommen und gehalten werden können, um mit der Aufnahmeeinheit 21 wenigstens in einer Bewe gungsrichtung B in der vertikalen Richtung Z bewegt zu werden. Es ist ferner eine bewegliche Aufnahme einheit 22 vorgesehen, von welcher das optische Element 14 zum Beispiel mittels eines mechanischen Halteelements zum Beispiel als Greifer oder dergleichen über dessen Seitenflächen 14c aufgenommen und gehalten werden kann, um mit der Aufnahmeeinheit 22 wenigstens in einer Bewegungsrichtung C in der vertikalen Richtung Z bewegt zu werden.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 weist ferner eine erste Bearbeitungsstrahlquelle 23 in Form einer ersten C02-Laserstrahlquelle 23 auf, welche einen ersten Bearbeitungsstrahls D in Form eines ersten C02-La- serstrahls D erzeugen kann. Der erste Bearbeitungsstrahls D wird von der ersten Bearbeitungsstrahl quelle 23 dabei auf ein erstes bewegliches Ausrichtelement 23a in Form eines ersten schwenkbaren Spiegels 23a gerichtet. Das erste bewegliche Ausrichtelement 23a ist entsprechend an dem Gehäuse 20 aufgehängt und mittels Antrieben (nicht dargestellt) einstellbar, sodass der erste Bearbeitungsstrahls D von dem ersten beweglichen Ausrichtelement 23a auf die Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 ausgerichtet werden kann. Hierdurch kann mittels des ersten. Bearbeitungsstrahls D eine Bearbeitungs zone F der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 erwärmt und das Material des optischen Ele ments 14 in diesem Bereich aufgeschmolzen und fließfähig gemacht werden.
Hierzu kann zusätzlich in der Querrichtung Y von der gegenüberliegenden Seite des optischen Elements 14 ein zweiter Bearbeitungsstrahls E in Form eines zweiten C02-Laserstrahls E verwendet werden, wel cher vorzugsweise von einer zweiten Bearbeitungsstrahlquelle 24 in Form einer zweiten C02-Laser- strahlquelle 24 erzeugt und mittels eines zweiten beweglichen Ausrichtelements 24a in Form eines zwei ten schwenkbaren Spiegels 24a auf die Bearbeitungszone F gerichtet werden kann. Alternativ kann der zweite Bearbeitungsstrahl E auch von der ersten Bearbeitungsstrahlquelle 23 zum Beispiels mittels eines Strahlteilers ausgehen. Die Bearbeitungszone F kann auch als Erwärmungszone F oder als Schweißzone F bezeichnet werden.
Hierdurch ist es möglich, seitens der Bearbeitungsvorrichtung 2 gemäß einer benutzerdefinierten Para metrierung selbstständig ein Verfahren zum Verbinden der offenen Enden 11 der Glasfasern 10 mit dem optischen Element 14 vorzunehmen. Sind von einer Person die Glasfasern 10 in der beweglichen Auf nahmeeinheit 21 und das optische Element 14 in der beweglichen Aufnahmeeinheit 22 angeordnet wor- den, so kann der Bearbeitung- bzw. Herstellprozess seitens der Bearbeitungsvorrichtung 2 derart betrie ben werden, dass die Bearbeitungszone F wie zuvor beschrieben fließfähig erwärmt wird. Ist diese Tem peratur der Bearbeitungszone F erreicht, so können nun einseitig oder beidseitig die Glasfasern 10 von deren beweglicher Aufnahmeeinheit 21 in der Bewegungsrichtung B in der vertikalen Richtung Z nach unten und bzw. oder das optische Element 14 von dessen beweglicher Aufnahmeeinheit 22 in der Bewe gungsrichtung C in der vertikalen Richtung Z nach oben aufeinander zu bewegt werden, sodass die offe nen Enden 11 der Glasfasern 10 im Bereich der Bearbeitungszone F in der vorbestimmten Eindringtiefe W in das fließfähige Material der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 eindringen können. Die Erwärmung der Bearbeitungszone F mittels der beiden Bearbeitungsstrahlen D, E kann zuvor beendet worden sein oder noch anhalten.
Ist die Eindringtiefe W erreicht, kann die Erwärmung der Bearbeitungszone F beendet werden. Alterna tiv kann die Erwärmung der Bearbeitungszone F auch schon vor dem Erreichen der Eindringtiefe W be endet werden. Das fließfähige Material der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 kann in jedem Fall nun die Materialien der Kerne 10a und der Mäntel 10b der Glasfasern 10 im Bereich der offenen Enden 11 mit aufschmelzen und hierdurch beim Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 weist ferner eine erste Bilderfassungseinheit 25 in Form einer ersten Flächenkamera 25 auf, welche in der vertikalen Richtung Z mittig unterhalb des optischen Elements 14 angeordnet und auf die Austrittsfläche 14b des optischen Elements 14 ausgerichtet ist. Ferner weist die Bearbeitungsvorrichtung 2 eine zweite Bilderfassungseinheit 26 in Form einer zweiten Flächenkamera 26 auf, welche in der Höhe Z von schräg oben auf die Bearbeitungszone F der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 ausgerichtet ist. Mittels der beiden Bilderfassungseinheiten 25, 26 kann zum Beispiel seitens einer Person als Benutzer vor, während und nach des zuvor beschriebenen Verbindungs vorgangs eine optische Überwachung der Glasfasern 10 sowie des optischen Elements 14 erfolgen. Wer den die bewegliche Aufnahmeeinheit 21 der Glasfasern 10 und bzw. oder die bewegliche Aufnahmeein heit 22 des optischen Elements 14 ferner in der horizontalen Ebene X, Y beweglich ausgebildet, kann gleichzeitig mittels der beiden Bilderfassungseinheiten 25, 26 eine Ausrichtung der offenen Enden 11 der Glasfasern 10 gegenüber dem optischen Element 14 seitens des Benutzers oder auch selbsttätig automatisiert seitens der Bearbeitungsvorrichtung 2 erfolgen.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 weist ferner eine Ausrichtungseinheit 29 in Form eines translatorisch und rotatorisch beweglichen Greifers 29 auf, welcher genau eine der Glasfasern 10 unabhängig von den übri gen Glasfasern 10 im Bereich ihrer Beschichtung 10c greifen und um die Achse ihrer länglichen Erstre ckung gegenüber dem optischen Element 14 auszurichten kann. Zwischen den einzelnen Glasfasern 10 kann der Greifer 29 in der Querrichtung Y und in der Längsrichtung X verfahren werden, um jede Glasfa ser 10 zu erreichen und auszurichten. Hierdurch kann für jede Glasfaser 10 eine vorbestimmte Ausrich- tung gegenüber dem optischen Element 14 ermöglicht werden, wodurch zum Beispiel bei polarisations erhaltenden Glasfasern 10 und bzw. oder bei Glasfasern 10 mit Stresskernen eine Beeinflussung der op tischen Eigenschaften der Signalausgangsstrahlung erreicht werden kann.
Die Bearbeitungsvorrichtung 2 weist ferner eine Temperaturerfassungseinheit 27 in Form einer Infrarot- Flächenkamera 27 auf, welche ebenfalls in der Flöhe Z von schräg oben auf die Bearbeitungszone F der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 ausgerichtet ist. Mittels der Temperaturerfassungseinheit 27 kann wenigstens eine Überwachung der Erwärmung der Bearbeitungszone F zum Beispiel seitens der Person erfolgen. Die Temperaturerfassungseinheit 27 kann jedoch auch seitens der Bearbeitungsvor richtung 2 dazu verwendet werden, den zuvor beschriebenen Vorgang des Erwärmens der Bearbei tungszone F und bzw. oder den zuvor beschriebenen Vorgang des Eintauchens der offenen Enden 11 der Glasfasern 10 in das fließfähige Material der Bearbeitungszone F der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 zu überwachen und bzw. oder in Abhängigkeit der erfassten Temperatur der Bearbeitungs zone F selbstständig geregelt durchzuführen.
Unterhalb der beweglichen Aufnahmeeinheit 22 des optischen Elements 14 weist die Bearbeitungsvor richtung 2 ferner eine Kühlungseinheit 28 in Form eines Luftgebläses 28 auf, welches auf die Austrittsflä che 14b des optischen Elements 14 ausgerichtet ist. Mittels des Luftgebläses 28 kann ein Luftstrom von Umgebungsluft erzeugt und auf die Austrittsfläche 14b des optischen Elements 14 gerichtet werden, sodass aktiv Wärme von dem optischen Element 14 außerhalb der Bearbeitungszone F abgeführt wer den kann. Flierdurch kann die Erwärmung des optischen Elements 14 außerhalb der Bearbeitungszone F gezielt geringgehalten werden.
Mittels der Bearbeitungsvorrichtung 2 bzw. dessen beider Bearbeitungsstrahlen D, E können in einem anschließenden Schritt der Fierstellung auch die zuvor beschriebenen Pumplichtfallen 12 in die Mäntel 10b der Glasfasern 10 eingebracht werden.
Nach Abschluss der zuvor beschriebenen Fierstellungsschritte kann das Faseraustrittselement 1 vom Benutzer aus dem Arbeitsraum der Bearbeitungsvorrichtung 2 entnommen und in einem zusätzlichen Fierstellungsschritt mit dem Spannungselement 13 versehen werden. BEZUGSZEICHENLISTE (Teil der Beschreibung) a erster Winkel zwischen Glasfasern 10 und Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14 ß zweiter Winkel zwischen Glasfasern 10 und Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14
A Signallichtstrahlungen; Laserlichtstrahlungen
A' Austrittsstrahlungen
B Bewegungsrichtung der Aufnahmeeinheit 21 der Glasfasern 10
C Bewegungsrichtung der Aufnahmeeinheit 22 des optischen Elements 14
D erster Bearbeitungsstrahl; erster (C02)-Laserstrahl
E zweiter Bearbeitungsstrahl; zweiter (C02)-Laserstrahl
F Bearbeitungs-, Erwärmungs- bzw. Schweißzone des optischen Elements 14
V Tiefe der Vertiefung 17 der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14
W Eindringtiefe der offenen Enden 11 der Kerne 10a der Glasfasern 10 in das optische Element 14
X Längsrichtung; Tiefe; Länge
Y Querrichtung; Breite
Z vertikale Richtung; Höhe
X, Y Horizontale; horizontale Ebene
I Faseraustrittselement; Signallichtstrahlungsausgang; Faseraustrittsoptik, Faserarray
10 Glasfasern
10a Kerne der Glasfasern 10
10b Mäntel der Glasfasern 10
10c Beschichtungen der Glasfaser 10
II offene Enden der Kerne 10a der Glasfasern 10
12 Pumplichtfalle, Mantellichtentferner, Stripping-Elemente bzw. Vertiefungen der Mäntel 10b der Glasfasern 10
13 Spannungselement
14 optisches Element; optisches Fenster; optische Linse, optischer Strahlteiler; optisches Prisma
14a Eintrittsfläche des optischen Elements 14
14b Austrittsfläche des optischen Elements 14
14c Seitenflächen des optischen Elements 14
15 optische Beschichtung der Austrittsfläche 14b des optischen Elements 14; Anti-Reflektionsbe- schichtung 16 Gehäuse; Gehäuseplatte; Gestell; , Faserstecker; Wärmesenke; Rahmen
16a Befestigungselemente; Durchgangsöffnungen
16b Halterung des optischen Elements 14
17 Vertiefung der Eintrittsfläche 14a des optischen Elements 14
2 Bearbeitungsvorrichtung
20 Gehäuse
21 bewegliche Aufnahmeeinheit der Glasfasern 10
22 bewegliche Aufnahmeeinheit des optischen Elements 14
23 erste Bearbeitungsstrahlquelle; erste (C02-)Laserstrahlquelle
23a erstes bewegliches Ausrichtelement bzw. erster schwenkbarer Spiegel des ersten Bearbeitungs strahls D
24 zweite Bearbeitungsstrahlquelle; zweite (C02-)Laserstrahlquelle
24a zweites bewegliches Ausrichtelement bzw. zweiter schwenkbarer Spiegel des zweiten Bearbei tungsstrahls E
25 erste Bilderfassungseinheit; erste Flächenkamera
26 zweite Bilderfassungseinheit; zweite Flächenkamera
27 Temperaturerfassungseinheit; Infrarot-Flächenkamera
28 Kühlungseinheit; Luftgebläse
29 Ausrichtungseinheit; drehbarer Greifer

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Faseraustrittselement (1) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (10) mit jeweils wenigstens einem Kern (10a), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (14), vorzugsweise einem optischen Fenster (14), einer optischen Linse (14), einem optischen Strahlteiler (14) oder einem optischen Prisma (14), welches mit jeweils einem offenen Ende (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) verbunden und ausgebil det ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen (A') über wenigstens eine Austrittsfläche (14b) nach au ßerhalb abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen En den (11) von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des opti schen Elements (14), innerhalb des Materials des optischen Elements (14) angeordnet sind, wobei wenigstens das Material der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vor zugsweise ferner das Material der offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfasern (10), mit dem Material des optischen Elements (14) verschmolzen ist.
2. Faseraustrittselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14) im Bereich einer Eintrittsfläche (14a) mit wenigstens einigen, vorzugs weise mit allen, offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner mit den offenen Enden (11) von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), verbunden ist, wobei das optische Element (14) von der Eintrittsfläche (14a) hin zur Austrittsfläche (14b) sich zu mindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, vorzugsweise stufenförmig oder durchgängig, zunehmend verbreiternd ausgebildet ist.
3. Faseraustrittselement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (14a) und die Austrittsfläche (14b) des optischen Elements (14) parallel oder winkelig zueinander ausgerichtet sind.
4. Faseraustrittselement (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14), vorzugsweise alle Außenflächen (14a, 14c) des optischen Elements (14) außer der Austrittfläche (14b) des optischen Elements (14), optisch angeraut ausgebildet ist und wenigstens die Austrittfläche (14b) des optischen Elements (14), vorzugsweise genau die Austritt fläche (14b) des optischen Elements (14), mit optisch glatter Oberflächenqualität ausgebildet ist.
5. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14), vorzugsweise eine Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14), wenigstens eine Vertiefung (17) mit einer Tiefe (V) aufweist, wobei wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfa sern (10), vorzugsweise ferner das Material von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), mit der Eindringtiefe (W) gegenüber der Vertiefung (17) inner halb des Materials des optischen Elements (14) angeordnet sind.
6. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die eine Austrittfläche (14b) des optischen Elements (14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollflächig, eine optische Beschichtung (15), vorzugsweise eine optische Anti-Reflek- tionsbeschichtung (15), aufweist.
7. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern (10) wenigs tens einen Mantel (10b) aufweist, welcher den Kern (10a) im Wesentlichen umschließt, wobei im Bereich des Faseraustrittselements (1) wenigstens eine Pumplichtfalle (12), vorzugswei se als Vertiefungen (12), in dem Material des Mantels (10b) der Glasfaser (1) ausgebildet ist, um Mantellicht aus dem Mantel (10b) der Glasfaser (1) nach außerhalb der Glasfaser (1) abzuführen.
8. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Spannungselement (13) im Bereich des Faseraustrittselements (1), welches ausge bildet ist, eine mechanische Spannung, vorzugsweise in Form von Zugkräften, Druckkräften, Bie- gekräften und/oder Scherkräften, auf wenigstens den Kern (10a) einer, vorzugsweise einiger, be sonders vorzugsweise aller, der Glasfasern (10), vorzugsweise und auf einen den Kern (10a) im Wesentlichen umschließenden Mantel (10b) der Glasfaser (10), über einen vorbestimmten Ab schnitt der länglichen Erstreckung der Glasfasern (10) auszuüben.
9. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende (11) des Kerns (10a) wenigstens einer, vorzugsweise einiger, besonders vorzugs weise aller, der Glasfasern (10) gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14) wenigstens in einem ersten Winkel (a) angeordnet ist, wobei der erste Winkel (a) 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden (11) der Kerne (10a) einiger, vorzugsweise aller, der Glas fasern (10) den gleichen ersten Winkel (a) oder unterschiedliche erste Winkel (a) aufweisen.
10. Faseraustrittselement (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende (11) des Kerns (10a) wenigstens einer, vorzugsweise einiger, besonders vorzugs weise aller, der Glasfasern (10) gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14) ferner in einem zweiten Winkel (ß) angeordnet ist, wobei der zweite Winkel (ß) 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden (11) der Kerne (10a) einiger, vorzugsweise aller, der Glas fasern (10) den gleichen zweiten Winkel (ß) oder unterschiedliche zweite Winkel (ß) aufweisen, und/oder wobei vorzugsweise der erste Winkel (a) und der zweite Winkel (ß) gleich oder unterschiedlich sind.
11. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), mit jeweils der gleichen Eindringtiefe (W) oder mit jeweils ei ner unterschiedlichen Eindringtiefe (W) innerhalb des Materials des optischen Elements (14) an geordnet sind.
12. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern (10) um die Achse ihrer länglichen Erstreckung eine Ausrichtbarkeit aufweist und in einer bevorzugten Aus richtung angeordnet ist.
13. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) zueinander linienförmig, V-förmig, kreisförmig, halbkreisförmig, bogenförmig, bündelförmig, hohl zylinderförmig oder rechteckig angeordnet sind.
14. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das offene Ende (11) des Kerns (10a) einer der Glasfasern (10) einen Mittelpunkt eines Kreises bildend angeordnet ist, wobei wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfa sern (10) kreisförmig um den Mittelpunkt des Kreises angeordnet sind, wobei vorzugsweise wenigstens ein radial innerer Kreis und ein radial äußerer Kreis gebildet wer den und/oder wobei vorzugsweise alle der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise alle der die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mäntel (10b) der Glasfasern (10), zuein ander gleich oder unterschiedlich beabstandet oder einander berührend angeordnet sind.
15. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise alle der die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mäntel (10b) der Glasfa sern (10), zueinander gleich oder unterschiedlich beabstandet oder einander berührend angeord net sind.
16. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise und/oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mäntel (10b) der Glasfasern (10), zumindest im Bereich des Faseraustrittselements (1) in ihrer länglichen Erstre ckungsrichtung einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Durchmesser und/oder einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
17. Faseraustrittselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise und/oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mäntel (10b) der Glasfasern (10), das gleiche oder unterschiedliche Materialien und/oder den gleichen oder unter schiedliche Durchmesser und/oder den gleichen oder unterschiedliche Querschnitte, vorzugswei se kreisrund, rechteckig, quadratisch oder oktogonal, aufweisen.
18. Verfahren zur Fierstellung eines Faseraustrittselements (1), vorzugsweise nach einem der voran gehenden Ansprüche, mit wenigstens den Schritten:
Bereitstellen einer Mehrzahl von Glasfasern (10) mit jeweils wenigstens einem Kern (10a), wel cher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen,
Bereitstellen wenigstens eines optischen Elements (14), vorzugsweise eines optischen Fensters (14), einer optischen Linse (14), eines optischen Strahlteilers (14) oder eines optischen Prismas (14), welches ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen (A') über wenigstens eine Aus trittsfläche (14b) nach außerhalb abzugeben,
Ausrichten wenigstens eines ersten Bearbeitungsstrahls (D) auf wenigstens eine Bearbeitungszo ne (F) des optischen Elements (14),
Erwärmen wenigstens der Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) mittels wenigstens des ersten Bearbeitungsstrahls (D) derart, dass das Material des optischen Elements (14) wenigs tens in der Bearbeitungszone (F) eine ausreichende Fließfähigkeit aufweist, um die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) von die Ker ne (10a) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), in sich aufzuneh men, und Bewegen wenigstens der Glasfasern (10) und/oder des optischen Elements (14) derart aufeinan der zu, so dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfasern (10), in der Bearbeitungszone (F) des opti schen Elements (14) mit einer Eindringtiefe (W) in das Material des optischen Elements (14) ein- dringen und wenigstens das Material der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfasern (10), mit dem Material des optischen Elements (14) verschmolzen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18 mit wenigstens dem weiteren Schritt:
Einbringen wenigstens einer Vertiefung (17) mit einer Tiefe (V) in das optische Element (14), vor zugsweise in eine Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14), wobei die Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) die Vertiefung (17) des optischen Ele ments (14) umfasst, vorzugsweise die Vertiefung (17) des optischen Elements (14) zumindest im Wesentlichen in der Mitte der Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) angeordnet ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern (10) wenigs tens einen Mantel (10b) aufweist, welcher den Kern (10a) im Wesentlichen umschließt, mit wenigstens dem weiteren Schritt:
Einbringen wenigstens einer Pumplichtfalle (12), vorzugsweise als Vertiefungen (12), in das Mate rial des Mantels (10b) der Glasfaser (1) im Bereich des Faseraustrittselements (1), welche ausge bildet ist, um Mantellicht aus dem Mantel (10b) der Glasfaser (1) nach außerhalb der Glasfaser (1) abzuführen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20 mit wenigstens dem weiteren Schritt:
Anordnen wenigstens eines Spannungselements (13) im Bereich des Faseraustrittselements (1), welches ausgebildet ist, eine mechanische Spannung, vorzugsweise in Form von Zugkräften, Druckkräften, Biegekräften und/oder Scherkräften, auf wenigstens den Kern (10a) einer, vorzugs weise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern (10), vorzugsweise und auf wenigs tens einen den Kern (10a) im Wesentlichen umschließenden Mantel (10b) der Glasfaser (10), über einen vorbestimmten Abschnitt der länglichen Erstreckung der Glasfaser (10) auszuüben.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 mit wenigstens dem weiteren Schritt:
Ausrichten des offenen Endes (11) des Kerns (10a) wenigstens einer, vorzugsweise einiger, beson ders vorzugsweise aller, der Glasfasern (10) gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14) wenigstens in einem ersten Winkel (a), vorzugsweise ferner in einem zweiten Win kel (ß), wobei der erste Winkel (a), vorzugsweise und/oder der zweite Winkel (ß), 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise die offenen Enden (11) der Kerne (10a) einiger, vorzugsweise aller, der Glas fasern (10) den gleichen ersten Winkel (a), vorzugsweise und/oder den gleichen zweiten Winkel (ß), oder unterschiedliche erste Winkel (a), vorzugsweise und/oder unterschiedliche zweite Win kel (ß), aufweisen, wobei vorzugsweise der erste Winkel (a) und der zweite Winkel (ß) gleich oder unterschiedlich sind.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22 mit wenigstens dem weiteren Schritt:
Ausrichten wenigstens einer, vorzugsweise einiger, besonders vorzugsweise aller, der Glasfasern (10) um die Achse ihrer länglichen Erstreckung.
24. Bearbeitungsvorrichtung (2) zur Herstellung eines Faseraustrittselements (1), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 17, vorzugsweise mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 23, mit wenigstens einer Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme einer Mehrzahl von Glasfasern (10), mit je weils wenigstens einem Kern (10a), welcher ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu füh ren, wenigstens einer Aufnahmeeinheit (22) zur Aufnahme wenigstens eines optischen Elements (14), welches ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) zu erhalten und als Austrittsstrahlung (A') über eine Austrittsfläche (14b) nach außerhalb abzugeben, und wenigstens einer ersten Bearbeitungsstrahlquelle (23), vorzugsweise einer ersten Laserstrahlquel le (23), besonders vorzugsweise einer ersten C02-Laserstrahlquelle (23), welche ausgebildet ist, einen ersten Bearbeitungsstrahl (D) zu erzeugen und direkt oder indirekt mittels eines ersten be weglichen Ausrichtelements (23a), vorzugsweise mittels eines ersten schwenkbaren Spiegels (23a), auf eine Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) zu richten, in der Bearbeitungs zone (F) zu bewegen und die Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) derart zu erwär men, dass das Material des optischen Elements (14) wenigstens in der Bearbeitungszone (F) eine ausreichende Fließfähigkeit aufweist, um die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) von die Kerne (10a) im Wesentlichen umschlie ßenden Mänteln (10b) der Glasfasern (10), in sich aufzunehmen, wobei die Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) in einer Bewe gungsrichtung (B) und/oder die Aufnahmeeinheit (22) zur Aufnahme wenigstens des optischen Elements (14) in einer Bewegungsrichtung (C) derart aufeinander zu beweglich ist/sind, so dass wenigstens die Glasfasern (10) und/oder das optische Element (14) derart aufeinander zu bewegt werden können, so dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10), vorzugsweise ferner die offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfasern (10), in der Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) mit einer Eindringtiefe (W) in das Material des optischen Elements (14) eindringen und wenigstens das Material der offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfa sern (10), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden (11) der Mäntel (10b) der Glasfa sern (10), mit dem Material des optischen Elements (14) verschmolzen werden kann.
25. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch wenigstens eine zweite Bearbeitungsstrahlquelle (24), vorzugsweise eine zweite Laserstrahlquelle (24), besonders vorzugsweise eine zweite C02-Laserstrahlquelle (24), welche ausgebildet ist, einen zweiten Bearbeitungsstrahl (E) zu erzeugen und direkt oder indirekt mittels eines zweiten beweglichen Ausrichtelements (24a), vorzugsweise mittels eines zweiten schwenkbaren Spiegels (24a), auf eine Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) zu richten und in der Bearbei tungszone (F) zu bewegen, so dass das Erwärmen der Bearbeitungszone (F) des optischen Ele ments (14) gemeinsam durch den ersten Bearbeitungsstrahl (D) und durch den zweiten Bearbei tungsstrahl (E) erfolgen kann.
26. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bearbeitungsstrahlquelle (23), vorzugsweise und die zweite Bearbeitungsstrahlquelle (24), ausgebildet ist, direkt oder indirekt mittels des ersten beweglichen Ausrichtelements (23a), vorzugsweise und mittels des zweiten beweglichen Ausrichtelements (24a), den ersten Bearbei tungsstrahl (D), vorzugsweise und den zweiten Bearbeitungsstrahl (E), auf das Material des Man tels (10b) der Glasfaser (1) im Bereich des Faseraustrittselements (1) zu richten, so dass wenigs tens eine Pumplichtfalle (12), vorzugsweise als Vertiefungen (12), in dem Material des Mantels (10b) der Glasfaser (1) ausgebildet werden kann, um Mantellicht aus dem Mantel (10b) der Glas faser (1) nach außerhalb der Glasfaser (1) abzuführen.
27. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) und/oder die Aufnahme einheit (22) zur Aufnahme wenigstens des optischen Elements (14) derart angeordnet und/oder schwenkbar beweglich ist/sind, so dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) gegenüber einer Eintrittsfläche (14a) des optischen Elements (14) wenigstens in einem ersten Winkel (a), vorzugsweise ferner in einem zweiten Winkel (ß), ausgerichtet werden können, wobei der erste Winkel (a), vorzugsweise und/oder der zweite Winkel (ß), 90° oder verschieden zu 90° ist, wobei vorzugsweise der erste Winkel (a) und der zweite Winkel (ß) gleich oder unterschiedlich sind.
28. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 27, gekennzeichnet durch wenigstens eine erste Bilderfassungseinheit (25), vorzugsweise eine erste Flächenkamera (25), welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit (22) aufgenommene optische Element (14) von der Seite der Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) oder von der der Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) abgewandten Seite wenigstens im Bereich der Bearbeitungszone (F) optisch zu erfassen, vorzugsweise durch ferner eine zweite Bilderfassungseinheit (26), vorzugsweise eine zweite Flä chenkamera (25), welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit (22) aufgenommene opti sche Element (14) von der der ersten Bilderfassungseinheit (25) gegenüberliegenden Seite we nigstens im Bereich der Bearbeitungszone (F) optisch zu erfassen.
29. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) senkrecht und/oder rota torisch zu ihrer Bewegungsrichtung (B) und/oder die Aufnahmeeinheit (22) zur Aufnahme wenigs tens des optischen Elements (14) senkrecht und/oder rotatorisch zu ihrer Bewegungsrichtung (C) derart beweglich ist/sind, so dass die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) und die Bearbeitungszone (F) des optischen Elements (14) zueinander ausgerichtet werden können.
30. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2), vorzugsweise eine Steuerungseinheit der Bearbeitungsvorrich tung (2), ausgebildet ist, die offenen Enden (11) der Kerne (10a) der Glasfasern (10) und die Bear beitungszone (F) des optischen Elements (14) in Abhängigkeit wenigstens eines erfassten opti schen Bildes der ersten Bilderfassungseinheit (25), vorzugsweise ferner der zweiten Bilderfas sungseinheit (26), selbsttätig zueinander auszurichten.
31. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 30, gekennzeichnet durch wenigstens eine Ausrichtungseinheit (29), vorzugweise einen translatorisch und rotatorisch be weglichen Greifer (29), welche ausgebildet ist, wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern (10) gemeinsam oder unabhängig voneinander um die Achse ih rer länglichen Erstreckung gegenüber dem optischen Element (14) auszurichten.
32. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 31, gekennzeichnet durch wenigstens eine Temperaturerfassungseinheit (27), vorzugsweise eine Infrarot-Flächenkamera (27), welche ausgebildet ist, eine Temperatur des in der Aufnahmeeinheit (22) aufgenommenen optischen Elements (14) von der Seite der Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) wenigstens im Bereich der Bearbeitungszone (F) zu erfassen.
33. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (2), vorzugsweise eine Steuerungseinheit der Bearbeitungsvorrich tung (2), ausgebildet ist, das Erzeugen, vorzugsweise wenigstens die Leistung, und/oder das Posi tionieren wenigstens des ersten Bearbeitungsstrahls (D), vorzugsweise ferner des zweiten Bear beitungsstrahls (E), in Abhängigkeit der von der Temperaturerfassungseinheit (27) erfassten Tem peratur zu steuern und/oder zu regeln.
34. Bearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 24 bis 33, gekennzeichnet durch wenigstens eine Kühlungseinheit (28), welche ausgebildet ist, das in der Aufnahmeeinheit (22) aufgenommene optische Element (14) zumindest im Wesentlichen außerhalb des Bereichs der Be arbeitungszone (F) abzukühlen, wobei die Kühlungseinheit (28) vorzugsweise ein Luftgebläse (28) aufweist, welches ausgebildet ist, einen Luftstrom auf die der Aufnahmeeinheit (21) zur Aufnahme wenigstens der Glasfasern (10) abgewandte Seite des optischen Elements (14) zu richten.
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