WO2010102895A1 - Method for the production of a light source comprising a diode laser and a plurality of optical fibers - Google Patents

Method for the production of a light source comprising a diode laser and a plurality of optical fibers Download PDF

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WO2010102895A1
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fiber
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fiber carrier
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Klaus Stoppel
Werner Herden
Hans-Jochen Schwarz
Andreas Letsch
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031Edge-emitting structures

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a light source according to the preamble of the independent claim.
  • Such a light source is known from DE 10 2004 006 932 B3 and has a diode laser bar with a plurality of narrow emitters, which are arranged in a row next to each other in the direction of their longitudinal axis.
  • the diode laser bar is associated with a device for beam guidance and beam shaping of the laser beam emerging from it, which contains a plurality of juxtaposed in a row of optical fibers into which the laser beam is coupled.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method that ensures a defined deformation of the fibers with high accuracy.
  • a light source for the optical excitation of a laser device, for example a laser device of a laser ignition system of an internal combustion engine, comprising a diode laser with a plurality of emitters and a light guide, wherein the light guide comprises a plurality of optical fibers and each optical Fiber having a first end and a side surface, wherein the first ends are disposed to the emitters such that light generated by the emitters couples into the first ends of the optical fibers, the optical fibers abutting at least in the region of their first ends along their side surfaces are arranged, achieved in that the manufacturing method comprises the following steps:
  • Deforming the fiber portion by exerting a force on the heated fibers through the pressing surfaces, wherein during the application of the force, the height of the gap remaining between the pressing surfaces is determined, and the exertion of the force is terminated when the determined height of the remaining between the pressing surfaces Gap reaches or exceeds a predetermined value.
  • a first end of an optical fiber is to be understood as meaning an end of an optical fiber in the direction of its longitudinal axis, for example in the case of a cylindrical optical fiber a base surface of the cylinder.
  • a lateral surface of an optical fiber is to be understood as meaning the surface which delimits an optical fiber perpendicular to its longitudinal axis, for example in the case of a cylindrical optical fiber the lateral surface of the cylinder.
  • Optical fibers which are butted along their side surfaces are understood to be the optical fibers, all or nearly all of them all, for example more than 90% of the optical fibers, touch immediately adjacent optical fibers along their side surfaces.
  • optical fibers are arranged at least in the fiber section along its side surfaces in abutment.
  • the value of the predetermined height is selected so that at the end of the exercise of the force, the fibers at least largely fill an area between the pressing surfaces.
  • the pressing surfaces are moved toward one another along a defined path length.
  • the pressing surfaces are moved towards each other via a high-precision drive, in particular via a piezo-based drive.
  • the determination of the height of the gap remaining between the pressing surfaces comprises a referencing of the measuring device, which takes place either in that the beginning of the deformation of the optical fibers is detected, for example by a suitable sensor system, or by being carried out regularly, for example at the beginning of the layer , the pressing surfaces are so far approached that they touch.
  • the pressing surfaces are moved towards each other by a defined path length, the path length being given by the distance between the pressing surfaces at the beginning of the deformation of the fibers and the proportion of the free cross-sectional area between the pressing surfaces in the region the fibers at the beginning of the deformation of the fibers. It is possible that these two factors at the beginning of the deformation of the fibers by a However, the fibers are arranged in a layer and have a round cross-section with a known diameter. The distance is then given at least approximately by the product of the diameter of the fibers with the factor (l-pi / 4).
  • One of the two pressing surfaces is advantageous or both pressing surfaces are part of one or two fiber carriers, which enter into a particularly cohesive connection with the optical fibers by the method according to the invention.
  • it is advantageous for improving the accuracy of the optical fiber reforming when the optical fibers consist of one or more first glasses and when the fiber carrier or the fiber carriers consist of one or more second glasses and if the softening temperature of the second glass or Softening temperatures of the second glasses have a higher value ha1 / than the softening temperature of the first glass or the softening temperatures of the first glasses.
  • the glasses are selected accordingly, it is ensured that under the action of the force, a deformation of the fibers, but not the fiber carrier takes place.
  • the softening temperatures are more than 20K apart.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a laser ignition device.
  • FIG. 2 schematically shows a laser ignition device in detail.
  • Figures 3a, 3b, 3c and 3d show schematically an example of a light source.
  • Figures 4, 4a show schematically the structure and arrangement of optical fibers.
  • FIG. 4b schematically shows an example of the arrangement of light-conducting device and diode laser.
  • FIGS. 6, 7a, 7b, 7c, 7e, 7f, 7g, 7h and 7i show by way of example and schematically the production of a light source.
  • Figures 8a, 8b, 8c, 8d and 8e and Figures 9a and 9b show schematically another example of the production of a light source.
  • Figures 10 and 11 show further examples of the production of a light source.
  • An internal combustion engine carries in Figure 1 in total the reference numeral 109. It serves to drive a motor vehicle, not shown, or a generator, also not shown.
  • the engine 109 includes a plurality of cylinders 129, one of which is shown in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 129 is bounded by a piston 16.
  • Fuel 229 enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a fuel pressure accumulator 209.
  • Fuel 229 injected into the combustion chamber 14 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by an ignition device 27 comprising a laser device 11 into the combustion chamber 14 and focused by means of focusing optics 261.
  • the laser device 11 is fed by a light source 10 via a light guide 12 with a pumping light.
  • the light source 10 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
  • the light source 10 also includes a diode laser 13, which outputs a corresponding pumping light via the light-guiding device 12 to the laser device 11 as a function of a control current.
  • FIG. 2 schematically shows a detailed view of the solid-state laser 260 of the laser device 11 from FIG. 1.
  • the solid-state laser 260 has a laser-active solid, referred to below as a laser crystal 44, which has a crystal called a Q-switch Q-switch 46, visually subordinate.
  • the solid state laser 260 further includes a coupling mirror 42 and a Auskoppelapt 48.
  • the components of the solid state laser 260 are monolithic in this example, that is, they are largely non-detachably connected to each other, for example by bonding and / or coating.
  • Laser crystal 44 is applied through the coupling mirror 42 through pump light 28a, so that there is an optical pumping and the formation of a population inversion in the laser crystal 44.
  • the passive Q-switch 46 is in its idle state, in which it has a relatively low transmission for the light to be generated by the laser device 11. In this way, the
  • the laser pulse 24 is, optionally using another light guide (not shown) or directly, coupled through a likewise not shown combustion chamber window of the laser device 11 in the combustion chamber 14 ( Figure 1) of the engine 109, so that existing therein fuel 229 or air / Fuel mixture is ignited.
  • FIGS 3a, 3b, 3c and 3d show a schematic view of an embodiment of a light source 10.
  • the diode laser 13 encompassed by the light source 10 has the design of a so-called diode laser bar. It thus has a plurality of juxtaposed emitters 131.
  • the emitters 131 have a side surface 1310 through which the light generated by the emitters 131 exits.
  • This side surface 1310 typically has an approximately rectangular shape with a, referred to as fast axis, short, for example, l ⁇ m long, first page 1311 and one, usually referred to as slow axis, longer, for example 10 - 500 ⁇ m long, second side 1312.
  • the slow-axis emitters 131 arranged next to one another are areas designated as separating trenches, from which no light is emitted.
  • the light generated by the emitters 131 and emerging from the side surfaces 1310 each has the shape of a cone of light, wherein the half-opening angle of the cone of light in the plane of the fast-axis is typically in the range of 30 ° to 60 ° and generally greater than that Aperture angle of the light cone in the plane of the slow axis, which is typically only a few degrees.
  • the diode laser 13 has the design of a so-called diode laser bar
  • the invention is not limited to such a design, but also includes, for example, diode laser 13 with other arrangements of emitters 131, for example arrangements having emitters 131 in multiple layer planes, these Layer planes are offset for example in the direction of the fast axis by a few microns to each other, for example, so-called diode laser stacks or nanosticks.
  • the light guide device 12 likewise encompassed by the light source 10 has a plurality of fibers 121, also referred to as optical fibers 121, the fibers 121 each having a first end 1211 and a second end 1212.
  • the fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 in a position next to one another. Furthermore, the fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 such that the end faces 1216 of the fibers 121 associated with the first ends 1211 lie together in one plane.
  • the fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 along their side surfaces 1217 in abutment, that is arranged so that all fibers 121 or almost all fibers 121, for example, more than 90% of the fibers 121, immediately adjacent fibers 121 in the region touching first ends 1211.
  • the end faces 1216 of the fibers 121 have a substantially rectangular shape
  • cross-sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211 have a substantially rectangular shape.
  • the fibers 121 in the region of their first ends 1211 areally contact each other along approximately planar regions of the side surfaces 1217 of the fibers 121.
  • the invention is of course not applicable to fibers 121 which are in the region of their first ends 1211 in FIG Have substantially rectangular cross sections, limited.
  • cross sections may also be trapezoidal or have curved sides, wherein it is preferred that the fibers 121 contact each other flatly along their side surfaces 1217 in the region of their first ends 1211 and that the end faces 1216 of the fibers 121 lie together in one plane, wherein the end faces 1216 of the fibers 121 together as close as possible, that is without inclusions free surfaces lie.
  • the end faces 1216 of the fibers 121 and cross sections of the fibers 121 have an at least substantially identical surface area, which is preferably between 3000 ⁇ m 2 and 5000 ⁇ m 2 .
  • the end faces 1216 of the fibers 121 and cross sections of the fibers 121 have an at least substantially identical surface area, which is preferably between 3000 ⁇ m 2 and 5000 ⁇ m 2 .
  • the end faces 1216 of the fibers 121 and cross sections of the fibers 121 have an at least substantially identical surface area, which is preferably between 3000 ⁇ m 2 and 5000 ⁇ m 2 .
  • Fibers 121 and cross-sections of the fibers 121 which lie in the region of the first ends 1211 of the fibers 121, the shape of a rectangle whose side lengths form a ratio of about 0.78 or pi / 4, wherein the fibers 121 preferably along the short Touch the sides of the rectangles.
  • a cross section of a fiber 121 is to be understood as a cross section perpendicular to the longitudinal axis 1219 of the fiber 121.
  • the fibers 121 consist of at least one glass, each individual fiber 121 preferably consisting of at least two different glasses. Glass types that are used are, for example, so-called flint glasses and / or soda-lime glasses.
  • FIG. 4 shows a section of the light-conducting device 12, in particular of the end faces 1216 which are associated with the first ends 1211 of the fibers 121 and which represent cross-sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211.
  • a fiber sizing 1215 laterally surrounding the fiber cladding 1214 is also visible.
  • Both the end face 1216 of the fiber 121 and cross sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211 have an almost rectangular shape in this example.
  • cross sections of the fiber core 1213 and the structure composed of fiber core 1213 and fiber cladding 1214 and the structure composed of fiber core 1213 and cladding 1214 and fiber sizing 1215 have nearly rectangular cross sections.
  • the thickness of the fiber cladding 1214, at least in the region of the first ends 1211 of the fibers 121 compared to the cross-sectional area, in particular compared to the square root of the surface area of the cross-sectional area, of the fiber core 1213 is low, whereby a high proportion of the fibers Emission of the diode laser 13 in fiber cores 1213 coupled, where it can be guided loss.
  • the fiber core 1213 is made of a first material
  • the fiber cladding 1214 is made of a second material
  • the fiber sizing 1215 is made of a third material, wherein the first material for the light generated by the diode laser 13, whose wavelength is for example 808 nm, has a refractive index ni, the second material being generated by the diode laser 13 Light has a refractive index n 2
  • the third material has a refractive index n 3 for the light generated by the diode laser 13, and where ni> n 2 > n 3 > 1.
  • the fiber core 1213 has a nearly rectangular shape and edge lengths of 60 ⁇ m and 77 ⁇ m in the region of the first ends 1211 of the fiber 121, the fiber cladding 1214 forms an approximately 2 ⁇ m thick layer and the fiber sizing 1215 is approximately 0.05 ⁇ m thick Layer.
  • the first material, the material of the fiber core 1213 is a glass having a refractive index between 1.5 and 1.6, for example, flint glass.
  • the second material, the material of the fiber cladding 1214 is a glass having a refractive index between 1.4 and 1.5, for example soda-lime glass.
  • the third material, the material of the fiber sizing 1215 is a plastic and has a refractive index of between 1.15 and 1.35.
  • the fiber sizing 1215 additionally has the function that
  • the fiber sizing 1215 may be a coating of varnish (acrylate or plastic).
  • the first ends 1211 and / or the second ends 1212 of the fibers 121 may comprise a polish and / or, as shown in FIG. 4 a, an antireflection layer 15.
  • Such a polish and / or such antireflection layer 15 is designed so that it reduces optical losses on entry / exit in / from the light guide 12.
  • Diode laser 13 completely with an optically homogeneous medium 17, for example an optical gel, preferably with a gel that reduces optical losses in coupling the light generated by the emitters 131 of the diode laser 13 into the fibers 121 and / or has a refractive index equal to or about equal to, for example, not more as 15% different, the refractive index of the fiber core is ni.
  • an optically homogeneous medium 17 for example an optical gel
  • a gel that reduces optical losses in coupling the light generated by the emitters 131 of the diode laser 13 into the fibers 121 and / or has a refractive index equal to or about equal to, for example, not more as 15% different, the refractive index of the fiber core is ni.
  • the first ends 1211 of the fibers 121 at a distance of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m in front of the emitters 131 of the diode laser 13.
  • the fibers 121 are connected to a fiber carrier 20 in the region of their first ends 1211.
  • the fiber carrier 20 used in this example has the shape of a cuboidal disk, extends across the width in which the fibers 121 are arranged, for example, about 20 mm, has a length of 1 mm, oriented in the direction of the longitudinal axes 1219 of the fibers 121 20 mm, for example up to 10 mm.
  • the fiber carrier 20 terminates flush on its side facing the diode laser 13 with the end faces 1216 of the fibers 121.
  • the height of the fiber carrier 20 is in the range of a few tenths of a millimeter to a few millimeters and is typically many times higher than the height of the fibers 121.
  • the fiber carrier 20 consists of a glass and is bonded to the fibers 121 in the region of their first ends 1211.
  • the fiber carrier 20 is made of a glass which has lower hardness at room temperature, a comparable coefficient of thermal expansion and / or a higher softening temperature compared to the type of glass or the types of glass constituting the fibers 121.
  • Types of glass used are, for example, float glasses.
  • the region referred to herein as the region of the first ends 1211 of the fibers 121, is to be understood as the region of the fibers 121 in which the fibers 121 are arranged on the fiber carrier 20.
  • the composite of fibers 121 and fiber carrier 20 is fixed relative to the diode laser 13, for example by gluing. Another possibility is to fix by clamping so that it can be loosened at a later time, for example, for disassembly or readjustment.
  • a further embodiment is shown in FIGS. 5a, 5b and 5c. This further embodiment differs from the embodiment illustrated in FIGS. 3 a, 3 b and 3 c in that the fibers 121 are arranged not only on a fiber carrier 20 in the region of their first ends 1211 but are arranged between the fiber carrier 20 and a second fiber carrier 21 ,
  • the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 each have the shape of a cuboid glass disc and are, for example, the same size.
  • the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 have the dimensions given in the preceding example for the fiber carrier 20.
  • the surface of the fiber carrier 20 facing the fibers 121 and the surface of the second fiber carrier 21 facing the fibers 121 are parallel to one another, so that the gap remaining between the fiber carriers 20, 21 has a uniform height.
  • the fiber 121 facing surface of the fiber carrier 20 and the fibers 121 facing surface of the second fiber carrier 20 are tilted to each other so that the remaining between the fiber carriers 20, 21 gap in the region of the end faces 1216 of the fibers 121 has a lower height than in the area of the fiber carriers 20, 21 lying opposite the end faces 1216 of the fibers 121.
  • a tilting takes place at an angle of 0.1 ° to 2.5 °, for example 0.2 ° to 0.5 °.
  • a continuous taper of the fibers 121 is provided.
  • the continuous transition between a cross-sectional shape useful for coupling into the fibers 121 and a cross-sectional shape useful for the fibers in the fibers 121 avoids abrupt transitions which are potential mechanical weak points.
  • the two fiber carriers 20, 21 can have similar, in particular identical, properties with respect to their material.
  • the second fiber carrier 21 preferably consists of a glass, which has a lower hardness at room temperature and / or in comparison to the type of glass or to the types of glass which make up the fibers 121 has comparable thermal expansion coefficient and / or a higher softening temperature.
  • the starting point is a fiber carrier 20 with a height of 1 mm, a length of 5 mm and a width of 14 mm.
  • the fibers 121 are oriented relative to each other and relative to the fiber carrier 20, for example by utilizing a common stop surface (not shown), such that the end surfaces 1216 of the fibers 121 are flush with each other and flush with the fiber carrier 20.
  • a cohesive connection between the fibers 121 and the fiber carrier 20 is formed.
  • the formation of a connection between the fiber carrier 20 and the fibers 121 is promoted and accelerated by a counter-surface 22 of a tool 200 on the side of the fibers 121 facing away from the fiber carrier 20 is brought into contact with the fibers 121 under the action of a force F.
  • a force is also generated between the fiber carrier 20 and the fibers 121.
  • the latter is made of at least one heat-resistant material, which also under the action of heat and pressure does not connect with glass, for example, SiC, form.
  • the formation of a connection between the mating surface 22 and the fibers 121 may also be desirable, in particular if the mating surface is part of a second fiber carrier 21, as shown in FIGS. 7c and 7d.
  • a second heating device 71 for example by means of a second electrical resistance heater, which is arranged on the side facing away from the first electrical resistance heater 70 side of the composite of fibers 121 and fiber carriers 20, 21, the heat supply can be improved.
  • the continued heating of the fibers 121 is associated with a softening of the fibers 121 and / or under the action of force applied by the mating surface 22, the fibers 121 deform in the region of their first ends 1211
  • the initially round cross-sectional areas of the fibers 121 in the regions in which the fibers 121 contact one another or the fiber carrier 20 or the counter surface 22 flattened the curvature of the side surfaces 1217 of the fibers 121 in FIG thus decreases these areas (increase in the radius of curvature), while the curvature in still free areas of the side surfaces 1217 of the fibers 121 increases (reduction of the radius of curvature).
  • the fibers 121 are further deformed in the region of their first ends 1211 until the space between the fiber carrier 20 and the mating surface 22 is at least substantially completely filled by the fibers 121 (FIG. 7e).
  • the fibers 121 then have in the region of their first ends, for example, rectangular cross-sections, in particular with an aspect ratio of Pi to 4, on the other hand, less regularly shaped cross-sectional areas of the fiber 121, such as trapezoidal cross-sections or curved cross sections, result ( Figure 7f).
  • the fibers 121 are pressed more strongly in a first subregion 121a, which comprises the end faces 1216 of the fibers 121, than in a second subregion 121b second portion 121 b is spaced from the end faces 1216 of the fibers 121.
  • the fibers 121 in the first subregion 121a are pressed so strongly that they have almost rectangular end faces following the pressing 1216 ( Figure 7h).
  • the fibers 121 in the second subregion 121b are pressed so little that they maintain a virtually round cross-sectional area in the second subregion 121b (FIG. 7i).
  • the counter surface 22 forms an angle of 0.1 ° to 2.5 ° to the support surface of the fibers 121 on the fiber carrier 20.
  • the force acting on the fibers by the opposing surface 22 to the normal force of the support surface of the fibers 121 on the fiber carrier 20 forms an angle of 0.1 ° to 2.5 °, so that there is an uneven compression of the fibers 121 is coming.
  • a single light source 10 in particular the production of a single light guide 12, has been described above. It is, as described below by way of example, additionally or alternatively possible, in a single operation in each case a plurality of light sources 10, in particular in each case a plurality of light-conducting devices 12 to produce.
  • a multiplicity of fibers 121 in particular a very large number of fibers 121, for example 1000 or more fibers 121, are arranged next to each other so that the fibers 121 in a fiber section 1218 are along their side surface 1217 in abutment, that is to say arranged so that all the fibers 121 or almost all the fibers 121, for example more than 90% of the fibers 121, touch immediately adjacent fibers 121 in the region of their first ends 1211 along their side surfaces 1217 in the fiber section 1218.
  • the fibers 121 are arranged so that the fiber section 1218 lies in the longitudinal direction of the fibers 121 at least approximately in the middle of the fibers 121.
  • the fibers 121 are also located in the fiber section 1218 on a fiber carrier 20 which is, for example, a glass plate and has a height of about one millimeter, a length of several millimeters and a width of 50 mm to 200 mm or more. In this
  • a second fiber carrier 21, whose properties in terms of geometry and material with those of the fiber carrier 20 match, compared to the first fiber carrier 20 is placed on the fibers 121.
  • these process steps include heating the fiber carrier 20 and the fiber carrier 21 Two designed as electric resistance heating heaters 70, 71. Indirectly, the fibers 121 are thus heated, in this example, on 550 to 850 0 C. Further, these method steps comprising the application of a force F to the fiber carrier 20 and the action of a force F ' on the second fiber carrier 21.
  • the forces F and F ' are opposite to each other and oriented so that a total of the two fiber carriers 20, 21, a pressure on the fibers 121 is applied, for example, a pressure of 0.5 N / cm 2 to 50 N / cm 2 .
  • a deformation of the fibers 121 occurs in the region between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21, wherein the fibers 121 in the region between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 initially have round cross-sectional areas and these round cross-sectional areas due deform the deformation of the fibers 121 as described above.
  • FIG. 8d An example of correspondingly deformed fibers 121 is further shown in Figure 8d wherein the cross-sectional areas of the fibers 121 have flattenings in the regions where the fibers 121 contact the fiber carriers 20, 21 or each other.
  • FIG. 8 e shows a further example in which the fibers 121 largely fill the area between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 so that the entirety of the fibers 121 largely completely fill the space located between the fiber carriers.
  • the cross sections of the individual fibers 121 in the region between the fiber carriers 20, 21 may be rectangular or trapezoidal.
  • the cut 55 can be carried out, for example, in a manner known per se by means of a diamond saw or by means of scribing and breaking or with the aid of a laser beam, for example infrared laser, in particular CO 2 laser. It is optionally possible to stack the two parts 300, 301 thus obtained or a plurality of parts 301, 302 thus obtained on each other and to polish together and / or provided with an antireflection layer.
  • the obtained parts 301, 302 can be considered as two light-guiding devices 12, which were manufactured together.
  • the parts 301, 302 individually or jointly by one or more second cuts 56, which are performed in the region of the fiber portion 1218 of the fibers 121 along the longitudinal axes 1219 of the fibers 121 on to divide and so to produce a plurality of light-conducting devices 12.
  • the second cuts 56 can be made flexible, in particular so that the width of the light guides 12 produced correspond to the width of the diode lasers 13 with which they cooperate.
  • the second cuts 56 can be made as well as the cuts 55, for example by means of a diamond saw or by means of scribing and breaking or with the aid of a laser beam, for example infrared laser, in particular CO 2 laser.
  • a laser beam for example infrared laser, in particular CO 2 laser.
  • the fabrication of a light source 10 may provide for deformation under the application of a force F to the heated fibers 121 in the region of the first ends 1211 of the fibers 121 or in, for example, approximately the center, fiber portion 1218 of the fibers 121 the heated fibers 121 come, for example, so that the entirety of the deformed fibers 121 completely fills a region between a fiber carrier 20 and a second fiber carrier 21.
  • a tool 200 for example made of SiC, which does not bond to the fibers 121 and which is removed after deformation of the fibers 121.
  • the manufactured device does not have two fiber carriers 21, 22, but instead at most one fiber carrier 21. It is particularly preferred in this case to introduce the first and / or second cuts 55, 56 by scribing and breaking.
  • the forces F and F ' are selected so that, although a deformation of the fibers 121 occurs, this deformation comes to a standstill when the fibers 121 at least largely cover a region between the pressing surfaces 201, 202 for the first time (for example> 99, 5% of the cross section). In this case, both an insufficient force F, which would not be sufficient for deforming the fiber 121, and an excessive force, which would lead to the lateral emergence of the fibers 121 from the area between the pressing surfaces 201, 202, is avoided.
  • the height of the gap remaining between the pressing surfaces 201,202 is determined, whereby the exertion of the force F is terminated when the determined value reaches or exceeds a predetermined value, ie when the height of the between the pressing surfaces 201, 202 remaining gap reaches or exceeds a predetermined height.
  • the exercise of the force can be stopped on the one hand, when the fibers 121 a
  • Range between the pressing surfaces 201, 202 at least largely (for example,> 99% the cross-sectional area), on the other hand, another height can be selected.
  • fibers 121 of first round cross-section and diameter D which in this example is 100 ⁇ m, are single-layered and inserted along the side surfaces 1217 of the fibers 121 between two pressing surfaces 201, 202.
  • the pressing surfaces 201, 202 are each either part of a fiber carrier 20, 21, which connects to the fibers 121 or a tool 200, for example of SiC, which does not enter into communication with the fibers 121.
  • the pressing surfaces 201, 202 are on actuators 60, here for example via piezoelectric actuators, displaced, wherein the displacement of the pressing surfaces 201, 202 by a to the
  • Actuators 60 applied signal for example, by a voltage is triggered. It is provided that the actual distance of the pressing surfaces 201, 202 from each other is detected, for example on the basis of the signals applied to the actuators or by an optical system.
  • the position of the pressing surfaces 201, 202 relative to each other before application of a voltage to the piezoactuator is referenced in that the pressing surfaces 201, 202 are brought into contact with the not yet softened fibers 121.
  • the voltage applied to the piezo actuators is increased stepwise or continuously until the applied voltage corresponds to a length expansion of the piezo actuators of 22 ⁇ m.
  • the space located between the pressing surfaces 201, 202 is at least substantially completely filled by the deformed fibers 121.

Abstract

Disclosed is a method for producing a light source (10), especially a light source (10) for optically exciting a laser device (11), e.g. a laser device (11) of a laser ignition system in an internal combustion engine (109), comprising a diode laser (13) that includes a plurality of emitters (131), and a light guiding device (12) that includes a plurality of optical fibers (121), each of which has a first end (1211) and a lateral surface (1217). The first ends (1211) are arranged in such a way relative to the emitters (131) that light generated by the emitters (131) is injected into the first ends (1211) of the optical fibers (121). The optical fibers (121) are arranged edge to edge along the lateral surfaces (1217) thereof, at least in the area of the first ends (1211) of the optical fibers. The disclosed method is characterized by the following steps: arranging a plurality of optical fibers (121) forming a fiber section (1218) in a subarea, said fiber section (1218) being located between two opposite pressing surfaces (201, 202); heating the fiber section (1218); deforming the fiber section (1218) by applying a force to the heated fibers (121) using the pressing surfaces (201, 202); determining the width of the gap between the pressing surfaces (201, 202) while said force is applied; and stopping to apply the force when the determined width of the gap between the pressing surfaces (201, 202) reaches or exceeds a given value.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER LICHTQUELLE MIT EINEM DIODENLASER UND EINER VIELZAHL OPTISCHER FASERNMETHOD FOR PRODUCING A LIGHT SOURCE WITH A DIODE LASER AND A VARIETY OF OPTICAL FIBERS
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a method for producing a light source according to the preamble of the independent claim.
Eine derartige Lichtquelle ist aus der DE 10 2004 006 932 B3 bekannt und weist einen Diodenlaserbarren mit einer Vielzahl von schmalen Emittern auf, die in Richtung ihrer Längsachse in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Dem Diodenlaserbarren ist eine Einrichtung zur Strahlführung und Strahlformung des aus ihm austretenden Laserstrahls zugeordnet, die eine Vielzahl von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern enthält, in die der Laserstrahl eingekoppelt wird.Such a light source is known from DE 10 2004 006 932 B3 and has a diode laser bar with a plurality of narrow emitters, which are arranged in a row next to each other in the direction of their longitudinal axis. The diode laser bar is associated with a device for beam guidance and beam shaping of the laser beam emerging from it, which contains a plurality of juxtaposed in a row of optical fibers into which the laser beam is coupled.
Ebenfalls aus der DE 10 2004 006 932 B3 bekannt ist es, eine derartige Lichtquelle herzustellen, indem runde Lichtleitfasern nebeneinander angeordnet werden und mit ihrem Endbereich in eine Form eingelegt werden, in der sie durch ein Heißpressverfahren in einen Rechteckquerschnitt gebracht werden, wobei die Ausdehnung der Fasern in einer ersten Richtung etwa unverändert bleibt, während sich die Ausdehnung der Fasern in einer zweiten Richtung um etwa 25% reduziert.It is likewise known from DE 10 2004 006 932 B3 to produce such a light source by arranging round optical fibers next to one another and placing them with their end region in a shape in which they are brought into a rectangular cross-section by a hot-pressing process, the expansion of the Fibers remain approximately unchanged in a first direction, while the expansion of the fibers in a second direction is reduced by about 25%.
Beim der industriellen Einsatz derartiger Verfahren ist es von großer Bedeutung, dass eine Umformung der Fasern im gewünschten Maß tatsächlich stattfindet, andererseits aber eine übermäßige Verquetschung der Fasern sicher ausgeschlossen wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dass eine definierte Umformung der Fasern mit hoher Genauigkeit sicherstellt.In the industrial use of such methods, it is of great importance that a conversion of the fibers to the desired extent actually takes place, but on the other hand, an excessive squeezing of the fibers is reliably excluded. The invention is therefore based on the object of specifying a method that ensures a defined deformation of the fibers with high accuracy.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Herstellung einer Lichtquelle, insbesondere einer Lichtquelle zur optischen Anregung einer Lasereinrichtung, beispielsweise einer Lasereinrichtung eines Laserzündsystems einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Diodenlaser mit einer Vielzahl von Emittern und eine Lichtleiteinrichtung, wobei die Lichtleiteinrichtung eine Vielzahl optischer Fasern umfasst und jede optische Faser ein erstes Ende und eine Seitenfläche aufweist, wobei die ersten Enden derart zu den Emittern angeordnet sind, dass durch die Emitter erzeugtes Licht in die ersten Enden der optischen Fasern einkoppelt, wobei die optischen Fasern zumindest im Bereich ihrer ersten Enden entlang ihrer Seitenflächen auf Stoß angeordnet sind, dadurch gelöst, dass das Herstellverfahren die folgenden Schritte aufweist:This object is achieved in the production of a light source, in particular a light source for the optical excitation of a laser device, for example a laser device of a laser ignition system of an internal combustion engine, comprising a diode laser with a plurality of emitters and a light guide, wherein the light guide comprises a plurality of optical fibers and each optical Fiber having a first end and a side surface, wherein the first ends are disposed to the emitters such that light generated by the emitters couples into the first ends of the optical fibers, the optical fibers abutting at least in the region of their first ends along their side surfaces are arranged, achieved in that the manufacturing method comprises the following steps:
- Anordnen einer Vielzahl von Fasern, die in einem Teilbereich einen Faserabschnitt bilden, der zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressflächen (201, 202) angeordnet ist,Arranging a multiplicity of fibers which, in a partial area, form a fiber section which is arranged between two pressing surfaces (201, 202) lying opposite one another,
- Erwärmen des Faserabschnitts,Heating the fiber section,
- Verformen des Faserabschnitts durch Ausüben einer Kraft auf die erwärmten Fasern durch die Pressflächen, wobei während der Ausübung der Kraft die Höhe des zwischen den Pressflächen verbleibenden Spaltes ermittelt wird und wobei die Ausübung der Kraft beendet wird, wenn die ermittelte Höhe des zwischen den Pressflächen verbleibenden Spaltes einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet.Deforming the fiber portion by exerting a force on the heated fibers through the pressing surfaces, wherein during the application of the force, the height of the gap remaining between the pressing surfaces is determined, and the exertion of the force is terminated when the determined height of the remaining between the pressing surfaces Gap reaches or exceeds a predetermined value.
Unter einem ersten Ende einer optischen Faser ist hierbei ein Ende einer optischen Faser in Richtung seiner Längsachse zu verstehen, beispielsweise bei einer zylindrischen optischen Faser eine Grundfläche des Zylinders. Unter einer Seitenfläche einer optischen Faser ist dabei die Fläche zu verstehen, die eine optische Faser senkrecht zu ihrer Längsachse begrenzt, beispielsweise bei einer zylindrischen optischen Faser die Mantelfläche des Zylinders. Unter optischen Fasern, die entlang ihrer Seitenflächen auf Stoß angeordnet sind, sind die optischen Fasern zu verstehen, von denen alle oder fast alle, zum Beispiel mehr als 90% der optischen Fasern, unmittelbar benachbarte optische Fasern entlang ihrer Seitenflächen berühren.Here, a first end of an optical fiber is to be understood as meaning an end of an optical fiber in the direction of its longitudinal axis, for example in the case of a cylindrical optical fiber a base surface of the cylinder. A lateral surface of an optical fiber is to be understood as meaning the surface which delimits an optical fiber perpendicular to its longitudinal axis, for example in the case of a cylindrical optical fiber the lateral surface of the cylinder. Optical fibers which are butted along their side surfaces are understood to be the optical fibers, all or nearly all of them all, for example more than 90% of the optical fibers, touch immediately adjacent optical fibers along their side surfaces.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die optischen Fasern zumindest in dem Faserabschnitt entlang ihrer Seitenflächen auf Stoß angeordnet sind.It is provided in particular that the optical fibers are arranged at least in the fiber section along its side surfaces in abutment.
Vorteilhafterweise wird der Wert der vorgegebene Höhe so gewählt ist, dass bei Beendigung der Ausübung der Kraft die Fasern einen Bereich zwischen den Pressflächen zumindest weitgehend ausfüllen.Advantageously, the value of the predetermined height is selected so that at the end of the exercise of the force, the fibers at least largely fill an area between the pressing surfaces.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass zur Verformung der optischen Fasern die Pressflächen eine definierte Weglänge aufeinander zu bewegt werden.In particular, it is provided that for the deformation of the optical fibers, the pressing surfaces are moved toward one another along a defined path length.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass das Verfahren die Hinterlegung oder die Messung der Distanz zwischen den Pressflächen bei Aufsetzen der Pressflächen auf den optischen Fasern vorsieht und ferner die Hinterlegung oder die Messung des Anteils der freien Querschnittsfläche zwischen den Pressflächen im Bereich der optischen Fasern bei Aufsetzen der Pressflächen auf den optischen Fasern vorsieht und dass die Weglänge durch das Produkt der beiden hinterlegten oder gemessenen Größen gegeben ist.In this case, provision is made in particular for the method to provide for the deposit or the measurement of the distance between the pressing surfaces when the pressing surfaces are placed on the optical fibers, and also for depositing or measuring the proportion of the free cross-sectional area between the pressing surfaces in the region of the optical fibers when placing the components Pressing surfaces on the optical fibers provides and that the path length is given by the product of the two stored or measured sizes.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Pressflächen über einen hochgenauen Antrieb, insbesondere über einen piezobasierten Antrieb, aufeinander zu bewegt werden.In one embodiment, it is provided that the pressing surfaces are moved towards each other via a high-precision drive, in particular via a piezo-based drive.
Vorteilhafterweise umfasst die Ermittlung der Höhe des zwischen den Pressflächen verbleibenden Spaltes eine Referenzierung der Messeinrichtung, die entweder dadurch erfolgt, dass der Beginn der Verformung der optischen Fasern, etwa durch eine geeignete Sensorik, erfasst wird, oder dadurch erfolgt, dass regelmäßig, beispielsweise zu Schichtbeginn, die Pressflächen einander soweit angenährt werden, dass sie sich berühren.Advantageously, the determination of the height of the gap remaining between the pressing surfaces comprises a referencing of the measuring device, which takes place either in that the beginning of the deformation of the optical fibers is detected, for example by a suitable sensor system, or by being carried out regularly, for example at the beginning of the layer , the pressing surfaces are so far approached that they touch.
Vorteilhafterweise werden im Anschluss an die Erfassung des Beginns der Verformung der Fasern die Pressflächen eine definierte Weglänge aufeinander zu bewegt, wobei die Weglänge gegeben ist durch die Distanz zwischen den Pressflächen bei Beginn der Verformung der Fasern und dem Anteil der freien Querschnittsfläche zwischen den Pressflächen im Bereich der Fasern bei Beginn der Verformung der Fasern. Es ist möglich, dass diese beiden Faktoren bei Beginn der Verformung der Fasern durch eine an sich bekannte Sensorik gemessen werden, vorteilhafterweise sind die Fasern jedoch in einer Lage angeordnet und weisen einen runden Querschnitt mit einem bekannten Durchmesser auf. Die Distanz ist dann zumindest etwa durch das Produkt aus dem Durchmesser der Fasern mit dem Faktor (l-pi/4) gegeben.Advantageously, following the detection of the beginning of the deformation of the fibers, the pressing surfaces are moved towards each other by a defined path length, the path length being given by the distance between the pressing surfaces at the beginning of the deformation of the fibers and the proportion of the free cross-sectional area between the pressing surfaces in the region the fibers at the beginning of the deformation of the fibers. It is possible that these two factors at the beginning of the deformation of the fibers by a However, the fibers are arranged in a layer and have a round cross-section with a known diameter. The distance is then given at least approximately by the product of the diameter of the fibers with the factor (l-pi / 4).
Vorteilhaft ist eine der beiden Pressflächen oder sind beide Pressflächen Teil eines oder zweier Faserträger, die durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den optischen Fasern eine insbesondere stoffschlüssige Verbindung eingehen. In diesen Fällen ist es vorteilhaft zur Verbesserung der Genauigkeit der Umformung der optischen Fasern, wenn die optischen Fasern aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und wenn der Faserträger oder die Faserträger aus einem oder mehreren zweiten Gläsern bestehen und wenn die Erweichungstemperatur des zweiten Glases oder die Erweichungstemperaturen der zweiten Gläser einen höheren Wert ha1/haben als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder die Erweichungstemperaturen der ersten Gläser. Sind die Gläser entsprechend gewählt, so ist sichergestellt, dass unter Einwirkung der Kraft eine Umformung der Fasern, nicht aber der Faserträger erfolgt. Bevorzugt liegen die Erweichungstemperaturen um mehr als 20K auseinander.One of the two pressing surfaces is advantageous or both pressing surfaces are part of one or two fiber carriers, which enter into a particularly cohesive connection with the optical fibers by the method according to the invention. In these cases, it is advantageous for improving the accuracy of the optical fiber reforming when the optical fibers consist of one or more first glasses and when the fiber carrier or the fiber carriers consist of one or more second glasses and if the softening temperature of the second glass or Softening temperatures of the second glasses have a higher value ha1 / than the softening temperature of the first glass or the softening temperatures of the first glasses. If the glasses are selected accordingly, it is ensured that under the action of the force, a deformation of the fibers, but not the fiber carrier takes place. Preferably, the softening temperatures are more than 20K apart.
Zeichnungdrawing
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a laser ignition device.
Figur 2 zeigt schematisch eine Laserzündeinrichtung im Detail.FIG. 2 schematically shows a laser ignition device in detail.
Die Figuren 3a, 3b, 3c und 3d zeigen schematisch ein Beispiel einer Lichtquelle.Figures 3a, 3b, 3c and 3d show schematically an example of a light source.
Die Figuren 4, 4a zeigen schematisch den Aufbau und die Anordnung von optischen Fasern.Figures 4, 4a show schematically the structure and arrangement of optical fibers.
Die Figur 4b zeigt schematisch ein Beispiel der Anordnung von Lichtleiteinrichtung und Diodenlaser.FIG. 4b schematically shows an example of the arrangement of light-conducting device and diode laser.
Die Figuren 5a, 5b und 5c zeigen schematisch ein weiteres Beispiel einer Lichtquelle. Die Figuren 6, 7a, 7b, 7c, 7e, 7f, 7g, 7h und 7i zeigen exemplarisch und schematisch die Herstellung einer Lichtquelle.Figures 5a, 5b and 5c show schematically another example of a light source. FIGS. 6, 7a, 7b, 7c, 7e, 7f, 7g, 7h and 7i show by way of example and schematically the production of a light source.
Die Figuren 8a, 8b, 8c, 8d und 8e sowie die Figuren 9a und 9b zeigen schematisch ein weiteres Beispiel der Herstellung einer Lichtquelle.Figures 8a, 8b, 8c, 8d and 8e and Figures 9a and 9b show schematically another example of the production of a light source.
Die Figuren 10 und 11 zeigen weitere Beispiele der Herstellung einer Lichtquelle.Figures 10 and 11 show further examples of the production of a light source.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 109. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines ebenfalls nicht dargestellten Generators. Die Brennkraftmaschine 109 umfasst mehrere Zylinder 129, von denen in Figur 1 einer gezeigt ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 129 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff 229 gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen Kraftstoff- Druckspeicher 209 angeschlossen ist.An internal combustion engine carries in Figure 1 in total the reference numeral 109. It serves to drive a motor vehicle, not shown, or a generator, also not shown. The engine 109 includes a plurality of cylinders 129, one of which is shown in FIG. A combustion chamber 14 of the cylinder 129 is bounded by a piston 16. Fuel 229 enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a fuel pressure accumulator 209.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 229 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 11 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer Fokussieroptik 261 fokussiert wird. Die Lasereinrichtung 11 wird von einer Lichtquelle 10 über eine Lichtleiteinrichtung 12 mit einem Pumplicht gespeist. Die Lichtquelle 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.Fuel 229 injected into the combustion chamber 14 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by an ignition device 27 comprising a laser device 11 into the combustion chamber 14 and focused by means of focusing optics 261. The laser device 11 is fed by a light source 10 via a light guide 12 with a pumping light. The light source 10 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
Die Lichtquelle 10 umfasst neben der Lichtleiteinrichtung 12 auch einen Diodenlaser 13, der in Abhängigkeit eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleiteinrichtung 12 an die Lasereinrichtung 11 ausgibt.In addition to the light-conducting device 12, the light source 10 also includes a diode laser 13, which outputs a corresponding pumping light via the light-guiding device 12 to the laser device 11 as a function of a control current.
Figur 2 zeigt schematisch eine Detailansicht des Festkörperlasers 260 der Lasereinrichtung 11 aus Figur 1. Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist der Festkörperlaser 260 einen, nachfolgend als Laserkristall 44 bezeichneten, laseraktiven Festkörper auf, dem ein auch als Q-switch bezeichneter Kristall, der passive Güteschalter 46, optisch nachgeordnet ist. Der Festkörperlaser 260 weist ferner einen Einkoppelspiegel 42 und einen Auskoppelspiegel 48 auf. Die Komponenten des Festkörperlasers 260 sind in diesem Beispiel monolithisch ausgebildet, das heißt, sie sind weitgehend unlösbar miteinander verbunden, zum Beispiel durch Bonden und/oder Beschichten.FIG. 2 schematically shows a detailed view of the solid-state laser 260 of the laser device 11 from FIG. 1. As can be seen from FIG. 2, the solid-state laser 260 has a laser-active solid, referred to below as a laser crystal 44, which has a crystal called a Q-switch Q-switch 46, visually subordinate. The solid state laser 260 further includes a coupling mirror 42 and a Auskoppelspiegel 48. The components of the solid state laser 260 are monolithic in this example, that is, they are largely non-detachably connected to each other, for example by bonding and / or coating.
Zur Erzeugung eines auch als Riesenimpuls bezeichneten Laserimpulses wird derTo generate a laser pulse, also called a giant pulse, the
Laserkristall 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit Pumplicht 28a beaufschlagt, sodass es zu einem optischen Pumpen und zur Ausbildung einer Besetzungsinversion in dem Laserkristall 44 kommt. Zunächst befindet sich der passive Güteschalter 46 in seinem Ruhezustand, in dem er eine verhältnismäßig geringe Transmission für das von der Lasereinrichtung 11 zu erzeugende Licht aufweist. Auf diese Weise werden derLaser crystal 44 is applied through the coupling mirror 42 through pump light 28a, so that there is an optical pumping and the formation of a population inversion in the laser crystal 44. First, the passive Q-switch 46 is in its idle state, in which it has a relatively low transmission for the light to be generated by the laser device 11. In this way, the
Prozess der stimulierten Emission und damit die Erzeugung von Laserstrahlung zunächst unterdrückt. Mit steigender Pumpdauer, das heißt während einer Beaufschlagung mit dem Pumplicht 28a, steigt jedoch die Strahlungsintensität in dem Festkörperlaser 260 an, sodass der passive Güteschalter 46 schließlich ausbleicht. Hierbei steigt seine Transmission sprunghaft an, und die Erzeugung von Laserstrahlung setzt ein. Dieser Zustand ist durch den Doppelpfeil 24' symbolisiert. Während des Laserbetriebs erfolgt infolge des Effekts der stimulierten Emission ein rascher Abbau der im Laserkristall 44 vorliegenden Besetzungsinversion, sodass die Emission des Festkörperlasers 260 typischerweise nach einigen Nanosekunden zum Erliegen kommt, und nachfolgend sinkt auch die Transmission des Güteschalters 46 wieder auf ihren ursprünglichen, geringen Wert.Process of stimulated emission and thus the generation of laser radiation initially suppressed. However, as the pumping time increases, that is, when it is exposed to the pumping light 28a, the radiation intensity in the solid-state laser 260 rises, so that the passive Q-switch 46 finally fades. In this case, its transmission increases abruptly, and the generation of laser radiation sets in. This state is symbolized by the double arrow 24 '. During laser operation, due to the effect of the stimulated emission, rapid degradation of the population inversion present in the laser crystal 44 occurs, so that the emission of the solid state laser 260 typically stops after a few nanoseconds, and subsequently the transmission of the Q-switch 46 also returns to its original, low value ,
Auf die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird, gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleiteinrichtung (nicht gezeigt) oder auch direkt, durch ein ebenfalls nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 11 in den Brennraum 14 (Figur 1) der Brennkraftmaschine 109 eingekoppelt, sodass darin vorhandener Kraftstoff 229 bzw. ein Luft/Kraftstoffgemisch entzündet wird.In the manner described above, a laser pulse 24, also referred to as a giant pulse, which has a relatively high peak power. The laser pulse 24 is, optionally using another light guide (not shown) or directly, coupled through a likewise not shown combustion chamber window of the laser device 11 in the combustion chamber 14 (Figure 1) of the engine 109, so that existing therein fuel 229 or air / Fuel mixture is ignited.
Die Figuren 3a, 3b, 3c und 3d zeigen eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Lichtquelle 10. Der von der Lichtquelle 10 umfasste Diodenlaser 13 weist die Bauform eines sogenannten Diodenlaserbarrens auf. Er hat somit eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Emittern 131. Die Emitter 131 weisen eine Seitenfläche 1310 auf, durch die das von den Emittern 131 erzeugte Licht austritt. Diese Seitenfläche 1310 hat typischerweise eine etwa rechteckförmige Gestalt mit einer, üblicherweise als Fast-Axis bezeichneten, kurzen, zum Beispiel lμm langen, ersten Seite 1311 und einer, üblicherweise als Slow-Axis bezeichneten, längeren, zum Beispiel 10 - 500μm langen, zweiten Seite 1312. Zwischen den in einer Schichtebene, in Richtung der Slow-Axis nebeneinander angeordneten Emittern 131 befinden sich als Trenngräben bezeichnete Bereiche, aus denen kein Licht emittiert wird. Das von den Emittern 131 erzeugte und aus den Seitenflächen 1310 austretende Licht hat jeweils die Form eines Lichtkegels, wobei der halbe Öffnungswinkel des Lichtkegels in der Ebene der Fast-Axis typischerweise im Bereich von 30° bis 60° liegt und allgemeinen deutlich größer ist als der Öffnungswinkel des Lichtkegels in der Ebene der Slow Axis, der typischerweise nur einige Grad beträgt.Figures 3a, 3b, 3c and 3d show a schematic view of an embodiment of a light source 10. The diode laser 13 encompassed by the light source 10 has the design of a so-called diode laser bar. It thus has a plurality of juxtaposed emitters 131. The emitters 131 have a side surface 1310 through which the light generated by the emitters 131 exits. This side surface 1310 typically has an approximately rectangular shape with a, referred to as fast axis, short, for example, lμm long, first page 1311 and one, usually referred to as slow axis, longer, for example 10 - 500μm long, second side 1312. Between those in a layer plane in the direction The slow-axis emitters 131 arranged next to one another are areas designated as separating trenches, from which no light is emitted. The light generated by the emitters 131 and emerging from the side surfaces 1310 each has the shape of a cone of light, wherein the half-opening angle of the cone of light in the plane of the fast-axis is typically in the range of 30 ° to 60 ° and generally greater than that Aperture angle of the light cone in the plane of the slow axis, which is typically only a few degrees.
Wenngleich in diesem Beispiel der Diodenlaser 13 die Bauform eines sogenannten Diodenlaserbarrens aufweist, ist die Erfindung nicht auf eine solche Bauform beschränkt, sondern umfasst beispielsweise auch Diodenlaser 13 mit anderen Anordnungen von Emittern 131, beispielsweise Anordnungen, die Emitter 131 in mehreren Schichtebenen aufweisen, wobei diese Schichtebenen beispielsweise in Richtung der Fast-Axis um einige Mikrometer zueinander versetzt sind, zum Beispiel sogenannte Diodenlaserstacks oder Nanostacks.Although in this example the diode laser 13 has the design of a so-called diode laser bar, the invention is not limited to such a design, but also includes, for example, diode laser 13 with other arrangements of emitters 131, for example arrangements having emitters 131 in multiple layer planes, these Layer planes are offset for example in the direction of the fast axis by a few microns to each other, for example, so-called diode laser stacks or nanosticks.
Die von der Lichtquelle 10 ebenfalls umfasste Lichtleiteinrichtung 12 weist eine Vielzahl von auch als optische Fasern 121 bezeichneten Fasern 121 auf, wobei die Fasern 121 jeweils ein erstes Ende 1211 und ein zweites Ende 1212 aufweisen. Die Fasern 121 sind im Bereich ihrer ersten Enden 1211 in einer Lage nebeneinander angeordnet. Ferner sind die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 so angeordnet, dass die den ersten Enden 1211 zugehörigen Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gemeinsam in einer Ebene liegen. Ferner sind die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 entlang ihrer Seitenflächen 1217 auf Stoß angeordnet, also so angeordnet, dass alle Fasern 121 oder fast alle Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121, unmittelbar benachbarte Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 berühren.The light guide device 12 likewise encompassed by the light source 10 has a plurality of fibers 121, also referred to as optical fibers 121, the fibers 121 each having a first end 1211 and a second end 1212. The fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 in a position next to one another. Furthermore, the fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 such that the end faces 1216 of the fibers 121 associated with the first ends 1211 lie together in one plane. Furthermore, the fibers 121 are arranged in the region of their first ends 1211 along their side surfaces 1217 in abutment, that is arranged so that all fibers 121 or almost all fibers 121, for example, more than 90% of the fibers 121, immediately adjacent fibers 121 in the region touching first ends 1211.
In diesem Beispiel weisen die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, desgleichen weisen Querschnitte der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Hierbei berühren sich die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 flächig entlang annährend eben ausgebildeter Bereiche der Seitenflächen 1217 der Fasern 121. Jedoch ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf Fasern 121, die im Bereich ihrer ersten Enden 1211 im Wesentlichen rechteckige Querschnitte aufweisen, eingeschränkt. Diese Querschnitte können auch trapezförmig sein oder geschwungene Seiten aufweisen, wobei es bevorzugt ist, dass sich die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 flächig entlang ihrer Seitenflächen 1217 berühren und dass die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gemeinsam in einer Ebene liegen, wobei die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gemeinsam möglichst dicht, das heißt ohne Einschlüsse freier Flächen, liegen.In this example, the end faces 1216 of the fibers 121 have a substantially rectangular shape, likewise, cross-sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211 have a substantially rectangular shape. In this case, the fibers 121 in the region of their first ends 1211 areally contact each other along approximately planar regions of the side surfaces 1217 of the fibers 121. However, the invention is of course not applicable to fibers 121 which are in the region of their first ends 1211 in FIG Have substantially rectangular cross sections, limited. These cross sections may also be trapezoidal or have curved sides, wherein it is preferred that the fibers 121 contact each other flatly along their side surfaces 1217 in the region of their first ends 1211 and that the end faces 1216 of the fibers 121 lie together in one plane, wherein the end faces 1216 of the fibers 121 together as close as possible, that is without inclusions free surfaces lie.
Die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 und Querschnitte der Fasern 121 haben untereinander einen zumindest weitgehend gleichen Flächeninhalt, der bevorzugt zwischen 3000 μm2 und 5000 μm2 liegt. Bevorzugt weisen die Stirnflächen 1216 derThe end faces 1216 of the fibers 121 and cross sections of the fibers 121 have an at least substantially identical surface area, which is preferably between 3000 μm 2 and 5000 μm 2 . Preferably, the end faces 1216 of
Fasern 121 und Querschnitte der Fasern 121, die im Bereich der ersten Enden 1211 der Fasern 121 liegen, die Form eines Rechteckes auf, dessen Seitenlängen ein Verhältnis von etwa 0,78 oder pi/4 bilden, wobei sich die Fasern 121 bevorzugt entlang der kurzen Seiten der Rechtecke berühren. Unter einem Querschnitt einer Faser 121 ist im Rahmen dieser Erfindung ein Querschnitt senkrecht zur Längsachse 1219 der Faser 121 zu verstehen.Fibers 121 and cross-sections of the fibers 121, which lie in the region of the first ends 1211 of the fibers 121, the shape of a rectangle whose side lengths form a ratio of about 0.78 or pi / 4, wherein the fibers 121 preferably along the short Touch the sides of the rectangles. In the context of this invention, a cross section of a fiber 121 is to be understood as a cross section perpendicular to the longitudinal axis 1219 of the fiber 121.
Die Fasern 121 bestehen aus mindestens einem Glas, wobei jede individuelle Faser 121 bevorzugt aus mindestens zwei verschiedenen Gläsern besteht. Glasorten, die zum Einsatz kommen, sind beispielsweise sogenannte Flintgläser und/oder Kalknatrongläser.The fibers 121 consist of at least one glass, each individual fiber 121 preferably consisting of at least two different glasses. Glass types that are used are, for example, so-called flint glasses and / or soda-lime glasses.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Lichtleiteinrichtung 12, insbesondere der den ersten Enden 1211 der Fasern 121 zugehörigen Stirnflächen 1216, die Querschnitte der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 repräsentieren. Im Querschnitt, beziehungsweise entlang der Stirnfläche 1216, einer Faser 121 wird ein zentral in der Faser 121 angeordneter Faserkern 1213 und ferner ein den Faserkern 1213 lateral, also senkrecht zur Längsachse 1219 der Fasern 121, umgebender Fasermantel 1214 sichtbar. Im Querschnitt, beziehungsweise entlang der Stirnfläche 1216, einer Faser 121 wird ferner eine den Fasermantel 1214 lateral umgebende Faserschlichte 1215 sichtbar. Sowohl die Stirnfläche 1216 der Faser 121 als auch Querschnitte der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 weisen in diesem Beispiel eine nahezu rechteckige Form auf. Desgleichen weisen im Bereich des ersten Endes 1211 der Fasern 121 Querschnitte des Faserkerns 1213 und des aus Faserkern 1213 und Fasermantel 1214 zusammengesetzten Gebildes und des aus Faserkern 1213 und Fasermantel 1214 und Faserschlichte 1215 zusammengesetzten Gebildes nahezu rechteckige Querschnitte auf. Es ist vorgesehen, dass die Dicke des Fasermantels 1214 zumindest im Bereich der ersten Enden 1211 der Fasern 121 im Vergleich zur Querschnittsfläche, insbesondere im Vergleich zur Quadratwurzel des Flächeninhaltes der Querschnittsfläche, des Faserkerns 1213 gering ist, wodurch erreicht wird, dass ein hoher Anteil der Emission des Diodenlasers 13 in Faserkerne 1213 einkoppelt, wo er verlustarm geführt werden kann.FIG. 4 shows a section of the light-conducting device 12, in particular of the end faces 1216 which are associated with the first ends 1211 of the fibers 121 and which represent cross-sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211. A fiber core 1213 arranged centrally in the fiber 121 and, furthermore, a fiber cladding 1214 surrounding the fiber core 1213 laterally, that is to say perpendicular to the longitudinal axis 1219 of the fibers 121, become visible in cross-section or along the end face 1216 of a fiber 121. In cross-section, or along the end face 1216, of a fiber 121, a fiber sizing 1215 laterally surrounding the fiber cladding 1214 is also visible. Both the end face 1216 of the fiber 121 and cross sections of the fibers 121 in the region of their first ends 1211 have an almost rectangular shape in this example. Likewise, in the region of the first end 1211 of the fibers 121, cross sections of the fiber core 1213 and the structure composed of fiber core 1213 and fiber cladding 1214 and the structure composed of fiber core 1213 and cladding 1214 and fiber sizing 1215 have nearly rectangular cross sections. It is provided that the thickness of the fiber cladding 1214, at least in the region of the first ends 1211 of the fibers 121 compared to the cross-sectional area, in particular compared to the square root of the surface area of the cross-sectional area, of the fiber core 1213 is low, whereby a high proportion of the fibers Emission of the diode laser 13 in fiber cores 1213 coupled, where it can be guided loss.
Um zu erreichen, dass das Licht, das dennoch in den Fasermantel 1214 einer Faser 121 einkoppelt, dort zumindest teilweise zum zweiten Ende 1212 der Faser 121 geführt wird, ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Faserkern 1213 aus einem ersten Material, der Fasermantel 1214 aus einem zweiten Material und die Faserschlichte 1215 aus einem dritten Material besteht, wobei das erste Material für das von dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht, dessen Wellenlänge beispielsweise 808 nm beträgt, einen Brechungsindex ni hat, wobei das zweite Material für das von dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht einen Brechungsindex n2 hat und wobei das dritte Material für das von dem Diodenlaser 13 erzeugte Licht einen Brechungsindex n3 hat und wobei gilt: ni>n2>n3>l.In order to ensure that the light, which nevertheless couples into the fiber cladding 1214 of a fiber 121, is at least partially guided to the second end 1212 of the fiber 121, it is additionally or alternatively provided that the fiber core 1213 is made of a first material, the fiber cladding 1214 is made of a second material and the fiber sizing 1215 is made of a third material, wherein the first material for the light generated by the diode laser 13, whose wavelength is for example 808 nm, has a refractive index ni, the second material being generated by the diode laser 13 Light has a refractive index n 2 , and wherein the third material has a refractive index n 3 for the light generated by the diode laser 13, and where ni> n 2 > n 3 > 1.
In diesem Beispiel hat der Faserkern 1213 im Bereich der ersten Enden 1211 der Faser 121 eine nahezu rechteckige Gestalt und Kantenlängen von 60 μm und 77 μm, der Fasermantel 1214 bildet eine etwa 2 μm dicke Schicht und die Faserschlichte 1215 eine etwa 0,05 μm dicke Schicht. Das erste Material, das Material des Faserkerns 1213, ist ein Glas mit einem Brechungsindex zwischen 1,5 und 1,6, beispielsweise Flintglas. Das zweite Material, das Material des Fasermantels 1214, ist ein Glas mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 und 1,5, zum Beispiel Kalknatronglas. Das dritte Material, das Material der Faserschlichte 1215, ist ein Kunststoff und weist einen Brechungsindex zwischen 1,15 und 1,35 auf. Die Faserschlichte 1215 hat zusätzlich die Funktion, dieIn this example, the fiber core 1213 has a nearly rectangular shape and edge lengths of 60 μm and 77 μm in the region of the first ends 1211 of the fiber 121, the fiber cladding 1214 forms an approximately 2 μm thick layer and the fiber sizing 1215 is approximately 0.05 μm thick Layer. The first material, the material of the fiber core 1213, is a glass having a refractive index between 1.5 and 1.6, for example, flint glass. The second material, the material of the fiber cladding 1214, is a glass having a refractive index between 1.4 and 1.5, for example soda-lime glass. The third material, the material of the fiber sizing 1215, is a plastic and has a refractive index of between 1.15 and 1.35. The fiber sizing 1215 additionally has the function that
Beständigkeit der Fasern 121 zu verbessern. Die Faserschlichte 1215 kann ein Überzug aus Lack (Acrylat oder Kunststoff) sein.To improve the durability of the fibers 121. The fiber sizing 1215 may be a coating of varnish (acrylate or plastic).
Die ersten Enden 1211 und/oder die zweiten Enden 1212 der Fasern 121 können eine Politur und/oder, wie in Figur 4a dargestellt, eine Antireflexschicht 15 aufweisen. Eine solche Politur und/oder eine solche Antireflexschicht 15 ist so ausgeführt, dass sie optische Verluste beim Eintritt/Austritt in/aus der Lichtleiteinrichtung 12 vermindert.The first ends 1211 and / or the second ends 1212 of the fibers 121 may comprise a polish and / or, as shown in FIG. 4 a, an antireflection layer 15. Such a polish and / or such antireflection layer 15 is designed so that it reduces optical losses on entry / exit in / from the light guide 12.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, wie in Figur 4b schematisch dargestellt, einen Raum zwischen den ersten Enden der Fasern 1211 und den Emittern 131 desAlternatively or additionally, it is possible, as shown schematically in Figure 4b, a space between the first ends of the fibers 1211 and the emitters 131 of
Diodenlasers 13 vollständig mit einem optisch homogenen Medium 17, zum Beispiel einem optischen Gel, auszufüllen, vorzugsweise mit einem Gel, dass optische Verluste bei der Einkopplung des von den Emittern 131 des Diodenlasers 13 erzeugten Lichts in die Fasern 121 vermindert und/oder einen Brechungsindex aufweist, der gleich oder etwa gleich, zum Beispiel um nicht mehr als 15% verschieden, dem Brechungsindex des Faserkerns ni ist.Diode laser 13 completely with an optically homogeneous medium 17, for example an optical gel, preferably with a gel that reduces optical losses in coupling the light generated by the emitters 131 of the diode laser 13 into the fibers 121 and / or has a refractive index equal to or about equal to, for example, not more as 15% different, the refractive index of the fiber core is ni.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die ersten Enden 1211 der Fasern 121 mit einem Abstand von 1 μm bis 10 μm vor den Emittern 131 des Diodenlasers 13 anzuordnen.Alternatively or additionally, it is possible to arrange the first ends 1211 of the fibers 121 at a distance of 1 μm to 10 μm in front of the emitters 131 of the diode laser 13.
Wie in den Figuren 3a, 3b und 3c ersichtlich, sind die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 mit einem Faserträger 20 verbunden. Der in diesem Beispiel verwendete Faserträger 20 hat die Form eines quaderförmigen Scheibchens, erstreckt sich über die Breite, in der die Fasern 121 angeordnet sind, beispielsweise ca. 20 mm, hat eine in Richtung der Längsachsen 1219 der Fasern 121 orientierte Länge von 1 mm bis 20 mm, zum Beispiel bis 10 mm. Der Faserträger 20 schließt auf seiner dem Diodenlaser 13 zugewandten Seite mit den Stirnflächen 1216 der Fasern 121 bündig ab. Die Höhe des Faserträgers 20 liegt im Bereich von einigen zehntel Millimeter bis einigen Millimetern und ist typischerweise um ein Vielfaches höher als die Höhe der Fasern 121.As can be seen in FIGS. 3 a, 3 b and 3 c, the fibers 121 are connected to a fiber carrier 20 in the region of their first ends 1211. The fiber carrier 20 used in this example has the shape of a cuboidal disk, extends across the width in which the fibers 121 are arranged, for example, about 20 mm, has a length of 1 mm, oriented in the direction of the longitudinal axes 1219 of the fibers 121 20 mm, for example up to 10 mm. The fiber carrier 20 terminates flush on its side facing the diode laser 13 with the end faces 1216 of the fibers 121. The height of the fiber carrier 20 is in the range of a few tenths of a millimeter to a few millimeters and is typically many times higher than the height of the fibers 121.
Der Faserträger 20 besteht aus einem Glas und ist mit den Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 stoffschlüssig verbunden. Der Faserträger 20 besteht aus einem Glas, welches im Vergleich zu der Glassorte oder zu den Glassorten, aus denen die Fasern 121 bestehen, eine geringere Härte bei Raumtemperatur, einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder eine höhere Erweichungstemperatur hat. Glasorten, die zum Einsatz kommen, sind zum Beispiel Floatgläser.The fiber carrier 20 consists of a glass and is bonded to the fibers 121 in the region of their first ends 1211. The fiber carrier 20 is made of a glass which has lower hardness at room temperature, a comparable coefficient of thermal expansion and / or a higher softening temperature compared to the type of glass or the types of glass constituting the fibers 121. Types of glass used are, for example, float glasses.
Der Bereich, der vorliegend als Bereich der ersten Enden 1211 der Fasern 121 bezeichnet wird, ist als der Bereich der Fasern 121 aufzufassen, in dem die Fasern 121 auf dem Faserträger 20 angeordnet sind.The region, referred to herein as the region of the first ends 1211 of the fibers 121, is to be understood as the region of the fibers 121 in which the fibers 121 are arranged on the fiber carrier 20.
Der Verbund aus Fasern 121 und Faserträger 20 ist relativ zu dem Diodenlaser 13 fixiert, beispielsweise durch eine Klebung. Eine weitere Möglichkeit ist es, eine Fixierung durch Klemmen herzustellen, sodass sie zu einem späteren Zeitpunkt gelöst werden kann, zum Beispiel zwecks Demontage oder Nachjustieren. Eine weitere Ausführungsform ist in den Figuren 5a, 5b und 5c dargestellt. Diese weitere Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 3a, 3b und 3c dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 nicht nur auf einem Faserträger 20 angeordnet sind, sondern zwischen dem Faserträger 20 und einem zweiten Faserträger 21 angeordnet sind. Der Faserträger 20 und der zweite Faserträger 21 haben jeweils die Form eines quaderförmigen Glasscheibchens und sind beispielsweise gleich groß. Beispielsweise haben der Faserträger 20 und der zweite Faserträger 21 die im vorangehenden Beispiel für den Faserträger 20 angegebenen Abmessungen.The composite of fibers 121 and fiber carrier 20 is fixed relative to the diode laser 13, for example by gluing. Another possibility is to fix by clamping so that it can be loosened at a later time, for example, for disassembly or readjustment. A further embodiment is shown in FIGS. 5a, 5b and 5c. This further embodiment differs from the embodiment illustrated in FIGS. 3 a, 3 b and 3 c in that the fibers 121 are arranged not only on a fiber carrier 20 in the region of their first ends 1211 but are arranged between the fiber carrier 20 and a second fiber carrier 21 , The fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 each have the shape of a cuboid glass disc and are, for example, the same size. For example, the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 have the dimensions given in the preceding example for the fiber carrier 20.
Zwischen den Faserträgern 20, 21 und den Fasern 121 besteht eine stoffschlüssige Verbindung und sowohl der Faserträger 20 als auch der Faserträger 21 schließt mit den Stirnflächen 1216 der Fasern 121 bündig ab.There is a material connection between the fiber carriers 20, 21 and the fibers 121 and both the fiber carrier 20 and the fiber carrier 21 are flush with the end surfaces 1216 of the fibers 121.
Es ist einerseits möglich, dass die den Fasern 121 zugewandte Fläche des Faserträgers 20 und die den Fasern 121 zugewandte Fläche des zweiten Faserträgers 21 parallel zueinander sind, sodass der zwischen den Faserträgern 20, 21 verbleibende Spalt eine einheitliche Höhe hat. Alternativ sind die den Fasern 121 zugewandte Fläche des Faserträgers 20 und die den Fasern 121 zugewandte Fläche des zweiten Faserträgers 20 zueinander so verkippt, dass der zwischen den Faserträgern 20, 21 verbleibende Spalt im Bereich der Stirnflächen 1216 der Fasern 121 eine geringere Höhe aufweist als in dem den Stirnflächen 1216 der Fasern 121 gegenüberliegenden Bereich der Faserträger 20,21. Bevorzugt erfolgt eine Verkippung um einen Winkel von 0,1° bis 2,5°, zum Beispiel 0,2° bis 0,5°.On the one hand, it is possible that the surface of the fiber carrier 20 facing the fibers 121 and the surface of the second fiber carrier 21 facing the fibers 121 are parallel to one another, so that the gap remaining between the fiber carriers 20, 21 has a uniform height. Alternatively, the fiber 121 facing surface of the fiber carrier 20 and the fibers 121 facing surface of the second fiber carrier 20 are tilted to each other so that the remaining between the fiber carriers 20, 21 gap in the region of the end faces 1216 of the fibers 121 has a lower height than in the area of the fiber carriers 20, 21 lying opposite the end faces 1216 of the fibers 121. Preferably, a tilting takes place at an angle of 0.1 ° to 2.5 °, for example 0.2 ° to 0.5 °.
Entsprechend der Form des Spalts zwischen den Faserträgern 20, 21 ist eine kontinuierliche Verjüngung der Fasern 121 vorgesehen. Durch den kontinuierlichen Übergang zwischen einer der Einkopplung in die Fasern 121 zweckdienlichen Querschnittsform und einer der Lichtleitung in den Fasern 121 zweckdienlichen Querschnittsform werden abrupte Übergänge, die potenzielle mechanische Schwachstellen darstellen, vermieden.According to the shape of the gap between the fiber carriers 20, 21, a continuous taper of the fibers 121 is provided. The continuous transition between a cross-sectional shape useful for coupling into the fibers 121 and a cross-sectional shape useful for the fibers in the fibers 121 avoids abrupt transitions which are potential mechanical weak points.
Die beiden Faserträger 20,21 können bezüglich ihres Materials gleichartige, insbesondere gleiche Eigenschaften aufweisen. Bevorzugt besteht der zweite Faserträger 21 aus einem Glas, welches im Vergleich zu der Glassorte oder zu den Glassorten, aus denen die Fasern 121 bestehen, eine geringere Härte bei Raumtemperatur und/oder einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder eine höhere Erweichungstemperatur aufweist.The two fiber carriers 20, 21 can have similar, in particular identical, properties with respect to their material. The second fiber carrier 21 preferably consists of a glass, which has a lower hardness at room temperature and / or in comparison to the type of glass or to the types of glass which make up the fibers 121 has comparable thermal expansion coefficient and / or a higher softening temperature.
Im Folgenden wird anhand der Figur 6 beispielhaft die Herstellung einer Lichtquelle 10 erläutert. Ausgangspunkt ist ein Faserträger 20 mit einer Höhe von lmm, einer Länge von 5 mm und einer Breite von 14 mm. Längs der gesamten Breite des Faserträgers 20 werden optische Fasern 121, die runde Stirnflächen 1216 und runde Querschnittsflächen aufweisen und die eine Länge von etwa 1000 mm und einen Durchmesser von etwa 70 μm aufweisen, angeordnet, wobei die Fasern 121 im Bereich des Faserträgers 20 in einer Lage und entlang ihrer Seitenflächen 1217 auf Stoß liegen, das heißt, dass alle Fasern 121 oder fast alle Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121, unmittelbar benachbarte Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 entlang ihrer Seitenfläche 1217 berühren. Es kommt somit zur Anordnung von etwa 200 Fasern 121.In the following, the production of a light source 10 will be explained by way of example with reference to FIG. The starting point is a fiber carrier 20 with a height of 1 mm, a length of 5 mm and a width of 14 mm. Along the entire width of the fiber carrier 20 optical fibers 121, the round end faces 1216 and circular cross-sectional areas and having a length of about 1000 mm and a diameter of about 70 microns, arranged, the fibers 121 in the region of the fiber carrier 20 in a Layer and lie along their side surfaces 1217 on impact, that is, all fibers 121 or almost all fibers 121, for example, more than 90% of the fibers 121, immediately adjacent fibers 121 in the region of their first ends 1211 along their side surface 1217 touch. It thus comes to the arrangement of about 200 fibers 121st
Die Fasern 121 sind relativ zueinander und relativ zu dem Faserträger 20, beispielsweise unter Ausnutzung einer gemeinsamen Anschlagfläche (nicht gezeichnet), so ausgerichtet, dass die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 bündig miteinander und bündig mit dem Faserträger 20 abschließen.The fibers 121 are oriented relative to each other and relative to the fiber carrier 20, for example by utilizing a common stop surface (not shown), such that the end surfaces 1216 of the fibers 121 are flush with each other and flush with the fiber carrier 20.
Eine Erwärmung der auf dem Faserträger 20 angeordneten Fasern 121 erfolgt mittels einer Heizeinrichtung 70, beispielsweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung, beispielsweise auf eine Temperatur von 550° C bis 8000C, wobei die von der Heizeinrichtung 70 erzeugte Wärme den Fasern 121 im Beispiel durch den Faserträger 20 hindurch zukommt. In Folge der Erwärmung der Fasern 121 und des Faserträgers 20 kommt es zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Fasern 121 und dem Faserträger 20.A heating of the arranged on the fiber carrier 20 fibers 121 by means of a heater 70, for example by means of an electrical resistance heater, for example to a temperature of 550 ° C to 800 0 C, wherein the heat generated by the heater 70, the fibers 121 in the example by the Fiber carrier 20 comes through. As a result of the heating of the fibers 121 and the fiber carrier 20, a cohesive connection between the fibers 121 and the fiber carrier 20 is formed.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird, wie in Figur 7a und 7b dargestellt, die Ausbildung einer Verbindung zwischen dem Faserträger 20 und den Fasern 121 dadurch unterstützt und beschleunigt, dass auf der dem Faserträger 20 abgewandten Seite der Fasern 121 eine Gegenfläche 22 eines Werkzeugs 200 mit den Fasern 121 unter Einwirkung einer Kraft F in Kontakt gebracht wird. Somit wird auch zwischen dem Faserträger 20 und den Fasern 121 eine Kraft erzeugt. Um zu vermeiden, dass sich eine Verbindung auch zwischen den Fasern 121 und der Gegenfläche 22 ausbildet, ist letztere aus mindestens einem hitzebeständigen Material, das sich auch unter Einwirkung von Wärme und Druck nicht mit Glas verbindet, beispielsweise aus SiC, auszubilden.In an alternative embodiment of the method, as illustrated in FIGS. 7a and 7b, the formation of a connection between the fiber carrier 20 and the fibers 121 is promoted and accelerated by a counter-surface 22 of a tool 200 on the side of the fibers 121 facing away from the fiber carrier 20 is brought into contact with the fibers 121 under the action of a force F. Thus, a force is also generated between the fiber carrier 20 and the fibers 121. In order to avoid that a compound also forms between the fibers 121 and the counter-surface 22, the latter is made of at least one heat-resistant material, which also under the action of heat and pressure does not connect with glass, for example, SiC, form.
Alternativ kann die Ausbildung einer Verbindung zwischen der Gegenfläche 22 und den Fasern 121 auch erwünscht sein, insbesondere, wenn die Gegenfläche, wie in Figur 7c und 7d gezeigt, Teil eines zweiten Faserträgers 21 ist. In diesem Fall kann mittels einer zweiten Heizeinrichtung 71, beispielsweise mittels einer zweiten elektrischen Widerstandsheizung, die auf der der ersten elektrischen Widerstandsheizung 70 abgewandten Seite des Verbundes aus Fasern 121 und Faserträgern 20, 21 angeordnet ist, die Wärmezufuhr verbessert werden.Alternatively, the formation of a connection between the mating surface 22 and the fibers 121 may also be desirable, in particular if the mating surface is part of a second fiber carrier 21, as shown in FIGS. 7c and 7d. In this case, by means of a second heating device 71, for example by means of a second electrical resistance heater, which is arranged on the side facing away from the first electrical resistance heater 70 side of the composite of fibers 121 and fiber carriers 20, 21, the heat supply can be improved.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist die fortgesetzte Erwärmung der Fasern 121 mit einer Erweichung der Fasern 121 verbunden und/oder unter Einwirkung der durch die Gegenfläche 22 eingebrachten Kraft, kommt es zu einer Verformung der Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211. Hierbei ist, wie in Figur 7e gezeigt, zu beobachten, dass sich die zunächst runden Querschnittsflächen der Fasern 121 in den Bereichen, in denen die Fasern 121 einander oder den Faserträger 20 oder die Gegenfläche 22 berühren, abplatteten, die Krümmung der Seitenflächen 1217 der Fasern 121 in diesen Bereichen also abnimmt (Vergrößerung des Krümmungsradius), während die Krümmung in noch freien Bereichen der Seitenflächen 1217 der Fasern 121 zunimmt (Verkleinerung des Krümmungsradius). Wird die Einwirkung der Wärme und der Kraft weiter fortgesetzt, werden die Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 weiter deformiert, solange, bis der Raum zwischen dem Faserträger 20 und der Gegenfläche 22 zumindest weitgehend vollständig durch die Fasern 121 ausgefüllt ist (Figur 7e). Die Fasern 121 weisen dann im Bereich ihrer ersten Enden beispielsweise rechteckige Querschnitte auf, insbesondere mit einem Seitenverhältnis von Pi zu 4, andererseits können auch weniger regelmäßig geformte Querschnittsflächen der Faser 121, beispielsweise trapezförmige Querschnitte oder geschwungene Querschnitte, resultieren (Figur 7f).In an alternative embodiment of the method, the continued heating of the fibers 121 is associated with a softening of the fibers 121 and / or under the action of force applied by the mating surface 22, the fibers 121 deform in the region of their first ends 1211 As shown in FIG. 7e, it can be observed that the initially round cross-sectional areas of the fibers 121 in the regions in which the fibers 121 contact one another or the fiber carrier 20 or the counter surface 22 flattened the curvature of the side surfaces 1217 of the fibers 121 in FIG thus decreases these areas (increase in the radius of curvature), while the curvature in still free areas of the side surfaces 1217 of the fibers 121 increases (reduction of the radius of curvature). If the action of the heat and the force continues, the fibers 121 are further deformed in the region of their first ends 1211 until the space between the fiber carrier 20 and the mating surface 22 is at least substantially completely filled by the fibers 121 (FIG. 7e). , The fibers 121 then have in the region of their first ends, for example, rectangular cross-sections, in particular with an aspect ratio of Pi to 4, on the other hand, less regularly shaped cross-sectional areas of the fiber 121, such as trapezoidal cross-sections or curved cross sections, result (Figure 7f).
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass, wie in den Figuren 7g, 7h und 7i ersichtlich, die Fasern 121 in einem ersten Teilbereich 121a, der die Stirnflächen 1216 der Fasern 121 umfasst, stärker verpresst werden als in einem zweiten Teilbereich 121b, wobei der zweite Teilbereich 121b von den Stirnflächen 1216 der Fasern 121 beabstandet angeordnet ist. Beispielsweise werden die Fasern 121 im ersten Teilbereich 121a so stark verpresst, dass sie im Anschluss an die Verpressung nahezu rechteckige Stirnflächen 1216 aufweisen (Figur 7h). In diesem Beispiel werden die Fasern 121 im zweiten Teilbereich 121b so wenig verpresst, dass sie im zweiten Teilbereich 121b einen nahezu runden Querschnittsflächen beibehalten (Figur 7i).In another embodiment it is provided that, as can be seen in FIGS. 7g, 7h and 7i, the fibers 121 are pressed more strongly in a first subregion 121a, which comprises the end faces 1216 of the fibers 121, than in a second subregion 121b second portion 121 b is spaced from the end faces 1216 of the fibers 121. For example, the fibers 121 in the first subregion 121a are pressed so strongly that they have almost rectangular end faces following the pressing 1216 (Figure 7h). In this example, the fibers 121 in the second subregion 121b are pressed so little that they maintain a virtually round cross-sectional area in the second subregion 121b (FIG. 7i).
Hierfür ist vorgesehen, dass die Gegenfläche 22 zur Auflagefläche der Fasern 121 auf dem Faserträger 20 einen Winkel von 0,1° bis 2,5° bildet. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die durch die Gegenfläche 22 auf den Fasern einwirkende Kraft zur Normalen der Auflagefläche der Fasern 121 auf dem Faserträger 20 einen Winkel von 0,1° bis 2,5° bildet, sodass es zu einer ungleichmäßigen Verpressung der Fasern 121 kommt.For this purpose, it is provided that the counter surface 22 forms an angle of 0.1 ° to 2.5 ° to the support surface of the fibers 121 on the fiber carrier 20. Alternatively or additionally, it is provided that the force acting on the fibers by the opposing surface 22 to the normal force of the support surface of the fibers 121 on the fiber carrier 20 forms an angle of 0.1 ° to 2.5 °, so that there is an uneven compression of the fibers 121 is coming.
Vorangehend wurde die Herstellung einer einzelnen Lichtquelle 10, insbesondere die Herstellung einer einzelnen Lichtleiteinrichtung 12, beschrieben. Es ist, wie nachfolgend exemplarisch beschrieben, zusätzlich oder alternativ möglich, in einem Arbeitsgang jeweils mehrere Lichtquellen 10, insbesondere jeweils mehrere Lichtleiteinrichtungen 12, herzustellen.The production of a single light source 10, in particular the production of a single light guide 12, has been described above. It is, as described below by way of example, additionally or alternatively possible, in a single operation in each case a plurality of light sources 10, in particular in each case a plurality of light-conducting devices 12 to produce.
Hierfür werden beispielsweise, wie in Figur 8a und 8b dargestellt, eine Vielzahl von Fasern 121, insbesondere eine sehr große Anzahl von Fasern 121, zum Beispiel 1000 oder mehr Fasern 121, nebeneinander angeordnet, sodass die Fasern 121 in einem Faserabschnitt 1218 entlang ihrer Seitenfläche 1217 auf Stoß liegen, das heißt so angeordnet, dass alle Fasern 121 oder fast alle Fasern 121, zum Beispiel mehr als 90% der Fasern 121, unmittelbar benachbarte Fasern 121 im Bereich ihrer ersten Enden 1211 entlang ihrer Seitenflächen 1217 in dem Faserabschnitt 1218 berühren.For this purpose, for example, as shown in FIGS. 8a and 8b, a multiplicity of fibers 121, in particular a very large number of fibers 121, for example 1000 or more fibers 121, are arranged next to each other so that the fibers 121 in a fiber section 1218 are along their side surface 1217 in abutment, that is to say arranged so that all the fibers 121 or almost all the fibers 121, for example more than 90% of the fibers 121, touch immediately adjacent fibers 121 in the region of their first ends 1211 along their side surfaces 1217 in the fiber section 1218.
Die Fasern 121 sind so angeordnet, dass der Faserabschnitt 1218 in Längsrichtung der Fasern 121 zumindest etwa in der Mitte der Fasern 121 liegt. Die Fasern 121 liegen ferner in dem Faserabschnitt 1218 auf einem Faserträger 20 auf, der beispielsweise eine Glasplatte ist und eine Höhe von etwa einem Millimeter, eine Länge von einigen Millimetern und eine Breite von 50 mm bis 200 mm oder mehr aufweist. In diesemThe fibers 121 are arranged so that the fiber section 1218 lies in the longitudinal direction of the fibers 121 at least approximately in the middle of the fibers 121. The fibers 121 are also located in the fiber section 1218 on a fiber carrier 20 which is, for example, a glass plate and has a height of about one millimeter, a length of several millimeters and a width of 50 mm to 200 mm or more. In this
Beispiel wird ein zweiter Faserträger 21, dessen Eigenschaften bezüglich Geometrie und Material mit denen des Faserträgers 20 übereinstimmen, gegenüber dem ersten Faserträger 20auf die Fasern 121 aufgelegt.For example, a second fiber carrier 21, whose properties in terms of geometry and material with those of the fiber carrier 20 match, compared to the first fiber carrier 20 is placed on the fibers 121.
In der Figur 8c sind die nachfolgenden Verfahrensschritte schematisch dargestellt. Diese Verfahrensschritte umfassen ein Erwärmen des Faserträgers 20 und des Faserträgers 21 mit zwei als elektrische Widerstandsheizungen ausgebildeten Heizeinrichtungen 70, 71. Indirekt werden somit auch die Fasern 121 erwärmt, in diesem Beispiel auf 550 bis 8500C. Ferner umfassen diese Verfahrensschritte die Einwirkung einer Kraft F auf den Faserträger 20 und die Einwirkung einer Kraft F' auf den zweiten Faserträger 21. Die Kräfte F und F' sind einander entgegengerichtet und so orientiert, dass insgesamt über die beiden Faserträger 20, 21 ein Druck auf die Fasern 121 ausgeübt wird, beispielsweise ein Druck von 0,5 N/cm2 bis 50 N/cm2.In the figure 8c, the following process steps are shown schematically. These process steps include heating the fiber carrier 20 and the fiber carrier 21 Two designed as electric resistance heating heaters 70, 71. Indirectly, the fibers 121 are thus heated, in this example, on 550 to 850 0 C. Further, these method steps comprising the application of a force F to the fiber carrier 20 and the action of a force F ' on the second fiber carrier 21. The forces F and F 'are opposite to each other and oriented so that a total of the two fiber carriers 20, 21, a pressure on the fibers 121 is applied, for example, a pressure of 0.5 N / cm 2 to 50 N / cm 2 .
Aufgrund der Einwirkung des Drucks kommt es zu einer Verformung der Fasern 121 im Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten Faserträger 21, wobei die Fasern 121 im Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten Faserträger 21 zunächst runde Querschnittsflächen aufweisen und sich diese runden Querschnittsflächen infolge der der Verformung der Fasern 121 wie oben beschrieben deformieren.Due to the action of the pressure, a deformation of the fibers 121 occurs in the region between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21, wherein the fibers 121 in the region between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 initially have round cross-sectional areas and these round cross-sectional areas due deform the deformation of the fibers 121 as described above.
Ein Beispiel für entsprechend deformierte Fasern 121 ist ferner in Figur 8d gezeigt, wobei die Querschnittsflächen der Fasern 121 in den Bereichen, in denen die Fasern 121 die Faserträger 20, 21 oder einander berühren, Abplattungen aufweisen. In der Figur 8e ist ein weiteres Beispiel gezeigt, in dem die Fasern 121 den Bereich zwischen dem Faserträger 20 und dem zweiten Faserträger 21 weitgehend ausfüllen, sodass die Gesamtheit der Fasern 121 den zwischen den Faserträgern befindlichen Raum weitgehend vollständig ausfüllen. Die Querschnitte der einzelnen Fasern 121 im Bereich zwischen den Faserträgern 20, 21 können rechteckig oder trapezförmig sein.An example of correspondingly deformed fibers 121 is further shown in Figure 8d wherein the cross-sectional areas of the fibers 121 have flattenings in the regions where the fibers 121 contact the fiber carriers 20, 21 or each other. FIG. 8 e shows a further example in which the fibers 121 largely fill the area between the fiber carrier 20 and the second fiber carrier 21 so that the entirety of the fibers 121 largely completely fill the space located between the fiber carriers. The cross sections of the individual fibers 121 in the region between the fiber carriers 20, 21 may be rectangular or trapezoidal.
Nachfolgend erfolgt eine Abkühlung der Fasern 121 und der Faserträger 20, 21, wobei es zur Verfestigung der Fasern 121 kommt und wobei sich zwischen Fasern 121 und den Faserträgern 20, 21 eine stoffschlüssige Verbindung ausbildet.Subsequently, a cooling of the fibers 121 and the fiber carrier 20, 21, wherein it comes to solidification of the fibers 121 and wherein between fibers 121 and the fiber carriers 20, 21 forms a material connection.
Wie in Figur 9a schematisch dargestellt, ist es in diesem Beispiel vorgesehen, dass nachfolgend der Verbund aus Faserträger 20, Fasern 121 und zweitem Faserträger 21 mittels eines Schnitts 55, der etwa senkrecht zu den Längsachsen 1219 der Fasern 121 im Bereich des Faserabschnitt 1218 der Fasern 121 vorgenommen wird, in zwei etwa gleiche Teile 301, 302 getrennt wird. Der Schnitt 55 kann beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise mittels einer Diamantsäge oder mittels Ritzen und Brechen oder mit Hilfe eines Laserstrahls, zum Beispiel Infrarot- Laser, insbesondere CO2-Laser, durchgeführt werden. Es ist optional möglich, die beiden so erhaltenen Teile 300, 301 oder eine Vielzahl von so erhaltenen Teilen 301, 302 aufeinander zu stapeln und gemeinsam zu polieren und/oder mit einer Antireflexionsschicht zu versehen.As shown schematically in FIG. 9 a, in this example it is provided that subsequently the composite of fiber carrier 20, fibers 121 and second fiber carrier 21 by means of a section 55 which is approximately perpendicular to the longitudinal axes 1219 of the fibers 121 in the region of the fiber section 1218 of the fibers 121 is made into two approximately equal parts 301, 302 is separated. The cut 55 can be carried out, for example, in a manner known per se by means of a diamond saw or by means of scribing and breaking or with the aid of a laser beam, for example infrared laser, in particular CO 2 laser. It is optionally possible to stack the two parts 300, 301 thus obtained or a plurality of parts 301, 302 thus obtained on each other and to polish together and / or provided with an antireflection layer.
Die erhaltenen Teile 301, 302 können als zwei Lichtleiteinrichtungen 12 aufgefasst werden, die gemeinsam hergestellt wurden.The obtained parts 301, 302 can be considered as two light-guiding devices 12, which were manufactured together.
Optional ist es ferner auch möglich, wie in Figur 9b schematisch dargestellt, die Teile 301, 302 einzeln oder gemeinsam durch einen oder mehrere zweite Schnitte 56, die im Bereich des Faserabschnitts 1218 der Fasern 121 längs der Längsachsen 1219 der Fasern 121 durchgeführt werden, weiter zu zerteilen und so eine Vielzahl von Lichtleiteinrichtungen 12 zu erzeugen. Die zweiten Schnitte 56 können flexibel durchgeführt werden, insbesondere so, dass die Breite der erzeugten Lichtleiteinrichtungen 12 der Breite der Diodenlaser 13 entsprechen, mit denen sie zusammenwirken.Optionally it is also possible, as shown schematically in Figure 9b, the parts 301, 302 individually or jointly by one or more second cuts 56, which are performed in the region of the fiber portion 1218 of the fibers 121 along the longitudinal axes 1219 of the fibers 121 on to divide and so to produce a plurality of light-conducting devices 12. The second cuts 56 can be made flexible, in particular so that the width of the light guides 12 produced correspond to the width of the diode lasers 13 with which they cooperate.
Die zweiten Schnitte 56 können ebenso wie die Schnitte 55 durchgeführt werden, beispielsweise mittels einer Diamantsäge oder mittels Ritzen und Brechen oder mit Hilfe eines Laserstrahls, zum Beispiel Infrarot- Laser, insbesondere CO2-Laser.The second cuts 56 can be made as well as the cuts 55, for example by means of a diamond saw or by means of scribing and breaking or with the aid of a laser beam, for example infrared laser, in particular CO 2 laser.
Es ist insbesondere möglich, zur Durchführung der zweiten Schnitte 56, die Teile 301, 302 oder eine Vielzahl von Teilen 301, 302 zu stapeln, sodass bei jedem zweiten Schnitt 56 eine Vielzahl von Lichtleiteinrichtungen 12 vereinzelt wird.In particular, it is possible, in order to carry out the second cuts 56, to stack the parts 301, 302 or a multiplicity of parts 301, 302, so that a plurality of light-conducting devices 12 are separated every second cut 56.
Wie vorstehend erläutert, kann die Herstellung einer Lichtquelle 10, vorsehen, dass es unter Einwirkung einer Kraft F auf die erwärmten Fasern 121 im Bereich der ersten Enden 1211 der Fasern 121 oder in einem, beispielsweise etwa mittigen, Faserabschnitt 1218 der Fasern 121 zu einer Verformung der erwärmten Fasern 121 kommt, beispielsweise so, dass die Gesamtheit der verformten Fasern 121 einen Bereich zwischen einem Faserträger 20 und einem zweiten Faserträger 21 vollständig ausfüllt. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Faserträger 20 und/oder den zweiten Faserträger 21 durch ein Werkzeug 200, beispielsweise aus SiC, zu ersetzen, das sich nicht mit den Fasern 121 verbindet und das nach Verformung der Fasern 121 entfernt wird. Wesentlich ist, dass die Fasern 121, wie in Figur 10 dargestellt, zwischen zwei Pressflächen 201, 202 angeordnet sind, durch die die Kraft F und die Gegenkraft F' auf die Fasern 121 einwirkt. In diesem Fall weist die hergestellte Vorrichtung nicht zwei Faserträger 21, 22 auf, sondern höchstens einen Faserträger 21. Es ist in diesem Fall besonders bevorzugt, die ersten und/oder zweiten Schnitte 55, 56 durch Ritzen und Brechen einzubringen.As discussed above, the fabrication of a light source 10 may provide for deformation under the application of a force F to the heated fibers 121 in the region of the first ends 1211 of the fibers 121 or in, for example, approximately the center, fiber portion 1218 of the fibers 121 the heated fibers 121 come, for example, so that the entirety of the deformed fibers 121 completely fills a region between a fiber carrier 20 and a second fiber carrier 21. Of course, it is also possible to replace the fiber carrier 20 and / or the second fiber carrier 21 by a tool 200, for example made of SiC, which does not bond to the fibers 121 and which is removed after deformation of the fibers 121. It is essential that the fibers 121, as shown in Figure 10, between two pressing surfaces 201, 202 are arranged, through which the force F and the counterforce F 'acts on the fibers 121. In this case, the manufactured device does not have two fiber carriers 21, 22, but instead at most one fiber carrier 21. It is particularly preferred in this case to introduce the first and / or second cuts 55, 56 by scribing and breaking.
Im nachfolgenden Beispiel werden die Kräfte F und F' so gewählt, dass es zwar zu einer Verformung der Fasern 121 kommt, diese Verformung aber zum Stillstand kommt, wenn die Fasern 121 einen Bereich zwischen den Pressflächen 201,202 erstmals zumindest weitgehend (zum Beispiel >99,5 % des Querschnitts) ausfüllen. Hierbei wird sowohl eine zu geringe Kraft F, die zum Verformen der Faser 121 nicht ausreichend wäre, als auch eine zu große Kraft, die zum seitlichen Heraustreten der Fasern 121 aus dem Bereich zwischen den Pressflächen 201, 202 führen würde, vermieden.In the following example, the forces F and F 'are selected so that, although a deformation of the fibers 121 occurs, this deformation comes to a standstill when the fibers 121 at least largely cover a region between the pressing surfaces 201, 202 for the first time (for example> 99, 5% of the cross section). In this case, both an insufficient force F, which would not be sufficient for deforming the fiber 121, and an excessive force, which would lead to the lateral emergence of the fibers 121 from the area between the pressing surfaces 201, 202, is avoided.
Konkret wurden 140 Fasern aus Flintglas/Kalknatronglas zwischen zwei Pressflächen 201, 202 der Größe 15mm * 8mm angeordnet und auf ca. 6300C, also oberhalb der Erweichungstemperatur der Fasern 121 erhitzt. Nachfolgend wurden die Fasern 121 mit einer Kraft F beaufschlagt. Das gewünschte Verhalten wurde für Kräfte zwischen IN und 35 N beobachtet.Specifically, 140 fibers of flint glass / soda lime glass between two pressing surfaces 201, 202 sized 15mm * 8mm were arranged and heated to about 630 0 C, ie above the softening temperature of the fibers 121. Subsequently, the fibers 121 were subjected to a force F. The desired behavior was observed for forces between IN and 35 N.
Selbstverständlich ist es in gewissen Grenzen möglich, die Fasern 121 bis zu einer höheren oder geringeren Temperatur zu erhitzen, woraus eine erhöhte oder verminderte Fließfähigkeit der Fasern 121 resultiert. Der Bereich der Kraft F, in dem das Verhalten, dass es zwar zu einer Verformung der Fasern 121 kommt, diese Verformung aber zum Stillstand kommt, wenn die Fasern 121 einen Bereich zwischen den Pressflächen 201,202 erstmals zumindest weitgehend (zum Beispiel >99,5 % des Querschnitts) ausfüllen, auftritt, verschiebt sich in diesem Fall und kann durch Versuche aufgefunden werden. Im vorliegenden Beispiel wurde das erwünschte Verhalten für Kräfte F zwischen 10 N und 20 N und Fasertemperaturen zwischen 5900C und 6900C erreicht.Of course, it is within certain limits possible to heat the fibers 121 to a higher or lower temperature, resulting in an increased or decreased flowability of the fibers 121 results. The area of the force F in which the behavior that deformation of the fibers 121 comes to a standstill but this deformation comes to a standstill when the fibers 121 at least largely cover a region between the pressing surfaces 201, 202 for the first time (for example> 99.5%). of the cross-section) occurs, shifts in this case and can be found by experimentation. In the present example, the desired behavior for forces F between 10 N and 20 N and fiber temperatures between 590 0 C and 690 0 C was achieved.
In einer anderen Ausführungsform ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die Höhe des zwischen den Pressflächen 201,202 verbleibenden Spaltes ermittelt wird, wobei die Ausübung der Kraft F beendet wird, wenn der ermittelte Wert einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet, also dann, wenn die Höhe des zwischen den Pressflächen 201, 202 verbleibenden Spaltes eine vorgegebenen Höhe erreicht oder überschreitet.In another embodiment, it is additionally or alternatively provided that the height of the gap remaining between the pressing surfaces 201,202 is determined, whereby the exertion of the force F is terminated when the determined value reaches or exceeds a predetermined value, ie when the height of the between the pressing surfaces 201, 202 remaining gap reaches or exceeds a predetermined height.
Die Ausübung der Kraft kann einerseits beendet werden, wenn die Fasern 121 einenThe exercise of the force can be stopped on the one hand, when the fibers 121 a
Bereich zwischen den Pressflächen 201, 202 zumindest weitgehend (zum Beispiel >99 % der Querschnittsfläche) ausfüllen, andererseits kann auch eine andere Höhe gewählt werden. In der in der Figur 11 gezeigten Ausführungsform sind Fasern 121 mit zunächst rundem Querschnitt und dem Durchmesser D, der in diesem Beispiel 100 μm beträgt, einlagig und entlang der Seitenflächen 1217 der Fasern 121 auf Stoß zwischen zwei Pressflächen 201, 202 eingelegt. Die Pressflächen 201, 202 sind jeweils entweder Teil eines Faserträgers 20, 21, der sich mit den Fasern 121 verbindet oder eines Werkzeugs 200, zum Beispiel aus SiC, das mit den Fasern 121 keine Verbindung eingeht.Range between the pressing surfaces 201, 202 at least largely (for example,> 99% the cross-sectional area), on the other hand, another height can be selected. In the embodiment shown in FIG. 11, fibers 121 of first round cross-section and diameter D, which in this example is 100 μm, are single-layered and inserted along the side surfaces 1217 of the fibers 121 between two pressing surfaces 201, 202. The pressing surfaces 201, 202 are each either part of a fiber carrier 20, 21, which connects to the fibers 121 or a tool 200, for example of SiC, which does not enter into communication with the fibers 121.
Die Pressflächen 201, 202 sind über Aktoren 60, hier beispielsweise über Piezoaktoren, verschiebbar, wobei die Verschiebung der Pressflächen 201, 202 durch ein an dieThe pressing surfaces 201, 202 are on actuators 60, here for example via piezoelectric actuators, displaced, wherein the displacement of the pressing surfaces 201, 202 by a to the
Aktoren 60 angelegtes Signal, beispielsweise durch eine Spannung, ausgelöst wird. Es ist vorgesehen, dass der tatsächliche Abstand der Pressflächen 201, 202 zueinander erfasst wird, beispielsweise auf Basis der an die Aktoren angelegten Signale oder durch ein optisches System.Actuators 60 applied signal, for example, by a voltage is triggered. It is provided that the actual distance of the pressing surfaces 201, 202 from each other is detected, for example on the basis of the signals applied to the actuators or by an optical system.
In diesem Beispiel wird die Lage der Pressflächen 201,202 relativ zueinander vor Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor dadurch referenziert, dass die Pressflächen 201, 202 in Kontakt mit den noch nicht erweichten Fasern 121 gebracht werden. Nachfolgend wird die an die Piezoaktoren angelegte Spannung schrittweise oder kontinuierlich erhöht, bis die angelegte Spannung einer Längenausdehnung der Piezoaktoren von 22μm entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird der zwischen den Pressflächen 201,202 befindliche Raum zumindest weitgehend vollständig von den deformierten Fasern 121 ausgefüllt. In this example, the position of the pressing surfaces 201, 202 relative to each other before application of a voltage to the piezoactuator is referenced in that the pressing surfaces 201, 202 are brought into contact with the not yet softened fibers 121. Subsequently, the voltage applied to the piezo actuators is increased stepwise or continuously until the applied voltage corresponds to a length expansion of the piezo actuators of 22 μm. At this time, the space located between the pressing surfaces 201, 202 is at least substantially completely filled by the deformed fibers 121.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle (10), insbesondere einer Lichtquelle (10) zur optischen Anregung einer Lasereinrichtung (11), beispielsweise einer1. A method for producing a light source (10), in particular a light source (10) for the optical excitation of a laser device (11), for example a
Lasereinrichtung (11) eines Laserzündsystems einer Brennkraftmaschine (109), umfassend einen Diodenlaser (13) mit einer Vielzahl von Emittern (131) und eine Lichtleiteinrichtung (12), wobei die Lichtleiteinrichtung (12) eine Vielzahl optischer Fasern (121) umfasst und jede optische Faser (121) ein erstes Ende (1211) und eine Seitenfläche (1217) aufweist, wobei die ersten Enden (1211) derart zu den EmitternA laser device (11) of a laser ignition system of an internal combustion engine (109), comprising a diode laser (13) having a plurality of emitters (131) and a light guide (12), wherein the light guide (12) comprises a plurality of optical fibers (121) and each optical Fiber (121) has a first end (1211) and a side surface (1217), the first ends (1211) being to the emitters in such a manner
(131) angeordnet sind, dass durch die Emitter (131) erzeugtes Licht in die ersten Enden (1211) der optischen Fasern (121) einkoppelt, wobei die optischen Fasern (121) zumindest im Bereich ihrer ersten Enden (1211) entlang ihrer Seitenflächen (1217) auf Stoß angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist(131) are arranged such that light generated by the emitters (131) couples into the first ends (1211) of the optical fibers (121), wherein the optical fibers (121) at least in the region of their first ends (1211) along their side surfaces (12). 1217) are arranged in abutment, characterized in that the method comprises the following steps
- Anordnen einer Vielzahl von optischen Fasern (121), die in einem Teilbereich einen Faserabschnitt (1218) bilden, der zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressflächen (201, 202) angeordnet ist, - Erwärmen des Faserabschnitts (1218),Arranging a multiplicity of optical fibers (121) which in one partial region form a fiber section (1218) which is arranged between two pressing surfaces (201, 202) lying opposite one another, heating the fiber section (1218),
- Verformen des Faserabschnitts (1218) durch Ausüben einer Kraft auf die erwärmten Fasern (121) durch die Pressflächen (201, 202), wobei während der Ausübung der Kraft die Höhe des zwischen den Pressflächen (201,202) verbleibenden Spaltes ermittelt wird und wobei die Ausübung der Kraft beendet wird, wenn die ermittelte Höhe des zwischen den Pressflächen (201, 202) verbleibenden Spaltes einen vorgegebenen Wert erreicht oder überschreitet.Deforming the fiber portion (1218) by applying a force to the heated fibers (121) through the pressing surfaces (201, 202), wherein during the application of the force, the height of the gap remaining between the pressing surfaces (201, 202) is determined, and wherein the exercise the force is terminated when the determined height of the gap remaining between the pressing surfaces (201, 202) reaches or exceeds a predetermined value.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) zumindest in dem Faserabschnitt (1218) entlang ihrer Seitenflächen (1217) auf Stoß angeordnet sind.A method according to claim 1, characterized in that the optical fibers (121) are butted along at least the fiber portion (1218) along their side surfaces (1217).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert der Höhe so gewählt ist, dass bei Beendigung der Ausübung der Kraft die Fasern (121) einen Bereich zwischen den Pressflächen (201, 202) zumindest weitgehend ausfüllen. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the predetermined value of the height is chosen so that at the end of the exercise of the force, the fibers (121) at least largely fill a region between the pressing surfaces (201, 202).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verformung der optischen Fasern (121) die Pressflächen (201, 202) eine definierte Weglänge aufeinander zu bewegt werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for the deformation of the optical fibers (121), the pressing surfaces (201, 202) a defined path length are moved towards each other.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die5. The method according to claim 4, characterized in that the method the
Hinterlegung oder die Messung der Distanz zwischen den Pressflächen (201, 202) bei Aufsetzen der Pressflächen (201, 202) auf den optischen Fasern (121) vorsieht und ferner die Hinterlegung oder die Messung des Anteils der freien Querschnittsfläche zwischen den Pressflächen (201, 202) im Bereich der optischen Fasern (121) bei Aufsetzen der Pressflächen (201, 202) auf den optischen Fasern (121) vorsieht und dass die Weglänge durch das Produkt der beiden hinterlegten oder gemessenen Größen gegeben ist.Depositing or measuring the distance between the pressing surfaces (201, 202) when placing the pressing surfaces (201, 202) on the optical fibers (121) and further depositing or measuring the proportion of the free cross-sectional area between the pressing surfaces (201, 202 ) in the region of the optical fibers (121) when the pressing surfaces (201, 202) are placed on the optical fibers (121) and that the path length is given by the product of the two stored or measured quantities.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz zwischen den Pressflächen (201, 202) bei Beginn der Verformung der Fasern (121) dadurch bekannt ist, dass die Fasern (121) in einer Lage angeordnet sind und einen runden Querschnitt mit einem bekannten Durchmesser aufweisen.6. The method according to claim 5, characterized in that the distance between the pressing surfaces (201, 202) at the beginning of the deformation of the fibers (121) is characterized in that the fibers (121) are arranged in one layer and a round cross-section with have a known diameter.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Fasern (121) in einer Lage angeordnet sind und einen runden Querschnitt mit einem bekannten Durchmesser aufweisen und die Distanz zumindest etwa dem Produkt aus dem Durchmesser der Fasern (121) mit dem Faktor (l-pi/4) gleich ist.7. The method according to claim 6, characterized in that the optical fibers (121) are arranged in a layer and have a round cross-section with a known diameter and the distance at least about the product of the diameter of the fibers (121) with the factor ( l-pi / 4) is the same.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressflächen (201,202) über einen hochgenauen Antrieb, insbesondere über eine piezogetriebenen Antrieb, aufeinander zu bewegt werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressing surfaces (201,202) are moved towards each other via a high-precision drive, in particular via a piezo-driven drive.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Pressflächen (201) Teil eines Faserträgers (20) ist, und dass es zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung, zwischen den erwärmten Fasern (121) und dem Faserträger (20) kommt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the pressing surfaces (201) is part of a fiber carrier (20), and that for forming a compound, in particular for forming a material connection, between the heated fibers (121). and the fiber carrier (20) comes.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Pressflächen (201, 202) Teil eines Faserträgers (20) ist und eine der Pressflächen (201, 202) Teil eines zweiten Faserträgers (21) ist und dass es zur Ausbildung einer Verbindung, insbesondere zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung, zwischen den erwärmten Fasern (121) und dem Faserträger (20) und den zweiten Faserträger (21) kommt.10. The method according to claim 9, characterized in that one of the pressing surfaces (201, 202) is part of a fiber carrier (20) and one of the pressing surfaces (201, 202) is part of a second fiber carrier (21) and that it is for forming a connection . in particular for the formation of a cohesive connection, between the heated fibers (121) and the fiber carrier (20) and the second fiber carrier (21) comes.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoffschluss zwischen den Fasern (121) vermieden wird.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that a material bond between the fibers (121) is avoided.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (121) aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und der Faserträger (20) oder die Faserträger (20,21) aus einem oder mehreren zweiten Gläsern bestehen und dass die Erweichungstemperatur des zweiten Glases oder die Erweichungstemperaturen der zweiten Gläser einen höheren Wert ha1/haben als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder die Erweichungstemperaturen der ersten Gläser.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the fibers (121) consist of one or more first glasses and the fiber carrier (20) or the fiber carrier (20,21) consist of one or more second glasses and that the softening temperature of the second glass or the softening temperatures of the second glasses are higher than Ha1 / softening temperature of the first glass or softening temperatures of the first glasses.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweichungstemperatur des zweiten Glases oder der zweiten Gläser einen um 20 bis 250 K, insbesondere 20 bis 150 K höheren Wert hat als die Erweichungstemperatur des ersten Glases oder der ersten Gläser.13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the softening temperature of the second glass or the second glasses has a value of 20 to 250 K, in particular 20 to 150 K higher than the softening temperature of the first glass or the first glasses.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (121) aus einem oder mehreren ersten Gläsern bestehen und der Faserträger (20) oder die Faserträger (20,21) aus einem oder mehreren zweiten Gläsern bestehen und dass die Härte bei Raumtemperatur des zweiten Glases oder die Härten bei Raumtemperatur der zweiten Gläser einen höheren Wert ha1/haben als die Härte bei14. The method according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the fibers (121) consist of one or more first glasses and the fiber carrier (20) or the fiber carrier (20,21) consist of one or more second glasses and that the hardness at room temperature of the second glass or the room temperature hardnesses of the second glasses are higher than ha1 / ha
Raumtemperatur des ersten Glases oder die Härten bei Raumtemperatur der ersten Gläser.Room temperature of the first glass or the room temperature curing of the first glasses.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 oder 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Pressflächen (201, 202) aus einem wärmebeständigen Material besteht, das mit den Fasern (121) auch bei Temperaturen von 8000C keine Verbindung eingeht, zum Beispiel aus SiC.15. The method according to claim 1 to 9 or 11 to 14, characterized in that at least one of the pressing surfaces (201, 202) consists of a heat-resistant material which does not enter into communication with the fibers (121) even at temperatures of 800 0 C, for example from SiC.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Pressflächen (201, 202) aus mindestens einem wärmebeständigen Material bestehen, das mit den Fasern (121) auch bei Temperaturen von 8000C keine Verbindung eingeht, zum Beispiel aus SiC.16. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that both pressing surfaces (201, 202) consist of at least one heat-resistant material, with the fibers (121) even at temperatures of 800 0 C no connection received, for example from SiC.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der angeordneten Fasern (121) innerhalb des Faserabschnitts (1218) erfolgt, indem die Fasern über zumindest eine, insbesondere über beide der17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating of the arranged fibers (121) within the fiber portion (1218) takes place by the fibers over at least one, in particular both of the
Pressflächen (201, 202), insbesondere mittels einer elektrischen Widerstandsheizung oder mittels einer Induktionsheizung, erwärmt werden. Pressing surfaces (201, 202), in particular by means of an electrical resistance heater or by means of an induction heater, are heated.
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