EP4264345A2 - Faseraustrittselement - Google Patents

Faseraustrittselement

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Publication number
EP4264345A2
EP4264345A2 EP21836181.4A EP21836181A EP4264345A2 EP 4264345 A2 EP4264345 A2 EP 4264345A2 EP 21836181 A EP21836181 A EP 21836181A EP 4264345 A2 EP4264345 A2 EP 4264345A2
Authority
EP
European Patent Office
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fiber
glass fibers
optical
optical element
cores
Prior art date
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Pending
Application number
EP21836181.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Theeg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FiberBridge Photonics GmbH
Original Assignee
FiberBridge Photonics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by FiberBridge Photonics GmbH filed Critical FiberBridge Photonics GmbH
Publication of EP4264345A2 publication Critical patent/EP4264345A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2551—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding using thermal methods, e.g. fusion welding by arc discharge, laser beam, plasma torch
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre

Definitions

  • the present invention relates to a fiber outlet element according to patent claim 1, a fiber outlet element according to patent claim 6, a fiber outlet element according to patent claim 9, a fiber outlet element according to patent claim 10 and an optical element according to patent claim 15.
  • Glass fibers are used in many different technical fields today.
  • Technical and particularly high-tech applications include the use of optical fibers to transmit light.
  • Glass fibers are used for data transmission using light; in this case, the glass fibers can also be referred to as optical waveguides or as passive glass fibers.
  • Glass fibers are also used in medicine, for example for lighting and for generating images, for example in microscopes, in inspection cameras and in endoscopes.
  • glass fibers are used in sensors, which can then be referred to as fiber-optic sensors.
  • the laser radiation can be guided as signal light radiation by means of a passive glass fiber from a laser radiation source as a signal light source or as a signal light radiation source to a processing point, for example in material processing or in medicine, for example cutting or to perform welding.
  • the laser beam can also be supplied as laser radiation to a sample, for example in metrology, in microscopy or in spectroscopy, for example.
  • Passive glass fibers can be used to guide a laser beam, for example, in mechanical engineering, telecommunications, medical technology and sensor technology applications.
  • Fibers can also be used to generate or amplify laser light and can be referred to as active glass fibers.
  • Fiber lasers for generating laser light or fiber amplifiers for amplifying laser light have sections of a doped fiber core (see below), which forms the active medium of the fiber laser or fiber amplifier, ie its active glass fiber.
  • Customary doping elements of the laser-active fiber core are in particular neodymium, ytterbium, erbium, thulium and holmium.
  • Fiber lasers and fiber amplifiers are used, among other things, in industry for ultra-short pulse laser systems (e.g. at a wavelength of approx. 1 pm), in measurement technology (e.g. for LIDAR measurements - laser detection and ranging), in medical applications (e.g. for a wavelength of about 2 pm) or in space applications (e.g. at a wavelength of about 1.5 pm).
  • Glass fibers which are used to amplify the signal light such as the laser radiation in fiber amplifiers or to generate laser radiation in fiber lasers, usually have a fiber core (English: fiber core), which consists of pure glass such as pure quartz glass and in the case of passive glass fibers is often doped with germanium; in the case of active glass fibers, doping as described above is usually used. In certain cases, the fiber cladding can also be doped; this applies to passive and active glass fibers. Depending on the size and the numerical aperture of the fiber core, a distinction can be made between single-mode and multi-mode glass fibers.
  • the fiber core can still have polarization-maintaining properties for the light and are therefore referred to as polarization-maintaining glass fibers (PM). It can also be photonic crystal glass fibers and hollow-core glass fibers. Even if the main area of application relates to glass fibers, polymer fibers or fibers made from other materials, for example so-called soft glass fibers for the mid-IR range, can also be used for such application(s).
  • the fiber core is usually surrounded radially from the outside by at least one fiber cladding, which is usually closed in the circumferential direction and thus completely surrounds the fiber core, apart from the two open ends of the glass fiber.
  • both passive glass fibers and active glass fibers are surrounded by a fiber coating made of polymer, for example, comparable to the fiber jacket, which can then be attributed to the glass fiber.
  • the fiber coating can serve to mechanically protect the glass interior of the glass fiber and influence its optical properties.
  • the fiber coating is usually used primarily for mechanical protection. Glass fibers that carry light in the fiber core and in the fiber cladding (English: double-clad glass fibers) are usually designed with a fiber coating to meet mechanical and optical properties.
  • Two cross-sectional shapes for the fiber cladding that frequently occur in practice are cylindrical and octagonal.
  • the octagonal shape for the fiber cladding is used in particular for active glass fibers.
  • Such glass fibers can be manufactured in long lengths and are commonly available in coiled form.
  • the diameter of the fiber cladding usually varies between about 80 ⁇ m and about 1 mm.
  • the term “rod-type fiber” is often used, especially for larger fiber diameters.
  • a fiber amplifier typically requires four essential passive fiber components: a signal light radiation input as an interface for feeding in or for coupling the signal light radiation to be amplified as input radiation from outside the fiber amplifier, a pumped light coupler, which transfers the pumped light radiation from the pumped light source into the cladding of the active Glass fiber transported, a pump light trap, which absorbs pump light that is not absorbed from the active glass fiber or removes it from the cladding of the glass fiber, and a signal light radiation output, which forms and/or guides the output radiation and thereby decouples it outside of the fiber amplifier and makes it available.
  • the signal light radiation output can also be referred to as a fiber exit element or fiber exit optics.
  • a fiber laser also commonly uses a pump light coupler, an active optical fiber, a pump light trap, and a signal light radiation output. Since no signal light radiation is supplied from outside here, but the laser radiation is generated within the fiber resonator between two reflectors or mirror elements, there is no signal light radiation input.
  • an optical window with a one-sided antireflection coating for the corresponding wavelengths or a lens for collimating the output radiation can serve as the signal light radiation output or as the fiber output element.
  • the fiber exit optics can also be another glass fiber, which guides the output radiation to a destination.
  • Such fiber exit optics are usually connected to the open end of the glass fiber in a materially bonded manner, for example by welding, also called splicing.
  • the signal light or the laser light can pass directly into the fiber exit optics, for example as an optical window or as a lens, and exit from there to the outside, for example of the fiber amplifier or fiber laser.
  • the beam of the signal light or the laser light can be widened by means of the optical window or by means of the lens, i.e. its cross-section can be enlarged and its power density reduced as a result, which can be favorable or necessary for certain applications.
  • US 6,819,858 B2 describes a molded fixture of non-crystalline polymeric material configured to have a channel for holding a silicon chip with a plurality of juxtaposed V-grooves formed in a top surface between right and left side portions thereof, wherein a recessed area is provided in the channel behind the chip for receiving a fiber buffer coating and a notch is formed in an upper portion of the bracket between the channel and a side portion thereof to hold amplifying fibers of an optical fiber cable, the V-groove being configured is that it accommodates individual optical fibers in each case. Two such molded silicon chip holders are securely stacked together with the V-grooves of the chips facing each other to hold the optical fibers therebetween.
  • US Pat. No. 6,978,073 B2 describes an optical fiber array comprising an alignment substrate, a multiplicity of ferrule elements and a multiplicity of optical fibers.
  • the alignment substrate has a plurality of sprocket holes arranged two-dimensionally and extending through the substrate.
  • the ferrules are each inserted into the guide holes in the same direction and have through holes in the central portions.
  • the optical fibers are fitted and held in the respective through holes.
  • the pilot hole is formed into a cylindrical shape whose diameter is substantially equal to the outside diameter of the ferrule.
  • the light entrance/exit end face of the optical fiber is exposed at an end face of the ferrule.
  • a disadvantage of the two documents described above is their mechanically positive and/or non-positive hold of the individual glass fibers, which can be regarded as less stable, defined and/or durable compared to the previously described material-to-material welding or splicing. Mechanical stresses can also be generated within the glass fibers held by the mechanical forces of these connections can influence the transmission behavior of the glass fibers. In particular, this can be undefined and have a disruptive effect on the signal light transmission.
  • a further disadvantage here is that with this procedure the free ends of the glass fibers, which form the interface between the material of the glass fibers such as glass and the environment such as air, in the transmission of medium and high optical power of a few watts to a few Kilo-Watt can easily be damaged or destroyed.
  • the US 2012/045169 Al describes a method and an apparatus for forming an optical fiber array assembly, comprising: providing a plurality of optical fibers including a first optical fiber and a second optical fiber, providing a fiber array plate having a first surface and a second surface, connecting the plurality of optical fibers to the first surface of the fiber array plate, transmitting a plurality of optical signals through the optical fibers into the fiber array plate at the first surface of the fiber array plate, and emitting a composite output beam of light from the Plurality of optical signals from the second surface of the fiber array board.
  • the plurality of optical fibers are butt welded to the first surface of the fiber array plate.
  • the disadvantage of connecting the open end of at least one glass fiber to an optical element of a fiber exit optic is that both when gluing by means of an additional adhesive and when fusing or welding the materials of the glass fiber and the optical element, there is material between the open end of the glass fiber and the entry surface of the optical element. This can lead to disturbances in the coupling or transmission of the signal light radiation from the core of the glass fiber into the optical element at its entry surface.
  • the open end is butted onto the entrance surface of the optical element and is materially connected at the edge by gluing using an additional adhesive or by fusing or welding the materials of the glass fiber and the optical element, only a comparatively mechanically weak connection can be made between the open end of the glass fiber and the optical element at its entrance surface.
  • the alignment of the open end of the glass fiber with respect to the entry surface of the optical element can also change in the event of uneven bonding or welding against the blunt, ie vertical, placement, which has a corresponding effect on the propagation of the signal light of the glass fiber through the optical element and even lead to the unusability of the manufactured component.
  • a further disadvantage is that the entry surface and other surfaces of the optical element can be optically roughened apart from its exit surface. This can serve to extract or diffusely reflect stray light radiation in the optical element, for example from the cladding of the glass fibers or reflected signal light radiation from the exit surface of the optical element.
  • the reduction of such stray light radiation can be absolutely necessary, especially with higher optical powers, for the feasibility of the respective application or the reduction of the susceptibility of the laser system to failure.
  • the open end of the glass fiber is placed on such an optically roughened entry surface and bonded there at the edge, the transition of the signal light radiation from the core of the glass fiber into the optical element can also be impaired by the roughened surface.
  • the impairments can have a significant impact, for example, on the signal transmission at the connection point, the beam quality or the polarization of the signal light radiation.
  • the complete optical element as a fiber arrangement (fiber array plate) and the connected laser systems can even be destroyed. If the roughened entry surface is therefore dispensed with, the advantages of a roughened surface cannot be used, at least in the case of the entry surface of the optical element.
  • WO 2020/254661 A1 describes a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, which is designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, which is connected and formed with an open end of the cores of the glass fibers is to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiations to the outside via at least one exit surface.
  • the open ends of the cores of the glass fibers are each arranged at a penetration depth within the material of the optical element, with at least the material of the open ends of the cores of the glass fibers being fused to the material of the optical element.
  • the fiber exit element is produced by heating the material of the entry surface of the optical element to a correspondingly high degree and thereby melting it in a processing zone of the optical element where the open ends of the cores of the glass fibers are to be inserted with the penetration depth into the material of the optical element , for example by means of a laser beam.
  • One object of the present invention is to improve the possibilities for producing a fiber outlet element as described in the introduction.
  • the glass fibers or glass fiber bundles in particular those that are joined one after the other, should be able to be better thermally protected when they are fused to the optical element. This should be able to be done as simply and/or inexpensively as possible. In particular, this should be able to take place as far as possible without changing the joining process of glass fibers and the optical element.
  • an alternative to the known manufacturing options should be created.
  • the present invention relates to a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, which is each designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter, an optical Prism or an optical lens array, which is connected to an open end of the cores of the glass fibers and designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiation via at least one exit surface to the outside, the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the open ends of the jackets of the glass fibers essentially enclosing the cores, are each arranged with a penetration depth, preferably opposite an entry surface of the optical element, within the material of the optical element, and wove i at least the material of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the material of the open ends of the claddings of the glass fibers, is fused to the material of the optical element.
  • the fiber exit element according to the invention is characterized in that the entry surface of the optical element has at least one first depression and at least a first fused glass fiber and a second fused glass fiber are spaced from one another by the first depression of the entry surface. It is also possible to use a number of first glass fibers as the first glass fiber package and a number of second glass fibers as the second glass fiber package.
  • a thermal decoupling of the two glass fibers or glass fiber packages in the manufacture ie when Melting of the respective processing zone for the manufacturing process between optical element and glass fiber, take place, since the heat of the processing zone of the second glass fiber cannot reach the first glass fiber, which was previously fused with the material of the optical element, or only to a sufficiently small extent , to avoid damage to the first glass fiber in the ongoing manufacturing process.
  • This can improve the production quality of the fiber outlet element or reduce the waste of fiber outlet elements of insufficient quality or even make the technical implementation of a specific arrangement of glass fibers possible in the first place. This can reduce the manufacturing cost, respectively.
  • the recess extends from the entry surface of the optical element at least essentially and preferably exactly in the direction of extension of the glass fibers into the material of the optical element.
  • the indentation can have been introduced into the material of the optical element by material removal, for example by sawing, milling, etching, lasering or the like. This can preferably take place during the production of the optical element or during the preparation of the joining, preferably using the same processing device.
  • the depression can have any shape or contour that is suitable for achieving the desired thermal insulation between the glass fibers or the glass fiber packages.
  • the first depression of the entry surface is linear and the fused glass fibers are arranged perpendicularly to the linear extension of the first depression of the entry surface. This can enable a particularly effective thermal decoupling with comparatively little intervention in the structure of the optical element or its entry surface.
  • At least the first fused glass fiber is surrounded by the first indentation or by a plurality of indentations, preferably in the shape of a criss-cross. This can allow thermal decoupling around the first fused glass fiber so that the propagation of heat from the processing zone out in all directions of the entrance surface, i.e. horizontally, can be eliminated or at least reduced.
  • the entry surface of the optical element has a plurality of, preferably linear, indentations and a plurality of fused glass fibers are each spaced apart from one another by one of the indentations of the entry surface.
  • the fused glass fibers are preferably each arranged perpendicularly to the linear extension of the depressions of the entry surface. In this way, the corresponding aspects described above can be transferred to several fused optical fibers.
  • the fused glass fibers are each surrounded by one of the indentations or by a plurality of indentations, preferably in the shape of a cross line.
  • the corresponding aspects described above can be transferred to several fused optical fibers.
  • the first depression of the entry surface is arranged annularly around the first fused glass fiber. This can increase the design freedom. In this way, a targeted thermal insulation of the first glass fiber can also take place all around in the plane perpendicular to the longitudinal extension of the first glass fiber.
  • the present invention also relates to a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, each of which is designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter, an optical Prism or an optical lens array, which is connected to an open end of the cores of the glass fibers and designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiation via at least one exit surface to the outside, the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the open ends of the sheaths of the glass fibers essentially enclosing the cores, each having a penetration depth, preferably opposite an entry surface of the optical element, are arranged within the material of the optical element, and wherein at least the material of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the material of the open ends of the claddings of the glass fibers, is fused to the material of the optical element.
  • the fiber exit element according to the invention is characterized in that the entry surface of the optical element has at least one first elevation, with at least one first fused glass fiber being arranged in the first elevation of the entry surface and at least one second fused glass fiber not being arranged in the first elevation of the entry surface of the first glass fiber is.
  • the second fused glass fiber can thus be arranged on the entry surface of the optical element itself or also on a second elevation of the entry surface.
  • a thermal influencing of a first already fused glass fiber by fusing a second glass fiber, in particular immediately adjacent can also be implemented in the material of the entry surface of the same optical element that at least a first elevation is applied to the entrance surface of the optical element by material application in order to thereby raise the processing zone when fusing a glass fiber compared to the entrance surface of the optical element and also in this way laterally, ie horizontally, thermally isolate.
  • the material can be applied using additive processes such as 3D printing, for example.
  • the second fused glass fiber is located in a second elevation of the entrance surface.
  • the aspects according to the invention described above can also be transferred to the second fused glass fiber or applied there.
  • the first elevation, preferably and the second elevation, of the entry surface is linear or punctiform.
  • the first survey can be implemented in concrete terms, as described above. Doing this linearly can possibly simplify the material application. Doing this selectively can enable thermal insulation in all directions in the horizontal and the processing zone or around the elevation. The effort involved in applying the material can also be kept to a minimum.
  • the present invention further relates to a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, which is each designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter, an optical Prism or an optical lens array, which is connected to an open end of the cores of the glass fibers and designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiation via at least one exit surface to the outside, the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the open ends of the sheaths of the glass fibers essentially enclosing the cores, are each arranged with a penetration depth, preferably opposite an entry surface of the optical element, within the material of the optical element, and wob at least the material of the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the material of the open ends of the claddings of the glass fibers, is fused to the material of the optical element.
  • the fiber outlet element according to the invention is characterized in that at least a first fused glass fiber and a second fused glass fiber are spaced apart from one another by at least one spacer element, preferably as a glass fiber, particularly preferably as a coreless glass fiber.
  • the spacer element can in particular be a piece of glass fiber and very particularly a piece of coreless glass fiber which only has the material of the cladding, so that the same or comparable materials can be used or combined with one another.
  • the terminating element can also be formed from any other suitable material.
  • the spacer element can be removed again or remain there. In the latter case, the spacer element can be fused together with the glass fiber into the optical element.
  • the glass fibers to be fused prior to the preferably joint fusing of the glass fibers in the entry surface of the optical element, can be spaced or positioned relative to one another, which increases the accuracy of the positioning and the flexible adjustment of the fiber-to-fiber -Allow distance and/or also cause a certain thermal insulation and/or a certain mechanical stability when merging with each other.
  • the present invention further relates to a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, which is each designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter, a optical prism or an optical lens array, which is connected to an open end of the cores of the glass fibers and designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiation via at least one exit surface to the outside.
  • a fiber exit element with a plurality of glass fibers, each with at least one core, which is each designed to guide a signal light radiation, and with at least one optical element, preferably an optical window, an optical lens, an optical beam splitter, a optical prism or an optical lens array, which is connected to an open end of the cores of the glass fibers and designed to receive the signal light radiation from the open ends of the cores of the glass fibers and to emit it as exit radiation via at least one exit surface to the outside
  • the fiber outlet element according to the invention is characterized in that the open ends of the cores of the glass fibers, preferably also the open ends of the cladding of the glass fibers, are each materially connected to a first open end of a transition element, preferably fused, with the second open ends of the transition elements having each having a penetration depth, preferably opposite an entry surface of the optical element, within the material of the optical element, and wherein at least the material of the second open ends of the transition elements is fused to the material of the optical element.
  • the transmission element can thus, on the one hand, transmit or conduct the signal light radiation from the first glass fiber to the entry surface of the optical element.
  • the first glass fiber and the entry surface of the optical element can be indirectly connected by means of the transmission element, so that the fusing in the entry surface of the optical element takes place by means of the transmission element and not by means of the first glass fiber.
  • the first glass fiber can be thermally protected and, if necessary, improved optical and/or mechanical properties can be achieved.
  • the transition elements are preferably transition fibers which each have a core and/or a sheath, preferably a sheath essentially enclosing the core.
  • fiber cores, coreless fiber sheaths and/or fiber cores with fiber sheaths can be used as transition fibers. This can be done alone or in mixed form. This can simplify the implementation and/or promote the transmission of the signal light radiation.
  • the transition fibers have cores that are the same diameter as the cores of the glass fibers.
  • the cores of the transition fibers have the same numerical aperture as the cores of the glass fibers.
  • the transition fibers then preferably have a different fiber cladding diameter, ie preferably a larger or smaller fiber cladding diameter than the cladding of the glass fibers.
  • a mode field adapter can be implemented at the transition from the glass fibers to the transition fibers to preserve signal properties.
  • the transition elements are at least partially, preferably completely, made wider than the glass fibers, the transition elements preferably being in contact with one another at least partially, preferably completely.
  • the transmission elements can simultaneously serve as a spacer element, as already described above.
  • the entry surface is arranged at an angle to the exit surface and/or the entry surface has at least two sections which are arranged at an angle to one another and/or to the exit surface. This can in each case increase the scope for design of the fiber outlet element.
  • the exit surface of the optical element has an optical coating, preferably an optical anti-reflection coating, at least in sections, preferably over the entire surface.
  • an optical coating preferably an optical anti-reflection coating, at least in sections, preferably over the entire surface.
  • At least one, preferably some, particularly preferably all, of the glass fibers has at least one cladding which essentially encloses the core, with at least one pumped light trap, preferably as dimples formed in the material of the cladding of the optical fiber to extract cladding light from the cladding of the optical fiber to the outside of the optical fiber.
  • a pump light trap can also be referred to as a cladding light remover or a cladding light stripper.
  • At least the entrance surface of the optical element preferably all outer surfaces of the optical element except for the exit surface of the optical element, are optically roughened and at least the exit surface of the optical element, preferably exactly the exit surface of the optical element, is optical smooth surface quality.
  • An optically roughened surface can be done, for example, by processing with a mechanical tool, such as grinding, but also using a laser beam as a tool.
  • An optically smooth surface can also be achieved by processing with a mechanical tool such as polishing, but also by using a laser beam as a tool.
  • An optically smooth surface quality is given if the necessary optical properties can be largely retained for the respective application at the corresponding wavelength or in the corresponding wavelength range of the signal light radiation when exiting via the exit surface or a corresponding optical coating can be applied professionally.
  • the scratch dig specification of the MIL-PRF-13830B standard, among others, is often used to evaluate the surface quality.
  • An optically roughened surface of the optical element can be advantageous for its outer surfaces apart from the exit surface, in order to allow interfering radiation to exit from the optical element and thereby reduce the volume of the optical element.
  • Such stray light can be cladding light from the cladding of the glass fibers.
  • the signal radiation can also be reflected on the side surfaces of the optical element.
  • signal light radiation can be partially reflected in the optical element at the exit surface in the form of stray light.
  • signal light radiation can get back into the optical element as a result of reflection from the outside, for example from the processing or application site of the signal light radiation.
  • an optically roughened surface can be advantageous for reducing the above-mentioned stray light radiation in the optical element and thus for ensuring a safe operating state.
  • At least some, preferably all, of the open ends of the cores of the glass fibers each have the same penetration depth or each have a different penetration depth within the material of the optical element arranged.
  • the Using the same penetration depth can simplify manufacturing.
  • the optical properties of the exit radiation or a combined exit beam can be influenced.
  • the signal light radiation of the individual glass fibers can traverse optical paths of different lengths there due to their different penetration depths in the optical element and thus have different optical properties such as different beam diameters at the exit surface of the optical element.
  • At least some, preferably all, of the cores of the glass fibers, preferably and/or some, preferably all, of the cores of the glass fibers essentially enclosing jackets, at least in the region of the fiber outlet element in their longitudinal direction of extension, remain the same or differ Diameter and/or a constant or different cross-section. This can increase the design possibilities of the output radiations.
  • the diameter of the glass fibers or their jackets can be reduced in a targeted manner by etching before the welding process, so that, for example, the cores of the glass fibers can be brought closer together in the optical element.
  • the diameters of the individual glass fibers can also be reduced by taping, which can also lead to the geometric advantages described above.
  • the mode field diameter of the signal can be modified before the welding process in order to achieve the desired properties of the combined exit beam.
  • At least some, preferably all, of the cores of the glass fibers, preferably and/or some, preferably all, of the cores of the glass fibers essentially enclosing sheaths have the same or different materials and/or the same or different Diameter and/or the same or different cross sections, preferably circular, rectangular, square or octagonal.
  • This preferably also includes the fact that single-mode glass fibers, large-mode area glass fibers, multi-mode glass fibers, polarization-maintaining glass fibers, photonic crystal glass fibers and multi-core glass fibers can be used. This can increase the design possibilities of the output radiations.
  • the present invention also relates to an optical element for use in a fiber delivery element as described above.
  • an optical element as described above can be made available in order to be able to produce the fiber outlet element according to the invention.
  • the present invention relates to an optical component and a manufacturing method for compactly combining and shaping light with optical glass fibers.
  • Optical glass fibers are typically used today to generate laser radiation or to transport laser radiation (beam delivery) from the laser to the point of use. These can be, for example, single or multi-mode glass fibers, polarization-maintaining glass fibers (PM) or photonic crystal glass fibers as well as hollow-core glass fibers, to name just a few examples of glass fiber types available on the market.
  • the optical components and processes for manufacturing these components presented below therefore refer to the full range of glass fiber types available on the market. Even if the main area of application relates to glass fibers, polymer fibers or fibers made of other materials, e.g. so-called soft glass fibers for the mid-IR range, can also be used for this application(s).
  • glass fibers can be welded (spliced, fusion splicing) to an optical element in any desired arrangement, see for example WO 2020/254661 A1.
  • Welding creates a monolithic optical component that is particularly suitable for medium and high optical power and, at the same time, in a compact form, enables fiber-optic-based light conduction and shaping (usually three-dimensional) of energy radiation, preferably laser radiation, in a harsh industrial environment or in an area with high safety aspects, such as in medical technology, or in an application area with extremely high temperature requirements or the coherent and incoherent combination of laser radiation.
  • the optical element can be a glass block, an optical window, a lens, a silicon chip with optical waveguides, or any other optical element used to optical beam guidance can be used in different wavelength ranges and/or optical power classes.
  • the glass fiber When joining the glass fibers to the optical element, the glass fiber is connected to the optical element with a certain penetration depth relative to the entry surface of the optical element, e.g. by a welding process, see for example WO 2020/254661 A1.
  • the glass fibers are joined to the optical element with a small fiber-to-fiber distance, then there is the possibility that the high welding temperatures - with quartz glass in the range of 2000°C - will damage neighboring glass fibers that are already connected. This means that the process zone has such a large spatial extent in the optical element during welding that damage to other (neighboring) glass fibers can occur.
  • indentations can be introduced between the glass fibers or webs (see FIG. 1d) can be applied, which prevent the flow of heat or the propagation of energy in the optical element at least in the area near the surface.
  • the indentations can be designed in any shape, parallel, trapezoidal, Gaussian or, in the case of 2-dimensional fiber arrays, e.g. in the form of bores or rings.
  • the exact shape of the indentations or ridges is typically dependent on the use of the particular tool used to form the indentations or ridges.
  • a saw, a laser or an etching process, for example, can be used as a tool for making indentations.
  • the attachment of bars can be realized, for example, by additive manufacturing, e.g. with a glass-based 3D print.
  • the webs can be designed very flexibly due to the structure, the geometry and the choice of material. Depending on the process technology, the depressions can also be filled with any material.
  • the length of the indentation and the width of the indentation can be selected as desired, depending on the structure of the fiber array, in order to achieve the appropriate thermal insulation.
  • the indentations and the width of the indentations can be identical or different within an optical component.
  • the indentations and the width of the indentations can typically vary in the range from a few microns to a few millimeters.
  • the same or different glass fibers can be connected to an optical element (fiber type, diameter, ).
  • the fiber-to-fiber distance can be the same or different for an optical element or, if necessary, exhibit a gradient, e.g. from left to right or from the center to the outside.
  • Figures la to lc show the potential structure of a 2-dimensional fiber array with indentations and Figure ld with webs to the individual rows of fibers during the thermal joining process to isolate from each other. Indentations can also be introduced between the glass fibers along the individual webs (not shown). Further exemplary embodiments can be seen from FIGS. 2a, 2b and 3. Due to their nature, the recesses and webs can, in addition to thermal insulation, also have a (I) thermal, (II) mechanical and (III) optical function during operation of the fiber array, e.g.
  • individual glass fibers or all glass fibers can be connected to the optical element at a specific angle to the entry surface.
  • Laser beam sources or other beam sources can be connected to the glass fibers. In this way, the electromagnetic radiation can be transported to the place of use by a number of laser beam sources or other radiation sources.
  • the beam sources or the power components in the optical glass fibers can be operated simultaneously, at different times or with a time modulation of the individual power components in the optical glass fibers that makes sense for the process.
  • the beam sources can be identical or differ in polarization, wavelength or optical pulse length, for example.
  • the laser or any other light source can be continuous or pulsed.
  • the glass fibers can also be used for the coherent or incoherent combination of laser beam sources.
  • the optical element can be, for example, an optical window with or without an optical coating or a lens as well as an optical beam splitter or a microlens array, to name just a few examples of optical elements.
  • the optical element can also consist of a large number of individual optical elements, eg an array of microlenses or a flexible material (eg polymer) with useful optical properties for the respective application.
  • the optical element can also consist of different materials or vary in its material properties over its dimension (x, y and z direction), for example by partial doping of the optical element. If the optical element consists of different materials, these can be glued, welded or bonded.
  • the spacers can be glass fibers or any other bodies with any shapes and any materials. Typically, the spacers extend over a length of some 10 mm along the fiber cladding, but can also be used only selectively in certain areas to adjust the spacing of the glass fibers.
  • the spacers can also be wedge-shaped, for example, in order to position the glass fibers at a certain angle to one another.
  • the spacers are positioned between the cladding of the glass fibers. However, the spacer can also be placed between the coating of the fibers, for example. If necessary, the spacers can also be welded into the optical element, as shown in Fig. 4 as an example.
  • the spacer can also perform optical functions, e.g. act as a cladding light stripper or control thermal processes at medium and high optical power (e.g. cooling).
  • the spacer can also improve the mechanical stability of the fiber array arrangement.
  • the spacers are used to adjust fiber-to-fiber distances in the range from a few tens of microns to a few millimeters.
  • the spacers between the glass fibers are designed as individual pieces. It also makes sense to design the spacer as a e.g. flat element (in one piece) that has e.g. grooves or V-grooves for positioning the glass fibers and is first connected to the optical element, possibly also welded or printed on (additive manufacturing) and then serves as a spacer and support element for the glass fibers.
  • Transition fibers can be used to improve or optimize the mechanical, thermal or optical properties of the fiber array element (see FIGS. 5a and 5b).
  • the transition fibers can be used for process engineering reasons, e.g. to improve the joining process or to better position the glass fibers before or during joining, e.g. by the transition fibers acting as spacers at the same time.
  • the transition fibers are connected to the optical element, e.g. welded (see Figures 5a and 5b).
  • the transition fibers are attached to the glass fibers of the fiber array, e.g., by splicing. Depending on the design of the transition fiber, other joining processes can also be considered.
  • the transition fibers can be made of different materials and in different shapes to improve the listed properties for the fiber array element and/or the manufacturing process.
  • transition fiber does not refer exclusively to fibers.
  • the transition fiber can also be defined as a transition element.
  • the transition fiber (also transition element) can change the optical properties of the light or the Control laser radiation passively or actively, depending on the choice of transition fiber or transition element (material, shape, optical structure, ).
  • the length of the transition fibers and the thickness of the transition fibers can vary as desired depending on the objective, even within a fiber array element.
  • the length of the transition fibers is typically a few 100 pm to a few 10 mm.
  • the transition fiber typically consists of a core and cladding, but can also be designed in a coreless variant, for example.
  • the transition fiber can also be tapered.
  • a cladding light stripper can be inserted before and in the transition fiber.
  • the transition fiber can be used, for example, to influence the optical properties such as beam quality, polarization, optical power stability and beam shaping in the fiber array.
  • Figure la is a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a first embodiment from the side;
  • FIG. 1b shows a perspective representation of the view of FIG. 1a diagonally from above
  • Figure lc is a perspective view of a fiber outlet element according to the invention according to a second embodiment obliquely from above;
  • FIG. 1d shows a perspective representation of a fiber outlet element according to the invention according to a third exemplary embodiment, obliquely from above;
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a fourth exemplary embodiment from the side;
  • FIG. 2b shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a fifth exemplary embodiment from the side;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a sixth embodiment from the side;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a seventh embodiment from the side;
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to an eighth exemplary embodiment from the side
  • FIG. 5b shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element according to the invention according to a ninth embodiment from the side.
  • a longitudinal direction X which can also be referred to as depth X or length X, extends.
  • a transverse direction Y which can also be referred to as width Y, extends perpendicularly to the longitudinal direction X.
  • a vertical direction Z which can also be referred to as height Z, extends to the longitudinal direction X and to the transverse direction Y.
  • the longitudinal direction X and the transverse direction Y together form the horizontal X, Y, which can also be referred to as the horizontal plane X, Y.
  • Figure la shows a schematic representation of a longitudinal section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a first embodiment from the side.
  • Figure lb shows a perspective representation of the view of Figure la obliquely from above.
  • the fiber exit element 1,2 can also be referred to as a signal light radiation output 1,2, as a fiber exit optics 1,2 or as a fiber array 1,2.
  • the fiber outlet element 1, 2 has a plurality of glass fibers 1, each of which has a core 10 which is cylindrically surrounded by a jacket 11 and the jacket 11 by a coating 12.
  • the cross sections or the contours of the cores 10, the jackets 11 and the coatings 12 are each circular.
  • the glass fibers 1 end in the vertical direction Z at a common same level, each with an open end (not labeled).
  • the cores 10 and the jackets 11 of the glass fibers 1 extend equally and end together at the respective open end.
  • the coatings 12 are each spaced in the vertical direction Z at the same level as the open ends of the glass fibers 1 .
  • the fiber exit element 1, 2 also has an optical element 2, which can also be referred to as an optical window 2, an optical lens 2, an optical beam splitter 2, an optical prism 2 or an optical lens array 2.
  • An optical base body 20 of the optical element 2 in the form of a glass body 20 is cuboid, for example according to FIG. The four sides of the cuboid optical element 2 are formed by the side faces 25 .
  • An optical coating 26 in the form of an anti-reflection coating 26 is applied over the entire area on the underside of the optical element 2, which can be attributed to the optical element 2, so that the exit surface 24 of the optical element 2 is connected to the underside or outside of the anti-reflection coating 26 coincides.
  • the side surfaces 25 and the entry surface 21 of the optical element 2 are optically roughened in order to promote the emergence of interfering radiation from the optical element 2 .
  • the underside or the exit surface 24 of the optical element 2, which is covered by the optical coating 26, is designed to be optically smooth in order to promote the exit of the exit radiation.
  • the coats 11 of the glass fibers 1 have in the area in which the coatings 12 are removed, each having a pumped light trap (not shown), which can also be used as a coat light remover or as Stripping element can be referred to and is in the form of annular depressions.
  • a pumped light trap (not shown), which can also be used as a coat light remover or as Stripping element can be referred to and is in the form of annular depressions.
  • the open ends of the cores 10 and the claddings 11 of the glass fibers 1 are arranged within the material of the optical element 2 with a penetration depth W relative to the entry surface 21 of the optical element 2 .
  • the materials of the cores 10 and the claddings 11 of the glass fibers 1 have been fused with the material of the optical element 2, as will be described in greater detail below.
  • signal light radiation A for example in the form of laser light radiation A
  • the signal light radiation A introduced into the optical element 2 can pass through it and emerge as exit radiation (not shown) via the exit surface 24 of the optical element 2 to the outside.
  • the exit radiation can also form a combined exit beam.
  • the mechanical stability of the material connection between the glass fibers 1 and the optical element 2 can also be improved in this way.
  • a fiber outlet element 1, 2 according to the invention can be produced in such a way that individual glass fibers 1 are fused one after the other, individually or in groups, in the material of the entry surface 21 of the optical element 2 or its optical body 20.
  • This can be done, for example, in that laser radiation is directed at a point or on a region of the entry surface 21 of the optical element 2 in order to sufficiently heat this point or this region as a processing zone, so that the open ends of the glass fibers 1 melt into the Material of the entrance surface 21 of the optical element 2 can be introduced or pressed in and thus joined in order to fuse with the material of the entrance surface 21 of the optical element 2 .
  • a processing zone of the entry surface 21 of the optical element 2 can be heated as described above in order to receive and fuse the open end of a first glass fiber 1a of the glass fibers 1 . If a second glass fiber lb of the glass fibers 1 is now fused immediately next to the already fused first glass fiber la with a fiber-to-fiber distance L F in its processing zone, the heat of the processing zone of the second glass fiber lb can spread to the already fused first glass fiber la extend.
  • sufficient heat can be applied to the already fused first Glass fiber la are transferred, which can lead to damage or destruction of the already fused first glass fiber la. In particular, this can prevent a compact arrangement of glass fibers 1 or at least require sufficiently large fiber-to-fiber distances L F between the individual glass fibers 1 if the glass fibers 1 are to be fused one after the other.
  • the optical element 2 therefore has indentations 22 in its entry surface 21 which are linearly introduced into the material of the optical body 20 from the entry surface 21 by material removal between the individual processing zones of the glass fibers 1 .
  • the depressions 22 have a width B v , a length L v and a depth T v .
  • the width B v of the depressions 22 can preferably be chosen to be as small as possible in order to keep the installation space of the fused glass fibers 1 as small as possible.
  • the length L v of the indentations 22 can be chosen such that the desired thermal decoupling in the horizontal X, Y is achieved without having to introduce the indentations 22 unnecessarily far into the optical body 20 in the vertical direction Z.
  • the propagation of heat from the processing zone of the second glass fiber lb to be fused to the previously fused first glass fiber la can be sufficiently prevented by a first depression 22a of the depressions 22 in order to avoid damage to the fused first glass fiber la.
  • This can be achieved correspondingly by a second indentation 22b of the indentations 22 for the second glass fiber lb which is then fused.
  • Figure lc shows a perspective view of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a second embodiment obliquely from above.
  • the indentations 22 are formed in the entry surface 21 of the optical element 2 in the shape of a cross, so that the individual glass fibers 1 are spaced apart from one another in the horizontal X, Y in all directions and are therefore thermally insulated.
  • FIG. 1d shows a perspective representation of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a third exemplary embodiment, obliquely from above.
  • the idea according to the invention of thermally insulating glass fibers 1 that have melted one after the other beforehand can thus also be implemented by applying a plurality of elevations 23 to the entry surface 21 of the optical element 2 or its optical body 20 by applying material.
  • the elevations 23 each have a length L E , a width B E and a depth T E .
  • the dimensions of the elevations 23 in the horizontal X, Y, ie the width B E and the depth T E can preferably be selected to be as small as possible in order to keep the installation space for the fused glass fibers 1 as small as possible.
  • the length L E of the elevations 23 can also be chosen so that the desired thermal decoupling in the horizontal X, Y is achieved without the Allow elevations 23 in the vertical direction Z to protrude unnecessarily far from the entry surface 21 of the optical body 20 upwards.
  • the glass fibers 1 can now be fused individually or in groups one after the other, as described above.
  • a first glass fiber la of the glass fibers 1 can be fused into the material of a first elevation 23a of the elevations 23 .
  • a second glass fiber lb of the glass fibers 1 can then be fused into the material of a second elevation 23b of the elevations 23 without thermally reaching the previously fused first glass fiber la.
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to a fourth exemplary embodiment from the side, which is designed to be comparable to the fiber outlet element 1, 2 according to the first exemplary embodiment in FIGS.
  • the difference here is that in this case the entry surface 21 of the optical element 2 is curved.
  • the glass fibers 1 are aligned in the vertical direction Z and parallel to each other.
  • Figure 2b shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a fifth embodiment from the side.
  • the fifth exemplary embodiment in FIG. 2b is also designed to be comparable to the fiber outlet element 1, 2 according to the first exemplary embodiment in FIGS.
  • the difference here is that the two sections of the entry surface 21 of the optical element 2, which each receive the glass fibers 1 perpendicularly, are aligned inclined relative to the horizontal X, Y and thus also relative to the exit surface 24 of the optical element 2.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a sixth embodiment from the side.
  • the sixth exemplary embodiment in FIG. 3 corresponds to the first exemplary embodiment in FIGS are.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a seventh embodiment from the side.
  • a plurality of spacer elements 13, which may be sections or pieces of glass fibers, are placed laterally between the glass fibers 1 in the area exposed by the coatings 12 in order to space the glass fibers 1 apart from one another.
  • the glass fibers 1 together over a correspondingly large or elongated processing zone away simultaneously with the Material of the entry surface 21 or of the optical body 20 of the optical element 2 is fused.
  • the positioning and the spacing of the glass fibers 1 can be carried out precisely by the support element 13 and can also be maintained during the joining process.
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to an eighth exemplary embodiment from the side.
  • transition fibers 14 each having a core 14a and a cladding 14b are attached to the open ends of the glass fibers 1 in advance.
  • the transition fibers 14 have a thickness Du and a length Lu.
  • the thickness D d or the cross section of the transition fibers 14 corresponds to the thickness or the cross section of the glass fibers 1.
  • the length Lu of the transition fibers 14 is selected to be long enough to be able to handle the transition fibers 14 safely when joining with the glass fibers 1, but short enough on the other hand to get a compact structure.
  • connection points C can take place in a materially bonded manner by gluing or by fusing.
  • the resulting connection points C can also be referred to as weld points C or as splice points C.
  • the transition fibers 14 together with the glass fibers 1 can then be fused one after the other with the optical body 20 or its entry surface 21, as described above.
  • Figure 5b shows a schematic representation of a cross section of a fiber outlet element 1, 2 according to the invention according to a ninth embodiment from the side.
  • the thickness D d or the cross section of the transition fibers 14 is selected such that the individual transition fibers 14 touch or abut one another, so that the transition fibers 14 can simultaneously act as spacer elements 13 as described with reference to the seventh exemplary embodiment in FIG.
  • optical element optical element; optical window; optical lens, optical beam splitter; optical prism; optical lens array 20 optical body; vitreous

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faseraustrittselement (1, 2) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (1) mit jeweils wenigstens einem Kern (11), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (2), vorzugsweise einem optischen Fenster (2), einer optischen Linse (2), einem optischen Strahlteiler (2), einem optischen Prisma (2) oder einem optisches Linsenarray (2), welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne (11) der Glasfasern (1) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden der Kerne (11) der Glasfasern (1) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche (26) nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne (10) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (11) der Glasfasern (1), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2), innerhalb des Materials des optischen Elements (2) angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel (11) der Glasfasern (1), mit dem Material des optischen Elements (2) verschmolzen ist. Das Faseraustrittselement (1, 2) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2) wenigstens eine erste Vertiefung (22a) aufweist und wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser (1a) und eine zweite verschmolzene Glasfaser (1b) durch die erste Vertiefung (22a) der Eintrittsfläche (21) zueinander beabstandet sind.

Description

BESCHREIBUNG
Faseraustrittselement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faseraustrittselement gemäß dem Patentanspruch 1, ein Faseraustrittselement gemäß dem Patentanspruch 6, ein Faseraustrittselement gemäß dem Patentanspruch 9, ein Faseraustrittselement gemäß dem Patentanspruch 10 sowie ein optisches Element gemäß dem Patentanspruch 15.
Auf vielen verschiedenen technischen Gebieten werden heutzutage Glasfasern verwendet. Zu den technischen und insbesondere hochtechnischen Anwendungen gehört die Verwendung von Glasfasern zur Lichtübertragung. So werden Glasfasern zur Datenübertragung mittels Licht verwendet; in diesem Fall können die Glasfasern auch als Lichtwellenleiter bzw. als passive Glasfasern bezeichnet werden. Auch werden Glasfasern in der Medizin zum Beispiel zur Beleuchtung sowie zur Erzeugung von Abbildungen zum Beispiel in Mikroskopen, in Inspektionskameras sowie in Endoskopen verwendet. Ferner werden Glasfasern bei Sensoren eingesetzt, welche dann als faseroptische Sensoren bezeichnet werden können.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für Glasfasern stellt die Lasertechnik dar. Hier kann die Laserstrahlung als Signallichtstrahlung mittels einer passiven Glasfaser von einer Laserstrahlungsquelle als Signallichtquelle bzw. als Signallichtstrahlungsquelle zu einer Bearbeitungsstelle geleitet werden, um dort zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder in der Medizin zum Beispiel ein Schneiden oder ein Schweißen durchzuführen. Auch kann der Laserstrahl als Laserstrahlung auf diese Art und Weise zum Beispiel in der Messtechnik, in der Mikroskopie oder in der Spektroskopie zum Beispiel einer Probe zugeführt werden. Der Einsatz von passiven Glasfasern zur Leitung eines Laserstrahls kann zum Beispiel bei Anwendungen im Maschinenbau, in der Telekommunikation, in der Medizintechnik sowie in der Sensortechnik erfolgen.
Auch können Glasfasern zur Erzeugung bzw. zur Verstärkung von Laserlicht verwendet und als aktive Glasfasern bezeichnet werden. Faserlaser zur Erzeugung von Laserlicht bzw. Faserverstärker zur Verstärkung von Laserlicht weisen hierzu abschnittsweise einen dotierten Faserkern (siehe unten) auf, welcher das aktive Medium des Faserlasers bzw. des Faserverstärkers, d.h. dessen aktive Glasfaser, bildet. Übliche Dotierungselemente des laseraktiven Faserkerns sind insbesondere Neodym, Ytterbium, Erbium, Thulium und Holmium. Faserlaser bzw. Faserverstärker werden unter anderem in der Industrie für Ultrakurzpulslasersysteme eingesetzt (zum Beispiel bei einer Wellenlänge von ca. 1 pm), in der Messtechnik (zum Beispiel bei LIDAR-Messungen - laser detection and ranging), in medizinischen Anwendungen (zum Beispiel bei einer Wellenlänge von ca. 2 pm) oder in Weltraumanwendungen (zum Beispiel bei einer Wellenlänge von ca. 1,5 pm).
Glasfasern, welche zur Verstärkung des Signallichts wie zum Beispiel der Laserstrahlung bei Faserverstärkern oder zur Erzeugung von Laserstrahlung bei Faserlasern verwendet werden, weisen üblicherweise einen Faserkern (Englisch: fiber core) auf, welcher aus reinem Glas wie zum Beispiel aus reinem Quarzglas besteht und im Fall von passiven Glasfasern häufig mit Germanium dotiert ist; bei aktiven Glasfasern wird üblicherweise eine Dotierung wie zuvor beschrieben verwendet. In bestimmten Fällen kann auch der Fasermantel dotiert sein; dies gilt für passive und für aktive Glasfasern. In Abhängigkeit von der Größe und der numerischen Apertur des Faserkerns kann man zwischen Single- Mode und Multi-Mode Glasfasern unterscheiden. Außerdem kann der Faserkern noch polarisationserhaltende Eigenschaften für das Licht aufweisen und daher als polarisationserhaltende Glasfasern (PM) bezeichnet werden. Auch kann es sich um photonische Kristallglasfasern sowie um Hollow-Core-Glasfasern handeln. Auch wenn sich das Haupanwendungsgebiet auf Glasfasern bezieht, können Polymerfasern oder Fasern aus anderen Materialien, zum Beispiel sogenannte Soft-Glass-Fibers für den mittleren IR Bereich, ebenfalls für derartige Anwendung(en) eingesetzt werden.
Der Faserkern wird üblicherweise radial von außen von wenigstens einem Fasermantel (Englisch: fiber cladding) umgeben, welcher üblicherweise in der Umfangsrichtung geschlossen ist und somit den Faserkern vollständig umgibt, von den beiden offenen Enden der Glasfaser abgesehen.
Üblicherweise werden sowohl passive Glasfasern als auch aktive Glasfasern von einer Faserbeschichtung (Englisch: fiber coating) aus zum Beispiel Polymer vergleichbar dem Fasermantel umgeben, welche dann der Glasfaser zugerechnet werden kann. Die Faserbeschichtung kann dem mechanischen Schutz des gläsernen Inneren der Glasfaser dienen sowie deren optische Eigenschaften beeinflussen. Üblicherweise dient bei Glasfasern, in denen das Licht ausschließlich im Faserkern geführt wird (Englisch: Single-Clad Glasfasern), die Faserbeschichtung primär dem mechanischen Schutz. Glasfasern, die Licht im Faserkern und im Fasermantel führen (Englisch: Double-Clad Glasfasern), sind üblicherweise mit einer Faserbeschichtung zur Erfüllung von mechanischen sowie von optischen Eigenschaften ausgeführt.
Zwei in der Praxis häufig vorkommende Querschnittsformen für den Fasermantel sind zylindrisch und oktogonal. Die oktogonale Form für den Fasermantel wird insbesondere bei aktiven Glasfasern eingesetzt. Derartige Glasfasern können in großen Längen hergestellt werden und sind üblicherweise als Rollenwaren erhältlich. Der Durchmesser des Fasermantels variiert üblicherweise zwischen ca. 80 pm und ca. 1 mm. Besonders bei den größeren Faserdurchmessern wird in der Praxis häufig schon von Faserstäben gesprochen (Englisch: rod-type fiber).
Für einen Faserverstärker sind typischerweise vier wesentliche passive Faserkomponenten notwendig: ein Signallichtstrahlungseingang als Schnittstelle für die Einspeisung bzw. für die Einkopplung der zu verstärkenden Signallichtstrahlung als Eingangsstrahlung von außerhalb des Faserverstärkers, ein Pumplichtkoppler, welcher die Pumplichtstrahlung nahezu verlustfrei von der Pumplichtquelle in den Mantel der aktiven Glasfaser transportiert, eine Pumplichtfalle, welche nicht absorbiertes Pumplicht aus der aktiven Glasfaser aufnimmt bzw. aus dem Mantel der Glasfaser entfernt, und ein Signallichtstrahlungsausgang, welche die Ausgangsstrahlung formt und bzw. oder führt und hierdurch nach außerhalb des Faserverstärkers auskoppelt und zur Verfügung stellt. Der Signallichtstrahlungsausgang kann auch als Faseraustrittselement oder als Faseraustrittsoptik bezeichnet werden.
Bei einem Faserlaser werden üblicherweise ebenso ein Pumplichtkoppler, eine aktive Glasfaser, eine Pumplichtfalle und ein Signallichtstrahlungsausgang verwendet. Da hier keine Signallichtstrahlung von außerhalb zugeführt sondern die Laserstrahlung innerhalb des Faserresonators zwischen zwei Reflektoren bzw. Spiegelelementen erzeugt wird, entfällt der Signallichtstrahlungseingang.
Als Signallichtstrahlungsausgang bzw. als Faseraustrittselement kann in jedem Fall zum Beispiel ein optisches Fenster mit einer einseitigen Antireflexionsbeschichtung für die entsprechenden Wellenlängen oder eine Linse zur Kollimation der Ausgangsstrahlung dienen. Die Faseraustrittsoptik kann auch eine weitere Glasfaser sein, welche die Ausgangsstrahlung zu einem Bestimmungsort führt. Derartige Faseraustrittsoptiken werden dabei üblicherweise stoffschlüssig zum Beispiel durch Schweißen, auch Spleißen genannt, mit dem offenen Ende der Glasfaser verbunden. Hierdurch kann das Signallicht bzw. das Laserlicht direkt in die Faseraustrittsoptik zum Beispiel als optisches Fenster oder als Linse übergehen und von dort aus nach außerhalb zum Beispiel des Faserverstärkers bzw. Faserlasers austreten. Mittels des optischen Fensters bzw. mittels der Linse kann der Strahl des Signallichts bzw. des Laserlichts dabei aufgeweitet werden, d.h. seinen Querschnitt vergrößern und hierdurch seine Leistungsdichte reduzieren, was für bestimmte Anwendungen günstig bzw. erforderlich sein kann.
Es ist somit bekannt, eine einzelne Glasfaser stoffschlüssig mit einem einzelnen Faseraustrittselement zu verbinden, wie zuvor beschrieben. Für viele Anwendungen, zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder in der Medizintechnik, ist es jedoch relevant, mehrere Laserstrahlen in einer möglichst räumlich kompakten und vor allem thermisch und mechanisch hochstabilen Anordnung am Einsatzort zu nutzen. Dies könnte man zum Beispiel in der Freistrahloptik mit einer beliebigen Anordnung von Mikrolinsen realisieren, aber hierdurch würde man die erheblichen Vorteile der Glasfasertechnologie verlieren.
Werden stattdessen mehrere Glasfasern mit jeweils einem einzelnen Faseraustrittselement miteinander kombiniert, so führt dies zu einem zusätzlichen Aufwand, um die Faseraustrittselemente zueinander anzuordnen und auszurichten, so dass die jeweiligen Signallichtstrahlen wie gewünscht zueinander austreten und genutzt werden können. Dies stellt gleichzeitig eine erhebliche Fehlerquelle bei der Montage dar, welche zu einem schlechten oder sogar unbrauchbaren Endprodukt führen kann. Auch vergrößert dies den Bauraum des Endprodukts zumindest im Bereich der Faseraustrittselemente. Ferner lassen sich gewisse Mindestabstände der einzelnen Glasfasern zueinander nicht vermeiden, welche der Größe der jeweiligen Faseraustrittselemente geschuldet sind, welche parallel zueinander angeordnet werden und gemeinsam das eigentliche Faseraustrittselement bilden.
Das US 6,819,858 B2 beschreibt eine geformte Halterung aus nichtkristallinem Polymermaterial, welche derart konfiguriert ist, dass sie einen Kanal zum Halten eines Siliziumchips mit einer Vielzahl von nebeneinander liegenden V-Nuten aufweist, die in einer oberen Fläche zwischen rechten und linken Seitenabschnitten davon gebildet sind, wobei ein ausgesparter Bereich in dem Kanal hinter dem Chip zur Aufnahme einer Faserpufferbeschichtung vorgesehen ist und eine Kerbe in einem oberen Abschnitt der Halterung zwischen dem Kanal und einem Seitenabschnitt davon gebildet ist, um Verstärkungsfasern eines optischen Faserkabels zu halten, wobei die V-Nut so konfiguriert ist, dass sie jeweils einzelne optische Fasern darin aufnimmt. Zwei solche geformten Halterungen mit Siliziumchips sind sicher zusammengeschichtet, wobei die V-Nut der Chips einander gegenüberliegen, um die optischen Fasern dazwischen zu halten.
Das US 6,978,073 B2 beschreibt ein optisches Faserarray umfassend ein Ausrichtungssubstrat, eine Vielzahl von Ferrulelementen und eine Vielzahl von optischen Fasern. Das Ausrichtungssubstrat hat eine Vielzahl von Führungslöchern, die zweidimensional angeordnet sind und sich durch das Substrat erstrecken. Die Ferrule werden jeweils in der gleichen Richtung in die Führungslöcher eingesetzt und haben Durchgangslöcher in den zentralen Abschnitten. Die optischen Fasern werden in die jeweiligen Durchgangslöcher eingepasst und gehalten. Das Führungsloch wird zu einer zylindrischen Form geformt, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Ferrule entspricht. Die Lichteintritts- /Austrittsstirnfläche der optischen Faser ist an einer Stirnfläche der Ferrule freiliegend.
Nachteilig bei den beiden zuvor beschriebenen Druckschriften ist deren mechanisch formschlüssiger und bzw. oder kraftschlüssiger Halt der einzelnen Glasfasern, welcher im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen stoffschlüssigen Schweißen bzw. Spleißen als weniger stabil, definiert und bzw. oder langlebig angesehen werden kann. Auch können durch die mechanischen Kräfte dieser Verbindungen mechanische Spannungen innerhalb der gehaltenen Glasfasern erzeugt werden, welche das optische Übertragungsverhalten der Glasfasern beeinflussen können. Dies kann insbesondere Undefiniert erfolgen und störend auf die Signallichtübertragung wirken.
Nachteilig ist hieran ferner, dass bei dieser Vorgehensweise die freien Enden der Glasfasern, welche die Grenzfläche zwischen dem Material der Glasfaser wie zum Beispiel Glas und der Umgebung wie zum Beispiel Luft bilden, bei der Übertragung von mittleren und hohen optischen Leistungen von einigen Watt bis einigen Kilo-Watt leicht beschädigt oder zerstört werden können.
Die US 2012/045169 Al beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden einer Lichtleitfaser- Array-Baugruppe, das umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von Lichtleitfasern einschließlich einer ersten Lichtleitfaser und einer zweiten Lichtleitfaser, Bereitstellen einer Faserarray-Platte, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst, Verbinden der Vielzahl von Lichtleitfasern mit der ersten Oberfläche der Faserarray-Platte, Übertragen einer Vielzahl von optischen Signalen durch die Lichtleitfasern in die Faserarray-Platte an der ersten Oberfläche der Faserarray-Platte, und Emittieren eines zusammengesetzten Ausgangsstrahls mit Licht aus der Vielzahl von optischen Signalen von der zweiten Oberfläche der Faserarray-Platte. Bei einigen Ausführungen ist die Mehrzahl der optischen Fasern stumpf an die erste Oberfläche der Faseranordnungsplatte geschweißt.
Nachteilig bei der Verbindung des offenen Endes wenigstens einer Glasfaser mit einem optischen Element einer Faseraustrittsoptik ist, dass sowohl bei einem Verkleben mittels eines zusätzlichen Klebstoffs als auch beim Verschmelzen bzw. Verschweißen der Materialien der Glasfaser und des optischen Elementes jeweils Material zwischen das offene Ende der Glasfaser und der Eintrittsfläche des optischen Elementes gelangen kann. Dies kann zu Störungen bei der Einkopplung bzw. Übertragung der Signallichtstrahlung aus dem Kern der Glasfaser in das optische Element an dessen Eintrittsfläche führen.
Wird zur Vermeidung dieser Nachteile das offene Ende stumpf auf die Eintrittsfläche des optischen Elementes aufgesetzt und randseitig durch Verkleben mittels eines zusätzlichen Klebstoffs oder durch Verschmelzen bzw. Verschweißen der Materialien der Glasfaser und des optischen Elementes miteinander stoffschlüssig verbunden, so kann lediglich eine vergleichsweise mechanisch schwache Verbindung zwischen dem offenen Ende der Glasfaser und dem optischen Element an dessen Eintrittsfläche erreicht werden.
Auch kann sich die Ausrichtung des offenen Endes der Glasfaser gegenüber der Eintrittsfläche des optischen Elements bei ungleichmäßiger Klebung bzw. Verschweißung gegen dem stumpfen, d.h. senkrechten, Aufsetzen ändern, was sich entsprechend auf die Ausbreitung des Signallichts der Glasfaser durch das optische Element hindurch auswirken und sogar zur Unbrauchbarkeit der hergestellten Komponente führen. Nachteilig ist ferner, dass die Eintrittsfläche sowie weitere Flächen des optischen Elements außer dessen Austrittfläche optisch angeraut sein können. Dies kann dazu dienen, um Störlichtstrahlung im optischen Element, zum Beispiel aus dem Mantel der Glasfasern oder reflektiertes Signallichtstrahlung von der Austrittsfläche des optischen Elements, aus dem optischen Element zu extrahieren oder diffus zu reflektieren. Die Reduzierung derartiger Störlichtstrahlung kann insbesondere bei höheren optischen Leistungen für die Umsetzbarkeit der jeweiligen Anwendung bzw. der Reduzierung der Störanfälligkeit des Lasersystems zwingend notwendig sein. Wird auf eine derart optisch angeraute Eintrittsfläche das offene Ende der Glasfaser aufgesetzt und dort randseitig stoffschlüssig verbunden, so kann hierdurch der Übergang der Signallichtstrahlung von dem Kern der Glasfaser in das optische Element hinein ebenfalls von der angerauten Oberfläche beeinträchtigt werden. Die Beeinträchtigungen können sich zum Beispiel auf die Signaltransmission an der Verbindungsstelle, die Strahlqualität oder die Polarisation der Signallichtstrahlung signifikant auswirken. Bei mittleren und hohen optischen Leistungen kann sogar eine Zerstörung des kompletten optischen Elementes als Faseranordnung (Faserarrayplatte) und der angebundenen Lasersysteme erfolgen. Wird daher auf die angeraute Eintrittsfläche verzichtet, so können die Vorteile einer angerauten Oberfläche zumindest bei der Eintrittsfläche des optischen Elements nicht genutzt werden.
Die WO 2020/254661 Al beschreibt ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben. Die offenen Enden der Kerne der Glasfasern sind mit jeweils einer Eindringtiefe innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet, wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Die Herstellung des Faseraustrittselements erfolgt, indem in einer Bearbeitungszone des optischen Elements dort, wo die offenen Ende der Kerne der Glasfasern mit der Eindringtiefe in das Material des optischen Elements eingeführt werden sollen, das Material der Eintrittsfläche des optischen Elements entsprechend stark erwärmt und hierdurch aufgeschmolzen wird, beispielsweise mittels eines Laserstrahls.
Werden auf diese Art und Weise mehrere nebeneinander angeordnete Glasfasern nacheinander mit dem optischen Element verbunden, insbesondere bei einer seriellen, d.h. zeitlich versetzten, Anbindung der Glasfasern aus fertigungstechnischen Gründen, so kann der Eintrag der thermischen Energie zum Aufschmelzen des Materials des optischen Elements einer weiteren Glasfaser diejenige Glasfaser beschädigen oder zerstören, welche bereits zuvor mit dem optischen Element verschmolzen wurde und ausreichend nah zur nun zu verschmelzenden Glasfaser angeordnet ist, um von der hierfür in das optische Element eingebrachten thermischen Energie erreicht zu werden. Diese Gefahr besteht bei jeder weiteren einzubringenden Glasfaser für wenigstens eine entsprechend nah angeordnete bereits zuvor eingebrachte Glasfaser. Dies kann die bereits verschmolzene Glasfaser und damit auch das Faseraustrittselement unbrauchbar machen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeiten zur Herstellung eines eingangs beschriebenen Faseraustrittselements zu verbessern. Insbesondere sollen die, insbesondere nacheinander gefügten, Glasfasern oder Glasfaserpakete beim Verschmelzen mit dem optischen Element besser thermisch geschützt werden können. Dies soll möglichst einfach und bzw. oder kostengünstig erfolgen können. Insbesondere soll dies möglichst ohne eine Veränderung des Fügeprozesses von Glasfasern und optischem Element erfolgen können. Zumindest soll eine Alternative zu den bekannten Herstellungsmöglichkeiten geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch mehrere Faseraustrittselemente sowie durch ein optisches Element mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element, vorzugsweise einem optischen Fenster, einer optischen Linse, einem optischen Strahlteiler, einem optischen Prisma oder einem optisches Linsenarray, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils einer Eindringtiefe, vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements, innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Das erfindungsgemäße Faseraustrittselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche des optischen Elements wenigstens eine erste Vertiefung aufweist und wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser und eine zweite verschmolzene Glasfaser durch die erste Vertiefung der Eintrittsfläche zueinander beabstandet sind. Es können auch mehrere erste Glasfasern als erstes Glasfaserpaket und mehrere zweite Glasfasern als zweites Glasfaserpaket verwendet werden. In jedem Fall kann eine thermische Entkopplung der beiden Glasfasern bzw. Glasfaserpakete bei der Herstellung, d.h. beim Aufschmelzen der jeweiligen Bearbeitungszone für den Fertigungsprozess zwischen optischem Element und Glasfaser, erfolgen, da die Hitze der Bearbeitungszone der zweiten Glasfaser die erste Glasfaser, welche bereits zuvor mit dem Material des optischen Element verschmolzen wurde, gar nicht oder lediglich in einem ausreichend geringen Maße erreichen kann, um Beschädigungen der ersten Glasfaser im fortlaufenden Fertigungsprozess zu vermeiden. Dies kann die Herstellungsqualität des Faseraustrittselements verbessern bzw. den Ausschuss qualitativ ungenügender Faseraustrittselemente reduzieren oder sogar die technische Umsetzung einer bestimmten Anordnung von Glasfasern überhaupt erst ermöglichen. Dies kann jeweils die Herstellungskosten reduzieren.
Die Vertiefung erstreckt dabei von der Eintrittsfläche des optischen Elements zumindest im Wesentlichen und vorzugsweise genau in der Erstreckungsrichtung der Glasfasern in das Material des optischen Elements hinein. Die Vertiefung kann durch Materialabtrag, beispielsweise durch Sägen, Fräsen, Ätzen, Lasern oder dergleichen in das Material des optischen Elements eingebracht worden sein. Dies kann vorzugsweise bei der Herstellung des optischen Elements oder bei der Vorbereitung des Fügens, vorzugsweise mittels derselben Bearbeitungsvorrichtung, erfolgen.
Die Vertiefung kann dabei jegliche beliebige Form bzw. Kontur aufweisen, welche geeignet ist, die gewünschte thermische Isolation zwischen den Glasfasern bzw. den Glasfaserpaketen zu erreichen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die erste Vertiefung der Eintrittsfläche linienförmig ausgebildet und die verschmolzenen Glasfasern sind senkrecht zur linienförmigen Erstreckung der ersten Vertiefung der Eintrittsfläche angeordnet. Dies kann eine besonders wirkungsvolle thermische Entkopplung bei vergleichsweise geringem Eingriff in die Struktur des optischen Elements bzw. dessen Eintrittsfläche ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird wenigstens die erste verschmolzene Glasfaser von der ersten Vertiefung oder von einer Mehrzahl von, vorzugsweise kreuzlinienförmigen, Vertiefungen umschlossen. Dies kann eine thermische Entkopplung rings um die erste verschmolzene Glasfaser herum ermöglichen, sodass die Ausbreitung von Hitze von der Bearbeitungszone heraus in alle Richtungen der Eintrittsfläche, d.h. horizontal, unterbunden oder zumindest reduziert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Eintrittsfläche des optischen Elements eine Mehrzahl von, vorzugsweise linienförmigen, Vertiefungen auf und eine Mehrzahl von verschmolzenen Glasfasern sind jeweils durch eine der Vertiefungen der Eintrittsfläche zueinander beabstandet. Dies kann es ermöglichen, die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Aspekte auf entsprechend viele Glasfasern bei deren Verschmelzen im Material der Eintrittsfläche des optischen Elements anzuwenden. Vorzugsweise sind die verschmolzenen Glasfasern jeweils senkrecht zur linienförmigen Erstreckung der Vertiefungen der Eintrittsfläche angeordnet. Hierdurch können die entsprechenden zuvor beschriebenen Aspekte auf mehrere verschmolzene Glasfasern übertragen werden.
Vorzugsweise werden die verschmolzenen Glasfasern jeweils von einer der Vertiefungen oder von einer Mehrzahl von, vorzugsweise kreuzlinienförmigen, Vertiefungen umschlossen. Hierdurch können die entsprechenden zuvor beschriebenen Aspekte auf mehrere verschmolzene Glasfasern übertragen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erste Vertiefung der Eintrittsfläche ringförmig um die erste verschmolzene Glasfaser angeordnet. Dies kann den Gestaltungsspielraum erhöhen. Auch kann hierdurch eine gezielte thermische Isolation der ersten Glasfaser ringsherum in der Ebene senkrecht zur länglichen Erstreckung der ersten Glasfaser erfolgen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element, vorzugsweise einem optischen Fenster, einer optischen Linse, einem optischen Strahlteiler, einem optischen Prisma oder einem optisches Linsenarray, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils einer Eindringtiefe, vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements, innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Das erfindungsgemäße Faseraustrittselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche des optischen Elements wenigstens eine erste Erhebung aufweist, wobei wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser in der ersten Erhebung der Eintrittsfläche angeordnet ist und wenigstens eine zweite verschmolzene Glasfaser nicht in der ersten Erhebung der Eintrittsfläche der ersten Glasfaser angeordnet ist. Die zweite verschmolzene Glasfaser kann somit auf der Eintrittsfläche des optischen Elements selbst oder auch auf einer zweiten Erhebung der Eintrittsfläche angeordnet sein.
Somit kann der erfindungsgemäße Ansatz, eine thermische Beeinflussung einer ersten bereits verschmolzenen Glasfaser durch das Verschmelzen einer zweiten Glasfaser, insbesondere unmittelbar benachbart, in dem Material der Eintrittsfläche desselben optischen Elements auch dadurch umgesetzt werden, dass auf die Eintrittsfläche des optischen Elements wenigstens eine erste Erhebung durch Materialauftrag aufgebracht wird, um hierdurch die Bearbeitungszone beim Verschmelzen einer Glasfaser gegenüber der Eintrittsfläche des optischen Elements anzuheben und auch auf diese Art und Weise seitlich, d.h. horizontal, thermisch zu isolieren. Der Materialauftrag kann dabei beispielsweise über additive Verfahren wie 3D-Druck erfolgen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die zweite verschmolzene Glasfaser in einer zweiten Erhebung der Eintrittsfläche angeordnet. Hierdurch können die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Aspekte auch auf die zweite verschmolzene Glasfaser übertragen bzw. dort angewendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erste Erhebung, vorzugsweise und die zweite Erhebung, der Eintrittsfläche linienförmig oder punktuell ausgebildet. Hierdurch kann die erste Erhebung wie zuvor beschrieben konkret umgesetzt werden. Dies linienförmig vorzunehmen kann gegebenenfalls den Materialauftrag vereinfachen. Dies punktuell vorzunehmen kann eine thermische Isolation in alle Richtungen in der Horizontalen und die Bearbeitungszone bzw. um die Erhebung herum ermöglichen. Auch kann der Aufwand des Materialauftrags geringgehalten werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element, vorzugsweise einem optischen Fenster, einer optischen Linse, einem optischen Strahlteiler, einem optischen Prisma oder einem optisches Linsenarray, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils einer Eindringtiefe, vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements, innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Das erfindungsgemäße Faseraustrittselement ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser und eine zweite verschmolzene Glasfaser durch wenigstens ein Abstandselement, vorzugsweise als Glasfaser, besonders vorzugsweise als kernlose Glasfaser, zueinander beabstandet sind.
Das Abstandselement kann insbesondere ein Stück einer Glasfaser und ganz besonders ein Stück einer kernlosen Glasfaser, welche lediglich das Material des Mantels aufweist, sein, sodass gleiche bzw. vergleichbare Materialien verwendet bzw. miteinander kombiniert werden können. Das Abschlusselement kann jedoch auch aus einem anderen beliebigen geeigneten Material ausgebildet sein.
Das Abstandselement kann nach dem Verschmelzen der Glasfasern wieder entfernt werden oder dort verbleiben. In letzterem Fall kann das Abstandselement zusammen mit der Glasfaser in den optische Element verschmolzen werden.
In jedem Fall kann hierdurch vor dem, vorzugsweise gemeinsamen, Verschmelzen der Glasfasern in der Eintrittsfläche des optischen Elements eine Beabstandung bzw. eine Positionierung der zu verschmelzenden Glasfasern gegenüber einander erfolgen, was die Genauigkeit der Positionierung erhöhen, die flexible Einstellung des Faser-zu-Faser-Abstands ermöglichen und bzw. oder ebenfalls eine gewisse thermische Isolation und bzw. oder eine gewisse mechanische Stabilität beim Verschmelzen untereinander bewirken kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Faseraustrittselement mit einer Mehrzahl von Glasfasern mit jeweils wenigstens einem Kern, welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element, vorzugsweise einem optischen Fenster, einer optischen Linse, einem optischen Strahlteiler, einem optischen Prisma oder einem optisches Linsenarray, welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne der Glasfasern verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung von den offenen Enden der Kerne der Glasfasern zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche nach außerhalb abzugeben.
Das erfindungsgemäße Faseraustrittselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden der Mäntel der Glasfasern, jeweils mit einem ersten offenen Ende eines Übergangselements stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschmolzen, sind, wobei die zweiten offenen Enden der Übergangselemente mit jeweils einer Eindringtiefe, vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche des optischen Elements, innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der zweiten offenen Enden der Übergangselemente mit dem Material des optischen Elements verschmolzen ist.
Mittels des Übertragungselements kann somit zum einen eine Übertragung bzw. eine Leitung der Signallichtstrahlung von der ersten Glasfaser zur Eintrittsfläche des optischen Elements erfolgen. Zum anderen können die erste Glasfaser und die Eintrittsfläche des optischen Elements mittels des Übertragungselements indirekt verbunden werden, sodass das Verschmelzen in der Eintrittsfläche des optischen Elements mittels des Übertragungselements und nicht mittels der ersten Glasfaser erfolgt. Auch hierdurch kann die erste Glasfaser thermisch geschützt und ggfs. verbesserte optische und bzw. oder mechanische Eigenschaften erzielt werden. Vorzugsweise sind die Übergangselemente Übergangsfasern, welche jeweils einen Kern und bzw. oder einen Mantel, vorzugsweise einen den Kern im Wesentlichen umschließenden Mantel, aufweisen. Somit können als Übergangsfasern Faserkerne, kernlose Fasermäntel und bzw. oder Faserkerne mit Fasermänteln verwendet werden. Dies kann jeweils alleinig oder in gemischter Form erfolgen. Dies kann die Umsetzung vereinfachen und bzw. oder die Übertragung der Signallichtstrahlung begünstigen.
Vorzugsweise weisen die Übergangsfasern Kerne auf, welche den gleichen Durchmesser wie die Kerne der Glasfasern aufweisen. Vorzugsweise weisen die Kerne der Übergangsfasern die gleiche numerische Apertur wie die Kerne der Glasfasern auf. Alternativ oder zusätzlich weisen die Übergangsfasern dann vorzugsweise einen unterschiedlichen Fasermanteldurchmesser auf, also vorzugsweise einen größeren oder kleineren Fasermanteldurchmesser als die Mäntel der Glasfasern. Außerdem kann am Übergang von den Glasfasern zu den Übergangsfasern zur Erhaltung von Signaleigenschaften ein Modenfeldadapter realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Übergangselemente zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, breiter als die Glasfasern ausgebildet, wobei vorzugsweise die Übergangselemente zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aneinander anliegen. Hierdurch können die Übertragungselemente gleichzeitig als Abstandselement dienen, wie zuvor bereits beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Eintrittsfläche winkelig zur Austrittsfläche angeordnet und bzw. oder die Eintrittsfläche wenigstens zwei Abschnitte auf, welche winkelig zueinander und bzw. oder zur Austrittsfläche angeordnet sind. Dies kann jeweils den Gestaltungsspielraum des Faseraustrittselements erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Austrittfläche des optischen Elements zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollflächig, eine optische Beschichtung, vorzugsweise eine optische Anti- Reflektionsbeschichtung, auf. Hierdurch kann der Übergang von Strahlung durch die Austrittsfläche aus dem optischen Element hinaus und bzw. oder von der Seite der Austrittsfläche in das optische Element hinein beeinflusst werden. Insbesondere kann durch eine optische Anti-Reflektionsbeschichtung das Eindringen von Störstrahlung von außerhalb des optischen Elements verhindert oder zumindest reduziert werden. Eine derartige Beschichtung kann entsprechend gewählt werden, um die relevanten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche zu reflektieren. Dies kann das Maß von Störstrahlung innerhalb des optischen Elements reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern wenigstens einen Mantel auf, welcher den Kern im Wesentlichen umschließt, wobei im Bereich des Faseraustrittselements wenigstens eine Pumplichtfalle, vorzugsweise als Vertiefungen, in dem Material des Mantels der Glasfaser ausgebildet ist, um Mantellicht aus dem Mantel der Glasfaser nach außerhalb der Glasfaser abzuführen. Eine derartige Pumplichtfalle kann auch als Mantellichtentferner oder als Cladding-Light-Stripper bezeichnet werden. Hierdurch kann störendes Mantellicht unmittelbar vor dem optischen Element aus den Mänteln der Glasfasern entfernt und bzw. oder rücklaufendes Mantellicht vom optischen Element reduziert werden. Dies kann den Eintrag von Störstrahlungen in das optische Element reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist wenigstens die Eintrittsfläche des optischen Elements, vorzugsweise sind alle Außenflächen des optischen Elements außer der Austrittfläche des optischen Elements, optisch angeraut ausgebildet und wenigstens die Austrittfläche des optischen Elements, vorzugsweise genau die Austrittfläche des optischen Elements, ist mit optisch glatter Oberflächenqualität ausgebildet. Eine optisch angeraute Oberfläche kann beispielsweise mittels einer Bearbeitung mit einem mechanischen Werkzeug wie zum Beispiel durch Schleifen aber auch mittels eines Laserstrahls als Werkzeug erfolgen. Eine optisch glatt ausgebildete Oberfläche kann ebenfalls mittels einer Bearbeitung mit einem mechanischen Werkzeug wie zum Beispiel durch Polieren aber auch mittels eines Laserstrahls als Werkzeug erfolgen. Eine optisch glatte Oberflächenqualität ist gegeben, wenn bei der entsprechenden Wellenlänge bzw. bei dem entsprechenden Wellenlängenbereich der Signallichtstrahlung die notwendigen optischen Eigenschaften beim Austritt über die Austrittsfläche für die jeweilige Anwendung größtenteils erhalten werden können bzw. eine entsprechende optische Beschichtung fachgerecht aufgebracht werden kann. Häufig wird zur Bewertung der Oberflächenqualität unter anderem die Scratch-Dig-Spezifikation der Norm MIL-PRF-13830B herangezogen.
Eine optisch angeraute Oberfläche des optischen Elements kann für dessen Außenflächen außer der Austrittsfläche vorteilhaft sein, um Störstrahlungen aus dem optischen Element austreten zu lassen und hierdurch im Volumen des optischen Elements zu reduzieren. Ein derartiges Störlicht kann Mantellicht aus dem Mantel der Glasfasern sein. Auch kann es an den Seitenflächen des optischen Elements zu Reflexion der Signalstrahlungen kommen. Außerdem kann Signallichtstrahlung im optischen Element an der Austrittsfläche teilweise in Form von Störlicht reflektiert werden. Ferner kann Signallichtstrahlung durch Reflexion von außen, zum Beispiel vom Bearbeitungs- oder Anwendungsort der Signallichtstrahlung, erneut ins optische Element gelangen. Zur Reduzierung der genannten Störlichtstrahlungen im optischen Element und damit zur Gewährleistung eines sicheren Betriebszustandes kann wie bereits erwähnt eine optisch angeraute Oberfläche vorteilhaft sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind wenigstens einige, vorzugsweise alle, der offenen Enden der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mänteln der Glasfasern, mit jeweils der gleichen Eindringtiefe oder mit jeweils einer unterschiedlichen Eindringtiefe innerhalb des Materials des optischen Elements angeordnet. Die Verwendung der gleichen Eindringtiefe kann die Herstellung vereinfachen. Durch die Variation der Eindringtiefe zwischen einzelnen Glasfasern können die Austrittsstrahlungen bzw. ein hieraus kombinierter Austrittstrahl in seinen optischen Eigenschaften beeinflusst werden. Mit anderen Worten können die Signallichtstrahlungen der einzelnen Glasfasern aufgrund ihrer unterschiedlichen Eindringtiefe in das optische Element dort unterschiedlich lange optische Wegstrecken durchlaufen und somit an der Austrittsfläche des optischen Elements unterschiedliche optische Eigenschaften wie zum Beispiel unterschiedliche Strahldurchmesser aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise und bzw. oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mäntel der Glasfasern, zumindest im Bereich des Faseraustrittselements in ihrer länglichen Erstreckungsrichtung einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Durchmesser und bzw. oder einen gleichbleibenden oder unterschiedlichen Querschnitt auf. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Ausgangsstrahlungen erhöhen.
Dabei können durch Ätzen vor dem Schweißprozess die Durchmesser der Glasfasern bzw. deren Mäntel gezielt reduziert werden, so dass zum Beispiel die Kerne der Glasfasern im optischen Element räumlich näher aneinander gebracht werden können. Auch durch Tapern können die Durchmesser der einzelne Glasfasern reduziert werden, was auch zu den vorher beschreiben geometrischen Vorteilen führen kann. Zusätzlich kann beim Tapern noch der Modenfelddurchmesser des Signals vor dem Schweißprozess modifiziert werden, um gewünschte Eigenschaften des kombinierten Austrittsstrahls zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen wenigstens einige, vorzugsweise alle, der Kerne der Glasfasern, vorzugsweise und bzw. oder einige, vorzugsweise alle, die Kerne im Wesentlichen umschließenden Mäntel der Glasfasern, das gleiche oder unterschiedliche Materialien und bzw. oder den gleichen oder unterschiedliche Durchmesser und bzw. oder den gleichen oder unterschiedliche Querschnitte, vorzugsweise kreisrund, rechteckig, quadratisch oder oktogonal, auf. Hiervon ist vorzugsweise auch umfasst, dass Single-Mode Glasfasern, Large-Mode Area Glasfasern, Multi-Mode- Glasfasern, polarisationserhaltende Glasasfern, photonische Kristallglasfasern und Multikern-Glasfasern verwendet werden können. Dies kann die Gestaltungsmöglichkeiten der Ausgangsstrahlungen erhöhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein optisches Element zur Verwendung in einem Faseraustrittselement wie zuvor beschrieben. Hierdurch kann ein optisches Element wie zuvor beschrieben zur Verfügung gestellt werden, um das erfindungsgemäße Faseraustrittselement herstellen zu können. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Komponente und ein Herstellungsverfahren zur kompakten Zusammenführung und Formung von Licht mit optischen Glasfasern.
Optische Glasfasern werden heute typischerweise zur Erzeugung von Laserstrahlung oder zum Transport von Laserstrahlung (engl. beam delivery) vom Laser zum Einsatzort verwendet. Hierbei kann es sich z.B. um Single- oder Multi-Mode Glasfasern, polarisationserhaltende Glasfasern (PM) oder Photonische Kristallglasfasern sowie Hollow-Core-Glasfasern handeln, um nur einige Beispiele an am Markt verfügbaren Glasfasertypen zu benennen. Die im Folgenden dargestellten optischen Komponenten und Verfahren zur Herstellung dieser Komponenten beziehen sich deshalb auf die vollständige Bandbreite der am Markt verfügbaren Glasfasertypen. Auch wenn sich das Haupanwendungsgebiet auf Glasfasern bezieht, können Polymerfasern oder Fasern aus anderen Materialien, z.B. sogenannte Soft-Glass-Fibers für den mittleren IR Bereich, ebenfalls für diese Anwendung(en) eingesetzt werden.
Für viele Anwendungen, z.B. in der Materialbearbeitung, Medizintechnik, Telekommunikation der Messtechnik ist es jedoch relevant mehrere Laserstrahlen in einer möglichst räumlich kompakten und vor allem thermisch und mechanisch hochstabilen Anordnung am Einsatzort zu nutzen. Außerdem ist es aufgrund der Limitierung der optischen Ausgangsleistung von Lasersystemen wünschenswert die Laserstrahlung von einzelnen Lasersystemen kohärent oder inkohärent zu überlagern. Dies könnte man z.B. in der Freistrahloptik mit einer beliebigen Anordnung von separaten oder aneinander angebundenen Glasfasern mit Mikrolinsen realisieren, aber mit der Nutzung von Freistrahloptik würde man die erheblichen Vorteile der Glasfasertechnologie verlieren, z.B. mechanische und thermische Stabilität.
Um diese Problematik zu überwinden, können mehrere Glasfasern in einer beliebigen Anordnung an ein optisches Element geschweißt (gespleißt, engl. Fusion Splicing) werden, siehe beispielsweise WO 2020/254661 Al. Hierdurch kann ein ein- oder zweidimensionales Faserarray realisiert werden. Durch das Schweißen (Spleißen) realisiert man eine monolithische optische Komponente, die eben insbesondere für mittlere und hohe optische Leistungen geeignet ist und gleichzeitig in kompakter Form eine glasfaserbasierte Lichtleitung und -formung (üblicherweise räumlich) von Energiestrahlung vorzugsweise Laserstrahlung in einer rauen industriellen Umgebung oder in einem Bereich mit hohen Sicherheitsaspekten, wie z.B. in der Medizintechnik, oder in einem Anwendungsbereich mit extrem hohen Temperaturanforderungen oder die kohärente sowie inkohärente Kombination von Laserstrahlung ermöglicht. Wobei neben dem typischen Schweißen auch andere Verbindungstechniken genutzt werden könnten. Das optische Element kann ein Glasblock, ein optisches Fenster, eine Linse, ein Siliziumchip mit optischen Wellenleitern oder jedes beliebige andere optische Element sein, das zur optischen Strahlführung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und bzw. oder optischen Leistungsklassen eingesetzt werden kann.
Beim Fügen der Glasfasern mit dem optischen Element wird die Glasfaser mit einer gewissen Eindringtiefe gegenüber der Eintrittsfläche des optischen Elementes mit dem optischen Element verbunden, z.B. durch einen Schweißprozess, siehe beispielsweise WO 2020/254661 Al.
Werden die Glasfasern mit einen geringen Faser-zu-Faserabstand an das optische Element gefügt, dann besteht die Möglichkeit, dass durch die hohen Schweißtemperaturen - bei Quarzglas im Bereich von 2000°C - bereits angebundene benachbarte Glasfasern beschädigt werden. Das heißt die Prozesszone hat beim Schweißen eine solch große räumliche Ausdehnung im optischen Element, sodass eine Schädigung anderer (benachbarter) Glasfasern eintreten kann.
Um diese thermische Schädigung zu minimieren können zwischen den Glasfasern Vertiefungen (siehe Figuren la bis lc) eingebracht oder Stege (siehe Figur ld) aufgebracht werden, die den Wärmefluss bzw. die Ausbreitung der Energie im optischen Element zumindest im oberflächennahen Bereich unterbinden.
Die Vertiefungen können in beliebiger Form ausgeführt werden, parallel, trapezförmig, gaußförmig oder bei 2-dimensinalen Faserarrays z.B. in Form von Bohrungen oder Ringen. In der Praxis ist die genaue Form der Vertiefungen bzw. der Stege typischerweise von der Verwendung des jeweiligen Werkzeugs zur Ausführung der Vertiefungen bzw. Stege abhängig. Als Werkzeug zur Einbringung von Vertiefungen kann z.B. eine Säge, ein Laser oder auch ein Ätzprozess eingesetzt werden. Das Aufbringen von Stegen kann z.B. durch additive Fertigung, z.B. mit einem glasbasierten 3D-Druck realisiert werden. Dabei können die Stege durch den Aufbau, die Geometrie und der Wahl des Materials sehr flexibel gestaltet werden. Die Vertiefungen können prozesstechnisch bedingt auch mit einem beliebigen Material gefüllt werden. Durch Vertiefung kann auch ein Luftstrom geführt werden, um den Kühlprozess beim Fügeprozess gezielter zu steuern. Die Länge der Vertiefung und die Breite der Vertiefung kann je nach Aufbau des Faserarrays beliebig gewählt werden, um die entsprechende thermische Isolation zu erzielen. Die Vertiefungen und die Breite der Vertiefungen können innerhalb eines optischen Bauteils gleich oder auch unterschiedlich ausgeführt sein. Die Vertiefungen und die Breite der Vertiefungen können typischerweise im Bereich von einigen Mikrometer bis einige Millimeter variieren. Es können gleiche oder unterschiedliche Glasfasern an ein optisches Element angebunden werden (Fasertyp, Durchmesser, ...). Der Faser-zu-Faserabstand kann für ein optisches Element gleich oder unterschiedlich sein oder ggf. ein Gradient ausweisen, z.B. von links nach rechts oder von der Mitte nach außen.
Die Figuren la bis lc zeigen den potentiellen Aufbau eines 2-dimensionalen Faserarrays mit Vertiefungen sowie die Figur ld mit Stegen, um die einzelnen Faserreihen beim Fügeprozess thermisch voneinander zu isolieren. Entlang der einzelnen Stege können zwischen den Glasfasern ebenfalls Vertiefungen eingebracht sein (nicht dargestellt). Weitere beispielhafte Ausführungsbeispiele sind aus der Abb. 2a, 2b und 3 ersichtlich. Die Vertiefungen und Stege können durch ihre Beschaffenheit neben der thermischen Isolation auch eine (I) thermische, (II) mechanische und (III) optische Funktion im Betrieb des Faserarray ausüben, z.B. (I) Kühlung an der Schweißverbindung beim Transport von hohen optischen Leistungen durch das Faserarray, (II) Erhöhung der mechanischen Stabilität der Schweißverbindung zwischen Glasfaser und optischen Element und (III) Beeinflussung der optischen Strahlpropagationseigenschaften im Faserarray. In besonderen Fällen kann es auch sinnvoll sein die Glasfasern in den Vertiefungen mit dem optischen Element zu verbinden und die Stege als Schutz im Fügeprozess zu nutzen.
Außerdem können einzelne Glasfasern oder alle Glasfasern unter einem bestimmten Winkel zur Eintrittsfläche mit dem optischen Element verbunden werden. An die Glasfasern können Laserstrahlquellen oder andere Strahlquellen (kohärent oder inkohärent, ggf. polarisationserhaltend, ggf. gepulst) angebunden werden. Somit kann die elektromagnetische Strahlung von mehreren Laserstrahlquellen oder anderen Strahlquellen an den Einsatzort transportiert werden.
Dabei können die Strahlquellen bzw. die Leistungsanteile in den optischen Glasfasern gleichzeitig, zeitlich versetzt oder mit einer für den Prozess sinnvollen zeitlichen Modulation der einzelnen Leistungsanteile in den optischen Glasfasern betrieben werden. Die Strahlquellen können baugleich sein oder sich z.B. in der Polarisation, in der Wellenlänge oder in der optischen Pulslänge unterscheiden. Außerdem ist es möglich die Leistung bzw. einzelne spektrale Leistungsanteile einer Strahlquelle oder ggf. Laserstrahlquelle auf die Glasfasern in beliebigen Teilungsverhältnissen zu übertragen. Der Laser oder eine beliebige andere Lichtquelle kann kontinuierlich oder gepulst arbeiten. Die Glasfasern können auch zur kohärenten oder inkohärenten Kombination von Laserstrahlquellen genutzt werden.
Hier gibt es je nach Anwendung zahlreiche Variationsmöglichkeiten basierend auf den zur Verfügung stehenden Eigenschaften der Lasersysteme bzw. anderer verfügbarer Lichtquellen. Das optische Element kann z.B. ein optisches Fenster mit oder ohne optische Beschichtung oder eine Linse sowie ein optischer Strahlteiler oder ein Mikrolinsenarray sein, um nur einige Beispiele an optischen Elementen zu benennen. Das optische Element kann auch aus einer Vielzahl von optischen Einzelelementen bestehen, z.B. einem Array von Mikrolinsen oder einem flexiblen Material (z.B. Polymer) mit brauchbaren optischen Eigenschaften für die jeweilige Anwendung. Das optische Element kann auch aus verschiedenen Materialien bestehen oder in seine Materialeigenschaften über seine Dimension (x-, y- und z Richtung) variieren, z.B. durch partielle Dotierung des optischen Elements. Besteht das optische Element aus verschiedenen Materialien, so können diese verklebt, geschweißt oder gebondet sein. Werden Glasfasern mit einen bestimmten Faser-zu-Faser Abstand an ein optisches Element angebunden (Fügeprozess), in einem gleichmäßigen, unterschiedlichen oder z.B. graduellen Abstand, können zur Einstellung des Faser-zu-Faser Abstands zwischen den Glasfasern präzise Spacer (Abstandshalter) eingesetzt werden (siehe Figur 4). Die Spacer können Glasfasern sein oder beliebige andere Körper mit beliebigen Formen und aus beliebigen Materialien. Typischerweise erstrecken sich die Spacer über einen Längenbereich von einigen 10 mm entlang des Fasermantels, können aber auch nur punktuell in bestimmten Bereich zur Einstellung des Abstandes der Glasfasern eingesetzt werden. Die Spacer können z.B. auch keilförmig ausgebildet sein, um die Glasfasern in einem bestimmten Winkel zueinander zu positionieren. Typischerweise werden die Spacer zwischen dem Mantel der Glasfasern positioniert. Der Spacer kann aber z.B. auch zwischen der Beschichtung der Fasern platziert werden. Die Spacer können ggf. im optischen Element mit verschweißt werden, wie beispielhaft in Abb. 4 dargestellt.
Der Spacer kann neben der Einstellung des Faser-zu-Faser Abstand auch optische Funktionen ausführen, z.B. als Cladding Light Stripper fungieren oder thermische Prozess bei mittleren und hohen optischen Leistungen steuern (z.B. Kühlung). Der Spacer kann außerdem die mechanische Stabilität der Faserarrayanordnung verbessern. Typischerweise werden die Spacer zur Einstellung von Faser-zu-Faser Abständen im Bereich von einigen 10 Mikrometern bis zu einigen Millimetern eingesetzt. In der Abb. 4 sind die Spacer zwischen den Glasfasern als Einzelstücke ausgebildet. Es ist ebenfalls sinnvoll die Spacer als ein z.B. flächenförmiges Element (aus einem Stück) auszubilden, dass z.B. Rillen oder V-Grooves zur Positionierung der Glasfasern besitzt und zunächst an das optische Element angebunden, ggf. auch angeschweißt oder aufgedruckt (additive Fertigung) wird und dann als Spacer und Stützelement für die Glasfasern dient.
Zur Verbesserung bzw. Optimierung der mechanischen, thermischen oder optischen Eigenschaften des Faserarrayelementes können Übergangsfasern eingesetzt werden (siehe Figuren 5a und 5b). Außerdem können die Übergangsfasern aus prozesstechnischen Gründen eingesetzt werden, z.B. zur Verbesserung des Fügeprozesses oder zur besseren Positionierung der Glasfasern vor dem bzw. beim Fügen, z.B. indem die Übergangsfasern gleichzeitig als Spacer (Abstandshalter) fungieren. Die Übergangsfasern werden mit dem optischen Element verbunden, z.B. verschweißt (siehe Figuren 5a und 5b). Die Übergangsfasern werden an die Glasfasern des Faserarrays z.B. durch Spleißen angebunden. Je nach Ausführung der Übergangsfaser kommen auch andere Fügeprozesse in Betracht. Die Übergangsfasern können zur Verbesserung der aufgeführten Eigenschaften für das Faserarrayelement und bzw. oder den Fertigungsprozess aus unterschiedlichen Materialien und in verschiedenen Formen ausgeführt werden.
Es ist hier noch einmal ausdrücklich zu erwähnen, dass der Begriff Übergangsfaser nicht ausschließlich auf Fasern zu beziehen ist. Die Übergangsfaser kann auch als Übergangselement definiert werden. Die Übergangsfaser (auch Übergangselement) kann die optischen Eigenschaften des Lichts bzw. der Laserstrahlung passiv oder aktiv steuern, je nach Wahl der Übergangsfaser bzw. des Übergangselements (Material, Form, optischer Aufbau, ...).
Die Länge der Übergangsfasern sowie die Dicke der Übergangsfasern können je nach Zielstellung beliebig variieren, auch innerhalb eines Faserarrayelementes. Die Länge der Übergangsfasern beträgt typischerweise einige 100pm bis einige 10mm. Die Übergangsfaser besteht typischerweise aus Kern und Mantel, kann z.B. aber auch in einer kernlosen Variante ausgeführt sein. Der Übergangsfaser kann außerdem verjüng (getapert) sein. Vor sowie in der Übergangsfaser kann ein Cladding Light Stripper eingebracht werden. Die Übergangsfaser kann z.B. zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften, wie die Strahlqualität, die Polarisation, die optische Leistungsstabilität sowie zur Strahlformung, im Faserarray genutzt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren rein schematisch dargestellt und näher erläutert. Darin zeigt:
Figur la eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels von der Seite;
Figur lb eine perspektivische Darstellung der Ansicht der Figur la von schräg oben;
Figur lc eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels von schräg oben;
Figur ld eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels von schräg oben;
Figur 2a eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels von der Seite;
Figur 2b eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels von der Seite;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels von der Seite;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels von der Seite;
Figur 5a eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines achten Ausführungsbeispiels von der Seite; und Figur 5b eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels von der Seite.
Die o.g. Figuren werden in kartesischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsrichtung X, welche auch als Tiefe X oder als Länge X bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Längsrichtung X erstreckt sich eine Querrichtung Y, welche auch als Breite Y bezeichnet werden kann. Senkrecht sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann. Die Längsrichtung X und die Querrichtung Y bilden gemeinsam die Horizontale X, Y, welche auch als horizontale Ebene X, Y bezeichnet werden kann.
Figur la zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels von der Seite. Figur lb zeigt eine perspektivische Darstellung der Ansicht der Figur la von schräg oben. Das Faseraustrittselement 1, 2 kann auch als Signallichtstrahlungsausgang 1, 2, als Faseraustrittsoptik 1, 2 oder als Faserarray 1, 2 bezeichnet werden.
Das Faseraustrittselement 1, 2 weist eine Mehrzahl von Glasfasern 1 auf, welche jeweils einen Kern 10 besitzen, welcher jeweils von einem Mantel 11 und der Mantel 11 von einer Beschichtung 12 zylindrisch umschlossen wird. Die Querschnitte bzw. die Konturen der Kerne 10, der Mäntel 11 und der Beschichtungen 12 sind jeweils kreisförmig. In ihrer länglichen Erstreckungsrichtung enden die Glasfasern 1 in der vertikalen Richtung Z auf einer gemeinsamen gleichen Höhe mit jeweils einem offenen Ende (nicht bezeichnet). Dabei erstrecken sich die Kerne 10 und die Mäntel 11 der Glasfasern 1 gleichweit und enden gemeinsam an dem jeweiligen offenen Ende. Die Beschichtungen 12 sind jeweils in der vertikalen Richtung Z auf gleicher Höhe zu den offenen Enden der Glasfasern 1 beabstandet.
Das Faseraustrittselement 1, 2 weist ferner ein optisches Element 2 auf, welches auch als optisches Fenster 2, als optische Linse 2, als optischer Strahlteiler 2, als optisches Prisma 2 oder einem optisches Linsenarray 2 bezeichnet werden kann. Ein optischer Grundkörper 20 des optischen Elements 2 in Form eines Glaskörpers 20 ist beispielsweise gemäß der Figur lb quaderförmig ausgebildet und weist in der vertikalen Richtung Z nach oben zeigend eine Eintrittsfläche 21 und gegenüberliegend nach unten zeigend eine Austrittsfläche 24 auf. Die vier Seiten des quaderförmigen optischen Elements 2 werden von den Seitenflächen 25 gebildet. An der Unterseite des optischen Elements 2 ist eine optische Beschichtung 26 in Form einer Anti-Reflektionsbeschichtung 26 flächendeckend aufgebracht, welche dem optischen Element 2 zugerechnet werden kann, sodass die Austrittsfläche 24 des optischen Elements 2 mit der Unterseite bzw. Außenseite der Anti-Reflektionsbeschichtung 26 zusammenfällt.
Die Seitenflächen 25 sowie die Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 sind dabei optisch angeraut, um das Austreten von Störstrahlungen aus dem optischen Element 2 hinaus zu begünstigen. Die Unterseite bzw. die Austrittsfläche 24 des optischen Elements 2, welche von der optischen Beschichtung 26 abgedeckt wird, ist optisch glatt ausgebildet, um hierdurch den Austritt der Austrittstrahlungen zu begünstigen.
Die Mäntel 11 der Glasfasern 1 weisen in dem Bereich, in dem die Beschichtungen 12 entfernt sind, jeweils eine Pumplichtfalle (nicht dargestellt) auf, welche auch als Mantellichtentferner oder als Stripping-Element bezeichnet werden kann und in Form von ringförmigen Vertiefungen ausgebildet ist. Durch die Ausrichtung der ringförmigen Vertiefungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Signallichtstrahlungen A bzw. der länglichen Erstreckungsrichtung der Glasfasern 1 kann störendes Mantellicht unmittelbar vor Erreichen des optischen Elements 2 aus den Mänteln 11 der Glasfasern 1 nach außen hin ausgekoppelt werden. Auf diese Art und Weise kann der Eintrag von Störstrahlungen seitens des Mantellichts in das optische Element 2 vermieden werden. Auch rücklaufendes Mantellicht, vom optischen Element kommend, kann reduziert werden.
Die offenen Enden der Kerne 10 und der Mäntel 11 der Glasfasern 1 sind dabei mit einer Eindringtiefe W gegenüber der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 innerhalb des Materials des optischen Elements 2 angeordnet. Die Materialien der Kerne 10 und der Mäntel 11 der Glasfasern 1 sind hierzu mit dem Material des optischen Elements 2 verschmolzen worden, wie weiter unten noch näher beschrieben werden wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass Signallichtstrahlungen A zum Beispiel in Form von Laserlichtstrahlungen A möglichst störungsfrei und vollständig in das optische Element 2 eingeleitet werden können. Die in das optische Element 2 eingeleiteten Signallichtstrahlungen A können dieses durchlaufen und als Austrittsstrahlungen (nicht dargestellt) über die Austrittsfläche 24 des optischen Elements 2 nach außen austreten. Die Austrittsstrahlungen können hierdurch auch einen kombinierten Ausgangstrahl bilden. Auch kann hierdurch die mechanische Stabilität der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Glasfasern 1 und dem optischen Element 2 verbessert werden.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 kann derart erfolgen, dass einzelne Glasfasern 1 nacheinander einzeln oder gruppiert im Material der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 bzw. dessen optischen Körpers 20 verschmolzen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Laserstrahlung auf eine Stelle bzw. auf einen Bereich der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 gerichtet wird, um diese Stelle bzw. diesem Bereich als Bearbeitungszone ausreichend zu erhitzen, sodass die offenen Enden der Glasfasern 1 in das aufgeschmolzene Material der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 eingeführt bzw. eingedrückt und damit gefügt werden können, um mit dem Material der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 zu verschmelzen.
Beispielsweise kann eine Bearbeitungszone der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 wie zuvor beschrieben erhitzt werden, um das offene Ende einer ersten Glasfaser la der Glasfasern 1 aufzunehmen und zu verschmelzen. Wird nun unmittelbar neben der bereits verschmolzenen ersten Glasfaser la mit einem Faser-zu-Faser-Abstand LF eine zweite Glasfaser lb der Glasfasern 1 in dessen Bearbeitungszone verschmolzen, so kann die Hitze der Bearbeitungszone der zweiten Glasfaser lb sich bis zur bereits verschmolzenen ersten Glasfaser la erstrecken. Somit kann von dem Material der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 ausreichend Hitze bis zur bereits verschmolzenen ersten Glasfaser la übertragen werden, welche zu einer Beschädigung oder Zerstörung der bereits verschmolzenen ersten Glasfaser la führen kann. Dies kann insbesondere eine kompakte Anordnung von Glasfasern 1 verhindern bzw. zumindest ausreichend große Faser-zu-Faser-Abstände LF zwischen den einzelnen Glasfasern 1 erfordern, falls die Glasfasern 1 nacheinander verschmolzen werden sollen.
Erfindungsgemäß weist das optische Element 2 daher Vertiefungen 22 seiner Eintrittsfläche 21 auf, welche linienförmig durch Materialabtrag zwischen den einzelnen Bearbeitungszonen der Glasfasern 1 in das Material des optischen Körpers 20 von der Eintrittsfläche 21 her eingebracht sind. Dies kann beispielsweise durch Sägen, Fräsen, Ätzen und dergleichen vorab erfolgen. Die Vertiefungen 22 weisen dabei eine Breite Bv, eine Länge Lv und eine Tiefe Tv auf. Die Breite Bv der Vertiefungen 22 kann vorzugsweise möglichst gering gewählt werden, um den Bauraum der verschmolzenen Glasfasern 1 möglichst gering zu halten. Die Länge Lv der Vertiefungen 22 kann möglichst so gewählt werden, dass die gewünschte thermische Entkopplung in der Horizontalen X, Y erreicht wird, ohne die Vertiefungen 22 in der vertikalen Richtung Z unnötig weit in den optischen Körper 20 einbringen zu müssen.
Auf diese Art und Weise kann erfindungsgemäß durch eine erste Vertiefungen 22a der Vertiefungen 22 die Ausbreitung der Hitze von der Bearbeitungszone der zu verschmelzenden zweiten Glasfaser lb zur bereits zuvor verschmolzenen ersten Glasfaser la ausreichend unterbunden werden, um Beschädigungen der verschmolzenen ersten Glasfaser la zu vermeiden. Dies kann entsprechend durch eine zweite Vertiefung 22b der Vertiefungen 22 für die dann verschmolzene zweite Glasfaser lb erreicht werden.
Figur lc zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels von schräg oben. In diesem Fall sind die Vertiefungen 22 kreuzlinienförmig in die Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 eingebracht, sodass die einzelnen Glasfasern 1 in der Horizontalen X, Y in alle Richtungen zueinander beabstandet und somit thermisch isoliert sind.
Figur ld zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels von schräg oben. Der erfindungsgemäße Gedanke der thermischen Isolation von nacheinander zuvor schmelzenden Glasfasern 1 kann somit auch dadurch umgesetzt werden, indem auf die Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 bzw. dessen optischen Körper 20 durch Materialauftrag eine Mehrzahl von Erhebungen 23 aufgebracht werden. Die Erhebungen 23 weisen jeweils eine Länge LE, eine Breite BE sowie eine Tiefe TE auf. Auch in diesem Fall können die Maße der Erhebungen 23 in der Horizontalen X, Y, d. h. die Breite BE sowie die Tiefe TE, vorzugsweise möglichst gering gewählt werden, um den Bauraum der verschmolzenen Glasfasern 1 möglichst gering zu halten. Die Länge LE der Erhebungen 23 kann ebenfalls möglichst so gewählt werden, dass die gewünschte thermische Entkopplung in der Horizontalen X, Y erreicht wird, ohne die Erhebungen 23 in der vertikalen Richtung Z unnötig weit von der Eintrittsfläche 21 des optischen Körpers 20 nach oben hervor ragen zu lassen.
In das Material der Erhebungen 23, welches der Eintrittsfläche 21 zugerechnet werden kann, können nun die Glasfasern 1 einzelnen oder gruppiert nacheinander wie zuvor beschrieben verschmolzen werden. Beispielsweise kann eine erste Glasfaser la der Glasfasern 1 in das Material einer ersten Erhebung 23a der Erhebungen 23 verschmolzen werden. Anschließend kann eine zweite Glasfaser lb der Glasfasern 1 in das Material einer zweiten Erhebung 23b der Erhebungen 23 verschmolzen werden, ohne dabei die zuvor bereits verschmolzene erste Glasfaser la thermisch zu erreichen.
Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels von der Seite, welches vergleichbar dem Faseraustrittselement 1, 2 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Figuren la und lb ausgebildet ist. Es besteht dabei der Unterschied, dass in diesem Fall die Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2 gewölbt ausgebildet ist. Die Glasfasern 1 sind in der vertikalen Richtung Z sowie parallel zueinander ausgerichtet.
Figur 2b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels von der Seite. Auch das fünfte Ausführungsbeispiel der Figur 2b ist vergleichbar dem Faseraustrittselement 1, 2 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Figuren la und lb ausgebildet. Hier besteht der Unterschied darin, dass die beiden Abschnitte der Eintrittsfläche 21 des optischen Elements 2, welche die Glasfasern 1 jeweils senkrecht aufnehmen, gegenüber der Horizontalen X, Y und damit auch gegenüber der Austrittsfläche 24 des optischen Elements 2 geneigt ausgerichtet sind.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels von der Seite. Das sechste Ausführungsbeispiel der Figur 3 entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren la und lb mit dem Unterschied, dass anstelle der optischen Beschichtung 26 der Austrittsfläche 24 die Austrittsfläche 24 als optische Elemente 27 in Form von Linsen 27 ausgebildet ist, welche jeweils einer der Glasfasern 1 zugeordnet sind.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels von der Seite. In diesem Fall werden mehrere Abstandselemente 13, welche Abschnitte bzw. Stücke von Glasfasern sein können, derart seitlich zwischen die Glasfasern 1 im von den Beschichtungen 12 freigelegten Bereich gelegt, um die Glasfasern 1 voneinander zu beabstanden. In dieser Konfiguration werden die Glasfasern 1 gemeinsam über eine entsprechend große bzw. längliche Bearbeitungszone hinweg gleichzeitig mit dem Material der Eintrittsfläche 21 bzw. des optischen Körpers 20 des optischen Elements 2 verschmolzen. Durch die Abstützelement 13 können dabei die Positionierung und die Beabstandung der Glasfasern 1 genau erfolgen und während des Fügeprozesses auch beibehalten werden.
Figur 5a zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines achten Ausführungsbeispiels von der Seite. In diesem Fall werden Übergangsfasern 14, welche jeweils einen Kern 14a und einen Mantel 14b aufweisen, vorab an die offenen Enden der Glasfasern 1 angefügt. Die Übergangsfasern 14 weisen dabei eine Dicke Du sowie eine Länge Lu auf. Die Dicke Dd bzw. der Querschnitt der Übergangsfasern 14 entspricht dabei der Dicke beziehungsweise dem Querschnitt der Glasfasern 1. Die Länge Lu der Übergangsfasern 14 ist ausreichend lang gewählt um die Übergangsfasern 14 beim Fügen mit den Glasfasern 1 sicher handhaben zu können, andererseits kurz genug, um einen kompakten Aufbau zu erhalten.
Das Fügen der Übergangsfasern 14 der Glasfasern 1 an Verbindungsstellen C kann stoffschlüssig durch Kleben oder durch Verschmelzen erfolgen. Die hierbei entstehenden Verbindungsstellen C können auch als Schweißstellen C oder als Spleißstellen C bezeichnet werden. Anschließend können die Übergangsfasern 14 samt Glasfasern 1 wie zuvor beschrieben nacheinander mit dem optischen Körper 20 bzw. dessen Eintrittsfläche 21 verschmolzen werden.
Figur 5b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Faseraustrittselements 1, 2 gemäß eines neunten Ausführungsbeispiels von der Seite. In diesem Fall ist die Dicke Dd bzw. der Querschnitt der Übergangsfasern 14 derart gewählt, dass sich die einzelnen Übergangsfasern 14 berühren bzw. aneinander anliegen, sodass die Übergangsfasern 14 gleichzeitig als Abstandselemente 13 wie anhand des siebten Ausführungsbeispiels der Figur 4 beschrieben wirken können.
BEZUGSZEICHENLISTE (Teil der Beschreibung)
A Signallichtstrahlungen; Laserlichtstrahlungen
C Verbindungsstellen; Schweißstellen; Spleißstellen
W Eindringtiefe
LF Faser-zu-Faser-Abstand; Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Glasfasern 1 bzw.
Kernen 10 der Glasfasern 1
Bv Breite der Vertiefungen 22 in der Querrichtung Y
Lv Länge der Vertiefungen 22 in der vertikalen Richtung Z
Tv Tiefe der Vertiefungen 22 in der Längsrichtung X
LE Länge der Erhebungen 23 in der vertikalen Richtung Z
BE Breite der Erhebungen 23 in der Querrichtung Y
TE Tiefe der Erhebungen 23 in der Längsrichtung X
Dj Dicke bzw. Durchmesser der Übergangsfasern 15
Lu Länge der Übergangsfasern 15 in der vertikalen Richtung Z
X Längsrichtung; Tiefe; Länge
Y Querrichtung; Breite
Z vertikale Richtung; Höhe
X, Y Horizontale; horizontale Ebene
1, 2 Faseraustrittselement; Signallichtstrahlungsausgang; Faseraustrittsoptik; Faserarray
I Glasfasern la erste Glasfaser der Glasfasern 1 lb zweite Glasfaser der Glasfasern 1
10 Kerne der Glasfasern 1
II Mäntel der Glasfasern 1
12 Beschichtungen der Glasfaser 1
13 Abstandselemente
14 Übergangselemente; Übergangsfasern
14a Kerne der Übergangsfasern 14 14b Mäntel der Übergangsfasern 14
2 optisches Element; optisches Fenster; optische Linse, optischer Strahlteiler; optisches Prisma; optisches Linsenarray 20 optischer Körper; Glaskörper
21 Eintrittsfläche des optischen Elements 2
22 Vertiefungen der Eintrittsfläche 21
22a erste Vertiefung der Eintrittsfläche 21
22b zweite Vertiefung der Eintrittsfläche 21 23 Erhebungen bzw. Stege der Eintrittsfläche 21
23a erste Erhebung der Eintrittsfläche 21
23b zweite Erhebung der Eintrittsfläche 21
24 Austrittsfläche des optischen Elements 2
25 Seitenflächen des optischen Elements 2 26 optische Beschichtung der Austrittsfläche 24; Anti-Reflektionsbeschichtung
27 optische Elemente bzw. Linsen der Austrittsfläche 24

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Faseraustrittselement (1, 2) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (1) mit jeweils wenigstens einem Kern (11), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (2), vorzugsweise einem optischen Fenster (2), einer optischen Linse (2), einem optischen Strahlteiler (2), einem optischen Prisma (2) oder einem optisches Linsenarray (2), welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne (11) der Glasfasern
(I) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden der Kerne
(II) der Glasfasern (1) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche (26) nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne (10) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (11) der Glasfasern (1), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2), innerhalb des Materials des optischen Elements (2) angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel (11) der Glasfasern (1), mit dem Material des optischen Elements (2) verschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2) wenigstens eine erste Vertiefung (22a) aufweist und wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser (la) und eine zweite verschmolzene Glasfaser (lb) durch die erste Vertiefung (22a) der Eintrittsfläche (21) zueinander beabstandet sind.
2. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 1, wobei die erste Vertiefung (22a) der Eintrittsfläche (21) linienförmig ausgebildet ist und wobei die verschmolzenen Glasfasern (la, lb) senkrecht zur linienförmigen Erstreckung der ersten Vertiefung (22a) der Eintrittsfläche (21) angeordnet sind.
3. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens die erste verschmolzene Glasfaser (la) von der ersten Vertiefung (22a) oder von einer Mehrzahl von, vorzugsweise kreuzlinienförmigen, Vertiefungen (22) umschlossen wird. Faseraustrittselement (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2) eine Mehrzahl von, vorzugsweise linienförmigen, Vertiefungen (22) aufweist und wobei eine Mehrzahl von verschmolzenen Glasfasern (1) jeweils durch eine der Vertiefungen (22) der Eintrittsfläche (21) zueinander beabstandet sind, wobei vorzugsweise die verschmolzenen Glasfasern (1) jeweils senkrecht zur linienförmigen Erstreckung der Vertiefungen (22) der Eintrittsfläche (21) angeordnet sind und/oder wobei vorzugsweise die verschmolzenen Glasfasern (1) jeweils von einer der Vertiefungen (22) oder von einer Mehrzahl von, vorzugsweise kreuzlinienförmigen, Vertiefungen (22) umschlossen werden. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 1, wobei die erste Vertiefung (22a) der Eintrittsfläche (21) ringförmig um die erste verschmolzene Glasfaser (la) angeordnet ist. Faseraustrittselement (1, 2) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (1) mit jeweils wenigstens einem Kern (11), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (2), vorzugsweise einem optischen Fenster (2), einer optischen Linse (2), einem optischen Strahlteiler (2), einem optischen Prisma (2) oder einem optisches Linsenarray (2), welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne (11) der Glasfasern
(I) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden der Kerne
(II) der Glasfasern (1) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche (26) nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne (10) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (11) der Glasfasern (1), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2), innerhalb des Materials des optischen Elements (2) angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel (11) der Glasfasern (1), mit dem Material des optischen Elements (2) verschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2) wenigstens eine erste Erhebung (23a) aufweist, wobei wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser (la) in der ersten Erhebung (23a) der Eintrittsfläche (21) angeordnet ist und wobei wenigstens eine zweite verschmolzene Glasfaser (lb) nicht in der ersten Erhebung (23a) der Eintrittsfläche (21) der ersten Glasfaser (la) angeordnet ist. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 5, wobei die zweite verschmolzene Glasfaser (lb) in einer zweiten Erhebung (23b) der Eintrittsfläche (21) angeordnet ist. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Erhebung (23a), vorzugsweise und die zweite Erhebung (23b), der Eintrittsfläche (21) linienförmig oder punktuell ausgebildet ist. Faseraustrittselement (1, 2) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (1) mit jeweils wenigstens einem Kern (11), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (2), vorzugsweise einem optischen Fenster (2), einer optischen Linse (2), einem optischen Strahlteiler (2), einem optischen Prisma (2) oder einem optisches Linsenarray (2), welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne (11) der Glasfasern
(I) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden der Kerne
(II) der Glasfasern (1) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche (26) nach außerhalb abzugeben, wobei die offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner die offenen Enden von die Kerne (10) im Wesentlichen umschließenden Mänteln (11) der Glasfasern (1), mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2), innerhalb des Materials des optischen Elements (2) angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der offenen Enden der Kerne (10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner das Material der offenen Enden der Mäntel (11) der Glasfasern (1), mit dem Material des optischen Elements (2) verschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste verschmolzene Glasfaser (la) und eine zweite verschmolzene Glasfaser (lb) durch wenigstens ein Abstandselement (13), vorzugsweise als Glasfaser, besonders vorzugsweise als kernlose Glasfaser, zueinander beabstandet sind. Faseraustrittselement (1, 2) mit einer Mehrzahl von Glasfasern (1) mit jeweils wenigstens einem Kern (11), welcher jeweils ausgebildet ist, eine Signallichtstrahlung (A) zu führen, und mit wenigstens einem optischen Element (2), vorzugsweise einem optischen Fenster (2), einer optischen Linse (2), einem optischen Strahlteiler (2), einem optischen Prisma (2) oder einem optisches Linsenarray (2), welches mit jeweils einem offenen Ende der Kerne (11) der Glasfasern
(I) verbunden und ausgebildet ist, die Signallichtstrahlung (A) von den offenen Enden der Kerne
(II) der Glasfasern (1) zu erhalten und als Austrittsstrahlungen über wenigstens eine Austrittsfläche (26) nach außerhalb abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Enden der Kerne
(10) der Glasfasern (1), vorzugsweise ferner die offenen Enden der Mäntel
(11) der Glasfasern (1), jeweils mit einem ersten offenen Ende eines Übergangselements (14) stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verschmolzen, sind, wobei die zweiten offenen Enden der Übergangselemente (14) mit jeweils einer Eindringtiefe (W), vorzugsweise gegenüber einer Eintrittsfläche (21) des optischen Elements (2), innerhalb des Materials des optischen Elements (2) angeordnet sind, und wobei wenigstens das Material der zweiten offenen Enden der Übergangselemente (14) mit dem Material des optischen Elements (2) verschmolzen ist, wobei vorzugsweise die Übergangselemente (14) Übergangsfasern (14) sind, welche jeweils einen Kern (14a) und/oder einen Mantel (14b), vorzugsweise einen den Kern (14a) im Wesentlichen umschließenden Mantel (14b), aufweisen. Faseraustrittselement (1, 2) nach Anspruch 9, wobei die Übergangselemente (14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, breiter als die Glasfasern (1) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise die Übergangselemente (14) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aneinander anliegen.
12. Faseraustrittselement (1, 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Eintrittsfläche (21) winkelig zur Austrittsfläche (26) angeordnet ist und/oder wobei die Eintrittsfläche (21) wenigstens zwei Abschnitte aufweist, welche winkelig zueinander und/oder zur Austrittsfläche (26) angeordnet sind.
13. Faseraustrittselement (1, 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Austrittfläche (26) des optischen Elements (2) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollflächig, eine optische Beschichtung (27), vorzugsweise eine optische Anti- Reflektionsbeschichtung (27), aufweist.
14. Faseraustrittselement (1, 2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine, vorzugsweise einige, besonders vorzugsweise alle, der Glasfasern (1) wenigstens einen Mantel (11) aufweist, welcher den Kern (10) im Wesentlichen umschließt, wobei im Bereich des Faseraustrittselements (1, 2) wenigstens eine Pumplichtfalle, vorzugsweise als Vertiefungen, in dem Material des Mantels (11) der Glasfaser (1) ausgebildet ist, um Mantellicht aus dem Mantel (11) der Glasfaser (1) nach außerhalb der Glasfaser (1) abzuführen.
15. Optisches Element (2) zur Verwendung in einem Faseraustrittselement (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und 11 bis 14.
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