Vorrichtung zum Fügen und Tapern von Fasern oder von anderen optischen Bauelementen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen und Tapern von Fasern und/oder vorzugsweise zylindrischen optischen Bauelementen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .

Für das Fügen, z.B. durch Schweißen, Spleißen, Fusion und Tapern von einzelnen optischen Bauelementen, vor allem Fasern, aber auch von anderen, vorzugsweise zylindrischen oder rotationssymmetrischen optischen Bauelementen, sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Bei einigen erfolgt der Energieeintrag im We- sentliehen durch Wärmestrahlung, erzeugt durch speziell geformte Heizdrähte, so genannte Filamente oder mittels Lichtbogen. Um den Energieeintrag an die optische Faser durch die Wärmestrahlung zu erreichen, muss die Faser sehr dicht an dem Heizdraht oder Lichtbogen positioniert werden. Dabei besteht das

Problem, dass Filamentablagerungen oder auch Gasrückstände die optische Faser verschmutzen. Weiterhin ist die Lebensdauer eines Heizdrahts nicht sehr lang. Um hier eine Verbesserung zu erzielen, wird versucht, größere und leistungsstärkere Filamente auch aus anderen Materialien einzusetzen. Durch das indirekte Heizen ist dies jedoch ineffizient. Mit anderen Materialien ergeben sich aber auch neue Probleme, wie z.B. die Notwendigkeit eines allmählichen Aufheizens beim Material Graphit. Weiterhin müssen für verschiedene Faserdurchmesser verschiedene Heizdrahtgeometrien eingesetzt werden.

Es wurden daher Spleißvorrichtungen konzipiert, bei denen ein direkter Energieeintrag durch die Absorption der Laserwellenlänge eines CO ₂ -Lasers vorgenommen wird. Aus der EP 0 505 044 A2 ist eine Vorrichtung zum Spleißen der Enden von zwei optischen Faserabschnitten bekannt, die Mittel zum Kontaktieren der Enden und Ausrichten der Faserabschnitte längs einer gemeinsamen Achse umfasst. Weiterhin sind Mittel zum Aufschweißen der Faserabschnitte vorgesehen, die eine Laserquelle und Mittel zum Richten eines divergierenden konischen Strahlenbündels zu einem Parabolspiegel aufweisen, wobei die Achse des Parabolspiegels mit der der ausgerichteten optischen Faserabschnitte übereinstimmt. Bei dieser Vorrichtung ist die Länge der zu bearbeitenden Teile begrenzt, da einer der Scannerspiegel in der optischen Achse der Faser liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Fügen und Tapern von Fasern und/oder vorzugsweise zylindrischen optischen Bauelementen zu schaffen, die den bekannten Stand der Technik verbessert und einen relativ einfachen Aufbau aufweist, wo-

bei die Bearbeitung von unterschiedlichen Durchmessern und Längen der zu bearbeitenden Werkstücke möglich sein sollte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah- men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Dadurch, dass mindestens ein erstes Strahlformungs - element zur Erzeugung einer Kreisring-Strahlung in den Strahlengang des von der Strahlungsquelle ausgesandten Laserstrahls eingefügt ist und dass ein weiteres Strahlformungselement zur Vorgabe des Einfallswinkels der Kreisring-Strahlung auf die Faser (n) und/oder die zylindrischen optischen Bauelemente in der Bearbeitungsstellung vorgesehen ist, wird in einfacher Weise ein homogener konischer Energieeintrag bei wählbaren Einfallswinkeln zur Verfügung gestellt, wodurch eine homogene Wärmeleitung nach der Absorption und damit ein gleichmäßiges, räumlich sehr be- grenztes Anschmelzen möglich wird. Bearbeitungsmöglichkeiten sind das Fügen, Tapern, Polieren, Reinigen oder dergleichen.

Die Kreisring-Strahlung wird in einfacher Weise durch die Verwendung von zwei Reflex-Axicon oder eines Dop- pelaxicons als erstes Strahlformungselement erzeugt. Der Abstand der Teile des Doppelaxicons oder der zwei Reflex-Axicon geben den Kreisringdurchmesser vor.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist daher der Abstand zur Erzielung unterschiedlicher

Kreisringdurchmesser einstellbar. Dadurch können mit nur einer Gerätekonfiguration unterschiedliche Werkstückgrößen bearbeitet werden, wobei die Werkstückgeometrien einen Durchmesserbereich von <100 μm bis >1500 μm betragen können. Es können optische Bauteile beliebiger Größe, wie optische Funktionselemente oder planparallele Platten, z.B. Endkappen, Keilplatten usw. an beliebige Faserdurchmesser mittels Spleißen gefügt werden. Eine stufenlose änderung der Durchmes- ser der Schweißpartner ist sehr einfach, ohne Kalibrierung, umzusetzen. Weiterhin können auch andere zylindrisch geformte Elemente, wie andere optische Bauelemente bearbeitet werden. Die Beschränkungen sind nur durch die mechanischen Aufnahmen der zu spleißen- den Bauteile und die zur Verfügung stehende, gut reproduzierbare Laserleistung gegeben.

Durch Vorsehen von Mitteln zur variablen Einstellung des Einfallswinkels am Bearbeitungsort, beispielswei- se durch ein Stufenaxicon oder Parabolspiegel im Zusammenhang mit dem Doppelaxicon oder den zwei Reflex- Axicon kann der Einfallswinkel für unterschiedliche Bearbeitungsprozesse (Tapern, Spleißen) vorteilhaft variabel eingestellt werden.

Vorzugsweise wird der Lasereinfallswinkel so gewählt, dass der Bearbeitungsort immer senkrecht zur Werkstückachse z.B. Faserachse beobachtbar ist, z.B. mittels CCD-Kameras, wodurch eine Justage der oder des zu bearbeitenden Werkstücks in zwei orthogonalen Ebenen erlaubt oder vereinfacht wird.

Weiterhin wird der Einfallswinkel so gewählt, dass ein vorgegebener Abstand zwischen Bearbeitungsort und einem Planspiegel vorgesehen ist. Der vorgesehene Abstand wird so definiert, dass der Planspiegel nicht

durch den Bearbeitungsprozess, z.B. durch Schmauch oder Gase beeinflusst, d.h. verschmutzt wird. Ein bevorzugter Wert für den Abstand ist >= 10mm.

Das verwendete Axicon bzw. das Doppelaxicon kann in Reflexion oder Transmission arbeiten.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das zweite Strahlformungselement zur Einstellung des Ein- fallswinkels ein weiteres Axicon, das die Kreisring- Strahlung auf die Füge- oder Taperstellung lenkt. Vorteilhaft ist die Verwendung eines weiteren Doppel- axicons in Stufenform, wodurch die Einstellung des Einfallswinkels, insbesondere bei einem Doppelaxicon als erstes Strahlformungselement vorgenommen werden kann.

Um einen Laserstrahl nicht fokussiert auf die Bear- beitungs- bzw. Füge- oder Taperstelle zu bringen und die Leistungsdichte auf der zu bearbeitenden Oberfläche zu mindern, kann in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel das Stufenaxicon zur Einstellung des Einfallswinkels mit einer zusätzlichen Sphäre, Asphä- re oder diffraktiven Struktur versehen sein, die eine divergente/konvergente reflektierte Strahlung erzeugt. Selbstverständlich kann dies auch durch ein weiteres optisches Element erreicht werden, das zwischengeschaltet ist. Insgesamt führt die bessere Homogenisierung der Laserstrahlung zu einem homogenen Taper- oder Spleißergebnis bei gleichzeitig entspann- teren Toleranzen, d.h. Justage der Fasern zueinander und zum Laserring. Dadurch wird insgesamt die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit verbessert.

Ein anderes Ausführungsbeispiel für das zweite

Strahlformungselement zur Vorgabe des Einfallswinkels

ist die Verwendung eines Parabolspiegels. Dadurch wird ermöglicht, den Strahlungseinfall von streifend bis senkrecht zu verändern. Für den Parabolspiegel gilt bezüglich der änderung der Leistungsdichte das oben Gesagte.

Eine noch andere Ausführungsform des zweiten Strahl - formungselements ist eine Fokusoptik, die dem Dop- pelaxicon nachgeschaltet ist. Durch den am Planspie- gel umgelenkten, konisch zulaufenden Laserring können Werkstücke unterschiedlicher Durchmesser bearbeitet werden.

Vorteilhafterweise ist der Planspiegel, der im Zusam- menhang mit allen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, geschlitzt oder geteilt und mit einer ebenfalls geteilten Lochbohrung versehen, um so die zu bearbeitenden Werkstücke bzw. ihre Halterung zuzuführen. Dies gilt gleichermaßen für das als zweites Strahlformungselement ausgebildete Stufenaxicon bzw. den Parabolspiegel.

Durch den Einsatz des Planspiegels vor dem Bearbeitungsort wird die Justage vereinfacht, da eine Funk- tionstrennung zwischen vorgelagerter Fokussieroptik

(zwei Reflex-Axicon, Doppelaxicon) und Strahlumlen- kung durch den Planspiegel erreicht wird. Da der Laserring das Werkstück homogen umschließen soll, bietet ein geteilter Planspiegel mit ebenfalls geteilter Lochbohrung einerseits einen undurchbrochenen Laserring. Andererseits kann durch öffnen des geteilten Planspiegels mit Lochbohrung, z.B. mittels Scharnier, eine sehr vorteilhafte Werkstückbestückung erfolgen. Insbesondere lange Werkstücke, wie z.B. optische Fa- sern, können beliebig lang sein und müssen nicht für die Bearbeitung durch eine Lochbohrung "gefädelt"

werden .

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Laserstrahlquelle ein Teleskop zur Anpassung des Laser- Strahldurchmessers und gegebenenfalls der Leistungsdichte an der Bearbeitungs- bzw. Füge- oder Taper- stelle nachgeordnet.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit dieser universellen, relativ kompakten erfindungsgemäßen Gerätekonfiguration die bestehenden Beschränkungen bezüglich des homogenen Energieeintrags bei gleichzeitig angepasster Prozessführung, d.h. Anpassung an die Geometrien oder der der zu bearbeitenden Werkstücke erheblich erweitert werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung für die Halterung des jeweiligen Axicon liegt darin, dass als Halteelement für die Axiconspitze eine Planplatte aus für die La- serstrahlung hochtransmittivem Material, z.B. Zinkse- lenid mit AR-EntSpiegelung und Lochbohrung zur Fixierung der Axiconspitze eingesetzt wird. Dadurch wird die Laserstrahlgeometrie (d.h. der Ring) nicht gestört und die Laserstrahlung wird nicht geblockt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern ohne erneute Kalibrierung verwendet werden. Es können neben reinem Kieselglas/Quarzglas dotierte Kiesel- und Quarzgläser und auch alle anderen in dem verwendeten Wellenlängenbereich absorbierende Gläser, sowie deren Derivate, z.B. durch Ionenaustausch hergestellte Grinlinsen auf Borosilikatglasbasis aufgeschmolzen werden, soweit der Ausdehnungskoeffizient der Fügepartner dies zulässt. Auch für das Tapern von symmetrischen geformten Körpern, wie z.B. optischen Fasern, ergeben

sich mit dem CO ₂ -Laser neue Möglichkeiten, da durch den symmetrischen Energieeintrag wesentlich dickere Gläser bearbeitet werden können. Auch ist damit das Bearbeiten von anderen zylindrischen Materialien, die in diesem Wellenlängenbereich die Laserstrahlung absorbieren, möglich.

Dadurch, dass für die Halterung eines der Axicon des Doppelaxicons oder der zwei Reflex-Axicon eine hoch- transparente Platte, vorzugsweise aus Zinkselenid, mit einen Loch für die Aufnahme und präzise Festlegung der Kegelspitze des Axicons verwendet wird, wird die Laserstrahlung nicht gestört.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Doppelaxicon als erstem Strahlformungselement und einem Stufenaxicon als zweitem Strahlformungselement ,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Doppelaxicon als erstem Strahlformungselement und einem Parabolspiegel als zweitem Strahlformungselement, und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Doppelaxicon als erstem Strahlformungs- element und einer Fokusoptik als zweitem Strahlformungselement.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen CO ₂ -Laser 1 auf, der ein Laserstrahlbündel auf ein Teleskop mit einer ersten Linse 2 und einer zweiten Linse 3 projiziert, das zur Anpassung des Laser- strahldurchmessers dient. Dem Teleskop 2, 3 nachgeschaltet ist ein Doppelaxicon 4, das in Reflexion arbeitet, und das aus einem negativen ersten Axicon 5 in Ringform und einem positiven zweiten, mit einem Abstand AA beabstandeten Axicon 6 in Kegelform be- steht, die gleiche absolute Winkel zur Erzeugung eines konstanten Kreisringdurchmessers haben. Das Axicon 5 umfasst einen Durchgang für den Durchtritt des aus dem Teleskop 2, 3 kommenden Laserstrahls, der auf das zweite Axicon 6 trifft. Der Abstand AA zwischen den beiden Axicons 5, 6 ist stufenlos einstellbar und er bestimmt den Kreisringdurchmesser der weitergeleiteten Laserstrahlung. In Fig. 1 ist das zweite Axicon 6 in zwei verschiedenen Stellungen gezeigt, wodurch sich der gestrichelt dargestellte Strahlungsweg mit dem Laserringdurchmesser φl und der gepunktete Strahlungsweg mit dem Laserringdurchmesser φ2 ergibt. Die auf das zweite Axicon 6 fallende Strahlung wird an den konischen Flächen reflektiert, trifft auf das erste Axicon 5 und wird gleichfalls dort reflektiert.

Die zu fügenden Werkstückteile 7, 8 als Schweißpartner, die z.B. als optische Faser oder andere optische, vorzugsweise zylindrische optische Bauelemente ausgebildet sein können, sind jeweils in einer moto- rischen Achse mit Halter 9, 10 aufgenommen und zueinander ausgerichtet. In den Kreisring-Strahlengang ist ein geschlitzter oder zweigeteilter, zueinander justierbarer Planspiegel 11, dessen Hälften auch jeweils mit einem Scharnier verbunden sein können, angeord- net, wobei der erste Schweißpartner 7 den Schlitz des Planspiegels 11 durchgreift. In der geteilten Ausfüh-

rung weist der Planspiegel 11 eine ebenfalls geteilten Lochbohrung für den Durchgang des Werkstücks auf .

Zur Konzentrierung der durch den Planspiegel 11 im vorliegenden Ausführungsbeispiel um 90° umgelenkte

Kreisringstrahlung auf den Schweißort 12, 13 ist ein Stufenaxicon 14 vorgesehen, wobei die Laserstrahlung mit dem größeren Ringdurchmesser an der kegelförmigen Fläche des ersten Axicons 15 des Stufenaxicons 14 re- flektiert wird und auf den Schweißort 12 bzw. die Fügestelle trifft. Die Laserstrahlung mit dem kleineren Ringdurchmesser 2 wird auf das zweite Axicon 16 des Stufenaxicons 14 mit steilerem Kegelwinkel geleitet und, wie aus der Figur zu erkennen ist, auf den Schweißort bzw. die Fügestelle 13 reflektiert. Das Stufenaxicon 14 kann ebenfalls geschlitzt oder geteilt wie der Panspiegel ausgelegt sein.

Bei Verwendung eines geschlitzten Planspiegels und eines geschlitzten Stufenaxicons wird durch die Pfeile 17 und den Kasten 18 angedeutet, dass diese Anordnung in der Zeichnung nach links verfahrbar ist, um ein Bestücken der Halter 9, 10 zu ermöglichen. Zur Bearbeitung mit dem Laser wird die Anordnung wieder zurück verfahren. Es reicht jedoch auch aus, wenn lediglich der geteilte Planspiegel 11 mit Lochbohrung und gegebenenfalls das geteilte Stufenaxicon 14 zum Bestücken der Haltevorrichtung geöffnet und geschlossen werden. Das Loch im Planspiegel 11 definiert den maximal einstellbaren Einfallswinkel, z.B. bezüglich der optischen Faserachse.

Wie aus dieser Anordnung zu erkennen ist, kann durch die Einstellung des Abstands AA zwischen dem ersten und zweiten Axicon des Doppelaxicons 4 und die Neigung der Kegelflächen des ersten und zweiten Axicons

15, 16 des Stufenaxicons 14 die Schweiß- oder Fügestelle 12, 13 und der Einfallswinkel der Laserstrahlung auf die Schweiß- oder Fügestelle 12, 13 geändert werden. In den Flächen des Stufenaxicons 14 kann eine zusätzliche Sphäre, Asphäre oder diffrakti- ve Struktur oder mehrere davon eingearbeitet sein, wodurch die Leistungsdichte der reflektierte Strahlung an der Schweiß- oder Fügestelle 12, 13 gezielt beeinflusst wird. Es kann jedoch dazu ein getrenntes optisches Bauteil vorgesehen werden.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, das sich von der ersten Anordnung dadurch unterscheidet, dass an- stelle des Stufenaxicons 14 in Fig. 1 ein Parabolspiegel 19 verwendet wird, der je nach Ausführung gleichfalls geschlitzt oder geteilt für den Durchtritt des Werkstücks sein kann. Grundsätzlich ist die Funktionsweise im Wesentlichen die gleiche wie in Fig. 1.

In Fig. 3 wird wiederum das Doppelaxicon 4 verwendet, dem eine Fokusoptik 20 nachgeschaltet ist, wobei die fokussierte Kreisringstrahlung wiederum auf den Plan- spiegel 11 fällt, der die Strahlung auf die Fügestelle lenkt .

Vorzugsweise ist in diesem Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen dem ersten Axicon 5 und dem zweiten Axicon 6 des Doppelaxicons 4 fest eingestellt, wobei die Fokusoptik 20 dieser Einstellung zugeordnet ist.

In den verschiedenen Ausführungsbeispielen dient das Teleskop 2, 3 zur Anpassung des Laserstrahldurchmes- sers . In gewissem Umfang trägt das Teleskop 2, 3 auch zur Anpassung der Leistungsdichte im Schweiß- bzw.

Fügeort bei .

Für das Doppelaxicon bzw. die Reflex-Axicon ist keine Halterung dargestellt. Wichtig ist, dass das jeweili- ge Axicon derart gehaltert wird, dass es keine Störungen der Laserstrahlung verursacht. Dies kann beispielsweise durch Einsatz einer transmittiven planparallelen Platte, z.B. aus Zinkselenid mit einer Anti- reflexbeschichtung realisiert werden, die mit einem Loch für die Aufnahme der Kegelspitze des Axicon versehen ist und somit als Halter dient. Die Kegelspitze ist mit der Platte z.B. durch Befestigungsmittel oder Klebung verbunden.