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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Lichtleitkabel-Steckverbinder zur Einkopplung und Auskopplung von Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser.
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Hintergrund der Erfindung
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Derartige Steckverbinder an Lichtleitkabeln für Laserstrahlung werden an den Enden flexibler Lichtleitkabel verwendet, an denen auf der einen Seite eine Laserquelle oder auch der Ausgang einer Strahlweiche und auf der anderen Seite z. B. eine Bearbeitungsoptik angeschlossen wird.
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Solche Steckverbinder sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Zur Verwendung mit Laserstrahlung sehr hoher Leistung, d. h. ab einigen hundert Watt und weit darüber bis zu mehreren Kilowatt, sind bei der Gestaltung der Steckverbinder einige Schwierigkeiten zu überwinden. So ist es im industriellen Umfeld wichtig, dass die Steckverbinder einerseits robust gegenüber kleinen Justage-Fehlern sind und andererseits unempfindlich gegenüber Laserlicht sind, welches von der Bearbeitungsstelle in die Bearbeitungsoptik zurückreflektiert wird und somit zurück in den Steckverbinder abgebildet wird. Bei manchen Laserquellen, insbesondere bei Hochleistungs-Diodenlasern, ist das Strahlungsfeld seitlich nicht scharf begrenzt und passt deshalb nicht vollständig in die Lichtleitfaser, d. h. die Lichtleitfaser wird überstrahlt. In all diesen Fällen kommt es dazu, dass ein gewisser Anteil des Laserlichts die eigentliche Koppelstelle zum Lichtleitkabel, nämlich die Endfläche des Lichtleitfaserkerns, verfehlt. Dieser Anteil an Laserlicht verbleibt dann entweder im Mantel der Lichtleitfaser oder gänzlich außerhalb der Lichtleitfaser. Diese Streustrahlung wird dann im Bereich des Steckverbinders in Wärme umgesetzt und führt zur Erwärmung oder sogar zur Überhitzung und damit zur Zerstörung des Steckverbinders.
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Um dieses Problem zu lösen, haben sich für Hochleistungs-Steckverbinder einige typische Merkmale herausgebildet.
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Ein wesentliches bekanntes Merkmal besteht darin, dass – im Gegensatz zu Steckverbindern für geringe Leistungen, bei denen die Lichtleitfaserspitze üblicherweise in einer Ferrule gehalten wird – es einen Bereich von der Faserspitze bis zur mechanischen Halterung der Lichtleitfaser gibt, in dem die Faser im wesentlichen frei liegt, die Beschichtung (Coating) der Faser entfernt ist und die Faser von einem rohrförmigen Bauteil koaxial umgeben ist, welches einen Hohlraum um die Lichtleitfaser bildet, in dem die Streustrahlung absorbiert und in Wärme umgesetzt wird. Die
DE 43 05 313 C1 offenbart einen Steckverbinder dieser Art.
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Eine ähnliche Lösung wird in der
DE 694 10 335 T2 vorgeschlagen. Dort gibt es einen Bereich mit einer verbesserten (passiven) Kühlung, wobei die Streustrahlung mittels zusätzlicher optischer Elemente, die um die Faser angeordnet sind, nämlich mittels eines Lichtleiters und eines Reflektors, in den Bereich der verbesserten Kühlung geleitet wird.
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Zur weiteren Steigerung der Wärmeabfuhr sind auch Lösungen mit aktiver Kühlung bekannt. Dazu schlägt die
DE 10 2005 020 109 A1 vor ein Kühlmedium durch einen Teilbereich eines äußeren Stecker-Bauteils zu führen. Eine andere Lösung wird in der
DE 100 33 785 C2 beschrieben. Dabei wird mittels eines prismatischen Bauteils das Streulicht unmittelbar an der Faserspitze umgelenkt und von einer Blende absorbiert, wobei dieser im Bereich der Faserspitze angeordnete Absorber auch direkt gekühlt werden kann.
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Der Nachteil der zuletzt erwähnten Lösung liegt darin, dass diese Lösung nicht kombinierbar ist mit dem Einsatz einer Endkappe an der Faserspitze. Durch die Verwendung einer solchen Endkappe, die üblicherweise aus dem gleichen Material wie der Faserkern besteht (d. h. Quarzglas) und mit der Faserspitze verschweißt sein kann, wird die Leistungsdichte an der Glas-Luft-Grenzfläche erheblich verringert, weil der Laserstrahl sich in der Endkappe bereits als Freistrahl ausbreiten kann und daher der Strahldurchmesser an der Endfläche der Endkappe wesentlich größer ist als an der Faserspitze. Der Einsatz einer Endkappe erhöht daher die Zerstörschwelle besonders bei Verwendung mit hochbrillanten Strahlquellen wie beispielsweise Faserlasern.
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Prinzipiell sind solche Endkappen seit langem bekannt, wie zum Beispiel in der
DE 36 11 299 A1 offenbart. Im Zusammenhang mit Laserstrahlung hoher Leistung eröffnet eine solche Endkappe die interessante Möglichkeit, den Hohlraum um die Faserspitze direkt zu kühlen und so die erzeugte Wärme sehr effizient abzuführen; eine derartige Ausgestaltung zeigt z. B. die
DE 697 32 632 T2 . Nachteilig an einer solchen direkten Kühlung ist, dass der Hohlraum an vielen Stellen abgedichtet werden muss und die Abdichtungen teilweise der Streustrahlung ausgesetzt sind. Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass eine gleichmäßige Umströmung aller Flächen nicht sichergestellt werden kann.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik auch verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Streustrahlung durch den Einsatz zusätzlicher Elemente zu streuen, d. h. auf einen größeren Bereich zu verteilen, um die Absorption der Streustrahlung zu erleichtern; so zum Beispiel in der
EP 0 151 909 B1 und der
US 2007/0292087 A1 . In manchen Fällen wird lediglich ein Teilbereich des Mantels verändert, z. B. aufgeraut, um speziell die im Mantel befindliche Streustrahlung herauszuführen (vgl.
DE 43 05 313 C1 ,
US 7 400 794 B1 ).
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Die
EP 0619508 A1 offenbart ein optisches Faserkabel, umfassend eine Faser mit einem Kern umgeben von einer Ummantelung. Mindestens eines der Abschlussenden des Kerns ist mit einem Stab von größerem Durchmesser als der Kern versehen. An diesem Ende hat die Faser einen Reflektor, der innerhalb des optischen Faserkabels angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass er Strahlen außerhalb der Faser zu einem Bereich leitet an dem sie ohne Schäden zu verursachen absorbiert werden können. Der Stab ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, so dass nicht in die Faser eingekuppelte Strahlen zum Reflektor geleitet werden. Kennzeichnend für die in dem Dokument offenbarten Faserkabel ist, dass der Stab an die Endfläche des Kerns angeschmolzen ist und ein Temperatursensor an dem Reflektor an demjenigen Teil, der nicht die reflektierende Oberfläche bildet, angeordnet ist, oder dass ein optischer Sensor zum Messen der Strahlung außerhalb der Ummantelung in der Nähe des Reflektors vorgesehen ist. Nachteilig an der Offenbarung dieses Dokumentes ist, dass Strahlung außerhalb der Faser lediglich durch Reflektoren abgeleitet werden und keine weiteren Maßnahmen zur Kühlung einer Lichtleitkabel-Steckverbindung aufgezeigt werden.
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Die
US 4575181 A offenbart eine optische Faseranordnung mit einer optischen Faser mit einem Kern und einer Ummantelung, welche umhüllt ist von einem Schutzfilm. Der Film ist in einem definierten Bereich ausgehend von der Endfläche der Faser entfernt, sodass die Ummantelung freiliegt. Die Oberfläche der freigelegten Ummantelung ist mit einer rauen Oberfläche ausgebildet und ein Laserstrahl, welcher in Richtung der Ummantelung strahlt, wird von der rauen Oberfläche nach außen gestreut. Die optische Faser ist innerhalb eines hohlen Halters angeordnet und die raue Oberfläche der Ummantelung ist in Richtung des Halters orientiert. Dieses Dokument offenbart lediglich Maßnahmen zur Ableitung von Strahlung, jedoch keine konstruktiven Maßnahmen zur Kühlung einer Lichtleitkabel-Steckverbindung.
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Die
DE 28 53 528 A1 offenbart einen flexiblen Lichtleiter zum Anschluss an einen Laser. Gemäß der Offenbarung dieses Dokuments ist vorgesehen, dass auf das Ende eines biegsamen und lichtleitenden Stabes mit enger Passung eine bündig mit dem Stab endende metallische Hülse aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebracht wird. Nachteilig an dieser Offenbarung ist dass die Wärme lediglich auf die Metallkappe übertragen und von dortabgegeben wird. Weitere konstruktive Ausgestaltungen zur Kühlung einer Lichtleitkabel-Steckverbindung sind nicht offenbart.
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Schließlich ist auch die Möglichkeit bekannt, die Streustrahlung aus dem Steckverbinder wieder herauszuführen, indem das die Faserspitze umgebende Bauteil als reflektierender Hohlspiegel ausgebildet wird, wie in der
US 7 400 794 B1 gezeigt. Diese Lösung erhöht zwar die Robustheit des Steckverbinders, dies aber zu Lasten der Laserquelle, welche die zurückreflektierte Streustrahlung dann in Verlustwärme umsetzen muss.
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Bei allen bekannten Lösungen ist die Kühlung des Steckverbinders mit den erwähnten Nachteilen verbunden. Bei der Lösung dieser Aufgabe besteht nämlich ein Zielkonflikt: um das die Lichtleitfaserspitze einhüllende Bauteil optimal zu kühlen, sollte dieses aus einem möglichst gut wärmeleitenden Material bestehen, wie z. B. Kupfer oder Aluminium. Diese Materialien sind jedoch gegenüber den üblichen Kühlmedien, meistens Wasser, nicht ausreichend korrosionsbeständig, was zu einer geringeren Lebensdauer des Steckverbinders führt. Wählt man hingegen ein korrosionsbeständiges Material, z. B. Edelstahl, so wird durch die geringere Wärmeleitung dieses Materials ein großer Wärmewiderstand erzeugt, so dass der Innenraum des Bauteils sich erheblich erhitzen kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lichtleitkabel-Steckverbindung mit verbesserten wärmeleitenden Eigenschaften bei der Verwendung von korrosionsbeständigem Material zur Verfügung zu stellen.
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Die Erfindung stellt einen Lichtleitkabel-Steckverbinder zur Ein- und Auskopplung von Laserstrahlung hoher Leistung, mit einer zentral angeordneten Lichtleitfaser zur Verfügung, mit einer an die Lichtleitfaserspitze angrenzenden transparenten Endkappe, sowie mit einem rohrförmigen Bauteil, welches mindestens den Bereich zwischen der Endkappe und der Halterung der Lichtleitfaser koaxial umschließt und einen Hohlraum um die Lichtleitfaser bildet, bei der in diesem Bereich die Beschichtung entfernt ist, wobei das die Faser umgebende rohrförmige Bauteil, in dem die Streustrahlung in Wärme umgesetzt wird, einen besonderen Aufbau zur optimierten Kühlung aufweist. Das rohrförmige Bauteil besteht aus drei koaxial ineinander angeordneten Rohren. Dabei kann das innere Rohr aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen, das eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 100 Wm–1K–1 besitzt, und das mittlere sowie das äußere Rohr können aus einem korrosionsbeständigen Material bestehen. Weiterhin liegen das innere und das mittlere Rohr zur Wärmeübertragung mit ihren einander zugewandten Flächen flächig aufeinander auf und sind formschlüssig miteinander verbunden, wobei das mittlere und das äußere Rohr einen Hohlraum zwischen Außenseite des mittleren Rohrs und Innenseite des äußeren Rohres umschließen, so dass durch den Hohlraum ein Kühlmedium in einem geschlossenen Kühlkreislauf strömen kann.
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Erfindungsgemäß kann das mittlere und/oder das äußere Rohr Bohrungen oder Kanäle nach außen aufweisen, durch die das Kühlmedium zu- oder. abgeführt werden kann.
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Um den Wärmeübergang zwischen dem inneren und dem mittleren Rohr optimal zu gestalten und eine hohe mechanische Stabilität sicherzustellen, können das innere Rohr und das mittlere Rohr z. B. durch Aufschrumpfen oder durch Einpressen miteinander verbunden sein. Zur Abdichtung des Hohlraums zwischen dem mittleren und dem äußeren Rohr, durch den das Kühlmedium fließt, ist am vorderen und am hinteren Ende zwischen dem mittleren und dem äußeren Rohr jeweils eine Dichtung vorgesehen, oder die beiden Rohre werden an diesen Stellen miteinander verschweißt. Andere Formen der Abdichtung, z. B. durch Verlöten oder Verkleben, sind ebenfalls möglich.
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Durch diesen besonderen Aufbau wird eine effiziente und gleichmäßige Kühlung erreicht, da das innere Rohr mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit die aufgenommene Verlustleistung gut verteilt und gleichzeitig dem mittleren Rohr eine hohe mechanische Stabilität verschafft, so dass die Wandstärken des mittleren Rohrs, dessen Material nach hoher Korrosionsbeständigkeit ausgewählt ist, sehr gering gehalten werden können und somit dessen weniger gute Wärmeleitfähigkeit keine nachteiligen Auswirkungen hat.
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Es ist vorgesehen, dass das mittlere Rohr auf der Außenseite wenigstens eine Vertiefung aufweisen kann, welche zur Bildung eines Hohlraums und/oder Kanalsystems zwischen der Außenseite des mittleren und der Innenseite des äußeren Rohrs führt, wobei Hohlraum und/oder Kanalsystem zur Durchleitung eines Kühlmediums geeignet sind und gleichmäßig über den Umfang der Rohre verteilt sein können.
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So kann die äußere zylindrische Mantelfläche des mittleren Rohrs derart strukturiert sein, dass der sich dann ausbildende Hohlraum zwischen dem mittleren und dem darüber geschobenen äußeren Rohr ein System von Kanälen bildet, durch die das Kühlmedium fließt und so eine gleichmäßige Kühlwirkung über nahezu die gesamte, zumeist zylindrische, Fläche des Rohres gegeben ist. Beispielsweise kann, ausgehend von der Lage der Ein- und Auslassbohrungen, jeweils eine spiralförmige Nut in die Mantelfläche des mittleren Rohrs eingebracht sein, so dass sich zwei Kanäle in Form einer Doppel-Helix um das Rohr winden. Am vorderen Ende sind die beiden Kanäle durch eine ringförmig umlaufende Nut miteinander verbunden, so dass das Kühlmedium durch den einen Kanal hin und durch den anderen zurück fließen kann.
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Eine andere Möglichkeit der Strukturierung besteht darin, dass eine größere Anzahl von geraden Nuten entlang der Langsachse des mittleren Rohrs dicht an dicht in die Mantelfläche des mittleren Rohrs eingebracht sind. Am hinteren Ende des Rohrs, passend zur Lage der Ein- und Auslass-Bohrungen, ist zusätzlich jeweils eine fast halbkreisförmige Nut in die Mantelfläche eingebracht, wodurch jeweils die Hälfte der geraden Nuten miteinander verbunden ist. Am vorderen Ende befindet sich wiederum eine vollständig umlaufende ringförmige Nut. Auf diese Weise fließt das Kühlmedium parallel durch die eine Hälfte der geraden Kanäle nach vorne Richtung Endkappe und von dort zurück durch die andere Hälfte der geraden Kanäle. Durch die parallel geschalteten Kühlkanäle ergibt sich bei dieser Variante als besonderer Vorteil ein geringerer Strömungswiderstand.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass sich ein Hohlraum und/oder Kanalsystem zwischen der Außenseite des mittleren Rohrs und der Innenseite des äußeren Rohrs über nahezu die gesamte Länge des rohrförmigen Bauteils verteilt sein können. Dadurch soll die maximale zur Verfügung stehende Fläche zur Kühlung ausgenutzt werden.
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Das innere Rohr kann vorzugsweise aus Kupfer oder aus Aluminium oder aus einem anderen Werkstoff mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen und das mittlere und das äußere Rohr können vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff wie beispielsweise Edelstahl bestehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Reflexionsgrad der Innenfläche des inneren Rohrs mindestens 70% bezogen auf die Streustrahlung. Dadurch wird die Streustrahlung mehrfach innerhalb des Hohlraums um die Lichtleitfaser reflektiert, bevor sie schrittweise absorbiert wird, und somit wird eine lokale Überhitzung vermieden, die sonst beim Auftreffen gerichteter Streustrahlung auftreten könnte.
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Weiterhin kann in dem Hohlraum innerhalb des die Lichtleitfaser umschließenden rohrförmigen Bauteils entlang eines Teilbereichs zwischen der Lichtleitfaserspitze und der Halterung der Lichtleitfaser mindestens ein strahlungsresistentes Element koaxial um die Lichtleitfaser angeordnet sein, welches geeignet ist, die Ausbreitungsrichtung der auf das Element auftreffenden Streustrahlung zu verändern. Dies kann z. B. eine Blende sein, die die Streustrahlung reflektiert oder absorbiert. Das Element kann aber auch aus einem transparenten optischen Material bestehen, dessen Oberfläche eine gewisse Rauheit besitzt und so die Streustrahlung zusätzlich streut. Durch diese Maßnahmen kann die Streustrahlung auf einen größeren Bereich verteilt und letztlich nach der Umwandlung in Verlustwärme besser abgeführt werden.
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Dieses innerhalb des Hohlraums angeordnete Element zur Beeinflussung der Streustrahlung muss in einer geeigneten Position gegen Verschieben gesichert werden. Dazu ist in einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das um die Lichtleitfaser angeordnete Element eine Nut aufweist. Das innere Rohr besitzt auf der Höhe der zu fixierenden Position des Elements eine Bohrung mit einer Senkung, wobei eine Kugel durch die Bohrung in die Nut des Elements eingreifen kann. Dabei verhindert die Senkung der Bohrung, dass die Kugel in den Hohlraum um die Faser hineinfallen kann. Weiterhin besitzt das innere Rohr längs eine schmale Bohrung oder einen Kanal, in dem ein verschiebbarer Dorn mit einer Verjüngung liegt und letztlich damit in einer Stellung des Dorns die Kugel in die Nut gedrückt wird und so die Position des Elements gegen Verrutschen gesichert ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die Mittel zur Fixierung des Elements und die Mittel zur Betätigung der Fixierung nicht durch den Bereich der Kühlung hindurchragen, wie dies beispielsweise bei einer Schraube zum Drehen der Schraube notwendig wäre.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Endkappe, die an die Lichtleitfaserspitze angrenzt, vorzugsweise in derjenigen Ebene im inneren Rohr befestigt ist, in der das virtuelle Bild der Lichtleitfaserspitze entsteht. Dann nämlich wirken sich auch kleinste Verkippungen der Endkappe, die durch thermisch bedingten Stress und die Bauteiltoleranzen entstehen können, nicht auf die virtuelle Lage der Faserspitze aus. Die Zentrierung des Steckverbinders bleibt also erhalten trotz möglicher kleiner Verkippungen der Endkappe. Dazu muss die Endkappe im Abstand L/n von der äußeren Endfläche der Endkappe entfernt befestigt sein, wobei L die Länge der Endkappe und n die Brechzahl der Endkappe ist. Die Befestigung selbst kann z. B. durch Klebung, Klemmung oder einen Dichtring erfolgen.
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Zur reproduzierbaren Verbindung des Steckverbinders mit einem Gegenstück, z. B. einer Steckeraufnahme, benötigt man eine Passfläche, wobei das Gegenstück dann eine zur Passfläche inverse Fläche besitzt. Die Lichtleitfaserspitze sollte zu dieser Passfläche möglichst genau zentriert sein. Bei vielen bekannten Steckverbindern wird zu diesem Zweck ein Teilbereich des rohrförmigen Bauteil bzw. des äußeren Rohres als Passfläche ausgeführt, wobei dann zur Zentrierung die Lichtleitfaserspitze innerhalb des rohrförmigen Bauteils justiert werden muss. Im Gegensatz dazu ist es eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, dass die Passfläche auf einem getrennten Bauteil angeordnet ist, welches gegenüber dem rohrförmigen Bauteil bzw. gegenüber dem äußeren Rohr verschiebbar angeordnet ist und somit zur Zentrierung des Steckverbinders verwendet werden kann. Auf diese Weise wird die komplizierte Justage der Lichtleitfaserspitze innerhalb des rohrförmigen Bauteils vermieden.
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Es ist vorgesehen, dass als Lichtleitfaser eine konventionelle Stufenindexfaser verwendet wird, die einen koaxialen Aufbau aus Kern, Mantel und Beschichtung besitzt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann auch eine Lichtleitfaser verwendet werden, die einen Aufbau mit mehreren Index-Stufen aufweist, d. h. eine solche Faser besitzt einen Aufbau aus Kern, mindestens einem Mantelbereich und bei zwei oder mehr Mantelbereichen haben diese unterschiedliche Brechzahlen sowie gegebenenfalls eine unterschiedliche Beschichtung. Dies können beispielsweise so genannte aktive Fasern sein, deren Kern zur Erzeugung von Laserstrahlung ausgelegt ist und mindestens ein Mantelbereich zum Einkoppeln von Pumplicht verwendet wird. Eine andere Einsatzmöglichkeit von Fasern mit mehreren Mantelbereichen ist die günstigere Anpassung an spezielle Strahlungsfelder, z. B. von Hochleistungs-Diodenlasern.
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In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der Anteil der Laserstrahlung, der in den Mantel der Lichtleitfaser eingekoppelt ist, was durch ungenügende Zentrierung oder durch Überstrahlung des Kerns auftreten kann, nicht durch das Lichtleitkabel hindurch transportiert wird und am anderen Ende nicht wieder ausgekoppelt und abgestrahlt wird, sondern im Bereich des Steckverbinders aus dem Mantel herausgeleitet wird und wie die sonstige Streustrahlung in Verlustwärme umgesetzt wird. Dazu ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass in der Nähe der Lichtleitfaserspitze Mittel zum Auslenken von Streustrahlung aus dem Mantel der Lichtleitfaser angebracht sind.
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Ein solches Mittel ist beispielsweise ein Lichtleiterstück, bestehend aus Kern und Mantel, wobei der Kerndurchmesser dem Kern der Lichtleitfaser angepasst ist, jedoch der Mantel des Lichtleiterstücks einen anderen Durchmesser als der Mantel der Lichtleitfaser besitzt. Dadurch wird erreicht, dass die in den Mantel des Lichtleiterstücks eingekoppelte Streustrahlung sich räumlich ausbreiten kann und an der Verbindungsstelle zur Lichtleitfaser ein größerer Teil dieser Streustrahlung den Mantel verlässt und nur noch ein geringer Teil in den Mantel der Lichtleitfaser eindringt. Die Leistungsdichte der Streustrahlung im Mantel der Lichtleitfaser ist auf diese Weise deutlich herabgesetzt.
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Ein weiteres mögliches Mittel zum Auslenken der Streustrahlung aus dem Mantel stellt eine die Lichtleitfaser umschließende Kapillare dar aus einem strahlungsresistentem transparentem Material mit einer Brechzahl, die gleich oder größer ist als die Brechzahl des Mantels der Lichtleitfaser. Diese Kapillare kann beispielsweise aus Quarzglas, Saphir oder Zinksulfid gefertigt sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben; es zeigt:
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1 Die schematische Darstellung des Lichtleiter-Steckverbinders
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2 Position für die Befestigung der Endkappe im rohrförmigen Bauteil des Steckverbinders
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3 Eine Ausführungsform zur Verringerung der Leistungsdichte des Streulichts im Mantel
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4 Eine Möglichkeit der Fixierung der Position zusätzlicher Elemente im rohrförmigen Bauteil des Steckverbinders
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Erfindungsgemäß ist danach – wie aus der 1 ersichtlich – vorgesehen, dass der Lichtleitkabel-Steckverbinder eine Lichtleitfaser 10, eine an die Lichtleitfaserspitze angrenzende transparente Endkappe 20, sowie ein rohrförmiges Bauteil 30 umfasst, welches mindestens den Bereich zwischen der Endkappe 20 und der Halterung 50 der Lichtleitfaser koaxial umschließt und einen Hohlraum 34 um die Lichtleitfaser 10 bildet, bei der in diesem Bereich die Beschichtung 13 entfernt ist, wobei das die Faser umgebende rohrförmige Bauteil 30, in dem die Streustrahlung in Wärme umgesetzt wird, einen besonderen Aufbau zur optimierten Kühlung aufweist. Das rohrförmige Bauteil 30 besteht aus drei koaxial ineinander angeordneten Rohren 31, 32, 33. Dabei besteht das innere Rohr 31 aus einem gut wärmeleitenden Material und das mittlere 32 sowie das äußere Rohr 33 aus einem korrosionsbeständigen Material. Das innere 31 und das mittlere Rohr 32 stehen mit ihren zylindrischen Flächen in gutem thermischen Kontakt und sind formschlüssig miteinander verbunden. Das mittlere 32 und das äußere Rohr 33 umschließen einen Hohlraum 35, so dass durch den Hohlraum 35 ein Kühlmedium in einem geschlossenen Kühlkreislauf strömen kann. Dabei besitzt das mittlere oder das äußere Rohr zwei Bohrungen oder Kanäle 36, 37, durch die das Kühlmedium ein- bzw. ausströmen kann.
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Wie in der 2 in einem Detail-Ausschnitt gezeigt, ist die Endkappe 20, die an die Lichtleitfaserspitze 22 angrenzt, in der Ebene 23 im inneren Rohr 31 befestigt, in der das virtuelle Bild der Lichtleitfaserspitze 22 entsteht. Dann nämlich wirken sich auch kleinste Verkippungen der Endkappe 20, die durch thermisch bedingten Stress und die Bauteiltoleranzen entstehen können, nicht auf die virtuelle Lage der Faserspitze aus. Die Zentrierung des Steckverbinders bleibt also erhalten trotz möglicher kleiner Verkippungen der Endkappe 20. Dazu muss die Endkappe 20 im Abstand L/n von der äußeren Endfläche der Endkappe entfernt befestigt sein, wobei L die Länge der Endkappe und n die Brechzahl der Endkappe ist. Die Befestigung 24 selbst kann z. B. durch Klebung, Klemmung oder einen Dichtring erfolgen.
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3 zeigt eine mögliche Ausführung zum Auslenken der Streustrahlung 28 aus dem Mantel 12 der Lichtleitfaser 10. Dazu ist ein Lichtleiterstück 25 zwischen Endkappe 20 und Lichtleitfaser 10 angeordnet, welches aus einem Kern 26 und einem Mantel 27 besteht. Dabei ist der Durchmesser des Kerns 26 des Lichtleiterstücks 25 gleich dem Durchmesser des Kerns 11 der Lichtleitfaser 10, während der Mantel 27 des Lichtleiterstücks 25 einen anderen Durchmesser als der Mantels 12 der Lichtleitfaser 10 besitzt. Die Länge des Lichtleiterstücks 25 entspricht mindestens dem Fünffachen seines Manteldurchmessers.
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In 4 ist schließlich dargestellt, wie die Position eines z. B. lichtstreuenden Elements 40 im inneren Rohr 31 fixiert werden kann, ohne dabei den umgebenden Bereich mit der Kühlung durchstoßen zu müssen. Dazu weist das um die Lichtleitfaser 10 angeordnete Element 40 eine Nut 41 auf. Das innere Rohr 31 besitzt auf der Höhe der zu fixierenden Position des Elements 40 eine Bohrung mit einer Senkung, wobei eine Kugel 42 durch die Bohrung in die Nut 41 des Elements 40 eingreifen kann. Weiterhin besitzt das innere Rohr 31 längs eine schmale Bohrung oder einen Kanal, in dem ein verschiebbarer Dorn 43 mit einer Verjüngung liegt. Damit kann in einer Stellung des Dorns 43 die Kugel 42 in die Nut 41 gedrückt werden und so die Position des Elements 40 gegen Verrutschen gesichert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lichtleitfaser
- 11
- Kern der Lichtleitfaser
- 12
- Mantel (Cladding) der Lichtleitfaser
- 13
- Beschichtung (Coating) der Lichtleitfaser
- 14
- Schutzschlauch
- 20
- Endkappe (Glaszylinder, Quarzblock)
- 21
- ein- oder ausgekoppelter Laserstrahl
- 22
- Lichtleitfaserspitze (Endfläche)
- 23
- Ebene des virtuellen Bildes der Lichtleitfaserspitze
- 24
- Fixierung (Klebung, Dichtring, Klemmung)
- 25
- Lichtleiterstück
- 26
- Kern des Lichtleiterstücks
- 27
- Mantel des Lichtleiterstücks
- 28
- Streustrahlung bzw. dejustierter Laserstrahl
- 29
- gestreutes Laserlicht
- 30
- rohrförmiges Bauteil
- 31
- inneres Rohr
- 32
- mittleres Rohr
- 33
- äusseres Rohr
- 34
- Hohlraum um Lichtleitfaser
- 35
- Hohlraum für Kühlmedium
- 36
- Einlass für Kühlmedium
- 37
- Auslass für Kühlmedium
- 38
- Innenfläche des inneren Rohrs
- 40
- Element zur Änderung der Ausbreitungsrichtung der Streustrahlung
- 41
- Nut
- 42
- Kugel
- 43
- Dorn
- 50
- Bolzen (Halterung der Lichtleitfaser)
- 60
- Passfläche (Referenzfläche für die Steckverbindung)
