DE102016112588A1

DE102016112588A1 - Anordnung zur Modifizierung von Glaserzeugnissen

Info

Publication number: DE102016112588A1
Application number: DE102016112588.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Böhme; Thomas Schreiber; Gerd Harnisch; Johannes Nold; Andreas Liem
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2036-07-09
Also published as: DE102016112588B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) zur Modifizierung von Glaserzeugnissen (24), welche einen Laser (12) zur Erzeugung eines Strahls (26) zur Bearbeitung eines Glaserzeugnisses (24) aufweist, wobei der Strahl (26) durch mehrere Reflexionselemente (14, 16, 18, 20, 22) reflektiert und umgelenkt wird und wenigstens ein Reflexionselement (14) rotierend angeordnet ist, so dass der Auftreffpunkt des Strahls (26) das Glaserzeugnis (24) rotierend umläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Modifizierung von Glaserzeugnissen, welche einen Laser zur Erzeugung eines Strahls zur Bearbeitung eines Glaserzeugnisses aufweist.
Im Sinne der Erfindung sind unter Glaserzeugnissen unter anderem Lichtwellenleiter zu verstehen, insbesondere optische Fasern. Unter Glaserzeugnissen im Sinne der Erfindung werden auch Erzeugnisse aus Kunstofffasern oder Kristallfasern verstanden. Unter den Begriff des Glaserzeugnisses fallen insbesondere Glaserzeugnisse mit einem Polymer- und/ oder Metallcoating.
Der erfolgreiche Einsatz von Lichtwellenleitern, insbesondere von optischen Fasern, erfordert bestimmte Präparationsschritte, deren Qualität, Reproduzierbarkeit und Effizienz sehr stark variieren kann. Es wurden eine Vielzahl neuer innovativer Faserdesigns, wie beispielsweise mikrostrukturierte Fasern (photonische Kristallfasern (PCF) und Kagome-Fasern mit sehr unterschiedlichen geometrischen Abmessungen und Strukturen entwickelt. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an die Werkzeuge zur Durchführung der Präparationsschritte.
Die Verarbeitung oder Bearbeitung von Lichtwellenleitern basiert häufig auf mechanischen oder thermomechanischen Techniken. Hierzu zählen beispielsweise prismatisch angeordnete, metallische Schneiden mit bestimmten Abmessungen, die das Coating-Material entfernen, ohne den Lichtwellenleiter zu schädigen. Zum Trennen wird häufig die entschichtete Faser zweiseitig eingespannt und bei einer definierten Zugspannung im eingespannten Bereich mit einer Diamantklinge angeritzt. Durch die weitere Erhöhung der Zugspannung bricht die Faser im Allgemeinen an der angeritzten Stelle, senkrecht zur Achse des Lichtwellenleiters. Hierdurch wird eine qualitativ hochwertige Spiegelbruchfläche erzeugt. Nachteilig hierbei ist aber, dass die teure Diamantklinge einem nicht unerheblichen Verschleiß unterliegt. Ferner muss zur Erzeugung einer hochwertigen, senkrechten Spiegelbruchfläche sichergestellt sein, dass der Lichtwellenleiter torsionsfrei und ohne Fluchtungs- und/oder Winkelfehler gespannt ist. Zudem sind dickere Lichtwellenleiter sowie Spezialfasern, wie PCF oder Kagome-Fasern, durch ihre komplexe Struktur mit einem derartigen Verfahren nicht in der erforderlichen Qualität zu trennen und zusätzliche Maßnahmen sind notwendig.
Aus dem Stand der Technik ist zudem der Einsatz von CO₂-Lasern zur Bearbeitung von Lichtwellenleitern, beispielsweise zu deren Entschichtung bzw. zum Trennen bekannt. Die EP 0 987 570 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine oder mehrere optische Fasern (Faserbändchen) zum fokussierten CO₂-Laserstrahl positioniert und mit kurzen Pulsen bearbeitet bzw. getrennt werden. Eine Relativbewegung des Laserstrahls oder der Faser bewirkt nur eine kurze Wechselwirkung, wodurch ein Anschmelzen und damit ungewünschte Deformation der Faser reduziert wird. Aufgrund der Laserstrahlform und der Leistungsdichte ist jedoch ein qualitativ hochwertiges Trennen optischer Fasern mit größeren Durchmessern nicht möglich.
Die US 2006/0137403 A1 beschreibt einen einseitig einstrahlenden, fokussierten CO₂-Laserstrahl zur Faserendflächen-Bearbeitung. Hierbei dreht sich die optische Faser um ihre Achse und eine Vakuumabsaugung kühlt und entfernt Debris aus der Bearbeitungszone. Die notwendige Rotation der Faser führt zu einer äußerst geringen Praxistauglichkeit, da die zu bearbeiteten Fasern im Allgemeinen viele Meter lang sind und die Rotation der Faser daher nicht möglich ist.
Die WO 02/34452 A1 beschreibt das Trennen einer Faser mit einem Laserstrahl, dessen Leistungsdichte in einer von zwei orthogonalen, lateralen Dimensionen größer als der zu bearbeitende Faserdurchmesser ist. Die asymmetrische Leistungsdichte wird durch Zylinderlinsen oder Masken erzeugt. Nachteilig hierbei ist, dass die Orientierung zur Faser definiert werden muss. Ferner lassen sich mit diesem Verfahren nur Fasern mit einem dünnen Durchmesser einwandfrei bearbeiten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile beseitigt und eine einfache und zuverlässige Bearbeitung von Glaserzeugnissen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dadurch, dass der Strahl durch mehrere Reflexionselemente reflektiert und umgelenkt wird und wenigstens ein Reflexionselement rotierend angeordnet ist, so dass der Auftreffpunkt des Strahls auf der Oberfläche des Glaserzeugnisses dieses rotierend umläuft, kann eine einfache und zuverlässige Bearbeitung von Glaserzeugnissen sichergestellt werden. Insbesondere ist die Entschichtung von Lichtwellenleitern bzw. die Erzielung einer definierten Oberflächenform bzw. -struktur mit einer hohen Reproduzierbarkeit möglich. Auch ist die Bearbeitung in unmittelbarer Nähe des Faserendes und/oder lediglich in Teilbereichen möglich.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass hierdurch ein um den Umfang des Glaserzeugnisses proximal verlaufender Bearbeitungsprozess ermöglicht wird. Indem das Glaserzeugnis nicht rotiert, können beliebig lange Fasern, insbesondere auch am Faserende, leicht bearbeitet werden. Insgesamt lässt sich somit eine definierte Oberflächenform bzw. -struktur mit einer hohen Reproduzierbarkeit erzielen.
Im Sinne der Erfindung wird unter Auftreffpunkt derjenige Ort verstanden, an dem der von dem Laser erzeugte Strahl auf das Glaserzeugnis auftritt, nachdem er an den Reflexionselementen reflektiert bzw. durch diese umgelenkt worden ist.
Mit Hilfe des Lasers lässt sich eine Vielzahl neuer, innovativer Prozesse zur effizienten Bearbeitung von Glaserzeugnissen umsetzen. Auch eine Modifikation des Querschnitts eines Glaserzeugnisses ist möglich, beispielsweise durch Ausziehen eines Glaserzeugnisses auf einen anderen Querschnitt oder Durchmesser. Eine Bearbeitung in unmittelbarer Nähe des Faserendes, eines Faserhalters oder einer Ferrule ist möglich. Aus diesem Grund gibt es nahezu keinen Faserverlust, der oft teuren Faser. Die Bearbeitung des Glaserzeugnisses kann auch auf einen Teilbereich beschränkt sein, so dass sich unbearbeitete Zonen zu beiden Seiten des Teilbereichs befinden. Eine weitere Möglichkeit ist, beliebig lange Glaserzeugnisse zu tapern oder auch Faser-Faser-Spleißverbindungen zu erstellen. Die Bearbeitung von beschichteten oder unbeschichteten Glaserzeugnissen mit dem um dieses Glaserzeugnis rotierenden Laserstrahl kann besonders genau erfolgen, da die relative Lage des Auftreffpunktes zu jeder Zeit bekannt ist. Bei dem Glaserzeugnis kann es sich auch um eine Preform für einen Lichtwellenleiter handeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass das rotierende Reflexionselement verschiebbar angeordnet ist. Hierdurch lässt sich der auf den Auftreffpunkt einfallende Strahl verändern. Der einfallende Strahl erfährt hierdurch beispielsweise einen anderen Einfallswinkel. Die Verschiebung erfolgt dabei vorteilhafterweise entlang der Rotationsachse des Reflexionselements. Auch ein bezüglich des rotierenden Spiegels oder Strahles winkelaufgelöstes Triggern des Lasers kann zu einer definierten Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses verwendet werden. Das motorisch angetriebene, rotierende Reflexionselement wird mit dem Bearbeitungslaser synchronisiert, oder von diesem getriggert, wodurch eine winkelaufgelöste- und damit positionsgenaue Bearbeitung des Glaserzeugnisses möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung, dass der auf das rotierende Reflexionselement treffende Strahl auf ein die Rotationsachse umgebendes Reflexionselement reflektiert und so ein Laserring erzeugt wird.
Vorteilhafterweise weist die Anordnung ein 360°-Reflexionselement auf. Erfindungsgemäß wird hierunter ein Reflexionselement verstanden, das eine einer zentralen Öffnung zugewandte Reflexionsfläche aufweist, an welcher der Strahl reflektiert werden kann. Idealerweise ist in der zentralen Öffnung ein weiteres Reflexionselement, insbesondere das rotierende Reflexionselement, angeordnet. Bevorzugt sind die beiden Reflexionselemente dabei relativ zueinander axial, insbesondere entlang der Rotationsachse, verschiebbar. Hierdurch lässt sich ein unterschiedlicher Laserringdurchmesser erzeugen, wodurch der auf den Auftreffpunkt einfallende Strahl z.B. einen anderen Einfallswinkel erfährt. Es ist auch denkbar, kein vollständig 360° umfassendes Reflexionselement, sondern nur ein Segment bzw. Abschnitt davon zu verwenden. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der ein weiteres Reflexionselement mit dem rotierenden Reflexionselement gekoppelt ist, so dass die Reflexionselemente als Einheit um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren und so ein Laserring erzeugt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Reflexionselement fokussierend ausgebildet ist und den Strahl auf den Auftreffpunkt reflektiert. Dieses Element richtet die einfallenden Strahlen auf einen Fokuspunkt, der mit dem Auftreffpunkt möglichst übereinstimmt. Das Reflexionselement weist bevorzugt eine gekrümmte Reflexionsfläche auf. Vorteilhafterweise ist diese parabolisch, beispielsweise als Parabolspiegel, ausgebildet. Das Reflexionselement kann außerdem lichtbeugende Eigenschaften aufweisen. Auch kann auf dem Reflexionselement ein Gitter angeordnet sein, um eine bestimmte Leistungsdichteverteilung auf dem Glaserzeugnis zu erzeugen. Das Reflexionselement kann mehrere Foki aufweisen. Auch die Erzeugung eines linienförmigen Fokus oder eine periodische Leistunsdichteverteilung zur Erzeugung einer photonischen Struktur in dem Glaserzeugnis sind denkbar. Das Reflexionselement kann eine Freiformreflexionsfläche aufweisen, um eine beliebige Leistungsdichteverteilung am Auftreffort des Strahls auf dem Glaserzeugnis zu erhalten. Idealerweise ist das letzte Reflexionselement entlang des Strahlverlaufs als fokussierendes Element ausgebildet. Das letzte Reflexionselement kann vorzugsweise als 360°-Hohlspiegel ausgebildet sein. Es kann aber auch nur ein Segment eines Parabolspiegels sein. Das letzte Reflexionselement kann auch rotierend angeordnet sein. Die Rotationsachse fällt dabei bevorzugt mit einer Längsachse des Glaserzeugnisses zusammen. Das letzte Reflexionselement kann auch durch ein Planspiegelsegment oder einen Axicon-Ring gebildet sein.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass wenigstens eines der Reflexionselemente gestuft ausgebildet ist und wenigstens einen parabolisch und einen konisch ausgebildeten Abschnitt aufweist. Durch die verschiedenartig ausgebildeten Reflexionsflächen wird der Strahl unterschiedlich abgelenkt bzw. fokussiert. Durch das Verschieben wenigstens eines der Reflexionselemente trifft der Strahl entweder auf die eine oder die andere Reflexionsfläche auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass wenigstens eines der Reflexionselemente einen Durchlass zur Durchführung des Strahls aufweist, insbesondere ringförmig ausgebildet ist. Wenigstens eines der Reflexionselemente kann einen Durchlass zur Durchführung des Glaserzeugnisses aufweisen, insbesondere ringförmig ausgebildet sein.
Die Reflexionselemente können als Spiegel ausgebildet sein. Ein Spiegel kann dabei als Planspiegel ausgebildet sein. Es können aber auch Ringspiegel, insbesondere konusförmig ausgebildete Ringspiegel, zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist der Einsatz wenigstens eines 360°-Hohlspiegels. Die Spiegelfläche kann hier parabolisch oder konisch ausgebildet sein. Auch der Einsatz eines Axicon-Rings (Kegelspiegel-Ring) ist möglich. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Innenraum eines 360°-Spiegels ein weiteres Reflexionselements, insbesondere ein Spiegel, angeordnet. Es handelt sich hierbei vorteilhafterweise um den rotierenden, insbesondere planen Spiegel. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich auf einfache Art und Weise ein Laserring erzeugen. Bevorzugt sind die beiden Spiegel zueinander axial verschiebbar angeordnet.
Wenigstens eines der Reflexionselemente kann geteilt ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich innerhalb des Reflexionselements ein weiteres Element, wie beispielsweise das Glaserzeugnis oder ein weiteres Reflexionselement, befindet. Hierdurch wird ein leichter Zugang zu diesen Elementen ermöglicht.
Bevorzugt sind alle Reflexionselemente als Spiegel ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass es sich bei den Reflexionselementen um Prismen handelt. Vorteilhafterweise weist die Anordnung unterschiedlich ausgebildete Reflexionselemente auf. Eine Kombination aus Prismen und Spiegeln ist denkbar.
Da die Laserstrahlung eine möglichst starke Wechselwirkung mit dem Glaserzeugnis haben soll, ist eine geringe Reflektivität zu bevorzugen. Das letzte Reflexionselement vor dem Auftreffen des Strahls auf das Glaserzeugnis sollte idealerweise so angeordnet bzw. ausgebildet sein, dass der Strahl auf den Auftreffpunkt bzw. auf das Glaserzeugnis unter einem Einfallswinkel von weniger als 25° relativ zu dessen Oberflächennormalen trifft. Reflektionen werden so gering gehalten, unabhängig von der Polarisation der Laserstrahlung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine rotierende Strahlfalle vorgesehen, die einen Antrieb aufweist, der mit dem Laser und/oder einem Antrieb des rotierenden Reflexionselements synchronisiert ist. Die Ansteuerung des Antriebs der rotierenden Strahlfalle ist so umgesetzt, dass die Strahlfalle im Strahlverlauf hinter dem Auftreffpunkt angeordnet ist. Die Strahlfalle sorgt dafür, dass die Strahlung nach dem Auftreffen auf das Glaserzeugnis sicher aufgefangen wird und nicht in die Umgebung gelangt, wo sie unkontrolliert Schäden verursachen könnte.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Anordnung ein Mittel zur Erzeugung eines Gasstroms aufweist, der die Reflexionselemente vor von dem Glaserzeugnis abgetragenem Material schützt. Von Vorteil ist es, wenn die Strahlfalle mit einer Absaugung erweitert ist. Hierdurch kann insbesondere eine Verschmutzung des Reflexionselements, das in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts angeordnet ist, verhindert werden. Von Vorteil ist es, wenn die Anordnung ein Mittel zur Erzeugung eines zusätzlichen gerichteten Gasstroms aufweist, der bevorzugt laminar ist. Der Gasstrom wird insbesondere in der Nähe des Auftreffpunkts eingeführt. Der Gasstrom schützt dabei insbesondere das/die in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts angeordnete/n Reflexionselement/e vor abgetragenem Material. Das Gas kann ein Inertgas sein. Ein solches Gas optimiert den Prozess, da dadurch beispielsweise ein Verbrennen von Kunststoffmaterial, beispielsweise von Faser-Coating, vermieden werden kann.
Eine bevorzugte Ausführung sieht wenigstens ein Greifelement zum Fixieren und axialen Verschieben des Glaserzeugnisses vor. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass sich hierdurch eine Oberflächen- und/oder Volumenbearbeitung des Glaserzeugnisses auf einer nahezu beliebigen Länge ausführen lässt. Das Verschieben des Glaserzeugnisses kann sowohl manuell wie auch motorisch erfolgen. Der motorische Antrieb kann ein Translations- bzw. Rotationsantrieb sein. Unter Verwendung eines oder zweier Kapstan-Antriebe kann ein beliebig langes Glaserzeugnis bearbeitet werden. Dabei übernimmt vorzugsweise ein Antrieb die Zufuhr des Glaserzeugnisses und der andere das „Abziehen“. Weist die Anordnung lediglich ein Greifelement auf, dann ergreift dieses bevorzugt das Glaserzeugnis vor dem Auftreffpunkt. Dies hat den Vorteil, dass das noch unbearbeitete Erzeugnis ergriffen wird. Da nur eine einseitige Fixierung des Glaserzeugnisses erforderlich und die Bearbeitungszone sehr kurz ist, können andere Komponenten, wie beispielsweise Teile eines Fasersteckers, in unmittelbarer Nähe zum Auftreffpunkt liegen. Auch tritt im Gegensatz zum mechanischen Cleave-Prozess, bei dem die Faser beidseitig um die Trennstelle sehr präzise zu halten ist, nur ein minimaler Faserverlust auf.
In einer Ausgestaltung kann die Anordnung zwei Greifelemente aufweisen, wobei das eine Greifelement in Axialrichtung des Glaserzeugnisses vor dem Auftreffpunkt und das andere Greifelement hinter dem Auftreffpunkt angeordnet ist. Die Greifelemente können jeweils einen Antrieb aufweisen, wodurch eine translatorische Bewegung des Glaserzeugnisses möglich wird. Idealerweise sind die Greifelemente mit einem Linear- bzw. Rotationsantrieb verbunden. In den Antrieben können ein oder mehrere Spannungssensoren integriert sein, mit denen sich Zug- oder Druckspannungen messen lassen. Die Antriebe können miteinander gekoppelt bzw. synchronisiert sein. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Greifelemente einen gemeinsamen Antrieb aufweisen.
Es ist denkbar, dass wenigstens der Auftreffpunkt in einer Kammer, die insbesondere mit einer spezifischen Atmosphäre ausgestattet ist, angeordnet ist und so von der Atmosphäre abgetrennt ist. Die spezifische Atmosphäre kann ein Schutzgas umfassen, das den Sauerstoffeintrag verhindert, um geeignete Prozessbedingungen zu erreichen. Außerdem kann die Kammer evakuiert sein. Vorteilhafterweise ist auch, wenn das Reflexionselement, das in unmittelbarer Nähe des Auftreffpunkts angeordnet ist, insbesondere das letzte im Strahlverlauf vor dem Auftreffpunkt, innerhalb der Kammer angeordnet ist. Die Kammer kann wenigstens ein Fenster aufweisen, durch das der Strahl eingekoppelt werden kann. Das Fenster weist hierbei bevorzugt eine für die Wellenlänge des Strahls hochtransmittive Eigenschaft auf.
Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der Anordnung durch wenigstens eine Linsenanordnung (Kollimationsoptik) zur Einstellung des Strahldurchmessers. Durch die Einstellung der Linsenanordnung kann die Fokussierung des Strahls im Auftreffpunkt justiert werden.
Erfindungsgemäß kann jeder erdenkliche Laser zum Einsatz kommen, mit dem eine Wechselwirkung zwischen Laser und Glaserzeugnis herbeigeführt werden kann. Vorteilhafterweise kommt ein CO₂-Laser zum Einsatz. Die Polarisation der Laserstrahlung kann so gewählt werden, dass sich abhängig vom gewählten Einfallswinkel der Laserstrahlung eine Effizienzsteigerung bei der Bearbeitung ergibt. Der Laser kann gepulst arbeiten, mit einer Pulswiederholrate im Bereich von < 1Hz bis > 100kHz. Die Pulslängen sind können im Bereich von einigen Femtosekunden bis Dauerstrich (einstellbar) sein. Zudem kann der Laser parallel oder sequenziell verschiedene Laserwellenlängen zur Verfügung stellen. Es können ein oder mehrere Laser vorgesehen sein, die Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen emittieren. Eine Laserwellenlänge kann z.B. zum Entschichten einer Glasfaser vorgesehen sein, d.h. zum Entfernen eines äußeren Polymercoatings, während eine andere Laserwellenlänge zum Splicen der Faser verwendet wird. Ebenso kann die Strahlung gepulst sein. Z.B. kann ein fs-Pulslaser verwendet werden, um photonische Strukturen in das Glaserzeugnis einzuschreiben. Parallel oder sequenziell kann ein cw-Laser verwendet werden, um das Material des Glaserzeugnisses zu erwärmen und durch den Einschreibprozess erzeugte Materialspannungen auszuheilen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer ersten Ausgestaltung,
2 schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer zweiten Ausgestaltung,
1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zur Modifizierung von Glaserzeugnissen 24 in einer ersten Ausgestaltung. Die Anordnung 10 umfasst einen Laser 12 zur Erzeugung eines Strahls 26 und eine Mehrzahl von Reflexionselementen 14, 16, 18, 20, 22, an denen der Strahl 26 der Reihe nach reflektiert bzw. umgelenkt wird. Wenigstens ein Reflexionselement 14 ist dabei rotierend ausgebildet, so dass der Auftreffpunkt 28 des Strahl 26 das Glaserzeugnis 24 auf dessen Oberfläche rotierend umläuft. Dabei ist der Strahl 26 stets radial in Bezug auf die Längsachse des Glaserzeugnisses 24 ausgerichtet und rotiert in Umfangsrichtung um das Glaserzeugnis 24 herum.
Das Reflexionselement 14 weist eine plane Reflexionsfläche auf, es ist bevorzugt als planer Spiegel ausgebildet. Der auf das rotierende Reflexionselement 14 treffende Strahl 26 wird auf ein die Rotationsachse umgebendes Reflexionselement 16 reflektiert, wobei ein Laserring erzeugt wird. Das Reflexionselement 16 ist als 360°-Reflexionselement bzw. 360°-Spiegel mit konischer Reflexionsfläche 32 ausgebildet. Es weist eine einem Innenraum 30 zugewandte Reflexionsfläche 32 auf, an welcher der Strahl 26 reflektiert wird. Im Zentrum des Innenraums 30 ist das rotierende Reflexionselement 14 angeordnet. Das Reflexionselement 16 muss allerdings nicht zwingend als 360°-Element ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass es nur ein Plansspiegel-Segment oder Abschnitt eines 360°-Reflexionselements bildet. Um einen Laserring zu erhalten, ist bei einer derartigen Ausgestaltung das Reflexionselement 16 mit dem rotierenden Reflexionselement 14 gekoppelt und dreht sich mit diesem gemeinsam um eine Rotationsachse. Durch eine Synchronisierung der Drehbewegungen können die Reflexionselement 16 und Reflexionselement 22 auch als Segment ausgeführt werden. Dadurch könnten auch Reflexionselement 14 und Reflexionselement 16 als mechanisch starre Einheit um die Rotationsachse von Reflexionselement 14 rotieren.
Das Reflexionselement 18 weist einen Durchlass 34 zur Durchführung des Strahls 26 auf. Während das Reflexionselement 20 einen Durchlass 36 zur Durchführung des Glaserzeugnisses aufweist. Insbesondere sind die Reflexionselemente 18, 20 ringförmig, bevorzugt mit einer planen Spiegelfläche, ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass die Reflexionselemente 18, 20 zu einem einzigen Reflexionselement zusammengefasst sind. Auch die Ausgestaltung der Reflexionselemente 18, 20 als Prismen oder als ein einziges Prisma ist möglich. Die beiden Reflexionselemente bewirken eine Umlenkung des gesamten erzeugten Laserrings um 180°.
Das als Planspiegel ausgebildete Reflexionselement 18 weist einen Durchlass 34 oder Loch auf. Zusammen mit dem rotierenden motorisch angetriebenen Reflexionselement 14, welches ebenfalls als Planspiegel ausgebildet ist, sowie einem als Axicon-Ring ausgebildeten Reflexionselement 16 wird so ein Laserring erzeugt, wie in 1 zu sehen ist. Dieser wird durch das Reflexionselement 18 umgelenkt.
Im weiteren Strahlengang folgen Reflexionselement 20 und Reflexionselement 22. Die Bearbeitungslänge ohne Abschattung des Laserrings wird nur durch den Abstand zwischen dem Reflexionselement 20 und dem Reflexionselement 22 definiert. Eine zulässige Abschattung des Laserrings, die vom Bearbeitungsprozess toleriert werden kann, ermöglicht eine endlose Bearbeitung. Das im Strahlverlauf letzte Reflexionselement 22 ist als fokussierendes Element ausgebildet. Es reflektiert den Strahl 26 auf den Auftreffpunkt 28. Es weist hierfür eine parabolische Reflexionsfläche 38 auf. Das Glaserzeugnis 24 befindet sich auf der optischen Achse des als Parabolspiegel ausgebildeten Reflexionselementes 22. Hierdurch lässt sich eine zur optischen Achse des Glaserzeugnisses 24 senkrechte Bearbeitung erzielen. Es ist aber auch eine Bearbeitung unter einem spezifischen Winkel zwischen beiden optischen Achsen möglich. Das Reflexionselement 22 ist bevorzugt als 360°-Hohlringspiegel bzw. als Segment eines solchen Spiegels ausgebildet. Ist das Reflexionselement 22 als Segment ausgebildet, dann ist es rotierend angeordnet. Seine Rotationsachse ist dabei bevorzugt die Achse des Glaserzeugnisses 24.
Die Anordnung 10 weist eine rotierende Strahlfalle 40 auf, die dem Bearbeitungsstrahl 26, der am Auftreffpunkt 28 auf das Glaserzeugnis 24 auftritt, im Wesentlichen gegenüber steht. Die Strahlfalle 40 kann eine Absaugung umfassen. Ist das Reflexionselement 22 als Segment ausgebildet, dann ist die Strahlfalle 40 bzw. dessen Antrieb bevorzugt mit dem Reflexionselement 22 gekoppelt bzw. synchronisiert. Beide drehen sich um eine gemeinsame Rotationsachse. Es handelt sich hierbei um die Achse des Glaserzeugnisses 24. Eine Kopplung des Antriebs des Reflexionselement 22 mit dem Antrieb der Strahlfalle 40 kann auch mechanisch durch beispielsweise Zahnriemen erfolgen.
Die Anordnung 10 weist ein Mittel zur Erzeugung eines zusätzlichen Gasstroms 44 auf, der insbesondere in der Nähe des Auftreffpunkts 28 eingeführt wird. Der Gasstrom 44 ist bevorzugt laminar. Der Gasstrom 44 schützt dabei das Reflexionselement 22 und die weiteren Optiken unmittelbar vor dem Auftreffpunkt 28 vor abgetragenem Material.
Das Glaserzeugnis 24 ist axial verschiebbar angeordnet. Die Vorrichtung 10 weist ein Greifelement 42a zum Halten und Fixieren des Glaserzeugnisses 24 auf. Bei Bearbeitung eines Lichtwellenleiters ist das Greifelement vorzugsweise als Fasergreifer ausgebildet. Bevorzugt ist das Greifelement 42a so ausgebildet, dass es ein Verschieben des Glaserzeugnisses 24 ermöglicht. Das Glaserzeugnis 24 erfährt hierdurch insbesondere eine Bewegung in seiner Axialrichtung. Das Greifelement 42a ergreift das Glaserzeugnis 24 vor dem Auftreffpunkt 28. Das Glaserzeugnis 24 kann mittels des Greifelements 42a gehalten und axial bezüglich der Spiegelachse des Reflexionselementes 22 verschoben werden.
Die Reflexionselemente 20 und 22 können auch so gedreht werden, dass eine Glaserzeugnis-Zufuhr von oben, statt wie in 1 gezeigt von unten erfolgt.
Die Anordnung 10 weist ferner ein vorangestelltes Teleskop mit vorzugsweise zwei Linsen 48a, 48b zur Einstellung des Strahldurchmessers auf. Wenigstens eine Linse 48b kann verschiebbar angeordnet sein. Durch die Änderung des Abstands zwischen den Linsen 48a, 48b lässt sich der Fokusort einstellen und somit auch die Leistungsdichte am Auftreffpunkt 28. Die Abstandsänderung ist durch den doppelseitigen Pfeil in 2 dargestellt.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 in einer zweiten Ausgestaltung. In dieser Ausgestaltung weist die Anordnung 10 zwei Greifelemente 42a, 42b auf. Das eine Greifelement 42a ergreift das Glaserzeugnis 24 vor dem Auftreffpunkt 28 und das andere Greifelement 42b das Glaserzeugnis nach dem Auftreffpunkt 28. Die Greifelemente 42a, 42b können jeweils einen Antrieb aufweisen, wodurch eine translatorische Bewegung des Glaserzeugnisses 24 ermöglicht wird. In den Antrieben können zudem ein oder mehrere Spannungssensoren integriert sein, mit denen sich Zugspannungen messen lassen.
Das Reflexionselement 14, das rotierend ausgebildet ist, ist in 2 verschiebbar innerhalb des Reflexionselements 16 angeordnet. Hierdurch lässt sich der Laserringdurchmesser verändern. Der einfallende Strahl erfährt hierdurch beispielsweise einen anderen Einfallswinkel. Die Verschiebung erfolgt hier entlang der Rotationsachse des Reflexionselements 14.
In 2 lässt sich zudem der Abstand zwischen dem Reflexionselement 20 und dem Reflexionselement 22 verändern. Hierdurch können auch längere Glaserzeugnisse 24 bearbeitet werden, ohne dass der Laserring unterbrochen wird. Dies ist insbesondere bei dicken Glaserzeugnissen 24 oder auch Preformen von Vorteil.
Das im Strahlverlauf letzte Reflexionselements 22 ist abgestuft ausgebildet. Es weist zwei verschiedenartig ausgebildete Reflexionsflächen 38a, 38b auf, wodurch der Strahl unterschiedlich abgelenkt wird. Idealerweise weist es eine parabolische 38b und eine konische 38a Reflexionsfläche auf, die unmittelbar aneinandergrenzen. Das Reflexionselement 22 kann so gestuft ausgeführt sein, dass es sowohl eine parabolische als auch eine plane (konischer Axicon-Ring) Ringfläche aufweist. Durch ein axiales Verschieben des Reflexionselements 14 kann entweder die parabolische oder die konische Ringfläche am Auftreffpunkt 28 wirksam werden. Anstelle dieses Reflexionselements 22 lassen sich auch weitere Parabolspiegel mit verschiedenen Brennweiten modular einsetzen.
Die beschriebene Anordnung 10 ist auch zum Tapern und Spleißen von Glaserzeugnissen 24, wie beispielsweise Lichtwellenleitern geeignet, wenn der Einfallswinkel und die Leistungsdichte des Lasers 12 im Auftreffpunkt 28 entsprechend angepasst werden. Dies kann geschehen vorzugsweise durch einen Axicon-Ring, ähnlich dem Reflexionselement 16, dann wird die Leistungsdichte über ein Verschieben einer der beiden Teleskoplinsen 48a oder 48b eingestellt. Vorteilhaft ist dabei, wenn der Auftreffpunkt 28 einsehbar wird und die parabolische und die konische Spiegelfläche von Reflexionselement 22 nahezu aneinandergrenzen, wie in 2 gezeigt. Ein Umschalten zwischen den beiden Spiegelflächen und damit zwischen den Prozessen kann durch die Änderung des Laserring-Durchmessers erreicht werden. Dabei wird die Änderung des Laserring-Durchmessers durch ein axiales Verschieben von Reflexionselement 14 zum Reflexionselement 16 erreicht. Dies ist in 2 durch einen gestrichelten Laserstrahl angedeutet. Auch weitere Spiegelflächen können an die bereits beschriebene Parabolfläche oder die konische Fläche grenzen, wodurch weitere Funktionalitäten bezüglich der Bearbeitung des Glaserzeugnisses 24 erreicht werden. Ein Laserring, erzeugt mittels der Reflexionselemente 14, 16 18, kann auch mittels Galvanometerscannern erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung
12: Laser
14: 1. Reflexionselement
16: 2. Reflexionselement
18: 3. Reflexionselement
20: 4. Reflexionselement
22: 5. Reflexionselement
24: Glaserzeugnis
26: (Bearbeitungs-)Strahl
28: Auftreffpunkt
30: Innenraum 2. Reflexionselement
32: Reflexionsfläche 2. Reflexionselement
34: Durchlass 3. Reflexionselement
36: Durchlass 4. Reflexionselement
38, 38a, 38b: Reflexionsfläche 5. Reflexionselement
40: Strahlfalle
42a 42b: Greifelement
44: Gasstrom
46: Motor 1. Reflexionselement
48a 48b: Linsen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0987570 A1 [0005]
US 2006/0137403 A1 [0006]
WO 02/34452 A1 [0007]

Claims

Anordnung (10) zur Modifizierung von Glaserzeugnissen (24), welche einen Laser (12) zur Erzeugung eines Strahls (26) zur Bearbeitung eines Glaserzeugnisses (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (26) durch mehrere Reflexionselemente (14, 16, 18, 20, 22) reflektiert und umgelenkt wird und wenigstens ein Reflexionselement (14) rotierend angeordnet ist, so dass der Auftreffpunkt des Strahls (26) das Glaserzeugnis (24) rotierend umläuft.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Reflexionselement (14) verschiebbar angeordnet ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Reflexionselement (14) entlang seiner Rotationsachse verschiebbar angeordnet ist.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das rotierende Reflexionselement (14) treffende Strahl (26) auf ein die Rotationsachse umgebendes Reflexionselement (16) reflektiert und so ein Laserring erzeugt wird.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Reflexionselement (16) mit dem rotierenden Reflexionselement (14) gekoppelt ist, so dass die Reflexionselemente (14, 16) als Einheit um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren und so ein Laserring erzeugt wird.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reflexionselement (22) fokussierend ausgebildet ist und den Strahl (26) auf den Auftreffpunkt (28) reflektiert.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Reflexionselemente (22) gestuft ausgebildet ist und wenigstens einen parabolisch (38a) und einen konisch (38b) ausgebildeten Abschnitt aufweist.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Reflexionselemente (18) einen Durchlass (34) zur Durchführung des Strahls (26) aufweist, insbesondere ringförmig ausgebildet ist.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Reflexionselemente (20) einen Durchlass (36) zur Durchführung des Glaserzeugnisses (24) aufweist, insbesondere ringförmig ausgebildet ist.
Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine rotierende Strahlfalle (40) einen Antrieb aufweist, der mit dem Laser (12) und/oder einem Antrieb des rotierenden Reflexionselements (14) synchronisiert ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfalle (40) mit dem Reflexionselement (22), das den Strahl (26) auf den Auftreffpunkt (28) reflektiert, gekoppelt ist, so dass Strahlfalle (40) und Reflexionselement (22) als Einheit um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (10) ein Mittel zur Erzeugung eines Gasstroms (44) aufweist, der die Reflexionselemente (22) vor dem abgetragenen Material schützt.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein Greifelement (42a, 42b) zum Fixieren und axialen Verschieben des Glaserzeugnisses (24).
Anordnung (10) nach dem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zwei Greifelemente (42a, 42b), wobei das eine Greifelement (42a) in Axialrichtung des Glaserzeugnisses (24) vor dem Auftreffpunkt (28) und das andere Greifelement (42b) hinter dem Auftreffpunkt (28) angeordnet ist.
Anordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Linsenanordnung (48a, 48b) zur Einstellung des Strahldurchmessers.