DE3587943T2

DE3587943T2 - Verbinder für Hochleistungsstrahl.

Info

Publication number: DE3587943T2
Application number: DE3587943T
Authority: DE
Inventors: Eiji Iri; Takeshi Satake
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1984-07-13
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2005-07-13
Also published as: EP0168261A2; US4737011A; CA1268974A; DE3587943D1; EP0168261A3; EP0168261B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbinder, der an einem Ende einer optischen Faser zum Übertragen eines Hochleistungsstrahls, beispielsweise eines Laserstrahls, angebracht ist, der in der Industrie zum Schweißen oder Löten und bei medizinischen Behandlungen zum Ausschneiden betroffener Stellen verwendet wird.
Im allgemeinen sind am Eintritts- und am Austrittsende von zum Übertragen dieser Art von Hochleistungslaserstrahl verwendete optische Fasern jeweils mit Verbindungssteckern versehen, die zur Verbindung mit Buchsen geeignet sind, von denen sich eine am Eintrittsende befindet und eine an einem Lasersystem angebrachte Linse enthält, und die auf der Austrittsseite befindliche andere Buchse eine Linse enthält, die einem zu behandelnden Objekt gegenüberliegt.
Der Stecker eines solchen herkömmlichen Verbinders für einen Hochleistungsstrahl ist wie folgt aufgebaut: Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Steckers auf der Eintrittsseite des herkömmlichen Verbinders für den Hochleistungsstrahl und Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Steckers entlang der Linie II-II in Richtung des Pfeiles in Fig. 1, wobei das Bezugszeichen 1 ein Kabel bezeichnet, das eine einzelne optische Faser Ia enthält, das Bezugszeichen 2 einen Stecker und das Bezugszeichen 3 eine Buchse mit einer darin enthaltenen Linse 3a bezeichnet.
Das Kabel 1 ist durch einen Mantel 1b aus Polyvinylchlorid (PVC), ein Kevlar-Material (Warenzeichen der Fa. Dupont) 1c und eine Hülle 1d aus Nylon hindurch derart geschnitten, daß das Kevlar 1c, die Hülse 1d und die optische Faser 1a mit gewünschter Länge freiliegen, um einen Steckerkörper 21 über einen axial mittleren Bereich der freiliegenden optischen Faser 1a und das Ende der freiliegenden Hülse 1d auf zustecken.
Der zylindrische Steckerkörper 21 besteht aus Edelstahl, weist am Außenumfang eines axialen Zwischenbereichs einen Flansch 21a auf, ist auf die freiliegende optische Faser 1a und die Hülse 1d aufgesteckt und konzentrisch und einstückig mit der optischen Faser 1a und der Hülse 1d mittels Epoxy- Harz 22b verbunden, das zwischen den Innenumfang des Körpers 21 und den Außenumfang der optischen Faser 1a gefüllt ist. Das freiliegende Kevlar 1c bedeckt den Außenumfang des Endes des Steckerkörpers 21 und ein Schürzenteil 22 aus Edelstahl ist auf den Mantel 1b und das Ende des Steckerkörpers 21 derart aufgeschoben, daß das Kevlar 1c zwischen dem Schürzenteil 22 und dem Außenumfang des Steckerkörpers 21 sandwichartig angeordnet und mittels eines Bindemittels einstückig an diesem angebracht ist. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Kappenmutter, die zum Einführen des äußersten Endbereichs des Steckerkörpers 21 in die Buchse auf den Außenumfang der Buchse 3 aufgeschraubt wird, wodurch der Steckerkörper 21 einführbar an der Buchse 3 gehalten ist.
Ein solcher herkömmlicher Verbinder für optische Fasern, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, weist an der Stirnfläche des Steckers freiliegendes Epoxy-Harz 21b auf, das die optische Faser 1a und den Steckerkörper 21 konzentrisch und integrierend miteinander verbindet. Wenn das Lasersystem, die Linse 3a und die optische Faser 1a unzureichend aufeinander ausgerichtet sind, erfolgt eine Verschiebung des Laserstrahls gegenüber der Eintrittsseite der optischen Faser 1a, so daß der Laserstrahl auf das Epoxy-Harz 21b projiziert wird und die Gefahr besteht, daß das Epoxy-Harz 21b verbrennt, wodurch ein Loslösen oder eine Beschädigung des Steckers auftreten kann.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 59-20146 (1984) bereits einen optischen Verbinder für Hochleistungsstrahlen offenbart, der derart aufgebaut ist, daß der Steckerkörper 21 in einen Halter und eine Hülse geteilt ist und brennbare Materialien aus der unmittelbaren Umgebung der Laserstrahleintrittsfläche der das vordere Ende der optischen Faser stützenden Hülse entfernt sind, so daß selbst bei einem Verschieben des auftreffenden Laserstrahls eine Beschädigung des Steckers vermieden werden kann.
Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht des in der genannten Anmeldung offenbarten Verbinders und Fig. 4 ist eine schematische Vorderansicht des Verbinders entlang der Linie IV-IV in Richtung des Pfeiles in Fig. 3, wobei die Bezugszeichen 31 ein Schürzenteil, 32 einen Halter, 33 eine Hülse und 34 eine Kappenmutter bezeichnen.
Die Hülse 33 ist zylindrisch und besteht aus Kupfer. Sie weist im axialen Zwischenbereich einen Bereich 33a zum Stützen der optischen Faser auf, dessen Innendurchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser der optischen Faser 1a ist, beide axialen Endbereiche weisen einen etwas größeren Innendurchmesser auf als der Bereich 33a zum Stützen der optischen Faser, und sie ist über ein am Innenumfang des Endes ausgebildetes Schraubgewinde 33b mit dem äußersten Ende des Halters 32 derart verschraubt, daß die Hülse 33 mit diesem verbunden ist. Die optische Faser 1a ist durch das Schürzenteil 31, den Halter 32 und den Bereich 33a zum Stützen der optischen Faser im Mittelbereich der Hülse 33 gehalten und ihre Stirnfläche ist mit der Vorderfläche der Hülse 33 bündig. Bei einem solchen Aufbau ist zwischen der Hülse 33 und der optischen Faser 1a ein Ringspalt 33c mit einer vom Ende der optischen Faser 1a gemessenen gewünschten Länge gebildet. Selbst wenn der Laserstrahl in bezug zur Stirnfläche der optischen Faser Ia versetzt auftrifft, kann das Problem des Brennens verhindert werden, da sich kein brennbares Material um die optische Faser 1a herum befindet.
Der derart aufgebaute optische Verbinder ermöglicht jedoch den Versatz des Laserstrahls gegenüber der Stirnfläche der optischen Faser 1a, so daß dieser durch den Spalt 33c auf den Außenumfang der optischen Faser 1a oder den Innenumfang des größeren Durchmesserbereichs am vorderen Ende der Hülse 33 auftrifft. Trifft der Laserstrahl auf dem Außenumfang der optischen Faser 1a auf, so wird zwar ein gewisser Schmelzvorgang erzeugt, jedoch ist die Bruchgefahr geringer. Trifft der Laserstrahl jedoch auf den Innenumfang der Hülse 33 auf, wird Kupfer aus dem Material der Hülse 33 geschmolzen und ausgebreitet, so daß es auf den Außenumfang der optischen Faser 1a trifft, wodurch Risse im Außenumfang der optischen Faser 1a entstehen können, die zu einem Bruch derselben führen können.
In Anbetracht der genannten Probleme wird die vorliegende Erfindung zu deren Lösung vorgeschlagen.
Die erste Aufgabe der Erfindung ist, einen hochwertigen und hochzuverlässigen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, der im Gebrauch bruchsicher ist.
Die zweite Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, bei dem keine organische Substanzen in der Nähe des Laserstrahleintrittsbereichs vorgesehen sind, so daß die Gefahr eines Brandes eliminiert ist.
Die dritte Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, bei dem im Laserstrahleintrittsbereich kein Metall geschmolzen und ausgebreitet wird.
Die vierte Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, bei dem die Gefahr eines Bruchs der optischen Faser an der Verbindungsstelle zwischen Stecker und Buchse eliminiert ist.
Die fünfte Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, bei dem die Einstellung des Eintrittswinkels des Strahls bei mit der Buchse gekoppeltem Stecker einfach ist.
Die sechste Aufgabe der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, der insgesamt kleinformatig und leicht ist.
Eine Aufgabe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, der ein transparentes oder lichtdurchlässiges Teil verwendet, das eine angerauhte Oberfläche aufweist, um einen gegenüber der Stirnfläche der optischen Faser versetzten Laserstrahl zu absorbieren oder zu streuen, wodurch ein Verbrennen oder Brechen des Verbinders verhindert wird.
Eine weitere Aufgabe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, einen Verbinder für einen Hochleistungsstrahl zu schaffen, der es ermöglicht, einen gegenüber der Stirnfläche der optischen Faser versetzten Laserstrahl vom Umfang der optischen Faser weg zu reflektieren, wodurch das Brechen der optischen Faser verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Verbinder für eine zum Übertragen eines Hochleistungsstrahls geeignete optische Faser, nämlich eine optische Faser mit einem Durchmesser zwischen 150 um und 1250 um, wobei der Verbinder am Ende einer optischen Faser vorgesehen ist, auf das der Hochleistungsstrahl auftrifft, wobei der Verbinder eine Hülse aufweist, mit:
a) einem Bereich mit verhältnismäßig großem Innendurchmesser; und
b) einem Faserstützbereich;
wodurch die Hülse im Gebrauch derart an dem Ende der optischen Faser anbringbar ist, daß ein Zwischenraum zwischen dem Innenumfang des einen verhältnismäßig großen Innendurchmesser aufweisenden Bereichs der Hülse und dem Außendurchmesser der optischen Faser über eine gewünschte axiale Strecke von der Stirnfläche der optischen Faser zum Faserstützbereich gebildet ist, und derart, daß der Bereich zum Stützen der optischen Faser die optische Faser stützt und einen Innendurchmesser aufweist, der ungefähr gleich dem Durchmesser der optischen Faser ist, wobei der Verbinder dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens der Bereich zum Stützen der optischen Faser aus Saphir mit einem Schmelzpunkt von 2030ºC und einem Brechungsindex von 1,76 besteht und der eine derartige Durchlässigkeit aufweist, daß er mehr als 5% des in einer Übertragungsdistanz von 1 mm einfallenden Lichts durchläßt.
Die genannten und weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene strukturelle Seitenansicht eines herkömmlichen optischen Verbinders,
Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Verbinders gesehen entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ist eine teilweise aufgeschnittene strukturelle Seitenansicht des herkömmlichen optischen Verbinders mit einer Hülse,
Fig. 4 ist eine Vorderansicht des Verbinders gesehen entlang der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 ist eine teilweise aufgeschnittene strukturelle Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbinders für Hochleistungsstrahlen,
Fig. 6 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Hülse beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 5, und
Fign. 7 bis 12 sind geschnittene strukturelle Seitenansichten von Hülsen des zweiten bis siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verbinders für Hochleistungsstrahlen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen konkret beschrieben.
In den Fign. 5 und 6 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Kabel, das eine einadrige optische Faser 1a enthält, 2 bezeichnet einen Stecker und 5 bezeichnet eine Buchse.
Das Kabel 1 ist durch den Mantel 1b aus Polyvinylchlorid (PVC), das Kevlar-Material 1c und die Hülse 1d aus Nylon derart geschnitten, daß die Hülse 1d, das Kevlar 1c und die optische Faser 1a jeweils in gewünschter Länge freiliegen. Ein Halter 41 ist fest auf einen axialen Zwischenbereich des freiliegenden Teils der optischen Faser 1a und das Ende des freiliegenden Teils der Hülse 1d aufgesteckt, ein Schürzenteil 42 ist das Ende des Halters 41 und den Außenumfang des äußersten Endes des Mantels 1b umgreifend angebracht. Eine Hülse 43 ist auf das äußerste Ende des freiliegenden Teils der optischen Faser 1a und das äußerste Ende des Halters 41 aufgesteckt, und eine Kappenmutter 44 ist axial verschiebbar auf den Halter 41, das Schürzenteil 42 und die Hülse 43 aufgeschoben.
Der Halter 41 besteht aus Messing und weist die Form eines Zylinders auf, dessen Innendurchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Hülse 1d ist, und dessen Außendurchmesser am Ende zur Bildung einer Schulter 41b verringert ist, und dessen Außenumfang in der Nähe des äußersten Endes mit einem Flansch 41a von größerem Durchmesser und endseitig vor dem Flansch 41a mit einem Schraubgewinde 41c versehen ist. Der Halter 41 ist nahe dem Endbereich des freiliegenden Bereichs der Hülse 1d und über den Zwischenbereich des freiliegenden Teils der optischen Faser 1a aufgeschoben und am Außenumfang des den geringeren Außendurchmesser aufweisenden Bereichs des Endes von dem freiliegenden Kevlar 1c bedeckt.
Zwischen dem Innenumfang des Halters 41 und dem Außenumfang der optischen Faser 1a ist eine Metallhülse 41d eingesetzt, deren eines Ende am äußersten Ende der Hülse 1d anliegt und deren anderes Ende aus dem vordersten Ende des Halters 41 herausragt. Bindemittel der Epoxy-Reihe 41e und 41f sind zwischen die Metallhülse 41d und den Innenumfang des Halters 41 sowie die Metallhülse 41d und den Außenumfang der optischen Faser 1a gefüllt, wobei der Halter 41 durch die Bindemittel 41e und 41f und die Metallhülse 41d konzentrisch und einstückig mit der optischen Faser 1a verbondet ist.
Das Schürzenteil 42 besteht wie der Halter 41 aus Messing und weist die Form eines Zylinders auf, wobei der Innendurchmesser des vom vorderen Endbereich verschiedenen Bereichs geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des einen reduzierten Durchmesser aufweisenden Endbereichs des Halters 41, und das Teil ist auf den Außenumfang des vorderen Endes des Mantels 1b und des von dem Kevlar 1c bedeckten Endes des Halters 41 aufgesteckt. Der Außenumfang des von dem Kevlar 1c bedeckten Endes des Halters 41, dessen Innenumfang und der Innenumfang des vorderen Endes des Schürzenteils 42 sind derart mit einem Bindemittel beschichtet, daß der vordere Endbereich des Schürzenteils 42 und das Ende des Halters 41 das Kevlar 1c sandwichartig einschließen, wobei die drei Teile durch das Bindemittel integriert miteinander verbunden sind.
Die Hülse 43 ist zylindrisch, weist in einem axialen Zwischenbereich einen Bereich 43f zum Stützen der optischen Faser auf, dessen Innendurchmesser gleich oder geringfügig größer als der Durchmesser der optischen Faser 1a ist, und der Innendurchmesser der Hülse ist zu beiden axialen Seiten des Stützbereichs 43f etwas größer als derjenige des Faserstützbereichs 43f, so daß zwischen dem Innenumfang der Hülse 43 und dem Außenumfang der optischen Faser Ia Zwischenräume 43c und 43d gebildet sind, und wobei der Innenumfang des Endes der Hülse mit einem Schraubgewinde 43a versehen ist. Das Schraubgewinde 43a ist mit einem Bindemittel beschichtet und mit dem Schraubgewinde 41c am vorderen Ende des Halters 41 verschraubt, wodurch die Hülse 43 im auf die optische Faser 1a aufgesteckten Zustand konzentrisch und integriert mit dem vorderen Ende 41 verbunden ist.
Darüber hinaus ist die in Fig. 6 vergrößert dargestellte Hülse 43 nur im Faserstützbereich 43f aus Saphir gebildet und im Preßsitz tief in den Zwischenraum 43c eingesetzt, während die anderen Bereiche wie bei dem in Fig. 3 dargestellten herkömmlichen Verbinder aus Kupfer bestehen. In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 43g einen Positionierungsanschlag für den Faserstützbereich 43f, wenn dieser in die Hülse 43 eingesetzt wird.
Der Saphir hat einen Schmelzpunkt von 2030ºC und einen Brechungsindex von 1,76, ungeachtet der Tatsache, ob er natürlich oder synthetisch ist, und hat einen Brechungsindex, der höher ist als derjenige des Überzugs der optischen Faser. Der erfindungsgemäße Verbinder, bei dem Saphir verwendet wird, wurde auf eine optische Faser der Quartz-Reihe mit einem Kerndurchmesser von 400 um und einem umhüllten Durchmesser von 500 um montiert und eine Minute lang mit einem Impuls von 20J, 8 Millisekunden und 5 pps mit einer um 30' (Minuten) versetzten Auftreffachse beaufschlagt, jedoch traten keine Schwierigkeiten auf. Unter den gleichen Bedingungen führte die Verwendung von geschmolzenem Quarz mit einem Schmelzpunkt von 1710ºC und einem Brechungsindex von 1,45 zu einer Erwärmung des Verbinders, während Silberchlorid mit einem Brechungsindex von 1,9 und einem Schmelzpunkt von 457ºC verdampfte.
Saphir läßt 5% oder mehr der in einer Übertragungsdistanz von 1 mm einfallenden Lichtmenge durch.
Ferner hat Saphir einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem von Glas. Dies ist vorteilhaft, da sich der Faserstützbereich 43f ansonsten thermisch ausdehnen und starken Druck und somit eine Belastung auf die optische Faser 1a aufbringen würde, wodurch Mikrobiegeverluste (Verschlechterung der Lichtdurchlässigkeitsleistung durch den auf die optische Faser aufgebrachten Druck) erzeugt werden, und wenn die Mikrobiegungen wiederholt erfolgen, kann dies zu einer Beschädigung der optischen Faser führen.
Die optische Faser Ia weist einen Durchmesser von 150 bis 1250 um auf, ragt vom äußersten Ende der Metallhülse 41d in die Hülse 43 vor, passiert eine ungefähr den selben Durchmesser wie die optische Faser aufweisende Bohrung 43b in der Innenseite des Faserstützbereichs 43f der Hülse 43 und ist am Ende auf der Eintrittsseite konzentrisch mit der Hülse 43 und bündig mit deren Stirnfläche angeordnet. Die zwischen dem Ende der Hülse 43 und deren Innenumfang sowie dem Außenumfang der optischen Faser 1a gebildeten Zwischenräume 43c und 43d enthalten nur Luft, während jegliche brennbaren Materialien, beispielsweise organisches Material, in den Zwischenräumen 43c und 43d nicht vorhanden ist.
Der Grund für das Bündighalten der Stirnfläche der optischen Faser 1a mit der Endfläche der Hülse 43 ist, daß bei einer mit ihrem Ende über die Endfläche der Hülse 43 vorstehenden optischen Faser Ia die Gefahr des Brechens der optischen Faser 1a besteht, während bei einer zurückgezogenen Stirnfläche der Faser die Reinigung schwierig ist. Daher ist die Stirnfläche der optischen Faser 1a vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, bündig mit der Endfläche der Hülse 43.
Die Kappenmutter 44 besteht aus Edelstahl oder Messing und ist am Innenumfang des vorderen Endbereichs mit einem Schraubgewinde 44a versehen, das mit einem auf dem Außenumfang der Buchse 5 auf der Laseraustrittsseite ausgebildeten Schraubgewinde 5b verschraubbar ist, und der Innenumfang nahe dem hinteren Ende ist mit einem Innenflansch 44b versehen, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser eines Flanschs 41a des Halters 41. Eine Schraubenfeder 45 ist zwischen dem Innenflansch 44b und dem Flansch 41a des Halters 41 vorgesehen und verleiht der Kappenmutter 44 eine Vorspannung zur Wegbewegung von der Buchse 5.
Die Buchse 5 ist wie die in den Fign. 1 und 3 dargestellte herkömmliche Buchse zylindrisch und enthält eine Linse 5a, die dem Laserstrahlausgang zugewandt an einem (nicht dargestellten) Lasersystem angebracht ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbinder für Hochleistungslaserstrahlen mit dem zuvor beschriebenen Aufbau, trifft der Ausgangslaserstrahl des (nicht dargestellten) Lasersystems auf die Linse 5a auf, wie dies durch den nicht schattierten Pfeil in Fig. 5 dargestellt ist, um gebündelt zu werden und anschließend in die Stirnseite der optischen Faser Ia zur Weiterleitung in dieser einzufallen. Selbst wenn in diesem Fall der Laserstrahl außerhalb der Stirnfläche der optischen Faser 1a auftrifft, so enthält der Zwischenraum 43c um die Faser nur Luft, die nicht brennt. Selbst wenn der Laserstrahl auf den Innenumfang des vorderen Endbereichs der Hülse 43 auftrifft, ist der Innenumfang so hitzebeständig, daß er nicht schmilzt oder verdampft.
Da der Bereich 43f zum Stützen der optischen Faser aus Saphir besteht, wird der auf den Bereich 43f zum Stützen der optischen Faser auftreffende Laserstrahl unter Abschwächung durch den Bereich 43f zum Stützen der optischen Faser geleitet und von dem Metallanschlag 43g reflektiert, woraufhin nur ein schwacher Laserstrahl in den hinteren Zwischenraum 43d gelangt, so daß die optische Faser 1a im hinteren Zwischenraum 43d nicht auf hohe Temperaturen erwärmt wird. Ferner ist es für den auf den Faserstützbereich 43f auftreffenden Laserstrahl schwierig, in die optische Faser 1a einzutreten, da der den Faserstützbereich 43f bildende Saphir einen höheren Brechungsindex hat als der Überzug der optischen Faser 1a. Darüber hinaus tritt der auf den Überzug am äußersten Ende der optischen Faser 1a auftreffende oder vom Kern zum Überzug eintretende Laserstrahl ohne Schwierigkeiten in den Faserstützbereich 43f ein, der einen höheren Brechungsindex aufweist als der Überzug, so daß kein Laserstrahl durch den Überzug der optischen Faser 1a in den hinteren Zwischenraum 43d gelangt, wodurch der Temperaturanstieg in diesem beschränkt wird.
Der erfindungsgemäße Verbinder für Hochleistungsstrahlen, der gemäß der Darstellung in Fig. 5 aufgebaut ist und Saphir mit einem Brechungsindex von 1,76 verwendet, wurde am Eintrittsende einer optischen Faser der Stufen-Index-Art der Quartz-Reihe angebracht, die einen Kerndurchmesser von 400 um und einen umhüllten Durchmesser von 500 um aufwies, und mit mehreren zehntausend Impulsen eines YAG-Laserstrahls mit einer Impulsbreite von 8 m sec und einer Ausgangsleistung von 20J beaufschlagt. Es wurde kein Bruchfehler in der optischen Faser festgestellt und selbst wenn die Eintrittsachse um einen Winkel zwischen 14º und 15º verschoben wurde, wies der erfindungsgemäße Verbinder keine Bruchschäden auf. Hingegen war der herkömmliche Verbinder nach Fig. 1 sofort unbrauchbar und der Verbinder nach Fig. 3 zeigte schon bei einer Verschiebung um einen Winkel von 20' bis 30' eine Bruchbeschädigung der optischen Faser.
Die Fign. 7 und 8 sind geschnittene Seitenansichten von Hülsen 43 eines zweiten und eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel bestehen der Faserstützbereich 43f der Hülse 43 und deren dem Zwischenraum 43c am vorderen Ende der optischen Faser 1a zugewandter Innenumfang aus Saphir, während andere Bereiche der Hülse 43 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aus Kupfer bestehen. Der genannte Bereich aus Saphir ist im Preßsitz in den aus Kupfer bestehenden Bereich eingesetzt und, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, durch einen an der Hülse 43 vorgesehenen Anschlag 43g positioniert.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist nur der Faserstützbereich 43f aus Saphir und ist durch Oberflächenbearbeitung am Außenumfang und der Stirnfläche, die den Innenumfang des kupfernen Bereichs der Hülse 43 bzw. den Anschlag 43g berühren, aufgerauht, um so die jeweiligen Streuflächen zu bilden.
Im folgenden werden die besonderen Effekte des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel kommt es am Innenumfang zu keinem Schmelzvorgang, selbst wenn der Laserstrahl auf den dem vorderen Zwischenraum 43c zugewandten Innenumfang auftrifft, da der Innenumfang aus hitzebeständiger anorganischer Substanz besteht.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl, der durch den Faserstützbereich 43f zum Halter 41 oder durch andere aus Kupfer bestehende Bereiche laufen soll, durch die Streuflächen 43h unregelmäßig reflektiert oder gestreut, um eine Energieabschwächung zu erreichen, wodurch keine Gefahr einer Erwärmung der optischen Faser 1a und des Anschlags 43g etc. auf eine hohe Temperatur besteht.
Fig. 9 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Hülse 43 eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die gesamte Hülse 43 aus Saphir besteht und andere Bereiche den selben Aufbau aufweisen, wie die Hülse 43 des ersten Ausführungsbeispiels (s. Fig. 5).
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Hülse 43 unter Verwendung einer opaken Substanz, insbesondere Al&sub2;O&sub3;, SiC, 3Al&sub2;O&sub3;-2SiO, den sogenannten Feinkeramiken, einstückig geformt werden, wodurch eine Massenherstellung bei geringen Herstellungskosten möglich ist.
Fig. 10 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Hülse 43 eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung, die, wie beim vierten Ausführungsbeispiel, insgesamt einstückig aus Saphir besteht, sich aber von diesem dahingehend unterscheidet, daß das vordere Ende des Faserstützbereichs 43f, d. h. die Stirnfläche 43e auf der Laserstrahleintrittsseite, der Hülse 43 unter einem Winkel u nach Art eines Kegelstumpfs zuläuft, dessen Durchmesser auf der der Stirnseite der optischen Faser 1a zugewandten Seite am kleinsten ist, wobei der Neigungswinkel u vorzugsweise die folgende Gleichung erfüllt:
u ≤ 90º - arc tan (a/b)
wobei a: die Hälfte der Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Hülse 43 und dem Durchmesser der optischen Faser ist und
b: einen Abstand zwischen der vorderen Stirnfläche der Hülse 43 und der Stirnfläche 43b des Bereichs 43f zum Stützen der optischen Faser bezeichnet.
Wenn die genannte Gleichung erfüllt ist, beträgt der Einfallswinkel u des Laserstrahls, der außerhalb des äußersten Endes der optischen Faser 1a liegt, in bezug auf die Stirnseite 43e selbst im kleinsten Fall 90º oder mehr.
Bei dem in Fig. 10 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel wird der auf die Stirnfläche 43e des Faserstützbereichs 43f auftreffende Laserstrahl zum dem dem Zwischenraum 43c zugewandten Innenumfang der Hülse 43 reflektiert, wodurch der Nachteil des Schmelzens der optischen Faser 1a vermieden wird.
Ferner ist die Hülse 43 bei diesem Ausführungsbeispiel, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, leicht einstückig zu formen, wenn sie aus Feinkeramik gebildet wird.
Alternativ kann beim vierten Ausführungsbeispiel die Hülse 43 selbst, wie die herkömmliche Hülse, aus Kupfer bestehen und der dem vorderen Zwischenraum 43c zugewandte Innenumfang kann mit einer sehr hitzebeständigen anorganischen Substanz beschichtet sein, oder es kann ein Zylinder aus dieser Substanz in der Hülse 43 eingesetzt sein.
Fig. 11 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Hülse 43 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Hülse 43 insgesamt, einschließlich des Faserstützbereichs 43f, wie die herkömmliche Hülse aus Kupfer besteht und an der vorderen Stirnfläche des Stützbereichs 43f mit einem Faserstützbereich 46 in Form eines aus Saphir bestehenden Chips versehen ist, wobei der Chip 46 zylindrisch mit einem Innendurchmesser ausgebildet ist, der ungefähr gleich dem Durchmesser der optischen Faser 1a ist, und der in den vorderen Zwischenraum 43c in Anlage an der Stirnfläche 43e des Faserstützbereichs 43f eingeschoben ist.
Ferner ist der Chip 46 wie beim vierten Ausführungsbeispiel (s. Fig. 9) nach Art eines Kegelstumpfs geformt, dessen Durchmesser an der der Stirnfläche der optischen Faser 1a zugewandten Seite am geringsten ist, wodurch eine Schrägfläche 46a (mit einem Winkel u) gebildet ist. Wenn der Neigungswinkel u derart ist, daß er die in Zusammenhang mit dem vierten Ausführungsbeispiel genannte Gleichung erfüllt, zeigt er ebenfalls den zuvor beschriebenen Effekt.
Fig. 12 ist eine geschnittene Seitenansicht einer Hülse 43 eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung, deren Grundaufbau demjenigen des in Fig. 11 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiels entspricht, mit dem Unterschied, daß der Faserstützbereich oder der Chip 46 nicht über die gesamte Fläche der Vorderseite, sondern nur über ungefähr die Hälfte der Stirnseite kegelstumpfförmig ausgebildet ist und eine Schrägfläche 46a' mit einem Neigungswinkel u bildet. Unter den gleichen Bedingungen, die bei dem vierten und dem sechsten Ausführungsbeispiel galten, zeitigt der Neigungswinkel u der Schrägfläche 46a' den selben Effekt wie die genannten Ausführungsbeispiele.
Ferner ist es bei dem sechsten und dem siebten Ausführungsbeispiel selbstverständlich möglich, die Schrägflächen 46a oder 46a' an der vorderen Stirnfläche des Chips 46 auf der Laserstrahleintrittsseite nicht aus sehr hitzebeständiger anorganischer Substanz zu bilden.
Bei dem in Fig. 11 dargestellten sechsten und dem in Fig. 12 dargestellten siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Stecker mit einer Hülse mit den Daten a: 0,75 mm, b: 3 mm und u = 76º am Eintrittsende einer optischen Faser der Stufen-Index-Art der Quartz-Reihe angebracht, die einen Kerndurchmesser von 400 um und einen umhüllten Durchmesser von 500 um aufwies, und mit mehreren zehntausend Impulsen eines YAG-Laserstrahls mit einer Impulsbreite von 8 ms und einer Ausgangsleistung von 20J beaufschlagt, wobei kein Bruch der optischen Faser auftrat.
Der Umfang der Erfindung ist mehr durch die zugehörigen Ansprüche als durch die diesen vorangehende Beschreibung definiert.

Claims

1. Verbinder für eine zum Übertragen eines Hochleistungsstrahls geeignete optische Faser, nämlich eine optische Faser mit einem Durchmesser zwischen 150 um und 1250 um, wobei der Verbinder am Ende einer optischen Faser (1a) vorgesehen ist, auf das der Hochleistungsstrahl auftrifft, wobei der Verbinder eine Hülse (43) aufweist, mit:

a) einem Bereich mit verhältnismäßig großem Innendurchmesser; und

b) einem Faserstützbereich (43f, 46);

wodurch die Hülse im Gebrauch derart an dem Ende der optischen Faser (1a) anbringbar ist, daß ein Zwischenraum (43c, 43d) zwischen dem Innenumfang des einen verhältnismäßig großen Innendurchmesser aufweisenden Bereichs der Hülse (43) und dem Außendurchmesser der optischen Faser (1a) über eine gewünschte axiale Strecke von der Stirnfläche der optischen Faser (1a) zum Faserstützbereich (43f, 46) gebildet ist, und derart, daß der Bereich (43f, 46) zum Stützen der optischen Faser die optische Faser (1a) stützt und einen Innendurchmesser aufweist, der ungefähr gleich dem Durchmesser der optischen Faser ist, wobei der Verbinder dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens der Bereich (43f, 46) zum Stützen der optischen Faser aus Saphir mit einem Schmelzpunkt von 2030ºC und einem Brechungsindex von 1,76 besteht und der eine derartige Durchlässigkeit aufweist, daß er mehr als 5% des in einer Übertragungsdistanz von 1 mm einfallenden Lichts durchläßt.

2. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem eine Stirnfläche des Bereichs (43f) zum Stützen der optischen Faser auf der Hochleistungsstrahlaustrittsseite durch Oberflächenbearbeitung derart angerauht ist, daß der Hochleistungsstrahl unregelmäßig von der Stirnfläche reflektiert wird.

3. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem der Bereich (43f, 46) zum Stützen der optischen Faser an einer dem Zwischenraum gegenüberliegenden Stirnfläche (46a) nach Art eines in Richtung der Stirnfläche der optischen Faser (1a) zulaufenden Kegelstumpfs verjüngt ist.

4. Verbinder nach Anspruch 3, bei dem der Neigungswinkel o der sich verjüngenden Fläche (46a) die folgende Gleichung erfüllt:

u ≤ 90º - arc tan a/b

wobei a: die Hälfte der Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Bereichs der Hülse (43) mit verhältnismäßig großem Innendurchmesser und dem Innendurchmesser des Bereichs (43f, 46) zum Stützen der optischen Faser und

b: die Entfernung von der äußersten Stirnfläche der Hülse (43) zur Stirnfläche des Bereichs (43f, 46) zum Stützen der optischen Faser bezeichnet.

5. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bereich der Hülse (43) mit verhältnismäßig großem Innendurchmesser aus Kupfer besteht.