专利名称：接纳二极管激光器的发射射线的光纤装置和及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于接纳二极管激光器的发射射线的光纤装置。
背景技术：
二极管激光器通常由多个所谓的二极管激光棒组成。每个二极管激 光棒在此包括多个发射极。发射极是狭窄的、矩形的半导体元件，它本 身由多个紧密邻接并排布置的半导体表面组成。该半导体表面以其狭窄 侧并排布置成一列。
二极管激光棒产生狭窄的接近矩形的激光束，它的光束特性在纵向 上与在与它垂直的轴线上的光束特性不同。由于这种不对称的光束特性 以及通常必需的用于提高二极管激光器的功率的多个二极管激光棒的 光束组合，就要求其结构成形光束，也就是说，发射射线的光束对称和
激光器。 、" "^ 、 ^
对于光束对称在现有技术中描述了不同的方案。光束变形可以借助 微型反射镜反射，通过微型棱镜透射或者也可以衍射进行。利用微型反 射镜或者微型棱镜工作的自由光束方案可以使二极管激光棒的初级的
光束质量尽可能保持。不过这种方案(例如DE 195 00 513 Cl )需要非 常精确的加工方法并且由此需要高的技术费用以及部件的复杂校准。这 种用于光束再成形或者光束成形的装置的费用由此相对较高。
光束再成形的另一种可能性在于，由单个发射极发出的激光束分别 连接到配属的光导纤维中，并且该光导纤维接着从直线形的结构再定向 到环形的结构。这种借助纤维束的光束再成形(例如EP 0 486 175 Bl ) 可以明显成本经济地实现。不过迄今使用的方案是每个具有约19个典 型的二极管激光棒的发射极以在纵向各150jLim的侧向延伸分别设置光 导纤维。由于单个的发射极的强烈不对称的辐射具有约1)imxl50iam 的延伸和约30。 x5。(半角)发散角，其直径至少必须对应发射极的 侧面延伸的圓形的光导纤维的使用必然导致鉴于在光导纤维出口处的 光束质量的过高的损失。在垂直的延伸中的光束质量沿着窄边、快光轴以这样的系数变差，该系数相当于光导纤维的直径和发射极的快光轴的
垂直尺寸的比例。因此EP 0 486 175 Bl也公开了矩形的光导纤维的使 用，其侧向的延伸对应发射极的长度。在一种实施方式中，它的垂直于 它的延伸约为30和50 jum之间。
对此替代地由WO 97/42533 Al公开了一种结构，该结构设有圆形 的光导纤维。该光导纤维在它的正对发射极的自由端以楔形布置有各矩 形的入射面。不过具有这种横截面形状的单个纤维只能以高的加工费用 制造。
由US5， 546, 487 A公开了一种结构，其中从由多个小平面(1 jumx5iim)组成的发射极(1 iumx IOOmhi)射出的激光束一皮射入多 个具有矩形横截面的光导纤维中，它垂直于侧向具有比发射极大大约 2.5至15倍的尺寸。借助布置在二极管激光棒和光导纤维之间的圆柱透 镜使从发射极射出的激光束在这个方向(垂直)对准到小于光导纤维的 垂直延伸的光束尺寸，这样光导纤维的入射面的仅一部分被照亮。因此
光束质量在快光轴的变差是其结果。
在DE 102004006932B3中描述了 一种二极管激光器，其中为发射极 配属用于从它射出的激光束的光束成形和光束导向的装置。在此发射极 在它的纵轴线(慢光轴)方向上并排布置成一列。该用于光束成形和光 束导向的装置具有多个并排布置成一列的光导纤维。每个发射极的激光 束这样连接到该光导纤维中，即为每个发射极配有多个光导纤维。为了 避免由于单个圆形横截面之间的空隙造成的光束损失，这里纤维输入横 截面以矩形的形状匹配发射极的几何尺寸。纤维在此无空隙地接触地并 排铺设。纤维光线入射面的矩形的橫截面通过热压方法实现，其中并排
布置的单个纤维同时互相材料融合地连接。
所有已公开的方案是共同的，即从二极管激光棒射出的，约10mm 宽的激光束(二极管激光棒的纵向，慢光轴)光学地分割并且几何上再 成形。不过保持光束质量的需求绝对导致非常昂贵的解决方案，它在技 术上可能难以实现并且因此非常昂贵。
光导纤维在这种情况下以其端部并排布置成一列。这种排列在技术
上只能非常昂贵地实现。所述的纤维到矩形横截面的变形同样在技术上 是昂贵的并且难以加工。此外所述的光纤的解决方案在机械上是非常敏 感的并且此外必须小心地操作。现有技术由此出发，即圆形的纤维的直线排列由于在圆形纤维横截 面之间的空隙导致光入射的损失。因此特别有利地描述了这种实施方 式，在该实施方式中，光导纤维具有这样的入射横截面，其匹配于从二 极管激光棒射出的激光束的矩形的几何形状。
发明内容
本发明的任务如下，提供一种光纤装置，它能克服现有技术的缺点。 特别是这样一种光纤装置，它可以简单并且成本经济地制造并且其中光 束对称性尽可能高效地实现，并且在尽可能保持光束质量下以尽可能小 的技术和经济的费用实现。此外本发明的任务是提供一种制造方法，利 用该方法可以制造根据本发明的光纤装置。
根据本发明的解决方案通过权利要求1的特征提供。该装置的改进
方案在从属权利要求中给出。此外通过方法权利要求22提供一种解决 方案。有利的实施变型方案在相关的从属权利要求中给出。
然后根据本发明规定，光导纤维在入射侧无规则地在压力下互相热 熔合成至少一个具有入射面的纤维楔；并且二极管激光棒的发射极直接 配给至少 一个入射面，用于完全接纳从二极管激光棒发射的激光光线。
在此根据本发明设置玻璃纤维(GOF)、聚合物光纤(POF)、石 英纤维(QQ)或者硬包层石英纤维(HCS)作为光导纤维。不过由其它 光导材料制成的光导纤维同样被本发明包括。在优选的实施方式中，应
性。由此可以允许在入射面上的高的功率密度。
这样以有利的方式提供一种光纤装置，它具有柔性的光导体。该光 导体在入射侧具有至少一个入射面，它直接配给于二极管激光棒的发射 极。由此可以以有利的方式取消附加的用于光束成形的光学元件，这样 可以避免激光光线的功率损失，并且可以降低装置在发射极-光导纤维 耦合时发热。
光导纤维此时在它的光线入射侧的端部构成纤维楔。纤维楔的配属 于发射极的入射面根据本发明具有比接近光导纤维束的未压缩的部分 的横截面更小的横截面。由此在配属于发射极的入射面的区域内，纤维 楔的高度小于在光导纤维过渡到光导纤维束的未熔合的部分的区域内。 这意味着，纤维束在入射面的区域内比在过渡区域内更强烈地压缩。楔形可以通过压缩过程自身产生，不过也可以通过楔形的壳套或者 通过相应成形的焊料玻璃元件产生。楔形是有利的，因为由此在光导纤 维的过渡区域中出现较小的内应力，并且由此可以保证单个纤维以及光 导纤维束整体的更好的耐久性。
在未熔合的光导纤维束向熔合的部分过渡的地方，如果通过负栽， 例如通过剪切力负载，则光导纤维束对于力作用通常特别敏感。利用本 发明由此避免在这样的负栽下使光导纤维的断裂。特别利用本发明实现 借助光导纤维在其上面较少压缩的楔形轮廓，在力作用下比在相同形状 压缩的光导纤维的情况下产生更有利的力梯度。在光导纤维上的力作用 由此可以"緩慢"被承载，这导致该装置的总体改善的负载性能。
入射面的光导纤维互相以预定的形状热熔合。该形状在此取决于从 发射极射出的激光光线的相应的光束几何形状。通过将激光二极管棒的 所有发射极都直接配给入射面，优选选择入射面的矩形的横截面形状， 入射面在高度和宽度上匹配激光束在入射平面内的尺寸。高度在此基本 上取决于光导纤维的接收角、发射极列的数量以及发射极沿快光轴方向 的放射特性。宽度取决于一列内发射极的数量以及在慢光轴中的放射特 性。因为可以取消中间布置的光学元件，于是可以使入射面到发射极的 发射半导体表面的距离选择得更小。由此以有利的方式实现入射面高度
上可能最小的尺寸，这考虑到了作为多个光导纤维的结合的入射面的特 性，并且另一方面保证了最优的光接納。
在压力下热熔合的光导纤维在入射面的结合中具有最小的间隙，所 谓的空隙，这样从激光二极管棒的发射极射出的激光光线可以接近无损 失地射入光导体中。在此可以避免光导纤维束在激光光线射入时被加热 并且在使用该装置时必须昂贵地冷却。这种加热在现有技术的已知的装 置中首先是存在的，如果光导纤维被粘接的话，因为在界面中的粘结剂 吸收激光光线很大的光量并且由此被加热。
利用根据本发明的装置此外规定，构成入射面的光导纤维在入射侧 上布置在壳套中，优选同由玻璃或者陶瓷制成的壳套热熔合、耐高温粘 接或者在由金属制成的壳套中借助焊料玻璃熔合、形状配合地耐高温粘 接、形状配合地在压应力下夹紧、压紧、耐高温粘接。
利用这种实施变型方案，无需如在已知的装置中通常方式所需要的 那样使入射面对发射极的排列进行繁瑣校准，因为激光光线由于由此带来的加热而不会碰到界面或者已有的粘结剂区域。壳套保证入射面在激 光二极管棒上面或前面的持久和稳定的固定，此外保证了入射面的光导 纤维在热熔合后牢固的连接。在此设有不同的壳套材料和壳套几何形 状。此外通过有针对性地从壳套施加到熔合的玻璃纤维束上的压应力抵 制了由于在熔合的玻璃纤维束内部的应力而产生的裂缝。
形光束和传输光i 。此j多个激光二;及管棒的激光光线可以l简单的方 式汇合一起，并且以任意的形状在光导体的端部射出。在此既不取决于 激光二极管棒的排列，也不取决于二极管激光器的每个激光二极管棒的 发射极。
因为典型的激光二极管棒大约并排布置19个发射极，于是从二极 管激光棒产生的激光光线在光线出口上以狭窄的接近矩形的约10mm宽 和lpm高的激光束射出。根据本发明规定，非常不对称的光束几何形 状匹配于分别规定的应用，其中光束成形可以在输出侧毫无问题地采用 必需的光束几何形状。例如正方形或者圆形的形状是可以的，不过虛线 形或者波浪形的或者其它匹配的光束形状也是可以的。该光束形状可以 以简单的方式通过光导纤维在光导体的出口上的相应排列产生或者通 过与相应的耦合件的组合产生。
通过将纤维束的高度降低压缩到其原始量的约75%是有利的，由此
使存在于原始束中的空隙最小或者完全避免。纤维束的楔形的体积减小 在壳套内部实现。楔形的角度和尺寸通过壳套的内部轮廓的结构构造预 先设定。
楔形可以通过利用楔形的变形工具进行变形过程来实现。替代此方 案已经证明是有利的，即变形通过在壳套壁和纤维束之间楔形地压入焊 料玻璃来实现。
因为在熔合的和未熔合的玻璃纤维之间的过渡区域由于热应力可 能机械上非常不稳定，并且熔合的纤维束在外部负载的作用下容易断裂 或形成裂缝，则如果该过渡区域完全布置在包围的壳套内部是特别有利
在此已经证明对特定的应用是有利的，即壳套至少由两个壳套件组 成，并且该壳套件可以借助连接工艺互相装配，优选通过螺紋连接、卡 接、铆接、焊接或者粘接。
9根据本发明的装置的另 一 个优点是，由于其在热熔合时的无规则的 排列，光导纤维可以无需事先预成形而应用。根据本发明规定，光导纤 维束的光导纤维在入射侧在横截面中具有最紧密封装的结构，优选六角 形的最紧密封装的结构。光导纤维在热熔合时在压力下获得最紧密的封 装的形状。在优选的实施方式中，入射面在横截面中具有六角形的最紧 密封装的结构。该结构因此已经证明对激光光线的无损失的接纳是特别 有利的。在此有利的是该结构可以简单且在工具上无需附加费用地制 造，这样可以无需附加费用地实现在光学条件上最优匹配的装置。此外 对于根椐本发明的装置，可以看出是以有利的方式成本经济的，即同样 可以取消光导纤维的预定排列，如无需其预定的形状。特别是光导纤维 不需要直线地布置成一列，由此取消了巨大的匹配和调整费用。最后此 外是有利的是，该根据本发明的光纤装置是机械结实的并且由此可以应 用于多种应用目的。
本发明的 一种改进方案由此实现，即激光二极管棒的激光光线可以 射入多于一个光导纤维束并且传输到至少一个使用地点。由此可以，为 激光二极管棒的预定数量的发射极配属一个或者多个光导纤维束，由此 无需大的费用可以组合多个二极管激光棒的光束，以在应用位置获得足 够的光束强度。此外可以，激光光线对应其配属关系，在光导纤维束中 传输到 一个共同的或者多个空间上彼此分离的使用地点。在此有利的 是，该装置由此可以多方面地应用，其中激光光线通过光导纤维束在光 导体的输出侧的端部上的排列最优地成形。由此此外可以使较弱照明的 光导纤维束与较强照明的光导纤维束混合，这样射出的光线在射出面上 具有均匀的光线分布。以有利的方式此外规定，光导纤维束的激光光线 的光路在使用地点可以借助附加的光学元件改变。这可以获得二极管激 光器对希望的应用有效利用光线功率。在此规定，在一个或者多个光导 纤维束的出口上的激光光线可以对应规定的使用地点、使用地点与此相 关的表面特征或者希望的使用方式可聚焦地、可对准地、发散或者以其 它的方式为照射比光线射出面更大或者更小的表面而改变。通过二极管 激光棒的光束在多个光导纤维束上的配属关系，此外可以使该光束应用 在多个空间上分离的应用地点上。
根据本发明的装置的一种改进方案由此实现，即光导纤维束可以容 纳在柔性的光缆中。借助这样提供的装置保证了 二极管激光棒不必直接应用在使用地点。相反使这样一种光束传输成为现实，即在此可以使热 量产生和由此必需的二极管激光棒的冷却到应用地点足够远地布置，无 需在此取消必需的柔性。特别对于使用地点在使用中必须在空间上改变 的应用目的，于是保证高的柔性的光束传输是最优的。传输的光束可以 利用规定的柔性的光缆在几乎每个距离上并且无限制地匹配任意的空 间特定，并且在输出侧相应地尽可能无损失地得到应用。这种柔性的光 束传输对激光束是特别有利的，并且利用已知的现有技术的可能性不能 保证。
此外光导纤维束根据本发明容纳在柔性的光缆中。光导纤维束本身 由几百至几千根具有小的直径的单个纤维组成。它们可以单个或者成组 布置，其中在光导纤维束的输出侧的端部上设置对相应的应用有利的纤 维排列。
根据本发明的装置的一种优选的实施方式由此提供，即在光缆中设 有至少一个附加的管路用于机械的、电的、气动的和/或液压的机构，优 选用于布置拉应力消除元件、电缆、空气软管和/或冷却液软管。这可以 在一个电缆中在空间上最佳地布置特定应用目的的所谓的供给和排出 元件，此外无需在此明显限制光导体的输出端的可运动性，就提高了光 缆的稳定性。
根据本发明的装置的一种优选的实施方式由此提供，即光缆具有外 侧的、优选密封防灰尘的包壳。单个的光导纤维束的布置可以以这种方 式最优地保护防止外部的机械影响和污染。此外实现了，该装置按照应 用可以简单和成本经济地清洁。该包壳此外设置用于将光导纤维以及根 据本发明的其它元件保持在一起。
在此根据本发明此外规定，光缆利用热塑性的填充材料填充，在该 填充材料中容纳有光导纤维束、管路和/或拉应力消除元件。由此单个的 光导纤维束以及附加的元件在光缆中以有利的方式互相保持距离，这样
可以避免互相的机械影响。该填充此外对外提高了损伤保护。
光导体的一种优化的设计方案由此实现，即光导纤维束本身分别利
用初级的包壳包围。由此光导纤维束不会分散成纤维，这样在该装置的 制造以及后面应用时避免了光导纤维的损伤。
一种特别优选的，可简单制造的实施方式由此提供，即包壳包括预 加工的和/或在线挤出的软管。在此已经证明是有利的，即包壳由热塑性
11塑料、优选可挤出的塑料制成或者由可硫化的弹性体制成。由此提供了 一种装置，对于该装置来说，玻璃纤维束或者光导体的包壳不仅是可以 预加工的，而且也可以在制造时在线挤到材料中。根据本发明设置PVC、 热塑性的聚氨酯、热塑性的弹性体、硅橡胶或者类似物作为材料。
一种优选的实施方式由此规定，即光导纤维束以及单个的或者所有 附加的元件在其制造时在线挤到材料中，而这个单个线缆连同填充材料 插入预加工的软管中。由此使光导体在使用寿命期间同样可以维护、在 光导体中更换或者添加单个元件。利用这种实施方式，也可以以有利的 方式使光导体对不同的应用的任意加工在线制造。也就是说，在制造期 间，光导纤维束或者附加的元件的数量或者选择可以在连续不断的光导 体中无需特别附加的中断而改变。
该装置的一种特别有利的实施方式由此实现，即光导纤维束具有在
d《8mm的范围内的直径，优选在2到5mm之间。在此已经证明是特别 有利的，即光导纤维束具有单个纤维，并且所述单个纤维具有在30jum 到100inm之间的直径。
为了激光光线到光导体中的最优的耦合，根据本发明规定，所应用 的纤维的数值口径在NA = 0.10到NA-0.87的范围内，优选为NA = 0.66。由此保证在光导纤维束上的入射面的最优的光学的条件，这对有 利的激光光线耦合是必需的。此外在此规定，接收角大于或等于从二极 管激光棒沿着"快光轴，，发射的射线的开口角。以这种方式尽可能避免， 在激光光线射入入射面时产生功率损失，其中提供的光线可以尽可能完 全射入光导体中。
一种有利的实施方式由此获得，即光导纤维束具有d = 2.8mm的直 径并且由大约1300根具有70|im直径的单个纤维组成。此外根据本发 明规定，光导纤维束的光导纤维在由玻璃、陶瓷和/或金属制成的壳套中 在热压方法之前借助高温粘结剂粘接。这可以获得对激光二极管棒的几 何尺寸的最佳匹配，以及由对二极管激光器的光束几何尺寸的最优匹 配。在此已经证明是特别有利的，即该粘结剂是环氧树脂或者聚硅氮烷 或者陶瓷粘结剂 在此本发明包括，对应用的树脂使用Ti02或者其它 的无机填充材料。这种组合的优点首先是提高的温度稳定性、较高的反 射率以及激光束在粘结剂材料中的较小的透入深度。
有利的根据本发明的光导体由此提供，即光导纤维束在入射面上具有约10- 12mm的宽度和约0.2-0.7mm的高度。
根据本发明的用于制造光纤装置的方法包含下面的步骤
-清洁金属的或者玻璃的壳套，去除预加工产生的脂类或者油类的
残留物；
-将纤维束插入壳套中；
-加热壳套直至达到光导纤维的软化点；
-在通过冲压工具在壳套上施加力的情况下热压壳套。
对此替代地或者补充地根据本发明规定，壳套在内侧和/或外侧利用
高温隔离物质涂装。以有利的方式由此实现光导纤维的有利的加热，即
壳套的加热借助可感应式加热到约45(TC至750'C的冲压工具进行。此
外利用本发明有利的是，优选在整个宽度上和优选约10-15mm的长度
上借助沖压工具使壳套高度降低。
在此根据本发明规定，壳套是管段。在此已经证明是有利的，即光
导纤维束被扇状散开成多层的纤维带并且接着插入壳套中。
此外根据本发明还使用深拉壳套。此时规定，光导纤维束作为圆形
束插入壳套中，并且在压制过程中对应壳套的内部形状重排。
根据本发明使用多件式的壳套，优选具有上部件和下部件，由此建
议，光导纤维束被重排成多层的纤维带，接着放入壳套件中，并且壳套
在压制过程之前或之后通过安放和连接对应一致的壳套件，优选通过卡
接、螺紋连接、钎焊、熔焊、铆接来封闭。
已经证明是特别合适的，即要变形的壳套被固定在支座中并且接着
沿轴向压到预热的冲压工具上，该冲压工具具有楔形延伸的缝隙，通过
该缝隙使壳套楔形地变形。
在该方法的一种有利的变型方案中规定，在加热的壳套和插入壳套 中的光导纤维束之间压入焊料玻璃段，并且在压制过程中在变软的光导 纤维上施加附加的径向力，通过该力使纤维六角形地互相无间隙地变形。
根据本发明规定，壳套或者焊料玻璃段可以具有不同的形状。已经 证明，对于壳套和焊料玻璃段而言，矩形的、椭圆形的或者六角形的形 状是有利的。不过本发明也包括任意其它合适的形状。
利用本发明以有利的方式实现，尽可能完全接纳一个或者多个二极 管激光棒发射的射线。光导纤维束的入射面匹配于从二极管激光棒发射的射线的形状，其中光导纤维束为此热熔合并且在壳套内耐高温粘接。 激光射线可以由此以小的损失传输到使用地点，并且在那里光导体良好 操纵使用。这具有高的柔性，这样输出端可以自由运动。在光导体的输
出端上可以以几乎任意的几何形状提供激光射线。
可以有选择地简单且无需明显限制光导体的运动性地，在光缆中除
了光导纤维束之外布置附加的元件，例如用于供电、控制开关过程和传 感器以及用于输送冷却液。 一个或者多个在光缆中的拉应力消除元件此 外改善了它的操纵性。该装置可以利用根据本发明的制造方法此外简 单、成本经济且大量成批制造。在制造时同样可以取消繁瑣的校准过程， 如在使用附加的光学元件那样，这使该装置对机械的影响显著更敏感。 特别可以取消在现有技术的二极管激光棒的情况下经常使用的"快光轴
校准"透镜(FAC透镜)。
下面本发明借助
。图中示出
图1在橫截面中示出了二极管激光棒连同光导体的示意的侧视图； 图2是光缆的横截面图，其中a)为圆形的实施方案，b)为椭圆形 的实施方案；
图3是壳套的示意图，其中a)作为管段；b, c)作为深拉件；d、 e、 f)作为冲压件；
图4示出了用于a)两件式壳套以及b)单件壳套的制造方法的沖 压模具。
附图标记列表
1 装置
2 二极管激光棒
3 光导体
4 发射极
5 激光光线
6 入射面
7 光导纤维束
8 光导纤维
149 壳套
10 包壳
11 电缆
12 去拉力线缆
13 填充材料
14 外部包壳
15 上部件
16 下部件
17 冲压工具
18 冲压工具
19 压模上部件
20 压模下部件
21 放入位置
具体实施例方式
图1示出了具有二极管激光棒2和位于它对面的光导体3的装置1 的示意的侧视图。该示意图在横截面中示出了这种结构。在此从二极管 激光棒2的发射极4射出的激光光线5被射入矩形的入射面6上。
入射面6在光导纤维束7的输入侧的端部上由布置在壳套9中的单 个光导纤维8构成。光导纤维束7利用入射面6配给具有发射极4的二 极管激光棒2，使激光光线5的光束几何尺寸尽可能完全照射入射面6。
光导纤维束7具有互相热熔合的光导纤维8，它们在热压过程之前 插进壳套9并且接着利用壳套9压紧。壳套9由此在位于发射极4对面 的端部成形为矩形的缝隙形状。根据本发明对此使用铜壳套。这种壳套 9的根据本发明的实施方案例如在图3中说明。
这样成形的光导纤维束7因此具有以材料融合方式互相连接的光导 纤维8,它们在壳套9中借助高温粘结剂粘接。合适的粘结剂在这里建 议从氧化钛填充的聚硅氮烷族中选择。本发明同样可以包括其它的合适 的粘结剂。
在所示的实施方式中，壳套9的矩形缝隙的横截面在热成形过程中 减小到原始表面的大约75%,这样光导纤维8形状配合连接地互相熔 合。此时纤维获得最紧密的封装，该封装优选制成六角形的封装。在原
15来圆形的光导纤维之间的空隙此时几乎完全消除。在冷却时，壳套9进 一步收缩到以这种方式熔合的光导纤维束7上，并且将光导纤维束7固 定到壳套9内。
被选择为约12mm宽和0.2-0.7mm高。这种批量制造的优点在于，入 射面6具有热熔合的玻璃纤维的公开宣称的良好的温度稳定性。入射面 6在玻璃纤维8之间没有明显的吸收的间隙。
利用本发明可以取消光导纤维的确定的排列，特别是避免了如在现 有技术中所述那样在制造技术上繁瑣地将光导纤维在排成一列。
从发射极4以60。的角度放射的激光射线在约lMm的发射表面高 度的情况下，沿着快光轴从入射面6在其间隙高度为0.2-0.7mm的壳 套9的输入侧间隙上被多个单个的光导纤维8所接纳。每个光导纤维8 由此只承担激光二极管棒2或者发射极4的总发射功率的相应份额。光 导纤维8因此不必例如通过附加的涂层专门防止纤维断裂。因此可以使 用价格便宜的具有通常3 - 5%的纤维断裂率的多组分玻璃纤维束。由此 相比现有技术中初步整理或者预成形的光导纤维和由这制成的光导纤 维束而言，能够明显成本经济地提供所述装置1。
由于壳套的足够大的缝隙高度，以及在入射面6的入射平面内的多 个光导纤维8，装置1在发射极4的发射表面之前的校准可以以比较大 的距离实现。由此可以完全取消校准光学系统，即所谓的FAC透镜，这 进一步明显降低了制造费用。
根据本发明的装置1的加工由此简化。此外可以获得装置1的好的 自动化加工。装置1因此可以成批地并且大量地制造。
图2a示出了圆形的光缆3的横截面图，并且图2b示出了椭圆形实 施方式中的相应的光缆3。在此光导纤维束7并排布置。光缆3除了具 有光导纤维束7还具有附加的元件11和12。在所示实施方式中它们是 电缆11以及去拉力线缆12。此外本发明同样包括这里未示出的供给线 缆和排出线缆或者为此所需的元件。
光导纤维束7以及元件11和12都被容纳在包壳10中，并且此外 连同填充材料13被外部包壳14保护。在此光导纤维束7以及元件11 和12根据装置的应用以及此时要求的光缆3的性能选择进行布置。这 两个这里所示的光缆的实施方式在此只是示例。除了圆形和椭圆形的实施方式，本发明同样包括带状线缆的方案以及其它形状。在此这种形状 以有利的方式在光缆3的长度上变化，这样可以在光导体中实现弯曲和 运动区域。
光纤的光缆3由此由外侧的密封防灰尘的包壳组成，在该包壳中布 置有多个光导纤维束7,光导纤维束7取决于要入射的激光二极管棒2 的数量。该光导纤维束7本身分别利用初级的包壳10包围。初级的包 壳IO和外侧的包壳14都可以由预加工的软管制成，光导纤维束7以及 附加的元件11和12可以插入该软管中。
已经证明，包壳10和14由热塑性塑料制成是特别有利和成本经济 的，该热塑性塑料首先围绕光导纤维束挤出，并且由此制造的初级线缆 在第二步骤中挤到共同的外侧的包壳中，该包壳同样由热塑性塑料制 成。除了光导纤维束7，由此附加的元件11、 12也可以容纳在光缆3中。
附加的元件11、 12此外也指用于开关机构和监控机构的供电电缆、 用于输送冷却液的软管管路或者拉应力消除元件。剩余的空腔大多利用 热塑性的填充材料填充。
所应用的光导纤维束7的尺寸取决于希望的入射面6。可以使用具 有2至5mm直径的光导纤维束7。光导纤维束7对应光导纤维束直径， 由几百到几千根具有在30lum到100)im之间的直径的单个光导纤维8 组成。所应用的光导纤维束7的接收角对于二极管激光器的应用波长范 围内的光线处在30。和110°之间，并且大于或等于从二极管激光棒2 沿着"快光轴"发射的射线的开口角。由此保证发射射线完全通过光导 体3传播。
在所示实施方式中，所述初级的光导纤维束7具有约2.8mm的直径， 并且由大约UOO根具有70mhi的直径的单个光导纤维8组成。所应用 的光导纤维8的数值口径为NA-0.66,这对应80°的接收角。
在图3中示出了不同的壳套，它根据本发明设置用于入射面6。图 3a示出了作为管段的壳套9。光导纤维束7的光导纤维8在此被集合并 且插入壳套9中。接着壳套9连同光导纤维8被加热并且压在一起。图 3b示出了作为深拉件的壳套9，其中对应图3a进行加工。图3c同样示 出了作为深拉件的壳套9，图3d、 3e和3f示出了作为沖压件的壳套9， 其中在这些实施方式中，光导纤维被放入壳套中。对于壳套9，在按照 图3c的情况下，光导纤维束7在入射面6上如前面所述减小，而其它的实施方式是两件式的，具有上部件15和下部件16。在制造激光束的 入射面6时，事先放入下部件16中的单个光导纤维8利用上部件15固 定，并且上部件和下部件15、 16连同位于中间的光导纤维一起被加热 并压在一起。此时如在前面所述的壳套9中一样，将光导纤维束7的横 截面减小约25%。
图4示出了用于将不同的壳套9的压在一起的对应的冲压工具17、 18。其中图4a示出了用于两件式壳套9的冲压工具17。冲压工具17具 有压模上部件19和压模下部件20，它们可以相对彼此滑动并且在力作 用下将放入的壳套9压在一起。为此要在放入位置21处放入在附图中 未示出的持距件。壳套9由此在沖压时获得取决于放入的持距件的高度 的形状。
图4b示出了用于单件的壳套9的相应的沖压工具18。光纤装置1 因此以这种方式制造，即首先将金属的或者玻璃的壳套9清洁掉预加工 的脂类或油类的残留物，并且接着在内部和外部利用高温隔离物质，优 选利用氮化硼涂装。光导纤维束7被插入或放入这样准备好的壳套9中。 接着壳套9连同光导纤维8被加热。壳套9的加热优选借助感应产生的 热量进^"到约750。C的温度。对此必需的加热元件可以集成在沖压工具 中或者单独布置。
在加热后，壳套9和光导纤维8在壳套上施加有力的情况下通过冲 压工具17、 18热压，此时光导纤维8互相熔合。在此优选在整个宽度 上和优选约10-15mm的长度上，借助冲压工具17、 18使壳套高度降 低。
对于制成为管段的壳套9，光导纤维束7被扇状散开成多层的纤维 带并且接着插入壳套9中。对于制成为深拉壳套的壳套9，光导纤维束 7作为圓形束插入壳套9中，并且在压制过程中对应壳套的内部形状重 排。对于制成为具有上部件和下部件15、 16的两件式壳套9的壳套9， 光导纤维束7被重排成多层的纤维带，接着放入壳套下部件15中，并 且壳套9在压制过程前通过安放和卡住壳套上部件16而与壳套下部件 15封闭。
接着要变形的矩形的壳套被固定在支座中，并且沿轴向压到预热的 冲压工具上。在此沖压工具具有楔形延伸的缝隙，通过该缝隙使矩形的 壳套9楔形地变形。200810185977.X
对于制造已经证明是有利的是，在加热的壳套9和插入壳套9中的 光导纤维束7之间压入矩形的焊料玻璃段，并且在压制过程中在变软的 光导纤维8上施加附加的径向力，通过该径向力使光导纤维变形为六角 形的并且由此互相无间隙地布置。
权利要求
1. 用于接纳二极管激光器的发射射线的光纤装置，该二极管激光器具有至少一个包括多个发射极的二极管激光棒，上述发射极沿着其纵轴线方向并排布置成至少一列，所述光纤装置具有至少一个配属于二极管激光棒的光导纤维束，激光束射入到该光导纤维束中，其中每个发射极配有多个光导纤维，其特征在于，所述光导纤维在入射侧无规则地在压力下互相热熔合成至少一个具有入射面的纤维楔；并且将二极管激光棒的发射极直接配给至少一个入射面，以完全接纳从二极管激光棒发射出的激光光线。
2. 根据权利要求1所述的光纤装置，其特征在于，所述构成入射面 的光导纤维在入射侧布置在壳套内，优选-与由玻璃或者陶瓷制成的壳套热熔合、耐高温粘接或者 -在由金属制成的壳套中借助焊料玻璃熔合、形状配合地耐高温粘 接、形状配合地在压应力下夹紧、压紧、耐高温粘接。
3. 根据权利要求1至2中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述壳套至少由两个壳套件构成；并且所迷壳套件能够借助连接工艺互 相装配，优选通过螺紋连接、卡接、铆接、焊接或者粘接。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述光导纤维束的光导纤维在入射侧在横截面中具有最紧密封装的结 构，优选六角形的最紧密封装的结构。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述激光二极管棒的激光光线能够射入多于一个光导纤维束中，并且能 够传输到至少 一个使用地点。
6. 根据权利要求5所述的光纤装置，其特征在于，所述光导纤维束的激光光线的光路在使用地点上能够借助附加的光学元件改变。
7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述光导纤维束能够容纳在柔性的光缆中。
8. 根据权利要求7所述的光纤装置，其特征在于，在所述光缆中设 有至少一个附加的管^各，用于机械的、电的、气动的和/或液压的机构， 优选用于布置拉应力消除元件、电缆、空气软管和/或冷却液软管。
9. 根据权利要求7和8中任意一项所迷的光纤装置，其特征在于， 所述光缆具有外侧的、优选密封防灰尘的包壳。
10. 根据权利要求7至9中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述光缆利用热塑性的填充材料填充，在该填充材料中容纳有光导纤维 束、管路和/或拉应力消除元件。
11. 根据权利要求7至io中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述光导纤维束本身分别利用初级的包壳包围。
12. 根据权利要求7和11中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述包壳包括预加工的和/或在线挤出的软管。
13. 根据权利要求7至12中任意一项所述的光纤装置，其特征在于， 所述包壳由热塑性塑料、优选可挤出的塑料或者由可硫化的弹性体制 成。
14. 根据权利要求1至13中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述光导纤维束具有在d《8mm的范围内的直径，优选在2到 5 mm之间。
15. 根据权利要求1至14中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述光导纤维束具有单个纤维；并且所述单个纤维具有在30 M m到100 ju m之间的直径。
16. 根据权利要求1至15中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所应用的纤维的数值口径在NA-0.10到NA-0.87的范围内， 4尤选为NA = 0.66。
17. 根据权利要求16所述的光纤装置，其特征在于，所述接收角大 于或等于从二极管激光棒沿着"快光轴"发射的射线的开口角。
18. 根据权利要求1至17中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述光导纤维束具有d = 2.8mm的直径，并且由大约1300根具 有70 m m直径的单个纤维构成。
19. 根据权利要求1至18中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述光导纤维束的光导纤维在由玻璃、陶瓷和/或金属制成的壳 套中在热压方法之前借助高温粘结剂粘接。
20. 根据权利要求2至19中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述粘结剂是环氧树脂或者聚硅氮烷或者陶瓷粘结剂。
21. 根据权利要求1至20中任意一项或多项所述的光纤装置，其特 征在于，所述光导纤维束在入射面上具有约10-2mm的宽度和约0.2 一 0.7mm的高度。
22. 用于制造根据前述权利要求中任一项所述光纤装置的方法，包 含下面的步骤-清洁金属的或者玻璃的壳套，去除预加工产生的脂类或者油类的 残留物；-将纤维束插入壳套中；-加热壳套直至达到光导纤维的软化点；-在通过冲压工具在壳套上施加力的情况下热压壳套。
23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述壳套在内侧和 /或外侧利用高温隔离物质涂装。
24. 根据权利要求22或23中任意一项所述的方法，其特征在于， 所述壳套的加热借助可感应式加热到约45(TC至750。C的冲压工具进行。
25. 根据权利要求22至24中任意一项或多项所述的方法，其特征 在于，优选在整个宽度上和优选约10-15mm的长度上借助冲压工具使所述壳套高度降低。
26. 根据权利要求22至25中任意一项或多项所述的方法，其中所述壳套是管段，其特征在于，所述光导纤维束被扇状散开成多层的纤维 带并且接着插入壳套中。
27. 根据权利要求22至25中任意一项或多项所述的方法，其中所 述壳套是深拉壳套，其特征在于，所述光导纤维束作为圆形束插入壳套 中，并且在压制过程中对应壳套的内部形状重排。
28. 根据权利要求22至25中任意一项或多项所述的方法，其中所述壳套至少由两个壳套件组成，其特征在于，所述光导纤维束被重排成 多层的纤维带，接着放入壳套件中，并且壳套在压制过程之前或之后通 过安放和连接对应一致的壳套件，优选通过卡接、螺紋连接、钎焊、熔 焊、铆接实现封闭。
29. 根据权利要求22至28中任意一项所述的方法，其特征在于， 要变形的壳套被固定在支座中，并且接着沿轴向压到预热的沖压工具 上；该冲压工具具有楔形延伸的缝隙，通过该缝隙使壳套楔形地变形。
30. 根椐权利要求22至29中任意一项所述的方法，其特征在于， 在已加热的壳套和插入壳套中的光导纤维束之间压入焊料玻璃段，并且 在压制过程中在变软的光导纤维上施加附加的径向力，通过该径向力使 纤维六角形地互相无间隙地彼此成形。
全文摘要
本发明涉及一种用于接纳二极管激光器的发射光线的光纤装置及其制造方法。即提供一种光纤装置，尽可能有效地并以尽可能小技术和经济费用在尽可能保持光束质量的情况下实现光束对称性。一种用于接纳二极管激光器的发射射线的光纤装置，该二极管激光器具有至少一个包括多个发射极的二极管激光棒，发射极沿着其纵轴线方向并排布置成至少一列，所述光纤装置具有至少一个配属于二极管激光棒的光导纤维束，激光束射入到该光导纤维束中，每个发射极配有多个光导纤维，其特征在于，光导纤维在入射侧无规则地在压力下互相热熔合成至少一个具有入射面的纤维楔；并将二极管激光棒的发射极直接配给至少一个入射面，以完全接纳从二极管激光棒发射的激光光线。
文档编号G02B6/42GK101464546SQ20081018597
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者M·埃特尔, T·赖彻特, T·韦因加特纳 申请人:肖特股份有限公司