用于借助于UKP激光射束将光导纤维激光焊接在孔元件中的方法以及所属的光学元件

技术领域

本发明涉及一种用于借助于脉冲激光射束、尤其UKP激光射束焊接光导纤维、尤其空芯纤维和孔元件、尤其由玻璃制成的孔元件的方法，其中，光导纤维被推入到孔元件的孔中，使得光导纤维的外圆周和孔的内圆周形成圆柱形的接合面，其中，光导纤维和孔元件在接合面的区域中借助于聚焦到工件材料中的激光射束局部地熔融并且由此彼此焊接。优选地，激光射束具有一波长，在该波长中，至少一个接合配件是透明的/部分透明的。本发明进一步涉及一种由光导纤维和孔元件组成的光学元件，所述光导纤维和所述孔元件彼此焊接。

背景技术

光导纤维例如是阶梯折射率光纤或者多包层纤维(Mehrclad-Fasern)、聚合体包层纤维(Polymer Cladded Fibre，PCF)或者空芯纤维。空芯纤维是无源传输纤维，由被以细的光玻璃结构(例如以笼构形)包围地空心的芯引导辐射。由空心的芯可以绕开玻璃毁损阈值并且抑制非线性的效应，使得可以引导更高的强度。为此，空心的芯可以具有真空。另一方面，芯的空心的内部也可以有针对性地以如例如氩气这样的气体填充。

孔元件为例如多孔砖、金属箍/玻璃套筒或者也为孔板或者孔盖。

与空芯纤维的整体连接的焊接可以例如借助于CO

此外，在空芯纤维中，芯在孔元件(例如，孔盖)的孔上基本上在中间的定位以及纤维在孔元件上的平整的定向是必需的。为了固定，这要求较高的精确度并且同时要求足够的调整自由度。对于完整的过程，因此仅仅存在着非常小的公差，以便进行成功的焊接，在所述成功的焊接中，射束质量保持不变并且实现足够的强度和/或气密性。

在EP 0 905 534 A2中描述了纤维与玻璃套筒的连接。为此，在纤维端部上在纤维和玻璃套筒之间的边界面上，纤维和玻璃套筒的材料环形地熔融，并且因此使两个工件连接。

发明内容

与之相对地，本发明提出这样的任务：提供一种不损伤纤维的焊接方法，其中，实现了光导纤维与孔元件的改善的连接。

根据本发明，该任务由此解决：使脉冲激光射束聚焦到接合面的区域上，激光射束的射束方向在圆柱形的接合面的轴向的方向上延伸，并且，使激光焦点在接合面的区域中在激光射束的射束方向上轴向运动或者与该射束方向相反地轴向运动，以便在接合面的区域中产生至少一个焊缝、尤其轴向的或者轴平行的焊缝。优选地，UKP激光射束具有带有小于50ps、优选小于1ps、尤其在飞秒范围内的脉冲持续时间的激光辐射。

这种焊接方法可以特别有利地应用到空芯纤维的焊接上。空芯纤维为光导纤维、由空心的纤维芯和纤维罩组成的光导纤维。

事实表明，由空芯纤维的较小的尺寸以及由在空芯纤维的内部的敏感的结构决定地，产生对焊接的特别的要求。尽管仅可以非常局部地引入热量，通过根据本发明的方法实现足够的强度，使得对纤维进行手工操纵用于进一步的批量生产是可能的。此外，可能的是，使焊缝精确地定位以及也使焊缝的宽度狭窄地保持。这对于空芯纤维的后来的射束质量获得是起决定作用的。焊缝不可以毁损空芯纤维的敏感的内部的结构并且因此必须比纤维罩更窄。优选地，以大约5-10μm的激光焦点直径进行加工；然后，产生的焊缝在直径上为大约50-70μm。

根据本发明的焊接方法的其它优点是连接的待良好实现的气密性。这对于空芯纤维是特别重要的，因为为了较高的峰值强度而必须给它们抽真空或者有针对性地以气体(例如氩气)填充，以便实现用于缩短脉冲的光谱加宽。

具有小于500ps、尤其在飞秒范围内的脉冲持续时间的脉冲激光射束、尤其超短地脉冲激发(UKP)激光辐射越来越多地被使用于材料加工。用UKP激光辐射进行的材料加工的特点在于激光辐射的对工件来说较高的峰值功率/峰值强度。由此决定地，在固体中可以(例如在电子和原子/离子架构之间)产生极度的热力学不平衡，其随后导致独特的损害机制或者成形机制。

背景在于借助于超短的激光脉冲对材料的局部的熔融。如果将超短的激光脉冲聚焦到玻璃、例如石英玻璃的体积内，则存在于激光焦点内的较高的强度导致非线性的吸收过程，由此，可以根据激光参数诱导不同的材料变型。通过这些非线性的吸收过程产生自由的载流子，所述自由的载流子连续在一定程度上线性地吸收。因此，局部地产生等离子体，所述等离子体构成熔融区域。如果将变型置于两个玻璃的边界面的区域中，则降温的熔融物生成两个玻璃的稳定的连接。由于非常局部的接合过程，激光诱导的电压典型地小，由此，也可以焊接在其热特性上强烈地不同的玻璃。也可以使具有部分地仍更强烈偏差的热力学特性的和机械特性的、如晶体这样的其它的透明的材料彼此焊接或者与玻璃焊接在一起。

根据本发明，在光导纤维和孔元件之间的圆柱形的接合面的区域中，由激光焦点在激光射束的射束方向上或者与该射束方向相反的进给运动产生至少一个焊缝。激光焦点的这种进给运动可以例如通过激光加工头在激光射束的射束方向上或者与该射束方向相反的运动和/或通过光导纤维和孔元件在激光射束的射束方向上或者与该射束方向相反的进给运动进行，然而，聚焦光学系统的焦距改变也是可能的。

在此，至少一个焊缝具有在光导纤维或者圆柱形的接合面的轴向的方向上的方向分量并且位于光导纤维和孔元件的接合面的区域中。至少一个焊缝也可以具有在光导纤维的圆周方向上的方向分量。为此，激光焦点在射束方向上或者与射束方向相反的进给运动可以与在圆柱形的接合面的圆周方向上的运动叠加。

为了可靠的接合连接，可以产生多个在接合面的圆周方向上彼此间隔开的焊缝。优选地，在具有最小的接合缝隙的区域中开始并且随后从此交替地继续下去。因此，焊缝连接到已经稳定地接合的焊缝上。实验表明，由此也可以跨接接合缝隙，所述接合缝隙比以单缝跨接的接合缝隙更大。

优选地，激光焦点的在射束方向上或者与射束方向相反地延伸的进给运动连续地进行，然而也可以以步进方式在单个的步骤之间具有或者没有停顿地进行。在后一种情况下，没有停顿的焊接导致，在还在前面的步骤中焊接热的材料，并且具有停顿的焊接导致，由于相对于在前面的步骤在时间上的延迟，在已经降温的材料中焊接。如试验表明的这样，与射束方向相反的连续的激光焊接尤其导致无裂纹的通常的焊缝。

优选地，在与射束射入方向相反的进给中，以在0.5mm/s至100mm/s、优选5mm/s至30mm/s的范围内、特别优选以大约20mm/s的连续的进给加工。

优选地，在焊接时，产生具有5-500μm、优选50-100μm的缝直径的焊缝。

为了增大公差范围和焊缝总宽度，替代于唯一的轴向的焊缝，在圆周位置上按次序地产生多个在横向于接合面的方向上彼此搭接的、轴向的焊缝。

可能的是，在焊接时以单脉冲工作。优选地，在焊接时以脉冲群工作，所述脉冲群具有多个单脉冲。一个脉冲列由多个单脉冲组成，其中，在脉冲列中，单脉冲具有从脉冲到脉冲的单脉冲重复率。脉冲群由至少两个单脉冲组成。在此，也存在着单脉冲重复率。此外，也存在着脉冲群至脉冲群重复率。优选地，在一个脉冲群中的单脉冲是相同的。在一个脉冲群中的单脉冲的数量为例如2和20之间、优选大约5。例如，脉冲群到脉冲群重复率可以是50-200kHz、特别优选大约125kHz并且平均的脉冲功率可以为1-20W、优选大约10W。典型地，在脉冲群中的单脉冲重复率为几MHz。

根据本发明的方法可以例如使用于将孔盖、防护盖或者端盖焊接到光导纤维上或者使用在校准接合(例如，多道放大器的反光镜)中。

本发明在另一方面也涉及一种以根据本发明的激光焊接由光导纤维和孔元件组合的光学元件，其中，光导纤维布置在孔元件的孔中并且光导纤维的外圆周和孔元件的孔的内圆周形成圆柱形的接合面，并且，其中，光导纤维和孔元件在圆柱形的接合面的区域中借助于至少一个焊缝连接，所述至少一个焊缝在圆柱形的接合面的轴向的方向上延伸。

优选地，光导纤维由玻璃结构、例如笼结构形成，所述玻璃结构包围空心的内部。由玻璃结构组成的空心的纤维芯被纤维罩包围。孔元件优选由玻璃、例如多孔砖、金属箍/玻璃套筒组成或者也为孔板或者孔盖。

由根据本发明的方法制造的光学元件在光导纤维的罩的外圆周的区域中具有焊缝。焊缝例如在相对于光导纤维或者相对于圆柱形接合面轴向或者轴平行的方向上延伸。焊缝也可以具有在纤维罩的外圆周的圆周方向上的方向分量。

附图说明

从说明书、权利要求和绘图产生本发明的主题的其它的优点和有利的构型。同样地，以上所提到的和还进一步列举的特征可以各单独地或者多个以任意的组合使用。所示出的和所说明的实施方式不可理解为穷尽的列举，而是更确切地说对于本发明的叙述而言具有示例性的特性。附图示出：

图1示意性地示出用于根据本发明地将光导纤维激光焊接在孔元件中的激光加工机；

图2示意性地示出穿过与孔元件焊接在一起的光导纤维的纵截面，其具有在圆柱形的接合面的区域中的轴向的焊缝；

图3，4示意性地示出光导纤维和孔元件的端侧的俯视图，其具有多个在圆柱形的接合面的圆周方向上彼此间隔开的、轴向的焊缝(图3)以及具有附加地连续产生的轴向的焊缝(图4)。

具体实施方式

在图1中示出的激光加工机1使用于借助于激光射束16焊接光导纤维10的外圆周与孔元件12的孔14的内圆周。优选地，激光射束16具有波长，在该波长中，至少一个接合配件是透明的/部分透明的。光导纤维10例如由玻璃、尤其石英玻璃制成，并且孔元件12例如由玻璃、尤其石英玻璃、由聚合物、玻璃陶瓷、晶体或者由它们的组合和/或以不透明的材料形成。

激光加工机1包括用于产生呈具有小于50ps、优选小于1ps的脉冲持续时间的UKP激光脉冲20形式、尤其呈飞秒脉冲形式的激光射束16的UKP激光器18以及可以在X-Y方向上运动的激光加工头22，激光射束16从所述激光加工头中射出。替代地或者附加地，也可以使待焊接的、由光导纤维10和孔元件12组成的组件运动。

在将光导纤维10推入到和定位到孔元件12的孔14中之后，使激光射束16聚焦到光导纤维10和孔元件12的圆柱形的共同的接合面24的区域中，以便使光导纤维10和孔元件12在接合面24的区域中局部地熔融并且因此彼此焊接。在此，使相对于光导纤维10或者相对于圆柱形的接合面24轴平行地定向的激光射束16的激光焦点在激光射束16的射束方向上运动或者与该射束方向相反地(即，在圆柱形的接合面24的轴向的方向上)运动，以便在接合面24的区域中产生在射束方向上延伸的轴向的焊缝26(图2)。聚焦的激光射束16的激光焦点F位于接合面24上或者在该接合面24附近位于两个部件10，12中的一个的体积中。优选地，竖直的焊缝26几乎在孔元件12的整个厚度上延伸并且因此在孔元件12的上侧和下侧前面这样终止，使得不出现材料脱出，并且实现了干净的过程。这取决于焊缝26或者焊接泡的尺寸。

在所示出的实施例中，光导纤维10仅示例性地构造为具有芯28和罩30的空芯纤维。

图2示意性地示出穿过与孔元件12焊接在一起的光导纤维10的纵截面，其具有构造在接合面24的区域中的轴向的焊缝26。激光射束16在光导纤维10的轴向的方向上照射到光导纤维10的外圆周和孔元件12的孔14的内圆周之间的接合面24上。使激光焦点F在激光射束16的射束方向(Z方向)上运动或者(如在图2中所示出地)与该射束方向(Z方向)相反地运动，使得产生激光焦点F的轴向的进给方向32或者产生与激光射束16的射束方向相反的焊接方向。这样形成的光学元件总体上以34标记。

在图3中所示出的光学元件34中，在圆柱形的接合面24的区域中(如以上所说明地)产生多个在圆柱形的接合面24的圆周方向上彼此间隔开的、轴向的焊缝26，由此，将光导纤维10焊接在孔元件12中。

如在图4中所示，替代于唯一的轴向的焊缝，在圆周位置上可以并排地连续产生多个轴向的焊缝26，所述多个轴向的焊缝在横向于接合面24的方向36上彼此搭接，以便增大焊缝总宽度并且由此增大公差范围。