de_fiber_optics_2010.pdf

Grundlagen
280
4. Faserbündel
4.7. Lichtleitstäbe und Homogenisatoren
Im Prinzip ist ein Lichtleitstab eine Einzelfaser mit einem definierten
größeren Durchmesser. Eingesetzt werden diese Stäbe, wenn der
Lichtleiter nicht flexibel sein muss. Häufige Anwendung ist dabei die
Homogenisierung des durch das Faserbündel übertragenen Lichtes.
4.8. Faserstäbe
Faserstäbe sind Bildleiter mit größerem Durchmesser. Sie werden
dann eingesetzt, wenn der Bildleiter nicht flexibel sein muss. Der
einzelne Faserstab besteht aus einer Vielzahl miteinander verschmolzener
Einzelfasern.
4.9. Länge von Faserbündeln
Die Länge eines Lichtwellenleiterbündels kann in weiten Bereichen
variieren. Sehr kurze Bauteile sind beispielsweise Lichtleitkegel, die
man in der Endoskopie einsetzt, oder auch Homogenisatoren. Die
maximale Länge eines Lichtwellenleiters wird durch die Transmissionsverluste
im Kern bestimmt. Diese sind material- und wellenlängenabhängig.
Längen bis 20 m sind verfügbar (für Details siehe
Datenblätter).
Die Transmissionsverluste werden durch die folgende Exponentialgleichung
gut beschrieben (Beer's Gesetz):
Iout = Iin x exp(-α x l)
Dabei bedeutet Iin die Lichtintensität am Fasereintritt, Iout die
Lichtintensität am Lichtleiter-Austritt, α die wellenlängenabhängige
Absorptionskonstante und l die Lichtleiterlänge.
4.10. Temperaturverhalten
Generell werden die Fasern in die Endfassungen eingeklebt. Der
Klebewerkstoff ist der begrenzende Faktor für die Temperaturbeständigkeit
des Lichtleiters. Für Hochtemperaturanwendungen bis
400 °C werden heute schon Kleber auf Keramikbasis eingesetzt.
Auch mit heißverschmolzenen Faserenden werden höhere Einsatztemperaturen
ermöglicht.
4.11. Druck
Druck ist wichtig mit Hinblick auf Flüssigkeits-, Vakuum- und Druckbehälteranwendungen.
Hier spielen wieder die Fassungen und die
Klebeprozesse eine entscheidende Rolle.
4.12. Korrosion
Die üblichen Lichtleiter-Materialien sind beständig gegen viele
Flüssigkeiten und Gase. Das gilt besonders für Quarz. Dagegen muss
auch hier mit Hinblick auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit der
richtige Werkstoff für die Fassungen und Schutzschläuche ausgewählt
werden.
4.13. Material
Die einsetzbaren Materialien für Lichtwellenleiter müssen bestimmte
physikalische Eigenschaften besitzen. Flexible Lichtleiter besitzen
eine Bündelstruktur, die durch das Ausziehen einer stabförmigen
Vorform hergestellt wird. Weiterhin muss das Material selbst geringe
Transmissionsverluste für definierte Wellenlängen aufweisen.
4.14. Glas
Häufig verwendet man Glas als Grundmaterial für Lichtwellenleiter.
Da der Begriff Glas einen sehr weiten Bereich von Materialien umfasst
(anorganische Materialien, die sich in einem festen, amorphen
Zustand befinden), werden wir uns an dieser Stelle auf oxidische
Gläser beschränken, wie sie beispielsweise in zahlreichen optischen
Bauelementen zur Anwendung kommen.
Der Hauptbestandteil des Glases, das zur Lichtleitung benutzt wird,
besteht aus SiO2. Zusätze sind zum Beispiel Boroxid und Phosphoroxid
, sowie einer Vielzahl möglicher Metalloxide wie Na2O, K2O,
CaO, Al2O3, PbO, La2O3 etc.. Mit den Zusätzen erreicht man eine
Veränderung der optischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der
numerischen Apertur. Werte von 0,57 und höher sind dabei möglich.
Die moderaten Schmelztemperaturen von Mehrkomponentenglas
erlauben wirtschaftliche Herstellungsmethoden. Für flexible Faserbündel
verwendet man Einzelfaserdurchmesser zwischen 30 und 100
µm. Den kleinsten Biegeradius erhält man durch die Multiplikation
des Einzelfaser-durchmessers mit Faktor 400–600.
Standard-Glaslichtleiter übertragen Licht in einem Wellenlängenbereich
von etwa 400 bis 1700 nm. Referenzen hierzu zeigen die
Datenblätter LIR 120.3, LA1, LB60 und LW2.
www.leoni-fiber-optics.com