DE102008034791B4

DE102008034791B4 - Preformen und Verfahren zur Herstellung von seitenemittierenden Stufenindexfasern

Info

Publication number: DE102008034791B4
Application number: DE102008034791.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schultheis; Bernd Hoppe; Dr. Wolff Detlef; Axel Curdt; Dr. Alkemper Jochen; Dr. Henze Inka; Dr. Ritter Simone Monika
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2028-07-26
Also published as: DE102008034791A1

Abstract

Preform (10) zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend einen Kernstab (11) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n1und ein Hüllrohr (12) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n2, wobei das Hüllrohr (12) den Kernstab (11) entlang der Kernstabachse umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) im wesentlichen parallel zur Kernstabachse zumindest ein Inlaystab (13) oder ein Inlayrohr (131) aus einem Glas angeordnet ist, das den Brechungsindex n3aufweist und in welches Streuzentren eingelagert sind, die durch inhomogene Bereiche desjenigen Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind.

Description

Die Erfindung betrifft Preformen und Verfahren zur Herstellung von seitenemittierenden Stufenindexfasern.
Als Stufenindexfasern werden lichtleitende Fasern verstanden, wobei die Lichtleitung in dem Faserkern durch Totalreflektion des in dem Kern geleiteten Lichts an dem den Faserkern entlang der Faserachse umschließenden Mantel erfolgt. Die Totalreflektion tritt dann auf, wenn der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der das Licht leitende Faserkern. Allerdings ist die Bedingung der Totalreflektion nur bis zu einem Grenzwinkel des auf den Mantel treffenden Lichts möglich, der von den Brechungsindices von Kern und Mantel abhängig ist. Der Grenzwinkel β_Min, d.h. der kleinste Winkel, bei dem noch die Totalreflektion auftritt, kann berechnet werden durch sin(β_Min) = n₂ / n₁, wobei β_Min von einer Ebene senkrecht zur Faserachse gemessen wird, n₁ den Brechungsindex des Faserkerns und n₂ den Brechungsindex des Mantels repräsentiert.
Im allgemeinen wird eine möglichst gute Führung des Lichts in der Faser angestrebt, d.h. es soll möglichst wenig Licht bei der Einkopplung in die Faser und bei dem Transport in der Faser verloren gehen. Eine seitenemittierende Stufenindexfaser ist eine Stufenindexfaser, bei der absichtlich Licht aus dem Faserkern und aus der Faser ausgekoppelt wird. Im allgemeinen ist eine gleichmäßige Auskopplung erwünscht, welche eine seitenemittierende Stufenindexfaser im Idealfall als ein gleichmäßig leuchtendes Band oder Linie erscheinen lassen. Dies macht sie für mannigfaltige Anwendungen insbesondere in der Beleuchtungstechnik interessant.
Seitenemittierend im Sinne der Erfindung heißt, dass die Faser in der Lage ist, Licht seitlich zu emittieren, unabhängig davon, ob sie im Betrieb ist, d.h. ob tatsächlich eine Lichtquelle angeschlossen und das Licht eingeschaltet ist.
Die Fasern werden wie allgemein bekannt mit Hilfe von Faserziehprozessen hergestellt, wobei zumindest die Preform des Faserkerns bis zur Erweichungstemperatur des Materials der Preform bzw. des Faserkerns oder darüber hinaus erwärmt und eine Faser ausgezogen wird. Die Prinzipien des Faserziehprozesses sind beispielsweise in den deutschen Patenten DE 103 44 205 B4 und DE 103 44 207 B3 ausführlich beschrieben.
Vielfältige Methoden zum Erzeugen des Effekts der Seitenemission sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine bekannte Methode ist, für eine Lichtauskopplung im Faserkern zu sorgen.
Die japanische Offenlegungsschrift JP H09-258028 A offenbart seitenemittierende Stufenindexfasern, bei denen die Lichtauskopplung durch einen unrunden Kern erzeugt werden soll. Die Auskopplung erfolgt, wenn Licht unter Winkeln auf die Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel trifft, welche kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflektion β_Min sind. Durch die beschriebenen unrunden Kerngeometrien, beispielsweise quadratische, dreieckige oder Sternformen, werden in dem Kern geometrische Bereiche erzeugt, in denen ansonsten durch Totalreflektion geleitetes Licht ausgekoppelt werden kann. Die Erzeugung von seitenemittierenden Fasern durch solche Kerngeometrien ist allerdings mit dem Problem behaftet, dass die Auskopplung des Lichts in diesem Fall sehr ineffizient ist. Das Licht wird in der Faser im wesentlichen unter sehr flachen Einfallswinkeln zum Mantel geleitet, und die beschriebenen Kerngeometrien erstrecken sich entlang der Faserachse. Demnach gibt es kaum Flächen, bei welchen β_Min unterschritten wird. Ferner ist es sehr aufwendig, die in der JP H09-258028 A offenbarten Kerngeometrien für Fasern aus Glas einzusetzen, weil es sehr schwierig ist, entsprechende Preformen, wie sie für den Faserzug benötigt werden, herzustellen. Darüber hinaus ist gerade bei Glasfasern die Bruchfestigkeit solcher Fasern mit unrunden Faserkerndurchmessern stark herabgesetzt. Wahrscheinlich offenbart diese Schrift aus diesem Grund auch nur Fasern aus Polymeren.
Eine weitere Methode, das Licht aus dem Faserkern auszukoppeln, wird in der US 4,466,697 A beschrieben. Demnach werden Licht reflektierende und/oder streuende Partikel in den Faserkern gemischt. Hierbei gestaltet es sich schwierig, längere Fasern mit gleichmäßig seitenemittierenden Eigenschaften herzustellen, da die Lichtleitung im Kern durch die beigegebenen Partikel im Kern durch Absorption abgeschwächt wird, da es keine vollständig streuenden Partikel gibt, sondern nur solche, die nur nahezu das gesamte auftreffende Licht streuen. Weil die Wahrscheinlichkeit bei gleichmäßig im Kern verteilten Partikeln sehr hoch ist, dass das im Kern geführte Licht auf solche Partikel trifft, ist auch die Absorptionswahrscheinlichkeit sehr hoch, selbst wenn die Gesamtzahl der Partikel klein ist. Dadurch ist der Auskopplungseffekt auch nur sehr schwer zu skalieren, was reproduzierbare Ergebnisse im Faserzug zumindest für Fasern über 3 m Länge extrem aufwendig bis nahezu unmöglich werden lässt, zumindest, solange Glasfasern hergestellt werden sollen.
Unter Skalierbarkeit im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird die Möglichkeit des gezielten Einstellens des Seitenemissionseffekts über die Länge der Faser verstanden. Dies ist notwendig, weil Faserlängen für verschiedene Anwendungen sehr stark variieren können, aber eine möglichst gleichmäßige Intensität des Leuchtens über die gesamte Faserlänge erzielt werden soll.
Alternativ zur Auskopplung des Lichts direkt aus dem Faserkern können seitenemittierende Eigenschaften bei Fasern auch durch Effekte in der Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel oder im Mantel selbst verursacht werden. So ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass Kristallisationsreaktionen zwischen Kern- und Mantelgläsern unerwünscht sind, da die Kristallite in der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel als Streuzentren dienen können, so dass Licht aus der Faser auskoppelt und somit ihre Lichtleitfähigkeit herabsetzt. Dieser Effekt ist bei Lichtleitfasern im allgemeinen unerwünscht, und Glasfasern werden wie in dem deutschen Patent DE 102 45 987 B3 beschrieben üblicherweise gezielt dahingehend entwickelt, dass eine Kristallisation zwischen Kern und Mantel nicht stattfindet. Allerdings wäre es denkbar, dass die Kristallisation zwischen Kern und Mantel gezielt dazu eingesetzt wird, um seitenemittierende Eigenschaften zu erzeugen. Die Kristallisation tritt während des Faserzugs auf, wenn Kern und Mantel miteinander verschmelzen und die Faser wieder abkühlt. Es hat sich in Versuchen allerdings herausgestellt, dass der Kristallisationsprozeß während des Faserzugs nur schwer einzustellen und zu beherrschen ist, so dass eine reproduzierbare und skalierbare Produktion von seitenemittierenden Glasfasern, deren seitenemittierende Eigenschaften auf dem Vorliegen von Kristalliten in der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel beruhen, bisher noch nicht in wirtschaftlicher Weise geglückt ist.
Zur Erzeugung seitenemittierender Eigenschaften aufgrund von Streuzentren in der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel wird gemäß der Patentschrift LV 11644 B für Quartzglasfasern vorgeschlagen, eine Beschichtung auf der ausgezogenen Quartzglasfaser aufzubringen, die streuende Partikel enthält. Der äußere Schutzmantel um die Quartzglasfaser kann anschließend appliziert werden. Wie bei Quartzglasfasern üblich, bestehen die Beschichtungen sowohl der streuenden Schicht als auch des äußeren Mantels aus Kunststoffen. Dies hat den Nachteil, dass der ausgezogene Faserkern weiteren Beschichtungsschritten unterzogen werden muß und währenddessen ungeschützt ist. Schmutzpartikel, die sich zwischen Kern und Beschichtung setzen, führen zu möglichen Bruchstellen und/oder zu Punkten mit starker Lichtauskopplung. Quartfasern sind als solche aufgrund des Materials sowieso schon extrem teuer, aber das in dieser Schrift benötigte aufwendige Fertigungsverfahren verteuert diese noch zusätzlich.
Die US 2005/0074216 A1 offenbart eine seitenemittierende Faser mit einem transparenten Kern aus Kunststoff, der zuerst einen transparenten ersten Mantel und danach einen zweiten Mantel besitzt, beide ebenfalls aus Kunststoff. In den zweiten Mantel, welcher der äußere Mantel ist, sind Streupartikel eingelagert. Diese Methode ist nur bei Fasern mit sehr großen Kerndurchmessern von 4 mm oder mehr möglich, weil das im Faserkern geleitete Licht durch die zwangsläufig an der sehr großen Grenzfläche zwischen Kern und erstem Mantel vorliegenden Inhomogenitäten ausgekoppelt werden muss. Der zweite Mantel mit den eingelagerten Streupartikeln dient in diesem Fall dem Homogenisieren des ausgekoppelten Lichts über alle Raumwinkel. Fasern mit solch großem Kerndurchmesser sind allerdings wenig flexibel und können daher nur schwer verlegt werden. Aus Glas sind solche Fasern nur als starre Faserstäbe herstellbar und vollkommen unflexibel.
Ein schwerwiegender Nachteil bei allen beschriebenen Lösungen, die Kunststoff enthalten, ist ferner, dass die beschriebenen Kunststoffmäntel allesamt brennbar sind. Daher sollten solche Fasern allgemein unerwünscht sein. Davon abgesehen können sie zumindest in Bereichen mit erhöhten Brandschutzbestimmungen, beispielsweise innerhalb von Flugzeugkabinen, nicht zugelassen werden.
Glasfasern sind als solche nicht brennbar. Seitenemittierende Glasfasern sind allerdings ebenfalls bereits bekannt. Die etablierte Methode zur Herstellung von Glasfasern mit seitenemittierenden Eigenschaften sieht vor, die Preform des Faserkerns durch Schleifen oder Sandstrahlen aufzurauhen. Durch diese Bearbeitungsprozesse werden auf der Umfangsfläche des Faserkerns in den Faserkern hineinragende Strukturen geschaffen, welche das geleitete Licht auskoppeln sollen. Auch hier hat sich gezeigt, dass der Prozeß zum Erzeugen der Seitenemission ineffizient und auch nur schwer skalierbar ist. Darüber hinaus ist das Bearbeiten von Preformen, insbesondere wenn diese aus Glas bestehen, oftmals teuer und aufwendig. Die in den Faserkern hineinragenden Strukturen stellen darüber hinaus Verletzungen des Faserkerns dar, von denen bei Biegebelastungen Belastungsspitzen und dadurch Risse ausgehen können, wodurch solche Fasern unter einer verminderten Bruchfestigkeit leiden. Auch deshalb erscheint diese Technik verbesserungswürdig.
In der WO2008024397 A2 werden „optical fiber diffusers“ und Verfahren zu deren Herstellung mit Streuzentren im Kern oder zwischen Kern und Mantel beschrieben. Die Streuzentren werden in Form von Nanohohlräumen mittels Ultrakurzpuls-Laserpulsen in die dünne Faser eingebracht.
US 2004 / 0 013 376 A1 beschreibt einen „multi-mode optical waveguides“ mit reduzierter Modendispersion mit einem Kern und einem Mantel, wobei eine Vielzahl von Streuelementen im Kern verteilt sind. Die Streuelemente werden als diskrete Partikel in den Kern eingeführt, z.B. während oder nach dessen Herstellung.
JP H08-7284 B2 beschreibt eine „leaky optical fiber“ und deren Herstellung. Diese „leaky optical fiber“ wird durch eine Schicht ungleichmäßiger, fluktuierender Fluorkonzentration in der Nähe der Kern/Mantel-Grenze gebildet. Es werden Quarzglaspartikel auf einen Quarzkern aufgebracht. In diese und in den Kern wird thermisch in Fluoratmosphäre Fluor eindiffunidiert und anschließend, wiederum in Fluoratmosphäre, der Mantel aufgebracht. So wird eine klare, transparente Faservorform erhalten, die zur Faser ausgezogen wird.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Preform und ein Verfahren zur Herstellung einer seitenemittierenden Stufenindexfaser bereit zu stellen, wobei die seitenemittierende Stufenindexfaser, die effizient das Licht zur Seite auskoppelt und welche darüber hinaus nicht brennbar ist, wirtschaftlich zu produzieren ist, wobei der Effekt der seitlichen Auskopplung leicht skalierbar sein soll.
Die Aufgabe und/oder die Teilaufgaben werden gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine seitenemittierende Stufenindexfaser, die mit der erfindungsgemäßen Preform und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, beinhaltet einen lichtleitenden Kern aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und einen den Kern entlang der Faserachse umschließenden transparenten und/oder transluzenten Mantel aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂, wobei sich zwischen Kern und Mantel Streuzentren befinden, welche in ein Glas mit dem Brechungsindex n₃ eingelagert sind. Diese Streuzentren werden durch inhomogene Bereiche des mit dem Brechungsindex n₃ Glases gebildet, in welches sie eingelagert sind.
Eine seitenemittierende Stufenindexfaser kann flexibel oder auch starr sein. Im letzten Fall ist sie bevorzugt ein Bestandteil eines Faserstabes.
Die inhomogenen Bereiche werden durch Phasentrennung und/ oder Entmischung der Glaskomponenten des Glases mit dem Brechungsindex n₃ gebildet, in welches sie eingelagert sind.
Dieses Glas kann aus einem As- und Pb-haltigen Silikatglas bestehen. Die Streuzentren weisen in diesem Fall bevorzugt einen gegenüber der der umgebenden Glasmatrix erhöhten Gehalt an Pb und/oder As auf.
Alternativ kann das Glas, in welches die Streuzentren eingelagert sind, aus einem Fluor-haltigen Ca-Zn-Silikatglas bestehen. Dann weisen die Streuzentren einen gegenüber der umgebenden Glasmatrix bevorzugt einen erhöhten Gehalt an Fluor auf.
In einer Ausführung ist der Brechungsindex n₃ des Glases, in das die Streuzentren eingelagert sind, größer als der Brechungsindex n₂ des Mantelglases, d.h. die Bedingung n₃ > n₂ wird erfüllt.
In einer Ausführung ist der Brechungsindex n₃ des Glases, in das die Streuzentren eingelagert sind, darüber hinaus mindestens gleich groß oder größer als der Brechungsindex n₁ des Kernglases, d.h. auch die Bedingung n₃ ≥ n₁ wird erfüllt.
In einer Ausführung ist der Brechungsindex n₁ des Kernglases dabei auch größer als der Brechungsindex n₂ des Mantelglases, d.h. die Bedingung n₁ > n₂ wird erfüllt.
Der Mantel umschließt wie bei Fasern üblich sowohl den Kern aber auch den oder die Streubereiche entlang der Faserachse vollständig. Der oder die Streuzentren liegen demnach zumindest teilweise auf der Oberfläche des Faserkerns, geschützt von dem Mantel.
Der Effekt der Seitenemission wird bei der seitenemittierenden Stufenindexfaser durch Streuung des in dem Kern geleiteten Lichts in einem im Verhältnis zum Kerndurchmesser dünnen Bereich zwischen Kern und Mantel erzeugt. Dazu befindet sich zwischen Kern und Mantel in unmittelbarem Kontakt zwischen beiden ein Streubereich, in welchem die Streuung stattfindet. Verantwortlich für die Streuung sind die Streuzentren, welche in den Streubereich eingelagert sind. Im Sinne der Erfindung sind Streuzentren alle Gebilde, gleich welcher Form, welchen Materials und/oder welcher Größe, die das geleitete Licht streuen können und die durch inhomogene Bereiche des Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind. Die Streuzentren können durch klassische Streuung, insbes. Rayleigh- und/oder Mie-Streuung, ebenso wie durch Beugung und/oder Reflektion sowie Mehrfachprozessen dieser Mechanismen untereinander ihre streuende Wirkung entfalten. Ihre Aufgabe ist lediglich, individuell oder in ihrer Summe auftreffendes Licht abzulenken.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Effekt der Seitenemission am besten skalierbar ist, wenn die Streuung hauptsächlich an den Streuzentren selbst erfolgt. Dazu muss das in dem Kern geführte Licht erst einmal zu diesen gelangen können. Deshalb ist der Brechungsindex des Materials, in welchem die Streupartikel eingelagert sind, im wesentlichen mindestens gleich oder aber größer als der Brechungsindex n₁ des Kerns. Die Einlagerung der Streuzentren in einer Matrix aus Glas ist deshalb im Sinne der Erfindung notwendig, um sie überhaupt erst auf wirtschaftliche Weise auf dem Kern aufbringen zu können. Ein wesentlich von n₁ abweichender Brechungsindex des Matrixmaterials mit dem Brechungsindex n₃ kann dazu führen, dass das Matrixmaterial selbst die Lichtleitung im Kern beeinflussende Effekte bewirkt. Auf diese Weise kann durch eine Auswahl von n₃ der Seitenemissionseffekt der Faser gesteuert werden. Wäre der Brechungsindex n₃ allerdings wesentlich kleiner als n₁, würde das in dem Kern geführte Licht eher von dem Material der Matrix als durch die Streupartikel reflektiert, so dass nur wenig bis keine Streuung an den Streupartikeln erfolgen könnte. Eine solche Faser würde nur wenig Licht zur Seite auskoppeln. Ist dahingegen der Brechungsindex n₃ des Materials der Matrix wesentlich größer als n₁, wird das in dem Kern geleitete Licht sehr schnell nach außen gelangen und die Faser auf sehr kurzer Länge ihre gesamte Lichtintensität verlieren, so dass nur sehr kurze Faserlängen mit dann hoher Intensität des seitlich ausgekoppelten Lichts möglich sind. Ist der Brechungsindex n₃ des Matrixmaterials hingegen im wesentlichen gleich dem Brechungsindex n₁ des Kerns, wird das in dem Kern geführte Licht von dem Matrixmaterial höchstens unwesentlich gestört, so dass das in dem Kern geführte Licht von dem Matrixmaterial ungehindert auf die Streupartikel auftreffen kann. In diesem Fall ist auch über die Wahl der Konzentration der Streupartikel im Streubereich eine effiziente Skalierung der seitlichen Emission möglich.
Der größte Effekt der Seitenemission lässt sich erzielen, wenn das Glas, in das die Streuzentren eingelagert sind, den Kern entlang der Faserachse vollständig umschließt. Dies bedeutet, dass sich das Glas mit den eingelagerten Inhomogenitäten als Streuzentren über die gesamte Umfangsfläche des Faserkerns erstreckt. Der Mantel umschließt in diesem Fall seinerseits bevorzugt wiederum das gesamte Gebilde aus Kern und dem Glas mit den eingelagerten Streuzentren. Bevorzugt sind in dieser Ausführungsform die Streuzentren homogen in der sie umgebenden Glasmatrix verteilt. Eine solche Faser kann im Sinne der Erfindung beim Faserzug auf zwei unterschiedliche Methoden erzeugt werden. Die eine ist die Verwendung eines Inlayrohres aus einem Glas mit eingelagerten Streuzentren, welches sich zwischen Kernstab und Mantelroht befindet. Die andere ist die Verwendung mehrerer Inlaystäbe aus Glas mit eingelagerten Streuzentren, welche durch gegenseitiges Verschmelzen den den Faserkern umschließenden Bereich bilden können. Das Ziehverfahren und die Inlaystäbe werden im Zusammenhang mit der Beschreibung der erfindungsgemäßen Preform und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens näher erläutert.
Bervorzugt ist allerdings die Verwendung der Inlaystäbe und der resultierenden Bildung eines um den Kern geschlossenen Bereichs mit eingelagerten Streuzentren durch Verschmelzung von Inlaystäben, weil auf diese Weise auf die Verwendung eines Rohrs zur Herstellung der für den Faserzug verwendeten Preform für diesen Bereich verzichtet werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, weil somit diese Preform nicht durch einen Rohrzug eines Glases hergestellt werden muß, in welches die Streuzentren eingelagert sind. Ein Rohrzug wäre nachteilhaft, weil eine Rohrzuganlage ausschließlich für das Herstellen dieser mit Streuzentren versehenen Preformen benötigt würde, da in auch für übliche Glasrohre eingesetzten Rohrzuganlagen Streuzentren üblicherweise unerwünscht wären, könnte der Einsatz solcher Gläser die gesamte Anlage kontaminieren. Durch den Verzicht auf eine solche rohrförmige Preform ist die seitenemittierende Faser somit besonders wirtschaftlich herzustellen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass sich das Glas, in welches die Streuzentren eingelagert sind, zwischen Kern und Mantel den Kern in zumindest einem Teilbereich entlang der Faserachse vollumfänglich umschließt. Die bedeutet in anderen Worten, dass das Matrixglas, in das die Streuzentren eingelagert sind, den Kern in voneinander beabstandeten Bereichen ringförmig umschließen. Ist der Abstand zwischen Bereichen, in denen Streuzentren vorliegen und solchen, die keine Streuzentren aufweisen ausreichend groß, kann gezielt eine seitenemittierende Faser hergestellt werden, welche in manchen Bereichen den Emissionseffekt zeigt und in anderen Bereichen nicht. Eine solche Faser kann vorteilhaft sein, um einen entsprechenden Designeffekt zu erzielen, oder aber das Licht erst einmal mit möglichst wenig Verlust durch den Bereich ohne den Seitenemissionseffekt zu dem Ort zu leiten, an dem die Seitenemission stattfinden soll. Dies ermöglicht die Trennung von Lichtquelle, welche in die Faser eingekoppelt werden soll, und dem Beleuchtungsort. Fasern dieses Typs können hergestellt werden, wenn Inlaystäbe oder Inlayrohre verwendet werden, in die nur in Teilbereichen entlang ihrer Achse Streuzentren eingelagert sind. In diesem Fall verschmilzt beim Faserzug allerdings auch der nicht mit Streuzentren versehene Bereich der Inlaystäbe mit dem Faserkern, so dass der Betrag der Summe aus Kerndurchmesser und Dicke des Streubereichs ohne eingelagerte Streuzentren und mit eingelagerten Streuzentren über die gesamte Faserlänge im wesentlichen gleich bleibt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Glas, in welches die Streuzentren eingelagert sind, zwischen Kern und Mantel zumindest auf einem diskreten Teilbereich des Kernumfangs entlang der Faserachse. Dies bedeutet, dass sich in diesem Fall zumindest ein Bereich mit dem Glas, in das die Streuzentren eingelagert sind, entlang der Faserachse oder in Teilbereichen entlang der Faserachse erstreckt, aber die Faser nicht vollständig umschließt. Solche Bereiche können erzeugt werden, wenn die Inlaystäbe beim Faserzug überhaupt nicht oder nicht vollständig miteinander verschmelzen. Die Erzeugung solcher diskreter Bereiche entlang der Faserachse lässt sich durch die Anzahl und/oder den Durchmesser und somit dem Volumen der verwendeten Inlaystäbe einstellen. In dieser Ausführungsform existiert demnach zumindest ein sich entlang der Faserachse erstreckender Bereich auf der Umfangsfläche des Kerns, welcher nicht mit dem Material belegt ist, in welches ansonsten die Streuzentren eingelagert sind.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der oder die entlang der Faserachse erstreckenden diskreten Bereiche aus einem Glas mit den eingelagerten Streuzentren wie bzgl. der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben entlang der Faserachse Bereiche aufweisen, in denen keine Streuzentren eingelagert sind, so dass die Faser in diesem Fall nicht über ihre gesamte Länge den Seitenemissionseffekt aufweist, so dass beispielsweise alternierend Bereiche mit Seitenemission auf Bereiche ohne Seitenemission folgen.
Die Lichtauskopplung der seitenemittierenden Stufenindexfaser lässt sich durch die Anzahl der sich im wesentlichen entlang der Faserachse erstreckenden diskreten Bereiche mit eingelagerten Streuzentren hervorragend skalieren. Da in der Regel eine effiziente seitliche Auskopplung aus der Faser gewünscht wird, weist eine solche seitenemittierende Stufenindexfaser zwischen Kern und Mantel mehrere diskrete Teilbereiche aus zumindest einem Glas mit eingelagerten Streuzentren auf, die sich jeweils auf einem Teilbereich des Kernumfangs entlang der Faserachse erstrecken. Bevorzugt beträgt die Zahl dieser diskreten Bereiche von 1 bis 50, besonders bevorzugt von 1 bis 10.
Bevorzugt weisen die Streuzentren einen Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm auf, besonders bevorzugt von 100 nm bis 800 nm. Besonders bevorzugt sind die Streuzentren kugelförmig. Für nicht kugelförmige Streuzentren wird als Durchmesser im Sinne der Erfindung ihre maximale Ausdehnung verstanden.
Die Effizienz der Auskopplung von Licht aus der Faser ist neben der streuenden Eigenschaft der Streuzentren als intrinsischem Parameter auch von der Konzentration der Streuzentren in dem sie umgebenden Glas abhängig. Es wurde festgestellt, dass Konzentrationen der Streuzentren im Streubereich zwischen 1% und 80% eine effiziente Auskopplung ermöglichen, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 10% und 50% liegt. Die Konzentrationsangabe in % bezieht sich hierbei auf den Anteil der Streuzentren im Verhältnis zu den Masseanteilen der Bestandteile des Glases, in welchem die Streuzentren eingelagert sind.
Die Parameter, mit welchen bevorzugt der Seitenemissionseffekt eingestellt und somit skaliert werden kann sind somit neben der Wahl des Wertes für den Brechungsindex n₃ die Anzahl der diskreten Teilbereiche aus Glas mit den eingelagerten Streuzentren entlang der Faserachse, die Streueigenschaften der vorliegenden Streuzentren und deren Konzentration. Durch die geeignete Kombination dieser Parameter wird es möglich, für das menschliche Auge weitgehend homogen erscheinende seitenemittierende Fasern unterschiedlichster Länge herzustellen, so dass eine Vielzahl von Anwendungen überhaupt erst möglich werden.
Neben der Effizienz und Homogenität der Seitenemission müssen die Fasern aber auch möglichst gut mechanischen Belastungen widerstehen. Sind die Fasern mechanisch zu empfindlich, treten leicht Faserbrüche auf, welche die Faser unbrauchbar machen können. Insbesondere müssen die Fasern wiederholt gebogen werden können, ohne dass sie brechen. Ein Kriterium, um die Bruchfestigkeit von Fasern zu beurteilen, ist der sogenannte Schlingentest. Dabei wird aus einer Faser eine Schlinge gebildet, welche zugezogen wird. Je kleiner der Durchmesser der Schlinge ist, bei dem die Faser bricht, desto bruchfester ist sie.
Angemessene Bruchfestigkeiten lassen sich durch vorgespannte Fasern erzeugen. Dies bedeutet für die Fasern, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kernglases größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Mantelglases. Beim Herstellungsprozeß der Faser wird somit der Mantel während des Abkühlens auf den Kern und/oder den Streubereich gezogen, so dass der Mantel eine Spannung auf den Kern und/oder den Streubereich ausübt. Solche vorgespannten Fasern sind in der Regel erheblich bruchfester als nicht vorgespannte Fasern. Neben der beschriebenen thermischen Vorspannung sind natürlich auch andere Methoden zum Erzeugen der Spannung möglich. Beispielsweise könnte die Faser während des Herstellungsprozesses oder danach auch chemisch vorgespannt werden. Dabei würden durch bekannte Prozesse zum chemischen Vorspannen bevorzugt Ionen in den Mantel eingebracht, welche für den Aufbau der Spannung verantwortlich wären.
Bei einer besonderen Ausführungsform der seitenemittierenden Stufenindexfaser beträgt der Durchmesser des Kerns von 10 µm bis 300 µm, der zumindest eine Bereich aus einem Glas mit eingelagerten Streuzentren weist eine Dicke von 100 nm bis 3 µm auf und der Mantel ist zwischen 500 nm und 15 µm dick.
Selbstverständlich werden die seitenemittierenden Stufenindexfasern in den seltensten Fällen als einzelne Fasern eingesetzt, sondern zusammen mit anderen seitenemittierenden Stufenindexfasern oder zusammen mit anderen Lichtleitfasern, welche keinen Seitenemissionseffekt aufweisen, in Faserbündeln. Das Faserbündel ist seinerseits üblicherweise von einem schützenden äußeren Mantel umgeben, der in den meisten Fällen aus Kunststoff besteht. Faserbündel haben gegenüber einer Einzelfaser mit gleichem Durchmesser den Vorteil, dass sie viel flexibler sind und in kleineren Biegeradien verlegt werden können. Aus diesem Grund finden fast nur Faserbündel einen kommerziellen Einsatz in Beleuchtungsanwendungen.
Auch das Faserbündel muss im Sinne der Erfindung nicht zwangsläufig flexibel sein, es ist ebenso möglich, dass das Faserbündel als starrer Faserstab ausgeführt ist, der durch späteres Umformen, beispielsweise Biegen und/oder Pressen, in seine endgültige Form gebracht wird.
Ein Faserbündel beinhaltet eine Vielzahl von Glasfasern und einen diese Vielzahl von Glasfasern entlang der Faserbündelachse vollständig umschließenden äußeren Mantel, wobei die Glasfasern eine Vielzahl der zuvor beschriebenen seitenemittierenden Stufenindexfasern beinhalten und der äußere Mantel zumindest in Teilbereichen entlang der Faserbündelachse transparent und/oder transluzent ist. Die Transparenz und/oder Transluzenz des äußeren Mantels ist deshalb notwendig, damit das von den einzelnen Fasern seitlich emittierte Licht das Faserbündel auch verlassen kann und somit für den Betrachter sichtbar wird. Wird anstelle eines transparenten äußeren Mantels ein transluzenter äußerer Mantel verwendet, ist es möglich, das seitlich emittierende Licht der Einzelfasern zu homogenisieren.
Das Faserbündel kann typischerweise von 100 bis 10000 Einzelfasern aufweisen.
Um höchste Ansprüche bzgl. der Brandsicherheit des Faserbündels sicherzustellen, besteht der äußere Mantel des Faserbündels bevorzugt aus flammfesten Kunststoffen oder aus einem Gewebe von Glasfasern. Es ist aber ebenfalls möglich, dass der äußere Mantel durch das Umwickeln der Vielzahl von Glasfasern mit einer oder einer Vielzahl von Glasfasern hergestellt wird. Auch ist es möglich, die einzelnen Fasern des Bündels miteinander zu verspinnen, so dass eine Art Seil und/oder Garn entsteht, das keines separaten Mantels mehr bedarf.
Durch die Erfindung wird es möglich, seitenemittierende Stufenindexfasern mit einer effizienten Seitenemission bereitzustellen, bei denen der Seitenemissionseffekt auch entsprechend den Anforderungen sehr gut skalierbar und damit die Menge des ausgekoppelten Lichts über die Faserlänge gut einstellbar ist. Dadurch wird es möglich, die seitenemittierenden Stufenindexfasern auch zusammen mit anderen Lichtleitern und/oder anderen seitenemittierenden Stufenindexfasern und/oder Textilfasern zu einem Flächengebilde zu verbinden. Ein Flächengebilde ist im Sinne der Offenbarung ein Objekt, welches im Verhältnis zu seiner Dicke eine große Fläche aufweist. Auf diese Weise kann auf der Basis der seitenemittierenden Stufenindexfasern ein beleuchtbares, flächiges Gebilde erzeugt werden, welches Licht homogen über die Fläche verteilt emittieren kann. Ein solches Flächengebilde ist bevorzugt so ausgestaltet, dass ein Betrachter es als homogen leuchtende Fläche wahrnimmt, wenn das Flächengebilde in Betrieb ist, d.h. wenn Licht in die seitenemittierenden Stufenindexfasern des Flächengebildes eingekoppelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die seitenemittierenden Stufenindexfasern in einem solchen Flächengebilde im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Entsprechend der Abstrahlcharakteristik andersartig angeordnete seitenemittierende Stufenindexfasern innerhalb des Flächengebildes sind aber selbstverständlich ebenso möglich.
Um ein stabiles Flächengebilde zu erhalten, sind die seitenemittierenden Stufenindexfasern bevorzugt auf einem Trägerelement fixiert. Auf diese Weise wird ein Verbundelement aus Trägerelement und seitenemittierenden Stufenindexfasern gebildet. Das Trägerelement ist bevorzugt ebenfalls flächig, kann aber beliebige Formen und Wölbungen aufweisen.
Alternativ zu der Fixierung der seitenemittierenden Stufenindexfasern auf dem Trägerelement können diese auch in das Trägerelement eingebettet sein und auf diese Weise ein Verbundelement aus Trägerelement und seitenemittierenden Stufenindexfasern bilden. Dies kann durch einen Spritzgießprozess erfolgen, bei dem bevorzugt transparenter Kunststoff eine Einkapselung der Lichtleitfasern darstellt. Dazu können thermoplastische Kunststoffe, z.B. Polycarbonat, PVC, thermoplastische Elastomere und/oder Silikone verwendet werden.
Bevorzugt werden die seitenemittierenden Stufenindexfasern auf dem Trägerelement durch Vernähen und/oder Verweben fixiert. Ebenso ist es möglich, die Stufenindexfasern auch miteinander und/oder mit dem Trägerelement zu vernähen. Als Nähgarn können sowohl textile Garne als auch wiederum Glasfasern verwendet werden.
Generell kann das Flächengebilde auch durch das Verbinden der seitenemittierenden Stufenindexfasern mit einem geeigneten Träger erfolgen, beispielsweise durch Verkleben, Laminieren gegebenenfalls zusammen mit einer Folie und/oder durch andere geeignete Verfahren.
Besonders bevorzugt ist das Trägerelement des Flächengebildes, auf dem und/oder in dem die seitenemittierenden Stufenindexfasern fixiert sind, transparent und/oder transluzent, damit das durch die Stufenindexfasern emittierbare Licht durch das Trägerelement hindurchtreten kann. Zur Erzielung von Farbeffekten kann das Trägerelement eingefärbt sein.
Zur weiteren Stabilisierung des Flächengebildes ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch vorgesehen, dass das Verbundelement aus Trägerelement und seitenemittierenden Stufenindexfasern mit einem Stabilisierungselement verbunden ist.
Besonders bevorzugt wird das Stabilisierungselement so angeordnet, dass sich die seitenemittierenden Stufenindexfasern zwischen einer Oberfläche des Trägerelements und einer Oberfläche des Stabilisierungselements befinden. Das Stabilisierungselement kann damit auch zum Schutz der Stufenindexfasern beitragen. Bevorzugt wird es rückseitig als eine Deckschicht in Form einer Folie oder einer starren Platte angeordnet.
Zur Steigerung der Lichtausbeute ist die den seitenemittierenden Stufenindexfasern zugewandte Seite des Trägerelements und/oder des Stabilisierungselements vorzugsweise so ausgebildet, dass sie das von den seitenemittierenden Stufenindexfasern ausgestrahlte Licht reflektieren kann. Dies bedeutet, dass die den Stufenindexfasern zugewandte Seite des Trägerelements oder des Stabilisierungselements weiß eingefärbt sein kann oder spiegelnd ausgebildet ist. Dies lässt sich beispielsweise besonders einfach erreichen, wenn als Stabilisierungselement Aluminiumfolie verwendet wird. Das Trägerelement besteht in diesem Fall bevorzugt aus einem transparenten und/oder transluzenten Kunststoff wie zum Beispiel Plexiglas. Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere Stabilisierungselemente mit dem Verbundelement zu verbinden.
Zur Lichteinkopplung sind die Lichtleitfasern mittels einer Lichtleiterbündelung zusammengefasst, wobei die Lichtleiter mittels Endhülsen und/ oder Klebebändern zusammengefasst, in der Regel verklebt und die Endflächen geschliffen und poliert sind, so dass eine optimale Lichteinkopplung erfolgen kann. Zur Steigerung der Leuchtdichte der Abstrahlfläche können die Lichtleitfasern auch beidseitig zusammengefasst sein, so dass eine beidseitige Lichteinkopplung realisiert werden kann.
Zum Betreiben des Flächengebildes kann Licht in die Lichtleitfasern und damit die seitenemittierenden Stufenindexfasern eingekoppelt werden. Als Lichtquelle werden bevorzugt punktförmige Lichtquellen verwendet, die zur optimalen Lichtausbeute das Licht mittels einer Vorsatzoptik derart fokussieren, dass das Licht innerhalb des für die Lichtleitfasern spezifischen Akzeptanzwinkels eingestrahlt wird. Aufgrund ihrer kompakten Bauart und vergleichsweise hohen Lichtausbeute werden insbesondere LEDs, besonders bevorzugt Weißlicht-LEDs oder RGB-LEDs zur Lichteinkopplung vorgeschlagen.
Um Licht in das Flächengebilde einleiten zu können, verfügt es bevorzugt über Maßnahmen zum Anschließen von zumindest einer LED als Lichtquelle. Besonders bevorzugt weist ein Flächengebilde Maßnahmen zum Anschließen von zumindest einer LED an entgegengesetzten Kanten des Flächengebildes vor, so dass das Licht in die Stirnflächen auf beiden Seiten der Stufenindexfasern einkoppeln kann.
Weil die Erzeugung der Bereiche aus zumindest einem Glas mit den eingelagerten Streuzentren in der seitenemittierenden Faser ein schwerwiegendes Problem darstellt, ist die Preform, welche im Herstellungsverfahren eingesetzt wird, ein wesentlicher Teil der Erfindung. Der Begriff „Preform“ ist dem Fachmann auf dem Gebiet des Faserzugs wohlbekannt. Er umfasst das Gebilde, aus welchem die Faser gezogen wird. Eine konventionelle Preform, welche zum Herstellen von Glasfasern ohne seitenemittierende Eigenschaften verwendet wird, besteht in der Regel aus einem Kernstab aus Glas, um den Koaxial ein Hüllrohr aus einem Glas angeordnet ist. Der Kernstab kann durch das Giessen des Glases in eine Form erzeugt werden. Meistens ist eine Nachbearbeitung beispielsweise durch Schleifen oder Feuerpolieren notwendig. Das Hüllrohr kann einem Rohrzug entstammen. Verfahren zum Herstellen von Glasrohren sind hinlänglich bekannt. Beim Ausziehen der Preform zur Faser verschmilzt das Hüllrohr mit dem Kernstab, wobei aus dem Kernstab der Faserkern und aus dem Hüllrohr der Mantel gebildet wird. Die Faser weist einen um ein Vielfaches kleineren Durchmesser als die Preform auf und aus einer einzigen Preform können auf diese Weise viele Kilometer Faser gezogen werden.
Eine erfindungsgemäße Preform zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser beinhaltet einen Kernstab aus Glas mit dem Brechungsindex n₁ und ein Hüllrohr aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂, wobei das Hüllrohr den Kernstab entlang der Kernstabachse umschließt. Zwischen Kernstab und Hüllrohr ist parallel zur Kernstabachse zumindest ein Inlaystab oder aber ein Inlayrohr aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃ angeordnet, in welches Streuzentren eingelagert sind, die durch inhomogene Bereiche des Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind.
Bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Preform zwischen Kernstab und Hüllrohr 1 bis 50 Inlaystäbe auf, besonders bevorzugt 1 bis 10, die parallel zur Kernstabachse angeordnet sind. Die Inlaystäbe können im wesentlichen mit gleichen Abständen zueinander angeordnet sein. Allerdings ist die genaue Positionierung der Inlaystäbe in der Preform nicht unbedingt wesentlich für das spätere Erscheinungsbild des beschriebenen Faserbündels, da sich durch ungenaue Positionierung ergebene Inhomogenitäten durch die Vielzahl der in dem Faserbündel vorliegenden seitenemittierenden Fasern gegenseitig aufheben.
Bevorzugt werden für die Preform Inlaystäbe verwendet, deren Durchmesser von 0,1 mm bis 2 mm beträgt.
Der Durchmesser der Streuzentren in einem Inlaystab kann bevorzugt von 10 nm bis 1000 nm betragen, besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 800 nm.
Die Streuzentren im Inlaystab oder Inlayrohr werden bevorzugt durch Phasentrennung und/ oder Entmischung der Glaskomponenten des Glases gebildet, in welches sie eingelagert sind. Das heißt, es können sich im Glas mit dem Brechungsindex n₃ im wesentlichen tröpchenförmige Entmischungsbezirke mit dem Brechungsindex n₄ bilden, die aus einem Teil der Glaskomponenten des Grundglases mit dem Brechungsindex n₃ gebildet werden. Diese Entmischungsbezirke mit dem Brechungsindex n₄ haben somit eine andere Zusammensetzung als das Glas mit dem Brechungsindex n₃ und können somit auch andere physikalische Eigenschaften besitzen, beispielsweise eben einen anderen Brechungsindex und/oder einen anderen Ausdehnungskoeffizienten.
Bevorzugt besteht das Glas des Inlaystabes oder Inlayrohres, in welches die Streuzentren eingelagert sind, aus einem As-Pb-haltigen Silikatglas. In diesem Fall können die Streuzentren gegenüber der umgebenden Glasmatrix des Inlaystabs oder Inlayrohres einen erhöhten Gehalt an Pb und/oder As aufweisen.
Alternativ besteht das Glas des Inlaystabes oder Inlayrohres, in welches die Streuzentren eingelagert sind, bevorzugt aus einem Fluor-haltigen Ca-Zn-Silikatglas. Dann können die Streuzentren gegenüber der umgebenden Glasmatrix des Inlaystabs oder Inlayrohres einen erhöhten Gehalt an Fluor aufweisen.
Die Konzentration der Streuzentren in dem zumindest einen Inlaystab oder Inlayrohr beträgt bevorzugt zwischen 1% und 80%, besonders bevorzugt zwischen 10% und 50%.
Zum erfindungsgemäßen Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser wird zunächst zumindest eine zuvor beschriebene Preform als Zwischenprodukt hergestellt. Dazu wird ein Kernstab aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ bereitgestellt, um den Kernstab herum wird zumindest ein Inlaystab oder Inlayrohr aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃ parallel zu der Kernstabachse angeordnet. In das Glas des Inlaystabes und/oder der Inlaystäbe und/oder der Inlayrohre sind die zuvor beschriebenen Streuzentren eingelagert. Um Kernstab und Inlaystäbe oder Inlayrohr herum wird daraufhin ein Hüllrohr aus einem Glas mit dem Berechungsindex n₂ angeordnet, so dass sich der Kernstab und der Inlaystab und/oder die Inlaystäbe und/oder das Inlayrohr innerhalb des Hüllrohres befinden. Es ist allerdings auch möglich, den oder die Inlaystäbe oder ein Inlayrohr nach der Anordnung von Kernstab und Inlaystab oder Inlayrohr in dem Zwischenraum zwischen Kernstab und Hüllrohr anzuordnen. Die so erhaltene Preform wird anschließend in einem Heizaggregat befestigt, in diesem erwärmt und in einer dem Fachmann bekannten Weise zu einer Glasfaser ausgezogen.
Während des Faserzugs verschmelzen der Kern, und der jeweilige Inlaystab oder das Inlayrohr an der Grenzfläche zwischen Kern und Inlaystab bzw. Inlayrohr. Bei der Verwendung zumindest eines Inlaystabes wird dieser dabei auch umgeformt, d.h. falls er in der Preform einen runden Durchmesser aufwies, bildet er nach dem Faserzug einen flachen, leicht gewölbten Bereich auf der Kernumfangsfläche. Sind in diesem Bereich die Streuzentren eingelagert, wird so ein entlang der Faserachse ausgedehnter Bereich mit lichtstreuenden Eigenschaften erzeugt. Die Streuzentren werden auf diese Weise sozusagen auf bestimmten Bereichen der Kernumfangsfläche verteilt. Verschmelzen mehrere Inlaystäbe miteinander, ist es möglich, dass der Bereich mit den eingelagerten Streuzentren den Kern der Faser vollumfänglich, d.h. auf seiner gesamten Umfangsfläche, umschließt. Diese Struktur ist selbstverständlich bevorzugt wiederum von dem Mantel vollumfänglich umschlossen.
Die Temperatur, bei welcher der Faserzug erfolgt, wird Ziehtemperatur genannt und liegt oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases, aus welchem das Hüllrohr besteht. Üblicherweise werden für den Kern Gläser verwendet, welche eine niedrigere Erweichungstemperatur aufweisen als das Glas des Hüllrohres, damit während der Erwärmung im Heizaggregat auch im Kernstab eine Temperatur erreicht wird, welche oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases des Kernstabs liegt. Allerdings sind auch Heizverfahren bekannt, welche es ermöglichen, dass die Erweichungstemperatur des Kernstabs oberhalb der des Hüllrohrs liegen kann. Bevorzugt liegt die Ziehtemperatur auch über der Erweichungstemperatur des höchstschmelzenden Glases, welches in der Preform Verwendung findet. Über das Einstellen der Ziehtemperatur wird die Viskosität des Glases während des Faserzugs so beeinflusst, dass im Zusammenspiel mit der Ziehgeschwindigkeit eine Faser der gewünschten Dicke erhalten werden kann.
Um die vorgenannten diskreten, sich entlang der Faserachse erstreckenden, aber die Kernumfangsfläche nicht vollständig umschließenden Bereiche aus Glas mit den eingelagerten Streuzentren zu erhalten, sieht es ein besonders bevorzugtes erfindungsgemäße Verfahren vor, dass beim Ausziehen der Preform zumindest ein Inlaystab mit dem Kernstab verschmilzt. Wird mehr als ein Inlaystab verwendet, werden sie so angeordnet, dass sie nicht vollständig miteinander verschmelzen können. Es ist allerdings auch möglich, dass die Inlaystäbe so angeordnet werden, dass manche miteinander verschmelzen, andere hingegen nicht. Auf diese Weise können unterschiedlich breite diskrete Bereiche aus dem Material der Inlaystäbe entlang der Faserachse erzeugt werden.
Es ist allerdings auch möglich, dass ein Streubereich erzeugt werden soll, der den Kern entlang der Faserachse vollumfänglich umschließt. Der Streubereich belegt dann sozusagen die gesamte Kernumfangsfläche. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch erreicht, wenn eine Mehrzahl von Inlaystäben verwendet und so in der Preform angeordnet wird, dass sie beim Ausziehen der Preform sowohl mit dem Kernstab als auch miteinander verschmelzen. Die Dicke des Streubereichs ist dabei durch Anzahl und Durchmesser der Inlaystäbe einstellbar. Alternativ können statt der Merhzahl der Inlaystäbe ein oder mehrere Inlayrohre verwendet werden.
Bevorzugt wird beim Ausziehen der Faser aus der Preform an diese ein Unterdruck angelegt, d.h. in den Zwischenräumen der Preform wird ein Druck erzeugt, der niedriger ist als der Druck des die Preform umgebenden Mediums. Dadurch wird beim Ziehprozeß das Anlegen des Hüllrohrs bzw. des Mantels an den Kernstab bzw. den Faserkern und/oder die Inlaystäbe bzw. das Inlayrohr unterstützt. Dieser Verfahrensaspekt unterstützt beim Faserzug das Anlegen des Mantels an die Bereiche mit lichtstreuenden Eigenschaften und/oder den Kern und trägt somit dazu bei, in den ausgezogenen Fasern unerwünschte Zwischenräume zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Hüllrohr ein Glas verwendet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Kernglases. Das Kernglas ist das Glas, aus welchem der Kernstab und somit der Faserkern bestehen. Wie zuvor beschrieben wird damit erreicht, dass der Mantel eine Spannung auf den Faserkern und/oder den oder die Streubereiche ausübt, so dass die resultierende Faser eine erhöhte Bruchfestigkeit aufweist.
Besonders bevorzugt findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung in einer Vielfaserziehanlage. In einer Vielfaserziehanlage werden aus einer Mehrzahl von Preformen gleichzeitig eine entsprechende Anzahl von Fasern gezogen. Auf diese Weise lassen sich effizient Faserbündel herstellen. Eine Vielfaserziehanlage ist beispielsweise in den deutschen Patentschriften DE 103 44 205 B4 und DE 103 44 207 B3 ausführlich beschrieben. Im wesentlichen werden dabei mehrere Preformen nebeneinander in einem Heizaggregat einer Vielfaserziehanlage angeordnet und mehrere seitenemitierende Stufenfasern gleichzeitig in einer Vielfaserziehanlage ausgezogen werden, so dass ein Faserbündel erhalten wird, welches seitenemittierende Stufenindexfasern enthält.
Das so erhaltene Faserbündel kann entweder weiterverarbeitet oder mit weiteren Faserbündeln mit oder ohne seitenemittierende Eigenschaften zu einem größeren Faserbündel weiterverarbeitet werden. Zum Schutz des Faserbündels sieht es eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass um das Faserbündel ein äußerer Mantel aus einem transparenten und/oder transluzenten Kunststoff extrudiert wird. Bevorzugt ist der verwendete Kunststoff flammfest.
Alternativ kann das Faserbündel mit Glasfasern umgeben werden, welche einen äußeren nicht-brennbaren transparenten und/oder transluzenten Mantel um das Faserbündel bilden. Dies kann durch das Umschlingen mit anderen Glasfasern und/oder das Umlegen mit einem Gewebe aus Glasfasern erfolgen.
Bevorzugt wird die seitenemittierende Stufenindexfaser zusammen mit anderen Lichtleitern und/oder anderen seitenemittierenden Stufenindexfasern in einem Faserbündel verwendet, welches wie zuvor beschrieben von einem äußeren transparenten und/oder transluzenten Mantel umgeben ist.
Um starre Faserbündel zu erzeugen, werden die Preformen nicht wie im Falle der flexiblen Faserbündel zu Fasern mit Durchmessern von typischerweise 50 µm bis 150 µm ausgezogen, sondern zu Faserstäben von etwa 0,5 mm bis 1 mm Durchmesser. Danach werden etwa 200 bis 10000 dieser Faserstäbe in ein Mantelrohr dicht gepackt, dessen Durchmesser von etwa 10 mm bis 60 mm betragen kann, und zu einem starren Faserbündel mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm bis 20 mm ausgezogen. Dieses Faserbündel weist im wesentlichen die gleichen seitenemittierenden Eigenschaften wie ein flexibles Faserbündel auf. Daraus ergeben sich vor allem Einsatzmöglichkeiten bis typischerweise etwa 2 m Länge für exakt gerade Beleuchtungen. Durch thermische Umformung, beispielsweise Biegen und/oder Pressen, können aus den geraden Faserstäben zweidimensionale oder dreidimensionale Objekte hergestellt werden. Diese können alle im folgenden genannten Beleuchtungslösungen sein, aber auch Schriftzüge o.ä.. Auch ist die Herstellung von flachen Faserstäben oder allgemein von unrunden starren Faserstäben oder Platten ist möglich. Sowohl Faserbündel aus Faserstäben als auch aus flexiblen Fasern sind im Sinne der Erfindung von dem Begriff Faserbündel umfasst.
Ein Faserbündel kann für die akzentuierte Beleuchtung von Innenräumen und/oder Fassaden in der Architektur verwendet werden. Bevorzugt werden dabei die Faserbündel entlang von Konturen von Innenraumbestandteilen, beispielsweise Durchgängen, Trägerelementen, Umrissen von Gebäuden etc. angebracht und an geeignete Lichtquellen angeschlossen. So ist es möglich, die Konturen eines Gebäudes oder durch von Gebäudeteilen das Faserbündel mit seitenemittierenden Fasern nachzustellen und eine linienförmige Lichtquelle zu realisieren.
Besonders bevorzugt wird das Faserbündel beinhaltend die seitenemittierenden Fasern für die akzentuierte Beleuchtung von Innenräumen von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und/oder Zügen eingesetzt. Dabei kann das Faserbündel an beliebigen Stellen angebracht oder in Konturen dieser Innenräume eingelegt werden. Wird Licht in das Faserbündel eingekoppelt, erscheint dieses bevorzugt als leuchtendes Band oder leuchtende Linie entlang dieser Konturen. Dadurch, dass das Faserbündel so ausgestaltet werden kann, dass es nur flammfeste Stoffe beinhaltet, kann es selbst sehr strenge Brandsicherheitsbestimmungen erfüllen. Das macht es für den Einsatz in Fahrzeugen aller Art besonders geeignet. In Automobilen kann ein bevorzugter Anbringungsort eines Faserbündels beispielsweise eine Türinnenverkleidung sein, in welcher die Kontur der Vertiefungen der Türöffner, Armauflage, der Übergänge im Verkleidungsmaterial etc. auf diese Weise hervorgehoben werden können. Bei Flugzeugen und Schiffen bietet sich die Anbringung entlang der Fensterbänder, Handgepäckfächer etc. an. In Flugzeugen und Schiffen kann das Faserbündel vorteilhaft zur Markierung von Fluchtwegen eingesetzt werden.
Ebenso bevorzugt ist die Verwendung des Faserbündels als Teil von Möbeln, insbesondere von Sitzmöbeln, Fahrzeugsitzen, Wohnlandschaften und/oder Küchen. Wird das Faserbündel beispielsweise in die Nähte von Sitzmöbeln wie Sessel, Sofas, Stühle etc. eingearbeitet, können die Konturen dieser Möbel bei Beleuchtung des Faserbündels als leuchtendes Band akzentuiert werden. Bei der Integration in Regale, Schränke lassen sich auf diese Weise ganze Wohnlandschaften mit gezielten Lichteffekten gestalten.
Insbesondere im Automobilbau, werden zunehmend auch die Scheinwerfer dazu eingesetzt, durch besondere Beleuchtungseinrichtungen einen Wiedererkennungswert des Herstellers zu erzeugen. Daher weisen manche Automobilscheinwerfer Standlichtringe auf, welche das Abblendlicht umgeben und bei eingeschaltetem Licht als weitgehend homogen leuchtender Ring erscheinen. Andere Hersteller setzen beispielsweise ein Band von LEDs in ihren Scheinwerfern ein. Das Faserbündel wird bevorzugt in Scheinwerfern eingesetzt, insbesondere von Fahrzeugscheinwerfer aller Art, besonders bevorzugt in Scheinwerfern von Automobilen. Das Faserbündel ermöglicht es, beliebige bevorzugt homogen leuchtende Strukturen in Scheinwerfern zu erzeugen. Aus verschiedenen Gründen finden LEDs auch zunehmend Anwendungen in Automobilscheinwerfern. Gegenüber in Bändern angeordneten LEDs hat diese Verwendung den Vorteil, dass wenige LEDs ausreichen, um die Beleuchtung herzustellen. Darüber hinaus sind gegenüber einem Band aus LEDs keine einzelnen Lichtpunkte sichtbar, was auch aus Designgründen bevorzugt werden kann. Auch können ein oder mehrere LEDs in die Stirnfläche des Faserbündels eingekoppelt werden. Im Sinne der Verwendung ist die Funktion als Positionslicht innerhalb von Scheinwerfern umfasst, welches wiederum beispielsweise die Anwendungen als Standlicht und/oder als Tagfahrlicht beinhalten.
Eine weitere bevorzugte Verwendung des Faserbündels ist die Konturbeleuchtung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und/oder Zügen. Diese Konturbeleuchtung kann gegebenenfalls bei den entsprechenden Fahrzeugen die vorgeschriebenen Positionslichter ersetzen oder ergänzen und so zur Verkehrssicherheit beitragen.
Bevorzugt ist auch die Verwendung des Faserbündels zur Beleuchtung von Landebahnen für Luftfahrzeuge, beispielsweise Flugzeuge, Hubschrauber, Luftschiffe etc.. Bisher werden Landebahnen durch eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Glühlampen oder Scheinwerfer beleuchtet. Diese haben eine begrenzte Lebenszeit, weshalb in einer solchen Reihe immer wieder die ausgefallenen Glühlampen und/oder Scheinwerfer im laufenden Betrieb des Flughafens ersetzt werden müssen. Wird das Faserbündel entlang der Landebahnen und/oder auch in deren Mitte angeordnet, wird eine linienförmige leuchtende Struktur erzeugt, welche die Lage der Landebahn bei Dunkelheit und/oder schlechten Sichtverhältnissen markiert. Die Beleuchtungsquelle kann das Licht in die Faserbündel an wenigen zentralen Stellen einkoppeln, die sich noch nicht einmal in unmittelbarer Nähe der Landebahn befinden müssen. Das Faserbündel ist weitestgehend wartungsfrei, so dass sich die Wartung dieser Landebahnbeleuchtung auf die wenigen eingesetzten Lichtquellen beschränkt. Auf diese Weise können beispielsweise die Start- und Landepisten von Flughäfen markiert werden, aber auch die von Flugzeugträgern, Hubschrauberlandeplätzen und anderen Luftfahrzeugen markiert werden.
Eine andere bevorzugte Anwendung des Flächengebildes ist die Hintergrundbeleuchtung von Displays. Displays können Anzeigeeinrichtungen aller Art sein, bevorzugt aber Flachbildschirme, beispielsweise Computermonitore, Flachbildfernseher und die Displays von Mobiltelefonen und PDAs (Personal Digital Assistants). Bisher werden großformatige Displays, welche eine Hintergrundbeleuchtung benötigen, von Leuchtstoffröhren beleuchtet, welche am Rand des Displays oder aber hinter der Anzeigefläche des Displays angeordnet sind. Eine möglichst homogene Ausleuchtung der Anzeigefläche wird erwünscht, weshalb sich zwischen Leuchtstoffröhren und Anzeigefläche üblicherweise eine Diffusorplatte befindet, welche das von den Leuchtstoffröhren emittierte Licht homogenisiert. In Diffusorplatten kann das Licht auch seitlich eingekoppelt werden, beispielsweise wenn die Leuchtstoffröhren am Rande des Displays angeordnet sind. Die Diffusorplatte wirkt dann als Lichtleiter. Bei kleineres Displays, beispielsweise Displays von Mobiltelefonen und/oder PDAs, wird üblicherweise Licht von LEDs seitlich in die Diffusorplatte eingekoppelt. Bei größeren Displays findet die LED-Beleuchtung bisher noch keine nennenswerte Anwendung, obwohl sie kostengünstiger wäre als die Beleuchtung mit Leuchtstoffröhren, weil damit bisher noch keine ausreichend homogen beleuchtete Leichtfläche realisiert werden konnte. Abhilfe können die seitenemittierenden Faserbündel schaffen. Werden sie in geeigneten Strukturen hinter der Anzeigefläche verlegt, je nach Bedarf hinter eine Diffusorplatte oder aber auch ohne, können LEDs Licht in die Stirnflächen der Faserbündel einkoppeln, so dass die oder das Faserbündel mit seitenemittierenden Eigenschaften für die Hintergrundbeleuchtung des Displays sorgt. Wird die Anordnung des Faserbündels mit dem Intensitätsverlauf des seitlich emittierten Lichts abgeglichen, lässt sich so kosteneffizient auch eine großflächige homogene Hintergrundbeleuchtung für Displays erzielen.
Alle vorgenannten Anwendungen sind ebenso möglich mit einem hierin beschriebenen Flächengebilde. Insbesondere kann ein solches Flächengebilde auch als Teil der Sitzfläche von Sitzmöbeln ausgeführt werden, aber auch von Bekleidung und allen für Textilien bekannten Anwendungen.
Die Erfindung wird weiterhin anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

1a: den Längsschnitt entlang der Faserachse einer nicht seitenemittierenden Stufenindexfaser aus dem Stand der Technik.
1b: den Querschnitt einer nicht seitenemittierenden Stufenindexfaser aus dem Stand der Technik.
2a: den Längsschnitt entlang der Faserachse einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit einem den Kern vollumfänglich umschließenden Bereich aus einem Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind.
2b: den Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit einem den Kern vollumfänglich umschließenden Bereich aus einem Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind.
3a: den Längsschnitt entlang der Faserachse einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, die den Kern in Teilbereichen entlang der Faserachse vollumfänglich umschließen.
3b: den Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, die den Kern in Teilbereichen entlang der Faserachse vollumfänglich umschließen.
4a: den Längsschnitt entlang der Faserachse einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit diskreten Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, und die sich auf einem Teilbereich des Kernumfangs entlang der Faserachse erstrecken.
4b: den Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit diskreten Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, und die sich auf einem Teilbereich des Kernumfangs entlang der Faserachse erstrecken.
5a: den Längsschnitt entlang der Faserachse einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit diskreten Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, und, die sich jeweils auf einem Teilbereich des Kernumfangs auf Teilbereichen entlang der Faserachse erstrecken.
5b: den Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfaser mit diskreten Bereichen aus Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, die sich jeweils auf einem Teilbereich des Kernumfangs auf Teilbereichen entlang der Faserachse erstrecken.
6a: eine erfindungsgemäße Preform zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend Inlaystäbe aus einem Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind.
6b: ein Faserbündel beinhaltend seitenemittierende Stufenindexfasern.
6c: eine erfindungsgemäße Preform zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend ein Inlayrohr aus einem Glas, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind.
7: das Schema einer Vielfaserziehanlage.
8: einen Schnitt quer zur Faserachse durch ein Flächengebilde, bei dem die seitenemittierenden Stufenindexfasern zwischen einem Trägerelement und einem Stabilisierungselement fixiert sind.
9: einen Schnitt quer zur Faserachse durch ein alternatives Flächengebilde, bei dem die seitenemittierenden Stufenindexfasern in einem Trägerelement eingelagert sind.
10: einen Schnitt quer zur Faserachse durch ein Flächengebilde, bei dem die seitenemittierenden Stufenindexfasern als Faserbündel auf einem Trägerelement fixiert sind und das Gebilde in einem Gehäuse gekapselt ist.
11: ein Flächengebilde mit Maßnahmen zum Anschließen von Lichtquellen
12: den schematischen Schnitt durch ein Display beinhaltend ein Flächenelement zur Hintergrundbeleuchtung des Displays.
13: ein Flächengebilde entsprechend 11, jedoch mit Maßnahmen zum Anschließen von Lichtquellen an beiden Stirnflächen der seitenemittierenden Stufenindexfasern.
14: einen Flugzeuginnenraum mit Anwendungen von Faserbündeln mit seitenemittierenden Eigenschaften.
15a: einen Automobilscheinwerfer mit Faserbündeln mit seitenemittierenden Eigenschaften.
15b: einen weiteren Automobilscheinwerfer mit Faserbündeln mit seitenemittierenden Eigenschaften.
16: ein Gebäude mit einer akzentuiert leuchtenden Spitze.
17: die Landebahn eines Flughafens mit leuchtender Landebahnmarkierung.
18: SEM/EDX-Aufnahmen von kugelförmigen Streupartikeln in einem Pb-haltigen Glas
19: SEM/EDX-Aufnahmen von kugelförmigen Streupartikeln mit inhomogener Größenverteilung in einem Pb-haltigen Glas
20: Aufnahme eines Faserbündels beinhaltend seitenemittierende Stufenindexfasern, deren Streuzentren durch eingelagert Pt-Partikel erzeugt werden.
21: Aufnahme eines Faserbündels beinhaltend seitenemittierende Stufenindexfasern, deren Streuzentren durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugt werden.
22: Messkurven der Helligkeitsverteilung seitenemittierender Stufenindexfasern in Abhängigkeit der Faserlänge.
23: Messkurven der Helligkeitsverteilung seitenemittierender Stufenindexfasern in Abhängigkeit der Faserlänge.

Alle Figuren sind schematisch, die Durchmesser ihrer Elemente sind nicht maßstäblich und auch die Größenverhältnisse aller Elemente untereinander können in den realen Gegenständen von den Zeichnungen abweichen.
1a zeigt den Längsschnitt entlang der Faserachse (A) einer Stufenindexfaser aus dem Stand der Technik. Diese Stufenindexfaser besteht aus einem Kern (1) mit dem Brechungsindex n₁. Dieser ist vollumfänglich von dem Mantel (2) umschlossen, welcher den Brechungsindex n₂ aufweist. Einfallendes Licht (4) wird in dem Kern (1) geleitet, weil aufgrund des kleineren Brechungsindex n₂ Totalreflektion am Mantel (2) auftritt. Allerdings ist die Bedingung der Totalreflektion nur bis zu einem Grenzwinkel des auf den Mantel treffenden Lichts möglich, der von den Werten der Brechungsindices von Kern und Mantel abhängig ist. Der Grenzwinkel β_Min kann berechnet werden durch sin(β_Min) = n₂ / n₁, wobei β_Min von einer Ebene senkrecht zur Faserachse gemessen wird.
Die Brechungsindices des Faserkerns und des ihn umgebenden Mantels sind ebenso für den Akzeptanzwinkel α_Max maßgeblich, welcher gemessen von der Faserachse (A) den maximalen Winkel des auf die Endfläche der Faser treffenden Lichts beschreibt, welches in die Faser einkoppeln kann. Als Maß für die Fähigkeit der Faser, schräg einfallendes Licht einzukoppeln, ist die numerische Aperatur N_A der Faser gebräuchlich. Sie berechnet sich zu NA = n sin(α_Max) = (n₁ ² - n₂ ²)^1/2, wobei n den Brechungsindex des Mediums repräsentiert, welches das Licht vor dem Einkoppeln in die Faser durchläuft.
1b zeigt den Querschnitt der Faser aus 1a, d.h. einen Schnitt quer zur Faserachse (A). Die in 1a und 1b dargestellten Fasern weisen keine seitenemittierenden Eigenschaften auf, da sie weder im Kern noch im Mantel Streuzentren enthalten.
2a zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte seitenemittierende Stufenindexfaser in ihrem Längsschnitt entlang der Faserachse (A). Diese Faser weist einen Bereich (3) aus einem Glas auf, in welches durch Entmischung und/oder Phasentrennung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, der sich zwischen Kern (1) und Mantel (2) der Faser befindet und den Kern (1) vollumfänglich umschließt. In die Faser eingekoppeltes Licht (4) wird durch die Streuzentren in diesem Bereich (3) nach außen, d.h. radial aus der Faser ausgekoppelt, auch wenn der Winkel β_Min überschritten wird. Ohne Vorliegen der Streuzentren (3) wäre ansonsten die Bedingung der Totalreflektion erfüllt und die Faser würde das Licht im wesentlichen im Kern (1) leiten. Verantwortlich für die Auskopplung des Lichts (4) ist die Streuung des Lichts (4) an den in dem Bereich (3) eingelagerten Streuzentren. Weil das Material dieses Bereichs (3), in dessen Matrix die Streuzentren eingelagert sind, bevorzugt den gleichen Brechungsindex n₁ wie das Material des Kerns (1) aufweist, kann das Licht (4) von dem Matrixmaterial weitgehend ungehindert zu den Streupartikeln gelangen. Durch einzelne oder mehrfache Interaktion mit den Streuzentren kann es durch die Streuzentren von seinem ursprünglichen Einfallswinkel abgelenkt werden, so dass der Auftreffwinkel auf den Mantel (2) so herabgesetzt wird, dass er kleiner als β_Min ist und das Licht aus der Faser auskoppeln kann. Ist der Winkel des Einfallens auf den Mantel (2) größer als β_Min, erfolgt eine Rückreflektion in den Bereich (3) oder je nach Auftreffen und/oder Interaktion mit den Streuzentren in den Kern (1).
Trifft das Licht (4) auf seinem Weg durch den Bereich (3) zufällig auf keine Streuzentren, trifft es auf den Mantel (2) und verhält sich so, als ob kein Bereich mit eingelagerten Streuzentren vorhanden wäre. Das bedeutet in diesem Fall, dass falls der Winkel des Durchtretens durch den Bereich (3) und damit der Winkel des Auftreffens auf den Mantel (2) größer als β_Min ist, das Licht von dem Mantel (2) wieder in den Bereich (3) zurückreflektiert wird. Das rückreflektierte Licht kann wie im Fall zuvor beschrieben seinerseits wieder auf Streuzentren treffen, wodurch sich Strahlengänge ergeben können, die letztendlich zu einer Auskopplung des Lichts aus der Faser oder zu seiner Leitung im Kern (1) führen können.
Dass in diesem Ausführungsbeispiel der Bereich (3) den Kern vollumfänglich umschließt, ist anhand von 2b gut ersichtlich, welche den Querschnitt der Faser nach 2a zeigt.
In 3a ist der Bereich (3) mit den eingelagerten Streuzentren so ausgestaltet, dass sie alternierend Bereiche eingelagerte Streuzentren aufweisen, die sich entlang der Faserachse (A) erstrecken und den Kern (1) entsprechend dem Querschnitt nach 3b vollumfänglich umschließen und sich mit Bereichen entlang der Faserachse (A) abwechseln, in welche keine Streuzentren eingelagert sind. Trifft das in dem Kern (1) geleitete Licht (4) auf Bereiche mit eingelagerten Streuzentren (3), kann das Licht (4) entsprechend den zuvor beschriebenen Mechanismen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit radial ausgekoppelt werden. Trifft in dem Kern (1) geleitetes Licht (5) jedoch auf Bereiche ohne eingelagerte Streuzentren, tritt es weitgehend ungehindert durch diese Bereiche, weil sie wie bevorzugt den gleichen Brechungsindex n₁ wie der Kern (1) aufweisen und können durch Totalreflektion am Mantel (2) in der Faser geleitet werden. Durch das gezielte Einstellen des Intervalls zwischen den Streubereichen (3) mit eingelagerten Streuzentren und den Bereichen ohne eingelagerte Streuzentren kann die Menge des ausgekoppelten Lichts eingestellt werden. Wie bereits beschrieben sind allerdings auch andere Parameter für die Effizienz der Auskopplung verantwortlich.
4a zeigt den Längsschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten Stufenindexfaser entlang der Faserachse (A), die diskrete Bereiche (3) aus Glas aufweist, in welches durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugte Streuzentren eingelagert sind, und die sich entlang der Faserachse (A) aber nur auf Teilbereichen des Kernumfangs erstrecken. Dies wird insbesondere auch anhand des Querschnitts nach 4b ersichtlich. Anders ausgedrückt sind in diesem Fall nur Teilbereiche der Kernumfangsfläche mit einem Bereich (3) bedeckt, in welchem Streuzentren vorliegen. Daher wird in diesem Fall von diskreten Bereichen gesprochen, die die das Licht auskoppelnde Funktion aufweisen. Wie zuvor beschrieben wurde, werden diese diskreten Bereiche durch das Verschmelzen von Inlaystäben mit einem Kernstab erzeugt, wobei die Inlaystäbe aus einem Glas entstehen, in welchem die Streuzentren eingelagert sind. Besonders bevorzugt entstehen die Streuzentren durch Phasentrennung und/oder Entmischung des Glases selbst. Die in 4b dargestellte Form ist rein schematisch zu verstehen. Der diskrete Bereich (3) mit den eingelagerten Streuzentren kann wie auch immer geformt sein. Im wesentlichen bestimmt der Verschmelzungsprozeß die tatsächliche Form dieses diskreten Bereichs (3). Wie anhand von 2a beschrieben, kann Licht (4) durch die diskreten Bereiche (3) mit eingelagerten Streuzentren aus der Faser radial ausgekoppelt werden.
Analog zu dem Ausführungsbeispiel nach 3a ist es auch bei dem Vorliegen von diskreten Bereichen (3) eingelagerten Streuzentren entsprechend 4a möglich, dass die diskreten Bereiche (3) nur auf Teilstücken ihrer Ausdehnung entlang der Faserachse (A) mit Streuzentren versehen sind. Ein Längsschnitt entlang der Faserachse (A) einer solchen Faser ist in 5a dargestellt, ein Querschnitt in 5b.
6a zeigt eine Preform (10), welche zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser mit den Kern vollumfänglich umschließenden Bereichen mit eingelagerten Streuzentren oder den Kern nur auf Teilbereichen des Kernumfangs umschließenden, sich entlang der Faserachse (A) erstreckenden, diskreten Bereichen mit eingelagerten Streuzentren geeignet ist. Sie ist somit als Vorprodukt der seitenemittierenden Faser und somit auch für ein Faserbündel notwendig. Die Preform (10) beinhaltet einen Kernstab (11), um den die Inlaystäbe (13) angeordnet sind. Der Kernstab (11) und die Inlaystäbe (13) sind von einem Hüllrohr (12) umgeben. In den meisten Fällen werden Kernstab (11) und Hüllrohr (12) koaxial zueinander ausgereichtet, d.h. dass die Achse von Kernstab (11) und Hüllrohr (12) im wesentlichen aufeinander liegen, und sich zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) zumindest ein Inlaystab (13) befindet. Die Achsen des oder der Inlaystäbe (13) sind im Regelfall parallel zur Achse von Kernstab (11) und Hüllrohr (12) ausgerichtet.
In 6b ist ein Faserbündel (23) dargestellt, welches eine Vielzahl von seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) enthält. In der vorliegenden Form ist es von einem äußeren Mantel (24) umgeben, welcher das Bündel vor mechanischen Belastungen schützt und welcher wie beschrieben aus Kunststoffen und/oder Glasfasern bestehen kann.
Der Kernstab besteht aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und das Hüllrohr aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂. Die Inlaystäbe bestehen aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃, in das die Streuzentren eingelagert sind. Dabei ist hier der Brechungsindex n₃ des Glases der Inlaystäbe (13) größer als der Brechungsindex n₂ des Mantels. In dieser Ausführung ist der Brechungsindex n₃ des Glases der Inlaystäbe (13) genauso groß oder größer als der Brechungsindex n₁ des Kerns, weil somit das in dem Kern geführte Licht effizient in den Bereich gelangen kann, in dem die Streuzentren vorliegen und somit eine hohe Effizienz der seitlichen Auskopplung des Lichts aus der Faser erfolgen kann. In dieser bevorzugten Ausführung sind beide Bedingungen miteinander verknüpft, so dass in diesem Fall gilt n₁ ≤ n3 > n₂, wobei dann n₁ > n2 gilt.
Um eine unter mechanischer Spannung stehende Faser zu erhalten, wird das Glas des Hüllrohres (12) wie beschrieben bevorzugt so gewählt, dass seine thermische Ausdehnung kleiner als die des Glases des Kernstabes (11) ist.
Beim Ausziehen der Preform (10) wird aus dem Kernstab (11) der Faserkern (1) und aus dem Hüllrohr (12) der Mantel (2). Die Inlaystäbe (13) mit den eingelagerten Streuzentren verschmelzen beim Faserziehen mit dem Kernstab (11) und dem Hüllrohr (12) und werden zu den Bereichen (3), in denen die Streuzentren eingelagert sind. Es ist ebenfalls möglich, dass die Inlaystäbe (13) dabei auch miteinander verschmelzen. Erfolgt eine entsprechend starke Verschmelzung und/oder sind hinreichend viele Inlaystäbe (13) in der Preform (10) enthalten, können die Inlaystäbe (13) während des Faserziehens einen Bereich (3) mit eingelagerten Streuzentren bilden, der den Faserkern (1) entsprechend den 2a bis 3b vollumfänglich umschließt. Ist die Verschmelzung der Inlaystäbe (13) untereinander unvollständig, entstehen die diskreten Bereich (3) mit eingelagerten Streuzentren entsprechend den 4a bis 5b.
6c zeigt eine eine erfindungsgemäße Preform (10) zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend ein Inlayrohr (131) aus einem Glas, in welches Streuzentren eingelagert sind, die bevorzugt durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugt wurden. Die Preform (10) beinhaltet ebenfalls einen Kernstab (11), um den das Inlayrohr (131) angeordnet ist. Der Kernstab (11) und das Inlayrohr (131) sind ihrerseits von einem Hüllrohr (12) umgeben. In den meisten Fällen werden Kernstab (11), Inlayrohr (131) und Hüllrohr (12) koaxial zueinander ausgereichtet, d.h. dass die Achse von Kernstab (11), Inlayrohr (131) und Hüllrohr (12) im wesentlichen aufeinander liegen, und sich zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) das Inlayrohr (131) befindet.
Der Kernstab (11) besteht aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und das Hüllrohr (12) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂. Die Inlayrohre (131) bestehen aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃, in das die Streuzentren eingelagert sind. Es wird bevorzugt, dass die Brechungsindices n₁, n₂ und n₃ die anhand der 6a beschriebenen Relationen erfüllen.
7 zeigt das gleichzeitige Faserziehen von Fasern (22) aus mehreren Preformen (10) in einer Vielfaserziehanlage. Die Preformen (10) werden in ein Heizaggregat (20) eingebracht. Zumindest der untere Bereich der Preformen (10) wird auf Ziehtemperatur gebracht. Üblicherweise beinhaltet das Heizaggregat (20) mehrere Heizbuchsen, wobei jeder Preform (10) eine Heizbuchse zugeordnet ist. In der Heizbuchse sind üblicherweise die Mittel zum Aufheizen der Preform (10) enthalten. Mehrere Fasern (22) werden gemäß der Zeichnung gleichzeitig gezogen, über eine Umlenkrolle (21) umgelenkt und auf einer Aufwickelspule aufgewickelt. Auf der Aufwickelspule befindet sich ein Faserbündel (23), das in diesem Fall nicht von einem äußeren Mantel umgeben ist. Die Anzahl der Fasern in dem Faserbündel entspricht der Anzahl der gleichzeitig gezogenen Fasern (22).
8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flächengebildes als Schnitt quer zur Faserbündelachse (A). Die einzelnen seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) sind hier als Monolage auf ein transparentes Trägerelement (71) aufgeklebt und somit mit diesem fixiert. Das durch die seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) emittierte Licht (4) tritt durch das Trägerelement (71) und wird von dort bevorzugt in alle möglichen Raumrichtungen abgestrahlt. Die den Stufenindexfasern abgewandte Oberfläche des Trägerelements (71) wirkt somit als bevorzugt homogen leuchtende Abstrahlfläche. Rückseitig ist ein Stabilisierungselement (72) mit den seitenemittierenden Stufenindexfasern verbunden, so dass die diese mit dem Trägerelement (71) und dem Stabilisierungselement (72) eine Sandwich-Struktur ausbilden. Als Stabilisierungselement (72) kann beispielsweise eine Aluminiumfolie verwendet werden, deren Fixierung kann auf einfache Weise durch verkleben erfolgen.
In 9 ist eine Variante dargestellt, bei der die vorwiegend parallel ausgerichteten seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) von einem transparenten Kunststoff umspritzt sind, welcher auf diese Weise das Trägerelement (71) bildet. Dies kann abschnittsweise als Spritzgießprozess oder quasi endlos als Extrusionsprozess geschehen. Das von den Stufenindexfasern emittierte Licht (4) kann dabei bevorzugt von beiden Oberflächen des Flächengebildes abstrahlen. Es ist aber ebenso möglich, dass eine Oberfläche des Flächengebildes mit einer reflektierenden Schicht versehen wird, so dass nur die Lichtabstrahlung in eine Richtung erfolgen kann, deren Intensität aber erhöht wird.
In 10 liegen die seitenemittierenden Stufenindexfasern zumindest als Bestandteil von zueinander beabstandeten Faserbündeln (23) vor, in welchen eine Vielzahl von seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) enthalten sind. Dabei sind in diesem Beispiel die Faserbündel (23) auf einem Trägerelement (71) mit einer reflektiven Deckschicht fixiert. Die ganze Anordnung ist bevorzugt eingekapselt. Das von den Faserbündeln (23) emittierte Licht (4) tritt in diesem Fall durch die Verkapselung (75). Diese kann aus einem transparenten Kunststoff bestehen. Andere Materialien sind allerdings ebenso möglich, so dass eine hermetische Verkapselung des Flächengebildes ermöglicht wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass bei dieser Verkapselungslösung anstatt der Faserbündel (23) auch seitenemittierende Stufenindexfasern (22) auf dem Trägerelement (71) fixiert werden.
11 zeigt ein Flächengebilde, bei dem die seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) und/oder Faserbündel (23) beinhaltend die seitenemittierenden Stufenindexfasern vorwiegend parallel angeordnet sind. Dabei können die Stufenindexfasern (22) und/oder die Faserbündel (23) miteinander fixiert sein und/oder mit nicht abgebildeten Trägerelementen (71) und/oder Stabilisierungselementen (72) verbunden sein. Eine Lichtquelle (81) kann in die Stirnfläche der Stufenindexfasern (22) und/oder die Faserbündel (23) eingekoppelt werden. Dazu sind die Stufenindexfasern (22) und/ oder die Faserbündel (23) mittels der Lichtleiterbündelung (83) zusammengefasst, so dass die flächige Anordnung zu einer Einkoppelfläche (82) umgebildet wird. In der Einkoppelfläche (82) sind die Stirnflächen der Stufenindexfasern (22) bevorzugt möglichst dicht zusammengefasst. Wird Licht von der Lichtquelle (81) über die Einkoppelfläche (82) in die Stufenindexfasern (22) und/oder die Faserbündel (23) und damit in das Flächengebilde eingekoppelt, kann durch die parallel angeordneten Stufenindexfasern (22) und/oder Faserbündel (23) seitlich ausgekoppelt und von der Fläche emittiert werden.
Entsprechend 13 kann das Flächengebilde auch zwei Einkoppelflächen (81, 82) aufweisen, so dass in das Faserbündel (23) und/oder die seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) von beiden Stirnflächen Licht eingekoppelt werden kann. Je nach Art der Anordnung der Faserbündel (23) und/oder der seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) ist aber auch eine höhere Anzahl von Einkoppelflächen (81, 82) möglich.
12 stellt den schematischen Schnitt durch ein Display beinhaltend ein Flächenelement zur Hintergrundbeleuchtung des Displays dar. Hierbei wird eine Anzeige-Einheit (91) mittels mehrerer beabstandeter, parallel zueinander angeordneten Lichtleiterbündeln (23) mit jeweils einer Vielzahl von seitenemittierenden Stufenindexfasern (22) hinterleuchtet. Das Faserbündel (23) ist auf einem Trägerelement (72) fixiert, das bevorzugt auf der dem Faserbündel (23) zugewandten Seite verspiegelt ist. Die Anzeige-Einheit (91) kann beispielsweise eine TFT-Einheit mit den beiden Polarisationsplatten und den Flüssigkristallen dazwischen sein. Das von dem Faserbündel (23) emittierte Licht (4) tritt durch die TFT-Einheit hindurch. Besonders bevorzugt werden in diesem Anwendungsbeispiel LEDs als Lichtquelle (81) verwendet.
In 14 ist der Innenraum eines Flugzeuges dargestellt, beispielsweise die Kabine eines Passagierflugzeugs. Faserbündel beinhaltend die seitenemittierenden Fasern können vielfältige Anwendungen in Flugzeugkabinen finden. Wenn die äußeren Mäntel der Faserbündel aus Materialien gebildet werden, die Flammfest sind, erfüllen die Faserbündel, die ansonsten Glas enthalten, die Zulassungsbestimmungen der für die Zulassung von Passagierflugzeugen zuständigen Behörden und die anwendbaren Herstelleranforderungen. In 14 sind die seitenemittierenden Faserbündel mitunter als breite Bänder dargestellt. Diese Darstellung muß nicht Maßstabsgerecht sein. Üblicherweise werden die Faserbündel als schmaler Faserstrang verwendet, der als leuchtende Linie erscheint.
Ein solches Leuchtband kann als Konturbeleuchtung (30) entlang der Fenster der Flugzeugkabine, der Fächer der Handgepäckaufbewahrung oder entlang von Innenraumteilern angebracht sein. Generell ist jede Form von Konturbeleuchtung innerhalb der Flugzeugkabine möglich. In dem Boden der Flugzeugkabine kann das seitenemittierende Faserbündel zur Markierung der Wege (31) innerhalb des Flugzeugs angebracht werden. Besonders vorteilhaft ist diese Wegemarkierung (31) zur Markierung der Wege zu den Notausstiegen. Ebenso ist es möglich, die seitenemittierenden Faserbündel als Konturbeleuchtung für Sitze (33) zu verwenden. Neben dem dekorativen Effekt hat diese Anwendung den Vorteil, dass zur Einstellung von Nachtverhältnissen in der Kabine, die für die Passagiere zum Unterstützen von Schlafphasen eingesetzt werden, das Umgebungslicht reduziert werden kann, aber die Passagiere ihre Sitzplätze immer noch auffinden können. Man hat erkannt, dass gerade auf Langstreckenflügen das Einlegen von Schlafphasen die Reise für die Passagiere stressfreier macht. Daher wird immer mehr Wert auf eine geeignete Nachtausstattung von Flugzeuginnenkabinen gelegt.
Werden die seitenemittierenden Lichtleitfasern in Form eines Flächengebildes verwendet, beispielsweise indem sie mit Textilfasern verwoben werden, können sie in das Gewebe der Sitzbezüge integriert werden. Dann ist es mit den Fasern nicht nur möglich, Konturbeleuchtungen zu realisieren, sondern auch Flächen wie Teile der Oberfläche der Sitze (32) leuchtend zu gestalten.
15a zeigt einen Automobilscheinwerfer (40), in den seitenemittierende Faserbündel Beleuchtungsaufgaben übernehmen. In diesem Beispiel umschließen sie als Ring (41) Abblendlicht (42) und/oder Fernlicht (42). Die seitenemittierenden Faserbündel können so innerhalb des Scheinwerfers (40) als Standlicht und/oder Tagfahrlicht eingesetzt werden.
In 15b ist ebenfalls ein Automobilscheinwerfer (40) dargestellt, in welchem das seitenemittierende Faserbündel (45) als Strang unterhalb der Hauptscheinwerfer (42) angeordnet ist. Auch in diesem Beispiel kann es neben dekorativen Funktionen die Aufgaben als Stand- und/oder Tagfahrlicht realisieren.
Die Anwendung des Faserbündels (41, 45) in Automobilscheinwerfern (40) ist vorteilhaft, da das Faserbündel (41, 45) zumindest überwiegend aus Glas besteht und somit beständig gegenüber Hitze und Verwitterung ist, die durch das Einwirken von aggressiven Substanzen verstärkt werden kann. Das Faserbündel aus Glas ist gegenüber Verwitterung und Hitzebelastung unempfindlicher als seitenemittierende Faserbündel aus Kunststoffen. Außerdem können sehr viel höhere Lichtleistungen in Faserbündel aus Glas eingekoppelt werden, als es in Faserbündel aus Kunststoff möglich ist.
Ebenso eignen sich insbesondere LEDs zur Einkopplung in seitenemittierende Faserbündel besonders gut, da ihre im Vergleich zu Glühlampen oder Gasentladungslampen geringe Abstrahlfläche eine effiziente Einkopplung ohne eine grußvolumige Optik ermöglicht. So lassen sich in einem Automobilscheinwerfer u.a. Kosten, Gewicht und Platz sparen. Gegenüber dem Anbringen von bandförmig angeordneten LEDs hat die Verwendung eines seitenemittierenden Faserbündels (41, 45) in Automobilscheinwerfern (40) den Vorteil, dass das Licht homogen ausgestrahlt wird, so dass nicht der ästhetisch unschöne Eindruck einzelner Leuchtpunkte entsteht, andere Verkehrsteilnehmer nicht durch eine Vielzahl von Leuchtpunkten irritiert werden, der Leuchteffekt weitgehend winkelunabhängig ist und die Anzahl von LEDs verringert wird und dadurch Energie beim Gebrauch des Scheinwerfers eingespart werden kann, was wiederum den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und somit seine CO₂-Emissionen senken kann.
16 zeigt die Konturbeleuchtung (51) von Teilen eines Gebäudes (50). Im vorliegenden Beispiel ist das Gebäude ein Hochhaus, wobei die Umrisse der Kuppel für den Betrachter durch die dort angebrachten seitenemittierenden Faserbündel als leuchtend erscheinen.
Anhand 17 ist die Anwendung der Faserbündel mit seitenemittierenden Eigenschaften als Markierung von Landebahnen von Luftfahrzeugen (60) dargestellt. Sowohl die seitlichen Markierungen (61) als auch ein Mittelstreifen (62) lassen sich wie zuvor beschrieben vorteilhaft mittels der seitenemittierenden Stufenindexfasern realisieren.
18 zeigt eine SEM/EDX-Aufnahme eines Glases, das bevorzugt für Inlaystäbe (13) und/oder Inlayrohre (131) verwendet werden kann. SEM steht wie dem Fachmann allgemein bekannt als Abkürzung von Scanning Electron Microscope, auf deutsch Rasterelektronenmikroskop. Dessen Funktionsprinzip beruht darauf, dass ein dünner Elektronenstrahl über das Objekt gerastert wird. Dabei werden die aus dem Objekt wieder austretenden oder rückgestreuten Elektronen, oder auch andere Signale, synchron detektiert. Der registrierte Strom bestimmt den Intensitätswert des zugeordneten Bildpunktes. EDX steht für energiedispersives Röntgenanalyse-Verfahren, welches dem Fachmann ebenfalls wohlbekannt ist. Dieses Verfahren ist besonders für chemische Analysen an Oberflächen im µm-Bereich geeignet.
Das gesamte in 18 gezeigte Bild zeigt einen etwa 7 µm breiten Bereich der Glasprobe. Im vorliegenden Fall wurde ein Na-Al-K-As-Pb-Silikatglas und somit ein Pb-haltiges Glas mit dieser Methode untersucht. Die kreisförmigen hellen Flecken zeigen die in das Glas eingelagerten Streuzentren, welche hier eine annähernd gleiche Größenverteilung aufweisen und in Realität kugelförmig sind. Ihr Durchmesser beträgt etwa 100 nm bis 600 nm. Die Auswertung der EDX-Spektren hat ergeben, dass die kugelförmigen Streuzentren qualitativ die gleiche Zusammensetzung wie das sie umgebende Na-Al-K-As-Pb-Silikatglas haben, aber erheblich höhere Gehalte an As und Pb aufweisen. Daher ist davon auszugehen, dass es sich bei den Streuzentren um Entmischungsprodukte handelt. Diese liegen in dem Glas schon vor dem Faserzug vor, weshalb dieses Glas weißlich opac erscheint.
In 19 ist ebenfalls eine SEM/EDX-Aufnahme eines anderen Na-Al-K-As-Pb-Silikatglases mit dem gleichen Maßstab wie in 18 dargestellt. Hier ist auffällig, dass Streuzentren mit zwei verschiedenen Größenklassen vorliegen, die miteinander vermischt sind. Auch hier ist aufgrund der EDX-Spektren davon auszugehen, dass diese Streupartikel einen erhöhten Gehalt an As und Pb aufweisen und als Entmischungsprodukt der sie umgebenden Glasmatrix entstanden sind.
20 zeigt eine fotografische Aufnahme eines Faserbündels beinhaltend seitenemittierende Stufenindexfasern, deren Streuzentren durch eingelagert Pt-Partikel erzeugt werden. Solche seitenemittierenden Stufenindexfasern sind Gegenstand der Deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 009 139 A1 und DE 10 2008 009 137 A1 der gleichen Anmelderin (beide zum Zeitpunkt dieser Anmeldung noch nicht veröffentlicht).
Wie anhand der 20 zu sehen ist zeigt eine solche Faser zwar eine effiziente seitliche Auskopplung mit recht gleichmäßigem Helligkeitsverlauf über die dargestellte Faserbündellänge, aber auch einzelne stark leuchtende Lichtpunkte. Diese stark leuchtenden Lichtpunkte sind mitunter unerwünscht, wenn ein homogen leuchtender Streifen erzeugt werden soll.
In 21 ist dahingegen die fotografische Aufnahme eines Faserbündels (23) beinhaltend seitenemittierende Stufenindexfasern (22) dargestellt, deren Streuzentren wie beschrieben durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugt wurden. Im Vergleich zu 20 fällt auf, dass das gezeigte Faserbündel einen sehr gleichmäßigen Helligkeitsverlauf über die Faserbündellänge aufweist und noch dazu sehr homogen leuchtet, d.h. es sind keine einzelnen hell leuchtenden Lichtpunkte zu sehen, so dass das Faserbündel (23) wie ein homogen leuchtender Streifen erscheint.
22 zeigt die gemessenen Helligkeiten der Seitenemission von seitenemittierenden Stufenindexfasern (90, 91) gegen den Abstand von der Stirnfläche der Faser aufgetragen. Die Kurve (92) repräsentiert eine seitenemittierende Stufenindexfaser, bei der die Streuzentren durch Zugabe von Pt-Partikeln, aber nicht durch Entmischung und/oder Phasentrennung erzeugt wurden. Die Messung der Helligkeit in Abhängigkeit des Abstands ergibt das Helligkeitsverteilungsprofil der seitenemittierenden Faser. Möglichst große Helligkeiten über einen möglichst großen Abstand sind für die meisten Anwendungen erwünscht. Die Helligkeitswerte in der 22 sind in willkürlichen Einheiten angegeben. Kurve (91) zeigt das Helligkeitsverteilungsprofil einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, die aus einer Preform mit 3 Inlaystäben mit einem Durchmesser von 300 µm ausgezogen wurde, wobei die Inlaystäbe aus einem Glas bestanden, in das durch Phasentrennung und/oder Entmischung entstandene Streupartikel eingelagert sind. Im Unterschied dazu zeigt Kurve (91) eine seitenemittierende Stufenindexfaser, bei der die Preform aus den gleichen Inlaystäben wie bei Kurve (90) bestand, aber nur 2 Inlaystäbe verwendet wurden. Wie man erkennen kann, sind die Helligkeiten und somit die Auskoppeleffizienz der seitenemittierenden Stufenindexfasern (90, 91) signifikant unterschiedlich. Eine größere Zahl von Inlaystäben führt zu einer stärkeren Auskopplung, wobei das Helligkeitsprofil im Abstand zur Lichtquelle aber auch im Verhältnis zur Eingangsintensität schneller abnimmt. Durch die Zahl der Inlaystäbe kann die Effizienz der Auskopplung somit auf einfache Weise skaliert werden.
Die seitenemittierende Stufenindexfaser, die für Kurve (92) vermessen wurde, wurde aus einer Preform mit 30 Inlaystäben hergestellt, wobei die Streuzentren in den Inlaystäben durch Pt-Partikel mit einer Durchmesser-Größenverteilung von 150 nm bis 450 nm repräsentiert werden. Der Vergleich der Kurven (90) und (91) mit Streuzentren, die durch Phasentrennung und/oder Entmischung entstanden sind, zu Kurve (93) mit Streuzentren, die durch Pt-Partikel repräsentiert werden, zeigt, dass mit Hilfe der Kurven (90) und (91) zugrundegelegten Inlaystäbe mit weniger Material und erheblich weniger Kosten eine im Fall der Kurve (90) eine höhere Auskoppeleffizienz erzielt werden kann, als durch die Inlaystäbe, welche der Kurve (92) zugrunde liegen. Allerdings ist die relative Abnahme der Intensität bei Kurve (92) deutlich geringer als bei den Kurven (90) und (91).
Somit ist ersichtlich, dass sowohl durch die Wahl der Anzahl der Inlaystäbe und somit über die Menge von Streuzentren in der Faser als auch über die Wahl der Streuzentren selbst die Effizienz der Auskopplung entsprechend der jeweiligen Anforderung eingestellt werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, in einer Preform verschiedene Inlaystäbe mit verschiedenen Streuzentren zu mischen als auch Inlaystäbe zu verwenden, die beispielsweise Streuzentren aus Pt-Partikeln und Streuzentren enthalten, die durch Phasentrennung und/oder Entmischung gebildet werden.
In 23 ist wiederum wie bei 22 die gemessenen Helligkeiten der Seitenemission einer seitenemittierenden Stufenindexfaser (95) gegen die den Abstand von der Stirnfläche der Faser aufgetragen, allerdings im Unterschied zu 22 mit beidseitiger Einkopplung. Die Helligkeitswerte in der 23 sind ebenfalls in willkürlichen Einheiten angegeben. Die Kurve (95) repräsentiert die gleiche seitenemittierende Stufenindexfaser wie die bzgl. Kurve (90) beschriebene, Kurve 96 eine seitenemittierende Stufenindexfaser wie die bzgl. Kurve (93) beschriebene. Wie im Vergleich der 22 und 23 leicht zu erkennen ist, erhöht eine beidseitige Einkopplung die Intensität gerade im Mittelteil der Faser, weshalb eine beidseitige Einkopplung bei vielen Anwendungen bevorzugt wird.
Kurve (95) zeigt durchweg höhere Intensitäten als Kurve (96), allerdings ist der Helligkeitsabfall bei Kurve (96) stärker ausgeprägt. Auch bei beidseitiger Einkopplung sind die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur Skalierung des Seitenemissionseffekts selbstverständlich möglich.
Zum Erzeugen einer bevorzugten Ausführungsform der seitenemittierenden Stufenindexfaser wurde ein Kernstab (11) mit feuerpolierter Oberfläche zusammen mit Inlaystäben (13) und einem Hüllrohr gemäß dem beschriebenen Verfahren zu einer Faser ausgezogen. Der Kernstab wies einen Durchmesser von 30 mm auf. Das Hüllrohr (12) hatte einen Außendurchmesser von 35 mm und einen Innendurchmesser von 33,5 mm. In das an einem Ende zugeschmolzene Hüllrohr (12) wurde der Kernstab (11) eingesteckt und in den dazwischenliegenden Spalt wurden 1 bis 30 Inlaystäbe (13) aus einem As-Pb-haltigen Silikatglas angeordnet, in das Streuzentren eingelgagert sind, die einen erhöhten Gehalt an Pb enthielten und die durch Phasentrennung und/oder Entmischung erzeugt wurden. Ein solches Glas kann als Farbglas kommerziell von verschiedenen Herstellern bezogen werden. Der erhältliche Glasstab mit einem Durchmesser von einigen Millimetern wurde für die Herstellung zu einer typischen Dicke von zwischen etwa 100 µm und 1 mm ausgezogen.
Das geschlossene Ende der so entstandenen Preform (10) wurde unter Anlegen eines Unterdrucks am offenen Ende der Preform zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) in das Heizaggregat (20) einer bekannten Ziehanlage eingefahren und bis zur Ziehtemperatur erhitzt. Nach Erweichen des Endes der Preform (10) wurde dieses nach unten aus dem Heizaggregat (20) gezogen und somit zu einer Faser verjüngt. Durch diesen Prozeß wurden die Inlaystäbe (13) so stark erweicht, dass sie sich verformten und schließlich einen Streubereich (3) zwischen Kern (1) und Mantel (2) der Faser (22) bildeten. Durch Nachführen der Preform (10) in dem Heizaggregat (20) war ein kontinuierlicher Faserziehprozeß möglich, dessen Ergebnis eine seitenemittierende Stufenindexfaser mit einem Durchmesser von 5 µm bis 300 µm und einer Länge von mehreren Kilometern war.
Vorteilhaft können als Materialien für den Kernstab (11) und somit für den Kern (1) Gläser mit den im Folgenden genannten Zusammensetzungen eingesetzt werden.
Kernglas Variante 1 mit Brechungsindex n₁ von 1,65 bis 1,75, beinhaltend (in Mol% auf Oxidbasis)

SiO₂ 25 bis 45 Ta₂O₅ 0,1 bis 6

B₂O₃ 13 bis 25 ZrO₂ 0,1 bis 8

CaO 0 bis 16 ZnO 0,1 bis 8

SrO 0 bis 8 CaO + SrO + BaO + ZnO > 33

BaO 17 bis 35 Al₂O₃ 0 bis 5

La₂O₃ 2 bis 12

Kernglas Variante 2 mit Brechungsindex n₁ von 1,65 bis 1,75, beinhaltend (in Mol% auf Oxidbasis)

SiO₂	54,5 bis 65
ZnO	18,5 bis 30
Summe der Alkalioxide	8 bis 20
La₂O₃	0 bis 3
ZrO₂	2 bis 5
HfO₂	0,02 - 5
ZrO₂ + HfO₂	2,02 bis 5
BaO	0,4 bis 6
SrO	0 bis 6
MgO	0 bis 2
CaO	0 bis 2
Summe der Erdalkalioxide	0,4 bis 6
Li₂O	0,5 bis 3, jedoch nicht mehr als 25 Mol% der Summe der Alkalioxide
SiO + ZrO₂ + HfO₂ > 58,5
Verhältnis ZnO : Summe der Erdalkalioxide > 3,5 : 1

Kernglas Variante 3 mit Brechungsindex n₁ von 1,58 bis 1,65, beinhaltend (in Mol% auf Oxidbasis)

SiO₂ 50 bis 60	Nb₂O₅ 0 bis 4
B₂O₃ 0 bis 15	La₂O₃ + Y₂O₃ + Nb₂O₅ 0 bis 4
BaO 10 bis 35	Na₂O 4,5 bis 10
SrO 0 bis 18	K₂O 0,1 bis 1
Sr + Ba 10 bis 35	Rb₂O 0 bis 1,5
ZnO 0 bis 15	Cs₂O 0 bis 1,5
Sr + Ba + Zn 10 bis 40	Rb₂O + Cs₂O 0 bis 1,5
B₂O₃ + ZnO 5 bis 35	Summe der Erdalkalioxide 4,8 - 11
Al₂O₃ 0,1 bis 1,9	MgO 0 bis 6
ZrO₂ 0 bis 4	CaO 0 bis < 5
La₂O₃ 0 bis 4
Y₂O₃ 0 bis 4

Kernglas Variante 4 beinhaltend (in Gew.% auf Oxidbasis)

SiO₂ 42 bis 53

ZnO 30 bis 38

Na₂O < 14

K₂O < 12

Na₂O+K₂ O ≥ 2

BaO < 0,9
Kernglas Variante 5 beinhaltend (in Gew.% auf Oxidbasis)

SiO₂ 30 bis 45

B₂O₃ < 12

ZnO < 10

BaO 25 bis 40

Na₂O < 10

K₂O < 2

Al₂O₃ < 1

La₂O₃ < 10
Mantelglas Variante 1 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 70 bis 78 MgO 0 bis 1

Al₂O₃ 0 bis 10 CaO 0 bis 2

B₂O₃ 5 bis 14 SrO 0 bis 1

Na₂O 0 bis 10 BaO 0 bis 1

K₂O 0 bis 10 F 0 bis 1

und im wesentlichen kein Li₂O.
Mantelglas Variante 2 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 63 bis 75 MgO 0 bis 5

Al₂O₃ 1 bis 7 CaO 1 bis 9

B₂O₃ 0 bis 3 BaO 0 bis 5

Na₂O 8 bis 20 F 0 bis 1

K₂O 0 bis 6

und im wesentlichen kein Li₂O.
Mantelglas Variante 3 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 75 bis 85

Al₂O₃ 1 bis 5

B₂O₃ 10 bis 14

Na₂O 2 bis 8

K₂O 0 bis 1

und im wesentlichen kein Li₂O und MgO.
Mantelglas Variante 4 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 62 bis 70

B2O3 >15

Li₂O >0.1

Na₂O 0 bis 10

K₂O 0 bis 10

MgO 0 bis 5

CaO 0 bis 5

SrO 0 bis 5

BaO 0 bis 5

ZnO 0 bis 5

F 0 bis 1
Mantelglas Variante 5 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 60 bis 72

B2O3 < 20

Al₂O₃ <10

Na₂O < 18

K₂O < 15

Li₂O < 5

F ≤ 1
Mantelglas Variante 6 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 72-78

B₂O₃ 5 bis 15

Al₂O₃ 5 bis 10

Na₂O < 10

K₂O < 10

Li₂O < 5

F ≤ 1
Mantelglas Variante 7 (in Gew.% auf Oxidbasis), beinhaltend

SiO₂ 70-80

B₂O₃ < 5

Al₂O₃ < 10

La₂O₃ <2

Na₂O < 10

K₂O < 10

ZrO₂ <2
Die auf die beschriebene Weise erhaltene Glasfaser weist ebenfalls eine hervorragende Bruchfestigkeit auf.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten seitenemittierenden Stufenindexfasern haben die erfindungsgemäß hergestellten seitenemittierenden Stufenindexfasern darüber hinaus den Vorteil, dass sie effizienter das Licht seitwärts auskoppeln, dass der Effekt der Seitenemission sowohl durch die Verwendung der Inlaystäbe (13) als auch durch die Wahl der Streuzentren für die betreffenden Anwendungen sehr gut skalierbar ist und dass solche seitenemittierenden Stufenindexfasern aufgrund des Materials, aus dem sie bestehen, brandbeständig sind. Daher können sie in Bereichen mit erhöhten Brandschutzbestimmungen eingesetzt werden. Dies sind Anwendungsgebiete, welche insbesondere Fasern aus Kunststoffen verschlossen sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Faserbündel beinhaltend die seitenemittierenden Stufenindexfasern wirtschaftlich maschinell herstellen.

Claims

Preform (10) zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend einen Kernstab (11) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und ein Hüllrohr (12) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂, wobei das Hüllrohr (12) den Kernstab (11) entlang der Kernstabachse umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) im wesentlichen parallel zur Kernstabachse zumindest ein Inlaystab (13) oder ein Inlayrohr (131) aus einem Glas angeordnet ist, das den Brechungsindex n₃ aufweist und in welches Streuzentren eingelagert sind, die durch inhomogene Bereiche desjenigen Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind.
Preform (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) von 1 bis 20 Inlaystäbe (13) im wesentlichen parallel zur Kernstabachse angeordnet sind.
Preform (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Inlaystäbe (13) von 0,1 mm bis 2 mm beträgt.
Preform (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren im Inlaystab (13) oder Inlayrohr (131) einen Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm aufweisen.
Preform (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren im Inlaystab (13) oder Inlayrohr (131) einen Durchmesser von 100 nm bis 800 nm aufweisen.
Preform (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren im Inlaystab (13) oder Inlayrohr (131) durch Phasentrennung und/ oder Entmischung der Glaskomponenten des Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind.
Preform (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas des Inlaystabes (13) oder Inlayrohres (131), in welches die Streuzentren eingelagert sind, aus einem As-Pb-haltigen Silikatglas besteht.
Preform (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren einen gegenüber der umgebenden Glasmatrix des Inlaystabs (13) oder Inlayrohres (131) erhöhten Gehalt an Pb und/oder As aufweisen.
Preform (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas des Inlaystabes (13) oder Inlayrohres (131) in welches die Streuzentren eingelagert sind, aus einem Fluor-haltigen Ca-Zn-Silikatglas besteht.
Preform (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren einen gegenüber der umgebenden Glasmatrix des Inlaystabes (13) oder Inlayrohres an Fluor erhöhten Gehalt an Fluor aufweisen.
Preform (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Streuzentren in Gew-% in dem zumindest einen Inlaystab (13) oder Inlayrohr (131) von 1% bis 80% beträgt.
Preform (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Streuzentren in Gew-% in dem zumindest einen Inlaystab (13) oder Inlayrohr (131) von 10% bis 50% beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer seitenemittierenden Stufenindexfaser, beinhaltend die Verfahrensschritte - Bereitstellen eines Kernstabes (11) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n1, - Anordnen eines Hüllrohres (12) aus einem Glas mit dem Berechungsindex n₂, so dass sich der Kernstab (11) innerhalb des Hüllrohres (12) befindet und eine Perform (10) erhalten wird, - Erwärmen der Preform (10), - Ausziehen der Preform (10) zu einer Glasfaser (22), dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten der Preform (10) ferner zumindest ein Inlaystab (13) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃, in welches Streuzentren eingelagert sind, die durch inhomogene Bereiche des Glases gebildet werden, im wesentlichen parallel zu der Kernstabachse zwischen Kernstab (11) und Hüllrohr (12) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausziehen der Preform (10) zumindest ein Inlaystab (13) mit dem Kernstab (11) verschmilzt, so dass ein diskreter Streubereich gebildet wird, der sich zumindest auf einem Teilumfang des Faserkerns (1) entlang der Faserachse (A) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform (10) eine Mehrzahl von Inlaystäben (13) enthält, welche beim Ausziehen der Preform (10) sowohl mit dem Kernstab (11) als auch miteinander verschmelzen, so dass zumindest ein diskreter Streubereich (3) gebildet wird, der sich zumindest auf einem Teilumfang des Faserkerns (1) entlang der Faserachse (A) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform (10) eine Mehrzahl von Inlaystäben (13) enthält, welche beim Ausziehen der Preform (10) sowohl mit dem Kernstab (11) als auch miteinander verschmelzen, so dass ein Streubereich (3) gebildet wird, der den Faserkern (1) entlang der Faserachse (A) vollumfänglich umschließt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an die Preform (10) beim Ausziehen Unterdruck angelegt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für das Hüllrohr (12) ein Glas verwendet wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases des Kernstabes (11).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Preformen (10) nebeneinander in einem Heizaggregat (20) einer Vielfaserziehanlage angeordnet und mehrere seitenemittierende Stufenfasern (22) gleichzeitig in einer Vielfaserziehanlage ausgezogen werden, so dass ein Faserbündel (22) erhalten wird, welches seitenemittierende Stufenindexfasern enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass um das Faserbündel (22) ein äußerer Mantel aus einem transparenten und/oder transluzenten Kunststoff extrudiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (22) mit Glasfasern umgeben wird, welche einen äußeren nicht-brennbaren transparenten und/oder transluzenten Mantel um das Faserbündel bilden.