DE102016003853A1

DE102016003853A1 - Lateral abstrahlender Lichtwellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016003853A1
Application number: DE102016003853.5A
Authority: DE
Inventors: Lothar Wondraczek; Zhiwen Pan; Gaoyuan Li
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Aufgabe, einen derartigen langzeitstabilen Lichtwellenleiter für einen großen Spektralbereich, mit einer Lichtabgabe weitestgehend linearer Intensitätsverteilung über vorgebbare Faserlängen im Meterbereich anzugeben wird dadurch gelöst, dass eine Lichtleitfaser in Längserstreckungsrichtung über den äußeren Umfang und/oder in Längserstreckungsrichtung über ihren Faserkern mit Durchmesserfluktuationen vorgebbarer Amplitudenhöhe (A), die in vorgebbaren Periodenlängen (w) wiederholend vorgesehen sind, versehen ist, wobei die Lichtleitfaser während des Ziehprozesses im Bereich der Aufschmelzzone des erschmolzenen Faserabschnitts mit einer zusätzlich aufmodulierbaren mechanischen Verschiebung zwischen Preform und Brennerzone mit vorgebbarer und veränderbarer Frequenz entgegen der Ziehrichtung beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Im Rahmen vorliegender Erfindung wird unter einem lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter ein solcher verstanden, der über eine vorgebbare Wellenleiterlänge das in ihm geführte Licht beliebiger Wellenlänge im Wesentlichen über seinen Umfang an die den Wellenleiter umgebenden Medien abgibt. Derartige Lichtwellenleiter können in vielfältigen Bereichen der Technik sowohl einzeln als auch in konfektionierter Form Verwendung finden, insbesondere in Verwendungen, die die Behandlung von Fluiden im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich betreffen, als auch zur Wärmebehandlung von organischen Geweben etc..
Lichtwellenleiter beruhen typischerweise auf einem lichtdurchlässigen Material in Faserform, durch welches Licht von einer Lichtquelle zu einem Zielort am anderen Faserende geleitet wird. Die geforderte Lichtdurchlässigkeit muss dabei ausreichend hoch sein, so dass zumindest über die anwendungsgemäß geforderte Länge ausreichend Licht transportiert werden kann. Als Materialien können hier sowohl Kunststoffe wie Polymethylmetacrylate (PMMA) oder Polycarbonate (PC) als auch anorganische Materialien wie Kieselglas (SiO₂) oder andere silikatische Gläser eingesetzt werden. Die Funktion eines solchen üblichen Lichtwellenleiters basiert dabei darauf, dass möglichst viel Licht möglichst verlustfrei zwischen Lichtquelle und Zielort transportiert wird. Lichtverluste durch Absorption oder Streuung sollen bei derartigen Anwendungen daher weitestgehend vermieden werden.
Für andere Anwendungen können Lichtwellenleiter in Form von Fasern hingegen so modifiziert werden, dass sie das geleitete Licht nicht zwischen zwei Orten an den Faserenden transportieren, sondern dass sie es über ihre Länge verteilt lateral abgeben. Dies wird nach dem bekannten Stand der Technik erreicht, indem in die Faseroberfläche lichtstreuende Elemente eingebracht werden, beispielsweise in Form von mikroskopisch kleinen Blasen oder Partikeln, durch Beschichtungen oder durch Erzeugen einer spezifischen Oberflächenrauigkeit, oder indem das lichtleitende Material selbst bereits derartig stark streut oder Oberflächendefekte aufweist, dass die Lichtabgabe schon allein dadurch ermöglicht wird, ohne dass eine weitere Modifikation notwendig ist. Letzteres betrifft vor allem Kunststofffasern. In diesen erreichen die Abstrahleffizienz und die Gleichmäßigkeit der Abstrahlung, wie auch weitere Eigenschaften, wie beispielsweise die mechanische Stabilität, jedoch nicht den technisch geforderten Grad. Derartige Fasern lassen sich zum Beispiel zu lichtabgebenden Geweben verarbeiten [siehe z. B. US 4,234,907 ].
In US 6,259,855 B1 wird über die Verwendung eines lichtstreuenden Mediums auf einem Lichtleiter berichtet. Die laterale Lichtabgabe wird dort erreicht, indem ein Material, bestehend aus einer homogenen Matrixphase und darin eingebetteten optischen Streuzentren, auf die Außenfläche eines Lichtleiters aufgebracht wird. Dies erfordert die Beschichtung des Lichtleiters mit diesem Material. WO 00/79319 A1 [ EP1198727 A1 ] beschreibt einen optischen Faserdiffuser, wobei die Faser im Diffuserteil zylindrisch Licht emittiert. Diese Faser beruht auf einer Kern-Mantel-Struktur, wobei der Kern lichtstreuende Komponenten enthält, mit deren Hilfe die zylindrische Lichtabgabe erreicht wird. In ähnlicher Weise offenbart US 7,386,203 B2 einen faserförmigen Lichtleiter, bestehend unter anderem aus einer lichtabstrahlenden Faser. Hierbei wird auf den lichtleitenden Faserkern eine Polymerbeschichtung aufgebracht, mit deren Hilfe die Lichtabgabe realisiert wird. Die Verwendung derartiger Fasern, z. B. in Teppichen, ist in den Schriften US 9,069,121 B2 ; US 8,620,125 B2 ; US 8,545,076 B2 ; und US 8,591,087 B2 erwähnt, welche kieselglasbasierte Lichtleitfasern einsetzen, in die lichtstreuende Elemente eingebracht sind. Diese können Helix-artig um die Kernbereiche der Faser angeordnet sein, so dass Licht aus dem Faserkern in den Mantelbereich und schließlich in die Umgebung abgegeben wird. Schließlich ist in EP 1,319,636 A2 ein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dessen Hilfe lichtstreuende Elemente bereits während des Faserziehprozesses auf eine optische Faser aufgebracht werden können, so dass eine laterale Lichtabgabe erreicht wird. In L. Wondraczek, E. Tyystjärvi, J. Méndez-Ramos, F. A. Müller, Q. Zhang: Adv. Sci. 2, art. no. 1500218 (2015) werden Kunststofffasern offenbart, in denen das Abstrahlverhalten durch Beschichtung mit einem photolumineszierenden Farbstoff erreicht wird. Diese Methode ist jedoch nur für einen vergleichsweise engen Spektralbereich anwendbar und erfordert den Einsatz weiterer Materialien, insbesondere photolumineszierender Leuchtstoffe. Soll neben einer Lichtabgabe im sichtbaren Spektralbereich auch eine Lichtabgabe im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich erreicht werden, so eignen sich Kunststoffmaterialien, aufgrund ihrer geringeren Lichtdurchlässigkeit in diesen Spektralbereichen, oft nicht. Entsprechende Anwendungen müssen sich dann in der Regel auf anorganische Glasmaterialien stützen. Ein weiterer Grund hierfür ist zudem die Photostabilität des Fasermaterials, die bei Kunststofffasern, vor allem im ultravioletten Spektralbereich, für Langzeitanwendungen nicht ausreichend hoch ist. Für Anwendungen im infraroten Spektralbereich ist zudem die Temperaturbeständigkeit der Lichtwellenleiter von Bedeutung. Auch diese wird von Kunststofffasern in der Regel nicht in ausreichendem Maße erreicht.
Als lichtabgebende Fasern modifizierte Lichtleiter können als Beleuchtungselemente angewandt werden, in denen das Licht linienförmig an die Umgebung abgegeben wird. Dazu wird eine Lichtquelle einseitig, oder zwei Lichtquellen an jedem Faserende mit einer entsprechenden lichtabgebenden Faser in gewünschter und technisch realisierbarer Länge verbunden. Abhängig von der Lichtquelle und dem Abstrahlverhalten der Faser können so Beleuchtungseffekte in Innenräumen oder als Designelemente erhalten werden, bei denen die eigentliche Lichtquelle von der lichtabgebenden Struktur räumlich getrennt ist. Ebenfalls in L. Wondraczek, E. Tyystjärvi, J. Méndez-Ramos, F. A. Müller, Q. Zhang: Adv. Sci. 2, art. no. 1500218 (2015) wird beispielsweise über die Verwendung derartiger Strukturen zur Beleuchtung von Algenreaktoren mit sichtbarem rotem Licht berichtet, wobei das Licht durch Verwendung der lichtabgebenden Faser nahe an die Algen herangebracht werden kann, was zu eine Effizienzsteigerung der Photosynthese führt.
Die vorstehend zitierten bekannten Möglichkeiten zur Erzeugung einer lateral lichtabgebenden Faser weisen jedoch eine Reihe von erheblichen Nachteilen auf, welche sie für viele Anwendungen hochgradig ungeeignet erscheinen lassen. So erfordert das Aufbringen einer zusätzlichen, lichtstreuenden Schicht einen zusätzlichen technologischen Aufwand, der den Herstellungsprozess dieser Fasern erheblich erschwert und verteuert. Zudem kann sich diese zusätzliche Schicht negativ auf das Abstrahlverhalten in bestimmten Wellenlängenbereichen des Lichtes auswirken, insbesondere im infraroten oder im ultravioletten Spektralbereich, wo zusätzliche Absorptionseffekte eine effektive Ausstreuung dieser Lichtanteile behindern oder sogar vollständig verhindern können. Oberflächlich aufgeraute Fasern zeigen zudem den erheblichen Nachteil einer stark reduzierten mechanischen Belastbarkeit, welche aus Spannungsüberhöhungen an oberflächlichen Defekten resultiert [vgl. L. Wondraczek, J. C. Mauro, J. Eckert, U. Kühn, J. Horbach, J. Deubener, T. Rouxel: Adv. Mater. 23, 4578–4586 (2011)]. Des Weiteren muss eine solche Rauigkeit sehr spezifisch an einen bestimmten Wellenlängenbereich angepasst werden, was ebenfalls nur mit ziemlichem Aufwand im Labormaßstab realisierbar ist. Oberflächlich eingebrachte Partikel oder Blasen können sich wiederum in gleicher Weise negativ auf die mechanische Belastbarkeit auswirken. Zudem erfordert deren Erzeugung und insbesondere gezielte Einstellung einen zusätzlichen, wirtschaftlich ungünstigen technologischen Aufwand im Herstellungsprozess. Schließlich ist durch das Einbringen derartig als Streuzentren wirkender Partikel oder Blasen kein Streuverhalten erreichbar, welches einen sehr breiten, vom Infraroten bis in das Ultraviolette reichenden Spektralbereich abdecken kann. Ein genereller Nachteil der Vorschläge nach dem bekannten Standes der Technik ist schließlich, dass bei einem über die Länge homogenen Faseraufbau kein ebenso homogenes Abstrahlverhalten über größere Wellenleiterlängen erreicht werden kann. Die Lichtabstrahlung erfolgt stattdessen durch Lichtstreuung in jeder Stelle der Faser relativ zu der dort transportierten Lichtmenge. Zu Beginn ist demzufolge bei relativ gleichem Streuanteil die absolut abgegebene Lichtintensität höher als mit fortschreitender Faserlänge. In der Folge entsteht über die Faserlänge eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung des abgegebenen Lichtes.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen, lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter für einen großen Spektralbereich anzugeben, der nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweist und der über vorgebbare Faserlängen im Meterbereich eine Lichtabgabe mit weitestgehend linearer Intensitätsverteilung gewährleistet, sowie ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung bereit zu stellen, das bereits während des Faserziehens die gewünschten Eigenschaften in den Lichtwellenleiter einprägt. Durch den erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter erschließen sich neue Verwendungszwecke, wie bspw. eine effektive UV-Trinkwasserdesinfektion, die ebenfalls Gegenstand vorliegender Erfindung sein sollen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils nachgeordneten Ansprüche.
Das Wesen vorliegender Erfindung besteht darin, dass eine Lichtleitfaser in Längserstreckungsrichtung über den äußeren Umfang und/oder in Längserstreckungsrichtung über ihren Faserkern mit Durchmesserfluktuationen vorgebbarer Amplitudenhöhe, die in einer vorgebbaren Periodenlänge wiederholend folgen, vorgesehen sind.
Vorliegender Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, dass die gewünschten lichtabgebenden Eigenschaften auch erreicht werden können, wenn entlang einer Lichtleitfaser die Faserdicke variiert wird. Das heißt, eine Lichtleitfaser mit variierendem Durchmesser bewirkt eine Lichtabgabe entlang ihrer Länge über den Umfang der durchstrahlten Faser. Dies ist zunächst und unter der Voraussetzung optischer Transparenz unabhängig vom speziell verwendeten Fasermaterial.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen nachstehende Ausführungsbeispiele und Figuren dienen. Es zeigen:
1 drei grundsätzliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters;
2 ein Prinzipbild einer Ausziehvorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters;
3 ein Beispiel für einen ersten nach vorliegender Erfindung hergestellten Lichtwellenleiter und der damit erhaltenen Abstrahlcharakteristik;
4 ein Beispiel für einen zweiten nach vorliegender Erfindung hergestellten Lichtwellenleiter und der damit erhaltenen Abstrahlcharakteristik;
5 Beispiele für den Einfluss unterschiedlicher Periodenlängen der Durchmesservariationen auf das Abstrahlverhalten des Lichtwellenleiters und
6 Beispiele für den Einfluss unterschiedlicher Amplituden der Durchmesservariationen auf das Abstrahlverhalten des Lichtwellenleiters.
In 1 sind drei grundsätzliche Ausführungsformen der Erfindung schematisch im Schnitt (linke Abbildungen) und im Längsschnitt durch die zum Einsatz gelangenden Lichtleitfasern (jeweils rechte Abbildungen) dargestellt.
Dabei zeigt 1 1. eine Lichtleitfaser, bestehend aus einem homogenen Material, die über die Faserlänge mit alternierenden Einschnürungen versehen ist, welche im Beispiel, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, sinusförmig ausgebildet sind aber auch anderen funktionellen Abläufen unterliegen kann. Die wesentlichen Parameter, welche für die Steuerung der gewünschten Lichtabgabe über den Faserumfang im Rahmen vorliegender Erfindung variierbar sein sollen, sind zunächst Parameter, die, wie in 1 1. angegeben, allein die äußere Durchmesservariation der Lichtleitfaser betreffen. Dies sind der Durchmesser d der Faser, der zusätzliche Variationsgrad als Amplitude A der Durchmesserschwankung, der sich ergebende Kerndurchmesser k, bei im Beispiel homogener Durchmesserfluktuation, die Periodenlänge w der Durchmesserfluktuation sowie, ebenfalls bei homogener Durchmesserfluktuation, die oben genannte Funktion der Fluktuation. Erfindungsgemäß sind insbesondere auch nicht-homogene Durchmesserfluktuationen, dass heißt, Durchmesserfluktuationen, bei denen die Werte von w oder A jeweils allein oder gemeinsam über die Faserlänge variieren, vorgesehen.
In einer beispielhaften weiteren Ausführungsform nach 1 2. soll die Faser aus einem Faserkern sowie einem hellgrau dargestellten Fasermantel bestehen. Der Gesamtdurchmesser d kann über die Länge der Faser, über die sie am äußeren Faserumfang abstrahlen soll, sowohl konstant (wie in 1 2. dargestellt) oder ebenfalls variabel gestaltet sein. Die funktionale Dickenvariation betrifft im speziellen dargestellten Beispiel den Kern, dessen Durchmesser k um die Amplitude A wiederum über die Periodenlänge w variiert ausgebildet ist.
In einem dritten Beispiel ist der Kerndurchmesser k über die Faserlänge unverändert. Die funktionale Dickenvariation erfolgt hier analog der Ausführung zu 1 1. über den Außendurchmesser d, welcher wiederum über die Periodenlänge w und die Durchmesserfluktuationen der Amplitude A variiert ausgeführt ist.
Bei allen drei beispielhaften vorstehenden grundsätzlichen Ausführungsformen ist durch die vorgesehene Variabilität der vorgebbaren Parameter eine gezielt einstellbare Lichtabgabe am Außenumfang der Lichtleitfaser möglich. Es ergeben sich jedoch jeweils spezifische Eigenschaften, die die Variationen für unterschiedliche Anwendungsszenarien vorteilhaft machen können. So stellt die Ausführung nach 1 1. die technologisch am einfachsten zu realisierende dar. Die Lichtabgabe erfolgt direkt aus einer vergleichsweise großen Faserstruktur, die auch die, Funktion der Lichtleitung durch die Faser in Längserstreckung übernimmt. Die Lichtabgabe ist hier nicht durch eine unmittelbare Mantelstruktur beeinflusst. Die Ausführung nach 1 2. ist technologisch anspruchsvoller und daher mit größerem Herstellungsaufwand verbunden, da in der dargestellten Form die Dickenvariation nur im Kern der Lichtleitfaser vorgesehen ist. Der Kern ist in dieser Ausführung jedoch durch die ihn umgebende Mantelstruktur mit nach außen glatter, ebener Oberfläche (also ohne Amplitudenvariationen) geschützt, was unter Umständen zu einer höheren mechanischen und chemischen Belastbarkeit der Lichtleitfaser führen kann. Die Lichtleitung durch die Lichtleitfaser erfolgt hier zunächst im Wesentlichen im Kern, die Abstrahlung erfolgt dann zunächst in den Mantel, bevor das Licht von dort in die Umgebung austritt. Vorteilhaft genannt sei hier zudem eine (nicht dargestellte) Kombination aus den Ausführungen nach 1 1. und 1 2., bei der der Außendurchmesser ebenso wie der Kern in der Dicke variiert ausgebildet ist. Eine solche Ausführung ist technologisch mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ebenso einfach herstellbar, wie eine Ausführung gemäß 1 1..
Schließlich stellt die Ausführung nach 1 3. einen lichtleitenden Kern mit über die Länge unverändertem Durchmesser dar. Die Durchmesservariation ist hier nur im Mantel vorgesehen, ähnlich der Ausführung nach 1 1. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist hier eine Ausführung, bei der Kern und Mantel Licht unterschiedlichen Spektrums leiten und/oder bei der der Mantel aus einem photolumineszierenden Material besteht oder mit einem solchen, bspw. bei der Erzeugung der zur Lichtleitfaserherstellung eingesetzten Preform selbst, versehen ist. Eine derartig gestaltete lichtabgebende Faser weist den Vorteil auf, dass das Lichtabgabeverhalten nicht auf dem Vorhandensein von mikroskopischen, als Streuzentren wirkenden Materialvariationen, wie nach dem Stand der Technik üblich, beruht. Das heißt, es ist hier keine Einbringung von lichtstreuenden Strukturen in Form von Partikeln, Blasen oder Blasenkanälen notwendig. Dies erlaubt einerseits eine verbesserte Kontrolle der Lichtleiteigenschaften im Faserkern, da diese dann allein durch die erfindungsgemäße Fasergeometrie, nicht aber durch die Anordnung, Art und Gleichmäßigkeit eingebrachter Streuzentren bestimmt werden. Zudem führen Materialinhomogenitäten, wie sie die benannten Streuzentren typischerweise darstellen, grundsätzlich durch Spannungsüberhöhung zu einer deutlich reduzierten mechanischen Belastbarkeit der Lichtleitfaser an sich, so dass deren Vermeidung durch vorliegende Erfindung äußerst vorteilhaft ist. Weiterhin ist insbesondere bei Anwendungen im Ultravioletten oder im Infraroten eine hohe Transparenz und photochemische Stabilität der Mantelstruktur gefordert. Sofern keine Beschichtungen, insbesondere keine zusätzlich mit Streuzentren versehenen Schichten aufgetragen werden, wird dieses Problem durch vorliegende Erfindung vollständig umgangen. Von Bedeutung für das Abstrahlverhalten aus der lichtabgebenden Faser ist schließlich der Abstrahlwinkel. Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht hier, im Gegensatz zu bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren, über die einfache Variation der oben genannten variabel festlegbaren Parameter A, w, d und k auch eine gezielte Einstellung und Anpassung der Abstrahlcharakteristik gemäß dem Lambertschen Gesetz.
Unter vorliegende erfindungsgemäße lateral abstrahlende Lichtwellenleiter sollen bevorzugt solche mit einem durchschnittlichen Kerndurchmesser von 5–250 μm, vorzugsweise von 10–150 μm, insbesondere von 10–125 μm oder mit einem durchschnittlichen äußeren Faserdurchmesser von 50–250 μm, vorzugsweise von 50–150 μm, insbesondere von 100–150 μm fallen, bei denen der Amplitude eine Dickenvariation von 0,2–50 μm, bevorzugt von 0,5–40 μm, insbesondere von 1–30 μm gegeben ist und die Periodenlänge von 10–800 μm, bevorzugt von 30–500 μm, insbesondere von 50–400 μm festgelegt ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Periodenlänge w, in der die Durchmesserfluktuation vorgesehen sind, über die Faserlänge einer zu- oder abnehmenden oder alternierenden Variation unterliegt. Gleiches trifft für die Festlegung der Amplituden A zu, mit denen die Durchmesservariationen über die Faserlänge festgelegt sind.
Auch soll es im Rahmen der Erfindung liegen, dass die Welligkeiten der Oberflächen des Kern und der äußerer Faser unterschiedlichen Amplituden und/oder Periodenlängen folgen.
Der erfindungsgemäße lateral abstrahlende Lichtwellenleiter ermöglicht, aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaftsverbesserungen, einerseits Anwendungen in einem sehr weiten Spektralbereich, insbesondere im Ultravioletten sowie im Infraroten, bei entsprechender Wahl des Fasermaterials, welches kommerziell zur Verfügung steht. Die vorgenannten Spektralbereiche sind einerseits für Anwendungen in der Photochemie interessant (ultraviolett), wo die Verwendung der hier vorgeschlagenen Lichtleitfasern eine ortsnahe Beleuchtung ermöglicht. Andererseits ist der infrarote Spektralbereich von Interesse, in welchem biologisches Gewebe eine hohe Transparenz besitzt. Die ortsnahe Beleuchtung unter Verwendung erfindungsgemäßer Fasern adressiert hier beispielsweise die sport- oder biomedizinische Behandlung mit Rot- oder Infrarotstrahlung, beispielsweise durch Einbettung erfindungsgemäßer Lichtleitfasern in textile Gewebe. Von besonderem Vorteil ist hier gerade auch die, durch das Fehlen eingebrachter Streuzentren, verbesserte mechanische Beständigkeit, die zu einer höheren Biegbarkeit der vorgeschlagenen Lichtleitfasern führt. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellt die Verwendung der vorgeschlagenen Lichtleitfaser für die ortsnahe Beleuchtung in Flüssigkeiten, Wasser, wässrigen Medien oder wässrigen Lösungen dar. Diese kann sowohl der optischen Ausleuchtung, Markierung oder Verzierung als auch dem Zwecke photochemischer Reaktionen oder der Infrarot- oder UV-Behandlung, bspw. für Desinfektionsbehandlungen, dienen.
Schließlich soll auf die erfindungsgemäße Herstellung erfindungsgemäßer Lichtleitfasern näher eingegangen werden. Ein gängiges Verfahren zur Herstellung optischer Glasfaserlichtleiter beruht auf dem Verziehen von Glasstäben (Preforms) bei ausreichend hohen Temperaturen, üblicherweise so hoch, dass die Viskosität des zu verziehenden Glases hinreichend niedrig ist, um dieses in Faserform auszuziehen. Dafür befindet sich der Glasstab in einem vertikalen, rohrartigen Ofen, aus welchem er nach unten in Faserform ausgezogen wird. Der Glasstab wird dabei in aller Regel in fester. Position gehalten und kann einer Rotation unterliegen. Die Ziehgeschwindigkeit wird nach Erreichen eines gewünschten Faserdurchmessers unverändert konstant gehalten. Der grundsätzliche Ablauf eines solchen Ziehverfahrens ist dem Fachmann hinreichend bekannt und bedarf deshalb hier keiner weiteren Erläuterung. Es soll hier aber hervorgehoben werden, dass bei diesen bekannten Faserziehanlagen ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich ist, um, zur Gewährleistung eines konstanten Lichtleiffaserdurchmessers, die gesamte Anlage absolut vibrationsfrei betreiben zu können. Unabhängig von dem für die erfindungsgemäß zu fertigenden Lichtleitfasern eingesetztem Material, wird im Rahmen der Erfindung ein solches an sich grundsätzlich bekanntes Herstellungsverfahren dahingehend erfindungsgemäß abgewandelt, als dass in Zugrichtung der auszuziehenden Faser die jeweilige Preform einer unterschiedlich vorgebbar modulierbaren Bewegung entgegen der Zugrichtung, in die die Faser ausgezogen wird, und/oder einer ebensolchen Variation der Brennerzone im eingesetzten Ofen unterworfen wird.
Dazu wird unter Verwendung einer an sich bekannten Ausziehvorrichtung, umfassend eine Haltevorrichtung für eine Preform und eine Heizzone zum Ausziehen eines Lichtwellenleiters, während des Ziehprozesses im Bereich der Aufschmelzzone der erschmolzene Faserabschnitt mit einer zusätzlich aufmodulierbaren mechanischen Verschiebung zwischen Preform und Brennerzone mit vorgebbarer und veränderbarer Frequenz entgegen der Ziehrichtung beaufschlagt. Dadurch ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lichtleiffaser vermittels eines einstufigen Ziehprozess herstellbar, bei dem die lichtabgebende Funktion (unabhängig von eventuell gewünschten weiteren Prozessschritten) unmittelbar während des Ziehprozesses erzeugt wird. Der Ziehprozess kann im Rahmen der Erfindung derartig gesteuert werden, dass während des Ziehens eine Lichtleiffaser mit der gewünschten Durchmesserfluktuation (Parameter A und w) sowie der gewünschten Kern- und Gesamtdicke (Parameter k und d) entsteht. Zur Erreichung des angestrebten Ziehergebnisses haben sich zwei Arten der Ausziehvariation als besonders vorteilhaft erwiesen: Zum einen kann die Preform während des Ziehens der Lichtleitaser, periodisch (oder mit vorgebbaren Periodenschwankungen) gegenläufig in Zugrichtung bewegt werden, oder wenn während des Ziehens der Lichtleiffaser die heiße Zone des für die Erwärmung der Preform verwendeten Ofens periodisch gegenläufig zur Zugrichtung bewegt wird. Durch das Aufmodulieren einer gegenläufigen Schwingung auf die Ziehbewegung kann die Durchmesservariation über die Faserlänge dergestalt erhalten werden, dass die spätere Faser das gewünschte Abstrahlverhalten aufweist. Diese Aufmodulation wird erfindungsgemäß einerseits erhalten, indem während des Faserziehprozesses, wie in 2 schematisch angedeutet, die Preform in Zugrichtung periodisch schwingend verschoben wird, wobei die Frequenz f und Auslenkung A_v dieser Schwingung die Parameter A und w und die Ziehgeschwindigkeit v_Z die Parameter k und d der herzustellenden Lichtleiffaser definiert vorgeben lassen. Die Aufmodulation kann dabei, wie vorstehend erwähnt, entweder durch Bewegung des Glasstabes innerhalb der heißen Zone des für den Ziehprozess verwendeten Ofens, oder aber durch Bewegung des Ofens erreicht werden. Letzteres ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich bei dem Ofen um einen Strahlungsofen handelt und so die durch elektromagnetische Strahlung erwärmte Zone auf dem Glasstab periodisch hin und her verschoben wird. Dadurch wird die Viskosität der zu verziehenden Preform während des Ziehens am Ziehhals H periodisch variiert, woraus die erwünschte Durchmesservariation der abgezogenen Faser resultiert. Das Wesen des Herstellungsverfahrens besteht somit darin, dass während des Ziehprozesses im Bereich der Aufschmelzzone der erschmolzene Faserabschnitt mit einer zusätzlich aufmodulierbaren Verschiebung zwischen Preform und Brennerzone mit vorgebbarer und veränderbarer Frequenz entgegen der Ziehrichtung beaufschlagt wird. Entsprechend der nachstehend angegebenen Beispiele für die vorteilhafte Festlegung der Faserparameter A und w kommen als Antriebe zur Beaufschlagung der Ausziehvorrichtung beispielsweise piezoelektrische Antriebe in Betracht, die über einen großen Frequenzbereich eine entsprechende Aufmodulation in definiert und präzise steuerbarer Weise ermöglichen.
Zur Demonstration der überraschenden Ergebnisse eines solchen modifizierten Ziehprozesses und die damit erzeugten erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter sollen nachfolgende bislang gewonnene Ergebnisse detaillierter anhand spezieller Herstellungs- und Erzeugnisparameter dargestellt werden:
In einem speziellen Beispiel soll die Herstellung einer erfindungsgemäßen lichtabgebenden Faser gemäß 1 2. beschrieben werden. Verwendet wird ein Kieselglas. Die Eigenschaften dieses Glastyps, insbesondere die thermischen Eigenschaften, die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur sowie die optischen Eigenschaften, wie die spektrale Lichttransmissivität, sind dem Fachmann bekannt. Dieses Glas steht als Preform in Stabform zur Verfügung und wird in einem Ofen erwärmt. Die Preform ist derartig gestaltet, dass sie einen Kern mit einem Durchmesser von 1 mm und einen optischen Brechungsindex von 1,46, sowie einen Mantel mit einem Brechungsindex von 1.455 besitzt. Die Preform wird mit einer Geschwindigkeit von 0,4 mm/min in den Ofen eingefahren. Der Ofen ist derartig gestaltet, dass er eine heiße Zone mit einer Breite von 0,5 mm in Stabrichtung aufweist. Diese Zone wird erfindungsgemäß durch Auf und Abbewegen des Ofens in Vibration im Beispiel mit einer Frequenz von 83,33 Hz versetzt. Die Amplitude der Auf- und Abbewegung beträgt im Beispiel 80 μm; die heiße Zone wird daher zwischen den Positionen –55 μm und 25 μm hin- und herbewegt. Aus dem heißen Glasstab wird eine Faser mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min abgezogen. Nach dem Ziehen besitzt die so erzeugte Faser einen durchschnittlichen Kernradius von 10 μm, eine Periodenlange der Dickenvariation vom 210 μm und eine Amplitude A von 2 μm. Die erhaltene Dickenvariation ist in 3 gemeinsam mit dem erhaltenen Abstreuverhalten in Luft, ausgedrückt durch die normierte, im Faserkern verbleibende Rest-Lichtleistung, dargestellt. Über eine Länge von 2 m gibt diese Faser ca. 90% der anfänglich eingebrachten Lichtleistung an ihre Umgebung ab (vgl. untere Abbildung in 3). Auch die äußere Manteloberfläche weist nach diesem Beispiel eine Welligkeit auf. Die vorstehenden und nachfolgenden beispielhaften Angaben beschränken vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf. So wurden Versuche unternommen, oben genannte mechanische Verschiebung in einem Bereich von 10 μm bis 2 mm vorzusehen und die beaufschlagende Frequenz von 1–300 Hz zu variieren. Die dabei erzielbaren Ergebnisse sind weiterhin durch die absolute Ziehgeschwindigkeit beeinflussbar. Die genaue Festlegung genannter Parameter zum Erreichen der angestrebten Welligkeiten der gewünschten lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter unterliegt somit einer großen Variationsbreite, die der Fachmann entsprechend frei wählen kann.
Eine weitere analog nach 1 2. hergestellte Lichtleitfaser soll eine Amplitude A = 1 μm, eine Periodenlänge w = 200 μm, einen Kerndurchmesser k = 20 μm und einen Gesamtdurchmesser der Faser d = 41 μm aufweisen. Diese Faser besteht in diesem Beispiel ebenfalls aus Kieselglas (SiO₂), wobei die Brechzahl des Kernmaterials 1,46 und die des Mantelmaterials 1,455 betragen soll. Das Umgebungsmedium, in das diese fertig ausgezogene Faser eingebracht werden soll, soll im Beispiel Luft sein. Wird in ein Ende dieser Faser Licht der Wellenlänge 532 nm eingebracht, so wird dieses Licht über die Faserlänge kontinuierlich abgegeben, und zwar auf die in 4 dargestellte Weise. Die Abstrahlung erfolgt dabei zunächst vom Kern in den Mantel, dann vom Mantel in die umgebende Luft. Dabei nimmt die geführte Lichtleistung in der Faser und auch im Kern kontinuierlich ab. Die Kontinuität ist von besonderem Vorteil. Die Abgabe nach außen folgt grob der Periodizität der in den Faserkern sowie gegebenenfalls in den Fasermantel eingebrachten Welligkeit, beschrieben durch die Parameter A und w. Bereits hier ist eine erstaunliche Vergleichmäßigung der abgestrahlten Lichtleistung über die Faserlänge zu beobachten, wie die untere Abbildung von 4 zeigt.
Zur Verdeutlichung des beschriebenen Einflusses unterschiedlicher Periodenlängen der Durchmesservariationen soll nachfolgendes spezielles Beispiel dienen. Hier ist anhand von 5 der Einfluss unterschiedlicher Periodenlängen der Durchmesservariationen von w = 60 μm bis w = 240 μm dargestellt. Die Fasern dieses Beispiels besitzen je eine Länge von 2 m. Wird in die Fasern Licht der normierten Ausgangsleistung eingebracht, so wird dieses erfindungsgemäß nach außen abgegeben, hier gezeigt im Umgebungsmedium Luft. Durch diese Abgabe wird die im Kern verbleibende Lichtleistung über die Faserlänge kontinuierlich reduziert. Die Darstellung der normierten, im Kern verbleibenden Lichtleistung eignet sich also für die Charakterisierung des Abstrahlverhaltens. Diese Beispiele zeigen, dass abhängig von der Faserlänge eine bestimmte Periodenlänge vorteilhaft sein kann, wenn das Licht möglichst homogen über die Gesamtlänge abzugeben ist. Im Gegensatz kann bei zu geringer Periodenlänge das gesamte eingebrachte Licht bereits im Anfangsabschnitt der Faser abgestrahlt werden, so dass in späteren Faserabschnitten keine oder nur noch eine sehr geringe Abstrahlung stattfindet. Besonders vorteilhaft ist hier das Beispiel mit der Periodenlänge w = 240 μm (vgl. Pfeil in 5) hervorzuheben. Bei diesem erfolgt die Lichtabgabe nahezu linear. Über die Faserlänge von 2 m werden ca. 42 % des eingebrachten Lichtes abgestrahlt. Durch bspw. ein Aufbringen einer Verspiegelung am Faserende wird die verbleibende Lichtleistung in entgegen gesetzter Länge zurückgeführt und dabei in wiederum gleicher Weise, aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtweges, abgestrahlt. Es kann so also eine nahezu vollkommen gleichmäßige Lichtabgabe des gesamten eingebrachten Lichtes erreicht werden.
In analoger Weise wie zuvor, soll anhand von 6 der Einfluss unterschiedlicher Amplituden einer Kerndickenvariation von A = 0,25 μm bis A = 1,5 μm demonstriert werden. Die Periodenlänge w soll in diesen Beispielen durchgängig 200 μm betragen. Die Fasern dieser speziellen Beispiele besitzen je eine Länge von 1 m. Wird in diese Fasern Licht der normierten Ausgangsleistung 1 eingebracht, so wird dieses erfindungsgemäß nach außen abgegeben, hier wieder gezeigt im Umgebungsmedium Luft als verbleibende Lichtleistung über die Faserlänge. Diese Beispiele zeigen, dass abhängig von der Faserlänge eine bestimmte Amplitude der Kerndickenvariation vorteilhaft sein kann, wenn das Licht möglichst homogen über die Gesamtlänge abzugeben ist. Besonders vorteilhaft zeigen sich hier Amplituden von 0,25 μm beziehungsweise 0,5 μm, bei denen wiederum für die vorgegebene Faserlänge eine nahezu lineare Abnahme der geführten Lichtleistung und damit eine gleichmäßige Lichtabgabe erreicht werden. Bei zu hoher Amplitude kann das gesamte eingebrachte Licht bereits im Anfangsabschnitt der Faser abgestrahlt werden, so dass in weiter von der Lichteinkoppelstelle entfernt liegenden Faserabschnitten keine oder nur noch eine sehr geringe Abstrahlung stattfindet. Über die Faserlänge von 1 m werden ca. 5% beziehungsweise 25% des eingebrachten Lichtes abgestrahlt. Durch Aufbringen einer Verspiegelung am Faserende wird die verbleibende Lichtleistung in entgegen gesetzter Länge zurückgeführt und dabei in wiederum gleicher Weise, aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtweges, abgestrahlt. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, in besagte Faserendabschnitte auch eine beidseitige Lichteinstrahlung direkt von der Lichtquelle vorzunehmen. Es kann so also eine nahezu vollkommen gleichmäßige lineare Lichtabgabe des gesamten eingebrachten Lichtes erreicht werden.
Vorstehende spezielle Ausführungen dokumentieren, dass durch Variation der erfindungsgemäß einzustellenden und herzustellenden Parameter, die mich über die zum Einsatz gelangende Faserlänge eine beliebige vorgebbare Variation erfahren kann, eine weitestgehend angepasste Abstrahlcharakteristik der lateral abstrahlenden Lichtwellenleiter je nach speziellem Verwendungszweck gezielt erreicht werden kann.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

d

– Faserdurchmesser

k

– Kerndurchmesser der Faser

A

– Amplitudenhöhe der Durchmesserfluktuationen

w

– Periodenlängen der Durchmesserfluktuationen

A_v

– Schwingungsauslenkung

f

– Frequenz der Schwingung

H

– Ziehhals

v_Z

– Ziehgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4234907 [0003]
US 6259855 B1 [0004]
WO 00/79319 A1 [0004]
EP 1198727 A1 [0004]
US 7386203 B2 [0004]
US 9069121 B2 [0004]
US 8620125 B2 [0004]
US 8545076 B2 [0004]
US 8591087 B2 [0004]
EP 1319636 A2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

L. Wondraczek, E. Tyystjärvi, J. Méndez-Ramos, F. A. Müller, Q. Zhang: Adv. Sci. 2, art. no. 1500218 (2015) [0004]
L. Wondraczek, E. Tyystjärvi, J. Méndez-Ramos, F. A. Müller, Q. Zhang: Adv. Sci. 2, art. no. 1500218 (2015) [0005]
L. Wondraczek, J. C. Mauro, J. Eckert, U. Kühn, J. Horbach, J. Deubener, T. Rouxel: Adv. Mater. 23, 4578–4586 (2011) [0006]

Claims

Lateral abstrahlender Lichtwellenleiter, bestehend aus einer für die jeweils zur Anwendung gelangenden Wellenlängen transparenten Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser in Längserstreckungsrichtung über den äußeren Umfang und/oder in Längserstreckungsrichtung über ihren Faserkern mit Durchmesserfluktuationen vorgebbarer Amplitudenhöhe (A), die in vorgebbaren Periodenlängen (w) wiederholend vorgesehen sind, versehen ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenhöhe (A) der Durchmesserfluktuation über die Faserlänge einem homogen periodischen Ablauf folgt.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenhöhe (A) der Durchmesserfluktuation über die Faserlänge einem aperiodischen oder einem kontinuierlich zu- oder abnehmenden oder einem alternierenden Ablauf folgt.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge (w), in der die Durchmesserfluktuation vorgesehen sind, über die Faserlänge konstant gehalten ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge (w), in der die Durchmesserfluktuation vorgesehen sind, über die Faserlänge einer zu- oder abnehmenden oder alternierenden Variation unterliegt.
Lichtwellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern und der Mantel der eingesetzten Lichtleitfaser so ausgebildet sind, dass sie Licht unterschiedlichen Spektrums leiten.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Lichtleitfaser, bestehend aus einem Kern und einem Mantel, der Mantel aus einem photolumineszierenden Material gebildet ist oder mit einem solchen Material im Mantelmaterial versehen ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem durchschnittlichen Kerndurchmesser von 5–250 μm, vorzugsweise von 10–150 μm, insbesondere von 10–125 μm oder einem durchschnittlichen äußeren Faserdurchmesser von 50–250 μm, vorzugsweise von 50–150 μm, insbesondere von 100–150 μm, der Amplitude (A) eine Dickenvariation von 0,2–50 μm, bevorzugt von 0,5–40 μm, insbesondere von 1–30 μm gegeben ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge (w), in der die Durchmesserfluktuation vorgesehen sind, von 10–800 μm, bevorzugt von 30–500 μm, insbesondere von 50–400 μm gewählt ist.
Verfahren zur Herstellung eines lateral abstrahlenden Lichtwellenleiters nach den vorstehenden Ansprüchen unter Verwendung einer an sich bekannten Ausziehvorrichtung, umfassend eine Haltevorrichtung für eine Preform und eine Heizzone zum Ausziehen eines Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ziehprozesses im Bereich der Aufschmelzzone der erschmolzene Faserabschnitt mit einer zusätzlich aufmodulierbaren mechanischen Verschiebung zwischen Preform und Brennerzone mit vorgebbarer und veränderbarer Frequenz entgegen der Ziehrichtung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der mechanischen Verschiebung in der Größenordnung von 10 μm bis in den Bereich vom 2 mm vorgenommen und die Frequenz, mit der die Verschiebungsbeaufschlagung erfolgt, in der Größenordnung von 1 bis 300 Hz durchgeführt wird.