DE102020100058A1 - Faseroptische Temperaturmessung mit Quantendot-Nanokomposit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine faseroptische Temperaturmessung. Zudem betrifft die Erfindung eine Multimode-Quarzglasfaser mit Nanokomposit (NK) enthaltend ein Polymer und Quantendots (QDs) und dessen Herstellung. Diese basieren auf temperaturabhängiger Emission von Quantendots auf der Oberfläche von optischen Fasern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine faseroptische Temperaturmessung. Zudem betrifft die Erfindung eine Multimode-Quarzglasfaser mit Nanokomposit (NK) enthaltend ein Polymer und Quantendots (QDs) und dessen Herstellung. Diese basieren auf temperaturabhängiger Emission von Quantendots auf der Oberfläche von optischen Fasern.
  • Technische Grundlagen und Stand der Technik
  • Für viele Anwendungen bietet eine optische Temperaturmessung (ortsfest oder ortsaufgelöst) Vorteile gegenüber einer elektrischen Messung und ist zum Teil unverzichtbar. Einige Vorteile sind beispielsweise eine höhere Genauigkeit, die Kompatibilität mit dem HV-Umfeld, große realisierbare Abstände zwischen Messpunkt und Auswertegerät und die Kompatibilität mit der optischen Datenübertragung in Kommunikationsnetzwerken.
  • Für folgende Anwendungen wird bekanntermaßen eine optische Temperaturmessung bereits einer elektrischen vorgezogen:
    • - Metalloxid-Varistoren als Variable Wiederstände für den Schutz von Kondensatorbänken (ortsfeste Messung)
    • - An/Aus-Schalter welche auf physikalischem Kontakt beruhen (ortsfeste Messung)
    • - Mittelspannungsleitungen und Anschlusspunkte (ortsabhängig).
  • Basierend auf Zustandsmessungen in kritischen Komponenten und Großanlagen können mit einer intelligenten Auswertung von großen Datenmengen und einer vorbeugenden Wartung längere Standzeiten von Großanlagen vermieden werden. Somit stützen neue faseroptische Sensoren digitale Geschäftsmodelle.
  • Die US 2010/0188652 offenbart Singlemode-Fasern, beschichtet mit einem Medium mit Quantendots (QDs), das auf einen Faserabschnitt ohne Cladding aufgetragen wird. Der Brechungsindex des Mediums ist hierbei geringer ist als der des Faserkerns ([0044]). Für dieses Medium wird in der US 2010/0188652 beispielsweise die Verwendung von PMMA vorgeschlagen. PMMA hat einen Brechungsindex von 1,48 (bei einer Wellenlänge von 436 nm), eignet sich somit nicht als Claddingmaterial und ist nicht für Multimode-Anwendungen von polymerbeschichteten Quarzglasfasern geeignet. Zudem können die Materialien nicht mit UV-Lampen (Hg-Dampflampen, LEDs) ausgehärtet werden.
  • Die US 2013/0048841 A1 offenbart QDs im Cladding oder Kern einer optischen Faser. Das Cladding hat ebenfalls einen Brechungsindex, der das Licht durch die Faser propagieren lässt ([0029]). Das Dokument bezieht sich jedoch nicht auf Quarzglasfasern mit UV-gehärteten Polymeren im Cladding.
  • US 2002/186921 A1 offenbart QDs im Cladding einer optischen Faser, jedoch besteht das Cladding nicht aus Polymeren.
  • US 2015/0369986 A1 beschreibt diffus abstrahlende Fasern mit Faserkern und Cladding zum Emittieren von sichtbaren Wellenlängen, wobei eine Streuschicht und optional eine Leuchtstoff-Schicht auf dem Cladding aufgebracht wird. Die Leuchtstoff-Schicht kann beispielsweise Quantendots enthalten. Das Cladding enthält jedoch keine Quantendots. Zudem wird das Nanokomposit, welches die QDs enthält nicht genauer erläutert.
  • Bueno et al („Temperature Sensor Based on Colloidal Quantum Dots-PMMA Nanocomposite Waveguides“) beschreibt planare Wellenleiter mit PMMA und QDs (z.B. CdSe und CdTe) Cladding, jedoch keine Multimode-Quarzglasfaser. Wie bereits erwähnt ist die Verwendung von PMMA nicht vorteilhaft. Der Brechungsindex von PMMA liegt bei einer Wellenlänge von 436 nm bei einem Wert oberhalb von 1,49 [1,2,3] und steigt mit abnehmender Wellenlänge. Der Brechungsindex von Quarzglas liegt bei dieser Wellenlänge unterhalb von 1,47. Dies bedeutet, dass mit PMMA als Cladding kein Wellenleiter hergestellt werden kann, bei dem das Licht im Quarzglaskern propagiert (Bedingung für Totalreflexion nicht gegeben). Das PMMA eignet sich daher nicht als Claddingmaterial.
  • Die Nutzung von Quantendots für die optische Temperaturmessung wird in Bueno et al. vorgeschlagen. Bueno et al. haben dabei für CdSe QDs allerdings eine vernachlässigbare Änderung der Zentralwellenlänge in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (25-50°C) festgestellt.
  • Jorge et al. („Optical Fiber Sensing Using Quantum Dots" Sensors 2007, 7, 3489-3534) beschreibt einen planaren Waveguide mit QD-Matrix. In diesem Fall berichten die Autoren über zwei Geometrien in Form eines dünnen Films, der durch Spincoating erzeugt wird. In keinem der Fälle wird ein Wellenleiter genannt, in dem sich QDs befinden. Insbesondere hat die erzeugte Schicht mit QDs keinen physikalischen Kontakt mit einer optischen Faser. Die QDs befinden sich auf den „Peltiers“ und die Fasern werden nur zum Zweck der Beleuchtung mit der Pumpwellenlänge genutzt. Die Lichtwelle, welche in der Faser propagiert wechselwirkt weder longitudinal (direkt am Faserende) noch transversal (im Cladding) mit den QDs. Jorge et al. („Self-referenced intensity based optical fiber temperature probes for luminescent chemical sensors using quantum dots" in Proceedings of SPIE, Band 5855; 17th International Conference on Optical Fibre Sensors, Seiten 42-45) beschreibt eine Messanordnung in Reflektionsanordnung.
  • Von der Optocon AK (optocon.de) sind Messgeräte erhältlich, die Temperatursensoren auf Basis von Galliumarsenid-Kristallplättchen arbeiten. Diese Kristallplättchen haben die Eigenschaft, dass sich darin die Reflektionswellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Allerdings ist hier das GaAs ein reiner Kristall und kein Quantenpunkt. Bei dieser Messmethode muss mit einer kostenintensiven breitbandigen Lichtquelle (Superlumineszenzdiode, SLD) eingestrahlt werden, welche den gesamten Wellenlängenbereich der Reflexion abdecken muss. Je nach Verschiebung der Bandkante des GaAs wird das reflektierte Signal der SLD in der Wellenlänge verschoben und mit einem Spektrometer vermessen. Die Methode ist beschränkt auf die Wellenlängen, welche vom GaAs Kristall reflektiert werden können
  • Von der Firma Photon Control (https://www.photoncontrol.com/technologies/) werden Temperaturmessgeräte vertrieben, die phosphoreszierende Sonden in longitudinaler Anordnung (d.h. stirnflächig) zum Messlicht verwenden. Das Messprinzip basiert auf der Messung der Abklingzeit der Phosphoreszenz und ist somit angewiesen auf eine zeitliche Taktung des anregenden Pumplichts und entsprechend zeitlicher Auflösung des Signals. Im Gegensatz dazu wird im erfindungsgemäßen Messverfahren kein Phosphoreszenz-Signal gemessen. Somit ist hier auch keine zeitaufgelöste Messung notwendig.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung von Nanopartikeln aus Halbleitermaterialien, sogenannten Quantendots (QDs; auch Quantenpunkte; Englisch: quantum dots). Diese werden u.a. auch als „künstliche Atome“ bezeichnet, weil sich durch den Einschluss von Ladungsträgern auf die Längenskala ihrer de Broglie Wellenlänge eine Quantisierung von Energieniveaus ergibt.
  • Die Verwendung von QDs in seitlich abstrahlenden Fasern zur Beleuchtung derselben wurde zuvor in US 2015/0369986 A1 berichtet. Dabei wird erwähnt, dass eine phosphoreszierende Schicht QDs beinhalten kann, wobei diese phosphoreszierende Schicht auf einer reflektierenden Schicht („scattering layer“) aufgebracht ist, wobei diese wiederum auf einer Cladding-Schicht aufgebracht ist. Die Cladding-Schicht selbst ist auf dem Faserkern mit Streudefekten („scattering defects“) aufgebracht. Das Nanokomposit, welches die QDs enthält, wird nicht genauer erläutert. Eine Funktionalisierung des Nanokomposits im Hinblick auf eine Konversion von einer definierten Wellenlänge in eine andere definierte Wellenlänge wird dabei ebenso nicht genannt.
  • Unterschiedliche Resonatorgeometrien in nanostrukturierten Festkörpern, welche QDs beinhalten wurden in der Literatur bereits untersucht. Das Ziel ist dabei der Nachweis von Laseraktivität durch die Einbettung in einen Laserresonator. Von Beetz, („Herstellung und Charakterisierung von Halbleiterbauelementen für die integrierte Quantenphotonik“, Dissertation Uni Würzburg (2014)) wird ein Lichtwellenleiter mittels eines Photonischen Kristalls (lichtleitende 2D Struktur) realisiert, wobei sich im Kern des Wellenleiters QDs befinden (siehe Zusammenfassung auf Seiten 5 und 6).
  • Während zuvor berichtete Laseraktivität durch multi-excitonische Auger Rekombinationen eingeschränkt war, konnten Nurmiko und seine Kollegen einen Lasergain basierend auf Single-Excitonen nachweisen. Borrelli et al. haben 1994 als erste Arbeitsgruppe QDs in Prefoms für optische Fasern mit der „Glass meltquentching method“ eingebracht. Damit wurde für weitere folgende Arbeiten der Weg für QD-dotierte aktive optische Fasern geebnet (siehe G. Dong et al. und Borelli et al.).
  • Auch die Einbettung in ein Nanokomposit ist eine Möglichkeit ein laseraktives Medium zu generieren, welches in einen Laserresonator eingefügt wird. Gordillo et al. haben Nanokomposite demonstriert, welche aus CdS, CdTe und CdSe Nanopartikeln und einer Matrix aus PMMA bestehen (Gordillo, „Color Tuning and White Light by Dispersing CdSe, CdTe, and CdS in PMMA Nanocomposite Waveguides,“ IEEE Photonics Journal (2013)). Dabei wurde der Film aus Nanokomposit durch Spincoating hergestellt und zum Aushärten ausgebacken. Dabei hatte das laseraktive Medium eine planare Wellenleitergeometrie. Das Medium befand sich in einer Laserkavität und wurde mit einem gepulsten UV-Laser angeregt. Das Ergebnis war ein nachweislicher Laserbetrieb.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Möglichkeit für eine optische Temperaturmessung auf der Basis faseroptischer Sensoren zu schaffen. Dabei löst die Erfindung das Problem für einen bestimmten -273 K bis 474 K, also 0°C bis 200°C.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Multimode-Quarzglasfaser mit einem Nanokomposit mit Polymer(en) und QDs als Cladding zur Verfügung gestellt (hierin auch als Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ oder „transversale Ausführungsform“ bezeichnet, da die QDs transversal zum Pumplicht, das sich im Faserkern ausbreitet, angeordnet sind). In dieser Ausführungsform ist es möglich, die Quantendots im Cladding anzuregen, um beispielsweise eine lokale Temperaturmessung im Fasermantel durchzuführen.
  • Ein Vorteil von QDs im Cladding ist, dass die QDs elektrisch isoliert vorliegen und nicht im HV Umfeld von Felder beeinflusst werden. Da sehr geringe Mengen an QDs ausreichend sind, ist es möglich, kostengünstig zu arbeiten. Zudem kann das Nanokomposit in eine gewünschte dreidimensionale Form gebracht werden. Als Pumplicht können ebenfalls kostengünstige Lichtquellen (LED/USB-Laserdiode) verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht, insbesondere aufgrund des niedrigen Brechungsindex des Claddings, die Herstellung von verlustarmen Wellenleitern. Zudem ist die Herstellung besonders vorteilhaft, da schnell und kostengünstig, da die verwendeten Akrylate mit UV-Lampen (Hg-Dampflampen, LEDs) ausgehärtet werden können.
  • Die erfindungsgemäß bevorzugten fluorierten Acrylate weisen einen Brechungsindex auf, welcher deutlich unter dem des Quarzglases liegt (ca. 1,404). Es ergibt sich also der Vorteil, dass man mit den erfindungsgemäßen Polymeren einen Quarzglas-Wellenleiter herstellen kann, der nicht biegeanfällig ist.
  • Die erfindungsgemäße Quarzglasfaser sollte für eine Transmission sehr hoher Laserleistungen insbesondere im Bereich zwischen 970 nm und 2000 nm geeignet sein (S. Chang - UV curable Low Refractive Index Clad Coatings for High Power Fiber). Eine Einschränkung ist dabei, dass die Laserwellenlänge abseits von der Absorptionswellenlänge der QDs liegen muss. Es ergibt sich also der Vorteil, dass die erfindungsgemäße Quarzglasfaser zwei Funktionen in einem Wellenleiter erfüllt: Strahltransport und Konversion von blau nach rot.
  • Die erfindungsgemäße Quarzglasfaser eignet sich auch gut um sowohl die Pumpwellenlänge (400-450 nm) als auch die Signalwellenlänge (580-680 nm) verlustarm (bis auf den konvertierten Lichtanteil) über große Distanzen zu transmittieren (~5 × 10^2 m, Verlust 0,5-1 dB/m), wobei die Signalwellenlänge die von den Quantendots emittierte Zentralwellenlänge ist. Die hergestellte Faser eignet sich in einem großen Wellenlängenfenster (400nm - 2000 nm) dafür, optische Signale zu übertragen. Der Grund hierfür ist, dass Quarzglas eine sehr geringe Absorption im genannten Wellenlängenfenster aufweist. Hingegen hat ein PMMA Wellenleiter eine sehr hohe Dämpfung oberhalb von 700 nm (> 1 dB)/m und eignet sich für Wellenlängen darüber nicht (siehe S. Abrate - Step-Index PMMA Fibers and Their Applications (Seite 183)). Dies hat zwei Konsequenzen: 1) eine Multifunktionalität des Wellenleiters (Strahltransport zwischen 970 nm - 2000 nm + Konversion) ist bei PMMA nicht möglich; 2) Werden QDs aus anderen Materialien mit Emission > 700 nm gewählt (z.B. InAs/InP Emission bei 1550 nm), so ist es durch die mangelhafte Transmission nicht möglich eine Konversion zu beobachten. Entsprechend kann weder ein Wellenleiter, noch ein Punktsensor mit InAs/InP basiertem Nanokomposit hergestellt werden. Der wesentliche Teil der Pumpstrahlung (z.B. 1060 nm) würde absorbiert werden. Mit den erfindungsgemäßen Quarzglasfasern in Kombination mit den bevorzugten fluorierten Akrylaten im Cladding gibt es hier keinerlei Einschränkungen. Die fluorierten Akrylate bieten zudem einen guten mechanischen Schutz des Glasfaserkerns.
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es zudem möglich, die QDs mit einer Polymermatrix derart zu kombinieren, dass die Pumpwellenlänge/Signalwellenlänge und die Geometrie und Konzentration/Verdünnung der QDs frei gewählt werden kann. Die Auswahl kann nach einzusetzendem QD Material erfolgen, dieses würde dann Pump/ und Signalwellenlänge festlegen. Die Länge des Wellenleiters auf der eine Konversion gewünscht ist würde zusammen mit der zur Verfügung stehenden Pumpleistung zu einer Festlegung der Konzentration/Verdünnung führen.
  • Auch die erfindungsgemäße Bereitstellung von Multimode-Quarzglasfasern ist vorteilhaft. Bei Singlemode-Fasern wechselwirken Moden von niedriger Ordnung nur gering mit den QD, während Evaneszente Felder von höheren Transversalmoden in Multimode-Fasern eine größere Eindringtiefe haben und somit stärker mit QD wechselwirken (D. Gloge - Weakly guiding fibers). Erfindungsgemäß kann eine selektive Wechselwirkung mit den QDs dadurch erzielt werden, dass die Transversalmoden einer Faser selektiv angeregt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Quarzglasfaser mit einem Nanokomposit mit QDs an der Stirnfläche der Quarzglasfaser oder zwischen zwei Stirnflächen zweier Quarzglasfaserabschnitte zur Verfügung gestellt (hierin auch Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ oder „longitudinale Ausführungsform“, da die QDs longitudinal bzw. im Strahlengang des Pumplichts, das sich im Faserkern ausbreitet, angeordnet sind). In diesen Ausführungsformen ist es möglich, eine lokale Temperaturmessung an dieser/diesen Stirnflächen vorzunehmen. Damit kann ein sehr kompakter Punktsensor (> 2 mm) hergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird hierbei das Nanokomposit-Material in eine zylindrische Kapillare eingebracht und dann mit der oder den Quarzglasfaserstirnfläche/n in Kontakt gebracht.
  • Wie in der Veröffentlichung von D. Gloge aufgezeigt, dringen evaneszente Felder unterschiedlicher Transversalmoden unterschiedlich stark in das Nanokomposit ein. Je höher die Mode, umso stärker die Wechselwirkung mit dem Nanokomposit. Bei einer Multimodefaser gibt es den Vorteil, dass durch eine gezielte Einkopplung mit entsprechend maximalem Modenüberlapp gezielt eine Transversalmode angeregt werden kann, die entweder sehr schwach oder auch sehr stark mit dem Nanokomposit wechselwirkt. Dies ist ein Vorteil des Multimode-Designs. Die Lichtkopplung in Transversalmoden kann auch nach Wellenlängen unterschieden werden. Während z.B. 400 nm in die niedrigste Transversalmode gekoppelt wird und nahezu keine Konversion verursacht, kann die Wellenlänge 450 nm in die höchste mögliche Transversalmode der vorliegenden Faser gekoppelt werden, um eine starke Konversion zu provozieren. Somit können verschiedene Signale sehr gezielt transmittiert / konvertiert, multiplext werden. Ein Ausgleich der Leistung zwischen den Transversalmoden (transversale Modenkopplung) erfolgt typischerweise erst nach vielen Metern Faserlänge.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass UV-aushärtende Polymere für das Nanokomposit verwendet werden können. Die Aushärtung des Nanokomposits, welches beispielsweise an Faserziehtürmen auf Fasern appliziert werden kann, kann dann mittels UV-Lampen erfolgen. Die UV-Aushärtung ermöglicht somit einen skalierbaren kommerziellen Prozess für eine kostengünstige Herstellung einer Quarzglasfaser mit Quantendots-enthaltendem Nanokomposit bei hoher Prozessgeschwindigkeit. Thermische Aushärtung ist ebenfalls denkbar, wenn Silikon oder Polyimid verwendet wird. Silikon eignet sich ebenfalls durch den geringen Brechungsindex. Polyimid hingegen kann bis 360°C als Coating genutzt werden. Somit betrifft eine mögliche Ausführungsform auch eine Multimode-Quarzglasfaser wie hierin beschrieben, wobei die ein oder mehreren UV-gehärteten Polymere durch thermisch gehärtete Polymere ersetzt sind, bevorzugt durch Polymer enthaltend oder bestehen aus Polyimid oder Silikon.
  • Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Quarzglasfasern mussten zudem einige Verfahrenstechnische Schwierigkeiten überwunden werden. Beispielsweise muss die Vermischung der Polymere und der QDs bei der Herstellung so erfolgen, dass sich keine Verklumpungen bilden. Dies kann durch geeignete Rührtechniken bewirkt werden. Auch muss das erzeugte Gemisch rasch verarbeitet werden, um zu verhindern, dass sich die QDs verklumpen oder entmischen. Beim Auftragen des Nanokomposits auf den Faserkern darf die Glasoberfläche nicht zu heiß und nicht zu kalt sein, um eine problemfreie Haftung des Nanokomposits an der Oberfläche zu ermöglichen. Auch darf die Geschwindigkeit, mit der die Faser aus der Preform gezogen wird und mit der das NK auf die Oberfläche gebracht wird nicht zu groß sein, da sonst Lufteinschlüsse zwischen dem Glas und der Beschichtung auftreten. Diese führen zu mechanischer Instabilität der Faser. Somit muss der Schritt der Glasschmelze beim Ziehen der Faser, der Schritt des Aufbringens des Nanokomposits auf den Faserkern und der Vorgang der UV-Aushärtung aufeinander abgestimmt werden, was bedeutet, dass das NK und der Faserkern eine ähnliche Temperatur haben sollte bzw. die gleiche Temperatur +/- 20°C. Es hat sich auch als vorteilhafter erwiesen, wenn das Nanokomposit als Cladding vor dem Aufbringen auf eine definierte Temperatur gebracht wird.
  • Gemäß der Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ werden die QDs direkt mit dem Faserkern/Wellenleiter in Form eines Claddings kombiniert und haben direkten Kontakt mit dem evaneszenten Feld des Pumplichts. Hierzu war es notwendig, einen Beschichtungsprozess zu entwickeln, welcher kompatibel mit einer Quarzglasfaserherstellung ist. Bekannte Verfahren, wie beispielsweise ein „sol-gel Prozess“ wie in Jorge et al. („Optical Fiber Sensing Using Quantum Dots“ Sensors 2007, 7, 3489-3534) beschrieben, finden keine Anwendung bei der Herstellung von Fasern und sind nicht ohne weiteres kompatibel.
  • Für die Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ der Erfindung stellte es eine Herausforderung dar, die QDs direkt auf das Faserende zu applizieren. Dazu mussten die QDs in eine UV-härtende Polymermatrix eingebracht werden. Anschließend wurde das nunmehr UV-aushärtende Nanokomposit in eine Quarzglaskapillare eingebracht und eine Quarzglasfaser in die Kapillare eingeführt. Bei einer Bestrahlung mit UV-Licht konnten das NK, die Quarzglaskapillare und die Quarzglasfaser in einem einzigen Schritt justagefrei miteinander verbunden werden. Die Form des Nanokomposit (hierin auch „NK”) ist in der erfindungsgemäßen Anwendung frei wählbar, da es aus einem flüssigen Zustand heraus ausgehärtet wird. Das NK kann z.B. in zylindrischer Form mittels UV-Licht ausgehärtet werden (die Kapillare dient als formgebende Begrenzung). Durch geschickte Wahl der Brechungsindizes des Polymers (hierin bevorzugt sind fluorierte Acrylate) und der Kapillare (z.B. Quarzglas mit Fluordotierung oder aber auch Silikon, beispielsweise mit einem Brechungsindex von < 1.37 ) in Bezug auf den Brechungsindex des Quarzglaskerns kann die kurze Sektion, in dem das Lichtfeld im Nanokomposit (das stirnflächig zur Quarzglasfaser angeordnet ist) propagiert, sogar als Wellenleiter fungieren. Somit kann das NK sogar als Wellenleiterkern genutzt werden. Optional kann auch der Brechungsindex des Polymers größer als der der Kapillare gewählt werden, falls eine längere Strecke realisiert werden soll (> 2mm). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es prinzipiell möglich, die Art der Quantendots frei zu wählen, da es keine negativen Wechselwirkungen mit den Polymeren der Nanokomposits geben sollte. Dies liegt u.a. daran, dass core-shell QDs genutzt werden können, deren Fluoreszenz-Eigenschaften durch die Shell nach Außen hin geschützt werden.
  • Zudem zeigt sich, dass zwei Pumpgeometrien (Anregungsgeometrien) möglich sind: longitudinal (in Richtung der Lichtpropagation im Faserkern) und transversal (quer zur Propagationsrichtung des Lichtes im Kern). Je nach der gewählten Pumpgeometrie müssen die Parameter Schichtdicke der Claddings und Konzentration der QDs in der Polymermatrix angepasst werden.
  • Durch die Kombination von QDs mit einer Polymermatrix, welche einen definierten Brechungsindex hat kann das Nanokomposit sowohl als Wellenleitermantel (Brechungsindex Polymer < Brechungsindex Quarzglas) wie auch als Wellenleiterkern genutzt werden (Brechungsindex Polymer > Brechungsindex Quarzglas).
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die folgenden Ausführungsformen:
    1. 1. Multimode-Quarzglasfaser, aufweisend:
      1. a) einen Faserkern aus Quarzglas,
      2. b) eine Cladding-Schicht, und
      3. c) ein Nanokomposit-Material, enthaltend ein oder mehrere, bevorzugt UV-gehärtete, Polymere und ein oder mehrere Arten von Quantendots, die eine oder mehrere Zentralwellenlängen emittieren können;
      und wobei das Nanokomposit entweder
      1. i) die Cladding-Schicht bildet, wobei die Cladding-Schicht direkt auf dem Faserkern aufgebracht ist, wobei das Nanokomposit bei der Zentralwellenlänge der Quantendots beziehungsweise einer der Zentralwellenlängen einen geringeren Brechungsindex als das Quarzglas des Faserkerns, bei dieser Zentralwellenlänge, aufweist (hierbei beziehen sich die Brechungsindices auf die fertige Multimode-Quarzglasfaser beziehungsweise werden diese an der Multimode-Quarzglasfaser, bevorzugt bei 25°C, bestimmt); oder
      2. ii) stirnflächig (das heißt querschnittsflächig) an einem Ende der Quarzglasfaser oder stirnflächig zwischen zwei Abschnitten der Quarzglasfaser ausgebildet ist, wobei das Nanokomposit bevorzugt bei der Zentralwellenlänge der Quantendots, oder einer der Zentralwellenlängen bei mehreren Zentralwellenlängen, einen Brechungsindex von weniger als dem 1,2-fachen von Quarzglas aufweist (gemessen bei dieser Zentralwellenlänge an der Multimode-Quarzglasfaser).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform von (i) oder (ii) weist das Nanokomposit bei der Zentralwellenlänge der Quantendots, bevorzugt bei 630 nm, einen Brechungsindex von unterhalb 1,457 (Brechungsindex von Quarzglas bei 630 nm), wobei die Messung an der Multimode-Quarzglasfaser erfolgt, auf; oder das Nanokomposit weist bei der Zentralwellenlänge der Quantendots, bevorzugt bei 1550 nm, einen Brechungsindex von unterhalb 1,444 (Brechungsindex von Quarzglas bei 1550 nm), wobei die Messung an der Multimode-Quarzglasfaser, bevorzugt bei 25°C, erfolgt, auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform von (ii) weist das Nanokomposit bei der Zentralwellenlänge der Quantendots, bevorzugt bei 630 nm, einen Brechungsindex von 1,3-1,8 auf, wobei die Messung an der Multimode-Quarzglasfaser erfolgt.
  • Der Ausdruck „ein oder mehrere Arten von Quantendots“ bedeutet, dass Quantendots mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung oder von unterschiedlicher Partikelgröße vorhanden sein können. Eine Vielzahl an Quantendots mit ähnlicher Partikelgröße und gleicher Zusammensetzung werden gemäß der Partikelgrößenverteilung im angeregten Zustand eine Zentralwellenlänge emittieren.
  • Quarzglas besteht aus reinem Siliziumdioxid (SiO2). Der Brechungsindex des Faserkerns beträgt daher bevorzugt 1,44-1,48 (für Pump/Signalwellenlängen bei 300 nm bis 1550 nm, beispielsweise für Cadmium und Indium basierte Qds). Ein Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex ist die „Refracted Nearfield Messung“ (RNF) (siehe Raine et al. „Refractive Index Profiling - State of the Art", Journal of Lightwave Technology, Band 7, Nr. 9, August 1989, Seiten 1162-1169). Eine derartige Messung kann beispielsweise mit dem Messgerät „S14 Refractive Index Profiler“, der Fa. Photon Kinetics, Inc., USA, durchgeführt werden.
  • Hierbei wird die RNF Methode für die Bestimmung des Brechungsindex bei einer Messwellenlänge durchgeführt, welche nicht vom Nanokomposit absorbiert wird. Für die vorliegende Erfindung ist bevorzugt, dass die Messwellenlänge nicht im Bereich 300-500 nm oder 1000-1300 nm liegt. Die Messung erfolgt in einer Messzelle, in der sich eine Flüssigkeit mit bekanntem Brechungsindex befindet, z.B. ein Öl mit einem Brechungsindex von 1.470 bei 20°C, bevorzugt das UCON™ Öl - 50 HB 5100 (Polyalkylenglycol) von Dow Performance Lubricants (siehe Wright et al. „A review of solid-fluid selection options for optical-based measurements in single-phase liquid, two-phase liquid-liquid and multiphase solid-liquid flows“, Exp Fluids (2017) 58:108) oder ein Öl von Cargille Laboratories, USA, mit Brechungsindex von 1,470 bei 589.3 nm (Catalog #1809, Aliphatic/Alicyclic Hydrocarbons and Hydrogenated Terphenyl, Series A). Der Brechungsindex des Öls muss größer sein als der des Claddings bzw. des Nanokomposits. In diese Messzelle wird mittig und nach unten hin bündig die zu messende Faser platziert. Von unten wird nun die Messzelle abgerastert mit einem HeNe-Laser und die gebrochenen Strahlen detektiert. Das Messergebnis ist ein Brechungsindexunterschied zwischen Flüssigkeit, Cladding/Nanokomposit und Faserkern. Basierend auf den Messdaten und dem Brechungsindex der Flüssigkeit kann man den Brechungsindex des Quarzglases und des Nanokomposits bei der gewünschten Zentralwellenlänge bestimmen beziehungsweise bestimmen, ob der Brechungsindex des Nanokomposits geringer ist als der des Quarzglases. Der Index der Flüssigkeit für die Messung kann mit einem Abbe-Refraktometer bestimmt werden, beispielsweise ein AR4 Abbe-Refraktometer der Firma A. KRÜSS Optronic GmbH, Hamburg (LED mit Wellenlänge 589 nm). Für die Bestimmung des Brechungsindex des stirnflächig Angeordneten NK kann ein Abbe-Refraktometer (siehe oben) verwendet werden.
  • Die Multimode-Quarzglasfaser ist eine optische Quarzglasfaser (oder kurz „Quarzfaser“ oder „Glasfaser“). Diese enthält bevorzugt keine Streudefekte. Bevorzugt enthält die Multimode-Quarzglasfaser auch keine Streuschicht, die Streumaterial, beispielsweise Nano- oder Mikropartikel zur Lichtstreuung enthält, die auf der Cladding-Schicht aufgebracht ist. Zudem enthält die Multimode-Quarzglasfaser bevorzugt kein Streumaterial, welches in die Cladding-Schicht eingebettet ist.
    • 2. Die Multimode-Quarzglasfaser nach Ausführungsform 1, wobei der Brechungsindex der Cladding-Schicht kleiner ist als der Brechungsindex des Faserkerns, bevorzugt beträgt der Brechungsindex des Faserkerns 1,46-1,47 und der Brechungsindex der Cladding-Schicht 1,37-1,45 bevorzugt 1,404 oder kleiner, bestimmt durch die Messung der Numerischen Apertur nach DIN-Norm EN 60793-1-43 VDE 0888-243:2015-12 Lichtwellenleiter, um die bevorzugte gewünschte Wellenlänge von 250 bis 2400 nm zu ermöglichen.
  • Der Brechungsindex kann erfindungsgemäß so gewählt werden, dass eine Wellenleitung bei der gewünschten Wellenlänge möglich ist.
    • 3. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit umfasst bzw. besteht aus:
      • - Polymere, bevorzugt in einer Menge von 80-99,5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit,
      • - Quantendots, bevorzugt in einer Menge von 0,5-15 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit,
      • - optionale Zusatzstoffe, bevorzugt in einer Menge von 0-10 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit.
  • Bevorzugt umfassen die Polymere mindestens 90 Gew.-% an UV-gehärteten Polymeren, weiter bevorzugt 99 oder 100 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Nanokomposits. Somit enthält das Nanokomposit in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ausschließlich UV-gehärtete Polymere. Der Ausdruck „UV-gehärtete Polymere“ bedeutet, dass das Nanokomposit bei der Herstellung in zähflüssiger Form auf den Faserkern aufgebracht und dann mittels UV-Strahlung gehärtet wird.
    • 4. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das oder die (UV-gehärtete/UV-gehärteten) Polymer(e) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Fluoracrylat-basierten Polymeren (d.h. Polymere mit Acrylat- oder Methylacrylat-Anion-Motiv, insbesondere Acrylatester oder Methacrylatester, beispielsweise Methylacrylat-basierte Polymere), Urethanacrylat-basierten Polymeren; Fluorosiloxanen; Epoxy-Acrylat-basierten Polymeren, Polyester-Acrylat-basierten Polymeren, Urethan-Acrylat-basierten Polymeren, Silikon-Acrylat-basierten Polymeren, Acryl-Acrylat-basierten Polymeren, Polymethylsiloxan, Polydimethylsiloxan, Polyimid, Fluorierten Urethanen, und Copolymere und Mischungen davon, weiter bevorzugt sind UV-härtbare Polymere, ausgewählt aus Fluoracrylat-basierten Polymeren, Methylacrylat-basierten Polymeren, Epoxy-Acrylat-basierten Polymeren, Polymethylsiloxan, und Polydimethylsiloxan; besonders bevorzugt sind Fluoracrylat-basierte Polymere, Urethanacrylat-basierten Polymeren; und Fluorosiloxanen; und am meisten bevorzugt ist die Polymermatrix aus Fluoracrylat-basierten Polymeren ausgewählt, beispielsweise ein multifunktionales Prepolymer aus 2-(Perfluorohexyl)ethylmethacrylat, 2-Propensäure, 2-Methyl-, 2-ethyl-2-[[(2-methyl-1-oxo-2-propenyl)oxy]methyl]-1,3-propandiylester, Phenol; und Polyperfluoro-ethoxymethoxy-difluoro-ethyl-PEG-Ether.
  • Der Brechungsindex der hier angegebenen Polymere kann wie in der US 2010/0188652 beschrieben so verändert werden, dass er die gewünschte Anforderung erfüllt, beispielsweise wenn das reine Polymer einen zu hohen Brechungsindex aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird ein Nanokomposit-Material (auch „NK“ oder „Nanokomposit“) verwendet.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt sind fluorierte Polymere, wobei fluorierte Varianten aller hierin genannten Polymere besonders bevorzugt sind.
    • 5. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Quantendots Kombinationen von Gruppe II-VI-Elementen (insbesondere Zink oder Cadmium mit Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur), III-V-Elementen (insbesondere Bor oder Aluminium oder Gallium oder Indium mit Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, oder Wismut), oder IV-VI-Elementen (insbesondere Silicium oder Blei mit Selen oder Schwefel) des Periodensystems und Mischungen dieser Kombinationen enthalten, bevorzugt sind sie ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus CdSe, ZnCdS, CdTe, PbS, PbSe, Kern-Schale-Quantendots (CdS/ZnSe, CdSe/CdS, CdSe/ZnCdS, CdSeS/ZnS, InP/ZnS), Kern-Schale-Schale-Quantendots (CdSe/CdS/ZnS, CdTe/CdS/ZnS), InP, ZnSe,ZnxCd1-xSe,CdTexSe1-x, CdS und Perovskite-QDs,
  • Auch sind kolloidale CQDs geeignet, insbesondere kolloidale CdSe/ZnxCd1-xS Kern-Schale-Quantendots.
    • 6. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Polymermatrix ohne QDs ein Elastizitätsmodul von 180 bis 220 MPa, gemessen nach Standard D638-14 der Organisation American Society for Testing and Materials, aufweist.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ kann die Quarzfaser für eine Transmissions-, oder Reflektionsmessung ausgestaltet sein.
  • Im Transmissionsfall:
    • Die Transmission des NK muss für die Pumpwellenlänge und die Signalwellenlänge unterschieden werden.
  • Pumpwellenlänge: die Polymermatrix muss eine möglichst hohe Transmission aufweisen um den Verlust der Pumpleistung zu minimieren. Die Zahl der QDs sollte so gewählt sein, dass möglichst die gesamte Pumpleistung mit der vorhandenen Anzahl der QDs absorbiert wird.
  • Signalwellenlänge: die Polymermatrix sollte eine möglichst große Transmission aufweisen um Verluste des Signals zu minimieren. Die Anzahl der QDs sollte so gewählt sein, dass die Reabsorption der Signalwellenlänge minimiert wird (falls dies bei den entsprechend gewählten QDs physikalisch möglich ist).
  • Das Elastizitätsmodul der Polymermatrix ist wichtig, damit die Cladding-Schicht einen ausreichenden mechanischen Schutz für den Faserkern bieten kann. Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass das Elastizitätsmodul weder zu hoch noch zu niedrig sein darf.
    • 7. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei der Faserkern der Multimode-Quarzglasfaser dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen V-Parameter von größer als 2,405 aufweist, sodass mehr als eine transversale Mode pro Polarisation geführt werden kann aufweist.
  • Der V-Parameter wird ermittelt, indem der Brechungsindex des Claddings ermittelt und die Formel für die Berechnung des V-Parameters angewendet wird. Der Brechungsindex des Claddings kann unter anderem mit der „Refracted Nearfield Methode“ ermittelt werden (siehe Raine et al. 1989 bzw. die darin referenzierte Literatur von Steward et al.).
    • 8. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Quantendots homogen und/oder nicht agglomeriert in der Polymermatrix verteilt sind, und/oder wobei die Konzentration der Quantendots in dem Nanokomposit 0,001 bis 10 %.
    • 9. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Quantendots CdSe/CdS Kern-Schale Quantendots sind.
  • Verschiedenste Arten von Quantendots sind kommerziell verfügbar, beispielsweise von Quantum Solutions (https://quantum-solutions.com/products-portfolio/quantumdots/), Merck/Sigma-Aldrich (https://www.sigmaaldrich.com/materialsscience/material-science-products.html?TablePage=16376883), oder PlasmaChem (http://www.plasmachem.com/shop/en/26-quantum-dots).
    • 10. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Quantendots eine Größe von 1 nm bis 1 µm aufweisen. Die Größe der Quantendots kann beispielsweise als D95 mittels volumetrischer, dynamischer Laserlichtbeugung, bevorzugt unter Verwendung eines Geräts von Malvern Instruments, Ltd., Malvern, UK, bevorzugt einem Zetasizer Nano, bestimmt werden.
  • Die Quantendots müssen eine geeignete Größe aufweisen, damit die Absorption und Emission bei der gewünschten Wellenlänge gewährleistet ist.
    • 11. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Cladding-Schicht den Faserkern vollständig oder teilweise umhüllt.
    • 12. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei der Faserkern einen Durchmesser von 20 µm bis 2 mm, aufweist.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ ist der bevorzugte Durchmesser des Faserkerns 30-600µm, weiter bevorzugt etwa 50 µm. Bei der Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ ist der bevorzugte Durchmesser des Faserkerns 200-800µm, weiter bevorzugt etwa 600 µm.
    • 13. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Quantendots eine Wellenlänge bzw. Zentralwellenlänge zwischen 560 und 1600 nm, bevorzugt zwischen 560 nm und 750 nm oder zwischen 1300 und 1600 nm, besonders bevorzugt von etwa 630 nm, emittieren, bevorzugt bei 20°C.
    • 14. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei ein lichtundurchlässiger oder lichtundurchlässiger Außenmantel vorhanden ist.
  • Vorliegend kann der Außenmantel lichtdurchlässig oder lichtundurchlässig sein. Falls der Außenmantel lichtundurchlässig ist, kann die Pumpwellenlänge nicht seitlich appliziert werden (seitliche Pumpgeometrie) sondern muss stirnflächig appliziert werden. Falls der Außenmantel lichtdurchlässig ist kann eine seitliche Pumpgeometrie genutzt werden, bei der die Pumpwellenlänge durch den Außenmantel in das NK-Cladding und in den Faserkern transmittiert wird. Zudem wird das konvertierte Licht in diesem Fall auch nach außen emittiert und die Faser kann als Beleuchtungsmittel verwendet werden eingesetzt werden. Diese Eigenschaft liegt auch bei der longitudinalen Pumpgeometrie vor. Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch die Verwendung der longitudinalen und transversalen Ausführungsform als Beleuchtungsmittel.
  • Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“:
  • Die Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ betrifft eine Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit die Cladding-Schicht bildet (Ausführungsform 15).
  • In dieser Ausführungsform kann das Pumplicht longitudinal oder transversal eingestrahlt werden, wobei transversales Einstrahlen bedeuten kann, dass das Pumplicht am Ort der Temperaturmessung eingestrahlt wird.
    • 16. Die Multimode-Quarzglasfaser nach Ausführungsformen 15, wobei die Cladding-Schicht aus Nanokomposit über die gesamte Faserlänge hinweg ausgebildet ist.
  • In der Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ wird das Nanokomposit (also die Konzentration der QDs und die Schichtdicke) so gewählt, dass die gewünschte transversale Eindringtiefe erreicht wird. Beim transversalen Pumpen muss in dieser Ausführungsform die Claddingschicht so dick sein, dass sich innerhalb des bestrahlten Volumens genug QDs befinden um die Pumpleistung zu absorbieren. Darüberhinaus darf die Schicht auch nur so dick sein, dass die endliche Transmission (~90%) bei der Signalwellenlänge nur zu minimalem Leistungsverlust führt. Bei einem longitudinalen Pumpen liegt die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes im Bereich < 1 µm, d.h. egal wie dick die Schicht ist, die Wechselwirkung zwischen Pumplicht und QDs ist gleichermaßen gewährleistet.
  • Der Brechungsindex wird so gewählt, dass das Pumplicht durch die Quarzglasfaser propagiert wird. Bei sehr kleinem Brechungsindexunterschied zwischen Faserkern aus Quarz und Nanokomposit, wird die Lichtleitfähigkeit der Quarzglasfaser jedoch biegeanfällig. Ein bevorzugter Brechungsindex in dieser Ausführungsform ist im Bereich von 1,37-1,45, wobei weiter bevorzugt der Brechungsindexunterschied zwischen dem Faserkern und dem Nanokomposit zwischen 0,02-0,07 liegt.
  • Wird auf einer Faserstrecke gemessen, so überlagert sich das Wellenlängenverschobene Signal (Ursprung lokale Erwärmung an Messpunkt) mit dem nicht Wellenlängen-verschobenen Signal (Großteil der Faser ist bei UmgebungsTemperatur und konvertiert entsprechend). Grundsätzlich gilt, je größer der erwärmte Bereich, desto stärker dominiert die rotverschobene Emission durch die Temperaturänderung, desto eindeutiger kann die Erwärmung gemessen werden. Es besteht aber das Risiko, dass man zwischen dem verschobenen und dem nichtverschobenen Signal nicht unterscheiden kann, wenn die Temperaturdifferenz nicht groß genug ist. Es gibt die Möglichkeit einer zeitlichen Taktung mit einem optischen Puls (OTDR) um einem festen Ort in der Faser einen festen Zeitpunkt im Puls zuzuordnen. So sollte es möglich sein den Ort der Frequenzkonversion, also den Ort der Temperaturerhöhung herauszufinden. Dazu wird zu bekannter Zeit ein Pumppuls eingestrahlt und die Ankunftszeit des Signalpulses oder der Signalpulse aufgezeichnet. Zusätzlich wird das gemessene Signal nach der Wellenlänge aufgespalten. Somit lässt sich zuordnen welche Wellenlängenanteile von welcher Faserposition ausgegangen sind.
    • 17. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, weiterhin umfassend einen Mantel, der direkt auf der Cladding-Schicht aufgebracht ist.
    • 18. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei der Mantel, der direkt auf der Cladding-Schicht aufgebracht ist, eine Schichtdicke von bis zu 50 µm aufweist.
  • Zwischen dem Faserkern und der Cladding-Schicht befindet sich keine weitere Schicht.
    • 19. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei der Faserkern keinen Fluorgraben und/oder Dotierungen enthält.
  • Es kann spezielle Faserprofile (also radiale Brechungsindexverteilungen) geben, bei denen ein Fluorgraben in der Glasstruktur mit vorgesehen ist und dennoch zusätzlich das NK außen als zusätzlicher Mantel appliziert wird. Ebenso kann der Kern optional Dotierungen enthalten, die den Brechungsindex noch weiter anheben (z.B. Germanium).
    • 20. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Cladding-Schicht eine Schichtdicke von 1-150µm, bevorzugt 30-80µm und am meisten bevorzugt etwas 50µm, aufweist.
  • Grundsätzlich ist die Schichtdicke der Cladding-Schicht frei wählbar, wobei gilt, dass (bei gleicher QD-Dichte im Nanokomposit) umso mehr QDs zur Verfügung stehen, umso dicker die Schicht ist. Diese können mit entsprechend höherer Gesamtleistung bei der Pumpwellenlänge angeregt werden.
  • Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“:
  • Die Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ betrifft eine Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit stirnflächig an einem Ende der Quarzglasfaser oder stirnflächig zwischen zwei Abschnitten der Quarzglasfaser ausgebildet ist (Ausführungsform 21). Der Ausdruck „stirnflächig“ bedeutet hierbei, dass das Nanokomposit senkrecht zum Faserkern angeordnet ist und den Querschnitt des Faserkerns zumindest teilweise, bevorzugt vollständig überdeckt.
  • In der Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ kann der Brechungsindex des Nanokomposits so gewählt werden, dass möglichst wenig Licht seitlich abgestrahlt, wird aber maximal in den anschließenden, zweite, Quarzglasfaserabschnitt übergekoppelt wird. Dazu ist eine gezielte Anpassung zwischen dem Brechungsindex der Kapillare und dem Brechungsindex des Polymers erforderlich.
  • In diesen Ausführungsformen der Erfindung kann das Cladding der Quarzglasfaser frei gewählt werden. Bevorzugt enthält das Cladding aber keine Quantendots.
  • In dieser Ausführungsform kann das Pumplicht longitudinal oder transversal eingestrahlt werden.
    • 22. Die Multimode-Quarzglasfaser nach Ausführungsform 21, wobei das Nanokomposit in longitudinaler Richtung (stirnflächig in Richtung des Faserkerns) eine Schichtdicke von 1 µm bis 20 mm aufweist.
  • Hierin wird mit „longitudinaler Richtung“ der Richtungsverlauf der Quarzglasfaser/Faserkern bezeichnet, dass heißt die Richtung, in die das Pumplicht durch den Faserkern propagiert.
  • Hierin wird mit „transversaler Richtung“ die zur longitudinalen Richtung senkrechte Richtung bezeichnet. Die Schichtdicke des Claddings auf dem Faserkern wird somit in transversaler Richtung gemessen.
  • Die Schichtdicke wird in allen Ausführungsformen der Erfindung in Abhängigkeit der folgenden Parameter festgelegt:
    • - Zur Verfügung stehende Gesamtleistung bei der Pumpwellenlänge im Faserkern.
    • - Konzentration der QDs im NK.
    • - Transmission des gewählten Polymers bei der Pump- und Signalwellenlänge
    • - Exakter Brechungsindex des Nanokomposits, insbesondere des Fluoropolymers
    • - Empfindlichkeit des Detektionsgerätes für die Signalwellenlänge.
    • - Brechungsindex des die Schichtdicke umgebenden Mediums (hier Glaskapillare, optional mit geringem Brechungsindex als das Nanokomposit für Totalreflexion).
  • Die genaue Festlegung der genannten Parameter führt zu einer optimalen Schichtdicke. Dieses Optimum kann je nach Kontext der Messaufgabe angepasst werden.
    • 23. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit stirnflächig an einem Ende einer Quarzglasfaser oder zwischen zwei Quarzglasfaserabschnitten ausgebildet ist.
  • In dieser Ausführungsform kann das Nanokomposit die Quarzglasfaser in longitudinaler Richtung unterbrechen und es ergibt sich die folgende Abfolge (in Richtung des Pumplichts): Quarzglasfaser mit Faserkern, Cladding-Schicht und optional weiterer/weiteren Beschichtung(en) und einem sich anschließenden (und sich in Kontakt befindlichen) Abschnitt aus Nanokomposit mit Quantendots, und einer sich wiederum anschließenden Quarzglasfaser mit Faserkern, Cladding-Schicht und weiterer/weiteren Beschichtung(en).
  • In dieser Ausführungsform ist es auch möglich, dass sich die Quarzglasfaserabschnitte vor und nach dem Nanokomposit voneinander unterscheiden, beispielsweise einen anderen Faserkern, Cladding, Durchmesser oder Ummantelung aufweisen.
  • Es ist aber auch möglich, dass das Nanokomposit endseitig angeordnet ist und sich kein weiterer Quarzglasfaserabschnitt anschließt. Es ergibt sich dann die folgende Abfolge (in Richtung des Pumplichts): Quarzglasfaser mit Faserkern, Cladding-Schicht und optional weiterer/weiteren Beschichtung(en) und einem sich anschließenden (und sich in Kontakt befindlichen) Abschnitt aus Nanokomposit mit Quantendots.
  • In den obenstehenden Ausführungsformen kann das Nanokomposit in einem formgebenden Behälter, beispielsweise einer Kapillare angeordnet sein.
    • 24. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit stirnflächig an einem Ende der Quarzglasfaser ausgebildet ist und das Nanokomposit, sowie ein angrenzender Bereich der Multimode-Quarzglasfaser in einer Kapillare, bevorzugt einer Glas-Kapillare, angeordnet ist.
  • Bei Verwendung einer Glaskapillare kann (in allen Ausführungsformen der Erfindung) der Brechungsindex der Glaskapillare so gewählt werden, dass an der Grenzfläche zwischen NK und Kapillare Totalreflexion stattfindet.
    • 25. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei das Nanokomposit stirnflächig zwischen zwei Abschnitten der Quarzglasfaser ausgebildet ist und das Nanokomposit, sowie ein angrenzender Bereich der Multimode-Quarzglasfaser in beide Richtungen in einer Kapillare, bevorzugt in einer Glas-Kapillare, angeordnet ist.
    • 26. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der vorangegangenen Ausführungsformen, wobei die Schicht aus Nanokomposit hinter einem senkrecht zu der Faserrichtung befindlichen wellenlängenselektiven Element angeordnet ist.
  • Je nach Ausführung also ein Dichroitischer Spiegel (2-farbiger Spiegel, blau wir reflektiert, rot wird transmittiert), ein Beugungsgitter (Beugung unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln und somit räumliche Trennung), oder auch ein Prisma (Brechung an den Grenzflächen des Prismas)
    • 27. Sensoranordnung, aufweisend:
      • - eine Sendeeinheit;
      • - eine Empfängereinheit;
      • - eine, die Multimode-Quarzglasfaser nach einer der Ausführungsformen 1-26 enthaltende, Verbindungsanordnung, die die Sendeeinheit und die Empfängereinheit verbindet;
      wobei die Sendeeinheit dazu ausgebildet ist, ein optisches Signal in die Multimode-Quarzglasfaser einzukoppeln oder in das Cladding einzustrahlen, wobei das optische Signal dazu geeignet ist, die Quantendots der Multimode-Quarzglasfaser in Abhängigkeit von der Temperatur an dem oder den Messpunkt(en) anzuregen, und die Empfängereinheit dazu ausgebildet ist, ein so erzeugtes Temperatur-abhängiges optisches Signal zu empfangen, wobei die Temperatur an dem oder den Messpunkt(en) aus dem Temperatur-abhängigen optischen Signal ableitbar ist.
  • Da die Detektion ausschließlich bei der Signalwellenlänge passiert ist die Messmethode weitgehend unanfällig für Umgebungslicht. Das Temperatur-abhängige optische Signal kann auch eine Überlagerung des von den Quantendots emittierten Lichts und des eingestrahlten optischen Signals sein.
    • 28. Sensoranordnung nach Ausführungsform 27, wobei das Temperatur-abhängige optische Signal, ein von den Quantendots emittiertes Licht ist, falls das Nanokomposit als Schicht senkrecht zur Faserrichtung, ausgebildet ist, oder das Temperatur-abhängige optische Signal eine Überlagerung des von den Quantendots emittierten Lichts und des optischen Signals ist, falls das Nanokomposit als Cladding-Schicht auf dem Faserkern ausgebildet ist.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen das Nanokomposit als Cladding-Schicht auf dem Faserkern ausgebildet ist, ist es bevorzugt, eine zeitliche Taktung des optischen Signals der Sendeeinheit mittels eines optischen Puls (OTDR) um einen festen Ort in der Faser einem festen Zeitpunkt im Puls zuzuordnen. So sollte es möglich sein den Ort der Frequenzkonversion in den entsprechend verschobenen Wellenlängenbereich, also den Ort der Temperaturerhöhung herauszufinden. Insbesondere da die Laufzeiten bei der Pumpwellenlänge, bei der Signalwellenlänge bei z.B. Temperatur 1 und bei der Signalwellenlänge bei z.B. Temperatur 2 bekannt sind und am Detektor gemessen werden.
  • Erfindungsgemäß ist eine gute Wechselwirkung zwischen dem Pumplicht („optisches Signal“ bzw. „optisches Signal der Sendeeinheit“) und den Quantendots erforderlich, d.h. das Pumplicht muss von den Quantendots absorbiert werden können.
  • Bei transversaler Wechselwirkung zwischen dem Pumplicht und den Quantendots (d.h. das Nanokomposit befindet sich im Cladding) lässt sich die Wechselwirkung über die Faserlänge skalieren.
  • Bei longitudinaler Wechselwirkung zwischen dem Pumplicht und den Quantendots (d.h. das Nanokomposit befindet sich an einer Stirnfläche einer Quarzfaser oder zwischen zwei Stirnflächen zweier Quarzfasern) lässt sich die Wechselwirkung über die Schichtdicke des Nanokomposits einstellen.
    • 29. Sensoranordnung nach einer der Ausführungsformen 27 bis 28, wobei die Sensoranordnung eine mit der Empfängereinheit verbundene Recheneinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus dem Temperatur-abhängigen optischen Signal eine Temperatur an dem oder den Messpunkt(en) zu ermitteln.
    • 30. Sensoranordnung nach einer der Ausführungsformen 27 bis 29, wobei die Sensoranordnung eine Multimode-Quarzglasfaser-Abzweigung aufweist, die zu einem Temperatur-Messpunkt führt, wobei der Temperatur-Messpunkt mit der Nanokompositschicht in der Quarzglasfaser, senkrecht zur Faserrichtung, ausgebildet ist.
    • 31. Sensoranordnung nach Ausführungsform 30, wobei die Abzweigung einen Koppler enthält, wobei der Koppler derart ausgestaltet ist, dass das Temperatur-abhängige Lichtsignal, welches vom Messpunkt Richtung Abzweigung propagiert, zur Empfängereinheit geleitet wird.
    • 32. Sensoranordnung nach einer der Ausführungsformen 27 bis 31, wobei die Empfängereinheit derart ausgebildet ist, dass sie eine Wellenlänge zwischen 560 und 1600 nm, bevorzugt 560 und 750 nm oder 1300-1600 nm (z.B. für InP/ZnS Quantendots oder InAs/InP Quantendots), bevorzugt von 630 nm detektieren kann.
    • 33. Verfahren zur Temperaturmessung an einem oder mehreren Messpunkt(en) mittels der Sensoranordnung nach einer der Ausführungsformen 27-32, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
      • - Aussenden eines optischen Signals mittels der Sendeeinheit, wobei das optische Signal auf die Quantendots in dem Nanokomposit trifft;
      • - Einkoppeln des von den Quantendots emittierten Lichts, das das Temperatur-abhängige optische Signal darstellt, oder des Lichts, das durch Überlagerung des Temperatur-abhängigen optischen Signals mit dem optischen Signal erzeugt wird, in die Verbindungsanordnung;
      • - Leiten des in die Verbindungsanordnung eingekoppelten Temperatur-abhängigen optischen Signals an die Empfängereinheit; und
      • - Empfangen des Temperatur-abhängigen optischen Signals mittels der Empfängereinheit, derart, dass von der Empfängereinheit aus dem Temperatur-abhängigen optischen Signal Informationen über die Temperatur an einem oder mehreren Messpunkt(en) ableitbar sind.
    • 34. Verwendung einer Multimode-Quarzglasfaser nach einer der Ausführungsformen 1-26 zur Temperaturmessung.
  • Die erfindungsgemäßen Multimode-Quarzglasfasern können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise für Temperaturmessungen oder als Beleuchtung oder auch beides in Kombination.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit als Cladding“ kann eine Lichtemission über das gesamte Cladding erzielt werden. Es ist aber auch möglich, die Quantendots durch transversales Pumpen hinein in die Faser lokal zum Leuchten zu bringen, beispielsweise um an diesem Ort eine Temperaturmessung durchzuführen.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ erfolgt die Temperaturmessung lokal am Nanokomposit. Der Brechungsindex kann für die jeweilige Anwendung optimiert werden. Beispiele für die konkrete Verwendung der Fasern zur Temperaturmessung sind in Beispielen 1 und 2 beschrieben.
  • In dieser Ausführungsform wird der Fasermantel selbst funktionalisiert, das bedeutet, das Nanokomposit wird als Cladding aufgebracht. Hierbei stellt das Nanokomposit eine Grenzfläche zum optischen Faserkern dar. Die Aufgabe des Nanokomposits (beispielsweise kann der Lack PC-404 des Herstellers Luvantix verwendet werden) ist es dabei die optische Führung im Faserkern zu gewährleisten, indem es den Faserkern vollständig umschließt oder zumindest teilweise die Oberfläche des Faserkerns bedeckt und einen deutlich geringeren Brechungsindex (Unterschied von 0.02 oder mehr) aufweist.
  • Durch das Einbringen der QDs in das Nanokomposit lassen sich die Funktionen der Polymermatrix (Lack) und QDs kombinieren. Entsprechend entsteht ein Fasermantel, welcher eingestrahlte Photonen bei einer Wellenlänge (Pumpwellenlänge) über strahlende Rekombination von Eletron-Loch-Paaren zu Photonen mit einer größeren Wellenlänge (Signalwellenlänge) konvertiert.
    • 35. Verfahren zum Erzeugen einer Multimode-Quarzglasfaser, bevorzugt nach einer der Ausführungsformen 1-26, umfassend die Schritte:
      1. I) Bereitstellen eines Faserkerns,
      2. II) Aufbringen eines unausgehärteten zähflüssigen Nanokomposits enthaltend ein oder mehrere UV-härtbare Polymere und Quantendots als Beschichtung auf den Faserkern, wobei die Oberfläche des Faserkerns zum Zeitpunkt des Aufbringens eine definierte Temperatur, bevorzugt von 10 bis 80°C aufweist und/oder die Viskosität bevorzugt in dem Bereich von 1-7 kg/(m-s) (1000-7000 cPs) bei 25°C liegt,
      3. III) Aushärten des zähflüssigen Nanokomposits mittels UV-Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm - 450 nm, bevorzugt mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 2 W/cm2, und
      4. IV) Erhalten der Multimode-Quarzglasfaser, bzw. der Quarzglasfaser mit NK-Mantel.
  • Ein Verklumpen (Agglomerieren) der Quantendots führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Quarzglasfaser, insbesondere wird diese brüchig. Vor dem Aushärten der Polymermatrix muss eine Phasentrennung zwischen Polymer und Quantendots vermieden werden. Eine homogene Polymermischung kann durch das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erreicht werden. Unerwünschte Aggregate können durch optische Inspektion erkannt werden. Damit das Material besonders gut geeignet ist, sollte es vor dem Aufbringen auf den Faserkern eine möglichst hohe optische Transparenz, möglichst wenige Verklumpungen und möglichst keine Schlieren aufweisen. Es können Techniken wie Temperieren, Filtern, Rühren und Dekantieren angewendet werden um die Homogenität zu bewahren.
  • Die Wellenlänge und Dosis der UV-Bestrahlung ist wichtig, um eine vollständige Aushärtung zu erzielen. Daher muss die Zuggeschwindigkeit der zu beschichtenden Kernfaser auf die UV-Intensität abgestimmt sein. Aus der Bestrahlungsstärke (W/cm2) und der Zuggeschwindigkeit (Einwirkzeit der UV-Strahlung pro Faserposition in Sekunden) ergibt sich eine Fluenz (J/cm2). Somit müssen die Parameter i) Ziehen des Faserkerns aus der Preform-Schmelze, ii) Beschichten des Faserkerns mit Nanokomposit und iii) UV-Aushärtung des Nanokomposit aufeinander abgestimmt sein.
  • Die UV-Aushärtung des Nanokomposits erfolgt bevorzugt durch das Applizieren von UV-Strahlung von außen. Dabei wird eine spezielle Kombination von Lampen mit Wellenlängen genutzt, die auf die Absorption des Nanokomposit bzw. der in der Polymermatrix enthaltenen Photoinitiatoren angepasst sind.
    • 36. Das Verfahren nach Ausführungsform 35, wobei Schritt I) das Ziehen des Faserkerns aus einer Faser-Preform umfasst und/oder das unausgehärtete flüssige Nanokomposit in Schritt II) mittels vertikaler Schwerkraft- oder auch Druckbeschichtung mit einer Geschwindigkeit aufgetragen wird, die ausreichend langsam ist, um Lufteinschlüsse zwischen dem Faserkern und der Beschichtung zu vermeiden.
  • Bei dem Auftragen des Nanokomposits auf den Faserkern muss das noch nicht gehärtete Nanokomposit die richtige Temperatur aufweisen. Im Fall einer Druckbeschichtung muss das zähflüssige Coating mit dem richtigen Druck (mittels Argon-Gas) auf die Faser appliziert werden. Die Aushärtung der Beschichtung erfolgt direkt nach der Applikation noch bevor weitere Materialien appliziert werden. Ein Mehrschichtverfahren ist möglich, bei dem das NK eine innere Schicht darstellt und eine weitere Schicht mit oder ohne Funktion appliziert wird. Der sich bei der Beschichtung bildende stationäre Strömungszustand des NK in der Beschichtungsdüse beeinflusst, ob sich unerwünschte Lufteinschlüsse ergeben oder nicht.
  • Lufteinschlüsse zwischen dem Faserkern und der Beschichtung müssen vermieden werden, um einen ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten.
  • Das Herstellen der Faser-Preform kann durch bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise durch modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD) oder mittels PCVD-Verfahren (plasma activated chemical vapor deposition) in einem Quarzglas-Substratrohr. Ein typischer Herstellungsprozess einer modernen krümmungsunempfindlichen Faser umfasst beispielsweise die MCVD-Abscheidung in einem F-300 Substratrohr (siehe https://www.heraeus.com/media/media/hqs/doc_hqs/products and solutions 8/opti cal_fiber/Fiber_Tubes_EN_2018_04.pdf) und das Kollabieren des innenbeschichteten Rohres zu einem massiven Stab. Das F-300 Rohrmaterial weist typischerweise einen Cl-Gehalt von 800 bis 2000 ppm und/oder einen OH-Gehalt von 0,2 ppm auf. Verfahren zur Herstellung von Preformen sind dem Fachmann bekannt. Solche Verfahren sind beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben: DE69922728 T2 , US4276243A , US4412853 , und US4582480 .
  • Somit besteht die Faser bevorzugt aus Quarzglas mit einer OH-Konzentration von ≤0,2 ppm, einem Chlor-Gehalt von 800-2000 ppm und/oder einem Brechungsindex von +0,35 bis +0,5×10-3 besteht. Neben synthetischem Quarzglas kann auch dem Fachmann bekanntes natürliches Quarzglas genutzt werden. Dieses beinhaltet Kontaminationen, die allerdings die prinzipielle Funktion des Quarzglaskerns hier nicht wesentlich beeinträchtigen.
    • 37. Das Verfahren nach Ausführungsform 35 oder 36, wobei der Faserkern in einem Vorheizofen auf die gewünschte Oberflächentemperatur erwärmt wird, bevor das unausgehärtete flüssige Nanokomposit aufgetragen wird.
  • Die Oberfläche des Faserkerns darf zum Zeitpunkt des Auftragens der unausgehärteten flüssigen Polymermatrix nicht zu heiß oder zu kalt sein, da sonst die Polymermatrix nicht ausreichend fest haftet.
  • Die Nanokomposit-beschichtete Faseroberfläche muss vor einem gegebenenfalls verwendeten Extrusionsverfahren zum Aufbringen eines Mantels staubfrei gehalten wird.
  • Mögliche Verunreinigungen oder Unebenheiten aus dem Faserzug bei der Herstellung des Faserkerns und des Nanokomposits können sich negativ auf die Oberflächenqualität der extrudierten Schicht oder sogar auf die mechanische Zuverlässigkeit der Schicht und somit der gesamten Multimode-Quarzglasfaser auswirken.
    • 38. Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 35-37, wobei das zu extrudierende Material des Mantels vor dem Aufbringen auf das gehärtete Nanokomposit geschmolzen wird.
  • Die Multimode-Quarzglasfaser kann zusätzlich zu dem Mantel noch weitere Ummantelungen aufweisen, beispielsweise hermetische Beschichtungen wie Kohlenstoff- oder metallische Coatingschichten wie, z.B. aus Aluminium. Bevorzugt ist, dass außer dem Mantel keine weitere Ummantelung vorhanden ist.
  • Bei Verwendung eines Zweischicht-Acrylats kann für die innere Schicht ein low-Index Akrylat verwendet werden. Somit kann eine Wellenleitung für die Pumpwellenlänge und für die entstehende Signalwellenlänge über viele Meter (~ 1 km) garantiert werden. Gleichzeitig liegt ein Tradeoff vor, denn auch wenn die Pumpwellenlänge gut geführt werden soll, um über die Länge eine Skalierung der Absorption zu erreichen, soll das evaneszente Feld gleichzeitig auch weit genug in das Nanokomposit eindringen, um eine effiziente Konversion zu ermöglichen. Deshalb muss der Brechungsindex des Coatingmaterials kleiner sein als der des Faserkerns.
  • Wie bereits beschrieben, muss ein Verklumpen (Agglomerieren) der Quantendots verhindert werden. Dies kann erreicht werden durch Oberflächenmodifizierung der QDs, durch Wahl eines geeigneten (organischen) Liganden mit dem Ziel einer optimierten Dispersion, beispielsweise unter Verwendung von Tri-n-octylphosphinoxid (TOPO), oder durch Änderung eines Liganden nach der Herstellung der QDs zur Anpassung an die Matrix (das Polymer) (siehe J. Wang et al. „Semiconductor Quantum Dots Surface Modification for Potential Cancer Diagnostics and Therapeutic Applications", Hindawi Journal of Nanomaterials, Volume 2012; G. R. Bardajee et al. „Surface passivation of CdSe-TOPO quantum dots by poly(acrylic acid): Solvent sensitivity and photo-induced emission in water" Iran Polym J, 2013).
  • Ein zu langes Stehenlassen nach dem Mischen und vor dem Auftragen des Nanokomposit auf den Faserkern kann zu einer Phasentrennung führen und sollte vermieden werden.
    • 39. Multimode-Quarzglasfaser hergestellt oder herstellbar mittels des Verfahrens nach einem der Ausführungsformen 35-38.
  • Das geschmolzene Material wird mit einem vorgegebenen Massedruck auf die Faser appliziert, wobei nur Druckschwankungen in einem Bereich von 0-20%, bevorzugt 0-10% auftreten sollen.
  • Die vorliegende Offenbarung soll weiter anhand von Figuren erläutert werden:
  • Figurenliste
    • 1: Seitlich emittiertes optisches Spektrum bei einer Einkopplung von Pumplicht bei einer Wellenlänge von 450 nm und einer mittleren Leistung von ca. 3 mW in die Quarzglasfaser gemäß Beispiel 1. Der Abbildung kann entnommen werden, dass das emittierte Signal eine Zentralwellenlänge von 626 nm und eine Halbwerts-Breite (HWB) von 31 nm hat. Ebenso ist es denkbar, dass das Pumplicht seitlich auf die Faser appliziert wird (transversales Pumpen). Das emittierte optische Spektrum unterscheidet sich in diesem Fall nicht zwischen longitudinalem und transversalem Pumpen.
    • 2: Anordnung für die ortsfeste optische Temperaturmessung in Transmission zwischen zwei Faserstirnflächen. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser; 2=Lichtquelle; 3=Nanokomposit; 4=Kapillare; 5=Temperaturmesspunkt; 6=Auswerter.
    • 3: Die Figur zeigt die longitudinale Ausführungsform, bei der das Nanokomposit zwischen zwei Quarzglasfaserabschnitten angeordnet ist. Das Nanokomposit und ein Teil der benachbarten Quarzglasfaserabschnitte sind in einer Kapillare angeordnet. Hierbei ist eine Totalreflexion an der Kapillare möglich, wenn n Kapillare < n Glasn Glas (wobei n der Brechungsindex ist). Bezugszeichen: 7=Glas mit Brechungsindex n; 3=Nanokomposit mit Brechungsindex n; 4=Kapillare.
    • 4: Emittiertes Signalspektrum in Abhängigkeit von der eingestellten Temperatur der Heizplatte. Bezugszeichen: 8=125 Grad Heizplatte, 5 min; 9=100 Grad Heizplatte, 5 min; 10=24 Grad Raumtemperatur, 5 min; 11=50 Grad Raumtemperatur, 5 min, 12=75 Grad Heizplatte, 5 min.
    • 5: Anordnung für die ortsfeste optische Temperaturmessung in Reflexion zwischen zwei Faserstirnflächen. Bezugszeichen: 1=Quarzglasfaser mit oder ohne Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 3=Nanokomposit; 4=Kapillare; 5=Temperaturmesspunkt; 6=Auswerter; 13=3dB Koppler.
    • 6: Anordnung für die ortsunabhängige optische Temperaturmessung in Reflexion mit Nanokomposit im Cladding. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser mit Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 3=Nanokomposit; 4=Kapillare; 5=Temperaturmesspunkt (125°C); 6=Auswerter; 13=3dB Koppler, 14=Kanal 1, 626 nm, 15=Kanal 2, 631 nm, 16=Reflektierendes Ende, 17=Lichtwellenleiter mit oder ohne Nanokomposit im Cladding.
    • 7: Anordnung für die ortsunabhängige optische Temperaturmessung in Transmission mit Nanokomposit im Cladding. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser mit Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 5=Temperaturmesspunkt (125°C); 6=Auswerter; 14=Kanal 1, 626 nm, 15=Kanal 2, 631 nm.
    • 8: Anordnung für die ortsabhängige optische Temperaturmessung in Reflexion mit Nanokomposit im Cladding. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser mit Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 5=Temperaturmesspunkt (125°C); 6=Auswerter; 13=3dB Koppler, 14=Kanal 1, 626 nm, 15=Kanal 2, 631 nm, 16=Reflektierendes Ende, 17=Lichtwellenleiter mit oder ohne Nanokomposit im Cladding.
    • 9: Anordnung für die ortsabhängige optische Temperaturmessung in Reflexion mit Nanokomposit im Cladding. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser mit Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 5=Temperaturmesspunkt (125°C); 6=Auswerter; 13=3dB Koppler, 14=Kanal 1, 626 nm, 15=Kanal 2, 631 nm, 17=Lichtwellenleiter mit oder ohne Nanokomposit im Cladding.
    • 10: Anordnung für die ortsabhängige optische Temperaturmessung in Reflexion mit Nanokomposit im Cladding. Bezugszeichen:
      • 1=Quarzglasfaser mit Nanokomposit im Cladding; 2=Lichtquelle; 5=Temperaturmesspunkt (125°C); 6=Auswerter; 13=3dB Koppler, 14=Kanal 1, 626 nm, 15=Kanal 2, 631 nm, 17=Lichtwellenleiter mit oder ohne Nanokomposit im Cladding.
    • 11: Temperaturabhängigkeit der emittierten Zentralwellenlänge von der eingestellten Temperatur an der Heizplatte, wie beispielsweise in einer Anordnung wie in 2 gezeigt, gemessen.
    • 12: Relative Intensität in Abhängigkeit von der Temperatur, wie beispielsweise in einer Anordnung wie in 2 gezeigt, gemessen. Bezugszeichen: 18=23 °C; 19=50 °C; 20=75 °C; 21=100 °C, 22=150 °C.
    • 13: Spitzenwerte der emittierten Spektren aufgetragen in Abhängigkeit von der Temperatur, wie beispielsweise in einer Anordnung wie in 2 gezeigt, gemessen.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit im Cladding“ kann die Anordnung der Pumplichtquelle (Sendeeinheit) und der Messeinheit (Empfängereinheit) beispielsweise wie in 6-10 dargestellt, erfolgen.
  • Bei der Ausführungsform „Nanokomposit auf Faserstirnfläche“ kann die Anordnung der Pumplichtquelle (Sendeeinheit) und der Messeinheit (Empfängereinheit) beispielsweise wie in 2 oder 5 dargestellt, erfolgen.
  • Die Reflexion des Pumplichts an der optional verwendeten Kapillare kann dazu genutzt werden, dass das von den Quantendots emittierte Licht wieder in die Faser eingekoppelt wird. Im Falle der 2 wird das eingekoppelte Licht gemessen, das weiter in Richtung des ursprünglichen Lichts propagiert. Im Falle der 5 wird das eingekoppelte Licht gemessen, das entgegengesetzt der Richtung des ursprünglichen Lichts propagiert und zu einer Empfängereinheit geleitet werden kann.
  • Beispiele
  • Beispiel 1 - Lokale Temperaturmessung mit Nanokomposit im Fasermantel
  • Der UV-aushärtende Lack PC-404 des Herstellers Luvantix wurde als optischer Mantel für optische Fasern genutzt.
  • Als QDs wurden Core-Shell QDs aus CdSe/CdS verwendet. Dabei betrug der Anteil der QDs im Lack 2,4 Gewichtsprozent. Analog zum Funktionsprinzip einer Ambient-Faser strahlt die vorliegende Faser die Signalwellenlänge seitlich ab, wenn die Pumpwellenlänge in den Kern gekoppelt wird (siehe 11).
  • Da ein linearer Effekt vorliegt ist die Konversionseffizienz durch die Beschaffenheit der Core-Shell QDs vorgegeben und hat bei vorgegebenen Umweltparametern einen festen Wert. Das seitlich emittierte optische Spektrum bei stirnflächiger Einkopplung der Pumpwellenlänge (longitudinales Pumpen) ist in 2 dargestellt. Da die Signalwellenlänge in alle Raumrichtungen emittiert wird, wird zudem ein Teil ebenso im optischen Kern der Faser geführt. Ohne eine zeitliche Taktung der Pumpwellenlänge und der Messung kann hier die Aussage getroffen werden „an dem Faserstück mit der Länge x liegt eine Temperaturerhöhung von × °C vor.
  • Es zeigt sich, dass eine markante Emission ein tiefes Eindringen / Durchdringen des Fasermantels durch das Pumplicht erfordert.
  • Beispiel 2 - Lokale Temperaturmessung mit Nanokomposit zwischen zwei Faserstirnflächen für Messung in Transmission
  • Das Nanokomposit besteht aus UV-aushärtendem Lack (in diesem Fall Luvantix PC373) und QDs (in diesem Fall CdSe/CdS core-shell mit 2,4 Gewichtsprozent). Es wird zwischen zwei Faserstirnflächen gebracht und ausgehärtet. In diesem Fall kann mit der in 4 dargestellten Anordnung eine Temperaturmessung stattfinden. Hierbei wird mit einer Lichtquelle (low-cost Laserdiode mit einer Wellenlänge von 400-450 nm und USB Anschluss) das QD NK angeregt. Die Lichtquelle stellt das Pumplicht bereit (LED, Laserdiode), der Lichtwellenleiter führt das Pumplicht zum Ort, an dem die Temperaturmessung stattfinden soll, der mit QDs versetzte Lack befindet sich an der Faserstirnfläche und wurde zuvor ausgehärtet. Eine zweite Faser führt das Signallicht zum Auswerter. Entsprechend erfolgt die Messung in Transmission. Zum Schutz der Verbindung zwischen beiden Fasern und dem QD versetzten Lack befindet sich eine Quarzglaskapillare über der Verbindungsstelle. Das Signal entsteht in dieser Konfiguration an der Verbindungsstelle und propagiert in der Faser, welche zum Auswerter führt. Der Auswerter ist beispielsweise ein Spektrometer, welches mit einer bestimmten Diskretisierung das Signal spektral in Kanäle aufspaltet und die mittlere Leistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge darstellt. Ebenso ist ein Kantenfilter nutzbar, der einen definierten Verlauf aufweist. Entsprechend der transmittierten Leistung hinter dem Kantenfilter kann auf eine Zentralwellenlänge und somit auf eine Temperatur geschlossen werden. Der in 2 dargestellte Aufbau wurde experimentell realisiert. Dabei wurde experimentell die Abhängigkeit der emittierten Zentralwellenlänge von der Temperatur mittels einer Heizplatte ermittelt.
  • Das Ergebnis ist in 4 dargestellt. Aus 4 geht eindeutig hervor, dass das vorliegende Nanokomposit bestehend aus PC-404 und CDsE/CdS Core-Shell QDs eine temperaturabhängige Emission aufweist. Es ist eindeutig beobachtbar, dass sich die Zentralwellenlänge mit zunehmender Temperatur von kleineren zu größeren Werten schiebt. Die Kurven sind auf eine Intensität von 1 normiert. An der Zunahme des Signal zu Rauschverhältnisses wird deutlich, dass wie bereits in (Bueno et al., „Temperature Sensor Based on colloidal Quantum Dots-PMMA Nanocomposite Waveguides" IEEE SENSORS JOURNAL, Oktober 2012, Band 12, Nr. 10, Seiten 3069-3074) berichtet wurde eine Abnahme des Signalniveaus beobachtbar ist.
  • Um die Abhängigkeit der Zentralwellenlänge von der Temperatur eindeutig darzustellen wurde 4 ausgewertet und die Zentralwellenlängen bei den jeweiligen eingestellten Temperaturen extrahiert. Das Ergebnis der Auswertung ist in dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei einer Temperaturänderung von 25°C auf 125°C eine Änderung der Zentralwellenlänge von 626,4 nm auf 632,6 nm beobachtbar ist.
  • Somit ist der Nachweis erbracht, dass die Anordnung in 2 als Messsystem für Temperatursensorik genutzt werden kann, sofern die Zentralwellenlänge der Emission bestimmt werden kann.
  • In 4 ist erkennbar, dass das Signal- zu Rauschverhältnis mit zunehmender Temperatur sinkt. Dieser Zusammenhang wurde auch von Bueno et al. beobachtet (Bueno et al., „Temperature Sensor Based on colloidal Quantum Dots-PMMA Nanocomposite Waveguides" IEEE SENSORS JOURNAL, Oktober 2012, Band 12, Nr. 10, Seiten 3069-3074). In 7 sind die emittierten Spektren ohne Normierung dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die relative Intensität mit zunehmender Temperatur sinkt.
  • Der Zusammenhang wurde in anders dargestellt. Hierfür wurden die Spitzenwerte der relativen Intensität über die Temperatur der Heizplatte aufgetragen. Es ist erkennbar, dass in erster Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Intensität vorliegt.
  • Somit ist der Nachweis erbracht, dass die Anordnung in 4 als Messsystem für die Temperatursensorik genutzt werden kann, sofern die Intensität der Emission gemessen werden kann. Es ergeben sich somit zwei Möglichkeiten eine Temperaturmessung mit der vorgeschlagenen Anordnung zu messen: die Bestimmung der Zentralwellenlänge oder die Bestimmung der emittierten Absolutleistung. Der Temperaturbereich ist dabei nur durch das Akrylat eingeschränkt und könnte durch Kombination mit weiteren hochtemperaturtauglichen Materialien vergrößert werden (Hochtemperaturakrylat, Polyimide, etc.).
  • Beispiel 3 - Lokale Temperaturmessung mit Nanokomposit auf einer Faserstirnfläche für Messung in Reflexion
  • Ein weiterer möglicher Aufbau des Messsystems ist in 9 dargestellt. In diesem Aufbau wird das Signallicht aufgefangen, welches durch den mit QD versetzten Lack in Rückrichtung emittiert wird. Das Signal propagiert rückwärts durch die Faser und gelangt über den 3dB Koppler zum Auswerter. Die Wirkung der Temperatur auf die Zentralwellenlänge wird dabei ebenso ausfallen, wie bereits in gemessen wurde. Die Geometrie der Messanordnung ist besonders geeignet für Sonden.
  • Zitierte Referenzen
  • Patentliteratur
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  • Nicht-Patentliteratur
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Claims (12)

  1. Multimode-Quarzglasfaser, aufweisend: a) einen Faserkern aus Quarzglas, b) eine Cladding-Schicht, und c) ein Nanokomposit-Material, enthaltend ein oder mehrere UV-gehärtete Polymere und ein oder mehrere Arten von Quantendots, die eine oder mehrere Zentralwellenlängen emittieren können; und wobei das Nanokomposit entweder i) die Cladding-Schicht bildet, wobei die Cladding-Schicht direkt auf dem Faserkern aufgebracht ist, wobei das Nanokomposit bei der Zentralwellenlänge der Quantendots beziehungsweise einer der Zentralwellenlängen einen geringeren Brechungsindex als das Quarzglas des Faserkerns, bei dieser Zentralwellenlänge, aufweist; oder ii) stirnflächig an einem Ende der Quarzglasfaser oder stirnflächig zwischen zwei Abschnitten der Quarzglasfaser ausgebildet ist.
  2. Die Multimode-Quarzglasfaser nach Anspruch 1, wobei das Nanokomposit umfasst: - Polymere in einer Menge von 80-99,5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit, - Quantendots in einer Menge von 0,5-15 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit, - optionale Zusatzstoffe in einer Menge von 0-10 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Nanokomposit.
  3. Die Multimode-Quarzglasfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei das oder die Polymer(e) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Fluoracrylat-basierten Polymeren, Urethanacrylat-basierten Polymeren, Fluorosiloxanen, Epoxy-Acrylat-basierten Polymeren, Polyester-Acrylat-basierten Polymeren, Urethan-Acrylat-basierten Polymeren, Silikon-Acrylat-basierten Polymeren, Acryl-Acrylat-basierten Polymeren, Polydimethylsiloxan, Polyimid, Fluorierten Urethanen, und Copolymeren und Mischungen davon.
  4. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Quantendots Kombinationen von Gruppe II-VI- Elementen, III-V-Elementen, und/oder IV-VI-Elementen des Periodensystems enthalten.
  5. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin umfassend einen Mantel, der direkt auf der Cladding-Schicht aufgebracht ist.
  6. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Nanokomposit stirnflächig an einem Ende der Quarzglasfaser ausgebildet ist und das Nanokomposit, sowie ein angrenzender Bereich der Multimode-Quarzglasfaser in einer Kapillare angeordnet ist.
  7. Die Multimode-Quarzglasfaser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Nanokomposit stirnflächig zwischen zwei Abschnitten der Quarzglasfaser ausgebildet ist und das Nanokomposit, sowie ein angrenzender Bereich der Multimode-Quarzglasfaser in beide Richtungen in einer Kapillare angeordnet ist.
  8. Sensoranordnung, aufweisend: - eine Sendeeinheit; - eine Empfängereinheit; - eine, die Multimode-Quarzglasfaser nach einem der Ansprüche 1-7 enthaltende, Verbindungsanordnung, die die Sendeeinheit und die Empfängereinheit verbindet; wobei die Sendeeinheit dazu ausgebildet ist, ein optisches Signal in die Multimode-Quarzglasfaser einzukoppeln oder in das Cladding einzustrahlen, wobei das optische Signal dazu geeignet ist, die Quantendots der Multimode-Quarzglasfaser in Abhängigkeit der Temperatur an dem oder den Messpunkt(en) anzuregen, und die Empfängereinheit dazu ausgebildet ist, ein so erzeugtes Temperatur-abhängiges optisches Signal zu empfangen, wobei die Temperatur an dem oder den Messpunkt(en) aus dem Temperatur-abhängigen optischen Signal ableitbar ist.
  9. Verfahren zur Temperaturmessung an einem oder mehreren Messpunkt(en) mittels der Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Aussenden eines optischen Signals mittels der Sendeeinheit, wobei das optische Signal auf die Quantendots in dem Nanokomposit trifft; - Einkoppeln des von den Quantendots emittierten Lichts, das das Temperatur-abhängige optische Signal darstellt, oder das Temperatur-abhängigen optische Signal durch Überlagerung mit dem optischen Signal erzeugt, in die Verbindungsanordnung; - Leiten des in die Verbindungsanordnung eingekoppelten Temperatur-abhängigen optischen Signals an die Empfängereinheit; und - Empfangen des Temperatur-abhängigen optischen Signals mittels der Empfängereinheit, derart, dass von der Empfängereinheit aus dem Temperatur-abhängigen optischen Signal Informationen über die Temperatur an einem oder mehreren Messpunkt(en) ableitbar sind.
  10. Verwendung einer Multimode-Quarzglasfaser nach einem der Ansprüche 1-7 zur Temperaturmessung.
  11. Verfahren zum Erzeugen einer Multimode-Quarzglasfaser, bevorzugt nach einem der Ansprüche 1-7, umfassend die Schritte: I) Bereitstellen eines Faserkerns, II) Aufbringen eines unausgehärteten zähflüssigen Nanokomposits enthaltend ein oder mehrere UV-härtbare Polymere und Quantendots als Beschichtung auf den Faserkern, III) Aushärten des zähflüssigen Nanokomposits mittels UV-Licht, bevorzugt mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 2 W/cm2, und IV) Erhalten der Multimode-Quarzglasfaser.
  12. Multimode-Quarzglasfaser hergestellt oder herstellbar mittels des Verfahrens nach Anspruch 11.
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