DE19701723C2 - Lichtleiter zum Leiten von Licht im Infrarotbereich und Verfahren zu seiner H erstellung - Google Patents
Lichtleiter zum Leiten von Licht im Infrarotbereich und Verfahren zu seiner H erstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter zum Leiten von
Licht im Infrarotbereich bei Wellenlängen ≧ 2,5 µm, welcher bevorzugt
bei Laseranwendungen, wo das Infrarotlicht zur Materialbearbeitung oder
-veränderung dient, zum Einsatz gelangt. Insbesondere sollen
erfindungsgemäße Lichtleiter in der Laserchirurgie Anwendung finden.
Als Materialien für Lichtleiter für Wellenlängen oberhalb 2,5 µm sind
beispielsweise Fluoridgläser (ZrF4, HfF4), Chalkogenid-Gläser (AsS,
AsSe, AsSeTe), Erdalkalihalogenid-Gläser (BeF2, ZnCl2),
Silberhalogenidfasern (AgCl/Br), Thallium/Cäsiumhalogenid-Fasern als
geeignet bekannt. Daraus gebildete Lichtleitfasern haben für den
vorgesehenen bevorzugten Anwendungsfall mindestens einen, meist
sogar mehrere der folgenden Nachteile:
die Materialien bzw. daraus gebildete Lichtleiter sind
die Materialien bzw. daraus gebildete Lichtleiter sind
- - toxisch,
- - chemisch unbeständig (Wasserlöslichkeit/Hygroskopizität),
- - lichtempfindlich, wobei sie zur Degradation unter der zu leitenden IR- Strahlung neigen,
- - mechanisch empfindlich, so daß sie nur relativ geringe Krümmungen erlauben.
Aus diesen Gründen konnten sich derartige Lichtleitfasern bislang in der
Lasermedizin nicht durchsetzen, wo neben einer erforderlichen
Toxizitätsfreiheit auch Krümmungsradien im Zentimeterbereich gegeben
sein müssen. Andere konstruktive Ausführungen zur Lichtleitung, wie
mit einer Flüssigkeit (CCl4) gefüllte Schläuche erweisen sich hierbei
wegen der Toxizität als ebenso unbrauchbar, wie innenverspiegelte
Metallrohre, die nur geringe Krümmungen ermöglichen.
In GB 2 009 137 A ist ein Verfahren zur Herstellung IR-leitfähiger
Fasern, nämlich das Taylor-Verfahen, beschrieben, bei dem das
Kernmaterial in Form von Mischungen aus verschiedenen Materialien in
ein Glasrohr mit einem sehr viel größeren Durchmesser als der späteren
Lichtleitfaser eingefüllt und erschmolzen wird. Erst danach erfolgt ein
Ausziehen des Körpers zu einer Faser unter weiterer Wärmeeinwirkung,
wobei es aufgrund der langen Zeiten zu starken chemischen Reaktionen
zwischen Kern- und Mantelmaterial kommt. Darüber hinaus reagieren
Silizium und Quarzglas bei Temperaturen oberhalb ca. 1200°C zu
gasförmigen SiO, weshalb bis heute keine Fasern unter Einsatz von
Kernmaterialien aus reinem Germanium oder Silizium bekannt geworden
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter
zum Leiten von Licht im Infrarotbereich von ≧ 2,5 µm
anzugeben, der toxikologisch unbedenklich, wasserunlöslich und
chemisch beständig ist und der eine solche mechanische Festigkeit
besitzt, daß er bei Durchmessern für Lichtleiter, wie sie bspw. in der
Laserchirurgie in
Betracht kommen, Krümmungradien im Zentimeterbereich standhält.
Auch sollen durch die Erfindung Lichtleiter bereitgestellt werden, die, bei
Verzicht auf die gewünschte Verbiegbarkeit, ansonsten die gleichen oben
genannten Eigenschaften aufweisen. Weiterhin liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Lichtleiters anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche
1 und 8 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind durch die
nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dünne Rohre, insbesondere
Kapillaren, aus einem Material, welches Licht im sichtbaren
Spektralbereich leitet, mit schmelzflüssigem
Germanium oder Silizium zu füllen und anschließend
abzukühlen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil des vorgeschlagenen neuen
Lichtleiters und
Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Anordnung zur Herstellung des
genannten Lichtleiters.
In einem ersten Ausführungsbeispiel findet eine Kapillare 1, bestehend
aus einem Glas, wie z. B. hochschmelzende Borosilicatgläser, Erdalkali-
Alumo-Silicatgläser oder Übergangsgläser, Anwendung. Die
Materialauswahl für das für die Kapillare 1 in Betracht kommende Glas
erfolgt unter der Maßgabe, daß dieses bei einer Temperatur T1, die
geringfügig oberhalb der Schmelztemperatur des den späteren Kern 12
bildenden Kernmaterials liegt, eine Viskosität zwischen 107 bis 1013 dPas
annimmt, und daß es bei den weiter unten beschriebenen
Erstarrungszeiten des Kernmaterials zu keinen störenden chemischen
Reaktionen zwischen Kern- und Kapillarenmaterial kommt. Im Rahmen
der Erfindung ist der Kapillareninnendurchmesser d2 in einem Bereich
von 10 µm bis einige Millimeter, bevorzugt von 10 µm bis 200 µm
festlegbar, wobei der Kapillarenwandung 11, insbesondere bei kleinen
Kapillareninnendurchmessern, bspw. von 10-100 µm, jeweils eine
Wandstärke d1 gegeben ist, die in der Größenordnung des
Kapillareninnendurchmessers d2 liegt.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird in einem geeigneten Ofen 4
in einem Tiegel eine Germaniumschmelze bei einer Temperatur T1 wenig
oberhalb ihres Schmelzpunktes vorrätig gehalten. Die nach obigen
Maßgaben ausgewählte Glaskapillare 1 wird in den Ofen 4 eingebracht
und dadurch ebenfalls auf die Temperatur T1 erwärmt. Genannte
Temperatur T1 liegt in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb 940°C. Bei
Erreichen der vorgebbaren Temperatur T1 wird ein Ende 13 der Kapillare
1 (siehe Fig. 2) in die Germaniumschmelze 3 getaucht. Je nach gewähltem
Kapillareninnendurchmesser d2 wird die Schmelze 3 durch
Kapillarwirkung oder mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe in die
Kapillare 1 gesaugt. Ist die Kapillare 1 mit der Schmelze 3 in einer
gewünschten Länge gefüllt, wird das Ende 13 aus dem Schmelzbehälter
entfernt und die gefüllte Kapillare 1 einer Abkühlung unterworfen, wobei
das Kernmaterial 12 erstarrt und der gewünschte Lichtleiter
gebildet ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kapillare 1 aus Quarzglas
gebildet und das Kernmaterial 12 soll aus Silizium bestehen.
Die Art der Herstellung des Lichtleiters erfolgt analog zum ersten
Ausführungsbeispiel, wobei in diesem Fall T1 oberhalb 1420°C zu wählen
ist.
Wie weit in jedem Fall die Temperatur T1 oberhalb der
Schmelztemperatur des Kernmaterials gewählt werden kann, ist
vornehmlich abhängig davon, welche Viskosität das Kapillarenmaterial in
diesem Temperaturbereich annimmt.
Die Materialauswahl für die im Ausführungsbeispiel verwendeten
Kapillaren 1 ist für den bevorzugten Verwendungszweck besonders
vorteilhaft, beschränkt die Erfindung jedoch nicht einzig darauf.
Durch die vorgeschlagenen Materialien für die zum Einsatz gelangenden
Kapillaren und die Dimensionierung des Kapillarenmantels 11 in bezug
auf den Kapillareninnendurchmesser d2 ist eine Leitung von sichtbarem
Licht im Mantel 11 der Lichtleitfaser gewährleistet, was für das
bevorzugte Verwendungsgebiet zu Justierzwecken von erheblichem
Vorteil ist, wohingegen im Kern 12 des Lichtleiters infrarotes Licht
geleitet wird, dessen Wellenlänge im Falle der Verwendung von Silizium
zwischen 2 µm-5 µm und im Falle von Germanium zwischen
3 µm-13 µm liegt.
Die mechanische Festigkeit der erhaltenen Lichtleiter ist so groß, daß mit
einer Faser mit einem Kerndurchmesser von bspw. 50 µm ein
Krümmungsradius von 1 cm durchaus möglich ist. Silizium und
Germanium sind chemisch beständig, nicht wasserlöslich und
lichtunempfindlich.
Durch die Erfindung werden Lichtleiter erhalten, die die Nachteile der
bekannten IR-Fasern nicht aufweisen.
Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, für den Fall, daß der
Kapillarenmantel 11 bei speziellen anderweitigen Verwendungen der
Lichtleitfaser nicht erforderlich ist, diesen bspw. durch einen Ätzschritt zu
entfernen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn für bestimmte
Verwendungen des Lichtleiters darauf verzichtet werden kann, daß dieser
genannten Krümmungen schadlos standhält, diesen stab- bzw.
taperförmig mit einem entsprechend größeren Durchmesser zu fertigen als
auch der Kapillare eine vorgebbare Krümmung im noch plastischen Zustand
aufzuprägen.
Claims (10)
1. Lichtleiter zum Leiten von Licht im Infrarotbereich von ≧ 2,5 µm,
bestehend aus einem Kern (12) und einem Mantel (11), wobei der
Mantel (11) als Kapillare oder als dünnes Rohr (1) ausgebildet ist und
aus einem Material besteht, das eine Viskosität zwischen 107 bis
1013 dPas bei einer Temperatur T1 aufweist, bei der ein den Kern
bildendes Material bereits in Schmelze vorliegt, wobei das
Kernmaterial entweder aus Silizium oder aus Germanium besteht.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mantel
(11) der Kapillare eine Wandstärke (d1) gegeben ist, die bei kleinen
Kapillareninnendurchmessern, in der Größenordnung von
10 bis 100 µm, in der Größenordnung des Durchmessers (d2) des
Kerns (12) liegt.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mantel (11) aus einem Material gefertigt ist, welches in einem anderen
Spektralbereich als der Kern (12) Licht leitet.
4. Lichtleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Mantel (11) aus einem Glas besteht, wenn das
Kernmaterial durch Germanium gebildet ist.
5. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mantel (11) aus Quarzglas besteht, wenn das Kernmaterial
durch Silizium gebildet ist.
6. Lichtleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d1) des Mantels (11) und der
Durchmesser (d2) des Kerns (12) im Bereich von 10 µm bis 1 mm
festgelegt sind.
7. Lichtleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d1) des Mantels (11) und der
Durchmesser (d2) des Kerns (12) im Bereich von 10 µm bis 200 µm
festgelegt sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters zum Leiten von Licht im
Infrarotbereich von ≧ 2,5 µm, bei dem
ein den IR-lichtleitenden Kern (12) bildendes Material (3) in eine Schmelze überführt wird,
eine Kapillare oder ein dünnes Rohr (1), bestehend aus einem Glas oder Quarz ausgewählt wird, welches bei einer Temperatur T1, die geringfügig oberhalb der Schmelztemperatur des Kernmaterials liegt, eine Viskosität zwischen 107 bis 1013 dPas annimmt,
diese Kapillare oder dieses dünne Rohr (1) auf die genannte Temperatur T1 erwärmt wird und bei Erreichen der Temperatur T1 einseitig in das geschmolzene Material (3) eingetaucht und dieses in die Kapillare oder das Rohr (1) eingesaugt wird und
die Kapillare oder das Rohr (1) bis zur gewünschten Verfüllung auf der Temperatur T1 gehalten und anschließend im verfüllten Zustand einer unmittelbaren Abkühlung unterworfen wird.
ein den IR-lichtleitenden Kern (12) bildendes Material (3) in eine Schmelze überführt wird,
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die Kapillare oder das Rohr (1) bis zur gewünschten Verfüllung auf der Temperatur T1 gehalten und anschließend im verfüllten Zustand einer unmittelbaren Abkühlung unterworfen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das den
Kern (12) bildende Material Silizium und für die Kapillare oder das
dünne Rohr (1) Quarzglas eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das den
Kern (12) bildende Material Germanium und für die Kapillare oder das
dünne Rohr (1) ein Glas eingesetzt wird.
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