DE2204862A1 - Verfahren zur herstellung eines flexiblen lichtleiters, insbesondere fuer laserstrahlen - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines flexiblen lichtleiters, insbesondere fuer laserstrahlen

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DE2204862A1
DE2204862A1 DE19722204862 DE2204862A DE2204862A1 DE 2204862 A1 DE2204862 A1 DE 2204862A1 DE 19722204862 DE19722204862 DE 19722204862 DE 2204862 A DE2204862 A DE 2204862A DE 2204862 A1 DE2204862 A1 DE 2204862A1
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Description

  • Verfahren zur Herstellung eines flexiDlen Lichtleiters, insbesondere für Laserstrahlen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rsrßtellung eines flexiblen Lichtleiters, insbesondere für leistungsstarke, kontinuierliche oder geplste Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten Lichlleiters, wobei vorzug@weise der Lichtleiter zusammen mit einer 8smmellinse verwendet wird, sur Leitung von leistungsstarken Laserstrahlen, insbesondere in Bereich der rl traviole ttstrahlune bis zum nahen Infrarot.
  • Es ist @kannt, Spiegelsysteme an einem System miteinander flexibel veroundener mechanischer Arme oder von verspiegelten Hohlschläuchen für die Leitung von Lichtstahlen, insbesondere Laserstrahlen, zu verwenden. Diese sind Jedoch aufwendig konstruiert geben Anlaß zu hohen Reflexionsverlusten oder sie sind für die Übertragung von anergiereichem, z.B.gepulsten Laserlicht ungesignet. Außerdem sind sie z.B. für die Ausleuchtung von Körperhöhlen (Endoskopie) ungeeignet.
  • weiter wurde vorgeschlagen, L@cnt durch Flexible sogenannte Lichtleitfasern zu leiten. Dieoe besitzen eine Außenschicht mit niedriges Brechungsindex und eine lnnenschlcht bzw. einen Kern mit hohem BRechungsindex. Sie können aus Glas oder Quarz bestehen, wobei die Außenschicht aus Kunststoff oder einer anderen Glassorte besteht. Bei derartigen Pasern kann der Brecaungsindex des Querschnitts von der itte nach außen allmählich abnehmen, in welchrom Pall der Lichtstrahl eine sinuskurvenförmige Gestalt annimmt, die jedoch zur Übertragung intensiver Laserstrahlen ungeeignet ist. Dagegen hat eine sogenannte optische Faser mit einer Außenschicht mit niedrigerem Brechungsindex als der Kern die Eigenschaft, den Lichtstrahl geradlinig zu reflektieren.
  • Hierbei tritt jedoch ein erheblicher Transmissionsverlust auf.
  • Außerdem ist wegen der großen auftretenden Phasenverschiebung dose Bauart nicht für gepulste, sehr leistungsstarke Laserstrahlen geeignet, wie sie z.B. fUr chirurgische und metallurgische Zwecke erwUnecht sind.
  • Es wurde gefunden, daß mittels eines relativ einfachen Verfahrens ein flexibler Lichtleiter hergestellt werden kann. durch den Laserstr@hlen mit sehr hoher Intensität und bis zu 200 Watt DQuerleistung, wie er z.B. von Yttrium-Aluminium-Granat-Lasern ausgestrahlt werden kann, mit äußerst geringem Transmissionsverlust über gröbere Entfernungen von z.B. bis zu 5 m uebertragen werden kann, wie dies z.B. für endoskopische Zwecke notwendig ist.
  • Das erfin dungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Lichtleiters, insbesondere für Laserstrahlen, mit einer Außenshicht mit kleinerem Brechungsindex als der Kern ist dadurch ge kennzeichnet, daß man einen Stab aus homogenem Quarzglas in einer wasserfreien, ionisierten Atmosphäre zur Erweichen Dringt, auf einen Durchmesser aus zieht, bei dem der ausgezogene Teil biegsam wird, noch heiß in eine wasserhaltige Atmosphäre Dringt und abkühlen läßt und die nur teilweise oder nicht ausgezogener Enden zu konisch in den ausgezogenen Teil üDergehenden Lichteintritts- und Lichtaustrittsenden verarbeitet.
  • Offenbar bildet sich unter den Verfahrensbedingungen eine Außenschicht aus, die stark an den Quarz adsorbiertes (chemisorbiertee) Wasser enthält. Es scheint jed@ch hierbei wesentlich zu sein, daß während des Erweichens durch Erhitzen Wasser von dem Quarz ferngehalten und eine ionenreiche Atmosphäre aufrechterhalten wird.
  • Daher wird das Erweichen durch Erhitzen vorzugsweise unter einem Schutzgas, wie Stickstoff oder eie Edelgas, vorgenommen. Die Bedingungen der ionenreichen Atmosphäre beila Erhitzen und Erweichen des Quarzstabes können durch AnwendZxg einer elektrischen Wärmequelle mit ausreichender Leistung, wie einem Widorstandsofen oder vorzugsweise einem Induktionsofen erzielt werden.
  • Vorzugsweise wird der Quarzstab auf eine Starke von höchstens 0,4 mm ausgezogen. Bei oder unter diesem Wert wird der ausgezogene Teil ausreichend flexibel und gleicnzeitig mechanisch hinreichend fest, um für den vorgesehenen Zweck eingesetzt werden zu können. Ein Durchmesser von 0,1 bis 0,4 am ist bevorzugt.
  • Wenn der Quazstab nach dem Ausziehen in einer wasserhaltigen Atmosphäre erlaltet, übersieht er sich anscheinend mit einer sehr fest gebundenen Wasserschicht, deren Stärke etwa 0,2 bis 0,5 )Un beträgt und die als Mantel mit niedrigereln Brechungsindex wirkt.
  • Diese Schicht wird bereits an der Luft mit einer üblichen relativen Feuchte erhalten. Bevorzugt soll die Atmosphäre jedoch über 60 % relative Feuchte enthalten. Eine Steuerung der Schichtdicke ist dadurch möglich, daß diese von der Temperatur und der Einwirkungsdauer des Wasserdampfes abhängt.
  • Nach dem Ausziehen und Abkühlen des Quarzetabes werden die konisch zulaufenden Enden derart bearbeitet, daß sie für die Ein- und Ausstrahlüng von Laserlicht geeignet werden, Hierbei soll zumindest das Eintrittsende der Strahlung eine Querschnittsfläche haben. die mindestens dem dreifachen der Querschnittsfläche des ausgezogenen Teils entspricht. Es wurde nämlich gefunden, daß eine besonders geringe Divergenz des austretenden Laserstrahls erreicht wird, wenn mittels einer Sammellinse der eintretende Laserstrahl auf eine Stelle des konischen Teils des Leiters eingestrahlt wird, dessen Querschnittsfläche dem zwei- bis dreifachen der Querschnittsfläche des ausgezogenen Teils entspricht.
  • Unter diesen Bedingungen trit-5 außerdem ein besonders geringer Reflexionsverlust und bsorptionsverlust beim im Inneren des Lichtleiters reflektierten Laserstrahl auf.
  • Demgemäß erfolGt die Verwendung des Lichtleiters, der erfindungsgemäß hergestellt worden ist, gegebenenfalls und vorzugsweise zusammen mit einer Sammellinse an der Lichteintrittsseite.
  • Der erfindungsgema'ß hergestellte Lichtleiter besitzt z.B. bei änem Brechungsindex von 1. 1565, gemessen für Licht von 6328 Å eines Helium-Neon-Lasers, eine Au@enschicht mit einem Brechungsindex 1,449 an der Grenzfläche zu Luft and von 1,451 an der Grenzfiäche zum Kern des Leiters. Uer @@tsireflee@ionswinkel betragt an einem 0,1 ois 0,3 mm starken @@ @@eiter, der ertindungsgemäß hergestallt werden ist, z.B. @0 bis 100 mrad, wobei der Verlust an der @@enzschicht zwischen Kern und Außenschicht durch Abstrahlung etwa 4S.) und an der Grenzschicht zwischen der Außenschicht und der Luft durch Streuung ca, 2.10 3 beträgt, gemessen an Lichtleitern von 1 bis 3 m Länge pro Reflexion.
  • Die Transmission von Laserlicht ist bei dem erfindungsgemäß her gestellten Lichtleiter etwa um das Doppelte hoher als bei bekannten ummantelten Laser-Lichtleitern Die optische Isolierschicht ist gegen Luftfeuchtigkeit bestänoig. Außerdem ist der Lichtleiter wegen seiner sehr glatten Oberfläche weit weniger bruchanfällig wie ein üblicher Glas- oder Quarzlichtlieter, der mit einem isolierten oder konti@@@@@@ eg @@tel aus einem gleichartigen Matrial mit niedrigerem @@echungeindex versehen ist.
  • Der erfindungsgemäß hergestellte Lichtleiter kann mit einem flexiblen Schutzmantel aus beliebigem Materisal versehen werden, wobei gegebensnfalls der Zwischenraum mit einem, den Wasserfilm auf dem Leiter nicht angreifenden medium zur Efhöhung der Mechanischen Festigkeit ganz oder teilweise gefüllt werden kann, Dieses Medium kann gasförmig (Luft) oder flüssig sein und soll vorzugsweise einen niedrigeren Brechungsindex wie der Lichtleiter selbst haben, jedoch ist diese Bedingung nicht unbedingt kritisch.
  • Der erfin,d,ungegemäß hergestellte und verwendete Lichtleiter wird durch die beigefügten Zeichnungen bezüglich seiner Wirkungsweise näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt schematisch das Eintrittsende eines Lichtleiters, wobei mit L der Laser, mit R der Radius der Querschnittsfläche, die vom divergierenden Laserstrahl getroffen wird, und mit #E der Halbwinkel des eintretenden Laserstrahls bezeichnet ist.
  • Fig. 2 stellt das Eintrittsende des M@@htleiters gemäß Fig. 1 dar, wobei jedoch eine Sammellinse eingeschaltet ist und mit, Xo der Abstand zwischen dem Eintrittsende und dem Brennpunkt des fokussierten Lassrstrahls bezeichnet ist.
  • Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, wobei der Transmissionswert T/To gege dan Halbwinkel #E Luft des eintetenden Laserstahls, gemessen gegen Luft, von drei Laserstrahlen unter verschiedenen Bedingungen von R bzw. X0 dargestellt ist.
  • Fig. 4 stellt ein Diagramm dar, wobei der Haibwinkel des austretenden Laserstrahls #A Luft, gemessen gegen Luft, gegen des halb winkel des eintretenden Laserstrahls uaufgetragen ist, wiederum für drei Laserstrahlen unter den Bedingungen der Darstellung gemäß Fig. 3.
  • Die Diagramme Fig. 3 und Fig.4 wurden mittels eines Helium-Neon-Lasers erhalten, wobei ein Lichtleiter von 1,03 m Länge und 0,15 mm Mittelradius verwendet wurde Wi.e sich aus den Kurven gemäß Fig. 4 ergibt, divergiert din unter Verwendung einer Sammellinse fokussierter Strahl 3, der in einer @rfindungsgemäß hergestellten Lichtleiter gemäß Fig.2 unter der Bedingung Xo = 27,3 mm eingestrahlt wird, beim Austritt visl weniger als ein Strahl 2, der ohne Verwendung einer Sammellinse unter der Bedingung R = 1,5 mm in das konische Ende des Lichtleiters mit einem Radius Rmax=1,8 mm eingestrahlt wird, und auch weniger als ein Strahl 1, der unter der Bedingung R = 0,5 mm eingestrahlt wird.
  • Dagegen zeigen gemäß Fig.3 die Strahlen 1 und oesondere 2 selbst für kleinere Eintrittswinkel einen viel höheren Transmissionsverlust und eine wesentlich höhere Austrittsdivergenz als der auf X0 a 27,3 mm fokussierte Strahl 3.
  • -?atentansp rüche-

Claims (6)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Lichtleiters, insbesondere fürLaserstrahlen , mi; einer Außenschicht mit kleinerem Brechungsindex als der Kern, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß man einen Stab aus homogenen Quarzglas in einer wasserfreien ionisierten Atmosphäre zum Erweichen bringt, auf einen Durchmesser auszieht, bei dem der ausgezogene Teil biegsam wird, noch heiX in eine wasserhaltige Atmosphäre bringt und abkühlen läßt und die nur teilweise oder nicht ausgezogenen Enden zu konisch in den ausgezogenen Teil übergehenden Lichteintritts- und Lichtaustrittsenden verarbeitet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n Z e i c h n e t, daß man das Ausziehen in der ionisierten Atmosphäre unter schutzgas varnimmt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 11 oder 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß man das Aussishen in einem elektrischen Induktionsofen vornimmt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß man den Quarzstab auf eine Stärke von höchstens 0,4 mm auszieht.
  5. 5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch g ek e n n z e i c h n e t, daß man wenigstens das konisch ver breiterte Eintrittsende für den Lichtstrahl derart bearbeitet, daß es noch eine Querschnittsfläche besitzt, die wenigstens dem dreifachen der Querschnittsfläche des ausgezogenen Teils des Quarzstabes entspricht.
  6. 6. Verwendung des flexiblen Lichtleiters, der nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt worden ist, gegebenenfalls zu.
    sammeln mit einer Sammellinse an de Lichteintrittsseite, zur Leitung von energiereichen Laserstrahlen.
    L e e r s e i t e
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2530684A1 (de) * 1974-07-10 1976-01-29 Post Office Verfahren und vorrichtung zum dielektrischen lichtwellenleitern
EP0240007A1 (de) * 1986-04-03 1987-10-07 THERA Patent GmbH & Co. KG Gesellschaft für industrielle Schutzrechte Dentales Bestrahlungsgerät

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2530684A1 (de) * 1974-07-10 1976-01-29 Post Office Verfahren und vorrichtung zum dielektrischen lichtwellenleitern
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