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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.
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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.
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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.
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Hierbei tritt jedoch ein erheblicher Transmissionsverlust auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter diesen Bedingungen trit-5 außerdem ein besonders geringer Reflexionsverlust
und bsorptionsverlust beim im Inneren des Lichtleiters reflektierten Laserstrahl
auf.
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Demgemäß erfolGt die Verwendung des Lichtleiters, der erfindungsgemäß
hergestellt worden ist, gegebenenfalls und vorzugsweise zusammen mit einer Sammellinse
an der Lichteintrittsseite.
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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.
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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.
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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.
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Der erfin,d,ungegemäß hergestellte und verwendete Lichtleiter wird
durch die beigefügten Zeichnungen bezüglich seiner Wirkungsweise näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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