-
Faserlichtleiter Die Erfindung betrifft einen Faserlichtleiter, der
aus einer oder mehreren gebündelten Fasern aus lichtleitendem Material besteht.
Es handelt sich z ß. um ein Material, dessen Brechungsindex so hoch gewählt ist,
daß das aus dem Innern der Faser nach außen laufende Licht an der Oberfläche der
Faser oder an einer Grenzfläche zu einer Mantelschicht mit niedrigerem Brechungsindex
totalreflektiert wird. Neueres Fasermaterial für Lichtleiter hat einen radial nach
außen stetig abnehmenden Brechungsindex, so daß das Licht durch fortlaufende Brechung
nach innen zurückgeworfen wird. Die Verwendung derartiger Lichtleiter für verschiedenste
Anwendungszwecke ist seit langem
bekannt. Den Bemühungen, derartige
Lichtleiter auch zum Weiterleiten von kohärentem Licht hoher Leistungsdichte (sogenanntem
Laserlicht) anzuwenden, stehen Jedoch verschiedene Schwierigkeiten entgegen. Ein
Problem ist die starke Erwärmung des Lichtleiters durch die
im Lichtleiter
auftretenden Lichtverluste. Ein Verfahren, diese herabzusetzen, ist vorgeschlagen
worden. Ein anderes Problem besteht darin, daß der bei Laserlicht extrem kleine
Öffnungswinkel des praktisch parallelen Lichtes beim Durch gang durch den Lichtleiter
vergrößert wird. Dies ist uner-Wünscht, weil dadurch die Eigenschaften und Vorteile
des Laserlichtes teilweise wieder verloren gehen.
-
Zur Vergrößerung des Öffnungswinkels tragen einerseits die Beugung
des Lichtes an den Querschnittsbegrenzungen der Einzelfasern und andererseits bei
gekrümmtem Lichtleiter die Reflexion unter sich änderndem Einfallswinkel an der
Wandung der Einzelfasern bei. Durch die Beugung nimmt der Öffnungswinkel a mit abnehmendem
Faserradius r zu nach der Beziehung 1,22.# sin a = 2n zur ( = Lichtwellenlänge,
n = Brechungsindex des FaserkernmaZ terials). Dagegen ergibt sich durch die Reflexion
eine Vergrößerung des Üffnungswinkels, die proportional
ist, wobei R der kleinste auftretende Krümmungsradius der betrachteten Einzelfaser
des Lichtleiters ist. Kennt man die im Betrieb maximal auftretende Krümmung, so
kann man einen optimalen radius r der Einzelfasern berechnen, der z.B. bei eillern
minimalen Kruinmungsradius R = 500 mm sowie Ä = 1,06 µm
und n=1,5
den Wert r0 = 30 µm hat. Der Öffnungswinkel beträgt dann etwa 0,80.
-
Die Beziehung, daß der reflexionsbedingte Öffnungswinkel proportional
zu
ist, gilt jedoch nur, wenn die Krümmung der einzelnen Lichtleiterfasern immer im
gleichen Sinne verläuft, also keine Wendepunkte aufweist. Andert die Krümmung ihre
Richtung, dann muß von diesem Wendepunkt aus bis zum nächsten Wendepunkt erneut
eine Zunahme des Öffnungswinkels entsprechend
berechnet werden.
-
Hierdurch vervielfacht sich der reflexionsbedingte Öffnungswinkel,
so daß man auf Öffnungswinkel von mehreren Grad kommt. Außerdem gilt - da nich mehr
das für einfache Krümmung berechnete Optimum des Faserradius.
-
Bei manchen Anwendungszwecken sind jedoch mehrfache Wechsel der Krümmungsrichtung,
d.h. Wendepunkte in der Krümmung des Lichtleiters, unvermeidbar. Dies gilt beispielsweise
dann, wenn ein Lichtleiter mit daran angeschlossenem Laser als Sonde einer chirurgisches
Instrument für Eingriffe a-2 innere: Körperorganen, z.B. in der Urologie, verwendet
und in enge Körperöffnungen, z.B. die Harnröhre oder den Darm, eingeführt werden
soll. Betrag und Richtung der Krümmung des Lichtleiters sind dann durch die Anatomie
vorgegeben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Lichtleitern, die im
Betrieb einen gekrümmten Verlauf, insbesondere auch mit Wendepunkten der Krümmung,
haben müssen, die krümmungsbedingte Zunahme de Öffnungswinkels des Lichtes möglichst
gering zu haltens Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Prinzip,
den Einzelfasern des Lichtleiters von vorneherein ein immer in gleicher Richtung
verlaufende Krümmung vorzugeben, deren Betrag, Richtung und Verlauf unabhängig von
der Form des Lichtleiters als Ganzem nach den Erfordernissen gewählt werden ka und
die insbesondere so groß sein kann, daß sie auch bei einer gegensinnigen Krümmung
des Lichtleiters als Ganzem nicht verloren geht bzw. ihre Richtung wechselt.
-
Erfindungsgemäß ist ein Lichtleiter der eingangs genannten Art dadurch
gekennzeichnet, daß die Faser bzw. Fasern bezüglich der Achse des Lichtleiters schraubenförmig
angeordnet, insbesondere verdrillt sind. Hierdurch d.h.
-
durch eine schraubenförmige Anordnung der Fasern, erhalten diese eine
in immer gleicher Richtung verlaufende Krümmung, die, wenn sie hinreichend stark
gewählt wird, auch bei gegenläufiger Krümmung des Lichtleiters selbst erhalten bleibt.
-
Wendepunkte in der Krümmung der Einzelfasern mit dem oben erwähnten,
den Öffnungswinkel vervielfachenden Effekt können deshalb nicht mehr auftreten.
-
Bei einer einfachen Verdrillung der Fasern ist die
Krümmung
der außen liegenden Fasern am größten, während sie bei den nahe der Achse des Lichtleiters
verlaufenden Fasern nur gering ist. Um allen Fasern eine etwa gleich starke und
immer ausreichende Krümmung zu geben, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei einer
Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern des Lichtleiters mehrfach verdrillt,
d.h. der Lichtleiter besteht aus mehreren, miteinander verdrillten Bündeln oder
Litzen, die ihrerseits aus verdrillten Einzelfasern bestehen. Bei einer anderen
Ausführungsforn der Erfindung weist der Lichtleiter eine Seele aus einem nicht lichtleitenden
Material auf, um die herum die Fasern verdrillt sind. Bei dieser Ausfühnurgsform
gibt es somit keine in unmittelbarer Nähe der Achse verlaufende und deshalb an der
Krümmung nicht teilnehmende Fasern.
-
Die maximale, durch die Verdrillung erzeugte Krümmung der Einzelfasern
braucht nur dort vorhanden zu sein, wo im Betrieb Krümmungen des Lichtleiters als
Ganzem zu erwarten sind. Aus anderen Gründen, z.B. im Interesse einer möglichst
verlustfreien Einleitung des Lichtes in den Lichtleiter, kann es vorteilhaft sein,
wenn die Fasern an anderen Stellen möglichst parallel zueinander und zur Lichtleiterachse
bzw. zur Einfallsrichtung des Lichtes verlaufen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die Stärke der Verdrillung der Einzelfasern
über die Länge des Lichtleiters variiert und daß insbesondere
mindestens
an beiden Enden des Lichtleiters die Einzelfasern nicht oder nur schwach verdrillt
sind. Das Licht kann also parallel zu den Fasern und deren re2lektierender Oberfläche
einlaufen und wird nicht plötzlich einer Krümmung der Fasern ausgesetzt, sondern
die Krümmung baut sich allmählich und stetig auf Dies hat den Vorteil, daß der Winkel,
unter dem das Licht an der Grenzfläche der Fasern reflektiert wird - jedenfalls
nach den vereinfachenden Gesetzen der geometrischen Optik betrachtet immer sehr
klein, im Grenzfall sogar unendlich klein bleibt. Das Licht kann insbesondere nicht
den FAserquerschnitt überquerend zur anderen Seite der Faser laufen. Auch dies tragt
wer sentlich dazu bei, die Divergenz des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtbündels
zu verringern.
-
Wie bereits erwähnt, soll die durch die Verdrillung bedingte Krümmung
der Fasern durch eine Krümmung des Lichtleiters als Ganzem niemals völlig aufgehoben
werden, d.ho sie soll größer sein als die maximale im Betrieb auftretende Krümmung
der Längsachse des Lichtleiters. Um diese Bedingung zwangsläufig einzuhalten, kann
man beispielsweise die Biegsamkeit des Lichtleiter so bemessen9 daß die mögliche
Krümmung seiner Längsachse immer kleiner ist als die durch die Verdrillung bedingte
Krümmung der Einzelfasern.
-
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise
dargestellt
Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Lichtleiters
1 aus einfach schraubenförmig verdrillten Einzelfasern 2, wobei sowohl der Durchmesser
der Einzelfasern als auch das Ausmaß ihrer Verdrillung übertrieben dargestellt sind.
-
Fig. 2 zeigt einen Lichtleiter 3, der aus mehreren miteinander verdrillten
Faserbündeln oder -litzen 4 besteht, wobei die Einzelfasern innerhalb Jedes Faserbündeis
4 ihrerseits miteinander verdrillt sind. Die Richtung der Verdrillung der Faserbündel
miteinander kann gegenläufig oder (wie dargestellt) gleichläufig wie die Richtung
der Verdrillung der Einzelfasern sein.
-
Fig. 3 zeigt einen Lichtleiter 5, dessen Einzelfasern 6 schraubenförmig
um einen Kern oder eine Seele 7 verdrillt sind. Die Seele 7 ist selbst nicht lichtleitend
(sie könnte aber auch aus einem gemäß Fig.
-
1 oder 2 aufgebauten Lichtleiter bestehen) und hat eine für die gewünschte
Biegsamkeit des Lichtleiters als Ganzem ausreichende Flexibilität.
-
Zahlreiche weitere, in den Zeichnungen nicht dargestellte Ausführungsformen
sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise könnte bei einem Aufbau gemäß
Fig. 1 oder 3 der Lichtleiter aus mehreren Schichten bestehen,
wobei
die Fasern innerhalb der einzelnen Schichten gegenläufig verdrillt sind. Wie bereits
erwähnt, muß der Steigungswinkel der Verdrillung über die Länge des Lichtleiters
nicht konstant sein, sondern kann variieren.
-
Insbesondere können am Anfang und Ende des Lichtleiters die Fasern
parallel zur Achse des Lichtleiters verlaufen.
-
Beispielsweise kann bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die Dicke
der Seele 7 an den Enden des Lichtleiters auf Null abnehmen. Die Zu- und Abnahme
der Krümmung am Anfang und Ende des Lichtleiters erfolgt vorzugsweise symmetrisch
zueinander.
-
Die Einzelfasern können aus jedem bekannten, für Lichtleiterfasern
geeigneten Material wie Glas oder Smnststoff bestehen. Besonders vorteilhaft ist
die Verwendung von Fasern, die in den Randschichten einen anderen Brechungsindex
aufweisen alsiin ihrer Kernschicht oder einen radial nach außen abnehmenden Brechungsindex
aufweisen.
-
Die Fasern selbst können in nicht lichtleitendes Material, wie z.B.
Kunstharz, auf ihrer ganzen Länge oder stellenweise eingebettet sein.
-
Auch im Falle eines Lichtleiters, der nur aus einer einzelnen Faser
bzw. einem Draht aus lichtleitendem latex rial besteht, kann eine schraubenförmig
gewundene Anordnung dieser Faser nach Art einer Wendel - mit oder ohne Zuhilfenahme
eines die Wendel stützenden, nicht lichtleitenden Kerns - die eingangs genannten
Vorteile bringen.