DE2406424A1 - Biegsamer lichtleiter - Google Patents

Biegsamer lichtleiter

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DE2406424A1 DE19742406424 DE2406424A DE2406424A1 DE 2406424 A1 DE2406424 A1 DE 2406424A1 DE 19742406424 DE19742406424 DE 19742406424 DE 2406424 A DE2406424 A DE 2406424A DE 2406424 A1 DE2406424 A1 DE 2406424A1
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Description

  • Biegsamer Lichtleiter Die vorliegende Erfindung betrifft einen biegsamen Lichtleiter zur Übertragung von Strahlung im nahen ultravioletten und sichtbaren spektralbereich, d.h.
  • im Wellenlängenbereich von etwa 0,28 - 0,7 µ. Insbesondere soll dieser Lichtleiter in der Lage sein, bei mäßigem Übertragungsverlust besonders hohe Strahlungsleistungen zu übertragen, so daß er nicht nur für Beleuchtungszwecke, sondern auch in der Medizin und Technik zür Koagulation, Gewebeverödung une Polymeristation verwendet werden kann. Als Strahlungsquelle. kann z.B. eine Hg-Hochdruck-Dampflampe, eine Xenon-Hochdruck-Lampe oder auch ein Argon-Laser mit Emission bel o,5 µ verwendet wérden.
  • An einen zur Übertragung intensiver Strahlung im nahen ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich biegsamen Lichtleiter werden in der Praxis eine Reihe von Forderungen gestellt, nämlich: 1) Der Lichtleiter sollte möglichst gut die Emission im nahen W und sichtbaren Spektralbereich der wichtigsten gebräuchlichen Lichtquellen, nämlich der Hg-Hochdruck-Lampe, der Xenon-Hochdruck-Lampe sowie der Wolfram-Lampe mit gutem Wirkungsgrad übertragen können.
  • 2) Der Lichtleiter muß Strahlungsleistungen im Bereich von mehreren Watt stabil, d.h. Ohne Zersetzungserscheinungen oder zeitlich abnehmende Transmission übertragen können 3) Der Lichtaufnahmewinkel sollte möglichst groß sein.
  • 4) Der Lichtleiter muß für praktische Anwendungen Hine reichend flexibel, technisch einfach gebaut und wirtschaftlich sein.
  • Es sind bereits verschiedene Arten von biegsamen Lichtleitern bekannt, di jedoch alle in der einen. oder anderen Hinsicht zu wünschen übrig lassen. Die meist gebräuchlichen Lichtleiter bestehen aus Glas- bzw.
  • Quarzglas-Faserbündeln. Die Glasfaserbündel haben den Nachteil, daß siR Strahlung Im technisch wichtigen nahen ultravioletten Bereich (Polymerisation) nicht übertragen können. Die mit Kunststoff ummantelten Quarzfasej-bündel kennen zwar Strahlung im nahen UV übertragen, haben jedoch wegen des geringen Unterschiedes der Brechungsindices von Kern un Ununantelung (~3-4 Hundertstel) nur einen kleinen Aufnahmewinkel (~25° ) und sind ausserdem, wegen aer notwendigen Verkittung der Faserbündelenden z.B. mit Harzen, nicht in der Lage, intensive strahlungsleiscungen ohne Z-rstörung des Lichtleiters zu übertragen. Allen Faserbündeln ist gemeinsam, daß durch die Faseranordnung bereits ein geometrisch bedingter Übertragungsveriust von ca. 40% auftritt. Es sind auch biegsame Lichtleiter bekannt, die aus einer einzigen dünnen Glas- bzw. Quarzglasfaser oder aus einer einzigen dünnen Glaskapillare, gefüllt mit einer Flüssigkeit, bestehen. Diese Lichtleiter können nicht Strahlung von divergenten Flächenstrahlern, ;wie es z.B. die Hg-Hochdruck-Lampe ist, mit gutem Wirkungsgrad übertragen. Als lichtleitende Flüssigkeiten für diese glaskapillaren Lichtleiter sind organische Flüssigkeiten wie CCL46 C2 C14 und C4 Cl6 beschrieben worden in der DP 2352670.7 wird eIn biegsamer Lichtleiter beschrieben, der aus einem Teflon-Schlauch, insbesondere, Teflon FEP oder Teflon PFA-Schlauch bestcht, der mit einer infrarotdurchlässigen flüssigkeit gefüllt ist, deren Moleküle sich aus den schweren Atomen C, Si, Cl und F zusammensetzen, können , Der TeflonScblauch ist au beiden Enden durch infrarotdurchlässige zylindrische Fenster abgeschlossen. Dieser in der DP 2352670.7 beschriebene Lichtleiter eignet sich sehr gut zur übers tragung boher Strahlungsleistungen im nahen infraroten Spettrallereich, etwa im Wellenlängenbereich von o,6 - 3;2 in. Er ist jedoch nicht geeignet, Strahlung im sichtbaren und nahen ultravioletten Spektralbereich zu übertragen wegen Absorption der Strahlung und photochemischer Zersetzung der Flüssigkeit durch die kurzwellige Strahlung. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Modifizierung des in der DP 2352670.7 beschriebenen Lichtleiters anzugeben, die es gestattet, hohe Strahlungsleistungen im sichtbaren und nahen ultravioletten Spektralbereich mit gutem Wirkungsgrad und ohne Zerstörung des Lichtleiters zu übertragen. Dies soll insbesondere für Strahlungsquellen wie die Hg-Hochdruck-Lampe und die Xenon-Hochdluck-Lampe im Leistungsbereich von mehreren hundert Watt elektrischer Aufnahmeleistung gelten.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Augabe durch einen biegsamen Lichtleiter gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lichtleiter aus einem Plastikschlauch besteht, der aus einem Polymer der chemischen Elemente C und E besteht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um das Olymer der Zusammensetzung: (Teflon FEP, Dupont) Es können jedoch auch die Materialien Teflon PFA, Teflon (Dupont) baw. Hostaflon (Hoechst) verwendet werden.
  • Dieser Schlauch ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex etwa um ein Zehntel höher liegt als der von Teflon FEP und It an beiden Enden durch zylindrische Glas- bzw. Quarzglas0Fenster abgeschlossen, deren Mantelflache feuerpoliert ist und deren Stirn£lächen planpoliert sind. Der FEP-Schlauch ( n D%- 1,35 ) kann einen Innendurchmesser haben, der von 0,5 mm (in Verwendung mit einem Laser) bis lo mm variieren kann. Die Wandstärke kann o,5 - 2 mm betragen und die Länge 0,3 - 3 Meter. Insbesondere bei der Verwendung von Teflon PEP läßt sich beim Herstellungsprozeß eine hote Transparenz sowie eine weitgehend kratzerfrele Innenfläche des Schlauches erreichen, was für die Transmission der Strahlung vorteilhaft ist. Teflon FEP und PFA sind im Gegensatz zu Teflon Thermoplaste, die sich heiß extrudieren lassen, wobei kein Dorn, sondern ein Heißluftstrahl als inneres Scblauchformteil verwendet werden kann Dadurch läßt sich die für den erfindungsgemäßen Lichtleiter sehr wichtige kratzerfreie Innenfläche erreichen.
  • Die lichtleitende Flüssigkeit muß folgende Kriterien erfüllen: 1) Die Transpareilz im sichtbaren und nahen ultravioletten Spektralbereich muß möglichst hoch sein, und der Brechungsindex sollte etwa ein Zehntel über dem von Teflon FEP liegen, um einen möglichst großen Lichtaufnahmewinkel zu erhalten.
  • 2) Die Flüssigkeit soll photochemisch möglichst stabil seir, d.h., sie darf von der kurzwelligen UV-Strahlung, die z.B von einer Hg-Hochdrucklampe emittiert wird, nicht zersetzt werden.
  • 3) Die Flüssigkeit sollte Teflnn nicht benetzen und einen Siedepunkt haben, der möglichst hoch ist (loo - 2000 C) Dadurch wird gewährjeistet, daß die Flüssigkeit für lange Zeit in dem Teflon FEP-Schlauch gehalten wird, der bekanntlich eine geringe Permeabilität besitzt.
  • Durch diese Kriterien wird die Zahl der verwendbaren Flüssigkeiten weitestgehend eingeschrinkt. Unter den organischen Flüssigkeiten kommen nur solche infrage, in denen lediglich C-H, C-C, C-F und C-OH-Bindungen vorkommen.
  • So haben sich z.B. Äthylenglykol bewährt sowie Flüssigkeiten aus der Reihe der höheren Paraffine und die als Freone bekannten Flüssigkeiten. Bei diesen Flüssigkeiten ist es jedoch notwendig, in Verbindung mit einer starken TTV-Quelle, den Uv-Anteil dei von den Flüssigkeiten absorbiert wird ( # 3000 Å), auszufiltern, da sonst photochemische Zersetzung der Flüssigkeiten erfolgt. Als anorganische lichtleitende Flüssigkeit mit besonders guter photochemischer Stabilität hat sich vor allem Wasser bewährt, dessen Brechungsindex durch Zugabe von anorganischen Salzen über den Wert von Teflon angehoben wird. So hat sich als Zusatz-Salz besonders Ca C12 bewährt. Dadurch ist es möglich, den Brechungsindex der H, 0 + Ca C19 Lösung auf über 1,42 zu steigern. Es ist auch möglich, durch Zugabe von anorganischen Säuren oder Basen diesen Effekt zu erreichen. Diese wässerigen1 ionischen Lösungen zeigen im nahen W und sichtbaren Spektralbereich eine gute Transmission, Die wässerige ionische Lösung als Lichtleittlüssigkeit bietet zusätzlich den Vorteil, daß in ihr geringe Mengen von anorgani schen, UV-stabilen Farbstoffen mit bestimmten Filterwirkungen gelöst werden können So ist es z.B. möglich, in der 2 O/CaCl2 Lösung durch Zugabe von einer geringen Menge Co C12 die Transmission des Lichtleiters auf den nahen ultravioletten und blauen Spektralanteil zu beschränken. Dies ist vor allem für die Verwendung des Xichtleiters im Zusammenhang mit einer Hg-Hochdruck-Lampe zur Polymerisation von Vorteil, da im Lichtkasten kein externes Filter mit notwendigc - Filterkühlung verwendet werden muß.
  • Der Lichtleiter eliminiert die unerwünschte Strahlung auf einer Lange von etwa einem Meter, wodurch seins übermäßige Erwärmung vermieden wird. Mit dieser Doppelfunktion des Lichtleiters als Leiter und Filter entfällt bei einer Anordnung gem. Fig. 1 von Lampe Wmd Lichtleiter die Notwendigkeit einer relativ teueren Quarz-Linse, welche die Strahlung in den Lichtleiter einfokussiert, da das lichteintrittsseitqge Fenster des Lichtleiters praktisch bis auf Kontakt mit dem Quarzglaskolben der Hg- bzw.
  • Xe-Hochdruck-Lampe gebracht werden kann. Die Einbringung eines gekühlten Filters zwischen Lampe und Lichtleitereintrittsende bei dieser einfachen Anordnung ohne Linse würde den Lichtaufnahmewinkel und damit die Ausgangsleistung stark reduzieren.
  • Die zylindrischen Fenster aus Glas bzw. Quarzglas, welche die Flüssigkeit in dem Teflon FEP-Schlauch abdichten, haben einen Durchmesser, der gleich oder größer als der Innendurchmesser des Schlauchs ist. dadurch ist es möglich, den an beiden Enden etwas aufgeweiteten Teflon FEP-Schlauch auf die Fenster aufzuschrumpfen.
  • Zusätzlich kann der Schlauch auch noch von außen durch O-Ring-Quetschdichtrgen auf die Fenster gedichtet werden. Mir den Fall, daß der Durchmesser der Fenster größer ist als der Innendurchmesser des Teflon FEP-Schlauches, ist es für die Lichteinkoppelung günstig wenn sich die Fenster am jeweils flüssigkeitsseitigen Ende konisch auf den Innendurchmesser des Schlauches hin verjüngen (s. Fig. 3).
  • Für die Einkoppelung des Lampenlichts in den Lichtleiter, falls keine externe Linse verwendet wird, kann es günstig sein, das Lichteintrittsfenster an den der Lichtquelle zugewandten Ende konisch zu erwetern, wobei die Lichteintrittsfläche eine kugelflächenförmige Kr2mmung aufweist.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter erzielbaren Vorteile gegenüber bereits bekannten Lichtleitern, insbesondere den in der Technik bekannten Glasfaser- und Quarzglasfaserb2ndeln bestehen in folgendem : Vergleicnt man die Transmission des erfindungsgemäßen Lichtleiters. gefüllt mit H2 O/CaCl2 mit einem auf dem Markt erhältlichen Quarzfaserb2ndel-Lichtleiter leicher Länge und gleichen Durchmessers, so zeigt sich, daß die Transmission des erfindungsgemäßen Lichtleiters bei Verwendung einer Hg-Hochdrk-Lampe als Lichtquelle im nahen UV (# > 3000 Å) und blau-grün-gelben Spektralbereich etwa um 50 - loo % höher liegt. Darüber hinaus ist es jedoch möglich, wesentlich höhere Lichtleistungen durch den erfindungsgemäßen Lichtleiter zu transmittieren, so daß die verfügbare Strahlausgangsleistung um mindestens eine Größenordnung höher sein kann.
  • Bei einem entsprechenden Vergleich mit einem Glasfaserbündel erhält man etwa dieselbe Transmission im grün-gelben Spektralbereich für den Fall einer schwachen Lichtquelle. Der Vorteil der höheren Leistungskapazität und Wärmeunempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Lichtleiters gilt jedoch auch in diesem rall.
  • Darüber hinaus besitzt der erfindungsgemäße Lichtleiter durch die Möglichkeit des Zusatzes von Filterlösungen leim Anschluß an die Lichtquelle, sowie durch den technischen einfachen und wirtschaftlichen Aufbau weitere entscheidende Vorteile. Die Flexibilitiät des Licht leiters ist für die meisten Anwendungen ausreichend. Minimale Krümmungsradien von 5 - lo cm sind möglich.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 einen mit einer Fl2ssigkeit (5) gefüllten Plastikschlauch (4), der an beiden Enden auf zylinderförmige Glas- bzw. Quarzglasfenster (3) bzw. (3') aufgeschrumpft ist. Ausserdem zeigt Fig. 1 die einfachste und billigste Ankoppelung des Lichtleiters an eine Hg-Hochdruck-Lampe (1) mit Rückspiegel (2), die insbesondere dann zur Anwendung kommt, wenn das gewünschte Filter in Form einer Salzlösung (CoCl2) bereits in der lichtleitenden Flüssigkeit (5) enthalten ist. Das Lichteintrittsfenster (3) ist meistens etwas länger als das Austrittsfenster (3'), damit eine übermäßige Erwärmung des Schlauches (4) und der Flüssigkeit (5) vermieden wird. Typische Abmessungen sind: Länge des Eintritts fensters (3) ca. lo cm, Durchmesser des Eintritts fensters ca. 5 - 6 mm, Länge des Schlauches (4) ca. -loo - 150 cm, Innendurchmesser des Schlauches ca. 4 - 5 mm, Länge des Austrittsfensters (3') ca. 5 cm, Durchmesser des Austrittsfensters ca. 5 - 6 mm. Die Fenster sind vorzugsweise aus Suprasil, ihre Mantelfläche ist feuerpoliert und die Stirnflächen sind planpoliert. Der Gichtleiter kann ausserdem mit einem Metallschutzschlauch oder einem Schrumpfschlauch umgeben sein, die hier nicht dargestellt sind. Der Schlauch (t) besteht vorzugsweise aus Teflon FEP. er kann aber auch aus Teflon PFA oder nur Teflon bestehen Die Innenfläche des Schiauches (4) muß weitestgehend kratzerfrei sein.
  • Die Flüssigkeit (5) besteht vorzugsweise aus reinster leichten oder schweren Wasser mit Zusatz von anorganischen Salzen, vorzugsweise Ca C121 Säuren oder Laugen1 so daß der Brechungsindex nD der Lösung wesentlich höher als 1,35 ist und im Bereich von 1,38 -1,45 liest. Die Verwendung von D2 0 statt H2 O ermöglicht ein etwas höhere Transmission im roten Spektralbereich. Es ist aber auch möglich, organische Flüssigkeiten zu velnerlden, insbesondere Paraffine, Alkohole (Glykol) oder Freone.
  • Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lichteintrittsfensters des erfindungsgemäßen Lichtleitcrs mit besonders günstiger Lichteinkoppelung.
  • Dieses Eintrittsfenster besitzt vorne eine angeschliffene Kugelfläche (3a) mit Linsenwirkung, ein sich konisch verjüngendes Tei. (3b) mit einem anschließend im Durchmesser konstanten Teil (3c).
  • Der Enddurcesser des Teils (3c) ist gleich ode: etwas größer als der Innendurchmesser des Plastikschlauches (1) Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lichtaustrittsfensters, dessen Durchmesser an der Lichtaustrittsflache (3'c) etwas größer ist als an dem der Flüssigkeit zugewandten Ende (3'd), wo er etwa gleich ist dem Innendurchmesser des Schlauches (4). Der Schlauch (4) ist am Ende aufgeweitet und auf das Austrittsfenster. aufgeschr'ft so daß er sich der konischen Form des Fensters anschmiegt.

Claims (12)

Schutzansprüche
1) Biegsamer Lichtleiter zur Übertragung intensiver Strahlung im nahen ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich mit möglichst hoher Resistenz gegen Strahlenschädigung und möglichst hoher Transmission, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine lichtleitende Flüssigkeit (5) in einem biegsamen Plastikschlauch (4) befindet, der durch zwei im wesentlichen zylinderförmige Fenster (3,3') aus dielektrischem Material an beiden Enden dicht abgeschlossen ist, r daß der Plastjkschlauch (4) aus einem Polymer besteht, das sich lediglich aus den Elementen C und F aufbaut und baß die lichtleitende Flüssigkeit (5) entweder aus einer anorganischen Vässerigen ionischen Lösung bestept, deren Brechungsindex höher ist als der des Plastikschlauchs, oder aus einer einfachen organischen Fiüssigkeit besteht, in deren Molekülen lediglich die Bindungen C-H, C-C, C-OH und C-F vorkommen.
2) Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plastiischlauch (4) aus Polytetrafluoräthylenhexafluorpropylen besteht. (Handelsübliche Bezeichnung : Teflon FEP) Strukturformel :
3) Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plast kschlauch (4) aus Teflon PFA (Dupont) oder einfachem Teflon besteht.
4) Lichtleiter nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, da das Schlauchmaterial möglichst transparent ist und daß die Schlauch-Innenfläche Möglichst kratzerfrei ist.
5) Lichtleiter nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (5) aus reinstem leichten oder schwerem Wasser besteht, in dem anorganische Salze Basen oder Säuren in ionischer Form gelöst ind, derart, daß der Brechungsindex der Lösung höher ist als der des Teflon-Schlauchmaterials.
6) Licir't:3eiter nach Anspruch 1-5 dadurch; gekennzeichnet, daß die in der wässerigen lichtleitenden Flüssigkeit (s) gelösten Salze zur Gruppe der Alkali- bzw. Erdalkalihalogenide gehören, wie z.B. Ca Cl2.
7) Lichtleiter nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende wässerige ionische Lösung in geringer Menge zusätzliche anorganische Salze bzw.
Säuren oder Basen mit bestimmter spektraler Filterwirkung enthalt, wie z.B. Co C12. Cu Cl2, Co (NO3)2 oder Cu (NO2)2.
8) Lichtleiter nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Flüssigkeit (5) aus einem Alkohol, wie z.B. Äthylenglykol besteht oder aus der Gruppe der Paraffine oder Freone stammt.
9) Lichtleiter nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (3) und (3') aus Glas, bzw. Quarzglas bestehen, zylindrische Form besitzen, mit einer feuerpolierten Mantelfläche und planpolierten Endflächen und einen Durchmesser haben, der gleich oder etwas frößer ist als der Innendurchmesser des Teflon-Schlauches (4).
10) Lichtleiter nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet daß die Fenster (3) und (3') sich an der der 'Flüssigkeit (5) zugewandten Seite konisch soweit verjüngen, daß ihr Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Schlauchs (4) ist.
11) Lichtleiter nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Lichteintrittsfenster (3) an dem der Lichtquelle zugewandten Ende konisch erweitert und daß Sie Lichteintrittsfläche die Form einer Kugelober fläche hat oder plangeschliffen ist.
12) Lichtleiter nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstücke des Schlauches (4) auf die Fenster (3) und (3') durch Wärmebehandlung aufgeschrumpft sind.
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