DE2419786A1 - Lichtleiter - Google Patents

Lichtleiter

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Description

Dr. Joachim Rasper
Patentanwalt 62 Wiesbaden
IfmMtw HSh· 22 TtI. 5* 28 42
JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.
6500 Mainz Hattenbergstr.
P
Lichtleiter
Die Erfindung betrifft Lichtleiter mit verbesserter mechanischer Festigkeit.
Lichtleitfasern und -stäbe bestehen aus einem für bestimmte Wellenlängen transparenten Kernmaterial, das von einem ebenfalls für bestimmte Wellenlängen transparenten Mantelmaterial mit niedrigerer Brechzahl als der des Kernmaterials umgeben ist.
509845/0550
Licht, das innerhalb eines bestimmten Winkels gegen die Faserachse geneigt in die Faser eintritt, wird durch Totalreflexion in der Faser weitergeleitet. Um einen guten Lichtleiteffekt zu erhalten, soll die Manteldicke der Faser mindestens einer Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes entsprechen. Bei Lichtleitfasern, bei denen man größten Wert auf geringe Lichtverluste legt, z.B. bei sogenannten Nachrichtenübertragungsfasern, wird die Manteldicke mehreren Wellenlängen des zu übertragenden Lichtes entsprechen; bei den sogenannten Monomodefasern beträgt die Manteldicke das 30- bis 100-fache der zu übertragenden Wellenlänge.
Wenn man durch solche Parameter, wie z.B. Brechzahl, Transmission, Zähigkeitsverhalten nicht allzu sehr begrenzt ist, wird man Kern- und Mantelmaterial zu Erzielung einer mechanisch stabilen Faser so wählen, daß das Mantelmaterial den niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Das heißt: Bei der Herstellung der Faser wird sich im Mantel eine Druckspannung aufbauen, die die Faser unempfindlich gegen Zug- und Biegebeanspruchung macht.
Insbesondere bei Fasern für die Nachrichtenübertragung ist die Auswahl der Materialien wegen der hohen Anforderungen bezüglich der Transmission sowohl beim Kern- als auch beim Mantelmaterial sehr klein. Man muß von Fall zu Fall damit rechnen, daß man zwar Fasern von hoher optischer Qualität, aber mit geringer mechanischer Festigkeit erhält.
Ziel der Erfindung sind Lichtleitfasern mit einer mechanischen Festigkeit, die die unbedenkliche Weiterverarbeitung und Anwendung dieser Lichtleitfasern ermöglicht.
509845/0550
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein einfaches Verfahren zur Herstellung solcher verbesserter Lichtleitfasern. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß bei Fasern aus massivem Kern- und Mantelmaterial ein zweiter Mantel aufgebracht ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger als der des ersten Mantels oder der Kombination Kern/erster Mantel ist.
Bei Fasern mit einer Flüssigkeit als Kernmaterial erreicht man dieses Ziel/ indem man das massive Mantelmaterial/ welches zunächst spannungsfrei ist, mit einem weiteren Mantel mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten umgibt, welcher dann unter Zugspannung steht und dem ersten Mantel eine Druckspannung aufprägt. Diese Faser ist gegen Zug- und Biegebeanspruchung sehr empfindlich und muß daher mit einem weiteren dritten Mantel versehen werden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als der des zweiten Mantels. Im ersten und dritten Mantel herrschen dann Druckspannungen, während der zweite Mantel unter Zugspannung steht. Mikrorisse an der inneren Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und erstem Mantel und an der äußeren Grenzfläche zwischen drittem Kante1 und umgebendem Medium werden dann bei Zug- oder Biegebeanspruchung nicht so schnell zum Bruch der Faser führen.
Stellt man die Fasern nach dem Stab-Rohr-Verfahren her, so wird ein Stab aus dem Kernmaterial in ein Rohr aus dem Material des ersten Mantels gesteckt, und beide zusammen werden in"ein Rohr aus dem Material des zweiten Mantels eingebracht; das gesamte System wird bis zum Weichwerden erhitzt, miteinander verschmolzen und zusammen zu Fasern ausgezogen.
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Entsprechend werden die Kapillaren für die Flüssigkeitsfaser hergestellt, indem man die drei Ausgangsrohre des ersten, zweiten und dritten Mantels ineinandersteckt, miteinander verschmilzt und zusammen zu einer Kapillare auszieht.
Bei der Faserherstellung nach dem Doppeldusenziehverfahren wird konzentrisch zur Doppeldüse eine weitere Ringdüse angeordnet, die mit einem dritten Tiegel 'verbunden ist, der das Material des zweiten Mantels enthält. Kernmaterial und die Materialien des ersten und zweiten Mantels fließen gleichzeitig aus und werden zu einer Faser ausgezogen.
Stellt man Fasern aus innenbeschichtetem Rohr her, so wird das beschichtete Rohr in ein Rohr aus dem Material des zweiten Mantels gebracht, beide werden miteinander verschmolzen und zusammen mit dem Kernmaterial zu einer Faser ausgezogen.
Je nach Anwendungsfall muß man bei den zusätzlichen Mantelmaterialien für den zweiten und gegebenenfalls den dritten Mantel außer auf Wärmeausdehnungskoeffizient und Zähigkeitsverhalten auch auf die Brechzahl achten.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß man aufgrund des zusätzlichen Mantels bei der Wahl der Materialien für Kern und ersten (optischen) Mantel bezüglich des Parameters Wärmeausdehnungskoeffizient frei ist und Kombinationen wählen kann, die sonst ohne den zweiten Mantel praktisch nicht verwendbar wären.
509845/0550
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden für den zweiten - und gegebenenfalls jeden weiteren - Mantel eingefärbte Materialien verwendet, damit Licht, das eventuell im Mantel fortgeleitet wird, absorbiert wird.
Die Erfindung wird anhand der Beispiele und der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1
perspektivisch und stark vergrößert eine Lichtleitfaser mit einem Kern 1, einem ersten Mantel 2 und einem zweiten Mantel 3;
Figur 2
perspektivisch und stark vergrößert eine Lichtleitfaser mit einem flüssigen Kern 1, einem ersten Mantel 2, einem zweiten Mantel 3 und einem drittel Mantel 4; und
perspektivisch und stark vergrößert eine Lichtleitfaser mit einem Kern 1, einem ersten Mantel 2 und einem schwarz eingefärbten zweiten Mantel 3.
Beispiel 1
Es wurden Lichtleitfasern von etwa 90 ,um Durchmesser gezogen aus einem Kernglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizien-
—7 ο
ten von 93 χ 10 / C, einem ersten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 96 χ 10 /° C und einem zweiten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 53 χ 10"7/° C.
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Bei den Fasern konnte der Biegeradius, bei der die Faser bricht, gegenüber einer gleichdicken Faser ohne den zweiten Mantel auf das 0,6-fache verringert werden.
Beispiel 2
Nach dem weiter oben beschriebenen Stab-Rohr-Verfahren wurde eine Lichtleitfaser gezogen, bestehend aus einem flüssigen Kern, einem ersten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 41,5 χ 10 / C und der Brechzahl nd = 1.4i einem zweiten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 55 χ 10 /° C und der Brechzahl nd = 1.508, und einem dritten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 41 χ 10 / C und einer Brechzahl nd = 1.542.
Beispiel 3
Nach dem Doppeldusenziehverfahren wurde eine Lichtleiter gezogen, bestehend aus einem Kernglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 93 χ 1O~ /° C, einem ersten Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 96 χ 10 /0C und einem zweiten, schwarzen Mantel mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 57,5 χ 10 /° C.
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Die Erfindung ist auch auf sogenannte "Gradientenfasern"
anwendbar, die nicht eindeutig aus einem hochbrechenden Kern und einem niedrigbrechenden Mantel bestehen, bei denen vielmehr ein gradueller Überzug von höheren Brechwerten innen zu kleineren Brechwerten außen besteht. Gradientenfasern können insbesondere Quarzglasfasern sein. Auch solche, an sich oft
bruchempfindliche Fasern können erfindungsgemäß mechanisch
fester gemacht werden, indem z.B. diese Faser von einem ersten Mantel umgeben wird, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als diese Faser hat, und dieser erste Mantel
von einem zweiten Mantel umgeben wird, der einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der erste Mantel' hat.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche;
    (1J Lichtleitfasern oder -stäbe, bestehend aus einem hochbrechenden Kern und einem niedrigbrechenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Mantel von mindestens einem weiteren Mantel umgeben ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als der des ersten Mantels und/oder niedriger als der der Kombination Kern/erster Mantel.
  2. 2. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kern aus einem flüssigen Kernmater iai besteht, das in einer Kapillarfaser gehalten wird, die aus drei konzentrisch zur Längsachse verlaufenden Mantelmaterialien besteht, wobei die Wärmeausdehnungs-. koeffizienten des inneren und die des äußeren Mantelmaterials niedriger sind als der des dazwischenliegenden Mantelmaterials.
  3. 3. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des zweiten Mantels niedriger ist als die des ersten Mantels.
  4. 4. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des zweiten Mantels höher ist als die des ersten Mantels.
    509845/0550
  5. 5. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 1 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß dieser zweite Mantel aus
    einem Material mit geringer Lxchtdurcklässigkeit besteht.
  6. 6. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material dieses zweiten Mantels eingefärbt ist.
  7. 7. Lichtleitfasern oder -stäbe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahlen des zweiten und/oder aller weiteren Mäntel höher sind als die des ersten Mantels, und daß der zweite und/oder jeder weitere Mantel Licht stark absorbiert.
  8. 8. Lichtleitfasern oder -stäbe, bei denen der Brechwert von innen nach äußerst graduell abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem ersten Mantel umgeben sind, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als diese Faser oder dieser Stab aufweist, und von einem zweiten Mantel umgeben sind, der einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dieser erste Mantel hat.
    509845/0550
    Leerse ite
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