DE2441711A1

DE2441711A1 - Fiberoptik und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2441711A1
Application number: DE19742441711
Authority: DE
Inventors: Walter Paul Siegmund; Merton Lewis Smith; Richard Roland Strack; Conn Woodstock
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1975-04-10
Also published as: GB1481455A; JPS5062450A

Description

Priorität: 28. Sept. 1973; V.St.A.; Nr. 401 928

Lichtleitende Pasern werden zur Lichttransmission bzw. -Übertragung verwendet; sog. Fiberoptik-Vorrichtungen werden für die optische Transmission innerhalb relativ kurzer Bereiche verwendet. Ursprünglich wurden Festkörperglasstäbe erwärmt und auf kleine Durchmesser gezogen, und es wurde festgestellt, daß ein Bündel solcher "Fasern" Lichtstrahlen überträgt. Kohärente Bündel solcher Fasern übertragen kohärente Bilder. Aufgrund von Transmissionsverlusten ist bisher die Übertragung über lange Strecken nicht möglich, da für diesen Zweck eine mit niedrigem Verlust leitende optische Faser erforderlich ist, die für die optische Transmission über lange Strecken, z. B. im Nachrichtenbereich, geeignet ist. Das Verlustspektrum wurde in einzelnen flüssigkeitsgefüllten Kernfasern gemessen (vgl. J. Stone, Optical Transmission in Liquid Core Quartz Fibers, Appl. Phys. Lett., VoI, 20, Nr. 7» 1. April 1972, S. 239>; dabei hat sich gezeigt, daß solche

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flüssigkeitsgefüllten Kernfasern wahrscheinlich für die optische Nachrichtenübertragung über lange Strecken geeignet sind.

Die Erfindung gibt Fiberoptik-Vorrichtungen an, die aus Flüssigkeitskerne aufweisenden Hohlfasern aus glasigem Werkstoff bestehen, die zu einer Vielfach-Faseranordnung geformt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Bündel von Hohlstäben zu einer Vielfach-Faserstruktur offen gezogen und dann zu Bändern gewickelt oder zur Form von Fiberskopen oder anderen Vielleiter- und Mehrfach-Vielleiter_v-Fas er anordnungen geformt. Diese Hohlkernfasern werden in Längen von 6 m oder mehr durch Kapillarwirkung gefüllt.

Die Erfindung schafft ein hochwirksames, schnelles und genaues Verfahren zum Erzeugen von Mehrfaser-Fiberoptikvorrichtungen mit Flüssigkeitskern. Bei dem Verfahren werden aus mehreren Hohlstäben vorbestimmte Anordnungen geformt und diese zu gleichen Hohlfaseranordnungen verschmolzen und gezogen. Die Vielfach-Hohlfaseranordnung ist ferner zur Bildung anderer Formen zu Bündeln zusammenfaßbar und wird zu Mehrfach-Vielfaseranordnungen gezogen. Zusätzlich können die Hohlstäbe vor dem ersten Ziehen mit einer Schicht aus säurelösliehen Glas oder Aluminium beschichtet werden. Nach dem Endziehen ergibt sich aus dieser Anordnung ein laugungsfähiges Vielfaserbündel oder ein Mehrfach-Vielfaserbündel. Zum ■Füllen der Hohlfasern zur Bildung ihrer Flüssigkeitskerne wird z. B. Tetrachloräthylen verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Teilansicht eines Hohlstabbündels, das eine bei der Erfindung verwendbare Anordnung darstellt;. " ' .

Fig. 2 eine Endansicht der Anordnung von Fig.1;

Fig. 3 Endansichten alternatiVer Hohlstabanordnungen, - und M die gemäß der Erfindung verwendbar sind;

Fig. 5 eine Darstellung des Erwärmens und Ziehens einer Hohlstabanordnung zu einer Vieiröhrchenfaser;

Fig. 6 eine Fig. 5 ähnliche Darstellung eines weiteren

erfindungsgemäßen Ziehvorgangs zum Erzeugen eines Vielfachfaseraufbaus;

Fig. 7 einen vergrößerten Schnitt T-T nach Fig. 6;

Fig. 8 einen stark vergrößerten Tellquerechnitt einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten lichttransportierehden Vieiröhrchenfaser;

Fig. 9 einen Teilquerschnitt 9-9 nach Fig. 8;

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines gemäß der Erfindung verwendbaren Hohlstabs;

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine andere AusfUhrungsform einer Vielröhrchenänordnung, die erfindungsgemäß verwendbar ist; und '

Fig. 12 eine Ansicht eines lichtübertragenden Fiberskops, das mit jedem der Hohlstab-Bauteile von Fig. 1-3, 10 und 11 herstellbar ist.

Gemäß Fig. l und 2 sind mehrere dünnwandige Kreishohlstäbe 10 zu einem Bündel 12 zusammengefaßt. Die Hohlstäbe 10 sind vorzugsweise aus glasigem Werkstoff mit guten optischen Eigen-

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schäften und einer relativ niedrigen Brechzahl, z. B. ca. 1,116-1,48, geformt, etwa aus Quarzglas oder einem Borsilikatglas, wie es unter der Bezeichnung Kimble ENl vertrieben wird, oder irgendeinem ähnlichen auf dem Markt befindlichen Glas.

Die Hohlstäbe 10 von Fig. 2 sind zwar in gleichmäßigen vertikalen und horizontalen Linien gestapelt; sie können jedoch alternativ gemäß Fig. 3 angeordnet sein, wobei eine Lage von Hohlstäben jeweils über der Einbuchtung zwischen zwei darunterliegenden Hohlstäben angeordnet ist. Durch die letztgenannte Anordnung ergibt sich eine dichtere Anordnung von Hohlstäben 10 im Bündel 12. Ein Bündel 12 mit maximaler Dichte ist jedoch aus Hohlstäben 10* bildbar, die ursprünglich viereckigen Querschnitt haben (Fig. 4).

Bei jeder der erläuterten Hohlstabanordnungen sowie auch bei einer nicht gezeigten willkürlichen Anordnung der Hohlstäbe sind sämtliche Hohlstäbe 10 in ihrer Lage gesichert gehalten, und das Bündel 12 wird vertikal aufgehängt; anschließend wird es langsam in eine Wärmzone 14 gesenkt. Die Wärme in der Wärmzone 14 ist durch einen kreisförmigen elektrischen Heizring 16, durch Heizspulen oder Flammenstrahlen erzeugbar, der Heizring 16 ist nur als Beispiel gezeigt.

Die Wärmzone 14 wird auf eine Temperatur erwärmt, die zum Ziehen des Bündels 12 auf kleinere Querschnittsgröße geeignet ist, wobei sich keine merkliche Änderung des ursprünglichen Verhältnisses der Wanddicke zum Lichtleiterkanal- Durchmesser der Hohlstäbe 10 ergibt. Wenn die Hohlstäbe 10 aus einem Borsilikatglas bestehen, werden bei einer Tempe-

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ratur von ca. 700 ⁰C befriedigende Ergebnisse erhalten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Bündel 12 in einem oder mehreren Wärm- und Ziehvorgängen auf einen Gesamtfaserdurchmesser von einigen tausendstel Zoll oder weniger gezogen. Alternativ ist eine geringere Verkleinerung durchführbar, wobei Abschnitte des gezogenen Bauteils etwas einfacher handhabbar und zu Bündeln zusammenfaßbar sind, wonach sie erneut zu einem Mehrfach-Vielröhrchen-Bauteil gezogen werden, wie noch erläutert wird.

Die gezogene Vielröhrchenanordnung 18 von Fig. 5 wird nach dem Ziehen auf einen Querschnitt von einigen tausendstel Zoll oder weniger als Fiberoptik 18 bezeichnet. Diese Fiberoptik 18 oder ein Abschnitt ihrer Länge ist für sich als licht- oder bildübertragendes Bauteil verwendbar, indem ihre Röhr- " chen mit einer Flüssigkeit 20 (Fig. 8 und 9) gefüllt werden, deren Brechzahl höher als die der Glasröhrchen ist, z. B. mit Tetrachloräthylen, das eine Brechzahl von etwa 1,50 hat. Bei Verwendung mit den Röhrchen relativ niedriger Brechzahl, z. B. Quarz- oder Borsilikatglas, ergibt sich durch die Brechzahldifferenz eine erwünschte numerische Apertur für jeden Kanal der Fiberoptik 18. Auf ein Ende der Fiberoptik 18 gerichtetes Licht wird somit durch innere Totalreflexion durch die Fiberoptik transportiert, wie durch Pfeile 19 in Fig. 9 gezeigt ist. Die Flüssigkeit bildet eine glatte ununterbrochene kontinuierliche innere Reflexionszwischenfläche mit den Innenwandungen der Röhrchen der Fiberoptik 1-8. Die Grundlagen der Lichtleitung durch innere Totalreflexion sind z. B. in den US-Patentschriften 2 815 260 und 2 979 6.32 erläutert.

Eine Fiberoptik 18, deren Röhrchen z. B. einen Durchmesser

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von ca. 75 /um haben, ist dadurch mit den vorgenannten Flüssigkeiten füllbar, daß ein Ende der Faseroptik in die Flüssigkeit getaucht wird. Das Füllen erfolgt durch Kapillarwirkung. Fiberoptische Vorrichtungen 18 mit Längen von 6 m oder mehr werden in dieser Weise mit Flüssigkeitjskernen (d. h. Fluid 20) versehen.

Bezüglich des Ziehens der Fiberoptik 18 von Fig. 5 auf einen Durchmesser, der größer als der Faserdurchmesser ist, wodurch eine leichtere Handhabung beim Herstellen von Mehrfach-Vielröhrchenanordnungen erreicht wird, wird jetzt auf Fig. 6 Bezug genommen.

Gemäß Fig. 6 werden Abschnitte 18* oder ein Bauteil 18 mit mehr als Fasergröße in ungefähr gleiche Längen geschnitten und nebeneinander parallel zueinander zu einem Bündel zusammengefaßt; das Bündel 12* wird dann in Längsrichtung zu einem Mehrfach-Vielröhrchen-Bauteil 22 gezogen. Das Ziehen erfolgt vorzugsweise in gleicher Weise wie das Ziehen des Bauteils 18.

Das Mehrfach-Vielröhrchen-Bauteil 22 ist auf einen Faserquerschnitt ziehbar, der einige tausendstel Zoll oder weniger beträgt; während des Ziehens wird das Bauteil 22 auf eine oder mehrere Vorratsrollen oder direkt zu einer Mehrfachbandform gewickelt, wobei jedes Band eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Windungen aufweist. Dieses Windungsverfahren ist zum Aufbau von Fiberskopen gemäß den US-Patentschriften 3 033 731 und 3 373 006 verwendbar. Sowohl bei Einzelverwendung als Vielfachröhrchen-Fiberoptik als auch bei größeren Anordnungen für Fiberskope u. dgl. wird jedes Bauteil mit

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einer geeigneten Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl, z. B. mit Tetrachloräthylen oder Tetrachlorkohlenstoff, gefüllt. Ein Ende des Bauteils wird' einfach hinreichend lang in der Flüssigkeit angeordnet "und. durch Kapillarwirkung ge->

füllt. '\ ■' ^83*5·^ ·/■■.·■■ /ν -.■=-.

Am entgegengesetzten Ende eines Bauteils 18 (Fig. 5) oder 22 (Fig. 6) oder von Bündeln dieser Bauteile kann zum schnelleren oder leichteren Füllen eine Saugeinrichtung angelegt werden. Wenn die Röhrchen der^eBaüteile 18 oder 22 einmal gefüllt sind, wird ein Verlusl^der Kemflüesigkeit durch die Kapillarität der Röhrchen verhindert.

Ein anderes Ausführüngsbeispiel der Erfindung, das speziell, jedoch nicht ausschließlich^-dieHerstellung von Fiberskopen betrifft, ist in Fig. 10 gezeigt. Den Hohlstäben 10 ähnliche Hohlstäbe 2k werden vor Bildung des Bündels 12 mit einem laugungsfähigen Werkstoff, z. B. einem laugungsfähigen Glas oder Aluminium^, beBchfchtetV Beispiele solcher laugungsfähigen Werkstoffe sind in den US-PatentBchriften 3 0OM- 368 und 3 62Ί 816 angegeben.

Wenn bei diesem Verfahren die Hohlstäbe 12 zum Herstellen von Bauteilen 18 durch Hohlstäbe 28 (Fig. 10) ersetzt werden, oder wenn zum Herstellen von Bauteilen 22 das Verfahren gemäß Fig. 6 mit Hohlstäben 28 durchgeführt wird, ist eine zusammengebende It e Einheit aus mehreren Längen von Bauteilen 18, deren Röhrchen mit laugungsfähigen Ummantelungen versehen sind, zum Herstellen eines Fiberskops gemäß Fig. 12 verwendbar. Gegenüberliegende Enden einer solchen aus Bauteilen 18 bestehenden Einheit werden durch Verkleben, Verschmelzen, Ver-

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spannen od. dgl. aneinander gesichert, und jedes einzelne Röhrchen wird durch Laugung freigelegt und ist zwischen den miteinander fest verbundenen Enden des Fiberskops 30 unabhängig biegbar. Dadurch wird das Fiberskop 30 zwischen seinen gegenüberliegenden Enden hochbiegbar wie im Fall der ähnlichen, jedoch Feststoffkerne aufweisenden Vorrichtungen der US-Patentschriften 3 004 368 und 3 62*J 816. Bei der Erfindung ergeben sich in dem Fiberskop 30 jedoch beträchtlich geringere Übertragungsverluste und somit ein wesentlich größerer optischer Übertragungsbereich.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. gezeigt. Hier hat das Vielfachkapillarröhrchen-Bauteil 22 als Ganzes eine äußere Beschichtung 30a aus laugbarem Glas oder einem anderen Werkstoff. Mehrere Bauteile 22, die sämtlich eine äußere laugbare Beschichtung 30a haben, können als eine Einheit erwärmt und auf einen kleineren Querschnitt gezogen werden, etwa den für ein Fiberskop 30 von Fig. 10 erforderlichen Querschnitt. Durch Laugung des Zwischenteils des erhaltenen gezogenen Teils werden dessen einzelne Bauteile 22 freigelegt, und der Zwischenteil der Vorrichtung wird in einem Maß biegbar, das etwa dem Ausmaß der Einzelbiegbarkeit jedes Bauteils 22 entspricht. Wenn die Vorrichtung mit einer geeigneten Kernflüssigkeit gefüllt ist, kann sie als Fiberskop Licht oder optische Bilder transportieren. Dieses Fiberskop hat jedoch wesentlich geringere Übertragungsverluste und einen beträchtlich größeren Übertragungsbereich als bisher. "Übertragungsbereich" bezeichnet den Abstand oder die Entfernung, über die Licht oder optische Bilder mit zulässiger Ausgangsintensität und/oder Schärfe und Auflösung übertragbar sind.

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Es ist zu beachten, daß sich zusätzlich zu den sich durch Verwendung eines flüssigen Paserkerns ergebenden hohen Übertragungsfaktoren bei dem erläuterten Herstellungsverfahren für Faserkörper und Vielfaserkörper durch offenes Ziehen (d. h. Ziehen von Hohlstäben und Röhrchen mit offenen Lichtkanälen) im Gegensatz zum Ziehen von Pestkörperglasfasern ein Austrittsweg aus jeder Faser (Hohlstab oder Röhrchen) zum Entgasen von absorbierten Gasen ergibt. Dadurch wird das bisher bestehende Problem gelöst, daß solche Gase zwischen den Kernen und den Ummantelungen der Fasern Blasen bilden, die die lichtreflektierende Zwischenfläche zwischen Kern und Ummantelung verletzen oder fleckig machen. Solche Flecken haben bisher aufgrund von Lichtstreuung die Lichttransmission beträchtlich vermindert, und in Fällen extremer Fleckigkeit wurde die Transmission in einer spezifischen Faser vollständig unterbunden.

Patentansprüche: 509815/1 118

Claims

Patentanspruch e

1. Verfahren zum Formen einer lichtübertragenden Vielröhrchen-Fiberoptik mit Flüssigkeitskernen,
gekennzeichnet durch Zusammenfassen mehrerer Hohlstäbe aus glasigem Werkstoff mit niedriger Brechzahl nebeneinander zu einem Bündel, Erwärmen und Ziehen des Bündels in Bündellängsrichtung auf kleinere Querschnittsgröße zur Bildung eines verschmolzenen Vielröhrchen-Bauteils,

Abschneiden wenigstens eines Längenabschnitts des Bauteils von _sdem Bündel, und

Füllen der Röhrchen dieses Bauteilabschnitts mit einer Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl, so daß jedes Einzelröhrchen aufgrund der inneren Totalreflexion lichtdurchlässig wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

Abschneiden weiterer Abschnitte des Bauteils zur Bildung mehrerer Bauteilabschnitte,

Zusammenfassen der mehreren Abschnitte nebeneinander zu einem zweiten Bündel,

Erwärmen und Ziehen des zweiten Bündels in Bündellängsrichtung auf kleinere Querschnittsgröße zur Bildung eines verschmolzenen Mehrf ach-Vielröhrchen-Bauteils,

Abschneiden wenigstens eines Längenabschnitts des Mehrfach-Vielröhrchen-Bauteils von dem Bündel; und Füllen der Röhrchen des Abschnitts des Mehrfach-Vielröhrchen-Bauteils mit einer Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl,

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so daß jedes Einzelröhrchen aufgrund der inneren Totalreflexion lichtdurchlässig wird. .

3. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i c h η e t durch Ziehen des Bündels aus mehreren Hohlstäben auf den kleineren Querschnitt einer Paser.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ziehen des zweiten Bündels auf den kleineren Querschnitt einer Faser.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch Schneiden der Faser in mehrere einzelne Längenabschnitte, die nebeneinander zu einem Fiberskop zusammengefügt werden, wobei Röhrchen der zusammengefügten Längenabschnitte des Fiberskops mit der Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl gefüllt werden und das" Fiberskop damit lichtdurchlässig gemacht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der mehreren Hohlstäbe mit einer relativ dünnen äußeren Beschichtung aus verschmelzbarem laugungsfähigem Werkstoff versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Mehrfach-Vielröhrehen-Bauteil mit einer relativ dünnen äußeren Beschichtung aus verschmelzbarem laugungsfähigem Werkstoff beschichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, g e k e η η ζ e i c h η e t durch Weglaugen der verschmelzbaren laugungsfähigen Be-

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Schichtungen von den Röhrchen des Längenabschnitts des gezogenen Bauteils zwischen dessen gegenüberliegenden Enden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Faser in mehrere Abschnitte geschnitten wird,
gekennzeichnet durch Zusammenfassen der mehreren Abschnitte nebeneinander zu einem dritten Bündel,

Erwärmen und Ziehen des dritten Bündels in Bündellängsrichtung zum Verschmelzen der mehreren Abschnitte zu einer Einheit, Weglaugen der äußeren Beschichtung von jedem der Abschnitte der verschmolzenen Einheit über einen Zwischenabschnitt ihrer Länge, so daß die verschmolzene Einheit im Zwischenabschnitt biegbar wird, und

Füllen der Röhrchen der gelaugten Einheit mit einer Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl, so daß die Einheit aufgrund der inneren Totalreflexion lichtdurchlässig wird.

10.7 Fiberoptik,

gekennzeichnet durch eine verschmolzene Einheit, bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Röhrchen aus einem Werkstoff mit niedriger Brechzahl und einer Flüssigkeit mit relativ hoher Brechzahl in jedem Röhrchen, wobei die Flüssigkeit in jedem Röhrchen eine innere lichtreflektierende Zwischenfläche bildet , so daß die einzelnen Röhrchen aufgrund der inneren Totalreflexion lichtdurchlässig sind.

11. Fiberoptik nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die nebeneinander angeordneten Röhrchen der verschmolzenen Einheit zwischen gegenüboj ■

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liegenden Enden der Einheit unbefestigt und einzeln frei biegbar sind.

12. Fiberoptik nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der mehreren nebeneinander angeordneten Röhrchen eine Vielzahl von Lichtkanälen

hat. '

13. Fiberoptik nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Röhrchen zwischen gegenüberliegenden Enden der Einheit unbefestigt und einzeln frei biegbar sind.

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