DE29722130U1 - Biegsamer Lichtleiter mit flüssigem Kern - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitslichtleiter gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs i.
Aus der deutschen Patentanmeldung P 42 33 087 ist ein Flüssigkeitslichtleiter
bekannt, welcher einen zylindrischen schlauchartigen Mantel, bestehend aus einem Fluorkohlenstoff-Polymer, und einen vom Mantel umgebenen Kern aus
einer lichtleitenden wässrigen Lösung enthält. Der Mantel ist auf seiner Innenseite
mit einer dünnen Schicht aus einem vollständig amorphen Copolymer, das auf einer Kombination von Tetrafluorethylen und einem perfluorierten zyklischen Ether
basiert, überzogen. Das Copolymer, aus dem die Innenschicht besteht, ist von der
Firma DuPont unter dem Handelsnamen Teflon® AF erhältlich.
Teflon® AF läßt sich in bestimmten perfluorierten Flüssigkeiten im Prozentbereich lösen, wobei sich als Lösungsmittel die Fluorinert-Flüssigkeiten FC 75, FC 77 oder FC 40 von der Firma 3 M eignen. Das Aufbringen der AF-Schicht auf die Innenoberfläche eines Fluorkohlenstoff-Schlauches wie z.B. Teflon® FEP geschieht in einfacher Weise durch Benetzung der Schlauchinnenfläche mit der Teflon® AF-haltigen Lösung und anschließender Verdunstung des Lösungsmittels mit Hilfe eines Luftstromes oder Unterdrucks. Die Dicke der Schicht beträgt einige wenige &mgr;, was im Falle eines FEP-Substrat-Schlauches für die Totalreflexion von sichtbaren und ultravioletten Strahlen ausreichend ist. Die Vorteile der totalreflektierenden Teflon®-AF-Schicht bestehen in dem extrem niedrigen Brechungsindex des Materials im Bereich 1,29 - 1,32, der absoluten Transparenz, die mit Quarzglas vergleichbar ist, und der chemischen Inertheit. Als Flüssigkeiten für den Lichtleiter werden die bereits seit über zwanzig Jahren bewährten, in DE 24 06 424 C2 und
Teflon® AF läßt sich in bestimmten perfluorierten Flüssigkeiten im Prozentbereich lösen, wobei sich als Lösungsmittel die Fluorinert-Flüssigkeiten FC 75, FC 77 oder FC 40 von der Firma 3 M eignen. Das Aufbringen der AF-Schicht auf die Innenoberfläche eines Fluorkohlenstoff-Schlauches wie z.B. Teflon® FEP geschieht in einfacher Weise durch Benetzung der Schlauchinnenfläche mit der Teflon® AF-haltigen Lösung und anschließender Verdunstung des Lösungsmittels mit Hilfe eines Luftstromes oder Unterdrucks. Die Dicke der Schicht beträgt einige wenige &mgr;, was im Falle eines FEP-Substrat-Schlauches für die Totalreflexion von sichtbaren und ultravioletten Strahlen ausreichend ist. Die Vorteile der totalreflektierenden Teflon®-AF-Schicht bestehen in dem extrem niedrigen Brechungsindex des Materials im Bereich 1,29 - 1,32, der absoluten Transparenz, die mit Quarzglas vergleichbar ist, und der chemischen Inertheit. Als Flüssigkeiten für den Lichtleiter werden die bereits seit über zwanzig Jahren bewährten, in DE 24 06 424 C2 und
P 40 14 363.5 beschriebenen wässrigen salzhaltigen Lösungen wie Chloride oder
Phosphate wegen ihrer photochemischen Stabilität im ultravioletten Spektralbereich
bevorzugt. Diese Flüssigkeiten, wie z.B. CaCI2 in H2O, NaH2PO4 in H2O,
sollten einen Brechungsindex aufweisen, der höher ist als der der totalreflektierenden
Teflon® AF-Schicht, wobei wegen des extrem niedrigen Brechungsindex der Teflon® AF-Schicht bereits Brechzahlen ab &eegr; = 1,36 für die Flüssigkeit verwendet
werden können. Ein Wert von mindestens 50° für den optischen Aperturwinkel 2a
sollte erreicht werden, wobei sich &agr; mit Hilfe der einfachen Formel:
sin &agr; = Jn2 Kera- n2 Msmtei
berechnen läßt.
berechnen läßt.
Flüssigkeitslichtleiter mit einem Kern, bestehend aus einer wässrigen Phosphat-Lösung
wie z.B. einer Lösung von NaH2PO4 in Wasser, die eine besonders hohe
photochemische Stabilität im kurzwelligen ultravioletten UVB und UVC Spektralbereich aufweist (s. P 40 14 363.5), lassen sich eigentlich nur durch
Verwendung einer totalreflektierenden Schicht mit einem Brechungsindex von etwa 1.31 wie z.B. mit Teflon® AF 1600 realisieren, da derartige Lösungen keinen
höheren Brechungsindex als &eegr; = 1,38 zulassen wegen Salzausfalls in der Kälte.
Ein weiterer Vorteil von Teflon® AF besteht darin, daß das Material auf Substraten bestehend aus Fluorkohlenstoff-Polymeren sehr gut haftet, insbesondere nach Durchführung eines Temperungsprozesses, bei welchem die Schicht auf Temperaturen bis knapp über die Temperatur ihres Glasüberganges erhitzt wird.
Ein gravierender Nachteil von Teflon® AF besteht in seinem extrem hohen Preis von US$ 10,00 pro Gramm, der bei der Herstellung der Flüssigkeitslichtleiter merklich zu Buche schlägt. Ein weiterer Nachteil von Teflon® AF besteht darin, daß die
Ein weiterer Vorteil von Teflon® AF besteht darin, daß das Material auf Substraten bestehend aus Fluorkohlenstoff-Polymeren sehr gut haftet, insbesondere nach Durchführung eines Temperungsprozesses, bei welchem die Schicht auf Temperaturen bis knapp über die Temperatur ihres Glasüberganges erhitzt wird.
Ein gravierender Nachteil von Teflon® AF besteht in seinem extrem hohen Preis von US$ 10,00 pro Gramm, der bei der Herstellung der Flüssigkeitslichtleiter merklich zu Buche schlägt. Ein weiterer Nachteil von Teflon® AF besteht darin, daß die
Haftung der Schicht nur auf Substratmaterialien gut ist, die ebenfalls wie Teflon®
AF aus einem Fluorkohlenstoff-Polymer bestehen, und daß Filme aus Teflon AF nicht elastisch sind. Bei dem die Haftung verbessernden und von DuPont
vorgeschriebenen Temperungsprozeß muß das System Schicht-Substrat auf Temperaturen
über 1600C erhitzt werden, was eigentlich nur von Substratmaterialien
aus Fluorkohlenstoffpolymeren toleriert wird.
Es wäre wünschenswert, ein Beschichtungsmaterial auch für andere Substratmaterialien
als Fluorkohlenstoff Polymere verwenden zu können, um Flüssigkeitslichtleiter mit anderen mechanischen Eigenschaften wie z.B. erhöhter Flexibilität
herstellen zu können.
Dazu wäre ein perfluoriertes Copolymer geeignet, welches eine Glasübergangstemperatur
deutlich unterhalb 1600C aufweist, so daß auch Substratmaterialien
aus THV (3M), Polyurethan, Polyolefin, Silikon und andere verwendet werden können, welche thermisch weniger belastbar sind.
Des weiteren sollte ein solches zu Teflon® AF alternatives perfluoriertes Beschichtungsmaterial
wie Teflon® AF weitestgehend amorph sein, einen Brechungsindex besitzen, der deutlich unterhalb dem von H2O liegt und ebenfalls wie Teflon® AF in
gewissen perfluorierten Flüssigkeiten wie FC 75 oder FC 77 von 3M im Prozentbereich
löslich sein, so daß ein einfaches Beschichtungsverfahren für die Innenoberfläche von Plastik-Schläuchen durch Benetzung mit der Lösung des
amorphen Fluorpolymers möglich ist.
Letztlich wäre es wünschenswert, wenn das zu AF alternative perfluorierte
amorphe Copolymer einfacher herzustellen wäre und somit auf dem Markt zu einem Preis deutlich unterhalb 10,00 US$/g angeboten werden könnte.
Von der Firma Ausimont S.p.A. wird in der EO 0 720 992 A1 ein perfluoriertes
Von der Firma Ausimont S.p.A. wird in der EO 0 720 992 A1 ein perfluoriertes
Copolymer von Tetrafluorethylen (TFE) beschrieben, welches neben TFE noch ein
weiteres perfluoriertes Monomer in Form eines zyklischen perfluorierten Fluordioxols (PFD) mit folgender Struktur enthält:
CF = C ORf
O O
CX1X2
wobei Rf ein Perfluoralkyl mit 1 - 5 C-Atomen und X1X2 unabhängig voneinander
-F oder -CF3 sein können.
Neben dem zyklischen Monomer PFD können noch weitere perfluorierte
Monomere wie Hexafluorpropylen (HFP) oder Perfluorpropylvinyläther in dem Copolymer enthalten sein.
Man kann die quantitative Zusammensetzung dieses perfluorierten Copolymers so
variieren, daß man ein weitestgehend amorphes Material erhält, welches in der Flüssigkeit FC 75 (3M) im Prozentbereich löslich ist, einen optischen Brechungsindex
(gemessen bei &lgr; = 400nm) zwischen 1,31 - 1,32 aufweist, eine hervorragende
Transparenz im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich hat und darüber hinaus eine Glasübergangstemperatur zwischen 10O0C und 14O0C je nach
quantitativer Zusammensetzung besitzt.
Da dieses Material nicht, wie Teflon® AF, die technisch schwer zu beherrschende
Monomer-Komponente PDD (Perfluoro-2,2 Dimethyl-1,3-Dioxol) aufweist, läßt es
sich auch einfacher herstellen und bedeutend preiswerter anbieten.
Die Haftung des TFE/PFD Polymermaterials von Ausimont auf den als
Die Haftung des TFE/PFD Polymermaterials von Ausimont auf den als
Substratmaterialien bevorzugten Fluorkohlenstoff-Materialien wie z.B. Teflon®
FEP, Hyflon® MFA, THV (3M) ist ebensogut wie die von Teflon® AF auf den
genannten Materialien. Die Verbesserung der Transmission von bekannten Flüssigkeitslichtleitern,
bestehend aus Teflon® FEP-Schläuchen, gefüllt mit wässrigen salzhaltigen Lösungen, sowie die Erhöhung der numerischen Apertur der
Lichtleiter durch Innenbeschichtung der FEP-Schläuche mit dem Ausimont-Copolymer
ist ähnlich gut wie bei der Innenbeschichtung mit Teflon® AF so wie beschrieben in P 42 33 087.
Ähnlich wie zu Teflon® AF, s.a. P 196 46 928.7, läßt sich zu dem Copolymeren
TFE/PFD der Firma Ausimont ein Perfluorpolyether (PFPE), wie z.B. Galden® (Ausimont) oder Fomblin® (Ausimont) oder Krytox® (DuPont) beimischen, wobei
man bis zu 200 Gewichtsprozenten des PFPE beimischen kann, um auf diese
Weise die Kosten für eine Schicht mit definierter Schichtdicke weiter abzusenken.
Die Mischschicht läßt sich in einfacher Weise herstellen, durch Beigabe einer entsprechenden Menge des PFPE in die TFE/PFD-FC 75-Lösung. Vorzugsweise
hat der beigemischte PFPE einen Siedepunkt > 22O0C, noch besser
> 2500C, so daß der PFPE bei Erwärmung nicht aus der Schicht ausdiffundiert.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeitslichtleiters besteht der schlauchförmige Mantel aus Teflon® FEP und weist z.B. folgende Maße auf: 0\ = 5mm, 0a = 6mm, L = 3000mm. Auf seiner Innenoberfläche ist der FEP-Schlauch mit einer ca 3 - 4&mgr; dicken Schicht aus dem Ausimont-Copolymer TFE/PFD versehen, welche aus Lösung durch einfaches Benetzen der Schlauchinnenfläche mit anschließender Verdunstung des perfluorierten Lösungsmittels (FC 75 von 3M) hergestellt wird.
Eine anschließende Temperung oberhalb der Glasübergangstemperatur des Ausi-
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeitslichtleiters besteht der schlauchförmige Mantel aus Teflon® FEP und weist z.B. folgende Maße auf: 0\ = 5mm, 0a = 6mm, L = 3000mm. Auf seiner Innenoberfläche ist der FEP-Schlauch mit einer ca 3 - 4&mgr; dicken Schicht aus dem Ausimont-Copolymer TFE/PFD versehen, welche aus Lösung durch einfaches Benetzen der Schlauchinnenfläche mit anschließender Verdunstung des perfluorierten Lösungsmittels (FC 75 von 3M) hergestellt wird.
Eine anschließende Temperung oberhalb der Glasübergangstemperatur des Ausi-
mont-Copolymers bei ca. 145°C verbessert die Haftung der Schicht auf dem
Substrat. Nach dem Tempern wird der beschichtete FEP-Schlauch mit einer
wässrigen ionischen Lösung, z.B. mit einer wässrigen CaCI2 ( &eegr; = 1,435) oder
NaH2PO4 (n = 1,38) Lösung gefüllt, wobei die offenen Enden des FEP-Schlauches
in bekannter Weise mit zylindrischen polierten Stöpseln aus Quarzglas abgedichtet
werden.
Statt wässriger ionischer Salzlösungen können als Füllflüssigkeiten auch Glykole
wie z.B. Triethylenglykol oder DMSO mit Zusätzen von Wasser verwendet werden.
Auch reines Wasser als Füllflüssigkeit weist schon Lichtleitung auf wegen des
geringen Brechungsindexes des Copolymers von Ausimont.
In den verschiedenen Füllflüssigkeiten vorkommendes H2O kann auch teilweise
oder ganz durch D2O ersetzt werden, was eine Verbesserung der Transmission im
roten Spektralbereich zur Folge hat.
Die Transmission eines derartigen Flüssigkeitslichtleiters im blauen und auch im
nahen ultravioletten Spektralbereich beträgt über 80%, wobei nur 65% Transmission gemessen wird, wenn der FEP-Schlauch nicht innen beschichtet ist.
Claims (11)
1. Flüssigkeitslichtleiter aus einem zylindrischen schlauchförmigen Mantel aus
Plastik oder Glas, der innen mit einer Flüssigkeit mit einem Brechungsindex no
> 1,33 gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel auf seiner Innenoberfläche
mit einer dünnen Schicht aus einem Copolymer mit geringer Restkristallinität,
hoher Transparenz und mit einem Brechungsindex, der < 1,325 beträgt, beschichtet ist, wobei das Copolymer aus dem Monomer Tetrafluorethylen und
mindestens einem weiteren perfluorierten zyklischen Monomer besteht, welches aus der Gruppe der Fluordioxole stammt und folgende Struktur aufweist:
CF = C ORf
O O
CX1X2
worin Rp ein Perfluoralkül mit 1 - 5 C-Atomen sein kann und X1X2 unabhängig
voneinander aus - F oder -CF3 bestehen.
2. Flüssigkeitslichtleiter nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das
Copolymer noch weitere perfluorierte Monomere wie z.B. Hexafluorpropylen (HFP) oder Perfluoralkylvinyläther enthält.
3. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Fluordioxol mit einem Anteil des Mol-Gewichts von
> 8% in dem die Schicht bildenden Copolymer enthalten ist.
4. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glasübergangstemperatur des Copolymeren zwischen 7O0C und 16O0C liegt.
5. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der Ansprüche 1. -4., dadurch gekennzeichnet,
daß das die Schicht bildende Copolymer einen beigemischten Perfluorpolyether mit einem Siedepunkt
> 2200C enthält.
6. Flüssigkeitslichtleiter nach Anspruch 5., dadurch gekennzeichnet, daß der Perfluorpolyether,
welcher dem die Schicht bildenden Copolymer beigemischt ist, in einem Gewichtsanteil von 5% - 200%, gemessen an dem Copolymeren, in der
Schicht enthalten ist.
7. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Schicht zwischen &iacgr;&mgr; und 10&mgr; liegt.
8. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zylindrische schlauchförmige Mantel aus einem Fluorkohlenstoffpolymer
wie Teflon® FEP oder Hyflon® MFA oder Teflon® PFA oder Teflon®PTFE oder Teflon® ETFE oder Teflon® PCTFE oder THV (3M) besteht.
9. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zylindrische schlauchförmige Mantel aus Glas oder aus
einem anderen nicht fluorhaltigen Plastikmaterial wie z.B. PVC, Polyolefin, Polyurethan, Silikon oder PE besteht.
10. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die den Innenraum des schlauchförmigen, innen beschichteten
Mantels ausfüllende Flüssigkeit aus Wasser oder einer wässrigen ionischen Lösung wie z.B. CaCl2 in Wasser oder NaH^P(Xt in Wasser besteht, wobei Wasser
auch schweres Wasser sein kann.
11. Flüssigkeitslichtleiter nach einem der Ansprüche 1.-9., dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit ein Glykol wie z.B. Triethylenglykol oder DMSO enthält.
Priority Applications (18)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE29722130U DE29722130U1 (de) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | Biegsamer Lichtleiter mit flüssigem Kern |
| DE19831365A DE19831365A1 (de) | 1997-12-15 | 1998-07-13 | Biegsamer Lichtleiter mit flüssigem Kern |
| DE19832277A DE19832277A1 (de) | 1997-12-15 | 1998-07-17 | UVC-Flüssigkeitslichtleiter |
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| US6898216B1 (en) | 1999-06-30 | 2005-05-24 | Lambda Physik Ag | Reduction of laser speckle in photolithography by controlled disruption of spatial coherence of laser beam |
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