DE3524927C2 - - Google Patents
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- DE3524927C2 DE3524927C2 DE19853524927 DE3524927A DE3524927C2 DE 3524927 C2 DE3524927 C2 DE 3524927C2 DE 19853524927 DE19853524927 DE 19853524927 DE 3524927 A DE3524927 A DE 3524927A DE 3524927 C2 DE3524927 C2 DE 3524927C2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
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- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Lichtleiters zur Erzeugung oder
photometrischen Ausmessung kleinster Lichtpunkte
im µm-Bereich, indem ein Teilstück eines Lichtleit
stabes, bestehend aus Kern und Mantel, unter Er
hitzen so auf einen Durchmesser gezogen wird, daß
zumindest ein Lichtleitstab mit sich verjüngendem
Teilstück mit Mikrospitze entsteht. Die Erfindung
bezieht sich ferner auf einen entsprechenden Licht
leiter.
Kleinste Lichtpunkte werden üblicherweise mittels
Linsen bzw. Linsensystemen erzeugt, wozu man zur
Bündelung der Lichtstrahlen auf kleinste Lichtpunkte
starke Sammellinsen benötigt. Nachteilig dabei
ist, daß deren Brennpunkt nahe an der Linse liegt,
was nur einen geringen Arbeitsabstand erlaubt.
Außerdem haben starke Linsen nur eine geringe
Tiefenschärfe, was das Fokussieren des Lichtes auf
das zu beleuchtende Objekt erschwert. Der Abstand
der Linse zum beleuchteten Objekt muß ständig
genau eingehalten werden. Auch wird ein großer
Anteil des Lichtes an der Linse absorbiert.
Hinzu kommt, daß zur Verringerung von Linsenfehlern
und Herabsetzung der Reflexionsanteile des Lichtes
an den Grenzflächen der Linsen besonders vergütete
und damit teure Linsen benötigt werden.
Damit bei Verwendung von Linsen ein scharf
umrissener kleiner Lichtpunkt entsteht,
muß mit parallelem Licht in die Linse einge
strahlt werden. Zu dessen Herstellung werden
entweder weitere Linsen benutzt, was einen
weiteren Intensitätsverlust, größeren Aufwand
und Platzbedarf bedeutet. Dabei entsteht
Streulicht und eine "Verschmierung" des
Lichtpunktes. Man kann dies zwar vermeiden,
wenn man als Lichtquelle einen Laser benutzt,
der in guter Näherung ein paralleles Lichtbün
del liefert. Dies bedeutet aber bei der
Verwendung des relativ preiswerten Helium/Neon-
Lasers eine Begrenzung auf eine Frequenz.
Laser mit mehreren Laserfrequenzen sind
wiederum sehr teuer. Die Verwendung eines
Lasers führt außerdem zu hohem Engeriebe
darf. Nachteilig sind ferner auftretende
Probleme der Kühlung, großer Platzbedarf.
sowie sicherheitstechnische Probleme.
Kleinste Lichtpunkte können ferner unter
Verwendung von Lochblenden erzeugt werden.
Dabei ist allerdings eines der Hauptprobleme
die Herstellung von Löchern der erforder
lichen Größenordnung in geeigneten Materialien.
Die Lochblende läßt nur einen kleinen Teil
des zur Verfügung stehenden Lichtes auf
das zu beleuchtende Objekt fallen, d.h.
der Intensitätsverlust bei dieser Methode
ist sehr groß.
Liegt die Lochblende unmittelbar auf dem zu beleuch
tenden Gegenstand, dann ergeben sich Schwierigkeiten
bei unebenen Gegenständen beim Positionieren des
Lichtpunktes und besonders beim Wechsel der Position.
Ist die Blende dagegen vom zu beleuchtenden Objekt
entfernt, dann braucht man wieder paralleles Licht,
wenn man vermeiden will, daß der entstehende Licht
fleck verschmiert und größer wird. Bei Verwendung
eines Lasers führt dies zu den oben angegebenen
Nachteilen.
Bei Verwendung einer Lochblende tritt ferner die
Schwierigkeit auf, daß, wenn man mit dem Lochdurch
messer in die Größenordnung der verwendeten Licht
wellenlänge kommt, Beugungseffekte meßbar in Er
scheinung treten, die den entstehenden Lichtpunkt
aufweiten.
Kleinste Lichtpunkte können außerdem unter Verwen
dung von Lichtleitern erzeugt werden. So ist aus
der DE-OS 33 34 565 ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art bekannt, bei dem Einschnürungen
eines Lichtleitstabes durch Ausziehen vorgenommen
werden, wodurch eine dünne Spitze entsteht. Diese
Spitze soll als Koppeloptik in der Nachrichtentech
nik dienen. Hierzu genügt es, daß die engste Stelle
der Spitze zu einer runden Linse rundgeschmolzen
wird, um zu erreichen, daß möglichst viel Licht in
die Faser gelangt. Das Licht kann jedoch seitlich
austreten.
Aus der DE-PS 22 56 425 ist zwar bekannt, das Ende
einer lichtleitenden Abtastspitze anzuschleifen
bzw. zu polieren. Dieses zu polierende Ende ist
jedoch keineswegs in seinen Dimensionen mit der
zur Erzeugung kleinster Lichtpunkte erforderlichen
Mikrospitze zu vergleichen.
Zu bemerken ist noch, daß aus der DE-OS 14 72 149
bekannt ist, Metallschichtungen an der Ummantelung
von Lichtleitern vorzunehmen, um die Reflexion zu
erhöhen.
Zur Erzeugung kleinster Lichtpunkte ist es unbe
dingt erforderlich, daß die Lichtleitfasern an
ihren Enden geschliffen und poliert werden, was
bei Fasern der angegebenen Größenordnung sehr
aufwendig ist. Geschieht dies nicht, so tritt das
Licht unter verschiedenen Winkeln aus den Enden
aus. Es entsteht kein scharf umrandeter Lichtpunkt.
Außerdem sind die Intensitätsverluste durch Reflek
tion an diesen Endstrukturen extrem groß.
Ausgehend vom dargelegten Stand der Technik ist es
Aufgabe der Erfindung, einen Lichtleiter bzw. ein
Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei
dem der Lichtaustritt auf einen einzigen, schmalen,
nach vorne gerichteten Kegel beschränkt ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird
gemäß der Erfindung durch die Verfahrensmaßnahme
nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.
Als Ausgangsmaterial kann ein handelsüblicher
Lichtleitstab verwendet werden, der aus einem
hochbrechenden Stab aus optischem Glas besteht,
auf den ein niedrig brechender Glasmantel aufge
schmolzen ist, der den Stab optisch isoliert. Der
Lichtleitstab wird bei der Durchführung des Ver
fahrens zweckmäßigerweise an den Enden eingespannt
und in seiner Mitte erhitzt. Es wird sodann auf
einen Durchmesser von unter 1 µm ausgezogen und
bricht an der verjüngten Stelle durch, so daß in
der Regel zwei zu einem Ende hin auf unter 1 µm
verjüngte Lichtleiter entstehen.
Im sich verjüngenden Teil der so hergestellten
Lichtleiter herrschen nicht mehr die Totalrefle
xionsbedingungen wie noch im Ausgangsmaterial. Es
würde also am sich verengenden Teil Licht aus der
Seitenfläche heraustreten. Um dies zu verhindern,
werden die "gespitzten" Lichtleiter, d. h. das
sich verjüngende Teilstück des Lichtleiters, mit
Metall beschichtet. Dies geschieht zweckmäßiger
weise, indem das sich verjüngende Teilstück durch
Sputtern mit Metallionen, beispielsweise Goldionen,
beschichtet wird.
Diese Metallschicht ist ein idealer Spiegel, der
austretendes Licht in den Lichtleiter zurückreflek
tiert. Dies kann selbstverständlich durch unter
schiedliche Metalle erreicht werden.
Das sich verjüngende Teilstück des Lichtleitstabes,
wird zur Führung der Mikrospitze während des
Schleifens und Polierens in eine hierfür geeignete,
niedrig schmelzende Metallegierung eingebettet.
Eine solche Metallegierung ist die "Woodsche Le
gierung", die sich leicht ver-und bearbeiten läßt
(sie schmilzt bei ca. 75°C), und die im erstarrten
Zustand spröde genug ist, so daß sie beispielsweise
beim anschließenden Schleifvorgang nicht sofort
das Schleifpapier zusetzt.
Nach dem Schleifvorgang ist es ferner zweckmäßig,
daß vor dem Polieren eine dünne Schicht der Metalle
gierung derart abgeätzt wird, daß die Mikrospitze
etwas aus der Metallegierung herausragt.
Der Lichtleiter gemäß der Erfindung zur Erzeugung
oder photometrischen Ausmessung kleinster Licht
punkte besteht aus einem Lichtleitstab mit Kern
und Mantel, wobei das eine Ende zu einer Mikro
spitze im µm-Bereich verjüngt ist. Gemäß Anspruch
4 ist dieser Lichtleitstab dadurch gekennzeichnet,
daß das verjüngte Ende seitlich verspiegelt ist
und daß die Mikrospitze plan geschliffen ist.
Der Durchmesser der Mikrospitze beträgt in der
Regel weniger als 5 µm.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
lassen sich Lichtleiter mit verschiedenen
Spitzendurchmessern bis in den Bereich
von wenigen µm sowie verschieden lange
und verschieden geformte Lichtleiter herstellen.
Am unverjüngten Ende des Lichtleiters gemäß
der Erfindung (einige mm Durchmesser) können
sehr unterschiedliche Lichtquellen (Leuchtdio
den, Hg-Lampen, Laser) leicht und ohne
große Intensitätsverluste angekoppelt wer
den. Da man das spitze Lichtleiterende
z.B. mit Hilfe eines Mikromanipulators
ohne große Schwierigkeiten auf das zu beleuchten
de Objekt aufsetzen kann, entsteht an einem
definierten Ort ein scharf umrissener Lichtpunkt
ohne Streulicht. Die Größe des Lichtpunktes
läßt sich dabei auch durch Änderung des
Abstandes der Lichtleiterspitze vom zu
beleuchtenden Objekt variieren. Denn der
aus dem Lichtleiter austretende Lichtstrahl
hat einen Öffnungswinkel von ca. 60°.
Als Ausgangsmaterial wurde ein handelsüb
licher Lichtleitstab, Typ LST (Außendurch
messer 1,5 mm) verwendet, der aus einem
hochbrechenden Stab aus optischem Glas
bestand, auf den ein niedrig brechender
Glasmantel aufgeschmolzen ist, der den
Stab optisch isoliert. Mit Hilfe eines
Mikro-Pipetten Pullers - der gewöhnlich
für die Herstellung von Mikroelektroden
aus Glaskapillaren gebraucht wird - wurde
der Lichtleitstab an den Enden eingespannt
und seiner Mitte in einer Heizplatinwendel
erhitzt. Mit einem Elektromagneten wurde
der Lichtleitstab dann auf einen Durchmesser
von unter 1 µm ausgezogen und brach dabei
an der verjüngten Stelle durch. Dabei entstan
den zwei zu einem Ende hin auf unter 1 µm
verjüngte Lichtleiter, von denen einer
teilweise in der Zeichnung schematisch
dargestellt ist. Die "gespitzten" Lichtleiter 1
wurden sodann mit Goldatomen besputtert,
so daß sich auf dem Glas eine dünne Gold
schicht 2 (s. Zeichnung) bildete.
Zur Bearbeitung der winzigen Endfläche
der Mikrospitze, die nach dem Abbrechen
noch zersplittert und rauh war, wurde der
Lichtleiter zur stabilen Führung der Mikro
spitze in einer speziellen Metallegierung 3
(Woodsches Metall) eingebettet, wie dies
aus der Zeichnung ersichtlich ist. In einem
zweistufigen Schleifvorgang mit wasserfestem
Siliziumkarbid/Papier von unterschiedlicher
Körnung (500 und 1200) wurde die Endfläche
behandelt, wobei das Objekt ständig mit
Wasser umspült wurde.
Um die Reste der Legierung von der "grob"
bearbeiteten Endfläche und eine dünne Schicht
der Legierung zu entfernen, wurde das Objekt
sodann in einer 10%igen HND-Lösung kurz
geätzt. Das immer noch rauhe Lichtleiterende
ragte danach etwas aus dem Einbettungsma
terial heraus.
Nun schloß sich der Poliervorgang an. wozu
eine Poliermaschine, auf der sich ein Nylon
tuch mit aufgebrachter Diamantpaste mit
6 µm Körnung befand, benutzt wurde. Hiernach
war die Endfläche ausreichend plan. Zum
Schluß wurde die Legierung im Heißwasser
bad und Reste davon mittels einer HNO-Lösung
entfernt.
Zur Kontrolle der einzelnen Schritte bei
der Bearbeitung der Lichtleiterfläche wurde
ein Auflichtmikroskop nit Polarisation
und Differentialinterferenzkontrast benutzt.
Ein Lichtleiter der im Ausführungsbeispiel
beschriebenen Art wurde verwendet, um Struktu
ren der photoempfindlichen Oberflächenmembran
des Ventralnervphotorezeptors des Pfeil
schwanzkrebses Limulus polephemus zu er
kennen. Dazu wurden an dem unverjüngten
Ende des Lichtleiters als Lichtquelle Leuchtdio
den angekoppelt. Ein kleiner Ausschnitt
der Photorezeptormembran wurde so optisch
gereizt. Die Intensität des entstandenen
kleinen Lichtpunktes war dabei ungefähr
1400× höher als die der verwendeten Leucht
diodenanordnung.
Mit den als Lichtquelle verwendeten Leucht
dioden ließen sich Lichtreize von extrem
kurzer Pulsdauer erzeugen und verschieden
ste Lichtreizprogramme über die ansteuernde
Elektronik leicht bewerkstelligen.
Durch die Heranführung der Lichtleiter
spitze bis an die Membran der Photorezeptorzelle
gelangte kein Streulicht in die die Zelle
umgebende physiologische Salzlösung, durch
das der Ort der Erregung auf der Photore
zeptormembran sonst "verwischt" worden
wäre.
Kleinste Lichtquellen und -punkte werden
überall dort gebraucht, wo kleinste Strukturen
mit Lichtquellen erzeugt oder untersucht
werden. Also in den verschiedensten Berei
chen wie Photobiophysik, Photochemie, Halb
leiterphysik, usw. Mit dem erfindungsgemäßen
Lichtleiter kann man nicht nur kleinste
Lichtpunkte mit verschiedensten Lichtquellen
erzeugen, sondern auch unterschiedlichste
Lichtquellen in ihrer Struktur mit µm-Auf
lösung photometrisch ausmessen. Dazu ersetzt
man die Lichtquelle durch ein Photonen
nachweisgerät, z.B. Photodiode oder Photo
multiplier, und kann so auf umgekehrtem
Weg Photonen, die durch die Lichtleiter
spitze in den Lichtleiter eindringen, am
anderen Ende nachweisen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters zur
Erzeugung oder photometrischen Ausmessung kleinster
Lichtpunkte im µm-Bereich, indem ein Teilstück
eines Lichtleitstabes, bestehend aus Kern und
Mantel, unter Erhitzen so auf einen Durchmesser
gezogen wird, daß zumindest ein Lichtleitstab mit
sich verjüngendem Teilstück mit Mikrospitze ent
steht,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Lichtleitstab so auf einen Durchmesser im µm-Bereich gezogen wird, daß er an der am stärksten verjüngten Stelle bricht,
- - daß das sich verjüngende Teilstück des Lichtleit stabes zur Verhinderung von seitlichem Austreten von Licht mit einem Metall beschichtet wird,
- - daß die Mikrospitze plan geschliffen und poliert wird, wobei das sich verjüngende Teilstück des Lichtleitstabes (1) zur Führung der Mikrospitze während des Schleifens und Polierens in eine hierfür geeignete, niedrig schmelzende Metalle gierung (3) eingebettet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das sich verjüngende Teilstück des Lichtleit
stabes (1) durch Sputtern mit Metall beschichtet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Polieren auf der Seite der Mikrospitze
eine dünne Schicht der Metallegierung derart abge
ätzt wird, daß die Mikrospitze etwas aus der
Metallegierung herausragt.
4. Lichtleiter zur Erzeugung oder photometrischen
Ausmessung kleinster Lichtpunkte, bestehend aus
einem Lichtleitstab mit Kern und Mantel, wobei das
eine Ende zu einer Mikrospitze im µm-Bereich ver
jüngt ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß das verjüngte Ende seitlich verspiegelt ist und
- - daß die Mikrospitze plan geschliffen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853524927 DE3524927A1 (de) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | Lichtleiter zur erzeugung oder photometrischen ausmessung kleinster lichtpunkte |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853524927 DE3524927A1 (de) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | Lichtleiter zur erzeugung oder photometrischen ausmessung kleinster lichtpunkte |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3524927A1 DE3524927A1 (de) | 1987-01-22 |
DE3524927C2 true DE3524927C2 (de) | 1990-01-18 |
Family
ID=6275609
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853524927 Granted DE3524927A1 (de) | 1985-07-12 | 1985-07-12 | Lichtleiter zur erzeugung oder photometrischen ausmessung kleinster lichtpunkte |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3524927A1 (de) |
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- 1985-07-12 DE DE19853524927 patent/DE3524927A1/de active Granted
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DE3524927A1 (de) | 1987-01-22 |
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D2 | Grant after examination | ||
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8320 | Willingness to grant licenses declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |