HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine Infrarotoptikfaser, und
insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Infrarotlicht
übertragenden Faser, die zum Übertragen des Lichts geeignet ist,
welches von einem Infrarotlaser mit hoher Ausgangsleistung, wie
z. B. einem Kohlendioxidlaser, erzeugt wird.
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Das Licht, welches von einem Kohlendioxidlaser erzeugt wird,
hat eine Wellenlänge von 10,6 um, welche in den
Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung fällt. Seine Wellenlänge ist so
groß, daß es nicht durch eine Quarzglasfaser oder irgendeine
andere Art von Faser, die zum Übertragen von sichtbarem Licht
oder naher Infrarotstrahlung verwendet wird, übertragen werden
kann.
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Es ist fast kein Material verfügbar, welches effektiv Licht
mit einer solchen Wellenlänge übertragen kann.
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Darüber hinaus ist das Licht, welches von einem
Kohlendioxidlaser erzeugt wird, so energiereich, daß, wenn es durch eine
optische Faser während seiner Transmission absorbiert wird, es
leicht Hitze erzeugt, welche die Faser zerstört.
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Eine kristalline Faser, die aus einem Metallhalogenid
(Thallium, Alkali oder Silberhalogenid) gebildet ist, und eine
Glasfaser aus Chalkogenidglas sind als Infrarotfasern bekannt,
welche das durch einen Kohlendioxidlaser mit hoher
Ausgangsleistung erzeugte Licht übertragen können. Diese Materialien
können das Licht eines Kohlendioxidlasers mit einem
verhältnismäßig
geringen Verlust übertragen. Dieser Verlust ist jedoch
bei weitem größer als der Verlust bei sichtbarem Licht, welcher
auftritt, wenn dieses durch eine Glasquarzfaser hindurch
übertragen wird.
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Eine Infrarotfaser mit einem aus diesen Materialien gebildeten
Kern ist bekannt und weist eine Länge von einem bis zu mehreren
Metern auf.
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Während diese Materialien für den Kern einer Infrarotfaser
geeignet sind, ist es sehr schwierig gewesen, ein geeignetes
Überzugsmaterial zu erhalten.
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Eine Quarzglasoptikfaser, eine Multikomponentenglasoptikfaser
und dergleichen, welche zum Übertragen von sichtbarem Licht
oder naher Infrarotstrahlung verwendet werden, sind Optikfasern
mit einem Doppelaufbau, der aus einem Kern und einem Überzug
zusammengesetzt ist. Der Überzug ist aus einem Material
hergestellt, welches Licht übertragen kann, und weist einen
Brechungsindex auf, welcher geringfügig kleiner als derjenige des
Kerns ist. Die Differenz im Brechungsindex zwischen dem Kern
und dem Überzug bestimmt die Anzahl der Moden, in welchen sich
Licht durch den Kern fortpflanzt. Während es für den Überzug
erforderlich ist, daß er einen Brechungsindex aufweist, der
geringfügig kleiner als derjenige des Kern ist, ist es auch
erforderlich, daß er zum Übertragen von Licht in der Lage ist,
ohne dieses zu absorbieren. Eine Quarzglasfaser mit einer
solchen Differenz im Brechungsindex kann hergestellt werden, wenn
ein Oxid entweder ihrem Kern oder ihrem Überzug zugesetzt wird,
wobei sowohl der Kern als auch der Überzug aus Quarz
hergestellt ist.
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Eine typische Optikfaser weist einen Kern und einen Überzug
auf. Der Überzug hat den Vorteil, daß er in der Lage ist, Licht
effektiv einzuschließen und zu gewährleisten, daß seine
Fortpflanzung frei von dem Einfluß irgendeines äußeren Faktors ist.
Es ist wünschenswert, sowohl eine Infrarotfaser als auch eine
Doppelstruktur zu konstruieren, welche aus einem Kern und einem
Überzug zusammengesetzt ist. Es ist jedoch noch keine
Infrarotfaser mit einer geeigneten Hülle verfügbar gewesen.
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Es gibt zwei Gründe, warum kein geeigneter Überzug zur
Verfügung gestanden hat. Erstens ist es notwendig, eine Hülle aus
einem Material herzustellen, welches einen geringfügig
kleineren Brechungsindex als dasjenige des Kerns aufweist und
Infrarotstrahlung befriedigend übertragen kann. Bisher stand jedoch
ein solches Material nicht zur Verfügung. Zweitens ist es
schwierig, den Kern mit einem Überzugsmaterial zu versehen.
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Normalerweise weist eine kristalline Infrarotfaser nur einen
Kern auf und besitzt keinen besonderen Überzug. Die umgebende
Luft ist ihr Überzug. Es ist eine Faserkonstruktion mit
Luftüberzug, welche keinen "greifbaren" Überzug aufweist. Jedoch
kann Luft als ein guter Überzug angesehen werden, da er
Infrarotstrahlung befriedigend übertragen kann und einen
Brechungsindex aufweist, welcher geringer als derjenige des Kerns ist.
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Es ist jedoch aus der US-A-4504298 eine Infrarotlicht
übertragende Faser bekannt, welche eine innerste
Kristallüberzugsschicht umfaßt. Dieser Stand der Technik beschreibt ein
Verfahren zum Erzeugen einer solchen optischen Faser. Insbesondere
kann die Kristallüberzugsschicht aus einem Metallhalogenid
durch Extrusion oder Ziehen durch einen Farbstoff hergestellt
werden. Wenn es gewünscht wird, kann die optische Faser mit
einer Schutzschicht zum Isolieren und Schützen des Kerns und
des Überzugs gegen externes Licht, Feuchtigkeit usw. und
mechanische Belastungen überzogen werden. Jedoch enthält ein solcher
Prozeß zum Herstellen einer Infrarotlicht übertragenden Faser,
die einen Überzug enthält, viele schwierige Verfahrensschritte,
was die Zeit und Kosten der Herstellung erhöht.
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Aus der EP-A-0089220 ist auch eine kristalline Infrarotfaser
bekannt, welche als Überzug eine Kristallröhre aufweist, die um
die Kristallkernfaser herum extrudiert ist. Die
Überzugskristallröhre hat einen geringeren Brechungsindex als der
Kernkristall und dazwischen existiert eine sehr kleine Lücke. In
diesem Fall muß jedoch die sehr schmale Lücke erreicht werden,
was einen großen Zeitaufwand und Anstrengung während der
Herstellung der Überzugsröhre erfordert, und ein anderer Nachteil
einer solchen Konstruktion besteht darin, daß die äußere
Überzugskristallröhre nicht so widerstandsfähig ist und weitere
Verstärkungsmittel erfordern kann, was zum Zeit und
Kostenaufwand bei der Herstellung noch zusätzlich beiträgt.
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Es ist auch eine Harzmantel-Chalkogenidglasfaser bekannt,
welche einen Teflonüberzug aufweist. Dieser Teflonüberzug
unterscheidet sich jedoch von einem gewöhnlichen Überzug, da er
kein durch einen Kohlendioxidlaser erzeugtes Licht überträgt.
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Bei der kristallinen Optikfaser mit Luftüberzug und der
Harzmantel-Chalkogenidglasoptikfaser haben sich eine Anzahl von
Problemen in Verbindung mit der Übertragung von Licht aus einem
Kohlendioxidlaser mit hoher Ausgangsleistung gezeigt, wie
nachfolgend beschrieben wird.
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Wenn die Faser mit Luftüberzug ein diese halterndes Objekt
berührt, überträgt sie diejenige Energie oder Leistung nicht,
welche sie übertragen kann, wenn sie das halternde Objekt nicht
berührt. Daraus ergibt sich eine drastische Verringerung der
Leistung, welche übertragen werden kann, da Licht aus der Faser
austritt, wo sie mit dem halternden Objekt in Berührung ist.
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Jeder Versuch, eine höhere Lichtleistung zu übertragen, führt
zu einem augenblicklichen Zusammenschmelzen der Faser dort, wo
die Faser das halternde Objekt berührt. Indem an der Stelle, wo
die Faser das halternde Objekt berührt, keine Luft existiert,
wird das Licht nicht wirksam eingeschlossen und tritt aus. Das
austretende Licht erhitzt intensiv das halternde Objekt. Die
Faser wird so intensiv erhitzt, daß sie schmilzt.
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Die Faser mit Luftüberzug ist daher unzuverlässig, insofern sie
Luft als ihren Überzug verwendet. Solche Probleme würden nicht
auftreten, wenn die Faser nicht im Kontakt mit irgendeinem
anderen Objekt wäre. Die Faser muß jedoch irgendwo gehaltert
werden. Das Problem der Wärmeerzeugung durch die halternden
Objekte ist daher schwierig zu vermeiden, wo immer die Faser
auch gehaltert wird.
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Die für ihren Überzug Teflon verwendende Harzmanteloptikfaser
wird während ihrer Transmission von Licht schnell aufgeheizt,
weil ihr Überzug Licht absorbiert. Daher ist es sehr
wahrscheinlich, daß sie zusammenschmilzt.
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Die Gründe der Wärmeerzeugung und des Zusammenschmelzens werden
nun diskutiert. Eine Infrarotfaser für einen Kohlendioxidlaser
ist immer der Gefahr des Zuammenschmelzens ausgesetzt, wenn der
Laser einen leistungsstarken Lichtstrahl erzeugt. Diskutiert
werden daher die möglichen Gründe einer solchen Wärmeerzeugung
und eines solchen Zusammenschmelzens. Es wird angenommen, daß
eine Untersuchung der Verteilung eines elektromagnetischen
Feldes in den Moden, in welchen sich das Licht durch eine
Infrarotfaser fortpflanzt, ein Verständnis der Gründe
herbeiführt.
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Eine der Moden, in welchen sich Licht durch eine Optikfaser
fortpflanzt, ist als die Wellenleitermode bekannt. Entsprechend
dieser Mode wird Licht im Ergebnis seiner Totalreflektion an
Grenzflächen zwischen dem Kern und dem Überzug der Faser
übertragen, wie das in Fig. 8 gezeigt ist. Der Maximalwinkel e der
Reflektion hängt von den Reflexionsindizes des Kerns und des
Überzugs ab.
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Wenn Licht total reflektiert wird, ist es ausgehend vom
Standpunkt der geometrischen Optik zutreffend, daß in dem Überzug
kein Licht existiert. Tatsächlich jedoch erstreckt sich ein
elektromagnetisches Feld auch in den Überzug hinein, wie in
Fig. 9 gezeigt ist. Fig. 9 zeigt die Stärke des elektrischen
Feldes in dem Kern und in dem Überzug.
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Es ist auch möglich, daß Lichtstrahlen während ihres Durchgangs
durch den Kern aus dem einen oder anderen Grunde streuen
können, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Die Streuung von Licht
resultiert in einer Änderung des Winkels der Ausbreitung und
einige Strahlen mit größeren Winkeln pflanzen sich in den
Überzug hinein fort, ohne an der Grenzfläche zwischen dem Kern und
dem Überzug reflektiert zu werden. Fig. 11 zeigt die Verteilung
der elektrischen Feldstärke, die aus einer solchen
Lichtstreuung resultiert. Die Mode, in welcher sich Licht in den
Überzug hinein fortpflanzt, ist als die Strahlungsmode bekannt.
Das Auftreten der Strahlungsmode ist immer wahrscheinlich, wenn
der eine oder andere Faktor, der die Streuung des Lichts
verursacht, in einer Optikfaser existiert, und auch weil die Faser
manchmal gebogen wird.
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So weist das elektromagnetische Feld einen Teil auf, der sich
in den Überzug hinein erstreckt, sogar wenn Licht sich
entsprechend der Wellenleitermode fortpflanzt, und entsprechend
der Strahlungsmode tritt elektromagnetische Strahlung in den
Überzug ein, ohne total reflektiert zu werden.
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Die elektromagnetische Strahlung, welche sich in den
Überzugsbereich einer Optikfaser mit Luftüberzug hinein erstreckt, wird
an einem Objekt absorbiert, welches seinen Kern berührt, um es
zu haltern, und welches ein hohes Absorptionsvermögen für Licht
aufweist. Im Ergebnis wird eine intensive Hitze dort erzeugt,
wo der Kern das halternde Objekt berührt.
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Die elektromagnetische Strahlung, welche sich in den Überzug
aus einer Teflonmantel-Optikfaser hinein fortpflanzt, wird auch
durch den Überzug absorbiert, da Teflon eine hohe
Lichtabsorption aufweist. Die resultierende Wärmeenergie heizt den Überzug
und den Kern intensiv auf.
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Die vorangehende Diskussion lehrt, daß eine Optikfaser zum
Übertragen von Licht eines Kohlendioxidlasers hoher Leistung so
konstruiert sein muß, daß kein elektromagnetisches Feld
außerhalb der Oberfläche der Faser existieren kann.
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Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum
Herstellen einer Infrarotfaser bereitzustellen, welche so
konstruiert ist, daß kein elektromagnetisches Feld außerhalb
ihrer Oberfläche existieren kann, und daher in der Lage ist,
daß von einem Infrarotlaser hoher Leistung, wie z. B. einem
CO&sub2;-Laser, erzeugte Licht, zu übertragen.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein
Verfahren zum Herstellen einer Infrarotlichtübertragungsfaser,
welches die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte
umfaßt.
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Die Infrarotfaser nach dieser Erfindung kann kurz als eine
Optikfaser mit einem Dreifachaufbau beschrieben werden, welche
einen Faserkern und einen Überzug umfaßt, wobei der Überzug
durch eine Doppelkonstruktion gebildet ist, welche aus einem
Film aus einem Infrarot übertragenden Material und einem
Metallfilm zusammengesetzt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Optikfaser
entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung, die die Verteilung der
elektromagnetischen Feldstärke in einer Faser mit einem
AgBr-Kern, der mit Bleifluorid PbF&sub2; überzogen ist,
zeigt.
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Fig. 3 ist eine Kurvendarstellung, die die Verteilung der
elektromagnetischen Feldstärke in einer Faser mit einem
AgBr-Kern, der mit Bleifluorid PbF&sub2; und Gold überzogen
ist, zeigt.
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Faser, welche ein
Ausgangsendteil aufweist, das eine Aluminiumhülle trägt,
so daß seine Temperaturerhöhung bestimmt werden kann.
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Optikfaser,
welche ein Eingangs- und ein Ausgangsendteil aufweist,
wobei beide Teile entsprechend dieser Erfindung
beschichtet sind.
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Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Optikfaser, die
über ihre gesamte Länge entsprechend dieser Erfindung
überzogen ist.
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Fig. 7 ist eine perspektivische Längsschnittansicht eines
anderen Ausführungsbeispiels für diese Erfindung.
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Fig. 8 ist eine auf der geometrischen Optik basierende
Darstellung der Mode, in welcher sich Licht durch eine
Faser fortpflanzt.
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Fig. 9 ist ein Diagramm, welches die Stärke eines elektrischen
Feldes in der Nähe der Grenze zwischen dem Kern und dem
Überzug einer Faser zeigt, wenn sich Licht entsprechend
der Wellenleitermode fortpflanzt.
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Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Streuung von Licht in dem
Kern zeigt.
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Fig. 11 ist eine Diagramm, welches die Stärke eines elektrischen
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Feldes in der Nähe der Grenze zwischen dem Kern und dem
Überzug zeigt, wenn sich Licht entsprechend der
Strahlungsmode fortpflanzt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUEHRUNGSBEISPIELE
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Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Infrarotfaser gemaß
einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Sie umfaßt einen
Kern 1, der aus einem Kristall aus Silberbromid (AgBr) und
einer Zwischenüberzugsschicht 2 aus Bleifluorid (PbF&sub2;), welche
den Kern 1 umgibt, gebildet ist. Die Zwischenüberzugsschicht 2
kann z . B. durch Vakuumbedampfung oder Sputtern gebildet sein.
Sie weist eine Dicke von wenigsten 5 um auf.
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Eine äußere Überzugsschicht 3 aus Gold umgibt die
Zwischenschicht 2. Sie hat eine Dicke von wenigstens 1 um. Sie kann
z. B. wie die Bleifuoridschicht durch Vakuumbedampfen oder
Sputtern gebildet werden.
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Im folgenden wird jede der drei Komponenten beschrieben.
Kern
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Der Kern 1 ist aus einer kristallinen Faser oder Glasfaser
gebildet. Die kristalline Faser ist aus einem
Silberhalogenidkristall, welcher aus AgBr, AgCl oder einer Mischung daraus
zusammengesetzt ist, oder einem Thalliumhalogenidkristall,
welcher aus TlCl, TlI oder TIBr oder einer Mischung daraus
zusammengesetzt ist, hergestellt. Die Glasfaser ist aus
Chalkogenidglas gebildet, welches hauptsächlich aus Ge-S, Ge-Se, As-S
oder As-Se besteht. Alle diese Materialien sind aus dem Stand
der Technik für die Herstellung Infrarotstrahlung übertragender
Optikfasern bekannt.
Film aus einem Infrarotlicht übertragenden Material
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Dieser Film 2 ist ein Dielektrikum und ist entweder ein
Einzelfilm aus Bariumfluorid BaF&sub2; oder Bleifluorid PbF&sub2; oder eine
Kombination aus zwei Filmen aus BaF&sub2; bzw. PbF&sub2;. Dieser Film muß
aus einem Material oder Materialien hergestellt sein, welche
Infrarotstrahlung übertragen können. Ein Harz, wie z. B. Teflon,
kann nicht verwendet werden, da es Infrarotstrahlung nicht
überträgt. Der Film weist vorzugsweise eine Dicke von
wenigstens 5 um auf.
Metallfilm
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Dieser Film 3 ist leitfähig und aus Gold (Au), Silber (Ag) oder
Aluminium (Al) gebildet und weist eine Dicke von wenigstens 1 um
auf.
Funktion
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Im folgenden wird beschrieben, wie diese Erfindung wirkt, um
die Probleme zu lösen, welche bei konventionellen Optikfasern
in Verbindung mit der Übertragung von Licht eines
Kohlendioxidlasers hoher Leistung, wie vorangehend dargelegt wurde,
auftreten. Zum Zwecke der Vereinfachung erfolgt die Beschreibung
unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 gezeigte Faserkonstruktion.
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Die Wellenleitermode und die Strahlungsmode sind die
Lichtfortpflanzungsmoden, in welchen ein elektromagnetisches Feld
einen Teil aufweist, welcher außerhalb des Kerns 1 einer Faser
existiert, wie oben festgestellt wurde. Dieser Teil des
elektromagnetischen Feldes, welcher sich in den Überzug 2 hinein
entsprechend der Wellenleitermode erstreckt, wird geschwächt,
wenn er sich weiter fort vom Kern 1 erstreckt. Es ist
experimentell herausgefunden worden, daß, wenn der Kern 1 mit
Bleifluorid überzogen ist, das elektromagnetische Feld befriedigend
innerhalb des Überzugs 2 geschwächt werden kann, wenn er eine
Dicke von 5 um aufweist. Fig. 2 ist eine grafische Darstellung,
welche zeigt, was eben festgestellt worden ist. In der Fig. 2
bezeichnet die Abszisse oder horizontale Achse die Stärke des
elektromagnetischen Feldes, welches durch die Wellenleitermode
erzeugt wird, und die Ordinate oder vertikale Achse
repräsentiert die radiale Entfernung von der Faser. Es ist zu
entnehmen, daß das elektromagnetische Feld in einer Entfernung von
etwa 5 um von der Grenze zwischen dem Silberbromid-(AgBr)-Kern
1 und dem PbF&sub2;-Überzug 2 vollständig geschwächt ist.
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Die Optikfaser kann abhängig vom Radius ihres Kerns entweder
vom Monomode oder Multimodetyp sein. Die Fasern, welche zum
Übertragen von Licht aus einem Kohlendioxidlaser verwendet
werden, sind oft vom Multimodetyp, da in der Mehrheit der Fälle
ihr Leistungsvermögen genutzt wird. Eine Faser vom Multimodetyp
kann eine große Vielfalt von Wellenleitermoden aufweisen.
Welche Mode sie jedoch auch immer haben kann, das
elektromagnetische Feld wird in dem Überzug 2 mit dem Anwachsen der
Entfernung von der Grenze zwischen dem Kern 1 und dem Überzug 2
geschwächt.
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Wenn nur die Wellenleitermode betrachtet wird, ist es möglich,
das elektromagnetische Feld außerhalb der Faser, wie in Fig. 2
gezeigt ist, zu ignorieren, wenn ihr Überzug 2 eine ausreichend
große Dicke aufweist. Es folgt daher, daß keine unerwünschte
Bildung von Hitze auftreten sollte, sogar wenn ein die Faser
halternder Körper, welcher Licht absorbiert, außerhalb der
Faser angeordnet würde.
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Tatsächlich wird jedoch in unerwünscht hohem Maße Hitze
erzeugt, wo die Faser den halternden Körper berührt, wenn die
Faser nur einen Überzug aus Bleifluorid aufweist, wie in Fig. 2
gezeigt ist. Diese Erzeugung von Wärme ist ein Problem, das
nicht erklärt werden kann, wenn nur die Wellenleitermode in
Betracht gezogen wird. Diese Wärmeerzeugung ist offenbar das
Ergebnis der anderen Mode der Lichtfortpflanzung, d. h. der
Strahlungsmode. Insbesondere ist sie auf das Austreten von
Strahlung aus dem PbF&sub2;-Überzug 2 zurückzuführen. Die
Strahlungsmode ist die Mode, in welcher das elektromagnetische Feld
wenigstens eine Schwingung in dem Überzug aufweist. Sie
ermöglicht es daher der Strahlung, den Überzug 2 zu verlassen.
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Wenn eine lange und gerade Faser, die keinen gegebenen Teil
aufweist, verwendet wird, sollte keine Strahlungsmode in einer
genügend großen Distanz von einer Lichtquelle auftreten.
Tatsächlich jedoch wird oft eine kurze Faser oder eine Faser mit
einem gebogenen Teil zum Übertragen von Licht eines
Kohlendioxidlasers
verwendet. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich,
daß eine Änderung der Mode auftreten kann, wo die Faser ihren
Halterungskörper berührt. So ist es immer wahrscheinlich, daß
die Strahlungsmode auftritt.
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Entsprechend dieser Erfindung ist die Kombination von Fig. 2
aus Kern und Überzug daher ferner mit einer Metallschicht 3
überzogen. Diese Metallschicht ist z. B. aus Gold (Au)
hergestellt. Sie führt zu einem Überzug mit einem
Doppelschichtaufbau und daher insgesamt zu einer Faser entsprechend einem
Dreikomponentenaufbau.
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Fig. 3 zeigt die Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke
entsprechend der Wellenleitermode und Strahlungsmode in einer
optischen Faser mit einem Dreikomponentenaufbau gemäß einem
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
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Es wird auf die Strahlungsmode Bezug genommen, bei der sich
allem Anschein nach Strahlung nach außen von dem Überzug in der
Faser von Fig. 2 erstreckt, wie oben festgestellt wurde, aber
es tritt kein Austreten von Licht aus dem Überzug in der Faser
von Fig. 3 auf. Licht wird an der Grenze zwischen der
Bleifluorid-(PbF&sub2;)-Schicht und der Gold-(Au)-Schicht reflektiert
und davon abgehalten, aus der Goldschicht 3 nach außen
auszutreten. Daher ist die Stärke des elektromagnetischen Feldes an
der Grenze zwischen der Bleifluoridschicht und der Goldschicht
faktisch auf Null reduziert. Für die Goldschicht ist es
erforderlich, daß sie eine Dicke von wenigstens 1 um aufweist, um
die Totalreflektion des Lichts zu bewirken.
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Es wird nun auf die Wellenleitermode Bezug genommen, bei der
das elektromagnetische Feld vollständig durch die
Bleifluoridschicht 2 in der Faser von Fig. 3, wie in der Faser von Fig. 2,
geschwächt ist, und nicht die Goldschicht 3 erreicht. So gibt
es keine Lichtkomponente, die aus der Optikfaser nach der
vorliegenden Erfindung, d. h. aus ihrer Goldschicht 3, austritt.
Entsprechend der Wellenleitermode wird das elektromagnetische
Feld durch die Bleifluoridschicht 1 abgeschnitten und
entsprechend der Strahlungsmode wird es durch die Goldschicht
abgeschnitten.
Versuche
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Versuche wurden durchgeführt, um die vorangehende Beschreibung
nachzuprüfen. Drei unterschiedlich überzogene Infrarotfasern
mit jeweils einem Kern aus AgBr wurden hergestellt und der
Austritt elektromagnetischer Strahlung aus jeder Faser wurde
bestimmt.
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Die drei Fasern waren:
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(A) eine Faser, die nur aus einem AgBr-Kern bestand;
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(B) eine Faser, die aus einem AgBr-Kern und einem PbF&sub2;-Überzug,
der nur ein Ausgangsendteil des Kerns mit einer Länge von
10 cm abdeckte, bestand; und
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(C) eine Faser, die aus einem AgBr-Kern und einer PbF&sub2;-+Au-
Beschichtung, die nur ein Ausgangsendteil des Kerns mit
einer Länge von 10 cm abdeckte, bestand.
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Die Faser B hatte den in der Fig. 2 gezeigten Aufbau und die
Faser C hatte den in der Fig. 3 gezeigten Aufbau. Die
Beschichtung wurde nur auf dem Ausgangsendteil vorgesehen, wo die
Aussicht zur Erzeugung einer besonders großen Wärmemenge bestand.
Natürlich ist es jedoch möglich, die gesamte Länge des Kerns zu
überziehen.
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Drei AgBr-Faserkerne mit jeweils einem Durchmesser von 700 um
und einer Länge von 1 m wurden hergestellt. Einer von diesen
wurde als eine Faser mit einem Luftmantel (Faser A) verwendet.
Eine andere Faser wurde mit einem Film aus PbF&sub2; mit einer
Dicke von 5 um, wie in Fig. 2 gezeigt, beschichtet und nur ein
Kernteil mit einer Länge von 10 cm von seinem Ausgangsende aus
abgedeckt (Faser B). Die letzte Faser C wurde mit einem 5 um
dicken Film aus PbF&sub2; und einem 1 um dicken Film aus Gold, wie
in Fig. 3 gezeigt ist, beschichtet, wobei nur ein Kernteil mit
einer Länge von 10 cm von seinem Ausgangsende an, wie in Fig. 5
gezeigt ist, abgedeckt wurde.
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Eine Aluminiumhülle 6 wurde durch Klebung an dem
Ausgangsendteil jeder Faser, wie in Fig. 4 gezeigt ist, befestigt. Die
Temperatur der Hülle 6 wurde durch ein Thermoelement 7
gemessen.
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Das Licht, welches durch einen Kohlendioxidlaser erzeugt wurde,
wurde durch jede optische Faser geschickt, so daß es eine
Leistung von 20 W an dem Ausgangsende jeder Faser haben würde.
Die Oberfläche von jeder Faser selbst (d. h., die freigelegte
Kernoberfläche in dem Zwischenteil der Faser) hatte eine
Temperatur von 70ºC.
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Die Temperatur der Hülle unterschied sich von Faserart zu
Faserart. Tabelle 1 zeigt die Temperatur, die für die Hülle
jeder Faser gemessen wurde.
TABELLE 1
Hüllentemperaturen gemessen beim Durchtritt
von Licht eines Kohlendioxidlasers durch die Fasern
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Faser Hüllentemperatur
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A Faser mit Luftüberzug, nur aus einem
AbBr-Kern bestehend 180ºC bis 220ºC
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B AgBr-Kern + Bleifluoridbeschichtung
(5 um) 115ºC bis 155ºC
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C AgBr-Kern + Bleifluorid-(5 um)- +
Gold-(1 um)-Beschichtung 70ºC bis 75ºC
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D AgBr-Kern + Bleifluorid-(2 um)- +
Gold- (1 um) -Beschichtung 90ºC bis 95ºC
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(Jede Faser selbst hatte eine Oberflächentemperatur von 70ºC.)
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Im folgenden werden die Ergebnisse der Experimente
zusammengefaßt.
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Es wird zuerst auf die Faser gemäß dieser Erfindung Bezug
genommen, die mit Bleifluorid und Gold beschichtet ist, wie in
Fig. 3 gezeigt ist, deren Hülle an ihrem Ausgangsende eine
Temperatur von 70ºC bis 75ºC aufwies, welche nicht wesentlich von
der Oberflächentemperatur der Faser selbst differierte. Es ist
daher offensichtlich, daß faktisch kein Austritt von Licht aus
der Faser auftrat, ob entsprechend der Wellenleitermode oder
der Strahlungsmode.
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Andererseits wies die Hülle auf der Faser mit Luftüberzug, die
nur aus dem Kern bestand, eine Temperatur auf, welche um etwa
110ºC bis 150ºC höher war als die Oberflächentemperatur der
Faser selbst. Es ist daher offensichtlich, daß eine große
Lichtmenge aus der Faser austrat.
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Die Hülle auf der mit nur Bleifluorid beschichteten Faser hatte
eine Temperatur, welche um etwa 45ºC bis 85ºC höher war als die
Oberflächentemperatur der Faser selbst.
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Was die Faser mit Luftüberzug betrifft, so ist es
offensichtlich, daß Licht sowohl der Wellenleitermode als auch der
Strahlungsmode aus der Faser austrat. Bezüglich der mit nur
Bleifluorid beschichteten Faser ist es offensichtlich, daß Licht
der Strahlungsmode austrat.
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Die andere Faser D mit einer 2 um dicken Bleifluoridschicht
und einer 1 um dicken Goldschicht wurde hergestellt, um eine
Untersuchung der unteren Grenze der Dicke zu ermöglichen,
welche für die Bleifluoridschicht statthaft war. Die Ergebnisse
der an dieser Faser durchgeführten Untersuchungen sind auch in
Tabelle 1 gezeigt.
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Die Hülle auf dieser Faser hatte eine Temperatur, welche um
etwa 20ºC höher als diejenige der Hülle auf der Faser mit einer
Bleifluoridschichtdicke von 5 um war. Dies ist offensichtlich
auf die Tatsache zurückzuführen, daß Strahlung der
Wellenleitermode, die die Oberfläche des AgBr-Kerns verließ, in die
Goldschicht austrat, ohne voll geschwächt zu sein, und
absorbiert wurde, um Wärme zu erzeugen, die zu der höheren
Hüllentemperatur führte.
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Eine Faser mit einer noch geringeren Bleifluoriddicke wurde
hergestellt und in ähnlicher Weise untersucht. Es wurde
herausgefunden, daß eine Verringerung der Dicke der
Bleifluoridschicht Anlaß zu einem starken Anstieg der Hüllentemperatur
gab.
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Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, daß es erforderlich
ist, daß die Bleifluoridschicht eine Dicke von wenigstens 5 um
aufweist. Wenn ihre Dicke kleiner als 5 um ist, führt der
Austritt von Licht entsprechend der Wellenleitermode zur Erzeugung
von Wärme.
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Wie anhand der vorangehenden Beschreibung offensichtlich ist,
kann die Infrarotfaser nach dieser Erfindung den Austritt von
Licht entsprechend der Wellenleitermode verhindern, weil ein
Film aus einem Infrarotlicht übertragenden Material ihren Kern
umgibt, und kann zusätzlich den Austritt von Licht entsprechend
der Strahlungsmode verhindern, weil ein Metallfilm das
Infrarotlicht übertragende Material umgibt.
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Insoweit faktisch kein Austritt von Licht auftritt, wird die
Optikfaser nach dieser Erfindung nicht unerwünscht aufgeheizt.
Daher wird sie selbst durch leistungsstarkes Licht, welches
durch einen Kohlendioxidlaser erzeugt wird, nicht zerstört.
Andere Beispiele
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Die Versuche, welche vorangehend beschrieben worden sind,
wurden an Optikfasern durchgeführt, welche Überzugsschichten 2
und 3 nur auf ihren Ausgangsendteilen aufwiesen.
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Wenn Licht aus einem Kohlendioxidlaser durch eine Optikfaser
übertragen wird, geschieht es nahe ihrem Ausgangsende, daß eine
besonders große Lichtmenge daraus austritt. Es geschieht daher
nahe ihrem Ausgangsende, daß die Faser durch das Licht
besonders aufgeheizt wird, welches sie absorbiert, und daher
zusammenschmilzt.
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Der Eingangsendteil der Faser wird auch bevorzugt aufgeheizt,
aber in geringerem Ausmaß als der Ausgangsendteil. Der
Zwischenteil wird weniger stark aufgeheizt.
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Es geschah aus diesen Gründen, daß in den Beispielen, welche
vorangehend beschrieben worden sind, die Faser mit PbF&sub2; und Au
nur auf ihrem Ausgangsendteil über eine Länge von 10 cm
beschichtet wurde.
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Diese Erfindung jedoch schließt sowohl die Beschichtung des
Eingangsendteils der Faser als auch ihres Ausgangsendteils oder
die Beschichtung der Faser über ihre gesamte Länge nicht aus.
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Figur. 5 zeigt beispielhaft eine Optikfaser mit einer 10 cm
langen Überzugsschicht entlang ihrer jeweiligen Eingangs- und
Ausgangsendteile. Sie weist eine Überzugsschicht nicht nur an
ihrem Ausgangsendteil, sondern auch an ihrem Eingangsendteil
auf.
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Es ist experimentell herausgefunden worden, daß es
wahrscheinlich ist, daß eine besonders große Lichtmenge in einem
Faserabschnitt innerhalb einer Länge von 10 cm jeweils von ihrem
Eingangsende und Ausgangsende austritt. Daher führt das
Vorsehen einer Doppelüberzugsschicht entsprechend dieser Erfindung
nur an jedem solchen Abschnitt zu einer Optikfaser, welche eine
hohe Lichtleistung, ohne leicht aufgeheizt zu werden oder
zusammenzuschmelzen, übertragen kann.
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Die auf nur dem Ausgangsendteil der Faser oder auf ihrem
Eingangs- und Ausgangsendteil vorgesehene Beschichtung ist daher
sehr effektiv bezüglich ihrer Länge. Es ist jedoch vorzuziehen,
die Faser längs ihrer gesamten Länge zu beschichten.
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Fig. 6 zeigt eine Faser mit einer Überzugsschicht entsprechend
dieser Erfindung längs ihrer gesamten Länge. Die Beschichtung
von nicht nur ihrem Eingangs- und Ausgangsendteil, sondern auch
ihres Zwischenteils, ist effektiv wegen der Gründe, welche
nachfolgend dargelegt werden. Eine Optikfaser wird wiederholt
gebogen, wenn sie tatsächlich genutzt wird. Die wiederholte
Biegung der Faser führt zu einer nicht ebenen oder zerstörten
Kernoberfläche. Diese Defekte geben Anlaß zu einem erhöhten
Lichtaustritt.
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Wenn die Faser jedoch vollständig beschichtet ist, gibt es
keinen Lichtaustritt radial nach außen von der Faser, da das
aus dem Kern austretende Licht durch den Überzug
zurückreflektiert wird. Sie wird daher nicht leicht aufgeheizt und schmilzt
daher nicht leicht zusammen. Es ist somit möglich, eine
hochgradig flexible, aber zuverlässige Infrarotfaser zu erhalten.
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Alle Fasern entsprechend Ausführungsbeispielen dieser Erfindung
weisen, soweit beschrieben, eine Schicht aus Bleifluorid PbF&sub2;
und eine Schicht aus Gold Au auf. Dieser Aufbau beschränkt
jedoch nicht den Umfang der Optikfaserbeschichtung entsprechend
dieser Erfindung.
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Wie in der Fig. 7 gezeigt ist, kann eine Kombination aus einem
Film aus Bleifluorid PbF&sub2; und einem Film aus Bariumfluorid BaF&sub2;
anstelle einer einzelnen Schicht aus PbF&sub2; verwendet werden, um
einen Film aus einem Infrarotlicht übertragenden Material zu
bilden. Für die Filme aus PbF&sub2; und BaF&sub2; ist es erforderlich,
daß sie eine Gesamtdicke von wenigstens 5 um aufweisen.
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Silber (Ag), Aluminium (Al) usw. könnten das Gold ersetzen, um
einen Metallfilm zu bilden. Eine Schicht aus Silber oder
Aluminium muß ebenso eine Dicke von wenigstens 1 um aufweisen.
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Eine Optikfaser mit dem vorangehend beschriebenen Aufbau ist
beispielhaft in der Fig. 7 gezeigt.
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Obwohl alle beschriebenen Faserkerne aus AgBr hergestellt sind,
ist dies nicht das einzige Material, das zum Herstellen des
Kerns der Optikfaser nach dieser Erfindung verwendet werden
kann. Es ist möglich, irgendwelche andere Materialien, die nach
dem Stand der Technik zum Herstellen von Optikfasern zur
Übertragung von Infrarotlicht bekannt sind, zu verwenden. Beispiele
für solche Materialien sind:
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(1) ein Thallium-Halogenid-Kristall:
TlCl, TlBr, TlI oder eine Mischung daraus;
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(2) ein Silber-Halogenid-Kristall:
AgBr, AgCl, AgI oder eine Mischung daraus; und
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(3) Chalkogenidglas:
Chalkogenidglas bestehend hauptsächlich aus Ge-S,
Ge-Se, As-S oder As-Se.
Vorteile
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Wenn die Optikfaser nach dieser Erfindung zum Übertragen von
Licht aus einem Laser verwendet wird, tritt kein
elektromagnetisches Feld aus der Oberfläche der Faser nach außen aus. Im
wesentlichen tritt kein Licht aus. Die Faser wird nicht leicht
aufgeheizt und schmilzt daher nicht leicht zusammen.
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Daher besitzt die Optikfaser nach dieser Erfindung einen
besonders großen Wert als eine Faser zum Übertragen von Licht aus
einem Kohlendioxidlaser mit hoher Ausgangsleistung.