WO2020249152A1

WO2020249152A1 - Verfahren zur herstellung lateral licht abstrahlender glasfasern und danach hergestellte glasfasern

Info

Publication number: WO2020249152A1
Application number: PCT/DE2020/000133
Authority: WO
Inventors: Lothar Wondraczek; Jan Schröder
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universität Jena
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-12-17
Also published as: EP3983347A1; DE102019004113A1; US20220388891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung lateral Licht abstrahlender Glasfasern und danach hergestellte Glasfasern. Die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, welches auf standardmäßig verfügbare Glaskomponenten zurückgreift, womit ein kostengünstiges Herstellungsverfahren ermöglicht wird, welches die Herstellung einer lateral abstrahlende Glasfaser, die optisch aktiv in die Faser eingekoppeltes Licht beim Lichtaustritt durch den Fasermantel spektral verschieben, streuen und oder filtern lässt, wird dadurch gelöst, dass zunächst Glasrohre (7) und Glasstäbe (5) gleicher chemischer Zusammensetzung und gleichen optischen Brechungsindex gewählt werden, dann zunächst der Glasstab (5) ganz, oder über Teile seines äußeren Umfangs in flüssiger Phase mit einem optisch aktive Substanzen enthaltenden, verglasbaren Materialgemisch beschichtet wird und der, mit dieser Beschichtung (6) nach deren Trocknung, respektive Verdichtung derart beschichtete Glasstab (5) in das Glasrohr (7) verbracht und beide gemeinsam unter Hitzeeinwirkung zu einer Glasfaser auf bekannte Weise verzogen werden.

Description

Verfahren zur Herstellung lateral Licht abstrahlender Glasfasern und danach hergestellte Glasfasern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung lateral Licht abstrahlender Glasfasern und danach hergestellte Glasfasern. Im

Rahmen vorliegender Erfindung wird unter lateraler Lichtabstrahlung die Streuung elektromagnetischer Strahlung von Licht aus der Mantelfläche einer Glasfaser, respektive die Lichtabgabe durch Fluoreszenz oder Filterung gegenüber des in eine Glasfaser eingekoppelten Lichts verstanden. Das in der Glasfaser geführte Licht wird somit über eine vorgebbare Glasfaserlänge an die die Glasfaser umgebende Medien abgegeben. Derartige lichtemittierende Glasfasern können in vielfältiger Weise, entweder einzeln oder in zu Faserbündeln konfektionierter Form, Verwendung finden, insbesondere zur Behandlung von Fluiden oder zur Bestrahlung von organischem Gewebe, etc.

Optische Glasfasern zur Lichtleitung weisen typischerweise einen hierarchischen Aufbau aus Faserkern und Fasermantel auf, welche sich hauptsächlich in ihrem Brechungsindex n unterscheiden. Wird Licht seitlich in den Faserkern eingestrahlt, wird Licht, das unter einem flachen Winkel a auf die Grenzfläche Faserkern-Fasermantel trifft, durch

Totalreflexion im Kern geführt, vorausgesetzt, der Brechungsindex des Glases im Kern n_Kem ist höher als der des Glases im Fasermantel n _antei· Der Grenzwinkel zur Totalreflexion a_c lässt sich über die Gleichung a_c = arcsin(n_Mantei/nKem) ermitteln. Ziel eines solchen hierarchischen Aufbaus ist es, möglichst viel Lichtintensität möglichst verlustfrei von einer Quelle durch die Faser zum anderen Faserende zu transmittieren.

Verlustprozesse durch Streuung und Absorption innerhalb der

Lichtleitfaser sollen bei derartigen Anwendungen daher weitestgehend vermieden werden.

Derartige konventionelle optische Glasfasern werden aus zylindrischen Glasstäben mit großem Durchmesser (sog.„Preformen“) hergestellt, indem diese Preformen deutlich über den Erweichungspunkt des Glases hinaus erhitzt und zu Fasern verzogen werden. Um das gewünschte Brechungsindexprofil zu realisieren, werden nach bekannten Verfahren (rod in tube) Glasstäbe und Glasrohre unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlichen Brechungsindex zu Preformen zusammengesteckt.

Aufgrund der Unterschiede in der Zusammensetzung der für die Preform verwendeten Gläser, weisen die Fasern nach dem Ziehprozess

thermische Restspannungen auf, die aus den unterschiedlichen

Ausdehnungskoeffizienten der Gläser resultieren.

Für andere Anwendungen, als der reinen Lichtübertragung, wie sie auch in vorliegender Erfindung vorgesehen sind, können Glasfasern derartig modifiziert werden, dass das geführte Licht in der Faser gestreut wird und das Licht die Faser über die Mantelfläche verlässt. Dies kann nach dem bekannten Stand der Technik über lichtstreuende Elemente in der

Glasfaser selbst oder an der Glasfaseroberfläche erreicht werden, oder über Variationen in der Faserkern-Fasermantel-Geometrie (z.B. DE 102016003853 A1 ). Üblicherweise werden hochschmelzende Partikel oder Luftblasen als Streupartikel verwendet. Das über diese Streuzentren gestreute Licht weist im Wesentlichen dieselben spektralen

Eigenschaften, wie das in der Faser geführte Licht auf. Als spektrale Eigenschaft wird hier die Intensitätsverteilung der Lichtfrequenzen vom ultravioletten bis infraroten Spektralbereich verstanden. Ebenso werden die spektralen Eigenschaften bei Verwendung von lichtstreuenden Fasern mit Variationen in der Faserkern-Fasermantel-Geometrie nicht wesentlich verändert.

Für einige Anwendungen, wie das Bestrahlen von organischem Material, sind jedoch Fasern interessant, welche die spektralen Eigenschaften des geführten Lichtes durch den Streuprozess verändern, so dass sich das gestreute Licht spektral wesentlich vom in der Faser geführten Licht unterscheidet. In diesem Fall wird von einer„aktiven“ Streuung

gesprochen. Im Rahmen vorliegender Erfindung sollen darunter auch spektrale Verschiebungen, respektive Filterungen des aus dem Mantel austretenden Lichts gegenüber dem in die Faser eingekoppelten Licht verstanden werden.

In US 6259855 B1 wird über die Verwendung eines lichtabgebenden Mediums auf einer Glasfaser berichtet. Die laterale Lichtabgabe wird dort erreicht, indem die Faser nach der Herstellung mit einem

lichtabgebenden Medium, in dem Streuzentren eingebettet sind, versehen wird. Dies erfordert die nachträgliche Behandlung der mechanisch sensiblen Glasfaser, um die lichtabstrahlenden

Eigenschaften zu erreichen.

In ähnlicher Weise beschreibt US 6091878 A lichtabstrahlende

Polymerfasern mit einer Kern-Mantel-Struktur, bei denen die seitliche Lichtabstrahlung über lichtstreuende Elemente im Mantel realisiert wird.

In US 6535667 B1 wird von Polymerfasern mit Variationen in der Kern- Mantel-Struktur berichtet, welche nach dem Faserauszug über das Eindrücken eines Stempels auf eine seitliche Fläche realisiert werden. Hier ist eine nachträgliche Behandlung der Faser notwendig, um die lichtabstrahlenden Eigenschaften zu erreichen. Weiterhin ist dieses Verfahren bei niedrigeren Temperaturen auf Kunststoffe beschränkt, da die hohe Sprödigkeit von Glas eine solche plastische Deformation nicht zu lässt.

In DE 10 2016 003 853 A1 wird von Glasfasern mit

Durchmesserfluktuationen vorgebbarer Amplitudenhöhen und

Periodenlängen in Glasfasern mit Kern-Mantel-Struktur berichtet. Die Herstellung solcher Fasern ist mit bekannter Technik zur Herstellung von Glasfasern nicht möglich und bedarf Abwandlungen vom üblicherweise verwendeten Faserziehprozess. Derartige Fasern mit

Durchmesserfluktuationen erlauben weiterhin keine wesentliche spektrale Veränderung des gestreuten Lichtes.

In US 8545076 B2 wird über die Verwendung von Strukturen im

Nanometerbereich zur Lichtauskopplung berichtet, welche in einer Glasfaser im Glasfaserkern oder an der Grenzfläche vom Faserkern zum Fasermantel angeordnet sind. Aufgrund der Verwendung von

unterschiedlichem Glasmaterial in Kern und Mantel sowie des

nanostrukturierten Bereiches weist eine solche Faser einen radialen Brechungsindexverlauf auf. Thermische Restspannungen im Glas, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Gläser für Kern und Mantel, können sich jedoch negativ auf die

mechanische Festigkeit und die Abstrahleigenschaften solcher Fasern auswirken [vgl. Wondraczek, L., Mauro, J., Eckert, J., Kühn, U., Horbach, J., Deubener, J., & Rouxel, T. (201 1 ). Advanced Materials, 23(39), 4578- 4586]

In DE 102008009137 A wird von Glasfasern berichtet, die zwischen Kern und Mantel einen Bereich enthalten, in dem lichtstreuende Partikel eingebracht sind. Es ist weiterhin bei dieser Art der Herstellung die

Verwendung eines zusätzlichen Inlay-Rohres erforderlich, in welches zuvor die streuenden Partikel eingebracht sind. Derartige Glasfasern weisen somit ebenfalls einen Mantel mit verändertem Brechungsindex und den damit verbundenen, vorstehend genannten Nachteilen auf.

In US 8620125 B2 wird von Glasfasern berichtet, die spiralförmig angeordnete Poren enthalten, die sich um die Längsachse der Faser winden. Die Poren befinden sich entweder im Faserkern oder in einem Bereich zwischen Kern und Mantel. Derartige Glasfasern weisen ebenfalls einen radial inhomogenen Brechungsindexverlauf auf.

In EP 1319636 A2 ist ein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dessen Hilfe lichtstreuende Elemente während der Faserherstellung in eine Faser eingebracht werden, bevor diese mit einer Polymer-Schutzschicht versehen wird. Eine Ausführungsform sieht beispielsweise das

Einbringen von Streuzentren mit Hilfe fokussierter Laserstrahlung vor.

Lateral lichtabstrahlende Glasfasern können als Beleuchtungselemente verwendet werden, indem diese mit einer Lichtquelle verbunden werden und das Licht seitlich der Faser an die Umgebung abgegeben wird. Das Licht der Lichtquelle kann entweder einseitig oder beidseitig von beiden Faserenden her in die die Faser eingekoppelt werden. Je nach

Beschaffenheit der Lichtquelle und des Abstrahlverhaltens kann eine Beleuchtung von Innenräumen oder Designelementen erzielt werden, bei denen das zu beleuchtende Element räumlich von der Lichtquelle getrennt ist.

In Wondraczek L, Tyystjärvi E, Mendez-Ramos J, Müller FA, Zhang Q. Shifting the Sun: Solar. Adv Sei. 2015;2(12):1500218 wird über die

Verwendung von derartigen lichtabstrahlenden Fasern zur Beleuchtung von Algenreaktoren mit sichtbarem rotem Licht berichtet. Der Vorteil bei der Verwendung von solchen Fasern ist, dass die Faser als lichtemittierendes Element innerhalb eines solchen Algenreaktors nahe an die Algen herangebracht werden kann und ein solche Beleuchtung zu einer deutlich effizienteren Photosynthese führt, als eine konventionelle Beleuchtung.

Für eine solche Anwendung wären lichtemittierende Fasern interessant, die bspw. über aktive Streuzentren die spektralen Eigenschaften des Lichtes ändern, so dass z.B. hauptsächlich rotes Licht aus der

Mantelfläche der Faser gestreut wird. Solche aktiven Streuzentren können z.B. lumineszente oder selektiv streuende Streuzentren sein. Unter selektiver Streuung wird hier verstanden, dass nur ein bestimmter Bereich des elektromagnetischen Spektrums des in die Faser

eingekoppelten Lichts gestreut wird.

Die vorstehend zitierten bekannten Möglichkeiten zur Erzeugung einer lateral lichtabgebenden Glasfaser weisen eine Reihe von Nachteilen auf, welche sie für viele Anwendung ungeeignet erscheinen lassen.

Das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, welche die lichtstreuenden Elemente beinhaltet, auf die Außenfläche der Glasfaser (wie z.B. in US 6259855 B1 berichtet) erfordert einen zusätzlichen technologischen Schritt nach der Faserherstellung, welche den Herstellungsaufwand und die -kosten erhöhen. Zudem kann eine solche Schicht sich negativ auf das Abstrahlverhalten der Glasfaser auswirken, da zusätzliche

Absorptionseffekte die Lichtabgabe, z.B. im infraroten oder ultravioletten Spektralbereich, erschweren oder sogar vollständig verhindern.

Werden zur Herstellung lichtabstrahlender Fasern Gläser mit

unterschiedlichem Brechungsindex verwendet, so weisen die Glasfasern thermische Restspannung, aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnungen der Gläser auf, was sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften sowie die lichtabstrahlenden Eigenschaften auswirken kann.

Das Einbringen von Streuzentren während des Faserzuges erfordert eine wirtschaftlich ungünstig hohe technologische Anpassung des klassischen Herstellungsprozesses.

Werden lichtstreuende Elemente verwendet, die vor der Faserherstellung in die Preform eingebracht werden (wie z.B. in DE 102008009137 A), so können nur lichtstreuende Elemente aus einem Material verwendet werden, welche sich bei der Faserauszugtemperatur nicht zersetzen oder schmelzen. Derartige Materialien erlauben jedoch keine Anpassung der spektralen Eigenschaften des gestreuten Lichtes. Weiterhin müssen diese lichtstreuenden Elemente zuvor in die Preform eingeschmolzen werden. Daher können keine standardmäßig verfügbaren Glasstäbe und Glasrohre für ein solches Verfahren verwendet werden.

Überdies reduzieren derartige Streuzentren, die mechanische

Belastbarkeit der Glasfasern, da es an derartigen Elementen bei mechanischer Beanspruchung zu einer mechanischen

Spannungsüberhöhung kommt.

Ebenso vermindern Blasen, welche als lichtstreuende Elemente nach dem bekannten Stand der Technik eingesetzt werden, die mechanische Belastbarkeit der Glasfasern. Auch erlauben derartige Blasen keine spektrale Anpassung des gestreuten Lichtes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren

anzugeben, welches auf standardmäßig verfügbare Glaskomponenten zurückgreift, womit ein kostengünstiges Herstellungsverfahren

angegeben wird, welches die Herstellung einer lateral abstrahlende Glasfaser ermöglicht, die optisch aktiv in die Faser eingekoppeltes Licht beim Lichtaustritt durch den Fasermantel spektral verschieben, streuen und oder filtern lässt, und die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.

Das Wesen vorliegender Erfindung besteht darin, dass zunächst

Glasrohre und Glasstäbe gleicher chemischer Zusammensetzung und gleichen optischen Brechungsindex gewählt werden, dann zunächst der Glasstab ganz, oder über Teile seines äußeren Umfangs in flüssiger Phase mit einem optisch aktive Substanzen enthaltenden, verglasbaren Materialgemisch beschichtet wird und der, mit dieser Beschichtung nach deren Trocknung, respektive Verdichtung, derart beschichtete Glasstab in das Glasrohr verbracht und beide gemeinsam unter Hitzeeinwirkung zu einer Glasfaser auf bekannte Weise verzogen werden. Die Erfindung erlaubt die Herstellung einer lichtabstrahlenden Glasfaser, bei der die lichtstreuenden Elemente in eine homogene Glasfaser mit einheitlichem Brechungsindexprofil eingebettet sind. Die lichtstreuenden Elemente sind dabei ringförmig über den Faserquerschnitt lokalisiert. Die erfindungsgemäß zum Einsatz gelangenden lichtstreuenden oder die sprektralen Eigenschaften beeinflussenden Substanzen erlauben weiterhin eine spektrale Anpassung des Lichtes, so dass sich die spektralen Eigenschaften des gestreuten und/oder fluoreszierenden o.dgl. Lichtes von den spektralen Eigenschaften des in der Faser geführten Lichtes unterscheiden. Die so hergestellte Glasfaser

unterscheidet sich von bekannten somit dadurch, dass sowohl der Fasermantel als auch der Faserkern aus dem gleichen Material gleichen Brechungsindex bestehen und zwischen Fasermantel und Faserkern eine Schicht mit lichtstreuenden Partikeln und/oder optisch aktiven

Substanzen vorgesehen ist, die optisch aktiv in die Faser eingekoppeltes Licht gegenüber diesem spektral verschieben, streuen und oder filtern, je nach dem, welche Materialien für diese Schicht zum Einsatz gelangen.

Vorliegender Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, dass

lichtstreuende Elemente in eine Glasfaser eingebracht werden können, indem herkömmliche Glasstäbe mit einer glasartigen Schicht versehen werden, welche die lichtstreuenden Elemente enthält. Diese Glasstäbe können anschließend mit einem Glasrohr gleicher Zusammensetzung umhüllt und zu einer Preform zum anschließenden Faserauszug verarbeitet werden. Aus diesen Preformen hergestellte Glasfasern besitzen ein homogenes Brechungsindexprofil, wobei sich die

lichtstreuenden Elemente an der Grenzfläche von Stab und Rohr befinden. Die Beschichtung ist in ihrer chemischen

Grundzusammensetzung der Zusammensetzung von Glasrohr und Glasstab angepasst. Die lichtstreuenden Elemente werden dem zum Einsatz gelangenden Beschichtungsmedium vor dem Beschichten hinzugefügt. Das Beschichtungsmaterial liegt in flüssiger Form vor und die Beschichtung des Glasstabes erfolgt aus der Flüssigphase.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen nachstehende

Ausführungsbeispiele und Figuren dienen. Es zeigen: Fig. 1 a und 1 b ein Beispiel eines Längs- und Querschnittes einer erfindungsgemäßen Glasfaser,

Fig. 2 eine Explosionszeichnung eines beschichteten Glasstabes umgeben von einem umhüllenden Glasrohr und Fig. 3 eine beispielhafte Anwendungsmöglichkeit für lichtstreuende Fasern in einem Algenreaktor.

Ausgangspunkt für die Realisierung vorliegender Erfindung sind zunächst ein Glasrohr 7, sowie ein Glasstab 5, der vom Inneren des Glasrohres 7 aufgenommen werden kann. Sowohl der Glasstab 5 als auch das

Glasrohr 7 sollen aus chemisch identischen Materialien gleichen

Brechungsindex bestehen, wobei bevorzugt Gläser niedrigeren

Schmelzpunktes als bei üblichen für die Lichtleitung verwendeten

Quarzgläsern im Rahmen der Erfindung zum Einsatz gelangen.

Bevorzugt gelangen somit bei vorliegender Erfindung Borosilikatgläser zum Einsatz. Erfindungsgemäß ist weiterhin, dass zunächst der Glasstab 5 aus flüssiger Phase mit einer Beschichtung 6 versehen wird, welche die später in der ausgezogenen Glasfaser optisch aktiv wirkenden

Substanzen, respektive Partikel beinhaltet, die während einer

gesonderten Behandlung der Beschichtung und/oder während des

Faserziehprozesses ggf. eine wunschgemäß einstellbare chemische Umwandlung durch thermische Beaufschlagung erfahren.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung 6 des Glasstabes 5 folgen nachstehend einige spezielle Ausführungsbeispiele:

Eine erste Ausführungsform sieht die Beschichtung eines herkömmlichen Borosilikatglasstabes mit Alkoxiden vor. Dafür wird zunächst eine

Mischung aus Alkoxid-Präkursoren Tetraethylorthosilikat (TEOS) und Triethylborat (TEB) mit dem molaren Verhältnis 0,7:0, 3 hergestellt und mit 5 molaren Anteilen Ethanol verdünnt. Anschließend wird destilliertes Wasser mit geringen Mengen Salpetersäure verdünnt (1 mol Wasser zu 0,001 mol Salpetersäure). Dazu wird pro Mol Wasser etwa 0,01 Mol Silbernitrat hinzugefügt und unter Rühren aufgelöst. Die entstandene Lösung wird nun in 4-facher molarer Menge zu der Alkoxid-Ethanol Mischung gegeben und mindestens 10 Minuten verrührt. Um die

Viskosität zu erhöhen, wird der Lösung etwa 10-20 Volumenprozent Glycerin hinzugefügt. Anschließend wird der Borosilikatglasstab 2 durch Eintauchen in die hergestellte Lösung und Herausziehen mit konstanter Ziehgeschwindigkeit (100 mm/min) beschichtet. Die Beschichtung wird anschließend bei 100 °C für eine halbe Stunde getrocknet und daraufhin für eine weitere halbe Stunde bei 400 °C verdichtet und gehärtet. Der beschichtete Stab 5 wird nun mit einem Borosilikatglasrohr 7 gleicher Zusammensetzung umhüllt und durch verschmelzen in einer

Glasmacherflamme an einem Ende miteinander verschmolzen. Die so entstandene Preform wird in einem an sich bekannten Heizaggregat befestigt, in diesem erwärmt und von einem Fachmann in bekannter Weise zu Glasfasern verzogen. Die Faserziehtemperatur liegt oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases, so dass Rohr und Stab während des Faserzugs zu einer homogenen Glasfaser verschmelzen. Das in der Beschichtung 6 enthaltene Silber wird, aufgrund der erhöhten

Temperatur, zu metallischem Silber reduziert und fällt in Folge dessen zu metallischen Partikeln aus. Die Verwendung anderer metallischer

Nanopartikel liegt im Rahmen der Erfindung. Die Größe der Partikel resultiert aus der Dauer der Wärmebehandlung und ist daher direkt abhängig von den Herstellungsparametern (Preform-Durchmesser d_p, Faserdurchmesser d_f, Vorschubgeschwindigkeit der Preform v_p,

Ziehgeschwindigkeit der Faser v_f, Faserziehtemperatur T). Für die im Rahmen der Erfindung verwendeten Herstellungsparameter liegen die entstehenden metallischen Partikel dann mit einem Durchmesser von einigen 10 nm vor. Diese in der ausgezogenen Faser vorliegenden metallischen Partikel streuen bei ihrem Einsatz im Beispiel von Silber dann selektiv blaues Licht.

Eine zweite Ausführungsform sieht die Beschichtung eines

herkömmlichen Borosilikatglasstabes 5 mit einem Schlicker vor. Zur Schlickerherstellung wird zunächst Borosilikatglas gleicher

Zusammensetzung wie Rohr und Stab in einer Planetenkugelmühle unter Verwendung von Zirkonoxid Mahlkugeln und Mahlbecher trocken aufgemahlen. Das entstandene Glaspulver wird mit

Europiumtrioxid(Eu₂0₃)- oder Samariumtrioxid(Sm₂0₃)-Pulver vermischt, so dass der Gesamtanteil von Eu₂0₃ oder Sm₂0₃ bei 2 mol% liegt. Das Pulvergemisch wird anschließend 60 Minuten unter Verwendung von kleineren (d<2 mm) Mahlkugeln in Wasser nass vermahlen, wobei der Masseanteil von Wasser über 65% liegt. Der so entstandene Schlicker wird anschließend mit geringer Menge niedrig konzentrierter

Salpetersäure angesäuert, um die Sedimentationsneigung zu verringern. Der Schlicker wird anschließend mit einem herkömmlichen Pinsel oder über ein Tauchbeschichtungsverfahren auf den Glasstab aufgetragen. Die Schicht wird nun bei 100 °C für 30 Minuten getrocknet und

anschließend von einem Fachmann in einer Glasmacherflamme (z.B. Acetylen-Sauerstoff-Gemisch) oberflächig stark erhitzt, so dass die Beschichtung 6 verglast und optisch transparent erscheint. Der

beschichtete Stab wird nun, wie vorstehend beschrieben, mit einem Borosilikatglasrohr gleicher Zusammensetzung umhüllt und durch

Verschmelzen in einer Glasmacherflamme an einem Ende miteinander verschmolzen. Die so entstandene Preform wird in einem Heizaggregat befestigt, in diesem erwärmt und von einem Fachmann in bekannter Weise zu Glasfasern verzogen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung eines herkömmlichen Borosilikatglases mit der Kombination eines Alkoxid- Gemisches und eines Schlickers vorgesehen. Dazu wird, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ein Gemisch aus Alkoxid-Präkursoren, Ethanol, Wasser und Salpetersäure hergestellt. Die erhaltene Lösung wird zu 50 Volumenprozent mit dem, wie im zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Schlicker, vermischt. Die Mischung aus Alkoxid-Lösung und Schlicker wird entweder über ein Tauchbeschichtungsverfahren oder mit einem herkömmlichen Pinsel auf den Glasstab aufgetragen und anschließend bei 100 °C für 30 Minuten getrocknet. Die Schicht wird nun bei 400 °C für 30 Minuten verdichtet und daraufhin in einer

Glasmacherflamme von einem Fachmann oberflächig stark erhitzt, um diese zu verglasen. Der beschichtete Stab wird nun mit einem

Borosilikatglasrohr gleicher Zusammensetzung umhüllt und durch verschmelzen in einer Glasmacherflamme an einem Ende miteinander verschmolzen. Die so entstandene Preform wird in einem Heizaggregat befestigt, in diesem erwärmt und von einem Fachmann in bekannter Weise zu Glasfasern verzogen.

Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, neben den vorstehend beschriebenen Beschichtungen des Glasstabes im

Tauchverfahren auch andere Verfahren einzusetzen, wie z.B. eine Sprühbeschichtung etc. Ebenso liegt es ausdrücklich im Rahmen der Erfindung den Beschichtungsvorgang wiederholt durchzuführen, um eine vorgebbar gewünschte Schichtdicke der Beschichtung 6 einzustellen. Liegt danach die Beschichtung 6 samt in ihr enthaltener optisch aktiver Spezies in nichtkristalliner Form vor, kann der Glasstab 5 umgeben vom Glasrohr 7 direkt zur Preform weiterverarbeitet werden. Liegt die

Beschichtung 6 (teil-)kristallin vor, so muss diese zunächst, wie oben an einem Beispiel ausgeführt, zunächst verglast werden, bevor der so behandelte Glasstab 5 in das Glasrohr 7 verbracht wird, um diese

Preform danach zu einer Faser 1 1 auszuziehen.

Die vorstehend beschriebenen einzelnen Herstellungsschritte sollen anhand der anliegenden Figuren verdeutlicht werden:

Fig. 1 a zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen lateral Licht

abstrahlenden Glasfaser im Längsschnitt in ihrem ausgezogenen

Endzustand. Diese Glasfaser besteht aus einem Fasermantel 1 mit dem Brechungsindex n₁ einem Bereich 2, der die lichtstreuenden Elemente enthält und einem Faserkern 3 mit Brechungsindex n₂. Die

Brechungsindices von Faserkern und Fasermantel sind erfindungsgemäß identisch (ni = n₂) gewählt, Faserkern 3 und Fasermantel 1 sind lediglich durch den Bereich 2, welcher die lichtstreuenden Elemente enthält, räumlich voneinander getrennt. Wird Licht 4 seitlich in die Faser unter einem Winkel a eingestrahlt (vgl. Fig. 1 a) und trifft dieses in der Faser auf ein lichtstreuendes Element im Bereich 2, so kann sich die

Ausbreitungsrichtung nach dem Streuvorgang ändern und das Licht verlässt die Faser über die Mantelfläche. Analog zeigt Fig .1 b den

Querschnitt einer erfindungsgemäßen Faser. Der Bereich, der die lichtstreuenden Elemente enthält trennt räumlich Kern- und Mantelglas. Die radiale Lage des Streubereiches ergibt sich aus der

Preformgeometrie (Durchmesser des Kernstabes, Innen- und

Außendurchmesser des Hüllrohres) und befindet sich an der ehemaligen Grenzfläche von Kernstab zu Hüllrohr. Die Dicke des Streubereiches hängt von der Beschichtungsdicke auf dem Kernstab der Preform und des Faserdurchmessers nach der Faserherstellung ab. Alle vorstehend genannten Parameter sind vom Fachmann wunschgemäß beliebig variierbar und an den späteren Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Glasfasern anpassbar.

Fig. 2 zeigt eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Preform aus beschichtetem Glasstab 5 und Glasrohr 7. Der Glasstab 5 wird zuvor mit der Beschichtung 6 versehen, welche nach dem Ziehprozess in dem streuenden Bereich 2 (nach Fig. 1 a) resultiert. Die Streupartikel entstehen dabei entweder während des Ziehprozesses oder werden vorher in die Beschichtungsmatrix eingebracht. Das Glasrohr 7 weist die gleiche Zusammensetzung wie der Glasstab 5 auf und umhüllt Glasstab 5 und die Beschichtung 6 nach dem Faserausziehprozess.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit zum

Anmeldezeitpunkt. Hier sind mehrere, der nach vorstehenden Schritten beschriebene, seitlich emittierender Glasfasern zur Beleuchtung von Algenreaktoren gezeigt. Licht wird dabei von einer Lichtquelle 8 über klassische lichtleitende Fasern 9 im Faserbündel und vereinzelt über ein Verzweigungsglied 10 zu den erfindungsgemäßen seitlich emittierenden Glasfasern 1 1 geleitet. In einem Algenreaktor 12 befindet sich ein flüssiges Medium mit organischem Algenmaterial, welches über

Photosynthese Kohlenstoffdioxid abbaut und Sauerstoff sowie Biomasse erzeugt. Die lichtemittierenden Glasfasern sind ganz oder teilweise in das Algenmaterial enthaltende flüssige Medium 13 eingetaucht. Über die seitliche Lichtauskopplung der erfindungsgemäßen Glasfasern werden die Algen beleuchtet, was eine wesentlich erhöhte Energieeffizienz, verglichen mit einer rein äußerlichen Beleuchtung ohne die Verwendung erfindungsgemäßer seitlich lichtabstrahlender Fasern, erlaubt.

Weitere Verwendungsmöglichkeiten der nach vorliegender Erfindung hergestellten Lichtleitfasern liegen im Rahmen der Erfindung.

Insbesondere auch deren Einsatz im Bereich der Medizin, bspw. zur Lichttherapie.

Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und der

Zeichnungen erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfmdungswesentlich sein. Bezugszeichenliste

1 - Fasermantel

2 - Bereich, der die lichtstreuenden Elemente enthält

3 - Faserkern

4 - eingestrahltes Licht

5 - Glasstab

6 - Beschichtung

7 - Glasrohr

8 - Lichtquelle

9 - klassische lichtleitende Fasern

10 - Verzweigungsglied

11 - seitlich Licht emittierende Glasfasern

12 - Algenreaktor

13 - flüssiges Medium

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung lateral Licht abstrahlender Glasfasern und danach hergestellte Glasfasern unter Verwendung von optisch durchsichtigen Glasröhren, in die Glasstäbe einbringbar sind, welche durch thermisches Aufschmelzen zu Glasfasern verziehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst Glasrohre (7) und Glasstäbe (5) gleicher chemischer Zusammensetzung und gleichen optischen Brechungsindex gewählt werden, dann zunächst der Glasstab (5) ganz, oder über Teile seines äußeren Umfangs in flüssiger Phase mit einem optisch aktive Substanzen enthaltenden, verglasbaren Materialgemisch beschichtet wird und der, mit dieser Beschichtung (6) nach deren Trocknung, respektive Verdichtung derart beschichtete Glasstab (5) in das Glasrohr (7) verbracht und beide gemeinsam unter Hitzeeinwirkung zu einer Glasfaser auf bekannte Weise verzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für das Glasrohr (7) und den Glasstab (5) gegenüber Quarzglas niedriger schmelzende Glassorten gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung (6) eine Gemisch eingesetzt wird, das in seiner chemischen Grundzusammensetzung der Zusammensetzung von Glasrohr (7) und Glasstab (5) angepasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Glasrohr (7) und den Glasstab (5) Borosilikatgläser gewählt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zum Einsatz gelangende Glasstab (5) zunächst mit einer

Beschichtung (6) versehen wird, die im Wesentlichen aus einer Mischung aus Alkoxid-Präkursoren Tetraethylorthosilikat (TEOS) und Triethylborat (TEB), verdünnt mit Ethanol und versetzt mit geringen Mengen Salpetersäure und Silbernitrat hergestellt wird, welche anschließend getrocknet und in einem Temperprozess verdichtet und gehärtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zum Einsatz gelangende Glasstab (5) zunächst mit einem

Schlicker, im Wesentlichen bestehend aus fein vermahlenem Glas gleicher Zusammensetzung wie Glasrohr und Glasstab, vermischt mit Europiumtrioxid(Eu₂0₃)- oder Samariumtrioxid(Sm₂0₃)-Pulver, beschichtet wird, welcher vor Einbringung des damit beschichteten Glasstabes (5) in das Glasrohr (7) getrocknet und verglast wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 , 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Einsatz gelangende Glasstab (5) zunächst mit einem Gemisch eines Alkoxid-Gemisches und eines Schlickers

beschichtet wird, welches vor Einbringung des beschichteten Glasstabes (5) in das Glasrohr (7) durch thermische Behandlung getrocknet, verdichtet und verglast wird.

8. Lateral Licht abstrahlende Glasfaser, hergestellt nach

vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Fasermantel (1 ) als auch der Faserkern (3) aus dem gleichen Material gleichen Brechungsindex bestehen und zwischen

Fasermantel und Faserkern eine Schicht (2) mit lichtstreuenden Partikeln und/oder optisch aktiven Substanzen vorgesehen ist, die optisch aktiv in die Faser eingekoppeltes Licht (4) gegenüber diesem spektral verschieben, streuen und oder filtern, je nach dem, welche Materialien für diese Schicht (2) zum Einsatz gelangen.

9. Lateral Licht abstrahlende Glasfaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) metallische Nanopartikel, insbesondere Silber, enthält.

10. Lateral Licht abstrahlende Glasfaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) im Wesentlichen aus Glas gleicher Grundzusammensetzung, wie der von Glasrohr (7) und Glasstab (5) gefertigt ist, wobei bei ihrer Herstellung eine

Schlickerschicht eingesetzt ist, der Eu₂0₃ oder Sm₂0₃

zugegebenen sind.