DE3241774C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Lichtübertragungseinheit mit einem transparenten, ihre Eintrittsöffnung verschließenden Stopfen für die Übertragung optischer Energie einer Lichtquelle.
Aus der DE-OS 20 12 100 ist eine derartige rohrförmige Lichtübertragungseinheit bekannt, die einen flexiblen Lichtleiter verwendet, der aus einem flexiblen Schlauch aus thermoplastischem Material besteht, in dem ein transparentes Strömungsmittel enthalten ist, dessen Brechungsindex größer als derjenige des thermoplastischen Materials ist. Nach dem Einfüllen der Flüssigkeit wird der Schlauch an beiden Enden mit einem Stopfen verschlossen.
Ein derartiger Lichtleiter hat jedoch beträchtliche Nachteile. Flüssigkeiten, die in einem derartigen Schlauch verwendet werden sollen, wie z. B. Rizinusöl, absorbieren hindurchtretende Strahlungen in beträchtlichem Maße, so daß die damit erzielbaren Lichtwellenleiterlängen nicht groß sind. Außerdem ist das Abdichten und Füllen der Schläuche hinsichtlich der Herstellung umständlich. Auch bergen derartige Lichtleiter ständig die Gefahr in sich, beschädigt oder undicht zu werden, was ihre Verwendungsmöglichkeiten stark einschränkt.
Wenn daher über längere Strecken Lichtenergie übertragen werden soll, werden bisher hierzu Glasfasern verwendet, beispielsweise aus Quarzglas, weil dieses Material ausgezeichnete Übertragungseigenschaften besitzt. Ihm haftet jedoch der Nachteil an, daß die bekannten Lichtleiter aus Quarzglas sehr kostspielig sind. Insbesondere dann, wenn relativ große Mengen an optischer Energie übertragen werden sollen, d. h., wenn die Lichtleiter einen großen Durchmesser aufweisen, wird das hierzu in großen Mengen erforderliche kostspielige Quarzglas die Kosten eines derartigen Lichtleiters beträchtlich erhöhen.
Aus der DE-OS 14 72 086 ist ein hohler Wellenleiter bekannt, mit welchem kohärente Licht- oder Infrarotwellen, nämlich Laserstrahlen zur Übermittlung von Fernsprech- und Fernsehinformationen, übertragen werden. Bei derartigen Hohlwellenleitern ist es wichtig, daß die kohärente Lichtstrahlung nicht durch unterschiedliche Reflexionen innerhalb des Wellenleiters verschiedene Laufzeiten erhält, was zu Fahnenbildungen am Ausgangssignal führt. Es wird deshalb vorgeschlagen, den Hohlwellenleiter so zu beschichten, daß alle unter einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel auf die Wand des Hohlwellenleiters auftreffenden Strahlen ohne Reflexion von dem Wellenleiter verschluckt werden, so daß als Folge davon nur die unter einem streifenden Einfallswinkel ankommenden Strahlen tatsächlich am Ausgang des Hohlwellenleiters erscheinen. Ein solcher Lichtwellenleiter verschluckt einen Großteil der auftreffenden Energie, so daß eine Lichtenergieübertragung mit hohem Wirkungsgrad nicht möglich ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtübertragungseinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die ökonomisch herstellbar ist und auch über längere Strecken ohne wesentliche Verluste Lichtenergie übertragen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Rohrwand der Lichtübertragungseinheit aus Quarzglas besteht, der Brechungsindex des Stopfens kleiner oder gleich dem Brechungsindex des Quarzglases ist, und der Eintrittsöffnung ein optisches System vorgeschaltet ist, das die einfallenden Lichtstrahlen konvergent macht.
Die erfindungsgemäße Lichtübertragungseinheit ist im Gegensatz zu dem bekannten, quarzglasverwendenden Elementen hohl. Dadurch wird eine beträchtliche Menge Quarzglas eingespart. Der die Eintrittsöffnung verschließende transparente Stopfen fädelt aufgrund seines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brechungsindex das auf das Rohrende fallende Licht in sehr hohem Maße in die Rohrwandung ein. Dieses Einfädeln wird noch verbessert durch das der Eintrittsöffnung vorgeschaltete optische System, mit dessen Hilfe die einfallenden Lichtstrahlen konvergierend dem Stopfen zugeführt werden. Sämtliche der Rohrwandung zugeführten Lichtstrahlen werden aufgrund der guten lichtleitenden Eigenschaften von Quarzglas nahezu verlustfrei durch die Rohrwandung hindurch übertragen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsform einer Lichtübertragungseinheit nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie X-X von Fig. 2,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Modifikation der Konstruktion nach den Fig. 1 und 2,
Fig. 4 und 5 Ansichten je eines Beispiels einer Anordnung, die durch rohrförmige Lichtübertragungseinheiten nach der vorliegenden Erfindung gebildet werden,
Fig. 6 eine Ansicht ener weiteren Ausführungsform einer Anordnung von rohrförmigen Lichtübertragungseinheiten,
Fig. 7 eine Ansicht einer Modifikation der Konstruktion nach Fig. 6,
Fig. 8 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer rohrförmigen Lichtübertragungseinheit nach der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten rohrförmigen Lichtübertragungseinheit nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt die Eintrittsöffnung 10′ des Rohres 10, während Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie X-X von Fig. 1 darstellt.
Das Rohr 10 mit der Rohrwandung 14 ist aus Kiesel- bzw. Quarzglas hergestellt. Die Eintrittsöffnung 10′ des Rohres 10 ist durch einen transparenten Stopfen 36 verschlossen, der aus Kiesel- bzw. Quarzglas mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der gleich dem oder kleiner als der Brechungsindex des Rohres 10 ist. Damit wird erreicht, daß die auf das Rohrende fallenden Lichtstrahlen L möglichst vollständig in die Rohr- oder Seitenwand 14 des Rohres 10 eingefädelt werden.
Weiterhin ist zur Unterstützung dieser Einfädelung der Eintrittsöffnung 10′ ein optisches System (nicht dargestellt), wie etwa eine Linse oder ein Objektiv oder eine ähnliche Einrichtung, vorgeschaltet, welches dafür Sorge trägt, daß das Licht unter einem von 90° verschiedenen Winkel auf den Stopfen 36 fällt, d. h. die einfallenden Lichtstrahlen L konvergent macht.
Durch beide Maßnahmen wird ein außergewöhnlich hoher Anteil des auf das Rohrende fallenden Lichts in die Seitenwand 14 des Rohres 10 eingefädelt und dort aufgrund der guten lichtleitenden Eigenschaften des Quarzglases nahezu verlustfrei weitergeführt. Beim gegenwärtigen Entwicklungsstand ist es leicht, ein Rohr 10 mit einem Außendurchmesser D von 500 Mikron und mit einer Bohrung 12 herzustellen, deren Durchmesser d 400 Mikron beträgt. Die so dimensioierte Bohrung 12 erfordert einen Verbrauch an Quarzglas, der nicht mehr als ungefähr 36% des Bedarfs an Quarzglas für ein massives Rohr mit dem gleichen Durchmesser D beträgt.
In Fig. 3 ist eine Modifikation der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 angedeutet. Wie man erkennen kann, ist das Rohr 10 mit einem modifizierten Stopfen 36′ versehen, der nicht nur das Einlaßende des Rohrs 10 verschließt, son­ dern auch die Stirnfläche 14′ der Seitenwand 14 bedeckt. Diese Anordnung leitet, ähnlich wie die Anordnung nach den Fig. 1 und 2, die konvergierte optische Energie in die Seitenwand 14 des Rohrs 10, das aus Quarz­ glas hergestellt ist.
Nach einer bevorzugten Konstruktion hat das Auslaßende 36 a des Stopfens 36 oder 36′ (siehe die Fig. 1, 2 oder 3) eine flache Form, wie durch eine durchgezogene Linie angedeutet ist, eine konkave Form, wie durch einen strichpunk­ tierte Linie angedeutet ist, oder eine konvexe Form, wie durch eine weitere strichpunktierte Linie angedeutet ist, so daß die Auslaßstrahlen von der Oberfläche 36 a effektiv in die Seitenwand 14 des Rohrs 10 aus Quarzglas geleitet werden können. Dadurch verringert sich die Lichtmenge, die sich durch die Bohrung 12 fortpflanzt, wodurch wiederum die Übertragungsverluste verkleinert werden und sich eine effiziente Übertragung der optischen Energie ergibt.
In den Fig. 4 und 5 ist eine Ausführungsform einer Anordnung dargestellt, die aus rohrförmigen Lichtübertra­ gungseinheiten nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie man erkennen kann, sind mehrere Rohre 10 nach den Fig. 1 , 2 oder 3 an ihren Eintrittsöffnungen 10′ zusammen­ gebündelt. Die Spalte 38, die zwischen benachbarten Rohren 10 übrigbleiben, sind einzeln mit einem Material gefüllt, welches die gleichen optischen Eigenschaften wie die Stopfen 36 oder 36′ hat, d. h., insbesondere mit transparentem Quarz­ glas, dessen Brechungsindex gleich dem oder kleiner als der Brechungsindex der Rohre 10 ist. Jedes Füllmaterial erstreckt sich von dem Einlaßende des Rohrs 10 über eine Länge, gleich der Länge l des Stopfens 36 oder 37. Es läßt sich erkennen, daß die Füllungen aus dem Quarzglas der Anordnung eine breite Lichtempfangsfläche an der Eintritts­ öffnung geben, wodurch die optische Energie hoher Dichte, die durch das Linsensystem konvergiert wird, den Rohren 10 effektiver zugeführt wird. Die Füllungen in den Spalten 38 verhindern auch eine Beschädigung, insbesondere Zer­ splitterung, der Rohr 10 während der maschinellen, ins­ besondere spanabhebenden Bearbeitung des Einlaßendes 10′ des Rohrbündels 10 zu einer flachen Oberfläche. Zusätzlich verhindern die Füllungen, daß kleine Staubpartikel in die Spalten 38 eindringen können.
In Fig. 6 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Rohranordnung dargestellt. Eine rohrförmige Lichtübertra­ gungseinheit 40 hat einen Außendurchmesser D von ungefähr 10 mm und ist mit einer Bohrung ausgebildet, die einen Durchmesser d von ungefähr 8 mm hat; diese Ausführungsform hat also einen wesentlich größeren Durchmesser als das Rohr 10 nach einer der vorherigen Ausführungsformen. Bei dieser Anordnung kann das durch die schmalen Rohre oder die herkömmlichen optischen Fasern 10 geleitete Licht in das Rohr 40 mit großem Durchmesser durch die Seiten­ wand dieses Rohrs eingeführt werden. Damit kann eine große Menge an optischer Energie effektiv durch die Sei­ tenwand des Rohrs 1 übertragen werden, das aus Quarzglas hergestellt ist. Die Rohre oder optischen Fasern 10 sind an dem äußeren Umfang desRohrs 40 durch ein Anschlußele­ ment 42 befestigt, das aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex hergestellt ist, der gleich dem oder kleiner als der Brechungsindex des Rohrs 40 ist. Bei Bedarf kann der äußere Umfang des Anschlußelementes 42 mit einer dünnen, reflektierenden Schicht bedeckt sein, um zu verhindern, daß das durch das Anschlußelement 42 eingeführte Licht nach außen austritt.
Eine modifizierte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 6 ist in Fig. 7 angedeutet. Wie man erkennen kann, sind die kleineren Rohre oder optischen Fasern 10 direkt mit dem äußeren Umfang des größeren Rohrs 40 verbunden, und zwar mittels eines optischen Klebstoffs oder eines ähnli­ chen Materials. Diese Anordnung ist in bezug auf die Fähig­ keit, eine große Menge an optischer Energie in die Seiten­ wand eines größeren, aus Quarzglas hergestellten Rohrs 40 zu leiten, vergleichbar mit der Ausführungsform nach Fig. 6, so daß die optische Energie effizient übertragen werden kann.
Obwohl das größere Rohr 40 über seine gesamte Länge von dem Einlaßende 40′ zu dem Auslaßende 40′′ einen gleich­ mäßigen Durchmesser haben kann, ist es als Alternative hierzu auch möglich, ein Auslaßende 40′′ vorzusehen, welches sich konisch, also kegel­ förmig erweitert, wie man in Fig. 8 erkennen kann. Gemäß Fig. 8 werden die Lichtstrahlen, die durch ein Linsensy­ stem konvergiert werden, effektiv durch das Einlaßende 40′ in das Rohr 40 eingeführt und dann fortschreitend durch die Seitenwand des Rohrs 40 aus Quarzglas konvergiert. Schließlich wird das konvergierte Licht mit hoher Energie­ dichte von dem konisch zulaufenden Auslaßende 40′′ nach außen abgestrahlt. Das konische Auslaßende 40′′ des Rohrs 40 kann durch einen Stopfen 36′′′ verschlossen werden, des­ sen Brechungsindex gleich dem oder kleiner als der Brechungs­ index des Rohrs 40 ist. Der Stopfen 36′′′ leitet das durch die Bohrung 12′ verlaufende Licht in die Seitenwand des Rohrs 40. Der Brechungsindex des Stopfens 36′′′ kann so aus­ gewählt werden, daß er größer als der Brechungsindex des Rohrs 40 ist, um das durch die Seitenwand des Rohrs 40 übertragene Licht zu dem Stopfen 36′′′ zu leiten.

Claims (6)

1. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit mit einem transparenten, ihre Eintrittsöffnung verschließenden Stopfen für die Übertragung optischer Energie einer Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwand (14) aus Quarzglas besteht, der Brechungsindex des Stopfens (36, 36′, 36′′) kleiner oder gleich dem Brechungsindex des Quarzglases ist, und der Eintrittsöffnung (10′, 40′) ein optisches System vorgeschaltet ist, das die einfallenden Lichtstrahlen (L) konvergent macht.
2. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtaustrittsöffnung (40′′) einen kleineren Durchmesser als die Lichteintrittsöffnung (40′) aufweist.
3. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtübertragungseinheiten (10) zu einem Lichtübertragungsbündel zusammengefaßt sind.
4. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (38) zwischen den einzelnen Lichtübertragungseinheiten (10) auf der Lichteintrittsseite des Bündels mit transparentem Material ausgefüllt sind.
5. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material den gleichen Brechungsindex wie die transparenten Stopfen (36, 36′, 36′′) aufweist.
6. Rohrförmige Lichtübertragungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Lichtleiter in die Rohrwand (14) zur direkten Einkopplung von Licht in die Rohrwand münden.
DE19823241774 1981-11-14 1982-11-11 Einrichtung zur sammlung und uebermittlung von optischer energie unter verwendung von rohrfoermigen lichtuebertragungselementen Granted DE3241774A1 (de)

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