Glasfaseroptik - Möglichkeiten noch lange nicht ausgereizt

Seele aller glasfaseroptischen Bauteile ist die Lichtleitfaser. Sie besteht aus einem hoch-brechenden Glaskern und einem niedrigbrechenden Glasmantel. Das Prinzip der Lichtleitfaser ist einfach: Lichtstrahlen, die an der Stirnseite in die Faser eintreten, werden im Kern durch Totalreflexion an der Grenzfläche Kern/Mantel weitergeleitet, folgen allen Biegungen der Faser und treten am Faserende wieder aus.

Generell unterscheidet man zwischen Quarzfasern zur Datenübertragung und Multikomponentenglasfasern für die Lichtübertragung. In der Lichtleitersensorik kommt meistens die Multikomponentenglasfaser zum Einsatz.

Zu den wichtigsten Kenngrößen einer Glasfaser gehören die Numerische Apertur und die Transmission:

• Die Numerische Apertur einer Lichtleitfaser ist abhängig von den Brechzahlen des Kern- und Mantelglases. Aus diesen beiden Größen ergibt sich ein bestimmter und charakteristischer Grenzwinkel zur optischen Achse der Lichtleitfaser. Alle Lichtstrahlen, die unter einem Winkel, der kleiner als dieser Grenzwinkel ist, auf die senkrecht zur Achse polierte Stirnfläche der Faser einfallen, leitet die Faser weiter. Je größer die Numerische Apertur ist, desto mehr Licht kann die Faser also transportieren.
• Unter Transmission versteht man die optische Durchlässigkeit eines Lichtleiters. Die Verluste in der Faser selbst durch Streulicht (beispielsweise durch Dichteschwankungen und Blasen) sowie durch Absorption (beispielsweise durch Verunreinigungen wie Metall- oder Hydroxydionen) werden als Dämpfung bezeichnet. Weitere Übertragungsverluste entstehen durch die Reflexion der Lichtstrahlen beim Ein- und Auskoppeln.

Fasst man viele Glasfasern zu einem Bündel zusammen, beeinflussen neben den Dämpfungs- und Reflexionsverlusten auch die Faserzwischenräume (¿Zwickel¿) die Transmission. Faserzwischenplätze und der optische Mantel tragen nicht zur Transmission bei. Je höher die Packungsdichte desto größer die Transmission. Der Effekt der Zwickelbildung bei verklebten Lichtleitern kann durch die Heißverschmelztechnik vermieden werden: Durch den Verschmelzprozess werden die einzelnen Fasern weitgehend hexagonal verformt und die Zwickel verschwinden. Somit können auf gleichem optisch wirksamen Querschnitt etwa 15 Prozent mehr Fasern untergebracht werden, wodurch sich die Transmission des Lichtleiters entsprechend erhöht.

Eine breite Auswahl an Fasertypen mit verschiedenen Durchmessern und optischen Eigenschaften ermöglicht die Herstellung faseroptischer Sensoren, die optimal auf die geforderten Eigenschaften und die betreffende Applikation angepasst sind.

Eine einzelne Lichtleitfaser oder ein Lichtleitfaserbündel ist jedoch noch kein fertiges Bauteil. Bei extrudierten Lichtleitern stehen unterschiedliche Kabelmaterialien (Megolon, PVC, TPU) mit verschiedenen mechanischen und chemischen Eigenschaften zur Verfügung.

In der Lichtleitersensorik werden die Faserbündel jedoch meistens in Schutzschläuche (Metall, Metall/PVC, Aluminium/PVC, Metall/Silikon, ...) gehüllt, die entsprechend dem vorgegebenen Anforderungsprofil ausgewählt werden.

Standardmäßig werden für verklebte Lichtleiter Endhülsen aus Neusilber und für heißverschmolzene Lichtleiter Edelstahl-Endhülsen verwendet. Höchste Qualität der Endflächenbearbeitung (Schleifen und Polieren) garantiert minimale Ein- und Auskoppelverluste des Lichts.

Die Anordnung der Lichtleitfasern innerhalb eines Lichtleiters und in den Endhülsen ergibt sich beim Verarbeitungsprozess normalerweise zufällig, sie sind ungemischt. Für bestimmte Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Einzelfasern gezielt anzuordnen (segmentweise, gleichförmig, konzentrisch, ...). Die gleichförmige Anordnung vergleichmäßigt beispielsweise das Intensitätsprofil am Lichtleitereintritt an der Austrittsfläche des Lichtleiters.

Eine wichtige Rolle für den Fertigungsprozess spielt die gewünschte Temperaturbeständigkeit des Lichtleiter-Sensors. Als Daumenregel gilt: Standardverklebte Lichtleiterenden sind bis etwa 120 Grad Celsius beständig, sonderverklebte bis etwa 200 Grad Celsius, heißverschmolzene sind bis rund 350 Grad Celsius an den Endflächen einsatzfähig.

Einsatzmöglichkeiten der Faseroptik nutzen

Anwendungen faseroptischer Sensoren sind breit gestreut und, wie bereits in der Einleitung erwähnt, sicher nicht ausgeschöpft. Die Verwendung faseroptischer Lichtleiter in Verbindung mit den im folgenden beschriebenen Sensoren ermöglicht die räumliche Trennung von Sender und Sendesignalaustritt beziehungsweise Empfänger und Empfangssignaleintritt. Um einen Einblick in das Leistungspotenzial faseroptischer Sensoren zu bekommen, sollen nun einige Anwendungsbeispiele kurz vorgestellt werden:

Funkenerkennung: In Filtereinrichtungen, Silos und Trocknern besteht oft das Risiko von Staubfeuern und -explosionen mit entsprechender Gefährdung von Menschenleben und dem Risiko erheblicher Sachschäden. Lichtleiter sind ein integraler Bestandteil vieler Systeme zur Funkenerkennung. Bei Entstehung eines Funkens überträgt der Lichtleiter das Licht an ein Erkennungsgerät, das seinerseits entsprechende Löscheinrichtungen aktiviert, sodass der Funke automatisch gelöscht wird, ehe ein Brand entstehen kann. Dank der Verschmelztechnologie können Funkenerkennungssysteme auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

Spektroskopie: Unter Spektroskopie versteht man die Untersuchung von Molekülstrukturen und der Moleküldynamik durch Absorption, Transmission und Streuung von Licht. Ein Spektrometer ist ein Instrument, welches das durch eine Probe hindurchdringende oder das von einer Probeabgegebene Licht in seine Wellenlängen zerlegt und anschließend analysiert. Dabei ermöglichen Lichtleiter die räumliche Trennung von Signalquelle, Probe und Signalanalysator. Durch Verwendung mehrarmiger Lichtleiter können viele Einzelproben nahezu gleichzeitig mit nur einem Sender und Empfänger analysiert werden.

Pyrometrie: Pyrometer messen Temperaturen von Körpern und Flüssigkeiten berührungslos. Beispielsweise wird in Flugzeugtriebwerken die Temperatur der Turbinenradschaufeln gemessen, um Materialschäden durch Überhitzung zu vermeiden. Bei dieser Sensorapplikation übertragen glasfaseroptische Lichtleiter die von den Turbinenschaufeln ausgehende Temperaturstrahlung an das Pyrometer.

Die heißverschmolzenen Lichtleiterenden in der Turbine sind bis 350 Grad Celsius temperaturbeständig, wodurch eine zuverlässige Übertragung des Lichts trotz extrem hoher Temperaturen, hohem Drucks, Vibrationen, Beschleunigungs- und chemischer Einflüsse gewährleistet ist.

Optoelektronische Näherungsschalter und Lichtschranken: Ein optoelektronischer Näherungsschalter besteht aus je einem Sender und Empfänger. Der Näherungsschalter detektiert ein Objekt, sobald dieses das ausgesendete Signal aus einer vorher definierten Entfernung zum Empfänger reflektiert. Die Funktionsweise der Lichtschranke ist ähnlich. Sie detektiert ein Objekt, sobald es den Strahlengang zwischen Sender und Empfänger unterbricht. Der Austritt des Sendersignals und der Eintritt des Empfangssignals können dabei räumlich getrennt sein.

Optoelektronische Sensoren kommen zum Einsatz, wo induktive, kapazitive oder mechanische Detektion nicht möglich ist. Sie können in Kombination mit glasfaseroptischen Lichtleitern - ebenso wie die zuvor genannten Anwendungsbeispiele - flexibel an die Anforderungen und Umgebungsbedingungen angepasst werden. Daraus ergeben sich für alle Sensorapplikationen folgende allgemein gültige Vorteile:

• Messung kleinster Objekte
• Messung an schwer zugänglichen Stellen
• Widerstandsfähigkeit gegen widrige Umgebungseinflüsse
• Hohe Temperaturbeständigkeit
• Hohe mechanische Flexibilität
• Vermeidung elektromagnetischer Felder.

Glasfasertechnik kann mehr

Das Leistungsspektrum von Schott reicht von der gemeinsamen Prototypenentwicklung in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden bis hin zur Einführung eines serienreifen Produktes mit maximalen Automatisierungsgrad. Die Einführung der Produkthaftung sowie der Trend zu einem verstärkten Sicherheitsdenken lassen für die Zukunft einen steigenden Bedarf an Optosensoren auf der Basis von Glasfasern erwarten.

Zum Thema

Schott Faseroptik in Mainz gehört zu Opto-Electronics, einem der fünf Hauptgeschäftsfelder des Schott-Konzerns. Rund 900 Mitarbeiter an sechs Standorten in fünf Ländern erzielten im letzten Geschäftsjahr etwa 100 Mio. US-Dollar Umsatz. Automotive, Cold Light Sources, Industrial, Images, Lightning, Medical und Signage sind die wichtigsten Geschäftsfelder. Pro Tag produziert das Mainzer Werk der Schott Faseroptik rund 120.000 Kilometer Glasfasern.

dr

P.S: Weiteres Grundlagenwissen zur Lichtleiter-Technologie vermittelt der Fachaufsatz "Photonen unterwegs" in unserer Mai-Ausgabe, den wir Ihnen als Kopie gerne zusenden. Anruf (06151/380327) genügt!

Links: http://www.schott.com/fiberoptics