Lichtleiter

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Als Lichtleiter oder Lichtleitkabel (LLK) werden transparente Bauteile wie Fasern, Röhren oder Stäbe bezeichnet, die Licht zu Beleuchtungszwecken über kurze oder lange Strecken transportieren. Abzugrenzen ist der Lichtwellenleiter der zur Nachrichtenübertragung dient.[1]

Indirekte Beleuchtung mit optischen Fasern.

Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an der Grenzfläche des Lichtleiters entweder durch Totalreflexion auf Grund eines geringeren Brechungsindex das den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einen der ersten „Lichtleiter“ erfand Philipp Bozzini 1806, bei dem Kerzenlicht über ein Spiegel- und Röhrensystem in Körperhöhlen und Hohlorgane geleitet wurde.[2] Damit schuf er das erste Endoskop.[3] 1870 versuchte John Tyndall, Licht gezielt in und durch einen Wasserstrahl zu leiten. Mitte der 1950er Jahre wurden optische Leiter primär zur Beleuchtung innerer Organe in der Medizintechnik angewandt. Nach der Entwicklung des Lasers wurde es ab Mitte der 1960er möglich, Lichtleiter als Lichtwellenleiter zur Übertragung von Nachrichten einzusetzen.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da die Lichtleiter häufig aus Glasfasern bestehen, werden diese auch inkorrekt als Glasfaserkabel bezeichnet. Sie werden in faseroptischen Sensoren, zu Abbildungs- und Beleuchtungszwecken z. B. in Endoskopen, zum flexiblen Transport von Laserstrahlung, sowie in Beleuchtungsinstallationen oder zur Dekoration. Zu den Lichtleitern gehören auch die teilweise oder ganz auf Kunststoff basierenden Fasern wie die polymeren optischen Fasern für Anzeigen oder zur Hintergrundbeleuchtung (Edge Lit Display), sowie eingeschränkt die Hard Clad Silica Optical Fiber und die Photonische Kristallfasern Photonic-crystal fiber (PCF) oder Hollow-Core-Fasern Microstructure Optical Fiber (MOF), welche eher den Lichtwellenleiter zu zuordnen sind.

Weiterhin dienen so genannte Lichtröhren zur Gebäudebeleuchtung mit natürlichem Sonnenlicht.

Das Mineral Ulexit – in Form parallelfaseriger Bruchstücke – ist ein Beispiel für einen natürlich vorkommenden Lichtleiter.[4]

Faserlaser in Doppelmantelfaser-Aufbau

Hochleistungslaser[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Strahlung von Hochleistungs-Lasern im nahen Infrarot (Einsatz u. a. zur Materialbearbeitung) wird oft in Lichtleitern geführt, um sie besser an den Wirkungsort heranführen zu können. Die verwendeten Lichtleiter sind Multimodefasern (hier muss die Leistungsdichte im Kern der Faser reduziert werden, da dieser sonst zerschmolzen oder zerrissen würde) und es können Leistungen bis zu mehreren Kilowatt in Fasern mit 0,02–1,5 mm Kerndurchmesser nahezu verlustfrei über kurze Distanzen übertragen werden. Um Unfälle zu vermeiden, sind derartige Fasern mit einer Faserbruchüberwachung ausgestattet.

Steckverbindungen derartiger Fasern sind prinzipiell anders aufgebaut als diejenigen der Nachrichtenübertragung: Sie müssen hohe thermische Verlustleistungen aufgrund der Streustrahlung und ggf. Rückreflexionen vertragen. Die Faserendflächen sind plan und ragen frei ohne Einbettung heraus. Teilweise werden sie an einen Kieselglasblock gepresst, um Verunreinigungen der Endflächen zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsflussdichten führen kleinste Verunreinigungen zur Zerstörung. Antireflexbeschichtung der Endflächen ist aus diesem Grund ebenfalls selten möglich. Bis etwa 500 Watt Laserstrahlleistung sind bei SMA-Steckverbindungen möglich, wobei die Faser jedoch nicht bis zum Ende eingebettet ist.

Spleißverbindungen sind auch im Hochleistungsbereich möglich.

Dotierte Fasern (zum Beispiel mit Erbium) können selbst als Laser- oder Licht-Verstärker arbeiten (siehe Faserlaser). Hierzu werden sie optisch mittels Hochleistungs-Diodenlasern gepumpt. Diese Technik findet sowohl in der Nachrichtentechnik als auch im Hochleistungsbereich Verwendung.

In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilte Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.

LED-beleuchtetes Bündel aus optischen Fasern als Deko-Objekt (Endlichtfasern).

Beleuchtung, Anzeige und Dekoration[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auch zu Beleuchtungs-, Abbildungs- und Dekorationszwecken werden Fasern und Faserbündel eingesetzt. So etwa in Mikroskop- oder Endoskoplichtquellen um das Licht einer Halogenglühlampe zum Untersuchungsobjekt zu leiten, oder als Bildleiter in flexiblen Endoskopen. Kunststoff- und Glasfasern werden auch in einer Vielzahl von Lampen und Beleuchtungsinstallationen verwendet, wobei die Fasern nicht nur zum Lichttransport, sondern selbst auch als abstrahlende Elemente benutzt werden. In ihrer klassischen Anwendung dienen sie als sogenannte Endlichtfasern (Beispielhaft: „Sternenhimmel“, wo mehrere Fasern eines Bündels vor der Verteilung mit einer Halogenglühlampe und einem Filterrad beleuchtet werden) und bei Beleuchtungsinstallationen in und an Gebäuden werden sogenannte Seitenlichtfasern verwendet. Dabei handelt es sich um spezielle Kunststofffasern mit gezielt eingebrachten Störungen in der Kern-Mantel-Grenzfläche, was zu einer seitlichen Abstrahlung führt.[5]

Für die genannten Anwendungen kommen ausschließlich Multimodefasern zum Einsatz, da hier ein Singlemode-Betrieb auf Grund der vielen unterschiedlichen und meist gleichzeitig übertragenen Wellenlängen nicht möglich ist.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Siegfried Geckeler: Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung. 3. Auflage, Springer 1990, ISBN 978-3-540-51727-6, S. 2.
  2. Philipp Bozzini: Der Lichtleiter oder Beschreibung einer einfachen Vorrichtung und ihrer Anwendung zur Erleuchtung innerer Höhlen und Zwischenräume des lebenden animalischen Körpers. Weimar 1807; Neudruck Stuttgart 1988 (= Schriftenreihe des Max-Nitze-Museums, 6.2).
  3. Otto Winkelmann: Der Frankfurter Lichtleiter - Neubau nach alten Plänen. Zur Frühgeschichte der Endoskopie. In: Würzburger medizinhistorische Mitteilungen. Band 14, 1996, S. 11–15.
  4. Eintrag zu Ulexit. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Dezember 2016.
  5. W. Daum, J. Krauser und P. E. Zamzow: POF – Optische Polymerfasern für die Datenkommunikation. 1. Auflage. Springer, 2001, ISBN 978-3-540-41501-5, S. 389 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).