Optische Glasfasern: Eigenschaften, Anwendungen, Herstellung
Verwendete Glasarten
Es gibt verschiedene Glasarten, die in der Glasfaser verwendet werden:
- Hochreines Quarzglas: Dieses Glas bietet eine außergewöhnliche optische Klarheit und geringe Dämpfung. Es hat eine numerische Apertur von etwa 0,2. Daher eignet es sich besonders für Anwendungen wie die Telekommunikation.
- Dotiertes Quarzglas: Im Vergleich zum hochreinen Quarzglas erhöht es den Brechungsindex für spezielle Anwendungen. Die numerische Apertur liegt normalerweise zwischen 0,37 und 0,39. Typische Anwendungen sind faseroptische Messsysteme.
- Mehrkomponentenglas wie Borosilikatglas: Dieser Typ hat die höchste numerische Apertur der drei Arten. Lichtleiter aus Mehrkomponentenglas bieten einen Akzeptanzwinkel von bis zu 120 Grad, während Bildleiter Akzeptanzwinkel von bis zu 180 Grad und eine numerische Apertur von 1 erreichen können. Es ist an spezifische Leistungs- und Kostenanforderungen anpassbar und wird hauptsächlich für Beleuchtungs- und Bildgebungsanwendungen verwendet.
Eigenschaften und Nutzung von Glasfasern
Glasfasern zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen aus. Sie sind unempfindlich gegenüber chemischen Substanzen, extremen Temperaturen (sowohl Hitze als auch Kälte) sowie mechanischem Druck. Ein weiterer Vorteil: Glasfasern verursachen keine elektrischen Störungen. Dank dieser besonderen Eigenschaften eignen sich Glasfasern ideal für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen. Sie ermöglichen es beispielsweise, elektronische Komponenten wie Lichtquellen, Sensoren oder Kameras vom eigentlichen Einsatzort zu entkoppeln – und so zuverlässige und effiziente Systeme zu realisieren.Wie funktionieren Glasfasern?
Funktionsweise von Faseroptik
Kern- und Mantelglas
Lichtübertragung
Lichtleiter übertragen Licht von einem Ende zum anderen. Bei Lichtleitern von SCHOTT kann die Anordnung der Fasern randomisiert erfolgen, um eine besonders homogene Ausleuchtung zu erzielen.
Bildübertragung
Bildleiter ermöglichen die Übertragung von Bildern über große Distanzen. Dabei können sie das Bild vergrößern, verkleinern oder invertieren. Jede einzelne Faser kann als einzelner Bildpunkt (Pixel) betrachtet werden – daher ist die präzise Anordnung der Fasern entscheidend.
Singlemode- vs. Multimode-Fasern
Singlemode-Faser
Singlemode-Fasern haben einen kleinen Kern (< 10 μm) und einen großen Mantel. Dadurch wird nur ein Lichtstrahl übertragen, was zu geringen Verlusten und minimaler Streuung führt. Diese Fasern werden in der Regel für die Datenübertragung über große Entfernungen bevorzugt.
Multimode-Faser
Multimode-Fasern haben einen großen Kern (> 10 μm) und einen kleineren Mantel. Der große Kern ermöglicht es, dass Lichtstrahlen in verschiedenen Winkeln unterhalb des kritischen Winkels durch die Faser wandern. Dadurch eignen sie sich besonders gut für Beleuchtungs- und Bildgebungsanwendungen.
Haupteigenschaften und Vorteile von optischen Glasfasern
Dank ihrer technischen Eigenschaften bieten Glasfasern zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Materialien. Das macht Glasfasern in modernen technologischen Anwendungen unverzichtbar.
Warum sind Glasfasern flexibel?
Durch Erhitzen lassen sich Glasstäbe zu dünnen Fasern ziehen – die so dünn sein können wie ein menschliches Haar. Die Geschwindigkeit des Ziehprozesses bestimmt die Faserdicke und damit die Flexibilität: Je kleiner der Faserdurchmesser, desto kleiner der Biegeradius. Insofern sind Fasern aus Spezialglas noch biegsamer und flexibler als Polymerfasern.
Der Breaking-Loop-Test dient der Prüfung der Flexibilität von Glasfasern. Dazu wird eine flexible Glasfaser in eine Schlaufe gelegt, die fester gezogen wird, bis die Faser bricht. Dieser Test zeigt, dass beispielsweise Glasfasern mit einem Durchmesser von 50 μm einem Biegeradius von etwa 5 mm standhalten.
Arten von faseroptischen Leitern
Optische Glasfasern lassen sich zu flexiblen oder starren Produkten verarbeiten, die üblicherweise als Leiter oder Kabel bezeichnet werden. Flexible faseroptische Lichtleiter sind in der Regel länger als starre Varianten und kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn das Prüfziel schwer zugänglich ist – etwa um eine Ecke oder in engen Räumen liegt. In solchen Fällen ist ein hohes Maß an Flexibilität und Bewegungsfreiheit erforderlich, wie es beispielsweise bei der Verwendung flexibler Endoskope der Fall ist.
Starre Licht- oder Bildleiter bestehen aus Bündeln verschmolzener Fasern. Typische Beleuchtungsanwendungen sind Lichtleiter für zahnmedizinische Geräte oder starre Endoskope. In der Bildgebung dienen sie zur Herstellung verschiedenster Taper und Faceplates, die Bilder von einer Eingangsfläche zu einer Ausgabefläche übertragen – dabei können die Bilder vergrößert, verkleinert oder invertiert werden. Ein typisches Beispiel aus der Medizintechnik ist der Einsatz von Faceplates beim Röntgen. Darüber hinaus sind auch Hybridvarianten erhältlich, die Eigenschaften beider Bauformen kombinieren.
Glasfaserkabel: Wie sie hergestellt werden
Faserziehen
Präzise Bündelung und Extrusion
a) Bündelung
Mehrere Primärbündel werden zu einem finalen Faserbündel zusammengeführt, wobei die Faseranordnung in flexiblen Bündeln in der Regel beliebig ist. Für bestimmte Anwendungen kann es erforderlich sein, die Fasern in einem randomisierten Muster (Lichtleiter) oder einem spezifischen Muster (Bildleiter) anzuordnen.
b) Extrusion
Das finale Faserbündel kann in einem Extruder mit Polymer ummantelt werden, was häufig als Kabel bezeichnet wird. In den nachfolgenden Montageprozessen werden Faserbündel und Kabel nach Kundenwunsch zugeschnitten und mit Endhülsen versehen.
Bearbeitung der Enden
Neu Ziehen und Umformen
Schleifen und Polieren
Qualitätsprüfung
Warum werden Fasern aus Glas hergestellt?
Glasfasern vs. Polymerfasern
Beide Materialien haben ihre spezifischen Einsatzbereiche, doch Glasfasern sind bei anspruchsvollen Anwendungen klar im Vorteil. Sie bieten eine geringere Dämpfung und eine deutlich bessere Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen als Polymerfasern.
1. Überragende Lichtleistung
Optische Glasfasern, die sowohl für flexible als auch starre Lichtleiter verwendet werden, zeichnen sich durch eine sehr hohe Lichttransmission aus. Der hohe Farbwiedergabeindex von Glas sorgt dafür, dass die Wellenlänge des Lichts beim Ein- und Austritt aus der Faser kaum verändert wird. Zudem verfügen Glasfasern über eine numerische Apertur von bis zu 1, was bedeutet, dass sie besonders viel Licht aufnehmen und größere Flächen mit kleineren Faserbündeln ausleuchten können. Im Vergleich dazu sind Polymerfasern aufgrund ihrer Materialeigenschaften auf eine maximale numerische Apertur von 0,5 beschränkt.
2. Stärke und Flexibilität
Glasfasern vereinen hohe Festigkeit mit bemerkenswerter Flexibilität, insbesondere wenn sie auf sehr geringe Durchmesser reduziert werden. Diese Kombination ermöglicht die Herstellung von Fasern mit einem Durchmesser von nur 30 μm , was enge Biegeradien erlaubt. Polymerfasern hingegen haben typischerweise einen Durchmesser von 500 μm oder mehr, oft sogar über 1 mm. In der Bildgebung können einzelne Glasfasern auf nur 4 μm reduziert werden, was eine hohe Pixelauflösung und detailreiche, klare Bilder ermöglicht.
3. Thermische Stabilität
Glas behält seine Stabilität auch bei Temperaturen von bis zu 350 °C bei. Dadurch eignen sich flexible und starre Lichtleiter hervorragend für Prozesse mit hohen Temperaturen, etwa beim Autoklavieren, bei der Sterilisation in der Medizintechnik oder in aggressiven Industrieumgebungen. Polymerfasern hingegen halten in der Regel nur Temperaturen bis etwa 80 °C stand und sind daher für solche Anwendungen ungeeignet.
4. Design-Flexibilität
Dank ihrer extrem geringen Durchmesser lassen sich Glasfasern in großer Zahl zu kompakten Bündeln zusammenfassen, was komplexe Geometrien auf kleinem Raum ermöglicht. Diese Bündel können Licht effizient von einer einzigen Quelle an mehrere Zielorte verteilen. Durch das Mischen von rotem, grünem und blauem LED-Licht lässt sich homogenes weißes Licht erzeugen. Die höhere Anzahl an Glasfasern in einem Bündel sorgt zudem für eine gleichmäßigere Lichtverteilung im Vergleich zu den dickeren Polymerfasern.
5. Chemische Beständigkeit
Glas weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und bleibt inert, selbst wenn es mit Reinigungsmitteln, Säuren, Basen, Lösungsmitteln oder Klebstoffen in Kontakt kommt. Dadurch sind Glaskomponenten besonders langlebig und leicht zu reinigen. Im Gegensatz dazu können Polymermaterialien mit verschiedenen Chemikalien reagieren und dadurch beschädigt werden.Anwendungen von Glasfasern
Warum SCHOTT?
Mit über 130 Jahren Erfahrung ist SCHOTT der weltweit führende Experte für optisches Glas. Unser Wissen, unsere Innovation und unsere Liebe zum Detail stellen sicher, dass wir Sie bei der Suche nach der richtigen Lösung unterstützen, unabhängig von Ihrer Branche und Ihren Anforderungen.
