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Wissenswertes über Glasfasern
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Quarzfasern leiten das Licht unter vielfacher innerer Totalreflexion über kurze oder lange Distanzen. So kann die eigentliche Messstelle bis zu mehreren hundert Metern vom eigentlichen Analysator entfernt sein. Die ist z.B. in Industriebereichen oder in Ex-Bereichen notwendig.
Welche Typen von Glasfasern gibt es und wann setzt man welche ein?
In der optischen Spektroskopie (UV/VIS und NIR) werden heute in der Regel Quarz-Glasfasern eingesetzt. Die Fasern werden in speziellen Ziehtürmen aus hochreinen Quarzglas - Preforms gezogen. Diese Preforms bestehen aus einem Kern mit höherer Brechzahl und einem umgebenden Mantel mit niedrigerer Brechzahl. Dadurch kommt es in der gezogenen Glasfaser zu der Wellenleitung, die für den Transport des Lichts sorgt. Beim Ziehprozess bleibt diese Struktur in der Glasfaser erhalten.
Der Querschnitt von Einzelfasern liegt in der Regel zwischen 50 µm und 1000 µm. 1000µm-Fasern erfordern sehr große Biegeradien und sind in der Handhabung durchaus kritisch. Sehr kleine Querschnitte werden häufig in Faserbündeln oder speziellen Faseranordnungen eingesetzt. Typische Anwendungen nutzen einzelne Quarzfasern zwischen 100µm und 600µm Kerndurchmesser.
Die sogenannte LOH-Faser (Low OH = (< 2 PPM) hat nur wenige OH-Gruppen. Dieser Fasertyp wird für NIR-Anwendungen benötigt, da ansonsten die Dämpfung der Wasserbande bereits auf kurzen Strecken für die Messung zu hoch wird.
HOH-Fasern (High OH = 600-1000 PPMS) haben entsprechend mehr OH-Gruppen. Die Transmission dieser Fasern ist im UV-Bereich deutlich besser. HOH-Fasern werden daher hauptsächlich für UV/VIS-Anwendungen eingesetzt.
Typische Dämpfungskurve einer HOH-Faser
Typische Dämpfungskurve einer LOH-Faser
Wie lang können Glasfasern sein?
In der Spektroskopie werden Glasfasern bis zu einigen hundert Metern Länge eingesetzt.
Beim heutigen Entwicklungsstand kann das Licht in Quarzfasern mit geringer Dämpfung über mehrere hundert Meter übertragen werden. Eingesetzt wird dies besonders in Prozessanwendungen der NIR-Spektroskopie, um Signale aus Ex-Bereichen zum Analysator zu transportieren oder um zum Beispiel Signale aus Unterwasseranwendungen zu gewinnen.
Bei UV-Anwendungen gibt es heute noch einige Einschränkungen in der Länge der Glasfasern. Die Ursache liegt hauptsächlich in der im UV stark zunehmenden Absorption und Streuung der Quarz-Glasfasern.
Wie stark darf eine Glasfaser gebogen werden?
Eine Faustformel von Glasfaser-Herstellern sagt, dass bei Kurzzeitbelastung der Biegeradius der Fasern das 100-fache des Radius der Glasfaser und bei dauerhafter Verlegung das 600-fache nicht unterschreiten sollte.
Zusammenfassung Glasfasern
Die zur Spektroskopie am besten geeigneten Glasfasern werden aus Quarzglas gefertigt. Es gibt 3 Hauptgruppen, die in Abhängigkeit von der Applikation benutzt werden. Für den UV/VIS-Bereich Fasern mit hohem OH-Anteil (HOH) und für den VIS/NIR-Bereich mit geringen OH-Anteil (LOH). Für das kurzwellige UV (<215nm) verwenden wir spezielle solarisationsresistente Glasfasern (s. S.4) an. Für Anwendungen in rauer Umgebung, wie z.B. im Prozess, werden sie mit Metallschläuchen geschützt und sind auf Wunsch Temperaturresistent bis zu mehreren hundert Grad lieferbar. Wir gehen auf Ihre Wünsche bzgl. Länge, Anordnung und Konfektionierung ein.
Glasfaser mit Silikonschutzschlauch
Glasfaser mit Metallschutzschlauch
Aufbau von Glasfasern
Der Kern der Faser (core)
Im Allgemeinen werden für spektralanalytische Anwendungen Multimode Schrittindex-Quarzfasern benutzt. Mit der Spezifikation der Faser in bspw. 50, 100, 400 µm wird der Durchmesser des Kerns bezeichnet. Dieser kann dann, wie Eingangs beschrieben, aus Quarzglas mit einem hohen bzw. mit einem niedrigen OH-Gehalt bestehen.
Die Umhüllung des Kerns (cladding)
Um den Faserkern wird eine spezielle Umhüllung aufgetragen, die den Lichtleiteffekt erhalten soll. Dazu wird Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als des Kerns verwendet. Für unsere Qualitätsfasern steht hierfür fluoridhaltiges Quarz zur Verfügung.
Die Außenhülle der Faser (buffer)
Um die Faser vor den unterschiedlichsten Umweltbedingungen (Hitze/Kälte, chemische Aggression) oder aber auch vor Kratzern zu schützen wird um Kern und Kernmantel eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht. Dies kann eine PVC-Ummantelung für den Laboreinsatz unter Raumbedingungen sein oder eine spezielle Polyimid-Ummantelung für den Temperaturbereich von –100 bis 400°C. Polyimid ist zudem nicht brennbar. Für extremste Umweltbedingungen bieten wir einen V2A-Schutzschlauch an. Diese Art von Schutzschlauch ist für Temperaturen zwischen – 190 und 400°C geeignet. Für Temperaturen bis 750°C wird eine Goldschicht aufgetragen.
Die numerische Apertur
Als numerische Apertur (NA) des Lichtwellenleiters wird der Sinus des Grenzwinkels definiert. Sie ist also ein Maß dafür, wie groß der maximale Einfallswinkel auf die Stirnfläche sein darf, so dass das Licht im Lichtwellenleiter noch geführt wird.
Strahlen, die unter zu großen Winkeln auf die Stirnfläche der Faser auftreffen, werden im Lichtwellenleiter nicht totalreflektiert, sondern gelangen in den Mantel und unterliegen einer starken Dämpfung. Um diese Mantelmoden zu vermeiden, sollten die auftreffenden Strahlen innerhalb des sogenannten Akzeptanzkegels liegen
Die numerische Apertur ist eine entscheidende Größe bei der Einkopplung von Licht in den Lichtwellenleiter und bei Kopplung von Lichtwellenleitern miteinander. Sie wird durch die Unterschiede zwischen den Brechzahlen von Kern und Mantel beeinflusst.
Typische numerische Aperturen bei den von uns gelieferten Glasfasern sind 0.22 und 0.56.
Darstellung der numerischen Apert
Faseroptische Anschlussmöglichkeiten
Die von uns angebotenen Lichtwellenleiter sind zum Anschluss an Ihr optisches Analysegerät unterschiedlich konfigurierbar. Standardmäßig bieten wir die Glasfasern mit SMA-Steckern an. Sollte Ihr System eine andere Terminierung – bspw. ST oder FC/PC- benötigen können wir dieses gemäß Ihren Angaben berücksichtigen. Teilen Sie uns hierzu Ihre gewünschte Steckerart mit.
Verschiedene faseroptische Anschlüsse
Der Solarisationseffekt
Die folgenden 2 Grafiken zeigen Ihnen die Transmissionskurven einer UV-Glasfaser sowie einer solarisationsresistenten Faser.
Normale 400µm UV-Glasfaser
UV-resistente 100um Glasfaser:
Mehr zu diesem Thema erfahren Sie im Diskussionsforum mit Professor Klein von der Fachhochschule Gießen.
Fasern im Vakuum
In einigen Anwendungen ist es erforderlich, die Fasern durch Vakuum zu führen. Für diesen Fall bieten wir spezielle Fasern welche das Vakuum nicht durch Ausgasungen beeinflussen und spezielle Vakuumdurchführungen bzw. –einkoppelstücken sind ebenfalls bei uns erhältlich.
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