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Optische Quarzfasern

Optische Quarzfasern
Materialgruppen:
Glas > Glaswerkstoffe > Faserglas Materialbeschrieb Optische Fasern leiten Licht und übertragen Daten, Töne und Bild durch die Verwendung von Licht- resp. Strahlungsimpulsen anstelle von elektrischen Impulsen. Optische Quarzfasern bestehen aus reinem Siliziumdioxid (SiO2). Sie besitzen einen Kern mit höherer Brechzahl und eine Ummantelung mit niedriger Brechzahl. Fällt Licht genügend flach auf einen solchen Übergang von Glas mit einer höheren Brechzahl zu Glas mit einer niedrigeren Brechzahl, wird das Licht reflektiert und tritt nicht aus der Quarzfaser aus. Das Licht kann innerhalb der Quarzfaser über mehrere Kilometer geleitet werden. Optische Quarzfasern unterscheiden sich von optischen Glasfasern bezüglich des Materials und der Verwendung. Die optischen Quarzfasern besitzen eine hohe chemische Reinheit und somit eine sehr geringe Dämpfung. So ist es möglich, dass ein Abfall der Strahlungsintensität auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes erst nach knapp 20 km eintritt. Optische Quarzfasern sind nicht elektrisch leitend. Des Weiteren besitzen sie eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit. Sie sind allerdings brüchiger als optische Glasfasern gleicher Dimension.
Es gibt verschiedene Typen von optischen Quarzfasern. Bei den Monomode-Quarzfasern hat der Kern einen Durchmesser von 8–10 µm, die Faser insgesamt einen solchen von 125 µm. Bei den Multimode-Quarzfasern hat der Kern einen Durchmesser von 50-200 µm, die gesamte Faser misst 125–380 µm. Zum Vergleich: Ein Haar misst 50–60 µm. Alle optischen Quarzfasern erhalten bei der Herstellung einen Überzug, ein sogenanntes Coating. Ohne diese einige µm dicke Schutzschicht aus Kunststoff oder Metall würden die Fasern bei der geringsten Biegung brechen. Da die Herstellung und Verarbeitung der optischen Quarzfasern eine hohe mechanische Präzision erfordert und kostenintensiv ist, werden sie nur sehr gezielt eingesetzt. Sie kommen vorwiegend in Lichtwellenleitern zum Einsatz, die ultraviolettes oder infrarotes Licht transportieren. So zum Beispiel in der Sensorik und Analytik. Sie finden aber auch, wie die optischen Glasfasern, in der Beleuchtung oder als Bildleiter Verwendung. Hintergrund Etymologie:
Das Wort optisch leitet sich aus dem griechischen Begriff optikós ab und meint das Sehen betreffend. Geschichte:
Die besten optischen Quarzfasern, die man Anfang der 1960er-Jahre herstellen konnte, waren aus geschmolzenem Quarzsand. Ihr Dämpfungskoeffizient war aber immer noch hoch und die Leistung des eingekoppelten Lichts war nach 10 m bis auf einen kaum nachweisbaren Rest verschwunden. Ende der 1960er-Jahre wurde eine vollständig neue Glasart entwickelt. Sie wurde nicht mehr aus Quarzsand geschmolzen, sondern aus hochreinen Gasen gewonnen. Mit solchen Quarzfasern war eine Datenübertragung über 20 km ohne Zwischenverstärkung möglich. Dank Weiterentwicklungen in der Lasertechnik sind heute Verstärkerabstände von 70 bis 150 km möglich.
Auch auf dem Meeresboden sind Glasfaserkabel verlegt. Das TAT-14 (Transatlantisches Telefonkabel) verbindet seit 2001 Nordamerika mit Europa. Das Kabelsystem ist als Ring ausgelegt, 15'000 km lang und hat eine Übertragungskapazität von 640 GBit/s. In Abständen von 50-70 km gibt es Verstärker, die über ein Kupferkabel im Inneren des TAT-Glasfaserkabels mit Strom versorgt werden. Herstellung Fertigung:
Die Herstellung von optischen Quarzfasern erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird durch Abscheiden aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition) die Vorform (Preform) hergestellt. Dazu werden hochreine Gase in ein Rohr aus Quarzglas geleitet und erhitzt. Der dadurch entstehende Niederschlag setzt sich in dünnen Schichten auf der Innenseite des Rohrs ab. Durch ständiges Drehen des Rohrs und Verschieben der Erhitzungszone wird das Rohr Schicht um Schicht von aussen nach innen nahezu gefüllt. Um die notwendigen Brechzahlunterschiede zu erhalten, werden Oxide beigefügt. Anschliessend wird die Vorform auf 2000 °C erhitzt, sodass letzte Hohlräume kollabieren.
Der zweite Schritt ist das Ausziehen der Faser. In einer Faserziehanlage wird das untere Ende der Vorform auf die erforderliche Ziehtemperatur von 1900–2100 °C erwärmt. Die Faser wird nach unten abgezogen, nach Erreichen des gewünschten Durchmessers mit einer schützenden Kunststoff- oder Metallschicht ummantelt und auf eine Trommel aufgespult. Die Faser ist etwa 10'000-mal dünner als die Vorform.
Optische Quarzfasern können wie optische Glasfasern auch aus einem Rohr und einem Stab gezogen werden. Eigenschaften Beständigkeit:

Frostbeständigkeit: beständig
Laugenbeständigkeit: beständig
Säurenbeständigkeit: beständig

Thermische Eigenschaften:

Dauergebrauchstemperatur: -270.00 bis 750.00 °C
Längenausdehnungskoeffizient:
5.5x10-7/K Optische Eigenschaften: Dämpfungskoeffizient:
0.15 bis 3 dB/km Bearbeitung

Oberflächenbearbeitung: polieren, schleifen
Trennen und Subtrahieren: schneiden

Anwendung Anwendungsgebiete:
Datenübertragung, Lasertechnik, Sensorik, Analytik, Beleuchtungstechnik, Bildübertragung Anwendungsbeispiele:
Lichtleiter und Bildleiter in Geräten für Messtechnik, Sensorik, Zahntechnik, Telekommunikation usw. Quellennachweis Weitere Quellen:
Brückner, V. (2011). Elemente optischer Netze. Grundlagen und Praxis der optischen Datenübertragung. Wiesbaden: Vieweg+Teubner.
Eberlein, D. (2007). Lichtwellenleiter-Technik. Renningen: Expert.
Glaser, W. (2001). Von Handy, Glasfaser und Internet. So funktioniert moderne Kommunikation. Braunschweig/Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn
Gustedt, D. & Wiesner, W. (1998). Fiber Optik. Übertragungstechnik. Poing: Franzis'. Material-Archiv-Signatur:
GLA_WER_FAS_4

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