Optische Glasfasern

Report
Optische Glasfasern
Vortrag von
Karin Jeremias
&
Maria Joss
Inhalt
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Geschichte, Herstellung und Theorie
Berechnung
Einsatzgebiete von optischen Glasfasern
Diskussion: Nutzen von Glasfasern im Alltag
Demonstration (Endoskop)
Fragen
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Geschichte der Glasfaser
• 18. Jahrhundert: Glasbläser stellen Engelshaare her
• 1930 Anmeldung Patent durch Hermann Schuller
Quelle: www.vitaswing.com/chemtrails/fallout.htm
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Geschichte der Glasfaser
• 1934 Patent für ein optisches Telefonsystem
(Technische Verwirklichung erst 25 Jahre
später)
• 1966 Kao von der Universität in Hong Kong
entdeckt, dass Glasfasern Licht und Daten
leiten
• 1970 Erfindung des CCD-Chips durch Boyle
und Smith
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Herstellung: Preform
• Quarzglas (SiO2; n=1.44) rotiert
auf Glasdrehbank
• Gasbrenner erhitzt Glas auf ca.
1600 °C
• Gasgemisch wird in Kern
geleitet (Chloride)
Quelle: www.landinst.com/.../products/main/VDT-lathe.jpg
• Durch Ablagerung der Chloride
entsteht anderer Index in Faser
(bis zu 100 mögliche
Schichtvariationen)
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Quelle: www.fiberoptics4sale.com/wordpress/wp-content
Herstellung: Ziehen der Glasfasern
• Preform hat bereits gewünschtes
Brechzahlprofil
• Ziehen der Faser aus Preform (hohe
Geschwindigkeit)
• Länge Faser: 1km bis 10 km
Dicke Faser: 1mm bis 120 Mikrometer
• Bevor Faser auf Trommel aufgewickelt
wird, erhält sie eine schützende
Kunststoffschicht (primary coating)
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Theorie
• Prinzip, das Licht durch
Faser führt: Totalreflexion
Akzeptanzwinkel θ:
Kern (core, nK)
Luft (n0) n
α =Grenzwinkel
• Grenzwinkel α:
nM < nK !!
θ=Akzeptanzwinkel
Glasmantel (cladding, nM)
Beschichtung
(primary coating)
• Numerische Apertur:
Akzeptanzwinkel:
Winkel, der eine Totalreflexion zwischen Kern
und Mantel garantiert.
Numerisch Apertur (AN):
Beschreibt Zusammenhang von Brechzahl des
Kerns zu Brechzahl des Glasmantels.
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Berechnung
Lichtleiter:
Alle durch die Stirnfläche einer
Lichtfaser eintretenden Strahlen
sollen im Lichtleiter durch
Totalreflexion fortgeleitet werden.
Welche Brechzahl n muss die
Lichtleiterfaser mindestens haben?
Tipp: Brechungsgesetz an
Stirnfläche anwenden. Für ε1 90°
einsetzen (alle Strahlen sollen
erfasst werden)
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Berechnung: Lösungsweg
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Einsatzgebiete optischer Glasfasern
Datenübertragung: FTTH (Fiber To The Home)
Quelle: eidgenössische Kommunikationskommission ComCom
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Einsatzgebiete optischer Glasfasern
Dekoration und
Kunst: Beton wird
lichtdurchlässig
Medizin: Endoskop
George Smith und William Boyle
mit CCD-Sensor (1969-70)
Quelle:
www.lmkgmbh.de/images/stories/Mittweida
/endoskopische_untersuchung.jpg
Quelle: LitraCon GmbH, Achen Deutschland
Quelle: www.prophoto-online.de/fototechnik/DreiMeister-des-Lichts-DigitalfotografienobelpreisQwuerdig/
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Einsatzgebiete optischer Glasfasern
Meister des Lichts: Charles Kuen Kao
„Wenn Kao nicht entdeckt hätte, dass man Glasfasern zur
Übertragung von Licht und damit von Daten nutzen kann,
gäbe es die heutige Telekommunikation nicht.“ Godehard Wald,
Ingenieur für
Nachrichtentechnik
Quelle: www.prophoto-online.de/fototechnik/Drei-Meister-des-LichtsDigitalfotografie-nobelpreisQwuerdig
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Diskussion: Glasfasern im Alltag
Datenübertragung
• Geschwindigkeit abhängig von Anzahl Signal/Faser
(in der Schweiz max. 1 GB/Sekunde)
• Störungsfreie Übertragung
• >140 Glasfasern pro Kabel
• keine engen Radien (Lichtverlust)
• Polymer-optische Fasern lösen Glasfasern ab
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Diskussion: Glasfasern im Alltag
Medizin
• Medizin nutzt hohes Auflösungsvermögen von
Glasfasern (42 000 Pixel)
• Endoskopische Lichtleiter bestehen aus 42 000
Glasfasern
• Faserdurchmesser: 7-10 Mikrometer (ca. tausendmal
dünner als Haar!)
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Demonstration Endoskop
• Zahlreiche medizinische Einsatzgebiete von Endoskopen
(Wirbelsäulenchirurgie, Urologie, Darmspiegelungen
etc.)
Quelle: www.gastropraxis-bamberg.de
Quellen: www.treierendoskopie.com und www.richard-wolf.com
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Fragen
[email protected]
[email protected]
Link zu Glasfaserherstellungsfilm:
http://www.youtube.com/watch?v=hPNi4ksz8Jk&hl=de
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