DE3751454T2

DE3751454T2 - Optische Hochleistungsfaser.

Info

Publication number: DE3751454T2
Application number: DE3751454T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Takahashi; Noriyuki Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1986-01-18
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2007-01-17
Also published as: EP0426203B1; EP0234233A2; EP0234233B1; EP0426203A2; DE3778181D1; IL81287A0; DE3751454D1; EP0426203A3; CA1298111C; EP0234233A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser zum Übertragen von Infrarotlicht mit geringem Verlust.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lichtleitfaser für infrarote Strahlen mit hoher mechanischer Festigkeit und geringen Übertragungsverlusten.
Kohlenstoffdioxid-Laserlicht ist für verschiedene Zwecke auf den Gebieten der industriellen Verarbeitung und Medizin verwendet worden, da es hohe Leistung erzeugen kann.
Das CO&sub2;-Laserlicht ist zu einem Gegenstand durch eine Kombination aus Spiegeln oder ähnlichem geführt worden, um zu verhindern, daß die Lichtleistung abgeschwächt wird. Jedoch sind Drehspiegel unbequem handzuhaben und schwierig zu verwenden. Der Wunsch hat zugenommen, eine flexible Lichtleitfaser als eine Übertragungsleitung für den CO&sub2;-Laser zu verwenden. Jedoch können Lichtleitfasern, wie Quarzglasfasern nicht zum Übertragen von Kohlenstoffdioxid-Laserlicht verwendet werden, weil die Wellenlänge des Lichts einen großen Wert von 10,6 um hat.
Kürzlich sind Lichtleitfasern zum Übertragen von Infrarotlicht mit geringem Verlust entwickelt worden. Solche Infrarotlichtleitfasern werden grob in zwei Gruppen von Kristallfasern und Glasfasern unterteilt. Die Gruppe der Kristallfasern schließt jene ein, die hergestellt sind aus Thalliumhalogeniden (beispielsweise TlBr, TlI, TlCl und deren Mischkristalle), jene, die hergestellt sind aus Alkalihalogeniden (beispielsweise CsI, CsBr, KBr), und jene, die hergestellt sind aus Silberhalogeniden (beispielsweise AgBr, AgI, AgCl und Mischkristalle davon). Die Gruppe der Glasfasern schließt jene ein, die hergestellt sind aus Chalcogen-Glas, das hauptsächlich Ge-S, Ge-Se, As-S oder Ar- Se enthält.
Quarzglasfasern für sichtbares Licht oder nahes Infrarotlicht haben die Eigenschaft geringen Verlustes und sind leicht und bequem mit großer Länge herzustellen. Jedoch haben die obengenannten Lichtleitfasern für Infrarot, die CO&sub2;-Laserlicht übertragen können, nachteilig eine große Absorptionseigenschaft und sind verglichen mit den Quarzglasfasern schwer mit kleinem Durchmesser und großer Länge herzustellen.
Weil CO&sub2;-Laserlicht wegen seiner Lichtleistung verwendet wird und weil es in vielen Fällen unnötig ist, die Lichtleistung über eine lange Strecke zu übertragen, können flexible Lichtleitfasern für Infrarot sogar nützlich sein, wenn sie eine geringe Länge haben. Selbst wenn die Fasern ungefähr einen Meter Länge haben, sind die Lichtleitfasern nützlich.
Kohlenstoffdioxid-Laserlicht hat eine größere Lichtleistung verglichen mit anderem Laserlicht und schwingt fortlaufend. Demgemäß ist die absolute Menge an Leistung, die durch die Faser läuft, sehr groß. Demgemäß besteht ein Problem darin, daß die Faser intensiv erwärmt und beschädigt wird, selbst wenn eine geringe Absorption bei der Faser auftritt.
In dem Fall einer Quarzglaslichtleitfaser oder ähnlichem zum Leiten von sichtbarem Licht oder nahem infraroten Licht weist die Lichtleitfaser im allgemeinen eine doppelte Struktur aus einem stark brechenden Kern und einer geringbrechenden Hülle auf, die um den Kern herumgebildet ist.
Wenn der Unterschied des Brechungsindex zwischen der Hülle und dem Kern sehr groß ist, werden unerwünschterweise viele Lichtmoden fortgepflanzt. Der Vorteil von Lichtleitfasern aus Quarzglas besteht darin, daß der Fortpflanzungszustand nicht durch äußere Bedingungen wegen des Vorhandenseins der Umhüllung gestört wird. In dem Fall von Lichtleitfasern für Infrarot ist es schwierig, ein einem Kernmaterial entsprechendes, richtiges Umhüllungsmaterial zu erhalten.
Obgleich es oben beschrieben worden ist, daß Kristallichtleitfasern, die aus Thalliumhalogenid, Alkalihalogenid oder Silberhalogenid hergestellt sind, als Lichtleitfasern für Infrarotstrahlen entwickelt worden sind, besitzen die meisten dieser Kristallfasern eine einzige Struktur aus einem Kern, der aus einem solchen Material gebildet ist. Mit anderen Worten besitzen die meisten dieser Kristallfasern keine Umhüllung, sondern nur die Luft wirkt als eine Umhüllung.
Fig. 1 zeigt eine solche Faser, die lediglich einen Kern 1 aufweist. Da davon ausgegangen wird, daß Luft eine Umhüllung bildet, wird eine solche Struktur häufig als eine "Luftumhüllungsstruktur" bezeichnet. Das heißt, die Luft bildet eine Umhüllung mit einem Brechungsindex von 1.
In dieser Zeichnung ist der Silberbromidkern 1 (Brechungsindex: 2,2) von Luft (Brechungsindex: 1) umgeben. Da die Luft wirksam Infrarotlicht überträgt und einen geringen Brechungsindex hat, wirkt die Luft als eine Umhüllung.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Infrarotmaterial mit einem geringeren Brechungsindex als das Kernmaterial alternativ als eine Umhüllung 2 verwendet worden.
Bei diesem Beispiel ist der Kern 1 aus Silberbromid (AgBr) hergestellt. Sein Brechungsindex ist 2,2 in bezug auf Kohlenstoffdioxid-Laserlicht. Die Umhüllung 2 ist aus Silberchlorid (AgCl) hergestellt. Sein Brechungsindex ist 1,98 in bezug auf dasselbe Licht. Der Ausdruck "Brechungsindex", der in dieser Beschreibung verwendet wird, bedeutet einen Brechungsindex in bezug auf die Wellenlänge des Kohlenstoffdioxid-Laserlichts. Ferner ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ein Kunststoff 4 als eine Umhüllung, um den Kern zu beschichten, zum Leiten von Infrarotlicht verwendet worden. Bei diesem Beispiel ist der Kern 1 aus Silberbromid (AgBr, Brechungsindex: 2,2) hergestellt, und der Umhüllungskunststoff 4 ist aus Polyethylen (Brechungsindex: 1,92) hergestellt. Sein Brechungsindex ist 2,2 in bezug auf Kohlenstoffdioxid-Laserlicht. Der unterschiedliche Punkt gegenüber Fig. 2 ist, daß Polyethylen (ein Kunstharz) nicht ausreichend Infrarotlicht überträgt. Das heißt, Polyethylen ist ein stark absorbierendes Material. Andere Kunststoffe sind auch verwendet worden, um Polyethylen zu ersetzen.
Jedoch treten ernsthafte Schwierigkeiten auf, wenn die oben beschriebenen Lichtleitfasern verwendet werden, um Kohlenstoffdioxid-Laserlicht hoher Leistung zu übertragen. Die Faser, die eine Luftumhüllungsstruktur aufweist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, oder die eine doppelte Struktur aus einem AgBr-Kern 1 und einer AgCl-Umhüllung 2 aufweist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, hat die folgenden Nachteile. Wenn diese Faser nicht mit irgendeiner Halterung in Berührung ist, kann diese Faser Licht relativ hoher Leistung übertragen. Wenn jedoch die Faser von einer bestimmten Halterung gehalten wird, wird die Menge an Leistung, die übertragen werden kann, stark verringert. Wenn eine größere Leistung übertragen wird, wird die Faser an dem Abschnitt, der die Halterung berührt, erhitzt und sofort geschmolzen.
Weil die Faser stets bei der praktischen Verwendung gehalten gehalten werden sollte, ist die Faser stets in Berührung mit einer gewissen Halterung. Demgemäß kann die Faser Licht hoher Leistung nicht übertragen, um das Schmelzen an dem Berührungsabschnitt zu vermeiden. In bezug auf die Faser, die eine doppelte Struktur aus einem AgBr-Kern 1 und einer Polyethylenumhüllung 4 aufweist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Polyethylenumhüllung 4 schnell durch das Laserlicht erhitzt, so daß sie geschmolzen wird. Dann wird der Faserkern geschmolzen, so daß die Faser geschmolzen wird.
Demgemäß kann die Fa ser nur Licht sehr geringer Leistung selbst dann übertragen, wenn die Faser nicht mit der Halterung in Berührung ist.
Der Grund für solche Schwierigkeiten kann aus der Betrachtung der Lichtleitfaser in bezug auf die Verteilung des elektromagnetischen Feldes in der Mode einer sich fortpflanzenden Lichtwelle abgeschätzt werden.
Eine Lichtmode in der optischen Faser ist die Lichtmode, die sich aufgrund der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern und der Umhüllung innerhalb der Faser fortpflanzt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn dagegen θ zwischen der Lichtquelle und der Grenzfläche nicht größer als der kritische Winkel ist, wird Licht total reflektiert.
Obgleich kein elektromagnetisches Feld in dem Umhüllungsbereich im Hinblick auf die geometrische Optik vorhanden sein kann, kann es darin vorhanden sein, wenn die Wellenoptik berücksichtigt wird. Selbst in dem Fall, wo Licht vollständig reflektiert wird, läuft ein elektromagnetisches Feld praktisch in den Umhüllungsbereich aus, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Das Auslaufen selbst bewirkt keinen Energieverlust. Die Mode des in dem Kern geleiteten Lichts, das ausläuft, wird als eine geleitete Mode bezeichnet.
Sonst werden, wenn Lichtstrahlen innerhalb des Kerns durch einen gewissen Faktor an Lichtstreuung gestreut werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, Lichtkomponenten, die verschiedene Fortpflanzungsrichtungen θ aufweisen, erzeugt. Wegen der Fortpflanzungsrichtung θ überschreitet ein Teil des Lichts den kritischen Winkel, das Licht wird nicht vollständig reflektiert, sondern gelangt teilweise durch die Kern/Umhüllungsgrenzfläche in Richtung zu der Umhüllung. Dieser Zustand ist in Fig. 7 gezeigt.
Die Mode des Lichts, die in Richtung zu der Umhüllung geht, wird eine Strahlungsmode genannt. Da wenigstens eine Spitze bei der Umhüllung vorhanden ist, wird Leistung zu der Umhüllung bewegt, wonach die Leistung dem Kern entweicht.
Wie es oben beschrieben worden ist, gibt es ein elektromagnetisches Feld, das in den Umhüllungsbereich (bei der geleiteten Mode) ausläuft und eine elektromagnetische Welle, die sich zu dem Umhüllungsbereich fortpflanzt, wobei von dem Zustand der Totalreflexion (in der Strahlungsmode) abgewichen wird.
In dem Fall der Luftumhüllungsstruktur der Fig. 1 werden das elektromagnetische Feld und die elektromagnetische Welle von einer gewissen Halterung absorbiert, die ein starkes Lichtabsorptionsvermögen hat, so daß dadurch Wärme erzeugt wird. Somit wird die Faser schnell geschmolzen.
In dem Fall der Polyethylenumhüllungsstruktur der Fig. 3 wird das elektromagnetische Feld von der Polyethylenschicht absorbiert, die ein großes Lichtabsorptionsvermögen hat, und wird in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch das Erhitzen und Schmelzen der Faser hervorgerufen wird.
In dem Fall des AgBr-Kerns und der AgCl-Umhüllung der Fig. 2 kann das Auslaufen des elektromagnetischen Feldes in die AgCl- Umhüllung unberücksichtigt gelassen werden. Jedoch gibt es ein Auslaufen des elektromagnetischen Feldes zu der Oberfläche der AgCl-Umhüllung. Ferner entweicht eine elektromagnetische Welle von der Oberfläche der Umhüllung (Strahlungsmode). Diese werden durch ein Halteteil absorbiert, das mit der Oberfläche der Umhüllung in Berührung steht, und werden in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch Hitze erzeugt wird. Somit wird die Faser geschmolzen.
Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt man, daß drei Arten von Lichtleitfasern für Infrarot, die unterschiedliche Umhüllungsstrukturen aufweisen, wie es in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, zum Übertragen von starkem Kohlenstoffdioxid-Laserlicht nicht zufriedenstellend sind.
Bei der oben beschriebenen Untersuchung ist es wesentlich, daß Lichtleitfasern zum Übertragen von Kohlenstoffdioxid-Laserlicht hoher Leistung eine Struktur aufweisen, die vollständig das "Lecken" eines elektromagnetischen Feldes von der Oberfläche der Faser unterbindet.
Die Lichtleitfasern ohne Umhüllung sind nachteilig dahingehend, daß der Zustand der Lichtübertragung von Oberflächenzuständen der Fasern beeinflußt werden kann, da der Kern der Fasern unmittelbar freiliegt.
Um den Nachteil einer mit Kunststoff beschichteten Luftumhüllungsfaser auszuschließen, ist vorgeschlagen worden, daß die Lichtleitfasern für Infrarot mit einer Metallschicht beschichtet werden, um dadurch die Lichtleitfasern zu schützen und das Lecken oder Streuen von Infrarotlicht aus der Oberfläche heraus zu verhindern.
Beispielsweise ist eine solche Lichtleitfaser für Infrarot, die mit einer Metallschicht beschichtet ist, in der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 132301/56 (am 26. Oktober 1981 offengelegt) vorgeschlagen worden. Dort ist die äußere Oberfläche des Kerns der Lichtleitfaser durch Vakuumdampfabscheidung mit Gold beschichtet. Da Gold, das ein hohes Reflexionsvermögen für Infrarotlicht hat, durch Verdampfen abgeschieden worden ist, wird Infrarotlicht von Gold reflektiert, so daß es nicht hinauslecken kann.
Es ist jedoch bei Gold schwierig, daß es gleichförmig auf der äußeren Oberfläche einer Faser mit kleinem Durchmesser durch Verdampfen abgeschieden wird. Demgemäß kann die Faser mit Gold nicht bis zu einer ausreichenden Dicke beschichtet werden, damit nicht verschwenderisch viel Gold verbraucht wird. Man nimmt an, daß die Dicke in der Größenordnung von 1 bis 10 um begrenzt ist, und daß die Dicke in vielen Fällen ungefähr 1 um ist. Es gibt einen Nachteil dahingehend, daß es unmöglich ist, vollständig starkes CO&sub2;-Laserlicht wegen der unzureichenden Dicke zu reflektieren, um es dadurch innerhalb der Faser einzuschließen.
Man nimmt an, daß eine äußere Goldschicht, die eine Dicke von ungefähr 10 um hat, das Einschließen des Infrarotlichts erhöht.
Wenn die Dicke des Goldes erhöht wird, um den Nachteil auszuschließen, wird viel Gold benötigt, so daß die Faser teuer wird. Da ferner ein Teil des Lichts nicht von dem Gold reflektiert wird und von dem Gold absorbiert wird, wird die Goldschicht stark erwärmt. Demgemäß kann die Faser kein starkes Licht übertragen. Eine solche Goldschicht sollte nicht als Umhüllung bezeichnet werden. Der Ausdruck "Umhüllung" sollte für Material verwendet werden, das dem Kern ähnlich ist, durch den Licht gut übertragen werden kann und welches Material kein Licht absorbiert.
Ein Verfahren zum Bilden einer Reflexionsschicht aus Metall auf der äußeren Oberfläche einer Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen, die aus Glas hergestellt ist, ist in der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 13411/57 vorgeschlagen worden. Beispiele des bei dem Verfahren verwendeten Glasmaterials schließen Fluoridglas, Chalcogen-Glas und Glas ein, das Elemente wie Se und Te enthält. Diese Art Materialien sollten als ein Glas ohne Kristallisation gebildet werden. Es ist deshalb notwendig, die Schmelze schnell abzukühlen.
Das vorgeschlagene Verfahren umfaßt die Schritte, die Schmelze in ein Metallrohr mit kleinem Durchmesser einzusaugen, das Rohr mit der Schmelze zu füllen und die Schmelze in flüssigem Stickstoff schnell zu kühlen. Die Innenwand des Metallrohrs mit kleinem Durchmesser wird im voraus mit Gold durch Verdampfen beschichtet, um dadurch das Reflexionsvermögen des Metallrohrs für Licht größer als dasjenige des ursprünglichen Metallrohrs zu machen.
Somit verfestigt sich das Material als ein Glas in dem Metallrohr, das zu einer Glasfaser gebildet wird.
Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht auf irgendeine Faser mit Ausnahme einer Glasfaser anwendbar. Ferner hat das vorgeschlagene Verfahren den Nachteil, daß der durch das Verfahren hergestellten Faser Flexibilität fehlt, weil die Schmelze in ein steifes Metallrohr gesaugt wird. Das Metallrohr, das bei einem Beispiel verwendet wird, das in dem Vorschlag beschrieben wird, hat einen Außendurchmesser von 1 mm und einen Innendurchmesser von 0,4 mm. Die Metallschicht nimmt eine große Dicke von 300 um an. Demgemäß wird davon ausgegangen, daß die Absorption durch die Metallschicht sehr groß wird.
US-A-4139262 offenbart ein Filter, das mehrere, zylindrische Schichten aus Materialien mit abwechselnd hohem und niederem Brechungsindex umfaßt und das mit einem lichtabsorbierenden Material mit einer äußeren Diffusionsoberfläche umgeben ist, die durch Verdampfen über eine kurze, axiale Länge einer Glasfaser abgeschieden ist, um Licht, das durch die genannte Faser hindurchgeht, zu polarisieren oder spektral zu filtern.
Es ist die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine Lichtleitfaser zu schaffen, die vollständig Licht innerhalb eines Kerns ohne Lecken des elektromagnetischen Feldes aus der Oberfläche der Lichtleitfaser heraus einschließen kann, die nicht an einem Abschnitt der Lichtleitfaser geschmolzen wird, der mit einem Teil zum Halten der optischen Faser in Berührung steht, selbst wenn Kohlenstoffdioxid-Laserlicht hoher Leistung durch die Lichtleitfaser hindurchgeschickt wird, die eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtenumhüllung hat, die ausreichend fest gegenüber äußerer, mechanischer Kraft ist, so daß die Faser nicht durch Reibung verletzt wird, und so daß der Einschließeffekt für Infrarotlicht der Mehrschichtumhüllung nicht beeinträchtigt wird, wobei die Lichtleitfaser eine Struktur aufweist, das Lecken von Lichtenergie nach außerhalb des Umfangs der Lichtleitfaser auszuschließen, die es möglich macht, erhöhte Lichtleistung zu übertragen und die wirksam daran gehindert werden kann, daß sie an den Anschlußbefestigungsabschnitten beschädigt wird.
Die genannte Zielsetzung wird durch eine Lichtleitfaser erreicht, die umfaßt einen Lichtleitfaserkern; und eine Lichtleitfaserumhüllung, die die Außenumfangsoberfläche des genannten Kerns wenigstens an den Endabschnitten des Kerns bedeckt; wobei die genannte Umhüllung wenigstens ein Schichtungspaar umfaßt, das aus einer ersten Schicht aus einem ersten Material und einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material mit vorgegebenen Dicken und unterschiedlichen Brechungsindizes besteht, die übereinander geschichtet sind, wobei eine Anzahl n geschichteter Schichtungspaare an den genannten Endabschnitten des genannten Kerns vorhanden sind, und eine Anzahl m geschichteter Schichtungspaare den genannten Kern an einem Zwischenabschnitt zwischen den genannten Endabschnitten bedeckt und n > m ≥ 0 gilt.
Die Umhüllung kann nur an den Enden verwendet werden oder die Umhüllung in dem mittleren Abschnitt kann aus weniger Schichten gebildet sein. Eine Metallschicht kann bei der Umhüllung angewendet werden. Eine Kunststoffschicht kann bei der Umhüllung oder der Metallschicht angewendet werden.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Infrarotfaser zeigt, die keine Umhüllung hat (oder mit anderen Worten eine Luftumhüllung hat).
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Infrarotfaser, bei der eine AgCl-Umhüllung auf einem AgBr-Kern vorgesehen ist.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Infrarotfaser, bei der eine Polyethylenumhüllung auf einem AgBr-Kern vorgesehen ist.
Fig. 4 ist eine Darstellung in geometrischer Optik, wobei der Weg des vollständig an einer Kern/Umhüllungs-Grenzschicht reflektierten Lichts gezeigt ist.
Fig. 5 ist eine Ansicht, die zeigt, daß eine elektrische Feldkomponente, die in die Umhüllung ausläuft, sogar bei der geleiteten Mode vorhanden ist.
Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern, daß der Zustand der Totalreflexion häufig durch Streuung in dem Kern entfernt wird.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die elektrische Feldintensität des Lichts in der Strahlungsmode zeigt.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Lichtleitfaser, die einen abwechelnd geschichteten Mehrschichtfilm (N=1) gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht der optischen Faser, die einen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Lichtleitfaser, bei der der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm nur an dem Eintritts- oder Austrittsendabschnitt vorgesehen ist.
Fig. 11 ist eine Ansicht zum Erläutern des Weges der Lichtstrahlen in dem abwechselnd geschichteten Nehrschichtfilm.
Fig. 12 ist eine Ansicht zum Erläutern der Koordinaten und Parameter in bezug auf den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm.
Fig. 13 ist eine graphische Ansicht zum Erläutern der Anzahl von Lichtwellen, die in dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm abgeschwächt werden, und der Dicke des Mehrschichtfilms.
Fig. 14(a) ist eine Ansicht, zum Erläutern der Monoschichtreflexion, und Fig. 14(b) ist eine Ansicht zum Erläutern einer Dreischichtreflexion.
Fig. 15 ist eine graphische Ansicht zum Erläutern eines bevorzugten Dickenbereiches bei dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm. Die Abszissenachse zeigt die Dicke A (um) des Films I (na, PbF&sub2;), und die Ordinatenachse zeigt die Dicke B (um) des Films II (nb, Ge). Der Parameter ist ein schräger Winkel θa. Der doppelt schraffierte Bereich Ψ zeigt eine optimale Fläche.
Fig. 16 ist ein Querschnitt, der die Faser zeigt, die mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm (N=1) gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.
Fig. 17 ist ein Querschnitt, der die Faser zeigt, die mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.
Fig. 18 ist eine perspektivische Ansicht einer Lichtleitfaser, bei der der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm nur an dem Eintritts- oder Austrittsendabschnitt vorgesehen ist.
Fig. 19 ist ein Diagramm zum Erläutern eines bevorzugten Dikkenbereiches des abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilms, wobei die Abszisse und die Ordinate die Filmdicke (um) des Films I (na, PbF&sub2;) und die Filmdicke (um) des Films II (nb, AgBr) darstellen, wobei ein Parameter ein schräger Winkel in der Schicht I ist und das Bezugs- Zeichen ψ einen bevorzugten Bereich bezeichnet.
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung, die das Meßergebnis der Menge an Licht zeigt, das von einer Seite des Kerns in dem Fall leckt, wo der Lichtleitfaserkern Kohlenstoffdioxid-Laserlicht von einem Ende davon überträgt.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht, die die Struktur der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 22 ist eine graphische Darstellung, die das Meßergebnis der Lichtmenge zeigt, die über die gesamte Länge in bezug auf die optische Faser (B) der Erfindung, die optische Faser (B') nach der 10.000-fachen Biegewiederholung, die Vergleichslichtleitfaser (A), die nur einen Kern aufweist, und die Vergleichslichtleitfaser (A') nach einer 10.000-fachen Biegewiederholung leckt.
Fig. 23 ist eine Längsschnittvorderansicht der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 24 ist eine Längsschnittseitenansicht derselben.
Fig. 25 ist ein Querschnitt, der die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 26 ist eine Längsseitenansicht im Schnitt, die die gleiche optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 27 ist eine graphische Darstellung, die eine radiale Verteilung der Dichte der Lichtleistung in dem Querschnitt der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 28 ist ein Querschnitt, der die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der die Kunststoffschicht vorgesehen ist.
Fig. 29 ist eine perspektivische Ansicht, die nur die Anordnung des Endabschnitts zum Messen des Temperaturanstiegs des Anschlußbefestigungsabschnitts zeigt, wenn ein CO&sub2;- Laserstrahl hindurchgeschickt wird.
Fig. 30 ist eine graphische Darstellung, die eine radiale Verteilung der Dichte der Lichtleistung in dem Querschnitt einer Lichtleitfaser zeigt, die nur mit der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung versehen ist.
Die Lichtleitfaser für Infrarot gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Faser eine Umhüllung hat, die durch abwechselndes, sich wiederholendes Beschichten mit Bleifluorid (PbF&sub2;) und Silberbromid (AgBr) oder Silberchlorid (AgCl) oder Germanium (Ge) gebildet ist. Irgendein Material kann verwendet werden, den Kern zu bilden, solange es Infrarotlicht übertragen kann.
Bleifluorid hat einen niederen Brechungsindex und AgBr oder AgCl haben einen hohen Brechungsindex. Die Anzahl N der Wiederholungen der Beschichtungsschichten aus Bleifluorid und AgBr (oder AgCl) kann in geeigneter Weise solange ausgewählt werden, solange sie nicht kleiner als 1 ist. Die Wiederholungszahl N der Beschichtungsschichten aus Bleifluorid und Germanium kann beliebig bestimmt werden, solange die Anzahl N nicht kleiner als 1 ist.
Fig. 8 zeigt eine Längsschnittansicht einer Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Fall von N = 1 ist gezeigt. Das heißt, es ist die einfachste Ausführungsform gezeigt, die durch Beschichten mit einer einzelnen Schicht aus PbF&sub2; und einer einzelnen Schicht aus Ge gebildet wird. Es ist jedoch wünschenswert, diese Lichtleitfaser wiederholt mit PbF&sub2;/AgBr zu beschichten. Ein Lichtleitfaserkern 1, der aus einem Material hergestellt ist, das wirksam Infrarotlicht übertragen kann, ist in der Mitte der Faser angeordnet. Wie es oben beschrieben worden ist, kann das Material des Kerns 1 in geeigneter Weise aus einem Thalliumhalogenkristall, einem Alkalihalogenkristall und einem Silberhalogenkristall ausgewählt werden, oder kann ein Chalcogen-Glas sein.
Der Umfang des Kerns 1 ist mit einer Schicht 2 aus Bleifluorid (PbF&sub2;) beschichtet, und die Schicht 2 ist weiter mit einer Schicht 3 aus Germanium (Ge) beschichtet. Infrarotlicht wird in dem Lichtleitfaserkern 1 mittels der Schichten 2 und 3 aus PbF&sub2; und Ge eingeschlossen, die als eine Umhüllung wirken. Obgleich diese Ausführungsform den Fall zeigt, wo PbF&sub2; und Ge jeweils eine einzelne Schicht bilden, können diese Materialien wirksame Mehrfachschichten bilden.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Wiederholungszahl von PbF&sub2; und Ge erhöht ist. Der durch die Wiederholung der PbF&sub2;- und Ge- Schichten gebildete Film wird hier ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm genannt. Eine Schicht aus PbF&sub2; wird eine PbF&sub2;-Schicht genannt. Eine Schicht aus Ge wird eine Ge-Schicht genannt. Eine doppelte Schicht, die aus einer PbF&sub2;-Schicht und einer Ge-Schicht zusammengesetzt ist, wird eine Wechselschichteinheit genannt.
Es ist am wirksamsten, wenn die gesamte Oberfläche der Lichtleitfaser mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm beschichtet wird. Jedoch ist die Beschichtung der gesamten Oberfläche schwierig und teuer.
In dem Fall, wo eine preiswerte Lichtleitfaserstruktur verlangt wird, kann die Beschichtung mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm nur in der Nähe von jeweils dem Eintritts- und Austrittsendabschnitt der Lichtleitfaser vorgesehen werden. Ein solcher Fall ist in Fig. 10 gezeigt. Wenn Kohlenstoffdioxid- Laserlicht durch die Lichtleitfaser hindurchgeschickt wird, wird das Lecken des Lichts an dem Eintritts- und Austrittsendabschnitt maximal. Um das Lecken von Licht zu verhindern, ist der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, den Eintritts- und Austrittsendabschnitt zu beschichten.
In dieser Zeichnung ist der Faserkern aus AgBr mit einem Durchmesser von 700 um hergestellt. Ein PbF&sub2;/Ge-Mehrschichtfilm, der aus 10 PbF&sub2;-Schichten und aus 10 Ge-Schichten, 20 Schichten insgesamt, gebildet ist, ist über eine Länge von 5 cm von jeweils dem Eintritts- und Austrittsende vorgesehen. Die Filmdicke jeder Schicht ist 1 um. Die Gesamtdicke des Mehrschichtfilms ist deshalb 20 um.
Die Lichteinschließwirkung mittels einer solchen Mehrschichtumhüllungsstruktur, wie sie oben beschrieben worden ist, wird unten auf der Grundlage einer elektromagnetischen Feldtheorie erläutert.
Fig. 11 zeigt eine Struktur des abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilms, der durch abwechselndes Schichten von zwei Arten dünner Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet ist.
Es wird nun angenommen, daß Licht unter einem Winkel θ&sub0; von dem linksseitigen Medium übertragen wird, das einen Brechungsindex n&sub0; aufweist. Das einfallende Licht wird reflektiert und aufeinanderfolgend an den entsprechenden Grenzen zwischen benachbarten Schichten gebrochen. Die Stelle, wo das einfallende Licht eintreten soll und die sich ergebende Amplitude des Lichts werden bestimmt, indem alle Lichtkomponenten als das Ergebnis der Reflexion und Brechung überlappt werden.
In der Zeichnung ist der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm durch Wiederholung einer Anzahl von Malen von einem Film I, der eine Dicke und einen Brechungsindex na aufweist, und einem Film II gebildet, der eine Dicke und einen Brechungsindex nb aufweist. Anfangs ist Licht in dem linken Endbereich vorhanden. Dieser Endbereich ist ein Abschnitt, der dem Kern der Lichtleitfaser entspricht und der "ein Startende" oder "ein Startendabschnitt" genannt wird. Man lasse n&sub0; den Brechungsindex des Startendabschnitts sein.
Es gibt keine besondere Begrenzung bei der Beziehung unter den Werten von n&sub0;, na und nb. Das Licht, das schräg von dem Startendabschnitt aufeinanderfolgend zu dem Film I, dem Film II, dem Film I, dem Film II, ... fortschreitet, wird an jeder Grenze teilweise reflektiert, und der Rest wird gebrochen, so daß er sich zu dem nächsten Film bewegt. Somit wird an jeder Grenze reflektiertes Licht erzeugt.
Es werden nun Lichtstrahlen in Übereinstimmung mit dem Winkel bezeichnet, der zwischen dem Licht und der Grenze gebildet wird. Es sei θ&sub0; der schräge Winkel an dem Startendabschnitt. Es seien θa und θb die schrägen Winkel bei dem Film I bzw. dem Film II. Weil die Grenzen zueinander parallele Ebenen sind, werden die schrägen Winkel θa und θb bei dem Film I und dem Film II stets konstant gehalten, ohne von der Wiederholung der Brechung und Reflexion beeinflußt zu werden.
Das Licht, das an einer Grenze reflektiert worden ist, wird in Richtung zu dem Startendabschnitt zurückgebracht, wird aber teilweise erneut von einer anderen Grenze reflektiert. Die Reflexion wird wiederholt, wie es oben beschrieben worden ist. Demgemäß folgt nicht immer, daß Licht zu dem Startendabschnitt durch den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm zurückgebracht wird. Obgleich Licht tatsächlich in dem Startendabschnitt (Kern) durch den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm eingeschlossen werden kann, kann der Einschließeffekt nicht mit der geometrischen Optik erklärt werden. Der Effekt kann nicht ohne Rückgriff auf die Wellenoptik erläutert werden.
Dies ist ein unterschiedlicher Punkt gegenüber dem Lichteinschließeffekt bei der herkömmlichen einfachen Kern/Umhüllungsstruktur, bei der ein Unterschied beim Brechungsindex verwendet wird. Das Lichteinschließen in eine herkömmliche Faser wird ohne weiteres durch die geometrische Optik verstanden, weil es die Tatsache verwendet, daß Strahlen, die bei schrägen Winkeln kleiner als der Totalreflexionswinkel sind, vollständig an der Grenze reflektiert werden.

Lichteinschließen aufgrund des abwechselnd geschichteten Nehrschichtfilms

Eine Veröffentlichung, die von der Fortpflanzung von Licht in einem solchen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm handelt, ist: P. Yeh, A. Yariv & C - S. Hong "Electromagnetic propagation in periodic stratified media. I. General theory" J. Optic. Soc. Am. Bd. 67, No. 4, (1977). S. 423.
Ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm wird auf der Grundlage der Fig. 12 erläutert. Es sei die X-Achse die Abszissenachse. Die Filme I, die einen Brechungsindex na haben, und die Filme II, die einen Brechungsindex nb haben, sind abwechselnd so angeordnet, daß sie senkrecht zu der X-Achse sind.
Die Parameter sind nun wie folgt.

Filme I:

Brechungs index na
Dicke a
Wellenzahl k

Filme II:

Brechungs index nb
Dicke b
Wellenzahl m
Die Periode L ist a + b.
In den Filmen I gibt es eine fortschreitende Welle
eikx (1)
und eine zurücklaufende Welle
e-ikx (2)
In den Filmen II gibt es eine fortschreitende Welle eimx und eine zurücklaufende Welle e-imx. Die Welle in der Z-Richtung kann dargestellt werden durch β.
eißz (3)
wo β eine Phasenkonstante in der Z-Richtung ist.
Es sei angenommen, daß die Y-Achse in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Papiers der Fig. 13 genommen wird, und daß der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm unendlich in der Z- und Y-Achse ausgedehnt ist. Obgleich sich Licht tatsächlich in der X-Richtung und in der Z-Richtung fortbewegt, werden die zwei Moden, TE-Mode und TM-Mode, gemäß der X-Richtung unterschieden. Die TE-Mode bedeutet eine Mode, bei der die Richtungen der elektrischen Felder E und F in den jeweiligen Arten von Filmen senkrecht zu der X-Richtung sind.
Andererseits sind die elektrischen Felder E und F und die Differentiale δE/δx und δF/δx der elektrischen Felder in der X-Richtung an der Grenze fortlaufend.
Die oben beschriebene Veröffentlichung behandelt hauptsächlich die Fortpflanzung des Lichts in der X-Richtung.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die Fortpflanzung von Licht in der X-Richtung zu verhindern, um dadurch den Wirkungsgrad in bezug auf die Fortpflanzung des Lichts in der Z-Richtung zu verbessern.
Obgleich der Zweck unterschiedlich ist, wird nun die Fortpflanzung in der X-Richtung gemäß der Veröffentlichung betrachtet, weil die Fortpflanzung und die Nichtfortpflanzung durch dieselben mathematischen Mittel beschrieben werden können.
Der n-te Film I und der n-te Film II sind von x = (n-1)L bis x = nL vorhanden. Der (n-1)-te Film I ist mit dem n-ten Film II in Berührung, und die X-Koordinate des Berührungspunktes ist x = (n-1)L. Die X-Koordinate des Berührungspunktes zwischen dem n- ten Film II und dem n-ten Film I ist x = (n-1)L + b.
Das elektrische Feld E(x, z) in dem n-ten Film I wird durch die Gleichung beschrieben
E(x, z) = [aneik(x-nL) + bne-ik(x-nL)]eißz (4)
worin an die Amplitude der fortschreitenden Welle darstellt, und bn die Amplitude der zurücklaufenden Welle darstellt. Obgleich der Faktor (x-nL) in dem Ausdruck eik(x-nL) dargestellt ist, ist es eine Notationsbequemlichkeit, die den Faktor eiknL von den Amplituden an und bn entfernt. Demgemäß ist die Gleichung allgemein.
Das elektrische Feld Fn(x, z) in dem n-ten Film II wird durch die Gleichung beschrieben
Fn(x, z) = [cneim(x-nL) + dne-mn(x-nL)]eißz (5)
worin cn die Amplitude der fortschreitenden Welle darstellt, und dn die Amplitude der zurücklaufenden Welle darstellt.
Weil E=F und δE/δx = δF/δx an der Grenze x = (n-1) zwischen dem (n-1)-ten Film I und dem n-ten Film II ist, sollten die folgenden Gleichungen gelten.
an-1 + bn-1 = cne-imL + dneimL (6)
ik(an-1 - bn-1) = imcne-imL - imdneimL (7)
In den Gleichungen stellt die Wellenzahl dar. (Wenn ein Index an zur Unterscheidung hinzugefügt wird, wird die Beschreibung kompliziert. Demgemäß wird vorübergehend ein unterschiedlicher Buchstabe "m" als ein Symbol verwendet.) Die verschiedenen Wellen sind in Fig. 12 gekennzeichnet.
Da En = Fn und δEn/ δx = δFn/ δx an der Grenze x = (n-1)L + b zwischen dem n-ten Film II und dem n-ten Film I, sollten die folgenden Gleichungen gelten.
ane-ika = bneika = cne-ima = dneima (8)
ik(ane-ika - bneika) = im(cne-ima - dneima) (9)
Die Gleichungen (6) und (7) können in der Matrixdarstellung wie folgt ausgedrückt werden.
Die Gleichungen (8) und (9) können in der Matrixdarstellung ausgedrückt werden, wie folgt.
Die folgende Matrix, die die Beziehung zwischen (an-1, bn-1) und (an, bn) festlegt, kann aus diesen Matrixen gefunden werden.
wo
A = e-ika(cos mb - i/2(m/k + k/m) sin mb) (13)
B = i/2(m/k - k/m) sin mb (14)
C = +i/2/m/k - k/m) sin mb (15)
D = eika (cos mb + i/2(m/k + k/m) sin mb) (16)
Es ist aus den Ergebnissen offensichtlich, daß die folgenden Gleichungen gelten sollten.
A = (17)
B = (18)
In den Gleichungen stellt das Komplexkonjugierte von C dar. Die Matrix (12) soll in der folgenden Weise vereinfacht werden.
Die Norm der Matrix ist 1.
AD - BC = 1 (20)
Jedoch ist H keine unitäre Matrix so wie sie keine hermitische Matrix ist.
Im allgemeinen wird eine komplexkonjugierte Matrix in bezug auf das Transponieren einer Matrix als hermitisch konjugierte bezeichnet. Dies soll durch einen Stern ausgedrückt werden.
Es sei M eine Matrix. Man nehme das Transponieren einer Matrix vor. Eine hermitisch konjugierte kann wie folgt definiert werden.
M* = /t(M) (21)
Eine unitäre Matrix U kann als eine Matrix definiert werden, die die folgende Beziehung aufweist.
UU* = 1
Mit anderen Worten wird eine Matrix, bei der die reziproke Matrix U&supmin;¹ eine hermitisch konjugierte ist, "unitär", genannt.
U&supmin;¹ = U* (22)
Die Norm der unitären Matrix ist 1.
U = 1 (23)
Der Eigenwert λ hat die Eigenart, daß sein absoluter Wert 1 ist.
Die Matrix H, die die Wellenbeziehung zwischen benachbarten Schichten in dem Mehrschichtfilm bestimmt, hat die Eigenart H =1, aber die Matrix ist nicht unitär.
Der Eigenwert λ der Matrix H wird nun gefunden. Es sei der Eigenvektor.
Hw = λw (24)
Um λ zu finden, wird die folgende Gleichung gelöst.
Da H = 1, kann die folgende Gleichung erhalten werden.
λ² = (A + D) λ + 1 = 0 (26)
Die Lösung in dem Fall wo (A+D)² größer als 4 ist, ist von der Lösung in dem Fall verschieden, wo (A + D)² kleiner als 4 ist.
In jedem Fall kann die Lösung beschrieben werden, wie folgt.
λ = (A + D ± [(A + D)² - 4]) / 2 (27)
In dem Fall (A + D)² < 4 ist der Absolutwert der Lösung λ gleich 1, d.h. λ = 1. Dies bedeutet, daß die Fortpflanzung in der X- Richtung ohne Abschwächung ist. Dies zeigen Schwingungslösungen.
In dem Fall (A + D)² > 4 sind die zwei Lösungen reelle Zahlen. Es seien λ&sub1; und λ&sub2; die Lösungen, dann ist das Produkt aus λ&sub1; und λ&sub2; gleich 1. Die zwei Lösungen sind eine Abschwächungslösung und eine divergente Lösung.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist letztere Lösung.

Fortpflanzungs-Mode in der x-Richtung

In dem Fall (A + D)² < 4 gibt es zwei Lösungen für λ = 1 Diese sind Schwingungslösungen. Da λ eine Schwingungsperiode darstellt, kann sie dargestellt werden durch die Gleichung
λ = exp (iKL) (28)
Wo K eine reelle Zahl ist. KL gibt eine Phasenänderung bei einer Periode L. Demgemäß kann man sagen, daß K die Anzahl der Wellen des sich fortpflanzenden Lichts in der X-Richtung ist. K ist unterschiedlich von oder .
cos (KL) = (A + D) / 2 (29)
Die Eigenfunktion wird durch die folgende Gleichung gefunden.
Die Matrix ist noch nicht normalisiert worden, kann aber ohne weiteres normalisiert werden.
Demgemäß sollte die folgende Gleichung gelten.
Wo a&sub0; und b&sub0; Komponenten des Eigenvektors an dem des Startende des abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilms sind.
Licht tritt in den Mehrschichtfilm von dem Startende ein.
Wenn der Anfangsvektor ausgelegt wird, die Gleichung (33) zu erfüllen, dann wird folgendes erhalten.
Die Summe der Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der fortschreitenden Welle und der zurücklaufenden Welle in dem n-ten Film I wird ausgedrückt, wie folgt.
an ² + bn ² (36)
Aus Gleichung (35) ist dieser Wert stets gleich dem folgenden Wert.
a&sub0; ² + b&sub0; ² (37)
Dies bedeutet, daß das Licht durch den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm ohne Abschwächung hindurchgehen kann. Man sagt, daß die Mode des Lichts eine sich fortpflanzende Mode in bezug auf die X-Achse ist.
Jedoch ist, da die vorliegende Erfindung die Fortpflanzung in der Z-Richtung behandelt, die Fortpflanzung in der X-Richtung äquivalent der Dispersion von Energie in der Z-Richtung. Das heißt, die Mode des Lichts ist eine Strahlungsmode in bezug auf die Z-Achse.

Abschwächungs-Xode in der X-Richtung

Die oben beschriebene Veröffentlichung behandelt die Fortpflanzung in der X-Richtung. Jedoch verlangt die vorliegende Erfindung die Bedingung, daß Licht in der X-Richtung nicht zerstreut wird. Demgemäß sollte der Standpunkt zu der Abschwächungs-Mode in der X-Richtung geändert werden. Die Abschwächungs-Mode wird nun unabhängig von dem oben beschriebenen betrachtet.
Der Fall, wo der Eigenwert λ eine reelle Zahl ist, wird betrachtet. Es seien λ&sub1; und λ&sub2; zwei Wurzeln, dann λ&sub1; λ&sub2; = 1.
(A + D) / 2 > 1 (38)
(A + D) / 2 < -1 (39)
Aus den Gleichungen (13) und (16) kann (A + D) /2 beschrieben werden, wie folgt.
(A + D) / 2 = ReA
= cos Ka cos mb - 1/2(m/k + k/m) sin mb sin ka (40)
Zum Vereinfachen der Gleichung werden X, Y und γ definiert, wie folgt.
X = ka (41)
Y = mb (42)
γ = 1/2 (m/k + k/m) (43)
und sind jeweils eine positive Zahl, die einen Brechungsindex darstellen, und γ ist eine positive Zahl, die größer als 1 ist. Wenn gleich ist, γ = 1. Wenn von weit unterschiedlich wird, nimmt γ weiter zu. Kurz gesagt, γ ist eine Skala des Brechungsindex.
Es werde (A+D)/2 durch S ersetzt. Dann
S = (A+D)/2 = cos X cos Y - γ sin X sin Y (44)
Die Gleichung (44) wird umgeschrieben, wie folgt.
S = cos (X+Y) - (γ-1) sin X sin Y (45)
Aus den Definitionen sind X und Y beide positiv. Aus (45) folgt, daß S nicht kleiner als -1 und nicht größer als 1 im äußersten ist, wenn γ = 1 (m = k) ist. Dies gilt, weil s gleich cos (X + Y) ist.
Jedoch gibt es bei γ > 1 eine Möglichkeit, daß S eine der Ungleichungen (38) und (39) befriedigen kann.
Jedoch ist S nicht größer als 1, solange jeweils X und Y innerhalb eines Bereiches von 0 bis π ist. Dies ist, weil das zweite Glied auf der linken Seite der Gleichung (45) negativ ist. Kurz gesagt gibt es keine Möglichkeit, daß die Ungleichung (39) gültig ist, d.h., S > 1.
Jedoch kann S < -1 gültig sein.
Wenn y größer als 1 wird, wird der Bereich der Koordinaten (X, Y), der S < -1 erfüllt, stärker erweitert. Der Bereich der Koordinaten (X, Y), der S = -1 als Grenze erfüllt, wird nun betrachtet.
Diese Situation sollte im äußersten gelten, wenn der Wert X - Y sich π annähert.
η = X - π/2 (46)
= - π/2 (47)
Eine solche Transformation wird vorgenommen. Dies drückt nur die Koordinatentransformation aus, daß sich der Ursprung parallel zu dem Punkt (π/2, π/2) in einem X - Y Koordinatensystem bewegt.
Bei S = -1 wird die Gleichung (45) wie folgt ersetzt.
-1 = -cos (η + ) - (γ/2 - l) cos η cos (48)
Dies kann umgeschrieben werden, wie folgt.
sin²[( + )/2] = [(γ-1) /2] (49)
Im folgenden wird nun ein q - p Koordinatensystem, das durch Drehung im Uhrzeigersinn des η - Koordinatensystems um 45º transformiert worden ist, betrachtet. Die Koordinatentransformation ist in Fig. 14 gezeigt.
p = (η + )/ 2 (50)
q = (η + )/ 2 (51)
Weil die Gleichung (52) gelten sollte, sollte die Gleichung (53) gelten.
cos cos = 1/2 [(cos η - ) + cos (η + )] (52)
sin²(p/ 2) = [(γ - 1) / 4] [cos( 2 p)+cos( 2 q)] (53)
Weil die Gleichung (53) eine gerade Funktion in bezug auf und ausdrückt, ist es offensichtlich, daß diese in bezug auf die p-Achse und die q-Achse symmetrisch ist. Ferner ist es offensichtlich, daß Null für q = ±π/ 2 ist.
Diese Punkte sind den Punkten J und K der Fig. 14 äquivalent. Der Punkt J hat die Koordinate (0, π/ 2) in dem p - q Koordinatensystem. Mit anderen Worten hat der Punkt J die Koordinaten (π/2, - π/2) in dem η - Koordinatensystem, oder hat die Koordinaten (π, 0) in dem X - Y Koordinatensystem. Der Punkt K hat die Koordinaten (0, -π/ 2) in dem p - q Koordinatensystem. Mit anderen Worten hat der Punkt K die Koordinaten (-π/2, π/2) in dem η - Koordinatensystem, oder hat die Koordinaten (0, π) in dem X - Y Koordinatensystem.
Wenn innerhalb eines Bereiches von -π/ s bis π/ 2 ist, hat zwei Werte. Die zwei Werte von sind dem Absolutwert nach gleich und sind jeweils eine positive Zahl und eine negative Zahl.
Aus Gleichung (53) nimmt der Wert von p zu, wenn sich 0 von π/ 2 nähert.
Demgemäß ist es offensichtlich, daß die Figur, die die Gleichung (53) erfüllt, wie ein Blatt KWJU geformt ist, wie es in Fig. 13 gezeigt ist.
Dies ist eine Figur, die den Punkt G (π/2, π/2) als Mitte hat und die in bezug auf jeweils die p-Achse und die q-Achse symmetrisch ist.
Im folgenden werden die Eckwinkel an den Punkten K und J betrachtet. Eine Differenzierung bei den Punkten K und J wird ausgedrückt, wie folgt.
dp/dg = ± [(γ - 1)/(γ + 1)] (54a)
Die Ecken an den Punkten K und J werden spitz, wenn γ sich 1 nähert. Die Ecken werden weiter, wenn γ groß wird. Der Absolutwert von (54) ist nicht größer als 1. Das heißt, die Winkel der Ecken von der q-Achse sind nicht größer als 45º Demgemäß gehen die Kurven an dem Punkt J und K niemals über die X-Achse und Y- Achse hinaus.
Als eine Gleichung, die eine blattförmige Figur ausdrückt, ist Gleichung (53) eine genaue Gleichung.
Im folgenden wird die Fläche der blattförmigen Figur gefunden. Da die Fläche nicht genau gefunden werden kann, wird eine Annäherung von p « 1 aufgrund der Annahme gemacht, daß (γ - 1) klein ist. Die Gleichung (53) wird wie folgt angenähert.
p²/² (γ - 1) (1 - p² + cos 2 q)/4 (54b)
p = [2(γ -1)/(γ + 1)] cos q/ 2 (54c)
Die Fläche Σ der blattförmigen Figur wird angenähert, wie folgt.
= 8 [(γ - 1)/(γ + 1)] (54d)
Aus diesem Ergebnis ist es offensichtlich, daß die Fläche der blattförmigen Figur zunimmt, wenn der Unterschiedswert bei dem Brechungsindex, d.h. (γ - 1) größer wird.
Wenn die blattförmige Figur eine große Fläche hat, wird der Bereich, der S < -1 erfüllt, weit. Demgemäß ist eine solche Bedingung für einen Lichteinschluß geeignet.
Es ist erkannt worden, daß die durch (53) ausgedrückte Figur die blattförmige Figur der Fig. 13 ist. Demgemäß ist der Bereich, der S < -1 erfüllt, dem Inneren des Blattes äquivalent, wie es durch die schrägen Linien gezeigt ist
In den Gleichungen (44) und (45) ist S kleiner als -1, wenn X und Y innerhalb der blattförmigen Figur sind.
Aus (27) kann der Eigenwert λ umgeschrieben werden, indem S verwendet wird, wie folgt.
λ = S + [S² - 1] (55)
Wie es oben beschrieben worden ist, ist X der Eigenwert der Matrix H. H setzt die n-ten Amplitude an und bn zu den (n-1)-ten Amplituden an-1 und bn-1 in Beziehung.
Wenn λ ausgewählt wird, daß sein Absolutwert größer als 1 ist, ist es aus der Gleichung (56) offensichtlich, daß an und bn verglichen mit a&sub0; und b&sub0; abgeschwächt werden.
Dies drückt die nach rechts gerichtete Abschwächung von 0 bis aus. Die andere Wurzel von λ drückt die nach links gerichtete Abschwächung von nach 0 aus. Die linksgerichtete Abschwächung wird in der gleichen Weise wie die rechtsgerichtete Abschwächung gebildet. Eine solche Abschwächung kann nicht mit der geometrischen Optik erläutert werden. Wenn der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm mit geometrischer Optik betrachtet wird, sollte irgendwelche Art Licht übertragen werden. Diese Schlußfolgerung ist in dem Bereich von -1 ≤ S ≤ 1 richtig.
Die Tatsache, daß S nicht größer als 1 ist, ist beschrieben worden u Wenn S kleiner als -1 ist, erscheint die Abschwächungslösung. Was ergibt sich, wenn S = -1?. Dies ist eine Frage. Aus Gleichung (55) ist λ fast -1. Dies zeigt die Tatsache, daß die Wellenfunktion zwischen der n-ten und der (n-1)-ten Position umgekehrt wird, oder mit anderen Worten, die Wellenfunktion wird in der X-Richtung mit einer Periode von 2L geändert. Dies ist nichts anderes, als die Bragg-Reflexion.
Im allgemeinen erscheint eine Bragg-Reflexion, wenn Röntgenstrahlen auf Kristalle oder ähnliches gestrahlt werden. Da sich die Richtung der Reflexion ändert, wird eine solche Reflexion auch Bragg-Streuung genannt. Die Theorie ist die gleiche. Da die Gitterkonstante von Kristallen nahezu gleich der Wellenlänge von Röntgenstrahlen ist, werden Röntgenstrahlen verwendet.
Es sei L die Oberflächentrennung von Kristallebenen. Es sei θ der Neigungswinkel der Röntgenstrahlen, die auf den Kristall fallen. Eine Bragg-Reflexion tritt auf, wenn die folgende Gleichung erfüllt wird.
2 L sin θ = λ&sub0; (57a)
In dieser Gleichung ist λ&sub0; die Wellenlänge der Röntgenstrahlen.
Einfallende Röntgenstrahlen werden an der (n-1)-ten Oberfläche gestreut und werden ferner an der n-ten Oberfläche gestreut.
Wenn die gestreuten Strahlen einen optischen Wegunterschied von λ&sub0; haben, verstärken sich die Strahlen gegenseitig. In diesem Fall ist der Unterschied zwischen der (n-1)-ten Oberfläche und der n-ten Oberfläche λ&sub0;/2. Der Phasenunterschied ist π. Dies entspricht dem Eigenwert λ = -1
Kurz gesagt tritt die Bragg-Reflexion für S = -1 auf, und eine Abschwächung in dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm tritt auf, wenn S klein wird, so daß das Licht in der X-Richtung eingeschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung verwendet diese Tatsache.
Die Wellenlänge von Kohlenstoffdioxid-Laserlicht ist 10,6 um im Vakuum. Sie wird in einem Medium kürzer, das einen größeren Brechungsindex als 1 hat. Kohlenstoffdioxid-Laserlicht kann durch den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm mit einer so langen Periode wie die Wellenlänge eingeschlossen werden.
Wenn der Film aus einer Art Material gebildet ist und Streufaktoren für jede Periode L vorhanden sind, bestimmt die Gleichung (57) für die Bragg-Reflexion eindeutig den Winkel θ. Jedoch entspricht dies nur dem Punkt J oder dem Punkt K (X = π oder Y = π).
Was bedeuten der obere und der untere Ast, die sich zwischen den Punkten J und K erstrecken und die jeweils S = -1 entsprechen?
Obgleich das Vorhandensein der zwei Äste durch die Wellenoptik erkannt werden könnte, könnte eine intuitive Überlegung über die Bedeutung das Verständnis des Phänomens unterstützen. Man könnte denken, daß die Bragg-Reflexion auftreten sollte, wenn der optische Wegunterschied zwischen den Wellen, die an der um eine Periode unterschiedlichen Oberfläche x = (n - 1)L, x = nL reflektierten Wellen, die Gleichung erfüllen
2naa sin θa + 2nbb sin θb = l (57b)
wo die Dicke des Films I darstellt, die Dicke des Films II darstellt, θa und θb jeweils deren schräge Winkel darstellen, und l die Lichtwellenlänge darstellt.
In Fig. 12 drückt die Gleichung (57b) nur die Koordinaten (a, b) auf dem Abschnitt KJ aus, die der folgenden Gleichung entsprechen.
X + Y = π (57c)
Da unterschiedlich brechende Filme I und II vorhanden sind, wird die Bedingung S = -1 oberhalb und unterhalb des Abschnittes KJ erfüllt.
Was versteht man unter dem oberen und dem unteren Ast? Die Gleichung (57b) drückt aus, daß die Reflexion an beiden Oberflächen, die sich um eine Periode unterscheiden, die Bragg-Bedingung erfüllt. Jedoch kann die Bragg-Bedingung durch andere Mittel erfüllt werden, wobei ein Film I oder II verwendet wird. Das heißt, die Bragg-Bedingung kann durch eine Einschicht-Reflexion erhöht werden. Dies entspricht dem oberen Ast der blattförmigen Figur.
Ferner kann die Bragg-Bedingung durch Reflexion an der Grenze bei einem Abstand von drei Schichten erfüllt werden, wie eine Kombination des Films I, des Films II und des Films I, oder eine Kombination des Films II, des Films I und des Films II. Dies entspricht dem unteren Ast der blattförmigen Figur der Fig. 13. Eine solche Reflexion wird vorübergehend eine Drei-Schicht-Reflexion genannt.
Jedoch wird es nicht Bragg-Reflexion (bei KJ) genannt, was an zwei Oberflächen bei einem Abstand von einer Periode L auftritt.
Eine solche Reflexion wird eine Zwei-Schicht-Reflexion genannt. Die Bragg-Reflexion kann leicht klassisch verstanden werden. Jedoch ist diese zwischen der Ein-Schicht-Reflexion der Kurve KWJ (oberer Ast) und der Drei-Schicht-Reflexion der Kurve KUJ (unterer Ast) vergraben. Demgemäß erscheint eine solche Bedingung nicht für S = -1
Eine Ein-Schicht-Reflexion und eine Drei-Schicht-Reflexion ist in Fig. 14a bzw. 14b dargestellt.
Der Grund, warum eine Vier-Schicht-Reflexion (2L) nicht auftritt, ist, weil die Vier-Schicht-Reflexion durch die sich in der Phase um ± π unterscheidende Welle aufgehoben wird, die von der zweiten Schicht erzeugt wird.
Im folgenden wird die Ein-Schicht-Reflexion erläutert. Warum ist sie nicht zu der Y-Achse in der Nähe des Punkts J (X =π, Y = 0) parallel? Warum ist es eine Kurve? Man nimmt an, daß alles gelöst wird, wenn die folgende Bragg-Bedingung (57d) für na, und θa erfüllt wird.
2naa sin θa = l (57d)
Dies kann in der folgenden Weise umgeschrieben werden.
X = π (57e)
Demgemäß drückt dies eine gerade Linie aus, die senkrecht zu der X-Achse von dem Punkt J gezogen wird.
Wenn der Film II eine endliche Dicke b aufweist, wird die notwendige Dicke des Films I verringert. Der Grad der Verringerung ist gering, aber die Dicke a wird sicherlich verringert. Warum ist dies?
Bisher war der Richtungswinkel θa der Strahlen als konstant angenommen worden. Jedoch ist der Richtungswinkel θ unbestimmt, wenn der unterschiedliche Film II als eine Störung vorhanden ist. selbst wenn die ausreichend weiten Filme I und II Richtungswinkel θa und θb aufweisen, ist der Richtungswinkel 0 unbestimmt, wenn die Dicke und kleiner als die Wellenlänge ist.
Da die Filme I und II kürzer als die Wellenlänge l ist, ist der Richtungswinkel θa unbestimmt. Demgemäß sollte der Richtungswinkel θa in Größen von Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden. Solche Unbestimmtheit liegt stets bei einer konjugierten, physikalischen Größe vor.
Wenn ein sehr dünner Film II zusammen mit dem Film I ( ist ausreichend klein) vorhanden ist, nimmt θa der Gleichung (57d) zu. Demgemäß wird die Dicke um die Bragg-Bedingung zu erfüllen, verringert. Dies ist der Grund, daß der obere Ast der Kurve in der Nähe des Punkts J ist.
Im folgenden wird die Drei-Schichten-Reflexion erläutert. Die Wirkungsweise in der Nähe des Punkts J wird beschrieben. Es wird die Reflexion an den Oberflächen in einem Abstand von drei Schichten, d.h. die Filme II, I und II, betrachtet. Die Oberflächentrennung ist a + 2b, ist aber nahezu gleich , wenn ausreichend klein ist.
Die Bragg-Bedingung ist definiert, wie folgt.
2naa sin θa + 4nbb sin θb = l (57d)
Dies kann mit X und Y umgeschrieben werden, wie folgt.
X + 2Y = π (57e)
Diese hat eine kleinere Steigung als die Steigung einer Tangente, die den unteren Ast an dem Punkt J berührt.
In diesem Fall sind θa und θb unbestimmt, weil der Film II als eine Störung an der Stelle eintritt, wo nur der Film I vorhanden ist. Ferner nimmt θa zu und θb nimmt ab. Demgemäß wird die Bragg-Bedingung für eine Drei-Schichten-Reflexion an der Kurve JU erfüllt.

Auslegung der Filmdicke

Wenn die Materialien für den Mehrschichtf ilm bestimmt werden, werden die Brechungsindizes na und nb bestimmt. Wenn die Lichtquelle bestimmt ist, ist die Wellenlänge lkönnen die Dicken und nicht bekannt sein, Ferner ändern sich die Winkel θa und θb zwischen dem Licht und den jeweiligen Oberflächen des abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilms stark. Es wird bevorzugt, daß der Lichteinschluß für jeden schrägen Winkel sichergestellt wird.
Obgleich die Lichtwellenlänge l bestimmt ist, ist damit nicht gesagt, daß die jeweiligen Wellenzahlen und bei den Filmen I und II bestimmt sind. Der Grund ist, daß θa und θb veränderbar sind. Obgleich die Lichtwellenlänge im Vakuum ausgedrückt wird durch l, wird die Bezeichnung verwendet, um eine Verwechslung mit dem Eigenwert zu vermeiden, der durch λ ausgedrückt worden ist.
Es sei n&sub0; der Brechungsindex der Ecke (d.h. des Kerns). Es sei der schräge Winkel zwischen dem Licht und der Grenze. Es seien na, θa, nb, θb, die jeweiligen Parameter bei den Filmen I und II. Aufgrund des Snell'schen Gesetzes sollte die folgende Gleichung gelten.
n&sub0; cos θ&sub0; = na cos θa - nb cos θb (58)
Die Wellenzahl in dem Film I (d.h. die Anzahl der Wellen in der X-Richtung) wird ausgedrückt, wie folgt.
k = [(2πna /l )² - (2πn&sub0; cos θ&sub0; /l )2]1/2 (59)
Dies kann unter Verwendung von (58) umgeschrieben werden, wie folgt.
k = (2πna /l ) sin θa (60)
Die Wellenzahl in dem Film II wird ausgedrückt, wie folgt.
m = (2πnb /l ) sin θb (61)
Aus den Definitionen (41) und (42) sollten die folgenden Gleichungen gelten.
X = 2πnaa sin θa/l (62)
Y = 2πnbb sin θb/l (63)
Die für S = -1 in den Gleichungen (44) und (45) ausgedrückte Figur ist eine blattförmige Figur, die in Fig. 13 gezeigt ist.
Die X-Achse kann durch und die Y-Achse kann durch mit θa und θb als Parameter ersetzt werden.
Die Veränderlichen werden zu Dicken a und b geändert. Die für S = -1 ausgedrückte Figur ist weiterhin eine blattförmige Figur. In diesem Fall ändern sich die Position des Punkts J (X = π, Y = 0) und die Position des Punkts K (X = 0, Y = π) entsprechend den Winkeln. Das heißt, die blattförmige Figur wird so transformiert, daß sie auf der a-Achse und der b-Achse vergrößert oder verkleinert wird.
In dem Fall von X = π wird der Wert von an dem Punkt J durch die Gleichung (62) ausgedrückt, wie folgt.
a = l/2na sin θa) (64)
In dem Fall von Y = π wird der Wert von b an dem Punkt K ausgedrückt, wie folgt.
b = l/2nb sin θb) (65)
In dieser Gleichung steht θb zu θa durch die Gleichung (58) in Beziehung, und demgemäß ist dies kein unabhängiger Parameter.
Wenn na < nb ändert sich θa innerhalb eines Bereiches von 0º bis 90º, aber θb ändert sich innerhalb des θa-Bereiches von θc bis 90º θc stellt den Totalreflexionswinkel dar und wird durch die folgende Gleichung bestimmt.
cos θc = na / nb (66)
Der Wert von an dem Punkt J ändert sich stark, weil θa von 0 bis 90º geht, aber der Wert von an dem Punkt K ändert sich wenig, weil θb von θc bis 90º geht.
Wenn θa Null ist, wird die blattförmige Figur nach rechts vergrößert. Der Punkt J nähert sich 0 von her entlang der a-Achse, wenn θa von 0 an zunimmt, Der Punkt K nähert sich 0 von entlang der b-Achse. Demgemäß wird die blattförmige Figur verkleinert.
Der Punkt J nimmt einen minimalen Wert l/2na für θa = 90º an. Dann hat der Punkt K einen minimalen Wert l/2nb. θb ist 90º für θa von 90º.
Schwach brechende PbF&sub2;-Schichten werden für die Filme I hergestellt. Stark brechende Ge-Schichten werden für die Filme II hergestellt. Es seien und die Dicke von PbF&sub2; bzw. die Dicke von Ge. Die Kurve, die die Werte für und für S = -1 ausdrückt, wobei der Winkel θa bei den PbF&sub2;-Schichten ein Parameter ist, ist in Fig. 15 gezeigt. Die Abszissenachse ist a(um), und die Ordinatenachse ist b(um).
θa wird ausgewählt aus 0º, 24,2º, 44,8º, 61º, 75,7º und 90º.
Der Schnittpunkt J der blattförmigen Figur und der a-Achse wird durch die Gleichung (64) gefunden.
Wenn der Brechungsindex na von PbF&sub2; gleich 1,558 ist, wird der Wert von a gefunden, wie folgt. (l = 10,6 Mikrometer).
θa = 0 a = α
θa = 24,2º a = 8,3 um
θa = 44,8º a = 4,8 um
θa = 61º a = 3,9 um
θa = 75,7º a = 3,5 um
θa = 90º a = 3,4 um
Dies sind die Werte von a beim Schneiden der a-Achse. Der Wert von θb wird von den gleichen Werten für θa bestimmt, wie folgt, und der Wert von beim Schnitt der b-Achse wird gefunden wie folgt.
Es ist offensichtlich, daß der Wert von beim Schnitt mit der b-Achse wenig variiert, weil der Brechungsindex nb von Ge ausreichend größer als na ist.
Wenn θa und θb abnehmen, wird die blattförmige Figur für S = -1 nach rechts bewegt und flächenmäßig vergrößert. Dies ist der Fall, weil das Maß der Verkleinerung oder Vergrößerung durch das Reziproke von (64) und (65) bestimmt wird.
Der gemeinsame Bereich in der blattförmigen Figur für den Bereich von θa von 0 bis 90º ist durch den abgeschatteten Bereich ψ gezeigt. Dies ist ein Bereich, der größer als der untere Ast für θa = 0 ist und der kleiner als der obere Ast für θa = 90º ist. Dieser Bereich ist der optimale für die Dicken und .
Es kann ausgedrückt werden, daß die Dicke von PbF&sub2; nicht größer als 3,3 um ist, und daß die Dicke von Ge nicht größer als 1,45 um ist. Jedoch ist der Ausdruck nicht genau. Der Grund ist, weil a ≤ 3,3 und b ≤ 1,45 und es auch einen Bereich gibt, der in dem Bereich ψ nicht eingeschlossen ist.
Es wird nun überlegt, genauer den Bereich ψ zu definieren. Die Gleichung der blattförmigen Figur für θa = 90º wird mehr im einzelnen durch die Gleichungen (53), (62) und (43) beschrieben, wie folgt.
sin² (2 πnaa/l + 2 πnbb/l - π) = [(na - nb)2 / 8nanb] [cos (2 πnaa/l + 2 πnbb/l - π) + cos (2 πnaa/l - 2 πnbb/l)] (67)
Die Werte wie na = 1,558, na = 4,077, 1 = 10,6 um und ähnliche werden in die Gleichung eingesetzt.
sin²(a/1,083 + b/0,424 - 3,14) = 0,1249 [cos (a/1,083 + b/0,414 - 3,14) + cos (a/1,083 - b/0,414)] (68)
Dies ist eine genaue Gleichung für θa = 90º.
Im folgenden wird der Fall von θa = θ&sub0; betrachtet. Aus den Definitionen der Gleichungen (62), (63) und (43) folgt, daß sich X an O annähert und θ an α annähert.
Es wird zu der Gleichung (45) zurückgekehrt, wobei die folgende Gleichung auf der Grundlage der Gleichungen (41) und (43) gelten sollte.
lim (γ - 1) sin X = ma/2 (69)
Da sich θa an 0 annähert, sollte die folgende Gleichung für X = 0 gelten.
-1 = cos Y - (ma / 2) sin Y (70)
Bei der Definition der Gleichung (63) in bezug auf Y ist θb durch θc (Totalreflexionswinkel) ersetzt.
πnb/l (sin θc)b = cot&supmin;¹(ma / 2) (71)
cos [(πnb/l) sin θc] = 0 (72)
Die Gleichung (72) hat eine bestimmte Wurzel, wie folgt.
b = l / (2nb sin θc) (73)
Dies drückt den oberen Ast für θa = 0 in Fig. 4 aus. Der untere Ast für θa = 0 wird durch die folgende Gleichung (74) ausgedrückt.
b/0,8955 = cot&supmin;¹ (a/0,8955) (74)
Indem die simultanen Gleichungen (68) und (74) gelöst werden, können der Schnittpunkt des unteren Astes für θa = 0 und des oberen Astes für θa = 90º gefunden werden.
Es ist von Bedeutung, daß der Bereich ψ, der S < -1 erfüllt, in dem gesamten Bereich von θa von 0 bis 90º vorhanden ist.
Wenn die jeweilige Dicke der Filme I und II zu und innerhalb des Bereiches ausgewählt werden, wird abgeleitet, daß Licht in dem Kern (Ecke) gegen jeden beliebigen schrägen Winkel θa eingeschlossen werden kann.

Berechnung der Abschwächung

Es ist offensichtlich, daß Licht unter allen Winkeln θa abgeschwächt wird, wenn sich das Licht nach rechts in dem Bereich ψ bewegt. Obgleich beschrieben worden ist, daß die Anzahl der Schichten n beliebig ausgewählt werden kann, bleibt noch die Frage, wieviele Schichten verwendet werden sollten.
Beispielsweise wird der Punkt (a = 2 um, b = 0,7 um) in der Nähe der Mitte von ψ als ein Beispiel betrachtet.
Das schwierigste, einzuschließende Licht ist bei θa = 90º In diesem Fall wird die Zahl n in geeigneter Weise durch das Beispiel abgeschätzt. Dann
X = 2 / 1,083 = 1,847 (75)
Y = 0,7 / 0,414 = 0,691 (76)
l = 1,4995 (77)
S = -1,3995 (78)
λ = -0,4203, -2,379 (79)
Es ist aus dem Wert von λ = -0,4203 offensichtlich, daß die Amplitude des Lecklichts um ungefähr 40% verringert wird, wenn n um eine Schicht erhöht wird. Die Lichtleistung ist dem Quadrat der Amplitude proportional. Demgemäß ist es offensichtlich, daß die Leistung auf ungefähr 17% selbst bei n = 1 abgeschwächt wird. Bei n = 2 wird die Leistung auf ungefähr 3% abgeschwächt.
Dies ist unter der schwersten Bedingung von θa = 90º berechnet. Da θa tatsächlich kleiner als 90º ist, ist die tatsächliche Abschwächung größer. Demgemäß erkennt man, daß Licht relativ wirksam eingeschlossen werden kann, selbst bei n = 2 oder selbst bei n = 1. Wenn gleich 3 ist oder größer, kann Licht nahezu vollständig eingeschlossen werden.

Beispiel

Eine Lichtleitfaser mit einem Kern aus Silberbromid, die einen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm aufweist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wurde hergestellt. Der Durchmesser des AgBr- Kerns war 700 um.
Der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm wurde hergestellt, wie folgt. Der Kern wurde mit einem 1 um-dicken PbF&sub2;-Film beschichtet, und danach weiter zusätzlich mit einem 1 um-dicken Ge-Film beschichtet. Dieses Verfahren wurde zehnmal wiederholt. Somit wurde ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm hergestellt, der insgesamt 20 Schichten und eine Dicke von 20 um aufwies.
Da a = b = 1 um, kann Licht in bezug auf alle schrägen Winkel θa eingeschlossen werden. Ein solcher abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm, der 10 Perioden und 20 um Dicke aufwies, wurde weiter mit Nylon beschichtet.
Ein 700 um AgBr-Faserkern wurde unmittelbar mit Nylon beschichtet, um derart eine Faser als ein Vergleichsbeispiel herzustellen.
Kohlenstoffdioxid-Laserlicht wurde jeweils durch die Lichtleitfaser gemäß der Erfindung und die Lichtleitfaser des Vergleichsbeispiels hindurchgeschickt, um dadurch den Temperaturanstieg (ºC) an der Stelle in einem Abstand von 1 cm von dem Austrittsende zu messen.
Der Grund, warum die Beschichtung aus Nylon verwendet wurde, ist, daß Nylon ausreichend CO&sub2;-Laserlicht absorbieren kann. Wenn CO&sub2;-Laserlicht aus der Faser herausleckt, absorbiert Nylon wirksam das Licht, so daß seine Temperatur ansteigt.
In dem Fall, wo diese Faser nur von einem Kern gebildet ist, kann die Faser Kohlenstoffdioxid-Laserlicht von 45W übertragen. Indem aufeinanderfolgend die Übertragungsleistung des Kohlenstoffdioxid-Lasers auf 2W, 5W, 10W, 15W und 250W geändert worden ist, wurde der Temperaturanstieg durch ein Thermoelement gemessen, das mit einer Stelle in Berührung gebracht worden ist, die sich in einem Abstand von 1 cm von dem Austrittsende befindet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Temperaturanstieg (Grad) CO&sub2;-Laserübertragungsleistung Vergleichsbeispiel Unmittelbare Nylonbeschichtung Beispiel gemäß dieser Erfindung Mehrfachschichten (PbF&sub2;/Ge) x 10)+Nylonbeschichtung Auftreten einer Beschädigung an dem Austrittsende
Es ist aus den Ergebnissen offensichtlich, daß der Temperaturanstieg in der Faser, die den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm aufweist, sehr klein ist, und er ist ungefähr ein Zehntel so groß, wie in der Faser, die keinen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm aufwies.
In dem Fall, wo die Faser nur von einem Kern gebildet ist, ohne irgendwelche Nylonbeschichtung aufzuweisen, kann die Faser Laserlicht von 45W übertragen. Jedoch wird in dem Fall, wo die Faser mit Nylon beschichtet ist, das Austrittsende durch Laserlicht von 15W beschädigt, so daß die Faser Licht von 15W nicht übertragen kann. Der Grund ist, weil das hindurchgeleckte Licht durch das Nylon in Wärme umgewandelt wird.
Die Tatsache, daß der Temperaturanstieg bei dem Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gering ist, obgleich mit Nylon beschichtet worden ist, das ein gut absorbierendes Mittel ist, ist, daß wenig hindurchgelecktes Licht auf der Außenseite des Mehrschichtfilms vorhanden ist.
Ferner konnte bei diesem Beispiel energiereiches CO&sub2;-Laserlicht von 150W übertragen werden.
Bei einer Abänderung der vorstehenden Ausführungsform, die in Fig. 16 gezeigt ist, ist der Kern 1 mit einer Schicht 2 aus Bleifluorid PbF&sub2; beschichtet, und die PbF&sub2;-Schicht 2 ist ferner mit einer anderen Schicht 3 aus AgBr (oder AgCl) beschichtet. Diese Beschichtungsschichten werden durch Vakuumaufdampfen, Aufstäuben oder ähnliches gebildet. Es ist möglich, wirksam Infrarotstrahlen innerhalb des Lichtleitfaserkerns mittels der PbF&sub2; und AgBr-Schichten 2 und 3 einzuschließen, die als eine Umhüllung wirken.
Fig. 17 zeigt ein anderes Beispiel der Lichtleitfaser, bei der die Anzahl der Wiederholungen der Beschichtungsschichten aus PbF&sub2; und AgBr (oder AgCl) erhöht ist.
Ein solcher Film, der durch wiederholtes Beschichten zweier Arten von Materialien gebildet ist, wie es oben beschrieben worden ist, wird als ein abwechselnder Mehrschichtfilm bezeichnet, der häufig mit PbF&sub2;/AgBr abgekürzt wird.
Bei diesem Beispiel ist der Faserkern aus AgBr hergestellt und hat einen Durchmesser von 700 um. Drei Mehrschichtfilmpaare, von denen jedes von einer PbF&sub2; und einer AgBr-Schicht gebildet ist, d.h. sechs dünne Filme, überdecken einen Bereich von 5 cm von jedem Eintritts- und Austrittsende. Die Dicke des Films aus PbF&sub2; und des Films aus AgBr ist 4 um bzw. 2,6 um. Das heißt, die Gesamtdicke der Mehrschichtfilme ist 19,8 um.
Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform kann die Mehrschichtumhüllung auf die zwei Enden beschränkt werden, wie es in Fig. 18 gezeigt ist.
Der Film I ist eine PbF&sub2;-Schicht, die einen niederen Brechungsindex (na = 1,558) aufweist, wobei deren Dicke durch a dargestellt ist Der Film II ist eine AgBr-Schicht, die einen großen Brechungsindex (nb = 2,2) aufweist, wobei deren Dicke durch dargestellt ist.
Fig. 18 zeigt Kurven, die die Werte und , die S = -1 erfüllen, mit dem schrägen Winkel θa in der PbF&sub2;-Schicht als ein Parameter zeigen. In der Zeichnung zeigen die Abszisse und die Ordinate die Dicke (um) der PbF&sub2;-Schicht bzw. die Dicke (um) der AgBr-Schicht.
Als schräger Winkel θa wurden Werte wie 0º, 24,2º, 44,8º, 61º, 75,7º und 90º ausgewählt.
Die entsprechenden Schnittpunkte J zwischen den blattförmigen Figuren und der a-Achse werden auf der Grundlage des Ausdrucks (64) erhalten
In bezug auf den PbF&sub2;-Film ist, indem angenommen wird, daß der Brechungsindex na = 1,558 und l = 10,6 um sind, die Beziehung zwischen dem schrägen Winkel und der Dicke des PbF&sub2;-Films, wobei die a-Achse geschnitten wird, wie folgt:
θa=0 a = α
θa= 24,2º a = 8,3 um
θa= 44,8º a = 4,8 um
θa= 61º a = 3,9 um
θa= 75,7º a = 3,5 um
θa = 90º a = 3,4 um
Die Werte des Winkels θb werden entsprechend den gleichen Werten des Winkels θa bestimmt, wie folgt, und die jeweiligen Werte der Dicke , die die b-Achse schneiden, werden entsprechend zu den bestimmten Werten des Winkels θb erhalten, wie folgt.
Der Grund, warum die Änderung bei dem Wert der Dicke , der die b-Achse schneidet, gering ist, ist, daß der Brechungsindex von AgBr größer als der von PbF&sub2; ist.
In Fig. 19 ist deshalb die b-Achse gedehnt, damit sie doppelt so weit wie die a-Achse ist.
Alle die Figuren, die S = -1 mit dem Winkel als einem Parameter erfüllen, sind Abänderungen der blattförmigen Figur der Fig. 13. Die Größe entlang der Ordinate und der Abszisse ist nur gemäß l/na sin θa und l/nb sin θb vergrößert oder verkleinert.
In dem schraffierten Bereich ψ ist es möglich, alles Licht einzuschließen, das den schrägen Winkel θa innerhalb eines Bereiches von 0 bis 24,2º hat.
Obgleich der Winkel θ von 24,2º klein zu sein scheint, ist dieser Wert nicht so klein. Dies ist der Wert des schrägen Winkels in PbF&sub2;. Wenn ein Kern aus AgBr hergestellt wird, ist der schräge Winkel in dem Kern 50º und deshalb ist der Winkel von 24,2º beträchtlich groß.
Da angenommen wird, daß es im wesentlichen nur einige wenige Lichtstrahlen gibt, die einen solch großen schrägen Winkel aufweisen, kann nahezu das gesamte Licht, das durch den Kern übertragen wird, betrachtet werden, als daß es einen schrägen Winkel aufweist, der nicht größer als 24,2º ist. Demgemäß ist es möglich, im wesentlichen das ganze Licht einzuschließen, wenn die Werte der Dicke a und b innerhalb des Bereiches ψ ausgewählt werden.
Obgleich der Bereich ψ so definiert ist, daß = 0,3 - 7,8 um und = 0,6 - 3,1 um sind, ist diese Definition nicht richtig, weil der Bereich ψ nicht rechteckförmig ist.
Ein Ausdruck, der θa = 24,2º entspricht, ist, wie folgt:
cos²(a/5,28 + b/1,983)² = 1,04 sin(a/2,64) sin(b/0,991) (67)
Ein genauer Ausdruck des unteren Astes von θ = 0 ist, wie folgt:
a/2,172 = cot (b/2,172) (68)
Eine genaue Form des Bereiches ψ kann auf der Grundlage der Ausdrücke (67) und (68) erhalten werden.
Ein doppelt schraffierter Bereich Δ wird mehr bevorzugt. In diesem Bereich ist es möglich, Licht einzuschließen, das die schrägen Winkel θa innerhalb eines Bereiches von 0 bis 44,8º hat.

(1) Berechnungsbeispiel

In dem Bereich ψ wird das gesamte Licht, das einen schrägen Winkel θa innerhalb eines Bereiches von 0 bis 24,2º hat, abgeschwächt, wenn es nach rechts gerichtet übertragen wird.
Bei der vorstehenden Berechnung wird nur die Grenze S = -1 erhalten, es wurde aber keine Überlegung auf den inhärenten Wert gemacht. Deshalb wird hier nun eine Überlegung über die Anzahl der Filme angestellt, die für diese Anforderung ausreicht. Beispielsweise wird ein Punkt, der durch a = 3 um und b = 2 um definiert ist, in der Nähe der Mitte des Bereiches ψ genommen.
Das Licht, das den Winkel θa von 24,2º hat, ist am schwierigsten von dem Licht einzuschließen, das den Winkel θa innerhalb des Bereiches von 0 bis 24,2º hat. Deshalb wird hier die Überlegung für Licht angestellt, das den Winkel θa von 24,2º hat. Obgleich das Licht, das den schrägen Winkel in einem Bereich von 0 bis ungefähr 30º aufweist, eingeschlossen werden kann, wird hier eine Berechnung in bezug auf Licht durchgeführt, das einen Winkel von 24,2º hat.
X = 3 / 2,64 = 1,136 (69)
Y = 2 / 0,992 (70)
λ= 1,595 (71)
Demgemäß,
S = -1,425 (72)
λ = -0,410; -2,44 (73)
Aus dem Wert λ = -0,41 kann gefunden werden, daß die elektrische Feldamplitude um ungefähr 40% verringert wird, wenn die Anzahl n der Filme um Eins erhöht wird. Die Leistung wird auf ungefähr 16% verringert, wenn die Anzahl um Eins erhöht wird, weil die Leistung proportional dem Quadrat der Amplitude ist. Wenn n = 2, wird die Leistung auf ungefähr 3% verringert.
Aus diesem Ergebnis findet man, daß Licht wirksam sogar eingeschlossen werden kann, wenn n = 1, und im wesentlichen vollständig eingeschlossen ist, wenn n ≥ 3.

Beispiel

Eine Lichtleitfaser wurde gebildet, wie sie in Fig. 18 gezeigt ist. Ein Faserkern, der aus einem Silberbromidkristall hergestellt ist und einen Durchmesser von 700 um aufweist, ist über eine Länge von 5 cm von dem Austrittsende her mit sechs Schichten insgesamt beschichtet, die aus drei dünnen, jeweils 4 um dicken Filmen aus PbF&sub2; und aus drei dünnen, jeweils 2,5 um dicken Filmen aus AgBr bestehen. Die Schichten aus PbF&sub2; und die Schichten aus AgBr werden abwechselnd und wiederholt für die drei Zyklen gebildet.
Um zu bestätigen, daß diese Struktur wirksam beim Lichteinschließen ist, wurde das Licht, das an dem Austrittsendabschnitt ausleckt, der mit dem Mehrschichtfilm beschichtet ist, durch eine Infrarotstrahlenerfassungseinrichtung bestimmt. Das in dem Fall, wo die Beschichtung durchgeführt worden war, herausleckende Licht wurde auf ungefähr 50% verglichen mit dem Fall verringert, wo keine Beschichtung ausgeführt worden war.
Die vorhergehenden Ausführungsformen schließen eine Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen ein, die einen Kern, der aus Silberbromid (n = 2,2) gebildet ist, und eine Umhüllung aufweist, die aus Silberchlorid Silberchlorid (n = 1,98) gebildet ist. jJdoch kann das Einschließen des Infrarotlichts verbessert werden.
Da die Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen im allgemeinen zum Übertragen von Lichtleistung verwendet wird, ist das Erwärmen der Lichtleitfaser ein bedeutendes Problem. Insbesondere tritt eine merkliche Erwärmung sowohl an dem Eintrittsende zum Übertragen von Licht von dem Laser zu der Lichtleitfaser und an dem Austrittsanschluß zum Übertragen von Licht aus der Lichtleitfaser heraus auf. In dem mittleren Abschnitt der Lichtleitfaser ist die Erwärmung relativ unbedeutend. Wenn jedoch die Lichtleitfaser befestigt wird, wird der Kern durch den Druck des Befestigungsteils gestört, so daß ein Erwärmen aufgrund der Absorptionszunahme auftritt.
Wie es oben beschrieben worden ist, nimmt die Absorption der Lichtleitfaser an dem Eintritts- und Austrittsende und an dem Befestigungsabschnitt zu, so daß eine beträchtliche Erwärmung auftritt. Die Lichtleitfaser wird leicht aufgrund der Erwärmung beschädigt. Demgemäß wird die Lichtübertragungsleistung beschränkt, damit die Lichtleitfaser daran gehindert wird, beschädigt zu werden. Wenn die Lichtabsorption der optischen Faser verringert werden kann, kann die optische Faser eine größere Leistung übertragen.

Abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung

Bei der vorhergehend beschriebenen Kern- und Umhüllungsstruktur wird Licht in dem Kern unter Verwendung der internen Totalreflexion des Lichts an der Grenze zwischen dem Kern und der Umhüllung eingeschlossen. Der Totalreflexionswinkel θc an der Kerngrenze wird durch die Gleichung bestimmt:
θc = n&sub2; / n&sub1; (74)
wobei n&sub1; der Brechungsindex des Kerns ist und n&sub2; der Brechungsindex der Umhüllung ist.
Ein solches Lichteinschließen, wie es oben beschrieben worden ist, ist bei der Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen schwierig, da Materialien mit nahezu dem gleichen Brechungsindex nicht ohne weiteres erhalten werden können. Die Erfinder haben über Mittel zum Lichteinschließen auf der Grundlage eines Prinzips nachgedacht, das von dem oben beschriebenen Lichteinschließen auf der Grundlage der internen Gesamtreflexion unterschiedlich ist.
Das Lichteinschließen kann durch ein abwechselndes und aufeinanderfolgendes Schichten von stark brechendem Material II und gering brechendem Material I auf dem Außenumfang des Kerns erreicht werden. Der Brechungsindex n&sub0; des Kerns ist nicht durch den Brechungsindex n&sub1; des Materials mit geringem Brechungsindex oder durch den Brechungsindex n&sub2; des Materials mit großem Brechungsindex begrenzt. Natürlich ist n&sub2; > n&sub1;. Jedoch kann die Beziehung unter diesen Brechungsindizes sein n&sub0; ≤ n&sub1; < n&sub2;, n&sub1; < n&sub0; ≤ n&sub2;, oder n&sub1; < n&sub2; ≤ n&sub0;.
Wenn die Dicke des Films aus dem Material II mit großem Brechungsindex durch dargestellt wird, und die Dicke des Films aus dem Material I mit kleinem Brechungsindex durch a dargestellt wird, wird die Wiederholungsperiode, die durch L dargestellt wird, durch die Gleichung L = a + b ausgedrückt.
Es sei und die Wellenzahl der Wellen senkrecht zu dem Film I bzw. II. Es sei θa und θb der Winkel zwischen den Lichtstrahlen und den Filmen I und II.
n&sub0; cos θ&sub0; = n&sub1; cos θa = n&sub2; cos θb(75)
Die Wellenzahl bei dem Film I wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
k = (2 π/λ) n&sub1; sin θa (76)
Die Wellenzahl bei dem Film II wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
m = (2 π/λ) n&sub2; sin θb (77)
γ = (m / k + k / m) /2 (78)
Durch Gleichung (5) wird die Definition von γ gegeben. Dies ist in Wert größer als 1.
Es seien ka und mb vorübergehend durch X und Y ersetzt.
ka = X (79)
mb = Y (80)
Wenn S, das durch die folgende Gleichung (81) definiert ist, kleiner als -1 ist, wird das von dem Kern zu den Filmen I und II laufende Licht zu dem Kern durch die Bragg-Reflexion zurückgeschickt.
S = cos X cos Y - γ sin X sin Y (81)
Die Kombination der Dicken (a, b), um eine Bragg-Reflexion zu bewirken, hat einen zweidimensional asugedehnten Bereich in bezug auf den jeweiligen Winkel θa Wenn die Werte der entsprechenden Dicken und so bestimmt werden, daß die Bragg- Reflexion stets bei irgendeinem Wert des Winkels θa auftritt, kann Licht in den Kern eingeschlossen werden.
Der Ausdruck "abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm" wird durch die Tatsache gegeben, daß die Filme I und II abwechselnd, wiederholt auf den Kern geschichtet sind. Der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm erzeugt das Lichteinschließen aufgrund der Bragg-Reflexion, die sehr unterschiedlich von dem oben beschriebenen Lichteinschließen aufgrund der Totalreflexion (Gleichung 74) ist.
Jedoch ist die Bedingung S ≤ -1 beträchtlich streng, und der Bereich der Dicke (a, b), um eine Bragg-Reflexion zu bewirken, wird eng, wenn l nicht ausreichend größer als 1 ist. Demgemäß wird bevorzugt, daß ein Material mit sehr hohem Brechungsindex für den Film II verwendet wird.
Aus dieser Sicht her ist eine Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen hergestellt worden, die eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aufweist, die PbF&sub2; und Ge in Kombination verwendet. In diesem Fall ist der Brechungsindex von PbF&sub2; gleich 1,558, und der Brechungsindex von Ge ist 4,07. Demgemäß ist der Dickenbereich, der eine Bragg-Reflexion erzeugen kann, weit. Der Dickenbereich, der eine Bragg-Reflexion veranlassen kann, wird bei allen Winkeln θa von 0 bis 90º hergestellt.
Ferner ist eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aus PbF&sub2; und AgBr hergestellt worden. Der Brechungsindex von PbF&sub2; ist 1,558, und der Brechungsindex von AgBr ist 2,2. Demgemäß existiert der Bereich der Dickenkombination, die eine Bragg-Reflexion unten allen Winkeln θa hervorrufen kann, nicht. Wenn der Winkel θa kleiner als 30 Grad ist, gibt es den Dickenbereich, der eine Bragg-Reflexion hervorrufen kann. Ferner kann eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aus PbF&sub2; und AgCl betrachtet werden. Jedoch kann, da der Brechungsindex von AgCl 1,98 ist, die Bragg-Reflexion nicht erzeugt werden, wenn θa nicht relativ niedrig ist.
Es sei die Anzahl der wiederholten Schichten in dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm. Die Einschließwirkung wird stärker verbessert, wenn die Wiederholungszahl größer wird. Jedoch ist das Herstellen eines solchen Mehrschichtfilms schwierig und teuer. Wenn die Wiederholungszahl größer wird, nehmen die Herstellungskosten zu.
Die Erfinder haben eine Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen erfunden, die einen Kern aufweist, der von einer abwechselnd geschichteten Mehrschichtumhüllung wie PbF&sub2;/Fe oder PbF&sub2;/AgBr umgeben ist.
In dem Fall, wo die gesamte Oberfläche der Lichtleitfaser mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm überzogen ist, besteht eine Schwierigkeit bei der Wirtschaftlichkeit seiner Herstellung wegen der enormen Kosten, die zum Bilden der Beschichtung benötigt werden. Ein weiterer Mangel ist, daß es schwierig ist, die Dicke des Films konstant über die gesamte optische Faser beizubehalten.
In dem Fall, wo der Mehrschichtfilm nur jeweils an dem Eintritts- und Austrittsende der Lichtleitfaser vorgesehen ist, sind die Kosten relativ gering. Da die Eintritts- und Austrittsanschlüsse, die leicht aufgrund der Absorption erwärmt werden, beschichtet sind, kann eine stabile Infrarotlichtübertragung gemacht werden, und das Erwärmen des Befestigungsabschnittes kann verringert werden.
Jedoch wird der Zwischenabschnitt der Faser nicht mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm überzogen, so daß lichtabsorbierender Stoff, wie Wasser, Staub, die Innenwandung eines Faserschutzrohres oder ähnliches häufig in unmittelbare Berührung mit dem Kern kommt. Als ein Ergebnis wird Laserlicht stark an dem Berührungspunkt absorbiert, so daß dadurch die Faser erwärmt und beschädigt wird.
Im allgemeinen ist die Intensität des aus der Lichtleitfaser herausleckenden Lichts an ihrem Eintritts- und Austrittsende groß. Demgemäß ist der Grundgedanke, daß der alternativ geschichtete Mehrschichtfilm an beiden Enden der Faser vorgesehen wird, vernünftig.
Jedoch ist es nicht vernünftig, daß der Zwischenabschnitt keine Beschichtung benötigt. Wie es oben beschrieben worden ist, kann die Wirkung der Luftumnüllung aufgrund des Absetzens von lichtabsorbierendem Stoff auf dem Kern verschwinden. Ferner nimmt, wenn die Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen häufig gebogen wird, das Lichtlecken an dem Zwischenabschnitt zu.
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung, die das Meßergebnis der Intensität des Lichts zeigt, das von einer Seite des Kerns in dem Fall herausleckt, wo der Lichtleitfaserkern Kohlendioxid (CO&sub2;)-Laserlicht überträgt. Die in Fig. 20 verwendete Faser hat keine Umhüllung, hat aber einen Kern.
Die Abszissenachse zeigt die Längsposition der optischen Faser von dem Eintrittsende bis zu dem Austrittsanschluß. Die Ordinatenachse zeigt die Intensität des Lichtlecks an der Längsposition. Die Intensität wird durch eine Infraroterfassungseinrichtung gemessen, die an einer Seite des Faserkerns angewendet wird.
Die durchgezogene Linie zeigt einen "Anfangszustand", was den Zustand der Lichtleitfaser bedeutet, die noch nicht gebogen worden ist. Lecklicht an dem Zwischenabschnitt ist sehr gering. Es ist offensichtlich, daß das Lecken von Licht hauptsächlich an dem Eintritts- oder Austrittsende auftritt.
Die unterbrochene Linie zeigt die Intensität des Lichtlecks in bezug auf die gleiche Lichtleitfaser für optische Strahlen, nachdem sie wiederholt gebogen worden ist. Bei der praktischen Verwendung mag die Infrarotlichtleitfaser wiederholt gebogen werden. Das Biegen erzeugt einen Fehler bei dem Kern, wodurch die Streuung erhöht wird und das Lecklicht zunimmt. Insbesondere wird das Lecklicht an dem Zwischenabschnitt erhöht. Jedoch ist das Lecklicht an dem Zwischenabschnitt weiterhin beträchtlich geringer als dasjenige an dem Eintritts- oder Austrittsendabschnitt.
Weder das Verfahren des Beschichtens der gesamten Oberfläche der Lichtleitfaser mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm, noch das Verfahren des Beschichtens nur der entgegengesetzten Enden der Lichtleitfaser mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm kann das Profil an Lecklicht der Fig. 20 erzeugen.
Die Lichtleitfaser gemäß diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabschnitt und jeweils der Eintritts- und Austrittsendabschnitt mit einem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm überzogen sind. Die Lichtleitfaser ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholungszahl an dem jeweiligen Eintritts- und Austrittsendabschnitt größer als die Wiederholungszahl m an dem Zwischenabschnitt ist. Die "Wiederholungszahl" bedeutet den "Zyklus". Die Dicke des Films an dem jeweiligen Eintritts- und Austrittsendabschnitt ist n und die Dicke des Films an dem Zwischenabschnitt ist ml. Das heißt, die Anzahl der Schichten beider Arten von Filmen an jeweils dem Eintritts- oder Austrittsendabschnitt ist 2n, und die Anzahl der Schichten an dem Zwischenabschnitt ist nm.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Beziehung erfüllt.
n > m> 0 (82)
Beispielsweise wird zuerst die gesamte Oberfläche des Faserkerns mit einem Zyklus abwechselnder Filme beschichtet. Danach wird der Anschlußabschnitt zusätzlich mit zwei Zyklen abwechselnder Filme beschichtet. Als ein Ergebnis kann eine Faser, die von gegenüberliegenden Anschlußabschnitten, von denen jeder drei Zyklen (n = 3) an Mehrschichtumhüllung aufweist, und einen Zwischenabschnitt gebildet ist, der einen Zyklus (m = 1) an Mehrschichtumhüllung aufweist, hergestellt werden.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht, die die Struktur der Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Um das Lecken von Licht an dem Zwischenabschnitt zu verhindern, wird ein abwechselnder Mehrschichtfilm von in Zyklen an dem Zwischenabschnitt vorgesehen. Um ein größeres Maß an Lecklicht an dem jeweiligen Eintritts- und Austrittsendabschnitt zu verhindern, wird ein abwechselnder Mehrschichtfilm mit n-Zyklen ( ist größer als ) an dem jeweiligen Eintritts- und Austrittsendabschnitt vorgesehen.
Der Fall, wo der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm gleichförmig auf der gesamten Oberfläche der Faser vorgesehen ist, kann ausgedrückt werden durch n = m. Der Fall, wo der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm nur jeweils an dem Eintritts- und Austrittsendabschnitt vorgesehen ist, kann ausgedrückt werden durch n > 0 und m = 0. Der "abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm" bedeutet eine Kombination dünner Filme, wie PbF&sub2; / Ge oder PbF&sub2; / AgBr. In dem Fall von PbF&sub2; / Ge ist die Dicke von jedem Film vorzugsweise ungefähr 1 um bis 2 um. In dem Fall von PbF&sub2; / AgBr ist die Dicke von jedem Film vorzugsweise in der Größenordnung von um.
Der Durchmesser des Kerns kann in geeigneter Weise gemäß der Leistung an Kohlenstoffdioxid-Laserlicht ausgewählt werden, das übertragen werden soll. Beispielsweise kann ein Kern, der einen Durchmesser von ungefähr 500 um bis 1000 um aufweist, verwendet werden.
Verdampfen, Aufstäuben usw. kann als das Verfahren zum Beschichten der Oberfläche der Lichtleitfaser mit Umhüllungsmaterial, wie PbF&sub2;, Ge oder AgBr verwendet werden.

Beispiel

Ein Lichtleitfaserkern aus Silberbroinidkristall mit einem Durchmesser von 500 um wurde als ein Kern verwendet. Die Länge des Faserkerns war 100 cm. Die gesamte Oberfläche des Kerns wurde mit einem abwechselnd geschichteten Film aus PbF&sub2; und AgBr für einen Zyklus (zwei Schichten) beschichtet. Das heißt, war 1. Jeweils 10 cm lange Abschnitte von dem Eintritts- und Austrittsende wurden zusätzlich mit einem Film von vier Zyklen beschichtet. Das heißt, jeder Endabschnitt war mit einem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm aus fünf Zyklen (insgesamt 10 Schichten) beschichtet.
Fig. 22 ist eine graphische Darstellung, die das Meßergebnis der Größe an Licht zeigt, das über die gesamte Länge der Infrarotlichtleitfaser herausgeleckt ist. Die Abszissenachse zeigt die Position der Faser, die von dem Eintrittsende her gemessen wurde. Die Ordinatenachse zeigt die Größe an Lecklicht, das mit einer Infraroterfassungseinrichtung gemessen wurde, die an der Seite der Faser angewendet wurde.
Die ausgezogene Linie B zeigt das Ergebnis der oben beschriebenen Lichtleitfaser. Die Struktur der Lichtleitfaser ist in dem oberen Bereich der graphischen Darstellung dargestellt. Von der durchgezogenen Linie B ist es offensichtlich, daß die Größe an Lecklicht selbst an dem Endabschnitt sehr klein ist. Dies ist eine ausgezeichnete Faser. Natürlich ist das Lecken an dein mittleren Abschnitt ebenso gering. Dies ist, weil der abwechselnde Film mit einem Zyklus an dem Zwischenabschnitt vorgesehen ist.
Ferner ist es offensichtlich, daß das Lecklicht nahezu gleichförmig über die gesamte Länge ist. Obgleich die Größe an Lecklicht an dem Eintritts- und Austrittsendabschnitt im allgemeinen groß ist, kann das Lecklicht nahezu vollständig durch den besonderen mit fünf Zyklen abwechselnden Film verhindert werden, der die Endabschnitte überdeckt.
Die unterbrochene Linie C zeigt den Schwellenwert der Lichtbeschädigung aufgrund der Berührung zwischen einem Lichtabsorber und der Faser. Der Schwellenwert ist derart, daß, wenn ein Lichtabsorber mit der Faser in Berührung tritt, in bezug auf den das Lecklicht bei einer Nichtberührung auf dem Wert C ist, Licht durch den Lichtabsorber absorbiert wird, wodurch die Faser erwärmt wird, daß sie bricht.
Selbst wenn Lecklicht über dem Wert C ist, wird die Faser, die keinerlei Lichtabsorber berührt, nicht durch Erwärmen beschädigt. Jedoch kann, wenn es die Möglichkeit des Berührens eines Lichtabsorbers gibt, eine Faser, bei der Lecklicht oberhalb des Wertes C vorhanden ist, nicht für die Leistung des Lichts verwendet werden.
Als nächstes wurde die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung wiederholt gebogen, indem ein Kreisboden, der einen Radius von 10 cm hatte, während 10.000-fachen Zyklen verfolgt wurde. Bei der praktischen Verwendung kann die Faser wiederholt gebogen werden. Um den Einfluß zu bestimmen, wurde die Faser wiederholt gebogen. Das Meßergebnis der Größe an Lecklicht ist durch die unterbrochene Linie B' gezeigt.
Die Größe an Lecklicht an dem Zwischenabschnitt wird erhöht. Dieses Leck tritt auf, weil Streuzentren in dem Kern durch das Biegen erzeugt werden. Jedoch ist das Leck unterhalb des Schwellenwerts C der Lichtbeschädigung.
Kurz gesagt wird die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem sicheren Wert gehalten, selbst wenn sie wiederholt bei der praktischen Verwendung gebogen wird.
Als Vergleichsbeispiel wurde eine Faser, die nur einen Kern aufwies, der nicht mit irgendeinem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm beschichtet war, in der gleichen Weise gemessen. Das heißt, es wurde eine 100 cm lange Faser aus Silberhalogenid(AgBr)-Kristall mit einem Durchmesser von 500 um gemessen.
Das Ergebnis ist durch die unterbrochene, doppelt gepunktete Linie A der Fig. 22 gezeigt. An dem Zwischenabschnitt ist die Kurve A unter den Wert C, aber über der Kurve B. Kurz gesagt, ist das Lecken an dem Zwischenabschnitt ist größer als dasjenige bei der Lichtleitfaser der Erfindung. Das Lecken jeweils an dem Eintritts- und Austrittsendabschnitt ist wesentlich größer als der Wert C. Insbesondere ist das Lecken an dem Eintrittsende bemerkenswert.
Die Faser, die nur einen Kern aufwies, wurde wiederholt gebogen, indem die Faser über einen Kreisbogen 10.000 Mal geführt wurde, der einen Radius von 10 cm aufwies. Das Meßergebnis der Größe an Lecklicht nach dem Biegen ist durch die einfach gepunktete, unterbrochene Linie A' gezeigt. Das Lecken des Zwischenabschnittes ist erhöht. Selbst an dem Zwischenabschnitt ist das Lecken über dem Wert C. Demgemäß ist es offensichtlich, daß die Verwendung der Faser, die nur einen Kern aufweist, risikoreich ist. Dies ist der Fall, weil Lecklicht durch das Biegen erhöht wird, wodurch leicht eine Wärmebeschädigung der Lichtleitfaser hervorgerufen wird.
Infrarotlichtleitfasern der Art, die eine Metallschicht enthalten, die auf der Außenfläche eines Lichtleitfaserkerns vorgesehen ist, sind allgemein bekannt. Jedoch sind Infrarotlichtleitfasern, die eine Umhüllungsstruktur aufweisen, für einen allgemeinen Zweck noch nicht vorgeschlagen worden.
Ein Teil dieser Anmeldung beschreibt eine Infrarotlichtleitfaser, die eine neuartige Umhüllungsstruktur für den Zweck des Leitens von CO&sub2;-Laserlicht aufweist.
Die Faser hat einen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm, der aus zwei Arten von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet ist, und der als eine Umhüllung auf der Außenfläche eines Lichtleitfaserkerns für Infrarotstrahlen vorgesehen ist.
Das Umhüllungsinaterial sollte Infrarotlicht gut übertragen. Beispielsweise ist ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm aus PbF&sub2;/AgBr oder ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm aus PbF&sub2;/Ge auf der Außenfläche des Lichtleitfaserkerns vorgesehen.
Da die Umhüllung, die aus dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm besteht, Infrarotlicht an der Grenze zwischen benachbarten Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex reflektiert, hat die Umhüllung eine solche Aufgabe, daß Licht, das von dem Kern nach außen gerichtet wird, reflektiert wird, damit es zu dem Kern zurückgebracht wird.
Wenn die Anzahl der Schichten in dem Mehrschichtfilm erhöht wird, nimmt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Reflexionen zu. Demgeinäß kann Infrarotlicht wirksam innerhalb des Faserkerns eingeschlossen werden.
Der Grundgedanke der abwechselnd geschichteten Mehrschichtumhüllung ist merklich verschieden von demjenigen der einzelnen Umhüllungsschicht bei der Quarzglasfaser oder ähnlichem.
In bezug auf die Quarzglasfaser vom Typ mit Stufengradienten gibt es ein bedeutendes Problem beim Unterschied des Brechungsindex zwischen dem Kern und der Umhüllung. In vielen Fällen ist der Unterschied beim Brechungsindex zwischen dem Kern und der Umhüllung bei einem sehr kleinen Wert hergestellt. Der Grund ist, weil die Quarzglasfaser hauptsächlich zum Übertragen von Signalen ohne Störung verwendet wird. Demgemäß ist der Brechungsindex der Umhüllung durch den Brechungsindex des Kerns begrenzt. Somit wird das Umhüllungsmaterial in Abhängigkeit von dem Kern bestimmt.
In bezug auf eine Infrarotlichtleitfaser ist es nicht notwendig, daß der Unterschied beim Brechungsindex zwischen dem Kern und der Umhüllung bei einem kleinen Wert hergestellt werden sollte, weil die Infrarotlichtleitfaser nicht zum Übertragen von Signalen verwendet wird, sondern zum Übertragen von Lichtleistung verwendet wird.
Die abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung, die von den Erf indern vorgeschlagen worden ist, hat bei dem Unterschied des Brechungsindex zwischen zwei Arten von Materialien eine Schwierigkeit, die eine Umhüllung bilden. Der Grund ist, daß die Reflexion an der Grenze zwischen benachbarten Schichten in der Mehrschichtumhüllung bedeutender als die Reflexion an der Grenze zwischen dem Kern und der Umhüllung ist
Aus diesem Grund können die Materialien der Umhüllung geeignet ohne Begrenzung aufgrund des Brechungsindex des Kerns ausgewählt werden, d.h. ohne Begrenzung aufgrund des Materials des Kerns.
Der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm kann wirksam Infrarotlicht unabhängig von der Art des Kerns einschließen.
Viele Arten von Materialien können für den Kern der Infrarotlichtleitfaser verwendet werden und haben entsprechende Vorteile und Nachteile. Die Infrarotlichtleitfaser hat einen Vorteil, daß die Materialien der Umhüllung grundsätzlich nicht durch den Brechungsindex des Kerns beschränkt werden.
Die Lichtleitfaser vom Typ mit abwechselnd geschichteter Mehrschichtumhüllung ist sehr nützlich, insbesondere in dem Fall, wo CO&sub2;-Laserlichtenergie hoher Leistung übertragen wird. Bei der Infrarotlichtleitfaser, die eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aufweist, leckt Infrarotlicht aus der Seitenoberfläche der Faser nur mit geringem Maß aus. Selbst wenn Lichtabsorber, wie Staub, Wasser und ähnliches auf der Außenfläche der Faser abgesetzt werden, wird Licht nicht durch die abgesetzten Absorber absorbiert. Demgemäß ist der Vorteil, daß Unfälle, wie ein Erhitzen der Faser aufgrund von Lichtabsorption und ein Beschädigen der Faser, nicht auftreten. Aus diesem Grund hat die Infrarotlichtleitfaser, die die abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aufweist, eine Durchlaßcharakteristik, die nicht von der Umgebung beeinflußt wird. Das heißt, es kann eine solche Lichtleitfaser hergestellt werden, die eine stabile Durchlaßcharakteristik aufweist.
Im allgemeinen sollte die Lichtleitfaser durch gewisse Mittel befestigt werden, um deren Eingangs- oder Ausgangsende an einem konvergierenden, optischen System, wie einer Linse oder einem Spiegel einzustellen, der dem Lichteintritt in die und den Lichtaustritt aus der Faser steuert.
Jedoch wird die Faser örtlich aufgrund der Berührung zwischen dem Befestigungsteil und der Faser erhitzt. Dies kann einen Unfall hervorrufen, der den Laser an dem Befestigungsabschnitt beschädigt. Der Grund ist, daß die Faser durch das Befestigungsteil verformt wird, das die Faser zusammendrückt, so daß das Lichtleck erhöht wird. Die abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung könnte das Lichtleck an dem Befestigungsende unterdrücken und könnte wirksam das Erhitzen der Lichtleitfaser an dem Befestigungsende verhindern.
Wie es oben beschrieben worden ist zeigt die Lichtleitfaser für Infrarotstrahlen, die eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung aufweist, die von den Erfindern dieser Anmeldung erfunden worden ist, eine ausgezeichnete Wirkung. Jedoch sind die Materialien, die in der Mehrschichtumhüllung verwendet werden, kristalline Materialien gewesen, wie PbF&sub2;, Ge, AgBr oder AgCl. Diese Art Materialien werden leicht durch Reibung beschädigt. Als ein Ergebnis ist die Einschlußwirkung für Infrarotlicht des Mehrschichtfilms häufig durch Beschädigung des Materials verringert worden.
Ferner ist die Mehrschichtfilmumhüllung angeordnet, daß sie sich nach außen bewegendes Licht an der Grenze zwischen benachbarten Schichten reflektiert und das sich nach außen bewegende Licht in dem Mehrschichtfilin abschwächt. Deshalb ist es unmöglich, das Licht vollständig zu enthalten.
Fig. 30 ist eine graphische Darstellung, die eine Radialverteilung der Lichtintensität innerhalb der Lichtleitfaser zeigt. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist die Lichtintensität in der Mitte der Lichtleitfaser groß und wird in der Mehrschichtfilmumhüllung abgeschwächt. Jedoch wird die Lichtintensität nicht auf Null verringert, selbst an einer Position außerhalb der äußersten Schicht der Mehrschichtfilmumhüllung. Das heißt, die Lichtenergie wird nicht auf Null selbst an dem Umfang der optischen Faser verringert. Obgleich die Größe an aus dem Umfang der Lichtleitfaser herausleckender Lichtenergie lediglich relativ zu der gesamten Lichtleistung ist, wird die Größe unvermeidbar groß, wenn die absolute Menge an Lichtenergie, die sich durch die Lichtleitfaser fortpflanzt, zunimmt. Deshalb gibt es bei einer solchen Struktur, bei der nur der abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilm auf den Umfang der optischen Faser vorgesehen ist, eine Grenze bei der übertragenen Lichtleistung. Wenn die Lichtleistung, die übertragen werden soll, diese Grenze überschreitet, nimmt die zu dem Umfang der Lichtleitfaser lekkende Lichtleistung zu, so daß die optische Faser intensive Hitze erzeugen kann, wodurch der Laser zerstört wird, wenn er einen Lichtabsorber oder ein Anschlußbefestigungsteil berührt.
Bei einer Ausführungsform, wie es in den Fig. 23 und 24 gezeigt ist, ist die Außenfläche eines Lichtleitfaserkerns 1 mit einer Mehrschichtumhüllung 2 beschichtet. Die Mehrschichtumhüllung 2 kann die gesamte Oberfläche des Lichtleitfaserkerns 1 überdecken oder kann teilweise deren Eingangs- oder Ausgangsende überdekken. Die andere Oberfläche der Mehrschichtumhüllung 2 ist ferner mit einer Kunststoffschicht 4 beschichtet.
Das Material, das für den Lichtleitfaserkern 1 verwendet wird, kann in geeigneter Weise ausgewählt werden. Beispiele von Fasern, die CO&sub2;-Laserlicht übertragen können, sind wie folgt.
(1) Alkalihalogenkristalle
Kristalle aus CsBr, CsI, KI, KBr, NaCl, CsCl, KCl, NaF, LiF und NaI, und Mischkristalle davon.
(2) Silberhalogenidkristalle
Kristalle aus AgBr, Agcl und AgI, und Mischkristalle davon.
(3) Thalliumhalogenidkristalle
Kristalle aus TlBr, TlCl und TlI, und Mischkristalle davon.
(4) Kristalle aus ZnSe und ZnS und Mischkristalle davon.
(5) Chalcogen-Gläser
As-S
Die vorliegende Erfindung ist bei irgendeinem Kernmaterial anwendbar.
Die Mehrschichtumhüllung 2 ist nahezu für Infrarotlicht transparent und wird durch abwechselndes Beschichten zweier Arten von Materialien gebildet, die einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen.
Die Erfinder haben eine Mehrschichtumhüllung aus abwechselnden Schichten aus PbF&sub2; und AgBr perfektioniert. PbF&sub2; ist ein Material mit einem kleinen Brechungsindex, und AgBr ist ein stark brechendes Material. Die Erfinder haben bereits auch eine PbF&sub2;/Ge abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung vervollkommnet.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffschicht 3 ferner auf einer solchen abwechselnd geschichteten Mehrschichtumhüllung vorgesehen ist.
Die Kunststoffschicht 4 ist vorgesehen, um die Mehrschichtumhüllung 2 zu schützen, damit deren Beschädigung verhindert wird. Wenn die Mehrschichtumhüllung 2 beschädigt wird, wird der beschädigte Abschnitt intensiv aufgrund des Lichtlecks erwärmt, so daß der Faserkörper beschädigt wird.
Die Kunststoffschicht 4 ist nahezu für Infrarotlicht transparent und verwendet vorzugsweise ein Material, mit keinem größeren Brechungsindex als bei dem Material mit geringem Brechungsindex der Mehrschichtumhüllung 2. Wenn die Kunststoffschicht für Infrarotlicht nicht transparent ist, absorbiert die Kunststoffschicht möglicherweise Infrarotlicht, so daß ein intensives Erwärmen herbeigeführt wird. Wenn der Brechungsindex der Kunststoffschicht größer als derjenige des Materials mit geringem Brechungsindex ist, wird die Einschlußwirkung für Infrarotlicht der Umhüllung 2 verringert. Polyethylen ist ein Material, das in dein Infrarotbereich transparent ist und einen Brechungsindex von 1,46 aufweist.
Bei den Mehrschichtumhüllungen aus entweder PbF&sub2;/AgBr oder PbF&sub2;/Ge, die von den Erfindern hergestellt worden sind, ist das geringbrechende Material in jeder der Umhüllungen 2 das PbF&sub2;. Der Brechungsindex des geringbrechenden Materials ist für Infrarotlicht 1,55. Selbst wenn PbF&sub2; durch Polyethylen ersetzt wird, um eine Mehrschichtumhüllung zu bilden, kann die Umhüllung die gleiche Wirkung wie die PbF&sub2;/AgBr-Umhüllung in bezug auf die Lichteinschließwirkung haben, weil der Brechungsindex von Polyethylen kleiner als der von PbF&sub2; ist.
Jedoch hat Polyethylen einen sehr großen Lichtabsorptionskoeffizienten von 200 cm&supmin;¹ für die CO&sub2;-Laserwellenlänge von 10,6 um. Selbst wenn ein dünner Polyethylenfilin verwendet wird, ist die Absorption beträchtlich. Wenn alle geringbrechenden Schichten der Mehrschichtumhüllung durch Polyethylenschichten ersetzt werden, tritt eine Absorption aufgrund des Polyethylens möglicherweise in dem Fall großer Übertragungsleistung auf, so daß die Faser beschädigt wird. Deingemäß kann Polyethylen nicht als das geringbrechende Material innerhalb einer abwechselnd geschichteten Mehrschichtumhüllung verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Kunststoffschicht aus Polyethylen oder ähnlichem auf der Außenfläche der Mehrschichtumhüllung vorgesehen. Auf dem Außenbereich der Mehrschichtumhüllung wird die Lichtleistung ausreichend durch die Lichteinschließwirkung der Mehrschichtumhüllung abgeschwächt. Demgemäß besteht keine Gefahr einer Lichtbeschädigung, die aufgrund der Lichtabsorption durch die Polyethylenschicht auftritt. Ferner ist ein bedeutendes Merkmal, daß die Lichteinschließwirkung der Mehrschichtumhüllung nicht beeinträchtigt wird, weil Polyethylen als ein geringbrechendes Material auf der Außenseite der Mehrschichtumhüllung vorgesehen ist.
Eine Kunststoffschicht 4 ist auf dem Äußersten der Infrarotlichtleitfaser vorgesehen, die eine abwechselnd geschichtete Mehrschichtumhüllung 2 aufweist. Die Kunststoffschicht kann schützen und die Beschädigung der Mehrschichtumhüllung 2 verhindern. Demgemäß hat die Faser eine mechanisch stabile Mehrschichtumhüllungsstruktur.
Da die Mehrschichtumhüllung nicht leicht beschädigt wird, wird ihre Lichteinschlußwirkung nicht beeinträchtigt. Die Möglichkeit des Auftretens der Laserbeschädigung der Faser kann verringert werden.
Da der Brechungsindex des Kunststoffs nicht größer als derjenige des geringbrechenden Materials in der Mehrschichtumhüllung ist, wird die Lichteinschließwirkung der Mehrschichtumhüllung nicht durch Hinzufügen der Kunststoffschicht beeinträchtigt.
Die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung kann als eine Lichtleitfaser zum Übertragen von Kohlenstoffdioxid-Laserlicht für verschiedene Zwecke verwendet werden, wie als Lichtübertragungsleitung für die Lasermedizin und eine Lichtübertragungsleitung für die Laserbearbeitung.
In den Fig. 25 - 29 ist die Lichtleitfaser gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so angeordnet, daß eine Metallschicht, die einen großen Reflexionsfaktor aufweist, auf einem Außenumfang einer abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung vorgesehen ist.
Das Metall, das einen großen Reflexionsfaktor aufweist, kann beispielsweise Gold, Silber und Aluminium einschließen. Die Dicke der Metallschicht kann ausgewählt werden, daß sie die gleiche Größenordnung oder weniger als die Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist, d.h., geeignet ausgewählt mit einem Wert innerhalb des Bereiches von 0,1 um bis 10 um.
Die Wellenlänge des Lichts, das durch die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung übertragen werden soll, wird als 10,6 um angenommen, was die Wellenlänge von CO&sub2;-Laserstrahlen ist, oder ein Wert in der Nähe dieser Wellenlänge. In einem solchen Wellenlängenbereich können die vorgenannten Metallmaterialien ohne weiteres ein Reflexionsvermögen von nicht weniger als 95% herstellen.
Fig. 25 und 26 sind ein Querschnitt und eine Längsseitenansicht im Schnitt, die die Lichtleitfaser geinäß der vorliegenden Erfindung zeigen. In den Zeichnungen ist ein Lichtleitfaserkern 1, der einen großen Durchmesser aufweist, in der Mitte der Lichtleitfaser vorgesehen. Eine dünne, abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilmumhüllung 2 ist um den Lichtleitfaserkern 1 herum vorgesehen. Eine dünne Metallschicht 4 ist auf dem äußersten Umfang der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung 2 vorgesehen.
Der Lichtleitfaserkern kann gebildet werden, indem ein solches erwünschtes Fasermaterial für Infrarotstrahlen verwendet wird, wie es bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, beispielsweise eine kristalline Faser aus Silberhalogen, Thalliumhalogen oder Alkalihalogen oder eine Glasfaser aus Chalcogen-Glas oder Fluorglas. Wie es oben beschrieben worden ist, ist die abwechselnd geschichtete Mehrschichtfilmumhüllung 2 nicht durch den Kern begrenzt, sondern kann allgemein als Umhüllung 2 verwendet werden.
Die Mehrschichtumhüllung 2 wird gebildet, indem aufeinanderfolgende, dünne Filme aus einem im wesentlichen für Infrarotstrahlen transparenten Material übereinandergeschichtet werden. Ferner kann die Mehrschichtfilmumhüllung 2 eine Kombination der Materialien sein, die einen großen und einen geringen Brechungsindex aufweisen.
Wie es oben beschrieben worden ist, haben die Erfinder dieser Anmeldung die Mehrschichtfilmumhüllung aus PbF&sub2;/AgBr ausgeführt. PbF&sub2; ist ein Material, das einen geringen Brechungsindex aufweist, und AgBr ist ein Material, das einen großen Brechungsindex hat. Somit hat die Mehrschichtfilmumhüllung 2 die Aufgabe, das Infrarotlicht an der Grenze zwischen benachbarten Filmen in der Umhüllung 2 so zu reflektieren, daß es in den Kern 1 zurückgebracht wird. Obgleich das Infrarotlicht auch durch die Metallschicht 3 reflektiert werden kann, wird der Anteil des Infrarotlichts, der in die Metallschicht eindringt, ohne von ihr reflektiert zu werden, in der Metallschicht absorbiert, wodurch Wärme in der Metallschicht erzeugt wird. Andererseits ist die Mehrschichtfilmumhüllung aus Materialien hergestellt, die einen großen Durchlaßgrad aufweisen, und deshalb niemals Wärme aufgrund von Absorption des Infrarotlichts erzeugen.
Zusätzlich hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Mehrschichtfilmumhüllung au PbF&sub2;/Ge ausgeführt.
Ferner ist es möglich, einen anderen abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm durch eine Kombination von Materialien zu bilden, die voneinander verschiedene Brechungsindizes aufweisen und von denen jedes eine hohe Durchlässigkeit für Infrarotlicht hat.
Die äußerste Metallschicht 4 wird von einem dünnen Metallfilm gebildet, der aus Gold, Silber, Aluminium oder ähnlichem hergestellt ist, und die Aufgabe hat, nach außerhalb der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung leckendes Licht zu reflektieren. Somit kann das Licht perfekt daran gehindert werden, aus dem Außenumfang der Lichtleitfaser herauszulecken.
Wie es in Fig. 30 gezeigt ist, ist die Infrarotlichtleistung, die aus der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung herauslecken kann, äußerst klein in bezug auf die gesamte Lichtleistung. Da sie äußerst klein ist, kann die herausgeleckte Lichtleistung perfekt durch die Metallschicht reflektiert werden, um zu dem Kern 1 zurückzukehren, selbst wenn die Metallschicht 2 dünn ist.
Obgleich die Lichtleitfaser geinäß der vorliegenden Erfindung eine grundsätzliche Anordnung aufweist, wie es oben beschrieben worden ist, kann der Außenumfang der Metallschicht 4 weiter mit einer Kunststoffschicht 3 beschichtet werden, wie es im Querschnitt der Fig. 28 gezeigt ist, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, so daß die optische Faser geschützt wird. Die Kunststoffschicht 3 kann beispielsweise aus Polyethylen hergestellt werden.
Da Infrarotlicht nicht aus dem Außenumfang der Metallschicht 4 herausleckt, besteht keine Möglichkeit, die Kunststoffschicht 3 zu verbrennen. Deshalb ist es möglich, irgendein Kunststoffmaterial zu verwenden, das in geeigneter Weise geformt wird.
Ferner können, da das Lichtleck ein ernsthaftes Problem an dem Eintritts- und Austrittsende der Lichtleitfaser hervorruft, nur die Endabschnitte mit dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm beschichtet werden.
Auch kann in einem solchen Fall eine Metallschichtbeschichtung wirksam auf dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm an jedem Endabschnitt vorgesehen werden.
Um die Tatsache zu beweisen, daß die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam beim Verbessern der Größe der Lichtleistung ist, die übertragen werden soll, wurde der folgende Versuch durchgeführt.
Ein Lichtleitfaserkern 1, der aus kristallinen AgBr gemacht worden ist und einen Durchmesser von 700 um aufwies, wurde hergestellt. Der Lichtleitfaserkern 1 wurde mit PbF&sub2; und AgBr durch wiederholtes, abwechselndes Beschichten übereinander von drei Zyklen beschichtet. Das heißt, PbF&sub2; und AgBr wurden abwechselnd aufgeschichtet und wiederholt, um eine Umhüllung 2 zu bilden, die aus drei Schichten aus PbF&sub2; und drei Schichten aus AgBr hergestellt worden ist. Diese Umhüllung 2 wurde über der gesamten Länge des Kerns 1 vorgesehen.
Die Lichtleitfasern wurden derart hergestellt, wie es oben beschrieben worden ist. Ein Anschlußbefestigungselement 5, aus rostfreiem Stahl, das in der perspektivischer Darstellung der Fig. 29 gezeigt ist, wurde mit Kunststoff an jedem Ende von einer der Lichtleitfasern befestigt, die aufrechterhalten wurde, wie sie war. Diese Lichtleitfaser wurde Probe genannt.
Bei der anderen Lichtleitfaser war die Mehrschichtfilmumhüllung 2 mit Gold mit einer Dicke von 1 um geinäß der vorliegenden Erfindung beschichtet, so daß eine Metallschicht 4 auf der Lichtleitfaser geschaffen wurde. Dann wurde ein Endbefestigungsteil 5 aus rostfreiem Stahl mit Epoxyharz 7 an jedem Ende der Lichtleitfaser befestigt. Diese Lichtleitfaser wurde Probe b genannt. Die Probe unterscheidet sich von der Probe dahingehend, daß die Goldschicht 3, die eine Dicke von 1 um hat, bei der Probe aber nicht bei der Probe gebildet ist.
Ein die Temperatur messendes Thermoelement 6 wurde in Berührung mit jeder Seitenfläche der Endbefestigungsteile 5 gebracht. Danach ließ man einen CO&sub2;-Laserstrahl durch jede dieser Proben hindurchgehen. Das Thermoelement 6 wurde angeordnet, daß es den Temperaturanstieg des Endbefestigungsteils 5 an dem Austrittsende erfaßt.
Der Temperaturanstieg wird groß, wenn die Laserleistung groß wird. Bei der Probe , die eine Ausfünrungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wurde praktisch bestätigt, daß der Temperaturanstieg kleiner als der der Probe war und keine Laserbeschädigung erzeugt wurde.
Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen der Laserleistung eines CO&sub2;-Laserstrahls und dem Meßergebnis des Temperaturanstiegs des Endbefestigungsteils bei jeder der Proben und . Die Laserleistung wurde erhalten, indem die Leistung des Laserstrahls gemessen wurde, der von seinem Austrittsende ausgesandt wurde, indem ein Leistungsmeter verwendet wurde. Tabelle 1 CO&sub2;-Laserleistung und Temperatur am Endbefestigungsteil Übertragungsleistung des Lasers (Ausgangsend) Temperaturanstieg (ºC) Probe a Probe b Laserbeschädigung beim Endebestigunsfestigungsteil
Es ist aus diesen Ergebnissen offensichtlich, daß der Temperaturanstieg bei der Probe , die mit der 1 um dicken Goldschicht versehen war, auf 70 - 80% desjenigen bei der Probe unterdrückt wurde, die nicht mit der Goldschicht versehen war.
Ferner wurde in dem Fall, wo die Leistung des CO&sub2;-Laserstrahls 175W war, eine Beschädigung bei dem Endbefestigungsabschnitt der Probe erzeugt, so daß die Probe nicht verwendet werden konnte. Die Probe konnte im Gegensatz selbst in dem Fall der Laserleistung von 175W verwendet werden. Unter der Annahme, daß der Temperaturanstieg ein Faktor zum Bestimmen einer oberen Grenze der Laserleistung ist, die übertragen werden kann, kann die Probe b geinäß der vorliegenden Erfindung Laserleistung um 20 - 30% größer als diejenige der Probe & übertragen
Somit ist die Faser gemäß der Erfindung eine ausgezeichnete Faser für Infrarotstrahlen und bietet die folgenden Vorteile:
(1) Infrarotlicht, das von der Lichtleitfaser entweichen kann, kann in dem Kern eingeschlossen werden.
(2) Es gibt keine Einschränkungsbedingung zwischen dem Brechungsindex des Kernmaterials und dem Brechungsindex des abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilms, der eine Umhüllung bildet.
(3) Selbst wenn eine mechanische Verstärkungsschicht auf der Außenseite der Faser vorgesehen ist, so daß sie in enge Berührung mit der Faser kommt, wird die Verstärkungsschicht nicht erwärmt. Demgemäß ist es einfach, eine Verstärkung der Faser vorzusehen.
(4) Aus dem gleichen Grunde ist es leicht, die Faser zu halten oder zu befestigen.
(5) Da Licht, das von der Lichtleitfaser entweichen kann, eingeschlossen werden kann, wird das Material um die Faser herum nicht durch Absorption von herausgelecktem Licht erwärmt.
(6) Die Lichtleitfaser kann ohne Kühlung selbst bei schlechten Bedingungen in bezug auf die Wärmestrahlung verwendet werden.
(7) Das Lichtdurchlaßvermögen der Lichtleitfaser wird erhöht.
(8) Durch den abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm kann der Kern gegen eine Verschlechterung aufgrund von Wasser geschützt werden.
(9) Weil Ge als eine Schicht in dem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilin verwendet wird, kann der Faserkern nicht verschlechtert oder zerstört werden.
(10) Kosten können verglichen mit dem Fall eingespart werden, wo die gesamte Oberfläche der Faser mit einem abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilm überdeckt ist, der eine gleichförmige Anzahl von Schichten hat.
(11) Da der Zwischenabschnitt sowie jeder der Endabschnitte mit einem abwechselnden Film beschichtet werden kann, der durch Schichtung von wenigstens einem Wiederholungszyklus gebildet ist, können Lichtabsorber nicht in unmittelbare Berührung mit dem Faserkern kommen. Demgemäß ist die Lichtdurchlaßcharakteristik ausgezeichnet in bezug auf die Stabilität verglichen mit dem Fall nach dem Stand der Technik, wo nur die Endabschnitte beschichtet sind.
(12) Bei der Lichtleitfaser, die eine Metallschicht gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut hat, wird das Herauslecken von Licht aus dem Außenumfang der Lichtleitfaser verglichen mit einer Lichtleitfaser klein, die nur mit der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmumhüllung versehen ist.
Fig. 27 ist eine graphische Darstellung, die eine Radialverteilung der Dichte der Lichtleistung in einen Querschnitt der Lichtleitfaser mit einem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Lichtleistung in der Außenumfangsfläche der Lichtleitfaser ist Null, da das Licht durch die Metallschicht zurückreflektiert wird.
Deshalb wird die Größe der Lichtleistung, die übertragen werden kann, weiter erhöht.
(13) Der Temperaturanstieg des Endbefestigungsabschnittes ist geringer, weil keine Lichtleistung aus der Lichtleitfaser herausleckt. Deshalb tritt eine Laserbeschädigung kaum an dein Endbefestigungsabschnitt auf.
(14) Die Lichtleistung, die die Metallschicht erreicht, ist durch das Vorhandensein der abwechselnd geschichteten Mehrschichtfilmbeschichtung verringert worden. Deshalb kann das Licht der derart verringerten Leistung, wie es oben beschrieben worden ist, vollständig von der Metallschicht reflektiert werden, selbst wenn die Metallschicht dünn ist.
Bei einer Lichtleitfaser, die mit einer Metallschicht versehen ist, die unmittelbar auf dem Umfang eines Kerns geformt ist, liegt ein solcher Nachteil vor, daß starkes Licht auf die Metallschicht auftrifft, so daß die Metallschicht das Licht nicht vollständig reflektieren kann und einen Teil des Lichts absorbiert, so daß die Metalltemperatur erhöht wird. Bei der Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch ist ein abwechselnd geschichteter Mehrschichtfilm vorgesehen, so daß der vorstehende Nachteil ausgeschlossen werden kann.
(15) In dem Fall, wo ein Silberhalogenidkristall oder ein Thalliumhalogenidkristall als das Material des Lichtleitfaserkerns verwendet wird, kann das Kernmaterial durch ultraviolettes Licht oder sichtbares Licht zersetzt werden, wenn Licht eintritt.
Bei der optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch, ist eine Metallschicht vorgesehen, durch die sichtbares Licht sowie ultraviolettes Licht nicht hindurchgehen kann. Deshalb kann das Kernmaterial aufgrund des Alterns mit der Zeit sogar nicht zersetzt werden, wenn das Kernmaterial aus einem Silberhalogenidkristall oder einem Thalliumhalogenidkristall hergestellt ist.
Die Lichtleitfaser gemäß der Erfindung kann beispielsweise verwendet werden, um einen CO&sub2;-Laserstrahl zu übertragen, als eine Lichtübertragungsleitung für einen Laser eines medizinischen Behandlungsgerätes oder für eine Laserbearbeitungsmaschine.
Die Lichtleitfaser gemäß der vorliegenden Erfindung kann als eine Lichtleitfaser zum Übertragen von Kohlenstoffdioxid-Laserlicht für verschiedene Zwecke verwendet werden, wie als Übertragungsleitung für die Lasermedizin oder eine Übertragungsleitung für die Laserbearbeitung.

Claims

1. Lichtleitfaser, die einen Lichtleitfaserkern umfaßt; sowie einen Lichtleitfasermantel, der Außenumfangsflächen des Kerns wenigstens an den Endabschnitten des Kerns bedeckt; wobei der Mantel wenigstens ein Schichtungspaar umfaßt, das aus einer ersten Schicht eines ersten Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten Materials mit vorgegebenen Dicken und unterschiedlichen Brechungskoeffizienten besteht, die übereinander geschichtet sind, wobei eine Anzahl n geschichteter Schichtungspaare an den Endabschnitten des Kerns vorhanden ist, und eine Anzahl n geschichteter Schichtungspaare den Kern an einem Zwischenabschnitt zwischen den Endabschnit;ten bedeckt, und n > m ≥ 0 gilt.

2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei das erste Material im wesentlichen aus Bleifluorid besteht, und das zweite Material im wesentlichen aus Germanium besteht.

3. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei das erste Material im wesentlichen aus Bleifluorid besteht, und das zweite Material im wesentlichen aus Silberbromid oder Silberchlorid besteht.

4. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei die Dicke der ersten Schicht nicht über 3,3 um 1iegt, und die Dicke der zweiten Schicht nicht über 1,45 um liegt.

5. Lichtleitfaser nach Anspruch 3, wobei das zweite Material im wesentlichen aus Silberbroinid besteht, die Dicke der ersten Schicht im Bereich von 0,3 - 7,8 um liegt, und die Dicke der zweiten Schicht im Bereich von 0,6 - 3,1 um liegt.

6. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei der Kern im wesentlichen aus einem Thalliumhalogenidkristall besteht.

7. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei der Kern im wesentlichen aus einem Alkalihalogenidkristall besteht.

8. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, wobei der Kern im wesentlichen aus einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Thalliumchloridkristall, einem Thalliumbromidkristall, einem Thalliumiodidkristall und gemischten Kristallen derselben besteht.

9. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei der Kern im wesentlichen aus einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Silberchloridkristall, einem Silberbromidkristall, einem Silberiodidkristall und gemischten Kristallen derselben besteht.

10. Lichtleitfaser nach Anspruch 7, wobei der Kern im wesentlichen aus einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Cäsiumchloridkristall, einem Cäsiumbromidkristall, einem Cäsiumiodidkristall und gemischten Kristallen derselben besteht.