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Starkstromleitung für Licht

Energiedichten wie auf der Sonnenoberfläche machen die Lichtübertragung mit Lichtwellenleitung zur Herausforderung. Optische Fasern kommen in den unterschiedlichsten Anwendungen von der Sensorik über die Medizintechnik bis hin zur industriellen Laserleistungsübertragung zum Einsatz - und in allen Bereichen steigen die Leistungsanforderungen.

Glasfasern werden unter Vakuum mit einem elektrisch gezündeten Plasma gespleißt – also nahtlos verbunden. (Bild: 3SAE)

Traditionell lässt sich Laserleistung per Freistrahl und Spiegeln zum Ziel führen – aber das erfordert einen hohen Aufwand und ist vergleichsweise kostenintensiv. Viel eleganter und effizienter ist es dagegen, mit Lichtleitern zu arbeiten. Im Bereich der Datenübertragung ist die Glasfaser schon seit vielen Jahren im Einsatz. Deutlich weniger bekannt ist die Verwendung von Lichtleitern für die Übertragung hoher Leistungen – obwohl diese Anwendungen in vielen Bereichen des täglichen Alltags vorkommen. Ob im Bereich der Datenübertragung, bei Medizin- und Biotec-Anwendungen oder im Bereich der Materialbearbeitung – Laserlicht ist eine tragende Säule vieler moderner Technologien. Doch Laserlicht muss nicht nur erzeugt werden, es muss auch dahin geleitet werden, wo die Arbeit verrichtet werden soll. Seit vielen Jahren im Aufwind ist hierbei die Glasfaser, in der der Laserstrahl mit Hilfe der Totalreflexion bis zum Ziel geführt wird.

Die Nachfrage für solche Lichtleiter hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Parallel dazu hat sich ein umfangreiches Discount-Angebot aus dem asiatischen Raum entwickelt. Aber auch, wenn diese Preise für Einkäufer sehr attraktiv sind, gilt es zu bedenken, dass minderwertige Lichtleiter zu einem spektakulären Ausfall des mitunter einige 100.000 Euro teuren Gesamtsystems führen können. Es gibt im Internet sehr spektakuläre Aufnahmen solcher Vorfälle.

Die Zerstörungskraft kann dabei nicht verwundern, denn wenn 100 W Laserleistung durch einen Lichtleiter von der Dicke eines menschlichen Haares übertragen werden, erreicht die Energiedichte nahezu die Verhältnisse auf der Sonnenoberfläche. Fehler im Bereich der Auslegung, Fertigung oder Montage führen dann leicht zu einer Plasmabildung mit hohem Zerstörungspotenzial. Eine wesentliche Herausforderung besteht in der Ein- und Auskopplung der hohen Lichtleistungen in die Glasfaser. Deshalb müssen die Übergangsflächen extrem fein poliert werden, bevor sie im Vakuum mit einer dielektrischen Antireflexschicht bedampft werden. Auch das Thema Sauberkeit spielt eine Schlüsselrolle, denn schon wenige Mikrometer große Partikel, die in der Schicht eingeschlossen sind und vom Laserstrahl getroffen werden, können zerstörerische Wirkung entfalten.

Prinzipiell gilt: Je größer die eingekoppelte Leistungsdichte, desto wichtiger werden bei den sogenannten Faser-Assemblies, also einer fertig konfektionierten und einsatzbereiten Glasfasereinheit, Produkteigenschaften wie Widerstandsfähigkeit, Zentrizität zwischen Verbindungselementen und Faser und die Reduktion von Rückreflexionen. Um die Ausrichtung der Faser zum Laserstrahl zu optimieren und gleichzeitig eine leichte Handhabung zu ermöglichen, bedarf es außerdem hochpräziser Steckverbindungen. Damit ist die Herstellung solcher hocheffizienten Lichtleiter-Assemblies nicht nur aus Sicht der Oberflächentechnik eine spannende Anwendung.

Lesen Sie mehr über den aktuellen Stand der Technik bei Hochleistungs-Lichtleitern in unserer Exklusiv-Reportage, die am 31. Januar in der mo 1-2/2019 erscheint.