Optische Fasern physikalische Grundlagen und Anwendungen VORANSICHT. Abb. 1: Faserlampe

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1 9. Optische Fasern von 6 Optische Fasern physikalische Grundlagen und Anwendungen Axel Donges, Isny im Allgäu Die zunehmende Nutzung von Online Video, Internet-TV und Cloud-Services (z. B. Dropbox) befeuert die Nachfrage nach superschnellen Breitbandverbindungen. Die herkömmlichen kupferkabelbasierten Netze mit maximalen Geschwindigkeiten von 2 6 Mbit/s werden dem steigenden Kapazitätsbedarf schon lange nicht mehr gerecht. Hingegen bieten Glasfasernetze Bandbreiten mit Geschwindigkeiten von 0, bis zu Gbit/s. Behandeln Sie, um der Bedeutung der Glasfaser nicht nur für die heutige Nachrichtentechnik, sondern z. B. auch für die Medizin (Endoskopie) gerecht zu werden, das Thema optische Faser in Ihrem Unterricht. Klasse: 0 2 Dauer: Ihr Plus: 4 Stunden ü Aktuelles Thema ü Fachübergreifender Unterricht (Erdkunde, Biologie) Abb. : Faserlampe Mehr als 90 % aller Daten werden in Glasfasern transportiert. Pro Sekunde werden weltweit mehr als km Glasfaserkabel neu verlegt! Der Beitrag im Überblick Inhalt: Reflexion, Transmission, Totalreflexion Stufenindex- und Gradientenfaser Single- und Multimodefaser TAT-4 Endoskop Pearl GmbH

2 9. Optische Fasern 3 von 6 Manfred Börner ( ) realisierte ein optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem, das Laserdioden (als Sender), Glasfasern (als Übertragungsmedium) und Laserdioden (als Empfänger) nutzte und das 966 zum Patent angemeldet wurde. 966 entdeckten Charles Kuen Kao (geb. 933) und George Hockham ( ), dass Unreinheiten im Glas zu Verlusten bei der Übertragung führen. Dafür erhielt Charles Kuen Kao 2009 den Nobelpreis für Physik. 970 entwickelte und produzierte das amerikanische Unternehmen Corning Inc. eine optische Faser, mit der Licht über eine längere Strecke ohne größere Verluste übertragen werden konnte. Die optischen Fasern wurden stetig verbessert. 985 übertrug die British Telecom erstmals Signale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von 250 km. Heute erreichen optische Fasern im nahen Infrarot-Bereich Dämpfungen von weniger als 0,2 db/km. Das bedeutet: Bei einer Faserlänge von km kommen noch mehr als 98 % der eingespeisten Leistung am Faserende an. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Einstieg In dieser Unterrichtseinheit bildet den Einstieg eine Farbfolie (M ) mit Anwendungsbeispielen von Glasfasern. Werfen Sie sie mit dem OHP an die Wand und fragen Sie Ihre Schüler, ob sie erkennen können, was dargestellt ist. Vielleicht kennt der ein oder andere Schüler die Endoskopie. Dann erklären Sie, wie diese funktioniert. Aufbau der Unterrichtseinheit Anschließend wiederholen Ihre Schüler zunächst im Material M 2 die Reflexion und Brechung an dielektrischen Grenzschichten. Sie erarbeiten sich im Material M 3 das physikalische Phänomen Totalreflexion. Zum besseren Verständnis führen sie drei Demonstrationsexperimente zur Totalrelexion durch (M 4). In den Materialien M 5 und M 6 wird die Funktionsweise der Stufenindex- und der Gradientenfaser geometrisch-optisch erklärt. Material M 7 erläutert den Unterschied zwischen Single- und Multimodefasern. In den Materialien M 8 und M 9 stellen wir zwei Anwendungen vor. M 8 hat ein Tiefseekabel, das Europa und Nordamerika verbindet, zum Gegenstand. Dieses Material kann auch außerhalb des Physik-Unterrichts (Erdkunde, Gemeinschaftskunde etc.) behandelt werden. Material M 9 stellt das Endoskop vor, was auch für den Biologie-Unterricht interessant sein dürfte. Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F, F 3, E 4 F, F 3, F 4, E, E 3, E 4, E 7 F, F 3, F 4, E, E 3, E 4 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen wiederholen die Phänomene Reflexion und Brechung, erarbeiten sich die Totalreflexion, verstehen die Funktionsweise von optischen Fasern, Anforderungsbereich F, F 4, E 7 üben sich im Experimentieren. I III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 40. I, II I III I III

3 4 von 6 9. Optische Fasern Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie WH = Wiederholungsblatt M Fo Beispiele für die Anwendung von Glasfasern Einstieg M 2 WH Reflexion und Brechung frische dein Wissen auf! M 3 Ab Die Totalreflexion D: 45 min M 4 SV Demonstrationsexperimente zur Totalreflexion V: 5 min D: 5 min r Halbzylinder aus Plexiglas mit Haltevorrichtung r Rechtwinkliges Prisma aus Plexiglas M 5 Ab Die Stufenindexfaser M 6 Ab, LV Die Gradientenfaser V: 5 min D: 5 min r Zuckerlösung r Wasser M 7 Ab Single- und Multimodefasern r Gebogener zylindrischer Stab aus Plexiglas r Laserpointer r Küvette r Laser M 8 Ab TAT-4 ein gigantisches Tiefseekabel D: 5 min M 9 Ab Endoskopie ein Blick ins Körperinnere Die Erläuterungen und en zu den Materialien finden Sie ab Seite 4. Mediathek Internet-Adressen zu M und M 2: zu M 3 und M 4:

4 9. Optische Fasern 5 von 6 M Beispiele für die Anwendung von Glasfasern Einstieg Pearl GmbH Foto: fos4x Optische Fasern werden heute hauptsächlich zu Beleuchtungszwecken (a), zur Bildübertragung (b), in der Messtechnik (c) oder in der optischen Nachrichtentechnik (d) eingesetzt. Dabei bildet das zuletzt genannte Gebiet den Anwendungsschwerpunkt. Abb. 4: Beispiel zu a: Faserlampe Abb. 6: Beispiel zu c: Ein Faser-Bragg-Sensor (Glasfaser mit integrierten Bragg-Relektoren) verändert sein wellenlängenabhängiges Relexionsvermögen, wenn er einer mechanischen Zugbelastung ausgesetzt wird. Abb. 5: Beispiel zu b: Anwendung optischer Fasern in der Endoskopie Abb. 7: Beispiel zu d: Ohne Lichtwellenleiter wäre der heutige Datenverkehr nicht mehr zu bewältigen. Thinkstock/Hemera Rainer Grothues Fotolia.com

5 9. Optische Fasern 7 von 6 M 3 Die Totalreflexion. Aufgabe Ein Lichtstrahl, der sich zunächst in Glas (n =,5) ausbreitet, tritt aus der Glasplatte aus und läuft dann in Luft (n 2 =,0) weiter. Berechnen Sie für die Einfallswinkel α = 0 o, 0 o, 20 o, 30 o, 40 o, 50 o, 60 o, 70 o und 80 o (im Glas) die zugehörigen Winkel α 2 der gebrochenen Strahlen (in Luft). Ist das für alle Winkel möglich? Stellen Sie das Ergebnis grafisch in einem α -α 2 -Diagramm dar. Glas Luft α α 2 Schlussfolgerungen Die von Ihnen zuvor bearbeitete Aufgabe zeigt: Für die Winkel α = 0 o, 20 o, 30 o und 40 o ist der zugehörige Winkel α 2 stets größer als α. Für die Winkel α = 50 o, 60 o, 70 o und 80 o kann kein zugehöriger Winkel α 2 berechnet werden (der Taschenrechner zeigt Error an). n Wird das Brechungsgesetz nach sin(α 2 ) aufgelöst, ergibt sich: sin( α 2) = sin( α ). Da n sin( α 2) = sin( α) sein muss, muss auch stets sin( α) gelten. Für den größten n Einfallswinkel α, für den sich im Fall n 2 < n noch ein Winkel α 2 berechnen lässt, gilt somit sin( α,max ) = <. n Abb. 9: Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium Übersteigt der Einfallswinkel α den Winkel α,max, so kann der Lichtstrahl nicht vom Glas in die Luft übertreten. Der einfallende Lichtstrahl wird dann vollständig reflektiert. Man spricht dann von Totalreflexion. α,max heißt Grenzwinkel der Totalreflexion. 2. Aufgabe Berechnen Sie für n =, 5 und n 2 =, 0 den Grenzwinkel der Totalreflexion. Merke: Die Totalreflexion a) Ein Lichtstrahl kann nur dann von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium übertreten, wenn der Einfallswinkel α kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion (α,max ) ist. b) Hierbei ist das optisch dichtere (dünnere) Medium dasjenige Medium mit der größeren (kleineren) Brechzahl. c) Beim Übergang des Lichts vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium tritt das Phänomen der Totalreflexion nicht auf.

6 9. Optische Fasern 3 von 6 M 9 Endoskopie ein Blick ins Körperinnere Bei der Endoskopie (aus dem Altgrie-, chischen endon: innen; skοpein: sehen) handelt es sich um ein Verfahren, mit dem das Innere von Hohlräumen z. B. Magen, Darm oder auch technische Hohlräume untersucht oder gar manipuliert werden kann. Umgangssprachlich wird eine endoskopische Untersuchung auch als Spiegelung (z. B. Magenspiegelung) bezeichnet. Abb. 24: Flexibles Endoskop Bei der sogenannten lexiblen Endoskopie kommen optische Fasern zum Einsatz. Zum einen wird das Licht einer Kaltlichtquelle mit optischen Fasern zu Beleuchtungszwecken in den Hohlraum geführt. Andererseits wird mithilfe von optischen Fasern das Bild des Hohlrauminneren nach außen geleitet. Für die Bildübertragung werden dabei sog. Bildleiter verwendet, die aus vielen Tausenden von Einzelfasern (Durchmesser jeweils 7 0 µm) bestehen. Dabei ist jeweils eine Faser für einen Bildpunkt (Pixel) zuständig, d. h., die Anzahl der Bildpunkte entspricht der Anzahl der einzelnen Fasern. Abb. 25: Funktionsprinzip eines Bildleiters. Der Gegenstand wird mit einer Linse auf den Eingang des Bildleiters abgebildet. Das dort entstehende Bild wird dann in den verschiedenen Fasern weitergeleitet. Bildleiter (Faserbündel) Objekt Linse Abb. 26: Endoskopischer Blicks ins Innere einer mechanischen Uhr Kalumet/Wikimedia Commons. Lizenz: CC BY-SA 3.0 Splarka, Quelle: Splarka/Wimimedia Commons Die Endoskopie dient jedoch nicht nur der Diagnostik. Sie wird auch zur Therapie eingesetzt. Dazu wird das Endoskop erweitert z. B. um miniaturisierte Greif- und Schneidewerkzeuge oder einen Laserstrahl, der ebenfalls über eine optische Faser eingekoppelt wird, sodass man Operationen (z. B. Blinddarm-OP) durchführen kann (minimal-invasive Eingriffe).

7 4 von 6 9. Optische Fasern Erläuterungen und en M Beispiele für die Anwendung von Glasfasern Einstieg Glasfasern spielen im Alltag eine bedeutende Rolle. Zeigen Sie Ihren Schülern, wo. M 2 Relexion und Brechung frische dein Wissen auf! n n, 0 sin( α ) = sin( α ) mit = = 0,6 n, 5 2 Winkel des gebrochenen Strahls in Grad α in α 2 in 0,0 3,2 25,4 35,3 4, Winkel des einfallenden Strahls in Grad Abb.27 M 3 Die Totalrelexion n., 5 n = ; sin ( α ) ( ) 2 =,5 sin α 2 α in α 2 in 0,0 5, 30,9 48,6 74,6