Lichtbrechung

Ausblick

Lichtleiter

Eine wichtige Anwendung der Totalreflexion stellen die sogenannten Lichtleiter dar. Es handelt sich hierbei in der Regel um transparente, flexible Materialien relativ hoher optischer Dichte, in die Licht eingekoppelt und durch Totalreflexion weitergeleitet wird. Vielleicht kennst du die sogenannten Lichtleiter-Lampen, bei denen die Lichtquelle in einem Gehäuse versteckt ist und das Licht durch Glas- oder Kunststofffasern nach außen geleitet wird.

Funktionsweise

Abb. 2 Weg eines Lichtstrahls durch einen Lichtleiter

Die Funktionsweise eines Lichtleiters ist relativ einfach: Licht wird so eingestrahlt, dass es stets an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren und optisch dünneren Material total reflektiert wird. Der innere Kern (hellblau) ist von einem äußeren Mantel (dunkelblau) umgeben.

Der Mantel um den Lichtleiter ist aus mehreren Gründen sinnvoll:

•Wäre er nicht vorhanden, so käme es bei der Totalreflexion sehr darauf an, ob der Lichtleiter im Medium Luft oder z.B. im Medium Wasser benutzt würde. In beiden Fällen wäre der Grenzwinkel der Totalreflexion deutlich verschieden. Ja es könnte sogar sein, dass beim Medium Wasser der Anteil des totalreflektierten Lichts zu klein ist, da der Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Glas-Wasser sehr groß ist (vgl. hierzu auch die Grundwissensseite zur Brechung).

•Beschädigungen an der Oberfläche des ungeschützten Lichtleiters könnten die Totalreflexion unterbinden.

•Die gleichbleibende optische Dichte von Mantel und Kern bedingt auch - bis auf kleine Variationen, die durch den Einfallswinkel in den Lichtleiter und die Streckenführung des Lichtleiters beeinflusst werden - eine fast gleichbleibende Zahl von Totalreflexionen, so dass die Länge des Lichtweges und damit die Laufzeit des Lichtes im Leiter einigermaßen konstant ist. Diese Eigenschaft ist für die Nachrichtenübertragung durch Lichtleiter sehr wichtig.

In einem kleinen Video zeigt Prof. Avimov die Fexibilität eines Lichtleiters.

Einsatz in der Nachrichtentechnik

Auch bei der Datenübertragung bspw. für das Internet werden Glasfasern eingesetzt. Da das Licht, welches durch die Fasern geleitet wird, eine wesentlich höhere Frequenz hat als die elektrischen Signale, welche durch die Kupferkabel geleitet werden, gelingt es, sehr viel Information durch eine dünne Glasfaser zu schicken. Man sagt, dass sich dadurch ein etwa 10 Tonnen schweres Kupferkabel durch eine Glasfaser der Masse 1 kg ersetzen lässt. Allerdings muss man schon bedenken, dass zur Weiterleitung des Lichtes die Glasfaser allein nicht ausreicht (man braucht immer wieder Signalverstärker usw.).

Weitere Einsatzgebiete

Ein großer Vorteil der Lichtleiter besteht darin, dass der Ort der "Lichtproduktion" vom Ort des Lichtaustritts deutlich getrennt ist. So befinden sich beim Lichtaustritts z.B. keine elektrischen Einrichtungen, die für Erwärmung oder auch Unfallgefahr sorgen könnten. Außerdem können mit einer einzigen zentralen Lichtquelle viele Punkte im Raum gezielt beleuchtet werden.

Beleuchtung von Verkehrsschildern. Hier kommen inzwischen jedoch vermehrt auch LED-Lichter zum Einsatz.
Weiterleitung von UV-Licht für Klebezwecke. Manche Materialien härten bei Bestrahlung im ultraviolettem Licht sehr schnell aus. Anwendung zum Beispiel in der Zahnmedizin oder in Nagelstudios.

Abbildungen durch Lichtleiter

Oft soll durch den Lichtleiter nicht nur einfach Licht weitergeleitet werden, sondern es soll auch ein Bild am anderen Ende sichtbar werden können, also eine Abbildung erfolgen.

In diesem Fall ist es zwingend, dass der Lichtleiter aus vielen einzelnen Fasern besteht. Der Faserdurchmesser liegt im Bereich 0,005 - 0,5 mm. In einem Faserbündel von 1 mm Durchmesser befinden sich dann bis zu 10000 Fasern. Die gegenseitige Lage der Fasern muss am Eingang und am Ausgang des Lichtleiters gleich sein. Der massive Lichtleiter in der nebenstehenden Abbildung besteht aus einer Vielzahl von Fasern, wie der vergrößerte Bildausschnitt zeigt.

Anwendung in der Medizin

Bei der Endoskopie (oft wird auch von "Spiegelung" gesprochen) werden Körperhöhlen oder Hohlorgane wie z.B. Luftröhre, Nase, Magen oder Darm von innen betrachtet. Das Endoskop ist meist flexibel und besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung mit Kaltlicht und einem optischen System, das die Information vom Organ zum Arzt überträgt. Für beide Zwecke werden Lichtleiter eingesetzt. Oft dient das Endoskop nicht nur zur Diagnostik (Untersuchung) des Menschen, sondern immer häufiger auch zur Therapie. Dazu gibt es die Möglichkeit kleine Gerätschaften (Laser, Zange u.ä.) über den flexiblen Schlauch an das Organ heranzuführen.

Das nebenstehende Endoskop dient zur Magenuntersuchung. Hier wird mit dem Laser die Blutung eines Magengeschwürs gestillt (d.h. die Ader wird verschweißt).