Frage an die Optikexperten: Lichtbogen in Strahlengang einkoppeln

[treinisch]

Hallo,

leider habe ich von Optik extrem wenig Ahung. "Keine" würde es wahrscheinlich ziemlich genau treffen.

Ich würde gern einen 10 - 15 mm langen Lichtbogen als Lichtquelle verwenden und dabei möglichst viel des Lichtes "benutzen". Zusätzlich wäre es genial, wenn ich das Licht durch einen Lichtleiter zum Mikroskop bekommen würde.

Bei einer HBO stellt sich die Frage ja zum Beispiel gar nicht, weil der Lichtbogen viel kürzer ist. Gibt es eine Optik für diese Problemstellung? Könnte ich zum Beispiel einfach den Lichtbogen mit einer Sammellinse auf das Ende des Lichtleiters abbilden?

Meine Frage bezieht sich auf das "Einsammeln" des Lichtes, das Einspiegeln in den Strahlengang mache ich dann über einen Spiegel, oder indem ich den Lichtleiter anstelle der Glühbirne montiere.

Mit herzlichen Grüßen

Timm

P.S:
Zum Hintergrund der Frage
Ich habe 2013 an einem extrem schnellen Blitz gebastelt und würde jetzt gern an dem Projekt weitermachen. Ich bin an einer Stelle, wo ich erstmal schauen möchte, wie viel Licht ich eigentlich bräuchte. Bevor ich weiter am Blitz arbeite würde ich also erstmal schauen, ob ich schon genug Licht habe, oder ob ich mehr Licht brauche.
Ich würde gern möglichst viel des Lichtes ausnutzen, damit ich mit der Blitzenergie nicht unnötig hoch gehen muss, einfach aus Sicherheitsgründen.
Aus diesem Grund möchte ich auch gern einen Lichtleiter verwenden (in nichtmetallischer Umhüllung natürlich :-) ). Lichtleiter wäre zusätzlich praktisch, weil ich den Blitz dann besser schallisolieren könnte, weil er extrem laut knallt und ich mich jedes Mal zu Tode erschrecke, obwohl ich weiß was kommt. Zusätzlich könnte ich die elektromagnetische Störstrahlung besser abschirmen, wenn ich nur die Durchführung für den Lichtleiter brauche.

[JB]

Hallo,

Wie waere es mit einem entsprechend dimensionertem Hohlspiegel als Kollektoroptik? Mit der Spiegelschicht als nicht-leitemdem Interferenzfilter ausgefuehrt?

Jon

[treinisch]

Hallo Jon,

Wie waere es mit einem entsprechend dimensionertem Hohlspiegel als Kollektoroptik? Mit der Spiegelschicht als nicht-leitemdem Interferenzfilter ausgefuehrt?

tut denn ein Hohlspiegel nicht genau das Gegenteil von dem, was ich will? Macht der nicht aus einer punktförmigen Lichtquelle ein breites paralleles Strahlenbündel?

Viele Grüße

Timm

[JB]

Hallo Timm,

Der Lichtbogen kommt natuerlich ausserhalb des Hohlspiegels; der Ansatz des Lichtleiters in den Brennpunkt (wie bei einer Satellitenschuessel). Eine gross-dimensionierte Kollektorlinse, z.B. eine Frensel-Linse aus Plastik http://www.edmundoptics.com/optics/optical-lenses/fresnel-lenses/fresnel-lenses/2040 , ginge aber auch, je nach dem wie gross die Lichtausbeute und der Arbeitsabstand werden sollen.

Beste Gruesse, Jon

[peter-h]

Hallo Timm,

wenn ich es richtig verstehe, so soll ein langer Lichtbogen auf einen kleinen Fleck abgebildet werden. Es muß also mit einer Zylinderlinse der "Strich" verkleinert werden und zudem mit einer positiven Linse die Bündelung erfolgen. Da sind wohl einige Experimente nötig.

Gruß
Peter

[ewald]

Hallo Timm,

hinter den Lichtbogen einen Hohlspiegel (so justiert, daß der Funke 1:1 neben sich abgebildet wird), vor dem Funken + Reflexbild ein Glas- oder besser Quarzstab ausreichenden Durchmessers, der auf den Durchmesser eines leicht anzukoppelnden Glasfaserkabels ausgezogen ist. Damit dürfte man eine gute Lichtausbeute erreichen. Zum Ausprobieren kann man zuerst mal den Spiegel weglassen.

Das macht aber nur Sinn wenn wirklich der Lichtbogen leuchtet. Bei einem Kohlelichtbogen z.B. leuchtet bei Gleichstrom hauptsächlich der positive Krater.

Viel Erfolg
Ewald

[treinisch]

Hallo,

danke euch allen, jetzt weiß ich schonmal sehr viel mehr und kann zielgerichtet experimentieren.


@Jon
Die Hohlspiegel-Idee habe ich jetzt verstanden, sorry, da habe ich mich wohl etwas doof gestellt.

@Ewald
Ich schätze, der Blitz ist viel zu kurz, als dass da eine Elektrode glühen könnte. (200 bis 300 ns)

Viele liebe Grüße!

Timm

[Lupus]

Hallo Timm,

wie groß ist denn die Leuchtfläche des Blitzes? Ähnlich die des Lichtbogens?

Welchen Durchmesser hat dein Lichtleiter?

Hubert

[treinisch]

Hallo Hubert,

wie groß ist denn die Leuchtfläche des Blitzes? Ähnlich die des Lichtbogens?

Welchen Durchmesser hat dein Lichtleiter?

mit Lichtbogen habe ich die Hochspannungsentladung meines Blitzes gemeint. Der Abstand der Elektroden beträgt im Moment 10 mm, aber es kann natürlich sein, dass ich den noch länger machen muss, wenn ich mehr Energie brauche. Die Entladung läuft auf der0 Außenseite eines Quarzrohres mit etwa 5mm Außendurchmesser. Im Prinzip hat der Lichtbogen also in optischer Hinsicht einen Durchmesser von 5 mm.

Ich wollte gern einen Lichtleiter mit 3 mm Durchmesser verwenden, das müsste ganz gut zur Fläche der Glühwendel am Axioskop passen. Ich habe aber noch keinen Lichtleiter.

vlg

Timm

[Lupus]

Hallo Timm,

dir geht es ja um die maximale Lichtmenge, die am Mikroskop ankommt. Das grundsätzliche Problem besteht darin, dass man durch möglichst lichtstarke Abbildungsoptiken nicht unbedingt mehr Licht einkoppeln kann.

Ein Lichtwellenleiter hat einen sog. Akzeptanzwinkel, der maximale Halbwinkel eines einfallenden Lichtbündels, der noch weitergeleitet werden kann. Licht mit größerem Winkel kann nicht übertragen werden, da dort keine Totalreflexion mehr erfolgt (der Sinus dieses Winkels wird analog zur Mikroskopie als numerische Apertur bezeichnet). Dieser Winkel hängt vom jeweiligen Lichtleiter ab. Und dieser Winkel begrenzt daher automatisch die sinnvolle maximale Größe (genauer das Verhältnis Brennweite zu Durchmesser) der Linse, mit der man den Lichtbogen auf den Lichtleitereingang abbildet.

Zusätzlich hast du das Problem einer länglichen Lichtquelle, aber eine Zylinderlinse ist da keine Lösung. Damit kann zwar die Brennweite für die Abbildung der Lichtquelle in der Längsrichtung der Quelle verkürzt werden und somit auch das Lichtquellenbild, aber dann ist keine vernünftige gleichzeitige Abbildung der Lichtquelle für beide Dimensionen auf den Lichtleitereingang mehr möglich. Außerdem würde dadurch automatisch der Akzeptanzwinkel überschritten. D.h. es bringt auch keinen Vorteil, den Lichtbogen wegen der Lichtmenge länger zu machen. Da helfen auch keine Tricks wie vorgeschaltete konische Optiken o.ä.

Am effektivsten ist der schon gemachte Vorschlag, rückseitig einen Hohlspiegel anzuordnen, um das rückwärtige Licht auch zu nutzen. Aber natürlich darf der Lichtbogen nicht wie beschrieben im Brennpunkt angebracht werden, sondern im doppelten Abstand um eine 1:1 Abbildung in sich zurück zu erzielen.

Allerdings könnte auch die Ankopplung des Lichtleiters an das Mikroskop deutliche Lichtverluste verursachen, wenn der Austrittswinkel des Lichtleiters nicht mit der Abbildungsoptik der Mikroskopbeleuchtung harmoniert.

Hubert

[Klaus Henkel]

Ich wollte gern einen Lichtleiter mit 3 mm Durchmesser verwenden, das müsste ganz gut zur Fläche der Glühwendel am Axioskop passen. Ich habe aber noch keinen Lichtleiter.

Timm

Auszug aus einem Artikel von KH aus der Vereinszeitschrift µ Nr. 17 (Dezember 1999) der MVM - Mikrobiologische Vereinigung München e.V.

Zitat /
Zu dickes oder zu dünnes Blitzrohr. - Herr xyz (MVM) machte kürzlich in der Stammtischrunde im Löwenbräukeller auf Schwierigkeiten mit einem zu dicken Blitzrohr aufmerksam. Damit bei der Doppelkollektortechnik die Ausleuchtung akkurat und die Leuchtdichte hoch ist, muß das ionisierte Gas im Blitzrohr insgesamt zünden. Hat das Blitzrohr eine zu große lichte Weite, leuchtet unter Umständen das Gas nicht insgesamt auf, sondern der Blitz läuft an den ionisierten Wänden entlang, und zwar zunächst auf der einen, danach auf der anderen Seite, was einen kuriosen stroboskopartigen Wackeleffekt ergibt, bei der zweimal hintereinander schiefe Beleuchtung auftritt. Das wäre vielleicht sogar interessant, wenn dabei die Leuchtdichte im Blitzrohr nicht viel zu gering wäre. - Ich selbst habe folgende Beobachtung gemacht. Mein Blitzrohr hat nicht ganz 3 Millimeter Außendurchmesser. Die glasklare lichte Weite beträgt nur etwa 1 mm. Meine Pilotlampe hat die als Mikroskoplampe weit verbreitete "Kleinkinolampe" 6 V 15 W mit einer Glühwendelfläche von 1,6 x 1,8 mm2. Sie paßt also nicht so in das Blitzrohr hinein, daß ihre leuchtende Fläche ganz ausgenutzt wird, denn die dicken Wände des Glasrohrs links und rechts wirken wie eine beiderseitige Blende. Der Lichtverlust ist nicht so schlimm, aber die Verringerung der Wendelfläche ist ungünstig, sie soll ja möglichst groß sein. Hinzukommt, daß diese Anordnung sehr empfindlich ist gegen die allergeringste Dejustierung, weil dann durch die Abschattung am Glasrohrrand eine ungewollte, störende schiefe Beleuchtung auftritt. Da man das Einstelllicht ja nicht nur zum Fotografieren verwendet, sondern auch zum ganz normalen Mikroskopieren, ohne daß man die Blitzlichteinrichtung vorher abmontiert, kann dieser Effekt stören. Ich mache darauf aufmerksam, weil neuerdings noch dünnere Röhren für Amateurblitzgeräte verwendet werden. Die Wendelfläche mancher Lampen ist aber bedeutend größer, z. B. 60 W 3,2 x 3,2 mm2 oder 12 V 100 W 4,2 x 2,3 mm2. Auch das kann ein Grund sein, die Stahlschmidtsche Bauvariante vorzuziehen.
/ Zitat

Fazit: Wie immer man es macht, ist falsch.
Link zum vollständigen Artikel: http://www.klaus-henkel.de/seriefoto8.html
Beste Grüße von
KH

[Stuessi]

Hallo Timm,

Hubert hat schon die wesentlichen Probleme erwähnt.
Maximale Lichtenergie kannst Du in den Lichtleiter übertragen, wenn dieser möglichst nah an die Blitzröhre kommt, diese also praktisch berührt. Jede Optik zwischen Lichtleiter und Blitzröhre verringert den Wirkungsgrad. Zusätzlich würde ich einen Hohlspiegel einsetzen.

Gruß,
Stuessi

[Klaus Henkel]

Lieber Herr Reinisch!

Mit meinem Beitrag zum Durchmesser von Blitzrohren lag ich wohl, wie ich erst jetzt beim nachträglichen Lesen des gesamten Fadens merke, deutlich neben Ihrem Thema. Ich bitte um Entschuldigung für meinen "sachfremden" Beitrag. Ich kann mir noch immer nicht so recht vorstellen, was Sie mit einem "extrem schnellen Blitz" meinen. Eine milliardstel sec, oder reicht auch eine millionstel sec? Ich habs da mit meinen handelsüblichen "Computerblitzgeräten" aus dem Siebzigern bis Neunzigern nur auf 1 / 40.000 sec Leuchtzeit Belichtungszeit gebracht. Außerdem weiß ich, daß die Wärme- bzw. Hitzeabstrahlung an einem Lichtleiterausgang bei hoher Energiezufuhr am Lichtleitereingang nicht unterschätzt werden sollte.

Vielleicht ist aber folgender bebilderte Aufsatz von Bode, Horstmann und Wangorsch aus dem MK 66 (1977) S. 261 f. doch irgendwie hilfreich: Mikrofotografie mit Lichtleiteroptik und Elektronenblitz. Mit Literaturangaben. Berichtet wird über den Einbau einer Lichtleiteroptik in den Fuß des Ortholux.

Einen schönen Abendgruß!
KH

[treinisch]

Hallo,

es ist wirklich genial, wie ihr mir weitergeholfen habt! Vielen Dank. Ich habe jetzt dass Gefühl, zu wissen, wie ich vorgehen will. Mal sehen was passiert.

@Herrn Henkel
Nun ja, uninteressant war der kleine Ausflug neben das Thema ja nicht, von daher kein Problem.

Mit ,,extrem schnell" meine ich, dass der Blitz aktuell ein t1/e von etwas über 200 ns hat. Und das obwohl ich den Kondensator gewickelt habe und jede Schicht nur eine Anzapfung hat. Allein die Induktivität des Kondensators lässt sich bestimmt noch halbieren und die ESR sogar auf ein zehntel oder hundertstel reduzieren. Es würde mich nicht wundern, wenn man vielleicht sogar 100 ns schaffen könnte, außer natürlich ich muss die Kapazität erhöhen, weil das Licht nicht reicht. Im Moment hat den Kondensator auch nur 30 nF was aber immerhin schon fast 3 J an elektrischer Energie sind und höher möchte ich eigentlich nicht.

Also: extrem schnell heißt am Ende hoffentlich etwas zwischen 1/5 000 000 und 1/10 000 000 s.

Mit herzlichen Grüßen

[Lupus]

Hallo,

man kann mit dieser einfachen Technik etwa bis zu 10 ns kurze Blitze (Halbwertszeit) bei einer Blitzenergie von in der Größenordnung 10 mJ erzeugen. Dazu ist neben einem induktivitätsarmen koaxialen Aufbau auch ein sehr kleines Entladungsvolumen notwendig - dient u.a. auch der Plasmakühlung um das Nachleuchten zu verringern.

Hubert