Was haben ein Stethoskop, Glasfaser und ALMA gemeinsam?

Updated: Jan 6

Was man in der Schule macht:

Fällt Licht möglichst flach auf einen Übergang von Glas in Luft, so wird es total reflektiert. In einem Lichtleiter kann man so Licht über Totalreflexionen durchleiten.

(In einem späteren Post muss auch dieses Bild korrigiert werden, da immer evaneszente Wellen den Lichtleiter verlassen können).


Extrafutter:

Sicherlich jeder ist schon mal bei einem Arzt mit einem Stethoskop abgehört worden. Eine

Membran nimmt den Körperschall auf und leitet ihn in eine im Schlauch befindliche Luftsäule. Über die Ohrbügel wird dann der Schall an das Trommelfell des Arztes weitergeleitet.

Letztendlich ist das nichts anderes als ein Höhrrohr.

Da steckt aber mehr Physik hinter als man denkt: Höhrrohr und Stethoskop sind sog. Wellenleiter.





Sie spielen auch bei ALMA eine große Rolle.

ALMA ist ein in 5100 m Höhe gelegenes Mikrowellenobservatorium in den chilenischen Anden. Die in den Antennen ankommenden Mikrowellen müssen durch Wellenleiter weitergeführt werden, bevor sie in elektrische Signale umgewandelt und abgespeichert werden können.



ALMA besteht aus 66 Teleksopen, die in unterschiedlichen Abständen zueinander positioniert werden können und deshalb wie eine Weitwinkel- oder Zoomlinse arbeiten.

Die Mikrowellen haben Wellenlängen von 0,3 mm bis 4 mm. Deshalb kann man die Wellenleiter bei ALMA gut erkennen.


Auch unsere Internetdaten werden über Wellenleiter weitergegeben. Es sind die Glasfaserkabel, die so langsam Standard werden.

Allen Wellenleitern gemeinsam ist, dass es "Single Mode" SM und "Multimode" MM Leiter gibt.

Ist der Durchmesser des Leiters viel größer als die Wellenlänge, dann kann man in der Tat die übliche Erklärung heranziehen: Durch Totalreflexion bleibt die Strahlung im Leiter und wird weitergegeben.

Ist aber der Durchmesser kleiner als die sechsfache Wellenlänge, so funktioniert diese Erklärung nicht mehr.

Die Abbildung zeigt verschiedene Glasfasertypen:

Jetzt können sich keine ebenen Wellen mehr ausbreiten und man muss ganz andere Berechnugnen durchführen. Für Licht und Mikrowellen muss man die maxwellschen Gleichungen unter den Randbedingungen des Leiters lösen.






Die Abbildungen (aus Vistness, Physics of Oscillations and Waves) zeigen die Verteilungen des elektrischen Feldes (rot und blau bedeuten unterschiedliche Richtungen) in Glasfaserkabeln. Der Fall oben links lässt nur die Ausbreitung einer einzigen Schwingungsform zu, man spricht von einem Single Mode Kabel.

Single Mode Kabel haben einen extrem kleinen inneren Durchmesser (im Bereich von 2...3 Mikrometern) und es ist sehr aufwändig, das Licht dort einzuspeisen.

Die Abbildung unten (aus Vistness, Physics of Oscillations and Waves) zeigt verschiedene Single Mode Leiter für Mikrowellen unterschiedlicher Wellenlängen.




März 2021

Wird eine dritte Welle kommen?

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