Волоконно-оптический кабель

 

Волоконно-оптический кабель предназначен для передачи оптического излучения высокой мощности. Волоконно-оптический кабель содержит волокно, имеющее центральную сердцевину и окружающую оболочку. По меньшей мере один из концов волокна выполнен со средством охлаждения для отвода оптической мощности, содержащим полость с протекающим хладагентом, который окружает поверхность конца волокна. Падающее оптическое излучение, которое попадает наружу волокна, проходит в хладагент, предпочтительно жидкий хладагент, такой как вода, где оно по меньшей мере частично поглощается. По меньшей мере одна из поверхностей ограничивающих стенок полости является полностью или частично не поглощающей падающее излучение, тогда как другие поверхности ограничивающих стенок размещаются для поглощения такого излучения, которое все еще остается и передается через протекающий хладагент. Торцевая поверхность оптического волокна находится в оптическом контакте с окном. Повышена эффективность охлаждения. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическому кабелю, который содержит волокно, имеющее центральную сердцевину и окружающую оболочку, и который выполнен для передачи оптического излучения высокой мощности, а более конкретно мощности, превышающей 1 кВт. По меньшей мере один из контактных концов ("стыковочных торцов") волокна имеет средство охлаждения для отвода тепла, образующегося из-за потерь оптической мощности.

Волоконно-оптические кабели, предназначенные для передачи оптического излучения высокой мощности, часто используются в промышленных приложениях. Конкретно они используются в операциях резки и сварки посредством лазерного излучения высокой мощности, кроме того, этот тип волоконно-оптических кабелей можно использовать и в других промышленных приложениях, например при нагревании, обнаружении или в технологических операциях в высокотемпературных средах. Однако одной из основных проблем этого типа приложений, в которых используется высокая мощность, является проблема, связанная с мерами предосторожности от попадания излучения наружу из сердцевины волокна. При нормальной работе плотность мощности является достаточно высокой, и для того чтобы обеспечить защиту от нагревания, требуется специфическое средство охлаждения, особенно в случае сильного обратного рассеяния, например в операциях сварки.

В настоящее время известны различные способы защиты от такого нежелательного мощного излучения. Один пример раскрыт в патенте DE 4305313, в котором излучение, попадающее в оболочку волокна, распространяется в так называемом устройстве для отвода излучения и поглощается металлической поверхностью. Эту поверхность можно затем охлаждать снаружи элемента. Подобный способ описан в патенте SE 83.07140-7.

Волоконно-оптический кабель вышеупомянутого типа также изложен в патенте SE 93.01100-5. В упомянутом волоконном кабеле по меньшей мере одна из торцевых поверхностей сердцевины волокна выполнена со стержнем, который имеет диаметр больше, чем диаметр сердцевины. На этом конце волокно снабжено отражателем, сконструированным так, чтобы пропускать лучи, которые вводятся за пределами волокна по направлению к области, где они могут поглощаться, не вызывая какого-либо повреждения. В изображенном варианте осуществления эту область окружает теплоотводящее устройство с ребрами охлаждения, но следует также упомянуть, что средство водяного охлаждения может быть также включено в эту область для отвода образующегося тепла. В этом случае также предусмотрено охлаждение снаружи элемента.

Недостаток всех этих способов, которые были описаны выше, заключается в том, что тепло сначала должно поглощаться металлической поверхностью и затем отводиться через металлический материал к охлажденной поверхности, причем эту поверхность охлаждают посредством воздуха или воды.

Задача настоящего изобретения состоит в выполнении волоконно-оптического кабеля с улучшенной способностью охлаждения для того, чтобы можно было использовать волокно для передачи оптического излучения с очень высокой мощностью, не вызывая какого-либо повреждения непосредственно волокна или кожуха. Изобретение основано на том факте, что мощность (тепло) поглощается непосредственно в охлаждающей среде вместо отвода ее (его) через металлический материал.

Согласно изобретению по меньшей мере один из контактных концов волокна, содержащий сердцевину и окружающую оболочку, располагается в полости, заполненной протекающим хладагентом для того, чтобы излучение, выходящее за пределы волокна вводилось в и поглощалось по меньшей мере частично хладагентом. Стенки полости содержат по меньшей мере одну поверхность, не поглощающую тепло. Другие поверхности стенки могут быть поглощающими (металлическими). Излучение, проходящее через хладагент, поглощается упомянутыми поверхностями. Так как эти поверхности непосредственно охлаждаются с помощью протекающей среды (жидкий хладагент), то можно избежать любого неуправляемого нагревания. Так как оптическое излучение проходит через протекающий хладагент перед попаданием на металлическую поверхность, то только минимальная часть излучения поглощается поверхностью.

Согласно предпочтительному варианту осуществления волокно находится в непосредственном контакте с окружающим хладагентом, например водой.

Согласно альтернативному варианту осуществления волокно окружено прозрачной трубкой, которая в дальнейшем находится в непосредственном контакте с окружающим хладагентом.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых схематически изображены некоторые примеры нового волоконно-оптического кабеля: фиг. 1 изображает принцип построения волоконно-оптического кабеля со средством прямого водяного охлаждения контактного конца кабеля; фиг. 2 изображает подробный вид граничной зоны между торцевой частью волокна и прозрачным "окном", через которое излучение вводится в полость с жидким хладагентом, окружающим конечную часть волокна; фиг.3 изображает так называемое устройство для удаления мод, размещенное вокруг волокна в полости с жидким хладагентом для того, чтобы передавать излучение в оболочку волокна наружу в окружающий хладагент; фиг. 4 изображает подробный вид граничной зоны между торцевой частью волокна и прозрачным окном согласно альтернативному варианту осуществления, в котором "окно" выполнено в виде оптического диска с центральным отверстием и диск припаян напротив периферийной поверхности волокна; фиг.5 изображает три примера как размещать прозрачную капиллярную трубку вокруг волокна в полости с жидким хладагентом.

На фиг.1 изображен один конец известного оптического волокна 3, имеющего сердцевину, например, из кварцевого стекла, и оболочку, изготовленную, например, из стекла или определенного полимера, имеющего подходящий коэффициент преломления.

Лазерный луч 1 фокусируется на торцевую поверхность волокна. Предпочтительно используется Nd-YAG-лазерный источник, который имеет длину волны 1,06 мкм. Эта длина волны подходит для передачи излучения по оптическому волокну. Другими примерами лазеров, которые можно использовать в этом случае, являются диодные лазеры, СО₂-лазеры, СО-лазеры и другие типы Nd-лазеров.

Жидкий хладагент 2 окружает закрытую поверхность торцевой части волокна. Та часть 4 падающего лазерного излучения, которая попадает за пределы сердцевины волокна, вводится в и поглощается по меньшей мере частично хладагентом. Излучение, проходящее через жидкость, поглощается стенками 8, 5, которые огораживают жидкость. Эти стенки находятся в непосредственном контакте с хладагентом для того, чтобы они охлаждались непосредственно на поверхности. Задняя стенка 5 имеет входной канал 5а, а также выходной канал 5b для жидкого хладагента.

Поглощение в жидкости не должно быть слишком высоким из-за риска резкого закипания жидкости при попадании в нее излучения. Вода является подходящей охлаждающей средой из-за простоты использования и глубокого проникновения в нее излучения. Например, для Nd-YAG-лазера глубина проникновения составляет приблизительно 50 мм.

Поверхность, на которую падает лазерный луч, должна быть прозрачной, чтобы дать возможность излучению проходить в полость с жидкостью. Эта поверхность, так называемое окно 7, может также быть чисто стеклянной или диффузной, важно то, чтобы поглощение на его поверхности было низким.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения торцевая поверхность 6 волокна находится в оптическом контакте с окном 7. Оптическое окно должно иметь хорошее оптическое качество, поскольку исходное излучение также проходит через это окно. Посредством оптического контакта между окном и торцевой поверхностью волокна, можно в основном устранить все потери на отражение в граничной зоне (см. фиг.2). Оптический контакт можно получить посредством сплавливания волокна и окна вместе, как описано в вышеупомянутом патенте SE 93.01100-5 для стержня, сплавленного вместе с торцевой поверхностью волокна. Окно 7 должно иметь толщину, достаточную для нанесения на поверхность антиотражательного покрытия.

Помимо излучения, которое полностью попадает за пределы волокна, необходимо также направить в окружающий хладагент такое излучение, которое проходит в оболочку 9. Это можно достигнуть посредством устройства 10 для отвода излучения, размещенного на волокне (фиг.3). Устройство 10 для отвода излучения может быть стеклянным капилляром типа, который описан в патентах SE 83.07140-7 и SE 93.01100-5, и в котором стеклянный капилляр связан с окружающей поверхностью оболочки и, таким образом, отводит любое излучение из оболочки.

С другой стороны, удаления мод можно достигнуть посредством придания шероховатости окружающей поверхности волокна. Известен такой способ придания шероховатости, см. патент США 4575181. Благодаря приданию шероховатости излучение, распространяющееся в оболочке, будет направляться из оболочки в хладагент, где оно будет поглощаться.

В вышеописанном варианте осуществления окно и волокно сплавливают вместе для получения хорошего оптического контакта. Другой способ получения хорошего оптического контакта состоит в сдавливании волокна и окна напротив друг друга. В этом случае потери в зоне контакта также незначительны.

Вместо прикладывания торцевой поверхности волокна, расположенной напротив окна 7, можно использовать оптический диск 11, имеющий центральное отверстие (фиг. 4). Диск 11 можно выполнить в виде прозрачной, не поглощающей ограничивающей поверхности (передняя стенка) для хладагента таким же способом, как окно 7, но с центральным отверстием, в которое вводится торец волокна. Диск размещается с соответствующей запайкой напротив окружающей поверхности волокна. Необязательно, чтобы диск имел очень высокое оптическое качество, так как основная часть излучении 2 не проходит через диск, а проходит непосредственно в торцевую поверхность волокна. Диск с отверстием можно выполнить из прозрачного или матового стекла.

В одном из вариантов осуществления волокно 3 окружают капиллярной трубкой 12, изготовленной из прозрачного материала, например из кварцевого стекла, для того, чтобы окружающая поверхность капиллярной трубки находилась в контакте с хладагентом.

На фиг.5 показаны три примера использования капиллярных трубок. На фиг. 5а капиллярная трубка 12 проходит вплоть до и запаяна напротив внутренней поверхности окна 7. В примере на фиг.5b волокно 3 проходит через переднее окно (диск) 11. Даже в этом случае капиллярная трубка запаяна напротив внутренней поверхности диска 11. В третьем примере (фиг.5с) капиллярная трубка 12 непосредственно проходит через переднюю стенку 13. В этом случае необязательно, чтобы передняя стенка была прозрачной, так излучение, попадающее за пределы торцевой поверхности 14 капиллярной трубки, является незначительным.

Назначение этой капиллярной трубки состоит в том, чтобы создать высоко защищенный, не поглощающий кожух для волокна. Как уже упоминалось, капиллярную трубку запаивают напротив передней и задней стенок полости так, чтобы хладагент был закрыт в пределах круглого пространства, сформированного между окружающей поверхностью капиллярной трубки и цилиндрической внешней стенкой полости, и не входил в непосредственный контакт с окружающей поверхностью волокна. По сравнению со стеклянным капилляром, который используется как устройство для отвода излучения, эту капиллярную трубку не обязательно фиксировать с помощью клея на волокне. В случае, если используется капиллярная трубка 13, устройство для отвода излучения выполняется посредством придания шероховатости поверхности оболочки.

Изобретение не ограничено иллюстрируемыми примерами, но может быть изменено в пределах масштаба сопроводительной формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический кабель, состоящий из волокна (3) с центральной сердцевиной и окружающей оболочки (9), который изготовлен для передачи оптического излучения высокой мощности, а конкретно мощности, превышающей 1 кВт, и в котором, по меньшей мере, один из концов волокна имеет средство охлаждения для отвода тепла, образующегося из-за потерь оптической мощности, содержащий полость с протекающим теплопоглощающим хладагентом (2), который окружает поверхность оболочки конца волокна для того, чтобы падающее оптическое излучение, попадающее за пределы волокна, вводилось и поглощалось, по меньшей мере, частично, с помощью хладагента (2), и чтобы поверхности ограничивающих стенок полости содержали в прямом направлении, по меньшей мере частично, не поглощающую поверхность окна (7), через которую вводится излучение, тогда как другие поверхности ограничивающих стенок размещаются для непосредственного охлаждения с помощью протекающего хладагента для избежания какого-либо неуправляемого нагревания поверхностей из-за поглощенного излучения, отличающийся тем, что передняя поверхность ограничивающей стенки содержит прозрачное окно (7), и тем, что торцевая поверхность (6) оптического волокна (3) находится в оптическом контакте с окном (7).

2. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что хладагент (2) является жидким хладагентом.

3. Волоконно-оптический кабель по п. 2, отличающийся тем, что волокно (3) находится в непосредственном контакте с жидким хладагентом.

4. Волоконно-оптический кабель по п. 2, отличающийся тем, что волокно (3) окружено прозрачной трубкой (2), которая находится в непосредственном контакте с жидким хладагентом.

5. Волоконно-оптический кабель по п. 2, отличающийся тем, что ограничивающие поверхности стенок полости, которая заполнена жидким хладагентом, содержит по существу цилиндрическую ограничивающую поверхность (8) стенки, которая расположена коаксиально вдоль направления волокна, и заднюю ограничивающую поверхность стенки, в которой размещены входной и выходной каналы (5а, 5b) для подачи жидкого хладагента.

6. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что торцевая поверхность (6) оптического волокна сплавлена вместе с окном (7).

7. Волоконно-оптический кабель по п. 1, отличающийся тем, что торцевая поверхность (6) оптического волокна прижата напротив окна (7) для хорошего оптического контакта между окном и волокном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5