Способ и устройство для измерения потерь оптической мощности в соединителе из оптического волокна - RU2260782C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для измерения потерь мощности в соединителе из оптического волокна, предназначенном для передачи оптической мощности большой величины, в частности мощности, превышающей 1 кВт, причем рассеиваемое оптическое излучение, выходящее за пределы сердцевины волокна, по меньшей мере, частично поглощается в проточном охладителе.

Кабели с оптическим волокном, предназначенные для передачи оптической мощности большой величины, часто используются в промышленности. В частности, они используются в устройстве для разрезания и сварки с использованием лазерного излучения большой мощности, но этот тип кабелей с оптическим волокном может также использоваться в других промышленных применениях, таких как нагрев, детектирование или работа в условиях окружающей среды с высокой температурой. С помощью оптического волокна можно построить гибкую систему производства для передачи излучения от источника в виде мощного лазера на рабочее место. Обычно оптическое волокно содержит сердцевину из стекла и окружающую оболочку. Лазерные источники, которые могут использоваться в этом контексте, имеют среднюю мощность от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт.

При разработке волоконных систем для передачи лазерного излучения с такой большой мощностью важно учитывать излучение, которое попадает за пределы сердечника волокна (рассеивается), например, из-за мгновенных отражений от обрабатываемой детали или из-за неправильной фокусировки на волокно, и охлаждать волокно для предотвращения неуправляемого нагрева системы. Известны различные способы поглощения такого нежелательного излучения энергии. Один из примеров описан в патенте DE-A-4305313, в котором излучение, которое попадает на оболочку волокна, распределяется в так называемом модовом фильтре и поглощается металлической поверхностью. Эта поверхность затем может охлаждаться снаружи устройства. Аналогичный способ описан в европейском патенте ЕР-А-0151909.

Оптическое волокно, в котором, по меньшей мере, одна из концевых зон сердцевины волокна содержит участок, имеющий больший диаметр, чем диаметр сердцевины, описано в европейском патенте ЕР-А-0619508. С этой целью на волокне установлен отражатель, предназначенный для передачи лучей, выходящих за пределы волокна по направлению к области, где они могут поглощаться без каких-либо повреждений. В представленном варианте воплощения эта область окружена устройством теплоотвода с охлаждающими ребрами, но также указано, что в эту область может быть включено средство водяного охлаждения, предназначенное для поглощения вырабатываемого тепла. В этом случае также охлаждение производится снаружи устройства. Аналогичная компоновка, в которой концевая зона волокна содержит полый стержень и отражатель, описана в английском патенте GB-A-2 255 199.

В патентах SE-A-509706 и RU-A-2031420 описан способ поглощения рассеиваемой мощности (мощности потерь), в котором тепло излучения вместо металла полностью или частично поглощается непосредственно в проточном охладителе. В публикации SE-A-509 706, по меньшей мере, один из контактных концов волокна помещен в полость, заполненную проточным охладителем так, что излучение, попадающее за пределы волокна, поглощается, по меньшей мере, частично этим охладителем. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения волокно находится в непосредственном контакте с окружающим охладителем, например водой. Преимущество непосредственного поглощения излучения охладителем состоит в более эффективном охлаждении, поскольку не требуется обеспечивать передачу тепла через, например, металлическую часть перед его поглощением.

Даже если способы, описанные до настоящего момента, обеспечивают эффективное охлаждение, они не позволяют определять уровень действительных потерь мощности. Отражение на обрабатываемой детали всегда приводит к тому, что некоторая часть энергии возвращается в область контакта волокна и вызывает нагрев. Для управления процессом представляет интерес измерение потерь мощности в соединителе из оптического волокна.

В ходе разработки лазеров диаметр оптических волокон уменьшался. Нормальный диаметр волокна в середине 1990-х годов составлял приблизительно 0,5 мм, в то время как лазеры последних разработок имеют диаметр волокон до, приблизительно, 0,1 мм. В соответствии с этим повышались требования по правильной фокусировке оптической системы. Это требование, в основном, удовлетворялось с помощью активных способов. Таким образом, необходимо найти хорошие способы измерения оптимального положения оптического волокна.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ и устройство, предназначенные для измерения потерь мощности в соединителях из оптических волокон, содержащих проточный охладитель. Такие средства могут использоваться для управления технологическим процессом или для активного позиционирования оптического волокна.

В соответствии с настоящим изобретением, разность температур охладителя (жидкости) на входе и выходе определяется как критерий потерь генерируемой энергии.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения во входном и выходном каналах охладителя установлены термоэлементы.

Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемую фигуру чертежа, которая схематично изображает пример оптоволоконного соединителя с непосредственным водяным охлаждением и определением потерь мощности в соответствии с настоящим изобретением.

На чертеже изображен один из концов обычного оптического волокна 1, сердцевина 3 которого изготовлена, например, из кварцевого стекла, и окружающая оболочка изготовлена, например, из стекла или некоторого полимера, имеющего соответствующий коэффициент преломления.

Луч 1 лазера сфокусирован на концевой зоне волокна 3. Предпочтительно используется лазерный источник типа Nd-YAG, который имеет длину волны 1,06 мкм. Такая длина волны подходит для передачи по оптическому волокну. Другие примеры лазеров, пригодных для использования, представляют собой диодные лазеры, СО₂-лазеры, СО-лазеры и другие типы Nd-лазеров.

Жидкий проточный охладитель 2 окружает поверхность оболочки пограничной части волокна. Часть 4 падающего лазерного излучения, которая выходит наружу оболочки волокна, попадает в охладитель и поглощается им, по меньшей мере, частично. Излучение (мощность), передаваемое через жидкость, поглощается окружающими жидкость стенками 5, 6. Эти стенки 5, 6 находятся в непосредственном контакте с охладителем так, что они охлаждаются непосредственно на поверхности. Некоторые из стенок, в данном случае задняя стенка 5, содержат входную трубку или канал 5а, а также выходную трубку или канал 5b для жидкого охладителя. Поверхность, на которую попадает падающий луч лазера, должна быть прозрачной так, чтобы излучение могло проходить в полость, заполненную жидкостью. Эта поверхность, так называемое окно 7, может быть либо стеклянной и прозрачной или рассеивающей, при этом важно, чтобы поглощение этой поверхности было низким. Концевая зона волокна 3 находится в оптическом контакте с окном 7. До сих пор описание оптического соединителя соответствовало соединителю, описанному в указанном патенте SE-A-509 706.

Поскольку в данной конструкции происходит мгновенный нагрев жидкого охладителя, соединитель из оптического волокна может использоваться для измерения потерь вырабатываемой мощности. В соответствии с настоящим изобретением измеряется разность температур между входящим и выходящим жидким охладителем, которая также представляет собой меру потерь генерируемой мощности. Соответствующие детекторы для таких измерений температуры выполнены на основе термоэлементов, поскольку они обеспечивают непосредственную выработку сигнала разности температур. Однако также могут использоваться другие типы детекторов. На чертеже изображено, как такие термоэлементы или детекторы 8 могут быть установлены во входном и выходном отверстиях 5а, 5b, соответственно, для жидкого охладителя.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения скорость потока может регулироваться в соответствии с уровнем потерь мощности. Регуляторы, предназначенные для управления скоростью потока жидкого охладителя, известны из уровня техники и не описаны в настоящем описании.

Разность температур жидкого охладителя определяется как

ΔТ=р·60000/(с·ρ·F),

где

р - потери мощности в ваттах,

с - теплоемкость в Дж/кг·К,

ρ - плотность в кг/м³, и

F - скорость потока в л/мин.

Для воды

с=4180 Дж(кг·К) и ρ=998 кг/м³.

Это означает, что

ΔТ=0,014·P/F

Система может быть оптимизирована путем адаптации скорости потока к соответствующим потерям мощности. В случае обратного отражения, когда потери мощности могут составлять до 1 кВт, скорости потока порядка 1 л/мин, должны быть удовлетворительными. При этом можно измерять значительные потери мощности, составляющие несколько десятков ватт, при изменениях потерь мощности. В случае оптимизации положения волокна, потери мощности будут намного меньше, но при этом также требуется точное измерение. Требуемая точность может быть получена при уменьшении скорости потока, например, в 10 раз.

Скорость отклика ограничивается объемом, в котором поглощается излучение, и значением скорости потока. Типичные значения для объема поглощения могут составлять 10 см³ для скорости потока 1 л/мин. Это означает время отклика, составляющее приблизительно 0,5 сек.

Настоящее изобретение не ограничивается соединителем из оптического волокна, который был описан в качестве примера. Конкретные технические решения согласно изобретению могут изменяться в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Следовательно, следует понимать, что настоящее изобретение может использоваться также с другими типами соединителей из оптических волокон, в которых мощность потерь поглощается жидким охладителем.

Реферат

Изобретение относится к волоконно-оптическим линиям связи и может быть использовано для измерения потерь мощности в волоконно-оптическом соединителе. Соединитель содержит оптическое волокно для передачи оптической мощности высокого уровня, в частности мощности, превышающей 1 кВт, в котором рассеиваемое излучение, попадающее за пределы сердцевины волокна, поглощается, по меньшей мере, частично в проточном охладителе. Соединитель содержит средства, например термоэлементы, для измерения разности (ΔТ) температур охладителя во входном и выходном каналах соединителя, по которой судят о величине потерь оптической мощности. Изобретение обеспечивает возможность управления технологическим процессом и повышает точность при позиционировании оптических волокон. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула