CZ291894B6 - Kabel s optickým vláknem - Google Patents

Abstract

Kabel s optick²m vl knem se skl d ze st°edu s vl knem (3) a z obalu (9), p°i em vl kno (3) je uzp sobeno k p°enosu optick energie o vysok hodnot (nad 1 kW). P°inejmenÜ m jeden konec (6) vl kna (3) je opat°en chladic m prost°edkem pro p° pad ·niku energie, kter² se skl d z prostoru s chladic tekutinou (2), kter obklopuje povrch obalu (9) vl kna (3). Z °en , kter pronik vn vl kna (3), dopad do chladic tekutiny (2), jakou je nap° klad voda, kde je p°inejmenÜ m ste n absorbov no. P°inejmenÜ m jeden z povrch st n prostoru s chladic tekutinou (2) je vzhledem k dopadaj c mu z °en zcela anebo ste n neabsorp n , zat mco ostatn povrchy st ny (8, 5) tohoto prostoru jsou uzp sobeny tak, aby pohlcovaly z °en , kter je st le p° tomno a kter pronik chladic tekutinou (2). Dostate n ochlazov n je zajiÜt no t m, e tyto povrchy st ny (8, 5) jsou v p° m m kontaktu s chladic tekutinou (2). Sou st povrchu p°edn st ny je pr hledn ok nko (7) a mezi povrchem konce (6) optick ho vl kna (3) a ok nkem (7) je optick² kontakt.\

Description

Kabel s optickým vláknem

Oblast techniky

Tento vynález popisuje kabel s optickým vláknem a obalem, který slouží k přenosu optické energie o vysoké hodnotě (nad 1 kW). Z důvodů možného úniku energie je součástí přinejmenším jednoho z konců vlákna chladicí prostředek.

Dosavadní stav techniky

Kabely s optickým vláknem pro přenos energií o vysokých hodnotách jsou často používány v technice i průmyslu. Používány jsou obzvláště při řezání a svařování hmot pomocí laserového paprsku, uplatnění však mohou najít i v dalších průmyslových odvětvích, která využívají prostředí o vysokých teplotách. S těmito oblastmi činnosti je spojen problém zabránění úniku záření vně vlákna. Jedná se o značně vysoké hodnoty energie, které vyžadují speciální chladicí prostředky bránící nežádoucímu zahřívání při rozptylu energie například při svařování.

Jsou známé různé metody k zabránění nežádoucímu vyzařování energie. Například v dokumentu DE 43 05 313 je uveden postup, při němž je záření pronikající do obalu vlákna zachycováno tzv. rozptylovačem a pohlcováno kovovým povrchem, jenž může být poté ochlazován zvnějšku. Podobný postup je popsán v dokumentu SE 83.07140-7.

Kabel s optickým vláknem uvedeného typu je také popisován v dokumentu SE 93.01100-5. U tohoto kabelu je přinejmenším jeden povrch konce vlákna opatřen nástavcem s větším průměrem než je průměr vlákna. Vlákno je na tomto konci vybaveno reflektorem, který paprsky pronikající vně směruje do prostoru, kde mohou být pohlceny, aniž by způsobily nějakou škodu. Ve znázorněném provedení je tento prostor obklopen zařízením ke zpracovávání nadbytečného tepla s chladicím žebrovím, je však také zmiňována možnost snižování teplot v tomto prostoru pomocí vody. I v tomto případě je ochlazování prováděno zvnějšku.

Slabou stránkou popsaných postupů je to, že nadbytečné teplo musí být nejprve pohlceno kovovým krytem, odvedeno a teprve poté ochlazeno, a to bez ohledu na to, je-li toto ochlazování prováděno vzduchem anebo vodou.

Podstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu je poskytnout kabel s optickým vláknem se zlepšenou možností ochlazování, který by byl použitelný pro přenos energií o značně vysokých hodnotách, aniž by průvodní jevy tohoto přenosu ohrožovaly vlákno samotné anebo jeho kryt. Vynález je založen na skutečnosti, že tato energie (tepelná) je pohlcována přímo chladicím médiem, aniž by musela být odváděna pomocí něj akého kovu j inam.

Podle tohoto vynálezu je přinejmenším jeden z kontaktních konců vlákna, který se skládá z vlákna samotného a jeho obalu, umístěn v prostoru naplněném chladicí tekutinou, takže záření, které pronikne z vlákna, je přinejmenším částečně touto chladicí tekutinou pohlceno. Nejméně jedna ze stěn tohoto prostoru má neabsorpční povrch. Povrchy druhé stěny mohou být absorpční (kov) a záření pronikající chladicí tekutinou je těmito povrchy pohlcováno. Protože tyto povrchy jsou přímo ochlazovány chladicí tekutinou, je možné se vyhnout jakémukoli nekontrolovatelnému přehřátí. Protože záření proniká před dopadem na kovový povrch chladicí tekutinou, je tímto povrchem pohlcována pouze jeho menší část.

k

Podle přednostního provedení tohoto vynálezu je vlákno v přímém kontaktu s okolní chladicí tekutinou, kterou může být například voda. Součástí povrchu přední stěny je průhledné okénko a mezi povrchem konce optického vlákna a okénkem je optický kontakt.

V jiném provedení vynálezu je vlákno vedeno průhlednou trubičkou, která je teprve v přímém kontaktu s okolní chladicí tekutinou.

Součástí povrchu stěn vymezujících prostor naplněný chladící tekutinou je povrch v podstatě válcovité absorpční stěny, vedené koaxiálně v podélném směru vlákna a absorpční povrch zadní 10 stěny, ve kterém je přívod a vývod chladicí tekutiny.

Stručný přehled zobrazení na výkresech

Následuje podrobnější popis vynálezu s odkazy k přiloženým výkresům, které schematicky znázorňují některá provedení kabelu s optickým vláknem.

Na výkresu 1 je znázorněn průřez kontaktním koncem kabelu s optickým vláknem s přímým chlazením vodou.

Na výkresu 2 je detailní pohled na rozhraní mezi koncovou částí vlákna a průhledným okénkem, kterým je záření přiváděno do prostoru, v němž je koncová část vlákna obklopena chladicí tekutinou.

Na výkresu 3 je znázorněn tzv. rozptylovač, který v prostoru s chladicí tekutinou obklopuje vlákno a umožňuje přenos záření z obalu vlákna do okolní chladicí tekutiny.

Na výkresu 4 je detailní pohled na rozhraní mezi koncovou částí vlákna a průhledným okénkem podle dalšího provedení tohoto vynálezu, v němž má okénko podobu optického kotouče 30 s otvorem uprostřed, přičemž tento kotouč je upevněn na povrch obvodu vlákna.

Výkres 5 znázorňuje tři možná provedení kabelu s optickým vláknem, kde je vlákno obsaženo ve vláskovité trubičce vedené prostorem s chladicí tekutinou.

Příklady provedení vynálezu

Výkres 1 znázorňuje jeden konec běžného optického vlákna 3 s jádrem, například z křemenného skla, a obalem 9, vyrobeným například ze skla anebo nějakého polymeru s vhodným indexem 40 lomu.

Na povrch konce vlákna je nasměrován laserový paprsek L Jako zdroj je přednostně používán laser Nd-XAG s vlnovou délkou 1,06 nanometru. Tato vlnová délka je vhodná pro přenos optickým vláknem. Lze také použít diodové i jiné typy laserů.

Povrch obalu 9 konce 6 vlákna 3 je obklopen chladicí tekutinou 2. Část laserového záření 4, které proniká vně jádra vlákna 3, je odváděno do chladicí tekutiny 2 a je jí přinejmenším částečně pohlcováno. Záření 4 pronikající chladicí tekutinou 2 je pohlcováno stěnami 8 a 5, které obklopují chladicí tekutinu 2. Tyto stěny 8, 5 jsou v přímém kontaktu s chladicí tekutinou 2, 50 takže jsou na povrchu přímo chlazeny. V zadní stěně 5 je přívod 5a chladicí tekutiny 2 i její odvod 5b.

Míra pohlcování tepla chladicí tekutinou 2 by z důvodů rizika prudkého varu při nárazu záření neměla být příliš vysoká. Voda je vhodným chladicím médiem pro jednoduchou manipulaci

-2CZ 291894 B6

I a také pro vhodnou hloubku pronikání. Například v případě laseru Nd-YAG je hloubka pronikání přibližně 50 mm.

Povrch zasažený dopadajícím laserovým paprskem musí být průhledný, aby mohlo záření 4 proniknout do prostoru chladicí tekutiny 2. Tento povrch, kterýje označován jako tzv. okénko 7, může být buď z čistého anebo difuzního skla. Důležité je, že míra pohlcování tímto prostorem je nízká.

V přednostní úpravě vynálezu je povrch konce 6 vlákna 3 v optickém kontaktu s okénkem 7. Z tohoto důvodu musí mít toto okénko 7 dobré optické vlastnosti, kromě toho jím také prochází původní záření. Díky optickému kontaktu okénka 7 s povrchem konce 6 vlákna 3 mohou být v oblasti rozhraní eliminovány v podstatě všechny ztráty způsobené odrazem (viz výkres 2). Optický kontakt může být zajištěn spojením vlákna 3 s okénkem 7, tak jako tomu je v případě výše zmíněného dokumentu SE 93.01100-5. Z důvodů použití antireflexního povlaku na povrchu by mohlo být okénko 7 poměrně silné.

Kromě záření, unikajícího zcela vně vlákna 3, může být do okolní chladicí tekutiny 2 odvedena také ta jeho část, která pronikla do obalu 9 vlákna 3. Toho lze dosáhnout pomocí tzv. rozptylovače 10, umístěného na vlákně (viz obr. 3). Rozptylovačem 10 může být skleněná vlásečnice typu uvedeného v dokumentech SE 83.07140-7 a SE 93.01100-5. Skleněná vlásečnice je připojena k povrchu obalu 9 a tím z obalu 9 odvádí všechno záření.

Téhož výsledku lze podobně dosáhnout i zdrsněním povrchu obalu 9 vlákna 3. Tento postup je již znám, viz dokument US 4 575 181. V důsledku zdrsnění bude část záření z tohoto obalu 9 odvedena a pohlcena v chladicí tekutině 2.

V zájmu kvalitního optického kontaktu byly v popisované úpravě okénko 7 a vlákno 3 do sebe zataveny. Jiným postupem k dosažení kvalitního optického kontaktu je přitisknutí vlákna 3 i okna 7 k sobě. I v tomto případě jsou ztráty v oblasti kontaktu zanedbatelné.

Místo uvedeného postupu je možné použít optický kotouč 11 s otvorem uprostřed (viz obr. 4). Kotouč 11 může mít podobu průhledné neabsorpční přední stěny, která stejně jako okénko 7 ohraničuje prostor chladicí tekutiny 2, má však uprostřed otvor, kterým je vedeno vlákno 3. Okraje kotouče 11 jsou vhodným způsobem spojeny s povrchem obalu 9. Kotouč 11 nemusí mít nej lepší optickou kvalitu, protože převážná část záření kotoučem 11 neprochází, aleje přiváděna přímo na povrch konce 6 vlákna 3.

V jednom provedení je vlákno 3 vedeno vláskovitou trubičkou 12 zhotovenou z průhledné hmoty (například z křemenného skla), přičemž povrch obalu této průhledné vláskovité trubičky 12 je ve styku s chladicí tekutinou 2. Na obr. 5 jsou tři možnosti použití průhledné vláskovité trubičky 12. Na obr. 5a je vláskovitá trubička 12 vedena až k vnitřnímu povrchu okénka 7 a je kněmu připojena. V provedení na obr. 5b vlákno 3 prochází předním okénkem kotoučem 11.1 v tomto případě je průhledná vláskovitá trubička 12 připojena k vnitřnímu povrchu kotouče 11. Ve třetím provedení na obr. 5c je vláskovitá trubička 12 vyvedena skrze přední stěnu 13. V tomto případě není nezbytné, aby přední stěna 13 byla průhledná, protože záření dopadající na povrch konce 14 je zanedbatelné.

Vláskovitá trubička 12 má plnit funkci dalšího ochranného neabsorpčního pláště vlákna 3. Jak již bylo uvedeno, vláskovitá trubička 12 je upevněna k přední i zadní stěně prostoru s chladicí tekutinou 2. Chladicí tekutina 2 je tedy uzavřena v prstencovitém prostoru mezi povrchem obalu vláskovité trubičky 12 a válcovitým vnějším pláštěm prostoru tekutiny a nepřijde tak do styku s povrchem obalu 9 samotného vlákna 3. Na rozdíl od skleněné vlásečnice (použité jako rozptylovače 10) nemusí být tato vláskovitá trubička 12 připojena k vláknu 3 žádným tmelem. V případě použití vláskovité trubičky 12 je rozptylování umožněno zdrsněním povrchu obalu.

-3 CZ 291894 B6

Tento vynález není omezen zobrazenými provedeními a může být obměňován v rámci přiložených patentových nároků.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kabel s optickým vláknem (3) a obalem (9), pro přenos optického paprsku o vysoké energetické hodnotě, zejména nad 1 kW, přičemž pro případ úniku energie je přinejmenším jeden konec (6) vlákna (3) opatřen chladicím prostředkem, jehož součástí je prostor s chladicí tekutinou (2), který obklopuje povrch obalu (9) vlákna (3), takže dopadající záření, které proniká

   15 vně vlákna (3) je odváděno do této chladicí tekutiny (2) a je jí přinejmenším částečně pohlcováno, dále součástí povrchu stěn uzavírajících prostor s chladicí tekutinou (2) je přinejmenším částečně neabsorpční povrch přední stěny, kterým záření proniká, přičemž povrchy stěn jsou v přímém kontaktu s chladicí tekutinou (2) tak, aby nedošlo k nežádoucímu přehřátí těchto povrchů pohlceným zářením, vyznačující se tím, že součástí povrchu přední stěny je 20 průhledné okénko (7) a mezi povrchem konce (6) optického vlákna (3) s okénkem (7) je optický kontakt.
2. 2. Kabel soptickým vláknem podle nároku 1, vyznačující se tím, že samotný chladicí prostředek je tvořen chladicí tekutinou (2), přednostně vodou.
3. 3. Kabel s optickým vláknem podle nároku 2, vyznačující se tím, že vlákno (3) je v přímém kontaktu s chladicí tekutinou (2).
4. 4. Kabel s optickým vláknem podle nároku 2, vyznačující se tím, že vlákno (3) je 30 vedeno průhlednou vláskovitou trubičkou (12), která je v přímém kontaktu s chladicí tekutinou (2)·
5. 5. Kabel soptickým vláknem podle nároku 2, vyznačující se tím, že součástí povrchů stěn, vymezujících prostor naplněný chladicí tekutinou (2), je povrch v podstatě

   35 válcovité absorpční stěny (8), vedené koaxiálně v podélném směru vlákna (3) a absorpční povrch zadní stěny (5), v němž je přívod a vývod (5a, 5b) chladicí tekutiny (2).
6. 6. Kabel soptickým vláknem podle nároku 1, vyznačující se tím, že konec (6) povrchu optického vlákna (3) je spojen s okénkem (7).
7. 7. Kabel s optickým vláknem podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro kvalitní optický kontakt mezi vláknem (3) a okénkem (7) je konec (6) povrchu optického vlákna (3) přitlačen k okénku (7).