CN102902028A - 具有温度监控功能的传能光缆 - Google Patents

Abstract

提供一种具有温度监控功能的传能光缆，其包括传能光纤，该光纤的一端嵌入第一传能光纤接头，其另一端嵌入第二传能光纤接头，其光传输段部分包有金属套。第一传能光纤接头包括金属管、分别密封该金属管两端的透明玻璃端帽和金属板、固定在金属板上的玻璃导管、穿过金属管和玻璃导管管壁的进水管、穿过金属管管壁的出水管、环绕金属管外壁的散热片以及设置在金属管外壁中的温度传感器。传能光纤的一端沿着金属管轴线穿过金属板延伸并与透明玻璃端帽耦合。温度传感器和/或包在光纤的光传输段部分的金属套连接到控制器上，使得当温度传感器所探测到的温度值大于第一预定阈值或当所述金属套的电阻大于第二预定阈值时，控制器切断激光器的输出。

Description

具有温度监控功能的传能光缆

技术领域

本发明属于光传输技术领域，具体说，涉及一种具有温度监控功能的传能光缆。

背景技术

随着大功率激光技术的发展，大功率激光在工业加工、武器装备和医疗器械等方面的应用越来越引人注目。大功率激光的传输问题是大功率激光应用方面的关键问题之一。传能光缆是解决这一问题的主要途径。

目前，现有的传能光缆最大可以传输平均功率在千瓦量级的激光。这样大功率的激光在传能光缆中的光纤芯中传输时会产生很高的热量，有可能损坏传能光缆并造成安全事故。为了减小大功率激光在传能光缆中产生的热量从而避免损坏传能光缆，在传能光缆中采用了各种措施进行散热。例如，德国Trumpf公司的LLK-B传能光缆对光缆的纤芯包层进行磨砂处理，使得未耦合到纤芯内的光在传输到包层-空气界面时散射到空气中，从而避免了被光缆中的涂覆层吸收而引起温度升高以至烧坏光缆。但由于纤芯包层的表面积较小，因而光散射并不充分。还有一些传能光纤或包含在光纤激光器中的光纤通过在纤芯周围配置复杂的水冷装置进行散热，例如在中国专利公开号2343598、公开号1523384、公开号101640364、公开号201294327等专利文献中所公开的。另外，美国专利No.5497442公开了一种用于传输大功率激光的传能光缆的缆芯结构，其中，使用包在纤芯外的金属层构成该光缆的工作状况监测电路。但目前多采用化学镀的方法在纤芯外形成金属层，此类方法制作工艺复杂并且具有化学污染，不利于降低成本和保护环境。

发明内容

为了获得具有充分散热能力的传能光缆以传输更大功率的激光，同时为了降低传能光缆的制作成本并提高传能光缆的使用安全性，需要一种结构简单、使用安全并有很强散热能力的传能光缆来传输大功率激光。本发明的目的在于提供一种具有温度监控功能的传能光缆，该传能光缆不仅成本低、使用安全，而且能最大限度地进行散热以保证该传能光缆长时间连续地传输大功率激光。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有温度监控功能的传能光缆，该传能光缆包括一段传能光纤，该段传能光纤的一端嵌入与激光器出射端耦合的第一传能光纤接头中，该段传能光纤的另一端嵌入第二传能光纤接头中，该段传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围包有金属套。所述第一传能光纤接头包括：金属管；密封地固定在该金属管的一端端口中的透明玻璃端帽；密封地固定在该金属管的另一端端口中的金属板；固定在所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧上并且平行于所述金属管轴线延伸的玻璃导管；靠近所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧的表面且穿过所述金属管管壁和所述玻璃导管管壁的进水管；靠近所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧的表面且穿过所述金属管管壁的出水管；紧密地环绕所述金属管的外壁设置的散热片；以及设置在所述金属管外壁中的温度传感器。同时，所述传能光纤的所述一端沿着所述金属管的轴线穿过所述金属板并在所述玻璃导管内部延伸，该一端的端面与所述透明玻璃端帽耦合，所述传能光纤的所述一端的位于所述透明玻璃端帽和所述金属板之间的部分紧密地套有光散射管。另外，所述温度传感器和/或包在所述传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围的所述金属套连接到控制器上，使得当所述温度传感器所探测的温度的值大于第一预定阈值或当所述金属套的电阻大于第二预定阈值时，所述控制器切断所述激光器的输出。

优选地，所述透明玻璃端帽的与所述激光器出射端耦合的一端的端面可以镀有防反射膜，所述透明玻璃端帽的与所述传能光纤耦合的一端的侧表面可以进行磨砂处理。

优选地，在所述第一传能光纤接头中的所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧还可以设置有玻璃板，该玻璃板与所述金属板可以紧密接触并且该玻璃板的与所述金属板紧密接触的表面可以进行磨砂处理，所述玻璃导管可以通过与该玻璃板的结合而固定在所述金属板上。

优选地，所述光散射管可以由玻璃管制成，该光散射管可以通过粘合剂与所述传能光纤的包层粘合，并且该光散射管的外壁可以进行磨砂处理。

优选地，包在所述传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围的所述金属套可以包括套在所述传能光纤上的第一金属套和套在所述第一金属套上的第二金属套，并且所述第一金属套和所述第二金属套之间可以填充有电绝缘材料，所述第二金属套与所述第一传能光纤接头的所述金属管的所述另一端可以固定连接。进一步优选地，所述第二金属套可以是绕制成的金属蛇管。

另外，优选地，所述第二传能光纤接头的结构可以与所述第一传能光纤接头的结构相同，并且所述第二传能光纤接头和所述传能光纤的所述另一端的结合方式可以与所述第一传能光纤接头和所述传能光纤的所述一端的结合方式相同。进一步优选地，所述第二传能光纤接头上的温度传感器可以连接到所述控制器上，使得当该温度传感器所探测的温度大于第三预定阈值时，该控制器可以切断所述激光器的输出。

如上所述，在本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆中，采用光散射管增大纤芯包层的散射体积或面积并对透明玻璃端帽的侧表面、纤芯包层的外表面和光散射管的外表面进行磨砂处理增大未耦合进纤芯的激光的散射，从而使这些光不会聚集于一点而产生高温；采用玻璃板/金属板将该传能光缆的耦合端与光传输段隔开，使得所述耦合端中的未耦合进纤芯的激光不会照射在光传输段的光缆上；使用金属管和散热片使得未耦合进纤芯的激光所产生的热量尽快传导出去并散发到外部空气中；利用金属管、透明玻璃端帽、玻璃板/金属板构成空腔并利用玻璃导管作引导使水流充分地带走聚集在传能光纤接头内的热量；利用温度传感器、包在所述传能光纤的两端之外的光传输段部分的周围的金属套以及控制器构成温度监视单元，以保证当传能光缆中的温度太高时切断激光器的输出，从而保证了该传能光缆的安全使用。

附图说明

图1是本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆的光耦合端和光传输段的结构的剖视图；

图2是图1中的具有温度监控功能的传能光缆的光耦合端的结构放大图；以及

图3是本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆中的传能光纤和光散射管的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆包括一段传能光纤，该段传能光纤的一端嵌入与激光器出射端耦合的第一传能光纤接头中，从而构成该传能光缆的光耦合端，该段传能光纤的另一端嵌入第二传能光纤接头中，从而形成该传能光缆的光输出端，该段传能光纤的所述两端之外的部分的周围包有金属套，构成了该传能光缆的光传输段部分。图1是剖视图，示出了本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆的光耦合端和光传输段的结构，其中，所述一段传能光纤10的一端与第一传能光纤接头20结合起来构成传能光缆100的光耦合端。图1中的传能光缆100的光耦合端之外的部分是光传输段部分，该光传输段部分由传能光纤10和包在传能光纤10上的一层或多层由绝缘介质彼此隔开的金属套30构成，而传能光纤10的另一端与所述第二传能光纤接头结合起来构成的传能光缆100的光输出端在图1中未示出。图2是图1中的传能光缆100的光耦合端的结构放大图，其中为了简洁起见，在图2中未示出图1中的散热片、温度传感器、以及连接导线(后面将描述)，另外，为了清楚起见，图2中的透明玻璃端帽的尺寸比例被夸大了。图3是图1中的传能光缆100中的传能光纤10和光散射管的结构示意图。

如图1所示，本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆100包括传能光纤10、第一传能光纤接头20、由绝缘介质彼此隔开的金属套30、以及第二传能光纤接头(未示出)。

参看图2和图3，传能光纤10包括纤芯11和包层12，包层的外表面12a可以经过磨砂处理。在本发明所述的传能光缆100的光耦合端的传能光纤10(即，位于后面要描述的透明玻璃端帽和金属板之间的光纤部分)的包层12的外表面设置光散射管13，光散射管13可以通过玻璃管(例如石英管)制成，其折射率大于或近似等于光纤10的包层12的折射率，其外表面13a经过磨砂处理。光散射管13与传能光纤10的包层12可以通过粘合剂14粘结在一起。

再参看图1和图2，传能光纤10的一端所嵌入的第一传能光纤接头20包括金属管21、密封地固定在该金属管21的一端端口中的透明玻璃端帽22、密封地固定该金属管的另一端端口中的金属板23、固定在金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧的表面上并且平行于金属管21轴线延伸的玻璃导管24、靠近金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧的表面并且穿过金属管21管壁和玻璃导管24管壁的进水管25、靠近金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧的表面并且穿过金属管21管壁的出水管26；紧密地环绕金属管21的外壁设置的散热片27、以及设置在金属管21外壁中的温度传感器28。

传能光纤10的所述一端沿着金属管21的轴线穿过金属板23并在玻璃导管24内部延伸，该端的端面与透明玻璃端帽22耦合。另外，如上所述，在传能光纤10的该端的位于透明玻璃端帽22和金属板23之间的部分紧密地套有光散射管13。

在上面所述的第一传能光纤接头20中，根据本发明的一些实施例，金属管21和金属板23可以由例如铜、铝或不锈钢等金属或金属合金制成。

根据本发明的一些实施例，透明玻璃端帽22可以是石英端帽，它可以通过粘合剂22a密封地固定在金属管21的一端的端口中。透明玻璃端帽22的一端的端面22b可以镀有防反射膜，该端面22b与激光器的出射端(未示出)耦合。透明玻璃端帽22的另一端的端面22c可以与传能光纤10的所述一端的端面耦合，该端的侧表面22d可以进行磨砂处理。

当激光器射出的激光束照射在透明玻璃端帽22的端面22b上时，由于该端面22b上镀有防反射膜，因此该激光束就无反射或反射率非常低地进入透明玻璃端帽22中。如图2所示，有些激光束A照射到传能光纤10的纤芯11上并且其入射角符合传能光纤10的数值孔径，因此，这些激光束A就耦合进传能光纤10中，在纤芯11和包层12的界面处发生全反射，从而向前传输。有些激光束B也照射到传能光纤10的纤芯11上，但其入射角不符合传能光纤10的数值孔径，因此进入光纤10中的激光束B有一部分在纤芯11和包层12的界面上折射进入包层12中。有些激光束C则直接照射到包层12上，进入到包层12中传输。由于包层12外面的光散射管13的折射率大于或近似等于光纤10包层12的折射率，所以在包层12中传输的激光束B和C会在经磨砂处理过的包层12的外表面12a处散射进入到光散射管13中，然后再在光散射管13的经磨砂处理过的外表面13a处散射进入玻璃导管24中。这样，由于纤芯包层12的外表面12a和光散射管13的外表面13b进行了磨砂处理，因而大大增大了未耦合进纤芯的激光的散射，使这部分光不会聚集于一点而产生高温。另外，有些激光束D的光路偏离中心线，照射到透明玻璃端帽22的圆锥形侧表面22d上，由于侧表面22d经过了磨砂处理，因此可以将激光束D散射出去。

无论是从传能光纤10中散射出来的光，还是从透明玻璃端帽22的侧表面22d散射出来的光最终都将直接或穿过玻璃导管24被金属管21以及金属板23吸收并转化为热量。根据本发明的一些实施例，第一传能光纤接头20中的金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧还可以设置有玻璃板23a，该玻璃板23a与金属板23紧密接触，并且该玻璃板23a的与金属板23紧密接触的表面进行了磨砂处理。此时，玻璃导管24固定在玻璃板23a上，从而通过与玻璃板23a的结合固定在金属板23上。这样可以对有可能从激光器直接射到金属板23上的光束进行散射，以防止损坏金属板23，从而防止损坏金属板23后面的光缆。

当传能光纤10所传输的激光束的功率较低或传能光纤10的工作时间较短时，金属管21和金属板23吸收散射光后所产生的热量可以通过散热片27散发很快出去。但当传能光纤10所传输的激光束的功率较高或传能光纤10的工作时间较长时，还需要更强的散热措施协助散热。在本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆100中，金属管21、透明玻璃端帽22、金属板23构成了一个空腔，在金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧的表面附近设有进水管25和出水管26。冷却水可以从进水管25流入所述空腔，然后带走金属管21和金属板23所产生的热量从出水管26流出。为了使冷却水在所述空腔中充分流动，在金属板23的面对透明玻璃端帽22的一侧的表面上固定地设置平行于金属管21轴线延伸的玻璃导管24，并且使进水管25穿过金属管21管壁和玻璃导管24管壁，使出水管26只穿过金属管21管壁。这样，从进水管25流入所述空腔中的冷却水就会沿着图2中的空心箭头所示的方向在所述空腔中充分地流动后从出水管26流出。在这种情形中，透明玻璃端帽22的侧表面22d为圆锥形设计，这不仅增加了其与冷却水的接触面积，从而有利于透明玻璃端帽22的散热，而且使冷却水不易形成湍流，从而有利于冷却水及时流走。另外，也可以设计玻璃导管24的形状，使得所述空腔中的水流流场具有速度分布，从而可以进一步提高所述空腔内某些确定位置处的散热能力。

再参看图1，为了使本发明所述的传能光缆能够安全地使用，在一个方面，在本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆100的第一传能光缆接头20的金属管21的管壁上还设置有一个或多个温度传感器28，用于监视金属管21的温度。温度传感器28与控制器连接，使得由于激光功率太大或工作时间太长或由于激光器与传能光缆耦合不佳导致激光泄漏而使温度传感器28的所探测到的温度的值大于第一预定阈值时，所述控制器就切断所述激光器的输出。

在图1中，传能光缆100的光耦合端之外的部分是光传输段部分，该光传输段部分由传能光纤10和包在传能光纤10上的金属套30构成。该金属套30可以只包含套在传能光纤10上的第一金属套31，也可以如图1所示的那样包含第一金属套31和通过绝缘介质32与第一金属套31隔开的第二金属套33，其中第二金属套33与第一传能光纤接头20的金属管21的所述另一端固定连接。优选地，第二金属套33是绕制成的金属蛇管。

为了使本发明所述的传能光缆能够安全地使用，在另一个方面，套在本发明的一个实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆100的光传输段的传能光纤10上的第一金属套31的两端连接到所述控制器上。如果在该光传输段传输的激光的功率太大，以至于烧坏第一金属套31，那么该第一金属套31的所述两端之间电阻就会变大。当第一金属套31的所述两端之间的电阻大于第二预定阈值时，所述控制器就会切断激光器的输出。

尽管在图1-图3中没有示出，本发明的一个实施例所述的传能光缆100的与其光耦合端相对的另一端是光输出端，该光输出端是传能光纤10的与其耦合到透明玻璃端帽22的一端相对的另一端嵌入第二传能光纤接头中形成的。在本发明的一个实施例中，该第二传能光纤接头的结构可以与第一传能光纤接头20的结构相同，并且该第二传能光纤接头和传能光纤10的所述另一端的结合方式与第一传能光纤接头20和传能光纤10的与透明玻璃端帽22耦合的一端的结合方式相同。换言之，在本发明的一个实施例中，具有温度监控功能的传能光缆100可以具有首尾对称的结构。所述第二传能光纤接头上的温度传感器连接到所述控制器上，使得当该温度传感器所探测到的温度的值大于第三预定阈值时，该控制器切断所述激光器的输出。在使用过程中，从传能光缆100输出的大功率激光照射在目标物上，此时，会有一定数量的反射光返回传能光缆100，从而使传能光缆100的光输出端的温度升高。因此，传能光缆100的光输出端的透明玻璃端帽的不需镀防反射膜。另外，也可以根据情况设计该透明玻璃端帽的光出射面形状，使得从目标物反射回来的光不容易耦合进传能光缆100的所述光输出端中。当然，根据不同的应用，根据反射光的强弱，还可以采用结构更加简单的第二传能光纤接头，例如，只是将传能光纤的光输出端密封在玻璃帽内以减少周围灰尘对光纤端面污染的第二传能光纤接头。

应该注意，本发明的所述实施例中的第一传能光纤接头上的温度传感器、第二传能光纤接头上的温度传感器、以及传能光缆的光传输段的金属套(或者第一金属套)的两端可以直接或通过功能电路(例如，放大器、信号转换器、比较器、触发器等)间接地连接到所述控制器中，从而实现温度的监测和控制。包括上述温度传感器、光传输段金属套、控制器以及其它功能电气装置以实现本发明所述的温度监控功能的电路的结构是本领域中的技术人员很容易构思的，并且可以具有多种变型，这里就不对其进行详细的描述了。需要说明的是，如图1所示，与所述温度传感器28相连的导线28a以及与所述光传输段金属套31相连的导线31a可以通过嵌入例如第一传能光纤接头20中的金属管21的管壁上的导线槽中或埋入所述光传输段的绝缘层32中来走线。很显然，其它的走线方式也是可能的。

如上所述，本发明的实施例所述的具有温度监控功能的传能光缆所采用的结构使激光在传能光缆中尽可能少地产生热量，并且即使激光在传能光缆中产生了热量，也可以使热量尽快被带走，另外，一旦激光产生的热量正在或将要损坏光缆时就使传能光缆停止工作。这样，本发明所述的传能光缆不仅可以传输更大功率的激光，而且在使用过程中安全可靠。另外，本发明所述传能光缆中的多个部件都有多个功能，这样就使该传能光缆的结构更加紧凑和简单，降低了制造成本。

如上参照附图以示例的方式描述了本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所述的具有温度监控功能的传能光缆，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种具有温度监控功能的传能光缆，包括一段传能光纤，该段传能光纤的一端嵌入与激光器出射端耦合的第一传能光纤接头中，该段传能光纤的另一端嵌入第二传能光纤接头中，该段传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围包有金属套，所述第一传能光纤接头包括：

金属管；

密封地固定在该金属管的一端端口中的透明玻璃端帽；

密封地固定在该金属管的另一端端口中的金属板；

固定在所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧上并且平行于所述金属管轴线延伸的玻璃导管；

靠近所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧的表面且穿过所述金属管管壁和所述玻璃导管管壁的进水管；

靠近所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧的表面且穿过所述金属管管壁的出水管；

紧密地环绕所述金属管的外壁设置的散热片；以及

设置在所述金属管外壁中的温度传感器，

其中，所述传能光纤的所述一端沿着所述金属管的轴线穿过所述金属板并在所述玻璃导管内部延伸，该一端的端面与所述透明玻璃端帽耦合，所述传能光纤的所述一端的位于所述透明玻璃端帽和所述金属板之间的部分紧密地套有光散射管，

所述温度传感器和/或包在所述传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围的所述金属套连接到控制器上，使得当所述温度传感器所探测的温度的值大于第一预定阈值或当所述金属套的电阻大于第二预定阈值时，所述控制器切断所述激光器的输出。

2.根据权利要求1所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，所述透明玻璃端帽的与所述激光器出射端耦合的一端的端面镀有防反射膜，所述透明玻璃端帽的与所述传能光纤耦合的一端的侧表面进行了磨砂处理。

3.根据权利要求1所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，在所述第一传能光纤接头中的所述金属板的面对所述透明玻璃端帽的一侧还设置有玻璃板，该玻璃板与所述金属板紧密接触并且该玻璃板的与所述金属板紧密接触的表面进行了磨砂处理，所述玻璃导管通过与该玻璃板的结合而固定到所述金属板上。

4.根据权利要求1所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，所述光散射管由玻璃管制成，该光散射管通过粘合剂与所述传能光纤的包层粘合，并且该光散射管的外壁进行了磨砂处理。

5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，包在所述传能光纤的所述两端之外的光传输段部分的周围的所述金属套包括套在所述传能光纤上的第一金属套和套在所述第一金属套上的第二金属套，并且所述第一金属套和所述第二金属套之间填充有电绝缘材料，所述第二金属套与所述第一传能光纤接头的所述金属管的所述另一端固定连接。

6.根据权利要求5所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，所述第二金属套是绕制成的金属蛇管。

7.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，所述第二传能光纤接头的结构与所述第一传能光纤接头的结构相同，并且所述第二传能光纤接头和所述传能光纤的所述另一端的结合方式与所述第一传能光纤接头和所述传能光纤的所述一端的结合方式相同。

8.根据权利要求7所述的具有温度监控功能的传能光缆，其中，所述第二传能光纤接头上的温度传感器连接到所述控制器上，使得当该温度传感器所探测的温度大于第三预定阈值时，该控制器切断所述激光器的输出。

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