JP2003517616A - ファイバー光学接触手段内の光パワー損失を測定するための方法と装置 - Google Patents

ファイバー光学接触手段内の光パワー損失を測定するための方法と装置

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Abstract

(57)【要約】 この発明は高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーを伝送するための光ファイバー（３）を含む形式のファイバー光コネクター内のパワー損失を測定するための方法と手段に関し、そこではファイバーコアの外側に漏れる入射光線（１）は少なくとも部分的に流動冷却剤（２）内に吸収される。コネクターは発生したパワー損失の尺度として入って来る及び出て行く冷却剤間の温度差（ΔＴ）を測定するための手段、例えば熱電対（８）を含む。好ましくは流速が種々のパワー損失に適合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーを伝送するための光ファイバ
ーを含むファイバー光コネクター内のパワー損失を測定するための方法と手段に
関し、そこではファイバーコアの外側に漏れる入射光線は少なくとも部分的に流
動冷却剤に吸収される。
【０００２】 高光パワーを伝送するための光ファイバーケーブルは工業的利用でしばしば用
いられる。特にそれらは高出力レーザー光線による切断及び溶接で用いられるが
、高温度環境での加熱、検出または作業運転のような他の工業的利用でもまたこ
の形式の光ファイバーケーブルを用いることができる。光ファイバーにより高パ
ワーレーザー源から加工物へ光線を伝送するための柔軟な製造システムを樹立す
ることができる。通常、光ファイバーはコアガラスとそれを取り囲むクラッディ
ングを持つ。この文書中で用いられるレーザー源は数百ワットから数キロワット
までの平均パワーを持つ。
【０００３】 かかる高パワーレーザー光線のためのファイバーシステムを設計するとき、例
えば加工物に対する反射のためにまたはファイバーへの不正確な焦点合わせのた
めに、ファイバーのコアの外側に漏れる光線を処理すること、及びシステムの非
制御加熱を防ぐためにそれを冷却することが重要である。かかる望ましくないパ
ワー光線を処理するための種々の方法が既知である。一例がＤＥ ４３０５３１
３に開示されており、そこではファイバーのクラッディング中に漏れる光線はい
わゆるモードストリッパー内で拡散され金属表面により吸収される。この表面は
次いで装置の外側から冷却されることができる。同様な方法がＥＰ ０１５１９
０９に記載されている。
【０００４】 ファイバーコアの端部表面の少なくとも一つがコア直径より大きな直径を持つ
棒を備えている光ファイバーがＥＰ ０６１９５０８に記載されている。この端
部にファイバーはファイバーの外側に入る光線がどんな損傷も起こすことなく吸
収されることができる領域に向けてそれらの光線を伝導するように設計された反
射器を備えている。例示された実施例ではこの領域は冷却フィンを持つ熱奪取装
置により取り囲まれているが、発生した熱を冷却するために水冷却手段がこの領
域に含まれることができることが述べられている。この場合も冷却は装置の外側
から提供される。ファイバーの端部が中空棒と反射器を備えた同様な装置がＧＢ
２２５５１９９に記載されている。
【０００５】 ＳＥ ５０９７０６及びＲＵ ２０３１４２０に輻射熱が完全にまたは部分的
に金属の代わりに流動冷却剤中に直接吸収されるパワー損失の処理方法が述べら
れている。ＳＥ ５０９７０６においてはファイバーの少なくとも一つの接触端
が流動冷却剤で満たされた空所内に設けられ、従ってファイバーの外側に漏れる
光線は少なくとも部分的に冷却剤中に入りかつ吸収される。好適実施例によれば
ファイバーは取り囲む冷却剤、例えば水と直接接触させられる。冷却剤に直接光
線を吸収させることによる利点は熱が冷却される前に例えば金属部品を通しての
熱伝導がないのでより効果的な冷却であることである。
【０００６】 たとえここまで記述された方法が効果的な冷却を提供するとしてもそれらは実
際のパワー損失の水準を示していない。加工物上での反射は常にパワーのある部
分がファイバー接触に戻り熱を発生することを意味する。工程を制御するために
ファイバーコネクター内のパワー損失を測定することは重要である。
【０００７】 レーザーの発展により光ファイバーの直径は減少した。９０年の中頃の通常の
ファイバー直径はほぼ０．５ｍｍであったが、最近のレーザーはファイバー直径
をほぼ０．１ｍｍに下げた。それ故光システムでの正確な焦点合わせに対する増
大する要求がある。これは主として能動的な方法により満足させられた。そのと
き光ファイバーの最適位置を測定するための良い方法を見出すことが必要である
。
【０００８】 この発明の目的は流動冷却剤を含むファイバーコネクター内のパワー損失を測
定するための方法と手段を提供することである。かかる手段はそのとき工程制御
のためまたは光ファイバーのアクチブ配置のために用いられることができる。
【０００９】 この発明によれば入って来る及び出て行く冷却剤（液体）の間の温度差が発生
したパワー損失の尺度として検出される。
【００１０】 好適実施例によれば熱電対が冷却剤の入口通路及び出口通路と関連して配置さ
れる。
【００１１】 以下添付図面に関してこの発明がより詳細に述べられるであろう。図面は直接
水冷却とこの発明によるパワー損失の検出を持つファイバー光コネクターの例を
概略的に示す。
【００１２】 図１は例えば石英ガラスのコアと、例えば適当な屈折率を持つガラスまたはあ
る高分子から作られた取り巻きクラッディングを持つ通常の光ファイバー３の一
端を示す。
【００１３】 レーザービーム１がファイバーの端表面上に焦点を合わされている。好ましく
はＮｄ−ＹＡＧレーザー源が用いられ、それは１．０６μｍの波長を持つ。この
波長は光ファイバー伝送に適している。用いることのできるレーザーの他の例は
ダイオードレーザー、ＣＯ２−レーザー、ＣＯ−レーザー及び他の形式のＮｄ−
レーザーである。
【００１４】 液体冷却剤２がファイバーの端部の包囲表面を取り囲んでいる。ファイバーの
コアの外側に漏れる入射レーザー光線のその部分４は冷却剤中に入り、少なくと
も部分的にそれにより吸収される。液体を通して伝送された光線（パワー）は液
体を封入する壁５，６により吸収される。これらの壁は冷却剤と直接接触してお
り、従ってそれらは表面上で直接冷却される。壁の幾つか、この場合後壁５は液
体冷却剤のための入口管または通路５ａ並びに出口管または通路５ｂを持つ。入
射レーザービームによりヒットされる表面は透明でなければならず、従って光線
は液体空所中に通過できる。この表面、いわゆる窓７、は透明ガラスまたは拡散
ガラスのいずれかであることができ、重要なことはこの表面での吸収が低いこと
である。ファイバーの端表面は窓７と光学的に接触している。ここまでの光コネ
クターは前記ＳＥ ５０９７０６に示されているものに相当する。
【００１５】 液体冷却剤の瞬間加熱があるので、ファイバーコネクターは発生したパワー損
失を測定するために用いられることができる。この発明によれば入って来る及び
出て行く液体冷却剤間の温度差が測定され、これはまた発生したパワー損失の尺
度である。かかる温度測定のための適当な検出器は熱電対であり、それらはまさ
にかかる温度差信号を提供する。しかし、他の形式の検出器も使用することもで
きる。図中にどのようにかかる熱電対または検出器８が液体冷却剤のための入口
及び出口開口５ａ，５ｂにそれぞれ配置されるかが示されている。
【００１６】 好適実施例によれば流速はパワー損失の水準により調節されることができる。
液体冷却剤の流速を制御するための調節器はそれ自体知られており、ここでは述
べられないであろう。
【００１７】 液体冷却剤の温度差は ΔＴ＝Ｐ・６００００／（ｃ・ρ・Ｆ） により決定され、ここで Ｐはパワー損失（Ｗ）、 ｃは熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、 ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、そして Ｆは流速（ｌ／分）である。 水に対しては ｃ＝４１８０Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）及びρ＝９９８ｋｇ／ｍ３ である。 これは ΔＴ＝０．０１４・Ｐ／Ｆ であることを意味する。
【００１８】 問題のパワー損失に流速を適合させることによりシステムは最適化されること
ができる。後方反射の場合において、パワー損失が１ｋＷ以下であるところでは
約１ｌ／分の流速が満足させられるべきである。そのときは高パワー損失が数十
ワットのパワー損失変動として同時に検出されることができる。ファイバー位置
を最適化する場合において、パワー損失はずっと低いが、そのときはより正確な
測定がまた必要である。例えば流速を１０分の１に減少することにより必要な正
確さが達成される。
【００１９】 応答の迅速性は光線が吸収される容積によりかつ流速の値により限定される。
吸収容積のための典型的な値は１０ｃｍ３であり、流速のためのそれは１ｌ／分
である。これはほぼ０．５秒の応答時間を意味する。
【００２０】 この発明は例としてここに示されたファイバーコネクターに限定されず、特許
請求の範囲内で変更されることができる。従って、この発明は液体冷却剤がパワ
ー損失を処理する他の形式のファイバー接触においても用いられることができる
ことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 直接水冷却とこの発明によるパワー損失の検出を持つファイバー光コネクター
の例を概略的に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トルステンソン， ペル−アルネ スウェーデン， エス−434 95 クング スバッカ， スコルビ 5334 Ｆターム(参考） 2F056 YF06 2G086 BB01 KK01 KK06 2H036 QA13 QA45 2H050 AD12

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーを伝送するための光
    ファイバー（３）を含むファイバー光コネクター内のパワー損失を測定するため
    の方法であって、ファイバーコアの外側に漏れる入射光線（１）が少なくとも部
    分的に流動冷却剤（２）内に吸収される方法において、入って来る及び出て行く
    冷却剤間の温度差（ΔＴ）が発生したパワー損失の尺度として検出されることを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 温度差（ΔＴ）が冷却剤のための入口及び出口通路（５ａ，
    ５ｂ）に関して配置された熱電対（８）により測定されることを特徴とする請求
    項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 冷却剤（２）の流速が検出されるパワー損失に適合されるこ
    と、例えば後方反射に関してパワー損失が検出されるときは比較的高流速に調節
    され、ファイバー位置を最適化することに関しては比較的低流速に調節されるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーを伝送するための光
    ファイバー（３）を含むファイバー光コネクター内のパワー損失を測定するため
    の手段であって、ファイバーコアの外側に漏れる入射光線（１）が少なくとも部
    分的に流動冷却剤（２）内に吸収されるものにおいて、コネクターが発生したパ
    ワー損失の尺度として入って来る及び出て行く冷却剤間の温度差（ΔＴ）を検出
    するための手段（８）を含むことを特徴とする手段。
  5. 【請求項５】 検出手段が温度差（ΔＴ）を測定するための冷却剤のための
    入口及び出口開口（５ａ，５ｂ）に関して配置された熱電対（８）を含むことを
    特徴とする請求項４に記載の手段。
  6. 【請求項６】 冷却剤（２）の流速が検出されるパワー損失に適合されるの
    を可能とするように調節可能であること、例えば後方反射に関してパワー損失を
    検出するときは比較的高流速に調節され、ファイバー位置を最適化することに関
    しては比較的低流速に調節されることを特徴とする請求項４に記載の手段。
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