JP2012518210A - 長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達するための光ケーブル - Google Patents

長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達するための光ケーブル Download PDF

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Abstract

パワーの損失がなく且つ誘導ラマン散乱が生じることのない状態で、高パワーレーザーエネルギーを長距離に亘って伝達するための設備及び装置が提供されている。高パワーエネルギーを長期距離に亘って工具又は面へと伝送して工具と共に又は面上で動作又は加工を行なうための設備、光ファイバケーブル構造、及び光ファイバー構造が更に提供されている。

Description

本発明は、これまで得ることが出来ないと考えられていたほどの高パワーレーザーエネルギを長い距離に亘って伝達する能力を提供することができる光ファイバケーブルの構造及び組成並びにこのようなケーブルを使用しているレーザー装置に関する。本発明は更に、過酷な環境に耐えることができるこのようなケーブルの構造に関する。特に、本発明は、光ファイバとこのようなケーブルの多層構造との独特且つ新規な組み合わせに関する。
本明細書において使用されている“高パワーレーザーエネルギ”という用語は、別途特定されていない限り、少なくとも約５ｋＷ（キロワット）のパワーのレーザービームを意味している。本明細書において使用されている“長距離”という用語は、別途特定されていない限り、少なくとも約５００ｍ（メートル）の距離を意味している。本明細書において使用されている“実質的なパワーの損失”及び“実質的パワー損失”という用語は、選択された波長について約２０ｄＢ／ｋｍ（デシベル／キロメートル）より大きい損失を意味している。本明細書において使用されている“実質的なパワー伝達”という用語は、少なくとも約５０％の伝達率を意味している。
（関連出願）
本願は、Method and Apparatus for Delivering High Power Laser Energy over Long Distances（長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを給送する方法及び装置）という名称の２００９年８月１９日に出願された米国特許出願第１２／５５４，１３６号の一部継続出願であり、この出願は、Transmission of High Optical Power Levels via Optical Fibers for Applications such as Rock Drilling and Power Transmission（削岩及びパワー伝達のような用途のための光ファイバによる高光パワーレベルの伝達）という名称の米国仮特許出願第６１／１０６，４７２号に基づく３５Ｕ．Ｓ．Ｃ第１１９条（ｅ）（１）による優先日２００８年１０月１７日の利益を主張しており、Optical Fiber Cable for Transmission of High Power Laser Energy Over Great Distances（長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達する光ファイバケーブル）という名称の２０１０年１月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／２９５，５６２号及びMethod and Apparatus for an Armored High Power Optical Fiber for Providing Boreholes in the Earth（地中にボーリング孔を開ける方法及びそのための外装を有する高パワー光ファイバのための方法及び装置）という名称の２００９年２月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／１５３，１２７号に基づく３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９条（ｅ）（１）による優先権を主張している。上記した通常の米国特許出願及び米国仮特許出願の各々は、これに言及することにより、その全開示内容が参考として本明細書に組み込まれている。
本発明は、ＡＲＰＡ‐Ｅ米国エネルギ省の事務局によって授与されているＡｗａｒｄ ＤＥ‐ＡＲ ０００００４４による政府の支援によってなされたものである。政府は、本発明に対して何らかの権利を有している。
本発明がなされるまでは、高パワーレーザーエネルギの実質的なパワー損失がない状態での長距離に亘る伝達は得られないという状況にあると考えられていた。その結果、更に、長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達することができる光ファイバ又は光ファイバケーブルの組成物を作るか又は研究する理由はないと考えられていた。
長距離に亘るパワーの損失は、光ファイバ内において多くの原因によって生じる。このような原因としては、吸収による損失、特に水酸イオン（ＯＨ）による吸収損失、レーリー散乱、ブリュアン散乱、ラマン散乱、欠陥、介在物、及び曲げ損失がある。これらの問題点は文献に記録されて来た。
例えば、２００６年版のCrystal Fiber White誌における“Towards 100 kW fiber laser system Scaling up power in fiber lasers for beam combining（ビーム結合のためのレーザファイバ内のパワーを拡大させる１００ｋＷに近いレーザファイバ装置）”という名称の記事には、その第４頁に、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）に対しては、“閾値は、信号のモードフィールド直径（ＭＦＤ）の二乗で且つ有効ファイバ長さに逆比例して高くなる。従って、パワーの拡大のためには、比較的大きなコアサイズ及び短いファイバ長さで設計されることが望ましい。（下線は原文のまま）”ことが記載されている。２００４年版のCorning誌 NIST-SOFMにおける“Stimulated Brillouin Scattering: An Overview of Measurements, System Impairments, and Applications（誘導ブリュアン散乱：測定の概要、システム障害、及び用途”という名称の記事には、その第１頁に、“３つのタイプの散乱現象［レーリー、ラマン、及びブリュアン］のうち誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）は、主光ファイバの非直線性として認識されている”（［］は付け加えたもの）ということが提供されている。Corning誌には、続いてその第３頁に、“出力パワー曲線はまた、・・・信号パワーはある種の入力パワーより多く除去されるようになることを示している。この有害な結果は、信号パワーを効率良く抑制するが、誘導ブリュアン現象を強調する電歪プロセスによりパワーをストークス（反射）信号へと移行させ続けるであろう。”と記載されている。従って、Corning誌の第４頁には、“誘導ブリュアン散乱は、幾つかの光伝達装置、増幅器、及びレーザーの設計を著しく制限するものとして知られている。”と記載されている。
ファイバの長さとパワーの伝達との間に存在すると考えられている当該技術において表されているこの認識された状況は更に、CHINESE OPTICS LETTERSの２００７年５月３１日、第５巻、補遺第Ｓ３９〜Ｓ４１頁のＭｕｔｏらによる“Laser cutting for thick concrete by multi-pass technique（マルチパス技術による厚いコンクリートのレーザー切断）”という名称の記事に示されている。Ｍｕｔｏは、５ｋＷのレーザーパワーがファイバ内へ送り込まれるときに、１ｋｍのファイバで４ｋＷまで低下されたパワーが送られたと述べているけれども、Ｍｕｔｏは、誘導ラマン散乱ＳＲＳ現象を排除することに失敗している。Ｍｕｔｏの記事によって示されているように、この有害な現象は、長さ及びパワーが増すにつれて出力パワーを大きく抑制する。ＳＲＳ現象は、Ｍｕｔｏの図３に示されているスペクトルによって観察され、この図は、本明細書においては、図２として提供されている。図２において、レーザービームは帯２００として示されており、ＳＲＳは帯２０１として示されている。このように、本発明以前においては、入力レーザーパワー又はファイバの長さが増大せしめられると、ファイバのパワー出力は、ＳＢＳ、ＳＲＳ、及びその他の非線形現象により増大しないと考えられていた。特に、ＳＢＳは、出力パワーを入力に向かってファイバを補強するように変える。更に、ＳＢＳ、ＳＲＳ、並びにその他の有害な非線形作用は、ファイバから伝えることができるパワーの量を制限することに加えて、ファイバの加熱及び最終的な欠陥を生じさせ得る。従って、Ｍｕｔｏが第Ｓ４１頁において認識しているように、“１０−ｋＷのパワーの給送は、コア直径が１５０μｍの２５０ｍ長さのファイバ内で可能であり、伝達されるパワーを制限する物理現象はＳＲＳであることがわかる。従って、Ｍｕｔｏは、彼より前の他の人たちも出来なかったように、長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを給送することが出来なかった。
本発明は、非線形作用によってもたらされるこれらの及びその他の損失を解消し且つ実質的なパワー損失を伴うことなく長距離に亘る高パワーレーザーエネルギの伝達を提供するファイバケーブル装置を提供することによって、長さとパワーとに関する上記の認識を打破し且つこの認識を超えて高パワーレーザー給送技術を進歩させたものである。
実質的なパワー損失を伴うことなく長距離に亘る高パワーレーザーエネルギの給送を提供することができる光ファイバを得ることは望ましい。本発明は、とりわけ、本明細書において教示されている物品を提供することによって、この必要性を満たしている。
従って、本明細書には、長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達するための光ケーブルが提供されている。該ケーブルは、長さが約０，５ｋｍより長いか、２ｋｍより長いか、約３ｋｍより長いか、又は約５ｋｍより長く、該ケーブルは、コアとクラッドとコーティングと第一の保護層と第二の保護層とからなる積層構造であり、該ケーブルは、パワーが約１ｋＷ以上、約５ｋＷ以上、又は１０ｋＷ以上のレーザーエネルギを伝達することができ、該ケーブルの全長に亘って選択された波長に対するパワー損失が約２ｄＢ／ｋｍ未満、好ましくは約１ｄＢ／ｋｍ未満、更に好ましくは０．３ｄＢ／ｋｍ未満である。更に、ＳＲＳ現象が実質的に起こらないスペクトルのレーザーエネルギを、工具又は面ヘと給送することができる光ファイバが提供されている。
高パワーレーザーエネルギを工具に給送する装置であり、パワーが少なくとも約１ｋＷ、少なくとも約５ｋＷ、又は少なくとも約１０ｋＷである高パワーレーザーを備えている装置。該装置は、コアとクラッドとコーティングと第一の保護層とを備えている。該装置は工具を備えている。該装置内のケーブルは、第一及び第二の端部を有しており且つ第一の端部と第二の端部との間の長さが、０．５ｋｍより長いか、約１ｋｍより長いか、約２ｋｍより長いか、約３ｋｍより長い。該ケーブルの前記第一の端部は、レーザーに対して光学的に関連付けられているか又は結合されており、該ケーブルの前記第二の端部は、工具に組み合わせられているか、好ましくは光学的に関連付けられているか、又は結合されている。少なくとも一部がレーザーから発生され、ケーブル内を伝達され、ケーブルの第一の端部におけるパワーが少なくとも約１ｋＷであり、第一の端部から第二の端部までの該ケーブル内でのレーザービームのパワーの損失は、選択された波長に対して、約２ｄＢ／ｋｍ未満、好ましくは約１ｄＢ／ｋｍ未満、更に好ましくは約０．５ｄＢ／ｋｍ未満である。ＳＲＳ現象が実質的に存在しないスペクトルを有するレーザーエネルギを工具又は表面へと給送するようになされた光ファイバが更に提供されている。
長距離に亘ってレーザーエネルギを伝達することができるファイバのスプール。該スプールは、その周囲にケーブルが巻かれており、該ケーブルはスプールから解いて繰り出したり巻き上げたりすることができ、従って再度巻き取ることができる。該ケーブルの長さは、約０．５ｋｍより長いか、約１ｋｍより長いか、約２ｋｍより長いか、又は約３ｋｍより長く、コアとクラッドとコーティングと第一の保護層と第二の保護層とを備えている。該ケーブルは、パワー損失が約２ｄＢ／ｋｍより少ないか、より好ましくは約１ｄＢ／ｋｍより少ないか、更に好ましくは約０．５ｄＢ／ｋｍより少ないか、もっと好ましくは約０．３ｄＢ／ｋｍより少ない状態で、その全長に亘って高パワーレーザーエネルギを伝達することができる。巻き上げられたときのスプールの外径は、トラックによるケーブルの搬送を容易にするために約６ｍ未満とされている。
図１Ａは、本発明の光ファイバケーブルの構造を示している、必ずしも一定の縮尺ではない横断面図である。 図１Ｂは、図１Ａの光ファイバケーブルの長手方向の断面図である。 図２は、ＳＲＳ現象の存在を示している従来技術におけるスペクトルの図である。 図３は試験装置の概略図である。 図４は、ＳＲＳ現象が存在しないことを示している本発明によって伝達されるレーザーエネルギのスペクトルの図である。 図５は、ＳＲＳ現象が存在しないことを示している本発明によって伝達されるレーザーエネルギのスペクトルの図である。 図６は、ＳＲＳ現象が存在しないことを示している本発明によって伝達されるレーザーエネルギのスペクトルの図である。
本発明は、概して、実質的なパワー損失がない状態で高パワーレーザーエネルギを長距離に亘って伝達するための光ファイバ構造に関する。本発明は更に、過酷な環境において使用するためのケーブルの構造に限定されない光ファイバケーブルの構造に関する。
図１Ａ及び１Ｂには、コア１とクラッド２とコーティング３と第一の保護層４と第二の保護層５とを備えている光ファイバが提供されている。これらの構成要素は、図面では、同心状のものとして示されているけれども、中心をずらして配置されても良いし、種々の位置で中心をずらしたり中心を合わしたりして配置されても良く、コア、コアとクラッド、及びコアとクラッドとコーティングとは、保護層のうちの１つ以上より長くても良いし短くても良いことは理解できる。
コア１は、せいぜい約０．２５ｐｐｍの水分を含んでいる石英ガラスによって構成されるのが好ましい。該コアは、米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されているもののような他の材料によって構成されても良い。前記の米国特許出願は、これに言及することにより、その全開示内容が本明細書に参考として組み込まれている。該コアにおいて使用するためには、入手可能な比較的高純度の材料或いは最も高純度の材料が好ましい。なぜなら、この比較的純度が高い材料は、欠陥及び介在物によって生じる散乱損失を最少化するからである。コアは、直径が約２００〜約７００ミクロン、好ましくは約５００〜約６００ミクロン、更に好ましくは約６００ミクロンである。本明細書において使用されている“約”という用語は、プラスマイナス１０％の範囲を含んでいる。
クラッド２は、フッ素がドープされた石英ガラスによって作られるのが好ましい。クラッドは、屈折率を変えるイオン（ゲルマニウム）がドープされている石英ガラス並びに米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されているもののような他の材料によって構成されても良い。該米国特許出願はこれに言及することにより、その開示内容が参考として本明細書に組み入れられている。クラッドの厚みは、使用されている波長及びコア直径に応じて、約５０ミクロン〜約２５０ミクロン、好ましくは約４０ミクロン〜約７０ミクロン、更に好ましくは約６０ミクロンである。多層構造に関してここで使用されている“厚み”という用語は、層の内径と外径との間の距離を意味している。クラッドの厚みは、コアのサイズ及び意図されている波長に基づいており且つ関連付けられている。一般的には、１．１ミクロンの波長に対しては、クラッドの外径はコアの外径の１．１倍以上であるべきであり、１．５ミクロンの波長に対しては、クラッドの外径はコアの外径の約１．５倍以上であるべきである。単一のクラッドが図示されているけれども、多数のクラッドを使用しても良いことがわかる。
コーティング３は、ポリイミドコーティングが望ましい高い温度に対しては、高温アクリレートポリマーによって作られるのが好ましい。コーティングは、金属のような他の材料並びに米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されているような材料によって作っても良い。該米国特許出願の開示内容は、これに言及することにより、参考として本明細書に組み込まれている。コーティングの厚みは、約５０ミクロン〜約２５０ミクロン、好ましくは約４０ミクロン〜約１５０ミクロン、更に好ましくは約９０ミクロンであるのが好ましい。該コーティングの厚みは、極端な環境、状態、及び特別な用途に対しては更に厚くすることさえでき、又は比較的需要が少ない環境及び用途に対しては更に薄くしても良い。この厚みは、ケーブルの特別な用途において受け且つ／又は予想されるコア及びクラッドに対する特別な環境による危険性及び／又は物理的な危険性から保護するように調製することができる。
第一の保護層４と第二の保護層５とは、同じであっても良いし異なっていても良く、又はこれらの層は、互いに異なる材料を含む単一の複合層としても良い。該第一の保護層と第二の保護層とは異なる材料であるのが望ましい。
第一の保護層は、チキソトロープゲルであるのが好ましい。この好ましい実施例においては、この層は、主として、ファイバをヒドロキシイオン及び振動による吸収損失から保護する。チキソトロープゲルは、ファイバを振動による機械的損傷から保護すると共に該ゲルは静止しているときにその粘度が増大するので垂直方向に垂下しているときにファイバに対する支持を提供する。パラジウム添加剤が該チキソトロープゲルに添加されて水素の掃引を提供する。ファイバ内に拡散する水素は、ゲルマニウム又はこれに類似のイオンがドープされているコアにとっては問題があるかも知れない。純粋なケイ素がドープされているコアを使用した場合には、この作用はそれほどではない。第一の保護層は、米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されているもののような材料によって作ることができる。該米国特許出願は、これに言及することにより、その開示内容全体が本明細書に参考として組み込まれている。該第一の保護層の厚みは、使用環境及び使用条件並びにケーブルの望ましい可撓性及び／又は堅牢性に基づいて選択されるべきである。このように、該第一の保護層の組成及び厚みは、ケーブルの特別の用途において遭遇し且つ／又は予想されるコア、クラッド及びコーティングに対する特別な環境及び／又は物理的な危険性から保護するように調製することができる。このようにして、この好ましいチキソトロープゲルを使用することによって、ケーブルの製造への付加並びにひとたびケーブルの製造が完了したときにコアに対する機械的保護を提供するという両方の利点が提供される。
第二の保護層は３１６ステンレスからなるステンレス鋼管であるのが好ましい。該第二の保護層は、長距離に亘ってファイバに物理的強度を付与すると共に、物理的な損傷及びケーブルが使用される環境からの保護を提供するのが好ましい。該第二の保護層は、米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されているもののような他の材料によって作られても良い。該米国特許出願は、これに言及することにより、その開示内容全体が参考として本明細書に組み込まれている。該第二の保護層の厚みは、使用条件及びケーブルが使用される環境に基づいて選択されるべきである。この厚みは更に、該ケーブルを構成している材料の重量及び強度にも依存する。従って、該第二の保護層の厚み及び組成は、ケーブルの特別な用途において受け且つ／又は予測されるコア、クラッド、及びコーティングに対する特別な環境及び／又は物理的危険性から保護するように調製することができる。
該光ファイバケーブルの長さは、約０．５ｋｍ（キロメートル）より長くしたり、約１ｋｍより長くしたり、約２ｋｍより長くしたり、約３ｋｍより長くしたり、約４ｋｍより長くしたり、約５ｋｍより長くしたりすることができる。好ましい第一の保護層と第二の保護層とを使用している好ましい光ファイバは、約３００℃以下の温度、約３，０００ｐｓｉ〜３６，０００ｐｓｉ（２０．６８ＭＰａ〜２４８．２１Ｍｐａ）の圧力、及びファイバの全長に亘る腐食性の環境に対して、パワーの実質的な損失がない状態で長期間に亘って耐えることができる。該光ファイバケーブルのパワー損失は、所定の波長に対して、約２．０ｄＢ／ｋｍ未満、約１．５ｄＢ／ｋｍ未満、約１．０ｄＢ／ｋｍ未満、約０．５ｄＢ／ｋｍ未満、及び約０．３ｄＢ／ｋｍ未満である。該光ファイバケーブルのパワー伝達率は、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約８０％、及び少なくとも約９０％である。
該ケーブルの可撓性及び／又は堅牢性は、該ケーブルの種々の層において使用される材料のサイズ及びタイプに基づいて変えることができる。従って、用途に応じて、更に堅牢か更に可撓性のあるケーブルが望ましいかも知れない。該ケーブルは、外径が約６メートル以下のスプ−ル又はリールに対して繰り返し巻き付けたり繰り出したりできる十分な可撓性及び強度を有しているのが好ましい。この外径のスプールサイズは、一般道路をトラックによって搬送することができる。従って、本発明は、外径が約６メートル未満であり且つ本発明の光ファイバを０．５メートル〜５ｋｍの範囲内で備えているスプール又はリール、外径が約６メートル未満であり且つ約０．５ｋｍ（キロメートル）より長いか、約１ｋｍより長いか、約２ｋｍより長いか、約３ｋｍより長いか、約４ｋｍより長いか、約５ｋｍより長い本発明の光ファイバを備えているスプール又はリールを包合している。
あらゆるタイプの高パワーレーザーが、本発明の光ファイバケーブルと共に使用するためのレーザーエネルギ源として使用できる。このようなレーザーの例は米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されており、該特許出願の開示内容は、これに言及することにより本明細書に参考として組み入れられている。光ファイバケーブルの組成及び構造、特にコア及びクラッドの組成は、レーザーが射出する特定のビームに対してパワー損失の低下を最適化するように選択されなければならない。約８００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長のビームを発するレーザーは、本発明のケーブルと共に使用されるときに、許容可能なパワー損失を確認することができ、すなわち利点を有する。しかしながら、約１０６０ｎｍ〜約１１００ｎｍ及び約１４７０ｎｍ〜約１６００ｎｍの波長は更に大きな潜在的な利点を有する。高パワー赤外レーザーが好ましい。現在のところ、約１４９０ｎｍ、約１５５０ｎｍ、約１０８０ｎｍの波長は、更に大きな潜在的な利点を有しているので好ましい。更にこれらの波長範囲内の広帯域幅のビームは更に大きな利点を有している。好ましくは、該レーザーは、少なくとも約１ｋＷ、少なくとも約３ｋＷ、少なくとも約５ｋＷ、少なくとも約１０ｋＷ、及び少なくとも約２０ｋＷ以上のパワーの赤外波長レーザービームを発生するはずである。
本発明の光ファイバケーブルと共に使用するためのこのような好ましいレーザーの例は、ＩＧＰ ２０００ ＹＢである。このレーザーの詳しい特性は、米国特許出願第１２／５４４，１３６号に開示されている。該米国特許出願は、これに言及することにより、その開示内容が本明細書に参考として組み入れられている。好ましいレーザーは２０個のモジュールからなる。ファイバレーザーの利得帯域幅は２０ｎｍ程度であり、自由振動器の線幅は３ｍｍであり、半値全幅（ＦＷＨＭ）は（１０ｎｍを含む比較的広い線幅が想像でき且つ考えられるけれども）３ｎｍ〜５ｎｍの範囲内である。各モジュールの波長は互いに若干異なっている。該モジュールは更に、各々、マルチモードのビームを形成している。従って、これらのモジュールからのビーム同士を結合する累積効果は、ラマン利得とブリュアン利得とを個々のモジュールの波長と線幅とに対応する比較的低い値に維持すること、従って、結果的に結合されたビームがファイバ内を伝達されるときにファイバ内のＳＢＳ現象及びＳＲＳ現象を減らすことである。
図３の試験装置は、本発明の種々のファイバを評価するために使用することができる。従って、レーザー３０１が設けられており、約２５ｍ未満の短い３００μｍファイバ３０２が該レーザーをＱＢＨコネクタ３０３に結合しており、ＱＢＨコネクタ３０３は、ファイバ３０２をコリメータ３０４に結合している。コリメータ３０４は、レーザービームを平行にして１／４％ビームサンプラ３０５内を通過させる。該ビームは、装置内のこの位置で１／４％ビームサンプラ３０６、ビームダンプ３０７、又はコリメータ３０８ヘと導かれる。コリメータ３０８は、ビームを集光させてＱＢＨコネクタ３０９内へ入力する。コリメータ３０８は、集光レンズ、ヒートシンク、及びファイバ受け口を備えている。コネクタ３０９はコリメータ３０８に結合されている。コネクタ３０９は長い試験ファイバ３１０に固定されている。長い試験ファイバ３１０はＱＢＨコネクタ３１１を備えており、ＱＢＨコネクタ３１１は長い試験ファイバ３１０をコリメータ３１２に結合している。レーザービームは、コリメータ３１２から１／４％ビームサンプラ３１３へと進む。ビームは、サンプラ３１３からパワーメータ３１４又は光スペクトル分析器（ＯＳＡ）３１５へと進む。光時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）３１６は、定期的なレーザービームをサンプラ３０６を介して受け取ったり伝達させたりし、サンプラ３０５へ進ませ、次いでファイバを３１０に沿って進ませる。ＯＴＤＲ３１５もまた、レーザー３０１とは別個にファイバ３１０を試験するために使用することができる。レーザー３０１からのレーザービームは、サンプラ３０６から１／４％ビームサンプラ３１７へと進み、次いでＯＳＡ３１５又はパワーメータ３１８へと進む。
実施例１
本発明の光ファイバケーブルの実施形態の一つの例は、直径が約６００ミクロンの石英ガラス製のコアと、厚みが６０ミクロンのフッ素がドープされた石英ガラス製のクラッドと、厚みが約９０ミクロンの高温アクリレートコーティングと、厚みが約２５００ミクロンのチキソトロールゲルからなる第一の保護層と、外径が約６２５０ミクロンで長さが約２ｋｍの３１６ステンレス鋼製の第二の保護層とからなる。コアとクラッドとコーティングとを備えているファイバ構造の長さは、ステンレス鋼製の保護層の長さよりも長い。この長さの違いによって、ケーブルが、例えば、坑井内を下方へ伸長せしめられるときのようにケーブルが垂下状態又は張力を受けた状態にあるときのファイバ構造の延伸に対するステンレス鋼の何らかの延伸差が対処される。該ファイバの開口数は少なくとも０．１４である。この例のファイバは、好ましいレーザーからの約２０ｋＷ（キロワット）のパワーのレーザービーム（波長が１０８０ｎｍ）を、約２ｋｍの距離に亘って、約２００℃以下の温度及び約３０００ｐｓｉ（２０．６８ＭＰａ）の圧力下で、１ｄＢ／ｋｍ未満のパワー損失で伝達させることができる。
実施例２
本発明の光ファイバケーブルの一実施形態の一つの例は、直径が約５００ミクロンの石英ガラス製のコアと、厚みが５０ミクロンのケイ素がドープされた石英ガラス製のクラッドと、厚みが約６０ミクロンのアクリレートコーティングと、外径が１／８インチ（３．１７５ミリメートル）のステンレス鋼製の保護層と、約２ｋｍの長さとを有している。該ファイバの開口数（ＮＡ）は０．２２である。この実施例のファイバは、好ましいレーザーからの約１０ｋＷ（キロワット）のパワーのレーザービーム（波長が１０８０ｎｍ）を、約２ｋｍの距離に亘って、約１５０℃以下の温度及び大気圧下で、０．８ｄＢ／ｋｍ未満のパワー損失で伝達させることができる。
実施例３
本発明の光ファイバケーブルの一実施形態の一つの例は、直径が約６００ミクロンの石英ガラス製のコアと、厚みが６０ミクロンのケイ素がドープされた石英ガラス製のクラッドと、厚みが約９０ミクロンのアクリレートコーティングと、外径が１／８インチ（３．１７５ミリメートル）のステンレス鋼製の保護層と、約０．５ｋｍの長さとを有している。該ファイバの開口数（ＮＡ）は０．１７である。この例のファイバは、好ましいレーザーからの約１０ｋＷ（キロワット）のパワーのレーザービーム（波長が１０８０ｎｍ）を、約０．５ｋｍの距離に亘って、約２００℃以下の温度及び大気圧下で、１ｄＢ／ｋｍ未満のパワー損失で伝達させることができる。
実施例４
好ましいＩＰＧ２００００ＹＢレーザービームを、１ｋＨｚのパルス繰返数に対して１０％のデューティーサイクルで作動させた。この実施例の作動条件は、ＳＢＳに対する時定数よりも長いパルス持続時間を維持するように確立した。従って、ＳＢＳの欠如は、パルス持続時間ではなくファイバとレーザーとの結果であった。レーザービームを実施例２の２ｋｍファイバの中を伝達させ、図３に示されている試験装置のラインに沿った試験装置内で評価し、表Ｉに示されている結果が得られた。表Ｉ中、射出されたピークパワーとパワー出力との単位はワットである。
Figure 2012518210
４８６８ワットパワーに対するスペクトルが図４に示されている。ＳＲＳ現象が存在しないことがスペクトル内に明確に示されている。（ここで使用されている特別な現象又は作用が“無い”、“存在しない”、“発生しない”というような用語は、全ての実際上の目的に対して、該現象又は作用が存在しないこと及び／又は当業者が使用する通常の手段によって観察できないことを意味している。）更に、射出（入力）及び出力パワーはＳＢＳ現象が存在しないことを確実なものとしている。更に、レーザーのパルス動作がファイバレーザーの波長をチャープ（周波数変動）させたかも知れず、これは、ＳＢＳ及びＳＲＳ現象の抑制に更に寄与した。なぜならば、これは効率の良い比較的広いレーザー線幅をもたらすからである。
実施例５
好ましいＩＧＰ２００００ＹＢレーザーを、連続波を提供するように作動させた。下の表に記載されているように、１個、２個、４個、及び６個のモジュールを使用した。各パワーに対して、レーザーは約２分１５秒間発光させた。レーザービームを実施例２の２ｋｍファイバ内で伝達させ、図３に示されている試験装置のラインに沿って該試験装置内で評価し、表IIに示されている結果が得られた。表IIにおいて、レーザーパワー（入力パワー）と出力パワーとは、ワットで示されており且つパワー処理量は伝達率と同じ意味である。
Figure 2012518210
Figure 2012518210
１００％のレーザー設定における４個のモジュールのスペクトルが図５に示されている。ＳＲＳ現象が起こらないことが該スペクトルに明確に示されている。更に、入力及び出力パワーの線形関係によってＳＢＳ現象が起こらないことが確保されている。
実施例６
好ましいＩＰＧ２００００ＹＢレーザーを作動させて連続波を提供した。１個のモジュールを使用した。各パワーについて、レーザーは約２分１５秒間発光させた。レーザービームは、実施例３の０．５ｋｍファイバ内を伝達させ、図３に示されている試験装置のラインに沿って該試験装置内で評価し、表III及び表IVに示されている結果が得られた。表III及び表IVにおいて、レーザーパワー（入力パワー）及び出力パワーはワットによって示されており、パワー処理量は伝達率と同義である。
Figure 2012518210
Figure 2012518210
実施例７
好ましいＩＰＧ２００００ＹＢレーザーを作動させて連続波を提供した。下の表に示されているように、２個、６個、８個、及び１０個のモジュールを使用した。各パワーについて、レーザーを約２分１５秒間発光させた。レーザービームは、実施例２の２ｋｍファイバ内を伝達させ、図３に示されている試験装置のラインに沿って該試験装置内で評価し、表Ｖに示されている結果が得られた。表Ｖにおいて、レーザーパワー（入力パワー）及び出力パワーパワーは、ワットで示されており、パワー処理量は伝達率と同義である
Figure 2012518210
Figure 2012518210
９３００Ｗ出力パワーの１０個のモジュールの９０％レーザー設定におけるスペクトルが図６に示されている。ＳＲＳ現象が起こらないことが該スペクトルにおいて明確に示されている。更に、入力パワーと出力パワーとの線形関係によって、ＳＲＳ現象が起こらないことが確保されている。
本発明の光ファイバケーブルは、多くの且つ様々な使用方法を有しており、今までのところ、そのうちの幾つかが実現されている。従って、光ファイバケーブルは、レーザー溶接及び切削工具のような公知のレーザー工具において使用するためのレーザーエネルギを提供するために使用することができる。該光ファイバケーブルは、新しく開発された革新的なレーザー工具において使用するためのレーザーエネルギを提供するために使用することができる。該新しく開発されたレーザー工具としては、例えば、２００９年１０月１日に出願されたMethod of Communicating Power and/or Data Though a Mud Motor（マッドモーターによってパワー及び／又はデータを通信する方法）という名称の米国特許出願第６１／２４７，７９６号、及び２００９年８月１９日に出願されたApparatus for Advancing a Wellbore using High Power Laser Energy （高パワーレーザーエネルギを使用して坑井を前進させるための装置）という名称の米国特許出願第１２／５４４，０３８号に記載されている坑井を前進させるためのレーザー穴底アセンブリがある。更に、パイプラインの建設において使用するためのレーザーエネルギを提供するために使用しても良い。更に、本発明の光ファイバケーブルは、軽量高強度材料によって作られ且つ高パワーを長距離に亘って提供する能力により、坑道掘削、ボーリング、材料除去のようなレーザー機械工具及び装置を改造し且つ／又は製造するために使用することができる。更に、本発明のケーブルは、軽量高強度材料によって作られ且つ高パワーを長距離に亘って提供する能力により、高パワーエネルギを長距離に亘って効率良く伝達することが必要とされ有用であり且つ／又は有益であるあらゆる公知の又は後に発見される用途において使用できるという能力を有している。
本発明の光ファイバケーブルは更に，他の管状及び／又はワイヤ状の設備に組み込み、配備させ、又は該設備と組み合わせて使用することができる。このような設備としては、例えば、掘削工業において使用されるコイル状に巻かれた管、掘削工業において使用される穴開けパイプ、及び降下、上昇、保持、結合設備に対して使用されるケーブルがある。本発明の光ファイバケーブルは、特定の用途に対しては相互に束ねても良く、このようにして特定の用途においては、複数のケーブルを使用することができ、これらの複数のケーブルを、掘削工業において使用されるコイル状の管、穴開けパイプ、ケーシング、及びライザーのような管内に組み込み又は配備させ且つ／又は該管と組み合わせることができる。更に、該光ファイバーケーブルは相互に結合させても良い。更に、単一のケーブルを幾つかのケーブルに結合するか又はスイッチを使用して分岐させても良い。このようにして、一つの高パワーレーザーを、該高パワーエネルギを長距離に亘って多数の工具に付与し且つ／又は長い距離のところに隔てられている多数の工具に付与するために使用することができる。
更に、単一の長さのファイバの使用、すなわち、ファイバの長さを比較的長い距離に亘るパワーの伝達のために端部同士を光学的に結合するかスライスするか又は別の方法で端部同士を光学的に結合した一連のファイバではなく１本のファイバによって作られるのが好ましいけれども、端部同士を結合させた多数の長さのファイバを使用しても良い。更に、幾つかの長さの光ファイバケーブル又は幾つかの長さのファイバコア構造又はこれらの両方を組み合わせたものを結合させて、このような構造の複数個を、例えば、光ファイバケーブルの束、ファイバコア構造、又はこれらの両方の組み合わせとしても良い。
このように、本発明の光ファイバケーブルは、高パワーレーザーエネルギを長距離に亘って、工具又は機械、例えば、溶接機、切削機、ボーリング、及び排土装置、物質取り出し装置に給送するために使用できる。このような装置においては、レーザーエネルギは、次いで、このような工具又は機械によって、面、物質、又は加工部片ヘと導かれる。更に、本発明の光ファイバは、作動動力例えば機械又は器具を作動させる動力を、長距離に亘って提供するために使用することもできる。本発明の光ファイバケーブルは、過酷な環境、例えば、鉱山、トンネル、坑井、造船所、工場、原子力サイト、高温、苛性条件、腐食条件、及び水中において、このような用途のために長距離に亘って高パワーレーザーエネルギを提供するために使用することができる。
上記の記載から、当業者は、本発明の基本的な特徴を容易に確かめることができ且つ本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の種々の用途及び条件に適合するように本発明に種々の変更／及び改造を施すことができることを認識することができる。
１ コア１、 ２ クラッド、 ３ コーティング、
４ 第一の保護層、 ５ 第二の保護層、 ３０１ レーザー、
３０２ ファイバ、 ３０３ ＱＢＨコネクタ、 ３０４ コリメータ、
３０５ １／４％ビームサンプラ、 ３０６ １／４％ビームサンプラ、
３０７ ビームダンプ、 ３０８ コリメータ、 ３０９ ＱＢＨコネクタ、
３１０ 試験ファイバ、 ３１１ ＱＢＨコネクタ、 ３１２ コリメータ、
３１３ １／４％ビームサンプラ、 ３１４ パワーメータ、
３１５ 光スペクトル分析器（ＯＳＡ）、
３１６ 光時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）、
３１７ １／４％ビームサンプラ、 ３１８ パワーメータ

Claims (34)

  1. 高パワーレーザーエネルギを長距離に亘って伝達する光ファイバケーブルであり、
    約０．５ｋｍより長い長さの光ファイバケーブルからなり、
    該ケーブルは、コアと、クラッドと、コーティングと、第一の保護層と、第二の保護層とを備えており、
    前記ケーブルは、約５ｋＷ以上のパワーを有するレーザーエネルギを、該ケーブルの全長に亘って、約２ｄｂ／ｋｍ未満のパワー損失で且つ誘導ラマン散乱スペクトル帯域が存在することなく伝達することができる、ことを特徴とする光ファイバケーブル。
  2. 長さが約１ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  3. 長さが約２ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  4. 長さが約３ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  5. 長さが約１ｋｍより長く且つ前記パワーが約１０ｋＷより大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  6. 長さが約２ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項５に記載のケーブル。
  7. 長さが約３ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項５に記載のケーブル。
  8. 前記第二の保護層が前記コアより長い、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  9. 前記コアの直径が少なくとも約５００ミクロンである、ことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
  10. 高パワーレーザーエネルギを長距離に亘って伝達する光ファイバケーブルであり、
    ａ．レーザーエネルギを受け取る入力端と、レーザーエネルギを工具又は面へと給送する出力端とを備えているケーブルからなり、
    ｂ．該ケーブルの前記入力端と出力端との間の長さが少なくとも約１ｋｍであり、
    ｃ．前記ケーブルがコアと保護手段とを備えており、
    ｄ．前記コアの直径が少なくとも約５００ミクロンであり、
    ｅ．前記ケーブルの入力端が、レーザーから、約５ｋＷ以上のパワーのレーザーから高パワーレーザーエネルギを受け取る構造とされており、
    ｆ．前記ケーブルの出力端が、前記受け取ったレーザーエネルギの少なくとも約７０％を給送できる構造とされている、ことを特徴とするケーブル。
  11. 長さが少なくとも約２ｋｍである、ことを特徴とする請求項１０に記載のケーブル。
  12. 前記コアが前記保護手段より長い、ことを特徴とする請求項１０に記載のケーブル。
  13. 前記給送されるレーザーエネルギが実質的に誘導ラマン散乱を生じないスペクトルを有している、ことを特徴とする請求項１０に記載のケーブル。
  14. 長距離に亘って高パワーのレーザーエネルギを伝達する光ファイバケーブルであり、
    該ケーブルの長さが少なくとも約１ｋｍであり、
    該ケーブルは、ファイバコアと外側保護層とを備えており、
    該ケーブルは、約５ｋＷ以上のパワーのレーザーエネルギを、ケーブルの全長に亘って、少なくとも約６０％のパワー伝達率で且つ誘導ラマン散乱スペクトル帯域が存在しない状態で伝達することができる、ことを特徴とする光ファイバケーブル。
  15. 高パワーレーザーエネルギを工具に給送する装置であり、
    ａ．パワーが少なくとも約１ｋＷの高パワーレーザーと、
    ｂ．ｉ．コアと、ii．クラッドと、iii．コーティングと、iv．保護層と、を備えている光ファイバケーブルと、
    ｃ．工具と、を備えており、
    ｄ．前記ケーブルが、第一の端部と、第二の端部と、該第一の端部と第二の端部との間の長さとを有しており、
    ｅ．前記ケーブルの長さが２ｋｍより長く、
    ｆ．前記ケーブルの前記第一の端部は前記レーザーと光学的に結合されており、前記ケーブルの前記第二の端部は前記工具に光学的に結合されており、
    ｇ．前記ケーブル内を伝達されるレーザービームは、該ケーブルの前記第一の端部において少なくとも約１ｋＷのパワーを有しており、
    ｈ．前記第一の端部から第二の端部までの前記ケーブル内でのレーザービームのパワー損失は約２ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする装置。
  16. 前記第一の端部におけるレーザービームのパワーが約５ｋＷ以上である、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  17. 前記第一の端部におけるレーザービームのパワーが約１０ｋＷ以上である、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  18. 前記パワー損失が約１ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  19. 前記パワー損失が約０．５ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  20. 前記ケーブルが第二の保護層を備えている、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  21. 前記ケーブルが第二のクラッドを備えている、ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  22. レーザーエネルギを長距離に亘って伝達する光ファイバケーブルのコイルであり、
    ａ．コアと、クラッドと、コーティングと、第一の保護層と、第二の保護層と、を備えているケーブルからなり、
    ｂ．前記ケーブルの長さが２ｋｍより長く、
    ｃ．前記ケーブルが、その全長に対して高パワーレーザーエネルギを約２ｄＢ／ｋｍ未満のパワー損失で伝達することができ、
    ｄ．前記ケーブルがコイル状に巻かれており、
    ｅ．該巻き上げられたコイルの外形が約６ｍ未満である、ことを特徴とするコイル。
  23. 当該コイルがスプール上にあり、前記高パワーレーザーエネルギが５ｋＷ以上であり、長さが約１ｋｍより長く、パワー損失が約１ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項２２に記載のコイル。
  24. 前記ケーブルの長さが約２ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項２２に記載のコイル。
  25. 前記ケーブルの長さが約３ｋｍより長い、ことを特徴とする請求項２２に記載のコイル。
  26. 高パワーレーザーエネルギを工具に給送する装置であり、
    ａ．パワーが少なくとも約１ｋＷの高パワーレーザーと、
    ｂ．ｉ．コアと、ii．クラッドと、iii．コーティングと、iv．第一の保護層と、を備えている光ファイバケーブルと、
    ｃ．工具と、を備えており、
    ｄ．前記ケーブルは、第一の端部と、第二の端部と、該第一の端部と第二の端部との間の長さとを有しており、
    ｅ．前記ケーブルの長さが０．５ｋｍより長く、
    ｆ．前記ケーブルの第一の端部は前記レーザーと光学的に結合されており、前記ケーブルの第二の端部は前記工具に光学的に結合されており、
    ｇ．前記レーザービームは、前記ケーブル内を伝達される約８００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲内の波長を有しており且つ前記ケーブルの第一の端部でのパワーが少なくとも約１ｋＷのパワーであり、
    ｈ．前記ケーブル内の前記第一の端部から第二の端部までにおけるレーザービームのパワー損失が約２ｄＢ／ｋｍ未満であり、
    ｉ．給送されるレーザーエネルギが、実質的に誘導ラマン散乱を受けない、ことを特徴とする装置。
  27. 前記レーザービームの波長が約１０８０ｎｍである、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  28. 前記レーザービームの波長が約１５５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  29. 前記レーザービームの波長が約１４９０ｎｍである、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  30. 前記パワー損失が約１ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  31. 前記パワー損失が約０．５ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項２６に記載の装置。
  32. 高パワーレーザーエネルギを工具に給送する装置であり、
    ａ．パワーが少なくとも約５ｋＷの高パワーレーザーと、
    ｂ．ｉ．コアと、ii．保護層と、を備えている光ファイバケーブルと、
    ｃ．工具と、を備えており、
    ｄ．前記ケーブルは、第一の端部と、第二の端部と、該第一の端部と第二の端部との間の長さとを有しており、
    ｅ．前記ケーブルの長さが２ｋｍより長く、
    ｆ．前記ケーブルの第一の端部は前記レーザーと光学的に結合されており、前記ケーブルの第二の端部は前記工具に光学的に結合されており、
    ｇ．前記レーザービームは、前記ケーブル内を伝達される約８００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲内の波長を有しており且つ前記ケーブルの第一の端部におけるパワーが少なくとも約５ｋＷであり、
    ｈ．前記ケーブル内の前記第一の端部から第二の端部までにおけるレーザービームのパワー損失が約０．８ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする装置。
  33. 前記パワー損失が約０．５ｄＢ／ｋｍ未満である、ことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
  34. 高パワーレーザーエネルギを長距離に亘って伝達する光ファイバケーブルであり、
    ａ．レーザーエネルギを受け取る入力端部と、該レーザーエネルギを工具又は面へと給送するパワー端部とを備えているケーブルからなり、
    ｂ．該ケーブルは、前記入力端部と出力端部との間の長さが少なくとも約１ｋｍであり、
    ｃ．該ケーブルは、コアと、クラッドと、コーティングと、保護手段とを備えており、
    ｄ．該ケーブルのコアの直径が少なくとも約３００ミクロンであり、
    ｅ．該ケーブルの入力端部は、約１０ｋＷ以上のパワーを有するレーザーから高パワーのレーザーエネルギを受け取る構造とされており、
    ｆ．該ケーブルのパワー端部は、受け取ったレーザーエネルギの少なくとも約７０％を給送する構造とされている、ことを特徴とする光ファイバケーブル。
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