JP3699486B2 - 光ファイバケーブル - Google Patents

Description

本発明は中央コア及び包囲クラッドを有するファイバを含む光ファイバケーブルに関し、このファイバケーブルは高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーの伝達用に製造されている。ファイバの接触端の少なくとも一つの端には光パワー損失に対する冷却手段が設けられている。
高光パワー伝達用の光ファイバケーブルは産業上の用途でしばしば用いられている。特にそれらは高パワーレーザー光線による切削及び溶接作業で用いられるが、高温環境下での加熱、検出又は加工作業など他の産業上の用途でもこの種の光ファイバケーブルを使用できる。この種の高パワーを必要とする用途における主な問題の一つはファイバのコアの外側に入射する放射線の処理の問題である。このパワー密度は通常非常に高く、また非制御加熱を防ぐために、特に例えば溶接作業で激しい後方散乱を伴う場合、特定の冷却手段が必要とされる。
かかる所望されないパワー放射に対処する各種方法が周知である。一例はDE 4305313に開示されており、ここでファイバのクラッドに入射する放射線は所謂モードストリッパ（mode stripper）で広がり、金属面に吸収される。次いでこの面はその構成部分の外側から冷却される。同様の方法がSE 83.07140-7に記載されている。
上述の形式の光ファイバケーブルはSE 93.01100-5にも示されている。前記ファイバケーブルでは、ファイバコアの端面のうちの少なくとも一つの端面にコアの直径よりも大径のロッドが設けられる。ファイバはこの端に反射装置を備え、ファイバの外側に入射した放射線はこの反射装置により損傷をもたらすことなしにそれら放射線の吸収ができる部域へと導かれる。図示の実施例では、この部域は冷却フィン付きヒートアブダクティング装置（heat-abducting device）により包囲されているが、発生した熱を冷却するために水冷式手段をこの部域に含めてよいとも記載されている。またこの場合、冷却は構成部分の外側から行われる。
これら今まで述べてきた方法すべてにおける欠点は先ず熱を金属面に吸収させてから金属材料を通じて冷却面へ導かなければならない（いずれの面も空気又は水で冷却される）という点である。
本発明の目的は向上した冷却能力を備え、それによりファイバ自体に又はそのハウジングに損傷をきたすことなしに非常に高い光パワーの伝達に使用できる光ファイバケーブルを提供することである。本発明はパワー（熱）を金属材料を通じて導かせる代わりに、冷却媒体に直接吸収させることに基づいている。
本発明によると、コア及び包囲クラッドを含むファイバの接触端の少なくとも一つの端は流動クーラントで満たされた空洞内に配置され、それによりファイバの外側に入る放射線はクーラント内に入り少なくとも一部が吸収される。空洞の壁は少なくとも一つの非吸収面を含む。他方の壁面は吸収性（金属）にできる。クーラントを通過する放射線は前記面により吸収される。これらの面は流動媒体（液状クーラント）により直接冷却されるので非制御加熱を回避できる。放射線は金属面に達するまでに流動クーラントを通過してくるので、放射線のほんの一部だけが面により吸収される。
好適実施例によると、ファイバは包囲クーラント、例えば水と直接接触する。
他の実施例によると、ファイバは、包囲クーラントと直接接触する透明管により包囲される。
新規の光ファイバケーブルの実施例をいくつか略示した添付図面を参照して本発明を以下でより詳細に説明する。
図１はケーブルの接触端の直接式水冷手段を有する光ファイバケーブルの原理を示す。
図２はファイバの端部と透明な“窓”との境界面域の詳細図であり、この窓を通り放射線が空洞内に入り、空洞では液状クーラントがファイバの端部を包囲している。
図３は液状クーラント空洞内のファイバのまわりに配された所謂モードストリッパを示し、ファイバのクラッド内の放射線をクラッドから出て包囲クーラントへ伝導する。
図４は代替実施例によるファイバの端部と透明窓との境界面域の詳細図であり、“窓”は中央穴を有する光ディスクとして製造され、前記ディスクはファイバの周囲面に対接密封されている。
図５は透明毛管が液状クーラント空洞内のファイバのまわりへ配置される方法の三つの実施例を示す。
図１は例えば石英ガラスからなるコアと例えば適当な屈折率のガラス又はポリマーからなるクラッドとを有する従来の光ファイバ３の一端を示す。
レーザービーム１はファイバの端面に集束される。好ましくは、波長が1.06μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザー源が使用される。この波長は光ファイバ伝送に適する。使用可能な他のレーザーの例はダイオードレーザー、ＣＯ₂レーザー、ＣＯレーザー及び他の種類のＮｄレーザーである。
液状クーラント２はファイバの端部の外被面を包囲している。ファイバのコアの外側に入る入射レーザー放射線部分４はクーラント内に入り、少なくとも一部、クーラントにより吸収される。液体を通じて伝送される放射線は液体を包被する壁８、５により吸収される。これらの壁はクーラントと直接接触するので表面が直接的に冷却される。後方壁５には液状クーラント用の入力管５ａ及び出力管５ｂが設けられる。
液体中への吸収は、放射線が当たると液体が衝撃沸騰する恐れがあるので、あまり強くすべきではない。水は簡潔性の点だけでなく侵入深さが適当であるという理由から冷却媒体として適する。例えばＮｄ−ＹＡＧレーザーでは、侵入深さは約５０ｍｍである。
液体空洞内に放射線が入射できるように入射レーザービームが当たる面は透明にしなければならない。この面、所謂窓７は無色明澄又は拡散性のあるもののどちらにもでき、重要な点はこの面の吸収性が低いということである。
本発明の好適実施例によるとファイバの端面６は窓７と光学接触する。光学窓は元の放射線もこの窓を通過するからその光学的特質が良好でなければならない。窓とファイバの端面との光学接触により、基本的には全ての反射損失は図２に示す境界面域で除去できる。光学接触は、ロッドをファイバの端面と融着させた上述のSE 93.01100-5で示したようにして、ファイバと窓とを融着することで達成できる。窓７は表面に反射防止被覆を施せるように比較的肉厚にすべきである。
ファイバの完全に外側へ入る放射線に加えて、クラッド９内に入射した放射線も包囲クーラント内へ指向されるべきである。これは図３に示す如くファイバ上に配置された所謂モードストリッパ１０により達成できる。モードストリッパはSE 83.07140-7及びSE 93.01100-5で前述した形式のガラス毛管にでき、またこのガラス毛管はクラッドの外被面に接合され、それにより放射線をクラッドから取り除く。
代わりに、モードストリッピンング（mode-stripping）ファイバの外被面を粗面化することにより達成できよう。かかる粗面化はそれ自体以前より知られている（US 4,575,181を参照）。粗面化により、クラッド内の放射線はクラッドからクーラント内へと指向され、そこで吸収される。
今まで述べた実施例では、窓とファイバとは良好な光学接触が得られるように融着されていた。良好な光学接触を達成する他の方法はファイバと窓とを互いに相手へ押圧することである。またかかる場合、接触帯域での損失は無視してよい。
ファイバの端面を窓７に対接付与する代わりに、中央穴を有する光ディスク１１を使用できる（図４参照）。ディスク１１は窓７と同様にクーラントに対して、透明な、非吸収制限面（正面壁）として製造できるが、前記ディスクはファイバ端が挿入される中央開口が設けられている。ディスクはファイバの外被面に対して適当に密封されて配置される。放射線２の大部分はディスクを通過せずファイバの端面内に直接入るのでディスクの光学的特質を最良のものにする必要はない。開口付きディスクは無色明澄又はマット仕上げにできる。
実施例の一つでは、ファイバ３は透明材料、例えば石英ガラスからなる毛管１２により包囲されるので、毛管の外皮面がクーラントと接している。図５には毛管の三つの用途例が示される。図５ａでは毛管１２は窓７の内面まで延びこの内面に密封対接される。図５ｂの実施例ではファイバ３は正面窓（ディスク）１１を貫通している。この場合も、毛管はディスク１１の内面に密封対接する。図５ｃに示す第３実施例では、毛管１２自体も正面壁１３を貫通している。この場合、毛管の端面１４の外側に入射する放射線は無視できるので正面壁を透明にする必要はない。
毛管はファイバの追加の保護用非吸収ケーシングを提供することを目的とする。前述したように、毛管が空洞の前方壁及び後方壁の両壁に密封対接されているので、クーラントは毛管の外被面と空洞の筒状外壁とで形成された環状スペース内に密閉されファイバの外被と接触することはない。モードストリッパとして使用されるガラス毛管と異なり、この毛管はファイバに接合剤により固定する必要はない。毛管を使用する場合、モードストリッピングはクラッドの面を粗面化することにより行われる。
本発明は図示の例に限定されるものではなく添付クレームの範囲内で変更可能である。

Claims (7)

1. 中央コア及び包囲クラッド（９）を有するファイバ（３）を含む形式の光ファイバケーブルであって、このファイバケーブルは高光パワー、特に１ｋＷを越えるパワーの伝達用に製造され、またファイバ端の少なくとも一つの端は光パワー損失に対する冷却手段を有し、前記冷却手段は前記ファイバ端の外被を包囲する流動吸収クーラント（２）を有した空洞を含み、それによりファイバの外側に入る入射光放射線は前記クーラント（２）内に入りそこで少なくとも一部吸収され、また空洞の制限壁面は少なくとも一部非吸収の前方面（７）を含み、この前方面を通り放射線は入射し、一方で制限壁面を前記流動クーラントにより直接冷却される構成として吸収した放射線に起因する前記面の非制御加熱が回避される光ファイバケーブルに於て、前方制限壁面は透明窓（７）を含み、光ファイバ（３）の端面（６）は前記窓（７）と光学接触するようにしたことを特徴とする光ファイバケーブル。
2. 前記クーラント（２）は液状クーラント、好ましくは水であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光ファイバケーブル。
3. ファイバ（３）は液状クーラントに直接接触することを特徴とする請求の範囲第２項記載の光ファイバケーブル。
4. ファイバ（３）は液状クーラントに直接接触する透明管（１２）により包囲されることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光ファイバケーブル。
5. 液状クーラントで満たされた空洞の制限壁面は、ファイバの長手方向に共軸状に延びる実質的に筒状の制限壁面（８）と液状クーラント用の入口及び出口管（５ａ、５ｂ）が貫通態様で配置された後方制限壁面とを含むことを特徴とする請求の範囲第２項記載の光ファイバケーブル。
6. 光ファイバの端面（６）が窓（７）に融着されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光ファイバケーブル。
7. 光ファイバの端面（６）は窓（７）とファイバとの光学接触が良好になるように窓に押圧対接されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光ファイバケーブル。

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