KR100439620B1 - 광섬유케이블 - Google Patents

Abstract

중앙 코어와 포위 클래딩을 갖는 광 섬유(3)를 포함하며 1kW를 넘는 높은 광학 파워를 전달하도록 제조된 광 섬유 케이블이 개시되었다. 광 섬유의 적어도 하나의 단부에는 상기 광섬유 단부의 엔벌로프 표면을 포위하는 유동 냉각제(2)를 갖춘 캐비티를 포함하는 광학 파워 손실을 위한 냉각 수단이 구비된다. 광섬유 외부로 떨어지는 입사 방사선은 냉각제 바람직하게는 워터와 같은 액체 냉각제로 들어가며, 여기서 적어도 부분적으로 흡수된다. 캐비티를 한정하는 적어도 하나의 벽면은 입사 방사선을 완전히 또는 부분적으로 비흡수하는 반면에, 한정하는 다른 벽면은 여전히 존재하며 유동 냉각제(2)를 통해 투과되는 방사선을 흡수하도록 배열된다. 상기 벽면이 상기 유동 냉각제와 직접 콘택팅함에 따라 효율적으로 냉각된다.

Description

광섬유 케이블{OPTICAL FIBRE CABLE}

높은 광 전력을 전달하기 위한 광섬유 케이블은 흔히 산업 응용분야에 이용된다. 특히, 상기와 같은 광섬유 케이블은 고-전력 레이저 방사선 수단에 의한 절단 및 용접 작업에 사용되지만, 고온 환경에서 가열, 검출 및 작업동작과 같은 기타 산업분야에도 이용될 수 있다. 이러한 높은 전력 전달 응용에서 주요 문제점중 하나는 광섬유 코어의 외부로 떨어지는 방사선을 처리하는 것이다. 전력 밀도는 일반적으로 매우 높고, 특정 냉각수단이 예컨대 용접작업과 같은 강한 역 산란이 발생하는 경우 제어되지 않은 가열을 방지하기 위해 필요로 된다.

상기와 같은 원하지 않는 전력 방사선을 처리하기 위하여 여러 가지 방법이 공지되어 있다. 한 예로는, 광섬유의 클래딩 내부로 떨어지는 방사선이 모드 스트립퍼(mode stripper)에서 확산되고 금속 표면에 의해 흡수되는 기술이 DE 4305313 호에 개시되어 있다. 이 금속표면은 컴포넌트의 외부로부터 냉각된다. 유사한 방법이 SE 83.07140-7 에 개시되어 있다.

상기한 유형의 광섬유 케이블은 SE 93.01100-5 호에 개시되어 있다. 이 광섬유 케이블에서 광섬유 코어의 적어도 일 단부에는 코어 직경 보다 큰 직경을 갖는 로드(rod)가 구비된다. 상기 일 단부에서, 어떠한 손상도 야기시키지 않고 방사선이 흡수될 수 있는 영역을 향하여 광섬유 외부로 입사하도록 방사선을 투과시키도록 설계된 리플렉터(reflector)가 광섬유에 구비된다. 예시된 실시예에서 이 영역은 냉각핀을 갖춘 열-외전(heat-abducting) 디바이스에 의해 포위되지만, 발생된 열을 냉각시키기 위해 상기 영역에 수냉수단이 포함될 수 있음도 설명되었다. 또한, 이 경우에 냉각은 컴포넌트의 외부에서 제공된다.

지금까지 설명된 모든 방법의 단점은 열이 먼저 금속표면에 의해 흡수되고 그후 금속물질을 통해 냉각된 표면으로 전도되어야 한다는 것이며, 여기서 냉각된 표면은 공기 또는 물에 의해 냉각된다.

본 발명은 높은 광 전력, 특히 1kW를 넘는 전력을 전달하도록 제조된, 중앙 코어 및 포위 클래딩(surrounding cladding)을 구비하는 광섬유를 포함하는 광섬유 케이블에 관한 것이다. 상기 광섬유의 적어도 일 단부는 광 전력 손실을 위한 냉각 수단을 갖는다.

도 1은 광섬유 케이블의 접촉 단부에 직접적인 수냉수단을 갖춘 광섬유 케이블의 원리를 나타낸 도.

도 2는 광섬유의 단부를 포위하는 액체 냉각제가 들어 있는 캐비티로 방사선이 입사하여 관통하는 투명 "윈도우"와 광섬유 단부 사이에 있는 인터페이스 영역을 상세히 나타낸 도.

도 3은 광섬유의 클래딩에서의 방사선을 포위 냉각제 외부로 투과시키기 위해 액체 냉각제 캐비티에서 광섬유 둘레에 배치된 모드 스트립퍼를 나타낸 도.

도 4는 "윈도우"가 광섬유의 원주면에 대해 밀봉된 중앙 보어를 가진 광학 디스크로서 만들어 진, 대안 실시예에 따른 투명 윈도우 및 광섬유의 단부 사이의인터페이스 영역의 상세도.

도 5는 액체 냉각제 캐비티에서 광섬유 둘레에 투명 캐필러리 튜브를 배치하는 법에 대한 3가지 예를 나타낸 도.

본 발명의 목적은 광섬유가 광섬유 자체 또는 하우징에 어떠한 손상도 주지않으면서 매우 높은 광 전력을 전달하는 데 이용될 수 있도록 개선된 냉각 성능을 갖춘 광섬유 케이블을 제공하는 것이다. 본 발명은 전력(열)이 금속물질을 통하여 전도되는 대신 냉각매체에 직접 흡수된다는 사실을 기초로 한다.

본 발명에 따라 코어 및 포위 클래딩을 포함하는 광섬유의 적어도 일 단부는, 광섬유의 외부로 떨어지는 방사선이 입사되어 적어도 부분적으로 냉각제에 의해 흡수될 수 있도록 냉각제로 채워진 캐비티(cavity)에 위치된다. 상기 캐비티의벽은 방사선을 흡수하지 않는 적어도 하나의 비흡수 표면을 포함한다. 다른 벽 표면은 흡수(금속)표면이 될 수 있다. 냉각제를 통과하는 방사선은 상기 표면에 의해 흡수된다. 이들 표면이 유동 매체(액체 냉각제)에 의해 직접 냉각됨에 따라 임의의 제어되지 않은 가열은 방지될 수 있다. 광학 방사선이 금속 매체에 도달하기 이전에 유동 냉각제를 통과함에 따라, 상기 광학 방사선의 적은 일부분만이 상기 표면에 의해 흡수된다.

바람직한 실시예에 따라 광섬유는 물과 같은 포위 냉각제(surrounding coolant)와 직접 접촉한다.

대안 실시예에 따라 광섬유는 투명 튜브에 의해 포위되며, 그후 상기 포위 냉각제와 접촉한다.

이하에서는 새로운 광섬유 케이블의 몇몇 실시예를 개략적으로 나타낸 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 수정 유리와 같은 코어 및, 적절한 굴절율을 갖는 중합체 또는 유리로 된 클래딩을 갖는 종래의 광섬유(3)의 일 단부를 도시한다.

광 섬유의 한 단부면에 레이저 빔(1)이 포커싱(focusing)된다. 소스로는 1.06㎛의 파장을 갖는 Nd-YAG 레이저 소스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 파장은 광섬유 투과에 적절하다. 이용될 수 있는 레이저의 기타 예로는 다이오드 레이저, CO₂-레이저, CO-레이저 및 기타 유형의 Nd-레이저가 있다.

액체 냉각제(2)는 광섬유의 단부의 엔벌로프 표면을 포위한다. 광섬유의 코어의 외부로 떨어지는 입사 레이저 방사선의 부분(4)은 입사되어 상기 냉각제에 의해 적어도 부분적으로 흡수된다. 상기 액체 냉각제를 통과하여 투과된 방사선은 상기 액체 냉각제를 포위하는 벽(8,5)에 의해 흡수된다. 이들 벽은 상기 냉각제와 직접 접촉하여 표면에서 직접 냉각된다. 후방 벽(5)은 액체 냉각제를 위한 입력 파이프(5a) 및 출력 파이프(5b)를 갖는다.

액체 냉각제에서의 흡수는 액체 냉각제가 방사선에 의해 충돌될 때 액체 냉각제의 급격한 비등이 있을 수 있으므로 지나치게 높아서는 안된다. 편리하게는 물이 적절한 냉각 매체이며, 이는 또한 투과(penetration) 깊이도 적절하다. 예컨대, Nd-YAG 레이저에 대해서 투과 깊이는 약 50mm 이다.

입사 레이저 빔에 의해 충돌되는 표면은 방사선이 액체 캐비티 내부로 통과할 수 있도록 하기 위해 투명하여야 한다. 윈도우(7)라 칭하는 이 표면은 글래스-클리어(glass-clear) 또는 확산될 수 있으며, 중요한 것은 이 표면에서의 흡수가 낮다는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유의 단부 표면(6)은 윈도우(7)와 광학적으로 접촉한다. 그리고, 광 윈도우는 최초의 방사선이 상기 윈도우를 통과함에 따라 양호한 광학적 품질을 가져야만 한다. 광섬유의 단부 표면과 윈도우 사이에서의 광학적 접촉에 의해, 기본적으로 모든 반사손실은 인터페이스 영역에서 제거될 수 있다. 도 2를 참조하라. 광학적 접촉은 광섬유의 단부표면과 함께 융합(fusing)된 로드에 대하여 상기 SE 93.01100-5에 개시된 바와 같은 광섬유와 상기 윈도우를 함께 융합시키므로써 달성될 수 있다. 윈도우(7)는 표면에서의 반반사(anti-reflex) 코팅을 허용하기 위해 비교적 두꺼워야 한다.

방사선이 광섬유의 외부로 완전히 떨어지는 것 외에도, 클래딩(9)으로 통과하는 방사선도 포위 냉각제 내부로 향해져야 한다. 이것은 도 3에 도시된 바와 같이 광섬유에 배치된 소위 모드 스트립퍼(10)에 의해 달성된다. 이 모드 스트립퍼는 상기한 SE 83.07140-7 및 SE 93.01100-5에 설명된 유형의 유리-캐필러리(glass-capillary)일 수 있으며, 여기서 상기 유리-캐필러리는 클래딩의 엔벌로프 표면에본딩되며, 따라서 상기 클래딩으로부터의 어떠한 방사선도 제거된다.

대안으로, 모드-스트립핑은 광섬유의 엔벌로프 표면을 거칠게 가공하므로써 달성될 수 있다. 이러한 거칠게 가공하기는 공지되어 있으며, 미국 특허 제 4,575,181 호를 참조하라. 거칠게 가공함으로 인해, 클래딩에서의 방사선은 클래딩으로부터 상기 방사선이 흡수되는 냉각제로 향하게 된다.

상기한 실시예에서 윈도우 및 광섬유는 양호한 광학적 접촉을 얻기 위하여 함께 융합되었다. 양호한 광학적 접촉을 얻기 위한 다른 방법은 상기 광섬유 및 윈도우를 서로에 대해 가압시키는 것이다. 또한, 이 경우 접촉 영역에서의 반사손실은 무시할 수 있다.

윈도우(7)에 대하여 광섬유의 단부표면을 붙이는 대신에 중앙 보어를 갖는 광학 디스크(11)가 사용될 수 있다. 도 4를 참조하라. 디스크(11)는, 윈도우(7)와 동일한 방식이지만 광섬유 단부가 중앙개구 내부로 삽입되는 방식의, 냉각제를 한정하는 투명한 비흡수 한정 표면(전방 벽)으로서 제조될 수 있다. 상기 디스크는 광섬유의 엔벌로프 표면에 대해 적절히 밀봉하도록 배치된다. 상기 디스크는 방사선(2)의 대부분이 디스크를 통과하지 않고 광섬유의 단부표면 내부로 직접 통과하므로 최고의 광학적 품질을 요구하지는 않는다. 개구 디스크는 글래스-클리어 또는 완성품 매트(mat)가 될 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에서 광섬유(3)는 예를들어 수정 유리와 같은 투명한 물질로 된 캐필러리 튜브(12)에 의해 포위되고, 이에 따라 상기 캐필러리 튜브의 엔벌로프 표면은 냉각제와 접촉할 수 있다. 도 5a 내지 5c에는 3개의 캐필러리응용예가 있다. 도 5a에서 캐필러리 튜브(12)는 윈도우(7)의 내부표면까지 연장되며 이 내부표면에 의해서 밀봉된다. 도 5b에서 광섬유(3)는 전방 윈도우(디스크)(11)를 통과하여 연장된다. 이 경우에도 캐필러리 튜브는 디스크(11)의 내부표면에 의해 밀봉된다. 도 5c에 도시된 제 3 실시예에서 캐필러리 튜브(12)는 자체가 전방벽(13)을 통과하여 연장된다. 이 경우에 캐필러리 튜브의 단부표면(14)의 입사 방사선은 무시할 수 있으므로 전방벽이 반드시 투명할 필요는 없다.

캐필러리 튜브의 목적은 광섬유에 대한 특별한 보호 및 비흡수 외피(casing)를 제공하는 것이다. 상기한 바와 같이 캐필러리 튜브는 캐비티의 전방벽 및 후방벽 모두에 의해 밀봉되므로 냉각제는 캐비티의 원형 외벽과 캐필러리 튜브의 엔벌로프 표면 사이에 형성된 환형 공간내에 갇혀지게 되어 광섬유 자체의 엔벌로프 표면과 접촉하지 않게 된다. 모드 스트립퍼로서 사용된 유리 캐필러리와는 대조적으로 상기 캐필러리 튜브는 광섬유상에서 시멘트에 의해 고정될 필요가 없다. 캐필러리 튜브가 사용되는 경우에 모드 스트립핑은 클래딩의 표면을 거칠게 가공하므로써 이루어 진다.

본 발명은 설명된 실시예에 한정되지 않으며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 변경이 있을 수 있다.

Claims (7)

1kW를 초과하는 높은 광 전력을 전달하기 위한, 중앙코어와 포위 클래딩을 구비하는 광섬유 케이블로서,

상기 광섬유의 적어도 일 단부는, 상기 광섬유의 외부로 입사하는 광 방사선이 적어도 부분적으로 유동 냉각제(2)에 의해 흡수되도록, 상기 광섬유 단부의 엔벌로프 표면을 포위하는 상기 유동 냉각제(2)가 들어 있는 캐비티를 포함하는 광 전력 손실을 위한 냉각수단을 구비하며,

상기 캐비티를 한정하는 한정 벽면은, 광 방사선이 관통하여 입사될 수 있으며 이 경우 적어도 부분적으로 상기 광 방사선을 흡수하지 않는 전방 표면(7)을 포함하고, 흡수된 광 방사선으로 인한 임의의 제어되지 않은 가열을 방지하기 위하여 상기 유동 냉각제에 의해 직접 냉각되도록 배치되며,

상기 전방 한정 벽면은 투명 윈도우(7)를 포함하고, 상기 광섬유(3)의 단부 표면(6)은 상기 윈도우(7)와 광학적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 1 항에 있어서,

상기 냉각제(2)는 물을 포함하는 액체 냉각제인 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 2 항에 있어서,

상기 광섬유(3)는 상기 액체 냉각제와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 2 항에 있어서,

상기 광섬유(3)는 상기 액체 냉각제와 직접 접촉하는 투명한 튜브(12)에 의해 포위되는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 2 항에 있어서,

상기 액체 냉각제가 들어 있는 캐비티를 한정하는 한정 벽면은, 상기 광섬유의 길이방향에 동축으로 연장되는 원통형 한정 벽면(8) 및 상기 액체 냉각제를 위한 유입 및 유출 파이프(5a,5b)가 관통하여 배치된 후방 한정 벽면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 단부표면(6)은 상기 윈도우(7)와 함께 융합(fusing)되는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.

제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 단부표면(6)은 상기 윈도우와 상기 광섬유 사이에 양호한 광학적 접촉을 이루기 위하여 상기 윈도우(7)에 대해 가압되는 것을 특징으로 하는 광섬유 케이블.