KR100809924B1

KR100809924B1 - 광섬유 접속 수단에서의 광출력 손실을 측정하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100809924B1
Application number: KR1020027007511A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 벵트손; 스벤-오로브 루스; 퍼-아르네 토르스텐손
Original assignee: 옵토스칸드 에이비
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2008-03-06
Also published as: SE515480C2; SE9904577L; JP4975927B2; HU224854B1; WO2001044849A1; ATE334415T1; US20030086472A1; ES2269212T3; US7023532B2; JP2003517616A; SE9904577D0; EP1257860A1; KR20020092925A; DE60029638D1; CZ20021721A3; HUP0204214A2; EP1257860B1; RU2260782C2; RU2002118692A; DE60029638T2

Abstract

본 발명은 1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하는 광섬유(3)를 포함하고, 광섬유 코어(2) 외부로 조사되는 입사광(1)이 유동성 냉각제에서 부분적으로 흡수되는 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 커넥터는 예를 들어 출력 손실의 척도로서 유입 냉각제와 유출 냉각제 사이의 온도차(ΔT)를 측정하는 열전 소자(8)를 포함한다. 바람직하게 유속은 상이한 출력 손실에 따라 조정된다.

Description

광섬유 접속 수단에서의 광출력 손실을 측정하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE MEASURING OF THE OPTICAL POWER LOSS IN A FIBER OF OPTICAL CONTACT MEANS}

본 발명은 특히 1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하는 광섬유를 포함하는 광섬유 커넥터에서의 출력 손실을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 광섬유 코어의 외부로 조사되는 입사 광선은 적어도 부분적으로는 유동성 냉각제에서 흡수된다.

높은 광출력을 전달하는 광섬유 케이블은 산업분야에서 빈번히 사용된다. 특히, 높은 출력의 레이저 광에 의해 절단 및 용접에 사용될 뿐만 아니라, 가열, 고온의 환경에서의 탐지 또는 작업 공정과 같은 다른 산업 분야에서 이러한 형태의 광섬유 케이블이 사용될 수 있다. 광섬유에 의해 높은 출력의 레이저 소스로부터 가공중인 재료(workpiece)로의 광을 전달하기 위한 융통성있는 제작 시스템을 구축하는 것이 가능하다. 통상적으로, 광섬유는 유리 코어 및 이를 둘러싼 주변 클래딩(surrounding cladding)을 갖는다. 이러한 상황에서 사용될 수 있는 레이저 소스는 수백 와트에서 수 킬로와트까지의 평균 출력을 갖는다.

높은 출력의 레이저 광선용 광섬유 시스템을 설계할 경우, 예를 들어, 재료로부터의 반사 또는 광섬유로의 부정확한 포커싱으로 인한 광섬유 코어의 외부로 조사되는 광을 대비하는 것과, 시스템에서 제어되지 않은 가열을 방지하기 위해 광섬유를 냉각시키는 것이 중요하다. 바람직하지 않은 출력 광에 대한 다른 대비책이 이미 공지되었다. 일례는 DE 4 305 313호에 개시되어 있는데, 광섬유의 클래딩으로 조사되는 광은 소위 모드 스트립퍼(mode stripper)로 분산되고 금속 표면에 의해 흡수된다. 그 다음, 이러한 표면은 장치의 외부로부터 냉각될 수 있다. 유사한 방법이 EP 0 151 909호에 개시되어 있다.

적어도 하나의 단부 표면에 코어 직경보다 더 큰 직경을 가진 로드(rod)가 제공된 광섬유가 EP 0 619 508호에 개시되어 있다. 이러한 단부에서, 광섬유에는 광섬유의 외부로 아무런 손상을 일으키지 않고 흡수될 수 있는 영역을 향해 입사하는 광선을 인도하도록 설계된 반사기가 제공된다. 설명된 실시예에서, 이러한 영역은 냉각핀을 구비한 열제거 장치로 둘러 싸여지지만, 수냉식 수단이 발생한 열을 냉각시키기 위해 이러한 영역에 포함될 수 있다. 또한 이 경우 냉각은 장치 외부로부터 제공된다. 광섬유의 단부에 중공 로드 및 반사기가 제공된 유사한 장치가 GB 2 255 199호에 개시된다.

SE 509 706호 및 RU 2 031 420호에는 출력 손실에 대한 대비로서, 방사열이 완전히 또는 부분적으로 금속 대신 유동성 냉각제에 직접 흡수되는 방법이 개시되어 있다. SE 509 706에서, 광섬유의 적어도 하나의 접속 단부는 광섬유 외부로 조사되는 광이 냉각제로 유입하고 적어도 부분적으로 냉각제에 의해 흡수되도록 유동성 냉각제로 채워진 공동에 위치해 있다. 실시예에 따라, 광섬유는 예를 들어 물과 같은 주변 냉각제(surrounding coolant)와 직접 접촉된다. 광이 냉각제에서 직접 흡수되도록 함에 따른 장점은, 열이 냉각되기 전에 예를 들어, 금속 부분을 통해 열이 전도되지 않는 보다 효율적인 냉각이라는 것이다.

심지어, 지금까지 논의된 방법이 효과적인 냉각을 제공하더라도, 유효 전력 손실의 레벨을 나타내지 않는다. 재료의 반사는 출력의 일부가 광섬유 접속부로 되돌아오며 열을 발생시킨다는 것을 의미한다. 공정을 제어하기 위해, 광섬유 커넥터에서의 출력 손실을 측정하는 것은 중요하다.

레이저의 발달에 영향을 받아서 광섬유의 직경은 감소되고 있다. 1900년대 중반에 표준 광섬유의 직경은 대략 0.5mm였으나, 최근의 레이저는 대략 0.1mm 이하의 광섬유 직경을 갖는다. 이어, 광섬유 시스템에서 정확한 포커싱에 대한 요구가 증가한다. 이는 대부분 현재의 방법으로 달성된다. 따라서, 광섬유의 최적 위치를 측정하기 위한 양호한 방법을 찾는 것이 필수적이다.

도 1은 예를 들어, 석영유리로 만든 코어 및 예를 들어, 유리 또는 적절한 굴절률을 가진 중합체로 만든 주변 클래딩을 구비한 통상적인 광섬유(3)의 한 단부를 나타낸다.

본 발명의 목적은 유동성 냉각제를 구비한 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하는 방법 및 수단을 제공하는 것이다. 이러한 수단은 공정 제어 또는 광섬유의 유효한 위치 설정을 위해 사용된다.본 발명은 1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하기 위한 광섬유를 포함하고, 광섬유 코어 외부로 조사되는 입사광이 적어도 부분적으로 유동성 냉각제에서 흡수되는, 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하기 위한 방법으로서, 발생된 상기 출력 손실의 척도로서 유입 냉각제와 유출 냉각제 사이의 온도차(ΔT)를 검출하는 출력 손실의 측정 방법을 제공한다.여기서, 상기 온도차(ΔT)는 냉각제용 유입 및 유출 채널과 연결되어 배치된 열전 소자들에 의해 측정될 수 있다.또한, 상기 냉각제의 유속은, 후면 반사와 관련한 출력 손실이 검출될 경우 상대적으로 높은 유속으로 조정되고, 최적의 광섬유 위치와 관련하여 상대적으로 낮은 유속으로 조정되는 등, 검출된 출력 손실에 따라 제공될 수 있다.한편, 본 발명은 1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하기 위한 광섬유를 포함하고, 광섬유 코어 외부로 조사되는 입사광이 적어도 부분적으로 유동성 냉각제에서 흡수되는, 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하기 위한 장치로서, 상기 커넥터는 발생된 상기 출력 손실의 척도로서 유입 및 유출 냉각제 사이의 온도차(ΔT)를 검출하기 위한 수단을 포함하는 출력 손실의 측정 장치를 제공한다.여기서 상기 검출 수단은 상기 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 상기 냉각제용 유입 및 유출 개구부와 연결되어 배치된 열전 소자들을 포함할 수 있다.또한, 상기 냉각제의 유속은, 후면 반사들과 관련한 출력 손실들이 검출되는 경우 상대적으로 높은 유속으로 조정되고, 최적의 광섬유 위치와 관련하여 상대적으로 낮은 유속으로 조정되는 등, 검출된 출력 손실들에 따라 조정될 수 있다.

본 발명에 따라, 냉각제(액체)의 유입 및 유출 사이의 온도차가 발생된 출력 손실의 척도로서 검출된다.

실시예에 따라, 열전 소자(thermoelement)가 냉각제의 유입 및 유출 채널과 연결되어 배치된다.

이하에서, 본 발명은 본 발명에 따른 수냉식 수단 및 출력 손실의 검출 수단을 구비한 광섬유 커넥터의 예를 개략적으로 도시한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

레이저 광(1)은 광섬유의 단부 표면상에 포커싱된다. 바람직하게 1.60㎛의 파장을 가진 네오디뮴-야그 레이저(Nd-YAG laser) 소오스가 사용된다. 이러한 파장은 최적의 광섬유 전송에 적합하다. 사용가능한 레이저의 다른 예는 다이오드 레이저, CO₂-레이저, CO-레이저 및 다른 타입의 네오디뮴 레이저(Nd-laser)이다.

액체 냉각제(2)는 광섬유의 단부의 외부 표면을 둘러싼다. 광섬유 코어 외부로 조사되는 레이저 입사광 부분(4)은 냉각제로 유입되어 적어도 부분적으로 냉각제에 의해 흡수된다. 액체를 통해 전달되는 광(출력)은 액체를 둘러싸는 벽들(5, 6)에 의해 흡수된다. 이러한 벽들은 표면에서 직접 냉각되도록 냉각제와 직접 접촉된다. 일부 벽들, 이 경우에는 후방벽(5)은 액체 냉각제용 입력 파이프 또는 채널(5a) 및 출력 파이프 또는 채널(5b)을 갖는다. 레이저 입사광과 충돌하는 표면은 광이 액체 공동(cavity)으로 통과할 수 있도록 투명해야 한다. 소위 윈도우(7)로 불리는 이 표면은 유리-투명체(glass-clear) 또는 확산체(diffuse)일 수 있으며, 중요한 것은 이러한 표면에서의 흡수가 낮다는 것이다. 광섬유의 단부 표면은 윈도우(7)와 광접촉한다. 지금까지 설명한 광 커넥터는 상기한 SE 509 706호에 도시된 것에 대응한다.

액체 냉각제의 순간적인 열이 있기 때문에, 광섬유 커넥터는 발생된 출력 손실을 측정하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따라, 유입 액체 냉각제와 유출 액체 냉각제 사이의 온도차가 측정되는데, 이는 또한 발생된 출력 손실의 척도이다. 이러한 온도 측정을 위한 적절한 검출기는 열전 소자(thermoelement)로서, 온도차 신호를 제공한다. 그러나, 다른 타입의 검출기가 사용될 수 있다. 도면에서, 이러한 열전 소자 또는 검출기(8)가 액체 냉각제에 대해 유입 및 유출 개구부(5a, 5b)에 각각 어떻게 배치될 수 있는지가 도시된다.

바람직한 실시예에 따라, 유속은 출력 손실의 정도에 따라 조정될 수 있다. 액체 냉각제의 유속을 제어하기 위한 조정기가 공지되어 있으며, 본 명세서에서 기재되지 않는다.

액체 냉각제에서의 온도차는 로 결정되며, 여기서, P는 출력 손실(W)이고, c는 열용량(J/(kg·K))이며, 는 밀도(kg/m³)이고, F는 유속(l/min)이다.

물의 경우, c=4180J/(kg·K) 및 =998kg/m³이다. 이는 ΔT=0.014·P/F 임을 의미한다.

관심사인 출력 손실에 대해 유속을 조정함으로써, 시스템은 최적화될 수 있다. 출력 손실이 1kW까지 이르는 후면 반사의 경우, 유속은 대략 1 l/min이 만족스럽다. 그 후, 수십 W의 출력 손실 변화만큼의 높은 출력 손실이 동시에 검출될 수 있다. 광섬유 위치를 최적화하는 경우, 출력 손실은 훨씬 낮아지지만, 또한 그 후 보다 정밀한 계측이 요구된다. 예를 들어, 팩터 10으로 유속을 감소시킴으로써, 필요한 정밀도가 달성될 수 있다.

응답 속도는 광이 흡수되는 체적 및 유속의 값에 의해 제한된다. 흡수 체적의 통상적인 값은 10cm³이며 유속은 1 l/min일 수 있다. 이는 응답시간이 대략 0.5초임을 의미한다.

본 발명은 본 명세서에 예로든 광섬유 커넥터에 한정되지 않으며 덧붙인 청구항의 범주 내에서 변화될 수 있다. 결론적으로, 본 발명은 액체 냉각제가 출력 손실을 대비하는 다른 타입의 광섬유 커넥터에 대해서도 사용될 수 있다.

Claims

1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하기 위한 광섬유(3)를 포함하고, 광섬유 코어 외부로 조사되는 입사광(1)이 적어도 부분적으로 유동성 냉각제(2)에서 흡수되는, 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하기 위한 방법으로서,

상기 발생된 출력 손실의 척도로서 유입 냉각제와 유출 냉각제 사이의 온도차(ΔT)가 검출되는, 출력 손실의 측정 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 온도차(ΔT)는 냉각제용 유입 및 유출 채널(5a, 5b)과 연결되어 배치된 열전 소자들(8)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 출력 손실의 측정 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 냉각제(2)의 유속은, 검출된 출력 손실에 따라 조정되어, 후면 반사와 관련한 출력 손실이 검출되는 경우 상대적으로 높은 유속으로 조정되고, 광섬유 위치를 최적화시키는 경우 상대적으로 낮은 유속으로 조정되는 것을 특징으로 하는 출력 손실의 측정 방법.

1kW를 초과하는 높은 광출력을 전달하기 위한 광섬유(3)를 포함하고, 광섬유 코어 외부로 조사되는 입사광(1)이 적어도 부분적으로 유동성 냉각제(2)에서 흡수되는, 광섬유 커넥터에서 출력 손실을 측정하기 위한 장치로서,

상기 커넥터는 발생된 상기 출력 손실의 척도로서 유입 및 유출 냉각제 사이의 온도차(ΔT)를 검출하기 위한 수단(8)을 포함하는 출력 손실의 측정 장치.

제 4 항에 있어서,

상기 검출 수단은 상기 온도차(ΔT)를 측정하기 위해 상기 냉각제용 유입 및 유출 개구부(5a, 5b)와 연결되어 배치된 열전 소자들(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 출력 손실의 측정 장치.

제 4 항에 있어서,

상기 냉각제(2)의 유속은, 후면 반사들과 관련한 출력 손실이 검출되는 경우 상대적으로 높은 유속으로 조정되고, 광섬유 위치를 최적화시키는 경우 상대적으로 낮은 유속으로 조정되도록, 검출된 출력 손실들에 따라 조정가능한 것을 특징으로 하는 출력 손실의 측정 장치.