MXPA01010636A - Metodo y aparato para mejorar las capacidades de manejo de energia de fibras polimericas. - Google Patents

Abstract

La capacidad de manejo de energia de fibras polimericas aumenta ensanchando un perfil de intensidad de entrada, que casi siempre es gausiano, sin disminuir de manera importante la eficiencia de acoplamiento de luz en una fibra polimerica; el metodo para aumentar la capacidad de manejo de energia de fibras polimericas incluye los pasos de: a) emitir luz que tiene un perfil de intensidad gausiano desde una fuente luminosa de fibras, b) ensanchar el perfil de intensidad gausiano, de manera que la energia en el centro del perfil de intensidad gausiano se distribuye al perimetro para reducir la intensidad de energia pico de la luz emitida antes de que se lance a la fibra polimerica, c) transmitir la luz emitida en por lo menos una fibra polimerica; de preferencia se utiliza un haz fundido para ensanchar el perfil de intensidad y de preferencia el haz fundido tiene una superficie extrema de entrada en angulo; como resultado puede acoplarse mas energia total en la fibra polimerica, mientras se mantiene al mismo tiempo por debajo del umbral de fusion que se provoca por la habitacion de absorcion luminosa, por ejemplo, exceso de energia de 1 vatio que se transmitira a traves de una fibra PMMA de 1 mm de diametro.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA MEJORAR LAS CAPACIDADES DE MANEJO DE ENERGÍA DE FIBRAS POLIMERICAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a fibras transmisoras de luz tales como fibras de temperatura de fusión baja fabricadas a partir de polímeros (por ejemplo, metacrilato de polímero, PMMA, etc.) que han sido usados ampliamente en la transmisión de luz e iluminación para aplicaciones industriales y médicas. Muy particularmente la presente invención se refiere a capacidades de manejo de energía de dichas fibras transmisoras de luz.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA ANTECEDENTE La siguiente descripción de la técnica antecedente representa el conocimiento de los inventores y no necesariamente el conocimiento de los expertos en la técnica. Las fibras de temperatura de fusión baja fabricadas a partir de polímeros tienen ventajas de abertura numéricas altas, flexibilidad mecánica y bajo costo. La luz es normalmente acoplada directamente en esas fibras desde una fuente de luz enfocada o desde otra fibra o paquete de fibras por acoplamiento de proximidad ("acoplamiento de empalme"). Debido a la temperatura de fusión baja de dichos polímeros y a sus propiedades absorbentes de luz, la capacidad de manejo de energía de una fibra de polímero es relativamente baja. Un parámetro crítico que restringe la cantidad total de luz capaz de ser transmitida es el incremento en la temperatura que resulta de la absorción dentro de la fibra que, aunque sea insignificantemente pequeña produce "fuga térmica" ,y la fusión de la fibra polimérica. Esto hace que la cara externa de la fibra que se funde gradualmente incluya no sólo absorción de luz sino también luz no transmitida es convertida a calor como a resultado de falta de acoplamiento en tamaño y abertura numérica entre la fuente de luz y la fibra polimérica. La absorción de luz es dependiente de la intensidad de energía local. Como resultado, la forma del perfil de intensidad que es típicamente Gausiano, es un factor determinante principal para la energía de entrada en la cual una fibra polimérica se funde. Además, si no se emplea un filtro de luz apropiado para eliminar luz UV e IR, las fibras se decolorarán y degradarán en sus capacidades de transmisión. Eso último es acelerado por la intensidad de luz alta y calor generado de la luz no transmitida. Se pueden lograr mejoras añadiendo un filtro espacial entre la fuente de luz y la fibra polimérica. El filtro espacial puede consistir de un disipador de calor y una abertura colocada en la interfaz de entrada de la fibra polimérica y la fuente de luz, o de una pieza de vidrio corta o fibra de cuarzo que tiene una abertura numérica a o menor que la de la fibra polimérica y una longitud suficiente para remover modos de luz noqueados. Esto último mejora el rendimiento en transmisión de energía de una fibra polimérica del intervalo de 100 mW al intervalo de 300 a 400 mW para una fibra de PMMA de 1 mm de diámetro, por ejemplo. Sin embargo, la temperatura de fusión baja de dichas fibras poiiméricas restringe severamente la energía máxima capaz de ser acoplada en una sola fibra polimérica o paquete de fibras-en comparación con una fibra de núcleo de vidrio o cuarzo similar. Para fibra individual de diámetro más grande, típicamente de 3 mm o mayor, se conoce en la técnica la interposición de un paquete de fibras de vidrio entre la fuente de luz y la fibra polimérica. La Patente de E.U.A. No. 4,986,622 (Martínez) enseña el uso de un paquete de fibras de vidrio para transmitir luz desde una fuente de luz a un paquete de fibras de polímero de plástico. Aunque se sabe que dichos filtros espaciales incrementan la luz capaz de ser transmitida a través de una fibra de plástico sin degradación, el grado de filtración espacial está limitado a eliminar modos no guiados sin modificar la forma de perfil Gausiano. El documento FR 2 730 038 de Fort describe un dispositivo relacionado en el cual se usa un reflector para enfocar la luz desde una lámpara sobre la abertura de una cara no ordenada 5 de fibras de vidrio. La cara 5 sin embargo, se muestra en la figura 2 que es recta. Dicha cara recta es menos eficiente en la difusión de luz acoplada en la misma que un paquete de fibras fusionado ahusado o torcido.

La publicación publicada WO 98/44370, correspondiente a la Patente de E.U.A. No. 5,898,802, de los mismos inventores de la presente solicitud describe un dispositivo relacionado en el cual un paquete recto de fibras fusionadas se usa para difundir la luz. Dicho paquete recto de fibras fusionadas es menos eficiente en la difusión de luz acoplada en las mismas que un paquete de fibras fusionado ahusado o torcido. Aunque la filtración espacial elimina modos no guiados, la luz de entrada tiene un perfil de intensidad parecido al Gausiano para el cual la energía pico es mayor en el centro y menor en la periferia del haz. Como resultado, la intensidad en el centro de la cara de la fibra polimérica se convierte en el factor limitante en la capacidad de manejo de la energía de la fibra ya que la energía pico alta por arriba del umbral de absorción producirá degradación de la fibra.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención incrementa la capacidad de manejo de energía de fibras poliméricas al ampliar o modificar el perfil de intensidad Gausiano sin disminuir significativamente la eficiencia de luz de acoplamiento en una fibra polimérica. En la modalidad preferida, el perfil de intensidad global es más uniforme y la intensidad pico es menor. Esto permite que más energía total sea acoplada a la fibra polimérica sin fundir la interfaz de entrada de la fibra polimérica. Los métodos descritos facilitan mejoras significativas en transmisión de energía - permitiendo, por ejemplo, que una energía que excede 1 watt sea transmitida a través de una fibra de PMMA de 1 mm de diámetro. La presente invención provee un nuevo enfoque en el que interviene un dispositivo que modifica el perfil de intensidad de luz para aumentar la energía de entrada de umbral a la cual la absorción produce fuga térmica. El dispositivo amplía el perfil de intensidad de salida de la fuente de luz antes de que se acople a la fibra polimérica individual o al paquete de fibras. Al ampliar el perfil de intensidad, la energía en el centro del perfil de intensidad Gausiano es distribuida al perímetro - reduciendo así la intensidad de energía pico. Puesto que la absorción depende de la energía por área unitaria, una disminución en energía absorbida reduce la probabilidad de alcanzar el umbral de temperatura al cual el polímero empezaría a fundirse. Por lo tanto, el calor acumulado es reducido con respecto al que ocurre si el perfil Gausiano no es modificado, asegurando así la supervivencia de la fibra a una energía de entrada mucho mayor. Esto a su vez hace que incremente la energía máxima que pueden transmitir las fibras poliméricas sin daño térmico. De acuerdo con un primer aspecto de la invención, un método para incrementar la capacidad del manejo de las fibras poliméricas, incluye los pasos de: a) emitir luz, filtrada para eliminar longitudes de onda por abajo de aproximadamente 400nm y por arriba de aproximadamente 700nm, y que tiene un perfil de intensidad Gausiano de una fuente de luz de fibra; b) ampliar el perfil de intensidad Gausiano de modo que la energía en el centro del perfil de intensidad Gausiano sea distribuida al perímetro del perfil para reducir la intensidad de energía pico de la luz emitida antes de que sea lanzada hacia la fibra polimérica; c) transmitir la luz emitida hacia por lo menos una fibra polimérica. De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, el perfil de intensidad Gausiano se mantiene de tal manera que la energía total lanzada (es decir, transmitida) hacia la fibra polimérica (por lo menos una) es substancialmente cambiada, pero la intensidad de energía pico es disminuida. De acuerdo con otro aspecto de la invención, el paso de ampliar el perfil de intensidad Gausiano incluye proveer un difusor entre la luz emitida y la fibra polimérica (por lo menos una) -el difusor es muy preferiblemente un paquete de fibras fusionadas. De acuerdo con otro aspecto de la invención, la cara extrema del paquete de fibras fusionadas está a un ángulo. Un atributo funcional preferido de dicho dispositivo de ampliación es aquel para un nivel de energía dado desde una fuente de luz; por ejemplo, luz de una fibra óptica o de una lámpara de arco, la energía total que incide sobre la cara de la fibra polimérica no debe cambiarse, pero la energía pico debe reducirse. De hecho, la transformación que debe ser efectuada es una de dispersión de luz desde el centro, luz de ángulo bajo hasta el perímetro, luz de ángulo alto, reduciendo así la densidad de energía local en cada punto del centro del perfil Gausiano. Los anteriores y otras ventajas, características y aspectos de la invención serán percibidos más fácilmente a partir de la descripción de las modalidades preferidas de la misma tomadas junto con los dibujos anexos y las reivindicaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención se ilustra a manera de ejemplo y sin limitación en los dibujos anexos, en los cuales en las preferencias ¡guales indican partes iguales, y en las cuales: La figura 1 es una vista lateral esquemática de un dispositivo relacionado; La figura 2 es una vista lateral esquemática de un dispositivo relacionado; La figura 3 es una gráfica de un perfil de intensidad de salida de un paquete fusionado de cara extrema de entrada en ángulo; La figura 4 es una vista lateral esquemática que ilustra un dispositivo relacionado; La figura 5 es una vista lateral esquemática que ilustra un dispositivo relacionado; y La figura 6 es una vista lateral esquemática que ilustra un dispositivo relacionado; La figura 7 es una vista lateral esquemática que ilustra un difusor de paquete fusionado torcido de acuerdo con una modalidad de la invención.

La figura 8 es una vista lateral esquemática que ¡lustra un difusor de paquete fusionado doble ahusado de acuerdo con otra modalidad de la invención. La figura 9 es una vista lateral esquemática que ilustra un solo • difusor de paquete ahusado incrementante de acuerdo con otra modalidad de la invención. La figura 10 es una vista lateral esquemática que ilustra un solo difusor de paquete ahusado descendente de conformidad con otra modalidad de la invención. 10 • DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La presente invención contempla que la transformación y ampliación del perfil de intensidad es impartido con difusores tales como rejillas 15 holográficas, o disposiciones de microientes, o concentraciones parabólicas concentradoras, o axicones, o cuñas ópticas. Las modalidades preferidas de esta invención, sin embargo utilizan un paquete de fibras fusionadas que está diseñado para operar más como un difusor que como un dispositivo de guía de luz. 20 Un paquete de fibras fusionadas puede, por ejemplo, tener miles de fibras de diámetro pequeño, cada una teniendo un diámetro en el intervalo de aproximadamente 10 µm a 50 µm. El diseño del paquete fusionado depende de la abertura numérica de la fibra polimérica a la cual se acopla la luz. La especificación general para lograr ampliación del perfil de intensidad y mayor transmisión de luz a través de la fibra polimérica depende de las aberturas numéricas relativas del paquete fusionado y las fibras poliméricas y la longitud del paquete de fibras fusionadas. En la cara extrema de entrada del paquete fusionado, cada fibra pequeña intercepta una porción del haz que emerge de la fuente y lo transmite al extremo de salida del paquete. El perfil de salida del paquete fusionado es la suma de los perfiles de intensidad de salida de cada fibra individual, que depende de la abertura numérica de cada una de las fibras individuales. Si el paquete fusionado es más corto que aproximadamente siete (7) veces su diámetro, la luz también será llevada en los modos de revestimiento (por ejemplo, luz no guiada) al extremo distal, distribuyendo además el perfil de intensidad emitido de cada fibra. La longitud real de los paquetes fusionados en relación con su diámetro depende de la relación de revestimiento de núcleo y de las aberturas numéricas relativas. El efecto neto es establecer un perfil Gausiano más alto con intensidad pico menor en la cara extrema de salida que en la cara extrema de entrada, aún cuando la abertura numérica de la luz de entrada sea la misma que de las fibras en el paquete fusionado. Típicamente, la abertura numérica efectiva del paquete de fibras fusionado se escoge de modo que sea mayor que la fibra polimérica. Mientras más grande sea la abertura numérica, más plano será el perfil de salida, que a su vez permite que la fibra polimérica lleve más energía sin que se funda que si la fuente de luz estuviera directamente acoplada. En efecto, la luz es distribuida desde el centro hasta los bordes del perfil Gausiano, reduciendo el umbral de absorción, la energía pico, en la cual corre la fusión. Puesto que la cantidad de luz en los modos de revestimiento depende de la longitud del paquete de fibras fusionadas, la longitud del paquete se puede ajustar para controlar la cantidad de luz llevada en los modos de revestimiento difundiendo así más el perfil de intensidad según se requiera. Controlando ya sea la abertura numérica del paquete fusionado, la longitud del paquete o ambos se logra un perfil de intensidad óptica. La luz que entra a las fibras poliméricas de fusión baja debe filtrarse al grado posible para eliminar anchura de banda espectrales de luz que sean propiamente absorbidas por la fibra y que potencialmente pudieran causar degradación prematura de la propiedad transmisora de luz de la fibra misma. Típicamente, estas anchuras de banda incluyen en regiones de longitud redonda de UV(< 400nm) y IR (>700nm), pero los cortes reales dependen de las propiedades espectrales de la fibra polimérica. Por ejemplo, con una fibra de PMMA, una luz por abajo de 410nm y por arriba de 700nm se filtra en la modalidad preferida de esta invención. Para la fibra de poliacrilato Optiflex de Rohm y Hass, los puntos de corte son de aproximadamente 430nm y 700nm. La filtración de luz se puede lograr internamente para la fuente de luz, en la entrada de una sola fibra de suministro de luz como la fuente de luz, o en la interfaz entre el paquete fusionado y la fibra polimérica (por lo menos una). La filtración de luz se puede lograr con revestimientos dieléctricos aplicados a superficies transmisoras o reflectoras - por ejemplo, un espejo diseñado para recoger, condensar y enfocar la luz sobre la cara extrema de una sola fibra óptica para transmisión de luz. La cara extrema del paquete fusionado puede ser dieléctricamente revestido para transmitir solo longitudes de onda entre 400nm y 700nm para reducir al mínimo el daño a la fibra polimérica. Las longitudes de onda reales escogidas dependerán de las características de absorción de la fibra • 5 polimérica. Alternativamente, un filtro de paso de bandas se puede aplicar a uno o ambos extremos del paquete fusionado, ya sea para limitar la anchura de banda de la luz para reducir al mínimo el daño a la fibra polimérica o para controlar la anchura de banda para una aplicación específica de la luz misma. Por ejemplo, si la luz de una anchura de banda específica, 630nm - 690nm, se 10 requiere para una aplicación particular tal como activación de un fármaco o compuesto químico, las caras extremas de entrada y salida del paquete fusionado pueden ser dieléctricamente revestidos con revestimientos con paso bajo (<690nm) y paso alto (>630nm), respectivamente, para producir la anchura de banda específica de la luz necesaria. Alternativamente, se pueden aplicar 15 revestimientos dieléctricos a una o ambos extremos de una fibra óptica como una fuente de luz para producir la luz filtrada. De manera similar, una combinación de revestimientos aplicados a varios elementos ópticos en la configuración para acoplar la luz a una fibra polimérica sin dañar sus propiedades de transmisión de luz se pueden usar; por ejemplo, la superficie 20 reflectora de un espejo diseñado para recoger, condensar y enfocar luz sobre la cara extrema de una sola fibra óptica y una cara extrema de un paquete fusionado. Si en vez de un paquete fusionado se usa un medio alternativo para difundir la luz como se describió antes, los revestimientos dieléctricos se pueden aplicar a estos difusores así como para filtración de luz. La figura 1 muestra un dispositivo relacionado, como el anterior, que tiene un paquete de fibras fusionado 200 que tiene caras extremas generalmente perpendiculares 210 y 220 -por ejemplo, pulidas a 0° en cada cara. Como se ilustra, una fuente de luz de fibras quien dirige la luz hacia el paquete de fibras 200. El paquete de fibras 200 entonces dirige la luz hacia la fibra polimérica 300. Se contempla que la fibra polimérica puede comprender una sola fibra o un paquete de fibras. La figura 2 muestra otro dispositivo relacionado en donde la cara extrema 210 se forma en un ángulo A. En la figura 2, el número similares significan partes similares. La capacidad de manejo de la fibra polimérica 300 es mejorada a un más lanzando la luz hacia dicho paquete fusionado 200 que tiene una cara extrema de entrada 210 pulida a un ángulo mayor que 0o desde la línea vertical Y. El efecto de incrementar el ángulo de entrada es reducir el NA efectivo del paquete fusionado 200 en el lado de entrada, para incrementar la cantidad de luz portada por los modos de revestimiento, y cambiar el centro del perfil de intensidad hacia el perímetro de la fibra en el lado de salida, creando así un perfil de intensidad asimétrico. El perfil asimétrico resultante respecto al eje X del paquete fusionado facilita un uso más eficiente de un disipador de calor (no mostrado) para disipar energía más rápidamente antes de que se acumuie una fibra. La presente invención contempla que la fibra polimérica 300 para la cual el perfil de intensidad de entrada es modificado puede ser una fibra polimérica individual o para un paquete de fibras, dependiendo de las características de la fuente de luz y el polímero. La fuente de luz de entrada 100 puede ser luz de una sola fibra, o alternativamente puede ser una fuente de luz enfocada. Además, como se describió anteriormente, el paquete fusionado 200 -que dispersa o difunde el perfil de intensidad - puede ser substituido por otros dispositivos, aunque menos preferido, que proveen una dispersión similar -incluyendo dispositivos ópticos para muestreo espacial, tales como un dispositivo óptico binario, un dispositivo óptico integrador o un paquete de fibras incoherentes apropiadamente diseñadas. Finalmente, además de las ventajas de manejo de energía de la invención para trasmitir luz hacia una fibra polimérica, el dispositivo óptico también se puede usar para trasmitir luz de alta intensidad hacia paquetes de fibra polimérica y simultáneamente reducir la variación de energía de salida entre fibras en el paquete. La figura 4 ilustra esquemáticamente dispositivos relacionados que incluyen un difusor de para transformar y ampliar el perfil de intensidad. Además de los difusores de paquete de fibras en las modalidades preferidas, el difusor de puede incluir otros difusores tales como rejillas holográficas, posiciones de microientes, concentradores parabólicos de concentración, axicones o cuñas ópticas. Los expertos en la técnica entenderán como incorporar esos otros difusores con base en la presente descripción. Numerosas construcciones ilustrativas de dispositivos relacionados se describen a continuación. El cuadro 1 siguiente se aplica a varias de esas construcciones.

CUADRO 1 Eficiencia de acoplamiento y energía de salida máxima vs. ángulo de entrada de pagúete fusionado Ángulo de cara Eficiencia de Eficiencia de Salida de extrema de entrada acoplamiento entre acoplamiento entre energía del paquete fibra de 780µm y aquete fusionado de máxima sin fusionado (grados) paquete fusionado (%) fibra de PMMA (%) fusión (Watt) 0 88 48.3 590 15 85 ' 48 860 20 84 47.9 890 25 77 46.4 970 Fibra de fuente: 780µm de diámetro de núcleo., 0.68 NA. Paquete de fibras fusionado: <8mm de longitud, 1 mm de diámetro 0.57 NA. Fibra de plástico: 10.16 cm de longitud, 1 mm de diámetro, 0.5NA. El cuadro 1 ¡lustra la eficiencia de acoplamiento y energía de salida máxima para la fibra de fuente de mismo tipo, paquete de fibras y fibra de plástico a diferentes ángulos de cara extrema de entrada. Una primera construcción ilustrativa que demuestra una forma del dispositivo relacionado mostrado en la figura 1 se muestra ahora. En este primer ejemplo, la fuente de luz de entrada es una sola fibra de cuarzo con un diámetro de 0.78 mm, un 0.68 NA, y que tiene un perfil de intensidad de salida Gausiano.

La luz de la misma es trasmitida hacia un paquete de fibras de vidrio fusionado de piezas cortas que es de aproximadamente de 8 mm de largo (por ejemplo, de aproximadamente 7 mm), tiene un 0.57 NA y tiene miles de fibras de 20µm de diámetro. El cuadro 1 incluye datos relacionados con este tipo de construcción. Como se muestra en el cuadro 1, una medición de la eficiencia de acoplamiento en la cara extrema de salida del paquete fusionado confirma la existencia de modo de revestimiento debido a que las únicas pérdidas observadas se deben a la pérdida de Fresnel en cada superi?cie. En este primer ejemplo, la cara extrema del paquete fusionado es pulido a aproximadamente 0° del eje vertical Y. La salida del paquete fusionado es acoplado mediante empalme a una fibra de PMMA (de 1 mm de diámetro, 0.5 NA). Como se muestra en el cuadro 1 , este tipo de construcción tiene una energía máxima trasmitida a través de una longitud de 1.2 m de fibra de plástico de aproximadamente 600 mW; esta es substancialmente mayor que el valor máximo de 300 mW cuando dicho paquete fusionado no está presente. Cuando el paquete fusionado de 0.57 NA es reemplazado por un paquete fusionado que tiene un NA mayor de 0.66 NA (en donde el paquete de 0.66 NA aún tiene la misma longitud, el mismo diámetro y las mismas fibras de diámetro), la misma fibra de PMMA es capaz de trasmitir una energía óptica de 1.3 Watt sin fusión. Pequeños cambios en el perfil de intensidad promueven una diferencia substancial en el grado al cual la luz puede ser trasmitida a través de una fibra de PMMA sin producir degradación. Ahora se describirá un ejemplo alternativo que demuestra este dispositivo relacionado. La luz proveniente de una lámpara de arco de Xenón de 300 watts filtrados es enfocada sobre la cara extrema de un paquete fusionado de 0.66 NA de 3 mm de diámetro, que a su vez está acoplado a una fibra individual de poliacrilato de 3 mm de diámetro ("Optiflex" fabricada por Rohm y Hass). Hasta 4.5 watts de luz es acoplada a la fibra polimérica sin degradación de la fibra polimérica. Por el contrario, el acoplamiento directo de la luz de la lámpara del Xenón filtrada a la fibra individual de poliacrilato de 3 mm da por resultado la fusión de la fibra dentro de dos (2) minutos. El uso de paquetes fusionados de NA inferior, o paquetes fusionados de 0.66 NA de longitud mayor, reduce de manera similar el tiempo de vida de la fibra polimérica. Mientras más amplio sea el perfil de intensidad acoplado a la cara extrema de la fibra polimérica, mayor será la intensidad de luz que va a ser trasmitida a través de la fibra sin degradación. De manera similar, el uso de un segundo paquete fusionado de NA igual o mayor, que tiene una longitud menor que tres (3) veces su diámetro, como un difusor junto con un primer paquete fusionado actuando como un filtro espacial para producir un perfil Gausinao preferido, modifica además el perfil de intensidad de entrada a la fibra polimérica, reduciendo así al mínimo el daño a la fibra polimérica. Ambos difusores son pulidos en forma normal a sus ejes ópticos respectivos. Un ejemplo de dicho segundo paquete fusionado 200' se muestra esquemáticamente en la figura 5. Altenativamente, una barra de vidrio revestida (caña óptica) se puede usar en lugar del primer difusor para acoplar la luz de una fuente tal como una lámpara de arco del Xenón al paquete fusionado. Un ejemplo de dicha barra de vidrio revestida R se muestra esquemáticamente en la figura 6. En cuanto a las fibras de diámetro más pequeño, un paquete fusionado interpuesto entre la fuente de luz y la fibra polimérica se desempeña como difusor cuando su longitud es menor que la requerida para filtrar espaciaimente modos no guiados. El desempeño de dicho difusor de paquete fusionado es óptimo cuando su NA es igual a o mayor que el de la fibra polimérica. Una segunda fusión ilustrativa que demuestra una forma del dispositivo relacionado mostrado en la figura 2 se describe ahora. Este segundo ejemplo ilustra la sensibilidad de la transmisión de luz de una fibra polimérica al perfil de intensidad de entrada y la densidad de energía de la fuente de luz. Como se indicó la figura 2 muestra una técnica preferida que incrementa además las capacidades de manejo de energía de la fibra polimérica. La transmisión de luz hacia un paquete fusionado que tiene una cara extrema de entrada en ángulo 210, el perfil de intensidad de salida es cambiado de tal manera que el pico del perfil de intensidad del haz de luz es cambiado hacia un ángulo mayor de 0° desde el eje vertical Y. De manera efectiva, la luz que normalmente tiene un ángulo de incidencia de 0o es cambiado en su ángulo de incidencia; como resultado, la luz que normalmente tendría un número mínimo de reflexiones internas dentro del paquete fusionado es cambiado en su ángulo de incidencia dando por resultado un número mayor de reflexiones internas dentro de la fibra. Puesto que el pico del perfil de intensidad ocurre a 0° para una distribución Gausiana, un incremento en el número de reflexiones internas hace más amplio el pico del perfil de intensidad en el extremo de salida. Al ampliar el perfil de intensidad pico, la energía pico se reduce y la absorción pico dentro de la fibra polimérica también se reduce. Puesto que este cambio en intensidad pico crea un perfil de intensidad asimétrico, el centro de distribución está ubicado más cerca del perímetro de la fibra polimérica. Este cambio también permite una disipación de calor más efectiva para disipar el calor de manera más rápida. La figura 3 muestra el perfil de intensidades de salida de paquete fusionado (basado en la estructura similar a la del cuadro 1 ) con ángulos diferentes para la cara extrema 210. Las líneas 0, 15 y 25 ilustran los perfiles de intensidad con una cara extrema de entrada 210 inclinada a 0, 15 y 25° respectivamente. La energía de salida máxima de un paquete fusionado de fibra de plástico con ángulos de entrada de 0, 15, 20 y 25° y con 0.57 NA se enlistan en el cuadro 1. La presente invención no solo incrementa la capacidad de energía máxima de las fibras poliméricas, en donde la capacidad de manejo de energía de las fibras limita sus aplicaciones sino también se puede usar para fijar la salida de luz máxima siempre que haya una preocupación para seguridad o por otras razones. Ajustando el ángulo de la cara extrema de entrada del paquete fusionado; es decir controlando la entrada de energía máxima de la cara extrema de la fibra polimérica, es posible fijar un límite superior de la intensidad de luz que incide sobre la cara de la fibra polimérica, evitando así que un exceso de energía sea suministrado a través de la fibra polimérica.

Modalidades adicionales Las figura 7-10 ilustran modalidades adicionales de la invención para mejorar las capacidades de manejo de energía de las fibras poliméricas. Las modalidades mostradas en las figuras 7-10 se pueden usar en ambientes similares al que se describió anteriormente aquí - por ejemplo, en donde la luz emitida de una fuente de luz y dirigida por lo menos una fibra (por ejemplo, tales como fibras poliméricas) es ampliada (por ejemplo, a través de un difusor) antes de acoplarse a dichas fibras. La figura 7 muestra una modalidad en la cual un paquete fusionado torcido 2000 se usa para el difusor D. Aunque solo el difusor D se ¡lustra, el difusor estaría ubicado entre una fuente de luz y las fibras de una manera similar a la descrita anteriormente. Para apreciar los beneficios de la modalidad mostrada en la figura 7, es útil entender que en un paquete fusionado típico, las fibras son estrechamente empacadas y separadas por el revestimiento de las fibras individuales; el acoplamiento de luz entre las fibras adyacentes en el paquete (es decir, de una fibra a la otra) depende substancialmente del espesor del revestimiento. Si el revestimiento es demasiado grueso, la cantidad de acoplamiento es mínima. Si el revestimiento es demasiado delgado, la guía es débil y se incrementan las pérdidas. En una modalidad mostrada en la figura 7, el acoplamiento de luz entre el primer y segundo elementos de fibra óptica (por ejemplo, entre una fuente de luz y por lo menos una fibra óptica) se incrementa por el método de torcido físico de un paquete de fibras de tal manera que las fibras individuales sean estiradas ligeramente y formadas para tener una trayectoria generalmente helicoidal. Esta operación de estiramiento preferiblemente logra uno o más de los siguientes efectos: a) alargamiento de las fibras ligeramente y por lo tanto reducción del espesor de revestimiento ligeramente para permitir un mayor acoplamiento; y b) crear una trayectoria helicoidal de las fibras individuales que distorsionan las fibras individuales y permiten que modos de orden superior sean acoplados a la salida de las fibras y dentro de las fibras adyacentes del paquete fusionado. Como resultado, el acoplamiento de luz entre fibras vecinas (por ejemplo, adyacentes) es promovido, lo cual tiene el efecto neto de expandir el perfil de intensidad de luz desde la entrada hasta la salida y de reducir la intensidad pico. Esto permite que más luz sea acoplada a una o más fibras (por ejemplo, especialmente fibras de plástico) sin fundir el extremo de entrada. La cantidad de torcido se puede seleccionar para permitir que diferentes cantidades de luz sean expandidas con eficiencia óptica con base en el nivel de energía de entrada. En algunas modalidades ilustrativas, no limitantes, el ángulo de hélice ? puede ser mayor que aproximadamente 5° del eje longitudinal X, o mayor que aproximadamente 10° mayor que el mismo, o mayor que 15° del mismo o mayor que 20° del mismo. La figura 8 muestra una modalidad adicional en la cual el difusor D involucra a un paquete fusionado ahusado doble 2000', en donde el paquete fusionado es ahusado desde un primer diámetro más grande d1 hasta un segundo diámetro menor d2 y después es ahusado nuevo a un tercer diámetro más grande d3. El tercer diámetro d3 puede ser el mismo que el diámetro d1 o puede ser un diámetro diferente dependiendo de las circunstancias. En la región de ahusamiento descendente TD, el diámetro de cada fibra individual es más pequeño y el revestimiento es más delgado de acuerdo con el diámetro global del paquete fusionado. Los inventores de la presente invención han encontrado que esta estructura se puede usar para promover el acoplamiento cruzado de luz entre fibras adyacentes individuales. Este acoplamiento cruzado de luz efectivamente expande la luz entre fibras adyacentes y, por lo tanto reduce la intensidad pico entre la entrada y salida del difusor. Cuando la luz viaja hacia la región de ahusamiento descendente TD, la luz pasa por una transformación de NA/área en la cual el área de iluminación se reduce y el NA se incrementa. Para un suministro preferido de luz nuevamente hacia el objetivo, el paquete fusionado incluye la región de ahusamiento hacia atrás TB donde el paquete se ahusa hacia afuera (por ejemplo, al diámetro original o a otro diámetro adecuado) de tal manera que el NA preferiblemente está en o cerca del objetivo de salida (por ejemplo, tal como un objetivo de paquete de fibras o similar). Por consiguiente, un resultado neto de "doble ahusamiento" es expandir el perfil de intensidad de luz desde el extremo de entrada hasta el extremo de salida permitiendo que más luz sea acoplada a las fibras de plástico sin fundir los revestimientos en el extremo de entrada. El grado de ahusamiento se puede seleccionar para permitir que una cantidad deseada de luz se expanda. Además, el diámetro de salida d3 se puede seleccionar, por ejemplo, para hacer coincidir con el NA del objetivo. En algunas modalidades ilustrativas, no limitantes, el ángulo de ahusamiento ? puede ser mayor que aproximadamente 5° del eje longitudinal X o mayor que 10° del mismo o mayor que 15° del mismo, o mayor que 20° del mismo. En otras modalidades (no mostradas), el torcimiento mostrado en la figura 7 y el ahusamiento mostrado en la figura 8 se pueden combinar entre sí para revolver más los modos y producir un perfil de intensidad más uniforme en la salida. Como en algunos ejemplos, la modalidad mostrada en la figura 7 puede incluir una región ahusada en la mitad de la región torcida o una sección ahusada de paquete se puede formar en una posición longitudinal diferente del paquete desde una sección ahusada (por ejemplo, la sección ahusada se puede formar descendentemente desde una sección torcida, etc.). De manera similar, cualquiera de las modalidades (por ejemplo, estructuras de difusor) descritas en esta solicitud se pueden combinar entre sí, según sea apropiado, por los expertos en la técnica con base en esta descripción. La figura 9 muestra otra modalidad en donde un paquete fusionado 2000" se provee de tal manera que tenga un solo ahusamiento ascendente -desde un primer diámetro más pequeño d1 hasta un segundo diámetro d2. El acoplamiento de luz entre fibras adyacentes dentro del paquete ocurre substancialmente en la región de entrada IR en donde el diámetro d1 es menor y el espesor del revestimiento es también menor para promover acoplamiento posterior. En este caso, la intensidad pico de la salida se puede reducir por: a) la expansión del perfil de intensidad de luz; y b) el incremento del área de salida del ahusamiento. La luz resultante que es emitida desde el difusor 2000" por lo tanto tendrá un área más grande y una abertura numérica más pequeña. La figura 10 muestra otra modalidad en donde se provee un ) paquete fusionado 2000'" que tiene un solo ahusamiento descendente - de un 5 primer diámetro más grande d1 a un segundo diámetro más pequeño d2. De esta manera el perfil de intensidad de luz se puede expandir. Por otra parte, la reducción del área de salida del segundo diámetro d2 incrementa la intensidad. Dependiendo de la cantidad de expansión y el grado de reducción del área, la intensidad de salida neta puede ser ya sea mayor o inferior. Aunque esta 10 configuración puede no necesariamente reducir la intensidad pico en algunos casos, la reducción del área de salida incrementaría el área numérica de la salida y sería adecuada, por ejemplo, en aplicaciones de NA alta. Aunque en las modalidades mostradas en las figuras 7-10 son altamente ventajosas para incrementar la capacidad de manejo de energía de 15 las fibras poliméricas, estos métodos y aparatos para expandir el perfil de e- intensidad de luz también se pueden usar para incrementar las capacidades de otros tipos de fibras (u otros elementos ópticos) en donde el extremo de entrada es sensible a temperatura o limitado. Como un ejemplo, estas modalidades se pueden utilizar en paquetes estándares en donde las fibras individuales (por 20 ejemplo, ya sea fibras de vidrio o fibras poliméricas) son epoxidadas entre sí y pulidas en el extremo del paquete. El material epóxico generalmente tiene una tolerancia de temperatura menor que la fibra de vidrio y transparencia menor a la luz que la fibra polimérica. Como resultado, el material epóxico absorbe la luz y calienta más pronto. El material epóxico, por lo tanto, puede fallar y quemarse primero y ocasionar una falla del paquete de fibras total. Varios tipos de material epóxico son usados por diferentes fabricantes de paquetes de fibras y dichos materiales epóxicos tienen diferentes capacidades de manejo de energía. Las modalidades anteriormente descritas incrementarían sus capacidades de manejo de energía. Aunque la presente invención se ha mostrado y descrito por referencia a modalidades preferidas actualmente contempladas como los mejores modos para llevar a cabo la invención, se entenderá que se deben hacer varios cambios en adaptación de la invención a diferentes modalidades sin apartarse de los conceptos inventivos más amplios que aquí se describen y que están comprendidos en las siguientes reivindicaciones.

Claims (28)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un aparato adecuado para incrementar la capacidad de manejo de energía de las fibras, que comprende: a) una fuente de luz que emite un haz de luz que tiene un perfil de intensidad de energía de luz no uniforme que presenta por lo menos una intensidad pico; b) medios para redistribuir dicho perfil de intensidad de la luz para reducir la intensidad de energía pico de dicho perfil; c) por lo menos una fibra acoplada al medio para redistribuir el perfil de intensidad de dicha luz; caracterizado porque; d) dichos medios para redistribuir el perfil de intensidad de dicha luz comprenden un paquete de fibras fusionado torcido.

2.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho medio para redistribuir también incluye una región ahusada en dicho paquete de fibras fusionado.

3.- El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho paquete fusionado ahusado tiene un solo ahusamiento descendente en una dirección de un extremo de entrada a un extremo de salida del mismo.

4.- El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho paquete fusionado ahusado tiene un solo ahusamiento ascendente en una dirección de un extremo de entrada a un extremo de salida del mismo.

5.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho medio para redistribuir incluye una región ahusada doble en dicho paquete de fibras fusionado.

6.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha por lo menos una fibra incluye por lo menos una fibra polimérica.

7.- Un aparato para incrementar la capacidad de manejo de energía de las fibras que comprende: a) una fuente de luz que emite un haz de luz que tiene un perfil de intensidad de energía de luz no uniforme que presenta por lo menos una intensidad pico; b) medios para redistribuir dicho perfil de intensidad de la luz para reducir la intensidad de energía pico de dicho perfil; c) por lo menos una fibra acoplada al medio para redistribuir el perfil de intensidad de dicha luz; caracterizado porque; d) dicho medio para redistribuir incluyendo un paquete fusionado ahusado.

8.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicho paquete fusionado ahusado tiene un solo ahusamiento descendente en una dirección de un extremo de entrada a un extremo de salida del mismo.

9.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicho paquete fusionado ahusado tiene un solo ahusamiento ascendente en una dirección de un extremo de entrada a un extremo de salida del mismo.

10.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el paquete fusionado ahusado tiene una región ahusada doble en dicho paquete de fibras fusionado.

11.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicho paquete fusionado ahusado incluye una región torcida.

12.- El aparato de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque dicha región torcida está co-localizada por una región ahusada de dicho paquete fusionado ahusado.

13.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicha por lo menos una fibra incluye por lo menos una fibra polimérica.

14.- Un aparato para incrementar la capacidad de manejo de energía de las fibras con una abertura numérica optimizada, caracterizado porque comprende: a) una fuente de luz que emite luz que tiene i) un perfil de intensidad de luz no uniforme ii) una primera abertura numérica y iii) una primera área; b) medios de acoplamiento para cambiar dicho perfil de intensidad de la luz emitida de dicha fuente de luz para i) reducir la variación en dicho perfil de intensidad de luz, ¡i) reducir la intensidad de energía pico de la luz emitida, y ¡ii) cambiar dicha primera abertura numérica y dicha área a una abertura numérica de salida diferente y un área de salida diferente; y c) por lo menos una fibra acoplada a dicha fuente de luz a través de dicho medio de acoplamiento.

15.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fuente de luz es una fuente de luz de fibra óptica.

16.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fuente de luz de fibra óptica tiene una sola fibra óptica que reduce la luz de la misma.

17.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fuente de luz de fibra óptica tiene un paquete de fibras que produce la luz de la misma.

18.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fuente de luz tiene una fuente de luz enfocada.

19.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fuente de luz incluye una lámpara de arco.

20.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicho medio de acoplamiento incluye un paquete de fibras fusionado torcido.

21.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicho medio de acoplamiento incluye un paquete de fibras fusionado que tiene una región ahusada.

22.- El aparato de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque dicho paquete de fibras también incluye una región torcida.

23.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha abertura numérica de salida y dicha área de salida substancialmente coinciden con la de por lo menos una fibra.

24.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha abertura numérica de salida y dicha área de salida es generalmente la misma que la primera abertura numérica y la primera área.

25.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fibra es una fibra polimérica.

26.- El aparato de conformidad con ia reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fibra es un paquete de fibra de vidrio.

27.- El aparato de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado además porque dicho paquete de fibra de vidrio incluye material epóxico en un extremo de entrada.

28.- El aparato de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha fibra es un paquete de fibras poliméricas con material epóxico en un extremo de entrada.