RU2811669C1 - Device for transmission of high power radiation - Google Patents
Device for transmission of high power radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811669C1 RU2811669C1 RU2023130809A RU2023130809A RU2811669C1 RU 2811669 C1 RU2811669 C1 RU 2811669C1 RU 2023130809 A RU2023130809 A RU 2023130809A RU 2023130809 A RU2023130809 A RU 2023130809A RU 2811669 C1 RU2811669 C1 RU 2811669C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- coolant
- light guides
- bundle
- fiber light
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 67
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 16
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится техническое решение.The technical field to which the technical solution relates.
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам передачи фотонного излучения высокой мощности через жгут волоконных световодов (оптоволоконных кабелей), предназначенных для использования в технологических лазерных системах высокой мощности, системах передачи мощного излучения, в частности в волоконных и полупроводниковых лазерах с передачей излучения через оптоволокна пучкового типа, диодных модулях с гибким оптическим выводом, лазерных модулях для многолучевой обработки высокой мощности.The invention relates to quantum electronics, namely to devices for transmitting high-power photon radiation through a bundle of optical fibers (fiber optic cables), intended for use in high-power technological laser systems, high-power radiation transmission systems, in particular in fiber and semiconductor lasers with radiation transmission through beam-type optical fibers, diode modules with flexible optical output, laser modules for high-power multi-beam processing.
Уровень техники.State of the art.
Источники лазерного излучения с высокой выходной мощностью широко используются, например, при лазерной резке, лазерной сварке, лазерной закалке металлов и других видов лазерной обработки. Как правило, источник излучения (лазер) и объект воздействия разнесены на некоторое расстояние, а передача излучения осуществляется по оптическому волокну (световоду). Устройство вывода излучения из световода подвергается воздействию отраженного излучения и требует эффективного охлаждения, а также защиты от загрязнений торца волоконных световодов жгута.High output power laser sources are widely used in laser cutting, laser welding, laser metal hardening and other laser processing applications. As a rule, the radiation source (laser) and the target are separated by some distance, and the radiation is transmitted through an optical fiber (light guide). The device for outputting radiation from the light guide is exposed to reflected radiation and requires effective cooling, as well as protection of the end of the fiber light guides of the bundle from contamination.
Из уровня техники известен модуль передачи излучения с охлаждаемым волоконным выходом (патент GB №2450116, МПК G02B6/00, опубл. 17.12.2008), содержащий наклонный капилляр и устройство для снятия оболочки, в которых с целью снижения риска чрезмерного нагрева конца волокна и его расплавления при передаче относительно высокой оптической мощности, концевую часть оптического волокна зачищают от вторичного покрытия и помещают (насаживают или навинчивают) в отверстие капиллярной трубки, например, из стекла, показатель преломления которой, по меньшей мере, равен показателю преломления сердцевины волокна, сжимают сердцевину с первичной оболочкой и запаивают в капиллярную трубку из оптически прозрачного материала, а трубку вставляют с натягом в отверстие теплоотвода.A radiation transmission module with a cooled fiber output is known from the prior art. (GB patent No. 2450116, IPC G02B6/00, publ. 12/17/2008), containing an inclined capillary and a device for removing the sheath, in which, in order to reduce the risk of excessive heating of the end of the fiber and its melting when transmitting relatively high optical power, the end part of the optical the fibers are stripped of the secondary coating and placed (pressed or screwed) into the opening of a capillary tube, for example, glass, the refractive index of which is at least equal to the refractive index of the fiber core, the core is compressed with the primary cladding and sealed into a capillary tube of optically transparent material , and the tube is inserted with an interference fit into the hole of the heat sink.
Устройство имеет следующие недостатки: невозможность использования для передачи высокой оптической мощности; невозможность передачи многолучевого излучения; ограниченный температурный диапазон применения.The device has the following disadvantages: it cannot be used to transmit high optical power; impossibility of transmitting multipath radiation; limited temperature range of use.
Известно устройство для передачи светового излучения большой мощности (патент US №6078714, МПК G02B6/42, G02B6/38, опубл. 20.06.2000), которое содержит камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, оптоволоконный жгут с полированным торцом, собранный из световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью, по меньшей мере, двух фиксирующих элементов, один из которых обеспечивает плотную упаковку световодов на его приторцевой части, между соседними световодами имеются зазоры, образующие межволоконное пространство, камера разделена на, по меньшей мере, две области, сообщающиеся через межволоконное пространство, первая область ограничена оптическим и фиксирующим элементами, а остальные ограничены соседними фиксирующими элементами, первая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для подачи теплоносителя, вторая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для откачки теплоносителя.A device for transmitting high-power light radiation is known (US patent No. 6078714, IPC G02B6/42, G02B6/38, published June 20, 2000), which contains a chamber limited at the end by a transparent optical element, a fiber optic bundle with a polished end, assembled from light guides , the end section of which is installed inside the chamber using at least two fixing elements, one of which ensures dense packing of light guides on its end part, there are gaps between adjacent light guides forming an interfiber space, the camera is divided into at least two areas , communicating through the interfiber space, the first area is limited by optical and fixing elements, and the rest are limited by adjacent fixing elements, the first area is equipped with a fitting installed on the chamber wall for supplying coolant, the second area is equipped with a fitting installed on the chamber wall for pumping out coolant.
Недостатки, присущие данной конструкции:Disadvantages inherent in this design:
- нахождение приторцевого участка оптоволоконного пучка в потоке жидкого теплоносителя приводит к деградации излучающих торцов под действием загрязнений, содержащихся теплоносителе и образующихся в теплоносителе при эксплуатации, что приводит к снижению надежности;- the presence of the near-end section of the fiber optic bundle in the flow of liquid coolant leads to degradation of the emitting ends under the influence of contaminants contained in the coolant and formed in the coolant during operation, which leads to a decrease in reliability;
- изгиб приторцевого участка и сжатие зажимом его в плотную упаковку уменьшает межволоконные пространства, соответственно, уменьшается проток теплоносителя в межволоконном пространстве, что привет к перегреву и снижению надежности устройства;- end bending area and compressing it into a tight package with a clamp reduces the interfiber spaces, accordingly, the flow of coolant in the interfiber space decreases, which leads to overheating and reduced reliability of the device;
- циркуляция потока теплоносителя через общее межволоконное пространства концевого, приторцевого и торцевого участков пучка приводит к его быстрому загрязнению и деградации волокна по длине, затрудняет очистку его концевого участка, повышает трудоемкость технического обслуживания и ремонта;- circulation of the coolant flow through the common interfiber space of the end, near-end and end sections of the bundle leads to its rapid contamination and degradation of the fiber along the length, makes it difficult to clean its end section, increases the complexity of maintenance and repair;
- крепление волокон в фиксирующей пластине герметиком из эпоксидной смолы, нестойкой к воздействию мощного излучения, приводит к потере герметизации конструкции, не позволяющей обеспечить её надежное функционирование.- fastening the fibers in the fixing plate with a sealant made of epoxy resin, which is not resistant to the effects of powerful radiation, leads to a loss of sealing of the structure, which does not allow its reliable operation.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для передачи светового излучения большой мощности (патент RU № 2644448, МПК H01S3/042, G02B6/02, опубл. 12.02.2018), которое содержит заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, оптоволоконный жгут с полированным торцом, собранный из световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью, по меньшей мере, двух фиксирующих элементов, один из которых обеспечивает плотную упаковку световодов на его приторцевой части, между соседними световодами имеются зазоры, образующие межволоконное пространство. Камера разделена на, по меньшей мере, две области, сообщающиеся через межволоконное пространство, первая область ограничена оптическим и фиксирующим элементами, а остальные ограничены соседними фиксирующими элементами, первая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для подачи теплоносителя, вторая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для откачки теплоносителя. При этом оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры оптоволоконного жгута прямоугольного сечения, расположенную перпендикулярно оси оптоволоконного жгута, причем оптоволоконный жгут имеет плотную упаковку световодов на всей длине концевого участка.The closest to the claimed one is a device for transmitting high-power light radiation (patent RU No. 2644448, IPC H01S3/042, G02B6/02, published 02/12/2018), which contains a chamber filled with coolant, limited at the end by a transparent optical element, a fiber optic bundle with polished end, assembled from light guides, the end section of which is installed inside the chamber using at least two fixing elements, one of which ensures dense packing of light guides on its end part; there are gaps between adjacent light guides, forming an interfiber space. The chamber is divided into at least two areas communicating through the interfiber space, the first area is limited by optical and fixing elements, and the rest are limited by adjacent fixing elements, the first area is equipped with a coolant supply fitting mounted on the chamber wall, the second area is equipped with a coolant supply mounted on the chamber wall, fitting for pumping out coolant. In this case, the optical element is a plane-parallel rectangular plate, the dimensions of which in height and width exceed the corresponding dimensions of the fiber optic bundle of rectangular cross-section, located perpendicular to the axis of the fiber optic bundle, and the fiber optic bundle has a dense packing of light guides along the entire length of the end section.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки:However, this device has the following disadvantages:
- нахождение приторцевого участка оптоволоконного пучка в потоке жидкого теплоносителя приводит к деградации излучающих торцов под действием загрязнений содержащихся теплоносителе и образующихся в теплоносителе при эксплуатации, что приводит к снижению надежности;- the presence of the near-end section of the fiber optic bundle in the flow of liquid coolant leads to degradation of the radiating ends under the influence of contaminants contained in the coolant and formed in the coolant during operation, which leads to a decrease in reliability;
- сжатие фиксирующим элементом приторцевого участка жгута в плотную упаковку уменьшает межволоконные пространства и приводит к перегреву и снижению надежности устройства;- compression of the near-end section of the bundle by the fixing element into a dense package reduces the interfiber spaces and leads to overheating and reduced reliability of the device;
- циркуляция потока теплоносителя через общее межволоконные пространства концевого, приторцевого и торцевого участков пучка приводит к его быстрому загрязнению и деградации волокна по длине, затрудняет очистку его концевого участка, повышает трудоемкость технического обслуживания и ремонта.- circulation of the coolant flow through the common interfiber spaces of the end, near-end and end sections of the bundle leads to its rapid contamination and degradation of the fiber along its length, makes it difficult to clean its end section, and increases the complexity of maintenance and repair.
Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the invention.
Техническая проблема заключается в создании устройства передачи излучения высокой мощности, способного исключить недостатки, имеющиеся у известных устройств.The technical problem is to create a device for transmitting high power radiation that can eliminate the disadvantages of known devices.
Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства за счет исключения контакта жидкого теплоносителя с излучающими торцами волноводов.The technical result consists in increasing the reliability of the device by eliminating contact of the coolant liquid with the radiating ends of the waveguides.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи излучения высокой мощности, содержащем заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, жгут с полированным торцом, собранный из волоконных световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью двух фиксирующих элементов, между соседними световодами выполнены зазоры, образующие межволоконное пространство, камера разделена на две области, на стенках камеры установлены штуцер для подачи теплоносителя в первую область и штуцеры для откачки теплоносителя в каждой из областей, штуцеры расположены вдоль больших сторон камеры для обеспечения протока и перемешивания теплоносителя, оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры жгута прямоугольного сечения, расположенную перпендикулярно оси жгута, согласно решению, фиксирующие элементы выполнены в виде двух пластин, первая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания волоконных световодов жгута и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания концевых участков волоконных световодов на приторцевой части и расположена у стенки с прозрачным оптическим элементом, при этом первая область камеры герметично отделена от второй и имеет контур охлаждения, вторая область дополнительно содержит штуцер для подачи теплоносителя, причем первая область предназначена для газообразного теплоносителя, а вторая - для жидкостного теплоносителя.The technical result is achieved by the fact that in a device for transmitting high-power radiation containing a chamber filled with a coolant, limited at the end by a transparent optical element, a bundle with a polished end, assembled from fiber light guides, the end section of which is installed inside the chamber using two fixing elements, between adjacent light guides make gaps that form the interfiber space, the chamber is divided into two areas, a fitting is installed on the walls of the chamber for supplying coolant to the first area and fittings for pumping out coolant in each of the areas, fittings are located along the large sides of the chamber to ensure flow and mixing of the coolant, an optical element is a plane-parallel plate of a rectangular shape, the dimensions of which in height and width exceed the corresponding dimensions of the bundle of rectangular cross-section, located perpendicular to the axis of the bundle, according to the solution, the fixing elements are made in the form of two plates, the first fixing plate has holes for holding the fiber light guides of the bundle and is located near the wall entrance of the bundle into the chamber, the second fixing plate has holes for holding the end sections of the fiber light guides at the end part and is located near the wall with a transparent optical element, while the first area of the chamber is hermetically separated from the second and has a cooling circuit, the second area additionally contains a fitting for supplying coolant , and the first area is intended for gaseous coolant, and the second for liquid coolant.
Фиксирующие пластины выполнены из меди. The fixing plates are made of copper.
Фиксирующие пластины, с закрепленными в их отверстиях волоконными световодами, выполнены металлизированными.The fixing plates, with fiber light guides fixed in their holes, are metallized.
Герметизация контуров камер выполнена путем гальванического осаждения меди.The chamber contours are sealed by galvanic copper deposition.
В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или водные растворы спиртов.Water or aqueous solutions of alcohols are used as a coolant.
В качестве газообразного теплоносителя используют инертные газы или азот, или очищенный воздух.Inert gases or nitrogen or purified air are used as a gaseous coolant.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 – показана схема продольного сечения заявляемого устройства; на фиг. 2 – показан увеличенный фрагмент контура охлаждения.The invention is illustrated by drawings, where: FIG. 1 – shows a diagram of the longitudinal section of the proposed device; in fig. 2 – shows an enlarged fragment of the cooling circuit.
Позициями на чертежах обозначено:Positions in the drawings indicate:
1 – жгут волоконных световодов;1 – bundle of optical fibers;
2 – камера охлаждения; 2 – cooling chamber;
3 – торцовая стенка камеры;3 – end wall of the chamber;
4 – концевой участок жгута волоконных световодов;4 – end section of the fiber light guide bundle;
5 – приторцевой участок жгута волоконных световодов;5 – near-end section of the fiber light guide bundle;
6 – передающие излучение торцы волоконных световодов;6 – radiation transmitting ends of fiber light guides;
7 – металлизированные волоконные световоды;7 – metallized fiber light guides;
8 – первая фиксирующая пластина с отверстиями для крепления волоконных световодов концевого участка жгута;8 – first fixing plate with holes for fastening fiber light guides of the end section of the bundle;
9 – вторая фиксирующая пластина с отверстиями для крепления волоконных световодов приторцевого участка жгута;9 – second fixing plate with holes for fastening fiber light guides of the near-end section of the bundle;
10 – отверстия фиксирующих пластин 8 и 9;10 – holes for fixing plates 8 and 9;
11 – зазор между волоконными световодами;11 – gap between fiber light guides;
12 – штуцер подачи теплоносителя в камеру;12 – fitting for supplying coolant to the chamber;
13 – штуцер откачки теплоносителя из камеры;13 – fitting for pumping coolant out of the chamber;
14 – теплоноситель камеры охлаждения;14 – coolant of the cooling chamber;
15 – рабочий контур камеры модуля;15 – working circuit of the module chamber;
16 – контур охлаждения камеры модуля;16 – module chamber cooling circuit;
17 – окно торцевой стенки.17 – end wall window.
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Устройство для передачи излучения высокой мощности (фиг. 1) содержит заполненную теплоносителем камеру 2, ограниченную с торца стенкой 3 с окном (прозрачным оптическим элементом) 17, жгут волоконных световодов 1 с полированным торцом, собранный из отдельных металлизированных волоконных световодов 7. The device for transmitting high-power radiation (Fig. 1) contains a chamber 2 filled with coolant, limited at the end by a wall 3 with a window (transparent optical element) 17, a bundle of fiber light guides 1 with a polished end, assembled from individual metallized fiber light guides 7.
Концевой участок жгута волоконных световодов 4 с разделенными волоконными световодами имеет приторцевой участок 5, расположенный у стенки 3 с окном 17, причем передающие излучение торцы волоконных световодов 6 обращены к окну 17. Окно представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры жгута волоконных световодов, расположенную перпендикулярно оси жгута.The end section of the bundle of fiber light guides 4 with separated fiber light guides has an end section 5 located at the wall 3 with a window 17, and the radiation-transmitting ends of the fiber light guides 6 face the window 17. The window is a plane-parallel rectangular plate, the dimensions of which in height and width exceed the corresponding dimensions of the bundle of optical fibers, located perpendicular to the axis of the bundle.
Концевой участок жгута волоконных световодов 4 закреплен внутри камеры 2 с помощью двух фиксирующих пластин, первая фиксирующая пластина 8 имеет отверстия 10 для крепления волоконных световодов и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина 9 имеет отверстия 10 для крепления волоконных световодов на приторцевой части и расположена у стенки 3 с окном 17.The end section of the bundle of fiber light guides 4 is fixed inside the chamber 2 using two fixing plates, the first fixing plate 8 has holes 10 for fastening fiber light guides and is located at the wall of the entrance of the bundle into the chamber, the second fixing plate 9 has holes 10 for fastening fiber light guides on the end part and is located near wall 3 with window 17.
В каждом из отверстий 10 первой фиксирующей пластины 8 герметично закреплены волоконные световоды концевого участка 4 жгута. В каждом из отверстий 10 второй фиксирующей пластины 9 закреплены волоконные световоды приторцевого участка 5 жгута так, что передающие излучение торцы волоконных световодов 6 расположены в её отверстиях 10 и обращены к окну 17, чем обеспечено их надежное крепление и при дальнейшей герметизации исключен контакт с жидкостным теплоносителем 14 из рабочего контура, что приводит к существенному увеличению надежности, так как исключено загрязнение передающих излучение торцов волоконных световодов 6 загрязнениями теплоносителя, в том числе возникающие при эксплуатации устройства. In each of the holes 10 of the first fixing plate 8, fiber light guides of the end section 4 of the bundle are hermetically sealed. In each of the holes 10 of the second fixing plate 9, fiber light guides of the near-end section 5 of the bundle are fixed so that the radiation-transmitting ends of the fiber light guides 6 are located in its holes 10 and facing the window 17, which ensures their reliable fastening and during further sealing, contact with the coolant liquid 14 is excluded from the working circuit, which leads to a significant increase in reliability, since contamination of the radiation-transmitting ends of the fiber light guides 6 by contamination of the coolant is excluded, in including those arising during operation of the device.
На концевом участке жгута волоконные световоды закреплены между двумя фиксирующими пластинами 8 и 9 с образованием зазоров 11 обеспечивающих эффективное перемешивание жидкостного теплоносителя 14, чем обеспечен отвод тепла от волоконных световодов 7 и торцов фиксирующих пластин 8 и 9.At the end section of the bundle, the fiber light guides are fixed between two fixing plates 8 and 9 with the formation of gaps 11, which ensure effective mixing of the coolant liquid 14, which ensures heat removal from the fiber light guides 7 and the ends of the fixing plates 8 and 9.
В конструкции устройства обе фиксирующие пластины 8 и 9 с закрепленными в отверстиях 10 волоконными световодами 7 концевого участка жгута металлизированы в сборе, в результате загерметизированы зазоры между волоконными световодами 7 и отверстиями 10 фиксирующих пластин 8 и 9, увеличена площадь теплоотвода, повышена жесткость конструкции и обеспечена герметизация контуров охлаждения камеры.In the design of the device, both fixing plates 8 and 9 with fixed in the holes 10 fiber light guides 7 of the end section of the bundle are metallized as an assembly, as a result, the gaps between the fiber light guides 7 and the holes 10 of the fixing plates 8 and 9 are sealed, the heat sink area is increased, the rigidity of the structure is increased and sealing the chamber cooling circuits.
Вторая фиксирующая пластина 9 установлена в камере 2 на расстоянии от стенки 3 меньшем, чем первая фиксирующая пластина 8, тем самым разделяя камеру охлаждения 2 на две области, два не сообщающихся (изолированных) контура, первый из которых – охлаждающий контур 16, образованный между стенкой 3 и второй фиксирующей пластиной 9 с передающими излучение торцами 6 волоконных световодов и охлаждаемый газообразным теплоносителем (первая область), и второй - рабочий контур 15, образованный между фиксирующими пластинами 8 и 9, заполненный жидкостным теплоносителем 14, который протекая в контуре, охлаждает волоконные световоды 7 концевого участка жгута 1 и фиксирующую пластину 9 с торцами волоконных световодов (вторая область). В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или водные растворы спиртов, а в качестве газообразного теплоносителя - инертные газы или азот, или очищенный воздух.The second fixing plate 9 is installed in chamber 2 at a distance from wall 3 less than the first fixing plate 8, thereby dividing the cooling chamber 2 into two areas, two non-communicating (isolated) circuits, the first of which is a cooling circuit 16 formed between the wall 3 and the second fixing plate 9 with radiation-transmitting ends 6 of fiber light guides and cooled by a gaseous coolant (first area), and the second is the working circuit 15, formed between the fixing plates 8 and 9, filled with liquid coolant 14, which, flowing in the circuit, cools the fiber light guides 7 of the end section of the bundle 1 and the fixing plate 9 with the ends of the fiber light guides (second area). Water or aqueous solutions of alcohols are used as a liquid coolant, and inert gases or nitrogen, or purified air are used as a gaseous coolant.
Фиксирующие пластины 8 и 9 целесообразно изготавливать из теплопроводящего конструктивного материала, например, медь, алюминий и сплавы на их основе, теплопроводящие композиты и т.д. с нанесением гальванического покрытий, препятствующих коррозии и имеющего коэффициент отражения на длине волны излучения, передаваемого устройством, более 0,95.It is advisable to make the fixing plates 8 and 9 from a heat-conducting structural material, for example, copper, aluminum and alloys based on them, heat-conducting composites, etc. with the application of galvanic coatings that prevent corrosion and have a reflection coefficient at the wavelength of radiation transmitted by the device of more than 0.95.
На стенках камеры установлены штуцеры для подачи 12 теплоносителя и штуцеры для откачки 13 теплоносителя. Штуцеры расположены вдоль больших сторон камеры для обеспечения протока теплоносителя с шириной зоны, превосходящей ширину жгута волоконных световодов. Поперечное сечение камеры представляет собой прямоугольник.On the walls of the chamber there are fittings for supplying 12 coolant and fittings for pumping out 13 coolant. The fittings are located along the large sides of the chamber to ensure coolant flow with a zone width exceeding the width of the optical fiber bundle. The cross section of the chamber is a rectangle.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
При передаче мощного лазерного излучения через жгут волоконных световодов 1 необходимо его охлаждать, поэтому концевой участок жгута 4 с приторцовым участком 5 закреплены и помещены в охлаждающую среду. Для чего концевой участок 4 жгута установлен в камеру охлаждения 2, ограниченную с торца стенкой 3 с окном прозрачным для лазерного излучения, снабженную штуцерами подачи 12 и штуцерами откачки 13 теплоносителя 14 для принудительного охлаждения.When transmitting high-power laser radiation through a bundle of optical fibers 1, it is necessary to cool it, so the end section of the bundle 4 with the end section 5 is fixed and placed in a cooling medium. Why is the end section 4 of the bundle installed in the cooling chamber 2, limited at the end by a wall 3 with a window transparent to laser radiation, equipped with supply fittings 12 and pumping fittings 13 of the coolant 14 for forced cooling.
Теплоноситель 14 поступает в камеру охлаждения 2 через штуцеры 12 и выходит через штуцеры 13. Поток теплоносителя 14 в камере 2 проходит через зазоры 11, интенсивно охлаждая металлизированные разделенные волоконные световоды 7 и торцы фиксирующих пластин 8 и 9. Основной напор потока теплоносителя 14 направлен на торец второй фиксирующей пластины 9. Передающие излучение торцы волоконных световодов 6, не имея прямого контакта с теплоносителем 14, охлаждаются через вторую фиксирующую пластину 9.The coolant 14 enters the cooling chamber 2 through fittings 12 and exits through fittings 13. The coolant flow 14 in chamber 2 passes through the gaps 11, intensively cooling the metallized separated fiber light guides 7 and the ends of the fixing plates 8 and 9. The main pressure of the coolant flow 14 is directed towards the end the second fixing plate 9. The radiation-transmitting ends of the optical fibers 6, without having direct contact with the coolant 14, are cooled through the second fixing plate 9.
Вторая фиксирующая пластина 9 установлена в камере 2 на расстоянии от стенки 3 с окном меньшем, чем первая фиксирующая пластина 8 (фиг. 2), сформированы два не сообщающихся контура: охлаждающий контур 16 с передающими излучение торцами 6 волоконных световодов между стенкой 3 с окном и фиксирующей пластиной 9 и рабочий контур 15 между фиксирующими пластинами 8 и 9 с разделенными металлизированными волоконными световодами 7.The second fixing plate 9 is installed in chamber 2 at a distance from wall 3 with a window smaller than the first fixing plate 8 (Fig. 2), two non-communicating circuits are formed: a cooling circuit 16 with radiation-transmitting ends of 6 fiber light guides between wall 3 with a window and a fixing plate 9 and a working circuit 15 between the fixing plates 8 and 9 with separated metallized fiber light guides 7.
При охлаждении поток теплоносителя 14 напрямую охлаждает рабочий контур 15 с разделенными волоконными световодами 7 и через фиксирующую пластину 9 охлаждает передающие излучение торцы волоконных световодов 6.During cooling, the coolant flow 14 directly cools the operating circuit 15 with separated fiber light guides 7 and, through the fixing plate 9, cools the radiation-transmitting ends of the fiber light guides 6.
В устройстве использован жгут из волоконных световодов с кварцевой сердцевиной ОВ-МГ01-2 ГОСТ 26793-85 диаметром 870 + 20 мкм и медной защитной оболочкой диаметром 980 + 20 мкм.The device uses a bundle of fiber light guides with a quartz core OV-MG01-2 GOST 26793-85 with a diameter of 870 + 20 microns and a copper protective sheath with a diameter of 980 + 20 microns.
Камера охлаждения выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ5632-2014 в виде сборной конструкции, имеющей с торцевой стороны стенку с окном прозрачным для лазерного излучения, а также с приваренными штуцерами для подачи и откачки теплоносителя (например, воды). Габаритные размеры камеры - 125×75×40 мм. В качестве окна применена прозрачная пластина с полированными поверхностями из кварца. The cooling chamber is made of stainless steel 12Х18Н10Т GOST5632-2014 in the form of a prefabricated structure, which has a wall at the end with a window transparent to laser radiation, as well as welded fittings for supplying and pumping out coolant (for example, water). Overall dimensions of the camera - 125x75x40 mm. A transparent plate with polished quartz surfaces is used as a window.
В медных фиксирующих пластинах размером 12х8х1 (мм) выполнены отверстия диаметром 1 мм и шагом 1,5 мм друг относительно друга для крепления волоконных световодов. После установки волоконных световодов в отверстия, собранную конструкцию погружают в гальваническую ванну с раствором и проводят процесс гальванического осаждения меди до полной герметизации отверстий с волоконными световодами. Данная технология подходит для пластин различной формы, с разным количеством отверстий различного диаметра и расположения торцов волоконных световодов в фиксирующих пластинах 8 и 9.The copper fixing plates measuring 12x8x1 (mm) have holes with a diameter of 1 mm and a pitch of 1.5 mm relative to each other for fastening fiber light guides. After installing the fiber light guides into the holes, the assembled structure is immersed in a galvanic bath with a solution and the process of galvanic deposition of copper is carried out until the holes with fiber light guides are completely sealed. This technology is suitable for plates of various shapes, with different numbers of holes of different diameters and the location of the ends of fiber light guides in fixing plates 8 and 9.
Перед установкой в камеру проводят шлифование и полирование торца второй фиксирующей пластины собранной конструкции. Далее собранную конструкцию устанавливают в камеру таким образом, чтобы торцы волоконных световодов были направлены в сторону стенки с окном. Before installation in the chamber, the end of the second fixing plate of the assembled structure is ground and polished. Next, the assembled structure is installed in the chamber so that the ends of the fiber light guides are directed towards the wall with the window.
Откачивают воздух из контура охлаждения (или заполняют инертным газом) и подают теплоноситель в рабочий контур, устройство подготовлено к эксплуатации.The air is pumped out from the cooling circuit (or filled with inert gas) and the coolant is supplied to the operating circuit, the device is prepared for operation.
Расположение передающих излучение торцов волоконных световодов в отверстиях фиксирующей пластины со стороны стенки с окном обеспечивает их надежное крепление в отверстиях и исключает контакт с жидкостным теплоносителем из рабочей камеры, что исключает загрязнения торцов оптических волокон загрязнениями, содержащимися в жидкостном теплоносителе, и обеспечивает высокую надежность конструкции.The location of the radiation-transmitting ends of the optical fibers in the holes of the fixing plate on the side of the wall with the window ensures their reliable fastening in the holes and eliminates contact with the coolant liquid from the working chamber, which eliminates contamination of the ends of the optical fibers with contaminants contained in the coolant liquid and ensures high reliability of the design.
Фиксирующие пластины с отверстиями, в каждом из которых герметично закреплено волокно приторцевого участка жгута, позволяют создать зазоры между волоконными световодами жгута, по которым проходит теплоноситель и обеспечивает высокоэффективный отвод тепла от волоконных световодов, а отвод тепла от передающих излучение торцов волоконных световодов происходит через вторую фиксирующую пластину, которая со стороны рабочего контура охлаждается потоком теплоносителя.Fixing plates with holes, in each of which the fiber of the end section of the bundle is hermetically fixed, make it possible to create gaps between the fiber light guides of the bundle through which the coolant passes and ensure highly efficient heat removal from the fiber light guides, and heat removal from the radiation-transmitting ends of the fiber light guides occurs through the second fixing plate a plate that is cooled by the coolant flow on the side of the working circuit.
Герметизацию волоконных световодов в отверстиях целесообразно проводить методом гальванического осаждения, что исключает нагрев и деградацию оптических волокон.It is advisable to seal fiber light guides in holes using the galvanic deposition method, which eliminates heating and degradation of optical fibers.
Фиксирующие пластины могут быть выполнены любой формы с разным количеством отверстий различного диаметра и взаимного расположения отверстий в пластине. The fixing plates can be made of any shape with a different number of holes of different diameters and the relative position of the holes in the plate.
Итак, создано устройство, в котором охлаждение оптических волокон протоком жидкостного теплоносителя осуществляется в рабочем контуре, образованном первой и второй фиксирующими пластинами, а газообразным теплоносителем в контуре охлаждения, образованного между второй фиксирующей пластиной и стенкой с окном.So, a device has been created in which the cooling of optical fibers by a liquid coolant flow is carried out in a working circuit formed by the first and second fixing plates, and by a gaseous coolant in a cooling circuit formed between the second fixing plate and the wall with a window.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811669C1 true RU2811669C1 (en) | 2024-01-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993016407A1 (en) * | 1992-02-18 | 1993-08-19 | Angelase, Inc. | Cooled multi-fiber medical connector |
| US6078714A (en) * | 1998-07-30 | 2000-06-20 | The Boeing Company | Fiber optic bundle interface cooling system |
| RU2480798C2 (en) * | 2008-09-23 | 2013-04-27 | 3М Инновейтив Пропертиз Компани | Fibre-optic distribution box having detachable organiser |
| RU2644448C1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-02-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for transmission of high-power light radiation |
| CN109655981A (en) * | 2019-01-25 | 2019-04-19 | 江苏师范大学 | A kind of subregion cooling package structure of high-power fiber bundling device |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993016407A1 (en) * | 1992-02-18 | 1993-08-19 | Angelase, Inc. | Cooled multi-fiber medical connector |
| US6078714A (en) * | 1998-07-30 | 2000-06-20 | The Boeing Company | Fiber optic bundle interface cooling system |
| RU2480798C2 (en) * | 2008-09-23 | 2013-04-27 | 3М Инновейтив Пропертиз Компани | Fibre-optic distribution box having detachable organiser |
| RU2644448C1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-02-12 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for transmission of high-power light radiation |
| CN109655981A (en) * | 2019-01-25 | 2019-04-19 | 江苏师范大学 | A kind of subregion cooling package structure of high-power fiber bundling device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5865413B2 (en) | Energy dissipation package for high power optical fiber member and packaging method | |
| US7373070B2 (en) | Optical fiber component package for high power dissipation | |
| US20100254031A1 (en) | Optical system | |
| EP3104202B1 (en) | Structure for eliminating escaping light, and fiber laser | |
| JP2019070807A (en) | Optoelectronic integration device | |
| WO2013001734A1 (en) | Fiber laser | |
| US8983256B2 (en) | Optical fiber cable | |
| EP2472525B1 (en) | Laser irradiation apparatus | |
| JP2017208563A (en) | Coupler of exciting light and signal light liquid-cooled with high power | |
| EP3809542B1 (en) | Optical module unit and laser device | |
| RU2811669C1 (en) | Device for transmission of high power radiation | |
| US20090304336A1 (en) | Air-cooled plug part for an optical waveguide | |
| US7866897B2 (en) | Apparatus and method of coupling a fiber optic device to a laser | |
| RU223176U1 (en) | DEVICE FOR TRANSMISSION OF HIGH POWER RADIATION | |
| US7309175B1 (en) | Reducing heating from non-coupled light in power transmitting optical fibers | |
| JP7504702B2 (en) | Semiconductor laser device and laser device | |
| EP0853357A2 (en) | Face-cooled optic cell for high-power laser | |
| Godfried et al. | Use of CVD diamond in high-power CO2 lasers and laser diode arrays | |
| JP5824856B2 (en) | Fiber optic cable | |
| CN113474954A (en) | Optical component and semiconductor laser module | |
| US20240027712A1 (en) | Optical fiber system for generating a side-emitting scattered laser radiation from a coupled optical laser radiation, and associated laser system | |
| CN213338100U (en) | Optical fiber pigtail of laser | |
| CN118137273A (en) | Laser device for stripping cladding light | |
| RU2644448C1 (en) | Device for transmission of high-power light radiation | |
| WO2018151100A1 (en) | Semiconductor laser module |