SE529796C2 - Fiberoptiskt kontaktdon - Google Patents

Description

25 30 35 529 796 mekanisk komponent.

Vid konstruktion av fibersystem för de höga effekter som nämnts här ovan måste förlusteffekter som kan uppstå vid exempelvis reflektioner mot ett arbetsstycke, eller vid felaktig infokusering mot fibern, så att ljuseffekt hamnar utanför fiberns kärna, tas om hand och kylas bort för att undvika överhettning i systemet.

De huvudsakliga orsakerna till skador på fiberkontaktdonen är - dels skador på grund av strålning som kommit in i claddingen, och som sedan läcker ut i omgivande materi- al, speciellt i det område där buffer och jacket möter fibern, och - dels skador på grund av att strålning träffar den de- talj som mekaniskt greppar fibern.

Det finns flera olika metoder för att ta hand om förlust- effekterna och skydda sig mot dessa typer av skador. Ett exempel visas i DE 4305313, där den effekt som hamnar i fiberns cladding sprids i en s.k. modestripper och absor- beras i en metallyta. Denna kan sedan kylas från komponen- tens utsida. Liknande metoder finns beskrivna i EP 0 151 909 Bl och US 4,575,18l. I EP 0 349 312 Bl beskrivs även en metod att mekaniskt greppa fibern med minimal risk för strålningsskador på ogivande material.

I EP 0 619 508 beskrivs en optisk fiberkabel där åtminsto- ne en av fiberkärnans ändytor är försedd med en stav av transparent material, exempelvis kvarts, och vars diameter är större än kärnans. Fibern är vid denna ände försedd med en reflektor som är så utformad att strålar som inkommer utanför fibern leds mot ett område där de kan absorberas utan att åsamka någon skada. I det exempel som visas är omrâdet omgivet av en värmeavledande anordning försedd med kylflänsar, men det anges också att området kan innefatta 10 15 20 25 30 35 i 529 796 _ 3 _ medel för att kyla bort den vid absorptionen utvecklade värmen medelst vattenkylning. Även i detta fall sker kyl- ningen från komponentens utsida. I GB 2 255 199 visas ett liknande arrangemang, där fiberns ände är försedd med en ihålig stav och en reflektor.

Ett exempel på fiberkontaktdon som gäller idag bygger på nämnda EP 0 619 508. I detta fall har fibern satts i op- tisk kontakt med en kvartskuts och volymen bakom densamma genomsköljs av ett kylmedium som absorberar strålningen, se närmare i figur 1 nedan. Kylmediet utgöres i normala fall av vatten, som för strålningen i området 1 mikrometer har ett absorptionsdjup på ca 5 cm.

I SE 509 706 och RU 2031420 beskrivs en metod för att ta hand om förlusteffekten som bygger på att strålningen (värmen) helt eller delvis får absorberas direkt i en vät- ska istället för att ledas genom en metall. I SE 509 706 är således åtminstone en av fiberns kontaktändar belägen i ett hålrum med ett strömmande kylmedium så att strålar som inkommer utanför fibern fångas upp och absorberas åtmins- tone delvis i kylmediet. Enligt en föredragen utförings- form ligger fibern i direkt kontakt med det omgivande ky- lande mediet som kan utgöras av vatten. Fördelen med att låta strålningen absorberas direkt i vätskan är att kyl- ningen blir effektivare eftersom det inte behövs någon värmeledning genom t.ex. en metalldel innan effekten kan kylas bort.

Med allt högre effekter på lasrarna ställs det allt högre krav på kylkapacitet hos fiberkontaktdonen och den ovan beskrivna designen med kvartskuts har två huvudsakliga nackdelar. Vid fellinjering av fiberkontakten kommer ef- fekttätheten på kvartskutsens yta att vara för hög, och risken för stötkokning med efterföljande skador ökar. Ris- ken för detta ökar också på grund av att detta område vid kvartskutsens yta inte är optimalt ur strömningssynpunkt.

För att undvika att strålningen slår i kontaktkroppen vore 10 15 20 25 30 35 529 796 _ 4 _ det även önskvärt att länka av strålningen mot fiberns op- tiska axel.

Syftet med denna uppfinning är att åstadkomma ett fiber- kontaktdon för överföring av höga optiska effekter där förlusteffekten hanteras och kyls bort på ett effektivare sätt än vad som hittills varit fallet.

Enligt uppfinningen är fiberns ändyta i optisk kontakt med en kropp av transparent material, exempelvis kvarts, var- vid kroppen i anslutning till den optiska fiberänden har en yta vars storlek överstiger kontaktytan hos den optiska fibern och har en konisk utformning. Genom en sådan ut- formning av ytan hos den transparenta kroppen åstadkoms god strömningsgeometri runt fiberänden, en ökning av den yta där förluststrålning träffar, samt en avvinkling av sådan förluststrålning mot fiberkontaktdonets optiska ax- el.

Enligt en föredragen utföringsform är ett utrymme för ett strömmande kylmedium anordnat runt fiberns kontaktände i vilket utrymme infallande strålning som faller utanför fi- berns kärna åtminstone delvis absorberas i det strömmande kylmediet. Det strömmande kylmediet utgöres lämpligen av en vätska, såsom vatten.

För att förbättra strömningsgeometrin kan den koniska ytan vid sitt basparti vara försedd med en avsats eller platå.

På så sätt minskas risken för virvelbildning hos det strömmande kylmediet i det trånga utrymme, hörn, som bil- das mellan den transparenta kroppens basparti och kontakt- donets innervägg.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i an- slutning till bifogade ritningar som schematiskt visar exempel på fiberoptiska kontaktdon varvid figur 1 schematiskt visar grundkonstruktionen hos en op- 10 15 20 25 30 35 529 796 tisk fiber, figur 2 schematiskt visar ett fiberkontaktdon där fiberns ändyta är i optisk kontakt med en kropp av transparent ma- terial, exempelvis en kvartskuts, figur 3 visar fiberkontaktdonet vid fellinjering och åter- reflektion av strålning, figur 4 visar ett fiberkontaktdon enligt uppfinningen, figur 5 visar ett alternativt utförande där kvartskutsens koniska ändyta försetts med en ansats, figur 6 visar strömningsgeometrin runt fiberänden, och figur 7 visar hur en optisk stråle avlänkas mot kontaktdo- nets optiska axel.

I figur 1 visas den optiska fiberns grundkonstruktion. Den består av en inre kärna 1, exempelvis av kvartsglas, vil- ken leder strålningen, och en omgivande cladding 2, exem- pelvis av glas eller någon polymer med lämpligt brytnings- index. Claddingen 2 kan vara uppbyggd av ett eller flera lager och dess uppgift är att optiskt "låsa in" strålning- en i kärnan 1. Utanför claddingen finns sedan ett eller flera lager av skyddsmantlar, vars uppgift är att få den optiska fibern mekaniskt stabil. Dessa lager benämns “buf- fer" och "jacket" och har beteckningarna 3 resp. 4 i figu- ren. I samband med att fibern byggs in i en kontakt måste fibern också hållas på plats av någon mekanisk komponent, vilket visas med det ringformade stödelementet 5 i figu- ren.

I figur 2 visas ett fiberkontaktdon där ändytan hos en fi- ber l är i optisk kontakt med en cylindrisk kropp av transparent material, exempelvis en stav eller kuts 6 av kvartsglas. volymen eller utrymmet 7 bakom kvartskutsen 10 15 20 25 30 35 529 796 _ 5 _ genomsköljs av ett kylmedium, indikerat med pilar 8a och 8b, vilket kylmedium absorberar strålning som uppträder utanför fiberkärnan. Pilar 8c och 8d visar inlopps- och utloppsöppningar för kylmediet i kontaktdonets vägg 9. I normala fall utgöres kylmedist av vatten, som för strål- ning i området 1 mikrometer har ett absorptionsdjup på ca 5 cm. Fiberns ändyta är mekaniskt förbunden med kvartskut- sens plana ändyta 10, vilken har större diameter än fi- berns ändyta. Fiberkontaktdon av det här slaget är i och för sig förut kända och det hänvisas till nämnda EP 0 619 508.

Som nämnts inledningsvis kan effekttätheten bli för hög på kvartskutsens plana ändyta 10 vid en fellinjering av kontaktdonet med risk för stötkokning och efterföljande skador, indikerat med punkten ll i figur 3. Risken för detta ökar också på grund av att området 7 bakom kvart- skutsen inte är optimalt ur strömningssynpunkt. Det finns även risk för att strålningen slår i kontaktdonets vägg 9, indikerat med punkten 12 i figur 3, varför det vore önsk- värt att länka av strålningen inåt mot fiberns optiska ax- el 13 för att minska risken för att strålning skall slå i kontaktväggen.

I figur 4 visas en fiberkontakt enligt uppfinningen där kvartskutsens ändyta 10 har gjorts konisk istället för den tidigare plana ytan som visas i figur 2 och 3. Den koniska ytans spets l0a är vänd mot den optiska fiberns ändyta så att ytan utvidgar sig bort från fiberänden. Den koniska ytans basparti ansluter i det här fallet till kontaktdo- nets innervägg 9. Genom att utforma ytan med en i huvudsak konisk eller liknande form, så ökar arean hos den yta som är i kontakt med det strömande kylmediet jämfört med en plan yta. Strömningsgeometrin förbättras och strålningen bryts mot den optiska axeln för att undvika skador på kon- taktkroppen, se vidare figur 7. Ytans konvinkel a skall vara så liten so möjligt, dock större än strålningens ut- 10 15 20 25 30 35 529 796 _ 7 _ gående vinkel ur fibern. Typiskt ligger konvinkeln a i in- tervallet l0-45 grader. Ytförstoringen hos ändytan 10 be- ror av konvinkeln. I nedanstående tabell ges den ungefär- liga ytförstoring man får för nâgra olika konvinklar a.

Den plana ytan har i tabellen beteckningen A0 och den ko- niska ytan har bteckningen A1 o, A1/AO 10° 6 20° 3 30° 2 40° ~L5 Den koniska ytan innebär också att en stråle l4 utanför fiberns kärna kommer att avlänkas mot centralaxeln, kon- taktdonets optiska axel 13, då strålen träffar den koniska ytan 10 hos kvartskutsen. I figur 7 visas en stråle som faller in mot den koniska ytan 10 under vinkeln ß, och som bryts mot den optiska axeln, så att strålen 14 blir paral- lell med den optiska axeln. Konvinkeln betecknas med al Re- lationen mellan vinklarna d och ß ges i nedanstående ta- bell. Ett stort värde på vinkeln ß innebär att en större del av den infallande strålningen kommer att fokuseras mot den optiska axeln, och därmed undviker att träffa kontakt- donets vägg 9. Vi har i detta fall räknat med brytningsin- dex för vatten och kvarts i våglängdsintervallet runt l [Jm- a ß 1o° 1s° 20° 10° 30° 7° 40° 5° Som framgår av tabellerna gynnas såväl ytförstoring som avlänkning av en så liten konvinkel som möjligt. Detta gäller även för strömningsegenskaperna, eftersom det år 10 15 20 25 30 35 529 796 _.g _ området närmast fibern som är kritiska. Den begränsning so finns är strålningens utbredning vid utgången ur fi- ern. Om vi använder oss av en numerisk apertur, NA, för fibern, kommer vinkeln y ut i kvartskutsen att vara Y = NA/n där n är brytningsindex för kutsen 6. För att inte optiskt distordera strålningen bör konvinkeln väljas större än detta. Om man väljer a = 1,5 * y får man i stort sett aldrig någon påverkan på den utgående strålens kvalitet. Som nämnts ovan ligger vinkeln typiskt i intervallet l0° - 45°.

För att ytterligare förbättra strömningsegenskaperna och undvika virvelbildning 15 i hörnen, dvs i utrymmet 16 längst in mellen baspartiet hos kutsens koniska parti och den omgivande kontaktväggen 9, kan en perifer platå eller avsats 17 införas vid baspartiet hos den koniska ytan 10 hos kutsen.

Uppfinningen är inte begränsad till de exempel som visas ovan utan kan varieras inom ramen för de efterföljande pa- tentkraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 529 796 PATENTKRAV

1. Fiberoptiskt kontaktdon för överföring av höga optiska effekter, företrädesvis effekter som överstiger 1 kW, in- nefattande en optisk fiber (1) vars ena ände är i direkt optisk kontakt med en kropp (6) av transparent material, exempelvis en stav, kuts eller liknande, varvid kroppen (6) i anslutning till den optiska fiberänden har en yta (10) vars storlek överstiger kontaktytan hos den optiska fibern (1) och varvid kontaktdonet har ett utrymme (7) för ett strömande kylmedium anordnat runt fiberns kontaktände k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda yta (10) hos den transparenta kroppen (6) som är i kontakt med det ström- mande kylmediet har en i huvudsak konisk utformning.

2. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 1 k ä n n e- att den i huvudsak koniska ytan (10) vid sin spets (10a) är sammanfogad med den optiska fiber- t e c k n a t a v änden och utvidgar sig koniskt bort från densamma.

3. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 1 k ä n n e- t e c k n a t a v att den transparenta kroppen (6) är av kvarts.

4. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 2 k ä n n e- t e c k n a t a v att konvinkeln (a) hos den koniska ytan (10) överstiger strålningens utgående vinkel (y) ur den optiska fibern (1).

5. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 4 k ä n n e- t e c k n a t a V att konvinkeln (a) hos den koniska ytan (10) uppgår till a = 1,5 * 3 där y är strålningens ut- gående vinkel ur den optíska fibern (1). 10 15 20 25 30 35 529 796 lå

6. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 4 k ä n n e- t e c k n a t a v att konvinkeln (a) hos den koniska ytan (10) ligger i intervallet 10 - 45°.

7. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 1 k ä n n e- t e c k n a t a v att det strömmande kylmediet utgöres av luft.

8. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 1 k ä n n e- t e c k n a t a v att det strömmande kylmediet utgöres av en vätska, företrädesvis vatten.

9. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 8 k ä n n e- t e c k n a t a v att infallande strålning som faller utanför fiberns kärna är anordnad att åtminstone delvis absorberas i det strömmande kylmediet.

10. Fiberoptiskt kontaktdon enligt patentkrav 1 k ä n n e- att den koniska ytan (10) vid sitt basparti är anordnad med en avsats eller platå (17) för t e c k n a t a v att förhindra virvelbildning hos det strömmande kylmediet.