ES2239358T3 - Cable de fibra optica. - Google Patents
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Abstract
CABLE DE FIBRA OPTICA CON UNA FIBRA (3) QUE TIENE UN NUCLEO CENTRAL Y UN REVESTIMIENTO QUE LO RODEA Y QUE ESTA HECHO PARA TRANSMITIR ALTA ENERGIA OPTICA, ESPECIALMENTE LA QUE EXCEDA 1 KW. AL MENOS UNO DE LOS EXTREMOS DE LA FIBRA TIENE UN SISTEMA DE REFRIGERACION PARA LA PERDIDA DE ENERGIA OPTICA Y CONSTA DE UNA CAVIDAD CON UN REFRIGERANTE FLUIDO (2) QUE RODEA LA SUPERFICIE ENVOLVENTE DEL EXTREMO DE LA FIBRA. LA RADIACION INCIDENTE QUE ESCAPE FUERA DE LA FIBRA VA AL REFRIGERANTE, PREFERENTEMENTE UN LIQUIDO REFRIGERANTE COMO EL AGUA, DONDE AL MENOS SE ABSORBE PARCIALMENTE. AL MENOS UNA DE LAS SUPERFICIES DE LA PARED LIMITADORA DE LA CAVIDAD ES TOTAL O PARCIALMENTE NO ABSORBENTE DE LA RADIACION INCIDENTE, MIENTRAS QUE LAS OTRAS SUPERFICIES DE LA PARED LIMITADORA ESTA DISPUESTAS PARA QUE ABSORBAN ESA RADIACION AUN PRESENTE Y TRANSMITIDA A TRAVES DEL REFRIGERANTE FLUIDO (2). PUESTO QUE ESTAS SUPERFICIES ESTAN EN CONTACTO DIRECTO CON EL REFRIGERANTE, SE LOGRA UNA REFRIGERACION EFICAZ.
Description
Cable de fibra óptica.
La presente invención se refiere a un cable de
fibra óptica que comprende una fibra que tiene un núcleo central y
una funda que lo rodea y cuyo cable de fibra está realizado para
transmitir potencia óptica elevada, específicamente potencia
superior a 1 kW. Como mínimo, uno de los extremos de contacto de la
fibra tiene medios de enfriamiento para las pérdidas de potencia
óptica.
Los cables de fibra óptica para transmitir
potencia óptica elevada se utilizan frecuentemente en aplicaciones
industriales. Específicamente se utilizan en operaciones de corte y
soldadura por medio de radiación láser de elevada potencia, pero
también pueden usarse cables de fibra óptica de este tipo en otras
aplicaciones industriales tales como operaciones de calentamiento,
de detección o de trabajo en ambientes a elevada temperatura. Sin
embargo, uno de los principales problemas en este tipo de
aplicaciones de elevada potencia es el de cómo tomar precauciones
contra la radiación que cae fuera del núcleo de la fibra. La
densidad de potencia es normalmente muy elevada y se requieren
medios específicos de enfriamiento a efectos de evitar un
calentamiento incontrolado, especialmente en el caso de una fuerte
dispersión en retroceso en operaciones de soldadura, por
ejemplo.
Ya se conocen diferentes procedimientos que toman
precauciones contra tal radiación de potencia no deseada. Un ejemplo
se da a conocer en el documento DE 4305313, en el que la radiación
que cae dentro de la funda de la fibra se distribuye en forma de
tiras y se absorbe por una superficie de metal. Esta superficie,
entonces, puede ser enfriada desde el exterior del componente. Un
procedimiento similar se describe en el documento SE
83.07140-7.
Un cable de fibra óptica del tipo mencionado
anteriormente se da a conocer también en el documento SE
93.01100-5. En dicho cable de fibra, como mínimo una
de las superficies finales del núcleo de la fibra está dotada de una
varilla que tiene un diámetro mayor que el diámetro del núcleo. En
este extremo, la fibra está dotada de un reflector diseñado para
conducir los rayos que entran del exterior de la fibra hacia una
zona en la que pueden ser absorbidos sin ocasionar ningún daño. En
la realización ilustrada esta zona está rodeada por un dispositivo
de eliminación del calor con aletas de enfriamiento, pero se
menciona también que pueden ser incluidos en esta zona medios de
enfriamiento por agua para eliminar el calor generado. También en
este caso, el enfriamiento se proporciona desde el exterior del
componente.
Un punto débil en todos estos procedimientos que
se han descrito consiste en el hecho de que el calor primeramente
debe ser absorbido por una superficie de metal y luego conducido a
través del material metálico a la superficie enfriada, siendo
enfriada esta superficie por medio de aire o de agua. El documento
RU 2 031 420 C1 da a conocer un procedimiento de enfriamiento que
utiliza un líquido refrigerante en contacto directo con la fibra
óptica.
El objetivo de la presente invención es dar a
conocer un cable de fibra óptica con una capacidad mejorada de
enfriamiento de modo que la fibra puede usarse para transmitir una
potencia óptica muy elevada sin causar ningún daño a la propia fibra
o al alojamiento. La invención se basa en el hecho de que la
potencia (calor) se absorbe directamente en un medio refrigerante en
lugar de ser conducida a través de un material metálico.
La invención se define en la reivindicación 1.
Como mínimo, uno de los extremos de contacto de la fibra, que
comprende el núcleo y la funda que lo rodea, está situado en una
cavidad llena de un refrigerante circulante, de modo que la
radiación que cae fuera de la fibra entra en su interior y es
absorbida parcialmente, como mínimo, por el refrigerante. Las
paredes de la cavidad comprenden, como mínimo, una superficie no
absorbente. Las superficies de las otras paredes podrían ser
absorbentes (metálicas). La radiación que pasa a través del
refrigerante se absorbe por dichas superficies. Como estas
superficies están enfriadas directamente por el medio circulante
(líquido refrigerante) puede evitarse cualquier calentamiento
incontrolado. Como la radiación óptica pasa a través del
refrigerante que circula antes de alcanzar la superficie metálica,
solamente se absorbe por la superficie una parte menor de la
radiación.
Según una realización preferente, la fibra está
en contacto directamente con el refrigerante que lo rodea, por
ejemplo, agua.
Según una realización alternativa, la fibra está
rodeada por un tubo transparente que está en contacto directo con el
refrigerante que lo rodea.
A continuación, la invención se describirá con
mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos que
ilustran esquemáticamente algunos ejemplos del nuevo cable de fibra
óptica.
La figura 1 muestra los principios de un cable de
fibra óptica con medios directos de enfriamiento por agua del
extremo de contacto del cable,
La figura 2 representa una vista detallada de la
zona de interfaz entre la parte final de la fibra y la
"ventana" transparente a través de la cual la radiación entra
en la cavidad con el líquido refrigerante que rodea la parte final
de la fibra,
La figura 3 muestra un modo llamado en tiras
dispuesto alrededor de la fibra en la cavidad del líquido
refrigerante a efectos de transmitir radiación en la funda de la
fibra fuera al refrigerante que la rodea,
La figura 4 representa una vista detallada de la
zona de interfaz entre la parte final de la fibra y la ventana
transparente según un ejemplo comparativo en el que la
"ventana" se realiza como un disco óptico con un orificio
central, cuyo disco está sellando la superficie circunferencial de
la fibra, y
La figura 5 muestra tres ejemplos de la forma de
disponer un tubo capilar transparente alrededor de la fibra en la
cavidad del líquido refrigerante.
La figura 1 ilustra un extremo de una fibra
convencional óptica (3) que tiene un núcleo, por ejemplo, de cristal
de cuarzo, y una funda, por ejemplo, de cristal o de algún polímero
que tenga un índice de refracción adecuado.
Un rayo láser (1) se focaliza sobre la superficie
final de la fibra. Preferentemente se utiliza una fuente de láser
Nd-YAG que tiene una longitud de onda de 1,06
\mum. Esta longitud de onda es adecuada para transmisión por fibra
óptica. Pueden usarse otros tipos de láser como los láser de diodo,
láser de CO_{2}, láser de CO y otros tipos de láseres Nd.
Un líquido refrigerante (2) está rodeando la
superficie que envuelve la parte final de la fibra. La parte (4) de
la radiación láser incidente que cae fuera del núcleo de la fibra
entra en el refrigerante y es absorbida parcialmente, como mínimo,
por el mismo. La radiación transmitida a través del líquido se
absorbe por las paredes (8), (5) que encierran el líquido. Estas
paredes están en contacto directo con el refrigerante de modo que se
enfrían directamente en la superficie. La pared posterior (5) tiene
un tubo (5a) de entrada así como un tubo de salida (5b) para el
líquido refrigerante.
La absorción en el líquido no debería ser
demasiado elevada debido al riesgo de ebullición brusca del líquido
cuando recibe la acción de la radiación. El agua es un medio
adecuado de enfriamiento, por simplicidad, pero también por la razón
de que la profundidad de penetración es adecuada. Para un láser
Nd-YAG, por ejemplo, la profundidad de penetración
es de 50 mm aproximadamente.
La superficie alcanzada por el rayo láser
incidente debe ser transparente a efectos de permitir el paso de la
radiación adentro de la cavidad del líquido. Esta superficie,
llamada ventana (7), puede de ser transparente como el cristal o
difusa, lo importante es que la absorción en esta superficie sea
baja.
Según la invención, la superficie final (6) de la
fibra está en contacto óptico con la ventana (7). Por lo tanto, la
ventana óptica debe tener una buena calidad óptica ya que también la
radiación original pasa a través de la ventana. Por medio del
contacto óptico entre la ventana y la superficie final de la fibra,
básicamente puede ser eliminada toda pérdida de reflexión en la zona
del interfaz, ver figura 2. El contacto óptico puede conseguirse por
medio de la fusión conjunta de la fibra y la ventana como se ilustra
en el documento mencionado anteriormente SE
93.01100-5 para la fusión conjunta de la varilla con
la superficie final de la fibra. La ventana (7) debería ser
comparativamente gruesa a efectos de permitir un revestimiento
antirreflejante en la superficie.
Además de la radiación que cae completamente
fuera de la fibra, también la radiación que ha pasado dentro de la
funda (9) debería ser dirigida hacia afuera, pasando al refrigerante
que rodea. Esto puede conseguirse por medio de un modo llamado en
tiras (10) dispuesto sobre la fibra, tal como se ilustra en la
figura 3. El modo en tiras podría ser un cristal capilar del tipo
que ha sido previamente ilustrado en los documentos SE
83.07140-7 y SE 93.0110-5 y en los
que el cristal capilar está unido a la superficie que envuelve la
funda y eliminando de este modo cualquier radiación desde la
funda.
Alternativamente, el modo en tiras podría ser
conseguido por medio de un acabado basto o rugoso de la superficie
envolvente de la fibra. Dicho acabado rugoso es conocido
anteriormente por sí mismo, ver el documento US 4.575.181. Debido a
la rugosidad, la radiación en la funda será dirigida hacia afuera de
la funda, pasando al refrigerante donde es absorbida.
En la realización descrita hasta el momento, la
ventana y la fibra se fundieron conjuntamente a efectos de obtener
un buen contacto óptico. Otra manera de obtener un buen contacto
óptico consiste en presionar la fibra y la ventana una contra otra.
También, en tal caso, son insignificantes las pérdidas en la zona de
contacto.
En un ejemplo comparativo, en lugar de aplicar la
superficie final de la fibra contra una ventana (7), puede
utilizarse un disco óptico (11) que tiene un orificio central, ver
figura 4. El disco (11) puede realizarse como una superficie de
limitación, transparente, no absorbente (pared frontal) para el
refrigerante de la misma manera que la ventana (7), pero con una
abertura central dentro de la que se inserta el final de la fibra.
El disco se dispone con un sellado adecuado contra la superficie
envolvente de la fibra. El disco no necesita ser de la mejor calidad
óptica por cuanto la mayor parte de la radiación (2) no pasa a
través del disco sino directamente dentro de la superficie final de
la fibra. La abertura del disco puede estar acabada como cristal
claro o mate.
En una de las realizaciones, la fibra (3) está
rodeada por un tubo capilar (12) de material transparente, por
ejemplo, cristal de cuarzo, de modo que la superficie envolvente del
tubo capilar está en contacto con el refrigerante. En la figura 5
hay tres ejemplos de aplicaciones de tubo capilar. En la realización
ilustrada en la figura 5a, el tubo capilar (12) se extiende hasta la
superficie interior de la ventana 7 y se sella contra ella. En el
ejemplo comparativo de la figura 5b, la fibra 3 se extiende a través
de la ventana frontal (disco) (11). Incluso en este caso, el tubo
capilar se sella contra la superficie interior del disco (11). En el
ejemplo comparativo que se ilustra en la figura 5c, también el mismo
tubo capilar (12) se extiende a través de la pared frontal (13). En
este caso, no es necesario que la pared frontal sea transparente
puesto que es insignificante la radiación incidente que sale de la
superficie final (14) del tubo capilar.
El objetivo del tubo capilar es proporcionar una
envolvente no absorbente, de protección adicional de la fibra. Como
se mencionó anteriormente, el tubo capilar se sella contra las
paredes frontal y posterior de la cavidad, de modo que el
refrigerante queda encerrado dentro del espacio anular formado entre
la superficie envolvente del tubo capilar y la pared exterior
cilíndrica de la cavidad y no llega al contacto con la superficie
envolvente de la propia fibra. Contrariamente al capilar de cristal
utilizado en el modo en tiras, este tubo capilar no necesita ser
fijado mediante cemento sobre la fibra. En caso de que se utilice un
tubo capilar, el modo en tiras se consigue haciendo rugosa la
superficie de la funda.
La invención no está limitada a las realizaciones
ilustradas y puede variarse dentro del alcance de las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (7)
1. Cable de fibra óptica, que comprende una fibra
(3) con un núcleo central y una funda que lo rodea (9) y cuyo cable
de fibra está realizado para transmitir potencia óptica elevada,
específicamente potencia que supera 1 kW, en el que, como mínimo, la
parte final de la fibra del mismo destinada a recibir la radiación
óptica de potencia elevada está insertada dentro de una cámara de
enfriamiento que comprende una pared delantera que comprende una
ventana transparente (7), estando alimentada dicha cámara por un
refrigerante (2) circulante, absorbente de la radiación, que rodea
la superficie envolvente de dicha parte final de la fibra, de modo
que la radiación óptica incidente que cae fuera de la fibra entra y
es absorbida, como mínimo parcialmente, por dicho refrigerante (2),
mientras las paredes de la cámara están dispuestas para ser
enfriadas directamente por dicho refrigerante que circula a efectos
de evitar cualquier calentamiento incontrolado de dichas paredes
debido a la radiación absorbida, caracterizado porque la cara
final (6) de la fibra óptica (3) está dispuesta en contacto óptico
con dicha ventana (7).
2. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
1, caracterizado porque dicho refrigerante (2) es un líquido
refrigerante, preferentemente agua.
3. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
2, caracterizado porque la fibra (3) está en contacto directo
con el líquido refrigerante.
4. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
2, caracterizado porque la fibra (3) está rodeada por un tubo
transparente (12) que está en contacto directo con el líquido
refrigerante.
5. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
2, caracterizado porque las paredes de la cámara llenada con
el líquido refrigerante comprenden una pared sustancialmente
cilíndrica (8) que se extiende coaxialmente en la dirección
longitudinal de la fibra y una pared posterior a través de la que
están dispuestos tubos de entrada y salida (5a, 5b) para el líquido
refrigerante.
6. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
1, caracterizado porque la cara final (6) de la fibra óptica
está fundida conjuntamente con la ventana (7).
7. Cable de fibra óptica, según la reivindicación
1, caracterizado porque la cara final (6) de la fibra óptica
ha sido presionada contra la ventana (7) para un buen contacto
óptico entre la ventana y la fibra.
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