ES2269212T3 - Metodo y dispositivo para la medicion de la perdida de potencia optica en medios de contacto de fibra optica. - Google Patents

Abstract

Método para la medición de pérdidas de potencia en un conector de fibra óptica incluyendo una fibra óptica (3) para transmisión de elevada potencia óptica, especialmente potencia superior a 1 kW, y en el que la radiación incidente (1) que cae fuera del núcleo de la fibra es absorbida por lo menos parcialmente en un refrigerante circulante (2), caracterizado porque la diferencia de temperatura (DeltaT) entre la entrada y salida del refrigerante es detectada como medición de la pérdida de potencia generada.

Description

Método y dispositivo para la medición de la pérdida de potencia óptica en medios de contacto de fibra óptica.

La presente invención se refiere a un método y medios para la medición de la pérdida de potencia en un conector de fibra óptica que comprende una fibra óptica para la transmisión de elevada potencia óptica, específicamente potencia que supera 1 kW, y en el que la radiación óptica que cae fuera del núcleo de la fibra es absorbida, por lo menos parcialmente, en un refrigerante circulante.

Los cables de fibra óptica para la transmisión de elevadas potencias ópticas se utilizan frecuentemente en aplicaciones industriales. De manera específica se utilizan en operaciones de corte y soldadura por medio de radiación láser de alta potencia, y también en otras aplicaciones industriales tales como calentamiento, operaciones de detección o de mecanización en ambientes a alta temperatura en cuyas aplicaciones se puede utilizar fibras ópticas de este tipo. Por medio de las fibras ópticas es posible constituir sistemas de fabricación flexibles para transmitir radiación desde una fuente de rayos láser de elevada potencia a la pieza a mecanizar. Normalmente, una fibra óptica tiene un núcleo de vidrio y un recubrimiento circundante. Las fuentes de rayos láser que pueden ser utilizadas en este contexto tienen una potencia promedio desde unos pocos cientos de vatios hasta varios kilovatios.

Cuando se designan los sistemas de fibras para esta radiación láser de alta potencia es importante tener en cuenta la radiación que cae fuera del núcleo de la fibra debido, por ejemplo, a reflexiones contra la pieza a mecanizar o debido a un enfoque incorrecto de la fibra, refrigerando adecuadamente para impedir el calentamiento incontrolado del sistema. Se conocen ya diferentes métodos para combatir dicha radiación de potencia no deseada. Un ejemplo se da a conocer en el documento DE 4305313, en el que la radiación que cae en el recubrimiento de las fibras es esparcida en una modalidad llamada de extracción ("stripper") y es absorbida por una superficie metálica. Esa superficie puede ser enfriada a continuación desde el exterior del dispositivo. Se da a conocer un método similar en el documento EP 0 151 909.

Una fibra óptica en la que por lo menos una de las superficies extremas del núcleo de la fibra está dotada de una varilla que tiene un diámetro mayor que el diámetro del núcleo se describe en el documento EP 0 619 508. En este extremo la fibra es dotada de un reflector diseñado para conducir los rayos que entran por fuera de la fibra hacia un área en la que pueden ser absorbidos sin provocar inconvenientes. En la realización mostrada dicha área está rodeada por un dispositivo para la eliminación de calor dotado de aletas de refrigeración, pero también se menciona que se pueden incluir medios de refrigeración por agua en esta zona para la eliminación del calor generado. También en este caso la refrigeración es proporcionada desde el exterior del dispositivo. Una disposición similar en la que la parte extrema de las fibras es dotada de una varilla hueca y un reflector se da a conocer en el documento GB 2 255 199.

En los documentos WO 98/01784 y RU 2031420 se describe un método para tener en cuenta la pérdida de potencia por la que el calor de radiación es absorbido de manera completa o parcial directamente en un refrigerante circulante en vez de un metal. En el documento WO 98/01784 como mínimo uno de los extremos de contacto de la fibra está situado en una cavidad llena de un refrigerante circulante, de manera que la radiación que cae fuera de la fibra es introducida en el refrigerante y absorbida por lo menos parcialmente por el mismo. De acuerdo con una realización preferente la fibra se encuentra directamente en contacto con el refrigerante circundante, por ejemplo, agua. La ventaja de tener la absorción de la radiación directamente en el refrigerante es una refrigeración más eficaz, dado que no se requiere conducción de calor a través de, por ejemplo, partes metálicas antes de que el calor sea
eliminado.

Aunque los métodos que han sido descritos proporcionan hasta el momento una refrigeración efectiva, no indican el nivel de la pérdida real de potencia. Las reflexiones en la pieza a trabajar significan siempre que una cierta parte de la potencia vuelva al contacto de la fibra y genere calentamiento. A efectos de controlar el proceso es interesante medir la pérdida de potencia en el conector de fibra.

Con el desarrollo de lásers el diámetro de las fibras ópticas se ha disminuido. Un diámetro normal de fibra a mediados de los 90 era de 0,5 mm aproximadamente, mientras que en los láser recientes se tienen diámetros de fibras que llegan aproximadamente a 0,1 mm. Además existe una exigencia creciente de un enfoque correcto en el sistema óptico. Esto ha sido satisfecho principalmente por medio de métodos activos. Entonces es necesario encontrar métodos adecuados para medir la posición óptima de la fibra óptica.

El objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un método y medios de medición de la pérdida de potencia en conectores de fibra incluyendo un refrigerante circulante. Estos medios pueden ser utilizados para control de procesos o para un posicionado activo de la fibra óptica.

De acuerdo con la invención la diferencia de temperatura entre el refrigerante entrante y saliente (líquido) es detectado como medición de la pérdida de potencia generada.

De acuerdo con una realización preferente, se disponen termoelementos en conexión con los canales de entrada y salida del refrigerante.

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A continuación la invención se describirá de manera más detallada con referencia al dibujo adjunto que muestra esquemáticamente un ejemplo de un conector de fibra óptica con refrigeración directa con agua y detección de la pérdida de potencia según la invención.

La figura 1 muestra un extremo de una fibra óptica convencional (3) que tiene un núcleo, por ejemplo vidrio de cuarzo, y un recubrimiento circundante, por ejemplo realizado a base de vidrio o algún polímero que tenga un índice de refracción adecuado.

Un haz de rayos láser (1)es enfocado sobre la superficie extrema de la fibra. Preferentemente se utiliza una fuente de rayos láser Nd-YAG que tiene una longitud de onda de 1,06 \mum. Esta longitud de honda es adecuada para transmisión de fibra óptica. Otros ejemplos de láser que pueden ser utilizados son láser de diodos, láser de CO_{2}, láser CO y otros tipos de lásers de Nd.

Un refrigerante líquido (2) rodea la superficie envolvente en la parte extrema de la fibra. Dicha parte (4) de radiación láser incidente que cae fuera del núcleo de la fibra es introducida en el refrigerante y absorbida, por lo menos parcialmente, por el mismo. La radiación (potencia) transmitida a través del líquido es absorbida por las paredes (5),(6) que encierren el líquido. Estas paredes se encuentran en contacto directo con el refrigerante de manera que están refrigeradas directamente sobre la superficie. Algunas de las paredes, en este caso la pared posterior (5), tiene un tubo o canal de entrada (5a) y también el tubo o canal de salida (5b) para el refrigerante líquido. La superficie alcanzada por el haz de rayos láser incidente debe ser transparente de manera que la radiación pueda pasar hacia adentro de la cavidad de líquido. Esta superficie, la llamada ventana (7), puede ser de cristal transparente o difusa, siendo importante que la absorción en esta superficie sea reducida. La superficie extrema de la fibra se encuentra en contacto óptico con la ventana (7). En la actualidad el conector óptico corresponde al que se ha mostrado en dicho documento WO 98/01784.

Dado que existe un calentamiento instantáneo del refrigerante líquido, se puede utilizar el conector de fibras para medición de la pérdida de potencia generada. De acuerdo con la invención, la diferencia de temperatura entre el refrigerante líquido en la entrada y en la salida se mide, siendo ello también una medición de la pérdida de potencia generada. Son elementos detectores apropiados para dicha medición de temperatura los termoelementos, dado que proporcionan solamente señal de la diferencia de temperatura. No obstante, se podrían utilizar otros tipos de detectores. En la figura se ha mostrado la forma en que se podrían disponer dichos termoelementos o detectores (8) en las aberturas de entrada y salida respectivamente (5a),(5b) para el líquido refrigerante.

De acuerdo con una realización preferente la velocidad del flujo podría ser regulada con el nivel de pérdida de potencia. Los reguladores para controlar la velocidad del flujo del líquido refrigerante son conocidos per se y no se describirán en esta descripción.

La diferencia de temperatura en un líquido refrigerante está determinada por

\Delta T = p . 60000/(c.\rho .F)

en la que

P es la pérdida de potencia en W,

c es la capacidad calorífica en J/(kg.K),

\rho es la densidad en kg/m^{3}, y

F es la velocidad de flujo en l/min.

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Para el agua

c = 4180 \ J(kg.K) \ y \ \rho = 998 \ kg/m^{3}

Lo cual significa

\Delta T = 0,014.P/F

Al adaptar la velocidad de flujo a la pérdida de potencia en cuestión, se puede optimizar el sistema. En los casos de retrorreflexión, en los que la pérdida de potencia puede llegar a 1 kW, deberían ser satisfactorias velocidades de flujo aproximadas de 1 l/min. Entonces las pérdidas de potencia elevadas podrían ser detectadas al mismo tiempo como variaciones de pérdida de potencia de pocas decenas de vatios. En el caso de optimización de una posición de las fibras, las pérdidas de potencia son mucho más bajas, pero entonces se requiere también una medición más precisa. Reduciendo la velocidad de flujo, por ejemplo, en un factor 10, se puede alcanzar la exactitud requerida.

La rapidez de respuesta está limitada por el volumen en el que se absorbe la radiación y por el valor de la velocidad de flujo. Valores típicos para el volumen de absorción podrían ser 10cm^{3} y 1 l/min para la velocidad de flujo. Esto significa un tiempo de respuesta aproximadamente de 0,5 segundos.

La invención no está limitada al conector de fibras que se ha ilustrado como ejemplo, sino que se puede variar dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas. Como consecuencia, se debe comprender que la invención puede ser utilizada también en otros tipos de contactos de fibras en los que la pérdida de potencia se absorbe en el refrigerante líquido.

Claims (6)

1. Método para la medición de pérdidas de potencia en un conector de fibra óptica incluyendo una fibra óptica (3) para transmisión de elevada potencia óptica, especialmente potencia superior a 1 kW, y en el que la radiación incidente (1) que cae fuera del núcleo de la fibra es absorbida por lo menos parcialmente en un refrigerante circulante (2), caracterizado porque la diferencia de temperatura (\DeltaT) entre la entrada y salida del refrigerante es detectada como medición de la pérdida de potencia generada.

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque la diferencia de temperatura (\DeltaT) es medida por medio de un termoelemento (8) dispuesto en conexión con los canales de entrada y salida (5a), (5b) para el refrigerante.

3. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque la velocidad de flujo del refrigerante (2) está adaptada a la pérdida de potencia a seleccionar, por ejemplo ajustada a una velocidad de flujo comparativamente elevada cuando se detecta pérdida de potencia en conexión con reflexiones de retroceso y se ajusta a una velocidad comparativamente baja en relación con la utilización de la posición de la fibra.

4. Conector de fibra óptica que comprende medios para la medición de la pérdida de potencia, incluyendo el conector una fibra óptica (3) para permitir elevada potencia óptica, específicamente potencia superior a 1 kW y en el que la radiación incidente (1) que cae fuera del núcleo de fibra es absorbida por lo menos parcialmente en el refrigerante circulante (2), caracterizado porque el conector comprende medios (8) para detectar la diferencia de temperatura (\DeltaT) entre el refrigerante a la entrada y a la salida como medición de la pérdida de potencia generada.

5. Conector, según la reivindicación 4, caracterizado porque los medios de detección comprenden termoelementos (8) dispuestos en conexión con las aberturas de entrada y salida (5a), (5b) para el refrigerante para medir la diferencia de temperatura (\DeltaT).

6. Conector, según la reivindicación 4, caracterizado porque la velocidad de flujo del refrigerante (2) es ajustable para permitir la adaptación de la velocidad de flujo a las pérdidas de potencia a detectar, ajustadas por ejemplo a una velocidad de flujo comparativamente alta cuando se detectan pérdidas de potencia en relación con reflexiones de retroceso, y ajustada a una velocidad de flujo relativamente baja en relación con la optimización de la posición de la fibra.