SE515480C2 - Metod och anordning för att mäta förlusteffekten i ett fiberoptiskt kontaktdon - Google Patents

Description

. . . , , f 5'15 4êšÛ znrnz: N.fl. ¿."..:r" ;¿ _2_ :': 'ffxß- .::-.:.:::=-.: 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 området omgivet av en värmeavledande anordning försedd med kylflänsar, men det anges också att området kan innefatta medel för att kyla bort den vid absorptionen utvecklade värmen medelst vattenkylning. Även i detta fall sker kylningen från komponentens utsida. I GB 2 255 199 visas ett liknande arrangemang, där fiberns ände är för- sedd med en ihålig stav och en reflektor.

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 0 kylas bort. Även om de senast beskrivna metoderna ger en effektiv kyl- ning så ger de ingen indikation på hur stora effektförlus- terna verkligen är. Reflektioner mot arbetsstycket leder alltid till att en del av effekten kommer tillbaka till fiberkontakten där den ger upphov till uppvärmning. Som processkontroll är det intressant att mäta upp förlustef- fekten i fiberkontakten.

Utvecklingen av lasrarna har medfört att de optiska fi- brernas diameter har blivit allt mindre. En normal fiber- diameter i mitten på 90-talet var runt 0,5 mm, medan nyare lasrar kräver att man skall kunna arbeta med fibrer ner 10 15 20 25 30 35 . . - . U till ca 0,1 mm diameter. Därmed ökar kraven på god infoku- sering i optiksystemet. Detta säkerställs företrädesvis med hjälp av aktiva metoder. Det är då nödvändigt att fin- na bra mätmetoder för att kunna mäta optimal position för den optiska fibern.

Syftet med denna uppfinning är att åstadkomma en metod och en anordning för att mäta upp förlusteffekt i fiberkontak- ter innefattande ett strömmande kylmedium. Detta kan sedan användas för processkontroll eller för aktiv linjering/po- sitionering av optiska fibrer.

Enligt uppfinningen detekteras temperaturdifferensen mel- lan in- och utgående kylmedium (vätska) som mått på avgi- ven förlusteffekt.

Enligt en föredragen utföringsform arrangeras termoelement i anslutning till kylmediets inlopps- och utloppskanal.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i an- slutning till bifogade ritning som schematiskt visar ett exempel på ett fiberoptiskt kontaktdon med direkt vatten- kylning och detektering av avgiven förlusteffekt enligt uppfinningen.

I figuren visas ena änden av en optisk fiber 3 vilken på känt sätt har en kärna, exempelvis av kvartsglas, och en omgivande cladding, exempelvis av glas eller någon polymer med lämpligt brytningsindex.

En laserstråle l är anordnad att fokuseras mot fiberns än- dyta. Den laserkälla som är mest använd är Nd-YAG lasern, vars våglängd är 1,06 pm. Denna våglängd lämpar sig bra för överföring i optiska fibrer. Andra i och för sig kända lasrar som kan vara aktuella är exempelvis diodlasrar, C02- lasrar, CO-lasrar och andra typer av YAG-lasrar.

Ett flytande kylmedium (vätska) 2 är anordnat så att det 10 15 20 25 30 35 515 480 f fm» _ 4 _ ; -¿ : f:*1' , Y _ g ' E_ : :: omger fiberändens mantelyta. Den del 4 av den infallande laserstrålningen som hamnar utanför fiberns kärna fångas upp och absorberas, åtminstone delvis, i detta medium.

Strålning (effekt) som transmitterats genom vätskan absor- beras av väggarna 5, 6 som omger och innesluter vätskan.

Dessa väggar är i direkt kontakt med kylmediet och kyls därför direkt på ytan. Någon av väggarna, i det här fallet den bakre väggen 5, innefattar en inlopps- resp. en ut- loppskanal 5a, 5b för kylmediet. Den yta som bestrålas av den infallande laserstrålen måste vara transparent för att släppa in strålningen i det vätskefyllda rummet. Denna yta, det s.k. fönstret 7, kan vara antingen glasklar eller diffust spridande, huvudsaken är att absorptionen i ytan är låg. Fiberns ändyta är i optisk kontakt med fönstret 7.

Så långt överensstämmer fiberkontaktdonet med det som vi- sas i förut nämnda SE 509 706.

Eftersom uppvärmningen av kylmediet blir momentan kan fi- berkontaktdonet utnyttjas för att mäta upp genererad för- lusteffekt. Enligt uppfinningen mäts temperaturdifferensen mellan ingående och utgående kylmedium upp, vilket ger ett mått på genererad förlusteffekt. Lämpliga detektorer för temperaturmätningen är termoelement som i grunden ger just en temperaturdifferenssignal. Andra i och för sig kända detektorer äršdock möjliga. I figuren visas hur sådana termoelement eller detektorer 8 kan placeras i inlopps- resp. utloppsöppningen 5a, 5b för kylmediet.

Enligt en föredragen utföringsform är flödeshastigheten inställbar så att den kan varieras beroende på storleken av förlusteffekterna. Komponenter för att reglera flödes- hastigheten i ett kylmedium är i och för sig förut kända och beskrivs därför ej närmare här.

Temperaturskillnaden i kylmediet ges av AT = P-soøoo/(æ-p-F) 10 15 20 25 30 35 5415 4ESÛ ífïflflf fflfk 'ÉVÉ 'ÉÜÛ få 5 .: f fFÉ?'_L;L'.í F där P är förlusteffekten i W, c är värmekapaciviteten i J/(kg~K), P är densiteten i kg/m3, och F är flödeshastigheten i l/min.

För vatten gäller att c = 4180 .ukg-K) ocnp= 998 kg/m3.

Detta ger AT = 0,014-P/F Genom att anpassa flödeshastigheten till de förlusteffek- ter som skall detekteras kan användningen optimeras. I de sammanhang där förlusteffekter skall detekteras vid till- bakareflektion, kan det röra sig om stora förluster upp mot 1 kW, varvid flöden på runt 1 l/min är lämpliga. Där- med kan stora förluster detekteras, samtidigt som man kan se förlustvariationer på några tiotal watt. I samband med optimering av en fiberposition är förlusteffekterna vä- sentligt lägre, men samtidigt är kraven större på noggrann ' mätning. Genom att sänka flödeshastigheten t.ex. en faktor 10 kan erforderlig noggrannhet uppnås.

Snabbheten i respons begränsas av den volym strålningen absorberas i och hur stor flödeshastigheten är. Typiska mått kan vara 10 cm3 absorptionsvolym och ett flöde på 1 l/min. Detta ger en responstid på ca 0,5 sek.

Uppfinnigen är inte begränsad till det som exempel visade fiberkontaktdonet utan kan varieras inom ramen för de ef- terföljande patentkraven. Således inses att uppfinningen är tillämpbar även på andra typer av fiberkontaktdon där förlusteffekten tas om hand av ett strömmande kylmedium.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 515 480 _ 5 _ 1 - » . ~ | PATENTKRAV

1. Metod för att mäta förlusteffekten i ett fiberoptiskt kontaktdon innefattande en optisk fiber (3) avsedd för överföring av höga optiska effekter, företrädesvis effek- ter som överstiger 1 kW, och där infallande strålning (1) som faller utanför fiberns kärna åtminstone delvis absor- beras i ett strömmande kylmedium (2), k ä n n e t e c k - n a d a v att temperaturdifferensen (AT) mellan in- och utgående kylmedium detekteras som mått på avgiven för- lusteffekt.

2. Metod enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att temperaturdifferensen (AT) uppmätes medelst ter- moelement (8) anordnade i anslutning till inlopps- resp utloppsöppningen (5a,5b) för kylmediet.

3. Metod enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att flödeshastigheten hos kylmediet (2) anpassas till de förlusteffekter som skall detekteras, exempelvis så att en jämförelsevis hög flödeshastighet ställs in vid detek- tering av förlusteffekter i samband med tillbakareflek- tion, och en jämförelsevis låg flödeshastighet ställs in i samband med optimering av fiberposition.

4. Anordning för att mäta förlusteffekten i ett fiberop- tiskt kontaktdon innefattande en optisk fiber (3) avsedd för överföring av höga optiska effekter, företrädesvis ef- fekter som överstiger 1 kW, och där infallande strålning (1) som faller utanför fiberns kärna är anordnad att åt- minstone delvis absorberas i ett strömmande kylmedium (2), k ä n n e t e c k n a d a v att kontaktdonet innefat- tar organ (8) för att detektera temperaturdifferensen (AT) mellan in- och utgående kylmedium som mått på avgiven för- lusteffekt. 10 15 20 25 30 35 7 4 - . | U Q 4 ..n... .. H _ - . H.. r 1 5 8(] . .... .. ... ... . ... .: ...... .... . . ..H , . H n.H.. . . _ , , .. . . . _ . ~ . ~ | » v . | - - f.

5. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v att detekteringsorganen utgöres av termoelement (8) anordnade i anslutning till inlopps- resp utloppsöppningen (5a,5b) för kylmediet för uppmätning av temperaturdiffe- rensen (AT).

6. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v att flödeshastigheten hos kylmediet (2) är inställbar för att medge anpassning av flödeshastigheten till de för- lusteffekter som skall detekteras, exempelvis så att en jämförelsevis hög flödeshastighet är inställbar vid detek- tering av förlusteffekter i samband med tillbakareflek- tion, och en jämförelsevis låg flödeshastighet är inställ- bar i samband med optimering av fiberposition.