SE519930C2 - Metod och anordning för att övervaka att effekttätheten inte blir för hög i en optisk fiber. - Google Patents

Description

519 930 _ 2 _ Uppfinningen kännetecknas av att laserstrålen är anordnad att fokuseras i en gasfylld cell innan den når fokuse- ringsoptiken och om effekttätheten överstiger en viss nivå sker ett genombrott i gasen och ett plasma bildas som ab- sorberar strålningen. Den gasfyllda cellen bildar på så vis en form av säkring som "löses ut" då effekttätheten blir för hög.

Enligt en föredragen utföringsform utgöres gasen av argon under några atmosfärers övertryck.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i an- slutning till bifogade ritning varvid figur 1 schematiskt visar ett optiskt fibersystem där strålning fokuseras mot fiberns kärna, och figur 2 det optiska fibersystemet med en säkring anordnad i enlighet med uppfinningen.

I figur 1 visas en laserstråle 1 som med hjälp av fokuse- ringsoptik i form av en eller flera linser eller speglar 2 fokuseras mot ändytan hos en optisk fiber 3 vilken på känt sätt har en kärna av kvartsglas och en omgivande cladding med lägre brytningsindex, exempelvis av glas eller någon polymer med lämpligt brytningsindex. Claddingens funktion är att stänga inne strålningen i kärnan så att strålningen leds genom fibern i dess utbredningsriktning tills den lämnar fibern.

Utanför fiberns cladding är i allmänhet ytterligare lager anordnade för att bl.a. öka den mekaniska hållfastheten hos fibern. Dessa lager visas ej här eftersom de kan vara av i och för sig känt slag och ej har någon funktion för att förklara uppfinningstanken.

Laserstrålen 1 som fokuseras mot fiberns ändyta kan vara av i och för sig känt slag. Den laserkälla som är mest an- 10 15 20 25 30 35 519 930 _ 3 _ vänd i högeffektlasrar 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, CO-lasrar och an- dra typer av YAG-lasrar.

Gemensamt för dessa typer av lasrar är att de höga effek- terna kan förorsaka personskador såväl som skador i det optiska systemet om inte strålningen leds på korrekt sätt genom fibern. Även en liten skada hos fibern kan förorsaka svåra materiella skador.

Som nämnts inledningsvis är de lasrar som används idag potenta nog att fokusera strålningen till mycket små dia- metrar, samtidigt som effekten hos lasrarna kan vara myck- et hög. Därför finns det även i en oskadad fiber en risk för skador i kvartsmaterialet för dessa typer av lasrar om effekttätheten blir för hög.

För en given strålkvalitet hos en laser ges fokusfläckens storlek av den vinkel al varmed laserstrålen fokuseras av fokuseringsoptiken. Effekttätheten mot fiberns 3 ändyta kommer för en given lasereffekt att vara proportionell mot mn*- I figur 2 visas ett arrangemang som förskonar kvartsfibern från strålningsskador. Innan laserstrålen når fokuserings- optiken 2 får den passera en "säkring" i form av en gas- fylld cell 5 i vilken skapas ett mellanfokus för laser- strålen med hjälp av minst en fokuserande lins 4, vars fo- kuseringsvinkel är az. Effekttätheten för detta mellanfokus är proportionell mot (a2)2.

Då mellanfokus(fläcken) ligger inne i en gasfylld cell 5 kommer man vid en given effekttäthetsnivå att åstadkomma ett genombrott i gasen och ett plasma bildas som absorbe- 10 15 20 25 30 35 519 930 _ 4.. rar lasereffekten. Denna process är snabb, nästan full- ständig absorption inträder inom några få nanosekunder, (104 s). Vid vilken nivå gasen får sitt genombrott bestäms bl.a. av gastyp och vid vilket tryck man arbetar. Om man t.ex. använder argon under några atmosfärers övertryck kommer effekttätheten för genombrott i argon att vara ca 2-3 gånger högre jämfört med nivån för skador i kvartsma- terialet.

Genom att anpassa vinklarna az och al så att 2 (afafl >Emmn/gmwmm där Em är gränsvärdet för genombrott i argon (Ar) respek- tive kvarts (SiO2), fås genombrott i argongasen innan kvartsmaterialet skadas. Eftersom strålningen då kommer att absorberas i det bildade plasmat, kommer kvartsfibern att skonas från strålningsskador. När strålningen upphör kommer plasmat att rekombinera, och gasen blir åter trans- parent. Rekombinationstiden för Argongas under några atmo- sfärers övertryck är ca 100 nanosekunder.

Som framgår av figuren 2 kan den gasfyllda cellen rent principiellt vara uppbyggd av den fokuserande linsen (4) (inträdeslins) och en motsvarande utträdeslins och ett om- givande hölje som innsluter gasen.

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

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 519 930 _5- PATENTKRAV

1. l. Metod för att övervaka att effekttätheten inte blir för hög i en optisk fiber (3) avsedd för överföring av höga optiska effekter, företrädesvis effekter som överstiger 1 kW, och där den optiska strålningen fokuseras till mycket små diametrar av en fokuseringsoptik (2) k ä n n e - t e c k n a d a v att ett mellanfokus skapas hos den in- fallande optiska strålningen (l) innan den när fokuse- ringsoptiken (2) med hjälp av minst en fokuserande lins (4) och absorbera strålningen om effekttätheten hos mel- lanfokusfläcken överstiger ett visst värde.

2. Metod enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att mellanfokus skapas i en gasfylld cell (5) innan strål- ningen når fokuseringsoptiken (2) och om effekttätneten överstiger en viss nivå sker ett genombrott i gasen och ett plasma bildas som absorberar strålningen.

3. Metod enligt patentkrav 2 k ä n n-e t e c k n a d a v- att då gasen utgöres av argon och fibern av kvartsmaterial så anpassas fokuseringsoptikens (2) fokuseringsvinkel (al) och mellanfokusoptikens (4) fokuseringsvinkel (az) så att (az/ulf > Ethælq/Ethwioz), där Éth är gränsvärdet för genom- brott i argon (Ar) respektive kvarts (SiO2), varvid genom- brott i argongasen erhålles innan kvartsmaterialet i fi- bern (3) skadas.

4. Anordning för att övervaka att effekttätheten inte blir för hög i en optisk fiber (3) avsedd för överföring av hö- ga optiska effekter, företrädesvis effekter som överstiger l kw, och där den optiska strålningen fokuseras till myck= et små diametrar av en fokuseringsoptik (2) k ä n n e - t e c k n a d a v en anordning (5) för att skapa ett 10 15 20 25 30 35 519 930 / \D_ mellaníokns hos den infallande optiska strålningen (1) in- nan den når fokuseringsoptiken (Z) vilken anordning (5)' innefattar minst en fokuserande lins (4) och är anordnad att absorbera strâlningen.(l) om.effekttätheten nos mel- lanfokusfläcken överstiger ett visst värde.

5. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v att anordningen innefattar en gasfylld cell (5) så an- ordnad att om effekttätheten i mellanfokusfläcken översti- ger en viss nivå sker ett genombrott i gasen och ett plas- ma bildas som absorberar strålningen.

6. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d a v att gasen utgöres av argon och fibern (3) av kvartsma- terial.

7. Anordning enligt patentkrav 6 k ä n n e t e c k n a d a v att fokuseringsoptikens (2) fokuseringsvinkel (al) och mellanfokusoptikens (4) fokuseringsvinkel (nä) är så anpas- sade *att (az/ulf > Ethwlqfïšthßioz), där Eth är gränsvärdet för genombrott i argon (Ar) respektive kvarts (SiO2), var- vid genomrott i argøngasen erhålles innan kvartsmateria- let i fibern (3) skadas.

8. Anordning enligt patentkrav 7 k ä n n e t e c k n a d a v att gasen har några atmosfärers övertryck.