SE531724C2 - Anordning vid optiska system - Google Patents

Description

20 25 30 531 724 Den standafdfeknik som används idag för att ta hand om de oönskade uppvärmningseffekterna går ut på att kyla själva hållaren, som optiken är monterad i. En hållare, företrädesvis gjord i ett bra värrneledande material, t.ex. aluminium, tjänstgör som hus för de optiska komponenterna. Utanpå nämnda hus anbringas en kylare som kyls med ett flytande kylmedel, företrädesvis vatten. Kylaren görs i ett material, som inte angrips av kylmediet, Lex. Syrafast rostfritt stål. För att minimera värmeledningsmotståndet mellan kylaren och huset görs väggen tunn samt anbringas huset med ett lim eller dylikt med god värmeledningsfönnåga.

I en alternativ metod byggs kylaren i direkt anslutning till huset; så att kylmediet flyter i kylkanaler som verkar direkt på huset. Huset är på samma vis som ovan gjort i ett värmeledande material. Fördelen med denna metod är att man får en effektivare kylning, men kylvätskan är istället i kontakt med det värmeledande materialet, som i regel är av aluminium.

Detta leder ofia till korrosionsproblem, om man inte använder särskilda korrosionsinhibatorer i kylmediet.

För att undvika att få stora temperaturgradienter i konsuuktionen, så använder man sig företrädesvis av material med god värmeledningsförmåga, t.ex. aluminium. Den nackdel man får är att dessa material, normalt sett har en hög värmeutvidgningskoefficient, och Sammanhörande mekaniska deformationer kan lätt leda till optiska instabiliteter.

Då det gäller kylning av en optisk fiber i sig är det förut känt genom SE 509 706 att låta åtminstone en av fibems kontaktändar vara belägen i själva hålrurnrnet med det strömmande kylmediet, så att strålar som inkommer utanför fibem fångas upp och absorberas åtminstone delvis av kylmediet. För optiska komponenter som är monterade i någon form av hus eller hållare är en sådan lösning inte tillämpbar.

Syftet med denna uppfinning är att åstadkomma en effektivare kylning av optiska komponenter för att uppnå den optiska stabilitet som krävs även vid överföring av mycket höga optiska effekter. Uppfinningen bygger därvid på att man kombinerar en metod för att minimera uppvärmningen samtidigt som man ser till att konstruktionen är mekaniskt stabil även vid temperaturhöj ningar. 10 15 20 25 30 53 'i 724 Uppfinningen kännetecknas av att ett transmitterande konstruktionsmaterial med låg värmeutvidgningskoeffieient är anordnat i direkt anslutning till de optiska komponenterna och anordnat att leda in förluststrålning till det hålrum som genomströmmas av det extema kylmediet.

Enligt en fördelaktig utföringsforin är det transmitterande konstruktionsmaterialet utformat som ett transparent rör, företrädesvis av kvarts, vilket i sin tur omges av ett icketransparent material, företrädesvis av metall, så att nämnda hålrum bildas mellan dessa båda material.

Enligt uppfinningen absorberas strålningen i huvudsak i den bakomvarande väggen, som utformas för att ha en god absorption. Eftersom denna vägg är i direkt kontakt med kylmediet, är det möjligt att uppnå en effektiv kylning. Strålningen kan även absorberas i kylmediet.

Enligt en ytterligare íördelaktig utföringsforin är de optiska komponenterna monterade direkt på det transmitterande konstruktionsmaterialet. Eftersom det transmitterande konstruktionsmaterialet har en låg värmeutvidgriingskoefficient blir värmeutvidgningen minimal och en stabil konstruktion uppnås även vid en temperaturtörändring.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar som schematiskt visar några olika tillämpningar av uppfinningen.

Figur l visar ett exempel på dagens teknik där kylning av optiken sker medelst en separat kylare, Figur 2 visar ett exempel på dagens teknik där kylning av optiken sker medelst en integrerad kylare, Figur 3 visar olika uppvärrrmingsfaktorer som kan påverka de optiska komponenterna i ett optiskt system, Figur 4 visar principen för uppfinningen, Figur 5 visar en första tillämpning av uppfinningen i form av en fiberkontakt med integrerad kollimeringsoptik, 10 l5 20 25 30 531 TB-*iie Figur 6 visar en andra tillämpning av uppfinningen i form av fokuseringsoptik för höga effekter, Figur 7 visar schematiskt två geometríer A och B för en jämförande, matematisk beräkning av hur mycket effektivare kylningen blir genom att införa ett transmitterande material närmast de optiska komponenterna enligt uppfinningen, järnfört med traditionella hållare i värmeledande material, Figur 8 visar temperaturfördelning för den första geometrín, version A, traditionell kylning, och Figur 9 visar temperaturfördelning för den andra geometrin, version B, kylning enligt uppfinningen.

I figur l visas ett exempel på den standardteknik som används idag för kylning av optiska komponenter baserade på fiberoptisk överföring av höga effekter. En hållare l, företrädesvis gjord i ett bra värmeledande material, t.ex. aluminium, tjänstgör som hus för de optiska elementen 2, i detta fall i form av ett linssystem. Utanpå nämnda hus är en kylare 3 anbringad, vilken kyls med ett flytande kylmedium, företrädesvis vatten 4. Kylaren är utförd i ett material som inte angrips av kylmediet, t.ex. syrafast rostfritt stål. För att minimera värmeledningsmotståndet mellan kylaren och huset görs väggen hos kylaren tunn samt fästes mot huset med ett lim eller dylikt 5 med god värmeledningsiörrnåga. Enligt denna teknik kyls alltså själva hållaren, som optiken är monterad i.

I figur 2 visas ett annat exempel på dagens teknik för att kyla optiska komponenter. I detta fall byggs kylaren i direkt anslutning till huset 1 som optiken är monterad i, så att kylmediet flyter i kylkanaler 2 som verkar direkt på huset. Huset 1 är på samma vis som i det tidigare exemplet gjort i ett värmeledande material. Fördelen med detta utförande är en effektivare kylning, men genom att kylvätskan är i direkt kontakt med husets värmeledande material, som oftast är aluminium, så kan detta leda till korrosionsproblem, om man inte använde särskilda korrosionsinhibatorer i kylmediet, 10 15 20 25 30 53^1 TEI-l Figur 3 visar olika uppvärmningsfaktorer som kan påverka de optiska komponenterna i ett system. Den främsta orsaken till instabilitet i optiken är nämligen uppvännningseffekter.

Uppvärmningen kan dels vara av de optiska komponenterna, dels av huset som optiken är monterad i. I det senare fallet kan även husets värme genom strålning och genom konvektion i sin tur värma optiken. Några olika orsaker till uppvärmning visas i figuren. En ljusstråle 1 går in i en linshållare 2 där en lins eller linssystem 3 är monterat. Runt själva ljusstrålen 1 finns en viss mängd ströljus 4 som kan träffa linshållaren och på så vis värma upp densamma. Detta ströljus är alltså en orsak till uppvärmning. En annan orsak till uppvärmningen kan vara att i samband med att ljusstrålen l träffar linsen 3, kan en del av ljuset reflekteras på grund av imperfektioner i linsens antireflexbehandling eller på grund av partiklar på linsens yta, vilket åskâclliggjoits med pilarna i figuren. Detta spridda ljus kan även det ge upphov till en uppvärmning av huset. Om själva huset blir uppvärmt kan detta sekundärt värma optiken genom strålning eller genom konvektion, som pilarna 6 och 7 i figuren indikerar. Förutom dessa processer förekommer även en viss absorption i linsmaterialet.

I figur 4 visas uppfinningens principiella uppbyggnad i form av ett linssystem 5 monterat i en rörformad hållare eller hus 1. Då en ljusstråle (ej visad här) går in i linshållaren uppträder alltid en viss mängd ströljus eller spritt ljus. Denna fórluststrälning kan ge upphov till en uppvärmning av huset, såsom diskuterats ovan. Grundidén med denna uppfinning är att det konstniktionsmaterial 1 som används närmast högeffektstrålningen skall vara transmitterande och leda in forluststrålningen till ett hålrum eller volym 2 som kyls av ett externt medel, i huvudsak en vätska eller gas, företrädesvis vatten. Förluststrålriingen absorberas i huvudsak i den bakomliggande, rörformade väggen 3, som utformas för att ha en god absorption.

Efiersom denna vägg är i direkt kontakt med kylmediet, är det möjligt att uppnå en effektiv kylning. Strålningen kan även absorberas, åtminstone delvis, i kylmediet. Tätningar i form av O-ringar 4 är anordnade mellan de båda konstruktionsmaterialen 2 och 3 för att innesluta volymen 2.

För att uppnå en mekaniskt stabil konstruktion, även vid temperaturfórändringar, skall de optiska komponenterna monteras i direkt anslutning till det transparenta materialet, som väljs så att värmeutvidgningen i materialet är så liten som möjligt. Linssystemet 5 i figur 4 fästs därför i det transmitterande konstruktionsmateiialet 1 med ett lim eller dylikt med ickeabsorberande egenskaper. 10 15 20 25 30 53'l 'F24 Materialet bör väljas så att linsen 5 och det omgivande röret 1 har samma termiska egenskaper. I de fall optiken har en viss absorption, och därmed är den primära värmekällan, kan röret tillåtas ha en något högre värmeutvidgningskoefficient. Några exempel på lämpliga konstruktionsmaterial och deras temperaturutvidgningskoefficienter för det omgivande röret kan vara kvarts, med en ternperaturutvidgningskoefficient på 4,4 (ppm/K), safir med en temperaturutvidgningskoefñcient på 5,8 (ppm/K) och aluminiumoxidkerarnik (99,5 %) med en temperaturutvidgningskoefficient på 8,3 (ppm/K).

Eftersom innerväggen i uppfinningens konstruktion har samma temperatur som kylvattnet, kommer optiken inte att värmas upp vare sig av värmestrålning eller av konvektion.

I figur 5 visas en forsta tillämpning av uppfinningen i form av en fiberkontakt med integrerad kollimeringsoptik. Anordningen innefattar ett transparent rör l, företrädesvis av kvarts, som omges av ett icketransparent material 3, företrädesvis av metall. Mellan dessa båda komponenter ligger tätningar, t.ex. O-ringar 4, så att den inneslutna volymen 2 kan genomspolas med ett kylmedium, företrädesvis vatten. En optisk ñber 5 fästs, direkt eller indirekt medelst en kropp 6 i det transparenta röret 1. I fiberns ände är en kuts 7 anbringad, exempelvis enligt svenska patentet 505884. Denna kuts är också fast i det transparenta röret l.

Den optik 8 som skall kollimera den utgående ljusstrålen från ñbem är även den fäst i det transparenta röret. Strålning som av olika anledningar sprids ut ur volymema 9 och 10 kommer att transmitteras genom det transparenta röret 1 och absorberas i den icketransparenta delen 3. Den yta som absorberar strålningen ligger i direkt kontakt med kylmediet, varför en mycket effektiv kylning ernås.

Sammanfattningsvis uppnås följande fördelar med ovanstående design: - Effektiv kylning av förlusteffekt.

- Minimala deformationer, eftersom alla komponenter är monterade i det transparenta röret, vilket har en låg termisk utvidgningskoefficient.

- Eftersom den optiska fibern är av kvarts, kan man med fördel använda kvarts i det transparenta röret. Den eventuella uppvärmning som komponenten kan få leder då till samma termiska utvidgning hos röret och fibern, varvid inga, eller minimala spänningar belastar fibern.

- Eftersom kvartsröret kommer att anta kylvattnets temperatur, kommer optiken inte att värmas upp vare sig av värmestrålning eller konvektion. 10 15 20 25 30 53 'l ?24 I figur 6 visas en andra tillämpning av uppfinningen i form av fokuseringsoptik för höga effekter. Uppbyggnaden av fokuseringsoptiken sker även i detta fall medelst ett transparent rör l, företrädesvis av kvarts, som omges av ett icketransparent material 3, företrädesvis av metall. Mellan dessa båda komponenter ligger tätningar, t.ex. O-ringar 4, så att den inneslutna volymen 2 kan genomspolas med ett kylmedium, företrädesvis vatten. Linselementen 5 fästs i det transparenta röret med ett icke-absorberande material, företrädesvis UV-härdande optiskt lim, eller optisk epoxy 13. För att skydda optiken används ofta ett skyddsglas 17. Eftersom skyddsglaset exponeras mot omgivningen, kommer detta förr eller senare att få smutspartiklar 14 på sig. Dessa kommer att leda till att strålning från huvudstrålen 15 kommer att spridas mot smutspartiklarna, och denna strålning, vilken indikerats med pilen l6 kommer att värma upp optikhållaren. Likaledes kommer strålning som sprids från arbetsstycket 11 till viss del att träffa optikens linshållare, vilket indikeras med pilen 12 i figuren. Uppfinningen leder till att båda dessa former av spritt ljus absorberas i de yttre delarna av linshållaren, och leder inte till någon uppvärmning av optiken.

Som ovan nämnts kan linselementen 5 fästas i det transparenta röret med ett icke- absorberande, optiskt lim, eller liknande. En altemativ fastsätuiing av linsen kan vara att klämma fast den med distanser, som även dessa företrädesvis skall vara transparenta.

Distanserna kan antingen limmas eller klämmas fast via någon yttre enhet. Lämpligen utformas en av distansema något fjädrande för att undvika tryckspänningar i linsen.

Montering av linssystem sker på likartat sätt, antingen genom direkt limning på cylinderytan, eller alternativt med hjälp av distanser, eller en kombination av dessa.

De fördelar som uppnås med en design enligt figur 6 är: - Effektiv kylning av förlusteffekt.

- Minimala förändringar av optikprestanda på grund av termisk inverkan, eftersom anordningen säkerställer att de delar som är i kontakt med optiken inte absorberar någon strålning.

- Om de optiska komponenter som används består av kvarts, kan man med fördel använda kvarts i det transparenta röret. Den eventuella uppvärmning som komponenten kan få leder då till samma termiska utvidgning hos röret och optiken, varvid inga, eller endast minimala spänningar belastar optiken. 10 15 20 25 30 EáSfi 724 Eftersom kvartsröret kommer att anta kylvattnets temperatur, kommer optiken inte att värmas upp vare sig av värmestrålning eller konvektion.

Matematiskt kan man beräkna hur mycket effektivare kylningen blir genom att införa ett transmitterande material närmast de optiska komponenterna enligt uppfinningen, jämfört med traditionella hållare i värmeledande material. I figur 7 visas två olika geometrier A och B för en sådan järnfórande beräkning. I variant A består den inre delen 1 av ett metalliskt material som absorberar ströstrålning. Materialet antas ha en tjocklek t. Utanför detta finns ett kylmedium 2 som sedan omsluts av en yttre metallrnantel 3. I variant B består den inre delen 4 av ett transparent rör, som transmitterar strålningen in i volymen 5 som genomströmmas av kylmcdiet. Den yttre delen 6 absorberar strålningen som kyls direkt av kyimediet. Vi antar att kylvätskan är transparent.

I figurerna 8 och 9 visas temperaturfördelningen för de båda varianterna, varvid följande temperaturbeteckningar har använts för olika positioner: TO Kylvattnets medeltemperatur vid inloppet Tl Kylvattnets medeltemperatur vid utloppet Tz Temperaturen på innerrörets ytterdiarneter (version A) resp på ytterrörets innerdiameter (version B) vid kylvattnets inloppsända T; Temperaturen på innerrörets ytterdiaineter (version A) resp på ytterrörets innerdiameter (version B) vid kylvattnets utloppsända T4 Temperaturen på innerrörets innerdiameter vid kylvattnets inloppsända T5 Temperaturen på innerrörets innerdiameter vid kylvattnets utloppsända I variant B kommer förluststrålningen att ledas genom kylvätskan och absorberas i metallytan.

Vi antar att ingen effekt absorberas i vätskan samt att all effekt kyls av kylvätskan. I de fall vi har en viss absorption i kylvätskan kommer temperaturen T; och T; i version B att vara lägre.

Om vi i vårt beräkningsexempel räknar med följande indata (samma förutsättningar för de båda variantema) - Effektförlust SOOW - Optikdiameter 25 mm 5 10 15 20 25 30 - Längd 50 mm - Kylmedel: vatten 531 7211 - Kylkanalens tjocklek I mm - Inkommande vattentemperatur 20° C - Väggtjocklek (version A): 3 mm - Väggmaterial (version A): Rostfritt stål - Kylvattentemperatur (T0): 20° C så erhålles med dessa förutsättningar: ATvanen = 7° C ATwan = 22° C AT; = 20° C där ATvmn är skillnaden i kylvattnets temperatur vid inlopp och utlopp, - ATwan är skillnaden mellan ínnerväggens temperatur och vattnets medeltemperatur, och AT, är temperaturdifferensen mellan innerrörets ytter- och innerdiameter Beräkningarna ger då Följande temperaturfórdelning i de olika positionerna för de båda Version A Version B varianterna: To 20° C Ti 27° C T; 42° C T; 49° C T4 62° C T5 69° C 20° C 27° C 42° C 49° C 20° C 27° C Som framgår ligger temperaturerna T4 och TS i version B kvar på 20°C, resp. 27°C (ingen uppvärmning), medan version A, med metallisk, vârmeabsorberande, inre del fått en uppvärmning till 62°C resp. 69°C. Beräkningarna bekräfiar därmed att en effektivare kylning erhålls med version B som visar en anordning enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 531 F24 10 Uppfinningen är inte begränsad till de exempel som visas ovan utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Således inses att üppfinningen är tíllämpbar även på andra typer av optiska komponenter än de som visats i figirerna 5 och 6 ovan. I patentkraven anges hänvisningsbeteckningar inom parentes, vilka syflar på figurerna 4 -6.

Claims (17)

10 15 20 25 30 531 724 ll PATENTKRAV

1. Anordning för kylning av optiska komponenter baserade på fiberoptisk överföring av höga effekter, företrädesvis effekter som överstiger 100 W, innefattande ett eller flera hålrum (2) med ett strömmande kylmedium för bortkylning av optisk förlusteffekt, varvid ett transmitterande konstruktionsmaterial med låg värmeutviclgningskoefticient är anordnat i direkt anslutning till de optiska komponenterna (5, 6, 7, 8) och anordnat att leda in förluststrålning till det hålrum (2) som genomströmmas av kylmediet, k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (l) är utformat som ett transparent rör (1) varvid de optiska komponenterna (5, 6, 7, 8) är fasta i det transparenta röret (1) och att det strömmande kylmediet är transparent.

2. Anordning enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) omges av ett icketransparent material (3) med god absorption, företrädesvis metall, så att nämnda hålrum (2) bildas mellan dessa båda material.

3. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d a v att också det yttre, icketransparenta materialet (3) är rörformat, så att nämnda hålrum (2) för kylmediet bildas mellan de båda rörformade konstruktionsmaterialen.

4. Anordning enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c k n a d a v att tätningar i form av O-ringar (4) är anbringade mellan de båda rörformade konstruktionsmaterialen (1,3) för att innesluta den volym eller hålrum (2) som genomspolas av kylmediet.

5. Anordning enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (l) har en värmeutvidgningskoefficient som understiger 10 ppm/K.

6. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) är gjort av ett material med i huvudsak samma termiska egenskaper som i de optiska komponenterna (5, 6, 7, 8). 10 15 20 25 30 531 724 ll

7. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) är gjort av kvarts.

8. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) är gjort av safir.

9. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d a v att det transmitterande konstruktionsrnaterialet (l) är gjort av alurniniumoxidkeramik.

10. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att de optiska komponentema (5, 6, 7, 8) är monterade direkt på det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) medelst ett icke-absorberande material (13).

11. Anordning enligt patentkrav 10 k ä n n e t e c k n a d a v att de optiska komponentema (5, 6, 7, 8) är monterade direkt på det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) medelst ett UV-härdande optiskt lim eller optisk epoxy.

12. Anordning enligt patentkrav 10 k ä n n e t e c k n a d a v att de optiska komponentema (5, 6, 7, 8) är monterade direkt på det transmitterande konstruktionsmaterialet (1) medelst transparenta distanser eller liknande, anordnade att limmas eller klämmas fast direkt på det transmitterande konstruktionsmaterialet.

13. Anordning enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att det strömmande kylmediet utgöres av en extern, transparent vätska, företrädesvis vatten.

14. Anordning enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d a v att det strömmande kylmediet utgöres av en extern, transparent gas.

15. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att de optiska komponentema utgöres av en ñberkontakt innefattande en optisk ñber med kollirneringsoptik (8), varvid såväl den optiska fibern som kollimeringsoptiken är fästa i det transmitterande konstruktionsmaterialet (l). 10 531 724 Qs

16. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att de optiska komponenterna utgöres av en fokuseringsoptik för höga effekter innefattande ett linssystem (5) fór att fokusera en högeffektstråle (15) mot ett arbetsstyeke (ll), varvid linssystemet (5) är fast i det transmitterande konstruktionsmaterialet (1).

17. Anordning enligt patentkrav 16 k ä n n e t e c k n a d a v att linssystemet (5) är fast medelst direkt limning på cylinderytan, eller alternativt med hjälp av distanser, eller en kombination av båda.