ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ НА БОЛЬШОЕ РАССТОЯНИЕ Российский патент 2015 года по МПК G02B6/44 

Эта заявка является частично продолжающейся заявки №12/544136 на патент США, поданной 19 августа 2009 года, под названием “Method and apparatus for delivering high power laser energy over long distances”, по которой в соответствии с §119(е)(1) раздела 35 кодекса законов США испрашивается преимущество приоритета по дате подачи 17 октября 2008 года предварительной заявки №61/106472 на патент США под названием “Transmission of high optical power levels via optical fibers for applications such as rock drilling and power transmission”; а по этой заявке в соответствии с §119(е)(1) раздела 35 кодекса законов США испрашивается преимущество приоритета предварительной заявки №61/295562 на патент США, поданной 15 января 2010 года, под названием “Optical fiber cable for transmission of high power laser energy over great distances” и предварительной заявки №61/153271 на патент США, поданной 17 февраля 2009 года, под названием “Method and apparatus for an armored high power optical fiber for providing boreholes in the Earth”; полное раскрытие каждой из упомянутых выше обыкновенных и предварительных заявок на патенты включено в эту заявку путем ссылки.

Это изобретение было сделано при поддержке государства в рамках заказа DE-AR0000044, выданного управлением перспективных исследований в области энергетики (ARPA-E) Министерства энергетики. Государство имеет определенные права на это изобретение.

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкции и составу волоконно-оптических кабелей и лазерных систем с использованием таких кабелей, которые обеспечивают возможность передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, и эти расстояния и уровни передаваемой мощности ранее считались недостижимыми. Кроме того, настоящее изобретение относится к конструкции таких кабелей, выдерживающей суровые атмосферные условия. В частности, настоящее изобретение относится к уникальному и новому сочетанию оптического волокна и многослойной структуры для таких кабелей.

Используемый в этой заявке термин «энергия лазерного излучения высокой мощности» означает, за исключением случаев, когда указано иное, лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере около 5 кВт (киловатт). Используемый в этой заявке термин «большие расстояния» означает, за исключением случаев, когда указано иное, по меньшей мере около 500 м (метров). Используемые в этой заявке термины «значительная потеря мощности» и «значительные потери мощности» означают больше чем около 2,0 дБ/км (децибел/километр) на выбранной длине волны. Используемый в этой заявке термин «значительная передача мощности» означает передачу по меньшей мере около 50%.

Описание уровня техники

До настоящего изобретения считалось, что существует парадигма, заключающаяся в том, что передача энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности является недостижимой. Вследствие этого также считалось, что нет основания для конструирования или исследования структуры оптического волокна или волоконно-оптического кабеля, предназначенного для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния.

Потери мощности в оптическом волокне на больших расстояниях происходят по многим причинам, включая потери на поглощение, в частности потери на поглощение из-за гидроксильных ионов (ОН^-); рэлеевское рассеяние; бриллюэновское рассеяние; рамановское рассеяние; дефекты; включения и изгибные потери. Эти проблемы изложены в литературе.

Например, в 2006, Crystal Fiber White Paper, под названием “Towards 100 kW fiber laser system scaling up power in fiber lasers for beam combining”, на странице 4 указано, что в случае вынужденного бриллюэновского рассеяния (ВБР) «порог возрастает как квадрат диаметра модового поля (ДМП) сигнала и обратно пропорционально эффективной длине волокна. Следовательно, для повышения мощности желательно иметь больший размер сердцевины и меньшую длину волокна». В статье Corning, NIST-SOFM 2004, под названием “Stimulated Brillouin scattering: An overview of measurements, system impairments, and applications” на странице 1 указано, что «из рассеяний трех типов [рэлеевского, рамановского и бриллюэновского] вынужденное бриллюэновское рассеяние (ВБР) признается доминирующим для нелинейности оптического волокна». Далее в статье Corning на странице 3 указано, что «кривая выходной мощности … также показывает, что мощность сигнала снижается при повышении входной мощности сверх определенного предела. Этот вредный результат будет эффективно ограничивать выходную мощность сигнала, но будет продолжаться передача мощности для стоксова (отраженного) сигнала с помощью электрострикционного процесса, который лежит в основе явления вынужденного бриллюэновского рассеяния». При этом в статье Corning на странице 4 указано, что «вынужденное бриллюэновское рассеяние известно как сильно ограничивающее проектирование различных оптических систем передачи, усилителей и лазеров».

Эта воспринимаемая парадигма, выраженная в уровне техники, в соответствии с которой считается, что существует связь между длиной волокна и передаваемой мощностью, также показана в Muto et al., “Laser cutting for thick concrete by multi-pass techniques”, May 31, 2007, Vol.5, Supplement, pp.S39-S41, Chinese Optics Letters, при этом, хотя Muto установил, что мощность 4 кВт доставляется по волокну длиной 1 км, когда к волокну прикладывается мощность 5 кВт от лазера, однако Muto не смог исключить явление вынужденного рамановского рассеяния (ВРР). Как показано в статье Muto, это вредное явление эффективно ограничивает выходную мощность по мере увеличения длины или мощности. Явление вынужденного рамановского рассеяния наблюдается в спектре, который показан на фиг. 3 статьи Muto, в этом описании эта фигура представлена как фиг.2. На фиг.2 лазерный пучок показан в виде полосы 200 и вынужденное рамановское рассеяние показано в виде полосы 201. Таким образом, до настоящего изобретения считалось, что при увеличении входной мощности от лазера или длины волокна выходная мощность волокна не будет повышаться вследствие вынужденного бриллюэновского рассеяния, вынужденного рамановского рассеяния и других нелинейных явлений. В частности, при вынужденном бриллюэновском рассеянии выходная мощность передается по волокну обратно ко входу. Кроме того, вынужденное бриллюэновское рассеяние, вынужденное рамановское рассеяние, а также другие вредные нелинейные эффекты в дополнение к ограничению величины мощности, которую можно передавать на выход волокна, могут приводить к нагреву волокна и в конечном счете к повреждению. Поэтому, как признает Muto на странице S41, «установлено, что доставка мощности 10 кВт возможна по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм. Физическим явлением, которое ограничивает передаваемую мощность, является вынужденное рамановское рассеяние». Таким образом, Muto, как это до него делали другие, счел невозможным доставку энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния.

Настоящим изобретением эта парадигма длина-мощность разрушается и область доставки энергии лазерного излучения высокой мощности выводится за пределы этой парадигмы за счет создания системы с лазером и волоконно-оптическим кабелем, в которой исключаются эти и другие потери, вызываемые нелинейными эффектами, и которая обеспечивает передачу энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности.

Сущность изобретения

Желательно иметь волоконно-оптический кабель, который обеспечивает доставку энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния и без значительной потери мощности. Помимо всего прочего, настоящим изобретением удовлетворяется эта потребность путем создания изделий, описанных в этой заявке.

Поэтому в этой заявке предложен волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, кабель может иметь длину, которая больше чем около 0,5 км, больше чем 2 км, больше чем около 3 км или больше чем около 5 км; кабель представляет собой слоистую структуру, содержащую: сердцевину; оболочку; покрытие; первый защитный слой и второй защитный слой, кабель способен передавать энергию лазерного излучения, имеющую мощность выше чем или равную около 1 кВт, около 5 кВт или около 10 кВт, на протяжении длины кабеля при потере мощности меньше чем около 2 дБ/км, предпочтительно меньше чем около 1 дБ/км и более предпочтительно меньше чем около 0,3 дБ/км на выбранной длине волны. Кроме того, предложен такой волоконно-оптический кабель, по которому к инструменту или поверхности доставляется энергия лазерного излучения, имеющая спектр, который является по существу свободным от явления вынужденного рамановского рассеяния.

Предложена система для доставки энергии лазерного излучения высокой мощности к инструменту, при этом система имеет мощный лазер, имеющий мощность по меньшей мере около 1 кВт, по меньшей мере около 5 кВт или по меньшей мере около 10 кВт. Система имеет волоконно-оптический кабель, имеющий сердцевину; оболочку; покрытие и первый защитный слой. Система имеет инструмент. Кабель в системе имеет первый и второй концы и длину между первым и вторым концами; длина кабеля больше чем 0,5 км, больше чем около 1 км, больше чем около 2 км или больше чем около 3 км. Первый конец кабеля оптически связан или соединен с лазером, и второй конец кабеля связан инструментом, а предпочтительно оптически связан или соединен с ним. Лазерный пучок от по меньшей мере части лазера передается по кабелю и имеет мощность по меньшей мере около 1 кВт на первом конце кабеля, а потеря мощности лазерного пучка в кабеле от первого конца до второго конца на выбранной длине волны составляет меньше чем около 2 дБ/км и предпочтительно составляет меньше чем около 1 дБ/км, и более предпочтительно, составляет меньше чем около 0,5 дБ/км. Кроме того, предложен такой волоконно-оптический кабель, которым к инструменту или поверхности доставляется энергия лазерного излучения, имеющая спектр, в котором явление вынужденного рамановского спектра по существу отсутствует.

Предложена катушка волоконно-оптического кабеля для передачи энергии лазерного излучения на большие расстояния. Катушка имеет кабель, намотанный вокруг катушки, при этом кабель можно сматывать с катушки и наматывать на нее, и поэтому он является перематываемым. Кабель имеет длину больше чем около 0,5 км, около 1 км, около 2 км или около 3 км и содержит: сердцевину; оболочку; покрытие; первый защитный слой и второй защитный слой. По длине кабеля можно передавать энергию лазерного излучения высокой мощности при потере мощности меньше чем около 2 дБ/км, и более предпочтительно, меньшей мере около 1 дБ/км, и еще более предпочтительно, меньше чем около 0,5 дБ/км, и в еще большей степени предпочтительно, около 0,3 дБ/км. Для облегчения транспортировки кабеля грузовой машиной наружный диаметр намотанной катушки составляет меньше чем около 6 м.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг. 1А - поперечное сечение, необязательно в масштабе, структуры волоконно-оптического кабеля настоящего изобретения;

фиг.1В - продольное сечение волоконно-оптического кабеля из фиг.1А;

фиг.2 - вид спектра из предшествующего уровня техники с показом наличия явления вынужденного рамановского рассеяния;

фиг.3 - функциональная схема испытательной системы; и

фиг. 4-6 - спектры энергии лазерного излучения, передаваемой в соответствии с настоящим изобретением с показом отсутствия явления вынужденного рамановского рассеяния.

Описание чертежей и предпочтительных осуществлений

В общем настоящее изобретение относится к волоконно-оптическим структурам, предназначенным для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности. Это изобретение также относится к структуре волоконно-оптических кабелей и без ограничения к структуре таких кабелей, которые предназначены для использования в суровых атмосферных условиях.

Итак, на фиг. 1А и 1В представлен в целом волоконно-оптический кабель, имеющий сердцевину 1, оболочку 2, покрытие 3, первый защитный слой 4 и второй защитный слой 5. Хотя показанное на фигурах является концентрическим, понятно, что компоненты могут быть расположены со смещением от оси, со смещением от оси и без смещения от оси на различных местах и что сердцевина, сердцевина и оболочка, а также сердцевина, оболочка и покрытие могут быть длиннее или короче одного или нескольких защитных слоев.

Предпочтительно, чтобы сердцевина 1 была образована из плавленого кварца, имеющего содержание воды не больше чем 0,25 частей на миллион. Сердцевину можно образовать из других материалов, таких как материалы, раскрытые в заявке № 12/544136 на патент США, все раскрытие которой включено в эту заявку путем ссылки. Доступные материалы повышенной чистоты и материалы наивысшей чистоты являются предпочтительными для использования в сердцевине. Благодаря этим материалам повышенной чистоты минимизируются потери на рассеяние, обусловленные дефектами и включениями. Сердцевина имеет диаметр от около 200 до около 700 мкм, предпочтительно от около 500 до около 600 мкм и более предпочтительно около 600 мкм. Используемый в этой заявке термин «около» охватывает пределы плюс-минус 10%.

Предпочтительно, чтобы оболочка 2 была образована из легированного фтором плавленого кварца. Оболочку можно образовать из других материалов, таких как плавленый кварц, легированный ионами с изменяющимся показателем (германия), а также материалов, раскрытых в заявке № 12/544136 на патент США, раскрытие которой включено в эту заявку путем ссылки. В зависимости от используемой длины волны и диаметра сердцевины толщина оболочки составляет от около 50 мкм до около 250 мкм, предпочтительно от около 40 мкм до около 70 мкм и более предпочтительно около 60 мкм. Термин «толщина», используемый в этой заявке относительно многослойной структуры, означает расстояние между внутренним диаметром слоя и его внешним диаметром. Толщина оболочки зависит от размера сердцевины и предполагаемой длины волны и связана с ними. В общем случае при длине волны 1,1 мкм внешний диаметр оболочки должен быть равен 1,1 × внешний диаметр сердцевины или больше; а при длине волны 1,5 мкм внешний диаметр оболочки должен быть равен 1,5 × внешний диаметр сердцевины или больше. Хотя показана единственная оболочка, понятно, что можно использовать многочисленные оболочки.

Предпочтительно, чтобы покрытие 3 было образовано из высокотемпературного акрилатного полимера, для более высоких температур желательно иметь полиимидное покрытие. Покрытие может быть образовано из других материалов, таких как металл, а также материалов, раскрытых в заявке № 12/544136 на патент США, раскрытия которой включены в эту заявку путем ссылки. Толщина покрытия составляет от около 50 мкм до около 250 мкм, предпочтительно от около 40 мкм до около 150 мкм и более предпочтительно около 90 мкм. Толщина покрытия может быть даже больше для случая экстремальных сред, условий и специального применения или она может быть меньше для случая сред и применений, которые являются менее трудными. Можно специально приспосабливать защиту сердцевины и оболочки к конкретной среде и/или физическим опасностям, которые могут встречаться и/или предполагаться при конкретном использовании кабеля.

Первый защитный слой 4 и второй защитный слой 5 могут быть одинаковыми или они могут быть разными, или они могут быть единственным составным слоем, содержащим разные материалы. Предпочтительно, чтобы первый и второй защитные слои были из разных материалов.

Предпочтительно, чтобы первый защитный слой был тиксотропным гелем. В этом предпочтительном осуществлении этот слой прежде всего предотвращает потери на поглощение в волокне в результате действия гидроксильных ионов и вибрации. Тиксотропный гель предохраняет волокно от механического повреждения, обусловленного вибрациями, а также обеспечивает опору для волокна при подвешивании в вертикальном положении, поскольку его вязкость повышается, когда он является неподвижным. Для обеспечения удаления водорода палладиевую добавку можно добавлять к тиксотропному гелю. Водород, который диффундирует в волокно, может создавать проблему для сердцевин, легированных ионами германия или аналогичными ионами. При использовании сердцевины, легированной чистым кремнием, его влияние меньше. Первый защитный слой можно образовать из других материалов, таких как материалы, раскрытые в заявке № 12/544136 на патент США, все раскрытие которой включено в эту заявку путем ссылки. Толщину первого защитного слоя следует выбирать на основании среды и условий использования, а также необходимой гибкости и/или жесткости кабеля. Поэтому состав и толщину первого защитного слоя можно специально приспосабливать для защиты сердцевины, оболочки и покрытия от конкретной среды и/или физических опасностей, которые могут встречаться и/или предполагаться при конкретном использовании кабеля. Таким образом, использование предпочтительного тиксотропного геля обеспечивает двойную выгоду от добавления его при изготовлении кабеля, а также обеспечивает механическую защиту сердцевины по окончании изготовления кабеля.

Предпочтительно, чтобы второй защитный слой был стальной трубкой из нержавеющей стали, выполненной из нержавеющей стали 316. Предпочтительно, чтобы второй защитный слой придавал физическую прочность волокну на протяжении больших расстояний, а также обеспечивал защиту от физического повреждения и среды, в которой кабель может использоваться. Второй защитный слой можно образовать из других материалов, таких как материалы, раскрытые в заявке № 12/544136 на патент США, все раскрытие которой включено в эту заявку путем ссылки. Толщину второго защитного слоя следует выбирать на основании требований к использованию и среды, в которой кабель должен использоваться. Толщина также может зависеть от массы и прочности материала, из которого его выполняют. Таким образом, толщину и состав второго защитного слоя можно специально приспосабливать для защиты сердцевины, оболочки и покрытия от конкретной среды и/или физических опасностей, которые могут встречаться и/или предполагаться при конкретном использовании кабеля.

Волоконно-оптические кабели могут иметь длину больше чем около 0,5 км (километров), больше чем около 1 км, больше чем около 2 км, больше чем около 3 км, больше чем около 4 км или больше чем около 5 км. Предпочтительные волокна с использованием предпочтительных первого и второго защитных слоев могут выдерживать температуры до около 300°С, давления до около 3000 фунт/дюйм² (20,684 МПа) и максимальные 36000 фунт/дюйм² (248,2 МПа) и агрессивные среды на протяжении длины волокна без существенной потери мощности и в течение длительного периода времени. Волоконно-оптические кабели могут иметь потерю мощности на заданной длине волны меньше чем около 2,0 дБ/км, меньше чем около 1,5 дБ/км, меньше чем около 1,0 дБ/км, меньше чем около 0,5 дБ/км и меньше чем около 0,3 дБ/км. Волоконно-оптические кабели могут иметь передачу мощности по меньшей мере около 50%, по меньшей мере около 60%, по меньшей мере около 80% и по меньшей мере около 90%.

Гибкость и/или жесткость кабеля можно изменять, исходя из размера и типов материалов, которые используются в различных слоях кабеля. Поэтому в зависимости от применения может быть желательным более жесткий или более гибкий кабель. Предпочтительно, чтобы кабели имели достаточную гибкость и прочность для многократного наматывания на катушку или барабан, имеющий наружный диаметр не больше чем около 6 м, или сматывания с них. При такой величине наружного диаметра катушку можно транспортировать на грузовом автомобиле по дорогам общего пользования. Поэтому настоящее изобретение охватывает катушку или барабан, имеющий наружный диаметр меньше чем 6 м и содержащий от 0,5 м до 5 км волоконно-оптического кабеля настоящего изобретения; катушку или барабан, имеющий наружный диаметр меньше чем около 6 м и содержащий волоконно-оптический кабель настоящего изобретения длиной больше чем около 0,5 км (километров), больше чем около 1 км, больше чем около 2 км, больше чем около 3 км, больше чем около 4 км и больше чем около 5 км.

Мощный лазер любого типа можно применять в качестве источника энергии лазерного излучения при совместном использовании с волоконно-оптическими кабелями настоящего изобретения. Примеры таких лазеров раскрыты в заявке № 12/544136 на патент США, раскрытия которого включены в эту заявку путем ссылки. Состав и конструкцию волоконно-оптического кабеля, в частности состав сердцевины и оболочки, следует выбирать из условия оптимального снижения потери мощности для конкретного пучка, который генерируется лазером. Заявитель полагает, что лазеры, которые генерируют пучок, имеющий длину волны от около 800 нм до около 2000 нм, можно рассматривать как соответствующие требованиям, предъявляемым к потере мощности, то есть можно получать выгоду при использовании кабелей настоящего изобретения. Однако при длинах волн от около 1060 нм до около 1100 нм и от около 1470 нм до около 1600 нм получается более значительная потенциальная выгода. Мощные инфракрасные лазеры являются предпочтительными. В настоящее время при длинах волн около 1490 нм, около 1550 нм и около 1080 нм получаются еще более значительные потенциальные выгоды, и они являются предпочтительными. Кроме того, при широкополосных пучках в пределах этих диапазонов длин волн можно получать более значительные выгоды. Предпочтительно, чтобы лазер генерировал лазерный пучок в инфракрасном диапазоне длин волн, имеющий мощность по меньшей мере около 1 кВт, по меньшей мере около 3 кВт, по меньшей мере около 5 кВт, по меньшей мере около 10 кВт и по меньшей мере около 20 кВт или более высокую.

Примером такого предпочтительного лазера, предназначенного для использования совместно с волоконно-оптическими кабелями настоящего изобретения, является IPG 20000 YB (фирмы IPG). Подробно свойства этого лазера раскрыты в заявке № 12/544136 на патент США, раскрытия которого включены в эту заявку путем ссылки. Предпочтительный лазер состоит из 20 модулей. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания волоконного лазера составляет порядка 20 нм, ширина линии свободного осциллятора составляет 3 нм, полная ширина на половине максимума может быть в пределах от 3 нм до 5 нм (хотя предусматривается и предполагается более значительная ширина линии, включая 10 нм). Длина волны каждого модуля является несколько отличающейся. Кроме того, каждый из модулей создает многомодовый пучок. Поэтому кумулятивный эффект от объединения пучков модулей заключается в поддержании низких значений рамановского усиления и бриллюэновского усиления, соответствующих длинам волн и ширинам линий индивидуальных модулей, и при этом следовательно, последующего ослабления явлений вынужденного бриллюэновского рассеяния и вынужденного рамановского рассеяния в волокне, когда объединенные пучки передаются по волокну.

Испытательную систему из фиг.3 можно использовать для оценивания различных волокон настоящего изобретения. При этом в ней предусмотрены лазер 301, короткое, длиной меньше чем около 25 м волокно 302 для 300 мкм, соединяющее лазер с QBH-коннектором 303 (кварцевым кубическим), который соединяет волокно 302 с коллиматором 304. Коллиматор 304 коллимирует лазерный пучок, и пучок пропускается через 1/4%-ный элемент 305 отбора пучка. Из этой точки в системе пучок может быть направлен к 1/4%-ному элементу 306 отбора пучка, элементу 307 вывода пучка или коллиматору 308. Коллиматор 308 фокусирует пучок с образованием входного пучка для QBH-коннектора 309. Коллиматор 308 содержит фокусирующую линзу, теплоотвод и приемную часть коннектора для волокна. Коннектор 309 соединен с коллиматором 308. Коннектор 309 прикреплен к длинному испытуемому волокну 310. Длинное испытуемое волокно 310 имеет QBH-коннектор 311, который соединяет длинное испытуемое волокно 310 с коллиматором 312. Лазерный пучок из коллиматора 312 проходит на 1/4%-ный элемент 313 отбора пучка. Пучок от элемента 313 отбора пучка может проходить к измерителю 314 мощности или оптическому анализатору 315 спектра (ОАС). Оптический рефлектометр 316 временной области (ОРВО) передает и принимает синхронизированный лазерный пучок через элемент 316 отбора, направляя к элементу 305 отбора и далее по волокну 310. Оптический рефлектометр 316 временной области также можно использовать для тестирования волокна 310 отдельно от лазера 301. Лазерный пучок из лазера 301 проходит через элемент 306 отбора к 1/4%-ному элементу 317 отбора пучка и далее на оптический анализатор 315 спектра или на измеритель 318 мощности.

Пример 1

Волоконно-оптический кабель настоящего изобретения согласно примеру осуществления имел сердцевину из плавленого кварца диаметром около 600 мкм, оболочку из легированного фтором плавленого кварца, имевшую толщину 60 мкм, высокотемпературное покрытие из акрилата, имевшее толщину около 90 мкм, защитное покрытие из тиксотропного геля, имевшее толщину около 2500 мкм, и второе защитное покрытие из нержавеющей стали 316, имевшее наружный диаметр около 6250 мкм и длину около 2 км. Длина волоконной структуры, содержавшей сердцевину, оболочку и покрытие, была больше, чем длина защитного слоя из нержавеющей стали. Это различие в длине связано с несколько иным растяжением нержавеющей стали по сравнению с растяжением волоконной структуры при нахождении кабеля в подвешенном состоянии или под действием растягивающего напряжения, когда он протянут вниз по стволу скважины. Волокно имело числовую апертуру по меньшей мере около 0,14. По волокну из этого примера можно было передавать лазерный пучок от предпочтительного лазера (при длине волны 1080 нм) мощностью около 20 кВт (киловатт) на расстояние около 2 км при температурах до около 200°С и давлениях около 3000 фунт/дюйм² (20,684 МПа) при потере мощности меньше чем 1 дБ/км.

Пример 2

Волоконно-оптический кабель настоящего изобретения согласно примеру осуществления имел сердцевину из плавленого кварца диаметром около 500 мкм, оболочку из легированного фтором плавленого кварца, имевшую толщину 50 мкм, покрытие из акрилата, имевшее толщину около 60 мкм, и защитное покрытие из нержавеющей стали с наружным диаметром около 1/8 дюйма (3,175 мм) и длиной около 2 км. Волокно имело числовую апертуру 0,22. По волокну из этого примера передавали лазерный пучок от предпочтительного лазера (при длине волны 1080 нм) мощностью около 10 кВт (киловатт) на расстояние около 2 км при температурах до около 150°С и давлении окружающей среды при потере мощности меньше чем 0,8 дБ/км.

Пример 3

Волоконно-оптический кабель настоящего изобретения согласно примеру осуществления имел сердцевину из плавленого кварца диаметром около 600 мкм, оболочку из легированного фтором плавленого кварца, имевшую толщину 60 мкм, высокотемпературное покрытие из акрилата, имевшее толщину около 90 мкм, и защитное покрытие из нержавеющей стали с наружным диаметром около 1/8 дюйма (3,175 мм) и длиной около 0,5 км. Волокно имело числовую апертуру 0,17. По волокну из этого примера передавали лазерный пучок от предпочтительного лазера (при длине волны 1080 нм) мощностью около 10 кВт на расстояние около 0,5 км при температурах до около 2000°С и давлении окружающей среды при потере мощности меньше чем 1 дБ/км.

Пример 4

Предпочтительный лазер IPG 20000 YB работал с коэффициентом заполнения 10% при частоте повторения импульсов 1 кГц. В этом примере рабочие условия устанавливали такими, чтобы длительность импульсов поддерживалась большей, чем постоянная времени вынужденного бриллюэновского рассеяния. Поэтому отсутствие вынужденного бриллюэновского рассеяния было обусловлено волокном и лазером, а не длительностью импульсов. Лазерный пучок передавали по волокну длиной 2 км из примера 2, проходившего оценивание в испытательной системе на протяжении линий испытательной системы, показанной на фиг.3, и получали результаты, отраженные в таблице I, где значения максимальной вводимой мощности и максимальной выводимой мощности представлены в ваттах.

Таблица I Пиковая вводимая мощность Пиковая выводимая мощность Процент переданной мощности 924 452 48,9 1535 864 56,3 1563 844 54,0 1660 864 52,0 1818 970 53,3 1932 1045 54,1 2000 1100 55,0 2224 1153 51,8 2297 1216 52,9 2495 1250 50,1 2632 1329 50,5 2756 1421 51,6 3028 1592 52,6 3421 1816 53,1 3684 1987 53,9 3947 2105 53,3 4342 2263 52,1 4605 2382 51,7 4868 2487 51,1

Спектр для мощности 4868 Вт показан на фиг.4. Из спектра ясно видно отсутствие явления вынужденного рамановского рассеяния (используемые в этой заявке термины, такие как «отсутствие», «без» или «не содержащий» конкретного явления или эффекта, означает, что для всех практических задач явление или эффект не присутствует и/или не может наблюдаться обычным способом, используемым специалистом в данной области техники). Кроме того, линейная связь между подводимой (входной) и выходной мощностями подтверждает отсутствие явления вынужденного бриллюэновского рассеяния. Кроме того, при импульсной работе лазера с изменением длины волны вследствие формирования импульса с линейной частотной модуляцией может вноситься дополнительный вклад в подавление явлений вынужденного бриллюэновского рассеяния и вынужденного рамановского рассеяния, поскольку эффективно возрастает ширина спектральной линии лазера.

Пример 5

Предпочтительный лазер IPG 20000 YB приводили в действие для получения незатухающей волны. Как отражено ниже в таблице, использовали 1, 2, 4 и 6 модулей. Для каждой мощности лазер активизировали в продолжение около 2 мин и 15 с. Лазерный пучок передавали по волокну длиной 2 км из примера 2, проходившего оценивание в испытательной системе на протяжении линий испытательной системы, показанной на фиг.3, и получали результаты, отраженные в таблице II, где значения мощности лазера (входной мощности) и выходной мощности представлены в ваттах и пропускаемая мощность является синонимом пропускания.

Таблица II Один модуль Установка мощности лазера Мощность лазера Выходная мощность волокна 2 км Пропускаемая мощность   % Вт Вт     10 25 20 80%   11 70 52 74%   12 80 59 74%   13 90 66,5 74%   14 90 73,9 82%   15 110 81,5 74%   16 120 89,2 74%   17 130 96,5 74%   18 140 104,2 74%   19 150 111,2 74%   20 160 118,8 74%   21 170 126,2 74%   22 180 133,2 74%   23 190 140,5 74%   24 200 147,9 74%   25 210 155,2 74%   26 220 160,4 73%   27 230 167,2 73%   28 240 181 75%   29 260 177,7 68%   31 280 191,8 69%   33 300 206,7 69%   35 330 221,5 67%   37 350 236,4 68%   39 360 250,1 69%   41 390 263,3 68%           Один модуль           23 190 120 63%   35 330 215 65%   41 400 257 64%   45 430 288 67%   50 490 313 64%   55 540 352 65%   60 590 382 65%   65 640 411 64%   70 690 477 69%   75 750 493 66%   80 800 525 66%   85 850 565 66%   90 900 599 67%   95 950 625 66%   100 1000 647 65% Два модуля           50 990 655 66%   55 1100 709 64%   60 1200 820 68%   65 1310 855 65%   70 1410 940 67%   75 1510 1005 67%   80 1620 1060 65%   85 1730 1200 69%   90 1830 1220 67%   95 1930 1265 66%   100 2000 1340 67% Четыре модуля           50 1999 1310 66%   55 2200 1460 66%   60 2410 1588 66%   65 2630 1740 66%   70 2800 1852 66%   75 3040 2000 66%   80 3250 2130 66%   85 3460 2290 66%   90 3670 2430 66%   95 3870 2535 66%   100 4000 2675 67% Шесть модулей           65 4040 2665 66%   70 4350 2875 66%   75 4650 3100 67%   80 4930 3300 67%

Спектр четырех модулей при установленной 100%-ной мощности лазера показан на фиг.5. Из спектра ясно видно отсутствие явления вынужденного рамановского рассеяния. Кроме того, линейная связь входной и выходной мощностей подтверждает отсутствие явления вынужденного бриллюэновского рассеяния.

Пример 6

Предпочтительный лазер IPG 20000 YB приводили в действие для получения незатухающей волны. Использовали один модуль. При каждой мощности лазер активизировали в продолжение около 2 мин и 15 с. Лазерный пучок передавали по волокну длиной 0,5 км из примера 3, проходившего оценивание в испытательной системе на протяжении линий испытательной системы, показанной на фиг.3, и получали результаты, отраженные в таблицах III, IV, где значения мощности лазера (входной мощности) и выходной мощности представлены в ваттах и пропускаемая мощность является синонимом пропускания.

Таблица III Мощность на входе (Вт) Мощность на выходе (Вт) % пропускания 220 196 89,09% 440 380 86,36% 660 560 84,85% 880 740 84,09% 1000 840 84,00% 1000 860 86,00% 1000 880 88,00% 1000 850 85,00% 1000 850 85,00% 1000 850 85,00% 1000 850 85,00%

Таблица IV Число модулей % мощности лазера Мощность на входе (Вт) Мощность на выходе (Вт) % пропускания 1 30 270 253 93,70% 1 30 270 244 90,37% 1 35 320 300 93,75% 1 40 390 370 94,87% 1 45 430 390 90,70% 1 30 270 247 91,48% 5 15 580 520 89,66% 5 20 860 770 89,53% 5 25 1140 980 85,96% 5 30 1420 1230 86,62% 5 35 1700 1440 84,71% 5 40 1970 1700 86,29% 5 45 2250 1910 84,89% 5 50 2520 2150 85,32% 5 55 2790 2350 84,23% 5 60 3060 2600 84,97% 5 65 3320 2800 84,34% 5 70 3590 3000 83,57% 5 75 3850 3200 83,12% 5 80 4120 3500 84,95%

Пример 7

Предпочтительный лазер IPG 20000 YB приводили в действие для получения незатухающей волны. Как отражено ниже в таблице, использовали 2, 6, 8 и 10 модулей. При каждой мощности лазер активизировали в продолжение около 2 мин и 15 с. Лазерный пучок передавали по волокну длиной 2 км из примера 2, проходившего оценивание в испытательной системе на протяжении линий испытательной системы, показанной на фиг.3, и получали результаты, отраженные в таблице V, где значения мощности лазера (входной мощности) и выходной мощности представлены в ваттах и пропускаемая мощность является синонимом пропускания.

Таблица V Модули Установка мощности лазера Мощность лазера Выходная мощность Пропускание   % Вт Вт   Два модуля           10 50 39 78%   15 220 162 74%   20 330 243 74%   25 440 320 73%   30 550 420 76%   35 660 470 71%   40 770 550 71%   45 880 650 74%   50 990 700 71%   55 1100 770 70%   60 1200 850 71%   65 1310 940 72%   70 1420 990 70%   75 1510 1070 71%   80 1610 1130 70%   85 1720 1200 70%   90 1820 1290 71%   95 1930 1370 71%   100 2020 1420 70% Шесть модулей           10 150 130 87%   20 1040 710 68%   25 1380 940 68%   30 1720 1200 70%   35 2050 1420 69%   40 2390 1660 69%   45 2720 1900 70%   50 3050 2140 70%   55 3390 2350 69%   60 3710 2580 70%   65 4030 2810 70%   70 4350 3100 71%   75 4660 3200 69%   80 4980 3500 70%   85 5300 3700 70%   90 5620 3900 69%   95 5910 4100 69%   100 6210 4300 69% Восемь модулей           40 3200 2150 67%   45 3650 2400 66%   50 4090 2750 67%   55 4530 3100 68%   60 4970 3400 68%   65 5390 3700 69%   70 5820 4000 69%   75 6240 4300 69%   80 6650 4600 69%   85 7080 4900 69%   90 7500 5200 69%   95 7920 5400 68%   100 8280 5700 69% Десять модулей           10 280 202 72%   15 1190 860 72%   20 1750 1210 69%   25 2320 1610 69%   30 2880 1980 69%   35 3440 2380 69%   40 4000 2750 69%   45 4550 3100 68%   50 5100 3500 69%   55 5640 3900 69%   60 6170 4300 70%   65 6690 4600 69%   70 7220 5000 69%   75 7740 5300 68%   80 8270 5700 69%   85 8790 6000 68%   90 9300 6300 68%

На фиг.6 показан спектр для 10 модулей при выходной мощности 9300 Вт и 90%-ной установленной мощности лазера. Из спектра ясно видно отсутствие явления вынужденного рамановского рассеяния. Кроме того, линейная связь входной и выходной мощностей подтверждает отсутствие явления вынужденного бриллюэновского рассеяния.

Волоконно-оптические кабели настоящего изобретения найдут многочисленные и разнообразные применения, некоторые из которых уже реализуются. Например, волоконно-оптические кабели можно использовать, чтобы подводить энергию лазерного излучения для применения в хорошо известных лазерных инструментах, таких как инструменты лазерной сварки и резания. Их можно использовать, чтобы подводить энергию лазерного излучения для применения в только что разработанных и изобретенных лазерных инструментах, таких как лазерная компоновка нижней части бурильной колонны, предназначенная для проходки стволов скважин, см., например, заявку № 61/247796 на патент США, поданную 1 октября 2009 года под названием “Method of communicating power and/or data through a mud motor”, и заявку № 12/544038, поданную 19 августа 2009 года под названием “Apparatus for advancing a wellbore using high power laser energy”. Их можно использовать, чтобы подводить энергию лазерного излучения для применения в конструкции или трубопроводах. Кроме того, вследствие возможности создания волоконно-оптических кабелей настоящего изобретения из легких высокопрочных материалов и передачи высокой мощности на значительные расстояния их можно использовать при реконструкции и/или создании лазерных механических инструментов и оборудования, например, для проходки туннеля и бурения и удаления грунта. Кроме того, вследствие возможности создания кабелей настоящего изобретения из легких высокопрочных материалов и передачи высокой мощности на значительные расстояния имеется возможность использования их в любой известной области применения или о которой будет известно позднее, где эффективная передача энергии высокой мощности на значительные расстояния является необходимой, полезной и/или выгодной.

Кроме того, волоконно-оптические кабели настоящего изобретения можно вводить, включать в оборудование, или использовать в сочетании с оборудованием других трубчатых и/или проволочных типов, например, таким как гибкая труба, используемая в буровой отрасли, бурильная труба, используемая в буровой области, и кабели, используемые в спусковом, подъемном, удерживающем и соединительном оборудовании. Для конкретного применения волоконно-оптические кабели настоящего изобретения можно объединять в жгут, поэтому при конкретном применении можно использовать множество кабелей и их можно включать в или вкладывать в трубы, и/или связывать с трубами, такими как гибкая труба, бурильная труба, обсадная труба и стояк, используемые в буровой отрасли. Кроме того, волоконно-оптические кабели можно соединять друг с другом. Кроме того, единственный кабель можно соединять с несколькими кабелями или разветвлять, используя переключатели. Таким способом один мощный лазер можно использовать для снабжения энергией высокой мощности многочисленных инструментов, которые разнесены на большие расстояния.

Кроме того, хотя использование единичного отрезка волокна, то есть отрезка волокна, выполненного из цельного волокна, а не из ряда волокон, соединенных, сращенных или иным образом оптически присоединенных встык, является предпочтительным при передаче энергии на значительное расстояние, возможно использование многочисленных отрезков волокна, соединенных встык. Более того, несколько отрезков волоконно-оптического кабеля, или несколько отрезков структур сердцевины волокна, или комбинаций из них можно соединять с образованием множества таких структур, как жгут из волоконно-оптических кабелей, структуры сердцевины волокна или комбинации из них.

Таким образом, волоконно-оптические кабели настоящего изобретения можно использовать для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния к инструментам или машинам, таким как сварочные машины, режущие инструменты, машина для копки ям, землеройная машина и оборудование для удаления материала, и эта энергия лазерного излучения затем направляется такими инструментами или машинами на поверхность, материал или обрабатываемое изделие. Кроме того, оптические волокна настоящего изобретения можно использовать для передачи на большие расстояния рабочей энергии, например энергии для приведения в действие машины или устройства. По волоконно-оптическим кабелям настоящего изобретения можно передавать на большие расстояния энергию лазерного излучения высокой мощности для применений в неблагоприятных окружающих средах, например в шахтах, туннелях, буровых скважинах, на судостроительных верфях, заводах, ядерных объектах, в условиях повышенных температур, в условиях агрессивной среды, в условиях, вызывающих коррозию, и в подводных условиях.

На основании приведенного выше описания специалист в данной области техники может без труда установить существенные характеристики этого изобретения и без отступления от сущности и объема его может сделать различные изменения и/или модификации изобретения, чтобы приспособить его к различным применениям и условиям.

Изобретение относится к конструкции и составу волоконно-оптических кабелей и лазерных систем. Предложены система и устройство для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности. Кроме того, предложены системы и конфигурации волоконно-оптического кабеля и структуры оптического волокна, предназначенные для доставки энергии лазерного излучения на большие расстояния к инструменту или поверхности для приведения в действие или работы инструмента или выполнения операции на поверхности. Технический результат - исключение потерь, вызванных нелинейными эффектами, обеспечение передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил., 5 табл.

1. Волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, содержащий:
a. кабель, имеющий входной конец для приема энергии лазерного излучения и выходной конец доставки энергии лазерного излучения к инструменту или поверхности;
b. причем кабель имеет длину между входным концом и выходным концом, которая составляет по меньшей мере около 1 км;
c. причем кабель содержит: сердцевину; оболочку; покрытие; и защитный слой;
d. при этом сердцевина имеет диаметр по меньшей мере около 500 мкм;
e. входной конец кабеля выполнен с возможностью приема энергии лазерного излучения высокой мощности от лазера, имеющей мощность выше чем или равную около 5 кВт; и
f. выходной конец кабеля выполнен с возможностью доставки по меньшей мере около 7 0% принимаемой энергии лазерного излучения.

2. Кабель по п. 1, в котором длина составляет по меньшей мере около 2 км.

3. Кабель по п. 1, в котором сердцевина является более длинной, чем защитный слой.

4. Система для доставки энергии лазерного излучения высокой мощности к инструменту, при этом система содержит:
a. мощный лазер, имеющий мощность по меньшей мере около 1 кВт;
b. волоконно-оптический кабель, содержащий: сердцевину; первую оболочку; покрытие; и первый защитный слой;
c. инструмент;
d. при этом кабель имеет первый и второй концы и длину между первым и вторым концами;
e. при этом длина кабеля составляет более чем 2 км;
f. причем первый конец кабеля оптически связан с лазером, а второй конец кабеля оптически связан с инструментом;
g. при этом лазерный пучок передается по кабелю и имеет мощность по меньшей мере около 1 кВт на первом конце кабеля; и
h. при этом потеря мощности лазерного пучка в кабеле от первого конца до второго конца составляет меньше чем около 2 дБ/км.

5. Система по п. 4, в которой мощность лазерного пучка на первом конце выше чем или равна около 5 кВт.

6. Система по п. 4, в которой мощность лазерного пучка на первом конце выше чем или равна около 10 кВт.

7. Система по п. 4, в которой потеря мощности составляет меньше чем около 1 дБ/км.

8. Система по п. 4, в которой потеря мощности составляет меньше чем около 0,5 дБ/км.

9. Система по п. 4, в которой кабель содержит второй защитный слой.

10. Система по п. 4, в которой кабель содержит вторую оболочку.

11. Бухта волоконно-оптического кабеля для передачи энергии лазерного излучения на большие расстояния, содержащая:
a. кабель, содержащий: сердцевину; оболочку; покрытие; первый защитный слой и второй защитный слой;
b. при этом кабель имеет длину больше чем около 2 км;
c. при этом кабель способен передавать энергию лазерного излучения высокой мощности на протяжении своей длины при потере мощности меньше чем около 2 дБ/км;
d. кабель смотан в бухту; и
e. наружный диаметр смотанной бухты составляет меньше чем около 6 м.

12. Бухта по п. 11, причем бухта находится на катушке, при этом мощность энергии лазерного излучения высокой мощности выше чем или равна около 5 кВт, длина больше чем около 1 км, и потеря мощности меньше чем около 1 дБ/км.

13. Бухта по п. 11, в которой длина кабеля составляет больше чем около 2 км.

14. Бухта по п. 11, в которой длина кабеля составляет больше чем около 3 км.

15. Система для доставки энергии лазерного излучения высокой мощности к инструменту, при этом система содержит:
a. мощный лазер, имеющий мощность по меньшей мере около 5 кВт;
b. волоконно-оптический кабель, содержащий: сердцевину; оболочку; покрытие; и защитный слой;
c. инструмент;
d. при этом кабель имеет первый и второй концы и длину между первым и вторым концами;
e. причем длина кабеля составляет больше чем 2 км;
f. первый конец кабеля оптически связан с лазером, а второй конец кабеля оптически связан с инструментом;
g. лазерный пучок имеет длину волны в диапазоне от около 800 нм до около 2000 нм, передается по кабелю и имеет мощность по меньшей мере около 5 кВт на первом конце кабеля; и
h. потеря мощности лазерного пучка в кабеле от первого конца до второго конца составляет меньше чем около 0,8 дБ/км.

16. Система по п. 15, в которой потеря мощности составляет меньше чем около 0,3 дБ/км.

17. Волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, содержащий:
a. кабель, имеющий входной конец для приема энергии лазерного излучения и выходной конец доставки энергии лазерного излучения к инструменту или поверхности;
b. при этом кабель имеет длину между входным концом и выходным концом, которая составляет по меньшей мере около 1 км;
c. кабель содержит: сердцевину; оболочку; покрытие; и защитный слой;
d. при этом сердцевина кабеля имеет диаметр по меньшей мере около 300 мкм;
e. входной конец кабеля выполнен с возможностью приема энергии лазерного излучения высокой мощности от лазера, имеющего мощность выше чем или равную около 10 кВт; и
f. выходной конец кабеля выполнен с возможностью доставки от по меньшей мере около 70% принимаемой энергии лазерного излучения.