УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G02B6/04 H01S3/04 

Область техники, к которой относится техническое решение.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам передачи фотонного излучения высокой мощности через жгут волоконных световодов (оптоволоконных кабелей), предназначенных для использования в технологических лазерных системах высокой мощности, системах передачи мощного излучения, в частности в волоконных и полупроводниковых лазерах с передачей излучения через оптоволокна пучкового типа, диодных модулях с гибким оптическим выводом, лазерных модулях для многолучевой обработки высокой мощности.

Уровень техники.

Источники лазерного излучения с высокой выходной мощностью широко используются, например, при лазерной резке, лазерной сварке, лазерной закалке металлов и других видов лазерной обработки. Как правило, источник излучения (лазер) и объект воздействия разнесены на некоторое расстояние, а передача излучения осуществляется по оптическому волокну (световоду). Устройство вывода излучения из световода подвергается воздействию отраженного излучения и требует эффективного охлаждения, а также защиты от загрязнений торца волоконных световодов жгута.

Из уровня техники известен модуль передачи излучения с охлаждаемым волоконным выходом (патент GB №2450116, МПК G02B6/00, опубл. 17.12.2008), содержащий наклонный капилляр и устройство для снятия оболочки, в которых с целью снижения риска чрезмерного нагрева конца волокна и его расплавления при передаче относительно высокой оптической мощности, концевую часть оптического волокна зачищают от вторичного покрытия и помещают (насаживают или навинчивают) в отверстие капиллярной трубки, например, из стекла, показатель преломления которой, по меньшей мере, равен показателю преломления сердцевины волокна, сжимают сердцевину с первичной оболочкой и запаивают в капиллярную трубку из оптически прозрачного материала, а трубку вставляют с натягом в отверстие теплоотвода.

Устройство имеет следующие недостатки: невозможность использования для передачи высокой оптической мощности; невозможность передачи многолучевого излучения; ограниченный температурный диапазон применения.

Известно устройство для передачи светового излучения большой мощности (патент US №6078714, МПК G02B6/42, G02B6/38, опубл. 20.06.2000), которое содержит камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, оптоволоконный жгут с полированным торцом, собранный из световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью, по меньшей мере, двух фиксирующих элементов, один из которых обеспечивает плотную упаковку световодов на его приторцевой части, между соседними световодами имеются зазоры, образующие межволоконное пространство, камера разделена на, по меньшей мере, две области, сообщающиеся через межволоконное пространство, первая область ограничена оптическим и фиксирующим элементами, а остальные ограничены соседними фиксирующими элементами, первая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для подачи теплоносителя, вторая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для откачки теплоносителя.

Недостатки, присущие данной конструкции:

- нахождение приторцевого участка оптоволоконного пучка в потоке жидкого теплоносителя приводит к деградации излучающих торцов под действием загрязнений, содержащихся теплоносителе и образующихся в теплоносителе при эксплуатации, что приводит к снижению надежности;

- изгиб приторцевого участка и сжатие зажимом его в плотную упаковку уменьшает межволоконные пространства, соответственно, уменьшается проток теплоносителя в межволоконном пространстве, что привет к перегреву и снижению надежности устройства;

- циркуляция потока теплоносителя через общее межволоконное пространства концевого, приторцевого и торцевого участков пучка приводит к его быстрому загрязнению и деградации волокна по длине, затрудняет очистку его концевого участка, повышает трудоемкость технического обслуживания и ремонта;

- крепление волокон в фиксирующей пластине герметиком из эпоксидной смолы, нестойкой к воздействию мощного излучения, приводит к потере герметизации конструкции, не позволяющей обеспечить её надежное функционирование.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для передачи светового излучения большой мощности (патент RU № 2644448, МПК H01S3/042, G02B6/02, опубл. 12.02.2018), которое содержит заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, оптоволоконный жгут с полированным торцом, собранный из световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью, по меньшей мере, двух фиксирующих элементов, один из которых обеспечивает плотную упаковку световодов на его приторцевой части, между соседними световодами имеются зазоры, образующие межволоконное пространство. Камера разделена на, по меньшей мере, две области, сообщающиеся через межволоконное пространство, первая область ограничена оптическим и фиксирующим элементами, а остальные ограничены соседними фиксирующими элементами, первая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для подачи теплоносителя, вторая область снабжена установленным на стенке камеры штуцером для откачки теплоносителя. При этом оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры оптоволоконного жгута прямоугольного сечения, расположенную перпендикулярно оси оптоволоконного жгута, причем оптоволоконный жгут имеет плотную упаковку световодов на всей длине концевого участка.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:

- нахождение приторцевого участка оптоволоконного пучка в потоке жидкого теплоносителя приводит к деградации излучающих торцов под действием загрязнений содержащихся теплоносителе и образующихся в теплоносителе при эксплуатации, что приводит к снижению надежности;

- сжатие фиксирующим элементом приторцевого участка жгута в плотную упаковку уменьшает межволоконные пространства и приводит к перегреву и снижению надежности устройства;

- циркуляция потока теплоносителя через общее межволоконные пространства концевого, приторцевого и торцевого участков пучка приводит к его быстрому загрязнению и деградации волокна по длине, затрудняет очистку его концевого участка, повышает трудоемкость технического обслуживания и ремонта.

Раскрытие сущности изобретения.

Техническая проблема заключается в создании устройства передачи излучения высокой мощности, способного исключить недостатки, имеющиеся у известных устройств.

Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства за счет исключения контакта жидкого теплоносителя с излучающими торцами волноводов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи излучения высокой мощности, содержащем заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, жгут с полированным торцом, собранный из волоконных световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью двух фиксирующих элементов, между соседними световодами выполнены зазоры, образующие межволоконное пространство, камера разделена на две области, на стенках камеры установлены штуцер для подачи теплоносителя в первую область и штуцеры для откачки теплоносителя в каждой из областей, штуцеры расположены вдоль больших сторон камеры для обеспечения протока и перемешивания теплоносителя, оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры жгута прямоугольного сечения, расположенную перпендикулярно оси жгута, согласно решению, фиксирующие элементы выполнены в виде двух пластин, первая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания волоконных световодов жгута и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания концевых участков волоконных световодов на приторцевой части и расположена у стенки с прозрачным оптическим элементом, при этом первая область камеры герметично отделена от второй и имеет контур охлаждения, вторая область дополнительно содержит штуцер для подачи теплоносителя, причем первая область предназначена для газообразного теплоносителя, а вторая - для жидкостного теплоносителя.

Фиксирующие пластины выполнены из меди.

Фиксирующие пластины, с закрепленными в их отверстиях волоконными световодами, выполнены металлизированными.

Герметизация контуров камер выполнена путем гальванического осаждения меди.

В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или водные растворы спиртов.

В качестве газообразного теплоносителя используют инертные газы или азот, или очищенный воздух.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 – показана схема продольного сечения заявляемого устройства; на фиг. 2 – показан увеличенный фрагмент контура охлаждения.

Позициями на чертежах обозначено:

1 – жгут волоконных световодов;

2 – камера охлаждения;

3 – торцовая стенка камеры;

4 – концевой участок жгута волоконных световодов;

5 – приторцевой участок жгута волоконных световодов;

6 – передающие излучение торцы волоконных световодов;

7 – металлизированные волоконные световоды;

8 – первая фиксирующая пластина с отверстиями для крепления волоконных световодов концевого участка жгута;

9 – вторая фиксирующая пластина с отверстиями для крепления волоконных световодов приторцевого участка жгута;

10 – отверстия фиксирующих пластин 8 и 9;

11 – зазор между волоконными световодами;

12 – штуцер подачи теплоносителя в камеру;

13 – штуцер откачки теплоносителя из камеры;

14 – теплоноситель камеры охлаждения;

15 – рабочий контур камеры модуля;

16 – контур охлаждения камеры модуля;

17 – окно торцевой стенки.

Осуществление изобретения.

Устройство для передачи излучения высокой мощности (фиг. 1) содержит заполненную теплоносителем камеру 2, ограниченную с торца стенкой 3 с окном (прозрачным оптическим элементом) 17, жгут волоконных световодов 1 с полированным торцом, собранный из отдельных металлизированных волоконных световодов 7.

Концевой участок жгута волоконных световодов 4 с разделенными волоконными световодами имеет приторцевой участок 5, расположенный у стенки 3 с окном 17, причем передающие излучение торцы волоконных световодов 6 обращены к окну 17. Окно представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры жгута волоконных световодов, расположенную перпендикулярно оси жгута.

Концевой участок жгута волоконных световодов 4 закреплен внутри камеры 2 с помощью двух фиксирующих пластин, первая фиксирующая пластина 8 имеет отверстия 10 для крепления волоконных световодов и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина 9 имеет отверстия 10 для крепления волоконных световодов на приторцевой части и расположена у стенки 3 с окном 17.

В каждом из отверстий 10 первой фиксирующей пластины 8 герметично закреплены волоконные световоды концевого участка 4 жгута. В каждом из отверстий 10 второй фиксирующей пластины 9 закреплены волоконные световоды приторцевого участка 5 жгута так, что передающие излучение торцы волоконных световодов 6 расположены в её отверстиях 10 и обращены к окну 17, чем обеспечено их надежное крепление и при дальнейшей герметизации исключен контакт с жидкостным теплоносителем 14 из рабочего контура, что приводит к существенному увеличению надежности, так как исключено загрязнение передающих излучение торцов волоконных световодов 6 загрязнениями теплоносителя, в том числе возникающие при эксплуатации устройства.

На концевом участке жгута волоконные световоды закреплены между двумя фиксирующими пластинами 8 и 9 с образованием зазоров 11 обеспечивающих эффективное перемешивание жидкостного теплоносителя 14, чем обеспечен отвод тепла от волоконных световодов 7 и торцов фиксирующих пластин 8 и 9.

В конструкции устройства обе фиксирующие пластины 8 и 9 с закрепленными в отверстиях 10 волоконными световодами 7 концевого участка жгута металлизированы в сборе, в результате загерметизированы зазоры между волоконными световодами 7 и отверстиями 10 фиксирующих пластин 8 и 9, увеличена площадь теплоотвода, повышена жесткость конструкции и обеспечена герметизация контуров охлаждения камеры.

Вторая фиксирующая пластина 9 установлена в камере 2 на расстоянии от стенки 3 меньшем, чем первая фиксирующая пластина 8, тем самым разделяя камеру охлаждения 2 на две области, два не сообщающихся (изолированных) контура, первый из которых – охлаждающий контур 16, образованный между стенкой 3 и второй фиксирующей пластиной 9 с передающими излучение торцами 6 волоконных световодов и охлаждаемый газообразным теплоносителем (первая область), и второй - рабочий контур 15, образованный между фиксирующими пластинами 8 и 9, заполненный жидкостным теплоносителем 14, который протекая в контуре, охлаждает волоконные световоды 7 концевого участка жгута 1 и фиксирующую пластину 9 с торцами волоконных световодов (вторая область). В качестве жидкостного теплоносителя используют воду или водные растворы спиртов, а в качестве газообразного теплоносителя - инертные газы или азот, или очищенный воздух.

Фиксирующие пластины 8 и 9 целесообразно изготавливать из теплопроводящего конструктивного материала, например, медь, алюминий и сплавы на их основе, теплопроводящие композиты и т.д. с нанесением гальванического покрытий, препятствующих коррозии и имеющего коэффициент отражения на длине волны излучения, передаваемого устройством, более 0,95.

На стенках камеры установлены штуцеры для подачи 12 теплоносителя и штуцеры для откачки 13 теплоносителя. Штуцеры расположены вдоль больших сторон камеры для обеспечения протока теплоносителя с шириной зоны, превосходящей ширину жгута волоконных световодов. Поперечное сечение камеры представляет собой прямоугольник.

Устройство работает следующим образом.

При передаче мощного лазерного излучения через жгут волоконных световодов 1 необходимо его охлаждать, поэтому концевой участок жгута 4 с приторцовым участком 5 закреплены и помещены в охлаждающую среду. Для чего концевой участок 4 жгута установлен в камеру охлаждения 2, ограниченную с торца стенкой 3 с окном прозрачным для лазерного излучения, снабженную штуцерами подачи 12 и штуцерами откачки 13 теплоносителя 14 для принудительного охлаждения.

Теплоноситель 14 поступает в камеру охлаждения 2 через штуцеры 12 и выходит через штуцеры 13. Поток теплоносителя 14 в камере 2 проходит через зазоры 11, интенсивно охлаждая металлизированные разделенные волоконные световоды 7 и торцы фиксирующих пластин 8 и 9. Основной напор потока теплоносителя 14 направлен на торец второй фиксирующей пластины 9. Передающие излучение торцы волоконных световодов 6, не имея прямого контакта с теплоносителем 14, охлаждаются через вторую фиксирующую пластину 9.

Вторая фиксирующая пластина 9 установлена в камере 2 на расстоянии от стенки 3 с окном меньшем, чем первая фиксирующая пластина 8 (фиг. 2), сформированы два не сообщающихся контура: охлаждающий контур 16 с передающими излучение торцами 6 волоконных световодов между стенкой 3 с окном и фиксирующей пластиной 9 и рабочий контур 15 между фиксирующими пластинами 8 и 9 с разделенными металлизированными волоконными световодами 7.

При охлаждении поток теплоносителя 14 напрямую охлаждает рабочий контур 15 с разделенными волоконными световодами 7 и через фиксирующую пластину 9 охлаждает передающие излучение торцы волоконных световодов 6.

В устройстве использован жгут из волоконных световодов с кварцевой сердцевиной ОВ-МГ01-2 ГОСТ 26793-85 диаметром 870 + 20 мкм и медной защитной оболочкой диаметром 980 + 20 мкм.

Камера охлаждения выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ5632-2014 в виде сборной конструкции, имеющей с торцевой стороны стенку с окном прозрачным для лазерного излучения, а также с приваренными штуцерами для подачи и откачки теплоносителя (например, воды). Габаритные размеры камеры - 125×75×40 мм. В качестве окна применена прозрачная пластина с полированными поверхностями из кварца.

В медных фиксирующих пластинах размером 12х8х1 (мм) выполнены отверстия диаметром 1 мм и шагом 1,5 мм друг относительно друга для крепления волоконных световодов. После установки волоконных световодов в отверстия, собранную конструкцию погружают в гальваническую ванну с раствором и проводят процесс гальванического осаждения меди до полной герметизации отверстий с волоконными световодами. Данная технология подходит для пластин различной формы, с разным количеством отверстий различного диаметра и расположения торцов волоконных световодов в фиксирующих пластинах 8 и 9.

Перед установкой в камеру проводят шлифование и полирование торца второй фиксирующей пластины собранной конструкции. Далее собранную конструкцию устанавливают в камеру таким образом, чтобы торцы волоконных световодов были направлены в сторону стенки с окном.

Откачивают воздух из контура охлаждения (или заполняют инертным газом) и подают теплоноситель в рабочий контур, устройство подготовлено к эксплуатации.

Расположение передающих излучение торцов волоконных световодов в отверстиях фиксирующей пластины со стороны стенки с окном обеспечивает их надежное крепление в отверстиях и исключает контакт с жидкостным теплоносителем из рабочей камеры, что исключает загрязнения торцов оптических волокон загрязнениями, содержащимися в жидкостном теплоносителе, и обеспечивает высокую надежность конструкции.

Фиксирующие пластины с отверстиями, в каждом из которых герметично закреплено волокно приторцевого участка жгута, позволяют создать зазоры между волоконными световодами жгута, по которым проходит теплоноситель и обеспечивает высокоэффективный отвод тепла от волоконных световодов, а отвод тепла от передающих излучение торцов волоконных световодов происходит через вторую фиксирующую пластину, которая со стороны рабочего контура охлаждается потоком теплоносителя.

Герметизацию волоконных световодов в отверстиях целесообразно проводить методом гальванического осаждения, что исключает нагрев и деградацию оптических волокон.

Фиксирующие пластины могут быть выполнены любой формы с разным количеством отверстий различного диаметра и взаимного расположения отверстий в пластине.

Итак, создано устройство, в котором охлаждение оптических волокон протоком жидкостного теплоносителя осуществляется в рабочем контуре, образованном первой и второй фиксирующими пластинами, а газообразным теплоносителем в контуре охлаждения, образованного между второй фиксирующей пластиной и стенкой с окном.

Устройство для передачи излучения высокой мощности содержит заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачной плоскопараллельной пластиной, жгут с полированным торцом из волоконных световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью двух фиксирующих элементов. Камера разделена на две области, на стенках камеры установлены штуцеры для подачи и откачки теплоносителя в каждой из областей. Фиксирующие элементы выполнены в виде двух пластин. Первая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания световодов и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания концевых участков световодов на приторцевой части и расположена у стенки с плоскопараллельной пластиной. Первая область камеры герметично отделена от второй и имеет контур охлаждения. Первая область предназначена для газообразного теплоносителя, а вторая - для жидкостного теплоносителя. Технический результат - повышение надежности работы за счет исключения контакта жидкого теплоносителя с излучающими торцами волоконных световодов. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для передачи излучения высокой мощности, содержащее заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, жгут с полированным торцом, собранный из волоконных световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью двух фиксирующих элементов, между соседними световодами выполнены зазоры, образующие межволоконное пространство, камера разделена на две области, на стенках камеры установлены штуцер для подачи теплоносителя в первую область и штуцеры для откачки теплоносителя в каждой из областей, штуцеры расположены вдоль больших сторон камеры для обеспечения протока и перемешивания теплоносителя, оптический элемент представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы, размеры которой по высоте и ширине превосходят соответствующие размеры жгута прямоугольного сечения, расположенную перпендикулярно оси жгута, отличающееся тем, что фиксирующие элементы выполнены в виде двух пластин, первая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания волоконных световодов жгута и расположена у стенки входа жгута в камеру, вторая фиксирующая пластина имеет отверстия для удержания концевых участков волоконных световодов на приторцевой части и расположена у стенки с прозрачным оптическим элементом, при этом первая область камеры герметично отделена от второй и имеет контур охлаждения, вторая область дополнительно содержит штуцер для подачи теплоносителя, причем первая область предназначена для газообразного теплоносителя, а вторая - для жидкостного теплоносителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фиксирующие пластины выполнены из меди.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фиксирующие пластины, с закрепленными в их отверстиях волоконными световодами, выполнены металлизированными.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что герметизация контуров камер выполнена путем гальванического осаждения меди.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкостного теплоносителя используют воду или водные растворы спиртов.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве газообразного теплоносителя используют инертные газы или азот, или очищенный воздух.