專利名稱：用于中小功率激光傳輸的傳能光纜的制作方法
技術領域：
本發明屬于光傳輸技術領域，具體說，涉及一種用于中小功率激光傳輸的傳能光纜。
背景技術：
隨著激光技術的發展，大功率、中小功率激光在工業加工、武器裝備和醫療器械等方面的應用越來越弓I人注目。大功率、中小功率激光的傳輸問題是大功率、中小功率激光應用方面的關鍵問題之一。傳能光纜是解決這一問題的主要途徑。目前，現有的傳能光纜最大可以傳輸平均功率在千瓦量級的激光。這樣大功率的激光在傳能光纜中的光纖芯中傳輸時會產生很高的熱量，有可能損壞傳能光纜并造成安全事故。中小功率激光(例如，平均功率在I千瓦以下)在傳能光纜中傳輸時，隨著工作時間的增加，也會在其中積累起很高的熱量，因此也存在有效散熱的問題。例如，德國Trumpf公司的LLK-B傳能光纜對光纜的纖芯包層進行磨砂處理，使得未耦合到纖芯內的光在傳輸到包層-空氣界面時散射到空氣中，從而避免了被光纜中的涂覆層吸收而引起溫度升高以至燒壞光纜。但由于纖芯包層的表面積較小，因而光散射并不充分。另外，美國專利No. 5497442公開了一種用于傳輸大功率激光的傳能光纜的纜芯結構,其中，使用包在纖芯外的金屬層構成該光纜的工作狀況監測電路。但目前多采用化學鍍的方法在纖芯外形成金屬層，此類方法制作工藝復雜并且具有化學污染，不利于降低成本和保護環境。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，該傳能光纜不僅結構簡單、成本低、使用安全，而且能夠充分散熱以保證該傳能光纜長時間連續地傳輸中小功率的激光。為了實現上述目的，本發明提供一種用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，該傳能光纜包括一段傳能光纖，該段傳能光纖的一端嵌入與激光器出射端耦合的第一傳能光纖接頭中，該段傳能光纖的另一端嵌入第二傳能光纖接頭中，該段傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍包有金屬套。所述第一傳能光纖接頭包括金屬管；密封地固定在該金屬管的一端端口中的透明玻璃端帽；密封地固定在該金屬管的另一端端口中的金屬板；緊密地環繞所述金屬管的外壁設置的散熱片；以及設置在所述金屬管外壁中的溫度傳感器。同時，所述傳能光纖的所述一端沿著所述金屬管的軸線穿過所述金屬板延伸，該一端的端面與所述透明玻璃端帽耦合，所述傳能光纖的所述一端的位于所述透明玻璃端帽和所述金屬板之間的部分緊密地套有光散射管。另外，所述溫度傳感器和/或包在所述傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍的所述金屬套連接到控制器上，使得當所述溫度傳感器所探測的溫度的值大于第一預定閾值或當所述金屬套的電阻大于第二預定閾值時，所述控制器切斷所述激光器的輸出。優選地，所述透明玻璃端帽的與所述激光器出射端耦合的一端的端面可以鍍有防反射膜，所述透明玻璃端帽的與所述傳能光纖耦合的一端的側表面可以進行磨砂處理。優選地，在所述第一傳能光纖接頭中的所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側還可以設置有玻璃板，該玻璃板與所述金屬板可以緊密接觸并且該玻璃板的與所述金屬板緊密接觸的表面可以進行磨砂處理。優選地，所述光散射管可以由玻璃管制成，該光散射管可以通過粘合劑與所述傳能光纖的包層粘合，并且該光散射管的外壁可以進行磨砂處理。優選地，所述金屬管的內壁和/或所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側的表面上可以覆蓋有用于吸收一個或多個波長范圍內的光的光吸收材料。所述光吸收材料可以包括一層或多層光吸收材料。另外，優選地，包在所述傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍的所述金屬套可以包括套在所述傳能光纖上的第一金屬套和套在所述第一金屬套上的第二金屬套，并且所述第一金屬套和所述第二金屬套之間可以填充有電絕緣材料，所述第二金屬套·與所述第一傳能光纖接頭的所述金屬管的所述另一端可以固定連接。再者，優選地，所述第二傳能光纖接頭的結構可以與所述第一傳能光纖接頭的結構相同，并且所述第二傳能光纖接頭和所述傳能光纖的所述另一端的結合方式可以與所述第一傳能光纖接頭和所述傳能光纖的所述一端的結合方式相同。進一步優選地，所述第二傳能光纖接頭上的溫度傳感器可以連接到所述控制器上，使得當該溫度傳感器所探測的溫度大于第三預定閾值時，該控制器可以切斷所述激光器的輸出。如上所述，在本發明所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜中，采用光散射管增大纖芯包層的散射體積或面積并對透明玻璃端帽的側表面、纖芯包層的外表面和光散射管的外表面進行磨砂處理增大未耦合進纖芯的激光的散射，從而使這些光不會聚集于一點而產生高溫；采用玻璃板/金屬板將該傳能光纜的耦合端與光傳輸段隔開，使得所述耦合端中的未耦合進纖芯的激光不會照射在光傳輸段的光纜上；通過在所述金屬管的內壁和/或所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側的表面上覆蓋用于吸收一個或多個波長范圍內的光的光吸收材料，增強光能的轉換效率；使用金屬管和散熱片使得未耦合進纖芯的激光所產生的熱量盡快傳導出去并散發到外部空氣中；利用溫度傳感器、包在所述傳能光纖的兩端之外的光傳輸段部分的周圍的金屬套以及控制器構成溫度監視單元，以保證當傳能光纜中的溫度太高時切斷激光器的輸出，從而保證了該傳能光纜的安全使用。
圖I是本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜的光耦合端和光傳輸段的結構的剖視圖；圖2是圖I中的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜的光耦合端的結構放大圖；以及圖3是本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜中的傳能光纖和光散射管的結構示意圖。
具體實施例方式下面將參考附圖來描述本發明所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜的實施例。本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用于限制權利要求的保護范圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，并且相同的附圖標記表示相同的部分。本發明所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜包括一段傳能光纖，該段傳能光纖的一端嵌入與激光器出射端耦合的第一傳能光纖接頭中，從而構成該傳能光纜的光耦合端，該段傳能光纖的另一端嵌入第二傳能光纖接頭中，從而形成該傳能光纜的光輸出端，該段傳能光纖的所述兩端之外的部分的周圍包有金屬套，構成了該傳能光纜的光傳輸段部分。圖I是剖視圖，示出了本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜的光耦合端和光傳輸段的結構，其中，所述一段傳能光纖10的一端與第一傳能光纖接頭20結合起來構成傳能光纜100的光耦合端。圖I中的傳能光纜100的光耦合端之外的部分是光傳輸段部分，該光傳輸段部分由傳能光纖10和包在傳能光纖10上的一層或多層由絕緣介質彼此隔開的金屬套30構成，而傳能光纖10的另一端與所述第二傳能光纖接頭結合起來構成的傳能光纜100的光輸出端在圖I中未示出。圖2是圖I中的傳能光纜100的光耦合端的結構放大圖，其中為了簡潔起見，在圖2中未示出圖I中的散熱片、溫度傳感器、以及·連接導線(后面將描述)，另外，為了清楚起見，圖2中的透明玻璃端帽的尺寸比例被夸大了。圖3是圖I中的傳能光纜100中的傳能光纖10和光散射管的結構示意圖。如圖I所示，本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜100包括傳能光纖10、第一傳能光纖接頭20、由絕緣介質彼此隔開的金屬套30、以及第二傳能光纖接頭(未不出)。參看圖2和圖3,傳能光纖10包括纖芯11和包層12,包層的外表面12a可以經過磨砂處理。在本發明所述的傳能光纜100的光耦合端的傳能光纖10(即，位于后面要描述的透明玻璃端帽和金屬板之間的光纖部分)的包層12的外表面設置光散射管13，光散射管13可以通過玻璃管(例如石英管)制成，其折射率大于或近似等于光纖10的包層12的折射率，其外表面13a經過磨砂處理。光散射管13與傳能光纖10的包層12可以通過粘合劑14粘結在一起。再參看圖I和圖2，傳能光纖10的一端所嵌入的第一傳能光纖接頭20包括金屬管21、密封地固定在該金屬管21的一端端口中的透明玻璃端帽22、密封地固定該金屬管的另一端端口中的金屬板23、緊密地環繞金屬管21的外壁設置的散熱片27、以及設置在金屬管21外壁中的溫度傳感器28。傳能光纖10的所述一端沿著金屬管21的軸線穿過金屬板23并在玻璃導管24內部延伸，該端的端面與透明玻璃端帽22耦合。另外，如上所述，在傳能光纖10的該端的位于透明玻璃端帽22和金屬板23之間的部分緊密地套有光散射管13。在上面所述的第一傳能光纖接頭20中，根據本發明的一些實施例，金屬管21和金屬板23可以由例如銅、鋁或不銹鋼等金屬或金屬合金制成。根據本發明的一些實施例，透明玻璃端帽22可以是石英端帽，它可以通過粘合劑22a密封地固定在金屬管21的一端的端口中。透明玻璃端帽22的一端的端面22b可以鍍有防反射膜，該端面22b與激光器的出射端(未示出)耦合。透明玻璃端帽22的另一端的端面22c可以與傳能光纖10的所述一端的端面耦合，該端的側表面22d可以進行磨砂處理。當激光器射出的激光束照射在透明玻璃端帽22的端面22b上時，由于該端面22b上鍍有防反射膜，因此該激光束就無反射或反射率非常低地進入透明玻璃端帽22中。如圖2所示，有些激光束A照射到傳能光纖10的纖芯11上并且其入射角符合傳能光纖10的數值孔徑，因此，這些激光束A就耦合進傳能光纖10中，在纖芯11和包層12的界面處發生全反射，從而向前傳輸。有些激光束B也照射到傳能光纖10的纖芯11上，但其入射角不符合傳能光纖10的數值孔徑，因此進入光纖10中的激光束B有一部分在纖芯11和包層12的界面上折射進入包層12中。有些激光束C則直接照射到包層12上，進入到包層12中傳輸。由于包層12外面的光散射管13的折射率大于或近似等于光纖10包層12的折射率，所以在包層12中傳輸的激光束B和C會在經磨砂處理過的包層12的外表面12a處散射進入到光散射管13中，然后再在光散射管13的經磨砂處理過的外表面13a處散射進入玻璃導管24中。這樣，由于纖芯包層12的外表面12a和光散射管13的外表面13b進行了磨砂處理，因而大大增大了未耦合進纖芯的激光的散射，使這部分光不會聚集于一點而產生高溫。另 夕卜，有些激光束D的光路偏離中心線，照射到透明玻璃端帽22的圓錐形側表面22d上，由于側表面22d經過了磨砂處理，因此可以將激光束D散射出去。無論是從傳能光纖10中散射出來的光，還是從透明玻璃端帽22的側表面22d散射出來的光最終都將直接被金屬管21以及金屬板23吸收并轉化為熱量。根據本發明的一些實施例，第一傳能光纖接頭20中的金屬板23的面對透明玻璃端帽22的一側還可以設置有玻璃板23a，該玻璃板23a與金屬板23緊密接觸，并且該玻璃板23a的與金屬板23緊密接觸的表面進行了磨砂處理。這樣可以對有可能從激光器直接射到金屬板23上的光束進行散射，以防止損壞金屬板23，從而防止損壞金屬板23后面的光纜。為了提高這些散射光的吸收效率，以便盡快將光能以熱能的形式發散出去，在本發明的一些實施例中，在金屬板23的面對透明玻璃端帽22的一側的壁以及金屬管21的內壁上覆蓋用于吸收一個或多個波長范圍內的光的光吸收材料，其中，該光吸收材料可以包含一層或多層光吸收材料。金屬管21和金屬板23吸收散射光后所產生的熱量可以通過散熱片27散發很快出去。在本發明的一個實施例中，如圖I所示，散熱片27包括緊貼在金屬管21外壁上的基部27a和固定在基部27a上且彼此隔開的多個葉片27b。散熱片可以采用高導熱性材料(例如銅、硅膠等)來制成。再參看圖1，為了使本發明所述的傳能光纜能夠安全地使用，在一個方面，在本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜100的第一傳能光纜接頭20的金屬管21的管壁上還設置有一個或多個溫度傳感器28，用于監視金屬管21的溫度。溫度傳感器28與控制器連接，使得由于激光功率太大或工作時間太長或由于激光器與傳能光纜耦合不佳導致激光泄漏而使溫度傳感器28的所探測到的溫度的值大于第一預定閾值時，所述控制器就切斷所述激光器的輸出。在圖I中,傳能光纜100的光稱合端之外的部分是光傳輸段部分,該光傳輸段部分由傳能光纖10和包在傳能光纖10上的金屬套30構成。該金屬套30可以只包含套在傳能光纖10上的第一金屬套31，也可以如圖I所示的那樣包含第一金屬套31和通過絕緣介質32與第一金屬套31隔開的第二金屬套33,其中第二金屬套33與第一傳能光纖接頭20的金屬管21的所述另一端固定連接。優選地，第二金屬套33是繞制成的金屬蛇管。為了使本發明所述的傳能光纜能夠安全地使用，在另一個方面，套在本發明的一個實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜100的光傳輸段的傳能光纖10上的第一金屬套31的兩端連接到所述控制器上。如果在該光傳輸段傳輸的激光的功率太大，以至于燒壞第一金屬套31,那么該第一金屬套31的所述兩端之間電阻就會變大。當第一金屬套31的所述兩端之間的電阻大于第二預定閾值時，所述控制器就會切斷激光器的輸出。
盡管在圖I-圖3中沒有示出，本發明的一個實施例所述的傳能光纜100的與其光耦合端相對的另一端是光輸出端，該光輸出端是傳能光纖10的與其耦合到透明玻璃端帽22的一端相對的另一端嵌入第二傳能光纖接頭中形成的。在本發明的一個實施例中，該第二傳能光纖接頭的結構可以與第一傳能光纖接頭20的結構相同，并且該第二傳能光纖接頭和傳能光纖10的所述另一端的結合方式可以與第一傳能光纖接頭20和傳能光纖10的與透明玻璃端帽22 f禹合的一端的結合方式相同。換言之,在本發明的一個實施例中,用于中小功率激光傳輸的傳能光纜100可以具有首尾對稱的結構。所述第二傳能光纖接頭上的溫度傳感器連接到所述控制器上，使得當該溫度傳感器所探測到的溫度的值大于第三預定閾值時，該控制器切斷所述激光器的輸出。在使用過程中，從傳能光纜100輸出的激光照射在目標物上，此時，會有一定數量的反射光返回傳能光纜100，從而使傳能光纜100的光輸出端的溫度升高。因此，傳能光纜100的光輸出端的透明玻璃端帽的不需鍍防反射膜。另夕卜，也可以根據情況設計該透明玻璃端帽的光出射面形狀，使得從目標物反射回來的光不容易耦合進傳能光纜100的所述光輸出端中。當然，根據不同的應用，根據反射光的強弱，還可以采用結構更加簡單的第二傳能光纖接頭，例如，只是將傳能光纖的光輸出端密封在玻璃帽內以減少周圍灰塵對光纖端面污染的第二傳能光纖接頭。應該注意，本發明的所述實施例中的第一傳能光纖接頭上的溫度傳感器、第二傳能光纖接頭上的溫度傳感器、以及傳能光纜的光傳輸段的金屬套(或者第一金屬套)的兩端可以直接或通過功能電路(例如，放大器、信號轉換器、比較器、觸發器等)間接地連接到所述控制器中，從而實現溫度的監測和控制。包括上述溫度傳感器、光傳輸段金屬套、控制器以及其它功能電氣裝置以實現本發明所述的溫度監控功能的電路的結構是本領域中的技術人員很容易構思的，并且可以具有多種變型，這里就不對其進行詳細的描述了。需要說明的是，如圖I所示，與所述溫度傳感器28相連的導線28a以及與所述光傳輸段金屬套31相連的導線31a可以通過嵌入例如金屬管21的管壁上的導線槽中或埋入所述光傳輸段的絕緣層32中來走線。很顯然，其它的走線方式也是可能的。如上所述，本發明的實施例所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜所采用的結構使激光在傳能光纜中盡可能少地產生熱量，并且即使激光在傳能光纜中產生了熱量，也可以使熱量盡快散發掉，另外，一旦激光產生的熱量正在或將要損壞光纜時就使傳能光纜停止工作。這樣，本發明所述的傳能光纜不僅可以傳輸中小功率的激光，而且在使用過程中安全可靠。另外，本發明所述傳能光纜的結構緊湊簡單，降低了制造成本。如上參照附圖以示例的方式描述了本發明所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜。但是，本領域技術人員應當理解，對于上述本發明所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，還可以在不脫離本發明內容的基礎上做出各種改進。因此，本發明的保護范圍應當由所附的權利要求書的內容確定。
權利要求
1.一種用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，包括一段傳能光纖，該段傳能光纖的一端嵌入與激光器出射端耦合的第一傳能光纖接頭中，該段傳能光纖的另一端嵌入第二傳能光纖接頭中，該段傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍包有金屬套，所述第一傳能光纖接頭包括 金屬管； 密封地固定在該金屬管的一端端口中的透明玻璃端帽； 密封地固定在該金屬管的另一端端口中的金屬板； 緊密地環繞所述金屬管的外壁設置的散熱片；以及 設置在所述金屬管外壁中的溫度傳感器， 其中，所述傳能光纖的所述一端沿著所述金屬管的軸線穿過所述金屬板延伸，該一端的端面與所述透明玻璃端帽耦合，所述傳能光纖的所述一端的位于所述透明玻璃端帽和所述金屬板之間的部分緊密地套有光散射管， 所述溫度傳感器和/或包在所述傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍的所述金屬套連接到控制器上，使得當所述溫度傳感器所探測的溫度的值大于第一預定閾值或當所述金屬套的電阻大于第二預定閾值時，所述控制器切斷所述激光器的輸出。
2.根據權利要求I所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，其中，所述透明玻璃端帽的與所述激光器出射端耦合的一端的端面鍍有防反射膜，所述透明玻璃端帽的與所述傳能光纖耦合的一端的側表面進行了磨砂處理。
3.根據權利要求I所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，其中，在所述第一傳能光纖接頭中的所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側還設置有玻璃板，該玻璃板與所述金屬板緊密接觸并且該玻璃板的與所述金屬板緊密接觸的表面進行了磨砂處理。
4.根據權利要求I所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，其中，所述光散射管由玻璃管制成，該光散射管通過粘合劑與所述傳能光纖的包層粘合，并且該光散射管的外壁進行了磨砂處理。
5.根據權利要求I所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，其中，所述金屬管的內壁和/或所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側的表面上覆蓋有用于吸收一個或多個波長范圍內的光的光吸收材料。
6.根據權利要求3所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜,其中,所述金屬管的內壁和/或所述金屬板的面對所述透明玻璃端帽的一側的表面上覆蓋有用于吸收一個或多個波長范圍內的光的光吸收材料。
7.根據權利要求5或6所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜,其中,所述光吸收材料包括一層或多層光吸收材料。
8.根據權利要求1-6中的任一權利要求所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜,其中，包在所述傳能光纖的所述兩端之外的光傳輸段部分的周圍的所述金屬套包括套在所述傳能光纖上的第一金屬套和套在所述第一金屬套上的第二金屬套，并且所述第一金屬套和所述第二金屬套之間填充有電絕緣材料，所述第二金屬套與所述第一傳能光纖接頭的所述金屬管的所述另一端固定連接。
9.根據權利要求1-6中的任一權利要求所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜,其中，所述第二傳能光纖接頭的結構與所述第一傳能光纖接頭的結構相同，并且所述第二傳能光纖接頭和所述傳能光纖的所述另一端的結合方式與所述第一傳能光纖接頭和所述傳能光纖的所述一端的結合方式相同。
10.根據權利要求9所述的用于中小功率激光傳輸的傳能光纜,其中,所述第二傳能光纖接頭上的溫度傳感器連接到所述控制器上，使得當該溫度傳感器所探測的溫度大于第三預定閾值時，該控制器切斷所述激光器的輸出。
全文摘要
提供一種用于中小功率激光傳輸的傳能光纜，其包括傳能光纖，該光纖的一端嵌入第一傳能光纖接頭，其另一端嵌入第二傳能光纖接頭，其光傳輸段部分包有金屬套。第一傳能光纖接頭包括金屬管、分別密封該金屬管兩端的透明玻璃端帽和金屬板、環繞金屬管外壁的散熱片以及設置在金屬管外壁中的溫度傳感器。傳能光纖的一端沿著金屬管軸線穿過金屬板延伸并與透明玻璃端帽耦合。溫度傳感器和/或包在光纖的光傳輸段部分的金屬套連接到控制器上，使得當溫度傳感器所探測到的溫度值大于第一預定閾值或當所述金屬套的電阻大于第二預定閾值時，控制器切斷激光器的輸出。
文檔編號G02B6/44GK102902029SQ20111021530
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者王智勇, 史元魁, 譚祺瑞, 許并社, 陳玉士, 曹銀花, 王有順 申請人:山西飛虹激光科技有限公司, 北京工業大學