ES2895177T3

ES2895177T3 - Montaje optoelectrónico y método para separar longitudes de onda de luz

Info

Publication number: ES2895177T3
Application number: ES18786324T
Authority: ES
Inventors: Simon Aleryd; Stuart Campbell; Olof Sallhammar
Original assignee: Optoskand AB
Current assignee: Optoskand AB
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: WO2019076766A1; KR20200070253A; SE1751284A1; KR102510949B1; SE541966C2; US10996411B2; EP3698187A1; EP3698187B1; CN111226151B; CN111226151A; JP2020537758A; US20200292758A1; JP7348167B2

Abstract

Un montaje óptico (100) que comprende: una primera fibra óptica (101) que propaga la luz en una dirección (P) predeterminada hacia un extremo (110) de entrada del montaje óptico (100), teniendo dicha fibra óptica un núcleo y un revestimiento; un disipador (111) de calor que rodea la fibra óptica (101) en el extremo (110) de entrada; y una lente (120) que tiene un eje óptico primario (X1) y dispuesta después del disipador (111) de calor en la dirección de propagación (P); y en donde el montaje óptico (100) comprende además un filtro (130) dispuesto después de la lente (120) en la dirección de propagación, en donde el filtro (130) tiene una superficie reflectante (131) dispuesta para transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas y para reflejar una o más longitudes de onda no deseadas de vuelta a través de la lente (120), caracterizado por que la lente (120) está dispuesta para reenfocar la luz reflejada fuera del núcleo de la primera fibra óptica, de tal forma que la energía de la luz reflejada sea absorbida por el disipador (111) de calor.

Description

DESCRIPCIÓN

Montaje optoelectrónico y método para separar longitudes de onda de luz

Campo técnico

La invención se refiere a un método y medios para separar longitudes de onda de luz deseadas y no deseadas de una fuente láser en aplicaciones industriales láser. La separación de longitudes de onda se realiza en un montaje de fibra óptica que incluye una fibra óptica para transmitir alta energía óptica, específicamente energía que excede 1 kW, y en donde la radiación óptica que cae fuera del núcleo de la fibra se absorbe al menos parcialmente en un refrigerante que fluye.

Antecedentes de la invención

En aplicaciones de fibra óptica para transmitir energía óptica alta es deseable evitar que los cables de fibra óptica, en particular, los componentes tales como los conectores de fibra, puedan dañarse debido a la radiación incidente que cae fuera del núcleo de la fibra, o debido a la radiación que se refleja de vuelta a los conectores de fibra. Anteriormente se sabe que los métodos se cuidan de tal pérdida de energía. Específicamente, se conoce previamente que tal radiación incidente se ha absorbido en un refrigerante que fluye.

Los cables de fibra óptica para transmitir energía óptica alta se usan, frecuentemente, en aplicaciones industriales. Específicamente, se usan en operaciones de corte y soldadura por medio de radiación láser de alta energía, pero también en otras aplicaciones industriales tales como operaciones de calentamiento, detección o de trabajo en entornos de alta temperatura este tipo de cables de fibra óptica pueden usarse. Por medio de las fibras ópticas es posible construir sistemas de fabricación flexibles para transmitir radiación de la fuente láser de alta energía a la pieza de trabajo. Normalmente, una fibra óptica tiene un núcleo de vidrio y un revestimiento circundante. La función del revestimiento es mantener el haz óptico confinado al núcleo. Las fuentes de láser que pueden utilizarse en este contexto pueden tener una energía de salida media de hasta varios kilovatios.

Puede haber longitudes de onda emitidas no deseadas de luz desde una fuente láser que necesita filtrarse. Tal luz puede ser luz de bomba excesiva, luz no convertida de procesos no lineales o luz de un proceso de orden superior.

Un láser industrial moderno típico se bombea con luz de longitud de onda corta y emite luz láser de longitud de onda más larga. En la mayoría de los casos solo interesa la luz láser de longitud de onda más larga. La longitud de onda más corta puede afectar negativamente el equipo de detección o los procesos fuera del láser. Por ejemplo; un láser industrial de fibra puede bombearse con luz a una longitud de onda de -980 nm y puede emitir luz láser a una longitud de onda de -1070 nm.

Los láseres de pulso corto comúnmente se duplican o triplican en frecuencia. Puesto que este proceso es algo ineficiente, permanece una cierta cantidad de la longitud de onda primaria. Por ejemplo; un láser nanosegundo Nd: YAG (granate de itrio aluminio dopado con neodimio) que opera a 1064 nm puede duplicarse en frecuencia a 532 nm mediante el uso de un cristal no lineal.

En casos donde la luz es guiada con intensidades altas, es decir, con alta energía combinada con volumen bajo, puede generarse espontáneamente luz de longitudes de onda diferentes. Por ejemplo; un láser de modo único de múltiples kW que opera a -1070 nm puede generar la denominada luz Raman a longitudes de onda más largas.

En dispositivos de fibra óptica tales como amplificadores de fibra para pulsos intensos, la dispersión Raman puede ser perjudicial: puede transferir gran parte de la energía de pulso en un rango de longitud de onda donde no se produce amplificación láser. Este efecto puede limitar la energía máxima alcanzable con tales dispositivos. Incluso en láseres y amplificadores de fibra de alta energía de onda continua, la dispersión Raman puede ser un problema. Sin embargo, existen varios tipos de soluciones para tales problemas, que incluyen la amplificación de pulso de sierra y el uso de diseños especiales de fibras que suprimen la dispersión de Raman al atenuar el componente de longitud de onda desplazada de Raman.

Otro método para separar luz de longitudes de onda diferentes es usar un espejo dicroico como filtro. Un espejo dicroico puede reflejar una longitud de onda específica o longitudes de onda específicas y mientras una longitud de onda o longitudes de onda deseadas se transmiten a través del espejo dicroico. El ángulo de reflexión para el espejo dicroico se especifica durante el diseño del espejo junto con las longitudes de onda para transmitir/reflejar. El espejo es un revestimiento dieléctrico multicapa depositado sobre un sustrato adecuado, preferiblemente un sustrato de vidrio tal como silicio fundido o cuarzo fundido. Las capas alternantes de revestimientos ópticos con diferentes índices de refracción se acumulan sobre el sustrato mediante el uso de, por ejemplo, deposición al vacío. Las interfaces entre las capas de índice de refracción diferente producen reflexiones escalonadas, reforzando selectivamente ciertas longitudes de onda de luz e interfiriendo con otras longitudes de onda. Al controlar el espesor y el número de las capas, la frecuencia (longitud de onda) de la banda de paso del filtro puede ajustarse y hacerse tan ancha o estrecha según se desee. Existen límites físicos a cuán cerca pueden estar las longitudes de onda transmitidas y reflejadas entre sí. Además, dependiendo de qué longitudes de onda son de interés, existen límites para el ángulo en que puede reflejarse la luz. Los métodos conocidos implican colocar un espejo dicroico a 45° con respecto al eje óptico de la luz incidente. Debido a que las longitudes de onda no deseadas se reflejan en lugar de absorberse, los filtros dicroicos no absorben la energía no deseada durante la operación y no se calentarán hasta el mismo grado que los filtros convencionales equivalentes.

Un problema con la inclinación de un filtro en un ángulo tan grande es que la luz reflejada se dirige hacia fuera de un conector de fibra o un dispositivo similar y hacia un enfriador o absorbedor adicional. Esta solución añade tanto coste como complejidad. También es difícil, si no imposible, diseñar un filtro con este ángulo de incidencia relativamente alto puesto que las longitudes de onda deseadas y no deseadas están frecuentemente cerca una de la otra. Por tanto, otros problemas con esta solución se relacionan con una eficiencia reducida del filtro y la incapacidad para separar longitudes de onda a menos que las longitudes de onda deseadas y no deseadas se eliminen lo suficientemente lejos una de la otra.

El objetivo de la presente invención es proporcionar una forma mejorada de separar la luz de diferentes longitudes de onda que superen los problemas anteriores. En US-2017/0214208 A1 se describe un montaje óptico de la técnica anterior.

Invención

Los problemas anteriores se han resuelto mediante un dispositivo optoelectrónico y un método según las reivindicaciones adjuntas.

En el texto subsiguiente, la expresión “fibra óptica” pretende describir una fibra óptica que comprende al menos un núcleo y un revestimiento. Una fibra óptica tiene típicamente un núcleo de cuarzo interior de vidrio y una capa circundante transparente, un denominado revestimiento, que tiene un índice de refracción menor que el núcleo. La función del revestimiento es mantener el haz óptico confinado al núcleo. El núcleo y revestimiento pueden cubrirse con capas amortiguadoras y de camisa protectoras. Como ejemplo, una fibra óptica puede comprender un núcleo interior hecho de, por ejemplo, un vidrio de cuarzo, para propagar la radiación. El revestimiento circundante puede elaborarse de, por ejemplo, vidrio o un polímero que tiene un índice de refracción adecuado. El revestimiento puede comprender una o más capas y el objeto del revestimiento es “ bloquear” ópticamente la radiación en el núcleo. Fuera del revestimiento hay una o más camisas protectoras para hacer que la fibra óptica sea más estable mecánicamente. Estas capas se denominan frecuentemente capas “ amortiguadoras” o “de camisa” y pueden comprender, por ejemplo, una capa polimérica, tal como poliuretano o PVC.

La expresión “dirección de propagación” se usa para indicar la dirección en la cual la luz se transmite a través del montaje óptico desde la fuente hasta un proceso industrial. La luz transmitida en la dirección de propagación se denominará “ luz incidente” . La luz transmitida en la dirección opuesta se denominará “ luz reflejada” y puede generarse mediante un proceso industrial tal como soldadura o corte láser.

A diferencia de los sistemas de fibra óptica de energía relativamente baja usados para aplicaciones de comunicaciones (< 1 W), una aplicación de “ alta energía” como se menciona en este texto se usa comúnmente para aplicaciones industriales. Los sistemas ópticos de fibra descritos en este contexto están diseñados para manejar alta energía, de un kilovatio (kW) a 20 kW o más de energía de salida de onda continua. Para aplicaciones de alta energía, la energía a longitudes de onda no deseadas puede ser tan alta que sea necesario el enfriamiento activo del montaje para absorberla con el fin de evitar daños al componente.

Según una modalidad preferida, la invención se refiere a un montaje óptico que comprende una primera fibra óptica que propaga luz en una dirección predeterminada hacia un extremo de entrada del montaje óptico. Una segunda fibra óptica se dispone para propagar luz coherente fuera de un extremo de salida del montaje. La fibra óptica comprende al menos un núcleo y un revestimiento. El montaje óptico comprende además un disipador de calor que rodea la fibra óptica en el extremo de entrada del montaje, una lente dispuesta después del disipador de calor en la dirección de propagación y una lente de reenfoque después de la lente en la dirección de propagación. La lente es preferiblemente, pero no necesariamente, una lente colimadora. Según la invención, el montaje óptico comprende además un filtro dispuesto entre la lente y la lente de reenfoque. El filtro tiene una superficie reflectante dispuesta para transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas y para reflejar una o más longitudes de onda no deseadas. Las longitudes de onda no deseadas se reflejan de vuelta a la lente, lo que reenfoca la luz reflejada hacia el disipador de calor.

Una forma de separar la luz de longitudes de onda diferentes es usar un espejo dicroico como filtro. Un espejo dicroico es un revestimiento dieléctrico multicapa depositado sobre un sustrato adecuado. El sustrato puede comprender silicio fundido, cuarzo fundido o un material adecuado similar. Los ejemplos subsiguientes describen espejos dicroicos que reflejarán completamente una o varias longitudes de onda no deseadas mientras transmiten una o varias longitudes de onda deseadas. Sin embargo, es posible además diseñar un espejo dicroico con un revestimiento que reflejará solo parcialmente una o varias longitudes de onda particulares. El ángulo de reflexión se especifica durante el diseño del espejo junto con las longitudes de onda para transmitir/reflejar la aplicación específica. Deben considerarse tales factores, ya que existen límites físicos a cuán cerca pueden estar las longitudes de onda transmitidas y reflejadas entre sí.

Dependiendo de qué longitudes de onda son de interés, existen límites para el ángulo en que puede reflejarse la luz. La invención evita este problema al seleccionar un ángulo relativamente pequeño para hacer uso completo de las propiedades del espejo dicroico. Según un ejemplo, el filtro puede disponerse para filtrar luz/longitudes de onda Raman.

El filtro es preferiblemente plano y se dispone en un ángulo con respecto a un plano en ángulos rectos con respecto al eje óptico primario. Así, el filtro reflejará la luz de vuelta hacia y a través de la lente en ángulo con el eje óptico de la luz transmitida. El eje óptico de la luz incidente desde la lente se denominará eje óptico primario. Para hacer uso completo de las propiedades del espejo dicroico se selecciona un ángulo relativamente pequeño. El ángulo puede seleccionarse dependiendo de factores tales como la distancia entre la lente y el filtro, las dimensiones exteriores de la lente o el diámetro del haz de la luz incidente y/o donde se desee reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor. La luz reflejada reenfocada está dirigida a un casquete de extremo que enfocará la luz sobre el extremo del disipador de calor fuera del núcleo de la fibra para permitir la remoción de energía.

En montajes ópticos que transmiten más de un kW de energía, los conectores de fibra se proporcionan comúnmente con un casquete de extremo cilíndrico fabricado de vidrio de cuarzo. El casquete de extremo tiene un diámetro mayor que el núcleo de la fibra y se empalma a la fibra óptica. De esta forma, la luz láser se enfoca normalmente sobre el núcleo fibroso a través de la superficie de extremo de la tapa de cuarzo, donde, a la misma energía láser, la densidad de energía es significativamente menor. Cuando, por ejemplo, la energía láser de acoplamiento de NA0,1 en una fibra de 200 micrones, un casquete de extremo de 10 mm de largo cambia la densidad de energía en la superficie por un factor de 100. Similarmente, la luz transmitida a través de la fibra divergirá a medida que pasa hacia el montaje óptico a través del casquete de extremo. En el ejemplo actual, sin embargo, la luz reflejada es enfocada nuevamente por la lente de forma que la luz que pasa a través del casquete de extremo no llegue al núcleo de la fibra.

Alternativamente, el casquete de extremo puede ser opcional. En este caso el extremo de la fibra sería independiente, extendiéndose una distancia predeterminada en el montaje óptico en el lugar donde se ubicaría normalmente el casquete de extremo. Detrás de este lugar la fibra puede mantenerse en una parte mecánica, tal como un bloque en V o una abrazadera radial. Alternativamente la fibra puede pegarse en posición en un canal perforado a través del extremo del intercambiador de calor.

Según este ejemplo, el filtro puede disponerse para filtrar la luz Raman incluso si las longitudes de onda están relativamente cerca entre sí, p. ej., menos de 100 nm de separación. La lente y el filtro pueden disponerse también para reenfocar la luz reflejada hacia un lado de la fibra, fuera del núcleo de la primera fibra óptica. De este modo la lente se dispone para reenfocar la luz reflejada en el revestimiento de la primera fibra óptica o en el revestimiento y directamente sobre el extremo del disipador de calor. Esto permite seleccionar un ángulo incluso menor. En el disipador de calor, la energía de la luz reflejada puede absorberse y retirarse del montaje óptico. Similarmente, el calor generado por la luz dirigida al revestimiento puede ser absorbido además por el disipador de calor. Para evitar que se forme un punto caliente debido a la exposición constante a la luz reflejada reenfocada, el filtro puede montarse alternativamente en un soporte rotativo. Al rotar el filtro a una velocidad constante o variable, la energía de la luz reflejada puede distribuirse sobre un área más grande del disipador de calor y proporcionar una distribución de temperatura más uniforme. La superficie reflectante del filtro puede ser una superficie circular plana dispuesta en un ángulo seleccionado con respecto a un plano en ángulos rectos con respecto al eje óptico primario de la luz incidente desde la lente. En este caso, las dimensiones de la lente deben seleccionarse lo suficientemente grandes para evitar que cualquier porción de la luz reflejada pase fuera de la lente.

Alternativamente, el filtro no es plano y está dispuesto para reflejar la luz de vuelta hacia y a través de la lente a lo largo de un eje óptico secundario en un ángulo con el eje óptico primario de la luz transmitida. La luz reflejada seguirá el eje óptico secundario y será reenfocada por la lente. El ángulo puede seleccionarse dependiendo de factores tales como la distancia entre la lente y el filtro, las dimensiones exteriores de la lente y/o donde se desee reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor. En este ejemplo, la superficie reflectante del filtro puede ser una superficie circular cóncava o convexa con un eje óptico secundario dispuesto en un ángulo seleccionado con respecto al eje óptico de la luz incidente desde la lente en el extremo de entrada del montaje. El radio de la superficie cóncava o convexa se selecciona para asegurar que ninguna porción de la luz reflejada pase fuera de la lente, o golpee su estructura de soporte. El radio de dicha superficie no plana debe ser relativamente grande, preferiblemente superior a 10 m, para asegurar que solo se reflejen las longitudes de onda deseadas. El punto central del radio se ubicará en este eje óptico secundario. Puesto que la superficie reflectante es cóncava, la luz reflejada se reenfocará dentro del casquete de extremo inmediatamente delante de la superficie de extremo del disipador de calor. En este caso, el casquete de extremo está en contacto directo con el refrigerante dentro del disipador de calor, de forma que cualquier calor generado dentro del casquete de extremo pueda retirarse eficazmente por el refrigerante que fluye. Como se ha indicado anteriormente, el filtro puede también rotarse para proporcionar una distribución de temperatura más uniforme.

Según un ejemplo, el disipador de calor puede ser un intercambiador de calor activo enfriado por fluido suministrado con un medio refrigerante de flujo adecuado. Esta disposición proporciona un enfriamiento eficaz del montaje óptico cuando absorbe la una o más longitudes de onda no deseadas. Según un primer ejemplo, el disipador de calor es un intercambiador de calor enfriado por gas. Según un segundo ejemplo, el disipador de calor es un intercambiador de calor enfriado por líquido. El líquido puede ser agua o un líquido similar adecuado.

El montaje óptico puede proporcionarse con un casquete de extremo transparente adyacente a su extremo de entrada. Según un ejemplo preferido, la primera fibra óptica termina en contacto óptico con el casquete de extremo transparente, cuyo casquete de extremo se ubica adyacente al disipador de calor después del disipador de calor en la dirección de propagación. El casquete de extremo puede montarse adyacente al disipador de calor, ya sea con una separación adecuada o conectarse, directa o indirectamente, al disipador de calor. El casquete de extremo puede fabricarse de vidrio, que comprende cuarzo o sílice, o de un material transparente adecuado similar.

La invención se refiere además a un método para separar longitudes de onda de luz en un montaje óptico. Como se ha indicado anteriormente, el montaje óptico comprende una primera luz que propaga la fibra óptica en una dirección predeterminada hacia un extremo de entrada del montaje y una segunda luz que propaga la fibra óptica fuera de un extremo de salida del montaje óptico, teniendo dicha fibra óptica un núcleo y un revestimiento. Un disipador de calor se dispone alrededor de la fibra óptica en el extremo de entrada del montaje. El montaje óptico comprende además una lente dispuesta después del disipador de calor en la dirección de propagación y una lente de reenfoque después de la lente en la dirección de propagación. El método implica realizar las etapas de:

- transmitir luz desde una fuente de luz láser hacia el montaje óptico;

- transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas a través de la lente a través de un filtro dispuesto entre la lente y la lente de reenfoque;

- reflejar la luz que tiene una o más longitudes de onda no deseadas de vuelta a través de la lente desde el filtro, filtro que tiene una superficie reflectante.

Según el método, la lente se usa para reenfocar la luz reflejada hacia un lado de la fibra, fuera del núcleo de la primera fibra óptica en el extremo de entrada del montaje. En particular, la lente puede reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor o en el revestimiento de la primera fibra óptica.

Como se ha indicado anteriormente, el disipador de calor puede ser un intercambiador de calor activo, enfriado por fluido suministrado con un medio refrigerante de flujo adecuado. El montaje óptico puede proporcionarse con un casquete de extremo transparente adyacente a su extremo de entrada, cuyo casquete de extremo se ubica adyacente al disipador de calor después del disipador de calor en la dirección de propagación.

Una ventaja del dispositivo de la invención es que el filtro solo se inclina en un ángulo muy pequeño de forma que la luz reflejada se dirige de vuelta a la lente. De esta forma, la luz reflejada puede enfocarse nuevamente y dirigirse de vuelta al refrigerador en el extremo de entrada del montaje óptico. Esto elimina la necesidad de un enfriador o absorbedor adicional a un lado del montaje óptico y reduce tanto el coste como la complejidad. Además, el pequeño ángulo de incidencia hace posible separar las longitudes de onda deseadas y no deseadas incluso si están relativamente cerca una de la otra. En consecuencia, el dispositivo de la invención mejora tanto la eficacia del filtro como su capacidad para separar longitudes de onda. El montaje óptico puede formar parte de múltiples dispositivos diferentes, tales como conectores de fibra óptica y cabezales de proceso para soldadura o corte.

Figuras

En el siguiente texto, la invención se describirá en detalle con referencia a las figuras adjuntas. Estas figuras esquemáticas se usan solamente para ilustrar y de ninguna forma limitan el alcance de la invención. En los dibujos:

la Figura 1 muestra un montaje óptico esquemático según la invención;

la Figura 2 muestra una vista lateral ampliada del extremo de entrada del montaje óptico en la Figura 1;

la Figura 3 muestra una vista lateral adicional del extremo de entrada del montaje óptico en la Figura 1;

la Figura 4A muestra un primer ejemplo de un filtro reflectante según la invención;

la Figura 4B muestra un segundo ejemplo de un filtro reflectante según la invención;

la Figura 5 muestra ejemplos de trayectorias ópticas de luz transmitida y reflejada en un montaje óptico según la invención; y

la Figura 6 muestra una sección transversal esquemática de un montaje óptico que forma parte de un conector de fibra óptica.

Descripción detallada

La Figura 1 muestra una sección transversal esquemática de un montaje óptico 100 según la invención. El montaje óptico 100 comprende una primera fibra óptica 101 que propaga luz desde una fuente láser (no mostrada) en una dirección de propagación P predeterminada hacia un extremo 110 de entrada del montaje 100. La fibra óptica 101 comprende al menos un núcleo y una capa de revestimiento.

El montaje óptico 100 comprende además un alojamiento 103 que encierra una lente 120 dispuesta después del extremo 110 de entrada en la dirección de propagación P. La lente usada para este fin es, preferiblemente, pero no necesariamente, una lente colimadora. Un filtro 130 está dispuesto después de la lente 120 en la dirección de propagación, filtro 130 que tiene una superficie reflectante 131 dispuesta para transmitir luz que comprende una o más longitudes de onda deseadas y para reflejar una o más longitudes de onda no deseadas. El montaje óptico 100 puede unirse a y formar parte de un dispositivo 105 (indicado en líneas discontinuas) cuyo dispositivo puede ser, por ejemplo, un conector de fibra óptica o un cabezal de proceso para corte o soldadura. Dentro del alcance de la invención, el montaje óptico puede ser un acoplador de fibra a fibra.

La Figura 2 muestra una vista lateral ampliada del extremo de entrada del montaje óptico 100 en la Figura 1. El extremo 110 de entrada comprende un disipador 111 de calor que rodea la primera fibra óptica 101 y un casquete 114 de extremo transparente al que la primera fibra óptica 101 se conecta ópticamente por medio de un pegamento óptico o un material adecuado similar. El casquete 114 de extremo se ubica adyacente al disipador de calor después del disipador de calor en la dirección de propagación P de la luz incidente desde la fuente de luz. Según este ejemplo, el casquete de extremo está conectado directamente al disipador de calor, pero puede montarse además con una separación adecuada. El disipador 111 de calor puede ser un intercambiador de calor enfriado por fluido, tal como un intercambiador de calor enfriado por gas o enfriado por líquido. En el ejemplo actual, el disipador 111 de calor es un intercambiador de calor enfriado por agua que tiene una entrada 112 de refrigerante y una salida 113 de refrigerante. El casquete 114 de extremo es opcional y puede fabricarse de vidrio, que comprende cuarzo o sílice, o de un material transparente adecuado similar.

A medida que la luz transmitida sale del núcleo de la fibra 101 y entra en el casquete 114 de extremo, el haz de luz indicado por L1 divergirá hasta que alcanza la lente 120 dispuesta después del disipador 111 de calor en la dirección de propagación. El haz L2 que sale de la lente 120 comprende rayos paralelos que se propagan sin divergencia hacia el filtro 130. La luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas se transmite a través del filtro 130 como un haz transmitido L3 que pasa a través del montaje óptico hacia un proceso industrial (véase Fig. 6).

La Figura 3 muestra una vista lateral adicional del extremo de entrada del montaje óptico 100 en la Figura 1. El haz L2 que sale de la lente 120 comprende una o más longitudes de onda no deseadas que se reflejan por el filtro 130 y se devuelve a la lente 120 como un haz reflejado R1. La lente 120 se usa para reenfocar el haz de luz reflejado R1 para formar un haz de luz reflejado R2 convergente y reenfocado, que se enfoca a un lado de la fibra, fuera del núcleo de la primera fibra óptica 101 a través del casquete 114 de extremo en el extremo 110 de entrada del montaje. Como se indica esquemáticamente en la Figura 3, la lente 120 se dispone preferiblemente para reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor, pero puede reenfocarse al menos parcialmente en el revestimiento de la primera fibra óptica 101.

La exposición constante a largo plazo a la luz de energía óptica relativamente alta puede degradar potencialmente el revestimiento y es preferible evitar el calentamiento no simétrico. El riesgo de dañar el revestimiento puede reducirse o eliminarse mediante la provisión de un filtro rotatorio o rotativo como se describe más adelante.

Para evitar que se forme un punto caliente en el disipador 111 de calor debido a la exposición constante a un haz fijo de luz reflejada R2 reenfocada, el filtro 130 puede montarse en un soporte rotativo 135 opcional. El soporte rotativo 135 se dispone para girar el filtro 130 en un plano en ángulos rectos con el eje óptico primario X1, lo que provoca que el eje óptico secundario X2 en ángulo siga una trayectoria cónica alrededor del eje óptico primario X1. El punto de enfoque de la luz reflejada R2 reenfocada seguirá después una trayectoria circular alrededor del núcleo de la primera fibra óptica 101. Al rotar el filtro 130 a una velocidad constante, intermitente o variable, la energía de la luz reflejada R2 puede distribuirse sobre un área más grande del disipador 111 de calor y proporcionar una distribución de temperatura más uniforme. El soporte rotativo 135 puede comprender un motor paso a paso, un motor eléctrico impulsado continua o intermitentemente o un medio de tracción adecuado similar. El soporte rotativo 135 puede proporcionarse con una estructura de soporte que comprende un cojinete deslizante, un cojinete de rodillo/bola o un dispositivo adecuado similar.

La Figura 4A muestra un primer ejemplo de un filtro reflectante según la invención. La Figura muestra la lente 120 con un eje óptico primario X1, que es el eje óptico tanto para la lente 120 como para el haz de luz incidente L2 indicado en la Figura 2. Después, la luz llegará al filtro 130, que en este ejemplo es un espejo dicroico con superficie reflectante 131 plana. Un espejo dicroico comprende un revestimiento dieléctrico multicapa depositado sobre un sustrato adecuado, tal como silicio fundido o cuarzo fundido. El espejo dicroico 130 reflejará completamente una o varias longitudes de onda específicas y transmitirá completamente otra longitud o longitudes de onda. En este ejemplo, el espejo dicroico 130 transmitirá luz a 1070 nm y reflejará luz Raman a 1120 nm.

El filtro 130 es plano y está dispuesto en un ángulo a con respecto a un plano en ángulos rectos con respecto al eje óptico primario X1. De esta forma, el filtro 130 reflejará la luz de vuelta a, y a través de, la lente 120 a lo largo de un eje óptico secundario X2 en un ángulo p con respecto al eje óptico primario X1 de la luz incidente de la lente, cuyo ángulo p corresponde al ángulo 2a. La luz reflejada seguirá el eje óptico secundario X2 y se reenfocará por la lente 120, como se ha descrito anteriormente. Para hacer uso completo de las propiedades del espejo dicroico se selecciona un ángulo relativamente pequeño. El ángulo a se selecciona dependiendo de factores tales como la distancia entre la lente 120 y el filtro 130, las dimensiones externas de la lente 120 y/o donde se desee reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor. Según este ejemplo, el filtro puede disponerse para filtrar la luz Raman incluso si las longitudes de onda están relativamente cerca entre sí (menos de 100 nm de separación).

En el presente ejemplo, la superficie reflectante del filtro 130 es una superficie circular 131 plana dispuesta en un ángulo seleccionado a con respecto a un plano en ángulos rectos con respecto al eje óptico primario X1 de la luz incidente desde el extremo de entrada del montaje. En este caso, las dimensiones exteriores de la lente 120 deben seleccionarse lo suficientemente grandes para evitar que cualquier porción de la luz reflejada pase fuera de la lente, o golpee su estructura de soporte (no mostrada).

La Figura 4B muestra un segundo ejemplo de un filtro reflectante según la invención. La Figura muestra la lente 120 con un eje óptico primario X1, que es el eje óptico tanto para la lente 120 como para el haz de luz L2 transmitido indicado en la Figura 2. Después, la luz llega al filtro 130' que, en este ejemplo, es un espejo dicroico con una superficie reflectante cóncava 132. El espejo dicroico 130' reflejará completamente una o varias longitudes de onda específicas y transmitirá completamente otra longitud o longitudes de onda. En este ejemplo, el espejo dicroico 130' transmitirá luz a 1070 nm y reflejará luz Raman a 1120 nm.

El filtro 130' está dispuesto en un ángulo a hacia un plano en ángulos rectos con el eje óptico primario X1 para reflejar la luz de vuelta a, y a través de, la lente 120 a lo largo de un eje óptico secundario X2 en un ángulo p con respecto al eje óptico primario X1 de la luz incidente. Esto puede lograrse inclinando el filtro 130' como se ha descrito anteriormente para la Figura 4A, o usando un filtro con una superficie asférica (no mostrada). Si se selecciona una superficie reflectante asférica, entonces el filtro no necesita estar en ángulo para lograr un eje óptico secundario en ángulo. La luz reflejada seguirá un eje óptico secundario X2 y se reenfocará por la lente 120, como se ha descrito anteriormente. Para hacer uso completo de las propiedades del espejo dicroico se selecciona un ángulo relativamente pequeño. El ángulo p es dos veces el ángulo a y puede seleccionarse dependiendo de factores tales como la distancia entre la lente 120 y el filtro 130 y/o las dimensiones externas de la lente 120. Según este ejemplo, el filtro puede disponerse para filtrar la luz Raman incluso si las longitudes de onda están relativamente cerca entre sí (menos de 100 nm de separación).

En este ejemplo, la superficie reflectante 132 del filtro 130' es una superficie cóncava 132 circular con su eje óptico dispuesto en un ángulo p con respecto al eje óptico primario X1 de la lente y la luz incidente de la lente en el extremo de entrada del montaje. El radio R de la superficie cóncava 132 se selecciona para asegurar que ninguna porción de la luz reflejada pase fuera de la lente, o golpee su estructura de soporte (no mostrada). El punto central del radio R exagerado se ubicará entre el primer y el segundo ejes ópticos X1, X2. Puesto que la superficie reflectante es cóncava, la luz reflejada se reenfocará dentro del casquete de extremo inmediatamente delante de la superficie de extremo del disipador de calor. Sin embargo, como el casquete de extremo está en contacto directo con el refrigerante dentro del disipador de calor, cualquier calor generado dentro del casquete de extremo puede retirarse eficazmente por el refrigerante que fluye.

La Figura 5 muestra ejemplos de trayectorias ópticas para la luz transmitida L1 y la luz reflejada R2 en un montaje óptico según la invención. La Figura 5 indica esquemáticamente una porción del disipador 111 de calor y el casquete 114 de extremo ilustrado en las Figuras 2 y 3. El disipador 111 de calor tiene una superficie interna 115 que delimita una cavidad interna 116 que contiene un refrigerante que fluye, como se ha descrito anteriormente. La luz incidente se transmite a través de la primera fibra óptica 101 a través del disipador 111 de calor hacia el casquete 114 de extremo, con el que la primera fibra óptica 101 se conecta ópticamente.

La luz transmitida saldrá del núcleo de la fibra 101 y entrará en el casquete 114 de extremo, donde después del haz de luz indicado con L1 divergirá hasta que alcance la lente (véase Fig. 2) dispuesta después del disipador 111 de calor y el casquete 114 de extremo en la dirección de propagación. Después de reflejarse por el espejo dicroico (véase Fig. 3), un haz de luz reflejado indicado por R1 que ha sido reenfocado por la lente pasará a través del casquete 114 de extremo y volverá a entrar en el disipador 111 de calor. La luz reflejada golpeará la superficie interna 115 dentro de la cavidad interna. El calor transferido a la superficie interna 115 será absorbido por el refrigerante y retirado del montaje óptico como se indica en las Figuras 2 y 3.

La lente se dispone para reenfocar la luz reflejada R2 hacia un lado de la fibra, fuera del núcleo de la primera fibra óptica 101. De esta manera, la lente se dispone para reenfocar la luz reflejada en el revestimiento de la primera fibra óptica o, preferiblemente, directamente en el disipador 111 de calor donde la energía de la luz reflejada puede absorberse y retirarse del montaje óptico.

La Figura 6 muestra una sección transversal esquemática de una montaje óptico que forma parte de un conector 106 de fibra óptica según la invención. El conector 106 de fibra óptica comprende una primera fibra óptica 101 que propaga luz coherente desde una fuente láser (no mostrada) en una dirección de propagación P predeterminada hacia un extremo 110 de entrada del montaje. Una segunda fibra óptica 102 propaga la luz coherente fuera de un extremo 150 de salida del conector 106 de fibra. La fibra óptica 101, 102 comprende al menos un núcleo y una capa de revestimiento.

El conector 106 de fibra óptica comprende además un alojamiento 103 que encierra una lente 120 dispuesta después del extremo 110 de entrada en la dirección de propagación P. Una lente 140 de reenfoque se proporciona después de la lente 120 en la dirección de propagación P, lente 140 de reenfoque que enfoca la luz filtrada transmitida sobre el extremo del núcleo de la segunda fibra óptica 102 en el extremo 150 de salida. Un filtro 130 dispuesto entre la lente 120 y la lente 140 de reenfoque, filtro 130 que tiene una superficie reflectante 131 dispuesta para transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas y para reflejar una o más longitudes de onda no deseadas. El conector 106 de fibra óptica puede también proporcionarse con una unidad 104 de control que comprende, por ejemplo, medios sensores para monitorear el estado del conector 106 de fibra así como cualquier luz de proceso reflejada que retorne a través de la segunda fibra óptica 102. La luz de proceso reflejada no está relacionada con la luz reflejada por el filtro 130.

El montaje óptico puede formar parte de múltiples dispositivos diferentes, tales como conectores de fibra óptica y cabezales de proceso para soldadura o corte. El dispositivo puede usarse con un cabezal de proceso ya sea junto con el colimador después de la fibra o como un componente separado en el cabezal de proceso.

La invención no debe considerarse limitada a las modalidades descritas anteriormente, sino que más bien puede concebirse una serie de variantes y modificaciones adicionales dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones de patente.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un montaje óptico (100) que comprende:

una primera fibra óptica (101) que propaga la luz en una dirección (P) predeterminada hacia un extremo (110) de entrada del montaje óptico (100), teniendo dicha fibra óptica un núcleo y un revestimiento;

un disipador (111) de calor que rodea la fibra óptica (101) en el extremo (110) de entrada; y una lente (120) que tiene un eje óptico primario (X1) y dispuesta después del disipador (111) de calor en la dirección de propagación (P); y

en donde el montaje óptico (100) comprende además un filtro (130) dispuesto después de la lente (120) en la dirección de propagación, en donde el filtro (130) tiene una superficie reflectante (131) dispuesta para transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas y para reflejar una o más longitudes de onda no deseadas de vuelta a través de la lente (120),

caracterizado por que la lente (120) está dispuesta para reenfocar la luz reflejada fuera del núcleo de la primera fibra óptica, de tal forma que la energía de la luz reflejada sea absorbida por el disipador (111) de calor.
2. Montaje óptico según la reivindicación 1, caracterizado por que el filtro (130) es un espejo dicroico.
3. Montaje óptico según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el filtro (130) está dispuesto para filtrar luz/longitudes de onda de Raman.
4. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que el filtro (130) está dispuesto para reflejar la luz de vuelta a la lente (120) en un ángulo (p) con respecto al eje óptico primario (X1) de la lente (120).
5. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el filtro está dispuesto para que rote alrededor del eje óptico primario (X1).
6. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que el filtro tiene una superficie reflectante (131) plana.
7. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por que el filtro tiene una superficie reflectante (132) no plana.
8. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que la lente (120) está dispuesta para reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor que rodea la primera fibra óptica
9. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado por que la lente (120) está dispuesta para reenfocar la luz reflejada al revestimiento de la primera fibra óptica.
10. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado por que el disipador (111) de calor es un intercambiador de calor enfriado por fluido.
11. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado por que el montaje óptico es una parte de un conector de fibra.
12. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado por que el montaje óptico está unido a un cabezal de proceso.
13. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado por que el montaje óptico es un acoplador de fibra a fibra.
14. Montaje óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la primera fibra óptica (101) termina en contacto con un casquete (114) de extremo transparente ubicado adyacente al disipador (111) de calor después del disipador de calor en la dirección de propagación (P).
15. Un método para separar longitudes de onda de luz en un montaje óptico (100), comprendiendo el montaje óptico (100):

una primera fibra óptica (101) que propaga la luz en una dirección (P) predeterminada hacia un extremo (110) de entrada del montaje óptico (100), teniendo dicha fibra óptica un núcleo y un revestimiento;

un disipador (111) de calor que rodea la fibra óptica (101) en el extremo (110) de entrada; y una lente (120) dispuesta después del disipador (111) de calor en la dirección de propagación (P); caracterizado por las etapas de

- transmitir luz desde una fuente de luz láser hacia el montaje óptico (100);

- transmitir luz que tiene una o más longitudes de onda deseadas a través de la lente (120) a través de un filtro (130) dispuesto después de la lente (120) en la dirección de propagación (P);

- reflejar la luz que tiene una o más longitudes de onda no deseadas de vuelta a través de la lente (120) desde el filtro (130), filtro que tiene una superficie reflectante (131); y - usar la lente (120) para reenfocar la luz reflejada fuera del núcleo de la primera fibra óptica (101) en el extremo (110) de entrada del montaje.
16. Un método según la reivindicación 15, caracterizado por que usa la lente (120) para reenfocar la luz reflejada en el disipador de calor o hacia el revestimiento de la primera fibra óptica.
17. Un método según la reivindicación 15 o 16, caracterizado por que refleja la luz con el uso de un espejo dicroico como un filtro (130).