(57)【要約】【課題】  高光出力、特に１００Ｗを越える光出力を伝達するための光ファイバーに基づいた光学要素（５）を冷却するための装置を提供する。【解決手段】  この装置は、かかる光出力の損失を処理するために流動冷却剤、好ましくは水を持つ一つまたはそれより多い中空部（２）を含む。この装置は光学要素（５）と直接連結して配置されかつ流動冷却剤により流される中空部（２）中に出力損失輻射線を伝達するために配置された低い熱膨張係数を持つ伝達構造材料（１）を具備する。伝達構造材料（１）は好ましくは透明管として作られかつ良好な吸収能力を持つ、好ましくは金属から作られた不透明管状ケース（３）により取り囲まれ、従って前記中空部はこれらの二つの材料間に形成される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高光出力、特に１００Ｗを越える光出力を伝達するための光ファイバーに基づく光学要素を冷却するための装置であって、かかる光出力の損失を処理するために流動冷却剤を持つ一つまたはそれより多い中空部（２）を含むものにおいて、光学要素（５）と直接連結して配置されかつ出力損失輻射線を流動冷却剤を持つ中空部（２）中に伝達するために配置された低熱膨張係数を持つ伝達構造材料（１）を具備することを特徴とする装置。
【請求項２】
伝達構造材料（１）が、良好な吸収能力を持つ不透明材料（３）、好ましくは金属により取り囲まれ、従って前記中空部（２）がこれらの二つの材料間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
伝達構造材料（１）が透明管として作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
外側不透明材料（３）が管状であり、従って冷却剤のための前記中空部（２）が二つの管状構造材料間に形成されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
冷却剤により流される前記容積または中空部（２）を取り囲むために二つの管状構造材料（１，３）間に配置されたＯリング（４）の形の締付け材を具備すること特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
伝達構造材料（１）が１０ｐｐｍ／Ｋ未満の熱膨張係数を持つことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
伝達構造材料（１）が光学要素（５）と実質的に同じ熱的性質を持つ材料から作られることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
伝達構造材料（１）が石英から作られることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
伝達構造材料（１）がサファイアから作られることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
伝達構造材料（１）が酸化アルミニウムセラミックから作られることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
光学要素（５）が非吸収材料（１３）により伝達構造材料（１）上に直接取付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
光学要素（５）がＵＶ硬化光学接着剤またはエポキシにより伝達構造材料（１）上に直接取付けられることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
光学要素（５）が、接着剤または締付けにより伝達構造材料（１）上に直接固定された透明間隔要素により伝達構造材料（１）上に直接取付けられることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
流動冷却剤が外部流体、好ましくは水であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
流動冷却剤が外部透明ガスであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
コリメートする光学素子（８）を持つ光ファイバーを含む光ファイバー接触体（５）を具備し、光ファイバー及びコリメートする光学素子の両者が伝達構造材料（１）に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
高光出力輻射線ビーム（１５）を加工物（１１）上に合焦するためのレンズ系（５）を含む高光出力のための合焦光学素子を具備し、レンズ系（５）が伝達構造材料（１）に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
レンズ系（５）が接着剤によりまたは代替として間隔要素によりまたは両者の組合せにより伝達構造材料の円筒状表面に直接取付けられることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い光出力、特に１００Ｗを越える光出力を伝達するための光ファイバーに基づいた光学要素を冷却するための装置に関する。このシステムは、かかる光出力の損失を処理するために流動冷却剤を持つ一つまたはそれより多い中空部を含む。
【背景技術】
【０００２】
高い光出力を伝達するための光ファイバーケーブルは、工業的用途で使用されることが多い。特に、それらは高出力レーザー輻射線による切断及び溶接作業で使用されるが、高温度環境での加熱、検出または加工作業のような他の工業的用途でもまた、このタイプの高光出力光ファイバーケーブルが使用されることができる。
【０００３】
全ての増大する輻射線の品質とともに今日使用される全ての増大するレーザー出力のため、高光出力に実際に耐えるシステム内の光学要素の要求もまた増加している。光学要素は焦点距離、合焦品質等に関して高い安定性を提供しなければならない。その理由のため、必要な安定性を維持するために光学要素を冷却することが必要であることが多い。本発明は、従来の設計に比べてより効率的な冷却能力を提供するための装置に関する。
【０００４】
光学系での不安定性に対する主たる原因は加熱である。加熱はそれ自体光学要素に影響するのみならず、光学要素が取付けられているハウジングにも影響する。この場合、ハウジングからの加熱は輻射及び対流により光学要素に伝達され、従ってそれらもまた加熱される。加熱に対する一つの原因は、輻射線自身の周りに存在する制御されない輻射線であり、それが光学レンズ保持体のような機械的細部を照射し、従ってこの機械的要素が加熱されるためである。別の原因は、レンズ自身に衝突する輻射線のために発生した加熱であり、それが反射防止処理されたレンズ表面上の欠陥のためまたはレンズ表面上の粒子のために照り返されるためである。かかる照り返された、制御されない輻射線はまた、ハウジング上に加熱効果を発生するかもしれない。もしハウジングが第二効果として加熱されると、光学要素もまた輻射または対流により加熱されるかもしれない。これらの過程に加えて、レンズ材料中への一定の吸収がある。
【０００５】
かかる望ましくない加熱効果に対処するための伝統的な技術は、光学要素が取付けられている保持体自身を冷却することである。アルミニウムのような良好な熱伝導能力を持つ材料から作られることが好ましい保持体が光学要素のハウジングのために使用される。このハウジングの外側に、流動冷却剤、好ましくは水で満たされた冷却装置が配置される。この冷却装置は冷却剤により影響を受けない材料、例えば耐酸ステンレス鋼から作られる。冷却装置とハウジングの間の加熱抵抗を最小にするために、ハウジングの壁は薄く作られ、良好な熱伝導能力を持つ接着剤が取付けのために使用される。
【０００６】
代替として冷却装置はハウジングと直接接触して配置されることができ、従って冷却剤はハウジング上の導管内を直接流れる。この場合においてもハウジングは良好な熱伝導能力を持つ材料から作られる。この方法の持つ利点はより効率的な冷却効果であるが、冷却剤が熱伝導材料、通常アルミニウムと直接接触しているので、この設計はもし特別な腐食防止剤が流動冷却剤に添加されないなら腐食問題を起こすかもしれない。
【０００７】
システム内の高温度勾配を避けるために、好ましくはアルミニウムのような良好な熱伝導能力を持つ材料が使用されるべきである。しかし、かかる材料は通常、容易に光学的不安定性を起こすかもしれない固有の機械的変形を持つ高い熱膨張係数も持つ。
【０００８】
光ファイバーを冷却することに関して、光ファイバーの外側に届く輻射線が冷却剤中に入り少なくとも部分的に冷却剤により吸収されるように流動冷却剤で満たされた中空部内に位置した光ファイバーの接触端の少なくとも一端を持つことがＳＥ５０９７０６により従来知られている。あるタイプのハウジングまたは保持体中に取付けられた光学要素に対して、このタイプの直接冷却は使用されることができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、非常に高い光出力を伝達するために必要な光学安定性を達成するために光学要素のより効率的な冷却を提供することである。本発明によれば、高い温度の場合であっても高い機械的安定性を提供するための方法と加熱を最小にするための方法が組合される。
【００１０】
本発明は、光学要素と直接連結して配置されかつ出力損失輻射線を流動外部冷却剤を持つ中空部中に伝達するように配置された低熱膨張係数を持つ伝達構造材料により特徴付けられる。
【００１１】
本発明の好適実施態様によれば、伝達構造材料は、好ましくは石英材料から作られた透明管として作られ、この管は不透明材料、好ましくは金属により取り囲まれ、従って前記中空部はこれらの二つの材料間に形成される。
【００１２】
本発明によれば、輻射線は良好な吸収のために作られた後壁内に実質的に吸収される。この壁は冷却剤と直接接触しているので、効率的な冷却が提供される。輻射線はまた、冷却剤中に吸収されることができる。
【００１３】
さらなる好適実施態様によれば、光学要素は伝達構造材料上に直接取付けられる。伝達材料は低い熱膨張係数を持つので、熱膨張は最小であるべきであり、機械的に安定な構造が温度変化の場合であっても提供される。
【００１４】
以下において、本発明が、本発明の幾つかの例が概略的に示されている添付図面と関連して、より詳細に述べられるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、光学素子の冷却が別個の冷却装置により実現される従来技術の一例を示す。
【００１６】
【図２】図２は、光学素子の冷却が一体化された冷却装置により実現される従来技術の一例を示す。
【００１７】
【図３】図３は、光学系の光学要素が影響を受ける種々の加熱因子を示す。
【００１８】
【図４】図４は、本発明の一般的概念を示す。
【００１９】
【図５】図５は、一体化されたコリメートする光学素子を持つ光ファイバー接触体の形の本発明の第一実施態様を示す。
【００２０】
【図６】図６は、高い光出力のための合焦光学素子の形の本発明の他の実施態様を示す。
【００２１】
【図７】図７は、熱伝導材料から作られた伝統的保持体に比べて光学要素の隣に伝達材料を使用することによる冷却効果の差の比較しうる数学的計算のための二つの幾何学的図ＡとＢを概略的に示す。
【００２２】
【図８】図８は、第一幾何学的図、Ａ型、すなわち伝統的な冷却に対する温度分布を示す。
【００２３】
【図９】図９は、第二幾何学的図、Ｂ型、すなわち本発明による冷却に対する温度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１には、光ファイバー高光出力伝達に基づく光学要素を冷却するために、今日使用されている伝統的技術の一例が示されている。好ましくは良好な熱伝導能力を持つ材料、例えばアルミニウムから作られた保持体１が、この場合レンズ系の形の光学要素２のためのハウジングとして使用される。流動冷却剤、好ましくは水４を持つ冷却装置３が前記ハウジングに取付けられている。冷却装置は冷却剤に対して抵抗性の材料、例えば耐酸ステンレス鋼から作られる。冷却装置とハウジングの間の熱伝導抵抗を最小にするために、冷却装置の壁は薄くかつ良好な熱伝導能力を持つ接着剤等５によりハウジングに取付けられる。この技術によれば、光学要素が取付けられ、冷却されるのは保持体自身である。
【００２５】
図２には、光学要素を冷却するために、今日使用されている伝統的技術の別の例が示されている。この場合、冷却装置は光学要素が取付けられているハウジング１と直接連結して配置されており、従って冷却剤は直接ハウジング上の特定の冷却管２内を流れる。第一例と同様に、ハウジング１は熱伝導性材料から作られる。この実施態様の持つ利点はより効率的な冷却効果である。しかし、冷却剤はハウジングの熱伝導性材料、通常アルミニウム、と直接接触しているので、特定の腐食防止剤が腐食問題を避けるために冷却剤に添加されなければならない。
【００２６】
図３は、光学系の光学要素が影響を受ける種々の加熱因子を示す。光学系の不安定性の主な原因は加熱効果であり、光学要素それ自体の加熱または光学要素が取付けられているハウジングの加熱である。ハウジングの加熱はまた、輻射及び対流による光学要素の加熱を間接的に発生する。加熱のための幾つかの原因が図中に示されている。輻射線１はレンズ系３が取付けられているレンズ保持体２中に入る。輻射線１の周りに、一定量の迷走輻射線４があり、それがレンズ保持体上に衝突し、従って保持体が加熱される。従って、この迷走輻射線は加熱効果の原因の一つである。別の原因は、図に矢印により示されるように輻射線ビーム１がレンズ３自身の上に衝突するときに輻射線のある部分が反射防止処理されたレンズ表面上の欠陥のためまたはレンズ表面上の粒子のために照り返されるかもしれないという事実のために発生される加熱である。かかる制御されない輻射線はまた、ハウジング上に加熱効果を発生するかもしれない。もしハウジングが加熱されると、第二効果として、光学要素が図の矢印６と７により示されるように輻射または対流によって加熱されるかもしれない。これらの過程に加えて、レンズ材料中に一定の吸収がある。
【００２７】
図４には、本発明の基本概念が、管状保持体またはハウジング１内に取付けられたレンズ系５により示されている。輻射線ビーム（ここには示されていない）がレンズ保持体中に入るとき、常に一定量の迷走輻射線または分散輻射線がある。かかる制御されない輻射線は、既に説明したようなハウジングの加熱を起こすかもしれない。本発明の基本的概念によれば、伝達構造材料は高出力輻射線の隣に設けられ、従って制御されない輻射線は、基本的に流体またはガスの形の、好ましくは水の形の外部冷却剤を持つ中空部または容積２中に伝達される。出力損失輻射線は良好な吸収能力のために作られた外部管状壁３内に実質的に吸収される。この壁は冷却剤と直接接触しているので、効率的な冷却が提供される。輻射線はまた、少なくとも部分的に冷却剤中に吸収されることができる。封止Ｏリング４の形の締付けが、容積２を囲むために二つの構造材料２と３の間に配置される。
【００２８】
温度の変化の場合においても機械的に安定な構造を提供するために、光学要素は、熱膨張をできるだけ低くするために設計されている透明材料に直接取付けられるべきである。図４のレンズ系５は非吸収性を持つ接着剤等により伝達構造材料１に取付けられる。
【００２９】
材料はレンズ系５及び取り囲み管１が同じ熱的性質を持つように選ばれるべきである。もし光学系に一定の吸収があり、かつこの吸収が主な加熱源であるなら、そのときは管は幾らか高い熱膨張係数を持つことができる。取り囲んでいる管のために好適な構造材料及びそれらの熱膨張係数の幾つかの例は４．４（ｐｐｍ／Ｋ）の熱膨張係数を持つ石英、５．８（ｐｐｍ／Ｋ）の熱膨張係数を持つサファイア、または８．３（ｐｐｍ／Ｋ）の熱膨張係数を持つ酸化アルミニウムセラミック（９９．５％）であるべきである。
【００３０】
本発明による内壁は冷却剤と同じ温度を持つので、光学要素は熱輻射または対流のいずれによっても加熱されない。
【００３１】
図５には、一体化されたコリメートする光学素子を持つ光ファイバー接触装置の形の本発明の第一実施態様が示されている。この接触装置は好ましくは石英材料から作られた透明管１を含み、それは好ましくは金属である不透明材料３により取り囲まれている。これら二つの要素間に封止Ｏリング４の形の締付け体が配置され、従って囲まれた容積２は冷却剤、好ましくは水により流されることができる。光ファイバー５は本体６により透明管１に直接的または間接的に取付けられる。光ファイバーの端部は例えばスウェーデン特許第５０５８８４号と同様のロッド７を備えている。このロッドはまた、透明管１に取付けられる。光ファイバーからの輻射線のためのコリメート光学素子８もまた透明管に取付けられている。ある理由のため容積９と１０の外側に届く輻射線は透明管１を通して伝達され、不透明部品３に吸収される。輻射線を吸収する表面は冷却剤と直接接触しており、従って非常に効率的な冷却効果が達成される。
【００３２】
まとめると、以下の利点が本設計により提供される：
−  出力損失輻射線の効率的冷却。
−  低熱膨張係数を持つ透明管内に全ての要素が取付けられているための最小の変形。
−  光ファイバーは石英から作られているので、石英はまた透明管のために好ましい。要素の加熱の場合、管と光ファイバーが同じ熱膨張を持ち、それは光ファイバー上の歪力がないかまたは最小であることを意味する。
−  石英管の温度は冷却水の温度に順応させられるので、光学素子は熱輻射または対流のいずれによっても加熱されない。
【００３３】
図６には、高光出力のための合焦光学装置による本発明の第二実施態様が示されている。本発明によれば、合焦光学装置は好ましくは石英材料から作られた透明管１を含み、それは不透明材料３、好ましくは金属により取り囲まれている。これらの二つの要素間に例えば封止Ｏリング４の形の締付け体が配置され、従って囲まれた容積２は冷却剤、好ましくは水により流されることができる。レンズ素子５が非吸収材料、好ましくはＵＶ−硬化光学接着剤または光エポキシ１３により透明管に取付けられる。光学要素を保護するために、保護ガラス１７が装置に配置される。保護ガラスは環境に露出されているので、遅かれ早かれ汚れた粒子１４がガラス表面上に集められる。主ビーム１５からの輻射線の幾らかはこれらの粒子により分散される。図中に矢印１６により示されたかかる輻射線は光学素子の保持体を加熱している。同じように、加工物１１から分散された輻射線は光学レンズ保持体を打ち、それは図中矢印１２により示されている。本発明によれば、これらのタイプの分散輻射線はレンズ保持体の外部３に吸収され、光学素子の加熱が全くない。
【００３４】
既述のように、レンズ要素５は非吸収光学接着剤等により透明管に取付けられる。代替として、レンズは好ましくは透明材料から作られた間隔要素等により固定されることができる。間隔要素は幾つかの他の部材と一緒に接着されるかまたは押し込められるかのいずれかである。好ましくは、間隔要素の一つはレンズ上への制御されない圧力を避けるために幾らか弾性的に作られる。レンズ系の取付けは同じようになされ、それは円筒形表面へ直接接着されるかまたは代替として間隔要素またはこれらの方法の組合せにより固定されるかのいずれかである。
【００３５】
以下の利点は図６による設計により提供される：
−  出力損失輻射線の効率的冷却。
−  光学素子と接触している装置内の全ての部品はいかなる輻射線も吸収しないので熱的影響のための光学特性の最少の劣化。
−  もし装置内で使用される光学要素が石英から作られるなら、石英はまた透明管のために好ましい。要素の加熱の場合、管と光学素子は同じ熱膨張を持ち、それは光学素子上に歪力がないかまたは最少の歪力を意味する。
−  石英管の温度は冷却水の温度に順応させられるので、光学素子は熱輻射または対流のいずれによっても加熱されない。
【００３６】
数学的計算により、熱伝導性材料から作られた伝統的な保持体に比べて、本発明による光学要素の燐に伝達材料を導入することによる冷却効果の差を決定することができる。図７には、かかる比較計算のための二つの異なる幾何学的図ＡとＢが示されている。第一の幾何学的図Ａでは、内部１は迷走輻射線を吸収する金属材料から作られている。この材料は厚さｔを持つと仮定される。この材料の外側には外側金属ケース３により囲まれた冷却剤２がある。第二の幾何学的図Ｂでは、内部４は透明管を含み、それは流動冷却剤により満たされた容積５中に輻射線を伝達する。冷却剤により直接冷却される外側ケース６は輻射線を吸収する。冷却剤は透明であると仮定される。
【００３７】
図８と９には、二つの幾何学的図のための温度分布が示されており、そこでは種々の位置に対して以下の温度表示が使用されている：
Ｔ０  入口開口での冷却水の平均温度。
Ｔ１  出口開口での冷却水の平均温度。
Ｔ２  冷却剤のための入口開口での内側管（Ａ型）の外径上及び外側管（Ｂ型）の内径上のそれぞれの温度。
Ｔ３  冷却剤のための出口開口での内側管（Ａ型）の外径上及び外側管（Ｂ型）の内径上のそれぞれの温度。
Ｔ４  冷却剤のための入口開口での内側管の内径の温度。
Ｔ５  冷却剤のための出口開口での内側管の内径の温度。
【００３８】
Ｂ型では、出力損失輻射線は冷却剤を通して伝達されかつ金属表面により吸収される。光出力は冷却剤中に吸収されずかつ全ての出力損失輻射線は冷却剤により冷却されると仮定される。冷却剤内のある吸収の場合、Ｂ型の温度Ｔ２とＴ３はより低いであろう。
【００３９】
もし以下の入力データ（両型に対して同じ）が計算のために使用されるなら、
−  出力損失：５００Ｗ
−  光学直径：２５ｍｍ
−  長さ：５０ｍｍ
−  冷却剤：水
−  冷却剤管の厚さ：１ｍｍ
−  入口水温：２０℃
−  壁厚（Ａ型）：３ｍｍ
−  壁材料（Ａ型）：ステンレス鋼
−  冷却剤水温（Ｔ０）：２０℃
−  冷却剤流速：１リットル／分
そのとき以下の温度差が得られる。
ΔＴ水＝７℃
ΔＴ壁＝２２℃
ΔＴｒ＝２０℃
ここで、
ΔＴ水は入口開口及び出口開口での冷却水の温度間の差であり、
ΔＴ壁は内壁の温度と水の平均温度の間の差であり、
ΔＴｒは内側管の外径と内径の間の温度差である。
【００４０】
数学的計算により、二つの型の種々の位置に対して以下の温度分布が得られる：
Ａ型 Ｂ型
Ｔ０          ２０℃          ２０℃
Ｔ１          ２７℃          ２７℃
Ｔ２          ４２℃          ４２℃
Ｔ３          ４９℃          ４９℃
Ｔ４          ６２℃          ２０℃
Ｔ５          ６９℃          ２７℃
【００４１】
Ｂ型では温度Ｔ４とＴ５は２０℃と２７℃にそれぞれ維持されること、すなわち加熱がないこと、一方金属の熱吸収性の内側ケースを持つＡ型ではそれぞれ６２℃と６９℃までの加熱が得られたことは明らかである。従って、これらの数学的計算により本発明によるＢ型によって効率的な冷却が得られることが確認される。
【００４２】
本発明は上述された例に限定されず、添付の請求項の範囲内で変更されることができる。従って、本発明は、図５と６に示された光学要素以外の他のタイプの光学要素に対して使用されることができることは理解されるべきである。請求項中の参照番号は図４〜６において言及されている。
【図１】
2010530988.tif 000003
【図２】
2010530988.tif 000004
【図３】
2010530988.tif 000005
【図４】
2010530988.tif 000006
【図５】
2010530988.tif 000007
【図６】
2010530988.tif 000008
【図７】
2010530988.tif 000009
【図８】
2010530988.tif 000010
【図９】
2010530988.tif 000011
【国際調査報告】
2010530988.tif 000012
2010530988.tif 000013
2010530988.tif 000014