ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ НА БОЛЬШОЕ РАССТОЯНИЕ
FIBRE-OPTIC CABLE FOR LONG-DISTANCE TRANSMISSION OF HIGH-POWER LASER RADIATION

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.
больший размер сердцевины
меньшую длину волокна
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  и ». 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.
2
2
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/дюйм (20,684 МПа) и максимальные 36000 фунт/дюйм (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
2
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/дюйм (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.