用于光导线缆中的高功率激光应用的保护导管

技术领域

本发明涉及一种用于光导线缆中的高功率激光应用的保护导管。

背景技术

在此提供的“背景”描述是出于总体上呈现本公开的背景的目的。当前所述的发明人就在此背景技术部分中所描述而言的工作以及说明书的在提交时不可被另外视为现有技术的方面不被明示或暗示地认为是针对本公开的现有技术。

4级高功率激光应用使用对健康和生命总是有害的激光功率。光导系统、例如激光线缆中的损坏(例如光纤断裂)可能释放危险量的激光，从而对人体造成不可逆转的伤害。因此，出于工作安全的原因，对于高功率光纤线缆，规定了防止不受控制的泄漏激光辐射的保护措施。使用安全系统监测光纤线缆的断裂是防止意外释放激光辐射的一种保护方法。如果光纤断裂，则激光安全系统必须在几毫秒内安全切断激光，以避免激光辐射泄漏。为了防止在任何时候激光的危险发射，光纤被封闭在保护软管中的所述线缆中，该保护软管是防光的并且稳固地抵抗高功率激光。保护软管用作防火墙并吸收激光，直到安全电路已安全切断激光。

现有技术主要公开了用于保护导管的结构的两个构思：

a.结合了扭曲或螺旋形的金属管和覆盖的钢丝网的护套；和

b.铜编织物与黑色、灰色或透明塑料结合而成的护套。

金属外套必须保证导管是不透光的。在一些实施例中，使用多个金属层来增强其效果。与有色塑料相结合的铜编织物是一种防止激光辐射发射到环境中的替代方法。两种方法的共同点在于，激光光导光纤被布置在线缆的中央，其中，透明的聚合物或塑料包围光导光纤。透明的聚合物或塑料被光吸收层包围。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高功率激光线缆的防光保护导管，该保护导管对高功率激光是稳固的。

本发明提供一种保护导管，其中，所述保护导管包围用于光导线缆中的高功率激光应用的光导光纤，其中，所述保护导管包括填充有至少一种碳的同素异形体的至少一个塑料的激光安全层。

另一方面涉及：塑料的激光安全层可以由碳的同素异形体填充的热塑性聚合物构成，所述热塑性聚合物选自包括TPU、TPE和PTFE的组。

设想碳的同素异形体可以以尺寸范围从10纳米直到300微米的簇或颗粒的形式存在。

在另一实施例中，碳的同素异形体可以以石墨、金刚石或富勒烯结构族的成员的形式存在，其中，富勒烯结构族的成员包括布基球、布基管或碳纳米芽。

还旨在，热塑性聚合物激光安全层可以包含高达60％(w/w)的碳的同素异形体。

在保护导管的一个实施例中，热塑性聚合物激光安全层可以具有0.2mm至7mm的厚度。

本发明的另一方面涉及：热塑性聚合物激光安全层包围由包括TPU、TPE或PTFE的热塑性聚合物制成的内部低摩擦管。

本发明的另一方面涉及一种保护导管，所述保护导管包围用于光导线缆中的高功率激光应用的光导光纤，其中，所述保护导管包括填充有软木、木屑、木材或木粉末、木材颗粒的至少一个塑料的激光安全层。

通过下面的详细描述，仅通过示出优选实施例和实施方式，本发明的其他方面、特征和优点将显而易见。本发明还能够实施为其他和不同的实施例，并且本发明的多个细节可以在各个明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。因此，附图和说明书本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的其他目的和优点将在下面的描述中部分进行阐述，部分将从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践而获知。

附图说明

将基于附图描述本发明。将理解的是，在附图中描述的本发明的实施例和方面仅是示例，不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求及其等同物限定。将理解的是，本发明的一个方面或实施例的特征可以与本发明的其他实施例的不同方面的特征进行组合，在附图中：

图1示出了使用根据本发明的保护导管在约26kW激光功率下的测量信号。

图2示出了使用根据现有技术的保护导管在约24kW激光功率下的测量信号。

图3示出了根据本发明的保护导管的横截面。

图4示出了根据本发明的具有细颗粒的保护导管的纵截面。

图5示出了根据本发明的具有粗颗粒的保护导管的纵截面。

具体实施方式

本发明的目的通过独立权利要求的特征实现。其他实施例在从属权利要求中要求保护。

本发明提供一种由低摩擦塑料(例如，PTFE/聚四氟乙烯)制成的内管，该内管被至少一个热塑性聚合物、例如TPU(热塑性聚氨酯)的激光安全层包围，该热塑性聚合物包含碳的同素异形体、例如石墨颗粒。包围的激光安全层也可以在不使用透明内管的情况下应用。在正常情况下，这些组件不会显著影响导管的柔性。

如果激光应从光纤逸出，则其被含碳化合物有效吸收。但是，在光纤断裂的情况下，会逸出远远更高的能量，从而导致更高的温度和热解反应。含碳填充材料被激光辐射加热、分解、蒸发并释放出碳。将以气溶胶或碳粉末形式分解的先前结合的碳将完全吸收激光辐射。由于高纯度碳非常稳定，因此其将耐热高达至少3000℃，并且直到此温度几乎不会与氧气发生放热反应。因此，它不会给保护导管增加热量，但是吸收激光能量。此外，纯碳在大气压下不会熔化，但会在约3,630℃升华。它的吸热相变反应可以安全地吸收激光能量，因此内部安全电路具有足够的时间切断激光。实验表明，这种配置可以吸收超过26kW的激光超过一百毫秒。如果没有这些含碳化合物，逸出的激光将在几毫秒内切穿导管，这对于安全地切换激光安全电路来说太快了。因此，与钢或铜制成或覆盖的保护导管相比，根据本发明的保护导管能够承受远远更高的温度。

图1示出了使用根据本发明的保护导管获得的示例性实验结果。它示出了在26kW激光功率下在模拟光纤断裂过程中测量的信号的示波器屏幕截图。信号110代表安全传感器线缆在时间120减去12毫秒处其具有激光引起的中断。减去的12毫秒的时间延迟是由该设置中使用的激光安全开关的切换时间引起的。因此，激光切断信号进一步延迟了21毫秒130。它的下降触发激光在总延迟时间33毫秒后切断。减去的12毫秒与激光辐射信号开始点之间的差由中断激光安全传感器线缆所需的时间得出。在(由激光安全控制系统引起的)大约3毫秒的短时间延迟后，下降的激光辐射信号表示激光已切断140。在任何时间，TROS传感器信号150都远低于适用于安全工作的(根据TROS的)危险辐射规则规定的允许最大值160。由于根据本发明的保护导管是完全不透光的，因此信号没有显示出从其噪声水平的任何偏离。

图2示出了使用根据现有技术的保护导管获得的示例性实验结果。所使用的信号标号110、130、140与图1中的相同。TROS传感器信号250超过了适用于在时间220安全工作的(根据TROS的)危险辐射规则规定的最大值260。

图3示出了根据本发明的具有光导光纤310的保护导管的可能变型的横截面，所述光导光纤310被激光安全传感器线缆320监测、被内管330同心地包围、被激光安全层340同心地包围并被具有应力消除和避免磨损的机械功能层350覆盖。

图4示出了根据本发明的具有光导光纤410的保护导管的可能变型的纵截面，所述光导光纤410被激光安全传感器线缆420监测、被内管430同心地包围、被填充有碳的同素异形体、例如石墨的细颗粒的激光安全层440同心地包围并被具有应力消除和避免磨损的机械功能层450覆盖。

图5示出了根据本发明的具有光导光纤510的保护导管的可能变型的纵截面，所述光导光纤510被激光安全传感器线缆520监控、被内管530同心地包围、被填充有形成均匀地嵌入到透明聚合物基体中的离散簇的碳的同素异形体的粗颗粒的激光安全层540同心地包围并被具有消除应力和避免磨损的机械功能层550覆盖。这种设置特别有利，这是因为它允许激光辐射更深地穿透到激光安全层中，并同时释放更多的碳。

本发明提供一种保护导管，该保护导管在检测到光纤断裂之后在至少30毫秒的光束持续时间内对于输出功率至少为20kW的激光而言是稳固的。同时，根据本发明的保护软管比传统的基于金属的导管重量轻得多并且更具柔性，尤其是在需要将扭矩施加到保护导管的应用的情况下、例如6轴机器人应用的情况下。

出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的优选实施例的前述描述。不旨在穷举本发明或将本发明限制为所公开的精确形式，并且根据以上教导，修改和变型是可能的，或者可以从本发明的实践中获得修改和变型。选择和描述了实施例以解释本发明的原理及其实际应用，以使得本领域技术人员能够在适于预期的特定用途的各种实施例中利用本发明。本发明的范围旨在由所附的权利要求书及其等同物来限定。每个前述文献整体通过引用包含于此。