CN107771299B - 用于改变激光输送系统中的光束参数乘积的光学元件布置 - Google Patents

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Abstract

在各种实施方式中，激光输送系统的特征在于用于接收辐射光束并改变其空间功率分布的一个或多个光学元件、用于改变在辐射光束的路径内的至少一个光学元件的位置的透镜操纵系统和用于控制透镜操纵系统以实现在工件上的作为目标的改变的空间功率分布的控制器。

Description

用于改变激光输送系统中的光束参数乘积的光学元件布置
相关申请
本申请要求2015年6月23日提交的美国临时专利申请No.62/183,210的权益和优先权，其全部公开在此通过引用被并入本文。
技术领域
在各种实施方式中，本发明涉及激光系统，特别是具有可控光束参数乘积的激光系统。
背景技术
高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料处理。这样的激光系统一般包括激光发射器和光学系统，来自激光发射器的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内，光学系统将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上。光学系统一般被设计成产生最高质量的激光束或等效地，具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处的半径(即光束腰、最小光斑尺寸)的乘积。BPP量化激光束的质量以及它聚焦到小光斑的程度，且一般以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。(本文公开的BPP值是以mm-mrad为单位，除非另有说明。)高斯光束具有由激光束的波长除以pi给出的最低可能的BPP。实际光束的BPP与在同一波长下的理想高斯光束的BPP的比被表示为M2，其为光束质量的波长无关量度。
在很多激光处理应用中，期望的光束光斑尺寸、发散度和光束质量可根据例如处理的类型和/或正被处理的材料的类型而改变。为了使激光系统的BPP做出这样的变化，输出光学系统或光纤通常必须与其它部件互换和/或重新对准，这是甚至可能导致激光系统的易碎光学部件的无意损坏的耗时和昂贵的过程。因此，存在对用于改变激光系统的BPP的替代技术的需要，这些技术不涉及在光纤的输出处对激光束或光学系统的这样的调节。
发明内容
本发明的实施方式使用有激光束成形的能力以实现修改光束质量(特别是BPP)的期望空间光束轮廓的光学元件。更特别地，通过相对于激光束的光轴横向或纵向地移动或位移光学元件的位置来改变光学元件的光学几何结构可被利用来产生可变BPP。在本发明的实施方式中，光学元件位于具有可切换的状态的光束路径中，根据它们的位置产生不同的光束偏转或衍射。根据本发明的实施方式的光学元件的使用使BPP的变化成为可能，而不考虑对应于输入激光束的光束的形状、质量、波长、带宽和数量。具有可控地改变的BPP的输出光束可用于在例如焊接、切割、钻孔等的应用中处理工件。
可变BPP的一个优点是对不同类型的处理技术或正被处理的不同类型的材料的改进的激光应用性能。已经研究了用于修改激光BPP的几种技术。激光束质量可通过模清洁器提高，模清洁器包括谐振模清洁器、非谐振模清洁器和光纤。在2015年2月26日提交的美国专利申请No.14/632,283中描述了用于改变激光束的BPP的各种技术，该专利的公开通过引用被全部并入本文。与模清洁器腔或使用光学单模光纤比较，非谐振模清洁器相对容易对准。该方法可被分成通过使用空间滤波器、折射光学器件和自适应光学器件的横向光束成形和通过使用时域和频域方法的纵向成形。由光学元件(折射光学器件)引起的不同的光束强度分布修改光束质量，且因此修改BPP。通过在光束路径中使用具有不同的有效光学几何结构的光学元件的平移(例如机动化平移)，可实现BPP的实时动态改变。
激光束成形是重新分布光束的强度(辐照度)和相位的过程。强度分布限定光束轮廓，例如高斯、贝塞尔、环形、多模、矩形、礼帽、椭圆形或圆形，并且不同的强度轮廓对特定的激光材料处理技术可能是关键和必要的。在所研究的用于近场中的光束成形的几种方法之中，最简单的方法是通过使用切趾和截断。因为这种方法基本上是低能效的，反射光学器件、折射光学器件、衍射光学器件、声光学器件和/或液晶通常用于通过使用场映射方法来使激光束成形。用于光束成形的另一方法是光束积分，其涉及混合输入光束的部分以平滑强度峰值，即借助于积分基于将输入光束分割成在透镜的焦平面处重叠的子光束的光束均匀化。
在本发明的实施方式中，光学元件位于将激光束输送到工件并聚焦激光的输送系统。输送系统可被配置和/或包装为例如切割头或焊接头。本发明的实施方式改变光束质量，以便能够在工作站处(和/或在其上布置的工件处)的可控地可变的BPP。可变BPP模块可包括一个或多个光学元件、机动化平移台、准直透镜和聚焦透镜。本发明的实施方式的特征可以在于用于光学元件的多种类型的折射光学器件中的任一个或多个用于改变BPP。
本发明的实施方式可通过动态地改变激光束的光路中的一个或多个光学元件的位置来改变光束质量。在一个实施方式中，通过调节在光学元件上的光束指向位置来定制光束轮廓。光学元件可具有取决于期望光束轮廓且因此取决于BPP的不同的几何结构。根据本发明的实施方式的一个光学元件具有平面表面和平顶(即截顶)圆锥形表面。根据本发明的实施方式的另一光学元件具有平面表面和平顶球形表面。根据本发明的实施方式的又一光学元件是弯月形透镜。来自光束输送光纤的发散光线被引导到光学元件上以重新分布在光学元件内的光束强度。根据本发明的实施方式的其它光学元件包括成对的正和负锥透镜。在其它实施方式中，光学元件包括成对互补相位板透镜，其中一个具有部分凸起的表面，而其中一个具有互补地部分凹陷的弯曲表面。光学元件的边缘可被修圆，以便抑制衍射效应。使用各种光束成形技术来产生/转换在工件上的激光强度分布被执行，但这样的常规技术改变光束质量的能力有限。利用光学元件的自动移动的BPP的动态变化的优点可应用于例如在圆形切削或方形切削角上的激光切割应用，其中在自由形式切割期间需要BPP的变化。这样的优点也可应用于激光钻孔应用，其可利用改变BPP和焦距两者的能力。根据本发明的实施方式的光学元件的自动闭环电机控制产生可靠和可重复的性能，并使光学器件位置的精确控制成为可能，从而提供准确的BPP变化。
在本文中，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任一个，其重定向、反射、弯曲或以任何其它方式光学地操纵电磁辐射，除非另有说明。在本文中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁光束产生设备，例如半导体元件，其产生电磁光束，但可以是也可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括背反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该电磁辐射不限于电磁光谱的任何特定部分，而可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可包括多个光束发射器或基本上由多个光束发射器组成，光束发射器例如被配置成发射多个光束的二极管棒。在本文的实施方式中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。
本发明的实施方式可以与包括多个发射器(例如一个或多个二极管棒)的波长光束组合(WBC)系统一起使用，二极管棒使用色散元件来组合以形成多波长光束。在WBC系统中的每个发射器单独地谐振，且通过由色散元件沿着光束组合维度过滤的来自公共的部分反射输出耦合器的波长特定反馈被稳定化。在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中描述了示例性WBC系统，每个专利的全部公开通过引用被全部并入本文。WBC系统的多波长输出光束可以用作输入光束并结合本发明的实施方式用于例如BPP控制。
在一个方面中，本发明的实施方式的特征在于用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统。激光系统包括如下或基本上由如下组成：用于准直辐射光束的准直透镜、用于接收准直光束并将光束朝着工件聚焦的聚焦透镜、用于接收辐射光束并改变其空间功率分布的光学元件、用于改变在辐射光束的路径内的光学元件的位置的透镜操纵系统和用于控制透镜操纵系统以实现在工件上的作为目标的改变的空间功率分布的控制器。光学元件可布置在光束源和准直透镜之间(即光束源的光学下游和准直透镜的光学上游)。
本发明的实施方式可包括以各种组合中的任一种的下列项中的一个或多个。光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。第一表面可面向光束源。第一表面可背离光束源。光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。第一表面可面向光束源。第一表面可背离光束源。光学元件可包括弯月形透镜、基本上由弯月形透镜组成或由弯月形透镜组成。弯月形透镜可以是正弯月形透镜。弯月形透镜可以是负弯月形透镜。光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。透镜操纵系统可被配置成将光学元件横向偏心地定位在辐射光束的路径内。
激光输送系统可包括布置在辐射光束的路径中的第二光学元件。第二光学元件可被布置在聚焦透镜和工件之间(即布置在聚焦透镜的光学下游并布置在工件的光学上游)。透镜操纵系统可被配置成改变在辐射光束的路径内的第二光学元件的位置。第二光学元件包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。第一表面可面向光束源。第一表面可背离光束源。第二光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。第一表面可面向光束源。第一表面可背离光束源。第二光学元件可包括弯月形透镜、基本上由弯月形透镜组成或由弯月形透镜组成。弯月形透镜可以是正弯月形透镜。弯月形透镜可以是负弯月形透镜。第二光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。
光束源可包括如下或基本上由如下组成：发射多个分立光束的光束发射器、用于将多个光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件、用于接收并色散所接收的聚焦光束的色散元件以及被定位成接收色散光束、通过其传输色散光束的一部分作为辐射光束并朝着色散元件反射回色散光束的第二部分的部分反射输出耦合器。辐射光束可由多个波长的辐射组成。聚焦光学器件可包括如下或基本上由如下组成：一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形反射镜和/或一个或多个圆柱形反射镜。色散元件可包括衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)或基本上由衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)组成。
在另一方面中，本发明的实施方式的特征在于用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统。激光输送系统包括如下或基本上由如下组成：用于准直辐射光束的准直透镜，用于接收准直光束并将光束朝着工件聚焦的聚焦透镜，用于接收辐射光束并改变其空间功率分布的第一和第二光学元件，用于改变(i)在辐射光束的路径内的第一光学元件的位置、(ii)在辐射光束的路径内的第二光学元件的位置和/或(iii)第一和第二光学元件之间的距离的透镜操纵系统，和用于控制透镜操纵系统以实现在工件上的作为目标的改变的空间功率分布的控制器。第一和/或第二光学元件可被布置在光束源和准直透镜之间(即布置在光束源的光学下游和准直透镜的光学上游)。
本发明的实施方式可包括以各种组合中的任一种的下列项中的一个或多个。第一光学元件可包括双凹锥透镜、基本上由双凹锥透镜组成或由双凹锥透镜组成。第二光学元件可包括双凸锥透镜、基本上由双凸锥透镜组成或由双凸锥透镜组成。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学上游。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学下游。透镜操纵系统可被配置成在大约0mm到大约50mm的范围内、在大约0mm到大约20mm的范围内、在大约2mm到大约50mm的范围内或在大约2mm到大约20mm的范围内改变第一和第二光学元件之间的距离。第一光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的、具有(a)凸起地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。第二光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的、具有(a)凹陷地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学上游。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学下游。第一光学元件的第二表面可面向第二光学元件的第二表面。第一光学元件的第一表面可面向第二光学元件的第一表面。第一光学元件的第一表面可面向第二光学元件的第二表面。第一光学元件的第二表面可面向第一光学元件的第一表面。透镜操纵系统可被配置成将第一光学元件和/或第二光学元件横向偏心地定位在辐射光束的路径内。第一光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。第二光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。
光束源可包括如下或基本上由如下组成：发射多个分立光束的光束发射器，用于将多个光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，用于接收并色散所接收的聚焦光束的色散元件，以及被定位成接收色散光束、通过其传输色散光束的一部分作为辐射光束并朝着色散元件反射回色散光束的第二部分的部分反射输出耦合器。辐射光束可由多个波长的辐射组成。聚焦光学器件可包括如下或基本上由如下组成：一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形反射镜和/或一个或多个圆柱形反射镜。色散元件可包括衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)或基本上由衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)组成。
在又一方面中，本发明的实施方式的特征在于用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统。激光输送系统包括如下或基本上由如下组成：用于增加辐射光束的发散度的一个或多个发射度增加光学元件、用于接收辐射光束并将光束朝着工件聚焦的聚焦透镜、用于接收辐射光束并改变其空间功率分布的至少一个光学元件、用于改变在辐射光束的路径内的至少一个光学元件的位置的透镜操纵系统和用于控制透镜操纵系统以实现在工件上的作为目标的改变的空间功率分布的控制器。
本发明的实施方式可包括以各种组合中的任一种的下列项中的一个或多个。聚焦透镜可被布置在一个或多个发散度增加光学元件的光学下游。至少一个光学元件可被布置在聚焦透镜的光学上游。一个或多个发散度增加光学元件可包括三合透镜准直器、基本上由三合透镜准直器组成或由三合透镜准直器组成。三合透镜准直器可包括下列透镜、基本上由下列透镜组成或由下列透镜组成：(i)第一平凹透镜、(ii)第二弯月形透镜和(iii)第三平凸透镜。第一平凹透镜可被布置在第二弯月形透镜的光学上游。第二弯月形透镜可被布置在第三平凸透镜的光学上游。至少一个光学元件可被布置在第一平凹透镜的光学下游。至少一个光学元件可被布置在第二弯月形透镜和/或第三平凸透镜的光学上游。至少一个光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。至少一个光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的为大致平面的第二表面。至少一个光学元件可包括弯月形透镜(例如正弯月形透镜或负弯月形透镜)、基本上由弯月形透镜(例如正弯月形透镜或负弯月形透镜)组成或由弯月形透镜(例如正弯月形透镜或负弯月形透镜)组成。透镜操纵系统可被配置成将至少一个所述光学元件横向偏心地定位在辐射光束的路径内。
至少一个光学元件可包括第一光学元件和第二光学元件、基本上由第一光学元件和第二光学元件组成或由第一光学元件和第二光学元件组成。第一光学元件和第二光学元件可由其间的间隙分隔。透镜操纵系统可被配置成改变(i)在辐射光束的路径内的第一光学元件的位置、(ii)在辐射光束的路径内的第二光学元件的位置和/或(iii)第一和第二光学元件之间的距离。第一光学元件可包括双凹锥透镜、基本上由双凹锥透镜组成或由双凹锥透镜组成。第二光学元件可包括双凸锥透镜、基本上由双凸锥透镜组成或由双凸锥透镜组成。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学上游。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学下游。透镜操纵系统可被配置成在大约0mm到大约50mm的范围内、在大约0mm到大约20mm的范围内、在大约2mm到大约50mm的范围内或在大约2mm到大约20mm的范围内改变第一和第二光学元件之间的距离。第一光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的、具有(a)凸起地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。第二光学元件可包括透镜、基本上由透镜组成或由透镜组成，该透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与第一表面相对的、具有(a)凹陷地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学上游。第一光学元件可被布置在第二光学元件的光学下游。第一光学元件的第二表面可面向第二光学元件的第二表面。第一光学元件的第一表面可面向第二光学元件的第一表面。第一光学元件的第一表面可面向第二光学元件的第二表面。第一光学元件的第二表面可面向第一光学元件的第一表面。透镜操纵系统可被配置成将第一光学元件和/或第二光学元件横向偏心地定位在辐射光束的路径内。第一光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。第二光学元件可包括熔融石英和/或硫化锌、基本上由熔融石英和/或硫化锌组成或由熔融石英和/或硫化锌组成。
光束源可包括如下或基本上由如下组成：发射多个分立光束的光束发射器，用于将多个光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，用于接收并色散所接收的聚焦光束的色散元件，以及被定位成接收色散光束、通过其传输色散光束的一部分作为辐射光束并朝着色散元件反射回色散光束的第二部分的部分反射输出耦合器。辐射光束可由多个波长的辐射组成。聚焦光学器件可包括如下或基本上由如下组成：一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形反射镜和/或一个或多个圆柱形反射镜。色散元件可包括衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)或基本上由衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)组成。
通过参照下面的描述、附图和权利要求，这些和其它目的与在本文公开的本发明的优点和特征一起将变得显而易见。此外，应理解，本文所述的各种实施方式的特征并不是相互排斥的，且可存在于各种组合和置换中。如在本文使用的，术语“大致”意指±10％，且在一些实施方式中是±5％。术语“基本上由…组成”意指排除有助于功能的其它材料，除非在本文另有规定。然而，这样的其它材料可共同地或单独地以微量存在。在本文，术语“辐射”和“光”可互换地使用，除非另有说明。在本文，利用“下游”或“光学下游”来指示光束在遇到第一元件之后照射到的第二元件的相对布置，第一元件在第二元件的“上游”或“光学上游”。在本文中，在两个部件之间的“光程”是光束实际上所行进的两个部件之间的距离；由于例如光从一个部件行进到另一个部件所经历的反射镜的反射或传播方向上的其他变化，光程可以等于，但并非必须等于两个部件之间的物理距离。
附图说明
在附图中，相似的附图标记通常在所有不同的视图中指相同的部件。此外，附图不一定按比例，而是为了说明本发明的原理被强调。在下面的描述中，参考下面的附图描述了本发明的各种实施方式，其中：
图1是根据本发明的各种实施方式的激光束输送系统的示意图；
图2是根据本发明的各种实施方式的平顶圆锥光学元件的示意图；
图3A是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与熔融石英平顶圆锥光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图3B是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与硫化锌平顶圆锥光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图4A是根据本发明的各种实施方式的具有偏心光学元件的激光输送系统的示意图；
图4B-4D描绘依赖于由图4A的激光输送系统产生的偏心距离的光束轮廓；
图4E是辐照度与在图4D中描绘的双峰光束轮廓的位置的关系曲线；
图5是根据本发明的各种实施方式的平顶球形光学元件的示意图；
图6A是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与熔融石英平顶球形光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图6B是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与硫化锌平顶球形光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图7A-7C描绘根据本发明的各种实施方式的依赖于由包括图5的光学元件的激光输送系统产生的偏心距离的光束轮廓；
图7D是辐照度与在图7C中描绘的双峰光束轮廓的位置的关系曲线；
图8A是根据本发明的各种实施方式的具有两个锥透镜光学元件的激光输送系统的一部分的示意图；
图8B和8C描绘根据本发明的各种实施方式的锥透镜的几何设计参数；
图9是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与正负锥透镜之间的间隙距离的关系曲线；
图10描绘根据本发明的各种实施方式的正负锥透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓；
图11描绘根据本发明的各种实施方式的在光束路径中横向偏心的正负锥透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓；
图12A是根据本发明的各种实施方式的具有双相位板透镜的激光输送系统的一部分的示意图；
图12B和12C描绘根据本发明的各种实施方式的相位板透镜的几何设计参数；
图12D是根据本发明的各种实施方式的BPP与双相位板的内径的关系曲线；
图12E是根据本发明的各种实施方式的双相位板的优化内径与离输入光纤端帽的间隔的关系曲线；
图12F是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与在双相位板透镜之间的间隙距离的关系曲线；
图12G描绘在双相位板透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓；
图13A是根据本发明的各种实施方式的弯月形透镜光学元件的示意图；
图13B是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与熔融石英弯月形透镜光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图14A是根据本发明的各种实施方式的包括用于增加光束发散度的三合透镜准直器的部分激光束输送系统的示意图；
图14B是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与图14A的激光束输送系统中平顶球形光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图14C是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与图14A的激光束输送系统中弯月形透镜光学元件与光束源的距离的关系曲线；
图14D是根据本发明的各种实施方式的包括双相位板光学元件和用于增加光束发散度的三合透镜准直器的部分激光束输送系统的示意图；
图14E是根据本发明的各种实施方式的BPP变化与在图14D的激光束输送系统中的双相位板透镜之间的间隙距离的关系曲线；以及
图15是根据本发明的各种实施方式的可用于为激光束输送系统提供输入光束的波长光束组合激光系统的示意图。
具体实施方式
图1描绘根据本发明的实施方式的包括光束操纵光学元件的激光束输送系统100的示意图。在各种实施方式中，激光束输送系统100可布置在例如基于激光的切割头或焊接头内。光束输送系统100的特征在于连接到激光产生系统(例如未在图1中示出的WBC激光系统)的其余部分的在光纤端帽105处终止的光束输送光纤、准直透镜110、聚焦透镜115和位于端帽105与准直透镜110之间的光学元件120。在各种实施方式中，光学元件120布置成靠近光纤端帽105以最小化照射到光学元件120的光束的尺寸。较小光束的折射可以使用具有较小几何尺寸的光学器件的光学器件来执行，并且可以较高的灵敏度改变输出轮廓。图1还描绘布置在聚焦透镜115和工件130之间的可选的第二光学元件125。工件130可包括例如要由聚焦透镜115所聚焦的光束焊接、钻孔和/或切割的一个或多个零件(例如金属零件)或基本上由该一个或多个零件(例如金属零件)组成。在各种实施方式中，第一光学元件120布置在聚焦透镜115和工件130之间，且第二光学元件125被省略。光学元件120、125可以分别包括例如相位板或基本上由相位板组成。
可通过使用透镜操纵系统在光束轮廓内平移第一光学元件120和/或第二光学元件125的位置，透镜操纵系统可包括例如能够沿着两个或三个轴移动的一个或多个机械化或机动化平移台135或基本上由其组成。透镜操纵系统可对控制器140做出响应。控制器140可对期望目标辐射功率分布和/或BPP或光束质量的其它量度(例如由用户输入和/或基于待处理的工件的一个或多个特性，例如与工件的距离、工件的组成、工件的表面状况等)做出响应，并被配置成将光学元件120和/或光学元件125定位成使所操纵的光束145以目标辐射功率分布或光束质量照射到工件130上。控制器140可被编程为经由如在本文详述的特定光学元件定位来实现期望功率分布和/或输出BPP和/或光束质量。控制器140可被提供有软件、硬件或其某种组合。例如，可在一个或多个常规服务器类计算机，例如具有CPU板的PC上，实现系统，CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣塔克拉拉的英特尔公司制造的处理器的Pentium或Celeron系列处理器、由萨姆堡Ill.的摩托罗拉公司制造的处理器的680x0和POWER PC系列处理器和/或由加利福尼亚州圣尼维尔的超微半导体公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可包括用于存储与本文所述的方法有关的程序和/或数据的主存储器单元。存储器可包括驻留在通常可获得的硬件上的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或快闪存储器，通常可获得的硬件例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑设备(PLD)或只读存储器设备(ROM)。在一些实施方式中，可使用例如光盘、磁盘以及其它常用存储设备的外部RAM和/或ROM来提供程序。对于功能被提供为一个或多个软件程序的实施方式，可以用多种高级语言中的任一种来写程序，高级语言例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。此外，可以用针对驻留于目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现软件；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC克隆上运行，那么就可以用Intel 80x86汇编语言来实现。软件可以编录在包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM的制造物品上。
图2是根据本发明的实施方式的具有截顶圆锥的形状(平顶圆锥形状或逐渐变细的圆柱体形状)的光学元件200的示意图。例如，光学元件200可用作在输送系统100中的光学元件120和/或光学元件125。参数D、d、θ和H分别是外径、内径(其在光束照射到光学元件上时可相应于光束的光束尺寸)、限定最大弓形高(或“下垂度”，h)和光束的外环与光束的光斑中心的间距的倾角、以及光学元件200的厚度的几何设计参数。几何光学器件的光线跟踪可用于基于能量守恒、光路长度不变和斯涅耳定律来设计根据本发明的实施方式的光学元件。透镜设计及其表面轮廓可例如将光束轮廓从高斯光束转换成具有期望强度分布的贝塞尔激光束。
表1提供包括下列两种不同的材料或基本上由这两种材料组成或由这两种材料组成的示例性光学元件200的示例性设计值：熔融石英和硫化锌(例如从宾夕法尼亚州Saxonburg的II-VI公司可得到的ZnS MultiSpectral)。
表1
光学元件材料 熔融石英 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 8 8
H(mm) 2 0.85
h(μm) 50 17
Θ(mrad) 5.9 2
图3A和3B是在从光纤端帽105到具有在表1中提供的设计参数的示例性熔融石英(图3A)和硫化锌(图3B)光学元件200的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件200的初始位置与端帽105的距离是25mm。如所示，在这两种情况下，光束的BPP可通过将光学元件200位移大约30mm而从大约4增加到大约12。BPP根据位移的这种变化的斜率可经由在端帽105处输出的光纤的数值孔径的变化来改变。图3A和3B中也示出在光学元件200到光纤端帽105的50mm距离处的光束轮廓。
如图4A所示，可通过将光学元件200(或在本文详述的其它光学元件)横向偏心地定位在光束路径中(即将它部分地引入到输入激光束内)来得到在一个轴上具有两个峰的定制的光束轮廓。根据引入的程度，输出激光束的光束轮廓可最佳地适合于各种激光应用。在图4B-4D中示出了在与端帽105的40mm距离处的光学元件200的不同偏心距离(0mm、2mm和4mm)处的光束轮廓。图4E是图4D中描绘的光束轮廓的辐照度与位置的关系曲线，其清楚地示出光束轮廓的双峰性质。在各种实施方式中，在光学元件200的不同偏心位置处的BPP的变化大约是零，即使辐照度在整个光束轮廓中随位置而改变。
根据本发明的实施方式的光学元件也可具有截顶球形(即平顶球形)配置，并也可用于产生贝塞尔光束轮廓。在图5中示意性描绘根据这样的实施方式的光学元件500的几何设计。光学元件500可用作输送系统100中的光学元件120和/或光学元件125。设计参数与上面对平顶圆锥光学元件200详述的设计参数相同，除了也限定最大下垂度(h)和所产生的环形光束环与光斑中心的间距的曲率半径R以外。
表2提供包括下列两种不同的材料或基本上由这两种材料组成或由这两种材料组成的示例性光学元件500的示例性设计值：熔融石英和硫化锌。
表2
Figure BDA0001516173580000151
Figure BDA0001516173580000161
图6A和6B是在从光纤端帽105到具有在表2中提供的设计参数的示例性熔融石英(图6A)和硫化锌(图6B)光学元件500的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件500的初始位置与端帽105的距离是25mm。如所示，在这两种情况下，光束的BPP可通过将光学元件500位移大约30mm(例如大约28mm–大约32mm)而从大约4增加到大约12。BPP根据位移的这种变化的斜率可经由在端帽105处输出的光纤的数值孔径的变化来改变。图6A和6B中也示出在光学元件500到光纤端帽105的50mm距离处的光束轮廓，以及针对光学元件500和端帽105之间的50mm间距它们的辐照度与位置的关系曲线。
在图7A-7C中示出了在与端帽105的40mm距离处的光学元件500的不同偏心距离(0mm、2mm和4mm)(即，如对图4A中的光学元件200所示的)处的光束轮廓。图7D是图7C中描绘的光束轮廓的辐照度与位置的关系曲线，其清楚地示出光束轮廓的强度的双峰性质。在各种实施方式中，在光学元件500的不同偏心位置处的BPP的变化大约是零，即使在整个光束剖面中辐照度随位置而改变。
本发明的实施方式利用光学元件来产生环形光束形状。本发明的实施方式的特征在于包括锥透镜、基本上由锥透镜组成或由锥透镜组成的一个或多个光学元件。如在本领域中已知的，锥透镜是具有至少一个圆锥形表面的透镜，并且这样的透镜可用于将点源成像到沿着光轴的线段内。旋转的圆锥形表面能够通过反射或折射或这两者来弯曲来自位于旋转轴上的点源的光。如图8A所示，本发明的实施方式利用在光纤端帽105和准直透镜110之间的双正(即双凸)锥透镜800和双负(即双凹)锥透镜810的组合，并且可利用这个透镜系统来改变工件处的光束尺寸。如所示的，透镜800、810在光束路径中被间隙距离820分隔。如在图8B和8C中示意性绘出的，θ1和θ2是锥形表面的斜率变量，其限定最大下垂度(h1和h2)和环形光束环与光斑中心的间距。在本发明的各种实施方式中，透镜800、810中的一个或两个的锥形表面具有平滑的边缘和小于大约5μm的曲率半径。
图9是描绘根据两个锥透镜800、810之间的间距820控制激光输送系统的BPP的曲线图。如图9所示，间隙距离820的大约7mm的变化导致BPP从4增加到12，证明由本发明的这样的实施方式实现的BPP的宽范围控制。在图10中示出根据透镜800、810之间的间隙距离820的光束轮廓，其中间隙距离以毫米列出。如所示，间隙距离820的调节可将具有单个峰的光束轮廓转换成具有两个、三个或更多个峰的光束轮廓。图11描绘在两个锥透镜800、810在光束路径中横向偏心4mm并分开所列出的间隙距离820(间隙距离以毫米列出)的情况下的类似的光束轮廓。
本发明的实施方式的特征在于一个或多个光学元件，其包括具有一个平面表面和相对表面的相位板或基本上由其组成或由其组成，相对表面的至少一部分凸起或凹陷地弯曲。图12A描绘部分光束输送系统，其特征在于由间隙Z分隔的两个这样的板1200、1210。如所示，板1200与光纤端帽105分隔距离S。图12B和12C更详细地描绘板1200、1210。如所示，板1200、1210具有外径D，且它们的表面的凸/凹部分具有(结合下面详述的R)限定最大下垂度h的内径d。板在它们的外周的厚度(即在它们的相对表面的平面部分之间的厚度)由H表示，且凸/凹部分的曲率半径由R表示。如在图12B和12C中描绘的，板1200、1210具有大约相同的H、D、d和R，虽然本发明的各种实施方式的特征在于那些参数中的一个或多个不同的双板(即，一个板具有部分凹陷的表面，而一个板具有部分凸起的表面)。
表3提供包括下列两种不同的材料或基本上由这两种材料组成或由这两种材料组成的示例性光学元件1200、1210的示例性设计值：熔融石英和硫化锌。
表3
光学元件材料 熔融石英 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 5 5
H(mm) 2 1
h(μm) 25 9.3
R(mm) 500 1350
根据本发明的实施方式，图12D和12E描绘出板1200、1210的内径d可被优化以根据与光纤端帽105的距离S来最大化激光输送系统的输出BPP。图12D是BPP与具有40mm的距离S、10mm的间隙距离Z和500的曲率半径R的板1200、1210的内径d的关系曲线。如所示，所产生的BPP在大约5mm的内径d处被最大化；这个BPP实质上不受间隙距离Z和曲率半径R的变化的影响。图12E是优化的内径d(即最大化输出BPP的内径)与端帽105和板1200之间的距离S的关系曲线。如所示，可选择优化的内径d以根据距离S来最大化输出光束的BPP。
图12F是在具有在表3中提供的设计参数的两个板1200、1210之间的不同间隙距离Z处的BPP的曲线图(使用表3的设计参数，熔融石英和硫化锌板1200、1210都提供相同的结果)。在图中，假设与端帽105的距离S是40mm。如所示，光束的BPP可通过将板1200、1210之间的间隙Z改变大约9mm而从大约4增加到大约12。图12G示出根据间隙Z(以mm为单位)的输出光束的各种光束轮廓，以及如它们的辐照度与位置的关系曲线。如所示，当光束BPP增加时，光束形状从具有单个峰继续进行到具有更宽的多峰辐照度轮廓。
根据本发明的实施方式的光学元件还可包括弯月形透镜或基本上由弯月形透镜组成或由弯月形透镜组成。图13A示意性描绘根据这样的实施方式的光学元件1300的几何设计；如所示，在各种实施方式中，光学元件1300的一个表面在大体上整个表面上凸起地弯曲，而相对的表面在该表面的一部分之上凹陷地弯曲，限定内径d。光学元件1300可用作输送系统100中的光学元件120和/或光学元件125。如所示，光学元件1300可具有外径D、内径d、厚度H、凸起地弯曲的表面的最大下垂度h1和部分凹陷地弯曲的表面的最大下垂度h2。对光学元件1300的两个表面可以大致相同的曲率半径R限定最大下垂度h1和h2以及由此产生的环形光束环与光斑中心的间隔。
表4提供包括下列两种不同的材料或基本上由这两种材料组成或由这两种材料组成的示例性光学元件1300的示例性设计值：熔融石英和硫化锌。
表4
光学元件材料 熔融石英 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 8 8
H(mm) 3 1.8
h1(μm) 87 31
h2(μm) 9 3.2
R(mm) 900 2500
图13B是在从光纤端帽105到具有在表4中提供的设计参数的示例性熔融石英光学元件1300的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件的初始位置与端帽105的距离是25mm。如所示，光束的BPP可通过将光学元件1300位移大约24mm而从大约4增加到大约12。图13B也示出在光学元件1300到光纤端帽105的46mm距离处的光束轮廓，以及针对光学元件1300和端帽105之间的46mm间距的辐照度与位置的关系曲线。
根据本发明的实施方式的激光束输送系统还可利用各种透镜布置来形成更大、更发散的输入光束以用于BPP随光学元件位移的变化。图14A描绘包含用于BPP变化的可移动光学元件1405和用于增加激光束的发散度的三合透镜准直器的激光输送系统1400的部分。如所示，三合透镜准直器将光束的发散度从角α增加到角β。在各种实施方式中，β与α的比在大约2和大约1.5之间，例如大约1.74。如下面更详细描述的，这个增加的发散度使得利用光学元件1405的较小运动对BPP的较大控制成为可能。在各种实施方式中，光学元件1405包括下列部件中的任一个或多个、基本上由下列部件中的任一个或多个组成或由下列部件中的任一个或多个组成：光学元件200、光学元件500、光学元件1300、相位板1200/1210或锥透镜800、810。
根据本发明的实施方式的用于增加光束发散度的三合透镜准直器可由透镜的各种组合组成。图14A描绘了一个包括平凹透镜1410、弯月形透镜1415(例如正弯月形透镜)和平凸透镜1420的实施方式。在本发明的各种实施方式中，光学元件1405被布置在平凹透镜1410和弯月形透镜1415之间的光束路径中。在其它实施方式中，光学元件1405可布置在弯月形透镜1415和平凸透镜1420之间的光束路径中或甚至平凸透镜1420的光学下游。
图14B是当激光束输送系统1400利用具有在表1中提供的设计参数的示例性熔融石英光学元件200结合三合透镜准直器用于增加光束发散度时，在从光纤端帽105到该示例性熔融石英光学元件200的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件200的初始位置与端帽105的距离是25mm。如所示，光束的BPP可通过将光学元件200位移仅仅大约16mm而从大约4增加到大约12或当与没有图14A所示的三合透镜准直器的光束输送系统(见图3A)比较时通过减小大约2倍的位移(即较大的控制)而从大约4增加到大约12。图14B也示出在光学元件200到光纤端帽105的21mm距离处的光束轮廓。
图14C是当激光束输送系统1400利用具有在表4中提供的设计参数的示例性熔融石英光学元件1300结合三合透镜准直器用于增加光束发散度时，在从光纤端帽105到该示例性熔融石英光学元件1300的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件1300的初始位置与端帽105的距离是25mm。如所示，光束的BPP可通过将光学元件200位移仅仅大约12mm而从大约4增加到大约12或当与没有图14A所示的三合透镜准直器的光束输送系统比较时通过减小大约2倍的位移(即较大的控制)而从大约4增加到大约12。图14C也示出在光学元件1300到光纤端帽105的17.5mm距离处的光束轮廓。
图14D是包括在光束路径中以间隙距离Z分隔的上述双相位板光学元件1200、1210的部分激光束输送系统1400的示意图。图14E是当激光束输送系统1400利用具有在表3中提供的设计参数的示例性熔融石英光学元件1200、1210结合三合透镜准直器用于增加光束发散度时，不同间隙距离Z处的BPP的曲线图。在图中，假设光学元件1200的位置与端帽105的距离是25mm。如所示，光束的BPP可通过将在光学元件1200、1210之间的间隙距离Z增加仅仅大约3mm而从大约4增加到大约12或当与没有图14A示的三合透镜准直器的光束输送系统比较时通过减小大约3倍的位移(即较大的控制)而从大约4增加到大约12。图14C也示出在光学元件1200、1210之间的3mm间隙距离处的光束轮廓。
可在WBC激光系统中和/或与WBC激光系统一起利用根据本发明的实施方式的且在本文详述的激光系统和激光输送系统。具体地，在本发明的各种实施方式中，WBC激光系统的多波长输出光束可用作激光束输送系统的用于BPP的变化的输入光束，如在本文详述的。图15描绘利用一个或多个激光器1505的示例性WBC激光系统1500。在图15的示例中，激光器1505的特征在于具有发射光束1510的四个光束发射器的二极管棒(见放大的输入视图1515)，但本发明的实施方式可利用发射任何数量的单独光束的二极管棒或者二极管或二极管棒的二维阵列或叠层。在视图1515中，每个光束1510由线表示，其中线的长度或较长的尺寸表示光束的慢发散尺寸，且高度或较短的尺寸表示快发散尺寸。准直光学器件1520可用于沿着快尺寸准直每个光束1510。可包括一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜或基本上由一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜组成的转换光学器件1525用于沿着WBC方向1530组合每个光束1510。转换光学器件1525然后将组合的光束叠加到色散元件1535(其可包括例如反射或透射衍射光栅、色散棱镜、棱栅(棱镜/光栅)、透射光栅或阶梯光栅，或基本上由其组成)上，且组合的光束然后作为单个输出轮廓传输到输出耦合器1540上。输出耦合器1540然后传输组合的光束1545，如在输出前视图1550上示出的。输出耦合器1540一般是部分反射的，并且在这个外腔系统1500中充当所有激光元件的公共前小面。外腔是激光系统，其中辅助反射镜远离发射孔或每个激光发射器的小面移动了一段距离。在一些实施方式中，额外的光学器件可放置在发射孔或小面和输出耦合器或部分反射表面之间。输出光束1545因此是多波长光束(组合单独光束1510的波长)，并可用作本文详述的激光束输送系统的输入光束和/或可耦合到光学纤维内。
在本文使用的术语和表达用作描述而非限制的术语，且在使用这样的术语和表达时不意于排除所示和所述的特征或其部分的等同，但应认识到，各种修改可能所主张的本发明的范围内。

Claims (35)

1.一种用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统，所述系统包括：
准直透镜，其用于准直所述辐射光束；
聚焦透镜，其用于接收准直光束并将光束朝着所述工件聚焦；
光学元件，其布置在所述光束源和所述准直透镜之间，用于接收所述辐射光束并改变其空间功率分布；
透镜操纵系统，其用于改变在所述辐射光束的路径内的所述光学元件的位置；以及
控制器，其用于控制所述透镜操纵系统以实现在所述工件上的作为目标的改变的空间功率分布，
其中所述准直透镜、所述聚焦透镜、所述光学元件和所述透镜操纵系统布置在从连接到所述光束源的光束输送光纤接收所述辐射光束的基于激光的切割头或焊接头内。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述第一表面面向所述光束源。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一表面面向所述光束源。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括弯月形透镜。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括熔融石英或硫化锌中的至少一个。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述透镜操纵系统被配置成将所述光学元件横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。
9.如权利要求1所述的系统，还包括布置在所述聚焦透镜和所述工件之间的第二光学元件，其中所述透镜操纵系统被配置成改变在所述辐射光束的路径内的所述第二光学元件的位置。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述第二光学元件包括弯月形透镜。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述光束源包括：
光束发射器，其发射多个分立光束；
聚焦光学器件，其用于将多个光束聚焦到色散元件上；
色散元件，其用于接收并色散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其被定位成接收色散光束、通过其传输所述色散光束的一部分作为辐射光束，并朝着所述色散元件反射回所述色散光束的第二部分，
其中所述辐射光束由多个波长组成。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
15.一种用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统，所述系统包括：
准直透镜，其用于准直所述辐射光束；
聚焦透镜，其用于接收准直光束并将光束朝着所述工件聚焦；
第一光学元件和第二光学元件，其布置在所述光束源和所述准直透镜之间，用于接收所述辐射光束并改变其空间功率分布；
透镜操纵系统，其用于改变如下中的至少一个：(i)在所述辐射光束的路径内的所述第一光学元件的位置，(ii)在所述辐射光束的路径内的所述第二光学元件的位置，或(iii)所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离；以及
控制器，其用于控制所述透镜操纵系统以实现在所述工件上的作为目标的改变的空间功率分布，
其中所述准直透镜、所述聚焦透镜、所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述透镜操纵系统布置在从连接到所述光束源的光束输送光纤接收所述辐射光束的基于激光的切割头或焊接头内。
16.如权利要求15所述的系统，其中(i)所述第一光学元件包括双凹锥透镜，以及(ii)所述第二光学元件包括双凸锥透镜。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述透镜操纵系统被配置成在大约0mm到大约20mm的范围内改变所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离。
18.如权利要求15所述的系统，其中：
所述第一光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的、具有(a)凸起地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面；以及
所述第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的、具有(a)凹陷地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。
19.如权利要求15所述的系统，其中所述透镜操纵系统被配置成将所述第一光学元件或所述第二光学元件中的至少一个横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。
20.如权利要求15所述的系统，其中所述光束源包括：
光束发射器，其发射多个分立光束；
聚焦光学器件，其用于将多个光束聚焦到色散元件上；
色散元件，其用于接收并色散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其被定位成接收色散光束、通过其传输所述色散光束的一部分作为辐射光束，并朝着所述色散元件反射回所述色散光束的第二部分，
其中所述辐射光束由多个波长组成。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
22.一种用于接收并改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦到工件上的激光输送系统，所述系统包括：
三合透镜准直器，其用于增加辐射光束的发散度；
聚焦透镜，其布置在所述三合透镜准直器的光学下游，用于接收所述辐射光束并将光束朝着所述工件聚焦；
至少一个光学元件，其布置在所述聚焦透镜的光学上游，用于接收所述辐射光束并改变其空间功率分布；
透镜操纵系统，其用于改变在所述辐射光束的路径内的所述至少一个光学元件的位置；以及
控制器，其用于控制所述透镜操纵系统以实现在所述工件上的作为目标的改变的空间功率分布，
其中所述三合透镜准直器、所述聚焦透镜、所述至少一个光学元件和所述透镜操纵系统布置在从连接到所述光束源的光束输送光纤接收所述辐射光束的基于激光的切割头或焊接头内。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述三合透镜准直器包括(i)第一平凹透镜、(ii)第二弯月形透镜和(iii)第三平凸透镜。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述第一平凹透镜布置在所述第二弯月形透镜的光学上游，以及所述第二弯月形透镜布置在所述第三平凸透镜的光学上游。
25.如权利要求23所述的系统，其中所述至少一个光学元件布置在(i)所述第一平凹透镜的光学下游和(ii)所述第二弯月形透镜和所述第三平凸透镜的光学上游。
26.如权利要求22所述的系统，其中所述至少一个光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶圆锥的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
27.如权利要求22所述的系统，其中所述至少一个光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)具有截顶球形的形状的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的为大致平面的第二表面。
28.如权利要求22所述的系统，其中所述至少一个光学元件包括弯月形透镜。
29.如权利要求22所述的系统，其中所述透镜操纵系统被配置成将至少一个所述光学元件横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。
30.如权利要求22所述的系统，其中：
所述至少一个光学元件包括第一光学元件和第二光学元件；以及
所述透镜操纵系统被配置成改变如下中的至少一个：(i)在所述辐射光束的路径内的所述第一光学元件的位置，(ii)在所述辐射光束的路径内的所述第二光学元件的位置，或(iii)所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离。
31.如权利要求30所述的系统，其中(i)所述第一光学元件包括双凹锥透镜，以及(ii)所述第二光学元件包括双凸锥透镜。
32.如权利要求30所述的系统，其中所述透镜操纵系统被配置成在大约0mm到大约20mm的范围内改变所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离。
33.如权利要求30所述的系统，其中：
所述第一光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的、具有(a)凸起地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面；以及
所述第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)为大致平面的第一表面，以及(ii)与所述第一表面相对的、具有(a)凹陷地弯曲的第一部分和(b)为大致平面的第二部分的第二表面。
34.如权利要求22所述的系统，其中所述光束源包括：
光束发射器，其发射多个分立光束；
聚焦光学器件，其用于将多个光束聚焦到色散元件上；
色散元件，其用于接收并色散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其被定位成接收色散光束、通过其传输所述色散光束的一部分作为辐射光束并朝着所述色散元件反射回所述色散光束的第二部分，
其中所述辐射光束由多个波长组成。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
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