CN108369315B - 用于控制光束参数积的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种装置，所述装置包括激光系统，所述激光系统包括第一光纤和第二光纤，所述第一光纤具有输出端并且被定位成传播具有第一光束参数积(bpp)的第一激光束，所述第二光纤具有输入端，所述输入端在光纤接头处拼接至所述第一光纤的所述输出端，以便接收所述第一激光束并且形成具有比所述第一bpp大的第二bpp的第二激光束，其中所述第一光纤的所述输出端和所述第二光纤的所述输入端以一定倾斜角拼接，以便使所述第一bpp增加到所述第二bpp。

Description

用于控制光束参数积的装置和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月24日提交的美国临时专利申请No.62/232,379的权益，并且与2015年7月8日提交的美国临时专利申请No.62/190,047相关。这两篇临时专利申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开关于光纤激光系统和光束递送系统。
背景技术
在满足客户要求和市场需求的同时，光纤激光系统的特征通常在于系统与系统之间具有一系列不同的输出特性，包括输出功率和光束质量。例如，在一些激光应用中，完全衍射极限(或接近完全)光束质量是必要的，而在其他激光应用中，降低的光束质量足以满足加工要求(或甚至可能是优选的)。此外，激光加工供应链的各个步骤可以从具有可预测的光束质量中受益。另外，在设计光纤激光系统时，可能期望具有多组可以在平台和架构上共用的部件。尽管用于使激光束质量最大化的方法已经受到很多关注，但是仍然缺乏用于制造具有可选光束质量的激光系统的低成本方法。因此，需要克服这些缺陷的解决方案。
发明内容
根据本发明所公开的技术的一个方面，一种装置包括激光系统，该激光系统包括：第一光纤，该第一光纤具有输出端并且被定位成传播具有第一光束参数积(bpp)的第一激光束；以及第二光纤，该第二光纤具有输入端，该输入端在光纤接头处拼接至第一光纤的输出端，以便接收第一激光束并且形成具有比第一bpp大的第二bpp的第二激光束，其中第一光纤的输出端和第二光纤的输入端以一定倾斜角拼接，以便使第一bpp增加到第二bpp。
根据本发明所公开的技术的另一方面，一种方法包括：选择光束参数积(bpp)增加量，所述光束参数积(bpp)增加量与从第一光纤到第二光纤的激光束传播相关联；基于所选择的bpp增加量选择第一光纤与第二光纤之间的倾斜角；并且以所选择的倾斜角将第一光纤耦合到第二光纤。
根据本发明所公开的技术的另一方面，一种装置包括：光纤夹具，该光纤夹具被定位成接收并固定处于第一位置的第一光纤和处于第二位置的第二光纤的输出端；光纤末端对准机构，该光纤末端对准机构被定位成将第一光纤的输入端靠近第二光纤的输出端对准；以及拼接机构，该拼接机构被定位成拼接对准的输入端和输出端，以便形成具有倾斜角的光纤接头，该倾斜角对应于与通过光纤接头从第一光纤到第二光纤的光束传播相关联的所选择的光束参数积(bpp)增加量。
根据本发明所公开的技术的又一方面，一种方法包括：选择光束参数积(bpp)增加量，所述光束参数积(bpp)增加量与从第一光纤到第二光纤的激光束传播相关联；定位第一光纤和第二光纤中的至少一者，使得对应的第一光纤或第二光纤的纵向轴线相对于第一光纤和第二光纤中的另一者的纵向轴线或相对于第一光纤与第二光纤之间的拼接位置偏移，其中所述偏移与所选择的bpp增加量相关联；并且将第一光纤和第二光纤拼接在一起。
从下面参照附图进行的详细描述中，所公开技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是光纤拼接装置实施方案的侧视示意图。
图2是示例性激光系统的示意图。
图3是示例性融合拼接装置的透视图。
图4是光束参数积相对于倾斜角的曲线图。
图5是与图4中的曲线图有关的光束参数值表。
图6A示出了与零角度接头相关联的强度分布。
图6B示出了与非零角度接头相关联的强度分布。
图7是相对于倾斜角的光束参数积的另一曲线图。
图8是与图7中的曲线图有关的值表。
图9A示出了与零角度接头相关联的强度分布。
图9B示出了与非零角度接头相关联的强度分布。
图10是作为倾斜角的函数的bpp的曲线图。
图11示出了以非零倾斜角通过接头传输的光束的强度分布。
图12示出了已通过零角度接头传播的光束的强度分布。
图13示出了已通过非零角度接头传播的光束的强度分布。
图14是若干接头样本的bpp相对于倾斜角的曲线图。
图15和图16是示例性拼接方法的流程图。
图17A至图17B是示例性拼接装置的侧视示意图。
图18示出了示例性光纤夹具的端视剖面图。
图19至图21示出了布置在待拼接位置中的一组光纤的示例。
具体实施方式
如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦合”不排除耦合项之间中间元件的存在。
在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。
尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。
在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，这样的描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或以其他方式优于其他选择。参照“上方”、“下方”、“上”、“下”等指示的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。
如本文所用，光学辐射是指波长介于约100nm与10μm之间，并且典型地介于约500nm与2μm之间的电磁辐射。基于可用激光二极管源和光纤的示例通常与约800nm和1700nm之间的波长相关联。在一些示例中，传播的光学辐射被称为具有直径、不对称快轴和慢轴、光束横截面积以及光束散度的一条或多条光束，所述项可取决于光束波长和用于光束成形的光学系统。为了方便，在一些示例中，光学辐射被称为光，并且不需要在可见波长。
参照光纤来描述代表性实施方案，但是也可以使用具有正方形、矩形、多边形、卵形、椭圆形或其他横截面的其他类型的光波导管。光纤典型地由掺杂(或不掺杂)的二氧化硅(玻璃)形成，以便提供预定的折射率或折射率差。在一些示例中，光纤或其他波导管由其他材料制成，诸如氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫属化合物玻璃或诸如蓝宝石的晶体材料，具体取决于所感兴趣的波长。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率通常约为1.5，但是诸如硫属化合物的其他材料的折射率可以是3或更大。在其他示例中，光纤可以部分地由塑料所构成。在典型示例中，诸如光纤芯的掺杂波导管芯提供响应于泵浦的光学增益，并且芯和包层近似同心。在其他示例中，芯和包层中的一个或多个是偏心的，并且在一些示例中，芯和包层取向和/或位移沿波导管长度而变化。
如本文所用，数值孔径(NA)是指相对于光学波导管所限定的传播轴的最大入射角，传播光学辐射被大体上限制在该传播轴。在光纤中，光纤芯和光纤包层可以具有相关联的NA，通常分别由芯和包层或相邻包层之间的折射率差所限定。尽管以此NA传播的光学辐射通常被很好地限制，但是相关联的电磁场诸如消逝场通常延伸到相邻的包层中。在一些示例中，芯NA与芯/内部包层折射率相关联，并且包层NA与内部包层/外部包层折射率差相关联。对于具有芯折射率n芯和包层折射率n包层的光纤，光纤芯NA为
Figure GDA0002312902080000051
对于具有内部芯和与内部芯相邻的外部芯的光纤，包层NA为
Figure GDA0002312902080000052
其中n内部和n外部分别是内部包层和外部包层的折射率。如上所述的光束也可以称为具有与光束角半径相关联的光束NA。尽管下面描述了多芯阶跃折射率光纤，但是也可以使用梯度折射率设计。一些示例包括支持少数模式的光纤，可被称为“少数模”光纤。这样的光纤具有定义为V＝2·π·a·NA/λ的归一化频率参数(V数)，其中λ是真空波长，“a”是光纤芯半径，并且NA是数值孔径。对于较大的V数，光纤支持的模式“M”的总数“t”约为M＝4·V2/π2+2。对于单模光纤，V小于约2.405。如本文所用，少数模光纤被定义为V数小于约5、10或20的光纤。
在本文公开的一些示例中，波导管芯诸如光纤芯可以掺杂诸如Nd、Yb、Ho、Er的稀土元素，或者其他有源掺杂物或其组合。这种有源掺杂的芯可响应于光学或其他泵浦而提供光学增益。如下所述，具有这种有源掺杂物的波导管可用于形成光学放大器，或者如果提供有合适的光学反馈诸如反射层、反射镜、布拉格光栅或其他反馈机构，则这种波导管可以产生激光发射。可以将光泵浦辐射布置成在波导管中相对发射的激光束或放大光束的传播方向同向传播和/或对向传播。在进一步的示例中，可以在波导管芯中掺入一种或多种无源掺杂物诸如Ge、P、Al、F1和B，以增加、减小或保持折射率。
激光束参数积(bpp)通常等于激光束腰的半径与激光束发散的半角的乘积。激光束的bpp与相应的理想高斯光束的bpp之比提供了M2光束质量值，用于比较不同光束。示例性的激光束通常包含多个横向光学模式。这种多模(或少数模)光束通常具有大于约2的M2值，而单模光束通常具有小于约2的M2值。在一些示例中，单模光束和多模光束分别具有小于或大于约1.8、1.6、1.5、1.4或更低值的M2值。在典型示例中，多模光束在一个或多个横向光学模式中至少具有很大一部分多模光束的能量含量高于基本LP01模式。尽管可以使用其他归一化或平均化选项，但通常从中心到光束具有光束峰值强度的1/e2值的位置测量光束半径。发散角通常在远场中确定，诸如从光束焦点的几个瑞利长度。
融合拼接器通常包括相对的光纤夹具，该夹具被定位成固定待拼接光纤的相对端。光纤的相对端布置在包括融合拼接机构的中心区域中，所述融合拼接机构诸如一对电极，在所述电极之间相对的光纤端被定位用于融合，并且在所述电极上产生电弧以产生用于融合拼接的热量。其他融合拼接器可包括用于产生热量的激光源，以融合拼接相对的光纤端或化学源(例如，气火焰)。在光纤夹具将相对的光纤端固定在中心区域中之后，融合拼接机构的融合盖下降到固定的光纤端上方。z轴移动平台可以将该光纤中的一个或两个彼此靠近以进行融合拼接，并且x-y-z移动平台可以使该光纤末端中的一个或两个邻近定位，使得相对光纤末端的芯、包层或其他参考表面在通过融合拼接器施加热量之前对准。
在图1中，装置100包括各自定位在融合接头夹具110中的具有第一光纤端104的第一光纤102和具有第二光纤端108的第二光纤106，使得第一光纤端104和第二光纤端108彼此靠近。具体地讲，第一光纤端104和第二光纤端108以倾斜角θ定位，而不是彼此平行。通过将第一光纤端104和第二光纤端108以倾斜角θ定位并将第一光纤端104和第二光纤端108融合拼接在一起，通过接头从第一光纤102传播到第二光纤104的光束的光束参数积增加了与角度θ相关联的量。在典型示例中，随着倾斜角的增加，bpp的增加量增加。在代表性实施方案中，当光束穿过接头时发生bpp增加。
融合拼接夹具110包括分别用于第一光纤102和第二光纤106的光纤载体112,114和夹持机构116,118。夹持机构116,118通常具有各种尺寸，这些尺寸与待插入到融合拼接器夹具110中的光纤的直径或其他特征相关联。如图所示，第一光纤102和第二光纤106具有500μm的相等外径。第二夹持机构118的尺寸被设定为适合于500μm光纤，使得第二光纤106在光纤载体114上方大致水平地延伸。第一夹持机构116的尺寸被设定为适合于350μm光纤，使得由于光纤载体112的位置以及第一夹持机构116与第一光纤102的直径之间的不匹配，第一光纤102水平地并以倾斜角延伸。如图1所示，第一光纤102和第二光纤106各自包括各自的芯120,122和包层124,126，其中第一光纤102的芯120的直径比第二光纤106的芯122小得多。因此，在图示的示例中，第一光纤102是光纤激光器光纤，其被定位成传播在约100W至几千瓦范围内的光纤激光束，并且第二光纤106是多模式递送光纤，其被定位成接收光束并将光束递送到各种应用(例如，切割、焊接等)的目标。
图3示出了融合拼接器夹具300的图像，其中具有510μm外径的第一光纤302被固定在具有与350μm光纤相关联的V形凹槽的外部融合拼接器夹具304中。第一光纤302延伸穿过内部融合拼接器夹具306，该内部融合拼接器夹具具有用于接收光纤的V形凹槽。内部融合拼接器夹具306通常可横向平移，以便将第一光纤302的端部定位成与第二光纤端对准，其中一对电极308,310垂直于第一光纤302的纵向延伸并且被定位成提供能量以将第一光纤融合拼接到第二光纤(未示出)。合适的融合拼接器可从Fitel公司和藤仓公司(Fujikura)商购获得。然而，通常不支持以可选倾斜角布置光纤(例如，第一光纤302和第二光纤)，因为常规的拼接器试图避免待拼接的相邻光纤端之间的任何倾斜。根据本公开内容，可使用各种其他方法来提供倾斜角，包括调整待拼接的光纤区段的相对高度和角度的平移台，以及经适当编程并具有合适的光纤端到光纤端调整机制的融合拼接器。此外，待拼接的第一光纤302和第二光纤中的一个或两个光纤端也可以垂直于对应光纤端的纵向光纤轴的所选择的非零角度被断裂。
图2示出了装置200，该装置包括激光源202、包层光剥离器204和递送光纤206。激光源202可包括一个或多个增益光纤，诸如光纤振荡器或具有一个或多个光纤放大器的光纤振荡器，以及可提供光束的其他类型的激光源。激光源202直接或通过无源光纤区段208耦合到包层光剥离器204。包层光剥离器204直接或通过无源光纤区段210耦合到递送光纤206。在激光源202与光纤激光束输出212之间的一个或多个位置处，光纤接头与相邻的光纤区段光学耦合，使得由激光源202产生的光束通过光纤接头传播并且使所产生的光束的光束参数积增加所选择的量或增加接近所选择的量，所述所选择的量与光纤激光束输出212相关联。光束参数积的所选择的增加量由光纤拼接的相邻光纤区段之间的非零角度引起。当由激光源202产生的光束通过接头传播时，非零角度导致光束在下游光纤区段中填充另外的横向模式。光束参数积增加的光纤接头的合适位置包括包层光剥离器204、递送光纤206和连接无源区段208,210中的一者或多者。在一些示例中，光束参数积增加的光纤接头可定位于光纤增益区段之前或之间，诸如在光纤振荡器之前或光纤放大器之前，或者在最终振荡器或放大器光纤之后。bpp的增加量可以与下游增益光纤模式的改进的填充模式相关联。
图4是示出模拟结果的图表，其预测传播通过14μm直径芯且传播通过光纤接头的单模光束的光束参数积的增加量，其中相应光纤区段在拼接期间以一定角度倾斜。从约0.95mm-mrad的基线光束参数积开始，光束参数积随着倾斜角度的增加而平稳增加。图5是对应于图4中的图表的表格，示出随着与光纤接头相关联的倾斜角增加的各种光束特征的预测增加量。一般来讲，在约0.5度到5度范围内的相对小的角度实现了光束参数积的适当增加范围。图6A示出了在对应的输入光束传播通过光纤接头之后所得到的输出光束的强度分布，其中拼接的光纤区段被布置成以零角度首尾相连。图6B示出了在对应的输入光束传播通过光纤接头之后所得到的输出光束的强度分布，其中拼接的光纤区段以1.0度的角度布置。
图7是示出模拟结果的图表，其预测在40μm直径芯中传播且传播通过光纤接头的多模光束的光束参数积的增加量，其中相应光纤区段在拼接期间以一定角度倾斜。在与拼接光纤端相关联的倾斜角增加时，约2.0mm-mrad的基线光束参数积稳定增加。图8是对应于图7中的图表的表格，示出了随着倾斜角增加，沿垂直于传播方向的垂直x和y轴的各种光束特征的预测增加，包括光斑尺寸Wx,Wy、光束质量Mx2,My2、光束参数积BPPx,BPPy,BPPr(x和y的平均值)。图9A示出了在对应的输入光束传播通过光纤接头之后所得到的输出光束的强度分布，其中拼接的光纤区段被布置成以零角度首尾相连。图9B示出了在对应的输入光束传播通过光纤接头之后所得到的输出光束的强度分布，其中拼接的光纤区段以1.0度的角度布置。
图10示出了作为倾斜角的函数的光束参数积的模拟数据，以及与在0.0度和0.7度处的光纤接头相关联的实验结果。图11示出了与图10中的光束参数积结果相关联的多千瓦光束的强度分布和具有0.7度倾斜角的光纤接头的模拟和实验结果。图12示出了0.0度光纤接头倾斜角(即，无倾斜)的光束输出结果，图13示出了0.7度光纤接头倾斜角的光束输出结果。如与光束在垂直轴线上的强度分布对应的侧图1302,1304所示，具有中心小凹陷的平坦中间部分以增大的倾斜角形成。因此，基于接头倾斜角的增加量，在拼接光纤对的接收光纤中传播的光束的模场分布从高斯(或另一初始分布)变为其他形状，例如平顶、环形或其他形状。
图14示出了曲线图1400，其描绘了用相同的Fitel融合拼接器拼接的具有相等500μm外径的若干光纤接头样本的bpp增加量和倾斜角之间的关系。在第一组样本1402中，具有被设计成接收500μm光纤的V形凹槽的融合拼接器夹具固定装置用于第一光纤和第二光纤。对应的接头样本在两个光纤之间显示出约0.2°或更小的非常小的角度，从而有效地显示出第一光纤与第二光纤之间的零倾斜角。一般来讲，光纤之间的倾斜角非常小，通常为0.2°或更小，这与常规接头中实现的角度公差相似。在第二组样本1404中，具有被设计用于接收500μm光纤的V形凹槽的500μm融合拼接器夹具固定装置用于每个接头中的一根光纤，并且具有被设计用于接收350μm光纤的V形凹槽的350μm融合拼接器夹具固定装置用于每个接头中的另一根光纤。例如，可调节V形凹槽深度、宽度、横截面以对应不同直径的光纤。对应的结果显示在融合拼接后拼接光纤的纵向轴线之间存在约0.6°至1.2°的倾斜角。角度的增加可归因于第二光纤与由350μm融合拼接器夹具固定装置提供的第一光纤(或拼接器电极)之间的纵向轴线偏移。第三组样本1406包括通过将两个500μm光纤放置在尺寸过小的350μm融合拼接器夹具固定装置中而形成的接头。两根光纤变得相对于拼接器电极偏移，使得在光纤对准期间并且在接头之前，光纤末端朝向电极倾斜。所得的接头包括集中在约1.5°至2.0°之间的一系列倾斜角。
图15示出了用于将波束bpp增加所选择的量或增加到一定bpp增加量范围的示例性方法1500。在1502处，为从第一光纤传播到第二光纤的光束选择bpp增加量。在1504处，基于所选择的bpp增加量，选择第一光纤与第二光纤之间的倾斜角。在典型示例中，倾斜角可对应于第一光纤和第二光纤的纵向轴线或端面之间的角度。在1506处，第一光纤和第二光纤的端面例如与融合接头耦合，以便形成在1504处所选择的倾斜角并且产生对应于在1502处所选择的bpp增加量的光束bpp增加量。倾斜角通常在0.2°至5°的范围内选择，并且更通常从约0.5°至约1.5°选择。在图16中，示出了方法1600，该方法在1602处包括选择与从第一光纤传播到第二光纤的激光束相关联的bpp增加量。在1604处，定位第一光纤和第二光纤中的一者，使得相应光纤的纵向轴线设置有相对于另一光纤和接头位置的纵向轴线中的一者或两者的偏移，其中第一光纤和第二光纤的端部将有待拼接。在1606处，第一光纤和第二光纤拼接在一起。在代表性示例中，在1606处的拼接期间，所述偏移提供第一光纤和第二光纤的纵向轴线之间的倾斜角。
图17A至图17B示出了可产生具有可选bpp增加量的光纤接头的示例性融合拼接装置1700。融合拼接装置1700通常包括具有光纤接收部分1704的外部光纤夹具部分1702和具有光纤接收部分1710的外部光纤夹具部分1708，光纤接收部分1704被定位成接收具有预定光纤几何形状的第一光纤1706，光纤接收部分1710被定位成接收具有预定光纤几何形状的第二光纤1712。例如，与外部光纤夹具部分1702,1708相关联的预定光纤几何形状可以是光纤横截面积或外径。如图所示，第一光纤1706的横截面积与第二光纤1712的横截面积相同。典型的光纤横截面积可以与60μm、80μm、100μm、200μm、350μm、500μm、660μm或更小或更大、或者在一些示例中具有中间值的包层直径相关联。光纤横截面积也可以相对于芯、内部包层、外部包层、缓冲护套或其他光纤层被限定。在一些示例中，光纤芯可以在从单模到少模到多模的范围内，包括6μm、10μm、15μm、25μm、50μm、100μm和220μm或更大的芯直径。
外部光纤夹具部分1702的光纤接收部分1704与第一光纤1706的横截面积或外径相匹配，使得固定在外部光纤夹具部分1702中的第一光纤1706的纵向轴线1714与光纤拼接器机构1718的拼接器能量源1716(例如，电极)对准。纵向轴线1714通常对应于光纤芯1720的中心轴线，该光纤芯可相对于包层偏移，但更通常地居中定位在光纤横截面中。外部光纤夹具部分1708的光纤接收部分1710与第二光纤1712的外部包层直径不匹配，使得第二光纤1712的纵向轴线1722(通常以光纤芯1724为中心)变得在纵向轴线1714和拼接器能量源1716之上偏移H，其中第二光纤1712固定在外部光纤夹具部分1708中。在一些示例中，通过选择外部光纤夹具部分1708以对应于小于第二光纤1712的横截面积或外径的光纤横截面积或外径，可产生高度偏移量H。在进一步的示例中，可使用平移台来移动第二光纤1712或外部光纤夹具部分1708，以产生高度偏移量H。应当理解，该术语出于方便和其他指定而使用，并且该偏移量可以与长度、宽度、距离、尺寸、偏移等相关联。
另外参考图17B，z轴平移台1726,1728联接到外部光纤夹具部分1702,1708，使得第一光纤1706的端部1730和第二光纤1712的端部1732可以彼此靠近移动。在一些示例中，使端部接触、部分接触或者在芯1720,1724之一的1/10、1/4、1/2或一个芯半径内，并且大致关于拼接器能量源1716居中。接近度和对准精度可以在1μm以下到若干微米的范围内。光纤末端对准机构可包括X、Y或XY可平移内部光纤夹具部分1734a,1734b，所述夹具部分联接到端部1730,1732并靠近拼接器能量源1716定位，使得光纤芯1720,1724可以相对于另一个移动并且被对准。通过将光耦合到第一光纤1706和第二光纤1712中的一者或两者并且检测由接收光纤接收的光量，对准辅助机构1736a,1736b可有助于对准光纤端1730,1732。对准辅助机构1736a,1736b还可包括一个或多个相机，用于允许光纤端1730,1732的放大视图。对准辅助机构可自动控制或者通过接头控件1738手动控制。接头控件1738和电源1740联接到光纤拼接器机构1718，以便为拼接器能量源1716提供能量并且控制通过光纤端1730,1732产生的接头的接合特性。因为纵向轴线1722设置有偏移量H，所以光纤端1730,1732与内部光纤夹具部分1734a,1734b对准，使得纵向轴线1714,1722在光纤端1730,1732处形成倾斜角θ。内部光纤夹具部分1734可包括弹簧加载的V形凹槽，光纤端部1730,1732可插入并固定在其中。在如图17B所示固定光纤端1732并且内部光纤夹具部分1734b向下推进光纤端1732时，偏移量H和内部光纤夹具部分与外部光纤夹具部分1708,1734b之间的距离可以确定倾斜角度θ中的倾斜量。可为第一光纤1706提供诸如倾斜角θ的倾斜角，以便与第二光纤1712的倾斜角θ结合以产生2θ的对应接头倾斜。
通过改变偏移量H、或者外部光纤夹具部分1702,1708、内部光纤夹具部分1734a,1734b和光纤端1730,1732的接头位置中的一者或两者之间的距离、或者偏移量H和一个或多个距离这两者，可选择倾斜角θ。在一个示例中，纵向轴线1714,1722两者上升以便相对于接头位置偏移。光纤末端对准机构然后重新定位端部1730,1732，使得所得到的接头具有增大的倾斜角θ。从第一光纤1706传播到第二光纤1712的光束的bpp增加了与所选择的倾斜角θ或所选择的偏移量H相对应的量。例如，在通过非倾斜接头传播的光束的第一bpp增加到第二bpp的情况下，光束的第一bpp在通过倾斜接头传播之后增加到大于第二bpp的第三bpp。另选地，在通过非倾斜接头传播的光束的第一bpp保持不变的情况下，在通过倾斜接头传播之后，第一bpp增加到第二bpp。随着倾斜角θ增大，光纤接头可变得更容易断裂、燃烧或其他故障，但在一些示例中，倾斜角大于0.2°且小于1.5°的接头样本没有产生显著百分比的故障，且传播的光束具有800W至4kW的连续功率。第一光纤1706和第二光纤1712可具有不同的芯和包层直径。在一些示例中，对于从第一光纤传播到第二光纤的光束，芯1724的直径通常大于芯1720的直径或与其尺寸相同。包层直径可以是变化的，并且在一些示例中，第一光纤1706的外部包层直径可以大于、等于或小于第二光纤1712的外部包层直径。在一些示例中，bpp的增加不是立即发生在接头处，而是发生在接头下游的一定距离处，例如若干厘米处。
图18示出了光纤夹具1800的侧横截面，其包括在底部1804中包括V形凹槽1806的顶部1802和底部1804。与V形凹槽1806的尺寸相关联的光纤1808定位于V形凹槽1806中，使得光纤芯1810的中心位置定位于参考平面1812处。在不同光纤1814的外径对于V形凹槽1806而言过大的情况下，不同光纤1814的光纤芯1816被升高，以便定位在与参考平面1812间隔开的参考平面1818处。在一些示例中，对于不同的固定装置，V形凹槽的几何形状是变化的，以对应于具有不同外径的光纤，或者对应于将光纤1808的基准轴线定位在不同的参考平面处。在进一步的示例中，V形凹槽的几何形状可保持固定，并且固定装置的厚度可以针对不同的外径而变化或者提供具有不同偏移量的光纤。例如，底部1804可具有较大的厚度以对应于具有较小外径的光纤，或者将光纤基准轴线在较高的参考平面(例如，参考平面1818)处重新定位。在不同的示例中，可改变诸如深度、宽度、V斜坡、弯曲或线性侧边等的V型凹槽几何形状。因此，在一些示例中，可制造定制固定装置以便为待拼接的光纤提供不同的偏移量。在另外的实施方案中，移动台联接到固定装置，诸如光纤夹具1800的底部1804，以升高、降低、提供横向移动或光纤旋转。
图19示出了固定在相应光纤固定装置1906,1908中的第一光纤1902和第二光纤1904的示例性光纤布置1900。第一光纤1902包括相对于第一光纤1902的芯轴1912倾斜角度90-θ的角裂端1910。第一光纤1902的芯轴线1912被对准，以便与第二光纤1904的芯轴线1914共线。将角裂端1910靠近第二光纤1904的断裂端1916，该第二光纤相对于芯轴线1914垂直延伸。诸如一对电极之类的拼接机构1918被定位成将角裂端1910和断裂端1916融合拼接在一起，以便形成接头，该接头使得基于倾斜角θ产生从光纤中的一根传播到光纤中的另一根的光束的bpp增加。在一些示例中，第一光纤1902和第二光纤1904均可具有角裂端，并且纵向轴线1912,1914可以相对于彼此旋转以在接头处限定基于旋转而变化的倾斜角。
在图20中，第一光纤2002被固定在光纤夹具2004中，该光纤夹具将第一光纤2002的角裂端2006和第一光纤2002的芯轴线2008定位在邻近拼接机构2010的接头位置中。角裂端2006相对于垂直于芯轴线2008的平面成角度θ1。第二光纤2012被固定在对应的光纤夹具2014中，使得第二光纤2012的芯轴线2016相对于芯轴线2008以倾斜角θ2延伸，并且在角裂端2006处与第一光纤2002的芯轴线的2008大致相交。倾斜角θ2可以与角度θ1相同，使得角裂端2006是平行的并且在接头位置处靠近第二光纤2012的断裂端2018。
图21示出了固定在相应夹具2106,2108中的第一光纤2102和第二光纤2104的另一个示例性接头装置2100，使得各自的纵向轴线2110,2112以倾斜角θ倾斜并且在拼接器机构能量源2114的接头位置处相交。第一光纤2102和第二光纤2104包括垂直于相应纵向轴线2110,2112的相应断裂端2116,2118。结合断裂端2116,2118的融合接头提供第一光纤2102与第二光纤2104之间的倾斜角，其产生从光纤中的一根传播到光纤中的另一根的光束的bpp增加。
已参照所示实施方案描述和图示所公开的技术的原理，应当认识到，可以在不背离这些原理的情况下对所示实施方案进行布置和细节上的修改。例如，所示实施方案的元素(例如，接头倾斜角控制、倾斜角和bpp选择等)可以在融合拼接装置或联接到融合拼接装置的控制器或计算机的软件或硬件中实现。此外，来自任何示例的技术都可以与其他示例中的任何一个或多个描述的技术相结合。应当理解，诸如参照所示示例描述的那些过程和功能可以在单个硬件或软件模块中实现，或者可提供单独的模块。为了方便说明提供了上述特定布置，并且可使用其他布置。
根据所公开的技术的原理可以应用的许多可能的实施方案，应当认识到，所示出的实施方案仅仅是代表性示例，而不应被视为限制本公开的范围。在这些部分中具体提出的替代方案仅仅是示例性的，并不构成本文所述实施方案的所有可能的替代方案。例如，本文所述的系统的各个部件可以在功能和用途上组合。因此，我们要求对落在该范围内以及符合所附权利要求书的实质的一切内容的权利加以保护。

Claims (30)

1.一种用于控制光束参数积的装置，包括：
激光系统，所述激光系统包括第一光纤和第二光纤，所述第一光纤具有输出端并且被定位成传播具有第一光束参数积bpp的第一激光束，所述第二光纤具有输入端，所述输入端在光纤接头处拼接至所述第一光纤的所述输出端，以便接收所述第一激光束并且形成具有比所述第一bpp大的第二bpp的第二激光束；
其中所述第一光纤的所述输出端和所述第二光纤的所述输入端以产生选择的bpp增加量的选择的倾斜角拼接，所述选择的bpp增加量等于所述第一bpp和所述第二bpp之间的差。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光纤是第一增益光纤，并且所述第二光纤是第二增益光纤。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二增益光纤具有比所述第一增益光纤的芯直径大的芯直径。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光纤是所述激光系统的最终增益光纤，并且所述第二光纤是无源输出光纤。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光纤是无源光纤，并且所述第二光纤是系统递送光纤。
6.根据权利要求1所述的装置，其中基于所述选择的bpp增加量，所述倾斜角在0.2度与5.0度之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述倾斜角对应于所述第一光纤的所述输出端的表面与所述第二光纤的所述输入端的表面之间的角度。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述倾斜角对应于在所述输出端处的所述第一光纤的纵向轴线与在所述输入端处的所述第二光纤的纵向轴线之间的角度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述倾斜角对应于第一角度、第二角度、或者所述第一角度和所述第二角度两者，所述第一角度在所述第一光纤的所述输出端的表面与在所述输出端处垂直于所述第一光纤的纵向轴线的平面之间，所述第二角度在所述第二光纤的所述输入端的表面与在所述输入端处垂直于所述第二光纤的纵向轴线的平面之间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光纤的所述输出端和所述第二光纤的所述输入端包括相应的断裂表面。
11.一种用于控制光束参数积的方法，包括：
选择光束参数积bpp增加量，所述光束参数积bpp增加量与从第一光纤到第二光纤的激光束传播相关联；
基于所选择的bpp增加量选择所述第一光纤与所述第二光纤之间的倾斜角；并且
以所述所选择的倾斜角将所述第一光纤耦合到所述第二光纤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述耦合包括将所述第一光纤拼接到所述第二光纤。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在拼接之前定位所述第一光纤和所述第二光纤，使得所述第一光纤的纵向轴线与所述第二光纤的纵向轴线或与用于提供用于将所述第一光纤拼接到所述第二光纤的能量的拼接器能量源轴向偏移，其中所述偏移与所述所选择的倾斜角相关联。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过将所述第一光纤和所述第二光纤中的至少一者定位在光纤夹具中而产生所述偏移，所述光纤夹具与不同于所述第一光纤和所述第二光纤中的所述至少一者的所选择的几何形状的光纤的固定相关联。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述所选择的几何形状是所选择的光纤直径。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光纤夹具包括V形凹槽，所述V形凹槽被定位成定位具有所述所选择的光纤直径的夹具匹配光纤的纵向轴线，所述所选择的光纤直径被定位于在垂直于所述夹具匹配光纤的所述纵向轴线的预定高度处的所述V形凹槽中，其中所述预定高度对应于所述拼接器能量源的高度。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括在拼接之前将所述第一光纤的输入端和所述第二光纤的输出端对准，使得所述输入端和所述输出端被布置成端连端。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述倾斜角对应于所述第一光纤的输入表面与所述第二光纤的输出表面之间的角度。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括定位所述第一光纤的纵向轴线和所述第二光纤的纵向轴线，以便对应于所述所选择的倾斜角。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所选择的bpp增加量对应于一定bpp增加量范围，使得实际bpp增加量在所述范围内概率性地变化。
21.根据权利要求11所述的方法，其中所述倾斜角被选择以产生所述激光束的模场直径的增加和平坦化。
22.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二光纤的外部包层直径小于所述第一光纤的外部包层直径。
23.一种用于控制光束参数积的装置，包括：
光纤夹具，所述光纤夹具被定位成接收并固定处于第一位置的第一光纤和处于第二位置的第二光纤的输出端；
光纤末端对准机构，所述光纤末端对准机构被定位成将所述第一光纤的输入端靠近所述第二光纤的所述输出端对准；以及
拼接机构，所述拼接机构被定位成拼接所对准的输入端和输出端，以便形成具有倾斜角的光纤接头，所述倾斜角对应于与通过所述光纤接头从所述第一光纤到所述第二光纤的光束传播相关联的所选择的光束参数积(bpp)增加量。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述拼接机构是融合拼接机构。
25.根据权利要求23所述的装置，其中所述第一位置和所述第二位置对应于所述第一光纤的纵向轴线、所述第二光纤的纵向轴线以及与所述拼接机构相关联的拼接位置中的一者或多者之间的偏移。
26.根据权利要求23所述的装置，其中所述倾斜角对应于在所述接头处的所述第一光纤的纵向轴线与在所述接头处的所述第二光纤的纵向轴线之间的角度。
27.根据权利要求23所述的装置，其中所述倾斜角对应于第一角度、第二角度、或者所述第一角度和所述第二角度的组合，所述第一角度在所述第一光纤的所述输出端处的输出表面与在所述输出端处垂直于所述第一光纤的纵向轴线的平面之间，所述第二角度在所述第二光纤的所述输入端处的输入表面与在所述输入端处垂直于所述第二光纤的纵向轴线的平面之间，所述第一角度和所述第二角度在所对准的输入端和输出端处。
28.一种用于控制光束参数积的方法，包括：
选择光束参数积bpp增加量，所述光束参数积bpp增加量与从第一光纤到第二光纤的激光束传播相关联；
定位所述第一光纤和所述第二光纤中的至少一者，使得所述对应的第一光纤或第二光纤的纵向轴线与所述第一光纤和所述第二光纤中的另一者的纵向轴线或与所述第一光纤与所述第二光纤之间的接头位置偏移，其中所述偏移与所述所选择的bpp增加量相关联；并且
将所述第一光纤和所述第二光纤拼接在一起。
29.根据权利要求28所述的方法，其中通过将所述第一光纤和所述第二光纤中的一者或两者定位在相应的光纤夹具部分中来提供所述偏移；
其中每个光纤夹具部分具有接收部分几何形状，所述接收部分几何形状与基于预定光纤尺寸将插入光纤的纵向轴线定位在预定高度相关联，并且其中所述第一光纤和所述第二光纤中的一者或两者具有不同于所述对应光纤夹具部分的所述预定光纤尺寸的光纤尺寸。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括在拼接之前将所述第一光纤的输入端和所述第二光纤的输出端对准，使得所述输入端和所述输出端被布置成彼此靠近。
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