CN108780189B - 用于改变激光束轮廓的光纤结构和方法 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，利用具有中央纤芯、第一包层、环形纤芯和第二包层的阶梯包层光纤来调节激光束的光束参数乘积和/或数值孔径。

Description

用于改变激光束轮廓的光纤结构和方法
相关申请
本申请要求2016年4月6日提交的美国临时专利申请No.62/318,959的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是具有可控光束轮廓(例如可变光束参数乘积)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、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器，来自其的激光耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)，以及将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上的光学系统。光学系统通常被设计成产生最高质量的激光束，或者等效地，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(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。即，BPP＝NA×D/2，其中D是聚焦点(腰部)直径，以及NA是数值孔径；因此，可以通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化激光束的质量以及它可以聚焦到小光斑的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能低的BPP，由激光的波长除以pi给出。在相同波长处的实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP的比率表示为M2，其是光束质量的与波长无关的度量。
在许多激光加工应用中，期望的束斑尺寸、发散度和光束质量可以根据例如加工的类型和/或被加工的材料的类型而变化。对于材料加工应用中的工业激光器尤其如此。例如，较低的BPP值，即较好的光束质量，对于切割薄金属可能是优选的，而较大的BPP(即，较差的光束质量)可能优选用于切割较厚的金属。为了对激光系统的BPP进行这样的改变，通常输出光学系统或光纤必须与其他部件交换和/或重新对准，这是一个耗时且昂贵的过程，甚至可能导致激光系统的易碎光学部件的无意损坏。因此，需要用于改变激光系统的BPP的替代技术，其不涉及对光纤的输出端处的激光束或光学系统的这种调节。
发明内容
本发明的各种实施例提供激光系统，其中系统的(即其输出激光束的)BPP经由操纵激光系统的数值孔径(NA)和光斑尺寸(D)而变化，同时最小化或基本上消除了光功率损耗。本发明的实施例涉及将激光束耦合到多包层光纤(这里称为“阶梯包层光纤”)中。一个示例性阶梯包层光纤包括、基本上由或由以下组成：中央纤芯、围绕中央纤芯设置的第一包层、围绕第一包层设置的第一环形纤芯、以及围绕第一环形纤芯设置的第二包层。根据本发明实施例的阶梯包层光纤不限于仅具有单个环形纤芯和两个包层，一个或多个附加环形纤芯和相关包层可以设置在第二包层周围。如本文所使用的，术语“环形纤芯”被定义为具有比与其相邻的内层和外层的折射率更高的折射率的环形区域。除中央纤芯和环形纤芯之外的层通常是阶梯包层光纤中的包层。这种包层具有比与其相邻的至少一个层更低的折射率。
当传统的光纤用于激光系统时，激光功率通常仅用于耦合到纤芯中。包层上的任何功率“过喷”都会导致功率损失和/或成为光纤下游的光学器件的有害因素。相反，根据本发明实施例的利用阶梯包层光纤的激光系统有意地将部分或全部激光功率耦合到至少第一包层中，第一包层特别地被设计为具有比传统多包层光纤的内包层更高的折射率和更大的直径。例如，对于中央纤芯直径为100μm的光纤，根据本发明实施例的第一包层的直径可以在从约140μm至约180μm的范围内，相比之下，对于传统的标准或多包层100-μm纤芯光纤，仅为110μm至120μm。在各种实施例中，第一包层的厚度可以在例如约40μm至约100μm、或约40至约80μm的范围内。
在本发明的实施例中，阶梯包层光纤的利用使得激光系统BPP的变化不仅基于纤芯的直径和纤芯中的功率比，而且基于第一包层的厚度和折射率以及第一包层(和/或附加的包层，如果存在的话)中的功率比。耦合到阶梯包层光纤的第一包层中的激光功率由第一环形纤芯限制，并且能够实现高度的BPP变化。此外，根据本发明的实施例，耦合到环形纤芯中使得能够形成具有均匀轮廓的输出光束而没有其中具有低或无激光功率的“间隙”或区域；相反，其中不可能和/或主动地避免耦合到包层中的传统技术通常导致在输出光束轮廓中具有间隙(例如，环形间隙)的输出光束。虽然本发明的实施例可用于产生随半径或直径而变化的输出光束轮廓，但甚至高强度区域之间的区域通常包含激光束强度(因此不是“空”)，和/或任何低强度或空区域的空间范围非常有限，特别是与由传统技术产生的输出光束相比。
本发明的实施例甚至包括这样的变型，其中基本上没有功率耦合到阶梯包层光纤的一个或多个环形纤芯区域中。本发明的实施例通常通过改变输出光斑尺寸D和NA两者来改变激光系统的BPP，因此提供比传统技术更大范围的BPP变化。对于给定的BPP变化范围，本发明的实施例能够使用具有比传统系统中所需的直径小得多的第一环形纤芯的阶梯包层光纤；因此，本发明的实施例以稀释地少得多的功率密度生成具有小得多的光斑尺寸的高BPP激光束。也就是说，根据本发明的实施例，需要光斑尺寸D的较小变化来改变BPP(因为NA也可以同时变化)，从而导致功率密度的较小稀释。例如，根据本发明实施例的第一环形纤芯的直径可以在约300μm至约400μm的范围内(例如，约360μm)。根据各种实施例的第一环形纤芯的厚度可以是例如约60μm至约150μm、约80μm至约120μm、约90μm至约110μm、或约100μm。
这里，除非另外指出，否则“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。这里，光束发射器、发射器、或激光发射器、或激光器包括任何电磁波束发生装置，例如半导体元件，其生成电磁波束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、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，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括被配置为发射多个光束的多个光束发射器(例如二极管条)或基本上由它们组成。在本文的实施例中接收的输入光束可以是使用本领域已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。
本发明的实施例可以与波长光束组合(WBC)系统一起使用，该系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其使用色散元件组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并且通过来自共同部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该反馈由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性WBC系统在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、以及2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述，其中每一个的全部公开内容通过引用包含于此。WBC系统的多波长输出光束可以与本发明的实施例结合使用作为输入光束，用于例如BPP控制。
在一个方面，本发明的实施例的特征在于一种激光系统，其包括、基本上由或由以下组成：用于发射输入激光束的光束源、具有输入端和与输入端相对的输出端的阶梯包层光纤、内耦合机构以及控制器。所述阶梯包层光纤包括、基本上由或由以下组成：(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。第一折射率大于第四折射率。第三折射率大于第四折射率。第二折射率小于第一折射率且大于第四折射率。内耦合机构接收输入激光束并将输入激光束朝向阶梯包层光纤的输入端引导，从而输入激光束内耦合到阶梯包层光纤中并从阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束。控制器控制内耦合机构，以将输入激光束引导到阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由一个或多个内耦合位置确定。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第一包层重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与环形纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第二包层重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯、第一包层、环形纤芯或第二包层中的两个或更多个重叠。内耦合机构可包括用于将输入激光束聚焦到阶梯包层光纤的输入端的光学元件，或者基本上由或由其组成。响应于控制器，光学元件可以是沿着以下可移动的(例如，可平移的、可旋转的和/或可倾斜的)：(i)基本平行于输入激光束的传播方向的轴和/或(ii)基本上垂直于输入激光束的传播方向的一个或多个轴。内耦合机构可包括用于接收输入激光束并将输入激光束反射到阶梯包层光纤的反射器，或者基本上由或由其组成。光学元件可包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜，或者基本上由或由其组成。内耦合机构可包括用于接收输入激光束并将输入激光束反射到阶梯包层光纤的反射器，或者基本上由或由其组成，反射器可响应于控制器而旋转。内耦合机构可包括用于接收来自反射器的输入激光束并将输入激光束聚焦到阶梯包层光纤的光学元件。响应于控制器，光学元件可以是沿着以下可移动的(例如，可平移的、可旋转的和/或可倾斜的)：(i)基本上平行于输入激光束的传播方向的轴和/或(ii)基本上垂直于输入激光束的传播方向的一个或更多个轴。光学元件可包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜，或者基本上由或由其组成。
光束源可以响应于控制器。控制器可以被配置为将输入激光束引导到多个不同的内耦合位置，而在输入激光束在不同的内耦合位置之间被引导时不调节输入激光束的输出功率(例如，调节输入激光束的强度或关闭)。控制器可以被配置为将输入激光束引导到至少部分地与第一包层重叠的至少一个内耦合位置，由此内耦合到第一包层中的光束能量形成输出光束的至少一部分。内耦合到第一包层中的光束能量可以在环形纤芯和第二包层之间的界面处被限制在阶梯包层光纤内。第二折射率可以小于第三折射率。第二折射率可以约等于第三折射率。第三折射率可以小于第一折射率。第三折射率可以大于第一折射率。光束源可包括(各自和/或共同地)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器、聚焦光学器件、色散元件和部分反射输出耦合器，或者基本上由或由它们组成。每个离散光束可以具有不同的波长。聚焦光学器件可以将多个光束聚焦到色散元件上。色散元件可以接收和色散(即，波长色散)所接收的聚焦光束。部分反射输出耦合器可以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输入激光束，并将色散光束的第二部分反射回色散元件。输入激光束可以由多个波长组成。色散元件可包括一个或多个衍射光栅(例如，透射光栅和/或反射光栅)。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于一种调节激光束的光束参数乘积和/或数值孔径的方法。提供一种阶梯包层光纤，其具有输入端和与输入端相对的输出端。阶梯包层光纤包括、基本上由或由以下组成：(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。第一折射率大于第四折射率。第三折射率大于第四折射率。第二折射率小于第一折射率且大于第四折射率。输入激光束被引导到阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此(i)输入激光束内耦合到阶梯包层光纤中并从阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束，以及(ii)输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由一个或多个内耦合位置确定。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第一包层重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与环形纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第二包层重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯、第一包层、环形纤芯或第二包层中的两个或更多个重叠。输入激光束可以被引导到多个不同的内耦合位置以产生单个输出光束或具有不同数值孔径和/或光束参数乘积的多个输出光束。当输入激光束在不同的内耦合位置之间被引导时，输入激光束的输出功率可以不被调节(例如，减小或关闭)。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第一包层重叠，由此内耦合到第一包层中的光束能量形成输出光束的至少一部分。内耦合到第一包层中的光束能量可以在环形纤芯和第二包层之间的界面处被限制在阶梯包层光纤内。第二折射率可以小于第三折射率。第二折射率可以约等于第三折射率。第三折射率可以小于第一折射率。第三折射率可以大于第一折射率。输入激光束可以由光束源发射。光束源可包括(各自和/或共同地)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器、聚焦光学器件、色散元件和部分反射输出耦合器，或者基本上由或由其组成。每个离散光束可以具有不同的波长。聚焦光学器件可以将多个光束聚焦到色散元件上。色散元件可以接收和色散(即，波长色散)所接收的聚焦光束。部分反射输出耦合器可以定位成接收色散光束，通过其传输色散光束的一部分作为输入激光束，并将色散光束的第二部分反射回色散元件。输入激光束可以由多个波长组成。色散元件可包括一个或多个衍射光栅(例如，透射光栅和/或反射光栅)。
在又一方面，本发明的实施例的特征在于一种调节激光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个的方法。提供一种阶梯包层光纤，其具有输入端和与输入端相对的输出端。阶梯包层光纤包括、基本上由或由以下组成：(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。第三折射率大于第四折射率。第三折射率大于第二折射率。输入激光束被引导到阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此(i)输入激光束内耦合到阶梯包层光纤中并从阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束，以及(ii)输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由一个或多个内耦合位置确定。内耦合位置中的至少一个至少部分地与第一包层重叠，由此内耦合到第一包层中的光束能量形成输出光束的至少一部分。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与环形纤芯重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与第二包层重叠。内耦合位置中的至少一个可以至少部分地与中央纤芯、第一包层、环形纤芯或第二包层中的两个或更多个重叠。输入激光束可以被引导到多个不同的内耦合位置以产生单个输出光束或具有不同数值孔径和/或光束参数乘积的多个输出光束。当输入激光束在不同的内耦合位置之间被引导时，输入激光束的输出功率可以不被调节(例如，减小或关闭)。输入激光束可以由光束源发射。光束源可以包括(各自和/或共同地)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器、聚焦光学器件、色散元件和部分反射输出耦合器，或者基本上由或由其组成。每个离散光束可以具有不同的波长。聚焦光学器件可以将多个光束聚焦到色散元件上。色散元件可以接收和色散(即，波长色散)所接收的聚焦光束。部分反射输出耦合器可以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输入激光束，并将色散光束的第二部分反射回色散元件。输入激光束可以由多个波长组成。色散元件可包括一个或多个衍射光栅(例如，透射光栅和/或反射光栅)。
通过参考以下描述、附图和权利要求，这些和其他目的以及本文公开的本发明的优点和特征将变得更加明显。此外，应该理解的是，这里描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换存在。如本文所使用的，术语“基本上”是指±10％，以及在一些实施例中，是±5％。除非本文另有定义，否则术语“基本上由......组成”意味着排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以微量共同或单独存在。在本文中，除非另有说明，否则术语“辐射”和“光”可互换使用。这里，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后撞击的第二元件的相对布置，第一元件是第二元件的“上游”或“光学上游”。这里，两个部件之间的“光学距离”是光束实际行进的两个部件之间的距离；光学距离可以是但不一定等于两个部件之间的物理距离，这是由于例如来自反射镜的反射或者从一个部件行进到另一个部件的光所经历的传播方向的其他改变。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1A是传统的双包层光纤和传输到纤芯及其包层中的光线的示意图；
图1B是图1A的光纤的各层的折射率的示意图；
图1C是从图1A的光纤发出的典型激光束的平面图；
图2A是根据本发明的各种实施例的阶梯包层光纤和传输到中央纤芯及其第一包层中的光线的示意图；
图2B是根据本发明的实施例的图2A的阶梯包层光纤的各层的折射率的示意图；
图2C是根据本发明的实施例的从图2A的阶梯包层光纤发出的激光束的平面图；
图3A是根据本发明的各种实施例的阶梯包层光纤的示意图；
图3B是根据本发明的实施例的图3A的阶梯包层光纤的各层的折射率的示意图；
图4A是根据本发明的实施例的利用阶梯包层光纤的激光系统的部分的示意图；
图4B是根据本发明的实施例的图4A的激光系统的输出BPP随反射器倾斜度的变化的曲线图；
图4C是根据本发明的实施例的图4A的激光系统的输出NA随反射器倾斜度的变化的曲线图；
图5和6是根据本发明的实施例的利用阶梯包层光纤和可调透镜的激光系统的部分的示意图；以及
图7是根据本发明的各种实施例的可用于为激光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1A示出了传统的双包层光纤100，其具有中央纤芯105、内包层110、环形纤芯115和外包层120。光纤100的每个层(纤芯或包层)的半径由R1、R2、R3或R4表示，如图1B所示。在传统的双包层光纤100中，两个纤芯105、115通常具有相同的较高折射率NH，并且两个包层110、120通常具有相同的较低折射率NL，如图1B所示，因此，两个纤芯105、115具有相同NA：sqrt(NH 2-NL 2)。
图1A还描绘了光纤100中的三个代表性光线的传输。光线125耦合到中央纤芯105中，由中央纤芯105限制，并以与其进入中央纤芯105相同的角度从中央纤芯105出射。光线130和光线135被传输到内包层110中，在整个光纤区域内传播，并被外包层120限制。由于出射表面(图1A中的光纤100的右边缘)包含具有两个不同折射率的区域，耦合到内包层(其具有低折射率)并且在出射表面处从低折射率区域出射的光线130通常将具有等于入射角的出射角。耦合到内包层中并在出射表面处从较高折射率区域出射的光线135通常将具有大于入射角的出射角，如图1A所示。
图1C是当激光束被传输到中央纤芯105和内包层110中时在距离传统的双包层光纤100的出射表面一定距离处观察到的输出轮廓140的图像。如图所示，输出轮廓140包含两个良好分离的光束强度区域，圆形中央区域145和外环区域150。区域145、150对应于属于从光纤100的出射角的两个群集的两组光线的集合，如上所述。类似于光线125和光线130的光线将以等于它们的入射角度的角度出射并将贡献于中央圆形区域145，而类似于光线135的光线将以大于其入射角的角度出射，因此形成外环区域150。对于第一近似，如果不考虑由于光纤弯曲和不均匀性引起的任何NA劣化，则中央圆形区域光束的NA通常与激光输入NA相同。然而，由sqrt(NAF 2+NAIN 2)计算的外环光束150的NA显著大于输入NA(NAIN)并且还大于光纤NA(NAF)，其中NAF＝sqrt(NH 2–NL 2)。
双包层光纤100的内包层100相对较薄，并且不用于激光能量的内耦合。对于100μm纤芯的传统双包层光纤100，第一包层的直径通常在约110-120μm的范围内，即，约5-10μm的层厚度。然而，进入光纤100的内包层的光束功率(如图1A中的光线130、135所示)必然会扩散到外包层120，并且通常通过模剥离器移除或传输通过光纤100，大多数形成图1C中所示的外环区域150。前者可能存在烧坏模剥离器和光纤100的巨大风险，并且由于外环光束150的大NA，后者可能损坏光纤100下游的光学器件。
本发明的实施例包括利用阶梯包层光纤的激光系统，如图2A所示。根据各种实施例，阶梯包层光纤200包括中央纤芯205、第一包层210、环形纤芯215和第二包层220，或者基本上由它们组成，或者由它们组成。有利地，第一包层210的各种性质实现了至少部分地基于耦合至第一包层210中的功率的BPP变化。图2C描绘了耦合到阶梯包层光纤200中的激光束能量的示例性输出轮廓225。如图所示，如果在离光纤200一定距离处观察，输出轮廓225包括中央圆形区域230和外环区域235。然而，图2C中所示的外环区域235通常具有比图1C中所示的相应区域150小得多的NA；因此，区域235中的能量可以被光纤200下游的光学器件安全地接受。例如，外环区域235可以对于0.1的输入激光NA具有小于0.18、小于0.17、小于0.16或甚至小于0.15的NA。相反，对于0.1的输入激光NA，相应区域150可具有至少0.24的NA。在各种实施例中，任何外环区域235的NA可小于输入激光的NA的约180％，小于输入激光的NA的约170％，小于输入激光的NA的约160％，或者甚至小于输入激光的NA的约150％。在各种实施例中，任何外环区域的NA与输入激光的NA之间的差可小于约0.08，小于约0.07，小于约0.06，或甚至小于约0.05。在各种实施例中，任何外环区域的NA与输入激光的NA之间的差可以是至少约0.005，或甚至至少约0.01。在各种实施例中，任何外环区域的NA与阶梯包层光纤的NA之间的差可小于0.04、小于0.03、小于0.02或小于0.01。在各种实施例中，任何外环区域的NA与阶梯包层纤维的NA之间的差可以是至少0.001，或甚至至少0.005。
如图2A所示，传输到中央纤芯205的光线240通常由中央纤芯205限制。传输到第一包层210的光线245、250通常由第一环形纤芯215限制。光线240、245通常将以与其相应的入射角相等的角度出射，并且将形成图2C中所示的中央圆形区域230，而光线250将以比其相应的入射角略大的角度出射并且将形成外环区域235。与上述光纤100形成鲜明对比的是，发射到第一包层210中的光线通常不会到达外包层220，因此不会造成损坏(例如，烧坏)光纤200或其相关光学器件的风险。在本发明的各种实施例中，阶梯包层光纤200被配置用于将全部或部分输入激光功率内耦合到第一包层210中。这种内耦合功率将不会丢失或造成损坏光纤200的风险；相反，它可能是输出光束的BPP变化的主要原因。
图2B描绘了阶梯包层光纤200的每个层的折射率和半径。与图1B中所示的光纤100的折射率相比，光纤200的第一包层210的折射率(NM)具有在高指数NH(不一定是图1B的高指数)和低指数NL(不一定是图1B的低指数)之间的值，使得中央纤芯205将具有比环形纤芯215的NA小的由sqrt(NH 2–NM 2)给出的NA，环形纤芯215的NA由sqrt(NH 2–NL 2)给出。虽然图2B描绘了中央纤芯205和环形纤芯215的折射率彼此大约相等，但在各种实施例中，环形纤芯215的折射率可以不同于(即，小于或大于)中央纤芯205的折射率；然而，通常，环形纤芯215的折射率保持大于第一包层210的折射率。
对于给定的激光输入NA(NAIN)，折射率NH和NM之间的差将至少部分地限定图2C中所示的外环光束235的NA，并且该NA由sqrt(NH 2–NM 2+NAIN 2)给出。NH和NM之间的折射率差越小，外环NA越小。然而，减小NH和NM的折射率差通常也会降低中央纤芯205的NA，因此可能导致更多的光线从中央纤芯205逃逸。尽管这些光线将被环形纤芯215限制，但从中央纤芯205逃逸的光线可降低最佳可能BPP，即，可导致输出光束的较高初始BPP值。
在各种实施例中，阶梯包层光纤200的中央纤芯205的NA在从约0.07至约0.17、或甚至从约0.09至约0.14的范围内。在各种实施例中，第一包层210的有效NA大于约0.09，或甚至大于约0.12。在各种实施例中，第一环形纤芯215的折射率等于或小于中央纤芯205的折射率。
在各种实施例中，第一环形纤芯具有与第一包层相同的折射率，如图3A和3B所示，其中图2A中的第一环形纤芯已合并到第一包层中。如图所示，这种阶梯包层光纤300包括中央纤芯305、第一包层310和第二包层315，或者基本上由它们组成，或者由它们组成。如图3B所示，第一包层310的折射率(NM)在中央纤芯(NH)和第二包层(NL)的折射率之间。(所有折射率值不一定与图1B和2B中所示的值相同。)在各种实施例中，阶梯包层光纤300的中央纤芯305的NA在从约0.07至约0.17的范围内，或甚至在从约0.09至约0.14的范围内。在各种实施例中，阶梯包层光纤300的第一包层310的NA大于约0.09，或甚至大于约0.12。
如本文所述，根据本发明实施例的阶梯包层光纤可以具有耦合到第一包层中的基本上全部或全部的激光功率。耦合到第一包层中的更多功率通常将导致更大的BPP。在各种实施例中，第一包层和中央纤芯的直径比大于1.2，例如在1.2和3之间，或甚至在1.3和2之间。
根据本发明实施例的阶梯包层光纤可获得的最大BPP可取决于第一环形纤芯的直径(或者如果不存在第一环形纤芯，则取决于第一包层的直径)。因此，在各种实施例中，第一环形纤芯(或第一包层，如果不存在第一环形纤芯)和中央纤芯的直径比在从约1.5至约6.5，或甚至从约2至约5的范围内。
在结构上，根据本发明实施例的光纤可以包括超出第二包层(即，在第二包层之外)的一个或多个高折射率和/或低折射率层，而不改变本发明的原理。这些附加层也可以称为包层和环形纤芯，但是可以不引导光。这些变型在本发明的范围内。根据本发明的各种实施例，阶梯包层光纤的各种纤芯和包层可包括玻璃，基本上由玻璃组成或由玻璃组成，例如基本上纯的熔融石英和/或掺杂有氟、钛、锗和/或硼的熔融石英。
图4中描绘了使用根据本发明实施例的阶梯包层光纤200改变BPP的示例性激光系统400。(这种系统可以替代地使用根据本发明实施例的阶梯包层光纤300。)如图所示，激光系统400包括可调节反射器405(例如，倾斜可调反射镜)，以将进入的输入激光束410重定向到光纤耦合光学元件415(例如，一个或多个透镜)，其将光束410聚焦到阶梯包层光纤200。如图所示，光束410被内耦合的阶梯包层光纤200的输入面的区域至少部分地由反射器405的配置(例如，位置和/或角度)限定。对于最佳起始光束质量(即，最小BPP)，阶梯包层光纤200通常位于光学元件415的焦斑处。
可以经由控制器420和/或可操作地连接到反射器405的一个或多个致动器(未示出)来控制反射器405的配置。因此，反射器405和/或一个或多个致动器可以响应于控制器420。控制器420可以响应于期望的目标辐射功率分布和/或BPP或光束质量的其他度量(例如，由用户输入和/或基于待加工工件的一个或多个属性，例如到工件的距离、工件的组成、工件的形貌等)并且被配置成倾斜反射器405以使光束410撞击阶梯包层光纤200的输入面，以使得从阶梯包层光纤200输出的输出光束具有目标辐射功率分布或光束质量。由此产生的输出光束可以被引导到工件以用于诸如退火、切割、焊接、钻孔等的加工。控制器420可以被编程为经由如本文详述的特定的反射器倾斜来实现期望的功率分布和/或输出BPP和/或光束质量。
控制器420可以被提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的IntelCorporation制造的Pentium或Celeron系列的处理器、由伊利诺斯州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列的处理器、和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列的处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文描述的方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，其驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑装置(PLD)或只读存储器装置(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储装置)来提供程序。对于其中功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用涉及驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言实现；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。该软件可以体现在制品上，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。
激光系统400的输出BPP和NA的模拟结果分别在图4B和4C中示出。在图4B和4C中，光学元件415具有30mm焦距，并且阶梯包层光纤200具有分别针对中央纤芯、第一包层、第一环形纤芯和第二包层的100μm、160μm、360μm和400μm的直径。中央纤芯和第一环形纤芯的NA分别为0.12和0.22。如图4B所示，BPP的范围从约为4mm-mrad，并在反射器倾斜度约为1.2mrad时达到约20mm-mrad的最大值。BPP变化是输出光斑尺寸(D)变化和NA变化的组合结果。随着反射器倾斜度从其初始零位置逐渐增加，更多的功率耦合到第一包层中，这有效地扩大了输出光斑尺寸(D)和NA以及因此BPP。在该示例中，由于耦合到第一包层中的功率降低，反射器倾斜度的进一步增加(大约1.2mrad以上)导致更小的NA。图4C示出当反射器倾斜度大于约2.2mrad时，输出NA减小回到其初始最小NA(在0反射器倾斜度处获得)，此时所有功率都耦合到第一环形纤芯中。从图4B和4C可以看出，耦合到第一包层中的功率不会丢失，而是在BPP变化中起主要作用。
另外，对于该示例性实施例，使用其中第一环形纤芯的直径为360μm的阶梯包层光纤获得大约20mm-mrad的最大BPP。对于相同的BPP范围，传统技术将需要具有500μm的第一环形纤芯直径的双包层光纤，这将导致激光焦斑处的功率密度比本发明的示例性实施例中的功率密度低近两倍。发明。因此，如所指出的，本发明的实施例有利地生成具有增加的NA的更大的BPP，这对于大BPP应用通常是期望的(以例如生成并保持输出光束的更高功率密度)。
图5描绘了根据本发明实施例的激光系统500，其具有阶梯包层光纤(51)。在激光系统500中，控制器420直接控制光学元件415，该光学元件415在与输入光束410的输入传播方向(即，图5所示的z)正交的方向(即，如图5所示的x和y)上可调节(即，可平移)。例如，控制器420可以控制透镜操纵系统(例如，可在二维或三维中移动的一个或多个电动平台或致动器)以控制光学元件415的移动，从而调节输入光束410在阶梯包层光纤200的输入表面上的内耦合位置(以及，由此，从阶梯包层光纤200发出的输出光束的BPP)。与激光系统400一样，耦合到阶梯包层光纤200的各个区域中的输入光束400的相对量导致输出光束的可控变量BPP和/或NA。图6描绘了类似的激光系统600，其中光学元件415可以经由例如一个或多个电动平台或致动器在平行于输入光束410的输入传播方向(即，如图6所示的z)的方向上调节。光学元件415相对于阶梯包层光纤200的平移改变了传播到并内耦合至阶梯包层光纤200的各个区域的光束的量。与激光系统400一样，激光系统500、600可以除了阶梯包层光纤200之外或代替阶梯包层光纤200与阶梯包层光纤300一起使用。根据本发明实施例的激光系统还可以组合光学元件415的平移(如图5和6中所示)和反射器405的调节(如图4所示)，以可控制地调节从阶梯包层光纤输出的光束的BPP和/或NA。
激光系统400、500、600可以用于以连续的方式改变激光束的BPP和/或NA，而不需要在光束扫过阶梯包层光纤的输入面时断开(即，关闭)输入激光束，以使得光束的不同部分内耦合到光纤的不同区域中。因为阶梯包层光纤200、300被配置成使得传播到包层区域(例如，第一包层)的光束能量被限制并且不会导致对与其相关联的光纤或光学器件(例如，光学元件)的损坏，当输入光束或其一部分撞击阶梯包层光纤的包层时，不需要关闭输入光束。
本发明的实施例还可以利用BPP变化的系统和技术，如2015年2月26日提交的序列号为14/632,283的美国专利申请、2015年6月23日提交的序列号为14/747,073的美国专利申请、2015年9月14日提交的序列号为14/852,939的美国专利申请和2016年6月21日提交的序列号为15/188,076的美国专利申请，其每一个的全部公开内容通过引用包含于此。
根据本发明的实施例并在此详述的激光系统和激光传输系统可以用在WBC激光系统中和/或与WBC激光系统一起使用。具体地，在本发明的各种实施例中，WBC激光系统的多波长输出光束可以用作激光束传输系统的输入光束，用于改变BPP，如本文详述的。图7描绘了利用一个或多个激光器705的示例性WBC激光系统700。在图7的示例中，激光器705包括具有发射光束710的四个光束发射器的二极管条(参见放大的输入视图715)，但是本发明的实施例可以使用发射任何数量的单独光束的二极管条或者二极管或二极管条的二维阵列或堆叠。在视图715中，每个光束710由线表示，其中线的长度或较长尺寸表示光束的缓慢发散维度，并且高度或较短尺寸表示快速发散维度。准直光学器件720可用于沿快速维度准直每个光束710。变换光学器件725(其可包括一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜，或基本上由它们组成)用于沿WBC方向730组合每个光束710。变换光学器件725然后将组合光束重叠到色散元件735(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)、透射光栅或中阶梯光栅，或者基本上由或由它们组成)上，并且组合光束之后作为单个输出轮廓传输到输出耦合器740上。然后输出耦合器740传输组合光束745，如输出前视图750所示。输出耦合器740通常是部分反射的，并且用作该外腔系统700中所有激光元件的共同前端面。外腔是激光系统，其中副镜在远离每个激光发射器的发射孔或端面的一定距离处移位。在一些实施例中，附加光学器件放置在发射孔或端面与输出耦合器或部分反射表面之间。输出光束745因此是多波长光束(组合各个光束710的波长)，并且可以用作本文详述的激光系统中的输入光束和/或可以耦合到本文详述的阶梯包层光纤中。
本文采用的术语和表达用作描述而非限制的术语，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所描述的特征的任何等同物或其部分，但是被认为在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (31)

1.一种激光系统，包括：
用于发射输入激光束的光束源；
阶梯包层光纤，其具有输入端和与所述输入端相对的输出端，所述阶梯包层光纤包括(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围所述第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围所述环形纤芯的具有第四折射率的第二包层，其中(i)所述第一折射率大于所述第四折射率，(ii)所述第三折射率大于所述第四折射率，以及(iii)所述第二折射率小于所述第一折射率且大于所述第四折射率；
内耦合机构，用于接收所述输入激光束并将所述输入激光束朝向所述阶梯包层光纤的输入端引导，由此所述输入激光束内耦合到所述阶梯包层光纤中并从所述阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束；以及
控制器，用于控制所述内耦合机构，以将所述输入激光束引导到所述阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此所述输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由所述一个或多个内耦合位置确定，
其中，所述第一包层的厚度在40μm至100μm的范围内，
其中，所述环形纤芯的厚度是60μm至150μm，并且所述环形纤芯的直径在300μm至400μm的范围内。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述内耦合机构包括用于将所述输入激光束聚焦到所述阶梯包层光纤的输入端的光学元件，所述光学元件能够响应于所述控制器而沿着以下中的至少之一移动：(i)平行于所述输入激光束的传播方向的轴或(ii)垂直于所述输入激光束的传播方向的一个或多个轴。
3.根据权利要求2所述的激光系统，其中所述内耦合机构包括反射器，用于接收所述输入激光束并将所述输入激光束反射到所述阶梯包层光纤。
4.根据权利要求2所述的激光系统，其中所述光学元件包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜、和/或一个或多个棱镜。
5.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述内耦合机构包括反射器，用于接收所述输入激光束并将所述输入激光束反射到所述阶梯包层光纤，所述反射器能够响应于所述控制器而旋转。
6.根据权利要求5所述的激光系统，其中，所述内耦合机构包括光学元件，用于接收来自所述反射器的输入激光束并将所述输入激光束聚焦到所述阶梯包层光纤。
7.根据权利要求6所述的激光系统，其中所述光学元件能够响应于所述控制器而沿着以下中的至少之一移动：(i)平行于所述输入激光束的传播方向的轴或(ii)垂直于所述输入激光束的传播方向的一个或多个轴。
8.根据权利要求6所述的激光系统，其中所述光学元件包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜、和/或一个或多个棱镜。
9.根据权利要求1所述的激光系统，其中：
所述光束源响应于所述控制器；以及
所述控制器被配置成在所述输入激光束在不同的内耦合位置之间被引导时将所述输入激光束引导到多个不同的内耦合位置而不调节所述输入激光束的输出功率。
10.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述控制器被配置为将所述输入激光束引导到至少部分地与所述第一包层重叠的至少一个内耦合位置，由此内耦合到所述第一包层中的光束能量形成所述输出光束的至少一部分。
11.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述第二折射率小于所述第三折射率。
12.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述第二折射率约等于所述第三折射率。
13.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述第三折射率小于所述第一折射率。
14.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述第三折射率大于所述第一折射率。
15.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束聚焦到色散元件上；
用于接收和色散所接收的聚焦光束的色散元件；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所述输入激光束，并将所述色散光束的第二部分反射回所述色散元件，
其中所述输入激光束由多个波长组成。
16.根据权利要求15所述的激光系统，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
17.一种调节激光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个的方法，所述方法包括：
提供阶梯包层光纤，其具有输入端和与所述输入端相对的输出端，所述阶梯包层光纤包括(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围所述第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围所述环形纤芯的具有第四折射率的第二包层，其中(i)所述第一折射率大于所述第四折射率，(ii)所述第三折射率大于所述第四折射率，以及(iii)所述第二折射率小于所述第一折射率且大于所述第四折射率；以及
将输入激光束引导到所述阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此(i)所述输入激光束内耦合到所述阶梯包层光纤中并从所述阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束，以及(ii)所述输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由所述一个或多个内耦合位置确定，
其中，所述第一包层的厚度在40μm至100μm的范围内，
其中，所述环形纤芯的厚度是60μm至150μm，并且所述环形纤芯的直径在300μm至400μm的范围内。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述输入激光束被引导到多个不同的内耦合位置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，当所述输入激光束在所述不同的内耦合位置之间被引导时，不调节所述输入激光束的输出功率。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述内耦合位置中的至少一个至少部分地与所述第一包层重叠，由此内耦合到所述第一包层中的光束能量形成所述输出光束的至少一部分。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二折射率小于所述第三折射率。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二折射率约等于所述第三折射率。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第三折射率小于所述第一折射率。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第三折射率大于所述第一折射率。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，所述输入激光束由光束源发射，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束聚焦到色散元件上；
用于接收和色散所接收的聚焦光束的色散元件；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所述输入激光束，并将所述色散光束的第二部分反射回所述色散元件，
其中所述输入激光束由多个波长组成。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
27.一种调节激光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个的方法，所述方法包括：
提供阶梯包层光纤，其具有输入端和与所述输入端相对的输出端，所述阶梯包层光纤包括(i)具有第一折射率的中央纤芯，(ii)包围所述中央纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)包围所述第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)包围所述环形纤芯的具有第四折射率的第二包层，其中(i)所述第三折射率大于所述第四折射率，(ii)所述第三折射率大于所述第二折射率，以及(iii)所述第二折射率大于所述第四折射率；以及
将输入激光束引导到所述阶梯包层光纤的输入端上的一个或多个内耦合位置，由此(i)所述输入激光束内耦合到所述阶梯包层光纤中并从所述阶梯包层光纤的输出端发射作为输出光束，以及(ii)所述输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由所述一个或多个内耦合位置确定，
其中所述内耦合位置中的至少一个至少部分地与所述第一包层重叠，由此内耦合到所述第一包层中的光束能量形成所述输出光束的至少一部分，
其中，所述第一包层的厚度在40μm至100μm的范围内，
其中，所述环形纤芯的厚度是60μm至150μm，并且所述环形纤芯的直径在300μm至400μm的范围内。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述输入激光束被引导到多个不同的内耦合位置。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，当所述输入激光束在所述不同的内耦合位置之间被引导时，不调节所述输入激光束的输出功率。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述输入激光束由光束源发射，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束聚焦到色散元件上；
用于接收和色散所接收的聚焦光束的色散元件；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所述输入激光束，并将所述色散光束的第二部分反射回所述色散元件，
其中所述输入激光束由多个波长组成。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
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