CN109478756A - 高功率光纤激光器连接器的光阱 - Google Patents

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Abstract

一种光纤激光器系统，其包括光纤激光器连接器，该光纤激光器连接器具有端接产生激光束的光纤的壳体。腔室沿壳体的长度向内部延伸。光阱包括沿腔室的壁形成的多个螺纹以捕获响应于激光束施加到工件上而反射回光纤激光器连接器的光。

Description

高功率光纤激光器连接器的光阱
本申请要求2016年5月16日提交的美国临时专利申请62/336871的优先权，其全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及一种用于高功率光纤激光器连接器的光阱。
背景技术
光纤激光器是一种光学激光器系统，其包括包层光纤而不是杆、平板或盘。光纤激光器通过光腔室反射光，使得光子流激发光纤中的原子，光纤以有用波长(usefulwavelengths)存储和释放光能。光纤类型、纤芯尺寸、数值孔径、折射率和光纤掺杂(doping)有助于提高使用光纤激光器系统进行光传播的范围和可能性。光纤激光器系统在许多工业、国防和科学应用中被用于不同目的，包括电信、光谱学、医学、定向能武器，以及切割、标记、雕刻和蚀刻各种工件。光纤激光器系统具有局限性，包括与从光纤激光器系统在其上工作的工件反射回光纤的光相关的故障模式。如果不采取措施去除不需要的光，以防止光会聚到可能损坏光学激光器系统的热点，则反射光的去除可能是很成问题的。
附图说明
本申请描述了各种实施例，可以结合以下附图理解和充分了解：
图1A示出了根据本申请的光纤激光器的横截面的实施例；
图1B示出了根据本申请的光纤激光器系统的实施例；
图2示出了根据本申请的光纤激光器系统的实施例；
图3A-E示出了根据本申请的光纤激光器系统中的光纤激光器连接器的实施例；
图4示出了根据本申请的光纤激光器连接器中包括的螺纹的各种轮廓的实施例；
图5示出了用于操作根据本申请的光纤激光器的方法的实施例。
具体实施方式
参照上文列出的附图，本申请描述了实施例。本领域普通技术人员将理解说明书和附图是说明而非限制本申请，并且通常为了清晰起见，附图未按比例绘制。本领域技术人员还将认识到通过应用本申请包含的发明原理，可能还有更多的实施例，并且这些实施例落入本申请的范围内，除了权利要求之外，本申请的范围不受限制。
如在本申请和权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。另外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“被耦接”不排除在被耦接的实物之间存在中间元件。
本文描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本申请内容针对各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，这些特征和方面可以单独的形式存在，也可以彼此之间的各种组合和子组合形式存在。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，也不要求所公开的系统、方法和装置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，但是所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。
尽管为了方便呈现，以特定的顺序次序描述了一些所公开方法的操作，但应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下文阐述的特定语言要求特定排序。例如，顺序描述的操作在某些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的系统、方法和装置可以与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。另外，该描述有时使用例如“产生”和“提供”的术语来描述所公开的方法。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而变化，本领域普通技术人员可以很容易地辨别这一点。
在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这种选择不需要比其他选择更好、更小或更优选。参考指示为“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向来描述实例。这些术语用于方便描述，但并不暗示任何特定的空间方向。
光纤激光器可以提供高功率激光束以实现各种工件的切割、标记、焊接、烧结或钎焊。在一些情况下，当高功率激光束照射在工件上时，反射回光纤激光器系统的光可能导致无约束的加热，这反过来可能导致光纤激光器的不稳定运行或失效。需要一种在故障发生之前处理反射回光纤激光器系统的光，且与现有硬件和电路兼容的简单方法，以便可以检测和避免即将发生的故障。
图1A和1B示出了根据本申请的光纤激光器100的横截面的实施例。参照图1A和1B，光纤激光器100可包括由包层104和保护涂层106围绕的纤芯102。纤芯102可以具有与包层104不同的折射率。根据尺寸、折射率和波长，纤芯102可以是单模或多模，尽管单模对于许多应用是优选的模式。纤芯102可以由多种材料制成，包括众所周知的硅基材料。纤芯102可以包括掺杂剂103，掺杂剂103来自包括铒或镱的镧系元素化学物质，其以有用波长释放光能。光纤激光器100可以由例如激光二极管的光源110照射。光源110可以是单个二极管、二极管阵列、或许多独立的泵浦二极管(pump diodes)，泵浦二极管中的每个都具有进入耦接器的光纤。光纤激光器100还可以包括位于线圈111两端的光栅114，以操纵或以其他方式过滤光源110并将其作为激光束116传送。光纤激光器100可用于各种应用，包括焊接重金属板、切割用于生产汽车的高强度钢、切割和钻孔混凝土、以及微尺度和纳米级加工或蚀刻。
在一些应用中，光纤激光器100可以具有几毫米到几百米之间的长度，最常见的是在1-30米范围内。光纤激光器100可以是盘绕的线圈111，其通常允许的弯曲半径在100-200毫米之间。光纤激光器100会在操作期间释放热量，这需要有效的散热以免损坏纤芯102、包层104或相关的控制和其他电路。
图2示出了根据本申请光纤激光器系统200的实施例。参照图2，光纤激光器系统200包括光阱203，其用于有效处理反射光以避免故障。光纤激光器系统200包括激光器模块206，其用于产生激光束216，激光束216通过光纤224被传输到光纤连接器或耦接器228。如本领域普通技术人员所熟知的，光纤导管或包层204可以包住光纤224。
在一个实施例中，激光器模块206可以包括处理器220和一个或多个激光二极管234，激光二极管234被耦接到光纤224以沿光纤224泵浦(pump)光束216。处理器220可以被耦接到激光二极管控制器246，激光二极管控制器246被配置为控制一个或多个激光二极管234。激光二极管234可以是本领域普通技术人员已知的任何类型。激光二极管234可以是任何数量并且以本领域普通技术人员已知的任何配置布置。
光纤连接器228被配置为将光纤224耦接到许多不同类型的激光装置中的任何一种，例如处理头部232、光纤到光纤耦接器234、光纤到光纤开关236、测试站238等或其任何组合。光纤连接器228可包括壳体230、腔室226、端盖218、连接部分208和光阱203。壳体230可以包住光阱203和光纤224的至少一部分。壳体230可以由本领域普通技术人员已知的任何材料制成，例如，诸如铜的金属。外壳230可以包括腔室226，腔室226可以延伸一段光纤连接器228的至少一部分并且包围光纤224、连接部分208、端盖218和光阱203。
端盖218可以在光纤224的远端形成以端接(terminate)光纤224。端盖218可以由本领域普通技术人员已知的任何材料制成。光纤连接器228的连接部分208可以以本领域普通技术人员已知的任何方式与插座210配合，插座210又进而可以将激光装置电耦接到光纤连接器228中的控制和其他电路。插座210可以被设置在与光纤连接器228兼容的各种激光装置中的任何一个中，例如，处理头部232、光纤到光纤耦接器234、光纤到光纤开关236、测试站238等或其任何组合。包围光纤224的光纤导管204可以端接于光纤连接器228的后端。光纤导管204还可以包住或以其他方式封闭控制和其他电路(未示出)以操作光纤224。
光阱203可以形成在腔室226上并如下文所述的那样捕获(trap)反射回光纤224或光纤连接器228的光。光阱203可以通过减少由反射光消散的热量来防止对光纤224(或更广泛地，对光纤系统200)的损坏。
光纤连接器228内可能出现多种情况，这可能导致光纤连接器228、光纤224或光纤连接器228内的任何控制或其他电路的机械损坏或热损坏。这些情况包括：从工件反射回光纤壳体230或光纤224的反向散射光(backscattered light)、光纤壳体230内或光纤224上的污染、光纤224中的不规则、排出废热存在问题、光纤连接器228或光纤224上的机械应力、光纤224的光暗化、各种其他光纤、机械或类似的故障，或其组合。
在一个实施例中，处理器220可以通过使用光纤连接器228、激光器模块206或图形用户界面(GUI)222内的各种控制和其他电路中的任何一种来检测光纤连接器228内的各种故障状况，并基于检测到光纤连接器228内的各种故障状况来发起或触发各种动作。这些故障条件可包括例如：预先设定的标称温度之外的温度、预先设定的不可接受温度范围内的温度、激光器系统200中的与温度相关故障指示器等。这样的动作可以包括通过基于温度或从光纤连接器228内的控制或其他电路读取导出的其他数据向激光二极管控制器236发送命令来中断、禁用或节流一个或多个激光二极管234或启动其他规避动作以防止或减轻对激光器系统200的任何部分的损坏。
此外，处理器220可以将温度或其他数据存储在存储器242中，存储器242可以是本领域普通技术人员已知的任何类型。处理器220可以经由GUI 222与用户一起操作。处理器220可以使用这种存储的温度或其他数据来识别温度行为或与激光损坏故障状况相关联的其他模式。处理器220可以使用这些识别的行为或模式来预测并自动响应未来的故障状况。处理器220可以识别温度波动的模式或与可识别的故障状况相关联的其他故障机制(故障状况可以由处理器220自动识别或由用户和处理器将其与模式相关联或者由用户手动关联)。随后，在光纤传送激光器系统200的操作期间，处理器220可以检测所识别的模式以预测故障状况。在示例中，处理器220可以识别在可识别故障状况之前的温度波动模式并且将故障状况与识别故障状况的模式相关联，其中识别故障状况触发此关联。同样，识别故障状况可以是自动的或由用户使用GUI 222手动完成。处理器220还可以被配置为基于检测到所识别的模式来触发激光二极管234关闭以防止故障状况导致光纤激光器系统200发生故障。
同样地，存储在存储器242数据中的温度或其他数据可以由用户在GUI 222上查看并且用于做出管理决定，例如设置不同的温度阈值或手动过载(over-ride)条件。
图3A-E示出了根据本申请的用于光纤激光器系统300的光纤激光器连接器328的实施例。图4示出了根据本申请的光纤激光器连接器中包括的螺纹的各种轮廓的实施例。参考图1、2、3A-E和4，光纤激光器系统300包括用于产生激光束216的光纤324。光纤连接器328被配置为将光纤324耦接到许多不同类型的激光装置中的任何一种，例如，处理头部232、光纤到光纤耦接器234、光纤到光纤开关236、测试站238等或其任何组合。光纤324可以是本领域普通技术人员已知的任何类型。光纤324可以包括包层和本领域普通技术人员已知的其他结构。如本领域普通技术人员所熟知的，光纤324可以具有适合于预期应用的任何额定功率。
光纤连接器328可包括壳体330和腔室326。壳体330可以包住、封闭或以其他方式容纳光阱303和光纤324的至少一部分。壳体330可以由本领域普通技术人员已知的任何材料制成，例如，诸如铜等金属。壳体330可包括腔室326，其可在一段光纤连接器228的至少一部分内部延伸。腔室326可具有基本圆柱形的横截面，但是本领域普通技术人员已知的其他横截面形状(例如，正方形、椭圆形等)也在本申请的范围内。
可以沿腔室326的壁331形成多个内螺纹或凹槽305以反射光线321。如本领域普通技术人员所知，多个螺纹305可以是任何数量的或具有任何轮廓。在一个实施例中，如图3D所示，多个螺纹305可以形成在壁331上，作为从连接器328的一端延伸到连接器328的另一端的单个连续螺旋系列脊(single continuous helical series of ridges)。在另一个实施例中，至少如图3A、3B和3E所示，多个螺纹305可以是一系列不同的基本平行的通道或凹槽。多个螺纹305可具有本领域普通技术人员已知的任何尺寸，包括每英寸的任何规格或螺纹，例如10-32、10-24等。
在腔室326的直径、腔室326的长度和反射光线321的有效热吸收之间可存在设计权衡。较小直径的腔室326可以使反射光线321具有更多的内部反射，从而防止反射光线321到达连接器328的后部。但是较小直径的腔室326将迫使来自反射光线321的较大部分热量在连接器328的输出端附近被吸收，其中可能存在较少的冷却腔室333用以冷却腔室326。并且较小直径的腔室326将在较小的表面区域上从反射的光线321产生更多的热量，导致在较小的表面区域上的较高的热量。
在一个实施例中，多个螺纹305可具有各种形状的轮廓或外形。在一个实施例中，如402所示，多个螺纹305中的每一个可具有基本三角形的轮廓。在另一个实施例中，如404所示，多个螺纹305中的每一个可以具有带有平坦峰405的基本三角形的轮廓。在又一个实施例中，如406所示，多个螺纹305中的每一个可具有带有平坦峰405和平坦谷407基本三角形的轮廓。如本领域普通技术人员所熟知的，平坦峰405或平坦谷407可能由生产或加工限制引起。在又一个实施例中，如408所示，多个螺纹305中的每一个可以具有基本三角形的轮廓，该轮廓带有第一三角形类型409和不同于第一三角形类型409的第二三角形类型411。在一个实施例中，如408所示，第一三角形类型可以具有相等长度的三个边，而第二个三角形类型409可以是相等长度的两个边。在又一个实施例中，如410所示，多个螺纹305中的每一个可以具有基本锯齿形的轮廓。
在一个实施例中，如402、404、406、408或410所示，多个螺纹305可以在相邻螺纹305之间具有基本均匀的间距。在另一个实施例中，如412所示，多个螺纹305可以在相邻螺纹之间具有基本不均匀的螺距。在又一个实施例中，如414所示，多个螺纹305可具有第一部分413和第二部分415，其中第一部分413在相邻螺纹305之间具有基本均匀的间距，第二部分415在相邻螺纹305之间具有基本均匀但不同的间距。在又一实施例中，仅腔室326的一些部分可具有螺纹305而其余部分可具有平滑(但可反射)的表面。
在图3E所示的实施例中，多个螺纹305可以是形成为沿光纤激光器连接器328中的腔室326的长度基本水平延伸的齿条。在该实施例中，多个螺纹或齿条可以通过本领域普通技术人员已知的任何方式，例如拉削来制成。多个螺纹或齿条305可以在顶点和底点处磨圆(rounded)，以增加光的横向扩散。
反射镀层(plating)或涂层(coating)309可以改善多个螺纹305的光学反射特性。反射镀层或涂层309可以包括本领域普通技术人员已知的任何形式的任何反射材料，特别是那些反射率在50％至90％范围内的反射材料，例如镍、铬、铂或其组合的金属。可以以本领域普通技术人员已知的任何方式将反射镀层或涂层309施加到多个螺纹305上，例如电镀、层压、沉积等。反射涂层或镀层309可以防止锈蚀，因此反射率在光纤激光器系统300的寿命期间保持恒定。
端盖318可以形成在光纤324的远端以端接光纤连接器328(以及叠接到光纤324的任何无源光纤)。端盖318可以由本领域普通技术人员已知的任何材料制成，例如熔融硅。
光纤连接器328的连接部分308可以以本领域普通技术人员已知的任何方式与激光装置的插座210配合，例如装置232、234、236或238。通过这样做，光纤连接器328可以将激光装置电耦接到光纤连接器328中的控制和其他电路。插座210可以设置在与光纤连接器328兼容的各种激光装置中的任何一种中，例如，处理头部232、光纤到光纤耦接器234、光纤到光纤开关236、测试站238等或其任何组合。
多个冷却腔室333可以围绕腔室326。每个冷却腔室333可以具有在其中循环的冷却流体(未示出)，以消散由螺纹305或光纤324产生的热量。冷却流体(未示出)可以是能够散热的任何流体，例如水。在一个实施例中，多个冷却腔室333可以由双连续螺旋水通道形成，该双连续螺旋水通道从连接器328的一端延伸到连接器328的另一端，以最大化用于螺纹305和腔室333之间的热交换的表面积，如在2017年5月12日提交的题为用于高功率光纤连接器的双螺旋冷却剂路径的美国专利申请序列号15/594494中所公开的那样，其全部内容通过引用并入于此。
光纤激光器连接器328包括光阱303，光阱303又包括腔室326和壳体330。光阱303可以形成在腔室326的壁331上，以在光束216照射到工件(未示出)上时捕获或再反射被反射回光纤324或光纤连接器328的光线321。反射光线321可能通过产生不受约束的热量而损坏光纤324或连接器328，这相应得可能产生破坏性的热点，其无法通过使用例如冷却腔室333对其进行有效的冷却。如果不能最小化、减少或消除热点，则可能损坏光纤连接器328中的光学、控制或处理装置或结构。
光阱303可以通过减少在任何给定反射点(point)或热点(spot)处由反射光线321消散的热量来防止对光纤324或光纤连接器328的损坏。在一个实施例中，反射光线321可以被反射多次，例如4-8次，以通过使用多个螺纹305基本上吸收光阱中的所有能量。多个螺纹305允许腔室326内的反射光线321的再反射，使用例如冷却腔室333在每个反射点处散热。
因此，例如，光线321a在第一反射点323a、第二反射点323b和第三反射点323c处再反射，在每个反射点323a、323b和323c处耗散热能以避免损坏光纤324或光纤连接器328。注意，第一和第三反射点323a和323c是螺纹305，而第二反射点323b包括连接器328的后端，连接器328的后端可包括处理和控制结构和装置。又例如，光线321b从第一反射点325a、第二反射点325b、第三反射点325c和第四反射点325d反射，在每个反射点325a、325b、325c和325d处耗散热能以避免损坏光纤324或光纤连接器328。在该实施例中，反射点325a、325b、325c和325d包括螺纹305。基本上所有的功率都被螺纹305吸收，尽管一小部分再反射光线321可能最终通过端盖318反射出来并从光纤连接器328中射出。
多个螺纹305至少部分地重新反射或捕获反射光线321，以在任何反射光线321击中在连接器328的一端的包层光剥离部分(clad light stripping section)335之前获得多次反射。在反射镀层或涂层309是部分反射器的实施例中，在每个反射点323a、323b、323c、325a、325b、325c和/或325d期间吸收一部分热量，并且大部分热量在4到8次反射的范围内被吸收。
图5示出了根据本申请的用于操作光纤激光器的方法500的实施例。参考图5，在502处，方法500在光纤激光器连接器的壳体的腔室中形成多个螺纹。在504处，方法500端接光纤激光器连接器的壳体中的光纤。在一些实施例中，方法500可以将无源(未掺杂)光纤接合到光纤的一端，并且将无源光纤通过连接器的长度馈送或传送到光纤激光器连接器的输出端，这是本领域普通技术人员所熟知的。在506处，方法500通过光纤产生激光束，并且在508处，经由光纤激光器连接器将激光束施加到工件。在510处，方法500利用多个螺纹的至少一部分捕获反射回光纤激光器连接器的光线。在512处，方法500吸收由至少一部分螺纹捕获的光线的至少一部分，反射光线照射在所述至少一部分螺纹上以散热，从而防止对光纤激光器连接器的损坏。
本领域普通技术人员将理解，本申请不限于上文特别示出和描述的内容。相反，本申请的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的修改和变化。因此，仅所附权利要求可以限制本申请。

Claims (20)

1.一种光纤激光器系统，其特征在于，所述光纤激光器系统包括：
光纤激光器连接器，所述光纤激光器连接器包括壳体，所述壳体用于端接产生激光束的光纤激光器；
腔室，所述腔室沿所述壳体的长度在内部延伸；以及
光阱，所述光阱包括沿所述腔室的壁形成的多个螺纹，以捕获响应于所述激光束施加到工件上而反射回所述光纤激光器连接器的光。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述腔室具有基本圆柱形的横截面。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述多个螺纹围绕所述腔室的壁成螺旋形。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述多个螺纹被形成为在所述多个螺纹中的相邻螺纹之间具有基本均匀的螺距。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述多个螺纹被形成为在所述多个螺纹中的相邻螺纹之间具有基本不均匀的螺距。
6.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述多个螺纹被形成为具有基本三角形的锯齿轮廓。
7.根据权利要求1所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述光纤激光器系统还包括：反射覆盖层，所述反射覆盖层形成在所述腔室的壁上形成的多个螺纹上。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述反射覆盖层包括部分反射层。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述反射覆盖层包括镍、铬、铂或其组合。
10.根据权利要求9所述的光纤激光器系统，其特征在于，所述多个螺纹中的至少一些将反射回所述光纤激光器连接器的光的每条光线多次反射。
11.根据权利要求10所述的光纤激光器系统，其特征在于，在所述多个螺纹中的至少一些每次反射每条光线时，所述腔室吸收被反射回所述光纤激光器连接器的光的每条光线的一部分。
12.一种光纤激光器连接器，其特征在于，所述光纤激光器连接器包括：
腔室，所述腔室沿壳体长度在内部延伸，所述壳体包围产生激光束的光纤激光器；以及
多个螺纹，所述多个螺纹沿所述腔室的壁形成以响应于激光束施加到工件上而捕获反射回所述光纤激光器连接器的光。
13.根据权利要求12所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述腔室具有基本圆柱形的横截面；以及
所述多个螺纹围绕所述腔室的壁成螺旋形。
14.根据权利要求12所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述多个螺纹形成为在所述多个螺纹中的相邻螺纹之间具有基本均匀的螺距；以及
所述多个螺纹形成为具有基本三角形的锯齿形轮廓。
15.根据权利要求12所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述多个螺纹形成为在所述多个螺纹中的相邻螺纹之间具有基本上不均匀的螺距。
16.根据权利要求12所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述光纤激光器连接器还包括：
反射覆盖层，所述反射覆盖层形成在在所述腔室的壁上形成的多个螺纹上；以及
所述反射覆盖层包括镍、铬、铂或其组合。
17.根据权利要求16所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述多个螺纹中的至少一些反射每条光至少两次。
18.根据权利要求12所述的光纤激光器连接器，其特征在于，所述光纤激光器连接器还包括：
反射覆盖层，所述反射覆盖层形成在所述腔室的壁上形成的多个螺纹上；以及
所述反射涂层包括反射材料，所述反射材料的反射范围为约50％至90％。
19.一种方法，其特征在于，所述方法包括：
在光纤激光器连接器的壳体中形成多个螺纹；
使用由所述光纤激光器连接器端接的光纤激光器产生激光束；
在所述光纤激光器连接器处接收从施加到工件上的所述激光束反射回来的光线；以及
使用所述多个螺纹中的至少一些在所述腔室内多次捕获每个光线。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
用包括镍、铬、铂或其组合的反射覆盖层至少部分地覆盖多个螺纹。
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