CN110914015B - 使用光束进行材料加工的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种使用光束进行材料加工的方法包括：将光束发射到具有第一折射率轮廓(RIP)的第一长度光纤中；将来自第一长度光纤的光束耦合到具有第二RIP的第二长度光纤中；在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性；和/或从第二长度光纤生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性。第一RIP可以与第二RIP相同或不同。一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。第一状态可以不同于第二状态。

Description

使用光束进行材料加工的方法和系统
相关申请
本申请是2017年5月26日提交的国际申请PCT/US2017/034848的部分延续，该国际申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,411的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,410的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,399的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。以上申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本文公开的主题总体上涉及使用光束进行材料加工的方法和系统。本文公开的主题还涉及使用激光束的使用光束进行材料加工的方法和系统，例如光纤耦合激光器(例如，二极管激光器、光纤激光器、钇铝石榴石(“YAG”)激光器)或二极管激光器(例如，光纤耦合二极管激光器、自由空间二极管激光器)。
背景技术
高功率光纤耦合激光器的使用在各种应用中继续受到欢迎，例如，涉及钎焊、包覆、上釉、热处理和焊接的材料加工。这些激光器包括例如光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器和灯泵浦固态激光器。在这些系统中，光功率经由光纤从激光器传送到工件。
各种光纤耦合激光器材料加工任务可能需要不同的光束特性(例如，空间轮廓和/或发散度轮廓)。例如，切割厚金属和焊接通常需要比切割薄金属更大的光斑尺寸。理想情况下，激光束的特性是可调整的，以实现对这些不同任务的优化加工。常规上，用户有两种选择：(1)采用具有固定光束特性的激光系统，该系统可以用于不同的任务，但对大多数任务来说不是最佳的(即，在性能和灵活性之间折衷)；或者(2)购买激光系统或附件，其提供可变光束特性，但增加了显著的成本、尺寸、重量、复杂性，并且可能会导致性能下降(例如，例如，光损耗或由于在改变光束特性时所涉及的延迟而导致的速度降低)或可靠性下降(例如，鲁棒性降低或可运行时间缩短)。当前可用的能够改变光束特性的激光系统通常需要使用自由空间光学器件或其他复杂且昂贵的附加机构(例如，变焦透镜、反射镜、可平移或机动化的透镜、组合器等)，以改变光束特性。似乎没有一种解决方案能够提供所需的光束特性可调整性，从而最大限度地减少或消除对使用自由空间光学器件或其他附加部件的依赖，这些部件在成本、复杂性、性能和/或可靠性方面带来了相当大的损失。因此，该行业需要一种用于提供变化的光束特性的光纤内装置，该装置不需要或最小化自由空间光学器件的使用，并且可以避免显著的成本、复杂性、性能折衷和/或可靠性降低。
此外，通过提供操纵适合手头任务的光束特性的能力，可以提高应用的有效性和效率，例如，涉及钎焊、包覆、上釉、热处理和焊接的材料加工。因此，该行业需要一种光纤内设备，用于一致地、可预测地和快速地提供变化的光束特性。
发明内容
本文至少公开了使用光束进行材料加工的方法和系统。
在一些示例中，一种使用光束进行材料加工的方法可以包括：将光束发射到具有第一折射率轮廓(RIP)的第一长度光纤中；将来自第一长度光纤的光束耦合到具有第二RIP和一个或多个限制区域的第二长度光纤中；在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性；和/或从第二长度光纤生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性。第一RIP可以与第二RIP不同。一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。第一状态可以不同于第二状态。
在段落[0007]的方法的一些示例中，该方法还可包括：将光束的经修改的一个或多个光束特性限制在第二长度光纤的一个或多个限制区域内。
在段落[0007]或[0008]的方法的一些示例中，该方法还可包括：将输出光束用于一种或多种材料的钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合中的一种或多种。
在段落[0007]、[0008]或[0009]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还可包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的过程中反馈来调整一个或多个光束特性。
在段落[0007]、[0008]、[0009]或[0010]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还可包括在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性。
在段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]或[0011]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还可包括在一个或多个离散的步骤中调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
在段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]或[0012]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还包括以连续的方式调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
在段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]或[0013]的方法的一些示例中，其中，输出光束的光束形状可以是非对称的。
在段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]、[0013]或[0014]的方法的一些示例中，该方法还可包括：在材料加工期间，将输出光束沿着一种或多种材料的行进方向从第一方向改变到第二方向；其中，第一方向可以不同于第二方向。
在段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]、[0013]、[0014]或[0015]的方法的一些示例中，第二方向可以与第一方向相反。
在一些示例中，一种使用光束进行材料加工的方法可以包括：将光束发射到具有第一折射率轮廓(RIP)的第一长度光纤中；将来自第一长度光纤的光束耦合到具有第二RIP和两个或更多个限制区域的第二长度光纤中；在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性；和/或从第二长度光纤生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性。第一RIP可以与第二RIP相同。一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。第一状态可以不同于第二状态。
在段落[0017]的方法的一些示例中，该方法还可包括：将光束的经修改的一个或多个光束特性限制在第二长度光纤的一个或多个限制区域内。
在段落[0017]或[0018]的方法的一些示例中，该方法还可包括：将输出光束用于一种或多种材料的钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合中的一种或多种。
在段落[0017]、[0018]或[0019]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的过程中反馈来调整一个或多个光束特性。
在段落[0017]、[0018]、[0019]或[0020]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还包括在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性。
在段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]或[0021]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还包括在一个或多个离散的步骤中调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
在段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]或[0022]的方法的一些示例中，一个或多个光束特性的修改还包括以连续的方式调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
在段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]或[0023]的方法的一些示例中，输出光束的光束形状可以是非对称的。
在段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]、[0023]或[0024]的方法的一些示例中，该方法还可包括：在材料加工期间，将输出光束沿着一种或多种材料的行进方向从第一方向改变到第二方向。第一方向可以不同于第二方向。
在段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]、[0023]、[0024]或[0025]的方法的一些示例中，第二方向可以与第一方向相反。
应该理解，前面的一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本教导的限制，如所声明的。
附图说明
通过以下结合附图对示例的详细描述，上述和/或其他方面和优点将变得更加明显和容易理解，其中：
图1示出用于提供具有可变光束特性的激光束的示例性光纤结构；
图2绘示出用于传送具有可变光束特性的光束的示例性光纤结构的截面图；
图3示出扰动用于提供具有可变光束特性的光束的光纤结构的示例方法；
图4是示出针对不同光纤弯曲半径的第一长度光纤计算的最低阶模式(LP01)的空间轮廓的曲线图；
图5示出当用于改变光束特性的光纤几乎笔直时在结点(junction)处的二维强度分布的示例；
图6示出当用于改变光束特性的光纤以所选择的半径弯曲以优先激励第二长度光纤的具体限制区域时在结点处的二维强度分布的示例；
图7-10绘示出实验结果，以示出用于改变图2所示的光束特性的光纤的各种弯曲半径的另外的输出光束；
图11-16示出用于实现光纤组件中的光束特性调整的示例性第一长度光纤的截面图；
图17-19示出用于限制光纤组件中的经调整的光束特性的示例性第二长度光纤(“限制光纤”)的截面图；
图20和21示出用于改变光纤组件中的经调整的光束的发散角并在光纤组件中限制经调整的光束的示例性第二长度光纤的截面图，该光纤组件被配置为提供可变光束特性；
图22A示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和加工头之间的可变光束特性；
图22B示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和加工头之间的可变光束特性；
图23示出包括光纤组件的示例性激光系统，该光纤组件被配置为提供位于馈送光纤和多个加工光纤之间的可变光束特性；
图24示出根据本文提供的各种示例的用于提供可变光束特性的各种扰动组件的示例；
图25示出用于调整和保持光束的经修改的特性的示例性过程；
图26-28是示出用于限制光纤组件中的经调整的光束特性的示例性第二长度光纤(“限制光纤”)的截面图；
图29绘示出使用光束进行材料加工的第一示例方法；
图30绘示出使用光束进行材料加工的第二示例方法；
图31绘示出使用光束进行材料加工的第一示例设备；
图32绘示出使用光束进行材料加工的第二示例设备；
图33绘示出使用光束进行材料加工的第三示例设备；
图34A和34B绘示出具有两个离散的光斑形状的示例输出光束；以及
图35A-35D绘示出具有两个离散的光斑形状的示例输出光束。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性方面。然而，本公开的示例可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的示例。相反，提供这些示例是为了使本公开彻底和完整，并且将范围完全传达给本领域普通技术人员。在附图中，可以简化和/或可以绘制一些细节，以促进理解，而不是保持严格的结构精度、细节和/或比例。例如，为了清楚起见，可能夸大层和区域的厚度。
应当理解，当一个元件被称为“在另一部件上、“连接到”、“电连接到”或“耦合(联接)到”另一部件时，它可以直接在另一部件上、连接到、电连接到或耦合(联接)到另一部件，或者可以存在中间部件。相反，当一个部件被称为“直接在另一部件上”、“直接连接到”、“直接电连接到”或“直接耦合(联接)到”另一部件时，不存在中间部件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项的任何和所有组合。
应该理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一元件、部件、区域、层和/或部分。例如，在不脱离示例的教导的情况下，第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，本文可能使用空间相对术语，例如，“下方”、“之下”、“下部”、“上方”、“上部”等，以描述一个部件和/或特征与另一部件和/或特征、或其他部件和/或特征的关系，如附图所示。应当理解，除了附图中所示的方位之外，空间相对术语旨在涵盖处于使用或操作中的装置的不同方位。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定的示例，而不是为了限制示例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该(所述)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确规定。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises、comprising)”和/或“包含(includes、including)”指定存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面陈述的特定语言需要特定的顺序。例如，依次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，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，本说明书有时使用诸如“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所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的实现方式而变化，并且本领域普通技术人员容易辨别。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本领域普通技术人员所理解的相同的含义。将进一步理解的是，术语(例如，常用词典中定义的术语)应当被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确如此定义，否则不应被解释为理想化或过于正式的含义。
本公开涉及使用可调整的光束特性进行加工的方法和系统。
定义
本文使用的词语和术语的定义：
1.术语“光束特性”表示用于描述光束的下列一个或多个术语。通常，最关注的光束特性取决于应用或光学系统的具体情况。
2.术语“光束直径”被定义为沿着轴跨过光束中心的距离，对于该轴，辐照度(强度)等于最大辐照度的1/e2。虽然本文公开的示例通常使用以方位角对称模式传播的光束，但是可以使用椭圆或其他光束形状，并且光束直径可以沿着不同的轴而不同。圆形光束的特征在于单个光束直径。其他光束形状可以沿着不同的轴具有不同的光束直径。
3.术语“光斑尺寸”是从最大辐照度的中心点到1/e2点的径向距离(半径)。
4.术语“光束发散度分布”是功率对全锥角。这个量有时称为“角度分布”或“NA分布”。
5.术语激光束的“光束参数积”(“BPP”)定义为光束半径(在光束腰部处测量的)和光束发散度半角(在远场中测量的)的乘积。BPP的单位通常是毫米-毫弧度(“mm-mrad”)。
6.“限制光纤”被定义为具有一个或多个限制区域的光纤，其中，限制区域包括被低折射率区域(包层区域)包围的高折射率区域(芯区域)。限制光纤的RIP可包括被低折射率区域(包层区域)包围的一个或多个高折射率区域(芯区域)，其中，在高折射率区域中引导光。每个限制区域和每个包层区域可具有任何RIP，包括但不限于阶跃折射率和梯度折射率。限制区域可以是同心的，也可以不是同心的，并且可以是各种形状，例如，圆形、环形、多边形、弓形、椭圆形、不规则形等或者其任意组合。特定限制光纤中的限制区域可以都具有相同的形状或者可以是不同的形状。此外，限制区域可以是同轴的或者可以具有相对于彼此偏移的轴。限制区域可围绕中心轴线在纵向上具有均匀的厚度，或者厚度可以围绕中心轴线在纵向上变化。
7.术语“强度分布”是指作为沿着线(一维(1D)轮廓)或面内(二维(2D)轮廓)的位置的函数的光强度。线或平面通常垂直于光的传播方向。这是一种数量属性。
8.“亮度”是在给定方向上传播的光的每单位面积的发光强度的光度测量值。
9.“M2因子”(也称为“光束质量因子”或“光束传播因子”)是用于量化激光束的光束质量的无量纲参数，M2＝1是衍射受限光束，M2因子的较大值对应于较低的光束质量。M2等于BPP除以λ/π，其中，λ是光束的波长，单位为微米(如果BPP以mm-mrad为单位表示)。
10.术语光学系统的“数值孔径”或“NA”是无量纲数，表征系统可以接受或发射的光的角度范围。
11.术语“光强度”不是官方(SI)单位，而是用来表示表面上的或穿过平面的单位面积的入射功率。
12.术语“功率密度”是指每单位面积的光功率，尽管这也称为“光强度”。
13.术语“径向光束位置”是指在垂直于光纤轴的方向上，相对于光纤芯的中心测量的光纤中的光束的位置。
14.“辐射率”是光源(例如，激光器)的单位面积在给定方向上每单位立体角发射的辐射。辐射率可以通过改变光束强度分布和/或光束发散度轮廓或分布来改变。改变激光束的辐射率轮廓的能力意味着改变BPP的能力。
15.术语“折射率轮廓”或“RIP”是指折射率，作为沿着垂直于光纤轴的线(1D)或在垂直于光纤轴的平面(2D)中的位置的函数。许多光纤是方位对称的，在这种情况下，任何方位角的1D RIP都是相同的。
16.“阶跃折射率光纤”具有在光纤芯内平坦(折射率与位置无关)的RIP。
17.“梯度折射率光纤”具有这样的RIP，其中，折射率随着径向位置的增加(即，随着与光纤芯的中心的距离增加)而降低。
18.“抛物线折射率光纤”是梯度折射率光纤的一种特殊情况，其中，折射率随着与光纤芯的中心的距离的增加而二次方地降低。
19.术语“增材制造”是指结合材料以从三维(“3D”)模型数据制造零部件的工艺，通常是一层一层的，与减材制造和成形制造方法相反。例如，粉末床熔合是一种常见的增材材料工艺。
20.术语“熔合”和“熔合的”是指烧结、熔化(例如，部分或完全熔化)、化学键合或任何其他使用热将颗粒结合在一起的现象(例如，由于加热而使两种或多种材料聚结)。
21.术语“熔池”是指由从光束或另一热源吸收热量引起的、由被加工的材料、原料和/或填料形成的基本上液态的混合物(在本行业中也被称为“熔合区”、“熔化池”或“焊接池”)。
用于改变光束特性的光纤
在本文公开了方法、系统和设备，其被配置为提供光纤，该光纤可操作以提供具有可变光束特性(“VBC”)的激光束，该可变光束特性可降低上述常规方法的成本、复杂性、光损耗或其他缺点。这种VBC光纤被配置为改变多种光束特性。可使用VBC光纤来控制这些光束特性，从而允许用户调整各种光束特性，以适应各种激光加工应用的特殊要求。例如，VBC光纤可用于调整：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、M2因子、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等或其任意组合。
通常，所公开的技术需要将激光束耦合到光纤中，其中，可以通过多种方法中的任何一种方法扰动激光束和/或扰动第一长度光纤(例如，弯曲光纤或引入一个或多个其他扰动)，并且在第二长度光纤中完全或部分地保持经调整的光束特性，来调整光纤中激光束的特性。第二长度光纤被特别配置为保持和/或进一步修改经调整的光束特性。在一些情况下，第二长度光纤通过将激光束传送到其最终用途(例如，材料加工)来保持经调整的光束特性。第一长度光纤和第二长度光纤可包括相同或不同的光纤。
所公开的技术与光纤耦合激光器(例如，二极管激光器、光纤激光器)兼容。光纤耦合激光器通常经由具有阶跃折射率轮廓(“RIP”)的传送光纤传输输出，即，具有在光纤芯内的平坦或恒定的折射率。实际上，取决于光纤的设计，传送光纤的RIP可能不是完全平坦的。重要的参数是光纤的芯直径(“dcore”)和NA。芯直径通常在10-1000微米的范围内(尽管其他值也是可能的)，NA通常在0.06-0.22的范围内(尽管其他值也是可能的)。来自激光器的传送光纤可以直接路由到加工头或工件，或者可以路由到光纤-光纤耦合器(“FFC”)或光纤-光纤开关(“FFS”)，其将来自传送光纤的光耦合到将光束传输到加工头或工件的加工光纤中。
大多数材料加工工具(特别是那些高功率(>1千瓦(“kW”))的材料加工工具)采用多模(“MM”)光纤，但一些材料加工工具采用单模(“SM”)光纤，该单模光纤位于dcore和NA范围的低端。SM光纤的光束特性由光纤参数唯一确定。然而，来自MM光纤的光束特性可能变化(单位到单位和/或根据激光功率和时间)，这取决于来自耦合到光纤中的激光源的光束特性、光纤的发射或拼接条件、光纤RIP以及光纤的静态和动态几何形状(弯曲、盘绕、运动、微弯曲等)。对于SM和MM传送光纤，光束特性对于给定的材料加工任务来说可能不是最佳的，对于一系列任务来说也不太可能是最佳的，这促使人们希望能够系统地改变光束特性，以便为特定的加工任务进行定制或优化。
在一个示例中，VBC光纤可以具有第一长度和第二长度，并且可以被配置为作为光纤内装置插置在传送光纤和加工头之间，以提供光束特性所需的可调整性。为了能够调整光束，扰动装置和/或组件设置在VBC光纤附近和/或与VBC光纤耦合，并且负责扰动第一长度的光束，使得光束的特性在第一长度光纤中改变，并且随着光束在第二长度光纤中传播，保持或进一步改变改变后的特性。扰动的光束发射到第二长度的VBC光纤中，该光纤被配置为保持经调整的光束特性。第一长度光纤和第二长度光纤可以是相同或不同的光纤和/或第二长度光纤可包括限制光纤。由第二长度的VBC光纤保持的光束特性可包括以下任一项：角度分布、方位角强度分布、光束直径、光束发散度分布、BPP、光束轮廓(例如，高斯、平顶)、光束形状、发散度、发散度轮廓、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度轮廓、光学模式(例如，滤波)、功率密度轮廓、径向光束位置、辐射率、空间轮廓分布、光斑形状、光斑尺寸等或其任意组合。
图1示出了示例性VBC光纤100，其用于提供具有可变光束特性的激光束，而不需要使用自由空间光学器件来改变光束特性。VBC光纤100包括第一长度光纤104和第二长度光纤108。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以是相同或不同的光纤，并且可以具有相同或不同的RIP。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以通过接头连接在一起。第一长度光纤104和第二长度光纤108可以以其他方式耦合，可以间隔开，或者可以经由插入部件连接，例如，另一长度光纤、自由空间光学器件、胶、折射率匹配材料等或者其任意组合。
扰动装置110设置在扰动区域106附近和/或包围扰动区域106。扰动装置110可以是装置、组件、光纤内结构和/或其他特征。扰动装置110至少扰动第一长度光纤104或第二长度光纤108或其组合中的光束102，以便调整光束102的一个或多个光束特性。响应于扰动装置110的扰动，可以在第一长度光纤104或第二长度光纤108或其组合中发生光束102的调整。扰动区域106可以在各种宽度上延伸，并且可以延伸或不延伸到第二长度光纤108的一部分中。当光束102在VBC光纤100中传播时，扰动装置110可以物理地作用在VBC光纤100上，以扰动光纤并调整光束102的特性。或者，扰动装置110可以直接作用在光束102上，以改变其光束特性。在调整之后，被扰动光束112具有与光束102不同的光束特性，其将在第二长度光纤108中完全或部分地保持。在另一示例中，扰动装置110不需要设置在接头附近。此外，根本不需要接头，例如，VBC光纤100可以是单根光纤，第一长度光纤和第二长度光纤可以间隔开或者以小间隙固定(空气间隔或填充有光学材料，例如，光学胶或折射率匹配材料)。
被扰动光束112发射到第二长度光纤108中，其中，随着被扰动光束112传播，被扰动光束112的特性很大程度上被保持或继续发展，从而在第二长度光纤108的输出端产生经调整的光束特性。在一个示例中，新的光束特性可包括经调整的强度分布。在一个示例中，改变的光束强度分布将保持在第二长度光纤108的各种结构上有界限的限制区域中。因此，可以将光束强度分布调整到针对特定激光加工任务优化的期望光束强度分布。通常，被扰动光束112的强度分布将随着其在第二长度光纤108中传播而发展，以填充限制区域，其中响应于第一长度光纤104中的条件和由扰动装置110引起的扰动，被扰动光束112发射到该限制区域中。此外，根据发射条件和光纤特性，随着光束在第二光纤中传播，角度分布可能演变。通常，光纤在很大程度上保持了输入发散度分布，但是如果输入发散度分布很窄和/或如果光纤具有扰乱发散度分布的不规则性或故意性特征，则可能加宽该分布。下文将更详细地描述第二长度光纤108的各种限制区域、扰动和光纤特征。光束102和被扰动光束112是概念上的抽象，旨在示出光束如何传播通过VBC光纤100，以提供可变的光束特性，并非旨在对特定光束的行为进行精确地模拟。
VBC光纤100可通过多种方法制造，包括等离子体化学气相沉积(“PCVD”)、外部气相沉积(“OVD”)、气相轴向沉积(“VAD”)、金属-有机化学气相沉积(“MOCVD”)和/或直接纳米颗粒沉积(“DND”)。VBC光纤100可包括多种材料。例如，VBC光纤100可包括SiO2、掺杂有GeO2的SiO2、锗硅酸盐、五氧化二磷、磷硅酸盐、Al2O3、铝硅酸盐等或其任意组合。限制区域可由掺杂氟、硼等或其任意组合的包层来限定。其他掺杂剂可以添加到活性光纤中，包括稀土离子，例如，Er3+(铒)、Yb3+(镱)、Nd3+(钕)、Tm3+(铥)、Ho3+(钬)等或其任意组合。限制区域可由折射率低于氟或硼掺杂的限制区域的包层来限定。或者，VBC光纤100可包括光子晶体光纤或微结构光纤。
VBC光纤100适用于各种光纤、光纤光学器件或光纤激光器装置中的任何一种，包括连续波和脉冲光纤激光器、圆盘激光器、固态激光器或二极管激光器(脉冲速率不受限制，除了物理限制以外)。此外，平面波导或其他类型波导(而不仅仅是光纤)中的实现方式都在所要求保护的技术范围内。
图2绘示出用于调整光束的光束特性的示例性VBC光纤200的截面图。在一个示例中，VBC光纤200可以是加工光纤，因为可以将光束传送到加工头以用于材料加工。VBC光纤200包括在拼接结点206处拼接到第二长度光纤208的第一长度光纤204。扰动组件210设置在拼接结点206附近。扰动组件210可以是被配置为能够调整在VBC光纤200中传播的光束202的光束特性的各种装置中的任何一种。在一个示例中，扰动组件210可以是心轴和/或另一装置，其可以提供改变接头附近的VBC光纤200的弯曲半径和/或弯曲长度的方式。将在下面参照图24讨论扰动装置的其他示例。
在一个示例中，第一长度光纤204具有抛物线折射率第一RIP212，如左RIP图所示。当第一长度光纤204是笔直的或接近笔直的时，光束202的大部分强度分布集中在第一长度光纤204的中心。第二长度光纤208是具有第二RIP 214的限制光纤，如右RIP图所示。第二长度光纤208包括限制区域216、218和220。限制区域216是由两个环形(或环状)限制区域218和220包围的中心芯。层222和224是通常称为“包层”区域的限制区域216、218和/或220之间的由低折射率材料构成的结构屏障。在一个示例中，层222和224可包括氟硅酸盐环；在一些实施例中，氟硅酸盐包层相对较薄。也可以使用其他材料，并且要求保护的主题不限于此。
在一个示例中，当光束202沿着VBC光纤200传播时，扰动组件210可以物理地作用在第二长度光纤208和/或光束202上，以调整其光束特性并生成经调整的光束226。在当前示例中，光束202的强度分布被扰动组件210修改。在调整光束202之后，经调整的光束226的强度分布可集中在外部限制区域218和220中，其中，在中心芯限制区域216中强度相对较小。因为限制区域216、218和/或220中的每一个被屏障层222和224中的较低折射率材料薄层隔离，所以第二长度光纤208可以基本上保持经调整的光束226的经调整的强度分布。光束通常会在给定的限制区域内以方位角分布，但是当沿着第二长度光纤208传播时，不会在限制区域之间(显著地)过渡。因此，经调整的光束226的经调整的光束特性在很大程度上保持在隔离的限制区域216、218和/或220内。在一些情况下，可能希望在限制区域216、218和/或220之间划分经调整的光束226的功率，而不是集中在单个区域中，并且这种状态可以通过生成适当的经调整的光束226来实现。
在一个示例中，中心芯限制区域216和环形限制区域218和220可以由熔融石英玻璃构成，并且限定限制区域的包层222和224可以由氟硅酸盐玻璃构成。其他材料可用于形成各种限制区域216、218和/或220，包括锗硅酸盐、磷硅酸盐、铝硅酸盐等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。其他材料可用于形成屏障环222和/或224，包括熔融二氧化硅、硼硅酸盐等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。在其他实施例中，光纤或波导包括或由各种聚合物、塑料或晶体材料组成。通常，芯限制区域的折射率大于相邻屏障/包层区域的折射率。
在一些示例中，可能希望增加第二长度光纤中的限制区域的数量，以增加在光束位移上的光束控制的粒度，从而微调光束轮廓。例如，限制区域可以被配置为提供逐步的光束位移。
图3示出扰动VBC光纤200以提供光束的可变光束特性的示例性方法。改变光纤的弯曲半径可以改变光纤内的光束的径向光束位置、发散角和/或辐射率轮廓。VBC光纤200的弯曲半径可通过使用阶梯形心轴或锥体作为扰动组件210而围绕拼接结点206从第一弯曲半径R1减小到第二弯曲半径R2。另外或替代地，心轴或锥体上的接合长度可以变化。辊250可用于横跨扰动组件210与VBC光纤200接合。在一个示例中，辊250与VBC光纤200的接合量已经显示为将强度轮廓的分布转移到具有固定心轴半径的VBC光纤200的外部限制区域218和220。有多种其他方法用于改变VBC光纤200的弯曲半径，例如，使用夹持组件、挠性管等或其组合，并且要求保护的主题不限于此。在另一示例中，对于特定的弯曲半径，VBC光纤200弯曲的长度也可以以可控和可再现的方式来改变光束特性。在示例中，改变弯曲半径和/或长度(光纤以特定的弯曲半径在该长度上弯曲)也修改了光束的强度分布，使得一个或多个模式可以径向地偏离光纤芯的中心。
保持光纤在拼接结点206上的弯曲半径，确保了经调整的光束特性(例如，光束202的径向光束位置和辐射率轮廓)在发射到第二长度光纤208之前不会返回到光束202的未扰动状态。此外，可基于VBC光纤200的弯曲半径和/或弯曲长度的减小程度来改变经调整的光束226的经调整的径向光束特性，包括位置、发散角和/或强度分布。因此，可以使用该方法获得特定的光束特性。
在当前示例中，具有第一RIP 212的第一长度光纤204在拼接结点206处拼接到具有第二RIP 214的第二长度光纤208。然而，可以使用具有单个RIP的单根光纤，该RIP形成为能够扰动(例如，通过微弯曲)光束202的光束特性，并且还能够保持经调整的光束。这种RIP可以类似于图17、18和/或19所示的光纤中所示的RIP。
图7-10提供了VBC光纤200(如图2和3所示)的实验结果，并进一步示出当扰动组件210作用在VBC光纤200上以弯曲光纤时，对VBC光纤200的扰动的光束响应。图4-6是模拟，图7-10是实验结果，其中，来自SM 1050nm光源的光束发射到具有40微米(“μm”)的芯直径的输入光纤(未示出)中。输入光纤拼接到第一长度光纤204。
图4是示出不同光纤弯曲半径402的第一长度光纤204的最低阶模式(LP01)的计算轮廓的示例性图表400，其中，扰动组件210涉及弯曲VBC光纤200。随着光纤弯曲半径的减小，调整在VBC光纤200中传播的光束，使得模式径向地偏离VBC光纤200的芯的中心404(r＝0微米或μm)，朝向芯/包层界面(在该示例中位于r＝100微米处)。高阶模式(LPIn)也随着弯曲而偏移。因此，笔直的或接近笔直的光纤(非常大的弯曲半径)，LP01的曲线406在VBC光纤200的中心或其附近居中。在大约6厘米(“cm”)的弯曲半径处，LP01的曲线408从VBC光纤200的中心偏移到大约40μm的径向位置。在大约5cm的弯曲半径处，LP01的曲线410从VBC光纤200的中心404偏移到大约50μm的径向位置。在大约4cm的弯曲半径处，LP01的曲线412从VBC光纤200的中心404偏移到大约60μm的径向位置。在大约3cm的弯曲半径处，LP01的曲线414从VBC光纤200的中心404偏移到大约80μm的径向位置。在大约2.5cm的弯曲半径处，LP01的曲线416从VBC光纤200的中心404偏移到大约85μm的径向位置。注意，模式的形状保持相对恒定(直到接近芯的边缘)，这是抛物线RIP的特定属性。尽管在某些情况下，该属性可能是期望的，但VBC功能不需要该属性，并且可以使用其他RIP。
在一个示例中，如果VBC光纤200被拉直，则LP01模式将移回光纤的中心。因此，第二长度光纤208的目的是将光束的经调整的强度分布“捕获”或限制在偏离VBC光纤200中心的限制区域中。第一长度光纤204和第二长度光纤208之间的接头包括在弯曲区域中，因此移位的模式轮廓将优先发射到环形限制区域218和220中的一个中，或者分布在限制区域中。图5和6示出了这种效果。
图5示出了当VBC光纤200几乎笔直时，在第二长度光纤208内的拼接结点206处的示例性二维强度分布。大部分LP01和LPIn在第二长度光纤208的限制区域216内。图6示出了当VBC光纤200以所选择的半径弯曲以优先激励第二长度光纤208的限制区域220(最外面的限制区域)时，在第二长度光纤208内的拼接结点206处的二维强度分布。大部分LP01和LPIn在第二长度光纤208的限制区域220内。
在一个示例中，第二长度光纤208的限制区域216具有100微米的直径，限制区域218的直径在120微米和200微米之间，限制区域220的直径在220微米和300微米之间。限制区域216、218和220由10μm厚的氟硅酸盐环隔开，从而为限制区域提供0.22的NA。可以采用限制区域的其他的内径和外径、分隔限制区域的环的厚度、限制区域的NA值以及限制区域的数量。
再次参考图5，利用所述参数，当VBC光纤200笔直时，大约90％的功率包含在中心限制区域216内，并且大约100％的功率包含在限制区域216和218内。现在参考图6，当VBC光纤200弯曲以优先激励第二环形限制区域220时，接近75％的功率包含在限制区域220内，超过95％的功率包含在限制区域218和220内。这些计算包括LP01和两种高阶模式，这在一些2-4kW光纤激光器中是典型的。
从图5和图6可以清楚地看出，在扰动组件210作用在VBC光纤200上以弯曲光纤的情况下，弯曲半径确定了第一长度光纤204的模态强度分布与第二长度光纤208的不同引导限制区域216、218和/或220的空间重叠。因此，改变弯曲半径可以改变第二长度光纤208的输出端的强度分布，从而改变光束的直径或光斑尺寸，并因此还改变其辐射率和BPP值。可以在全光纤结构中实现光斑尺寸的这种调整，从而不涉及自由空间光学器件，因此可以减少或消除上述自由空间光学器件的缺点。这种调整也可以通过改变弯曲半径、弯曲长度、光纤张力、温度或下面讨论的其他扰动的其他扰动组件来进行。
在典型的材料加工系统(例如，切割或焊接工具)中，加工光纤的输出由加工头在工件处或附近成像。因此，改变如图5和6所示的强度分布能够改变工件处的光束轮廓，以便根据需要调整和/或优化工艺。出于上述计算的目的，假设了两种光纤的特定RIP，但是其他RIP也是可能的，并且所要求保护的主题不限于此。
图7-10绘示出实验结果(测量的强度分布)，以示出图2所示的VBC光纤200的各种弯曲半径的另外的输出光束。
在图7中，当VBC光纤200笔直时，光束几乎完全限于限制区域216。随着弯曲半径的减小，强度分布移动到更高的直径(图8-10)。图8绘示出当VBC光纤200的弯曲半径被选择为使强度分布优先向限制区域218移动时的强度分布。图9绘示出当弯曲半径进一步减小并被选择为使强度分布向外移动到限制区域220和限制区域218时的实验结果。在图10中，在最小弯曲半径时，光束几乎是“环形模式”，大部分强度在最外面的限制区域220中。
尽管在拼接结点206处从一侧激励限制区域，但是由于光束在VBC光纤200内传播时限制区域内的加扰，强度分布在方位上是几乎对称的。虽然光束在传播时通常会在方位角上加扰，但是可以包括各种结构或扰动(例如，线圈)，以促进这一过程。
对于在图7-10所示的实验中使用的光纤参数，并不完全激励特定的限制区域，因为在多个限制区域中存在某种强度。该特征可以实现有利的材料加工应用，这些应用通过具有更平坦或分布的光束强度分布而被优化。在需要对给定限制区域进行更清洁的激励的应用中，可以采用不同的光纤RIP来实现这一特征。
图7-10中所示的结果与本实验中使用的特定光纤有关，并且细节将根据实现方式的细节而变化。具体而言，输出光束的空间轮廓和发散度分布及其对弯曲半径的依赖性将取决于所采用的特定RIP、拼接参数以及发射到第一光纤中的激光源的特性。
可以使用不同于图2所示的光纤参数，并且这些参数仍然在要求保护的主题的范围内。具体地，不同的RIP和芯尺寸和形状可用于促进与不同输入光束轮廓的兼容性，并实现不同的输出光束特性。除了图2所示的抛物线折射率轮廓之外，第一长度光纤的示例RIP还包括其他梯度折射率轮廓、阶跃折射率、基座设计(pedestal design)(即，随着距光纤中心距离的增加，折射率逐渐降低的嵌套芯)以及具有相同折射率值但中心芯和周围环具有不同NA值的嵌套芯的设计。除了图2所示的轮廓之外，第二长度光纤的示例RIP包括具有不同数量限制区域的限制光纤、非均匀限制区域厚度、包围限制区域的环的厚度的不同和/或非均匀的值、限制区域的不同和/或非均匀的NA值、RIP的高折射率和低折射率部分的不同折射率值、非圆形限制区域(例如，椭圆形、卵形、多边形、正方形、矩形或其组合)以及其他设计，如在图26-28中更详细讨论的。此外，本文描述的VBC光纤200和VBC光纤的其他示例不限于使用两根光纤。在一些示例中，实现方式可以包括使用一根光纤或两根以上的光纤。在某些情况下，光纤可能不是轴向均匀的；例如，可以包括光纤布拉格光栅或长周期光栅，或者直径可以沿着光纤的长度变化。此外，光纤不必是方位对称的(例如，芯可以具有正方形或多边形形状)。可以使用各种光纤涂层(缓冲层)，包括高折射率或折射率匹配涂层(其在玻璃-聚合物界面处剥离光)和低折射率涂层(其在玻璃-聚合物界面处通过全内反射引导光)。在一些示例中，可以在VBC光纤200上使用多个光纤涂层。
图11-16示出了用于能够响应于在第一长度光纤中传播的光束的扰动来调整VBC光纤中的光束特性的第一长度光纤的示例的截面图。可以在第一长度光纤中调整的光束特性的一些示例是：角度分布、方位角强度分布、光束直径、光束发散度分布、BPP、光束轮廓(例如，高斯、平顶)、光束形状、发散度、发散度轮廓、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度轮廓、光学模式(例如，滤波)、功率密度轮廓、径向光束位置、辐射率、空间轮廓分布、光斑形状、光斑尺寸等或其任意组合。在图11-16中绘示的和下面描述的第一长度光纤仅仅是示例，并没有提供可用于调整VBC光纤组件中的光束特性的第一长度光纤的多样性的详尽叙述。图11-16所示的第一长度光纤的材料、合适的RIP和其他变量的选择至少取决于期望的光束输出。各种各样的光纤变量被考虑在内，并且在所要求保护的主题的范围内。因此，所要求保护的主题不受本文提供的示例的限制。
在图11中，第一长度光纤1100包括阶跃折射率轮廓1102。图12示出了第一长度光纤1200，包括“基座RIP”(即，包括由较大阶跃折射率区域包围的阶跃折射率区域的芯)1202。图13示出了包括多基座RIP1302的第一长度光纤1300。
图14A示出了第一长度光纤1400，包括由下掺杂区域1404包围的梯度折射率轮廓1418。当扰动第一长度光纤1400时，模式可能在第一长度光纤1400中径向地向外移动(例如，在第一长度光纤1400弯曲期间)。梯度折射率轮廓1402可以被设计成促进保持或甚至压缩模态形状。这种设计可以促进调整在第一长度光纤1400中传播的光束，以生成光束强度分布集中在光纤的外周(即，在光纤芯的偏离光纤轴的一部分中)的光束。如上所述，当经调整的光束耦合到具有限制区域的第二长度光纤中时，经调整的光束的强度分布可被限于最外面的限制区域中，从而提供环形强度分布。具有窄外部限制区域的光束光斑可用于实现某些材料加工动作。
图14B示出了第一长度光纤1406，包括由下掺杂区域1408包围的梯度折射率轮廓1414，类似于第一长度光纤1400。然而，第一长度光纤1406包括发散结构1410(低折射率区域)，如轮廓1412所示。发散结构1410是由折射率比周围芯低的材料形成的区域。当光束发射到第一长度光纤1406中时，来自发散结构1410的折射导致光束发散度在第一长度光纤1406中增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构1410的空间重叠量以及发散结构1410和芯材料之间的折射率差的大小。发散结构1410可以具有多种形状，这取决于输入发散度分布和期望的输出发散度分布。在一个示例中，发散结构1410具有三角形或梯度折射率形状。
图15示出了第一长度光纤1500，包括由恒定折射率区域1502包围的抛物线折射率中心区域1508，并且恒定折射率区域1502由低折射率环形层1506和另一恒定折射率区域1504包围。低折射率环形层1506有助于引导光束在第一长度光纤1500中传播。当扰动传播的光束时，模式在第一长度光纤1500中径向地向外移动(例如，在第一长度光纤1500弯曲期间)。当一个或多个模式径向地向外移动时，抛物线折射率中心区域1508促进保持模式形状。当模式到达RIP 1510的恒定折射率区域时，将在低折射率环形层1506上压缩，这可能导致第二光纤中最外面的限制区域的优先激励(与图14所示的第一光纤RIP相比)。在一种实现方式中，这种光纤设计与具有中心阶跃折射率芯和单个环形芯的限制光纤一起工作。RIP的抛物线折射率中心区域1508与限制光纤的中心阶跃折射率芯重叠。恒定折射率区域1502与限制光纤的环形芯重叠。第一光纤的恒定折射率区域1502旨在通过弯曲而使光束更容易移动到与环形芯重叠。这种光纤设计也适用于限制光纤的其他设计。
图16示出了具有RIP 1602的第一长度光纤1600，包括由较低折射率层1610、1612和1614界定的引导区域1604、1606、1608和1616，其中，较低折射率层1610、1612和1614的折射率是阶梯形的，或者更一般地，不都具有相同的值。当扰动组件210(见图2)作用在第一长度光纤1600上时，阶梯折射率层可用于将光束强度限制在某些引导区域1604、1606、1608和/或1616。以这种方式，经调整的光束可以通过一系列扰动动作(例如，通过一系列弯曲半径、一系列弯曲长度、一系列微弯曲压力和/或一系列声光信号)被捕获在引导区域中，从而在光束强度分布移动到第一长度光纤1600中更远的径向位置之前，允许一定程度的扰动容限。因此，光束特性的变化可以逐步控制。可以调整引导区域1604、1606、1608和1616的径向宽度，以获得期望的环宽度，这是应用可能需要的。此外，如果需要，引导区域可以具有更厚的径向宽度，以便于捕获入射光束轮廓的更大部分。引导区域1606是这种设计的一个示例。
图17-21绘示出被配置为能够维持和/或限制第二长度光纤(例如，第二长度光纤208)中的经调整的光束特性的光纤的示例。这些光纤设计称为“环形限制光纤”，因为包含由环形或环状芯包围的中心芯。这些设计仅仅是示例，并不是对可用于维持和/或限制光纤内的经调整的光束特性的各种光纤RIP的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。此外，以上在图11-16中描述的任何第一长度光纤可以与图17-21描述的任何第二长度光纤组合。
图17示出了用于在VBC光纤组件中维持和/或限制经调整的光束特性的示例性第二长度光纤的截面图。当被扰动光束从第一长度光纤耦合到第二长度光纤1700时，第二长度光纤1700可以在一个或多个限制区域1704、1706和/或1708内保持响应于第一长度光纤中的扰动而调整的光束特性的至少一部分。第二长度光纤1700具有RIP 1702。限制区域1704、1706和/或1708中的每一个由较低折射率层1710和/或1712界定。这种设计使得第二长度光纤1700能够保持经调整的光束特性。结果，由第二长度光纤1700输出的光束将基本上保持所接收到的经调整的光束，如在第一长度光纤中修改的那样，从而给输出光束提供经调整的光束特性，这可以根据加工任务或其他应用定制。
类似地，图18绘示出示例性第二长度光纤1800的截面图，用于维持和/或限制响应于VBC光纤组件中的第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。第二长度光纤1800具有RIP1802。然而，限制区域1808、1810和/或1812具有与限制区域1704、1706和1708不同的厚度。限制区域1808、1810和/或1812中的每一个由较低折射率层1804和/或1806界定。改变限制区域(和/或屏障区域)的厚度能够通过选择限制经调整的光束的特定径向位置来定制或优化所限制的经调整的辐射率轮廓。
图19绘示出具有RIP 1902的示例性第二长度光纤1900的截面图，用于维持和/或限制在VBC光纤组件中被配置为提供可变光束特性的经调整的光束。在该示例中，限制区域1904、1906、1908和1910的数量和厚度不同于第二长度光纤1700和1800，并且屏障层1912、1914和1916也具有不同的厚度。此外，限制区域1904、1906、1908和1910具有不同的折射率，屏障层1912、1914和1916也具有不同的折射率。这种设计可以进一步实现针对第二长度光纤1900内的特定径向位置进行限制和/或维持经调整的光束辐射的更精细或优化的定制。当扰动光束从第一长度光纤发射到第二长度光纤1900时，光束的经修改的光束特性(具有经调整的强度分布、径向位置和/或发散角等或其组合)被第二长度光纤1900的一个或多个限制区域1904、1906、1908和/或1910限制在特定半径内。
如前所述，可以保持或调整光束的发散角，然后在第二长度光纤中保持。有多种方法可以改变光束的发散角。以下是光纤的示例，该光纤被配置为能够调整光纤组件中从第一长度光纤传播到第二长度光纤的光束的发散角，以改变光束特性。然而，这些仅仅是示例，并不是对可用于调整光束的发散度的各种方法的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。
图20绘示出具有RIP 2002的示例性第二长度光纤2000的截面图，用于修改、维持和/或限制响应于第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。在这个示例中，第二长度光纤2000类似于前面描述的第二长度光纤，并且形成VBC光纤组件的一部分，以用于传送可变光束特性，如上所述。具有三个限制区域2004、2006和2008以及三个屏障层2010、2012和2016。第二长度光纤2000还具有位于限制区域2006内的发散结构2014。发散结构2014是由折射率低于周围限制区域的材料形成的区域。当光束发射到第二长度光纤2000中时，来自发散结构2014的折射导致光束的发散度在第二长度光纤2000中增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构2014的空间重叠量以及发散结构2014和芯材料之间的折射率差的大小。通过调整在发射到第二长度光纤2000的发射点附近的光束的径向位置，发散度分布可以改变。光束的经调整的发散度在第二长度光纤2000中保持，光纤2000被配置为将经调整的光束传送到加工头、另一光学系统(例如，光纤到光纤耦合器或光纤到光纤开关)、工件等或其任意组合。在一个示例中，发散结构2014可相对于周围材料具有约10-5-3x10-2的折射率下降。可以在本公开的范围内使用折射率下降的其他值，并且所要求保护的主题不限于此。
图21绘示出具有RIP 2102的示例性第二长度光纤2100的截面图，用于修改、维持和/或限制响应于第一长度光纤的扰动而调整的光束特性。第二长度光纤2100形成VBC光纤组件的一部分，以用于传送具有可变特性的光束。在该示例中，具有三个限制区域2104、2106和2108以及三个屏障层2110、2112和2116。第二长度光纤2100还具有多个发散结构2114和2118。发散结构2114和2118是由梯度低折射率材料形成的区域。当光束从第一长度光纤发射到第二长度光纤2100时，来自发散结构2114和2118的折射导致光束发散度增加。发散度的增加量取决于光束与发散结构的空间重叠量以及发散结构2114和/或2118分别与限制区域2106和2104的周围芯材料之间的折射率差的大小。通过调整在发射到第二长度光纤2100的发射点附近的光束的径向位置，发散度分布可以改变。图21所示的设计允许强度分布和发散度分布通过选择特定限制区域和该限制区域内的发散度分布而稍微独立地变化(因为每个限制区域可以包括发散结构)。光束的经调整的发散度在第二长度光纤2100中保持，光纤2100被配置为将经调整的光束传送到加工头、另一光学系统或工件。形成具有梯度或非恒定折射率的发散结构2114和2118使得能够调整在第二长度光纤2100中传播的光束的发散度轮廓。在由第二光纤传送到加工头时可以保持经调整的光束特性(例如，辐射率轮廓和/或发散度轮廓)。可替代地，当第二光纤通过光纤-光纤耦合器(“FFC”)和/或光纤-光纤开关(“FFS”)路由到将光束传送到加工头或工件的加工光纤时，可以保持或进一步调整经调整的光束特性，例如，辐射率轮廓和/或发散度轮廓。
图26-28是示出了光纤和光纤RIP的示例的截面图，该光纤和光纤RIP被配置为能够维持和/或限制在方位不对称的第二长度光纤中传播的光束的经调整的光束特性，其中，响应于耦合到第二长度光纤的第一长度光纤的扰动和/或扰动装置110对光束的扰动，来调整光束特性。这些方位上非对称的设计仅仅是示例，并不是对可用于维持和/或限制方位上非对称的光纤内的经调整的光束特性的各种光纤RIP的详尽叙述。因此，要求保护的主题不限于本文提供的示例。此外，各种第一长度光纤中的任何一种(例如，类似于上述的那些)可以与任何方位上非对称的第二长度光纤(例如，类似于图26-28中描述的那些)组合。
图26示出穿过椭圆光纤2600的横截面的不同方位角处的RIP。在第一方位角2602处，椭圆光纤2600具有第一RIP 2604。在从第一方位角2602旋转45°的第二方位角2606处，椭圆光纤2600具有第二RIP2608。在从第二方位角2606旋转另一45°的第三方位角2610处，椭圆光纤2600具有第三RIP 2612。第一RIP 2604、第二RIP 2608和第三RIP2612都不同。
图27示出穿过多芯光纤2700的横截面的不同方位角的RIP。在第一方位角2702处，多芯光纤2700具有第一RIP 2704。在第二方位角2706处，多芯光纤2700具有第二RIP 2708。第一RIP 2704和第二RIP2708是不同的。在一个示例中，扰动装置110可以在多个平面中起作用，以便将经调整的光束发射到方位不对称的第二光纤的不同区域中。
图28示出穿过具有至少一个新月形芯的光纤2800的横截面的不同方位角处的RIP。在某些情况下，新月形的角可以是圆形、扁平的或其他形状，这可以最小化光学损失。在第一方位角2802处，光纤2800具有第一RIP 2804。在第二方位角2806处，光纤2800具有第二RIP 2808。第一RIP 2804和第二RIP2808是不同的。
图22A示出包括VBC光纤组件2202的激光系统2200的示例，VBC光纤组件2202被配置为提供可变光束特性。VBC光纤组件2202包括第一长度光纤104、第二长度光纤108和扰动装置110。VBC光纤组件2202设置在馈送光纤2212(即，来自激光源的输出光纤)和VBC传送光纤2240之间。VBC传送光纤2240可包括修改、维持和/或限制经调整的光束特性的第二长度光纤108或第二长度光纤108的延伸部分。光束2210经由馈送光纤2212耦合到VBC光纤组件2202中。VBC光纤组件2202被配置为根据上述各种示例改变光束2210的特性。VBC光纤组件2202的输出是经调整的光束2214，其耦合到VBC传送光纤2240中。VBC传送光纤2240将经调整的光束2214传送到自由空间光学组件2208，自由空间光学组件2208然后将经调整的光束2214耦合到加工光纤2204中。经调整的光束2214随后由加工光纤2204传送到加工头2206。加工头可以包括导波光学器件(例如，光纤和光纤耦合器)、自由空间光学器件(例如，透镜、反射镜、滤光器、衍射光栅)、光束扫描组件(例如，检流计扫描仪、多边形反射镜扫描仪)或用于对经调整的光束2214进行整形并将整形后的光束传送到工件的其他扫描系统。
在激光系统2200中，自由空间光学组件2208的一个或多个自由空间光学器件可以设置在FFC或其他光束耦合器2216中，以对经调整的光束2214(在图22A中以不同于光束2210的虚线表示)执行各种光学操作。例如，自由空间光学组件2208可保持经调整的光束2214的经调整的光束特性。加工光纤2204可具有与VBC传送光纤2240相同的RIP。因此，经调整的光束2214的经调整的光束特性可以一直保持到加工头2206。加工光纤2204可包括类似于上述任何第二长度光纤的RIP，包括限制区域。
可替代地，如图22B所示，自由空间光学组件2208可以通过例如增加或减少经调整的光束2214的发散度和/或光斑尺寸(例如，通过放大或缩小经调整的光束2214)和/或以其他方式进一步修改经调整的光束2214，来改变经调整的光束2214的经调整的光束特性。此外，加工光纤2204可以具有与VBC传送光纤2240不同的RIP。因此，可以选择加工光纤2204的RIP，以保持由自由空间光学组件2208的自由空间光学器件对经调整的光束2214进行的附加调整，从而生成经两次调整的光束2224(在图22B中以不同于经调整的光束2214的虚线表示)。
图23示出了激光系统2300的示例，其包括设置在馈送光纤2312和VBC传送光纤2340之间的VBC光纤组件2302。在操作期间，光束2310经由馈送光纤2312耦合到VBC光纤组件2302中。VBC光纤组件2302包括第一长度光纤104、第二长度光纤108和扰动装置110，并被配置为根据上述各种示例改变光束2310的特性。VBC光纤组件2302生成由VBC传送光纤2340输出的经调整的光束2314。VBC传送光纤2340包括第二长度光纤108，用于根据上述各种示例修改、维持和/或限制VBC光纤组件2302中的经调整的光束特性(例如，参见图17-21)。VBC传送光纤2340将经调整的光束2314耦合到光束开关(“FFS”)2332中，该光束开关随后将其各种输出光束耦合到多个加工光纤2304、2320和2322中的一个或多个。加工光纤2304、2320和2322将经调整的光束2314、2328和2330传送到相应的加工头2306、2324和2326。
在一个示例中，光束开关2332包括一组或多组自由空间光学器件2308、2316和2318，其被配置为执行经调整的光束2314的各种光学操作。自由空间光学器件2308、2316和2318可以保持或改变经调整的光束2314的经调整的光束特性。因此，经调整的光束2314可由自由空间光学器件保持或进一步调整。加工光纤2304、2320和2322可以具有与VBC传送光纤2340相同或不同的RIP，这取决于是否希望保持或进一步修改从自由空间光学组件2308、2316和2318传送到相应加工光纤2304、2320和2322的光束。在其他示例中，光束2310的一个或多个光束部分耦合到工件，无需调整，或者不同的光束部分耦合到相应的VBC光纤组件，使得可以提供与多个光束特性相关联的光束部分，用于同时的工件加工。或者，光束2310可以切换到一组VBC光纤组件中的一个或多个。
通过自由空间光学组件2308、2316和2318中的任一个路由经调整的光束2314，使得能够将各种附加调整的光束传送到加工头2306、2324和2326。因此，激光系统2300提供附加的自由度来改变光束的特性，并且在加工头之间切换光束(“分时共享”)和/或同时将光束传送到多个加工头(“功率共享”)。
例如，光束开关2332中的自由空间光学器件可以将经调整的光束2314引导至自由空间光学器件2316，其被配置为保持经调整的光束2314的经调整的特性。加工光纤2304可以具有与VBC传送光纤2340相同的RIP。因此，传送到加工头2306的光束将是所保持的经调整的光束2314。
在另一示例中，光束开关2332可以将经调整的光束2314引导至自由空间光学器件2318，其被配置为保持经调整的光束2314的经调整的特性。加工光纤2320可以具有不同于VBC传送光纤2340的RIP，并且可以配置在图20和21中所述的发散度改变结构，以对经调整的光束2314的发散度分布提供附加的调整。因此，传送到加工头2324的光束将是具有不同于经调整的光束2314的光束发散度轮廓的经两次调整的光束2328。
加工光纤2304、2320和/或2322可以包括类似于上述任何第二长度光纤的RIP，包括限制区域或各种其他RIP，并且要求保护的主题不限于此。
在又一示例中，自由空间光学器件光束开关2332可以将经调整的光束2314引导至自由空间光学器件2308，该器件被配置为改变经调整的光束2314的光束特性。加工光纤2322可以具有不同于VBC传送光纤2340的RIP，并且可以被配置为保持(或者可替代地进一步修改)经调整的光束2314的新的进一步调整的特性。因此，传送到加工头2326的光束将是具有不同于经调整的光束2314的光束特性(由于经调整的发散度分布和/或强度分布)的经两次调整的光束2330。
在图22A、22B和23中，FFC或FFS中的光学器件可以通过在发射到加工光纤中之前放大或缩小经调整的光束2214来调整空间轮廓和/或发散度轮廓。还可以经由其他光学变换来调整空间轮廓和/或发散度轮廓。也可以调整发射到加工光纤的发射位置。这些方法可以单独使用或组合使用。
图22A、22B和23仅仅提供了使用自由空间光学器件对光束特性的调整的组合和光纤RIP的各种组合的示例，以保持或修改经调整的光束2214和2314。上面提供的示例并非详尽的，仅用于说明目的。因此，所要求保护的主题不限于此。
图24示出了根据本文提供的各种示例的用于扰动VBC光纤200和/或在VBC光纤200中传播的光束的扰动装置、组件或方法的各种示例(为了简单起见，在本文中统称为“扰动装置110”)。扰动装置110可以是各种装置、方法和/或组件中的任何一种，其被配置为能够调整在VBC光纤200中传播的光束的光束特性。在一个示例中，扰动装置110可以是心轴2402、VBC光纤中的微弯曲2404、挠性管2406、声光换能器2408、热装置2410、压电装置2412(例如，换能器)、光栅2414、夹具2416(或其他紧固件)、心轴-辊组合2432等或其任意组合。这些仅仅是扰动装置110的示例，并不是扰动装置110的详尽列表，所要求保护的主题不限于此。
心轴2402可用于通过提供VBC光纤200可弯曲的形式来扰动VBC光纤200。如上所述，减小VBC光纤200的弯曲半径，会径向地向外移动光束的强度分布。在一些示例中，心轴2402可以是阶梯形或圆锥形的，以提供离散的弯曲半径水平。可替代地，心轴2402可以包括没有阶梯的锥形，以提供连续的弯曲半径，从而更精确地控制弯曲半径。心轴2402的曲率半径可以是恒定的(例如，圆柱形)或非恒定的(例如，椭圆形)。类似地，挠性管2406、夹具2416(或其他种类的紧固件)或辊250可用于引导和控制VBC光纤200围绕心轴2402的弯曲。此外，改变光纤以特定弯曲半径弯曲的长度，也可以修改光束的强度分布。VBC光纤200和心轴2402可被配置为可预测地改变第一光纤内的强度分布(例如，与光纤弯曲的长度和/或弯曲半径成比例)。辊250可以沿着平台2434上的轨道2442上下移动，以改变VBC光纤200的弯曲半径。
在具有或没有心轴2402的情况下，夹具2416(或其他紧固件)可用于引导和控制VBC光纤200的弯曲。夹具2416可以沿着轨道2442或平台2446上下移动。夹具2416也可以旋转，以改变VBC光纤200的弯曲半径、张力或方向。控制器2448可以控制夹具2416的移动。
在另一示例中，扰动装置110可以是挠性管2406，并且在具有或没有心轴2402的情况下，可以引导VBC光纤200弯曲。挠性管2406可以包围VBC光纤200。挠性管2406可以由多种材料制成，并且可以使用由控制器2444控制的压电换能器来操纵。在另一示例中，夹具或其他紧固件可用于移动挠性管2406。
VBC光纤200中的微弯曲2404是由光纤上的侧向机械应力引起的局部扰动。微弯曲可引起模式耦合和/或从光纤内的一个限制区域过渡到另一限制区域，从而导致在VBC光纤200中传播的光束的不同光束特性。机械应力可由控制器2440控制的致动器2436施加。然而，这仅仅是在VBC光纤200中引起机械应力的方法的一个示例，所要求保护的主题不限于此。
声光换能器(“AOT”)2408可用于使用声波诱发在VBC光纤中传播的光束的扰动。扰动是由声波的振荡机械压力修改光纤的折射率引起的。声波的周期和强度与声波的频率和振幅相关，从而允许对声波扰动进行动态控制。因此，包括AOT 2408的扰动装置110可以被配置为改变在光纤中传播的光束的光束特性。在一个示例中，压电换能器2418可以产生声波，并且可以由控制器或驱动器2420控制。可以调制AOT 2408中诱发的声波，以实时改变和/或控制VBC光纤200中光束的光束特性。然而，这仅仅是用于创建和控制AOT 2408的方法的示例，并且所要求保护的主题不限于此。
热装置2410可用于使用热量诱发在VBC光纤200中传播的光束的扰动。扰动是通过修改热量诱发的光纤的RIP引起的。扰动可以通过控制传送到光纤的热量和施加热量的长度来动态控制。因此，包括热装置2410的扰动装置110可以被配置为改变一系列的光束特性。热装置2410可由控制器2450控制。
压电装置2412可用于使用压电作用诱发在VBC光纤中传播的光束的扰动。扰动是通过修改由连接到光纤的压电材料诱发的光纤的RIP引起的。裸光纤周围的护套形式的压电材料可以对光纤施加张力或压缩，从而经由所产生的密度变化来修改其折射率。扰动可以通过控制压电装置2412的电压来动态控制。因此，包括压电装置2412的扰动装置110可以被配置为在特定范围内改变光束特性。
在一个示例中，压电装置2412可以被配置为根据多种因素在多个方向(例如，轴向、径向和/或横向)上移动VBC光纤200，这些因素包括压电装置2412如何连接到VBC光纤200、压电材料的极化方向、施加的电压等。另外，使用压电装置2412可以弯曲VBC光纤200。例如，驱动具有包括相对电极的多个区段的一段长度的压电材料可导致压电装置2412在侧向方向上弯曲。由电极2424施加到压电装置2412的电压可以由控制器2422控制，以控制VBC光纤200的位移。可以调制位移，以实时改变和/或控制VBC光纤200中光束的光束特性。然而，这仅仅是使用压电装置2412控制VBC光纤200的位移的方法的示例，并且所要求保护的主题不限于此。
光栅2414可用于诱发在VBC光纤200中传播的光束的扰动。光栅2414可以通过将折射率的周期性变化记入芯内来写入光纤中。光栅2414(例如，光纤布拉格光栅)可以作为滤光器或反射器来操作。长周期光栅可以诱发在同向传播光纤模式之间的过渡。因此，可以使用长周期光栅来调整由一个或多个模式组成的光束的辐射率、强度轮廓和/或发散度轮廓，以将一个或多个原始模式耦合到具有不同辐射率和/或发散度轮廓的一个或多个不同模式。通过改变折射率光栅的周期或振幅来实现调整。例如，改变光纤布拉格光栅的温度、弯曲半径和/或长度(例如，拉伸)等方法可以用于这种调整。具有光栅2414的VBC光纤200可以联接到工作台2426。工作台2426可以被配置为执行多种功能中的任何一种，并且可以由控制器2428控制。例如，工作台2426可以用紧固件2430联接到VBC光纤200，并且可以被配置为使用紧固件2430来拉伸和/或弯曲VBC光纤200，以发挥杠杆作用。载物台2426可以具有嵌入式热装置，并且可以改变VBC光纤200的温度。
图25示出了在不使用自由空间光学器件来调整光束特性的情况下，用于调整和/或保持光纤内的光束特性的示例过程2500。在方框2502中，扰动第一长度光纤和/或光束，以调整一个或多个光束特性。过程2500移动到方框2504，其中，将光束发射到第二长度光纤中。过程2500移动到方框2506，其中，具有经调整的光束特性的光束在第二长度光纤中传播。过程2500移动到方框2508，其中，在第二长度光纤的一个或多个限制区域内保持光束的一个或多个光束特性的至少一部分。第一长度光纤和第二长度光纤可以由相同的光纤组成，或者可以是不同的光纤。
使用光束进行材料加工的设备
一种使用光束进行材料加工的设备可以包括例如VBC光纤100，其包括第一长度光纤104和第二长度光纤108；以及扰动装置110，以便根据图1控制光束102的一个或多个光束特性。根据图2，这种使用光束进行材料加工的设备可以包括例如VBC光纤200，其包括第一长度光纤204和第二长度光纤208；以及扰动装置210，以便控制光束202的一个或多个光束特性。
这种使用光束进行材料加工的设备可以包括：例如，根据图11，第一长度光纤1100；根据图12，第一长度光纤2100；根据图13，第一长度光纤1300；根据图14A，第一长度光纤1400；根据图14B，第一长度光纤1406；根据图15，第一长度光纤1500；或者根据图16，第一长度光纤1600。
这种使用光束进行材料加工的设备可以包括：例如，根据图17，第二长度光纤1700；根据图18，第二长度光纤1800；根据图19，第二长度光纤1900；根据图20，第二长度光纤2000；或者根据图21，第二长度光纤2100。
在一些示例中，第一长度光纤、第二长度光纤和扰动装置可以组合在光纤组件中，例如，根据图22A或图22B，VBC光纤组件2202；或者根据图23，VBC光纤组件2302。
扰动装置(例如，扰动装置110)可以被配置为在加工期间修改在第一长度光纤(例如，第一长度光纤104)中、在第二长度光纤(例如，第二长度光纤108)中或者在第一长度光纤和第二长度光纤中的光束(例如，光束102)的一个或多个光束特性。
在一些示例中，扰动装置(例如，扰动装置110)可以修改光束(例如，光束102)的一个或多个光束特性。经修改的一个或多个光束特性可以包括角度分布、方位角强度分布、光束直径、光束轮廓(例如，高斯、平顶)、光束形状、发散度、发散度轮廓、发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度、光学模式(例如，滤波)、功率密度、径向光束位置、辐射率、空间轮廓分布、光斑形状、或光斑尺寸或其任意组合。
在一些示例中，由扰动装置(例如，扰动装置110)实现的扰动可以包括弯曲、在特定长度上弯曲、微弯曲、施加声光激励、热扰动、拉伸、施加压电扰动、施加夹具(或其他紧固件)、施加光栅或其任意组合中的一种或多种。图24示出了这种扰动装置的各种示例。
根据图22A、22B和/或23，这种使用光束进行材料加工的设备还可包括例如一个或多个光束源，其被配置为生成光束，例如，与光纤耦合激光器(例如，二极管激光器、光纤激光器)相关联的激光束。
这种使用光束进行材料加工的设备还可以包括例如一个或多个光束耦合器、光束开关、自由空间光学组件、加工头或其任意组合。在一些示例中，根据图22A，来自VBC光纤组件(例如，VBC光纤组件2202)的经调整的光束(例如，经调整的光束2214)的特性可以在传送光纤(例如，VBC传送光纤2240)、自由空间光学组件(例如，自由空间光学组件2208)、加工光纤(例如，加工光纤2204)和/或加工头(加工头2206)中保持。在一些示例中，根据图22B，来自VBC光纤组件(例如，VBC光纤组件2202)的经调整的光束(例如，经调整的光束2214)的特性可以在传送光纤(例如，VBC传送光纤2240)中保持，但是随后在自由空间光学组件(例如，自由空间光学组件2208)中进一步修改，然后经两次调整的光束可以在加工光纤(例如，加工光纤2204)和/或加工头(加工头2206)中保持。在一些示例中，根据图23，来自VBC光纤组件(例如，VBC光纤组件2302)的经调整的光束(例如，经调整的光束2314)的特性可以在传送光纤(例如，VBC传送光纤2340)中保持，但是随后使用光束开关(例如，光束开关2332)进行切换，并且在一个或多个自由空间光学组件(例如，自由空间光学组件2308、2316、2318)中保持或进一步修改，然后经一次或两次调整的光束可以在一个或多个加工光纤(例如，加工光纤2304、2320、2322)和/或一个或多个加工头(例如，加工头2306、2324、2326)中保持。这种设备提供了例如在段落[00114]中所讨论的功率共享和分时共享之类的选项。
使用光束的材料加工方法
图29绘示出使用光束进行材料加工的第一示例方法。一种使用光束进行材料加工的方法包括：将光束发射到具有第一RIP的第一长度光纤中；将来自第一长度光纤的光束耦合到具有第二RIP和一个或多个限制区域的第二长度光纤中；在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一长度光纤和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性；和/或从第二长度光纤生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性。第一RIP可以不同于第二RIP。一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态(例如，BPP＝0.637mm-mrad)改变到第二状态(例如，BPP＝1.27mm-mrad)。第一状态可以不同于第二状态。
在图29的框2902中，光束发射到具有第一RIP的第一长度光纤中。在使用光束的材料加工中，光束可以用于例如将热量沉积在一种或多种材料中，以用于钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合。
光束可以由例如光纤激光器生成。如前所述，这种光纤激光器可以包括例如具有第一RIP的第一长度光纤、具有第二RIP和一个或多个限制区域的第二长度光纤、以及被配置为修改光束的一个或多个光束特性的扰动装置。
在图29的框2904中，光束从具有第一RIP的第一长度光纤耦合到具有第二RIP和一个或多个限制区域的第二长度光纤中。在一些示例中，当第二长度光纤具有一个限制区域时，第一RIP可以不同于第二RIP；但是当第二长度光纤具有两个或更多个限制区域时，第一RIP可以与第二RIP相同或不同。
在图29的框2906中，在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一长度光纤和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性。关于图29的框2904和2906，可以在耦合之前执行修改(例如，在第一长度光纤中修改)，可以在修改之前执行耦合(例如，在第二长度光纤中修改)，或者耦合和修改可以同时执行(例如，在第一长度光纤和第二长度光纤中修改)。
一个或多个光束特性的修改还可以包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的过程中反馈来调整一个或多个光束特性，和/或在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态，其中，第一状态不同于第二状态。一个或多个光束特性的修改还可以包括在一个或多个离散的步骤中和/或以连续的方式调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
经修改的一个或多个光束特性可以包括例如角度分布、方位角强度分布、光束直径、光束发散度分布、BPP、光束轮廓(例如，高斯、平顶)、光束形状、发散度、发散度轮廓、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度轮廓、光学模式(例如，滤波)、功率密度轮廓、径向光束位置、辐射率、空间轮廓分布、光斑形状、光斑尺寸等或其任意组合中的一种或多种。
在图29的框2908中，从第二长度光纤生成具有光束的经修改的一个或多个光束特性的输出光束。在一些示例中，输出光束的光束形状可以是非对称的。在一些示例中，输出光束的光束形状可以是对称的。在一些示例中，输出光束的光束形状包括两个或更多个离散的光斑形状。
光束形状的对称性可以表现为例如对称的光斑形状。光斑形状可以是例如圆形、正方形、矩形、六边形、椭圆形、镜像对称和/或旋转对称(例如，45°、60°、90°、120°或180°旋转对称)。
在一些示例中，在材料加工期间，输出光束沿着一种或多种材料的行进方向可以从第一方向改变到第二方向。第一方向可以不同于第二方向(例如，材料加工方向的变化)。第二方向可以与第一方向相反(例如，材料加工方向的逆转)。
图30绘示出使用光束进行材料加工的第二示例方法。一种使用光束进行材料加工的方法包括：将光束发射到具有第一RIP的第一长度光纤中；将来自第一长度光纤的光束耦合到具有第二RIP和两个或更多个限制区域的第二长度光纤中；在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一长度光纤和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性；和/或从第二长度光纤生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性。第一RIP可以与第二RIP相同。一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态(例如，圆形光斑形状，直径＝5毫米(“mm”))改变到第二状态(例如，矩形光斑形状，长×宽＝3mm×6mm)。第一状态可以不同于第二状态。
在图30的框3002中，光束被发射到具有第一RIP的第一长度光纤中。在使用光束的材料加工中，光束可以用于例如将热量沉积在一种或多种材料中，以用于钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合。
光束可以例如由光纤激光器生成。如前所述，这种光纤激光器可以包括例如具有第一RIP的第一长度光纤、具有第二RIP和两个或更多个限制区域的第二长度光纤、以及被配置为修改光束的一个或多个光束特性的扰动装置。
在图30的框3004中，光束从具有第一RIP的第一长度光纤耦合到具有第二RIP和两个或更多个限制区域的第二长度光纤中。在一些示例中，当第二长度光纤具有两个或更多个限制区域时，第一RIP可以与第二RIP相同或不同。
在图30的框3006中，在第一长度光纤中、在第二长度光纤中或在第一长度光纤和第二长度光纤中修改光束的一个或多个光束特性。关于图30的框3004和3006，可以在耦合之前执行修改(例如，在第一长度光纤中修改)，可以在修改之前执行耦合(例如，在第二长度光纤中修改)，或者耦合和修改可以同时执行(例如，在第一长度光纤和第二长度光纤中修改)。
一个或多个光束特性的修改还可以包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的过程中反馈来调整一个或多个光束特性，和/或在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态，其中，第一状态不同于第二状态。一个或多个光束特性的修改还可以包括在一个或多个离散的步骤中和/或以连续的方式调整扰动装置，以便将一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态。
经修改的一个或多个光束特性可以包括例如角度分布、方位角强度分布、光束直径、光束发散度分布、BPP、光束轮廓(例如，高斯、平顶)、光束形状、发散度、发散度轮廓、强度分布、亮度、M2因子、NA、光强度轮廓、光学模式(例如，滤波)、功率密度轮廓、径向光束位置、辐射率、空间轮廓分布、光斑形状、光斑尺寸等或其任意组合中的一种或多种。
在图30的框3008中，从第二长度光纤生成具有光束的经修改的一个或多个光束特性的输出光束。在一些示例中，输出光束的光束形状可以是非对称的。在一些示例中，输出光束的光束形状可以是对称的。在一些示例中，输出光束的光束形状可以包括两个或更多个离散的光斑形状。
光束形状的对称性可以表现为例如对称的光斑形状。光斑形状可以是例如圆形、正方形、矩形、六边形、椭圆形、镜像对称和/或旋转对称(例如，45°、60°、90°、120°或180°旋转对称)。
在一些示例中，在材料加工期间，输出光束沿着一种或多种材料的行进方向可以从第一方向改变到第二方向。第一方向可以不同于第二方向(例如，材料加工方向的变化)。第二方向可以与第一方向相反(例如，材料加工方向的逆转)。
使用光束进行材料加工的设备
图31绘示出使用光束进行材料加工的第一示例设备。图31中示出的材料加工可以是例如钎焊或焊接。在一些示例中，钎焊或焊接工艺中涉及的材料可以包括相似或不相似的金属合金、聚合物(例如，热塑性塑料)或复合材料。
第一示例设备可以包括：激光系统，其被配置为修改光束的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性；引导件，其被配置为供应粉末、条、线等形式的原料、填料等；和/或一个或多个传感器，其被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈。
激光系统可以包括：例如图22A的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2214；图22B的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2224；或图23的激光系统2300，包括VBC光纤组件2302，其被配置为修改光束2310的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头2306、2324和/或2326生成具有光束2310的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2314、2328和/或2330。
在一些示例中，用于钎焊的材料加工可以使用圆形、方形或复杂光斑形状的输出光束，其尺寸大约为1毫米至3毫米，并且需要比用于焊接更高的发散度。
被配置为供应原料、填料等的引导件可以包括例如喷嘴或管，其被配置为将粉末、条、线等引导至正在加工的一种或多种材料附近和/或熔池的预期位置。该引导件可以与相关的加工头结合。
相对于输出光束关于正在加工的一种或多种材料的行进方向，引导件可以同轴或离轴。引导件可以有多个喷嘴或管。多个喷嘴或管可以对称地设置(例如，相对于熔池的预期位置，两个喷嘴或管位于相对侧)。根据第一示例设备的操作模式，这种多个喷嘴或管可以交替操作和/或同时操作。
被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈的一个或多个传感器可以包括例如用于监控几何形状(例如，高度、宽度)、冶金性质(例如，凝固速率)、压力、温度等的一个或多个传感器。
在图31中，第一设备3100包括加工头3102、引导件3104和/或传感器3106。第一设备3100可以经由加工头3102生成输出光束3108。在一些示例中，输出光束3108的光束形状可以是非对称的。在一些示例中，输出光束3108的光束形状可以是对称的。在一些示例中，输出光束3108的光束形状可以包括两个或更多个离散的光斑形状。
引导件3104被配置为将带材或线材3110供应到正在加工的第一材料3112和第二材料3114附近和/或熔池3116的预期位置。当第一材料3112和第二材料3114正在加工时，加工头3102、引导件3104、输出光束3108、带材或线材3110以及熔池3116通常沿箭头3118所示的方向移动。
引导件3104和带材或线材3110可以相对于箭头3118所示的方向同轴或离轴。在一些示例中，同轴的引导件3104和带材或线材3110可以在输出光束3108之前，因为它们通常都在箭头3118所示的方向上移动。在一些示例中，离轴的引导件3104和带材或线材3110通常可以在箭头3118所示的方向上移动，但是带材或线材3110然后从不同于箭头3118的位置的朝向熔池3116的方向供应到熔池3116。在一些示例中，可以有利于引导件3104在输出光束3108和/或熔池3116沿箭头3118所示的方向移动时，在其前缘处供应带材或线材3110。
传感器3106可以监控第一材料3112和第二材料3114的加工，在第一材料3112和/或第二材料3114的加工期间提供反馈，和/或在加工第一材料3112和第二材料3114的步骤之间提供反馈。在一些示例中，传感器3106可以监控第一材料3112、第二材料3114和/或熔池3116的一个或多个指标，如特征3120所示。
在一些示例中，传感器3106可以包括一个或多个局部或全局传感器。在一些示例中，传感器3106可以包括一个或多个固定传感器(即，欧拉参考系)和/或一个或多个随着输出光束3108移动的传感器(即，拉格朗日参考系)。传感器3106可以包括例如一个或多个光电二极管、光电倍增管、高温计(使用1或2波长)、高分辨率热成像相机(CCD或CMOS探测器)或光谱仪(可见光、紫外光)。传感器3106可以监控例如熔池3116的峰值和/或平均温度、熔池3116的凝固轮廓和/或尺寸(面积、长度和/或宽度)、和/或第一材料3112、第二材料3114和/或熔池3116的加热/冷却速率。传感器3106可以包括例如全局传感器，该全局传感器包括多个固定的CCD或CMOS探测器，该探测器被配置为在材料加工过程中，沿着其长度，通过感测来自第一材料3112和/或第二材料3114的特征3120(例如，以辐射发射的形式)来监控第一材料3112和/或第二材料3114的热历史。
图32绘示出使用光束进行材料加工的第二示例设备。图32中示出的材料加工可以是例如包覆。包覆工艺可以是例如全向包覆或大面积包覆。在一些示例中，包覆工艺中涉及的材料可以包括陶瓷、相似或不相似的金属合金、聚合物或复合材料。
第二示例设备可以包括：激光系统，该激光系统被配置为修改光束的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性；引导件，其被配置为供应粉末、带材、线材等形式的原料、填料等；和/或一个或多个传感器，其被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈。
激光系统可以包括：例如图22A的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2214；图22B的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2224；或图23的激光系统2300，包括VBC光纤组件2302，其被配置为修改光束2310的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头2306、2324和/或2326生成具有光束2310的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2314、2328和/或2330。
在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的过程中反馈来调整一个或多个光束特性(例如，强度分布、空间轮廓)。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括在加工一种或多种材料的步骤之间基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性(例如，光束直径和/或光斑尺寸)。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括在一种或多种材料的加工期间以及在加工一种或多种材料的步骤之间基于来自一个或多个传感器的反馈来调整一个或多个光束特性(例如，光束发散度)。
在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括改变光束直径、光斑尺寸和/或光束发散度分布，以考虑全向包覆和大面积包覆之间的切换。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括调整空间轮廓，以促进相邻道次包覆的平滑重叠。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括调整光束直径、光斑尺寸和/或强度分布，以促进最大化包覆合金的熔化速率，同时最小化包覆合金稀释入母材金属(例如，基板合金)，从而提供从包覆合金到母材金属的急剧转变。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括调整光束直径、光斑尺寸和/或强度分布，以促进优化沉积包覆的冷却速率，从而最小化开裂或分层的倾向(例如，由于覆层合金和基板合金之间热膨胀系数的潜在不匹配)。
在一些示例中，用于全向包覆的材料加工可以使用具有圆形光斑形状的输出光束，光斑形状的直径大于或等于约3毫米且小于或等于约10毫米，功率大于或等于约4kW且小于或等于约12kW。在一些示例中，用于大面积包覆的材料加工可以使用具有矩形光斑形状、宽度和长度大于或等于约10毫米×约20毫米、功率大于或等于约5kW且小于或等于约20kW的输出光束。
被配置为供应原料、填料等的引导件可以包括例如喷嘴或管，其被配置为将粉末、带材、线材等引导至正在加工的一种或多种材料附近和/或熔池的预期位置。该引导件可以与相关的加工头相结合。
相对于输出光束关于正在加工的一种或多种材料的行进方向，引导件可以同轴或离轴。引导件可以有多个喷嘴或管。多个喷嘴或管可以对称地设置(例如，相对于熔池的预期位置，两个喷嘴或管位于相对侧)。根据第二示例设备的操作模式，这种多个喷嘴或管可以交替操作和/或同时操作。
在一些示例中，用于单向和全向包覆的材料加工可以使用同轴引导的粉末(例如，吹制粉末)原料。在一些示例中，用于单向包覆的材料加工可以使用离轴引导的线原料。在一些示例中，用于大面积包覆的材料加工可以使用离轴引导的粉末(例如，吹制粉末)、带材或线材原料。
在一些示例中，线性包覆工艺的方向性可以快速改变。例如，对于使用具有一个喷嘴或管的引导件的线性包覆工艺，可以针对第一行进方向优化光束形状。然后，光束形状可以针对第二行进方向快速反转。单个喷嘴或管可以在两个行进方向上操作。例如，对于使用具有两个喷嘴或管的引导件的线性包覆工艺，可以针对第一行进方向和喷嘴或管中的在第一行进方向上操作的相关联的一个来优化束形状。然后，光束形状可以针对第二行进方向和喷嘴或管中的在第二行进方向上操作的另一个快速反转(即，喷嘴或管交替地操作)。
被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈的一个或多个传感器可以包括例如用于监控几何形状(例如，高度、宽度)、冶金性质(例如，凝固速率)、压力、温度等的一个或多个传感器。在一些示例中，热成像工具或高温计可以测量加热和/或冷却速率。在一些示例中，几何形状监视器可以测量高度、宽度和/或与包覆沉积物相关的其他物理测量值，例如，与相邻道次包覆的重叠或者粗糙度或整体形状。
在图32中，第二设备3200包括加工头3202、引导件3204和/或传感器3206。第二设备3200可以经由加工头3202生成输出光束3208。在一些示例中，输出光束3208的光束形状可以是非对称的。在一些示例中，输出光束3208的光束形状可以是对称的。在一些示例中，输出光束3208的光束形状可以包括两个或更多个离散的光斑形状。
引导件3204被配置为将粉末3222(例如，金属粉末)供应到正在加工的材料3212附近和/或熔池3216的预期位置。引导件3204可以包括例如水冷粉末喷嘴。当正在加工材料3212时，加工头3202、引导件3204、输出光束3208、熔池3216和粉末3222通常沿箭头3218所示的方向移动。保护气体3224(例如，惰性气体)可以注入引导件3204之间，以防止粉末3222在引导件3204之间向上逸出。护罩气体(例如，惰性气体)(未示出)可以用来防止粉末3222一旦离开引导件3204就侧向地逸出，并防止被加热的材料3212氧化。
引导件3204和粉末3222可以相对于箭头3218所示的方向同轴或离轴。在一些示例中，同轴的引导件3204和粉末3222可以在输出光束3208之前和之后，因为它们通常都在箭头3218所示的方向上移动。在一些示例中，离轴的引导件3204和粉末3222通常可以在箭头3218所示的方向上移动，但是粉末3222然后从不同于箭头3218的位置的朝向熔池3216的方向或者在箭头3218的方向上供应到熔池3216。在一些示例中，当输出光束3208和/或熔池3216沿箭头3218所示的方向移动时，引导件3204在输出光束3208和/或熔池3216的前缘和后缘供应粉末3222可能是有利的。
在一些示例中，材料3212的加工可以导致包覆层3226、结合区域3228和/或热影响区域3230的形成。
传感器3206可以监控材料3212的加工，在材料3212的加工期间提供反馈，和/或在材料3212的加工步骤之间提供反馈。在一些示例中，传感器3206可以监控材料3212和/或熔池3216的一个或多个指标，如特征3220所示。
在一些示例中，传感器3206可以包括一个或多个局部或全局传感器。在一些示例中，传感器3206可以包括一个或多个固定传感器(即，欧拉参考系)和/或一个或多个随着输出光束3208移动的传感器(即，拉格朗日参考系)。传感器3206可以包括例如一个或多个光电二极管、光电倍增管、高温计(使用1或2波长)、高分辨率热成像相机(CCD或CMOS探测器)或光谱仪(可见光、紫外光)。传感器3206可以监控例如熔池3216的峰值和/或平均温度、熔池3216的凝固轮廓和/或尺寸(面积、长度和/或宽度)、和/或加工材料3212和/或熔池3216的加热/冷却速率。传感器3206可以包括例如全局传感器，该全局传感器包括多个固定的CCD或CMOS探测器，该探测器被配置为在材料加工过程中，沿着其长度，通过感测来自加工材料3212的特征3220(例如，以辐射发射的形式)来监控加工材料3212的热历史。
图33绘示出使用光束进行材料加工的第三示例设备。图33中示出的材料加工可以是例如上釉或热处理。上釉可以包括材料薄层的表面熔化和随后的快速凝固(例如，大约100μm)。在一些示例中，上釉工艺中涉及的材料可以包括陶瓷和金属(例如，铁素体球铁；FeNiCrAI、NiCr和/或NiCrAI合金；304不锈钢；614铝青铜(Al＝铝、Cr＝铬、Fe＝铁、Ni＝镍))。热处理可以包括例如退火、表面硬化、正火、沉淀强化、淬火(包括自淬火)、软化、应力消除和/或回火。在一些示例中，热处理工艺中涉及的材料可以包括玻璃、金属或聚合物。其他热处理应用可以包括在粘合剂、聚合物或树脂用于连接材料之前直接加热粘合剂、聚合物或树脂，以及在连接材料之后施加热量来固化或硬化接头。
第三示例设备可以包括激光系统，该激光系统被配置为修改光束的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头生成输出光束，该输出光束具有光束的经修改的一个或多个光束特性；和/或一个或多个传感器，其被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈。
激光系统可以包括：例如图22A的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2214；图22B的激光系统2200，包括VBC光纤组件2202，其被配置为修改光束2210的一个或多个光束特性，并经由加工头2206生成具有光束2210的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2224；或图23的激光系统2300，包括VBC光纤组件2302，其被配置为修改光束2310的一个或多个光束特性，并经由一个或多个加工头2306、2324和/或2326生成具有光束2310的经修改的一个或多个光束特性的输出光束2314、2328和/或2330。
在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括实时调整光束直径、光斑尺寸和/或光束发散度分布，以匹配正在加工的材料所需的热处理轨迹的几何形状。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括调整强度分布和/或空间轮廓，以最大化生产率，同时限制正在加工的材料的熔化。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括调整一个或多个束特性，以便优化针对正在加工的材料的合金、微结构、厚度和/或优选硬度深度的加热速率轮廓或冷却速率轮廓。在一些示例中，一个或多个光束特性的修改可以包括轴向旋转光束轮廓，以便匹配材料工艺的2D/3D方向性。
在一些示例中，用于上釉和/或热处理的材料加工可以使用具有矩形光斑形状和大于或等于约4kW且小于或等于约50kW的功率的输出光束。在一些示例中，均匀(例如，平顶)的强度分布可以为上釉提供均匀的熔化深度，为硬化提供表面深度，或者为软化提供回火区域。或者，改变一个或多个光束特性，以在例如矩形光斑内提供不同的强度轮廓，可以调整矩形光斑形状的处理深度。
被配置为在一种或多种材料的加工期间和/或在加工一种或多种材料的步骤之间提供反馈的一个或多个传感器可以包括例如用于监控几何形状(例如，高度、宽度)、冶金性质(例如，硬度)、温度等的一个或多个传感器。
在图33中，第三设备3300包括加工头3302和/或传感器3306。第三设备3300可以经由加工头3302生成输出光束3308。在一些示例中，输出光束3308的光束形状可以是非对称的。在一些示例中，输出光束3308的光束形状可以是对称的。在一些示例中，输出光束3308的光束形状可以包括两个或更多个离散的光斑形状。在图33中，输出光束3308的光束形状被示为矩形，具有宽度‘x’和长度‘y’。
在一些示例中，材料3312的加工可以导致形成硬化或软化的区域3332。如图33所示，区域3332可以具有最大深度‘d’。
传感器3306可以监控材料3312的加工，在材料3312的加工期间提供反馈，和/或在加工材料3312的步骤之间提供反馈。在一些示例中，传感器3306可以监控材料3312的一个或多个指标，如特征3320所示。
在一些示例中，传感器3306可以包括一个或多个局部或全局传感器。在一些示例中，传感器3306可以包括一个或多个固定传感器(即，欧拉参考系)和/或一个或多个随着输出光束3308移动的传感器(即，拉格朗日参考系)。传感器3306可以包括例如一个或多个光电二极管、光电倍增管、高温计(使用1或2波长)、高分辨率热成像相机(CCD或CMOS探测器)或光谱仪(可见光、紫外光)。传感器3306可以监控例如加工材料3312的峰值和/或平均温度、加工材料3312的尺寸(面积、长度和/或宽度)和/或加工材料3312的加热/冷却速率。传感器3306可以包括例如全局传感器，该全局传感器包括多个固定的CCD或CMOS探测器，该探测器被配置为在材料加工过程中，沿着其长度，通过感测来自加工材料3312的特征3320(例如，以辐射发射的形式)来监控加工材料3312的热历史。
图34A和34B绘示出具有两个离散的光斑形状的示例输出光束。
在图34A中，输出光束3400具有第一光斑形状3402和第二光斑形状3404。因为是圆形的，所以第一光斑形状3402呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，第二光斑形状3404仅呈现出在水平方向上穿过其中心的镜像对称。第二光斑形状3404的有限对称性限制了输出光束3400的整体对称性。
在一些示例中，输出光束3400可以针对在箭头3406所示的行进方向上的材料加工进行优化。
在图34B中，输出光束3410具有第一光斑形状3412和第二光斑形状3414。因为是圆形的，所以第一光斑形状3412呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，第二光斑形状3414仅呈现出在水平方向上穿过其中心的镜像对称。第二光斑形状3414的有限对称性限制了输出光束3410的整体对称性。
在一些示例中，输出光束3410可以针对在箭头3416所示的行进方向上的材料加工进行优化。
如段落[00182]所述，线性包覆工艺的方向性可以快速地改变。对于使用具有两个喷嘴或管的引导件的线性包覆工艺，例如，具有第一光斑形状3402和第二光斑形状3404的图34A的输出光束3400，和喷嘴或管中相关联的一个可以针对箭头3406所示的行进方向(例如，向“右”)进行优化。第一光斑形状3402可以在包覆工艺之前对材料进行预热，第二光斑形状3404可以在包覆工艺中对材料进行主要加热。然后，光束形状可以快速反转。具有第一光斑形状3412和第二光斑形状3414的图34B的输出光束3410和喷嘴或管中的另一个可以针对箭头3416所示的行进方向进行优化(例如，向“左”)。第一光斑形状3412可以在包覆工艺之前对材料进行预热，第二光斑形状3414可以在包覆工艺中对材料进行主要加热。
或者，在段落[00203]中描述的方向性线性包覆工艺可以在与图34A中的箭头3406和图34B中的箭头3416所示的方向相反的方向上操作。在这个相反的方向(未示出)上，第二光斑形状3404和第二光斑形状3414可以为包覆工艺提供后加热效果(例如，回火、应力消除或降低冷却速率，以降低开裂倾向)。
图35A-35D绘示出具有两个离散的光斑形状的示例输出光束。
在图35A中，输出光束3500具有第一光斑形状3502和第二光斑形状3504。因为是圆形的，所以第一光斑形状3502呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。因为是圆形的，所以第二光斑形状3504也呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，输出光束3500是第一光斑形状3502和第二光斑形状3504的组合，仅呈现出在水平方向上穿过第一光斑形状3502和第二光斑形状3504的相应中心的镜像对称。
在一些示例中，输出光束3500可以针对在箭头3506所示的行进方向上的材料加工进行优化。
在图35B中，输出光束3510具有第一光斑形状3512和第二光斑形状3514。因为是圆形的，所以第一光斑形状3512呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。因为是圆形的，所以第二光斑形状3514也呈现出在传感器其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，输出光束3500是第一光斑形状3502和第二光斑形状3504的组合，仅呈现出在竖直方向上穿过第一光斑形状3512和第二光斑形状3514的相应中心的镜像对称。
在一些示例中，输出光束3510可以针对在箭头3516所示的行进方向上的材料加工进行优化。
在图35C中，输出光束3520具有第一光斑形状3522和第二光斑形状3524。因为是圆形的，所以第一光斑形状3522呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。因为是圆形的，所以第二光斑形状3524也呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，输出光束3520是第一光斑形状3522和第二光斑形状3524的组合，仅呈现出在水平方向上穿过第一光斑形状3522和第二光斑形状3524的相应中心的镜像对称。
在一些示例中，输出光束3520可以针对在箭头3526所示的行进方向上的材料加工进行优化。
在图35D中，输出光束3530具有第一光斑形状3532和第二光斑形状3534。因为是圆形的，所以第一光斑形状3532呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。因为是圆形的，所以第二光斑形状3534也呈现出在穿过其中心的反射镜的任何方向上的镜像对称，并且呈现出在任何旋转角度上的旋转对称。如图所示，输出光束3530是第一光斑形状3532和第二光斑形状3534的组合，仅呈现出在竖直方向上穿过第一光斑形状3532和第二光斑形状3534的相应中心的镜像对称。
在一些示例中，输出光束3530可以针对在箭头3536所示的行进方向上的材料加工进行优化。
如段落[00192]中所讨论的，一个或多个光束特性的修改可以包括轴向旋转光束轮廓，以匹配材料加工的2D/3D方向性。图35A-35D绘示出这种轴向旋转的示例，从图35A开始，其中，图35B示出逆时针旋转90°，图35C示出顺时针或逆时针旋转180°，图35D示出顺时针旋转90°。
尽管图35A-35D绘示出n×90°旋转(n＝0、±1、±2、...)，但是旋转也可以是任何所需的角度增量(例如，相对于光束的共享中心线，72°、60°、45°、40°、36°、30°、22.5°、20°、15°、10°)。
已经描述和示出了当前公开技术的示例的一般原理和具体原理，应该清楚的是，在不脱离这些原理的情况下，可以在设置和细节上修改这些示例。我们要求保护落入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (20)

1.一种使用光束进行材料加工的方法，所述方法包括：
将所述光束发射到具有第一折射率轮廓的第一长度光纤中；
将来自所述第一长度光纤的所述光束耦合到具有第二折射率轮廓和一个或多个限制区域的第二长度光纤中；
在所述第一长度光纤中、在所述第二长度光纤中或在所述第一长度光纤和所述第二长度光纤中修改所述光束的一个或多个光束特性；以及
从所述第二长度光纤生成输出光束，所述输出光束具有所述光束的经修改的一个或多个光束特性；
其中，所述第一折射率轮廓与所述第二折射率轮廓不同，
其中，所述一个或多个光束特性的修改包括将所述一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态，并且
其中，所述第一状态不同于所述第二状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述光束的经修改的一个或多个光束特性限制在所述第二长度光纤的所述一个或多个限制区域内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述输出光束用于一种或多种材料的钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整所述一个或多个光束特性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整所述一个或多个光束特性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在一个或多个离散的步骤中调节扰动装置，以便将所述一个或多个光束特性从所述第一状态改变到所述第二状态。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括以连续的方式调整扰动装置，以便将所述一个或多个光束特性从所述第一状态改变到所述第二状态。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输出光束的光束形状是非对称的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
在材料加工期间，将所述输出光束沿着一种或多种材料的行进方向从第一方向改变到第二方向；
其中，所述第一方向不同于所述第二方向。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二方向与所述第一方向相反。
11.一种使用光束进行材料加工的方法，所述方法包括：
将所述光束发射到具有第一折射率轮廓的第一长度光纤中；
将来自所述第一长度光纤的所述光束耦合到具有第二折射率轮廓和两个或更多个限制区域的第二长度光纤中；
在所述第一长度光纤中、在所述第二长度光纤中或在所述第一长度光纤和所述第二长度光纤中修改所述光束的一个或多个光束特性；以及
从所述第二长度光纤生成输出光束，所述输出光束具有所述光束的经修改的一个或多个光束特性；
其中，所述第一折射率轮廓与所述第二折射率轮廓相同，
其中，所述一个或多个光束特性的修改包括将所述一个或多个光束特性从第一状态改变到第二状态，并且
其中，所述第一状态不同于所述第二状态。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述光束的经修改的一个或多个光束特性限制在所述第二长度光纤的所述一个或多个限制区域内。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：
将所述输出光束用于一种或多种材料的钎焊、包覆、上釉、热处理或焊接或其任意组合中的一种或多种。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在一种或多种材料的加工期间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整所述一个或多个光束特性。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在加工一种或多种材料的步骤之间，基于来自一个或多个传感器的反馈来调整所述一个或多个光束特性。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括在一个或多个离散的步骤中调整扰动装置，以便将所述一个或多个光束特性从所述第一状态改变到所述第二状态。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个光束特性的修改还包括以连续的方式调整扰动装置，以便将所述一个或多个光束特性从所述第一状态改变到所述第二状态。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述输出光束的光束形状是非对称的。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括：
在材料加工期间，将所述输出光束沿着一种或多种材料的行进方向从第一方向改变到第二方向；
其中，所述第一方向不同于所述第二方向。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二方向与所述第一方向相反。
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