CN110914725A - 光纤弯曲机构 - Google Patents

Abstract

光纤弯曲机构通过偏转或弯曲一根或多根光纤、通过将一根或多根光纤的若干部分推向具有可选曲率的光纤成形表面、或者通过选择将被推向光纤成形表面的光纤长度来改变束特性。在一些示例中，光纤被固定到柔性板，以符合柔性板的可变曲率。在其他示例中，将可变长度的光纤拉向或推向光纤成形表面，并且光纤的长度或柔性板的曲率提供光纤光束特性的修改。

Description

光纤弯曲机构

相关申请的交叉引用

本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,399、2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,410、2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,411和2017年5月26日提交的专利合作条约申请PCT/US2017/034848的部分延续，这些申请都要求2016年9月29日提交的美国临时专利申请No.62/401,650的权益。所有这些申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及光纤中的光束成形。

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，材料加工、切割、焊接和/或增材制造。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，光损耗)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。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。所需要的是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。

发明内容

设备包括被定位成接收输入光束的第一光纤，第一光纤具有第一折射率轮廓。光纤成形表面被定位成使得至少第一光纤的一部分被推动以符合(顺应，conform)光纤成形表面。弯曲控制器被定位成选择第一光纤的被推动以符合光纤成形表面的一部分的长度，或者选择光纤成形表面的曲率，以扰动输入光束并产生经修改的光束。第二光纤耦合到第一光纤并且被定位成接收经修改的光束，第二光纤具有第二折射率轮廓，该第二折射率轮廓被选择成保持经修改的光束的至少一个光束特性。在一些示例中，光纤成形表面是柔性板的主表面，柔性板包括离子聚合物复合材料。在其他替代方案中，使用压电弯曲致动器，该致动器可以包括结合在一起的一个或多个压电板。通常，第一电极和第二电极被定位成使得离子聚合物的至少一部分位于第一电极和第二电极之间。在一些示例中，第一电极和第二电极是基本覆盖第一主表面和第二主表面的导电层，并且弯曲控制器是电压源。在进一步的示例中，第二组电极位于离子聚合物周围，并且传感器联接到第二组电极，以检测柔性板的变形。弯曲控制器联接到传感器，并基于由第二组电极检测的电压建立施加到离子聚合物的电压。

根据一些示例，第一光纤被定位成沿着光纤成形表面的曲率方向延伸。在其他示例中，第一光纤包括一个或多个细长的回圈，并且光纤的符合光纤成形表面的一部分包括回圈的被定位成在光纤成形表面的曲率方向上延伸的细长部分。在其他实施例中，位移构件联接到柔性板，以通过推压柔性板或拉动柔性板来改变光纤成形表面的曲率。在典型的示例中，柔性板被固定在两个位置，且位移构件在这两个位置之间联接到柔性板。在代表性实施例中，柔性板沿光纤成形表面的曲率方向在相应的端部被固定住。根据一些示例，光纤成形表面具有固定的曲率，并且是环的表面、环的一部分的表面、或者圆柱体(例如，直圆柱体)的外表面。

在一些示例中，弯曲控制器被定位成改变第一光纤的符合光纤成形表面的一部分的长度。在另外的示例中，引导件相对于柔性表面可滑动地固定并且被定位成接合光纤，使得第一光纤的被推动以符合光纤成形表面的一部分的长度能够响应于引导件沿着光纤成形表面的移动而变化。在一些示例中，引导件包括接合第一光纤的凹槽。在又一些实施例中，连接构件可旋转地固定在旋转轴处并固定到引导件，使得引导件围绕轴的旋转沿着所述光纤成形表面推动引导件。根据另外的示例，光纤成形表面具有包括多个圆形曲率的复合曲率，并且旋转轴对应于多个圆形曲率中的一个的曲率中心。

根据一些示例，光纤成形表面由心轴表面的一部分限定，并且弯曲控制器包括钳口，该钳口被定位成朝向心轴表面的一部分推动第一长度光纤，且第一光纤形成回圈的位于心轴周围的至少一部分。在一些情况下，弯曲控制器包括被定位成朝向第一长度光纤推动心轴的工作台。在另外的示例中，第一光纤和第二光纤形成回圈的至少一部分。接头耦合第一光纤和第二光纤，且钳口被定位成朝向心轴表面的一部分推动第一长度光纤、第二光纤的一部分以及接头。在又一些示例中，钳口包括相对于工作台的位移轴相对地设置的第一钳口和第二钳口，第一钳口和第二钳口联接到第一弹性构件和第二弹性构件，每个弹性构件被定位成朝向心轴表面推动相应的钳口表面。在其他示例中，弯曲控制器被配置成朝向第一钳口表面和第二钳口表面推动心轴，以便选择第一光纤的被推动以符合光纤成形表面的一部分、第二光纤的被推动以符合光纤成形表面的一部分、以及回圈的不接触光纤弯曲表面、第一钳口或第二钳口的至少一部分的曲率。

在一些示例中，光纤部分固定在一个或两个端点，或者形成为弯曲的、回圈状的或直的部分，并且一个或多个表面(例如，销、杆或球的表面)与光纤部分接触，并且作为响应光纤发生弯曲。在一些示例中，朝向这样的表面推动光纤部分，或者朝向光纤部分推动该表面，或者这两者都可以朝向彼此移动。

从下面参考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显而易见。

附图说明

附图中相同的附图标记表示相同的元件，这些附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且与说明书一起解释当前公开的技术的优点和原理。在附图中，

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；以及

图29A-29C示出了可变光束特性(VBC)设备，该设备包括光纤弯曲机构，该光纤弯曲机构具有辊，该辊被定位成使可选长度的光纤推靠具有圆形横截面的心轴；

图30示出了可以容纳多个光纤回圈的光纤弯曲机构；

图31示出了VBC设备，该设备包括辊，该辊被定位成使可选长度的光纤推靠具有椭圆形横截面的心轴；

图32示出了代表性光纤成形表面；

图33A-33B示出了包括光纤弯曲机构的另一光束扰动装置；

图34示出了另一光束扰动装置，其包括在圆盘的一部分上具有光纤成形表面的光纤弯曲机构；

图35示出了另一光束扰动装置，其包括在环的一部分上具有光纤成形表面的光纤弯曲机构；

图36示出了包括光纤固定到其上的弯曲部分的VBC设备；

图37A-37B示出了改变弯曲的光纤长度的光纤弯曲机构；

图38A-38B示出了包括光纤弯曲机构的VBC设备，该光纤弯曲机构推动选定长度的光纤，以与相对地定位的钳口接触；

图39A-39D示出了图38A-38B的光纤弯曲机构的操作；

图40示出了另一代表性VBC设备，其包括可以与光纤接触的相对地定位的一组圆柱体；

图41示出了由多个相对地定位的圆柱体形成的代表性光纤成形表面；

图42示出了包括光纤固定到其上的弯曲部分的另一VBC设备；

图43A-43B示出了允许可选长度的光纤弯曲的线轴；

图44A-44B示出了包括离子聚合物复合材料(IPC)的VBC设备；

图45示出了包括IPC的另一VBC设备；

图46示出了代表性VBC系统；

图47A-47C示出了附加的代表性VBC设备。

具体实施方式

如整个本公开和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该(所述)”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包含”是指“包括”。此外，术语“耦合(联接)”不排除在耦合(联接)的物项之间存在中间元件。此外，术语“修改”和“调整”可互换使用，表示“改变”。

本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开单独以及以彼此的各种组合和子组合涉及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。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定的优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。

尽管为了便于呈现，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。

在一些示例中，值、过程或设备称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在所使用的许多功能替换中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优。参照指示为“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间方向。

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、椭圆形或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)或在平面(二维(2D)轮廓)上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，较大的M²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.“自由空间传播”和“非导向传播”用于指在通常是光束瑞利范围的5、10、20、100倍或更多倍的光学距离上传播而不受一个或多个波导(例如，光纤)的限制的光束。这种传播可以在光学介质中进行，例如，玻璃、熔融石英、半导体、空气、晶体材料或真空。

20.“准直光束”通常通过定位透镜或其它聚焦元件(例如，曲面镜、菲涅耳透镜或全息光学元件)来产生，使得与光束具有、将具有或看起来具有平面波前(例如，在高斯光束的焦点处或光纤的输出处)的位置的表观距离小于与焦距f的焦点相距的焦距f的10％、5％、2％、1％、0.5％、0.1％。

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激光器和光纤耦合激光器兼容。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(d_core)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学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(>1kW)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d_core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：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M²因子、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等或者其任意组合。

在一些公开的实施例中，光纤是指被推动以符合(顺应，conform)表面的存在物。除非另有说明，这样的光纤不需要与这样的表面接触，也不需要获得对应于该表面的曲率。

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PCVD(等离子体化学气相沉积)、OVD(外部气相沉积)、VAD(气相轴向沉积)、MOCVD(金属-有机化学气相沉积)和/或DND(直接纳米颗粒沉积)。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RIP 212，如左RIP图所示。当光纤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光纤204的中心。第二长度光纤208是具有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之间划分光束226的功率，而不是集中在单个区域中，并且这种条件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，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或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光纤200的外部限制区域218和220。有多种其他方法用于改变光纤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)，朝向芯/包层界面(在该示例中位于r＝100微米处)。高阶模式(LP_In)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6cm的弯曲半径处，LP₀₁的曲线408从VBC光纤200的中心406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406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406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406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406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。光纤204和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内的结点206处的示例性二维强度分布。大部分LP₀₁和LP_In在光纤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内的结点206处的二维强度分布。大部分LP₀₁和LP_In在光纤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：光束直径、光束发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M²因子、NA、光强度轮廓、功率密度轮廓、径向光束位置、辐射率、光斑尺寸等或者其任意组合。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RIP 1302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。当扰动光纤1400时，模式可能在光纤1400中径向地向外移动(例如，在光纤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，类似于光纤1400。然而，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1504包围的抛物线折射率中心区域1502，并且恒定折射率区域1504由低折射率环形层1506包围。低折射率环1506有助于引导光束在光纤1500中传播。当扰动传播的光束时，模式在光纤1500中径向地向外移动(例如，在光纤1500弯曲期间)。当一个或多个模式径向地向外移动时，抛物线折射率区域1502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的抛物线折射率部分1502与限制光纤的中心阶跃折射率芯重叠。恒定折射率部分1504与限制光纤的环形芯重叠。第一光纤的恒定折射率部分1504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。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，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。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。光纤1800具有RIP 1802。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-光纤耦合器或光纤-光纤开关)、工件等或其组合。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，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，光纤2600具有第二RIP 2608。在从第二方位角2606旋转另一45°的第三方位角2610处，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，光纤2700具有第一RIP 2704。在第二方位角2706处，光纤2700具有第二RIP 2708。第一RIP2704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RIP2804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。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。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，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。

FFC可以包括一个、两个或更多个透镜，但是在典型的示例中，使用具有相同标称焦距的两个透镜，从而产生单位放大率。在大多数实际示例中，用FFC产生的放大率在0.8和1.2之间，这对应于焦距的比率。

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光束2214的发散度和/或光斑尺寸(例如，通过放大或缩小光束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。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。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2206、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引导到自由空间光学组件2316，该组件被配置为保持光束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引导到自由空间光学组件2318，该组件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，自由空间光学开关2332可以将经调整的光束2314引导到自由空间光学组件2308，该组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)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、光栅2414、夹具2416(或其他紧固件)等或其任意组合。这些仅仅是扰动装置100的示例，并不是扰动装置100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。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的扰动组件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的扰动组件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。

压电换能器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，包括压电换能器2412的扰动组件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，压电换能器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，这些因素包括压电换能器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，使用压电换能器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换能器2412在侧向方向上弯曲。由电极2424施加到压电换能器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，这仅仅是使用压电换能器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。

参考图29A-29C，可变光束特性(VBC)设备2900包括圆盘2902。圆盘2902是扰动组件，其具有圆形、椭圆形或其他弯曲横截面，限定了用作光纤弯曲表面或光纤成形表面的周边表面2904。光纤引导件2906、2908位于周边表面2904处，以朝向周边表面2904推动第一光纤2910的一部分。光纤引导件2906、2908被固定到辐条2907、2909，连接辐条2907、2909，以允许光纤引导件2906、2908可绕轴2912旋转。引导件2906、2908沿着周边表面2904的分离限定了角度θ，该角度θ与第一光纤2910的符合周边表面2904或被推动以与周边表面2904接触的一部分的长度相关联。引导件2906、2908中的一个或两个的旋转允许选择合适的长度。在一些示例中，光纤被固定到引导件，例如，引导件2908，并且引导件的旋转使光纤围绕光纤弯曲表面缠绕，从而基于引导件的旋转选择要弯曲的光纤长度。在这样的示例中，可以提供张力机构，使得当引导件旋转以解开光纤时，光纤从光纤弯曲表面解开。

引导件2906、2908可以包括将光纤压向光纤弯曲表面的表面。例如，引导件2906、2908可以由橡胶、泡沫、布、纤维或其他材料形成的弹性部分制成或包括该弹性部分，该弹性部分可以压靠在光纤上，而不损害光纤的完整性，并适应可能损坏光纤的急剧的表面不规则性。光纤弯曲表面(例如，周边表面2904)可以沿着整个表面或者仅在预期用于使光纤符合的部分处提供类似的材料。或者，引导件2906、2908可以包括凹槽，例如，凹槽2916，其保持光纤，并且可以将或者不将光纤压靠在光纤弯曲表面上。对于可旋转的引导件，凹槽可以围绕整个周边延伸，使得当引导件旋转并沿着光纤弯曲表面行进时，光纤保持在凹槽中。

第一光纤2910通常通过接头2918(例如，熔接接头)(在图29A中可能的两个位置示出)连接到第二光纤2920。在一些示例中，可以使用单根光纤，但是通常使用具有不同折射率轮廓的两根不同光纤。然后，引导件2906、2908将第二光纤的一部分沿着周边表面2904(连同接头2918)推入弯曲路径。在一些示例中，辐条2907、2909是刚性的，但是在其他示例中，可以使用弹性构件(例如，弹簧)(或者辐条可以包括弹性部分)，使得引导件2906、2908被拉向周边表面2904。在许多实际示例中，仅使用一个引导件，但是可以使用一个、两个、三个或更多个引导件来选择一根或多根光纤的待符合光纤弯曲表面2904的部分。例如，可以独立地选择第一光纤2910和第二光纤2920的部分，以使用相应的成对引导件推向周边表面。

引导件2906、2908的位置可以使用电机2930来控制，电机2930联接到辐条2907、2909，以旋转来建立角度θ。控制器2932联接到电机2930，使得引导件2906、2908可以由计算机或处理器控制或者手动控制。在一些示例中，控制器2932包括非暂时性计算机可读介质，该介质包括校准表，角度θ和相关联的光束特性存储在该校准表中。在具有多个引导件的系统中，每个引导件可以被设置成独立移动，并且可以选择一个或多个光纤的若干部分。

在图29A-29C的示例中，单个弯曲半径与光纤弯曲表面相关联，但是在其他示例中，可以使用一系列不同的弯曲半径，每个弯曲半径由形成为例如圆柱体的一部分或锥形表面(例如，锥体或其一部分)上的相应台阶限定。也可以使用弧形或其他曲面。引导件可被定位成将光纤引导至具有特定曲率的光纤弯曲或成形表面，并且选择要成形为该曲率的光纤长度。光纤部分可以在具有相关曲率的多个表面区域弯曲，并且对于每个曲率，这些部分的长度可以变化。圆柱曲率在图29A-29C中示出，但是可以使用沿着多个方向的曲率，例如，球形或椭圆形曲率。周边表面2904是圆盘2902的外表面，但是在其他示例中，环、中空圆柱体或其他形状的内表面可以用作光纤弯曲或成形表面以及被定位成相对于这些内表面调节光纤形状的引导件。

在所公开的示例中，包括被熔接拼接的第一光纤和第二光纤的长度的光纤在熔接接头处或其附近弯曲，以改变在第一光纤或第二光纤中产生的空间光束轮廓或其他光束特性。如果熔接接头被包含在光纤的弯曲部分中，则通常可以更有效地调整空间光束轮廓。然而，熔接接头可以位于足够靠近弯曲部分的位置。通常，熔接接头的长度应小于任一光纤的芯直径的约2、5、10、50、100、500或1000倍。足够的光纤长度也取决于光纤数值孔径。弯曲第一光纤或第二光纤的效用的一种可能的解释是，在位于拼接结点2918处的发射点附近的光纤弯曲，可以产生可变的空间光束轮廓，该光束轮廓在坍缩成原始光束形状之前传播一定距离。在接收(第二)光纤中，接头附近的弯曲会干扰来自发射(第一)光纤的空间功率分布，从而可变地将接收的功率耦合到选定的空间功率分布。本公开不限于根据这种方式操作的操作，并且为了方便起见，该解释仅作为一种可能的解释提供。

在图29A中，扰动组件的圆盘2902设置在拼接结点2918附近。或者，扰动组件可以不设置在接头附近。此外，可能根本不需要接头，例如，光纤2910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，或者在具有小间隙的情况下固定(空气间隔开或者用光学材料填充，例如，光学胶合剂或折射率匹配材料)。

在一些示例中，通过在扰动组件中使用阶梯心轴或锥体，光纤的弯曲半径从第一弯曲半径R₁变为第二弯曲半径R₂。可以独立选择具有不同弯曲半径的光纤部分。改变光纤的弯曲半径，可以改变光纤内光束的径向光束位置、发散角和/或辐射率轮廓或者其他光束特性。

在图30的截面图所示的示例中，圆盘3002限定了设有凹槽3010、3011的周边(光纤弯曲)表面3004。通常，圆盘3002包括用于插入旋转轴(未示出)的中心孔3006。引导件3008包括突起3016、3017，突起3016、3017可以插入凹槽3010、3011中，使得引导件3008可沿着周边表面3004移动。光纤3014被示出为位于引导件3008中的凹槽3015中。在其他示例中，引导件可以具有燕尾形突起，以配合到圆盘或其他支撑件中的相应凹槽中。或者，可以在引导件中设置凹槽，在圆盘中设置突起，或者其任意组合可能是方便的。

参考图31，VBC设备3100包括具有周边(光纤弯曲)表面3104的椭圆形盘3102。引导件3106、3107被定位成选择光纤3108的符合光纤弯曲表面3104的长度。如图所示，引导件3106相对于周边表面3104固定，并且引导件3107被配置为可沿着周边表面3104移动。在图31的示例中，引导件3107用弹性构件3110固定，以便可绕轴3112旋转。周边表面3104由椭圆限定，因此具有变化的曲率半径，并且弹性构件3110被选择成允许引导件3107适应从轴3112到周边表面3104的变化的距离。

图32示出了形成在基板3200上的附加的光纤弯曲表面3202。与光纤弯曲表面3202相反的表面3206可以是平面的，或者具有凸曲率或凹曲率。引导件3208被定位成使光纤推靠光纤弯曲表面3202，并且可以使用一个、两个、三个或更多个这样的引导件。如上所述，引导件3208可以由凹槽保持并且是可滑动的，或者可以联接到将引导件3208推向光纤弯曲表面3202的弹性构件。光纤弯曲表面3202可以具有各种简单或复杂的曲率，并且在至少一些部分中可以是凸的、凹的或平面的。引导件3208可以是球形或圆柱形的，并且被设置成沿着光纤弯曲表面3204滚动。在一些示例中，引导件3208被定位成推动光纤3210与光纤弯曲表面3202接触，以改变光纤3210的弯曲角度，或者弯曲光纤3210，同时在光纤3210和靠近引导件3208的光纤弯曲表面3202之间留下间隙3212。

参考图33A-33B，引导件3304被定位成将光纤3306推向光纤弯曲表面3308。光纤3306可以用夹具3310相对于光纤弯曲表面3308固定，或者以其他方式固定，使得符合光纤弯曲表面3208的光纤长度由引导件3304的位置确定。如图33B的截面图所示，光纤3306被保持在通道3312中，并且引导件3304包括对应于光纤弯曲表面3308中的凹槽3330、3331的突起3320、3321。

参考图34，圆盘的一部分3402限定了光纤弯曲表面3404。夹具3406将光纤3408固定到光纤弯曲表面3404，并且引导件3410可沿着光纤弯曲表面3404移动，以控制被推向光纤弯曲表面3404的光纤长度。引导件3410可以在凹槽中沿着表面移动和/或固定到允许旋转的轴上。如图35所示，环的一部分3502限定了光纤弯曲表面3504。提供夹具3506和引导件3510，来调节符合光纤弯曲表面3504的光纤长度。引导件3510可以在凹槽或其它地方沿着光纤弯曲表面3504滑动，或者联接到辐条上以沿着轴旋转。在一些示例中，光纤弯曲表面是可旋转的或可调节的，使得相对于光纤弯曲表面固定的夹具和引导件的分离是可调节的。例如，如图35所示，辐条3512可以允许引导件3510沿着光纤弯曲表面3504移动，和/或辐条3514可以联接以允许环3502相对于引导件3510旋转。光纤弯曲表面的这种旋转或移动可以通过限定光纤弯曲表面的圆盘、圆柱体或其他形状的旋转来实现。

如图36所示，VBC设备3600包括柔性板3602，柔性板3602被定位成通过线性致动器3608抵靠固定支撑件3604、3606弯曲，线性致动器3608将支承件3610推向柔性板3602。光纤3612固定到柔性板3602上，或者以其他方式定位，以便响应于柔性板3602的弯曲而弯曲。

图37A-37B示出了线轴3700，线轴3700包括凹槽或通道3704，凹槽或通道3704被配置为保持光纤3702的一个或多个回圈。线轴3700(或光纤围绕线轴3700)的旋转允许调整由光纤3702施加的光束扰动。可以提供允许改变基板上光纤缠绕的数量的其他设置，并且通常圆柱体的一部分就足够了。通常提供控制器，来通过控制步进电机或其他电机来选择缠绕的数量(圈数)，但是在一些示例中，圈数可以手动调节。虽然光纤3702与凹槽3704的径向最内部接触可能是方便的，但这不是必需的。

参考图38A-38B，VBC设备3800包括圆柱体3804，圆柱体3804被定位成响应于固定到圆柱体3804上的杆3812的平移而将光纤回圈3802压向第一钳口3806和第二钳口3808。一个或多个弹簧(例如，代表性弹簧3810)被定位成朝向光纤3802和圆柱体3804推动钳口3806、3808中的一个或两个。为了便于说明，图38A示出了没有变形的光纤回圈3802；利用图38B的配置，将获得光纤回圈3802的显著弯曲。可以使用各种形状来挤压光纤回圈3802，例如，圆柱形、球形、椭圆形、弓形或其他形状，并且为了便于说明，示出了圆柱体。

图39A-39D示出了具有图38A-38B的机构的各种接合的光纤形状。在图39A中，光纤保持为回圈3900，而没有弯曲或变形。图39B-39C示出了随着机构的接合增加而与钳口3806、3808和圆柱体3804接触的光纤部分3902、3904、3906。回圈3900的形状也改变了。

图40示出了用于扰动光束特性的VBC设备4000，其包括彼此相对地定位的第一组4002和第二组4004圆柱体或其他合适形状。光纤4008位于第一组4002和第二组4004之间，以便当第一组4002和第二组3004被推向彼此时光纤弯曲或变形。在图40中，示出了相同形状的圆柱体，但是任一组中的一个或多个圆柱体可以具有不同的直径，并且每组的每个表面可以使用不同的形状。

如图41所示，如果方便的话，可以在单个基板上限定多个光纤成形表面。板4100包括提供光纤成形表面的椭圆形或其他突起4101、4102、4103、4104。可以使用圆柱形、弓形、球形、抛物线形或其他形状。

图42示出了类似于图36的VBC设备4200，但是其中，柔性板4202通过线性致动器4208抵靠止动件4204、4206被拉动，线性致动器4208通过弹性或刚性联接器4210联接到柔性板4202。光纤4212被定位成符合柔性板4202的形状。

在图43A-43B所示的另一示例中，光束扰动机构4300包括圆柱体4304，圆柱体4304具有能够容纳驱动轴的中心孔4306。圆柱体4304的外表面4305用作光纤成形表面。在图43B中，光纤4302被显示为已经围绕圆柱体4304缠绕了几次。圆柱体4304的旋转可用于手动地或利用基于处理器的控制系统提供选定的光束扰动，该控制系统可将根据旋转角度变化的光束扰动特性存储在一个或多个非暂时性计算机可读介质中。

图44A-44B示出了VBC设备4400，其包括至少部分由离子聚合物复合材料(IPC)形成的并且具有第一主表面4404和第二主表面4405的基板4402。电极4406、4408分别位于第一主表面4404和第二主表面4405上或处。在一些情况下，存在中间层，例如，非导电层、保护层或制造或使用所需的其他层，但是这些层未示出。蛇形光纤回圈4410被固定到第一主表面4404，并且被成形为具有细长部分，例如，沿着右手笛卡尔坐标系4450的X轴延伸的细长部分4411。如图44B的截面图所示，响应于施加到电极4406、4408的电压，将电场施加到基板4402，产生Z向变形，使得第一主表面4404弯曲或折弯为表面4404A；这种变形在光纤回圈4410中产生光束扰动。可以产生其他方向的其他变形，并且光纤的直光纤长度、圆形回圈、部分回圈、蛇形长度和其他设置可以沿着X方向、Y方向在第一主表面4404或者第二主表面4405上定向，或者任意地定向。

在图45所示的另一示例中，VBC设备4500包括IPC基板4502，光纤蛇形回圈4504、4505(或以其他形状设置的圆形回圈或光纤)被固定到IPC基板4502上，从而经受IPC基板4502的弯曲。电极(例如，电极4506)设置在IPC基板4502的端部，但是可以位于其他部分或者覆盖基板4502。光纤端部4510、4511可用于将光束耦合到光束扰动装置4500内以及光束扰动装置4500外。如在上面讨论的其他示例中，光纤蛇形回圈4504、4505可以是单根光纤(第一光纤)或者具有接头的第一光纤和第二光纤。

图46示出了VBC系统4600，其包括将一个或多个光束耦合到光束扰动装置4602的输入光学器件4601和接收一个或多个被扰动光束以传送到基板或用于其他用途的输出光学器件4604。控制系统4608可以包括控制电路、处理器(例如，微处理器或其他可编程逻辑器件)、存储用于控制光束扰动装置4602的处理器可执行指令的存储器，例如，RAM或ROM，其包括一个或多个校准表，该校准表包含作为光束扰动装置驱动电平的函数的光束扰动。在一些情况下，光束扰动装置4602可以包括一个或多个致动器或电机，例如，线性或步进电机、压电工作台、压电致动器、压电弯曲电机、双金属片(具有热控制)、旋转电机或音圈电机。或者，控制系统可以包括数模转换器(DAC)，用于设置光束扰动装置的驱动电平。例如，基于IPC的光束扰动装置响应由DAC提供的外加电压。通常提供用户界面(UI)4612，其可以包括一个或多个计算机输入或指示装置，例如，鼠标、触控板、键盘或触摸屏，用于设置、调整以及记录和存储光束扰动值。在一些情况下，控制是经由远程网络连接进行的，并且控制系统4608包括有线或无线网络接口。UI 4612还可以包括开关、电位计和用于控制光束扰动装置4602的其他装置。在一些示例中，光束扰动装置4602包括控制系统。

在一些示例中，传感器4610被定位成确定光束扰动装置的光束扰动或状态。传感器4610耦合到控制系统4608，以校正光束扰动中的误差和漂移，和/或验证光束扰动装置是否按预期运行。例如，包括离子聚合物层的VBC设备可以设置有一个或多个附加电极，这些附加电极联接到放大器或其他电路，以产生指示层变形的信号。该信号可用于稳定离子聚合物的变形。在其他VBC设备中，可以包括位置、旋转、距离或其他传感器，从而可以检测和控制扰动装置产生的扰动，以保持所选定的扰动。

图47A示出了VBC设备4700，其中，光纤4702被固定到支撑件4704、4706或由支撑件4704、4706引导。光纤偏转构件4708(出于例示说明的目的示出为具有圆形横截面)被定位成偏转光纤4702的端部4703。端部4703可以包括接头区域4704，第一光纤和第二光纤在接头区域4704中拼接。光纤偏转构件4708被定位成推压光纤4702以增加光纤偏转，以及拉动光纤以减少光纤偏转，但是可以被定位成推压以减少偏转，以及拉动以增加偏转。

在图47B所示的另一示例中，VBC设备4720包括与支撑件4724接触、被固定到支撑件4724或以其他方式由支撑件4724约束的光纤4722。光纤偏转构件4728被定位成在第一光纤部分和第二光纤部分被拼接在一起的接头区域4730处、附近或其中的位置偏转光纤4722。光纤偏转构件4708、4728可以具有各种形状和尺寸，并且可以联接到提供位移的压电装置、线性电机或其他致动器。

在图47C所示的另一示例中，VBC设备4750包括与支撑件4754、4756接触、被固定到支撑件4754、4756或以其他方式由支撑件4754、4756约束的光纤4752。光纤偏转构件4758被定位成在第一光纤部分和第二光纤部分被拼接在一起的接头区域4760处、附近或其中的位置偏转光纤4752。

VBC设备4700、4720、4750不包括光纤弯曲表面。这种表面在如上所示的一些实施例中是方便的，但不是必需的。在图47A-47C的示例中，使用了光纤偏转。光纤偏转构件4708、4728、4758可以具有各种形状和尺寸，并且可以联接到压电装置、线性电机或其他致动器，以提供位移。

已经参考图示的实施例描述和示出了所公开技术的原理，将会认识到，在不脱离这些原理的情况下，可以在设置和细节上修改图示的实施例。为了便于例示说明，提供了上面的特定设置，并且可以使用其他设置。

Claims (34)

1.一种设备，包括：

第一光纤，所述第一光纤被定位成接收输入光束，所述第一光纤具有第一折射率轮廓；

光纤成形表面，所述光纤成形表面被定位成使得至少所述第一光纤的一部分被推动以符合所述光纤成形表面；

弯曲控制器，所述弯曲控制器被定位成选择所述第一光纤的被推动以符合所述光纤成形表面的所述一部分的长度，或者选择所述光纤成形表面的曲率，以扰动所述输入光束并产生经修改的光束；以及

第二光纤，所述第二光纤耦合到所述第一光纤并且被定位成接收所述经修改的光束，所述第二光纤具有第二折射率轮廓，所述第二折射率轮廓被选择成保持所述经修改的光束的至少一个光束特性。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面是柔性表面。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光纤成形表面是柔性板的主表面。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述柔性板包括离子聚合物复合材料。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述柔性板包括第一主表面和第二主表面，并且所述设备还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被定位成使得所述离子聚合物的至少一部分位于所述第一电极和所述第二电极之间。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一电极和所述第二电极是基本覆盖所述第一主表面和所述第二主表面的导电层。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述弯曲控制器是电压源。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述设备还包括：

第二组电极，所述第二组电极被定位于所述离子聚合物周围；以及

传感器，所述传感器联接到所述第二组电极，以检测所述柔性板的变形，其中，所述弯曲控制器联接到所述传感器并基于由所述传感器检测的电压建立被施加到所述离子聚合物的电压。

9.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一光纤被定位成沿着所述光纤成形表面的曲率方向延伸。

10.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一光纤包括一个或多个细长的回圈，并且所述光纤的符合所述光纤成形表面的所述一部分包括所述回圈的被定位成在所述光纤成形表面的曲率方向上延伸的一个或多个部分。

11.根据权利要求2所述的设备，其中，所述设备还包括位移构件，所述位移构件联接到所述柔性板，以改变所述光纤成形表面的曲率。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述位移构件被联接以推靠所述柔性板。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述设备还包括联接到所述位移构件的压电致动器，其中，所述位移构件被联接以拉动所述柔性板。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面包括多个光纤成形表面，其中，所述多个光纤成形表面中的至少两个具有不同的表面曲率，并且所述多个光纤成形表面中的每一个被定位成使得至少所述第一光纤的多个部分被推动以符合至少两个相应的光纤成形表面，并且所述弯曲控制器被定位成选择至少所述第一光纤的待推动以符合所述多个光纤成形表面中相应的光纤成形表面的所述一部分的长度。

15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述柔性板沿所述光纤成形表面的曲率方向在相应的端部被固定住。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面具有固定的曲率。

17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面是环的表面或环的一部分的表面。

18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面是圆柱体的外表面。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述圆柱体是直圆柱体。

20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述弯曲控制器被定位成改变所述第一光纤的符合所述光纤成形表面的所述一部分的长度。

21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括引导件，所述引导件相对于所述柔性表面可滑动地固定并且被定位成接合所述光纤，使得所述光纤的被推动以符合所述光纤成形表面的所述一部分的长度能够响应于所述引导件沿着所述光纤成形表面的移动而变化。

22.根据权利要求20所述的设备，其中，所述引导件包括接合所述第一光纤的凹槽。

23.根据权利要求21所述的设备，其中，所述引导件是能够滑动的，使得所述光纤的符合所述光纤成形表面的所述一部分的长度大于由所述光纤成形表面限定的周长。

24.根据权利要求20所述的设备，其中，所述设备还包括连接构件，所述连接构件可旋转地固定在旋转轴处并固定到所述引导件，使得所述引导件围绕所述轴的旋转沿着所述光纤成形表面推动所述引导件。

25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述光纤成形表面具有包括多个圆形曲率的复合曲率，并且所述旋转轴对应于所述多个圆形曲率中的一个的曲率中心。

26.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光纤成形表面由心轴表面的一部分限定，并且所述弯曲控制器包括钳口，所述钳口被定位成朝向所述心轴表面的所述一部分推动所述第一长度光纤。

27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述第一光纤形成回圈的位于所述心轴周围的至少一部分。

28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述弯曲控制器包括被定位成朝向所述第一长度光纤推动所述心轴的工作台。

29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述第一光纤和所述第二光纤形成所述回圈的所述至少一部分，所述设备还包括耦合所述第一光纤和所述第二光纤的接头，其中，所述钳口被定位成朝向所述心轴表面的所述一部分推动所述第一长度光纤、所述第二光纤的一部分以及所述接头。

30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述钳口包括相对于所述工作台的位移轴相对地定位的第一钳口和第二钳口，所述第一钳口和第二钳口联接到第一弹性构件和第二弹性构件，每个弹性构件被定位成朝向所述心轴表面推动相应的钳口表面。

31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述弯曲控制器被配置为朝向所述第一钳口表面和所述第二钳口表面推动所述心轴，以便选择所述第一光纤的被推动以符合所述光纤成形表面的所述一部分、所述第二光纤的被推动以符合所述光纤成形表面的一部分、以及所述回圈的不接触所述光纤弯曲表面、所述第一钳口或所述第二钳口的至少一部分的曲率。

32.一种设备，包括：

第一光纤，所述第一光纤被定位成接收输入光束，所述第一光纤具有第一折射率轮廓；

弯曲控制器，所述弯曲控制器被定位成选择所述第一光纤的至少一部分的弯曲，以扰动所述输入光束并产生经修改的光束；以及

第二光纤，所述第二光纤耦合到所述第一光纤并且被定位成接收所述经修改的光束，所述第二光纤具有第二折射率轮廓，所述第二折射率轮廓被选择成保持所述经修改的光束的至少一个光束特性。

33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第一光纤的所述一部分从光纤支撑件延伸。

34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第一光纤的所述一部分位于第一光纤支撑件和第二光纤支撑件之间。

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