CN110914728B

CN110914728B - 用于改变光束特性的光纤耦合装置

Info

Publication number: CN110914728B
Application number: CN201880047649.5A
Authority: CN
Inventors: D·A·V·克莱尔; R·法罗
Original assignee: NLight Inc
Current assignee: NLight Inc
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: EP3631543A4; CN110915078A; WO2018217309A1; CN114185176A; JP7431582B2; EP3631919A4; EP3631917A4; US20200319408A9; US10656330B2; CN110914728A; CN110959232A; WO2018217308A1; CN115963601A; CN110892304A; CN110892593A; WO2018217302A1; EP3631915A4; US10877220B2; EP3631543A1; CN110944787A

Abstract

本文公开了用于提供光束传送系统的方法、设备和系统，该光束传送系统包括光纤，该光纤包括：第一长度光纤，其包括第一RIP，该第一RIP被形成为能够通过扰动组件来修改光束的一个或多个光束特性，该扰动组件被设置为修改该一个或多个光束特性且耦合到第一长度光纤或与第一长度光纤成一体或是其组合；和第二长度光纤，其耦合到第一长度光纤并具有第二RIP，该第二RIP被形成为在一个或多个第一限制区域内保持由扰动组件修改的光束的一个或多个光束特性的至少一部分。光束传送系统可包括光学系统，该光学系统耦合到第二长度光纤且包括一个或多个自由空间光学器件，该光学器件被配置为接收和发送包含经修改的一个或多个光束特性的光束。

Description

用于改变光束特性的光纤耦合装置

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

本公开涉及用于修改激光束特性的方法和设备。

背景技术

激光束空间和发散度分布(“光束特性”)的控制在许多应用中都很重要。在许多传统的光学加工系统中，激光束经由光纤和从光纤接收光束的光学器件引导至工件。虽然从光纤接收光束的光学器件可以产生选定的光束特性，但是在不将显著的复杂性、成本、尺寸、重量、光损耗或其他不期望的特性引入光学系统的情况下，这种光束特性往往难以改变。通常，光束传送光纤输出端的光束特性是固定的，并且传送光纤下游的光学器件(例如，加工头)将光束转换成具有另一组固定特性的光束(例如，通过对传送光纤的输出进行成像)。由于相同的原因，随着加工或其他应用需求的变化(或在需要多光束轮廓的应用中)，调整可用的激光器以满足变化的需求，这可能具有挑战性。

其他实际问题使得现场光束修改变得困难。许多高功率激光系统包括安全联锁和功率监控系统，以给操作员提供安全并控制信号，这些信号有助于检测激光输出异常，从而允许在光学损坏之前进行激光修复或调整。这种联锁和监控系统是内置的，并且许多期望的重新配置使这些安全措施无效，或者需要复杂、精细的调整来重置。

虽然光纤拼接在通信应用中非常简单，但将拼接引入高功率激光系统可能具有挑战性。用于将高功率激光耦合到其他光纤的拼接通常必须封装、消除应变、涂覆或以其他方式机械保护，并且拼接区域通常必须进行光学和热监控，以检测不可接受的操作条件。因此，在这种应用中拼接光纤往往是不切实际的，特别是对于通常无法接触到激光器制造商所使用的工艺和装配工具的最终用户。因此，需要改进的方法来提供可变和可控的光束轮廓，尤其是适合于重新配置已安装的高功率激光器的方法。

发明内容

本文至少公开了用于改变光束特性的方法、系统和设备。该方法可包括：扰动在第一长度光纤内传播的光束，以调整在第一长度光纤或第二长度光纤或其组合中的光束的一个或多个光束特性；将被扰动的光束耦合到第二长度光纤中；并且在具有一个或多个限制区域的第二长度光纤内保持经调整的一个或多个光束特性的至少一部分。该方法还可包括生成从第二长度光纤中输出的所选择的输出光束，该输出光束具有响应于对第一长度光纤的第一折射率轮廓(RIP)或第二长度光纤的第二RIP或其组合的选择而被调整的光束特性。在一些示例中，基于对第一长度光纤的一个或多个芯尺寸或第二长度光纤的一个或多个限制区域尺寸或其组合的选择来调整被扰动光束的一个或多个光束特性，以生成响应于扰动第一长度光纤的经调整的光束，该经调整的光束在第二长度光纤的输出端具有经调整的以下项：光束直径、发散度分布、光束参数积(BPP)、强度分布、亮度、M²值、数值孔径(NA)、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。在一些示例中，该方法包括通过弯曲第一长度光纤来改变弯曲半径或改变第一长度光纤的弯曲区域的长度或其组合以扰动光束，使得光束的一个或多个模式相对于第一长度光纤的纵轴径向地移位，其中，第二长度光纤具有限定第一限制区域和第二限制区域的RIP。在一些示例中，通过将光束限制在第二长度光纤的两个或更多个限制区域中，产生经调整的一个或多个光束特性。示例方法还可包括将被扰动光束从第一长度光纤发射到第一限制区域或第二限制区域或其组合中，使得光束的一个或多个经移位的模式选择性地耦合到并保持在第一限制区域或第二限制区域或其组合中。所公开的方法可包括通过扰动第一长度光纤或第一长度光纤中的光束或其组合来扰动光束的一个或多个光束特性，以调整在第二长度光纤的输出端的光束的至少一个光束特性。扰动第一长度光纤可包括弯曲、在特定长度上弯曲、微弯曲、施加声光激励、热扰动、拉伸或施加压电扰动或其任意组合。第二长度光纤可包括包含中心芯的第一限制区域和包含包围第一限制区域的环形芯的第二限制区域。调整光束的一个或多个光束特性可包括选择第一长度光纤的RIP，以在调整之后生成最低阶模式、一个或多个高阶模式或其组合的期望模式形状。在一些示例中，第一长度光纤具有芯，该芯具有径向地跨越芯的一些部分或全部的抛物线折射率轮廓。可以选择第一长度光纤的RIP，以增加或减小最低阶模式、较高阶模式或其组合的响应于对光束的扰动的宽度。第一长度光纤或第二长度光纤或其组合可包括至少一个发散结构，该发散结构被配置为修改光束的发散度轮廓。限制区域可以由一个或多个包层结构分隔开，并且该发散结构可设置在至少一个限制区域内，该至少一个限制区域与包层结构分隔开并且包括折射率低于与发散结构相邻的限制区域的材料。在一些示例中，第二长度光纤可以是方位上不对称的。

本文公开的设备可包括一种光束传送装置，包括：第一长度光纤，该第一长度光纤包括第一RIP，该第一RIP被形成为能够通过扰动装置修改光束的一个或多个光束特性；和第二长度光纤，该第二长度光纤具有第二RIP且耦合到第一长度光纤，该第二RIP被形成为将光束的经修改的光束特性的至少一部分限制在一个或多个限制区域内。在一些示例中，第一RIP和第二RIP不同。在一些示例中，第二长度光纤包括多个限制区域。扰动装置可耦合到第一长度光纤或与第一长度光纤成一体或其组合。第一长度光纤可以在至少径向中心部分中包括梯度折射率RIP，并且第二长度光纤具有第一限制区域和第二限制区域，第一限制区域包括中心芯，第二限制区域是环形的并且包围第一限制区域。第一限制区域和第二限制区域可由包层结构分隔开，该包层结构的折射率低于第一限制区域和第二限制区域的折射率。该包层结构可包括氟硅酸盐材料。第一长度光纤或第二长度光纤或其组合可包括至少一个发散结构，该发散结构被配置为修改光束的发散度轮廓，并且发散结构可包括折射率低于包围发散结构的第二材料的第一材料。第二长度光纤可以是方位上不对称的，并且可包括包含第一芯的第一限制区域和包含第二芯的第二限制区域。在一些示例中，第一限制区域和第二限制区域可以是同轴的。在其他示例中，第一限制区域和第二限制区域可以是不同轴的。在一些示例中，第二限制区域可以是新月形的。第一RIP在具有第一半径的第一部分中可以是抛物线形的。在一些示例中，第一RIP在具有第二半径的第二部分中可以是恒定的，其中，第二半径大于第一半径。第一RIP可以包括延伸到第一长度光纤的芯的边缘的径向梯度折射率，其中，第一RIP被形成为增加或减小光束的一个或多个模式的响应于扰动装置对光束特性的修改的宽度。第一长度光纤可具有延伸到第一半径的径向梯度折射率的芯，随后是延伸到第二半径的恒定折射率部分，其中，第二半径大于第一半径。在一些示例中，第二长度光纤包括直径在约0-100微米范围内的中心芯、包围中心芯的直径在约10-600微米范围内的第一环形芯和直径在约20-1200微米范围内的第二环形芯。扰动装置可包括弯曲组件，该弯曲组件被配置为改变弯曲半径或改变第一长度光纤的弯曲长度或其组合，以修改光束的光束特性。在一些示例中，扰动组件可包括弯曲组件、心轴、光纤中的微弯曲、声光换能器、热装置、光纤拉伸器或压电装置、或其任意组合。第一长度光纤和第二长度光纤可以是拼接在一起的独立的无源光纤。

本文公开的系统可包括一种光束传送装置，其包括：包含第一长度光纤和第二长度光纤的光纤；以及耦合到第二长度光纤的光学系统，该光学系统包括一个或多个自由空间光学器件，该自由空间光学器件被配置为接收和发送包含经修改的光束特性的光束。第一长度光纤包括第一RIP，该第一RIP被形成为能够通过扰动组件至少部分修改光束的一个或多个光束特性，该扰动组件被设置为修改一个或多个光束特性，扰动组件可以耦合到第一长度光纤或与第一长度光纤成一体或是其组合。第二长度光纤可耦合到第一长度光纤，并且可包括第二RIP，该第二RIP被形成为在一个或多个第一限制区域内保持由扰动组件修改的光束的一个或多个光束特性的至少一部分。在一些示例中，第一RIP和第二RIP不同。

光束传送系统还可包括耦合在第一加工头和光学系统之间的第一加工光纤，其中，第一加工光纤被配置为接收包含经修改的一个或多个光束特性的光束。第一加工光纤可包括第三RIP，该第三RIP被配置为在第一加工光纤的一个或多个第二限制区域内保持光束的经修改的一个或多个光束特性的至少一部分。在一个示例中，自由空间光学器件的至少一部分可被配置为进一步修改光束的经修改的一个或多个光束特性。该一个或多个光束特性可包括光束直径、发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M²值、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。第三RIP与第二RIP可以相同或不同。第三RIP可被配置为进一步修改光束的经修改的一个或多个光束特性。在一些示例中，一个或多个第二限制区域中的至少一个包括至少一个发散结构，该发散结构被配置为修改光束的发散度轮廓。该发散结构可包括由比第二限制区域的折射率低的材料形成的区域。

光束传送系统还可包括具有第四RIP的第二加工光纤，该第二加工光纤耦合在光学系统和第二加工头之间，其中，第二加工光纤可被配置为在第二加工光纤的一个或多个第二限制区域内接收包含经修改的一个或多个光束特性的光束。在一些示例中，第一加工光纤或第二加工光纤或其组合可被配置为进一步修改光束的经修改的一个或多个光束特性。第二加工光纤可包括至少一个发散结构，该发散结构被配置为修改光束的发散度轮廓。第二加工光纤可包括由一个或多个第二限制区域中的至少一个包围的中心芯，其中，芯和第二限制区域由包层结构分隔开，该包层结构的第一折射率低于中心芯的第二折射率和第二限制区域的第三折射率，其中，第二限制区域可包括至少一个发散结构。该至少一个发散结构可包括由比第二限制区域的折射率低的材料形成的区域。在一个示例中，第二RIP可不同于第三RIP或第四RIP或其组合。或者，第二RIP与第三RIP或第四RIP或其组合可以相同。可修改的一个或多个光束特性可包括光束直径、发散度分布、BPP、强度分布、亮度、M²值、NA、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。

在一些示例中，自由空间光学器件的至少一部分可被配置为进一步修改光束的经修改的一个或多个光束特性。第一加工光纤可以耦合在第一加工头和光学系统之间，其中，第一加工光纤被配置为接收包含经两次修改的一个或多个光束特性的光束。第一加工光纤可具有第三RIP，该第三RIP被配置为在第一加工光纤的一个或多个第二限制区域内保持光束的经两次修改的一个或多个光束特性的至少一部分。第三RIP可不同于第二RIP，其中，第三RIP被配置为进一步修改光束的经两次修改的一个或多个光束特性。

在一些示例中，第一加工光纤可包括发散结构，该发散结构被配置为进一步修改光束的经两次修改的一个或多个光束特性。在一些示例中，第二加工光纤可耦合在光学系统和第二加工头之间，其中，第二加工光纤被配置为接收经两次修改的一个或多个光束特性。

在一些示例中，第一加工光纤或第二加工光纤或其组合可被配置为进一步修改光束的经两次修改的一个或多个光束特性。第一加工光纤或第二加工光纤或其组合可包括至少一个发散结构，该发散结构被配置为进一步修改光束的经两次修改的一个或多个光束特性。光学系统可以是光纤-光纤耦合器、光纤-光纤开关或加工头等或其组合。

在其他示例中，设备包括光束耦合器，其被定位成接收输入光束并产生输出光束，其中，由光束耦合器限定的光学路径包括自由空间部分。VBC装置耦合到光束耦合器，并且包括输入光纤、扰动组件和输出光纤，其中，输入光纤光学耦合到输出光纤。扰动组件耦合到输入光纤和输出光纤中的至少一个，以修改从光束耦合器接收的输出光束的一个或多个光束特性，使得输出光纤传送经修改的光束。输出光纤具有保持由扰动组件修改的一个或多个光束特性的至少一部分的折射率轮廓。在一些示例中，输入光纤的折射率轮廓(RIP)不同于输出光纤的RIP。在一些实施例中，光束耦合器包括至少一个透镜，该透镜被定位成将由光束耦合器产生的输出光束引导至VBC装置的输入光纤。在其他示例中，光束耦合器的至少一个透镜包括第一透镜和第二透镜。第一透镜被定位成接收非导向输入光束并将准直光束传送到第二透镜，第二透镜被定位成将准直光束聚焦到VBC装置的输入光纤。

根据一些示例，光束耦合器包括光纤-光纤耦合器(FFC)，该光纤-光纤耦合器包括至少一个透镜，该透镜被定位成接收来自光纤的光束并将来自光纤的光束引导至VBC装置的输入光纤。FFC的至少一个透镜包括第一透镜和第二透镜。第一透镜被定位成接收来自光纤的光束并将准直光束传送到第二透镜，第二透镜被定位成将准直光束聚焦到VBC装置的输入光纤。在进一步的示例中，光束传送光纤被耦合以将来自光束耦合器的输出光束提供给VBC装置的输入光纤。通常，光束传送光纤的RIP不同于VBC装置的输入光纤和输出光纤的RIP。在一些示例中，一个或多个光束特性包括光束直径、发散度分布、光束参数积(BPP)、强度分布、亮度、M²值、数值孔径(NA)、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。

代表性方法包括：接收输入光束并允许输入光束作为非导向光束传播；并且将传播的非导向光束耦合到具有第一RIP的第一长度光纤。通过扰动第一长度光纤来修改耦合到第一长度光纤的光束的一个或多个光束特性。将经修改的光束从第一长度光纤耦合到具有第二RIP的第二长度光纤，该第二RIP被形成为在一个或多个第一限制区域内保持经修改的一个或多个光束特性的至少一部分，其中，第一RIP和第二RIP不同。在一些实施例中，从光纤接收输入光束，并且用透镜聚焦到第一长度光纤。在其他示例中，输入光束是用透镜聚焦到第一长度光纤的非导向光束。在另外的示例中，输入光束是用第一透镜准直并且用第二透镜聚焦到第一长度光纤的非导向光束。

在又一些示例中，设备包括光束传送系统，其被光学耦合以接收激光束，其中，光束传送系统包括：输入光纤；输出光纤，其被光学耦合到输入光纤；以及扰动组件，其耦合到输入光纤和输出光纤中的至少一个，以修改接收的激光束的一个或多个光束特性，并从输出光纤传送经修改的激光束。输入光纤和输出光纤具有不同的RIP，并且光束传送系统限定包括自由空间部分的光学路径。在一些示例中，FFC被定位成接收激光束并将激光束耦合到输入光纤，其中，FFC限定光学路径的自由空间部分。在其他示例中，激光输入光纤被定位成接收激光束并将激光束耦合到FFC。在另外的示例中，光束传送光纤光学耦合到输出光纤，输入光纤、输出光纤和光束传送光纤具有不同的RIP。根据一些示例，光纤-光纤光学开关被定位成使得输入光纤可切换地耦合，以接收来自激光器的激光束，并且光学路径的自由空间部分由光纤-光纤光学开关限定。在进一步的示例中，激光器被定位成在激光输出光纤处提供激光束，并且光束传送系统包括被定位成接收来自激光器的激光束的FFC。FFC包括被定位成准直来自激光输出光纤的激光束的第一透镜和被定位成将准直的激光束引导至输入光纤的第二透镜，其中，激光输出光纤的RIP不同于输入光纤的RIP。在一些实施例中，第一透镜的焦距不同于第二透镜的焦距。

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；

图29示出了具有拼接到光束修改系统的输入光纤的输出光纤的激光系统；

图30示出了具有通过光纤-光纤耦合器(FFC)耦合到光束修改系统的输入光纤的输出光纤的激光系统；

图31示出了包括将激光输出光束耦合到光束修改系统的FFC和将形状修改的光束传送到一个或多个选定的目标区域的光学系统的激光加工系统；

图32示出了具有拼接到具有串联的输入光纤的光束修改系统的输出光纤的激光系统；

图33示出了激光系统，其中，非导向激光束耦合到VBC装置；

图34示出了激光系统，其中，激光器耦合到FFC，然后该FFC耦合到VBC装置；

图35示出了包括选择性地将激光束耦合到一个或多个VBC装置的光纤-光纤开关的激光系统；

图36示出了可选的激光系统，其中，非导向激光束耦合到VBC装置。

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。

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端)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％。

21.“光学路径”是指光束在穿过包括光学元件之间的空间的光学系统时所采用的路径。光学路径长度与光学路径的实际长度相关，但也包括与位于光学路径上的任何光学介质的折射率相关的贡献。

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。

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^o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^o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，使用两个透镜，在大多数实际示例中，两个透镜的焦距产生的放大率在0.8和1.2之间(即，透镜的焦距比在0.8和1.2之间)，尽管其他值也是可能的并且有时使用其他值。

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引导至自由空间光学组件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引导至自由空间光学组件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引导至自由空间光学组件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。工作台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。

上述VBC装置可以耦合到任何光源，以便能够修改光束特性。因此，这种VBC装置与光源的最小变化相关联。例如，对于光纤耦合的二极管激光器、固态激光器或光纤激光器，不需要改变输出光纤、输出光连接器、操作软件和/或激光安全联锁系统。在高功率激光器的应用中，这种改变是极其复杂的。用于耦合高功率激光输出的光纤通常包括连接器(或连接器组件)，该连接器相对于激光束精确定位并配备有冷却或保护材料。在某些情况下，承受高光功率的光纤接头需要保护，并且需要重新涂覆、灌封或其他保护措施。在其他情况下，监控接头和/或连接器，以评估散射或其他光功率水平，或利用一个或多个检测器、热敏电阻或其他装置确定连接器、光纤或接头温度。高功率系统还包括安全联锁装置，响应于输出光纤中的光功率而激活该安全联锁装置，并且对输出光纤的任何干扰都需要对安全联锁装置进行修改。最后，这种干扰会在激光系统的不同位置导致不安全的光功率，产生光学损坏，无效保证，或引起其他类型的安全问题，例如，火灾。

参考图29，光学系统2900包括激光系统2901，激光系统2901包括将光束耦合到整体输出光纤2904的激光器2902。激光系统2901通常经由具有预定特性的输出光纤2904产生输出光束。如示意性示出的，输出光纤2904耦合到以下元件中的一个或多个：温度传感器2908，例如，热敏电阻(T)；光电检测器(PD)2906，其被定位成检测光束在与输出光纤2904相关联的芯、包层、涂层或其他保护或屏蔽涂层或外壳中的一个或多个中传播的部分；或者温度控制装置2910，例如，散热器(HS)。光电探测器2906、温度传感器2908和散热器2910联接到控制器2911，控制器2911调节温度、光束功率，并且通常提供安全联锁，使得激光器2902响应于光电探测器2906检测到的不在对人员安全的范围内或者不在与激光器操作相关联的可靠性或损坏限度内的光功率而停用。光纤2904通常被定位成接收来自激光器2902的光束，以避免操作问题，并且优选由制造商耦合到激光器2902。光纤2904的扰动(例如，添加或移除光学连接器、光学拼接或缩短光纤2904)通常会导致足够大的操作差异，使得控制器2911不再能够检测潜在的不安全或破坏性操作条件，并且差异会导致触发安全联锁，使得激光系统2901停止产生光束。

如图29所示，激光系统2900包括光学接头2912，其将输出光纤2904耦合到第一光纤2914，第一光纤2914适于用作VBC装置2916的一部分。光学接头2912和第一光纤2914通常在激光器制造期间或工厂组装期间耦合到激光器2902。在一些情况下，光学接头2912和第一光纤2914不需要改变激光束空间轮廓，而是用于提供连接到包括扰动单元2918和第二光纤2920的VBC装置2916的适当连接。通常，VBC装置2916联接到控制器2911，使得用控制器2911选择调制或衰减。在其他示例中，手动控制VBC装置2916。

如上所述，尽管如图29所示，光学接头可用于将高功率激光器耦合到VBC装置，但接头特性通常必须严格控制，以避免接头处的光学损伤、对激光器2902的背向反射，并避免不安全的光束泄漏。如果任何这样的接头特性倾向于导致这样的故障或危险状况，则控制器2911通常被配置成检测这种状况并适当地控制激光器2902。这种状况的检测通常需要输出光纤2904及其与激光器2902的耦合保持不受原始工厂设置的干扰。激光器2902、输出光纤2904或控制器2911提供的联锁响应于接头的安装而发生变化是不希望的，并且难以或不可能被激光系统用户满意地实现。因此，第一光纤2914到激光输出光纤2904的工厂安装(拼接)避免了在现场进行激光调整的需要。在替代示例中，激光输出光纤2904可以被选择为适合于随后的光束轮廓调整，但是由于对激光产生的可能影响，这种替换可能是不期望的。

利用拼接到激光器2902的合适光纤2914，用户可以根据需要相对于扰动组件2918和第二光纤2920定位第一光纤2914。第一光纤2914和输出光纤2904可以与熔接接头2912光学耦合(或者以其他方式光学耦合)。虽然这些附加的耦合会导致附加的复杂性，但是激光器2902的基本配置不会改变，并且控制器2911的热、光和其他监视和控制可以继续。然而，熔接接头2912通常必须由激光器制造商或供应商引入，以允许安全联锁和监控系统可靠地工作。在大多数实际示例中，用户在这种设置之外进行熔接拼接是不令人满意的。

在图30所示的替代示例中，激光系统3000包括将激光束耦合到激光输出光纤3004的激光器3002。在这个示例中，光纤3004耦合到光电探测器3006和散热器3008，其温度可以用热敏电阻3010或其他热传感器来监控。在一些情况下，热电冷却器或其他冷却装置可以耦合到激光输出光纤3004。激光输出光纤3004终止于光学连接器3012。

FFC 3020在光学连接器3012中提供的光纤表面处光学耦合到激光输出光纤3004。FFC 3020包括透镜3022，其接收来自连接器3012的发散光束3024，并将会聚光束3026耦合到VBC装置3030的输入光纤3032中。透镜3022可以被定位成使得发散光束3024和会聚光束3026具有不同的光束数值孔径，以例如适应不同的光纤数值孔径。输入光纤3032光学耦合到输出光纤3034，并且光纤3032、3034中的至少一个耦合到扰动组件3038，扰动组件3038响应于来自控制器3040的控制信号在光束特性中产生扰动。扰动组件3038、输入光纤3032和输出光纤3034可以是上述任何实施例中的任何一种。通常，光纤3032、3034中的一个或两个的扰动施加在耦合部3036处或附近，例如，熔接接头、对接耦合部或邻近耦合部。

FFC 3020允许VBC装置3030耦合到激光器3002，而不干扰激光器系统3000的传感器、联锁和光学控制。如上所述，激光输出光纤3004与VBC装置3030的输入光纤3032的直接耦合可能与加热、反射或其他操作变化相关联，这些变化对于高功率激光器通常是不期望的，并且难以适应，尤其是在用户安装时。

图31示出了加工系统3100，其包括将加工光束耦合到光纤3104的激光器3102。包括透镜3108、3110的FFC 3106接收加工光束并将加工光束耦合到VBC装置3112的输入光纤3114。输出光纤3118被定位成接收来自界面区域3116的加工光束，并将成形的加工光束引导至激光加工光学器件3130。VBC装置3112包括可绕轴线3124旋转的滚筒3120。输入光纤3114和输出光纤3118中的一个或两个接触滚筒3120或以其他方式响应于滚筒3120的旋转而变形，以产生可变光束扰动。

成形光束被引导至激光加工光学器件3130，激光加工光学器件3130包括聚焦光学器件3132、附加的光束成形光学器件3134(例如，光束扩展器、变形透镜、变形棱镜或其他光学元件)以及将成形光束扫描到基板3140上的一个或多个位置的扫描仪3136。扫描仪3136可以包括一个或多个多边形反射镜、检流计、电光、声光或其他光束扫描系统或元件。基板3140通常由基板台3142保持，基板台3142可以改变基板3140相对于成形光束的位置。处理器控制器3150联接到激光器3102、VBC装置3112、激光加工光学器件3130和基板台3142，用于控制激光束功率、重复率、波长、脉冲长度、偏振状态、光束聚焦位置和尺寸、光束形状、扫描仪区域和速率、扫描位置的停留时间以及基板3140经由基板台的平移。在任何特定基板的加工过程中，可能需要这些参数中任何一个的多个值。例如，加工控制器3150可以联接到VBC装置3112，以针对不同的加工步骤产生不同尺寸和形状的光束，或者在一个或多个加工步骤期间改变光束形状和尺寸。

参考图32，激光加工系统3200包括具有激光器3204的激光系统3202，激光器3204被耦合以将光束引导至激光输出光纤3205中。光电二极管、热敏电阻、散热器或其他监控或保护装置3206被耦合到激光器3204或激光输出光纤3205，以提供例如安全联锁。激光输出光纤3205通过接头3208或光学连接器耦合到VBC装置3220的第一输入光纤3210。第一输入光纤3210被选择为具有与激光输出光纤3205基本相同的芯直径和数值孔径，并且可以基于激光输出光纤3205上安装的连接器来选择连接器。VBC装置3220还包括第二输入光纤3214，其通过接头3212或其他耦合器耦合到第一输入光纤3210。扰动装置3216与第二输入光纤3214和光束输出光纤3218中的至少一个接触或接近。控制器3230联接到VBC装置3220和激光系统3202。接头3212可以在受控设置中提供，并且第二输入光纤3212可以根据光束特性扰动的需要来选择，并且通常具有如上所述的RIP。

参考图33，激光系统3300包括激光器3304，激光器3304产生光束3302，光束3302被引导至光束-光纤耦合器3310，光束-光纤耦合器3310通常包括透镜，该透镜被定位成接收光束3202并将光束3202聚焦到VBC装置3312的输入光纤3313中。基于来自VBC控制器3320的控制信号，经由输出光纤3314输出具有优选光束特性的光束。这种设置倾向于减少VBC装置3312和其他组件与激光器3304的相互作用。参考图34，激光器3402将激光束引导至耦合到FFC 3406的光纤3404。FFC 3406对来自激光器3402的光束进行成形，以耦合到输出光纤3408。FFC 3406的输出光束通过输出光纤3408耦合到接头3410(或其他耦合部)和VBC装置3414的输入光纤3412。VBC装置3414的输出光纤3416将成形的输出光束耦合到具有由VBC装置3414控制的光束轮廓的目标或附加的光学器件。

参考图35，激光器3502经由光纤3504将光束引导至光纤-光纤开关(FFS)3506。FFS3506包括可切换地耦合到透镜3509、3510、3511的输入透镜3508，透镜3509、3510、3511可以根据反射器3507的位置选择将光束或光束的一部分耦合到相应的光纤3513、3514、3515。如图35所示，VBC装置3518、3520耦合到光纤3513、3514，从而可以独立选择光束形状。在其他示例中，激光器3502不包括输出光纤，且自由空间或其他非导向光束可以引导至输入透镜3508。

参考图36，激光系统3600包括激光器3604，激光器3604产生光束3602，将光束3602引导至光束-光纤耦合器3610，光束-光纤耦合器3610通常包括透镜，该透镜被定位成接收光束3602并将光束3602聚焦到第一光纤3611中，第一光纤3611通过光学接头3617耦合到VBC装置3612的输入光纤3613。基于来自光束控制器3620的控制信号，具有优选光束形状的光束经由输出光纤3614输出。这种设置倾向于减少VBC装置3612和其他组件与激光器3604的相互作用。

利用上述配置，用于验证和建立安全或可靠的激光操作的控制和传感器部件(例如，耦合到激光输出连接器或输出光纤的部件)可以在连接到基于光纤的光束成形器时继续操作。

已经描述和示出了当前公开的技术的示例的一般和特定原理，显而易见，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。我们要求在以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims

1.一种设备，包括：

光束耦合器，所述光束耦合器被定位成接收输入光束并产生输出光束，其中，由所述光束耦合器限定的光学路径包括自由空间部分；以及

可变光束特性(VBC)装置，所述可变光束特性装置包括输入光纤、扰动组件和具有多个限制区域的输出光纤，所述输入光纤被拼接且光学耦合到所述输出光纤，其中，所述输入光纤的折射率轮廓(RIP)不同于所述输出光纤的RIP，所述扰动组件耦合到所述输入光纤和所述输出光纤中的至少一个，以修改从所述光束耦合器接收的所述输出光束的多个光束特性，使得所述输出光纤传送经修改的光束，其中，所述输出光纤具有保持由所述扰动组件修改的所述多个光束特性的至少一部分的折射率轮廓。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光束耦合器包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被定位成将所述输出光束从所述光束耦合器引导至所述VBC装置的所述输入光纤。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光束耦合器的所述至少一个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜被定位成接收非导向输入光束并将准直光束传送到所述第二透镜，所述第二透镜被定位成将所述准直光束聚焦到所述VBC装置的所述输入光纤。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光束耦合器包括光纤-光纤耦合器(FFC)，所述光纤-光纤耦合器包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被定位成接收来自光纤的光束并将所述光束从所述光纤引导至所述VBC装置的所述输入光纤。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述FFC的所述至少一个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜被定位成接收来自所述光纤的所述光束并将准直光束传送到所述第二透镜，所述第二透镜被定位成将所述准直光束聚焦到所述VBC装置的所述输入光纤。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括光束传送光纤，所述光束传送光纤被耦合以将来自所述光束耦合器的所述输出光束提供给所述VBC装置的所述输入光纤，所述光束传送光纤具有与所述VBC装置的所述输入光纤的RIP不同的RIP。

7.根据权利要求2至5中的任一项所述的设备，其中，所述设备还包括光束传送光纤，所述光束传送光纤被耦合以将来自所述光束耦合器的所述输出光束提供给所述VBC装置的所述输入光纤，所述光束传送光纤具有与所述VBC装置的所述输入光纤的RIP不同的RIP。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光束耦合器包括被定位成接收所述输出光束的光束传送光纤，其中，所述光束传送光纤被耦合到所述VBC装置的所述输入光纤。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个光束特性包括光束直径、发散度分布、光束参数积(BPP)、强度分布、亮度、光束质量(M²)值、数值孔径(NA)、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。

10.一种方法，包括：

接收输入光束并允许所述输入光束作为非导向光束传播；

将传播的所述非导向光束耦合到具有第一RIP的第一长度光纤；

通过扰动所述第一长度光纤来修改耦合到所述第一长度光纤的所述光束的多个光束特性；并且

将来自所述第一长度光纤的经修改的光束耦合到具有第二RIP的第二长度光纤，所述第二RIP被形成为在多个第一限制区域内保持经修改的多个光束特性的至少一部分，所述第二长度光纤被拼接到所述第一长度光纤，其中，所述第一RIP和所述第二RIP不同。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，从光纤接收所述输入光束，并且所述方法还包括用透镜将所述输入光束聚焦到所述第一长度光纤。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述输入光束是非导向光束，并且所述方法还包括用透镜将所述输入光束聚焦到所述第一长度光纤。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述输入光束是非导向光束，并且所述方法还包括用第一透镜准直所述输入光束，并且用第二透镜将准直光束聚焦到所述第一长度光纤。

14.一种设备，包括：

光束传送系统，所述光束传送系统被光学耦合以接收激光束，所述光束传送系统包括：输入光纤；具有多个限制区域的输出光纤，所述输出光纤被拼接且光学耦合到所述输入光纤；以及扰动组件，所述扰动组件耦合到所述输入光纤和所述输出光纤中的至少一个，以修改所接收的激光束的多个光束特性，并从所述输出光纤传送经修改的激光束，所述输入光纤和所述输出光纤具有不同的RIP，其中，所述输出光纤具有保持由所述扰动组件修改的所述多个光束特性的至少一部分的RIP，并且所述光束传送系统限定包括自由空间部分的光学路径。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备还包括光纤-光纤耦合器(FFC)，所述FFC被定位成接收所述激光束并将所述激光束耦合到所述输入光纤，其中，所述FFC限定所述光学路径的所述自由空间部分。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述设备还包括激光输入光纤，所述激光输入光纤被定位成接收所述激光束并将所述激光束耦合到所述FFC。

17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备还包括光学耦合到所述输出光纤的光束传送光纤，其中，所述输入光纤、所述输出光纤和所述光束传送光纤具有不同的RIP。

18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备还包括光纤-光纤开关，使得所述输入光纤可切换地被耦合以接收来自激光器的所述激光束，其中，所述光学路径的所述自由空间部分由所述光纤-光纤开关限定。

19.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备还包括：

激光器，所述激光器被定位成在激光输出光纤处提供激光束，其中，所述光束传送系统包括被定位成接收来自所述激光器的所述激光束的光纤-光纤耦合器(FFC)，所述FFC包括被定位成准直来自所述激光输出光纤的所述激光束的第一透镜和被定位成将准直的激光束引导至所述输入光纤的第二透镜，其中，所述激光输出光纤的RIP不同于所述输入光纤的RIP，其中，所述多个光束特性包括光束直径、发散度分布、光束参数积(BPP)、强度分布、亮度、光束质量(M²)值、数值孔径(NA)、光强度、功率密度、径向光束位置、辐射率或光斑尺寸或者其任意组合。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一透镜的焦距不同于所述第二透镜的焦距。

21.根据权利要求14所述的设备，其中，所述扰动组件被耦合到所述输出光纤。

22.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备还包括光学耦合到所述输出光纤的光束传送光纤，其中，所述输出光纤和所述光束传送光纤具有共同的RIP。