CN110915078B

CN110915078B - 用于修改光束特性的系统和方法

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Publication number: CN110915078B
Application number: CN201880047410.8A
Authority: CN
Inventors: D·A·V·克莱尔; R·法罗; S·卡尔森; B·维克托
Original assignee: Enai
Current assignee: Enai
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: JP2020522014A; WO2018217298A1; EP3631576A1; KR102498030B1; US20180180803A1; US11886052B2; US10877220B2; EP3631576B1; US10656330B2; CN109791252B; EP3630410A4; WO2018217246A1; US10295845B2; EP3631919A1; WO2018217285A1; CN110914015A; CN115963601A; WO2018217279A1; JP2019537047A; US10663767B2

Abstract

本发明提供了用于修改光束和调整光束的一个或多个光束特性的系统和方法。该系统可包括第一长度光纤，该第一长度光纤与光束源可操作地耦合并被配置为从其接收光束。该系统还可包括扰动装置，该扰动装置与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为修改穿过第一长度光纤的光束；以及第二长度光纤，该第二长度光纤与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为从其接收经修改的光束。该系统还可包括光束成形组件，该光束成形组件被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束，调整经修改的光束的一个或多个光束特性，并将经调整的光束引导至下游过程。

Description

用于修改光束特性的系统和方法

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

本文公开的技术涉及光纤激光器和光纤耦合激光器。更具体地，所公开的技术涉及用于在光纤激光器或光纤耦合激光器的输出端调整并保持经调整的光束特性(光斑尺寸、发散度轮廓、空间轮廓或光束形状等或其任意组合)的方法、设备和系统。

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。

大面积激光加热应用包括塑料、半导体、玻璃和金属的硬化、退火、热处理、包覆、胶带铺设、硬钎焊、软钎焊和熔焊。这些大面积加热应用通常要求光束形状为矩形或正方形，面积大于3mm直径的圆形。矩形激光束形状通常由一叠二极管棒、方形纤芯传送光纤或专用光束整形光学器件产生。这些方法产生固定尺寸或纵横比的光束形状，这些尺寸或纵横比不容易调整以改变加热宽度或面积。对于不同的产品设计，加热宽度要求可能不同，或者对于一个产品设计中的不同特征，加热宽度要求可能改变。

为了适应不同的加热宽度要求，用户必须改变激光加热工具的光学配置，或者必须产生多个相邻的加热轨迹，以获得期望的加热轨迹宽度。这两种选择都增加了周期时间，降低了投资回报。产生不同加热轨迹宽度的一种替代方法是使用“变焦”光学组件，其能够在矩形光束形状的一个或两个轴上实现可变的放大率。由于组件的重量和尺寸，这些变焦光学器件价格昂贵，并且不适用于每种应用。

因此，在克服传统工艺和系统的限制的同时，控制激光器性能以提供改进的制品的方法将是本领域受欢迎的补充。

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括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括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可以与第三RIP或第四RIP或其组合相同。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括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到光纤耦合器、光纤到光纤开关或加工头等或其组合。

本公开还涉及一种用于形成制品的方法。该方法包括：提供包括第一材料特性的材料；通过将材料暴露于包括至少一个光束特性的光束来形成熔池，其中，熔池包括决定材料的第二材料特性的至少一个熔池特性；并且响应于熔池特性的变化来修改至少一个光束特性。

本公开还涉及一种光束系统。该光束系统包括：光束传送装置，其包括具有第一折射率轮廓(RIP)的第一长度光纤、耦合到第一长度光纤并具有第二RIP和一个或多个限制区域的第二长度光纤；以及扰动装置，其被配置为修改在第一长度光纤和第二长度光纤中的一个或多个中的或者在第一长度光纤和第二长度光纤中的光束的一个或多个光束特性，其中，第一RIP不同于第二RIP，并且第二RIP被配置为将光束的经修改的一个或多个光束特性的至少一部分限制在第二长度光纤的一个或多个限制区域内。

本公开还涉及一种系统，该系统包括光束源、第一长度光纤、扰动装置、第二长度光纤和光束成形组件。光束源可以被配置为生成光束。第一长度光纤可以与光束源可操作地耦合并被配置为从其接收光束。扰动装置可以与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为修改穿过第一长度光纤的光束。第二长度光纤与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为从其接收经修改的光束。光束成形组件可以与第二长度光纤可操作地耦合并被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束，调整经修改的光束的一个或多个光束特性，并且将经调整的光束引导至下游过程。

在一些示例中，光束成形组件可以包括：第一透镜，该第一透镜被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束；第二透镜，该第二透镜被设置在第一透镜下游并与其可操作地耦合；以及衍射光学元件，该衍射光学元件被设置在第二透镜下游并与其可操作地耦合。

在一些示例中，光束成形部件可以插置在光束成形组件和下游过程之间。光束成形部件可以被配置为接收来自光束成形组件的经调整的光束，并将经调整的光束引导至下游过程。

在一些示例中，第二长度光纤是多芯光纤，该多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域，其中，第一限制区域和第二限制区域沿着第二长度光纤的直径彼此对齐。在一些示例中，第一限制区域和第二限制区域是圆形的。在一些示例中，第二长度光纤包括第三限制区域，其中，第三限制区域是矩形的。在一些示例中，第二长度光纤包括多个限制区域，该多个限制区域中的每一个包括不同的NA分布以及相同的形状和尺寸。在一些示例中，第二长度光纤包括多个限制区域，该多个限制区域中的每一个包括相同的NA分布以及不同的形状、尺寸或形状和尺寸两者。在一些示例中，第二长度光纤包括多个限制区域，该多个限制区域中的每一个包括不同尺寸、不同大小、不同形状、不同NA分布中的一个或多个或其组合。

在一些示例中，第二长度光纤包括与光束成形组件可操作地耦合的透镜端盖，并且光束成形组件包括与透镜端盖可操作地耦合的透镜和设置在透镜下游并与其可操作地耦合的衍射光学元件。

在一些示例中，第二长度光纤是多芯光纤，该多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域。在一些示例中，第一限制区域和第二限制区域是圆形的并且彼此同心，并且第一限制区域具有比第二限制区域相对小的直径。

在一些示例中，光束成形组件包括：第一透镜，该第一透镜被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束；以及第二透镜，该第二透镜被设置在第一透镜的下游并与其可操作地耦合。第二透镜被配置为将经修改的光束引导至下游过程。在一些示例中，第二长度光纤是多芯光纤，该多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域。在一些示例中，第一限制区域和第二限制区域是圆形的并且彼此同心，并且第一限制区域具有比第二限制区域相对小的直径。

在一些示例中，光束成形组件包括：第一透镜，该第一透镜被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束；第二透镜，该第二透镜被设置在第一透镜的下游并与其可操作地耦合；以及反射器，该反射器被设置在第二透镜的下游并被配置为从其接收光束。在一些示例中，反射器还被配置为分别经由第一光学路径和第二光学路径将光束的第一部分和光束的第二部分引导至下游过程。在一些示例中，第二长度光纤是多芯光纤，该多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域，第一限制区域和第二限制区域沿着第二长度光纤的直径彼此对齐。

本公开还涉及一种方法。该方法可以包括：从光束源生成光束；在与光束源可操作地耦合的第一长度光纤中接收光束；利用与第一长度光纤可操作地耦合的扰动装置修改穿过第一长度光纤的光束，以产生经修改的光束；在与第一长度光纤可操作地耦合的第二长度光纤中接收经修改的光束；在与第二长度光纤可操作地耦合的光束成形组件中接收来自第二长度光纤的经修改的光束；利用光束成形组件调整经修改的光束的一个或多个光束特性；并且将经调整的光束引导至下游过程。

在一些示例中，光束成形组件可包括一个或多个光束成形装置。

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29A示出了包括VBC光纤组件和示例性加工头的示例性激光系统；

图29B示出了图29A的VBC传送光纤的横截面轮廓；

图30A示出了包括VBC光纤组件和另一示例性光束成形组件的另一激光系统；

图30B示出了图30A的VBC传送光纤的横截面轮廓；

图31A示出了包括VBC光纤组件和另一示例性光束成形组件的另一激光系统；

图31B示出了图31A的VBC传送光纤的横截面轮廓；

图32A示出了包括VBC光纤组件和另一示例性光束成形组件的另一激光系统；以及

图32B示出了图32A的VBC传送光纤的横截面轮廓。

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/或光束发散度轮廓或分布来改变。改变激光束的功率密度(也被称为辐射率轮廓)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。

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404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404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。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。光纤1400具有RIP 1402。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1418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RIP 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。低折射率环形层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1504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，如RIP 1602所示。当扰动组件210(见图2)作用在光纤1600上时，低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，光纤到光纤耦合器或光纤到光纤开关)、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。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。

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组件2316，其被配置为保持光束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，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，其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。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。

附加实施例

图29A示出了示例性激光系统2900，包括被配置为提供可变光束特性的VBC光纤组件2902和示例性加工头2904。如上所述，VBC光纤组件2902可以包括第一长度光纤104、第二长度光纤108和扰动装置110。VBC光纤组件2902可以设置在馈送光纤2906和VBC传送光纤2908之间，并且与其可操作地耦合，馈送光纤2906可以是来自激光源(未示出)的输出光纤。VBC传送光纤2908可以包括第二长度光纤108的至少一部分。VBC传送光纤2908也可以延长第二长度光纤108或者是第二长度光纤108的延伸部。VBC传送光纤2908可以被配置为修改、保持和/或限制穿过其中的光束的调整特性。VBC传送光纤2908还可以被配置为将光束(例如，经调整的光束2910)传送到与其耦合的自由空间光学组件2912。加工光纤2914可以与自由空间光学组件2912可操作地耦合，并且被配置为从其接收光束。加工头2904可以与加工光纤2914可操作地耦合，并且被配置为从其接收光束(例如，经调整的光束2910)，并将光束传送到一个或多个下游过程2916。如图29A所示，一个或多个透镜(示出了一个2918)可以可选地设置在加工头2904和下游过程2916之间。

在至少一个实施方式中，加工头2904可以包括光束成形组件2920，该光束成形组件2920被配置为从加工光纤2914接收经调整的光束2910，并且针对下游过程2916中的任何一个或多个进行修改、调整、重定向或以其他方式调整经调整的光束2910。在另一实施方式中，光束成形组件2920可以与加工头2904分离。光束成形组件2920可以包括一个或多个光束成形部件或装置，并且一个或多个光束成形部件或装置中的每一个可以以多种配置(例如，彼此的上游或下游)设置。例示性的光束成形部件可以是或包括但不限于透镜、透镜阵列、微光学部件或装置、多面体透镜、反射镜或反射器、衍射光学元件(DOE)、相位掩模、波片、放大镜、衍射光栅、滤光器、积分式光学器件、柱面透镜、小透镜阵列等。

如下面进一步讨论的，设置在光束成形组件2920中的光束成形部件的选择和/或设置可以至少部分地由激光系统2900的一个或多个参数确定。在至少一个实施方式中，光束成形组件2920的光束成形部件的选择和/或设置可以至少部分地由VBC传送光纤2908的轮廓、配置或横截面设计来确定。例如，如图29B所示的VBC传送光纤2908的横截面轮廓所示，VBC传送光纤2908可以是具有两个或更多个芯(示出了四个2922、2924、2926、2928)的多芯光纤。如上所述，VBC传送光纤2908的每个芯2922、2924、2926、2928的轮廓或特征可以相同或不同。例如，每个芯2922、2924、2926、2928的形状、尺寸、角度或NA分布等中的任何一个或多个可以相同或不同。图29B所示的VBC传送光纤2908包括四个芯2922、2924、2926、2928；具体地，两个小圆形芯2922、2924、一个大芯2926和一个方形芯2928。应当理解，VBC传送光纤2908也可以是单芯或独芯光纤。此外，尽管图29B的VBC传送光纤2908示出了特定配置的四个芯2922、2924、2926、2928，但是本文公开的VBC传送光纤不限于此。例如，VBC传送光纤2908可以包括三个具有相同直径但不同NA分布的圆形芯。在另一示例中，VBC传送光纤2908可以具有不同形状的芯，其具有相同或不同的直径或尺寸以及相同或不同的NA分布。

如图29A所示，当使用多芯光纤时，光束成形组件2920可以包括一个或多个透镜(示出了两个2930、2932)和一个或多个衍射光学元件(示出了一个2934)。两个透镜2930、2932可以被配置为用作成像望远镜。衍射光学元件2934可以被配置为至少部分地修改或控制近场中的光束形状的空间分布和/或远场中的发散轮廓。当修改了离开VBC光纤组件2902的光束图像时，衍射光学元件2934上的照明图案可以相对于光束成形组件2920的比例而改变。

在操作中，来自激光源(未示出)的光束2936可以经由馈送光纤2906被引导至VBC光纤组件2902中。VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性，以提供经调整的光束2910。应当理解，根据上述任何实施例，VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性。来自VBC光纤组件2902的经调整的光束2910然后可以经由VBC传送光纤2908引导至自由空间光学组件2912。应当理解，在一些实施例中，激光系统2900可以不包括自由空间光学组件2912。例如，光束2936的成形可以通过激光系统2900中的一个或多个其他部件来完成，例如，VBC光纤组件2902和/或光束成形组件2920。来自自由光学组件2912的经调整的光束2910可以经由加工光纤2914被引导至并穿过加工头2904及其光束成形组件2920。来自光束成形组件2920的经调整的光束2910可以随后被引导至下游过程2916。

图30A示出了另一激光系统3000，包括被配置为提供可变光束特性的VBC光纤组件2902和另一示例性光束成形组件3002。激光系统3000在某些方面可以类似于上述激光系统2900；因此，可以参考图29A的描述得到最好的理解，其中，相同的附图标记表示相同的部件，不再详细描述。

如图30A所示，加工光纤3004可以包括透镜端盖3006，其被配置为放大和/或重新成像穿过其中的光束。透镜端盖3006可操作地将加工光纤3004与其加工头2904和/或光束成形组件3002耦合。应当理解，与图30A的透镜端盖3006类似的透镜端盖可以包括在本文公开的任何激光系统2900、3000、3100中。例如，透镜端盖可以与图29A的激光系统2900的加工光纤2914或图30A的激光系统3000的加工光纤2914耦合。如图30A所示，光束成形组件3002可以包括一个或多个透镜(示出了一个3008)和一个或多个DOE(示出了一个3010)。透镜3008可被配置为放大和/或重新成像来自透镜端盖3006的光束，并将光束引导至DOE 3010，DOE 3010可被配置为衍射来自透镜3008的光束，并将经衍射的光束3012引导至下游过程2916。如图30B所示，VBC传送光纤3014可以是具有多个同心限制区域(示出了三个3016、3018、3028)的多芯光纤，类似于上面关于图5-10描述的那些。

在操作中，来自激光源(未示出)的光束2936可以经由馈送光纤2906引导至VBC光纤组件2902中。VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性，以提供经调整的光束2910。应当理解，根据上述任何实施例，VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性。来自VBC光纤组件2902的经调整的光束2910然后可以经由VBC传送光纤3014引导至自由空间光学组件2912。应当理解，在一些实施例中，激光系统3000可以不包括自由空间光学组件2912。例如，光束2936的成形可以通过激光系统2900中的一个或多个其他部件来完成，例如，VBC光纤组件2902和/或光束成形组件3002。来自自由空间光学组件2912的经调整的光束2910可以经由加工光纤3004引导至并穿过加工头2904及其光束成形组件3002。光束成形组件3002的透镜3008和DOE 3010然后可以修改、放大和/或重新成像光束，并将经修改的光束引导至下游过程2916。

图31A示出了另一激光系统3100，包括被配置为提供可变光束特性的VBC光纤组件2902和另一示例性光束成形组件3102。激光系统3100在某些方面可以类似于上述激光系统2900；因此可以参考图29A的描述得到最好的理解，其中，相同的附图标记表示相同的部件，不再详细描述。

如图31A所示，光束成形组件3102可以包括一个或多个透镜(示出了两个3104、3106)，其被配置为放大和重新成像来自加工光纤2914的光束，并将光束引导至下游过程2916。如图31B所示，VBC传送光纤3108可以是具有多个同心芯的多芯光纤(示出为三个3110、3112、3114)，类似于图30B的多芯光纤。

在操作中，来自激光源(未示出)的光束2936可以经由馈送光纤2906引导至VBC光纤组件2902中。VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性，以提供经调整的光束2910。应当理解，根据上述任何实施例，VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性。来自VBC光纤组件2902的经调整的光束2910然后可以经由VBC传送光纤3108引导至自由空间光学组件2912。应当理解，在一些实施例中，激光系统3100可以不包括自由空间光学组件2912。例如，光束2936的成形可以通过激光系统2900中的一个或多个其他部件来完成，例如，VBC光纤组件2902和/或光束成形组件3102。来自自由空间光学组件2912的经调整的光束2910可以经由加工光纤2914引导至并穿过加工头2904及其光束成形组件3102。光束成形组件3102的透镜3104、3106然后可以放大和/或重新成像光束，并将经修改的光束引导至下游过程2916。

图32A示出了另一激光系统3200，包括被配置为提供可变光束特性的VBC光纤组件2902和另一示例性光束成形组件3202。激光系统3200在某些方面可以类似于上述激光系统2900；因此可以参考图29A的描述得到最好的理解，其中，相同的附图标记表示相同的部件，不再详细描述。

如图32A所示，光束成形组件3202可以包括一个或多个透镜(示出了两个3204、3206)和一个或多个反射器或反射镜(示出了一个3208)。透镜3204、3206可以被配置为放大和重新成像来自加工光纤2914的光束，将光束引导至反射器3208。例如，透镜3204、3206可以被配置为将光束引导至反射器3208的不同部分。反射器3208可以被配置为接收来自透镜3204、3206的一束或多束光束，并反射一束或多束光束。例如，如图32A所示，反射器3208可以被配置为至少反射沿着第一光束路径3210的光束的第一部分和沿着第二光束路径3212的光束的第二部分。如图32A进一步所示，第一光束路径3210和第二光束路径3212可以引导至下游过程2916。如图32B所示，VBC传送光纤3214可以是包括多个芯的多芯光纤(示出了两个3216、3218)。芯3216、3218可以沿着VBC传送光纤3214的直径彼此对齐。

在操作中，来自激光源(未示出)的光束2936可以经由馈送光纤2906引导至VBC光纤组件2902中。VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性，以提供经调整的光束2910。应当理解，根据上述任何实施例，VBC光纤组件2902可以改变光束2936的特性。来自VBC光纤组件2902的经调整的光束2910然后可以经由VBC传送光纤3214引导至自由空间光学组件2912。应当理解，在一些实施例中，激光系统3200可以不包括自由空间光学组件2912。例如，光束2936的成形可以通过激光系统2900中的一个或多个其他部件来完成，例如，VBC光纤组件2902和/或光束成形组件3202。来自自由空间光学组件2912的经调整的光束2910可以经由加工光纤2914引导至并穿过加工头2904及其光束成形组件3202。光束成形组件3202的透镜3204、3206然后可以放大和/或重新成像光束，并引导反射器3208的光束分离部分。反射器3208可以接收光束并分别沿着第一光束路径3210和第二光束路径3212将光束的第一部分和第二部分反射到下游过程2916。

虽然图29-32示出了光束成形组件2920、3002、3102、3202包括特定配置的一个或多个光束成形部件或装置，但是应当理解，本文公开的每个光束成形组件2920、3002、3102、3202可以包括不同数量的一个或多个光束成形部件或装置，并且可以以多种方式设置每个光束成形部件。例如，上面讨论的光束成形组件2920、3002、3102、3202中示出的透镜、DOE和/或反射镜/反射器中的任何一个或多个可以移除、替换和/或用另一光束成形部件补充，例如，透镜、透镜阵列、微光学部件或装置、多面体透镜、反射器/反射镜、DOE、相位掩模、波片、放大镜、衍射光栅、滤光器、集成光学器件、柱面透镜和/或小透镜阵列。此外，在光束成形组件2920、3002、3102、3202中公开的光束成形部件中的任何一个或多个可以以任何配置设置。例如，任何一个或多个光束成形部件可以在任何一个其他剩余的光束成形部件的上游或下游移动。还应当理解，虽然图29-32所示的光束成形部件是固定的，但是在另一实施例中，相应的光束成形组件2920、3002、3102、3202的任何一个或多个光束成形部件可以是动态的。例如，相应的光束成形组件2920、3002、3102、3202的任何一个或多个光束成形部件可以被配置为手动或自动地操作或平移。例如，可以动态调整相应光束成形组件2920、3002、3102、3202的任何一个或多个光束成形部件。相应光束成形组件2920、3002、3102、3202的任何一个或多个光束成形部件的动态调整可以与相应的VBC光纤组件2902同步。或者，相应的光束成形组件2920、3002、3102、3202的任何一个或多个光束成形部件的调整可以独立于相应的VBC光纤组件2902。

如上所述，光束传送装置可以包括具有第一折射率轮廓(RIP)的第一长度光纤、具有第二RIP并耦合到第一长度光纤的第二长度光纤；以及扰动装置，其被配置为修改在第一长度光纤和第二长度光纤中的一个或多个中的或者在第一长度光纤和第二长度光纤中的光束的一个或多个光束特性。因此，在实施方式中，方法3100可以进一步包括：将光束发射到第一长度光纤中；将光束耦合到第二长度光纤中；激活扰动装置，以修改第一长度光纤、第二长度光纤或第一长度光纤和第二长度光纤中的光束的一个或多个光束特性；并且将光束的经修改的一个或多个光束特性的至少一部分限制在第二长度光纤的一个或多个限制区域内，其中，第一RIP不同于第二RIP。

本文描述的系统和方法可用于形成具有矩形光束形状的光束和/或用于改变矩形光束形状的尺寸或纵横比，也可用于非对称光束形状、同心光束形状或改变发散度轮廓(NA)，而不改变近场光束形状(空间轮廓)。虽然参考光纤描述了各种实施方式，但是可以使用具有一个或多个限制区域的其他类型的光波导，所述限制区域具有正方形、矩形、多边形、卵形、椭圆形或其他横截面形状。光纤通常由掺杂(或未掺杂)的二氧化硅(玻璃)形成，以便提供预定的折射率或折射率差。在一些实例中，光纤或其他波导由其他材料制成，例如，氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟或磷酸盐玻璃、硫属化物玻璃或结晶材料，例如，蓝宝石，这取决于所关注的波长。此外，可以在材料加工期间或材料加工运行之间在原地进行矩形光束的形成和/或矩形光束的尺寸或纵横比的改变。

本公开中描述的至少一种实施方式的一个优点包括通过光束传送装置而不是通过更大、更昂贵的变焦处理光学组件来调整用于加热处理的光束的光束形状。

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

1.一种系统，包括：

光束源，所述光束源被配置为生成光束；

第一长度光纤，所述第一长度光纤与所述光束源可操作地耦合并被配置为从所述光束源接收所述光束；

扰动装置，所述扰动装置与所述第一长度光纤可操作地耦合并被配置为修改穿过所述第一长度光纤的所述光束，使得所述光束的特性在所述第一长度光纤中改变；以及

第二长度光纤，所述第二长度光纤与所述第一长度光纤可操作地耦合并被配置为从所述第一长度光纤接收经修改的光束；以及

光束成形组件，所述光束成形组件与所述第二长度光纤可操作地耦合，其中，所述光束成形组件被配置为接收来自所述第二长度光纤的所述经修改的光束，调整所述经修改的光束的一个或多个光束特性，并将经调整的光束引导至下游过程。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束成形组件包括：

第一透镜，所述第一透镜被配置为接收来自所述第二长度光纤的所述经修改的光束；

第二透镜，所述第二透镜被设置在所述第一透镜的下游并与所述第一透镜可操作地耦合；以及

衍射光学元件，所述衍射光学元件被设置在所述第二透镜的下游并与所述第二透镜可操作地耦合。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统还包括插置在所述光束成形组件和所述下游过程之间的光束成形部件，所述光束成形部件被配置为接收来自所述光束成形组件的所述经调整的光束，并将所述经调整的光束引导至所述下游过程。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二长度光纤是多芯光纤，所述多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域，其中，所述第一限制区域和所述第二限制区域沿着所述第二长度光纤的直径彼此对齐。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一限制区域和所述第二限制区域是圆形的。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二长度光纤包括第三限制区域，其中，所述第三限制区域是矩形的。

7.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二长度光纤包括多个限制区域，其中，所述多个限制区域中的每一个包括不同的NA分布以及相同的形状和尺寸。

8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二长度光纤包括多个限制区域，其中，所述多个限制区域中的每一个包括相同的NA分布以及不同的形状、尺寸或形状和尺寸两者。

9.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二长度光纤包括多个限制区域，其中，所述多个限制区域中的每一个包括不同尺寸、不同大小、不同形状、不同NA分布中的一个或多个或其组合。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二长度光纤包括与所述光束成形组件可操作地耦合的透镜端盖，并且所述光束成形组件包括与所述透镜端盖可操作地耦合的透镜和设置在所述透镜下游并与所述透镜可操作地耦合的衍射光学元件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二长度光纤是多芯光纤，所述多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一限制区域和所述第二限制区域是圆形的并且彼此同心，并且所述第一限制区域具有比所述第二限制区域相对小的直径。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束成形组件包括：

第一透镜，所述第一透镜被配置为接收来自所述第二长度光纤的所述经修改的光束；以及

第二透镜，所述第二透镜被设置在所述第一透镜的下游并与所述第一透镜可操作地耦合，所述第二透镜被配置为将所述经修改的光束引导至所述下游过程。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第二长度光纤是多芯光纤，所述多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第一限制区域和所述第二限制区域是圆形的并且彼此同心，并且所述第一限制区域具有比所述第二限制区域相对小的直径。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束成形组件包括：

反射器，所述反射器被设置在所述第二透镜的下游并被配置为从所述第二透镜接收所述光束。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述反射器还被配置为分别经由第一光学路径和第二光学路径将所述光束的第一部分和所述光束的第二部分引导至所述下游过程。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第二长度光纤是多芯光纤，所述多芯光纤包括第一限制区域和第二限制区域，其中，所述第一限制区域和所述第二限制区域沿着所述第二长度光纤的直径彼此对齐。

19.一种方法，包括：

从光束源生成光束；

在与所述光束源可操作地耦合的第一长度光纤中接收所述光束；

利用与所述第一长度光纤可操作地耦合且被配置成物理地作用在所述第一长度光纤上以扰动所述第一长度光纤的扰动装置修改穿过所述第一长度光纤的所述光束，以产生经修改的光束；

在与所述第一长度光纤可操作地耦合的第二长度光纤中接收所述经修改的光束；

在与所述第二长度光纤可操作地耦合的光束成形组件中接收来自所述第二长度光纤的所述经修改的光束；

利用所述光束成形组件调整所述经修改的光束的一个或多个光束特性；以及

将经调整的光束引导至下游过程。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光束成形组件包括一个或多个光束成形装置。