CN110967789B - 旋转光束产生器 - Google Patents

Abstract

一种旋转光束产生器可以包括具有主部分和次部分的单体纤芯，其中次部分的至少一部分与单体纤芯中心存在偏差，其中单体纤芯沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞，且其中主部分的折射率大于次部分的折射率；和包层，围绕单体纤芯。

Description

旋转光束产生器

技术领域

本发明涉及用于产生具有环形光束形状的光束的光纤装置，且更具体地涉及用于直接在光纤(即不使用自由空间光学器件)产生具有环形光束形状的旋转光束的光纤装置。

背景技术

光束的光束轮廓对与使用光束执行的材料加工有关的加工性能具有显著影响。例如，具有环形光束轮廓的光束可实现优越的金属切割。然而，大部分光纤传递的光束的光束轮廓相对过于简单。例如，对于低光束参数积(beam parameter product：BPP)激光器(例如小于或等于约3毫米乘以毫弧度(mm-mrad)的BPP)来说，光束轮廓可以是高斯或接近高斯轮廓，其可用于使用紧密聚焦光束加工薄金属板件(例如小于或等于约3mm厚度的金属板件)。作为另一例子，对于高BPP激光器(例如大于约3mm-mrad的BPP)来说，光束轮廓可以顶帽(top-hat)(有时称为平顶)轮廓，其用于使用较大光束加工厚金属板件(例如大于约3mm厚度的金属板件)。

发明内容

根据一些可行的实施方式，光纤装置可以包括具有主部分和次部分的单体纤芯，其中次部分的至少一部分与单体纤芯中心存在偏差，其中单体纤芯沿光纤装置的长度绕光纤装置的光学轴线扭绞，且其中主部分的折射率大于次部分的折射率；和包层，围绕单体纤芯。

根据一些可行的实施方式，一种光纤装置包括具有主部分的单体纤芯，其中单体纤芯的主部分具有非圆形形状，其中单体纤芯沿光纤装置的长度绕光纤装置的光学轴线扭绞；和包层，围绕单体纤芯。

根据一些可行的实施方式，一种方法可以包括：通过旋转器光纤在旋转器光纤第一端处接收光束，其中旋转器光纤包括沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的光学轴线扭绞的单体纤芯；通过旋转器光纤至少部分地将光束转换为旋转光束，其中由于单体纤芯绕光学轴线扭绞，光束被至少部分地转换为旋转光束；和通过旋转器光纤输出旋转光束。

根据一些可行的实施方式，一种方法可以包括：制造具有单体纤芯的旋转器光纤预成型件，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤预成型件的中心按角度变化的折射率结构；使得旋转器光纤预成型件固结以便形成固结的旋转器光纤预成型件；同时拉拔和旋制固结的旋转器光纤预成型件，以便形成旋制旋转器光纤；和使得旋制旋转器光纤渐缩，以便形成渐缩旋制旋转器光纤，其中，在渐缩旋制旋转器光纤中，单体纤芯沿渐缩旋制旋转器光纤的长度绕渐缩旋制旋转器光纤的光学轴线旋转。

根据一些可行的实施方式，一种方法可以包括：制造包括单体纤芯的旋转器光纤预成型件，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤预成型件的中心按角度变化的折射率结构；使得旋转器光纤预成型件固结以便形成固结的旋转器光纤预成型件；拉拔固结的旋转器光纤预成型件，以便形成拉拔旋转器光纤；和让经拉拔旋转器光纤扭绞，以便形成经扭绞旋转器光纤，其中，在经扭绞旋转器光纤中，单体纤芯沿经扭绞旋转器光纤的长度绕经扭绞旋转器光纤的光学轴线旋转。

根据一些可行的实施方式，一种光纤装置可以包括沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞的纤芯部分，其中纤芯部分中心沿光纤装置的长度与光纤装置的轴线存在偏差，其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度从光纤装置第一端处的第一捻度增加到光纤装置第二端处的第二捻度，且其中，纤芯部分绕轴线扭绞使得在光纤装置第一端处发射的光束被至少部分地转换为光纤装置第二端处的旋转光束；和包层，围绕纤芯部分。

根据一些可行的实施方式，一种方法可以包括，通过旋转器光纤在旋转器光纤第一端处接收光束，其中旋转器光纤包括沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的轴线扭绞的纤芯部分，使得纤芯部分的中心沿旋转器光纤的长度与旋转器光纤的轴线存在偏差，其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度从旋转器光纤第一端处的第一捻度增加到旋转器光纤第二端处的第二捻度；通过旋转器光纤至少部分地将光束转换为旋转光束，其中由于纤芯部分绕轴线扭绞，光束被至少部分地转换为为旋转光束；和通过旋转器光纤输出旋转光束。

根据一些可行的实施方式，一种环形光束产生器可以包括具有纤芯部分的光纤装置，该纤芯部分沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞，纤芯部分沿光纤装置的长度与光纤装置的轴线存在偏差，其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度沿光纤装置的长度从光纤装置第一端到光纤装置第二端增加；和包层，围绕纤芯部分。

根据一些可行的实施方式，方法可以包括获得光纤预成型件，该光纤预成型件包括纤芯和围绕纤芯的包层，纤芯基本中心定位在光纤预成型件的中心轴线上；沿光纤预成型件的长度去除围绕纤芯的一部分包层；对光纤预成型件进行再套接，以便形成旋转器光纤预成型件，其中，在旋转器光纤预成型件中，纤芯的中心与旋转器光纤预成型件的中心轴线存在偏差；和使用旋转器光纤预成型件形成旋转器光纤，其中，在旋转器光纤中，纤芯的中心沿旋转器光纤的长度与旋转器光纤的轴线存在偏差，且其中在旋转器光纤中，纤芯沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的轴线扭绞。

根据一些可行的实施方式，方法可以包括沿包层杆的长度形成开口，开口与包层杆的中心轴线存在偏差；将纤芯杆插入沿包层杆的长度的开口；让纤芯杆和包层杆固结，以便形成固结的旋转器光纤预成型件；和使用旋转器光纤预成型件形成旋转器光纤，其中，在旋转器光纤中，纤芯的中心沿旋转器光纤的长度与旋转器光纤的轴线存在偏差，且其中在旋转器光纤中，纤芯沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的轴线扭绞。

附图说明

图1A和1B是用于产生本文所述的旋转光束的示例性旋转器光纤关联的概览示意图。

图2是示例性环境图，其中可以实施用于产生旋转光束的旋转器光纤；

图3图显示了截止以下的抛物线型分级折射率光纤(parabolic graded indexfiber)各种低阶导模LP_lm的示例性横向近场强度图样的图

图4A和4B是用于产生旋转光束的示例性转动器纤维的截面示意图；

图5是显示了示例性渐缩旋转器光纤的图；

图6是用于制造本文所述的旋转器光纤的旋制光纤技术的示例性过程的流程图；

图7是用于制造本文所述的旋转器光纤的扭绞光纤技术的示例性过程的流程图；

图8A-8C是使用本文所述的旋转器光纤的各种渐缩长度的示例性模拟关联的示意图；

图9A和9B是用于产生旋转光束的示例性转动器纤维的截面示意图；且

图10和11是用于制造具有偏差单体纤芯的旋转器光纤的示例性过程的流程图，如本文所述。

具体实施方式

示例性实施方式的以下详细描述参照了附随的附图。相同附图标记在不同附图中可以表示相同或相似的元件。下文所述的实施方式仅仅是例子且目的不是将实施方式限制为确切公开的形式。替代地，实施方式被选择为用于描述，使得本领域技术人员能实现所述实施方式。

如上所述，常规光纤传递的光束的光束形状相对过于简单(例如具有高斯轮廓或接近高斯轮廓，顶帽轮廓和/或诸如此类)。产生具有相对更先进光束形状的光束，例如环形光束形状(即环形光束)通常需要昂贵、特殊、对准敏感的自由空间光学器件，例如角锥透镜、螺旋相位板和/或诸如此类。而且，这种光学器件通常需要位于加工头部中，远离与传递光束有关的光纤。加工头部是光电机械组件，其经历加速和污染(例如来自烟、金属碎屑、灰尘和/或诸如此类)，且因此对于昂贵、对准敏感、大体积和/或笨重的光学元件来说是不期望的位置。

进一步地，用于产生具有环形光束形状的光束的常规技术通常提供具有很差光束质量的光束。例如，常规技术可以产生具有过高BPP的光束，在环的中间存在过大功率量，光束边缘扩散(例如具有相对长的径向功率尾部，其造成很差的加工质量)和/或诸如此类。

本文所述的一些实施方式提供一种光纤装置，用于直接在光纤中(即没有任何自由空间光学器件)产生具有环形光束形状的光束。更具体地，所产生的光束是旋转光束(即沿螺旋方向在光纤中传播的光束)，由此产生具有环形光束形状的光束。在一些实施方式中，光束的旋转特点可被保留(例如在光束离开光纤时)，使得从光纤投射到工件上的激光光斑显示出具有锐利边缘和高光束质量的环形光束轮廓。以此方式，具有环形光束形状的光束可以直接在光纤中产生，由此有助于改善材料加工。

图1A和1B是本文所述的用于产生旋转光束的旋转器光纤(rotator fiber)的例子100有关的概览示意图。

用于产生旋转光束的光纤装置(本文称为旋转器光纤)可以包括单体纤芯，其可以包括主部分和次部分，其中次部分的至少一部分相对于单体纤芯的中心偏开。这种旋转器光纤的示例性截面显示在图1A中。在图1A所示的例子中，次部分布置为使得次部分(例如具有“+”形状截面的部分)将主部分分成四个部分。如进一步所示的，旋转器光纤可以进一步包括围绕单体纤芯的包层区域。

如图1B所示，单体纤芯(即主部分和次部分)可以沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的光学轴线(例如单体纤芯的中心)扭绞。在一些实施方式中，绕光学轴线扭绞的单体纤芯使得在旋转器光纤的输入端入射的输入光束(例如非旋转光束)在旋转器光纤的输出端处至少部分地被转换为旋转光束，如在下文进一步详细描述。

进一步如图1B所示，在一些实施方式中，旋转器光纤可以设置在输入光纤和输出光纤之间。在一些实施方式中，输入光纤、旋转器光纤、和输出光纤可以融合拼接在一起(例如使用常规的光纤融合拼接技术)。

在操作中，旋转器光纤可以从输入光纤接收输入光束。如所示的，输入光束可以包括以一个或多个非旋转导模传播的光。随光传播通过旋转器光纤，且由于单体纤芯沿旋转器光纤长度而扭绞，旋转器光纤从输入光束产生旋转光束。换句话说，旋转器光纤可以至少部分地将输入光束转换为旋转光束(例如通过至少部分地将一个或多个非旋转导模转换为至少一个旋转导模和/或至少一个旋转漏波)。由此，如图1B所示，旋转光束可以包括在至少一个旋转导模和/或至少一个旋转漏波中传播的光。

在一些实施方式中，由于光在至少一个旋转导模和/或至少一个旋转漏波中传播，旋转光束具有环形光束形状。旋转光束可经由输出光纤发射(例如用于在材料加工中使用，例如金属切割)。这里，光束的旋转特点可被保留，使得从输出光纤投射的激光光斑显示具有锐利边缘和高光束质量的环形光束轮廓。以此方式，光纤装置可以直接在光纤中(即没有任何自由空间光学器件)产生具有环形光束形状的旋转光束，由此有助于改善材料加工(例如与如上所述的常规技术相比)。

如上所述，图1A和1B仅仅是作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图1A和1B所述的有所不同。例如，尽管图1A和1B所示的单体纤芯包括主部分和次部分，但是可以有其他实施方式，例如仅包括主部分(例如具有非圆形形状的主部分，与光学轴线偏开的主部分和/或诸如此类)的单体纤芯。关于旋转器光纤示例性设计的额外细节如下文所述。

图2是示例性环境200的图，其中可以实施用于产生旋转光束的旋转器光纤。如图2所示，环境200可以包括输入光纤210、旋转器光纤220和输出光纤230。

输入光纤210包括用于让输入光束(例如输入激光束)入射到旋转器光纤220的光纤。在一些实施方式中，输入光纤210可以是阶跃折射率光纤(step-index optical fiber)或渐变折射率光纤(graded-index optical fiber)，且可以设计为承载在输入光纤210的光纤轴线附近的光束。在一些实施方式中，输入光纤210可以连接到光纤激光器的输出光纤，或输入光纤210本身可以是光纤激光器的输出光纤。替换地，在一些情况下，输入光束可以从自由空间发射到输入光纤210。在这种情况下，输入光纤210实际上可以省略，且输入光束可以笔直发射到旋转器光纤220(例如并非输入光纤210)。

在一些实施方式中，取决于系统设计和输入光纤210的设计，通过输入光纤210发射的输入光束可以是输入光纤210的纤芯导模的形式。在阶跃折射率光纤的情况下，导模可以具有在空气中半发散角(θ)的特征(使用二阶矩法测量且满足截止条件)：

sin(θ)<NA,

其中NA＝√(n₁ ²-n₂ ²)是数值孔径且n₁和n₂分别是输入光纤210的纤芯和输入光纤210的包层的折射率。在输入光纤210是非阶跃折射率光纤的情况下，导模可以在光纤中使用常规的波等式求解来类似地限定。

无论输入光纤210是阶跃折射率光纤还是非阶跃折射率光纤，若引导圆形芯光纤的导模可以是所谓的LP模态、LP_lm，其中l(转动量子数)是大于或等于零的整数(l≥0)，且m(径向量子数)是大于或等于一的整数(m≥1)。l和m的上限可以通过与如上所述的输入光纤210的折射率分布有关的截止条件确定。

在一些实施方式中，通过输入光纤210发射的输入光束可以是单模光束或多模光束，且可以是偏振光束或非偏振光束。在输入光束偏振的情况下，输入光束可以圆偏振(circularly polarized)，因为圆偏振可以在旋转器光纤220和/或输出光纤230中被更好地保持(例如与直线偏振或椭圆偏振相比)。在一些实施方式中，如果期望直线偏振输出光束，则可以例如使用四分之一波片在输出光纤230终止之后从圆形偏振产生线性偏振。

旋转器光纤220包括用于至少部分地将具有第一旋转状态的输入光束转换为具有第二旋转状态的输出光束的光纤装置。例如，旋转器光纤220可以包括用于至少部分地将光束(例如非旋转光束)转换为旋转光束的光纤装置。在一些实施方式中，旋转器光纤220长度可以相对短(例如具有小于1m但是大于1mm的长度)，而输入光纤210和输出光纤230的长度可以通过部署了旋转器光纤220的光学系统确定(例如为约0.5m到约100m的范围)。与通过旋转器光纤220产生的旋转光束关联的设计方面在以下段落中描述，而与旋转器光纤220关联的设计方面在下文参考图4A、4B、9A和9B描述。

在一些实施方式中，旋转光束可以包括以一个或多个旋转导模传播的光。旋转导模被限定为具有l≥1和一个明确旋转方向的模态。对于具有一个明确旋转方向的模态，如下限定。对于l≥1的模态，LP-模态可被表达为具有sin(lφ)和cos(lφ)依存性、或e^±(ilφ)依存性的模态，其中φ是角坐标。具有l＝0的模态不具有角依存性。正弦和余弦模态是沿角方向的驻波，具有角向节点(angular node)和零净旋转方向。复指数模态(complex-exponential mode)是没有角向节点的角行进波。这些模态具有一个明确的旋转方向(例如顺时针或逆时针)，其是通过e^±(ilφ)中的(+)或的(–)的选择所选择的。

在一些实施方式中，对于本文所述的旋转光束中的旋转导模，m可以等于1(m＝1)或可以显著小于l(例如小于l的约50％，小于l的约20％和/或诸如此类)。在一些实施方式中，使用m的低值(如与l相比)可以确保旋转导模具有显著的环形形状。具体说，具有m＝1的旋转导模除了起点处的零以外不具有径向节点。换句话说，具有m＝1的旋转导模是单个环(而m的更高值对应于具有m个同心环的旋转导模)。在一些实施方式中，可以通过旋转器光纤220产生具有一个明确旋转方向、没有角向节点和/或零或很少的径向节点的角行进波。

图3是显示了截止以下的抛物线型分级折射率光纤(parabolic graded indexfiber)的各种低阶导模LP_lm的示例性横向近场强度图样的图。具有其他旋转对称折射率分布的光纤(例如阶跃折射率光纤)的模态可以具有相似的强度图样，如图3所示的。图3中，在对应于每一个m的左栏和右栏中，针对l≥1，分别显示了用于每一个m的角驻波(余弦)和行进波模态。

在一些实施方式中，具有m＝1的旋转导模(例如图3中的黑框所示)可以被包括在通过旋转器光纤220产生的旋转光束中。应注意，该组旋转导模延伸到更高值的l(例如到l＝20和更高)。如所示的，m＝1的旋转导模具有明显的环形形状，而在任何方向上没有节点。在一些实施方式中，具有略微更高m(例如m＝2，m＝3和/或诸如此类)的旋转导模也可提供有用的环形光束，尤其对于更高值的l。在一些实施方式中，包括在旋转光束中的旋转导模中的一个或多个可以具有大于或等于10的l值(l≥10，例如l＝15，l＝18，l＝20和/或诸如此类)。

另外或替换地，旋转光束可以包括在一个或多个旋转漏波中传播的光。漏波是光纤中的一类未被引导的光(例如未被光纤纤芯引导的光)。发射到光纤纤芯中的漏波光可以逃逸到光纤的包层中。然而，与光纤中的大部分未被引导光相比，漏波光从纤芯相对缓慢地泄露到包层中。

具体说，旋转漏波光可在相对宽参数范围具有低损耗。例如，在具有0.10的NA和50微米(μm)纤芯直径的阶跃折射率石英光纤中，具有1030纳米波长(λ＝1030nm)、不具有径向节点且具有特征半发散角θ使得sin(θ)＝0.11的旋转漏波光具有仅0.14分贝每米(dB/m)的计算损耗。由此，尽管旋转漏波不满足导模的标准，但是旋转漏波可用在输出光纤长度约为数十米或更少的应用中，例如无源屈光力传输光纤和有源放大光纤，其中高达数dB的损失是可接受的。类似于旋转导模的情况，旋转漏波具有一个明确的旋转方向且没有角向节点，基本为零或很少的径向节点，且可以被包括在旋转器光纤220产生的旋转光束中。在一些实施方式中，包括在旋转光束中的一个或多个旋转漏波可以具有大于或等于10的l(l≥10，例如l＝15，l＝18，l＝20和/或诸如此类)。

在一些实施方式中，旋转光束可以包括一个或多个旋转导模和/或一个或多个漏波的组合。在一些实施方式中，在输入光束为单模光束的情况下，旋转器光纤220可被设计为使得旋转光束包括相对纯(例如大于约50％纯度，大于约80％纯度和/或诸如此类)的单个旋转导模或具有特定l值的旋转漏波。换句话说，在一些实施方式中，旋转器光纤220可被设计为使得至少50％的输入功率(与输入光束有关)被转换为输出光束中的单个旋转导模或单个旋转漏波。如上所述，旋转光束(例如包括一个或多个旋转导模和/或一个或多个旋转漏波)在旋转器光纤220的输出端具有环形形状。

返回到图2，输出光纤230包括用于接收通过旋转器光纤220发射的输出光束(例如旋转光束)的光纤。在一些实施方式中，输出光纤230可以是阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤或具有特殊折射率分布的光纤，例如环形芯光纤，其被设计为承载具有与其他模态或漏波最小耦合的旋转光束，和/或其被设计为提供优选的径向强度分布。在一些实施方式中，例如如果系统的输出要被直接耦合到自由空间(例如而不是耦合到光纤)，则输出光纤230可省略。

针对图2所示和所述元件的数量和布置结构是作为例子提供的。实践中，与图2所示的相比，环境200可以包括额外元件，更少元件，不同元件，不同布置的元件，和/或不同尺寸的元件。

图4A和4B分别是用于产生旋转光束的示例性转动器纤维220的截面图400和450的示意图。

如图4A所示，在一些实施方式中，旋转器光纤220可以包括单体纤芯405，包括具有折射率n₁(例如图4A的所示的例子中的部分410-1、410-2、410-3、和410-4)的主部分410和具有折射率n₃的次部分430。单体纤芯405被描述为是单体的，即在单体纤芯405的一些部分(例如主部分410和次部分430)彼此接触，使得单体纤芯405的一些部分在旋转器光纤220中形成单个单元。如进一步所示的，旋转器光纤220可以包括围绕单体纤芯405的包层420，具有折射率n₂。在一些实施方式中，如截面400所示，次部分430可以布置在单体纤芯405中，使得次部分430的至少一部分相对于单体纤芯405的中心存在偏差。

在一些实施方式中，单体纤芯405可以围绕旋转器光纤220的光学轴线(例如旋转器光纤220的中心)沿旋转器光纤220的长度(例如以如上所述且如图1B所示的方式)扭绞。在一些实施方式中，绕光学轴线的捻度(rate of twist)从朝向旋转器光纤220的第一端(例如靠近输入光纤210的端)的第一捻度增加到朝向旋转器光纤220的第二端(例如靠近输出光纤230的端)的第二捻度。例如，朝向旋转器光纤输入端的捻度可以从零或接近零捻每mm(例如小于或等于约0.02捻每mm(约一捻每50mm)的捻度)增加到朝向旋转器光纤220的输出端的约0.17捻每mm(约一捻每6mm)或更大。

在一些实施方式中，旋转器光纤220可以是渐缩的，使得单体纤芯405的尺寸(例如直径)基本上匹配旋转器光纤220相应端部处的输出光纤230和/或输入光纤210的纤芯尺寸。

图5是显示了示例性渐缩旋转器光纤220的图。如图5所示，在一些实施方式中，旋转器光纤220可以是渐缩的，使得在旋转器光纤220的输入端(例如拼接到输入光纤210的端部，在该处捻度等于或接近零)处的尺寸小于旋转器光纤220的输出端(例如拼接到输出光纤230的端部，在该处捻度与输入端相比增加)处的旋转器光纤220的尺寸。

进一步如图5所示，绕光学轴线扭绞的单体纤芯405的捻度可以从朝向旋转器光纤220的输入端的第一捻度(例如零或接近零的捻度)增加到朝向旋转器光纤220的输出端的第二捻度。如上所述，图5是仅作为例子提供的。其他例子也是可以的且可以与针对图5所述的不同。虽然旋转器光纤220在图5中显示为是直的，但是旋转器光纤220可以具有任何形状。

返回到图4A，在一些实施方式中，n₁大于n₂和n₃，且n₃大于或等于n₂(n₂≤n₃<n₁)。换句话说，n₁不同于(例如大于)n₃和n₂，且n₃可以不同于(例如大于或等于)n₂。在光传播通过旋转器光纤220时，旋转器光纤220的折射率间的这种关系有助于产生旋转光束。例如，大部分输入光束可以在主部分410(具有折射率n₁)中发射，而输入光束的一部分可以在次部分430(具有折射率n₃)中发射。这里，因为n₁和n₃大于n₂(包层420的折射率)，所以在单体纤芯405(例如主部分410和次部分430)中发射的光可以被包层420引导。进一步地，因为n₃小于n₁，次部分430在主部分410的分离部分中略微引导光，且随单体纤芯405绕光学轴线扭绞而让光绕旋转器光纤220的光学轴线沿旋转器光纤220的长度扭转，由此产生旋转光束。

在一些实施方式中，如示例性截面400所示，次部分430可以将主部分410分为至少两个部分(例如使得次部分430在主部分410的这些部分之间)。在一些实施方式中，单体纤芯405可以包括具有至少两个部分(例如两个部分，三个部分，四个部分，六个部分和/或诸如此类)的主部分410。在一些实施方式中，主部分410的至少两个部分可以具有近似相等的截面面积。另外或替换地，主部分410的至少两个部分可以具有不同的截面面积。

在一些实施方式中，如示例性截面400所示，次部分430的截面可以相对于旋转器光纤220的光学轴线对称。替换地，在一些实施方式中，次部分430的截面可以相对于旋转器光纤220的光学轴线不对称。

在一些实施方式中，次部分430可以包括至少三个部分，其中该至少三个部分在旋转器光纤220的截面平面中沿垂直于旋转器光纤220光学轴线的方向延伸。在一些实施方式中，该至少三个部分中之一延伸的方向可以垂直于该至少三个部分中之另一延伸的方向。例如，参考截面400，次部分430可以包括水平部分、第一垂直部分(例如在图4A中的次部分430的水平部分上方的垂直部分)和第二垂直部分(例如在图4A中的次部分430的水平部分下方的垂直部分)。这里，如所示的，水平部分、第一垂直部分和第二垂直部分在旋转器光纤220的截面平面中沿垂直于旋转器光纤220的光学轴线的方向延伸。进一步如图4A所示，水平部分延伸的方向垂直于第一垂直部分延伸的方向，且水平部分延伸的方向垂直于第二垂直部分延伸的方向。

应注意，示例性截面400是仅作为例子提供的。通常，单体纤芯405(例如包括主部分410和次部分430)可以具有折射率结构，其相对于旋转器光纤220的光学轴线按角度变化，其中单体纤芯405绕光学轴线沿旋转器光纤220的长度扭绞。在示例性截面400中，按角度变化的折射率结构是被包层420包围的单体纤芯405中“+”形次部分430。在该例子中，次部分430形成完整分隔部，使得主部分410的一些部分被次部分430分离。

按角度变化的折射率结构的另一例子可以包括旋转器光纤220，其中与图4A所示相比，主部分410包括被次部分430分离的不同数量的部分。在一些实施方式中，与单体纤芯405的折射率结构有关的次部分430的对称性可以基于要被包括在旋转输出光束中的期望旋转导模来选择。例如，在期望l＝8的旋转导模的情况下，次部分430关于旋转器光纤220的光学轴线的对称性可以被选择为使得单体纤芯405的折射率结构形成对称的八片式分隔部(例如使得主部分410包括八个部分)。通常，次部分430的对称性可以优选形成l等于l或其倍数的值的模态。例如，如果旋转器光纤220包括形成对称的四片式分隔部(例如使得主部分410包括四个部分，如截面400所示)的次部分430，则l＝4的模态可以被优选激励，以及具有的l值为四的倍数(例如l＝0，l＝8，l＝12，l＝16和/或诸如此类)的模态。

按角度变化的折射率结构的另一例子可以包括这样的旋转器光纤220，其中次部分430使得单体纤芯405相对于旋转器光纤220的光学轴线具有不对称的横截面形状(例如没有将主部分410分为多个部分)。

按角度变化的折射率结构的其他例子可以包括：主部分410和/或次部分430具有渐变折射率材料的旋转器光纤220；次部分430形成部分分隔部的旋转器光纤220(例如与示例性截面400所示的完整分隔部相比，例如跨包层420内径的约85％的次部分430，由此形成包括单个互连主部分410的单体纤芯405)；在单体纤芯405中包括偏心圆的旋转器光纤220，和/或诸如此类。

作为另一例子，且如图4B的示例性截面450所示，在一些实施方式中，旋转器光纤220可以不包括次部分430(例如旋转器光纤220可以不包括具有折射率n₃的任何材料)。换句话说，在一些实施方式中，单体纤芯405可以仅包括主部分410。在这种情况下，折射率结构的角变化可以通过包层420中的主部分410的非圆形形状限定(例如在示例性截面450中显示了五角星形主部分410)。通常，主部分410的非圆形形状的周边可以至少部分地凹入(例如五角星形状的主部分410包括五个凹入部分)。在这种情况下，单体纤芯405的非圆形形状可以沿旋转器光纤220的长度扭绞(例如使得五角星的角沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的光学轴线旋转)。这里，由于绕光学轴线扭绞的非圆形单体纤芯405，在非圆形单体纤芯405中传播的光(例如在示例性截面450所示的五角星的角中或附近传播的光)沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的光学轴线扭转，由此产生旋转光束。在一些实施方式中，包括非圆形单体纤芯405(即非圆形主部分410)的旋转器光纤220可以是渐缩的，使得单体纤芯405的尺寸基本上匹配旋转器光纤220的相应端部处的输入光纤210和/或输出光纤230的纤芯区域尺寸。

如上所述，图4A和4B仅仅是作为例子提供的。其他例子也是可以的且可以与针对图4A和4B所述的有所不同。

在一些实施方式中，具有按角度变化截面的旋转器光纤22的旋转器光纤220可使用管棒法(rod-in-tube)预成型组装方法制造，由此制造旋转器光纤220预成型件(例如使用多个分立的玻璃部件，其每一个具有适当的折射率)。旋转器光纤220预成型件可以随后在玻璃熔点附近熔接在一起。可在使用预成型件旋制技术(spinning technique)(例如类似于在一些偏振保持、低双折射、或手性耦合纤芯光纤中使用的技术)进行光纤拉拔的过程中或在光纤拉拔过程之后通过在加热旋转器光纤220的同时让短长度的旋转器光纤220扭绞(例如在融合渐缩期间)实施扭绞。关于旋转器光纤220的制造的额外细节在下文参照图6和7描述。

在操作中，旋转器光纤220可以在旋转器光纤220的第一端接收光束。在光束传播通过旋转器光纤220时，旋转器光纤220可以至少部分地将光束转换为旋转光束，且可以将旋转光束输出到输出光纤230。

在一些实施方式中，旋转器光纤220的模态跟随按角度变化的折射率结构的扭绞样式，意味着，随光传播通过旋转器光纤220，模态固有地倾向于具有旋转特点。结果，在旋转器光纤220拼接到输出光纤230中时，发射到输出光纤230中的光可以处于旋转状态，包括一个或多个旋转导模和/或一个或多个旋转漏波。在旋转器光纤220的输出端处的捻度(例如，Φ，以“转每米”为单位)根据以下关系确定输出发散半角θ和旋转光束的近似旋转状态：

sin(θ)≈2π n₁R Φ

l≈2π R sin(θ)/λ

其中R是旋转导模(一个或多个)和/或旋转漏波(一个或多个)的有效半径，通常比单体纤芯405的半径小约10％。由此，例如，使用具有6mm旋转节距(rotational pitch)、1.450纤芯折射率(例如典型的熔融石英玻璃)、和λ＝1080nm的工作波长的100μm纤芯直径旋转器光纤220，有效半径为约45×10^-6m(例如R≈90％×(100/2)＝45×10^-6m)。这里，捻度为166.7转每米(例如1/(6mm)＝166.7)，且因此其遵循sin(θ)≈0.068弧度且l约等于18(例如l≈18)。

18的旋转状态描述了高度旋转的光束，且≈0.068弧度的输出发散角是工业应用中的典型光纤传递激光束。BPP是3.1mm-mrad(例如45×0.068＝3.1mm-mrad)，其适于薄金属加工，而环形光束形状还适于厚金属加工。

通过任何光纤，旋转器光纤220的光引导能力通过旋转器光纤220的NA限定，其中NA＝√(n₁ ²-n₂ ²)。对于上述例子，为了承载旋转光束作为一个旋转导模或作为多个旋转导模，旋转器光纤220的NA应该至少为0.068。由此，n²的值应该为1.4484或更少，例如可使用掺杂熔融石英实现。替换地，如果期望承载旋转光束作为旋转漏波，则可使用略微小于0.068的NA值(例如从约0.060到约0.067范围的值)。在一些实施方式中，输出光纤230应该还具有合适的NA，以用于将旋转光束作为旋转导模和/或旋转漏波。

在一些实施方式中，将输入光纤210耦合到旋转器光纤220的质量可以决定输入功率(例如非旋转的)如何能有效地被转换为旋转器光纤220输出处的高亮度旋转光功率(例如与旋转器光纤220散射掉或作为劣质光束的非旋转光传播(例如包括许多不同模态)相比)。为了确保这种高效率光束转换，所有过渡(transition)应该是平滑且绝热的(adiabatic))，特别是在三个方面。

与提供绝热过渡关联的第一方面是从输入光纤210到旋转器光纤220的过渡部和从旋转器光纤220到输出光纤230的过渡部处的纤芯尺寸应该基本上匹配，使得模态和/或漏波在没有显著模态扰乱的情况下传输。由此，在输入光纤210的纤芯和输出光纤230的纤芯具有不同尺寸的情况下，旋转器光纤220应该是渐缩的，使得输入端处的旋转器光纤220的纤芯尺寸和输出端处的旋转器光纤220的纤芯尺寸基本上分别与输入光纤210和输出光纤230的纤芯尺寸匹配(例如如上针对图5所述)。在一些实施方式中，渐缩率(rate oftaper)可以足够渐变，以实现绝热过渡。在一些实施方式中，平方根渐缩轮廓可以用于实现相对短的渐缩同时仍然保持绝热。

与提供绝热过渡关联的另一方面是旋转器光纤220的捻度在旋转器光纤220的输入端(例如最靠近输入光纤210的端部)处应该为零或接近零且应该沿旋转器光纤220的长度逐渐增加。例如，输入光纤210附近的旋转器光纤220的捻度可以对应于约2或更小、0.5或更小和/或诸如此类的旋转状态l。在一些实施方式中，捻度可以沿旋转器光纤220的长度在旋转器光纤220的输出端(例如最靠近输出光纤230的端部)附近增加到最大捻度。这里，捻度的变化率应该足够渐变，以实现绝热过渡。应注意，捻度在输出光纤230附近不为零或接近零(例如因为输入光纤210或输出光纤230都不具有按角度变化的折射率结构，没有固有的扭绞量，且这些纤维将按发射到这些纤维中的给定旋转状态传输光(只要旋转状态低于针对该光纤的截止值即可))。

与提供绝热过渡有关的另一方面是，从输入光纤210直接发射到次部分430中(如果被包括在旋转器光纤220中)的光应该随后被主部分(一个或多个)410捕捉，使得该光也获得旋转特点。在一些实施方式中，该效果可在旋转器光纤220的尺寸从输入光纤210到输出光纤230渐增时实现。由此，为了满足如上所述的第一方面，输出光纤230的纤芯尺寸应该大于输入光纤210的纤芯尺寸。最初发射到次部分430中的光可以被包层420引导，但是该光在没有引导的情况下经过主部分410和次部分430。在旋转器光纤220的纤芯尺寸朝向输出光纤230渐增时，该光的发散角与纤芯尺寸相反地减小(如对于任何光纤渐缩率已知的)，使得越来越多的这种光被捕获在主部分410中，因为发散角下降到低于通过主部分410的折射率和次部分430接口(即n₁-n₃接口)的折射率限定的NA以下。在一些实施方式中，通过旋转器光纤220和相关渐缩比(taper ratio)的合适设计，发射到次部分430中的至少50％(例如80％)的光可被主部分410捕捉并获得旋转特点。

图6是用于制造旋转器光纤220的旋制光纤技术的示例性过程600的流程图。

如图6所示，过程600可以包括制造具有单体纤芯的旋转器光纤220的预成型件(preform)，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤220预成型件的中心按角度变化的折射率结构(图块610)。例如，用于光纤截面结构(例如如图4A所示)的预成型件可以使用具有折射率n₁的四分之一圆玻璃件(例如形成主部分410)、具有折射率n₃的至少三个玻璃板(例如形成次部分430)、和具有折射率n₂的玻璃管(例如形成包层420)制造。制造旋转器光纤220预成型件的其他方法也是可行的。

进一步如图6所示，过程600可以包括固结旋转器光纤220预成型件,以便形成固结的旋转器光纤220预成型件(图块620)。在一些实施方式中，旋转器光纤220预成型件可以使用热源固结(例如使得旋转器光纤220预成型件的玻璃件熔化在一起)。在一些实施方式中，旋转器光纤220预成型件可以在与图块610关联的预成型过程期间或在与下文所述的图块630关联的拉拔和旋制过程(spinning process))期间固结。

进一步如图6所示，过程600可以包括同时拉拔和旋制固结的旋转器光纤220预成型件，以便形成旋制的旋转器光纤220(图块630)。在一些实施方式中，固结的旋转器光纤220预成型件可以固定在光纤拉拔塔(fiber draw tower)上的预成型件旋制器中，且固结的旋转器光纤220预成型件可以在旋制的同时被拉拔(例如与形成所谓的旋制光纤关联的常规技术)，以便形成旋制的旋转器光纤220。

在一些实施方式中，相对于光纤拉拔速度的旋制速率可以确定旋制的旋转器光纤220中的捻度。在一些实施方式中，旋制速率被选择为使得旋制的旋转器光纤220中的捻度是期望用于旋转光束的捻度。典型的捻度例如是约50转每米到约2000转每米(但是在一些情况下可以使用更慢或更快的速率)。在一些实施方式中，旋制的旋转器光纤220被下拉(draw down)，使得纤芯的尺寸(例如单体纤芯405的直径)约等于或略微小于输出光纤230的纤芯尺寸。

进一步如图6所示，过程600可以包括将旋制的旋转器光纤220拼接到输出光纤230的端部(图块640)。例如，旋制的旋转器光纤220的端部可以融合拼接到输出光纤230的端部。

进一步如图6所示，过程600可以包括让旋制的旋转器光纤220渐缩，以便形成渐缩的旋制旋转器光纤220，其中，在渐缩的旋制旋转器光纤220中，单体纤芯沿渐缩的旋制旋转器光纤220的长度绕渐缩的旋制旋转器光纤220的光学轴线旋转(图块650)。

在一些实施方式中，可以使用热源(例如焊炬、融合拼接器和/或诸如此类)以让旋制的旋转器光纤220加热和变软而在旋制的旋转器光纤220中形成渐缩，使得旋制的旋转器光纤220的纤芯尺寸渐缩，以约等于或略微大于输入光纤210的纤芯尺寸。这里，渐缩固有地减小渐缩旋制旋转器光纤220的捻度(例如如图5所示)，使得渐缩旋制旋转器光纤220的输入端处的捻度可以为零或接近零，由此获得对通过输入光纤210发射的光束的典型非旋转特点的匹配。

如上所述，渐缩率可以被选择为使得传播通过渐缩旋制旋转器光纤220的光的过渡(例如从第一旋转状态到第二旋转状态)可以是绝热或接近绝热的，例如以便使得亮度损耗最小化和/或使得通过渐缩旋制旋转器光纤220在旋转光束中产生的旋转状态(一个或多个)的纯度最大化。更具体地，纤芯尺寸增加率、捻度的增加和从包层420到单体纤芯405的光传输应该是足够渐变的，以确保绝热过渡。绝热过渡可限定为这样的过渡，其中使得过渡更渐变不会造成显著的性能改善。

在一些实施方式中，在渐缩以便形成渐缩旋制旋转器光纤220之后，渐缩旋制旋转器光纤220可以拼接(例如融合-拼接)到输入光纤210的端部。

作为例子，使用针对100μm纤芯直径的渐缩旋制旋转器光纤220的之前提供的值，100μm纤芯直径输出光纤230可拼接到旋转器光纤220，且渐缩旋制旋转器光纤220的输入端可渐缩，以例如达到30μm纤芯直径以便匹配30μm纤芯输入光纤210。在该例子中，捻度可被计算为通过该渐缩率减小到15转每米(例如(30/100)²×166.7＝15转每米)，在旋转器光纤220的输入端处实现约0.18(l≈0.18)的旋转状态，其有效地是非旋转的且由此很好地匹配被输入光纤210承载的非旋转输入光束。在一些实施方式中，输入光纤210的纤芯可以在尺寸方面比输出光纤230的纤芯小得多(例如输入光纤210的纤芯尺寸可以小于或等于输出光纤230的纤芯尺寸的约30％)，使得旋转器光纤220将在旋转器光纤220的输入端处具有零或接近零的捻度。

虽然图6显示了过程600的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图6所示的图块相比，过程600可以包括额外的图块、更少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程600中的两个或更多图块可以并行执行。

在一些实施方式中，用于制造旋转器光纤220的旋制光纤技术的过程可以包括制造具有单体纤芯的旋转器光纤预成型件，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤预成型件的中心按角度变化的折射率结构；使得旋转器光纤预成型件固结以便形成固结的旋转器光纤预成型件；同时拉拔和旋制固结的旋转器光纤预成型件，以便形成旋制旋转器光纤；和使得旋制旋转器光纤渐缩，以便形成渐缩旋制旋转器光纤，其中，在渐缩旋制旋转器光纤中，单体纤芯沿渐缩旋制旋转器光纤的长度绕渐缩旋制旋转器光纤的光学轴线旋转。在一些实施方式中，旋制旋转器光纤的渐缩在输入光纤和输出光纤之间形成绝热过渡，和从第一旋转状态到第二旋转状态的绝热过渡。

图7是用于制造旋转器光纤220的扭绞光纤技术的示例性过程700的流程图。

如图7所示，过程700可以包括制造具有单体纤芯的旋转器光纤220的预成型件，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤220预成型件的中心按角度变化的折射率结构(图块710)。例如，旋转器光纤220预成型件可以以与如上所述类似的与示例性过程600相关联的方式制造。

进一步如图7所示，过程700可以包括固结旋转器光纤220预成型件,以便形成固结的旋转器光纤220预成型件(图块720)。例如，旋转器光纤220预成型件可以以与如上所述类似的与示例性过程600相关联的方式固结。

进一步如图7所示，过程700可以包括拉拔固结的旋转器光纤220预成型件，以便形成拉拔旋转器光纤220(图块730)。在一些实施方式中，固结的旋转器光纤220预成型件可以使用常规光纤拉拔过程拉拔，而没有旋制。在一些实施方式中，固结的旋转器光纤220预成型件可以被下拉，使得被拉拔的旋转器光纤220纤芯尺寸(例如单体纤芯405的尺寸)约等于或略微小于输出光纤230的纤芯尺寸。

进一步如图7所示，过程700可以包括将拉拔的旋转器光纤220拼接到输出光纤230的端部(图块740)。例如，拉拔的旋转器光纤220的端部可以融合拼接到输出光纤230的端部。

进一步如图7所示，过程700可以包括让拉拔的旋转器光纤220扭绞，以便形成经扭绞旋转器光纤220，其中，在经扭绞旋转器光纤220中，单体纤芯沿经扭绞旋转器光纤220的长度绕经扭绞旋转器光纤220的光学轴线旋转(图块750)。

在一些实施方式中，拉拔的旋转器光纤220可以在被扭绞的同时使用热源(例如焊炬、融合拼接器和/或诸如此类)加热和/或软化，以便形成具有可变捻度(例如捻度从经扭绞旋转器光纤220的输入端处的零或接近零变化到经扭绞旋转器光纤220的输出端处的期望捻度)的经扭绞旋转器光纤220。在一些实施方式中，渐缩轮廓也可赋予经扭绞旋转器光纤220，使得经扭绞旋转器光纤220的尺寸匹配输入光纤210和输出光纤230。

在一些实施方式中，在扭绞以便形成经扭绞的旋制旋转器光纤220之后，经扭绞旋转器光纤220可以拼接(例如融合-拼接)到输入光纤210的端部。

应注意，过程700可以比过程600略微更复杂，因为需要在经扭绞旋转器光纤220中产生可变扭绞，而不是在与渐缩旋制旋转器光纤220关联的拉拔期间的恒定扭绞。然而，与过程600相比，过程700可以提供额外自由度。例如，过程700可以允许使用一种输入光纤210，其具有的纤芯尺寸比输出光纤230的纤芯尺寸更大。作为另一例子，与过程600相比，过程700可以允许经扭绞旋转器光纤220的输入端的捻度为零(例如不是接近零)，其中渐缩旋制旋转器光纤的输入端处的捻度在旋制光纤技术中通过渐缩率确定。在一些实施方式中，可以使用混合方法，其中旋制旋转器光纤220通过渐缩并使用热源施加额外的可变扭绞而改变，以便精细调节(或完全去除)输入端处的捻度。

虽然图7显示了过程700的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图7所示的图块相比，过程700可以包括额外的图块、更少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程700中的两个或更多图块可以并行执行。

在一些实施方式中，用于制造旋转器光纤220的扭绞光纤技术的过程可以包括制造包括单体纤芯的旋转器光纤预成型件，该单体纤芯具有相对于旋转器光纤预成型件的中心按角度变化的折射率结构；使得旋转器光纤预成型件固结，以便形成固结的旋转器光纤预成型件；拉拔固结的旋转器光纤预成型件，以便形成拉拔旋转器光纤；和让经拉拔旋转器光纤扭绞，以便形成经扭绞旋转器光纤，其中，在经扭绞旋转器光纤中，单体纤芯沿经扭绞旋转器光纤的长度绕经扭绞旋转器光纤的光学轴线旋转。在一些实施方式中，该过程可以进一步包括，通过热源让经拉拔旋转器光纤软化，同时扭绞经拉拔旋转器光纤，其中经拉拔旋转器光纤被扭绞，使得经扭绞旋转器光纤具有沿经扭绞旋转器光纤长度的可变捻度。

图8A-8C是与使用各种旋转器光纤220的各种渐缩长度的示例性模拟关联的示意图。在与图8A-8C关联的模拟中，输入光纤210具有30μm纤芯且输出光纤230具有100μm纤芯。旋转器光纤220是旋制旋转器光纤，按抛物线轮廓从30μm纤芯渐缩到100μm纤芯，且具有在旋转器光纤220的输出端处具有166.7转/m的捻度。进一步地，输入光纤210承载六个并存的模态：LP₀₁，LP₀₂，LP₁₁₍₊₎，LP_11(-)，LP₂₁₍₊₎，和LP_21(-)，其中(+)和(–)表明对应模态的两个可能的旋转方向。LP₁₁模态和LP₂₁模态每一个具有小量旋转(分别是l＝1和l＝2)，但是因为所有六个模态是并存的，所以输入模态混合具有为零的平均旋转状态。旋转器光纤220的包层的NA是0.22(例如使得所有相关模态被强引导)。输出光束的质量特征在于被激励的模态数量。

图8A、8B和8C的旋转器光纤220分别与10mm、40mm和80mm的渐缩长度关联，以便评估这些渐缩长度的绝热性。示例性模拟显示出输出辐射被发现几乎完全是强旋转模态LP_l1的形式，如所期望的。结果显示在图8A-8C中，显示了作为转数l的函数的模态功率(modalpower)。

如所示的，通过如上所述的旋转器光纤产生的旋转状态集中于l≈18。然而，存在一些状态分布，因为多于一个的输入模态是并存的。另外，基于图8A与图8B和8C的比较，可以看到10mm渐缩具有比40mm渐缩和80mm渐缩显著更多的被激励状态。该结果表明，10mm渐缩太短以至于不能绝热(即10mm的渐缩(从输入端到输出端)在旋转器光纤220的参数中具有太突然的改变)，由此使得额外模态被激励且使得亮度和模态纯度变差。

另一方面，如图8B和8C的比较所示，40mm渐缩和80mm渐缩之间存在相对小的变化。这表明，这些渐缩是绝热的且最终的模态分布接近最佳。实际上，考虑到六个输入模态是并存的，在理想情况下，输出模态也将是并存的。可见，绝热渐缩中的大部分输出并存实际上落入约六个模态中，在邻近模态中有一些轻微的分散。

因为所有所产生的模态是旋转模态，所以与旋转器光纤220的输出关联的输出点可以是具有尖锐边缘的清晰环体图案，如对于更有效的材料加工来说是期望的。

如上所述，图8A-8C仅仅是作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图8A-8C所述的有所不同。

在一些实施方式中，如上所述，旋转器光纤220可以不包括次部分430(即单体纤芯405可以仅包括主部分410)，且与至少部分地将输入光束转换为旋转光束相关联地，单体纤芯405的中心(主部分410的中心)可以沿旋转器光纤220的长度与旋转器光纤220的光学轴线存在偏差。图9A和9B是示例性旋转器光纤220的示意图，其中单体纤芯405的中心与旋转器光纤220的光学轴线存在偏差。

如图9A和9B所示，在一些实施方式中，单体纤芯205可以包括单个主部分410，且单体纤芯405的中心(即信号主部分410的中心)可以与旋转器光纤220的光学轴线存在偏差。这种单体纤芯405在本文称为偏差单体纤芯405。在一些实施方式中，偏差单体纤芯405可以具有圆形截面(如图9A和9B所示)、矩形截面、椭圆形截面、环形截面、部分环形截面、楔形截面或其他形状。图9A和9B所示的示例性旋转器光纤220可以例如代表80μm直径(高度多模)的单体纤芯405(例如在约1μm、1.5μm、1.9μm等的通常工作波长附近具有0.22NA和数千个模态)，其相对于包层420的中心轴线(例如400μm直径的包层)具有10μm轴线偏差。

如图9A和9B所示，偏差单体纤芯405可以沿旋转器光纤220的长度扭绞(例如使得单体纤芯405沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的光学轴线旋转)。在这种情况下，折射率结构的角变化可以通过单体纤芯405相对于旋转器光纤220的光学轴线的偏差限定。这里，由于偏差单体纤芯405绕光学轴线扭绞，所以在偏差单体纤芯405中传播的光沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的光学轴线扭转，这以与如上所述类似的方式产生旋转光束(例如包括在至少一个旋转导模或至少一个旋转漏波中传播的光)。在一些实施方式中，旋转光束可以在旋转器光纤220的第二端处具有环形形状，如上所述。

在一些实施方式中，偏差单体纤芯405绕光学轴线扭绞的捻度从旋转器光纤220的第一端处的第一捻度增加到旋转器光纤220的第二端处的第二捻度，如上所述。在一些实施方式中，旋转器光纤220的第一端处的第一捻度可以小于或等于一捻每50mm。在一些实施方式中，如图9A所示，与旋转器光纤220的轴线存在偏差且沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的轴线扭绞的单体纤芯405使得偏差单体纤芯405具有螺旋形状。

在一些实施方式中，包括偏差单体纤芯405(例如与光学轴线偏差的单个主部分410)的旋转器光纤220可以渐缩，使得单体纤芯405的尺寸基本上匹配旋转器光纤220相应端部处的输入光纤210和/或输出光纤230的纤芯区域尺寸。在一些实施方式中，旋转器光纤220可以渐缩，使得旋转器光纤220第一端处的旋转器光纤220的尺寸小于旋转器光纤220第二端处的旋转器光纤220的尺寸。

在一些实施方式中，如图9B所示，围绕偏差单体纤芯405的包层420的厚度在旋转器光纤220的给定截面处是非均匀的(由于单个主部分410相对于光学轴线的偏差)。由此，在一些实施方式中，包括偏差单体纤芯405的旋转器光纤220的截面可以相对于旋转器光纤220的光学轴线不对称。

在一些实施方式中，包括偏差单体纤芯405(例如包括单个主部分410)的旋转器光纤220可以相对简单地制造(例如与图4A所示的示例性旋转器光纤相比)。例如，可制造具有中心定位纤芯(例如包括单个主部分410的单体纤芯405)的常规预成型件，且包层420的一部分可被磨掉，使得单体纤芯405偏离中心。接下来，可执行再套接操作(re-sleeveoperation)(如果期望)，以在保持单体纤芯405的偏轴位置的同时增加额外的包层材料。替换地，未参杂的杆可被钻出偏心孔，且纤芯杆或纤芯/包层杆可插入到偏心孔中。该结构可随后固结并被拉拔成光纤。应注意，这些过程是作为例子提供的，且其他技术可用于制造具有偏差单体纤芯405的期望旋转器光纤220。

在一些实施方式中，扭绞的偏差单体纤芯405的输出端可拼接为合适的常规非螺旋纤芯多模输出光纤230，其方式是旋转光束的旋转特点被保留。在一些实施方式中，输出光纤230的纤芯半径可以匹配偏差单体纤芯405的最大位移。例如，在80μm直径、10μm偏差的单体纤芯405的情况下，单体纤芯405的最大位移是50μm(例如40μm半径+10μm偏差＝50μm)，且偏差单体纤芯405中的大部分光应该位于50μm半径附近(由于离心力)。因此，在该例子中，适当匹配的输出光纤230应为50μm半径(即100μm直径)纤芯光纤。这里，旋转光束应该从其在偏差单体纤芯405的边缘处被局限的位置无缝地传输到输出光纤230的50μm半径纤芯。

为了以最大效率将非旋转输入光束至少部分地转换为旋转光束，可使用如上所述的技术。例如，具有偏差单体纤芯405的旋转器光纤220可渐缩并拼接到输入光纤210。使用来自以上例子的附图标记，如果输入光纤210具有30μm纤芯，则具有80μm偏差单体纤芯405和400μm包层420的旋转器光纤220可渐缩到30μm纤芯、150μm包层。输入光纤210可拼接到旋转器光纤220，使得输入光纤210和偏差单体纤芯405的纤芯对准。这里，因为输入光纤210可以具有中心定位的纤芯，所以在纤芯对准时输入光纤210的包层和旋转器光纤220的包层420可以不对准。在如上述例子中，输出光纤230可具有100μm纤芯。为了易于拼接，输出光纤230的包层也可以是400μm，且输出光纤230的包层和旋转器光纤220的包层420可以对准。

进一步地，如上所述，光纤旋转的节距可被选择为提供期望光束旋转率(其对应于具体输出NA)，且渐缩长度可被选择，以优化输出质量。对于上述例子，使用6mm的旋转节距、80mm直线渐缩长度预计能针对50％LP₀₁、50％LP₀₂的输入模态混合赋予高质量旋转光束。这里，在近场和远场，可以形成清晰的环结构，意味着激励出高比例的旋转模态。模型显示出，被激励的模态的转数为约8到约20，与如上所述的模拟结果相符。

进而，如上所述，使用渐缩结构能同时提供从非旋转到旋转状态的逐渐过渡和从较小(例如30μm)输入光束到较大(例如100μm环形)输出光束的逐渐过渡。在一些实施方式中，可以利用平方根渐缩样式。

在一些实施方式中，可以使用旋制光纤技术(例如在光纤拉拔期间对预成型件进行旋制)并随后施加非旋制渐缩来制造旋转器光纤220，或可通过使用非旋制光纤并在渐缩过程期间实施旋转来制造，如上所述。

对于任何旋转光束，需要非常小心，以避免显著的弯曲损耗。由此，包括偏差单体纤芯405的旋转器光纤220的包层420的NA可以比所产生的旋转光的发散角更高。在具有6mm节距和100μm输出光纤230的以上例子中，发散角(远场半径)延伸到约0.10弧度。这里，使用具有0.12或更大(例如0.15或更大)NA的纤维应能提供充分的裕量，以防止弯曲损耗。

应注意，通过旋转器光纤220的偏差单体纤芯405提供的效果不需要利用圆形纤芯。例如，一个其他实施方式包括，以图4A所示的“四叶形”实施例开始，且将光仅发射到主部分410中之一。在这种情况下，有效地仅单个主部分410承装光，且该单个主部分410与旋转器光纤220的中心存在偏差(例如在中心附近具有楔形顶点且所有的光承载区域远离中心)。

如上所述，图9A和9B仅仅是作为例子提供的。其他例子可以与针对图9A和9B所述的不同。

图10是用于制造包括偏差单体纤芯405的旋转器光纤220的第一技术的示例性过程1000的流程图。

如图10所示，过程1000可以包括获得具有纤芯和围绕纤芯的包层的光纤预成型件，纤芯基本中心定位在光纤预成型件的中心轴线上(图块1010)。例如，可以获得包括圆形纤芯和围绕纤芯的包层的光纤预成型件。这里，光纤预成型件的纤芯可以基本中心定位在光纤预成型件的中心轴线上。

进一步如图10所示，过程1000可以包括沿光纤预成型件的长度去除围绕纤芯的一部分包层(图块1020)。例如，光纤预成型件的一部分包层可以沿光纤预成型件的长度被磨掉。

进一步如图10所示，过程1000可以包括将光纤预成型件再套接，以便形成旋转器光纤预成型件，其中，在旋转器光纤预成型件中，纤芯的中心与旋转器光纤预成型件的中心轴线存在偏差(图块1030)。例如，可执行再套接操作，以向光纤预成型件增加包层材料，同时保持纤芯相对于光纤预成型件中心轴线的偏轴位置(偏移)。

进一步如图10所示，过程1000可以包括使用旋转器光纤预成型件形成旋转器光纤220，其中，在旋转器光纤220中，纤芯(例如单体纤芯405)的中心沿旋转器光纤220的长度与旋转器光纤220的轴线存在偏差，且其中，在旋转器光纤220中，偏差单体纤芯405沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的轴线扭绞(图块1040)。在一些实施方式中，旋转器光纤220可以使用旋制光纤技术(例如包括同时发生的拉拔和旋制)形成，如上针对图6所述。在一些实施方式中，旋转器光纤220可以使用扭绞光纤技术(例如包括拉拔和随后的扭绞)形成，如上针对图7所述。

虽然图10显示了过程1000的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图10所示的图块相比，过程1000可以包括额外的图块、更少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程1000中的两个或更多图块可以并行执行。

图11是用于制造包括偏差单体纤芯405的旋转器光纤220的第二技术的示例性过程1100的流程图。

如图11所示，过程1100可以包括沿包层杆的长度形成开口，开口与包层杆的中心轴线存在偏差(图块1110)。例如，偏心孔可被钻入(未掺杂的)包层杆中。

进一步如图11所示，过程1100可以包括在沿包层杆长度的开口中插入纤芯(图块1120)。例如，纤芯杆可插入沿包层杆长度的包层杆的孔中。

进一步如图11所示，过程1100可以包括让纤芯杆和包层杆固结，以便形成固结的旋转器光纤预成型件(图块1130)。例如，纤芯杆和包层杆可以固结以形成旋转器光纤220的预成型件。在一些实施方式中，旋转器光纤预成型件可以使用热源固结(例如使得旋转器光纤220预成型件的玻璃件熔在一起)。在一些实施方式中，旋转器光纤预成型件可以在形成旋转器光纤220期间固结，下文针对图块1140所述。

进一步如图11所示，过程1100可以包括使用旋转器光纤预成型件形成旋转器光纤220，其中，在旋转器光纤220中，纤芯(例如单体纤芯405)的中心沿旋转器光纤220的长度与旋转器光纤220的轴线存在偏差，且其中，在旋转器光纤220中，偏差单体纤芯405沿旋转器光纤220的长度绕旋转器光纤220的轴线扭绞(图块1140)。在一些实施方式中，旋转器光纤220可以使用旋制光纤技术(例如包括同时发生的拉拔和旋制)形成，如上针对图6所述。在一些实施方式中，旋转器光纤220可以使用扭绞光纤技术(例如包括拉拔和随后的扭绞)形成，如上针对图7所述。

虽然图11显示了过程1100的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图11所示的图块相比，过程1100可以包括额外的图块、更少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程1100中的两个或更多图块可以并行执行。

本文所述的一些实施方式提供一种光纤装置，用于直接在光纤中(即没有任何自由空间光学器件)产生具有环形光束形状的光束。更具体地，所产生的光束是旋转光束(即沿螺旋方向在光纤中传播的光束)，由此产生具有环形光束形状的光束。在一些实施方式中，光束的旋转特点可被保留(例如在光束离开光纤时)，使得从光纤投射到工件上的激光光斑显示出具有锐利边缘和高光束质量的环形光束轮廓。

前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。

例如，旋转器光纤220已经被描述为用于将非旋转光束转换为旋转光束的目的。然而，在一些应用中，旋转器光纤220可以以相反方向使用，以便将输入旋转光束转换为输出非旋转光束。这可以通过旋转器光纤220的逆向设计实现，包括渐缩和扭绞的变化，使得旋转器光纤220的输入端处的捻度匹配输入光束的旋转，且使得旋转器光纤220的输出端处的捻度为零或接近零。如上所述的任一制造技术可适于该例子。

作为另一例子，旋转器光纤220可以设计为将具有任何旋转状态的输入光束转换为具有另一(即不同)旋转状态的输出光束。用于实现这一点的标准是旋转器光纤220的输入端处的捻度应该匹配输入光束的旋转状态，且旋转器光纤220的输出端处的捻度应该匹配输出光束的期望旋转状态。如上所述的任一制造技术可适于该例子。

即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合的目的也不是限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。

本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。进一步地，如本文使用的，冠词“一”目的包括一个或多个项目且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如关联项目，非关联项目，关联项目和非关联项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。

相关申请

本申请是2017年11月3日提交的美国专利申请No.15/802,897的部分继续(CIP)，其根据35美国C。§119要求2016年11月22日提交的美国临时专利申请No.62/425,431的优先权，其内容通过引用全部合并于本文。

本申请根据35U.S.C.§119要求于2018年8月6日提交的美国临时专利申请No.62/715,040的优先权，其内容通过引用全部合并于本文。

Claims (19)

1.一种光纤装置，包括：

纤芯部分，沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞，

其中纤芯部分的中心沿光纤装置的长度与光纤装置的轴线存在偏差，

其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度从光纤装置第一端处的第一捻度增加到光纤装置第二端处的第二捻度，且

其中纤芯部分绕轴线扭绞使得射在光纤装置第一端处的光束被至少部分地转换为光纤装置第二端处的旋转光束；和

包层，围绕纤芯部分。

2.如权利要求1所述的光纤装置，其中围绕纤芯部分的包层的厚度在光纤装置截面处是非均匀的。

3.如权利要求1所述的光纤装置，其中光纤装置的截面相对于光纤装置的轴线不对称。

4.如权利要求1所述的光纤装置，其中纤芯部分是圆形纤芯部分。

5.如权利要求1所述的光纤装置，其中纤芯部分的中心沿光纤装置的长度与光纤装置的轴线存在偏差且沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞，使得纤芯部分具有螺旋形状。

6.如权利要求1所述的光纤装置，其中光纤装置的纤芯仅包括纤芯部分。

7.如权利要求1所述的光纤装置，其中光纤装置第一端处的第一捻度小于或等于一捻每50毫米。

8.如权利要求1所述的光纤装置，其中光纤装置渐缩使得光纤装置第一端处的光纤装置尺寸小于光纤装置第二端处的光纤装置的尺寸。

9.如权利要求1所述的光纤装置，其中旋转光束在光纤装置第二端处具有环形形状。

10.如权利要求1所述的光纤装置，其中旋转光束包括在至少一个旋转导模或至少一个旋转漏波传播中的光。

11.一种方法，包括：

通过旋转器光纤在旋转器光纤第一端处接收光束，

其中旋转器光纤包括沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的轴线扭绞的纤芯部分，使得纤芯部分的中心沿旋转器光纤的长度与旋转器光纤的轴线存在偏差，

其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度从旋转器光纤第一端处的第一捻度增加到旋转器光纤第二端处的第二捻度；

通过旋转器光纤至少部分地将光束转换为旋转光束，

其中由于绕轴线扭绞的纤芯部分，光束被至少部分地转换为旋转光束；和

通过旋转器光纤输出旋转光束。

12.如权利要求11所述的方法，其中围绕纤芯部分的包层的厚度在旋转器光纤的截面处是非均匀的。

13.如权利要求11所述的方法，其中旋转器光纤的截面相对于旋转器光纤的轴线是不对称的。

14.如权利要求11所述的方法，其中纤芯部分是圆形纤芯部分。

15.如权利要求11所述的方法，其中纤芯部分的中心沿旋转器光纤的长度与旋转器光纤的轴线存在偏差且沿旋转器光纤的长度绕旋转器光纤的轴线扭绞使得纤芯部分具有螺旋形状。

16.如权利要求11所述的方法，其中旋转器光纤的纤芯仅包括纤芯部分。

17.如权利要求11所述的方法，其中旋转器光纤第一端处的第一捻度小于或等于一捻每50毫米。

18.一种环形光束产生器，包括：

光纤装置，包括：

纤芯部分，沿光纤装置的长度绕光纤装置的轴线扭绞，纤芯部分的中心沿光纤装置的长度沿光纤装置的长度与光纤装置的轴线存在偏差，

其中纤芯部分绕轴线扭绞的捻度沿光纤装置的长度从光纤装置第一端到光纤装置第二端增加；和

包层，围绕纤芯部分。

19.如权利要求18所述的环形光束产生器，其中纤芯部分绕轴线扭绞使得射在光纤装置第一端处的光束被至少部分地转换为光纤装置第二端处的旋转光束。

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