CN111316148B - 对透明工件进行激光加工的方法和光学系统 - Google Patents

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Abstract

用于将高斯激光束转化为贝塞尔激光束的光纤可以包括通过过渡区域光学耦合到第二段的第一段，所述第一段的第一外直径大于第二段的第二外直径。第一段可以包括第一纤芯部分，其具有绕着第一纤芯部分延伸的第一包层部分。第二段可以包括第二纤芯部分，其具有绕着第二纤芯部分延伸的第二包层部分。光纤可以具有非轴对称折射率分布或者可以耦合到具有非轴对称折射率分布的端盖。

Description

对透明工件进行激光加工的方法和光学系统
本申请根据35U.S.C.§119，要求2017年10月31日提交的美国临时申请系列第62/579,614号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
技术领域
本说明书一般地涉及光纤，更具体地，涉及用于将高斯激光束转化为非轴对称准非衍射激光束的光纤以及包含其的激光传递系统。
技术背景
衍射是导致激光束发散的一个因素。其他因素包括形成激光束的光学系统或者界面处的折射和散射所导致的聚焦和失焦。
准非衍射激光束(例如，贝塞尔激光束)对于材料加工应用可能是合乎希望的。当其沿着束轴传播时，准非衍射激光束不像高斯束那样发生衍射(扩展)。当准非衍射激光束(例如贝塞尔激光束)聚焦时，焦深度会是常规高斯激光束的10倍那么大。例如，1.06微米(μm)波长的高斯激光束可以聚焦至约1μm直径焦点并具有约1μm的聚焦深度。相反地，具有相同波长(1.06μm)的准非衍射激光束(例如，贝塞尔激光束)可以实现相同的焦斑直径(1μm)且具有超过10μm的焦深度，例如大于50μm(即，至少是典型高斯束所实现的r的10倍那么大)。此类焦深度的增加对于激光表征技术、激光加工技术等是合乎希望的。
常规激光系统产生不同于贝塞尔激光束的高斯激光束，其在沿着束轴传播时发生衍射。可以采用自由空间光学系统(例如，环状光圈、轴锥棱镜或其组合)从高斯激光束产生或转化贝塞尔激光束。但是，自由空间光学系统是笨重的，并且具有低的对齐容差和高成本。
因此，需要替代的设备将高斯激光束转化为准非衍射激光束(例如，贝塞尔激光束)。
发明内容
根据一个实施方式，用于对透明工件进行激光加工的方法包括：
在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包括透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：
将束源提供的脉冲激光束引导通过以下任一情况：
(a)包括至少一段具有非轴对称折射率分布的光纤，其形成非轴对称脉冲激光束，
(b)产生环形束的光纤和连接到产生环形束的光纤的端盖，所述端盖具有非轴对称折射率分布，从而使得端盖形成非轴对称脉冲激光束；
其中，非轴对称脉冲激光束引导到透明工件中的部分在透明工件中产生感应吸收，所述感应吸收在透明工件中产生缺陷，以及脉冲激光束引导到透明工件中的部分包括：
波长λ；
有效斑尺寸Wo,有效；和
非轴对称束横截面，其包括横截面x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小值和横截面y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小值，其中，ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个大于
Figure GDA0003897915980000021
式中，FD是无量纲发散度因子，其包括10或更大的值。
根据一些实施方式，方法还包括：使得透明工件和非轴对称脉冲激光束相对于彼此沿着轮廓线位移，从而激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷。根据一些实施方式，无量纲发散度因子FD包括约50至约1500的值。
根据一些实施方式，用于对透明工件进行激光加工的光学系统包括：
提供脉冲激光束的激光束源，
光纤组件，其构造成将源提供的激光束转化为具有非轴对称横截面的激光束，所述光纤组件包括：
(i)光纤，其包括：相互光学连接的至少两个光纤段，一段光学连接到激光束源并构造成传播基本高斯激光束，而另一个光纤段构造成将高斯激光束转化为非高斯环形激光束；以及与所述另一个光纤段相邻的端盖，所述端盖构造成将非高斯环形束转化为非轴对称激光束，所述端盖具有非轴对称折射率分布，或者
(ii)光纤，其包括相互光学连接的至少两个光纤段，一段光学连接到激光束源并构造成传播基本高斯激光束，而另一个光纤段构造成将高斯束转化为非轴对称激光束，所述另一个光纤段具有非轴对称折射率分布，
所述非轴对称激光束具有：
波长λ；
最大束强度；
有效斑尺寸Wo,有效，该有效斑尺寸定义为从束传播路径z到任何方向上束强度减小到最大光束强度的1/e2的最短径向距离；
脉冲能和脉冲持续时间足以超过透明工件的破坏阈值，从而在透明工件中形成轮廓线，该轮廓线包括透明工件中的缺陷；
其中，非轴对称束横截面具有x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小值和y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小值，其中，ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个大于
Figure GDA0003897915980000031
式中，FD是值为10或更大的无量纲发散度因子，以及其中，x和y方向上的最小瑞利范围中较小的那个是束的光学强度沿着束路径衰减到最大束强度的一半的距离。
根据一些实施方式，入射到工件上的非轴对称激光束是准非衍射激光束。根据一些实施方式，光学件包括放置成将非轴对称激光束聚焦成具有非轴对称横截面的激光焦线的聚焦组件。
根据一些实施方式，组件包括：
(I)光纤，其包括：
(i)第一段，其包括：
第一纤芯部分，其具有从光纤的轴向中心线开始的半径R1，所述第一纤芯部分包括中心位于光纤的轴向中心线上的第一环状纤芯区域且具有内半径R0和第一径向厚度TAC＝R1–R0；和
第一包层部分，其绕着第一纤芯部分延伸，所述第一包层部分具有径向厚度TCL，所述第一环状纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率ΔAC％；
(II)第二段，其包括：
(ii)第二纤芯部分，其具有从光纤的轴向中心线开始的半径r1，其中，第二纤芯部分的至少一部分光学耦合到第一环状纤芯区域，并且半径R1大于半径r1；和
绕着第二纤芯部分延伸的第二包层部分，所述第二包层部分的径向厚度tcl小于所述第一包层部分的径向厚度TCL；以及
(II)端盖，其放置成与光纤的第一段相邻和接触，所述端盖具有所述非圆形对称折射率分布。
根据一些实施方式，第二纤芯部分具有相对于第二包层部分的相对折射率Δc％，以及ΔAC％基本等于Δc％。根据一些实施方式，端盖包括具有至少一个区域R的纤芯区域，其中，所述第一段的第一环状纤芯区域与端盖的纤芯区域相邻且基本重叠，从而实现了将从所述第一段的第一环状纤芯区域传播的光耦合进入到端盖的纤芯区域中并以非圆形对称方式传播通过端盖。
根据一些实施方式，光纤包括：
(I)第一段，其包括：
第一纤芯部分，其具有从光纤的轴向中心线开始的半径R1，所述第一纤芯部分包括中心位于光纤的轴向中心线上的第一纤芯区域且具有内半径R0和第一径向厚度TAC＝R1–R0；所述第一纤芯区域具有非圆形对称折射率分布；和
第一包层部分，其绕着第一纤芯部分延伸，所述第一包层部分具有径向厚度TCL，第一纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率ΔAC％；
(II)第二段，其包括：
第二纤芯部分，其具有从光纤的轴向中心线开始的半径r1，其中，第二纤芯部分的至少一部分光学耦合到第一纤芯区域，并且半径R1大于半径r1；和
绕着第二纤芯部分延伸的第二包层部分，所述第二包层部分的径向厚度tcl小于所述第一包层部分的径向厚度TCL。
根据一些实施方式，第二纤芯部分具有相对于第二包层部分的相对折射率Δc％，以及ΔAC％基本等于Δc％。
根据一些实施方式，第一纤芯段包括空气孔、负掺杂的二氧化硅或者纯二氧化硅。根据一些实施方式，第一段具有区域R，其折射率不同于第一区域的余下部分。根据一些实施方式，第一纤芯部分包括至少一个区域R，首先，区域R相对于第一包层部分的相对折射率小于ΔAC％。根据一些实施方式，第一纤芯区域的形状是部分环形。根据一些实施方式，第一纤芯部分包括至少一个区域R，首先，区域R相对于第一包层部分的相对折射率小于ΔAC％。
根据一些实施方式，光纤组件包括：
(I)光纤，其包括：
(a)第一段，其包括：
第一纤芯部分，其包括第一中心纤芯区域、第一环状纤芯区域和第一低折射率纤芯区域，其中，第一中心纤芯区域布置在第一环状纤芯区域内并且通过第一低折射率纤芯区域与第一环状纤芯区域间隔开；和
绕着第一纤芯部分延伸的第一包层部分，所述第一中心纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率ΔCC％，所述第一环状纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率ΔAC％，以及所述第一低折射率纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率ΔLIC％，其中，ΔLIC％小于ΔCC％和ΔAC％；
(b)第二段，其包括：
第二纤芯部分，其包括第二中心纤芯区域、第二环状纤芯区域和第二低折射率区域，其中，第二中心纤芯区域布置在第二环状纤芯区域内并且通过第二低折射率纤芯区域与第二环状纤芯区域间隔开，其中，至少第二中心纤芯区域与第一环状纤芯区域光学耦合；和
绕着第二纤芯部分延伸的第二包层部分，所述第二中心纤芯区域具有相对于所述第二包层部分的相对折射率Δcc％，所述第二环状纤芯区域具有相对于所述第二包层部分的相对折射率Δac％，以及所述第二低折射率纤芯区域具有相对于所述第一包层部分的相对折射率Δlic％，其中，Δlic％小于Δcc％和Δac％；以及(II)端盖，其放置成与光纤的第一段相邻和接触，所述端盖具有非圆形对称折射率分布。
根据一些实施方式，第一段通过过渡区域光学耦合到第二段，所述第一段具有第一外直径D0，所述第二段具有第二外直径d0，其中，第一外直径D0大于第二外直径d0。
根据一些实施方式，光学系统包括：
发射具有高斯分布的输出束的激光光源；和
耦合到激光光源的输出束的光纤，所述光纤包括：
具有第一外直径D0的第一段；
具有第二外直径d0的第二段，其中，第一外直径D0大于第二外直径d0，以及第二外直径d0与第一外直径D0之比大于或等于0.2且小于或等于0.9；和
与第一段和第二段整合形成且光学耦合的过渡区域，其中，第一段包括第一纤芯部分，所述第一纤芯部分具有光学耦合到第二段的第二纤芯部分的第一环状纤芯区域，所述光纤将激光光源的输出束从高斯分布转化为贝塞尔分布；以及
耦合到光纤的具有非轴对称折射率分布的端盖，所述端盖将贝塞尔分布改性为非轴对称贝塞尔分布。
根据一些实施方式，光学系统包括：
发射具有高斯分布的输出束的激光光源；和
耦合到激光光源的输出束的光纤，所述光纤具有非轴对称折射率分布并且还包括：
具有第一外直径D0的第一段；
具有第二外直径d0的第二段，其中，第一外直径D0大于第二外直径d0，以及第二外直径d0与第一外直径D0之比大于或等于0.2且小于或等于0.9；和
与第一段和第二段整合形成且光学耦合的过渡区域，其中，第一段包括第一纤芯部分，所述第一纤芯部分具有光学耦合到第二段的第二纤芯部分的第一环状纤芯区域，所述光纤将激光光源的输出束从高斯分布转化为贝塞尔分布。
本文所述的光纤的一个优点在于，这些光纤能够用于将常规高斯束转化为适合许多应用(例如，激光加工、激光切割和光学成像)的贝塞尔束。
如上文所述，通常通过笨重且具有低对齐容差和高成本的光学系统来产生贝塞尔束。本文所述的光纤和光学系统的一个优点在于，它们实现了诸如远端激光加工和便携式仪器的一些应用。用光纤来代替笨重的光学组件会提供更为灵活且易于部署的使用仪器。对于许多应用，同时同于激光传递和束形状调节的光纤光学系统提供了比常规系统而言更低的损耗和更好的稳定性。
在以下的详细描述中提出了本文所述光纤以及采用此类光纤的光学系统的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。
要理解的是，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
图1A示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式形成缺陷的轮廓线；
图1B示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，在透明工件的加工过程中的示例性脉冲激光束焦线；
图2示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式，非轴对称束斑来回移动(traverse)所希望的分离线从而在透明工件中形成轮廓线；
图3A-3F显示产生非轴对称(非圆形对称)贝塞尔束或高斯-贝塞尔束的光学组合件10的不同实施方式；
图4A示意性显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的光纤的侧视图；
图4B示意性显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的另一个光纤的侧视图；
图4C示意性显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的另一个光纤的侧视图；
图4D示意性显示根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的另一个光纤的侧视图；
图5A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光纤的第一段的径向横截面；
图6A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图5A的光纤的第一段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图7A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光纤的第二段的径向横截面；
图8A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图7A的光纤的第二段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图5B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4B的光纤的第一段的径向横截面；
图6B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图5B的光纤的第一段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图6C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图5B的光纤的第一段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图7B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4B的光纤的第二段的径向横截面；
图8B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图7B的光纤的第二段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图8C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图7B的光纤的第二段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图9A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光纤的第一段的径向横截面；
图10A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图9A的光纤的第一段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图11A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光纤的第二段的径向横截面；
图12A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图11A的光纤的第二段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图9B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4B的光纤的第一段的径向横截面；
图10B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图9B的光纤的第一段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图10C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图9B的光纤的第一段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图11B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4A的光纤的第二段的径向横截面；
图12B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图11B的光纤的第二段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图12C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图11B的光纤的第二段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图13A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4C的光纤的第一段的径向横截面；
图14A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图13A的光纤的第一段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图15A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4C的光纤的第二段的径向横截面；
图16A图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图13A的光纤的第二段的相对折射率分布与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图13B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4D的光纤的第一段的径向横截面；
图14B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图13B的光纤的第一段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系。
图14C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图13B的光纤的第一段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径R的函数关系；
图15B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图4D的光纤的第二段的径向横截面；
图16B图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图15B的光纤的第二段的相对折射率分布(A-A横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图16C图示性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式的图15B的光纤的第二段的相对折射率分布(B-B横截面)与光纤的玻璃部分的半径r的函数关系；
图17A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“无衍射”束的光学系统；
图17B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“无衍射”束的光学系统；
图17C显示通过图17A和17B的光学系统提供的非轴对称束的一个实施方式。
图18A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“无衍射”束的另一个光学系统；
图18B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“无衍射”束的光学系统；
图19A示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“混合”高斯-贝塞尔激光束的光学系统；
图19B示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“混合”高斯-贝塞尔激光束的光学系统的另一个实施方式；以及
图20示意性显示根据本文所示和所述一个或多个实施方式采用光纤产生“混合”高斯-贝塞尔激光束的另一个光学系统实施方式；
图21A-21G示意性显示光纤或者用于本文所述光纤的端盖的数种实施方式的横截面图；
图22A-22C示意性显示制造本文所述一些光纤实施方式的一种示例性方法；
图23A-23B示意性显示制造本文所述一些光纤实施方式的另一种示例性方法；
图23C-23D显示制造本文所述一些光纤实施方式的另一种示例性方法。
具体实施方式
如本文所用，术语“高斯激光束”指的是具有高斯强度分布(高斯分布)的单色电磁辐射束，并且其横向磁场与电场幅度分布由高斯函数给出。高斯激光束可以是轴对称或者不是轴对称的，即，高斯激光束可以具有轴对称束横截面或者非轴对称束横截面(其形成具有长轴和短轴的非轴对称束斑)。如本文所用，术语“贝塞尔激光束”指的是具有第一类贝塞尔函数描述的幅度(分布)的单色电磁辐射束。贝塞尔激光束或者高斯-贝塞尔束可以是轴对称或者不是轴对称的，即，贝塞尔激光或者高斯-贝塞尔束可以具有轴对称束横截面或者非轴对称束横截面(其形成具有长轴和短轴的非轴对称束斑)。如本文所用，术语混合高斯-贝塞尔激光束(或者“混合”高斯-贝塞尔激光束”)指的是具有高斯分布和贝塞尔分布的组合的电磁辐射束。
如本文所用，术语“无衍射”指的是非衍射和准非衍射束，例如贝塞尔束。
术语“微米(micrometers)”、“微米(microns)”和“μm”在本文中可互换使用。
如本文所用，术语“透明工件”表示由玻璃、玻璃陶瓷、蓝宝石或者其他透明材料形成的工件，其中，如本文所用，术语“透明”表示对于规定脉冲激光波长，材料对于每mm材料深度具有小于约20％的光学吸收(例如小于约10％每mm材料深度)，或者例如对于规定脉冲激光波长，小于约1％每mm材料深度。根据一个或多个实施方式，透明工件可以具有约50微米至约10mm的厚度(例如，约100微米至约5mm或者约0.5mm至约3mm)。
以下术语将与本文所述的光纤结合使用。
如本文所用，术语“折射率分布”或“相对折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤的半径R(或r)之间的关系。
如本文所用，“术语相对折射”的定义如下：
Figure GDA0003897915980000111
式中，除非另有说明，否则n(r)是光纤的半径r(或R)处的折射率，并且r＝0对应于光纤的轴向中心线。除非另有说明，否则相对折射率限定在1550nm处。在本文所述的实施方式中，参比折射率n参比是外包层的折射率。除非另有说明，否则如本文所用的相对折射率用Δ表示，并且其数值以“％”为单位。在区域的折射率小于参比折射率nREF(n参比)的情况下，相对折射率百分比是负的，并且被称作具有凹陷区域、凹陷折射率或者低折射率。在区域的折射率大于参比折射率nREF的情况下，相对折射率百分比是正的，并且该区域可以被称为是提升的或者具有正折射率。
除非另有说明，否则涉及光纤的第一段的半径、径向厚度和体积(如下文所述)分别使用字母‘R’、‘T’和‘V’，而涉及光纤的第二段的半径、径向厚度和体积分别使用字母‘r’、‘t’和‘v’。下标‘CH’指的是光纤的第一段中的‘通道’。下标‘AC’和‘ac’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘环状纤芯区域’。下标‘C’和‘c’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘纤芯部分’。下标‘CL’和‘cl’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘包层部分’。下标‘OCL’和‘ocl’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘外包层部分’。下标‘ICL’和‘icl’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘内包层部分’。下标‘LIT’和‘lit’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘低折射率凹陷’。下标‘LIC’和‘lic’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘低折射率纤芯区域’。下标‘CC’和‘cc’分别指的是光纤的第一段和第二段中的‘中心纤芯区域’。
如本文所用，术语“凹陷”指的是光纤中这样的区域，在径向横截面中，其被具有较高折射率的区域所围绕。
如本文所使用，术语“正掺杂剂”指的是增加玻璃相对于纯的未掺杂二氧化硅玻璃(SiO2)的折射率的掺杂剂。如本文所使用，术语“负掺杂剂”指的是倾向于降低玻璃相对于纯的未掺杂SiO2的折射率的掺杂剂。正掺杂剂可以存在于光纤中具有负的相对折射率的区域中，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂(例如，负掺杂剂)。类似地，不是正掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中。负掺杂剂可以存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂(例如，正掺杂剂)。类似地，不是负掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可以存在于光纤中具有负的相对折射率的区域中。
本文所述的光纤可以用于将常规高斯激光束转化为非衍射束或者弱衍射束，例如转化为贝塞尔激光束或者高斯-贝塞尔束。更具体来说，贝塞尔束或高斯-贝塞尔束是非衍射束或弱衍射束(本文也称作准非衍射束，即具有如下文数学方式定义的低束发散度的束)的一种形式。聚焦的非衍射束或准非衍射束形成激光焦线。下文对于激光焦线的形成进行了更详细的描述。如本文所述，所得到的激光焦线可以用来对透明工件进行加工(例如，制造破坏区域、孔、或者切割此类工件成不同或分开的部件。
应注意到的是，可能无法像测量更常规的高斯束的不对称性那样简单地测量准非衍射束中的不对称性。例如，相比于单调衰减的高斯束，准非衍射束通常具有振荡的横向分布。高斯束的直径通常定义为强度下降1/e2。相反地，准非衍射束的强度会随着径向距离的变化在1/e2强度阈值上方和下方波动多次。因此，即使是径向对称的准非衍射束的尺寸定义也会是具有挑战性的。
此外，虽然不对称高斯束是本领域已知的，但是最通常来说，作为单光斑对它们进行讨论，例如，高斯束在x方向上可以具有比y方向上更大的直径。但是，对于准非衍射束，束的横截面可能不具有单个单调衰减的芯或斑。在此类情况下，束的横截面“长”轴或“短”轴是不明显的，这使得甚至更加难以定义如何测量非衍射或者准非衍射束的不对称性。
虽然不旨在受限于理论，但是基于上述动机进行如下讨论来定义准非衍射束以及准非衍射束的不对称性的测量方法这两者。这个讨论宽泛地适用于所有形式的激光束，无论它们是具有单调强度分布的简单低阶高斯束或者投射多个斑或以表现为振荡方式的更为复杂的准非衍射束。在高斯束的情况下，结果会还原为定义斑尺寸和瑞利范围的高斯束文献所熟悉的更为简单的形式。
激光束发散度指的是束横截面在束传播方向(即，Z方向)上的扩大速率。如本文所用，短语“束横截面”指的是沿着垂直于激光束的传播方向的平面(例如，沿着X-Y平面)的激光束的横截面。本文所讨论的束横截面的一个例子是聚焦激光束的束斑(例如，非轴对称束斑)，其是通过(下文所述的)光纤结合位于X-Y平面中的表面上的至少一个聚焦元件或聚焦表面所形成的(束斑对应于激光束焦线的X-Y横截面)。激光束在横截面平面中的强度分布可以被称作横截面强度分布。
衍射是导致激光束发散的一个因素。其他因素包括激光束传播通过的光学系统或者界面处的折射和散射所导致的聚焦或失焦。激光束12通过本文所述的光纤100′、200′、300′、100、200、300提供，并聚焦以形成激光焦线13，其可以具有小的非轴对称束斑14(小的非轴对称X-Y束横截面)，具有低发散度和弱衍射。(参见例如图1A、1B和2)。激光束12的发散度表征为瑞利范围ZR，其与激光束12的强度分布的方差(variance)σ2和束传播因子M2相关。在下文讨论中，会采用笛卡尔坐标系来呈现方程式。可以采用本领域技术人员已知的数学技术来获得其他坐标系的对应表述。束发散性的其他信息可参见A.E.Siegman在SPIE座谈会系列(SPIE Symposium Series)，第1224卷，第2页中题为“激光谐振器的新发展(NewDevelopments in Laser Resonators)”(1990年)以及R.Borghi和M.Santarsiero在光学快报(Optics Letters)，第22(5)卷第262页中题为“贝塞尔-高斯束的M2因子(M2 factor ofBessel-Gauss beams)”(1997)的文章，它们全文通过引用结合入本文。其他信息还可参见：国际标准ISO 11146-1:2005(E)，题为“激光和激光相关设备，用于激光束宽度、发散角和束传播比的测试方法，第1部分：散光和简单散光束(Lasers and laser-relatedequipment—Test methods for laser beam widths,divergence angles and beampropagation ratios—Part 1:Stigmatic and simple astigmatic beams)”；ISO11146-2:2005(E)，题为“激光和激光相关设备，用于激光束宽度、发散角和束传播比的测试方法，第2部分：通用散光束(Lasers and laser-related equipment—Test methods for laserbeam widths,divergence angles and beam propagation ratios—Part 2:Generalastigmatic beams)”；以及ISO 11146-3:2004(E)，题为“激光和激光相关设备，用于激光束宽度、发散角和束传播比的测试方法，第3部分：固有和几何激光束的分类，传播和测试方法的细节(Lasers and laser-related equipment—Test methods for laser beamwidths,divergence angles and beam propagation ratios—Part 3:Intrinsic andgeometrical laser beam classification,propagation and details of testmethods)”，它们的公开内容全文通过引用结合入本文。
具有时间平均强度分布I(x,y,z)的激光束12的强度分布的质心的空间坐标通过如下表达式给出：
Figure GDA0003897915980000141
Figure GDA0003897915980000142
这些也是已知的，作为威格纳分布的第一时刻(first moment of the Wignerdistribution)，并且参见ISO 11146-2:2005(E)的第3.5节所述。它们的测量参见ISO11146-2:2005(E)的第7节所述。
方差是激光束12的强度分布的横截面(X-Y)平面中的宽度作为束传播的方向中的位置z的函数的测量。
对于任意的激光束，X方向上的方差可能不同于Y方向上的方差。分别用σ2 x(z)和σ2 y(z)表示X方向和Y方向上的方差。特别感兴趣的是近场和远场极限中的方差。分别用σ2 0x(z)和σ2 0y(z)表示近场极限中的X方向和Y方向上的方差，以及分别用σ2 ∞x(z)和σ2 ∞y(z)表示远场极限中的X方向和Y方向上的方差。对于具有傅里叶变换
Figure GDA0003897915980000143
的时间平均强度分布I(x,y,z)的激光束(式中，νx和νy分别是X方向和Y方向上的空间频率)，通过如下表达式给出x方向和y方向上的近场和远场方差：
Figure GDA0003897915980000151
Figure GDA0003897915980000152
Figure GDA0003897915980000153
Figure GDA0003897915980000154
还已知的是，方差量σ2 0x(z)、σ2 0y(z)、σ2 ∞x(z)和σ2 ∞y(z)是威格纳分布的对角线元素(参见ISO 11146-2:2005(E))。对于实验激光束，可以采用ISO 11146-2:2005(E)的第7节所述的测量技术来对这些方差进行定量化。简而言之，测量使用线性不饱和像素化检测器来测量有限空间区域上的I(x,y)，其近似于限定了方差和质心坐标的积分等式的无限积分面积。测量区域的适当范围、背景扣除和检测器像素分辨率由ISO 11146-2:2005(E)的第7节中所述的迭代测量方法的收敛性确定。由像素化检测器测得的强度值的阵列，从数值上计算出公式1-6给出的表达式的数值。
对于任意的光束(其中，
Figure GDA0003897915980000155
)以及对于任意光束(其中，
Figure GDA0003897915980000156
)的空间-频率分布
Figure GDA0003897915980000157
通过横向振幅分布
Figure GDA0003897915980000158
之间的傅里叶变换关系，可以显示为：
Figure GDA0003897915980000159
Figure GDA00038979159800001510
在等式(7)和(8)中，σ2 0x(z0x)和σ2 0y(z0y)是σ2 0x(z)和σ2 0y(z)的最小值，它们分别存在于x方向和y方向上的腰位置z0x和z0y，以及λ是束波长。等式(7)和(8)表明，在任一方向上，σ2 x(z)和σ2 y(z)随着z以平方的方式从于束的腰部分相关的最小值开始增加。在绕着束传播轴Z旋转对称的高斯束中，σ2 0x(z)＝σ2 0y(z)，以及腰位置z0x＝z0y。
等式(7)和(8)可以用束传播因子M2来重写，其中，对于x方向和y方向的分开的束传播因子M2 x和M2 y，它们定义为：
Figure GDA0003897915980000161
Figure GDA0003897915980000162
重排等式(9)和(10)并代入等式(7)和(8)，得到：
Figure GDA0003897915980000163
Figure GDA0003897915980000164
这可以重写为：
Figure GDA0003897915980000165
Figure GDA0003897915980000166
式中，x方向和y方向上的瑞利范围ZRx和ZRy分别是：
Figure GDA0003897915980000171
Figure GDA0003897915980000172
如果激光束绕着束传播轴是旋转对称的话，则瑞利范围是相等的，即ZRx＝ZRy。如果激光束绕着束传播轴不是旋转对称的话，则瑞利范围ZRx和ZRy是不相等的，即ZRx≠ZRy。
瑞利范围对应于(相对于如ISO 11146-1:2005(E)的第3.12节所定义的束腰位置的)如下距离：在其上，(相对于束腰位置的方差)，激光束的方差翻倍，并且是激光束的横截面区域的发散度的测量。还可以将瑞利范围观察作为沿着束轴，光学强度衰减到它在束腰位置(最大强度位置)观察到的值的一半的距离。具有大的瑞利范围的激光束具有低的发散度并且相比于具有小的瑞利范围的激光束在传播方向上随距离膨胀更为缓慢。
通过使用对激光束进行描述的强度分布I(x,y,z)，上述方程式可以适用于任何激光束(而不仅仅是高斯束)。在高斯束的TEM00模式情况下，强度分布如下：
Figure GDA0003897915980000173
式中，wo是半径(定义为束强度下降到束在束腰位置zo处的峰值束强度的1/e2的半径。从等式(17)和上述方程式，对于TEM00高斯束得到如下结果：
Figure GDA0003897915980000181
Figure GDA0003897915980000182
Figure GDA0003897915980000183
Figure GDA0003897915980000184
Figure GDA0003897915980000185
Figure GDA0003897915980000186
Figure GDA0003897915980000187
如上文所述，如果激光绕着束传播轴是旋转对称的话，则瑞利范围ZR＝ZRx＝ZRy。此外，还注意到的是，对于典型的旋转对称高斯束，M2＝M2 x＝M2 y＝1。
通过形状和尺度来表征束横截面。如上文所述，可能希望产生的束斑是非轴对称束斑14。示例性非轴对称横截面包括椭圆形横截面。通过束的斑尺寸来表征束横截面的尺度。例如，对于高斯束，通常将斑尺寸定义为束强度下降到其最大值的1/e2的径向程度，在等式(17)中表示为w0。高斯束的最大强度存在于强度分布的中心处(x＝0且y＝0(笛卡尔)或r＝0(圆柱形))，以及相对于中心测量用于确定斑尺寸的径向程度。
可以通过如ISO 11146-1:2005(E)的第3.12节规定的束腰位置测量的单尺度或斑尺寸来表征具有轴对称(即，绕着束传播轴Z旋转对称)的横截面的束。对于高斯束，等式(17)显示斑尺寸等于wo，其通过等式(18)对应于2σ0x或2σ0y。对于轴对称(圆形对称)高斯束，σ0x＝σ0y。
对于非轴对称束横截面，可以类似地定义斑尺寸，其中，不同于轴对称束，σ0x≠σ0y。作为结果，需要两个斑尺寸参数(分别是x方向和y方向上的wox和woy)来对非轴对称束的横截面尺度进行表征，其中
wox＝2σ0x (25)
woy＝2σ0y (26)
对于非轴对称束而言缺乏轴对称性(即，任意旋转角的对称性)，这意味着σ0x和σ0y的值的计算结果会取决于x轴和y轴的取向选择。例如，在一些实施方式中，x轴可以是非轴对称束斑14的长轴16，而y轴可以是短轴15。在其他实施方式中，x轴可以是短轴15，而y轴可以是长轴16。ISO 11146-1：2005(E)涉及这些参考轴作为能量密度分布的主轴(第3.3-3.5节)，并且在以下讨论中，我们会假定x轴和y轴与这些主轴对齐。此外，可以使用角度φ来限定非轴对称束的斑尺寸参数的最小值(wo，最小值)和最大值(wo，最大值)，x轴和y轴可以绕着所述角度φ在横截面平面中转动(例如，x轴和y轴分别相对于x轴和y轴的参考位置的角度)：
wo，最小值＝2σ0，最小值 (27)
wo，最大值＝2σ0，最大值 (28)
式中，2σ0，最小值＝2σ0x(φ最小值，x)＝2σ0y(φ最小值，y)以及2σ0，最大值＝2σ0x(φ最大值，x)＝2σ0y(φ最大值，y)。可以通过纵横比来量化束横截面的轴对称性的大小，其中，纵横比定义为wo，最大值与wo，最小值之比。轴对称束横截面具有1.0的纵横比，而椭圆形和其他非轴对称束横截面具有大于1.0的纵横比，例如：大于1.1、大于1.2、大于1.3、大于1.4、大于1.5、大于1.6、大于1.7、大于1.8、大于1.9或者大于2.0等。
脉冲激光束12的束横截面的纵横比wo,最大值/wo,最小值(例如，通过本文所述的光纤100、200、300、100′、200′、300′(单独通过光纤，或者通过光纤结合其他光学组件所产生的非轴对称束斑14的纵横比)可以是：大于1.1、大于1.3、大于1.5、大于2.0、大于2.5、大于3.0、大于3.5、大于4.0、大于5.0、大于7.5、大于10.0、1.1至20.0、1.2至15.0、1.3至10.0、1.3至7.5、1.3至5.0、1.5至7.5、1.5至5.0、1.5至3.0、1.75至5.0或者2.0至4.0等。为了实现低发散度光束，希望控制或者优化光纤100、200、300、100′、200′、300′产生的激光束的强度分布，从而降低衍射。通过本文所述的光纤100、200、300、100′、200′、300′产生的激光束是非衍射性的或者弱衍射性的，并且包括形成焦线13′以及可以聚焦成为小的斑尺寸的贝塞尔束、高斯-贝塞尔束。束斑14的此类斑尺寸是例如微米范围，例如，聚焦激光束的横截面距离(即，斑宽度)是约0.5-10微米、0.5-5微米、0.5-3微米、1-5微米或者约1-10微米)。
如上文所注意到的，可以通过瑞利范围来表征激光束发散度。低发散度与激光束的大的瑞利范围值和弱衍射相关。
对于对称束，瑞利范围在X方向和Y方向上是相同的，并且对于具有高斯强度分布的束，通过等式(22)或等式(23)表示。对于轴对称束，瑞利范围ZRx和ZRy是相等的。对于非轴对称束，瑞利范围ZRx和ZRy是不相等的。等式(15)和(16)表明，ZRx和ZRy分别取决于σ0x和σ0y，以及上文我们注意到σ0x和σ0y的值取决于X轴和Y轴的取向。因此，对于非轴对称束，ZRx和ZRy的值会发生变化，并且分别会具有对应于主轴的最小值和最大值，ZRx的最小值表示为ZRx,最小值，而ZRy的最小值表示为ZRy,最小值。对于任意的束分布ZRx,最小值和ZRy,最小值，对高斯束的瑞利范围进行表征的方程式(等式(22)或等式(23))可以如下所示：
Figure GDA0003897915980000201
和
Figure GDA0003897915980000202
注意到的是，对于轴对称高斯束，ZR,最小值＝ZRx,最小值＝ZRy,最小值。
由于激光束的发散性存在于具有最小瑞利范围的方向中的较短距离上，因此优选控制激光的强度分布从而使得ZRx和/或ZRy的最小值尽可能得大。由于对于非轴对称束，ZRx的最小值ZRx,最小值和ZRy的最小值ZRy,最小值是不同的，所以根据本文所述的示例性实施方式，可以产生具有ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个是尽可能大的强度分布的激光束。在其他示例性实施方式中，激光束可以具有ZRy,最小值和ZRx,最小值中较小的那个尽可能得大。
在不同实施方式中，ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个是：大于或等于50μm、大于或等于100μm、大于或等于200μm、大于或等于300μm、大于或等于500μm、大于或等于1mm、大于或等于2mm、大于或等于3mm、大于或等于5mm、50μm至20mm、50μm至10mm、100μm至5mm、200μm至4mm或者300μm至2mm等。
根据本文所述的实施方式，非轴对称激光束12在工件160(例如，玻璃、玻璃陶瓷、蓝宝石等)上形成非轴对称斑，并且在工件160中产生破坏区域(缺陷172)。(例如，参见图1A)。通过调节等式(27)中定义的斑尺寸参数wo,最小值，对于工件而言是透明的不同波长，可以实现本文所述的ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个的值和范围。在不同实施方式中，斑尺寸参数是wo,最小值：大于或等于0.25μm、大于或等于0.50μm、大于或等于0.75μm、大于或等于1.0μm、大于或等于2.0μm、大于或等于3.0μm、大于或等于5.0μm、0.25μm至10μm、0.25μm至5.0μm、0.25μm至2.5μm、0.50μm至10μm、0.50μm至5.0μm、0.50μm至2.5μm、0.75μm至10μm、0.75μm至5.0μm或者0.75μm至2.5μm等。
用于形成破坏区域的激光束的瑞利范围可以大于具有相同波长的高斯束的瑞利范围。因此，在共用波长λ，ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个与(通过等式(22)或(23)规定的)高斯束的瑞利范围ZR之比可以是：大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、大于或等于25、大于或等于50、大于或等于100、大于或等于250、大于或等于500、大于或等于1000、2至1500、5至1250、10至1000、25至1000或者100至1000。
非衍射或者准非衍射束通常具有复杂的强度分布，例如，随着半径不是单调递减的那些。类似于高斯束，对于非轴对称束，有效斑尺寸Wo,有效可以定义为任意方向上强度从最大强度的径向位置(r＝0)降低到最大强度的1/e2的最短径向距离。可以通过如下所示来规定形成破坏区域的非衍射束或准非衍射束的基于有效斑尺寸Wo有效的瑞利范围的标准：
ZRx,最小值，ZRy,最小值中较小的那个>
Figure GDA0003897915980000221
式中，FD是具有如下值的无量纲发散度因子：至少10、至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、10至2000、50至1500、100至1000。通过对比等式(31)与等式(22)或(23)，可以看出，除非使用典型的高斯束分布，否则对于非衍射束或者准非衍射束，有效束尺寸发生翻倍的距离(等式(31)中ZRx,最小值，ZRy,最小值中较小的那个)是FD乘以距离。
无量纲发散度因子FD提供了判断确定激光束是否为准非衍射的标准。如本文所用，如果对于FD的值≥10，激光束的特性满足等式(31)，则将激光束认为是准非衍射的。随着FD的值增加，激光束接近更为近乎完美的非衍射状态。根据一些实施方式，FD≥10，例如：FD≥20,FD≥50,FD≥100,FD≥200,FD≥300,FD≥400,FD≥500或者FD≥1000。例如，在一些实施方式中，10000≥FD≥10或者15000≥FD≥50。
当聚焦成足够小的斑尺寸时(例如，斑尺寸为微米范围，例如约1-5微米或者约1-10微米)，具有高斯强度分布的束是高度衍射的，并且在短的传播距离上明显发散。为了实现低发散性，希望控制或优化激光束的强度分布以降低衍射。激光束可以是非衍射或者准非衍射的，例如，贝塞尔束或高斯-贝塞尔束。
下面将详细参考光纤和包含其的激光传递系统的实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。
根据一个或多个实施方式，本公开内容提供了加工工件的方法。如本文所用，“激光加工”可以包括在工件中形成轮廓线，使得工件分离，或其组合。透明工件160可以包括由玻璃组合物形成的玻璃工件，例如：硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、碱土铝硅酸盐玻璃、碱土硼铝硅酸盐玻璃、熔凝二氧化硅或者晶体材料(例如，蓝宝石、硅、砷化镓)，或其组合。在一些实施方式中，玻璃可以是可离子交换的，从而可以在透明工件的激光加工之前或之后，玻璃组合物通过离子交换进行机械强化。例如，透明工件可以包括经过离子交换和可离子交换的玻璃，例如，购自纽约州康宁市康宁有限公司的康宁
Figure GDA0003897915980000231
玻璃(例如，编号2318、编号2319和编号2320)。此外，这些经过离子交换的玻璃可以具有约6ppm/℃至约10ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。在一些实施方式中，透明工件的玻璃组成可以包含大于约1.0摩尔％硼和/或含硼化合物，包括但不限于B2O3。在另一个实施方式中，形成透明工件的玻璃组合物包含小于或等于约1.0摩尔％的硼氧化物和/或含硼化合物。此外，透明工件可以包含对于激光波长是透明的其他组分，例如，诸如蓝宝石或硒化锌之类的晶体。
一些透明工件可以用作显示器和/或TFT(薄膜晶体管)基材。适用于显示器或者TFT用途的此类玻璃或玻璃组合物的一些例子是购自纽约州康宁市康宁有限公司的EAGLE
Figure GDA0003897915980000232
CONTEGO和CORNING LOTUSTM。可以将碱土硼铝硅酸盐玻璃组合物配制成适合用作电子应用的基材，包括但不限于TFT的基材。用于TFT的玻璃组合物通常具有类似于硅的CTE(例如，小于5x10-6/K或者甚至小于4x10-6/K，例如约为3x10-6/K或者约2.5x10-6/K至约3.5x10-6/K)，并且在玻璃内具有低水平的碱性物质。可以在TFT应用中使用低水平的碱性物质(例如约0重量％至2重量％、例如小于1重量％、例如小于0.5重量％的痕量)，因为在一些条件下，碱性掺杂剂从玻璃沥出并污染TFT或者使得TFT“中毒”，这可能使得TFT是不可用的。根据实施方式，本文所述的激光切割工艺可以用于以受控方式分离透明工件，具有可忽略不计的碎屑、最小化的缺陷以及对于边缘具有低的表面下破坏，保留了工件完整性和强度。
如本文所用，短语“轮廓线”表示沿着透明工件的表面上所希望的分离线所形成的线(例如，线、曲线等)，透明工件会在暴露于适当的加工条件之后沿着所述轮廓线分离成多个部分。轮廓线通常由采用各种技术引入到透明工件中的一个或多个缺陷构成。如本文所用，“缺陷”可以包括：(相对于本体材料)发生改性的材料区域，空穴空间，划痕，瑕疵，孔，或者透明工件中的其他变形(其通过额外加工，例如通过红外激光加工、机械应力或者其他分离工艺实现了分离)。此外，每种缺陷可以包括中心缺陷区域和从中心缺陷区域沿着透明工件的成像表面向外延伸的一个或多个径向臂。如本文所用，透明工件的“成像表面”是透明工件中脉冲激光束最初与透明工件发生接触的表面。如下文更详细所述，可以通过经由脉冲激光束投射到透明工件上的束斑的形状，来控制所述一个或多个径向臂的径向长度。作为一个例子，包括非轴对称束斑(其通常包括长轴和短轴)的脉冲激光束可以照射透明工件的成像平面，以产生缺陷，所述缺陷包括形成在非轴对称束斑的长轴与短轴的相交处的中心缺陷区域以及形成在非轴对称束斑的长轴方向上的一个或多个径向臂。
可以通过如下方式将透明工件(例如玻璃基材等)分离成多个部分：首先在工件的表面上形成轮廓线，这之后，采用例如红外激光在轮廓线上对工件的表面进行加热，从而在工件中产生应力(例如，热应力)。应力最终导致工件沿着轮廓线的自发分离。此外，当采用具有非轴对称束斑的脉冲激光束形成每个缺陷使得束轴的长轴沿着所需的分离线延伸时，由于透明工件中的应力缺陷导致的沿着轮廓线的裂纹传播可以沿着所需的分离线延伸。形成具有沿着所需的分离线的方向延伸的径向臂的缺陷可以实现缺陷以更大的间距分隔开(相比于具有无规延伸的径向臂或者没有径向臂的缺陷而言)，而没有造成分开的透明工件的边缘处(在那里，存在分离之前的轮廓线)的破坏。此外，形成具有沿着所需的分离线的方向延伸的径向臂的缺陷可以实现以较小的应力(例如，施加到工件的较少能量，例如热能)来产生裂纹传播，限制了分开的透明工件的边缘处(在那里，存在分离之前的轮廓线)的破坏。相反地，当缺陷包括无规延伸的径向臂或者没有径向臂，裂纹可能以大致垂直于分开的透明工件的边缘的方向(即，大致垂直于轮廓线所表示的目标分离线)从分离边缘发生传播，这弱化了分开的透明工件的边缘。
例如，现参见图1A和1B，示意性显示根据本文所述方法进行加工的透明工件160(例如，玻璃工件或玻璃陶瓷工件)。图1A和1B显示在透明工件160中形成轮廓线170，其可以是通过脉冲激光束12相对于透明工件以位移方向101的位移形成的。图1A和1B显示(如下文所述，通过光纤100、200、300结合端盖提供的，或者通过光纤100′、200′、300′提供的)脉冲激光束12，所述脉冲激光束12沿着束方向/路径11并且取向成使得可以通过例如透镜(例如，如下文所述的透镜组件130I)将脉冲激光束12聚焦成聚焦的脉冲激光束13，所述聚焦的脉冲激光束13在透明工件160中形成焦线13′。此外，脉冲激光束焦线13′是准非衍射束是一部分，如下文更详细定义。图1A和1B显示脉冲激光束12形成投射到透明工件160的成像表面162上的非对称性束斑14。此外，脉冲激光束焦线13′在垂直于脉冲激光束12的传播轴(例如，垂直于束路径11)的脉冲激光束焦线13′的横截面不是轴对称的。如本文所用，轴对称指的是对于绕着中心轴的任何任意旋转角是对称或者看上去是相同的形状，而“非轴对称”指的是对于绕着中心轴的任何任意旋转角不是对称的形状。最常见的旋转轴(例如，中心轴)选取为激光束的传播轴。此外，如本文所用，“束斑”指的是激光束(例如，脉冲激光束12)在最初接触工件(例如，透明工件160)的点处的横截面。
此外，参见图2，轮廓线170沿着所需的分离线165延伸并且描绘出目标分离线，可以相对于所述目标分离线将透明工件160分成两个或更多个部分。轮廓线170包括多个缺陷172，其延伸进入透明工件160的表面中并建立起路径，所述路径用于裂纹传播将透明工件160沿着轮廓线170分离成多个分开的部分。虽然在图1A和图2中将轮廓线170显示为基本线性的，但是应理解的是，考虑其他构造并且是可行的，包括但不限于：曲线、图案、规则几何形状和不规则形状等。再次参见图1A-2，用于形成缺陷172的脉冲激光束12还具有强度分布I(X,Y,Z)，式中，Z是脉冲激光束12的传播方向，以及X和Y是垂直于传播方向的方向，如附图所示。X方向和Y方向还可以被称作横截面方向，以及X-Y平面可以被称作横截面平面。脉冲激光束12在横截面平面中的强度分布可以被称作横截面强度分布。
仍然参见图2，非轴对称束斑14包括非轴对称的横截面强度分布。例如，相比于沿着非轴对称束斑14的短轴15，在沿着非轴对称束斑14的长轴16的区域中，非轴对称束斑14可以具有更大的强度并且从而具有来自于脉冲激光束12的更大的累积能量。也就是说，当非轴对称束斑14的长轴16与所需的分离线165对齐时，脉冲激光束12可以沿着所需的分离线165转移更多的能量(相比于与所需的分离线165相邻的区域上而言)，形成缺陷172，所述缺陷172包括沿着所需的分离线165延伸的更长的径向臂176(相比于不是沿着所需的分离线165的方向延伸的径向臂176而言)。如本文所用，“累积能量”指的是当脉冲激光束12照射透明工件160时，通过脉冲激光束12传输到透明工件160的特定区域上的所有能量。
如图2所示，在这个实施方式中，每个缺陷172包括中心缺陷区域174与一个或多个径向臂176，所述一个或多个径向臂176以基本垂直于束传播方向或路径11的方向(例如，如图1A、1B和2所示的X和/或Y方向)向外延伸。在运行中，在例如采用本文所述的方法和系统形成了轮廓线170的缺陷172之后，缺陷172可以在后续分离步骤中进一步起作用来诱发透明工件160沿着轮廓线170的自发分离。后续分离步骤可以包括使用机械作用力、热应力诱发的作用力或者由于透明工件中存在的应力所导致的自发破裂，这取决于透明工件160的类型、厚度和结构。例如，可能在透明工件160中存在应力，这可以导致没有进一步加热或机械分离步骤的情况下的自发分离。
参见图1A、1B和2，在本文所述的实施方式中，可以将(具有投射到透明工件160上的非轴对称束斑14的)脉冲激光束12引导到透明工件160上(例如，缩合成高纵横比线聚焦，其穿透通过透明工件160的至少一部分的厚度)。这形成了具有与非轴对称束斑14相关的非轴对称横截面的脉冲激光束焦线13′。具体来说，非轴对称束斑14是脉冲激光束焦线13′的示例性横截面，以及当脉冲激光束焦线13′穿透至少一部分的透明工件160时，脉冲激光束焦线13′仍然是非轴对称的。此外，脉冲激光束12可以相对于透明工件160(例如，以位移方向101)位移，从而形成轮廓线170的所述多个缺陷172。将脉冲激光束12引导到透明工件160中导致部分的透明工件160碎裂，例如，沿着所需的分离线165在间隔开的位置沉积足够的能量打破透明工件160中的化学键，从而形成缺陷172。根据一个或多个实施方式，可以通过如下方式使得脉冲激光束在透明工件160上位移：使得透明工件160运动(例如，连接到透明工件160的位移工作台190的运动)，使得脉冲激光束运动(例如，脉冲激光束焦线13′的运动)，或者透明工件160和脉冲激光束焦线13′这两者的运动。通过使得脉冲激光束焦线13′相对于透明工件160发生位移，可以在透明工件160中形成所述多个缺陷172。
如图2所示，非轴对称束斑14包括长轴16、短轴15、轴交点18(其可以位于非轴对称束斑14的中心处)以及束斑周界19。根据实施方式，长轴16定义为非轴对称束斑14具有距离非轴对称束斑14内的中心最长距离的轴，而短轴15定义为非轴对称束斑14具有距离非轴对称束斑14内的中心最短距离的轴。虽然图2显示的非轴对称束斑14是椭圆，但是应理解的是，考虑了任意非轴对称形状，例如非椭圆形形状。此外，非轴对称束斑14可以包括多个束斑的集合。此外，应理解的是，虽然本文基本上讨论的是非轴对称束斑14，但是透明工件160中的脉冲激光束焦线13′的其他横截面也是非轴对称的，并且也包括短轴和长轴，如上文关于非轴对称束斑14所述。
作为例子，从非轴对称束斑14的中心开始沿着长轴的距离可以包括约0.25μm至约20μm，例如约1μm至约10μm、约2μm至约8μm或者约3μm至约6μm。此外，从非轴对称束斑14的中心开始沿着短轴的距离可以包括约0.01μm至约10μm、约0.1μm至约10μm或者约0.7μm至约3μm。例如，从非轴对称束斑14的中心开始沿着短轴的距离可以是从非轴对称束斑14的中心开始沿着长轴的距离的约5％至约95％，例如是从非轴对称束斑14的中心开始沿着长轴的距离的约10％至约50％、约20％至约45％或者约30％至约40％。下文揭示了确定束斑尺寸的方法。
图3A-3F示意性显示用于产生准非衍射脉冲激光束12的光学组合件10的实施方式。更具体来说，图3A-3F的实施方式产生非轴对称(非圆形对称)高斯-贝塞尔束。光学组合件包括光源(本文也称作束源)10A，光纤100、200、300、100′、200′、300′，以及一个或多个光学组件。在这些实施方式中，光学组合件在透明工件160产生非轴对称束斑14。
例如，图3A显示用于脉冲激光加工的光学组合件10，其产生经由光纤100、200、300产生的准非衍射的脉冲激光束12。图3A的光学组合件10包括经由光学组件(例如，透镜5A)光学耦合到光纤100、200、300的束源10A。此外，透明工件160可以放置成使得脉冲激光束12照射透明工件160，例如这是在通过束源10A输出的光束穿越光纤100、200、300和端盖1000(端盖将传播通过光纤100、200、300的环形束转化为非轴对称激光束(即，转化为不具有圆形对称性的激光束)以及聚焦成产生焦线13′之后，所述焦线13′在透明工件160形成小的非轴对称束横截面14。光纤100、200、300具有至少两段：光纤段G(本文也称作G段)，其支持了高斯束的传播；和另一段R(R段)，其支持了非高斯束(例如，环形激光束)的传播，之后通过端盖1000将束转化为非轴对称束。
图3B显示用于脉冲激光加工的光学组合件10，其通过光纤100′、200′、300′产生脉冲激光束12，其是准非衍射束。图3B的光学组合件10包括经由光学组件(例如，透镜5A)光学耦合到光纤100′、200′、300′的束源10A。此外，透明工件160可以放置成使得脉冲激光束12照射透明工件160，例如这是在来自束源10A输出的光束穿越光纤100′、200′、300′和聚焦成产生焦线13′之后，所述焦线13′在透明工件160形成小的非轴对称束横截面14。光纤100′、200′、300′具有至少两个光纤段：光纤段G(G段)，其支持了高斯束的传播；以及另一段R(R段)，其支持了非轴对称非高斯束(例如非轴对称激光束)的传播。
光源10A耦合到光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段，并且通过光纤100、200、300、100′、200′、300′被转化为非高斯束。离开位于光纤100、200、300的R段的端面处的端盖1000或者离开光纤100′、200′、300′的R段的非高斯激光束(例如，“裂环或破环”形状的束)被包含一个或多个光学组件130I(例如如图3A-D所示的透镜130A)的光学系统聚焦以产生聚焦的非轴对称贝塞尔束并且在透明工件160上形成非轴对称束斑14。或者，如图3E所示，根据一些实施方式，光学组件130B可以直接形成在端盖1000的输出端或者可以附连到端盖1000的输出端。如图3F所示，光学组件130C可以直接形成在光纤100′、200′、300′的R段的输出端或者可以附连到光纤100′、200′、300′的R段的输出端。
如上文所述以及如图3A和3B所示，在一些实施方式中，来自光源(束源10A)的光(激光束)可以经由光学组件(例如，透镜5A)耦合进入到光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段的纤芯中。在其他实施方式中，光源(束源10A)可以是对接耦合(未示出)进入光纤100、200、300、100′、200′、300′中，从而为光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段的纤芯提供光。在其他实施方式中，如图3C-3F所示，来自光源10A的光可以通过连接到另一(桥)光纤10A′的光纤耦合器6耦合进入光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段中。根据本文所述的至少一些实施方式，通过束源10A提供的高斯束传播通过光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段，并且然后，该束的大部分(例如，大于其强度的60％、大于70％、大于80％、大于85％、大于90％的部分、大于其强度的95％或者甚至大于98％的部分)被光纤的R段转化为非高斯束。根据本文所述的至少一些实施方式，通过束源10A提供的高斯束传播通过光纤100、200、300、100′、200′、300′的G段，并且被光纤的R段转化为非高斯束。
根据一些实施方式，例如如图3A、3C和3E所示，光纤100、200、300可以将传播通过光纤的G段的纤芯的高斯束转化为传播通过光纤的R段的轴对称环形束，以及光纤端盖1000可以使得环形束形状变化为非轴对称束形状，当对其进行聚焦时，会产生焦线13′，所述焦线13′在透明工件160处形成小的非轴对称束横截面14。在说明书下文对光纤端盖1000进行描述。根据其他示例性实施方式，通过破坏光纤100′、200′、300′的R段的横截面对称性，光纤100′、200′、300′可以将传播通过光纤的G段的纤芯的高斯束直接转化为传播通过光纤的R段的非轴对称环形束，如下文所述。在此类示例性实施方式中(如图3B、3D和3F所示)，端盖不再是必须的。
例如，图4A、4B示意性显示光纤100、200、100′、200′的侧视图，其包括：一段(G段，G)，支持了高斯束形状(高斯激光束，GLB)；以及另一段(R段，R)，支持了非高斯束形状NGBS(或轴对称(RSB)，在该情况下，应该使用端盖，如图4A所示)或者对应于图4B的实施方式的非轴对称RSB。非轴对称非高斯形状束NGBS(例如，传播通过光纤100′、200′、300′的激光束)可以具有“破环”形状(本文也称作裂环形状或者部分环形形状PRS)，即没有形成圆形对称的连续环形状)，在该情况下，端盖不再是必须的。
如图4A实施方式所示，高斯束形状的激光束耦合到G段的光纤纤芯，在光纤逐渐变细段FT中转化为环形状，然后作为环形束RSB在光纤100、200的R段中传播。然后，用称作端盖1000的光纤的短长度对束强度分布进行进一步再成形，如图4A所示。端盖1000不具有圆形对称几何形貌。端盖1000打破了环形束的对称性，例如通过将环形束转化为“一部分的”环形状(例如，半个环，3/4个环，在其中具有断开段的环，或者两个分开的半环)的束，从而离开的激光束当用一个或多个光学组件进行聚焦时可以形成椭圆贝塞尔束。端盖的长度范围是例如数微米至数十毫米。可以通过常规熔接技术或者其他方式将端盖1000附连到光纤100、200、300的R段。例如，通过透镜5A提供到达光纤100、200的G段的光耦合，以及来自R段的环形束被一个或多个光学组件聚焦到透明工件160上用于激光加工，例如如图3A、3C和3D所示。或者，如果采用光纤激光作为束源10A的话，则可以通过直接对接耦合或者通过熔接(如图3C所示)将激光10A耦合到光纤的G段中。说明书下文进一步更详细讨论了端盖1000的结构。
图4B显示不使用端盖1000的替代实施方式。更具体来说，图4B示意性显示光纤100′、200′的侧视图，其包括：一段(G段，G)，支持了高斯束形状(高斯激光束，GLB)；以及另一段(R段，R)，支持了非轴对称的非高斯束形状。图4B的光纤100′、200′实施方式类似于图4A的光纤，但是光纤100′、200′的R段中的光纤纤芯的波导环段被打破，如下文所述(即，它不是连续的)，这支持了非轴对称激光束NGBS(例如，非高斯激光束，例如，具有“破环”形状或“部分”环形状的激光束)的传播。这可以通过如下方式实现：制造上文所述的光纤100、200的光纤预制件，钻掉或者切割掉预制件对应纤芯的环部分的一部分，以及(i)用折射率类似于包层(或纯二氧化硅)的折射率的材料填充环的被打破的段以及由其拉制得到光纤100′的R段来得到R段的纤芯的环部分的非轴对称性；或者(ii)将经过钻去的光纤预制件拉制成具有一个或多个空气孔的光纤，来得到光纤非轴对称性的环部分。或者，可以沿着轴将用于光纤100、200的光学预制件对半切开得到两个半圆柱形部分(两者都具有D形状横截面)，在其间插入纯二氧化硅玻璃，将被纯二氧化硅玻璃分开的这两个圆柱形部分重叠(overclad)以形成预制件组合件，以及然后由其拉制得到光纤100′、200′。在另一个实施方式中，可以沿着轴将用于光纤100、200的光学预制件对半切开得到两个半圆柱形部分(两者都具有D形状横截面)，将所述半个预制件中的一个放置在基于二氧化硅的玻璃管中与具有D形状横截面的纯二氧化硅棒相邻，以形成由两个半个部分制得的光纤预制件(参见图21F)，以及由其拉制得到光纤200′。在另一个实施方式中，可以沿着轴将用于光纤100、200的光学预制件对半切开得到两个圆柱形部分(两者都具有D形状横截面)，以形成具有D形状横截面的最终预制件，以及从最终预制件拉制得到基本D形状的光纤100′、200′。
图4C示意性显示用于将常规高斯激光束转化为贝塞尔激光束的光纤的另一个实施方式的侧视图。光纤300通常包括通过过渡区域耦合到一段的另一段。如图4C实施方式所示，高斯束形状的激光束耦合到G段的光纤纤芯，在光纤逐渐变细段FT中转化为环形状，然后作为环形束RSB在光纤300的R段中传播。然后，用称作端盖1000的光纤的短长度对束强度分布进行进一步再成形，如图4C所示。端盖1000不具有圆形对称几何形貌。端盖1000打破了环形束的对称性，例如通过将环形束转化为裂环或“部分的”环形状(例如，半个环，3/4个环，在其中具有断开段的环，或者两个分开的半环)的束，从而离开的激光束当用光学系统进行聚焦时可以形成非轴对称贝塞尔束(例如，具有椭圆横截面的贝塞尔束)。G段支持了高斯激光束的传播，以及R段支持了贝塞尔激光束的传播。传播通过G段的高斯激光束当其穿过过渡区域并进入光纤的R段时被转化为贝塞尔激光束，以及端盖1000破坏了激光束的对称性，使得其是不对称的。本文将具体参照附图更详细地描述将高斯激光束转化为贝塞尔激光束的光纤的各种实施方式的结构和组成。
图4D显示不使用端盖1000的替代实施方式。更具体来说，图4D示意性显示光纤300′的侧视图，其包括：一段(G段，G)，支持了高斯束形状(高斯激光束，GLB)；以及另一段(R段，R)，支持了非轴对称的非高斯束形状(贝塞尔束)。图4D的光纤300′实施方式类似于图4C的光纤，但是光纤300′的R段中的光纤纤芯的波导环段被打破，如下文所述(即，它不是连续的)，这支持了非轴对称激光束NGBS(例如，非高斯激光束，例如，具有“破环”形状或“部分”环形状的激光束)的传播。
仍然参见图3A-3F，束源10A可以包括构造成输出激光束(例如，脉冲激光束)的任何已知或者尚待开发的束源10A。在运行中，通过如下方式产生轮廓线170的缺陷172：在来自激光束的光传播通过光纤100、200、300、100′、200′、300′的G和R段并被光学组件13I(例如，130A、130B或130C)聚焦之后，透明工件160与通过束源10A输出的脉冲激光束相互作用。在一些实施方式中，束源10A可以输出脉冲激光束，所述脉冲激光束包括例如1064nm、1030nm、532nm、530nm、355nm、343nm或266nm或215nm的波长。此外，用于在透明工件160中形成缺陷172的脉冲激光束12可以良好地适用于对于选定脉冲激光波长是透明的材料。
用于形成缺陷172的合适激光波长是透明工件160的吸收和散射总损耗足够低的波长。在实施方式中，透明工件160在所述波长处由于吸收和散射所导致的总损耗小于20％/mm，或者小于15％/mm，或者小于10％/mm，或者小于5％/mm，或者小于1％/mm，其中，量纲“/mm”表示透明工件160中的脉冲激光束12的传播方向(例如，Z方向)上的每毫米距离。用于许多玻璃工件的代表性波长包括：Nd3+的基波和谐波波长(例如Nd3+:YAG或Nd3+:YVO4，基波波长接近1064nm，以及更高阶谐波波长接近532nm、355nm和266nm)。也可以使用满足给定基材材料的总吸收和散射损耗要求的光谱的紫外、可见光和红外部分中的其他波长。
在运行时，聚焦的脉冲激光束12可以在透明工件160中产生多光子吸收(MPA)。MPA是相同或不同频率的两个或更多个光子的同时吸收，其将分子从一个状态(通常是基态)激发到较高能电子态(即，电离)。所涉及的分子的较低能态与较高能态之间的能量差等于所涉及的光子的能量总和。MPA，也被称作感应吸收，可以是二阶或三阶过程(或者更高阶)，例如，比线性吸收弱数个数量级。其与线性吸收的不同之处在于，例如二阶感应吸收的强度可以与光强度的平方成比例，因此其是非线性光学过程。
产生轮廓线170的穿孔步骤可以采用束源10A(例如，超短脉冲激光)结合下文关于图3A-3F和17A-20所示和所述的光纤和光学件将非轴对称束斑14投射到透明工件160上，并产生图1B的脉冲激光束焦线13′。脉冲激光束焦线13′包括准非衍射束(例如上文定义的非轴对称高斯-贝塞尔束)，以完全穿孔透明工件160，从而在透明工件160中形成一系列的缺陷172。在一些实施方式中，单个激光脉冲的脉冲持续时间是约1皮秒至约100皮秒(例如，约5皮秒至约20皮秒)，以及单个脉冲的重复频率可以是约1kHz至4MHz(例如，约10kHz至约3MHz或者约10kHz至约650kHz)。
再次参见图4A，图4A示意性显示光纤100、200的一个实施方式的侧视图。本文所述的光纤可以用来将常规高斯激光束转化为贝塞尔激光束。光纤通常包括通过过渡区域耦合到第二段(G)的第一段(R)。在这个实施方式中，第一段(R)的直径D0大于第二段(G)。在实施方式中，第一段包括第一纤芯部分，第一环状纤芯区域的中心位于光纤的轴向中心线上以及第一包层部分绕着第一纤芯区域延伸。第一环状纤芯区域具有相对于第一包层部分更大的相对折射率。第二段(G)具有第二纤芯部分和绕着第二纤芯部分延伸的第二包层区域。第二段的第二纤芯部分的至少一部分光学耦合到第一环状部分并且具有相对于第二包层部分更大的相对折射率。第二段(G)支持了高斯激光束的传播，以及第一段(R)支持了贝塞尔(或高斯-贝塞尔)激光束的传播。当其穿过过渡区域并进入光纤的第一段(R)时，传播通过第二段的高斯激光束转化为贝塞尔激光束(或者高斯-贝塞尔)。例如，发射具有高斯分布的输出束的激光光源可以光学耦合到光纤的第二段，以及当输出束传播通过过渡区域和第一段时，输出束的高斯分布被转化为贝塞尔分布。本文将具体参照附图更详细地描述将高斯激光束转化为贝塞尔激光束的光纤的各种实施方式的结构和组成。
参见图4A和5A-8A，显示光纤100的一个实施方式，其具有通过过渡区域150光学耦合到第二段130(G段，G)的第一段110(R段，R)。图4A显示了光纤100的至少一部分的侧视图，图5A和7A分别显示了光纤100的第一段110和第二段130的径向横截面，以及图6A和8A分别显示了第一段110和第二段130的对应的相对折射率分布。第一段110(R段)具有第一外直径‘D0’，以及第二段130(G段)具有第二外直径‘d0’(图4A)。(外直径D0和d0是光纤的包层的外直径。)第一外直径D0大于第二外直径d0。在示例性实施方式中，第一外直径D0可以是约0.2毫米(mm)至约5.0mm，第二外直径d0可以是约0.1至约4.5mm，以及过渡区域150的长度可以是约0.5mm至约20mm。在实施方式中，第一外直径D0是约0.4mm至约1.0mm，第二外直径d0是约0.2mm至约0.9mm，以及过渡区域150的长度是约1mm至约10mm。在其他实施方式中，第一外直径D0是约150μm至约250μm，第二外直径d0是约75μm至约225μm，以及过渡区域150的长度大于10mm。耦合进入并传播通过第二段130的高斯激光束‘GLB’被转化为传播通过第一段110的环形束RSB(或者贝塞尔束的近场版本)，当其被端盖1000(本文此处也称作端盖部分)改性成为非轴对称形状然后聚焦形成非轴对称贝塞尔激光束‘BLB’，其提供了非轴对称束斑14。(根据本文所述的实施方式，环形束位于光学上称为“近场”的位置，因此是贝塞尔束的近场版本。聚焦透镜将这个经过改性的环形束转化到光学上的“远场”，这产生了贝塞尔分布，或者贝塞尔激光束‘BLB’)。在实施方式中，第一段110(R段)、第二段130(G段)和过渡区域150相互整合形成，并且光纤100的锥度比(d0/D0)大于或等于约0.2且小于或等于约0.9。在其他实施方式中，光纤100的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.9。在其他实施方式中，光纤100的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.8(例如，0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，或者它们之间)。根据一些实施方式，过渡区域150具有如下长度，例如：1mm至10mm或者1-5mm(例如，1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，或者它们之间。如果在光纤拉制过程中产生锥度，则逐渐变细的区域150可以更长，例如长度是10mm-5m)。在一些实施方式中，逐渐变细的区域150具有绝热形状。更具体来说，逐渐变细的区域150具有绝热过渡(几何形貌)，从而从G段到R段的耦合损耗最小化。例如，由于过渡所导致的耦合损耗小于1dB、小于0.5dB、小于0.25dB或者甚至小于0.1dB。光纤100的R段(第一段110，图5A和6A)具有中心位于光纤100的轴向中心线2的第一纤芯部分112。第一纤芯部分112可以包括第一环状纤芯区域113。第一包层部分122可以绕着第一纤芯部分112延伸。光纤100的第二段130(G段，(图7A和8A))可以具有第二纤芯部分132，并且至少一部分的第二纤芯部分132光学耦合到第一纤芯部分112。第二包层部分142可以绕着第二纤芯部分132延伸。
参见图4A、5A和6A，图5A示意性显示图4A的光纤100的第一段110的径向横截面，以及图6A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率分布。第一段110(R段)通常包括第一纤芯部分112和第一包层部分122。第一纤芯部分112位于第一包层部分122内，第一包层部分122绕着第一纤芯部分122延伸。第一纤芯部分112和第一包层部分122可以是大致同心的，从而光纤100的第一段110的横截面相对于光纤100的第一纤芯部分112的中心是大致圆形对称的。此外，第一纤芯部分112和第一包层部分122可以是相对于光纤100的第一纤芯部分112的中心是大致轴对称的。在图4A、5A和6A所示的实施方式中，第一纤芯部分112可以包括第一环状纤芯区域113和通道114。通道114可以是例如空气孔。通道114位于第一环状纤芯区域113内，以及通道114与第一环状纤芯区域113直接相邻和直接接触。
在一些实施方式中，第一包层部分122可以任选地包括第一低折射率凹陷124和第一外包层部分123。任选的第一低折射率凹陷124的位置是在第一外包层123内，以及第一低折射率凹陷124可以与第一外包层123直接相邻和直接接触。当包含时，第一低折射率凹陷124改善了光纤100的弯曲性能。也就是说，第一低折射率凹陷124降低了当光纤100卷绕时在光纤100中传播的光的衰减，从而允许将光纤100卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第一低折射率凹陷124的光纤增加光纤100中传播的光的衰减。
在(未示出的)一些实施方式中，第一低折射率凹陷124可以与第一纤芯部分122直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中(例如，图5A和6A所示的实施方式)，第一低折射率凹陷124可以与第一纤芯部分112间隔开第一内包层部分125，即第一内包层部分125位于第一低折射率凹陷124内在第一低折射率凹陷124与第一纤芯部分112之间。在实施方式中，第一内包层部分125与第一低折射率凹陷124和第一环状纤芯区域113直接相邻和直接接触。
第一段110具有从光纤100的轴向中心线2开始的半径R4。第一纤芯部分112的半径R1小于半径R4。第一纤芯部分112的通道114的半径R0小于半径R1。第一环状纤芯区域113具有内半径R0、外半径R1和径向厚度TAC＝R1-R0。第一纤芯部分112和第一环状纤芯区域113的半径R0和R1分别定义为与第一纤芯部分112和第一环状纤芯区域113相应的相对折射率分布(图6A)的最大斜率相切的线穿过参比相对折射率线ΔOCL％的点，如下文更详细讨论。第一包层部分122具有内半径R1、外半径R4和径向厚度TCL＝R4-R1。在第一包层部分122包括第一低折射率凹陷124和第一外包层部分123的实施方式中，第一低折射率凹陷124具有内半径R2、外半径R3和径向厚度TLIT＝R3-R2。第一外包层部分123具有内半径R3、外半径R4和径向厚度TOCL＝R4-R3。在第一低折射率凹陷124与第一纤芯部分112直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第一低折射率凹陷124的内半径R2可以等于第一纤芯部分112的半径R1。在第一内包层部分125将第一低折射率凹陷124与第一纤芯部分112间隔开的实施方式中，第一内包层部分125具有内半径R1、外半径R2和径向厚度TICL＝R2-R1。
第一段110(R段)的包层的半径R4是约50μm至约250μm。在一些实施方式中，第一段110的半径R4是约60μm至约150μm。第一纤芯部分112的半径R1是约5μm至约55μm。在一些实施方式中，半径R1是约10μm至约50μm。通道114的半径R0是约2μm至约40μm。在一些实施方式中，通道114的半径R0是约5μm至约35μm。第一环状纤芯区域113的径向厚度TAC(R1-R0)是约1μm至约20μm。在一些实施方式中，径向厚度TAC是约2μm至约15μm。第一包层部分122的径向厚度TCL(R4-R1)是约20μm至约150μm。在一些实施方式中，径向厚度TCL是约25μm至约125μm。在第一包层部分122包括第一低折射率凹陷124和第一外包层部分123的实施方式中，第一低折射率凹陷124的内半径R2是约10μm至约60μm，外半径R3是约20μm至约75μm，以及径向厚度TLIT(R3-R2)是约1.0μm至约15μm。在实施方式中，内半径R2是约15μm至约55μm，外半径R3是约25μm至约65μm，以及径向厚度TLIT是约1.0μm至约10μm。第一外包层部分123的内半径R3是约20μm至约75μm，外半径R4是约50μm至约250μm，以及径向厚度TOCL(R4-R3)是约25μm至约150μm。在实施方式中，内半径R3是约25μm至约55μm，外半径R4是约60μm至约150μm，以及径向厚度TOCL是约30μm至约125μm。在通过第一内包层部分125将第一低折射率凹陷124与第一纤芯部分112间隔开的实施方式中，第一内包层部分125的内半径R1是约5μm至约55μm，外半径R2是约10μm至约60μm，以及径向厚度TICL(R2-R1)是约1.0μm至约20μm。在实施方式中，内半径R1是约10μm至约50μm，外半径R2是约15μm至约55μm，以及径向厚度TICL是约1.0μm至约15μm。
参见图4A、7A和8A，图7A示意性显示图4A的光纤100的第二段130(G段)的径向横截面，以及图8A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率分布。第二段130通常包括第二纤芯部分132和第二包层部分142。第二纤芯部分132位于第二包层部分142内，第二包层部分142绕着第二纤芯部分132延伸。第二纤芯部分132和第二包层部分142可以是大致同心的，从而光纤100的第二段130的横截面相对于光纤100的第二纤芯部分132的中心是大致圆形对称的。第二纤芯部分132和第二包层部分142可以是相对于光纤100的第二纤芯部分132的中心是大致轴对称的。
在一些实施方式中，第二包层部分142可以任选地包括第二低折射率凹陷144和第二外包层部分143。第二低折射率凹陷144的位置是在第二外包层143内，以及第二低折射率凹陷144可以与第二外包层143直接相邻和直接接触。当包含时，第二低折射率凹陷144改善了光纤100的弯曲性能。也就是说，第二低折射率凹陷144降低了当光纤100卷绕时在光纤100中传播的光的衰减，从而允许将光纤100卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第二低折射率凹陷144的光纤增加光纤100中传播的光的衰减。应理解的是，当光纤100的第一段110包括第一低折射率凹陷124时，光纤100的第二段130会包括第二低折射率凹陷144，反之亦然。
在(未示出的)一些实施方式中，第二低折射率凹陷144可以与第二纤芯部分122直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中，可以通过第二内包层部分145将第二低折射率凹陷144与第二纤芯部分132间隔开，如图7A和8A所示。也就是说，第二内包层部分145的位置是在第二低折射率凹陷144内，以及位置是在第二低折射率凹陷144与第二纤芯部分132之间。在实施方式中，第二内包层部分145与第二低折射率凹陷144和第二纤芯部分132直接相邻和直接接触。
第二段130具有从光纤100的轴向中心线2开始的半径r4。第二纤芯部分132的半径r1小于半径r4。第二纤芯部分132的半径r1定义为与第二纤芯部分132的相对折射率分布(图8A)的最大斜率的相切的线穿过参比相对折射率线Δocl％的点。第二包层部分142具有内半径r1、外半径r4和径向厚度tcl＝r4-r1。在第二包层部分142包括第二低折射率凹陷144和第二外包层部分143的实施方式中，第二低折射率凹陷144具有内半径r2、外半径r3和径向厚度tlit＝r3-r2。第二外包层部分143具有内半径r3、外半径r4和径向厚度tocl＝r4-r3。在第二低折射率凹陷144与第二纤芯部分132直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第二低折射率凹陷144的内半径r2可以等于第二纤芯部分132的半径r1。在第二内包层部分145将第二低折射率凹陷144与第二纤芯部分132间隔开的实施方式中，第二内包层部分145具有内半径r1、外半径r2和径向厚度ticl＝r2-r1。
第二段130的半径r4是约25μm至约80μm。在一些实施方式中，第二段130的半径r4是约35μm至约70μm。第二纤芯部分132的半径r1是约2μm至约35μm。在一些实施方式中，半径r1是约4μm至约30μm。第二包层部分142的径向厚度tcl(r4-r1)是约20μm至约75μm。在一些实施方式中，径向厚度tcl是约25μm至约65μm。在第二包层部分142包括第二低折射率凹陷144和第二外包层部分143的实施方式中，第二低折射率凹陷133的内半径r2是约4μm至约35μm，外半径r3是约5μm至约40μm，以及径向厚度tlit(r3-r2)是约1.0μm至约15μm。在实施方式中，内半径r2是约5μm至约30μm，外半径r3是约10μm至约35μm，以及径向厚度tlit是约1.0μm至约12.5μm。第二外包层部分143的内半径r3是约5μm至约40μm，外半径r4是约25μm至约80μm，以及径向厚度tocl(r4-r3)是约15μm至约75μm。在实施方式中，内半径r3是约10μm至约35μm，外半径r4是约35μm至约70μm，以及径向厚度tocl是约20μm至约60μm。在通过第二内包层部分145将第二低折射率凹陷144与第二纤芯部分132间隔开的实施方式中，第二内包层部分145的内半径r1是约2μm至约35μm，外半径r2是约4μm至约35μm，以及径向厚度ticl(r2-r1)是约1.0μm至约20μm。在实施方式中，内半径r1是约4μm至约30μm，外半径r2是约5μm至约30μm，以及径向厚度ticl是约1.0μm至约15μm。
参见图4A和5A-8A，虽然第一段110和第二段130这两者都具有纤芯部分和包层部分，但是应理解的是，第一段110的第一纤芯部分112包括第一环状纤芯区域113，在第一环状纤芯区域113内放置有通道114，而第二纤芯部分132不包含通道或者环状纤芯区域。还应理解的是，通过过渡区域150，第一包层部分122与第二包层部分142光学耦合，以及第一纤芯部分112与第二纤芯部分132光学耦合。具体来说，通过过渡区域150，第一环状纤芯区域113与第二纤芯部分132光学耦合，第一外包层部分123与第二外包层部分143光学耦合，第一低折射率凹陷124与第二低折射率凹陷144光学耦合，以及第一内包层部分125与第二内包层145光学耦合。
第一段110的通道114可以是沿着第一段110的轴向中心线2延伸的空穴空间。在实施方式中，通道114可以填充了气体，例如空气或者其他气体。通道114的相对折射率比光纤100的其他部分和区域要低得多。具体来说，通道114具有折射率nCH和相对于第一外包层部分123的相对折射率ΔCH％。折射率nCH是约1.0，以及相对折射率ΔCH％是约-26％。第一环状纤芯区域113具有折射率nAC和相对折射率ΔAC％，以及第二纤芯部分132具有折射率nc和相对折射率Δc％。在实施方式中，第一环状纤芯区域113和第二纤芯部分132由相同材料制造，以及相对折射率ΔAC％基本等于相对折射率Δc％(即，ΔAC％＝Δc％)。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δc％远大于相对折射率ΔCH％(即，ΔAC％>>ΔCH％，Δc％>>ΔCH％)。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δc％是约0.2％至约1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔAC％和相对折射率Δc％是约0.3％至约0.75％。
第一包层部分122具有折射率nCL和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率ΔCL％。第一包层部分122的折射率nCL用作光纤100的第一段110的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在第一包层部分122包括第一外包层部分123、第一低折射率凹陷124和(任选的)第一内包层部分125的实施方式中，相对于第一外包层部分123确定光纤100的第一段110的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第一包层部分122包括第一内包层部分125和第一低折射率凹陷124的实施方式中，第一内包层部分125具有折射率nICL和相对折射率ΔICL％，以及第一低折射率凹陷124具有折射率nLIT和相对折射率ΔLIT％。相对折射率ΔICL％通常大于相对折射率ΔLIT％并且通常小于相对折射率ΔAC％(即，ΔAC％>ΔICL％>ΔLIT％)，如图6A大致所示。相对折射率ΔICL％是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔICL％是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.3％至约-0.5％。
第二包层部分142具有折射率ncl和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率Δcl％。第二包层部分142的折射率ncl可以用作光纤100的第二段130的其他玻璃部分的相对折射率的参比，并且因此是相对于其自身确定的。在第二包层部分142包括第二外包层部分143、第二低折射率凹陷144和(任选的)第二内包层部分145的实施方式中，相对于第二外包层部分143确定光纤100的第二段130的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第二包层部分142包括第二内包层部分145和第二低折射率凹陷144的实施方式中，第二内包层部分145具有折射率nicl和相对折射率Δicl％，以及第二低折射率凹陷144具有折射率nlit和相对折射率Δlit％。相对折射率Δicl％通常大于相对折射率Δlit％并且通常小于相对折射率Δc％(即，Δc％>Δicl％>Δlit％)，如图8A大致所示。在实施方式中，第二内包层部分145由与第一内包层部分125相同的材料制造，以及第二低折射率凹陷144由与第一低折射率凹陷124相同的材料制造。因此，折射率nicl和nlit可以分别基本等于折射率nICL和nLIT(即，nicl＝nICL，nlit＝nLIT)，以及相对折射率Δicl％和Δlit％可以分别基本等于相对折射率ΔICL％和ΔLIT％(即，Δicl％＝ΔICL％，Δlit％＝ΔLIT％)。例如，相对折射率Δicl％可以是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率Δlit％可以是约-0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率Δicl％可以是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率Δlit％可以是约-0.3％至约-0.5％。
在第一包层部分122包括第一外包层部分123的实施方式中，第一外包层部分123具有折射率nOCL和相对折射率ΔOCL％。在这些实施方式中，相对折射率ΔOCL％可以用作确定光纤100的第一段110的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％大于第一低折射率凹陷124的相对折射率ΔLIT％(即，ΔOCL％>ΔLIT％)。在一些实施方式中，第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％可以大于第一内包层部分125的相对折射率ΔICL％，例如，当第一内包层部分125包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第一外包层部分123的折射率nOCL的第一内包层部分125的折射率nICL。在其他实施方式中，第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％可以基本等于第一内包层部分125的相对折射率ΔICL％。在此类实施方式中，第一外包层部分123的组成可以与第一内包层部分125的组成相同或者不同于第一内包层部分125的组成，只要ΔOCL％＝ΔICL％即可。基于如上所述，应理解的是，第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％大于或基本等于第一内包层部分125的相对折射率ΔICL％。
在第二包层部分142包括第二外包层部分143的实施方式中，第二外包层部分143具有折射率nocl和相对折射率Δocl％。因此，相对折射率Δocl％可以用作确定光纤100的第二段130的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第二外包层部分143的相对折射率Δocl％大于第二低折射率凹陷144的相对折射率Δlit％(即，Δocl％>Δlit％)。在一些实施方式中，第二外包层部分143的相对折射率Δocl％可以大于第二内包层部分145的相对折射率Δicl％，例如，当第二内包层部分145包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第二外包层部分143的折射率nocl的第二内包层部分145的折射率nicl。在其他实施方式中，第二外包层部分143的相对折射率Δocl％可以基本等于第二内包层部分145的相对折射率Δicl％。在此类实施方式中，第二外包层部分143的组成可以与第二内包层部分145的组成相同或者不同于第二内包层部分145的组成，只要Δocl％＝Δicl％即可。基于如上所述，应理解的是，第二外包层部分143的相对折射率Δocl％大于或基本等于第二内包层部分145的相对折射率Δicl％。在实施方式中，第二外包层部分143由与第一外包层部分123相同的材料制造，由此第二外包层部分143的折射率nocl可以基本等于第一外包层部分123的折射率nOCL(即，nocl＝nOCL)，以及第二外包层部分143的相对折射率Δocl％可以基本等于第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％＝0)。
第一段110的第一环状纤芯区域113以及第二段130的第二纤芯部分132包括具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂包括例如：锗(Ge)、钛(Ti)、铝(Al)、氯(Cl)、磷(P)、氧化锗(例如GeO2)、氧化钛(例如TiO2)、氧化磷(例如P2O5)，及其各种组合，但不限于此。在实施方式中，第一环状纤芯区域113和第二纤芯部分132中的至少一个含有约3重量％至约17重量％GeO2。在一些实施方式中，第一环状纤芯区域113和第二纤芯部分132中的至少一个含有约5重量％至约13重量％GeO2。在实施方式中，第一环状纤芯区域113和第二纤芯部分132由相同材料制造，以及第一环状纤芯区域113中的掺杂剂浓度基本等于第二纤芯部分132中的掺杂剂浓度。
第一段110的第一内包层部分125和第二段130的第二内包层部分145可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一内包层部分125和第二内包层部分145中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括氟(F)或者硼(B)等。在实施方式中，第一内包层部分125和第二内包层部分145中的至少一个含有F作为负掺杂剂。如本文所用，短语“纯二氧化硅玻璃”表示二氧化硅玻璃包含SiO2，具有少于1000ppm(以重量计)的其他元素。
光纤的特定玻璃部分的径向厚度可以与该特定玻璃部分的相对折射率相关联。具体来说，具有相对折射率Δi％、内半径R内和外半径R外的玻璃部分“i”可以具有如下定义的凹陷体积Vi：
Figure GDA0003897915980000411
这可以重写为：
Vi＝Δi％(R出 2-R进 2) (33)
因此，第一低折射率凹陷124的凹陷体积VLIT可以是：
VLIT＝ΔLIT％(R3 2-R2 2) (34)
以及第二低折射率凹陷144的凹陷体积vlit可以是：
vlit＝Δlit％(r3 2-r2 2) (35)
在本文所述的实施方式中，第一低折射率凹陷124的凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2，例如大于或等于约100％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约110％-μm2或者甚至大于或等于约120％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2且小于或等于约220％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约100％-μm2且小于或等于约200％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布VLIT可以大于或等于约110％-μm2且小于或等于约180％-μm2。
在本文所述的实施方式中，第二低折射率凹陷144的凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2，例如大于或等于约50％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约55％-μm2或者甚至大于或等于约60％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2且小于或等于约110％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约50％-μm2且小于或等于约100％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布vlit可以大于或等于约55％-μm2且小于或等于约90％-μm2。
在本文所述光纤的实施方式中，第一低折射率凹陷124，第二低折射率凹陷144，或者第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144这两者包括具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。负掺杂剂的非限制性例子包括F或B等。第一低折射率凹陷124，第二低折射率凹陷144，或者第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144这两者可以包含浓度是约0.1重量％至约2.5重量％的F。在实施方式中，第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.8重量％的F。在一些实施方式中，第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.5重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144中的至少一个包括浓度是约0.5重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144中的至少一个包括浓度是约0.7重量％至约1.8重量％的F。
在一些实施方式中，第一低折射率凹陷124的相对折射率ΔLIT％和第二低折射率凹陷144的相对折射率Δlit％中的至少一个是通过如下方式实现的：使得第一低折射率凹陷124和第二低折射率凹陷144中的至少一个的二氧化硅玻璃形成分别形成有空穴，所述空穴是以非周期性方式布置在整个二氧化硅玻璃中，或者以周期性方式布置在二氧化硅玻璃中，或者以非周期性方式和周期性方式这两种方式布置在二氧化硅玻璃中。如本文所用，短语“以非周期性方式布置”或者“非周期性分布”表示对于光纤100的横截面(例如，垂直于纵轴的横截面)，以非周期性方式布置的空穴是以无规方式或者非周期性方式分布于二氧化硅玻璃中。沿着光纤的长度，在不同点截取的类似横截面会具有不同的横截面空穴图案。也就是说，各种横截面会具有不同空穴图案，其中，当将横截面进行相互对比时，空穴的分布和空穴的尺寸不匹配。由此，空穴以非周期性方式布置在光纤结构中。这些空穴沿着光纤100的长度(即，平行于纵轴)被拉伸(拉长)，但是没有延伸到整个光纤的整个长度。虽然不希望受限于理论，但是相信空穴延伸小于数米，并且在许多情况下沿着光纤的长度小于1米。可以通过如下方法制造本文所揭示的光纤，所述方法采用的预制件固结条件有效地导致显著量的气体被俘获在固结的玻璃坯件中，从而导致在固结的玻璃光纤预制件中形成空穴。没有采取步骤除去这些空穴，而是使用所得的预制件形成其中具有空穴的光纤。在一些实施方式中，这些空穴可以含有一种或多种气体，例如氩气、氪气、CO2、SO2、O2，或其混合物。在一些其他实施方式中，空穴基本不含气体。无论是否存在气体，第一低折射率凹陷124的折射率nLIT，第二低折射率凹陷144的折射率nlit，或者这两个折射率nLIT和nlit，都由于存在空穴而下降。作为替代或补充，第一低折射率凹陷124的折射率nLIT，第二低折射率凹陷144的折射率nlit，或者这两个折射率nLIT和nlit，都通过形成具有非周期性分布的空穴、周期性分布的空穴或者非周期性分布与周期性分布的空穴的负掺杂的二氧化硅玻璃而下降，如本文所述。
第一低折射率凹陷124的相对折射率ΔLIT％小于第一内包层部分125的相对折射率ΔICL％(即，ΔLIT％<ΔICL％)并且小于第一外包层部分123的相对折射率ΔOCL％(即，ΔLIT％<ΔOCL％)。在一些实施方式中，相对折射率ΔICL％基本等于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％＝ΔOCL％。在其他实施方式中，相对折射率ΔICL％小于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％<ΔOCL％。
第二低折射率凹陷144的相对折射率Δlit％小于第二内包层部分145的相对折射率Δicl％(即，Δlit％<Δicl％)并且小于第二外包层部分143的相对折射率Δocl％(即，Δlit％<Δocl％)。在一些实施方式中，相对折射率Δicl％基本等于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％＝Δocl％。在其他实施方式中，相对折射率Δicl％小于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％<Δocl％。在第二低折射率凹陷144、第二内包层部分145和第二外包层部分143分别由与第一低折射率凹陷124、第一内包层部分125和第一外包层部分123相同的材料制造的实施方式中，应理解的是，相对折射率Δlit％可以基本等于相对折射率ΔLIT％(即，Δlit％＝ΔLIT％)，相对折射率Δicl％可以基本等于相对折射率ΔICL％(即，Δicl％＝ΔICL％)，以及相对折射率Δocl％可以基本等于相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％)。此外，在相对折射率ΔICL％基本等于相对折射率ΔOCL％的实施方式中，Δlit％<ΔICL％＝ΔOCL％以及ΔLIT％<Δicl％＝Δocl％。在相对折射率ΔICL％小于相对折射率ΔOCL％的实施方式中，Δlit％<ΔICL％<ΔOCL％以及ΔLIT％<Δicl％<Δocl％。
第一段110的第一外包层部分123和第二段130的第二外包层部分143可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一外包层123和第二外包层143中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一外包层123和第二外包层143中的至少一个含有F作为负掺杂剂。
本文所述的光纤100的各种实施方式由于在第一包层部分122中结合了第一低折射率凹陷124以及在第二包层部分142中结合了第二低折射率凹陷144，具有改进的弯曲性能。可以根据FOTP-62(JEC-60793-1-47)通过如下方式确定光纤100的宏弯曲性能：光纤在15mm和/或30mm直径心轴上绕2圈，以及测量由于弯曲所导致的衰减增加。
在本文所述的实施方式中，采用制造具有所需结构和组成的光纤预制件的常规光纤制造工艺来制造光纤100。用于制造光纤预制件的工艺的非限制性例子包括：外部气相沉积(OVD)、改进的化学气相沉积(MCVD)或者物理化学气相沉积(PCVD)等。一旦形成，将光纤预制件拉制成具有第一段110的尺寸的光纤。夹住具有第一段110的尺寸的光纤，以及将一部分的光纤进一步下拉至第二段130的尺寸，在第一段110与第二段130之间置有过渡区域150。
例如，在一个实施方式中，光纤100可以初始形成使得光纤100初始具有通道114、第一环状纤芯区域113、第一内包层部分125、第一低折射率凹陷124和第一外包层部分123。然后，可以夹住光纤100，对一部分的光纤进行加热和进一步拉制以产生具有第一段110和第二段130的光纤，所述第一段110具有通道114、第一环状纤芯区域113、第一内包层部分125、第一低折射率凹陷124和第一外包层部分123，以及所述第二段130具有第二纤芯部分132、第二内包层部分145、第二低折射率凹陷144和第二外包层部分143。在这个过程中，光纤的进一步拉制使得通道114坍塌，从而形成光纤100的第二段130的(没有通道的)第二纤芯部分132，同时降低了光纤100的第二段130相对于第一段110的尺寸。在另一个实施方式中，可以通过将第一段110与第二段130拼接到一起来形成光纤100。在此类实施方式中，要理解的是，第一段110的外直径D0和第二段130的外直径d0可以是大致彼此相同的，只要第一纤芯部分112、第二纤芯部分132、第一包层部分122和第二包层部分142具有上文所讨论的属性和性质即可。
参见图4A、6A和8A，光纤100可以用于将高斯激光束转化为贝塞尔激光束。具体来说，可以将高斯激光束GLB光学耦合到光纤100的入口端131，以及朝向第一段110传播通过光纤100的第二段130。当传播通过第二段130时，高斯激光束GLB基本限制在第二纤芯部分132中。随着第二段130过渡到第一段110，第二纤芯部分132过渡到第一环状纤芯区域113，即第二纤芯部分132过渡到位置是沿着光纤100的第一段110的长度绕着通道114的第一环状纤芯区域113。传播通过第二段130的高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率纤芯部分，因此当第二纤芯部分132过渡到第一环状纤芯区域113时，高斯激光束GLB传播或者“跟随”了第二纤芯部分132。因此，高斯激光束GLB被转化为传播通过第一段110的环形束RSB，并且由于第一纤芯部分112和第二纤芯部分132的相对几何形貌和相对折射率被大致限制在第一环状纤芯区域113中。当聚焦时，环形束RSB形成贝塞尔激光束BLB。如果出口端111时平坦的(没有聚焦能力)，则环形束激光束在出口端111离开光纤111，已经经过了从高斯激光束到环形激光束(RSB)的转变。(由于其不是轴对称的，所以)端盖1000打破了环形激光束(RSB)的圆形对称性，并且将环形激光束(RSB)转化为裂环或者部分环形状的束。如果端盖的出口端是弯曲的和/或形成了聚焦透镜表面，则激光束形成非轴对称(非圆形对称)贝塞尔激光束BLB，并且贝塞尔激光束BLB离开端盖1000，已经经过了从高斯激光束到非轴对称贝塞尔激光束的转变。在实施方式中，可以通过透镜系统、直接对接耦合或者融合拼接将高斯激光束GLB耦合到光纤100的入口端131。在光纤100的出口端111所提供并且通过端盖1000进行改性的环形束可以通过如下方式聚焦，例如：用自由空间散装光学件(free space bulkoptics)(参见图3A、3C)或者端盖透镜，其直接形成在端盖1000的出口端上(未示出)或者附连到端盖的出口端(图3E)。
参见图4B、5B、6B、6C、7B和8B，显示光纤100′的一个实施方式，其具有通过过渡区域150′光学耦合到第二段130′(G段)的第一段110′(R段)。光纤100′类似于光纤100，但是光纤100′的纤芯包括如下文更详细描述的区域R。
这个实施方式的光纤100′的示例性R段(段110′)如图5B、6B和6C所示，并且类似于光纤100的R段(段110)。但是，光纤100′的纤芯112′的第一纤芯区域113′不是完整环状的(即，不是连续的，而是包括一个或多个区域R，其具有相比于相邻区域113′较低的折射率(例如，纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅，或者图5B、6B所示实施方式中的空气孔H)。纤芯区域113′是破环或者裂环的形状。更具体来说，在一个横截面(A-A)中，光纤段110′(即R段)具有如图6B所示的折射率分布(第一(不连续)纤芯区域113′具有相对于包层而言高的相对折射率ΔAC％，以及在另一个横截面(B-B)中，具有如图6C所示的折射率分布。区域R(例如，空气孔H，如图5B所示)打破了纤芯区域113′的对称性，因而打破了传播通过纤芯的激光束的对称性。
图7B、8B、8C所示的实施方式的光纤100′的示例性G段(第二段130′)使得传播通过G段(第二段130′)的高斯束具有光纤非圆形对称性。在中心通道114′坍塌之后，这个实施方式的纤芯部分132′变成椭圆形。传播通过第二段130′的高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率纤芯部分，因此，当纤芯部分132′的第二较高折射率部分过渡到第一环状纤芯区域113′时，高斯激光束GLB传播或者“跟随”纤芯部分132′的第二较高折射率部分，并且没有明显传播通过较低折射率材料R的区域或者通过光纤段110′的空气孔H。
如上文所讨论的那样，光纤段110′的纤芯中的低折射率区域R(例如，空气孔H)打破了环形激光束(RSB)的对称性，因而传播通过段110′的束形状是“破环”或“部分环”形状的束。如果光纤100′的出口端111′是弯曲的和/或形成了聚焦透镜表面，则光纤100′形成非轴对称(非圆形对称)贝塞尔激光束BLB，以及贝塞尔激光束BLB离开光纤100′，已经经过了从高斯激光束到非轴对称贝塞尔激光束的转变。在光纤100′的出口端111提供的非轴对称激光束可以通过如下方式聚焦，用自由空间散装光学件(free space bulk optics)(参见图3B、3D)或者透镜，其直接形成在光纤的出口端上111′(未示出)或者附连到光纤的出口端111′(图3F)。
要注意的是，如果使用光纤100代替光纤100′的话，则可以将具有如图5B、6B、6C所示的几何形貌和折射率分布的小光纤段附连(例如，拼接)到光纤100的段110(R段)的端面并作为端盖1000，用于将传播通过光纤100的段110(R段)的轴对称形状的环形激光束转化为非轴对称的激光束。也可以使用本文所揭示的其他端盖1000。
当聚焦时，传播通过端盖1000或者传播通过光纤100′的非轴对称束形成非轴对称激光束，这导致非轴对称斑14。
参见图4A以及图9A-12A，显示光纤200的实施方式，其具有通过过渡区域250光学耦合到第二段230的第一段210。光纤200可以类似于光纤100，不同之处在于，第一段210(R段)可以包括具有位于第一环状纤芯区域213内的第一低折射率纤芯区域214(而不是空气通道)的第一纤芯部分212，以及第二段230(G段)可以包括具有位于第二环状纤芯区域233内的第二低折射率纤芯区域234的第二纤芯部分。第一低折射率纤芯区域214的折射率可以等于或小于第一内包层部分225的折射率。例如，纤芯区域214可以由纯二氧化硅玻璃、F掺杂的二氧化硅玻璃或者硼掺杂的二氧化硅玻璃制成。图4A显示了光纤200的至少一部分的侧视图，图9A和11A分别显示了光纤200的第一段210和第二段230的径向横截面，以及图10A和12A分别显示了第一段210和第二段230的对应的相对折射率分布。第一段210具有第一外直径‘D0’，以及第二段230具有第二外直径‘d0’(图4A)。第一外直径D0大于第二外直径d0。在实施方式中，第一外直径D0可以是约0.2毫米(mm)至约5.0mm，第二外直径d0可以是约0.1至约4.5mm，以及过渡区域250的长度可以是约0.5mm至约20mm。在实施方式中，第一外直径D0是约0.4mm至约1.0mm，第二外直径d0是约0.2mm至约0.9mm，以及过渡区域250的长度是约1mm至约10mm。在其他实施方式中，第一外直径D0是约150μm至约250μm，第二外直径d0是约75μm至约225μm，以及过渡区域250的长度大于10mm。传播通过第二段230的高斯激光束GLB被转化为传播通过第一段210的环形束。在实施方式中，第一段210、第二段230和过渡区域250相互整合形成，并且光纤200的锥度比(d0/D0)大于或等于约0.2且小于或等于约0.9(例如，0.2、0.3、0.4、0.5、0.5、0.7、0.8 0.9或者它们之间)。例如，在一些实施方式中，光纤200的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.9。在其他实施方式中，光纤200的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.8。光纤200的第一段210(图9A和10A)具有中心位于光纤200的轴向中心线2的第一纤芯部分212。第一纤芯部分212可以包括第一环状纤芯区域213。第一包层部分222可以绕着第一纤芯部分212延伸。光纤200的第二段230(图11A和12A))可以具有第二纤芯部分232，并且至少一部分的第二纤芯部分232光学耦合到第一纤芯部分212。第二包层部分242可以绕着第二纤芯部分232延伸。
参见图4A、9A和10A，图9A示意性显示图4A的光纤200的第一段210的径向横截面，以及图10A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率。第一段210通常包括第一纤芯部分212和第一包层部分222。第一纤芯部分212位于第一包层部分222内，第一包层部分222绕着第一纤芯部分122延伸。第一纤芯部分212和第一包层部分222可以是大致同心的，从而光纤200的第一段210的横截面相对于光纤200的第一纤芯部分212的中心是大致圆形对称的。此外，第一纤芯部分212和第一包层部分222可以是相对于光纤200的第一纤芯部分212的中心是大致轴对称的。在实施方式中，第一纤芯部分212可以包括第一环状纤芯区域213和第一低折射率纤芯区域214。第一低折射率纤芯区域214的位置是在第一环状纤芯区域213内，以及第一低折射率纤芯区域214与第一环状纤芯区域213直接相邻和直接接触。
在一些实施方式中，第一包层部分222可以任选地包括第一低折射率凹陷224和第一外包层部分223。第一低折射率凹陷224的位置是在第一外包层223内，以及第一低折射率凹陷224可以与第一外包层223直接相邻和直接接触。当包含时，第一低折射率凹陷224改善了光纤200的弯曲性能。也就是说，第一低折射率凹陷224降低了当光纤200卷绕时在光纤200中传播的光的衰减，从而允许将光纤200卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第一低折射率凹陷224的光纤增加光纤200中传播的光的衰减。
在(未示出的)一些实施方式中，第一低折射率凹陷224可以与第一纤芯部分212直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中(例如，图9A和10A所示的实施方式)，第一低折射率凹陷224可以与第一纤芯部分212间隔开第一内包层部分225，即第一内包层部分225位于第一低折射率凹陷224内在第一低折射率凹陷224与第一纤芯部分212之间。在实施方式中，第一内包层部分225与第一低折射率凹陷224和第一环状纤芯区域213直接相邻和直接接触。
第一段210具有从光纤200的轴向中心线2开始的半径R4。第一纤芯部分212的半径R1小于半径R4。第一纤芯部分212的第一低折射率纤芯区域214的半径R0小于半径R1。第一环状纤芯区域213具有内半径R0、外半径R1和径向厚度TAC＝R1-R0。第一低折射率纤芯区域214和第一环状纤芯区域213的半径R0和R1分别定义为与第一低折射率纤芯区域214和第一环状纤芯区域213相应的相对折射率分布(图10A)的最大斜率相切的线穿过参比相对折射率线ΔOCL％的点。第一包层部分222具有内半径R1、外半径R4和径向厚度TCL＝R4-R1。在第一包层部分222包括第一低折射率凹陷224和第一外包层部分223的实施方式中，第一低折射率凹陷224具有内半径R2、外半径R3和径向厚度TLIT＝R3-R2。第一外包层部分223具有内半径R3、外半径R4和径向厚度TOCL＝R4-R3。在第一低折射率凹陷224与第一纤芯部分212直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第一低折射率凹陷224的内半径R2可以等于第一纤芯部分212的半径R1。在第一内包层部分225将第一低折射率凹陷224与第一纤芯部分212间隔开的实施方式中，第一内包层部分225具有内半径R1、外半径R2和径向厚度TICL＝R2-R1。
第一段210的半径R4是约50μm至约250μm。在一些实施方式中，第一段210的半径R4是约100μm至约150μm。第一纤芯部分212的半径R1是约5μm至约25μm。在一些实施方式中，半径R1是约7.5μm至约15μm。第一低折射率纤芯区域214的半径R0是约1μm至约10μm。在一些实施方式中，第一低折射率纤芯区域214的半径R0是约2μm至约7μm。第一环状纤芯区域213的径向厚度TAC(R1-R0)是约2μm至约15μm。在一些实施方式中，径向厚度TAC是约5μm至约10μm。第一包层部分222的径向厚度TCL(R4-R1)是约75μm至约175μm。在一些实施方式中，径向厚度TCL是约90μm至约125μm。在第一包层部分222包括第一低折射率凹陷224和第一外包层部分223的实施方式中，第一低折射率凹陷224的内半径R2是约5μm至约50μm，外半径R3是约70μm至约50μm，以及径向厚度TLIT(R3-R2)是约1μm至约20μm。在实施方式中，内半径R2是约10μm至约30μm，外半径R3是约10μm至约40μm，以及径向厚度TLIT是约1μm至约15μm。第一外包层部分223的内半径R3是约7μm至约75μm，外半径R4是约50μm至约250μm，以及径向厚度TOCL(R4-R3)是约75μm至约150μm。在实施方式中，内半径R3是约10μm至约40μm，外半径R4是约100μm至约150μm，以及径向厚度TOCL是约85μm至约125μm。在通过第一内包层部分225将第一低折射率凹陷224与第一纤芯部分212间隔开的实施方式中，第一内包层部分225的内半径R1是约5μm至约25μm，外半径R2是约5μm至约50μm，以及径向厚度TICL(R2-R1)是约1μm至约15.0μm。在实施方式中，内半径R1是约7.5μm至约15μm，外半径R2是约10μm至约30μm，以及径向厚度TICL是约1μm至约10μm。
参见图4A、11A和12A，图11A示意性显示图4A的光纤200的第二段230的径向横截面，以及图12A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率。第二段230通常包括第二纤芯部分232和第二包层部分242。第二纤芯部分232位于第二包层部分242内，第二包层部分242绕着第二纤芯部分232延伸。第二纤芯部分232和第二包层部分242可以是大致同心的，从而光纤200的第二段230的横截面相对于光纤200的第二纤芯部分232的中心是大致圆形对称的。此外，第二纤芯部分232和第二包层部分242可以是相对于光纤200的第二纤芯部分232的中心是大致轴对称的。在实施方式中，第二纤芯部分232可以包括第二环状纤芯区域233和第二低折射率纤芯区域234。第二低折射率纤芯区域234的位置是在第二环状纤芯区域233内，以及第二低折射率纤芯区域234与第二环状纤芯区域233直接相邻和直接接触。
在一些实施方式中，第二包层部分242可以任选地包括第二低折射率凹陷244和第二外包层部分243。第二低折射率凹陷244的位置是在第二外包层243内，以及第二低折射率凹陷244可以与第二外包层243直接相邻和直接接触。当包含时，第二低折射率凹陷244改善了光纤200的弯曲性能。也就是说，第二低折射率凹陷244降低了当光纤200卷绕时在光纤200中传播的光的衰减，从而允许将光纤200卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第二低折射率凹陷244的光纤增加光纤200中传播的光的衰减。应理解的是，当光纤200的第一段210包括第一低折射率凹陷224时，光纤200的第二段230会包括第二低折射率凹陷244，反之亦然。
在(未示出的)一些实施方式中，第二低折射率凹陷244可以与第二纤芯部分232直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中，可以通过第二内包层部分245将第二低折射率凹陷244与第二纤芯部分232间隔开，如图11A和12A所示。也就是说，第二内包层部分245的位置是在第二低折射率凹陷244内，以及位置是在第二低折射率凹陷244与第二纤芯部分232之间。在实施方式中，第二内包层部分245与第二低折射率凹陷244和第二环状纤芯区域233直接相邻和直接接触。
参见图4A以及9A-12A，应理解的是，通过过渡区域250，第一包层部分222与第二包层部分242光学耦合，以及第一纤芯部分212与第二纤芯部分232光学耦合。具体来说，通过过渡区域250，第一低折射率纤芯区域214与第二低折射率纤芯区域234光学耦合，第一环状纤芯区域213与第二环状纤芯区域233光学耦合，第一外包层部分223与第二外包层部分243光学耦合，第一低折射率凹陷224与第二低折射率凹陷244光学耦合，以及第一内包层部分225与第二内包层部分245光学耦合。
第二段230具有从光纤200的轴向中心线2开始的半径r4。第二纤芯部分232的半径r1小于半径r4。第二纤芯部分232的第二低折射率纤芯区域234的半径r0小于半径r1。第二环状纤芯区域233具有内半径r0、外半径r1和径向厚度tac＝r1-r0。第二低折射率纤芯区域234和第二环状纤芯区域233的半径r0和r1分别定义为与第二低折射率纤芯区域234和第二环状纤芯区域233相应的相对折射率分布(图12A)的最大斜率相切的线穿过参比相对折射率线Δocl％的点。第二包层部分242具有内半径r1、外半径r4和径向厚度tcl＝r4-r1。在第二包层部分242包括第二低折射率凹陷244和第二外包层部分243的实施方式中，第二低折射率凹陷244具有内半径r2、外半径r3和径向厚度tlit＝r3-r2。第二外包层部分243具有内半径r3、外半径r4和径向厚度tocl＝r4-r3。在第二低折射率凹陷244与第二纤芯部分232直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第二低折射率凹陷244的内半径r2可以等于第二纤芯部分232的半径r1。在第二内包层部分245将第二低折射率凹陷244与第二纤芯部分232间隔开的实施方式中，第二内包层部分245具有内半径r1、外半径r2和径向厚度ticl＝r2-r1。
第二段230的半径r4是约20μm至约100μm。在一些实施方式中，第二段230的半径r4是约30μm至约70μm。第二纤芯部分232的半径r1是约1μm至约10μm。在一些实施方式中，半径r1是约2.5μm至约7.5μm。第二包层部分242的径向厚度tcl(r4-r1)是约20μm至约80μm。在一些实施方式中，径向厚度tcl是约35μm至约60μm。在第二包层部分242包括第二低折射率凹陷244和第二外包层部分243的实施方式中，第二低折射率凹陷244的内半径r2是约2μm至约15μm，外半径r3是约2μm至约25μm，以及径向厚度tlit(r3-r2)是约1μm至约10μm。在实施方式中，内半径r2是约3μm至约10μm，外半径r3是约3μm至约20μm，以及径向厚度tlit是约1μm至约8μm。第二外包层部分243的内半径r3是约2μm至约25μm，外半径r4是约20μm至约100μm，以及径向厚度tocl(r4-r3)是约25μm至约75μm。在实施方式中，内半径r3是约3μm至约20μm，外半径r4是约30μm至约70μm，以及径向厚度tocl是约30μm至约50μm。在通过第二内包层部分245将第二低折射率凹陷244与第二纤芯部分232间隔开的实施方式中，第二内包层部分245的内半径r1是约1μm至约10μm，外半径r2是约2μm至约15μm，以及径向厚度ticl(r2-r1)是约1μm至约8μm。在实施方式中，内半径r1是约2.5μm至约7.5μm，外半径r2是约3μm至约10μm，以及径向厚度ticl是约1μm至约4μm。
第一段210的第一低折射率纤芯区域214具有折射率nLIC和相对折射率ΔLIC％，以及第二段230的第二低折射率纤芯区域234具有折射率nlic和相对折射率Δlic％。在实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234由相同材料制造，以及相对折射率ΔLIC％基本等于相对折射率Δlic％(即，ΔLIC％＝Δlic％)。相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％是约0.2％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％是约0.1％至约-0.5％。
第一环状纤芯区域213具有折射率nAC和相对折射率ΔAC％，以及第二环状纤芯区域233具有折射率nac和相对折射率Δac％。在实施方式中，第一环状纤芯区域213和第二环状纤芯区域233由相同材料制造，以及相对折射率ΔAC％基本等于相对折射率Δac％(即，ΔAC％＝Δac％)。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％分别大于相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％(即，ΔAC％>ΔLIC％，Δac％>Δlic％)。在第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234由相同材料制造以及第一环状纤芯区域213和第二环状纤芯区域233由相同材料制造的实施方式中，ΔAC％>Δlic％以及Δac％>ΔLIC％。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％是约0.2％至约1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％是约0.3％至约0.75％。
第一包层部分222具有折射率nCL和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率ΔCL％。第一包层部分222的折射率nCL可以用作光纤200的第一段210的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在第一包层部分222包括第一外包层部分223、第一低折射率凹陷224和(任选的)第一内包层部分225的实施方式中，相对于第一外包层部分223确定光纤200的第一段210的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第一包层部分222包括第一内包层部分225和第一低折射率凹陷224的实施方式中，第一内包层部分225具有折射率nICL和相对折射率ΔICL％，以及第一低折射率凹陷224具有折射率nLIT和相对折射率ΔLIT％。相对折射率ΔICL％通常大于相对折射率ΔLIT％并且通常小于相对折射率ΔAC％(即，ΔAC％>ΔICL％>ΔLIT％)，如图10A大致所示。相对折射率ΔICL％是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔICL％是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.3％至约-0.5％。
第二包层部分242具有折射率ncl和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率Δcl％。第二包层部分242的折射率ncl可以用作光纤200的第二段230的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在第二包层部分242包括第二外包层部分243、第二低折射率凹陷244和(任选的)第二内包层部分245的实施方式中，相对于第二外包层部分243确定光纤200的第二段230的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第二包层部分242包括第二内包层部分245和第二低折射率凹陷244的实施方式中，第二内包层部分245具有折射率nicl和相对折射率Δicl％，以及第二低折射率凹陷244具有折射率nlit和相对折射率Δlit％。相对折射率Δicl％通常大于相对折射率Δlit％并且通常小于相对折射率Δac％(即，Δac％>Δicl％>Δlit％)，如图12A大致所示。在实施方式中，第二内包层部分245由与第一内包层225相同的材料制造，以及第二低折射率凹陷244由与第一低折射率凹陷224相同的材料制造。因此，折射率nicl和nlit可以分别基本等于折射率nICL和nLIT(即，nicl＝nICL，nlit＝nLIT)，以及相对折射率Δicl％和Δlit％可以分别基本等于相对折射率ΔICL％和ΔLIT％(即，Δicl％＝ΔICL％，Δlit％＝ΔLIT％)。例如，相对折射率Δicl％可以是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率Δlit％是约0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率Δicl％可以是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率Δlit％是约-0.3％至约-0.5％。
在第一包层部分222包括第一外包层部分223的实施方式中，第一外包层部分223具有折射率nOCL和相对折射率ΔOCL％。在这些实施方式中，相对折射率ΔOCL％可以用作确定光纤200的第一段210的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％大于第一低折射率凹陷224的相对折射率ΔLIT％(即，ΔOCL％>ΔLIT％)。在一些实施方式中，第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％可以大于第一内包层部分225的相对折射率ΔICL％，例如，当第一内包层部分225包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第一外包层部分223的折射率nOCL的第一内包层部分225的折射率nICL。在其他实施方式中，第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％可以基本等于第一内包层部分225的相对折射率ΔICL％。在此类实施方式中，第一外包层部分223的组成可以与第一内包层部分225的组成相同或者不同于第一内包层部分225的组成，只要ΔOCL％＝ΔICL％即可。基于如上所述，应理解的是，第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％大于或基本等于第一内包层部分225的相对折射率ΔICL％。
在第二包层部分242包括第二外包层部分243的实施方式中，第二外包层部分243具有折射率nocl和相对折射率Δocl％。因此，相对折射率Δocl％可以用作确定光纤200的第二段230的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第二外包层部分243的相对折射率Δocl％大于第二低折射率凹陷244的相对折射率Δlit％(即，Δocl％>Δlit％)。在一些实施方式中，第二外包层部分243的相对折射率Δocl％可以大于第二内包层部分245的相对折射率Δicl％，例如，当第二内包层部分245包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第二外包层部分243的折射率nocl的第二内包层部分245的折射率nicl。在其他实施方式中，第二外包层部分243的相对折射率Δocl％可以基本等于第二内包层部分245的相对折射率Δicl％。在此类实施方式中，第二外包层部分243的组成可以与第二内包层部分245的组成相同或者不同于第二内包层部分245的组成，只要Δocl％＝Δicl％即可。基于如上所述，应理解的是，第二外包层部分243的相对折射率Δocl％大于或基本等于第二内包层部分245的相对折射率Δicl％。在实施方式中，第二外包层部分243由与第一外包层部分223相同的材料制造，由此第二外包层部分243的折射率nocl可以基本等于第一外包层部分223的折射率nOCL(即，nocl＝nOCL)，以及第二外包层部分243的相对折射率Δocl％可以基本等于第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％＝0)。
第一段210的第一低折射率纤芯区域214和第二段230的第二低折射率纤芯区域234包括具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃，例如但不限于F、B或其组合等。在实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234中的至少一个可以包含浓度是约0.1重量％至约2.5重量％的F。在一些实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234中的至少一个包含浓度是约0.1重量％至约1.8重量％的F。在一些其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234中的至少一个包含浓度是约0.1重量％至约1.5重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234中的至少一个包含浓度是约0.5重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域214和第二低折射率纤芯区域234中的至少一个包含浓度是约0.7重量％至约1.8重量％的F。
第一段210的第一环状纤芯区域213以及第二段230的第二环状纤芯区域233包括具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂包括例如Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5及其各种组合，但不限于此。在实施方式中，第一环状纤芯区域213和第二环状纤芯区域233中的至少一个含有约3重量％至约17重量％GeO2。在一些其他实施方式中，第一环状纤芯区域213和第二环状纤芯区域233中的至少一个含有约5重量％至约13重量％GeO2。在实施方式中，第一环状纤芯区域213和第二环状纤芯区域233由相同材料制造，以及第一环状纤芯区域213中的掺杂剂浓度基本等于第二环状纤芯区域233中的掺杂剂浓度。
第一段210的第一内包层225和第二段230的第二内包层部分245可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一内包层225和第二内包层245中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一内包层225和第二内包层245中的至少一个含有F作为负掺杂剂。
如上文关于表达式(32)和(33)所讨论的那样，光纤的特定玻璃部分的径向厚度可以与该特定玻璃部分的相对折射率相关联。在本文所述的实施方式中，第一低折射率凹陷224的凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2，例如大于或等于约100％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约110％-μm2或者甚至大于或等于约120％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2且小于或等于约220％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约100％-μm2且小于或等于约200％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布VLIT可以大于或等于约110％-μm2且小于或等于约180％-μm2。
在本文所述的实施方式中，第二低折射率凹陷244的凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2，例如大于或等于约50％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约55％-μm2或者甚至大于或等于约60％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2且小于或等于约110％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约50％-μm2且小于或等于约100％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布lit可以大于或等于约55％-μm2且小于或等于约90％-μm2。
在本文所述光纤的实施方式中，第一低折射率凹陷224，第二低折射率凹陷244，或者第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244这两者包括具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约2.5重量％的F。在一些实施方式中，第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.5重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244中的至少一个包括浓度是约0.5重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷224和第二低折射率凹陷244中的至少一个包括浓度是约0.7重量％至约1.8重量％的F。
在一些实施方式中，第一低折射率纤芯区域214的相对折射率ΔLIC％、第一低折射率凹陷224的相对折射率ΔLIT％、第二低折射率纤芯区域234的相对折射率Δlic％以及第二低折射率凹陷244的相对折射率Δlit％中的至少一个是通过如下方式实现的：分别形成第一低折射率纤芯区域214、第一低折射率凹陷224、第二低折射率纤芯区域234和第二低折射率凹陷244中的至少一个的二氧化硅玻璃，具有以非周期性方式、以周期性方式或者这两种方式布置在整个二氧化硅玻璃中的空穴。空穴沿着光纤200的长度(即，平行于纵轴)被拉伸(拉长)，但是没有延伸到整个光纤的整个长度。虽然不希望受限于理论，但是相信空穴延伸小于数米，并且在许多情况下沿着光纤的长度小于1米。可以通过如下方法制造本文所揭示的光纤，所述方法采用的预制件固结条件有效地导致显著量的气体被俘获在固结的玻璃坯件中，从而导致在固结的玻璃光纤预制件中形成空穴。没有采取步骤除去这些空穴，而是使用所得的预制件形成其中具有空穴的光纤。在一些实施方式中，这些空穴可以含有一种或多种气体，例如氩气、氪气、CO2、SO2、O2，或其混合物。在一些其他实施方式中，空穴基本不含气体。无论是否存在或不存在气体，第一低折射率纤芯区域214的折射率nLIC、第一低折射率凹陷224的折射率nLIT、第二低折射率纤芯区域234的折射率nlic和第二低折射率凹陷244的折射率nlit中的至少一个由于存在空穴而下降。作为替代或补充，第一低折射率纤芯区域214的nLIC、第一低折射率凹陷224的折射率nLIT、第二低折射率纤芯区域234的折射率nlic和第二低折射率凹陷244的折射率nlit中的至少一个由于形成负掺杂的二氧化硅玻璃和具有空穴的非周期性方式分布、周期性方式分布或者非周期性方式和周期性方式这两种分布而下降，如本文所述。
第一低折射率凹陷224的相对折射率ΔLIT％小于第一内包层部分225的相对折射率ΔICL％(即，ΔLIT％<ΔICL％)并且小于第一外包层部分223的相对折射率ΔOCL％(即，ΔLIT％<ΔOCL％)。在一些实施方式中，相对折射率ΔICL％基本等于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％＝ΔOCL％。在其他实施方式中，相对折射率ΔICL％小于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％<ΔOCL％。
第二低折射率凹陷244的相对折射率Δlit％小于第二内包层部分245的相对折射率Δicl％(即，Δlit％<Δicl％)并且小于第二外包层部分243的相对折射率Δocl％(即，Δlit％<Δocl％)。在一些实施方式中，相对折射率Δicl％基本等于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％＝Δocl％。在其他实施方式中，相对折射率Δicl％小于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％<Δocl％。在第二低折射率凹陷244、第二内包层部分245和第二外包层部分243分别由与第一低折射率凹陷224、第一内包层部分225和第一外包层部分223相同的材料制造的实施方式中，应理解的是，相对折射率Δlit％可以基本等于相对折射率ΔLIT％(即，Δlit％＝ΔLIT％)，相对折射率Δicl％可以基本等于相对折射率ΔICL％(即，Δicl％＝ΔICL％)，以及相对折射率Δocl％可以基本等于相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％)。此外，在相对折射率ΔICL％基本等于相对折射率ΔOCL％的实施方式中，则Δlit％<ΔICL％＝ΔOCL％以及ΔLIT％<Δicl％＝Δocl％。在相对折射率ΔICL％小于相对折射率ΔOCL％的实施方式中，则Δlit％<ΔICL％<ΔOCL％以及ΔLIT％<Δicl％<Δocl％。
第一段210的第一外包层部分223和第二段230的第二外包层部分243可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一外包层223和第二外包层243中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一外包层223和第二外包层243中的至少一个含有F作为负掺杂剂。
本文所述的光纤200的各种实施方式由于在第一包层部分222中结合了第一低折射率凹陷224以及在第二包层部分242中结合了第二低折射率凹陷244，具有改进的弯曲性能。如上文所述，可以根据FOTP-62(JEC-60793-1-47)确定光纤200的宏弯曲性能。
在本文所述的实施方式中，采用制造具有所需结构的光纤预制件的常规光纤制造工艺来制造光纤200。用于制造光纤预制件的工艺的非限制性例子包括：外部气相沉积(OVD)、改进的化学气相沉积(MCVD)或者物理化学气相沉积(PCVD)等。一旦形成，将光纤预制件拉制成具有第一段210(R段)的尺寸的光纤。夹住具有第一段210的尺寸的光纤，以及将一部分的光纤进一步下拉至第二段230(G段)的尺寸，在第一段210与第二段230之间置有过渡区域250。
例如，在一个实施方式中，光纤200可以初始形成使得光纤200初始具有第一低折射率纤芯区域214、第一环状纤芯区域213、第一内包层部分225、第一低折射率凹陷224和第一外包层部分223。然后可以夹住光纤200，对一部分的光纤进行加热和进一步拉制以产生具有第一段210和第二段230的光纤，所述第一段210具有第一低折射率纤芯区域214、第一环状纤芯区域213、第一内包层部分225、第一低折射率凹陷224和第一外包层部分223，以及所述第二段230具有第二低折射率纤芯区域234、第二环状纤芯区域233、第二内包层部分245、第二低折射率凹陷244和第二外包层部分243。在这个过程中，光纤的进一步拉制降低了光纤200的第二段230相对于第一段210的尺寸。具体来说，第二低折射率纤芯区域234的尺寸相对于第一低折射率纤芯区域214明显减小。在另一个实施方式中，可以通过将第一段210与第二段230拼接到一起来形成光纤200。在此类实施方式中，要理解的是，第一段210的外直径D0和第二段230的外直径d0可以是大致彼此相同的，只要第一纤芯部分212、第二纤芯部分232、第一包层部分222和第二包层部分242具有上文所讨论的属性和性质即可。
再次参见图4A、10A和12A，光纤200可以用于将高斯激光束转化为环形束RSB，其进而通过端盖1000再成形，并且当聚焦时形成非圆形对称贝塞尔激光束BLB。在这些实施方式中，贝塞尔激光束BLB的FD值是至少10。例如，FD值是至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、10至2000、50至1500或者100至1000。
具体来说，高斯激光束GLB被光学耦合到光纤200的入口端231，以及朝向第一段210传播通过第二段230。高斯激光束GLB可以入射到第二低折射率纤芯区域234上。要理解的是，高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率区域而不是低折射率区域。此外，随着其过渡到第一低折射率纤芯区域214，第二低折射率纤芯区域234的半径尺寸(半径)增加，在第一低折射率纤芯区域214中传播的高斯激光束GLB的强度下降。高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率区域以及当其传播通过第一低折射率纤芯区域214时的强度下降，它们的组合导致高斯激光束GLB渗透通过第一低折射率纤芯区域214以及传播通过第一环状纤芯区域213，从而形成环形束RSB以及光通过出口端211作为环形束离开光纤200。然后，环形束入射到端盖1000上，所述端盖1000位于与出口211相邻和接触(参见图3A、3C、3E)并且环形束被转化为非轴对称非高斯激光束。如果端盖1000具有弯曲或者形成聚焦透镜的输出表面，或者如果此类透镜(130I、130C)直接形成在或者附连到端盖1000的输出端(参见图3E)，则非轴对称非高斯激光束被转化为汇聚或聚焦的非轴对称贝塞尔束。更具体来说，(由于其不是轴对称的，所以)端盖1000打破了环形激光束(RSB)的圆形对称性，并且能够将环形激光束(RSB)转化为“破环”形状的束或者“部分环”形状的束。在一些实施方式中，离开光纤200的出口端211的环形激光束(RSB)耦合进入端盖1000，然后被端盖1000改性变成非轴对称激光束，然后离开端盖，以待被自由空间散装光学件(例如，图3A、3C所示的130I、130A)聚焦形成非轴对称贝塞尔激光束BLB。可以通过透镜组件(图3A)，(未示出的)直接对接耦合，或者融合拼接将高斯激光束GLB耦合到光纤200的入口端231。
参见图4B、9B、10B、10C、11B、12B和12C，光纤200′的一个实施方式包括通过过渡区域250′光学耦合到第二段230′(G段)的第一段210′(R段)。光纤200′类似于光纤200，但是光纤200′的纤芯包括低折射率区域R，如下文更详细所述。
图9B、10B和10C显示光纤200′的R段(即，段210′)。其类似于光纤200的R段(段210)，但是纤芯212′的第一纤芯区域213′不再是完整环形，而是被折射率低于区域213′的折射率的材料的一个或多个低折射率区域R(例如，纯二氧化硅)分开。或者，区域R是一个或多个空气孔H。因此，第一纤芯区域213′不是完整环形的，因为纤芯212′包括一个或多个区域R，其折射率低于相邻区域113′的折射率(例如，纯二氧化硅或空气孔H)。在此类实施方式中，第一纤芯区域213′具有相对于包层而言高的相对折射率ΔAC％，以及具有“破环形状或者“部分环”形状。因此，在一个横截面(A-A)中，光纤200′的光纤段210′具有如图10B所示的折射率分布，以及在另一个横截面(B-B)中，具有如图10C所示的折射率分布。区域R(例如，空气孔H)打破了纤芯区域213′的对称性，并且打破了传播通过光纤纤芯的激光束的对称性。
这个实施方式的光纤200′的示例性G段(段230′)如图11B、12B和12C所示，并且优选还包括或者更多的区域R(例如，纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者空气孔H)，其折射率低于相邻区域的折射率，从而使得传播通过光纤200′的G段(第二段230′)的高斯束不是圆形对称的。因此，在一个横截面(A-A)中，光纤200′的光纤段210′具有如图12B所示的折射率分布，以及在另一个横截面(B-B)中，具有如图12C所示的折射率分布。传播通过第二段230′的非圆形对称高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率纤芯部分，因此，当纤芯部分232′的第二较高折射率部分过渡到第一环状纤芯区域213′时，高斯激光束GLB传播或者“跟随”纤芯部分232′的第二较高折射率部分，并且没有明显传播通过较低折射率材料R的区域或者通过光纤段210′的空气孔R。
具体来说，高斯激光束GLB被光学耦合到光纤200′的入口端231′，以及朝向第一段210′(R段)传播通过第二段230′(G段)。高斯激光束GLB可以入射到第二低折射率纤芯区域234′上。要理解的是，高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率区域而不是低折射率区域。此外，随着其过渡到第一低折射率纤芯区域214′，第二低折射率纤芯区域234′的半径尺寸(半径)增加，高斯激光束GLB在第一低折射率纤芯区域214′中传播的部分的强度下降。高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率区域以及当其传播通过第一低折射率纤芯区域214′时的强度下降，它们的组合导致高斯激光束GLB渗透通过第一低折射率纤芯区域214′以及传播通过第一纤芯区域213′，从而形成非轴对称非高斯(例如，破环形状束)，并且这个束通过出口端211′离开光纤200′。如果光纤200′的出口端211′是弯曲的和/或形成了聚焦透镜表面，则光纤200′形成非轴对称(非圆形对称)贝塞尔激光束BLB，以及贝塞尔激光束BLB离开光纤200′，已经经过了从高斯激光束到非轴对称贝塞尔激光束的转变。在光纤200′的出口端211′提供的非轴对称激光束可以通过如下方式聚焦，用自由空间散装光学件130I、130A(参见图3B)，或者透镜可以直接形成在光纤的出口端上211′(未示出)或者附连到光纤的出口端211′(图3F)。
可以通过例如透镜组件5A(参见图3B)，经由直接对接耦合或者经由融合拼接(参见图3D)将高斯激光束GLB耦合到光纤200′的入口端231′。
但是，在一些实施方式中，光纤段210′可以连接到光纤200的光纤段230，例如通过使得光纤段210′与过渡区域250拼接。在此类实施方式中，光纤段210′类似于如图9B和10B、10C所示，而光纤段320如图11A和12A所示。
要注意的是，如果使用光纤200代替光纤200′的话，则可以将具有如图9B、10B和10C所示的几何形貌和折射率分布的小光纤段附连到光纤200的段210的端面并作为端盖1000，用于将传播通过光纤200的段210(R段)的轴对称环形激光束转化为非轴对称的激光束。也可以使用向传播通过光纤200或100的环形束引入不对称性的其他端盖1000。如上文所述，当聚焦时，传播通过结合光纤200使用的端1000(或者通过光纤200′)的非轴对称束形成非轴对称激光束(例如，非轴对称贝塞尔束)，其导致非轴对称斑14。
参见图4C以及图13A-16A，显示光纤300的实施方式，其具有通过过渡区域350光学耦合到第二段330的第一段310。光纤300可以类似于光纤200，不同之处在于，第一段310的第一纤芯部分和第二段330的第二纤芯部分具有“双纤芯”构造。具体来说，第一段310的第一纤芯部分和第二段330的第二纤芯部分可以包括中心纤芯区域，所述中心纤芯区域位于环状纤芯区域内并且通过低折射率纤芯区域与环状纤芯区域间隔开。图4C显示了光纤300的至少一部分的侧视图，图13A和15A分别显示了光纤300的第一段310和第二段330的径向横截面，以及图14A和16A分别显示了第一段310和第二段330的对应的相对折射率分布。第一段310(G段)具有第一外直径‘D0’，以及第二段330(R段)具有第二外直径‘d0’(图4C)。第一外直径D0大于第二外直径d0。在实施方式中，第一外直径D0可以是约0.2毫米(mm)至约5.0mm，第二外直径d0可以是约0.1至约4.5mm，以及过渡区域350的长度可以是约0.5mm至约20mm。在实施方式中，第一外直径D0是约0.4mm至约1.0mm，第二外直径d0是约0.2mm至约0.9mm，以及过渡区域350的长度是约1mm至约10mm。在其他实施方式中，第一外直径D0是约150μm至约350μm，第二外直径d0是约75μm至约225μm，以及过渡区域350的长度大于10mm。传播通过第二段330的高斯激光束GLB被转化为传播通过第一段310的环形束RSB。在实施方式中，第一段310(G段)、第二段330(R段)和过渡区域350相互整合形成，并且光纤300的锥度比(d0/D0)大于或等于约0.2且小于或等于约0.9。在其他实施方式中，光纤300的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.9。在其他实施方式中，光纤300的锥度比大于或等于0.3且小于或等于0.8。光纤300的第一段310(图13A和14A)具有中心位于光纤300的轴向中心线2的第一纤芯部分312。第一纤芯部分312可以包括第一环状纤芯区域313。第一包层部分322可以绕着第一纤芯部分312延伸。光纤300的第二段330(图15A和16A))可以具有第二纤芯部分332，并且至少一部分的第二纤芯部分332光学耦合到第一纤芯部分312。第二包层部分342可以绕着第二纤芯部分332延伸。
参见图4C、13A和14A，图13A示意性显示图4C的光纤300的第一段310(G段)的径向横截面，以及图14A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率分布。第一段310通常包括第一纤芯部分312和第一包层部分322。第一纤芯部分312位于第一包层部分322内，第一包层部分322绕着第一纤芯部分312延伸。第一纤芯部分312和第一包层部分322可以是大致同心的，从而光纤300的第一段310的横截面相对于光纤300的第一纤芯部分312的中心是大致圆形对称的。此外，第一纤芯部分312和第一包层部分322可以是相对于光纤300的第一纤芯部分312的中心是大致轴对称的。在实施方式中，第一纤芯部分312可以包括第一环状纤芯区域313、第一低折射率纤芯区域314和第一中心纤芯区域315。第一低折射率纤芯区域314的位置是在第一环状纤芯区域313内，以及第一中心纤芯区域315的位置是在第一低折射率纤芯区域314内。通过第一低折射率纤芯区域314将第一中心纤芯区域315与第一环状纤芯区域313分隔开，如图14A所示。在实施方式中，第一低折射率纤芯区域314与第一环状纤芯区域313直接相邻和直接接触，以及第一中心纤芯区域315与第一低折射率纤芯区域314直接相邻和直接接触。
在一些实施方式中，第一包层部分322可以任选地包括第一低折射率凹陷324和第一外包层部分323。第一低折射率凹陷324的位置是在第一外包层323内，以及第一低折射率凹陷324可以与第一外包层323直接相邻和直接接触。当包含时，第一低折射率凹陷324改善了光纤300的弯曲性能。也就是说，第一低折射率凹陷324降低了当光纤300卷绕时在光纤300中传播的光的衰减，从而允许将光纤300卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第一低折射率凹陷324的光纤增加光纤300中传播的光的衰减。
在(未示出的)一些实施方式中，第一低折射率凹陷324可以与第一纤芯部分312直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中(例如，图13A和14A所示的实施方式)，第一低折射率凹陷324可以与第一纤芯部分312间隔开第一内包层部分325，即第一内包层部分325位于第一低折射率凹陷324内在第一低折射率凹陷324与第一纤芯部分312之间。在实施方式中，第一内包层部分325与第一低折射率凹陷324和第一环状纤芯区域313直接相邻和直接接触。
第一段310具有从光纤300的轴向中心线2开始的半径R4。第一纤芯部分312的半径R1小于半径R4。第一中心纤芯区域315具有半径R00。第一低折射率纤芯区域314具有内半径R00、外半径R0和径向厚度TLIC＝R0-R00。第一环状纤芯区域313具有内半径R0、外半径R1和径向厚度TAC＝R1-R0。第一中心纤芯区域315、第一低折射率纤芯区域314和第一环状纤芯区域313的半径R00、R0和R1分别定义为与第一中心纤芯区域315、第一低折射率纤芯区域314和第一环状纤芯区域313相应的相对折射率分布(图14A)的最大斜率相切的线穿过参比相对折射率线ΔOCL％的点。第一包层部分322具有内半径R1、外半径R4和径向厚度TCL＝R4-R1。在第一包层部分322包括第一低折射率凹陷324和第一外包层部分323的实施方式中，第一低折射率凹陷324具有内半径R2、外半径R3和径向厚度TLIT＝R3-R2。第一外包层部分323具有内半径R3、外半径R4和径向厚度TOCL＝R4-R3。在第一低折射率凹陷324与第一纤芯部分312直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第一低折射率凹陷324的内半径R2可以等于第一纤芯部分312的半径R1。在第一内包层部分325将第一低折射率凹陷324与第一纤芯部分312间隔开的实施方式中，第一内包层部分325具有内半径R1、外半径R2和径向厚度TICL＝R2-R1。
第一段310的半径R4是约50μm至约250μm。在一些实施方式中，第一段310的半径R4是约100μm至约150μm。第一纤芯部分312的半径R1是约5μm至约40μm。在一些实施方式中，半径R1是约10μm至约35μm。第一包层部分322的径向厚度TCL(R4-R1)是约75μm至约175μm。在一些实施方式中，径向厚度TCL是约85μm至约150μm。第一中心纤芯区域315的半径R00是约1μm至约15μm。在一些实施方式中，第一中心纤芯区域315的半径R00是约2μm至约10μm。第一低折射率纤芯区域314的内半径R00是约1μm至约15μm，外半径R0是约2μm至约30μm，以及径向厚度TLIC是约1μm至约20μm。在一些实施方式中，内半径R00是约2μm至约10μm，外半径R0是约5μm至约25μm，以及径向厚度TLIC是约2.5μm至约17.5μm。第一环状纤芯区域313的内半径R0是约2μm至约30μm，外半径R1是约5μm至约40μm，以及第一环状纤芯区域313的径向厚度TAC是约2μm至约20μm。在实施方式中，内半径R0是约5μm至约25μm，外半径R1是约10μm至约35μm，以及径向厚度TAC是约2.5μm至约15μm。在第一包层部分322包括第一低折射率凹陷324和第一外包层部分323的实施方式中，第一低折射率凹陷324的内半径R2是约10μm至约50μm，外半径R3是约15μm至约65μm，以及径向厚度TLIT(R3-R2)是约1μm至约40μm。在实施方式中，内半径R2是约15μm至约40μm，外半径R3是约25μm至约55μm，以及径向厚度TLIT是约1μm至约35μm。第一外包层部分323的内半径R3是约15μm至约65μm，外半径R4是约50μm至约250μm，以及径向厚度TOCL(R4-R3)是约50μm至约150μm。在实施方式中，内半径R3是约25μm至约55μm，外半径R4是约100μm至约150μm，以及径向厚度TOCL是约60μm至约125μm。在通过第一内包层部分325将第一低折射率凹陷324与第一纤芯部分312间隔开的实施方式中，第一内包层部分325的内半径R1是约5μm至约40μm，外半径R2是约10μm至约50μm，以及径向厚度TICL(R2-R1)是约1μm至约15μm。在实施方式中，内半径R1是约10μm至约35μm，外半径R2是约15μm至约40μm，以及径向厚度TICL是约1μm至约10μm。
参见图4C、15A和16A，图15A示意性显示图4C的光纤300的第二段330(R段)的径向横截面，以及图16A图示性显示相对于横截面的中心线的径向横截面的相对折射率。第二段330通常包括第二纤芯部分332和第二包层部分342。第二纤芯部分332位于第二包层部分342内，第二包层部分342绕着第二纤芯部分332延伸。第二纤芯部分332和第二包层部分342可以是大致同心的，从而光纤300的第二段330的横截面相对于光纤300的第二纤芯部分332的中心是大致圆形对称的。此外，第二纤芯部分332和第二包层部分342可以是相对于光纤300的第二纤芯部分332的中心是大致轴对称的。在一些实施方式中，第二纤芯部分332可以包括第二环状纤芯区域333、第二低折射率纤芯区域334和第二中心纤芯区域335。第二低折射率纤芯区域334的位置是在第二环状纤芯区域333内，以及第二中心纤芯区域335的位置是在第二低折射率纤芯区域334内。通过第二低折射率纤芯区域334将第二中心纤芯区域335与第二环状纤芯区域333分隔开，如图15A所示。在一些实施方式中，第二低折射率纤芯区域334与第二环状纤芯区域333直接相邻和直接接触，以及第二中心纤芯区域335与第二低折射率纤芯区域334直接相邻和直接接触。
在一些实施方式中，第二包层部分342可以任选地包括第二低折射率凹陷344和第二外包层部分343。第二低折射率凹陷344的位置是在第二外包层343内，以及第二低折射率凹陷344可以与第二外包层343直接相邻和直接接触。当包含时，第二低折射率凹陷344改善了光纤300的弯曲性能。也就是说，第二低折射率凹陷344降低了当光纤300卷绕时在光纤300中传播的光的衰减，从而允许将光纤300卷绕成更紧(即，更小)的半径，而没有相对于具有相似结构而没有第二低折射率凹陷344的光纤增加光纤300中传播的光的衰减。应理解的是，当光纤300的第一段310包括第一低折射率凹陷324时，光纤300的第二段330会包括第二低折射率凹陷344，反之亦然。
在(未示出的)一些实施方式中，第二低折射率凹陷344可以与第二纤芯部分332直接相邻和直接接触。在一些其他实施方式中，可以通过第二内包层部分345将第二低折射率凹陷344第二纤芯部分332间隔开，如图15A和16A所示。也就是说，第二内包层部分345的位置是在第二低折射率凹陷344内，以及位置是在第二低折射率凹陷344与第二纤芯部分332之间。在实施方式中，第二内包层部分345与第二低折射率凹陷344和第二环状纤芯区域333直接相邻和直接接触。
参见图4C以及13A-16A，应理解的是，通过过渡区域350，第一包层部分322与第二包层部分342光学耦合，以及第一纤芯部分312与第二纤芯部分332光学耦合。具体来说，通过过渡区域350，第一中心纤芯区域315与第二中心纤芯区域335光学耦合，第一低折射率纤芯区域314与第二低折射率纤芯区域334光学耦合，第一环状纤芯区域313与第二环状纤芯区域333光学耦合，第一外包层部分323与第二外包层部分343光学耦合，第一低折射率凹陷324与第二低折射率凹陷344光学耦合，以及第一内包层部分325与第二内包层部分345光学耦合。
第二段330具有从光纤300的轴向中心线2开始的半径r4。第二纤芯部分332的半径r1小于半径r4。第二中心纤芯区域335具有半径r00。第二低折射率纤芯区域334具有内半径r00、外半径r0和径向厚度tlic＝r0-r00。第二环状纤芯区域333具有内半径r0、外半径r1和径向厚度tac＝r1-r0。第二中心纤芯区域335、第二低折射率纤芯区域334和第二环状纤芯区域333的半径r00、r0和r1分别定义为与第二中心纤芯区域335、第二低折射率纤芯区域334和第二环状纤芯区域333相应的相对折射率分布(图16A)的最大斜率相切的线穿过参比相对折射率线Δocl％的点。第二包层部分342具有内半径r1、外半径r4和径向厚度tcl＝r4-r1。在第二包层部分342包括第二低折射率凹陷344和第二外包层部分343的实施方式中，第二低折射率凹陷344具有内半径r2、外半径r3和径向厚度tlit＝r3-r2。第二外包层部分343具有内半径r3、外半径r4和径向厚度tocl＝r4-r3。在第二低折射率凹陷344与第二纤芯部分332直接相邻和直接接触的(未示出的)实施方式中，第二低折射率凹陷344的内半径r2可以等于第二纤芯部分332的半径r1。在第二内包层部分345将第二低折射率凹陷344与第二纤芯部分332间隔开的实施方式中，第二内包层部分345具有内半径r1、外半径r2和径向厚度ticl＝r2-r1。
第二段330的半径r4是约30μm至约80μm。在一些实施方式中，第二段330的半径r4是约40μm至约70μm。第二纤芯部分332的半径r1是约3μm至约20μm。在一些实施方式中，半径r1是约5μm至约17.5μm。第二包层部分242的径向厚度tcl(r4-r1)是约25μm至约70μm。在一些实施方式中，径向厚度tcl是约35μm至约60μm。第二中心纤芯区域335的半径r00是约0.5μm至约7.5μm。在一些实施方式中，第二中心纤芯区域335的半径r00是约1μm至约5μm。第二低折射率纤芯区域334的内半径r00是约0.5μm至约7.5μm，外半径r0是约2μm至约15μm，以及径向厚度tlic是约1μm至约10μm。在实施方式中，内半径r00是约1μm至约5μm，外半径r0是约3μm至约12μm，以及径向厚度tlic是约2μm至约7.5μm。第二环状纤芯区域333的内半径r0是约2μm至约15μm，外半径r1是约3μm至约20μm，以及第二环状纤芯区域333的径向厚度tac是约1μm至约10μm。在一些实施方式中，内半径r0是约3μm至约12μm，外半径r1是约5μm至约17.5μm，以及径向厚度tac是约2μm至约7μm。在第二包层部分342包括第二低折射率凹陷344和第二外包层部分343的实施方式中，第二低折射率凹陷344的内半径r2是约5μm至约25μm，外半径r3是约7μm至约30μm，以及径向厚度tlit(r3-r2)是约1μm至约20μm。在一些实施方式中，内半径r2是约7μm至约20μm，外半径r3是约10μm至约25μm，以及径向厚度tlit是约1μm至约15μm。第二外包层部分343的内半径r3是约7μm至约30μm，外半径r4是约30μm至约80μm，以及径向厚度tocl(r4-r3)是约20μm至约70μm。在一些实施方式中，内半径r3是约10μm至约25μm，外半径r4是约40μm至约70μm，以及径向厚度tocl是约25μm至约65μm。在通过第二内包层部分345将第二低折射率凹陷344与第二纤芯部分332间隔开的实施方式中，第二内包层部分345的内半径r1是约3μm至约20μm，外半径r2是约5μm至约25μm，以及径向厚度ticl(r2-r1)是约1μm至约7.5μm。在实施方式中，内半径r1是约5μm至约17.5μm，外半径r2是约7μm至约20μm，以及径向厚度ticl是约1μm至约5μm。
第一段310的第一中心纤芯区域315具有折射率nCC和相对折射率ΔCC％，以及第二段330的第二中心纤芯区域335具有折射率ncc和相对折射率Δcc％。在实施方式中，第一中心纤芯区域315和第二中心纤芯区域335由相同材料制造，以及相对折射率ΔCC％基本等于相对折射率Δcc％(即，ΔCC％＝Δcc％)。相对折射率ΔCC％和相对折射率Δcc％是约0.0％至约0.5％。在实施方式中，相对折射率ΔCC％和相对折射率Δcc％是约0.1％至约0.4％。
第一段310的第一低折射率纤芯区域314具有折射率nLIC和相对折射率ΔLIC％，以及第二段330的第二低折射率纤芯区域334具有折射率nlic和相对折射率Δlic％。在实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334由相同材料制造，以及相对折射率ΔLIC％基本等于相对折射率Δlic％(即，ΔLIC％＝Δlic％)。相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％是约0.2％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％是约0.1％至约-0.5％。
第一环状纤芯区域313具有折射率nAC和相对折射率ΔAC％，以及第二环状纤芯区域333具有折射率nac和相对折射率Δac％。在实施方式中，第一环状纤芯区域313和第二环状纤芯区域333由相同材料制造，以及相对折射率ΔAC％基本等于相对折射率Δac％(即，ΔAC％＝Δac％)。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％分别大于相对折射率ΔLIC％和相对折射率Δlic％(即，ΔAC％>ΔLIC％，Δac％>Δlic％)。在一些实施方式中，相对折射率ΔAC％大于相对折射率ΔCC％(即，ΔAC％>ΔCC％)，以及相对折射率Δac％大于相对折射率Δcc％(即，Δac％>Δcc％)。在其他实施方式中，相对折射率ΔAC％基本等于相对折射率ΔCC％(即，ΔAC％＝ΔCC％)，以及相对折射率Δac％基本等于相对折射率Δcc％(即，Δac％＝Δcc％)。在第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334由相同材料制造以及第一环状纤芯区域313和第二环状纤芯区域333由相同材料制造的实施方式中，ΔAC％>Δlic％以及Δac％>ΔLIC％。相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％是约0.2％至约2.0％。在实施方式中，相对折射率ΔAC％和相对折射率Δac％是约0.3％至约0.75％。
第一包层部分322具有折射率nCL和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率ΔCL％。第一包层部分322的折射率nCL可以用作光纤300的第一段310的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在第一包层部分322包括第一外包层部分323、第一低折射率凹陷324和(任选的)第一内包层部分325的实施方式中，相对于第一外包层部分323确定光纤300的第一段310的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第一包层部分322包括第一内包层部分325和第一低折射率凹陷324的实施方式中，第一内包层部分325具有折射率nICL和相对折射率ΔICL％，以及第一低折射率凹陷324具有折射率nLIT和相对折射率ΔLIT％。相对折射率ΔICL％通常大于相对折射率ΔLIT％并且通常小于相对折射率ΔAC％(即，ΔAC％>ΔICL％>ΔLIT％)，如图14A大致所示。相对折射率ΔICL％是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率ΔICL％是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率ΔLIT％是约-0.3％至约-0.5％。
第二包层部分342具有折射率ncl和相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率Δcl％。第二包层部分342的折射率ncl可以用作光纤300的第二段330的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在第二包层部分342包括第二外包层部分343、第二低折射率凹陷344和(任选的)第二内包层部分345的实施方式中，相对于第二外包层部分343确定光纤300的第二段330的其他玻璃部分的相对折射率，如本文更详细所述。
在第二包层部分342包括第二内包层部分345和第二低折射率凹陷344的实施方式中，第二内包层部分345具有折射率nicl和相对折射率Δicl％，以及第二低折射率凹陷344具有折射率nlit和相对折射率Δlit％。相对折射率Δicl％通常大于相对折射率Δlit％并且通常小于相对折射率Δac％(即，Δac％>Δicl％>Δlit％)，如图16A大致所示。在实施方式中，第二内包层部分345由与第一内包层部分325相同的材料制造，以及第二低折射率凹陷344由与第一低折射率凹陷324相同的材料制造。因此，折射率nicl和nlit可以分别基本等于折射率nICL和nLIT(即，nicl＝nICL，nlit＝nLIT)，以及相对折射率Δicl％和Δlit％可以分别基本等于相对折射率ΔICL％和ΔLIT％(即，Δicl％＝ΔICL％，Δlit％＝ΔLIT％)。例如，相对折射率Δicl％可以是约-0.1％至约0.1％，以及相对折射率Δlit％可以是约-0.1％至约-1.0％。在实施方式中，相对折射率Δicl％可以是约-0.05％至约0.05％，以及相对折射率Δlit％可以是约-0.3％至约-0.5％。
在第一包层部分322包括第一外包层部分323的实施方式中，第一外包层部分323具有折射率nOCL和相对折射率ΔOCL％。在这些实施方式中，相对折射率ΔOCL％可以用作确定光纤300的第一段310的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％大于第一低折射率凹陷324的相对折射率ΔLIT％(即，ΔOCL％>ΔLIT％)。在一些实施方式中，第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％可以大于第一内包层部分325的相对折射率ΔICL％，例如，当第一内包层部分325包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第一外包层部分323的折射率nOCL的第一内包层部分325的折射率nICL。在其他实施方式中，第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％可以基本等于第一内包层部分325的相对折射率ΔICL％。在此类实施方式中，第一外包层部分323的组成可以与第一内包层部分325的组成相同或者不同于第一内包层部分325的组成，只要ΔOCL％＝ΔICL％即可。基于如上所述，应理解的是，第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％大于或基本等于第一内包层部分325的相对折射率ΔICL％。
在第二包层部分342包括第二外包层部分343的实施方式中，第二外包层部分343具有折射率nocl和相对折射率Δocl％。因此，相对折射率Δocl％可以用作确定光纤300的第二段330的其他玻璃部分的相对折射率的参比。在本文所述的实施方式中，第二外包层部分343的相对折射率Δocl％大于第二低折射率凹陷344的相对折射率Δlit％(即，Δocl％>Δlit％)。在一些实施方式中，第二外包层部分343的相对折射率Δocl％可以大于第二内包层部分345的相对折射率Δicl％，例如，当第二内包层部分345包括用一种或多种负掺杂剂进行负掺杂的二氧化硅玻璃时，这降低了相对于第二外包层部分343的折射率nocl的第二内包层部分345的折射率nicl。在其他实施方式中，第二外包层部分343的相对折射率Δocl％可以基本等于第二内包层部分345的相对折射率Δicl％。在此类实施方式中，第二外包层部分343的组成可以与第二内包层部分345的组成相同或者不同于第二内包层部分345的组成，只要Δocl％＝Δicl％即可。基于如上所述，应理解的是，第二外包层部分343的相对折射率Δocl％大于或基本等于第二内包层部分345的相对折射率Δicl％。在实施方式中，第二外包层部分343由与第一外包层部分323相同的材料制造，由此第二外包层部分343的折射率nocl可以基本等于第一外包层部分323的折射率nOCL(即，nocl＝nOCL)，以及第二外包层部分343的相对折射率Δocl％可以基本等于第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％＝0)。
第一段310的第一中心纤芯区域315和第二段330的第二中心纤芯区域335包括具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，例如但不限于Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一中心纤芯区域315和第二中心纤芯区域335中的至少一个含有约3重量％至约17重量％GeO2。在一些其他实施方式中，第一中心纤芯区域315和第二中心纤芯区域335中的至少一个含有约5重量％至约13重量％GeO2。在实施方式中，第一中心纤芯区域315和第二中心纤芯区域335由相同材料制造，以及第一中心纤芯区域315中的掺杂剂浓度基本等于第二中心纤芯区域335中的掺杂剂浓度。
第一段310的第一低折射率纤芯区域314和第二段330的第二低折射率纤芯区域334包括具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃，例如但不限于F、B或其组合等。在实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334中的至少一个包含浓度是约0.1重量％至约2.5重量％的F。在一些实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334中的至少一个包含浓度是约0.1重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334中的至少一个包含浓度是约0.1重量％至约1.5重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334中的至少一个包含浓度是约0.5重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率纤芯区域314和第二低折射率纤芯区域334中的至少一个包含浓度是约0.7重量％至约1.8重量％的F。
第一段310的第一环状纤芯区域313和第二段330的第二环状纤芯区域333包括具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，例如但不限于Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一环状纤芯区域313和第二环状纤芯区域333中的至少一个含有约3重量％至约17重量％GeO2。在一些其他实施方式中，第一环状纤芯区域313和第二环状纤芯区域333中的至少一个含有约5重量％至约13重量％GeO2。在实施方式中，第一环状纤芯区域313和第二环状纤芯区域333由相同材料制造，以及第一环状纤芯区域313中的掺杂剂浓度基本等于第二环状纤芯区域333中的掺杂剂浓度。
第一段310的第一内包层部分325和第二段330的第二内包层部分345可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一内包层325和第二内包层345中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一内包层325和第二内包层345中的至少一个含有F作为负掺杂剂。
如上文关于表达式(32)和(33)所讨论的那样，光纤的特定玻璃部分的径向厚度可以与该特定玻璃部分的相对折射率相关联。在本文所述的实施方式中，第一低折射率凹陷324的凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2，例如大于或等于约100％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约110％-μm2或者甚至大于或等于约120％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约80％-μm2且小于或等于约220％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积VLIT可以大于或等于约100％-μm2且小于或等于约200％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布VLIT可以大于或等于约110％-μm2且小于或等于约180％-μm2。
在本文所述的实施方式中，第二低折射率凹陷344的凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2，例如大于或等于约50％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约55％-μm2或者甚至大于或等于约60％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约40％-μm2且小于或等于约110％-μm2。在一些实施方式中，凹陷体积vlit可以大于或等于约50％-μm2且小于或等于约100％-μm2。在其他实施方式中，凹陷体积分布vlit可以大于或等于约55％-μm2且小于或等于约90％-μm2。
在本文所述光纤的实施方式中，第一低折射率凹陷324，第二低折射率凹陷344，或者第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344这两者包括具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约2.5重量％的F。在一些实施方式中，第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344中的至少一个包括浓度是约0.1重量％至约1.5重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344中的至少一个包括浓度是约0.5重量％至约1.8重量％的F。在其他实施方式中，第一低折射率凹陷324和第二低折射率凹陷344中的至少一个包括浓度是约0.7重量％至约1.8重量％的F。
在一些实施方式中，第一低折射率纤芯区域314的相对折射率ΔLIC％、第一低折射率凹陷324的相对折射率ΔLIT％、第二低折射率纤芯区域334的相对折射率Δlic％以及第二低折射率凹陷344的相对折射率Δlit％中的至少一个是通过如下方式实现的：分别形成第一低折射率纤芯区域314、第一低折射率凹陷324、第二低折射率纤芯区域334和第二低折射率凹陷344中的至少一个的二氧化硅玻璃，具有以非周期性方式、以周期性方式或者这两种方式布置在整个二氧化硅玻璃中的空穴。空穴沿着光纤300的长度(即，平行于纵轴)被拉伸(拉长)，但是没有延伸到整个光纤的整个长度。虽然不希望受限于理论，但是相信空穴延伸小于数米，并且在许多情况下沿着光纤的长度小于1米。可以通过如下方法制造本文所揭示的光纤，所述方法采用的预制件固结条件有效地导致显著量的气体被俘获在固结的玻璃坯件中，从而导致在固结的玻璃光纤预制件中形成空穴。没有采取步骤除去这些空穴，而是使用所得的预制件形成其中具有空穴的光纤。在一些实施方式中，这些空穴可以含有一种或多种气体，例如氩气、氪气、CO2、SO2、O2，或其混合物。在一些其他实施方式中，空穴基本不含气体。无论是否存在或不存在气体，第一低折射率纤芯区域314的折射率nLIC、第一低折射率凹陷324的折射率nLIT、第二低折射率纤芯区域334的折射率nlic和第二低折射率凹陷344的折射率nlit中的至少一个由于存在空穴而下降。作为替代或补充，第一低折射率纤芯区域314的nLIC、第一低折射率凹陷324的折射率nLIT、第二低折射率纤芯区域334的折射率nlic和第二低折射率凹陷344的折射率nlit中的至少一个由于形成负掺杂的二氧化硅玻璃和具有空穴的非周期性方式分布、周期性方式分布或者非周期性方式和周期性方式这两种分布而下降，如本文所述。
第一低折射率凹陷324的相对折射率ΔLIT％小于第一内包层部分325的相对折射率ΔICL％(即，ΔLIT％<ΔICL％)并且小于第一外包层部分323的相对折射率ΔOCL％(即，ΔLIT％<ΔOCL％)。在一些实施方式中，相对折射率ΔICL％基本等于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％＝ΔOCL％。在其他实施方式中，相对折射率ΔICL％小于相对折射率ΔOCL％，以及ΔLIT％<ΔICL％<ΔOCL％。
第二低折射率凹陷344的相对折射率Δlit％小于第二内包层部分345的相对折射率Δicl％(即，Δlit％<Δicl％)并且小于第二外包层部分343的相对折射率Δocl％(即，Δlit％<Δocl％)。在一些实施方式中，相对折射率Δicl％基本等于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％＝Δocl％。在其他实施方式中，相对折射率Δicl％小于相对折射率Δocl％，以及Δlit％<Δicl％<Δocl％。在第二低折射率凹陷344、第二内包层部分345和第二外包层部分343分别由与第一低折射率凹陷324、第一内包层部分325和第一外包层部分323相同的材料制造的实施方式中，应理解的是，相对折射率Δlit％可以基本等于相对折射率ΔLIT％(即，Δlit％＝ΔLIT％)，相对折射率Δicl％可以基本等于相对折射率ΔICL％(即，Δicl％＝ΔICL％)，以及相对折射率Δocl％可以基本等于相对折射率ΔOCL％(即，Δocl％＝ΔOCL％)。
第一段310的第一外包层部分323和第二段330的第二外包层部分343可以包括：纯二氧化硅玻璃，具有增加了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种正掺杂剂的二氧化硅玻璃，或者具有降低了二氧化硅玻璃的折射率的一种或多种负掺杂剂的二氧化硅玻璃。合适的正掺杂剂的非限制性例子包括：Ge、Ti、Al、Cl、P、GeO2、TiO2、P2O5或其组合等。在实施方式中，第一外包层323和第二外包层343中的至少一个含有Cl作为正掺杂剂。合适的负掺杂剂的非限制性例子包括F、B或其组合等。在实施方式中，第一外包层323和第二外包层343中的至少一个含有F作为负掺杂剂。
本文所述的光纤300的各种实施方式由于在第一包层部分322中结合了第一低折射率凹陷324以及在第二包层部分342中结合了第二低折射率凹陷344，具有改进的弯曲性能。如上文所述，可以根据FOTP-62(JEC-60793-1-47)确定光纤200的宏弯曲性能。
在本文所述的实施方式中，采用制造具有所需结构的光纤预制件的常规光纤制造工艺来制造光纤300。用于制造光纤预制件的工艺的非限制性例子包括：外部气相沉积(OVD)、改进的化学气相沉积(MCVD)或者物理化学气相沉积(PCVD)等。一旦形成，将光纤预制件拉制成具有第一段310(G段)的尺寸的光纤。夹住具有第一段310的尺寸的光纤，以及将一部分的光纤进一步下拉至第二段330(R段)的尺寸，在第一段310与第二段330之间设置有过渡区域350。
例如，在一个实施方式中，光纤300可以初始形成使得光纤300初始具有第一中心纤芯区域315、第一低折射率纤芯区域314、第一环状纤芯区域313、第一内包层部分325、第一低折射率凹陷324和第一外包层部分323。然后可以夹住光纤300，对一部分的光纤进行加热和进一步拉制以产生具有第一段310和第二段330的光纤，所述第一段310具有第一中心纤芯区域315、第一低折射率纤芯区域314、第一环状纤芯区域313、第一内包层部分325、第一低折射率凹陷324和第一外包层部分323，以及所述第二段330具有第二中心纤芯区域335、第二低折射率纤芯区域334、第二环状纤芯区域333、第二内包层部分345、第二低折射率凹陷344和第二外包层部分343。在这个过程中，光纤的进一步拉制降低了光纤300的第二段330相对于第一段310的尺寸。具体来说，第二中心纤芯区域335的尺寸相对于第一中心纤芯区域315明显减小。
参见图4C、14A和16A，高斯激光束GLB被光学耦合到光纤300的入口端311，以及朝向第二段330传播通过第一段310。具体来说，高斯激光束GLB被引入到第一中心纤芯区域315中，并传播通过第一段310和进入过渡区域350。随着高斯激光束GLB传播通过过渡区域350并进入第二段330，第二中心纤芯区域335的尺寸减小无法支持高斯激光束GLB的传播，作为替代，高斯激光束GLB的光学能量在第二环状纤芯区域333中传播，从而将高斯激光束GLB转化为环形激光束(RSB)。环形激光束在第二环状纤芯区域333中传播通过第二段330。在实施方式中，在第二段330的第二中心纤芯区域335中维持了高斯激光束GLB的一部分的光学能量，如图14A所示。在第二中心纤芯区域335中维持的那部分的高斯激光束GLB可以小于传播通过第一段310的第一中心纤芯区域315的高斯激光束GLB的10％。在实施方式中，在第二中心纤芯区域335中维持的那部分的高斯激光束GLB可以小于传播通过第一段310的第一中心纤芯区域315的高斯激光束GLB的10％。环形激光束RSB通过出口端331离开光纤300。可以通过透镜系统(未示出)，直接对接耦合(未示出)，或者融合拼接(未示出)将高斯激光束GLB耦合到光纤300的入口端311。入射到光纤300的出口端331上的环形激光束可以用自由空间散装光学件(未示出)或者直接形成在或附连到出口端331的光纤透镜(未示出)进行聚焦。在实施方式中，可以通过使用涂料覆盖出口端331处的第二中心纤芯区域335、在第二中心纤芯区域335中在出口端331处形成孔隙等，阻挡维持在第二中心纤芯区域335中的那部分的高斯激光束使其没有离开出口端331。
参见图4D以及13B、14B、14C、15B、16B和16C，显示光纤300′的一个实施方式，其具有通过过渡区域350′光学耦合到第二段330′(R段)的第一段310′(G段)。光纤300′类似于上文所述的光纤300，但是光纤300′的纤芯包括一个或多个低折射率区域R(例如，在第二纤芯区域333′中)，如下文更详细所述。在第二环状纤芯区域333′中传播通过第二段330′的激光束不是圆形对称的，并且因此形状不同于在光纤300的第二环状纤芯区域333中传播通过第二段330的环形束。
光纤300′的R段(段330′)如图15B、16B和16C所示。光纤300′的R段(段330′)类似于上文所述的光纤300的R段(段330)的情况，但是光纤300′的纤芯部分332′不是圆形对称的。更具体来说，材料的一个或多个区域R打断了纤芯部分332′，所述材料的折射率低于区域333′的折射率(例如，纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者一个或多个空气孔H)。在此类实施方式中，第一纤芯区域333′具有相对于包层而言高的相对折射率ΔAC％，但是是不连续的，即具有“破环”形状或者“部分环”形状。因此，在一个横截面(A-A)中，光纤段330′具有如图16B所示的折射率分布，以及在另一个横截面(横截面(B-B))中，具有如图16C所示的折射率分布。空气孔H或者区域R打断了纤芯区域332′的对称性，并且打破了传播通过光纤纤芯的激光束的对称性。
光纤300′的一个实施方式包括通过过渡区域350′光学耦合到第二段230′(R段)的第一段310(G段)。这个实施方式的光纤300′的示例性G段(第一段310′)如图13B、14B和14C所示，并且优选还包括或者更多的区域R(例如，纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者空气孔H)，其折射率低于相邻第一纤芯区域313′的折射率(即，相对于包层而言，比ΔAC％低的相对折射率)。图14B显示第一段310′在一个横截面(A-A)中的折射率分布，以及图14C显示在另一个横截面(B-B)中的折射率分布。传播通过第一段310′的高斯激光束GLB寻求传播通过高折射率纤芯部分，因此，当纤芯部分333′的第二较高折射率部分过渡到第一纤芯区域333′时，高斯激光束GLB传播或者“跟随”纤芯部分333′的第二较高折射率部分，并且没有明显传播通过破环了纤芯区域333′的对称性的较低折射率材料R的区域或者通过光纤段的空气孔H。
具体来说，高斯激光束GLB被光学耦合到光纤300′的入口端311′，以及朝向第二段330′传播通过第一段310′。高斯激光束GLB朝向第二段330′传播通过第一段310′的第一中心纤芯区域315′。具体来说，高斯激光束GLB被引入到第一中心纤芯区域315′中，并传播通过第一段310和进入过渡区域350′。随着高斯激光束GLB传播通过过渡区域350′并进入第二段330′，第二中心纤芯区域335′的尺寸减小无法明显支持高斯激光束GLB的传播，作为替代，高斯激光束GLB的光学能量在第二环状纤芯区域333′中传播，从而将高斯激光束GLB转化为非对称形状的激光束(例如，破环或部分环形状的束)。非对称形状的激光束在第二非轴对称纤芯区域333′中传播通过第二段330′。
非轴对称激光束通过出口端331′离开光纤300′。可以通过透镜系统(参见图3B)，直接对接耦合(参见图3D)，或者融合拼接(未示出)将高斯激光束GLB耦合到光纤300′的入口端311′。入射到光纤300′的出口端331′上的非轴对称激光束可以用自由空间散装光学件(参见图3B)或者直接形成在或附连到出口端331′的光纤透镜(参见图3F)进行聚焦。在一些实施方式中，在第二中心纤芯区域335′中维持的那部分的高斯激光束GLB可以小于传播通过第一段310′的第一中心纤芯区域315′的高斯激光束GLB的10％。在一些实施方式中，可以通过使用涂料覆盖出口端331′处的第二中心纤芯区域335′、在第二中心纤芯区域335′中在出口端331′处形成孔隙等，阻挡维持在第二中心纤芯区域335′中的那部分的高斯激光束使其没有离开出口端331。
如果光纤300′的出口端331′是弯曲的和/或形成了聚焦透镜表面，则光纤300′形成非轴对称(非圆形对称)贝塞尔激光束BLB，以及贝塞尔激光束BLB离开光纤300′，已经经过了从高斯激光束到非轴对称(聚焦)贝塞尔激光束的转变。在光纤300′的出口端331′提供的非轴对称激光束可以通过如下方式聚焦，用自由空间散装光学件130I、130A(参见图3D)，或者透镜可以直接形成在光纤的出口端上331′(未示出)或者附连到光纤的出口端331′(图3F)。
要注意的是，如果使用光纤300代替光纤300′来产生非轴对称贝塞尔束的话，则可以将具有如图14B、16B和16C所示的几何形貌和折射率分布的小光纤段附连到光纤300的段330的端面并作为端盖1000，用于将传播通过光纤300的段330(R段)的轴对称环形激光束转化为非轴对称的激光束。也可以使用向传播通过光纤300的环形束引入不对称性的其他端盖(例如，上文所述的那些)。当聚焦时，传播通过结合光纤300使用的端盖1000(或者通过光纤300′)的非轴对称束形成非轴对称激光束(例如，非轴对称贝塞尔束)，其导致非轴对称斑14。
图4A和17A示意性显示用于产生非衍射和/或准非衍射激光束的光学系统400。光学系统400包括光纤100，其具有通过过渡区域150光学耦合到第二段130的第一段110，如上文关于图4A以及5A-8A所述。如图17A所示，在这个实施方式中，端盖1000位于光纤100的出口端111处。应理解的是，光学系统400可以包括关于图4A和9A-12A所述的光纤200或者关于图4D和13A-16A所述的光纤300，来作为光纤100的替代。出于清楚目的，在图17A中，在第一段110的出口端111处仅显示了第一环状纤芯区域113，即没有显示第一包层部分122。出口端111通过端盖1000耦合到端面透镜103。端面透镜103可以直接形成在端盖1000的出口端上(未示出)，或者，端面透镜103可以与端盖1000附连。例如，可以通过如下方式制造端面透镜103：用对端盖1000的出口端的形状进行调节的常规的基于抛光或激光的工艺，或者通过在分开的熔凝二氧化硅棒上形成所需的表面形状然后将其融合拼接到端盖1000。
或者，如果使用光纤100′代替光纤100的话，则不需要端盖，如图17B所示。在这些实施方式中，作为替代，光学系统400使用光纤100′，其具有通过过渡区域150′光学耦合到第二段130′的第一段110′，如上文所述。应理解的是，光学系统400可以包括关于图4B以及9B、10B、10C、11B、12B、和12C所述的光纤200′或者关于图4D以及13B、14B、14C、15B、16B和16C所述的光纤300′，来作为光纤100′的替代。出于清楚目的，在图17B中，在第一段110′的出口端111′处仅显示了第一环状纤芯区域113′，即没有显示第一包层部分122′。出口端111′具有端面透镜103，其可以极大地增加光纤100′的出口端111′的表面上的贝塞尔激光束BLB的束尺寸，从而减轻由于环形激光束(RSB)的高强度入射所导致的出口端111′的潜在表面破环。端面透镜103′可以直接形成在光纤100′的出口端111′上(未示出)，或者端面透镜103′可以附连到光纤100′的出口端111′。例如，可以通过如下方式制造端面透镜103′：用对光纤100′的出口端111′的形状进行调节的常规的基于抛光或激光的工艺，或者通过在分开的熔凝二氧化硅棒上形成所需的表面形状然后将其融合拼接到光纤100′的出口端111′。
在图17A、17B所示的实施方式中，从起始高斯激光束GLB转化得到的贝塞尔激光束BLB通过端面透镜103、103′成像，并投射到轴锥棱镜410上。在这些实施方式中，端面透镜103、103′具有小于10毫米(mm)的焦长度。贝塞尔激光束BLB穿过轴锥棱镜410，所述轴锥棱镜410将贝塞尔激光束BLB重新聚焦为线(激光束焦线)而不是点，使得贝塞尔激光束BLB的形状变化为“无衍射”束420(即，准非衍射束)。在这些实施方式中，贝塞尔激光束BLB的FD值是至少10。例如，贝塞尔激光束BLB的FD值可以是10至5000。例如，至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000、10至2000、50至1500或者100至1000。
图17C显示图17A或17B的光学系统400提供的束强度分布。非轴对称束穿过轴锥棱镜410(如上文所述)并发生形状改变，从而可以形成具有如图17C所示的束强度分布的合乎希望的无衍射椭圆形束。
图4A和18A显示用于产生“无衍射”束的光学系统500的另一个实施方式。光学系统500包括光纤100，其具有通过(未示出的)过渡区域150光学耦合到(未示出的)第二段130的第一段110。出于清楚目的，在图18A中，在第一段110的出口端111处仅显示了第一环状纤芯区域113，即没有显示第一包层部分122。应理解的是，光学系统500可以包括关于图4A和9A-12A所述的光纤200或者关于图4C和13A-15A所述的光纤300，来作为光纤100的替代。图18A的光学系统500还包括位于光纤100(或者200或300)的输出端上的端盖1000，所述端盖1000放置成与透镜505相邻且面朝透镜505。通过光纤100发射从高斯激光束GLB转化为环形束RSB的激光束，其通过端盖1000转化为非轴对称束并且通过透镜505成像，所述透镜505可以是例如球形透镜或者表面轮廓不包含球形或圆柱形部分的非球形透镜等。在一些实施方式中，非球形透镜可以包括产生锥形波面的光学元件，例如轴锥体透镜、例如负折射率轴锥体透镜、正折射率轴锥体透镜、反射轴锥体透镜、衍射轴锥体透镜或者可编程空间光调制器轴锥体透镜(例如，相位轴锥体)等。根据一些实施方式，非球形透镜是例如：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体(waxicon)、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件(未示出)。在实施方式中，从光纤100传播的轴对称贝塞尔激光束进入端盖1000，这使得贝塞尔束成为非轴对称(例如，通过阻挡住传播通过端盖的一部分的束)，以及透镜505对端盖1000提供的非轴对称贝塞尔激光束BLB进行重新成像，从而贝塞尔激光束BLB的宽度至少是光纤100的直径D0的10倍那么大。经过成像的非轴对称贝塞尔激光束BLB入射到轴锥棱镜510上，其将贝塞尔激光束BLB聚焦成线(而不是点)以及使得贝塞尔激光束BLB的形状变化为所希望的“无衍射”束520(在这个实施方式中，是准非衍射束)，形成具有非轴对称(例如，椭圆形)横截面的激光焦线。
参见图4D和18B，显示用于产生“无衍射”束的光学系统500的另一个实施方式。光学系统500包括光纤100′，其具有通过(未示出的)过渡区域150′光学耦合到(未示出的)第二段130′的第一段110′。出于清楚目的，在图18B中，在第一段110′的出口端111′处仅显示了第一环状纤芯区域113′，即没有显示第一包层部分122′。应理解的是，光学系统500可以包括关于图4B以及9B、10B、10C、11B、12B、12C所述的光纤200′或者关于图4D以及13B、14B、14C、15B、16B和16C所述的光纤300′，来作为光纤100′的替代。通过光纤100′发射从高斯激光束GLB转化为非轴对称形状束(例如，破环形状束或者部分环形状的束)的激光束，其通过透镜505成像，所述透镜505可以是例如球形透镜或者表面轮廓不包含球形或圆柱形部分的非球形透镜等。在一些实施方式中，非球形透镜(本文也称作非球形光学元件)可以包括产生锥形波面的光学元件，例如轴锥体透镜、例如负折射率轴锥体透镜、正折射率轴锥体透镜、反射轴锥体透镜、衍射轴锥体透镜或者可编程空间光调制器轴锥体透镜(例如，相位轴锥体)等。非球形光学元件可以是例如：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体(waxicon)、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件(未示出)。在实施方式中，非轴对称贝塞尔激光束BLB从光纤100′传播，以及透镜505对贝塞尔激光束BLB进行重新成像，使得贝塞尔激光束BLB的宽度至少是光纤100′的直径D0的10倍那么大。经过成像的贝塞尔激光束BLB入射到轴锥棱镜510上，其将贝塞尔激光束BLB聚焦成线(而不是点)以及使得贝塞尔激光束BLB的形状变化为所希望的“无衍射”束520(在这个实施方式中，是准非衍射束)，形成具有非轴对称(例如，椭圆形)横截面的激光焦线。
应理解的是，当贝塞尔激光束BLB到达图17A、17B所示的轴锥棱镜410和图18A、18B所示的轴锥棱镜510时，贝塞尔激光束BLB的中心区域中的光学信号最小化。作为结果，光学系统400、500的构造对于轴锥棱镜410、510的中心顶角区域的形状是不敏感的。这对于采用轴锥棱镜的光学系统构造是特别有利的，因为大部分的轴锥棱镜在靠近顶角区域存在质量控制问题，这是由于制造工艺限制所导致的，并且中心顶角区域可能表现为与常规透镜类似，这极大地劣化了“无衍射”束的束质量。因此，图17A、17B、18A和18B所示的光学系统构造有效地避免了轴锥棱镜中心顶角区域问题，并且产生了具有非圆形横截面的高质量的“无衍射”束(即，准非衍射束)。根据这个实施方式，激光束的FD值是至少10。例如，至少50、至少100、至少250、至少500、至少1000，或者例如10至2000、50至1500或者100至1000。
参见图4C、13A-16A和19A，显示用于产生同时具有“无衍射”和高斯性质的“混合”高斯-贝塞尔激光束的光学系统600。光学系统600包括光纤300，其具有通过过渡区域350光学耦合到第二段330的第一段310。光学系统600还包括至少一个透镜605和双焦透镜610。离开光纤300的第二段300的束具有环形部分和高斯激光束GLB部分，如本文所述。通过光纤300发射的环形束(RSB)部分被端盖1000转化为非轴对称束部分(例如，破环形状束或者部分环形状束)，其被所述至少一个透镜605(可以是例如球形透镜或者非球形透镜等)进行再成像。在实施方式中，环形束RSB从光纤30传播，以及透镜605形成贝塞尔激光束BLB使得贝塞尔激光束BLB的外宽度(外直径)至少是光纤300的直径D0的10倍那么大。通过透镜605形成的贝塞尔激光束BLB入射到双焦透镜610的外部分上，这将贝塞尔激光束BLB的形状变化为所希望的“无衍射”束(即，在这个实施方式中，是准非衍射束)。同时，离开光纤300的第二段330的束的高斯激光束GLB部分穿过所述至少一个透镜，并且被双焦透镜610的中心部分进行再成像。双焦透镜610有效地将贝塞尔激光束BLB部分与高斯激光束GLB部分组合到一起，形成混合束620，其中，混合束620的大部分是“非衍射的”。此外，在不希望或者不需要高斯激光束GLB的实施方式中，可以通过涂料、孔隙等阻挡掉高斯激光束GLB。
参见图4D、13B、14B、14C、15B、16B、16C和19B，显示用于产生同时具有“无衍射”和高斯性质的“混合”高斯-贝塞尔激光束的另一个光学系统600。图19B的光学系统600包括光纤300′，其具有通过过渡区域350′光学耦合到第二段330′的第一段310′，以及不需要端盖1000。图19B的光学系统600还包括至少一个透镜605和双焦透镜610。在这个实施方式中，离开光纤300′的第二段330′的束具有非轴对称部分(例如，破环形状部分)和高斯激光束GLB部分，如本文所述。因而，光纤300′发射的破环形状束(破开的RSB)部分不是轴对称的，并且这个非轴对称束被所述至少一个透镜605(其可以是例如球形透镜或者非球形透镜等)进行再成像。根据一些实施方式，此处所用的非球形透镜(或者非球形组件)可以包括例如：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体(waxicon)、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件(未示出)。在实施方式中，破环形状束(破开的RSB)部分从光纤300′传播，以及透镜605形成非轴对称贝塞尔激光束BLB使得贝塞尔激光束BLB的外宽度至少是光纤300′的直径D0的10倍那么大。通过透镜605形成的贝塞尔激光束BLB入射到双焦透镜610的外部分上，这将非轴对称贝塞尔激光束BLB的形状变化为所希望的“无衍射”束(即，在这个实施方式中，是准非衍射束)，其具有非轴对称(例如，椭圆形)横截面。同时，离开光纤300′的第二段330的束的高斯激光束GLB部分穿过所述至少一个透镜，并且被双焦透镜610的中心部分进行再成像。双焦透镜610有效地将贝塞尔激光束BLB部分与高斯激光束GLB部分组合到一起，形成混合束620，其中，混合束620的大部分是“非衍射的”。此外，在不希望或者不需要高斯激光束GLB的实施方式中，可以通过涂料、孔隙等阻挡掉高斯激光束GLB。
参见图1A、1B、10-13和20，显示用于产生同时具有“无衍射”和高斯性质的“混合”高斯-贝塞尔激光束的另一个光学系统700。光学系统700包括光纤300′，其具有通过过渡区域350′光学耦合到第二段330′的第一段310′。第二段330′具有端面303′，所述端面303′具有锥形表面部分304′和平坦芯部分305′，从而离开光纤300的端面303的非轴对称贝塞尔激光束BLB部分和高斯激光束GLB部分具有不同的光学路径和焦点，这有助于贝塞尔激光束BLB部分和高斯激光束GLB部分汇聚和组合成“非衍射的”单个束。光学系统700还包括至少一个透镜705和双焦透镜710。离开光纤300′的第二段330′的束具有非轴对称贝塞尔激光束BLB部分和高斯激光束GLB部分，如本文所述。通过光纤300′发射的贝塞尔激光束BLB部分初始通过光纤300′的端面303′进行再成像，然后通过所述至少一个透镜705(其可以是例如球形透镜或者非球形透镜等)进行再成像。在实施方式中，透镜705对贝塞尔激光束BLB进行再成像使得贝塞尔激光束BLB部分的宽度(至少一个外直径)至少是光纤300的直径D0的10倍那么大。经过再成像的贝塞尔激光束BLB入射到双焦透镜710的外部份上，这使得贝塞尔激光束BLB的形状变化为所希望的非衍射束或者准非衍射束。同时，离开光纤300′的第二段330′的束的高斯激光束GLB部分初始被平坦芯区域305′进行再成像，之后穿过所述至少一个透镜705以及被双焦透镜710的中心部分进行再成像。双焦透镜710有效地将贝塞尔激光束BLB部分与高斯激光束GLB部分组合到一起，形成混合束720，其中，混合束720的大部分是“非衍射的”束(准非衍射束)。在不希望或者不需要高斯激光束GLB的实施方式中，可以通过涂料、孔隙等阻挡掉高斯激光束GLB。应理解的是，第二段330的端面303可以对透镜的构造进行简化，所述透镜用于对从光纤300发射的束进行聚焦。在实施方式中，端面303′可以用于完全消除所述至少一个透镜705和双焦透镜710。
实施例
通过以下实施例进一步阐述本文所述的实施方式。
下表1A显示图1A和5A-8A所示的光纤100的5个实施例(实施例1-5)的半径和相对折射率的总结。
表1A
Figure GDA0003897915980000821
如表1A所示，对于实施例1-5，通道114的相对折射率ΔCH％是-26％。第一环状纤芯区域113的相对折射率ΔAC％的范围是0.12％至1％，以及第一低折射率凹陷124的相对折射率ΔLIT％的范围是0％至-0.6％。半径R0的范围是10μm至30μm；半径R1的范围是15μm至40μm；半径R2的范围是20μm至40μm；半径R3的范围是28μm至42.5μm；以及半径R4的范围是73.5μm至125μm。第一环状纤芯区域113的径向厚度TAC的范围是2.5μm至10μm；第一内包层部分125的径向厚度TICL的范围是0.0μm至12.5μm；第一低折射率凹陷124的径向厚度TLIC的范围是0.0μm至8.5μm；以及第一外包层部分123的径向厚度TOCL的范围是33.5μm至100μm。
第一段110与第二段130的锥度比是0.5至0.85。第二纤芯部分132的相对折射率Δc％和第二低折射率凹陷144的相对折射率Δlit％分别基本等于第一环状纤芯区域113的相对折射率ΔAC％和第一低折射率凹陷124的相对折射率ΔLIT％。半径r1的范围是5.7μm至24.6μm；半径r2的范围是8.8μm至24.6μm；半径r3的范围是13.2μm至30.2μm；以及半径r4的范围是40μm至62.5μm。第二内包层部分145的径向厚度ticl的范围是0.0μm至13.9μm；第二低折射率凹陷144的径向厚度tlic的范围是0.0μm至8.9μm；以及第二外包层部分143的径向厚度tocl的范围是24.6μm至49.3μm。
光纤100′的实施方式(实施例1′-5′)如表1B所示并且类似于上文涉及表1所述的光纤100，以及在横截面A-A中具有实施例1-5的折射率分布。例如，纤芯区域113’具有相对折射率ΔAC％，如表1所述。但是，光纤100′采用一个或多个区域R(例如，包括纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者空气，如图5B、7B所示)，从而作为具有轴对称(圆形对称)的第一环状纤芯区域113的替代，光纤100′采用的第一纤芯区域113′的形状是裂环或破环或者部分环(因为区域R打断了纤芯区域113′)。在表1B的示例性实施方式中，区域R包括负掺杂的二氧化硅、纯二氧化硅或者空气，且具有宽度w＝2R0。
表1B
Figure GDA0003897915980000831
Figure GDA0003897915980000841
下表2A显示图4A和9A-12A所示的光纤200的3个实施例(实施例6-8)的半径和相对折射率的总结。
表2A
Figure GDA0003897915980000842
如表2A所示，第一低折射率纤芯区域214的相对折射率ΔLIC％的范围是0％至-0.5％；第一环状纤芯区域213的相对折射率ΔAC％的范围是0.34％至1％；以及第一低折射率凹陷224的相对折射率ΔLIT％的范围是0％至-0.5％。对于实施例6-8，半径R0的范围是3μm至5μm；半径R1的范围是10μm至12μm；半径R2的范围是10μm至18μm；半径R3的范围是10μm至30μm；以及半径R4是125μm。第一环状纤芯区域213的径向厚度TAC的范围是6μm至7μm；第一内包层部分225的径向厚度TICL的范围是0.0μm至8μm；第一低折射率凹陷224的径向厚度TLIC的范围是0.0μm至12μm；以及第一外包层部分223的径向厚度TOCL的范围是95μm至115μm。
第一段210与第二段230的锥度比是0.32至0.5。第二低折射率纤芯区域234的相对折射率Δlic％、第二环状纤芯区域233的相对折射率Δac％和第二低折射率凹陷244的相对折射率Δlit％分别基本等于第一低折射率纤芯区域214的相对折射率ΔLIC％、第一环状纤芯区域213的相对折射率ΔAC％和第一低折射率凹陷224的相对折射率ΔLIT％。半径r0的范围是1.3μm至2μm；半径r1的范围是3.2μm至5μm；半径r2的范围是3.2μm至9μm；半径r3的范围是3.2μm至15μm；以及半径r4的范围是40μm至62.5μm。第二环状纤芯区域233的径向厚度tac的范围是1.9μm至3.5μm；第二内包层部分245的径向厚度ticl的范围是0.0μm至4μm；第二低折射率凹陷244的径向厚度tlic的范围是0.0μm至6μm；以及第二外包层部分243的径向厚度tocl的范围是36.8μm至47.5μm。
光纤200′的实施方式(实施例6′-8′)如表2B所示并且类似于上文涉及表2A所述的光纤200，以及在横截面A-A中具有实施例6-8的折射率分布。例如，纤芯区域213’具有相对折射率ΔAC％，如表2B所示，以及纤芯区域233′具有相对折射率Δac％。但是，光纤200′采用一个或多个区域R(例如，包括纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者空气，如图9B、10B、10C、11B、12B和12C所示)，从而作为具有轴对称的第一环状纤芯区域213的替代，光纤200′采用的第一纤芯区域213′的形状是破环或者部分环(因为区域R打断了纤芯区域213′)。在表2B的示例性实施方式中，区域R是纯二氧化硅(但是在替代实施方式中可以是负掺杂的二氧化硅或空气)且具有宽度w＝2R0。
表2B
Figure GDA0003897915980000851
Figure GDA0003897915980000861
下表3A显示图4C和13A-16A所示的光纤300的3个实施例(实施例9-11)的半径和相对折射率的总结。
表3A
Figure GDA0003897915980000862
Figure GDA0003897915980000871
如表3A所示，第一中心纤芯区域315的相对折射率ΔCC％的范围是0.1％至0.34；第一低折射率纤芯区域314的相对折射率ΔLIC％的范围是0％至-0.2％；第一环状纤芯区域313的相对折射率ΔAC％的范围是0.5％至1％；以及第一低折射率凹陷324的相对折射率ΔLIT％的范围是0％至-0.5％。对于实施例9-11，半径R00的范围是4μm至7μm；半径R0的范围是9μm至20μm；半径R1的范围是15μm至30μm；半径R2的范围是20μm至30μm；半径R3的范围是30μm至50μm；以及半径R4是125μm。第一低折射率纤芯区域314的径向厚度TLIC的范围是5μm至13μm；第一环状纤芯区域313的径向厚度TAC的范围是6μm至10μm；第一内包层部分325的径向厚度TICL的范围是0.0μm至5μm；第一低折射率凹陷324的径向厚度TLIC的范围是0.0μm至28μm；以及第一外包层部分323的径向厚度TOCL的范围是75μm至95μm。
第一段310与第二段330的锥度比是0.4至0.5。第二中心纤芯区域335的相对折射率Δcc％、第二低折射率纤芯区域334的相对折射率Δlic％、第二环状纤芯区域333的相对折射率Δac％和第二低折射率凹陷344的相对折射率Δlit％分别基本等于第一纤芯区域315的相对折射率ΔCC％、第一低折射率纤芯区域314的相对折射率ΔLIT％、第一环状纤芯区域313的相对折射率ΔAC％和第一低折射率凹陷324的相对折射率ΔLIT％。半径r00的范围是2μm至3.5μm；半径r0的范围是4.5μm至10μm；半径r1的范围是7.5μm至15μm；半径r2的范围是8.8μm至15μm；半径r3的范围是15μm至20μm；以及半径r4的范围是50μm至62.5μm。第二低折射率纤芯区域334的径向厚度tlic的范围是2.4μm至6.5μm；第二环状纤芯区域333的径向厚度tac的范围是3μm至5μm；第二内包层部分345的径向厚度ticl的范围是0.0μm至2.5μm；第二低折射率凹陷344的径向厚度tlic的范围是0.0μm至11.2μm；以及第二外包层部分343的径向厚度tocl的范围是30μm至47.5μm。
光纤300′的实施方式(实施例9′-11′)如表3B所示并且类似于上文涉及表3A所述的光纤300，以及在横截面A-A中具有实施例9-11的折射率分布。例如，纤芯区域325’具有相对折射率ΔAC％，如表3A所示，以及纤芯区域333具有相对折射率Δac％。但是，光纤300′采用一个或多个区域R(例如，包括纯二氧化硅、负掺杂的二氧化硅或者空气，如图13B、14B、14C、15B和15C所示)，从而作为具有轴对称的第一环状纤芯区域313、333的替代，光纤300′采用的纤芯区域313′、333′的形状是破环或者部分环(因为区域R打断了纤芯区域313′、333′)。在表3B的示例性实施方式中，区域R是空气(但是也可以使用负掺杂的二氧化硅或纯的情况)且具有宽度w＝2R0。
表3B
Figure GDA0003897915980000881
可以通过如下方式制造光纤100′、200′、300′，例如：如上文所述制造非圆形对称光纤预制件，然后从非圆形对称预制件拉制得到此类光纤。根据一些实施方式，可以通过如下方式制造用于制造光纤100′、200′、300′的非圆形对称预制件，例如：A)制造用于光纤100、200、300的预制件，然后钻取空气孔，从而在此类预制件中形成区域R；或者B)制造用于光纤100、200、300的预制件，然后钻孔，所述孔再填充了纯二氧化硅棒，或者通过负掺杂的二氧化硅从而在此类预制件中形成区域R；或者C)切割掉用于光纤100、200、300的光纤预制件的一部分以形成D形状预制件，将其与不同的D形状的预制件(例如，负掺杂或者纯二氧化硅D形状预制件)一起放在基于玻璃的管中，将它们融合到一起从而制造具有圆周的光学预制件；或者d)切割掉用于光纤100、200、300的光纤预制件的一部分以形成D形状预制件。
例如，根据一些实施方式，为了高斯束转化为椭圆形状的贝塞尔束，作为具有正掺杂环形区域(例如，113、213、313)的圆形对称纤芯的替代，光纤100′、200′、300′包括两个“D形状”光纤部分D1、D2。图21A-21D显示裂环(本文也称作“破环”)光纤的横截面，即光纤具有裂环形状的正掺杂区域，例如纤芯区域113′、213′、313′。例如，光纤可以具有环形纤芯，所述环形纤芯被分成两个D形状纤芯，例如，通过狭缝或两个孔分开。可用于分开环纤芯的结构或间隔物的数量是无限的，包括但不限于：圆孔、方孔或者不规则结构。优选地，将纤芯的这两个部分分开的结构R的宽度g是数微米至数十微米，从而这两个D形状纤芯中的电场没有耦合。根据一些实施方式，D形状纤芯结构的尺寸或折射率是略微不同的，从而传播通过这两个D形状纤芯部分的两个束部分具有不同相位和强度。这两个D形状结构的宽度比wr1/wr2优选是0.8至1.3，或者这两个D形状结构的长度比L1/L2优选是0.8至1.3。类似地，破环(纤芯区域)13′、213′、313′的这两个部分的折射率之比可以是0.8至1.3，从而在纤芯内传播通过的两个激光束部分具有不同的相位和强度。也可以采用一个D形状“破环”纤芯产生椭圆形贝塞尔束，如图21E和21F所示。
更具体来说，图21A-21F显示光纤200′、300′(或者替代端盖1000)的额外实施方式的横截面图。出于清楚目的，在图21A和12B中，仅显示了第一段210′的纤芯212′(包括第一区域213′)和第一包层区域225′，即没有显示第一包层部分222′的余下部分。在对应于图21A和21B的光纤200′的这些示例性实施方式中，区域R具有与区域214′和225′相同的折射率。出于清楚目的，在图21C和21D中，仅显示了第一段330′的纤芯332′(包括正掺杂的第一区域333′)和第一包层区域345′，即没有显示第一包层部分342′的余下部分。在对应于图21C和21D的光纤300′的示例性实施方式中，区域R具有与区域334′和345′相同的折射率。
图21E显示光纤200′的另一个实施方式。这个实施方式的光纤200′包括两个D形状部分，其中一个(右手侧)包括纤芯212(包括第一区域213′，形状为半环)和包层部分245′。左手部分包括纤芯部分225′和包层部分225′，但是不包括较高折射率部分的第一区域213′。同样地，出于清楚目的，在图21E中仅显示了纤芯212′(包括位于光纤200′的右手侧的第一区域213′)和第一包层区域225′。也就是说，没有显示第一包层部分222′的余下部分。图21F显示光纤300′的另一个实施方式。这个实施方式的光纤300′包括两个D形状部分D1、D1，其中的一个(右手侧D2)包括纤芯部分332′，其包含中心纤芯区域315′、负掺杂区域第一区域334′和形状为半环的正掺杂区域333′以及包层部分345′。左手部分包括纤芯部分335′和包层部分345′，但是不包括较高折射率部分的第一区域333′。同样地，出于清楚目的，在图21E中仅显示了纤芯332′(包括位于光纤300′的右手侧的第一区域333′)和第一包层区域345′，即没有显示第一包层部分342′的余下部分。图21G显示用于制造非轴对称高斯束的光纤(光纤100′)的另一个实施方式。
一段裂环纤芯或者D形状环纤芯光纤100′、200′、300′可以用作端盖，具有环纤芯1000、200、300，执行从环状束到非轴对称形状束的束转化。将纤芯的对称性分开从而纤芯不再是圆形对称的，实现了当端盖光纤1000附连到光纤100、200、300(本文也称作环形光纤)时的常规贝塞尔束转化为2个D形状束。
如上文所述，可以通过数种方法制造所提出的D形状环纤芯光纤。图22A-22C显示用于制造裂环纤芯光纤的一种方法。首先，通过例如OVD工艺，制造环纤芯预制件(即，具有高折射率环的光纤预制件)，环纤芯213′位于预制件的外侧上。(参见图22A)。然后，通过在环纤芯的两个区域中去除玻璃来制造两个槽，从而产生区域R(参见图22B)。然后，使用OVD对预制件进行包覆，以制造最终的光纤预制件。将预制件拉制成光纤。(参见图22C)。
图23A-23B显示用于制造裂环纤芯光纤的另一种方法。首先通过OVD工艺制造具有环纤芯和包层的环纤芯预制件。(参见图23A)。然后在环纤芯中钻两个孔。(参见图23B)。在保持孔打开的同时，将预制件拉制成光纤。
图23C-23D显示制造D形状环纤芯光纤预制件的方法。首先通过OVD工艺制造具有环纤芯和包层的环纤芯预制件。(参见图23C)。然后去除部分包层和环纤芯以制造D形状光纤预制件。(参见图23D)。将光纤预制件拉制成D形状光纤。
基于上文所述，现在应理解的是，本文所述的光纤将高斯激光束转化为贝塞尔束(例如，非轴对称贝塞尔激光束)。还应理解的是，光纤具有较低的弯曲损耗。光纤特别适合需要大的聚焦深度的应用，例如激光检查技术和激光加工技术等。此外，基于上文所述，还应理解的是，本文所述的一些光纤当与端盖结合使用时，将高斯激光转化为非轴对称贝塞尔激光束。
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (15)

1.一种对透明工件进行激光加工的方法，所述方法包括：
在透明工件中形成轮廓线，所述轮廓线包括透明工件中的缺陷，其中，形成轮廓线包括：
将束源提供的脉冲激光束引导通过以下任一情况：
(a)包括至少一段具有非轴对称折射率分布的光纤，其形成非轴对称脉冲激光束，或者
(b)产生环形束的光纤和连接到产生环形束的光纤的端盖，所述端盖具有非轴对称折射率分布，从而使得端盖形成非轴对称脉冲激光束；
其中，非轴对称脉冲激光束引导到透明工件中的部分在透明工件中产生感应吸收，所述感应吸收在透明工件中产生缺陷，以及脉冲激光束引导到透明工件中的部分包括：
波长λ；
有效斑尺寸Wo，有效；和
非轴对称束横截面，其包括横截面x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小值和横截面y方向上的最小瑞利范围ZRy，最小值，其中，ZRx，最小值和ZRy，最小值中较小的那个大于
Figure FDA0003897915970000011
式中，FD是无量纲发散度因子，其包括10或更大的值。
2.如权利要求1所述的方法，其还包括：使得透明工件和非轴对称脉冲激光束相对于彼此沿着轮廓线位移，从而激光沿着轮廓线在透明工件中形成多个缺陷。
3.如权利要求1所述的方法，其中，无量纲发散度因子FD包括50至1500的值。
4.如权利要求2所述的方法，其还包括沿着轮廓线或者靠近轮廓线将红外激光束引导到透明工件上，以沿着轮廓线分离透明工件。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，束源包括脉冲束源，其产生具有1个脉冲每脉冲群至30个脉冲每脉冲群的脉冲群以及100μJ至600μJ每脉冲群的脉冲群能量。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，非轴对称脉冲激光束被引导到透明工件中的部分的非轴对称束横截面包括：具有斑尺寸参数wo,最大值的长轴和具有斑尺寸参数wo,最小值的短轴，其中，wo,最大值大于wo,最小值，以及wo,最大值与wo,最小值的纵横比大于1.3。
7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其还包括聚焦光学组件。
8.如权利要求7所述的方法，其中，聚焦光学组件是具有至少一个凸表面的透镜。
9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其还包括非球形光学元件，其中，非球形光学元件是：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体、负轴锥体、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件。
10.如权利要求7所述的方法，其还包括非球形光学元件，其中，非球形光学元件是：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体、负轴锥体、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件。
11.一种用于透明工件的激光加工的光学系统，所述光学系统包括：
提供脉冲激光束的激光束源，
光纤组件，其构造成将源提供的激光束转化为具有非轴对称横截面的激光束，所述光纤组件包括：
(i)光纤，其包括：相互光学连接的至少两个光纤段，一段光学连接到所述激光束源并构造成传播基本高斯激光束，而另一个光纤段构造成将高斯激光束转化为非高斯环形激光束；以及与所述另一个光纤段相邻的端盖，所述端盖构造成将非高斯环形束转化为非轴对称激光束，所述端盖具有非轴对称折射率分布，或者
(ii)光纤，其包括相互光学连接的至少两个光纤段，一段光学连接到所述激光束源并构造成传播基本高斯束，而另一个光纤段构造成将高斯束转化为非轴对称激光束，所述另一个光纤段具有非轴对称折射率分布，
所述非轴对称激光束具有：
波长λ；
最大束强度；
有效斑尺寸Wo,有效，该有效斑尺寸定义为从束传播路径z到任何方向上束强度减小到最大光束强度的1/e2的最短径向距离；
脉冲能和脉冲持续时间足以超过透明工件的破坏阈值，从而在透明工件中形成轮廓线，该轮廓线包括透明工件中的缺陷；
其中，非轴对称束横截面具有x方向上的最小瑞利范围ZRx,最小值和y方向上的最小瑞利范围ZRy,最小值，其中，ZRx,最小值和ZRy,最小值中较小的那个大于
Figure FDA0003897915970000031
式中，FD是值为10或更大的无量纲发散度因子，以及其中，x和y方向上的最小瑞利范围中较小的那个是束的光学强度沿着束路径衰减到最大束强度的一半的距离。
12.如权利要求11所述的光学系统，其中，入射到工件上的非轴对称激光束是准非衍射激光束。
13.如权利要求11所述的光学系统，其中，FD是50至1500。
14.如权利要求11所述的光学系统，其还包括放置成将非轴对称激光束聚焦成具有非轴对称横截面的激光焦线的聚焦组件。
15.如权利要求11-14中任一项所述的光学系统，其还包括非球形光学元件，其中，非球形光学元件是：折射轴锥体、反射轴锥体、复合轴锥体、负轴锥体、空间光调制器、衍射光学件或者立方体形状的光学元件。
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