CN111650699A - 高功率全光纤望远镜 - Google Patents

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Abstract

一种光纤装置可以包括光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端。该光纤装置可以包括光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端以修改激光输出。该光纤望远镜可以包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的第二端；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。

Description

高功率全光纤望远镜
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月4日提交的美国临时专利申请号62/813486的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及激光束输送，更具体地，涉及使用全光纤望远镜的激光束输送。
背景技术
激光材料处理可用于切割、钻孔、焊接、钎焊、表面退火、合金化、硬化和其他应用。可以使用光纤将高功率和/或高强度的激光束输送到要在其上进行激光材料处理的工件。激光材料处理的优点包括高生产率、处理的非接触性质、改善的质量以及激光束的输送点的高精度和迁移性。
光纤输送的激光材料处理系统通常包括激光源(例如一个或多个光纤激光模块)、光耦合器、输送光纤(长度通常为10-50米并包括在两端可插入的输送缆线中)和处理头。处理头是光学组件，其包括用于输送光纤的容纳部、用于投射激光功率的光学器件以及基于激光的处理所需的任何部件，比如辅助气体端口。在操作中，激光发射被传输到光耦合器单元中(例如通过自由空间或通过单独光纤)。光耦合器单元将激光发射发送到输送光纤中，然后输送光纤将激光传输到处理头。处理头与执行处理任务相关地将激光投射到工件上。
如上所述，在某些情况下，激光源可以包括一个或多个光纤激光模块。典型的高亮度单独光纤激光模块以约1.0毫米毫弧度(mm-mrad)的束参数乘积(BPP)运行至例如4千瓦(kW)的功率。这种单独激光模块通常具有例如在约30-50微米(μm)的范围内的输出光纤芯直径，并且数值孔径(NA)小于0.08。为了缩放功率，可以组合多个单独光纤激光模块(例如使用L:1(L>1)配置的光纤组合器)以形成多模块光纤激光引擎(engine)。典型的引擎以约3.0-5.0mm-mrad的BPP运行至例如16kW的组合功率。这种引擎的光学特性通常具有例如约50-100μm的芯直径，并且NA小于0.16。
发明内容
根据一些可能的实施方式，一种光纤装置可以包括：光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端以修改激光输出，该光纤望远镜包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的第二端；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。
根据一些可能的实施方式，一种激光系统可以包括：激光源，用于提供激光输出；光纤装置，包括：光波导，用于引导激光输出；和光纤望远镜，用于修改激光输出，该光纤望远镜光学耦合到光波导的端部，并且该光纤望远镜包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的端部；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。
根据一些实施方式，一种方法可以包括：将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；通过耦合到光波导的第二端的光纤望远镜修改激光输出，其中，所述光纤望远镜包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，并且其中，所述修改包括以下中的至少一个：激光输出的放大，激光输出的缩小，图像平面相对于激光输出的苛性腰(caustic waist)的移动，或激光输出的束成形。
根据一些实施方式，一种光纤装置可以包括：光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端，以修改激光输出，其中，所述光纤望远镜包括至少一个渐变折射率光学元件，其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距，并且其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的面熔合到光波导的第二端。
附图说明
图1是本文描述的激光系统的示例实施方式的图。
图2是包括在图1的激光系统中的输送光纤的示例部件的图。
图3A和3B是示出示例的图，其中选择渐变折射率光学元件的焦距以使包括多个激光模块的激光源的数值孔径(NA)与包括单个激光模块的激光源的NA匹配。
图4A和4B是示出示例的图，其中选择渐变折射率光学元件的焦距以使包括单个激光模块的激光源的NA与包括多个激光模块的激光源的NA匹配。
图5A和5B是示出与在光纤望远镜中使用非四分之一节距渐变折射率光学元件以实现不完美成像相关的示例的图。
图6A和6B是示出示例的示图，其中渐变折射率光学元件用于将来自包括单个激光模块的激光源的光的发散与包括多个激光模块的激光源的发散匹配。
图7是示例过程的流程图，用于使用如本文所述的包括在输送光纤中的光纤望远镜来修改激光源的激光输出。
具体实施方式
示例实施方式的以下详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
如上所述，输送光纤可将激光源(例如单个激光模块或包括多个激光模块的激光引擎)连接至处理头。输送光纤通常与连接器组件(例如可插拔的高功率连接器)端接，该连接器组件设计成处理所输送的光纤激光的光学特性。通常，将端盖(例如由高质量玻璃形成)接合到输送光纤上，以减小功率密度(例如避免损坏玻璃的出射面)。这意味着与单个激光模块和激光引擎一起使用需要不同的端盖几何形状，以处理与单个激光模块和激光引擎相关的不同光学特性。例如，可能需要相对较短的端盖以处理激光引擎的相对较高的发散，而可能需要相对较长的端盖以处理单个激光模块的相对较低的发散。
本文描述的一些实施方式提供了一种光纤装置，其包括用于引导激光输出的光波导，以及光学地耦合到光波导以修改激光输出的光纤望远镜。在一些实施方式中，光纤望远镜可以包括一对渐变折射率光学元件。
本文描述的光纤装置解决了需要不同的连接器组件和光纤端盖几何形状用于单个激光模块的端接(termination)与引擎(例如包括多个激光模块)的端接的问题。例如，通过使用两个渐变折射率光学元件，可以放大引擎的输出以增加光斑尺寸并降低在光纤装置的出射面处的NA。可以选择渐变折射率光学元件的焦距的组合来匹配单个模块激光的NA。这种改变使得能够使用单个长度端盖，因此能够使用相同的机械部件、公差等，以便在使模块和激光引擎输送光纤的连接器端接时使用，尽管它们的激光源是明显不同的。同样，可以选择一组不同焦距渐变折射率光学元件，以使单个激光模块输出的输出缩小，以利用较短长度端盖。
本文描述的光纤装置还解决了需要用于激光处理头的两个不同光学配置用于单个激光模块的输出与引擎的端接的问题。换句话说，本文描述的光纤装置允许利用单个激光模块和引擎用于处理头中的给定光学配置。
图1是激光系统100的示例实施方式的图。如图1所示，激光系统100可以包括激光源101，其包括一个或多个激光模块102(例如激光模块102-1至激光模块102-N(N≥1))。如进一步所示，激光系统100可以包括输送光纤104和处理头106。
激光源101是激光输出的源。在一些实施方式中，激光源101可包括单个单独激光模块102(即激光源101可仅包括一个激光模块102)。可替代地，在一些实施方式中，激光源101可以包括多个激光模块102。如上所述，当激光源101包括多个单独激光模块102时，激光源101可被称为激光引擎。激光模块102包括能够产生激光输出的光纤激光模块。在一些实施方式中，激光模块102可以约1.0mm-mrad的BPP运行至例如4kW的功率。在一些实施方式中，激光模块102的光学特性可具有例如在约30-50μm的范围内的芯直径，且NA小于0.08。在一些实施方式中，如图1所示，可以组合多个激光模块102以形成多模块光纤激光引擎(例如以便缩放激光系统100的功率)。在一些实施方式中，包括多个激光模块102的这种多模块激光引擎可以约3.0-5.0mm-mrad的BPP运行至例如16kW的组合功率。这种激光引擎的光学特性可以具有例如约50-100μm的芯直径，且NA小于0.16。在一些实施方式中，如图1所示，激光源101的输出(例如一个或多个激光模块102的输出)光学地耦合到输送光纤104(的输入端)。
输送光纤104包括具有光波导和光纤望远镜的光纤装置。在操作中，输送光纤104的光波导引导由激光源101提供的激光输出，并且光纤望远镜修改激光输出。在一些实施方式中，对激光输出的修改可包括放大激光输出，缩小激光输出，移动图像平面(相对于激光输出的苛性腰)，束成形等，如在下面进一步详细描述。在一些实施方式中，如图1所示，可以将输送光纤104的输出端光学地耦合到处理头106。下面关于图2提供关于输送光纤104的附加细节。
处理头106包括光学组件，其包括用于输送光纤104的容纳部、用于投射激光功率的光学器件和/或与基于激光的处理相关的一个或多个其他部件。在一些实施方式中，处理头106配置为与执行激光处理任务(例如切割、钻孔、焊接、钎焊、表面退火、合金化、硬化等)相关的在通过输送光纤104修改之后将激光输出投射到工件上。
在激光系统100的操作中，由激光源101的一个或多个激光模块102提供的激光发射被发送(例如经由光耦合器单元)到输送光纤104中。输送光纤104引导和修改激光，如本文所述，然后将修改的激光传输到处理头106。然后，处理头106与执行激光处理任务相关地将修改的激光投射到工件上。
提供图1所示的部件的数量和布置作为示例。在实践中，激光系统100可以包括比图1所示的部件更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。另外，或可替代地，激光系统100的一组部件(例如一个或多个部件)可以执行描述为由激光系统100的另一组部件执行的一个或多个功能。
图2是图1的激光系统100中包括的输送光纤104的示例部件的图。如图2所示，输送光纤104可包括光纤装置，其包括光波导202、光纤望远镜203和端盖206。如图所示，光纤望远镜203可以包括一组渐变折射率光学元件204(例如渐变折射率光学元件204-1和渐变折射率光学元件204-2)。
光波导202包括波导以引导由一个或多个激光模块102提供的激光输出(例如从光波导202的第一端到光波导202的第二端)。例如，在一些实施方式中，光波导202可以具有阶跃折射率分布(即光波导202可以是阶跃折射率光纤)。通常，光波导202可以具有期望将激光输出输送到工件的任何轮廓。例如，光波导202可以具有阶跃折射率芯、环形掺杂芯、多环芯(例如可能具有中心芯)、多阶芯、渐变折射率芯等。如图2所示，光波导202的第二(即输出)端可以光学耦合到光纤望远镜203的第一(即输入)端。
光纤望远镜203包括光纤装置，以修改激光输出，如本文所述。在一些实施方式中，光纤望远镜203可以包括一组渐变折射率光学元件204，其包括渐变折射率光学元件204-1和渐变折射率光学元件204-2。在一些实施方式中，一组渐变折射率光学元件204可包括一组渐变折射率光纤(即至少一个渐变折射率光学元件204)。在一些实施方式中，如图2所示，可以将渐变折射率光学元件204-1的第一面(例如在输入端处的面)光学耦合(例如熔合)到光波导202的第二端。如进一步所示，渐变折射率光学元件204-1的第二面(例如在输出端处的面)可以光学耦合到渐变折射率光学元件204-2的第一面(例如在输入端处的面)。如进一步所示，渐变折射率光学元件204-2的第二面(例如在输出端处的面)可以光学耦合到端盖206的面。在一些实施方式中，渐变折射率光学元件204-1和渐变折射率光学元件204-2可具有近似抛物线的折射率分布。也就是说，渐变折射率光学元件204-1和/或渐变折射率光学元件204-2可以具有芯区域，其折射率分布在相对于光纤轴的径向方向上平滑且非线性地(例如平方地)变化。(例如，不像阶跃折射率光纤那样具有以恒定速率变化和/或呈现阶跃或急剧变化的折射率)。例如，折射率分布可以包括这样的折射率分布，即使得如果使用旋转对称函数n(r)＝n0(1-2Δ(r/R)a)1/2将最佳拟合应用于测量的折射率分布，其中r是径向变量，R是存在大部分传输功率的芯或芯区域的半径(例如86％功率封闭半径)，以及最佳拟合通过改变n0、Δ和α来施加，则指数α服从关系式1.5≤α≤2.5。在一些实施方式中，渐变折射率光学元件204-1和/或渐变折射率光学元件204-2的长度(分别为LG1和LG2)可以为约1mm。下面提供关于光纤望远镜203的附加细节。
在一些实施方式中，光纤望远镜203的一组渐变折射率光学元件204可以包括两个以上渐变折射率光学元件。在这样的实施方式中，使用两个以上渐变折射率光学元件204可以为光纤望远镜203提供灵活性，以产生特定的束尺寸、发散和/或图像平面位置。
在一些实施方式中，该组渐变折射率光学元件204可以包括单个渐变折射率光学元件。即，在一些实施方式中，光纤望远镜203可以包括单个渐变折射率光学元件204。在一些实施方式中，单个渐变折射率光学元件204可以具有大于四分之一节距的长度。在一些实施方式中，大于四分之一节距的长度提供了图像平面位置的移动、光斑尺寸的修改、发散的修改等。在一些实施方式中，单个渐变折射率光学元件204可以由单片渐变折射率材料形成，但是可以充当望远镜，其包括第一渐变折射率光学元件204(例如具有四分之一节距长度，具有大于或小于四分之一节距的长度(称为非四分之一节距长度)加上第二渐变折射率光学元件204(例如具有四分之一节距长度或非四分之一节距长度)，两个渐变折射率光学元件204具有相同的直径和渐变折射率分布。
在一些实施方式中，光纤望远镜203的一组渐变折射率光学元件204的总长度可以大于四分之一节距。例如，当该组渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件204-1和第二渐变折射率光学元件204-2时，第一渐变折射率光学元件204-1的长度和/或第二渐变折射率光学元件204-2的长度可以是四分之一节距(例如使得第一和第二渐变折射率光学元件204的总长度大于四分之一节距)。在一些实施方式中，第一渐变折射率光学元件或第二渐变折射率光学元件中的至少一个的长度大于或小于四分之一节距。在一些实施方式中，光纤望远镜203的一组渐变折射率光学元件204的总长度可以小于约半个节距，例如3/8节距。在一些实施方式中，该组渐变折射率光学元件可以包括至少三个渐变折射率光学元件(即两个以上渐变折射率光学元件204)。在一些实施方式中，一组渐变折射率光学元件204中的至少两个可以具有相同的直径和渐变折射率分布。
在一些实施方式中，一组渐变折射率光学元件可以包括至少一个渐变折射率元件，其中渐变折射率分布根据沿着光纤轴的位置而变化，从而导致有效焦距随位置而变化。制造具有轴向变化的渐变折射率分布的光纤的一种方法是通过对光纤进行熔融锥化。单个轴向变化的折射率元件可以与彼此光学耦合的两个或更多个非变化的渐变折射率元件相似地工作。
端盖206包括光学元件，以减小由输送光纤104传输的激光输出的功率密度(例如避免损坏玻璃的出射面)。在一些实施方式中，端盖206可以具有抗反射(AR)涂层以减小或消除激光反射回到输送光纤104中的反射。在一些实施方式中，如图2所示，端盖206可以光学耦合到渐变折射率光学元件204-2的第二面。
作为示例提供了图2中所示的部件的数量和布置。在实践中，输送光纤104可包括比图2中所示的部件更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。另外，或可替代地，输送光纤104的一组部件(例如一个或多个部件)可以执行描述为由输送光纤104的另一组部件执行的一个或多个功能。
在一些实施方式中，渐变折射率光学元件204-1和渐变折射率光学元件204-2可以是四分之一节距渐变折射率透镜。换句话说，在一些实施方式中，可将渐变折射率光学元件204-1和204-2制造(例如劈开、抛光等)为四分之一(1/4)节距的长度。在一些实施方式中，如由渐变折射率材料的特性(例如，如图2所定义的分别半径rG1和rG2以及分别NAG1和NAG2)所定义，1/4节距渐变折射率光学元件204可以用作分别具有焦距fG1和fG2的透镜。在此，渐变折射率光学元件204-1和204-2(用作渐变折射率透镜)作为全光纤望远镜工作，其激光光斑尺寸放大了f2/f1倍。在此，当f2>f1时，激光光斑尺寸被放大，或者当f2<f1时被缩小。由渐变折射率光学元件204进行的修改可用于修改在通过输送光纤104的传输过程中激光输出的特性。在一些实施方式中，如图2所示，给定渐变折射率光学元件204的焦距fG和长度LG可以如下确定：
Figure BDA0002398537350000081
其中，rG是渐变折射率光学元件204的芯半径，NAG是渐变折射率光学元件204的数值孔径，nG是渐变折射率光学元件204的折射率。这里，LG的值是四分之一节距长度。
在一些实施方式中，光纤望远镜203(即一组渐变折射率光学元件204)可以放大激光输出，以增加光斑尺寸并减小在输送光纤104的出射面处的NA。例如，该组渐变折射率光学元件204可以放大包括多个激光模块102的激光源101的激光输出，这增加光斑尺寸并减小在输送光纤104的出射面处的NA(例如与使用不包括光纤望远镜203的输送光纤相比)。在一些实施方式中，可以选择渐变折射率光学元件204的焦距的组合以使包括多个激光模块102的激光源101的NA与包括单个激光模块102的激光源101的NA匹配。
图3A和3B是示出示例的图，其中选择渐变折射率光学元件204的焦距以使包括多个激光模块102的激光源101的NA与包括单个激光模块102的激光源101的NA匹配。如图3A所示，耦合到包括多个激光模块102的激光源101的输送光纤104包括一组渐变折射率光学元件204，而如图3B所示，耦合到包括单个激光模块102的激光源101的输送光纤仅包括光波导202。如图3A和3B所示，在输送光纤104中包括光纤望远镜203使得能够使用具有相同长度的端盖206，因此，当提供包括单个激光模块102的激光源101和包括多个激光模块102的激光源101两者(尽管它们是明显不同的激光源)的输送光纤的连接器端接时，可以使用相同的机械部件、公差等。
如上所述，图3A和3B仅作为示例提供。其他示例可以与关于图3A和3B描述的示例不同。
可替代地，在一些实施方式中，光纤望远镜203可以缩小激光输出，以减小光斑尺寸并增加在输送光纤104的出射面处的NA。例如，一组渐变折射率光学元件204可以缩小包括单个激光模块102的激光源101的激光输出，这减小光斑尺寸并增加在输送光纤104的出射面处的NA(例如与使用不包括光纤望远镜203的输送光纤相比)。在一些实施方式中，可以选择渐变折射率光学元件204的焦距的组合以使包括单个激光模块102的激光源101的NA与包括多个激光模块102的激光源101的NA匹配。
图4A和4B是示出示例的图，其中选择渐变折射率光学元件204的焦距以使包括单个激光模块102的激光源101的NA与包括多个激光模块102的激光源101的NA匹配。如图4B所示，耦合到包括单个激光模块102的激光源101的输送光纤104包括一组渐变折射率光学元件204，而如图4A所示，耦合到包括多个激光模块102的激光源101的输送光纤仅包括光波导202。如图4A和4B所示，在输送光纤104中包括光纤望远镜203使得能够使用具有相同长度的端盖206，因此，当提供包括单个激光模块102的激光源101和包括多个激光模块102的激光源101两者的输送光纤的连接器端接时，可以使用相同的机械部件、公差等。
如上所述，图4A和4B仅作为示例提供。其他示例可以与关于图4A和4B描述的示例不同。
在一些实施方式中，光纤望远镜203的一组渐变折射率光学元件204中的至少一个可以是非四分之一节距渐变折射率透镜。例如，除了使用将该组渐变折射率光学元件204用作渐变折射率透镜以构成完美成像望远镜所需的1/4节距长度之外，该组渐变折射率光学元件204中的一个或多个的长度可以与1/4节距长度不同(例如比1/4节距长度更短或更长)。在此，非四分之一节距长度实现不完美成像，这可能对材料处理有利。例如，非四分之一节距长度可用于相对于成像束的苛性腰移动图像平面(例如以增强束在工件上的材料处理特性)。
图5A和5B是示出与在光纤望远镜203中使用非四分之一节距渐变折射率光学元件204以实现不完美成像有关的示例的图。在图5A中，使用至少一个非四分之一节距渐变折射率光学元件204以实现不完美成像。例如，如图5A所示，在通过输送光纤104(例如光波导202、渐变折射率光学元件204-1、渐变折射率光学元件204-2、端盖206)和一组透镜(例如包括在例如处理头106中的透镜502和透镜504)传输之后，图像平面506相对于成像束的苛性腰508移动。在一些实施方式中，可以通过选择一组渐变折射率光学元件204中的一个或多个的非四分之一节距长度来控制图像平面的移动量。这与图5B相反，在图5B中，四分之一节距渐变折射率光学元件204用于实现完美成像。如图所示，在通过输送光纤104和透镜组传输之后，图像平面506与成像束的苛性腰508对准。
如上所述，仅作为示例提供图5A和5B。其他示例可以与关于图5A和5B描述的示例不同。
本文描述的技术和设备还对例如在kW切割和/或焊接应用中使用的处理头106具有影响。通常，这种处理头106配置为使用一组光学部件(例如包括一个或多个透镜、曲面镜等)将激光输出(例如由包括单个激光模块的激光源101或包括多个激光模块102的激光源101提供)成像到工件上。在一些实施方式中，选择这些光学部件的焦距以针对所使用的激光的发散进行优化。因此，根据输入束，可能需要具有不同的光学配置。然而，通过如上所述用光纤望远镜203修改输送光纤104上的激光，可以对包括单个激光模块的激光源101和包括多个激光模块102的激光源101使用相同的处理头。
对于不同的激光源，必须在处理头106中利用不同的透镜，这增加了处理头106的设计的复杂性，并导致需要不同的模型。此外，与这些透镜一起，在处理头106的前端中经常有孔和其他光学元件，它们也需要被定制以匹配激光束的发散。然而，通过使用包括光纤望远镜203的输送光纤104，来自包括多个激光模块102的激光源101的光的发散可以与来自包括单个激光模块102的激光源101的光的发散相匹配。换句话说，在一些实施方式中，可以选择该组渐变折射率光学元件204的焦距以实现激光输出的特定发散。因此，单个处理头前端可用于支撑这两种类型的激光源101(前提是要考虑功率密度)。
图6A和6B是示出示例的图，其中渐变折射率光学元件204用于使来自包括单个激光模块102的激光源101的光的发散与包括多个激光模块102的激光源101的发散相匹配。如图6A所示，耦合到包括单个激光模块102的激光源101的输送光纤104包括一组渐变折射率光学元件204，而如图6B所示，耦合到包括多个激光模块102的激光源101的输送光纤仅包括光波导202。如图6A和6B所示，光纤望远镜203使单个激光模块102提供的光的发散与多个激光模块102提供(经由端盖206传输之后)的光的发散相匹配，因此，处理头106的相同配置可以用于包括单个激光模块102的激光源101和包括多个激光模块102的激光源101。在操作中，可以根据工件上所需的条件来改变透镜504(例如聚焦透镜)。因此，处理头106的该部分可能需要灵活性。在一些实施方式中，改变透镜504的灵活性可用于解决由于使用光纤望远镜203而导致的工件上光斑尺寸的变化。
如上所述，图6A和6B仅作为示例提供。其他示例可以与关于图6A和6B描述的示例不同。
在一些实施方式中，该组渐变折射率光学元件204可用于在通过处理头106成像之前调节激光束的光斑尺寸。例如，在一些处理头106中，可能没有足够的可用放大倍数范围(例如，如果可用透镜的选择受到限制，或者如果处理头106的物理结构不允许某些所需的放大倍数)。在这种情况下，光纤望远镜203可用于在光纤端部处创建更大或更小的光斑尺寸，从而在工件上提供延伸范围的输出光斑尺寸。
图7是用于使用包括在输送光纤中的光纤望远镜来修改激光源的激光输出的示例过程700的流程图。在一些实施方式中，可以由光纤装置(例如输送光纤104)的一个或多个部件执行图7的一个或多个过程框。
如图7所示，过程700可以包括将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端(框710)。例如，光纤装置可以将激光输出从光波导(例如光波导202)的第一端引导到光波导的第二端，如上所述。
如图7进一步示出，过程700可以包括通过耦合到光波导的第二端的光纤望远镜来修改激光输出(框720)。例如，光纤装置可以通过耦合到光波导的第二端的光纤望远镜(例如光纤望远镜203)来修改激光输出，如上所述。在一些实施方式中，光纤望远镜包括一组渐变折射率光学元件(例如第一渐变折射率光学元件204-1和第二渐变折射率光学元件204-2)。在一些实施方式中，修改包括以下中的至少一个：激光输出的放大，激光输出的缩小，图像平面相对于激光输出的苛性腰的移动，或激光输出的束成形。
过程700可以包括附加实施方式，比如以下描述的和/或结合本文其他地方描述的一个或多个其他过程的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。
在第一实施方式中，一组渐变折射率光学元件具有近似抛物线的折射率分布。
在第二实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，其中第一和第二渐变折射率光学元件是四分之一节距渐变折射率透镜。
在第三实施方式中，光纤装置包括熔合到该组渐变折射率光学元件的第二面上的端盖(例如端盖206)。
在第四实施方式中，激光输出由单个模块激光(例如激光模块102)提供。
在第五实施方式中，光纤望远镜将激光输出缩小，以减小光斑尺寸并增加在光纤装置的出射面处的数值孔径。
在第六实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，其中选择第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距以使单个模块激光(例如单个激光模块102)的NA与包括多个激光模块(例如多个激光模块102)的引擎的NA匹配。
在第七实施方式中，激光输出由包括多个光纤激光模块(例如激光模块102-1至102-N)的引擎提供。
在第八实施方式中，光纤望远镜用于放大激光输出，以增加光斑尺寸并减小在光纤装置的出射面处的NA。
在第九实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，其中选择第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距以使包括多个激光模块(例如多个激光模块102)的引擎的NA与单个激光模块(例如单个激光模块102)的NA匹配。
在第十实施方式中，一组渐变折射率光学元件中的至少一个渐变折射率光学元件是非四分之一节距渐变折射率透镜。
在第十一实施方式中，光纤望远镜用于与实现不完美成像相关地使图像平面相对于激光输出的苛性腰移动。
在第十二实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，其中选择第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距以实现激光输出的特定发散。
在第十三实施方式中，一组渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距。
在第十四实施方式中，一组渐变折射率光学元件中的至少一个渐变折射率光学元件的长度为四分之一节距。
在第十五实施方式中，一组渐变折射率光学元件中的至少一个渐变折射率光学元件的长度大于或小于四分之一节距。
在第十六实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括至少三个渐变折射率光学元件。
在第十七实施方式中，一组渐变折射率光学元件中的至少两个具有相同的直径和相同的渐变折射率分布，并且由单片渐变折射率材料形成。
在第十八实施方式中，一组渐变折射率光学元件包括其中渐变折射率分布根据沿着光纤轴的位置而变化的渐变折射率元件。这可能导致有效焦距随位置而变化。在一些实施方式中，一种用于制造具有轴向变化的渐变折射率分布的光纤的方法可以包括对光纤进行熔融锥化。
尽管图7示出了过程700的示例框，但在一些实施方式中，过程700可以包括比图7中所描绘的框更多的框、更少的框、不同的框或不同布置的框。另外，或可替代地，可以并行执行过程700的两个或更多个框。
本文描述的一些实施方式提供了输送光纤104，其包括用于引导激光输出的光波导202，以及光学耦合至光波导202以修改激光输出的光纤望远镜203。在一些实施方式中，光纤望远镜203可以包括一对渐变折射率光学元件204。在一些实施方式中，由光纤望远镜203进行的修改可以包括：激光输出的放大，激光输出的缩小，图像平面相对于激光输出的苛性腰的移动，或激光输出的束成形，如上所述。
前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制为所公开的精确形式。可以根据以上公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。
即使在权利要求中叙述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但这些组合不旨在限制各种实施方式的公开。实际上，许多这些特征可以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可能仅直接取决于一个权利要求，但各种实施方式的公开包括与权利要求组的每个其他权利要求相结合的每个从属权利要求。
除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。另外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项(例如相关项、不相关项、相关和不相关项的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。在仅意图一项的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。另外，如本文所用，术语“具有”及其变体等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。而且，如本文所用，术语“或”在串联使用时意图是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“或者”或“仅其中一个”结合使用)。

Claims (30)

1.一种光纤装置，包括：
光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和
光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端以修改激光输出，该光纤望远镜包括：
第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的第二端；以及
第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。
2.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距。
3.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件具有近似抛物线的折射率分布。
4.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件是四分之一节距渐变折射率透镜。
5.根据权利要求1所述的光纤装置，还包括熔合到所述第二渐变折射率光学元件的第二面上的端盖。
6.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述激光输出由单个模块激光提供。
7.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述光纤望远镜用于缩小激光输出，以减小光斑尺寸并增加在光纤装置的出射面处的数值孔径。
8.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，选择所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距，以使单个模块激光的数值孔径与包括多个激光模块的引擎的NA匹配。
9.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述激光输出由包括多个光纤激光模块的引擎提供。
10.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述光纤望远镜用于放大激光输出，以增加光斑尺寸并减小在光纤装置的出射面处的数值孔径。
11.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，选择所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距，以使包括多个激光模块的引擎的数值孔径(NA)与单个激光模块的NA匹配。
12.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件中的至少一个是非四分之一节距渐变折射率透镜。
13.根据权利要求12所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件具有相同的直径和相同的渐变折射率分布，并且由单片渐变折射率材料形成。
14.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述光纤望远镜用于与实现不完美成像相关地使图像平面相对于激光输出的苛性腰移动。
15.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，选择所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件的焦距，以实现激光输出的特定发散。
16.根据权利要求1所述的光纤装置，其中，所述修改包括以下中的至少一个：
激光输出的放大，
激光输出的缩小，
图像平面相对于激光输出的苛性腰的移动，或
激光输出的束成形。
17.一种激光系统，包括：
激光源，用于提供激光输出；
光纤装置，包括：
光波导，用于引导激光输出；和
光纤望远镜，用于修改激光输出，该光纤望远镜光学耦合到光波导的端部，并且该光纤望远镜包括：
第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的端部；以及
第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。
18.根据权利要求17所述的激光系统，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件具有近似抛物线的折射率分布。
19.根据权利要求17所述的激光系统，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件是四分之一节距渐变折射率透镜。
20.根据权利要求17所述的激光系统，还包括熔合到所述第二渐变折射率光学元件的第二面上的端盖。
21.一种方法，包括：
将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；
通过耦合到光波导的第二端的光纤望远镜修改激光输出，
其中，所述光纤望远镜包括一组渐变折射率光学元件，并且
其中，所述修改包括以下中的至少一个：
激光输出的放大，
激光输出的缩小，
图像平面相对于激光输出的苛性腰的移动，或
激光输出的束成形。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件具有近似抛物线的折射率分布。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述一组渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述一组渐变折射率光学元件包括其中渐变折射率分布根据沿着光纤轴的位置而变化的渐变折射率元件。
25.一种光纤装置，包括：
光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和
光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端，以修改激光输出，
其中，所述光纤望远镜包括至少一个渐变折射率光学元件，
其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距，并且
其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的面熔合到光波导的第二端。
26.根据权利要求25所述的光纤装置，其中，所述至少一个渐变折射率光学元件包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，
其中，所述第一渐变折射率光学元件的第一面是熔合到光波导的第二端的面，并且
其中，所述第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。
27.根据权利要求25所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件或第二渐变折射率光学元件中的至少一个的长度为四分之一节距。
28.根据权利要求25所述的光纤装置，其中，所述第一渐变折射率光学元件或第二渐变折射率光学元件中的至少一个的长度大于或小于四分之一节距。
29.根据权利要求25所述的光纤装置，其中，所述至少一个渐变折射率光学元件包括至少三个渐变折射率光学元件。
30.根据权利要求25所述的光纤装置，其中，所述至少一个渐变折射率光学元件包括其中渐变折射率分布根据沿着光纤轴的位置而变化的渐变折射率元件。
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