CN111683783A - 用于激光加工材料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光加工材料(11)的装置，该装置包括激光器(1)、光纤(2)和耦合器(125)，其中：激光器(1)被连接至光纤(2)；光纤(2)使得激光辐射(13)能够在具有第一模式阶次(24)的第一光学模式(21)、具有第二模式阶次(25)的第二光学模式(22)以及具有第三模式阶次(26)的第三光学模式(23)中沿光纤(2)传播；第三模式阶次(26)高于第二模式阶次(25)；并且第二模式阶次(25)高于第一模式阶次(24)；该装置的特征在于：耦合器(125)被配置成将在第一光学模式(21)中传播的激光辐射切换为在二阶模(22)中传播的激光辐射；以及耦合器(125)被配置成将在第二光学模式(22)中传播的激光辐射切换为在三阶模(23)中传播的激光辐射。

Description

用于激光加工材料的装置和方法
发明领域
本发明涉及用于激光加工材料的装置和方法。
发明背景
激光被用于许多激光加工应用(包括切割、焊接、钻孔、雕刻和加性制造)中。在这些应用中，通常期望优化与材料相互作用的激光束的尺寸和横截面轮廓。例如，可以通过改变聚焦透镜与工件之间的工作距离来改变与材料相互作用的激光束的光斑尺寸。可以使用外部光学器件来将横截面轮廓从高斯改变为顶帽(top hat)，或改变为环形或环轮廓。然而，向外部光学器件提供此类灵活性是昂贵的，并且必须改变工作距离花费了时间，并且因此增加了加工成本。期望能够将激光束从单个基本高斯模式改变为顶帽或环形光束，而不必调整加工头中的光学器件。还期望能够在不改变工作距离的情况下改变激光束的光斑尺寸。
金属粉末床加性制造系统使用基本高斯模式，以便在所构建的三维结构中给出最小可能的特征尺寸。然而，使用基本高斯模式意味着构建较大的结构是缓慢的。因此，需要能够将激光束从可以创建小特征的基本高斯模式切换到可以更快地加工更大区域的、具有更大且更均匀的光斑尺寸的激光束。
激光钻孔可能会出现的问题是，一旦钻孔后，激光束会损坏孔后面的表面。该问题可以通过提供环形激光束来至少部分地解决。可以使用轴棱锥透镜或通过将激光辐射引导到光纤或其他波导的包层或环形芯中来创建环形光束。然而，此类光束可迅速发散，并且在离开焦点超过1mm至2mm时不会保留其环形横截面。因此，需要在离开和穿过焦点时保持环形光束。存在通过提供具有低发散度的环形激光束来减小可被钻孔的孔尺寸的相关要求。
通过经由加工头将激光束引导到工件来实现钢的激光切割，该加工头具有用于准直和聚焦激光束的光学器件以及用于提供与激光束同轴的高压气体喷流的锥形铜喷嘴。基本的切割操作涉及：使用激光束来加热并熔化工件中的所需区域，并且使用被称为辅助气体喷射的气体喷射来将熔融材料吹出切割区的底部。切割头在工件上方移动，同时在切割头中的喷嘴尖头与工件表面之间保持恒定距离。切割头以经编程路径移动来创建形状。
在切割不锈钢的情形中，使用惰性辅助气体避免了在工件的切削刃面(cut-edgeface)上产生金属氧化物。金属氧化物可引起诸如弱化所焊接部件、由于切削刃面上的铬的耗尽而降低不锈钢的腐蚀特性、以及由于金属氧化物与不锈钢相比硬度的增加而增加滑动部件上的磨损之类的问题。由于这种切割工艺的唯一热源是由聚焦激光束提供的，因此具有更高能量密度的更小焦斑尺寸将通过产生更窄的熔融区域来提供更高效的切割。需要低发散度，使得熔融区域贯穿金属的厚度是窄的。对最小实际焦斑的限制由光学景深结合材料厚度来确定。这是因为切口宽度(截口(kerf))必须足够宽，以允许辅助气体以足够的压力行进到切口的底部，以干净地去除熔融材料并避免下切割边缘的熔渣，从而产生干净的切口。对于这种类型的切割，辅助气体必须以通常在10巴至20巴的范围中的高压来施加。喷嘴出口的直径通常在0.5mm至2.0mm的范围中，并且通常更厚的材料需要更大的喷嘴。
在切割厚于5mm的软钢(也被称为低碳钢)的情形中，通常使用氧气作为辅助气体。氧气与工件内的铁发生放热反应以提供附加的热量，这增加了切割速度。以通常在0.25巴至1巴的范围中的压力来施加氧气。与用于氮气辅助气体切割的压力相比，这些压力要低得多。对于通常在10mm至30mm厚度范围中的厚截面切割，截口必须足够宽，使得氧气辅助气体能够以足够的气流到达切割区的底部以喷射熔融材料，同时保持无熔渣切口。对于厚的软钢切割，通常使光束散焦，使得束腰(beam waist)位于钣金件表面上方，以使钣金件表面上的入射束直径大于束腰。当光束的发散度增加时，能够获得具有更低边缘粗糙度的更好质量的切口。
大多数通用平板(flatbed)激光切割机都需要切割各种厚度的一系列金属，其中切口都具有良好质量。焦斑尺寸的选择通常是满足广泛的工艺条件集所需的要求的折衷。对于切割薄不锈钢，需要具有低发散度的小焦斑。对于切割厚软钢，需要具有更高发散度的更大焦斑。平板切割机被设计成与具有固定光束质量的激光器一起工作。为了提高加工能力，切割头可具有增强光学系统，从而首先使聚焦透镜沿光束路径有限移动能够允许激光束相对于工件的散焦，这能够增加入射光斑尺寸，并且其次允许调整焦斑直径。这具有有限的益处，因为具有恒定激光束质量的激光器在焦斑尺寸与发散度之间将具有固定关系，其中该固定关系以与切割工艺方案所期望的相反的方式起作用。
不同的切割方案要么要求具有低发散度的小光斑，要么要求具有高发散度的大光斑，而具有固定光束质量的激光器能够要么提供具有高发散度的小光斑，要么提供具有窄发散度的大光斑。因此，不可能针对所有金属类型和厚度来优化工艺参数。
通常通过将激光束聚焦在材料的底表面附近来优化熔融切割。激光束的高强度优选地用于增加切割速度，但是这可能以可引起切口的顶表面的不期望的辉纹的熔体流动力学为代价。期望提供在材料的顶表面处具有环形横截面并且在底表面处具有高斯或顶帽轮廓的激光束。这将在顶表面上提供更好的热量分布，并且向材料底部提供更高的强度，从而在不显著损失切割速度的情况下增强切割质量。
诸如举例而言焊接、打标和加性制造之类的其他材料加工装备存在类似的限制。在所有这些应用领域中，需要一种激光加工装置，其中能够改变激光的光束参数乘积，并且能够改变被加工材料上的聚焦激光束的直径。
本发明的目的是提供一种用于激光加工材料的装置和方法，其减少或避免了以上提及的问题。
本发明
根据本发明的一个非限制性实施例，提供了用于激光加工材料的装置，该装置包括激光器、光纤和耦合器，
其中：
·该激光器被连接至该光纤；
·该光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿该光纤传播；
·第三模式阶次高于第二模式阶次；并且
·第二模式阶次高于第一模式阶次；
该装置的特征在于：
·该耦合器被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换为在二阶模中传播的激光辐射；以及
·该耦合器被配置成将在第二光学模式中传播的激光辐射切换为在三阶模中传播的激光辐射。
该耦合器可被配置成将可在第一光学模式中传播的激光辐射的至少75％耦合至第三光学模式。
该耦合器可被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换到多个光学模式，从而使得能够形成激光辐射的顶帽光功率分布。
该装置可包括光学透镜布置，该光学透镜布置被配置成将激光辐射聚焦到材料的表面上或附近。
该装置可包括透镜，其中该透镜由前焦面和后焦面来定义，第一光学模式由瑞利(Rayleigh)长度来定义，并且该透镜位于距源自激光器的光纤的远端的两个瑞利长度之内。
透镜可被定位成使得光纤的远端位于前焦面处。
透镜可包括渐变折射率透镜。
光纤可具有多个芯，并且第三光学模式和第一光学模式可在这些芯中的不同芯中传播。这些芯中的至少一者可以是围绕这些芯中的另一者的环形芯。
耦合器可包括至少一个挤压机构，该至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性表面。周期性表面可定位成毗邻于光纤。挤压机构可被配置成利用挤压力来将周期性表面和光纤挤压在一起，藉此将第一光学模式耦合至第二光学模式，并且将第二光学模式耦合至第三光学模式。
该装置可被配置成取决于期望的输出模式而施加不同的挤压力。
节距可以是沿周期性表面的长度啁啾(chirped)的可变节距。可变节距可具有第一节距和第二节距，其中第一节距将第一光学模式和第二光学模式耦合在一起，并且第二节距将第二光学模式和第三光学模式耦合在一起。
挤压机构可被配置成在施加挤压力时以螺旋方式使光纤变形。
激光辐射可由光束参数乘积来定义，并且耦合器可以使得能够通过增加挤压力来增加光束参数乘积。
该装置可包括长周期光栅，该长周期光栅被配置成将第三光学模式耦合至多个光学模式，藉此使得激光辐射能够具有顶帽或环形环轮廓。
长周期光栅可包括第二挤压机构，该第二挤压机构包括由节距限定的周期性表面；该周期性表面定位成毗邻于光纤；并且该挤压机构可被配置成利用挤压力来将该周期性表面和该光纤挤压在一起。
该装置可被配置成从光纤发射单个个体光学模式。
光纤可包括基本上均质(homogeneous)的芯，由此避免了光学模式之间的非预期模式耦合。
本发明还提供了一种用于激光加工材料的方法，该方法包括：
·提供发射激光辐射的激光器；
·提供光纤，该激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中通过该光纤传播；以及
·将该激光辐射耦合至该光纤的第一光学模式；
其中
·第三模式阶次高于第二模式阶次；以及
·第二模式阶次高于第一模式阶次；
该方法的特征在于以下步骤：
·提供耦合器，该耦合器被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换为在二阶模中传播的激光辐射，并且将在二阶模中传播的激光辐射切换为在三阶模中传播的激光辐射；以及
·利用该激光辐射来激光加工材料。
在第一光学模式中传播的激光辐射的至少75％可被切换到第三光学模式。
在第一光学模式中传播的激光辐射可被切换到包括第三光学模式的多个光学模式，从而形成激光辐射的顶帽光功率分布。
第一光学模式可由瑞利长度来定义，并且该方法可包括以下步骤：提供由前焦面和后焦面来定义的透镜；以及将透镜定位在距源自激光器的光纤的远端的两个瑞利长度之内。
该方法可以使得透镜可包括渐变折射率透镜。
该方法可包括将激光辐射聚焦以在材料的表面上或附近形成束腰的步骤。
该方法可以使得第一光学模式可以是光纤的基模。
该方法可以使得第三光学模式可具有至少为3的方位角模数、以及至少为1的径向模数。
该方法可以使得耦合器可包括至少一个挤压机构，该挤压机构包括由节距限定的周期性表面。周期性表面可定位成毗邻于光纤。挤压机构可被配置成利用挤压力来将周期性表面和光纤挤压在一起。
该方法可包括以下步骤：提供控制器以将所定义的控制信号施加到挤压机构，以便选择期望的第三光学模式。选择第三光学模式的步骤可以通过调整挤压力来实现。
该方法可包括以下步骤：提供控制器以将所定义的控制信号施加到耦合器以用于选择不同的光学输出模式。
该方法可包括以下步骤：选择第一光学模式；以及利用激光辐射来穿刺材料。
激光加工材料的步骤包括：选择第三光学模式；以及利用激光辐射来切割材料。
该方法可包括以下步骤：将激光辐射切换为顶帽光功率分布；以及利用该激光辐射来切割材料。
该方法可包括利用激光辐射来焊接材料的步骤。
该方法可包括利用激光来烧结材料的步骤，其中在烧结之前该材料处于金属粉末的形式。
该方法可包括利用激光来钻孔材料的步骤。
本发明还提供了一种使用本发明的装置来切割材料的方法，该方法包括：利用加工头来将激光聚焦在材料上；选择高斯轮廓来穿刺该材料；以及选择顶帽光功率分布来切割该材料。
本发明还提供了一种使用本发明的装置来焊接材料的方法，该方法包括：使用远离焦点的加工头来投射激光；以及使用本发明的装置来改变工作光斑尺寸以通过改变光斑尺寸和轮廓来优化焊接工艺。
本发明的方法可替换地或附加地包括利用本发明的装置的上述可任选方面所需的一个或多个步骤。
附图简述
现在仅通过示例并且参照附图描述本发明的各实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的用于激光加工材料的装置；
图2示出了光纤的导模的强度分布；
图3示出了由激光束形成的束腰；
图4和5示出了光学模式从光纤的远端发散并由透镜成像的光束直径；
图6示出了用于增加激光束的发散度的负透镜；
图7示出了在光纤的远端上形成的短焦距透镜；
图8示出了在接合到光纤的远端的端帽上形成的短焦距透镜；
图9示出了用渐变折射率光纤制成的短焦距透镜；
图10示出了光学模式由短焦距透镜成像的光束直径；
图11示出了在光纤的远端处的顶帽功率分布由根据本发明的装置成像为在激光束的焦点处的顶帽功率分布；
图12示出了在光纤的远端处的顶帽功率近场分布由根据本发明的装置成像为在激光束的焦点处的顶帽功率分布的远场(far field)；
图13示出了其中光纤沿其长度周期性地弯曲的挤压机构；
图14示出了其中光纤沿其长度周期性地压缩的挤压机构；
图15示出了包括四个周期性表面的挤压机构，其中每个周期性表面与其邻表面成直角布置；
图16示出了包括相对于彼此成60度布置的三个周期性表面的挤压机构；
图17示出了包含用于将光纤扭曲成螺旋状的三个部件的挤压机构；
图18示出了这三个部件之一的细节；
图19示出了其中基模通过级联过程被耦合至更高阶模的实验的结果；
图20示出了基本LP0,1模式和LP3,1通过束腰的演化；
图21至25示出了在光纤的远端处的透镜的选择和位置对各种光学模式在由聚焦透镜聚焦之后的光束直径的影响；
图26示出了在由环形模式辐照之后的工件的温度轮廓；
图27示出了在由基模辐照之后的工件的温度轮廓；以及
图28示出了具有环形芯的光纤。
优选实施例
图1示出了用于激光加工材料11的装置，该装置包括激光器1、光纤2和耦合器125，
其中：
·激光器1被连接至光纤2；
·光纤2使得激光辐射13能够在具有第一模式阶次24的第一光学模式21、具有第二模式阶次25的第二光学模式22以及具有第三模式阶次26的第三光学模式23中沿光纤2传播；
·第三模式阶次26高于第二模式阶次25；以及
·第二模式阶次25高于第一模式阶次24；
该装置的特征在于：
·耦合器125被配置成将在第一光学模式21中传播的激光辐射切换为在二阶模22中传播的激光辐射；以及
·耦合器125被配置成将在第二光学模式22中传播的激光辐射切换为在三阶模23中传播的激光辐射。
耦合器125可被配置成将可在第一光学模式21中传播的激光辐射的至少75％耦合至第三光学模式23。耦合器125可被配置成将可在第一光学模式21中传播的激光辐射的至少90％耦合至第三光学模式23。
耦合器125可包括至少一个挤压机构3。挤压机构3可包括由节距7限定的至少一个周期性表面6。周期性表面6定位为毗邻于光纤2。节距7被选择成使得周期性表面6将第一光学模式21和第二光学模式22耦合在一起。挤压机构3被配置成利用挤压力12来将周期性表面6和光纤2挤压在一起，藉此将第一光学模式21耦合至第二光学模式22。
图1的装置可包括由前焦面14和后焦面15定义的透镜4。第一光学模式21可由参考图20所示的瑞利长度217来定义。透镜4位于距光纤2的远端16的两个瑞利长度217之内。优选地，透镜4位于距光纤2的远端16的瑞利长度217之一内。
透镜4可被定位成使得光纤2的远端16位于前焦面14处。
至少一个长周期光栅127可以可任选地跟随第一挤压机构3。长周期光栅127可具有沿其长度8均匀的周期7，或者可具有沿其长度8啁啾的周期7。第一挤压机构3可被配置成将第一光学模式21耦合至第二光学模式22。长周期光栅127可被配置成将第二光学模式22耦合至第三光学模式26。长周期光栅127可被配置成将第二光学模式22耦合至多个第三光学模式26。
第一挤压机构3可被配置成将第一光学模式21耦合至第三光学模式26。长周期光栅127可被配置成将第三光学模式22耦合至多个光学模式(未示出)。优选地，长周期光栅127可被配置成使得光学模式被近似均匀地激发，从而使得激光辐射13能够具有顶帽或环形轮廓。
长周期光栅127可包括光纤布拉格光栅。
长周期光栅127可包括诸如图1所示的第二挤压机构129。
激光器1被连接至光纤2。激光器1被示为具有输出光纤9，该输出光纤9在接头10处被连接至光纤2。激光器1可以是在基模中从光纤9发射激光辐射的激光器。接头10可包括被配置成发射光纤2的基模的锥形体。接头10可以使得光纤2的至少两种模式被发射。替换地，激光器1可以是在多个横模中发射激光辐射的激光器。激光器1可以是光纤激光器、盘状激光器、棒状激光器、板条激光器、或固态激光器。该装置可以在具有或不具有激光器1的情况下出售。
光纤2可被定位在装置中合适的任何位置。因此，例如，光纤2可包括拼接在一起的一条或多条光纤。使第一挤压机构3与激光器1位于一处以使得控制激光器的控制信号也可被用于控制第一挤压机构3可以是有利的。这避免了昂贵的电缆和控制系统。第一挤压机构3可与激光器1封装在一起，或者可在激光器的封装之外位于传输光纤中，该传输光纤将激光辐射13从激光器1传送到光纤2的远端16。
光纤2包括芯31和包层32，如图2所示。芯31由芯直径18和玻璃包层直径19来定义。芯直径18可以在20μm与150μm之间，优选地在50μm与105μm之间，并且更优选地为50μm。玻璃包层直径19可以在150μm至500μm之间，并且优选地在150μm与250μm之间。优选地，玻璃包层直径19与芯直径18的比率至少为5，并且更优选地至少为10，以便避免微弯(microbending)以及各模式之间的不受控制的耦合。
光纤2可以是图28所示的光纤281。光纤281具有围绕芯31的环形芯282。环形芯282可被设计成使得它支持参考图1所描述的第三光学模式23。
再次参考图2，光纤2被视为引导光学模式20。光学模式20包括数个波瓣27，其中光学模式20的强度具有局部最大值。围绕光纤2的方位角29存在十六个波瓣27，并且沿其半径28存在四个波瓣27。遵循常规，光学模式20是LPp,q模，其中p是方位角模数，并且q是径向模数。围绕方位角29的波瓣27的数目等于方位角模数的两倍，并且沿半径28的波瓣27的数目等于径向模数q。所示的模式20是LP8,4模，因为围绕方位角29存在十六个波瓣27，并且沿半径28存在四个波瓣27。光学模式20的模式阶次由下式给出：
模式阶次＝p+2q-1
在该示例中，光学模式20的模式阶次＝15。
图3示出了具有随距离改变的光束直径39的激光辐射13被聚焦到焦点34。激光辐射13具有在焦点34处等于2ω0的束腰直径35。束腰直径35常被称为光斑尺寸。激光辐射13以等于α的发散角36远离焦点34发散。束腰直径35的一半与发散角36的乘积被定义为光束参数乘积BPP 33：
BPP＝α.ω0
光束参数乘积33是激光辐射13的光束质量的度量。光束参数乘积33通过以下等式与光束质量M2值37和λ(激光辐射13的波长5)相关：
BPP＝M2.λ/π
衍射受限高斯模式具有等于其模式阶次的光束质量M2值37。如果这些模式具有相同的束腰直径35，则发散角36与其模式阶数成比例。束腰直径35常被称为光斑尺寸。
由光纤引导的光学模式通常不是完美的衍射受限高斯模式。例如，单模光纤具有约为1.1的M2值37。然而，对于第一近似，光学模式具有等于模式阶次的M2值37。同样对于一阶近似，沿光纤2传播的光学模式具有约等于参考图2所示的芯直径18的束腰直径35。因此，如果激光辐射13作为具有不同方位角模数p和不同径向模数q的光学模式的集合沿光纤2传播，则激光辐射13在每种光学模式中的发散角36将由下式给出：
α＝M2.λ/(π.ω0)
其约为：
α＝(p+2q–1).λ/(π.ω0)
其中束腰直径35 2ω约为光纤2的芯直径18。
因此，对于一阶，从光纤2的远端14发出的激光辐射13将作为光学模式群发出，每个光学模式群具有相同的束腰直径35，并且其中发散角36发生改变以使得发散角36随光学模式的模式阶次而增加。
考虑到透镜4的衍射以及折射，被放置成使得光纤2的远端16在其前焦面14处的透镜4将在其后焦面15处产生束腰，在该后焦面15处光场是沿光纤2传播的激光辐射13的场的放大的空间傅里叶变换。换言之，参考图1，透镜4将入射角转换成后焦面15中的位移。因此，在光纤2的远端16处具有大约相同的束腰直径35并且离开前焦面14以不同的发散角36发散的模式的集合将被变换成在后焦面中具有不同的束腰直径35并且离开后焦面15以基本相同的发散角36发散的模式的集合。
后焦面15处的放大率由透镜4的焦距与光纤2的远端16处的场的瑞利长度的比率给出。瑞利长度被定义为从光纤2的远端16到其中光束的半径已经增加了二的平方根倍的平面的距离。例如，如果透镜4的焦距等于瑞利长度，则后焦面15处的光束半径将等于光纤2的远端16处的光束半径。如果透镜4的焦距是瑞利长度的两倍，则后焦面15处的束腰的宽度将是光纤2的远端16处的宽度的两倍，并且光束的发散度36将是从光纤2的远端16发出的光束的发散度的一半。
图4和图5示出了光束直径39如何针对LP0,1模41、LP2,1模42、LP4,1模43、LP6,1模44、LP8,1模45和LP10,1模46随着距光纤2的远端16的距离49而改变。光束直径39被示为针对每种模式的较高线与较低线之间的径向距离40之差，如图4中通过LP4,1模43在距光纤2的远端16为4mm的距离处的光束直径39来指示的。为了清楚起见，在图5中省略了该数种光学模式41至46中的一些。光纤2具有50μm的芯直径18。光学模式41至46的光束直径39被假定为具有等于芯直径18的束腰直径35，即在光纤2的远端16处为50μm的束腰直径35。模式41至46以不同的发散角36从远端16发散，因为模式41至46具有不同的模式阶数，并且因此具有不同的光束直径乘积33。透镜4被定位成使得光纤2的远端16处于透镜4的前焦面14处。透镜4将入射在透镜4上的角度转换成在后焦面15中距其光轴的距离。模41至46各自在后焦面15处形成束腰48，在该后焦面15处，它们各自具有彼此不同的模场直径35。如图15所示，随着模式41至46远离后焦面15衍射，它们汇聚以具有相同的发散角36。
再次参考图1，该装置包括光学透镜布置50，该光学透镜布置50被配置成将透镜4的后焦面15成像到材料11的表面上或附近。光学透镜布置50被示为包括准直透镜51、激光扫描仪52和聚焦透镜53。其他光学透镜布置50也是可能的。参照图4和5描述的光学模式41至46具有远离后焦面15的相同发散角36。模式41至46具有不同的模式阶数，并且因此具有不同的光束质量M2值37和不同的光束参数乘积33。模式41至46将因此在焦点34处具有不同的束腰直径35。忽略诸如像差之类的光学缺陷的影响，在材料11的表面上的焦点34处的束腰直径35将等于光学透镜布置50和相应模式在后焦面处的束腰直径35的放大率。
因此，透镜4已经将激光辐射13在前焦面14处的近场转换成激光辐射13在后焦面15处的远场。因此，后焦面15在材料11的表面上的成像也将是激光辐射13的远场。与对激光辐射13的近场成像相比，对激光辐射13的远场成像的能力提供了一些重要的优点。这些优点包括在切割某些材料时更快的穿刺速度、更快的切割速度以及更好的边缘质量。另外，调整材料11和聚焦透镜53的相对位置的要求可常被避免，这提供了显著的成本优势。
参考图4，透镜4减小了从光纤2发射的激光辐射13的发散角36。如图6所示，可以利用负透镜61来增大发散角36。负透镜61被放置成使得后焦面15处于透镜4与负透镜61之间。在做出薄透镜近似的情况下，前焦平面14与透镜4之间的距离63为透镜4的焦距65。后焦面15与透镜4之间的距离64也是透镜4的焦距65。
再次参考图1，透镜4的放大率由透镜4的焦距与从光纤2的远端16发出的激光辐射13的瑞利长度的比率给出。为了增大发散角36，放大率应该尽可能小。这意味着透镜4的焦距65应该尽可能短，理想地不超过来自光纤2的光束的瑞利长度的四倍。这是因为目的一般是利用具有适当大焦距的聚焦透镜53将透镜4的后焦面15处的场成像到材料11上的小焦点尺寸34，以便保护聚焦透镜53免受来自工件的飞溅。如果要成像到目标上的场太大而发散角36太低，则成像光学器件的系统可能会变得大得不方便。因此，透镜4的放大率存在实际的限制。
图10示出了在透镜4具有400μm的焦距时光束直径39如何针对LP0,1模41、LP2,1模42、LP4,1模43、LP6,1模44、LP8,1模45和LP10,1模46随着距光纤2的远端16的距离49而改变。该发散比图5的发散更快。
可以通过在光纤2的输出上形成透镜4来实现更短的焦距65，如图7所示。可以通过例如使用电弧、火焰或激光来熔化光纤2的玻璃来形成透镜4。当形成透镜4时，限定芯31的掺杂剂71将扩散。光纤2的远端16是由芯31提供的引导结束之处。透镜4使得远端16位于前焦面14处。
透镜4可被形成在连接至光纤2的端帽81上，如图8所示。端帽81可以利用二氧化碳激光器或通过金刚石车削来成形。端帽常被拼接到用于递送高功率激光束的光纤的端部上，以便防止玻璃到空气表面处的光学损伤。透镜4和端帽81的长度82使得端帽81的玻璃材料中的前焦面14处于端帽81的前表面83处。端帽81优选地由二氧化硅制成。
端帽优选地被装配到图1所示的光纤2上。二氧化硅端帽具有约为1.5的折射率，并且因此必须将透镜4移动得更靠近光纤2以进行补偿，以便确保远端16处于透镜4的前焦面14处。
图9示出了已经由具有芯92和包层93的渐变折射率光纤91制成的透镜4。芯92具有随半径95改变的折射率轮廓94。折射率轮廓94优选地是抛物线轮廓。此类光纤在重新聚焦长度LR 97之后将图像重新聚焦在其正面上，其中重新聚焦的图像被反转。重新聚焦长度LR97是在其上节距开始处的图像被重新形成的节距长度的一半。渐变折射率光纤91的长度96优选地等于重新聚焦长度97的一半或者重新聚焦长度97的一半的奇整数。即，长度96可以是0.5LR、1.5LR、2.5LR、3.5LR等。随后，前焦面14处于渐变折射率光纤91的正面88，而后焦面15处于渐变折射率光纤91的背面89。优选地，端帽98被接合到渐变折射率光纤91，以便防止由高功率激光束引起的光学损坏。端帽98优选地是熔融二氧化硅。端帽98的长度99可处于1mm至5mm之间。
图9中所示的装置是使用具有约为0.4mm的长度96的渐变折射率光纤来制成的。模式41至46的衍射比图5和10中所示的衍射更快。再次参考图6，激光束13的更大发散度36意味着不再需要负透镜61以使光束与合理尺寸的成像透镜系统兼容。
图11示出了用于利用激光辐射13来激光加工材料的现有技术装置。图11的装置不包括透镜4。准直透镜51和聚焦透镜53对激光辐射13在光纤2的远端16处的近场轮廓111进行成像，以在焦点34处形成强度轮廓112。强度轮廓112是近场轮廓111的图像。因此，如果近场轮廓111是如图所示的顶帽分布，则近场轮廓112也是顶帽分布。在焦点34的任一侧都存在远场分布113，其将看起来更呈高斯分布。在某些应用(诸如切割和焊接)中，在焦点34处的顶帽分布可以是有利的。然而，在切割应用中常常优选的是在焦点34处具有更尖锐的场分布以便穿刺材料。
在切割光亮金属时，共用规程是使用聚焦的高强度激光束来穿刺材料11，并且一旦实现穿刺，就移出焦点并使用更宽的光斑尺寸来切割材料11。期望在中心处具有高峰值强度的激光束轮廓以最小化穿刺材料11的速度。对于切割，期望更均匀的顶帽轮廓以实现干净的切口。包含沿多模光纤传播的许多光学模式的良好均质化的激光束在近场中将具有顶帽轮廓，而在远场中将具有更为尖锐的轮廓。因此，将从光纤2的远端16发射的激光辐射13的远场轮廓聚焦到材料11上并且逼近远离焦点的近场轮廓的能力产生具有针对该工艺远更期望的特征的激光束。
可以在图1的装置中通过施加挤压力12以挤压光纤2来获得顶帽分布。如将在以下解释的，如果挤压力相对温和，则个体模式被耦合在一起。如果挤压力12增大，则越来越多模式耦合在一起，并且有可能获得顶帽分布。
图12示出了图11的装置，但是其中透镜4处于适当的位置。透镜4被实现为渐变折射率光纤91。其他形式的透镜4也是可能的，包括参考图1、6、7和8描述的透镜。近场轮廓111已经在透镜4的后焦面15处被转换成远场轮廓121。准直透镜51和聚焦透镜53对远场轮廓121进行成像以在焦点34处形成远场轮廓122。在焦点34的任一侧都存在近场轮廓123。如果近场轮廓111是顶帽分布，则远场轮廓122更呈高斯分布，并且因此对于在切割应用期间穿刺材料更有用。一旦被穿刺，近场轮廓123可被用于切割材料。参考图1，材料11可具有厚度124。厚度124可处于1mm至25mm之间，或者更大。将焦点34布置在材料11内促成穿刺材料11。一旦被穿刺，可以使用投射到材料11的表面17上的远场轮廓123来切割材料11。
再次参考图1，挤压机构3可以是图13中所示的挤压机构130。挤压机构130包括异相布置的第一周期性表面131和第二周期性表面132，使得光纤2沿其长度以节距7周期性地弯曲。节距7如所示可以是均匀的或啁啾的。啁啾可以是单调的或非单调的。
挤压机构3可以是图13中所示的挤压机构140。第一周期性表面131和第二周期性表面132彼此同相地布置，使得它们以节距7周期性地挤压光纤2，而不显著弯曲光纤2。光纤2具有沿其长度以节距7周期性地改变的挤压压力。节距7如所示可以是均匀的或啁啾的。啁啾可以是单调的或非单调的。
图15示出了包括彼此成角度154布置的四个部件151的挤压机构150。第一周期性表面131和第二周期性表面132可以彼此异相，在该情形中，光纤2沿其长度周期性地弯曲。如果正交部件151的第一周期性表面131的相对相位彼此异相，则光纤2可被变形为螺旋状。替换地，每个部件151的第一周期性表面131和第二周期性表面132可以彼此同相，在该情形中，光纤2沿其长度周期性地被加压。
图16示出了具有相对于彼此成120度布置的三个部件151的挤压机构160。每个机构150具有第一周期性表面131。第一周期性表面131可被布置成沿其长度在空间上彼此异相120度，在该情形中，光纤2被扭曲成螺旋状。替换地，第一周期性表面131可被布置成沿其长度彼此同相，在该情形中，光纤2沿其长度周期性地被加压。
图17示出了包括三个部件175的挤压机构170，每个部件具有参考图18所示的两个周期性表面171和172。部件175相对于彼此成120度布置。周期性表面171和172沿其长度在空间上彼此异相120度，并且因此光纤2以基本上螺旋的方式变形。
参照图1，第一光学模式21具有β1/k的有效折射率，而第二光学模式22具有β2/k的有效折射率，其中β1和β2分别是第一光学模式21和第二光学模式22的传播常数，且k是按k＝2π/λ与激光辐射13的波长λ5有关的波数。考虑传播常数的差异Δβ＝β1–β2是有用的。为了使参考图1所示的挤压机构3将第一光学模式21耦合至第二光学模式22，需要存在等于Δβ/2π的、在光纤2沿其长度的扭曲中的空间频率分量。如果周期性(被定义为节距7的倒数)等于Δβ/2π，或者周期性的谐波等于Δβ/2π，则会发生这种情况。然而，考虑光纤2与光学模式相比的扰动的对称性也是重要的。
如果p不为零，则由光纤2的芯引导的每个LPp,q模的电场的方位角依赖性可以表示如下：
E(r,θ)＝E(r).cos(pθ)
E(r,θ)＝E(r).sin(pθ)
其中E(r)是电场的径向依赖性。
如参考图13所述，当光纤2沿其长度具有线性正弦偏转时，则出于对称性考虑，cos(pθ)和sin(pθ)取向中的仅一者将在节距7等于2π/Δβ时被耦合。更一般地，如果p是奇整数，且节距7等于2π/(βA–βB)，则由芯31引导的LP01模可耦合至由相同芯引导的LPp,q模，其中βA和βB是被耦合在一起的光学模式的传播常数。然而，除非在正弦偏转中存在显著的谐波，否则至LP11模的耦合将是最强的。如果p是偶整数，则扰动的对称性是不正确的。通过类似的对称性论证，如果光纤具有沿其长度的正弦偏转，则线性挤压机构也不会将LP01模耦合至LP0q模。
如参考图14所述，如果周期性表面6沿其长度周期性地被压缩，则模式耦合将通过光弹性效应而引起。通过对称性考虑，LP01模将不耦合至LP11模，因为对称性是不正确的。然而，如果节距7等于2π/(βA–βB)，其中βA和βB是被耦合在一起的光学模式的传播常数，则LP01能够耦合至LP21模，或更一般地耦合至LPp,q模，其中p＝2、4、8等。
如参考图15至18所述，当光纤2具有螺旋状扭曲时，则通过对称性论证，LP01模可在节距7等于2π/Δβ且p是奇整数时在cos(pθ)和sin(pθ)两个取向上耦合至LPp,q模。然而，如果p是偶整数，则LP01模将不耦合，或者LP01模将耦合至LP0q模。因此，由图15至18中所示的挤压机构提供的模式耦合量至少是由图13所示的线性挤压机构提供的模式耦合量的两倍。
因此，参考图15至18所述的其中光纤2以螺旋方式被扰动的螺旋挤压机构是有利的，因为与参考图13所示的线性挤压机构相比，它们将模式的更多取向耦合在一起。此外，提供耦合所需的挤压力12以及因此光纤2的最大偏转更小，这导致施加于光纤2的应力更小，并且因此可靠性更高。实验上，已经观察到光纤2能够被以小于1牛顿(N)的拉力从诸如图17所示的螺旋挤压机构拉动。在螺旋挤压机构和线性挤压机构在光纤2中引起类似水平的模式耦合的情况下，这显著小于从诸如图13所示的线性挤压机构拉动光纤2所需的拉力。因此，更小的挤压力12被施加于螺旋挤压机构中的光纤2，这意味着更高的机械可靠性。
芯31优选地具有均匀的折射率轮廓，而不具有跨其半径的折射率波动。光纤2优选地是阶跃折射率光纤或具有渐变折射率芯的光纤。这有助于利用挤压机构3来选择性地激发光纤2中的个体模式或模式群。这还有助于在接头10中变窄期间保持模式形状，从而实现光纤2的稳健单模激发。
参考图2，光纤2可具有50μm的芯直径18、0.22数值孔径、以及在250μm至500μm之间的玻璃包层直径19。优选地，玻璃包层直径19与芯直径18的比率至少为5，并且更优选地至少为10，以便避免微弯以及各光学模式之间的不受控制的耦合。
表1示出了在50μm、0.22数值孔径阶跃折射率光纤中的不同LPp,q光学模式之间高效地耦合所计算出的周期7，其中周期7不沿光纤的长度改变。可以看出，节距7需要为7.9mm，以在LP0,1模与LP1,1模之间高效地耦合。这些模式将使用挤压机构3来耦合在一起，挤压机构3使光纤2以节距7弯曲。LP1,1模可使用位于第一机构3与光纤2的远端16之间的第二机构129来耦合至LP2,1模。所需节距7为6.0mm。在两种情形中，相应挤压机构3、129的挤压力12可被调整，以便获得各光学模式之间的期望模式耦合量。具体而言，以超过95％的耦合效率来耦合至单个高阶模是可能的。为了耦合至甚至更高阶模，需要第三挤压机构3以及可能的第四挤压机构3，或者必须增大挤压力12，以便在光纤2的近似正弦扰动中产生空间谐波。此类挤压力可导致大量的模式耦合，这可导致在光纤2的远端16处的激光辐射13具有顶帽输出轮廓。
LP<sub>1,1</sub> LP<sub>2,1</sub> LP<sub>3,1</sub> LP<sub>4,1</sub> LP<sub>5,1</sub> LP<sub>6,1</sub> LP<sub>7,1</sub>
LP<sub>0,1</sub> <u>7.9</u> 3.4 2.0 1.4 1.0 0.8 0.6
LP<sub>1,1</sub> <u>6.0</u> 2.7 1.6 1.1 0.8 0.6
LP<sub>2,1</sub> <u>4.9</u> 2.2 1.4 1.0 0.7
LP<sub>3,1</sub> <u>4.1</u> 1.9 1.2 0.9
LP<sub>4,1</sub> <u>3.6</u> 1.7 1.1
LP<sub>5,1</sub> <u>3.2</u> 1.5
LP<sub>6,1</sub> <u>2.9</u>
表1：用于光学LPp,q模之间的耦合的周期(mm)
替换地或附加地，挤压机构3中的至少一者可具有可变的、且沿挤压机构3的长度8啁啾的周期7。为了使用表1中加下划线的耦合长度来在各模式之间传递功率，挤压机构3的周期7应具有由在其输入端(最靠近激光器1的端部)处的至少7.9mm改变为在其输出端(最靠近远端16的端部)处的不超过2.9mm的周期7。
在实验中，光纤2具有50μm芯直径以及0.22数值孔径。挤压机构3在输入端(即，挤压机构3的从激光器1接收激光辐射13的端部)处的周期7具有8mm的周期。在其输出端(输出从激光器1接收到的激光辐射13的端部)处的周期7为2.5mm。如图19所示，通过调整挤压力12，调谐LP01模至LP7,1模之间的模式耦合是可能的。从光纤2发射的激光辐射13的横截面明显具有围绕其方位角的十四个高强度波瓣，这指示LP7,1模的强烈存在。通过从零挤压力开始增大挤压力12，挤压机构3能够按顺序输出LP11(未示出)、LP2,1、LP3,1、LP4,1、LP5,1(未示出)、LP6,1和LP7,1光学模式。每种模式的转换效率可被调谐为约90％至100％。在不限制本发明的范围的情况下，据信LP01模被依次耦合至LP11、LP2,1、LP3,1、LP4,1、LP5,1、LP6,1以及随后LP7,1光学模式。
通过调整挤压机构3的挤压力12，任何前述模式可被调谐以出现在光纤2的远端16处。不同的M2值、模式轮廓和发散度与每个个体模式相关联。所需的挤压力12是可重复的并且近似线性的。当挤压机构3被反转时，即在挤压机构3的输入端处2.9mm节距被定向，则模式耦合的这种级联性质不可见。
如参考图1所示，长周期光栅127可以可任选地跟随第一挤压机构3。长周期光栅127可具有沿其长度8均匀的周期7，或者可具有沿其长度8啁啾的周期7。长周期光栅127可包括光纤布拉格光栅。替换地或附加地，长周期光栅127可包括如图1所示的第二挤压机构129。
在实验中，第二挤压机构129的节距7具有沿其长度8啁啾的可变节距。挤压机构129在其输入端(即，从第一挤压机构3接收激光辐射13的端部)处的周期7具有4.4mm的周期7。在其输出端(向光纤2的远端16传递激光辐射13的端部)处的周期7为4.0mm。有可能利用第一挤压机构3以上述级联的方式将LP0,1模耦合至LP4,1模，并且随后利用第二挤压机构129来将LP4,1模耦合至LP3,2模。LP3,2模具有带有cos2(6θ)或sin2(6θ)方位角依赖性的高光学强度的两个环。LP3,2模在其中心附近比LP3,1模具有更高的光学强度。类似地，有可能利用第一挤压机构3以上述级联的方式将LP0,1模耦合至LP7,1模，并且随后将LP7,1模耦合至LP5,3模。LP5,3模具有带有cos2(10θ)或sin2(10θ)方位角依赖性的高光学强度的三个环。LP5,3模在其中心附近比LP5,1模具有更高的光学强度。实验表明该装置实现了从光纤2输出高斯基本LP0,1模以及一系列环状模式轮廓。这些模式可以个体地或组合地出现。该装置可被用于输出个体模式、以及可以组合以形成具有不同环形厚度的环形轮廓的光学模式的组合。还可以通过增加在第一挤压机构3和/或第二挤压机构129上的挤压力12以便增加模式耦合来产生顶帽(也被称为平顶)轮廓。该技术是稳健且可预测的。
图1的第二挤压机构129可具有沿其长度8啁啾的周期7。在实验中，挤压机构3在其从第一挤压机构3接收激光辐射的输入端处的周期7具有3.5mm的周期。在其输出从第一挤压机构3接收到的激光辐射13的输出端处的周期7为2.0mm。通过调整第一挤压机构3和第二挤压机构129的挤压力12，将LP0,1基模耦合至大模式集是可能的。如果这些模式被近似均匀地激发，则它们将从50μm芯纤产生跨芯31近似均匀的输出轮廓。通过调整挤压力12，可以获得可预测的不同的光束质量M2值。具体而言，在光纤2的远端16处实现激光辐射13的顶帽轮廓是可能的。所获得的M2值相对于挤压力12近似线性。
图20示出了基本LP0,1模201和LP3,1模204的模式轮廓在图1的透镜4不在位置时沿轴209聚焦到束腰34的情况下如何演变。基模201和LP3,1模204远离束腰34以不同速率衍射。基模201的光束直径207和LP3,1模的光束直径208在束腰34(即近场)处近似相等。光束直径207在远场中小于远离束腰34的光束直径208。基本LP0,1模201具有都近似为高斯的远场203和近场202。类似地，LP3,1模204具有远场206，该远场206具有与其近场205相似的轮廓。近场202和205具有参考图3所示的近似相同的束腰直径35。LP3,1模204的远场206处于围绕基模201的远场203的环形环中。具有与LP3,1模相同的模式阶次的更高阶模也将以基本上相同的环形环从束腰衍射。具有更大模式阶次的更高阶模(诸如LP7,1模)将以更高的发散角36衍射，并且它们的远场将基本上在围绕具有更低模式阶次的模式的远场的环形环的环形环内。如果导模都具有基本上相同的光功率，则模式的集合将在其光束直径39近似相等的位置处形成光功率的近似顶帽分布，以及在大于距束腰34的瑞利长度217的距离处形成近似高斯分布。
参考图3，可以看出环形模式(诸如LP3,1模204)在近场和远场两者中都具有环形轮廓。环形模式通过焦点保持环形轮廓。因此，如果操作该装置以使得其选择个体环形模式，则将通过束腰34保持该环形模式。类似地，如果操作该装置以使得其选择个体环形模式的集合，则将通过束腰34保持这些环形模式。
描述作为沿轴209的距离z的函数的高斯光束半径ω(z)的等式可被如下写为：
Figure BDA0002614996230000191
其中ω0是束腰34处的光束半径，并且zR是瑞利长度。参考图3描述的在束腰34处的束腰直径35等于2ω0。瑞利长度zR对应于沿轴209的距离，其中高斯光束半径ω(z)在束腰34处从高斯光束半径ω0增加了2的平方根倍。针对具有光束质量M2值37、2ω0的束腰直径35、以及λ的波长5的激光束的瑞利长度zR由下式给出：
Figure BDA0002614996230000192
在图20中示出了基本LP0,1模的瑞利长度217。更高阶模具有更高的光束质量M2值37、以及因此更短的瑞利长度。因此，与基本LP0,1模相比，更高阶模以更快的速率衍射。
图21至24示出了光束直径39如何针对LP0,1模41、LP2,1模42、LP4,1模43、LP6,1模44、LP8,1模45和LP10,1模46随着距图1中所示的聚焦透镜53的距离而改变。图1中所示的准直透镜51具有100mm的焦距，而聚焦透镜53具有200mm的焦距。假设模式41–46在其从光纤2的远端16发出时各自具有2ω0＝66μm的束腰直径35。假设波长为1.06微米。基本LP0,1模的瑞利长度217在假设光束质量M2值＝1的情况下为zR＝3.2mm。
图21示出了在不存在图1中所示的透镜4时的情形。如参考图3所讨论的，模式41-46各自具有基本上相同的束腰直径35、以及随光学模式41-46的模式阶次而增大的发散角36。因此，可以通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的光束发散度36。
光束直径39在束腰34处都彼此相等，并且在远离束腰34处彼此不相等。第一挤压机构3的挤压力12和第二挤压机构129的挤压力12可被调整以激发多得多的光纤导模，使得参考图11所示的近场强度轮廓112在束腰34处近似顶帽分布。如参考图11所描述的，远场分布113随后将近似高斯分布。
图22和23示出了在图1所示的透镜4具有400微米的焦距并且光纤2的远端16在透镜4的前焦面14处时的情形。模式41–46各自具有基本上相同的发散角36，但具有不同的束腰直径35。因此，可以通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的束腰直径35。
光束直径39在远离束腰34处都彼此相等，并且在束腰34处彼此相等。因此，如参考图12所描述的，第一挤压机构3的挤压力12和第二挤压机构129的挤压力12可被调整为使得远离图22和图23中的束腰34的强度轮廓123近似顶帽分布，并且在图22和图23中的束腰34处的强度轮廓122近似高斯分布。
图24示出了在图1中所示的透镜4具有800微米的焦距并且光纤2的远端16和透镜4被1.6mm的光学距离分隔开时的情形。针对模式41–46中的每一者的束腰直径35和光束发散度36两者都彼此不同。因此，可以通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的束腰直径35和光束发散度36。可以通过选择透镜4及其相对于光纤2的远端16的布置来实现不同束腰直径35和光束发散度36的不同组合。
意料之外的是，个体光学模式41–46的束腰直径35不出现在距聚焦透镜52相同的距离处。光束直径39在距聚焦透镜52的距离241处全部等于光束直径242。因此，如参考图12所述，第一挤压机构3的挤压力12和第二挤压机构129的挤压力12可被调整为使得距离241处的强度轮廓123近似顶帽分布。远离距离241的强度轮廓122与在其中心处具有降低的强度的高斯相似。
图25示出了在图1中所示的透镜4具有800微米的焦距并且光纤2的远端16和透镜4被400微米的光学距离分隔开时的情形。因此，可以通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的束腰直径35和光束发散度36。可以通过选择透镜4及其相对于光纤2的远端16的布置来实现不同束腰直径35和光束发散度36的不同组合。
意料之外的是，个体光学模式41–46的束腰直径35不出现在距聚焦透镜52相同的距离处。关于图3定义的、针对模式41–46中每一者的束腰直径35彼此不同，并且不出现在距聚焦透镜52相同的距离处。光束直径39在距聚焦透镜52的距离251处全部等于光束直径252。因此，如参考图12所述，第一挤压机构3的挤压力12和第二挤压机构129的挤压力12可被调整为使得距离251处的强度轮廓123近似顶帽分布。远离距离251的强度轮廓122与在其中心处具有降低的强度的高斯相似。
比较图21至25中的各种光学模式的束腰直径35揭示了包括透镜4使得能够通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择不同的束腰直径35。透镜4优选地位于距光纤2的远端16的两个瑞利长度217之内。更优选地，透镜4位于一个瑞利长度217之内。再更优选地，在瑞利长度217的一半之内。
参考图21至25所描述的挤压力12可被调整以选择个体光学模式41至46、或者光学模式41至46的组合。挤压力12可被调整以在个体光学模式41至46之间、在光学模式41至46的组合之间、或在个体光学模式41至46与光学模式41至46的组合之间切换。
参考图1至25所描述的装置可被配置成使得能够通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的束腰直径35和期望的发散角36中的至少一者。如图21所示，当不存在透镜4时，图1的装置可被配置成通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的发散角36。如图22和图23所示，当透镜4被包括在图1的装置中并且被定位成使得光纤2的远端16在透镜4的前焦面14处时，则该装置可被配置成通过调整第一挤压机构3的挤压力12来选择期望的束腰直径35。包括第二挤压机构129允许甚至更大程度的选择。可以通过控制第二挤压机构129的挤压力12来实现更高模式的耦合，从而实现了在通过基模41的束腰34的距聚焦透镜53的任何距离处以及在超过束腰34的距离处近似顶帽轮廓、或环形或环轮廓的强度分布。
再次参考图1，挤压机构3可包括至少一个致动器55。致动器55可包括电动机和/或电磁铁。致动器可包括棘轮。电信号的应用可被用于经由致动器55提供挤压力12。致动器55还可被用于使挤压机构3振动，以便引起一个或多个光学模式的强度的方位角取平均。
该装置可包括用于控制致动器55并由此控制挤压力12的控制器75。控制器75可包含存储器76，该存储器76包括关于材料参数的信息。优选地，存储器76包含使驱动致动器31的信号能够取决于材料11的参数而被选择的信息。参数可包括材料11的类型及其厚度124。这是本发明特别有用的方面，因为它允许通过控制去往致动器55的信号来控制激光辐射13的发散度36和聚焦激光辐射13的束腰直径35。因此，它允许取决于被加工的材料在广泛的激光器加工参数范围内自动调谐相对昂贵的工业激光器1。
因此，本发明的装置可被用于在基本高斯模式、单独的个体更高阶模或个体更高阶模的组合、以及包括多个光学模式的顶帽分布之间切换激光辐射13。此外，通过利用透镜4来在光纤的远端16处对激光辐射13的远场进行成像，使得激光辐射13能够在具有不同束腰直径35的光学模式之间进行切换。可靠地将在强度上具有方位角变化的环形模式(诸如LP5,1或LP9,1模)可靠地成像到材料11上的能力在材料11的切割和焊接方面提供了重要的优点。此类模式具有与某些材料的新颖而有趣的相互作用。例如，有可能通过选择个体模式或个体模式的集合来优化穿刺速度、切割速度和边缘质量的组合。优化过程可包括优化材料11相对于聚焦透镜53的相对位置。束腰34可定位在材料11与聚焦透镜53之间、在材料11的表面17上、在材料11内、或者在材料11与聚焦透镜53相反的另一侧。有趣的是，各光学模式中不同光学模式为穿刺、切割速度和边缘质量提供了最佳结果。对于不同的材料和材料的厚度，最佳选择可以是不同的。
一示例应用是其中在主加工之前预加工材料11的应用。图26示出了用于预加热材料(诸如硅)的环形模式225，其中材料吸收随温度增加。图26示出了在来自环形模式225的辐照下的工件220的温度轮廓221。温度轮廓221在环内部是均匀的，并且因此在辐照区域中心的感应应力减小。本发明的装置随后被用于将激光辐射13切换为基本LP0,1模235，如图27所示。基模234的光斑尺寸232被布置成小于环形模式225的光斑尺寸222。如参考图4和5所描述的，这可以通过在光纤2的远端16上使用透镜4来实现。结果在于，与没有预加热步骤相比，可以更精确地且以更少的损坏来加工工件220。示例工艺包括切割、钻孔、或在半导体电路中切割或形成链路。
本发明的装置可被用于提供激光辐射13的光斑尺寸和发散度，以刺穿、切割、焊接、钻孔、烧结、打标或雕刻材料。该装置可具有用于监视激光辐射13的属性以及因此控制致动器31以给出所需的加工参数的监视装备。
应当领会，以上参照附图描述的本发明的各实施例已经仅通过示例给出，且可以提供修改及附加组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本发明的所有方面中。本发明还扩展至以上单独或以任何组合方式提及和/或示出的个体组件。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器(1)、光纤(2)和耦合器(125)，
其中：
·所述激光器(1)被连接至所述光纤(2)；
·所述光纤(2)使得激光辐射(13)能够在具有第一模式阶次(24)的第一光学模式(21)、具有第二模式阶次(25)的第二光学模式(22)以及具有第三模式阶次(26)的第三光学模式(23)中沿所述光纤(2)传播；
·所述第三模式阶次(26)高于所述第二模式阶次(25)；并且
·所述第二模式阶次(25)高于所述第一模式阶次(24)；
所述装置的特征在于：
·所述耦合器(125)被配置成：将在所述第一光学模式(21)中传播的激光辐射切换为在所述二阶模(22)中传播的激光辐射；以及
·所述耦合器(125)被配置成：将在所述第二光学模式(22)中传播的激光辐射切换为在所述三阶模(23)中传播的激光辐射。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合器(125)被配置成：将能在所述第一光学模式(21)中传播的所述激光辐射的至少75％耦合至所述第三光学模式(23)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耦合器(125)被配置成：将在所述第一光学模式(21)中传播的所述激光辐射切换到多个光学模式，从而使得能够形成所述激光辐射的顶帽光功率分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括光学透镜布置(50)，所述光学透镜布置被配置成将所述激光辐射聚焦到所述材料的表面上或附近。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括透镜(4)，其中所述透镜(4)由前焦面(14)和后焦面(15)来定义，所述第一光学模式(21)由瑞利长度来定义，并且所述透镜(4)位于距源自所述激光器(1)的所述光纤(2)的远端(16)的两个瑞利长度之内，其中所述瑞利长度被定义为从所述光纤(2)的所述远端(16)到其中所述第一光学模式(21)的半径已经增加了二的平方根倍的平面的距离。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述透镜(4)被定位成使得所述光纤(2)的所述远端(16)位于所述前焦面(14)处。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的装置，其特征在于，所述透镜(4)包括渐变折射率透镜。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤(2)具有多个芯(31)，并且所述第三光学模式(23)和所述第一光学模式(21)在所述芯(31)中的不同芯中传播。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述芯中的至少一者是围绕所述芯(31)中的另一者的环形芯(282)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：
·所述耦合器(125)包括至少一个挤压机构(3)，所述至少一个挤压机构包括由节距(7)限定的周期性表面(6)；
·所述周期性表面(6)定位成毗邻于所述光纤(2)；以及
·所述挤压机构(3)被配置成利用挤压力(12)来将所述周期性表面(6)和所述光纤(2)挤压在一起，藉此将所述第一光学模式(21)耦合至所述第二光学模式(22)，并且将所述第二光学模式(22)耦合至所述第三光学模式(23)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成取决于期望的输出模式而施加不同的挤压力(12)。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的装置，其特征在于，所述节距(7)是沿所述周期性表面(6)的长度啁啾的可变节距，所述可变节距具有第一节距和第二节距，其中所述第一节距将所述第一光学模式(21)和所述第二光学模式(22)耦合在一起，并且所述第二节距将所述第二光学模式(22)和所述第三光学模式(23)耦合在一起。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述挤压机构(3)被配置成在施加所述挤压力(12)时以螺旋方式使所述光纤(2)变形。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光辐射由光束参数乘积(33)来定义，并且所述挤压机构(3)使得能够通过增加所述挤压力(12)来增加所述光束参数乘积(33)。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，包括长周期光栅(127)，所述长周期光栅被配置成将所述第三光学模式(23)耦合至多个光学模式，藉此使得所述激光辐射能够具有顶帽或环形环轮廓。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述长周期光栅(127)包括第二挤压机构(129)，所述第二挤压机构包括由节距(7)限定的周期性表面(6)；所述周期性表面(6)定位成毗邻于所述光纤(2)；并且所述挤压机构(129)被配置成利用挤压力(12)来将所述周期性表面(6)和所述光纤(2)挤压在一起。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成从所述光纤(2)发射单个个体光学模式。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤(2)包括基本上均质的芯(31)，由此避免了所述光学模式之间的非预期模式耦合。
19.一种用于激光加工材料的方法，所述方法包括：
·提供发射激光辐射(13)的激光器(1)；
·提供光纤(2)，所述激光辐射(13)能够在具有第一模式阶次(24)的第一光学模式(21)、具有第二模式阶次(25)的第二光学模式(22)以及具有第三模式阶次(26)的第三光学模式(23)中通过所述光纤传播；以及
·将所述激光辐射(13)耦合至所述光纤(2)的所述第一光学模式(21)；其中
·所述第三模式阶次(26)高于所述第二模式阶次(25)；并且
·所述第二模式阶次(25)高于所述第一模式阶次(24)；
所述方法的特征在于以下步骤：
·提供耦合器(125)，所述耦合器被配置成将在所述第一光学模式(21)中传播的所述激光辐射切换为在所述二阶模(22)中传播的激光辐射，并且将在所述二阶模(22)中传播的所述激光辐射切换为在所述三阶模(23)中传播的激光辐射；以及
·利用所述激光辐射(13)来激光加工所述材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述第一光学模式(21)中传播的所述激光辐射的至少75％被切换到所述第三光学模式(23)。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述第一光学模式(21)中传播的所述激光辐射被切换到包括所述第三光学模式(23)的多个光学模式，从而形成所述激光辐射(13)的顶帽光功率分布。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光学模式(21)由瑞利长度来定义，其中所述瑞利长度被定义为从所述光纤(2)的所述远端(16)到其中所述第一光学模式(21)的半径已经增加了二的平方根倍的平面的距离，并且所述方法包括以下步骤：
·提供由前焦面(14)和后焦面(15)来定义的透镜(4)；以及
·将所述透镜(4)定位在距源自所述激光器(1)的所述光纤(2)的远端(16)的两个瑞利长度之内。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述透镜(4)包括渐变折射率透镜。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其特征在于，包括将所述激光辐射(13)聚焦以在所述材料的表面上或附近形成束腰的步骤。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光学模式(21)是所述光纤(2)的基模。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述第三光学模式(23)具有至少为3的方位角模数、以及至少为1的径向模数。
27.根据权利要求19至27中任一项所述的方法，其特征在于：
·所述耦合器(125)包括至少一个挤压机构(3)，所述至少一个挤压机构包括由节距(7)限定的周期性表面(6)；
·所述周期性表面(6)定位成毗邻于所述光纤(2)；以及
·所述挤压机构(3)被配置成利用挤压力(12)来将所述周期性表面(6)和所述光纤(2)挤压在一起。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供控制器(75)以将所定义的控制信号施加到所述挤压机构(3)，以便选择期望的第三光学模式(23)，并且由此选择所述第三光学模式(23)的所述步骤是通过调整所述挤压力(12)来实现的。
29.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供控制器(75)以将所定义的控制信号施加到所述耦合器(125)以用于选择不同的光学输出模式。
30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：选择所述第一光学模式(21)；以及利用所述激光辐射(13)来穿刺所述材料。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，激光加工所述材料的步骤包括：选择所述第三光学模式(23)；以及利用所述激光辐射(13)来切割所述材料。
32.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述激光辐射(13)切换为顶帽光功率分布；以及利用所述激光辐射(13)来切割所述材料。
33.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光辐射(13)来焊接所述材料的步骤。
34.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光器(1)来烧结所述材料的步骤，其中在烧结之前所述材料处于金属粉末的形式。
35.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光器(1)来钻孔所述材料的步骤。
36.一种使用根据权利要求1所述的装置来切割材料的方法，包括：利用所述透镜布置(50)来将所述激光(1)聚焦在所述材料上；选择高斯轮廓来穿刺所述材料；以及选择顶帽光功率分布来切割所述材料。
37.一种使用根据权利要求1所述的装置来焊接材料的方法，包括：使用远离焦点的所述透镜布置(50)来投射所述激光；以及使用根据权利要求1所述的装置来改变工作光斑尺寸以通过改变所述光斑尺寸和轮廓来优化焊接工艺。

Claims (37)

1.用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器、光纤和耦合器，
其中：
·所述激光器被连接至所述光纤；
·所述光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿所述光纤传播；
·所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次；并且
·所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次；
所述装置的特征在于：
·所述耦合器被配置成：将在所述第一光学模式中传播的激光辐射切换为在所述二阶模中传播的激光辐射；以及
·所述耦合器被配置成：将在所述第二光学模式中传播的激光辐射切换为在所述三阶模中传播的激光辐射。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合器被配置成：将能在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射的至少75％耦合至所述第三光学模式。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耦合器被配置成：将在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射切换到多个光学模式，从而使得能够形成所述激光辐射的顶帽光功率分布。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括光学透镜布置，所述光学透镜布置被配置成将所述激光辐射聚焦到所述材料的表面上或附近。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括透镜，其中所述透镜由前焦面和后焦面来定义，所述第一光学模式由瑞利长度来定义，并且所述透镜位于距源自所述激光器的所述光纤的远端的两个瑞利长度之内。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述透镜被定位成使得所述光纤的所述远端位于所述前焦面处。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的装置，其特征在于，所述透镜包括渐变折射率透镜。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤具有多个芯，并且所述第三光学模式和所述第一光学模式在所述芯中的不同芯中传播。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述芯中的至少一者是围绕所述芯中的另一者的环形芯。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：
·所述耦合器包括至少一个挤压机构，所述至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性表面；
·所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤；以及
·所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起，藉此将所述第一光学模式耦合至所述第二光学模式，并且将所述第二光学模式耦合至所述第三光学模式。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成取决于期望的输出模式而施加不同的挤压力。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的装置，其特征在于，所述节距是沿所述周期性表面的长度啁啾的可变节距，所述可变节距具有第一节距和第二节距，其中所述第一节距将所述第一光学模式和所述第二光学模式耦合在一起，并且所述第二节距将所述第二光学模式和所述第三光学模式耦合在一起。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述挤压机构被配置成在施加所述挤压力时以螺旋方式使所述光纤变形。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光辐射由光束参数乘积来定义，并且所述挤压机构使得能够通过增加所述挤压力来增加所述光束参数乘积。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其特征在于，包括长周期光栅，所述长周期光栅被配置成将所述第三光学模式耦合至多个光学模式，藉此使得所述激光辐射能够具有顶帽或环形环轮廓。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述长周期光栅包括第二挤压机构，所述第二挤压机构包括由节距限定的周期性表面；所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤；并且所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成从所述光纤发射单个个体光学模式。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤包括基本上均质的芯，由此避免了所述光学模式之间的非预期模式耦合。
19.一种用于激光加工材料的方法，所述方法包括：
·提供发射激光辐射的激光器；
·提供光纤，所述激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、具有第二模式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中通过所述光纤传播；以及
·将所述激光辐射耦合至所述光纤的所述第一光学模式；
其中
·所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次；并且
·所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次；
所述方法的特征在于以下步骤：
·提供耦合器，所述耦合器被配置成将在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射切换为在所述二阶模中传播的激光辐射，并且将在所述二阶模中传播的所述激光辐射切换为在所述三阶模中传播的激光辐射；以及
·利用所述激光辐射来激光加工所述材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射的至少75％被切换到所述第三光学模式。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射被切换到包括所述第三光学模式的多个光学模式，从而形成所述激光辐射的顶帽光功率分布。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光学模式由瑞利长度来定义，并且所述方法包括以下步骤：
·提供由前焦面和后焦面来定义的透镜；以及
·将所述透镜定位在距源自所述激光器的所述光纤的远端的两个瑞利长度之内。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述透镜包括渐变折射率透镜。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其特征在于，包括将所述激光辐射聚焦以在所述材料的表面上或附近形成束腰的步骤。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光学模式是所述光纤的基模。
26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述第三光学模式具有至少为3的方位角模数、以及至少为1的径向模数。
27.根据权利要求19至27中任一项所述的方法，其特征在于：
·所述耦合器包括至少一个挤压机构，所述至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性表面；
·所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤；以及
·所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供控制器以将所定义的控制信号施加到所述挤压机构，以便选择期望的第三光学模式，并且由此选择所述第三光学模式的所述步骤是通过调整所述挤压力来实现的。
29.根据权利要求19至26中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供控制器以将所定义的控制信号施加到所述耦合器以用于选择不同的光学输出模式。
30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：选择所述第一光学模式；以及利用所述激光辐射来穿刺所述材料。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，激光加工所述材料的步骤包括：选择所述第三光学模式；以及利用所述激光辐射来切割所述材料。
32.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述激光辐射切换为顶帽光功率分布；以及利用所述激光辐射来切割所述材料。
33.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光辐射来焊接所述材料的步骤。
34.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光器来烧结所述材料的步骤，其中在烧结之前所述材料处于金属粉末的形式。
35.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，其特征在于，包括利用所述激光器来钻孔所述材料的步骤。
36.一种使用根据权利要求1所述的装置来切割材料的方法，包括：利用加工头来将所述激光聚焦在所述材料上；选择高斯轮廓来穿刺所述材料；以及选择顶帽光功率分布来切割所述材料。
37.一种使用根据权利要求1所述的装置来焊接材料的方法，包括：使用远离焦点的加工头来投射所述激光；以及使用根据权利要求1所述的装置来改变工作光斑尺寸以通过改变所述光斑尺寸和轮廓来优化焊接工艺。
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