CN111864526A - 激光束乘积参数调整 - Google Patents

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Abstract

描述了用于修改激光束的光束参数积的系统、设备和方法。修改后的光束参数积可以增加使用具有其原始光束参数积的给定激光可以执行的任务的数目。通过增加激光的光束参数积，初始的低光束参数积光束可以被用于执行需要更高光束参数积的任务。可以经由一个或更多个非成像折射光学部件或者通过一个或更多个光纤布拉格光栅来修改光束从而以不同角度重新导向部分光束。

Description

激光束乘积参数调整
技术领域
本公开的各方面涉及调整激光的光束乘积参数，以扩大激光可以被使用的应用数。
背景技术
高功率激光器在工业制造和加工操作中是普遍的。激光器的类型包括基于气体的(例如，CO2)的激光器、钕(Nd)和钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器、激光微喷射激光器和光纤激光器。工业激光器可以用来切割、焊接或涂覆热处理(包括熔覆和硬化)。
确定工业激光器的不同用途的数目的一个控制因素是单个激光器的光束质量。光束质量可以被定义成给定激光的光束参数积。光束参数积是激光束的发散角(半角)与光束在其最窄点(光束腰)处的半径的乘积。具有低光束参数积的光束可以被描述为具有高光束质量。当与常规的聚焦光学器件一起使用时，光束参数积是实际上恒定的。例如，当给定光束的聚焦和散焦影响给定图像平面处的斑点尺寸时，根本的光束参数积不随聚焦的程度而改变。
在投资了能够传送高功率、高质量光束(具有低光束参数积的光束)的激光系统之后，如何将该激光系统用于其他操作仍然是一个问题。按比例降低输入功率可能是一种选择。然而，光束参数积不必通过降低激光的功率来修改。此外，当功率增加时，光束参数积可能由于激光增益介质中可能的热透镜而受损害(可能增加)，而当功率减少时，光束参数积可能相反地改善(可能减少)。影响是：将光束的功率降低到适合于另一操作(例如，焊接或甚至熔覆、钎焊或硬化)的水平可能会基于减小的光束参数积而丧失激光的使用资格。
发明内容
下面的概要介绍了某些特征的简化概要。该概要不是详尽的概述并且不旨在标识关键的或重要的元素。
描述了用于修改激光的光束参数积的系统、设备和方法。修改后的光束参数积可以增加使用具有其原始光束参数积的给定激光可执行的任务的数目。通过增加激光的光束参数积，具有初始低光束参数积的光束可以被修改以具有更高的光束参数积，并且被用于执行与具有低光束参数积的光束不相关的任务。一个或更多个非成像折射光学器件可以用于以不同的角度重新导向光束的一部分。重新导向后的部分可以增大最窄的光束腰部，并且可以增加光束参数积。非成像折射光学器件可以被单独使用或者与另外的非成像折射光学器件结合使用以进一步增加光束参数积。一个或更多个非成像折射光学器件可以与一个或更多个光耦合器(例如，一个或更多个非成像折射光学器件可以位于两个光纤线缆的耦合处)结合使用或者与其他光学部件结合使用。
另外地或替选地，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating)可以用于重新导向光束的至少一些部分，以增加光束的最窄腰部，从而增加光束参数积。光纤布拉格光栅可以包括间隔开的光学部件，这些光学部件可以相对于光纤的中心线倾斜一个或更多个角度。另外地或替选地，光纤布拉格光栅可以在光学部件之间具有变化的间距。
用于增加光束参数积的部件可以在激光系统中单独使用。另外地或替选地，用于增加光束参数积的部件可以与其他部件结合使用，以允许不同的光束质量之间的选择，从而执行不同的基于激光的操作。另外地或替选地，部件可以包括组合不同光束参数积的光束以形成合成光束复合光束。
前面介绍了简化的概要，以便提供对本公开的各个部分的基本理解。该概要不是对本公开的广泛概述。该概要既不旨在标识本公开的关键或重要元素，也不旨在描绘本公开的范围。该概要仅以简化的形式介绍了本公开的一些概念以作为下文描述的序言。
附图说明
本公开通过示例的方式进行描述并且不限于附图，在附图中相似的附图标记表示类似的元件，并且在附图中：
图1示出了在激光系统中使用的基于光纤的光束参数积修改的示例。
图2A和图2B示出了使用非成像折射光学部件的光束参数积修改的示例。
图3A、图3B和图3C示出了穿过图2A的结构的各种光束宽度。
图4A、图4B和图4C示出了使用多个非成像折射光学部件的光束参数积修改的示例。
图5示出了使用光纤布拉格光栅的光束参数积修改的示例。
图6A、图6B和图6C示出了穿过图5的结构的各种光束宽度。
图7A、图7B、图7C和图7D示出了图5的光纤布拉格光栅的示例。
图8A、图8B和图8C示出了穿过具有光纤布拉格光栅的结构的各种光束宽度。
图9示出了具有可选择的光束参数积的被导向不同的准直光学器件的激光系统的示例。
图10示出了具有可选择的光束参数积的被导向公共的准直光学器件的激光系统的示例。
具体实施方式
构成本文一部分的附图示出了本公开的示例。应当理解的是，附图中示出的和/或本文中讨论的示例是非排他性的，并且存在如何实践本公开的其他示例。
此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应该被认为是限制性的。相反，本文使用的短语和术语将被给予其最广泛的解释和含义。
工业激光系统用于从切割到焊接到热相关涂覆(包括熔覆和硬化)的各种任务。一些工业激光系统使用多模光纤，而其他系统使用单模光纤。激光束的不同特征使一些光束适合于一项任务而不适合于另一项任务。例如，切割任务需要具有低光束参数积的激光，而熔覆和硬化任务需要具有高光束参数积的激光。高注量的光束可以用于激光加工以外的行业。例如，在电子行业中，低注量任务可以包括电路的剥线和切线。在医疗行业中，低注量任务可以包括整容手术和毛发移除，而高注量任务可以包括微烧灼和骨切割。
描述了将至少一部分光束的光束参数积从较低水平增加到较高水平的各种系统和方法。
仅适用于高注量任务(例如，切割、点焊或缝焊、或者钻孔)的具有低光束参数积的激光可以用于低注量任务(例如，熔覆、标记、表面处理、雕刻等)。所有产生的光束可以处于较高的光束参数积，或者只有一部分产生的光束可以处于较高的光束参数积。此外，原始光束可以被分成两个或更多个部分，其中，两个部分中的至少一个通过增加其光束参数积而被修改。
图1示出了在激光系统中使用的基于光纤的光束参数积修改的示例。激光系统可以包括激光源101、光束参数积修改部件105、准直光学器件106和工件107。激光源101可以产生激光束。光束可以经由光纤108输出。激光源101可以是气体激光器102(例如，CO2激光器)、晶体激光器103(例如，Nd:YAG激光器)和/或光纤激光器104。光纤108可以是单模光纤或多模光纤。出于说明的目的，参照单模光纤来描述光纤108。此外，本文描述的光纤可以包括单根光纤，或者可以是具有串联和/或并联的一个或更多个区域的光纤的组合。
可以在激光源101与准直光学器件106之间的位置处执行光束质量修改。光束质量可以被定义为光束参数积BPP，该光束参数积等于光束发散度的一半(在远场中测量的)乘以光束直径的一半(即半径)。单位是mmmrad(毫米乘以毫弧度)。BPP通常用于指定芯的光束质量：光束参数积越高，光束质量越低。BPP量化了光束可以被聚焦到一个小点的程度。
光束参数积修改可以包括经由一个或更多个阶段来增加光束的光束参数积。另外地或替选地，光束参数积修改可以包括经由一个或更多个阶段来增加仅一部分光束的光束参数积。较高光束参数积光束可以经由光纤109输出到准直光学器件106。较高光束参数积光束可以经由准直光学器件106而被聚焦到工件107上。图1以实线示出了从准直光学器件106输出的较高光束参数积光束110。较高光束参数积光束110的最小光束直径111示出为照射工件107时横跨较高光束参数积光束110的距离。出于比较的目的，以虚线示出了较低光束参数积光束112(没有通过光束参数积修改105修改或修改小于较高参数积光束110)。较低光束参数积光束112的最小光束直径113小于较高光束参数积光束110的最小光束直径111。
光束110的最小光束直径111大于光束112的最小光束直径113。虽然光束110和112可以具有相同的功率，但是光束110的注量(fluence)可以低于光束112的注量。因此，光束112可能仅可用于包括切割在内的高注量应用，而光束110可能更适合于需要较低注量的应用。
图2A和图2B示出了使用非成像折射光学器件的光束参数积修改的示例。图2A包括由覆层202b包围的芯202a中的较低光束参数积光束201。芯202a和覆层202b一起可以包括单模光纤203。图2A还可以包括具有覆层205和芯206的多模光纤204。非成像折射光学部件207可以位于单模光纤203的芯202a与多模光纤204的芯206之间。非成像折射光学部件可以是具有折射表面的光学元件，该折射表面将部分入射光束折射到不同的方向。不同的方向可以具有相同或不同的角折射量(例如，角度θ)。不同的方向可以具有相对于围绕光纤的中心轴的角旋转相同或不同的折射方向。在图2A中，非成像折射光学部件207被示为单模光纤203的一部分。另外地或替选地，非成像折射光学部件207可以位于多模光纤204中，或者可以位于单模光纤203与多模光纤204之间(例如，在耦合器或另外的单模/多模光纤中)。另外地或替选地，非成像折射光学部件207可以部分地包含在单模光纤203中，并且部分地包含在多模光纤204中。
图2B包括非成像折射光学部件207的放大视图。非成像折射光学部件207包括平坦表面208和折射表面209。穿过平坦表面208进入的光束201在离开折射表面209时被折射。通过折射表面209折射的部分光由光束210表示。非成像折射光学部件207是非成像光学器件的示例。非成像光学器件改变了相邻点之间的关系。相比之下，成像光学器件(跨整个光场)不改变相对于彼此的相邻点。因此，成像光学器件能够在像平面上形成图像，该像平面复制物平面处的源。换句话说，已知成像光学器件(跨越整个光场)本身通常不改变光束参数积。
非成像折射光学部件207的一个或更多个区域(section)在一个或更多个方向上折射较高光束参数积光束201的部分(portions)，而其他区域在其他方向上折射较高光束参数积光束201的其他部分。折射表面209可以包括棱镜表面(棱柱面，prismaticsurface)，该棱镜表面在与棱镜表面的每个小面对应的方向上对较高光束参数积光束的一部分重新导向。另外地或替选地，非成像折射光学部件207可以包括断裂面作为折射表面209。折射表面209可以在基于至少小面的随机或伪随机布置的随机或伪随机的方向和/或角度上折射入射光的一部分。另外地或替选地，小面可以是相似的尺寸和取向，或者可以具有不同的尺寸和/或取向。另外地或替选地，折射表面209可以用来将较高光束参数积光束201的一部分沿不同的方向导向。另外地或替选地，非成像折射光学部件207可以与成像光学器件结合，以在提供光束部分的混合的同时也提供一些成像操作。
图3A、图3B和图3C示出了穿过图2A的结构的各种光束宽度。图3A示出了图2A在虚线I-I处的截面视图。图3A示出了围绕芯302的覆层301，该芯具有图2A的具有小斑点尺寸303的较低光束参数积光束201。图3B示出了图2A在虚线II-II处的截面视图。图3B示出了覆层301、较大的芯304(例如，多模光纤的芯)和具有较大斑点尺寸305的较高光束参数积光束。图3C示出了图2A在虚线III-III处的截面视图。图3C示出了覆层301、较大的芯304和具有斑点尺寸306的较高光束参数积光束。因为通过折射表面209折射的各个光束部分允许进一步传播直到接触多模光纤204的覆层205/芯206界面，因此随着截面移动远离折射表面209，光束宽度增加。
图4A、图4B和图4C示出了使用多个非成像折射光学部件的光束参数积修改的示例。在图4A中，较低光束参数积光束401从单模芯402传递到多模光纤404的芯405，并传递到另一多模光纤410的另一芯411。第一非成像折射光学部件403可以位于芯402与芯405之间，并且第二非成像折射光学部件409可以位于芯405与芯411之间。为简单起见，没有示出芯402周围的覆层。
多模光纤404包括被覆层406包围的多模芯405。多模光纤410包括被覆层412包围的多模芯411。覆层406和覆层412可以是不同的覆层，或者可以是公共覆层415。覆层406和覆层412可以具有相同的直径或者可以具有不同的直径。
非成像折射光学部件403可以贯通(through)一定的角度范围是光束401的部分折射。在图4A中，角度的范围示出为-θ(407)直至+θ(408)。该范围可以是连续的，或者可以量化为预设角度折射(例如，通过±0.01θ至±0.5θ——也可以使用大于或小于该范围的其他角度的预设角度折射)。非成像折射光学部件409可以包括相同的折射度(例如，贯通角度-θ至+θ的范围)。因为来自第一非成像折射光学部件403的光束部分可能已经被贯通-θ至+θ的范围而折射，所以非成像折射光学部件409可以进一步折射那些光束部分，导致贯通-2θ(413)至+2θ(414)折射。另外地或替选地，非成像折射光学部件409可以具有不同的折射角度范围，该折射角度范围可以将来自非成像折射光学部件403的光束部分贯通不同的范围(例如，除-θ至+θ之外的范围)折射，从而导致不同的所得角度范围(例如，-2θ至+2θ之外的范围)。
图4B示出了非成像折射光学部件403的放大视图。折射表面403a提供-θ至+θ之间的折射范围。图4C示出了非成像折射光学部件409的放大视图。折射表面409a提供-2θ至+2θ之间的折射范围。结合非成像折射光学部件403和409，加上角度折射，光束部分的折射角度范围可以从-3θ到+3θ。
图5示出了使用光纤布拉格光栅的光束参数积修改的示例。可以使用具有覆层505至507和芯508的单模光纤502来传送较高光束参数积光束501。覆层505至507中的两个或更多个可以被组合。单模光纤502可以附接到光纤503或者是光纤503的一体化部分。光纤503可以包括一个或更多个覆层509至510、外芯511以及内芯512。内芯512可以包括光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅可以将光束501的一个或更多个部分从内芯512导出至外芯511中。光纤503可以连接到多模光纤504。多模光纤504可以包括覆层514和芯515，并传送合成的光束(resultant beam)516。外芯511与多模芯515之间的耦合可以允许合成的光束516的直径继续扩展。相对于光纤503中的光纤布拉格光栅示出了方向性箭头517和518。光纤503中的实线箭头517可以表示光束501的一部分向外芯511中的有效偏转。由实线箭头表示的光束部分可能是光纤布拉格光栅是长周期光栅的结果，在该光纤布拉格光栅中，箭头517的光束部分与光束501的大致方向相同。另外地或替选地，光纤503中的光纤布拉格光栅可以反射由虚线箭头518表示的光束部分。为了将由虚线箭头518表示的光束部分重新导向至光束501的相同方向，光纤503可以包括反射层519。另外地或替选地，根据覆层510的折射率(例如，允许至少一些波长将其用作芯层)，可以包括另外的反射层520以用于覆层510。反射层519(以及使用的反射层520)可以是一个反射表面或者是两个或更多个反射表面。一个或多个反射表面可以是平面的、弯曲的或者是与折射表面209的表面类似有小面的。由虚线箭头518表示的光束部分可以被一个或多个反射表面反射，以将光束部分重新导向在光纤504的方向上。
图6A、图6B和图6C示出了穿过图5的结构的各种光束宽度。图6A示出了图5中虚线I-I处的截面视图。图6A示出了覆层601至603以及单模芯604。示出了具有窄直径的较低光束参数积光束605。图6B示出了图5中虚线II-II处的截面视图。图6B示出了覆层601至602、外芯606以及内芯607。较低光束参数积光束的一部分被示为605，其具有与图6A中的光束605相同的直径。光束608被示为外芯606中的扩展的直径区域。光束608是由于较低光束参数积光束的一部分与图5的光纤布拉格光栅的元件的相互作用。图6C示出了图5中虚线III-III处的截面视图。图6C示出了覆层601以及多模芯602。示出了具有大光束直径的较高光束参数积光束609。较高光束参数积光束609可以是光束608(其基于与图5的光纤布拉格光栅的相互作用而从光束605折射出来)和较低光束参数积光束605的剩余部分的组合。
图7A、图7B、图7C和图7D示出了图5的光纤布拉格光栅的示例。图7A示出了具有外芯701和内芯702的光纤布拉格光栅。图7B至图7D示出了内芯702，而外芯701没有被示出。在图7A中，光纤布拉格光栅包括等距地间隔距离Λ的元件703和704。作为参照，外芯701的折射率是n1，内芯702和光纤布拉格光栅部分704的折射率是n2，以及光纤布拉格光栅部分703的折射率是n3。在图7A中示出了实线箭头和虚线箭头以表示反射(例如，通过较短周期的光纤布拉格光栅)的光束部分或折射(例如，通过较长周期的光栅)的光束部分。根据由部分703和704修改的光束部分的方向，可以包括一个或更多个反射层701a，以将光束部分朝向图7A的右侧(例如，在芯702中的入射光束的大致方向上)重新导向。在图7B中，光纤布拉格光栅是啁啾的。在光纤布拉格光栅的长度上，元件705、706、707和708具有更长的长度(沿着光纤的长度)。例如，光纤布拉格光栅元件705(位于光纤布拉格光栅的起点附近)的长度为Λ，而光纤布拉格光栅元件707(位于光纤布拉格光栅的终点附近)的长度为Λ++(表示长度大于Λ+且远大于Λ)。在图7C中，光纤布拉格光栅的元件709和710相对于光纤布拉格光栅的长度方向倾斜。在每个元件709和710以角度α倾斜的同时，每个元件709和710的长度通常是相同的(例如，Λ)。单个元件709或710的倾斜角α可以对于所有元件是相同的角度α，或者可以变化成不同的角度。图7D结合了图7B的啁啾和图7C的倾斜，导致光纤布拉格光栅元件711、712、713和714的长度在光纤布拉格光栅的长度上增加，并且光纤布拉格光栅元件711、712、713和714相对于光纤布拉格光栅的长度倾斜。倾斜角α对于所有元件可以是一致的，或者可以变化。
图8A、图8B和图8C示出了穿过另一个光纤示例的各种光束宽度。代替承载较低光束参数积光束的单模光纤，图8A示出了具有承载较低光束参数积光束的多模芯802和覆层(cladding)801的多模光纤。图8B示出了具有部分较低光束参数积光束803和较高光束参数积光束804的多模芯802以及覆层801。图8C示出了图8B的截面视图的下游的截面视图。在图8C中，较高光束参数积光束804的光束宽度继续扩展。
图9示出了具有可选择的光束参数积的激光系统的示例，其被导向不同的准直光学器件。在图9中，激光源901可以使用一个或更多个激光器——包括但不限于气体激光器902、晶体激光器903或光纤激光器904——产生较低光束参数积光束。较低光束参数积光束可以经由单模光纤或多模光纤905而被传送到光束路径选择光学器件906。光束路径选择光学器件906(例如，切换耦合器)可以包括一个或更多个光学装置，包括例如光耦合器、棱镜、反射镜或透镜或者这些装置中的两个或更多个的组合。作为示例，光束路径选择光学器件被示为具有反射镜906A，该反射镜可以经由致动器906B被移入或移出来自光纤905的光束的路径。反射镜906A可以仅具有两个位置(例如，将所有入射光束导向光束路径选择光学器件906的两个输出端之一)。另外地或替选地，反射镜906A可以具有三个或更多个位置，以将少于全部的入射光束导向一个输出端，并将剩余的光束导向另一输出端。例如，为了以10％的增量将0％至100％之间的入射光束导向输出端，反射镜906A可以具有11个位置。
反射镜906A可以是单个固体(solid)反射镜。另外地或替选地，反射镜906A可以是具有不同反射度的部分反射性反射镜的集合。通过选择反射镜906A的集合中的反射镜之一，来自光纤905的入射光束可以基于所选择的反射镜的镀银程度而被导向。使用部分反射性反射镜来导向一部分入射光束可以减少入射光束与固体反射镜906A的前缘之间可能的对准问题。其他反射镜、棱镜或其他光学部件可以与图9所示的反射镜906A和致动器906B一起使用或者代替图9所示的反射镜906A和致动器906B而使用。来自光束路径选择光学器件906的第一输出端可以将光束或光束的一部分传送到光纤907。来自光束路径选择光学器件906的第二输出端可以将光束或光束的一部分传送到光纤911。
光纤907可以连接到用于较低光束参数积光束的准直光学器件908。准直光学器件908可以包括一个或更多个光学装置，包括例如光耦合器、棱镜、反射镜或透镜或者这些装置中的两个或更多个的组合。输出光束可以经由光纤线缆909而被导向工件910。如果在光束路径选择光学器件906处选择了较高光束参数积光束(或所选的部分光束)，则光纤911中的较低光束参数积光束的光束参数积可以通过基于光纤的光束参数积修改912(其可以包括使用一个或更多个非成像折射光学部件或者一个或更多个光纤布拉格光栅的光束参数积修改)来增加。得到的较高光束参数积光束可以经由光纤913被传送到准直光学器件914。准直光学器件914可以包括一个或更多个光学装置，包括例如光耦合器、棱镜、反射镜或透镜或者这些装置中的两个或更多个的组合。得到的经准直的较高光束参数积光束可以经由光纤线缆915而被导向到工件916。工件910和工件916可以是不同的工件，或者可以是经由轨道/台板(platen)/传送系统917在位置之间传送的相同工件。
图10示出了具有可选择的光束参数积的激光系统的一个示例，其被导向准直光学器件。在图10中，激光源1001可以使用一个或更多个激光器——包括但不限于气体激光器1002、晶体激光器1003或光纤激光器1004——产生较低光束参数积光束。较低光束参数积光束可以经由单模光纤或多模光纤1005而被传送到光束路径选择光学器件1006(例如，如图9中所述的切换耦合器或其他布置)。光束路径选择光学器件1006可以包括一个或更多个光学装置，包括例如光耦合器、棱镜、反射镜或透镜或者这些装置中的两个或更多个的组合。较低光束参数积光束可以被传送到准直光学器件1008以用于工件1009上。当在光束路径选择光学器件1006处选择了较高光束参数积光束时，较低光束参数积光束1010的光束参数积可以通过基于光纤的光束参数积修改1011(其可以包括使用一个或更多个非成像折射光学部件或一个或更多个光纤布拉格光栅的光束参数积修改)而增加。较高光束参数积光束可以被输出到公共准直光学器件1008以用于工件1009上。
在一个示例中，经由光束路径选择光学器件1006来选择较低光束参数积的激光或较高光束参数积的激光可以导致仅较低光束参数积光束被导向工件1009或者仅较高光束参数积光束被导向工件1009。在另一示例中，光束路径选择光学器件1006可以允许选择较低光束参数积光束的部分被导向到准直光学器件1008，而剩余部分被导向到基于光纤的光束参数积修改1011，导致光束1012具有更高的光束参数积。较低光束参数积光束与较高光束参数积光束的比率的选择可以通过例如使用部分反射性反射镜或棱镜或组合或其他部件来执行，以将激光的一部分导向一个输出端，同时将剩余部分导向另一输出端，如参照图9所述。此外，可以选择多个组合，包括例如三个光束部分，其中每个光束部分具有不同的光束参数积。三个光束部分可以通过例如使用部分反射性反射镜或棱镜或组合或其他部件来分离，以将激光的一部分导向一个输出端，同时将要再次被分离的剩余部分导向使得每个部分被导向其自身的输出端。此外，光束的分离可以是统一的或者是可选择的，导致三个或更多个光束中的每一个具有不同比率或部分。
准直光学器件1008可以将光束1007和光束1012组合成共线光束。另外地或替选地，准直光学器件1008可以将光束1007和光束1012导向工件1009的区域，这导致光束照射工件1009上的公共区域。此外，当确定光束1007和光束1012的位置时，可以考虑工件1009的运动。例如，当工件相对于准直光学器件1008移动时，较低BPP光束1007可以先于较高BPP光束1012照射工件1009的给定区域。另外地或替选地，较高BPP光束1012可以先于较低BPP光束1007。此外，光束1007和1012中的一个或更多个可以被进一步分离并且与一个或更多个其他光束(或其他光束的一部分)交错。
通过在单个工件处导向两个或更多个光束——每个光束具有不同的光束参数积——可以更好地调节具有低光束参数积的光束与具有高光束参数积的光束1007之间的温度梯度。例如，如果具有低光束参数积的光束被用于焊接操作，则光束的边缘可能产生尖锐的温度梯度。为了减少对焊接区域的另外的处理的需要，具有较高BPP的光束可以照射由具有较低BPP的光束照射的斑点周围或后面的区域。
各种光纤线缆可以是单模、多模和/或其组合。耦合装置可以是光纤耦合器以及/或者使用包括但不限于成像光学器件、反射镜、棱镜等的其他光学部件的集成装置。
尽管以上描述了示例，但是这些示例的特征和/或步骤可以以任何期望的方式组合、划分、省略、重新布置、修改和/或增加。本领域的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。尽管本文没有明确说明，但这样的变更、修改和改进旨在成为本说明书的一部分，并且旨在落入本公开的精神和范围内。因此，前面的描述仅作为示例，而不是限制。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
第一光纤线缆，其具有芯，所述芯被配置成接收第一光束参数积的第一激光束；
折射表面，其被配置成接收来自所述第一光纤线缆的芯的所述第一激光束，所述折射表面被配置成输出第二光束参数积的第二激光束；以及
第二光纤线缆，其具有被配置成接收所述第二激光束的芯，
其中，所述第一光束参数积小于所述第二光束参数积。
2.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第一光纤线缆是单模线缆。
3.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第二光纤线缆是多模线缆。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
光束准直器，其被配置成接收所述第一激光束和所述第二激光束中的至少之一，所述光束准直器被配置成将至少一个接收到的光束准直到工件上。
5.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述折射表面是第一折射表面，以及
其中，所述系统还包括：
第二折射表面，其被配置成接收来自所述第二光纤线缆的所述第二激光束，所述第二折射表面被配置成输出具有第三光束参数积的第三激光束；以及
第三光纤线缆，其被配置成接收所述第三激光束，
其中，所述第三光束参数积大于所述第二光束参数积。
6.一种系统，包括：
第一光纤线缆，其具有芯，所述芯被配置成接收具有第一光束参数积的第一激光束；
光纤布拉格光栅，其被配置成接收来自所述第一光纤线缆的芯的所述第一激光束，所述光纤布拉格光栅被配置成输出具有第二光束参数积的第二激光束；以及
第二光纤线缆，其具有被配置成接收所述第二激光束的芯，
其中，所述第一光束参数积小于所述第二光束参数积。
7.根据权利要求6所述的系统，
其中，所述第一光纤线缆是单模线缆。
8.根据权利要求6所述的系统，
其中，所述第二光纤线缆是多模线缆。
9.根据权利要求6所述的系统，还包括：
光束准直器，其被配置成接收所述第一激光束和所述第二激光束中的至少之一，所述光束准直器被配置成将所接收到的光束中的至少之一准直到工件上。
10.根据权利要求6所述的系统，
其中，所述光纤布拉格光栅包括啁啾光纤布拉格光栅。
11.根据权利要求6所述的系统，
其中，所述光纤布拉格光栅包括相对于所述光纤布拉格光栅的长度方向倾斜一个或更多个角度的元件。
12.根据权利要求6所述的系统，
其中，所述光纤布拉格光栅包括啁啾光纤布拉格光栅，以及
其中，所述光纤布拉格光栅包括相对于所述光纤布拉格光栅的长度方向倾斜一个或更多个角度的元件。
13.一种方法，包括：
经由第一光纤线缆接收第一光束，所述第一光束具有第一光束参数积；
将所述第一光束修改成第二光束，所述第二光束具有第二光束参数积；以及
经由第二光纤线缆输出所述第二光束，
其中，所述第一光束参数积低于所述第二光束参数积。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中，修改所述第一光束还包括：
经由折射表面修改所述第一光束。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将所述第二光束修改成第三光束，所述第三光束具有第三光束参数积；以及
经由第三光纤线缆输出所述第三光束，
其中，所述第二光束参数积低于所述第三光束参数积。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中，修改所述第一光束还包括经由第一折射表面修改所述第一光束，以及
其中，修改所述第二光束还包括经由第二折射表面修改所述第二光束。
17.根据权利要求13所述的方法，
其中，修改所述第一光束还包括：
经由光纤布拉格光栅修改所述第一光束。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：
接收关于是否修改所述第一光束的选择；以及
基于所述选择来输出要被修改的所述第一光束。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括：
接收选择；以及
将接收到的光束的一部分导向所述第一光纤线缆。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括：
接收所述第二光束；
接收具有低光束参数积的光束；
准直所述第二光束和所述具有低光束参数积的光束；以及
向工件输出组合的光束。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202140994A (zh) * 2020-03-13 2021-11-01 日商東京威力科創股份有限公司 光干涉系統及基板處理裝置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014149435A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Cymer, Llc Beam position control for an extreme ultraviolet light source
US20150331205A1 (en) * 2014-02-26 2015-11-19 Parviz Tayebati Systems and methods for laser systems with variable beam parameter product
US20180088357A1 (en) * 2016-09-29 2018-03-29 Nlight, Inc. Adjustable beam characteristics
US20180203185A1 (en) * 2015-07-08 2018-07-19 Nlight, Inc. Fiber with depressed central index for increased beam parameter product

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4438368C3 (de) 1994-10-27 2003-12-04 Fraunhofer Ges Forschung Anordnung zur Führung und Formung von Strahlen eines geradlinigen Laserdiodenarrays
DE19807891A1 (de) * 1998-02-25 1999-08-26 Abb Research Ltd Faserlaser-Drucksensor
US20020150333A1 (en) * 2001-02-17 2002-10-17 Reed William Alfred Fiber devices using grin fiber lenses
US6487338B2 (en) * 2001-03-07 2002-11-26 Charles K. Asawa Profile matching fiber patchcord for fundamental mode excitation in graded-index multimode fiber
US6813416B2 (en) * 2002-02-20 2004-11-02 Lightwaves 2020, Inc. Miniature fiberoptic filter and method of manufacture therefor
FR2838200B1 (fr) * 2002-04-08 2004-08-06 Optogone Sa Collimateur optique pour fibre monomode presentant une section de fibre a gradient d'indice, fibre monomode a coeur etendu et procede de fabrication correspondants
JP3838218B2 (ja) 2003-05-19 2006-10-25 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法
US20050025416A1 (en) * 2003-08-01 2005-02-03 Optium Corporation Optical fiber transmission system with increased effective modal bandwidth transmission
US20120074110A1 (en) 2008-08-20 2012-03-29 Zediker Mark S Fluid laser jets, cutting heads, tools and methods of use
EP2521505B1 (en) 2010-01-07 2017-09-06 Omni MedSci, Inc. Fiber lasers and mid-infrared light sources in methods and systems for selective biological tissue processing and spectroscopy
DE102011016253B4 (de) 2011-04-06 2014-02-27 Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH Diodenlaser
KR101908079B1 (ko) * 2011-12-09 2018-12-10 루멘텀 오퍼레이션즈 엘엘씨 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키는 장치
CN202815262U (zh) * 2012-09-05 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器
US9899799B2 (en) 2014-03-07 2018-02-20 Nec Corporation Optical waveguide, and optical component and variable wavelength laser which use the same
CN107076932B (zh) 2015-06-11 2019-10-18 华为技术有限公司 一种光栅耦合器及制备方法
US10795078B2 (en) * 2018-05-01 2020-10-06 Ii-Vi Delaware Inc. MMF optical mode conditioning device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014149435A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Cymer, Llc Beam position control for an extreme ultraviolet light source
US20150331205A1 (en) * 2014-02-26 2015-11-19 Parviz Tayebati Systems and methods for laser systems with variable beam parameter product
US20180203185A1 (en) * 2015-07-08 2018-07-19 Nlight, Inc. Fiber with depressed central index for increased beam parameter product
US20180088357A1 (en) * 2016-09-29 2018-03-29 Nlight, Inc. Adjustable beam characteristics

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