CN112969943A - 用于光束成形的光学纤维结构和方法 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，光纤具有纤芯、环形纤芯和包层区域的布置，实现改变光束形状和/或光束参数乘积，并且可以用于各种工件的加工(例如，焊接、切割、钻孔等)。

Description

用于光束成形的光学纤维结构和方法
相关申请
本申请要求2018年11月12日提交的美国临时专利申请No.62/758,731的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及激光系统和光学纤维，特别是具有可控光束轮廓(例如可变光束参数乘积)的激光系统和光学纤维。
背景技术
高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。所述光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。即，BPP＝NA×D/2，其中D是聚焦点(腰部)直径，NA是数值孔径；因此，可以通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化了激光束的质量以及它能聚焦到小点的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M2表示，其是与波长无关的光束质量的度量。
在许多激光加工应用中，所需的光束光斑尺寸、发散度和光束质量可以根据例如加工的类型和/或待加工的材料类型而变化。对于材料加工应用中的工业激光器尤其如此。例如，较小的BPP值，即较好的光束质量，在切割薄金属中是优选的，而较大的BPP(即，较差的光束质量)优选用于切割较厚的金属。为了使激光系统的BPP发生这种改变，通常输出光学系统或光学纤维必须换成其他元件和/或重新对准，该过程耗时且昂贵，甚至可能意外损坏激光系统中脆弱的光学元件。因此，需要替代技术来改变激光系统的BPP且不涉及对光学纤维输出处的激光束或光学系统的这种调整。
发明内容
本发明的各种实施例提供了激光系统和光学纤维，其实现了改变输出激光束的BPP和/或形状，同时最小化或基本消除了光功率损耗。本发明的实施例提供了具有纤芯和包层区域的复杂构造的光纤，以及利用这种光纤将激光能量传输到例如用于加工的工件的系统。根据本发明实施例的示例性光纤的特征在于环形纤芯区域，其包含(i)具有分级折射率的子区域，(ii)具有不同折射率的梯级轮廓的子区域，或(iii)低折射率阻隔层。因此，根据本发明的实施例的光纤可以用于形成具有多种BPP和/或光束形状的出射光束，使用常规光纤是无法获得的。
在结构上，根据本发明实施例的光纤，在不改变本发明的原理的情况下，可以包括一个或多个高和/或低折射率的层，其超出外部包层(即在外部包层外部)。这样的附加层也可以称为包层、涂层或环形纤芯，但不可以引导光。这样的变型在本发明的范围内。根据本发明各种实施例的光纤的各种纤芯或包层可以包括玻璃，例如基本上纯的熔融石英和/或掺杂有氟、钛、锗和/或硼的熔融石英，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。获得根据本发明实施例的光纤的特定层或区域的期望的折射率可以由本领域技术人员完成(通过诸如掺杂等技术)而无需过度试验。本申请所述的光纤可以为多模光纤。
在本申请中，除非另外指出，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。在本申请中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括多个光束发射器或基本上由多个光束发射器组成，例如配置为发射多个光束的二极管条。在本文的实施例中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。在本发明的实施例中产生的输出光束可以是单波长或多波长光束。
本发明的实施例可以与波长光束组合(WBC)系统一起使用，所述系统包括多个发射器，例如使用色散元件组合以形成多波长光束的一个或多个二极管条。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利申请8,559,107中，每个的全部公开8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。WBC系统的多波长输出光束可以结合本发明的实施例用作输入光束，例如用于BPP控制。
与仅仅用光探测表面(例如，反射率测量)的光学技术和用于数据传输的光束相比，根据本发明的实施例产生的输出光束可用于加工工件，使得工件的表面被物理地改变和/或使得在表面上或表面内形成特征。根据本发明实施例的示例性加工包括切割、熔接、钻孔和焊接。这样，本申请详述的光纤可以具有在其输出端处的激光头，该激光头配置为将来自光纤的输出光束朝向待加工工件聚焦。激光头可以包括一个或多个光学元件，基本上由一个或多个光学元件组成，或由一个或多个光学元件组成，所述光学元件用于聚焦和/或准直输出光束，和/或控制光束的偏振和/或轨迹，激光头可以定位成朝向工件和/或朝向可以在其上布置工件的平台或可定位台架发射输出光束。
本发明的各种实施例还可以在一个或多个点处或沿着一维线性或曲线加工路径加工工件，而不是用来自激光束的辐射充满全部或基本上全部工件表面。通常，加工路径可以是曲线的或线性的，且“线性”加工路径可以具有一个或多个方向上变化的特征，即，线性加工路径可以由两个或多个彼此不一定平行的基本上直的段组成。类似地，“曲线”路径可以由多个两者之间具有方向变化的曲线段组成。根据本发明实施例的其他加工路径包括分段路径，其中每个段为线性的或曲线的，且在其中任何两个段之间可以存在方向改变。
本发明的实施例可以改变光束形状和/或BPP以针对不同类型的加工技术或正在加工的不同类型的材料改进或优化性能。本发明的实施例可以利用2015年2月26日提交的美国专利申请序列No.14/632,283、2015年6月23日提交的美国专利申请序列No.14/747,073、2015年9月14日提交的美国专利申请序列No.14/852,939、2016年6月21日提交的美国专利申请序列No.15/188,076、2017年4月5日提交的美国专利申请序列No.15/479,745、和2017年7月14日提交的美国专利申请序列No.15/649,841中描述的用于改变BPP和/或激光束形状的各种技术，其各自的公开内容通过引用整体并入本申请。
一方面，本发明的实施例具有渐变梯级包层光纤，所述渐变梯级包层光纤包括中心纤芯、包裹中心纤芯的第一包层、包裹第一包层的环形纤芯和包裹环形纤芯的第二包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。中心纤芯具有第一折射率。第一包层具有小于第一折射率的第二折射率。第二包层具有小于第一折射率的第三折射率。环形纤芯包括第一区域和第二区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一区域具有大于第二折射率的第四折射率。第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率与(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。第二区域的折射率的变化可以是线性的、非线性的、抛物线的、多项式的或阶梯式的。第四折射率可以等于第一折射率。第四折射率可以大于第一折射率。第四折射率可以小于第一折射率。第二折射率可以等于第三折射率。第二折射率可以大于第三折射率。第二折射率可以小于第三折射率。第一区域的厚度可以等于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以大于第二区域的厚度。第五折射率可以小于第四折射率。第五折射率可以等于第四折射率。第六折射率可以大于第二折射率。第六折射率可以等于第二折射率。
在另一方面，本发明实施例的特征在于一种渐变梯级包层光纤，所述渐变梯级包层光纤包括中心纤芯、包裹中心纤芯的环形纤芯以及包裹环形纤芯的第一包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。中心纤芯具有第一折射率。第一包层具有小于第一折射率的第二折射率。环形纤芯包括第一区域和第二区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一区域具有大于第二折射率的第三折射率。第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率与(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。第一区域可以设置在第二区域和第一包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第一包层之间。第二区域的折射率的变化可以是线性的、非线性的、抛物线的、多项式的或阶梯式的。第三折射率可以等于第一折射率。第三折射率可以大于第一折射率。第三折射率可以小于第一折射率。第五折射率可以等于第二折射率。第五折射率可以大于第二折射率。第五折射率可以小于第二折射率。第一区域的厚度可以等于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以大于第二区域的厚度。第四折射率可以小于第三折射率。第四折射率可以等于第三折射率。
又另一方面，本发明的实施例具有多梯级包层光纤，所述多梯级包层光纤包括中心纤芯、包裹中心纤芯的第一包层、包裹第一包层的环形纤芯和包裹环形纤芯的第二包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。中心纤芯具有第一折射率。第一包层具有小于第一折射率的第二折射率。第二包层具有小于第一折射率的第三折射率。环形纤芯包括第一区域和第二区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一区域具有大于第二折射率的第四折射率。第二区域具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。第二折射率可以等于第三折射率。第二折射率可以大于第三折射率。第二折射率可以小于第三折射率。第四折射率可以等于第一折射率。第四折射率可以大于第一折射率。第四折射率可以小于第一折射率。第五折射率可以等于第一折射率。第五折射率可以大于第一折射率。第五折射率可以小于第一折射率。第一区域的厚度可以等于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以大于第二区域的厚度。
另一方面，本发明的实施例具有阻隔梯级包层光纤，所述阻隔梯级包层光纤包括中心纤芯、包裹中心纤芯的第一包层、包裹第一包层的环形纤芯和包裹环形纤芯的第二包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。中心纤芯具有第一折射率。第一包层具有小于第一折射率的第二折射率。第二包层具有小于第一折射率的第三折射率。环形纤芯包括第一区域、第二区域和设置在第一区域和第二区域之间的第三区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一区域具有大于第二折射率的第四折射率。第二区域具有大于第二折射率的第五折射率。第三区域具有小于第四折射率和第五折射率的第六折射率。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。环形纤芯可以包括第四区域和第五区域，所述第四区域具有大于第二折射率的第七折射率，所述第五区域布置在第二区域和第四区域之间，具有小于第五折射率和第七折射率的第八折射率。第七折射率可以等于第四折射率和/或第五折射率。第七折射率可以大于第四折射率和/或第五折射率。第七折射率可以小于第四折射率和/或第五折射率。第八折射率可以等于第六折射率。第八折射率可以大于第六折射率。第八折射率可以小于第六折射率。第五区域的厚度可以等于第三区域的厚度。第五区域的厚度可以小于第三区域的厚度。第五区域的厚度可以大于第三区域的厚度。
第四折射率可以等于第五折射率。第四折射率可以大于第五折射率。第四折射率可以小于第五折射率。第四折射率可以等于第一折射率。第四折射率可以大于第一折射率。第四折射率可以小于第一折射率。第五折射率可以等于第一折射率。第五折射率可以大于第一折射率。第五折射率可以小于第一折射率。第六折射率可以等于第二折射率。第六折射率可以大于第二折射率。第六折射率可以小于第二折射率。第一区域的厚度可以等于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以大于第二区域的厚度。第三区域的厚度可以小于第一区域的厚度和/或第二区域的厚度。第三区域的厚度可以等于第一包层的厚度。第三区域的厚度可以小于第一包层的厚度。第三区域的厚度可以大于第一包层的厚度。
又另一方面，本发明的实施例具有阻隔梯级包层光纤，所述阻隔梯级包层光纤包括中心纤芯、包裹中心纤芯的第一包层、包裹第一包层的环形纤芯和包裹环形纤芯的第二包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。中心纤芯的折射率等于在中心纤芯的中心部分处的第一折射率。中心纤芯的折射率在中心纤芯的半径或厚度的至少一部分上减小至小于第一折射率的第二折射率。第一包层具有小于第一折射率的第三折射率。第二包层具有小于第一折射率的第四折射率。环形纤芯包括第一区域、第二区域和设置在第一区域和第二区域之间的第三区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一区域具有大于第三折射率的第五折射率。第二区域具有大于第三折射率的第六折射率。第三区域具有小于第五和第六折射率的第七折射率。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。第二折射率可以等于第三折射率。第二折射率可以大于第三折射率。第五折射率可以等于第六折射率。第五折射率可以大于第六折射率。第五折射率可以小于第六折射率。第五折射率可以等于第一折射率。第五折射率可以大于第一折射率。第五折射率可以小于第一折射率。第五折射率可以等于第二折射率。第五折射率可以大于第二折射率。第五折射率可以小于第二折射率。第六折射率可以等于第一折射率。第六折射率可以大于第一折射率。第六折射率可以小于第一折射率。第六折射率可以等于第二折射率。第六折射率可以大于第二折射率。第六折射率可以小于第二折射率。第七折射率可以等于第三折射率。第七折射率可以大于第三折射率。第七折射率可以小于第三折射率。第一区域的厚度可以等于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第一区域的厚度可以大于第二区域的厚度。第三区域的厚度可以小于第一区域的厚度。第三区域的厚度可以小于第二区域的厚度。第三区域的厚度可以等于第一包层的厚度。第三区域的厚度可以小于第一包层的厚度。第三区域的厚度可以大于第一包层的厚度。
另一方面，本发明实施例的特征在于一种激光系统，其包括用于发射输入激光束的光束源、具有输入端和与该输入端相对的输出端的光纤、输入耦合机构(in-couplingmechanism)和控制器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光纤包括以上或本申请中所述的光纤中的任何一种，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。输入耦合机构接收输入激光束，并将输入激光束朝向光纤的输入端引导。输入激光束被输入耦合(in-coupled)至光纤中，并从光纤的输出端作为输出光束发射。控制器控制相对于光纤的输入耦合机构，以将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上。输出光束的光束参数乘积和/或数值孔径和/或光束形状至少部分地由一个或多个输入耦合位置确定。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。输入耦合机构可以包括一个或多个光学元件，用于将输入激光束朝向光纤的输入端聚焦，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。响应于控制器，光学元件可以沿着以下所述移动：(i)基本平行于输入激光束的传播方向的轴线和/或(ii)基本垂直于输入激光束的传播方向的一个或多个轴线。输入耦合机构可以包括操纵机构，用于接收输入激光束并将输入激光束朝向光纤引导，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述操纵机构可以包括一个或多个反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光学元件可以包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。输入耦合机构可以包括反射器，用于接收输入激光束并将输入激光束朝向光纤反射，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。反射器可以是响应于控制器能够旋转的(即，能够倾斜的)。输入耦合机构可以包括用于接收来自反射器的输入激光束并将输入激光束朝向光纤聚焦的光学元件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。响应于控制器，光学元件可以沿着以下所述移动：(i)基本平行于输入激光束的传播方向的轴线和/或(ii)基本垂直于输入激光束的传播方向的一个或多个轴线。光学元件可以包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光束源可以响应于控制器。控制器可以配置为将输入激光束引导至多个不同的输入耦合位置上，而无需在输入激光束在不同的输入耦合位置之间被引导时调制输入激光束的输出功率。控制器可以配置为将输入激光束引导至至少部分(或完全)与第一包层重叠的至少一个输入耦合位置上。输入耦合至第一包层中的光束能量可以形成输出光束的至少一部分。控制器可以配置为将输入激光束引导至至少部分(或完全)与第一区域和/或第二区域重叠的至少一个输入耦合位置上。输入耦合到其中的光束能量可以形成输出光束的至少一部分。激光头可以连接至光纤的输出端。激光头可以将输出光束朝向工件引导用于对其进行加工。控制器可以配置为基于以下所述将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)待加工工件的加工路径。加工的类型可以从包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊的列表中选择。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制器可以配置为基于加工路径中的一个或多个方向变化将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上。光束源可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为输入激光束以及将分散的光束的第二部分反射回朝向色散元件(并且例如从那里至一个或多个光束发射器以稳定其发射波长)。输入激光束可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。
在又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种用激光束加工工件的方法。提供一种具有输入端和与输入端相对的输出端的光纤。所述光纤包括以上或本申请中所述的光纤中的任何一种，基本上由其组成，或由其组成。一工件设置在光纤的输出端附近。至少部分地基于以下所述确定用于加工工件的光束参数乘积、数值孔径和/或光束形状：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)待加工工件的加工路径。激光束被引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上，以选择从光纤的输出端发射的激光束的光束参数乘积、数值孔径和/或光束形状。用从光纤的输出端发射的激光束加工工件。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。加工工件可以包括物理改变工件的至少一部分表面，基本上由物理改变工件的至少一部分表面组成，或由物理改变工件的至少一部分表面组成。加工工件可以包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、锡焊和/或钎焊，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光束参数乘积、数值孔径和/或光束形状可以至少部分地基于工件的特性来确定。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光束参数乘积、数值孔径和/或光束形状可以至少部分地基于加工路径中的一个或多个方向变化来确定。至少一个输入耦合位置可以至少部分地与第一包层重叠。输入耦合至第一包层中的光束能量可以形成输出光束的至少一部分。至少一个输入耦合位置可以至少部分地与第一区域和/或第二区域重叠。输入耦合到其中的光束能量可以形成输出光束的至少一部分。将激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上可以包括(i)用一个或多个反射器反射激光束和/或(ii)用一个或多个光学元件聚焦激光束，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。一个或多个输入耦合位置可以包括多个不同的输入耦合位置，基本上由其组成，或由其组成。在加工工件时，通过将激光束引导至不同于所述一个或多个输入耦合位置的一个或多个第二输入耦合位置上，可以改变激光束的光束参数乘积、数值孔径和/或光束形状。激光束可以从光束发射器发射，所述光束发射器可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为激光束以及将分散的光束的第二部分反射回朝向色散元件(并且例如从那里至光束发射器以稳定其发射波长)。激光束可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本文所用的，术语“基本上”表示±10％，在一些实施例中，表示±5％。除非本文另有定义，术语“基本上由……组成”表示排除有助于实现功能的其他材料。但是这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。在本文中，除非另有说明，术语“辐射”和“光”可互换使用。在本文中，“下游”或“光学上的下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上的上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有说明，否则本文中使用的“距离”可以被认为是“光学距离”。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是在于重点说明本发明的原理。在接下来的说明书中，参考以下附图对本发明的各种实施例进行描述，其中：
图1A为传统的双包层光纤的各层的折射率的示意图；
图1B为图1A的光纤的示意性截面图；
图2为传统的梯级包层光纤的各层的折射率的示意图；
图3为根据本发明的各种实施例的光纤的各层的折射率的示意图；
图4为根据本发明的各种实施例的光纤的各层的折射率的示意图；
图5A为根据本发明的各种实施例的光纤的各层的折射率的示意图；
图5B为根据本发明的各种实施例的光纤的各层的折射率的示意图；
图6为利用根据本发明的实施例的光纤的激光系统的多个部分的示意图；
图7A为用于模拟的示例性输入光束的示意图，示出本发明的各种实施例的效果；
图7B为用于利用图7A的输入光束进行模拟的示例性光纤参数的表格；
图8为模拟的光束参数乘积随反射器倾斜度的变化的曲线图，使用图7A和7B的输入光束和光纤参数进行模拟，将使用根据本发明实施例的光纤与常规梯级包层光纤进行比较；
图9A-9E为从根据本发明实施例的光纤以表示在图8的曲线图上的不同反射镜倾斜度发出的激光束的平面图；
图10A-10D为从传统梯级包层光纤以表示在图8的曲线图上的不同反射镜倾斜度发出的激光束的平面图；以及
图11为根据本发明实施例的波长光束组合(WBC)谐振器的示意图。
具体实施方式
图1A和1B示出了传统的双包层光纤100，其具有直径为D0和折射率为n0的中心纤芯110、直径为D1和折射率为n1的内包层115、直径为D2和折射率为n2的环形纤芯120以及折射率为n3的外包层125。如图所示，折射率n2等于折射率n0，并且折射率n3等于折射率n1。因此，中心纤芯110和环形纤芯120具有相同的NA，等于sqrt(n0 2-n1 2)。图1A示出了光纤100在光纤直径上的折射率，图1B为光纤100本身的示意性横截面。
通常通过将激光束耦合至图1A中所示的位置A和B中的一个或两个中来利用双包层光纤100；也就是说，激光束可以耦合至中心纤芯110和/或环形纤芯120中。利用光纤100的系统因此通过改变光纤100的出口处的有效光斑尺寸来改变输出光束的BPP，并且输出NA不变。使用光纤100，将输出光束的形状限制在中心光斑(当所有激光功率都耦合到位置A时)、环形圈(当所有激光功率都耦合到位置B时)或两者的混合(当激光功率耦合到位置A和B时)。
显著地，耦合到内包层115中的激光功率通常将完全丢失。耦合到通常相当薄的内包层115中的功率将散布到外包层125中，并被模消除器(mode stripper)去除，用于高功率激光传输的光缆通常具有模消除器以去除来自外包层的辐射。由于模消除器只能处理有限级别的激光功率，因此外包层125中的多余功率会轻易损坏模消除器，进而损坏光纤本身。在没有模消除器的光纤中，耦合到内包层115中的功率将在光纤输出处变为非零的大直径背景辐射。这样的背景功率可能会损坏下游光学器件，并且通常是无效的输出功率，甚至在许多应用中可能是有害的。最后，大量的功率延伸到外包层会导致纤维燃烧，因为外包层通常由一个或多个塑料涂层包围。
因此，利用光纤100的激光系统将避免激光功率在位置A和B之间的连续移动(即，以激光束穿过内包层115)，并且这样的激光系统通常利用两个不同的激光器(即，位置A和B各一个)或复杂的可变功率分光系统，以在位置A和B之间分配激光功率而不会照亮内包层115。
图2示出了传统的梯级包层光纤200的对应结构，如在2017年4月5日提交的美国专利No.10,088,632号(‘632专利)中所详细描述的，其全部公开内容通过引用合并于此。如图所示，光纤200具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯210、直径为D1且折射率为n1的第一包层215、直径为D2且折射率为n2的环形纤芯220、以及折射率为n3的外包层225。在所示的实施例中，折射率n2等于折射率n0，并且折射率n3小于折射率n1。如‘632专利中所详述的，光纤200可以比光纤100更动态地用于输出激光束的成形。例如，除了能够将激光能量输入耦合到中心纤芯210和/或环形纤芯220之外，光纤200还使得全部或部分激光功率能够被输入耦合输入至第一包层215。
具体地，耦合到第一包层215中的激光功率将不会丢失，且这种能量通常将从光纤200的中心扩散到整个区域(即，在中心纤芯210内)至环形纤芯220的边界外(即，直到环形纤芯220和外包层225之间的界面)。最初耦合到第一包层215但从中心纤芯210和环形纤芯220出射的激光束的输出NAout大于输入NAin，由NAout＝sqrt(NAin 2+(n0 2–n1 2))计算。该扩大的NA对总输出NA的贡献将取决于耦合到第一包层215中的功率的百分比，并且还取决于第一包层215的横截面积与中心纤芯210和环形纤芯220的面积之和的比率。另外，为了避免激光能量泄漏到外包层225中，与光纤200一起使用的激光输入NAin将通常比第一包层215的NA(等于sqrt(n1 2–n3 2)))小。
与光纤100相比，光纤200为光束成形提供各种优势。例如，利用光纤200的系统在不改变输入NA的情况下通过改变有效光斑尺寸和光纤出口处的NA来改变光束的BPP。另外，与光纤100相比，对于相同的中心纤芯和环形纤芯直径，光纤200提供更大范围的BPP变化。由于光纤200将激光功率接受到第一包层215中，因此光纤200还实现了形成附加的光束形状。最后，输入激光束能量可以在中心纤芯210和环形纤芯220之间连续移动，穿过第一包层215；因此，利用光纤200的系统不需要双输入激光器或用于输入激光束的复杂的激光功率分配系统。
尽管梯级包层光纤200与传统双芯光纤100相比具有许多优势，但本发明实施例提供了传统梯级包层光纤200无法实现的另外的优势。图3示出了根据本发明实施例的渐变梯级包层光纤300的内部结构。如图所示，光纤300具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯310、直径为D1且折射率为n1的第一包层315、直径为D2的环形纤芯320、以及折射率为n3的外包层325。类似于图2所示的梯级包层光纤200，第一包层315可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。在各种实施例中，n0和n1之间的差确定中心纤芯310的NA，该NA由NAcore＝sqrt(n0 2–n1 2)计算，n0和n3之间的差至少部分地确定光纤300的总NA，该总NA由NAfibre＝sqrt(n0 2–n3 2)计算。由于n1大于n3，所以NAfiber大于NAcore。
在各种实施例中，环形纤芯320包括两个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图3所示，环形纤芯320可以具有渐变折射率区域320g和具有折射率n2的恒定折射率区域。在渐变折射率区域320g中，折射率在低折射率nL和高折射率nH之间变化。在各种实施例中，低折射率nL可以近似等于或高于第一包层315的折射率n1，且高折射率nH可以近似等于或低于恒定折射率区域的折射率n2。在各种实施例中，n2可以近似等于n0，如图3所示。在其他实施例中，n2可以大于或小于n0。n2和n0之间的这些关系可以应用于根据本申请详细描述的本发明实施例的任何光纤。
根据本发明的各种实施例，纤芯和包层区域的直径可以至少部分地取决于激光源的各种特性(例如，输出功率)和/或取决于要通过光纤传输的输出光束的期望BPP范围。例如，大约100μm的中心纤芯直径D0与具有大约3.5mm-mrad的BPP的激光源相匹配，大约100μm的中心纤芯直径D0通常会产生相对较低的输出NA(大约0.09)，具有大约4mm-mrad的最小BPP。继续该示例，如果所需的BPP变化范围为约6倍，则环形纤芯320的直径D2可以为约600μm，不考虑当将某些激光功率输入耦合到第一包层315中和/或到渐变折射率区域320g的一部分(例如，较低折射率部分)中时可能发生的NA增大。假设中心纤芯310的NA为约0.12，且激光输入NA为约0.085，则增大后的NA将为约0.147(＝sqrt(0.12×0.12+0.085×0.085))，比输入NA大1.7倍。如所提及的，总输出NA的有效增大可以小于该倍数1.7，这是因为，在各种实施例中，并非所有输入功率都耦合到低折射率区域中或从高折射率区域中出射。假设总NA增大为约1.5，则环形纤芯直径可以减小到约400μm，以达到相同的BPP变化期望范围。环形纤芯的较小直径可能会产生输出光束的较高强度，这在许多高功率激光应用中可能是有益的。在各种实施例中，直径D2与直径D0的比率在大约2.5至大约8的范围内，或者在大约3至大约6的范围内。该比率可以应用于本申请详述的所有不同的光纤实施例。
在各种实施例中，第一包层315的厚度(即，((D1-D0)/2)可以小于直径D0的大约一半(即，小于大约D0/2)。第一包层的该厚度可以应用于本申请详述的所有不同的光纤实施例。对于光纤300，第一包层315的厚度可以甚至更小，例如，小于直径D0的大约25％、小于大约10％或甚至小于大约5％，这是由于例如存在渐变折射率区域320g的低折射率部分。
有利地，取决于环形纤芯320中的输入位置，耦合到环形纤芯320(包括渐变折射率区域320g)的折射率分布中的激光能量将导致具有不同有效直径和宽度的环形光束的输出光束。在各种实施例中，渐变折射率区域320g提供并实现具有不同NA的输入光束的全内反射的不同临界角界面位置。例如，具有输入耦合到环形纤芯320的恒定折射率区域中的输入NAin的激光功率通常将不会在整个环形纤芯320内扩散，而是将包含在折射率大于nx(其大于n1)的更有限的区域(满足sqrt(n2 2–nx 2)＝NAin)内。换句话说，环形纤芯320的具有折射率nx的部分用作射线阻挡器。类似地，输入功率在NA域中的不同部分将具有范围从0到NAin的不同的输入NA，且这些不同部分将因此被环形纤芯320内的不同部分(即，圆柱“界面”)“阻挡”。通常，功率的具有输入NAz(其小于或等于NAin)的z部分，其在具有相对较高的折射率ny的位置y处输入耦合到环形纤芯320中，其将被限制在环形纤芯320的一体积内，该体积具有大于nx的折射率且满足sqrt(ny 2–nx 2)＝NAz。该等式适用于本发明的所有实施例。该总体主张可以应用于本申请详述的本发明的任何和所有不同的实施例。
在各种实施例中，与图2中示出的传统梯级包层光纤200相比，渐变梯级包层光纤300提供了更广泛的光束形状，且因此可以被部署以满足更广泛的应用和通过其输出光束加工的工件的要求。如上述一般等式所示，输入位置(y)的变化通常将会导致在强度和宽度上具有不同的横截面轮廓的输出光束中的不同环形圈。输入位置的变化也可能生成不同有效直径的环形圈，特别是如果渐变折射率区域320g设置在环形纤芯320的外边缘处或附近。传统的光纤(例如，光纤200)将不会表现出这样的动态，因为输入耦合到这样的光纤的环形纤芯区域中的激光功率将几乎均匀地散布在整个环形纤芯区域。
另外，如图3中的位置A和B之间的双向箭头所示，渐变梯级包层光纤300使得激光输入光斑能够从位置A连续地移动到位置B，而没有明显的功率损失，已考虑到激光输入NAin不大于第一包层315的NA(其等于sqrt(n1 2–n3 2))。
在各种实施例中，渐变折射率区域320g的折射率分布(即，折射率随位置的变化)可以是基本上线性渐变的，如图3所示。在其他实施例中，分布可以具有其他形状，包括抛物线、方根、多项式、阶梯形(即，由折射率的离散阶梯组成)或任何其他单调曲线。在各种实施例中，渐变折射率区域320g可以设置在第一包层315和环形纤芯320的恒定折射率区域之间，如图3所示。在其他实施例中，渐变折射率区域320g可以替代地设置在恒定折射率区域和外包层325之间，或者渐变折射率区域可以设置在恒定折射率区域的两侧。在这样的实施例中，恒定折射率区域的折射率可以在图3中示出的n0和n1之间。
在各种实施例中，环形包层320可以完全由渐变折射率区域320g组成；也就是说，环形包层320的恒定折射率区域的宽度可以近似为零。附加地或替代地，渐变折射率区域320g可以延伸使得其与中心纤芯体310对接，即，第一包层315的宽度可以近似为零。在各种实施例中，环形纤芯320内的折射率n2和/或nH可以更小、更大或近似等于n0，即中心纤芯310的折射率。最后，虽然未在图3中示出，但渐变梯级包层光纤300还可以包括设置于外包层325外部的一个或多个附加包层。这样的包层(其可以包括例如涂层层，基本上由其组成，或由其组成)本质上主要是保护性的，且因此可以不利用其在其中直接传输激光能量。这种层的折射率可以低于外包层325的折射率n3。在其他实施例中，这种层的折射率可以高于n3。在各种实施例中，光纤具有外玻璃层，该外玻璃层具有与直接包裹外包层325的中心纤芯的折射率近似相同的折射率，然后上面再设置一个或多个(例如，一个或两个)涂层层，每个涂层层均具有低于n3的折射率。
图4示出了根据本发明实施例的另一种光纤的内部结构。如图所示，多梯级包层光纤400具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯410、直径为D1且折射率为n1的第一包层415、直径为D2的环形纤芯420、以及折射率为n3的外包层425。类似于图3所示的光纤300，第一包层415可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
在各种实施例中，环形纤芯420包括两个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图4中所示，环形纤芯420可以具有折射率为n2s的内梯级折射率区域420s和折射率为n2的外梯级折射率区域420e。在各种实施例中，折射率n2s大于第一包层415的折射率n1且小于折射率n2。根据本发明的各种实施例，耦合到外梯级折射率区域420e中的激光功率将主要保留在外梯级折射率区域420e内，且耦合到内梯级折射率区域420s中的功率将主要包含在两个区域420s、420e中；因此，取决于环形纤芯420中的输入位置，耦合到这些区域中的一个或两个的激光能量将产生具有不同的有效直径和宽度的环形光束的输出光束(类似于上面关于光纤300的讨论)。
对于多梯级包层光纤400，根据各种实施例，内梯级折射率区域420s的厚度可以大于或等于中心纤芯直径D0的大约10％，或者甚至大于或等于D0的大约25％。这样的值也可以应用于第一包层415的厚度。在各种实施例中，光纤的一个或多个层的厚度取决于中心纤芯直径D0，因为输入激光束的光斑尺寸可以为例如D0的大约60％至大约90％。
在各种实施例中，与图2中示出的传统梯级包层光纤200相比，多梯级包层光纤400提供了更广泛的光束形状，且因此可以被部署以满足更广泛的应用和通过其输出光束加工的工件的要求。例如，多梯级包层光纤400提供在环形纤芯420内的两个离散的区域420s、420e，用于接收激光能量输入，且将分别产生诸如光纤200等传统光纤无法获得的不同的环形圈分布。在各种实施例中，离散区域420s、420e的存在使得能够通过两个部分之间的输入功率比率的改变来操纵环形圈分布(例如，强度和/或宽度)。
在各种实施例中，环形纤芯420可以包括具有不同折射率的两个以上不同区域，基本上由其组成，或由其组成。此外，在各种实施例中，外梯级折射率区域420e的折射率n2可以比内梯级折射率区域420s的折射率n2s大，如图3所示，或n2可以小于n2s。
图5A示出了根据本发明实施例的另一种光纤的内部结构。如图所示，阻隔梯级包层光纤500具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯510、直径为D1且折射率为n1的第一包层515、直径为D2的环形纤芯520、以及折射率为n3的外包层525。类似于光纤300和400，第一包层515可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
在各种实施例中，环形纤芯520包括三个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图5A所示，环形纤芯520可以具有内区域520a、外区域520c和设置在区域520a、520c之间的阻隔区域520b。在各种实施例中，两个区域520a、520c的折射率等于折射率n2，其可以近似等于中心纤芯510的折射率n0。在其他实施例中，n2可以大于或小于n0。阻隔区域520b的折射率n2b小于n2，且可以大于或近似等于第一包层515的折射率n1。如图5A所示，阻隔区域520b可以具有大于第一包层515的直径D1的内直径Db以及层厚度T。在各种实施例中，阻隔区域520b的层厚度T小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。层厚度T可以大于约1μm、大于约2μm、大于约5μm或大于约10μm。
在本发明的各种实施例中，当功率最初被耦合到内区域520a或外区域520c中时，阻隔区域520b连同第一包层515和外包层525一起将基本上阻止激光功率扩散到光纤500的其他区域；因此，根据本发明实施例的输出光束可以具有在光纤出口处的两个离散的环形圈。也就是说，光纤500实现通过在区域520a、520c之间分配输入激光功率来形成具有两个不同输出强度的环形圈的输出光束。这种输出光束通常不能通过使用以上详述的光纤100、200来实现。此外，输入耦合到阻隔区域520b中的激光功率通常不会从输出光束中丢失，而是将会替代地散布在整个环形纤芯520中。
在本发明的各种实施例中，耦合到第一包层515中的激光功率将趋向于扩散到整个环形芯纤区域520，且这种功率也可以扩散到中心纤芯510。
因此，使光束能量耦合到第一包层515中可以比耦合到内区域520a中产生在光纤出口处的更大的有效光束尺寸。因此，在本发明的实施例中，由于将激光能量耦合到光纤500的各个区域中，使输出光束尺寸非单调增大，产生通过使用光纤100、200无法实现的动态BPP变化。
在本发明的各种实施例中，环形纤芯区域520可以包括一个以上的阻隔区域520b，且每个阻隔区域可以具有不同的厚度和/或不同的折射率，尽管这种阻隔层的折射率通常小于折射率n2且大于或近似等于折射率n1。即，环形纤芯区域520可以被N个阻隔区域520b划分成N+1个区域(例如，区域520a、520c)。多个阻隔区域520b的两个或多个(或甚至全部)的厚度和/或折射率可以彼此相等或彼此不同。
图5B示出了根据本发明实施例的光纤的内部结构，其为图5A中示出的阻隔梯级包层光纤500的变型。如图所示，阻隔梯级包层光纤530具有中心纤芯510b、第一包层515、环形纤芯520和外包层525。类似于光纤300、400和500，第一包层515可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
如图5B所示，中心纤芯510b具有渐变折射率分布，其中中心纤芯510b的中心点具有最高的折射率n0，且中心纤芯510b的折射率随着远离中心点的径向距离而减小。在各种实施例中，仅中心纤芯510b的中心点具有最高的折射率n0，而在其他实施例中，中心纤芯510b具有的中心部分具有有限的厚度并且具有最高的折射率n0。(也就是说，中心纤芯510b的折射率可以在中心部分上达到平稳，然后朝着中心纤芯510b的外周减小。)中心纤芯510b的折射率的减小可以是基本上线性的、抛物线的、或者可以具有多项式依赖性。在其他实施例中，中心纤芯510b的折射率可以以一系列一个或多个(或甚至两个或多个)离散的梯级减小。在各种实施例中，中心纤芯510b的折射率在中心纤芯510b和第一包层515之间的界面处减小至折射率n’0。如图所示，折射率n”0可以比第一包层515的折射率n1大。在其他实施例中，折射率n’0可以为约等于所述第一包层515的折射率n1。
正如图5A的光纤500，在本发明的各种实施例中，光纤530的环形纤芯区域520可以包括一个以上的阻隔区域520b，且每个阻隔区域可以具有不同的厚度和/或不同的折射率，尽管这种阻隔层的折射率通常小于折射率n2且大于或近似等于折射率n1。
在图6中示出根据本发明实施例的用于使用光纤610改变BPP的示例性激光系统600。如图所示，激光系统600包括诸如可调反射器620(例如，tip-tilt可调和/或折叠反射镜)等的操纵机构，以将入射的输入激光束630重定向到光纤耦合光学元件640(例如，一个或更多的透镜、反射楔和/或棱镜)，所述光纤耦合光学元件640将光束630朝向光纤610聚焦。反射器630的调节或倾斜由弯曲箭头650指示。如图所示，光纤610的输入面的区域，光束630在此处输入耦合，可以至少部分地由反射器620的配置(例如，位置和/或角度)和/或对光学元件640的位置的调整(可以在光束620的路径内平移，如箭头660所示)限定。替代地或附加地，光纤610本身可以在基本上平行于和/或基本上垂直于光纤610的纵轴的方向上平移。为了获得最佳的起始光束质量(即，最小的BPP)，光纤610的输入面可以位于光学元件640的焦点处(即，与光学元件640的距离等于其焦距)。然而，在各种实施例中，光学元件640和/或光纤610可以纵向平移(例如，在沿着图6中示出的光纤610的长轴的方向上)，使得光纤610的输入面设置在小于或大于光学元件640的焦距的距离处。在本发明的各种实施例中，光纤610可以包括本申请中详述的光纤300、400、500、530中的任一种，基本上由其组成，或由其组成。
本发明的各种实施例可以利用除挠曲安装的反射器620以外的操纵机构，例如挠曲安装和/或致动的光学元件，例如透镜和/或棱镜。因此，本申请中对反射器620的引用应理解为涵盖此类非反射性变型(以及包括反射器和一个或多个其他光学元件的变型)。
反射器620和/或光学元件640和/或光纤610的配置可以通过控制器670和/或可操作地与其连接的一个或多个致动器(未示出)来控制。因此，反射器620和/或光学元件640和/或光纤610和/或一个或多个致动器可以响应于控制器670。控制器670可以响应于期望的目标辐射功率分布和/或BPP或光束质量的其他量度(例如，用户的输入和/或基于待加工的工件的一个或多个特性，诸如到工件的距离、工件的成分、工件的形貌等)，并配置为定位反射器620和/或光学元件640和/或光纤610，以使光束630撞击光纤610的输入面，使得从光纤610输出的输出光束具有目标辐射功率分布或光束质量。如此产生的输出光束可以被引导至工件，以进行诸如退火、切割、焊接、钻孔等加工。可以对控制器670进行编程，以通过例如如本申请所详述的光学元件640和/或光纤610的特定反射器倾斜和/或位置(和/或倾斜)获得期望的功率分布和/或输出BPP和/或光束质量。
因此，在本发明的各种实施例中，光束源、反射器620、光纤610和/或光学元件640可以响应于控制器670。光纤610的输出端(即，光纤的与接收光束630的输入端相对的端)可以具有与其耦合的激光头，用于将输出光束朝向待加工的工件引导。激光头可以包括一个或多个光学元件，基本上由一个或多个光学元件组成，或由一个或多个光学元件组成，所述光学元件用于聚焦和/或准直输出光束，和/或控制光束的偏振和/或轨迹，激光头可以定位成朝向工件和/或朝向可以在其上布置工件的平台或可定位台架发射输出光束。
在各种实施例中，控制器670可以启动使用输出光束(和/或激光头)执行的加工，并且相对于光纤610将光束630相应地定位在一个或多个不同的输入耦合位置。在各种实施例中，控制器670甚至可以经由对例如一个或多个致动器的控制来控制光纤610和/或激光头相对于工件的运动。控制器670还可以操作配置为引起输出激光束与正被加工的工件之间的相对运动的传统定位系统。例如，定位系统可以是任何能够控制的光学、机械或光机械系统，用于将光束引导通过沿二维或三维工件的加工路径。在加工期间，控制器670可以操作定位系统和激光系统600，使得激光束沿工件横穿加工路径。加工路径可以由用户提供并存储在机载或远程存储器中，所述机载或远程存储器还可以存储与加工类型(切割、焊接等)有关的参数和进行该加工所必需或期望的光束参数(例如，光束形状和/或BPP)。在该方面，本地或远程数据库可以维护系统将加工的材料和厚度的库，并且通过用户对材料参数(材料的类型、厚度等)的选择，控制器670查询数据库以获得相应的光束特性并确定光束630进入光纤610的合适的输入耦合位置。所存储的值可以包括适合于材料的各种加工(例如，穿孔、切割等)的光束特性、加工的类型和/或加工路径的几何形状。
如在绘图和扫描领域中能充分理解的，输出光束(和/或激光头)与工件之间的必要相对运动可以通过使用可移动反射镜使光束光学偏转，使用机架、导螺杆或其他装置使激光器物理移动来产生，和/或通过用于移动工件而不是(或者除了)光束的机械装置来产生。在一些实施例中，控制器670可以从将连接到合适的监测传感器的反馈单元接收关于光束相对于工件的定位和/或加工功效的反馈。
本发明的实施例可以使用户能够沿着期望的加工路径来加工(例如，切割或焊接)工件，且输出光束的特性(例如，光束形状、BPP或两者)、输出光束的功率水平和/或最大加工速度基于诸如但不限于以下所述的因素选择：工件的成分、工件的厚度、加工路径的几何形状等。例如，用户可以使用任何合适的输入设备或通过文件传输来选择或预先编程进入系统的工件所需的加工路径和/或类型(和/或诸如厚度等其他特性)。此后，控制器670可以确定随沿着加工路径的位置变化的最佳输出光束特性。在操作中，控制器670可以操作激光系统和工件的定位以沿着预编程的路径加工工件，利用合适的输出光束特性进行诸如切割或焊接之类的加工。如果被加工的材料的成分和/或厚度改变，则可以对改变的位置和性质进行编程，且控制器670可以相应地调整激光束的特性和/或工件与光束之间的相对运动速率。
另外，激光系统可以包括用于检测工件厚度和/或其上特征的高度的一个或多个系统。例如，激光系统可以包括用于工件的干涉深度测量的系统(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列号14/676,070中详细描述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。这样的深度或厚度信息可以由控制器670利用来控制输出光束特性，以优化对工件的加工，例如根据数据库中对应于正在加工的材料类型的记录。
控制器670可以提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的Pentium或Celeron系列处理器，由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器，和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器器件(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备)来提供程序。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在靶计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
图7A和7B示出了用于模拟的示例性输入光束和光纤参数，其示出了本发明的各种实施例的效果。该数值示例基于与图6所示相似的系统，具有焦距为30mm的聚焦透镜(对应于光学元件640)。图7A以截面图示出了在输入光束撞击系统600中的光学元件640之前的输入激光束。如图所示，输入光束具有两个矩形光束，彼此相同并沿x轴对齐。在所示示例中，输入激光束是通过两个相同的WBC谐振器输出光束的空间组合形成的(参见图11)。在四个西格玛处的单个光束全尺寸为约1.5×5.6(x×y)毫米。输入激光束的总BPP为约3×4(x×y)mm·mrad。系统600中的光纤610对应于图5A中示出的光纤500，其具有在图7B中列出的各种光纤参数。
图8为图7A和7B的示例配置的模拟BPP值作为反射器/反射镜的倾斜角的函数的曲线图(曲线1)。为了进行比较，还示出了第二条曲线(曲线2)，其表示当使用传统梯级包层光纤200(参见图2)时模拟的BPP。对于曲线2，梯级包层光纤200对于中心纤芯、第一包层和环形纤芯分别具有100μm、160μm和360μm的直径，并且具有与图7B中列出的相似的折射率值。在模拟中，当反射镜倾斜度为零时，将光纤耦合系统(图6)对齐，以使输入点位于光纤中心处。输入光束光斑的偏心偏移与反射镜倾斜度成正比，由2×f×θ计算得出，其中f(在此示例中等于30mm)为聚焦透镜(对应于图6中的光学元件640)的焦距，θ为反射镜倾斜角。
如图8所示，根据本发明实施例的曲线1的BPP变化具有两个峰值(即，局部最大值)，而曲线2仅具有一个。曲线2在超过大约2mrad的反射镜倾斜度的区域中变平，因为，如本文所讨论的，耦合到光纤200的环形纤芯212中的输入功率将散布在整个环形纤芯212，而不管其输入位置如何。
曲线2中的单个峰值主要是由于当激光束最初耦合至低折射率区域(图2中的第一包层215)但从高折射率区域(例如，图2中的中心纤芯210和环形纤芯220)出射时产生的NA增大。曲线1的双峰值特征是由于使用光纤500而引起的，这不仅是由于NA增大，而且随着以上详述的反射镜倾斜度的增大，光纤出口处有效光束尺寸的唯一非单调增大所产生的综合影响。
图9A-9E示出了对应于图7A、7B和8的数值示例，以不同的反射镜倾斜度，在光纤出口处的五个模拟光束图像。相应的BPP值可以在图8中的曲线1上相应的反射镜倾斜度处找到。图9A-9E中的每一个在每个图像的底部还包括光束在光纤出口处的横截面轮廓。图9A示出了具有最低BPP(约4mm·mrad)的出射光束，其中所有功率都从光纤的中心纤芯出射。图9B示出了，当激光功率的很大部分最初耦合到光纤的第一包层中(即，图5A中的第一包层515)时的出射光束，其BPP达到图8中的曲线1的第一峰值(约19mm·mrad)。如图9C所示，在1.6mrad的反射镜倾斜度下，输入功率的很大部分被耦合至环形纤芯内区域(图5A中的区域520a)，这导致光纤出口处的环形圈相对较小。如图9D所示，在2.2mrad的反射镜倾斜度下，输出轮廓的特征为双环形圈和在图8的曲线图(曲线1)中的第二峰值附近的BPP。在这种情况下，输入光束在阻隔区域520b附近或近似在阻隔区域520b处，使得大部分功率耦合到内区域和外区域520a、520c中。另外，在光束轮廓的中心处的明显的非零功率密度指示耦合到阻隔区域520b中的功率的一部分从中心纤芯510出射。如图9E所示，在2.7mrad的反射镜倾斜度下，输入光斑移至环形纤芯外区域(即，图5A中的区域520c)，因此产生了较大的环形圈。
图10A-10D示出了对应于图8的数值示例的光纤出口处的四个模拟光束图像，具有不同的反射镜倾斜度，但使用了光纤200。相应的BPP值可以在图8中的曲线2上相应的反射镜倾斜度处找到。图10A-10D中的每一个在每个图像的底部还包括光束在光纤出口处的横截面轮廓。图10A示出了具有最低BPP(约4mm·mrad)的出射光束，其中所有功率都从光纤的中心纤芯出射，类似于图9A。图10B示出了BPP达到图8中的曲线2中的峰值(约22mm·mrad)的出射光束，主要是由于当激光功率的很大部分功率耦合到第一包层215中时的NA增大(见图2)。图10C和10D示出了随着高于大约1.8mrad的进一步的反射镜倾斜度，即由于大部分功率被输入耦合到环形纤芯220中当输入光斑位于第一包层之外时，输出轮廓如何不会明显地变化。与图9C-9E相比，当与根据本发明实施例的光纤相比时，该行为是完全不同的。
因此，根据本发明实施例的光纤提供了BPP、NA和输出光束尺寸的更动态的和变化的变型，并且因此可以被部署在更广泛的应用中和/或用于更广泛的不同工件的加工。根据本发明实施例的光纤使得能够形成具有一个或多个直径和/或宽度变化的环形圈的输出光束，并且它们实现了具有不同光束轮廓和BPP值的更多种混合光束形状。
激光系统600可以用于以连续的方式改变激光束的BPP、形状和/或NA，而无需在使光束扫过光纤的输入面时关闭输入激光束，使得光束的不同部分被输入耦合至光纤的不同区域中。因为光纤配置为使得传播到包层区域(例如，第一包层)的光束能量受到限制，并且将不会导致对与其相关联的光纤或光学器件(例如，光学元件)的损坏，所以当输入光束或其一部分撞击光纤的包层时无需关闭输入光束。
根据本发明的实施例并在本文中详细描述的激光系统和激光传输系统可以用在WBC激光系统中和/或与WBC激光系统一起使用。具体地，在本发明的各种实施例中，WBC激光系统的多波长输出光束可以用作激光束传输系统的输入光束，用于BPP的改变，如本文详述。图11示意性地示出了可用于形成用在本发明实施例中的输入光束的WBC激光系统(或“谐振器”)1100的各种组件。在所示实施例中，谐振器1100组合由九个不同的二极管条(如本申请所使用，“二极管条”是指任何多光束发射器，即，如下所述发射器：来自其的多个光束从单个封装发射)发射的光束。本发明的实施例可以以少于或多于九个发射器来使用。根据本发明的实施例，每个发射器可以发射单个光束，或者发射器中的每个可以发射多个光束。图11的视图沿WBC维度，即，来自条的光束在该维度组合。示例性的谐振器1100具有九个二极管条1105，并且每个二极管条1105包括沿WBC维度的发射器的阵列(例如，一维阵列)，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，二极管条1105的每个发射器发射非对称光束，在一个方向(称为“快轴”，此处相对于WBC维度垂直定向)具有较大的发散，在垂直方向(称为“慢轴”，此处沿WBC维度)具有较小的发散。
在各种实施例中，二极管条1105中的每个与快轴准直器(FAC)/光学扭曲微透镜组件相关联(例如，附接或以其他方式光学地耦合)，所述快轴准直器/光学扭曲微透镜组件在将光束的快轴和慢轴旋转90°时准直所发射的光束的快轴，以使每个发射的光束的慢轴垂直于微透镜组件下游的WBC维度。微透镜组件还使来自每个二极管条1105的发射器的主光线朝向色散元件1110会聚。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利No.8,553,327和2015年6月8日提交的美国专利No.9,746,679中进行了描述，每个的全部公开内容通过引用结合于此。
在本发明的其中将FAC透镜和光学扭曲器(例如，作为微透镜组件)与光束发射器的中每一个和/或发射的光束相关联的实施例中，SAC透镜(如下详述)影响非WBC维度的光束。在其他实施例中，所发射的光束不旋转，并且FAC透镜可以用于改变非WBC维度的指向角。因此，应当理解，本申请中对SAC透镜的引用通常指的是在非WBC维度具有功率(power)的透镜，并且在各种实施例中，这种透镜可以包括FAC透镜。因此，在各种实施例中，例如其中发射的光束不旋转和/或光束的快轴处于非WBC维度的实施例中，如本文中详述的那样，对于SAC透镜，可以利用FAC透镜。
如图11所示，谐振器1100还具有一组SAC透镜1115，一个SAC透镜1115与其中一个二极管条1105相关联并从其中接收光束。每个SAC透镜1115准直从单个二极管条1105发射的光束的慢轴。在通过SAC透镜1115在慢轴上准直之后，光束传播到一组交错反射镜1120，将光束1125朝向色散元件1110重定向。交错反射镜1120的布置使得能够减小或最小化二极管条1105之间的自由空间。在色散元件1110(其可以包括，例如，诸如图11所示的透射衍射光栅等的衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成，或反射衍射光栅)的上游，透镜1130可以可选地用来准直来自二极管条1105的子光束(即，除了主射线之外的其他发射射线)。在各种实施例中，透镜1130布置成与二极管条1105相距一光学距离，该光学距离基本上等于透镜1130的焦距。注意，在典型的实施例中，主光线在色散元件1110处的重叠主要是由于交错反射镜1120的重定向，而不是由于透镜1130的聚焦能力(focusing power)。
图11中还示出了透镜1135、1140，它们形成了光学望远镜，用于减轻光学串扰，如2013年3月15日提交的美国专利No.9,256,073和2015年6月23日提交的美国专利No.9,268,142所公开的，其全部公开内容通过引用合并于此。谐振器1100还可以包括一个或多个可选的折叠反射镜1145，用于光束的重定向，使得谐振器1100可以适配在较小的物理覆盖区内。色散元件1110将来自二极管条1105的光束合并为单个多波长光束1150，其传播到部分反射的输出耦合器1155。耦合器1155将光束的一部分作为谐振器1100的输出光束传输，同时将光束的另一部分反射回色散元件1110，并因此反射到二极管条1105作为反馈，以稳定每个光束的发射波长。
本文使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征的任何等同物或其部分，而是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (136)

1.一种渐变梯级包层光纤，包括：
具有第一折射率的中心纤芯；
包裹中心纤芯的第一包层，其具有小于第一折射率的第二折射率；
包裹第一包层的环形纤芯；以及
包裹环形纤芯的第二包层，其具有小于第一折射率的第三折射率，
其中，环形纤芯包括：
第一区域，具有大于第二折射率的第四折射率，以及
第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率与(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一区域设置在所述第二区域和所述第二包层之间。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第二区域设置在所述第一区域和所述第二包层之间。
4.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第二区域的折射率的变化为线性的、抛物线的、多项式的或阶梯形的。
5.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第四折射率等于所述第一折射率。
6.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第四折射率大于所述第一折射率。
7.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第四折射率小于所述第一折射率。
8.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射率等于所述第三折射率。
9.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射率大于所述第三折射率。
10.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第二折射率小于所述第三折射率。
11.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度等于所述第二区域的厚度。
12.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度。
13.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度大于所述第二区域的厚度。
14.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第四折射率。
15.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第四折射率。
16.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第六折射率大于所述第二折射率。
17.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第六折射率等于所述第二折射率。
18.一种渐变梯级包层光纤，包括：
具有第一折射率的中心纤芯；
包裹中心纤芯的环形纤芯；以及
包裹环形纤芯的第一包层，其具有小于第一折射率的第二折射率，
其中，环形纤芯包括：
第一区域，具有大于第二折射率的第三折射率，以及
第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率与(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。
19.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第一区域设置在所述第二区域和所述第一包层之间。
20.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第二区域设置在所述第一区域和所述第一包层之间。
21.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第二区域的折射率的变化为线性的、抛物线的、多项式的或阶梯形的。
22.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第三折射率等于所述第一折射率。
23.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第三折射率大于所述第一折射率。
24.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第三折射率小于所述第一折射率。
25.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第二折射率。
26.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第二折射率。
27.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第二折射率。
28.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度等于所述第二区域的厚度。
29.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度。
30.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度大于所述第二区域的厚度。
31.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第四折射率小于所述第三折射率。
32.根据权利要求18所述的光纤，其中，所述第四折射率等于所述第三折射率。
33.一种多梯级包层光纤，包括：
具有第一折射率的中心纤芯；
包裹中心纤芯的第一包层，其具有小于第一折射率的第二折射率；
包裹第一包层的环形纤芯；以及
包裹环形纤芯的第二包层，其具有小于第一折射率的第三折射率，
其中，环形纤芯包括：
第一区域，具有大于第二折射率的第四折射率，以及
第二区域，具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率。
34.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第一区域设置在所述第二区域和所述第二包层之间。
35.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第二区域设置在所述第一区域和所述第二包层之间。
36.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第二折射率等于所述第三折射率。
37.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第二折射率大于所述第三折射率。
38.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第二折射率小于所述第三折射率。
39.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第四折射率等于所述第一折射率。
40.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第四折射率大于所述第一折射率。
41.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第四折射率小于所述第一折射率。
42.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第一折射率。
43.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第一折射率。
44.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第一折射率。
45.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度等于所述第二区域的厚度。
46.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度。
47.根据权利要求33所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度大于所述第二区域的厚度。
48.一种阻隔梯级包层光纤，包括：
具有第一折射率的中心纤芯；
包裹中心纤芯的第一包层，其具有小于第一折射率的第二折射率；
包裹第一包层的环形纤芯；以及
包裹环形纤芯的第二包层，其具有小于第一折射率的第三折射率，
其中，环形纤芯包括：
第一区域，具有大于第二折射率的第四折射率，
第二区域，具有大于第二折射率的第五折射率，以及
第三区域，设置在第一区域和第二区域之间，具有小于第四和第五折射率的第六折射率。
49.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述环形纤芯包括：
第四区域，具有大于第二折射率的第七折射率；以及
第五区域，设置在第二和第四区域之间，具有小于第五和第七折射率的第八折射率。
50.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第七折射率等于所述第四或第五折射率中的至少之一。
51.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第七折射率大于所述第四或第五折射率中的至少之一。
52.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第七折射率小于所述第四或第五折射率中的至少之一。
53.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第八折射率等于所述第六折射率。
54.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第八折射率大于所述第六折射率。
55.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第八折射率小于所述第六折射率。
56.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第五区域的厚度等于所述第三区域的厚度。
57.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第五区域的厚度小于所述第三区域的厚度。
58.根据权利要求49所述的光纤，其中，所述第五区域的厚度大于所述第三区域的厚度。
59.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率等于所述第五三折射率。
60.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率大于所述第五折射率。
61.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率小于所述第五折射率。
62.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率等于所述第一折射率。
63.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率大于所述第一折射率。
64.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第四折射率小于所述第一折射率。
65.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第一折射率。
66.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第一折射率。
67.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第一折射率。
68.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第六折射率等于所述第二折射率。
69.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第六折射率大于所述第二折射率。
70.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第六折射率小于所述第二折射率。
71.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度等于所述第二区域的厚度。
72.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度。
73.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度大于所述第二区域的厚度。
74.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度小于所述第一区域的厚度和/或所述第二区域的厚度。
75.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度等于所述第一包层的厚度。
76.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度小于所述第一包层的厚度。
77.根据权利要求48所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度大于所述第一包层的厚度。
78.一种阻隔梯级包层光纤，包括：
中心纤芯，其中，中心纤芯的折射率(i)等于中心纤芯的中心部分处的第一折射率，且(ii)在中心纤芯的半径的至少一部分上减小至小于第一折射率的第二折射率；
包裹中心纤芯的第一包层，其具有小于第一折射率的第三折射率；
包裹第一包层的环形纤芯；以及
包裹环形纤芯的第二包层，其具有小于第一折射率的第四折射率，
其中，环形纤芯包括：
第一区域，具有大于第三折射率的第五折射率，
第二区域，具有大于第三折射率的第六折射率，以及
第三区域，设置在第一和第二区域之间，具有小于第五和第六折射率的第七折射率。
79.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第二折射率等于所述第三折射率。
80.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第二折射率大于所述第三折射率。
81.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第六折射率。
82.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第六折射率。
83.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第六折射率。
84.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第一折射率。
85.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第一折射率。
86.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第一折射率。
87.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率等于所述第二折射率。
88.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率大于所述第二折射率。
89.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第五折射率小于所述第二折射率。
90.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率等于所述第一折射率。
91.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率大于所述第一折射率。
92.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率小于所述第一折射率。
93.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率等于所述第二折射率。
94.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率大于所述第二折射率。
95.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第六折射率小于所述第二折射率。
96.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第七折射率等于所述第三折射率。
97.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第七折射率大于所述第三折射率。
98.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第七折射率小于所述第三折射率。
99.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度等于所述第二区域的厚度。
100.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度小于所述第二区域的厚度。
101.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第一区域的厚度大于所述第二区域的厚度。
102.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度小于所述第一区域的厚度和/或所述第二区域的厚度。
103.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度等于所述第一包层的厚度。
104.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度小于所述第一包层的厚度。
105.根据权利要求78所述的光纤，其中，所述第三区域的厚度大于所述第一包层的厚度。
106.一种激光系统，包括：
光束源，用于发射输入激光束；
根据权利要求1-105中任一项所述的光纤，且具有输入端和与所述输入端相对的输出端；
输入耦合机构，用于接收输入激光束并将输入激光束朝向光纤的输入端引导，从而将输入激光束耦合到光纤中并从光纤的输出端发出作为输出光束；以及
控制器，用于相对于光纤控制输入耦合机构，以将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置，从而使输出光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地由一个或多个输入耦合位置确定。
107.根据权利要求106所述的激光系统，其中，所述输入耦合机构包括光学元件，所述光学元件用于将输入激光束朝向所述光纤的输入端聚焦，所述光学元件响应于所述控制器而能够沿着以下所述的至少之一移动：(i)基本上平行于输入激光束的传播方向的轴线，或(ii)基本上垂直于输入激光束的传播方向的一个或多个轴线。
108.根据权利要求107所述的激光系统，其中，所述输入耦合机构包括操纵机构，用于接收输入激光束并将所述输入激光束朝向所述光纤引导。
109.根据权利要求108所述的激光系统，其中，所述操纵机构包括反射器。
110.根据权利要求107所述的激光系统，其中，所述光学元件包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜。
111.根据权利要求106所述的激光系统，其中，所述输入耦合机构包括反射器，用于接收输入激光束并将所述输入激光束朝向所述光纤反射，所述反射器能够响应于所述控制器而旋转。
112.根据权利要求111所述的激光系统，其中，所述输入耦合机构包括光学元件，用于接收来自所述反射器的输入激光束并将所述输入激光束朝向所述光纤聚焦。
113.根据权利要求112所述的激光系统，其中，响应于所述控制器，所述光学元件能够沿着以下所述的至少其中之一移动：(i)基本上平行于输入激光束的传播方向的轴线，或(ii)基本上垂直于输入激光束的传播方向的一个或多个轴线。
114.根据权利要求112所述的激光系统，其中，所述光学元件包括一个或多个透镜、一个或多个反射镜和/或一个或多个棱镜。
115.根据利要求106所述的激光系统，其中：
光束源响应于所述控制器；且
所述控制器配置为将输入激光束引导至多个不同的输入耦合位置上，而无需在输入激光束在不同的输入耦合位置之间被引导时调制输入激光束的输出功率。
116.根据权利要求106所述的激光系统，其中，所述控制器配置为将所述输入激光束引导至至少部分地与所述第一包层重叠的至少一个输入耦合位置，由此输入耦合至所述第一包层中的光束能量形成所述输出光束的至少一部分。
117.根据权利要求106所述的激光系统，其中，所述控制器配置为将所述输入激光束引导至至少部分地与所述第一区域和/或所述第二区域重叠的至少一个输入耦合位置，由此输入耦合至其中的光束能量形成输出光束的至少一部分。
118.根据权利要求106所述的激光系统，进一步包括耦合到所述光纤的输出端的激光头，用于将所述输出光束朝向工件引导以对其进行加工。
119.根据权利要求118所述的激光系统，其中，所述控制器配置为基于以下所述的至少其中之一将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。
120.根据权利要求119所述的激光系统，其中，加工的类型选自由切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊组成的列表。
121.根据权利要求119所述的激光系统，其中，工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一项。
122.根据权利要求119所述的激光系统，其中，所述控制器配置为基于加工路径中的一个或多个方向变化将输入激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置。
123.根据权利要求119所述的激光系统，其中，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为输入激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中输入激光束由多个波长组成。
124.根据权利要求124所述的激光系统，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
125.一种用激光束加工工件的方法，该方法包括：
提供根据权利要求1-105中任一项所述的光纤，且所述光纤具有输入端和与所述输入端相对的输出端；
将工件放置在光纤的输出端附近；
至少部分地基于以下所述的至少一项来确定用于加工工件的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径；
将激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置，以选择从光纤的输出端发射的激光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个；以及
用从光纤的输出端发出的激光束加工工件。
126.根据权利要求126所述的方法，其中，加工工件包括物理改变工件表面的至少一部分。
127.根据权利要求126所述的方法，其中，加工工件包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊中的至少一种。
128.根据权利要求126所述的方法，其中，(i)光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地基于工件的特性来确定，以及(ii)工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一个。
129.根据权利要求126所述的方法，其中，光束参数乘积或数值孔径中的至少一个至少部分地基于所述加工路径中的一个或多个方向变化来确定。
130.根据权利要求126所述的方法，其中，至少一个输入耦合位置至少部分地与所述第一包层重叠，由此，输入耦合至所述第一包层中的光束能量形成所述输出光束的至少一部分。
131.根据权利要求126所述的方法，其中，至少一个输入耦合位置至少部分地与所述第一区域和/或所述第二区域重叠，由此输入耦合至其中的光束能量形成输出光束的至少一部分。
132.根据权利要求126所述的方法，其中，将激光束引导至光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置包括以下所述的至少其中之一：(i)用一个或多个反射器反射激光束或(ii)用一个或多个光学元件聚焦激光束。
133.根据权利要求126所述的方法，其中，所述一个或多个输入耦合位置包括多个不同的输入耦合位置。
134.根据权利要求126所述的方法，进一步包括，在加工工件的同时，通过将激光束引导至与所述一个或多个输入耦合位置不同的一个或多个第二输入耦合位置来改变激光束的光束参数乘积或数值孔径中的至少一个。
135.根据权利要求126所述的方法，进一步包括从光束发射器发射激光束，所述光束发射器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束源；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中所述激光束由多个波长组成。
136.根据权利要求136所述的方法，其中所述色散元件包括衍射光栅。
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