CN113341498B - 用于产生旋转光束的光纤 - Google Patents

Abstract

光纤可以包括第一芯、第二芯和围绕第一芯和第二芯的包覆件。第二芯可以位于相对于光纤中心的偏心位置，或者第二芯可以在偏心位置包括方位不均匀部分。第二芯可以沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转，并且第二芯围绕该轴线扭转可以使得在光纤的第一端射入第二芯的光束在光纤的第二端至少部分转换成旋转光束。

Description

用于产生旋转光束的光纤

技术领域

本公开总体上涉及光纤和用于产生旋转光束的光纤。

背景技术

光束的光束轮廓对与使用光束进行的材料加工相关的加工性能有显著影响。例如，具有环形光束轮廓的光束能够实现优良的金属切割(例如，通过激光切割系统)。然而，大多数光纤传输光束的光束轮廓相对简单。例如，对于低光束参数产品(low-beam-parameter-product：BPP)激光器(例如，小于或等于约3毫米乘以毫弧度(毫米-毫弧度))的BPP可用于加工薄金属片(例如，厚度小于或等于约3mm的金属片)。作为另一个例子，光束轮廓可以是高BPP激光器的顶帽(有时称为平顶(flattop))轮廓(例如，大于约3毫米的BPP)，其可用于加工厚金属板(例如，厚度大于约3mm的金属板)。

发明内容

根据一些实施方式，光纤可以包括第一芯；第二芯，其中以下至少之一：第二芯相对于光纤的中心处于偏心位置，或者第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，其中第二芯沿着光纤长度绕光纤的轴线扭转，并且其中第二芯围绕该轴线扭转用于使得在光纤的第一端射入第二芯的光束在光纤的第二端至少部分转换成旋转光束；以及围绕第一芯和第二芯的包覆件。

根据一些实施方式，光束发生器可以包括光纤，所述光纤包括：第一芯；第二芯，其中以下至少之一：第二芯相对于光纤中心处于偏心位置，或者第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，其中第二芯沿着光纤长度绕光纤的轴线扭转，并且其中第二芯围绕该轴扭转用于使得在光纤的第一端射入第二芯中的光束在光纤的第二端至少部分转换成旋转光束，和包覆件围绕第一芯和第二芯；耦合器，用于在光纤的第一端向光纤的第一芯或光纤的第二芯中的至少一个提供输入光束；以及输出光纤，用于从光纤的第二端接收旋转光束，并基于所述旋转光束产生光输出。

根据一些实施方式，一种方法可以包括通过光纤在光纤的第一端接收输入光束，其中光纤包括第一芯、第二芯和围绕第一芯和第二芯的包覆件，其中以下至少之一：第二芯相对于光纤的中心处于偏心位置，或者第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，并且其中第二芯沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转；通过所述光纤将由所述第二芯接收的输入光束至少部分地转换成旋转光束，其中由于所述第二芯绕所述轴线扭转，所述输入光束至少部分地转换成旋转光束；以及通过光纤输出旋转光束。

附图说明

图1A是这里描述的光纤横截面的示例性实施方式的示意图。

图1B是光束发生器的示例性实施方式的示意图，该光束发生器包括如本文所述的具有图1A所示横截面的光纤的示例性实施方式。

图1C是如本文所述的具有图1A所示横截面的光纤的另一示例性实施方式的示意图。

图2是包括光纤的光束发生器的示例性实施方式的示意图，该光纤具有如本文所述的图1A所示的横截面。

图3A是这里描述的光纤横截面的示例性实施方式的示意图。

图3B是光束发生器的示例性实施方式的示意图，该光束发生器包括具有在此描述的图3A所示横截面的光纤。

图4A-4D是这里描述的光纤横截面的示例性实施方式的示意图。

图5A-5C是这里描述的输出光纤的示例性实施方式的示意图。

图6是与产生旋转光束相关的示例过程的流程图。

具体实施方式

示例性实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以标识相同或相似的元件。

如上所述，传统光纤传输光束的光束形状相对简单(例如具有高斯或近似高斯轮廓、顶帽轮廓等)。产生具有相对更高级的光束形状的光束——例如环形光束形状(即环形光束)，通常采用昂贵的、专用的、对准敏感的自由空间光学器件，例如轴棱锥、螺旋相位板和/或类似物。此外，这种光学器件通常需要位于处理头中，远离与传送光束相关的光纤。处理头是受到加速和污染(例如，来自烟雾、金属碎片、灰尘和/或类似物)的光电子-机械组件，因此对于昂贵的、对准敏感的、庞大的和/或重的光学元件来说是不希望的位置。

此外，用于在全光纤架构中产生具有环形光束形状的光束的传统技术通常提供光束质量差的光束。例如，传统技术可能产生具有过高BPP、在环的中间具有过量功率、扩散光束边缘(例如，具有相对较长的径向功率尾部，这使得较差的处理质量)、在恶化之前仅在非常短的传播距离内保持环形的光束和/或类似物。

本文所述的一些实施方式提供了用于直接在光纤中产生具有环形光束形状的光束的光纤(即，没有任何自由空间光学器件)。例如，产生的光束可以是旋转光束(例如，沿着螺旋轨迹在光纤中传播的光束)，从而产生具有环形光束形状的光束。在一些实施方式中，可以保持光束的旋转特性(例如，当光束离开光纤时)，使得例如从光纤投射到工件上的激光点显示出具有锐利边缘和高光束质量的环形光束轮廓。这样，具有环形光束形状的光束可以直接在光纤中产生，从而有助于改善材料加工。

在一些实施方式中，光纤可以包括多个引导区域，其中引导区域产生不同形状的光束，例如如上所述的简单光束形状、环形光束形状和/或类似物。例如，可以将输入光束提供给引导区域以产生具有第一形状的输出光束，或者提供给另一引导区域以产生具有第二形状的另一输出光束。在一些实施方式中，光纤可以包括用于产生旋转光束的多个引导区域，其中每个旋转光束具有不同的环形光束形状。这样，光纤可以为不同的应用产生具有不同形状的输出光束(例如，处理不同的材料、处理不同厚度的材料等)。

图1A是这里描述的光纤的横截面100的示例性实施方式的示意图。如图1A所示，用于产生旋转光束的光纤(这里也称为旋转光纤)可以包括第一芯和第二芯，其中第二芯相对于光纤的中心处于偏心位置。如图1A所示，第一芯可以位于光纤的中心(例如，如虚线的交点所示)，并且第二芯可以相对于光纤的中心处于偏心位置。同样如图1A所示，光纤可以包括围绕第一芯和第二芯的包覆件。

在一些实施方式中，如图1A中的阴影所示，第一芯和第二芯可以具有相同的折射率指数。在其他实施方式中，第一芯和第二芯可以具有不同的折射率指数。附加地或替代地，第一芯和/或第二芯的折射率指数可以大于包覆件的折射率指数。这样，第一芯可以形成用于沿着光纤长度传播光的第一引导区域，第二芯可以形成用于沿着光纤长度传播光的第二引导区域。

图1B是光束发生器102的示例性实施方式的示图，所述光束发生器包括具有如图1A所示的横截面100的光纤(例如旋转光纤)。如图1B所示，第二芯可以沿着旋转光纤的长度围绕旋转光纤的轴线扭转(例如，旋转光纤的中心)。在一些实施方式中，第一芯也可以围绕旋转光纤的轴线扭转，但是，因为在图1A-1C中第一芯位于旋转光纤的中心，因此第一芯可能不能视觉上展示这样的扭转。因此，旋转光纤的折射率指数分布(例如，由第一芯、第二芯和包覆件的折射率指数限定)可以沿着旋转体的长度旋转(例如，有周期)，其中横向旋转中心由包覆件的中心来标识，如图1A中虚线的交点所示。在一些实施方式中，第二芯围绕轴线扭转是为了使得在旋转光纤的输入端射入第二芯中的输入光束(例如，非旋转光束)在旋转光纤的输出端处至少部分转换成旋转光束，如下面进一步详细描述的。

如图1B所示，在一些实施方式中，旋转光纤可以设置在耦合器和输出光纤之间。在一些实施方式中，旋转光纤和输出光纤可以熔接在一起(例如，使用光纤熔接技术)。

如图1B所示，光束发生器102可以包括用于向旋转光纤提供输入光束的耦合器。在一些实施方式中，耦合器可以是有源器件，其可以接收输入光束并将输入光束和/或输入光束的一部分引导至一个或多个芯和/或引导区域。例如，耦合器可以通过移动透镜、倾斜反射镜和/或类似方式在自由空间中机械地移动输入光束，以选择性地耦合到不同的引导区域。附加地或替代地，耦合器可以在光纤内使用机械和/或光机械光束控制，例如弯曲渐变指数光纤、弯曲承载横向扩展光束的光纤、弯曲和/或扭转承载一个或多个所限定的偏振模式的光纤等。在一些实施方式中，耦合器可以使用非机械光束控制，例如声光、电光、基于偏振和/或热调制器，其在自由空间中和/或单片地插入在输入光纤和旋转器光纤之间(例如，使用结合、拼接等)。

附加地或替代地，耦合器可以是无源器件，其可以接收多个输入光束，并且可以将每个输入光束耦合到旋转光纤的其中一个引导区域。这种多个输入光束可以例如由多个激光器产生，每个激光器可以被独立控制以在旋转光纤的每个引导区域中产生期望的功率水平。

在一些实施方式中，耦合器可以在旋转光纤的第一端提供输入光束(例如光输入)到旋转光纤的第一芯和/或旋转光纤的第二芯。例如，耦合器可以从输入光纤和/或激光器接收输入光束，并且可以将输入光束提供给旋转光纤的第一端。在一些实施方式中，输入光束可以包括以一种或多种非旋转导向模式传播的光。

在一些实施方式中，当耦合器向旋转光纤的第一芯提供输入光束时，输入光束可以穿过旋转光纤的第一芯，并且旋转光纤可以产生不是旋转光束的输出光束。例如，输出光束可以具有与输入光束相同或相似的特性(例如，以一种或多种非旋转导向模式传播的光)，因为第一芯的折射率指数分布相对于旋转轴线均匀旋转。在一些实施方式中，尽管由第一芯产生的输出光束不是旋转光束，但是输入光束在穿过第一芯时可能经历圆形双折射。

在一些实施方式中，当耦合器向旋转光纤的第二芯提供输入光束时，随着光传播通过旋转光纤，并且由于第二芯沿着旋转光纤的长度扭转，旋转光纤从输入光束产生旋转光束。换句话说，通过第二芯，旋转光纤可以至少部分地将输入光束转换成旋转光束(例如，通过至少部分地将一个或多个非旋转导向模式转换成至少一个旋转导向模式)。因此，输出光束可以包括以至少一种旋转导向模式传播的光和/或至少一种旋转漏波。在一些实施方式中，由于以至少一种旋转导向模式传播的光和/或至少一种旋转漏波，旋转光束可以具有环形光束形状。旋转光束可以通过输出光纤发射(例如，用于材料加工，例如金属切割)。

在一些实施方式中，可以控制耦合器和/或光束发生器102，以向旋转光纤的第一芯或第二芯提供输入光束。例如，如果应用使用非旋转光束，则可以控制耦合器和/或光束发生器102向第一芯提供输入光束，使得旋转光纤产生不是旋转光束的输出光束。作为另一个例子，如果应用使用旋转光束，则可以控制耦合器和/或光束发生器102向第二芯提供输入光束，使得旋转光纤产生作为旋转光束的输出光束。

这样，可以控制包括耦合器和旋转光纤的光束发生器102，以基于输出光束的预期应用提供多种类型的输出光束中的一种。换句话说，通过引导光(例如，使用耦合器)到不同的引导区域(例如，第一芯、第二芯等)，光束发生器102可以激发(例如，按需)不同的旋转光束。在一些实施方式中，旋转光纤可以被称为多旋转光纤，因为旋转光纤包括至少两个引导区域，这两个引导区域受到不同旋转幅度的影响，并且当被输入光束激发和/或照射时，可以在旋转光纤的输出端产生不同大小、不同发散度和不同旋转方向的输出光束。

如图1B所示，输出光纤可以从旋转光纤接收输出光束。在一些实施方式中，并且如本文参考图5A-5C进一步描述的，输出光纤可以包括从光纤的第一芯接收光束的第一引导区域、和从光纤的第二芯接收旋转光束的第二引导区域。

图1C是具有如图1A所示的横截面的光纤(例如旋转光纤)的另一示例性实施方式的示图。如图1C所示，在一些实施方式中，旋转光纤可以是锥形的，使得旋转光纤第一端处的旋转光纤的尺寸(例如，输入端、邻近耦合器的一端等)小于旋转光纤第二端处的旋转光纤的尺寸(例如，输出端、接合到输出光纤的一端等)。

同样如图1C所示，第二芯绕光学轴线扭转的扭转速率可以从朝向旋转光纤第一端的第一扭转速率(例如零或接近零的扭转速率)增加到朝向旋转光纤第二端的第二扭转速率。这种旋转光纤可以产生具有均匀的形状、功率分布等的旋转光束。虽然旋转光纤在图1C中显示为直的，但是旋转光纤可以具有任何形状。

此外，或者可替换地，尽管旋转光纤在图1C中示出为锥形，但是旋转光纤可以具有增加的扭转速率(如图所示)，并且旋转光纤的直径可以从第一端到第二端不变。这种旋转光纤可以产生具有均匀形状、功率分布等的旋转光束，而与输入光束的尺寸相比，不增加输出光束的尺寸。

如上所述，图1A-1C仅作为例子提供。其他示例也被预期，并且可以不同于关于图1A-1C所描述的。例如，尽管图1A中的第一芯和第二芯的横截面具有相同的形状和相同的尺寸，但是在一些实施方式中，第一芯可以具有第一横截面，第二芯可以具有第二横截面，其中第一横截面和第二横截面具有不同的形状和/或尺寸。例如，第一芯可以具有圆形横截面，第二芯可以具有矩形横截面。作为另一个例子，第一芯和第二芯可以具有不同半径的圆形横截面。此外，或者替换地，第一芯和第二芯可以具有包括其他元件和/或部分的横截面，如参考图3A和4A-4D进一步详细描述的。

图2是光束发生器200的示例性实施方式的示图，其包括具有如图1A所示的横截面的光纤(例如旋转光纤)。如图2所示，光束发生器200可以包括耦合器、旋转光纤和输出光纤。在一些实施方式中，耦合器可以接收输入光束，并将所述输入光束提供给旋转光纤的第一芯或第二芯。

在一些实施方式中，如图2所示，旋转光纤可以是锥形旋转光纤(例如类似于这里参照图1C描述的旋转光纤)。附加地或替代地，旋转光纤可以是非锥形旋转光纤(例如，类似于这里参照图1B描述的旋转光纤)。

在一些实施方式中，来自输入光束的光可以传播通过旋转光纤，并且旋转光纤可以将所述光提供到输出光纤。如本文参照图1C所述以及本文参照图5A-5C进一步描述的，输出光纤可以包括从光纤的第一芯接收光束的第一引导区域和从光纤的第二芯接收旋转光束的第二引导区域。

如图2所示，光束发生器200可以产生两种类型的输出光束。例如，如图2的上部输出光束所示，如果耦合器将输入光束提供给旋转光纤的第一芯，则光束发生器200可以产生具有与输入光束相似特性的输出光束。如图2的下部输出光束所示，如果耦合器向旋转光纤的第二芯提供输入光束，则光束发生器200可以产生环形和/或旋转光束。

同样如图2所示，输出光束可以各自具有比输入光束更大的直径。在一些实施方式中，光束直径增加的至少一部分(例如，从输入光束到输出光束)可以是由于第一芯和/或第二芯沿旋转光纤长度的一部分的横截面尺寸的增加。例如，如图2所示，在旋转光纤的第一端(例如，输入端、邻近耦合器的一端等)，旋转光纤的横截面尺寸可以小于旋转光纤的第二端(例如，输出端、接合到输出光纤的一端等)处的旋转光纤的横截面尺寸。类似地，也如图2所示，在旋转光纤的第一端(例如，输入端、邻近耦合器的一端等)，第一芯和/或第二芯的横截面尺寸可以小于第一芯和/或第二芯在旋转光纤的第二端的横截面尺寸(例如，输出端、接合到输出光纤的一端等)

在一些实施方式中，如果耦合器向旋转光纤的第一芯提供输入光束，则光束发生器200可以产生与输入光束具有相同尺寸的输出光束。例如，第一芯的在旋转光纤的第一端处的横截面尺寸可以与第一芯的在旋转光纤的第二端处的横截面尺寸相同。

如上所述，图2仅作为示例提供。其他示例是被预期的，并且可以不同于关于图2所描述的。

图3A是光纤(例如旋转光纤)的横截面的示例性实施方式300的视图。如图3A所示，旋转光纤包括第一芯、第二芯和包覆件。同样如图3A所示，第一芯可以插入第二芯中，使得第二芯可以围绕第一芯，包覆件可以围绕第二芯。在一些实施方式中，如图3A所示，第一芯可以位于旋转光纤的中心。

在一些实施方式中，第二芯可以位于相对于旋转光纤的中心的偏心位置。例如，如图3A所示，第二芯的几何中心可以位于相对于旋转光纤中心的偏心位置。

如图3A中的阴影所示，第一芯和第二芯可以具有不同的折射率指数。在一些实施方式中，第一芯和第二芯的折射率指数之差可以足够大，以防止在第一芯中传播的光进入第二芯、和/或防止在第二芯中传播的光进入第一芯。以这种方式，第一芯和第二芯可以提供通过旋转光纤的两个独立的光传播路径。

在一些实施方式中，第二芯可以沿着旋转光纤的长度围绕旋转光纤的轴线(例如光纤的中心)扭转，如这里参照图1B所述的，使得在旋转光纤的输入端发射的输入光束(例如非旋转光束)可以在旋转光纤的输出端至少部分转换成旋转光束。在一些实施方式中，第一芯也可以围绕旋转光纤的轴线扭转，但是，因为第一芯位于旋转光纤的中心，所以第一芯可能没有视觉地展示这种扭转。此外，或者可替换地，旋转光纤可以是锥形的，如这里参照图1C所述。

图3B是光束发生器302的示例性实施方式的视图，其包括具有如图3A所示的横截面的光纤(例如旋转光纤)。如图3B所示，光束发生器302可以包括耦合器、旋转光纤和输出光纤。在一些实施方式中，耦合器和输出光纤可以类似于这里参考图2描述的耦合器和输出光纤。

如图3B所示，光束发生器302可以产生两种类型的输出光束。例如，如图3B的上部输出光束所示，如果耦合器将输入光束提供给旋转光纤的第一芯，则光束发生器302可以产生具有与输入光束相似特性的输出光束。如图3B的下部输出光束所示，如果耦合器将输入光束提供给旋转光纤的第二芯，则光束发生器302可以产生与输入光束相比具有增大的尺寸的输出光束。同样如图3B的下部输出光束所示，输入光束的一部分可以通过旋转光纤转换成旋转光束。例如，下部输出光束可以具有与具有高斯轮廓的光束以及具有顶帽轮廓的光束类似的特性。如图3B所示，这种特性可能是由于旋转光纤沿着旋转光纤的长度具有均匀的直径，并且沿着旋转光纤的长度具有均匀的扭转速率(例如，间距)(例如，如图1B的旋转光纤所示)。

如上所述，图3A和3B仅仅是作为例子提供的。其他示例是被预期的，并且可以不同于关于图1-3所描述的。

图4A-4D是光纤(例如旋转光纤)的横截面402、404、406、408的示例实施方式的示图。

如图4A所示，旋转光纤的横截面402可以包括位于旋转光纤的中心处的中心芯、和位于相对于旋转光纤中心的偏心位置处的三个或更多芯。在一些实施方式中，三个芯可以位于相对于旋转光纤中心的偏心位置，其中偏心位置到光纤中心具有不同的径向距离。例如，如图4A所示，第一芯、第二芯和第三芯可以位于相对于旋转光纤中心的偏心位置，其中第一芯、第二芯和第三芯的偏心位置分别具有到光纤中心的径向距离R1、R2和R3。

在一些实施方式中，中心芯可以类似于关于图1A描述的第一芯，而位于偏心位置的三个芯可以类似于关于图1A描述的第二芯。例如，中心芯可以不沿着旋转光纤的长度围绕旋转光纤的轴线扭转(例如，旋转光纤的中心)，并且位于偏心位置的三个芯可以沿着旋转光纤的长度围绕旋转光纤的轴线扭转。

附加地或替代地，当输入光束被提供给中心芯时，旋转光纤可以产生类似于输入光束的输出光束。当输入光束被提供给位于偏心位置的三个芯中的一个时，旋转光纤可以产生输出光束，该输出光束是旋转光束。此外，三个芯中的每一个(例如，由于到光纤中心的不同径向距离R1、R2和R3)，可以产生具有不同特性的旋转光束(例如，不同的直径、不同的功率等)。

如图4B所示，旋转光纤的横截面404可以包括第一芯、第二芯、沟槽区域和包覆件。在一些实施方式中，如图4B所示，第一芯可以插入第二芯内，并且沟槽区域(例如，包覆件低指数沟槽区域等)可以位于第一芯和第二芯之间。第一芯可位于旋转光纤的中心，第二芯可位于相对于旋转光纤中心的偏心位置(例如，第二芯的几何中心可以位于相对于旋转光纤中心的偏心位置)。同样如图4B所示，包覆件可以围绕第一芯、第二芯和沟槽区域。

在一些实施方式中，第一芯可以类似于关于图1A和/或图3A描述的第一芯，第二芯可以类似于关于图3A描述的第二芯。如图4B中的阴影所示，第一芯和第二芯可以具有相同的折射率指数。在一些实施方式中，第一芯和第二芯之间的沟槽区域可以防止在第一芯中传播的光进入第二芯、和/或在第二芯中传播的光进入第一芯。以这种方式，第一芯和第二芯可以提供通过旋转光纤的两个独立的光传播路径。

附加地或替代地，当输入光束被提供给第一芯时，旋转光纤可以产生类似于输入光束的输出光束。当输入光束被提供给第二芯时，旋转光纤可以产生作为旋转光束的输出光束。

如图4C所示，旋转光纤的横截面406可以包括第一芯、第二芯、沟槽区域、第一插入件(例如第一插入元件)、第二插入件(例如，第二插入元件)和包覆件。在一些实施方式中，如图4C所示，第一芯可以插入第二芯内，并且沟槽区域(例如，包覆件低指数沟槽区域等)可以位于第一芯和第二芯之间。第一芯可位于旋转光纤的中心，第二芯也可位于旋转光纤的中心(例如，第二芯的几何中心可以位于旋转光纤的中心)。因此，在一些实施方式中，第一芯和第二芯可以是同心的。同样如图4C所示，包覆件可以围绕第一芯、第二芯、沟槽区域、第一插入件和第二插入件。

在一些实施方式中，第一芯可以类似于关于图1A描述的第一芯。如图4C中的阴影所示，第一芯和第二芯可以具有相同的折射率指数。在一些实施方式中，第一芯和第二芯之间的沟槽区域可以防止在第一芯中传播的光进入第二芯、和/或在第二芯中传播的光进入第一芯。以这种方式，第一芯和第二芯可以提供通过旋转光纤的两个独立的光传播路径。

如图4C所示，第一插入件(例如第一杆状插入件)和第二插入件(例如第二杆状插入件)可以位于第二芯内。如图4C中的阴影所示，第一插入件和第二插入件可以具有与第二芯的折射率指数不同的折射率指数。例如，第一插入件和第二插入件可以具有比第二芯的折射率指数低的折射率指数。在一些实施方式中，第一插入件和/或第二插入件可以由掺杂的二氧化硅、非掺杂的二氧化硅等形成。

如图4C所示，第一插入件和/或第二插入件可以具有圆形横截面形状。在一些实施方式中，第一插入件和/或第二插入件可以具有不同于圆形的横截面形状(例如，矩形、三角形、星形、六边形、八边形等)。附加地或替代地，第一插入件和/或第二插入件可以不具有彼此相同的形状。在一些实施方式中，旋转光纤可以包括一个插入件或两个以上的插入件(例如，三个插入件、四个插入件、五个插入件等)来实现相同的功能。

在一些实施方式中，第一插入件和第二插入件可以使得第二芯的一些部分在方位上不均匀，并且方位上不均匀的部分可以位于相对于旋转光纤的中心的偏心位置。在一些实施方式中，图4C所示的横截面406沿着旋转光纤的长度的扭转可以使得第二芯内的光束被转换成旋转光束。也就是说，偏心的方位不均匀部分围绕轴线扭转可以使得在旋转光纤的第一端发射的输入光束在旋转光纤的第二端至少部分转换成旋转光束。在一些实施方式中，并且以类似于参照图1C所述的方式，偏心的方位不均匀部分围绕旋转光纤的轴线扭转的扭转速率可以从旋转光纤的第一端处的第一扭转速率增加到旋转光纤的第二端处的第二扭转速率。

附加地或替代地，当输入光束被提供给第一芯时，旋转光纤可以产生类似于输入光束的输出光束。当输入光束被提供给第二芯时，旋转光纤可以产生作为旋转光束的输出光束。

如图4D所示，旋转光纤的横截面408可以包括第一芯、第二芯、沟槽区域、插入件(例如插入元件)和包覆件。在一些实施方式中，如图4D所示，第一芯可以插入第二芯内，并且沟槽区域(例如，包覆件低指数沟槽区域和/或类似物)可以位于第一芯和第二芯之间以及第一芯和插入件之间。第一芯可位于旋转光纤的中心，第二芯也可位于旋转光纤的中心(例如，第二芯的几何中心可以位于旋转光纤的中心)。如图4D所示，包覆件可以围绕第一芯、第二芯、沟槽区域和插入件。

在一些实施方式中，第一芯可以类似于关于图1A描述的第一芯。例如，第一芯可以形成用于光传播通过旋转光纤的第一引导区域。

如图4D所示，插入件可以插入第二芯和包覆件内。如图4D中的阴影所示，插入件可以具有与第二芯相同的折射率指数。这样，第二芯和插入件可以在旋转光纤内形成第二引导区域。

如图4D中的阴影所示，第一芯、第二芯和插入件可以具有相同的折射率指数。在一些实施方式中，第一引导区域(例如，由芯形成)和第二引导区域(例如，由第二芯和插入件形成)之间的沟槽区域可以防止在第一引导区域中传播的光进入第二引导区域、和/或在第二引导区域中传播的光进入第一引导区域。以这种方式，第一引导区域和第二引导区域可以提供通过旋转光纤的两个独立的光传播路径。

在一些实施方式中，插入件可以使得第二引导区域的一部分在方位上不均匀，并且方位上不均匀的部分可以在相对于旋转光纤中心的偏心位置。在一些实施方式中，图4D所示的横截面408沿着旋转光纤的长度的扭转可以使得第二引导区域内的光束以类似于关于图4C所述的方式被转换成旋转光束。

附加地或替代地，插入件可以是第二芯的一部分。例如，第二芯可包括由插入件形成的在相对于旋转光纤中心的偏心位置处的方位不均匀部分，以及另一部分，例如如图4D所示的环形部分。

在一些实施方式中，当输入光束被提供给第一引导区域时(例如由芯形成)，旋转光纤可以产生类似于输入光束的输出光束。当输入光束被提供给第二引导区域时(例如，由第二芯和插入件形成)，旋转光纤可以产生输出光束，该输出光束是旋转光束。

如上所述，图4A-4D只是作为例子提供的。其他示例也被预期，并且可以不同于关于图4A-4D所描述的。例如，尽管图4A-4D的横截面包括具有圆形和/或环形的元件和/或部分，其他示例性实施方式可以包括具有不同和/或非圆形形状(例如矩形、三角形、星形、部分环形等)的元件和/或部分。作为另一个示例，，其他示例性实施方式可以包括与图4A-4D的横截面相比更少的元件和/或部分，或与图4A-4D的横截面相比更多的元件和/或部分。

图5A-5C是输出光纤502、504和506的示例性实施方式的示意图。例如，图1B、2和3B所示和所描述的输出光纤可以包括输出光纤502、504和/或506。在一些实施方式中，输出光纤502、504和506可以是非旋转光纤，并且可以包括多个引导区域以保存由多旋转光纤产生的不同输出光束。

如图5A所示，输出光纤502可以是阶跃指数环形光纤，并且可以包括中心芯、内包覆件、环形芯和外包覆件。内包覆件可以围绕中心芯，环形芯可以围绕内包覆件。外包覆件可以围绕环芯。如图5A所示，中心芯、内包覆件、环形芯和外包覆件可以分别具有折射率指数n1、n2、n3和n4，其中n1大于n2，n3大于n2和n4。在一些实施方式中，n2可以大于n4。附加地或替代地，n1可以等于n3。在一些实施方式中，输出光纤502可以包括附加的环形芯和/或附加的包覆件层(例如，内包覆件)。

在一些实施方式中，中心芯、内包覆件、环形芯和/或外包覆件的径向厚度可以对应于向输出光纤502提供光的旋转光纤的芯和/或引导区域的位置。例如，如果光束发生器包括具有如图1A所示和关于其所描述的横截面100的旋转光纤和输出光纤502，则输出光纤502的中心芯可以具有对应于第一芯的径向厚度的径向厚度，并且输出光纤502的环形芯可以具有对应于第二芯的径向厚度的径向厚度。附加地或替代地，输出光纤502的内包覆件的径向厚度可以对应于第一芯和第二芯的边缘之间的径向距离。这样，在旋转光纤的第一芯和第二芯中传播的光可以分别进入输出光纤502的中心芯和环形芯并通过其传播。附加地或替代地，内包覆件可以防止在中心芯中传播的光进入环形芯，并且可以防止在环形芯中传播的光进入中心芯。因此，在一些实施方式中，输出光纤502可以包括接收来自旋转光纤的第一引导区域和/或第一芯的光束的第一引导区域、和接收来自旋转光纤的第二引导区域和/或第二芯的另一光束(例如，旋转光束)的第二引导区域。

在一些实施方式中，输出光纤502可以从旋转光纤接收方位不对称(例如，旋转不对称)的输入光束(例如旋转光束)。通过沿着输出光纤502的长度传播输入光束，输出光纤502可以创建方位对称(例如，旋转对称)的输出光束(例如由于模式的非相干平均)。

如图5B所示，输出光纤504可以是基座光纤，并且可以包括中心芯、基座和外包覆件。基座可以围绕中心芯，外包覆件可以围绕基座。如图5B所示，中心芯、基座和外包覆件可以分别具有折射率指数n1、n2和n3，其中n1大于n2，n2大于n3。在一些实施方式中，输出光纤504可以在基座和外包覆件之间包括附加基座层，其中折射率指数从中心芯向外到外包覆件单调减小。

在一些实施方式中，中心芯、基座和/或外包覆件的径向厚度可以对应于旋转光纤的以类似于这里参照图5A所述的方式向输出光纤504提供光的芯和/或引导区域以及和输出光纤502的位置。附加地或替代地，输出光纤504可以以类似于这里关于图5A和输出光纤502描述的方式，从方位不对称的输入光束产生方位对称的输出光束。

如图5C所示，输出光纤506可以是渐变指数光纤，并且可以包括渐变指数芯和外包覆件，其中外包覆件围绕渐变指数芯。在一些实施方式中，渐变指数芯可以具有单调递减的渐变指数分布，例如抛物线或近抛物线的指数分布，其可以对应于具有无限数量的紧密间隔的基座的基座光纤。附加地或替代地，可以选择渐变指数分布的强度，以在径向位置和角动量中对应于来自旋转光纤的输出光束的类型。例如，可以选择渐变指数分布的强度，以保持离开旋转光纤的第一引导区域、旋转光纤的第二引导区域等的光束的尺寸。在一些实施方式中，渐变指数分布的强度可以基于尺寸和角动量被选择，以针对不同的输入光束保持特定的光束尺寸(例如，渐变指数光纤可以与旋转光纤模式匹配，和/或可以在第一引导区域和第二引导区域的模式匹配最佳情况之间进行平均)。附加地或替代地，输出光纤506可以以类似于这里关于图5A和输出光纤502描述的方式，从方位不对称的输入光束产生方位对称的输出光束。

如上所述，图图5A-5C仅作为例子提供。其他示例也被预期，并且可以不同于关于图5A-5C所描述的。例如，输出光纤可以包括输出光纤502、504和/或506的一个或多个元件和/或部分的组合。

图6是用于产生旋转光束的示例过程600的流程图。在一些实施方式中，图6的一个或多个过程块可以由光纤(例如具有如附图1A、3A、4A、4B、4C和/或4D所示和所描述的横截面的旋转光纤)执行。在一些实施方式中，图6的一个或多个过程块可以由与所述光纤分离或包括所述光纤的另一设备或另一组设备来执行，例如光束发生器(例如，光束发生器102、光束发生器200、光束发生器302等)、耦合器(例如，如图1B、2和/或3B所示和参照其所述的耦合器，等)、输出光纤(例如，如图1B、2、3B、5A、5B和/或5C所示和参考其描述的输出光纤等)，等。

如图6所示，过程600可以包括在光纤的第一端接收输入光束，其中光纤包括第一芯、第二芯和围绕第一芯和第二芯的包覆件，其中以下至少之一：第二芯相对于光纤的中心处于偏心位置，或者第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，并且其中第二芯沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转(方框610)。例如，光纤(例如，旋转光纤)可以在光纤的第一端接收输入光束，如上所述。在一些实施方式中，光纤包括第一芯、第二芯和围绕第一芯和第二芯的包覆件。在一些实施方式中，以下至少之一：第二芯相对于光纤中心处于偏心位置，或者第二芯包括相对于光纤中心处于偏心位置的方位不均匀部分。在一些实施方式中，第二芯沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转。

如图6进一步所示，过程600可以包括至少部分地将由第二芯接收的输入光束转换成旋转光束，其中由于第二芯绕轴线扭转，输入光束至少部分地转换成旋转光束(方框620)。例如，光纤(例如，旋转光纤)可以至少部分地将第二芯接收的输入光束转换成旋转光束，如上所述。在一些实施方式中，作为第二芯绕轴线扭转的结果，输入光束至少部分地被转换成旋转光束。

如图6进一步所示，过程600可以包括输出旋转光束(方框630)。例如，光纤(例如，旋转光纤)可以输出旋转光束，如上所述。

过程600可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处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，过程600包括在光纤的第一端处向第一芯或第二芯中的至少一个提供输入光束。例如，如上所述，耦合器可以在光纤的第一端将输入光束提供给第一芯或第二芯中的至少一个。

在第二实施方式中，单独或与第一实施方式结合，过程600包括接收旋转光束，其中旋转光束不是旋转对称的，并基于所述旋转光束输出光输出，其中所述光输出是方位对称的。例如，输出光纤可以接收旋转光束，其中旋转光束不是旋转对称的，并且可以基于旋转光束输出光输出，其中所述光输出是方位对称的。

尽管图6示出了过程600的示例块，但是在一些实施方式中，与图6中所描绘的那些块相比，过程600可以包括额外的块、更少的块、不同的块或者不同排列的块。附加地或替代地，过程600的两个或更多个块可以并行执行。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制到所公开的精确形式。可以根据上述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。此外，这里描述的任何实施方式可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式可以不被组合的理由。

即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式进行组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可能直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。

除非明确说明，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如此处所使用的，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如这里所使用的，术语“具有”、“有”、“带有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包含在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。

相关应用

本申请要求2020年2月18日提交的美国临时专利申请62/978,037“用于可变旋转光束产生的光纤”，其内容通过引用整体结合于此。

Claims (23)

1.一种光纤，包括：

第一芯；

第二芯，

其中以下至少之一：

所述第二芯位于相对于光纤的中心的第一偏心位置，或者

第二芯在相对于光纤的中心的第二偏心位置处包括方位不均匀部分，

其中所述第二芯沿着所述光纤的长度围绕所述光纤的轴线扭转，并且

其中所述第二芯围绕所述轴线扭转使得在所述光纤的第一端发射到第二芯中的光束的至少一部分在所述光纤的第二端处至少部分地转换成旋转光束，

其中，第一芯使在光纤的第一端发射到第一芯中的光束的其他部分或其他光束在光纤的第二端输出，并且

其中，光束的其他部分或其他光束不在光纤的第二端转换成旋转光束；和

包围第一芯和第二芯的包覆件；

其中所述第二芯绕所述轴线扭转的扭转速率从所述光纤的第一端处的第一扭转速率增加到所述光纤的第二端处的第二扭转速率。

2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第一芯位于相对于所述光纤的中心的第三偏心位置，

其中当第二芯在第一偏心位置时，第三偏心位置不同于第一偏心位置，

其中当第二芯在第二偏心位置包括方位不均匀部分时，第三偏心位置不同于第二偏心位置，

其中所述第一芯沿着所述光纤的长度围绕所述光纤的轴线扭转，并且

其中围绕所述轴线扭转的第一芯使得所述光束的其他部分或其他光束在光纤的第二端至少部分地转换成旋转光束。

3.根据权利要求2所述的光纤，其中，当所述第二芯位于所述第一偏心位置时，所述第一偏心位置和所述第三偏心位置到所述光纤的中心具有不同的径向距离，并且

其中当第二芯在第二偏心位置处包括方位不均匀部分时，第二偏心位置和第三偏心位置到光纤的中心具有不同的径向距离。

4.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一芯插入所述第二芯内。

5.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第一芯插入所述第二芯内，并且包覆件低指数沟槽区域位于所述第一芯和所述第二芯之间。

6.根据权利要求1所述的光纤，还包括在相对于光纤中心的其他偏心位置的一个或多个其他芯，

其中所述一个或多个其他芯沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转，并且

其中所述一个或多个其他芯围绕所述轴线扭转使得在光纤的第一端射入所述一个或多个其它芯之一的光束在光纤的第二端至少部分转换成旋转光束。

7.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第一芯和所述第二芯具有不同的折射率指数。

8.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第一芯具有第一横截面，

其中所述第二芯具有第二横截面，并且

其中以下至少之一：

第一横截面和第二横截面具有不同的形状；或者

第一横截面和第二横截面具有不同的尺寸。

9.根据权利要求1所述的光纤，其中所述光纤的横截面尺寸沿着所述光纤长度的一部分在从所述光纤的第一端向所述光纤的第二端的方向上增加。

10.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第二芯包括：

在相对于光纤中心的第二偏心位置处的方位不均匀部分；和

另一部分。

11.根据权利要求10所述的光纤，其中，所述方位不均匀部分是插入在另一部分内的插入元件。

12.根据权利要求11所述的光纤，其中所述插入元件由掺杂的二氧化硅或非掺杂的二氧化硅形成。

13.根据权利要求10所述的光纤，其中所述方位不均匀部分具有第一折射率指数，

其中所述另一部分具有第二折射率指数，并且

其中第一折射率指数不同于第二折射率指数。

14.根据权利要求10所述的光纤，其中所述另一部分是第一部分，

其中所述第二芯包括方位不均匀的第二部分，并且

其中第二部分位于相对于光纤中心的另一偏心位置。

15.根据权利要求10所述的光纤，其中，所述方位不均匀部分是插入在另一部分和包覆件内的插入元件。

16.根据权利要求10所述的光纤，其中所述第一芯和所述第二芯是同心的。

17.一种光束发生器，包括：

光纤，包括：

第一芯；

第二芯，

其中以下至少之一：

第二芯相对于光纤的中心处于偏心位置，或者

第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，

其中第一芯插入在第二芯中，且包覆件低指数沟槽区域位于第一芯和第二芯之间，

其中所述第二芯沿着所述光纤的长度围绕所述光纤的轴线扭转，并且

其中所述第二芯围绕所述轴线扭转使得在所述光纤的第一端射入所述第二芯的光束的至少一部分在所述光纤的第二端至少部分转换成旋转光束，

其中，第一芯使在光纤的第一端发射到第一芯中的光束的其他部分或其他光束在光纤的第二端输出，和

包围第一芯和第二芯的包覆件；

其中所述第二芯绕所述轴线扭转的扭转速率从所述光纤的第一端处的第一扭转速率增加到所述光纤的第二端处的第二扭转速率

耦合器，用于在光纤的第一端向光纤的第一芯或光纤的第二芯中的至少一个提供输入光束；和

输出光纤，用于从光纤的第二端接收旋转光束，并基于旋转光束产生光输出。

18.根据权利要求17所述的光束发生器，其中所述输出光纤包括：

第一引导区域，用于接收来自光纤的第一芯的光束；和

第二引导区域，用于接收来自光纤的第二芯的旋转光束。

19.根据权利要求17所述的光束发生器，其中所述旋转光束不是旋转对称的，并且

其中由输出光纤基于旋转光束产生的光输出是方位对称的。

20.根据权利要求17所述的光束发生器，其中所述输出光纤包括以下至少一种：

阶跃指数环形光纤，

基座光纤，或

渐变指数光纤。

21.一种方法，包括：

通过光纤在光纤的第一端接收输入光束，

其中所述光纤包括第一芯、第二芯和围绕第一芯和第二芯的包覆件，其中以下至少之一：第二芯相对于光纤中心处于偏心位置，或第二芯在相对于光纤中心的偏心位置处包括方位不均匀部分，以及

其中第二芯沿着光纤的长度围绕光纤的轴线扭转，且其中所述第二芯绕所述轴线扭转的扭转速率从所述光纤的第一端处的第一扭转速率增加到所述光纤的第二端处的第二扭转速率；

通过光纤至少部分地将由第二芯接收的输入光束的至少一部分转换成旋转光束，

其中作为第二芯绕轴线扭转的结果，输入光束至少部分转换成旋转光束；

使在光纤的第一端发射到第一纤芯的输入光束的其他部分或其他输入光束在光纤的第二端输出；

由光纤输出旋转光束；

通过输出光纤接收旋转光束，

其中旋转光束不是旋转对称的；以及

由输出光纤基于旋转光束输出光输出，

其中所述光输出是方位对称的。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

通过耦合器且向所述光纤，在光纤第一端处将输入光束提供给第一芯或第二芯中的至少一个。

23.根据权利要求19所述的光束发生器，其中第二芯包括：

在第二偏心位置处的相对于光纤的中心的方位不均匀部分；和

其他部分。