CN115485094A

CN115485094A - 激光标记系统和方法

Info

Publication number: CN115485094A
Application number: CN202180026391.2A
Authority: CN
Inventors: D·J·瑞恩
Original assignee: Aoke Laser Application Technology Co ltd
Current assignee: Aoke Laser Application Technology Co ltd
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-12-16
Also published as: US20230049111A1; WO2021156256A2; EP4100196A2; WO2021156256A3

Abstract

本申请涉及一种激光标记系统（100），包括：激光器（110），被配置为产生激光束的激光器；标记头（130），被配置为将激光束投射到目标上；以及负曲率空芯光纤（120），被配置为将激光束从激光器（110）传输到标记头（130）。

Description

激光标记系统和方法

技术领域

本发明涉及用于标记目标的激光标记系统和方法。该激光标记系统包括被配置为产生激光束的激光器、被配置为将激光束投射到目标上的标记头、以及被配置为将激光束从激光器传输到标记头的负曲率空芯光纤。本公开的方面和实现一般针对激光标记装备。

背景技术

当前的激光标记器和扫描仪在包装以及零件标记生产线中的自动化生产操作期间受到限制。当前的激光标记器和扫描仪通常相对于被标记的物品固定到生产系统中。

本发明的目的是提供一种激光标记系统，该系统消除或减轻现有技术中的一个或多个问题，无论是在本文中还是在其他地方所标识的。

发明内容

长期以来，光纤一直是光纤激光器、半导体激光器和激光二极管的优选光束递送形式。光纤技术和材料非常适合范围从切割和焊接到高精度标记和编码的应用的高功率和高质量光束递送。纤维的使用尚未达到CO₂激光器应用。CO₂激光束的光纤递送的使用已经受限于低功率和低光束质量的应用，诸如在医疗和低端材料处理中找到的应用。

在诸如被配置为提供紫外辐射或近红外辐射的激光器的其他类型的激光器中使用纤维，由于具有有限的传输质量，也可能受限于某些应用。包括例如Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石，即YAG激光器）或Nd:VO4（掺钕原钒酸钇，即钒酸盐激光器）晶体的固态激光器可以用于产生用于标记和/或编码的近红外光。这些固态激光器通常发射波长约为1.06

m的光。

可以通过对上面讨论的近红外光应用非线性光学过程来产生紫外光。例如，由固态激光器产生的近红外光可以穿过非线性晶体，诸如KTP（磷酸氧钛钾）、KTA（砷酸氧钛钾）或BBO（

硼酸钡）。

取决于设计，近红外辐射可以转换为绿色波长（例如，通过双倍转换为约0.532

m）或紫外波长（例如，通过三倍转换为约0.355

m或通过四倍转换为0.265

m）。应当领会，可以使用其他激光技术来产生这些和/或覆盖电磁波谱（例如从深紫外到远红外）的其他波长的激光，并且这些激光技术中的任何一种都可以用于标记应用。

由二氧化硅玻璃制成的已知空芯光纤已经在医疗和工业应用中用于激光功率传输多年。光纤的内径通常涂覆有反射涂层，诸如银或银基化合物。涂层质量确定了功率传输损失、弯曲损失和可靠性。对于功率传输，光纤的内径通常在从500

m至1 mm的范围。然而，如果应用要求良好的光束质量，则内径必须小于400

m，并且对于CO₂激光传输，内径通常小于300

m。涂层过程将小直径光纤的长度限制为小于3米。由于材料吸收，耦合效率在CO₂波长下是关键的，并且功率传输损失在约9.5

m的波长以上呈指数增长。小内径对良好光束质量的需求；需要良好的耦合效率；并且避免高功率损失的组合严重限制了已知空芯光纤用于标记应用的有效性。

还已经开发了用于激光递送的实芯光纤。这些光纤通常包括卤化银，并且辐射功率限制为30–40w，其中通过4米长的光纤的典型传输率约为40%。通过这样的光纤的最大辐射损失是由于光纤接口处的菲涅耳反射损失。卤化银也是光敏的，并且需要屏蔽可见光和UV光，以防止变暗和增加吸收损失。此外，冷却和耦合这样的光纤的复杂性已经阻碍了在激光标记应用中的使用。

根据本发明的第一方面，提供了一种激光标记系统，包括被配置为产生激光束的激光器，被配置为将激光束投射到目标上的标记头，以及被配置为将激光束从激光器传输到标记头的负曲率空芯光纤。

激光器可以包括气体激光器，例如CO₂激光器。激光器可以包括固态激光器。固态激光器可以包括例如Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石，即YAG）激光器或Nd:VO4（掺钕原钒酸钇，即钒酸盐）激光器。激光器可以包括非线性光学元件，该非线性光学元件被配置为将第一波长的光转换成第二波长的光（例如，将近红外光转换成紫外光）。非线性光学元件可以包括晶体，诸如例如KTP（磷酸氧钛钾）、KTA（砷酸氧钛钾）或BBO（

硼酸钡）。

激光标记系统有利地允许在高能量脉冲中传输辐射波长（例如红外的），这在先前是不可能的。与已知的激光标记系统相比，该激光标记系统有利地改进了高能量脉冲中的紫外和/或近红外辐射波长的传输。激光标记系统的效率高于已知的激光标记系统。使用负曲率空芯光纤的激光器和标记头的分离有利地实现激光标记系统在生产线中的使用的更大的灵活性。

已知的空芯纤维不能用于传输紫外辐射，因为内壁涂层不能承受高功率的紫外辐射，并且遭受材料降解。已知的实芯光纤可以用于传输有限使用范围内的紫外辐射。然而，当暴露于激光标记应用所需功率水平的紫外辐射能量时，已知的实芯光纤遭受材料降解。已知的光纤一般具有低的损伤阈值，并且因此难以光学耦合到其他光学组件。例如，已知的实芯光纤的芯直径可能是负曲率空芯光纤的芯直径的五分之一，这使得与负曲率空芯光纤相比，已知的实芯光纤机械强度较低，并且光学耦合到其他光学组件（例如标记头）更困难和昂贵。

与已知光纤相比，负曲率空芯光纤具有更低的弯曲损失。这有利地通过允许负曲率空芯光纤在障碍物周围弯曲而不引起不可接受的传输损失，从而允许负曲率空芯光纤在受限空间（例如，包括多个组件的紧凑生产线）中传输辐射（例如，红外、近红外和/或紫外辐射）。当传输高功率激光脉冲时，负曲率空芯光纤比已知光纤表现更好（即，经历更低的损失并具有更高的损伤阈值）。负曲率空芯光纤可以具有比已知光纤更大的芯直径。与已知光纤相比，这有利地增加了负曲率空心光纤的机械鲁棒性，并降低了将负曲率空心光纤耦合到其他光学组件的难度和成本。

负曲率空芯光纤可以是抗谐振负曲率空芯光纤。

抗谐振空芯光纤是具有包层结构的负曲率光纤，该包层结构降低或抑制光纤芯和光纤包层之间的光学耦合，从而导致降低所期望波长下的损失。

激光束可以包括红外电磁辐射。

红外电磁辐射可以包括大于或等于约8

m的波长。红外电磁辐射可以包括小于或等于约11

m的波长。红外电磁辐射可以包括约9.3

m的波长。红外电磁辐射可以包括约9.6

m的波长。红外电磁辐射可以包括约10.2

m的波长。红外电磁辐射可以包括约10.6

m的波长。

激光束可以包括近红外电磁辐射。近红外电磁辐射可以包括大于或等于约0.780

m的波长。近红外电磁辐射可以包括小于或等于约3

m的波长。近红外电磁辐射可以包括约1.06

m的波长。

激光束可以包括紫外电磁辐射。紫外电磁辐射可以包括大于或等于约100 nm的波长。紫外电磁辐射可以包括小于或等于约400 nm的波长。紫外电磁辐射可以包括约265 nm的波长。紫外电磁辐射可以包括约355 nm的波长。

负曲率空芯光纤可以包括硫系玻璃。

硫系玻璃可以包括以下材料中的一个或多个：As₃₀Se₅₀Te₂₀；As₂S₃；As₂Se₃；Ge₁₅As₂₅Se₄₀Te₂₀；以及As₄₀S₃₀Se₃₀。硫系玻璃可以包括其他组合和/或掺杂剂，诸如稀土元素。

负曲率空芯光纤可以包括用于紫外传输和/或近红外传输的二氧化硅。负曲率空芯光纤可以包括用于紫外辐射传输的氢注入二氧化硅。当用于传输紫外辐射时，氢注入二氧化硅可以有利地改进紫外辐射的传输和/或改进负曲率空芯光纤的操作寿命。

激光标记系统可以包括激光器和标记头之间的脐带。负曲率空芯光纤可以位于脐带内。

脐带可以具有约3米或更长的长度。脐带可以具有约10米的长度。

负曲率空芯光纤的端部可以是锥形的。

锥形光纤有利地提高了负曲率空芯光纤与激光器和/或标记头的耦合效率，从而提高了激光标记系统的效率。

负曲率空芯光纤可以包括多个毛细管。毛细管可以具有大致拱形、大致圆形、大致椭圆形或大致圆锥形的形状。毛细管可以在负曲率空芯光纤的芯周围形成一个或多个环结构。每个毛细管环可以包括不同数量的毛细管和/或不同大小的毛细管和/或不同形状的毛细管。由于与其它形状相比，大致圆形或大致圆形的毛细管环具有相对较高的机械强度并且可能相对容易制造，因此它们可能是优选的。毛细管可以由光纤形成。

毛细管壁的厚度可以根据以下等式来选择：

其中t是毛细管壁厚度，λ是负曲率空芯光纤被配置为传输的辐射的波长，n₁是毛细管材料的折射率，以及m是正整数。m值越小，毛细管壁的厚度越小。照此，m值的选择可以至少部分取决于用于形成毛细管壁的材料的制造限制。毛细管壁的厚度可以在t的计算值的约-5%到约+5%的包含范围内。

毛细管壁的厚度可以约为0.3

m或更大，用于传输红外辐射（例如由CO₂激光器产生）。毛细管壁的厚度可以约为15

m或更小，用于传输红外辐射（例如由CO₂激光器产生）。毛细管壁的厚度可以约为0.3

m或更大，用于传输近红外辐射。毛细管壁的厚度可以约为3

m或更小，用于传输近红外辐射。毛细管壁的厚度可以约为100 nm或更大，用于传输紫外辐射。毛细管壁的厚度可以约为600 nm或更小，用于传输紫外辐射。毛细管壁的厚度可以至少部分地基于毛细管的折射率和/或要由负曲率空心光纤传输的辐射的波长和/或抗谐振结构的几何形状（例如毛细管的数量、毛细管的直径、毛细管的间距、毛细管的形状）来选择。

可以至少部分取决于负曲率空芯光纤被配置为传输的激光束的性质（例如，激光束的波长和/或功率）选择毛细管的内径与毛细管的外径的比率。例如，为了传输由CO₂激光器生成的红外光，毛细管的内径与毛细管的外径的比率可以在约0.8和约0.9之间。应当领会，毛细管内径和外径的比率范围仅仅是一个示例，并且该比率范围将取决于负曲率空芯光纤的计划应用（例如，要传输的光的波长、负曲率空芯光纤的横截面大小和长度等）而变化。

毛细管可以形成负曲率空芯光纤包层的一部分。纤维的空芯的直径可以对应于由毛细管形成的内周界内可以外接的最大圆的直径。可以至少部分地基于毛细管的折射率和/或负曲率空芯光纤要传输的辐射波长和/或抗谐振结构的几何形状（例如，毛细管的数量、毛细管的直径、毛细管的间距、毛细管的形状）来选择芯直径。一般而言，芯直径可以与负曲率空芯光纤要传输的激光束的波长成比例。一般而言，负曲率空芯光纤传输的激光束的质量可以通过减小负曲率空芯光纤的芯直径来提高。芯直径可以至少部分地由毛细管的几何形状和/或负曲率空芯光纤的包层结构确定。例如，在大致圆形或大致圆形的毛细管环的情况下，负曲率空心光纤的芯直径可以至少部分取决于以下等式来选择：

其中，D_core是负曲率空芯光纤的芯直径，d_tube是毛细管的直径，t是毛细管壁的厚度，g是相邻毛细管之间的间隙距离，以及N是毛细管的数量。该等式可以用于估计其他毛细管结构和几何形状的芯直径，诸如例如，大致拱形、大致椭圆形、大致圆锥形等形状。例如，表示大致圆形或大致圆形毛细管直径的术语可以由表示毛细管形状的最大直径的术语替换。负曲率空芯光纤的芯直径可以在D_core计算值的约-10%和约+10%的包含范围内。

负曲率空芯光纤可以具有约200

m或更大的芯直径，用于传输红外辐射（例如由CO₂激光器产生）。负曲率空芯光纤可以具有约500

m或更小的芯直径，用于传输红外辐射（例如由CO₂激光器产生）。负曲率空芯光纤可以具有约10

m或更大的芯直径，用于传输紫外辐射。负曲率空芯光纤可以具有约20

m或更小的芯直径，用于传输紫外辐射。负曲率空芯光纤可以具有约20

m或更大的芯直径，用于传输近红外辐射。负曲率空芯光纤可以具有约100

m或更小的芯直径，用于传输近红外辐射。

激光标记系统可以包括一个或多个耦合透镜，用于将负曲率空芯光纤光学耦合到一个或多个其他光学元件。用于耦合到负曲率空芯光纤中的耦合透镜的焦距与入射光瞳直径的最佳比率（即最佳F#）可以至少部分取决于以下等式来选择：

其中D_core是负曲率空芯光纤的芯直径，以及λ是负曲率空芯光纤被配置为传输的辐射波长。在实践中，如果耦合透镜的F#小于

，则更多的光功率可以被耦合到负曲率空芯光纤内的更高阶模中，并且由此被衰减。在实践中，如果耦合透镜的F#小于

，则光功率可能在负曲率空芯光纤的入口处被削减，这继而可能导致对负曲率空芯光纤的入口引起的发热和可能的热损伤。照此，耦合透镜的F#可以优选地在

的-5%和2%的包含范围内。

耦合透镜的F#可以至少部分取决于要传输的激光束的性质（例如激光束的波长）和/或负曲率空芯光纤本身的几何形状来选择。例如，为了传输由CO₂激光器生成的红外光，负曲率空芯光纤可以具有约300

m的芯直径，并且耦合透镜的F#可以在约15.4和约17.0之间。应当领会，F#的这个范围仅仅是一个示例，并且F#的范围将取决于负曲率空芯光纤的计划应用（例如，要传输的光的波长、负曲率空芯光纤的芯直径等）而变化。

一旦激光束的性质（例如波长、功率、辐射源类型——CO₂、固态等）和耦合透镜的最佳F#是已知的，就可以使用标准的光学设计技术来设计耦合透镜。激光标记应用中通常使用的激光源在激光源的输出处可以具有约0.2 mm至约4.0 mm的包含范围内的激光束直径，以及约2.0 mrad至约8.0 mrad的包含范围内的全角光束发散度。通常用于激光标记应用的激光源可以具有约0.2 mm mrad至约10.0 mm mrad的包含范围内的光束参数乘积。光束参数乘积可以定义为激光束半径乘以半角光束发散度。在实践中，当激光束穿过激光标记系统的光学器件时，由于负曲率空芯光纤中的光学像差和/或模式退化，激光束可能变得变形。与负曲率空芯光纤的输入相比，这可能导致激光标记系统输出处的光束参数乘积增加。激光标记系统输出处的光束参数乘积一般在约1.0 mm mrad到约40.0 mm mrad的包含范围内。

当进入负曲率空芯光纤时，激光束的横截面半径可以至少部分取决于要传输的激光束的性质（例如，激光束的波长和/或功率）和/或负曲率空芯光纤本身的几何形状来选择。例如，为了传输由CO₂激光器生成的红外光，负曲率空芯光纤可以具有约300

m的芯直径，并且当从激光器进入负曲率空芯光纤时，激光束可以具有在约91

m和约100

m之间的横截面半径。激光束的光束参数乘积在目标处可以是约4.0或更小。激光束的光束参数乘积在目标处可以是约3.5或更小。在激光器的输出处，激光束的光束参数乘积可以是约3.5或更小。在激光器的输出处，激光束的光束参数乘积可以是约3.0或更小。激光束可以具有在约0.7 mm和约1.3 mm之间的横截面半径。激光束可以具有在约2.3 mrad和约4.3 mrad之间的半角发散度。应当领会，这些值仅仅提供了一个示例，并且横截面半径、光束参数乘积和半角发散度的范围将取决于负曲率空芯光纤的计划应用（例如，要传输的光的波长、负曲率空芯光纤的横截面大小和长度等）而变化。

激光标记系统可以包括位于激光器和负曲率空芯光纤之间的光学对准系统，该光学对准系统被配置为改变激光束相对于负曲率空芯光纤的芯的位置和/或角度。

一般而言，气体激光器（例如CO₂激光器）直到它们达到可以称为热平衡的情况为止可能是不稳定的。当激光器被激活时，激光器发热，并且等离子体光学特性沿着激光器的长度不均匀地改变。当外壳或挤压件热膨胀和/或变形时，激光器的光轴可能改变，并且当激光器的光学支架不均匀地发热和冷却时，它们可能弯曲。所有这些热移动都可能使离开激光器的激光束在输出孔口中来回移动和/或与激光标记系统的光轴成角度偏离。这些全部造成了可以称为指向误差的情况，并且是一种动态特性，其可能需要动态补偿以减少对激光标记系统性能的负面影响。光学对准系统可以补偿这样的热对准误差。

光学对准系统可以有利地提高负曲率空芯光纤的耦合效率，并且由此提高激光标记系统的效率。

光学对准系统可以包括第一可调光学元件，该第一可调光学元件被配置为接收来自激光器的激光束。光学对准系统可以包括第二可调光学元件，该第二可调光学元件被配置为接收来自第一可调光学元件的激光束，并将激光束导向负曲率空芯光纤的芯的输入。光学对准系统可以包括第一检测器，该第一检测器被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件的位置。光学对准系统可以包括第二检测器，该第二检测器被配置为检测激光束相对于负曲率空芯光纤的芯的输入的位置。

光学对准系统中可以使用两个反射镜，通常以潜望镜配置。每个反射镜均可以经由电子可调螺钉或线性马达固定到具有倾斜调整的支架。第一反射镜倾斜调整螺钉或马达可以将激光束定位在第二反射镜的表面上。第二反射镜倾斜调整螺钉或马达可以将激光束定位成与通过激光标记系统的期望光轴同轴。以这种方式，可以补偿来自任何未对准源的任何未对准误差。

第一和第二检测器可以被配置为检测激光束的角度和/或平移位置。

第一可调光学元件可以包括第一可旋转反射镜。第二可调光学元件可以包括第二可旋转反射器。

第一检测器可以位于第二可旋转反射器后面。第一检测器可以被配置为检测传输通过第二检测器的激光束的一部分。

第二反射器可以具有约为97%和99.7%之间的反射率。

第二可旋转反射镜具有非零厚度，激光束的第二部分传输通过该厚度。激光束的第二部分在穿过第二可旋转反射器时可能经历折射并改变方向。第一位置检测器的中心点可以定位成偏离第二可旋转反射器的中心点，以计及由通过第二可旋转反射器的折射引起的激光束的第二部分的方向改变。

第一检测器可以位于第一可旋转反射器和第二可旋转反射器之间。第一检测器可以包括与激光标记系统的光轴对准的对准孔口。对准孔口的直径可以大体上等于激光束的直径。

第二种实现将是使用在检测器中心有洞的象限检测器。洞直径可以被设定大小为激光束的大小。检测器应该定位成使得洞的中心与光束的期望轴对准。以这种方式，与期望光束轴的任何光束位置误差将被象限检测器检测到，并向第一反射镜支架上的适当致动器提供信号，以将光束移动到期望位置。

光学对准系统可以包括位于第一可旋转反射镜和第二可旋转反射镜之间的光束采样器。光束采样器可以被配置为将激光束的一部分导向第一检测器。

光束采样器可以定位在光束路径中，接近第二反射镜的输入侧或离开侧。光束采样器可以是分束器，诸如光学平面，其一侧被涂覆以将小百分比（< 1%）的光束反射到象限检测器，而另一侧被涂覆抗反射涂层以允许光束的剩余部分穿过设备。在第二反射镜的定位中或者通过在光束采样器之后的光束路径中以互补的角度放置相同厚度的第二平面来补偿设备厚度的影响。

光束采样器可以包括分束器。

光束采样器可以包括反射元件，该反射元件具有与激光标记系统的光轴对准的对准孔口。对准孔口的直径可以大体上等于激光束的直径。

第二检测器可以位于第二可旋转反射器和负曲率光纤芯的输入之间。第二检测器可以包括与激光标记系统的光轴对准的对准孔口。第二检测器的对准孔口的直径可以大体上等于激光束的直径。

光学对准系统可以包括位于第二可旋转反射器和负曲率空芯光纤的芯输入之间的光束采样器。光束采样器可以被配置为将激光束的一部分导向第二检测器。

光束采样器可以包括分束器。

光束采样器可以是具有光束大小的洞的反射器，其中反射镜将错过洞的光束的任何部分反射到象限检测器。在这种配置中，来自象限检测器的信号以这样的方式驱动对准反射镜，以最小化撞击象限检测器的光束，由此保持光束对准。

检测器可以是象限检测器。象限检测器可以在检测器的中心有一个洞。洞直径可以设定大小为激光束的大小。检测器可以定位成使得洞的中心与光束的期望轴对准。以这种方式，与期望光束轴的任何光束位置误差将被象限检测器检测到，并向第一反射镜支架上的适当致动器提供信号，以将光束移动到期望位置。

光学对准系统可以包括控制器，该控制器被配置为从第一和第二检测器接收信号，并使用该信号控制第一和第二可旋转反射器的旋转位置。

光学对准系统可以包括与激光标记系统的期望光轴对准的固定反射器。固定反射器可以被配置为接收来自激光器的激光束，并将激光束引导到可旋转反射器。可旋转反射器可以被配置为校正角度误差并将激光束引导到负曲率空芯光纤的输入。

第一和第二可旋转反射镜可以由第一和第二控制器驱动，所述第一和第二控制器能够将第一和第二可旋转反射镜的旋转位置改变亚微米量。

第一和第二控制器可能能够沿着两个大体上正交的旋转轴将第一和第二可旋转反射器的旋转位置改变亚微米量，以允许对激光束位置的精细（x，y）控制。

第一和第二检测器每个可以包括象限检测器。

象限检测器能够输出信号，该信号将能够准确确定检测器上激光束的x和y坐标（x，y）位置。该数据可以用于以反馈方式驱动可旋转反射器的致动器，以改进激光束与激光标记系统的光轴的对准。例如，可旋转反射器可以根据检测器信号进行调整，直到（x，y）位置坐标保持低于阈值或者达到（0，0）的对准值。反馈信号可以保持在（0，0 ），并且激光束可以保持与激光标记系统的光轴对准。

激光标记系统可以包括激光器和负曲率空芯光纤之间的在负曲率空芯光纤的芯输入处的第一保护孔口。第一保护孔口的直径可以大体上等于负曲率空芯光纤的芯直径。

激光标记系统可以包括位于激光标记头和负曲率空芯光纤之间在负曲率空芯光纤的芯输出处的第二保护孔口。第二保护孔口的直径可以大体上等于负曲率空芯光纤的芯直径。

第一和/或第二保护孔口可以包括针孔。为了保护光纤的末端免受聚焦激光束的损伤，在光纤的输入端放置一个与光纤芯直径相同的保护针孔。为了保护光纤的末端免受反向散射到标记头中的辐射的损伤，在光纤的输出端放置一个与光纤芯直径相同的保护针孔。任一针孔可以是光纤支架的一部分，或者可以是单独的设备。任一针孔都容易更换，并且可以被认为是保护更昂贵和更难以更换的光纤的牺牲设备。

根据本发明的第二方面，提供了一种用激光束标记目标的方法，包括使用第一方面的激光标记系统。

根据本发明的第三方面，提供了一种设计第一方面的激光标记系统的方法，包括：

（a）选择目标处的期望激光束光斑大小以及标记头和目标之间的期望距离；

（b）至少部分取决于步骤（a）设计标记头的光学组件，并确定目标处激光束的光束参数乘积；

（c）至少部分取决于步骤（b）设计负曲率空芯光纤和标记头之间的第一耦合光学器件；

（d）选择负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的期望光束参数乘积，并且至少部分取决于负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的光束参数乘积来设计负曲率空芯光纤；

（e）至少部分取决于步骤（d）设计激光器和负曲率空芯光纤之间的第二耦合光学器件；并且

（f）至少部分取决于负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的光束参数乘积来设计激光器。

关于步骤（a），所期望的激光束光斑大小可以约为100

m或更大。期望的激光束光斑大小可以约为500

m或更小。标记头和目标之间的期望距离可以约为50 mm或更大。期望的激光束光斑大小可以约为250

m。标记头和目标之间的期望距离可以约为250 mm或更小。标记头和目标之间的期望距离可以约为125 mm。

关于步骤（b），目标处激光束的光束参数乘积可以定义为激光束半径与目标处激光束发散度的乘积。

关于步骤（c），第一耦合光学器件可以被配置为将离开负曲率空芯光纤的发散激光束转换成进入标记头的准直激光束。第一耦合光学器件可以包括在期望波长（例如，红外、近红外或紫外波长）下具有相对高透射率的材料的一个或多个透镜（例如，约99%或更高的透射率的涂层透镜）。替代地，第一耦合光学器件可以包括具有相对高反射率（例如，约99%或更高的反射率）的一个或多个反射镜。对于红外传输，在第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括一种或多种材料，诸如硒化锌、硫化锌、锗、砷化镓或在红外波长（例如由CO₂激光器生成的辐射波长）下足够透明的其他材料。对于近红外传输，在第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括一种或多种材料，诸如熔融二氧化硅、冕状玻璃（例如硼硅酸盐或BK7）和/或合成熔融二氧化硅，诸如德国Heraeus公司提供的SUPRSIL。对于紫外传输，第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括例如紫外级熔融二氧化硅。透镜的几何形状（例如透镜表面的直径和曲率）可以取决于离开负曲率空芯光纤的激光束的直径和发散度和/或进入标记头的激光束的期望直径。

关于步骤（d），设计激光标记系统，使得目标处的光束参数乘积大于负曲率空芯光纤和标记头之间的光束参数乘积，可以减少辐射损失和/或提高激光标记系统的性能和效率。

关于步骤（e），用于设计第二耦合光学器件的相关设计参数可以与如上面步骤（c）所描述的输出耦合光学器件的相关设计参数相同。

关于步骤（f），用于将激光器耦合到负曲率空芯光纤的相关设计参数可以包括激光器输出的激光束的直径和/或激光器输出的激光束的发散度。激光器的光束参数乘积（即激光束半径和激光束发散度的乘积）可能小于激光标记系统的所有以下组件的光束参数乘积。例如，激光器的光束参数乘积可以约为3.5或更小，以减少通过激光标记系统的辐射损失。

该方法可以进一步包括使用正向和/或反向迭代来调整激光标记系统。

正向和/或反向迭代可能涉及考虑以下因素，诸如激光标记系统组件的公差、材料的可用性、成本和性能差异，并确定这些因素之间的合适折衷。如果激光标记系统的设计从标记头开始，并行进通过负曲率空芯光纤回到激光器，那么如果激光器设计上的限制阻碍了满足期望的设计目标，则可能有必要用新的受限激光器设计来逆转设计过程。可以迭代该过程，以用经修改的设计参数来实现改进的性能。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据本发明第三方面的方法设计的激光标记系统。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造激光标记系统的方法，包括提供被配置为生成激光束的激光器，提供被配置为将激光束投射到要标记目标上的标记头，以及使用被配置为将激光束从激光器传输到标记头的负曲率空芯光纤来将激光器连接到标记头。

根据本发明的第五方面，提供了一种光学对准系统，包括被配置为接收激光束的第一可调光学元件，被配置为从第一可调光学元件接收激光束并将激光束导向目标的第二可调光学元件，被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件的位置的第一检测器，以及被配置为检测激光束相对于目标的位置的第二检测器。

第一检测器可以位于第二可旋转反射器后面，并可以被配置为检测传输通过第二检测器的激光束的一部分。

第一检测器可以位于第一可旋转反射器和第二可旋转反射器之间，并可以包括与光学对准系统的光轴对准的对准孔口。对准孔口的直径可以大体上等于激光束的直径。

光学对准系统可以包括位于第一可旋转反射镜和第二可旋转反射镜之间的光束采样器。光束采样器可以被配置为将激光束的一部分引导到第一检测器。

光束采样器可以包括分束器。

检测器可以是象限检测器。

光学对准系统可以用于激光标记应用，和/或可以自动对准用于激光医疗和材料处理应用的铰接臂。

上面参考本发明的一个方面描述的特征可以与本发明的其他方面组合使用。例如，上面参考本发明第一方面描述的光学对准系统的特征可以与本发明第五方面的光学对准系统相组合，反之亦然。

附图说明

所附附图不意图按比例绘制。在附图中，各个图中图示的每个相同或几乎相同的组件由类似的数字表示。出于清楚的目的，不是每个组件都可以在每个附图中标出。现在将参考所附的示意图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地描绘了根据本发明实施例的激光标记系统；

图2示意性地描绘了根据本发明实施例的负曲率空芯光纤的横截面图；

图3示出了根据本发明实施例的激光标记系统的一部分的透视图；

图4示意性地描绘了图3的光学对准系统的一些内部组件的透视图；

图5示意性地描绘了图4的光学对准系统的一些组件的放大透视图；

图6示意性地描绘了与图5的组件相互作用的激光束的光线轨迹；

图7示意性地描绘了根据本发明实施例的光学对准系统的光束采样器的透视图；

图8示意性地描绘了根据本发明实施例的光学对准系统的检测器的前视图；

图9示意性地描绘了与根据本发明实施例的光学对准系统的组件相互作用的对准激光束的光线轨迹；

图10示意性地描绘了与图9的光学对准系统的组件相互作用的未对准激光束的光线轨迹；

图11示意性地描绘了与没有根据本发明实施例的对准补偿的替代光学对准系统的组件相互作用的激光束的光线轨迹；

图12示意性地描绘了图11的光线轨迹，其中光学对准系统应用了对准补偿；

图13示出了根据本发明实施例的设计激光标记系统的方法；和

图14示出了根据本发明实施例的制造激光标记系统的方法。

具体实施方式

本文中公开的方面和实施例不限于以下描述中阐述的或附图中图示的组件的构造和布置细节。本文中公开的方面和实施例能够以各种方式实践或实行。

本文中公开的方面和实施例包括用于投射激光扫描或标记系统的辐射束的标记头，以及包括这样的系统的激光扫描或标记系统。激光标记系统可以在生产线中用于标记各种类型的物品。激光标记系统可以用于在穿过生产线的物品上压印条形码、独特的标识标记、有效期或其他信息。在一些实现中，二氧化碳（CO₂）气体激光器可以用于激光标记系统。二氧化碳激光器可以产生以9.3、9.6、10.2和10.6微米（

m）为中心的四个主要波长带中的红外辐射束。在其他实现中，被配置为产生近红外辐射的激光器可以用于激光标记系统。在替代实施方式中，被配置为产生紫外辐射的激光器可以用于激光标记系统。激光标记系统中利用的激光器通常在几十瓦的激光功率水平下操作。

激光扫描或标记系统不限于使用CO₂激光器。在一些实现中，光纤激光器或二极管激光器可以用于激光标记系统。在一些方面和实施例中，光学扫描仪或标记器可以利用在紫外、可见或近红外波长下操作的激光器或任何其他类型的激光器或光学照明源。在激光扫描仪系统中使用可见辐射束可能是有利的，因为用户可以在激光束照射被扫描对象的地方看到激光束，因此用户可以调整激光扫描仪或被扫描对象的位置，使得激光照射对象的期望部分。

本文中公开的激光扫描仪的实施例可以包括标记头，所述标记头包括至少两个反射镜转动设备，诸如压电或磁铁驱动器、直流驱动器、步进马达、伺服马达或附接有反射镜的检流计。本文中公开的激光标记系统的实施例中使用的反射镜可以是镀银或镀金的反射镜或任何其他合适的涂层材料。在本文中公开的激光扫描仪/标记器的实施例中使用的窗口和透镜可以是例如锗、硒化锌、石英、BK7硼硅酸盐玻璃、德国Heraeus公司提供的SUPRSIL、紫外级熔融二氧化硅或任何其他合适的材料。

图1示意性描绘了根据本发明实施例的激光标记系统100。激光标记系统100包括被配置为产生激光束（未示出）的激光器110。激光束可以包括波长在约8

m和约11

m之间、例如约10.6

m的红外辐射。激光束可以包括波长在约0.78

m和约3

m之间、例如约1.06

m的近红外电磁辐射。激光束可以包括波长在约100 nm和约400 nm之间、例如约265nm或约355 nm的紫外电磁辐射。

激光标记系统100进一步包括标记头130，所述标记头130被配置为将激光束投射到激光标记系统100要标记的目标（未示出）上。标记头130可以包括电磁辐射转向机构（未示出），所述电磁辐射转向机构被配置为对离开标记头130的激光束进行转向。标记头130可以进一步包括可变光程长度组装件（未示出），所述可变光程长度组装件被配置为调整激光标记系统100的焦平面。标记头130可以进一步包括聚焦光学器件（未示出）和/或准直器（未示出）。

标记头130可以大体上为圆柱形。标记头130在第一方向上的第一尺寸小于约400mm，以及在垂直于第一方向的第二方向上的第二尺寸小于约60 mm。标记头130在垂直于第一方向和第二方向的第三方向上的第三尺寸小于约60 mm。

标记头130可以包括冷却系统（未示出），用于为组件（例如，电磁辐射转向机构和/或可变光程长度组装件的致动器）提供冷却。标记头130可以进一步包括检测器（未示出），所述检测器被配置为检测要标记目标的存在。检测器可以包括相机。激光标记系统100可以进一步包括编码器（未示出），用于将标记指令转换成标记头130的控制信号。

激光标记系统100可以进一步包括用户接口（未示出），例如图形用户接口。用户接口可以形成激光标记系统（未示出）的控制器的一部分。用户接口可以包括用于向用户提供视觉信号的屏幕和/或用于向用户提供音频信号的扬声器。激光标记系统100可以包括用于远程控制激光标记系统100的收发器。激光标记系统100可以包括用于经由物联网与其他设备（例如，在激光标记系统形成其一部分的生产线上）集成的连接（例如，以太网连接的互联网连接）。

激光标记系统100进一步包括负曲率空芯光纤120，所述负曲率空芯光纤120被配置为将激光束从激光器110传输到标记头130。关于图2更详细地描述和示出了负曲率空芯光纤120。

图1的激光标记系统100包括在激光器110和标记头130之间的柔性脐带140。负曲率空芯光纤120位于脐带140内。脐带140可以具有约3米或更长的长度。脐带140可以具有约10米或更短的长度。

使用激光标记系统的激光标记过程可以包括通过将激光器110耦合到脐带140，向负曲率空芯光纤120提供辐射。负曲率空芯光纤120可以将激光束引导到标记头130的准直器。准直器可以在将激光束引导到标记头130的其他组件之前以期望的方式调节激光束，所述其他组件诸如可变光程长度组装件（其可以以期望的方式更改激光标记系统100的焦平面）和/或电磁辐射转向机构（其可以以期望的方式转向离开标记头130的激光束）。

图2示意性描绘了根据本发明实施例的负曲率空芯光纤120的横截面图。负曲率空芯光纤120包括具有芯直径230的空芯215。负曲率空芯光纤120进一步包括包层210，所述包层210具备具有内径212的内表面和具有外径214的外表面。内径212和外径214可以至少部分取决于芯直径230和/或毛细管220的数量和大小。负曲率空芯光纤120进一步包括位于包层210内表面上的毛细管220。毛细管220可以形成包层210的一部分。毛细管220可以被配置为通过反射和限制空心215内的激光束来提供抗谐振效应。毛细管220可以是大致拱形的。毛细管220可以具有其他形状。例如，毛细管220可以具有大致圆形、椭圆形或圆锥形的形状。毛细管220可以在负曲率空芯光纤120的芯215周围形成一个或多个环结构。每个毛细管220环可以包括不同数量的毛细管220、不同大小的毛细管220和/或不同形状的毛细管220。毛细管220可以由纤维形成。毛细管220每个具备具有内径222和外径224的壁。每个毛细管220的内径222与每个毛细管120的外径224的比率可以约为0.8或更大。每个毛细管220的内径222与每个毛细管120的外径224的比率可以约为0.9或更小。应当领会，毛细管内径和外径的比率的这个范围仅仅是关于负曲率空芯光纤的一个示例，该负曲率空芯光纤被配置为传输由CO₂激光器产生的红外辐射。比率的范围将取决于负曲率空心光纤的计划应用（例如，要传输的光的波长、负曲率空心光纤的横截面大小和长度等）而变化。

可以根据以下等式选择毛细管壁的厚度：

其中t是毛细管壁厚度，λ是负曲率空芯光纤被配置为传输的辐射的波长，n₁是毛细管材料的折射率，以及m是正整数。具有满足等式的厚度的毛细管壁可以提供抗谐振效应，该抗谐振效应降低了芯215和包层210之间的激光束的光学耦合，由此降低了负曲率空芯光纤120内的辐射损失。对于如由正整数m的值确定的每个光波长，多个毛细管壁厚度是可能的。毛细管壁的厚度可以在t的计算值的约-5%到约+5%的包含范围内。

可以至少部分基于毛细管的折射率和/或负曲率空芯光纤要传输的辐射波长和/或抗谐振结构的几何形状（例如，毛细管的数量、毛细管的直径、毛细管的间距、毛细管的形状）来选择毛细管壁的厚度。毛细管壁的厚度可以约为0.3

m或更大，用于传输近红外辐射。毛细管壁的厚度可以约为3

m或更小，用于传输近红外辐射。毛细管壁的厚度可以约为100 nm或更大，用于传输紫外辐射。毛细管壁的厚度可以约为600 nm或更小，用于传输紫外辐射。

负曲率空芯光纤120可以是抗谐振负曲率空芯光纤。也就是说，负曲率空芯光纤120的包层210可以包括被配置为减少或抑制负曲率空芯光纤120的芯和包层210之间的光耦合的特征（例如毛细管220），从而导致在期望波长（例如红外、近红外和/或紫外波长）处减少的辐射损失。

负曲率空心光纤120的芯直径230可以至少部分取决于负曲率空心光纤120要传输的辐射波长。例如，对于红外激光标记应用（例如，波长范围在约8

m和约11

m之间），负曲率空心光纤120可以具有约150

m和约300

m之间的芯直径230。作为另一个示例，对于近红外激光标记应用（例如，波长范围在约0.78

m和约3

m之间），负曲率空芯光纤120可以具有约20

m和约100

m之间的芯直径230。作为另外的示例，对于紫外激光标记应用（例如，波长范围在约100 nm和约400 nm之间），负曲率空芯光纤120可以具有约10

m和约20

m之间的芯直径230。

可以至少部分基于毛细管220的折射率和/或负曲率中空芯纤维120要传输的辐射波长和/或抗谐振结构的几何形状（例如，毛细管的数量、毛细管的直径、毛细管的间距、毛细管的形状）来选择芯直径230。例如，在大致圆形或大致圆形的毛细管环的情况下，负曲率空心光纤120的芯直径230可以至少部分取决于以下等式来选择：

其中，D_core是负曲率空芯光纤的芯直径，d_tube是毛细管的直径，t是毛细管壁厚度，g是相邻毛细管之间的间隙距离，以及N是毛细管的数量。该等式可以用于估计其他毛细管结构和几何形状的芯直径230，诸如例如图2的大致拱形毛细管和/或大致椭圆形、大致锥形等形状。例如，表示大致圆形或大致圆形的毛细管的直径的术语可以由表示毛细管220的形状的最大直径的术语更换。一般而言，较小的芯直径230可以提供改进的激光束质量，但是也可能经历较大的辐射损失，并且对于不同的应用可以在这些因素之间找到合期望的平衡。负曲率空芯光纤的芯直径可以在D_core计算值的约-10%和约+10%的包含范围内。

激光标记系统100的各方面可以至少部分取决于负曲率空芯光纤120的芯直径230来设计和/或操作，使得在负曲率空芯光纤120和激光器110和/或标记头130之间出现可接受的耦合。一般而言，选择激光束的横截面半径以用于改进到负曲率空芯光纤120中的耦合可以至少部分取决于激光束内的辐射波长和/或芯直径230。

在涉及传输由CO₂激光器产生的红外辐射的示例实施例中，负曲率空芯光纤120可以具有约300

m或更小的芯直径230。在这个示例中，当从激光器130进入负曲率空芯光纤120时，激光束可以由激光器110中的光学器件控制，以具有约91

m或更大的横截面半径。当从激光器进入负曲率空芯光纤120时，激光束可以具有约100

m或更小的横截面半径。

的-5%和2%的包含范围内。

耦合透镜的F#可以至少部分取决于要传输的激光束的性质（例如激光束的波长）和/或负曲率空芯光纤本身的几何形状来选择。位于激光器110和负曲率空芯光纤120之间的耦合透镜的焦距与负曲率空芯光纤120的入射光瞳直径的比率可以至少部分取决于芯直径230。

例如，当传输由CO₂激光器产生的红外激光束时，位于激光器110和负曲率空芯光纤120之间的耦合透镜的焦距与负曲率空芯光纤120的入射光瞳直径的比率可以约为15.4或更大。位于激光器110和负曲率空芯光纤120之间的耦合透镜的焦距与负曲率空芯光纤120的入射光瞳直径的比率可以约为17.0或更小。

当进入负曲率空芯光纤时，激光束的横截面半径可以至少部分取决于要传输的激光束的性质（例如，激光束的波长和/或功率）和/或负曲率空芯光纤本身的几何形状来选择。例如，为了传输由CO₂激光器生成的红外光，并且再次参考图1，激光束的光束参数乘积在目标处可以是约4.0或更小。如又另外的示例，激光束的光束参数乘积在目标处可以是约3.5或更小。在激光器110的输出处，激光束的光束参数乘积可以是约3.5或更小。在激光器110的输出处，激光束的光束参数乘积可以是约3.0或更小。激光器110输出处的激光束可以具有约0.7 mm或更大的横截面半径。激光器110输出处的激光束可以具有约1.3 mm或更小的横截面半径。激光器110输出处的激光束可以具有约2.3 mrad或更大的发散度。激光器110输出处的激光束可以具有约4.3 mrad或更小的发散度。应当领会，这些值仅仅提供了一个示例，并且横截面半径、光束参数乘积和半角发散度的范围将取决于负曲率空芯光纤的计划应用（例如，要传输的光的波长、负曲率空芯光纤的横截面大小和长度等）而变化。

负曲率空芯光纤120可以包括二氧化硅，例如熔融二氧化硅。二氧化硅有利地以相对低的辐射损失传输紫外辐射。负曲率空芯光纤120可以包括硫系玻璃。硫系玻璃可以用于传输红外辐射和/或近红外辐射。硫系玻璃可以包括以下材料中的一个或多个： As30Se50Te20（不适用于近红外传输）；As2S3；As2Se3；Ge15As25Se40Te20（不适用于近红外传输）；以及As40S30Se30。硫系玻璃可以包括其他组合和/或掺杂剂，诸如稀土元素，诸如例如La、Tb、Tl、Ge、Sb、As、Ga。硫系玻璃有利地以相对低的辐射损失传输红外辐射。可以选择毛细管之间的厚度和间距，以减少期望的辐射波长的辐射损失。期望的辐射波长可以包括由CO₂激光器产生的红外辐射、由例如包括Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石——YAG激光器）晶体或 Nd:VO4（掺钕正钒酸钇——钒酸盐激光器）晶体的固态激光器产生的近红外辐射，和/或由包括非线性光学元件的固态激光器产生的紫外辐射，所述非线性光学元件例如非线性晶体，诸如KTP（磷酸氧钛钾）、KTA（砷酸氧钛钾）或BBO（

硼酸钡）。

负曲率空芯光纤120的端部（未示出）可以逐渐变细，以提高负曲率空芯光纤120与激光器110和/或标记头130的耦合效率，由此提高激光标记系统100的效率。

图3示出了根据本发明实施例的激光标记系统的部分300的透视图。激光标记系统的部分300包括激光器110、光学对准系统310、负曲率空芯光纤120和用于将负曲率空芯光纤120连接到标记头（未示出）的光学耦合器320。光学对准系统310光学耦合到激光器110的输出。光学对准系统310位于激光器110和负曲率空芯光纤120之间。光学对准系统310被配置为改变激光束相对于负曲率空芯光纤120的芯的输入的位置和/或角度。负曲率空芯光纤120的端部可以逐渐变细到光耦合器320的透镜中，用于耦合到标记头中。

图4示意性描绘了图3的光学对准系统310的一些内部组件的透视图。激光器的端盖400光学耦合到光学对准系统310的输入。光学对准系统310包括第一可调光学元件410，其被配置为接收来自激光器的激光束。光学对准系统310进一步包括第二可调光学元件420，其被配置为接收来自第一可调光学元件410的激光束，并将激光束导向负曲率空芯光纤（未示出）的芯的输入。光学对准系统310进一步包括第一检测器430，其被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件420的位置。光学对准系统310进一步包括第二检测器440，其被配置为检测激光束相对于负曲率空芯光纤的芯的输入的位置。第一和第二检测器430、440可以被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件420和负曲率空芯光纤的芯的输入的角度和/或平移位置。

在图4的示例中，第一可调光学元件410包括第一可旋转反射器415，以及第二可调光学元件420包括第二可旋转反射器425。两个可旋转反射器415、425可以每个固定到具有调整部件419、429的支架417、427上，所述调整部件419、429（诸如螺钉或马达（例如线性马达））被配置为改变可旋转反射器415、425的旋转位置。两个可旋转反射器415、425都可以关于多个旋转轴可旋转。例如，可旋转反射器415、425可以关于第一和第二大体上正交的旋转轴可旋转，使得由可旋转反射器反射的激光束的位置在二维上可调。也就是说，关于第一旋转轴的可旋转反射器的“尖端”可以提供激光束位置的“x”调整，而关于大体上正交的旋转轴的可旋转反射器的“倾斜”可以提供激光束位置的“y”调整。第一可旋转反射器415的调整部件419可以被配置为将激光束定位在第二可旋转反射器420的表面上的期望位置上。第二可旋转反射器420的调整部件429可以被配置为定位激光束，使得激光束与激光标记系统的期望光轴大体上同轴。以这种方式，可以通过旋转光学对准系统310的第一和/或第二可旋转反射器415、425来补偿来自任何未对准源的任何未对准误差。

在图4的示例中，光学对准系统310包括位于第一可旋转反射器415和第二可旋转反射器425之间的第一光束采样器450。第一光束采样器450被配置为将激光束的一部分引导到第一检测器430。第一光束采样器450优选地尽可能接近第二可旋转反射器425的输入侧或输出侧放置。第一光束采样器450可以包括分束器，诸如光学平面，其一侧被涂覆以将小百分比（例如< 1%）的激光束反射到第一检测器430。光学平面的另一侧可以包括抗反射涂层，该抗反射涂层允许激光束的剩余部分通过第一光束采样器450朝向第二可旋转反射器425传输。通过相应地定位第二可旋转反射器420和/或通过在第一光束采样器450之后的激光束路径中以互补的角度放置大体上相同厚度的第二光学平面，可以补偿由传输通过分束器引起的激光束的折射。

光学对准系统进一步包括第二光束采样器460，所述第二光束采样器460位于第二可旋转反射器420和负曲率空芯光纤的芯的输入之间。第二光束采样器460被配置为将激光束的一部分引导到第二检测器440。第二光束采样器460可以包括分束器，诸如光学平面，其一侧被涂覆以将小百分比（例如< 1%）的激光束反射到第二检测器440。光学平面的另一侧可以包括抗反射涂层，该抗反射涂层允许激光束的剩余百分比通过第二光束采样器460朝向负曲率空芯光纤的芯的输入传输。通过相应地定位负曲率空芯光纤的芯的输入和/或通过在第二光束采样器460之后的激光束路径中以互补的角度放置大体上相同厚度的第二光学平面，可以补偿由传输通过分束器引起的激光束的折射。

图5示意性描绘了图4的光学对准系统的一些组件的放大透视图。图5示出了移除了套管的图4的第二检测器440和第二光束采样器460。可以提供耦合透镜500（在图4中不可见，但现在在图5中可见）来捕获从第二可旋转反射器（未示出）反射的激光束，并将激光束朝向第二光束采样器460聚焦。第二光束采样器460包括第一和第二光学平面510、520。光学平面510、520可以包括GaAs。第一光学平面510可以被涂覆以将激光束的一部分引导到第二检测器440。激光束的剩余部分可以传输通过第一光学平面510，并入射到第二光学平面520上。第二光学平台520被配置为补偿由传输通过第一光学平面510的激光束引起的折射效应。也就是说，激光束通过第二光学平面520朝向负曲率空芯光纤的输入530传输，并且第二光学平面520折射激光束以计及由第一光学平面510引起的折射。第二检测器440被配置为检测激光束相对于负曲率空芯光纤的输入530和/或激光标记系统的光轴的角度和/或平移位置。第二检测器440可以包括象限检测器，其被配置为提供激光束的位置信息，例如以笛卡尔坐标的形式。

图6示意性描绘了与图5的组件相互作用的激光束的光线轨迹。入射在耦合透镜500上的辐射被捕获并朝向第二光束采样器460聚焦。第一光学平面510可以被涂覆以将激光束的一部分引导到第二检测器440。激光束的剩余部分传输通过第一光学平面510，并入射到第二光学平面520上。如可以看到的，由于折射效应，小的平移偏移被引入到传输通过第一光学平面510的辐射部分。第二光学平面520可以具有与第一光学平面510大体上相等的厚度。第二光学平面520可以相对于第一光学平面510成角度，使得激光束在穿过第一光学平面510之后的平移移位通过第二光学平面520的折射效应而大体上反向。

图7示意性描绘了根据本发明实施例的光学对准系统的替代光束采样器700的透视图。代替使用诸如在图4-6的光束采样器中使用的光学平面，图7的光束采样器700包括具有对准孔口720的反射元件710，该对准孔口720与激光标记系统的光轴730对准。对准孔口720的直径大体上等于激光束（未示出）的直径。如果激光束与光轴730对准，则激光束穿过对准孔口720朝向第二可旋转反射器或负曲率空芯光纤。如果激光束没有与光轴730对准，则至少一些激光束被反射元件710反射朝向第一或第二检测器（未示出）。在这种配置中，来自第一和/或第二检测器的信号可以用于控制第一和/或第二可旋转反射器的旋转位置，以减少入射到第一和/或第二检测器上的激光束的量，由此将激光束与光轴730对准。图7中还示出了耦合透镜500，其被配置为将激光束聚焦到光束采样器700上。

图8示意性描绘了根据本发明实施例的光学对准系统的检测器800的前视图。检测器800可以用作第一检测器和/或第二检测器。检测器800可以位于第一可旋转反射器（未示出）和第二可旋转反射器（未示出）之间。检测器800包括与激光标记系统的光轴（未示出）对准的对准孔口810。对准孔口的直径820大体上等于入射在检测器800上的激光束的直径。在图8的示例中，检测器800是象限检测器。象限检测器检测激光束与激光制造系统的期望光轴的任何不希望的偏差。检测器可以向第一和/或第二可旋转反射器的控制器提供反馈信号。控制器可以根据检测器信号旋转第一和/或第二可旋转反射器，并且由此反射激光束，使得激光束与激光标记系统的光轴对准。

图9示意性描绘了根据本发明实施例的与光学对准系统的组件相互作用的对准激光束900的光线轨迹。激光束900被第一可旋转反射器415反射朝向第二可旋转反射器425。在图9的示例中，第一检测器430是位于第二可旋转反射器425后面的象限检测器。第一检测器430被配置为检测传输通过第二可旋转反射器425的激光束900的一部分的位置和/或角度。第二可旋转反射器425可以具有在约97%和约99.7%之间的反射率。第二可旋转反射器425具有非零厚度，激光束900的一部分传输通过该厚度。当穿过第二可旋转反射器425时，激光束的传输部分可以经历折射并改变方向，非常类似于由图6中所示出的第一光学平面引起的激光束的平移偏移。第一检测器430的中心点可以定位成偏离第二可旋转反射器425的中心点，以计及由通过第二可旋转反射器425的折射引起的激光束的传输部分的方向改变。

光学对准系统进一步包括控制器910，该控制器910被配置为从第一和第二检测器430、440接收信号，并使用信号控制第一和第二可旋转反射器415、425的旋转位置。

未传输通过第二可旋转反射镜425的激光束900部分被第二可旋转反射镜425反射朝向耦合透镜500。耦合透镜500将激光束900朝向光束采样器700聚焦。在图9的示例中，光束采样器700包括反射元件710，该反射元件710具有与激光标记系统的光轴对准的对准孔口720。对准孔口720的直径大体上等于激光束900的直径。如图7的光束采样器的情况，如果激光束900与激光标记系统的光轴对准，则激光束900穿过对准孔口720朝向负曲率空芯光纤的芯的输入。如果激光束900没有与激光标记系统的光轴对准，则至少一些激光束被反射元件710反射朝向第二检测器440。在该配置中，来自第二检测器440的信号可以用于控制第二可旋转反射器425的旋转位置，以减少入射到第二检测器440上的激光束900的量，由此将激光束与激光标记系统的光轴对准。在图9的示例中，激光束900与激光标记系统的光轴对准，并且没有辐射入射在第二检测器440上。

传输通过光束采样器700的部分激光束900入射在包括第一保护孔口920的第一保护盖915上。第一保护盖915位于负曲率空芯光纤（未示出）的芯的输入附近。激光标记系统可以包括第二保护盖（未示出），该第二保护盖包括第二保护孔口（未示出）。第二保护盖可以位于负曲率空芯光纤的芯的输出附近。第一和第二保护孔口920的直径大体上等于负曲率空芯光纤的芯直径。第一和第二保护孔口920被配置为保护负曲率空芯光纤的包层免受聚焦激光束900和/或反向散射激光辐射引起的损伤，否则这些激光辐射可能重新进入激光标记系统。也就是说，通过被第一保护盖915阻挡，阻碍了不与负曲率空芯光纤的芯对准的辐射损伤光纤的包层和/或毛细管。第一和/或第二保护孔口920可以每个包括与负曲率空芯光纤的芯具有相同直径的保护针孔，并且可以放置在负曲率空芯光纤的输入和输出端。针孔可以是负曲率空芯光纤支架的一部分，或者是单独的设备。第一和/或第二保护盖915可以是可更换的，并且可以被认为是保护更昂贵的负曲率空芯光纤的牺牲设备。

图10示意性描绘了与图9的光学对准系统的组件相互作用的未对准激光束950的光线轨迹。如可以看到的，激光束950的一部分被光束采样器700反射朝向第二检测器440。第二检测器440被配置为检测激光束950的一部分，并向控制器910发送信号。控制器910被配置为使用该信号来改变第二可旋转反射器425的旋转位置，以将激光束950与激光标记系统的光轴重新对准。

图11示意性描绘了根据本发明实施例的激光束950与没有对准补偿的替代光学对准系统的组件相互作用的光线轨迹。除了光束采样器460包括第一和第二光学平面510、520，而不是具有对准孔口的反射元件，图11的光学对准系统与图9和10的光学对准系统相同。

图12示意性描绘了图11的光线轨迹，其中光学对准系统应用了对准补偿。控制器910已经至少部分取决于从第一检测器430和第二检测器440接收的信号旋转了第一和第二可旋转反射器415、425。第一和第二可旋转反射器415、425已经旋转，使得激光束900与激光标记系统的光轴对准。当比较图11和12中激光束900在耦合透镜500上的位置时，最好地看到由光学对准系统施加的补偿。如可以看到的，在图11中，激光束900从耦合透镜500的中心偏移，并且在图12中，激光束900在耦合透镜500的中心。

图13示出了根据本发明实施例设计激光标记系统的方法。该方法的第一步骤S1包括选择目标处的期望激光束光斑大小以及标记头和目标之间的期望距离。目标处的期望激光束光斑大小以及标记头和目标之间的期望距离可以是应用特定的（例如要标记的图案、目标的材料和/或形状等）。期望的激光束光斑大小可以约为100

m或更大。期望的激光束光斑大小可以约为500

该方法的第二步骤S2包括至少部分取决于第一步骤S1设计标记头的光学组件，并确定目标处激光束的光束参数乘积。目标处的激光束的光束参数乘积可以被定义为激光束的半径和目标处的激光束的发散度的乘积。激光束的半径和激光束在目标处的发散度可以使用以下等式来确定：

其中，ω_o是激光束的半径，f是焦距，D是激光束在聚焦透镜处的直径，以及θ是光束以mrad为单位的半角发散度。聚焦透镜的焦距可以与标记头和目标之间的距离近似相同。

该方法的第三步骤S3包括至少部分取决于第二步骤S2设计负曲率空芯光纤和标记头之间的第一耦合光学器件。第一耦合光学器件可以被配置为将离开负曲率空芯光纤的发散激光束转换成进入标记头的准直激光束。第一耦合光学器件可以包括在期望波长（例如，红外、近红外或紫外波长）下具有相对高透射率的材料的一个或多个透镜（例如，约99%或更高的透射率的涂层透镜）。替代地，第一耦合光学器件可以包括具有相对高反射率（例如，约99%或更高的反射率）的一个或多个反射镜。在第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括一种或多种材料，诸如硒化锌、硫化锌、锗、砷化镓或在红外波长（例如由CO₂激光器生成的辐射波长）下足够透明的其他材料。对于近红外传输，在第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括一种或多种材料，诸如熔融二氧化硅、冕状玻璃（例如硼硅酸盐或BK7）和/或合成熔融二氧化硅，诸如德国Heraeus公司提供的SUPRSIL。对于紫外传输，第一耦合光学器件中使用的透镜可以包括例如紫外级熔融二氧化硅。第一耦合光学器件中使用的透镜的几何形状（例如透镜表面的直径和曲率）可以至少部分取决于激光束在目标处的直径和/或发散度和/或激光束在到达目标之前与之相互作用的标记头的光学组件。

该方法的第四步骤S4包括选择负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的期望光束参数乘积，并且至少部分取决于负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的光束参数乘积来设计负曲率空芯光纤。设计激光标记系统使得目标处的光束参数乘积大于负曲率空芯光纤和标记头之间的光束参数乘积可以减少辐射损失和/或提高激光标记系统的性能和效率。

用于设计负曲率空芯光纤的相关设计参数可以包括以下：

负曲率空芯光纤的材料；

在其下负曲率空芯光纤损失要被降低的波长；

构成包层的毛细光纤环数；

构成每个环的毛细光纤的数量；

毛细光纤的内径和外径的比率；

毛细光纤的形状；

每个环中毛细光纤之间的距离；

负曲率空芯光纤的芯直径；

包层的内径和外径；

负曲率空芯光纤的（一个或多个）末端处的锥形长度；和/或，

（一个或多个）锥形开始和结束处负曲率空芯光纤的直径的比率。

该方法的第五步骤S5包括至少部分取决于第四步骤S4设计激光器和负曲率空芯光纤之间的第二耦合光学器件。用于设计第二耦合光学器件的相关设计参数可以与针对如第三步骤S3描述的输出耦合光学器件的相关设计参数相同。一个附加的限制是，当激光器和负曲率空芯光纤之间的激光束光斑大小符合以下等式时，出现最小耦合损失：

其中ω_o是激光器和负曲率空芯光纤之间的激光束半径，以及d是负曲率空芯光纤的芯直径。

该方法的第六步骤S6包括至少部分取决于负曲率空芯光纤和标记头之间的激光束的光束参数乘积来设计激光器。用于将激光器耦合到负曲率空芯光纤的相关设计参数可以包括激光器输出的激光束的直径和/或激光器输出的激光束的发散度。激光器的光束参数乘积（即激光束半径和激光束发散度的乘积）可以小于激光标记系统的所有以下组件的光束参数乘积。例如，激光器的光束参数乘积可以约为3.5或更小，以减少通过激光标记系统的辐射损失。

该方法可以进一步包括第七步骤（未示出），该第七步骤包括使用正向和/或反向迭代来调整激光标记系统。正向和/或反向迭代可以涉及考虑诸如激光标记系统的组件的公差、材料的可用性、成本和性能差异之类的因素，并确定这些因素之间的合适折衷。如果激光标记系统的设计从标记头开始，并行进通过负曲率空芯光纤回到激光器，那么如果激光器设计上的限制阻碍了满足期望的设计目标，则可能有必要用新的受限激光器设计来逆转设计过程。可以迭代该过程，以用经修改的设计参数来实现改进的性能。

激光标记系统的光学组件（例如，第一和第二耦合光学器件和/或标记头的光学组件）像任何制造零件一样，在设计公差内制造。一般而言，公差越紧，组件成本越高。典型的光学元件可以根据设计参数的标准制造公差来制作，所述设计参数诸如中心、直径、表面质量、平面度、平行度等。在大多数激光标记应用中，标准公差是足够的，并且无需进一步补偿。对于系统中保持光学组件的机械组件来说也是如此。零件可以以一定的成本加工成非常紧的公差。然而，在试图将具有200

m光斑大小的激光束耦合到300

m直径的负曲率空芯光纤的芯中的情况下，公差误差的累积可能成为问题。这些是可能对耦合效率产生负面影响的误差，并且可能与激光标记过程不直接相关，除了递送到目标的辐射功率的减少之外。这样的误差的影响可以通过“硬”和“软”对准技术来减小。

硬对准技术包括制造过程期间使用的过程和工具，以确保满足系统规范。例如，典型标记系统中的激光器安装在具有位置调整螺钉的基板上。激光器和基板被放在特别设计的工具上，以准许调整螺钉，从而将来自激光器输出的激光束定位到参考目标上的特定点。以这种方式，当激光器放在激光标记系统中并附接到标记头时，激光束自动对准标记头中的光学器件，并且无需进一步调整。同样，可以使用固定螺钉和工具将透镜定位在其支架中，以补偿对中误差。这些全部是在制造过程期间完成的补偿手段，并且在完成时固定在适当的位置。

软对准包括可以由服务人员、客户“离线”实现或动态控制的技术。这可以包括使用光学对准系统（例如，第一和第二可旋转反射器）来调整激光束的位置和/或角度。第一可旋转反射器可以保持激光束定位在第二可旋转反射器上的期望点（设计光轴与第二可旋转反射器的表面相交的点）上。第二可旋转反射器可以调整激光束的位置和/或角度，以保持激光束与激光标记系统的光轴对准。以这种方式，两个可旋转反射器补偿了第一和第二可旋转反射器上游的激光标记系统的所有光学组件的公差误差。

例如，由于材料的膨胀和收缩所致的热移动以及由于内部冷却设备和外部源（诸如其他装备）所致的振动可能引起光学组件不希望的移动，所述移动尚未通过硬对准和软对准技术得到补偿。硬对准技术可以用于补偿，诸如使用振动隔离材料安装光学组件，所使用材料的膨胀系数可以彼此匹配，等等。可以使用软对准技术进行补偿，诸如使用可旋转反射器上的马达驱动调整螺钉和来自第一和/或第二检测器的反馈来控制光学对准系统（例如，第一和第二可旋转反射器）。

图14示出了根据本发明实施例的激光标记系统的制造方法。该方法的第一步骤S10包括提供被配置为生成激光束的激光器。该方法的第二步骤S11包括提供被配置为将激光束投射到要标记的目标上的标记头。该方法的第三步骤S12包括使用负曲率空芯光纤将激光器连接到标记头，该负曲率空芯光纤被配置为将激光束从激光器传输到标记头。

已经如此对至少一种实现的若干方面进行了描述，应领会，本领域技术人员将容易进行各种更改、修改和改进。这样的更改、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在处于本公开的精神和范围内。本文中公开的方法的动作可以以与所图示交替的次序来执行，并且可以省略、替代或添加一个或多个动作。本文中公开的任何一个示例的一个或多个特征可以与公开的任何其他示例的一个或多个特征相组合或替代。因此，前述描述和附图仅作为示例。

本文中使用的措辞和术语出于描述的目的，并且不应视为限制性的。如本文中所使用的，术语“多个”指的是两个或更多个项目或组件。如本文中使用的，被描述为“大体上”相似的尺寸可以被认为是在彼此的约25%之内。无论是在书面描述还是权利要求等中，术语“包括”、“具备”、“携带”、“具有”、“包含”和“涉及”都是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意味着涵盖其后列出的项目、其等同物以及附加项目。仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别是关于权利要求的封闭或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等次序术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个的任何优先级、优先顺序或次序、或者方法的动作被执行的时间次序，而是仅仅被用作标签，以将具有某个名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素（但是使用了次序术语）区分开来，从而区分权利要求元素。

激光标记系统可以包括各种类型的光学组件，诸如折射、反射、磁性、电磁、静电和/或其他类型的光学组件、或其任何组合，用于引导、成形和/或控制电磁辐射。

虽然上面已经描述了本发明的特定实施例，但是应当领会，本发明可以按不同于所描述的那样实践。上面的描述意图是说明性的而非限制性的。因此，对于本领域技术人员来说应当显而易见的是，可以在不脱离下面阐述的权利要求的范围的情况下对所描述的本发明进行修改。

Claims

1.一种激光标记系统，包括：

激光器，被配置为产生激光束；

标记头，被配置为将激光束投射到目标上；以及

负曲率空芯光纤，被配置为将激光束从激光器传输到标记头。

2.根据权利要求1所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤是抗谐振负曲率空芯光纤。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光标记系统，其中所述激光束包括红外电磁辐射。

4.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括硫系玻璃。

5.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，包括在激光器和标记头之间的脐带，其中所述负曲率空芯光纤位于脐带内。

6.根据权利要求5所述的激光标记系统，其中所述脐带的长度约为3米或更长。

7.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中负曲率空芯光纤的端部是锥形的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括多个毛细管，并且其中毛细管壁的厚度至少部分取决于以下等式来选择：

其中t是毛细管壁厚度，λ是激光束的波长，n₁是毛细管的折射率，以及m是正整数。

9.根据权利要求8所述的激光标记系统，其中毛细管壁的厚度在根据权利要求8计算的t值的约-5%至约+5%的包含范围内。

10.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括多个毛细管，并且具有至少部分取决于以下等式选择的芯直径：

其中，D_core是负曲率空芯光纤的芯直径，d_tube是毛细管的直径，t是毛细管壁的厚度，g是相邻毛细管之间的间隙距离，以及N是毛细管的数量。

11.根据权利要求10所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤的芯直径在根据权利要求10计算的D_core值的约-10%和约+10%的包含范围内。

12.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，包括用于将负曲率空芯光纤光学耦合到另一光学组件的耦合透镜，其中至少部分取决于以下等式来选择耦合透镜的焦距与入射光瞳直径的比率：

其中F#是耦合透镜的焦距与入射光瞳直径的比率，D_core是负曲率空芯光纤的芯直径，以及λ是激光束的波长。

13.根据权利要求12所述的激光标记系统，其中耦合透镜的焦距与入射光瞳直径的比率被选择在根据权利要求12计算的F#值的约-5%至约+2%内。

14.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中在目标处，激光束的光束参数乘积在约1.0 mm mrad和约40.0 mm mrad的包含范围内。

15.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中在激光器的输出处，激光束的光束参数乘积在约0.2 mm mrad和约10.0 mm mrad的包含范围内。

16.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述激光束的横截面半径在约0.2 mm和约4.0 mm之间。

17.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述激光束的全角光束发散度在约2.0 mrad和约8.0 mrad之间。

18.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，包括位于激光器和负曲率空芯光纤之间的光学对准系统，所述光学对准系统被配置为改变激光束相对于负曲率空芯光纤的芯的位置和/或角度。

19.根据权利要求18所述的激光标记系统，其中所述光学对准系统包括：

第一可调光学元件，被配置为接收来自激光器的激光束；

第二可调光学元件，被配置为接收来自第一可调光学元件的激光束，并将激光束导向负曲率空芯光纤的芯的输入；

第一检测器，被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件的位置；和

第二检测器，被配置为检测激光束相对于负曲率空芯光纤的芯的输入的位置。

20.根据权利要求19所述的激光标记系统，其中所述第一可调光学元件包括第一可旋转反射器，以及第二可调光学元件包括第二可旋转反射器。

21.根据权利要求20所述的激光标记系统，其中所述第一检测器位于第二可旋转反射器的后面，并被配置为检测传输通过第二检测器的激光束的一部分。

22.根据权利要求20所述的激光标记系统，其中所述第一检测器位于第一可旋转反射器和第二可旋转反射器之间，并包括与激光标记系统的光轴对准的对准孔口，其中所述对准孔口的直径大体上等于激光束的直径。

23.根据权利要求20所述的激光标记系统，其中所述光学对准系统包括位于第一可旋转反射器和第二可旋转反射器之间的光束采样器，其中所述光束采样器被配置为将激光束的一部分引导到第一检测器。

24.根据权利要求23所述的激光标记系统，其中所述光束采样器包括分束器。

25.根据权利要求23所述的激光标记系统，其中所述光束采样器包括具有对准孔口的反射元件，所述对准孔口与激光标记系统的光轴对准，其中所述对准孔口的直径大体上等于激光束的直径。

26.根据权利要求20至25中任一项所述的激光标记系统，其中：

第二检测器位于第二可旋转反射器和负曲率光芯的输入之间；

第二检测器包括与激光标记系统的光轴对准的对准孔口；以及

第二检测器的对准孔口的直径大体上等于激光束的直径。

27.根据权利要求20至25中任一项所述的激光标记系统，其中所述光学对准系统包括位于第二可旋转反射器和负曲率空芯光纤的芯的输入之间的光束采样器，其中所述光束采样器被配置为将激光束的一部分引导到第二检测器。

28.根据权利要求27所述的激光标记系统，其中所述光束采样器包括分束器。

29.根据权利要求27所述的激光标记系统，其中所述光束采样器包括具有对准孔口的反射元件，所述对准孔口与激光标记系统的光轴对准，其中所述对准孔口的直径大体上等于激光束的直径。

30.根据权利要求20至29中任一项所述的激光标记系统，其中所述光学对准系统包括控制器，所述控制器被配置为接收来自第一和第二检测器的信号，并使用所述信号来控制第一和第二可旋转反射器的旋转位置。

31.根据权利要求20至30中任一项所述的激光标记系统，其中所述第一和第二可旋转反射器由第一和第二控制器驱动，所述第一和第二控制器能够将第一和第二可旋转反射器的旋转位置改变亚微米量。

32.根据权利要求20至31中任一项所述的激光标记系统，其中所述第一和第二检测器每个包括象限检测器。

33.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，包括位于激光器和负曲率空芯光纤之间在负曲率空芯光纤的芯的输入处的第一保护孔口，其中第一保护孔口的直径大体上等于负曲率空芯光纤的芯直径。

34.根据权利要求3或其任何从属权利要求所述的激光标记系统，其中负曲率空芯光纤的空芯的芯直径在约200

m至约500

m的包含范围内。

35.根据权利要求3或其任何从属权利要求所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括多个毛细管，并且其中毛细管壁的厚度在约0.3

m至约15

m的包含范围内。

36.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述激光束包括紫外电磁辐射。

37.根据权利要求36所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括二氧化硅。

38.根据权利要求37所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括氢注入二氧化硅。

39.根据权利要求36至38中任一项所述的激光标记系统，其中负曲率空芯光纤的空芯的芯直径在约10

m至约20

m的包含范围内。

40.根据权利要求36至39中任一项所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括多个毛细管，并且其中毛细管壁的厚度在约100 nm至约600 nm的包含范围内。

41.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，其中所述激光束包括近红外辐射。

42.根据权利要求41所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括二氧化硅。

43.根据权利要求41或42所述的激光标记系统，其中负曲率空芯光纤的空芯的芯直径在约20

m至约100

m的包含范围内。

44.根据权利要求41至43中任一项所述的激光标记系统，其中所述负曲率空芯光纤包括多个毛细管，并且其中毛细管壁的厚度在约0.3

m至约3

m的包含范围内。

45.根据任一前述权利要求所述的激光标记系统，包括位于标记头和负曲率空芯光纤之间在负曲率空芯光纤的芯的输出处的第二保护孔口，其中第二保护孔口的直径大体上等于负曲率空芯光纤的芯直径。

46.一种用激光束标记目标的方法，包括使用任一前述权利要求的激光标记系统。

47.一种设计权利要求1至45中任一项所述的激光标记系统的方法，包括：

48.根据权利要求47所述的方法，进一步包括使用正向和/或反向迭代来调整激光标记系统。

49.一种制造激光标记系统的方法，包括：

提供被配置为生成激光束的激光器；

提供被配置为将激光束投射到要标记的目标上的标记头；并且

使用负曲率空芯光纤将激光器连接到标记头，所述负曲率空芯光纤被配置为将激光束从激光器传输到标记头。

50.一种光学对准系统，包括：

第一可调光学元件，被配置为接收激光束；

第二可调光学元件，被配置为接收来自第一可调光学元件的激光束并将激光束导向目标；

第一检测器，被配置为检测激光束相对于第二可调光学元件的位置；以及

第二检测器，被配置为检测激光束相对于目标的位置。