CN118104088A - 声控激光系统 - Google Patents

Abstract

一些实施例可以包括：成像光学器件，该成像光学器件具有用以接收激光的第一端、外部和第二端；声学发射器，该声学发射器被声学地耦合到成像光学器件的外部的第一侧；声学吸收器，该声学吸收器被声学地耦合到成像光学器件的外部的相反的第二侧；波导，该波导具有用以接收来自成像光学器件的第二端的输出的第一端、第一芯部区段、第二区段和第二端，其中，从声学发射器输出的声波被布置成使来自激光的一阶光束在成像光学器件中衍射；其中，一阶光被选择性地从成像光学器件的第二端输出到波导的一个区段中。可以公开和/或要求保护其它实施例。

Description

声控激光系统

优先权

本申请要求2021年9月21日提交的题为“声控激光系统(ACOUSTICA-LLYCONTROLLED LASER SYSTEM)”的美国临时申请No.63/246,650的优先权，该美国临时申请被通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及激光领域，并且更具体地涉及包括用以从激光源接收信号的系统。

背景技术

光纤激光器被广泛用于工业过程(例如，切割、焊接、包覆、热处理等)。在一些光纤激光器中，光增益介质包括芯部掺杂有稀土元素的一个或多个有源光纤。稀土元素可被利用来自一个或多个半导体激光源的光光学地激发(“泵浦”)。对高功率二极管激光器和高效率二极管激光器存在很大的需求，前者用于功率扩展和价格降低(以美元/瓦计量)，后者用于降低能耗和延长使用期。

附图说明

附图(其中，相同的附图标记表示相同的元件)被结合在本专利说明书中并构成本专利说明书的一部分，且与说明书一起解释了当前公开的技术的优点和原理。

图1示出了声控激光系统的示意图。

图2A示出了根据多种实施例的包括套管的声控激光系统的示意图。

图2B示出了来自图2A的套管的前端视图。

图3示出了根据多种实施例的具有带有凹口的光纤的声控激光系统的示意图。

图4示出了根据多种实施例的具有被拼接在一起的单独光纤的声控激光系统的示意图。

图5示出了根据多种实施例的声控激光系统的示意图，该声控激光系统包括具有不止一根光轴的光纤。

图6示出了根据多种实施例的用以接收光束的多芯光纤的示意图。

具体实施方式

如在本申请中和在权利要求书中所使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。此外，术语“包括”意指“包含”。此外，术语“耦合”不排除在所耦合的项目之间存在中间元件。本文描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式加以限制。相反，本公开涉及各种(无论是以单独的方式还是以彼此的各种组合和子组合的方式)公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面。术语“或”是指“和/或”，而不是“排他的或”(除非特别指明)。

所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求应该存在任何一个或多个特定优点或应该解决问题。任何操作理论都有助于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这些操作理论。尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些所公开的方法的操作，但是应当理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，依次描述的操作在某些情况下可被重新排列或被同时执行。此外，为简单起见，附图可能并未示出所公开的系统、方法和装置可被与其它系统、方法和装置结合使用的各种方式。

此外，说明书有时使用诸如“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象概念。对应于这些术语的实际操作将根据特定的实现方式而变化，并且本领域技术人员可以容易地对其予以辨别。在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多所使用的功能替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其它选择更好、更小或更为优选。

参考被指示为“上”、“下”、“上部”、“下部”等的方向描述示例。这些术语用于方便描述，但并不暗指任何特定的空间方位。

美国专利公开文献No.2020/0319408(该专利公开文献被通过引用结合于此)描述了一个实施例，其中，扰动设备通过弯曲光纤来调整激光束的一个或多个特性。然而，对于扫描激光束的应用(例如，一些增材制造应用)，利用马达弯曲光纤可能过慢。具体而言，马达可被限制为以约1kHz的速率调节激光束特性。本文描述的多种实施例可以以更快的速率(例如，1MHz)切换光束参数。

此外，‘408公开文献中描述的一些实施例可涉及激光束在一段光纤表面上的连续运动。“成像光学器件”在本文中被定义为波导(例如，光纤或具有包层的某个其它GRIN波导)、GRIN透镜(例如，无包层)或一个或多个自由空间透镜。如果成像光学器件是波导或GRIN透镜，则它可呈现被较低折射率区域(包层区域)所环绕的较高折射率区域(芯部区域)。成像光学器件的折射率(RIP)可以包括被较低折射率区域(包层区域)所环绕的较高折射率区域(芯部区域)，其中，在较高折射率区域中引导光。每个约束区域和每个包层区域可以具有任何RIP，其包括但不限于阶跃折射率和渐变折射率。约束区域可以具有各种形状，例如圆形、环形、多边形、弓形、椭圆形、不规则形等或其任意组合。约束区域可以在纵向方向上围绕中心轴线具有均匀的厚度，或者厚度可在纵向方向上围绕中心轴线变化。

在成像光学器件包括透镜(例如，自由空间透镜)的多种实施例中，成像光学器件可包括具有一段玻璃的准直透镜，以作为声光偏转器操作，其后为聚焦透镜。在一个示例中，可在声光偏转器的端部上制造弯曲的透镜表面。声光偏转器的两端可以是玻璃-空气界面。在一些实施例中，成像光学器件(或其任何部件)在其周围可以具有包层，以防止杂散光加热声学部件。

在‘408申请中描述的实施例(这些实施例利用激光束在成像光学器件的表面上的连续运动，以使光同时进入芯部区段和周围区段)中，一些光必须进入具有低折射率的区域，这增大了从成像光学器件出射的光的数值孔径(NA)。本文描述的多种实施例可以允许对激光束进行分割，并且光可以同时进入两个不同的引导区域。

快速光学切换或光束控制技术通常被限制于电光学、磁光学或声光学。电光学和磁光学需要具有高电光系数的材料，并且这些材料的吸收系数对于一些激光器(例如，多千瓦级激光器)来说可能过高。声光学经常使用熔融石英(波导或透镜中的相同材料)。本文描述的一些实施例包括波导或透镜内的声光束偏转器，以将光从芯部偏转到其它引导区域中。声光偏转器可以处于波导或透镜的内部，以避免在工业激光器设置中经常出现的污染问题。

本文所述的多种实施例可包括输入波导、成像光学器件和输出波导。替代使该成像光学器件弯曲，声学发射器(例如，压电换能器或其它声学换能器)被放置在成像光学器件的中间附近。声波穿过成像光学器件的宽度，并被声学阻抗匹配的吸收器所吸收。

为了提供可高效地将输入光束偏转至新方向的声光偏转器，输入光束可以小角度撞击声波。该入射角(也称为布拉格角)可处于0.1°到4°的范围内。多种实施例可沿着相对于成像光学器件的光轴倾斜的轴线传送声波。

在一个实施例中，可在成像光学器件的侧面中加工出成角度的凹口，并且可将声学发射器定位在该凹口中。相互作用长度(约为声波的宽度)可处于0.5mm到10mm的范围内。

在另一实施例中，已被以一定角度劈开的两个单独的成像光学器件可被重新拼接在一起，以形成弯曲件。声学发射器可被放置在弯曲处，并且声波可以将光偏转出0阶衍射并偏转成1阶衍射。具有第一芯部区段和第二区段的输出波导可被拼接为成像光学器件，使得0阶光被引导到其中一个区段，而1阶光被引导到另一区段。在另一实施例中，单片成像光学器件可在声学发射器的附近弯曲，而不是将其以一定角度拼接在一起。由于在多种实施例中可以传输数千瓦的光学功率，因此将0阶的光和其它阶的光引导到安全位置，例如，所有光都可以进入该输出波导。

声光偏转器可以通过在玻璃中创建透射光栅并使光束衍射来改变光束方向。来自声波的压力可以改变折射率，因此存在周期性的具有较低折射率的区域和具有较高折射率的区域。可以通过改变声波的频率来改变偏转角。并且可以通过改变声学发射器的功率来改变衍射效率(从输入光束中衍射出多少光)。这导致更高压力的声波，并且更多地改变玻璃的折射率。这使得能够在第一芯部区段与第二芯部区段之间扫描光束，如‘408公开文献中所描述的多种实施例，或者在第一芯部区段与第二芯部区段之间分割光束。如果光束被分割，则所有光都可以进入第一芯部区段和第二芯部区段。作为替代，如果光束未被分割，则光束可以在第一芯部区段与第二芯部区段之间非常快速地来回抖动，以随着时间的流逝而分割功率。

图1示出了声控激光系统100的示意图。系统100包括输入光纤1，用于将输入激光束(例如，由激光源生成的激光束，该激光源可以是现在已知或以后研发的任何激光源8，或者来自现在已知或以后研发的接收来自激光源8的输出的一个或多个激光系统部件)输出到渐变折射率光纤15，该渐变折射率光纤15将激光束18和激光束19分别输出到光纤3的第一芯部区段21和第二区段22中。第二区段22可以是与第一芯部区段21同轴的第二芯部区段，然而，在多种实施例中，这并不是必需的(在一些实施例中，第二区段22可以是包层)。根据多种实施例，输入光纤1和输出光纤可以使用现在已知或以后研发的任何拼接方法而被耦合到渐变折射率光纤15的两端。

声学发射器10生成声波13，声波13可以微小的角度(入射角)撞击输入激光束。在多种实施例中，入射角可处于0.1度至4度的范围内。可以与渐变折射率光纤15和/或声学发射器10声学阻抗匹配的声学吸收器11可以位于渐变折射率光纤15的相对侧上，以随后吸收声波13。

声波13可将光从0阶输入激光束偏转成1阶衍射光束——从而生成0阶衍射激光束18和1阶激光束19。控制电路12可以基于输入信号(例如，来自人的输入或来自系统(未示出)的输入)生成控制信号，以生成具有选定参数的声波13。控制电路12、声学发射器10和声学吸收器11可以是现在已知或以后研发的任何控制电路、声学发射器(例如，压电换能器或其它声学换能器)或声学吸收器。

在一些示例中，参数可包括声波13的功率和频率。改变声波13的频率可以改变偏转角。改变偏转角可以使得能够在第一芯部区段21与第二区段22之间扫描光束19。在一个实施例中，光束19可以在第一芯部区段21与第二区段22之间非常快速地(例如，以1MHz)来回抖动，以随着时间的流逝而分割功率。衍射效率(有多少光被从输入光束中折射出来)可以通过改变功率来改变(增大功率导致更高压力的声波并改变渐变折射率光纤15的材料(例如，玻璃)的折射率)。在本示例中，渐变折射率光纤15的长度为1/2节距，但在其它示例中，该长度可以是1/2节距的任意整数倍。激光束18或19可被从光纤3输出到加工头9(或者现在已知或以后研发的将光束18或19传送到工件的一些其它激光部件)，并且如上所述的非常快速(例如，以1MHz进行)的来回抖动可以在工件处实现光束18或19的光束轮廓的非常快速(例如，以1MHz进行)的变化和/或改变频率，以随着时间的流逝而分割功率，以便与‘408申请中描述的任何方式类似地调整和/或优化该工艺，或者以根据应用随意调整和/或优化工艺的任何其它方式来调整和/或优化该工艺。

在多种实施例中，声学发射器10和声学吸收器可以具有经由声学界面材料14耦合到渐变折射率光纤15的一侧(例如，平面侧)。在一些实施例中，渐变折射率光纤15可以是小平面的(faceted)(例如，在矩形光纤的情况下，可以具有多个侧面，例如，四个平面侧)，并且声学发射器10和声学吸收器11的该侧面可被附接到多个侧面中的不同侧面(例如，相对两侧)。然而，不需要小平面的渐变折射率光纤15——在多种实施例中，具有圆柱形光纤是可能且切实可行的。

在多种实施例中，声学界面材料14可被与渐变折射率光纤15的材料声学阻抗匹配。在一些示例中，声学界面材料可以是相同的材料(例如，二氧化硅)，但这并不是必需的。在其它示例中，材料可以不同，但可以具有相同或相似的热膨胀系数。声学界面材料14可以呈楔形件的形式，如图所示，这使得声学发射器10和声学吸收器11以一定角度安装在渐变折射率光纤15上。楔形件可以通过将锥形套圈折叠到渐变折射率光纤15的侧面上来形成。声学界面材料14可以相对于输入激光束的光波成一定角度放置声波13，并且可以被布置成有效地将声波13耦合到渐变折射率光纤15中(即，被优化以最小化声波13在渐变折射率光纤15中从一侧到另一侧的反射)。

在多种实施例中，可使用任何类型的波导来替代本文所述的任何输入光纤或输出光纤。此外，本文所述的任何成像光学器件可被用于替代本文所述的渐变折射率光纤15或具有约束区域的任何其它光纤。

图2A示出了根据多种实施例的包括套管224的声控激光系统200的示意图。图2B示出了来自图2的套管224的前端视图。渐变折射率光纤215可以是圆柱形的，但是在任何其它方面可以类似于渐变折射率光纤15(图1)。套管224可以具有圆柱形开口，以装配在渐变折射率光纤215的外部上。套管224的外表面可以是小平面的(例如，具有如图2B所示的四个侧面)。

平面状的侧面(平面侧)可从一端向另一端逐渐变细，如图2A所示。这可以允许声学发射器10和声学吸收器11以与图1的实施例的角度类似的角度安装到渐变折射率光纤215。声学发射器10和声学吸收器11可被使用粘合剂或通过拼接方法附接到渐变折射率光纤215。激光系统200可包括激光源(未示出，类似于图1中的激光源8)和加工头(未示出，类似于图1中的激光源9)并且处于激光系统100可被用于其中的任何应用中。

图3示出了根据多种实施例的具有带有凹口的渐变折射率光纤315的声控激光系统300的示意图。渐变折射率光纤315在任何方面都可与渐变折射率光纤15(图1)相似，但是被在顶侧上机加工以形成凹口350。如图所示，凹口350可以具有深度从一端到另一端逐渐变小的倾斜底部(例如，相对于光纤轴线倾斜)。这可以允许将声学发射器10和声学吸收器11以与图1的实施例的角度类似的角度安装到渐变折射率光纤315。声学发射器10和声学吸收器11可被使用粘合剂或通过拼接方法附接到渐变折射率光纤315。激光系统300可包括激光源(未示出，类似于图1中的激光源8)和加工头(未示出，类似于图1中的激光源9)并且处于激光系统100可被用于其中的任何应用中。

图4示出了根据多种实施例的声控激光系统400的示意图，该声控激光系统400具有被拼接在一起的单独的渐变折射率光纤415和416。另外，每个渐变折射率光纤415和416可以类似于渐变折射率光纤15(图1)。渐变折射率光纤415的端面可被以一定角度拼接到光纤416的端面。这可以将声波13以与参照图1所述的类似的角度(例如，以相对于渐变折射率光纤415的光纤轴线或光轴成一定的角度)相对于输入光束成相同的角度布置。类似于本文所述的任何其它声学界面材料，声学界面材料14可被用于将声学发射器10和声学吸收器11声学地耦合到渐变折射率光纤415和416。激光系统400可包括激光源(未示出，其类似于图1中的激光源8)和加工头(未示出，其类似于图1中的激光源9)并且处于激光系统100可被用于其中的任何应用中。

图5示出了根据多种实施例的声控激光系统500的示意图，该声控激光系统500包括具有不止一根光轴的渐变折射率光纤515。渐变折射率光纤515可被弯曲，使得它具有两根不平行的光轴，其类似于参考图4描述的实施例。渐变折射率光纤515可以在任何其它方面类似于渐变折射率光纤215(图1)。这可以将声波13以与图1所述的类似的角度(例如，以相对于渐变折射率光纤515的输入侧的光纤轴线或光轴成一定角度)相对于输入光束成相同的角度布置。在多种实施例中，渐变折射率光纤515可以是可固定地弯曲的光纤。声学界面材料14可被用于将声学发射器10和声学吸收器11声学地耦合到渐变折射率光纤515。激光系统500可包括激光源(未示出，类似于图1中的激光源8)和加工头(未示出，类似于图1中的激光源9)以及处于激光系统100可被用于其中的任何应用中。

图6示出了根据多种实施例的用以接收光束18和19(图1)的多芯光纤603的示意图。多芯光纤603具有非同轴的芯部621和622。在多种实施例中，包层623可以位于非同轴的芯部621和622之间和/或同轴的芯部621和622的周围。多芯光纤603可被用作用于本文描述的任何实施例的输出光纤。在这种情况下，光束18(图1)可被输入到芯部621中，并且光束19(图1)可被选择性地输入到芯部622中。

尽管所示的多芯光纤603具有两个芯部，但在其它实施例中，使用更多的芯部也是可能且切实可行的。

在多种实施例中，可使用任何类型的波导来替代本文所述的任何输入光纤或输出光纤。此外，本文所述的任何成像光学器件可被用于替代本文所述的具有约束区域的任何光纤。

鉴于可应用所公开的技术原理的许多可能的实施例，应认识到所示的实施例仅为优选示例，且不应被视为限制本公开的范围。我们要求将在所附权利要求的范围和精神内的所有内容作为我们的发明予以保护。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

成像光学器件，所述成像光学器件具有用以接收激光的第一端、外部和第二端；

声学发射器，所述声学发射器被声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部的第一侧；

声学吸收器，所述声学吸收器被声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部的相反的第二侧；

波导，所述波导具有用以接收来自所述成像光学器件的所述第二端的输出的第一端、第一芯部区段、第二区段和第二端，其中，从所述声学发射器输出的声波被布置成使来自所述激光的一阶光束在所述成像光学器件中衍射；

其中，所述一阶光被选择性地从所述成像光学器件的所述第二端输出到所述波导的一个区段中，并且其余的零阶光束被输出到所述波导的另一个区段中，并且所述装置还包括：

控制电路，所述控制电路被耦合到所述声学发射器，所述控制电路用于选择所述声波的声学功率，以调节从所述激光中衍射出多少功率，或者选择所述声波的声学频率，以选择所述一阶光束被选择性地引导到所述多个区段中的哪个区段中。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像光学器件包括圆形的折射率渐变区段。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括位于所述成像光学器件的侧面上的声学界面材料，所述声学界面材料将所述声学发射器和所述声学吸收器声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述声学界面材料包括与所述成像光学器件的材料相同的材料。

5.如权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括围绕所述成像光学器件的所述外部的套管，所述套管将所述声学发射器和所述声学吸收器声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述成像光学器件为圆柱形的，并且所述套管的内部为圆形的，且所述套管的外部为小平面的。

7.如权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括位于所述成像光学器件的所述外部的所述第一侧中的凹口，所述声学发射器的至少一部分位于所述凹口中。

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述凹口的底部是倾斜的，并且所述声学发射器的横向侧位于倾斜的所述底部上。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述凹口部分地穿过环绕所述圆形的折射率渐变区段的包层。

10.如权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括环绕所述圆形的折射率渐变区段的包层，所述包层的外表面为小平面的，并且所述凹口由所述小平面中的对应于所述成像光学器件的所述外部的所述第一侧的一个小平面限定。

11.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像光学器件的第一部分的光纤轴线或其它光轴与所述成像光学器件的第二部分的光纤轴线或其它光轴不平行，所述第一部分包括所述成像光学器件的所述第一端，并且所述第二部分包括所述成像光学器件的所述第二端。

12.如权利要求1所述的装置，其中，所述成像光学器件包括具有弯曲部的连续长度的光纤或单片波导，或者所述第一部分和所述第二部分包括被拼接在一起以形成弯曲部的多个单独长度的光纤。

13.如权利要求1所述的装置，其中，所述波导的所述第二区段环绕所述第一芯部区段。

14.如权利要求1所述的装置，其中，所述波导包括多个非同轴的芯部，所述第一芯部区段包括所述多个非同轴的芯部中的第一芯部，并且所述第二区段包括所述多个非同轴的芯部中的不同的第二芯部。

15.如权利要求1所述的装置，其中，与所述一阶光束相关联的入射角处于0.1度至4度的范围内。

16.一种激光系统，包括：

激光源，所述激光源用以生成激光；

成像光学器件，所述成像光学器件具有用以接收所述激光的第一端、外部和第二端；

声学发射器，所述声学发射器被声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部的第一侧；

声学吸收器，所述声学吸收器被声学地耦合到所述成像光学器件的所述外部的相反的第二侧；

波导，所述波导具有用以接收来自所述成像光学器件的所述第二端的输出的第一端、第一芯部区段、第二区段和第二端，其中，从所述声学发射器输出的声波被布置成使来自所述激光的一阶光束在所述成像光学器件中衍射；

其中，所述一阶光被选择性地从所述成像光学器件的所述第二端输出到所述波导的一个区段中，并且其余的零阶光束被输出到所述波导的另一个区段中，并且所述激光系统还包括：

控制电路，所述控制电路被耦合到所述声学发射器，所述控制电路用以选择所述声波的声学功率，以调节从所述激光中衍射出多少功率，或者选择所述声波的声学频率，以选择所述一阶光束被选择性地引导到所述多个区段中的哪个区段中；以及

加工头，所述加工头用以将所述零阶光束、从所述零阶光束得到的光束、所述一阶光束或从所述一阶光束得到的光束或其组合传送到工件。

17.如权利要求15所述的激光系统，其中，所述成像光学器件包括圆形的折射率渐变区段。

18.如权利要求15所述的激光系统，其中，所述成像光学器件的第一部分的光纤轴线或其它光轴与所述成像光学器件的第二部分的光纤轴线或其它光轴不平行，所述第一部分包括所述成像光学器件的所述第一端，并且所述第二部分包括所述成像光学器件的所述第二端。

19.如权利要求15所述的激光系统，其中，所述波导包括多个非同轴的芯部，所述第一芯部区段包括所述多个非同轴的芯部中的第一芯部，并且所述第二区段包括所述多个非同轴的芯部中的不同的第二芯部。

20.如权利要求15所述的激光系统，其中，与所述一阶光束相关联的入射角处于0.1度至4度的范围内。