DE112017001892T5

DE112017001892T5 - Optische Faserstrukturen und Verfahren zum Variieren von Laserstrahlprofilen

Info

Publication number: DE112017001892T5
Application number: DE112017001892.7T
Authority: DE
Inventors: Wang-Long Zhou; Francisco Villarreal-Saucedo; Parviz Tayebati; Bien Chann
Original assignee: Teradiode Inc
Current assignee: Panasonic Corp of North America
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-12-13
Also published as: JP2021039372A; JP7066807B2; JP6796142B2; US10088632B2; WO2017176862A1; US20190113688A1; JP2019510276A; US20180372959A1; US20210141155A1; US11567265B2; CN108780189B; CN108780189A; US10845545B2; US20230161108A1; US10768373B2; US20170293084A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird das Strahlparameterprodukt und/oder die numerische Apertur eines Laserstrahls unter Verwendung einer stufenummantelten optischen Faser mit einem Zentralkern, einem ersten Mantel, einem ringförmigen Kern und einem zweiten Mantel eingestellt.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/318,959 , eingereicht am 6. April 2016, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
In verschiedenen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung Lasersysteme, insbesondere Lasersysteme mit steuerbaren Strahlprofilen, z.B. variable Strahlparameterprodukte.
Technischer Hintergrund
Hochleistungslasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen wie Schweißen, Schneiden, Bohren und Materialbearbeitung eingesetzt. Solche Lasersysteme weisen typischerweise einen Laseremitter, von dem das Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System auf, das das Laserlicht von der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist typischerweise derart konstruiert, um den Laserstrahl mit der höchsten Qualität, oder äquivalent den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (englisch lowest beam parameter product, BPP), zu erzeugen. Das BPP ist das Produkt des Divergenzwinkels (Halbwinkel) des Laserstrahls und des Radius des Strahls an seiner schmalsten Stelle (d.h. der Strahltaille, der minimalen Fleck- bzw. Punktgröße). Das heißt, dass BPP = NA × D/2 gilt, wobei D der Durchmesser des Fokussierpunkts (der Taille) und NA die numerische Apertur ist, und somit das BPP variiert werden kann, indem NA und/oder D variiert werden. Das BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut dieser auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird typischerweise in Millimeter-Milliradiant-Einheiten (mm-mrad) ausgedrückt. Ein Gaußstrahl hat das niedrigstmögliche BPP, das durch die Wellenlänge des Laserlichts dividiert durch Pi gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gaußstrahls bei der gleichen Wellenlänge wird mit M² bezeichnet, was ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist. In vielen laserverarbeitenden Anwendungen können die gewünschte Strahlfleckgröße, die Divergenz und die Strahlqualität in Abhängigkeit von beispielsweise der Art der Bearbeitung und/oder der Art des verarbeiteten Materials variieren. Dies gilt insbesondere für Industrielaser in materialverarbeitenden Anwendungen. Zum Beispiel kann ein niedrigerer BPP-Wert, d.h. eine bessere Strahlqualität, zum Schneiden eines dünnen Metalls bevorzugt sein, während ein größeres BPP (d.h. eine schlechtere Strahlqualität) zum Durchschneiden dickerer Metalle bevorzugt sein kann. Um solche Änderungen an dem BPP des Lasersystems vorzunehmen, muss häufiger das optische Ausgangssystem oder die optische Faser mit anderen Komponenten ausgelagert und/oder neu ausgerichtet werden, was einen zeitaufwendigen und kostenintensiven Prozess darstellt, der sogar zu einer versehentlichen Beschädigung der fragilen optischen Komponenten des Lasersystems führen kann. Somit besteht ein Bedarf für alternative Techniken zum Variieren des BPP eines Lasersystems, die keine derartigen Einstellungen des Laserstrahls oder optischen Systems am Ausgang der optischen Faser beinhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Lasersysteme zur Verfügung, in denen das BPP des Systems (d.h. seines Ausgangslaserstrahls) durch Beeinflussung der numerischen Apertur (NA) und der Fleck- bzw. Punktgröße (D) des Lasersystems verändert werden, während optische Leistungsverluste minimiert oder im Wesentlichen eliminiert werden. Ausführungsformen der Erfindung sehen das Einkoppeln des Laserstrahls in eine mehrfach ummantelte optische Faser vor, die hierin als „stufenummantelte Faser“ bezeichnet wird. Eine beispielhafte stufenummantelte Faser umfasst, besteht im Wesentlichen oder besteht ausschließlich aus einem Zentralkern, einem ersten Mantel, der um den Zentralkern herum angeordnet ist, einem ersten ringförmigen Kern, der um den ersten Mantel herum angeordnet ist, und einem zweiten Mantel, der um den ersten ringförmigen Kern herum angeordnet ist. Stufenummantelte Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind nicht darauf beschränkt, nur einen einzigen ringförmigen Kern und zwei Mäntel zu haben - es können ein oder mehrere zusätzliche ringförmige Kerne und zugeordnete Mäntel um den zweiten Mantel angeordnet sein. Wie dieser hierin verwendet wird, ist der Ausdruck „ringförmiger Kern“ als ein ringförmiger Bereich definiert, der einen höheren Brechungsindex als sowohl die innere als auch die äußere Schicht aufweist, die dazu benachbart sind. Andere Schichten als der Zentralkern und der / die ringförmige (n) Kern (e) sind in einer stufenummantelten Faser typischerweise Mäntel. Solche Mäntel haben niedrigere Brechungsindizes als wenigstens eine angrenzende Schicht.
Wenn herkömmliche optische Fasern in Lasersystemen verwendet werden, soll die Laserleistung typischerweise nur in die Kerne eingekoppelt werden. Jegliches „Übersprühen“ von Energie auf die Mäntel führt zu einem Leistungsverlust und/oder wird zu einem schädlichen Faktor für die Optik stromabwärts der Faser. Im Gegensatz dazu, weisen Lasersysteme, die stufenummantelte Fasern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden, absichtlich eine teilweise oder volle Laserleistung auf, die zumindest in den ersten Mantel eingekoppelt ist, der speziell mit einem höheren Brechungsindex und einem größeren Durchmesser als die einer inneren Mantelschicht einer herkömmlichen mehrfach ummantelten Faser ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Durchmesser eines ersten Mantels gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Bereich von etwa 140 µm bis etwa 180 µm für eine Faser mit einem Zentralkerndurchmesser von 100 µm liegen, verglichen mit nur 110 µm bis 120 µm bei herkömmliche mehrfach ummantelten optischen Standardfasern mit 100 µm-Kern. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der ersten Mantelschicht im Bereich von beispielsweise etwa 40 µm bis etwa 100 µm oder etwa 40 bis etwa 80 µm liegen.
In Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht die Verwendung der stufenummantelten Faser die Variation des Lasersystem-BPP auf der Grundlage nicht nur der Durchmesser der Kerne und der Leistungsverhältnisse in den Kernen, sondern auch der Dicke und des Brechungsindex des ersten Mantels und die Leistungsverhältnisse in dem ersten Mantel (und/oder in zusätzlichen Mänteln, falls diese vorhanden sind). Die Laserleistung, die in den ersten Mantel der stufenummantelten Faser eingekoppelt wird, wird durch den ersten ringförmigen Kern begrenzt und ermöglicht einen hohen Grad an BPP-Variation. Darüber hinaus ermöglicht das Einkoppeln in den / die ringförmigen Kern(e) gemäß Ausführungsformen der Erfindung die Bildung von Ausgangsstrahlen mit gleichförmigen Profilen ohne „Lücken“ oder Bereichen mit geringer oder keiner Laserleistung darin, wobei im Gegensatz dazu, herkömmliche Techniken, bei denen das Koppeln in Mantelschichten unmöglich ist und/oder aktiv vermieden wird, im Allgemeinen dazu führen, dass die Ausgangsstrahlen Lücken (z.B. ringförmige Lücken) im Ausgangsstrahlprofil aufweisen. Während Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um Ausgangsstrahlprofile zu erzeugen, die als Funktion des Radius oder des Durchmessers variieren, enthalten gerade Bereiche zwischen Bereichen mit hoher Intensität typischerweise eine Laserstrahlintensität (und sind daher nicht „leer“), und/oder niedrige Intensitäts- oder Leerbereiche sind in ihrer räumlichen Ausdehnung sehr begrenzt, insbesondere im Vergleich zu Ausgangsstrahlen, die durch herkömmliche Techniken erzeugt werden.
Ausführungsformen der Erfindung weisen auch Variationen auf, bei denen im Wesentlichen keine Leistung in den einen oder die mehreren ringförmigen Kernbereiche der stufenummantelten Faser eingekoppelt wird. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung variieren typischerweise das BPP des Lasersystems über eine Variation sowohl der Ausgangfleckgröße D als auch der NA, und stellt daher einen größeren Bereich für die BPP-Variation zur Verfügung als herkömmliche Techniken. Für einen gegebenen BPP-Variationsbereich ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer stufenummantelten Faser mit einem viel kleineren Durchmesser des ersten ringförmigen Kerns als dies in herkömmlichen Systemen erforderlich wäre, und somit erzeugen Ausführungsformen der Erfindung Laserstrahlen mit hohem BPP mit deutlich kleinerer Fleckgröße und mit deutlich weniger abgeschwächter Leistungsdichte. Das heißt, dass gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine kleinere Änderung der Fleckgröße D benötigt wird, um das BPP zu variieren (indem auch gleichzeitig die NA variiert werden kann), was zu einer geringeren Abschwächung der Leistungsdichte führt. Zum Beispiel kann der Durchmesser eines ersten ringförmigen Kerns gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Bereich von ungefähr 300 µm bis ungefähr 400 µm (z.B. ungefähr 360 µm) liegen. Die Dicke eines ersten ringförmigen Kerns gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zum Beispiel ungefähr 60 µm bis ungefähr 150 µm, ungefähr 80 µm bis ungefähr 120 µm, ungefähr 90 µm bis ungefähr 110 µm, oder ungefähr 100 µm, betragen.
In dieser Anmeldung können sich „optische Elemente“ auf beliebige Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, beugen oder auf andere Weise optisch beeinflussen, sofern nichts anderes angegeben ist. Hier umfassen Strahlemitter, Emitter oder Laseremitter oder Laser jegliche elektromagnetische Strahlerzeugungsvorrichtung, wie z.B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, aber auch selbst resonierend oder auch nicht resonierend sein können. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser usw. Im Allgemeinen umfasst jeder Emitter eine rückreflektierende Oberfläche, wenigstens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann im Wesentlichen mehrere Strahlemitter aufweisen oder daraus bestehen, wie etwa einer Diodenleiste, die dazu konfiguriert sein kann, mehrere Strahlen zu emittieren. Die Eingangsstrahlen, die in den hier beschriebenen Ausführungsformen empfangen werden, können Strahlen mit einer einzigen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen sein, die unter Verwendung verschiedener bekannter Techniken kombiniert werden.
Ausführungsformen der Erfindung können mit Wellenlängenstrahlkombiniersystemen (WBC-Systemen, englisch wavelength beam combining systems) verwendet werden, die eine Mehrzahl von Emittern aufweisen, wie etwa eine oder mehrere Diodenleisten, die unter Verwendung eines streuenden Elements kombiniert werden, um einen Mehrfachwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Emitter in dem WBC-System ist einzeln resonant und wird durch eine wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das streuende Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in US-Patent Nr. 6,192,062 , eingereicht am 4. Februar 2000, US-Patent Nr. 6,208,679 , eingereicht am 8. September 1998, US-Patent Nr. 8,670,180 , eingereicht am 25. August 2011, und US-Patent Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Mehrfachwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systemen können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise für die BPP-Steuerung verwendet werden.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle zum Emittieren eines Eingangslaserstrahls, eine stufenummantelte optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende, einen Einkopplungsmechanismus und eine Steuerung umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder ausschließlich daraus besteht. Die stufenummantelte optische Faser umfasst, besteht im Wesentlichen oder besteht ausschließlich aus (i) einem Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den Zentralkern umgebenden ersten Mantel, der einen zweiten Brechungsindex aufweist, (iii) einem den ersten Mantel umgebenden ersten ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einem den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex. Der erste Brechungsindex ist größer als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex ist größer als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex ist kleiner als der erste Brechungsindex und größer als der vierte Brechungsindex. Der Einkopplungsmechanismus empfängt den Eingangslaserstrahl und lenkt den Eingangslaserstrahl zu dem Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser, wodurch der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt wird und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert wird. Die Steuerung steuert den Einkopplungsmechanismus, um den Eingangslaserstrahl auf einen oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser zu richten, wobei wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere des Folgenden in einer beliebigen aus einer Vielzahl von Kombinationen aufweisen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem Zentralkern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann dich mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappen. Wenigstens einer der Einkoppelstellen kann sich mit dem ringförmigen Kern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens einer der Einkoppelstellen kann sich mit dem zweiten Mantel zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich zumindest teilweise mit zwei oder mehr des Zentralkerns, des ersten Mantels, des ringförmigen Kerns oder des zweiten Mantels überlappen. Der Einkopplungsmechanismus kann ein optisches Element zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls in Richtung des Eingangsendes der stufenummantelten optischen Faser aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen. Das optische Element kann in Reaktion auf die Steuerung beweglich (z.B. verschiebbar, drehbar und/oder kippbar) sein, entlang (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls ist, und/oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht sind zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls. Der Einkopplungsmechanismus kann einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der stufenummantelten optischen Faser aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen. Das optische Element kann eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen. Der Einkopplungsmechanismus kann einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der stufenummantelten optischen Faser aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen, wobei der Reflektor in Reaktion auf die Steuerung drehbar ist. Der Einkopplungsmechanismus kann ein optisches Element zum Empfangen des Eingangslaserstrahls von dem Reflektor und zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls zu der stufenummantelten optischen Faser aufweisen. Das optische Element kann in Reaktion auf die Steuerung beweglich (z.B. verschiebbar, drehbar und/oder kippbar) sein, entlang (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls ist, und/oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht sind zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls. Das optische Element kann eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen.
Die Strahlquelle kann auf die Steuerung ansprechen. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, den Eingangslaserstrahl auf eine Mehrzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen zu richten, ohne eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren (z.B. die Intensität modulieren oder das Ausschalten), indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet wird. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, den Eingangslaserstrahl auf wenigstens eine Einkoppelstelle zu richten, die sich mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappt, wodurch die in den ersten Mantel eingekoppelte Strahlenergie wenigstens einen Teil des Ausgangsstrahls bildet. Die Strahlenenergie, die in den ersten Mantel eingekoppelt ist, kann innerhalb der stufenummantelten optischen Faser an der Grenzfläche zwischen dem ringförmigen Kern und dem zweiten Mantel begrenzt sein. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der dritte Brechungsindex sein. Der zweite Brechungsindex kann ungefähr gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer als der erste Brechungsindex sein. Die Strahlquelle kann eine oder mehrere Strahlemitter (einzeln und/oder kollektiv), die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, Fokussierungsoptiken, ein streuendes Element und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler aufweisen, im Wesentlichen oder ausschließlich daraus bestehen. Jeder der diskreten Strahlen kann eine andere Wellenlänge haben. Die Fokussieroptiken können die mehreren Strahlen auf das streuende Element fokussieren. Das streuende Element kann die fokussierten Strahlen empfangen und streuen (d.h. Wellenlängenstreuung). Der teilweise reflektierende Ausgangskoppler kann positioniert sein, um die gestreuten Strahlen zu empfangen, einen Teil der gestreuten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das streuende Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z.B. ein lichtdurchlässiges Gitter und/oder ein reflektierendes Gitter) aufweisen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Einstellen eines Strahlparameterprodukts und/oder einer numerischen Apertur eines Laserstrahls auf. Es ist eine stufenummantelte optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende vorgesehen. Die stufenummantelte optische Faser umfasst, besteht im Wesentlichen oder ausschließlich aus (i) einem Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den Zentralkern umgebenden ersten Mantel, der einen zweiten Brechungsindex aufweist, (iii) einem den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex, und (iv) einem den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex. Der erste Brechungsindex ist größer als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex ist größer als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex ist kleiner als der erste Brechungsindex und größer als der vierte Brechungsindex. Ein Eingangslaserstrahl wird auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser gerichtet, wobei (i) der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert wird, und (ii) wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt und einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere des Folgenden in einer beliebigen aus einer Vielzahl von Kombinationen aufweisen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem Zentralkern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens einer der Einkoppelstellen kann sich mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappen. Wenigstens einer der Einkoppelstellen kann sich mit dem ringförmigen Kern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem zweiten Mantel zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich zumindest teilweise mit zwei oder mehr des Zentralkerns, des ersten Mantels, des ringförmigen Kerns oder des zweiten Mantels überlappen. Der Eingangslaserstrahl kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet sein, um einen einzelnen Ausgangsstrahl oder mehrere Ausgangsstrahlen mit unterschiedlichen numerischen Aperturen und/oder Strahlparameterprodukten zu erzeugen. Die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls kann nicht moduliert werden (z.B. verringert oder abgeschaltet), indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet wird. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappen, wodurch die in den ersten Mantel eingekoppelte Strahlenergie wenigstens einen Teil des Ausgangsstrahls bildet. Die Strahlenenergie, die in den ersten Mantel eingekoppelt wird, kann innerhalb der stufenummantelten optischen Faser an der Grenzfläche zwischen dem ringförmigen Kern und dem zweiten Mantel eingeschlossen bzw. darin begrenzt sein. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der dritte Brechungsindex sein. Der zweite Brechungsindex kann ungefähr gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer als der erste Brechungsindex sein. Der eingegebene Laserstrahl kann von einer Strahlquelle emittiert werden. Die Strahlquelle kann einen oder mehrere Strahlemitter (einzeln und/oder kollektiv), die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, Fokussierungsoptiken, ein streuendes Element und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen. Jeder der diskreten Strahlen kann eine andere Wellenlänge haben. Die Fokussieroptik kann die mehreren Strahlen auf das streuende Element fokussieren. Das streuende Element kann die empfangenen fokussierten Strahlen empfangen und streuen (d.h. Wellenlängenstreuung). Der teilweise reflektierende Ausgangskoppler kann positioniert sein, um die verteilten Strahlen zu empfangen, einen Teil der verteilten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der verteilten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das streuende Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z.B. ein lichtdurchlässiges Gitter und/oder ein reflektierendes Gitter) aufweisen.
In noch einem weiteren Aspekt stellen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Anpassen eines Strahlparameterprodukts oder einer numerischen Apertur eines Laserstrahls zur Verfügung. Es ist eine stufenummantelte optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende vorgesehen. Die stufenummantelte optische Faser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht ausschließlich aus (i) einem Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den Zentralkern umgebenden ersten Mantel, der einen zweiten Brechungsindex aufweist, (iii) den ersten Mantel umgeben, einem ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einem den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex ist größer als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex ist größer als der zweite Brechungsindex. Ein Eingangslaserstrahl wird auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser gerichtet, wobei (i) der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als ein Ausgangsstrahl emittiert wird, und (ii) wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird. Zumindest eine der Einkoppelstellen überlappt sich zumindest teilweise mit dem ersten Mantel, wodurch die in den ersten Mantel eingekoppelte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere des Folgenden in einer beliebigen aus einer Vielzahl von Kombinationen aufweisen. Wenigstens einer der Einkoppelstellen kann den Zentralkern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem ringförmigen Kern zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich mit dem zweiten Mantel zumindest teilweise überlappen. Wenigstens eine der Einkoppelstellen kann sich zumindest teilweise mit zwei oder mehr des Zentralkerns, des ersten Mantels, des ringförmigen Kerns oder des zweiten Mantels überlappen. Der Eingangslaserstrahl kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet sein, um einen einzelnen Ausgangsstrahl oder mehrere Ausgangsstrahlen mit unterschiedlichen numerischen Aperturen und/oder Strahlparameterprodukten zu erzeugen. Die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls kann nicht moduliert (z.B. verringert oder abgeschaltet) werden, indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet wird. Der Eingangslaserstrahl kann von einer Strahlquelle emittiert werden. Die Strahlquelle kann einen oder mehrere Strahlemitter (einzeln und/oder kollektiv), die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, Fokussierungsoptiken, ein streuendes Element und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler aufweisen, im Wesentlichen daraus bestehen oder ausschließlich daraus bestehen. Jeder der diskreten Strahlen kann eine andere Wellenlänge haben. Die Fokussierungsoptik kann die mehreren Strahlen auf das streuende Element fokussieren. Das streuende Element kann die empfangenen fokussierten Strahlen empfangen und streuen (d.h. Wellenlängenstreuung). Der teilweise reflektierende Ausgangskoppler kann positioniert sein, um die verteilten Strahlen zu empfangen, einen Teil der verteilten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der verteilten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das streuende Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z.B. ein lichtdurchlässiges Gitter und/oder ein reflektierendes Gitter) aufweisen.
Diese und andere Gegenstände werden zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind, durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die begleitenden Zeichnungen und die Ansprüche verständlicher. Des Weiteren versteht es sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Umsetzungen auftreten können. Wie es hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ± 10% und in einigen Ausführungsformen ± 5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Mittel, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern es hierin nicht anders definiert ist. Nichtsdestoweniger können solche anderen Mittel kollektiv oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Hierin werden die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hier wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements anzuzeigen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Hierin ist der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich durch Lichtstrahlen zurückgelegt wird, wobei der optische Abstand gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, muss dies jedoch nicht notwendigerweise, beispielsweise aufgrund von Reflexionen von Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das von einer der Komponenten zur anderen wandernde Licht erhält.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt stattdessen darauf gelegt wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1A ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Doppelmantelfaser und optischer Strahlen, die in einen Kern und einen Mantel davon übertragen werden,
1B ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten der Faser von 1A,
1C eine Draufsicht eines typischen Laserstrahls, der von der Faser aus 1A ausgeht,
2A ein schematisches Diagramm einer stufenummantelten Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung und optischer Strahlen, die in den Zentralkern und den ersten Mantel davon übertragen werden,
2B ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten der stufenummantelten Faser aus 2A gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
2C eine Draufsicht eines Laserstrahls, der von der stufenummantelten Faser aus 2A gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgeht,
3A ein schematisches Diagramm einer stufenummantelten Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung,
3B ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten der stufenummantelten Faser aus 3A gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
4A ein schematisches Diagramm von Teilen eines Lasersystems, das eine stufenummantelte Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet,
4B eine graphische Darstellung der Variation des ausgegebenen BPP als eine Funktion der Reflektorneigung für das Lasersystem aus 4A gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
4C ein Graph der Veränderung der Ausgabe-NA als eine Funktion der Reflektorneigung für das Lasersystem aus 4A gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
5 und 6 schematische Diagramme von Teilen von Lasersystemen, die eine stufenummantelte Faser und einstellbare Linsen gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwenden, und
7 ein schematisches Diagramm eines

Detaillierte Beschreibung
1A zeigt eine herkömmliche Doppelmantelfaser 100 mit einem Zentralkern 105, einem inneren Mantel 110, einem ringförmigen Kern 115 und einem äußeren Mantel 120. Der Radius jeder Schicht (Kern oder Mantel) der Faser 100 ist, wie in 1B gezeigt, durch R₁ , R₂ , R₃ oder R₄ dargestellt. In der herkömmlichen Doppelmantelfaser 100 haben die zwei Kerne 105, 115 typischerweise den gleichen höheren Brechungsindex N_H und die zwei Mäntel 110, 120 haben typischerweise den gleichen niedrigeren Brechungsindex N_L , wie dies in 1B gezeigt ist, und, die zwei Kerne 105, 115 haben daher die gleiche NA von $\sqrt{N_{H}^{2} + N_{L}^{2}} (sqrt (N_{H}^{2} - N_{L}^{2})) .$
1A zeigt auch die Übertragung von drei exemplarischen Lichtstrahlen in der Faser 100. Strahl 125 ist in den Zentralkern 105 eingekoppelt, wird durch den Zentralkern 105 begrenzt und tritt aus dem Zentralkern 105 unter dem gleichen Winkel aus, in dem er in den Zentralkern 105 eingetreten ist. Strahl 130 und Strahl 135 werden in den inneren Mantel 110 übertragen, breiten sich innerhalb des gesamten Faserbereichs aus und werden durch den äußeren Mantel 120 begrenzt. Indem die Austrittsfläche (der rechte Rand der Faser 100 in 1A) Bereiche 130 enthält, die zwei unterschiedliche Brechungsindizes haben, weist der in den inneren Mantel (der einen niedrigen Brechungsindex aufweist) eingekoppelte und aus dem Bereich mit niedrigem Brechungsindex an der Austrittsoberfläche austretende Strahl 130 typischerweise einen Austrittswinkel auf, der gleich dem Eingangswinkel ist. Der Strahl 135, der in den inneren Mantel eingekoppelt ist und aus dem Bereich mit höherem Brechungsindex an der Austrittsfläche austritt, wird typischerweise einen Austrittswinkel aufweisen, der größer ist als der Eingangswinkel, wie dies in 1A gezeigt ist.
1C ist ein Bild eines Ausgangsprofils 140, das in einem Abstand von der Austrittsoberfläche der herkömmlichen Doppelmantelfaser 100 beobachtet wird, indem ein Laserstrahl sowohl in den Zentralkern 105 als auch in den inneren Mantel 110 übertragen wird. Wie gezeigt, enthält das Ausgangsprofil 140 zwei Bereiche mit gut getrennter Strahlintensität, einen runden zentralen Bereich 145 und einen äußeren Ringbereich 150. Die Bereiche 145, 150 entsprechen Ansammlungen von zwei Gruppen von Strahlen, die zu zwei Gruppen von Austrittswinkeln aus der Faser 100 gehören, wie dies oben erläutert ist. Die dem Strahl 125 und dem Strahl 130 entsprechenden Strahlen treten in Winkeln aus, die ihren Eingangswinkeln entsprechen, und tragen zu dem zentralen runden Bereich 145 bei, während die dem Strahl 135 entsprechenden Strahlen unter Winkeln austreten, die größer sind als ihre Eingangswinkel und daher den äußeren Ringbereich 150 bilden. In einer ersten Näherung, indem keine NA-Verschlechterungen aufgrund von Faserbiegung und -ungleichförmigkeit berücksichtigt werden, ist die NA des zentralen runden Flächenstrahls typischerweise die gleiche wie die Lasereingangs-NA. Die NA des Außenringstrahls 150, berechnet mit $\sqrt{N A_{F}^{2} + N A_{I N}^{2}} (d .h . sqrt (N A_{F}^{2} + N A_{I N}^{2})),$
ist jedoch wesentlich größer als die Lasereingangs-NA (NA_IN ) und auch größer als die Faser-NA (NA_F ), wobei ${NA}_{F} = \sqrt{N_{H}^{2} + N_{L}^{2}} (d .h . sqrt (NH 2 + NL 2))$
ist.
Der innere Mantel 110 der Doppelmantelfaser 100 ist relativ dünn und nicht zum Einkoppeln von Laserenergie vorgesehen. Für eine herkömmliche Doppelmantelfaser 100 mit einem Kerndurchmesser von 100 µm liegt der Durchmesser des ersten Mantels normalerweise im Bereich von ungefähr 110-120 µm, d.h. einer Schichtdicke von ungefähr 5-10 µm. Die in den inneren Mantel der Faser 100 eintretende Strahlleistung, wie sie durch die Strahlen 130, 135 in 1A dargestellt ist, wird jedoch notwendigerweise auf den äußeren Mantel 120 übertragen und wird typischerweise entweder durch Mode-Stripper, d.h. Moden-Abstreifer, entfernt oder durch die Faser 100 hindurch übertragen, die die Mehrheit des äußeren Ringbereich 150 bildet, der in 1C gezeigt ist. Ersteres kann ein großes Risiko des Ausbrennens der Mode-Stripper und der Faser 100 darstellen, und letzteres kann die Optik stromabwärts der Faser 100 aufgrund der großen NA des äußeren Ringbereichs 150 beschädigen.
Wie in 2A dargestellt, weisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Lasersysteme auf, die stufenummantelte optische Fasern verwenden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist eine stufenummantelte Faser 200 auf, besteht im Wesentlichen oder ausschließlich aus einem Zentralkern 205, einem ersten Mantel 210, einem ringförmigen Kern 215 und einem zweiten Mantel 220. Vorteilhafterweise ermöglichen verschiedene Eigenschaften des ersten Mantels 210 eine BPP-Variation zumindest teilweise basierend auf der in den ersten Mantel 210 eingekoppelten Leistung. 2C zeigt ein beispielhaftes Ausgangsprofil 225 für eine in die stufenummantelte Faser 200 eingekoppelte Laserstrahlenergie. Wie gezeigt, umfasst das Ausgangsprofil 225 einen zentralen runden Bereich 230 und einen äußeren Ringbereich 235, indem er in einem Abstand von der Faser 200 betrachtet wird. Jedoch hat der in 2C gezeigte äußere Ringbereich 235 typischerweise eine viel kleinere NA als der entsprechende Bereich 150, der in 1C dargestellt ist, und daher kann Energie in dem Bereich 235 sicher durch die Optik stromabwärts zu der Faser 200 angenommen werden. Zum Beispiel kann der äußere Ringbereich 235 für einen Eingangslaser NA von 0,1 eine NA von weniger als 0,18, weniger als 0,17, weniger als 0,16 oder sogar weniger als 0,15 aufweisen. Im Gegensatz dazu, kann der entsprechende Bereich 150 eine NA von wenigstens 0,24 für einen Eingangslaser NA von 0,1 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die NA eines beliebigen äußeren Ringbereichs 235 weniger als etwa 180% der NA des Eingangslasers, weniger als etwa 170% der NA des Eingangslasers, weniger als etwa 160% der NA des Eingangslasers oder sogar weniger als ungefähr 150% der NA des Eingangslasers sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen der NA eines beliebigen äußeren Ringbereichs und der NA des Eingangslasers weniger als etwa 0,08, weniger als etwa 0,07, weniger als etwa 0,06 oder sogar weniger als etwa 0,05 betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen der NA irgendeines äußeren Ringbereichs und der NA des Eingangslasers wenigstens ungefähr 0,005 oder sogar wenigstens ungefähr 0,01 betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen der NA irgendeines äußeren Ringbereichs und der NA der stufenummantelten Faser weniger als 0,04, weniger als 0,03, weniger als 0,02 oder weniger als 0,01 betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen der NA irgendeines äußeren Ringbereichs und der NA der stufenummantelten Faser wenigstens 0,001 oder sogar wenigstens 0,005 betragen.
Wie in 2A gezeigt, wird ein Strahl 240, der in den Zentralkern 205 übertragen wird, typischerweise durch den Zentralkern 205 begrenzt. Die in den ersten Mantel 210 übertragenen Strahlen 245, 250 werden im Allgemeinen durch den ersten ringförmigen Kern 215 begrenzt. Der Strahl 240, 245 wird typischerweise in Winkeln austreten, die ihren entsprechenden Eingangswinkeln gleich sind, und wird den in 2C gezeigten zentralen runden Bereich 230 bilden, während der Strahl 250 in einem geringfügig größeren Winkel als sein entsprechender Eingangswinkel austritt und den äußeren Ringbereich 235 bilden wird. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Faser 100 erreichen die in den ersten Mantel 210 emittierten Strahlen im Allgemeinen nicht den äußeren Mantel 220 und stellen daher kein Risiko dar, die Faser 200 oder ihre zugehörigen Optiken zu beschädigen (z.B. auszubrennen). In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die stufenummantelte Faser 200 zum Einkoppeln der gesamten oder eines Teils der Eingangslaserleistung in den ersten Mantel 210 konfiguriert. Eine solche eingekoppelte Leistung wird nicht verloren gehen oder ein Risiko für eine Beschädigung der Faser 200 darstellen, sondern es kann vielmehr ein Hauptbeitrag zur BPP-Variation des Ausgangsstrahls sein.
2B zeigt den Brechungsindex und den Radius jeder Schicht der stufenummantelten Faser 200. Im Gegensatz zu den Brechungsindizes der Faser 100, die in 1B gezeigt sind, hat der Brechungsindex (N_M ) des ersten Mantels 210 der Faser 200 einen Wert zwischen einem hohen Indes N_H (nicht notwendigerweise der hohe Index aus 1B) und einem niedrigen Index N_L (nicht notwendigerweise der niedrige Index aus 1B), so dass der Zentralkern 205 eine kleinere NA aufweist, die durch $\sqrt{N_{H}^{2} - N_{M}^{2}} (d .h . sqrt (N_{H}^{2} - N_{M}^{2}))$
gegeben ist, als die NA des ringförmigen Kerns 215, die durch $\sqrt{N_{H}^{2} - N_{L}^{2}} (d .h . sqrt (N_{H}^{2} - N_{L}^{2}))$
gegeben ist. Während 2B die Brechungsindizes des Zentralkerns 205 und des ringförmigen Kerns 215 als ungefähr gleich zueinander darstellt, kann sich in verschiedenen Ausführungsformen der Brechungsindex des ringförmigen Kerns 215 von dem Brechungsindex des Zentralkerns 205 unterscheiden (d.h. entweder kleiner oder größer sein), und im Allgemeinen bleibt jedoch der Brechungsindex des ringförmigen Kerns 215 größer als der Brechungsindex des ersten Mantels 210.
Für eine gegebene Lasereingangs-NA (NA_IN ) definiert die Differenz zwischen den Brechungsindizes N_H und N_M zumindest teilweise die NA des in 2C gezeigten äußeren Ringstrahls 235, und diese NA ist durch $\sqrt{N_{H}^{2} - N_{L}^{2} + N A_{I N}^{2}} (d .h . sqrt (N_{H}^{2} N_{H}^{2} + N A_{I N}^{2}))$
gegeben. Je kleiner der Indexunterschied zwischen N_H und N_M ist, desto kleiner ist die Außenring-NA. Das Verringern der Indexdifferenz von N_H und N_M wird jedoch typischerweise auch die NA des Zentralkern 205 verringern und kann daher dazu führen, dass mehr Strahlen aus dem Zentralkern 205 entweichen. Obwohl solche Strahlen durch den ringförmigen Kern 215 begrenzt, können Strahlen, die von dem Zentralkern 205 entweichen, den bestmöglichen BPP verschlechtern, d.h. sie können zu einem höheren anfänglichen BPP-Wert für den Ausgangsstrahl führen.
In verschiedenen Ausführungsformen liegt die NA des Zentralkerns 205 der stufenummantelten Faser 200 im Bereich von etwa 0,07 bis etwa 0,17 oder sogar von etwa 0,09 bis etwa 0,14. In verschiedenen Ausführungsformen ist die effektive NA des ersten Mantels 210 größer als ungefähr 0,09 oder sogar größer als ungefähr 0,12. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Brechungsindex des ersten ringförmigen Kerns 215 gleich oder kleiner als der Brechungsindex des Zentralkerns 205.
In verschiedenen Ausführungsformen hat der erste ringförmige Kern den gleichen Brechungsindex wie der erste Mantel, wie dies in den 3A und 3B gezeigt ist, in denen der erste ringförmige Kern aus 2A mit dem ersten Mantel verschmolzen ist. Wie gezeigt, umfasst eine solche stufenummantelte Faser 300 einen Zentralkern 305, einen ersten Mantel 310 und einen zweiten Mantel 315, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht ausschließlich aus diesen. Wie in 3B gezeigt, liegt der Brechungsindex (N_M ) des ersten Mantels 310 zwischen den Brechungsindizes des Zentralkerns (N_H ) und des zweiten Mantels (N_L ). (Es sind nicht alle Brechungsindexwerte notwendigerweise die gleichen wie die in den 1B und 2B dargestellten Werte.) In verschiedenen Ausführungsformen liegt die NA des Zentralkerns 305 der stufenummantelten Faser 300 im Bereich von etwa 0,07 bis etwa 0,17 oder sogar von etwa 0,09 bis etwa 0,14. In verschiedenen Ausführungsformen ist die NA des ersten Mantels 310 der stufenummantelten Faser 300 größer als ungefähr 0,09 oder sogar größer als ungefähr 0,12.
Wie hierin erwähnt, können stufenummantelte Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Wesentlichen die gesamte oder die gesamte Laserleistung in den ersten Mantel eingekoppelt haben. Im Allgemeinen führt mehr Leistung, die in den ersten Mantel eingekoppelt wird, zu einem größeren BPP. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Durchmesserverhältnis des ersten Mantels und des Zentralkerns größer als 1,2, z.B. zwischen 1,2 und 3 oder sogar zwischen 1,3 und 2.
Das maximale BPP, das mit einer stufenummantelten Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung bewirkt werden kann, kann von dem Durchmesser des ersten ringförmigen Kerns (oder dem Durchmesser des ersten Mantels, indem der erste ringförmige Kern nicht vorhanden ist) abhängen. Daher liegt in verschiedenen Ausführungsformen das Durchmesserverhältnis des ersten ringförmigen Kerns (oder des ersten Mantels, indem der erste ringförmige Kern nicht vorhanden ist) und des Zentralkerns im Bereich von ungefähr 1,5 bis ungefähr 6,5 oder sogar von ungefähr 2 bis ungefähr 5.
Strukturell können optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere Schichten mit hohem und/oder niedrigem Brechungsindex über dem zweiten Mantel enthalten (d.h. außerhalb davon), ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verändern. Solche zusätzlichen Schichten können auch als Mäntel und ringförmige Kerne bezeichnet werden, können jedoch kein Licht führen. Solche Varianten liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die verschiedenen Kern- und Mantelschichten der stufenummantelten Fasern im Wesentlichen Glas aufweisen oder daraus bestehen, wie im Wesentlichen reines Quarzglas und/oder Quarzglas, das mit Fluor, Titan, Germanium dotiert ist, und/oder Bor.
Ein beispielhaftes Lasersystem 400 zum Variieren des BPP unter Verwendung einer stufenummantelten Faser 200 gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist in 4 dargestellt. (Solche Systeme können alternativ eine stufenummantelte Faser 300 gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwenden.) Wie gezeigt, umfasst das Lasersystem 400 einen einstellbaren Reflektor 405 (z.B. einen einstellbaren Hub-Kipp-Spiegel), um einen eingehenden Eingangslaserstrahl 410 zu einem optischen Faserkopplungselement 415 (z.B. einer oder mehreren Linsen) umzuleiten, das den Strahl 410 auf die stufenummantelte Faser 200 fokussiert. Wie gezeigt, ist der Bereich der Eingangsfläche der stufenummantelten Faser 200, in den der Strahl 410 eingekoppelt ist, zumindest teilweise durch die Konfiguration (z.B. die Position und/oder den Winkel) des Reflektors 405 definiert. Für die beste Startstrahlqualität (d.h. das kleinste BPP) ist die stufenummantelte Faser 200 typischerweise in dem Brennfleck des optischen Elements 415 angeordnet.
Die Konfiguration des Reflektors 405 kann über eine Steuerung 420 und/oder einen oder mehrere Stellantriebe (nicht gezeigt) gesteuert werden, die funktionell mit dem Reflektor 405 verbunden sind. Somit können der Reflektor 405 und/oder der eine oder die mehreren Stellantriebe durch die Steuerung 420 gesteuert werden. Die Steuerung 420 kann auf eine gewünschte Ziel-Strahlungsleistungsverteilung und/oder das Ziel-BPP oder ein anderes Maß der Strahlqualität reagieren (z.B. durch eine Eingabe eines Benutzers und/oder basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften eines zu bearbeitenden Werkstücks, wie dem Abstand zu dem Werkstück, der Zusammensetzung des Werkstücks, der Topographie des Werkstücks usw.) und zum Winkelreflektor 405 ausgerichtet sein, um zu bewirken, dass der Strahl 410 auf die Eintrittsfläche der stufenummantelten Faser 200 auftrifft, so dass der von der der stufenummantelten Faser 200 ausgesandte Ausgangsstrahl die Ziel-Strahlungsleistungsverteilung und/oder das Ziel-BPP aufweist. Der so erzeugte Ausgangsstrahl kann auf ein Werkstück für eine Bearbeitung wie Glühen, Schneiden, Schweißen, Bohren usw. gerichtet werden. Die Steuerung 420 kann so programmiert sein, dass sie die gewünschte Leistungsverteilung und/oder Ausgangs-BPP und/oder Strahlqualität über eine bestimmte Reflektorneigung erreichen kann, wie dies hierin beschrieben ist.
Die Steuerung 420 kann entweder als Software, Hardware oder einer Kombination daraus bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das System auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Server-Klasse implementiert sein, wie beispielsweise einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie etwa die Prozessoren der Pentium- oder Celeron-Familie, die von der Intel Corporation in Santa Clara, Kalifornien, die 680x0- und POWER-PC-Familie von Prozessoren, die von der Motorola Corporation in Schaumburg, Illinois, und/oder die ATHLON-Reihe von Prozessoren, die von der Advanced Micro Devices, Inc. in Sunnyvale, Kalifornien hergestellt werden. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten in Bezug auf die hierin beschriebenen Verfahren aufweisen. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lesespeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher aufweisen, der auf allgemein verfügbarer Hardware elektrisch umgesetzt ist, wie etwa einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), einem löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einem programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM), programmierbare Logikvorrichtungen (PLD) oder Nur-Lese-Speichervorrichtungen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme unter Verwendung eines externen RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie zum Beispiel optischen Platten, Magnetplatten sowie anderen üblicherweise verwendeten Speichervorrichtungen. Für Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Anzahl von Hochsprachen geschrieben sein, wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C ++, C #, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML. Zusätzlich kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die an den Mikroprozessor adressiert ist, der sich auf einem Zielcomputer befindet. Beispielsweise kann die Software in einer Intel 80x86-Assemblersprache implementiert werden, die für die Ausführung auf einem IBM PC- oder PC-Clone konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Programmelement gespeichert sein, der eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM umfassen kann, ohne darauf beschränkt zu sein.
In den 4B bzw. 4C sind Simulationsergebnisse des ausgegebenen BPP und der NA des Lasersystems 400 dargestellt. In den 4B und 4C hat das optische Element 415 eine Brennweite von 30 mm und die stufenummantelte Faser 200 hat Durchmesser von 100 µm, 160 µm, 360 µm und 400 µm für den Zentralkern, den ersten Mantel, den ersten ringförmigen Kern bzw. den zweiten Mantel. Die NA des Zentralkerns und des ersten ringförmigen Kerns betragen 0,12 bzw. 0,22. Wie in 4B gezeigt, liegt das BPP im Bereich von ungefähr 4 mm-mrad und erreicht ein Maximum bei ungefähr 20 mm-mrad bei einer Reflektorneigung von ungefähr 1,2 mrad. Die BPP-Variation ist ein kombiniertes Ergebnis der Änderung der Ausgangsfleckgröße (D) und der NA-Änderung. Indem die Neigung des Reflektors von seiner anfänglichen Nullposition aus allmählich zunimmt, wird mehr Leistung in den ersten Mantel eingekoppelt, was effektiv die Größe des Ausgangsflecks (D) und die NA und somit das BPP vergrößert. Weitere Erhöhungen der Reflektorneigung (über etwa 1,2 mrad) führen in diesem Beispiel zu einer kleineren NA aufgrund der verminderten Leistung, die in den ersten Mantel eingekoppelt wird. 4C zeigt, dass die Ausgangs-NA auf ihre anfängliche kleinste NA (die bei 0 Reflektorneigung erreicht wird) zurückgeht, indem die Reflektorneigung größer als etwa 2,2 mrad ist, an welchem Punkt die gesamte Leistung in den ersten ringförmigen Kern eingekoppelt wird. Wie aus den 4B und 4C ersichtlich ist, geht die in den ersten Mantel eingekoppelte Leistung nicht verloren, sondern spielt stattdessen eine Hauptrolle bei der BPP-Variation.
Zusätzlich wird das maximale BPP von ungefähr 20 mm-mrad für diese beispielhafte Ausführungsform mit einer stufenummantelten Faser erhalten, bei der der Durchmesser des ersten ringförmigen Kerns 360 µm beträgt. Herkömmliche Techniken würden für den gleichen BPP-Bereich eine Doppelmantelfaser mit einem ersten ringförmigen Kerndurchmesser von 500 µm erfordern, was zu einer fast zweifach niedrigeren Leistungsdichte am Laserbrennpunkt führen würde als in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, erzeugen Ausführungsformen der Erfindung somit vorteilhafterweise ein größeres BPP mit erhöhter NA, was im Allgemeinen für Anwendungen mit großen BPP erwünscht ist (um z.B. eine höhere Leistungsdichte des Ausgangsstrahls zu erzeugen und aufrechtzuerhalten).
5 zeigt ein Lasersystem 500 gemäß Ausführungsformen der Erfindung mit einer stufenummantelten Faser 200. Im Lasersystem 500 steuert die Steuerung 420 direkt das optische Element 415, das in den Richtungen (d.h. x und y, wie in 5 gezeigt) senkrecht zur Eingangsausbreitungsrichtung des Eingangsstrahls 410 (d.h. z, wie in 5 gezeigt) verstellbar (d.h. verschiebbar) ist. Die Steuerung 420 kann zum Beispiel ein Linsenmanipulationssystem steuern (z.B. eine oder mehrere motorisierte Stufen oder Stellantriebe, die in zwei oder drei Dimensionen bewegbar sind), um die Bewegungen des optischen Elements 415 zu steuern und dadurch die Einkoppelstelle des Eingangsstrahls 410 an der Eingangsfläche der stufenummantelten Faser 200 (und somit das BPP des Ausgangsstrahls, der aus der stufenummantelten Faser 200 austritt) einzustellen. Wie bei dem Lasersystem 400 führen die relativen Mengen des Eingangsstrahls 400, der in die verschiedenen Bereiche der stufenummantelten Faser 200 eingekoppelt ist, zu einem steuerbar variierbaren BPP und/oder einer steuerbar variierbaren NA des Ausgangsstrahls. 6 zeigt ein ähnliches Lasersystem 600, bei dem das optische Element 415 in der Richtung parallel zu der Eingangsausbreitungsrichtung des Eingangsstrahls 410 (d.h. z, wie in 6 gezeigt) über z.B. eine oder mehrere motorisierte Stufen oder Stellantriebe einstellbar ist. Die Verschiebung des optischen Elements 415 in Bezug auf die stufenummantelte Faser 200 ändert die Menge des Strahls, der sich zu den verschiedenen Bereichen der stufenummantelten Faser 200 ausbreitet und dort eingekoppelt wird. Wie bei dem Lasersystem 400, können die Lasersysteme 500, 600 zusätzlich zu oder anstelle der stufenummantelten Faser 200 mit der stufenummantelten Faser 300 verwendet werden. Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung können auch die Verschiebung des optischen Elements 415 (wie in den 5 und 6) mit einer Verstellung des Reflektors 405 (wie in 4) kombinieren, um das BPP und/oder die NA des von der stufenummantelten Faser ausgegebenen Strahls steuerbar einzustellen.
Die Lasersysteme 400, 500, 600 können verwendet werden, um das BPP und/oder die NA eines Laserstrahls in kontinuierlicher Weise zu ändern, ohne den Eingangslaserstrahl runterfahren (d.h. auszuschalten) zu müssen, indem der Strahl über die Eingangsfläche der stufenummantelten Faser gewobbelt wird, so dass verschiedene Teile des Strahls in verschiedene Bereiche der Faser eingekoppelt werden. Indem die stufenummantelten Fasern 200, 300 so konfiguriert sind, dass die Strahlenergie, die sich zu einem Mantelbereich (z.B. des ersten Mantels) ausbreitet, begrenzt ist und nicht zu einer Beschädigung der damit verbundenen Faser oder Optik (z.B. optischer Elemente) führt, muss der Eingangsstrahl nicht abgeschaltet werden, indem dieser oder ein Teil davon auf den Mantel / die Mäntel der stufenummantelten Faser auftrifft.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch Systeme und Techniken das BPP-Variation verwenden, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 14/632,283, eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 14/747,073, eingereicht am 23. Juni 2015, der am 14. September 2015 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 14/852,939 und der am 21. Juni 2016 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 15/188,076 beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Lasersysteme und Strahlenführungssysteme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wie sie hierin detailliert beschrieben sind, können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Mehrfachwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als Eingangsstrahlen für Laserstrahlzuführsysteme zur Variation des BPP verwendet werden, wie dies hierin detailliert beschrieben ist. 7 zeigt ein beispielhaftes WBC-Lasersystem 700, das einen oder mehrere Laser 705 verwendet. In dem Beispiel aus 7 enthält der Laser 705 eine Diodenleiste mit vier Strahlemittern, die Strahlen 710 emittieren (siehe die vergrößerte Eingangsvorderansicht 715), wobei aber Ausführungsformen der Erfindung Diodenleisten, die eine beliebige Anzahl von einzelnen Strahlen emittieren, oder zweidimensionale Arrays oder Stapel von Dioden oder Diodenleisten verwenden können. In der Ansicht 715 ist jeder Strahl 710 durch eine Linie angedeutet, wobei die Länge oder Längenabmessung der Linie die langsam divergierende Abmessung des Strahls darstellt und die Höhe oder kürzere Abmessung die schnell divergierende Abmessung darstellt. Es kann eine Kollimationsoptik 720 verwendet werden, um jeden Strahl 710 entlang der schnellen Abmessung zu kollimieren. Es können eine oder mehrere Transformationsoptiken 725 verwendet werden, die eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen und/oder Spiegel aufweisen, im Wesentlichen daraus oder ausschließlich daraus bestehen können, um jeden Strahl 710 entlang einer WBC-Richtung 730 zu kombinieren. Die Transformationsoptik 725 überlappt dann den kombinierten Strahl auf das streuende Element 735 (das ein reflektierendes oder lichtdurchlässiges Beugungsgitter, ein streuendes Prisma, ein Gitter (Prisma/Gitter), ein lichtdurchlässiges Gitter oder ein Echelle-Gitter aufweisen oder daraus bestehen kann), und der kombinierte Strahl wird dann als einzelnes Ausgangsprofil an einen Ausgangskoppler 740 übertragen. Der Ausgangskoppler 740 überträgt dann die kombinierten Strahlen 745, wie dies in der Ausgangsvorderansicht 750 gezeigt ist. Der Ausgangskoppler 740 ist typischerweise teilweise reflektierend und wirkt als eine gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem externen Hohlraumsystem 700. Ein externer Hohlraum ist ein Laser-System, bei dem der sekundäre Spiegel in einem Abstand von der Emissionsöffnung oder -fläche jedes Laseremitters versetzt angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen sind zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsöffnung oder -fläche und dem Ausgangskoppler oder der teilweise reflektierenden Oberfläche angeordnet. Somit ist der Ausgangsstrahl 745 ein Mehrfachwellenlängenstrahl (der die Wellenlängen der einzelnen Strahlen 710 kombiniert) und kann als der Eingangsstrahl in den hier beschriebenen Lasersystemen verwendet werden und/oder kann in eine stufenummantelte optische Faser eingekoppelt werden, wie dies hierin beschrieben ist.
Die Begriffe und Ausdrücke, die hier verwendet werden, werden als Begriffe der Beschreibung und nicht der Einschränkung verwendet, und es besteht keine Absicht, bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, sondern es ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62318959 [0001]
US 6192062 [0009]
US 6208679 [0009]
US 8670180 [0009]
US 8559107 [0009]
US 15/188076 [0039]

Claims

Lasersystem, aufweisend: eine Strahlquelle zur Emission eines Eingangslaserstrahls, eine stufenummantelte optische Faser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, das sich gegenüber dem Eingangsende befindet, wobei die stufenummantelte optische Faser (i) einen Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) den Zentralkern umgebend, einen den Zentralkern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex aufweist, wobei (i) der erste Brechungsindex größer ist als der vierte Brechungsindex, (ii) der dritte Brechungsindex größer ist als der vierte Brechungsindex und (iii) der zweite Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex und größer ist als der vierte Brechungsindex, einen Einkopplungsmechanismus zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Ausrichten des Eingangslaserstrahls auf das Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser, wodurch der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als ein Ausgangsstrahl emittiert wird, und eine Steuerung zum Steuern des Einkopplungsmechanismus, um den Eingangslaserstrahl auf eine oder mehrere Einkoppelstellen auf dem Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser zu richten, wobei wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der Einkopplungsmechanismus ein optisches Element zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls in Richtung des Eingangsendes der stufenummantelten optischen Faser aufweist, wobei das optische Element in Reaktion auf die Steuerung zumindest entlang von einem aus (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls ist, oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls sind, des Steuerelements bewegbar ist.
Lasersystem nach Anspruch 2, wobei der Einkopplungsmechanismus einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls hin zu der stufenummantelten optischen Faser aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 2, wobei das optische Element eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der Einkopplungsmechanismus einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls hin zu der stufenummantelten optischen Faser aufweist, wobei der Reflektor in Reaktion auf die Steuerung drehbar ist.
Lasersystem nach Anspruch 5, wobei der Einkopplungsmechanismus ein optisches Element zum Empfangen des Eingangslaserstrahls von dem Reflektor und zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls hin zu der stufenummantelten optischen Faser aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 6, wobei das optische Element in Reaktion auf die Steuerung entlang von wenigstens einer aus (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls ist, oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht sind zu der Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls, bewegbar ist.
Lasersystem nach Anspruch 6, wobei das optische Element eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Strahlquelle auf die Steuerung reagiert, und die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den Eingangslaserstrahl auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen richtet, ohne eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren, indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, den Eingangslaserstrahl auf wenigstens eine Einkoppelstelle zu richten, die sich mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappt, wodurch eine in den ersten Mantel eingebrachte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Brechungsindex kleiner als der dritte Brechungsindex ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Brechungsindex ungefähr gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der dritte Brechungsindex kleiner als der erste Brechungsindex ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der dritte Brechungsindex größer als der erste Brechungsindex ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Strahlquelle aufweist: ein oder mehrere Strahlemitter, die eine Mehrzahl von diskreten Strahlen emittieren, eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein streuendes Element, ein streuendes Element zum Empfangen und Streuen der empfangenen fokussierten Strahlen, und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der positioniert ist, um die gestreuten Strahlen zu empfangen, einen Teil der gestreuten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.
Lasersystem nach Anspruch 15, wobei das streuende Element ein Beugungsgitter aufweist.
Verfahren zum Einstellen eines Strahlparameterprodukts oder einer numerischen Apertur eines Laserstrahls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer stufenummantelten optischen Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die stufenummantelte optische Faser (i) einen Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den Zentralkern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex aufweist, wobei (i) der erste Brechungsindex größer ist als der vierte Brechungsindex, (ii) der dritte Brechungsindex größer ist als der vierte Brechungsindex und (iii) der zweite Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex und größer ist als der vierte Brechungsindex, und Ausrichten eines Eingangslaserstrahls auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser, wobei (i) der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert wird, und (ii) wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Eingangslaserstrahl auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls nicht moduliert wird, indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei wenigstens eine der Einkoppelstellen den ersten Mantel zumindest teilweise überlappt, wodurch in die erste Mantel eingekoppelte Strahlenergie wenigstens einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der zweite Brechungsindex kleiner als der dritte Brechungsindex ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der zweite Brechungsindex ungefähr gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der dritte Brechungsindex kleiner als der erste Brechungsindex ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der dritte Brechungsindex größer als der erste Brechungsindex ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Eingangslaserstrahl von einer Strahlquelle emittiert wird, die aufweist: ein oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein streuendes Element, ein streuendes Element zum Empfangen und Streuen der empfangenen fokussierten Strahlen, und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der positioniert ist, um die gestreuten Strahlen zu empfangen, einen Teil der gestreuten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das streuende Element ein Beugungsgitter umfasst.
Verfahren zum Einstellen eines Strahlparameterprodukts oder einer numerischen Apertur eines Laserstrahls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer stufenummantelten optischen Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die stufenummantelte optische Faser (i) einen Zentralkern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den Zentralkern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex aufweist, wobei (i) der dritte Brechungsindex größer ist als der vierte Brechungsindex und (ii) der dritte Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex, und Ausrichten eines Eingangslaserstrahls auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der stufenummantelten optischen Faser, wobei (i) der Eingangslaserstrahl in die stufenummantelte optische Faser eingekoppelt und von dem Ausgangsende der stufenummantelten optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert wird, und (ii) wenigstens eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt wird, wobei sich wenigstens eine der Einkoppelstellen mit dem ersten Mantel zumindest teilweise überlappt, wodurch die in den ersten Mantel eingekoppelte Strahlenergie wenigstens einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Eingangslaserstrahl auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls nicht moduliert wird, indem der Eingangslaserstrahl zwischen die unterschiedlichen Einkoppelstellen gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Eingangslaserstrahl von einer Strahlquelle emittiert wird, die aufweist: ein oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein streuendes Element, ein streuendes Element zum Empfangen und Streuen der empfangenen fokussierten Strahlen, und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der positioniert ist, um die gestreuten Strahlen zu empfangen, einen Teil der gestreuten Strahlen durch diesen hindurch als den Eingangslaserstrahl durchzulassen und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück zu dem streuenden Element zu reflektieren, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das streuende Element ein Beugungsgitter aufweist.