DE112019004246T5

DE112019004246T5 - Optische faserstrukturen und verfahren zur strahlformung

Info

Publication number: DE112019004246T5
Application number: DE112019004246.7T
Authority: DE
Inventors: Wang-Long Zhou; Francisco Villarreal-Saucedo
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US12066673B2; US20220365298A1; JP2022507217A; US20200147720A1; WO2020101970A1; JP7329805B2; CN112969943B; CN112969943A; US11435538B2

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen haben optische Fasern Anordnungen von Kern-, Ringkern- und Mantelbereichen, die eine Variation der Strahlform und/oder des Strahlparameterprodukts ermöglichen und für die Bearbeitung (z. B. Schweißen, Schneiden, Bohren usw.) verschiedener Werkstücke verwendet werden können.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/758,731 , eingereicht am 12. November 2018, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Technischer Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme und optische Fasern, insbesondere auf Lasersysteme und optische Fasern mit steuerbaren Strahlprofilen, z. B. variablen Strahlparameterprodukten.
Hintergrund
Hochleistungs-Lasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren und zur Materialbearbeitung. Solche Lasersysteme umfassen typischerweise einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist in der Regel so ausgelegt, dass es den hochwertigsten Laserstrahl erzeugt, oder, äquivalent, den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt („beam parameter product“, BPP). Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d.h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Das heißt, BPP = NA×D/2, wobei D der Durchmesser des Fokussierpunkts (der Strahltaille) und NA die numerische Apertur ist; somit kann der BPP durch Variation von NA und/oder D variiert werden. Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird üblicherweise in Einheiten von Millimeter-Millirad (mm-mrad) angegeben. Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gauß-Strahls bei der gleichen Wellenlänge wird mit M² bezeichnet, was ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist.
Bei vielen Laserbearbeitungsanwendungen können die gewünschte Strahlfleckgröße, Divergenz und Strahlqualität variieren, z. B. abhängig von der Art der Bearbeitung und/oder der Art des zu bearbeitenden Materials. Dies gilt insbesondere für Industrielaser in der Materialbearbeitung. Beispielsweise kann ein niedrigerer BPP-Wert, d. h. eine bessere Strahlqualität, zum Schneiden eines dünnen Metalls bevorzugt werden, während ein größerer BPP-Wert (d. h. eine schlechtere Strahlqualität) zum Schneiden durch dickere Metalle bevorzugt werden kann. Um solche Änderungen am BPP des Lasersystems vorzunehmen, muss häufig die Ausgangsoptik oder die optische Faser gegen andere Komponenten ausgetauscht und/oder neu ausgerichtet werden, ein zeitaufwändiger und teurer Prozess, der sogar zu einer unbeabsichtigten Beschädigung der empfindlichen optischen Komponenten des Lasersystems führen kann. Daher besteht ein Bedarf an alternativen Techniken zur Variation des BPP eines Lasersystems, die keine derartigen Anpassungen des Laserstrahls oder des optischen Systems am Ausgang der optischen Faser erfordern.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Lasersysteme und optische Fasern bereit, die eine Variation des BPP und/oder der Form eines Ausgangslaserstrahls ermöglichen, während optische Leistungsverluste minimiert oder im Wesentlichen eliminiert werden. Ausführungsformen der Erfindung stellen optische Fasern mit komplexen Konfigurationen von Kern- und Mantelbereichen sowie Systeme zur Verfügung, die solche Fasern verwenden, um Laserenergie zu liefern, z. B. an ein Werkstück zu dessen Bearbeitung. Beispielhafte optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung weisen einen ringförmigen Kernbereich auf, der (i) einen Teilbereich mit abgestuftem Brechungsindex, (ii) Teilbereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes in einem Stufenprofil oder (iii) eine Sperrschicht mit niedrigem Brechungsindex enthält. Optische Fasern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können daher verwendet werden, um Ausgangsstrahlen mit einer Vielzahl von BPPs und/oder Strahlformen zu bilden, die mit herkömmlichen optischen Fasern unerreichbar sind.
Strukturell können optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere Schichten mit hohem und/oder niedrigem Brechungsindex jenseits (d. h. außerhalb) des Außenmantels enthalten, ohne die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verändern. Solche zusätzlichen Schichten können auch als Verkleidungen, Beschichtungen oder ringförmige Kerne bezeichnet werden, dürfen aber kein Licht führen. Solche Varianten liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Die verschiedenen Kern- und Mantelschichten von Fasern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können Glas, wie z. B. im Wesentlichen reines Quarzglas und/oder mit Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor dotiertes Quarzglas, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Erzielung eines gewünschten Brechungsindex für eine bestimmte Schicht oder einen bestimmten Bereich einer optischen Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann (durch Techniken wie Dotierung) von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente durchgeführt werden. Optische Fasern, die hierin beschrieben werden, können optische Multimode-Fasern sein.
Der Begriff „optische Elemente“ kann sich auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, beugen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben. Strahlenemitter, Emitter oder Laser oder Laser umfassen jede elektromagnetische strahlenerzeugende Vorrichtung, wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, wobei diese selbstresonierend sein können oder auch nicht. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser, etc. Im Allgemeinen enthält jeder Emitter eine rückseitige Reflexionsfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere Reflexionsfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter, wie z. B. einen Diodenbalken, der so konfiguriert ist, dass er mehrere Strahlen emittiert, umfassen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Die in den vorliegenden Ausführungsformen empfangenen Eingangsstrahlen können Einzelwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein, die mit verschiedenen in der Technik bekannten Techniken kombiniert werden. Die Ausgangsstrahlen, die in Ausführungsformen der Erfindung erzeugt werden, können Einzelwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein.
Ausführungsformen der Erfindung können mit Wellenlängen-Strahl-Kombination (WBC) Systeme, die eine Vielzahl von Emittern, wie eine oder mehrere Diodenbarren, die mit einem dispersiven Element kombiniert werden, um eine Multi-Wellenlängen-Strahl zu bilden umfassen verwendet werden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679 , eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180 , eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011, detailliert beschrieben, wobei die gesamte Offenbarung jedes dieser Patente durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systeme können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für, z. B., BPP-Steuerung verwendet werden.
Ausgangsstrahlen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können verwendet werden, um ein Werkstück so zu bearbeiten, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder so, dass ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Techniken, die lediglich eine Oberfläche mit Licht abtasten (z. B. Reflektivitätsmessungen) und mit optischen Strahlen, die zur Datenübertragung verwendet werden. Beispielhafte Prozesse gemäß den Ausführungsformen der Erfindung umfassen Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. So können die hierin beschriebenen optischen Fasern an ihren Ausgangsenden einen Laserkopf aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er den Ausgangsstrahl der Faser auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert. Der Laserkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Ausgangsstrahls und/oder zur Steuerung der Polarisation und/oder der Trajektorie des Strahls enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserkopf kann so positioniert werden, dass er den Ausgangsstrahl in Richtung eines Werkstücks und/oder in Richtung einer Plattform oder eines positionierbaren Portals, auf dem das Werkstück angeordnet sein kann, aussendet.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können Werkstücke auch an einem oder mehreren Punkten oder entlang einer eindimensionalen linearen oder gekrümmten Bearbeitungsbahn bearbeiten, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit der Strahlung des Laserstrahls zu überfluten. Im Allgemeinen können Bearbeitungspfade kurvenförmig oder linear sein, und „lineare“ Bearbeitungspfade können eine oder mehrere Richtungsänderungen aufweisen, d. h., lineare Bearbeitungspfade können aus zwei oder mehr im Wesentlichen geraden Segmenten bestehen, die nicht unbedingt parallel zueinander sind. In ähnlicher Weise können „krummlinige“ Pfade aus mehreren krummlinigen Segmenten mit Richtungsänderungen dazwischen bestehen. Andere Verarbeitungspfade gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfassen segmentierte Pfade, bei denen jedes Segment linear oder krummlinig ist und eine Richtungsänderung zwischen zwei beliebigen Segmenten vorhanden sein kann.
Ausführungsformen der Erfindung können die Strahlform und/oder den BPP variieren, um die Leistung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Arten von zu bearbeitenden Materialien zu verbessern oder zu optimieren. Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene zusätzliche Techniken zum Variieren von BPP und/oder der Form von Laserstrahlen verwenden, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/747,073 , eingereicht am 23. Juni 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/852,939 , eingereicht am 14. September 2015, US-Patentanmeldung Nr. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und US-Patentanmeldung Nr. 15/649,841 , eingereicht am 14. Juli 2017, deren Offenbarung hier jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Gradientenstufen-ummantelte optische Faser (auch Gradientensufenförmig ummantelte optische Faser, oder mit Gradientenstufen ummantelte optische Faser, oder Gradientenstufenmantel-Lichtleitfaser) auf, die einen zentralen Kern, eine erste Ummantelung (auch Mantel oder Umhüllung genannt), der den zentralen Kern umgibt, einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite Ummantelung, die den ringförmigen Kern umgibt, umfasst. Der zentrale Kern hat einen ersten Brechungsindex. Die erste Ummantelung hat einen zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die zweite Ummantelung hat einen dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex. Der ringförmige Kern enthält einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich. Der erste Bereich hat einen vierten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex. Der Brechungsindex des zweiten Bereichs variiert zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als oder gleich dem vierten Brechungsindex ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer als oder gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Die Änderung des Brechungsindexes des zweiten Bereichs kann linear, nichtlinear, parabolisch, polynomisch oder stufenförmig sein. Der vierte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der vierte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der zweite Brechungsindex kann größer sein als der dritte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der dritte Brechungsindex sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann gleich der Dicke des zweiten Bereichs sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des ersten Bereichs kann größer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der vierte Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem vierten Brechungsindex sein. Der sechste Brechungsindex kann größer sein als der zweite Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann gleich dem zweiten Brechungsindex sein.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Gradientenstufen-ummantelte optische Faser (auch Gradientensufenförmig ummantelte optische Faser, oder mit Gradientenstufen ummantelte optische Faser, oder Gradientenstufenmantel-Lichtleitfaser) auf, die einen zentralen Kern, einen ringförmigen Kern, der den zentralen Kern umgibt, und eine erste Ummantelung, die den ringförmigen Kern umgibt, umfasst. Der zentrale Kern hat einen ersten Brechungsindex. Die erste Ummantelung hat einen zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex. Der ringförmige Kern enthält einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich. Der erste Bereich hat einen dritten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex. Der Brechungsindex des zweiten Bereichs variiert zwischen (i) einem vierten Brechungsindex kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex und (ii) einem fünften Brechungsindex kleiner als der vierte Brechungsindex.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Die Änderung des Brechungsindexes des zweiten Bereichs kann linear, nichtlinear, parabolisch, polynomisch oder stufenförmig sein. Der dritte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem zweiten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der zweite Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der zweite Brechungsindex. Die Dicke des ersten Bereichs kann gleich der Dicke des zweiten Bereichs sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des ersten Bereichs kann größer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Der vierte Brechungsindex kann kleiner als der dritte Brechungsindex sein. Der vierte Brechungsindex kann gleich dem dritten Brechungsindex sein.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine mehrstufig ummantelte optische Faser auf, die einen zentralen Kern, eine erste Ummantelung, die den zentralen Kern umgibt, einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite Ummantelung, die den ringförmigen Kern umgibt, umfasst. Der zentrale Kern hat einen ersten Brechungsindex. Die erste Ummantelung hat einen zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die zweite Ummantelung hat einen dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex. Der ringförmige Kern enthält einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich. Der erste Bereich hat einen vierten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex. Der zweite Bereich weist einen fünften Brechungsindex auf, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Brechungsindex kann gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der zweite Brechungsindex kann größer sein als der dritte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner sein als der dritte Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der vierte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Die Dicke des ersten Bereichs kann gleich der Dicke des zweiten Bereichs sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann kleiner sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des ersten Bereichs kann größer sein als die Dicke des zweiten Bereichs.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Barrierestufen-ummantelte optische Faser auf, die einen zentralen Kern, eine erste Ummantelung, die den zentralen Kern umgibt, einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite Ummantelung, die den ringförmigen Kern umgibt, umfasst. Der zentrale Kern hat einen ersten Brechungsindex. Die erste Ummantelung hat einen zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die zweite Ummantelung hat einen dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex. Der ringförmige Kern enthält (besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus) einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Der erste Bereich hat einen vierten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex. Der zweite Bereich hat einen fünften Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex. Der dritte Bereich hat einen sechsten Brechungsindex, der kleiner ist als der vierte und fünfte Brechungsindex.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Der ringförmige Kern kann einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex, und einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und vierten Bereich angeordnet ist, mit einem achten Brechungsindex, der kleiner ist als der fünfte und siebte Brechungsindex, umfassen. Der siebte Brechungsindex kann gleich dem vierten Brechungsindex und/oder dem fünften Brechungsindex sein. Der siebte Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex und/oder der fünfte Brechungsindex. Der siebte Brechungsindex kann kleiner sein als der vierte Brechungsindex und/oder der fünfte Brechungsindex. Der achte Brechungsindex kann gleich dem sechsten Brechungsindex sein. Der achte Brechungsindex kann größer sein als der sechste Brechungsindex. Der achte Brechungsindex kann kleiner sein als der sechste Brechungsindex. Die Dicke des fünften Bereichs kann gleich der Dicke des dritten Bereichs sein. Die Dicke des fünften Bereichs kann kleiner sein als die Dicke des dritten Bereichs. Die Dicke des fünften Bereichs kann größer sein als die Dicke des dritten Bereichs.
Der vierte Brechungsindex kann gleich dem fünften Brechungsindex sein. Der vierte Brechungsindex kann größer sein als der fünfte Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann kleiner sein als der fünfte Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der vierte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der vierte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann gleich dem zweiten Brechungsindex sein. Der sechste Brechungsindex kann größer sein als der zweite Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann kleiner sein als der zweite Brechungsindex. Die Dicke des ersten Bereichs kann gleich der Dicke des zweiten Bereichs sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des ersten Bereichs kann größer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des dritten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des ersten Bereichs und/oder eine Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des dritten Bereichs kann gleich der Dicke der ersten Ummantelung sein. Die Dicke des dritten Bereichs kann geringer sein als die Dicke der ersten Ummantelung. Die Dicke des dritten Bereichs kann größer sein als die Dicke der ersten Ummantelung.
In noch einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung eine Barrierestufen-ummantelte optische Faser, die umfasst, im Wesentlichen besteht aus, oder besteht aus einem zentralen Kern, einer erste Ummantelung, die den zentralen Kern, einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite Ummantelung, die den ringförmigen Kern umgibt. Der Brechungsindex des zentralen Kerns ist gleich einem ersten Brechungsindex an einem zentralen Abschnitt des zentralen Kerns. Der Brechungsindex des zentralen Kerns nimmt über mindestens einen Teil des Radius oder der Dicke des zentralen Kerns auf einen zweiten Brechungsindex ab, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die erste Ummantelung hat einen dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist. Die zweite Ummantelung hat einen vierten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex. Der ringförmige Kern umfasst einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen Bereich oder besteht aus einem solchen Bereich. Der erste Bereich hat einen fünften Brechungsindex, der größer ist als der dritte Brechungsindex. Der zweite Bereich hat einen sechsten Brechungsindex, der größer ist als der dritte Brechungsindex. Der dritte Bereich hat einen siebten Brechungsindex, der kleiner ist als der fünfte und sechste Brechungsindex.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der zweite Brechungsindex kann gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der zweite Brechungsindex kann größer sein als der dritte Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem sechsten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der sechste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der sechste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann gleich dem zweiten Brechungsindex sein. Der fünfte Brechungsindex kann größer sein als der zweite Brechungsindex. Der fünfte Brechungsindex kann kleiner sein als der zweite Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann gleich dem ersten Brechungsindex sein. Der sechste Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann kleiner sein als der erste Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann gleich dem zweiten Brechungsindex sein. Der sechste Brechungsindex kann größer sein als der zweite Brechungsindex. Der sechste Brechungsindex kann kleiner sein als der zweite Brechungsindex. Der siebte Brechungsindex kann gleich dem dritten Brechungsindex sein. Der siebte Brechungsindex kann größer sein als der dritte Brechungsindex. Der siebte Brechungsindex kann kleiner sein als der dritte Brechungsindex. Die Dicke des ersten Bereichs kann gleich der Dicke des zweiten Bereichs sein. Die Dicke des ersten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des ersten Bereichs kann größer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des dritten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des ersten Bereichs. Die Dicke des dritten Bereichs kann geringer sein als die Dicke des zweiten Bereichs. Die Dicke des dritten Bereichs kann gleich der Dicke der ersten Ummantelung sein. Die Dicke des dritten Bereichs kann geringer sein als die Dicke der ersten Ummantelung. Die Dicke des dritten Bereichs kann größer sein als die Dicke der ersten Ummantelung.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle zur Emission eines Eingangslaserstrahls, eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, einen Einkopplungsmechanismus und einen Controller (auch Steureinheit oder Steuerung) enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die optische Faser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer der oben oder hierin beschriebenen optischen Fasern. Der Einkoppelmechanismus empfängt den Eingangslaserstrahl und lenkt den Eingangslaserstrahl auf das Eingangsende der optischen Faser. Der Eingangslaserstrahl wird in die optische Faser eingekoppelt und vom Ausgangsende der optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert. Der Controller steuert den Einkoppelmechanismus relativ zur optischen Faser, um den Eingangslaserstrahl auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser zu richten. Das Strahlparameterprodukt und/oder die numerische Apertur und/oder die Strahlform des Ausgangsstrahls wird zumindest teilweise durch die eine oder die mehreren Einkoppelstellen bestimmt.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Einkoppelmechanismus kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung des Eingangslaserstrahls in Richtung des Eingangsendes der optischen Faser umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das/die optische(n) Element(e) kann/können als Reaktion auf die Steuerung entlang (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verläuft, und/oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verlaufen, beweglich sein. Der Einkopplungsmechanismus kann einen Lenkungsmechanismus zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Lenken des Eingangslaserstrahls in Richtung der optischen Faser umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Lenkungsmechanismus kann einen oder mehrere Reflektoren enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Das optische Element kann eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Der Einkopplungsmechanismus kann einen Reflektor zum Empfang des Eingangslaserstrahls und zur Reflexion des Eingangslaserstrahls in Richtung der optischen Faser umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. Der Reflektor kann in Abhängigkeit von der Steuerung drehbar (d. h. kippbar) sein. Der Einkoppelmechanismus kann ein optisches Element zum Empfangen des Eingangslaserstrahls vom Reflektor und zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der optischen Faser enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das optische Element kann in Reaktion auf die Steuerung entlang (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verläuft, und/oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verlaufen, beweglich sein. Das optische Element kann eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Die Strahlquelle kann auf die Steuerung ansprechen. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er den Eingangslaserstrahl auf eine Vielzahl von verschiedenen Einkoppelstellen lenkt, ohne eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren, wenn der Eingangslaserstrahl zwischen den verschiedenen Einkoppelstellen gelenkt wird. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er den Eingangslaserstrahl auf mindestens eine Einkoppelstelle lenkt, die zumindest teilweise (oder vollständig) die erste Ummantelung überlappt. Die in die erste Ummantelung eingekoppelte Strahlungsenergie kann zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bilden. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er den Eingangslaserstrahl auf mindestens eine Einkoppelstelle richtet, die den ersten Bereich und/oder den zweiten Bereich zumindest teilweise (oder vollständig) überlappt. Die dort eingekoppelte Strahlenergie kann zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bilden. Ein Laserkopf kann mit dem Ausgangsende der optischen Faser gekoppelt sein. Der Laserkopf kann den Ausgangsstrahl auf ein Werkstück richten, um dieses zu bearbeiten. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er den Eingangslaserstrahl auf die eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende des Lichtwellenleiters richtet, basierend auf (i) einer Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) einem Bearbeitungsweg, entlang dessen das Werkstück bearbeitet werden soll. Die Art der Bearbeitung kann aus der Liste ausgewählt werden, die aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten besteht. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topographie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Controller kann so konfiguriert sein, dass er den Eingangslaserstrahl auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf die eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser richtet. Die Strahlquelle kann (i) einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, (ii) eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durch ihn hindurchleitet und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element (und z. B, von dort zu dem einen oder den mehreren Strahlemittern, um deren Emissionswellenlängen zu stabilisieren). Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl auf. Es wird eine optische Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende bereitgestellt. Die optische Faser umfasst, besteht im Wesentlichen aus, oder besteht aus einer der optischen Fasern jede der optischen Fasern oben oder hierin beschrieben. Ein Werkstück ist in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser angeordnet. Ein Strahlparameterprodukt, eine numerische Apertur und/oder eine Strahlform wird für die Bearbeitung des Werkstücks bestimmt, zumindest teilweise basierend auf (i) einer Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) einem Bearbeitungsweg, entlang dessen das Werkstück bearbeitet werden soll. Ein Laserstrahl wird auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser gerichtet, um das Strahlparameterprodukt, die numerische Apertur und/oder die Strahlform des vom Ausgangsende der optischen Faser emittierten Laserstrahls auszuwählen. Das Werkstück wird mit dem vom ausgangsseitigen Ende des Lichtwellenleiters emittierten Laserstrahl bearbeitet.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination umfassen. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils der Oberfläche des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird. Die Bearbeitung des Werkstücks kann das Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Strahlparameterprodukt, die numerische Apertur und/oder die Strahlform kann zumindest teilweise auf der Grundlage einer Eigenschaft des Werkstücks bestimmt werden. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topografie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Strahlparameterprodukt, die numerische Apertur und/oder die Strahlform können zumindest teilweise auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungsweg bestimmt werden. Mindestens eine Einkoppelstelle kann die erste Ummantelung zumindest teilweise überlappen. Die in die erste Ummantelung eingekoppelte Strahlenergie kann zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bilden. Mindestens eine Einkoppelstelle kann den ersten Bereich und/oder den zweiten Bereich zumindest teilweise überlappen. Die dort eingekoppelte Strahlungsenergie kann mindestens einen Teil des Ausgangsstrahls bilden. Das Richten des Laserstrahls auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser kann (i) das Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren und/oder (ii) das Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die eine oder mehreren Einkoppelstellen können eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus ihnen bestehen. Während der Bearbeitung des Werkstücks kann das Strahlparameterprodukt, die numerische Apertur und/oder die Strahlform des Laserstrahls verändert werden, indem der Laserstrahl auf eine oder mehrere zweite Einkoppelstellen gerichtet wird, die sich von den einen oder mehreren Einkoppelstellen unterscheiden. Der Laserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden, der (i) einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, (ii) eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durch ihn hindurchleitet und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück auf das dispersive Element (und z. B.g., von dort zum Strahlemitter, um dessen Emissionswellenlängen zu stabilisieren). Der Laserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Diese und andere Objekte, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der hier offengelegten vorliegenden Erfindung, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Figuren und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ±10%, und in einigen Ausführungsformen, ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Nichtsdestotrotz können solche anderen Materialien gemeinsam oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ werden hier austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Position eines zweiten Elements zu bezeichnen, 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. Der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten ist der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht zwangsläufig gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf dem Weg von einer der Komponenten zur anderen erfährt. Die hier verwendeten Abstände können als „optische Abstände“ betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
Figurenliste
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Figuren nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen:

1A ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer herkömmlichen doppelwandigen optischen Faser;
1B ist ein schematischer Querschnitt der optischen Faser aus 1A;
2 ist eine schematische Darstellung der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer herkömmlichen stufenförmig ummantelten optischen Faser;
3 ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
4 ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
5A ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
5B ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
6 ist eine schematische Darstellung von Teilen eines Lasersystems, das eine optische Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet;
7A ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Eingangsstrahls für eine Simulation zur Demonstration der Auswirkungen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung;
7B ist eine Tabelle mit beispielhaften Faserparametern für die Simulation unter Verwendung des Eingangsstrahls aus 7A;
8 ist ein Diagramm des simulierten Strahlparameterprodukts als Funktion der Reflektorkippung für die Simulation unter Verwendung der Eingangsstrahl- und Faserparameter der 7A und 7B, wobei die Verwendung einer optischen Faser gemäß den Ausführungsformen der Erfindung mit einer herkömmlichen stufenummantelten optischen Faser verglichen wird;
Die 9A-9E sind Draufsichtsdiagramme von Laserstrahlen, die aus der optischen Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung bei verschiedenen Spiegelneigungen austreten, die im Diagramm von 8 dargestellt sind;
Die 10A-10D sind Draufsichtsdiagramme von Laserstrahlen, die aus der konventionellen stufenförmig ummantelten optischen Faser bei verschiedenen Spiegelneigungen austreten, die im Diagramm von 8 dargestellt sind; und
11 ist eine schematische Darstellung eines WBC-Resonators (Wavelength Beam Combining) gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Die 1A und 1B zeigen eine herkömmliche Doppelmantelfaser 100 mit einem zentralen Kern 110 mit einem Durchmesser D₀ und einem Brechungsindex n₀, einem inneren Mantel/Ummantelung 115 mit einem Durchmesser D₁ und einem Brechungsindex n₁, einem ringförmigen Kern 120 mit einem Durchmesser D₂ und einem Brechungsindex n₂ und einem äußeren Mantel/Ummantelung 125 mit einem Brechungsindex n₃. Wie dargestellt, ist der Brechungsindex n₂ gleich dem Brechungsindex n₀ und der Brechungsindex n₃ ist gleich dem Brechungsindex n₁. Daher haben der mittlere Kern 110 und der ringförmige Kern 120 die gleiche NA, die gleich sqrt(n₀ ²-n₁ ²) ist. In 1A ist der Brechungsindex der Faser 100 über den Durchmesser der Faser dargestellt, und 1B ist ein schematischer Querschnitt der Faser 100 selbst.
Die doppelwandige (doppelmantel) Faser 100 wird typischerweise durch Einkopplung eines Laserstrahls in eine oder beide der in 1A gezeigten Stellen A und B verwendet, d. h. der Laserstrahl kann in den mittleren Kern 110 und/oder den ringförmigen Kern 120 eingekoppelt werden. Systeme, die die Faser 100 verwenden, variieren somit den BPP des Ausgangsstrahls, indem sie die effektive Spotgröße am Ausgang der Faser 100 variieren, wobei die Ausgangs-NA unverändert bleibt. Bei Verwendung der Faser 100 ist die Form des Ausgangsstrahls auf einen zentralen Punkt (wenn die gesamte Laserleistung in Ort A eingekoppelt wird), einen ringförmigen Ring (wenn die gesamte Laserleistung in Ort B eingekoppelt wird) oder eine Mischung aus beidem (wenn die Laserleistung in Ort A und B eingekoppelt wird) beschränkt.
Bezeichnenderweise geht die in den Innenmantel 115 eingekoppelte Laserleistung typischerweise vollständig verloren. Die in den Innenmantel 115 eingekoppelte Leistung, der üblicherweise recht dünn ist, breitet sich im Außenmantel 125 aus und wird von einem Modenabstreifer entfernt, da Faserkabel für Hochleistungslaser typischerweise Modenabstreifer haben, um die Strahlung aus dem Außenmantel zu entfernen. Da Modenabstreifer nur eine begrenzte Laserleistung verarbeiten können, kann überschüssige Leistung im Außenmantel 125 leicht den Modenabstreifer und dann die Faser selbst beschädigen. Bei Fasern ohne Modenabstreifer wird die in den Innenmantel 115 eingekoppelte Leistung zu einer von Null abweichenden, großflächigen Hintergrundstrahlung am Faserausgang. Eine solche Hintergrundleistung kann die nachgeschaltete Optik beschädigen und ist typischerweise eine unwirksame Ausgangsleistung und kann in vielen Anwendungen sogar schädlich sein. Schließlich können große Mengen an Leistung, die sich bis zum Außenmantel erstrecken, zum Verbrennen der Faser führen, da der Außenmantel typischerweise von einer oder mehreren Kunststoffbeschichtungen umgeben ist.
Daher wird bei Lasersystemen, die die Faser 100 verwenden, eine kontinuierliche Verschiebung der Laserleistung zwischen den Orten A und B vermieden (d. h. das Durchqueren des Innenmantels 115 mit dem angetriebenen Laserstrahl), und solche Lasersysteme verwenden typischerweise entweder zwei verschiedene Laser (d. h. jeweils einen für die Orte A und B) oder ein komplexes optisches Verteilungssystem mit variabler Leistung, um die Laserleistung zwischen den Orten A und B zu verteilen, ohne den Innenmantel 115 zu beleuchten.
2 zeigt die entsprechende Struktur einer herkömmlichen stufenförmig ummantelten optischen Faser 200, wie sie im US-Patent Nr. 10.088.632 , eingereicht am 5. April 2017 (das '632-Patent), dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, beschrieben ist. Wie dargestellt, weist die Faser 200 einen zentralen Kern 210 mit einem Durchmesser D₀ und einem Brechungsindex n₀, einen ersten Mantel 215 mit einem Durchmesser D₁ und einem Brechungsindex n₁, einen ringförmigen Kern 220 mit einem Durchmesser D₂ und einem Brechungsindex n₂ und einen äußeren Mantel 225 mit einem Brechungsindex n₃ auf. In der dargestellten Ausführungsform ist der Brechungsindex n₂ gleich dem Brechungsindex n₀, und der Brechungsindex n₃ ist kleiner als der Brechungsindex n₁. Wie im Patent '632 beschrieben, kann die Faser 200 zur dynamischeren Formung eines Ausgangslaserstrahls verwendet werden als die Faser 100. So ermöglicht die Faser 200 nicht nur die Einkopplung von Laserenergie in den zentralen Kern 210 und/oder den ringförmigen Kern 220, sondern auch die Einkopplung der gesamten oder eines Teils der Laserenergie in die erste Ummantelung 215.
Insbesondere geht die in den ersten Mantel 215 eingekoppelte Laserleistung nicht verloren, und diese Energie breitet sich typischerweise über den gesamten Bereich von der Mitte der Faser 200 (d. h. innerhalb des mittleren Kerns 210) bis zur äußeren Begrenzung des ringförmigen Kerns 220 (d. h. bis zur Schnittstelle zwischen dem ringförmigen Kern 220 und dem äußeren Mantel 225) aus. Laserstrahlen, die zunächst in die erste Ummantelung 215 eingekoppelt werden, aber aus dem zentralen Kern 210 und dem ringförmigen Kern 220 austreten, haben eine größere Ausgangs-NA_out als die Eingangs-NA_in, berechnet durch NA_out = sqrt(NA_in ² + (n₀ ² - n₁ ²)). Der Beitrag dieser vergrößerten NA zur Gesamtausgangs-NA ist abhängig vom prozentualen Anteil der in die erste Ummantelung 215 eingekoppelten Leistung und auch vom Verhältnis der Querschnittsfläche der ersten Ummantelung 215 zur Flächensumme des mittleren Kerns 210 und des ringförmigen Kerns 220. Um Leckagen der Laserenergie in die äußere Ummantelung 225 zu vermeiden, wird der Lasereingang NAin der verwendeten Faser 200 typischerweise kleiner sein als die NA der ersten Ummantelung 215, die gleich sqrt(n₁ ² - n₃ ²)) ist.
Im Vergleich zur Faser 100 bietet die Faser 200 verschiedene Vorteile für die Strahlformung. Zum Beispiel variieren Systeme mit Faser 200 den BPP des Strahls, indem sie sowohl die effektive Spotgröße als auch die NA am Faserausgang variieren, ohne die Eingangs-NA zu ändern. Darüber hinaus bietet die Faser 200 im Vergleich zur Faser 100 einen größeren Bereich der BPP-Variation bei gleichem mittleren Kern- und Ringkerndurchmesser. Die Faser 200 ermöglicht auch die Bildung zusätzlicher Strahlformen aufgrund ihrer Aufnahme von Laserleistung in den ersten Mantel 215. Schließlich kann die Energie des Eingangslaserstrahls kontinuierlich zwischen dem zentralen Kern 210 und dem ringförmigen Kern 220 verschoben werden, wobei der erste Mantel 215 durchquert wird; daher benötigen Systeme, die die Faser 200 verwenden, keine doppelten Eingangslaser oder komplizierte Systeme zur Aufteilung der Laserleistung für den Eingangslaserstrahl.
Während die stufenförmig ummantelte optische Faser 200 viele Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Dual-Core-Faser 100 aufweist, bieten Ausführungsformen der Erfindung zusätzliche Vorteile, die durch die herkömmliche stufenförmig ummantelte Faser 200 nicht ermöglicht werden. In 3 ist der innere Aufbau einer stufenförmig ummantelten optischen Faser 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie dargestellt, weist die Faser 300 einen zentralen Kern 310 mit einem Durchmesser D₀ und einem Brechungsindex n₀, einen ersten Mantel 315 mit einem Durchmesser D₁ und einem Brechungsindex n₁, einen ringförmigen Kern 320 mit einem Durchmesser D₂ und einen äußeren Mantel 325 mit einem Brechungsindex n₃ auf. Ähnlich wie bei der in 2 gezeigten stufenförmig ummantelten Faser 200 kann die erste Ummantelung 315 einen mittleren Brechungsindex n₁ aufweisen, der kleiner als der Brechungsindex n₀ und größer als der Brechungsindex n₃ ist. In verschiedenen Ausführungsformen bestimmt die Differenz zwischen n₀ und n₁ die NA des mittleren Kerns 310, berechnet durch NA_core = sqrt(n₀ ² - n₁ ²), und die Differenz zwischen n0 und n3 bestimmt, zumindest teilweise, die Gesamt-NA der Faser 300, berechnet durch NA_fiber = sqrt(n₀ ² - n₃ ²). Da n1 größer als n₃ ist, ist NAfiber größer als NA_core.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 320 zwei unterschiedliche Bereiche, besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus diesen. Wie in 3 gezeigt, kann der ringförmige Kern 320 einen Bereich mit abgestuftem Index 320g und einen Bereich mit konstantem Index mit einem Brechungsindex n2 aufweisen. In dem Gradientenindexbereich 320g variiert der Brechungsindex zwischen einem niedrigen Brechungsindex n_L und einem hohen Brechungsindex n_H. In verschiedenen Ausführungsformen kann der niedrige Brechungsindex n_L ungefähr gleich oder höher als der Brechungsindex n₁ des ersten Mantelbereichs 315 sein, und der hohe Brechungsindex n_H kann ungefähr gleich oder niedriger als der Brechungsindex n₂ des Konstantindexbereichs sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann n₂ ungefähr gleich n₀ sein, wie in 3 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann n₂ größer oder kleiner als n₀ sein. Diese Beziehungen zwischen n₂ und n₀ können für jede der optischen Fasern gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gelten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Durchmesser der Kern- und Mantelbereiche zumindest teilweise von verschiedenen Eigenschaften (z. B. der Ausgangsleistung) der Laserquelle und/oder vom gewünschten BPP-Bereich des von der optischen Faser zu übertragenden Ausgangsstrahls abhängen. Zum Beispiel führt ein Kerndurchmesser D₀ von ca. 100 µm, abgestimmt auf eine Laserquelle mit einem BPP von ca. 3,5 mm-mrad, typischerweise zu einer relativ niedrigen Ausgangs-NA (ca. 0,09) mit einem minimalen BPP von ca. 4 mm-mrad. Um das Beispiel fortzusetzen: Wenn der gewünschte BPP-Variationsbereich etwa ein Faktor 6 ist, kann der Durchmesser D₂ des ringförmigen Kerns 320 etwa 600 µm betragen, ohne Berücksichtigung der NA-Vergrößerung, die auftreten kann, wenn ein Teil der Laserleistung in die erste Ummantelung 315 und/oder in einen Teil (z.B. den Teil mit niedrigerem Index) des Gradientenindexbereichs 320g eingekoppelt wird. Unter der Annahme, dass die NA des zentralen Kerns 310 ungefähr 0,12 und die Eingangs-NA des Lasers ungefähr 0,085 beträgt, ist die vergrößerte NA ungefähr 0,147 (=sqrt(0,12×0,12 + 0,085×0,085)), was um den Faktor 1,7 größer ist als die Eingangs-NA. Wie bereits erwähnt, kann die effektive Vergrößerung der gesamten Ausgangs-NA kleiner als dieser Faktor 1,7 sein, da in verschiedenen Ausführungsformen nicht die gesamte Eingangsleistung in Bereiche mit niedrigem Index eingekoppelt wird oder aus Bereichen mit hohem Index austritt. Angenommen, die Gesamt-NA-Vergrößerung beträgt etwa 1,5, dann kann der ringförmige Kerndurchmesser auf etwa 400 µm reduziert werden, um den gleichen gewünschten Bereich der BPP-Variation zu erreichen. Ein kleinerer Durchmesser des ringförmigen Kerns kann zu einer höheren Intensität des Ausgangsstrahls führen, was in vielen Hochleistungslaseranwendungen von Vorteil sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen liegt das Verhältnis des Durchmessers D₂ zum Durchmesser D₀ im Bereich von ca. 2,5 bis ca. 8 oder ca. 3 bis ca. 6. Dieses Verhältnis kann auf alle verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen von Lichtleitfasern angewendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der ersten Ummantelung 315 (d. h. ((D₁-D₀)/2) weniger als etwa die Hälfte des Durchmessers D₀ (d. h. weniger als etwa Do/2) betragen. Diese Dicke der ersten Ummantelung kann für alle verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen von Lichtleitfasern verwendet werden. Für die optische Faser 300 kann die Dicke des ersten Mantels 315 sogar noch kleiner sein, z.B. weniger als ungefähr 25 %, weniger als ungefähr 10 % oder sogar weniger als ungefähr 5 % des Durchmessers D₀, z.B. aufgrund des Vorhandenseins des Teils mit niedrigerem Index des Gradientenindexbereichs 320g.
Vorteilhafterweise führt die Einkopplung von Laserenergie in das Brechungsindexprofil des ringförmigen Kerns 320, einschließlich des Gradientenindexbereichs 320g, zu Ausgangsstrahlen mit ringförmigen Strahlen mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern und Breiten, je nach Eingangsort im ringförmigen Kern 320. In verschiedenen Ausführungsformen bietet und ermöglicht der Gradientenindexbereich 320g unterschiedliche Grenzflächenorte des kritischen Winkels der Totalreflexion von Eingangsstrahlen mit unterschiedlichen NAs. Zum Beispiel wird sich Laserleistung mit einem Eingangs-NA_in, der in den Konstant-Index-Bereich des ringförmigen Kerns 320 eingekoppelt wird, typischerweise nicht innerhalb des gesamten ringförmigen Kerns 320 ausbreiten, sondern eher innerhalb eines begrenzteren Bereichs mit einem Brechungsindex größer als n_x (der größer als n₁ ist) enthalten sein, der sqrt(n₂ ² - n_x ²)= NA_in erfüllt. Mit anderen Worten, der Teil des ringförmigen Kerns 320 mit dem Brechungsindex n_x wirkt als Strahlenstopper. In ähnlicher Weise werden verschiedene Abschnitte der Eingangsleistung im NA-Bereich verschiedene Eingangs-NA im Bereich von 0 bis NA_in haben, und diese verschiedenen Abschnitte werden daher durch verschiedene Abschnitte (d.h. zylindrische „Schnittstellen“) innerhalb des ringförmigen Kerns 320 „blockiert“. Im Allgemeinen wird ein z-Anteil der Leistung mit einem Eingangs-NAz (der kleiner oder gleich NAin ist), der in den ringförmigen Kern 320 an der Position y mit einem relativ hohen Brechungsindex n_y eingekoppelt wird, innerhalb eines Volumens im ringförmigen Kern 320 mit einem Brechungsindex, der größer als n_x ist und der sqrt(n_y ² - n_x ²)= NAz erfüllt, eingeschlossen. Diese Gleichung gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Dieser allgemeine Satz kann auf alle verschiedenen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung angewendet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die stufenförmig ummantelte Lichtleitfaser 300 im Vergleich zu der in 2 dargestellten konventionellen stufenförmig ummantelten Lichtleitfaser 200 eine größere Vielfalt an Strahlformen und kann daher eingesetzt werden, um die Anforderungen einer größeren Vielfalt von Anwendungen und Werkstücken zu erfüllen, die von ihren Ausgangsstrahlen bearbeitet werden. Wie die oben beschriebene allgemeine Gleichung zeigt, führen Änderungen der Eingangslage (y) typischerweise zu verschiedenen Ringringen im Ausgangsstrahl mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen in Intensität und Breite. Änderungen der Eingangslage können auch Ringringe mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern erzeugen, insbesondere wenn der Gradientenindexbereich 320g am oder nahe dem äußeren Rand des Ringkerns 320 angeordnet ist. Herkömmliche Fasern (z. B. Lichtwellenleiter 200) weisen eine solche Dynamik nicht auf, da sich die in den ringförmigen Kernbereich solcher Fasern eingekoppelte Laserleistung nahezu gleichmäßig über den gesamten ringförmigen Kernbereich verteilt.
Wie durch den Doppelpfeil zwischen den Positionen A und B in 3 angedeutet, ermöglicht die gradientenumhüllte optische Faser 300 eine kontinuierliche Verschiebung des Lasereingangsflecks von Position A zu Position B ohne nennenswerten Leistungsverlust, vorausgesetzt, dass der Lasereingang NAin nicht größer ist als die NA der ersten Ummantelung 315, die gleich sqrt(n₁ ² - n₃ ²) ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Brechungsindexprofil (d. h. die Variation des Brechungsindex als Funktion der Position) des Gradientenindexbereichs 320g ein im Wesentlichen linearer Gradient sein, wie in 3 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann das Profil andere Formen haben, einschließlich parabolisch, quadratisch, polynomisch, gestuft (d.h. aus diskreten Stufen im Brechungsindex zusammengesetzt) oder jede andere monotone Kurve. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 320g zwischen der ersten Ummantelung 315 und dem Bereich mit konstantem Brechungsindex des ringförmigen Kerns 320 angeordnet sein, wie in 3 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann der Gradientenindexbereich 320g stattdessen zwischen dem Konstantindexbereich und der äußeren Ummantelung 325 angeordnet sein, oder Gradientenindexbereiche können auf beiden Seiten des Konstantindexbereichs angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann der Brechungsindex des indexkonstanten Bereichs zwischen n0 und n1 liegen, wie in 3 dargestellt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die ringförmige Ummantelung 320 vollständig aus dem Gradientenindexbereich 320g bestehen, d. h. die Breite des Konstantindexbereichs der ringförmigen Ummantelung 320 kann ungefähr Null sein. Zusätzlich oder stattdessen kann sich der Gradientenindexbereich 320g so erstrecken, dass er an den zentralen Kern 310 angrenzt, d.h. die Breite der ersten Ummantelung 315 kann annähernd Null sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Brechungsindex n2 und/oder n_H innerhalb des ringförmigen Kerns 320 kleiner, größer oder annähernd gleich n₀, d.h. dem Brechungsindex des zentralen Kerns 310, sein. Schließlich, obwohl in 3 nicht dargestellt, kann die Gradientenstufen-ummantelte optische Faser 300 auch eine oder mehrere zusätzliche Mantelschichten enthalten, die außerhalb des Außenmantels 325 angeordnet sind. Solche Mantelschichten (die z. B. Beschichtungsschichten umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen können) können in erster Linie schützenden Charakter haben und daher keine direkte Übertragung von Laserenergie darin ermöglichen. Die Brechungsindizes solcher Schichten können niedriger sein als n₃, der Brechungsindex der äußeren Ummantelung 325. In anderen Ausführungsformen können die Brechungsindizes solcher Schichten höher als n₃ sein. In verschiedenen Ausführungsformen haben Lichtleitfasern eine äußere Glasschicht mit ungefähr dem gleichen Brechungsindex wie der des zentralen Kerns, die den äußeren Mantel 325 direkt umgibt, und dann eine oder mehrere (z.B. eine oder zwei) darüber angeordnete Beschichtungsschichten, die jeweils einen Brechungsindex kleiner als n3 haben.
In 4 ist der innere Aufbau einer weiteren optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie dargestellt, weist die mehrstufig ummantelte optische Faser 400 einen zentralen Kern 410 mit einem Durchmesser D₀ und einem Brechungsindex n₀, einen ersten Mantel 415 mit einem Durchmesser D₁ und einem Brechungsindex n₁, einen ringförmigen Kern 420 mit einem Durchmesser D₂ und einen äußeren Mantel 425 mit einem Brechungsindex n3 auf. Ähnlich wie bei der in 3 gezeigten Faser 300 kann die erste Ummantelung 415 einen mittleren Brechungsindex n₁ haben, der kleiner als der Brechungsindex n₀ und größer als der Brechungsindex n₃ ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 420 zwei unterschiedliche Bereiche, besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus diesen. Wie in 4 gezeigt, kann der ringförmige Kern 420 einen inneren Stufenindexbereich 420s mit einem Brechungsindex n_2s und einen äußeren Stufenindexbereich 420e mit einem Brechungsindex n₂ aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Brechungsindex n_2s größer als der Brechungsindex n₁ der ersten Ummantelung 415 und kleiner als der Brechungsindex n₂. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die in den äußeren Stufenindexbereich 420e eingekoppelte Laserleistung hauptsächlich in dem äußeren Stufenindexbereich 420e verbleiben, und die in den inneren Stufenindexbereich 420s eingekoppelte Leistung wird hauptsächlich in beiden Bereichen 420s, 420e enthalten sein; daher wird die in einen oder beide dieser Bereiche eingekoppelte Laserenergie zu Ausgangsstrahlen führen, die ringförmige Strahlen mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern und Breiten haben, abhängig von der Eingangsstelle im ringförmigen Kern 420 (ähnlich wie bei der obigen Diskussion bezüglich der Faser 300).
Bei mehrstufig ummantelten Lichtwellenleitern 400 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Dicke des inneren Stufenindexbereichs 420s größer oder gleich etwa 10 % des mittleren Kerndurchmessers D0 oder sogar größer oder gleich etwa 25 % von D0 sein. Solche Werte können auch auf die Dicke der ersten Ummantelung 415 angewendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen hängt die Dicke einer oder mehrerer Schichten des Lichtwellenleiters vom mittleren Kerndurchmesser D0 ab, da die Spotgröße des Eingangslaserstrahls z. B. etwa 60 % bis etwa 90 % von D0 betragen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die mehrstufig ummantelte optische Faser 400 im Vergleich zu der in 2 dargestellten konventionellen stufenförmig ummantelten optischen Faser 200 eine größere Vielfalt an Strahlformen und kann daher eingesetzt werden, um die Anforderungen einer größeren Vielfalt von Anwendungen und Werkstücken zu erfüllen, die von ihren Ausgangsstrahlen bearbeitet werden. Zum Beispiel bietet die mehrstufig ummantelte optische Faser 400 zwei diskrete Bereiche 420s, 420e innerhalb des ringförmigen Kerns 420 zur Aufnahme der Laserenergie, die jeweils zu unterschiedlichen Ringprofilen führen, die mit konventionellen Fasern wie der Faser 200 nicht erreicht werden können. In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht das Vorhandensein der diskreten Bereiche 420s, 420e die Manipulation eines Ringprofils (z. B. Intensität und/oder Breite) über Änderungen der Eingangsleistungsverhältnisse zwischen den beiden Abschnitten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der ringförmige Kern 420 mehr als zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen, kann im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsformen der Brechungsindex n₂ des äußeren Stufenindexbereichs 420e größer sein als der Brechungsindex n_2s des inneren Stufenindexbereichs 420s, wie in 3 gezeigt, oder n₂ kann kleiner sein als n_2s.
In 5A ist der innere Aufbau einer weiteren optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie gezeigt, weist die barrierestufenummantelte optische Faser 500 einen zentralen Kern 510 mit einem Durchmesser D₀ und einem Brechungsindex n₀, einen ersten Mantel 515 mit einem Durchmesser D₁ und einem Brechungsindex n₁, einen ringförmigen Kern 520 mit einem Durchmesser D₂ und einen äußeren Mantel 525 mit einem Brechungsindex n₃ auf. Ähnlich wie bei den Fasern 300 und 400 kann die erste Ummantelung 515 einen mittleren Brechungsindex n₁ haben, der kleiner als der Brechungsindex n₀ und größer als der Brechungsindex n3 ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 520 drei verschiedene Bereiche, besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus diesen. Wie in 5A gezeigt, kann der ringförmige Kern 520 einen inneren Bereich 520a, einen äußeren Bereich 520c und einen zwischen den Bereichen 520a, 520c angeordneten Sperrbereich 520b aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Brechungsindizes der beiden Bereiche 520a, 520c gleich dem Brechungsindex n₂, der ungefähr gleich dem Brechungsindex n₀ des zentralen Kerns 510 sein kann. In anderen Ausführungsformen kann n₂ größer oder kleiner als n₀ sein. Der Brechungsindex n_2b des Barrierebereichs 520b ist kleiner als n₂ und kann größer oder annähernd gleich dem Brechungsindex n₁ der ersten Ummantelung 515 sein. Wie in 5A gezeigt, kann der Barrierebereich 520b einen Innendurchmesser D_b, der größer ist als der Durchmesser D₁ der ersten Ummantelung 515, und eine Schichtdicke T aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Schichtdicke T des Barrierebereichs 520b kleiner als etwa 30 µm, kleiner als etwa 20 µm oder kleiner als etwa 10 µm. Die Schichtdicke T kann größer als ca. 1 µm, größer als ca. 2 µm, größer als ca. 5 µm oder größer als ca. 10 µm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird der Barrierebereich 520b zusammen mit dem ersten Mantel 515 und dem äußeren Mantel 525 im Wesentlichen verhindern, dass sich die Laserleistung auf andere Bereiche der Faser 500 ausbreitet, wenn die Leistung zunächst entweder in den inneren Bereich 520a oder den äußeren Bereich 520c eingekoppelt wird; daher können Ausgangsstrahlen gemäß Ausführungsformen der Erfindung zwei diskrete ringförmige Ringe am Faserausgang aufweisen. Das heißt, die Faser 500 ermöglicht die Bildung von Ausgangsstrahlen mit zwei ringförmigen Ringen mit unterschiedlichen Ausgangsintensitäten durch Verteilung der Eingangslaserleistung zwischen den Regionen 520a, 520c. Solche Ausgangsstrahlen werden typischerweise nicht durch die Verwendung der oben beschriebenen Fasern 100, 200 ermöglicht. Außerdem geht die in den Barrierebereich 520b eingekoppelte Laserleistung typischerweise nicht aus dem Ausgangsstrahl verloren, sondern verteilt sich stattdessen im gesamten ringförmigen Kern 520.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die in die erste Ummantelung 515 eingekoppelte Laserleistung dazu neigen, sich über den gesamten ringförmigen Kernbereich 520 auszubreiten, und eine solche Leistung kann sich auch über den mittleren Kern 510 ausbreiten.
So kann die Einkopplung von Strahlenergie in den ersten Mantel 515 zu einer größeren effektiven Strahlgröße am Faserausgang führen als die Einkopplung in den inneren Bereich 520a. Somit ergibt sich in Ausführungsformen der Erfindung eine nicht-monotone Zunahme der Ausgangsstrahlgröße, wenn die Laserenergie in die verschiedenen Bereiche der Faser 500 eingekoppelt wird, was zu dynamischen BPP-Variationen führt, die durch die Verwendung von Fasern 100, 200 nicht möglich sind.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der ringförmige Kernbereich 520 mehr als einen Barrierebereich 520b umfassen, und jeder Barrierebereich kann eine unterschiedliche Dicke und/oder einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, obwohl die Brechungsindizes solcher Barriereschichten typischerweise kleiner als der Brechungsindex n2 und größer als oder ungefähr gleich dem Brechungsindex n₁ sind. Das heißt, der ringförmige Kernbereich 520 kann durch N Barrierebereiche 520b in N+1 Bereiche (z. B. Bereiche 520a, 520c) unterteilt sein. Die Dicke und/oder der Brechungsindex von zwei oder mehreren (oder sogar allen) der mehreren Barrierebereiche 520b kann gleich oder unterschiedlich sein.
5B zeigt den inneren Aufbau einer optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine Variante der in 5A dargestellten barrierestufenummantelten optischen Faser 500 ist. Wie gezeigt, weist die barrierestufenummantelte optische Faser 530 einen zentralen Kern 510b, einen ersten Mantel 515, einen ringförmigen Kern 520 und einen äußeren Mantel 525 auf. Ähnlich wie bei den Fasern 300, 400 und 500 kann die erste Ummantelung 515 einen mittleren Brechungsindex n1 haben, der kleiner als der Brechungsindex n₀ und größer als der Brechungsindex n₃ ist.
Wie in 5B gezeigt, hat der mittlere Kern 510b ein Gradientenindexprofil, bei dem der Mittelpunkt des mittleren Kerns 510b den höchsten Brechungsindex n₀ hat und der Brechungsindex des mittleren Kerns 510b in Abhängigkeit vom radialen Abstand vom Mittelpunkt abnimmt. In verschiedenen Ausführungsformen hat nur der Mittelpunkt des mittleren Kerns 510b den höchsten Brechungsindex n₀, während in anderen Ausführungsformen der mittlere Kern 510b einen zentralen Abschnitt mit einer endlichen Dicke und mit dem höchsten Brechungsindex n0 aufweist. (Das heißt, der Brechungsindex des mittleren Kerns 510b kann über einem zentralen Abschnitt ein Plateau aufweisen und dann in Richtung des äußeren Umfangs des mittleren Kerns 510b abnehmen.) Die Abnahme des Brechungsindex des mittleren Kerns 510b kann im Wesentlichen linear oder parabolisch sein oder eine polynomiale Abhängigkeit aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Brechungsindex des mittleren Kerns 510b in einer Reihe von einem oder mehreren (oder sogar zwei oder mehr) diskreten Schritten abnehmen. In verschiedenen Ausführungsformen nimmt der Brechungsindex des mittleren Kerns 510b auf einen Brechungsindex n'₀ an der Grenzfläche zwischen dem mittleren Kern 510b und der ersten Ummantelung 515 ab. Wie dargestellt, kann der Brechungsindex n'₀ größer sein als der Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 515. In anderen Ausführungsformen kann der Brechungsindex n'₀ ungefähr gleich dem Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 515 sein.
Wie bei der optischen Faser 500 von 5A kann in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung der ringförmige Kernbereich 520 der Faser 530 mehr als einen Barrierebereich 520b umfassen, und jeder Barrierebereich kann eine unterschiedliche Dicke und/oder einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, obwohl die Brechungsindizes solcher Barriereschichten typischerweise kleiner als der Brechungsindex n2 und größer als oder ungefähr gleich dem Brechungsindex n₁ sind.
Ein beispielhaftes Lasersystem 600 zum Variieren von BPP unter Verwendung einer Faser 610 gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist in 6 dargestellt. Wie gezeigt, umfasst das Lasersystem 600 einen Lenkmechanismus wie einen verstellbaren Reflektor 620 (z. B. einen in der Neigung verstellbaren und/oder faltbaren Spiegel), um einen eingehenden Eingangslaserstrahl 630 auf ein optisches Faserkopplungselement 640 (z. B. eine oder mehrere Linsen, reflektierende Keile und/oder Prismen) umzulenken, das den Strahl 630 auf die Faser 610 fokussiert. Die Einstellung oder Neigung des Reflektors 630 wird durch den gekrümmten Pfeil 650 angezeigt. Wie gezeigt, kann der Bereich der Eingangsfläche der Faser 610, an dem der Strahl 630 eingekoppelt wird, zumindest teilweise durch die Konfiguration (z. B. die Position und/oder den Winkel) des Reflektors 620 und/oder die Einstellung der Position des optischen Elements 640 (das innerhalb des Strahlengangs 620 verschoben werden kann, wie durch den Pfeil 660 angedeutet) definiert sein. Stattdessen oder zusätzlich kann die Faser 610 selbst in einer Richtung im Wesentlichen parallel und/oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Faser 610 verschoben werden. Für die beste Startstrahlqualität (d.h. den kleinsten BPP) kann sich die Eingangsfläche der Faser 610 im Brennpunkt des optischen Elements 640 befinden (d.h. in einem Abstand vom optischen Element 640, der seiner Brennweite entspricht). In verschiedenen Ausführungsformen kann jedoch das optische Element 640 und/oder die Faser 610 in Längsrichtung verschoben werden (z. B. in der Richtung entlang der in 6 dargestellten Längsachse der Faser 610), so dass die Eingangsfläche der Faser 610 in einem Abstand angeordnet ist, der kleiner oder größer als die Brennweite des optischen Elements 640 ist. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Faser 610 eine der hierin detailliert beschriebenen Fasern 300, 400, 500, 530 umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus ihnen bestehen.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können andere Steuerungsmechanismen als der gelenkig gelagerte Reflektor 620 verwendet werden, z. B. gelenkig gelagerte und/oder betätigte optische Elemente wie Linsen und/oder Prismen. Daher werden Verweise auf den Reflektor 620 hier so verstanden, dass sie solche nicht-reflektierenden Varianten umfassen (und Varianten, die sowohl einen Reflektor als auch ein oder mehrere andere optische Elemente enthalten).
Die Konfiguration des Reflektors 620 und/oder des optischen Elements 640 und/oder der Faser 610 kann über einen Controller 670 und/oder einen oder mehrere Aktuatoren (nicht dargestellt) gesteuert werden, die operativ damit verbunden sind. Somit kann der Reflektor 620 und/oder das optische Element 640 und/oder die Faser 610 und/oder der eine oder die mehreren Aktuatoren auf den Controller 670 reagieren. Die Controller 670 kann auf eine gewünschte Ziel-Strahlungsleistungsverteilung und/oder BPP oder ein anderes Maß für die Strahl qualität reagieren (z.B. eingegeben von einem Benutzer und/oder basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften eines zu bearbeitenden Werkstücks, wie z.B. dem Abstand zum Werkstück, der Zusammensetzung des Werkstücks, der Topographie des Werkstücks, usw.) und so konfiguriert sein, dass sie den Reflektor 620 und/oder das optische Element 640 und/oder die Faser 610 so positioniert, dass der Strahl 630 auf die Eingangsfläche der Faser 610 trifft, so dass der von der Faser 610 ausgegebene Ausgangsstrahl die Ziel-Strahlungsleistungsverteilung oder Strahlqualität aufweist. Der so erzeugte Ausgangsstrahl kann auf ein Werkstück für Prozesse wie Glühen, Schneiden, Schweißen, Bohren usw. gerichtet werden. Der Controller 670 kann so programmiert werden, dass sie die gewünschte Leistungsverteilung und/oder Ausgangs-BPP und/oder Strahlqualität erreicht, z. B. durch eine bestimmte Reflektorkippung und/oder Position (und/oder Neigung) des optischen Elements 640 und/oder der Faser 610, wie hier beschrieben.
So können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die Strahlquelle, der Reflektor 620, die Faser 610 und/oder das optische Element 640 auf die Steuerung 670 (bzw. den Controller 670) ansprechen. Das Ausgangsende der Lichtleitfaser 610 (d. h. das Ende der Faser gegenüber dem Eingangsende, das den Strahl 630 empfängt) kann mit einem Laserkopf gekoppelt sein, um den Ausgangsstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu lenken. Der Laserkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Ausgangsstrahls und/oder zur Steuerung der Polarisation und/oder der Trajektorie des Strahls enthalten, kann im Wesentlichen daraus bestehen oder kann daraus bestehen. Der Laserkopf kann so positioniert werden, dass er den Ausgangsstrahl in Richtung eines Werkstücks und/oder in Richtung einer Plattform oder eines positionierbaren Portals, auf dem das Werkstück angeordnet sein kann, aussendet.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Controller 670 Prozesse initiieren, die unter Verwendung des Ausgangsstrahls (und/oder des Laserkopfes) durchgeführt werden, und den Strahl 630 relativ zur Faser 610 an einer oder mehreren verschiedenen Einkoppelstellen entsprechend positionieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Controller 670 sogar die Bewegung der Faser 610 und/oder des Laserkopfes relativ zum Werkstück über die Steuerung von z. B. einem oder mehreren Aktuatoren steuern. Der Controller 670 kann auch ein herkömmliches Positioniersystem betreiben, das so konfiguriert ist, dass es eine relative Bewegung zwischen dem Ausgangslaserstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt. Das Positioniersystem kann z. B. ein beliebiges steuerbares optisches, mechanisches oder optomechanisches System sein, um den Strahl durch einen Bearbeitungsweg entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks zu lenken. Während der Bearbeitung kann der Controller 670 das Positioniersystem und das Lasersystem 600 so betreiben, dass der Laserstrahl einen Bearbeitungsweg entlang des Werkstücks durchläuft. Der Bearbeitungspfad kann von einem Benutzer bereitgestellt und in einem integrierten oder entfernten Speicher gespeichert werden, der auch Parameter bezüglich der Art der Bearbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und der Strahlparameter (z. B. Strahlform und/oder BPP) speichern kann, die für die Durchführung dieser Bearbeitung erforderlich oder gewünscht sind. In diesem Zusammenhang kann eine lokale oder entfernte Datenbank eine Bibliothek von Materialien und Dicken enthalten, die das System verarbeiten wird, und nach der Auswahl von Materialparametern durch den Benutzer (Materialart, Dicke usw.) fragt der Controller 670 die Datenbank ab, um die entsprechenden Strahleigenschaften zu erhalten und bestimmt die richtige(n) Einkopplungsstelle(n) des Strahls 630 in die Faser 610. Die gespeicherten Werte können Strahleigenschaften enthalten, die für verschiedene Bearbeitungen des Materials (z. B. Einstechen, Schneiden usw.), die Art der Bearbeitung und/oder die Geometrie des Bearbeitungswegs geeignet sind.
Wie im Bereich des Plottens und Scannens bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl (und/oder dem Laserkopf) und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, physische Bewegung des Lasers mit Hilfe eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder einer mechanischen Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle des Strahls (oder zusätzlich zu diesem) erzeugt werden. Der Controller 670 kann in einigen Ausführungsformen eine Rückmeldung über die Position und/oder Bearbeitungseffizienz des Strahls relativ zum Werkstück von einer Rückmeldeeinheit erhalten, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist.
Ausführungsformen der Erfindung können es einem Benutzer ermöglichen, ein Werkstück entlang eines gewünschten Bearbeitungspfads zu bearbeiten (z. B. zu schneiden oder zu schweißen), und die Eigenschaften des Ausgangsstrahls (z. B. Strahlform, BPP oder beides), die Leistungsstufe des Ausgangsstrahls und/oder die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit werden auf der Grundlage von Faktoren wie der Zusammensetzung des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks, der Geometrie des Bearbeitungspfads usw. ausgewählt. Beispielsweise kann ein Benutzer den gewünschten Bearbeitungsweg und/oder die Art (und/oder andere Eigenschaften wie z. B. die Dicke) des Werkstücks über ein beliebiges geeignetes Eingabegerät oder mittels Dateiübertragung in das System auswählen oder vorprogrammieren. Danach kann der Controller 670 die optimalen Eigenschaften des Ausgangsstrahls als Funktion der Position entlang des Bearbeitungspfads bestimmen. Im Betrieb kann der Controller 670 das Lasersystem und die Positionierung des Werkstücks so steuern, dass das Werkstück entlang des vorprogrammierten Pfads bearbeitet wird, wobei die richtigen Ausgangsstrahleigenschaften für Prozesse wie Schneiden oder Schweißen verwendet werden. Wenn sich die Zusammensetzung und/oder Dicke des zu bearbeitenden Materials ändert, können Ort und Art der Änderung programmiert werden, und der Controller 670 kann die Eigenschaften des Laserstrahls und/oder die Geschwindigkeit der relativen Bewegung zwischen Werkstück und Strahl entsprechend anpassen.
Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zur Erfassung der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhen von Merkmalen darauf enthalten. Beispielsweise kann das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/676,070 , eingereicht am 1. April 2015, beschrieben, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Solche Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung 670 verwendet werden, um die Eigenschaften des Ausgangsstrahls zu steuern, um die Bearbeitung des Werkstücks zu optimieren, z. B. in Übereinstimmung mit Datensätzen in der Datenbank, die der Art des bearbeiteten Materials entsprechen.
Der Controller 670 kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das System auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie z. B. einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z. B. die Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie der Intel Corporation, Santa Clara, Kalifornien, die 680x0- und POWER-PC-Prozessorfamilie der Motorola Corporation, Schaumburg, Illinois, und/oder die ATHLON-Prozessorreihe der Advanced Micro Devices, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten enthalten, die sich auf die hier beschriebenen Verfahren beziehen. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher umfassen, der sich auf allgemein verfügbarer Hardware befindet, wie z. B. einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichern (EEPROM), programmierbaren Festwertspeichern (PROM), programmierbaren Logikbausteinen (PLD) oder Festwertspeicherbausteinen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme unter Verwendung von externem RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie z. B. optischen Festplatten, Magnetplatten sowie anderen allgemein verwendeten Speichergeräten. Bei Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Hochsprache wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben sein. Zusätzlich kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die für den Mikroprozessor auf einem Zielcomputer bestimmt ist; zum Beispiel kann die Software in Intel 80x86-Assemblersprache implementiert sein, wenn sie so konfiguriert ist, dass sie auf einem IBM PC oder PC-Klon läuft. Die Software kann auf einem Herstellungsgegenstand verkörpert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM.
In den 7A und 7B sind beispielhafte Eingangsstrahlen und Faserparameter für eine Simulation dargestellt, die Auswirkungen verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung demonstriert. Das numerische Beispiel basiert auf einem System ähnlich dem in 6 gezeigten mit einer Fokussierlinse (entsprechend dem optischen Element 640) mit einer Brennweite von 30 mm. In 7A ist der Eingangslaserstrahl im Querschnitt dargestellt, bevor der Eingangsstrahl auf das optische Element 640 im System 600 trifft. Wie dargestellt, weist der Eingangsstrahl zwei rechteckige Strahlen auf, die identisch zueinander und entlang der x-Achse ausgerichtet sind. Im dargestellten Beispiel wurde der Eingangslaserstrahl durch räumliche Kombination von zwei identischen WBC-Resonator-Ausgangsstrahlen gebildet (siehe 11). Die volle Größe des Einzelstrahls bei vier Sigma beträgt etwa 1,5×5,6 (x×y) mm. Der Gesamt-BPP des Eingangslaserstrahls beträgt etwa 3×4 (x×y) in mm-mrad. Die optische Faser 610 im System 600 entspricht der in 5A dargestellten Faser 500 mit den in 7B aufgeführten verschiedenen Faserparametern.
8 ist ein Diagramm der simulierten BPP-Werte der Beispielkonfiguration der 7A und 7B (Kurve 1) als Funktion des Neigungswinkels des Reflektors/Spiegels. Zum Vergleich ist auch eine zweite Kurve (Kurve 2) dargestellt, die den simulierten BPP bei Verwendung einer konventionellen stufenförmig ummantelten optischen Faser 200 (siehe 2) darstellt. Für Kurve 2 hat die stufenförmig ummantelte optische Faser 200 Durchmesser von 100 µm, 160 µm und 360 µm für den mittleren Kern, die erste Ummantelung bzw. den ringförmigen Kern und hat ähnliche Brechungsindexwerte wie die in 7B aufgeführten. In den Simulationen ist das Faserkopplungssystem (6) so ausgerichtet, dass sich der Eingangsspot in der Fasermitte befindet, wenn die Spiegelneigung Null ist. Die außermittige Verschiebung des Eingangsstrahlflecks ist proportional zur Spiegelneigung, berechnet durch 2×f×θ, wobei f (gleich 30 mm in diesem Beispiel) die Brennweite der Fokussierlinse (entsprechend dem optischen Element 640 in 6) und θ der Spiegelneigungswinkel ist.
Wie in 8 gezeigt, hat die BPP-Variation von Kurve 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung zwei Buckel (d. h. lokale Maxima), während Kurve 2 nur einen hat. Kurve 2 flacht im Bereich jenseits von Spiegelneigungen von ca. 2 mrad ab, weil, wie hierin diskutiert, die in den ringförmigen Kern 212 der optischen Faser 200 eingekoppelte Eingangsleistung sich über den gesamten ringförmigen Kern 212 ausbreitet, unabhängig von seiner Eingangslage.
Der einzelne Buckel in Kurve 2 ist in erster Linie auf die NA-Vergrößerung zurückzuführen, die entsteht, wenn der Laserstrahl zunächst in einen Bereich mit niedrigem Brechungsindex eingekoppelt wird (der erste Mantel 215 in 2), aber aus Bereichen mit hohem Brechungsindex austritt (z. B. der mittlere Kern 210 und der ringförmige Kern 220 in 2). Das Dual-Hump-Merkmal der Kurve 1, das aus der Verwendung der optischen Faser 500 resultiert, ergibt sich aus den kombinierten Effekten nicht nur der NA-Vergrößerung, sondern auch der einzigartigen nichtmonotonen Zunahme der effektiven Strahlgröße am Faserausgang mit der oben beschriebenen Zunahme der Spiegelneigung.
Die 9A-9E zeigen fünf simulierte Strahlbilder am Faseraustritt entsprechend dem numerischen Beispiel der 7A, 7B und 8 mit unterschiedlichen Spiegelneigungen. Die entsprechenden BPP-Werte finden Sie auf Kurve 1 in 8 bei den entsprechenden Spiegelneigungen. Jede der 9A-9E enthält auch ein Querschnittsprofil des Strahls am Faseraustritt am unteren Rand des jeweiligen Bildes. 9A zeigt den Ausgangsstrahl mit dem niedrigsten BPP (ca. 4 mm-mrad), bei dem die gesamte Leistung aus dem mittleren Kern der optischen Faser austritt. 9B zeigt den Austrittsstrahl mit dem BPP, der die erste Spitze in Kurve 1 von 8 erreicht (ca. 19 mm-mrad), wenn ein signifikanter Teil der Laserleistung anfänglich in die erste Mantelschicht des Lichtwellenleiters eingekoppelt wird (d.h. die erste Mantelschicht 515 in 5A). Bei einer Spiegelneigung von 1,6 mrad, wie in 9C gezeigt, wird ein signifikanter Teil der Eingangsleistung in den ringförmigen Kerninnenbereich (Bereich 520a in 5A) eingekoppelt, was zu einem relativ kleinen Ring am Faserausgang führt. Bei einer Spiegelneigung von 2,2 mrad, wie in 9D gezeigt, weist das Ausgangsprofil zwei ringförmige Ringe und einen BPP nahe der zweiten Spitze im Diagramm von 8 (Kurve 1) auf. In diesem Fall befindet sich der Eingangsstrahl nahe oder ungefähr an der Barriere 520b, so dass der größte Teil der Leistung sowohl in den inneren als auch in den äußeren Bereich 520a, 520c eingekoppelt wird. Außerdem zeigt die deutliche Nicht-Null-Leistungsdichte in der Mitte des Strahlprofils, dass ein Teil der in die Barriere 520b eingekoppelten Leistung aus dem mittleren Kern 510 austritt. Bei einer Spiegelneigung von 2,7 mrad, wie in 9E gezeigt, wird der Eingangsfleck in den äußeren Bereich des Ringkerns (d. h. in den Bereich 520c in 5A) verschoben, und daher wird ein größerer Ring erzeugt.
In den 10A-10D sind vier simulierte Strahlbilder am Faserausgang dargestellt, die dem numerischen Beispiel aus 8 mit unterschiedlichen Spiegelneigungen, aber unter Verwendung der optischen Faser 200 entsprechen. Die entsprechenden BPP-Werte finden Sie auf Kurve 2 in 8 bei den entsprechenden Spiegelneigungen. Jede der 10A-10D enthält auch ein Querschnittsprofil des Strahls am Faseraustritt am unteren Rand des jeweiligen Bildes. 10A zeigt den Ausgangsstrahl mit dem niedrigsten BPP (ca. 4 mm-mrad), bei dem die gesamte Leistung aus dem mittleren Kern der optischen Faser austritt, ähnlich wie in 9A. 10B zeigt den Austrittsstrahl, bei dem der BPP den Spitzenwert in Kurve 2 von 8 erreicht (ca. 22 mm-mrad), was hauptsächlich auf die Vergrößerung der NA zurückzuführen ist, wenn ein erheblicher Teil der Laserleistung in den ersten Mantel 215 eingekoppelt wird (siehe 2). Die 10C und 10D zeigen, wie sich das Ausgangsprofil bei einer weiteren Spiegelverkippung oberhalb von ca. 1,8 mrad, d. h. sobald sich der Eingangsfleck außerhalb der ersten Ummantelung befindet, nicht mehr merklich ändert, da der Großteil der Leistung in den ringförmigen Kern 220 eingekoppelt wird. Im Vergleich zu den 9C-9E ist dieses Verhalten ganz anders als bei optischen Fasern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung bieten daher dynamischere und vielfältigere Variationen von BPP, NA und Ausgangsstrahlgröße und können daher in einer größeren Vielfalt von Anwendungen und/oder zur Bearbeitung einer größeren Vielfalt unterschiedlicher Werkstücke eingesetzt werden. Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen die Bildung von Ausgangsstrahlen mit einem oder mehreren ringförmigen Ringen mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Breiten, und sie ermöglichen eine größere Vielfalt von gemischten Strahlformen mit unterschiedlichen Strahlprofilen und BPP-Werten.
Das Lasersystem 600 kann verwendet werden, um den BPP, die Form und/oder die NA eines Laserstrahls kontinuierlich zu ändern, ohne dass der Eingangslaserstrahl abgeschaltet werden muss, während der Strahl über die Eingangsfläche der Faser geführt wird, so dass verschiedene Teile des Strahls in verschiedene Bereiche der Faser eingekoppelt werden. Da die Fasern so konfiguriert sind, dass die Strahlenergie, die sich in einen Mantelbereich (z. B. den ersten Mantel) ausbreitet, begrenzt ist und nicht zu einer Beschädigung der Faser oder der damit verbundenen Optik (z. B. optische Elemente) führt, muss der Eingangsstrahl nicht abgeschaltet werden, wenn er oder ein Teil davon auf den Mantel/die Mäntel der optischen Faser trifft.
Lasersysteme und Laserzuführungssysteme gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als die Eingangsstrahlen für Laserstrahl-Liefersysteme zur Variation von BPP, wie hierin beschrieben, verwendet werden. In 11 sind verschiedene Komponenten eines WBC-Lasersystems (oder „Resonators“) 1100 schematisch dargestellt, die zur Bildung von Eingangsstrahlen verwendet werden können, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform kombiniert der Resonator 1100 die von neun verschiedenen Diodenbarren emittierten Strahlen (wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Diodenbarren“ auf jeden Mehrstrahlemitter, d. h. einen Emitter, von dem mehrere Strahlen aus einem einzigen Gehäuse emittiert werden). Ausführungsformen der Erfindung können mit weniger oder mehr als neun Emittern verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Emitter einen einzelnen Strahl emittieren, oder jeder der Emitter kann mehrere Strahlen emittieren. Die Ansicht von 11 ist entlang der WBC-Dimension, d.h. der Dimension, in der die Strahlen der Balken kombiniert werden. Der beispielhafte Resonator 1100 weist neun Diodenstäbe 1105 auf, und jeder Diodenstab 1105 umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem Array (z. B. eindimensionales Array) von Emittern entlang der WBC-Dimension. In verschiedenen Ausführungsformen emittiert jeder Emitter eines Diodenbalkens 1105 einen unsymmetrischen Strahl mit einer größeren Divergenz in einer Richtung (bekannt als die „schnelle Achse“, hier vertikal relativ zur WBC-Dimension ausgerichtet) und einer kleineren Divergenz in der senkrechten Richtung (bekannt als die „langsame Achse“, hier entlang der WBC-Dimension).
In verschiedenen Ausführungsformen ist jede der Diodenleisten 1105 mit einer Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optischen Twister-Mikrolinsenbaugruppe verbunden (z. B. angebracht oder anderweitig optisch gekoppelt), die die schnelle Achse der emittierten Strahlen kollimiert, während die schnelle und langsame Achse der Strahlen um 90° gedreht wird, so dass die langsame Achse jedes emittierten Strahls senkrecht zur WBC-Dimension stromabwärts der Mikrolinsenbaugruppe verläuft. Die Mikrolinsenbaugruppe konvergiert auch die Hauptstrahlen der Emitter von jedem Diodenbalken 1105 in Richtung eines dispersiven Elements 1110. Geeignete Mikrolinsenbaugruppen sind in den US-Patenten Nr. 8,553,327 , eingereicht am 7. März 2011, und Nr. 9,746,679 , eingereicht am 8. Juni 2015, beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
In Ausführungsformen der Erfindung, in denen sowohl eine FAC-Linse als auch ein optischer Twister (z. B. als Mikrolinsenbaugruppe) mit jedem der Strahlemitter und/oder emittierten Strahlen verbunden sind, und SAC-Linsen (wie unten beschrieben) beeinflussen die Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension. In anderen Ausführungsformen werden die emittierten Strahlen nicht gedreht, und FAC-Linsen können verwendet werden, um die Ausrichtungswinkel in der Nicht-WBC-Dimension zu ändern. Daher wird davon ausgegangen, dass sich Verweise auf SAC-Objektive hier im Allgemeinen auf Objektive mit Brechkraft in der Nicht-WBC-Dimension beziehen, und solche Objektive können in verschiedenen Ausführungsformen FAC-Objektive enthalten. So können in verschiedenen Ausführungsformen, z. B. Ausführungsformen, in denen emittierte Strahlen nicht gedreht werden und/oder die schnellen Achsen der Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension liegen, FAC-Objektive wie hier für SAC-Objektive beschrieben verwendet werden.
Wie in 11 gezeigt, weist der Resonator 1100 auch einen Satz von SAC-Linsen 1115 auf, wobei eine SAC-Linse 1115 mit einem der Diodenstäbe 1105 verbunden ist und Strahlen von diesem empfängt. Jede der SAC-Linsen 1115 kollimiert die langsamen Achsen der von einem einzelnen Diodenbalken 1105 emittierten Strahlen. Nach der Kollimation in der langsamen Achse durch die SAC-Linsen 1115 breiten sich die Strahlen zu einem Satz von Verschachtelungsspiegeln 1120 aus, die die Strahlen 1125 auf das dispersive Element 1110 umlenken. Durch die Anordnung der Verschachtelungsspiegel 1120 kann der Freiraum zwischen den Diodenstegen 1105 reduziert bzw. minimiert werden. Stromaufwärts des dispersiven Elements 1110 (das z. B. ein Beugungsgitter wie das in 11 dargestellte transmissive Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann) kann optional eine Linse 1130 verwendet werden, um die Teilstrahlen (d. h. andere emittierte Strahlen als die Hauptstrahlen) von den Diodenstäben 1105 zu kollimieren. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Linse 1130 in einem optischen Abstand von den Diodenstäben 1105 angeordnet, der im Wesentlichen gleich der Brennweite der Linse 1130 ist. Beachten Sie, dass in typischen Ausführungsformen die Überlappung der Hauptstrahlen am dispersiven Element 1110 in erster Linie auf die Umlenkung der Verschachtelungsspiegel 1120 und nicht auf die Fokussierleistung der Linse 1130 zurückzuführen ist.
Ebenfalls in 11 dargestellt sind Linsen 1135, 1140, die ein optisches Teleskop zur Abschwächung des optischen Übersprechens bilden, wie in US-Patent Nr. 9.256.073 , eingereicht am 15. März 2013, und US-Patent Nr. 9.268.142 , eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Resonator 1100 kann auch einen oder mehrere optionale Klappspiegel 1145 zur Umlenkung der Strahlen enthalten, so dass der Resonator 1100 in eine kleinere physikalische Grundfläche passen kann. Das dispersive Element 1110 kombiniert die Strahlen von den Diodenstäben 1105 zu einem einzelnen, mehrwelligen Strahl 1150, der sich zu einem teilreflektierenden Ausgangskoppler 1155 ausbreitet. Der Koppler 1155 überträgt einen Teil des Strahls als Ausgangsstrahl des Resonators 1100, während er einen anderen Teil des Strahls zurück zum dispersiven Element 1110 und von dort zu den Diodenbarren 1105 als Rückkopplung reflektiert, um die Emissionswellenlängen jedes der Strahlen zu stabilisieren.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/758731 [0001]
US 6192062 [0008]
US 6208679 [0008]
US 8670180 [0008]
US 8559107 [0008]
US 14/632283 [0011]
US 14/747073 [0011]
US 14/852939 [0011]
US 15/188076 [0011]
US 15/479745 [0011]
US 15/649841 [0011]
US 10088632 [0033]
US 14/676070 [0066]
US 8553327 [0077]
US 9746679 [0077]
US 9256073 [0080]
US 9268142 [0080]

Claims

Eine Gradientenstufen-ummantelte optische Faser, umfassend: einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex; eine den zentralen Kern umgebenden erste Ummantelung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist; einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite den ringförmigen Kern umgebende Ummantelung mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex, und einen zweiten Bereich, wobei ein Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem vierten Brechungsindex ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer oder gleich dem zweiten Brechungsindex ist, variiert.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei die Variation des Brechungsindex des zweiten Bereichs linear, parabolisch, polynomisch oder gestuft ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der vierte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der vierte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der vierte Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der zweite Brechungsindex gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der zweite Brechungsindex größer ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der zweite Brechungsindex kleiner ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des ersten Bereichs gleich einer Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des ersten Bereichs geringer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des ersten Bereichs größer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner als der vierte Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem vierten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der sechste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 1, wobei der sechste Brechungsindex gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Eine Gradientenstufen-ummantelte optische Faser, umfassend: einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex; einen den zentralen Kern umgebenden ringförmigen Kern; und eine den ringförmigen Kern umgebende erste Ummantelung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen ersten Bereich mit einem dritten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex, und einen zweiten Bereich, wobei ein Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem vierten Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex ist, und (ii) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex ist, variiert.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der erste Bereich zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der zweite Bereich zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei die Variation des Brechungsindex des zweiten Bereichs linear, parabolisch, polynomisch oder gestuft ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der dritte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der dritte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der dritte Brechungsindex kleiner als der erste Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei eine Dicke des ersten Bereichs gleich einer Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei eine Dicke des ersten Bereichs geringer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei eine Dicke des ersten Bereichs größer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der vierte Brechungsindex kleiner als der dritte Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 18, wobei der vierte Brechungsindex gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Eine mehrstufig ummantelte optische Faser, umfassend: einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex; eine den zentralen Kern umgebende erste Ummantelung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist; einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite den ringförmigen Kern umgebende Ummantelung mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex, und einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der erste Bereich zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der zweite Bereich zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der zweite Brechungsindex gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der zweite Brechungsindex größer ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der zweite Brechungsindex kleiner ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der vierte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der vierte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der vierte Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner als der erste Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei eine Dicke des ersten Bereichs gleich einer Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei eine Dicke des ersten Bereichs geringer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 33, wobei eine Dicke des ersten Bereichs größer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Eine Barrierestufen-ummantelte optische Faser, umfassend: einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex; eine den zentralen Kern umgebenden erste Ummantelung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist; einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite den ringförmigen Kern umgebende Ummantelung mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet ist und einen sechsten Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der vierte und fünfte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer ist als der zweite Brechungsindex; und einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und vierten Bereich angeordnet ist und einen achten Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der fünfte und siebte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der siebte Brechungsindex gleich mindestens einem der vierten oder fünften Brechungsindizes ist.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der siebte Brechungsindex größer ist als mindestens einer der vierten oder fünften Brechungsindizes.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der siebte Brechungsindex kleiner ist als mindestens einer der vierten oder fünften Brechungsindizes.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der achte Brechungsindex gleich dem sechsten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der achte Brechungsindex größer ist als der sechste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei der achte Brechungsindex kleiner ist als der sechste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei eine Dicke des fünften Bereichs gleich einer Dicke des dritten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei eine Dicke des fünften Bereichs geringer ist als eine Dicke des dritten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 49, wobei eine Dicke des fünften Bereichs größer als eine Dicke des dritten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex gleich dem fünften Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex größer ist als der fünfte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex kleiner ist als der fünfte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der vierte Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der sechste Brechungsindex gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der sechste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei der sechste Brechungsindex kleiner ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei eine Dicke des ersten Bereichs gleich einer Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei eine Dicke des ersten Bereichs geringer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei eine Dicke des ersten Bereichs größer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei eine Dicke des dritten Bereichs geringer ist als eine Dicke des ersten Bereichs und/oder eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei die Dicke des dritten Bereichs gleich der Dicke der ersten Ummantelung ist.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei die Dicke des dritten Bereichs geringer ist als die Dicke der ersten Ummantelung.
Die optische Faser nach Anspruch 48, wobei eine Dicke des dritten Bereichs größer ist als eine Dicke der ersten Ummantelung.
Eine Barrierenstufen-ummantelte optische Faser, umfassend: einen zentralen Kern, wobei ein Brechungsindex des zentralen Kerns (i) gleich einem ersten Brechungsindex an einem zentralen Abschnitt des zentralen Kerns ist und (ii) über mindestens einen Abschnitt eines Radius des zentralen Kerns auf einen zweiten Brechungsindex abnimmt, der kleiner als der erste Brechungsindex ist; eine den zentralen Kern umgebende erste Ummantelung mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist; einen ringförmigen Kern, der die erste Ummantelung umgibt, und eine zweite den ringförmigen Kern umgebende Ummantelung mit einem vierten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, wobei der ringförmige Kern umfasst: einen ersten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer ist als der dritte Brechungsindex, einen zweiten Bereich mit einem sechsten Brechungsindex, der größer ist als der dritte Brechungsindex, und einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet ist und einen siebten Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der fünfte und sechste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der zweite Brechungsindex gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der zweite Brechungsindex größer ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem sechsten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der sechste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner ist als der sechste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der fünfte Brechungsindex kleiner ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex gleich dem ersten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex größer ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex gleich dem zweiten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der sechste Brechungsindex kleiner ist als der zweite Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der siebte Brechungsindex gleich dem dritten Brechungsindex ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der siebte Brechungsindex größer ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei der siebte Brechungsindex kleiner ist als der dritte Brechungsindex.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des ersten Bereichs gleich einer Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des ersten Bereichs geringer ist als eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des ersten Bereichs größer als eine Dicke des zweiten Bereichs ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des dritten Bereichs geringer ist als eine Dicke des ersten Bereichs und/oder eine Dicke des zweiten Bereichs.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des dritten Bereichs gleich einer Dicke der ersten Ummantelung ist.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des dritten Bereichs geringer ist als eine Dicke der ersten Ummantelung.
Die optische Faser nach Anspruch 78, wobei eine Dicke des dritten Bereichs größer ist als eine Dicke der ersten Ummantelung.
Ein Lasersystem, das Folgendes umfasst: eine Strahlquelle zur Emission eines Eingangslaserstrahls; eine optische Faser nach einem der Ansprüche 1-105, welche ein Eingangsende und ein dem Eingangsende gegenüberliegendes Ausgangsende aufweist; einen Einkopplungsmechanismus zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und Richten des Eingangslaserstrahls auf das Eingangsende der optischen Faser, wodurch der Eingangslaserstrahl in die optische Faser eingekoppelt und vom Ausgangsende der optischen Faser als Ausgangsstrahl emittiert wird; und einen Controller zum Steuern des Einkoppelmechanismus relativ zur optischen Faser, um den Eingangslaserstrahl auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser zu lenken, wobei zumindest eines von einem Strahlparameterprodukt oder einer numerischen Apertur des Ausgangsstrahls zumindest teilweise durch die eine oder mehrere Einkoppelstellen bestimmt wird.
Lasersystem nach Anspruch 106, wobei der Einkopplungsmechanismus ein optisches Element zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls auf das Eingangsende der optischen Faser umfasst, wobei das optische Element als Reaktion auf die Steuerung entlang mindestens einer von (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verläuft, oder (ii) einer oder mehreren Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verlaufen, beweglich ist.
Lasersystem nach Anspruch 107, wobei der Einkopplungsmechanismus einen Lenkmechanismus zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Lenken des Eingangslaserstrahls in Richtung der optischen Faser umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 108, wobei der Lenkmechanismus einen Reflektor umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 107, wobei das optische Element eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 106, wobei der Einkoppelungsmechanismus einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der optischen Faser umfasst, wobei der Reflektor in Reaktion auf die Steuerung drehbar ist.
Lasersystem nach Anspruch 111, wobei der Einkopplungsmechanismus ein optisches Element zum Empfangen des Eingangslaserstrahls vom Reflektor und zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls auf die optische Faser umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 112, wobei das optische Element in Reaktion auf die Steuerung entlang mindestens einer der folgenden Achsen bewegbar ist: (i) einer Achse, die im Wesentlichen parallel zu einer Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verläuft, oder (ii) einer oder mehrerer Achsen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls verlaufen.
Lasersystem nach Anspruch 112, wobei das optische Element eine oder mehrere Linsen, einen oder mehrere Spiegel und/oder ein oder mehrere Prismen umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 106, wobei: die Strahlquelle auf die Steuerung reagiert; und der Controller so konfiguriert ist, dass er den Eingangslaserstrahl auf eine Vielzahl von verschiedenen Einkoppelstellen lenkt, ohne eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren, wenn der Eingangslaserstrahl zwischen den verschiedenen Einkoppelstellen gelenkt wird.
Lasersystem nach Anspruch 106, wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er den Eingangslaserstrahl auf mindestens eine Einkoppelstelle richtet, die die erste Ummantelung zumindest teilweise überlappt, wodurch in die erste Ummantelung eingekoppelte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Lasersystem nach Anspruch 106, wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er den Eingangslaserstrahl auf mindestens eine Einkoppelstelle richtet, die den ersten Bereich und/oder den zweiten Bereich zumindest teilweise überlappt, wodurch die dort eingekoppelte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Lasersystem nach Anspruch 106, das ferner einen mit dem Ausgangsende der optischen Faser gekoppelten Laserkopf zum Richten des Ausgangsstrahls auf ein Werkstück zu dessen Bearbeitung umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 118, wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er den Eingangslaserstrahl auf die eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser richtet, basierend auf mindestens einem von (i) einer Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) einem Bearbeitungspfad, entlang dessen das Werkstück bearbeitet werden soll.
Lasersystem nach Anspruch 119, wobei die Art der Bearbeitung ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten.
Das Lasersystem nach Anspruch 119, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topographie des Werkstücks.
Lasersystem nach Anspruch 119, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den Eingangslaserstrahl auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf die eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser richtet.
Lasersystem nach Anspruch 119, wobei die Strahlquelle umfasst: einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen aussenden; Fokussieroptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; wobei das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen konfiguriert ist; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Lasersystem nach Anspruch 124, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer optischen Faser nach einem der Ansprüche 1-105, welche ein Eingangsende und ein dem Eingangsende gegenüberliegendes Ausgangsende aufweist; Anordnen eines Werkstücks in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser; Bestimmen mindestens eines Strahlparameterprodukts oder einer numerischen Apertur für die Bearbeitung des Werkstücks auf der Grundlage mindestens eines der folgenden Punkte: (i) eine Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) eine Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) ein Bearbeitungsweg, entlang dessen das Werkstück bearbeitet werden soll; Richten eines Laserstrahls auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser, um das Strahlparameterprodukt und/oder die numerische Apertur des vom Ausgangsende der optischen Faser emittierten Laserstrahls auszuwählen; und Bearbeiten des Werkstücks mit dem vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittierten Laserstrahl.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei die Bearbeitung des Werkstücks das physikalische Verändern mindestens eines Teils einer Oberfläche des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei das Bearbeiten des Werkstücks mindestens eines von Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei (i) das Strahlparameterprodukt und/oder die numerische Apertur zumindest teilweise auf der Grundlage einer Eigenschaft des Werkstücks bestimmt wird, und (ii) die Eigenschaft des Werkstücks zumindest eines der folgenden Merkmale umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topographie des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei das Strahlparameterprodukt und/oder die numerische Apertur zumindest teilweise auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei mindestens eine Einkoppelstelle die erste Ummatelung zumindest teilweise überlappt, wodurch in die erste Ummantelung eingekoppelte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei mindestens eine Einkoppelstelle den ersten Bereich und/oder den zweiten Bereich zumindest teilweise überlappt, wodurch die dort eingekoppelte Strahlenergie zumindest einen Teil des Ausgangsstrahls bildet.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei das Richten des Laserstrahls auf eine oder mehrere Einkoppelstellen am Eingangsende der optischen Faser mindestens eines der folgenden Verfahren umfasst: (i) Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren oder (ii) Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen.
Verfahren nach Anspruch 126, wobei die eine oder die mehreren Einkoppelstellen eine Vielzahl von unterschiedlichen Einkoppelstellen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 126, das ferner umfasst, Ändern, während der Bearbeitung des Werkstücks, mindestens eines des Strahlparameterproduktes oder der numerischen Apertur des Laserstrahls, indem der Laserstrahl auf eine oder mehrere zweite Einkoppelstellen gerichtet wird, die sich von den einen oder mehreren Einkoppelstellen unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 126, das ferner das Emittieren des Laserstrahls von einem Strahlemitter umfasst, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Strahl quellen, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen aussenden; Fokussieroptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; wobei das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen konfiguriert ist; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei der Laserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 136, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.