KR20190054141A - 조정 가능한 빔 특성 - Google Patents

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KR20190054141A
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Abstract

본 명세서에서, 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합에서 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 조정하도록 광섬유의 제1 길이부 내에서 전파하는 광빔을 섭동, 광섬유의 제2 길이부로 섭동된 광빔을 결합 및 광섬유의 제2 길이부 내에서 하나 이상의 조정된 빔 특성의 적어도 일부를 유지시키는 방법, 장치 및 시스템을 포함한다.

Description

조정 가능한 빔 특성
본 발명에서 개시된 기술은 광섬유 레이저 및 광섬유 결합 레이저에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 개시된 기술은 광섬유 레이저 또는 광섬유 결합 레이저에서 섬유의 출력에서 조정된 광빔 특성(스폿 크기, 발산 프로파일, 공간 프로파일 또는 빔 형상 등 또는 이들의 임의의 조합)을 조정하고 유지하기 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 9월 29일자로 출원된 미국 가출원 제 62/401,650호의 이익을 주장하며, 2017년 5월 26일에 출원된 미국 특허 "조정 가능한 빔 특성"(대리인 문서 번호 7830-98270-01, 7830-98720-02 및 7830-98720-03)에 개시되어 있다. 이들 출원은 그 전체가 본 출원에 참고로 포함된다.
고전력 광섬유 결합 레이저의 사용은 재료 가공, 절단, 용접 및/또는 첨가물 제조와 같은 다양한 응용 분야에서 계속해서 인기를 얻고 있다. 이러한 레이저는 예를 들어, 광섬유 레이저, 디스크 레이저, 다이오드 레이저 및 다이오드 펌프 고체 레이저를 포함한다. 이 시스템에서, 광 전력은 레이저에서 광섬유를 통해 가공물로 전달된다.
다양한 광섬유 결합 레이저 재료 처리 작업은 상이한 빔 특성(예를 들어, 공간 프로파일 및/또는 발산 프로파일)을 필요로 한다. 예를 들어, 두꺼운 금속을 절단하고 용접할 때 일반적으로 얇은 금속을 절단할 때 보다 더 큰 스폿 크기가 필요하다. 이상적으로, 레이저 빔 성질은 이러한 다양한 작업을 위해 최적화된 처리를 가능하게 하도록 조정될 수 있다. 통상적으로, 사용자는 2가지 선택지를 갖는다: (1) 상이한 작업에 사용될 수 있지만, 그 중 대부분에 최적화된 것이 아닌 고정된 빔 특성을 갖는 레이저 시스템을 사용하는 방법(즉, 성능과 유연성 사이의 타협); (2) 가변적인 빔 특성을 제공하지만 상당한 비용, 크기, 중량, 복잡성 및 성능 저하(예를 들어, 광손실) 또는 신뢰성 저하(예를 들어, 견고성 또는 가동 시간의 감소)가 추가된 레이저 시스템 또는 악세서리를 구입하는 방법;이 있다. 빔 특성을 변화시킬 수 있는 현재 이용 가능한 레이저 시스템은 빔 특성을 변화시키기 위하여 자유공간광학장치 또는 기타 복잡하고 비싼 추가 장치(예를 들어, 줌 렌즈, 거울, 병진 또는 동력 렌즈, 결합기 등)의 사용을 필요로 한다. 비용, 복잡성, 성능 및/또는 신뢰성 측면에서 상당한 불이익이 부과되는 자유공간광학장치 또는 기타 추가 구성요소의 사용에 대한 의존을 최소화하거나 제거하는, 빔 특성에 원하는 조절 기능을 제공하는 해결책은 존재하지 않는다. 필요한 것은 자유공간광학장치의 사용을 필요로 하지 않거나 최소화하여 상당한 비용, 성능 상충 관계 및/또는 신뢰성 저하를 피할 수 있는 빔 특성의 변화를 제공하는 광섬유 내장 장치이다.
본 명세서에 적어도 광빔 특성을 변화시키는 방법, 시스템 및 장치가 개시되어 있다. 방법은 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합의 하나 이상의 빔 특성을 조정하도록 광섬유의 제1 길이부 내에서 전파하는 광빔을 섭동시키는 단계, 상기 섭동된 광빔을 광섬유의 제2 길이부 내로 결합시키는 단계 및 하나 이상의 속박 영역을 가지는 광섬유의 광섬유의 제2 길이부 내의 하나 이상의 조정된 빔 특성의 적어도 일부를 유지하는 단계를 포함한다. 방법은 상기 광섬유의 제1 길이부, 상기 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합의 제1 굴절률 프로파일(refractive index profile, RIP)의 선택에 응답하여 조정된 빔 특성을 가지는 광섬유의 제2 길이부로부터 선택된 출력 빔을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 섭동된 광빔의 하나 이상의 빔 특성은 섭동하는 상기 광섬유의 제1 길이부에 반응하여 조정되는 광빔을 생성하도록 상기 광섬유의 제1 길이부의 하나 이상의 코어 치수, 상기 광섬유의 제2 길이부의 하나 이상의 속박 영역 치수 또는 이들의 조합의 선택에 기초하여 조정되며, 상기 광섬유의 제2 길이부의 출력에서, 조정된 광빔은 조정된 특정 빔 직경, 발산 분포, 빔 파라미터 곱(BPP), 강도 분포, 휘도, M2 값, 개구수(NA), 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 것일 수 있다. 일부 예에서 방법은 굽힘 반경을 변경시키거나 광섬유의 제1 길이부의 굽힘 영역의 길이를 변경시키거나 또는 이들의 조합을 위하여 상기 광섬유의 제1 길이부를 굴곡시켜, 광빔의 하나 이상의 모드가 상기 광섬유의 제1 길이부의 길이 방향의 축에 대하여 방사상으로 변위되고 광섬유의 제2 길이부는 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역을 정의하는 RIP를 갖게 함으로써 광빔을 섭동시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 조정된 하나 이상의 빔 특성은 상기 광섬유의 제2 길이부의 2 이상의 속박 영역의 광빔을 속박함으로써 형성되는 것일 수 있다. 상기 예의 방법은 광섬유의 제1 길이부로부터 상기 제1 속박 영역 또는 제2 속박 영역 또는 이들의 조합으로 섭동되는 광빔을 발사하는 단계를 더 포함하여 광빔의 하나 이상의 변위된 모드가 제1 속박 영역 또는 제2 속박 영역 또는 이들의 조합에 선택적으로 결합되어 유지될 수 있다. 개시된 방법은, 광섬유의 제2 길이부의 출력에서 상기 광빔의 적어도 하나의 광빔 특성을 조정하도록 상기 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제1 길이부 내의 광빔 또는 이들의 조합을 섭동시킴으로써 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 섭동시키는 단계를 포함할 수 있다. 광섬유의 제 1 길이부를 섭동시키는 단계는 굴곡시키는 단계, 특정 길이에 걸쳐 굴곡시키는 단계, 마이크로 벤딩하는 단계, 음향 광학 여기를 가하는 단계, 열적 섭동시키는 단계, 연신(stretching)시키는 단계, 압전 섭동을 가하는 단계 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 광섬유의 제2 길이부는 중심 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 제1 속박영역을 둘러싸는 환형 코어를 포함하는 제2 속박 영역을 포함할 수 있다. 상기 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 조정하는 것은 최저 차수 모드, 하나 이상의 고차 모드 또는 이들의 조합의 원하는 모드 형상을 상기 조정 후에 생성하기 위하여 광섬유의 제1 길이부의 RIP를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 광섬유의 제1 길이부는 코어의 일부 또는 전부의 방사상으로 걸쳐있는 파라볼릭 인덱스 프로파일을 갖는 코어를 포함할 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부의 RIP는 상기 광빔을 섭동시키는 단계에 반응하여 최저 차수 모드, 고차 모드 또는 이들의 조합의 폭을 증가 또는 감소시키도록 선택될 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부, 상기 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합은 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함할 수 있다. 상기 속박 영역은 하나 이상의 클래딩 구조에 의해 나누어질 수 있고, 상기 발산 구조체는 상기 클래딩 구조에 의해 나누어진 적어도 하나의 속박 영역 내부에 배치되며 상기 발산 구조체에 인접한 속박 영역보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 방위각적으로 비대칭일 수 있다.
본 발명에 개시된 장치는 섭동 장치에 의하여 광빔의 하나 이상의 특성을 변경할 수 있도록 형성된 제1 RIP를 포함하는 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제1 길이부에 결합되고, 제2 RIP를 포함하는 광섬유의 제2 길이부로서, 상기 제2 RIP는 하나 이상의 속박 영역 내에 상기 광빔의 변경된 빔 특성의 적어도 일부를 속박하도록 형성된 광섬유의 제2 길이부를 포함하는 광빔 전달 장치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 제1 RIP와 상기 제2 RIP는 상이하다. 일부 예에서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 복수의 속박 영역을 포함한다. 상기 섭동 장치는 광섬유의 제1 길 이부와 결합되거나, 광섬유의 제1 길이부에 내장되어 있거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부는 적어도 방사상의 중앙 부분에서 그레이디드 인덱스(graded index)형 RIP를 포함하고, 상기 광섬유의 제2 길이부는 중심 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 환형이며 제1 속박 영역을 둘러싸는 제2 속박 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역은 상기 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩 구조에 의해 나누어질 수 있다. 상기 클래딩 구조는 플루오로 실리케이트 물질을 포함할 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 하나 이상의 발산 구조체를 포함할 수 있고, 상기 발산 구조체는 상기 발산 구조체를 둘러싼 제2 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 제1 물질을 포함할 수 있다. 상기 광섬유의 제2 길이부는 방위각적으로 비대칭이며, 제1 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 제2 코어를 포함하는 제2 속박 영역을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 제1 속박 영역 및 상기 제2 속박 영역은 동축일 수 있다. 다른 예에서, 상기 제1 속박 영역 및 상기 제2 속박 영역은 비동축일 수 있다. 상기 제2 속박 영역은 일부 예에서 초승달 모양일 수 있다. 상기 제1 RIP는 제1 반경을 갖는 제1 부분에서 포물선 형일 수 있다. 일부 예에서, 상기 제1 RIP는 제2 반경을 갖는 제2 부분에서 일정하고, 상기 제2 반경은 상기 제1 반경보다 클 수 있다. 상기 제1 RIP는 상기 제1 광섬유의 코어의 가장자리로 연장되는 방사상의 그레이디드 인덱스 형태를 포함할 수 있고, 상기 제1 RIP는 상기 섭동 장치에 의한 상기 빔 특성의 변경에 응답하여 하나 이상의 광빔 모드의 폭을 증가 또는 감소시키도록 형성된 것일 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부는 제2 반경까지 연장되는 일정한 굴절률 부분이 뒤따르는 제1 반경까지 연장되는 방사상의 그레이디드 인덱스 형태의 코어를 가질 수 있으며, 상기 제2 반경은 상기 제1 반경보다 클 수 있다. 일부 예에서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 약 0 내지 100 미크론 범위의 직경을 가지는 중심코어, 상기 중심 코어를 둘러싸고 약 10 내지 600 미크론 범위의 직경을 가지는 제1 환형 코어 및 20 내지 1200 미크론 범위의 직경을 가지는 제2 환형 코어를 포함한다. 상기 섭동 장치는 광섬유의 제1 길이부의 굽힘 반경, 굽힘 길이 또는 이들의 조합을 변경하여 빔의 특성을 변경하도록 형성된 굽힘 조립체를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 섭동 조립체는 굽힘 조립체, 맨드릴, 광섬유 내의 마이크로 벤드(micro-bend), 음향-광학 변환기, 열 장치, 광섬유 스트레쳐(stretcher), 압전 소자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 광섬유의 제1 길이부 및 상기 광섬유의 제2 길이부는 함께 접합되어 있는 별개의 수동 광섬유일 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템은, 광섬유의 제1 길이부 및 제2 길이부를 포함하는 광섬유 및 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신 또는 전송하도록 형성된 하나 이상의 자유공간광학장치(free space optics)를 포함하며 광섬유의 제2 길이부에 결합된 광학 시스템을 포함한다. 상기 광섬유의 제1 길이부는 하나 이상의 빔 특성을 변경하도록 배열된 섭동 조립체에 의한 광빔의 하나 이상의 빔 특성의 변경을 적어도 부분적으로 가능하게 하기 위해 형성된 제1 RIP를 포함할 수 있으며, 상기 섭동 조립체는 상기 광섬유의 제1 길이부와 결합되거나 광섬유의 제1 길이부에 내장되어 있거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 광섬유의 제2 길이부는 상기 광섬유의 제1 길이부에 결합될 수 있고, 하나 이상의 제1 속박 영역 내부의 섭동 조립체에 의하여 변경된 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제2 RIP를 포함할 수 있다.
상기 광빔 전달 시스템은 제1 프로세스 헤드 및 상기 광학 시스템 사이에 결합된 제1 프로세스 광섬유를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 프로세스 광섬유는 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신하도록 형성된 것일 수 있다. 상기 제1 프로세스 광섬유는 제1 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성의 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제3 RIP를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 자유공간광학장치의 적어도 일부는 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성될 수 있다. 상기 하나 이상의 빔 특성은 빔 직경, 발산 분포, BPP, 강도 분포, 휘도, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제3 RIP는 상기 제2 RIP와 같거나 다를 수 있다. 상기 제3 RIP는 상기 광빔의 하나 이상의 변경된 빔 특성을 더 변경하도록 형성될 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 제2 속박 영역의 적어도 하나는 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함한다. 상기 발산 구조체는 상기 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률의 물질의 영역을 포함할 수 있다.
상기 광빔 전달 시스템은 상기 광학 시스템과 제2 프로세스 헤드 사이에 결합된 제4 RIP를 가지는 제2 프로세스 광섬유를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 제2 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신하도록 형성될 수 있다. 일부 예에서, 상기 제1 프로세스 광섬유, 제2 프로세스 광섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하기 위하여 형성될 수 있다. 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함할 수 있다. 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 하나 이상의 제2 속박 영역의 적어도 하나에 의해 둘러싸인 중심 코어를 포함할 수 있고, 상기 코어 및 제2 속박 영역은 상기 중심 코어의 제2 굴절률 및 상기 제2 속박 영역의 제3 굴절률보다 낮은 제1 굴절률을 가지는 클래딩 구조를 포함할 수 있으며, 상기 제2 속박 영역은 적어도 하나의 발산 구조체를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 발산 구조체는 상기 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률의 물질의 영역을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제2 RIP는 상기 제3 RIP, 상기 제4 RIP 또는 이들의 조합과 상이할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 제2 RIP는 상기 제3 RIP, 상기 제4 RIP 또는 이들의 조합과 동일할 수 있다. 상기 변경될 수 있는 하나 이상의 빔 특성은 빔 직경, 발산 분포, BPP, 강도 분포, 휘도, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 상기 자유공간광학장치의 적어도 일부는 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성될 수 있다. 상기 제1 프로세스 광섬유는 제1 프로세스 헤드 및 상기 광학 시스템 사이에 결합될 수 있고, 상기 제1 프로세스 헤드는 상기 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신하도록 형성될 수 있다. 제1 프로세스 광섬유는 상기 제1 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제3 RIP를 포함할 수 있다. 상기 제3 RIP는 제2 RIP와 상이할 수 있고, 상기 제3 RIP는 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성될 수 있다.
일부 예에서, 상기 제1 프로세스 광섬유는 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 발산 구조체를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제2 프로세스 광섬유는 상기 광학 시스템 및 제2 프로세스 헤드 사이에 결합될 수 있고, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 2배로 변경된 하나 이상의 광빔 특성을 수신하도록 형성될 수 있다.
일부 예에서, 상기 제1 프로세스 광섬유, 제2 프로세스 광섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 2배로 변경된 광빔 특성을 더 변경하도록 형성될 수 있다. 상기 제1 프로세스 섬유, 제2 프로세스 섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 발산 구조체를 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 광학 시스템은 광섬유 대 광섬유 커플러, 광섬유 대 광섬유 스위치 또는 프로세스 헤드, 또는 이들의 조합일 수 있다.
동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타내는 첨부 도면은 본 명세서에 통합되고 일부를 구성하며, 상기 설명과 함께 현재 개시된 기술의 이점 및 원리를 설명한다.
도면에서,
도 1은 다양한 빔 특성을 가지는 레이저 빔을 제공하기 위한 광섬유 구조를 도시한 것이고;
도 2는 가변 빔 특성을 가지는 빔의 전달하기 위한 예시적인 광섬유 구조의 단면도를 도시한 것이고;
도 3은, 가변 빔 특성을 가지는 빔을 제공하기 위한 광섬유를 섭동시키는 방법의 일 예를 나타낸 것이고;
도 4는, 상이한 광섬유 굽힘 반경에 대한 광섬유의 제1 길이부에 대해 최저 차수 모드(LP01)의 계산된 공간 프로파일을 나타내는 그래프이고;
도 5는 빔 특성을 변경하기 위한 광섬유가 거의 직선일 때, 접합부에서의 2차원 강도 분포의 일 예를 나타낸 것이고;
도 6은 빔 특성을 변경하기 위한 광섬유가 광섬유의 제2 길이부의 특정 속박 영역을 우선적으로 여기하도록 선택된 반경으로 구부러질 때, 접합부에서의 2차원 강도 분포의 일 예를 나타낸 것이고;
도 7 내지 도 10은, 도 2에 나타난 빔 특성을 변경하기 위한 광섬유의 다양한 굽힘 반경에 대한 추가 출력 빔을 예시하기 위한 실험 결과를 도시한 것이고;
도 11 내지 도 16은, 광섬유 조립체에서 빔 특성 조정을 가능하게 하기 위한 광섬유의 예시적인 제1 길이부의 단면도를 나타내는 것이고;
도 17 내지 도 19는, 광섬유 조립체에서 조정된 빔 특성을 속박하기 위한 예시적인 광섬유의 제2 길이부("속박 광섬유")의 단면도를 나타낸 것이고;
도 20 및 도 21은, 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 광섬유 조립체에서 조정된 빔을 속박하고 발산 각도를 변경하기 위한 예시적인 광섬유의 제2 길이부의 단면도를 나타낸 것이고;
도 22a는 공급 광섬유와 프로세스 헤드 사이에 배치되어 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 광섬유 조립체를 포함하는 예시적인 레이저 시스템을 나타낸 것이고;
도 22b는 공급 광섬유와 프로세스 헤드 사이에 배치되어 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 광섬유 조립체를 포함하는 예시적인 레이저 시스템을 나타낸 것이고;
도 23은 공급 광섬유와 다중 프로세스 광섬유 사이에 배치되어 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 광섬유 조립체를 나타낸 것이고;
도 24는 본 명세서에 제공된 다양한 예에 따른 제공되는 다양한 빔 특성을 제공하기 위한 다양한 섭동 조립체의 예를 나타낸 것이고;
도 25는 광빔의 변경된 특성을 조정하고 유지하기 위한 예시적인 과정을 나타낸 것이고;
도 26 내지 도 28은 광섬유 조립체에서 조정된 빔 특성을 속박하기 위한 예시적인 광섬유의 제2 길이부("속박 광섬유")를 도시한 단면도이다.
이 명세서 및 청구 범위 전체에 걸쳐서, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 추가적으로, 용어 "포함하다(include)"는 "포함하다(comprise)"를 의미한다. 또한, "결합된(coupled)"이라는 용어는 결합된 물품들 사이의 중간 요소들의 배제를 의미하지 않는다. 또한, "수정(modify)" 및 "조정(adjust)"은 "변경(alter)"을 의미하도록 상호 교환적으로 사용된다.
본 명세서에 기술된 시스템, 장치 및 방법은 어떤 식으로든 제한되게끔 해석되어서는 안 된다. 대신에, 본 개시는 개시된 다양한 실시 형태의 신규하고 비-명백한 특징 및 양태가 단독, 다양한 조합 및 서로의 서브 조합으로 직접적으로 나타난다. 개시된 시스템, 방법 및 장치는 특정 양태, 특징 또는 그들의 조합으로 한정되지 않으며, 또한, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 임의 하나 이상의 특정 이점이 존재하거나 문제가 해결되는 것을 필요로 하지 않는다. 임의의 동작 이론은 설명을 용이하게 하기 위한 것이지만, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 그러한 동작 이론에 제한되지 않는다.
개시된 방법 중 일부 동작이 편리한 소개를 위해 특정 순차적 순서로 설명되었지만, 후술하는 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한, 이러한 방식의 설명은 재배치를 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 순차적으로 기술된 동작은 경우에 따라 재배치되거나 동시에 수행될 수 있다. 또한, 간략화를 위하여, 첨부된 도면은 개시된 시스템, 방법 및 장치가 다른 시스템, 방법, 장치와 같이 결합되어 사용될 수 있는 다양한 방식들을 나타내지 않을 수 있다. 또한, 설명은 개시된 방법을 설명하기 위하여 때때로 "생성(produce)" 및 "제공(provide)"과 같은 용어를 사용한다. 이런 용어들은 수행되는 실제 작업의 상위 수준의 추상적 개념이다. 이들 용어들에 대응하는 실제 동작은 특정 구현예에 따라 달라질 수 있으며, 당업자는 쉽게 알 수 있을 것이다.
일부 예에서, 값, 절차 또는 장치는 "최저(lowest)", "최상(best)", "최소(minimum)" 등으로 지칭된다. 그러한 설명은 사용된 많은 기능적 대안 중에서 선택이 이루어질 수 있고, 그러한 선택들은 더 낫거나, 더 작거나 또는 기타 다른 선택들보다 더 바람직할 필요는 없다는 것을 나타내도록 하기 위하여 사용될 수 있다. 예들은 "위(above)", "아래(below)", "상부(upper)", "하부(lower)" 등으로 나타난 방향을 참조하여 설명된다. 이러한 용어들은 설명을 용이하게 하기 위해 사용된 것이지만, 특정 공간적 방향을 의미하지는 않는다.
정의
1. "빔 특성" 이라는 용어는 광학 빔을 설명하기 위하여 사용되는 다음 용어 중 하나 이상을 나타낸다. 일반적으로 대부분의 관심 대상인 빔 특성은 응용 분야 또는 광학 시스템에 따라 다르다
2. "빔 직경"이란 용어는 최대 방사 조도의 1/e2와 같은 방사 조도(강도)의 축을 따라 빔의 중심을 가로 지르는 거리로 정의한다. 여기 개시된 예는 일반적으로 방위각적으로 대칭 모드로 전파하는 빔을 사용하지만, 타원형 또는 다른 빔의 형태도 사용될 수 있고, 빔 직경은 상이한 축을 따라 상이할 수 있다. 원형 빔은 단일 빔 직경임을 특징으로 한다.
3. "스폿 크기"라는 용어는 최대 방사 조도의 중심점에서 1/e 2 지점까지의 반경 거리(반지름)을 의미한다.
4. "빔 발산 분포"라는 용어는 전체 원주 각에 대한 힘을 의미한다. 이 양은 "각도 분포" 또는 "NA 분포"라고도 한다.
5. "빔 파라미터 곱(BPP)"이라는 용어는 빔 반경(빔 허리에서 측정) 및 빔 발산 반각(먼 영역에서 측정)의 곱으로 정의된다. BPP의 단위는 일반적으로 mm-mrad이다.
6. "속박 광섬유"는 하나 이상의 속박 영역을 포함하는 광섬유를 의미하며, 속박 영역은 저 굴절률 영역(클래딩 영역)으로 둘러싸인 고 굴절률 영역(코어 영역)을 포함한다. 속박 광섬유의 RIP는 저 굴절률 영역(클래딩 영역)으로 둘러싸인 하나 이상의 고 굴절률 영역(코어 영역)을 포함할 수 있고, 여기서 빛은 고 굴절률 영역에 유도된다. 각 속박 영역 및 각 클래딩 영역은 스텝 인덱스 및 그레이디드 인덱스를 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 RIP를 포함할 수 있다. 속박 영역은 동심원일 수도 있고, 아닐 수도 있으며, 원형, 환형, 다각형, 아치형, 타원형, 불규칙한 형태 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다양한 형태일 수 있다. 특정 속박 광섬유에서 속박 영역은 모두 동일한 형태를 가지거나 상이한 형태를 가질 수 있다. 나아가, 속박 영역은 동축이거나 서로에 대한 오프셋 축을 가질 수 있다. 속박 영역은 길이 방향에서 중심 축에 대하여 동일한 두께일 수 있거나, 길이 방향에서 중심 축에 대하여 두께가 달라질 수 있다.
7. "강도 분포"라는 용어는 선(1D 프로파일) 또는 평면(2D 프로파일)의 위치 함수에 따른 광강도로 나타낼 수 있다. 선 또는 평면은 일반적으로 빛의 전파 방향에 수직으로 취해진다. 이는 정량적 특성이다.
8. "휘도"는 주어진 방향으로 진행하는 빛의 단위 면적 당 광도의 측광 측정값이다.
9. "M2 값"("빔 품질 계수" 또는 "빔 전파 계수"라고도 함)는 M2 = 1이 회절 한계인 빔의 레이저 빔의 빔 품질을 정량화하기 위한 무차원 파라미터로, 큰 M2 값은 낮은 빔 품질에 대응한다. M2 은 BPP를 λ/π로 나눈 값과 동일하고, 여기서 λ는 미크론 단위의 빔의 파장이다(BPP가 mm-mrad 단위로 표현되는 경우).
10. 광학 시스템의 "개구수" 또는 "NA"라는 용어는 시스템이 빛을 수용하거나 방출할 수 있는 각도 범위를 특징 짓는 무차원의 수이다.
11. "광강도"라는 용어는 공식(SI) 단위는 아니지만 표면상 또는 평면을 통과하는 단위 면적 당 입사 전력을 나타내는데 사용된다.
12. "전력 밀도" 라는 용어는 "광강도"로도 불리지만, 단위 면적당 광강도를 의미한다.
13. "방사 빔 위치"라는 용어는 광섬유 축에 수직인 방향으로 광섬유 코어의 중심에 대해 측정된 광섬유에서의 빔 위치를 의미한다.
14. "방사 휘도"는 광 소스(예를 들어, 레이저)의 단위 면적에 의해 주어진 방향으로 단위 입체각 당 방출되는 방사이다. 방사 휘도는 빔 강도 분포 및/또는 빔 발산 프로파일 또는 분포를 변경함으로써 변경될 수 있다. 레이저 빔의 방사 휘도 프로파일을 변화시키는 능력은 BPP를 변화시키는 능력을 의미한다.
15. "굴절률 프로파일" 또는 "RIP"라는 용어는 광섬유 축에 수직한 선(1D) 또는 평면(2D)을 따라 위치의 함수로서 나타난 굴절률을 의미한다. 많은 광섬유들은 방위각적으로 대칭이고, 이 경우 1D RIP는 임의의 방위각에 대해 동일하다.
16. "스텝 인덱스 광섬유"는 광섬유 코어 내에서 평탄한(위치와 무관한 굴절률) RIP를 가진다.
17. "그레이디드 인덱스 광섬유"는 반경 위치가 증가함에 따라(즉, 광섬유 코어의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라) 굴절률이 감소하는 RIP를 갖는다.
18. "파라볼릭 인덱스 광섬유"는 광섬유의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라 2차식으로 굴절률이 감소하는 그레이디드 인덱스 광섬유의 특별한 경우이다.
빔 특성을 변경하기 위한 광섬유
본 명세서에 개시된 방법, 시스템 및 장치는 비용, 복잡성, 광 손실 또는 전술한 종래의 방법들의 다른 결점을 감소시킬 수 있는 가변 빔 특성(VBC)을 갖는 레이저 빔을 제공하도록 동작 가능한 광섬유를 제공하도록 형성된다. VBC 광섬유는 다양한 광빔 특성을 변경하도록 형성된다. 이러한 빔 특성은 VBC 광섬유를 사용하여 조절할 수 있으므로 사용자들이 광범위한 레이저 프로세싱 응용분야의 특정 요구에 맞도록 다양한 빔 특성을 조절할 수 있게 된다. 예를 들어, VBC 광섬유는 빔 직경, 빔 발산 분포, BPP, 강도 분포, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 등 또는 이들의 조합을 조절할 수 있도록 사용된다.
일반적으로, 개시된 기술은 레이저 빔 및/또는 광섬유의 제1 길이부를 다양한 방법(예를 들어, 광섬유를 굽히거나 하나 이상의 섭동을 도입)으로 섭동시키고, 광섬유의 제2 길이부에서 조정된 빔 특성을 완전히 또는 부분적으로 유지시킴으로써 조정될 수 있는 광섬유 내의 레이저 빔 특성의 레이저 빔을 광섬유 내로 결합시키는 것을 포함한다. 광섬유의 제2 길이부는 조정된 빔 특성을 유지 및/또는 더 변경하도록 특별히 형성된다. 경우에 따라, 광섬유의 제2 길이부는 최종 사용(예를 들어, 재료 가공)을 위하여 레이저 빔 전달을 통해 조정된 빔 특성을 보존한다. 광섬유의 제1 및 제2 길이부는 동일한 또는 상이한 광섬유를 포함할 수 있다.
개시된 기술은 광섬유 레이저 및 광섬유 결합 레이저와 호환 가능하다. 광섬유 결합 레이저는 일반적으로 스텝 인덱스 굴절률 프로파일(RIP), 즉 광섬유 코어 내에서 평평하거나 일정한 굴절률을 갖는 전달 광섬유를 통하여 출력을 전달한다. 실제로, 전달 광섬유의 RIP는 광섬유의 설계에 따라 완전히 평평하지는 않을 수 있다. 중요한 파라미터는 광섬유 코어 직경(dcore) 및 NA이다. 중심 코어 직경은 일반적으로 10 -1000 미크론 범위(다른 값들이 가능하더라도)이고, NA는 일반적으로 0.06 내지 0.22의 범위(다른 값들이 가능하더라도)이다. 레이저의 전달 광섬유는 프로세스 헤드 또는 가공할 재료에 직접적으로 유입되거나, 광섬유 대 광섬유 커플러(FFC) 또는 광섬유 대 광섬유 스위치(FFS)에 유입될 수 있고, 전달 광섬유로부터 프로세스 헤드 또는 가공할 재료로 빔을 전송하는 프로세스 광섬유로 빛을 결합시킨다.
대부분의 재료 가공 툴, 특히 고전력(>1 kW)인 것들은 다중 모드(MM) 광섬유를 사용하지만, 일부는 더 낮은 dcore 및 NA 범위의 단일 모드(SM) 광섬유를 사용한다. SM 광섬유의 빔 특성은 광섬유 파라미터에 의해 고유하게 결정된다. 그러나, MM 광섬유의 빔 특성은 광섬유에 결합된 레이저 소스, 광섬유로의 발사 또는 접착 조건, 광섬유 RIP 및 광섬유의 정적 및 동적 형상(굽힘, 코일링, 움직임, 마이크로 벤딩 등)에 따라 달라질 수 있다(단위 대 단위 및/또는 레이저 전력 및 시간의 함수로). SM 및 MM 전달 광섬유 모두에 대해, 빔 특성은 주어진 재료 처리 작업에 대해 최적이 아닐 수 있으며, 작업 범위에 대해 최적이 아닐 가능성이 높고, 특정 처리 작업을 위해 이를 맞춤화 또는 최적화 하기 위하여 빔 특성을 체계적으로 변경할 수 있었으면 하는 바람이 동기부여가 되었다.
일 실시예에서, VBC 광섬유는 제1 길이부 및 제2 길이부를 가질 수 있으며, 빔 특성의 원하는 가변성을 제공하도록 전달 광섬유 및 프로세스 헤드 사이에 인-파이버 디바이스로서 형성될 수 있다. 상기 빔의 조정을 가능하게 하기 위하여 섭동 장치 및/또는 조립체가 상기 VBC 섬유에 매우 근접하게 배치 및/또는 상기 VBC 섬유에 결합되고, 이는 광섬유의 제1 길이부에서 빔 특성이 변경되도록 제1 길이부에서 빔을 섭동시키는 역할을 하며, 변화된 빔 특성은 광섬유의 제2 길이부에 빔이 전파됨에 따라 보존되거나 더 변하게 된다. 섭동된 빔은 조정된 빔 특성을 보존하도록 형성된 VBC 광섬유의 제2 길이부로 발사된다. 광섬유의 제1 및 제2 길이부는 동일하거나 상이한 광섬유일 수 있고/있거나, 광섬유의 제2 길이부는 속박 광섬유를 포함할 수 있다. VBC 광섬유의 제2 길이부에 의해 보존되는 빔 특성은 빔 직경, 빔 발산 분포, BPP, 강도 분포, 휘도, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 등 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 것을 포함할 수 있다.
도 1은 빔 특성을 변화시키도록 자유 공간 광학 장치의 사용 필요 없이 가변 빔 특성을 갖는 레이저 빔을 제공하기 위한 예시적인 VBC 광섬유(100)를 도시한다. VBC 광섬유(100)는 광섬유의 제1 길이부(104) 및 광섬유의 제2 길이부(108)를 포함한다. 광섬유의 제1 길이부(104) 및 광섬유의 제2 길이부(108)는 같거나 다른 광섬유일 수 있으며, 같거나 다른 RIP를 가질 수 있다. 광섬유의 제1 길이부(104) 및 광섬유의 제2 길이부(108)는 접합부에 의해 함께 결합될 수 있다. 광섬유의 제1 길이부(104) 및 광섬유의 제2 길이부(108)는 다른 방법으로 결합되거나, 이격되거나, 광섬유의 다른 길이부, 자유공간광학장치, 접착제, 굴절률-매칭 재료 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 삽입 구성요소를 통해 연결될 수 있다.
섭동 장치(110)는 섭동 영역(106)에 인접하게 배치되고/되거나 섭동 영역(106)을 둘러싼다. 섭동 장치(110)는 장치, 조립체, 인-파이버 구조, 및 또는 다른 특징부일 수 있다. 섭동 장치(110)는 광빔(102)의 하나 이상의 빔 특성을 조정하기 위하여 적어도 광섬유의 제1 길이부(104), 광섬유의 제2 길이부(108) 또는 이들의 조합 내의 광빔(102)을 섭동시킨다. 섭동 장치(110)에 의한 섭동에 응답하는 빔(102) 조정은 광섬유의 제1 길이부(104), 광섬유의 제2 길이부(108) 또는 그들의 조합에서 일어날 수 있다. 섭동 영역(106)은 다양한 폭에 걸쳐 연장될 수 있고, 광섬유의 제2 길이부의 일부로 연장되거나 연장되지 않을 수 있다. 빔(102)이 VBC 광섬유(100) 내로 전파됨에 따라, 섭동 장치(110)는 광섬유를 섭동시키고 빔(102) 특성을 조정하기 위하여 VBC 광섬유(100)에 물리적으로 작용한다. 대안으로, 섭동 장치(110)는 빔 특성을 변경시키기 위하여 빔(102)에 직접 작용할 수 있다. 조정된 후에, 섭동된 빔(112)은 광섬유의 제2 길이부(108)에서 완전히 또는 부분적으로 보존될 수 있는 빔(102)에 비하여 상이한 빔 특성을 갖는다. 다른 예에서, 섭동 장치(110)는 접합부 부근에 배치될 필요가 없다. 또한, 접합부는 전혀 필요하지 않을 수 있고, 예를 들어 VBC 광섬유(100)는 단일 광섬유일 수 있거나, 광섬유의 제1 길이부 및 광섬유의 제2 길이부는 이격될 수 있거나, 작은 갭으로 고정될 수 있다(에어 스페이스, 또는 광 시멘트 또는 굴절률 매칭 재료와 같은 광학 재료로 채워짐).
섭동된 빔(112)은 광섬유의 제2 길이부로 발사되고, 섭동된 빔(112)이 광섬유의 제2 길이부(108)의 출력에서 조정된 빔 특성을 나타내도록 전파함에 따라 섭동된 빔(112) 특성은 대체로 유지되거나 계속하여 변하게 된다. 예를 들어, 새로운 빔 특성은 조정된 강도 분포를 포함할 수 있다. 예를 들어, 변경된 빔의 강도 분포는 광섬유의 제2 길이부의 구조적으로 경계를 이루는 다양한 속박영역에서 보존될 것이다. 따라서, 빔 강도 분포는 특정 레이저 처리 작업에 최적화되는 원하는 빔 강도 분포로 조정될 수 있다. 일반적으로, 섭동된 빔(112)이 광섬유의 제1 길이부의 조건 및 섭동 장치(110)에 의한 섭동에 응답하여 발사되는 속박 영역을 채우기 위하여 광섬유의 제2 길이부에서 빔이 전파됨에 따라 섭동된 빔(112)의 강도 분포는 변화한다. 또한, 발사 조건 및 광섬유 특성에 따른 광섬유의 제2 길이 부분에서의 빔의 전파에 따라 각도 분포가 변화할 수 있다. 일반적으로, 광섬유는 입력 발산 분포의 대부분을 보존하지만 만약, 입력 발산 분포가 좁고/좁거나 만약, 광섬유가 불규칙성 또는 발산 분포를 섭동시키는 의도적인 특징을 가지고 있다면 발산 분포는 넓어질 수 있다. 다양한 속박 영역, 섭동 및 광섬유의 제2 길이부의 광섬유 특징은 아래에 더 자세히 설명되어 있다. 빔(102 및 112)은 가변 빔 특성을 제공하기 위하여 VBC 광섬유(100)를 통해 빔이 어떻게 전파될 수 있는지 설명하기 위한 개념적인 추상 개념이며, 특정 광빔의 거동을 정밀하게 모델링하는 것을 의도한 것은 아니다.
VBC 광섬유(100)는 PCVD(플라즈마 화학 기상 증착법, Plasma Chemical Vapor Deposition), OVD(외부 증기 증착법, Outside Vapor Deposition), VAD (증기 축 증착법, Vapor Axial Deposition), MOCVD (금속 - 유기 화학 기상 증착법, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 및/또는 DND(직접 나노 입자 증착법, Direct Nanoparticle Deposition)를 포함하는 다양한 방법에 의하여 제조될 수 있다. VBC 광섬유(100)는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, VBC 광섬유(100)는 SiO2, GeO2로 도핑된 SiO2, 게르마노실리케이트(germanosilicate), 오산화인(phosphorus pentoxide), 포스포실리케이트(phosphosilicate), Al2O3, 알루미노 실리케이트 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 속박 영역은 불소, 붕소 또는 이들의 임의의 조합으로 도핑된 클래딩에 의해 나누어질 수 있다. Er3+ (에르븀, erbium), Yb3+ (이테르븀, ytterbium), Nd3+ (네오디뮴, neodymium), Tm3+ (툴륨, thulium), Ho3+ (홀뮴, holmium) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 희토류 이온을 포함하는 다른 도펀트가 활성 광섬유에 추가될 수 있다. 대안적으로, VBC 광섬유(100)는 광결정 광섬유 또는 미세 구조 광섬유를 포함할 수 있다.
VBC 광섬유는 연속파 및 펄스화된 광섬유 레이저, 디스크 레이저, 고체 레이저 또는 다이오드 레이저(물리적 제약을 제외하고 펄스 속도는 제한되지 않음)를 포함하는 다양한 광섬유, 광섬유 광학 장치 또는 광섬유 레이저 장치 중 임의의 것에 사용하기에 적합하다. 또한, 광섬유뿐만 아니라 평면 도파관 또는 다른 타입의 도파관에서의 구현은 청구된 기술범위 내에 있다.
도 2는 광빔의 빔 특성을 조정하기 위한 예시적인 VBC 광섬유(200)의 단면도를 도시한다. 예를 들어, VBC 광섬유(200)는 재료 처리를 위해 빔을 프로세스 헤드로 전달할 수 있기 때문에 프로세스 광섬유일 수 있다. VBC 광섬유(200)는 광섬유의 제2 길이부(208)와 접합부(206)에서 접합되는 광섬유의 제1 길이부를 포함할 수 있다. 섭동 조립체(210)는 접합부(206)에 근접하게 배치된다. 섭동 조립체(210)는 VBC 광섬유(200)에서 전파되는 광빔(202)의 빔 특성의 조정이 가능하도록 형성된 다양한 장치 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 섭동 조립체(210)는 맨드릴 및/또는 접합부 부근에서 VBC 광섬유(210)의 굽힘 반경 및/또는 굽힘 길이를 변화시키는 수단을 제공하는 다른 장치일 수 있다. 섭동 장치의 다른 예는 도 24와 관련하여 후술된다.
예를 들어, 광섬유의 제1 길이부(204)는 왼쪽 RIP 그래프에서 나타내는 것과 같이 파라볼릭-인덱스 RIP(212)를 갖는다. 빔(202)의 대부분의 강도 분포는 광섬유(204)가 직선 또는 거의 직선에 가까울 때, 광섬유(204)의 중심에 집중된다. 광섬유의 제2 길이부(208)는 오른쪽 RIP 그래프에서 보이는 것과 같은 RIP(214)를 가지는 속박 광섬유이다. 광섬유의 제2 길이부(208)는 속박 영역(216, 218 및 220)을 포함한다. 속박 영역(216)은 두 환형(또는 고리형) 속박 영역(218 및 220)으로 둘러싸인 중심 코어이다. 층(222 및 224)은 속박 영역(216, 218 및 220) 사이의 저 굴절률 물질의 구조적 장벽이고, 일반적으로 "클래딩" 영역으로 지칭된다. 예를 들어, 층(222 및 224)은 플루오로 실리케이트의 링을 포함할 수 있고, 일부 실시예에서, 플루오로 실리케이트 클래딩 층은 비교적 얇다. 다른 물질들도 사용될 수 있으며 청구대상은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 빔(202)이 VBC 광섬유(200)를 따라 전파됨에 따라, 섭동 조립체(210)는 빔 특성을 조정하고 조정된 빔(226)을 생성하기 위하여 광섬유(208) 및/또는 빔(202)에 물리적으로 작용할 수 있다. 현재의 예에서, 빔(202)의 강도 분포는 섭동 조립체(210)에 의하여 변경된다. 빔(210) 조정 후에, 조정된 빔의 강도 분포는 외곽 속박 영역(218, 220)에 집중되고, 중심 속박 영역(216)에서 비교적 작은 강도로 집중된다. 각각의 속박 영역 (216, 218 및/또는 220)은 장벽층(222 및 224)에서 저 굴절률 물질의 얇은 층에 의해 격리되기 때문에, 광섬유의 제2 길이부(208)는 실질적으로 조정된 빔(226)의 조정된 강도분포를 실질적으로 유지할 수 있다. 빔은 주어진 속박 영역 내에서 방위각적 분포를 전형적으로 갖게 되지만, 광섬유의 제2 길이부(208)를 따라 전파됨에 따라 속박 영역 사이로 전이가(상당히) 발생하지는 않을 것이다. 따라서, 조정된 빔(226)의 조정된 빔 특성은 하나의 영역에 집중되기 보다는 격리된 속박 영역(216, 218 및/또는 220) 내에서 대부분 보존될 것이고 이러한 조건은 적절히 조정된 빔(226)을 생성함으로써 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 코어 속박 영역(216) 및 환형 속박 영역(218 및 220)은 용융 실리카 유리를 포함할 수 있고, 속박 영역을 정의하는 클래딩(222 및 224)은 플루오로 실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 게르마노실리케이트(germanosilicate), 포스포실리케이트(phosphosilicate), 알루미노 실리케이트 등 또는 이들의 조합을 포함하는 다른 물질들은 다양한 속박 영역(216, 218 및 220)을 형성하기 위하여 사용될 수 있으나 청구대상은 이로 제한되지 않는다. 용융 실리카, 보로실리케이트(borosilicate) 등 또는 이들의 조합을 포함하는 다른 물질은 장벽 고리(222 및 224)를 형성하기 위하여 사용될 수 있지만, 청구대상은 이로 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 광섬유 또는 도파관은 다양한 고분자, 플라스틱 또는 결정질 물질을 포함하거나 이들로 구성된다. 일반적으로 코어 속박 영역은 장벽/클래딩 영역에 인접한 부분보다 큰 굴절률을 갖는다.
일부 예에서, 빔 프로파일의 미세 조정을 위하여 빔 변위에 대한 빔 조절의 세분성을 증가시키도록 광섬유의 제2 길이부에서 속박 영역의 수를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 속박 영역은 단계별 빔 변위를 제공하도록 형성될 수 있다.
도 3은 광빔의 가변 빔 특성을 제공하기 위한 광섬유를 섭동시키는 예시적인 방법을 도시한다. 광섬유의 굽힘 반경을 변경하는 것은 광섬유 내의 방사 빔 위치, 발산 각 및/또는 빔의 방사 휘도 프로파일을 변경시킬 수 있다. VBC 광섬유(200)의 굽힘 반경은 섭동 조립체로서, 계단식 맨드릴 또는 원뿔을 사용함으로써 접합부에 대한 제1 굽힘 반경(R1)에서 제2 굽힘 반경(R2)로 감소할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 맨드릴 또는 원뿔의 맞물림 길이는 달라질 수 있다. 롤러(250)는 섭동 조립체(210)를 가로질러 VBC 광섬유와 결합하도록 사용될 수 있다. 일 실시예에서. 롤러(250)와 광섬유(200)의 맞물림 양은 고정된 맨드릴 반경의 광섬유(200)의 외곽 속박 영역(218 및 220)으로 강도 프로파일 분포를 이동시키는 것으로 나타났다. 클램핑 조립체, 가요성 튜빙 등 또는 이들의 조합과 같이 광섬유(200)의 굽힘 반경을 변화시키기 위한 다양한 방법이 있으나 청구대상은 이에 제한되지 않는다. 다른 예에서, 특정 굽힘 직경에 대해, VBC 광섬유(200)가 굴곡되는 길이는 또한 제어되고 재생 가능한 방식으로 빔 특성을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 광섬유가 특정 굽힘 반경에서 굴곡되는 굽힘 반경 또는 길이를 변경하는 것은 또한 빔의 강도 분포를 변경할 수 있어 하나 이상의 모드가 광섬유 코어의 중심으로부터 방사상으로 이동될 수 있다.
접합부(206)를 가로지르는 광섬유의 굽힘 반경을 유지하는 것은 방사 빔 위치와 같은 빔 특성의 조정을 보장하고, 광빔(202)의 방사 휘도 프로파일은 광섬유의 제2 길이부로 발사되기 전에는 빔(202)의 섭동되지 않은 상태로 돌아가지 않을 것이다. 또한, 조정된 빔(226)의 위치, 방사 각 및/또는 강도 분포를 포함하는 조정된 방사 빔 특성은 VBC 광섬유(200)의 굽힘 반경의 감소 정도 및/또는 굽힘 길이의 정도에 기초하여 변할 수 있다. 따라서, 이 방법을 이용하여 특정 빔 특성을 얻을 수 있다.
현재의 예에서, 제1 RIP(212)를 갖는 광섬유의 제1 길이부(204)는 제2 RIP(214)를 갖는 광섬유의 제2 길이부와 접합부(206)에서 접합된다. 그러나, 빔(202)의 빔 특성의 섭동(마이크로-벤딩)을 가능하게 하고, 또한 조정된 빔의 보존을 가능하게 하도록 형성된 단일 RIP를 가지는 단일 광섬유를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 RIP는 도 17, 18 및/또는 19에서 나타내는 광섬유가 보여주는 RIP와 유사할 수 있다.
도 7-10은 섭동 조립체(210)가 광섬유를 굴곡시키기 위하여 VBC 광섬유(200)에 작용할 때의 VBC 광섬유(도 2 및 도 3의 200)의 실험 결과를 제공하고 VBC 광섬유의 섭동에 대한 빔 응답을 도시한 것이다. 도 4-6은 시뮬레이션이고, 도 7-10은 실험 결과이며, 여기서 SM 1050 nm 소스로부터의 빔이 40 미크론 코어 직경을 갖는 입력 광섬유(미도시)로 발사되었다. 입력 광섬유는 광섬유의 제1 길이부(204)와 접합되었다.
도 4는 상이한 광섬유 굽힘 반경(402)에 대한 광섬유의 제1 길이부의 최저차수모드(LP01)의 계산된 프로파일을 도시한 예시적인 그래프(400)이고, 여기서 섭동 조립체(210)는 VBC 광섬유(200)를 굴곡시키는 것을 포함한다. 광섬유의 굽힘 반경이 감소함에 따라, VBC 광섬유(200)로 전파되는 광빔은 조정되고, 모드는 VBC 광섬유(200) 코어의 중심(404)에서 코어/클래딩 경계(이 예에서 r = 100 미크론에 위치)쪽으로 방사상으로 이동한다. 고차모드(LPln) 또한 굽힘에 따라 이동한다. 따라서, 직선 또는 거의 직선인 광섬유(매우 큰 굽힘 반경)인 LP01에 대한 곡선(406)은 VBC 광섬유(200)의 중심 또는 중심 부근에 위치한다. 굽힘 반경이 약 6 cm 일 때, LP01에 대한 곡선(408)은 VBC 광섬유(200)의 중심(406)으로부터 약 40 μm 방사상 위치로 이동된다. 굽힘 반경이 약 5 cm 일 때, LP01에 대한 곡선(410)은 VBC 광섬유(200)의 중심(406)으로부터 약 50 μm 방사상 위치로 이동된다. 굽힘 반경이 약 4 cm 일 때, LP01에 대한 곡선(412)은 VBC 광섬유(200)의 중심(406)으로부터 약 60 μm 방사상 위치로 이동된다. 굽힘 반경이 약 3 cm 일 때, LP01에 대한 곡선(414)은 VBC 광섬유(200)의 중심(406)으로부터 약 80 μm 방사상 위치로 이동된다. 굽힘 반경이 약 2.5 cm 일 때, LP01에 대한 곡선(416)은 VBC 광섬유(200)의 중심(406)으로부터 약 85 μm 방사상 위치로 이동된다. 모드의 형상은 비교적 일정하게 유지되고(코어의 가장자리에 접근할 때까지), 파라볼릭 RIP의 특정 속성임을 주목해야 한다. 그럼에도 불구하고, 이 속성은 일부 상황에서는 바람직하지만, VBC 기능에서는 필요하지 않으며, 다른 RIP가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, VBC 광섬유(200)가 직선화된다면, LP01 모드는 광섬유의 중심 쪽으로 후퇴할 것이다. 따라서, 광섬유의 제2 길이부의 목적은 VBC 광섬유(200)의 중심에서 벗어난 속박 영역의 빔의 조정된 강도 분포를 "포획"하거나 속박하는 것이다. 광섬유(204 및 208) 사이의 접합부는 굽힘 영역에 포함되고, 따라서 이동된 모드는 고리-형태의 속박 영역(218, 210) 중 하나에 우선적으로 발사되거나 속박 영역들 사이에 분포될 것이다. 도 5 및 6은 이 효과를 설명한다.
도 5는 VBC 광섬유(200)가 거의 직선일 때, 광섬유의 제2 길이부(208) 내의 접합부(206)에서의 2차원 강도 분포의 예를 나타낸 것이다. LP01- 및 LPln의 상당한 부분은 광섬유(208)의 속박 영역(216) 내에 있다. 도 6은 VBC 광섬유(200)가 광섬유의 제2 길이부(208)의 속박 영역(220, 가장 바깥쪽 속박 영역)을 우선적으로 여기시키기 위해 선택된 반경으로 굴곡될 때 광섬유의 제2 길이부(208) 내의 접합부(206)에서의 2차원 강도 분포를 나타낸 것이다. LP01- 및 LPln의 상당한 부분은 광섬유(208)의 속박 영역(220) 내에 있다.
일 실시예에서, 광섬유의 제2 길이부(208)의 속박 영역(216)은 100 미크론의 직경을 갖고, 속박 영역(218)은 120 미크론 내지 200 미크론 사이의 직경이며, 속박 영역(220)은 220 미크론 내지 300 미크론 사이의 직경이다. 속박 영역(216, 218 및 220)은 속박 영역에 대해 0.22의 NA를 제공하는 10 ㎛ 두께의 플루오로 실리케이트 고리에 의해 나누어진다. 이와 다른 속박 영역의 내부 및 외부 직경, 속박 영역을 분리하는 고리의 두께, 속박 영역에 대한 NA 값, 속박 영역의 수가 사용될 수 있다.
표시된 파라미터와 함께 다시 도 5를 참고하면, VBC 광섬유(200)가 직선일 때 중심 속박 영역(216) 내에 전력의 약 90%를 포함하며, 속박 영역(216 및 218) 내에 전력의 약 100%를 포함한다. 이제 도 5를 참고하면, 광섬유(200)가 제2 고리 속박 영역(220)을 우선적으로 여기시키기 위하여 굴곡될 때, 전력의 거의 75%가 속박 영역(220) 내에 포함되고, 전력의 95% 이상이 속박 영역(218 및 220)에 포함된다. 이 계산은 LP01와 두 개의 고차 모드를 포함하며, 이는 2 - 4 kW 광섬유의 레이저에서 일반적이다.
도 5 및 6으로부터 섭동 조립체(210)가 광섬유를 굴곡시키기 위하여 VBC 광섬유(200)에 작용하는 경우, 굽힘 반경은 광섬유의 제2 길이부(208)의 상이한 가이딩 속박 영역(216, 218 및 220)과 광섬유의 제1 길이부의 모달 강도 분포의 공간적 중첩을 결정한다. 굽힘 반경을 변경하는 것은 광섬유의 제2 길이부(208)의 출력에서 강도 분포를 변경할 수 있고, 빔의 직경 및 스폿 크기를 변경하는 것은 또한 방사 휘도 및 BPP 값을 변경할 수 있다. 이 스폿 크기의 조정은 자유공간광학장치를 포함하지 않는 전체 광섬유 구조에서 얻어질 수 있으며, 결과적으로 위에서 언급된 자유공간광학장치의 단점을 감소시키거나 제거시킬 수 있다. 이러한 조정은 굽힘 반경, 굽힘 길이, 광섬유 장력, 온도 또는 이하에서 언급되는 다른 섭동 등을 변경시키는 다른 섭동 조립체에 의해 얻어질 수 있다.
통상적인 재료 처리 시스템(예를 들어, 절단 또는 용접 기구)에서, 프로세스 광섬유의 출력은 프로세스 헤드에 의해 공작물에서 또는 그 근처에서 이미징된다. 도 5 및 도 6에서 보여지는 것과 같이 강도 분포를 변경하는 것은 원하는 것과 같이, 공정을 조정 및/또는 최적화하기 위하여 공작물에서의 빔 프로파일의 변화를 가능하게 한다. 위의 계산의 목적을 위하여 두 개의 광섬유의 특정 RIP가 가정되었지만, 다른 RIP도 가능하며, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
도 7-10은 도 2에서 나타난 VBC 광섬유(200)의 다양한 굽힘 반경에 대한 추가 출력 빔을 설명하기 위한 실험 결과(측정된 강도 분포)를 도시하였다.
도 7에서 VBC 광섬유(200)가 직선일 때, 빔은 속박 영역(216)에 거의 완전히 속박된다. 굽힘 반경이 감소함에 따라, 강도 분포는 더 큰 직경으로 이동한다(도 8-10). 도 8은 우선적으로 속박 영역(218)으로 강도 분포를 이동시키기 위하여 VBC 광섬유(200)의 굽힘 반경이 선택될 때를 도시한다. 도 9는 속박 영역(220) 및 속박 영역(218)을 향하여 강도 분포를 바깥쪽으로 이동시키기 위하여 굽힘 반경이 더 감소 및 선택 될 때의 실험 결과를 도시한다. 도 10에서, 가장 작은 굽힘 반경에서 빔은 거의 "도넛 모드"이며, 대부분의 강도는 가장 바깥쪽의 속박 영역(220)에 있다.
접합부(206)에서의 일 측면으로부터의 속박 영역의 여기에도 불구하고, VBC 광섬유(200) 내에서 빔이 전파됨에 따른 속박 영역 내의 스크램블링 때문에 강도 분포는 방위각적으로 거의 대칭이다. 빔은 전파됨에 따라 전형적으로 방위각적인 스크램블링을 할 것이지만, 이 과정을 용이하게 하기 위하여 다양한 구조 또는 섭동(예를 들어, 코일)이 포함될 수 있다.
도 7-10에서 보여지는 실험에서 사용된 광섬유 파라미터들에 대하여, 특정 속박 영역은 일부 강도가 다수의 속박 영역 내에 위치하기 때문에 배타적으로 여기되지 않는다. 이러한 특징은 평평하거나 분산된 빔 강도 분포를 가짐으로써 최적화되는 향상된 재료 공정 응용을 가능하게 한다. 주어진 속박 영역의 더 깔끔한 여기를 필요로 하는 응용에서, 상이한 광섬유 RIP가 이 특징을 가능하게 하기 위하여 사용될 수 있다.
도 7-10에서 보여지는 결과는 이 실험에서 사용되는 특정 광섬유와 관련되며, 세부 사항은 구현의 세부 사항에 따라 달라질 수 있다. 특히, 출력 빔의 공간 프로파일와 발산 분포 및 그들의 굽힘 반경에 대한 의존성은 사용된 특정 RIP, 접합 파라미터 및 제1 광섬유로 발사된 레이저 소스의 성질에 따라 달라진다.
도 2에 나타나는 것과 상이한 광섬유 파라미터가 사용될 수 있고, 이는 청구대상 범위 내에 있다. 구체적으로, 상이한 RIP, 코어 크기 및 형상은 상이한 입력 빔 프로파일과의 호환을 용이하게 하며, 상이한 출력 빔 특성을 가능하게 하기 위하여 사용될 수 있다. 도 2에 나타난 파라볼릭-인덱스 프로파일에 추가하여, 광섬유의 제1 길이부의 RIP의 예는 다른 그레이디드 인덱스 프로파일. 스텝 인덱스 프로파일, 받침대 디자인(즉, 섬유의 중심으로부터 거리가 멀어짐에 따라 점진적으로 낮은 굴절률을 갖는 중첩된 코어) 및 동일한 굴절률 값을 갖지만 중심 코어 및 주변 고리에 대한 다양한 NA 값을 갖는 중첩된 코어 디자인을 포함한다. 도 2에 나타난 프로파일에 추가하여, 광섬유의 제2 길이부의 RIP의 예는, 상이한 수의 속박 영역을 갖는 속박 광섬유, 일정하지 않은 두께의 한정 영역, 속박 영역에 대하여 상이하고/하거나 일정하지 않은 NA 값, RIP의 고 굴절률 및 저 굴절률 부분에 대한 상이한 굴절률 값, 비원형의 속박 영역(예를 들어, 타원형, 계란형, 다각형, 정사각형, 직사각형 또는 이들의 조합), 또한 도 26-28에서 더 상세히 설명될 다른 디자인을 포함한다. 또한, VBC 광섬유(200) 및 여기서 묘사되는 VBC 광섬유의 다른 예는 두 광섬유를 사용하는 것으로 한정되지는 않는다. 일부 예에서, 구현은 하나 또는 둘 이상의 광섬유를 사용하는 것을 포함한다. 일부 예에서, 광섬유는 축 방향으로 균일하지 않을 수 있다; 예를 들어, 광섬유 브래그 격자 또는 장주기 격자를 포함할 수 있거나, 직경은 광섬유의 길이 방향을 따라 달라질 수 있다. 또한, 섬유는 방위각적으로 대칭일 필요는 없고, 예를 들어, 코어는 사각형 또는 다각형 모양을 가질 수 있다. 고 굴절률 또는 굴절률 매칭 코팅(유리-중합체 계면에서 광을 차단하는) 및 저 굴절률 코팅(유리-중합체 계면에서 전반사에 의해 광을 안내하는)을 포함하는 다양한 광섬유 코팅(버퍼)이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 다수의 광섬유 코팅이 VBC 광섬유(200)에 사용될 수 있다.
도 11-16은 광섬유의 제1 길이부에서 전파되는 광빔의 섭동에 응답하는 VBC 광섬유에서의 빔 특성의 조정을 가능하게 하기 위한 광섬유의 제1 길이부의 예를 보여주는 단면도이다. 광섬유의 제1 길이부에서 조정될 수 있는 빔 특성의 일부 예는 빔 직경, 빔 발산 분포, BPP, 강도 분포, M2 값, NA, 광강도 프로파일, 전력 밀도 프로파일, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 등 또는 이들의 임의의 조합이다. 도 11-16에 도시되고 이하에서 설명되는 광섬유의 제1 길이부는 단지 예일 뿐이고, VBC 광섬유 조립체에서 빔 특성의 조정을 가능하게 하도록 사용될 수 있는 다양한 광섬유의 제1 길이부의 철저한 설명을 제공하는 것은 아니다. 도 11-16에서 설명하는 물질, 적절한 RIP 및 다른 광섬유의 제1 길이부의 변수의 선택은 적어도 원하는 빔 출력에 따라 달라진다. 광범위한 섬유 변수가 고려되며, 그들은 청구대상 범위 내에 있다. 따라서, 청구 대상은 여기서 제공되는 예로 제한되지 않는다.
도 11에서 광섬유의 제1 길이부(1100)는 스텝 인덱스 프로파일(1102)을 포함한다. 도 12는 "받침대"형 RIP(즉, 더 큰 스텝 인덱스 영역에 의해 둘러싸인 스텝 인덱스 영역을 포함하는 코어)를 포함하는 광섬유의 제1 길이부(1200)를 나타낸다. 도 13은 다중-받침대 RIP(1302)를 포함하는 광섬유의 제1 길이부(1300)를 나타낸다.
도 14a는 다운 도핑된 영역(1404)에 의해 둘러싸인 그레이디드 인덱스 프로파일(1418)을 포함하는 광섬유의 제1 길이부를 나타낸다. 그레이디드 인덱스 프로파일(1402)은 모달 형상의 유지 또는 심지어 압축을 촉진하도록 설계될 수 있다. 이 설계는 광섬유의 외주부(즉, 광섬유 축으로부터 변위된 광섬유 코어의 일부분)에 집중된 빔 강도 분포를 갖는 빔을 생성하도록 광섬유(1400)에서 전파되는 빔의 조정을 촉진시킬 수 있다. 상술하였듯이, 속박 영역을 갖는 광섬유의 제2 길이부에 결합될 때, 조정된 빔의 강도 분포는 가장 바깥쪽 속박 영역에 포획되며, 도넛 모양의 강도 분포가 제공된다. 좁은 외부 속박 영역을 갖는 빔 스폿은 특정 재료 처리 동작을 가능하게 하는 것에 유용할 수 있다.
도 14b는 광섬유(1400)와 유사한 다운 도핑 영역(1408)에 의해 둘러싸인 그레이디드 인덱스 프로파일(1414)을 포함하는 광섬유의 제1 길이부를 나타낸다. 그러나, 광섬유(1406)는 프로파일(1412)에서 볼 수 있는 것처럼 발산 구조체(1410, 더 낮은 굴절률 영역)를 포함한다. 발산 구조체(1410)는 코어를 둘러싸는 부분보다 낮은 굴절률을 갖는 물질의 영역이다. 광섬유의 제1 길이부로 빔이 발사됨에 따라, 발산 구조체(1410)로부터의 굴절이 광섬유의 제1 길이부(1406)에서 빔 발산이 상승하도록 한다. 증가된 발산의 양은 발산 구조체(1410)의 빔의 공간 중첩 양 및 발산 구조체(1410)및 코어 물질 사이의 굴절률 차이의 크기에 따라 달라진다. 발산 구조체(1410)는 입력 발산 분포 및 원하는 출력 발산 분포에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 발산 구조체(1410)는 삼각형 또는 그레이디드 인덱스 형상을 갖는다.
도 15는 일정한 굴절률 영역(1504)에 의해 둘러싸인 파라볼릭-인덱스의 중심 영역(1502)을 포함하고, 일정한 굴절률 영역은 저 굴절률 환형 층(1506)에 의해 둘러싸인 광섬유의 제1 길이부를 나타낸다. 저 굴절률 환형 층(1506)은 광섬유(1500)에서 전파되는 빔의 안내를 돕는다. 전파되는 빔이 섭동될 때, 모드는 광섬유(1500)에서 방사상 바깥쪽으로 이동한다(예를 들어, 광섬유(1500)의 굴곡 동안). 하나 이상의 모드가 방사상의 바깥쪽으로 이동함에 따라, 파라볼릭 인덱스 영역(1502)은 모달 형상의 유지를 촉진한다. 모드가 RIP(1510)의 일정한 영역에 도달하면, 저 굴절률 고리(1506)에 대하여 압축될 것이고, 이는 제2 광섬유에서 가장 바깥쪽 속박 영역의 여기를 우선적으로 유발할 수 있다(도 14의 제1 광섬유 RIP와 비교하여). 일 실시예에서, 이러한 광섬유 설계는 중심 스텝 인덱스 코어 및 단일 환형 코어를 갖는 속박 광섬유에 의해 작동한다. RIP의 파라볼릭 인덱스 부분(1502)은 속박 광섬유의 중심 스텝 인덱스 코어와 중첩된다. 제1 광섬유의 일정한 굴절률 부분(1504)은 굽힘에 의해 환형 코어와 중첩되도록 빔을 이동시키는 것을 더 용이하게 하도록 유도된다. 이러한 광섬유 설계는 또한 다른 속박 광섬유의 설계에도 적용된다.
도 16은 저 굴절률 층(1610, 1612 및 1614)의 굴절률이 계단 형식 또는 더 일반적으로, 모두 같은 값을 갖지 않는 저 굴절률 층(1610)에 의해 나누어지는 가이딩 영역(1604, 1606, 1608 및 1616)을 포함하는 광섬유의 제1 길이부를 나타낸다. 스텝-인덱스 층은 섭동 조립체가 광섬유(1600)에 작용할 때 빔 세기를 특정 가이딩 영역(1604, 1606, 1608, 1616)을 나누는 역할을 할 수 있다. 이 방법으로, 조정된 빔은 섭동 작용의 범위(굽힘 반경의 범위, 굽힘 길이의 범위, 마이크로 벤딩 압력의 범위 및/또는 음향 광학 신호의 범위와 같은)에 걸쳐 가이딩 영역에 포획되고, 빔 강도 분포가 광섬유(1600)에서 더 먼 반경 위치로 이동하기 전에 어느 정도의 섭동 오차가 허용된다. 따라서, 빔 특성의 변화는 계단 식의 형태로 제어될 수 있다. 가이딩 영역(1604, 1606, 1608 및 1616)의 방사상의 폭은 응용처에서 요구될 수 있는 바에 따라, 원하는 고리 폭을 얻도록 조정될 수 있다. 또한, 가이딩 영역은 만약 원한다면 들어오는 빔 프로파일의 더 큰 부분을 포획하는 것을 용이하게 하도록 더 두꺼운 방사상의 폭을 가질 수 있다. 영역(1606)은 이러한 설계의 예이다.
도 17-21은 광섬유의 제2 길이부(예를 들어, 광섬유(208))에서 조정된 빔의 유지 및/또는 속박을 가능하게 하기 위하여 형성된 광섬유의 예를 도시한 것이다. 이러한 광섬유 설계는 환형 또는 고리 형태의 코어에 의해 둘러싸인 중심 코어를 포함하기 때문에 "고리 형태의 속박 영역"으로 불린다. 이러한 설계는 단지 예일 뿐이며, 광섬유 내에서 조정된 빔 특성을 유지 및/또는 한정을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있는 다양한 광섬유 RIP의 철저한 설명이 아니다. 따라서, 청구 대상은 여기에서 제공되는 예로 제한되지 않는다. 또한, 도 11-16에 관하여 상술하고 있는 광섬유의 제1 길이 부분 중 임의의 것은 도 17 내지 도 21에서 설명하고 있는 광섬유의 제2 길이부 중 임의의 것과 결합할 수 있다.
도 17은 VBC 광섬유 조립체에서 조정된 빔 특성을 유지 및 또는 속박 하기 위한 광섬유의 제2 길이부의 일례의 단면도를 나타낸 것이다. 섭동된 빔이 광섬유의 제1 길이부로부터 광섬유의 제2 길이부(1700)로 결합됨에 따라, 광섬유의 제2 길이부(1700)는 하나 이상의 속박 영역(1704, 1706 및/또는 1708) 내에서 광섬유의 제1 길이부에서의 섭동에 응답하여 조정된 빔 특성의 적어도 일부를 유지할 수 있다. 광섬유(1700)는 RIP(1702)를 가질 수 있다. 각각의 속박 영역(1704, 1706 및/또는 1708)은 저 굴절률 층(1710 및/또는 1712)에 의해 나누어진다. 이러한 설계는 광섬유의 제2 길이부가 조정된 빔 특성을 유지할 수 있도록 한다. 결과적으로, 광섬유(1700)에 의한 빔 출력은 처리 작업 또는 다른 응용에 맞춤화될 수 있는 빔 특성이 조정된 출력 빔을 제공하도록 광섬유의 제1 길이부에서 변경됨에 따라 수신된 조정된 빔을 실질적으로 유지할 수 있다.
유사하게, 도 18은 VBC 광섬유 조립체에서 광섬유의 제1 길이부에서의 섭동에 응답하여 조정된 빔 특성을 유지 및/또는 속박하기 위한 예시적인 광섬유의 제2 길이부(1800)의 단면도를 도시한다. 광섬유(1800)는 RIP(1802)를 갖는다. 그러나, 속박 영역(1808, 1810 및/또는 1812)은 속박 영역(1704, 1706 및 1708)과는 다른 두께를 갖는다. 각각의 속박 영역(1808, 1810 및/또는 1812)은 저 굴절률 층(1804 및/또는 1806)에 의해 나누어진다. 속박 영역(및/또는 장벽 영역)의 두께를 변경시키는 것은 조정된 빔을 속박하기 위한 특정 방사 위치를 선택함에 따른 속박되어 조정된 방사 휘도 프로파일을 맞춤 및/또는 최적화할 수 있게 한다.
도 19는 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 VBC 광섬유 조립체에서 조정된 빔을 유지 및/또는 속박하기 위한 RIP(1902)를 갖는 예시적인 광섬유의 제2 길이부(1900)의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 속박 영역(1904, 1906, 1908 및 1910)의 수 및 두께는 광섬유(1700 및 1800)와 다르고, 장벽 층(1912, 1914 및 1916)은 또한 다양한 두께를 갖는다. 또한, 속박 영역(1904, 1906, 1908 및 1910)은 상이한 굴절률을 가지고, 장벽 층(1912, 1914 및 1916) 또한 상이한 굴절률을 갖는다. 이러한 설계는 광섬유(1900) 내에서 특정 방사 위치로 조정된 빔 방사 휘도를 속박 및/또는 유지하는 것을 더 세밀 또는 최적화된 맞춤을 가능하게 한다. 섭동된 빔이 광섬유의 제1 길이부에서 광섬유(1900)의 제2 길이부로 발사됨에 따라, 변경된 빔 특성(조정된 강도 분포, 방사 위치 및/또는 발산 각 등 또는 이들의 조합을 갖는)은 광섬유의 제2 길이부(1900)의 하나 이상의 속박 영역(1904, 1906, 1908)에 의한 특정 반경 내에 속박된다.
앞에서 언급했듯이, 빔의 발산 각은 보존되거나 조정되어, 광섬유의 제2 길이부 내에서 보존될 수 있다. 빔의 발산 각을 변경하기 위한 다양한 방법이 있다. 이하는 빔 특성을 변경하기 위한 광섬유 조립체에서 광섬유의 제1 길이부로부터 광섬유의 제2 길이부로의 빔 전파의 발산 각의 조정이 가능하도록 형성된 광섬유의 예이다. 그러나 이들은 단지 예일 뿐이고, 빔의 발산을 조정이 가능하도록 사용될 수 있는 다양한 방법들을 철저히 기술한 것이 아니다. 따라서, 청구대상은 여기서 제공되는 예로 제한되지 않는다.
도 20은 광섬유의 제1 길이부에서의 섭동에 응답하여 조정된 빔 특성을 변경, 유지 및/또는 속박하기 위한 RIP(2002)를 갖는 예시적인 광섬유의 제2 길이부(2000)의 단면도를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 광섬유의 제2 길이부(2000)는 상술한 제2 길이부와 유사하고, 상술한 바와 같이 다양한 빔 특성을 전달하기 위한 VBC 광섬유 조립체의 일부를 형성한다. 3개의 속박 영역(2004, 2006, 2008) 및 3개의 장벽 층(2010, 2012 및 2016)이 있다. 광섬유의 제2 길이부(2000)는 또한 속박 영역(2006) 내에 위치한 발산 구조체(2014)를 갖는다. 발산 구조체(2014)는 속박 영역을 둘러싸는 부분보다 낮은 굴절률을 가지는 물질의 영역이다. 빔이 광섬유의 제2 길이부(2000)로 발사됨에 따라, 발산 구조체(2014)로부터의 굴절은 광섬유의 제2 길이부(2000)에서 빔 발산의 증가를 유발한다. 증가된 발산의 양은 발산 구조체와의 빔의 공간적인 중첩 양 및 발산 구조체(2014) 및 코어 물질 사이에 굴절률 차이의 크기에 따라 달라진다. 광섬유의 제2 길이부(2000)로의 발사 위치 부근의 빔의 방사 위치를 조정함에 따라, 발산 분포가 달라질 수 있다. 조정된 빔의 발산은 프로세스 헤드, 다른 광학 시스템(예를 들어, 광섬유-광섬유 커플러 또는 광섬유-광섬유 스위치), 가공물 등 또는 이들의 조합으로 조정된 빔을 전달하도록 형성된 광섬유(2000)에서 보존된다. 일 실시예에서, 발산 구조체(2014)는 주위 물질에 대하여 약 10-5 - 3x10-2 의 굴절률 딥(dip)을 가질 수 있다. 다른 굴절률 딥 값이 본 발명의 개시된 범위 내에서 사용될 수 있으며, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
도 21은 광섬유의 제1 길이부에서의 섭동에 응답하여 조정된 빔 특성을 변경, 유지, 및/또는 속박하기 위한 RIP(2102)를 갖는 예시적인 광섬유의 제2 길이부(2100)의 단면도를 도시한다. 광섬유의 제2 길이부(2100)는 가변 특성을 갖는 빔을 전달하기 위한 VBC 광섬유 조립체의 일부를 형성한다. 이 실시예에서, 3개의 속박 영역(2104, 2106 및 2108) 및 3개의 장벽 층(2110, 2112 및 2116)을 갖는다. 광섬유의 제2 길이부(2100)는 또한 복수의 발산 구조체(2114 및 2118)를 갖는다. 발산 구조체(2114 및 2118)는 단계적인 저 굴절률 물질의 영역이다. 빔이 광섬유의 제1길이부에서 제2 길이부로 발사됨에 따라, 발산 구조체(2114 및 2118)로부터의 굴절은 빔 발산의 증가를 유도한다. 증가된 발산의 양은 발산 구조체와의 빔의 중첩의 양 및 발산 구조체(2114 및/또는 2118) 및 각 속박 영역(2106 및 2104)의 주위 코어 물질 사이의 굴절률 차이의 크기에 따라 달라진다. 광섬유의 제2 길이부(2100)로의 발사 위치 부근의 빔의 방사 위치를 조정함에 따라, 발산 분포는 달라질 수 있다. 도 21에서 나타난 설계는 속박 영역 내에서 특정 속박 영역 및 발산 분포 모두 선택함에 따라 어느 정도 독립적으로 변화되도록 강도 분포 및 발산 분포를 설정한다(각 속박 영역이 발산 구조체를 포함할 수 있기 때문에). 빔의 조정된 발산은 프로세스 헤드, 다른 광학 시스템 또는 가공물에 조정된 빔을 전달하도록 형성된 광섬유(2100) 내에서 보존된다. 단계적 또는 일정하지 않은 굴절률의 발산 구조체(2114 및 2118)를 형성하는 것은 광섬유(2100)에서 빔의 전파의 발산 프로파일을 조절하는 것을 가능하게 한다. 방사 휘도 프로파일 및/또는 발산 프로파일과 같은 조정된 빔 특성은 제2 광섬유의 프로세스 헤드로 전달되어 보존될 수 있다. 대안적으로, 방사 휘도 프로파일 및/또는 발산 프로파일과 같은 조정된 빔 특성은 광섬유 대 광섬유 커플러(FFC) 및/또는 광섬유 대 광섬유 스위치(FFC)를 통하여, 프로세스 헤드 또는 가공물로 빔을 전달하는 프로세스 광섬유로 제2 광섬유에 의해 연결됨에 따라 보존되거나 더 조정될 수 있다.
도 26-28은 방위각적으로 비대칭인 광섬유의 제2 길이부에서 전파되는 빔의 조정된 빔 특성의 유지 및/또는 속박을 가능하게 하도록 형성된 광섬유 및 광섬유 RIP의 예를 나타낸 단면도이고, 여기서, 빔 특성은 광섬유의 제2 길이부에 결합된 광섬유의 제1 길이부의 섭동 및/또는 섭동 장치(110)에 의한 빔의 섭동에 응답하여 조정된다. 이 방위각적으로 비대칭인 설계는 단지 예일 뿐이며, 방위각적으로 비대칭인 광섬유 내에서의 조정된 빔 특성의 유지 및/또는 속박이 가능하도록 사용되는 다양한 광섬유 RIP를 철저하게 기술한 것은 아니다. 따라서 청구대상은 여기서 제공되는 예에 제한되지 않는다. 또한, 다양한 광섬유의 제1 길이부 중 임의의 것(예를 들어, 상술한 것과 같은)은 방위각적으로 비대칭인 광섬유의 제2 길이부(예를 들어, 도 26-27에서 설명하는 것과 같은) 중 임의의 것과 결합될 수 있다.
도 26은 타원형 광섬유(2600)를 통해 단면의 다양한 방위각에서의 RIP를 나타낸다. 제1 방위각(2602)에서 광섬유(2600)는 제1 RIP(2604)를 갖는다. 제1 방위각에서 45° 회전한 제2 방위각에서, 광섬유(2600)는 제2 RIP(2608)를 갖는다. 제2 방위각에서 다른 45° 회전한 제3 방위각(2610)에서, 광섬유(2600)는 제3 RIP(2612)를 갖는다. 제1, 제2 및 제3 RIP(2604, 2608 및 2612)는 모두 상이하다.
도 27은 멀티코어 광섬유(2700)를 통해 단면의 다양한 방위각에서의 RIP를 나타낸다. 제1 방위각(2702)에서 광섬유(2700)는 제1 RIP(2704)를 갖는다. 제2 방위각(2706)에서, 광섬유(2700)는 제2 RIP(2708)를 갖는다. 제1 및 제2 RIP(2704 및 2708)는 상이하다. 일 실시예에서, 섭동 장치(110)는 방위각적으로 비대칭인 제2 광섬유의 상이한 영역으로 조정된 빔이 발사되기 위해 다수의 평면에서 작용할 수 있다.
도 28은 적어도 하나의 초승달 모양의 코어를 갖는 광섬유(2800)를 통해 단면의 다양한 방위각에서의 RIP를 나타낸다. 일부 예에서, 초승달 모양의 모서리가 둥글거나 평평하거나 또는 광 손실을 최소화하는 다른 형태일 수 있다. 제1 방위각(2802)에서 광섬유(2800)는 제1 RIP(2804)를 갖는다. 제2 방위각(2806)에서 광섬유(2800)는 제2 RIP(2808)를 갖는다. 제1 및 제2 RIP(2804 및 2808)는 상이하다.
도 22a는 다양한 빔 특성을 제공하도록 형성된 VBC 광섬유 조립체(2202)를 포함하는 레이저 시스템(2200)의 일례를 나타낸다. VBC 광섬유 조립체(2202)는 광섬유의 제1 길이부(104), 광섬유의 제2 길이부(108) 및 섭동 장치(110)를 포함한다. VBC 광섬유 조립체(2202)는 공급 광섬유(2212, 즉 레이저 소스로부터의 출력 광섬유) 및 VBC 전달 광섬유(2240) 사이에 배치된다. VBC 전달 광섬유(2240)는 조정된 빔 특성을 변경, 유지 및/또는 속박하는 광섬유의 제2 길이부(108) 또는 광섬유의 제2 길이부(108)의 연장부를 포함할 수 있다. 빔(2210)은 VBC 광섬유 공급 광섬유(2212)를 통하여 조립체(2202)에 결합된다. 광섬유 조립체(2202)는 상술한 다양한 예에 따라 빔의 특성을 변경시키도록 형성된다. 광섬유 조립체(2202)의 출력은 VBC 전달 광섬유(2240)에 결합되는 조정된 빔(2214)이다. VBC 전달 광섬유(2240)는 조정된 빔을 자유공간광학장치 조립체(2208)로 전달하고, 이는 그 후 빔을 프로세스 광섬유(2204)에 결합시킨다. 조정된 빔(2214)은 그 후 프로세스 광섬유(2204)에 의해 프로세스 헤드(2206)로 전달된다. 프로세스 헤드는 유도된 웨이브 광학 장치(광섬유 및 광섬유 커플러와 같은), 자유공간광학장치(렌즈, 거울, 광학 필터, 회절 격자와 같은), 갈바노미터 스캐너, 다각형 거울 스캐너 또는 빔을 성형하고 가공물에 성형된 빔을 전달하는 데 사용되는 다른 스캐닝 시스템과 같은 빔 스캔 조립체를 포함할 수 있다.
레이저 시스템(2200)에서, 조립체의 하나 이상의 자유공간광학장치는 FFC 또는 조정된 빔(2214, 빔(2210)과 다른 선으로 도 22a에서 표현된)의 다양한 광학 조작을 수행하기 위한 다른 빔 커플러(2216) 안에 배치될 수 있다. 예를 들어, 자유공간광학장치 조립체(2208)는 빔(2214)의 조정된 빔 특성을 보존할 수 있다. 프로세스 광섬유(2204)는 VBC 전달 광섬유(2240)와 동일한 RIP를 가질 수 있다. 따라서, 조정됨 빔(2214)의 조정된 빔 특성은 프로세스 헤드(2206)까지 모두 보존될 수 있다. 프로세스 광섬유(2204)는 속박 영역을 포함하는 상술한 광섬유의 제2 길이부와 유사한 RIP를 포함할 수 있다.
대안적으로, 도 22b에 나타난 것과 같이, 자유공간광학장치 조립체(2208)는 예를 들어, 발산 및/또는 빔(2214)의 스폿 크기를 증가 또는 감소(예를 들어, 빔(2214)을 확대 또는 축소함으로써) 및/또는 조정된 빔(2214)을 더 변경함으로써 빔의 조정된 빔 특성을 변경할 수 있다. 또한, 프로세스 광섬유(2204)는 VBC 전달 광섬유(2240)와는 상이한 RIP를 가질 수 있다. 따라서, 프로세스 광섬유(2204)의 RIP는 두 배로 조정된 빔(2224, 빔(2214)과 다른 선으로 도 22b에서 표시된)을 생성하기 위한 조립체(2208)의 자유공간광학장치에 의해 만들어진 조정된 빔(2214)의 추가적은 조정을 보존하도록 선택될 수 있다.
도 23은 공급 광섬유(2312) 및 VBC 전달 광섬유(2340) 사이에 배치된 VBC 광섬유 조립체(2302)를 포함하는 레이저 시스템(2300)의 예를 나타낸다. 작동 중, 빔(2310)은 공급 섬유(2312)를 통하여 VBC 광섬유 조립체(2302)로 결합된다. 광섬유 조립체(2302)는 광섬유의 제1 길이부(104), 광섬유의 제2 길이부(108) 및 섭동 장치(110)를 포함하고, 상술한 다양한 예에 따라 빔(2310) 특성을 변경하도록 형성된다. 광섬유 조립체(2302)는 VBC 전달 광섬유(2340)에 의해 조정된 빔(2314) 출력을 생성한다. VBC 전달 광섬유(2340)는 상술한(예를 들어, 도 17-21) 다양한 예에 따라 광섬유 조립체(2302)에서 조정된 빔을 변경, 유지 및/또는 속박하기 위한 광섬유의 제2 길이부(108)를 포함한다. VBC 전달 광섬유(2340)는 빔 스위치(FFS, 2332)로 조정된 빔을 결합시키고, 그 후 하나 이상의 다중 프로세스 광섬유(2304, 2320 및 2322)로 다양한 출력 빔을 결합시킨다. 프로세스 광섬유(2304, 2320 및 2322)는 조정된 빔(2314, 2328 및 2330)을 각각의 프로세스 헤드(2306, 2324 및 2326)에 전달한다.
일 실시예에서, 빔 스위치(2332)는 조정된 빔(2314)의 다양한 광학 조작을 수행하도록 형성된 하나 이상의 자유공간광학장치(2308, 2316 및 2318) 세트를 포함한다. 자유공간광학장치(2308, 2316 및 2318)는 빔(2314)의 빔 특성을 보존하거나 변화시킬 수 있다. 따라서, 조정된 빔(2314)은 자유공간광학장치에 의해 유지되거나 더 조정될 수 있다. 프로세스 광섬유(2304, 2320 및 2322)는 자유공간광학장치 조립체(2308, 2316 및 2318)로부터 각각의 프로세스 광섬유(2304, 2320 및 2322)로 지나가는 빔을 보존시키길 원하는지 또는 더 변경시키기 원하는지에 따라, VBC 전달 섬유와 같거나 상이한 RIP를 가질 수 있다. 다른 예에서, 빔(2310)의 하나 이상의 빔 부분은 조정 없이 가공물에 결합시키거나, 다른 빔 부분은 각각의 VBC 광섬유 조립체에 결합하여 복수의 빔 특성과 결부된 빔 부분이 동시에 가공물 가공을 위해 제공될 수 있다. 대안적으로, 빔(2310)은 VBC 광섬유 조립체의 하나 이상의 세트로 스위칭 될 수 있다.
자유공간광학장치 조립체(2308, 2316 및 2318) 중 임의의 것을 통하여 조정된 빔을 전송하는 것은 프로세스 헤드(2206, 2324 및 2326)로 추가적으로 조정된 다양한 빔을 전달하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 레이저 시스템(2300)은 프로세스 헤드 사이의 빔을 스위칭("시간 분배") 및/또는 다중 프로세스 헤드에 동시에 빔을 전달("전력 분배")할 뿐만 아니라 빔의 특성을 변화시키기 위한 추가적인 자유도를 제공한다.
예를 들어, 빔 스위치(2332)의 자유공간광학장치는 빔(2314)의 조정된 특성을 보존하도록 형성된 자유공간광학장치 조립체(2316)로 조정된 빔이 직접 향하게 할 수 있다. 프로세스 광섬유(2304)는 VBC 전달 광섬유(2340)와 동일한 RIP를 가질 수 있다. 따라서, 프로세스 헤드(2306)로 전달된 빔은 보존된 조정된 빔(2314)일 것이다.
다른 예에서, 빔 스위치(2332)는 조정된 빔(2314)의 조정된 특성을 보존하도록 형성된 자유공간광학장치 조립체(2318)로 조정된 빔을 직접 향하게 할 수 있다. 프로세스 광섬유(2320)는 VBC 전달 광섬유(2340)와 상이한 RIP를 가질 수 있고, 빔(2314)의 발산 분포에 추가적인 조정을 제공하기 위하여 도 20 및 21에 관하여 설명한 것과 같은 발산 변경 구조체가 형성될 수 있다. 따라서, 프로세스 헤드(2324)에 전달된 빔은 조정된 빔(2314)에 비하여 상이한 빔 발산 프로파일을 가지는 2배로 조정된 빔일 것이다.
프로세스 광섬유(2304, 2320 및/또는 2322)는 속박 영역 또는 다양한 다른 RIP를 포함하는 위에서 상술한 광섬유의 제2 길이부 중 임의의 것과 유사한 RIP를 포함할 수 있고, 청구 대상은 이에 제한되지 않는다.
또 다른 예에서, 자유공간광학스위치(2332)는 조정된 빔(2314)의 빔 특성을 변경시키도록 형성된 자유공간광학장치 조립체(2308)로 조정된 빔을 향하게 할 수 있다. 프로세스 광섬유(2322)는 VBC 전달 광섬유와 상이한 RIP를 가질 수 있고, 빔(2314)의 새로이 더 조정된 특성을 보전(또는 대안적으로 변경)하도록 형성될 수 있다. 따라서, 프로세스 헤드(2326)로 전달된 빔은 조정된 빔(2314)에 비하여 다른 빔 특성(조정된 발산 프로파일 및/또는 강도 프로파일으로 인한)을 가지는 2배로 조정된 빔(2330)일 것이다.
도 22a, 22b 및 23에서 FFC 또는 FFS에서의 광학장치는 프로세스 광섬유로 발사되기 전에 빔(2214)을 확대 또는 축소함으로써 공간 프로파일 및/또는 발산 프로파일을 조정할 수 있다. 그들은 또한 다른 광학 변환을 통하여 공간 프로파일 및/또는 발산 프로파일을 조정할 수 있다. 그들은 또한 프로세스 광섬유 내의 발사 위치를 조정할 수 있다. 이러한 방법들은 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
도 22a, 22b 및 23은 조정된 빔(2214 및 2314)을 보존 또는 변경하도록 자유공간광학장치 및 광섬유 RIP의 다양한 조합을 사용하는 빔 특성 조정의 조합의 단지 예를 제공할 뿐이다. 상술한 예들은 철저하게 기재된 것이 아니며, 오직 설명을 위한 것이다. 따라서 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
도 24는 여기서 제공된 다양한 예에 따라 VBC 광섬유(200) 또는 VBC 광섬유(200)에서 전파되는 광빔을 섭동시키기 위한 조립체 또는 방법(간단히 공통으로 "섭동 장치(110)" 라고 지칭함)인 섭동 장치의 다양한 예를 나타낸 것이다. 섭동 장치(110)는 VBC 광섬유(200)에서 전파되는 빔의 빔 특성의 조정을 가능하게 하도록 형성된 다양한 장치, 방법 및/또는 조립체 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 섭동 장치(110)는 맨드릴(2402), VBC 광섬유 내의마이크로 벤드(2404), 가요성 튜빙(2406), 음향-광학 변환기(2408), 열 소자(2410), 압전 소자(2412), 격자(2414), 클램프(2416, 또는 다른 고정구) 등 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 이들은 섭동 장치의 단지 예일 뿐이며, 섭동 장치의 모든 목록이 아니며, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
맨드릴(2402)은 VBC 광섬유(200)가 구부려질 수 있는 형태를 제공함으로써 VBC 광섬유(200)를 섭동시키는데 사용될 수 있다. 상술하였던 것과 같이, VBC 광섬유(200)의 굽힘 반경을 줄이는 것은 방사상 외측으로 빔의 강도 분포를 이동시킨다. 일부 예에서, 맨드릴(2402)은 이산 굽힘 반경 레벨을 제공하도록 계단형 또는 원추형의 형태일 수 있다. 대안적으로, 맨드릴(2402)은 더 세밀한 굽힘 반경 조절을 위한 연속적인 굽힘 반경을 제공하도록 계단식이 아닌 원뿔 형태를 포함할 수 있다. 맨드릴(2402)의 곡률 반경은 일정하거나(예를 들어, 원통형) 또는 일정하지 않을 수 있다(예를 들어, 타원형). 유사하게, 가요성 튜빙(2406), 클램프(2416, 또는 다른 고정구) 또는 롤러(250)는 맨드릴(2402)에 대한 VBC 광섬유의 굽힘을 유도하고 조절하도록 사용될 수 있다. 또한, 특정 굽힘 반경에서 광섬유가 굴곡되는 길이를 조절하는 것도 빔의 강도 분포를 변경할 수 있다. VBC 광섬유(200) 및 맨드릴(2402)은 예상대로 제1 광섬유 내에서 강도 분포를 변경하도록 형성될 수 있다(예를 들어, 광섬유가 굴곡되는 길이 및/또는 굽힘 반경에 비례하여). 롤러(250)는 VBC 광섬유(200)의 굽힘 반경을 변경하도록 플랫폼(2434) 상의 트랙(2442)을 따라 위아래로 움직일 수 있다.
클램프(2416, 또는 다른 고정구)는 맨드릴(2402)과 함께 또는 없이 VBC 광섬유의 굽힘을 유도 및 조절하도록 사용될 수 있다. 클램프(2416)는 트랙(2442) 또는 플랫폼(2446)을 따라 위아래로 움직일 수 있다. 클램프(2416)는 VBC 광섬유의 굽힘 반경, 장력 또는 방향을 변경하도록 회전시킬 수 있다. 컨트롤러(2448)는 클램프(2416)의 움직임을 조절할 수 있다.
다른 예에서, 섭동 장치(110)는 가요성 튜빙(2406)일 수 있으며, 맨드릴(2402)과 함께 또는 없이 VBC 광섬유(200)의 굽힘을 유도할 수 있다. 가요성 튜빙(2406)는 VBC 광섬유(200)를 둘러쌀 수 있다. 튜빙(2406)은 다양한 물질로 형성될 수 있으며, 컨트롤러(2444)에 의해 조절되는 압전 변환기를 사용하여 조작될 수 있다. 다른 예에서, 클램프 또는 다른 고정구는 가요성 튜빙(2406)을 이동시키는데 사용될 수 있다.
VBC 광섬유 내의 마이크로 벤드(2404)는 광섬유에서의 측면의 기계적 응력에 의해 야기된 국부적인 섭동이다. 마이크로 벤딩은 VBC 광섬유(200)내에서 전파되는 변경된 빔 특성을 초래하는 모드 커플링 및/또는 광섬유 내에서 하나의 속박 영역으로부터 다른 하나의 속박 영역의 전이를 일으킬 수 있다. 기계적 응력은 컨트롤러(2440)에 의해 조절되는 액츄에이터(2436)에 의해 가해질 수 있다. 그러나, 이는 단지 광섬유(200)에서 기계적 응력을 유도하는 방법의 예일 뿐이고, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
음향-광학 변환기(AOT, 2408)는 음향파를 사용하는 VBC 광섬유에서 전파되는 빔의 섭동을 유도하는데 사용될 수 있다. 섭동은 음향파의 진동하는 기계적 압력에 의한 광섬유의 굴절률의 변경에 의해 유발된다. 음향파의 주기 및 세기는 음향파 주파수 및 진폭과 관련되어 있어, 음향 섭동의 동적 제어를 가능하게 한다. 따라서, AOT(2408)를 포함하는 섭동 조립체(110)는 광섬유에서 전파되는 빔의 빔 특성을 변경하도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 압전 변환기(2418)는 음향파를 생성할 수 있으며, 컨트롤러 또는 드라이버(2420)에 의해 조절될 수 있다. AOT(2408)에서 유도되는 음향파는 실시간으로 VBC(200)에서 광빔의 빔 특성을 변화 및/또는 조절하도록 변조될 수 있다. 그러나 이는 단지 AOT(2408)를 생성 및 제조하기 위한 방법의 예일 뿐이고, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
열 소자(2410)는 열을 이용하여 VBC 광섬유에서 전파되는 빔의 섭동을 유도하는데 사용될 수 있다. 섭동은 열에 의해 유도되는 광섬유의 RIP의 변경에 의해 유발될 수 있다. 섭동은 광섬유로 전달되는 열의 양 및 열이 가해지는 길이를 조절함으로써 동적으로 조절될 수 있다. 따라서, 열 소자(2410)를 포함하는 섭동 조립체(110)는 빔 특성의 범위를 다양하게 하도록 형성될 수 있다. 열 소자(2410)는 컨트롤러(2450)에 의해 조절된다.
압전 변환기(2412)는 압전 작용을 이용하여 VBC 광섬유에서 전파되는 빔의 섭동을 유도하는데 사용될 수 있다. 섭동은 광섬유에 부착된 압전 물질에 의해 유도되는 광섬유의 RIP 변경에 의해 유발될 수 있다. 노출된 광섬유 부근의 덮개 부분에서 압전 물질은 광섬유에 장력 또는 압축을 가할 수 있고, 이는 밀도 변화를 가져오는 것을 통하여 그 굴절률을 변화시킨다. 따라서, 압전 변환기(2412)를 포함하는 섭동 조립체(110)는 특정 범위의 빔 특성을 변화시키도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 압전 변환기(2412)는 압전 변환기(2412)가 VBC 광섬유(200)에 어떻게 부착되었는지, 압전 물질의 극성 방향, 인가 전압 등을 포함하는 다양한 요소들에 따라 다양한 방향(예를 들어, 축, 반경 및/또는 측면 방향)으로 VBC 광섬유(200)를 이동시키도록 형성될 수 있다. 추가적으로, VBC 광섬유(200)의 굽힘은 압전 변환기(2412)를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 반대 전극을 포함하는 다수의 부분을 가지는 압전 물질의 길이부를 구동시키는 것은 압전 변환기(2412)가 길이 방향으로 굽혀지도록 할 수 있다. 전극(2424)에 의해 압전 변환기(2412)에 가하여지는 전압은 VBC 광섬유의 변위를 조절하기 위한 컨트롤러(2422)에 의해 조절될 수 있다. 변위는 실시간으로 VBC(200)에서의 광빔의 빔 특성을 변경 및/또는 조절하도록 조작될 수 있다. 그러나, 이는 단지 압전 변환기(2412)를 이용하여 VBC 광섬유(200)의 변위를 조절하는 방법의 예일 뿐이고, 청구대상은 이에 제한되지 않는다.
격자(2414)는 VBC 광섬유(200)에서 전파되는 빔의 섭동을 유도하도록 사용될 수 있다. 격자(2414)는 코어에 굴절률의 변화를 새김으로써 광섬유에 기록될 수 있다. 브래그 격자와 같은 격자(2414)는 광학 필터 또는 반사기로서 작동할 수 있다. 장주기 격자는 공동 전파 광섬유 모드간의 전이를 유도할 수 있다. 하나 이상의 모드를 포함하는 빔의 방사 휘도, 강도 프로파일 및/또는 발산 프로파일은 하나 이상의 원래의 모드를 하나 이상의 상이한 방사 휘도 및/또는 상이한 발산 프로파일을 가지는 상이한 모드에 결합하도록 장주기 격자를 사용함으로써 조정될 수 있다. 조정은 굴절률 격자의 주기 또는 진폭을 변경함으로써 이루어질 수 있다. 온도, 굽힘 반경 및/또는 광섬유 브래그 격자의 길이(예를 들어, 스트레칭)를 변화시키는 것과 같은 방법은 이러한 조정을 위하여 사용될 수 있다. 격자(2414)를 가지는 VBC 광섬유(200)는 스테이지(2426)에 결합될 수 있다. 스테이지(2426)는 다양한 기능 중 임의의 것을 실행하도록 형성될 수 있고, 컨트롤러(2428)에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 스테이지(2426)는 고정구(2430)로 VBC 광섬유(200)에 결합될 수 있고, 지렛대로 고정구(2430)를 사용하여 VBC 광섬유(200)를 신장 및/또는 굴곡시키도록 형성될 수 있다. 스테이지(2426)는 내장된 열 소자를 가질 수 있고 VBC 광섬유(200)의 온도를 변경시킬 수 있다.
도 25는 빔 특성을 조정하기 위한 자유공간광학장치의 사용 없이 광섬유 내에서의 빔 특성을 조정 및/또는 유지하기 위한 프로세스(2500)의 예를 나타낸다. 블록(2502)에서, 광섬유의 제1 길이부 및/또는 광빔은 하나 이상의 광빔 특성을 조정하기 위해 섭동된다. 블록(2506)으로 프로세스(2500)가 이동하면, 조정된 빔 특성을 가지는 광빔은 광섬유의 제2 길이부로 전파된다. 블록(2508)으로 프로세스(2500)가 이동하면, 광빔의 하나 이상의 빔 특성의 적어도 일부는 광섬유의 제2 길이부의 하나 이상의 속박 영역 내에서 유지된다. 광섬유의 제1 및 제2 길이부는 동일한 광섬유에 포함되거나, 서로 다른 광섬유일 수 있다.
현재 개시된 기술의 예의 일반적이고 구체적인 원리를 설명하고 나타내었지만, 그러한 원리에서 벗어나지 않으면 배열 및 세부 사항이 변경될 수 있음은 명백하다. 본 발명자들은 하기의 청구항의 사상 및 범위 내에서 모든 변경 및 변형을 청구한다.

Claims (70)

  1. 섭동 장치에 의하여 광빔의 하나 이상의 특성을 변경할 수 있도록 형성된 제1 RIP를 포함하는 광섬유의 제1 길이부;
    광섬유의 제1 길이부에 결합되고, 제2 RIP를 포함하는 광섬유의 제2 길이부로서, 상기 제2 RIP는 하나 이상의 속박 영역 내에 상기 광빔의 변경된 빔 특성의 적어도 일부를 속박하도록 형성되며, 상기 제1 RIP와는 다른 제2 RIP를 포함하는 광섬유의 제2 길이부;
    를 포함하는 광빔 전달 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 적어도 2개의 속박 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섭동 장치는 광섬유의 제1 길이부와 결합되거나, 광섬유의 제1 길이부에 내장되어 있거나, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부는 적어도 방사상의 중앙 부분에서 그레이디드-인덱스(graded index)형 RIP를 포함하고, 상기 광섬유의 제2 길이부는 중심 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 환형이며 제1 속박 영역을 둘러싸는 제2 속박 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역은 상기 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩 구조에 의해 나누어지는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 클래딩 구조는 플루오로 실리케이트 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부, 상기 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하고, 상기 발산 구조체는 상기 발산 구조체를 둘러싼 제2 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 제1 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 방위각적으로 비대칭이며, 제1 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 제2 코어를 포함하는 제2 속박 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역은 동축인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 속박 영역 몇 제2 속박 영역은 비동축인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 속박 영역은 초승달 모양인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 RIP는 제1 반경을 갖는 제1 부분에서 포물선 형인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 RIP는 제2 반경을 갖는 제2 부분에서 일정하고, 상기 제2 반경은 상기 제1 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 RIP는 상기 제1 광섬유의 코어의 가장자리로 연장되는 방사상의 그레이디드 인덱스 형태이고, 상기 제1 RIP는 상기 섭동 장치에 의한 상기 빔 특성의 변경에 응답하여 하나 이상의 광빔 모드의 폭을 증가 또는 감소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부는 제2 반경까지 연장되는 일정한 굴절률 부분이 뒤따르는 제1 반경까지 연장되는 방사상의 그레이디드 인덱스 형태의 코어를 가지며, 상기 제2 반경은 상기 제1 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 약 0 내지 100 미크론 범위의 직경을 가지는 중심 코어, 상기 중심 코어를 둘러싸고 약 10 내지 600 미크론 범위의 직경을 가지는 제1 환형 코어 및 20 내지 1200 미크론 범위의 직경을 가지는 제2 환형 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섭동 장치는 광섬유의 제1 길이부의 굽힘 반경, 굽힘 길이 또는 이들의 조합을 변경하여 광빔의 특성을 변경하도록 형성된 굽힘 조립체인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부 및 상기 광섬유의 제2 길이부는 함께 접합되어 있는 별개의 수동 광섬유인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섭동장치는 굽힘 조립체, 맨드릴, 광섬유 내의 마이크로 벤드(micro-bend), 음향-광학 변환기, 열 소자, 광섬유 스트레쳐(stretcher), 압전 소자 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  20. 섭동 장치에 의해 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 변경할 수 있도록 형성된 제1 RIP를 포함하는 광섬유의 제1 길이부;
    상기 광섬유의 제1 길이부에 결합된 제2 RIP를 포함하는 광섬유의 제2 길이부로서, 상기 제2 RIP는 하나 이상의 속박 영역 내에 상기 광빔의 변경된 빔 특성의 적어도 일부를 속박하도록 형성되며, 적어도 2개의 속박 영역을 포함하는 광섬유의 제2 길이부;를 포함하는 광빔 전달 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 섭동 장치는 광섬유의 제1 길이부에 결합되거나, 광섬유의 제1 길이부에 내장되어 있거나, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 장치.
  22. 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합에서 상기 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 조정하기 위하여 광섬유의 제1 길이부 내에서 전파하는 광빔을 섭동시키는 단계;
    상기 섭동된 광빔을 상기 광섬유의 제2 길이부에 결합시키는 단계; 및
    2 이상의 속박 영역을 갖는 광섬유의 제2 길이부 내에서 하나 이상의 조정된 빔 특성의 적어도 일부를 유지시키는 단계;를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부의 제1 굴절률 프로파일(RIP), 상기 광섬유의 제2 길이부의 제2 RIP 또는 이들의 조합의 선택에 응답하여 상기 조정된 빔 특성을 갖는 상기 광섬유의 제2 길이부로부터 선택된 출력 빔을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 섭동된 광빔의 하나 이상의 빔 특성은 상기 광섬유의 제1 길이부를 섭동시키는 것에 반응하여 조정되는 광빔을 생성하도록 상기 광섬유의 제1 길이부의 하나 이상의 코어 치수, 상기 광섬유의 제2 길이부의 하나 이상의 속박 영역 치수 또는 이들의 조합의 선택에 기초하여 조정되며, 상기 광섬유의 제2 길이부의 출력에서, 조정된 광빔은 조정된 특정 빔 직경, 발산 분포, 빔 파라미터 곱(BPP), 강도 분포, 휘도, M--2 값, 개구수(NA), 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 광빔을 섭동시키는 단계는 굽힘 반경을 변경시키거나 광섬유의 제1 길이부의 굽힘 영역의 길이를 변경시키거나 또는 이들의 조합을 위하여 상기 광섬유의 제1 길이부를 굴곡시키는 단계를 더 포함하여, 광빔의 하나 이상의 모드가 상기 광섬유의 제1 길이부의 길이 방향의 축에 대하여 방사상으로 변위되고 광섬유의 제2 길이부는 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역을 정의하는 RIP를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 조정된 하나 이상의 빔 특성은 상기 광섬유의 제2 길이부의 2 이상의 속박 영역에서 광빔을 속박함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 광섬유의 제1 길이부로부터 상기 제1 속박 영역, 제2 속박 영역 또는 이들의 조합으로 섭동되는 광빔을 발사하는 단계를 더 포함하여, 광빔의 하나 이상의 변위된 모드가 제1 속박 영역, 제2 속박 영역 또는 이들의 조합에 선택적으로 결합되고 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광빔의 하나 이상의 광빔 특성을 섭동시키는 단계는 광섬유의 제2 길이부의 출력에서의 상기 광빔의 적어도 하나의 빔 특성을 조정하도록 상기 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제1 길이부 내의 광빔 또는 이들의 조합을 섭동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부를 섭동시키는 단계는 굴곡시키는 단계, 특정 길이에 걸쳐 굴곡시키는 단계, 마이크로 벤딩하는 단계, 음향 광학 여기를 가하는 단계, 열적 섭동시키는 단계, 신장(stretching)하는 단계, 압전 섭동을 가하는 단계 또는 이들의 임의의 조합을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제22항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 중심 코어를 포함하는 제1 속박 영역 및 제1 속박영역을 둘러싸는 환형 코어를 포함하는 제2 속박 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제22항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광빔의 하나 이상의 광빔 특성을 조정하는 것은 상기 조정 후에 최저 차수 모드, 하나 이상의 고차 모드 또는 이들의 조합의 원하는 모드 형상을 생성하기 위하여 광섬유의 제1 길이부의 RIP를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제22항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부는 코어의 일부 또는 전부의 방사상으로 걸쳐있는 파라볼릭 인덱스 프로파일을 갖는 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제22항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부의 RIP는 상기 광빔을 섭동시키는 단계에 반응하여 최저 차수 모드, 고차 모드 또는 이들의 조합의 폭을 증가 또는 감소시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제22항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합은 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 속박 영역은 하나 이상의 클래딩 구조에 의해 나누어지고, 상기 발산 구조체는 상기 클래딩 구조에 의해 나누어지는 적어도 하나의 속박 영역 내에 배치되며, 상기 발산 구조체에 인접한 속박 영역보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제22항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 방위각적으로 비대칭인 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 광섬유의 제1 길이부, 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합에서 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 조정하기 위하여 광섬유의 제1 길이부 내에서 전파하는 광빔을 섭동시키는 단계;
    상기 섭동된 광빔을 상기 광섬유의 제2 길이부에 결합시키는 단계; 및
    광섬유의 제1 길이부 및 광섬유의 제2 길이부가 다른 RIP를 갖고, 광섬유의 제2 길이부 내의 하나 이상의 조정된 광빔 특성을 적어도 일부를 유지하는 단계;를 포함하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부의 제1 RIP, 상기 광섬유의 제2 길이부의 제2 RIP 또는 이들의 조합의 선택에 응답하여 상기 조정됨 빔 특성을 갖는 광섬유의 제2 길이부로부터 선택된 출력 빔을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제37항에 있어서, 상기 섭동된 광빔의 하나 이상의 빔 특성은 섭동하는 광섬유의 제1 길이부에 반응하여 조정되는 광빔을 생성하도록 광섬유의 제1 길이부의 하나 이상의 코어 치수, 광섬유의 제2 길이부의 하나 이상의 속박 영역 치수, 또는 이들의 조합의 선택에 기초하여 조정되며, 상기 광섬유의 제2 길이부의 출력에서, 상기 조정된 광빔은 조정된 특정 빔 직경, 발산 분포, 빔 파라미터 곱(BPP), 강도 분포, 휘도, M2 값, 개구수(NA), 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, 상기 광빔을 섭동시키는 단계는 굽힘 반경을 변경시키거나, 광섬유의 제1 길이부의 굽힘 영역의 길이를 변경시키거나 또는 이들의 조합을 위하여 상기 광섬유의 제1 길이부를 굴곡시키는 단계를 더 포함하여, 광빔의 하나 이상의 모드가 광섬유의 제1 길이부의 길이 방향의 축에 대하여 방사상으로 변위되고 광섬유의 제2 길이부는 제1 속박 영역 및 제2 속박 영역을 정의하는 RIP를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 조정된 하나 이상의 빔 특성은 광섬유의 제2 길이부의 하나 이상의 속박 영역의 광빔을 속박함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제37항 내지 제41항의 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제1 길이부, 상기 광섬유의 제2 길이부 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 하나 이상의 속박 영역은 하나 이상의 클래딩 구조에 의해 나누어지고, 상기 발산 구조체는 상기 클래딩 구조에 의해 나누어지는 적어도 하나의 속박 영역 내부에 배치되며 상기 발산 구조체에 인접한 속박 영역보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제37항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 제2 길이부는 방위상 비대칭인 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 하나 이상의 빔 특성을 변경하도록 배열된 섭동 조립체에 의한 광빔의 하나 이상의 빔 특성의 변경을 적어도 부분적으로 가능하게 하기 위해 형성된 제1 RIP를 포함하며, 상기 섭동 조립체는 상기 광섬유의 제1 길이부와 결합되거나 광섬유의 제1 길이부에 내장되어 있거나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제1 길이부; 및
    상기 광섬유의 제1 길이부에 결합되고, 하나 이상의 제1 속박 영역 내의 섭동 조립체에 의하여 변경된 광빔의 하나 이상의 빔 특성을 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제2 RIP를 포함하고, 상기 제1 RIP 및 상기 제2 RIP는 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유의 제2 길이부;를 포함하는 광섬유 및
    변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신 또는 전송하도록 형성된 하나 이상의 자유공간광학장치(free space optics)를 포함하며 광섬유의 제2 길이부에 결합된 광학 시스템을 포함하는 광빔 전달 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 제1 프로세스 헤드 및 상기 광학 시스템 사이에 결합된 제1 프로세스 광섬유를 더 포함하고, 상기 제1 프로세스 광섬유는 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유는 제1 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성의 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제3 RIP를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  48. 제45항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자유공간광학장치의 적어도 일부는 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  49. 제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 빔 특성은 빔 직경, 발산 분포, BPP, 강도 분포, 휘도, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  50. 제47항에 있어서, 상기 제3 RIP는 상기 제2 RIP와 동일한 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  51. 제47항에 있어서, 상기 제3 RIP는 상기 제2 RIP와 상이하고, 상기 제3 RIP는 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  52. 제51항에 있어서, 상기 하나 이상의 제2 속박 영역의 적어도 하나는 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 적어도 하나의 발산 구조체는 상기 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률의 물질의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  54. 제47항에 있어서, 상기 광학 시스템과 제2 프로세스 헤드 사이에 결합된 제4 RIP를 가지는 제2 프로세스 광섬유를 더 포함하고, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 제2 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 광빔을 수신하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유, 제2 프로세스 광섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  56. 제54항에 있어서, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 광빔의 발산 프로파일을 변경하도록 형성된 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 하나 이상의 제2 속박 영역의 적어도 하나에 의해 둘러싸인 중심 코어를 포함하고, 상기 코어 및 제2 속박 영역은 상기 중심 코어의 제2 굴절률 및 상기 제2 속박 영역의 제3 굴절률보다 낮은 제1 굴절률을 가지는 클래딩 구조에 의해 나누어지고, 상기 제2 속박 영역은 적어도 하나의 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 상기 적어도 하나의 발산 구조체는 상기 제2 속박 영역보다 낮은 굴절률의 물질의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  59. 제54항에 있어서, 상기 제2 RIP는 상기 제3 RIP, 상기 제4 RIP 또는 이들의 조합과 상이한 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  60. 제54항에 있어서, 상기 제2 RIP는 상기 제3 RIP, 상기 제4 RIP 또는 이들의 조합과 동일한 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  61. 제54항에 있어서, 상기 하나 이상의 빔 특성은 빔 직경, 발산 분포, BPP, 강도 분포, 휘도, M2 값, NA, 광강도, 전력 밀도, 방사 빔 위치, 방사 휘도, 스폿 크기 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  62. 제54항에 있어서, 상기 자유공간광학장치의 적어도 일부는 상기 광빔의 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 제1 프로세스 헤드 및 상기 광학 시스템 사이에 결합된 제1 프로세스 광섬유를 더 포함하고, 상기 제1 프로세스 헤드는 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 포함하는 상기 광빔을 수신하도록 형성된 광빔 전달 시스템.
  64. 제63항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유는 상기 제1 프로세스 광섬유의 하나 이상의 제2 속박 영역 내의 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 적어도 일부를 보존하도록 형성된 제3 RIP를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템
  65. 제63항에 있어서, 상기 제3 RIP는 제2 RIP와 다르고, 상기 제3 RIP는 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  66. 제63항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유는 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 발산 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  67. 제63항에 있어서, 상기 광학 시스템 및 제2 프로세스 헤드 사이에 결합되는 제2 프로세스 광섬유를 더 포함하고, 상기 제2 프로세스 광섬유는 상기 2배로 변경된 하나 이상의 광빔 특성을 수신하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  68. 제67항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유, 제2 프로세스 광섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 2배로 변경된 광빔 특성을 더 변경하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  69. 제67항에 있어서, 상기 제1 프로세스 광섬유, 제2 프로세스 광섬유 또는 이들의 조합은 상기 광빔의 2배로 변경된 하나 이상의 빔 특성을 더 변경하도록 형성된 발산 구조체를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
  70. 제45항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 광섬유-광섬유 커플러, 광섬유-광섬유 스위치 또는 프로세스 헤드, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 광빔 전달 시스템.
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