TW201617659A

TW201617659A - 光學組件及其製造與使用方法

Info

Publication number: TW201617659A
Application number: TW104132655A
Authority: TW
Inventors: 阿托薩樂卡貝
Original assignee: 可利雷斯股份有限公司
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2016-05-16
Also published as: WO2016062914A1; JP2017532607A; EP3210064A1; CN107111051A; US20170248759A1

Abstract

本發明是有關於一種光學組件及其製造方法。本發明亦是有關於所述光學組件的使用。經由個別光學饋入光纖束接收的雷射輻射經引導至纖維雷射光纖。每一饋入光纖具有包圍所述光纖之芯以在所述芯中提供全內反射的包覆層，且所述光纖的所述包覆層至少部分地熔合在一起以形成含有所述饋入光纖的所述芯的區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域的內部。此組態提供可饋入至纖維雷射光纖中的環形雷射光束的塑形，所述纖維雷射光纖具有環形光引導區域的且將所述環形雷射光束呈現（例如）至工件。

Description

光學組件及其製造方法

本發明是有關於一種光纖組件，且特別是有關於一種絕熱光纖耦合器及其使用。本發明亦是有關於一種捆綁光纖以用於製造光纖組件的方法。本發明尤其適用於藉由使用高功率雷射光束進行的材料處理。

高功率雷射光束廣泛地用於材料處理，諸如切割及熔接金屬。使用雷射光束的處理速度不僅取決於各種材料特性（諸如材料組成物及厚度），而且取決於所述雷射光束自身的特性（諸如波長、光束品質以及光束剖面）。尤其對於金屬切割應用而言，已觀測到光束剖面（亦即，光束之空間強度圖樣）影響切割速度及品質。雷射之典型光束剖面可與高斯（鐘形）形狀或超高斯形狀近似。高斯剖面藉由單模雷射源產生，而超高斯剖面藉由多模雷射產生。超高斯形狀之極端狀況為所謂的平頂剖面，所述平頂剖面在光束內具有恆定強度且在光束外具有0強度。高斯光束及平頂光束的共同特徵在於大量強度存在於光束的中心。

當藉由雷射光束切割金屬時，雷射光束通常經由聚光透鏡聚光為100 μm至500 μm的光點以增加能量密度，並瞬時將工件加熱至1500度或超過1500度的金屬熔點以使得工件熔化或昇華。同時，輔助氣體可經饋入以移除熔融材料且切割工件。當工件為厚軟鋼薄片（碳鋼薄片）時，將氧氣用作輔助氣體以產生氧化反應熱且同樣利用該熱量以用於切割工件。

來自固態雷射或纖維雷射之1微米波帶的雷射光束與來自二氧化碳（CO₂ ）雷射的10微米波帶的雷射光束相比在金屬工件上實現極高的光學能量強度及吸光度。然而，若具有高斯光束之1微米波帶的雷射光束與氧氣輔助氣體一起用以切割軟鋼薄片工件，則在所述工件之頂面上的熔合寬度不必要地擴大且削弱截口控制。另外，自燃燒可發生以降低雷射切割之品質。然而，在EP2762263中發現，將纖維雷射之雷射光束形成為圓環光束且藉由所述圓環光束切割工件提供與由CO₂ 雷射提供之效應相同的效應。

實際上，就切割速度及品質而言，藉由具有可與環狀或「環形」形狀近似之強度剖面的雷射光束來切割金屬已產生良好結果。舉例而言，已觀測到，在使用環形光束而非更習知的光束剖面時，可在更低之功率下執行給定厚度之金屬之切割。因此，為此類應用製造高功率雷射源的一些公司已開發用以製造接近或近似環形形狀之光束剖面的方法。一些所述方法包含使用來自雷射諧振器之環形模式（例如，橫向（TEM）模式）或藉由使用複雜且通常專有的電光方法塑形光束。在環形光束中，強度剖面在光束中心處具有一凹陷或相對黑暗的區域，且具有最大輻射強度之區域圍繞所述中心凹陷形成環狀圖樣。

在US20110293215中揭露一種藉由使用空心光纖或光纖耦合之微三稜鏡組件將高斯模式光束轉化為環狀模式光束的解決方案。

自文獻JP2013139039已知將多個光纖引導至對應數目的準直透鏡，所述準直透鏡使來自兩個或兩個以上的光纖的雷射光束平行。當光纖經由驅動機構移動以除了其他形狀以外產生環形光束時，所述解決方案具有聚光來自準直透鏡之平行光之聚光透鏡。

在US7348517中論述移除工件之熔融材料的問題（例如，當藉由雷射光束切割鋼板時）。與雷射光束同軸地注入類似氧氣之輔助氣體或惰性熔接氣體以局部地移除熔融材料。在厚板處維持適當氣體壓力的情況下，用於去除熔融金屬的功率往往會變得不足。使用TEM10模式以產生環狀光束，所述環狀光束之捕收性藉由修改氣體雷射振盪器之組態及/或藉由修改所使用的光學鏡面及透鏡系統的組態而最佳化。

EP0464213展示藉由使用主要處於圓環模式中之雷射光束切割工件以及藉由施加一氣體至光學系統之表面以冷卻所述系統來使用雷射光束切割諸如厚軟鋼板之工件的方法。氯化鉀（potassium chloride；KCL）透鏡被用作聚焦透鏡。

最後，WO2009003484展示組合由捆綁式光纖組成之第一光學區段與具有波導之第二區段的絕熱光學耦合器，所述耦合器包括內包層以使得光經引導至圓環狀區域中。內包層相對於無摻雜二氧化矽具有經減小之折射率以將光限制於圓環狀引導區域中。

在使用雷射光束之材料處理應用中，大體上有利於最大化光束的亮度。亮度經定義為每單位立體角及單位面積的功率。作為亮度重要性的實例，增加雷射光束之亮度意謂雷射光束可用於增加處理速度或材料厚度。因此，為了最大化由光纖束發出的光的亮度，光纖芯應如實際可達成地彼此靠近。

舉例而言，捆綁具有125 µm的包層直徑以及20 µm的芯直徑的多個光纖並不會產生高亮度，因為所述束中之光纖芯彼此相距相對較遠。若希望增加束之亮度，則需要減小光纖芯之間的距離。先前技術解決方案並未恰當地處理此問題。由於光纖過大及光路之破裂或偏差而損耗的任何亮度無法回收。

本發明之目標為達成以穩健方式產生具有極高亮度及強度的環形或圓環狀雷射輻射圖樣的。此圓環狀強度分佈圖樣直接工業應用在使用雷射光束的材料處理中。

本發明之目標藉由根據獨立申請專利範圍的光學組件及方法達成。

本發明之光學組件及方法尤其是有關於在100瓦特至千瓦特功率機制中操作的光纖組件。特定言之，組件之輸送量可為至少100瓦特，尤其至少1千瓦特。組件之饋入光纖可為光纖雷射或任何其他光纖遞送之雷射源，或可耦合至光纖雷射或任何其他光纖遞送之雷射源。藉由使用薄光纖、藉由熔合光纖之包層以及藉由消除或至少最小化光路中的任何破裂或偏差來維持足夠量之亮度。以此方式，使光纖的芯相對於芯的直徑彼此靠近。

根據本發明之一態樣，提供一種用於引導經由個別光學饋入光纖束接收之雷射輻射的光學組件。每一饋入光纖具有包圍光纖的芯的至少一個包覆層。根據本發明，光纖之包覆層以圓柱形侷限至少部分地熔合在一起以形成含有饋入光纖之至少部分之芯的區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域的內部。此將提供環狀光導，雷射光束可藉由所述環狀光導饋入至（例如）「環形」纖維雷射光纖。本發明可與任何類型之纖維雷射裝置一起使用，其中雷射輻射的強度圖樣需要具有環形形狀。

在實施例中，個別光學饋入光纖束經熔合以形成含有饋入光纖之芯的環狀區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域的內部。個別光學饋入光纖束亦可包括另一光纖，所述光纖在環狀區域的中心熔合以使得有可能提供亦在環狀之雷射光束之中心的雷射光束。在中心的此光纖亦可為虛設光纖或暗光纖，其唯一任務可為幫助沿其中光纖熔合在一起的管狀模具之周邊保持饋入光纖在其位置。

根據本發明之一態樣，提供一種用於製造光學組件的方法，所述光學組件用於將經由個別光學饋入光纖束接收的雷射輻射引導至纖維雷射光纖。本發明之方法包含以下步驟： - 提供圓柱形的模具， - 沿圓柱體之周邊將多個光學饋入光纖安裝於所述模具中，每一光纖具有芯及包圍芯以在芯中提供全內反射的至少一個包覆層， - 施加熱量至所述模具中，且在所述模具中所述光纖的包覆材料至少部分地熔合在一起，及藉由以圓柱形態佈置於經熔合之包覆材料中的所述饋入光纖的芯的至少部分形成一區域。

根據實施例，熔合所述光纖的包覆材料經熔合以形成含有所述饋入光纖之芯的環狀區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域內部。另一光纖可熔合在環狀區域的中心。

較佳地，藉由使用具有形成腰部區段之孔的管狀模具及藉由加熱以熔合腰部區段處的光纖束來執行熔合。由於光纖束熔合在一起，饋入光纖芯相隔相對較近。光纖束之經熔合部分可因此形成單一玻璃塊，或經熔合之光纖包層的至少一個緊密型區域。

藉由本發明之光學組件產生的環狀雷射光束經饋入至具有能夠引導雷射輻射的芯的光纖中。饋入光纖芯經有利地佈置以存在於環狀區域或存在於重疊環形纖維雷射光纖之環狀芯區域的具有預定大小的區域中。所述芯區域具有比其周圍的材料高的折射率，此情況提供芯區域中之全內反射。各種實施例定義於附屬申請專利範圍中。當環狀區域具有的折射率高於環繞於所述環狀區域且位在所述環狀區域外的材料的折射率時，雷射光束經引導至（例如）將在環狀強度剖面及光學功率及強度之衰減之劣化可能最小的情況下切割的工件。

綜上所述，所描述之方法為產生用於光纖耦合之雷射源的『圓環狀』光束剖面的簡單及高效方式。在將第一光學元件及第二光學元件拼接在一起的較佳方法中，無需自由空間光學器件。並未使用複雜的機電及電光系統。單模雷射源或多模雷射源可用於輸入端處，且不同於一些已公佈的圓環產生器，其不需要更改用於產生圓環狀強度分佈的雷射源的諧振器屬性。

藉助於本發明獲得相當大的優勢。由於組件較佳地為經熔合之全玻璃組件，故不可能發生因污染物所致的對準誤差或破壞效應。組件隨著時間及環境變化將為穩定的，因此材料處理之品質將不受所述作用的影響。在是有關於或用於雷射熔接及雷射切割的組件中獲得特定優勢。

隨後，參見隨附圖式更詳細地描述本發明之實施例。

圖1展示根據本發明之一個實施例之構成用於光學元件的預成型體的光纖11的束10的橫截面。束具有N條光纖（此處N=4）。每一光纖11具有芯12及包層13。包層由具有比芯12的折射率低的折射率的材料製成。正如熟習此項技術者所熟知的，發射至此光纖（亦稱為階變折射率光纖）之芯中的光將藉由芯與包層之間的折射率階變引導，且因此將根據全內反射之原理保持在芯內部。

束中之光纖根據本發明為極薄的，以便最大化藉由多個芯形成之光學圖樣的亮度。特定言之，光纖之直徑可低至40 µm或甚至40 µm以下。由於此類薄光纖之搬運及捆綁極具挑戰性，較佳地在支撐圓柱形的模具的內部執行束之熔合以用於改良之可製造性。

圖2展示根據本發明之一個實施例的形成光學組件的經熔合的束20。藉由首先形成如圖1中所示的捆綁式光纖的預成型體10且隨後拉伸預成型的束穿過經加熱的圓柱形模具製成經熔合的束20，所述圓柱形模具可由毛細管構成。當穿過模具時，光纖21之包層23以可控方式熔合在一起。藉由芯22形成之空間圖樣由預成型體及模具判定。此處，經熔合的束具有N個芯區域22（此處N=4）。藉由熔合製程使包覆區23以及同樣可能地芯區22自其初始的大致為圓形的形狀變形。圖2中之虛線說明圖1之束的個別光纖11的大致變形界限。此類實體介面可在熔合製程中消失。

經熔合的束20之芯的最終實體尺寸及空間間隔藉由光纖尺寸及包層之熔合程度而判定。外層24可由管狀模具構成。因此，毛細管已與光纖熔合在一起以形成實心玻璃區段。此提供具有改良之機械穩固性的經熔合的光纖束，從而在光纖束及毛細管熔合在一起時形成堅固的實心玻璃塊。替代地，若模具並非所述結構的部分，則任何合適的包層可形成於經熔合的光纖上。所形成之光纖束20可藉由習知方法拋光或裁切以形成平坦端面或介面表面，且光纖之常見方法可用於進一步處理所得的光纖，諸如，添加外部保護性聚合物塗層及剝除所述塗層等。

圖3a展示具有環狀形成之光導的纖維雷射光纖30（環形光纖），所述光導接收藉由圖2之經熔合的光纖束輸出之雷射光束。環形光纖30具有中心包層34、環狀光導或芯31、第一包層32以及第二包層33。環形光纖30可藉由使用光纖之熟知方法拋光或裁切以在對其形成平坦平面。

經熔合的光纖束20及環形光纖30可藉由將其拼接在一起或藉由使用其間的自由空間光學器件（透鏡等）光學地耦合在一起。自饋入光纖21之芯耦合至環形光纖之芯31中的雷射輻射可在環形光纖的出射面處形成近似環形形狀的空間強度分佈。此空間強度圖樣可藉由加工光學器件進一步成像至工件上。

圖3b展示圖3a之環形光纖30之可能的折射率剖面的實例。中心包層34的折射率為n₄ 且一級包層32的折射率為n₂ 。芯31的折射率為n₁ ，其中n₁ ＞n₂ 且n₁ ＞n₄ ，以便使光處於芯31中且保持引導於芯31中。第二包層的折射率n₃ 就其量值而言並無明確限制，但因為在實踐中此區域大致上由純熔合二氧化矽製成，故n₃ 可為大約1.45。熔合二氧化矽的折射率可藉由在其中摻雜雜質來調整。舉例而言，用鍺摻雜熔合二氧化矽導致折射率增加，而用氟摻雜熔合二氧化矽導致折射率減小。因此，環形光纖之芯31可由摻鍺之熔合二氧化矽製成且第一包層32由摻氟之熔合二氧化矽製成。中心包層34及第二包層33可由無摻雜的熔合二氧化矽製成。

顯然，存在滿足對於光纖30之不同區域的折射率值的需求的其他材料選項。當一些光亦可發射至中心包層34中時，第一包層之折射率n₂ 可小於中心包層之折射率n₄ 以確保發射至中心包層34中的光將不經由第一包層32傳播。

參見圖4a，根據一個實施例，管狀模製裝置包括毛細管42（例如，熔合二氧化矽、石英以及摻雜石英等），所述毛細管42已藉由玻璃拉製方法逐漸變窄以便獲得具有實質上恆定直徑之某一合適長度（例如，1 mm至5 cm，較佳地3 mm至3 cm）的腰部部分43。饋入光纖41之束40安裝在毛細管42內。腰部部分43處之毛細管42的內徑經設計為略微大於饋入光纖41之束40的外部尺寸，例如大約1 µm大小。束40可藉由合適的捆綁輔助工具經組織成密集組態且束幾何結構可藉由具有黏合劑塗層（未圖示）或其類似者的饋入光纖固定或緊固。

在毛細管的腰部部分43內，饋入光纖41之束（例如）藉由在加熱區44處加熱而變得與毛細管42之壁較佳地熔合，以達成光纖之絕熱（逐步）熔合。結果為經熔合的光纖束45。

在圖4b中展示替代實施例，其中具有腰部部分47之管狀模具46並未形成經熔合的光纖束48的一部分。圖41及圖4b的兩個實施例說明本發明之重要特徵，亦即，使待熔合之光纖束經受極平緩的製造步驟以保留經由光學組件之絕熱光引導。在實踐中，此意謂儘量避免纖芯之變形、彎曲以及破裂。

應注意，通常，歸因於所涉及的幾何結構，當束光纖及毛細管熔合在一起且光纖之間及光纖與圓柱形模具的內壁之間的氣袋由於熔合期間之玻璃回焊而消失時，光纖之芯在橫截面中經歷形狀自大致上圓形形狀至非圓形形狀的改變。光纖形狀的改變必須沿經熔合的區域之長度以逐步方式（絕熱地）進行。可藉由當光纖以恆定速率沿拉長之經熔合的區域之長度移動時控制如同圖4a及圖4b中之區域44的加熱區域中的加熱功率，或藉由增加具有恆定加熱功率之熱源之速率或兩者的組合來實現逐步形狀改變。最小加熱功率應使得饋入光纖41之芯保持其原始形狀且毛細管（或模具）實質上並未摺疊。芯形狀之逐步改變對於達成雷射輻射之亮度中的低損耗及低劣化是至關重要的。

圖5展示關於具有七個饋入光纖的熔合光纖束50的本發明的實施例的橫截面。在饋入光纖之此密集組態中，光纖中之一者定位於束之中心，而剩餘六個光纖以圓柱形方式定位且出現在以圓圈佈置的橫截面中。周邊光纖具有芯51且中心光纖具有芯52。實心玻璃基體53由7個個別饋入光纖之包層、毛細管模具管及/或圍繞原始光纖束塗覆之其他包層構成。

圖6展示圖5之經熔合的束50與圖3a之環形光纖30之間的光學介面。為了清楚起見，自參考編號的虛線指向由虛線表示的結構。經環狀佈置且現經熔合的饋入光纖的芯51經對準以將光學功率發射至環形光纖30之芯31中。相應地，經熔合的束50之中心光纖52的芯經設計以將光學功率發射至環形光纖30之中心包層34中。若光學功率經發射至經熔合的束50的所有光纖中，則環形光纖30之中心處的光學強度將因此不為0。

由於在一些情況下來自芯51之某一光學功率亦輸入中心包層34可為較佳的，經熔合的束50及環形光纖30的尺寸亦可經選擇以使得周邊光纖51具有與環形光纖30之中心包層34之重疊。發射至中心包層34中的任何光學功率將不繼續受包層限制，此是由於其折射率n₄ 小於芯31的折射率n₁ 。

若另一方面，芯之間的重疊為100%，亦即，光纖束50之所有芯51安裝在環形光纖30之芯31內部，且使芯52保持基本上黑暗，則光學功率將不經發射至中心包層34中。因此，中心包層34亦將顯得黑暗，亦即，其將實際上具有0強度。

因此，光學元件30及光學元件50之芯區域的空間組態及尺寸定義芯之總重疊。在大多數情況下，由於此光將不包含於芯31及中心包層34中且因此可被視為組件的非所需損耗，較佳的是不將任何功率發射至第一包層32中。此將尤其適用於n₃ ＞n₂ 的重要實際情況，在此情況下，發射至第一包層32中的任何光亦將漏泄至第二包層33中。

應理解，本發明所揭露的實施例並不限於本文中揭露的特定結構、製程步驟或材料，而是延伸至將由一般熟習相關技術者辨識的其等效物。亦應理解，本文中所使用的術語出於僅描述特定實施例的目的而使用，且並非意欲為限制性的。

貫穿於本說明書中的對「一個實施例」或「實施例」的參考意謂結合實施例描述的特定特徵、結構或特性包含於本發明的至少一實施例中。因此，貫穿本說明書在不同位置中出現的短語「在一個實施例中」或「在實施例中」未必皆是指同一實施例。

本發明之各種實施例及實例可連同用於其各種組件的替代例一起在本文中被提及。應理解，此類實施例、實例以及替代例不應被解釋為彼此的實際上的等效物，而是將被認為是本發明的分離且自主的表示。

此外，在一或多個實施例中，可以任何合適方式組合所描述特徵、結構或特性。在描述中提供大量特定細節（諸如長度、寬度、形狀等的實例）以提供對本發明之實施例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到可在無特定細節中的一或多者、或具有其他方法、組件以及材料的情況下實踐本發明。在其他個例中，並未展示或詳細描述熟知結構、材料或操作，以避免混淆本發明之態樣。

儘管前述實例是說明一或多個特定應用中之本發明之原理，但對於一般熟習此項技術者將顯而易見的是，可在不運用創造力才能且不脫離本發明之原理及概念的情況下對實施的形式、使用及細節左出大量修改。因此，不希望本發明受到限制，除了由以下闡述的申請專利範圍限制外。

10‧‧‧預成型的束
11‧‧‧光纖
12‧‧‧芯
13‧‧‧包覆層
20‧‧‧經熔合的束
21‧‧‧光纖
22‧‧‧芯
23‧‧‧包覆層
24‧‧‧外層
30‧‧‧纖維雷射光纖
31‧‧‧芯
32‧‧‧第一包覆層
33‧‧‧第二包覆層
34‧‧‧中心包覆層
40‧‧‧束
41‧‧‧饋入光纖
42‧‧‧毛細管
43‧‧‧腰部部分
44‧‧‧加熱區/區域
45‧‧‧光纖束
46‧‧‧管狀模具
47‧‧‧腰部部分
48‧‧‧光纖束
50‧‧‧熔合光纖束
51‧‧‧周邊光纖
52‧‧‧芯
53‧‧‧實心玻璃基體

圖1展示光纖之束或預成型體的橫截面。圖2展示根據本發明之一個實施例之形成光學組件的經熔合的束。圖3a及圖3b說明環狀纖維雷射光纖的結構及折射屬性。圖4a展示根據本發明之一個實施例之管狀模製裝置。圖4b展示根據本發明之另一實施例之管狀模製裝置。圖5說明根據本發明之一個實施例之輸入光纖的經熔合的束。圖6說明本發明之光學組件與纖維雷射光纖之間的耦合區域。

20‧‧‧經熔合的束

21‧‧‧光纖

22‧‧‧芯

23‧‧‧包覆層

24‧‧‧外層

Claims

一種光學組件，其用於引導經由個別光學饋入光纖束接收之雷射輻射，每一饋入光纖具有包圍所述光纖之芯以提供所述芯中之全內反射的至少一包覆層，其特徵在於所述光纖之所述包覆層以一圓柱形侷限至少部分地熔合在一起以形成含有所述饋入光纖的所述芯的至少部分的區域，所述饋入光纖以一圓柱形態佈置在所述區域的內部以提供環狀光導。
如申請專利範圍第1項所述的光學組件，其特徵在於所述個別光學饋入光纖束經熔合以形成含有所述饋入光纖之所述芯的一環狀區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域中。
如申請專利範圍第2項所述的光學組件，其特徵在於所述個別光學饋入光纖束包括另一光纖，其在所述環狀區域之中心熔合以在所述環狀光導之所述中心提供光導。
一種用於製造光學組件之方法，所述光學組件用於引導藉由個別光學饋入光纖束接收之雷射輻射，所述方法包括以下步驟：提供圓柱形的模具，沿所述圓柱體之周邊將多個光學饋入光纖安裝在所述模具中，每一光纖具有芯及包圍所述芯以在所述芯中提供全內反射的至少一包覆層，施加熱量至所述模具中，且在所述模具中所述光纖的包覆材料至少部分地熔合在一起，及藉由以圓柱形態佈置於所述經熔合之包覆材料中的所述饋入光纖的所述芯的至少部分形成一區域。
如申請專利範圍第4項所述的方法，其特徵在於熔合所述光纖之所述包覆材料以形成含有所述饋入光纖之所述芯的環狀區域，所述饋入光纖以圓柱形態佈置在所述區域內部。
如申請專利範圍第5項所述的方法，其特徵在於在所述環狀區域之中心熔合另一光纖。
如申請專利範圍第4項至第6項中任一項所述的方法，其特徵在於使用具有形成腰部區段之孔的管狀模具作為所述圓柱形的模具，且施加熱量以熔合所述腰部區段處的所述光纖束。
一種光學組件的使用方法，所述光學組件的使用方法利用如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的光學組件以產生環狀之雷射光束且將所述雷射光束引導至具有包含環狀區域的橫截面的纖維雷射光纖中，所述環狀區域至少部分地與所述雷射光束重疊且所述環狀區域具有的折射率高於環繞於且在所述環狀區域外的所述材料的折射率。