用于更改光束形状和强度的阶跃芯光纤结构和方法技术

在各种实施例中，使用从阶跃芯光纤发射且由可具有非圆形光束形状的一个或多个输入光束形成的一个或多个输出光束加工工件。在各种实施例中，输入光束可以是具有依据激光束的功率而变化的激光束数值孔径(NA)的可变功率激光束。所述阶跃芯光纤可具有在大致100％的激光功率下大于或等于所述激光束NA的外芯NA、小于或等于所述外芯NA的内芯NA，以及在50％的功率下大于或等于所述激光束NA的内芯NA。率下大于或等于所述激光束NA的内芯NA。率下大于或等于所述激光束NA的内芯NA。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于更改光束形状和强度的阶跃芯光纤结构和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年7月7日提交的第63/048,714号美国临时专利申请和2020年8月4日提交的第63/060,801号美国临时专利申请的权益和优先权，所述申请中的每一个的全部公开内容由此以引用的方式并入本文中。


[0003]在各种实施例中，本专利技术涉及激光系统和光纤，特别是能够控制光束强度和例如光束参数积的光束参数的激光系统和光纤。

技术介绍

[0004]高功率激光系统被用于许多不同的应用，如焊接、切割、钻孔和材料加工。此类激光系统通常包含激光发射器，其发出的激光耦合到光纤(optical fiber)(或简称“光纤(fiber)”)中，以及将光纤中的激光聚焦到待加工工件上的光学系统。光学系统通常被设计成产生最高质量的激光束，或等效地，具有最低光束参数积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和其最窄点处的光束半径(即光束腰，最小光斑尺寸)的乘积。也就是说，BPP＝NA
×
D/2，其中D是聚焦光斑(腰)直径，NA是数值孔径；因此，BPP可以通过改变NA和/或D来改变。BPP量化了激光束的质量以及它可以被聚焦到小光斑的程度，通常以毫米
‑
毫弧度(mm
‑
rad)为单位表示。高斯光束具有最低可能BPP，由激光的波长除以π得出。在同一波长下，实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP之比表示为M2，它是与波长无关的光束质量的量度。
[0005]高功率工业激光通常由常规多模阶跃折射率光纤(multi
‑
mode step
‑
index fibers)递送。在此类系统中，输出处的BPP通常显著大于输入处的BPP，BPP劣化效应主要由输入激光光斑与光纤中心芯的形状和/或尺寸失配引起。另外，对于给定的总光束功率，较高的峰值强度和工件上较小的有效激光光斑有利于许多应用，例如钣金切割和钻孔。因此，需要光纤结构、系统和技术来解决BPP的耦合相关劣化，同时也能够为各种应用产生小的输出光束尺寸和伴随的高光束强度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的各种实施例提供激光系统、耦合和递送技术及光纤，它们即使在输入光束形状变化时，也能够以最小的BPP劣化实现有效的光束耦合和传送。另外，根据本专利技术的实施例的光纤可用于在不使用较小光纤的情况下有效地产生较小的输出光斑尺寸和显著更大的峰值光束强度。以此方式，本专利技术的实施例能够在不牺牲光纤耦合效率和光束稳定性的情况下产生输出光束。
[0007]本专利技术的实施例包含并使用在本文中称为“阶跃芯”光纤的光纤。传统的激光递送系统，特别是用于工业加工的那些激光递送系统，使用的是具有单个中心芯和单个环绕芯的外包层的常规阶跃折射率光纤。相比之下，根据本专利技术的实施例的阶跃芯光纤包含以下、主要由以下组成或由以下组成：内芯；环绕所述内芯的环形外芯；以及环绕所述外芯的包
层。在各种实施例中，外芯安置在内芯和包层之间，并且其相对表面直接接触内芯和包层。在各种实施例中，阶跃芯光纤可包含安置在所述包层外部的一个或多个芯、涂层和/或包层。此类层可出于各种目的而提供，包含但不限于BPP操纵、光纤结构支撑、光纤保护等。因此，尽管内芯、外芯和包层通常包含例如熔融硅石或掺杂熔融硅石的玻璃、主要由其组成或由其组成，但是安置在所述包层外部的层可包含玻璃(例如，熔融硅石、掺杂熔融硅石)、聚合物、塑料等、主要由其组成或由其组成。本专利技术的各种实施例不在光纤结构中或光纤结构上并入模消除器。类似地，根据本专利技术的实施例的光纤的各个层沿着光纤的整个长度是连续的，并且其中不含孔、光子晶体结构、断裂、间隙或其它不连续部分。
[0008]根据本专利技术的阶跃芯光纤可以是多模光纤，并且因此其中支持多个模(例如，超过三个、超过十个、超过20个、超过50个或超过100个模)。另外，根据本专利技术的阶跃芯光纤通常是无源光纤，即，不像通常用于泵浦光纤激光器和放大器那样掺杂有活性掺杂剂(例如，铒、镱、铥、钕、镝、镨、钬或其它稀土金属)。相反，用于在根据本专利技术的光纤的各个层中选择所需折射率的掺杂剂通常是不被激光激发的无源掺杂剂，例如氟、钛、锗和/或硼。根据本专利技术的实施例，获得光纤的特定层或区域的期望折射率可以由本领域技术人员在没有过度实验的情况下(通过诸如掺杂的技术)实现。相关地，根据本专利技术的实施例的光纤可以不在其中或其上并入反射器或部分反射器(例如，诸如布拉格光栅的光栅)。根据本专利技术的实施例的光纤通常不被配置为产生不同波长的激光的泵浦光泵浦。相反，根据本专利技术的实施例的光纤仅沿其长度传播光而不改变其波长。
[0009]另外，根据本专利技术的实施例的阶跃芯光纤和系统通常用于材料加工(例如，切割、钻孔等)，而不是用于诸如光学通信或光学数据传输之类的应用。因此，耦合到根据本专利技术的实施例的光纤中的激光束通常具有用于光学通信的小于1.3μm或1.5μm的波长。实际上，根据本专利技术的实施例使用的光纤可以在用于光学通信的大致1260nm到大致1675nm范围内的一个或多个(或甚至所有)波长处表现出分散。例如，根据本专利技术的实施例使用的激光波长可具有从大致780nm到大致1064nm、从大致780nm到大致1000nm、从大致870nm到大致1064nm或从大致870nm到大致1000nm的范围内的波长。在各种实施例中，激光束的波长(或主波长或中心波长)可以是例如大致1064nm、大致970nm、大致780或850到大致1060nm或大致950nm到大致1070nm。在各种实施例中，激光波长可远大于用于光学通信的那些波长(例如，大致1260nm到大致1675nm)，例如在从大致2μm到大致11μm或从大致5μm到大致11μm的范围内。
[0010]在各种实施例中，激光束的波长(或波长范围)在高能可见光(例如，蓝色、绿色或紫色)或紫外(UV)范围内。例如，波长可在大致300nm到大致740nm、大致400nm到大致740nm、大致530nm到大致740nm、大致300nm到大致810nm、大致400nm到大致810nm或大致530nm到大致810nm的范围内。在各种实施例中，激光束的波长在UV或可见光范围内，但是对于各种应用，波长可延伸至大致810nm。在特定实施例中，激光束的波长(或主波长或中心波长)可以是例如大致810nm、大致400
‑
大致460nm或大致532nm。(本文中，应理解，对不同“波长”的提及涵盖不同“波长范围”或不同“主波长”。)
[0011]根据本专利技术的额外实施例，各自具有不同波长的两个或更多个激光束连续地和/或同时地耦合到阶跃芯光纤中，以利用每个波长的优点来优化材料加工。此类实施例可并入有在2020年8月4日提交的第16/984,489号美国专利申请中描述的细节和技术，所述申请
的全部公开内容以引用的方式并入本文中。例如，在各种实施例中，激光系统的特征在于以用于切割材料(例如，金属材料)的相对较长波长(例如，红外或近红外)发射的主激光器，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用激光束加工工件的方法，所述方法包括：提供具有输入端和与所述输入端相对的输出端的阶跃芯光纤，其中所述阶跃芯光纤包括：(i)内芯，其具有第一折射率；(ii)外芯，其环绕所述内芯且具有小于所述第一折射率的第二折射率；(iii)包层，其环绕所述外芯且具有小于所述第二折射率的第三折射率；(iv)相对于所述包层的第一内芯数值孔径(NA)；(v)相对于所述外芯的第二内芯NA；以及(vi)相对于所述包层的外芯NA；将工件安置成接近所述光纤的所述输出端；将具有依据所述激光束的功率而变化的激光束NA的可变功率激光束引导到所述光纤的所述输入端中，由此产生从所述光纤的所述输出端发射的输出光束，其中(i)在大致100％的功率下，所述外芯NA大于或等于所述激光束NA，(ii)所述第二内芯NA小于或等于所述外芯NA，且(iii)在50％的功率下，所述第二内芯NA大于或等于所述激光束NA；以及用所述输出光束加工所述工件。2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述激光束在所述光纤的所述输入端上产生非圆形光斑；且所述光斑具有彼此不同且彼此垂直的第一和第二横向尺寸，所述第一横向尺寸大于所述第二横向尺寸。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述外芯的直径大于所述光斑的所述第一横向尺寸。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述内芯的直径大于所述光斑的所述第二横向尺寸。5.根据权利要求2所述的方法，其中所述内芯的直径小于所述光斑的所述第一横向尺寸。6.根据权利要求2所述的方法，其中所述内芯的直径小于所述光斑的所述第二横向尺寸。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光束在所述光纤的所述输入端上产生光斑，所述光斑大于所述内芯的直径且小于所述外芯的直径。8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括从光束发射器发射所述激光束，所述光束发射器包括：发射多个离散光束的一个或多个光束源；聚焦光学器件，其用于将所述多个光束聚焦到分散元件；用于接收和分散接收到的聚焦光束的所述分散元件；以及定位成接收分散光束、透射从中穿过的分散光束的一部分作为所述激光束并将分散光束的第二部分反射回所述分散元件的部分反射输出耦合器，其中所述激光束由多个波长组成。9.一种用激光束加工工件的方法，所述方法包括：提供具有输入端和与所述输入端相对的输出端的阶跃芯光纤，其中所述阶跃芯光纤包括：(i)内芯，其具有第一折射率；(ii)外芯，其环绕所述内芯且具有小于所述第一折射率的第二折射率；(iii)包层，其环绕所述外芯且具有小于所述第二折射率的第三折射率；(iv)相对于所述包层的第一内芯数值孔径(NA)；(v)相对于所述外芯的第二内芯NA；以及(vi)相
对于所述包层的外芯NA，其中所述内芯的中心轴不与所述外芯的中心轴同轴；将工件安置成接近所述光纤的所述输出端；将激光束引导到所述光纤的所述输入端中，由此产生从所述光纤的所述输出端发射的输出光束；以及用所述输出光束加工所述工件。10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述激光束是具有依据所述激光束的功率而变化的激光束NA的可变功率激光束；在大致100％的功率下，所述外芯NA大于或等于所述激光束NA；所述第二内芯NA小于或等于所述外芯NA；且在50％的功率下，所述第二内芯NA大于或等于所述激光束NA。11.根据权利要求9所述的方法，其中：所述激光束在所述光纤的所述输入端上产生非圆形光斑；且所述光斑具有彼此不同且彼此垂直的第一和第二横向尺寸，所述第一横向尺寸大于所述第二横向尺寸。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述外芯的直径大于所述光斑的所述第一横向尺寸。13.根据权利要求11所述的方法，其中所述内芯的直径大于所述光斑的所述第二横向尺寸。14.根据权利要求11所述的方法，其中所述内芯的直径小于所述光斑的所述第一横向尺寸。15.根据权利要求11所述的方法，其中所述内芯的直径小于所述光斑的所述第二横向尺寸。16.根据权利要求9所述的方法，其中所述激光束的中心轴不与所述内芯的中心轴同轴。17.根据权利要求9所述的方法，其中所述激光束的中心轴不与所述外芯的中心轴同轴。18.根据权利要求9所述的方法，其中所述激光束在所述光纤的所述输入端上产生光斑，所述光斑大于所述内芯的直径且小于所述外芯的直径。19.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括从光束发射器发射所述激光束，所述光束发射器包括：发射多个离散光束的一个或多个光束源；聚焦光学器件，其用于将所述多个光束聚焦到分散元件；用于接收和分散接收到的聚焦光束的所述分散元件；以及定位成接收分散光束、透射从中穿过的分散光束的一部分作为所述激光束并将分散光束的第二部分反射回所述分散元件的部分反射输出耦合器，其中所述激光束由多个波长组成。20.一种用激光束加工工件的方法，所述方法包括：提供具有输入端和与所述输入端相对的输出端的阶跃芯光纤，其中所述阶跃芯光纤包括：(i)多个非同轴内芯，其各自具有第一折射率，(ii)外芯，其环绕所述内芯且在所述内芯
之间延伸，并且具有小于所述第一折射率的第二折射率；以及(iii)包层，其环绕所述外芯且具有小于所述第二折射率的第三折射率；将工件安置成接近所述光纤的所述输出端；将激光束引导到所述光纤的所述输入端中，由此产生从所述光纤的所述输出端发射的输出光束；以及用所述输出光束加工所述工件。21.根据权利要求20所述的方法，其中所有所述内芯的所述第一折射率彼此相等。22.根据权利要求20所述的方法，其中至少其中两个所述内芯的所述第一折射率不同。23.根据权利要求20所述的方法，其中所有所述内芯的所述第一折射率不同。24.根据权利要求20所述的方法，其中：所述激光束是具有依据所述激光束的功率而变化的激光束数值孔径(NA)的可变功率激光束；所述阶跃芯光纤具有相对于所述包层的外芯NA；在大致100％的功率下，所述外芯NA大于或等于所述激光束NA；每一内芯具有相对于所述外芯的内芯NA；每一内芯的所述内芯NA小于所述外芯NA；且在50％的功率下，每一内芯的所述内芯NA大于所述激光束NA。25.根据权利要求20所述的方法，其中所述外芯的中心轴不与任一个所述内芯中的中心轴同轴。26.根据权利要求20所述的方法，其中：所述激光束在所述光纤的所述输入端上产生非圆形光斑；且所述光斑具有彼此不同且彼此垂直的第一和第二横向尺寸，所述第一横向尺寸大于所述第二横向尺寸。27.根据权利要求26所述的方法，其中所述外芯的直径大于所述光斑的所述第一横向尺寸。28.根据权利要求26所述的方法，其中一个或多个所述内芯的直径大于所述光斑的所述第二横向尺寸。29.根据权利要求26所述的方法，其中一个或多个所述内芯的直径小于所述光斑的所述第一横向尺寸。30.根据权利要求26所述的方法，其中一个或多个所述内芯的直径小于所述光斑的所述第二横向尺寸。31.根据权利要求20所述的方法，其中所述激光束的中心轴不与任一个所述内芯的中心轴同轴。32.根据权利要求20所述的方法，其中所述激光束的中心轴不与所述外芯的中心轴同轴。33.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括从光束发射器发射所述激光束，所述光束发射器包括：发射多个离散光束的一个或多个光束源；聚焦光学器件，其用于将所述多个光束聚焦到分散元件；
用于接收和分散接收到的聚焦光束的所述分散元件；以及定位成接收分散光束、透射从中穿过的分散光束的一部分作为所述激光束并将分散光束的第二部分反射回所述分散元件的部分反射输出耦合器，其中所述激光束由多个波长组成。34.一种使用主激光束和次激光束加工工件的方法，其中所述主激光束的波长长于所述次激光束的波长，所述方法包括：提供具有输入端和与所述输入端相对的输出端的阶跃芯光纤，其中所述阶跃芯光纤包括：(i)内芯，其具有第一折射率；(ii)外芯，其环绕所述内芯且具有小于所述第一折射率的第二折射率；(iii)包层，其环绕所述外芯且具有小于所述第二折射率的第三折射率；(iv)相对于所述包层的第一内芯数值孔径(NA)；(v)相对于所述外芯的第二内芯NA；以及(vi)相对于所述包层的外芯NA；将工件安置成接近所述光纤的所述输出端；在第一阶段期间，至少将所述次激光束耦合到所述光纤中以形成从所述光纤的所述输出端发射并被引导到所述工...

【专利技术属性】
技术研发人员：周望龙，F，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：