[发明专利]利用用于功率输送和光束切换的光纤束的激光系统

说明书

在各种实施方式中，通过将激光束耦合到光纤束的光纤内并将激光束引导到在光纤的输入端上的一个或多个输入耦合位置上来调节激光束的光束参数乘积和/或光束形状。在光纤的输出端处发射的光束可用于加工工件。

相关申请

本申请要求2016年12月2日提交的美国临时专利申请No.62/429,270的利益和优先权，该临时专利的全部公开特此通过引用被并入本文。

技术领域

在各种实施方式中，本发明涉及激光系统，特别是具有多个输出和可控光束剖面(例如可变光束参数乘积)的激光系统。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的激光系统通常包括激光发射器(来自其的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内)以及将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上的光学系统。波长光束组合(WBC)是用于按比例调整来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或布置在一维或二维阵列中的其它激光器的输出功率和亮度的技术。发展了WBC方法以沿着发射器的阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管线阵，其使用色散元件来被组合以形成多波长光束。在WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并通过来自公共部分反射输出耦合器的、由色散元件沿着光束组合维度滤波的波长特定反馈来稳定。在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述了示例性WBC系统，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。

激光系统的光学系统一般被设计成产生最高质量激光束或等效地具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和在它的最窄点处的光束的半径(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，以及NA是数值孔径；因此，可通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化激光束的质量以及它可多么好地被聚焦到小光斑，且一般用毫米-毫弧度(mm-mrad)的单位表示。高斯光束具有最低可能的BPP，其由激光的波长除以π给出。实际光束的BPP与在同一波长处的理想高斯光束的BPP之比被表示为M²，其是光束质量的波长无关的度量。

在很多激光加工应用中，期望光束光斑尺寸、发散度和光束质量可根据例如加工的类型和/或正被加工的材料的类型而改变。这在材料加工应用中对于工业激光器尤其是这样。例如，较低的BPP值、即更好的光束质量可能对于切割薄金属是优选的，而较大的BPP(即较差的光束质量)可能对于切穿较厚的金属是优选的。为了对激光系统的BPP做出这样的变化，输出光学系统或光纤常常必须用其它部件换出和/或重新对准——一个耗时的和昂贵的过程，其可能甚至导致激光系统的脆弱光学部件的不注意的损坏。因此，存在对用于改变激光系统的BPP的替代技术的需要，所述技术不涉及在光纤的输出处的对激光束或光学系统的这样的调节。此外，存在对具有带有可变BPP的多个输出光束的激光系统的需要，从而实现激光系统在不同的工作站之间的共享。

发明内容

根据本发明的实施方式，激光系统产生被引导到光纤束的一个或多个光纤内用于输出到多个离散位置中的任一个的输出光束。光纤束的一个或多个光纤可以是多包层光纤，即，合并中央芯区域与同心地围绕芯区域的多个包层区域。在其它实施方式中，一个或多个光纤可以是单包层光纤，即，具有围绕芯区域的仅仅一个包层区域。在各种实施方式中，在光纤束中的不同光纤具有不同的芯直径。在光纤束中的一个或多个光纤可具有多个离散芯区域。根据各种实施方式，激光输出光束被引导到光纤束的特定光纤内和/或光纤的一个或多个特定横截面区域(例如芯区域和/或一个或多个包层区域)内，以便改变输出光束的光束形状和/或BPP。