[发明专利]用于光束成形的光学纤维结构和方法

说明书

在各种实施例中，光纤具有纤芯、环形纤芯和包层区域的布置，实现改变光束形状和/或光束参数乘积，并且可以用于各种工件的加工(例如，焊接、切割、钻孔等)。

相关申请

本申请要求2018年11月12日提交的美国临时专利申请No.62/758,731的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及激光系统和光学纤维，特别是具有可控光束轮廓(例如可变光束参数乘积)的激光系统和光学纤维。

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。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。所述光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。即，BPP＝NA×D/2，其中D是聚焦点(腰部)直径，NA是数值孔径；因此，可以通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化了激光束的质量以及它能聚焦到小点的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M²表示，其是与波长无关的光束质量的度量。

在许多激光加工应用中，所需的光束光斑尺寸、发散度和光束质量可以根据例如加工的类型和/或待加工的材料类型而变化。对于材料加工应用中的工业激光器尤其如此。例如，较小的BPP值，即较好的光束质量，在切割薄金属中是优选的，而较大的BPP(即，较差的光束质量)优选用于切割较厚的金属。为了使激光系统的BPP发生这种改变，通常输出光学系统或光学纤维必须换成其他元件和/或重新对准，该过程耗时且昂贵，甚至可能意外损坏激光系统中脆弱的光学元件。因此，需要替代技术来改变激光系统的BPP且不涉及对光学纤维输出处的激光束或光学系统的这种调整。

发明内容

本发明的各种实施例提供了激光系统和光学纤维，其实现了改变输出激光束的BPP和/或形状，同时最小化或基本消除了光功率损耗。本发明的实施例提供了具有纤芯和包层区域的复杂构造的光纤，以及利用这种光纤将激光能量传输到例如用于加工的工件的系统。根据本发明实施例的示例性光纤的特征在于环形纤芯区域，其包含(i)具有分级折射率的子区域，(ii)具有不同折射率的梯级轮廓的子区域，或(iii)低折射率阻隔层。因此，根据本发明的实施例的光纤可以用于形成具有多种BPP和/或光束形状的出射光束，使用常规光纤是无法获得的。

在结构上，根据本发明实施例的光纤，在不改变本发明的原理的情况下，可以包括一个或多个高和/或低折射率的层，其超出外部包层(即在外部包层外部)。这样的附加层也可以称为包层、涂层或环形纤芯，但不可以引导光。这样的变型在本发明的范围内。根据本发明各种实施例的光纤的各种纤芯或包层可以包括玻璃，例如基本上纯的熔融石英和/或掺杂有氟、钛、锗和/或硼的熔融石英，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。获得根据本发明实施例的光纤的特定层或区域的期望的折射率可以由本领域技术人员完成(通过诸如掺杂等技术)而无需过度试验。本申请所述的光纤可以为多模光纤。