[发明专利]用于更改光束形状和强度的阶跃芯光纤结构和方法

说明书

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。

相关申请

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。

技术领域

在各种实施例中，本发明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。

背景技术

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。

高功率工业激光通常由常规多模阶跃折射率光纤(multi-mode step-indexfibers)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。

发明内容

本发明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，根据本发明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，本发明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。

本发明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，根据本发明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。本发明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，根据本发明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。