[发明专利]用于改变激光束轮廓的光纤结构和方法

说明书

在各种实施例中，利用具有中央纤芯、第一包层、环形纤芯和第二包层的阶梯包层光纤来调节激光束的光束参数乘积和/或数值孔径。

相关申请

本申请要求2016年4月6日提交的美国临时专利申请No.62/318,959的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及激光系统，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。

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，来自其的激光耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)，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。光学系统通常被设计成产生最高质量的激光束，或者等效地，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，以及NA是数值孔径；因此，可以通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化激光束的质量以及它可以聚焦到小光斑的程度，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低的BPP，由激光的波长除以pi给出。在相同波长处的实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP的比率表示为M²，其是光束质量的与波长无关的度量。

在许多激光加工应用中，期望的束斑尺寸、发散度和光束质量可以根据例如加工的类型和/或被加工的材料的类型而变化。对于材料加工应用中的工业激光器尤其如此。例如，较低的BPP值，即较好的光束质量，对于切割薄金属可能是优选的，而较大的BPP(即，较差的光束质量)可能优选用于切割较厚的金属。为了对激光系统的BPP进行这样的改变，通常输出光学系统或光纤必须与其他部件交换和/或重新对准，这是一个耗时且昂贵的过程，甚至可能导致激光系统的易碎光学部件的无意损坏。因此，需要用于改变激光系统的BPP的替代技术，其不涉及对光纤的输出端处的激光束或光学系统的这种调节。

发明内容

本发明的各种实施例提供激光系统，其中系统的(即其输出激光束的)BPP经由操纵激光系统的数值孔径(NA)和光斑尺寸(D)而变化，同时最小化或基本上消除了光功率损耗。本发明的实施例涉及将激光束耦合到多包层光纤(这里称为“阶梯包层光纤”)中。一个示例性阶梯包层光纤包括、基本上由或由以下组成：中央纤芯、围绕中央纤芯设置的第一包层、围绕第一包层设置的第一环形纤芯、以及围绕第一环形纤芯设置的第二包层。根据本发明实施例的阶梯包层光纤不限于仅具有单个环形纤芯和两个包层，一个或多个附加环形纤芯和相关包层可以设置在第二包层周围。如本文所使用的，术语“环形纤芯”被定义为具有比与其相邻的内层和外层的折射率更高的折射率的环形区域。除中央纤芯和环形纤芯之外的层通常是阶梯包层光纤中的包层。这种包层具有比与其相邻的至少一个层更低的折射率。

当传统的光纤用于激光系统时，激光功率通常仅用于耦合到纤芯中。包层上的任何功率“过喷”都会导致功率损失和/或成为光纤下游的光学器件的有害因素。相反，根据本发明实施例的利用阶梯包层光纤的激光系统有意地将部分或全部激光功率耦合到至少第一包层中，第一包层特别地被设计为具有比传统多包层光纤的内包层更高的折射率和更大的直径。例如，对于中央纤芯直径为100μm的光纤，根据本发明实施例的第一包层的直径可以在从约140μm至约180μm的范围内，相比之下，对于传统的标准或多包层100-μm纤芯光纤，仅为110μm至120μm。在各种实施例中，第一包层的厚度可以在例如约40μm至约100μm、或约40至约80μm的范围内。