[发明专利]利用蜂窝芯光纤进行光束整形的激光系统

说明书

在各种实施例中，通过沿着蜂窝芯光纤的输入端引导激光束穿过一路径来调节激光束的光束参数乘积和/或光束形状。可以使用在蜂窝芯光纤的输出端发射的光束加工工件。

相关申请

本申请要求2017年1月26日提交的美国临时申请No.62/450,793的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

在各种实施方案中，本发明涉及激光系统，特别是具有可控光束轮廓(例如可变光束形状)的激光系统。

背景技术

大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。波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光的输出功率和亮度的技术。已经开发出能沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在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日提交的美国专利申请8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

用于激光系统的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(光束腰)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小的BPP，由激光的波长除以pi得到。在相同波长情况下，实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP的比用M²表示，其是与波长无关的光束质量测量值。

在许多激光加工应用中，所需的光束形状、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。为了改变传统激光系统中的BPP或光束形状，输出光学系统通常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和/或光束形状且不涉及对光纤输出处的激光束或光学系统的这种调整。

发明内容

根据本发明的实施例，激光系统产生的光束被引导到蜂窝芯光纤的一个或多个纤芯区中，以便改变光束形状和/或BPP。(这种光束是参照光纤的“输入光束”，且可以简单地为“光束”或参照最初产生光束的激光系统的“输出光束”。)在各种实施例中，光纤具有在各个纤芯区之间和周围延伸的芯间包层；在各种实施例中，可以将光束的全部或一部分引导到该芯间区域中，以便改变最终输出光束的BPP。光纤可以具有一个或多个外包层，将光束能量限制在纤芯区和/或芯间区域中。