[发明专利]用于修改光束特性的系统和方法

说明书

本发明提供了用于修改光束和调整光束的一个或多个光束特性的系统和方法。该系统可包括第一长度光纤，该第一长度光纤与光束源可操作地耦合并被配置为从其接收光束。该系统还可包括扰动装置，该扰动装置与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为修改穿过第一长度光纤的光束；以及第二长度光纤，该第二长度光纤与第一长度光纤可操作地耦合并被配置为从其接收经修改的光束。该系统还可包括光束成形组件，该光束成形组件被配置为接收来自第二长度光纤的经修改的光束，调整经修改的光束的一个或多个光束特性，并将经调整的光束引导至下游过程。

相关申请

本申请是2017年5月26日提交的国际申请PCT/US2017/034848的部分延续，该国际申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,411的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,410的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。本申请是2017年5月26日提交的美国专利申请No.15/607,399的部分延续，该美国专利申请要求2016年9月29日提交的美国临时申请No.62/401,650的权益。以上申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本文公开的技术涉及光纤激光器和光纤耦合激光器。更具体地，所公开的技术涉及用于在光纤激光器或光纤耦合激光器的输出端调整并保持经调整的光束特性(光斑尺寸、发散度轮廓、空间轮廓或光束形状等或其任意组合)的方法、设备和系统。

背景技术

高功率光纤耦合激光器的使用在各种应用中继续受到欢迎，例如，材料加工、切割、焊接和/或增材制造。这些激光器包括例如光纤激光器、圆盘激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器和灯泵浦固态激光器。在这些系统中，光功率经由光纤从激光器传送到工件。

各种光纤耦合激光器材料加工任务需要不同的光束特性(例如，空间轮廓和/或发散度轮廓)。例如，切割厚金属和焊接通常需要比切割薄金属更大的光斑尺寸。理想情况下，激光束的特性是可调整的，以实现对这些不同任务的优化加工。常规上，用户有两种选择：(1)采用具有固定光束特性的激光系统，该系统可以用于不同的任务，但对大多数任务来说不是最佳的(即，在性能和灵活性之间折衷)；或者(2)购买激光系统或附件，其提供可变光束特性，但增加了显著的成本、尺寸、重量、复杂性，并且可能会导致性能下降(例如，光损耗)或可靠性下降(例如，鲁棒性降低或可运行时间缩短)。当前可用的能够改变光束特性的激光系统需要使用自由空间光学器件或其他复杂且昂贵的附加机构(例如，变焦透镜、反射镜、可平移或机动化的透镜、组合器等)，以改变光束特性。没有一种解决方案能够提供所需的光束特性可调整性，从而最大限度地减少或消除对使用自由空间光学器件或其他附加部件的依赖，这些部件在成本、复杂性、性能和/或可靠性方面带来了相当大的损失。所需要的是一种用于提供变化的光束特性的光纤内装置，该装置不需要或最小化自由空间光学器件的使用，并且可以避免显著的成本、复杂性、性能折衷和/或可靠性降低。

大面积激光加热应用包括塑料、半导体、玻璃和金属的硬化、退火、热处理、包覆、胶带铺设、硬钎焊、软钎焊和熔焊。这些大面积加热应用通常要求光束形状为矩形或正方形，面积大于3mm直径的圆形。矩形激光束形状通常由一叠二极管棒、方形纤芯传送光纤或专用光束整形光学器件产生。这些方法产生固定尺寸或纵横比的光束形状，这些尺寸或纵横比不容易调整以改变加热宽度或面积。对于不同的产品设计，加热宽度要求可能不同，或者对于一个产品设计中的不同特征，加热宽度要求可能改变。

为了适应不同的加热宽度要求，用户必须改变激光加热工具的光学配置，或者必须产生多个相邻的加热轨迹，以获得期望的加热轨迹宽度。这两种选择都增加了周期时间，降低了投资回报。产生不同加热轨迹宽度的一种替代方法是使用“变焦”光学组件，其能够在矩形光束形状的一个或两个轴上实现可变的放大率。由于组件的重量和尺寸，这些变焦光学器件价格昂贵，并且不适用于每种应用。