[发明专利]高功率全光纤望远镜

说明书

一种光纤装置可以包括光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端。该光纤装置可以包括光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端以修改激光输出。该光纤望远镜可以包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的第二端；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月4日提交的美国临时专利申请号62/813486的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及激光束输送，更具体地，涉及使用全光纤望远镜的激光束输送。

背景技术

激光材料处理可用于切割、钻孔、焊接、钎焊、表面退火、合金化、硬化和其他应用。可以使用光纤将高功率和/或高强度的激光束输送到要在其上进行激光材料处理的工件。激光材料处理的优点包括高生产率、处理的非接触性质、改善的质量以及激光束的输送点的高精度和迁移性。

光纤输送的激光材料处理系统通常包括激光源(例如一个或多个光纤激光模块)、光耦合器、输送光纤(长度通常为10-50米并包括在两端可插入的输送缆线中)和处理头。处理头是光学组件，其包括用于输送光纤的容纳部、用于投射激光功率的光学器件以及基于激光的处理所需的任何部件，比如辅助气体端口。在操作中，激光发射被传输到光耦合器单元中(例如通过自由空间或通过单独光纤)。光耦合器单元将激光发射发送到输送光纤中，然后输送光纤将激光传输到处理头。处理头与执行处理任务相关地将激光投射到工件上。

如上所述，在某些情况下，激光源可以包括一个或多个光纤激光模块。典型的高亮度单独光纤激光模块以约1.0毫米毫弧度(mm-mrad)的束参数乘积(BPP)运行至例如4千瓦(kW)的功率。这种单独激光模块通常具有例如在约30-50微米(μm)的范围内的输出光纤芯直径，并且数值孔径(NA)小于0.08。为了缩放功率，可以组合多个单独光纤激光模块(例如使用L:1(L1)配置的光纤组合器)以形成多模块光纤激光引擎(engine)。典型的引擎以约3.0-5.0mm-mrad的BPP运行至例如16kW的组合功率。这种引擎的光学特性通常具有例如约50-100μm的芯直径，并且NA小于0.16。

发明内容

根据一些可能的实施方式，一种光纤装置可以包括：光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端以修改激光输出，该光纤望远镜包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的第二端；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。

根据一些可能的实施方式，一种激光系统可以包括：激光源，用于提供激光输出；光纤装置，包括：光波导，用于引导激光输出；和光纤望远镜，用于修改激光输出，该光纤望远镜光学耦合到光波导的端部，并且该光纤望远镜包括：第一渐变折射率光学元件，该第一渐变折射率光学元件的第一面熔合到光波导的端部；以及第二渐变折射率光学元件，该第二渐变折射率光学元件的第一面熔合到第一渐变折射率光学元件的第二面。

根据一些实施方式，一种方法可以包括：将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；通过耦合到光波导的第二端的光纤望远镜修改激光输出，其中，所述光纤望远镜包括第一渐变折射率光学元件和第二渐变折射率光学元件，并且其中，所述修改包括以下中的至少一个：激光输出的放大，激光输出的缩小，图像平面相对于激光输出的苛性腰(caustic waist)的移动，或激光输出的束成形。

根据一些实施方式，一种光纤装置可以包括：光波导，用于将激光输出从光波导的第一端引导到光波导的第二端；和光纤望远镜，其光学耦合到光波导的第二端，以修改激光输出，其中，所述光纤望远镜包括至少一个渐变折射率光学元件，其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的总长度大于四分之一节距，并且其中，所述至少一个渐变折射率光学元件的面熔合到光波导的第二端。