可选择的高斯和环形射束特征的制作方法

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将单模输入射束调谐到环形射束的方法、装置和系统。背景技术：：：1、一些激光源具有固定的射束轮廓并且利用外部光学器件来改变该射束轮廓，这增加了系统成本和复杂度并且可能降低性能和可靠性。相比之下，如在标题为“可调射束特征(adjustable beam characteristics)”的美国专利no.10,423,015及其相关专利(nlight,inc.)中所述，通过控制激光束的空间强度分布(即，调整其近场强度分布)，研发了用于改变射束特性的技术。2、’015专利描述了一种可操作以提供具有可变射束特征(vbc)的激光束的光纤，其可降低成本、复杂度、光学损耗或常规方法的其它缺点。这种vbc设备被配置成改变各种各样的射束特征。这种射束特征可被使用vbc设备进行控制，由此允许用户调谐各种射束特征以满足种类繁多的激光加工应用的特殊要求。例如，vbc设备可被用于调谐以下参数：射束直径、散度分布、bpp、强度分布、m2因子、数值孔径(na)、光学强度、功率密度、径向射束位置、辐射率、光斑尺寸等或其任何组合。3、在一些实施例中，’015专利描述了调整射束到所谓的环形光纤中的耦合，该环形光纤具有两个或更多个导引区域。环形光纤具有可选择地环绕中心(非环状)芯部的一个或多个环状芯部，其中，低折射率玻璃层将芯部分隔开，使得被耦合到芯部中的光将在该芯部中受到导引。为了使用’015专利中描述的实施例和技术来实现多种射束直径和形状，在光纤的两个或更多个导引区之间对被耦合到环形光纤的激光束的空间强度分布进行划分是可能的。然而，先前的尝试已经采用多模射束。4、在基于激光的切割和增材制造工具的应用中，通常有利的是使用尽可能小的射束腰进行加工。这种射束具有近高斯横向空间轮廓，并且允许高速切割薄材料、钻非常小的孔以及制作具有精细特征的零件。然而，高强度、小光斑尺寸和峰值强度分布并不适用于需要更大或更均匀的热轮廓以最大限度地提高速度、零件质量或外观的应用。对于这些用例，大光斑尺寸具有优势，其包括允许使用更大的功率而不会过度增加强度，从而增加生产量。其它应用通过使用非高斯轮廓来予以改进，例如平顶射束或环形射束，这两者都避免了在光斑中心处出现过高强度，光斑中心处的过高强度可能导致材料汽化或飞溅。在激光粉末床熔融(增材制造技术)中，环形射束已被证明提供温度比其它射束形状更为均匀的熔池，从而在保持优异的材料质量和一致性的同时，导致了明显更高的生产能力(build rate)(高达7倍)。技术实现思路1、本公开描述了用于一种光束传输设备的实施例，该光束传输设备使得激光束形状能够被从单模(近高斯)轮廓调谐成环形射束，以及允许调整(tailor)被在一些过程中施加的热的其它中间鞍形。2、在一些实施例中，一种光束传输设备从具有基模和约1.5或更小的m2射束质量的单模输入射束产生具有在近高斯轮廓与环形轮廓之间可调的可调空间强度分布的输出射束。近高斯轮廓对应于约1.5或更小的m2射束质量。光束传输设备包括第一长度光纤，用于调节单模输入射束，以基于被施加到第一长度光纤的可控扰动(perturb)生成可调射束。响应于第一长度光纤未受扰动，单模输入射束传播通过第一长度光纤的中心区域以提供可调射束。响应于可控扰动，该基模被至少部分地移位到第一长度光纤的外部区域中，以提供该可调射束。光束传输设备还包括第二长度光纤，用于将可调射束耦合到第二长度光纤的中心芯部约束区域和环状的折射率较高的约束区域中的一者或两者中。环状的折射率较高的约束区域同轴地包围将中心芯部约束区域与环状的折射率较高的约束区域分隔开的环状的反导引区域。第二长度光纤被配置成在其输出端提供具有在近高斯轮廓与环形轮廓之间可调的可调空间强度分布的输出射束。3、光束传输设备还可以包括中心芯部导引区域，其半径处于从约3μm至约15μm的范围内。光束传输设备还可以包括用于第一长度光纤的中心区域与第二长度光纤的中心芯部约束区域的大于95％的耦合效率。光束传输设备还可以包括可控扰动，该可控扰动具有第一长度光纤的不同弯曲状态。光束传输设备还可以包括环状的反导引区域的导致处于大于或等于约0.04且小于或等于约0.1的范围内的na的折射率，用于导引中心芯部约束区域，并且环状的折射率较高的约束区域具有引起处于大于或等于约0.12且小于或等于约0.2的范围内的na的折射率，用于导引环状的折射率较高的约束区域。光束传输设备还可以包括环状的折射率的较高约束区域的为约0.14的na，以及中心芯部约束区域的为约0.07的na。本领域技术人员从以下附图、说明书和权利要求书可以容易地明白其它技术特征。4、前述和其它目的、特征和优点将从以下详细描述而变得更加清楚，以下详细描述参考附图进行，这些附图可能并非是按比例绘制的。技术特征：1.一种光束传输设备，所述光束传输设备用于从具有基模和约1.5或更小的m2射束质量的单模输入射束产生具有在近高斯轮廓与环形轮廓之间可调的可调空间强度分布的输出射束，所述近高斯轮廓对应于约1.5或更小的m2射束质量，所述光束传输设备包括：2.如权利要求1所述的光束传输设备，其中，所述中心芯部导引区域具有处于从约3μm至约15μm的范围内的半径。3.如权利要求1或2所述的光束传输设备，其中，响应于所述第一长度光纤未受扰动，用于所述第一长度光纤的所述中心区域与所述第二长度光纤的所述中心芯部约束区域的耦合效率大于95％。4.如权利要求1所述的光束传输设备，其中，所述可控扰动包括所述第一长度光纤的不同弯曲状态。5.如权利要求4所述的光束传输设备，其中，所述第一长度光纤被进一步配置成响应于所述可控扰动的不同中间状态，产生被局限于所述中心芯部约束区域和所述环状的折射率较高的约束区域中的功率的不同且对应的划分。6.如权利要求1所述的光束传输设备，其中，所述环状的反导引区域的折射率导致了处于大于或等于约0.04且小于或等于约0.1的范围内的na，用于导引所述中心芯部约束区域，并且所述环状的折射率较高的约束区域的折射率导致了处于大于或等于约0.12且小于或等于约0.2的范围内的na，用于导引所述环状的折射率较高的约束区域。7.如权利要求1所述的光束传输设备，其中，所述环状的折射率较高的约束区域的na为约0.14，并且所述中心芯部约束区域的na为约0.07。8.一种从具有基模和约1.5或更小的m2射束质量的单模输入射束产生具有在近高斯轮廓与环形轮廓之间可调的可调空间强度分布的输出射束的方法，所述近高斯轮廓对应于约1.5或更小的m2射束质量，所述方法包括：9.如权利要求8所述的方法，其中，所述中心芯部导引区域具有处于从约3μm至约15μm的范围内的半径。10.如权利要求8或9所述的方法，其中，响应于所述第一长度光纤未受扰动，用于所述第一长度光纤的所述中心区域与所述第二长度光纤的所述中心芯部约束区域的耦合效率大于95％。11.如权利要求8所述的方法，其中，所述可控扰动包括所述第一长度光纤的不同弯曲状态。12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一长度光纤被进一步配置成响应于所述可控扰动的不同中间状态，产生在所述中心芯部约束区域和所述环状的折射率较高的约束区域中被局部化的功率的不同且对应的划分。13.如权利要求8所述的方法，其中，所述环状的反导引区域的折射率导致处于大于或等于约0.04且小于或等于约0.1的范围内的na，用于导引所述中心芯部约束区域，并且所述环状的折射率较高的约束区域的折射率导致处于大于或等于约0.12且小于或等于约0.2的范围内的na，用于导引所述环状的折射率较高的约束区域。14.如权利要求8所述的方法，其中，所述环状的折射率较高的约束区域的na为约0.14，并且所述中心芯部约束区域的na为约0.07。技术总结所公开的是用以从具有基模和约1.5或更小的M<supgt;2</supgt;射束质量的单模输入射束产生具有在近高斯轮廓与环形轮廓之间可调的可调空间强度分布的输出射束的光束传输设备和方法，该近高斯轮廓对应于约1.5或更小的M<supgt;2</supgt;射束质量。第一长度光纤用于调节单模输入射束，以基于被施加到第一长度光纤的可控扰动生成可调射束。第二长度光纤用于将可调射束耦合到中心芯部约束区域和环状的折射率较高的约束区域中的一者或两者中。第二长度光纤被配置成在其输出端提供具有可调空间强度分布的输出射束。技术研发人员：R·L·法罗,D·A·V·克莱纳,J·C·卢戈,B·G·奥戴受保护的技术使用者：恩耐公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11