全光纤发散度限制器的制作方法

全光纤发散度限制器
1.相关申请
2.本技术要求2020年1月22日提交的美国临时专利申请号62/964,461的优先权，该申请在此通过引用整体地并入。
技术领域
3.本公开涉及光纤耦合激光器。


背景技术：

4.高功率光纤激光器的应用通常包括对激光束的最大发散度的限制。例如，激光器下游的光学器件(例如，在加工头中)可以在大于θ
max
的发散角下对总光功率施加限制，其中θ
max
是发散度半角，在该发散度半角以上，光学部件具有功率限制。角度θ被定义为包围发散的光束的一部分的圆锥的半角。


技术实现要素：

5.公开了一种基于光纤的发散度限制装置，其用于将发散度从输入光的第一最大发散度限制到输出光的第二最大发散度，其中第二最大发散度小于第一最大发散度。在一些实施例中，基于光纤的发散度限制装置包括：输入端，其被配置为接收输入光；输出端，其被配置为传递输出光；纤芯，输入光的第一部分被配置为通过纤芯被从输入端引导到输出端，纤芯具有数值孔径(na)，该数值孔径被配置为将输入光的第一部分限制为具有第二最大发散度或更小的发散度；以及包层，其覆盖纤芯的至少一部分，并且输入光的第二部分被配置为通过包层从第一部分发散，使得输入光的第二部分被引导远离纤芯，由此形成输出光。
6.该装置还可包括外壳，其容纳包层的至少一部分，剥离光被配置为被从包层发射处并被外壳的内表面吸收。
7.该装置还可包括包层光剥离器(cls)光纤，其包括纤芯和包层。cls光纤可包括沿着cls光纤的纵向部分的cls区域。cls区域可包括沿着包层的涂覆部分，其中涂覆部分的折射率大于或等于包层的折射率。cls区域可包括沿着包层的粗糙化表面部分。cls区域可包括沿着包层的结构化表面部分。cls区域可被化学处理或激光处理。该装置还可包括位于cls区域中的光纤线圈或光纤锥部。
8.该装置还可包括在纤芯和包层中形成的光纤锥部。
9.该装置还可包括呈非圆形的横截面形状的包层。
10.该装置还可包括具有纤芯和包层的中间光纤。
11.该装置还可包括被拼接在输入光纤和输出光纤之间的中间光纤。该装置还可包括包含输入光纤的输入尾纤。该装置还可包括包含输出光纤的输出尾纤。
12.根据参考附图进行的以下实施例的详细描述，附加的方面和优点将变得明显。
附图说明
13.附图并入并构成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，附图与说明书一起解释现在公开的技术的优点和原理。在附图中，
14.图1为示出具有100mrad的发散度宽度、1/e2半宽度的光束的发散度轮廓的图表，该图表被绘制为sinθ＝数值孔径(na)；
15.图2为示出归一化的辐照度轮廓的图表；
16.图3为根据一个实施例的发散度限制装置的侧视图；
17.图4为示出包层中的光的百分比如何随着超出cls区域的尾纤长度而增加的示例的图表；
18.图5为根据另一个实施例的发散度限制装置的标注侧视图；
19.图6为根据另一个实施例的发散度限制装置的标注侧视图；
20.图7为根据另一个实施例的发散度限制装置的标注侧视图；
21.图8为根据另一个实施例的发散度限制装置的标注侧视图；以及
22.图9为根据另一个实施例的发散度限制装置的标注侧视图。
具体实施方式
23.如本技术和权利要求中使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。此外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“联接(耦合)”不排除在被联接(耦合)的物项之间存在中间元件。本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开针对各种公开的实施例的所有新颖的且非显而易见的特征和方面，单独地以及在彼此的各种组合和子组合中。
24.所公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定的优点或待解决的问题。任何操作理论都有助于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，在某些情况下可以重新排列或同时执行依次描述的操作。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以结合其他系统、方法和设备使用的各种方式。
25.此外，说明书有时使用“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据特定的实现方式而变化，并且技术人员容易辨别。在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优选。参考指示为“上方”、“下方”、“上”、“下”等的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不暗示任何特定的空间方位。为了简单和可读性，在附图中标记了单个元件。在有多个相同元件的情况下，将标记代表性的示例元件，而不是标记多个元件中的每一个。
26.图1示出了发散度宽度为100mrad(1/e2半宽度，被绘制为sinθ＝na(数值孔径))的光束的发散度轮廓。对于θ
max
＝125mrad的光学系统，在图2中具有阴影线且被虚线标识出的光束的翼部(角度》θ
max
)将被削波(即，被光学系统丢弃，并且通常被转换成热量)。最大削波
功率由光学系统的设计确定，特别是由在不过热或不烧毁任何部件的情况下收集功率的能力确定。
27.如图2所示，约5％的光束功率在125mrad之上。如果最大削波功率被指定为p
max
，则最大激光功率为20
×
p
max
(因为5％的削波)。例如，如果p
max
＝100w，则最大激光功率将是2kw。较低发散度的激光将具有较低百分比的削波功率，因此允许更多的激光功率被用于应用。例如，在切割应用中，更高的激光功率能够实现更高的切割速度、更大的最大厚度和/或更好的边缘质量。
28.因此，期望能够限制激光器的输出光束的发散度，且最大允许发散度(以及在θ
max
之上的最大允许功率)将取决于应用和光学系统。限制高功率光纤激光器的发散度的常规方法包括设计和制造固有低发散度的激光器以及实现自由空间孔径来对输出光束的高发散度的翼部进行削波。由于产量低，通过过程控制来管理最大发散度可能成本很高，尤其是当期望低的θ
max
时。制造中有许多步骤会产生高发散度，包括低质量的拼接、热透镜和/或低质量的光学材料。针对kw级的光束实现自由空间孔径成本高、占用空间大并且故障率高。
29.图3示出了基于光纤的发散度限制装置300，其用于将发散度从输入光302(在输入端304处被接收)的第一最大发散度限制到输出光306(在输出端308处被传递)的第二最大发散度。输出光306的第二最大发散度小于输入光302的第一最大发散度。因此，发散度限制装置300可被耦合到激光系统(未示出)，以针对给定的p
max_system
(即，如针对激光系统所指定的p
max
)在激光系统的输出端传递比可用于p
max_input
(即，直接来自于输入光302的p
max
)的更高功率的光。
30.在本示例中，发散度限制装置300包括输入光纤310、输出光纤312以及被拼接在输入光纤310和输出光纤312之间的中间光纤314。在本示例中，假设输入光纤310充当输入端304，该输入端将来自激光系统(例如，来自单个光纤耦合激光器模块或来自组合了多个激光器模块的输出端的信号组合器)的输入光302引导至中间光纤314。在其他实施例中，输入端304可包括自由空间光学器件或其他形式的输入端。类似地，输出端308可包括自由空间光学器件或其他形式的输出端。
31.应注意的是，输出光纤312可包括与输入光纤310或中间光纤314的横截面结构相似或相同的横截面结构。在其他实施例中，输出光纤312的结构不同于输入光纤310和中间光纤314两者的结构。
32.输入纤芯316可具有相对较高的na(例如，na》0.20)，以减少弯曲损耗并增加功率处理。根据激光加工应用，其他na也是可能的。
33.中间纤芯318具有被选择成限制在中间纤芯318中传播的纤芯引导光320的发散度的na。例如，如果期望θ
max
＝125mrad，则中间纤芯318的na被设为大约0.125(即，sin(125mrad))。对于在中间纤芯318中传播的纤芯引导光320，在中间纤芯318的na之下的发散度分量将被很好地引导(即，光线被引导并且不泄漏)。根据特定的应用，na的范围可以从大约0.03到大约0.3。在该范围的低端(例如，0.03)，因为na与纤芯和包层的折射率差有关，所以折射率在低na下保持变得具有挑战性。在该范围的高端(例如，0.3)，na将被选择为与系统光学器件和底座兼容。
34.当来自输入纤芯316的输入光302进入中间纤芯318时，输入光302的在中间光纤314中被很好地引导的具有在值θ
max
以上的发散度的一部分(被称为包层光322)将从中间纤
芯318泄漏出，并进入包围或覆盖中间纤芯318的至少一部分的中间光纤包层324(例如，包括熔融石英玻璃)。
35.如果部分或全部中间光纤314被配置为包层光剥离器(cls)，则包层光322将在中间光纤包层324中被引导，或其可被从中间光纤包层324剥离。图3示出了中间光纤314被配置为cls，因为包层光322远离中间纤芯318发散，并且随后作为剥离光326被从中间光纤包层324发射出(如细的发散箭头所示)。因此，从中间纤芯318耦合到输出纤芯328的纤芯引导光320已经被去除了输入光302的高发散度分量(即，被剥离或以其他方式被引导远离输出纤芯328)，从而提供输出光306。
36.可在具有信号组合器的激光系统中采用cls，以组合多个激光器模块的输出，在这种情况下，可在组合器之后包括cls，以去除不需要的包层光。对于这样的系统，发散度限制装置300具有其所谓的na削波光纤(即，具有适当选择的纤芯na的中间光纤314)，该发散度限制装置可以在构造中代替标准的cls光纤。在其他实施例中，当标准的cls光纤在构造中在下游可用时，中间光纤314的cls是可选的。
37.图3示出了cls区域330对应于被设置于外壳332内的中间光纤314的纵向部分。外壳332包括面对cls区域330的内表面334，该内表面被配置为吸收剥离光326(即，将其转换成热量)。在一些实施例中，输入光纤310、输出光纤312或中间光纤314在外壳332的一侧或两侧延伸到外壳332的外部(即，延伸超过外壳332的长度)。例如，输入光纤310和输出光纤312分别形成发散度限制装置300的输入尾纤和/或输出尾纤。
38.中间光纤314的设计可被选择为确保离开输出光纤312的输出光306具有在光学系统的规格内的期望的p
max
。最大剥离功率取决于cls设计的选择和系统配置的各个方面(尺寸要求、散热和其他方面)。还应当理解，当光被沿着中间光纤314移除时，即当光根据指数衰减函数从中间纤芯318纵向地泄漏时，剥离的光量也是cls区域330的长度的函数。
39.有多种方法将部分或全部中间光纤314配置为cls。例如，中间光纤包层324可以在其外表面上涂有高折射率材料(例如，折射率等于或大于玻璃的折射率的材料，例如，聚合物)，使得不在中间光纤包层324中引导包层光322。在另一实施例中，中间光纤包层324可以通过化学处理或激光处理而被粗糙化(例如，随机表面纹理化)或结构化(例如，凹口或其他重复或离散的结构)。可以使用其他方法来沿着中间光纤314的整个长度的一部分或全部来制造cls，并且所公开的主题不限于这方面。
40.在一些实施例(未示出)中，cls区域可部分地沿光纤的长度延伸，使得光纤的一端或两端(即，在cls区域外的端部)作为尾纤从外壳延伸，或以其它方式在cls区域外可用。当将来自例如输入光纤310的光耦合到输出光纤312时，这些光纤延伸部(即光纤尾纤)被用于简化可制造性和可维护性。因此，尽管在图3中没有以这种方式示出，但是中间光纤314可以在cls区域330的两侧延伸。
41.参考包括上述尾纤的实施例，图4为示出包层中的光的百分比如何随着超出cls区域的尾纤长度而增加的一个示例的图表400。如前面针对发散度限制装置300(图3)所述的，具有大于由中间纤芯318支持的na的发散度的一定百分比的光将从中间纤芯318泄漏出并进入中间光纤包层324，因为来自输入纤芯316的输入光302在比由中间纤芯318支持的na更大的na下以一定百分比的功率传播。假设存在超出cls区域的尾纤，中间纤芯318中的剩余光将沿着尾纤传播，并完全填充由中间光纤314支持的na。由于这种填充的na，由于对中间
光纤314的宏观和/或微观的扰动，在尾纤中继续传播的光将具有从中间纤芯318损耗到中间光纤包层324中的增加的可能性。
42.超出cls区域的包层光可表示对下游光纤的可靠性风险(由于光与包层聚合物缓冲部相互作用)，并且可能导致超出激光系统的不期望的应用结果。因此，图5示出了发散度限制装置500的另一个实施例，该发散度限制装置被配置为通过将中间纤芯508中存在的纤芯引导光506耦合到输出光纤512的输出纤芯510，同时沿cls区域504去除剥离光514，来限制超出cls区域504的包层光502的生成。
43.cls区域504内的耦合方法可通过光学熔接、自由空间耦合或某种其他的耦合方法来实现。通常，期望输出纤芯510的na大于中间纤芯508的na，以避免完全填充输出纤芯510中的na以及由于输出光纤512中的扰动而生成包层光，如前面参考图4所述的。
44.也可能期望与中间光纤相比，使用不同尺寸(纤芯和/或包层)的输出光纤，以使因光纤耦合而生成的包层光516(在图5中由虚线箭头表示)的生成最小化。在该实施例中，由于中间纤芯的na，输出光的na将已被充分地限制，并且由于光耦合到位于cls区域内的具有较高na的纤芯的输出光纤，所以超出cls区域的包层光的进一步生成将已被最小化。
45.图6示出了发散度限制装置600的另一个实施例，其中通过在cls区域602的全部或一部分内盘绕中间光纤604，限制了超出cls区域602的包层光的进一步生成。中间光纤线圈606充当附加的na过滤器，从而允许接近中间光纤604的na限值的光模式被从中间纤芯608中耦合出并被耦合到中间光纤包层610内。中间光纤线圈606的直径被选择为使得具有较高na含量的模式被从中间纤芯608中耦合出，但不会太紧以至于产生过多的功率损耗。一旦这些光模式在中间光纤包层610中传播，就可以被剥离(如图所示)或作为下游cls的一部分被适当地处理。根据光学系统的结构，可能合适的是，将中间光纤604盘绕在单个平面中，或者可能合适的是，将中间光纤盘绕在两个正交平面中，以将具有较高na含量的奇数和偶数对称模式从中间纤芯608中耦合出并耦合到中间光纤包层610内。
46.图6还表明，除了盘绕中间光纤之外，还可通过给中间光纤604赋予扭转612来实现进一步的模式辨别。通过扭转中间光纤604，光学包层模式经历了进一步的扰动，这有助于在中间光纤线圈606转变回较少盘绕的布设路线时，破坏该包层光重新耦合回中间纤芯608。此外，通过混合奇数和偶数对称模式，扭转可被用作两个正交平面中的线圈的替代方案。光纤扭转612可以作为光纤布设过程的一部分被引入或者可以通过在光纤拉制期间旋转光纤预制件而作为光纤制造过程本身的一部分被引入。
47.如前所述，中间光纤604的光纤尾纤614延伸超出cls区域602，且不会进一步生成包层光，这可有利于制造或维修目的。
48.图7示出了发散度限制装置700的另一个实施例，其中超出cls区域702的包层光的进一步生成受到位于中间光纤706中并贯穿cls区域702的全部或一部分的中间光纤锥部704的限制。
49.可通过多种方法来产生中间光纤锥部704，其中一些方法可以包括(但不限于)使用熔接机、co2激光器、火焰或某种其他热源。随着中间光纤706逐渐变细至更小的直径，中间纤芯708中的光的发散度增加，使得接近中间光纤706的na限值的那些光模式将被从中间纤芯708中耦合出，并被耦合到充当附加的na过滤器的中间光纤包层710内。中间光纤706逐渐变细的程度(通常称为锥度比)被确定为使得具有较高na含量的模式被从中间纤芯708中
耦合出，但不会极端以至于产生过多的功率损耗。一旦这些光模式在中间光纤包层710中传播，它们就可以如前所述作为cls的一部分被适当地处理。
50.下行锥部712之后是上行锥部714，这种布置结构允许在中间纤芯708中传播的光返回到接近中间光纤706的na的发散度，但不在na填充的状态下，na填充的状态可导致超出cls区域702的包层光的进一步生成。如同其它实施例，中间光纤706的光纤尾纤716延伸超出cls区域702可能是切实可行的。
51.也可采用其他技术来改变中间光纤706内被剥离的最小na、剥离速率或效率。例如，cls上游和/或内的光纤可被弯曲或逐渐变细。如果是逐渐变细，则cls下游的光纤可以保持较小的直径，或者它可以逐渐变粗。cls的长度也可以变化。
52.图8示出了发散度限制装置800的另一个实施例，其中在cls区域806之前形成中间光纤804的中间光纤锥部802。发散度限制装置800可被布放在激光器结构中，其中将cls区域与附加的na过滤区域设置在同一处位置是具有挑战性或不切实际的。例如，在一些激光器系统中，所使用的光纤具有被称为双包层或三包层光纤的多个引导区域。这些多包层光纤允许纤芯外部的光以很小的损耗也沿着光纤的长度传播。如果光纤锥部与这些类型的光纤一起使用，则假设锥部不与cls区域设置在同一处位置，由于下行锥部而导致从纤芯损耗的较高na的光将在上行锥部期间重新耦合到纤芯中，这是因为该过程是绝热的。
53.为了解决重新耦合问题，中间光纤804包括八边形包层808。在其他实施例中，包层形状可以是但不限于六边形、d形或任何其他多边形或非圆形的横截面形状。当较高na的光在下行锥部810处从纤芯损耗到包层中时，八边形包层808对光的扰动扰乱了光纤包层模式，使得不会在上行锥部814处重新耦合到中间纤芯812中。包层光816继续在中间光纤804的八边形包层808中传播，直到在中间光纤锥部802下游的cls区域806处被适当地处理。同样，在该实施例中，光纤尾纤818延伸超出cls区域806可能是切实可行的。
54.图9示出了发散度限制装置900的另一个实施例，其中在cls区域904之前完成中间光纤902的逐渐变细，类似于发散度限制装置800(图8)。然而，与八边形包层808不同，中间光纤包层906的横截面形状是圆形的，这有利于在光学系统的制造过程中容易进行光纤加工，例如，熔接。
55.为了克服在中间光纤锥部908(先前参考图8中的中间光纤锥部802所描述的)处生成的包层光的重新耦合，中间光纤902被扭转，以对光学包层模式产生扰动，并破坏绝热过程，从而导致中间光纤902中的进一步na过滤。如前所述，然后允许包层光910进一步沿着光纤向下传播到cls区域904。光纤扭转可作为光纤布设过程的一部分被引入，或者可以通过在光纤拉制期间旋转光纤预制件而作为光纤制造过程本身的一部分被引入。同样，在这个实施例中，中间光纤的光纤尾纤延伸超出cls区域可能是切实可行的。
56.已经描述和例示说明了上述发散度限制装置的示例的一般和特定原理，应理解的是，可在不背离此类原理的情况下，在布置结构和细节上对示例进行修改。例如，以上描述涉及光纤激光器，但是该技术可被应用于任何光纤耦合激光器(例如，二极管泵浦的固态激光器、盘激光器和二极管激光器)。因此，技术人员将理解，在不背离本公开的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应仅由下面的权利要求和等同方案来确定。