CN106415951B - 用于具有可变光束参数积的多光束激光装置的***和方法 - Google Patents

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Abstract

在多个实施例中，光束参数调节***及聚焦***在光束被耦合到光学纤维中之前改变多个辐射光束的空间功率分布。

Description

用于具有可变光束参数积的多光束激光装置的***和方法
相关申请
本申请要求2014年2月26日提交的美国临时专利申请No.61/944,989以及2014年4月30日提交的美国临时专利申请No.61/986,237的权益和优先权，其所有的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
在多个实施例中，本申请涉及一种激光***，尤其涉及一种具有可控光束参数积的激光***。
背景技术
大功率激光***可被用于许多不同的应用中，诸如焊接、切割、钻孔以及材料加工。这种激光***通常包括激光发射器和光学***，从激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或者简称“光纤”)中，光学***将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。光学***通常被设计为产生最高质量的激光光束，或者，等效地，产生具有最低光束参数积(BPP)的光束。BPP是激光光束的发散角(半角)和光束最狭窄处的半径(即束腰，最小光斑尺寸)的乘积。BPP量化了激光光束的质量以及激光光束可以被聚焦为小光斑的好坏程度，通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)单位表示。高斯光束具有最小可能的BPP，由激光波长除以π给出。相同波长下，实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP的比值由M2表示，其为光束质量的与波长无关的度量。
在许多激光加工应用中，期望的束斑尺寸、发散度和光束质量可以根据例如加工的类型和/或被加工的材料的类型而变化。为了改变激光***的BPP，输出光学***或光学纤维必须频繁更换成其他部件和/或重新排列，这是一个耗时且昂贵的过程，其甚至会在无意间对激光***的脆弱的光学部件产生损害。因此，需要一种替代的技术来改变激光***的BPP，而无需在光学纤维的输出端对激光光束或光学***进行这种调节。
发明内容
本发明的多个实施例提供了一种激光***，其中该***(即，其输出激光光束)的BPP可通过控制耦合到光学纤维中的一个或多个输入激光光束而改变，而不是通过控制离开光纤的输出光束而改变。这种具有能够可控地改变的BPP的输出光束可在诸如下列应用中被用于加工工件：焊接、切割、钻孔等。本发明的实施例改变输入激光光束的聚焦光斑和/或光束质量以能够在激光***的输出端处可控地改变BPP。(此处所指的输入激光光束应被理解为意指“一个或多个输入激光光束”，即包括了多个输入激光光束的可能性，除非另有指示。)例如，输入激光光束的聚焦光斑可由具有固定光束质量的输入光束改变，或者输入光束的光束质量(例如，光束发散度、光束尺寸和/或功率)可被改变，或者可使用这些技术的组合。
本发明的实施例将一个或多个输入激光光束耦合到光学纤维中。在多个实施例中，光学纤维具有多个围绕单个核心的包覆层，单个包覆层内的多个离散的核心区域(或“核心”)，或者被多个包覆层围绕的多个核心。
此处，“光学元件”可指透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任意一个，其重新定向、反射、弯折或以任何其他方式在光学上控制电磁辐射。此处，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任意电磁光束生成装置，诸如产生电磁光束的半导体元件，但可以是自振或非自振的。这些装置还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。一般地，每个发射器包括背反射表面、至少一个光学增益介质以及前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该电磁辐射非限定到电磁光谱的任一特定部分，而是可以为可见光、红外光和/或紫外光。发射器可包括多个光束发射器或由基本上多个光束发射器构成，诸如被构成为发射多个光束的二极管光条。此处的实施例中的输入光束可以为用本领域已知的各种技术合并的单波长或多波长光束。
本发明的实施例可用于多波长光束组合(WBC)***，其包括多个发射器，诸如一个或多个二极管光条，其被色散元件合并以形成多波长光束。WBC***中的每个发射器各自单独地谐振，并通过来自共用的部分反射的输出耦合器、且被色散元件沿光束合并维度滤波的特定波长反馈而稳定。示例性的WBC***在以下文件中所详细描述：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No.2014/8,559,107，上述文件的全部公开内容通过引用合并于此。
在一个方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自多个光束源的多个辐射光束的空间分布并以改变的所述空间分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。空间分布和改变的空间分布可以为空间功率分布。辐射光束中的每个具有偏振状态且整体具有空间分布(例如，空间功率分布)。该***包括以下部件或基本上由以下部件构成：第一光学元件，用于将所述辐射光束中的每一个分离成多个空间上位移的输出光束，所述分离基于所述偏振状态；聚焦光学元件(例如，一个或多个透镜、反射镜和/或其它光学元件)，用于将所述输出光束合并到所述光学纤维端面上；以及，第二光学元件，用于(i)改变所述辐射光束中的至少一个的偏振状态和/或(ii)在多个输出光束中的每一个被所述聚焦光学元件合并之前改变至少其中一个的偏振状态，由此使所述合并后的输出光束的输出空间分布不同于所述辐射光束的所述空间分布，所述输出分布由所述基于偏振的分离而确定。
本发明的多个实施例在各种组合的变型中可包括以下内容中的一个或多个。第二光学元件可包括半波片或基本由半波片构成。所述第一光学元件可包括偏振分束器或者基本由偏振分束器构成，用于根据所述辐射光束的所述偏振状态将所述辐射光束分离成所述输出光束。所述半波片位于所述偏振分束器的光路上游(即，定位为使得入射光在入射到所述偏振分束器之前入射到所述半波片)。所述偏振分束器可具有成角度的顶部反射表面，以使得所述输出光束以相对于所述辐射光束的光路为非平行的角度传播。用于使所述输出光束的偏振状态随机化的偏振随机发生器可以可选地位于所述聚焦光学元件的光路上游。偏振随机发生器可包括四分之一波片和/或偏振扰频器，或者主要由四分之一波片和/或偏振扰频器构成。所述第一光学元件可包括双折射光束位移器或主要由双折射光束位移器构成，用于根据所述辐射光束的所述偏振状态空间位移所述辐射光束中的至少一些。所述光束位移器可以为双折射的(例如单轴双折射的)，由此，所述辐射光束中的每一个被分离成一个沿着所述光束位移器的光轴传播的寻常光束和一个偏离所述光轴传播的非寻常光束。所述寻常光束和所述非寻常光束中的每一个之间的功率分布取决于相应的所述辐射光束的偏振组份。所述光束位移器为楔形，以使得所述输出光束以相对于所述辐射光束的光路为非平行的角度传播。
所述第一光学元件可包括第一和第二偏振分束器，或基本上由第一和第二偏振分束器构成。第二光学元件可包括置于所述第一和第二偏振分束器之间且沿其光轴的半波片，或者基本上由该半波片构成。所述第一偏振分束器可根据所述辐射光束的所述偏振状态将所述辐射光束分离成多个空间上移位的中间光束。所述中间光束中的一些但不是所有可沿着所述辐射光束的光路传播，且所述中间光束中的一些可平行于所述辐射光束的光路而传播但空间上从所述辐射光束的光路移位。所述第二光学元件可拦截并改变至少一些移位的中间光束的偏振状态。基于被所述第二光学元件拦截的所述移位的中间光束的改变的偏振状态，所述第二偏振分束器可将移位的中间光束中的至少一些与未被移位的中间光束合并。该***可包括四分之一波片，其位于所述第一偏振分束器的光路上游，用于建立所述辐射光束的偏振状态。所述半波片围绕其光轴的旋转角度可确定光束功率在辐射光束的最大数值孔径和辐射光束的最小数值孔径之间的分配。
所述第一光学元件可包括第一和第二双折射光束位移器，或基本上由第一和第二双折射光束位移器构成。第二光学元件可包括置于所述第一和第二双折射光束位移器之间且沿其光轴的半波片，或者基本上由该半波片构成。基于辐射光束的偏振状态，所述第一光束位移器将所述辐射光束中的每一个移位成一个沿着所述光束位移器的光轴传播的寻常光束和一个偏离所述光轴传播的非寻常光束。所述第二光学元件可拦截并改变中间光束的偏振状态。所述第二光束位移器可基于中间光束的改变的偏振状态将中间光束移位。该***可包括四分之一波片，其位于所述第一偏振分束器的光路上游，用于建立所述辐射光束的所述偏振状态。
所述第一光学元件可包括空间分离的、基本上光学透明的第一和第二板，或基本上由该第一和第二板构成。所述板可相对平行取向但相对于所述辐射光束的光路成角度。第二光学元件可包括介于所述第一和第二板之间的半波片，或者基本上由该半波片构成。所述第一和第二板中的每一个具有朝向所述第二光学元件的双折射表面以及与所述双折射表面相对的高反射表面。所述半波片围绕其光轴的旋转角度可确定光束功率在辐射光束的最大数值孔径和辐射光束的最小数值孔径之间的分配。
所述第一光学元件可包括至少一个反射器和空间分离的、基本上光学透明的第一和第二板，或基本上由它们构成。所述板可相对于所述辐射光束的光路成相对的角度。第二光学元件可包括半波片或基本由半波片构成。所述第一和第二板中的每一个具有朝向所述第二光学元件的双折射表面以及与所述双折射表面相对的高反射表面。所述第一和第二板可沿着所述辐射光束的光路放置。所述反射器可与所述辐射光束的光路空间分离。所述半波片可被放置在所述第一板和所述反射器之间。所述第一和第二光学元件可被布置为使来自所述第一板的中间光束穿过所述半波片并被反射器反射到所述第二板，中间光束由第二板传播穿过所述聚焦光学元件。所述第一和第二板可沿着所述辐射光束的光路放置。第一和第二反射器可在空间上与所述辐射光束的光路分离，且相对于彼此以相对的角度取向。所述半波片可被放置在所述反射器之间。所述第一和第二光学元件被布置为使来自所述第一板的中间光束被所述第一反射器导向穿过所述半波片，并被第二反射器导向所述第二板，由此传播穿过所述聚焦光学元件。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自多个光束源的多个辐射光束的空间分布并以改变的所述空间分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。空间分布和改变的空间分布可以为空间功率分布。所述***包括或基本由以下部件构成：可变形反射镜、聚焦光学元件以及控制器。所述可变形反射镜具有反射表面，控制器改变所述反射表面的构造(即，形状)。所述可变形反射镜和聚焦光学元件被布置为使得所述可变形反射镜接收所述辐射光束并将它们导向穿过所述聚焦透镜到达所述端面。所述控制器响应于目标辐射功率分布并被构成为产生使得所述辐射光束以所述目标辐射功率分布入射到所述端面的反射镜构造。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。所述***包括以下部件或基本上由以下部件构成：渐变折射率透镜，其折射率在所述透镜的光轴上不变，但在垂直于所述光轴的方向上改变；在所述透镜中引入扭变的装置，以改变从所述透镜出射的光束的束腰、束斑大小、光束质量、(进入所述光纤的)进入角度、和/或离开透镜的光束发散度；以及控制器，用于控制所述扭变引入装置以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。所述扭变引入装置可为下列项中的至少一个：局部加热器、指向透镜的辐射源、改变所述透镜光学性质的声光调制器和/或换能器、或者改变透镜光学性质的电光调制器和/或换能器。所述反射性表面可具有可控的相位偏差，所述相位偏差产生所述目标辐射功率分布。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。所述***包括以下部件或基本上由以下部件构成：聚焦光学元件；加热源，用于在所述聚焦光学元件中引入基于热的扭变，以改变从中出射的光束的束腰、束斑大小、光束质量、(进入所述光纤的)进入角度和/或离开透镜的光束发散度；以及控制器，用于控制所述加热源，以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。所述***包括以下部件或基本上由以下部件构成：聚焦光学元件；光纤端盖，其从所述聚焦光学元件将辐射光学地耦合到所述光纤端面中(并且可以为对接耦合到光纤端面，例如无空隙对接耦合)；用于在所述光纤端盖中引入扭变的装置，以改变从所述聚焦光学元件出射的光束的束腰、束斑大小、光束质量、进入(进入所述光纤的)进入角度和/或离开透镜的光束发散度；以及控制器，用于控制所述扭变引入装置以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。所述扭变引入装置包括或下列装置中的至少一个或基本上由下列装置中的至少一个构成：局部加热器、指向端盖的辐射源、改变所述端盖光学性质的声光调制器和/或换能器、或者改变端盖光学性质的电光调制器和/或换能器。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束并将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上。所述***包括或基本上由下列部件构成：聚焦光学元件；以及渐变折射率光纤段，用于以改变的空间功率分布将辐射从所述聚焦光学元件耦合到所述光纤端面中。渐变折射率光纤段可以对接耦合到所述端面。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种光束参数调节***及聚焦***，用于改变多个辐射光束的空间功率分布。所述***包括或基本上由下列部件构成：多个光束源，用于发射辐射光束(例如激光光束)；聚焦光学元件(例如，至少一个聚焦透镜)，用于将来自所述光束源的辐射聚焦到光学纤维的端面；以及光束路径调节器，用于移动所述光束以在所述端面上实现目标空间功率分布。所述光束路径调节器可改变来自所述光束源的光束之间的间距，以实现目标空间功率分布。所述光束路径调节器可使光束中的至少一些相对于所述聚焦光学元件移动，以实现目标空间功率分布。所述***可包括用于选择性地改变所述光束中的至少一个的功率的装置(例如，用于调制输入至少一个光束发射器和/或从至少一个光束发射器输出的功率的控制器)，以实现目标空间功率分布。
通过参照以下说明、附图和权利要求，各种客体以及此处公开的本发明的优点和特征将变得更加清晰。此外，应该理解的是，此处描述的多个实施例的特征并非互相排斥的，可存在于各种组合和替换中。此处所用的术语“基本”意指±10％，在一些实施例中，指±5％。输入“基本由...构成”意指排除其他对功能有贡献的材料，除非此处另有限定。不过，这种其他材料可共同地或单独地以微量存在。此处的术语“辐射”和“光”可交换使用，除非另有说明。
附图说明
在附图中，不同附图中相似的附图标记一般指相同的部件。同样的，附图并不是成比例的，而重点是在于示出本发明的原理。在以下说明中，参考附图对本发明的多个实施例进行说明，其中：
图1为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图；
图2A–2C为根据本发明的多个实施例的包括可变形反射镜的激光***的示意图；
图3A和图3B为根据本发明的多个实施例的包括梯度折射率透镜的激光***的示意图；
图4A和图4B为根据本发明的多个实施例的包括可调透镜的激光***的示意图；
图5A和图5B为根据本发明的多个实施例的包括可调端盖的激光***的示意图；
图6A和图6B为根据本发明的多个实施例的包括梯度折射率耦合光纤的激光***的示意图；
图7A和7B为根据本发明的多个实施例的包括可变形反射镜的激光***的示意图；
图8A和8B为根据本发明的多个实施例的包括可变形反射镜和多个输入光束的激光***的示意图；
图9A和图9B为根据本发明的多个实施例的包括多个具有可调间距的输入光束的激光***的示意图；
图9C为输入光束在图9A的激光***的聚焦透镜上的示意图；
图9D为图9A的激光***的输出光束的一个示意性曲线；
图9E为输入光束在图9B的激光***的聚焦透镜上的示意图；
图9F为图9B的激光***的输出光束的一个示意性曲线；
图9G为根据本发明的实施例的包括再定向元件的激光***的示意图；
图9H-9J为根据本发明的多个实施例的包括光路调节器的激光***的示意图；
图10A和10B为根据本发明的多个实施例的包括多个可变功率输入光束的激光***的示意图；
图11A为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图，其中输入光束质量被基于偏振调节；
图11B为11A的激光***中功率分布图随输入数值孔径的变化的示意图；
图11C为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图，其中输入光束质量被基于偏振调节；
图11D为11C的激光***中功率分布图随输入数值孔径的变化的示意图；
图11E-11H为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图，其中输入光束质量被基于偏振调节；
图11I-图11J为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图，其中输入光束质量被基于偏振调节并用于多包覆光学纤维；
图11K为图11I或图11J的激光***所用的多包覆光学纤维内的空间功率分布的示意图；以及
图12A-图12C为根据本发明的多个实施例的激光***的示意图，其中输入光束质量被基于偏振调节。
具体实施方式
图1为根据本发明的多个实施例的激光***100的示意图。在激光***100中，一个或多个输入光束105通过聚焦透镜110被聚焦到具有光纤端盖120的光学纤维115中。端盖120可以为例如一片无芯(即基本均匀的)或梯度折射率(即具有渐变的折射率)的玻璃，且端盖120对于给定的光功率可有利地降低玻璃-空气界面的光强和/或保护光纤115免收环境的损伤(例如潮湿)。如图所示，光学纤维115可具有一个或多个由一个或多个包覆层130围绕的核心125。对于激光***100，输入光束或光束105的BPP可以被限定为(x/2)×θ＝(x×d)/(4×f)，其中x为输入光束105的直径(或光束尺寸)，θ为输入光束105的激光光束发散度(或“光束发散度”)，d为聚焦的输入光束105的聚焦直径，f为聚焦透镜110的焦距。光束尺寸通常以“二阶矩宽度”或“D4σ宽度”计算，其中光束在水平或竖直方向的D4σ宽度为4乘以σ，σ分别为水平或竖直边缘分布的标准偏差。假定具有单个核心125和单个包覆层130的光学纤维110的核心直径为d’,包覆直径为D’。
一旦一个或多个输入光束105被耦合到光学纤维115中，光纤115会输出输出光束135。输出光束135的BPP(或输出BPP)可以为限定为(d”/2)×NA”，其中NA”为光纤115的数值孔径，d”为输出光束尺寸。输出光束尺寸d”取决于在包覆130中在与核心125中传播的光束的相对值(或者，等同地，包覆130与核心125的“功率含量比”)。例如，通过使光束在包覆130中的量最小化，可以使输出BPP最小化，通过使核心125中的光束的量最小化，可以使输出BPP最大化。因此，通过将输入光束向光纤115的不同区域中聚焦不同的量，可使输出BPP可以被调节为所需的值。一般地，光纤115在输出光束中保持输入光的进入角(或发散度或数值孔径)；因此，通过改变输入光束质量(或BPP)，可有利地改变输出BPP。
参见图2A和图2B，在根据本发明的多个实施例的示例性的激光***200中，利用可变形反射镜210改变一个或多个输入光束105被聚焦到光学纤维115中的点。如图2A所示，在正常工况中，输入光束105被可变形反射镜210和聚焦透镜110聚焦到光纤115的核心125中，从而使输出BPP最小化。如图2B所示，可变形反射镜210可以被控制(例如通过改变其表面上的一个或多个点的角度)，以使得输入光束105被聚焦为使光的一部分溢出到包覆130中，以增加输出BPP。类似地，当光纤115为多核心光学纤维时，可变形反射镜210可以被用于将全部或部分的聚焦输入光束105聚焦到核心125以外的核心中。如本领域已知的，可变形反射镜210可包括例如由独立的平面镜小块形成的拼接镜，或基本由其构成。每个小块可响应致动器而在一较小距离内前后移动和/或在一个或多个方向上倾斜，以改变入射的光的波阵面。其他的示例性可变形反射镜210包括连续面板反射镜或基本由连续面板反射镜构成，该连续面板反射镜包括连续薄膜，该连续薄膜可通过位于该薄膜背表面的致动器阵列中的任意一个而变形。
如图2A和2B所示，可变形反射镜210和/或使其部分变形的致动器阵列可响应于控制器220，因此该控制器220可改变可变形反射镜210的反射表面的构造。控制器220可响应于所需的目标辐射功率分布(例如，由用户输入的)，并被构成为产生能够使输入光束以目标辐射功率分布入射到光纤115的端面的反射镜构造。控制器220可被编程为通过特定的反射镜表面构造而达到所需的功率分布(因此达到所需的输出BPP)，而无需本领域技术人员进行过度的实验。控制器220可以为软件、硬件或者它们的组合。例如，***可以由一个或多个常用的服务器类计算机实现，诸如具有包括一个或多个处理器(例如加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司生产的奔腾或赛扬家族的处理器，摩托罗拉公司Schaumburg,Ill生产的680x0和POWER PC家族的处理器，和/或加利福尼亚州森尼维耳市的超威半导体公司生产的速龙处理器)的CPU主板的PC。处理器还可包括主存储器单元，用于存储与上述方法相关的程序和/或数据。存储器可包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，和/或闪存存储器，其位于可轻易获得的硬件上，诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、可编程序只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)、或者只读存储器(ROM)。在一些实施例中，该程序可由外部RAM和/或ROM提供，诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备。对于由一个或多个软件程序提供功能的实施例而言，程序可由多种高级语言中的任一种编写，诸如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、多种脚本语言和/或HTML。此外，软件可由指向位于目标计算机的微处理器的汇编语言执行。例如，如果软件被构成为在IBM PC或PC兼容机上运行，其可用英特尔80x86汇编语言执行。软件的具体形式可以为工业制品，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁盘、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
如图2C所示，可变形反射镜210可以为抛物线形的(即具有全部或部分基本上为抛物线形的反射表面)，这种可变形反射镜自身可根据激光***200所需的输出BPP将一个或多个输入光束105(每个输入光束的全部或部分可以通过改变可变形反射镜210的表面而***作)聚焦(甚至无需单独的聚焦透镜110)到光纤115的各个区域。
参见图3A和图3B，在根据本发明的多个实施例的示例性的激光***300中，利用梯度折射率(或“GRIN”)透镜310改变一个或多个输入光束105被聚焦到光学纤维115中的点和/或被聚焦光束的束斑尺寸。如图3A所示，在正常工况中，输入光束105被GRIN透镜310聚焦到光纤115的核心125中，从而使输出BPP最小化。在图3A所示的正常工况中，如图所示，输入光束105在GRIN透镜310中传播，使得输入光束105在GRIN透镜310与光纤115之间的界面上的束斑尺寸被最小化并被导向核心125。如图3B所示，GRIN透镜310可被控制(或“干扰”或“扰动”，如箭头320所示)以使得输入光束105在GRIN透镜310与光纤115之间的界面上的束斑尺寸被改变(例如，更大)。如图所示，在图3B所示的工况中，入射的光的一部分被耦合到包覆130中(或，在多核心和/或多包覆光纤中，被耦合到另一核心和/或包覆中)，由此增加输出BPP。在多个实施例中，当GRIN透镜310被干扰时，GRIN透镜310的至少一部分中发生一个或多个光学性质的改变。例如，GRIN透镜310可通过透镜的一部分的局部加热和/或透镜的一部分的局部吸收而被干扰。在一些实施例中，GRIN透镜310的全部或部分包括具有声光效应的材料，或由上述材料构成，可利用声能换能器改变GRIN透镜310的光学性质。例如，GRIN透镜310可包括或由以下材料构成：熔融二氧化硅、铌酸锂、三硫化二砷、二氧化碲、碲化物玻璃、硅酸铅和/或其它声光材料。类似地，可向具有电光效应的GRIN透镜310施加电场以改变其相对折射率，由此充分干扰透镜以改变输出BPP。
如图3B所示，在GRIN透镜310中引入扭变的装置(例如，局部加热器、指向透镜的辐射源，改变透镜光学性质的声光调制器和/或换能器，或者改变透镜光学性质的电光调制器和/或换能器中的至少一个)是响应于控制器220的。控制器220可以为现有的，且可被构成为响应于所需的输出BPP而引入和/或控制扭曲引入装置，无需过度实验。
参见图4A和图4B，在根据本发明的多个实施例的示例性的激光***400中，利用可调节聚焦透镜410，通过例如操纵透镜410改变其焦点，从而改变一个或多个输入光束105被聚焦到光学纤维115中的点和/或被聚焦光束的束斑尺寸。如图4A所示，在正常工况中，输入光束105被可调节透镜410聚焦到光纤115的核心125中，从而使输出BPP最小化。在图4A的正常工况中，如图所示，输入光束105被聚焦，从而使焦点位于端盖120与光纤115之间的界面上。因此，输入光束的束斑被最小化并导向核心125。如图4B所示，可控制(或“干扰”或“扰动”)可调节透镜410以改变透镜410的焦距。例如，如图4B所示，可减小焦距，从而使输入光束被聚焦在端盖120的体积范围内的一点上，由此增加端盖120与光纤115之间的界面上的束斑尺寸。因此，在图4B所示的工况中，入射的光的一部分被耦合到包覆130中(或，在多核心和/或多包覆光纤中，被耦合到另一核心和/或包覆中)，由此增加输出BPP。通过例如向透镜410施加来自加热源420的热量可扰动可调节透镜410。如图所示，加热源420响应于控制器220。控制器220可以为现有的，且可被构成为响应于所需的输出BPP而引入热和/或控制由加热源420提供的加热程度，无需过度实验。
参见图5A和图5B，在根据本发明的多个实施例的示例性的激光***500中，利用可调节端盖510，通过操纵端盖510改变其光学性质(例如，折射率)，从而改变一个或多个输入光束105被聚焦到光学纤维115中的点和/或被聚焦光束的束斑尺寸。如图5A所示，在正常工况中，输入光束105被透镜(未示出)聚焦到光纤115端盖510和核心125中，从而使输出BPP最小化。在图5A的正常工况中，如图所示，输入光束105被聚焦，从而使焦点位于端盖120与光纤115之间的界面上。因此，输入光束的束斑被最小化并导向核心125。如图5B所示，可控制(或“干扰”或“扰动”)可调节透镜510以改变输入光束的焦点。例如，如图5B所示，可将焦点移动到光学纤维115内的一点，从而增加端盖510与光纤115之间的界面上的束斑尺寸。因此，在图5B所示的工况中，入射的光的一部分被耦合到包覆130中(或，在多核心和/或多包覆光纤中，被耦合到另一核心和/或包覆中)，由此增加输出BPP。通过例如向端盖510施加热量和/或压力可扰动可调节端盖510。
如图5B所示，在光纤端盖510中引入扭变的装置520(例如，局部加热器、指向端盖的辐射源，改变端盖光学性质的声光调制器和/或换能器，或者改变端盖光学性质的电光调制器和/或换能器中的至少一个)是响应于控制器220的。控制器220可以为现有的，且可被构成为响应于所需的输出BPP而引入和/或控制扭曲引入装置，无需过度实验。
参见图6A和图6B，在根据本发明的多个实施例的示例性的激光***600中，利用梯度折射率(或者“渐变折射率”或“渐变”)光学纤维改变输入光束105在光学纤维115的入口处的束斑尺寸。如本领域已知的，渐变折射率光纤是这样一种光学纤维：随着，其核心的折射率随着距光纤的光轴的径向距离的增大而减小。由于距离光纤轴更近的核心部分的折射率高于包覆附近的部分，因此光线在渐变折射率光纤中遵循正弦曲线。渐变折射率光纤610内的折射率曲线可以例如基本为抛物线形。因此，可通过控制耦合到渐变折射率光纤610的输入光束的数值孔径而控制在渐变折射率光纤610中传播的光束的束斑尺寸，例如使用此处所描述的数值孔径改变技术之一。如图6A所示，一个或多个具有较小数值孔径(即较小的发散度)的输入光束105将穿过渐变光纤610并产生较小的聚焦束斑尺寸，这样，基本上所有的光束都被耦合到光纤115的核心125中。如图6B所示，一个或多个具有较大数值孔径(即较大的发散度)的输入光束105将穿过渐变光纤610并产生较大的聚焦束斑尺寸，这样，一部分光束被耦合到光纤115的包覆130中，从而改变(此处为增加)了输出BPP。渐变光纤610的长度可例如小于约100mm。
在根据本发明的多个实施例中，通过对输入波阵面分布(即输入光束的质量)的控制，能够可变地控制激光***的输出BPP，因此，至少一部分耦合到光学纤维中的光被引导至一个或多个包覆层内传播，而非在光纤的核心中传播(和/或对于具有多个核心的光纤而言，在光纤的其他核心中传播)。例如，图7A和图7B示出了根据本发明的多个实施例的示例性的激光***700，其中利用可变形反射镜210改变一个或多个输入光束105被聚焦到光学纤维115中的点。如图7A所示，在正常工况中，输入光束105被可变形反射镜210和聚焦透镜110聚焦到光纤115的核心125中，从而使输出BPP最小化。如图7B所示，可变形反射镜210可***纵(例如，通过改变其表面上的一个或多个点的角度和/或高度)为使得相位偏差被引入到输入光束105中。相位偏差改变了输入光束105的光束质量，因此，一部分光溢出到包覆130中，增加了输出BPP。
如图7A和7B所示，可变形反射镜210和/或使其部分变形的致动器阵列响应于控制器220，因此该控制器220可改变可变形反射镜210的反射表面的构造，以将相位偏差引入到输入光束中。控制器220可被编程为通过特定的反射镜表面构造而达到所需的相位偏差(因此达到所需的输出BPP)，而无需本领域技术人员进行过度的实验。
尽管上述激光***(以及此处描述的所有激光***，除非另有说明)可使用单个输入光束或多个输入光束，但本发明的多个实施例有益地使用多个输入光束来可控地改变激光***的输出BPP。图8A和图8B示出了示例性的激光***800，其中使用了可变形反射镜210和多个输入光束的组合。图8A和图8B示出了使用三个输入光束105-1,105-2,105-3,但是本发明的实施例可根据需要使用两个输入光束或三个以上的输入光束。在激光***800中，利用可变形反射镜210改变输入光束105中的一个或多个被聚焦到光学纤维115中的点。如图8A所示，在正常工况中，输入光束105-1,105-2,105-3被可变形反射镜210和聚焦透镜110聚焦到单个焦点且聚焦到光纤115的核心125中，从而使输出BPP最小化。如图8B所示，可变形反射镜210可***纵(例如，通过改变其表面上的一个或多个点的角度和/或高度)为使得相位偏差被引入到输入光束105-3中。输入光束105-3在传播并穿过聚焦透镜110时，相位偏差改变了输入光束105-3传播的轨迹因此输入光束105-3被聚焦到不同于输入光束105-1,105-2的焦点的点。因此，输入光束105-3的至少部分光在不同于输入光束105-1,105-2的光进入光纤的点进入了光学纤维115中，由此增加了合并输出光束的BPP。例如，如图8B所示，输入光束105-3的光可被聚焦到包覆层130(或对于多包覆纤维而言，聚焦到一个或多个包覆层，和/或对于多核心光纤而言，聚焦到一个或多个其他核心)，而输入光束105-1,105-2的光可被聚焦到核心125上。
如图8A和8B所示，可变形反射镜210和/或使其部分变形的致动器阵列响应于控制器220，因此该控制器220可改变可变形反射镜210的反射表面的构造，以将相位偏差引入到输入光束中的一个或多个中。控制器220可被编程为通过特定的反射镜表面构造而达到所需的相位偏差(因此达到所需的输出BPP)，而无需本领域技术人员进行过度的实验。
还可通过改变各个输入光束之间的间距，改变输入光束的质量(由此可实现对输出BPP的可控改变)。图9A和图9B示出了示例性的激光***900，其中输入光束105-1,105-2,105-3之间的间距被改变以改变耦合到光学纤维115中的输入光束的质量(即发散度)。图9A示出了以相对窄的间距910-1分开的输入光束105-1,105-2,105-3，其导致输入光束被聚焦透镜110以相对较小的发散角920-1聚焦到光纤115中。以相对较小的进入角度进入光纤115导致较小的输出BPP。图9B示出了以相对大的间距910-2分开的输入光束105-1,105-2,105-3，其导致输入光束被聚焦透镜110以大于发散角920-1的发散角920-2聚焦到光纤115中。以较大的进入角度进入光纤115导致较大的输出BPP。以这种方式，通过改变耦合到光纤115中的输入光束之间的间距可改变激光***900的输出BPP。一般地，输入光束之间的间距可以被改变为使得进入光纤的聚焦光束的发散角不会超过光纤115可接受的角度。在多个实施例中，光纤115可接受的角度θaccept可以通过下列公式计算：其中n为光束从中进入光纤的介质的折射率(例如，空气或端盖120的折射率)，ncore为光纤核心(或中心光轴)的折射率,nclad为光纤包覆的折射率。
图9C为三个输入光束在图9A的激光***900的聚焦透镜上的示意图，其中输入光束105-1,105-2,105-3最初以较小间距910-1分开。如图所示，一进入光纤115后，三个输入光束之间的间距相对地更近，从而减小(或者甚至最小化)激光***的输出BPP。图9D示出了图9A的激光***900的输出光束的一个示例性曲线。
相反地，图9E为三个输入光束在图9B的激光***900的聚焦透镜上的示意图，其中输入光束105-1,105-2,105-3最初以较大间距910-2分开。如图所示，一进入光纤115后，三个输入光束之间的间距相对地更远，从而增加了激光***的输出BPP。图9F示出了图9B的激光***900的输出光束的一个示例性曲线。
图9G示例性地示出了用于改变激光***900的输入光束间距的一个示例性技术。在图9G中，多个单个发射器930中每个发射器发射一个输入光束105，输入光束105之间最初以间距940传播。输入光束105被一个或多个重定向元件(例如，反射镜、透镜等)950重新定向，在重新定向后，使输入光束105的间距910不同于(在图9G中，小于)间距940。再定向元件950可单独地或整体地平移和/或转动，以在两个或更多的输入光束105之间形成所需的间距910。如上文所详细描述的，间距910会导致一个进入角920，该进入角920会直接影响激光***900的输出BPP。重定向元件950可以为单独的离散元件，或者它们可以为一个较大的诸如反射镜(例如可变形反射镜)或透镜的重定向元件的单独的部分或区段。另外，在本发明的多个实施例中，如图所示的输入光束105在被重定向元件950重新定向之前和之后基本上为平行的，输入光束之间的传播角度也可以被改变，由此改变单独的光束入射到用于朝光纤115聚焦的聚焦透镜910上的点。如图8B所示，这种装置可选择性地将一个或多个输入光束(或其中的部分)聚焦到光纤115的不同区域(例如，一个或多个包覆层和/或一个或多个核心)。
如图9H和9I所示，甚至可以在输入光束之间的间距基本不变的情况下改变输入光束进入光学纤维的进入角。如图所示，可使用光路调节器960调节一个或多个输入光束105的传播路径。光路调节器960可包括例如棱镜、光栅、透镜等，或基本由上述元件构成。尽管图9H和9I中示出的光路调节器960为单个的个体，但在多个实施例中，光路调节器960包括单独可控(例如，可旋转和/或可平移的)的光路调节器的集合体，每个光路调节器接收一个或多个输入光束(例如如图9J所示)，或者基本由上述单独可控的光路调节器的集合体构成。如图9H所示，在正常情况下，光路调节器960不改变即将被透镜110以进入角920-3聚焦到光纤115中的输入光束105的传播路径。在图9I中，光路调节器960被旋转，当输入光束105穿过光路调节器960时，其沿着光路调节器960内的路径970传播，并在离开光路调节器960时改变了传播路径。如图所示，输入光束105接下来以不同的空间位置入射到聚焦透镜110上，导致它们以不同于进入角920-3的进入角920-4耦合到光学纤维115中，由此改变激光***900的输出BPP。
图9J示出了一种示例性的激光***900，其中输入光束之间的间距和单独的输入光束的传播路径均可被改变。如图所示，每个输入光束105的传播路径可被光路调节器960调节，由此改变各个输入光束105之间的间距和/或输入光束入射到用于聚焦到光学纤维115的聚焦透镜110上的位置。在图9J所示的例子中，被调节光路的输入光束105由虚线表示，未被调节的输入光束105由实线表示。一旦输入光束105入射到聚焦透镜110，其被聚焦到光纤115中，其进入角920-5可根据哪些输入光束被调节和/或它们被调节到何种程度而改变。
根据本发明的实施例的激光***的输出光束的光束质量(以及BPP)也可通过调节输入光束中的一个或多个(其转而影响耦合到光学纤维中的输入光束的光束质量)的功率特性而可控地改变。图10A示出了一种根据本发明的实施例的示例性激光***1000，其类似图9B中所示的激光***900。如图所示，输入光束105-1,105-2,105-3以特定间距分开并被聚焦透镜110聚焦到光纤115中。在图10B中，输入光束105-3的功率特性(例如输出功率)被降低，从而降低了其对耦合到光纤115中的合并光束的贡献。这改变了从光纤115的另一端发射出的输出光束的光束质量(因此也改变了输出BPP)。在一些实施例中，输入光束中一个或多个的输出功率被改变，甚至全部关闭，这会导致耦合光束的质量的改变，从而改变激光***的输出BPP。
通过控制每个输入光束的各个发射器的控制器220，可控制输入光束的功率特性。控制器220可被编程为通过对输入光束中的一个或多个的功率调制而达到所需的光束构造(因此达到所需的输出BPP)，而无需本领域技术人员进行过度的实验。
在本发明的多个实施例中，输入光束质量可基于输入光束的偏振状态而改变(导致输出BPP的改变)。特别地，输入光束可被分成具有不同偏振状态的组份，再重新组合成具有所需功率水平的输入光束。然后，重组合光束中的一个或多个被聚焦到光学纤维的一个区域(例如，核心)，同时一个或多个其它的重组合光束被聚焦到光学纤维的不同区域上(例如包覆)，使输出光束的BPP可根据两种重组合光束的功率水平的比例而调节。图11A示出了一种示例性的激光***1100，其中两个线性偏振的输入光束105-1,105-2被基于偏振而操纵。如图所示，两个输入光束穿过半波片1105，该半波片1105改变了输入光束的光的偏振方向。特别地，半波片1105的旋转将输入光束中的每一个的功率分成两种不同的偏振状态，例如s偏振(或简称“S”)和p偏振(或简称“P”)。如本领域已知的，p偏振光的电场沿着入射平面(即，由传播方向和垂直于反射表面的平面的矢量确定的平面)，而s偏振光的电场垂直于入射平面。半波片1105通常包括双折射材料(诸如石英或云母)或基本由双折射材料(诸如石英或云母)构成，对于从中穿过的不同取向的光，其折射率不同。穿过半波片1105后，输入光束被偏振分束器1110(例如薄膜偏振器或Wollaston棱镜)分成S组份和P组份，组份的相对功率通过旋转半波片1105而选择。(注意，S和P是任意两种可通过这种方式被选择的偏振状态的名称。)如图所示，P光径直穿过偏振分束器1110，而S光被分离并导向反射器1115。然后S光和P光均被导向聚焦透镜110以被聚焦到光学纤维中(为清楚起见，图11A以及后续的图中未示出光学纤维115)。P光可以较小的数值孔径(或发散度或进入角)被聚焦的光学纤维中(诸如核心中)，同时空间上与P光分离的S光可以较大的数值孔径1125聚焦到光学纤维中(例如其包覆中)。以这种方式，通过由半波片1105对输入光束的功率进行分配，可简单地改变S光和P光对组合输出光束的贡献。在一些实施例中，S光被聚焦到光纤核心上，而P光被聚焦到光纤包覆上。在其他实施例中，在输入光束被基于偏振而分开、其相对功率通过半波片1105分配后，S光和P光被导向并穿过偏振扰频器1130，偏振扰频器1130使不同光束在聚焦到光纤的不同位置之前去偏振(例如，向光束施加随机偏振或同时施加S和P偏振)。偏振扰频器可包括例如四分之一波片，或基本由例如四分之一波片构成。图11B示出了图11A中的激光***1100的数值孔径1120,1125内的输入光束功率的示意图。
尽管图11A的激光***1100根据偏振状态将输入光束分成多个空间上基本无重叠地耦合到光学纤维中的多个光束，但多个光束也可以是部分重叠的，如图11C所示。在图11C中，输入光束105-1,105-2的功率也是通过按需旋转半波片1105而在S光和P光之间分配的，而所获得的光束被光束位移器1135分成S组份和P组份。光束位移器1135大致上将非偏振光分成具有正交偏振、且以不同角度传播的偏振光束，光束位移器1135包括单轴晶体材料，诸如钒酸钇(YVO4)、硼酸钡(α-BBO)、方解石晶体或金红石，或者基本由上述单轴晶体材料构成。输入光束的S组份和P组份被聚焦透镜110聚焦到光学纤维的不同但重叠的区域，其中S光以较小的数值孔径(或发散度或进入角)1120被聚焦到光学纤维，而P光以较大的数值孔径1125被聚焦到光学纤维中(例如，包覆和部分核心中)，P光和S光在进入光纤时即重叠。图11D示意性地示出了数值孔径1120,1125之间的功率分布，显示了两种光束组份之间的重叠。如图11A的激光***1100所示，通过半波片1105将输入光束功率相对地分配为S组份和P组份，能够可变地选择输出BPP。
图11E示出了根据本发明的实施例的示例性激光***1100，其中输入光束105-1,105-2的总功率的高至50％可以被分配给光学纤维的较大数值孔径1125，其余部分被分配给较小数值孔径1120。在图11E中，输入光束105-1,105-2最初为随机偏振的且/或穿过可选的偏振随机发生器1140(例如四分之一波片)。如图11A所示，然后输入光束被偏振分束器1110分成S组份和P组份，且S组份被导向反射器1115。然后被反射的S组份被半波片1145再偏振化成同时具有S偏振和P偏振的光束，旋转该半波片1145以选择所得光束中的S偏振和P偏振的相对量。偏振光束被导向第二偏振分束器1150，该第二偏振分束器1150将光束中的P组份导向聚焦透镜110，聚焦成较大的数值孔径1125。以这种方法，初始输入光束105-1,105-2的功率的高至50％(即，被偏振分束器1110初始分成S偏振的功率的100％)被分配为较大数值孔径1125。来自半波片1145的S光被从偏振分束器1150导向至另一偏振分束器1155，并于此与从初始级偏振分束器1110出射的P光重新组合。如图所示，重新组合的光被聚焦为较小的数值孔径1120。
类似图11C，具有随机偏振输入光束的激光***1100也可在两种具有光重叠的数值孔径之间分配光功率。图11F描述了这样一种示例性的激光***1100，其中输入光束105-1,105-2最初为随机偏振的和/或穿过光学偏振随机发生器1140(例如四分之一波片)。像图11C一样，光束被导向光束位移器1135，其将输入光束分成S组份和P组份。这些组份穿过半波片1160，然后传播到光束组合器1165。光束组合器1165通常包括与光束位移器1135相同的光学部件，或基本由与光束位移器1135相同的光学部件构成，光束组合器1165只以相对的方式使用，将S组份和P组份在其输出端重新组合。如图所示，半波片1160的旋转会将输入光束105-1,105-2的初始功率全部或部分地分配给较小数值孔径1120或较大数值孔径1125中的每一个(当光被聚焦透镜110聚焦时)。
图11G和图11H示意性地示出了图11F所示激光***1100的两个极端例子。图11G中，半波片1160被旋转到例如0度或90度，因此输入光束105-1,105-2的所有初始功率被分配为较小的数值孔径1120。图11H中，半波片1160被旋转到例如45度，因此输入光束105-1,105-2的所有初始功率被分配为较大的数值孔径1125。
根据本发明的多个实施例，输入光束可根据偏振而分离，以在多包覆光学纤维的不同包覆层之中进行功率分配。图11I示出了一种示例性的激光***1100，其类似图11A所示的激光***，除了反射器1115是倾斜的，以使分离的S组份和P组份之间以非零角度1170(而非相互平行)朝聚焦透镜110传播。如上文所述，半波片1105的旋转会将输入光束105-1,105-2的全部功率在两种偏振状态之间分配，其中一种被聚焦到点1175(例如，聚焦到光学纤维的核心)，另一种(由于角度1170)被聚焦到不同于点1175的点1180(例如，聚焦到包覆层，例如光学纤维的围绕内包覆层的外包覆层)。类似地，图11J示出了一种示例性的激光***1100，其类似图11C所示的激光***，除了光束位移器的表面1185以一角度被切割(或形成楔形)，以使分离的S组份和P组份之间以非零角度1170(而非相互平行)朝聚焦透镜110传播。如上文所述，半波片1105的旋转会将输入光束105-1,105-2的全部功率在两种偏振状态之间分配，其中一种被聚焦到点1175(例如，聚焦到光学纤维的核心)，另一种(由于角度1170)被聚焦到不同于点1175的点1180。图11K示出了图11I和11J所示的激光***1100的光纤115内部的空间区域中的功率分布的示意图。如图所示，被导向点1175的光被入耦合到光纤的核心125中，而被导向点1180的光被耦合到围绕第一包覆层130-1的第二包覆层130-2中。在其他实施例中，被导向点1180的光可被耦合到多核心/多包覆光纤的第二核心中或不同的包覆中。尽管这些例子是图11A和图11C的利用线性偏振输入光的激光***的变形，相同的原理可应用到图11E和11F利用随机偏振输入光的***。
图12A示出了示例性的激光***1200，其在功能上类似于图11E中所示的激光***1100，其中半波片1145的旋转会将输入光束105-1,105-2的总功率全部或部分地分配给较小数值孔径1120或较大数值孔径1125。在图12A的激光***1200中，输入光束可以为随机偏振的或在最初穿过诸如四分之一波片(未示出)的偏振随机发生器，输入光束传播到具有偏振分束表面1210和高反射表面1215的基本上光学透明的板1205。如图所示，偏振分束表面1210将输入光束分成S组份和P组份，S组份从偏振分束表面1210被反射到半波片1145，P组份穿过板1205并被反射表面1215反射到半波片1145。如此处描述的，半波片1145的旋转将总功率分配成S组份和P组份，然后S组份和P组份传播到第二基本光学透明板1220，该板1220具有偏振分束表面1225和高反射表面1230。如图所示，板1220(和/或其反射表面和/或偏振分束表面)大致平行于板1205(和/或其反射表面和/或偏振分束表面)。光与板1220的表面1225,1230的相互作用将通过半波片1145分配的光重新分配成被聚焦透镜110聚焦为较小数值孔径1120和较大数值孔径1125的组份。
图12B示出了一种根据本发明的实施例的示例性激光***1200，其类似图12A中所示的激光***1200。在图12B所示的激光***1200中，基本上光学透明的板1205,1220(和/或其反射表面和/或偏振分束表面)以相对的角度被放置，即从零度旋转相同的距离，但方向相反。这种布置可使板更容易地相对于彼此安装，且进入聚焦透镜110的光基本沿着与初始输入光束105-1,105-2相同的路径传播。像图12A的激光***1200中的那样，输入光束105-1,105-2传播到板1205，分成S组份和P组份，并反射到半波片1145。半波片1145的旋转将功率在S组份和P组份之间分配，然后S组份和P组份被反射器1235反射到板1225。像图12A的激光***1200一样，聚焦透镜110将分配的光束聚焦为较小的数值孔径1120和较大的数值孔径1125。
图12C示出了根据本发明的多个实施例的类似的激光***1200。如图所示，输入光束105被导向板1205，分成S组份和P组份，它们被反射至反射器1240并且然后进入半波片1145。半波片1145的旋转将功率在S组份和P组份之间分配，然后S组份和P组份被反射器1245反射到板1225。在图12C的激光***中，板1205，1220和/或反射器1240,1245以相对角度放置。像图12A的激光***1200一样，聚焦透镜110将分配的光束聚焦为较小的数值孔径1120和较大的数值孔径1125。
此处所用的术语和表述是作为描述所用而非限定性的，在使用这些术语和表达时，并不旨在排除任何所示和所描述特征的等同物或其部分，但应该认可的是在所要求的发明的范围内各种修改都是可能的。

Claims (32)

1.一种光束参数调节及聚焦***，用于接收和改变来自多个光束源的多个辐射光束的空间分布并以改变的空间分布将辐射聚焦到光学纤维的端面上，所述辐射光束中的每一个具有偏振状态且整体上具有空间分布，所述***包括：
第一光学元件，用于将所述辐射光束中的每一个分离成多个空间上位移的输出光束，所述分离基于所述偏振状态；
聚焦光学元件，用于将所述输出光束合并到所述光学纤维端面；以及
第二光学元件，用于(i)改变所述辐射光束中的至少一个的偏振状态和/或(ii)在多个输出光束中的每一个被所述聚焦光学元件合并之前改变至少其中一个的偏振状态，由此使所述合并后的输出光束的输出空间分布不同于所述辐射光束的空间分布，所述输出分布由所述基于偏振的分离而确定。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述第二光学元件为半波片。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述第一光学元件为偏振分束器，用于根据所述辐射光束的偏振状态将所述辐射光束分离成所述输出光束。
4.根据权利要求2所述的***，其中所述半波片位于所述偏振分束器的光路上游。
5.根据权利要求3所述的***，还包括偏振随机发生器，其位于所述聚焦光学元件的光路上游，用于使所述输出光束的偏振状态随机化。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述偏振随机发生器为四分之一波片。
7.根据权利要求5所述的***，其中所述偏振随机发生器为偏振扰频器。
8.根据权利要求2所述的***，其中所述第一光学元件为双折射光束位移器，用于根据所述辐射光束的所述偏振状态空间位移所述辐射光束中的至少一些。
9.根据权利要求8所述的***，其中所述光束位移器为单轴双折射的，由此，所述辐射光束中的每一个被分离成一个沿着所述光束位移器的光轴传播的寻常光束和一个偏离所述光轴传播的非寻常光束。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述寻常光束和所述非寻常光束中的每一个之间的功率分布取决于相应的辐射光束的偏振组份。
11.根据权利要求1所述的***，其中所述第一光学元件包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，所述第二光学元件包括置于所述第一偏振分束器和所述第二偏振分束器之间并沿其光轴的半波片，其中(i)所述第一偏振分束器根据所述辐射光束的偏振状态将所述辐射光束分离成多个空间上移位的中间光束，所述中间光束中的一些但不是所有沿着所述辐射光束的光路传播，且所述中间光束中的一些平行于所述辐射光束的所述光路而传播但空间上从所述辐射光束的光路移位，(ii)所述第二光学元件拦截并改变所述移位的中间光束中的至少一些的偏振状态，以及(iii)基于被所述第二光学元件拦截的移位的中间光束的改变的偏振状态，所述第二偏振分束器将移位的中间光束中的至少一些与未被移位的所述中间光束合并。
12.根据权利要求11所述的***，还包括四分之一波片，其位于所述第一偏振分束器的光路上游，用于建立所述辐射光束的所述偏振状态。
13.根据权利要求1所述的***，其中所述第一光学元件包括第一双折射光束位移器和第二双折射光束位移器，所述第二光学元件包括置于所述第一光束位移器和所述第二光束位移器之间并沿其光轴的半波片，其中(i)基于所述辐射光束的偏振状态，所述第一光束位移器将所述辐射光束中的每一个移位成一个沿着所述光束位移器的光轴传播的寻常中间光束和一个偏离所述光轴传播的非寻常中间光束，(ii)所述第二光学元件拦截并改变所述寻常中间光束和所述非寻常中间光束的偏振状态，以及(iii)所述第二光束位移器基于所述寻常中间光束和所述非寻常中间光束的改变的偏振状态将所述中间光束移位。
14.根据权利要求13所述的***，其中还包括四分之一波片，其位于所述第一双折射光束位移器的光路上游，用于建立所述辐射光束的所述偏振状态。
15.根据权利要求12所述的***，其中所述半波片围绕其光轴的旋转角度确定光束功率在辐射光束的最大数值孔径和所述辐射光束的最小数值孔径之间的分配。
16.根据权利要求3所述的***，其中所述偏振分束器具有成角度的顶部反射表面，以使得所述输出光束以相对于所述辐射光束的光路为非平行的角度传播。
17.根据权利要求8所述的***，其中所述偏振分束器为楔形，以使得所述输出光束以相对于所述辐射光束的光路为非平行的角度传播。
18.根据权利要求1所述的***，其中所述第一光学元件包括空间分离的、光学透明的第一板和第二板，其彼此平行取向但相对于所述辐射光束的光路成角度，所述第二光学元件为介于所述第一板和所述第二板之间的半波片，所述第一板和所述第二板中的每一个具有朝向所述第二光学元件的双折射表面以及与所述双折射表面相对的高反射表面。
19.根据权利要求18所述的***，其中所述半波片围绕其光轴的旋转角度确定光束功率在辐射光束的最大数值孔径和辐射光束的最小数值孔径之间的分配。
20.根据权利要求1所述的***，其中所述第一光学元件包括至少一个反射器以及空间分离的、光学透明的第一板和第二板，所述第一板和所述第二板相对于所述辐射光束的光路以相对的角度取向，所述第二光学元件为半波片，所述第一板和所述第二板中的每一个具有朝向所述第二光学元件的双折射表面以及与所述双折射表面相对的高反射表面。
21.根据权利要求20所述的***，其中所述第一板和所述第二板沿着所述辐射光束的所述光路放置，所述反射器在空间上与所述辐射光束的所述光路分离，所述半波片被放置在所述第一板和所述反射器之间，所述第一光学元件和所述第二光学元件被布置为使来自所述第一板的中间光束穿过所述半波片并被反射器反射到所述第二板，所述中间光束由所述第二板传播穿过所述聚焦光学元件。
22.根据权利要求20所述的***，其中所述第一板和所述第二板沿着所述辐射光束的所述光路放置，第一反射器和第二反射器在空间上与所述辐射光束的所述光路分离，且相对于彼此以相对的角度取向，所述半波片被放置在所述反射器之间，所述第一光学元件和所述第二光学元件被布置为使来自所述第一板的中间光束被所述第一反射器导向穿过所述半波片，并被第二反射器导向所述第二板，由此传播穿过所述聚焦光学元件。
23.一种光束参数调节及聚焦***，用于接收和改变来自多个光束源的多个辐射光束的空间分布并以改变的所述空间分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上，所述***包括：
包括反射性表面的可变形反射镜以及用于改变所述反射性表面的构造的控制器；以及
聚焦光学元件，
其中，所述可变形反射镜和聚焦光学元件被布置为使得所述可变形反射镜接收所述辐射光束并将它们导向穿过所述聚焦透镜到达所述端面，所述控制器响应于目标辐射功率分布并被构成为产生使得所述辐射光束以所述目标辐射功率分布入射到所述端面的反射镜构造。
24.根据权利要求23所述的***，其中所述反射性表面具有可控的相位偏差，所述相位偏差产生所述目标辐射功率分布。
25.一种光束参数调节及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的所述空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上，所述***包括：
渐变折射率透镜，其折射率在所述透镜的光轴上不变，但在垂直于所述光轴的方向上改变；
在所述透镜中引入扭变的装置，以改变从所述透镜出射的光束的束腰；以及
控制器，用于控制所述扭变引入装置以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。
26.根据权利要求25所述的***，其中所述扭变引入装置为局部加热器、指向透镜的辐射源、改变所述透镜光学性质的声光调制器、或者改变透镜光学性质的电光调制器中的至少一个。
27.一种光束参数调节及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的所述空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上，所述***包括：
聚焦光学元件；
加热源，用于在所述聚焦光学元件中引入基于热的扭变，以改变从中出射的光束的束腰；以及
控制器，用于控制所述加热源，以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。
28.一种光束参数调节及聚焦***，用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并以改变的所述空间功率分布将所述辐射聚焦到光学纤维的端面上，所述***包括：
聚焦光学元件；
光纤端盖，从所述聚焦光学元件将辐射光学地耦合到所述光纤端面中；
在所述光纤端盖中引入扭变的装置，以改变从所述聚焦光学元件出射的光束的束腰；以及
控制器，用于控制所述扭变引入装置以在所述端面上实现目标的改变的空间功率分布。
29.根据权利要求28所述的***，其中所述扭变引入装置为局部加热器、指向端盖的辐射源、改变所述端盖光学性质的声光调制器、或者改变端盖光学性质的电光调制器中的至少一个。
30.一种光束参数调节及聚焦***，用于改变多个辐射光束的空间功率分布，所述***包括：
多个光束源，用于发射辐射光束；
聚焦光学元件，用于将来自所述光束源的辐射聚焦到光学纤维的端面上；以及
光束路径调节器，用于移动所述光束以在所述端面上实现目标空间功率分布，
其中，所述光束路径调节器是如下的光束调节器的集合体，其中每个光束调节器接收一个光束，和/或所述光束路径调节器改变所述辐射光束之间的间距。
31.根据权利要求30所述的***，其中所述光束路径调节器使光束中的至少一些相对于所述聚焦光学元件移动，以实现目标空间功率分布。
32.根据权利要求30所述的***，还包括用于选择性地改变所述光束中的至少一个的功率的装置，以实现目标空间功率分布。
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