CN113741041B - 共振光纤光束操纵器 - Google Patents

Abstract

具有使光束以规则周期在渐变折射率光纤中重新成像的折射率分布的渐变折射率光纤可以包括一组弯曲部，其弯曲周期与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配。例如，可以使用一个或多个弯曲设备在渐变折射率光纤中形成该一组弯曲部，该弯曲设备包括一个或多个突起，该突起具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性。一个或多个弯曲设备的第一部分可以被致动以朝向一个或多个弯曲设备的第二部分移动，使得一个或多个突起导致在渐变折射率光纤中形成弯曲部。

Description

共振光纤光束操纵器

相关申请

本申请要求2020年5月29日提交的题目为“RESONANT FIBER OPTIC BEAMMANIPULATOR”的美国临时专利申请号63/032,219的权益，其内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本公开总体上涉及操纵或以其他方式路由光束通过光纤，更具体地，涉及操纵或以其他方式路由光束通过具有一组弯曲部的渐变折射率光纤(graded index fiber)，该一组弯曲部具有与渐变折射率光纤的节距(pitch)匹配或几乎匹配的弯曲周期。

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/或其他应用。具体而言，激光材料处理通常包括使用一根或多根光纤将高功率和/或高强度激光束传送到将在其上执行激光材料处理的工件。例如，典型的光纤传送激光材料处理***可以包括激光源(例如，一个或多个光纤激光模块)、光学耦合器单元、传送光纤(通常长度为10-50米，并且包含在可以在一端或两端插接的传送缆中)和处理头。处理头是一光学组件，包括输送光纤的接收器、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。在操作中，激光源将激光发射传输到光学耦合器单元中(例如，通过自由空间或通过单独的光纤)，并且可以通过光纤或通过自由空间在内部传输发射并且可以放大或缩小发射的光学耦合器单元将激光发射耦合到传送光纤中。然后，传送光纤将激光传输到处理头，处理头将激光投射到与执行材料处理任务相关联的工件上。因此，激光材料处理的优点可以包括高生产率、处理的非接触性质、提高的质量、激光束的传送点的高精度和移动性等。

在激光材料处理的背景下出现的一个挑战涉及到光纤束成形(例如，用于切割、焊接等)，这是高功率激光材料处理的一个日益重要的方面。例如，在某些情况下，可以利用光纤激光器的高功率和优异的光束质量，在具有低变形和最小热影响区的窄熔合区中进行具有高纵横比穿透分布的“锁眼焊接”。在其他示例中，具有较低功率密度的较大激光光斑(spot)尺寸可用于执行可用于美观焊接的较浅“传导焊接”，以最小化对后处理步骤等的需求。在其他示例中，处理不同的材料或具有不同厚度的材料可能需要光束的不同属性(例如，一些材料可能需要高亮度、小光斑尺寸，而其他材料可能需要更大、更高发散度的光束)。因此，可能需要一种激光***，其具有光束成形能力和在多个状态之间循环或转换的能力，以便控制和/或改变光束的特性。

发明内容

根据一些实施方式，光学组件可以包括：提供光束的输入光纤；以及耦合到输入光纤的渐变折射率光纤，其折射率分布使得光束以具有节距长度的规则周期在渐变折射率光纤中重新成像，其中渐变折射率光纤包括一组弯曲部，其弯曲周期与渐变折射率光纤的节距长度匹配或几乎匹配。

根据一些实施方式，一种方法可以包括：将渐变折射率光纤路由(routing)通过一个或多个弯曲设备，其中所述一个或多个弯曲设备包括一个或多个突起，所述突起具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性；以及致动所述一个或多个弯曲设备的第一部分，以朝向所述一个或多个弯曲设备的第二部分移动，使得所述一个或多个突起导致在所述渐变折射率光纤中形成一系列弯曲部，其中所述一个或多个突起的周期性导致所述一系列弯曲部具有与所述渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期。

根据一些实施方式，弯曲设备可以包括：适于接收渐变折射率光纤的调节台(stage)，其中调节台包括具有第一组突起的第一部分和具有第二组突起的第二部分，其具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性；以及致动机构，用于使调节台的第一部分向调节台的第二部分移动，使得第一组突起和第二组突起在渐变折射率光纤中形成一系列弯曲部。

附图说明

图1是渐变折射率光纤的示意图；

图2是可用于在渐变折射率光纤中施加一个或多个弯曲部的弯曲设备的一个或多个示例实施方式的示意图；

图3是以级联配置布置的多个弯曲设备的一个或多个示例实施方式的示意图；

图4A-4C是与使用本文描述的弯曲设备和方法操纵的渐变折射率光纤的传播长度相关的示例图；

图5是使用一个或多个弯曲设备在渐变折射率光纤中施加一组弯曲部的示例过程的流程图。

具体实施方式

示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以标识相同或相似的元件。

如上所述，光纤束成形是高功率(例如，大于100瓦(W))激光材料处理和/或可能需要可光栅化光纤源的其他应用(例如，光检测和测距(LIDAR)、内窥镜显微镜和/或类似应用)的日益重要的方面。例如，在激光材料处理的背景下，希望激光器能够控制和改变光束特性的激光，因为不同的材料或具有不同厚度的材料可能需要光束的不同特性。例如，薄不锈钢(例如，厚度小于3毫米(mm)的不锈钢)通常需要高亮度、小光斑，而较厚的低碳钢(例如，厚度大于12mm的钢)可能需要较大、较高发散度的光束。

因此，设计具有光束成形能力的激光***的一个重要因素是提供在产生具有不同特性的光束的多个状态之间循环或转换的能力。然而，需要一种致动方法来在不同状态之间切换，这对于千瓦(kW)激光器来说是一挑战，因为致动方法必须是基本无损的。例如，电信和/或数据通信应用中使用的交换机可能会导致0.5分贝(dB)或更高的损耗，这对于如此高的功率是不可接受的。除了希望将整个***保持在光纤中以提高可制造性和减少对准公差之外，还需要提供无损致动方法来在不同状态之间切换，这极大地限制了可能的致动选项。尽管一种简单的致动方法可以是具有两个可以独立开启和关闭的激光引擎，但是这种致动方法显著增加了***成本。

渐变折射率光纤是两个独立控制的激光引擎的一种可能替代方案。特别地，渐变折射率光纤通常具有折射率分布，其平方为抛物线或近似抛物线，如下式所示：

其中n₁是峰值(或最大)折射率，r是径向坐标(例如，距渐变折射率光纤中心的距离)，并且f是渐变折射率光纤的焦距，与渐变折射率光纤的节距相关。因此，弯曲渐变折射率光纤通常导致光束中心的平移，与弯曲部的曲率(1/局部弯曲半径(R_bend))成比例。位移(Δx)还取决于渐变折射率光纤的特性，例如渐变折射率光纤的焦距(f)和峰值/最大折射率(n₁)，如下式所示：

因此，提供全光纤光束开关的一种潜在方法是使用渐变折射率光纤并将渐变折射率光纤绝热地弯曲到不同的程度，从而根据弯曲部的曲率可以实施方式光纤内不同的光束偏移位置。然而，对于较大的偏移，绝热弯曲需要较长的弯曲光纤长度和较大的整体弯曲角度，并且可能在光纤上造成显著的应力，这可能导致断裂。此外，如果希望这种偏移实现进入第二光纤(例如，多芯光纤、多旋转光纤等)的可变偏移发射，则应力正好发生在拼接点，这使得拼接(spice)优化更加困难，并且使得拼接更容易故障。

本文所述的一些实施方式涉及一种设备和方法，其使用渐变折射率光纤的周期性再成像特性来在光纤内路由光束或者使用一系列良好控制的弯曲部在空间平移光束。这样，通过使用一系列强度较小的弯曲部而不是单个长绝热弯曲部，这里描述的一些实施方式可以实现更大范围的光束转向(例如，相对于单个弯曲部)，因为大的弯曲部可能受到施加到光纤的局部应力的限制。此外，或者可替换地，可以在渐变折射率光纤中形成处于良好控制位置的单个短弯曲部(而不是一系列弯曲部)，这可以减少渐变折射率光纤上的应力，并且减少对弯曲设备进行精确调节以适应特定渐变折射率光纤的周期性或节距的需要。此外，通过在光纤内路由光束，本文所述的一些实施方式可以消除或减少进入路由设备的输入/输出耦合损耗，并且通过减少对准公差来提高可制造性。此外，本文所述的一些实施方式可用于在空间和角度上对光束进行路由，从而使受控的二维光束转向出光纤。在一些实施方式中，本文所述的设备和方法可用于千瓦级光纤束成形或其它领域，例如激光雷达、内窥镜显微镜和/或任何其它需要可光栅化光纤源的合适应用。

图1示出了渐变折射率光纤的示例100。更具体地，如本文所述，渐变折射率光纤的折射率分布的平方可以是抛物线形或近似抛物线形(例如，在芯区域)，其中折射率在从渐变折射率光纤的轴线到特定径向位置的径向方向上平滑变化。换句话说，渐变折射率光纤具有横截面为抛物线或近似抛物线的折射率分布，并且沿着渐变折射率光纤的长度是均匀的。因此，通过渐变折射率光纤传播的光线遵循通过渐变折射率光纤的抛物线或接近抛物线的折射率分布(profile)的周期性轨迹。例如，如图1所示，源自点光源(例如，激光源、耦合到激光源的输入光纤和/或类似物)的一条或多条光线可以传播通过渐变折射率光纤。

由于渐变折射率光纤的周期性成像特性，点光源在每个节距都被精确地重新成像(并且每半个节距被成像但被反转)。数学上，穿过渐变折射率光纤的单个节距的光线被计算为四个连续的傅立叶变换，表示准直(例如，在第一个四分之一节距中)、聚焦到反转图像(例如，在第二个四分之一节距中)、准直(例如，在第三个四分之一节距中)以及再次聚焦(例如，在第四个四分之一节距中)。在一些实施方式中，当拉伸渐变折射率光纤时，渐变折射率光纤的节距由芯直径和数值孔径(aperture)决定。在一些实施方式中，如本文所述，与绝热弯曲相比，弯曲周期与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的渐变折射率光纤的周期性弯曲产生更强和更通用的光路修改。

如上所述，图1是作为示例提供的。其他示例可以不同于图1所描述的。

图2是弯曲设备210的一个或多个示例实施方式200的示意图，该弯曲设备210可用于在渐变折射率光纤215中施加一个或多个弯曲部。在一些实施方式中，如本文所述，弯曲设备210可被设计成基于渐变折射率光纤215的周期性成像行为，以每奇数个四分之一节距(例如，每半个节距，从第一个四分之一节距开始)在交替方向上对渐变折射率光纤215施加一系列弯曲部。以这种方式，该系列弯曲部可以具有与渐变折射率光纤215的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期。例如，对于理想的光纤，弯曲设备210的周期将等于渐变折射率光纤215的节距。然而，由于光纤制造公差，制造的节距可能偏移标称值。为了校正制造的节距和标称值之间的偏差，弯曲设备210可以被制造成具有比渐变折射率光纤215的节距短的周期，并且弯曲设备210可以被放置在旋转台220上。在一些实施方式中，旋转台220可以包括旋钮或其他旋转机构，以相对于渐变折射率光纤215旋转弯曲设备210，从而延长施加到渐变折射率光纤215的有效周期，并且能够原位调节导致渐变折射率光纤215中形成弯曲部的扰动周期。

如本文所述，对于施加在渐变折射率光纤215上的给定可接受的曲率水平，弯曲设备210可以允许光束比使用单个绝热弯曲部位移大约4N倍，其中N是渐变折射率光纤215中的节距数。换句话说，对于目标量的光束偏移，弯曲设备210能够使用渐变折射率光纤215上大约1/4N倍的弯曲曲率来实现光束偏移。因此，弯曲设备210比绝热弯曲更有效地利用渐变折射率光纤215的弯曲特性。这样，弯曲设备210在渐变折射率光纤215上施加小得多的应力，提供大得多的性能，并显著简化机械实施。

如图2所示，标称长度为N节距的渐变折射率光纤215路由通过弯曲设备210。在一些实施方式中，弯曲设备210具有一个或多个突起235、245，突起235、245的周期(Λ)与渐变折射率光纤215的节距匹配或几乎匹配(例如，阈值量短于该节距)。在中性设置下，弯曲设备210的突起235、245不与渐变折射率光纤215接触，或者几乎不与渐变折射率光纤215接触。因此，在中性设置中，突起235、245不对渐变折射率光纤215施加力。一般来说，如上所述，在渐变折射率光纤215的入口处同轴(on-axis)发射的光离开同轴(Δx＝0)，并且被精确地再成像。这种光纤状态对于产生名义上未受干扰的高光束质量输出状态是特别有用的。

在一些实施方式中，弯曲设备210包括致动机构225，例如千分尺旋钮和/或类似物，其可被调节以使弯曲设备210的第一部分230朝向弯曲设备210的第二部分240移动。在一些实施方式中，当致动机构225被调节以朝向第二部分240移动第一部分230时，突起235、245导致渐变折射率光纤215以波状图案弯曲。在一些实施方式中，弯曲设备210可以对准(align)，使得第一部分230的一个或多个突起235和第二部分240的一个或多个突起245与渐变折射率光纤215的奇数四分之一节距长度对准。这样，当突起235、245导致渐变折射率光纤215以波状图案弯曲时，可以在渐变折射率光纤215中形成一系列弯曲部，该系列弯曲部中的第一弯曲部与渐变折射率光纤215的第一四分之一节距长度对准，并且该系列弯曲部中的每个弯曲部与相邻弯曲部间隔半节距长度。因此，在渐变折射率光纤215中形成的一系列弯曲部与渐变折射率光纤215的固有周期性共振。小的局部弯曲部相当于在渐变折射率光纤215中引入倾斜，并且因为倾斜的傅立叶变换是一偏移，所以最终效果是通过渐变折射率光纤215传播的光束每半个节距逐渐偏移渐变折射率光纤215的中心，如曲线图250所示。每半个节距发生的弯曲(或倾斜)相对于渐变折射率光纤215的轴线在符号(sign)上相反，这补充了渐变折射率光纤215每半个节距的图像翻转行为，并允许偏移相长地增加。因此，总偏移可由弯曲设备210的周期数以及弯曲设备210的两个部分230、240朝向彼此移动的程度来控制。

在一些实施方式中，如图2所示配置弯曲设备210可以提供强度与一阶渐变折射率光纤215的焦距无关的弯曲。以这种方式，渐变折射率光纤215可以根据其他***约束自由选择，例如更好的模式匹配于与耦合到渐变折射率光纤215以向渐变折射率光纤215提供光束的输入光纤，与渐变折射率光纤215耦合以在穿过渐变折射率光纤215之后接收光束的输出光纤，等等。在这种情况下，弯曲设备210的周期(例如，导致在渐变折射率光纤215中形成弯曲的突起235、245的周期性)可以被调节为对应于渐变折射率光纤215的节距。一般来说，弯曲设备210的光束移动行为并不强烈依赖于在渐变折射率光纤215中引起的周期曲线的精确形状。例如，渐变折射率光纤215可以弯曲成正弦图案或另一平滑变化的振荡曲线、交替的圆弧序列、由奇数四分之一节距位置附近的急弯连接的直线段或接近直线段的序列等。例如，如图2所示，当通过近点接触致动器弯曲时，渐变折射率光纤215可以具有自然的弹性弯曲形状，这产生了接近正弦曲线的平滑变化的曲线。

在弯曲设备210的一个数值示例中，由输入光纤提供的输入光束可以具有50微米的光斑直径和0.1弧度的发散度。使用焦距为750微米、数值孔径(NA)为0.21的熔融石英渐变折射率光纤215，并考虑由渐变折射率光纤215中的弯曲引起的应力光学效应，使用4个交替的弯曲(例如，对应于渐变折射率光纤215的两个节距，如图2所示)，每个弯曲2.4度，间隔3.5毫米的半节距长度，可以产生100微米的光束位置偏移，与实际光束尺寸50微米相比，这是一个实用且有用的量。2.4度的实际弯曲角度相对较小，并且在渐变折射率光纤215上致动简单，不会对渐变折射率光纤215造成损坏，也不需要复杂的光纤处理或几何形状。

在一些实施方式中，两个多弯曲设备210可以级联，一个接一个，其中多弯曲设备210以彼此垂直的取向进行取向。例如，渐变折射率光纤210的轴线沿方向z排列，第一多弯曲设备210可在x-z平面中操作，以及第二多弯曲设备210可在y-z平面中操作。因此，两个多弯曲设备210可以独立调节，以允许用户在x-y平面内任意移动光束，这在需要可光栅化或可寻址光束位置的许多应用中提供了有用的能力。附加地或替代地，二维寻址能力可以使用单个多弯曲设备210来实现，该多弯曲设备210可以在任何横向期望的方向上被致动。例如，图2所示的弯曲设备210可以另外绕光纤轴线旋转(例如，使用旋转机构)。此外，或者可替代地，接触渐变折射率光纤215的致动表面可以是平的堆叠凸片中的小环或小孔，其可以在每个致动器处二维移动渐变折射率光纤215。使用二维调节台而不是图2所示的一维台，环或孔的施加运动可以在x取向和y取向上调节。

在一些实施方式中，弯曲设备210被制成高精度的，因为模拟表明期望的偏转在10μm的数量级。因此，突起235、345可以被制造成精确地具有相同高度，或者至少在各个部分之间具有精确的镜像关系。例如，在一些实施方式中，弯曲设备210可以使用线放电加工等制造成高精度。

如上所述，图2被提供作为一个或多个示例。其他示例可以不同于图2所描述的。例如，图2所示的组件的数量和布置被提供作为示例。实际上，图2中所示的布置可以包括额外的组件、更少的组件、不同的组件或与图2中所示的那些不同布置的组件。附加地或替代地，图2中的一组组件(例如，一个或多个组件)可以执行被描述为由图2中的另一组组件执行的一个或多个功能。

图3是以级联配置布置的多个弯曲设备的一个或多个示例实施方式300的图。例如，如图3所示，输入光纤310耦合到以级联配置布置的第一弯曲设备320和第二弯曲设备330，在两个弯曲设备320、330之间具有四分之一节距渐变折射率光纤340。在一些实施方式中，弯曲设备320、330可以在相同的轴线、垂直轴线或另一个相互角度上工作。例如，在图3中，弯曲设备320、330被布置成在垂直轴线上工作。因此，第一弯曲设备320可以控制光束在y方向上离开四分之一节距渐变折射率光纤340的角度，第二弯曲设备330可以控制光束在x方向上的空间偏移。将两个弯曲设备320、330与两个弯曲设备320、330之间的四分之一节距渐变折射率光纤340相结合，允许在垂直轴线上控制光束偏移和光束偏转角(例如，分别为近场和远场)，从而产生斜光线。如果两个弯曲设备320、330取向在同一轴线上，则两个弯曲设备320、330可以产生子午线光线，再次独立地调节光束偏移和偏转角。在一些实施方式中，两个弯曲设备320、330之间的四分之一节距渐变折射率光纤340可以与多弯曲设备中的相同或不同，和/或四分之一节距渐变折射率光纤340可以包括多个渐变折射率元件，其净作用相当于一个四分之一节距渐变折射率元件。

在一些实施方式中，两个台320、330可以组合成一个多弯曲设备，其中渐变折射率光纤340可以每四分之一节距弯曲，而不是每奇数个四分之一节距弯曲。在这种情况下，奇数四分之一节距弯曲可以调节光束偏移，偶数四分之一节距弯曲可以调节光束角度，在总长度不是整数个半节距的情况下从输出端测量。如果奇数个四分之一节距弯曲的取向垂直于偶数个的，那么整个弯曲的光纤形状将近似为螺旋形，并且输出光将是倾斜的。另一方面，如果两组弯曲部平行，输出光将是子午线的。典型的四分之一节距长度在1毫米或更小的数量级，这种设备可能需要复杂的致动***，特别是如果设计目标是在光束偏移和光束偏转两方面提供完全的二维寻址能力。此外，为了对偏移和偏转提供相等的灵敏度，渐变折射率光纤340可以具有使得四分之一节距光束尺寸与输入光纤310提供的输入光束尺寸大致相同的焦距。因此，对于感兴趣的光束尺寸，渐变折射率光纤340可以具有几百微米的焦距。附加地或替代地，可以首先调节输入光束尺寸(例如，使用具有合适聚焦强度的单个四分之一节距渐变折射率光纤)，以将光束尺寸改变为期望的新光束尺寸，然后可以将扩展的渐变折射率光纤的更优选焦距用于弯曲阵列。

在一些实施方式中，如本文所述，渐变折射率光纤340中形成的弯曲可以具有弯曲周期等于或近似等于渐变折射率光纤340的节距的任何周期性弯曲形状。以这种方式，在渐变折射率光纤340中形成的弯曲可以用于操纵由渐变折射率光纤340承载的光的空间特性。在一些实施方式中，弯曲可以是二维的(例如，在x-z平面中，其中z是平均传播方向，例如简单的正弦曲线)，或者弯曲可以是三维的(例如，在x、y和z方向上，例如圆形螺旋线、椭圆螺旋线、在z方向上周期性的更复杂的三维形状，等)。在一些实施方式中，弯曲周期可以与渐变折射率光纤的节距精确匹配，或者弯曲周期可以与渐变折射率光纤的节距近似匹配±25％、±10％、±3％等。因此，为了与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配，可能需要弯曲周期和渐变折射率光纤的节距之间的偏差满足(例如，小于和/或等于)阈值(例如，±10％或更小)。在一些实施方式中，根据弯曲形状，弯曲设备可以在近场(偏移位置)、远场(光束指向方向)或两者中操纵光束。以这种方式，在渐变折射率光纤340中形成与渐变折射率光纤340的节距匹配或几乎匹配的弯曲比绝热弯曲提供了更多的通用性，绝热弯曲通常仅限于操纵近场。

此外，在一些实施方式中，可以在渐变折射率光纤340中形成单个弯曲部。通常，当使用单个弯曲部时，该单个弯曲部基本上等于或短于渐变折射率光纤340的半节距，并且该单个弯曲部位于渐变折射率光纤215中距离渐变折射率光纤215的一端至少四分之一节距的位置的中心。在这种情况下，与绝热弯曲相比，本文描述的一些实施方式可以显著增强弯曲效果。例如，在一些实施方式中，拼接组件可以包括提供光束的输入光纤、耦合到输入光纤并且长度为相对于渐变折射率光纤的成像节距长度的一半节距的渐变折射率光纤、以及能够从渐变折射率光纤接收修改的光束位置的输出光纤，其中弯曲被施加到渐变折射率光纤，以渐变折射率光纤的中间为中心并且在该中间处最强。在一些实施方式中，弯曲可以或可以不延伸到输入和/或输出光纤中，但是可以通常在输入和/或输出光纤中比在渐变折射率光纤中更弱，以便最小化施加到拼接点的弯曲应力。在这种情况下，拼接组件可能不同于典型的绝热弯曲光纤，因为弯曲的大部分长度应该等于或短于渐变折射率光纤的半节距，该半节距通常约为1-5毫米，并且如果目标是仅移动近场，则最强弯曲点将不会施加在输出拼接点处，而是在输出拼接之前约四分之一节距处，类似于绝热弯曲。

在一些实施方式中，光学***可以包括致动机构，该致动机构允许弯曲形状被调节，从而能实现输出光束的至少两种状态(例如，未扰动状态和修改状态)。然而，在最简单的情况下，静态周期性弯曲形状可被赋予渐变折射率光纤340，使得给定的输入状态被静态地转换成不同的输出状态(例如，与输入不同的光束位置和/或光束指向方向)。这种设备的一个示例可以包括全光纤旋转光束发生器，其中引起的光纤弯曲形状可以是螺旋形的，并且输出光束可以同时偏移光纤轴线并垂直于该偏移倾斜，形成偏斜特征和轨道角动量。如果渐变折射率光纤340要被拼接到输出阶跃折射率或环形折射率光纤，其半径与空间偏移相匹配，NA与光束倾斜角相匹配，那么偏移、偏斜光束将被捕获并保持在旋转光束中。这种静态旋转光束发生器可以通过制造包括从光纤中心轴线偏移的渐变折射率纤芯的光纤预成型件，并在拉伸过程中旋转光纤，使得偏移纤芯实际上遵循螺旋路径(即使光纤的外部可能看起来是直的)而以集成形式实现。如果在光纤拉伸过程中由相对于拉伸速率的旋转速率确定的螺旋节距等于或接近等于渐变折射率节距，则螺旋芯光纤可以产生静态横向偏移和光束偏转(例如，携带轨道角动量的倾斜光束)，当渐变折射率光纤340耦合到具有适当直径和NA的输出光纤(例如，阶跃折射率或环形光纤)中以引导旋转光束时，这可以产生环形旋转光束。这样，本文描述的一些实施方式可以产生紧凑且制造简单的旋转光束。例如，该结构可以只有几毫米或几厘米长，不需要逐渐变细，具有简单的光纤预成型件制造，并且可以在功率和亮度方面提供到旋转光束的有效转换。

在一些实施方式中，除了上述致动机构之外和/或作为上述致动机构的替代，不同的选项可以用作致动机构来提供两个或更多个输出状态。例如，在一些实施方式中，致动机构可以通过使用微操纵器的阵列等在每个半节距位置、每个四分之一节距位置控制渐变折射率光纤的二维横向位置来提供完全寻址能力。在另一个示例中，致动机构可以被布置成通过保持渐变折射率光纤为直的并稍微张紧以提供直的状态，并且扭曲渐变折射率光纤同时提供稍微松弛的张力，在直的光纤形状和螺旋光纤形状之间切换，使得渐变折射率光纤采用具有预定节距的螺旋状态。在另一个示例中，可以通过以预定的圈数将渐变折射率光纤围绕具有合适直径和刚度的第二(非光学)光纤扭曲，并且或者在松弛非光学光纤以提供直光纤状态的同时张紧光纤，或者在张紧非光学光纤的同时松弛光纤以迫使光纤形成螺旋构造，来实现直光纤形状和螺旋光纤形状之间的切换。

如上所述，图3被提供作为一个或多个示例。其他示例可以不同于图3所描述的。例如，图3所示的组件的数量和布置被提供作为示例。实际上，图3中所示的布置可以包括额外的组件、更少的组件、不同的组件或不同于图3中所示的布置的组件。附加地或替代地，图3中的一组组件(例如，一个或多个组件)可以执行被描述为由图3中的另一组组件执行的一个或多个功能。

图4A-4C示出了与使用本文所述的一个或多个弯曲设备和/或一种或多种方法操纵的渐变折射率光纤的传播长度相关的示例曲线图400、410、420。例如，如图4A所示，曲线图400示出了渐变折射率光纤内的光线轨迹，示出了在整数个节距附近传播的单一光线。源NA为0.1。如图4B所示，曲线图410示出了发射到不同渐变折射率光纤中的50μm和0.22NA阶跃折射率光纤的最低阶线性偏振基本模式(LP01)，其传播一定数量的节距。此外，参考图4C，曲线图420示出了即使是完美渐变折射率光纤的“像差”如何基于改变光斑尺寸来影响光束。相同输入光纤的高阶模式在相同的渐变折射率中传播一定数量的节距。因为该模式与渐变折射率的尺寸匹配性不那么好，所以较高阶的模式在每个节距内会经历更多的像差，并且扩展得更快。

因此，这里描述的弯曲设备和方法的一个挑战是要实现渐变折射率光纤的精确长度。如果渐变折射率光纤的长度明显长于或短于节距的整数倍，则输入光束可能具有“模糊不清”的图像，在更高的半径处具有功率，当耦合到传送光纤中时，这可能导致亮度(BPP)的损失。如图4A所示，对于大约5微米(μm)的紧密尺寸公差，长度公差与渐变折射率光纤焦距无关，并且仅取决于输入光束NA。对于较大的公差，焦距可能是一因素，较小的焦距更宽容(forgiving)。最宽容的配置是选择在近场和远场中产生完全相同光斑尺寸的渐变折射率焦距(例如，将渐变折射率与输入光束进行尺寸匹配)。对于输入光束半径(w)和发散度(θ)，合适的渐变折射率焦距为f＝w/θ。在此情况下，光束在传播时不会改变尺寸(尽管光束的形状可能会轻微振荡)。在此情况下，渐变折射率光纤的长度并不重要，弯曲阵列的起点相对于渐变折射率光纤的起点的位置也不重要。然而，弯曲阵列的周期与渐变折射率节距很好地匹配，并且最终弯曲相对于渐变折射率光纤末端的位置受到控制，因此可以实现对近场和/或远场的所需操纵。

此外，一个额外的设计考虑是渐变折射率“透镜”具有像差，类似于自由空间元件。例如，即使是具有完美抛物线折射率分布的渐变折射率光纤，也不能在每个节距都获得精确的图像，而是随着使用更多的节距，小的误差会累积。这些误差在很大程度上取决于输入光束的NA和尺寸。例如，如果输入是直径为50微米的0.22NA阶跃折射率光纤中的单个基本模式，则在正确焦距的渐变折射率中，即使经过100个节距，输入也可以几乎完美地重新成像，如图4B所示。然而，对于保持输入光纤的LP01模组的光斑尺寸的相同渐变折射率光纤，在该输入光纤中选择与渐变折射率光纤中的相应模式具有较差重叠的不同模式，每节距的像差逐渐增大，如图4C所示，即使光纤长度被完美选择。一般来说，对于给定的输入光纤，随着NA的增加，发生显著像差之前的渐变折射率节距的数量将会减少。这在数学上类似于使用一串透镜，每个透镜都有少量的球面像差。因此，在一些实施方式中，可以选择渐变折射率光纤的长度中的节距数量以满足阈值，该阈值基于与渐变折射率光纤的每节距累积的误差相关的一个或多个度量。例如，如图4C所示，在大约十(10)个节距的传播长度之后，像差显著增加，由此在一个示例中包括十个或更少节距的一段渐变折射率光纤中可以形成一系列弯曲部。

在一些实施方式中，在需要保持亮度的应用中，渐变折射率光纤的确切长度可能不是节距的整数倍。在一些实施方式中，可以选择设备长度来最小化光斑尺寸，而不是提供完美的整数节距(类似于将自由空间***对准最小混淆的圆，与近轴聚焦相反)。此外，根据光源，可以对折射率分布进行小的修改，以校正不同的像差。通过这种方式，折射率分布设计将不是精确的抛物线，而是稍微不同的函数，同时仍然是定性的渐变折射率。

此外，像差的考虑可能会影响所使用的扰动周期数。在光束“模糊化”之前，高NA源可能只提供少量的节距，而低NA源可能使用更多的节距。此外，千分尺平台上所需的偏转和公差也是一因素。在自动化***中，千分尺可以用压电体或类似物来代替，从而能够进行亚秒级的致动。此外，本文所述的一些实施方式可以具有改变有效长度以避免过度劈开和抛光来实现精确的长度(例如，通过加热、纵向应力、压缩应力等来改变光路长度)的机制。

如上所述，图4A-4C是作为一个或多个示例提供的。其他示例可能不同于图4A-4C所描述的。

图5是使用一个或多个弯曲设备在渐变折射率光纤中施加一组弯曲部的示例过程500的流程图。

如图5所示，过程500可以包括通过一个或多个弯曲设备路由渐变折射率光纤，其中一个或多个弯曲设备包括一个或多个突起，该突起具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性(框510)。例如，在一些实施方式中，如上所述，渐变折射率光纤100、215、340等可以路由通过一个或多个弯曲设备210、320、330等。在一些实施方式中，一个或多个弯曲设备210、320、330和/或类似物包括一个或多个突起235、245和/或类似物，其具有与渐变折射率光纤100、215、340和/或类似物的节距匹配或几乎匹配的周期性。

如图5中进一步示出的，过程500可以包括致动一个或多个弯曲设备的第一部分，以朝向一个或多个弯曲设备的第二部分移动，使得一个或多个突起导致在渐变折射率光纤中形成一系列弯曲部，其中一个或多个突起的周期性导致该系列弯曲部具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期(框520)。例如，在一些实施方式中，一个或多个弯曲设备210、320、330的第一部分230可以被致动以朝向一个或多个弯曲设备210、320、330的第二部分240移动，使得一个或多个突起235、245导致在渐变折射率光纤100、215、340等中形成一系列弯曲部。在一些实施方式中，一个或多个突起235、245的周期性使得该一系列弯曲部具有与渐变折射率光纤100、215、340等的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期。

过程500可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程和/或实施方式的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。

例如，在第一实施方式中，一个或多个弯曲设备可以包括第一弯曲设备320和第二弯曲设备330，第一弯曲设备320被布置成在第一取向上引起渐变折射率光纤中的第一系列弯曲部，第二弯曲设备330跟随第一弯曲设备320，以在第二取向上引起渐变折射率光纤中的第二系列弯曲部。

在第二实施方式中，单独或与第一实施方式结合，第一取向上的第一系列弯曲部和第二取向上的第二系列弯曲部可以彼此垂直或彼此平行。

在第三实施方式中，单独或与第一和第二实施方式中的一个或多个结合，第一系列弯曲部操纵在近场中穿过渐变折射率光纤的光束，第二系列弯曲部操纵在远场中穿过渐变折射率光纤的光束。

在第四实施方式中，单独或与第一至第三实施方式中的一个或多个结合，过程500包括相对于渐变折射率光纤旋转一个或多个弯曲设备，其中一个或多个突起的周期性短于渐变折射率光纤的节距，并且相对于渐变折射率光纤旋转一个或多个弯曲设备延长弯曲周期，以使弯曲周期与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配。

在第五种实施方式中，单独或与第一至第四种实施方式中的一种或多种结合，在渐变折射率光纤中形成二维或三维的一系列弯曲部。

尽管图5示出了过程500的示例框，但是在一些实施方式中，过程500可以包括与图5中所描绘的框相比额外的框、更少的框、不同的框或者不同排列的框。附加地或替代地，过程500的两个或更多个框可以并行执行。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。

如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。

即使特征的特定组合在本申请中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以本申请中没有具体叙述和/或公开的方式进行组合。尽管列出的各个实施方式可以直接依赖于仅一个实施方式，但是各种实施方式的公开包括各个实施方式以任何方式的组合。

除非明确说明，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只打算一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如这里所使用的，术语“有”、“具有”、“拥有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如在此使用的，术语“或”在以串联方式使用时意图是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。

Claims (20)

1.一种光学组件，包括：

提供光束的输入光纤；和

耦合到输入光纤的渐变折射率光纤，该渐变折射率光纤具有的折射率分布使得光束以具有节距长度的规则周期在渐变折射率光纤中重新成像，其中渐变折射率光纤包括一组弯曲部，该一组弯曲部具有的弯曲周期与渐变折射率光纤的节距长度匹配或几乎匹配。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述光束的规则周期和施加到所述渐变折射率光纤的该一组弯曲部是正弦曲线的。

3.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述一组弯曲部包括第一取向上的一个或多个弯曲部和第二取向上的一个或多个弯曲部。

4.根据权利要求3所述的光学组件，其中，第一取向上的一个或多个弯曲部控制光束在第一轴线上离开渐变折射率光纤的角度，并且其中第二取向上的一个或多个弯曲部控制光束在第二轴线上的空间偏移。

5.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述渐变折射率光纤包括一定数量的节距长度，并且其中所述一组弯曲部中的每个弯曲部与所述一组弯曲部中的相邻弯曲部间隔半节距长度。

6.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述渐变折射率光纤包括一定数量的节距长度，并且其中所述一组弯曲部中的第一弯曲部与所述渐变折射率光纤的第一四分之一节距长度对准。

7.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述一组弯曲部中的每个弯曲部相对于所述渐变折射率光纤的轴线具有与所述一组弯曲部中的相邻弯曲部相反的符号。

8.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述一组弯曲部仅包括单个弯曲部，该单个弯曲部以距离所述渐变折射率光纤的端部为至少四分之一节距的所述渐变折射率光纤的位置为中心。

9.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述渐变折射率光纤中的节距长度的数量满足一阈值，该阈值基于与累积所述渐变折射率光纤的每节距的误差相关的一个或多个度量。

10.一种用于处理渐变折射率光纤的方法，包括：

使渐变折射率光纤路由通过一个或多个弯曲设备，其中该一个或多个弯曲设备包括一个或多个突起，该一个或多个突起具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性；和

致动一个或多个弯曲设备的第一部分向一个或多个弯曲设备的第二部分移动，使得一个或多个突起导致在渐变折射率光纤中形成一系列弯曲部，其中一个或多个突起的周期性导致所述一系列弯曲部具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个弯曲设备包括第一弯曲设备和第二弯曲设备，所述第一弯曲设备被布置成在所述渐变折射率光纤中沿第一取向引起第一系列弯曲部，所述第二弯曲设备跟随所述第一弯曲设备，在所述渐变折射率光纤中沿第二取向引起第二系列弯曲部。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一取向上的第一系列弯曲部和第二取向上的第二系列弯曲部相互垂直或相互平行。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，第一系列弯曲部操纵在近场中穿过渐变折射率光纤的光束，并且其中第二系列弯曲部操纵在远场中穿过渐变折射率光纤的光束。

14.根据权利要求10所述的方法，还包括：

相对于渐变折射率光纤旋转所述一个或多个弯曲设备，其中一个或多个突起的周期性比渐变折射率光纤的节距短，并且其中相对于所述渐变折射率光纤旋转一个或多个弯曲设备延长弯曲周期，以使该弯曲周期与所述渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述渐变折射率光纤中形成二维或三维的一系列弯曲部。

16.一种弯曲设备，包括：

适于接收渐变折射率光纤的调节台，其中所述调节台包括具有第一组突起的第一部分和具有第二组突起的第二部分，其具有与渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的周期性；和

致动机构，用于使调节台的第一部分朝向调节台的第二部分移动，使得第一组突起和第二组突起在渐变折射率光纤中形成一系列弯曲部。

17.根据权利要求16所述的弯曲设备，其中，一个或多个突起的周期性使所述一系列弯曲部具有与所述渐变折射率光纤的节距匹配或几乎匹配的弯曲周期。

18.根据权利要求16所述的弯曲设备，其中，当所述调节台的第一部分和所述调节台的第二部分处于中性状态时，所述第一组突起和所述第二组突起不对所述渐变折射率光纤施加力，在所述中性状态下，所述渐变折射率光纤被路由通过所述调节台。

19.根据权利要求16所述的弯曲设备，还包括：

旋转台，该旋转台适于相对于渐变折射率光纤旋转所述弯曲设备。

20.根据权利要求16所述的弯曲设备，其中，所述致动机构能够调节所述一系列弯曲部的形状，使得由所述渐变折射率光纤输出的光束具有至少两种状态。