CN113891777A - 利用高频光束整形的材料加工 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，以时间模式将激光发射引导到光纤的不同区域和/或不同的光纤中，使得输出具有不同的空间输出轮廓。所述时间模式具有一频率，足以使得通过结合不同空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。

Description

利用高频光束整形的材料加工
相关申请
本申请要求2019年3月28日提交的美国临时专利申请No.62/825,108的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及利用具有可成形光束的高功率激光装置来处理(例如，焊接或切割)材料。
背景技术
高功率激光用于许多切割、蚀刻、退火、熔接、钻孔和焊料焊接应用。与任何材料加工操作一样，在费用和时间方面，效率可能是一个关键的限制因素；效率越低，成本就越高和/或用于处理给定材料的激光的运行就越慢。激光束的特性会影响效率，且不同的材料(如铜、铝、钢等)在加工时对光束特性的反应也不同。此外，这些材料的厚度会影响它们的响应。即，切割或焊接的性质可能随着光束的特性而变化，取决于材料和/或其厚度。
此外，即使对于相同的材料和厚度，材料的光学响应(以及从而最佳光束)也可能根据加工的几何形状而变化。例如，与具有例如尖角、曲线或其他特征的复杂形状相比，材料在长直线切割期间的光学响应可能不同。
此外，高功率激光***通常包括激光发射器和光学***，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学***将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。所述光学***通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)处的半径的乘积。BPP量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度，通常以毫米毫弧度(mm-mrad)为单位表示。(除非另有说明，本申请公开的BPP值以mm-mrad为单位。)高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M2表示，其是与波长无关的光束质量的度量。
基于光纤的激光加工***可以配置为通过例如一个或多个光学元件相对于激光束的移动(例如，进、出或在其内)在不同的光束形状之间进行选择。然而，这样的***可能很复杂并且需要昂贵的专用光学器件。此外，虽然传统的***可以配置为根据例如待加工的材料在多个光束形状中进行选择，但可能的光束形状的数量通常限于少数离散的形状。
虽然诸如WBC等技术已经成功地为各种应用产生了基于激光的***，但材料加工方面的挑战仍然存在。例如，具有针对以特定厚度切割特定材料而优化的光束形状的激光可能不适用于不同的材料、具有不同厚度的材料、具有可变厚度的材料以及甚至在相同材料上的不同类型和形状的切割。焊接工艺存在类似的挑战。此外，传统的***通常只能在几种不同的光束形状中进行选择，对于手头的任务来说，没有一种是完全最佳的。因此，需要激光***不仅能够优化针对特定材料和工艺的光束形状，而且能够在加工过程中快速改变光束形状，以便随着加工的进行“即时”优化光束形状。
发明内容
根据本发明的实施例，具有可成形输出光束的激光***用于优化和简化材料加工任务，例如切割和焊接诸如金属材料等的材料。在各种实施例中，用于传播光束的光纤的配置至少部分地决定了输出光束的形状。例如，光纤可以具有多个纤芯区域和/或多个包层区域，并且将光束输入耦合(in-coupling)到这种区域中的一个或多个中可以至少部分地确定最终输出光束的形状。在其他实施例中，光束可以被引导至不同的光纤，例如共用光纤束内的光纤，其中不同的光纤(和/或用于其中一根或更多根光纤的输入耦合位置)至少部分地确定输出光束的形状。
此外，本发明的实施例的特征在于一切换机构，配置为以高速率将激光束引导到光纤的不同区域中(或引导到不同光纤中)。切换速度产生由光纤结构实现的不同输出轮廓(至少为工件所经历的)的时间平均(或“合并”或“组合”)，从而实现用于加工的许多不同的有效输出光束。当与输出光束和正被加工的工件之间的相对运动相结合时，高速光束切换使材料加工具有针对诸如材料成分、加工几何形状、加工类型等因素优化的不同输出形状。有利地，本发明的实施例从而即使在优化最终光束轮廓和加工输出形状时也能够使用全部或基本上全部的输出光束功率。因此，本发明的实施例代表了对传统方法的改进，其中光束形状选择取决于输出光束功率的部分的阻挡或未利用。
在本发明的示例性实施例中，高速切换机构用于根据控制波形在两个或更多个不同的光纤区域(和/或两个或更多个不同的光纤)之间引导激光束。控制波形可以控制切换装置，例如屈曲安装的反射器，将光束引导到光纤的不同区域中(和/或引导到不同的光纤中)。因此，可以通过改变控制波形的工作周期来改变不同光纤区域之间的激光功率的时间分布。也就是说，工件在加工过程中所经历的输出光束的有效形状是基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓(由不同的光纤和/或光纤区域实现)的加权平均。控制波形可以具有多种不同形状中的任一种，例如方波、正弦波、锯齿波等。本发明的各种实施例可以利用除屈曲安装的反射器之外的切换装置，例如屈曲安装的和/或致动的光学元件，诸如透镜和/或棱镜等，或电光学元件。
在示例实施例中，控制波形可以规定光束在(1)中心纤芯区域(其中光束的输出轮廓为类似高斯的聚焦点光束)和(2)外部环形纤芯区域(其中光束的输出轮廓为更大面积的环形光束)之间的引导。在各种实施例中，这种中心和环形纤芯区域可以由一个或更多个中间层(例如，一个或更多个纤芯和/或包层层)隔开。控制波形根据波形的工作周期规定两个输出光束形状的时间加权平均。例如，在工件处，最终输出光束的形状可以代表50％工作周期(即，50％在内纤芯内，50％在外纤芯内)的点光束和环形光束的平均值，以及该形状可以通过工作周期的变化朝其中一个或另一个极端变化。
根据本发明的各种实施例的激光***还可以包括一传输机构，将激光输出引导至工件上，同时引起输出和工件之间的相对运动。例如，传输机构可以包括用于将输出朝向工件引导和/或聚焦的激光头，基本上由其组成，或由其组成。激光头本身可以为能够相对于工件移动的，和/或传输机构可以包括用于工件的可移动台架或其他平台，以实现工件相对于输出端的移动，其中输出端可以固定在适当位置。
本发明的实施例可以包含具有许多不同内部配置和几何形状的光纤。例如，光纤可以包括中心纤芯区域和由内包层分隔的环形纤芯区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。一个或多个外包层可以围绕环形纤芯区域设置。本发明的实施例可以与具有在2017年4月5日提交的美国专利申请序列No.15/479,745以及2019年11月6日提交的美国专利申请序列No.15/675,655中描述的配置的光学纤维一起使用或包括其，每个申请的全部公开内容通过引用并入本申请。
根据本发明的各种实施例，控制波形可以规定在光纤束的两个或更多个光纤之间的光束的引导，用于光束整形，如在2017年11月9日提交的美国专利申请序列No.15/807,795中所详述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。光纤束的其中一根或多根光纤可以为多包层光纤，即包含一中心纤芯区域，其具有同心地围绕纤芯区域的多个包层区域。在其他实施例中，其中一根或多根光纤可以为单包层光纤，即仅具有围绕纤芯区域的一个包层区域。在各种实施例中，光纤束中的不同光纤具有不同的纤芯直径。光纤束中的其中一根或多根光纤可以具有多个离散的纤芯区域。根据各种实施例，激光输出光束被引导到光纤束中的两个不同光纤和/或光纤的两个或更多个特定的横截面区域(例如，纤芯区域和/或其中一个或多个包层区域)，以便根据控制波形改变光束形状。
在各种实施例中，最终组合的输出光束还可以包括由两个或更多个光纤区域(或光纤束中的光纤)之间的光纤(或光纤束)的“过渡区域”产生的一个或更多个贡献，其中光束由切换机构有意地控制到所述两个或更多个光纤区域(或光纤束中的光纤)。即，组合的光束的形状可以对应于***的动态响应曲线的积分近似的加权平均值。特别是在高频下(例如，50Hz或更高、100Hz或更高等)，在两个不同的光纤区域(或光纤束中的光纤)之间被引导的光束也可以照亮在这些工作周期不可忽略的区域之间的光纤(或光纤束)的区域。因此，本发明的实施例包括这样的实施例，其中输出光束的组合形状不仅是由光束被有意引导到的光纤区域或光纤产生的形状的加权平均，而且是当光束在这些区域或光纤之间过渡时由光束穿过的一个或多个区域的加权平均。随着切换机构的速度和响应增大，由过渡区域产生的形状对组合光束形状的这种贡献可能会降低。在其他实施例中，光束可以在过渡到它被有意引导到的区域期间关闭，从而最小化或基本上消除过渡区域的贡献。此外，如果光纤之间发射的光没有耦合到光纤束以便从输出端进行传输(即，如果这种光丢失而不是从光纤束的输出端传输)，则过渡区域对由光束引导至光纤束中的两根或更多根光纤所产生的组合形状的贡献可能较小，甚至基本不存在。
在结构上，根据本发明实施例的光纤，在不改变本发明的原理的情况下，可以包括一个或多个高和/或低折射率的层，其超出外部包层(即在外部包层外部)。这些另外的层中的各种层也可以称为包层或涂层，并且可以不导光。除了特别提到的那些，光纤还可以包括一个或多个纤芯。这样的变型落入本发明的范围内。根据本发明各种实施例的光纤以及其各种纤芯或包层可以包括玻璃，例如基本上纯的熔融石英和/或掺杂有氟、钛、锗和/或硼的熔融石英，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。获得根据本发明实施例的光纤的特定层或区域的期望的折射率可以由本领域技术人员完成(通过诸如掺杂等技术)而无需过度试验。在本发明的各种实施例中使用的光纤的特征可以在于可选的外部聚合物保护涂层或护套，围绕更易碎的玻璃或熔融石英纤维本身设置。本申请所述的光纤可以为多模光纤。
本申请详述的光纤可以具有在其输出端处的激光头，该激光头配置为将来自光纤的输出光束朝向待加工工件聚焦。激光头可以包括一个或多个光学元件，用于聚焦和/或准直输出光束，和/或控制光束的偏振和/或轨迹，基本上由其组成，或由其组成。激光头可以定位成朝向工件和/或朝向可以在其上布置工件的平台或可定位台架发射输出光束。
与仅仅用光探测表面(例如，反射率测量)的光学技术相比，本发明的实施例通常用于加工工件，使得工件的表面被物理地改变和/或使得在表面上或表面内形成特征。根据本发明实施例的示例性加工包括切割、熔接、钻孔和焊料焊接。本发明的各种实施例还在一个或多个点处或沿着一维加工路径加工工件，而不是用来自激光束的辐射充满全部或基本上全部工件表面。例如，一个或多个光束点可以相对于工件表面平移以用于诸如切割或焊接之类的加工。通常，加工路径可以是曲线的或线性的，且“线性”加工路径可以具有一个或多个方向上变化的特征，即，线性加工路径可以由两个或多个彼此不一定平行的基本上直的段组成。
本申请中改变激光束的“形状”是指改变光束的空间轮廓(即，3D形状)和几何范围(例如，在光束与表面相交的一点处)。形状的变化可能伴随着光束尺寸、光束的角强度分布和BPP的变化，但仅仅光束BPP的变化不一定足以改变激光束形状，反之亦然。激光束整形是重新分配光束的强度(辐照度)和相位的过程。强度分布定义了光束轮廓，例如高斯、贝塞尔、环形、多模、矩形、顶帽形、椭圆形或圆形，并且对于特定的激光材料加工技术可能需要不同的强度轮廓。(如本申请所使用，“环形”光束为环形的，即，在被较高光束强度的区域包围的中心部分中具有较小或基本上没有光束强度，但不一定是圆形；即，“环形”光束可以是椭圆形的或其他类似环形的。)
在本申请中，除非另外指出，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。在本申请中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括多个光束发射器，诸如配置为发射多个光束的二极管条等，或基本上由其组成。在本申请实施例中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。在本发明的实施例中产生的输出光束可以是单波长或多波长光束。此外，这里对“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”的引用不仅包括单二极管激光器，还包括二极管条、激光器阵列、二极管条阵列以及单个或阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
本发明的实施例可以与波长光束组合(WBC)***一起使用，所述***包括多个发射器，例如使用色散元件组合以形成多波长光束的一个或多个二极管条。WBC***中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC***在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.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利申请8,559,107中，每个的全部公开8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。WBC***的多波长输出光束可以结合本发明的实施例用作输入光束，例如用于光束形状的控制和不同工件的加工。
一方面，本发明的实施例的特征在于一种加工工件的方法。提供激光器和具有多个内部区域的光纤。将激光发射输入耦合到每个内部区域中使得光纤产生具有不同空间输出轮廓的输出。在时间模式中，将激光发射引导到光纤的不同内部区域，从而使输出具有不同的空间输出轮廓。在将输出引导到工件上以加工工件时引起工件和输出之间的相对运动。所述时间模式具有足够的频率，使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。工件(例如，至少其表面)可以基于空间输出轮廓和/或其功率密度响应于输出经历基于时间的响应。相对运动可以不快于最大加工速度。所述最大加工速度(i)可以基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)可以确保所述响应为对有效输出形状的响应。光纤的每个内部区域可以为纤芯区域。所述内部区域包括至少中心第一纤芯和围绕第一纤芯的环形第二纤芯。光纤的至少其中一个内部区域可以为纤芯区域。光纤的至少其中一个内部区域可以为包层区域。激光发射可以响应于控制波形来引导。控制波形可以包括方波，基本上由其组成，或由其组成。所述有效输出形状可以为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
激光发射可以为多波长光束。激光发射可以基于以下所述被引导到光纤的不同内部区域：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。加工的类型可以从包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和铜焊的列表中选择。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。基于所述加工路径中的一个或多个方向变化，可以将激光发射引导至光纤的不同内部区域。激光器可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为激光发射，以及将分散的光束的第二部分朝向色散元件反射回去。激光发射可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。
光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。所述第一折射率可以大于所述第四折射率。所述第三折射率可以大于所述第四折射率。所述第二折射率可以小于所述第一折射率和/或大于所述第四折射率。所述第三折射率可以大于所述第一折射率。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率和(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的环形纤芯，和(iii)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(a)具有大于第二折射率的第三折射率的第一区域，和(b)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率和(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第一包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第一包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率的第二区域。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，(ii)具有大于第二折射率的第五折射率的第二区域，以及(iii)第三区域，设置在第一区域和第二区域之间，具有小于第四折射率和第五折射率的第六折射率。环形纤芯可以包括(i)第四区域，所述第四区域具有大于第二折射率的第七折射率，和(ii)第五区域，所述第五区域设置在第二区域和第四区域之间，具有小于第五折射率和第七折射率的第八折射率，基本上由其组成，或由其组成。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种加工工件的方法。提供激光器和具有多根光纤的光纤束。将激光发射输入耦合到光纤中的至少其中两根(或甚至每根)光纤的每一个中使光纤产生具有不同空间输出轮廓的输出。在时间模式中，将激光发射引导到光纤束的不同光纤，从而使输出具有不同的空间输出轮廓。在将输出引导到工件上以加工工件时引起工件和输出之间的相对运动。所述时间模式具有足够的频率，使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。工件(例如，至少其表面)可以基于空间输出轮廓和/或其功率密度响应于输出经历基于时间的响应。相对运动可以不快于最大加工速度。所述最大加工速度(i)可以基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)可以确保所述响应为对有效输出形状的响应。激光发射可以响应于控制波形来引导。控制波形可以包括方波，基本上由其组成，或由其组成。所述有效输出形状可以为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
激光发射可以为多波长光束。激光发射可以基于以下所述被引导到不同的光纤：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。加工的类型可以从包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和铜焊的列表中选择。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。基于所述加工路径中的一个或多个方向变化，可以将激光发射引导至不同的光纤。激光器可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为激光发射，以及将分散的光束的第二部分朝向色散元件反射回去。激光发射可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。
至少其中一根光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。至少其中一根光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。至少其中一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。所述第一折射率可以大于所述第四折射率。所述第三折射率可以大于所述第四折射率。所述第二折射率可以小于所述第一折射率和/或大于所述第四折射率。第三折射率可以大于第一折射率。
至少其中一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率和(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
至少其中一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的环形纤芯，和(iii)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(a)具有大于第二折射率的第三折射率的第一区域，和(b)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率和(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第一包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第一包层之间。
至少其中一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率的第二区域。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
至少其中一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，(ii)具有大于第二折射率的第五折射率的第二区域，以及(iii)第三区域，设置在第一区域和第二区域之间，具有小于第四折射率和第五折射率的第六折射率。环形纤芯可以包括(i)第四区域，所述第四区域具有大于第二折射率的第七折射率，和(ii)第五区域，所述第五区域设置在第二区域和第四区域之间，具有小于第五折射率和第七折射率的第八折射率，基本上由其组成，或由其组成。
又另一方面，本发明实施例的特征在于一种激光***，其包括用于发射输入激光束的光束源、具有多个内部区域的光纤、切换机构和传输机构，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。将输入激光发射输入耦合到每个内部区域中使得光纤产生具有不同空间输出轮廓的输出。切换机构将输入激光发射引导至光纤的不同内部区域，以在具有一频率的时间模式中产生不同的空间输出轮廓。传输机构将输出引导到工件上，同时引起它们之间的相对运动，从而加工工件。所述频率足以使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。所述切换机构可以包括屈曲安装的反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。工件(例如，至少其表面)可以基于空间输出轮廓和/或其功率密度响应于输出经历基于时间的响应。切换机构可以配置为将相对运动限制至最大加工速度。所述最大加工速度(i)可以基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)可以确保所述响应为对有效输出形状的响应。光纤的每个内部区域可以为纤芯区域。所述内部区域包括至少中心第一纤芯和围绕第一纤芯的环形第二纤芯。光纤的至少其中一个内部区域可以为纤芯区域。光纤的至少其中一个内部区域可以为包层区域。所述***可以包括用于生成控制波形的波形发生器。所述切换机构可以配置为响应于控制波形来引导输入激光发射。控制波形可以包括方波，基本上由其组成，或由其组成。所述有效输出形状可以为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
激光发射可以为多波长光束。所述切换机构可以配置为基于以下所述将激光发射引导到光纤的不同内部区域：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。加工的类型可以从包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和铜焊的列表中选择。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述切换机构可以配置为，基于所述加工路径中的一个或多个方向变化，将激光发射引导至光纤的不同内部区域。激光源可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为输入激光发射，以及将分散的光束的第二部分朝向色散元件反射回去。输入激光发射可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。
光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。所述第一折射率可以大于所述第四折射率。所述第三折射率可以大于所述第四折射率。所述第二折射率可以小于所述第一折射率和/或大于所述第四折射率。第三折射率可以大于第一折射率。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率和(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的环形纤芯，和(iii)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(a)具有大于第二折射率的第三折射率的第一区域，和(b)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率和(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第一包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第一包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率的第二区域。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，(ii)具有大于第二折射率的第五折射率的第二区域，以及(iii)第三区域，设置在第一区域和第二区域之间，具有小于第四折射率和第五折射率的第六折射率。环形纤芯可以包括(i)第四区域，所述第四区域具有大于第二折射率的第七折射率，和(ii)第五区域，所述第五区域设置在第二区域和第四区域之间，具有小于第五折射率和第七折射率的第八折射率，基本上由其组成，或由其组成。
另一方面，本发明实施例的特征在于一种激光***，其包括用于发射输入激光束的光束源、具有多根光纤的光纤束、切换机构和传输机构，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。将输入激光发射输入耦合到光纤中的至少其中两根(或甚至每根)光纤的每一个中使光纤束产生具有不同空间输出轮廓的输出。切换机构将输入激光发射引导至光纤束的不同光纤，以在具有一频率的时间模式中产生不同的空间输出轮廓。传输机构将输出引导到工件上，同时引起它们之间的相对运动，从而加工工件。所述频率足以使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。所述切换机构可以包括屈曲安装的反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。工件(例如，至少其表面)可以基于空间输出轮廓和/或其功率密度响应于输出经历基于时间的响应。切换机构可以配置为将相对运动限制至最大加工速度。所述最大加工速度(i)可以基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)可以确保所述响应为对有效输出形状的响应。所述***可以包括用于生成控制波形的波形发生器。所述切换机构可以配置为响应于控制波形来引导输入激光发射。控制波形可以包括方波，基本上由其组成，或由其组成。所述有效输出形状可以为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
激光发射可以为多波长光束。所述切换机构可以配置为基于以下所述将激光发射引导到不同的光纤：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，和/或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。加工的类型可以从包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和铜焊的列表中选择。工件的特性可以包括工件的厚度、工件的成分、工件的反射率和/或工件的形貌，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述切换机构可以配置为，基于所述加工路径中的一个或多个方向变化，将激光发射引导至不同的光纤。激光源可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；(ii)聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；(iii)色散元件，用于接收和分散接收到的聚焦光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收分散的光束、将分散的光束的一部分穿过其中作为输入激光发射，以及将分散的光束的第二部分朝向色散元件反射回去。输入激光发射可以由多个波长组成。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。
至少一根光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。至少一根光纤可以包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。至少一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的具有第三折射率的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有第四折射率的第二包层。所述第一折射率可以大于所述第四折射率。所述第三折射率可以大于所述第四折射率。所述第二折射率可以小于所述第一折射率和/或大于所述第四折射率。第三折射率可以大于第一折射率。
至少一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第四折射率的第五折射率和(ii)大于或等于第二折射率的第六折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
至少一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的环形纤芯，和(iii)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(a)具有大于第二折射率的第三折射率的第一区域，和(b)第二区域，第二区域的折射率在(i)小于或等于第三折射率的第四折射率和(ii)小于第四折射率的第五折射率之间变化。第一区域可以设置在第二区域和第一包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第一包层之间。
至少一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，和(ii)具有大于第二折射率且小于第四折射率的第五折射率的第二区域。第一区域可以设置在第二区域和第二包层之间。第二区域可以设置在第一区域和第二包层之间。
至少一根光纤可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有第一折射率的中心纤芯，(ii)围绕中心纤芯的具有小于第一折射率的第二折射率的第一包层，(iii)围绕第一包层的环形纤芯，以及(iv)围绕环形纤芯的具有小于第一折射率的第三折射率的第二包层。环形纤芯可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)具有大于第二折射率的第四折射率的第一区域，(ii)具有大于第二折射率的第五折射率的第二区域，以及(iii)第三区域，设置在第一区域和第二区域之间，具有小于第四折射率和第五折射率的第六折射率。环形纤芯可以包括(i)第四区域，所述第四区域具有大于第二折射率的第七折射率，和(ii)第五区域，所述第五区域设置在第二区域和第四区域之间，具有小于第五折射率和第七折射率的第八折射率，基本上由其组成，或由其组成。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本文所用的，术语“基本上”表示±10％，在一些实施例中，表示±5％。除非本文另有定义，术语“基本上由......组成”意指排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。在本文中，除非另有说明，术语“辐射”和“光”可互换使用。在本文中，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有说明，否则本文中使用的“距离”可以被认为是“光学距离”。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是在于重点说明本发明的原理。在下文描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1为根据本发明各种实施例的激光***的示意图；
图2为一组示例性的图像，示出根据本发明的各种实施例，由用于将激光能量引导至光纤的不同区域的控制波形的工作周期的变化而产生的空间输出轮廓的侧视图和平面图；
图3为一组示例性的图像，示出根据本发明的各种实施例，以相对较慢的频率使用示例控制波形所产生的空间输出轮廓的侧视图和平面图；
图4为一组示例性的图像，示出根据本发明的各种实施例，使用图3的控制波形但以更高的频率而产生的空间输出轮廓的侧视图和平面图；
图5为一组示例性的图像，示出根据本发明的各种实施例，假设相对于光束沿工件运动的速率具有足够高的波形频率，在工件和光束之间的相对运动期间在工件表面所经历的平均光束形状的侧视图和平面图；
图6A为根据本发明各种实施例的光学纤维的截面示意图；
图6B为图6A中的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图7A为根据本发明各种实施例的阶梯包层(step-clad)光学纤维的截面示意图；
图7B为图7A中的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图8为根据本发明各种实施例的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图9为根据本发明各种实施例的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图10A为根据本发明各种实施例的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图10B为根据本发明各种实施例的光学纤维的各种层的折射率的示意图；
图11A为利用根据本发明的实施例的光学纤维的激光***的多个部分的示意图；
图11B为可用于图11A中的激光***的示例性光纤束的示意性端视图；
图12为根据本发明实施例的波长光束组合(WBC)谐振器的示意图；以及
图13A-13D为多组示例性图像，示出根据本发明的各种实施例，由使用示例控制波形所产生的工件表面处的平均光束轮廓的侧视图和平面图。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明实施例的用于使用光纤105改变激光束形状的示例性激光***100。如图所示，激光***100包括切换机构110(例如，诸如tip-tilt可调和/或折叠反射镜等的可调反射器)，以将入射的输入激光束115重定向到光纤耦合光学元件120(例如，一个或更多的透镜、反射楔和/或棱镜)，所述光纤耦合光学元件120将光束115朝向光纤105聚焦。切换机构110的调节或倾斜(tilt)由弯曲箭头125指示。在本发明的实施例中也可以使用诸如致动棱镜和/或透镜等其他切换机构。如图所示，光纤105的输入面的区域(光束115在此处输入耦合(in-coupled))可以至少部分地由切换机构110的配置(例如，定位和/或角度)和/或对光学元件120的位置的调整(可以在光束115的路径内平移，如箭头130所示)限定。替代地或附加地，光纤105本身可以在基本上平行于和/或基本上垂直于光纤105的纵轴的方向上平移。为了获得最佳的起始光束质量(即，最小的BPP)，光纤105的端面可以位于光学元件130的焦点处。
光纤105可以具有许多不同的内部配置和几何形状。例如，光纤105可以包括中心纤芯区域和由内包层分隔的环形纤芯区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。一个或多个外包层可以围绕环形纤芯区域设置。本发明的实施例可以与具有在2017年4月5日提交的美国专利申请序列No.15/479,745以及2019年11月6日提交的美国专利申请序列No.15/675,655中描述的配置的光学纤维一起使用或包括其，每个申请的全部公开内容通过引用并入本申请。
激光***100的全部或一部分可以设置在用于将输出光束传送到工件的激光加工头的光学上游。传送头可以包括一个或多个光学元件，用于将输出光束聚焦或以其他方式引导至工件。光纤105可以光学耦合到加工头并将输出光束传送到加工头。
切换机构110和/或光学元件120和/或光纤105的配置可以通过控制器140和/或可操作地与其连接的一个或多个致动器(未示出)来控制。因此，切换机构110和/或光学元件120和/或光纤105和/或一个或多个致动器可以响应于控制器140。控制器140可以响应于期望的目标空间输出光束轮廓(例如，用户的输入和/或基于待加工的工件的一个或多个特性，诸如到工件的距离、工件的成分、工件的厚度、工件的反射率、工件的形貌等，和/或基于加工的类型和/或工件上的期望的加工路径)，并配置为定位切换机构110和/或光学元件120和/或光纤105，以使光束115撞击光纤105的输入面，使得从光纤105输出的输出光束具有目标空间输出光束轮廓。如此产生的输出光束可以被引导至工件，以进行诸如退火、切割、焊接、钻孔等加工。可以对控制器140进行编程，以通过例如如本申请所详述的特定切换机构倾斜和/或光学元件120和/或光纤105的定位(和/或倾斜)获得期望的功率分布和/或输出BPP和/或光束质量。
控制器140可以提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该***可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的Pentium或Celeron系列处理器，由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器，和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器器件(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备)来提供程序。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
控制器140还可以可操作地连接至或可以包括波形发生器150(例如，变频控制器或变频发生器)，该波形发生器配置为生成一控制波形，用于控制切换机构110和/或光学元件120的配置(例如，倾斜和/或平移)以及从而控制从光纤105发出的空间输出轮廓。波形发生器是常规的并且可以由本领域普通技术人员提供而无需过度试验。控制波形可以用于控制切换机构110和/或光学元件120，例如通过将波形施加到控制切换机构110和/或光学元件120的配置的致动器和/或平台。例如，这样的部件可以包含响应于施加的电场而变形的压电材料。这样的材料、致动器和平台是常规的并且可以由本领域的普通技术人员提供而无需过度试验。
控制器140还可以操作配置为引起输出激光束与正被加工的工件之间的相对运动的常规定位***。例如，定位***可以是任何能够控制的光学、机械或光机械***，用于将光束引导通过沿二维或三维工件的加工路径。在加工期间，控制器140可以操作定位***和激光***100，使得激光束沿工件横穿加工路径。加工路径可以由用户提供并存储在机载或远程存储器中，所述机载或远程存储器还可以存储与加工类型(切割、焊接等)有关的参数和进行该加工所必需的光束参数(例如，光束形状)。在这方面，本地或远程数据库可以维护***将加工的材料和厚度的库，并且通过用户对材料参数(材料的类型、厚度等)的选择，控制器140查询数据库以获得相应的参数值。所存储的值可以包括适合于材料的光束形状、加工的类型和/或加工路径的几何形状。
如在绘图和扫描领域中能充分理解的，光束和工件之间的必要相对运动可以通过使用可移动反射镜使光束光学偏转来产生，使用机架、导螺杆或其他装置使激光器物理移动来产生，和/或通过用于移动工件而不是(或者另外还有)光束的机械装置来产生。在一些实施例中，控制器140可以从将连接到合适的监测传感器的反馈单元接收关于光束相对于工件的定位和/或加工功效的反馈。
可以对控制波形的工作周期进行选择以产生激光束的输出形状，至少如工件所经历的那样，其为由于光束115输入耦合至光纤105的一个或更多个区域而产生的两个或更多个空间输出轮廓的加权平均。即，控制波形的工作周期可以确定光束115被引导到光纤105的各个区域所依据的时间模式(temporal pattern)，并且从而确定传送到工件并且由工件所经受的光束的总体平均输出形状。因为，在各种实施例中，控制波形的切换频率大于工件对光束的时间响应，所以激光束对工件的作用对应于光束的各种空间输出轮廓的加权平均值，即使这些输出轮廓在光束输出处相互之间是离散的。因此，此处“合并的”或“平均的”或“组合的”输出光束形状是指在工件处经历的平均光束轮廓。
图2示出一组示例性图像，示出了空间输出轮廓的侧视图和平面图，这些空间输出轮廓是由方波控制波形的工作周期的变化产生的，用于将激光能量引导(1)中心圆形纤芯区域或(2)光纤的环形外纤芯区域。例如，如图2所示，0％的工作周期可以对应于所有的激光能量被引导至中心纤芯中，产生紧聚焦的点光束。100％的工作周期可以对应于所有的激光能量被引导至环形纤芯中，产生环形光束形状。而且，如图2所示，0％和100％之间的工作周期会产生两个端点形状的加权平均值。图2示出了示例性的实施例，并且本发明的其他实施例可以通过将激光能量引导至其他区域(或同时多个区域)中来形成更复杂的平均形状，例如，利用具有更复杂的内部配置的光纤。
图3示出了如上文关于图2的详述那样的使用代表50％工作周期的方波控制波形300，为清楚起见，使用相对较低的频率。即，控制波形300规定一半时间的光束形状为点光束而另一半的光束形状为环形光束，而所有光束都是沿着加工路径施加到工件。在图3中，同时以平面图(平面视图的光束形状310)和侧视图(侧视图的光束形状320)示出响应于控制波形300所得的波束形状。在图3中所示的以相对较慢的频率下，随时间的这种形状变化足够离散，使得输出光束形状可以仅在工件的表面上切换，而不是平均化。
对于激光束和工件之间的给定的相对运动速率，控制波形的频率可以增大，以便在光束施加到工件上时产生新的、平均的输出光束形状。图4示出了与图3中示出的相同的设置，但是控制波形300的频率增大了。如图所示，较高的频率足以将光纤产生的离散空间光束轮廓合并成组合了光斑光束轮廓和环形光束轮廓的平均输出形状。当在工件和激光束之间产生相对运动时，根据输出轮廓及其空间功率密度，工件响应于输出光束经受基于时间的响应。因此，在本发明的各种实施例中，有效合并输出光束形状所需的最小波形频率取决于光束和工件之间的运动速率。图5示出了，假设在相对于光束沿工件运动的速率足够高的波形频率的情况下，在工件和光束(平面视图的平均光束形状510和侧视图的平均光束形状520)之间的相对运动期间施加到工件表面的平均光束形状。通过将相对运动限制到最大加工速度(由波形频率和工件的材料响应时间决定)或通过确保最小波形频率从而工件的响应为期望的响应，即，对平均输出光束的响应，而不是对沿加工路径的不同位置处的不同光束形状的响应，控制器140可以确保获得平均的输出。最大加工速度或最小波形频率将取决于材料对激光束能量的基于时间的响应(例如，在材料中实现所需变化(例如，切割、熔化、软化等)所需的时间量，随空间光束能量而变化)，并且无需过度试验即可针对特定应用获得。
本发明的实施例可以使用户能够沿着期望的加工路径来加工(例如，切割或焊接)工件，且最佳光束形状和最大加工速度基于诸如但不限于以下所述的因素选择：工件的成分、工件的厚度、工件的反射率、加工路径的几何形状等。例如，用户可以使用任何合适的输入设备或通过文件传输来选择或预先编程进入***的所需的加工路径。此后，控制器140可以分析由***的光纤、加工路径以及工件的类型和特征(例如，厚度)实现的不同的输出光束形状，并在必要时查询其数据库。基于该信息，***可以根据沿加工路径的位置、控制频率和产生光束形状所需的相对运动的速率以及最大加工速度来确定最佳输出光束形状。在操作中，控制器140可以操作激光***和工件的定位以沿着预编程的路径加工工件，在工件处维持要经受的适当的平均光束形状。如果正被加工的材料的成分和/或厚度改变，则可以对改变的位置和性质进行编程，且控制器140可以相应地调整激光束形状和/或工件与光束之间的相对运动速率。
另外，激光***可以包括用于检测工件厚度和/或其上特征的高度的一个或多个***。例如，激光***可以包括用于工件的干涉深度测量的***(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列No.14/676,070中详细描述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。控制器可以，例如根据数据库中对应于正被加工的材料类型的记录，利用这样的深度或厚度信息来控制输出光束形状，以优化工件的加工(例如，切割或焊接)。
如上所述，本发明的实施例可以与具有许多不同配置的光纤一起使用和/或包含具有许多不同配置的光纤。例如，图6A示出了具有中心纤芯605、内部包层610、环形纤芯615和外部包层620的双包层光纤600。光纤600的每一层(纤芯或包层)的半径由R1、R2、R3或R4表示，如图6B所示。在双包层光纤600中，两个纤芯605、615可以具有相同的较高的折射率NH，两个包层610、620可以具有相同的较低的折射率NL，如图6B所示，并且，因此，两个纤芯605、615可以具有为sqrt(NH 2-NL 2)的相同的数值孔径(NA)。在其他实施例中，纤芯605、615和/或包层610、620的折射率可以彼此不同。
另外，本发明的实施例可以利用于2017年4月5日提交的美国专利申请序列No.15/479,745中描述的光纤，其全部公开内容通过引用并入本申请。因此，本发明的实施例涉及将激光束耦合到本申请中称为“阶梯包层光纤”的多包层光纤中。一个示例的阶梯包层光纤包括中心纤芯、围绕中心纤芯设置的第一包层、围绕第一包层设置的第一环形纤芯和围绕第一环形纤芯设置的第二包层，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。根据本发明实施例的阶梯包层光纤不限于仅具有单个环形纤芯和两个包层——一个或更多个另外的环形纤芯和相关的包层可以围绕第二包层设置。如本文所用，术语“环形纤芯”定义为具有比与其相邻的内层和外层两者都高的折射率的环形区域。除了中心纤芯和环形纤芯之外的层通常是阶梯包层光纤中的包层。这种包层具有的折射率低于与其相邻的至少一个层。
图7A示出了示例性的阶梯包层光纤700，其包括中心纤芯705、第一包层710、环形纤芯715和第二包层720，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。图7B示出了阶梯包层光纤700的每一个层的折射率和半径。如图所示，光纤700的第一包层710的折射率(NM)具有在高折射率NH(不一定是图6B中的高折射率)和低折射率NL(不一定是图6B中的低折射率)之间的数值，使得中心纤芯705将具有比环形纤芯715的NA小的NA，其中中心纤芯705的NA由sqrt(NH 2-NM 2)给出，环形纤芯715的NA由sqrt(NH 2-NL 2)给出。尽管图7B示出中心纤芯705和环形纤芯715的折射率彼此大致相等，但在各种实施例中，环形纤芯715的折射率可以不同于(即，小于或大于)中心纤芯705的折射率；然而，通常，环形纤芯715的折射率仍然大于第一包层710的折射率。
本发明的实施例也可以利用具有在2019年11月6日提交的美国专利申请序列No.15/675,655中详细描述的配置的光学纤维或包括该光学纤维，所述申请的全部公开内容通过引用并入本申请。例如，根据本发明实施例的光纤的特征在于环形纤芯区域，其包含(i)具有分级折射率的子区域，(ii)在梯级轮廓中具有不同折射率的子区域，或(iii)低折射率阻隔层。
图8示出了根据本发明实施例的渐变梯级包层光纤800的内部结构。如图所示，光纤800具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯810、直径为D1且折射率为n1的第一包层815、直径为D2的环形纤芯820、以及折射率为n3的外包层825。类似于图7A所示的梯级包层光纤700，第一包层815可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。在各种实施例中，n0和n1之间的差确定中心纤芯810的NA，该NA由NAcore＝sqrt(n0 2–n1 2)计算，n0和n3之间的差至少部分地确定光纤800的总NA，该总NA由NAfibre＝sqrt(n0 2–n3 2)计算。由于n1大于n3，所以NAfiber大于NAcore。
在各种实施例中，环形纤芯820包括两个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图8所示，环形纤芯820可以具有渐变折射率区域820g和具有折射率n2的恒定折射率区域。在渐变折射率区域820g中，折射率在低折射率nL和高折射率nH之间变化。在各种实施例中，低折射率nL可以近似等于或高于第一包层815的折射率n1，且高折射率nH可以近似等于或低于恒定折射率区域的折射率n2。在各种实施例中，n2可以近似等于n0，如图8所示。在其他实施例中，n2可以大于或小于n0。n2和n0之间的这些关系可以应用于根据本申请详细描述的本发明实施例的任何光纤。
根据本发明的各种实施例，纤芯和包层区域的直径可以至少部分地取决于激光源的各种特性(例如，输出功率)和/或取决于要通过光纤传输的输出光束的期望BPP范围。例如，大约100μm的中心纤芯直径D0与具有大约3.5mm-mrad的BPP的激光源相匹配，大约100μm的中心纤芯直径D0通常会产生相对较低的输出NA(大约0.09)，具有大约4mm-mrad的最小BPP。继续该示例，如果所需的BPP变化范围为约6倍，则环形纤芯320的直径D2可以为约600μm，不考虑当将某些激光功率输入耦合到第一包层815中和/或到渐变折射率区域820g的一部分(例如，较低折射率部分)中时可能发生的NA增大。假设中心纤芯810的NA为约0.12，且激光输入NA为约0.085，则增大后的NA将为约0.147(＝sqrt(0.12×0.12+0.085×0.085))，比输入NA大1.7倍。如所提及的，总输出NA的有效增大可以小于该倍数1.7，这是因为，在各种实施例中，并非所有输入功率都耦合到低折射率区域中或从高折射率区域中出射。假设总NA增大为约1.5，则环形纤芯直径可以减小到约400μm，以达到相同的BPP变化期望范围。环形纤芯的较小直径可能会产生输出光束的较高强度，这在许多高功率激光应用中可能是有益的。在各种实施例中，直径D2与直径D0的比率在大约2.5至大约8的范围内，或者在大约3至大约6的范围内。该比率可以应用于本申请详述的所有不同的光纤实施例。
在各种实施例中，第一包层815的厚度(即，((D1-D0)/2)可以小于直径D0的大约一半(即，小于大约D0/2)。第一包层的该厚度可以应用于本申请详述的所有不同的光纤实施例。对于光纤800，第一包层815的厚度可以甚至更小，例如，小于直径D0的大约25％、小于大约10％或甚至小于大约5％，这是由于例如存在渐变折射率区域820g的低折射率部分。
有利地，取决于环形纤芯820中的输入位置，耦合到环形纤芯820(包括渐变折射率区域820g)的折射率分布中的激光能量将导致具有不同有效直径和宽度的环形光束的输出光束。因此，当光束形状响应于控制波形而改变时，如上文所详述的，使用光纤800实现在工件处经历的各种不同的平均光束形状。在各种实施例中，渐变折射率区域820g提供并实现具有不同NA的输入光束的全内反射的不同临界角界面位置。例如，具有输入耦合到环形纤芯820的恒定折射率区域中的输入NAin的激光功率通常将不会在整个环形纤芯820内扩散，而是将包含在折射率大于nx(其大于n1)的更有限的区域(满足sqrt(n2 2–nx 2)＝NAin)内。换句话说，环形纤芯820的具有折射率nx的部分用作射线阻挡器。类似地，输入功率在NA域中的不同部分将具有范围从0到NAin的不同的输入NA，且这些不同部分将因此被环形纤芯820内的不同部分(即，圆柱“界面”)“阻挡”。通常，功率的具有输入NAz(其小于或等于NAin)的z部分，其在具有相对较高的折射率ny的位置y处输入耦合到环形纤芯820中，其将被限制在环形纤芯820的一体积内，该体积具有大于nx的折射率且满足sqrt(ny 2–nx 2)＝NAz。该等式适用于本发明的所有实施例。该总体主张可以应用于本申请详述的本发明的任何和所有不同的实施例。
在各种实施例中，与图7A中示出的梯级包层光纤700相比，渐变梯级包层光纤800提供了更广泛的光束形状，且因此可以被部署以满足更广泛的应用和通过其输出光束加工的工件的要求。如上述一般等式所示，输入位置(y)的变化通常将会导致在强度和宽度上具有不同的横截面轮廓的输出光束中的不同环形圈。输入位置的变化也可能生成不同有效直径的环形圈，特别是如果渐变折射率区域820g设置在环形纤芯820的外边缘处或附近。传统的光纤(例如，光纤700)将不会表现出这样的动态，因为输入耦合到这样的光纤的环形纤芯区域中的激光功率将几乎均匀地散布在整个环形纤芯区域。
另外，如图8中的位置A和B之间的双向箭头所示，渐变梯级包层光纤800使得激光输入光斑能够从位置A连续地移动到位置B(例如，响应于期望的控制波形)，而没有明显的功率损失，已考虑到激光输入NAin不大于第一包层815的NA(其等于sqrt(n1 2–n3 2))。
在各种实施例中，渐变折射率区域820g的折射率分布(即，折射率随定位的变化)可以是基本上线性渐变的，如图8所示。在其他实施例中，分布可以具有其他形状，包括抛物线、方根、多项式、阶梯形(即，由折射率的离散阶梯组成)或任何其他单调曲线。在各种实施例中，渐变折射率区域820g可以设置在第一包层815和环形纤芯820的恒定折射率区域之间，如图8所示。在其他实施例中，渐变折射率区域820g可以替代地设置在恒定折射率区域和外包层825之间，或者渐变折射率区域可以设置在恒定折射率区域的两侧。在这样的实施例中，恒定折射率区域的折射率可以在图8中示出的n0和n1之间。
在各种实施例中，环形包层820可以完全由渐变折射率区域820g组成；也就是说，环形包层820的恒定折射率区域的宽度可以近似为零。附加地或替代地，渐变折射率区域820g可以延伸使得其与中心纤芯810对接，即，第一包层815的宽度可以近似为零。在各种实施例中，环形纤芯820内的折射率n2和/或nH可以更小、更大或近似等于n0，即中心纤芯810的折射率。最后，虽然未在图8中示出，但渐变梯级包层光纤800还可以包括设置于外包层825外部的一个或多个另外的包层。这样的包层(其可以包括例如涂层层和/或保护套，基本上由其组成，或由其组成)本质上主要是保护性的，且因此可以不利用其在其中直接传输激光能量。这种层的折射率可以低于外包层825的折射率n3。在其他实施例中，这种层的折射率可以高于n3。在各种实施例中，光纤具有外玻璃层，该外玻璃层具有与直接围绕外包层825的中心纤芯的折射率近似相同的折射率，然后上面再设置一个或更多个(例如，一个或两个)涂层层，每个涂层层均具有低于n3的折射率。
图9示出了根据本发明实施例的另一种光纤的内部结构。如图所示，多梯级包层光纤900具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯910、直径为D1且折射率为n1的第一包层915、直径为D2的环形纤芯920、以及折射率为n3的外包层925。类似于图8所示的光纤800，第一包层915可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
在各种实施例中，环形纤芯920包括两个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图9中所示，环形纤芯920可以具有折射率为n2s的内梯级折射率区域920s和折射率为n2的外梯级折射率区域920e。在各种实施例中，折射率n2s大于第一包层915的折射率n1且小于折射率n2。根据本发明的各种实施例，耦合到外梯级折射率区域920e中的激光功率将主要保留在外梯级折射率区域920e内，且耦合到内梯级折射率区域920s中的功率将主要包含在两个区域920s、920e中；因此，取决于环形纤芯920中的输入位置，耦合到这些区域中的一个或两个中的激光能量将产生具有不同的有效直径和宽度的环形光束的输出光束(类似于上面关于光纤800的讨论)。
对于多梯级包层光纤900，根据各种实施例，内梯级折射率区域920s的厚度可以大于或等于中心纤芯直径D0的大约10％，或者甚至大于或等于D0的大约25％。这样的值也可以应用于第一包层915的厚度。在各种实施例中，光纤的一个或更多个层的厚度取决于中心纤芯直径D0，因为输入激光束的光斑尺寸可以为例如D0的大约60％至大约90％。
在各种实施例中，与图7A中示出的梯级包层光纤700相比，多梯级包层光纤900提供了更广泛的光束形状，且因此可以被部署以满足更广泛的应用和通过其输出光束响应于期望的控制波形而加工的工件的要求。例如，多梯级包层光纤900提供在环形纤芯920内的两个离散的区域920s、920e，用于接收激光能量输入，且将分别产生诸如光纤700等光纤无法获得的不同的环形圈分布。在各种实施例中，离散区域920s、920e的存在使得能够通过两个部分之间的输入功率比率的改变来操纵环形圈分布(例如，强度和/或宽度)。
在各种实施例中，环形纤芯920可以包括具有不同折射率的两个以上不同区域，基本上由其组成，或由其组成。此外，在各种实施例中，外梯级折射率区域920e的折射率n2可以比内梯级折射率区域920s的折射率n2s大，如图9所示，或n2可以小于n2s。
图10A示出了根据本发明实施例的另一种光纤的内部结构。如图所示，阻隔梯级包层光纤1000具有直径为D0且折射率为n0的中心纤芯1010、直径为D1且折射率为n1的第一包层1015、直径为D2的环形纤芯1020、以及折射率为n3的外包层1025。类似于光纤800和900，第一包层1015可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
在各种实施例中，环形纤芯1020包括三个不同的区域，基本上由其组成，或由其组成。如图10A所示，环形纤芯1020可以具有内区域1020a、外区域1020c和设置在区域1020a、1020c之间的阻隔区域1020b。在各种实施例中，两个区域1020a、1020c的折射率等于折射率n2，其可以近似等于中心纤芯1010的折射率n0。在其他实施例中，n2可以大于或小于n0。阻隔区域1020b的折射率n2b小于n2，且可以大于或近似等于第一包层1015的折射率n1。如图10A所示，阻隔区域1020b可以具有大于第一包层1015的直径D1的内直径Db以及层厚度T。在各种实施例中，阻隔区域1020b的层厚度T小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。层厚度T可以大于约1μm、大于约2μm、大于约5μm或大于约10μm。
在本发明的各种实施例中，当功率最初被耦合到内区域1020a或外区域1020c中时，阻隔区域1020b连同第一包层1015和外包层1025一起将基本上阻止激光功率扩散到光纤1000的其他区域；因此，根据本发明实施例的输出光束可以具有在光纤出口处的两个离散的环形圈，至少在响应于期望的输出波形而平均化之前。也就是说，光纤1000实现通过在区域1020a、1020c之间分配输入激光功率来形成具有两个不同输出强度的环形圈的输出光束。这种输出光束通常不能通过使用以上详述的光纤600、700来实现。此外，输入耦合到阻隔区域1020b中的激光功率通常不会从输出光束中丢失，而是将会替代地散布在整个环形纤芯1020中。
在本发明的各种实施例中，耦合到第一包层1015中的激光功率将趋向于扩散到整个环形纤芯区域1020，且这种功率也可以扩散到中心纤芯1010。因此，使光束能量耦合到第一包层1015中可以比耦合到内区域1020a中产生在光纤出口处的更大的有效光束尺寸。因此，在本发明的实施例中，由于将激光能量耦合到光纤1000的各个区域中，使输出光束尺寸非单调增大，产生通过使用光纤600、700无法实现的动态BPP变化。
在本发明的各种实施例中，环形纤芯区域1020可以包括一个以上的阻隔区域1020b，且每个阻隔区域可以具有不同的厚度和/或不同的折射率，尽管这种阻隔层的折射率通常小于折射率n2且大于或近似等于折射率n1。即，环形纤芯区域1020可以被N个阻隔区域1020b划分成N+1个区域(例如，区域1020a、1020c)。多个阻隔区域1020b的两个或更多个(或甚至全部)的厚度和/或折射率可以彼此相等或彼此不同。
图10B示出了根据本发明实施例的光纤的内部结构，其为图10A中示出的阻隔梯级包层光纤1000的变型。如图所示，阻隔梯级包层光纤1030具有中心纤芯1010b、第一包层1015、环形纤芯1020和外包层1025。类似于光纤800、900和1000，第一包层1015可以具有中间折射率n1，该中间折射率n1小于折射率n0且大于折射率n3。
如图10B所示，中心纤芯1010b具有渐变折射率分布，其中中心纤芯1010b的中心点具有最高的折射率n0，且中心纤芯1010b的折射率随着远离中心点的径向距离而减小。在各种实施例中，仅中心纤芯1010b的中心点具有最高的折射率n0，而在其他实施例中，中心纤芯1010b具有的中心部分具有有限的厚度并且具有最高的折射率n0。(也就是说，中心纤芯1010b的折射率可以在中心部分上达到平稳，然后朝着中心纤芯1010b的外周减小。)中心纤芯1010b的折射率的减小可以是基本上线性的、抛物线的、或者可以具有多项式依赖性。在其他实施例中，中心纤芯1010b的折射率可以以一系列的一个或更多个(或甚至两个或更多个)离散的梯级减小。在各种实施例中，中心纤芯1010b的折射率在中心纤芯1010b和第一包层1015之间的界面处减小至折射率n’0。如图所示，折射率n’0可以比第一包层1015的折射率n1大。在其他实施例中，折射率n’0可以为约等于所述第一包层1015的折射率n1。
正如图10A的光纤1000，在本发明的各种实施例中，光纤1030的环形纤芯区域1020可以包括一个以上的阻隔区域1020b，且每个阻隔区域可以具有不同的厚度和/或不同的折射率，尽管这种阻隔层的折射率通常小于折射率n2且大于或近似等于折射率n1。
在本发明的实施例中，替代或除了被引导到光纤内的两个或更多个不同位置之外，光束被引导到两个或更多个不同的光纤(例如，光纤束内的光纤)中。图11A示出了根据本发明的各种实施例的激光***1100。如图所示，激光束115(其可以是例如WBC***的输出光束)由切换机构110引导并且由光学元件120(例如，一个或更多个透镜)耦合到光纤束1110的多根光纤其中之一中，光纤束1110包括两个或更多个光纤105，基本上由其组成，或由其组成，其中至少两个(或者甚至全部)可以具有不同的内部配置(例如，包层层的数量、纤芯的数量、纤芯和/或包层的折射率、纤芯和/或包层的尺寸等)。光纤束1110的每根光纤105可以连接到激光头1120，其可以包括例如另外的光学器件，用于将输出激光束导向工件以进行诸如切割、焊接等的材料加工。图11A示出了示例性的实施例，其中激光束115通过切换机构110的运动(例如，旋转和/或平移)耦合到光纤束1110内的两个不同的光纤105。在本发明的各种实施例中，光纤束1110的光纤105可以具有本申请详述的任何光纤的内部配置。光纤束1110的两根或更多根光纤105可以具有相同的内部配置(例如，纤芯和/或包层的形状和尺寸)，和/或光纤束1110的两根或更多根光纤105可以具有不同的内部配置。图11B示出了光纤束1110的示意性端视图。尽管图11B示出了以紧密堆积的圆形配置布置的光纤束1110的光纤，但本发明的实施例还包括光纤束1110内的光纤的其他布置，例如线性堆叠。
在本发明的各种实施例中，为了降低损坏光纤105的风险，光纤束1110的输入侧附接(例如，通过熔合)到玻璃端盖。即，光纤束的输入侧可以是单一部分，在该单一部分中不同的光纤105耦合到玻璃端盖的不同区域部分。玻璃端盖(图11A中未示出)可以具有例如至少5mm的长度。端盖的长度可以为例如50mm或更小。如图11B所示，至少在光纤束1110的输入端处，光纤可以设置在护套1130内。
如图11A所示，激光***1100包含控制器140，其根据波形发生器150生成的控制波形控制激光束115在光纤束1110的各种光纤105之间的运动。例如，控制器140可以控制切换机构110、光学元件120和/或光纤束1110的运动(例如，相对于一个、两个或三个自由度的旋转和/或平移)，以便使激光束115被引导到不同的光纤105中或光纤束1110中的光纤105的不同部分，如上所详述。
根据本发明的实施例并在本申请中详细描述的激光***和激光传输***可以用在WBC激光***中和/或与WBC激光***一起使用。具体地，在本发明的各种实施例中，WBC激光***的多波长输出光束可以用作激光束传输***的输入光束，用于基于波形的控制，如本申请所详述。图12示意性地示出了可用于形成用在本发明实施例中的输入光束的WBC激光***(或“谐振器”)1200的各种部件。在所示实施例中，谐振器1200组合由九个不同的二极管条(如本申请所使用，“二极管条”是指任何多光束发射器，即，如下所述发射器：来自其的多个光束从单个封装发射)发射的光束。本发明的实施例可以以少于或多于九个发射器来使用。根据本发明的实施例，每个发射器可以发射单个光束，或者发射器中的每个可以发射多个光束。图12的视图沿WBC维度，即，来自条的光束在该维度组合。示例性的谐振器1200具有九个二极管条1205，并且每个二极管条1205包括沿WBC维度的发射器的阵列(例如，一维阵列)，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，二极管条1205的每个发射器发射非对称光束，在一个方向(称为“快轴”，此处相对于WBC维度垂直定向)具有较大的发散，在垂直方向(称为“慢轴”，此处沿WBC维度)具有较小的发散。
在各种实施例中，二极管条1205中的每个与快轴准直器(FAC)/光学扭曲微透镜组件相关联(例如，附接或以其他方式光学地耦合)，所述快轴准直器/光学扭曲微透镜组件在将光束的快轴和慢轴旋转90°时准直所发射的光束的快轴，以使每个发射的光束的慢轴垂直于微透镜组件下游的WBC维度。微透镜组件还使来自每个二极管条1205的发射器的主光线朝向色散元件1210会聚。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利No.8,553,327和2015年6月8日提交的美国专利No.9,746,679中进行了描述，每个的全部公开内容通过引用结合于此。
在本发明的其中将FAC透镜和光学扭曲器(例如，作为微透镜组件)与光束发射器的中每一个和/或发射的光束相关联的实施例中，SAC透镜(如下详述)影响非WBC维度的光束。在其他实施例中，所发射的光束不旋转，并且FAC透镜可以用于改变非WBC维度的指向角。因此，应当理解，本申请中对SAC透镜的引用通常指的是在非WBC维度具有功率(power)的透镜，并且在各种实施例中，这种透镜可以包括FAC透镜。因此，在各种实施例中，例如其中发射的光束不旋转和/或光束的快轴处于非WBC维度的实施例中，如本文中详述的那样，对于SAC透镜，可以利用FAC透镜。
如图12所示，谐振器1200还具有一组SAC透镜1215，一个SAC透镜1215与其中一个二极管条1205相关联并从其接收光束。每个SAC透镜1215准直从单个二极管条1205发射的光束的慢轴。在通过SAC透镜1215在慢轴上准直之后，光束传播到一组交错反射镜1220，将光束1225朝向色散元件1210重定向。交错反射镜1220的布置使得能够减小或最小化二极管条1205之间的自由空间。在色散元件1210(其可以包括，例如，诸如图12所示的透射衍射光栅等的衍射光栅，或反射衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成)的上游，透镜1230可以可选地用来准直来自二极管条1205的子光束(即，除了主射线之外的其他发射射线)。在各种实施例中，透镜1230布置成与二极管条1205相距一光学距离，该光学距离基本上等于透镜1230的焦距。注意，在典型的实施例中，主光线在色散元件1210处的重叠主要是由于交错反射镜1220的重定向，而不是由于透镜1230的聚焦能力(focusing power)。
图12中还示出了透镜1235、1240，它们形成了光学望远镜，用于减轻光学串扰，如2013年3月15日提交的美国专利No.9,256,073和2015年6月23日提交的美国专利No.9,268,142所公开的，其全部公开内容通过引用合并于此。谐振器1200还可以包括一个或多个可选的折叠反射镜1245，用于光束的重定向，使得谐振器1200可以适配在较小的物理覆盖区内。色散元件1210将来自二极管条1205的光束合并为单个多波长光束1250，其传播到部分反射的输出耦合器1255。耦合器1255将光束的一部分作为谐振器1200的输出光束传输，同时将光束的另一部分反射回色散元件1210，并因此反射到二极管条1205作为反馈，以稳定每个光束的发射波长。
示例
图13A-13D示出了多组图像，显示由方波控制波形(具有50％工作周期)的频率变化产生的空间输出轮廓的侧视图和平面图1300、1310，以及用于将激光能量引导到光纤的两个不同部分的波形1320本身。在本示例中，激光能量用于焊接厚度为1.5mm的铝板。激光束的加工速度为2m/min，并且图13A-13D中的每一个都示出了沿铝板行进10mm(即，0.3秒的加工时间)。在每种情况下，光束在光纤的中心纤芯区域和环形纤芯区域之间切换。中心纤芯的直径为100μm，环形纤芯的直径为360μm，中心纤芯和环形纤芯被厚度为30μm的阻隔层(即，包层区域)隔开。激光束由2kW连续波直接二极管(direct-diode)激光***产生。图13A示出了50Hz控制频率的结果输出，而图13B、13C和13D分别对应于100Hz、150Hz和200Hz的控制频率。在图13A中，单个光束输出仍然很明显，并且仅在工件表面的边缘处略微重叠。如图所示，随着控制频率的增大，光束输出越来越多地合并至平均光束轮廓中，并且更高的频率产生平均光束轮廓(例如，也如图5所示)。
对于本示例中使用的焊接工艺，可以改变控制频率以改变“穿刺点”之间的距离，在该“穿刺点”处激光束用于穿透工件的一个或更多个层以产生点焊缝。等效地，加工速度(即，工件和光束之间的相对平移速率)可以变化而控制频率保持恒定。例如，由于穿过各个层形成点焊缝，因此该过程可以用于代替在包含不同材料层的工件之间使用铆钉的需要。由高频光束切换实现的平均/合并光束轮廓产生了卓越的结果，因为平均光束尺寸(其具有的光束尺寸大于穿刺点)将预热工件，降低工件被穿刺时在穿刺点处的热应力。工件中的热梯度降低，从而降低了加工过程中开裂或断裂的风险。使用平均光束形状还减少了材料飞溅，从而使焊缝更整洁，不需要额外的处理(例如，在喷漆或其他精加工工艺之前打磨焊缝)。
本文使用的术语和表达用作描述性的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示出和所描述的特征或其一部分的任何等同体，而是承认可以在所要求保护的本发明的范围内进行各种修改。

Claims (66)

1.一种加工工件的方法，所述方法包括：
提供激光器和具有多个内部区域的光纤，将激光发射输入耦合到每个内部区域中，使得光纤产生具有不同空间输出轮廓的输出；
在时间模式中，将激光发射引导到光纤的不同内部区域，从而使输出具有不同的空间输出轮廓；以及
在将输出引导到工件上以加工工件时，引起它们之间的相对运动，
其中，所述时间模式具有足够的频率，使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于空间输出轮廓和其功率密度，工件经历对输出的基于时间的响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述相对运动的发生不快于最大加工速度，所述最大加工速度(i)基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)确保所述响应为对有效输出形状的响应。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，光纤的每个内部区域为纤芯区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述内部区域包括至少中心第一纤芯和围绕第一纤芯的环形第二纤芯。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的至少一个内部区域为纤芯区域，且所述光纤的至少一个内部区域为包层区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于一控制波形来引导所述激光发射。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述控制波形为方波。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述有效输出形状为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光发射为多波长光束。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光发射基于以下所述其中之一被引导到光纤的不同内部区域：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，加工的类型选自由切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊组成的列表。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一项。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所述加工路径中的一个或多个方向变化将所述激光发射引导至所述光纤的不同的内部区域。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为激光发射以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中所述激光发射由多个波长组成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域。
19.一种加工工件的方法，所述方法包括：
提供激光器和具有多根光纤的光纤束，在至少其中两根光纤中输入耦合激光发射，使光纤束产生具有不同空间输出轮廓的输出；
在时间模式中，将激光发射引导到光纤束的不同光纤，从而使输出具有不同的空间输出轮廓；以及
在将输出引导到工件上以加工工件时，引起它们之间的相对运动，
其中，所述时间模式具有足够的频率，使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，基于空间输出轮廓和其功率密度，工件经历对输出的基于时间的响应。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述相对运动的发生不快于最大加工速度，所述最大加工速度(i)基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)确保所述响应为对有效输出形状的响应。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，响应于一控制波形来引导所述激光发射。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述控制波形为方波。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述有效输出形状为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述激光发射为多波长光束。
26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述激光发射基于以下所述其中之一被引导到不同的光纤：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，加工的类型选自由切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊组成的列表。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一项。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，基于所述加工路径中的一个或多个方向变化将所述激光发射引导至不同的光纤。
30.根据权利要求19所述的方法，其中，所述激光器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为激光发射以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中所述激光发射由多个波长组成。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述色散元件包括衍射光栅。
32.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光纤的至少其中之一包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域。
33.根据权利要求19所述的方法，其中，所述光纤的至少其中之一包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域。
34.一种激光***，包括：
光束源，用于发射输入激光束；
具有多个内部区域的光纤，将输入激光发射输入耦合到每个内部区域中，使得光纤产生具有不同空间输出轮廓的输出；
切换机构，用于将输入激光发射引导至光纤的不同内部区域，以在具有一频率的时间模式中产生不同的空间输出轮廓；以及
传输机构，用于将输出引导到工件上，同时引起它们之间的相对运动，从而加工工件，
其中，所述频率足以使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
35.根据权利要求34所述的***，其中，所述切换机构包括屈曲安装的反射器。
36.根据权利要求34所述的***，其中，基于空间输出轮廓和其功率密度，工件经历对输出的基于时间的响应，所述切换机构配置为将相对运动限制为最大加工速度，所述最大加工速度(i)基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)确保所述响应为对有效输出形状的响应。
37.根据权利要求34所述的***，其中，光纤的每个内部区域为纤芯区域。
38.根据权利要求37所述的***，其中，所述内部区域包括至少中心第一纤芯和围绕第一纤芯的环形第二纤芯。
39.根据权利要求34所述的***，其中，所述光纤的至少一个内部区域为纤芯区域，且所述光纤的至少一个内部区域为包层区域。
40.根据权利要求34所述的***，进一步包括波形发生器，用于生成控制波形，所述切换机构配置为响应于所述控制波形来引导所述输入激光发射。
41.根据权利要求40所述的***，其中，所述控制波形为方波。
42.根据权利要求40所述的***，其中，所述有效输出形状为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
43.根据权利要求34所述的***，其中，所述输入激光发射为多波长光束。
44.根据权利要求34所述的***，其中，所述切换机构配置为基于以下所述其中之一将激光发射引导到光纤的不同内部区域：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。
45.根据权利要求44所述的***，其中，加工的类型选自由切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊组成的列表。
46.根据权利要求44所述的***，其中，所述工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一项。
47.根据权利要求44所述的***，其中，所述切换机构配置为基于所述加工路径中的一个或多个方向变化将所述输入激光发射引导至所述光纤的不同的内部区域。
48.根据权利要求34所述的***，其中，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为输入激光发射以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中所述输入激光发射由多个波长组成。
49.根据权利要求48所述的***，其中所述色散元件包括衍射光栅。
50.根据权利要求34所述的***，其中，所述光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域。
51.根据权利要求34所述的***，其中，所述光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域。
52.一种激光***，包括：
光束源，用于发射输入激光束；
具有多根光纤的光纤束，将输入激光发射输入耦合至至少其中两根光纤中，使光纤束产生具有不同空间输出轮廓的输出；
切换机构，用于将输入激光发射引导至光纤束的不同光纤，以在具有一频率的时间模式中产生不同的空间输出轮廓；以及
传输机构，用于将输出引导到工件上，同时引起它们之间的相对运动，从而加工工件，
其中，所述频率足以使得在工件和输出之间的相对运动期间，通过组合不同的空间输出轮廓的有效输出形状对工件进行加工。
53.根据权利要求52所述的***，其中，所述切换机构包括屈曲安装的反射器。
54.根据权利要求52所述的***，其中，基于空间输出轮廓和其功率密度，工件经历对输出的基于时间的响应，所述切换机构配置为将相对运动限制为最大加工速度，所述最大加工速度(i)基于材料的基于时间的响应和时间模式的频率进行选择，以及(ii)确保所述响应为对有效输出形状的响应。
55.根据权利要求52所述的***，进一步包括波形发生器，用于生成控制波形，所述切换机构配置为响应于所述控制波形来引导所述输入激光发射。
56.根据权利要求55所述的***，其中，所述控制波形为方波。
57.根据权利要求55所述的***，其中，所述有效输出形状为基于控制波形的形状和工作周期的不同空间输出轮廓的加权平均。
58.根据权利要求52所述的***，其中，所述输入激光发射为多波长光束。
59.根据权利要求52所述的***，其中，所述切换机构配置为基于以下所述其中之一将输入激光发射引导到不同的光纤：(i)要在工件上执行的加工的类型，(ii)工件的特性，或(iii)对工件进行加工所要沿着的加工路径。
60.根据权利要求59所述的***，其中，加工的类型选自由切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊组成的列表。
61.根据权利要求59所述的***，其中，所述工件的特性包括工件的厚度、工件的组成、工件的反射率或工件的形貌中的至少一项。
62.根据权利要求59所述的***，其中，所述切换机构配置为基于所述加工路径中的一个或多个方向变化将所述输入激光发射引导至不同的光纤。
63.根据权利要求52所述的***，其中，所述光束源包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束发射器；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散光束，通过其传输一部分分散光束作为输入激光发射以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，
其中所述输入激光发射由多个波长组成。
64.根据权利要求63所述的***，其中所述色散元件包括衍射光栅。
65.根据权利要求52所述的***，其中，至少一根光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域和围绕所述第一包层区域的第二包层区域。
66.根据权利要求52所述的***，其中，至少一根光纤包括纤芯、围绕所述纤芯的第一包层区域、围绕所述第一包层区域的环形纤芯和围绕所述环形纤芯的第二包层区域。
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