用于具有可变光束参数积的多光束激光装置的系统和方法制造方法及图纸

在多个实施例中，光束参数调节系统及聚焦系统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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
在多个实施例中，本申请涉及一种激光系统，尤其涉及一种具有可控光束参数积的激光系统。
技术介绍
大功率激光系统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。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，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，光学系统将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。光学系统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。为了改变激光系统的BPP，输出光学系统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系统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系统的BPP，而无需在光学纤维的输出端对激光光束或光学系统进行这种调节。
技术实现思路
本专利技术的多个实施例提供了一种激光系统，其中该系统(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。本专利技术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系统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。本专利技术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。本专利技术的实施例可用于多波长光束组合(WBC)系统，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系统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系统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，本专利技术的实施例的特征在于一种光束参数调节系统及聚焦系统，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)。该系统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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光束参数调节系统及聚焦系统，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，所述系统包括：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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.26 US 61/944989;2014.04.30 US 61/9862371.一种光束参数调节系统及聚焦系统，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，所述系统包括：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所述的系统，其中所述第二光学元件为半波片。3.根据权利要求2所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，其中所述第一光学元件包括第一和第二偏振分束器，所述第二光学元件包括置于所述第一和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所述光路传播，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所述的系统，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所述的系统，其中所述第一光学元件包括第一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和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光束和一个偏离所述光轴传播的非寻常光束，(ii)所述第二光学元件拦截并改变所述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所述的系统，其中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。15.根据权利要求12所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，其中所述第一光学元件包括空间分离的、基本上光学透明的第一和第二板，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和第二板之间的半波片，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。19.根据权利要求18所述的系统，其中所述半波片围绕其光轴的旋转角度确定光束功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈斌，帕尔维兹·塔耶巴提，黄罗宾，布赖恩·洛赫曼，周望龙，弗朗西斯科·维拉里尔绍塞多，詹姆斯·赞布托，
申请(专利权)人：陈斌，帕尔维兹·塔耶巴提，黄罗宾，布赖恩·洛赫曼，周望龙，弗朗西斯科·维拉里尔绍塞多，詹姆斯·赞布托，
类型：发明
国别省市：美国;US