具有可控输出光束强度分布曲线的超高光纤激光系统

摘要

所公开的超高功率全光纤激光系统配置有多个间隔开的光纤激光器，多个光纤激光器经由相应路径输出相应的激光束。所公开的系统还被配置成具有锥形光纤束，锥形光纤束包括至少一个中心引导光纤和多个外围引导光纤。所公开的系统还具有多包层传送光纤，其配置有双瓶颈截面并设置有至少两个同心且径向间隔开的内芯和外芯。外芯耦合到外围引导光纤，而内芯熔接到中心引导光纤，使得从传送光纤的内芯发射的系统输出具有与从外芯发射的系统输出不同的光束形状。

说明书

技术领域

本公开涉及超高全光纤激光系统。特别地，本公开涉及一种超高功率全光纤激光系统，所述系统可操作以同时或顺序地传送具有不同强度分布曲线的光束。

背景技术

已知超高光纤激光系统可输出几千瓦的高亮度输出光。因为典型的高功率光纤激光系统包括组合在一起的多个光纤激光模块，所以典型的高功率光纤激光系统具有较大的占地面积，因此不易操作。然而，经常需要将高功率的光传送到偏远且难以接近的位置。由于这个原因，高功率激光系统具有较长的传送光纤，由于许多非线性效应，这可能对高质量光和光纤完整性是有害的。

在光学中，术语“非线性”是指强度相关的现象。光纤中的非线性效应是由于以下原因而发生的：(1)介质的折射率随光强度的变化，以及(2)非弹性散射现象。非线性效应取决于传输长度。光纤链路长度越长，光的相互作用越多，非线性效应越强。影响光纤非线性的另一因素是强度，并且强度与纤芯面积成反比。强度越高，非线性效应越大。这些因素不可避免地存在于高功率光纤激光系统中，并且会通过降低其功率和质量二者而对系统的输出产生不利影响。

用于切割和焊接材料的各种解决方案通常需要输出光束的各种光束强度分布曲线。例如，已经观察到，当使用“甜甜圈”形分布曲线代替更传统的光束分布曲线(例如“环形”形分布曲线)时，可以以低得多的功率、更高的切割速度和更高的质量执行金属切割。“甜甜圈”形的特征是围绕纤芯外围的强度较高，而沿着纤芯的中心(或轴向)区域的强度较低。

配置有多个光纤激光源的光纤激光系统可以满足该要求，所述光纤激光源将相应的输出光纤确定地组合成单个传送光纤。输出具有不同光束分布曲线的相应光束的组合输出光纤对于多种工业应用是有利的。例如，已经观察到，当使用甜甜圈形光束代替更传统的光束分布曲线时，可以以低得多的功率、更高的切割速度和更高的质量来执行对给定厚度的金属的切割。

US8781269(US‘269)公开了各种布置，以将来自相应光源的若干输入光束选择性地耦合到多包光纤中，以生成输出激光束的不同光束形状。输入光束在被选择性地耦合到馈入多包光纤的所需纤芯和包层区域之前，会传播通过自由空间和体开关光学器件。通过开关光学器件实现选择性，使得多个输入光束中只有一个可以耦合到传送光纤中。在该参考文献中公开的激光器通常被部署在与高机械应力和热应力相关的重工业中，高机械应力和热应力对于利用体部件的光学系统是有害的。此外，由于透镜表面的反射，穿过体光学器件传播的光束会遭受损失。有助于降低通过透镜的传输光功率的另一因素是由于其体积内的表面粗糙度和玻璃缺陷造成的光散射。

第7,130,113号美国专利教导了与美国‘269的布置相似的布置，其中已经通过使用诸如透镜之类的体光学器件来教导了光纤与光学器件的结合。这种耦合旨在针对准直效应进行补偿。

WO2016198724(WO‘724)教导了通过一根同轴环形光纤传播多个可单独控制的激光束，但是与US‘269相比，没有体开关光学器件，这是因为所公开的激光器是全光纤设计。该参考文献公开了一种激光束插入件，其具有中心通道和外围通道，所述中心通道和外围通道被相应传送光纤横切并且进一步地被熔接到传送光纤的纤芯和至少一个包层。合成器的配置很复杂，因此劳动和成本低效。

申请人先前曾参加分别在2014年8月13日和2015年5月26日提交的WO 2016/025701US和WO 2016/200621中公开的多光束激光系统的开发，其通过引用将全部合并在此。

因此，需要一种具有较长传送光纤的超高功率全光纤激光器，被配置为在遥远位置输出超高功率激光束。

另一需要是允许提供可控的复合输出光束的具有简单配置的超高功率全光纤激光系统。

发明内容

通过所公开的超高功率全光纤激光系统满足了这些需求，所述系统包括仅受实际考虑限制的多个光纤激光源。激光源被布置为具有一个或多个中心激光源以及被称为外围源的其他多个激光源，其可以位于中心源侧翼、围绕中心源或仅简单地与中心源间隔开而没有任何特定顺序。

激光源生成通过相应的中心源输出光纤和外围源输出光纤被沿着光路引导的相应激光输出，输出光纤的下游端被熔接到相应的馈入光纤。为了防止显著损耗，将相应熔接的输出光纤和馈入光纤的纤芯端彼此对准并尺寸统一。

馈入光纤被耦合到锥形光纤束，所述锥形光纤束包括熔合在一起以限定光纤合成器的多个引导光纤。如本领域普通技术人员所知，光纤合成器配置有中心引导光纤和围绕中心引导光纤的多个外围引导光纤，所述中心引导光纤熔接到中心馈入光纤的下游端，并且多个外围引导光纤被对接熔接到相应的外围馈入光纤。因此，在结构上，光纤合成器具有较大的输入面和比输入面小的输出面。

在所公开的系统中，光纤合成器的输出面被熔接到多芯传送光纤，所述多芯传送光纤允许被引导通过外围光纤的光被耦合到至少一个第二纤芯中，与此同时，传播通过一系列熔接的中心光纤的光被耦合到传送光纤的中心纤芯。传送光纤的纵向截面优选地具有双瓶颈形状，其配置为具有两个相对小的输入与输出端、直径大于每个端部的直径的中间部分、以及桥接中间部分和相应的输入与输出端的相对端的两个锥形部分。所公开的结构允许传送光纤比现有技术的传送光纤长得多，这是因为出于中心部分的增大的纤芯直径的原因，非线性效应的阈值高于在均匀尺寸的传送光纤中观察到的阈值。

所公开的全光纤激光系统包括具有相应的馈入光纤的多个激光源，与WO‘724相反，所述馈入光纤被一起耦合到锥形合成器中，所述锥形合成器被配置为具有一个中心光纤端和多个外围光纤端。锥形合成器直接熔接到多芯传送光纤上，所述多芯传送光纤的相应中心光纤和外围光纤的纤芯与光纤合成器的中心纤芯和外围纤芯对准。传送光纤的输出端与石英块光学和机械接触。馈入光纤和传送光纤之间的全光纤连接消除了对WO‘724的复杂而费力的光纤耦合器的需求。控制相应激光源的输出允许传送光纤输出具有各种光束形状的光束。

激光源可以被配置为多模MM源、单模SM源或MM源和SM源的组合、偏振源和非偏振源的组合。激光源不限于任何特定的功率水平，因此可以在从几瓦到几百kW的非常大的功率范围内工作，并且取决于任何给定激光源的工作方式，最高可达一个或多个兆瓦。工作方式可以选自连续波(CW)激光工作、准连续(QCW)激光工作和脉冲激光工作。在本公开的范围内的工作方式可以包括以相同的工作方式或不同的工作方式同时或顺序地工作的所有激光源。优选地，激光源是光纤激光，但是尾纤二极管激光、YAG、盘形激光以及激光配置的任何可能的组合都在本公开的范围内。对于本公开所涵盖的所有激光修改而言，共同的是必须配置有多芯传送光纤的光纤传送系统。在不脱离本公开要求保护的主题的情况下，所有以上公开的激光配置以及上面公开的和下面详细讨论的特征可以彼此任意组合使用。

附图说明

通过结合以下附图的具体描述，所公开的光纤激光系统的上述和其他特征将变得更加清楚，附图中：

图1是根据一种变型配置的所公开的光纤激光系统的示意图；

图2是根据另一变型配置的所公开的激光系统的示意性纵向截面图；

图3是图1和图2的传送光纤的截面图及其折射率分布曲线；

图4A是7x1光纤合成器的输出面的截面图；

图4B是图1至图3的传送光纤的截面图；

图4C是分别在合成器与传送光纤的熔接端之间的界面；

图4D是图4B的传送光纤的折射率分布曲线；

图5A至图5D对应于图4A至图4D的相应视图，但是用于19×1光纤合成器。

图6A和图6B示出了图1和图2的传送光纤与具有三个中心光纤的合成器之间的界面的截面图。

图7A和图7B类似于相应的图6A和图6B，但是是具有七个中心光纤的合成器。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例。在附图和说明书中尽可能使用相同或相似的附图标记指代相同或相似的部件或步骤。这些附图是简化的形式，并且没有精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向性(向上/向下等)或运动性(向前/向后等)术语。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和直接连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。

根据图1、图2和图3所示的发明构思，所公开的超高功率全光纤激光系统10可以包括仅受实际考虑限制的任何数量的光纤激光源14p-14c。激光源14被布置成具有一个或多个中心激光源14c和多个外围激光源14p的配置，所述多个外围激光源可以位于中心源侧翼、围绕中心源或仅简单地与中心源间隔开，而没有任何特定顺序。激光源14的工作方案可以选自连续波(CW)或准CW(QCW)或脉冲方式中的一种。本公开的范围规定了激光源14以各自不同的方式工作，或者所有的光源可以具有相同的方式。例如，中心激光器14c可以是QCW激光器，而外围激光源14c可以在CW方式下操作。激光源可以以单个横模(SM)或多个横模(MM)同时或顺序输出相应的激光束，这需要SM光纤或MM光纤。包括SM和MM激光源的组合以及相应的SM和MM光纤的配置也在本公开的范围内。各个激光源14的输出功率可以彼此相同或不同。激光源由中央处理单元12以软件和激光领域的普通技术人员已知的方式控制。

激光源14生成通过相应的中心输出光纤16c和外围输出光纤16p被沿着光路引导的相应激光输出，输出光纤的下游端被熔接到相应的馈入光纤18c和18p。为了防止损耗，相应熔接的输出光纤和馈入光纤的纤芯彼此对准并尺寸统一。

馈入光纤18p和18c耦合到锥形光纤束，锥形光纤束包括熔合在一起以限定下游光纤合成器20的多个引导光纤。如本领域普通技术人员所知并且如图2所示的光纤合成器配置有中心引导光纤22c和围绕中心引导光纤22c的多个外围引导光纤22p，中心引导光纤22c熔接到中心馈入光纤18c的下游端，并且多个外围引导光纤22p熔接到外围馈入光纤18p。输入面24和输出面26分别在其间限定合成器20的主体。

在所公开的系统中，下游光纤合成器20(图1)的输出面26被熔接到多芯传送光纤28，多芯传送光纤28允许被引导通过外围光纤16p、18p和22p的光被耦合到至少一个第二纤芯32中，与此同时，传播通过一系列熔接的中心光纤16c、18c和22c的光被耦合到传送光纤的中心纤芯34。中心纤芯34和第二纤芯32分别由内包层36隔开，内包层36与外包层38一起将第二纤芯32夹在中间。根据馈入光纤18的数量，合成器20可以具有3x1或7x1或19x1配置，其甚至可以具有更多的馈入光纤18，所述馈入光纤耦合到传送光纤28的多于一个的第二纤芯上。如果技术条件允许，则可以在合成器的主体中容纳更多的光纤。

传送光纤28的纵向截面优选地具有双瓶颈形状，所述双瓶颈形状配置为具有朝向彼此延伸并在彼此相距一定距离处终止的输入与输出锥形部段或部分44、46。中间部段42的直径分别大于传送光纤的每个输入与输出面和桥接部段44、46的直径。输入与输出部段44、46每个都可以直接从传送光纤28的面向外逐渐变细，如图1所示。可替代地，传送光纤28可以设置有相对的输入与输出细长圆柱端48、50，其中每个分别在所述面和锥形部分44、46之间延伸，如图2所示。传送光纤28可以长达至少20m长，而在100kW CW激光系统10中不会表现出任何退化。保护套管52包封传送光纤28并覆盖在合成器的输出光纤和传送光纤之间的接头54(图2)。端块或扩束器40熔接到传送光纤28的输出面上并配置为以已知方式将环境危害降至最低。

以上将馈入光纤18c、18p公开为直接耦合到下游合成器20的相应的中心引导光纤和外围引导光纤。可替代地，多个中心激光源14c和多个外围激光源14p可以组合在一起，如图1所示。引导来自每组的相应激光源的光的馈入光纤18转而耦合到相应的第二合成器或上游合成器60。因此，系统10可以设置有中心合成器60c和外围合成器60p，其具有与合成器20的中心引导光纤和外围引导光纤熔接的相应输出光纤62c和62p。将多个激光输出组合到每个合成器的单个输出光纤中可以增加传送到下游合成器20的光的强度。每组的馈入光纤18的数量可以变化，并且仅受技术和实际考虑的限制。例如，图1示出了每个合成器60c、60p的3×1配置。传送光纤28可以设置有包层模式吸收器，如本领域中已知的，该包层模式吸收器被配置为消除沿外包层的模式传播，沿外包层的模式传播可能对传送光纤28的保护层有害。

图4A示出了7×1下游光纤合成器20的截面图，该下游光纤合成器20设置有中心光纤20c和六(6)个外围光纤20p。合成器的光纤22c、22p分别熔接到馈入光纤18的输出。图4B中所示的两芯传送光纤28具有中心纤芯34，中心纤芯34的直径基本等于中心引导光纤22c的直径。如图4C所示，传送光纤28的第二纤芯32的尺寸被确定为容纳合成器20的外围引导光纤22p。在图4D中示出传送光纤28的折射率分布曲线。

图5A至图5D示出了与相应图4A至图4D的视图相对应的各个视图。然而，合成器20的所示配置包括十九(19)个引导光纤20c和20p，与和中心引导光纤20c对应的内圆和具有十二(12)个外围引导光纤20p的外圆同心地布置。引导光纤数量的增加可能引起传送光纤28的修改。如图5B和图5D所示，传送光纤配置有中心纤芯34和两个第二纤芯32、35。三个包层36、38和39与图5B的配置相当。类似于图4A至图4D的配置，相应的引导光纤20c的纤芯直径和传送光纤28的中心纤芯34的尺寸被确定为彼此匹配。

简要地参考图4D和图5D，相应中心纤芯和第二纤芯的折射率n

图6A和图6B分别示出了合成器20和传送光纤28的截面图。该变型与图4和图5所示的变型之间的不同之处包括合成器20的不同的多个中心光纤20c。特别地，三(3)个中心光纤20c一起限定了与传送光纤28的中心纤芯34的纤芯直径匹配的外周长。

图7A至图7B分别类似于图6A至图6B。然而，光纤合成器20具有由七(7)个中心光纤20c限定的中心区域，七(7)个中心光纤20c限定了与传送光纤28的中心纤芯32的纤芯直径相匹配的外周。十二个引导外围光纤20p被熔接到传送光纤28的第二纤芯32，并且类似于所有先前公开的修改，其可以径向延伸到传送光纤28的各个包层36、38的相邻区域中。

如激光领域的普通技术人员容易理解的那样，可以增加合成器20的中心光纤20c的数量。中心光纤20c的数量的增加转而可能需要增加传送光纤28的中心纤芯34的纤芯直径。传送光纤28的中心纤芯34的纤芯直径可以在50μ和100μ之间变化，而传送光纤28的外径可以在150μ和300μ之间。当然，这些范围是示例性的，并且可以根据任何给定的要求进行调整。

图1和图2提出了本发明的示例性示意图，其中激光系统10通过相应的馈入光纤18

激光器14

参考图3和图4，相应的馈入外围光纤18和中心光纤20的多个输出端耦合在一起以形成7部件合成器25或19部件合成器(图5A、图5C和图6)或以光纤激光器领域的普通技术人员已知的方式被整形为具有锥形中间部段27和大体圆柱形端部段29的任何其他合理数量的这些部件。由间隔开的和共同延伸的馈入光纤18的外周决定的外径D-D相比于端部段29的外径d(图3A)的减小可以在2到10倍的范围内变化。实际减小的决定因素包括以下部件的对准和尺寸(1)中心馈入光纤20(图4)的减小的中心纤芯20′(图3A)和传送光纤24的纤芯30(图3B)，以及(2)相应外围馈入光纤18(图4)的纤芯18′(图3A)和传送光纤24的包层28(图3B)。在图5至图6的配置的情况下，与中心光纤20邻接的外围光纤18应与传送光纤24的纤芯30′(图5B)对准，并且围绕与中心纤芯相邻的那些光纤的外围馈入光纤18与传送光纤24的纤芯30"对准，等等。注意，在图3至图4中，相应相邻的传送外围光纤18的端部段29全部彼此机械接触并且与馈入光纤20的中心端部段机械接触。在图5、图6中，相应的“外”相邻外围光纤18的端部段，即与中心馈入光纤20径向间隔开的那些馈入光纤18，显然彼此接触并与相邻“内”馈入光纤的相应端部段接触。由聚合物材料制成的保护套管34完成整个结构，其以本领域普通技术人员已知的方式覆盖合成器25和传送光纤24之间的接头区域。

传送光纤24分别配置有图3B的两个纤芯区域28、30(或图5B的三个纤芯区域30-30"或更多)。同心的纤芯区域具有相同的折射率n1，该折射率n1高于每个纤芯间同心区域36-36"的折射率n2，如图3D和图5D所示，从而划分纤芯区域。

结合图3C参考图3E，代替单个中心光纤20，可以使用多个光纤20、42和44。这些光纤同心放置，以引导来自相同或不同激光源(未示出)的光束。外围光纤18-18”以类似于图3A的方式围绕外部中心光纤44。图3E所示的配置显然可以用在图5A至图5D所示的配置中。

在使用中，控制激光的输出，光信号可以被选择性地引导通过馈入光纤18(图3A，4、5A和6)的各个纤芯18′，并耦合到传送光纤24的期望的一个或多个纤芯中。结果，传送光纤输出具有期望形状的系统光束。如果仅使用一根或多根中心馈入光纤而不借助外围传送光纤，则入射到要进行激光处理的工件上的光束的形状可能只是一个完整的中心回路，或仅多个甜甜圈形的一个或多个光束，或前者和后者都有。优选地，但不是必须地，图4和图6的合成器的所有光纤是多模(MM)光纤。可替代地，仅中心光纤20是MM，而所有外围光纤18是单模(SM)光纤。显然，可以使用MM和SM光纤的其他组合来匹配所需的任务。

图1的激光源14

如此已经描述了至少一个示例的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以在其他上下文中使用。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本文所讨论的示例的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例。