光学组件和用于产生这样的光学组件的方法与流程

本发明涉及纤维光学部件，并且特别地涉及绝热光纤耦合器及其使用。本发明还涉及捆绑光纤以用于制造纤维光学部件的方法。本发明尤其适合于通过使用高功率激光光束进行的材料处理。

背景技术：

高功率激光光束广泛地用在诸如切割和焊接金属之类的材料处理中。通过使用激光光束的处理速度不仅取决于各种材料特性，诸如材料组成和厚度，而且取决于激光光束本身的特性，诸如波长、光束质量和光束轮廓。尤其对于金属切割应用而言，已经观察到光束轮廓影响切割速度和质量，所述光束轮廓即光束的空间强度图案。可以利用高斯（成钟形）形状或超高斯形状来近似激光的典型光束轮廓。高斯轮廓由单模激光源生成，而超高斯轮廓由多模激光器生成。超高斯形状的极端情况是所谓的顶帽轮廓，其在光束内具有恒定强度并且在光束外部具有零强度。高斯和顶帽光束的共同特征是大量的强度存在于光束中心。

当利用激光光束切割金属时，典型地通过聚光透镜将激光光束凝聚成100-500μm的光点，以增加能量密度并且瞬时地将工件加热到1500度或以上的金属熔点使得工件熔化或升华。同时，可以馈送辅助气体以移除熔化材料以及切割工件。当工件是厚软钢板（碳钢板）时，将氧气用作辅助气体以生成氧化反应热量并且还将该热量用于切割工件。

与来自co2激光器的十微米波段中的激光光束相比，来自固态激光器或纤维激光器的一微米波段的激光光束在金属产品上实现非常高的光学能量强度和吸光率。然而，如果使用具有高斯光束的一微米波段激光光束与氧气辅助气体一起来切割软钢板工件，则工件的顶面上的熔化宽度不必要加宽并且削弱切口控制。此外，可能发生自燃，使激光切割的质量恶化。然而，在ep2762263中发现，将纤维激光器的激光光束形成为环光束和利用环光束切割工件提供与co2激光器提供的效果相同的效果。

实际上，利用具有可以利用环形或“环形物（doughnut）”形状近似的强度分布的激光光束切割金属已经在切割速度和质量方面产生好的结果。例如，已经观察到，当使用环形物光束而不是更常规的光束轮廓时，给定厚度的金属的切割可以以低得多的功率执行。因此，制造用于这样的应用的高功率激光源的一些公司已经开发了产生接近或近似环形物形状的光束轮廓的方法。这些方法中的一些包括对来自激光谐振器的环形模式（例如横（tem）模）的使用或通过使用复杂且常常专有的电光方法使光束成形。在环形物光束中，强度分布在光束中心处具有相对暗的凹陷或区，并且最大辐射强度区形成围绕所述光束中心凹陷的似环图案。

在us20110293215中公开了一种通过使用空心光纤或光纤耦合微型轴棱锥透镜组件将高斯模式光束转换成环形模式光束的解决方案。

从文献jp2013139039知道将多个光纤引导至对应数目的准直透镜，其使得来自两个或更多光纤的激光光束平行。该解决方案具有聚光透镜，其凝聚来自准直透镜的平行光，而同时将光纤移动通过驱动机构以（除了其他形状之外）创建环形光束。

在us7348517中讨论了例如在利用激光光束切割钢板时移除工件的熔化材料的问题。与激光光束同轴地注入比如氧气或惰性焊接气体那样的辅助气体，以便局部地移除熔化材料。在厚板处维持适当的气压，用于吹走熔化材料的功率趋向于变得不充足。tem10模式用于创建环形光束，其收集性质通过修改气体激光振荡器的配置和/或通过修改所使用的光学反射镜和透镜系统的配置来优化。

ep0464213示出一种利用激光光束切割诸如厚软钢板之类的工件的方法，该方法通过利用主要处于环模式的激光光束切割工件和通过向光学系统的表面施加气体以冷却系统。kcl（氯化钾）透镜用作聚焦透镜。

最后，wo2009003484示出一种绝热光学耦合器，其将包括捆绑的光纤的第一光学段与具有包括内部包层的波导的第二段组合，使得光被引导至成环形区中。内部包层具有相对于无掺杂的石英降低的折射率以将光限于成环形的引导区。

在使用激光光束的材料处理应用中，最大化光束的亮度一般是有利的。亮度被定义为每单位立体角和单位面积的功率。作为亮度重要性的示例，增加激光光束的亮度意味着激光光束可以用于增加处理速度或材料厚度。因此，为了最大化由光纤的捆束发射的光的亮度，纤维芯应当如在实际上可实现的那样接近彼此。

例如，捆绑具有125μm的包层直径和20μm的芯直径的多个光纤不产生高亮度，因为捆束中的纤维处于相对远离彼此的状态。如果人们希望增加捆束的亮度，则纤维芯之间的距离需要减小。现有技术解决方案尚未适当地解决该问题。由于过大的纤维和光路中的破坏或偏离而损失的任何亮度不能被收回。

技术实现要素：

本发明的目的是实现生成具有非常高的亮度和强度的环形或似环激光辐射图案的鲁棒方式。这样的似环强度分布图案在通过使用激光光束进行的材料处理方面具有直接的工业应用。

通过根据独立权利要求的光学组件和方法来实现本发明的目的。

发明的光学组件和方法特别地针对在100w至kw功率制度中操作的纤维光学部件。特别地，部件的吞吐量可以至少是100w，特别地至少是1kw。部件的馈送纤维可以是或者可以被耦合到纤维激光器或任何其他纤维递送激光源。通过使用细纤维、通过熔融纤维的包层以及通过消除或至少最小化光路中的任何破坏或偏离来维持充足量的亮度。以这样的方式，使纤维芯相对于芯直径接近彼此。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于引导经由单独光学馈送纤维的捆束接收的激光辐射的光学组件。每个馈送纤维具有围绕纤维芯的至少一个包层。根据本发明，纤维的包层在圆柱形限域中至少部分地熔融在一起以形成区段，所述区段包含以圆柱形配置布置在区段内部的馈送纤维的至少部分的芯。这将提供成环形的光导，利用其可以将激光光束馈送例如至“环形物”纤维激光器纤维。本发明可以与任何种类的纤维激光设备一起使用，其中激光辐射的强度图案需要具有环形形状。

在实施例中，单独光学馈送纤维的捆束被熔融以形成环形区段，所述环形区段包含以圆柱形配置布置在所述区段内部的馈送纤维的芯。单独光学馈送纤维的捆束还可以包括在环形区段的中心中熔融的另一光纤以使得同样在成环形的激光光束的中心中提供激光光束成为可能。在中心中的该纤维还可以是假或暗纤维，其唯一任务可能是帮助将馈送纤维保持在所述馈送纤维的沿其中纤维熔融在一起的管状模具的圆柱表面的位置中。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于产生光学组件的方法，所述光学组件用于将经由单独光学馈送纤维的捆束接收的激光辐射引导至纤维激光器纤维。发明的方法包括以下步骤：

–提供成圆柱形的模具，

–将多个光学馈送纤维沿圆柱的圆柱表面适配在所述模具中，每个纤维具有芯和围绕芯的至少一个包层以提供所述芯中的全内反射，

–向所述模具中的所述纤维的包层材料施加热量并且使其至少部分地熔融在一起，并且形成具有以圆柱形配置布置在熔融包层材料中的所述馈送纤维的芯的至少部分的区段。

根据实施例，熔融所述纤维的包层材料是熔融以形成环形区段，所述环形区段包含以圆柱形配置布置在所述区段内部的所述馈送纤维的芯。可以在环形区段的中心中熔融另一光纤。

优选地，通过使用具有形成腰部部分的孔腔（bore）的管状模具并且通过施加热量以熔融腰部部分处的纤维的捆束来执行熔融。由于纤维的捆束熔融在一起，因此馈送纤维芯相对紧密地隔开。纤维捆束的熔融部分因此可以形成单个玻璃片，或者至少熔融纤维包层的紧凑区段。

将利用发明的光学组件生成的环形形状的激光光束馈送到具有能够引导激光辐射的芯的纤维中。馈送纤维芯被有利地布置成存在于预定大小的环形区段或区中，所述环形区段或区与环形物纤维激光器纤维的环形芯区重叠。这样的芯区具有比围绕它的材料高的折射率，其提供芯区中的全内反射。在从属权利要求中限定各种实施例。当环形区段具有比在由所述环形区段包围和在所述环形区段外部的材料中的折射率高的折射率时，激光光束被引导至要例如被切割的工件，具有最不可能的环形强度分布中的降级以及光学功率和强度的衰减。

总结来说，所描述的方法是生成用于纤维耦合激光源的“似环”光束轮廓的简单且高效的方式。在将第一和第二光学元件接合在一起的优选方法中，不要求自由空间光学器件。没有使用复杂的机电和电光系统。可以在输入处使用单模或多模激光源，并且与在一些公布的环生成器中不同，人们不需要为了生成似环强度分布而更改激光源的谐振器性质。

借助于本发明获得了相当多的优点。当部件优选地为熔融的全玻璃部件时，可能不发生归因于污染的对准误差或破坏性效果。部件将随时间和随环境改变而稳定，因此材料处理的质量将不受这样的影响所影响。在针对激光焊接和激光切割或在激光焊接和激光切割中使用的部件中获得特定优点。

接下来，参照所附各图更详细地描述本发明的实施例。

附图说明

图1示出光纤的捆束或预型件的横截面；

图2示出根据本发明的一个实施例的形成光学组件的熔融捆束；

图3a和3b图示了环形纤维激光器纤维的结构和折射性质；

图4a示出根据本发明的一个实施例的管状模制设备；

图4b示出根据本发明的另一实施例的管状模制设备；

图5图示了根据本发明的一个实施例的输入纤维的熔融捆束；

图6图示了发明的光学组件与纤维激光器纤维之间的耦合区段。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的构成用于光学元件的预型件的光纤11的捆束10的横截面。捆束具有n个纤维（在此n=4）。每个纤维11具有芯12和包层13。包层由具有比芯12的折射率低的折射率的材料制成。如对于熟悉本领域的人员公知的，发射到这样的纤维（还称为阶梯折射率纤维）的芯中的光将被芯与包层之间的折射率阶梯引导，并且因此将根据全内反射原理而保持在芯内部。

根据本发明，捆束中的纤维非常细以便最大化由多个芯形成的光学图案的亮度。特别地，纤维直径可以如40μm那样低，或者甚至更小。由于这样细的纤维的处置和捆绑非常具有挑战性，因此为了改进的可制造性，优选地在支持的成圆柱形的模具内部执行捆束的熔融。

图2示出根据本发明的一个实施例的形成光学组件的熔融捆束20。通过首先形成如图1中所示的捆绑的纤维的预型件10，然后拉着预成型的捆束通过受热的圆柱形模具来制造熔融捆束20，受热的圆柱形模具可以包括毛细管。当经过模具时，纤维21的包层23以受控的方式熔融在一起。芯22形成的空间图案由预型件和模具确定。在此，熔融捆束具有n个芯区22（在此n=4）。包层区23和可能地还有芯区22通过熔融过程从其初始一般地圆形的形状而变形。图2中的虚线图示了图1的捆束的单独纤维11的近似变形的边界。这样的物理界面可能在熔融过程中消失。

熔融捆束20的芯的最终物理尺寸和空间分离由纤维尺寸和包层的熔融程度确定。外层24可以包括管状模具。因此毛细管已经与纤维熔融在一起以形成玻璃的固体部分。这提供具有改进的机械鲁棒性的熔融纤维捆束，其在纤维捆束和毛细管熔融在一起时形成强固体玻璃片。替代地，如果模具不是该结构的部分，则可以在熔融纤维上形成任何合适的包层。所形成的纤维捆束20可以利用常规方法进行抛光或割开以形成平坦的端部或界面表面，并且纤维光学的常见方法可以用于进一步处理所得到的纤维，诸如添加外部保护性聚合物涂层、剥去涂层等。

图3a示出纤维激光器纤维30，其具有接收由图2的熔融纤维捆束输出的激光光束的成环形的光导（环形物纤维）。环形物纤维30具有中心包层34、环形光导或芯31、一次包层32和二次包层33。环形物纤维30可以通过使用纤维光学的公知方法进行抛光或割开以形成其平坦的平面。

可以通过将熔融纤维捆束20和环形物纤维30接合在一起或者通过在它们之间使用自由空间光学器件（透镜等）而将它们光学耦合在一起。从馈送纤维21的芯耦合到环形物纤维的芯31中的激光辐射形成可以通过环形物纤维的出射面处的环形物形状近似的空间强度分布。可以利用处理光学器件将该空间强度图案进一步成像到工件上。

图3b示出图3a的环形物纤维30的可能的折射率分布图的示例。中心包层34具有n4的折射率，并且一次包层32具有n2的折射率。芯31具有n1的折射率，其中n1＞n2并且n1＞n4，以便使光被引导并且保持被引导在芯31中。二次包层的折射率n3在其大小方面没有明确的约束，但是由于在实践中该区一般由纯熔融硅石制成，因此n3可以大约是1.45。熔融硅石的折射率可以通过利用杂质掺杂它来修整。例如，利用锗掺杂熔融硅石导致折射率中的增加，而利用氟掺杂它导致折射率中的减小。因此，环形物纤维的芯31可以由掺杂ge的熔融硅石制成，并且一次包层32由掺杂f的熔融硅石制成。中心包层34和二次包层33可以由无掺杂的熔融硅石制成。

显然，存在满足针对纤维30的不同区的折射率值的要求的其他材料选择。由于一些光也可以被发射到中心包层34中，因此一次包层的折射率n2可以小于中心包层的折射率n4以确保发射到中心包层34中的光将不传播通过一次包层32。

参照图4a，根据一个实施例，管状模制设备包括毛细管42（例如熔融硅石、石英、经掺杂的石英等），其通过玻璃拉制方法而逐渐变细以便获得基本上恒定的直径的某个合适长度（例如1mm-5cm，优选地3mm-3cm）的腰部部分43。馈送纤维41的捆束40适配在毛细管42内。腰部部分43处的毛细管42的内部直径被设计成略微大于馈送纤维41的捆束40的外部直径，例如大约大1μm。捆束40可以通过合适的捆绑辅助工具而组织成密堆积的布置，并且可以通过具有胶黏涂层（未示出）等的馈送纤维使捆束几何形状固定或牢固。

在毛细管的腰部部分43内，例如通过在加热区段44处施加热量而使馈送纤维41的捆束变得与毛细管42的壁熔融，优选地以实现纤维的绝热（逐渐的）熔融。结果是熔融纤维捆束45。

在图4b中示出替代的实施例，其中具有腰部部分47的管状模具46没有形成熔融纤维捆束48的部分。图4a和4b的两个实施例图示了本发明的重要特征，即，使要熔融的纤维捆束经受非常温和的制造步骤以保护通过光学组件的绝热光引导。在实践中，这意味着在可能的程度上避免纤维芯的变形、弯曲和破坏。

应当注意，通常由于所涉及的几何形状，当所述捆束的纤维和毛细管熔融在一起并且在纤维之间和在它们与圆柱形模具的内壁之间的气穴由于熔融期间的玻璃回流而消失时，纤维的芯在横截面中经受从一般地圆形的形状到非圆形形状的形状改变。纤维形状的改变必须沿熔融区的长度以逐渐的方式（绝热地）完成。可以在纤维以恒定速度沿细长熔融区的长度移动时通过控制比如图4a和4b中的区段44那样的加热区段中的加热功率，或通过增加具有恒定加热功率的热源的速度，或者二者组合，来实现逐渐的形状改变。最小加热功率应当使得馈送纤维41的芯保持处于其原始形状并且毛细管（或模具）基本上不崩溃（collapse）。为了实现激光辐射的亮度中的低损失和低降级，芯形状的逐渐改变是必要的。

图5示出具有熔融纤维捆束50的本发明的实施例的横截面，所述熔融纤维捆束50具有七个馈送纤维。在馈送纤维的该密堆积的配置中，纤维中的一个位于捆束中心中，而其余六个纤维被以圆柱形方式定位并且显现在以圆形布置的横截面中。外围纤维具有芯51并且中心纤维具有芯52。固体玻璃基质53包括7个单独馈送纤维的包层、毛细模具管和/或围绕原始纤维捆束施加的其他包层。

图6示出在图5的熔融捆束50与图3a的环形物纤维30之间的光学界面。为了清楚起见，来自参考号码的虚线指向由虚线表示的结构。对准被环状地布置并且现在熔融的馈送纤维的芯51以将光学功率发射到环形物纤维30的芯31中。对应地，将熔融捆束50的中心纤维52的芯设计成将光学功率发射到环形物纤维30的中心包层34中。环形物纤维30的中心处的光学强度将因此不为零，如果光学功率被发射到熔融捆束50的所有纤维中的话。

熔融捆束50和环形物纤维30的尺寸还可以选择成使得外围纤维51具有与环形物纤维30的中心包层34的重叠，因为在一些情况下，来自芯51的一些光学功率还进入中心包层34可能是优选的。发射到中心包层34中的任何光学功率将不保持被约束到包层，因为其折射率n4小于芯31的折射率n1。

另一方面，如果芯之间的重叠是100%，即纤维捆束50的所有芯51适配在环形物纤维30的芯31内部，并且芯52保持基本上暗，则没有光学功率将发射到中心包层34中。因此，中心包层34也将显得暗，即其将具有实际上为零的强度。

因此，光学元件30和50的芯区的空间配置和尺寸限定了芯的总体重叠。在大多数情况下，更优选的是不将任何功率发射到一次包层32中，因为该光将不被包含在芯31和中心包层34中，并且因此可以被视为部件的不合期望的损失。这对于n3＞n2的重要实际情况而言将尤其正确，在该情况下，发射到一次包层32中的任何光还将泄漏到二次包层33中。

要理解的是，所公开的本发明的实施例不受限于本文中公开的特定结构、过程步骤或材料，而是被扩展到其等同，如相关领域普通技术人员将认识到的那样。还应当理解的是，本文中采用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且不意图是限制性的。

遍及本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在遍及本说明书的各种地方中的出现不一定都指的是相同实施例。

在本文中可以参考本发明的各种实施例和示例连同对其各种部件的替代。要理解的是，这样的实施例、示例和替代不要被解释为彼此的事实上的等同，而是要被视为本发明的单独且自主的表示。

另外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。在描述中提供了众多具体细节，诸如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域技术人员将认识到，可以在没有具体细节中的一个或多个的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来实践本发明。在其他实例中，并未示出或详细描述公知的结构、材料或操作以避免使本发明的各方面模糊。

虽然前述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对本领域普通技术人员而言将显而易见的是，可以在没有有创造性的能力的运用并且不背离本发明的原理和概念的情况下做出在实现的形式、使用和细节方面的众多修改。相应地，除了如由以下阐述的权利要求限制本发明之外，不意图限制本发明。