本發(fā)明涉及纖維光學(xué)部件，并且特別地涉及絕熱光纖耦合器及其使用。本發(fā)明還涉及捆綁光纖以用于制造纖維光學(xué)部件的方法。本發(fā)明尤其適合于通過使用高功率激光光束進行的材料處理。

背景技術(shù)：

高功率激光光束廣泛地用在諸如切割和焊接金屬之類的材料處理中。通過使用激光光束的處理速度不僅取決于各種材料特性，諸如材料組成和厚度，而且取決于激光光束本身的特性，諸如波長、光束質(zhì)量和光束輪廓。尤其對于金屬切割應(yīng)用而言，已經(jīng)觀察到光束輪廓影響切割速度和質(zhì)量，所述光束輪廓即光束的空間強度圖案。可以利用高斯（成鐘形）形狀或超高斯形狀來近似激光的典型光束輪廓。高斯輪廓由單模激光源生成，而超高斯輪廓由多模激光器生成。超高斯形狀的極端情況是所謂的頂帽輪廓，其在光束內(nèi)具有恒定強度并且在光束外部具有零強度。高斯和頂帽光束的共同特征是大量的強度存在于光束中心。

當(dāng)利用激光光束切割金屬時，典型地通過聚光透鏡將激光光束凝聚成100-500μm的光點，以增加能量密度并且瞬時地將工件加熱到1500度或以上的金屬熔點使得工件熔化或升華。同時，可以饋送輔助氣體以移除熔化材料以及切割工件。當(dāng)工件是厚軟鋼板（碳鋼板）時，將氧氣用作輔助氣體以生成氧化反應(yīng)熱量并且還將該熱量用于切割工件。

與來自co2激光器的十微米波段中的激光光束相比，來自固態(tài)激光器或纖維激光器的一微米波段的激光光束在金屬產(chǎn)品上實現(xiàn)非常高的光學(xué)能量強度和吸光率。然而，如果使用具有高斯光束的一微米波段激光光束與氧氣輔助氣體一起來切割軟鋼板工件，則工件的頂面上的熔化寬度不必要加寬并且削弱切口控制。此外，可能發(fā)生自燃，使激光切割的質(zhì)量惡化。然而，在ep2762263中發(fā)現(xiàn)，將纖維激光器的激光光束形成為環(huán)光束和利用環(huán)光束切割工件提供與co2激光器提供的效果相同的效果。

實際上，利用具有可以利用環(huán)形或“環(huán)形物（doughnut）”形狀近似的強度分布的激光光束切割金屬已經(jīng)在切割速度和質(zhì)量方面產(chǎn)生好的結(jié)果。例如，已經(jīng)觀察到，當(dāng)使用環(huán)形物光束而不是更常規(guī)的光束輪廓時，給定厚度的金屬的切割可以以低得多的功率執(zhí)行。因此，制造用于這樣的應(yīng)用的高功率激光源的一些公司已經(jīng)開發(fā)了產(chǎn)生接近或近似環(huán)形物形狀的光束輪廓的方法。這些方法中的一些包括對來自激光諧振器的環(huán)形模式（例如橫（tem）模）的使用或通過使用復(fù)雜且常常專有的電光方法使光束成形。在環(huán)形物光束中，強度分布在光束中心處具有相對暗的凹陷或區(qū)，并且最大輻射強度區(qū)形成圍繞所述光束中心凹陷的似環(huán)圖案。

在us20110293215中公開了一種通過使用空心光纖或光纖耦合微型軸棱錐透鏡組件將高斯模式光束轉(zhuǎn)換成環(huán)形模式光束的解決方案。

從文獻(xiàn)jp2013139039知道將多個光纖引導(dǎo)至對應(yīng)數(shù)目的準(zhǔn)直透鏡，其使得來自兩個或更多光纖的激光光束平行。該解決方案具有聚光透鏡，其凝聚來自準(zhǔn)直透鏡的平行光，而同時將光纖移動通過驅(qū)動機構(gòu)以（除了其他形狀之外）創(chuàng)建環(huán)形光束。

在us7348517中討論了例如在利用激光光束切割鋼板時移除工件的熔化材料的問題。與激光光束同軸地注入比如氧氣或惰性焊接氣體那樣的輔助氣體，以便局部地移除熔化材料。在厚板處維持適當(dāng)?shù)臍鈮?，用于吹走熔化材料的功率趨向于變得不充足。tem10模式用于創(chuàng)建環(huán)形光束，其收集性質(zhì)通過修改氣體激光振蕩器的配置和/或通過修改所使用的光學(xué)反射鏡和透鏡系統(tǒng)的配置來優(yōu)化。

ep0464213示出一種利用激光光束切割諸如厚軟鋼板之類的工件的方法，該方法通過利用主要處于環(huán)模式的激光光束切割工件和通過向光學(xué)系統(tǒng)的表面施加氣體以冷卻系統(tǒng)。kcl（氯化鉀）透鏡用作聚焦透鏡。

最后，wo2009003484示出一種絕熱光學(xué)耦合器，其將包括捆綁的光纖的第一光學(xué)段與具有包括內(nèi)部包層的波導(dǎo)的第二段組合，使得光被引導(dǎo)至成環(huán)形區(qū)中。內(nèi)部包層具有相對于無摻雜的石英降低的折射率以將光限于成環(huán)形的引導(dǎo)區(qū)。

在使用激光光束的材料處理應(yīng)用中，最大化光束的亮度一般是有利的。亮度被定義為每單位立體角和單位面積的功率。作為亮度重要性的示例，增加激光光束的亮度意味著激光光束可以用于增加處理速度或材料厚度。因此，為了最大化由光纖的捆束發(fā)射的光的亮度，纖維芯應(yīng)當(dāng)如在實際上可實現(xiàn)的那樣接近彼此。

例如，捆綁具有125μm的包層直徑和20μm的芯直徑的多個光纖不產(chǎn)生高亮度，因為捆束中的纖維處于相對遠(yuǎn)離彼此的狀態(tài)。如果人們希望增加捆束的亮度，則纖維芯之間的距離需要減小?，F(xiàn)有技術(shù)解決方案尚未適當(dāng)?shù)亟鉀Q該問題。由于過大的纖維和光路中的破壞或偏離而損失的任何亮度不能被收回。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是實現(xiàn)生成具有非常高的亮度和強度的環(huán)形或似環(huán)激光輻射圖案的魯棒方式。這樣的似環(huán)強度分布圖案在通過使用激光光束進行的材料處理方面具有直接的工業(yè)應(yīng)用。

通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的光學(xué)組件和方法來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。

發(fā)明的光學(xué)組件和方法特別地針對在100w至kw功率制度中操作的纖維光學(xué)部件。特別地，部件的吞吐量可以至少是100w，特別地至少是1kw。部件的饋送纖維可以是或者可以被耦合到纖維激光器或任何其他纖維遞送激光源。通過使用細(xì)纖維、通過熔融纖維的包層以及通過消除或至少最小化光路中的任何破壞或偏離來維持充足量的亮度。以這樣的方式，使纖維芯相對于芯直徑接近彼此。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于引導(dǎo)經(jīng)由單獨光學(xué)饋送纖維的捆束接收的激光輻射的光學(xué)組件。每個饋送纖維具有圍繞纖維芯的至少一個包層。根據(jù)本發(fā)明，纖維的包層在圓柱形限域中至少部分地熔融在一起以形成區(qū)段，所述區(qū)段包含以圓柱形配置布置在區(qū)段內(nèi)部的饋送纖維的至少部分的芯。這將提供成環(huán)形的光導(dǎo)，利用其可以將激光光束饋送例如至“環(huán)形物”纖維激光器纖維。本發(fā)明可以與任何種類的纖維激光設(shè)備一起使用，其中激光輻射的強度圖案需要具有環(huán)形形狀。

在實施例中，單獨光學(xué)饋送纖維的捆束被熔融以形成環(huán)形區(qū)段，所述環(huán)形區(qū)段包含以圓柱形配置布置在所述區(qū)段內(nèi)部的饋送纖維的芯。單獨光學(xué)饋送纖維的捆束還可以包括在環(huán)形區(qū)段的中心中熔融的另一光纖以使得同樣在成環(huán)形的激光光束的中心中提供激光光束成為可能。在中心中的該纖維還可以是假或暗纖維，其唯一任務(wù)可能是幫助將饋送纖維保持在所述饋送纖維的沿其中纖維熔融在一起的管狀模具的圓柱表面的位置中。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于產(chǎn)生光學(xué)組件的方法，所述光學(xué)組件用于將經(jīng)由單獨光學(xué)饋送纖維的捆束接收的激光輻射引導(dǎo)至纖維激光器纖維。發(fā)明的方法包括以下步驟：

–提供成圓柱形的模具，

–將多個光學(xué)饋送纖維沿圓柱的圓柱表面適配在所述模具中，每個纖維具有芯和圍繞芯的至少一個包層以提供所述芯中的全內(nèi)反射，

–向所述模具中的所述纖維的包層材料施加熱量并且使其至少部分地熔融在一起，并且形成具有以圓柱形配置布置在熔融包層材料中的所述饋送纖維的芯的至少部分的區(qū)段。

根據(jù)實施例，熔融所述纖維的包層材料是熔融以形成環(huán)形區(qū)段，所述環(huán)形區(qū)段包含以圓柱形配置布置在所述區(qū)段內(nèi)部的所述饋送纖維的芯?？梢栽诃h(huán)形區(qū)段的中心中熔融另一光纖。

優(yōu)選地，通過使用具有形成腰部部分的孔腔（bore）的管狀模具并且通過施加熱量以熔融腰部部分處的纖維的捆束來執(zhí)行熔融。由于纖維的捆束熔融在一起，因此饋送纖維芯相對緊密地隔開。纖維捆束的熔融部分因此可以形成單個玻璃片，或者至少熔融纖維包層的緊湊區(qū)段。

將利用發(fā)明的光學(xué)組件生成的環(huán)形形狀的激光光束饋送到具有能夠引導(dǎo)激光輻射的芯的纖維中。饋送纖維芯被有利地布置成存在于預(yù)定大小的環(huán)形區(qū)段或區(qū)中，所述環(huán)形區(qū)段或區(qū)與環(huán)形物纖維激光器纖維的環(huán)形芯區(qū)重疊。這樣的芯區(qū)具有比圍繞它的材料高的折射率，其提供芯區(qū)中的全內(nèi)反射。在從屬權(quán)利要求中限定各種實施例。當(dāng)環(huán)形區(qū)段具有比在由所述環(huán)形區(qū)段包圍和在所述環(huán)形區(qū)段外部的材料中的折射率高的折射率時，激光光束被引導(dǎo)至要例如被切割的工件，具有最不可能的環(huán)形強度分布中的降級以及光學(xué)功率和強度的衰減。

總結(jié)來說，所描述的方法是生成用于纖維耦合激光源的“似環(huán)”光束輪廓的簡單且高效的方式。在將第一和第二光學(xué)元件接合在一起的優(yōu)選方法中，不要求自由空間光學(xué)器件。沒有使用復(fù)雜的機電和電光系統(tǒng)。可以在輸入處使用單?；蚨嗄＜す庠矗⑶遗c在一些公布的環(huán)生成器中不同，人們不需要為了生成似環(huán)強度分布而更改激光源的諧振器性質(zhì)。

借助于本發(fā)明獲得了相當(dāng)多的優(yōu)點。當(dāng)部件優(yōu)選地為熔融的全玻璃部件時，可能不發(fā)生歸因于污染的對準(zhǔn)誤差或破壞性效果。部件將隨時間和隨環(huán)境改變而穩(wěn)定，因此材料處理的質(zhì)量將不受這樣的影響所影響。在針對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獲得特定優(yōu)點。

接下來，參照所附各圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例。

附圖說明

圖1示出光纖的捆束或預(yù)型件的橫截面；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的形成光學(xué)組件的熔融捆束；

圖3a和3b圖示了環(huán)形纖維激光器纖維的結(jié)構(gòu)和折射性質(zhì)；

圖4a示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的管狀模制設(shè)備；

圖4b示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的管狀模制設(shè)備；

圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的輸入纖維的熔融捆束；

圖6圖示了發(fā)明的光學(xué)組件與纖維激光器纖維之間的耦合區(qū)段。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的構(gòu)成用于光學(xué)元件的預(yù)型件的光纖11的捆束10的橫截面。捆束具有n個纖維（在此n=4）。每個纖維11具有芯12和包層13。包層由具有比芯12的折射率低的折射率的材料制成。如對于熟悉本領(lǐng)域的人員公知的，發(fā)射到這樣的纖維（還稱為階梯折射率纖維）的芯中的光將被芯與包層之間的折射率階梯引導(dǎo)，并且因此將根據(jù)全內(nèi)反射原理而保持在芯內(nèi)部。

根據(jù)本發(fā)明，捆束中的纖維非常細(xì)以便最大化由多個芯形成的光學(xué)圖案的亮度。特別地，纖維直徑可以如40μm那樣低，或者甚至更小。由于這樣細(xì)的纖維的處置和捆綁非常具有挑戰(zhàn)性，因此為了改進的可制造性，優(yōu)選地在支持的成圓柱形的模具內(nèi)部執(zhí)行捆束的熔融。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的形成光學(xué)組件的熔融捆束20。通過首先形成如圖1中所示的捆綁的纖維的預(yù)型件10，然后拉著預(yù)成型的捆束通過受熱的圓柱形模具來制造熔融捆束20，受熱的圓柱形模具可以包括毛細(xì)管。當(dāng)經(jīng)過模具時，纖維21的包層23以受控的方式熔融在一起。芯22形成的空間圖案由預(yù)型件和模具確定。在此，熔融捆束具有n個芯區(qū)22（在此n=4）。包層區(qū)23和可能地還有芯區(qū)22通過熔融過程從其初始一般地圓形的形狀而變形。圖2中的虛線圖示了圖1的捆束的單獨纖維11的近似變形的邊界。這樣的物理界面可能在熔融過程中消失。

熔融捆束20的芯的最終物理尺寸和空間分離由纖維尺寸和包層的熔融程度確定。外層24可以包括管狀模具。因此毛細(xì)管已經(jīng)與纖維熔融在一起以形成玻璃的固體部分。這提供具有改進的機械魯棒性的熔融纖維捆束，其在纖維捆束和毛細(xì)管熔融在一起時形成強固體玻璃片。替代地，如果模具不是該結(jié)構(gòu)的部分，則可以在熔融纖維上形成任何合適的包層。所形成的纖維捆束20可以利用常規(guī)方法進行拋光或割開以形成平坦的端部或界面表面，并且纖維光學(xué)的常見方法可以用于進一步處理所得到的纖維，諸如添加外部保護性聚合物涂層、剝?nèi)ネ繉拥取?/p>

圖3a示出纖維激光器纖維30，其具有接收由圖2的熔融纖維捆束輸出的激光光束的成環(huán)形的光導(dǎo)（環(huán)形物纖維）。環(huán)形物纖維30具有中心包層34、環(huán)形光導(dǎo)或芯31、一次包層32和二次包層33。環(huán)形物纖維30可以通過使用纖維光學(xué)的公知方法進行拋光或割開以形成其平坦的平面。

可以通過將熔融纖維捆束20和環(huán)形物纖維30接合在一起或者通過在它們之間使用自由空間光學(xué)器件（透鏡等）而將它們光學(xué)耦合在一起。從饋送纖維21的芯耦合到環(huán)形物纖維的芯31中的激光輻射形成可以通過環(huán)形物纖維的出射面處的環(huán)形物形狀近似的空間強度分布?？梢岳锰幚砉鈱W(xué)器件將該空間強度圖案進一步成像到工件上。

圖3b示出圖3a的環(huán)形物纖維30的可能的折射率分布圖的示例。中心包層34具有n4的折射率，并且一次包層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，以便使光被引導(dǎo)并且保持被引導(dǎo)在芯31中。二次包層的折射率n3在其大小方面沒有明確的約束，但是由于在實踐中該區(qū)一般由純?nèi)廴诠枋瞥?，因此n3可以大約是1.45。熔融硅石的折射率可以通過利用雜質(zhì)摻雜它來修整。例如，利用鍺摻雜熔融硅石導(dǎo)致折射率中的增加，而利用氟摻雜它導(dǎo)致折射率中的減小。因此，環(huán)形物纖維的芯31可以由摻雜ge的熔融硅石制成，并且一次包層32由摻雜f的熔融硅石制成。中心包層34和二次包層33可以由無摻雜的熔融硅石制成。

顯然，存在滿足針對纖維30的不同區(qū)的折射率值的要求的其他材料選擇。由于一些光也可以被發(fā)射到中心包層34中，因此一次包層的折射率n2可以小于中心包層的折射率n4以確保發(fā)射到中心包層34中的光將不傳播通過一次包層32。

參照圖4a，根據(jù)一個實施例，管狀模制設(shè)備包括毛細(xì)管42（例如熔融硅石、石英、經(jīng)摻雜的石英等），其通過玻璃拉制方法而逐漸變細(xì)以便獲得基本上恒定的直徑的某個合適長度（例如1mm-5cm，優(yōu)選地3mm-3cm）的腰部部分43。饋送纖維41的捆束40適配在毛細(xì)管42內(nèi)。腰部部分43處的毛細(xì)管42的內(nèi)部直徑被設(shè)計成略微大于饋送纖維41的捆束40的外部直徑，例如大約大1μm。捆束40可以通過合適的捆綁輔助工具而組織成密堆積的布置，并且可以通過具有膠黏涂層（未示出）等的饋送纖維使捆束幾何形狀固定或牢固。

在毛細(xì)管的腰部部分43內(nèi)，例如通過在加熱區(qū)段44處施加熱量而使饋送纖維41的捆束變得與毛細(xì)管42的壁熔融，優(yōu)選地以實現(xiàn)纖維的絕熱（逐漸的）熔融。結(jié)果是熔融纖維捆束45。

在圖4b中示出替代的實施例，其中具有腰部部分47的管狀模具46沒有形成熔融纖維捆束48的部分。圖4a和4b的兩個實施例圖示了本發(fā)明的重要特征，即，使要熔融的纖維捆束經(jīng)受非常溫和的制造步驟以保護通過光學(xué)組件的絕熱光引導(dǎo)。在實踐中，這意味著在可能的程度上避免纖維芯的變形、彎曲和破壞。

應(yīng)當(dāng)注意，通常由于所涉及的幾何形狀，當(dāng)所述捆束的纖維和毛細(xì)管熔融在一起并且在纖維之間和在它們與圓柱形模具的內(nèi)壁之間的氣穴由于熔融期間的玻璃回流而消失時，纖維的芯在橫截面中經(jīng)受從一般地圓形的形狀到非圓形形狀的形狀改變。纖維形狀的改變必須沿熔融區(qū)的長度以逐漸的方式（絕熱地）完成。可以在纖維以恒定速度沿細(xì)長熔融區(qū)的長度移動時通過控制比如圖4a和4b中的區(qū)段44那樣的加熱區(qū)段中的加熱功率，或通過增加具有恒定加熱功率的熱源的速度，或者二者組合，來實現(xiàn)逐漸的形狀改變。最小加熱功率應(yīng)當(dāng)使得饋送纖維41的芯保持處于其原始形狀并且毛細(xì)管（或模具）基本上不崩潰（collapse）。為了實現(xiàn)激光輻射的亮度中的低損失和低降級，芯形狀的逐漸改變是必要的。

圖5示出具有熔融纖維捆束50的本發(fā)明的實施例的橫截面，所述熔融纖維捆束50具有七個饋送纖維。在饋送纖維的該密堆積的配置中，纖維中的一個位于捆束中心中，而其余六個纖維被以圓柱形方式定位并且顯現(xiàn)在以圓形布置的橫截面中。外圍纖維具有芯51并且中心纖維具有芯52。固體玻璃基質(zhì)53包括7個單獨饋送纖維的包層、毛細(xì)模具管和/或圍繞原始纖維捆束施加的其他包層。

圖6示出在圖5的熔融捆束50與圖3a的環(huán)形物纖維30之間的光學(xué)界面。為了清楚起見，來自參考號碼的虛線指向由虛線表示的結(jié)構(gòu)。對準(zhǔn)被環(huán)狀地布置并且現(xiàn)在熔融的饋送纖維的芯51以將光學(xué)功率發(fā)射到環(huán)形物纖維30的芯31中。對應(yīng)地，將熔融捆束50的中心纖維52的芯設(shè)計成將光學(xué)功率發(fā)射到環(huán)形物纖維30的中心包層34中。環(huán)形物纖維30的中心處的光學(xué)強度將因此不為零，如果光學(xué)功率被發(fā)射到熔融捆束50的所有纖維中的話。

熔融捆束50和環(huán)形物纖維30的尺寸還可以選擇成使得外圍纖維51具有與環(huán)形物纖維30的中心包層34的重疊，因為在一些情況下，來自芯51的一些光學(xué)功率還進入中心包層34可能是優(yōu)選的。發(fā)射到中心包層34中的任何光學(xué)功率將不保持被約束到包層，因為其折射率n4小于芯31的折射率n1。

另一方面，如果芯之間的重疊是100%，即纖維捆束50的所有芯51適配在環(huán)形物纖維30的芯31內(nèi)部，并且芯52保持基本上暗，則沒有光學(xué)功率將發(fā)射到中心包層34中。因此，中心包層34也將顯得暗，即其將具有實際上為零的強度。

因此，光學(xué)元件30和50的芯區(qū)的空間配置和尺寸限定了芯的總體重疊。在大多數(shù)情況下，更優(yōu)選的是不將任何功率發(fā)射到一次包層32中，因為該光將不被包含在芯31和中心包層34中，并且因此可以被視為部件的不合期望的損失。這對于n3＞n2的重要實際情況而言將尤其正確，在該情況下，發(fā)射到一次包層32中的任何光還將泄漏到二次包層33中。

要理解的是，所公開的本發(fā)明的實施例不受限于本文中公開的特定結(jié)構(gòu)、過程步驟或材料，而是被擴展到其等同，如相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中采用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的并且不意圖是限制性的。

遍及本說明書對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著結(jié)合實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”在遍及本說明書的各種地方中的出現(xiàn)不一定都指的是相同實施例。

在本文中可以參考本發(fā)明的各種實施例和示例連同對其各種部件的替代。要理解的是，這樣的實施例、示例和替代不要被解釋為彼此的事實上的等同，而是要被視為本發(fā)明的單獨且自主的表示。

另外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式組合在一個或多個實施例中。在描述中提供了眾多具體細(xì)節(jié)，諸如長度、寬度、形狀等的示例，以提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以在沒有具體細(xì)節(jié)中的一個或多個的情況下或者利用其他方法、部件、材料等來實踐本發(fā)明。在其他實例中，并未示出或詳細(xì)描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使本發(fā)明的各方面模糊。

雖然前述示例在一個或多個特定應(yīng)用中說明了本發(fā)明的原理，但是對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將顯而易見的是，可以在沒有有創(chuàng)造性的能力的運用并且不背離本發(fā)明的原理和概念的情況下做出在實現(xiàn)的形式、使用和細(xì)節(jié)方面的眾多修改。相應(yīng)地，除了如由以下闡述的權(quán)利要求限制本發(fā)明之外，不意圖限制本發(fā)明。