用于激光加工材料的装置和方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201980011482.1 (22)申请日 2019.02.01 (30)优先权数据 1801796.2 2018.02.02 GB (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2020.08.03 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/GB2019/000018 2019.02.01 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2019/150070 EN 2019.08.08 (71)申请人 司浦爱激光技术英国有限公司 地址 英国南安普敦 (72)发明人 A马利诺斯基CA科德麦德 。

2、MN泽瓦斯I博特罗伊德 SJ基恩MP瓦纳姆 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人 蔡悦陈斌 (51)Int.Cl. B23K 26/06(2014.01) B23K 26/073(2006.01) B23K 26/34(2014.01) B23K 26/38(2014.01) G02B 6/02(2006.01) G02B 6/14(2006.01) B23K 26/21(2014.01) G02B 27/09(2006.01) G02B 6/036(2006.01) (54)发明名称 用于激光加工材料的装置和方法 (57)摘要 一种用于激光加工材料(11)的。

3、装置， 该装置 包括激光器(1)、 光纤(2)和耦合器(125)， 其中： 激光器(1)被连接至光纤(2)； 光纤(2)使得激光 辐射(13)能够在具有第一模式阶次(24)的第一 光学模式(21)、 具有第二模式阶次(25)的第二光 学模式(22)以及具有第三模式阶次(26)的第三 光学模式(23)中沿光纤(2)传播； 第三模式阶次 (26)高于第二模式阶次(25)； 并且第二模式阶次 (25)高于第一模式阶次(24)； 该装置的特征在 于： 耦合器(125)被配置成将在第一光学模式 (21)中传播的激光辐射切换为在二阶模(22)中 传播的激光辐射； 以及耦合器(125)被配置成将 在第二光学。

4、模式(22)中传播的激光辐射切换为 在三阶模(23)中传播的激光辐射。 权利要求书3页 说明书16页 附图14页 按照条约第19条修改的权利要求书4页 CN 111683783 A 2020.09.18 CN 111683783 A 1.用于激光加工材料的装置， 所述装置包括激光器、 光纤和耦合器， 其中： 所述激光器被连接至所述光纤； 所述光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、 具有第二模式阶 次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿所述光纤传播； 所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次； 并且 所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次； 所述装置的特征在于： 所述耦。

5、合器被配置成： 将在所述第一光学模式中传播的激光辐射切换为在所述二阶 模中传播的激光辐射； 以及 所述耦合器被配置成： 将在所述第二光学模式中传播的激光辐射切换为在所述三阶 模中传播的激光辐射。 2.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述耦合器被配置成： 将能在所述第一光 学模式中传播的所述激光辐射的至少75耦合至所述第三光学模式。 3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置， 其特征在于， 所述耦合器被配置成： 将在所 述第一光学模式中传播的所述激光辐射切换到多个光学模式， 从而使得能够形成所述激光 辐射的顶帽光功率分布。 4.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， 包括光。

6、学透镜布置， 所述光学 透镜布置被配置成将所述激光辐射聚焦到所述材料的表面上或附近。 5.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， 包括透镜， 其中所述透镜由前 焦面和后焦面来定义， 所述第一光学模式由瑞利长度来定义， 并且所述透镜位于距源自所 述激光器的所述光纤的远端的两个瑞利长度之内。 6.根据权利要求5所述的装置， 其特征在于， 所述透镜被定位成使得所述光纤的所述远 端位于所述前焦面处。 7.根据权利要求5和6中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述透镜包括渐变折射率透 镜。 8.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述光纤具有多个芯， 并且所 述第三光学模式和。

7、所述第一光学模式在所述芯中的不同芯中传播。 9.根据权利要求8所述的装置， 其特征在于， 所述芯中的至少一者是围绕所述芯中的另 一者的环形芯。 10.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于： 所述耦合器包括至少一个挤压机构， 所述至少一个挤压机构包括由节距限定的周期 性表面； 所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤； 以及 所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起， 藉 此将所述第一光学模式耦合至所述第二光学模式， 并且将所述第二光学模式耦合至所述第 三光学模式。 11.根据权利要求10所述的装置， 其特征在于， 所述装置被配置成取决于期望的输出模 式而施加不。

8、同的挤压力。 权利要求书 1/3 页 2 CN 111683783 A 2 12.根据权利要求10或权利要求11所述的装置， 其特征在于， 所述节距是沿所述周期性 表面的长度啁啾的可变节距， 所述可变节距具有第一节距和第二节距， 其中所述第一节距 将所述第一光学模式和所述第二光学模式耦合在一起， 并且所述第二节距将所述第二光学 模式和所述第三光学模式耦合在一起。 13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述挤压机构被配置成在 施加所述挤压力时以螺旋方式使所述光纤变形。 14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述激光辐射由光束参数 乘积来定义， 。

9、并且所述挤压机构使得能够通过增加所述挤压力来增加所述光束参数乘积。 15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置， 其特征在于， 包括长周期光栅， 所述长 周期光栅被配置成将所述第三光学模式耦合至多个光学模式， 藉此使得所述激光辐射能够 具有顶帽或环形环轮廓。 16.根据权利要求15所述的装置， 其特征在于， 所述长周期光栅包括第二挤压机构， 所 述第二挤压机构包括由节距限定的周期性表面； 所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤； 并且所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起。 17.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述装置被配置成从所述光 纤发射。

10、单个个体光学模式。 18.根据前述权利要求中任一项所述的装置， 其特征在于， 所述光纤包括基本上均质的 芯， 由此避免了所述光学模式之间的非预期模式耦合。 19.一种用于激光加工材料的方法， 所述方法包括： 提供发射激光辐射的激光器； 提供光纤， 所述激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、 具有第二模式 阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中通过所述光纤传播； 以及 将所述激光辐射耦合至所述光纤的所述第一光学模式； 其中 所述第三模式阶次高于所述第二模式阶次； 并且 所述第二模式阶次高于所述第一模式阶次； 所述方法的特征在于以下步骤： 提供耦合器， 所述耦合器被配置成将。

11、在所述第一光学模式中传播的所述激光辐射切 换为在所述二阶模中传播的激光辐射， 并且将在所述二阶模中传播的所述激光辐射切换为 在所述三阶模中传播的激光辐射； 以及 利用所述激光辐射来激光加工所述材料。 20.根据权利要求19所述的方法， 其特征在于， 在所述第一光学模式中传播的所述激光 辐射的至少75被切换到所述第三光学模式。 21.根据权利要求19或权利要求20所述的方法， 其特征在于， 在所述第一光学模式中传 播的所述激光辐射被切换到包括所述第三光学模式的多个光学模式， 从而形成所述激光辐 射的顶帽光功率分布。 22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法， 其特征在于， 所述第一光学模式。

12、由瑞利 长度来定义， 并且所述方法包括以下步骤： 提供由前焦面和后焦面来定义的透镜； 以及 权利要求书 2/3 页 3 CN 111683783 A 3 将所述透镜定位在距源自所述激光器的所述光纤的远端的两个瑞利长度之内。 23.根据权利要求22所述的方法， 其特征在于， 所述透镜包括渐变折射率透镜。 24.根据权利要求19至23中任一项所述的方法， 其特征在于， 包括将所述激光辐射聚焦 以在所述材料的表面上或附近形成束腰的步骤。 25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法， 其特征在于， 所述第一光学模式是所述 光纤的基模。 26.根据权利要求19至25中任一项所述的方法， 其特征在于，。

13、 所述第三光学模式具有至 少为3的方位角模数、 以及至少为1的径向模数。 27.根据权利要求19至27中任一项所述的方法， 其特征在于： 所述耦合器包括至少一个挤压机构， 所述至少一个挤压机构包括由节距限定的周期 性表面； 所述周期性表面定位成毗邻于所述光纤； 以及 所述挤压机构被配置成利用挤压力来将所述周期性表面和所述光纤挤压在一起。 28.根据权利要求27所述的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 提供控制器以将所定义 的控制信号施加到所述挤压机构， 以便选择期望的第三光学模式， 并且由此选择所述第三 光学模式的所述步骤是通过调整所述挤压力来实现的。 29.根据权利要求19至26中任一项所。

14、述的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 提供控制 器以将所定义的控制信号施加到所述耦合器以用于选择不同的光学输出模式。 30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 选择所述 第一光学模式； 以及利用所述激光辐射来穿刺所述材料。 31.根据权利要求30所述的方法， 其特征在于， 激光加工所述材料的步骤包括： 选择所 述第三光学模式； 以及利用所述激光辐射来切割所述材料。 32.根据权利要求30或权利要求31所述的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 将所述激 光辐射切换为顶帽光功率分布； 以及利用所述激光辐射来切割所述材料。 33.根据权利要求19至29中任。

15、一项所述的方法， 其特征在于， 包括利用所述激光辐射来 焊接所述材料的步骤。 34.根据权利要求19至29中任一项所述的方法， 其特征在于， 包括利用所述激光器来烧 结所述材料的步骤， 其中在烧结之前所述材料处于金属粉末的形式。 35.根据权利要求19至29中任一项所述的方法， 其特征在于， 包括利用所述激光器来钻 孔所述材料的步骤。 36.一种使用根据权利要求1所述的装置来切割材料的方法， 包括： 利用加工头来将所 述激光聚焦在所述材料上； 选择高斯轮廓来穿刺所述材料； 以及选择顶帽光功率分布来切 割所述材料。 37.一种使用根据权利要求1所述的装置来焊接材料的方法， 包括： 使用远离焦点的。

16、加 工头来投射所述激光； 以及使用根据权利要求1所述的装置来改变工作光斑尺寸以通过改 变所述光斑尺寸和轮廓来优化焊接工艺。 权利要求书 3/3 页 4 CN 111683783 A 4 用于激光加工材料的装置和方法 发明领域 0001 本发明涉及用于激光加工材料的装置和方法。 0002 发明背景 0003 激光被用于许多激光加工应用(包括切割、 焊接、 钻孔、 雕刻和加性制造)中。 在这 些应用中， 通常期望优化与材料相互作用的激光束的尺寸和横截面轮廓。 例如， 可以通过改 变聚焦透镜与工件之间的工作距离来改变与材料相互作用的激光束的光斑尺寸。 可以使用 外部光学器件来将横截面轮廓从高斯改变为。

17、顶帽(top hat)， 或改变为环形或环轮廓。 然 而， 向外部光学器件提供此类灵活性是昂贵的， 并且必须改变工作距离花费了时间， 并且因 此增加了加工成本。 期望能够将激光束从单个基本高斯模式改变为顶帽或环形光束， 而不 必调整加工头中的光学器件。 还期望能够在不改变工作距离的情况下改变激光束的光斑尺 寸。 0004 金属粉末床加性制造系统使用基本高斯模式， 以便在所构建的三维结构中给出最 小可能的特征尺寸。 然而， 使用基本高斯模式意味着构建较大的结构是缓慢的。 因此， 需要 能够将激光束从可以创建小特征的基本高斯模式切换到可以更快地加工更大区域的、 具有 更大且更均匀的光斑尺寸的激光束。

18、。 0005 激光钻孔可能会出现的问题是， 一旦钻孔后， 激光束会损坏孔后面的表面。 该问题 可以通过提供环形激光束来至少部分地解决。 可以使用轴棱锥透镜或通过将激光辐射引导 到光纤或其他波导的包层或环形芯中来创建环形光束。 然而， 此类光束可迅速发散， 并且在 离开焦点超过1mm至2mm时不会保留其环形横截面。 因此， 需要在离开和穿过焦点时保持环 形光束。 存在通过提供具有低发散度的环形激光束来减小可被钻孔的孔尺寸的相关要求。 0006 通过经由加工头将激光束引导到工件来实现钢的激光切割， 该加工头具有用于准 直和聚焦激光束的光学器件以及用于提供与激光束同轴的高压气体喷流的锥形铜喷嘴。 基。

19、 本的切割操作涉及： 使用激光束来加热并熔化工件中的所需区域， 并且使用被称为辅助气 体喷射的气体喷射来将熔融材料吹出切割区的底部。 切割头在工件上方移动， 同时在切割 头中的喷嘴尖头与工件表面之间保持恒定距离。 切割头以经编程路径移动来创建形状。 0007 在切割不锈钢的情形中， 使用惰性辅助气体避免了在工件的切削刃面(cut-edge face)上产生金属氧化物。 金属氧化物可引起诸如弱化所焊接部件、 由于切削刃面上的铬的 耗尽而降低不锈钢的腐蚀特性、 以及由于金属氧化物与不锈钢相比硬度的增加而增加滑动 部件上的磨损之类的问题。 由于这种切割工艺的唯一热源是由聚焦激光束提供的， 因此具 有。

20、更高能量密度的更小焦斑尺寸将通过产生更窄的熔融区域来提供更高效的切割。 需要低 发散度， 使得熔融区域贯穿金属的厚度是窄的。 对最小实际焦斑的限制由光学景深结合材 料厚度来确定。 这是因为切口宽度(截口(kerf)必须足够宽， 以允许辅助气体以足够的压 力行进到切口的底部， 以干净地去除熔融材料并避免下切割边缘的熔渣， 从而产生干净的 切口。 对于这种类型的切割， 辅助气体必须以通常在10巴至20巴的范围中的高压来施加。 喷 嘴出口的直径通常在0.5mm至2.0mm的范围中， 并且通常更厚的材料需要更大的喷嘴。 0008 在切割厚于5mm的软钢(也被称为低碳钢)的情形中， 通常使用氧气作为辅助。

21、气体。 说明书 1/16 页 5 CN 111683783 A 5 氧气与工件内的铁发生放热反应以提供附加的热量， 这增加了切割速度。 以通常在0.25巴 至1巴的范围中的压力来施加氧气。 与用于氮气辅助气体切割的压力相比， 这些压力要低得 多。 对于通常在10mm至30mm厚度范围中的厚截面切割， 截口必须足够宽， 使得氧气辅助气体 能够以足够的气流到达切割区的底部以喷射熔融材料， 同时保持无熔渣切口。 对于厚的软 钢切割， 通常使光束散焦， 使得束腰(beam waist)位于钣金件表面上方， 以使钣金件表面上 的入射束直径大于束腰。 当光束的发散度增加时， 能够获得具有更低边缘粗糙度的更。

22、好质 量的切口。 0009 大多数通用平板(flatbed)激光切割机都需要切割各种厚度的一系列金属， 其中 切口都具有良好质量。 焦斑尺寸的选择通常是满足广泛的工艺条件集所需的要求的折衷。 对于切割薄不锈钢， 需要具有低发散度的小焦斑。 对于切割厚软钢， 需要具有更高发散度的 更大焦斑。 平板切割机被设计成与具有固定光束质量的激光器一起工作。 为了提高加工能 力， 切割头可具有增强光学系统， 从而首先使聚焦透镜沿光束路径有限移动能够允许激光 束相对于工件的散焦， 这能够增加入射光斑尺寸， 并且其次允许调整焦斑直径。 这具有有限 的益处， 因为具有恒定激光束质量的激光器在焦斑尺寸与发散度之间将。

23、具有固定关系， 其 中该固定关系以与切割工艺方案所期望的相反的方式起作用。 0010 不同的切割方案要么要求具有低发散度的小光斑， 要么要求具有高发散度的大光 斑， 而具有固定光束质量的激光器能够要么提供具有高发散度的小光斑， 要么提供具有窄 发散度的大光斑。 因此， 不可能针对所有金属类型和厚度来优化工艺参数。 0011 通常通过将激光束聚焦在材料的底表面附近来优化熔融切割。 激光束的高强度优 选地用于增加切割速度， 但是这可能以可引起切口的顶表面的不期望的辉纹的熔体流动力 学为代价。 期望提供在材料的顶表面处具有环形横截面并且在底表面处具有高斯或顶帽轮 廓的激光束。 这将在顶表面上提供更好。

24、的热量分布， 并且向材料底部提供更高的强度， 从而 在不显著损失切割速度的情况下增强切割质量。 0012 诸如举例而言焊接、 打标和加性制造之类的其他材料加工装备存在类似的限制。 在所有这些应用领域中， 需要一种激光加工装置， 其中能够改变激光的光束参数乘积， 并且 能够改变被加工材料上的聚焦激光束的直径。 0013 本发明的目的是提供一种用于激光加工材料的装置和方法， 其减少或避免了以上 提及的问题。 0014 本发明 0015 根据本发明的一个非限制性实施例， 提供了用于激光加工材料的装置， 该装置包 括激光器、 光纤和耦合器， 0016 其中： 0017该激光器被连接至该光纤； 0018。

25、该光纤使得激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、 具有第二模式 阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中沿该光纤传播； 0019第三模式阶次高于第二模式阶次； 并且 0020第二模式阶次高于第一模式阶次； 0021 该装置的特征在于： 0022该耦合器被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换为在二阶模中传 说明书 2/16 页 6 CN 111683783 A 6 播的激光辐射； 以及 0023该耦合器被配置成将在第二光学模式中传播的激光辐射切换为在三阶模中传 播的激光辐射。 0024 该耦合器可被配置成将可在第一光学模式中传播的激光辐射的至少75耦合至 第三光学模式。

26、。 0025 该耦合器可被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换到多个光学模式， 从而使得能够形成激光辐射的顶帽光功率分布。 0026 该装置可包括光学透镜布置， 该光学透镜布置被配置成将激光辐射聚焦到材料的 表面上或附近。 0027 该装置可包括透镜， 其中该透镜由前焦面和后焦面来定义， 第一光学模式由瑞利 (Rayleigh)长度来定义， 并且该透镜位于距源自激光器的光纤的远端的两个瑞利长度之 内。 0028 透镜可被定位成使得光纤的远端位于前焦面处。 0029 透镜可包括渐变折射率透镜。 0030 光纤可具有多个芯， 并且第三光学模式和第一光学模式可在这些芯中的不同芯中 传播。 这些。

27、芯中的至少一者可以是围绕这些芯中的另一者的环形芯。 0031 耦合器可包括至少一个挤压机构， 该至少一个挤压机构包括由节距限定的周期性 表面。 周期性表面可定位成毗邻于光纤。 挤压机构可被配置成利用挤压力来将周期性表面 和光纤挤压在一起， 藉此将第一光学模式耦合至第二光学模式， 并且将第二光学模式耦合 至第三光学模式。 0032 该装置可被配置成取决于期望的输出模式而施加不同的挤压力。 0033 节距可以是沿周期性表面的长度啁啾(chirped)的可变节距。 可变节距可具有第 一节距和第二节距， 其中第一节距将第一光学模式和第二光学模式耦合在一起， 并且第二 节距将第二光学模式和第三光学模式耦。

28、合在一起。 0034 挤压机构可被配置成在施加挤压力时以螺旋方式使光纤变形。 0035 激光辐射可由光束参数乘积来定义， 并且耦合器可以使得能够通过增加挤压力来 增加光束参数乘积。 0036 该装置可包括长周期光栅， 该长周期光栅被配置成将第三光学模式耦合至多个光 学模式， 藉此使得激光辐射能够具有顶帽或环形环轮廓。 0037 长周期光栅可包括第二挤压机构， 该第二挤压机构包括由节距限定的周期性表 面； 该周期性表面定位成毗邻于光纤； 并且该挤压机构可被配置成利用挤压力来将该周期 性表面和该光纤挤压在一起。 0038 该装置可被配置成从光纤发射单个个体光学模式。 0039 光纤可包括基本上均质。

29、(homogeneous)的芯， 由此避免了光学模式之间的非预期 模式耦合。 0040 本发明还提供了一种用于激光加工材料的方法， 该方法包括： 0041提供发射激光辐射的激光器； 0042提供光纤， 该激光辐射能够在具有第一模式阶次的第一光学模式、 具有第二模 式阶次的第二光学模式以及具有第三模式阶次的第三光学模式中通过该光纤传播； 以及 说明书 3/16 页 7 CN 111683783 A 7 0043将该激光辐射耦合至该光纤的第一光学模式； 0044 其中 0045第三模式阶次高于第二模式阶次； 以及 0046第二模式阶次高于第一模式阶次； 0047 该方法的特征在于以下步骤： 004。

30、8提供耦合器， 该耦合器被配置成将在第一光学模式中传播的激光辐射切换为在 二阶模中传播的激光辐射， 并且将在二阶模中传播的激光辐射切换为在三阶模中传播的激 光辐射； 以及 0049利用该激光辐射来激光加工材料。 0050 在第一光学模式中传播的激光辐射的至少75可被切换到第三光学模式。 0051 在第一光学模式中传播的激光辐射可被切换到包括第三光学模式的多个光学模 式， 从而形成激光辐射的顶帽光功率分布。 0052 第一光学模式可由瑞利长度来定义， 并且该方法可包括以下步骤： 提供由前焦面 和后焦面来定义的透镜； 以及将透镜定位在距源自激光器的光纤的远端的两个瑞利长度之 内。 0053 该方法。

31、可以使得透镜可包括渐变折射率透镜。 0054 该方法可包括将激光辐射聚焦以在材料的表面上或附近形成束腰的步骤。 0055 该方法可以使得第一光学模式可以是光纤的基模。 0056 该方法可以使得第三光学模式可具有至少为3的方位角模数、 以及至少为1的径向 模数。 0057 该方法可以使得耦合器可包括至少一个挤压机构， 该挤压机构包括由节距限定的 周期性表面。 周期性表面可定位成毗邻于光纤。 挤压机构可被配置成利用挤压力来将周期 性表面和光纤挤压在一起。 0058 该方法可包括以下步骤： 提供控制器以将所定义的控制信号施加到挤压机构， 以 便选择期望的第三光学模式。 选择第三光学模式的步骤可以通过。

32、调整挤压力来实现。 0059 该方法可包括以下步骤： 提供控制器以将所定义的控制信号施加到耦合器以用于 选择不同的光学输出模式。 0060 该方法可包括以下步骤： 选择第一光学模式； 以及利用激光辐射来穿刺材料。 0061 激光加工材料的步骤包括： 选择第三光学模式； 以及利用激光辐射来切割材料。 0062 该方法可包括以下步骤： 将激光辐射切换为顶帽光功率分布； 以及利用该激光辐 射来切割材料。 0063 该方法可包括利用激光辐射来焊接材料的步骤。 0064 该方法可包括利用激光来烧结材料的步骤， 其中在烧结之前该材料处于金属粉末 的形式。 0065 该方法可包括利用激光来钻孔材料的步骤。 。

33、0066 本发明还提供了一种使用本发明的装置来切割材料的方法， 该方法包括： 利用加 工头来将激光聚焦在材料上； 选择高斯轮廓来穿刺该材料； 以及选择顶帽光功率分布来切 割该材料。 0067 本发明还提供了一种使用本发明的装置来焊接材料的方法， 该方法包括： 使用远 说明书 4/16 页 8 CN 111683783 A 8 离焦点的加工头来投射激光； 以及使用本发明的装置来改变工作光斑尺寸以通过改变光斑 尺寸和轮廓来优化焊接工艺。 0068 本发明的方法可替换地或附加地包括利用本发明的装置的上述可任选方面所需 的一个或多个步骤。 0069 附图简述 0070 现在仅通过示例并且参照附图描述本。

34、发明的各实施例， 附图中： 0071 图1示出了根据本发明的用于激光加工材料的装置； 0072 图2示出了光纤的导模的强度分布； 0073 图3示出了由激光束形成的束腰； 0074 图4和5示出了光学模式从光纤的远端发散并由透镜成像的光束直径； 0075 图6示出了用于增加激光束的发散度的负透镜； 0076 图7示出了在光纤的远端上形成的短焦距透镜； 0077 图8示出了在接合到光纤的远端的端帽上形成的短焦距透镜； 0078 图9示出了用渐变折射率光纤制成的短焦距透镜； 0079 图10示出了光学模式由短焦距透镜成像的光束直径； 0080 图11示出了在光纤的远端处的顶帽功率分布由根据本发明的。

35、装置成像为在激光 束的焦点处的顶帽功率分布； 0081 图12示出了在光纤的远端处的顶帽功率近场分布由根据本发明的装置成像为在 激光束的焦点处的顶帽功率分布的远场(far field)； 0082 图13示出了其中光纤沿其长度周期性地弯曲的挤压机构； 0083 图14示出了其中光纤沿其长度周期性地压缩的挤压机构； 0084 图15示出了包括四个周期性表面的挤压机构， 其中每个周期性表面与其邻表面成 直角布置； 0085 图16示出了包括相对于彼此成60度布置的三个周期性表面的挤压机构； 0086 图17示出了包含用于将光纤扭曲成螺旋状的三个部件的挤压机构； 0087 图18示出了这三个部件之一。

36、的细节； 0088 图19示出了其中基模通过级联过程被耦合至更高阶模的实验的结果； 0089 图20示出了基本LP0,1模式和LP3,1通过束腰的演化； 0090 图21至25示出了在光纤的远端处的透镜的选择和位置对各种光学模式在由聚焦 透镜聚焦之后的光束直径的影响； 0091 图26示出了在由环形模式辐照之后的工件的温度轮廓； 0092 图27示出了在由基模辐照之后的工件的温度轮廓； 以及 0093 图28示出了具有环形芯的光纤。 优选实施例 0094 图1示出了用于激光加工材料11的装置， 该装置包括激光器1、 光纤2和耦合器125， 0095 其中： 0096激光器1被连接至光纤2； 0。

37、097光纤2使得激光辐射13能够在具有第一模式阶次24的第一光学模式21、 具有第 说明书 5/16 页 9 CN 111683783 A 9 二模式阶次25的第二光学模式22以及具有第三模式阶次26的第三光学模式23中沿光纤2传 播； 0098第三模式阶次26高于第二模式阶次25； 以及 0099第二模式阶次25高于第一模式阶次24； 0100 该装置的特征在于： 0101耦合器125被配置成将在第一光学模式21中传播的激光辐射切换为在二阶模22 中传播的激光辐射； 以及 0102耦合器125被配置成将在第二光学模式22中传播的激光辐射切换为在三阶模23 中传播的激光辐射。 0103 耦合器。

38、125可被配置成将可在第一光学模式21中传播的激光辐射的至少75耦合 至第三光学模式23。 耦合器125可被配置成将可在第一光学模式21中传播的激光辐射的至 少90耦合至第三光学模式23。 0104 耦合器125可包括至少一个挤压机构3。 挤压机构3可包括由节距7限定的至少一个 周期性表面6。 周期性表面6定位为毗邻于光纤2。 节距7被选择成使得周期性表面6将第一光 学模式21和第二光学模式22耦合在一起。 挤压机构3被配置成利用挤压力12来将周期性表 面6和光纤2挤压在一起， 藉此将第一光学模式21耦合至第二光学模式22。 0105 图1的装置可包括由前焦面14和后焦面15定义的透镜4。 第。

39、一光学模式21可由参考 图20所示的瑞利长度217来定义。 透镜4位于距光纤2的远端16的两个瑞利长度217之内。 优 选地， 透镜4位于距光纤2的远端16的瑞利长度217之一内。 0106 透镜4可被定位成使得光纤2的远端16位于前焦面14处。 0107 至少一个长周期光栅127可以可任选地跟随第一挤压机构3。 长周期光栅127可具 有沿其长度8均匀的周期7， 或者可具有沿其长度8啁啾的周期7。 第一挤压机构3可被配置成 将第一光学模式21耦合至第二光学模式22。 长周期光栅127可被配置成将第二光学模式22 耦合至第三光学模式26。 长周期光栅127可被配置成将第二光学模式22耦合至多个第。

40、三光 学模式26。 0108 第一挤压机构3可被配置成将第一光学模式21耦合至第三光学模式26。 长周期光 栅127可被配置成将第三光学模式22耦合至多个光学模式(未示出)。 优选地， 长周期光栅 127可被配置成使得光学模式被近似均匀地激发， 从而使得激光辐射13能够具有顶帽或环 形轮廓。 0109 长周期光栅127可包括光纤布拉格光栅。 0110 长周期光栅127可包括诸如图1所示的第二挤压机构129。 0111 激光器1被连接至光纤2。 激光器1被示为具有输出光纤9， 该输出光纤9在接头10处 被连接至光纤2。 激光器1可以是在基模中从光纤9发射激光辐射的激光器。 接头10可包括被 配置。

41、成发射光纤2的基模的锥形体。 接头10可以使得光纤2的至少两种模式被发射。 替换地， 激光器1可以是在多个横模中发射激光辐射的激光器。 激光器1可以是光纤激光器、 盘状激 光器、 棒状激光器、 板条激光器、 或固态激光器。 该装置可以在具有或不具有激光器1的情况 下出售。 0112 光纤2可被定位在装置中合适的任何位置。 因此， 例如， 光纤2可包括拼接在一起的 一条或多条光纤。 使第一挤压机构3与激光器1位于一处以使得控制激光器的控制信号也可 说明书 6/16 页 10 CN 111683783 A 10 被用于控制第一挤压机构3可以是有利的。 这避免了昂贵的电缆和控制系统。 第一挤压机构 。

42、3可与激光器1封装在一起， 或者可在激光器的封装之外位于传输光纤中， 该传输光纤将激 光辐射13从激光器1传送到光纤2的远端16。 0113 光纤2包括芯31和包层32， 如图2所示。 芯31由芯直径18和玻璃包层直径19来定义。 芯直径18可以在20 m与150 m之间， 优选地在50 m与105 m之间， 并且更优选地为50 m。 玻璃 包层直径19可以在150 m至500 m之间， 并且优选地在150 m与250 m之间。 优选地， 玻璃包层 直径19与芯直径18的比率至少为5， 并且更优选地至少为10， 以便避免微弯(microbending) 以及各模式之间的不受控制的耦合。 011。

43、4 光纤2可以是图28所示的光纤281。 光纤281具有围绕芯31的环形芯282。 环形芯282 可被设计成使得它支持参考图1所描述的第三光学模式23。 0115 再次参考图2， 光纤2被视为引导光学模式20。 光学模式20包括数个波瓣27， 其中光 学模式20的强度具有局部最大值。 围绕光纤2的方位角29存在十六个波瓣27， 并且沿其半径 28存在四个波瓣27。 遵循常规， 光学模式20是LPp,q模， 其中p是方位角模数， 并且q是径向模 数。 围绕方位角29的波瓣27的数目等于方位角模数的两倍， 并且沿半径28的波瓣27的数目 等于径向模数q。 所示的模式20是LP8,4模， 因为围绕方。

44、位角29存在十六个波瓣27， 并且沿半 径28存在四个波瓣27。 光学模式20的模式阶次由下式给出： 0116 模式阶次p+2q-1 0117 在该示例中， 光学模式20的模式阶次15。 0118 图3示出了具有随距离改变的光束直径39的激光辐射13被聚焦到焦点34。 激光辐 射13具有在焦点34处等于20的束腰直径35。 束腰直径35常被称为光斑尺寸。 激光辐射13 以等于 的发散角36远离焦点34发散。 束腰直径35的一半与发散角36的乘积被定义为光束 参数乘积BPP 33： 0119 BPP .0 0120 光束参数乘积33是激光辐射13的光束质量的度量。 光束参数乘积33通过以下等式 。

45、与光束质量M2值37和 (激光辐射13的波长5)相关： 0121 BPPM2. / 0122 衍射受限高斯模式具有等于其模式阶次的光束质量M2值37。 如果这些模式具有相 同的束腰直径35， 则发散角36与其模式阶数成比例。 束腰直径35常被称为光斑尺寸。 0123 由光纤引导的光学模式通常不是完美的衍射受限高斯模式。 例如， 单模光纤具有 约为1.1的M2值37。 然而， 对于第一近似， 光学模式具有等于模式阶次的M2值37。 同样对于一 阶近似， 沿光纤2传播的光学模式具有约等于参考图2所示的芯直径18的束腰直径35。 因此， 如果激光辐射13作为具有不同方位角模数p和不同径向模数q的光学。

46、模式的集合沿光纤2传 播， 则激光辐射13在每种光学模式中的发散角36将由下式给出： 0124 M2. /( .0) 0125 其约为： 0126 (p+2q1). /( .0) 0127 其中束腰直径35 2约为光纤2的芯直径18。 0128 因此， 对于一阶， 从光纤2的远端14发出的激光辐射13将作为光学模式群发出， 每 个光学模式群具有相同的束腰直径35， 并且其中发散角36发生改变以使得发散角36随光学 说明书 7/16 页 11 CN 111683783 A 11 模式的模式阶次而增加。 0129 考虑到透镜4的衍射以及折射， 被放置成使得光纤2的远端16在其前焦面14处的透 镜4。

47、将在其后焦面15处产生束腰， 在该后焦面15处光场是沿光纤2传播的激光辐射13的场的 放大的空间傅里叶变换。 换言之， 参考图1， 透镜4将入射角转换成后焦面15中的位移。 因此， 在光纤2的远端16处具有大约相同的束腰直径35并且离开前焦面14以不同的发散角36发散 的模式的集合将被变换成在后焦面中具有不同的束腰直径35并且离开后焦面15以基本相 同的发散角36发散的模式的集合。 0130 后焦面15处的放大率由透镜4的焦距与光纤2的远端16处的场的瑞利长度的比率 给出。 瑞利长度被定义为从光纤2的远端16到其中光束的半径已经增加了二的平方根倍的 平面的距离。 例如， 如果透镜4的焦距等于瑞。

48、利长度， 则后焦面15处的光束半径将等于光纤2 的远端16处的光束半径。 如果透镜4的焦距是瑞利长度的两倍， 则后焦面15处的束腰的宽度 将是光纤2的远端16处的宽度的两倍， 并且光束的发散度36将是从光纤2的远端16发出的光 束的发散度的一半。 0131 图4和图5示出了光束直径39如何针对LP0,1模41、 LP2,1模42、 LP4,1模43、 LP6,1模44、 LP8,1模45和LP10,1模46随着距光纤2的远端16的距离49而改变。 光束直径39被示为针对每种 模式的较高线与较低线之间的径向距离40之差， 如图4中通过LP4,1模43在距光纤2的远端16 为4mm的距离处的光束直。

49、径39来指示的。 为了清楚起见， 在图5中省略了该数种光学模式41 至46中的一些。 光纤2具有50 m的芯直径18。 光学模式41至46的光束直径39被假定为具有等 于芯直径18的束腰直径35， 即在光纤2的远端16处为50 m的束腰直径35。 模式41至46以不同 的发散角36从远端16发散， 因为模式41至46具有不同的模式阶数， 并且因此具有不同的光 束直径乘积33。 透镜4被定位成使得光纤2的远端16处于透镜4的前焦面14处。 透镜4将入射 在透镜4上的角度转换成在后焦面15中距其光轴的距离。 模41至46各自在后焦面15处形成 束腰48， 在该后焦面15处， 它们各自具有彼此不同的。

50、模场直径35。 如图15所示， 随着模式41 至46远离后焦面15衍射， 它们汇聚以具有相同的发散角36。 0132 再次参考图1， 该装置包括光学透镜布置50， 该光学透镜布置50被配置成将透镜4 的后焦面15成像到材料11的表面上或附近。 光学透镜布置50被示为包括准直透镜51、 激光 扫描仪52和聚焦透镜53。 其他光学透镜布置50也是可能的。 参照图4和5描述的光学模式41 至46具有远离后焦面15的相同发散角36。 模式41至46具有不同的模式阶数， 并且因此具有 不同的光束质量M2值37和不同的光束参数乘积33。 模式41至46将因此在焦点34处具有不同 的束腰直径35。 忽略诸如。