定义
用于将激光束从光源发送到应用的光学系统。
已经开发了不同类型的光束传输系统，它们基本上都是为了将光束从光源引导到应用。 在大多数情况下，使用的光源是某种激光。 例如，在激光材料加工中，需要将工业激光器的输出引导到工件上，以便将其暴露在激光下。 类似的要求适用于医疗应用，如手术或皮肤治疗。 在许多情况下，还需要将光聚焦到具有定义光束半径的光斑上。
在工业加工中，光束传输系统通常与机器人技术结合使用。 典型的情况是，机器人手臂上的激光加工头由固定激光系统提供辐射。 另一种解决方案是直接在机器人手臂上安装足够紧凑和坚固的激光器，例如，以最小化光束路径所需的长度和移动灵活性。
光束传输系统可能是有利的，因为它允许将激光源放置在保护良好的区域，以便进行服务操作，而不是将其放置在靠近应用领域的地方。 可移动的传输系统还允许人们在不移动可能很重的激光系统的情况下大幅移动激光束。 然而，特别是对于长光束传输系统，可能存在缺点，与光功率损失、非线性限制或（对于超短脉冲）脉冲展宽有关。
由于最重要的功能通常集中在输送系统末端的激光加工头中，因此术语光束输送系统有时仅适用于该部件，而忽略了从激光源到头部的路径。
光束传输系统的类型
通常，人们将基于光纤的光束传输系统与其他使用自由空间光束的系统区分开来，自由空间光束通常由镜子引导。
自由空间光束传输系统
激光的自由空间输出光束可以用反射镜引导。 如果使用具有非常高反射率的高质量介电镜，它们可以处理非常高的光功率水平。 即使需要多个反射镜，吞吐量（输出功率相对于输入功率的百分比）也可以非常接近100%。
介电镜仅适用于某些非常有限的波长区域。 因此，该设备通常是为特定类型的激光器制造的。 对于Nd：YAG和Yb：YAG的1064 nm和1030 nm，它可以同时使用，但不适用于例如1.5μm或2μm区域。 然而，镜臂可用于各种不同的波长，从紫外线（例如来自准分子激光器）到可见光区域（例如倍频Yb：YAG）再到红外（例如一氧化碳2激光器).
最简单的光束传输系统类型具有固定的光束路径，例如仅涉及一个或两个 90° 偏转，用于将原始水平光束向下发送到工件。 整个光束路径封装在一个气密管系统中，该系统以激光加工头结束。 可以修改路径，例如通过交换紧密元件，但不能在操作过程中修改。
经典的自由空间解决方案是铰接式镜臂。
通过将反射镜集成到铰接式镜臂中，可以实现可移动的光束路径。 关节可以使得运动仅在施加一些最小扭矩的情况下发生，否则保持位置。 部件的重量可以通过臂重、弹簧或其他方式进行补偿，从而更容易调整位置。 为了实现平稳的运动和稳定的光束位置，没有位置漂移、振动等，需要使用的光机械装置的高精度。 对于某些敏感应用，此要求非常苛刻。
一些用于激光钻孔的光束传输系统包含快速旋转的光学器件，例如用于钻孔或螺旋钻孔。 随着激光系统功率的增加，需要越来越高的旋转速率 - 有时每分钟100.000转甚至更多。 例如，这可以通过旋转棱镜来实现。
在某些情况下，光束发散角太大，无法仅使用平面镜。 然后可能需要使用曲面镜或插入一些透镜以限制光束直径的增加。 另一种可能性是实现一种望远镜，例如用于增加光束直径，使其可以在更长的距离上发送而不会产生过多的发散，并且在聚焦透镜之后还可以获得较小的焦点。 通过这些措施，原则上可以实现任意长的手臂，但通常长度限制在几米以内。 在任何情况下，光束传输系统当然必须适应激光源在输出光束半径和发散度、准直等方面的详细光束特性。
在光束传输光学元件的末端，通常连接一个光学设备，例如头件、固定激光加工头或扫描头。 通常，光束聚焦到应用领域，而在其他情况下，更大的目标区域被照亮。 处理头还可以包含用于过程监控的装置。 敏感的光学元件通常用一些保护眼镜（光学窗口）保护；与更换镜子、透镜等相比，偶尔更换这种光学保护窗更容易、更便宜。
一些光束传输系统是可移动的，因为它们可用于灵活地布置从激光器到应用的光束路径，但它们并不意味着在操作过程中移动。
在真空中传输激光束带来了特殊的挑战。 例如，可能需要位于真空室内的转向镜，该真空室可以与可从外部访问的旋钮对齐。 如果使用纯机械驱动，则必须以真空密封的方式实现。 或者，可以使用电控制装置这样的压电陶瓷促动器。
光纤光束传输系统
传输激光束的一种特别灵活的方法是使用光纤，光纤通常集成到光缆中。 它们主要由保护材料组成，但也可以配备其他功能，例如光缆监控系统，用于在光纤损坏时快速检测任何逸出光纤的光。 在这种情况下，可能必须快速关闭激光源以避免严重危险。
玻璃纤维，特别是普通的二氧化硅纤维，可以传输至少几米（有时更长的距离）的光，传播损耗相当低。 这在某些波长区域内效果很好，最好是在许多激光器工作的近红外区域。 然而，不幸的是，在紫外（例如准分子激光）中，特别是在远红外线中，很难达到高功率水平。 例如，运输范围非常有限一氧化碳2激光波长为 10.6 μm 的光束。 因此，铰接臂是该领域的通常解决办法。
裸光纤端表现出一些菲涅耳反射；这些可能会通过沉积在光纤末端的增透膜而大大减少。 请注意，在高功率水平下，即使是百分之几的反射光也会导致强寄生光束，例如可能导致损坏问题。
要传输的光功率越高，光纤芯的面积就越大 - 无论是光纤本身，还是因为具有更高功率的激光源通常具有更大的光束参数产品。 同时，通常需要光纤的大量数值孔径（NA），这是由折射率对比度决定的。 大磁芯直径和高数值孔径的组合导致大量的引导模式（通常为数千种）。 这导致光纤中复杂的光束演化，即使光功率的损失很小，这通常与辐射的大量损失有关。
光纤输出通常配备某种附加光学器件，例如工艺头或扫描头，如上文在重新空间系统背景下所解释的那样。 从本质上讲，该头决定了光束的位置和方向，而仅移动光缆可能对光束特性的影响很小。 然而，情况并非总是如此，因为光纤的弯曲很容易导致模耦合，即它会改变光纤模态上的功率分布。 这也会影响光纤的光束发散以及光纤输出端强度分布的“重心”。 输出光束质量可能会相应下降。
使用光纤到光纤耦合器可以获得额外的灵活性，光纤到光纤耦合器可能基于高功率光纤连接器或专用设置。 除了将光从一根光纤引导到另一根光纤外，它们还可以配备其他功能，例如有关电缆监控或使用吹扫气体的功能。
重要方面
因此，光束传输系统可以在多个方面：
功率处理能力
光束传输系统在功率处理能力方面可能有很大差异。 在光脉冲的情况下，需要考虑峰值功率中的平均功率水平。 平均功率限制通常源于避免过热的需要，而过高的峰值功率可能会导致光学击穿，例如在反射镜上，然后导致光学元件损坏。
光束参数未对准或错误可能会导致严重损坏！
对于任何类型的高功率光束传输系统，正确发射输入光束都至关重要。 否则，传输系统的严重损坏可能会很快发生，因为即使是一小部分注入光的吸收也会导致零件过热，进而导致烟雾沉积在光学元件上或破坏光纤。 如果可能的话，在安装输送系统后，应该从非常低的注入功率开始，并验证其中很大一部分是在输出端获得的。
对于脉冲光束的传输，峰值功率限制可能是一个挑战，特别是对于光纤设备。
一些具有足够高光纤芯直径的多模光缆可以处理数千瓦的非常高的平均功率，但在峰值功率方面受到很大限制，这可能会触发不同类型的非线性效应。 请注意，此类影响可能会限制可用的纤维长度。 此外，直径特别大的纤维在允许的弯曲半径方面柔韧性要差得多。
在非常高的平均功率水平（例如几千瓦）下，可能需要水冷，例如输出光学器件或甚至更多部件。
固定或可移动光束路径
在某些情况下，建立固定的光束路径就足够了。 在这里，人们随后可以将不同的工件移动到固定光束焦点中。 然后可以通过简单的镜子和可能的一些透镜来实现输送系统。 可能还有一些调整功能用于确定确切的焦点位置 - 但不是在操作期间，仅用于初始准备。
在其他情况下，在系统运行期间需要或多或少的自由来修改光束路径。 例如，移动光束路径比移动重型零件更容易在重型工件（例如汽车零件）上进行快速激光切割或激光焊接操作。 根据应用的不同，可能需要多达五个自由度（对于光束焦点的位置和光束方向）。
导向梁
一些激光系统，例如用于具有高功率红外光束的激光材料加工，使用叠加在高功率光束上的可见低功率引导光束。 它的功能是使主激光束的位置可见，而无需使用红外相机等其他仪器。 导频光束的相当低的光功率（例如1 mW量级）通常足以使其清晰可见。 当然，应确保导梁始终与主梁很好地对齐，从而可靠地指示其位置。
指向稳定性
根据光束传输系统的类型，激光源的光束指向波动可能与此相关。 当使用长关节镜臂时，这尤其是一个问题，对于光纤设备来说则更少。
波束共享
当光束传输系统可以将辐射输送到两个或多个位置时，通常可以更好地利用昂贵的工业激光系统。 例如，可以使用高功率分束器分离激光输出，以便将大致相等的功率发送到不同的光缆，或者在不同的输出之间切换输出（分时）。 例如，在更换工件期间，激光束可以在单独的加工设置中用于另一个工件。
光束遏制和密封
铰接镜臂的整个光束路径通常完全封装。 这为光学器件提供了保护，防止接触划伤它们，并防止灰尘进入激光束引起的沉积。 此外，它还保护操作员免受激光危害。 在某些情况下，需要可靠的密封设备，例如用于有细粉尘或有问题气体的环境中。 另一种可能性是使用一些清洁的吹扫气体，例如干燥空气；这种气体的稳定流动可以防止任何灰尘侵入。
光缆自然提供了一些保护。 对于恶劣环境，可以应用改进的屏蔽。
机械适配器
例如，为了将关节臂安装到激光系统上，需要适当的机械接口。 从这个意义上说，各种设备与一系列工业激光器兼容，提供合适的法兰或类似装置连接到激光源。
更换零件
与放置在坚固外壳中的光学器件相比，光纤传输系统在许多情况下面临更高的损坏风险。 （这尤其适用于输出端。 因此，通常需要更换零件。 拥有一个可靠的供应商，能够快速交付所需的零件非常重要，否则可能会导致大量且昂贵的停机时间。 此外，如果合适的机械师可以轻松更换镜子等组件而无需繁琐的重新对齐，我会有所帮助。
附加功能
光束传输系统可以配备许多附加功能：
- 高鲁棒性可能有助于避免系统损坏的问题。 另一方面，例如，重型和刚性光缆可能不太方便使用；因此，更轻量级的版本可能是首选。 通过精细设计更容易实现这两个目标之间的良好折衷。
- 在某些情况下，光束传输系统中集成了额外的光学元件，例如光束快门或可变光衰减器。
- 自由空间光束传输系统通常保持光的偏振方向，这与某些应用有关。 极化方向也可能随着关节臂的运动而变化，但至少以可重复的方式改变，并且极化保持线性。 基于光纤的系统通常不能保持极化。 （有保持偏振的光纤，但这些基本上都是单模光纤，最多是少数模光纤，因为对于具有大量芯面积的多模光纤来说，很难实现足够强的双折射，这是高功率水平所需的。
- 在某些极端波长区域（特别是在紫外线中，但有时也在红外线中）的一些不太常见的光束传输系统需要疏散，以避免光吸收在空气中。
- 对于携带超短光脉冲的光束，通常需要采取额外的措施来减轻光纤非线性和色散的影响。 例如，可能需要在光缆之前或之后应用一些色散补偿。 减轻非线性效应的一种方法是使用空芯光纤，其中光主要在空心中传播（即通常在空气中），并且仅与导向玻璃有微弱的重叠。
