(57)【要約】【課題】材料をレーザ加工するための装置および方法。【解決手段】材料（１１）をレーザ加工するための装置（１０）であって、その装置はレーザ（１）とビーム送出ケーブル（２）とを備える。レーザ（１）はビーム送出ケーブル（２）に接続されている。ビーム送出ケーブル（２）は、レーザ（１）から放射されたレーザ放射（１３）を伝送するように構成され、レーザ放射（１３）はビームパラメータ積（４）によって規定される。装置（１０）は、装置（１０）は、ピッチ（７）によって画定される周期的表面（６）を備える、少なくとも１つの絞り機構（５）を含むという特徴を有する。レーザ（１）および／またはビーム送出ケーブル（２）の一部を形成する光ファイバ（９）の長さ（８）は、周期的表面（６）に隣接して配置されている。絞り機構（５）は、絞り力（１２）と共に光ファイバ（９）の周期的表面（６）および長さ（８）を絞るように構成され、それにより、絞り力（１２）を調節することによってビームパラメータ積（４）を変えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料をレーザ加工するための装置であって、該装置は、レーザとビーム送出ケーブルとを備え、
該レーザは、該ビーム送出ケーブルに接続されており、
前記ビーム送出ケーブルは、前記レーザから放出されたレーザ放射を伝送するように構成され、
該レーザ放射はビームパラメータ積によって規定され、
前記装置は、
該装置が、ピッチによって画定される周期的表面を備える少なくとも１つの絞り機構を含み、
前記レーザおよび／または前記ビーム送出ケーブルの一部を形成するある長さの光ファイバが該周期的表面に隣接して配置されており、
前記絞り機構は、絞り力で、前記周期的表面と前記光ファイバの長さとを絞るように構成され、それによって、前記ビームパラメータ積を、前記絞り力を調整して変化させることが可能である、
ことを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記周期的表面がチャープされている（ｃｈｉｒｐｅｄ）、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記絞り機構は、互いに角度をなして配置された少なくとも２つの前記周期的表面を備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記周期的表面が同じピッチを有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記角度が直角である、請求項３または請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記角度が６０度である、請求項３または請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記絞り機構は、前記周期的表面のうちの１つを、前記周期的表面のうちの別のものとは異なる絞り力を有する前記光ファイバに対して絞ることができるようなものである、請求項３ないし６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記周期的表面の空間位相は、前記絞り力が前記周期的表面に印加されるとき、前記光ファイバがらせん形状に変形するように構成されている、請求項３ないし７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記絞り力は、前記光ファイバは、１Ｎ未満の力で前記周期的表面を通って引っ張られることができるようなものである、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
複数の前記絞り機構を備える、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記絞り機構の少なくとも１つは、前記絞り機構の別のものとは異なるピッチを有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記絞り機構が線形絞り機構である、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記絞り機構はシリンダを備え、前記光ファイバは前記シリンダの周りに巻き付けられており、前記絞り力は前記シリンダの軸に沿って加えられる、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記ピッチが前記シリンダの半径または周囲に沿って変化する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記光ファイバが、少なくとも１０μｍの直径を持つコアを有する、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記直径が少なくとも１５μｍである、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記直径が少なくとも５０μｍである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記光ファイバが、１００μｍ以下の外径を有するガラスを含む、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記外径が、８０μｍ以下である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記ピッチが８ｍｍ以下である、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記ピッチが６ｍｍ以下である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記ピッチが５ｍｍ以下である、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ピッチが０．５ｍｍから４ｍｍの範囲にある、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記光ファイバは、伝搬定数β１を有する第１の光学モードと伝搬定数β２を有する第２の光学モードとをサポートするコアを備え、前記ピッチは、前記絞り力が加えられたときに前記第１の光学モードを前記第２の光学モードに結合するように選択される、請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記ピッチが２π／（β１−β２）に等しい、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記絞り機構は前記光ファイバをその長さに沿って歪ませ、該歪みは対称性によって規定され、前記対称性は、前記第１の光学モードを前記第２の光学モードに結合するように選択される、請求項２４または２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記絞り機構は、前記光ファイバの出力を、前記絞り力を変えることによって、前記第１の光学モードから前記第２の光学モードに切り替えることができるようにするように構成されている、請求項２４ないし２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記光ファイバは、伝搬定数β１を有する第１の光学モードをサポートするコアと、伝搬定数β２を有する第２の光学モードをサポートする少なくとも１つのサテライトコアとを備え、前記ピッチは、前記第１の光学モードを前記第２の光学モードに結合するように選択される、請求項１ないし２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
前記コアを囲む、少なくとも２つの前記サテライトコアが存在する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記コアを囲む、少なくとも４つの前記サテライトコアが存在する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記サテライトコアがリングコアである、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記ピッチが２π／（β１−β２）に等しい、請求項２８ないし３１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】
前記絞り機構は、前記光ファイバをその長さに沿って歪ませ、該歪みは対称性によって規定され、前記対称性は、前記第１の光学モードが前記第２の光学モードに結合できるように選択される、請求項２８ないし３２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３４】
セントラルコアと少なくとも１つのサテライトコアとを備える遷移光ファイバを含み、該サテライトコアは、前記第２の光学モードで伝播する前記レーザ放射のビーム径の拡大に対して、異なる割合で、前記第１の光学モードで伝播する前記レーザ放射の前記ビーム径を拡大するように構成される、請求項２４から３３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３５】
前記サテライトコアが少なくとも４つ存在する、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記サテライトコアがリングコアである、請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】
セントラルコアを含むビーム送出光ファイバを含み、該ビーム送出光ファイバは、そこからレーザ放射が放出される出力端を備える、請求項２４ないし３６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３８】
前記ビーム送出光ファイバがペデスタルを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記ビーム送出光ファイバが、前記セントラルコアを囲むリングコアを含む、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
テーパを含み、該テーパは、前記セントラルコアの直径が前記出力端に向かって増加するようなものである、請求項３７ないし３９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４１】
２つの前記絞り機構が存在し、第２の絞り機構は、ピッチによって規定される周期的表面を有し、前記第２の絞り機構の前記周期的表面は、前記ビーム送出光ファイバに適用されている、請求項３７ないし４０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
前記第２の絞り機構のピッチは、第１の絞り機構のピッチより大きい、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記ビーム送出光ファイバは、伝搬定数β１を有する基本モード、および、伝搬定数β１を有する第２次光学モードをサポートし、前記第２の絞り機構のピッチは、２π／（β１−β２）より長く、それにより、前記第２の絞り機構は、前記基本モードと前記第２次モードとを結合しない、請求項４１または４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記第２の絞り機構の前記ピッチは、前記ビーム送出光ファイバにおいて、伝播することができる高次モードを結合するように選択され、それによって、より均一な出力ビームプロファイルを作り出す、請求項３７ないし４３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４５】
前記ビーム送出ケーブルからの前記レーザ放射を受けるように配置されているレンズシステムを含む、請求項１ないし４４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４６】
前記レンズシステムは、前記材料の上の集束スポットの直径を変えることができるようなものである、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記絞り機構は、アクチュエータを含む、請求項１ないし４６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４８】
コンピュータを含み、前記レンズシステムおよび前記アクチュエータのうちの少なくとも１つは、前記コンピュータによって制御される、請求項４６または請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記コンピュータは、材料パラメータに関する情報を含むメモリを備える、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記装置は、前記光ファイバから前記レーザ放射を受け取るように構成された処理ヘッドを含む、請求項１ないし４９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５１】
前記装置は、第１の光ファイバと第２の光ファイバとを備え、
第１の光ファイバは第１のコア径を有し、
前記第２の光ファイバは、該第１の径よりも大きい第２のコア径を有し、
前記第２の光ファイバは、前記処理ヘッドと前記第１の光ファイバとの間に配置されており、
前記絞り機構の第１のものは、前記第１の光ファイバに適用され、
前記絞り機構の第２のものは、前記第２の光ファイバに適用され、それにより、使用時に、前記第１の光ファイバにおいて伝播するレーザ放射のスポットサイズが、前記第１の絞り機構によって変化し、前記レーザ放射のプロファイルは、前記第２の絞り機構によって変化する、
請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記ビーム送出ケーブルに取り付けられた、または、前記ビーム送出ケーブルの一部を形成している振動要素を含む、請求項１ないし５１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５３】
材料をレーザ加工する方法であって、該方法は、
レーザおよびビーム送出ケーブルを提供するステップであって、該ビーム送出ケーブルは、該レーザからのレーザ放射を伝送するように構成され、該レーザ放射はビームパラメータ積によって規定され、前記装置は、ピッチによって画定される周期的表面を備える少なくとも１つの絞り機構を含み、前記レーザおよび／または前記ビーム送出ケーブルの一部を形成するある長さの光ファイバが、該周期的表面に隣接して配置されており、前記絞り機構は、絞り力と共に周期的表面と光ファイバの長さとを絞るように構成されるものである、ステップと、
ビームパラメータ積を変えるために絞り力を調整するステップと、
を含む方法。
【請求項５４】
前記方法は、レンズシステムを提供するステップと、前記ビーム送出ケーブルから前記レーザ放射を受けるように前記レンズシステムを位置決めするステップとを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記レンズシステムは、前記材料の上の集束スポットの直径を変えることができるようなものであり、前記方法は、前記材料の上の前記集束スポットの前記直径を変えることを含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記絞り機構がアクチュエータを含む、請求項５３ないし５５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５７】
コンピュータを提供するステップと、
前記コンピュータによって、前記レンズシステムおよび前記アクチュエータのうちの少なくとも１つを制御するステップと
を含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記コンピュータは、材料パラメータに関する情報を備えるメモリを含む、請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、材料をレーザ加工するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼のレーザ切断は、レーザビームを、加工ヘッドを介して、加工物に向けることによって達成される。加工ヘッドはレーザ光線を平行にし、集束させるための光学系およびビームと同軸である高圧ガスジェットを提供するための円錐銅ノズルを有する。基本的な切断作業は、金属板加工物を加熱して溶融させるレーザビームと、溶融材料をカットゾーンの底部から吹き出す補助ガスジェットとして知られるガスジェットとを含む。切断ヘッドは、ノズル先端と加工物表面との間の距離を一定に保ちながら、板金上を移動する。切断ヘッドは、プログラムされた経路で動かされて、所望のシートメタルプロファイルを作り出す。
【０００３】
ステンレス鋼を切断する場合、不活性アシストガスを使用するのが一般的である。これは、金属部品が使用されているときに問題を引き起こす可能性がある加工物の切断端面上の金属酸化物の生成を回避する。この切断プロセスのための唯一の熱源は、集束レーザビームによって提供されるので、より高いエネルギー出力密度を有する、より小さい焦点サイズは、より狭い溶融領域を生成することによってより効率的な切断を提供することになる。溶融領域が金属の厚さにわたって狭いように、低い発散を使用することは有益である。最小実用焦点の限界は、材料の厚さと共に光学的被写界深度によって決まる。これは、カット幅（カーフ）が、クリーンカットを生成するために溶融材料をきれいに除去し、下方カットエッジ上のドロスを回避するのに十分な圧力でアシストガスがカットの底部に移動することを可能にするために、十分広くなければならないためである。この種の切断のためには、アシストガスを高圧で、典型的には１０から２０バールの範囲で、加えなければならない。ノズル出口の直径は通常０．５ｍｍから２．０ｍｍの範囲であり、そして、一般的に厚い材料はより大きいノズルを必要とする。
【０００４】
５ｍｍより厚い軟鋼（低炭素鋼としても知られている）を切断する場合、切断速度を増大させる追加的な熱を供給するために、加工物内の鉄と発熱的に反応する補助的なガスとして酸素を使用するのが一般的である。これは典型的には０．２５バールから１バールの範囲の圧力で適用され、それは窒素補助ガス切断に使用されるものと比較してはるかに低い。典型的には１０ｍｍから３０ｍｍの厚さの範囲での厚い切片の切断のために、酸素アシストガスが、ドロスフリーカットを維持しながら、溶融材料を射出するのに十分なガス流で切断ゾーンの底部に到達することができるように、切り溝は十分な幅でなければならず、厚い軟鋼切断に対して、シートメタル表面上の入射ビーム径がビームウェストよりも大きくなるように、ビームウェストがシートメタル表面上にあるようにビームの焦点をぼかすことは、典型的である。ビームの発散が増加すると、より低いエッジ粗さでより良い品質のカットが得られる。
【０００５】
ほとんどの汎用フラットベッドレーザ切断機は、全てが高品質でなければならない様々な厚さの金属の範囲を切断することを要求される。焦点サイズの選択は、通常、幅広い一連のプロセス条件を満たすために必要な要件の妥協点である。薄いステンレス鋼を切断するためには、小さな焦点が低い発散で必要とされる一方、厚い軟鋼を切断するためにはより大きい焦点がより高い発散で必要とされる。このようなフラットベッド切断機は、一定のビーム品質を有するレーザで作動するように設計されている。加工能力を増大させるために、切削ヘッドは、第１に、ビーム経路に沿った集束レンズの制限された移動を可能にしてワークピースに対するレーザビームのデフォーカスを可能にする増強光学系を有する。そして、第２に、焦点直径を調整することを可能にする。一定のレーザビーム品質を有するレーザは焦点サイズと発散との間に固定された関係を有し、それは切断プロセス体制によって望まれるものと反対の方法で働くので、これは利益を制限する。
【０００６】
異なる切断方式では、発散が小さい小スポットまたは発散が大きい大スポットのいずれかが必要であるのに対し、固定ビーム品質のレーザは、発散が大きな小スポットと発散が狭い大スポットとを提供することができる。したがって、すべての金属の種類と厚さに対してプロセスパラメータを最適化することは不可能である。
【０００７】
溶接、マーキング、および積層造形などの他の材料加工装置でも同様の制限が生じる。これら全ての応用分野において、レーザのビームパラメータ積を変えることができ、かつ加工される材料上の集束レーザビームの直径を変えることができるレーザ加工装置が必要とされている。
【０００８】
本願発明の目的は、上述の問題を軽減する材料をレーザ加工するための装置および方法を提供することである。
【発明の概要】
【０００９】
本願発明の非限定的な実施形態によれば、材料をレーザ加工するための装置が提供され、この装置はレーザとビーム送出ケーブルとを含む。
●  レーザはビーム送出ケーブルに接続されている。
●  ビーム送出ケーブルは、レーザから放出されたレーザ放射を伝送するように構成される。
そして、
●  レーザ放射はビームパラメータ積によって規定される。
そして、装置は以下の特徴を有する。
●  装置は、ピッチによって画定された周期的表面を含む少なくとも１つの絞り機構を含む。
●  レーザおよび／またはビーム送出ケーブルの一部を形成するある長さの光ファイバが周期的表面に隣接して配置されている。
そして、
●  絞り圧構は、絞り力と共に周期的表面と光ファイバの長さとを絞るように構成される。それにより、絞り力を調整することによってビームパラメータ積を変えることができる。
【００１０】
光ファイバを選択することおよび絞り力を変えることによって、典型的な産業用レーザのビームパラメータ積を０．３ｍｍ・ｍｒａｄから３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲に調整することが可能である。有利なことに、光ファイバに沿って伝播するレーザ放射のビーム半径および有効開口数の両方が、絞り力を変えることによって制御され得る。レーザ放射の出力ビームプロファイルを、例えばベル型ガウスビームプロファイルからトップハットビームプロファイルまたはリングプロファイルに調整または切り替えることも可能である。これは多くのレーザ切断用途に非常に望ましい。本願発明は、切断のような材料プロセスを最適化することにおいてはるかに大きな自由度を可能にする。焦点サイズと発散は、板金の種類と厚さごとに最適化できる。この装置は、金属を貫通してステンレス鋼を切断するための高ビーム品質（低ビームパラメータ製品）、および、より厚い軟鋼を切断するための低ビーム品質（高ビームパラメータ製品）でレーザ放射を生成するように設定することができる。前者の場合、材料に焦点を合わせたときのレーザ放射の直径は、後者の場合よりも小さくかつより低い発散でなければならない。
【００１１】
周期的表面はチャープされてもよい。単調にまたは非単調的に、絞り機構の長さに沿ってピッチを変化させることは、所望のビームパラメータ積または出力ビームプロファイルを得るために必要とされる絞り力の量を減らすことができ、それによって信頼性を高める。
【００１２】
絞り機構は、互いに角度をなして配置された少なくとも２つの周期的表面を含むことができる。周期的表面は同じピッチを有してもよい。角度は直角でもよい。角度は６０度であり得る。絞り機構は、一方の周期的表面を他方の周期的表面とは異なる絞り力で光ファイバに対して圧迫することができるようにすることができる。周期的表面の空間位相は、絞り力が周期的表面に加えられたときに光ファイバが実質的にらせん状に変形するように構成することができる。絞り力は、１Ｎ未満の力で光ファイバを周期的表面を通して引っ張ることができ、その結果、機械的信頼性が向上するようなものであり得る。
【００１３】
この装置は、複数の絞り機構を備えることができる。複数の絞り機構を有することは、各絞り機構に必要な絞り力を減少させ、それによって信頼性を向上させる。
【００１４】
少なくとも一方の絞り機構は、他方の絞り機構とは異なるピッチを有してもよい。ピッチが異なると、光ファイバ内の導波モードの異なるグループ間の結合が可能になる。異なるピッチを有する絞り機構を組み合わせることは、出力ビームパラメータ積および出力ビームプロファイルのより優れた制御を提供する。
【００１５】
絞り機構は線形絞り機構であってもよい。スペースが貴重な場合、これは有利である。
【００１６】
絞り機構はシリンダを含んでもよい。光ファイバはシリンダの周りに巻き付けられてもよい。絞り力は、シリンダの軸に沿って加えられてもよい。これはコンパクトな配置を提供し、線形絞り機構よりも長い長さの光ファイバに絞り力を加えることをより便利にし、そして１ターンより多くの光ファイバを使用することを可能にする。これにより、より小さな絞り力を加えることが可能になり、それによって長期信頼性が向上する。それはまた、絞られたときの光ファイバ内の光損失を減らすのを助ける。
【００１７】
ピッチは、シリンダの半径または周囲に沿って変わり得る。これにより、チャープ長周期格子を製造することが可能になる。
【００１８】
光ファイバは、少なくとも１０μｍの直径を有するコアを有することができる。直径は少なくとも１５μｍであり得る。直径は少なくとも５０μｍであり得る。
【００１９】
この光ファイバは、１００μｍ以下の外径を有するガラスを含むことができる。外径は８０μｍ以下であり得る。材料をレーザ加工するための機器に使用される光ファイバの従来技術のガラス直径は、１２５μｍを超える。直径を小さくすると、光ファイバをより簡単に変形させることができる。それはまた、０．５ｍｍ以下のピッチが得られることを可能にし、それらの伝播定数においてはるかに大きい差を有するモード間の結合を可能にする。したがって、より小さいガラス直径は、先行技術を超える有用な利点を提供する。
【００２０】
ピッチは、８ｍｍ以下であり得る。ピッチは６ｍｍ以下であり得る。ピッチは５ｍｍ以下であり得る。ピッチは０．５ｍｍから４ｍｍの範囲であり得る。
【００２１】
光ファイバは、伝搬定数β１を有する第１の光学モードと伝搬定数β２を有する第２の光学モードとを支持するコアを含み得る。ピッチは、絞り力が加えられたときに第１の光学モードを第２の光学モードに結合するように選択される。ピッチは２π／（β１−β２）に等しいことがあり得る。絞り機構は光ファイバをその長さに沿って歪ませることができ、その歪みは対称性によって規定することができる。対称性は、それが第１の光学モードを第２の光学モードに結合するように選択されてもよい。絞り機構は、光ファイバの出力を切り替えることができるように構成することができる。絞り力を変化させることによって、第１の光学モードから第２の光学モードへと変化させる。
【００２２】
光ファイバは、伝搬定数β１を有する第１の光学モードをサポートするコアと少なくとも１つのサテライトコアとを含み得る。それは伝搬定数β２を有する第２の光学モードをサポートする。ピッチは、第１の光学モードを第２の光学モードに結合するように選択され得る。コアを囲む少なくとも２つのサテライトコアがあってもよい。コアを囲む少なくとも４つのサテライトコアがあり得る。サテライトコアはリングコアであり得る。ピッチは２π／（β１−β２）に等しいことがあり得る。絞り機構は、光ファイバをその長さに沿って歪ませる可能性がある。歪みは対称性によって規定されてもよく、対称性は第１の光学モードが第２の光学モードに結合することができるように選択されてもよい。
【００２３】
この装置は、セントラルコアと少なくとも１つのサテライトコアとを備える遷移光ファイバを含み得る。サテライトコアは、第２の光学モードで伝播するレーザ放射のビーム径の拡大に対する異なる割合によって、第１の光学モードで伝播するレーザ放射のビーム径を拡大するように構成されることができる。少なくとも４つのサテライトコアがあり得る。サテライトコアはリングコアであり得る。
【００２４】
この装置は、セントラルコアを含むビーム送出光ファイバを含むことができ、そのビーム送出光ファイバは、そこからレーザ放射が放出される出力端を含む。ビーム送出光ファイバはペデスタルを含み得る。ビーム送出光ファイバは、セントラルコアを囲むリングコアを含み得る。この装置は、セントラルコアの直径が出力端に向かって増大するようなテーパを含み得る。装置は、２つの絞り機構を含み得る。第２の絞り機構は、ピッチによって規定される周期的表面を有してもよい。そして、第２の絞り機構の周期的表面は、ビーム送出光ファイバに適用されてもよい。第２の絞り機構のピッチは、第１の絞り機構のピッチよりも大きくてもよい。
【００２５】
ビーム送出光ファイバは、伝搬定数β１を有する基本モードをサポートすることができる。伝搬定数β２を有する２次光学モード。そして、第２の絞り機構のピッチは２π／（β１−β２）より長く、それによって、第２の絞り機構は基本モードと２次モードは結合していない。
【００２６】
第２の絞り機構のピッチは、ビーム送出光ファイバ内を互いに伝播することができる高次モードを結合するように選択することができる。それにより、より均一な出力ビームプロファイルが作成される。
【００２７】
この装置は、ビーム送出ケーブルからレーザ放射を受け取るように配置されたレンズシステムを含み得る。レンズシステムは、材料上の集束スポットの直径を変えることができるようなものであり得る。
【００２８】
絞り機構はアクチュエータを含むことができる。
【００２９】
この装置はコンピュータを含むことができ、レンズシステムおよびアクチュエータの少なくとも一方はコンピュータによって制御される。コンピュータは、材料パラメータに関する情報を含むメモリを含み得る。好適には、メモリは、レンズシステムおよび／またはアクチュエータ信号が、材料パラメータに応じて、選択されることを可能にする情報を含む。材料パラメータは、材料の種類とその厚さを含むことができる。これは、レンズシステムおよびアクチュエータへの信号を制御することによってレーザ放射の発散および集束スポットの直径を制御することを可能にするので、本願発明の特に有用な態様である。したがって、比較的高価な工業用レーザを、処理される材料に応じて広範囲のレーザ処理パラメータにわたって自動的に調整することを可能にする。
【００３０】
２つ以上の絞り機構を使用することにより、レーザ放射のパラメータの自動制御が簡単になる。さらに、異なるガイド特性を有する光ファイバに異なる絞り機構を使用することにより、適用可能な制御範囲が改善される。
【００３１】
この装置は、光ファイバからレーザ放射を受け取るように構成された処理ヘッドを含み得る。
【００３２】
装置は、第１および第２の光ファイバを含むことができ、第１の光ファイバは第１のコア直径を有する。第２の光ファイバは、第１の直径よりも大きい第２のコア直径を有する。第２の光ファイバは、処理ヘッドと第１の光ファイバとの間に配置することができる。第１の絞り機構を第１の光ファイバに適用し、第２の絞り機構を第２の光ファイバに適用することができる。それによって、使用時に、第１の光ファイバ内を伝播するレーザ放射のスポットサイズは、第１の絞り機構によって変化させることができ、レーザ放射のプロファイルは、第２の絞り機構によって変化させることができる。この構成は、ビームパラメータ積を出力ビームプロファイルとは独立して大幅に制御することを可能にする。同じ出力ビームプロファイルで異なるビームパラメータ積を達成することができる。したがって、例えば、この装置を使用して４から１００の間のビームパラメータ積を有するトップハットビームプロファイルを出力することが可能である。
【００３３】
この装置は、ビーム送出ケーブルに取り付けられているか、またはビーム送出ケーブルの一部を形成している振動要素を含むことができる。振動要素は、ビーム送出ケーブルを振動させるように構成することができる。これは、レーザ放射からレーザスペックルを除去するのに有利であり得る。振動素子は、圧電素子または電磁気素子であり得る。
【００３４】
本願発明はまた、材料をレーザ加工するための方法を提供し、この方法は、レーザとビーム送出ケーブルとを提供することを含む。ビーム送出ケーブルは、レーザからのレーザ放射を伝達するように構成され、レーザ放射はビームパラメータ積によって規定される。装置は、ピッチによって画定された周期的表面を含む少なくとも１つの絞り機構を含む。レーザおよび／またはビーム送出ケーブルの一部を形成するある長さの光ファイバが周期的表面に隣接して配置されている。絞り機構は、絞り力とともに周期的表面と光ファイバの長さとを絞り込むように構成されている。ビームパラメータ積を変えるために絞り力を調整する。
【００３５】
本願方法は、レンズシステムを提供するステップと、ビーム送出ケーブルからレーザ放射を受けるようにレンズシステムを位置決めするステップとを含み得る。
【００３６】
レンズシステムは、材料上の集束スポットの直径を変えることができるようにすることができ、この方法は、材料上の集束スポットの直径を変えることを含むことができる。
【００３７】
本願発明の方法では、絞り機構はアクチュエータを含み得る。
【００３８】
本願方法は、コンピュータを提供するステップと、コンピュータによってレンズシステムおよびアクチュエータの少なくとも一方を制御するステップとを含むことができる。コンピュータは、材料パラメータに関する情報を含むメモリを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本願発明の実施形態は、添付の図面を参照して、単なる例として説明される。
【図１】図１は、本願発明による材料をレーザ加工するための装置を示す図である。
【図２】図２は、チャープ周期的表面を有する絞り機構を示す図である。
【図３】図３は、互いに直角の２つの周期的表面を含む絞り機構を示す図である。絞り機構は、光ファイバをらせん状に変形させることができるような機構である。
【図４】図４は、互いに対して６０度の３つの周期的表面を含む絞り機構を示す図である。
【図５】図５は、図４の３つの周期的表面間の空間位相を示す図である。
【図６】図６は、第２の周期的表面を有する絞り機構を示す図である。
【図７】図７は、一緒に組み立てられた図６の絞り機構を示す図である。
【図８】図８は、シリンダの形態の絞り機構を示す。
【図９】図９は、均一なピッチを有する絞り面を示す図である。
【図１０】図１０は、チャープピッチを有する絞り面を示す図である。
【図１１】図１１は、光ファイバの基本モードおよび二次モードの実効屈折率を示す図である。
【図１２】図１２は、光ファイバの基本モードを示す図である。
【図１３】図１３は、光ファイバの二次モードを示す図である。
【図１４】図１４は、サテライトコアを有する光ファイバを示す図である。
【図１５】図１５は、図１４の光ファイバの光学モードを示す図である。
【図１６】図１６は、セントラルコアを囲むリングコアを有する光ファイバを示す図である。
【図１７】図１７は、リングコアの二次モードを示す図である。
【図１８】図１８は、ペデスタル光ファイバを示す図である。
【図１９】図１９は、セントラルコアを囲むリングコアを有する光ファイバを示す図である。
【図２０】図２０は、装置が第１、第２、および第３の光ファイバを含む本願発明の一例を示す図である。絞り機構に絞り力を加えることによって、第３の光ファイバによって導かれるレーザ放射の直径を１３μｍから１００μｍに切り替えることができる。
【図２１】図２１は、装置が第１および第２の光ファイバを含む本願発明の一例を示す図である。そして、絞り機構に絞り力を加えることによって、第２の光ファイバによって導かれるレーザ放射の直径を１３μｍから１００μｍに切り替えることができる。
【図２２】図２２は、本願発明の一例を示す図であり、この装置は、第１、第２、および第３の光ファイバを含む。また、第３の光ファイバによって放射されたレーザ放射の出力ビームプロファイルは、ビーム径が５０μｍの中心ビームから１００μｍのビーム径を持つリング状ビームに切り替えることができる。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、材料１１をレーザ加工するための装置１０を示しており、この装置は、レーザ１とビーム送出ケーブル２とを備えている。ここで、
●  レーザ１はビーム送出ケーブル２に接続されている。
●  ビーム送出ケーブル２は、レーザ１から放射されたレーザ放射１３を伝送するように構成される。および、
●  レーザ放射１３はビームパラメータ積４によって規定される。装置１０は、次の点で特徴付けられる。
●  装置１０は、ピッチ７によって規定される周期的表面６を備える少なくとも１つの絞り機構５を含む。
●  レーザ１および／またはビーム送出ケーブル２の一部を形成する光ファイバ９の長さ８は、周期的表面６に隣接して配置されている。
そして、
●  絞り機構５は、絞り力１２を用いて光ファイバ９の周期的表面周と長さ８を絞り込むように構成されており、それによって、絞り力１２を調整することによってビームパラメータ積４を変えることができる。
【００４１】
ピッチ７は、周期的表面６の連続する最大値間の距離であり、周期的表面６の周期性または空間周波数の逆数である。周期的表面６は、図１に示す周期的表面６のように、単一の部品から作られた連続周期的表面とすることができる。あるいは、周期的表面６は、一緒に組み立てられるワイヤまたはフィンガなどの複数の部品を含むことができる。ワイヤまたはフィンガは、ピッチ７が調整可能であるように調整可能であり得る。
【００４２】
図１は、レンズシステム２４、加工ヘッド３、および集束レンズ２５に光学的に結合された装置１０を示す。レンズシステム２４は、レーザ光線１３をコリメートおよび／または拡大するための１つまたは複数のレンズを含むことができる。加工ヘッド３は、材料１１上のレーザ放射１３を走査するための１つまたは複数の走査システムを含むことができる。集束レンズ２５は、焦点２９においてレーザ放射１３を材料１１に集束させることができる。
【００４３】
ビームパラメータ積４は、集束レーザ放射１３のビーム径２ω２１の半分と発散角α２２との積に等しい。ビームパラメータ積４は、レーザビームのビーム品質の尺度であり、これもまたそのＭ２値によって特徴付けることができる。ビームパラメータ積４はＭ２・λ／πに等しい。ここで、λはレーザ放射１３の波長２３である。シングルモードファイバレーザは通常、約１．１のＭ２を有する。波長２３が１．０６μｍである場合、ビームパラメータ積４は０．３５ｍｍ．ｍｒａｄに等しい。レーザビームのビームパラメータ積４は、収差のないレンズを含む単純な光学系に保存される。したがって、焦点２９におけるビームパラメータ積４は、レーザ放射１３のビームパラメータ積３４とほぼ同じである。レーザ放射１３が放射されるビーム送出ケーブル２の出力端２８からそれが出るとき。焦点２９におけるビーム径２１は、ビーム送出ケーブル２の出力端２８におけるビーム径２７およびレンズシステム２４および集束レンズ２４を含む光学系の倍率の積に実質的に等しい。レーザ放射１３の発散度２２は、ビーム送出ケーブル２の出力端２８から放射されるレーザ放射１３の発散度３５および、光学系の倍率の商に実質的に等しい。
【００４４】
したがって、ビーム径２１がビーム径２７よりも大きい場合、発散２２は発散３５よりも小さい。
【００４５】
レーザ放射１３は、光ファイバ９、光ファイバ１９（存在する場合）、およびビーム送出ケーブル２に沿ってガイドされる。レーザ放射１３は、絞り機構５によって調整または切り替え可能な、ガイドビームプロファイル３８およびガイドビーム径３９を有する。したがって、図１に示されるように、レーザ１の出力においてほぼガウスビームプロファイルとして描かれているガイドビームプロファイル３８は、トップハットビームプロファイルを有するものとして示されている出力ビームプロファイル１４になるように調整されている。出力ビーム径２７は、ガイドビーム径３９よりも大きいものとして示されている。
【００４６】
光ファイバ９と絞り機構５を選択し、絞り力１２を変えることによって、典型的な工業用レーザのビームパラメータ積４を０．３ｍｍ・ｍｒａｄから３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲で調整することが可能である。有利なことに、絞り力１２を選択することによってビーム径２７と発散３５の両方を制御することができる。レーザ放射１３の出力ビームプロファイル１４を、例えば、図１に示されるガイドビームプロファイル３８のようなベル形ガウスビームプロファイルからトップハットビームプロファイルへ（図１に示される出力ビームプロファイル１４のような）またはリングプロファイルへ、調整または切り替えることも可能である。出力ビームプロファイル１４を調整または切り換える能力は、多くのレーザ切断用途にとって非常に望ましい。出力ビームプロファイル１４を変えることができることは、多くのレーザ材料加工用途において望ましい。例えば、ガウスプロファイルは材料１１を貫通するのに有利であり得、トップハットプロファイルまたはリングプロファイルは材料１１を切断するのに有利であり得る。異なる出力ビームプロファイル１４は異なる用途に有利であり、最適な出力ビームプロファイルは材料１１およびその厚さ２６に依存する。
【００４７】
レンズシステム２４は、コリメーション光学系、可変ビームエキスパンダ、および／または望遠鏡を含むことができる。レンズシステム２４は、材料１１上の集束レーザ光線１３の直径２１を変えるように構成することができる。絞り機構５をレンズシステム２４と共に使用することにより、レーザ放射１３の発散２２を可能にする。レーザ放射１３のビーム径２１は独立に変えられる。これは非常に魅力的な特徴であり、装置が小さい直径２１で高いビーム品質（Ｍ２＜４）を提供することを可能にする。中程度のビーム品質（１０≦Ｍ２≦２０）は中程度のビーム径２１を有し、そして低いビーム品質（Ｍ２＞３０）は大きいビーム径２１を有する。さらに、中または低ビーム品質の小ビーム径２１と、低または高ビーム品質の中ビーム径２１とを生成することが可能である。この程度の柔軟性は、切断のような材料プロセスを最適化する上ではるかに大きな自由度を可能にする。焦点サイズと発散は、板金の種類と厚さごとに最適化できる。この装置は、ステンレス鋼切削用（ロービームパラメータ品４）、厚さ２６を有する軟鋼を切断するためのロービーム品質（ハイビームパラメータ品４）高ビーム品質のレーザ放射１３を生成するように設定することができる。前者の場合、材料１１に焦点を合わせたときのレーザ放射１３のビーム径２１は、後者の場合よりも小さくかつより低い発散を有するべきである。
【００４８】
本願発明はレーザで金属を切断するのに有利である。レーザ１は、ファイバレーザ、ディスクレーザ、または固体レーザとすることができる。レーザ１は、５００Ｗから２０ｋＷの範囲の出力パワーによって規定することができる。
【００４９】
実験では、レーザ１は３ｋＷのイッテルビウムドープファイバレーザであった。波長２３は１．０７μｍであった。材料１１はステンレス鋼であった。集束ビーム径２１は２００μｍであり、出力ビームプロファイル１４はトップハットプロファイルであった。２ｍｍから８ｍｍの範囲の厚さ２６を有するステンレス鋼を切断するとき、より高い切断速度およびより良好な切断品質は、約４．８ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４の場合よりも、約３．０ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４の場合に得られた。逆に、材料１１が１５ｍｍから３０ｍｍの範囲の厚さ２６を有する軟鋼である場合、３．０ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４よりも約４．８ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４の方がより良い結果が得られた。出力プロファイル１４はトップハットプロファイルであった。軟鋼の低ビーム品質（高ビームパラメータ製品４）は、切断面の品質を改善し、表面粗さを減少させました。
【００５０】
レーザ切断プロセスは、材料１１をレーザビーム１３で突き刺すことから始まる。穿孔時には、切断時よりも小さい発散部２２を有する小さいビーム径２１を使用することが有利である。出力プロファイル１４は、好ましくは、ガウスプロファイルのようなベル型のプロファイルである。これにより、ピアスの品質とスピードが向上する。全ての金属を貫通するときのビームパラメータ積４は、３ｍｍ・ｍｒａｄ未満、好ましくは１ｍｍ・ｍｒａｄ未満、より好ましくは０．５ｍｍ・ｍｒａｄ未満であるべきである。
【００５１】
ビーム径２７、発散角３５、および出力ビームプロファイル１４を選択することができる、および、ビーム送出ケーブル２の出力端２８で放射されるという利点は、焦点２９において異なるビーム径２１および発散角２２を選択することを可能にする。これは、材料１１の上、中、または下にあり得る。例えば、ステンレス鋼では、焦点２９は材料１１の下にあり得る。レーザ放射１３が材料１１に集束するのに対して、軟鋼の場合、焦点２９は材料１１の上方にあり得る。その結果、レーザ放射は材料１１で発散する。１つ以上の機構５を調整することによってそうすることができることは、先行技術を超える大きな利点である。それは、集束光学系の倍率を調整することを含む代替案よりも低コストでより単純なシステムを提供するからである。
【００５２】
貫通後、補助ガスは溶融金属と破片を貫通孔出口から吹き出す。この段階で、集束スポット２９において最適なビーム径２１と発散角度２２を提供するためにビーム径２８と発散３５を増大させることができる。結果として得られるビームパラメータ積４は、処理中の材料１１に応じて選択することができる。
【００５３】
絞り機構５は、対向する周期的表面４２を有することが好ましい。周期的表面６と対向する周期的表面４２とは、図１に示すように、互いに同相であることが好ましい。したがって、周期的表面６および対向する周期的表面４２が光ファイバ９に対して圧迫されると、光ファイバ９はばねとして作用し、光ファイバ９の歪みエネルギーが最小になるようにその長さに沿って周期的に偏向される。光ファイバ９の撓みは周期的表面６と同じピッチ７を有する。しかし、周期的表面６の周期性よりも高い空間周波数で追加の高調波を含むことがある。絞り力１２が増大すると、光ファイバ９が周期的表面６と反対側の周期的表面４２との間に把持されるまで、光ファイバ９の撓みも増大する。絞り力１２がさらに増加すると、光ファイバ９を横切って絞り応力が誘起される。
【００５４】
周期的表面６と対向する周期的表面４２とは、互いに非ゼロ位相を有することができる。そのような設計は、光ファイバ９の歪みに追加の高調波を誘発する可能性がある。これは、光ファイバ９によって支持されている追加の組の光学モード間の結合を誘発することがある。
【００５５】
周期的表面６と対向する周期的表面４２との間の位相は逆位相であり得る。これにより、光ファイバ９は周期的表面６と対向する周期的表面４２との間に挟持される。モード結合は、光弾性効果によって引き起こされる周期的な摂動によって引き起こされる。
【００５６】
図１の装置は、ピッチ１７によって画定された周期的表面１６を含む第２の絞り機構１５を有するものとして示されている。周期的表面１６は、光ファイバ１９の長さ１８に対して圧迫することができる。第２の絞り機構１５を使用すると、必要なビーム径２７、発散３５、および出力ビームプロファイル１４を得るのに必要な絞り力１２を低減することができる。それにより、光ファイバ９を破断し、機械的信頼性を高める危険性が減少する。第２の絞り機構１５はまた、高次光学モードを互いに結合するためにも使用され得る。ピッチ７よりも長いことが好ましい。
【００５７】
図１に示されるように、周期的表面１６はチャープされてもよく、すなわちそのピッチ１７は絞り機構１５の長さに沿って変化してもよい。ピッチ１７は、単調的に（図示されているように）または非単調的に変化することができる。チャープは、所望のビームパラメータ積４または出力ビームプロファイル１４を得るために必要とされる絞り力１２の量を減少させる。それによって信頼性が増す。図２は、チャープされた絞り機構１５の一例を示す。絞り機構１５は、対向する周期的表面４１を有する。また、光ファイバ１９（図示せず）は、周期的表面１６と対向する周期的表面４１との間に挟まれている。絞り力１２は、タップ穴でもよい少なくとも１つの穴４３を介して加えることができる。対向する周期的表面４１は、少なくとも１つの孔４４を通って取り付けられた固定ねじを使用して適所に固定することができる。
【００５８】
周期的表面１６と対向する周期的表面４１とは、図１に示すように、互いに同相であることが好ましい。したがって、周期的表面１６および対向する周期的表面４１が光ファイバ１９に対して押し付けられると、図１を参照して示されるように、光ファイバ１９はばねとして作用し、その長さに沿って撓む。これにより、光ファイバ１９の歪エネルギーが最小になる。偏向は周期的表面１６と同じピッチ１７を有するであろうが、追加の高調波を含み得る。これは、光ファイバ１９によって導かれる追加のモードを互いに結合するために望ましいことがあり得る。絞り力１２が増大すると、光ファイバ１９が周期的表面１６と反対側の周期的表面４１との間に把持されるまで、光ファイバ１９の撓みも増大する。絞り力１２がさらに増加すると、光ファイバ１９を横切ってさらに絞り応力が生じる。あるいは、周期的表面１６と反対側の周期的表面４１とは互いに対して非ゼロ位相を有し得る。そのような設計は、光ファイバ１９の歪みに追加の高調波を誘発する可能性がある。これは、光ファイバ１９によって支持されている追加の組の光学モード間の結合を誘発することがある。周期的表面１６と対向する周期的表面４１との間の位相は逆位相であり得る。これにより、光ファイバ１９は、周期的表面１６と対向する周期的表面４１との間に挟持される。モード結合は、光弾性効果によって引き起こされる周期的な摂動によって引き起こされます。
【００５９】
絞り機構５は、図３に示す絞り機構４０に示すように、互いに４５°の角度でアレンジされた２つの周期的表面６を含むことができる。周期的表面６のそれぞれは、同一または類似の設計の対向する周期的表面４２を有する。図１および図２を参照して説明したように、周期的表面６はそれらのそれぞれの対向する周期的表面４２と同じ位相を有することができる。周期的表面６の各々が光ファイバ９に対して押し付けられると、光ファイバ９の長さはばねとして作用し、その長さに沿って歪む。絞り機構４０の周期的表面６は、互いに同じピッチ７を有していてもよいし、互いに異なるピッチ７を有していてもよい。角度４５は直角でもよい。絞り機構４０は、絞り機構４０の中心線から周期的表面６の１つだけオフセットして示されている光ファイバ９と共に断面で示されている。
【００６０】
絞り機構４０は、各周期的表面６を異なる絞り力１２で光ファイバ９に対して圧迫することができるようにすることができる。２つの周期的表面６の空間位相は、互いに対して９０度位相がずれていてもよい。絞り力１２が２つの周期的表面６に加えられると、光ファイバ９は実質的にらせん状に変形することができる。図１および図２を参照して説明したように、光ファイバ９は、ばねとして作用し、そのひずみエネルギーを最小にするように変形する。したがって、光ファイバ９の変形は正確にはらせん状ではないかもしれないが、高調波を含むことができる。これらの高調波は、光ファイバ９によって導かれる特定の組の光学モード間の結合において有利であり得る。この構成は、光ファイバ９のどの導波モードがどの導波モードに結合されているかについて優れた制御を提供する。
【００６１】
絞り機構５は、図４に示す絞り機構５０に示すように、互いに角度５１でアレンジされた奇数の周期的表面６を含むことができる。角度５１は、１８０度と（ｎ−２）／ｎとの積であることが好ましい。ここで、ｎは周期的表面６の数である。図５を参照して示されるように、周期的表面６は、３６０度を周期的表面６の数で割ったものに等しい、互いに対する相対空間位相５５を有することが好ましい。奇数は３が好ましく、角度５１は６０度が好ましい。図５は、絞り機構５０の長さに沿った、図４に示す３つの周期的表面６のそれぞれの振幅５２、５３、５４を示す。周期的表面６は、互いに対して１２０度の相対空間位相５５を有する。周期的表面６の各々が光ファイバ９に対して押し付けられると、光ファイバ９の長さはばねとして作用し、その長さに沿って実質的にらせん状にゆがめられる。図１、図２および図３を参照して説明したように、光ファイバ９はばねとして作用し、そのひずみエネルギーを最小にするように変形する。したがって、光ファイバ９の変形は、その長さに沿って正確にらせん状ではないが、らせんの周期性の高調波（ピッチ７の逆数として規定される）を含み得る。これらの高調波は、光ファイバ９によって導かれる特定の組の光学モード間の結合において有利であり得る。
【００６２】
絞り機構５は、図６を参照して示された絞り機構６０であり得る。それは、他の部分６６の周期的表面６と整列するように設計されている第２の周期的表面６１を有する少なくとも３つの部分６６を含む。図４および５を参照して説明したように、３つの周期的表面６は、互いに対して１２０度の相対空間位相５５を有することが好ましい。部分６６が互いに適合するように、各部分６６の第２の周期的表面６１は、同じ部分６６の周期的表面６に対して１２０度の相対空間位相５５を有する。図７は、３つの部分６６が互いに嵌合されて絞り力１２が加えられた１つの構成を示す。光ファイバ９は、部分６６のうちの１つによって偏向されて示されている。第２の周期的表面６１のうちの１つが光ファイバ９に対して圧迫される配置を含む、部分６６を互いに合わせるための他の配置もまた可能である。実験的に、光ファイバ９によって導かれるＬＰ０１モードは、ＬＰ３モードおよびＬＰ３２モードに優先的に結合され得ることが観察されている。これは、絞り機構５０の三回対称性の結果であり得る。有利なことに、図３−図７を参照して説明した絞り機構４０、５０、６０における絞り力は、光ファイバ９によって導かれる基本ＬＰ０１モードからの同様のレベルのモード結合について、図２を参照して、図示した絞り機構１５よりも実質的に少ない絞り力１２を必要とする。実験では、かなりの量のモード結合があるにもかかわらず、絞り力１２は、図７に示す絞り機構から１Ｎ未満の力で引っ張ることができるほど十分に小さかった。同じレベルのモード結合に対して絞り力１２を減少させる能力は信頼性を向上させる。
【００６３】
この装置は、複数の絞り機構５を備えることができる。複数の絞り機構を含むことにより、各絞り機構５にかかる必要な絞り力１２を減らすことができ、それによって信頼性が向上する。
【００６４】
少なくとも１つの絞り機構５は、他の絞り機構５とは異なるピッチ７を有することができる。ピッチ７が異なると、光ファイバ９内の導波モードの異なるグループ間で結合が生じる。異なるピッチ７を有する絞り機構５を組み合わせることは、出力ビームパラメータ積４と出力ビームプロファイル１４のより優れた制御を提供する。
【００６５】
絞り機構５は、図１から図４、図６および図７を参照して示されるような線形絞り機構５であり得る。スペースが貴重である場合、これは有利である。
【００６６】
絞り機構５は、図８に示すようにシリンダ８１を備えることができる。光ファイバ９（図示せず）をシリンダ８１の周りに巻き付けることができる。絞り力１２は、例えばリング８２を用いて光ファイバ９を圧迫することによって、シリンダ８１の軸に沿って加えることができる。リング８２は、反対側の周期的表面４２を有するように示されているが、必ずしもそうである必要はない。それぞれの周期が線８３で示されている図９および図１０の周期的表面６の例の上面によって示されているように、ピッチ７は、均一またはチャープであり得る。周期的表面６は、図８に示すように平面内に構成されてもよく、または曲面上に構成されてもよい。シリンダ８１は円形または楕円形であり得る。他の形状もまた可能である。ピッチ７は、シリンダ８１の周囲８５の半径８４に沿って変化することができる。これにより、チャープ長周期格子を製造することが可能になる。
【００６７】
シリンダ８１の形態の絞り機構５はコンパクトな構成を提供し、絞り力１２を光ファイバ９のより長い長さ８にわたって加えることをより便利にする。これは、線形絞り機構５の場合よりも大きく、そして１ターン以上の光ファイバ９を使用することを可能にする。これにより、より小さな絞り力１２を加えることが可能になり、それによって長期信頼性が向上する。それはまた、圧迫時の光ファイバ９内の光損失を減少させるのを助ける。
【００６８】
光ファイバ９および／または光ファイバ１９は、図１１を参照して示されている光ファイバ９０とすることができる。光ファイバ９０は、コア９１、ガラスクラッド９４、およびポリマーコーティング９５を有する。コア９１は、好ましくは、少なくとも１０μｍの直径９２を有する。直径９２は少なくとも１５μｍであり得る。直径９２は少なくとも５０μｍであり得る。コア直径９２を増大させることは、光ファイバ９０が増大する数の光学モードをガイドすることを可能にする。
【００６９】
コア９１は、ガラスクラッド９４の屈折率９９よりも大きい屈折率９６を有する。好ましくは、光ファイバ９は、少なくとも、図１２を参照して示されている基本モード１２１と図１３を参照して示されている二次モード１２２とをサポートする。この基本モード１２１は、２つの直交偏光状態で起こり得るＬＰ０１モードであり得る。二次モード１２２は、２つの向きで起こり得るＬＰ１１モードであり得、その両方とも２つの直交偏光状態で起こり得る。したがって、図１２および図１３にそれぞれ示すように、２つの基本モード１２１と４つの２次モード１２２がある。
【００７０】
ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードは、より一般的にはＬＰｐ，ｑモードと呼ばれる。ここで、ｐは方位角モード番号、ｑはラジアルモード番号である。２ｐは方位角周囲のローブ数、ｑは半径に沿ったローブ数である。したがって、ＬＰ０１モードは、方位角の周りにゼロのローブを有し、半径に沿って１つのローブを有する。ＬＰ１１モードは、方位角の周りに２つのローブと半径に沿って１つのローブを有する。絞り機構５は、絞り機構５によって引き起こされる光ファイバ９の摂動の積の重なり積分が重なる場合、第１のモードを第２のモードに結合する。第１のモードの電界と第２のモードの電界は、光ファイバ９の長さ８にわたって非ゼロ値に積分する。以下に説明されるように、これは、第１のモードおよび第２のモードの伝搬定数、および周期的表面７の周期性に要件を置く。それはまた、光ファイバの摂動と比較して、第１モードと第２モードの電界に対称性の要件を課す。
【００７１】
図１１を参照すると、基本モード１２１はβ１／ｋの実効屈折率９７を有し、２次モード１２２はβ１／ｋの実効屈折率９８を有する。ここで、β１とβ２とはそれぞれ基本モード１２１と２次モード１２２の伝搬定数である。ｋは、レーザ放射１３の波長λ２３に関連する波数であり、ｋ＝２π／λである。伝播定数における差Δβ＝β１−β２を考慮することは有益である。図１ー図７を参照して示した絞り機構５がＬＰ０１モードをＬＰ１１モードに結合するためには、光ファイバ９の歪みには、その長さに沿ってΔβ／２πに等しい空間周波数成分があることが必要である。これは、周期性（ピッチ７の逆数として規定される）が、Δβ／２πに等しい場合、または周期性の高調波がΔβ／２πに等しい場合に発生する。しかしながら、光学モードと比較して光ファイバ９の摂動の対称性を考慮することもまた重要である。
【００７２】
光ファイバ９のコアによって導かれるＬＰｐ，ｑモードは以下のように表すことができる。Ｅ（ｒ，θ）＝Ｅ（ｒ）．ｃｏｓ（ｐθ）Ｅ（ｒ，θ）＝Ｅ（ｒ）．ｓｉｎ（ｐθ）ここで、Ｅ（ｒ）は電界の動径依存性で、ｃｏｓ（ｐ  θ）とｓｉｎ（ｐ  θ）は図１３に示す２つの方向を表す（ｐ  ＝  １に対して）。
【００７３】
光ファイバ９または光ファイバ１９がその長さに沿って直線的な正弦波のたわみを有する（例えば、直線的な絞り機構によって引き起こされる）とき、図１および２に示すように、ピッチ７が長さ８に沿って均一であり、対称性を考慮すると、ピッチ７が２π／Δβに等しいとき、これら２つの向きの一方のみが結合されることになる。これは、図１３の二次モード１２２が縮退していると仮定している。より一般的には、コアによって導かれるＬＰ０１モードは、ｐが奇数である場合、同じコアによって導かれるＬＰｐ，ｑモードに結合することができる。ピッチ７が２π／（βＡ−βＢ）に等しい場合、βＡとβＢとは互いに結合されている光学モードの伝搬定数である。しかし、正弦波偏向に大きな高調波がない限り、ＬＰ１１モードへの結合が最も強くなる。ｐが偶数の整数の場合、摂動の対称性は正しくない。同様の対称性の議論により、ファイバがその長さに沿って正弦波偏向を有する場合、線形スクイーズ機構はまた、ＬＰ０１モードをＬＰ０ｑモードに結合しない。以下に説明するように、セントラルコアによって導かれるＬＰ０１モードおよび他の光学モードもまた光学モードに結合することができる。それはセントラルコアに隣接しているサテライトコアによって導かれる。このような結合は、上記の重なり積分がゼロではない場合に起こり得る。
【００７４】
周期的表面散と反対側の周期的表面４２とが逆位相にある場合（図１に示す同相配置とは対照的に）、それから光ファイバ９はその長さに沿って周期的に圧縮される。次に、モード結合は光弾性効果によって引き起こされる。対称性を考慮すると、対称性が正しくないため、ＬＰ０１モードはＬＰ１１モードに結合しない。しかしながら、ＬＰ０１モードは、ＬＰ２１モードに、より一般的には、ＬＰｐ，ｑモードに結合することができる。ここで、ピッチ７が２π／（βＡ−βＢ）に等しい場合、ｐ＝２、４、８などである。ここで、βＡおよびβＢは、互いに結合されている光学モードの伝搬定数である。しかしながら、かなりのモード結合を得るために必要とされる絞り力１２が一般的に必要とされる絞り力１２よりはるかに大きいので、周期的表面６と対向する周期的表面４２とが図１に関して示されるように同相であるとき、この配置は一般的に好ましくない。
【００７５】
光ファイバ９または光ファイバ１がらせん状の歪みを有するとき（例えば、図３、４、６および７に示される絞り機構のうちの１つによって引き起こされるとき）、対称性によって。ピッチ７が２π  ／Δβに等しい場合、ＬＰ０１モードは両方向でＬＰｐ，ｑモードに結合できる。ただし、ｐが偶数の場合、またはＬＰ０ｑモードの場合は結合しない。したがって、図３、４、６、および７に示される絞り機構によって提供されるモード結合の量は少なくとも２倍である。図１および図２に示す絞り機構よりも優れている。図５を参照して説明したように、絞り機構６０は、光ファイバ９０をらせん状に変形させる３つの部分６０を含む。ＬＰ０１モードがＬＰ３１およびＬＰ３２モードに結合することが観察された。これは、カップリングに必要な対称性を提供する絞り機構６０によって引き起こされる、光ファイバ９０に沿って３倍の方位角摂動があることを意味する。
【００７６】
前述のように、光ファイバ９がその長さに沿って周期的に圧縮されるように、機構４０、５０、６０の周期的表面６と反対側の周期的表面４２とが逆位相にある場合、モード結合は異なる組の光学モードの間にある。対称性を考慮すると、ＬＰ０１モードはＬＰ０ｑモードに結合します。この配置は、匹敵する効果のためにより大きな絞り力１２を必要とするので、一般的には好ましくない。
【００７７】
一旦ＬＰ０１モードから結合されると、光は他の高次モードにさらに容易に結合または散乱することができる。なぜなら、
（ｉ）これらのモード間の伝搬定数Δβの差は、一般に、ＬＰ０１モードとそれが結合する第１のモードとの間の伝搬定数ΔβＡの差よりも小さい、および、
（ｉｉ）統計的には、周期性よりも長い空間周波数で生じる摂動が光ファイバ９内に存在することになるからである。
【００７８】
図３、４、６および７を参照して示され、らせん状に摂動された光ファイバ９を有する、らせん絞り機構３０、４０、５０、６０は、したがって、それらは、図１および図２を参照して示された線形絞り機構よりも多くのモードの配向を一緒に結合し、さらに、絞り力１２、したがって光ファイバ９の最大撓み。結合を提供するために必要とされる距離はより少なく、それは光ファイバ９に加えられる応力がより少なくなり、したがってより高い信頼性をもたらすことにおいて有利である。実験的には、光ファイバ９をらせん状絞り機構から引き出すことができることが観察されている。図７に示すように、１Ｎより小さい引っ張り力でこれは、図２に示すような線形絞り機構から光ファイバ９を引っ張るのに必要な引っ張り力よりも実質的に小さい。ここで、らせん状および線形の絞り機構は、光ファイバ９において同様のレベルのモード結合を引き起こす。したがって、らせん状絞り機構内の光ファイバに加わる絞り力１２が小さくなり、機械的信頼性が向上する。
【００７９】
図１４に示すように、光ファイバ９および光ファイバ１９は、コア９１に隣接して少なくとも１つのサテライトコア臼４１を有することができる。光ファイバ１４０は、コア９１の周りに対称的に配置された４つのサテライトコア１４１を有する。各サテライトコア１４１は、図１５を参照して示されたその光学モード１５１が、図１１および図１３を参照して示される二次モード１２２の実効指数β２／ｋ９８と実質的に同じ有効指数１４３を有するようになるように、屈折率１４２および直径１４３を有することができる。そして、光学モード１５１は、二次モード１２２に共鳴結合する。この共振結合は、図１５の両端矢印で示されている。したがって、図１、２、３、４、６および７を参照して示されている絞り機構５は、コア９１のＬＰ０１モードをコア９１のＬＰｎモードに結合するように構成することができる。それは次にサテライトコア１４１の光学モード１５１に結合する。代替的に又は追加的に、図１、２、３、４、６及び７を参照して示された絞り機構５が光ファイバ１４０に適用される場合、たとえ、コア９１の設計が、コア９１が二次ＬＰ１１モード１２２をサポートしないようなものであっても、スクイーズ力１２は、ＬＰ０１基本モード１２１からサテライトコア１４１の光学モード１５１へ直接結合するように選択することができる。前述のように、光ファイバ９が正弦波状に直線的に歪められている場合、結合はただ１つの方位？？において最も強くなる。らせん状に歪められている場合、結合はすべての方位角方向で発生する。有利なことには、サテライトコア１４１を含むことにより、レーザ放射１３をコア９１からサテライトコア１４１に結合することが可能になる。したがって、レーザ放射１３が光ファイバ９に沿って伝播するにつれて、レーザ放射１３のガイドビーム径３９が増大する。
【００８０】
図１６に示すように、光ファイバ９および光ファイバ１９は、コア９１を囲むリングコア１６１を有する光ファイバ１６０とすることができる。リングコア１６１は、図１７を参照して示されるその二次モード１７１が、図１１および図１３を参照して示した二次モード１２２の実効屈折率β２／ｋ９８と実質的に同じである実効屈折率１６３を有するように、屈折率１６２および厚さ１６４を有することができる。コア９１の二次モード１２２が光ファイバ１６０に入射すると、二次モード１２２は二次モード１７１に共振結合する。あるいは、または、さらに、図１、図２、図３、図４、図６および図７を参照して示した絞り機構５を光ファイバ１６０に適用する場合、たとえ、コア９１の設計が、コア９１が二次ＬＰ１１モード１２２をサポートしないようなものであっても、絞り力１２は、ＬＰ０１基本モード１２１からリングコア１６１の光学モード１７１に直接結合するように選択され得る。前述のように、光ファイバ９が正弦波状に直線的に歪められている場合、結合はただ１つの方位方位において最も強くなる。らせん状に歪められている場合、結合はすべての方位角方向で発生する。有利なことには、リングコア１６１を含めることによって、レーザ放射１３をコア９１からリングコア１６１に結合することが可能になる。二次ＬＰ１１モード１２２を介して直接的または間接的のいずれかで、このようにしてレーザ放射１３のガイドビーム径３９を増大させると、光ファイバ９に沿って伝播する。
【００８１】
図１１、１４および１６を参照すると、ガラスクラッディング９４は、７０μｍから５００μｍの間の直径９３を有することができる。直径９３は、７０μｍから２００μｍの間であり得る。直径９３は、１２５μｍ以下であることが好ましい。直径９３は、８０μｍ以下がより好ましい。直径９３を小さくすると、光ファイバ９をより容易に変形させることができる。また、０．５ｍｍ以下のピッチ７を得ることが可能となり、伝搬定数の差が大きいモード間の結合が可能となる。したがって、より小さいピッチ７と組み合わされたより小さいガラス直径９３は、従来技術に対して有用な利点を提供する。
【００８２】
図１から４、および６から１０を参照すると、ピッチ７は１２ｍｍ未満であり得る。ピッチ７は５ｍｍ未満であり得る。ピッチ７は、０．５ｍｍから５ｍｍの範囲内であり得る。
【００８３】
図１を参照すると、光ファイバ９、または存在する場合は、光ファイバ１９がビーム送出ケーブル２に結合されている。ビーム送出ケーブル２は、図１８を参照して示される光ファイバ１８０を含み得る。光ファイバ１８０は、直径１８２を有するコア１８１と屈折率１８３を有する。光ファイバ１８０はまた、直径１８５および屈折率１８６を有するペデスタル１８４を含む。直径１８２および１８５ならびに屈折率１８３および１８６は、レーザ放射１３の割合を保つように選択することができる。それは、光ファイバ９または存在する場合には光ファイバ１９のコア９１内を伝播する。したがって、例えば、図１４の光ファイバ１４０に接合される場合、直径１８２は、直径９２と実質的に同じになるように選択することができる。そして、直径１８５は、外縁から外縁までの距離１４９と実質的に同じかそれより大きいように選択することができる。屈折率１８６は、屈折率１４２と実質的に同じかまたはそれより高くなるように選択することができる。屈折率１８３は、屈折率１４２に屈折率９６と９９の差を加えたものに実質的に等しくなるように選択することができる。光ファイバ１４０のコア９１から１つ以上のサテライトコア１４１に結合されるレーザ放射１３は、したがって、光ファイバ１８０のペデスタル１８４内に結合され、ビーム送出ケーブル２に沿って伝搬することができる。
【００８４】
ビーム送出ケーブル２は、図１９を参照して示される光ファイバ１９０を含み得る。光ファイバ１９０は、直径１９２を有するコア１９１と屈折率１９３を有する。光ファイバ１９０はまた、直径１９５、屈折率１９６、および厚さ１９９を有するリングコア１９４を含む。直径１９２および１９５、厚さ１９９、ならびに屈折率１９３および１９６は、レーザ放射１３の割合を維持するように選択される。それは、光ファイバ９または存在する場合には光ファイバ１９のコア９１内を伝搬する。したがって、例えば、図１６の光ファイバ１６０に接合される場合、直径１９２は、直径９２と実質的に同じになるように選択することができる。厚さ１９９は厚さ１６４と実質的に同じになるように選択することができ、直径１９５は直径１６９と実質的に同じになるように選択することができる。屈折率１９６は、屈折率１６２と実質的に同じかそれより高いように選択することができる。屈折率１９３は、屈折率９６と実質的に等しくなるように選択することができる。したがって、光ファイバ１６０のコア９１からリング１６１に結合されたレーザ放射１３は、光ファイバ１９０のリング１９４に結合され、ビーム送出ケーブル２に沿って伝播することができる。
【００８５】
再び図１を参照すると、絞り機構５は少なくとも１つのアクチュエータ３１を含み得る。アクチュエータ３１は、電気モータおよび／または電磁石を含み得る。アクチュエータはラチェットを含み得る。電気信号の印加を使用して、アクチュエータ３１を介して絞り力１２を提供することができる。
【００８６】
装置１０はコンピュータ３２を含み得る。レンズシステム２４およびアクチュエータ３１の少なくとも一方は、コンピュータ３２によって制御することができる。コンピュータ３２は、材料パラメータに関する情報を含むメモリ３３を含み得る。好ましくは、メモリ３３は、レンズシステム２４および／または少なくとも１つのアクチュエータ３１を駆動する信号が材料１１のパラメータに応じて選択されることを可能にする情報を含む。このパラメータは、材料の種類およびその厚さ２６を含み得る。これは本願発明の特に有用な態様であり、それは、それが、レンズシステム２４およびアクチュエータ３１への信号を制御することによって、レーザ光線１３の発散２２、および、集束レーザ光線１３の直径２１を制御することを可能にするからである。したがって、比較的高価な工業用レーザ１を、処理される材料に応じて広範囲のレーザ１処理パラメータにわたって自動的に調整することが可能になる。
【００８７】
実施例１
【００８８】
図２０は、本願発明の第一の実施例を示す。図１に示す絞り機構５を図１１の第１の光ファイバ９０に適用した。コア９１は、図１２の基本モード１２１および図１３の二次モード１２２をサポートしていた。基本モード１２１は、点Ａにおいて第１の光ファイバ９０の上下に示されるようにコア９１内を伝搬した。コア９１は、１５μｍオーダーの直径９２と、クラッド屈折率９９より０．００３４大きい屈折率９６とを有していた。絞り機構５は、ピッチ１７＝２π／Δβとなるように、光学モード１２１と１２２の有効屈折率９７と９８の差に一致するピッチ７を有していた。絞り機構５によって加えられる絞り力１２を調整することによって、第１の光ファイバ９０によって出力されるレーザ放射１３は、図２０の点Ｂにおいて第１の光ファイバ９０の上下にそれぞれ示されているように基本モード１２１と二次モード１２２との間で切り替えられ得る。基本モード１２１と２次モード１２２の組み合わせを切り替えることも可能であった。これらの組み合わせは、図２０には示されていない。
【００８９】
第１の光ファイバ９０を図１４に示す第２の光ファイバ１４０に接合した。第２の光ファイバ１４０のセントラルコア９１は、第１の光ファイバ９０のコア９１と同じ設計を有していた。４つのサテライトコア１４１は、６．６μｍの直径１４３、セントラルコア９１の屈折率９６と同じ屈折率１４２を有した。３６．６μｍの外縁間距離１４９である。第１の光ファイバ９０の出力が基本モード１２１となるように絞り機構５を調整したとき、基本モード１２１は、第２の光ファイバ１４０のコア９１にうまく結合し、他の高次光学モードと結合することなく、第２の光ファイバ１４０に沿って伝搬した。したがって、第２の光ファイバ１４０は、図２０の点Ｃで光ファイバ１４０の上に示されている基本モード１２１を放射した。第１の光ファイバ９０の出力が２次モード１２２になるように絞り機構５を調整したとき、２次モード１２２は、第２の光ファイバ１４０の出力でサテライトコア１４１から出力された図１５に示される光学モード１５１に変換された。光学モード１５１は、図２０の点Ｃにおける第２の光ファイバ１４０の下に示されている。したがって、第２の光ファイバ１４０は、２次光学モード１２２で伝播するレーザ放射１３のガイドビーム径３９の拡大に対する異なる割合によって、基本光学モード１２１で伝播するレーザ放射１３のガイドビーム径３９を拡大するための遷移光ファイバとして使用されている。
【００９０】
第２の光ファイバ１４０の出力は図１８の第３の光ファイバ１８０に接続された。第３の光ファイバ１８０はビーム伝達光ファイバである。第３の光ファイバ１８０のコア１８１は、第１の光ファイバ９０のコア９１と同じ直径９２であった。コア屈折率１８３とペデスタル屈折率１８６との差は０．００３４であった。ペデスタル１８４は１００μｍの直径１８５を有し、ペデスタル屈折率１８６とクラッド屈折率９９との間の差は０．０１４であった。絞り機構５を調整して第１の光ファイバ９０の基本モード１２１を選択したとき、第３の光ファイバ１８０の出力は１３μｍの出力ビーム径２７、および約１．１のビーム品質Ｍ２値を有していた。これは、ほぼガウス分布である出力ビームプロファイル１４、および約０．３７ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４に対応する。絞り機構５が第１の光ファイバ９０内の２次モード１２２を選択するように調整されたとき、レーザ放射１３は、多くの高次モード（個々には図示せず）の組み合わせとして、主に第３の光ファイバ１８０のペデスタル１８４内にレーザビーム２００１として導かれた。レーザビーム２００１は、約１００μｍの出力ビーム径２７、および約１２のビーム品質Ｍ２ファクタを有していた。これは、ほぼトップハットである出力ビームプロファイル１４、およびほぼ４ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４に対応する。
【００９１】
レーザビーム２００１は安定した出力ビームプロファイル１４を有していないことが観察された。したがって、図２を参照して示した第２の絞り機構１５を第３の光ファイバ１８０に適用した。第２絞り機構１５のピッチ１７は、絞り機構５のピッチ７よりも長い。なぜなら、より狭い間隔の有効屈折率（図示せず）を有する第３の光ファイバ１８０に沿って伝搬する高次光学モードを結合することが望ましいからである。第２の絞り機構１５を使用することにより、ビーム品質Ｍ２ファクタが約１５であり、ペデスタル１８６の領域内で均一なパワー分布が保証された。ビームパラメータ積４は約５であった。図２０に示すように、その後、次のことが可能でした。光ファイバ１８０から放射されるレーザ放射１３を出力ビームプロファイル１４から切り換える。出力ビームプロファイル１４に対して、１３μｍの出力ビーム径２７および０．３７ｍｍ．ｍｒａｄのビームパラメータ積４を有するガウスプロファイルを有する。これはほぼトップハットであり、絞り機構５に加えられる絞り力１２を選択することによって、ほぼ１００μｍの出力ビーム径２７および５ｍｍ．ｍｒａｄのビームパラメータ積４を有する。ガウスプロファイルは、切断前に材料１１をレーザビーム１３で突き刺すためにしばしば好ましい。シルクハットプロファイルは、材料１１をレーザビーム３で切断するのに好ましいことが多い。
【００９２】
実施例２図２１は、第１実施例の第１光ファイバ９０を光ファイバ１４０に置き換えた本願発明の第２実施例を示す。図１に示す絞り機構５を図１４に示す繊維１４０に適用した。コア９１は、約１５μｍの直径９２と、クラッドの屈折率９９よりも０．００３４大きい屈折率９６とを有していた。コア９１は、有効屈折率９７を有する基本モード１２１を支持することができる。４つのサテライトコア１４１はそれぞれ、６．６μｍの直径１４３、クラッドの屈折率９９より０．００３大きい屈折率１４２、および、３６．６μｍの外縁から外距離１４９を有した。サテライトコア１４１は、有効屈折率１４３を有するモード１５１を伝播することができる。絞り機構５は、ピッチ７＝２π／Δβとなるように有効屈折率９７と１４３の差に一致するように設計されたピッチ７を有していた。図２１に示すように、絞り機構５によって加えられる絞り力１２を調整することによって、基本モード１２１または光学モード１５１は、光ファイバ１４０の出力において選択され得る。
【００９３】
ファイバ１４０の出力は図１８の光ファイバ１８０に接続され、そのパラメータは実施例１の第３のファイバと同じ特性を有していた。絞り機構５がファイバ１４０内の基本モード１２１を選択するように調整されたとき、光ファイバ１８０の出力は実質的に基本モード１２１にあった。絞り機構５が光ファイバ１４０内の光学モード１５１を選択するように調整されたとき、レーザ放射１３は主として光ファイバ１８０のペデスタル１８４内に導かれた。そして、約１００μｍの出力ビーム径２７、および約４ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４に対応する約１２のビーム品質Ｍ２ファクタを有していた。実施例１で説明したように、光ファイバ１８０の出力２８における出力ビームプロファイル１４を安定させるために、図２を参照して示した。図２１に示すように、光ファイバ１８０から放射されるレーザ放射１３をガウス分布から切り換えることが可能であった。出力ビーム径２７が１３μｍ、ビームパラメータ積が０．３７ｍｍ．ｍｒａｄでほぼトップハットのプロファイルを有する。絞り機構５に適用される絞り力１２を選択することによって、約１００μｍの出力ビーム径２７、および５ｍｍ．ｍｒａｄのビームパラメータ積４を有する。
【００９４】
実施例３図２２は、本願発明の第３の実施例を示し、第１の実施例の第２の光ファイバ１４０が図１６の第２の光ファイバ１６０に置き換えられている。第１の実施例の第３の光ファイバ１８０は、図１９を参照して説明した第３の光ファイバ１９０に置き換えられている。第１の光ファイバ９０の設計は、第１の実施例および図２０に関して説明したものと同じであった。
【００９５】
第１の光ファイバ９０を図１６に示す第２の光ファイバ１６０に接合した。第２の光ファイバ１６０のセントラルコア９１は、第１の光ファイバ９０のコア９１と同じ設計であった。リングコア１６１は、４０μｍの外径１６９、５μｍの厚さ１６４、およびクラッド屈折率９９より０．００２６大きい屈折率１６２を有していた。第１の光ファイバ９０の出力が基本モード１２１となるように絞り機構５を調整すると、基本モード１２１は第２の光ファイバ１６０のコア９１にうまく結合した。そして、他の高次光学モードに結合することなく、第２の光ファイバ１６０に沿って伝搬した。第１の光ファイバ９０の出力が２次モード１２２になるように絞り機構５を調整したとき、二次モード１２２は、第二の光ファイバ１６０の出力でリングコア１６１から出力された図１７に示される光学モード１７１に変換された。
【００９６】
図１９の第３の光ファイバ１９０のコア１９１は、５０μｍの直径１９２を有していた。コア屈折率１９３はペデスタル屈折率９９より０．０１４大きかった。リングコア１９４は、外径１９５が１００μｍ、厚さ１９９が２０μｍ、および屈折率１９６がクラッド屈折率９９より０．０１４大きかった。コア直径１９２は、第２の光ファイバ１６０のコア直径９２の約２．５倍大きかった。したがって、約２．５のテーパ比で第３の光ファイバをテーパすることが必要であった。その結果、第２および第３の光ファイバ１６０および１０の対応する横方向寸法は、第３の光ファイバ１９０の入力部２２１において整合する。
【００９７】
絞り機構５が第１のファイバ９０内の基本モード１２１を選択するように調整されたとき、第３のファイバ１８０の出力は、５０μｍの出力ビーム径２７を有していた。ビーム品質Ｍ２値は約４であり、これは、約１．３５ｍｍ．ｍｒａｄのビームパラメータ積に対応する。スクイーズ機構５が第１の光ファイバ９０内の２次モード１２２を選択するように調整されたとき、レーザ放射１３は第３の光ファイバ１９０の外側コア１９４内に導かれた。出力ビーム径２７は約１００μｍであり、ビーム品質Ｍ２ファクタは約１２であった。約４ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４に対応する。
【００９８】
図２を参照して示した第２の絞り機構１５を第３の光ファイバ１９０に適用した。第２絞り機構１５のピッチ１７は、絞り機構５のピッチ７よりも長い。なぜなら、より狭い間隔の有効屈折率（図示せず）を有する光ファイバ１９０に沿って伝搬する高次光学モードを結合することが望ましいからである。第２絞り機構１５は、絞り力１２を調整することによって調整された。絞り機構５に絞り力１２を加えることによって、第１の光ファイバ９０の出力で基本モード１２１が選択されたとき、第３の光ファイバ１９０の出力におけるレーザビーム１３は、約７のビーム品質Ｍ２ファクタを有していた。これは約２．３６ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積１４に対応する。レーザ放射１３は、コア１９１内にほぼ均等に分布していた。第１の光ファイバ９０の出力において２次モード１２２が選択されたとき、第３の光ファイバ１９０の出力２８におけるビーム品質Ｍ２ファクタは、約５ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４に対応する約１５であった。光パワーはリングコア１９４内でほぼ均等に分配された。第１のファイバ９０において基本モード１２１と２次モード１２２の組み合わせが、絞り機構５に加える絞り力１２を調整することによって、選択されたとき、コア１９１とリングコア１９４との間の全電力の約０％から約１００％の間の任意の相対分布を達成することができる。図２２に示すように、次に、５０μｍの出力ビーム径２７を有するほぼトップハットのプロファイル１４から光ファイバ１９０から放出されるレーザ放射１３を切り替えることが可能であった。約２．６６ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積と約１００μｍの出力ビーム径２７を有する略トップハット型リングプロファイル１４とを比較する。絞り機構５に加えられる絞り力１２を選択することにより、５ｍｍ・ｍｒａｄのビームパラメータ積４を得る。トップハットリングプロファイルを有する出力ビームプロファイル１４は、レーザビーム１３で材料１１を切断するために、トップハットプロファイルまたはベル型ガウスビームプロファイルを有する出力ビームプロファイル１４よりもしばしば好ましい。ベル形のガウスプロファイル（Ｍ２〜１．１）からトップハットリングプロファイルに切り替えることが望ましい場合、テーパ２２５を設計することができることに留意する。それは、基本モード１２１がモード結合なしに光ファイバ９０、１６０、テーパ２５５、および光ファイバ１９０に沿って伝搬するように断熱的であるようにする。
【００９９】
実施例１および２は両方とも光ファイバ１８０および第２の機構１５を使用した。しかしながら、装置１０から放射されたレーザ放射１３を基本モード１２１およびサテライトコア１４１のモード１５１から切り換えることが望まれる場合、これらは省略することができる。これは、間隔の狭い複数のビームが望まれる特定の溶接用途にとって有利となり得る。
【０１００】
実施例１−３で使用した絞り機構５および絞り機構１５は、図１および図２を参照して説明した線形の種類のものであった。絞り機構５および絞り機構１５の一方または両方を、図３から図１０を参照して説明した絞り機構で置き換えることができる。好ましくは、絞り機構５および絞り機構１５は、図３から図７を参照して説明したらせん絞り機構である。このような絞り機構は、同じ量のモード変換に対してより低い絞り力１２を加えることを可能にし、それ故信頼性を改善する。そのような絞り機構はまた、全ての配向の光学モードを結合し、したがって出力ビームプロファイル１４において時々見られるホットスポットの形成を減少させる。基本モード１２１と二次モード１２２のような２つの規定された光学モードの間を結合するとき、一様なピッチ７または１７が好ましい。実施例１−３において第２絞り機構１５を光ファイバ１８０、１９０に適用した場合のように、種々の光学モード間を結合する場合には、チャープピッチ７または１７が好ましい。様々な高次光学モード間の結合時のピッチ７または１７は、基本モード１２１と二次モード１２２間の結合時よりも長いことが好ましい。
【０１０１】
複数の絞り機構５を使用することにより、レーザ放射１３のパラメータの自動制御が簡単になる。ビーム発散２２、直径２１、およびモードプロファイル１４を制御することができる。さらに、異なるガイド特性を有する光ファイバ９に異なる絞り機構５を使用することにより、適用可能な制御範囲が改善される。例えば、光ファイバ９および光ファイバ１９はそれぞれ図１１の光ファイバ９０とすることができる。光ファイバ９０の直径９３は、ピッチ７を０．５ｍｍと同じくらい小さくすることを可能にする７５μｍとすることができる。光ファイバ１９の直径９３は、２５０μｍであり、コア９１は、光ファイバ９のコア９１よりもマルチモード化することができる。その場合、ピッチ１７は、ピッチ７より長いことが好ましく、例えば２ｍｍから８ｍｍの範囲である。さらに、絞り機構５および１５のうちの少なくとも一方は、図３に示される形態であり得、光ファイバ９または１９は、ピッチ７または１７を有し得るらせん状に変形することができる。それは一様であるかチャープされている。なお、これらの機構５のうちの１つは、例えばオフセットコアを有するスプライスのような他のモード結合装置で置き換えることができる。
【０１０２】
図１を参照して示されているように、装置１０は、ビーム送出ケーブル２に取り付けられているか、またはビーム送出ケーブル２の一部を形成している振動要素３６を含むことができる。振動要素３６は、ビーム送出ケーブル２を振動させるように構成することができる。これは、レーザ放射１３からレーザスペックルを除去するため、またはレーザ放射１３の出力ビームプロファイル１４からホットスポットを除去するために有利であり得る。振動素子３６は、圧電素子または電磁気素子であり得る。
【０１０３】
図１に示す光ファイバ９および光ファイバ１９は、図１１、１４、１６、１８および１９を参照して説明した光ファイバ９０、１４０、１６０、１８０および１９０のいずれでもよい。光ファイバ９および光ファイバ１９は、ソリッドコアおよびクラッドを有することができ、ディプレストクラッドを含む追加のコアおよびクラッドを有することができ、コアおよび／またはクラッド内に長手方向に延びる孔を有することができる。ここでの議論は、主にＬＰ０１基本モードのＬＰ１１２次モードへの結合に焦点を当ててきた。しかしながら、絞り機構５、１５、４０、５０、６０、および８２を使用して、他の組の光学モード間にモード結合を生じさせることができる。
【０１０４】
添付の図面を参照して上記で説明された本願発明の実施形態は、例としてのみ与えられたものであり、性能を向上させるために修正および追加の構成要素を提供することができることが理解されるべきである。図面に示される個々の構成要素は、それらの図面における使用に限定されず、それらは他の図面および本願発明のすべての態様において使用され得る。本願発明はまた、単独でまたは任意の組み合わせでとらえられて、上で言及および／または示された個々の構成要素にも及ぶ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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