(57)【要約】  光放射線（１０）により材料（６）を工業的に処理する装置は、光放射線（１０）を伝える導波路（１）、および、前記導波路（１）の出力端部（１２）から前記光放射線（１０）を材料（６）上へと導向する焦点合わせ光学機器（５）を備え、前記導波路（１）は、その断面の全体にわたって屈折率プロフィル（２５）と光学的利得プロフィル（１７）とにより定義される導波プロフィル（１９）を有し、且つ、前記導波プロフィル（１９）および焦点合わせ光学機器（５）は、前記材料（６）の表面における光パワー分布（１６）が、該光パワー分布（１６）の中心から第１および第２半径（ｒ１），（ｒ２）に配置された第１および第２光パワー（Ｐ１），（Ｐ２）であって前記第１および第２半径（ｒ１），（ｒ２）より小さな第３半径（ｒ３）における第３光パワー（Ｐ３）よりも実質的に高い強度である第１および第２光パワー（Ｐ１），（Ｐ２）を有する。
2007518566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光放射線を伝える導波路、および、前記導波路の出力端部から前記光放射線を材料上へと導向する焦点合わせ光学機器を備え、
前記導波路は、その断面の全体にわたって屈折率プロフィルと光学的利得プロフィルとにより定義される導波プロフィルを有し、且つ、
前記導波プロフィルおよび焦点合わせ光学機器は、前記材料の表面における光パワー分布が、該光パワー分布の中心から第１および第２半径に配置された第１および第２光パワーであって前記第１および第２半径より小さな第３半径における第３光パワーよりも実質的に高い強度である第１および第２光パワーを有することを特徴とする光放射線により材料を工業的に処理する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記材料の表面における前記光パワー分布に対して前記焦点合わせ光学機器の逆変換により関係付けられた光パワー分布は、前記導波路の出力端部に範囲限定され、且つ、
前記導波路の導波プロフィルは、該導波路の前記出力端部における前記光パワー分布の転換であることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、前記導波路は、光ファイバであることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の装置において、前記導波路は、平坦導波路であることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置において、前記材料の表面における前記光パワー分布は、リング状パワー分布を有することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置において、前記材料の前記表面における前記光パワー分布は、外側区域よりも大きなパワー分布を有する中央区画を有することを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、少なくとも一本のコアおよび少なくともひとつのクラッドを有することを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置において、
前記導波路は、マルチモード導波路であり、且つ、
前記マルチモード導波路の導波プロフィルは、該導波路の出力端部における光パワー分布に対して実質的に比例することを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、シングルモード導波路であることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、０．０５〜０．２の開口数により定義されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、前記開口数は、０．０７〜０．１であることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置において、該装置は、前記光放射線を提供する少なくとも一台のレーザを含むことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、前記レーザは、前記導波路により放出される光放射線と実質的に同一のパワー分布を有するレーザ放射線を放出することを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、前記レーザは、前記導波路により放出される光放射線とは異なるパワー分布を有するレーザ放射線を放出することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置において、前記レーザは、シングルモード・レーザであることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、イッテルビウム、エルビウム、ネオジム、プラセオジム、ツリウム、サマリウム、ホルミウム、ユウロピウム、テルビウムおよびジスプロシウムから成る群から選択された一種類以上の希土類ドーパントを備えることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、少なくとも一個の半導体レーザにより励起されることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の装置において、前記導波路は、クラッド励起されることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１６または１７に記載の装置において、前記導波路は、コア励起されることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、大モード面積の導波路であることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置において、該装置は、光増幅器、レーザまたは主発振器パワー増幅器の形態であることを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置において、前記光放射線は、パルス化され、変調され、または、連続波とされることを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置において、該装置は、周波数変換デバイスを含むことを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置において、該装置は、レーザ・ノズルおよびガス供与システムを含むことを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置において、前記導波路は、１０Ｗ〜１ｋＷの光パワーを有する光放射線を放出するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の装置において、前記導波路は、１０Ｗ〜２００Ｗの光パワーを有する光放射線を放出するように構成されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光放射線により材料を工業的に処理する装置に関する。該装置は、例えば、レーザ、Ｑスイッチ・ファイバ・レーザ、主発振器パワー増幅器、または、周波数変換器を含むレーザなどの種々の形態を取り得る。
【背景技術】
【０００２】
溶接、切断および罫書き（けがき）などの工業的プロセスにおいては、パルス式ＮdＹＡＧレーザが広く使用されている。これらのプロセスにおいては、レーザにより生成されたプラズマが到来レーザ・パルスを阻害しないことを確実にすべく、注意が払われねばならない。ＮdＹＡＧレーザにおいて達成可能である高い最大出力にてパルス反復速度が比較的に低くされた（６ＫＨｚ）ことから、該レーザはレーザ加工において広く応用されてきた。
【０００３】
また、例えば、材料の溶接、切断および罫書きによる材料処理の分野においては、ファイバ・レーザが次第に使用されつつある。ファイバ・レーザの利点としては、高い効率、堅牢性、および、高いビーム品質が挙げられる。その例としては、生物組織の作像などの多重光子処理に対するフェムト秒レーザ、加工用途に対するＱスイッチ・レーザ、および、高出力の連続波レーザが挙げられる。そして、ファイバ・レーザの不都合は、ＮdＹＡＧレーザと比較してエネルギ蓄積能力が比較的に低いことである。比較的に高いエネルギ蓄積能力というのは利点である、と言うのも、これによればＱスィッチ用途においてレーザから更に高エネルギのパルスが放出され得るからである。
【０００４】
多くの場合にファイバ・レーザは、更に完成したダイオード励起式の固体レーザと競合する必要がある。それを行うためには、高信頼性および低コストにて更に大きな光パワーを達成する必要がある。
【０００５】
ファイバ・レーザは典型的にダイオード励起式の固体レーザよりも長寸であることから、ラマン散乱などの非線形の制限が問題となる。更に短寸であるファイバ・レーザを提供すれば好適であろう。
【０００６】
ファイバ・レーザは典型的には、バー（bar）またはスタック（stack）の形態のダイオード・レーザにより励起される。しかしバーおよびスタックからの出力はファイバ・レーザの幾何学形状に対して理想的には整合しないことから輝度が喪失されるので、必要な吸収および出力エネルギを実現するためにクラッド励起ファイバ・レーザの長さを増加する必要がある。
【０００７】
ファイバ・レーザはまた多くの材料の工業的処理において、固体ディスク・レーザとも競合している。数キロワットの出力レベルが必要とされることが多く、また多くの場合、ビーム品質、効率および／またはビーム・プロフィルを制御すると、ディスク・レーザと比較してファイバ・レーザの利点が与えられる。
【０００８】
金属の切断などの一定のプロセスにおいては、酸素または希ガスなどのガスとレーザを組み合わせると好適である。言及したことにより本明細書中に援用される米国特許第５，２２０，１４９号、第５，６０９，７８１号、第５，７４７，７７１号、第６，１１８，０９７号、第６，２８８，３６３号、第６，３７６，７９７号および第６，４２３，９２８号は、ガスおよびレーザが同時に利用される種々の用途を記述している。一例においては、レーザ・ノズルがレーザ・ビームと酸素ガス流との両方を薄寸金属上へと導向する。上記レーザ・ビームは金属を加熱して切断を開始し、酸素ガスは上記金属を切り込みまたは切り開く切断ガスとして作用する。このプロセスは、金属を加熱するために高エネルギのレーザ・ビームを必要とする。故に、必要とされるレーザ・ビームのエネルギを、回折的またはホログラフ的な光学機器に依存せずに低減すれば利点が得られよう。また、レーザ・ノズルを操作するために必要なシステムを簡素化するファイバ供与システムを提供すれば更なる利点が得られよう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、材料を光放射線により工業的に処理する装置であって上述の問題を軽減する装置を提供するに在る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の非限定的な実施例によれば、光放射線を伝える導波路、および、前記導波路の出力端部から前記光放射線を材料上へと導向する焦点合わせ光学機器を備え、前記導波路は、その断面の全体にわたって屈折率プロフィルと光学的利得プロフィルとにより定義される導波プロフィルを有し、且つ、前記導波プロフィルおよび焦点合わせ光学機器は、前記材料の表面における光パワー分布が、該光パワー分布の中心から第１および第２半径に配置された第１および第２光パワーであって前記第１および第２半径より小さな第３半径における第３光パワーよりも実質的に高い強度である第１および第２光パワーを有することを特徴とする光放射線により材料を工業的に処理する装置が提供される。
【００１１】
切断などの一定の工業的プロセスにおいて、ビームの中心の近傍における光放射線は、ビームの縁部における光放射線ほどの処理パワーを提供しない。良好に範囲限定された縁部を有するビームには、利点が在る。斯かるビームは回折的光学機器を用いて生成され得るが、斯かる光学機器はレーザ処理ヘッドに設置することが不都合である。全体として更に良好な解決策は、プロセスに対して最適化された形態の光放射線を導波路が提供するように該導波路の導波プロフィルを適合調整することである。斯かる解決策はまた、時間的にも安定している。
【００１２】
前記装置は、前記材料の前記表面における前記光パワー分布に対して前記焦点合わせ光学機器の逆変換により関係付けられた光パワー分布が前記導波路の出力端部に範囲限定され得る。前記導波路の前記導波プロフィルは該導波路の前記出力端部における前記光パワー分布の転換（inversion）とされ得る。
【００１３】
前記導波路は光ファイバまたは平坦導波路とされ得る。
前記材料の前記表面における前記光パワー分布はリング状パワー分布を有し得る。代替的にまたは付加的に、前記材料の前記表面における前記光パワー分布は、外側区域よりも大きなパワー分布を有する中央区画を有し得る。
【００１４】
前記導波路は少なくとも一本のコアおよび少なくともひとつのクラッドを有し得る。
前記導波路はマルチモード導波路とされ得ると共に、前記マルチモード導波路の導波プロフィルは該導波路の出力端部における光パワー分布に対して実質的に比例し得る。
【００１５】
前記導波路はシングルモード導波路であり得る。
前記導波路は、０．０５〜０．２である開口数により定義され得る。前記開口数は０．０７〜０．１であり得る。
【００１６】
前記装置は、前記光放射線を提供する少なくとも一台のレーザを含み得る。前記レーザは、前記導波路により放出される光放射線と実質的に同一のパワー分布を有するレーザ放射線を放出すべく構成され得る。代替的に前記レーザは、前記導波路により放出される光放射線とは異なるパワー分布を有するレーザ放射線を放出し得る。前記レーザはシングルモード・レーザであり得る。
【００１７】
前記導波路は、イッテルビウム、エルビウム、ネオジム、プラセオジム、ツリウム、サマリウム、ホルミウム、ユウロピウム、テルビウムおよびジスプロシウムから成る群から選択された一種類以上の希土類ドーパントを備え得る。
【００１８】
前記導波路は少なくとも一個の半導体レーザにより励起され得る。
前記導波路はクラッド励起され得る。
前記導波路はコア励起さ得る。
前記導波路は大モード面積の導波路であり得る。
前記装置は光増幅器、レーザまたは主発振器パワー増幅器の形態であり得る。
【００１９】
前記光放射線は、パルス化され、変調され、または、連続波とされ得る。前記装置は、周波数変換デバイスを含み得る。
【００２０】
前記装置は、レーザ・ノズルおよびガス供与システムを含み得る。
前記導波路は１０Ｗ〜１ｋＷの光パワーを有する光放射線を放出すべく構成され得る。前記導波路は１０Ｗ〜２００Ｗの光パワーを有する光放射線を放出すべく構成され得る。
【００２１】
本発明の利点とは、多くの用途において材料を処理するために必要なレーザ・ビームのパワーが、レーザ・ビームが習用の鐘状（ガウス分布）またはシルクハット状のプロフィルの形態で提供された場合よりも低くされ得ることである。これは、多くの場合、材料を処理する上でビーム・プロフィルの中心におけるエネルギは必要とされないからである。すると、２〜２０の係数だけ低い光パワー・レベルを用いて同一の処理速度を以て材料を処理でき、または代替的に、同一の光パワー・レベルを以て更に厚寸の材料を処理できる。故に、処理されるべき材料の表面上におけるパワー分布を最適化するために導波路の導波プロフィルを適合調整すると、特にガス支援式レーザ切断により大きな経済的利点が得られることが理解され、その場合、本発明に従い材料の表面上においてドーナツ、リング、多重スポットまたは他のパワー分布を有する１００Ｗのレーザ放射線は、材料の表面上にシルクハット状または鐘状のパワー分布を供与するという習用の１ｋＷ以上のパワーのレーザと同様の性能を有し得る。本発明はまた相当に単純であることから、材料の表面上においてシルクハット状プロフィルをリング状のパワー分布へと変換するために回折もしくはホログラフ技術を用いるよりも更に安価で更に効率的である。それはまた、時間的にも更に安定的とされ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、単なる一例としての添付図面を参照して本発明の実施例が記述される。
【実施例】
【００２３】
図１を参照すると、光放射線１０により材料６を工業的に処理する装置が配備され、該装置は、光放射線１０を伝える導波路１と、導波路１の出力端部１２から光放射線１０を材料６上へと導向する焦点合わせ光学機器５とを備え、導波路１はその屈折率プロフィル２５と光学的利得プロフィル１７とにより定義される導波プロフィル１９を有し、且つ、導波プロフィル１９および焦点合わせ光学機器５は、材料６の表面１４における光パワー分布１６が、光パワー分布１６の中心から第１および第２半径ｒ1，ｒ2に配置された第１および第２光パワーＰ1，Ｐ2であって第１および第２半径ｒ1，ｒ2より小さい第３半径ｒ3における第３光パワーＰ3よりも相当に高い強度であるという第１および第２光パワーＰ1，Ｐ2を有する。
【００２４】
切断などの一定の工業的プロセスにおいて、ビームの中心の近傍における光放射線は、ビームの縁部における光放射線ほどの処理パワーを提供しない。良好に範囲限定された縁部を有するビームには、利点が在る。斯かるビームは回折的光学機器を用いて生成され得るが、斯かる光学機器はレーザ処理ヘッドに設置することが不都合である。全体として更に良好な解決策は、プロセスに対して最適化された形態の光放射線を導波路が提供するように該導波路の導波プロフィルを適合調整することである。斯かる解決策はまた、時間的にも安定している。
【００２５】
材料６の工業的処理としては、医療デバイス、半導体、電子、自動車、造船、および、航空宇宙の製造分野における切断、穿孔、彫り込み、溶接、罫書き、印刷、製造加工、修復、符号化または切り取りの少なくともひとつが挙げられる。
【００２６】
導波路１は、光ファイバまたは平坦導波路とされ得る。導波路１は、コア７およびクラッド８を備えるものとして示される。代替的にまたは付加的に導波路１は、複数個のコア７および／または複数個のクラッド８を備え得る。
【００２７】
光放射線１０は、パルス化され、変調され、または、連続波とされ得る。
結合用光学機器５は、導波路１の出力端部１２における光パワー分布１６１を光パワー分布１６へと変換する。故に導波路１の出力端部１２における光パワー分布１６１は、焦点合わせ光学機器５の逆変換により、材料６の表面１４における光パワー分布１６へと関係付けられる。もし上記焦点合わせ光学機器が、単なるひとつのレンズ、または、上記導波路の近視野を上記材料上へと作像するという複数のレンズの組み合わせであるなら、上記変換はフーリエ変換であり且つ上記逆変換は逆フーリエ変換である。焦点合わせ光学機器５は、少なくとも一個のレンズから成り得ると共に、材料６の全体にわたり光放射線１０を走査させる走査器を含み得る。結合用光学機器５はまた、スペクトル・フィルタ、空間フィルタ、反射器、ミラーまたは回折的光学機器からも成り得る。これらの場合において上記変換は更に複雑であり、且つ、導波路１の端部１２上における光パワー分布１６１を計算するために数値法が必要とされ得る。
【００２８】
図２は、この場合には光ファイバである導波路１に対する屈折率プロフィル２５の一例を示している。コア７は２つの部分、すなわち屈折率ｎco1を有する内側区域２１および屈折率ｎco2を有する環状の外側区域を有する。クラッド８は、屈折率ｎclad1を有する第１クラッド２３と、屈折率ｎclad2を有する第２クラッド２４とを備える。第２クラッド２４は、ポリマとされ得るか、フルオロケイ酸塩とされ得る。ファイバ１は、ゲルマニウム、リン、アルミニウム、フッ素および／またはホウ素がドープされたシリカ・ファイバとされることで所望の屈折率プロフィル２５を提供し得る。
【００２９】
導波路１の導波プロフィル１９はまた、この場合にはコア７の断面にわたり均一であるとして示される該導波路の光学的利得プロフィル１７によっても影響される。図１に関して示されるように光学的利得プロフィル１７は、導波路１を希土類ドーパント１５によりドープすると共に、レンズのような結合用光学機器３を用いて導波路１に対して結合された励起源２により提供される励起放射線１１により上記希土類ドーパントを励起することで提供され得る。希土類ドーパント１５は、イッテルビウム、エルビウム、ネオジム、プラセオジム、ツリウム、サマリウム、ホルミウム、ユウロピウム、テルビウムおよびジスプロシウムから成る群から選択され得る。この場合に利得プロフィル１７は、希土類ドーパントの濃度に比例すると共に、（示されように）均一とされ、コア７にわたって変化し、または、屈折率プロフィル２５に比例し得る。
【００３０】
図１の装置は、反射器４を含むと共に、レーザの形態である。反射器４は、ブラッグ格子、回折格子、ミラー、または、ダイクロイック・ミラーとされ得る。励起源２は、半導体レーザ・ダイオード、または、単一エミッタ、バーまたはスタック形態の複数個のレーザ・ダイオードとされ得る。ファイバ１は、クラッド励起（cladding pump）もしくはサイド励起（side pump）され得る。
【００３１】
好適には導波路１は、１，０００ｎｍ〜１，１５０ｎｍの波長範囲での放出のためにイッテルビウムで、１，５３０ｎｍ〜１，５６０ｎｍの波長範囲での放出のためにエルビウム・イッテルビウムで、または、１，５３０ｎｍ〜１，６１０ｎｍの波長範囲での放出のためにエルビウムでドープされる。イッテルビウムおよびエルビウム／イッテルビウム・レーザは非常に信頼性の高い９１５〜９８０ｎｍの半導体レーザにより励起され得ると共に、エルビウムおよびエルビウム／イッテルビウムは、９８０ｎｍの半導体レーザにより励起され、または、例えば、１，４８０ｎｍの半導体レーザにより帯域内励起され得る。
【００３２】
図３〜図７は、材料の工業的処理に対して好適である（比較および理解のために面内図および断面図とされた）種々の光パワー分布１２を示している。図３は、シルクハット状のパワー分布３１を示している。図４は、リング形状（またはドーナツ状の）分布４１を示している。図５は、外側区域５３より大きなパワー密度を有する中央区画５２を備えたリング形状分布５１を示している。図６は、外側区域６３より大きなパワー密度を有する中央区画６２を有するシルクハット状分布６１を示している。図７は、（ガウス分布のような）鐘状パワー分布７１を示している。
【００３３】
図１を参照すると、導波路１の導波プロフィル１９は、該導波路１の出力端部１２における光パワー分布１６１の転換により与えられる。例えば、導波路１が希土類ドーパント１５を含まなければ、利得プロフィル１７はゼロであり、且つ、導波プロフィル１９は導波路１の屈折率プロフィル２５により与えられる。もし導波路１がマルチモード導波路ならば、屈折率プロフィル２５は、該導波路の出力端部における光パワー分布に実質的に比例する。代替的に導波路１がシングルモード導波路なら、屈折率プロフィル２５は、シングルモード・ファイバの場合に対する閉形の近似式であって径方向パワー分布Ｐおよび屈折率プロフィルｎを一意的に関係付ける近似式により提供される転換から求められ得る。此処でｋは波数（＝２π／波長）であり、また、ｒは半径である。この式は、弱導波近似における無損失の導波路（すなわち屈折率コントラストが小さいファイバ）を仮定している。損失性のファイバ、または、高い屈折率コントラストの導波路が考慮されるときには、マックスウェルの方程式の複素数値転換（complex numerical inversion）が必要とされる。
【数１】
2007518566.tif 000003
【００３４】
式中、ｋは考慮される波長における真空中の伝搬定数であり、Ｐは径方向パワー分布であり、且つ、ｒはファイバにおける動径座標を指している。上記式は、スカラ近似を適用してマックスウェルの方程式から導かれると共に、上記導波路が軸心的に対称的であり、吸収損失が無視できるほどに小さく、且つ、屈折率差が小さいときに有効である。同一の手法を用いれば、単に拡張するだけで非軸心的に対称的な構造の演算が許容される。高い屈折率コントラストで損失性のファイバが考慮されるときには、マックスウェルの方程式の直接的数値転換が必要である。更なる情報に関しては、例えば、K. Morishita, Journal of Liglitwave Technology, vol. 4, no. 8, pp. 1120-1124, Aug. 1986を参照されたい。
【００３５】
導波プロフィル１９によれば、屈折率プロフィル２５と利得プロフィル１７との分布の組み合わせが意味される。同様に重要なのは、上記導波路の励振状態およびモード・スクランブリング特性である、と言うのも、これらは出力１２におけるパワー分布１６１に影響するからである。
【００３６】
（希土類ドーパントを含む導波路、または、ゲインを提供すべく誘導ラマンまたはブリュアン散乱などの非線形効果に頼る導波路などの）能動的な導波路において、屈折率プロフィル２５および利得プロフィル１７（例えば、希土類ドーパント１５の分布）が主として出力パワー分布１２の原因である。高度にマルチモード化されたファイバに対しては利得プロフィル１７のみが関連し、その場合に利得プロフィル１７は光パワー分布１６１に略々比例する。逆に、シングルモード・ファイバにおいては屈折率プロフィル２５のみが重要であり、その場合には転換を実施すべく上記方程式が使用され得る。モードが少ないファイバ条件では両方が関連する。これらの場合の多くにおいては、必要な利得および屈折率プロフィル１７，２５を計算するために数値モデル化が必要である。
【００３７】
受動的ファイバでは、シングルモード構造においては屈折率プロフィル２５のみが関連する一方、モードが少ない場合および高度にマルチモード化された場合においてはファイバに沿う励振状態およびモード・スクランブリングも重要である。故にマルチモード・ファイバを用いるときには、安定で予測可能な光パワー分布１６１を達成するために、ファイバを屈曲させてコイルとし且つ／又はファイバを完全に励起することが好適である。
【００３８】
（図２に関して示された）導波路１の開口数２９は、０．０５〜０．２とされ得る。導波路１の開口数２５は好適には、該導波路１のモード面積を、故にパワー処理能力を増大させるために０．０７〜０．１である。約０．０７の開口数を有するファイバは、大きなモード面積のファイバの一例である。
【００３９】
図１１は、光放射線１０を提供するレーザ１１０を含む装置を示している。該装置は、光放射線１０の波長を変換する周波数変換器、周波数逓倍器、光パラメトリック発振器または周波数三倍器などの周波数変換デバイス１１３を含み得る。導波路１は、希土類ドーパント１５を含まないレーザ供与ファイバ１１１である。レーザ１１１は、導波路１により放出される光放射線１０と実質的に同一のパワー分布を有する光放射線１０を該レーザが放出され得る。例えば、レーザ１１０は、本発明に従い設計された屈折率プロフィル２５および利得プロフィル１７を以て図１に示された導波路１から成り得る。
【００４０】
代替的にレーザ１１０は、ファイバ１１０により放出される光放射線１１０とは異なるパワー分布を有するレーザ放射線を放出しても良い。斯かる配置構成は、図１２に示されるように、シングルモード・レーザからファイバ１２３内へと結合する場合に有用である。此処で、スポット１２１はレーザ１１０からの結合パワーを表し、且つ、リング１２２はファイバ１２３のコア７である。
【００４１】
図１１および図１２に示された配置構成において材料６上の光パワー分布１６は、ファイバ１１１または１２３の断面におけるパワー分布、すなわちファイバ１１１，１２３の近視野パワー分布１６１と実質的に同一である。希土類ドーパント１５を有さず且つ全ての導波モードが励起されたマルチモード・ファイバに対し、近視野パワー分布１６１はファイバの屈折率プロフィル２５に実質的に比例する。故にファイバ１１１，１２３は、その屈折率プロフィル２５を材料６上の所望パワー分布１６に比例すべく設計することにより、材料処理に対して所望のパワー分布を生成すべく構成され得る。
【００４２】
導波路１における比例定数および／または径方向寸法は、材料処理用途に対する所望のビーム・パラメータ積（beam parameter product）を考察することで求められ得る。図１において導波路１から放出される光放射線１０は、約１，０９０ｎｍの波長が仮定された後記の表中に示されたビーム・パラメータ積により定義され得る。ビーム・パラメータ積という語句によれば、上記表の定義１に従うビーム・パラメータ積であって、焦点合わせされたビーム半径と発散半角との積であり、且つ、ｍｍ・ｍｒａｄの単位を有するビーム・パラメータ積が意味される。上記表はまた、当業界においてビームを定義すべく使用される他の定義（Ｍ2、第２のビーム・パラメータ積定義およびＫなど）への変換も示している。ステップインデックス・ファイバ（すなわち、そのコアが円形であり且つシルクハット状の屈折率分布を有するファイバ）を仮定すると、ファイバ設計態様に対する変換は表１に示されるように行うことが可能であり、その場合には規格化周波数（Ｖ値）、開口数およびコア半径が計算される。
【表１】
2007518566.tif 000004
【００４３】
溶接、切断および穿孔用途に対し、上記ビーム・パラメータ積は（関与する材料の加工距離および厚さに依存して）約３０〜約３００の範囲が有用である。好適には上記範囲は約８〜１５である。約１１のビーム・パラメータ積を有するファイバに対し、コア開口数は約０．０７とされ得ると共に、コアの直径は約３００μｍとされ得る。代替的に、コア開口数は０．０５〜０．２の範囲に選択され得ると共に、コアの直径は必要なビーム・パラメータ積を与えるべく選択され得る。例えば、０．１４（０．０７の倍）のコア開口数と１５０μｍ（３００μｍの半分）のコア直径とを有するファイバもまた、約１１のビーム・パラメータ積を有する。
【００４４】
図１３には本発明の好適実施例が示され、該装置はレーザ・ノズル１３１およびガス供与システム１３２を含んでいる。同様に、ガス供与システム１３２からレーザ・ノズル１３１へとガスを供与するパイプ１３３も示される。ノズル１３１およびガス供与システム１３２は、言及したことにより本明細書中に援用される上記米国特許第５，２２０，１４９号、第５，６０９，７８１号、第５，７４７，７７１号、第６，１１８，０９７号、第６，２８８，３６３号、第６，３７６，７９７号および第６，４２３，９２８号の内の１件に従い設計および使用され得る。導波路１は、本明細書中に記述された導波路およびファイバの内の任意のものとされ得る。好適には導波路１は、図４および図５に示されるように、マルチモード化されてリング状にドープされたファイバである。
【００４５】
５μｍの直径、２μｍの厚み、および、０．１の開口数を有するリング状コアは、１，０００ｎｍにてシングルモードである。他の設計態様も可能であり、且つ、シングルモード導波路を設計する技術は、光ファイバ導波路理論に関する多くの文献に見出され得る。代替的に導波路３０は、更に大きな開口数または更に厚寸のリングのいずれかを有するマルチモード導波路とされ得る。マルチモード導波路が好適である、と言うのも、それによれば材料６の表面上における光パワー分布の更に良好な範囲限定が許容されるからである。
【００４６】
マルチモード・ファイバを使用すると、非常に鋭角的で明確な縁部を有する図４および図５に示された光パワー分布のような、明確な光パワー分布が実現され得る。斯かる矩形のリング状パワー分布は、シングルモード・ファイバによると、または、回折的光学機器などの代替的技術を使用すると実現することが困難および／または高コストであるが、更に高い効率を以て実現され得る。
【００４７】
本発明に係るパワー分布（リング状ドープ、または、複数のコアにより提供される多重スポット）の利点とは、多くの用途において材料を処理するために必要なレーザ・ビームのパワーが、レーザ・ビームが習用の鐘状（ガウス分布）またはシルクハット状のプロフィルの形態で提供された場合よりも低くされ得ることである。これは、多くの場合、材料を処理する上でビーム・プロフィルの中心におけるエネルギは必要とされないからである。すると、２〜２０の係数だけ低い光パワー・レベルを用いて同一の処理速度を以て材料を処理できる。故に、処理されるべき材料の表面上におけるパワー分布を最適化するために導波路の導波プロフィルを適合調整すると、特にガス支援式レーザ切断により大きな経済的利点が得られることが理解され、その場合、材料の表面上においてドーナツ、リングまたは多重スポットのパワー分布を有する１００Ｗのレーザ放射線は、材料の表面上にシルクハット状または鐘状のパワー分布を供与するという習用の１ｋＷ以上のパワーのレーザと同様の性能を有し得る。本発明はまた相当に単純であることから、材料の表面上においてシルクハット状プロフィルをリング状のパワー分布へと変換するために回折もしくはホログラフ技術を用いるよりも更に安価で更に効率的である。それはまた、時間的にも更に安定的とされ得る。
【００４８】
上記装置は、導波路１が１０Ｗ〜１ｋＷの光パワーを有する光放射線を放出され得る。代替的に、１０Ｗ〜２００Ｗの更に低いパワー範囲の光パワーは、更に習用的なシルクハット状のレーザ・プロフィルにより達成される性能に等しい性能を提供し得る。
【００４９】
非常に高いパワーの用途に対して導波路１は、国際特許出願公開第００／０２２９０号パンフレットに記述された導波路と同様であるがリング状のドープ・プロフィルを有するといういわゆる大モード面積の導波路とされ得る。大モード面積という語句によれば、基本モードのモード・フィールド径が１０μｍ〜４０μｍの範囲である様に導波路１が比較的に小さい開口数を有し得ることが意味される。導波路１は、それが実効的にシングルモードとして操作され得る。これは、高次のモードが漏出して基本モードが所定位置に残置されるように、小さな開口数のマルチモード導波路を屈曲することで達成され得る。
【００５０】
典型的なレーザは、イッテルビウムでドープされると共に１００ｗ〜２，０００Ｗのレーザ放射線により励起されて、５０Ｗ〜１，５００Ｗの光パワーを供与する。好適には、上記レーザは約１００Ｗ〜２５０Ｗの光パワーを供与し、且つ、鋼板を切断するために酸素などの切断ガスと共にレーザ・ノズルと組み合わされる。
【００５１】
図８は、材料処理のためのレーザ８０の形態の装置を示している。レーザ８０は、コントローラ８２により駆動されるダイオード・スタック８１により供給される励起放射線１１により励起される。レーザ８０は、各々が光放射線１０を提供する２本のファイバを有して示される。光放射線１０は、該光放射線を処理のために材料６に対して導向するレーザ供与ファイバ８５へと結合される。レーザ供与ファイバ８５の出力は、相互にビーム結合もしくはビーム形状化され得るか、または、処理のために材料６の（溶接に対して有用な）同一領域または近傍領域上へと単に焦点合わせされ得る。代替的にまたは付加的に２本のレーザ供与ファイバ８５は、処理されつつある材料６のいずれかの側部上に光放射線１０を提供すべく使用され得る。
【００５２】
図９および図１０は、ファイバ１およびファイバ８５の例示的な断面を示している。ファイバ１は、実質的に矩形の断面を有するクラッド８を有すると共に、ダイオード・スタック８１からの励起放射線１１の断面と整合すべく好適に適合調整される。励起放射線１１は結合用光学機器３によりビーム形状化されても良く、もしそうであれば、ファイバ１の断面はビーム形状化されたプロフィルに整合すべく構成される。クラッド８に対する典型的な寸法は、最小の線形寸法においては０．３ｍｍ〜２ｍｍであり且つ最大の線形寸法においては０．５ｍｍ〜５ｍｍである。ファイバ１はまた、その丈に沿いテーパ付けられても良い。コア７およびクラッド８の屈折率プロフィルは、ファイバ１が材料処理に適した形態の光放射線１０を提供するように構成される。これを行う方法の例は、図２〜図７および上記表に関して上述されている。約１１のビーム・パラメータ積に対し、クラッド８に関するコア７の開口数は約０．０７であり且つコア７の直径は約３００μｍである。但し、ファイバ１のＶ値が同一であるように、他の開口数が０．０５〜０．１の範囲で選択され且つコア半径がスケール調節される。励起供与ファイバ８５は好適には円形であり、且つ、光放射線１０に整合すべく構成されたコア１００およびクラッド１０１を有する。クラッド１０１に関するコア１００の半径と開口数との積は理想的には、クラッド８に関するコア７の半径と開口数とに略々等しい。コア７の開口数は、コア１００の開口数以上とされ得る。好適にはコア１００の開口数は、レーザ供与ファイバ８５における曲げ損失を改善するためにコア７の開口数より大きい。ファイバ８５は、ポリマとされ得る被覆１０２を有する。好適には光放射線１０は、図４および図５に示されたようなパワー分布を有する。これは、パワー密度に比例する濃度プロフィル１７により（この場合には図８に示された導波路１である）マルチモード・ファイバを希土類ドーパント１５によりドープすることで、該マルチモード・ファイバにおいて実現され得る。レーザ供与ファイバ８５は、上記マルチモード・ファイバにおける希土類ドーパント１７に比例する屈折率プロフィル２５を有する。
【００５３】
レーザ８０は、５００Ｗ〜５０ｋＷの総合出力パワーを有し得るが、好適には約１ｋＷ〜１２ｋＷである。２本のファイバ１の出力パワーは、等しくされ得るか異なり得る。代替的にファイバ１は、図３〜図７に示されたビーム・プロフィルに比例する屈折率プロフィルを有し得る。斯かる高い出力パワーでは、ファイバ１の温度は慎重に制御される必要がある。これは、（例えば、線引きプロセスの間に）ファイバ１上に金属被覆を適用する共に、ファイバ１を熱シンクに半田付けすることで達成され得る。金属被覆の例としては、クロム、金および銀が挙げられる。金属被覆はポリマ被覆に対する適合性が無いことから、クラッド２４は好適には薄寸（５〜５０μｍ）であり且つフルオロシリカから作成される。代替的にまたは付加的にファイバ１は、クラッド８内でコア７を囲繞する大寸孔であって該ファイバに沿い励起放射線１１を導波すべく設計された大寸孔を有し得る。
【００５４】
コア７および／またはクラッド８は好適には、希土類ドーパント１５によりドープされる。希土類ドーパント１５は、イッテルビウム、エルビウム、ネオジム、プラセオジム、ツリウム、サマリウム、ホルミウムおよびジスプロシウムから成る群から選択され得るか、または、イッテルビウムとエルビウムによりドープされ、または、イッテルビウムと共にネオジムによりドープされる。
【００５５】
イッテルビウム・ドープに対して上記コアは、イッテルビウム・ドープにより引起こされる正の屈折率変化を補償するためにホウ素により共ドープされ（屈折率を減少し）得る。これにより付加的なイッテルビウム・ドーパントが取入れられることから、吸収長さが減少され得る。
【００５６】
代替的に導波路１は、希土類ドーパントを含み得る孔性の（または微小構造とされた）ファイバとされ得る。孔性ファイバの屈折率プロフィル２５は、実効的な屈折率プロフィル、すなわち、ファイバの孔を考慮したプロフィルである。
【００５７】
導波路１は、直線状とされ得るファイバ、または、曲げ損失により高次の漏出的なモードを除外することでビーム品質を改善すべく屈曲（または巻回）され得るファイバとされ得る。屈曲は、これにより光学モード間のモード結合が引起こされ得る。
【００５８】
上記装置は、レーザ、Ｑスイッチ・ファイバ・レーザ、主発振器パワー増幅器、または、周波数変換器を含むレーザの形態とされ得る。
【００５９】
添付図面に関して上述された本発明の実施例は例示的にのみ与えられており、性能を増進すべく改変が為され且つ付加的構成要素が配備され得ることは理解される。
【００６０】
本発明は、個別とされ又は任意の組合せとされた上述の特徴に及んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】光放射線により材料を工業的に処理する第１実施例の装置を示す図である。
【図２】例示的な屈折率プロフィルを示す図である。
【図３】異なるパワー分布を示す図である。
【図４】異なるパワー分布を示す図である。
【図５】異なるパワー分布を示す図である。
【図６】異なるパワー分布を示す図である。
【図７】異なるパワー分布を示す図である。
【図８】光放射線により材料を工業的に処理すると共にレーザ供与ファイバを含むレーザ形態の第２実施例の装置を示す図である。
【図９】ファイバ・レーザとして使用されるファイバの断面図である。
【図１０】レーザ供与ファイバの断面図である。
【図１１】レーザを含むと共に光放射線により材料を工業的に処理する第３実施例の装置を示す図である。
【図１２】複数個のレーザからの光放射線をリング状ドープ・ファイバに結合する方法を示す図である。
【図１３】ガス支援式切断用のレーザ・ノズルを含む第４実施例の装置を示す図である。
【図１】
2007518566.tif 000005
【図２】
2007518566.tif 000006
【図３】
2007518566.tif 000007
【図４】
2007518566.tif 000008
【図５】
2007518566.tif 000009
【図６】
2007518566.tif 000010
【図７】
2007518566.tif 000011
【図８】
2007518566.tif 000012
【図９】
2007518566.tif 000013
【図１０】
2007518566.tif 000014
【図１１】
2007518566.tif 000015
【図１２】
2007518566.tif 000016
【図１３】
2007518566.tif 000017
【国際調査報告】
2007518566.tif 000018
2007518566.tif 000019
2007518566.tif 000020
2007518566.tif 000021