(57)【要約】  本開示は、レーザー加工動作で作用を受けている材料サンプルの表面からの材料の効率的な溶融除去を提供するためのレーザーベースのシステムおよび方法に関する。一実装形態では、システムは、材料サンプルの表面上のスポットに方向付けられたレーザービームを発生するための連続波（ＣＷ）レーザーを利用し得る。ＣＷレーザーは、スポットからの材料除去をより迅速に促進するために、レーザービームがサンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅し、これが、レーザービームの作用を受けているスポットから溶融材料を排出するように、所定周波数で変調されるように構成され得る。
2021518266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー加工動作で作用を受けている材料サンプルの表面からの材料の効率的な溶融除去を提供するためのレーザーシステムであって、
材料サンプルの表面上のスポットに方向付けられたレーザービームを発生するための連続波（ＣＷ）レーザーを備え、
ＣＷレーザーは、レーザービームがサンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅するように所定周波数で変調され、レーザービームの作用を受けているスポットから溶融材料を排出し、スポットからの材料除去をより迅速に促進するように構成されている
システム。
【請求項２】
レーザービームは、コリメートされたレーザービームを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
レーザービームは、サンプルの表面に垂直な軸に沿って方向付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
キャピラリー波の所定周波数は、式ω＝（σｋ３／ρ）１／２で与えられ、ここで「σ」は表面張力、「ｋ」は波数、および「ρ」はサンプルの金属密度である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
集束されコリメートされたレーザービームを生成するためにレーザービームを集束するための集束レンズをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
所定周波数は、１ｋＨｚと２０ｋＨｚの間の周波数を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
所定周波数は、８ｋＨｚの周波数を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
ＣＷレーザーは、３３０ワットの平均出力を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
レーザービームは、６００ワットのピーク出力を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ＣＷレーザーの出力レベルは、所定周波数で全出力とゼロ出力との間で変調される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
レーザー加工動作で作用を受けている金属材料サンプルの表面からの材料の効率的な溶融除去を提供するためのレーザーシステムであって、
材料サンプルの表面上のスポットに方向付けられたレーザービームを発生するための連続波（ＣＷ）レーザーを備え、
レーザーは、サンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅するのに十分な所定周波数で変調され、スポットから溶融材料を排出し、スポットでより迅速に穴を形成することを促進するように構成されており、
キャピラリー波の所定周波数は、式ω＝（σｋ３／ρ）１／２で与えられ、ここで「σ」は表面張力、「ｋ」は波数、および「ρ」はサンプルの金属密度である
システム。
【請求項１２】
レーザービームは、サンプルの表面に垂直な軸に沿って方向付けられる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
レーザービームを集束するための集束ミラーをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
レーザービームの出力レベルは、所定周波数で全出力とゼロ出力との間で変調される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
レーザービームは、６００ワットのピーク出力および３３０ワットの平均出力を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
材料サンプルの表面上のスポットからの材料の効率的な溶融除去を提供するための方法であって、
連続波（ＣＷ）レーザーを使用して、コリメートされたレーザービームを発生することと、
コリメートされたレーザービームを材料サンプルの表面上で所望のスポットサイズに集束することと、
サンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅するのに十分な所定周波数で、ＣＷレーザーからのコリメートされたレーザービームを変調して、サンプルの表面上のスポットから材料を排出することと
を含む方法。
【請求項１７】
コリメートされたレーザービームを発生することは、６００ワットのピーク出力および３３０ワットの平均出力を有するレーザービームを使用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
コリメートされたレーザービームを所望のスポットサイズに集束することは、集束レンズを使用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
所定周波数でコリメートされたレーザービームを変調することは、式ω＝（σｋ３／ρ）１／２を使用してキャピラリー波の所定周波数を決定することを含み、ここで「σ」は表面張力、「ｋ」は波数、および「ρ」はサンプルの金属密度である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
ゼロ出力レベルと全出力レベルとの間でコリメートされたレーザービームを変調することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年３月２３日に出願された米国特許仮出願第６２／６４７，５２１号明細書の利益を主張する。上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
政府の権利に関する声明
米国政府は、米国エネルギー省と、ローレンスリバモア国立研究所の運営のためのローレンスリバモアナショナルセキュリティＬＬＣとの間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４にしたがって、本発明の権利を有する。
【０００３】
本開示は、様々な処理動作に使用されるレーザーシステムおよび方法に関し、より具体的には、表面波の共鳴励起が、蒸気柱での光吸収を伴わずにより低い強度で、作用を受けている材料からの効果的な溶融物排出をもたらすレーザーシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
このセクションは、必ずしも従来技術ではない、本開示に関する背景情報を提供する。
【０００５】
レーザー金属穿孔および切断は、金属を溶融すること、および穴から溶融液を除去することを伴う。典型的には、除去は加圧ガスストリームによって行われるが、この除去メカニズムは、穿孔穴が小さい（〜ｍｍ）ときには使用するのが困難である。この場合、溶融物は、加熱された表面から排出された金属蒸気によって生成された反跳圧によって除去される。溶融中、金属表面の温度は沸騰温度Ｔｂに近づいてこれを超え、金属蒸気ジェットが形成される。蒸気の膨張によって発生された反跳圧は、溶融プールに対して下向きの力を生成し、液体溶融物が排出され離れることにつながる急速な溶融プール運動を引き起こす。効果的な材料除去のために、金属表面の広いエリアがＴｂを超えるまで加熱されなければならず、表面を溶融するために要求されるよりも著しく大きなエネルギーを要求する。たとえば、アルミニウムは、融点Ｔｍ〜９３３Ｋの３倍近く高いＴｂ〜２，７３０Ｋを有し、これは同じ係数でレーザー出力を上げることを要求する（Ｔｂ／Ｔｍに対して直線的に変化する）。高レーザー出力では、他の非常に望ましくない影響が生じる。強力な蒸気束がレーザービームを吸収して表面を遮蔽し、さらに効率を低下させる。加えて、望ましくない過熱が、冷却プロセスに影響を及ぼし、金属表面および穴壁の内部の亀裂と、プロセス品質の悪化につながる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このセクションは、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その全ての範囲またはその特徴の全ての包括的な開示ではない。
【０００７】
一態様では、本開示は、レーザー加工動作で作用を受けている材料サンプルの表面からの材料の効率的な溶融除去を提供するためのレーザーシステムに関する。システムは、材料サンプルの表面上のスポットに方向付けられたレーザービームを発生するための連続波（ＣＷ）レーザーを利用し得る。ＣＷレーザーは、スポットからの材料除去をより迅速に促進するために、レーザービームがサンプルの表面上の表面キャピラリー波（ｓｕｒｆａｃｅ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｗａｖｅ）を溶融物排出点まで励起および増幅し、これが、レーザービームの作用を受けているスポットから溶融材料を排出するように、所定周波数で変調されるように構成され得る。
【０００８】
別の態様では、本開示は、レーザー加工動作で作用を受けている金属材料サンプルの表面からの材料の効率的な溶融除去を提供するためのレーザーシステムに関する。システムは、材料サンプルの表面上のスポットに方向付けられたレーザービームを発生するための連続波（ＣＷ）レーザーを備え得る。レーザーは、スポットから溶融材料を排出し、スポットでの穴のより迅速な形成を促進するために、サンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅するのに十分な所定周波数で変調され得る。キャピラリー波の所定周波数は、式：ω＝（σｋ３／ρ）１／２で与えられ、ここで「σ」は表面張力、「ｋ」は波数、および「ρ」はサンプルの金属密度である。
【０００９】
さらに別の態様では、本開示は、材料サンプルの表面上のスポットからの材料の効率的な溶融除去を提供するための方法に関する。方法は、連続波（ＣＷ）レーザーを使用して、コリメートされたレーザービームを発生することと、コリメートされたレーザービームを材料サンプルの表面上で所望のスポットサイズに集束することとを含み得る。方法は、サンプルの表面上の表面キャピラリー波を溶融物排出点まで励起および増幅するのに十分な所定周波数で、ＣＷレーザーからのコリメートされたレーザービームを変調して、サンプルの表面上のスポットから材料を排出することを、さらに含み得る。
【００１０】
さらなる適用分野は、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。この概要における説明および具体例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することは意図されていない。
【００１１】
本明細書で説明される図面は、全ての可能な実装ではなく、選択された実施形態の例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することは意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アルミニウムプレートを周期的に変調された強度のビームに暴露する効果を示す画像を捕捉した、アブレーションレーザービーム経路から軸ずれ（この例では３０度軸ずれ）したハイスピード撮像セットアップを使用する、本開示の一実施形態の高レベル図である。
【図２ａ】材料の除去量対ＣＷレーザービーム変調周波数の一例を示すグラフである。
【図２ｂ】変調されたＣＷレーザービームを使用して作成された穴の直径（μｍ単位）が、やはり約８ｋＨｚの周波数で変調されたビームでピークに達する様子を示すグラフである。
【図３ａ】８ｋＨｚのＣＷ変調、３３０Ｗ平均出力、時間ｔ＝０で、４００ｋｆｐｓで記録された溶融物排出のビデオのフレームであって、溶融物排出プロセス中の多数のモード振動の複雑さを実証しており、明るい白のセクションは、穴（画像の丁度中心の暗く黒い円形スポットとして示されている）が形成されているエリアから排出された溶融アルミニウム粒子を示している。
【図３ｂ】８ｋＨｚのＣＷ変調、３３０Ｗ平均出力、時間ｔ＝２００μｓで、４００ｋｆｐｓで記録された溶融物排出のビデオのフレームであって、溶融物排出プロセス中の多数のモード振動の複雑さを実証しており、明るい白のセクションは、穴（画像の丁度中心の暗く黒い円形スポットとして示されている）が形成されているエリアから排出された溶融アルミニウム粒子を示している。
【図３ｃ】８ｋＨｚのＣＷ変調、３３０Ｗ平均出力、時間ｔ＝４００μｓで、４００ｋｆｐｓで記録された溶融物排出のビデオのフレームであって、溶融物排出プロセス中の多数のモード振動の複雑さを実証しており、明るい白のセクションは、穴（画像の丁度中心の暗く黒い円形スポットとして示されている）が形成されているエリアから排出された溶融アルミニウム粒子を示している。
【図４ａ】異なる変調周波数およびレーザー持続時間で２ｍｍのアルミニウムプレートを貫通して穿孔された穴の、共焦点顕微鏡で得られた画像を示す図である。
【図４ｂ】５０μｍおよび１００μｍのレーザービーム径の異なる変調周波数での１ｍｍアルミニウムプレートを貫通する貫通穿孔時間を示す図である。
【図４ｃ】５０μｍのレーザービーム径の異なる変調周波数での２ｍｍアルミニウムプレートを貫通する貫通穿孔時間を示す図である。
【図４ｄ】５０μｍのレーザービーム径の、８ｋＨｚで２ｍｍアルミニウムプレートを貫通する穴貫通穿孔時間のコンピューター断層撮影スキャンである。
【図５ａ】伝統的なＣＷレーザー処理アプローチを使用する、サンプル（すなわち、Ａｌ）表面のアブレーションを示す図である。
【図５ｂ】レーザービームの異なる変調周波数を使用する、サンプル（すなわち、Ａｌプレート）表面のアブレーションの顕微鏡スケールでの画像を示す画像である。
【図５ｃ】レーザービームの異なる変調周波数を使用する、サンプル（すなわち、Ａｌプレート）表面のアブレーションの顕微鏡スケールでの画像を示す画像である。
【図５ｄ】レーザービームの異なる変調周波数を使用する、サンプル（すなわち、Ａｌプレート）表面のアブレーションの顕微鏡スケールでの画像を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下のテキストは、本明細書に説明されるシステムおよび方法の構造および動作の追加の詳細を提供する。
【００１４】
ここで、添付図面を参照して、例示的な実施形態がより完全に説明される。
【００１５】
本開示は、広くは、表面波の共鳴励起が、蒸気柱での光吸収を伴わずにより低い強度で効果的な溶融物排出をもたらす、レーザーシステムおよび方法に関する。本開示は、溶融プールが、溶融プールおよび鍵穴形状に関連する広範囲の異なる周波数で振動するキャピラリー表面波（ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｗａｖｅ）をサポートするという理解に、部分的に基づいている。振動は、機械的な波および音響波、電流、またはレーザー放射などの外部ドライバによって励起されることが可能であり、液体表面に衝突する液滴の周知のリップル効果に似ている。溶融物は低い粘度を有するので、弱く減衰されたキャピラリー表面波は、反跳圧および熱毛管力によって容易に励起されることが可能である。波の成長は、大きな溶融運動を誘発し、Ｔｂ未満の温度での溶融物排出をもたらす可能性がある。
【００１６】
本開示は、レーザー強度の周期的な変調を使用する表面キャピラリー波の共鳴励起に基づく効率的な除去システムおよび方法を提案する。本開示は、強力な反跳圧なしでさえ、変調周波数の最適な選択が、溶融除去量を大幅に強化することができ、より低い温度での除去を可能にすることを実証する。変調周波数が液体溶融物の固有振動と合致する場合、共鳴効果が生成され、振動振幅がピークに達し、こうして大きい液滴の排出につながる；対照的に、変調が固有周波数から離調されたときには、除去効率が急激に落ちる。
【００１７】
自由表面上のキャピラリー表面波の角周波数は、式ω＝（σｋ３／ρ）１／２で与えられ、ここで「σ」は表面張力、「ｋ」は波数、および「ρ」は金属密度である。最低次モードでは、ｋは１／ｄにほぼ等しく、ここでｄはスポット径である。ｄ〜５０μｍのアルミニウム（Ａｌ）では、周波数ν＝ω／２π〜９ｋＨｚである。
【００１８】
本開示によるシステム１００の一実施形態が、図１に示されている。システム１０はレーザー１０２を含み、これはこの例では、電子コントローラ１０４によって制御され得るＣＷファイバーレーザーである。レーザー１０２は、コリメートされたビーム１０６を生成する。ビーム１０６は、コリメートされたビーム１０６の周波数を制御し、変調されたレーザービーム１１０を生成するために使用される変調信号１０８ａを生成する適切な信号発生器１０８を使用して、変調される。任意選択的に、信号発生器１０８およびレーザー１０２は、１つの統合されたサブシステムに組み合わせられてもよい。さらにまた、レーザー１０２、信号発生１０８、および電子コントローラ１０４は、同様に単一の統合されたサブシステムに組み合わせられてもよく、前述の実装の全てが本開示によって企図される。
【００１９】
変調されたレーザービーム１１０は、集束され変調されたレーザービーム１１４を生成するために集束レンズ１１２を使用して、さらに集束され得る。この例では、集束され変調されたレーザービーム１１４の強度は１００％変調されており、変調された出力が、２ｋＨｚから４０ｋＨｚの範囲の周波数で、ピーク出力のゼロパーセントからピーク出力の１００パーセントの間であることを意味している。変調周波数は、液体溶融プールの共振周波数と合致するように選択され得る。集束され変調されたレーザービーム１１４はサンプル１１６に向けられるが、これは一例では、数ミリメートルの厚さ、より具体的には約１ｍｍ‐２ｍｍの間の厚さを有するアルミニウム（Ａｌ）プレートである。この例の集束され変調されたレーザービーム１１４は、サンプルの表面にほぼ垂直な軸に沿って方向付けられる。サンプル１１６は、ステージ１１８上に載置される。ステージ１１８は、必要であれば、電子コントローラ１０４からステージ１１８に印加された制御信号によって、または別個のコントローラ（図示せず）によって、ＸおよびＹ平面内で移動させられてもよい。あるいは、ステージ１１８は静止していてもよく、レーザー１０２および集束レンズ１１２がＸおよびＹ平面内で移動させられてもよい；両方の実装が本開示によって企図される。
【００２０】
Ａｌサンプルとの相互作用での除去レートが、図２ａに提示されている。除去は、図２ａの点１２０で示されるように、約８ｋＨｚの変調周波数でピークに達したことが明らかであり、これは上記の推定と一致している。穴径もまた、図２ｂの点１２２で示されるように、約８ｋＨｚでピークに達した。より高い変調周波数では、除去レートが減少し、これはより高いモードの励起による可能性が最も高い。変調されていない（または低変調）ポンプでは、直接蒸発のため、除去レートは非常に低い；言い換えると、非効率的な材料除去プロセスである。
【００２１】
５００ｋｆｐｓで記録されたハイレートビデオは、排出メカニズムを明らかにするのに役立つ。図３ａから図３ｃは、この例では８ｋＨｚである最適な変調周波数での溶融物排出を実証するハイレートビデオの複数のフレームを示す。３つの期間のスケールでの排出までの表面摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）の成長を見ることができる。図３ａから図３ｃの画像は、ハイスピードビデオにおける異なる３つのフレームを表し、時間ｔ＝０、ｔ＝２００μｓ、およびｔ＝４００μｓにおける穴からの溶融物の散発的な排出を明らかにする。排出された溶融アルミニウム粒子は、図３ｂおよび図３ｃの１２４で示されている。図３ｂおよび図３ｃはまた、各画像の真ん中の暗く黒い穴１２６も明らかにしており、そこから溶融アルミニウム粒子１２４が排出されている。
【００２２】
さらなるテストの一部として高アスペクト比の穴を穿孔するために、集束され変調されたビーム１１４が使用された。図４を参照すると、６００Ｗの最大出力および３００Ｗの平均出力で、異なる変調周波数および異なる持続時間でシステム１００を使用して、２ｍｍ厚のアルミニウムプレートに「穿孔」された複数の穴の図が示されている。穴２００および２０２は、６００Ｗおよび３００Ｗでの変調されていないＣＷに対して形成された入口穴を示す。穴２００では、入口穴は〜７００ｕｍと大きく、多数の亀裂を有する、大きな熱影響ゾーンで囲まれている。ＣＷ励起によって生成される付随的損傷（すなわち、亀裂、材料の再堆積、大きなヒートゾーン）は、よく知られている。穴２０２では、出力および温度が穴２００の半分なので、入口穴ははるかに小さい。変調されたビームでは、入口穴はより小さく、熱影響ゾーンは実質的に存在しない。２ｋＨｚの変調周波数を使用して穴２０４が；４ｋＨｚの変調周波数を使用して穴２０６が；８ｋＨｚの変調周波数および２秒未満の穿孔時間を使用して穴２０８が；１２ｋＨｚの変調周波数を使用して穴２１０が；１６ｋＨｚの変調周波数および２秒未満の穿孔時間を使用して穴２１２が；２０ｋＨｚの変調周波数および２秒未満の穿孔時間を使用して穴２１４が、８ｋＨｚの変調周波数および２秒未満の穿孔時間を使用して穴２１６が；１２ｋＨｚの変調周波数を使用して穴２１８が；１６ｋＨｚの変調周波数および２秒未満の穿孔時間を使用して穴２２０が；２０ｋＨｚの変調周波数を使用して穴２２４が生成された。
【００２３】
６００Ｗのピーク出力を有するｄ＝５０μｍ１／ｅ２の変調されたビームを使用した１ｍｍサンプルでは、貫通穿孔時間はおよそ２０ｍｓ、テストごとに再現可能であり、最大除去はおよそ１２ｋＨｚである（図４ｂ）。同じ出力Ｐでビームサイズがｄ＝１００μｍ１／ｅ２に倍増すると、貫通穿孔時間は２００ｍｓ超に増加した。４ｋＨｚ未満の周波数では、５ｓ後に貫通穿孔はなかった。２ｍｍサンプルでは、５０μｍの変調されたビームは常に１ｓ未満で貫通穿孔したが、貫通穿孔時間は確率的に変化し、８ｋＨｚで最適の除去となる傾向があった（図４ｃ）。貫通穿孔時間には大きなばらつきがある。第一に、レーザーがチャネル内により深く穿孔するにつれて、多くの影響が出てくる。レーザー放射は、壁によって反射、回折、および吸収される。第二に、溶融された層は、壁に沿って移動して穴の入口まで戻る必要があるが、表面張力がこれを停止する可能性がある。これらの影響の組み合わせが、貫通穿孔時間のばらつきに寄与している。
【００２４】
図５は、異なる変調周波数を使用する表面のアブレーションを比較している。図示されている画像は、変調されていないＣＷ、４ｋＨｚ、８ｋＨｚ、および１２ｋＨｚで１００ｋｆｐｓで記録されたビデオからのフレームである。ＣＷの場合の平均出力は３００Ｗであり、変調された場合のピーク出力は６００Ｗである。総穿孔時間は５ｍｓである。変調されていないＣＷ（図５ａ）および４ｋＨｚ（図５ｂ）の場合は、レーザー反跳圧が溶融物を押し下げ、熱毛管力が流れを横に押しやって、クラウンを形成する。溶融中、材料密度は減少し、すると同じ量の材料がより大きい体積を占有する。体積は上向きに膨張するが、表面張力は、溶融物を内向きに引っ張って、ブロブを形成する。溶融物は基板を濡らさないので液体ブロブは横方向への膨張を停止し、結果として収縮する。その結果、ブロブは安定する−キャピラリー波の非共鳴励起はほとんど溶融物排出を伴わずに振動のみを誘発した。サイクルは、上下に移動するブロブを伴い、１００‐１５０μｓごとに繰り返される（軸対称モード）。
【００２５】
８ｋＨｚ（図５ｃ）および１２ｋＨｚ（図５ｄ）の変調周波数では、共振の近くで、穿孔時間全体を通じて、大きな溶融除去が観察される。小さな高速の液滴は、レーザー開始から５μｓ以内に排出する。クラウンが拡大すると、液滴もまたクラウンの外周から離れる。形成されたくぼみは、溶融物の収縮中に、中央のジェットがピットの中心から現れ（図５ｄの１００μｓおよび２７０μｓ）、今や垂直方向に脱出するのに十分大きくなっている。液体が常に排出されているＣＷの場合とは異なり、近共振（ｎｅａｒ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の場合、共振が増大するのにかかる時間のため、材料の周期的バーストは数サイクルごとに生じる。図５ｃの２４７０μｓおよび図５ｄの６７０μｓでは、粒子の大きなクラスターは、外向きに激しく爆発して、穴を残す。レーザーがチャネル内により深く浸透すると、液体の大きなジェットが噴出する（８ｋＨｚでの３７００および５３００のビデオ参照）。ビデオから、軸対称（上下）および対称（スロッシング（ｓｌｏｓｈｉｎｇ）モード）振動の両方が観察される。
【００２６】
システム１００およびその動作の前述の説明は、最適な周波数範囲におけるＣＷレーザーの変調がレーザービームによる材料の除去レートを著しく増加させることを実証している。最適な周波数範囲は、キャピラリー波の励起と一致している。光の吸収、散乱、および反射は共振周波数に影響を及ぼし、多数の振動モードにつながる可能性があるので、共振周波数は広くなり得る。
【００２７】
本明細書に説明される効率的な溶融除去のための提案された方法は、単なる穴加工を超える用途に使用されてもよい。もう１つの例は金属シートの切断におけるものであり、この場合、材料は広範な蒸発を伴わずに除去されることが可能であって、処理レートおよび効率を増加させることができる。
【００２８】
こうして、本開示は、溶融除去効率を増加させ、こうして穿孔および／または切断プロセスを強化するためにレーザー強度の変調を使用する、レーザーベースのシステムおよび方法を教示する。変調周波数は、溶融キャピラリーグラウンドモード（ｍｅｌｔ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｇｒｏｕｎｄ  ｍｏｄｅ）の周波数と合致するように選択され得る。典型的な周波数は、ｋＨｚの範囲内、より典型的には約１ｋＨｚと２０ｋＨｚの間、さらに典型的には約８ｋＨｚである。表面波の共鳴励起は、効果的な溶融物排出をもたらす。その結果、溶融除去レートは劇的に強化される。開示されたシステムおよび方法の実際の適用は、高アスペクト比での強化された穿孔、およびレーザー金属処理の切断レートの増加を含む。
【００２９】
こうして、本開示は、溶融除去効率を増加させ、こうして穿孔および／または切断プロセスを強化するために、ＣＷレーザーによって生成されたレーザー強度の変調を使用する、レーザーシステムおよび方法を開示する。変調周波数は、溶融キャピラリーグラウンドモードの周波数と合致するように選択され得る。典型的な周波数は、ｋＨｚの範囲内であり、より典型的には約１ｋＨｚと２０ｋＨｚの間、さらに典型的には約８ｋＨｚである。表面波の共鳴励起は、効果的な溶融物排出をもたらす。その結果、溶融除去レートは劇的に強化される。開示されたシステムおよび方法の実際の適用は、高アスペクト比での強化された穿孔、およびレーザー金属処理の切断レートの増加を含む。
【００３０】
本明細書に説明されるレーザーシステムおよび方法はまた、従来のレーザー穿孔および切断で典型的に使用される温度よりも低い温度で動作し、材料の排出で吸収されるエネルギーははるかに少ない。本開示のシステムおよび方法は、高アスペクト比での穴加工のため、および／または材料を切断するときの切断効率を増加させるために、適用され得る。
【００３１】
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提供されてきた。網羅的であること、または本開示を限定することは意図されていない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されるものではなく、特別に図示または説明されていなくても、適用可能であれば、置き換え可能であり、選択された実施形態で使用されることが可能である。同じことが、多くの方法で変更されてもよい。このような変形例は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、このような全ての修正は、本開示の範囲に含まれることが意図される。
【００３２】
例示的な実施形態は、本開示が徹底的になり、その範囲を当業者に完全に伝えるように、提供される。本開示の実施形態の徹底的な理解を提供するために、特定の構成要素、装置、および方法の例など、多数の特定の詳細が明記されている。特定の詳細が採用される必要はないこと、例示的な実施形態が多くの異なる形態で具現化され得ること、およびどちらも本開示の範囲を限定すると解釈されるべきではないことは、当業者にとって明らかとなるだろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知の装置構造、および周知の技術は、詳細に説明されていない。
【００３３】
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される際に、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数形も含むように意図され得る。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有している（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではない。本明細書に説明される方法ステップ、プロセス、および動作は、実行の順序として具体的に識別されない限り、必ずしも議論または例示された特定の順序でのこれらの実行を要求するように解釈されるべきではない。追加または代替のステップが採用され得ることもまた、理解されるべきである。
【００３４】
要素または層が別の要素または層に対して「上に（ｏｎ）」、「係合されて（ｅｎｇａｇｅｄ  ｔｏ）」、「接続されて（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」、または「結合されて（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」いると呼ばれるとき、これは直接その別の要素または層の上に、係合されて、接続されて、結合されていてもよく、または介在する要素または層が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素または層に対して「直接的に上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｏｎ）」、「直接的に係合されて（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｅｎｇａｇｅｄ  ｔｏ）」、「直接的に接続されて（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」、または「直接的に結合されて（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」いると呼ばれるとき、介在する要素または層が存在してはならない。要素間の関係を説明するために使用される他の単語も、同様に解釈されるべきである（たとえば、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」に対して「直接的に間（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「隣接（ａｄｊａｃｅｎｔ）」に対して「直接的に隣接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ  ａｄｊａｃｅｎｔ）」など）。本明細書で使用される際に、用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。
【００３５】
本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションを説明するために第１、第２、第３などの用語が使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層、またはセクションを別の領域、層、またはセクションと区別するためにのみ使用され得る。「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、およびその他の数値の用語などの用語は、本明細書で使用される際に、文脈によって明確に示されない限り、シーケンスまたは順序を意味するものではない。したがって、以下で論じられる第１の要素、構成要素、領域、層、またはセクションは、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、またはセクションと呼ばれることが可能である。
【００３６】
「内側（ｉｎｎｅｒ）」、「外側（ｏｕｔｅｒ）」、「下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」などのような空間的に相対的な用語は、本明細書では、図に例示されるように、別の要素または特徴に対する１つの要素または特徴の関係を説明するための説明の簡素化のために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示される配向に加えて、使用中または動作中の装置の異なる配向を包含するように意図され得る。たとえば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下」または「下方」として説明された要素は、他の要素または特徴の「上」に配向されることになる。したがって、例示的な用語「下」は、上と下の両方の配向を包含することができる。装置は、別途配向されてもよく（９０度回転またはその他の配向）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語は相応に解釈され得る。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【国際調査報告】
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