(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）をレーザ加工する装置であって、レーザ（１）、光ファイバ（２）、および、カプラ（１２５）を備え、前記レーザ（１）は前記光ファイバ（２）に接続され、前記光ファイバ（２）は、レーザ放射（１３）が、第１モード次数（２４）を有する第１光モード（２１）、第２モード次数（２５）を有する第２光モード（２２）、および、第３モード次数（２６）を有する第３光モード（２３）において前記光ファイバ（２）に沿って伝播可能であり、前記第３モード次数（２６）は前記第２モード次数（２５）よりも高く、前記第２モード次数（２５）は前記第１モード次数（２４）よりも高く、前記装置は、前記カプラ（１２５）は、前記第１光モード（２１）において伝播するレーザ放射を、前記第２次数モード（２３）において伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成され、前記カプラ（１２５）は、が前記第２光モード（２２）において伝搬するレーザ放射を、前記第３次数モード（２３）において伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されていることを特徴とする、装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ（１）と、光ファイバ（２）と、カプラ（１２５）とを備える、材料をレーザ加工するための装置であって、
前記レーザ（１）は、前記光ファイバ（２）に接続され、
前記光ファイバ（２）は、レーザ放射（１３）が、第１モード次数（２４）を有する第１光モード（２１）、第２モード次数（２５）を有する第２光モード（２２）、および、第３モード次数（２６）を有する第３光モード（２３）における前記光ファイバ（２）に沿って伝播することができるようなものであり、
前記第３モード次数（２６）は前記第２モード次数（２５）よりも高く、
前記第２モード次数（２５）は前記第１モード次数（２４）よりも高い、装置であり、
前記装置は、
前記カプラ（１２５）が、前記第１光モード（２１）において伝搬するレーザ放射を、前記第２モード次数（２２）において伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成され、
前記カプラ（１２５）は、前記第２光モード（２２）において伝搬する前記レーザ放射を、前記第３次数モードを伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成される
ことを特徴とする、
装置。
【請求項２】
前記カプラ（１２５）は、前記第１光学モード（２１）において伝搬可能な前記レーザ放射線の少なくとも７５％を、前記第３光学モード（２３）に結合するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記カプラ（１２５）は、前記第１光学モード（２１）において伝播する前記レーザ放射を複数の光学モードに切り替えるように構成され、
それによって、前記レーザ放射のトップハット光学パワー分布を形成することを可能にする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記材料の表面またはその近傍に前記レーザ放射線を集束させるように構成された光学レンズ構成（５０）を含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、レンズ（４）を含み、
前記レンズ（４）は前側焦点面（１４）および後側焦点面（１５）によって画定され、
前記第１光学モード（２１）はレイリー長によって画定され、
前記レンズ（４）は、前記レーザ（１）からの前記光ファイバ（２）の遠位端（１６）からのレイリー長のうちの２つの範囲内に位置し、
前記レイリー長は、前記光ファイバ（２）の遠位端（１６）から、前記第１光学モード（２１）の半径が、２つの平方根のファクタだけ増加した平面までの距離として画定される、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記レンズ（４）は、前記光ファイバ（２）の遠位端（１６）が前記前側焦点面（１４）に位置するように配置される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記レンズ（４）は、屈折率分布型レンズを含む、請求項５または請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光ファイバ（２）は複数のコア（３１）を有し、
前記第３光モード（２３）および前記第１光モード（２１）は、前記コア（３１）のうちの異なるコア内を伝播する、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記コアのうちの少なくとも１つが、前記コア（３１）のうちの別の１つを取り囲むリングコア（２８２）である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記カプラ（１２５）は、ピッチ（７）によって画定される周期表面（６）を備える少なくとも１つの圧搾機構（３）を備え、
前記周期表面（６）は、前記光ファイバ（２）に隣接して位置しており、
前記圧搾機構（３）は、圧搾力（１２）とともに周期表面（６）および光ファイバ（２）を圧搾し、
これにより第１光モード（２１）を第２光モード（２２）に結合し、
第２光モード（２２）を第３光モード（２３）に結合する
ように構成されている、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】
前記装置は、所望の出力モードに応じて異なる圧搾力（１２）を加えるように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ピッチ（７）は、前記周期表面（６）の長さに沿ってチャープされる可変ピッチであり、
前記可変ピッチは、第１ピッチおよび第２ピッチを有し、
前記第１ピッチは、前記第１光学モード（２１）および前記第２光学モード（２２）を互いに結合し、
前記第２ピッチは、前記第２光学モード（２２）および前記第３光学モード（２３）を互いに結合する、
請求項１０または請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記圧搾機構（３）は、前記圧搾力（１２）が加えられたときに、前記光ファイバ（２）を螺旋状に変形させるように構成されている、請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記レーザ放射はビームパラメータ積（３３）によって定義され、
前記圧搾機構（３）は、前記圧搾力（１２）を増大させることによって、前記ビームパラメータ積（３３）が増大されることができるようになっている、
請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記第３光学モード（２３）を複数の光学モードに結合するように構成された長周期グレーティング（１２７）を含み、それによって、前記レーザ放射がトップハットまたは環状リングプロファイルを有することを可能にする、請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記長周期グレーティング（１２７）はピッチ（７）によって画定される周期表面（６）を備える第２の圧搾機構（１２９）を備え、
前記周期表面（６）は前記光ファイバ（２）に隣接して配置され、
前記圧搾機構（１２９）は、前記周期表面（６）および前記光ファイバ（２）をともに、圧搾力（１２）で圧搾する
ように構成される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、前記光ファイバ（２）から単一の個別の光モードを放射するように構成される、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記光ファイバ（２）は、実質的に均質であるコア（３１）を備え、それによって、前記光モード間の意図しないモード結合を回避する、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】
材料をレーザ加工する方法であって、該方法は、レーザ放射（１３）を放射するレーザ（１）の提供するステップと、
前記レーザ放射（１３）が、第１モード次数（２４）を有する第１光学モード（２１）、第２モード次数（２５）を有する第２光学モード（２２）、および、第３モード次数（２６）を有する第３光学モード（２３）において伝播することができる光ファイバ（２）を提供するステップと、
前記レーザ放射（１３）を前記光ファイバ（２）の前記第１光学モード（２１）に結合するステップと、
を含み、
ここで、
前記第３モード次数（２６）は前記第２モード次数（２５）より高く、
前記第２モード次数（２５）は前記第１モード次数（２４）より高いものであり、
前記方法は、
前記第１光学モード（２１）において伝播する前記レーザ放射を、前記第２次数モード（２２）において伝播するレーザ放射に切り替え、前記第２次数モード（２２）において伝播するレーザ放射を、前記第３次数モード（２３）において伝播するレーザ放射に切り替えるように構成されたカプラ（１２５）を提供するステップと、
前記レーザ放射（１３）で前記材料をレーザ加工するステップと、
によって特徴付けられる、方法。
【請求項２０】
前記第１光学モード（２１）において伝播する前記レーザ放射の少なくとも７５％が、前記第３光学モード（２３）に切り替えられる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１光学モード（２１）において伝播する前記レーザ放射は、前記第３光学モード（２３）を含む複数の光学モードに切り替えられ、それによって、前記レーザ放射（１３）のトップハット光学パワー分布を形成する、請求項１９または請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１光学モード（２１）はレイリー長によって定義され、
前記レイリー長は、前記光ファイバ（２）の遠位端（１６）から、前記第１光学モード（２１）の半径が２の平方根の因子だけ増加した平面までの距離として定義され、
前記方法は、
前側焦点面（１４）および後側焦点面（１５）によって画定されるレンズ（４）を提供するステップと、
前記レーザ（１）からの前記光ファイバ（２）の遠位端（１６）から前記レイリー長の２つの内に、前記レンズ（４）を位置決めするステップと、
を含む、請求項１９ないし２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記レンズ（４）は、屈折率分布型レンズを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記材料の表面上または表面付近にビームウエストを形成するために、前記レーザ放射（１３）を集束させるステップを含む、請求項１９ないし２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１光モード（２１）は、前記光ファイバ（２）の基本モードである、請求項１９ないし２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記第３光学モード（２３）は、少なくとも３つの方位角モード数と、少なくとも１の半径方向モード数とを有する、請求項１９ないし２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記カプラ（１２５）は、ピッチ（７）によって画定される周期表面（６）を備える少なくとも１つの圧搾機構（３）を備え、
前記周期表面（６）は、前記光ファイバ（２）に隣接して配置され、
前記圧搾機構（３）は、前記周期表面（６）および前記光ファイバ（２）を、共に、圧搾力（１２）で圧搾する
ように構成される、請求項１９ないし２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、
所望の第３光学モード（２３）を選択するために、規定された制御信号を圧搾機構（３）に印加するためのコントローラ（７５）を提供するステップを含み、
それによって、前記第３光学モード（２３）を選択するステップは、圧搾力（１２）を調整することによって達成される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
異なる光出力モードを選択するために、定義された制御信号をカプラ（１２５）に印加するための制御部（７５）を提供するステップを含む、請求項１９ないし２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１光学モード（２１）を選択し、前記材料に前記レーザ放射（１３）をピアシングするステップを含む、請求項１９から２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記材料をレーザ加工するステップは、前記第３光学モード（２３）を選択するステップと、
前記材料を前記レーザ放射（１３）で切断するステップと、
を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記レーザ放射（１３）をトップハット光パワー分布に切り替え、前記レーザ放射（１３）で前記材料を切断するステップを含む、請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記材料を前記レーザ放射（１３）で溶接するステップを含む、請求項１９ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記方法は、前記材料を前記レーザ（１）で焼結する工程を含み、前記材料は、焼結前には、金属粉末の形状である、請求項１９ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記材料を前記レーザ（１）で穿孔するステップを含む、請求項１９ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
前記レーザ（１）を、前記レンズ配列（５０）を有する前記材料上に集束させるステップと、
前記材料をピアシングするためにガウスプロファイルを選択するステップと、
前記材料を切断するためにトップハット光パワー分布を選択するステップと、
を含む、請求項１に記載の前記装置を使用して材料を切断する方法。
【請求項３７】
材料を溶接する方法であって、
請求項１に記載の装置を使用し、前記レンズ装置（５０）を使用して焦点から離れるようにレーザを照射するステップと、
前記スポットサイズおよびプロファイルを変化させることによって、前記溶接プロセスを最適化する作業スポットサイズを変化させるために、請求項１に記載の装置を使用するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】
レーザは、切断、溶接、穴あけ、彫刻、および、追加的製造を含む多くのレーザ加工用途に使用される。これらのアプリケーションでは、材料と相互作用しているレーザビームのサイズおよび断面プロファイルを最適化することがしばしば望ましい。例えば、材料と相互作用するレーザビームのスポットサイズは、集束レンズとワークピースとの間の作動距離を変化させることによって変化させることができる。断面プロファイルはガウシアンからトップハットに、または外部光学系を使用して環状またはリングプロファイルに変更することができる。しかしながら、このような柔軟性を有する外部光学系を提供することは高価であり、作動距離を変更しなければならないことは時間がかかり、したがって処理コストを増大させる。処理ヘッド内の光学系を調整する必要なしに、レーザビームを単一ガウス基本モードからトップハットまたは環状ビームに変更できることが望ましい。また、作動距離を変更することなく、レーザビームのスポットサイズを変更できることが望ましい。
【０００３】
金属粉末床添加物製造システムは構築中の三次元構造において可能な最小の特徴サイズを与えるために、基本ガウスモードを使用する。しかしながら、基本ガウスモードの使用は、より大きな構造を構築するのが遅いことを意味する。したがって、小さな特徴を作り出すことができる基本ガウスモードから、より大きな面積をより高速に処理することができるより大きくより均一なスポットサイズを有するレーザビームに、レーザビームを切り替えることができるようにすることができる要件が存在する。
【０００４】
レーザドリルで発生する可能性のある問題は、一旦ドリル加工された穴の後ろのレーザビーム損傷表面である。この問題は、環状レーザビームを設けることによって少なくとも部分的に解決することができる。環状ビームは、アキシコンレンズを用いて、またはレーザ放射を光ファイバまたは他の導波路のクラッドまたはリングコアに向けることによって作成することができる。しかしながら、このようなビームは急速に発散することができ、焦点から１ｍ〜２ｍｍ離れたところでは、その環状断面を保持しない。したがって、焦点から離れて、貫通する環状ビームを維持する要件がある。低発散の環状レーザビームを設けることによってドリル加工できる穴サイズを小さくするための関連する要求がある。
【０００５】
鋼のレーザ切断は、レーザビームをコリメートする、および、焦点を合わせるための光学系と、レーザ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形銅ノズルとを有するプロセスヘッドを介して、ワークピースにレーザビームを向けることによって達成される。基本的な切断操作には、レーザビームを使用してワークピース内の必要な領域を加熱および溶融し、アシストガスジェットとして知られるガスジェットを使用して、溶融材料を切断ゾーンの下面から吹き出すことが含まれる。切削ヘッド内のノズル先端とワーク表面との距離を一定に保ちながら、ワーク上を切削ヘッドが移動する。切断ヘッドは、形状を生成するためにプログラムされた経路で移動される。
【０００６】
ステンレス切断の場合、不活性アシストガスを使用すると、ワークの切断端面に金属酸化物が発生するのを避けることができる。金属酸化物は、溶接部品の弱体化、切断端面上のクロムの消耗によるステンレス鋼の腐食特性の低下、ステンレス鋼と比較して金属酸化物の硬度の増加による摺動部品の摩耗の増加などの問題を引き起こす可能性がある。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パワー密度を有するより小さな焦点スポット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。溶融領域が金属の厚さを通して狭くなるように、低い発散が必要である。最小の実用的集束スポット上の限界は、材料の厚さと関連して、光学的被写界深度によって決定される。なぜなら、切断幅（カーフ）は、アシストガスが、溶融材料をきれいに取り除き、きれいな切断を生成するために下部切断端面上のドロスを避けるのに十分な圧力で切断下面まで進むことができるほど広くなければならないからである。このタイプの切断では、アシストガスを高圧、通常は１０〜２０バール（ｂａｒ）の範囲で適用する必要がある。ノズル出口の直径は通常０．５ｍから２．０ｍの範囲であり、一般に厚い材料ではより大きなノズルを必要とする。
【０００７】
５ｍｍより厚い軟鋼（低炭素鋼とも呼ばれる）を切断する場合、アシストガスとして酸素を使用するのが典型的である。酸素は、ワークピース内の鉄と発熱的に反応して、切削速度を増加させる追加の熱を提供する。酸素は、典型的には０．２５バール〜１バールの範囲の圧力で適用される。これらの圧力は、窒素アシストガス切断に使用される圧力と比較してはるかに低い。典型的には１０ｍｍから３０ｍｍの厚さの範囲の厚い断面切断の場合、ドロスのない切断を維持しながら溶融材料を噴出するのに十分なガス流で酸素アシストガスが切断ゾーンの下面に到達できるように、切断縁は十分に広くなければならない。それは、ビームウエストがシートメタル表面よりも大きい入射ビーム径になるように、ビームウエストがシートメタル表面よりも上になるように焦点ぼけを行うための厚い軟鋼切断に典型的である。ビームの発散を大きくすると、より下端粗さのより良い品質の切断が得られる。
【０００８】
ほとんどの汎用フラットベッドレーザ切断機は、様々な厚さの金属の範囲を切断することが要求され、その切断は全て良好な品質である。焦点スポットサイズの選択は、典型的にはプロセス条件の広いセットを満たすために必要とされる要件の妥協である。薄いステンレス鋼を切断するためには、小さな焦点が低発散で必要である。厚い軟鋼を切断するためには、より大きな発散を伴ってより大きな焦点スポットが必要である。フラットベッド切断機は、一定のビーム品質を持つレーザで動作するように設計されている。
【０００９】
処理能力を高めるために、切断ヘッドは増強された光学システムを有することができ、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、入射スポットサイズを増大させることができるワークピースに対するレーザビームの焦点ぼけを可能にし、第２に、焦点スポット直径を調節できるようにすることができる。これは、一定のレーザビーム品質を有するレーザが焦点スポット寸法と発散との間に固定された関係を有し、
この固定された関係が切断プロセスレジームによって所望されるものとは逆の方法で作動するので、限定された利益を有する。
【００１０】
異なる切断レジームは低い発散を有する小さなスポット、または高い発散を有する大きなスポットのいずれかを必要とし、一方、固定されたビーム品質を有するレーザは、高い発散を有する小さなスポット、または狭い発散を有する大きなスポットのいずれかを提供し得る。したがって、全ての金属の種類および厚さについ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。
【００１１】
溶断は、典型的には材料の底面近くにレーザビームを集束させることによって最適化される。レーザビームの高強度は好ましくは切断速度を増加させるためであるが、これは切断の上面の望ましくないストライエーションを引き起こす可能性のある融液流動力学を犠牲にする可能性がある。材料の上面に環状断面を有し、底面にガウス分布またはトップハット分布を有するレーザビームを提供することが望ましい。これにより、上面の熱分布が良くなり、材料の下面に向かって強度が高くなるため、切断速度を著しく損なうことなく切断品質が向上する。
【００１２】
同様の制限は、例えば溶接、マーキング、および付加的な製造のような他の材料処理装置で生じる。これらすべての適用領域において、レーザのビームパラメータ積を変化させることができ、加工される材料上の集束レーザビームの直径を変化させることができるレーザ加工装置が必要とされている。
【００１３】
本発明の目的は、前述の問題を低減または回避する、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】
【００１４】
本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であって、レーザと、光ファイバと、カプラとを備える装置が提供される。ここで、レーザは光ファイバに接続され、光ファイバは、レーザ放射が、第１モード次数を有する第１光モードと、第２モード次数を有する第２光モードと、第３モード次数を有する第３光モードとで光ファイバに沿って伝播することができるようなものであり、第３モード次数は、第２モード次数よりも高く、第２モード次数は、第１モード次数よりも高く、前記装置は、カプラは、第１光モードにおいて伝搬するレーザ放射を、第２次数モードにおいて伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されており、カプラは、第２光モードにおいて伝搬するレーザ放射を、第３次数モードにおいて伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
カプラは、第１光学モードにおいて伝搬可能なレーザ放射の少なくとも７５％を第３光学モードに結合するように構成することができる。
【００１６】
カプラは、第１光学モードにおいて伝搬するレーザ放射を複数の光学モードに切り替えるように構成され、したがって、レーザ放射のトップハット光パワー分布を形成することが可能になる。
【００１７】
装置は、レーザ放射を材料の表面上またはその近傍に集束させるように構成された光学レンズ配置を含むことができる。
【００１８】
装置はレンズを含んでもよく、レンズは前方焦点面と後方焦点面とによって規定され、
第１光学モードはレイリー長によって規定され、レンズはレーザからの光ファイバの遠位端部からのレイリー長のうちの２つの範囲内に位置する。
【００１９】
レンズは、光ファイバの遠位端が前方焦点面に位置するように配置されてもよい。
【００２０】
レンズは、屈折率分布型レンズ（ｇｒａｄｅｄ  ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓ）を含み得る。
【００２１】
光ファイバは複数のコアを有することができ、第３光モードおよび第１光モードは、コアの異なる個々に伝搬することができる。コアのうちの少なくとも１つは、コアのうちの別の１つを取り囲むリングコアであってもよい。
【００２２】
カプラは、ピッチによって画定される周期表面を備える少なくとも１つの圧搾機構を備えることができる。周期表面は、光ファイバに隣接して位置していてもよい。圧搾機構は、圧搾力と共に周期的な表面および光ファイバを圧搾し、それによって第１光学モードを第２光学モードに結合し、第２光学モードを第３光学モードに結合するように構成することができる。
【００２３】
装置は、所望の出力モードに応じて異なる圧搾力を加えるように構成されてもよい。
【００２４】
ピッチは、周期表面の長さに沿ってチャープされる可変ピッチであってもよい。可変ピッチは第１ピッチおよび第２ピッチを有してもよく、第１ピッチは第１光モードおよび第２光モードを一緒に結合し、第２ピッチは第２光モードおよび第３光モードを一緒に結合する。
【００２５】
圧搾機構は、圧搾力が加えられたときに光ファイバを螺旋状に変形させるように構成されてもよい。
【００２６】
レーザ放射はビームパラメータ積によって規定することができ、カプラは、圧搾力を増加させることによってビームパラメータ積を増加させることができるようにすることができる。
【００２７】
装置は、第３光学モードを複数の光学モードに結合するように構成された長周期回折グレーティングを含み、それによってレーザ放射がトップハットまたは環状リングプロファイルを有することを可能にすることができる。
【００２８】
長周期回折グレーティングはピッチによって画定される周期表面を含む第２の圧搾機構を備えることができ、周期表面は光ファイバに隣接して位置し、圧搾機構は、圧搾力で、周期表面および光ファイバを圧搾するように構成することができる。
【００２９】
装置は、光ファイバから単一の個々の光モードを放射するように構成することができる。
【００３０】
光ファイバは実質的に均質なコアを含むことができ、それによって、光モード間の意図しないモード結合を回避する。
【００３１】
本発明は、また、材料をレーザ加工する方法を提供する。その方法は、レーザ放射を発するレーザを提供するステップと、レーザ放射が、第１モード次数を有する第１光学モード、第２モード次数を有する第２光学モード、および第３モード次数を有する第３光学モードにおいて伝播することができる光ファイバを提供するステップと、レーザ放射を光ファイバの第１光モードに結合するステップと、を含む。ここで、第３モード次数は、第２モード次数よりも高く、第２次数モードは、第１次数モードよりも高い。本方法は、第１光モードにおいて伝搬するレーザ放射を、第２次数モードにおいて伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成され、第２次数モードにおいて伝搬するレーザ放射を、第３次数モードにおいて伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されたたカプラを提供するステップと、レーザ光を照射して材料をレーザ加工するステップと、のステップによって特徴付けられる。
【００３２】
第１光学モードにおいて伝搬するレーザ放射の少なくとも７５％を第３光学モードに切り替えることができる。
【００３３】
第１光学モードにおいて伝搬するレーザ放射は、第３光学モードを含む複数の光学モードに切り換えることができ、したがって、レーザ放射のトップハット光パワー分布を形成する。
【００３４】
第１光学モードはレイリー長によって規定されてもよく、この方法は、前方焦点面および後方焦点面によって規定されるレンズを設けるステップと、レーザからの光ファイバの遠位端からレイリー長の２つの範囲内にレンズを位置決めするステップとを含んでもよい。
【００３５】
この方法は、レンズが、屈折率分布型レンズレンズを含むことができるようなものとすることができる。
【００３６】
この方法は、材料の表面上または表面近傍にビームウエストを形成するためにレーザ放射線を集束させる工程を含むことができる。
【００３７】
この方法は、第１光モードが光ファイバの基本モードにおいてあってもよいようなものであってもよい。
【００３８】
この方法は、第３光学モードが少なくとも３つの方位角モード数、および少なくとも１つの半径方向モード数を有し得るようにしてもよい。
【００３９】
この方法は、カプラがピッチによって画定される周期表面を備える少なくとも１つの圧搾機構を備えることができるようなものとすることができる。周期表面は、光ファイバに隣接して位置していてもよい。圧搾機構は、圧搾力と共に周期表面および光ファイバを圧搾するように構成されてもよい。
【００４０】
この方法は所望の第３光学モードを選択するために、所定の制御信号を圧搾機構に印加するコントローラを提供するステップを含むことができる。第３光学モードを選択するステップは、圧搾力を調整することによって達成することができる。
【００４１】
本方法は異なる光出力モードを選択するために、定義された制御信号をカプラに印加するためのコントローラを提供するステップを含んでもよい。
【００４２】
この方法は、第１光学モードを選択するステップと、レーザ放射で材料をピアシングするステップとを含むことができる。
【００４３】
材料をレーザ加工するステップは、第３光学モードを選択するステップと、レーザ放射を用いて材料を切断するステップとを含む。
【００４４】
この方法はレーザ放射をトップハット光パワー分布にスイッチングし、レーザ放射を用いて材料を切断するステップを含むことができる。
【００４５】
この方法は、レーザ放射を用いて材料を溶接する工程を含むことができる。
【００４６】
この方法は材料をレーザで焼結するステップを含むことができ、焼結前の材料は、金属粉末の形成である。
【００４７】
本方法は、レーザで材料をドリル加工するステップを含んでもよい。
【００４８】
本発明は、また、本発明の装置を用いて材料を切断し、プロセスヘッドを用いて材料上にレーザを集束させ、材料をピアシングするためのガウス分布を選択し、材料を切断するためのトップハット光パワー分布を選択する方法を提供する。
【００４９】
また、本発明は、本発明の装置を使用することを含む、材料を溶接するステップと、プロセスヘッドを使用してレーザを焦点から離して投射するステップと、本発明の装置を使用して、スポットサイズおよびプロファイルの変化量によって溶接処理を最適化するために加工スポットサイズを変化させるステップとの方法を提供する。
【００５０】
本発明の方法は、代替的にまたは追加的に、本発明の装置の上述の任意の態様を利用するために必要とされる１つまたは複数のステップを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
ここで、本発明の実施形態を、単に例として、添付の図面を参照して説明する。
【図１】図１は、本発明による材料をレーザ加工するための装置を示す。
【図２】図２は、光ファイバの導波モードの強度分布を示す。
【図３】図３は、レーザビームによって形成されたビームウエストを示す。
【図４】図４および図５は光ファイバの遠位端から発散し、レンズによって撮像される光モードのビーム直径を示す。
【図５】図４および図５は光ファイバの遠位端から発散し、レンズによって撮像される光モードのビーム直径を示す。
【図６】図６は、レーザビームの発散を増加させるために使用される負レンズを示す。
【図７】図７は、光ファイバの遠位端に形成された短焦点距離レンズを示す。
【図８】図８は、光ファイバの遠位端に接合されたエンドキャップ上に形成された短焦点距離レンズを示す。
【図９】図９は、屈折率分布型光ファイバで作られた短焦点レンズを示す。
【図１０】図１０は、短焦点距離レンズによって結像される光学モードのビーム直径を示す。
【図１１】図１１は、本発明による装置によって撮像されている光ファイバの遠位端におけるトップハットパワー分布を、レーザビームの焦点におけるトップハットパワー分布に示している。
【図１２】図１２は、本発明による装置によって、レーザビームの焦点におけるトップハット分布のファーフィールドに結像されている光ファイバの遠位端におけるトップハットパワーニアフィールド分布を示す図である。
【図１３】図１３は、光ファイバがその長さに沿って周期的に曲げられる圧搾機構を示す。
【図１４】図１４は、光ファイバがその長さに沿って周期的に圧縮される圧搾機構を示す。
【図１５】図１５は４つの周期的な表面を含む圧搾機構を示し、各周期的な表面は、その隣接するものに対して直角に配置される。
【図１６】図１６は、互いに対して６０度に配置された３つの周期的な表面を備える圧搾機構を示す。
【図１７】図１７は、光ファイバをらせん状に変形させるための３つの部分を含む圧搾機構を示す。
【図１８】図１８は、３つの部分のうちの１つの詳細を示す。
【図１９】図１９は、基本モードがカスケードプロセスによって高次数モードに結合された実験の結果を示す。
【図２０】図２０は、ビームウエストを通る基本ＬＰ０，１モードおよびＬＰ３，１の展開を示す。
【図２１】図２１〜図２５は、集束レンズによって集束された後の種々の光学モードについて、光ファイバの遠位端におけるレンズの選択および位置がビーム直径に及ぼす影響を示している。
【図２２】図２１〜図２５は、集束レンズによって集束された後の種々の光学モードについて、光ファイバの遠位端におけるレンズの選択および位置がビーム直径に及ぼす影響を示している。
【図２３】図２１〜図２５は、集束レンズによって集束された後の種々の光学モードについて、光ファイバの遠位端におけるレンズの選択および位置がビーム直径に及ぼす影響を示している。
【図２４】図２１〜図２５は、集束レンズによって集束された後の種々の光学モードについて、光ファイバの遠位端におけるレンズの選択および位置がビーム直径に及ぼす影響を示している。
【図２５】図２１〜図２５は、集束レンズによって集束された後の種々の光学モードについて、光ファイバの遠位端におけるレンズの選択および位置がビーム直径に及ぼす影響を示している。
【図２６】図２６は、リングモードにおいて照射された後のワークピースの温度プロファイルを示している。
【図２７】図２７は、基本モードによって照射された後のワークピースの温度プロファイルを示している。
【図２８】図２８は、リングコアを有する光ファイバを示している。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、レーザ加工装置１を構成する材料１、レーザ１を構成する装置１、光ファイバ２、カプラ１２５を構成する装置であり、レーザ１は光ファイバ２に接続されており、光ファイバ２は、レーザ放射１３が、第１モード次数２４を有する第１光モード２１と、
第２モード次数２５を有する第２光モード２２と、第３モード次数２６を有する第３光モード２３とで光ファイバ２に沿って伝播することができるようになっており、第３モード次数２６は第２モード次数２５よりも高く、第２モード次数２５は第１モード次数２４よりも高い。本願装置は、カプラ１２５が第１光モード２１を伝搬するレーザ放射を、第２次数モード２２を、伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されており、カプラ１２５が、第２光モード２２を伝搬するレーザ放射を、第３次数モード２３を伝搬するレーザ放射に切り替えるように構成されていることを特徴とする。
【００５３】
カプラ１２５は、第１光学モード２１で伝搬可能なレーザ放射の少なくとも７５％を第３光学モード２３に結合するように構成することができる。カプラ１２５は、第１光学モード２１で伝搬可能なレーザ放射の少なくとも９０％を第３光学モード２３に結合するように構成することができる。
【００５４】
カプラ１２５は、少なくとも１つの圧搾機構３を備えることができる。圧搾機構３は、ピッチ７によって画定される少なくとも１つの周期表面６を備えることができる。周期表面６は、光ファイバ２に隣接して位置している。ピッチ７は、周期表面６が第１光モード２１と第２光モード２２を一緒に結合するように選択される。圧搾機構３は、周期表面６および光ファイバ２を、ともに、圧搾力１２で圧搾し、それによって、第１光学モード２１を第２光学モード２２に結合するように構成される。
【００５５】
図１の装置は、前方焦点面１４および後方焦点面１５によって画定されるレンズ４を備えることができる。第１光学モード２１は、図２０を参照して示されるレイリー長２１７によって規定することができる。レンズ４が、光ファイバ２の遠位端１６からレイリー長２１７のうちの２つの内部に位置する。好ましくは、レンズ４が光ファイバ２の遠位端１６からレイリー長２１７の１つの中に配置される。
【００５６】
レンズ４は、光ファイバ２の遠位端１６が前側焦点面１４に位置するように配置することができる。
【００５７】
少なくとも１つの長周期グレーティング１２７は、第１の圧搾機構３に任意選択的に従うことができる。長周期グレーティング１２７はその長さ８に沿って均一である周期７を有することができる、または、その長さ８に沿ってチャープされる周期７を有することができる。また、第１圧搾機構３は、第１光モード２１を第２光モード２２に結合するように構成することができる。長周期グレーティング１２７は、第２光学モード２２を第３光学モード２６に結合するように構成することができる。長周期グレーティング１２７は、第２光学モード２２を複数の第３光学モード２６に結合するように構成することができる。
【００５８】
また、第１圧搾機構３は、第１光モード２１を第３光モード２６に結合するように構成することができる。長周期グレーティング１２７は、第３光学モード２２を複数の光学モード（図示せず）に結合するように構成することができる。好ましくは、長期のグレーティング１２７が、光学モードがほぼ一様に刺激されるように構成することができ、したがってレーザ放射線１３がトップハットまたは年率プロファイルを持つことができる。
【００５９】
長周期グレーティング１２７は、ファイバブラッググレーティングを含むことができる。
【００６０】
長周期グレーティング１２７は、図１に示すような第２の圧搾機構１２９を備えることができる。
【００６１】
レーザ１は、光ファイバ２に接続されている。レーザ１は出力ファイバ９を有するものとして示されており、このファイバは、スプライス１０で光ファイバ２に接続されている。レーザ１は、光ファイバ９から基本モードにおいてレーザ放射を放射するレーザであってもよい。スプライス１０は、光ファイバ２の基本モードを発射するように構成されたテーパを備えることができる。スプライス１０は、光ファイバ２の少なくとも２つのモードが発射されるようにしてもよい。
【００６２】
あるいは、レーザ１が複数の横モードにおいてレーザ放射線を放射するレーザであってもよい。レーザ１は、ファイバレーザ、ディスクレーザ、ロッドレーザ、スラブレーザ、または固体レーザであり得る。この装置は、レーザ１の有無にかかわらず販売することができる。
【００６３】
光ファイバ２は、装置内の適切な任意の場所に配置することができる。したがって、例えば、光ファイバ２は、一緒に接合された１つまたは複数の光ファイバを含むことができる。
レーザを制御する制御信号が第１の圧搾機構３を制御するためにも使用できるように、第１の圧搾機構３をレーザ１と同時配置することが好都合である。これにより、高価なケーブルおよび制御システムを回避する。第１の圧搾機構３はレーザ１と共にパッケージングすることができる、または、レーザ１からのレーザ放射１３を光ファイバ２の遠位端１６に伝達する搬送ファイバ内のレーザのパッケージングの外側に配置することができる。
【００６４】
光ファイバ２は、図２に示すように、コア３１とクラッド３２とから構成され、コア３１は、コア直径１８とガラスクラッド直径１９とによって規定される。コア直径１８は、２０ｐｍ〜１５０ｐｍ、好ましくは５０ｐｍ〜１０５ｐｍ、より好ましくは５０ｐｍとすることができる。ガラスクラッド直径１９は、１５０ｐｍ〜５００ｐｍ、好ましくは１５０ｐｍ〜２５０ｐｍとすることができる。好ましくは、コア直径１８に対するガラスクラッド直径１９の比率は、モード間のマイクロベンディングおよび制御されない結合を回避するために、少なくとも５、より好ましくは、少なくとも１０である。
【００６５】
光ファイバ２は、図２８に示す光ファイバ２８１とすることができる。光ファイバ２８１がコア３１を取り囲むリングコア２８２を有する。リングコア２８２は、図１を参照して説明した第３光モード２３を支持するように設計されてもよい。
【００６６】
再び、図２を参照すると、光ファイバ２は、光モード２０を導くように示されている。光モード２０は、光モード２０の強度が極大を有する複数のローブ２７を含む。ファイバ２の方位２９の周りに１６個のローブ２７があり、その半径２８に沿って４個のローブ２７がある。通常の慣例に従うと、光学モード２０はＬＰｐ，ｑモードであり、ここで、ｐは方位角モード数であり、ｑは半径方向モード数である。方位角２９の周りのローブ２７の数は方位角モード数の２倍に等しく、半径２８に沿ったローブ２７の数は半径方向モード数ｑに等しい。図示のモード２０は方位角２９の周りに１６個のローブ２７があり、半径２８に沿って４個のローブ２７があるので、ＬＰ８，４モードである。光学モード２０のモード次数は、次式で与えられる。
モード次数＝ｐ＋２ｑ−１
この例では、光学モード２０がモード次数＝１５を有する。
【００６７】
図３は、距離とともに変化するビーム直径３９を有するレーザ放射１３が焦点３４にもたらされることを示す。レーザ放射１３は、焦点３４において２ω０に等しいビームウエスト直径３５を有する。ビームウエスト直径３５は、スポットサイズと呼ばれることが多い。レーザ放射１３は、ａに等しい発散角（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  ａｎｇｌｅ）３６で焦点３４から離れて発散する。
【００６８】
ビームウエスト径３５の半分と発散角３６との積は、ビームパラメータ積ＢＰＰ３３として定義される。
ＢＰＰ＝α．ω０
【００６９】
ビームパラメータ積３３は、レーザ放射線１３のビーム品質の尺度である。ビームパラメータ積３３は、次式によって、ビーム品質Ｍ２値３７およびλ、レーザ放射１３の波長５に関連する。
ＢＰＰ＝Ｍ２．λ／π
【００７０】
回折制限ガウスモードは、そのモード次数に等しいビーム品質Ｍ２値３７を有する。モードが同じビームウエスト径３５を有する場合、発散角３６は、それらのモード次数に比例する。ビームウエスト直径３５は、スポットサイズと呼ばれることが多い。
【００７１】
光ファイバによって導波される光学モードは、典型的には完全な回折制限ガウスモードではない。例えば、単一モード光ファイバは、約１．１のＭ２値３７を有する。しかしながら、第１の近似では、光学モードがモード次数に等しいＭ２値３７を有する。また、一次近似として、光ファイバ２に沿って伝搬する光学モードは図２を参照して示されるコア直径１８にほぼ等しいビームウエスト直径３５を有し、したがって、レーザ放射１３が異なる方位モード数ｐおよび異なる半径方向モード数ｑを有する光学モードの集合体として光ファイバ２に沿って伝搬する場合、各光学モードにおけるレーザ放射１３の発散角３６は、次式で与えられる。
α＝Ｍ２．λ／（π．ω０）
これは、近似的に、
α＝（ｐ＋２ｑ−１）．λ／（π．ω０）
である。
ここで、ビームウエスト直径３５  ２ωは、光ファイバ２のコア直径１８程度である。
【００７２】
したがって、第１に、光ファイバ２の遠位端１４から出現するレーザ放射１３が、各々が同じビームウエスト径３５を有し、発散角３６が光モードのモード次数とともに増加するように、発散角３６の変化量を伴って、光モードのグループとして出現する。
【００７３】
レンズ４の屈折と同様に回折を説明すると、光ファイバ２の遠位端１６がその前方焦点面１４に位置するように配置されたレンズ４は、その後方焦点面１５でウエストを生じさせることになり、光波場は、光ファイバ２に沿って伝搬するレーザ放射１３の場の拡大された空間フーリエ変換である。換言すれば、図１を参照すると、レンズ４は、入射角度を後焦点面１５における変位に変換する。したがって、光ファイバ２の遠位端１６においてほぼ同じビームウェスト直径３５を有し、前側焦点面１４から離れた異なる発散角３６で発散するモードの集合体は、後側焦点面において異なるビームウェスト直径３５を有し、後側焦点面１５から離れた実質的に同じ発散角３６を有するモードのアンサンブルに変換される。
【００７４】
後方焦点面１５における倍率は、レンズ４の焦点距離と光ファイバ２の遠位端１６における場のレイリー長との比率によって与えられる。レイリー長は、光ファイバ２の遠位端１６から、ビームの半径が２の平方根の因子だけ増加した平面までの距離として定義される。例えば、レンズ４の焦点距離がレイリー長に等しい場合、後方焦点面１５におけるビームの半径は、光ファイバ２の遠位端１６におけるビームの半径に等しくなる。レンズ４の焦点距離がレイリー長の２倍である場合、後方焦点面１５におけるビームウエストの幅は光ファイバ２の遠位端１６における幅の２倍となり、ビームの発散３６は、光ファイバ２の遠位端１６から出ているビームの発散の半分となる。
【００７５】
図４および図５は、ＬＰ０，１モード４１、ＬＰ２，１モード４２、ＬＰ４，１モード４３、ＬＰ６，１モード４４、ＬＰ８，１モード４５、および、ＬＰ１０，１モード４６について、光ファイバ２の遠位端１６からの距離４９によってビーム直径３９がどのように変化するかを示す。ビーム直径３９は、図４に示すように、ファイバ２の遠位端１６から４ｍｍの距離におけるＬＰ４，１モード４３のビーム直径３９によって示されるように、各モードに対する上方ラインと下側ラインとの間の半径方向距離４０の差として示される。光学モード４１〜４６の数のいくつかは、明確にするために図５では省略されている。光ファイバ２は、コア径１８が５０μｍである。光モード４１〜４６のビーム直径３９は、コア直径１８に等しいビームウエスト直径３５、すなわち、光ファイバ２の遠位端１６において５０ｐｍのビームウエスト直径３５を有すると仮定される。モード４１ないし４６は異なるモード次数を有し、したがって異なるビーム直径積３３を有するので、モード４１ないし４６は異なる発散角３６を有する遠位端１６から発散する。レンズ４は、光ファイバ２の遠位端１６がレンズ４の前方焦点面１４にあるように配置される。レンズ４は、レンズ４に入射する角度を、後方焦点面１５におけるその光軸からの距離に変換する。モード４１ないし４６は各々、後方焦点面１５においてビームウエスト４８を形成し、そこで、各々が互いに異なるモードフィールド直径３５を有する。図１５に示すように、モード４１〜４６が後焦点面１５から離れて回折することにつれて、それらは同じ発散角３６を有するように収束する。
【００７６】
再び、図１を参照すると、装置は、レンズ４の後方焦点面１５を材料１１の表面上またはその近傍に結像させるように構成された光学レンズ配置５０を備える。光学レンズ配置５０は、コリメートレンズ５１と、レーザ光スキャナ５２と、集束レンズ５３とからなるように示されている。他の光学レンズ配置５０も可能である。図４および図５を参照して説明した光学モード４１〜４６は、後方焦点面１５から離れた同じ発散角３６を有する。モード４１〜４６は異なるモード順序数を有し、したがって、異なるビーム品質Ｍ２値３７および異なるビームパラメータ積３３を有する。したがって、モード４１〜４６は、焦点３４において異なるビームウエスト直径３５を有することになる。収差のような光学的不完全性の影響を無視すると、材料１１の表面上の焦点３４におけるビームウエスト直径３５は、光学レンズ配置５０の倍率および後方焦点面１５におけるそれぞれのモードのビームウエスト直径３５に等しくなる。
【００７７】
こうして、レンズ４は、前側焦点面１４におけるレーザ放射１３のニアフィールドを後側焦点面１５におけるレーザ放射１３のファーフィールドに変換している。したがって、材料１１の表面上の後方焦点面１５の画像は、レーザ放射１３のファーフィールドにもなる。レーザ放射１３のファーフィールドを撮像する能力は、レーザ放射１３のニアフィールドを撮像することに対して幾つかの重要な利点を提供する。これには、特定の素材を切断するときのピアシング速度の高速化、切断速度の高速化、エッジの品質向上などがある。加えて、材料１と集束レンズ５３との相対位置を調整する必要性はしばしば避けることができ、これは、実質的なコスト上の利点を提供する。
【００７８】
図４を参照すると、レンズ４は、光ファイバ２から放射されるレーザ放射１３の発散角３６を減少させている。発散角３６は図６に示すように負レンズ６１で増加させることができ、負レンズ６１は、後方焦点面１５がレンズ４と負レンズ６１との間にあるように配置される。薄いレンズ近似を行うと、前側焦点面１４とレンズ４との間の距離６３が、レンズ４の焦点距離６５となる。後方焦点面１５とレンズ４との間の距離６４もレンズ４の焦点距離６５である。
【００７９】
再び、図１を参照すると、レンズ４の倍率は、レンズ４の焦点距離と、光ファイバ２の遠位端１６から出ているレーザ放射１３のレイリー長との比率によって与えられる。発散角３６を増大させるために、倍率はできるだけ小さくすべきである。これは、レンズ４の焦点距離６５ができるだけ短く、理想的には光ファイバ２からのビームのレイリー長の４倍以下であるべきであることを意味する。これは、一般に、ワークピースからのスパッタから集束レンズ５３を保護するために、合理的に大きな焦点距離を有する集束レンズ５３を用いて、レンズ４の後方焦点面１５における場を材料１１上の小さな焦点サイズ３４に結像させることを目的とするからである。ターゲット上に結像されるべき視野が大きすぎて、発散角３６が低すぎる場合、結像光学系のシステムは不都合に大きくなることがある。
したがって、レンズ４の倍率には実用上の限界がある。
【００８０】
図１０は、レンズ４が４００μｍの焦点距離を有する場合に、ＬＰ０，１モード４１、ＬＰ２，１モード４２、ＬＰ４，１モード４３、ＬＰ６，１モード４４、ＬＰ８，１モード４５、およびＬＰ１０，１モード４６について、光ファイバ２の遠位端１６からの距離４９によってビーム直径３９がどのように変化するかを示している。発散は、図５の発散よりも急速である。
【００８１】
図７に示すように、光ファイバ２の出力上にレンズ４を形成することによって、より短い焦点距離６５を達成することができ、レンズ４は、例えば、電気アーク、炎、またはレーザを用いて、光ファイバ２のガラスを溶融させることによって形成することができる。コア３１を画定するドーパント７１は、レンズ４が形成されるにつれて拡散する。光ファイバ２の遠位端１６は、コア３１によって提供されるガイダンスが終わる場所である。レンズ４は、遠位端１６が前側焦点面１４に位置するようになっている。
【００８２】
レンズ４は、図８に示すように、光ファイバ２に接続されたエンドキャップ８１上に形成することができ、エンドキャップ８１は、二酸化炭素レーザまたはダイヤモンド旋削によって成形することができる。エンドキャップは空気表面へのガラスにおける光学的損傷を防止するために、高出力レーザビームを送達するために使用されるファイバの端部にしばしばスプライスされる。レンズ４およびエンドキャップ８１の長さ８２は、エンドキャップ８１のガラス材料中のフロント焦点面１４がエンドキャップ８１のフロント面８３にあるようなものである。端部キャップ８１は、シリカで作られることが好ましい。
【００８３】
図１に示す光ファイバ２には、エンドキャップが嵌め込まれていることが好ましく、シリカエンドキャップの屈折率は約１．５であり、遠位端１６がレンズ４の前側焦点面１４にあることを確実にするために、レンズ４を光ファイバ２に近づけて補償しなければならない。
【００８４】
図９は、コア９２およびクラッド９３を有する屈折率分布光ファイバ９１から作られたレンズ４を示す。コア９２は、半径９５によって変化する屈折率プロファイル９４を有する。屈折率プロファイル９４は、好ましくは放物線プロファイルである。このようなファイバはリフォーカシング長ＬＲ９７の後、その前面に画像を再集束し、ここで、再集束された画像が反転される。リフォーカシング長ＬＲ９７は、ピッチの始めの画像がリフォーミングされるピッチ長さの半分である。グレーデッドインデックス光ファイバ９１の長さ９６は、リフォーカシング長９７の半分、またはリフォーカシング長９７の半分の奇数整数に等しいことが好ましい。すなわち、長さ９６は、０．５ＬＲ、１．５ＬＲ、２．５ＬＲ、３．５ＬＲなどとすることができる。
【００８５】
次いで、前方焦点面１４は屈折率分布光ファイバ９１の前面８８にあり、後方焦点面１５は、屈折率分布光ファイバ９１の後面８９にある。好ましくは、高出力レーザビームによって引き起こされる光学的損傷を防止するために、エンドキャップ９８がグレーデッドインデックス光ファイバ９１に接合される。エンドキャップ９８は、好ましくは溶融シリカである。エンドキャップ９８の長さ９９は、１ｍｍから５ｍｍの間とすることができる。
【００８６】
図９に示される装置は、約０．４ｍｍの長さ９６を有するグレーデッド・インデックス・ファイバを使用して作製された。モード４１〜４６は、図５および図１０に示す回折よりも速く回折した。レーザビーム１３のより大きな発散３６は、再度図６を参照すると、負レンズ６１がビームを合理的な大きさの結像レンズ系と適合させるためにもはや必要とされなかったことを意味する。
【００８７】
図１１は、レーザ放射１３を有する材料をレーザ加工する従来技術の装置を示す。図１１の装置はレンズ４を含まない。コリメートレンズ５１および集光レンズ５３は、光ファイバ２の遠位端１６におけるレーザ放射１３のニアフィールドプロファイル１１、１を結像し、
焦点３４に強度プロファイル１、１２を形成する。強度プロファイル１１２は、ニアフィールドプロファイル１１１の画像である。したがって、ニアフィールドプロファイル１、１１が図示のようにトップハット分布である場合、ニアフィールドプロファイル１、１２もトップハット分布である。焦点３４の両側には、ファーフィールド分布１  １３があり、これはよりガウス的に見える。焦点３４におけるトップハット分布は、切断および溶接のような特定の用途において有利であり得る。しかしながら、切断用途では、材料をピアシングするために、焦点３４においてより鋭い磁場分布を有することがしばしば好ましい。
【００８８】
光輝金属の切断において、一般的な手順は、集束された高強度レーザビームを用いて材料１１をピアシングし、いったんピアシングが達成されると、焦点を外れて、材料１１の切断に広いスポットサイズを使用することである。中心に高いピーク強度を有するレーザビームプロファイルが、材料１１をピアシングする速度を最小にするために望ましい。切断のためには、より均一なトップハットプロファイルがきれいな切断を達成するために望ましい。マルチモードファイバに沿って伝搬する多くの光学モードを含む十分に均質化されたレーザビームはニアフィールドでは、トップハットプロファイルを有し、ファーフィールドではより尖ったプロファイルを有する。したがって、光ファイバ２の遠位端１６から放射されるレーザ放射１３のファーフィールドプロファイルを材料１１上に集束させ、焦点から遠いニアフィールドプロファイルに近づける能力は、この処理のためにはるかに望ましい特性を有するレーザビームを生成する。
【００８９】
トップハット分布は、光ファイバ２を圧搾するために圧搾力１２を加えることによって、図１の装置において得ることができる。以下に説明するように、圧搾力が比較的穏やかである場合、個々のモードは互いに結合される。圧搾力１２が増大すると、ますます多くのモードが互いに結合し、トップハット分布を得ることができる。
【００９０】
図１２は、図１の装置１を示すが、レンズ４を所定の位置に配置した状態である。レンズ４は、グレーデッド・インデックス・ファイバ９１として実現される。図１、図６、図７および図８を参照して説明したレンズを含む、レンズ４の他の形態も可能である。ニアフィールドプロファイル１１１は、レンズ４の後方フォーカルプレーン１５において、ファーフィールドプロファイル１２１に変換されている。コリメートレンズ５１およびフォーカスレンズ５３はファーフィールドプロファイル１２１を結像し、フォーカス３４でファーフィールドプロファイル１２２を形成する。焦点３４の両側にニアフィールドプロファイル１２３がある。
【００９１】
ニアフィールドプロファイル１、１１がトップハット分布である場合、ファーフィールドプロファイル１２２はよりガウス的であり、したがって、切断アプリケーションの間に材料をピアシングするのにより有用である。一旦ピアシングされると、ニアフィールドプロファイル１２３は、材料を切断するために使用され得る。図１を参照すると、材料１１は、厚さ１２４を有することができる。厚さ１２４は、１ｍｍ〜２５ｍｍ、またはそれより大きくてもよい。焦点３４が材料１１内にあるように配置することにより、材料１１のピアシングが容易になる。一旦ピアシングされると、材料１１は、材料１１の表面１７上に投影されるファーフィールドプロファイル１２３を使用して切断され得る。
【００９２】
再び、図１を参照すると、圧搾機構３は、図１３に示される圧搾機構１３０であってもよく、圧搾機構１３０は、光ファイバ２がピッチ７でその長さに沿って周期的に曲げられるように、位相がずれて配置される第１の周期表面１３１および第２の周期表面１３２を備える。ピッチ７は均一であってもよいし、図示のようにチャープされていてもよい。チャープは、単調であっても非単調であってもよい。
【００９３】
圧搾機構３は図１３に示す圧搾機構１４０であってもよい。第１の周期表面１３１および第２の周期表面１３２が、光ファイバ２を実質的に曲げることなくピッチ７で周期的に光ファイバ２を圧搾するように、互いに同相で配置されている。光ファイバ２は、その長さに沿ってピッチ７と共に周期的に変化する圧搾圧力を有する。ピッチ７は均一であってもよいし、図示のようにチャープされていてもよい。チャープは、単調であっても非単調であってもよい。
【００９４】
図１５は、互いに対して直角１５４で配置された４つの部分１５１を備える圧搾機構１５０を示す。第１および第２の周期表面１３１、１３２は互いに位相がずれていてもよく、この場合、光ファイバ２はその長さに沿って周期的に曲げられる。直交部１５１の第１周期表面１３１の相対位相がずれていれば、光ファイバ２を螺旋状に変形させることができる。
【００９５】
あるいは各部品１５１の第１および第２の周期表面１３１、１３２は互いに同相であってもよく、この場合、光ファイバ２はその長さに沿って周期的に加圧される。
【００９６】
図１６は、互いに対して１２０度に配置された３つの部分１５１を有する圧搾機構１６０を示す。各機構１５０は、第１周期表面１３１を有する。第１の周期表面１３１はそれらの長さに沿って、互いに空間的に１２０度位相がずれるように配置されてもよく、その場合、光ファイバ２は螺旋に歪められる。あるいは、第１の周期表面１３１がそれらの長さに沿って互いに同相になるように配置されてもよく、その場合、光ファイバ２はその長さに沿って周期的に加圧される。
【００９７】
図１７は、図１８を参照して示した２つの周期表面１７１、１７２を有する３つの部分１７５からなる圧搾機構１７０を示しており、これらの部分１７５は、互いに対して１２０度の角度で配置されている。周期表面１７１および１７２は、その長さに沿って互いに空間的に１２０度位相がずれており、したがって、光ファイバ２は、実質的に螺旋状に変形される。
【００９８】
図１を参照すると、第１光学モード２１はβ１／ｋの有効屈折率を有し、第２光学モード２２はβ２／ｋの有効屈折率を有し、ここで、β１およびβ２は、それぞれ、第１光学モード２１および第２光学モード２２の伝搬定数であり、ｋは、ｋ＝２π／λによってレーザ放射１３の波長ｌ５に関連する波数である。
【００９９】
伝搬定数Δβ＝β１−β２の差を考慮することが有用である。図１を参照して示された圧搾機構３が第１光モード２１を第２光モード２２に結合するためには、Δβ／２πに等しいその長さに沿って光ファイバ２の歪みに空間周波数成分が存在することが要求される。これは、周期性（ピッチ７の逆数として定義される）がΔβ／２πに等しいか、または周期性の高調波がΔβ／２πに等しい場合に生じる。しかし、光学モードと比較して、光ファイバ２の摂動の対称性を考慮することも重要である。
【０１００】
ｐがゼロでない場合、光ファイバ２のコアによって導波される各ＬＰｐ，ｑモードに対する電場の方位依存性は、次式で表すことができる。
Ｅ（ｒ，θ）＝Ｅ（ｒ）．ｃｏｓ（ｐθ）
Ｅ（ｒ，θ）＝Ｅ（ｒ）．ｓｉｎ（ｐθ）
ここで、Ｅ（ｒ）は電界の半径方向依存性である。
【０１０１】
図１３を参照して説明したように、光ファイバ２がその長さ方向に沿って線形正弦波偏向を有するとき、対称性の考慮事項によって、ｃｏｓ（ｐθ）およびｓｉｎ（ｐθ）方位のうちの１つのみが、ピッチ７が２π／Δβに等しいときに結合される。より一般的には、コア３１によって導かれるＬＰ０１モードが、ｐが奇数の整数である場合、ピッチ７が２π／（βＡ−βＢ）に等しい場合、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、βＡおよびβＢは互いに結合される光モードの伝搬定数である。しかし、ＬＰ１１モードへの結合は正弦たわみに有意な高調波がない限り、最も強くなる。ｐが偶数の整数である場合、摂動の対称性は不正確である。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、リニア圧搾機構はＬＰ０１モードをＬＰ０ｑモードに結合しない。
【０１０２】
図１４を参照して説明したように、周期表面６がその長さに沿って周期的に圧縮される場合、モード結合は光弾性効果によって誘起される。対称性を考慮すると、ＬＰ０１モードは、対称性が不正確であるため、ＬＰ１１モードに結合しない。しかしながら、ＬＰ０１モードは、ＬＰ２１モードに結合することができ、より一般的には、ピッチ７が２π／（βＡ−βＢ）に等しい場合、ｐ＝２、４、８などのＬＰｐ，ｑモードに結合することができ、ここで、βＡおよびβＢは一緒に結合される光モードの伝搬定数である。
【０１０３】
図１５〜１８を参照して説明したように、光ファイバ２がらせん歪みを有する場合、
対称性の引数によって、ＬＰ０１モードは、ピッチ７が２π／Δβに等しく、ｐが奇数の整数であるとき、ｃｏｓ（ｐθ）およびｓｉｎ（ｐθ）の両方の向きでＬＰｐ，ｑモードに結合することができる。ただし、ｐが偶数の整数であったり、ＬＰ０ｑモードであったりしても結合されない。したがって、図１５〜１８に示す圧搾機構によって提供されるモード結合の量は、図１３に示すリニア圧搾機構の場合よりも少なくとも２倍である。
【０１０４】
したがって、光ファイバ２が螺旋状に摂動される図１５ないし図１８を参照して説明された螺旋圧搾機構は、図１３を参照して示されたリニア圧搾機構よりもモードの方位を一緒に結合するという点で有利であり、更に、圧搾力１２、したがって結合を提供するために必要な光ファイバ２の最大たわみがより少なく、その結果、光ファイバ２に加えられる応力がより少なくなり、したがって、信頼性がより高くなる。
【０１０５】
実験的には、光ファイバ２が１ニュートン（Ｎ）未満の引っ張り力で、図１７に示すような螺旋状の圧搾機構から引っ張ることができることが観察されている。これは、図１３に示すようなリニア圧搾機構から光ファイバ２を引っ張るのに必要な引っ張り力よりも実質的に小さく、螺旋およびリニア圧搾機構は光ファイバ２に同様のレベルのモード結合を誘起する。したがって、螺旋圧搾機構内の光ファイバ２には、より少ない圧搾力１２が適用されており、より大きな機械的信頼性を意味する。
【０１０６】
コア３１は、好ましくはその半径にわたって屈折率リップルを伴わない均一な屈折率プロファイルを有する。光ファイバ２は、ステップインデックスファイバ、またはグレーデッドインデックスコアを有する光ファイバのいずれかであることが好ましい。これは、圧搾機構３を用いてファイバ２内の個々のモードまたはモードのグループを選択的に励起するのに役立つ。また、これは、光ファイバ２の堅牢な単一モード励起を可能にするスプライス１０におけるテーパ形成の間、モード形状を維持するのに役立つ。
【０１０７】
図２を参照すると、光ファイバ２は、５０ｐｍのコア直径１８、０．２２開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）、および、２５０ｐｍから５００ｐｍの間のガラスクラッド直径１９を有することができる。
【０１０８】
好ましくは、ガラスクラッド直径１９とコア直径１８との比率が、光学モード間のマイクロベンディングおよび制御不能な結合を回避するために、少なくとも５であり、より好ましくは少なくとも１０である。
【０１０９】
表１は、周期７が光ファイバの長さに沿って変化しない５０μｍ、０．２２開口数ステップ屈折率光ファイバにおいて、異なるＬＰｐ，ｑ光モード間で効率的に結合するように計算された周期７を示す。ＬＰ０，１モードとＬＰ１，１モードとの間で効率的に結合するために、ピッチ７は７．９ｍｍである必要があることが分かる。これらのモードは、ピッチ７で光ファイバ２を曲げる圧搾機構３を用いて互いに結合する。ＬＰ１，１モードは、第１の機構３と光ファイバ２の遠位端１６との間に配置された第２の機構１２９を使用してＬＰ２，１モードに結合することができる。必要なピッチ７は６．０ｍｍである。両方の場合において、それぞれの圧搾機構３、１２９の圧搾力１２は、光学モード間のモード結合の所望の量を得るために調整され得る。特に、９５％を超える結合効率で単一の高次数モードに結合することが可能である。さらに高次のモードに結合するためには、第３および場合によっては第４の圧搾機構３が必要であるか、または、光ファイバ２のほぼ正弦波の摂動で空間高調波を発生させるために、圧搾力１２を増加させなければならない。そのような圧搾力はかなりの量のモード結合をもたらすことができ、その結果、トップハット出力プロファイルを有する光ファイバ２の遠位端１６におけるレーザ放射１３をもたらすことができる。
【表１】
2021511967.tif 000003
表１：光ＬＰｐ，ｑモード間のカップリングの周期
【０１１０】
代替的にまたは追加的に、圧搾機構３の少なくとも１つは、可変であり、圧搾機構３の長さ８に沿ってチャープされる周期７を有することができる。表１に下線が付されている結合長を使用してモード間で電力を伝達するために、圧搾機構３の周期７は、その入力端（レーザ１に最も近い端）で少なくとも７．９ｍ、その出力端（遠位端１６に最も近い端）で２．９ｍｍ以下まで変化する周期７を有するべきである。
【０１１１】
実験では、光ファイバ２が５０μｍのコア直径と０．２２開口数を有していた。入力端における圧搾機構３の周期７、すなわちレーザ１からレーザ放射１３を受けた圧搾機構３の端部は、８ｍｍの周期を有していた。また、その出力端における周期７は、レーザ１から受け取ったレーザ放射１３を出力する端部が２．５ｍｍであった。図１９に示すように、圧搾力１２を調整することによって、ＬＰ０１モードとＬＰ７，１モードとの間のモード結合を調整することが可能であった。光ファイバ２から放射されたレーザ放射１３の断面は明らかにその方位角の周りに１４個の高強度ローブを有し、ＬＰ７，１モードの強い存在を示していた。ゼロ圧搾力から始まる圧搾力１２を増大させることによって、圧搾機構３は、ＬＰ１１（図示せず）、ＬＰ２，１、ＬＰ３，１、ＬＰ４，１、ＬＰ５，１（図示せず）、ＬＰ６，１、およびＬＰ７，１光学モードを順次出力することができた。各モードの変換効率は約９０％〜１００％に同調できた。本発明の範囲を限定することなく、ＬＰ０１モードは、ＬＰ１１、ＬＰ２，１、ＬＰ３，１、ＬＰ４，１、ＬＰ５，１、ＬＰ６，１、次いでＬＰ７，１光学モードに順に結合されると考えられる。圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、先行するモードのいずれも、光ファイバ２の遠位端１６に現れるように調整することができる。異なるＭ２値、モードプロファイル、および発散は、各個々のモードに関連付けられた。必要とされる圧搾力１２は反復可能であり、ほぼ線形であった。圧搾機構３が反転されたとき、すなわち、２．９ｍｍピッチが圧搾機構３の入力端に配向されたとき、モード結合のこのカスケード接続された性質は見られなかった。
【０１１２】
図１を参照して示されるように、長周期グレーティング１２７は、第１の圧搾機構３に任意選択的に従うことができる。長周期グレーティング１２７はその長さ８に沿って均一である周期７を有することができ、またはその長さ８に沿ってチャープされる周期７を有することができる。長周期グレーティング１２７は、光ファイバブラッググレーティングを含むことができる。代替的にまたは追加的に、長周期グレーティング１２７は、図１に示すような第２の圧搾機構１２９を含むことができる。
【０１１３】
実験において、第２の圧搾機構１２９のピッチ７は、その長さ８に沿ってチャープされた可変ピッチを有していた。圧搾機構１２９の入力端、すなわち第１の圧搾機構３からレーザ放射１３を受け取る端の周期７は、４．４ｍｍの周期７を有していた。また、その出力端における周期７は、レーザ光１３を光ファイバ２の先端部１６に通す端が４．０ｍｍであった。ＬＰ０，１モードを、第１の圧搾機構３を用いて上述したカスケード方式でＬＰ４，１モードに結びつけることができた。
その後、第２の圧搾機構１２９を用いてＬＰ４，１モードをＬＰ３，２モードに結合する。
ＬＰ３，２モードは、ｃｏｓ２（６０）またはｓｉｎ２（６０）方位依存性を有する高い光強度の２つのリングを有する。ＬＰ３，２モードは、ＬＰ３，１モードよりもその中心付近で高い光強度を有する。同様に、ＬＰ０，１モードを第１の圧搾機構３を用いて上述のカスケード方式でＬＰ７，１モードに結合し、次にＬＰ７，１モードをＬＰ５，３モードに結合することが可能であった。ＬＰ５，３モードは、ｃｏｓ２（１０θ）またはｓｉｎ２（１０θ）方位依存性の高い光強度の三つの環を持つ。ＬＰ５，３モードはＬＰ５，１モードよりも中心付近で光強度が高い。実験は、この装置が一連の環モードプロファイルとともに、光ファイバ２からガウス基本ＬＰ０，１モードを出力することを可能にすることを実証した。モードは、個別にまたは組み合わせて存在することができる。装置は、個々のモード、および各環状厚さを有する環状プロファイルを形成するために組み合わせることができる光学モードの組み合わせを出力するために使用することができる。トップハット（フラットトップとしても知られる）プロファイルは、モード結合を増加させるために、第１の圧搾機構３および／または第２の圧搾機構１２９に対する圧搾力１２を増加させることによっても生成され得る。この技術はロバストであり、予測可能である。
【０１１４】
図１の第２の圧搾機構１２９は、その長さ８に沿ってチャープされる周期７を有することができる。実験において、第１の圧搾機構３からのレーザ放射を受け取るその入力端における圧搾機構３の周期７は、３．５ｍｍの周期を有していた。第１圧搾機構３から受け取ったレーザ放射１３を出力するその出力端における周期７は２．０ｍｍであった。第１および第２の圧搾機構３、１２９の圧搾力１２を調整することによって、ＬＰ０，１基本モードを大きなモードの組に結合することが可能であった。モードがほぼ均一に励起される場合、モードは、コア３１を横切ってほぼ均一である５μｍコアファイバからの出力プロファイルを生成する。圧搾力１２を調整することにより、予測可能な異なるビーム品質Ｍ２値を得ることができた。特に、光ファイバ２の遠位端１６においてレーザ放射１３のトップハットプロファイルを達成することが可能であった。得られたＭ２値は、圧搾力１２に対してほぼ線形である。
【０１１５】
図２０は、基本ＬＰ０，１モード２０１およびＬＰ３，１モード２０４のモードプロファイルが、図１のレンズ４が所定の位置にないときに、軸２０９に沿ってビームウエスト３４に焦点が合わされると、どのように進展するかを示す。基本モード２０１およびＬＰ３，１モード２０４は、ビームウエスト３４から離れた異なる速度で回折する。基本モード２０１のビーム直径２０７とＬＰ３，１モードのビーム直径２０８は、ニアフィールドであるビームウエスト３４でほぼ等しい。ビーム直径２０７は、ファーフィールドにおけるビームウエスト３４から離れたビーム直径２０８よりも小さい。基本ＬＰ０，１モード２０１はファーフィールド２０３およびニアフィールド２０２を有し、これらは両方ともほぼガウス分布である。同様に、ＬＰ３，１モード２０４は、そのニアフィールド２０５と同様のプロファイルを有するファーフィールド２０６を有する。ニアフィールド２０２および２０５は図３を参照して示されたほぼ同じビームウエスト直径３５を有し、ＬＰ３，１モード２０４のファーフィールド２０６は、基本モード２０１のファーフィールド２０３を取り囲む環状リング内にある。ＬＰ３，１モードと同じモード次数の高次数モードも実質的に同じ環状リングでビームウエストから回折する。ＬＰ７，１モードのような、より大きなモード次数を有する高次数モードは、より高い発散角３６で回折し、それらのファーフィールドは実質的に、より低いモード次数を有するモードのファーフィールドの環状リングを取り囲む環状リング内にある。導波モードが全て実質的に同じ光パワーを有する場合、モードの集合体はそれらのビーム直径３９がほぼ等しい位置で光パワーのほぼトップハット分布を形成し、ビームウエスト３４からのレイリー長２１７よりも遠い距離でほぼガウス分布を形成する。
【０１１６】
図３を参照すると、ＬＰ３，１モード２０４のようなリングモードは、ニアフィールドおよびファーフィールドの両方においてリングプロファイルを有することが分かる。リングモードは、フォーカスを通してリング形状のプロファイルを維持する。したがって、装置が個々のリングモードを選択するように操作される場合、このリングモードはビームウエスト３４を通して維持されることになる。同様に、装置が個々のリングモードのアンサンブルを選択するように動作される場合、これらのリングモードはビームウエスト３４を通して維持される。
【０１１７】
軸２０９に沿った距離ｚの機能としてガウスビーム半径ω（ｚ）を記述する方程式は、次のように書くことができる。
【数１】
2021511967.tif 000004
ここで、ω０はビームウエスト３４におけるビーム半径であり、ｚＲはレイリー長である。図３を参照して説明したビームウエスト３４におけるビームウエスト直径３５は２ω０に等しい。レイリー長ｚＲは、ガウスビーム半径ω（ｚ）がビームウエスト３４におけるガウスビーム半径ω０から２の平方根の倍数だけ増加する、軸２０９に沿った距離に対応する。ビーム品質Ｍ２値３７、ビームウエスト直径３５が２ω０、波長５がＡであるレーザビームのレイリー長ｚＲは、次式で与えられる。
【数２】
2021511967.tif 000005
【０１１８】
基本ＬＰ０，１モードのレイリー長２１７を図２０に示す。高次数モードはより高いビーム品質Ｍ２値３７を有し、したがって、より短いレイリー長を有する。したがって、より高次のモードは、基本ＬＰ０，１モードと比較してより速い速度で回折する。
【０１１９】
図２１〜図２４は、ＬＰ０，１モード４１、ＬＰ２，１モード４２、ＬＰ４，ｌモード４３、ＬＰ６，１モード４４、ＬＰ８，１モード４５、およびＬＰ１０，１モード４６について、図１に示す集束レンズ５３からの距離によってビーム径３９がどのように変化するかを示している。図１に示すコリメートレンズ５１は焦点距離が１００ｍｍであり、焦点レンズ５３は、焦点距離が２００ｍｍである。モード４１〜４６は、それぞれ、光ファイバ２の遠位端１６から出て行くにつれて、ウエスト直径３５  ２ω０＝６６ｐｍを有すると仮定される。
波長は１．０６ミクロンであると仮定した。
ビーム品質Ｍ２値＝１を仮定した基本ＬＰ０，１モードのレイリー長２１７はＺＲ＝３．２ｍｍである。
【０１２０】
図２１は、図１に示すレンズ４が存在しない場合を示す。図３を参照して議論したように、モード４１〜４６はそれぞれ、実質的に同じビームウエスト直径３５、および光学モード４１〜４６のモード次数とともに増加する発散角３６を有する。したがって、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、所望のビーム発散３６を選択することができる。
【０１２１】
ビーム直径３９は全てビームウエスト３４において互いに等しく、ビームウエスト３４から離れて互いに等しくない。第１の圧搾機構３の圧搾力１２および第２の圧搾機構１２９の圧搾力１２は、図１を参照して示されるニアフィールド強度プロファイル１、１２は、ビームウエスト３４においてトップハット分布に近似するように、光ファイバのより多くのガイドされたモードを励起するように調節することができる。図１１を参照して説明したように、ファーフィールド分布１１３は次に、ガウス分布に近似することになる。
【０１２２】
図２２および図２３は、図１に示すレンズ４が４００ミクロンの焦点距離を有し、光ファイバ２の遠位端１６がレンズ４の前側焦点面１４にある場合を示す。モード４１〜４６はそれぞれ、実質的に同じ発散角３６を有するが、異なるビームウエスト直径３５を有する。したがって、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、所望のビームウエスト直径３５を選択することができる。
【０１２３】
ビーム直径３９は、全てビームウエスト３４から離れて互いに等しく、ビームウエスト３４で各々に等しい。したがって、図１２を参照して説明されるように、第１の圧搾機構３の圧搾力１２および第２の圧搾機構１２９の圧搾力１２は、図２２および２３におけるビームウエスト３４から離れた強度プロファイル１２３が、トップハット分布に近似するように、および、図２２および２３におけるビームウエスト３４における強度プロファイル１２２がガウス分布に近似するように調整され得る。
【０１２４】
図２４は、図１に示すレンズ４が８００ミクロンの焦点距離を有し、光ファイバ２の遠位端１６とレンズ４とが１．６ｍｍの光学距離だけ離れている場合を示す。各モード４１〜４６に対するビームウエスト直径３５およびビーム発散３６の両方が互いに異なる。したがって、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、所望のビームウエスト直径３５およびビーム発散３６を選択することができる。各ビームウエスト直径３５とビーム発散３６の各組合せは、レンズ４と、光ファイバ２の遠位端１６に対するその配置とを選択することによって達成することができる。
【０１２５】
驚くべきことに、個々の光学モード４１〜４６のビームウエスト直径３５は、集束レンズ５２から同じ距離では発生しない。ビーム直径３９は、全て、集束レンズ５２からの距離２４１におけるビーム直径２４２に等しい。したがって、図１２を参照して説明したように、第１の圧搾機構３の圧搾力１２および第２の圧搾機構１２９の圧搾力１２は、距離２４１における強度プロファイル１２３がトップハット分布に近づくように調整することができる。距離２４１から離れた強度プロファイル１２２は、その中心で強度が減少したガウス分布に似ている。
【０１２６】
図２５は、図１に示すレンズ４が８００ミクロンの焦点距離を有し、光ファイバ２の遠位端１６とレンズ４とが４００ミクロンの光学距離だけ離れている場合を示す。したがって、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、所望のビームウエスト直径３５およびビーム発散３６を選択することができる。各ビームウエスト直径３５とビーム発散３６の各組合せは、レンズ４と、光ファイバ２の遠位端１６に対するその配置とを選択することによって達成することができる。
【０１２７】
驚くべきことに、個々の光学モード４１〜４６のビームウエスト直径３５は、集束レンズ５２から同じ距離では発生しない。モード４１〜４６の各々について、図３に関して定義されたビームウエスト直径３５は互いに異なり、フォーカシングレンズ５２から同じ距離では発生しない。ビーム直径３９は、全て、集束レンズ５２からの距離２５１におけるビーム直径２５２に等しい。したがって、図１２を参照して説明したように、第１の圧搾機構３の圧搾力１２および第２の圧搾機構１２９の圧搾力１２は、距離２５１における強度プロファイル１２３がトップハット分布に近づくように調整することができる。距離２５１から離れた強度プロファイル１２２は、その中心で強度が減少したガウス分布に似ている。
【０１２８】
図２１〜図２５の種々の光学モードのビームウエスト直径３５を比較すると、レンズ４を含めることにより、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することにより、種々のビームウエスト直径３５を選択することが可能であることが明らかになる。レンズ４は、好ましくは光ファイバ２の遠位端１６から２つのレイリー長２１７内に配置される。より好ましくは、レンズ４が１つのレイリー長２１７内に配置される。さらにより好ましくは、レイリー長２１７の半分以内である。
【０１２９】
図２１〜図２５を参照して説明した圧搾力１２は、個々の光学モード４１〜４６、または光学モード４１〜４６の併用を選択するように調整することができる。
【０１３０】
圧搾力１２は、個々の光学モード４１〜４６、光学モード４１〜４６の組み合わせ、または個々の光学モード４１〜４６と光学モード４１〜４６の組み合わせとの間で切り替えるように調整することができる。
【０１３１】
図１〜図２５を参照して説明した装置は、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって、所望のビームウエスト直径３５および所望の発散角３６の少なくとも１つを選択することができるように構成することができる。図２１に示すように、レンズ４が存在しない場合、図１の装置は、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって所望の発散角３６を選択するように構成することができる。図２２および図２３に示すように、レンズ４が図１の装置に含まれ、光ファイバ２の遠位端１６がレンズ４の前側焦点面１４にあるように配置される場合、装置は、第１の圧搾機構３の圧搾力１２を調整することによって所望のビームウエスト直径３５を選択するように構成することができる。第２の圧搾機構１２９を含めることにより、さらに大きな選択度が可能になる。より高いモード結合は、第２の圧搾機構１２９の圧搾力１２を制御することによって達成することができ、したがって、基本モード４１のビームウエスト３４を通って集束レンズ５３から任意の距離で、および、ビームウエスト３４を越えた距離で、トップハットプロファイル、または環状またはリングプロファイルに近似する強度分布を可能にする。
【０１３２】
再び、図１を参照すると、圧搾機構３は、少なくとも１つのアクチュエータ５５を含むことができる。アクチュエータ５５は、電気モータおよび／または電磁石を含んでもよい。アクチュエータ５５は、ラチェットを備えることができる。電気信号の印加を使用して、アクチュエータ５５を介して圧搾力１２を供給することができる。また、アクチュエータ５５は光学モードまたは複数のモードの強度の方位角方向の平均化を生じさせるために、圧搾機構３を振動させるために使用されてもよい。
【０１３３】
装置はアクチュエータ５５を制御し、それによって圧搾力１２を制御するための制御部７５を含んでもよい。制御部７５は、材料パラメータに関する情報を含む記憶装置７６を含むことができる。好ましくは、記憶装置７６が材料１１のパラメータに応じてアクチュエータ３１を駆動する信号が選択されることを可能にする情報を含む。パラメータは、材料１１のタイプおよびその厚さ１２４を含むことができる。これは、レーザ放射１３の発散３６および集束レーザ放射１３のビームウエスト直径３５がアクチュエータ５５への信号を制御することによって制御されることを可能にするので、本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１を、処理される材料に応じて、広範囲のレーザ加工パラメータにわたって自動的に調整することができる。
【０１３４】
したがって、本発明の装置は、レーザ放射１３を、基本ガウスモード、個々の高次数モードの個々のまたは組み合わせ、および複数の光学モードを含むトップハット分布の間で切り替えるために使用することができる。更に、光ファイバの遠位端部１６におけるレーザ放射線１３のファーフィールドをレンズ４で結像させることによって、レーザ放射線１３を異なるビームウエスト直径３５を有する光学モード間で切り替えることが可能になる。ＬＰ５，１またはＬＰ９，１モードのような強度の方位角変化を有するリングモードを材料１１上に確実に画像化する能力は、材料１１の切断および溶接において重要な利点を提供する。このようなモードは、特定の材料との新規かつ興味深い相互作用を有する。例えば、個々のモードまたは個々のモードのアンサンブルを選択することにより、ピアシング速度、切削速度、およびエッジ品質の併用を最適化することが可能である。最適化プロセスは、集束レンズ５３に対する材料１１の相対位置を最適化することを含むことができる。ビームウエスト３４は、材料１１の表面１７上、材料１１内、または集束レンズ５３から材料１１の反対側に、材料１１と集束レンズ５３との間に配置することができる。興味深いことに、光学モードの異なるものは、ピアシング、切断速度、およびエッジ品質に最適な結果を提供する。最適な選択は、異なる材料および材料の厚さに対して異なり得る。
【０１３５】
一例として、材料１１が主な処理の前に前処理されるものがある。図２６はシリコンのような材料を予熱するために使用されるリングモード２２５を示し、材料吸収は温度と共に増加する。図２６は、リングモード２２５からの照射下のワークピース２２０の温度プロファイル２２１を示す。温度プロファイル２２１は環の内側で均一であり、その結果、照射領域の中心における誘起された応力が低減される。次いで、本発明の装置は図２７に示すように、レーザ放射１３を基本ＬＰ０，１モード２３５に切り替えるために使用される。基本モード２３４のスポットサイズ２３２は、リングモード２２５のスポットサイズ２２２よりも小さくなるように配置される。図４および図５を参照して説明したように、これは、光ファイバ２の遠位端１６上のレンズ４を使用することによって達成することができる。その結果、ワークピース２２０は、予熱工程を伴わない場合よりも、より正確に且つより少ない損傷で処理することができる。例示的なプロセスには、半導体回路における切断、ドリル加工、または切断もしくはリンクの形成が含まれる。
【０１３６】
本発明の装置は材料をピアシング、切断、溶接、ドリル、焼結、マーク、または彫刻するために、レーザ放射１３の光スポットサイズおよび発散を提供するために使用することができる。この装置はレーザ放射１３の特性を監視するための監視装置を有することができ、したがって、アクチュエータ３１を制御して必要なプロセスパラメータを与えることができる。
【０１３７】
添付の図面を参照して上述された本発明の実施形態は単に例として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が提供されてもよいことが理解されるべきである。
【０１３８】
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発明のすべての態様において使用されてもよい。また、本発明は、単独で、または任意の併用で、上述および／または示された個々の構成要素に及ぶ。
【図１】
2021511967.tif 000006
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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