(57)【要約】  本発明は、レーザ処理装置及びそのような装置を含むワークステーションに関する。レーザ処理装置は、ファイバの自由端部（５’）から成形されてビーム集束エンドピースで終端する光ファイバを含むレーザヘッドを一体に備える。装置（１）は、集束エンドピース（６）は軸を中心に回転対称であり、所与の寸法の実質的に半楕円形の凸曲線によって外部的に確定される形状を有すること、および、集束エンドピース（６）の端（６’）と作業領域（９）との間の距離ｄと、エンドピース（６）の幾何学形状および位置決めが、レーザヘッド（２）が、波長λの大きさのオーダーの作業領域（９）における直径を有する光子ジェットの形で、わずかに発散しかつ集束するレーザビームを生成するようにされることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ処理装置であって、
一方では、レーザ源により、および少なくとも１つのシースで囲まれたコアによって形成された光ファイバにより電力を供給され得る、およびされることが意図された射出モジュールにより本質的に構成され、前記射出モジュールに接続され、ビーム集束エンドピースで終端するレーザヘッドと、他方では、前記レーザヘッドによって処理される少なくとも１つの領域、または作業領域を含む部品、品目もしくは材料のための支持システムとを備え、
相互に連動して位置決めおよび移動することができるように制御される、前記集束エンドピース及び部品、品目または材料であって、
前記装置（１）であって、
ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピース（６）が光ファイバ（５）と一体に形成され、前記光ファイバ（５）の自由端部（５’）の前記成形された部品が、その端部の反対側で前記射出モジュール（３）に接続され、
集束エンドピース（６）が回転軸対称性を有し、前記光ファイバ（５）の前記自由端部（５’）の中央軸または対称軸（ＡＭ）を含む平面に沿った断面で見た場合、ａ＝ＤＣ／２を満たす中央軸（ＡＭ）に垂直に延びる第１のハーフ軸ａと、ＤＣ／４≦ｂ≦２ＤＣ／３であり、１０００λ≧ＤＣ≧４０λ（ここで、ＤＣは光ファイバ（５）のコア（１０）の直径であり、λは注入されたレーザ放射の波長である）を満たす中央軸に整列した第２のハーフ軸ｂとを有する実質的に半楕円形の凸曲線によって外向きに画定された形状とを有し、および、
集束エンドピース（６）端（６’）と作業領域（９）との間の距離ｄが５ＤＣ≧ｄ≧５０λを満たし、レーザヘッド（２）が、波長λの大きさのオーダーの作業領域（９）における直径Ｄｊを有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビーム（１１）を生成するように、前記エンドピース（６）の幾何形状および位置決めがされることを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ処理装置であって、前記集束エンドピース（６）の外形は、以下の式のように有理ベジェ曲線Ｚ（Ｒ）によってパラメトリックに画定され、
【数１】
2018521859.tif 000007
ここで、ｔは０から１まで変化し、ベジエ曲線ｗ０の重みは０．４≦ｗ０≦０．７５、有利には０．４≦ｗ０≦０．５、好ましくはｗ０＝０．４５を満たし、制御点Ｐ０、Ｐ１およびＰ２は、
【数２】
2018521859.tif 000008
、および
【数３】
2018521859.tif 000009
で表されることを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項３】
前記光ファイバ（５）は、マルチモード型であり、好ましくは機械的シース（１０”）で囲まれた二重光学シース（１０’）を有し、または半透明の機械的鞘を有するファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ処理装置。
【請求項４】
前記ファイバ（５）は、好ましくは円形断面および最小曲げ半径で少なくとも２０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍまで曲げることを可能にする、可撓性構造を有する円筒形状であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項５】
１００λ≧ＤＣ≧４０λ、λ２≧Ｄｊ≧５λを満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項６】
前記第２のハーフ軸（ｂ）は、ＤＣ／４≦ｂ≦２ＤＣ／３かつｂ≠ＤＣ／２を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項７】
前記第２のハーフ軸（ｂ）は、ＤＣ／４≦ｂ≦ＤＣ／２を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項８】
前記第２のハーフ軸（ｂ）は、ＤＣ／４≦ｂ＜ＤＣ／２を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項９】
前記第２のハーフ軸（ｂ）は、ＤＣ／２≦ｂ≦２ＤＣ／３を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項１０】
前記光ファイバ（５）は、前記コア（１０）と前記コア（１０）を取り囲む前記シース（１０”）との間にファイバ（５）の中心で高い値からシース（１０’）でより低い値に変化する光学勾配指数を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項１１】
光ファイバ（５）が、長手方向軸（ＡＭ）の方向に、一方で、比較的小さいモード、好ましくは単一モード、大きい直径、および小さな開口数、例えば大きなモード直径を有する光ファイバタイプまたはＬＭＡファイバからなるファイバ、を有するファイバで構成される第１の部分（１６）を備え、他方で、前記第１の部分（１６）に溶接され、より大きなコア直径を有し、その自由端に、光子ジェット（１１）を生成することができる単一部品で成形された集束エンドピース（６）を含む第２の部分（１６’）、とを備える複合構造を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項１２】
射出モジュール（３）が、光ファイバ（５）の入力部の保護を確保する、光ファイバ（５）の入力端（５”）用の迅速結合手段（３’）と、前記モジュール（３）の集束レンズ（３’’’）の焦点に前記入力部分を配置することができ、および配置することを意図する三次元マイクロ位置決め手段（３”）とを備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに一項に記載のレーザ処理装置。
【請求項１３】
特に表面処理、エッチング、切断、穿孔またはマーキングのための部品、品目または材料を機械加工するためのワークステーションであって、
パルス状または連続的放射を有するパワーレーザ源と、センサ、アクチュエータに接続された制御ユニットと、レーザ源と、また任意に制御および／またはプログラミングインタフェースと、レーザ源に結合され制御ユニットによって制御されるレーザ処理装置と、構造または支持フレームとを備え、
このワークステーション（１２）が、レーザ処理装置（１）が請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置に対応し、光ファイバ（５）の端部（５’）に成形された集束エンドピース（６）と処理すべき部品、品目、または材料（８）との相対的な位置決め及び移動を、レーザヘッド（２）および／または支持システム（７）を備えた対応するセンサおよびアクチュエータを使用した制御ユニット（１３）による制御下で行うことを特徴とするワークステーション。
【請求項１４】
一方で部品、品目または材料（８）と、他方でレーザヘッド（２）または光ファイバ（５）との間の連続的または断続的な相対運動は、このような相対運動中に、または有効な処理サイクルまたは位相に対応させて、最初に調整された値を維持することによって、またはこの距離に対して１つまたは複数の調整を行うことによって集束エンドピース（６）と作業領域（９）との間の距離ｄの制御を保証するスレーブを実施することによって制御ユニット（１３）が制御する、請求項１３に記載のワークステーション。
【請求項１５】
レーザ源（４）は、出力レーザ源であり、１００ｍＷより大きい、好ましくは少なくとも約１ワットまたは約１０ワットの動作電力を有する請求項１３または１４に記載のワークステーション。
【請求項１６】
前記ワークステーションが、エンドピース（６）を通って光ファイバ（５）の作業領域（９）によって再帰反射する光を測定するためのセンサ（１７）と、一方、光ファイバ（５）の入力端（５”）に取り付けられ、エンドピース（６）から前記ファイバ（５）を通過した再帰反射光を回収して前記センサ（１７）に送ることができるカプラとを備え、これらの測定値は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース（６）と作業領域（９）との間の距離ｄをスレーブするために制御ユニット（１３）によって利用されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のワークステーション。
【請求項１７】
１つまたは複数の専用光源によって照明されたエンドピース（６）および作業領域（９）の領域を観察するマイクロレンズを有するカメラの形態の測定センサ（１７）を備え、前記カメラ（１７）によって提供された画像は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース（６）と作業領域（９）との間の距離ｄをスレーブするために制御ユニット（１３）によって利用されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のワークステーション。
【請求項１８】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザ処理装置に実装された、好ましくは請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のワークステーションに属する、品目、部品または材料を処理する方法であって、
実際の処理サイクルまたは位相に先立って、単一ピース状に形成され光子ジェット（１１）を生成することができ、および生成することを意図する集束エンドピース（６）を有する光ファイバ（５）を作業領域（９）内の部品、材料または材料（８）上に固定する工程と、
注入を最適化するためファイバ（５）の入力部の相対的な位置を調節して、必要に応じて処理すべき部品、品目または材料（８）の形状、作業領域（９）の位置、処理サイクルを行うために移動する経路、または同様の幾何学的形状および／または地形学的形状を考慮してその関数としてファイバ（５）を適合させる工程、特にレーザ源（４）のパワー、エンドピース（６）と部品、品目または材料（８）との間の最適距離ｄおよび相対移動速度を、少なくとも前記部品、前記品目、または前記材料（８）またはその表面の性質の関数として適合させる工程と、および最後に、好ましくは事前にプログラムされた移動または処理サイクルに従って制御ユニット（１３）の制御下で処理を開始する工程、とを含むことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用、医療用、芸術用または他の用途のための、パワーレーザ放射を使用する処理装置、方法および設備の分野に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、レーザ処理装置、この装置を含むワークステーション、およびこの装置を用いた処理方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
部品、品目または材料の処理を行うためにレーザビームを使用することは、当業者には公知であり、この技術的状況において多くの装置およびシステムが既に提案されている。
【０００４】
しかしながら、約１μｍの加工精度と、パルスモード（約１０１６Ｗ／ｍ２のピーク出力密度）で約１０１２Ｗ／ｍ２の作業領域に供給される平均出力密度とを必要とする用途では、ビームを作業領域に運ぶ点で、簡単で費用効率が高く、適応性のある解決策に対する需要が満たされていない。
【０００５】
当業者に公知のレーザビームを作業領域に運ぶ１つの手段として、その自由端に投影されたレーザビームを集束させる手段を備えた光ファイバが挙げられる。
【０００６】
文献ＥＰ  ２，０５６，１４４は、例えば、ファイバのコアの材料と同一の材料から作られ、ビームを集束するように意図されて取り付けられたエンドピースの形態の光ファイバおよび要素を教示している。しかしながら、エンドピースの取り付けは非常に正確でなければならず、その製造は複雑で繊細なものになる。さらに、ファイバの端部を硬化させ、放射されるビームの方向性を制限してしまう。相当量のレーザが流された場合、持ちこたえられるか保証されていない。
【０００７】
Ｐｅｔｒｕ  Ｇｈｅｎｕｃｈｅらによる文献「中空コアフォトニック結晶ファイバプローブのためのフォトニックナノジェット集束」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．３６、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２０、２０１２、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、およびＨｅｙｋｅｌ  Ａｏｕａｎｉらによる文献「リモート蛍光相関分光法のための光ファイバ−マイクロスフェア」、ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．２１、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １２、２００９、ＯＳＡ、には中空または部分的に中空の光ファイバの実施形態が開示され、その自由端には放出された光の流れを集束させるための微小球が取り付けられている。しかし、従来と同様、このアセンブリは繊細であり、ファイバのコアと微小球との間に伝達境界面が生じてしまい、光の流れがいつも正確に決定されるわけではなく必然的に損失が生じる。さらにこれらの２つの文献で使用されているファイバのタイプは、高出力の適用を可能にしない。
【０００８】
さらに文献ＪＰ  ６３−９８９７７は、光通信の分野において、これらのファイバの端部の材料を単に溶融して得られる半球形端部を含む光ファイバの実装を開示している。ファイバの端部の形態をこのように特定する目的は反射光の戻りを制限することのみであり、ビームまたはパワーアプリケーションのいかなる集束にも言及していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２，０５６，１４４号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｐｅｔｒｕ  Ｇｈｅｎｕｃｈｅらによる文献「中空コアフォトニック結晶ファイバプローブのためのフォトニックナノジェット集束」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．３６、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２０、２０１２、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ
【非特許文献２】Ｈｅｙｋｅｌ  Ａｏｕａｎｉらによる文献「リモート蛍光相関分光法のための光ファイバ−マイクロスフェア」、ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．２１、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １２、２００９、ＯＳＡ
【発明の概要】
【００１１】
本発明の第１の目的は、製造が容易であり、高出力に耐え、マイクロメータ加工ビームを提供することができる簡単な構造を有するレーザヘッドを備えた機能的なレーザ処理装置、さらにレーザヘッドを最適に使用することができ、有利には放射ビームの回折限界を超える集束を可能にするレーザ処理装置を提供することである。
【００１２】
この目的を達成するため、本発明は、一方では、レーザ源により、および少なくとも１つのシースで囲まれたコアによって形成された光ファイバにより電力を供給され得る、およびされることが意図された射出モジュールにより本質的に構成され、前記射出モジュールに接続され、ビーム集束エンドピースで終端するレーザヘッドと、他方では、該レーザヘッドによって処理される少なくとも１つの領域、または作業領域を含む部品、品目もしくは材料のための支持システムとを備え、この集束エンドピース及び部品、品目または材料が互いに連動して位置決めおよび移動するように制御されたレーザ処理装置であって、ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピースが光ファイバと一体に形成され、該光ファイバの自由端部の成形された部品が、その端部の反対側で射出モジュールに接続される構成において、集束エンドピースは回転軸対称性を有し、光ファイバの自由端部の中央軸または対称軸を含む平面に沿った断面で見た場合、ａ＝ＤＣ／２を満たす中央軸に垂直に延びる第１のハーフ軸ａと、ＤＣ／４≦ｂ≦２ＤＣ／３であり、１０００λ≧ＤＣ≧４０λ（ここで、ＤＣは光ファイバのコアの直径であり、注入されたレーザ放射のλは波長である）を満たす中央軸に整列した第２のハーフ軸ｂとを有する実質的に半楕円形の凸曲線によって外向きに画定された形状であって、この構成において集束エンドピースの先端と作業領域との間の距離ｄが５ＤＣ≧ｄ≧５０λを満たし、レーザヘッドが、波長λの大きさのオーダーの作業領域における直径を有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビームを生成するように、エンドピースの幾何形状および位置決めがされることを特徴とする、レーザ処理装置に関する。
【００１３】
本発明はまた、この装置に実装されるワークステーションおよび処理方法にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、非限定的な例として提供され、よりよい理解のため、添付の概略図を参照して説明する好ましい実施形態に以下に記載する。
【図１】図１は、本発明によるワークステーションに取り付けられた本発明によるレーザ処理装置の代表的な図である。
【図２】図２は、図１に示す装置（この図の詳細Ａ）に属する光ファイバの自由端を異なる尺度で示す部分概略図である。
【図３Ａ】図３Ａ及び図３Ｂは、図２に部分的に示されているファイバの集束エンドピースの外形を画定する２つの例示的な曲線のグラフ図である。
【図３Ｂ】図３Ａ及び図３Ｂは、図２に部分的に示されているファイバの集束エンドピースの外形を画定する２つの例示的な曲線のグラフ図である。
【図４】図４は、図１に示す装置に属する、レーザ源と光ファイバとの間の光結合デバイスを示す概略詳細図である。
【図５】図５は、図１に示す装置の主要構成要素構成の１つの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１、図４、図５は、レーザ源４によって電力を供給することを可能にする射出モジュール３で本質的に構成され、少なくとも１つのシース１０’、１０”によって囲まれたコア１０で形成され、前記射出モジュールに接続され、ビームの集束エンドピース６で終端する光ファイバ５によって構成されたレーザヘッド２と、このレーザヘッド２によって処理される少なくとも１つの領域９、または作業領域を含む部品、品目または材料８のための支持システム７とを備え、この集束エンドピース６及び部品、アイテムまたは材料８は相互に連動して位置決めおよび移動することができるように制御されるレーザ処理装置を示す。
【００１６】
本発明によれば、図１と組み合わせて図２に具体的に示すように、ソリッドコアを有するタイプの集束エンドピース６が光ファイバ５と一体に形成され、該光ファイバの自由端部５’の成形された部品が、その端部の反対側で射出モジュール３に接続される。さらに、集束エンドピース６は回転軸対称性を有し、光ファイバ５の自由端部５’の中央軸または対称軸ＡＭを含む平面に沿った断面で見た場合、ａ＝ＤＣ／２を満たす中央軸に垂直に延びる第１のハーフ軸ａと、ＤＣ／４≦ｂ≦２ＤＣ／３であり、１０００λ≧ＤＣ≧４０λ（ここで、ＤＣは光ファイバのコアの直径であり、λは波長である）を満たす中央軸ＡＭに整列した第２のハーフ軸ｂとを有する実質的に半楕円形の凸曲線６’によって外向きに画定された形状であって、ＤＣ／４≦ｂ≦２ＤＣ／３、１０００λ≧Ｄ≧４０λを満たす。ＤＣは光ファイバ５のコア１０の直径であり、λは注入されたレーザ放射の波長である。
【００１７】
好ましくは、ｂ≠ＤＣ／２であり、従ってｂ≠ａである。
【００１８】
集束エンドピース６の先端６”と作業領域９との間の距離ｄは、５ＤＣ≧ｄ≧５０λを満たし、レーザヘッド２が、波長λの大きさのオーダーの作業領域９における直径Ｄｊを有する光子ジェットの形態で集束しかつわずかに発散するレーザビーム１１を生成するように、エンドピース６の幾何形状および位置決めがされる。
【００１９】
上述した技術的構成を組み合わせることにより、集束エンドピース６の作業領域９の形状、構造、寸法及び位置決めに関して、本発明の所望の目的が達成される。
【００２０】
特に、これらの様々な具体的な構成は、ファイバ出力５において、平均出力密度が高い（典型的には１０１２Ｗ／ｍ２を超える）光子ジェット１１を、非常に小さな表面積（典型的にはスポット約１μｍの直径Ｄｊを有する）に、および十分な距離ｄ（典型的には材料の性質に応じて５０〜５００μｍ）で生成することを可能にし、引き出された材料の突出部または昇華ガス堆積物によるエンドピース６の汚れを防止する。
【００２１】
さらに、（典型的には数十〜数百μｍの横断寸法Ｄｃを有する）ファイバ５とソリッドコア１０を使用することにより、高出力の光の流れの輸送だけでなく、この流れの集束も可能にする光子ジェット１１を、コア１０の端部を再融解させ構造成形することによるファイバ５の自由端５’の脆化を招く限界距離において発生させることができ、その結果、集束エンドピース６を得ることができる。
【００２２】
本発明の１つの特徴によれば、本発明の本質的なパラメータの１つである確実な再現性を可能にすることにより、有利にはハーフ軸ｂを中心とした回転対称性を有し、すなわち有理ベジエ曲線Ｚ（Ｒ）
【００２３】
【数１】
2018521859.tif 000003
によってパラメトリックに画定される集束エンドピース６の外形が提供される。ここで、ｔは０から１まで変化し、ベジエ曲線ｗ０の重みは０．４≦ｗ０≦０．７５、有利には０．４≦ｗ０≦０．５、好ましくはｗ０＝０．４５を満たし、制御点Ｐ０、Ｐ１およびＰ２は、
【００２４】
【数２】
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、および
【００２５】
【数３】
2018521859.tif 000005
で表される。
【００２６】
言及する所望の目的に関して高性能レベルをもたらす本発明の有利な実用的な代替の実施形態は、本発明者らによって得られた結果によれば、以下の１つまたはいくつか式を含む。
−５００λ≧ＤＣ≧４０λ、好ましくは１００λ≧ＤＣ≧４０λ、
−ＤＣ／４≦ｂ≦ＤＣ／２、好ましくはＤＣ／４≦ｂ≦ＤＣ／２（図３Ｂ）
【００２７】
後者の式も検証すると、ｄ＞ＤＣとなるように作動距離ｄを確保することができ、レーザ処理方法を実施する時、エンドピース６の完全性を保障し、エンドピース６と作業領域９との間の距離のスレーブに寛容で、エンドピース出力６で生成される光子ジェットによる約λの横分解能ｌを可能にする。
【００２８】
図３Ａに示す別の実施形態によれば、ｂはＤＣ／２＜ｂ≦２ＤＣ／３を満たす。
【００２９】
この実施形態によると、前の実施形態（横方向分解能１＜λ）よりも高い解像度を得ることを可能にする。この第２の実施形態は、作業距離ｄがｄ＜ＤＣ（例えば、シリコンウェハをマイクロエッチングする）であっても、エンドピース６の完全性を損なう危険性のない所定の材料にレーザ処理方法を適用する場合には有利である。
【００３０】
さらに、本発明の文脈において好ましい使用のために有利な技術的特性を有するファイバ５のタイプの選択に関して以下のタイプが挙げられる：
−ファイバ５は、好ましくは限られた数のモードを有する単モードまたはマルチモード型、または少数の励起モードを有するマルチモードであり、有利には小さな開口数、機械的シース１０”または半透明の機械的鞘（図示せず）を有するファイバによって包囲された二重光学シース１０’を有するファイバである。
−ファイバ５は、好ましくは円形断面を有する円筒形状を有し、および／または
−ファイバ５は、少なくとも２０ｍｍまで、好ましくは１０ｍｍまでの最小曲げ半径で曲げることを可能にする可撓性構造を有する。
【００３１】
別の実施形態として、光ファイバ５が、コア１０とそれを取り囲むシース１０’との間に光学的な屈折率勾配を有するようにすることができ、屈折率は、ファイバ５の中心で高い値、例えば１．３と３．５との間で変化し、シース１０’において低い値、例えば１．２と３との間で変化する。この屈折率勾配は好ましくは放物線タイプであり、ファイバ５の事前のドーピングによって得ることができ（屈折率分布ファイバまたは屈折率分布レンズ−ＧＲＩＮを製造する技術として知られている）、または熱成形によってエンドピース６を成形する際に得られる。
【００３２】
図４に示す別の実施形態によれば、光ファイバ５は、長手方向軸ＡＭの方向に、比較的小さいモードを有するが大きい直径、好ましくは小さな開口数を有する単一モード、例えば大きなモード直径を有する光ファイバタイプまたはＬＭＡ（大モードエリア）ファイバからなるファイバで構成される第１の部分１６（入力端または注入端５”を含む）を有する一方、第１の部分１６に溶接され、より大きなコア直径を有し、その自由端に、光子ジェット１１を生成することができる単一部品で成形された集束エンドピース６を含む第２の部分１６’とを備える複合構造を有していてもよい。
【００３３】
これらの構成により、第１の部分１６は、第２の部分１６’の低次モードのみを励起することを可能にし、したがって、出力の際、光子ジェット１１の現象をより良好に支持することができ、それにより、ビームを回折限界を超えて集束させることが可能になる。さらに、第１の部分１６への注入がより容易になる（大径のコア）。
【００３４】
非限定的に、光ファイバ５または少なくとも第１の部分１６は、小さな開口数ＮＡ（例えば、０．０５≦ＮＡ≦０．２５）を有し、１μｍの波長に対して、例えば以下のタイプがある：
−コアが２０ミクロンで開口数が０．０８のＬＭＡ単一モードファイバ。
−コア直径が５０μｍの単一モードＬＭＡファイバと、ブラッグ構造を形成し約０．１２の開口数を有する同心リング内のシース。
−高出力マルチモードステップインデックスファイバ：シリカコア／シリカ光学シース／ポリマーコーティング：μｍ単位の各寸法５０／１２５／２５０；ゲルマニウムをドープしたコア；開口数は０．１２。
【００３５】
非限定的に、１の部分１６に当接するように溶接された第２のファイバ部分１６’として、例えば以下のタイプがある：
−５０μｍまたは１００μｍの直径および０．２２の開口数を有するコアを備えるシリカステップインデックスファイバ。
−ハイパワーステップインデックスファイバ：シリカコア／シリカ光学シース１／ＴＥＱＳ光学シース２／ポリマーコーティング：μｍ単位の各寸法２００／２４０／２６０／４００であり、ゲルマニウムをドープしたコア；開口数は０．２２。
【００３６】
本発明の全ての実施シナリオでは、大きなコア直径（有利には１０μｍより大きく、好ましくは少なくとも２０μｍ）およびいくつかのモードを有するファイバ５または第１の部分１６を使用することを目指しているが、好ましくは実質的に単一モードであり、小さな開口数（例えば、０．２０より小さい）を有する。
【００３７】
これに関連して、ＬＭＡタイプのファイバが好まれる。
【００３８】
従って、上述した本発明によるレーザ処理装置１は、パワーレーザ源４（すなわち、連続モードまたはパルスモードで１００ＭＷ以上、好ましくは少なくとも約１Ｗの動作電力Ｐのパワーレーザ源）と、このような出力を伝達することができる固体ファイバ５（単一の部品または溶接によって接続された２つの部分１６，１６’によって形成される）とを接続することにより、材料の処理、特に表面処理（表面エッチング、材料の表面溶融、表面酸化、マーキング、表面結晶化、光重合、薄層穿孔など）をλ２と５λとの間に含まれる高い横分解能で行うことができる。
【００３９】
さらに、可撓性を有し、集積された（コア１０の塊に形成された）小型の集束エンドピース６を備えた光ファイバ５を実現することによって結果として得られるレーザヘッド２は、その自由な動作端で超コンパクト化が実現し、アクセスが困難なゾーンに到達して処理することを可能にする大きな侵襲性、つまり、内視鏡適用における組織または器官に対する作用、金属管の内部の機械加工、アンダーカットでの表面処理など、を実現した。
【００４０】
装置１のメンテナンスを容易にし、結合［射出モジュール３／ファイバ５］を最適化するために、射出モジュール３は、有利には光ファイバ５の入力端５”用の迅速結合手段３’（図４参照）を備え光ファイバ５の入力部の保護を確保し、またモジュール３の集束レンズの焦点に前記入力部分を配置することができる三次元マイクロ位置決め手段３’’を備えている。迅速結合手段３’は、好ましくは、冷却可能な高出力光ファイバコネクタである。マイクロ位置決め手段３”は、例えば、最適化された光結合を達成するために、入力端５”に対して正確な位置決めを確実にするための集束レンズ３’”を有してもよい。
【００４１】
射出モジュール３は、有利にはパワーレーザまたはパワーレーザダイオードの出力に固定することができるように構成され、または既存のエッチングシステムの光学ヘッドを（例えばガルバノメーターヘッドを交換することによって）交換することができるように構成されている。
【００４２】
前述の構成により、本発明は、回折限界を超えて放射線を集束させることによって光子ジェットを生成することを可能にする。
【００４３】
上記現象は、放射線の注入制御および低次モードからの光の好ましい使用に特に有利となる。
【００４４】
前述の本質的な構造的および構造的特性を維持しながら、前述の寸法パラメータを変更したり組み合わせたりすることによって前記レーザヘッドを最適に利用することによって、冒頭で述べた以外の用途にも本発明を応用することができる。
【００４５】
したがって、上述の解像度よりも低い解像度、例えば５λと１０λの間でのエッチングを求める用途では、直径５λ≦Ｄ≦１０λの光ファイバ端部で光子ジェットによりビームを集束させるのにそれほどのパワーを必要とせず、費用効率の高い環境にやさしいレーザ源となる。つまり現時点で解決されていない技術的解決策の必要性を満たす。これらの用途を満たすため、エンドピース６および装置１の構成は、
５ＤＣ≦ｄ≦１０ＤＣ（距離：端部／作業領域）および
０．７５≦ｗ０≦２（ベジエ曲線の重み）である。
【００４６】
以下の実施例４は、本発明の課題に対応する実際的で非限定的な実施形態を示す。
【００４７】
本発明はまた、図１に概略的かつ象徴的に、図５に部分的に示すように、特に表面処理、エッチング、切断、穿孔またはマーキングのための部品、品目または材料８を機械加工するためのワークステーション１２に関するものである。
【００４８】
このワークステーション１２は、パルス状または連続的放射を有するパワーレーザ源４と、センサ（図示せず）、アクチュエータ（特にヘッド２と支持体７との間の相対運動）に接続された制御ユニット１３と、レーザ源４、また任意に制御および／またはプログラミングインタフェース１４と、レーザ源４に結合され制御ユニット１３によって制御されるレーザ処理装置１と、構造または支持フレーム１５とを備える。
【００４９】
このワークステーション１２は、レーザ処理装置１が前述の装置に対応し、光ファイバ５の端部５’に成形された集束エンドピース６と処理すべき部品、品目、または材料８との相対的な位置決め及び移動を、レーザヘッド２および／または支持システム７を備えた対応するセンサおよびアクチュエータ（当業者に公知であるため図示せず）を使用した制御ユニット１３による制御下で行うことを特徴とする。
【００５０】
好ましくは、一方で部品、品目または材料８と他方でレーザヘッド２または光ファイバ５との間の連続的または断続的な相対運動は、このような相対運動中に、有効な処理サイクルまたは位相に対応させて、最初に調整された値を維持することによって、またはこの距離に対して１つまたは複数の調整を行うことによって集束エンドピース６と作業領域９との間の距離ｄの制御を保証するスレーブを実施する制御ユニット１３の制御下で行う。
【００５１】
ステーション１２はまた、特に処理対象の部分、品目または材料８の機能と行われるべき処理として、オペレータが前記ステーションの動作を構成、命令、制御することを可能にする通信、表示およびプログラミングインタフェース１４を備えることができる。
【００５２】
有利には、レーザ源４は、有効出力レーザ源であり、１００ｍＷより大きい、好ましくは少なくとも約１ワットまたは約１０ワットの動作電力を有する。
【００５３】
図５に概略的に示す本発明のさらなる特徴によれば、ワークステーション１２は、エンドピース６を通って光ファイバ５の作業領域９によって再帰反射する光を測定するためのセンサ１７と、一方、光ファイバ５の入力端５”に取り付けられ、エンドピース６から前記ファイバ５を通過した再帰反射光を回収して前記センサ１７に送ることができるカプラ（図示せず）とを備え、これらの測定値は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース６と作業領域９との間の距離ｄをスレーブするために制御ユニット１３によって利用される。
【００５４】
別の実施形態によれば、ワークステーション１２は、１つまたは複数の専用光源（図示せず）によって照明されたエンドピース６および作業領域９の領域を観察するマクロレンズを有するカメラの形態の測定センサ１７を備え、前記カメラ１７によって提供された画像は、好ましくはリアルタイムで、エンドピース６と作業領域９との間の距離ｄをスレーブするために制御ユニット１３によって利用される。
【００５５】
専用光源の１つは、必要に応じて、パワーレーザ源４と関連する作業領域９を点灯させるレーザポインタに対応するものであってもよい。
【００５６】
最後に、本発明はまた、レーザ処理装置１に実装された、好ましくは上述のワークステーション１２に属する部品、品目または材料８を処理する方法に関する。
【００５７】
この方法は、実際の処理サイクルまたは位相に先立って、単一ピース状に形成され光子ジェット１１を生成することができる集束エンドピース６を有する光ファイバ５を作業領域９内の部品、品目または材料８上に固定する工程と、（光源４からのレーザビームの）注入を最適化するためファイバ５の入力部の相対的な位置を調節して、必要に応じて処理すべき部品、品目または材料８の形状、作業領域９の位置、処理サイクルを行うために移動する経路、または同様の幾何学的形状および／または地形学的形状を考慮してその関数としてファイバ５を適合させる工程、特にレーザ源４のパワー、エンドピース６と部品、材料または材料８との間の最適距離ｄおよび相対移動速度を調整して、少なくとも前記部品、前記品目または前記材料８またはその表面の性質の関数としてファイバ５を適合させる工程と、好ましくは事前にプログラムされた移動または処理サイクルに従って制御ユニット１３の制御下で処理を開始する工程、とを含む方法を提供する。
【００５８】
光ファイバ５のエンドピース６を溶融することによるモデリング方法は、例えば、ＳＮＯＭ（近接場光学顕微鏡法）においてプローブを生成するために実施され、Ｌｏｖａｌｉｔｅ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｏｐｔｉｃｓ社によって提案されたものと同様であってもよい。
【実施例】
【００５９】
本発明の様々な実用的な実施形態を、非限定的な実施形態の例示として説明する。
実施例１
【００６０】
ワークステーション１２は、動作電力Ｐ≒２０Ｗ、λ≒１μｍ、パルス持続時間１５０ｎｓ、繰り返し周波数５ｋＨｚの近赤外でナノ秒パルスレーザ４を用いて作製され、シリカファイバ５は、コア直径ＤＣ＝２００μｍを有する光学二重シースである。ファイバ５は、ハーフ軸ｂ＝１００μｍを有し、ベジエ曲線の重みｗ０＝０．４５を有する成形されたエンドピース６を含む。作業領域９はエンドピースから１５０μｍの距離ｄに位置し、エッチング分解能は１〜３μｍである。
【００６１】
このようなワークステーション１２では、スペクトル領域における吸収が低いにもかかわらず、ガラス表面をエッチングすることが可能である。
実施例２（２つの選択肢）
【００６２】
ワークステーション１２は、動作電力Ｐ≒５Ｗおよびλ≒１μｍ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧまたはイッテルビウム添加ファイバ）、パルス持続時間２０ｎｓ、繰り返し周波数２０ｋＨｚを有する近赤外のナノ秒パルスレーザとシリカファイバ５を用いて生成される：
−コア直径ＤＣ＝１００μｍの場合：この場合、端部の長さｂ＝３３μｍ、ベジエ曲線の重みｗ０＝０．４５とすることができる。作業領域は、端部ピースから９０μｍの距離ｄにあり、エッチングの分解能は１〜２μｍとなる。
−またはコア直径ＤＣ＝５０μｍの場合：この場合、端部の長さｂ＝１３μｍ、ベジエ曲線の重みｗ０＝０．４５とすることができる。作業領域は、端部ピースから６０μｍの距離ｄにあり、エッチングの分解能は１〜２μｍとなる。
【００６３】
これらの２つの場合においても、ガラス表面をエッチングすることが可能である。
実施例３
【００６４】
ワークステーション１２は、動作電力Ｐ≒２０Ｗおよびλ≒２４８ｎｍを有する紫外線のナノ秒パルスレーザ（例えば、ＫｒＦエキシマレーザー）と、コア直径ＤＣ＝５０μｍを有するシリカファイバ５とを用いて製造される。この場合、端部の長さｂ＝３８μｍ、ベジエ曲線の重みｗ０＝０．４５とすることができる。作業領域９は、端部ピースから３８μｍの距離ｄにあり、エッチングの分解能は１〜０．５μｍとなる。
実施例４
【００６５】
ワークステーション１２は、動作電力Ｐ≒１００ＭＷ、λ≒１μｍを有する近赤外のパルスレーザダイオード４または連続レーザダイオード４を備えて製造される。コア径ＤＣ＝４００μｍ、長さｂ＝１５０μｍのエンドピース６を有するシリカファイバ５が使用される。エンドピース６の外形は、重みｗ０＝１．７の有理ベジエ曲線によって画定される。作業領域９は端部ピースから８００μｍの距離ｄに位置し、エッチングの分解能は１〜５〜１０μｍである。
【００６６】
上記の５つの選択肢（例１〜４）の特性データと、２つの追加の選択肢（具体的には記載されていない）の特性データを、以下の表にまとめる。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
もちろん、本発明は、実施形態に記載され添付の図面に示されたものに限定されない。本発明の趣旨を逸脱することなく、様々な要素の構成または同等の技術的置換によって変更は可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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