(57)【要約】種々の実施形態では、レーザビームのビームパラメータ積および／またはビーム形状が、レーザビームをセルラコア光ファイバの入力端に沿って経路を横断して導くことによって、調節される。セルラコア光ファイバの出力端において放出されるビームは、ワークピースを処理するために利用され得る。一実施形態において、出力ビームは、セルラコア光ファイバの出力端における複数の個別的なビームを含む。一実施形態において、セルラコア光ファイバのコア領域のうちの少なくとも２つのものは、サイズおよび／または形状が異なっている。
2020505776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムであって、前記システムは、
入力レーザビームの放出のためのビームエミッタと、
入力端と前記入力端の反対側の出力端とを有するセルラコア光ファイバであって、前記セルラコア光ファイバは、（ｉ）複数のコア領域と、（ｉｉ）前記コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域と、（ｉｉｉ）前記コア間クラッディング領域を包囲している外側クラッディングとを備え、前記コア領域の各々の屈折率は、前記コア間クラッディング領域の屈折率より大きい、セルラコア光ファイバと、
前記入力レーザビームを受け取り、前記入力レーザビームを前記セルラコア光ファイバに向かって反射するための反射体と、
前記入力レーザビームを前記反射体から受け取り、前記入力レーザビームを前記セルラコア光ファイバの入力端に向かって集束させるための光学要素と、
コントローラと
を備え、
前記コントローラは、前記セルラコア光ファイバの入力端と前記反射体または前記光学要素のうちの少なくとも一つとの間の相対的運動を制御し、それによって、前記入力レーザビームを前記セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路に沿って導き、前記経路は、前記コア領域のうちの１つ以上のものを備え、それによって、前記セルラコア光ファイバの前記出力端において放出される出力ビームのビーム形状またはビームパラメータ積のうちの少なくとも一つが、少なくとも部分的に前記入力レーザビームの前記経路によって決定される、システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記入力レーザビームを複数のコア領域を備えている経路に沿って導くように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記入力レーザビームが前記経路に沿って導かれるとき、前記入力レーザビームの出力パワーを変調するように構成され、それによって、前記入力レーザビームが異なるコア領域の中に導かれているとき、前記入力レーザビームの前記出力パワーレベルは、異なっている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記コア間クラッディング領域を越える前記経路の一部に沿って、前記入力レーザビームの出力パワーを低減させ、それによって、前記コア間クラッディング領域の中へのビームエネルギーの結合を低減または実質的に排除するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記経路は、前記コア間クラッディング領域の一部を備え、前記コア間クラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、前記出力ビームへの非ゼロ背景エネルギーレベルに寄与する、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記出力ビームは、前記セルラコア光ファイバの前記出力端における複数の個別的なビームを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記セルラコア光ファイバの前記コア領域のうちの少なくとも２つのものは、サイズおよび／または形状が異なっている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記コア間クラッディング領域の前記屈折率は、前記外側クラッディングの屈折率より大きい、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記コア間クラッディング領域の前記屈折率は、前記外側クラッディングの屈折率にほぼ等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記セルラコア光ファイバの前記入力端と前記反射体または前記光学要素のうちの少なくとも一つとの間の前記相対的運動は、前記反射体の回転または前記光学要素の側方平行移動のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光学要素は、１つ以上のレンズ、および／または、１つ以上のプリズムを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記反射体、前記光学要素、または前記セルラコア光ファイバの前記入力端のうちの少なくとも１つの運動を制御するための１つ以上のアクチュエータをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記セルラコア光ファイバの前記入力端上に配置された入力端キャップをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記セルラコア光ファイバの前記出力端上に配置された出力端キャップをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コントローラは、測定されたパラメータに基づいて、前記レーザビームが前記セルラコア光ファイバの前記入力端上で導かれる前記経路を徐々に調節するためのフィードバック動作のために構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記測定されたパラメータは、前記レーザビームによって処理されるべきワークピースの測定されたパラメータである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記測定されたパラメータは、前記レーザビームの測定されたパラメータである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記セルラコア光ファイバの前記コア領域のうちの少なくとも２つものは、異なる断面形状を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記セルラコア光ファイバの前記コア領域の各々は、同一の断面形状を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記セルラコア光ファイバの前記複数のコア領域は、（ｉ）中心コア領域と、（ｉｉ）前記中心コア領域の周囲に配置された複数の外側コア領域とを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記中心コア領域の直径は、前記外側コア領域のうちの少なくとも１つのものの直径より大きい、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記コントローラは、前記入力レーザビームを前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る経路に沿って導くことによって、前記レーザビームの前記ビームパラメータ積を増加させるように構成され、前記経路は、前記コア間クラッディング領域と交差している、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラは、少なくとも部分的に前記レーザビームが結合される前記光ファイバの前記出力端に近接したワークピースの特性に基づいて、前記ビーム形状または前記ビームパラメータ積のうちの前記少なくとも一つを決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ワークピースの前記特性は、前記ワークピースの厚さまたは前記ワークピースの組成物のうちの少なくとも一つを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
（ｉ）前記ワークピース上に画定された処理経路に対応するデータを記憶するための前記コントローラにアクセス可能なメモリと、（ｉｉ）複数の材料のための処理データを記憶するためのデータベースとをさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにクエリし、前記ワークピースの１つ以上の材料のための処理データを取得するように構成され、前記ビームの前記ビーム形状または前記ビームパラメータ積のうちの前記少なくとも一つは、少なくとも部分的に前記取得された処理データによって決定される、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ビームエミッタは、
複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束ビームを受け取り、前記受け取られた集束ビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器と
を備え、
前記部分反射出力結合器は、前記分散させられたビームを受け取り、前記分散させられたビームの一部を前記部分反射出力結合器を通して前記入力レーザビームとして伝送し、前記分散させられたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられ、前記入力レーザビームは、複数の波長から成る、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記分散要素は、回折格子を備えている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントローラは、前記出力ビームの所望されるビームパラメータを受信し、少なくとも部分的にそれに基づいて、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路を決定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記所望されるビームパラメータは、前記出力ビームの前記ビームパラメータ積または前記ビーム形状のうちの少なくとも一つを含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記コントローラは、少なくとも部分的に前記セルラコア光ファイバの前記出力端に近接して感知されたビームパラメータに基づいて、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路を決定するように構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
レーザビームのビーム形状またはビームパラメータ積のうちの少なくとも一つを改変する方法であって、前記方法は、
入力端と前記入力端の反対側の出力端とを有するセルラコア光ファイバを提供することであって、前記セルラコア光ファイバは、（ｉ）複数のコア領域と、（ｉｉ）前記コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域と、（ｉｉｉ）前記コア間クラッディング領域を包囲している外側クラッディングとを備え、前記コア領域の各々の屈折率は、前記コア間クラッディング領域の屈折率より大きい、ことと、
前記コア領域のうちの１つ以上のものを備えている経路に沿って、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切って入力レーザビームを導くことであって、それによって、前記セルラコア光ファイバの前記出力端において放出される出力ビームのビーム形状またはビームパラメータ積のうちの少なくとも一つが、少なくとも部分的に前記入力レーザビームの前記経路によって決定される、ことと
を含む、方法。
【請求項３２】
前記経路は、複数のコア領域を備えている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記入力レーザビームが前記経路に沿って導かれるとき、前記入力レーザビームの出力パワーを変調することであって、それによって、前記入力レーザビームが異なるコア領域の中に導かれているとき、前記入力レーザビームの前記出力パワーレベルは、異なっている、ことをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記コア間クラッディング領域を越える前記経路の一部に沿って、前記入力レーザビームの出力パワーを低減させ、それによって、前記コア間クラッディング領域の中へのビームエネルギーの結合を低減または実質的に排除することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記経路は、前記コア間クラッディング領域の一部を備え、前記コア間クラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、前記出力ビームへの非ゼロ背景エネルギーレベルに寄与する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記出力ビームは、前記セルラコア光ファイバの前記出力端における複数の個別的なビームを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記セルラコア光ファイバの前記コア領域のうちの少なくとも２つのものは、サイズおよび／または形状が異なっている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記コア間クラッディング領域の前記屈折率は、前記外側クラッディングの屈折率より大きい、請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
前記コア間クラッディング領域の前記屈折率は、前記外側クラッディングの屈折率にほぼ等しい、請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
前記セルラコア光ファイバは、前記入力端上に配置された入力端キャップを備えている、請求項３１に記載の方法。
【請求項４１】
前記セルラコア光ファイバは、前記出力端上に配置された出力端キャップを備えている、請求項３１に記載の方法。
【請求項４２】
前記出力ビームを用いて、前記セルラコア光ファイバの前記出力端に近接して配置されたワークピースを処理することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
前記出力レーザビームの前記ビームパラメータ積または前記ビーム形状のうちの前記少なくとも一つは、少なくとも部分的に前記ワークピースの特性に基づいて、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路の選択を介して決定される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記ワークピースの前記特性は、前記ワークピースの厚さまたは前記ワークピースの組成物のうちの少なくとも一つを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路は、前記セルラコア光ファイバの前記コア間クラッディング領域と交差している、請求項３１に記載の方法。
【請求項４６】
前記入力レーザビームを前記経路に沿って導くことは、（ｉ）１つ以上の反射体を用いて、前記レーザビームを反射すること、または、（ｉｉ）１つ以上の光学要素を用いて、前記レーザビームを集束させることのうちの少なくとも一つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４７】
ビームエミッタから前記入力レーザビームを放出することをさらに含み、前記ビームエミッタは、
複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束ビームを受け取り、前記受けとられた集束ビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器と
を備え、
前記部分反射出力結合器は、前記分散させられたビームを受け取り、前記分散させられたビームの一部を前記部分反射出力結合器を通して前記入力レーザビームとして伝送し、前記分散させられたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられ、前記入力レーザビームは、複数の波長から成る、請求項３１に記載の方法。
【請求項４８】
前記分散要素は、回折格子を備えている、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
（ｉ）前記出力ビームの所望されるビームパラメータを受信することと、（ｉｉ）少なくとも部分的に前記所望されるビームパラメータに基づいて、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路を選択することとをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項５０】
前記所望されるビームパラメータは、前記出力ビームの前記ビームパラメータ積または前記ビーム形状のうちの少なくとも一つを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路は、少なくとも部分的に前記セルラコア光ファイバの前記出力端に近接して感知されたビームパラメータに基づいて選択される、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
レーザビームを用いてワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
入力端と前記入力端の反対側の出力端とを有するセルラコア光ファイバを提供することであって、前記セルラコア光ファイバは、（ｉ）複数のコア領域と、（ｉｉ）前記コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域と、（ｉｉｉ）前記コア間クラッディング領域を包囲している外側クラッディングとを備え、前記コア領域の各々の屈折率は、前記コア間クラッディング領域の屈折率より大きい、ことと、
ワークピースを前記セルラコア光ファイバの前記出力端に近接して配置することと、
前記ワークピースの少なくとも１つの特性に基づいて、前記ワークピースの処理のためのビームパラメータ積またはビーム形状のうちの少なくとも一つを決定することと、
レーザビームを前記セルラコア光ファイバの前記入力端に向かって導くことと、
その間、前記セルラコア光ファイバの前記出力端から放出される前記レーザビームのビームパラメータ積またはビーム形状のうちの少なくとも一つを選択するために、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る経路に沿って前記レーザビームを導くことであって、前記経路は、前記コア領域のうちの１つ以上のものを備えている、ことと、
前記セルラコア光ファイバの前記出力端から放出される前記レーザビームを用いて、前記ワークピースを処理することと
を含む、方法。
【請求項５３】
前記ワークピースを処理することは、前記ワークピースの表面の少なくとも一部を物理的に改変することを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記ワークピースを処理することは、切断、溶接、エッチング、焼鈍、穿孔、はんだ、または蝋接のうちの少なくとも１つを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記ワークピースの前記少なくとも１つの特性は、前記ワークピースの厚さおよび／または前記ワークピースの組成物を含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路は、前記セルラコア光ファイバの前記コア間クラッディング領域と交差し、前記セルラコアクラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、前記ワークピースを処理するために利用される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
前記レーザビームを前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路に沿って導くことは、（ｉ）１つ以上の反射体を用いて、前記レーザビームを反射すること、または、（ｉｉ）１つ以上の光学要素を用いて、前記レーザビームを集束させることのうちの少なくとも一つを含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５８】
前記ワークピースを処理する間、前記レーザビームを前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る第２の経路上に導くことによって、前記レーザビームの前記ビームパラメータ積または前記ビーム形状のうちの少なくとも一つを改変することをさらに含み、前記第２の経路は、前記セルラコア光ファイバの前記入力端を横切る前記経路と異なる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５９】
ビームエミッタから前記レーザビームを放出することをさらに含み、前記ビームエミッタは、
複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記集束ビームを受け取り、前記受けとられた集束ビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器と
を備え、
前記部分反射出力結合器は、前記分散させられたビームを受け取り、前記分散させられたビームの一部を前記部分反射出力結合器を通して前記レーザビームとして伝送し、前記分散させられたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられ、前記レーザビームは、複数の波長から成る、請求項５２に記載の方法。
【請求項６０】
前記分散要素は、回折格子を備えている、請求項５９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６２／４５０，７９３号（２０１７年１月２６日出願）の利益およびそれに対する優先権を主張し、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】
（技術分野）
種々の実施形態では、本発明は、レーザシステム、具体的には、制御可能ビームプロファイル、例えば、可変ビーム形状を伴うレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
高出力レーザシステムは、溶接、切断、穿孔、および材料処理等の異なる用途の集合のために利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、それからのレーザ光が光ファイバ（または単に「ファイバ」）の中に結合されるレーザエミッタと、ファイバからのレーザ光を処理されるべきワークピース上に集束させる光学システムとを含む。波長ビーム結合（ＷＢＣ）は、レーザダイオード、レーザダイオードバー、ダイオードバーのスタック、もしくは１または２次元アレイに配置される他のレーザからの出力パワーおよび明るさを調整するための技法である。ＷＢＣ方法は、エミッタのアレイの一方または両方の寸法に沿ってビームを結合するために開発された。典型的ＷＢＣシステムは、多波長ビームを形成するための分散要素を使用して結合される１つ以上のダイオードバー等の複数のエミッタを含む。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個々に共振し、ビーム結合寸法に沿って分散要素によってフィルタ処理される共通の部分反射出力結合器からの波長特有のフィードバックを通して、安定化される。例示的ＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号（特許文献１）、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号（特許文献２）、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号（特許文献３）（開示全体の各々は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に詳述される。
【０００４】
レーザシステムのための光学システムは、典型的には、最高品質レーザビーム、言い換えると、最低のビームパラメータ積（ＢＰＰ）を伴うビームを生成するように設計される。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と、その最も狭い点（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）におけるビームの半径との積である。すなわち、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２であり、式中、Ｄは、集束スポット（ウェスト）直径であり、ＮＡは、開口数である。したがって、ＢＰＰは、ＮＡおよび／またはＤを変動させることによって変動させられ得る。ＢＰＰは、レーザビームの品質および小スポットに集束され得る程度を定量化し、典型的には、ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、円周率によって除算されるレーザ光の波長によって求められる最も低い可能なＢＰＰを有する。同一波長における理想的ガウスビームに対する実際のビームのＢＰＰの比率は、Ｍ２として示され、それは、ビーム品質の波長独立の尺度である。
【０００５】
多くのレーザ処理用途では、所望されるビーム形状、スポットサイズ、発散、およびビーム品質は、例えば、処理のタイプ、および／または、処理されている材料のタイプに依存して変動し得る。これは、特に、材料処理用途における産業レーザに当てはまる。例えば、より低いＢＰＰ値、すなわち、より良好なビーム品質が、薄い金属を切断するために好ましくあり得る一方、より大きいＢＰＰ（すなわち、良くないビーム品質）が、より厚い金属を通して切断するために好ましくあり得る。従来のレーザシステムにおけるＢＰＰまたはビーム形状を変化させるために、頻繁に、出力光学システムが、他の構成要素と交換、および／または、再整列させられなければならず、時間がかかりかつ高価なプロセスとなり、それは、レーザシステムの脆弱な光学構成要素の不注意な損傷にさらにつながり得る。したがって、光ファイバの出力におけるレーザビームまたは光学システムに対するそのような調節を伴わない、レーザシステムのＢＰＰ、および／または、ビーム形状を変動させるための代替技法の必要性が、存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，１９２，０６２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２０８，６７９号明細書
【特許文献３】米国特許第８，５５９，１０７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（要約）
本発明の実施形態によると、レーザシステムは、ビーム形状および／またはＢＰＰを改変するために、セルラコア光ファイバの１つ以上のコア領域の中に導かれるビームを生成する。（そのようなビームは、光ファイバと関連する「入力ビーム」であり、単に、最初にビームを生成するレーザシステムと関連する「ビーム」または「出力ビーム」であり得る。）種々の実施形態では、光ファイバは、種々のコア領域の間およびその周囲に延びているコア間クラッディングを有し、種々の実施形態では、ビームの全てまたは一部が、最終的出力ビームのＢＰＰを改変するために、このコア間領域に導かれ得る。光ファイバは、コア領域および／またはコア間領域の中にビームエネルギーを閉じ込める１つ以上の外側クラッディング層を有し得る。
【０００８】
ビームは、ビームがコア領域の間で移動させられているとき、有意な放出を伴わず、コア領域のうちの種々のものの中に導かれるのみであるように変調され得る。他の実施形態では、変調、すなわち、それらの間のパワーレベルにおける変動を伴わずに（またはビームがコア領域の中に放出されるパワーレベルより高いか、または低い異なる非ゼロの有限のパワーレベルへの変調を伴って）、コア領域間で移動させられ、したがって、ビームパワーの一部は、コア間クラッディング領域の中に結合され得る。種々の実施形態では、ビームは、ビームパワーの異なる量が異なる領域の中に結合されるようにそれがコア領域の異なるものに導かれるとき、異なるパワーレベルで変調され得る。代わりに、または加えて、ビームは、異なるコア領域の中に結合される時間平均パワーレベルが異なるように、異なる時間にわたってコア領域の異なるものの中に導かれ得る。コア領域それ自体が、少なくとも部分的に光ファイバから放出されたビームの最終形状を決定する異なる断面形状および／またはサイズを有し得る。他の実施形態では、コア領域のうちの１つ以上のもの（もしくはさらに全て）は、実質的に同一の形状（例えば、円形）および／またはサイズを有し、ビームの最終形状は、少なくとも部分的にコア領域の異なるものの間におけるビームの平行移動、および／または、異なるコア領域の中に結合されたビームパワーの量および／またはコア間クラッディング領域の中に結合されたビームパワーの量によって決定される。種々の実施形態では、出力ビームの形状、および／または、ＢＰＰを改変するために、ビームパワーの少なくとも一部は、少なくともある量の時間にわたって、外側クラッディング層のうちの１つ以上のものの中に結合され得る。
【０００９】
本明細書で利用されるように、レーザビームの「形状」を変化させることは、ビームの形状および幾何学的範囲を改変すること（例えば、ビームが表面と交差する点において）を指す。形状の変化は、ビームサイズ、ビームの角度強度分布、およびＢＰＰの変化を伴い得るが、ビームＢＰＰの単なる変化は、必ずしも、レーザビーム形状を変化させるために十分ではなく、その逆も、同様である。
【００１０】
本明細書では、「光学要素」とは、電磁放射線の向きを変える様式、反射させる様式、屈曲させる様式、または任意の他の様式で光学的に操作するレンズ、ミラー、プリズム、格子等のうちのいずれかを指し得る。本明細書では、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、もしくはレーザは、電磁ビームを生成するが、自己共振であることも、そうではないこともある半導体要素等の任意の電磁ビーム生成デバイスを含む。これらは、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ等も含む。概して、各エミッタは、後反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、前反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルのいかなる特定の部分にも限定されず、可視光、赤外線、および／または紫外線であり得る電磁放射線の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含み得かる、または本質的にそれから成り得る。本明細書の実施形態で受け取られる入力ビームは、当技術分野で公知である種々の技法を使用して結合される単波長または多波長ビームであり得る。加えて、本明細書における「レーザ」、「レーザエミッタ」、または「ビームエミッタ」の言及は、単一ダイオードレーザのみではなく、ダイオードバー、レーザアレイ、ダイオードバーアレイ、および単一もしくはアレイの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）も含む。
【００１１】
本発明の実施形態に従って生成される出力ビームは、単に、光を用いて表面をプローブする光学技法（例えば、反射率測定）とは対照的に、ワークピースの表面が物理的に改変されるように、および／または、特徴が表面上もしくは内に形成されるように、ワークピースを処理するために利用され得る。本発明の実施形態による例示的プロセスは、切断、溶接、穿孔、およびはんだを含む。本発明の種々の実施形態は、ワークピース表面の全てまたは実質的に全てをレーザビームからの放射で満たすのではなく、１つ以上のスポットにおいて、もしくは１次元線形または曲線処理経路に沿ってワークピースを処理し得る。そのような１次元経路は、複数の区画から成り得、それらの各々は、線形または曲線であり得る。
【００１２】
可変形状および／またはＢＰＰの１つの利点は、異なるタイプの処理技法もしくは処理されている異なるタイプの材料のための改良されたレーザ用途性能である。本発明の実施形態は、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第１４／７４７，０７３号、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５２，９３９号、２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号、および２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第１５／６４９，８４１号（それぞれの開示は、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）に説明されるレーザビームの変動するＢＰＰ、および／または、形状のための種々の技法も利用し得る。
【００１３】
本発明の実施形態は、多波長ビームを形成するために分散要素を使用して結合される１つ以上のダイオードバー等の複数のエミッタを含む波長ビーム結合（ＷＢＣ）システムとともに利用され得る。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個々に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素によってフィルタ処理される共通部分反射出力結合器から、波長特異的フィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、それらの各々の開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号で詳述される。ＷＢＣシステムの多波長出力ビームが、例えば、ＢＰＰおよび／またはビーム形状制御のために、本発明の実施形態と併せて、入力ビームとして利用され得る。
【００１４】
ある側面では、本発明の実施形態は、入力レーザビームの放出のためのビームエミッタと、セルラコア光ファイバと、入力レーザビームを受け取り、入力レーザビームをセルラコア光ファイバに向かって反射するための反射体と、光学要素と、コントローラとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成るレーザシステムを特徴とする。セルラコア光ファイバは、入力端と、入力端の反対側の出力端とを有する。セルラコア光ファイバは、複数のコア領域と、コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。セルラコア光ファイバは、コア間クラッディング領域を包囲する外側クラッディングを含み得る。コア領域のうちの少なくとも１つのもの（または、各々）の屈折率は、コア間クラッディング領域の屈折率より大きい。光学要素は、入力レーザビームを反射体から受け取り、入力レーザビームをセルラコア光ファイバの入力端に向かって（例えば、それに衝打するように）集束させる。コントローラは、セルラコア光ファイバの入力端と反射体および／または光学要素との間の相対的運動を制御し、それによって、入力レーザビームをセルラコア光ファイバの入力端を横切る経路に沿って導く。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア間クラッディング領域の少なくとも一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものと、コア間クラッディング領域の少なくとも一部とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。セルラコア光ファイバの出力端において放出される出力ビームのビーム形状、および／または、ビームパラメータ積が、少なくとも部分的に入力レーザビームの経路によって決定される。
【００１５】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。コントローラは、入力レーザビームを複数のコア領域を備えている経路に沿って導くように構成され得る。コントローラは、入力レーザビームが経路に沿って導かれるとき、入力レーザビームの出力パワーを変調するように構成され得る。例えば、入力レーザビームが異なるコア領域の中におよび／またはコア間クラッディング領域に導かれているとき、入力レーザビームの出力パワーレベルは、異なり得る。コントローラは、コア間クラッディング領域を越える（すなわち、交差する）経路の一部に沿って、入力レーザビームの出力パワーを低減させ、それによって、コア間クラッディング領域の中へのビームエネルギーの結合を低減または実質的に排除するように構成され得る。経路は、コア間クラッディング領域の全てまたは一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。コア間クラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、出力ビームへの非ゼロ背景エネルギーレベルに寄与し得る。出力ビームは、セルラコア光ファイバの出力端における複数の個別的なビームを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。複数の個別的なビームは、セルラコア光ファイバの出力端からある距離間隔を置かれた状態において、より少ないビーム（例えば、１つのビーム）に合流し得る。
【００１６】
セルラコア光ファイバのコア領域のうちの少なくとも２つのものは、サイズおよび／または形状が異なり得る。コア間クラッディング領域の屈折率は、外側クラッディングが存在する場合、外側クラッディングの屈折率より大きいか、またはそれにほぼ等しくあり得る。セルラコア光ファイバの入力端と反射体および／または光学要素との間の相対的運動は、反射体の回転、光学要素の回転、反射体の平行移動、光学要素の光学要素、セルラコア光ファイバの入力端の回転、および／または、セルラコア光ファイバの入力端の平行移動を含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。光学要素は、１つ以上のレンズ、１つ以上の格子（例えば、回折格子）、および／または、１つ以上のプリズムを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。システムは、反射体、光学要素、および／またはセルラコア光ファイバの入力端の運動を制御するための１つ以上のアクチュエータを含み得る。入力端キャップが、セルラコア光ファイバの入力端上に配置され得る。出力端キャップが、セルラコア光ファイバの出力端上に配置され得る。
【００１７】
コントローラは、測定されたパラメータに基づいて、レーザビームがセルラコア光ファイバの入力端上で導かれる経路を徐々に調節するためのフィードバック動作のために構成され得る。測定されたパラメータは、レーザビームによって処理されるべきワークピースの測定されたパラメータ（例えば、表面特徴の組成物、厚さ、高さまたは深度、反射率等）、および／または、レーザビーム（例えば、セルラコア光ファイバの出力端に近接するレーザビーム）のものであり得る。レーザビームの測定されたパラメータは、例えば、束密度、ビーム形状、ビームパラメータ積、ビーム直径、ビーム強度、面ビーム場所の関数としてのビーム強度等であり得る。セルラコア光ファイバのコア領域のうちの少なくとも２つものは、異なる断面形状を有し得る。セルラコア光ファイバのコア領域の各々は、同一の断面形状を有し得る（かつ２つ以上のものは、同一のサイズもしくは異なるサイズを有し得る）。セルラコア光ファイバの複数のコア領域は、（ｉ）中心コア領域と、（ｉｉ）中心コア領域の周囲に配置された複数の外側コア領域とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。中心コア領域の直径（または幅、側面長等の他のパラメータ）は、外側コア領域のうちの少なくとも１つのもの（もしくはさらに全てのもの）のものより大きくあり得る。コントローラは、入力レーザビームをコア間クラッディング領域と交差するセルラコア光ファイバの入力端を横切る経路に沿って導くことによって、レーザビームのビームパラメータ積を増加させるように構成され得る。
【００１８】
コントローラは、少なくとも部分的にレーザビームが結合される光ファイバの出力端に近接したワークピースの特性に基づいて、ビーム形状および／またはビームパラメータ積を決定するように構成され得る。ワークピースの特性は、ワークピースの厚さ、ワークピースの組成物、ワークピースの反射率、および／またはワークピース上の表面特徴の高さもしくは深度を含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。システムは、ワークピース上に画定された処理経路に対応するデータを記憶するためのコントローラにアクセス可能なメモリを含み得る。処理経路は、少なくとも１つの方向の変化を含み得る。処理経路は、１つ以上の線形区画、および／または、１つ以上の曲線区画から成り得る。コントローラは、処理経路に沿って、ビームの出力パワー、ビーム形状、および／またはビームパラメータ積を改変するように構成され得る。メモリは、少なくとも部分的にコントローラ内に常駐し、および／または少なくとも部分的に遠隔（例えば、ネットワーク記憶装置、クラウド記憶装置等）に常駐し得る。システムは、複数の材料のための処理データを記憶するためのデータベースを含み得る。コントローラは、データベースにクエリし、ワークピースの１つ以上の材料のための処理データを取得するように構成され得、ビームのビーム形状、および／または、ビームパラメータ積は、少なくとも部分的に取得された処理データによって決定され得る。
【００１９】
ビームエミッタは、複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束ビームを受け取り、受け取られた集束ビームを分散させるための分散要素と、分散させられたビームを受け取り、分散させられたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散させられたビームの第２の部分を分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられる部分反射出力結合器とを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。入力レーザビームは、複数の波長から成り得る。個別的なビームの各々は、異なる波長を有し得る。分散させられたビームの第２の部分は、１つ以上のビーム源に戻るように伝搬し、それによって、ビームをその放出波長に安定化させ得る。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球状レンズ、１つ以上の球状ミラー、および／または、１つ以上の円筒形ミラーを含むか、またはそれから本質的に成り得る。分散要素は、１つ以上の回折格子（例えば、１つ以上の透過格子、および／または、１つ以上の反射格子）、１つ以上の分散ファイバ、および／または、１つ以上のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。
【００２０】
コントローラは、出力ビームの所望されるビームパラメータを受信し、少なくとも部分的にそれに基づいて、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路を決定するように構成され得る。所望されるビームパラメータは、出力ビームのビームパラメータ積および／またはビーム形状を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。コントローラは、少なくとも部分的にセルラコア光ファイバの出力端に近接して（例えば、出力端において、出力端に取り付けられたレーザヘッド内で、または処理されるべきワークピースの表面上もしくはその近傍で）感知された（例えば、測定された）ビームパラメータに基づいて、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路を決定するように構成され得る。
【００２１】
別の側面では、本発明の実施形態は、レーザビームのビーム形状および／またはビームパラメータ積を改変する方法を特徴とする。セルラコア光ファイバが、提供される。セルラコア光ファイバは、入力端と、入力端の反対側の出力端とを有する。セルラコア光ファイバは、複数のコア領域と、コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。セルラコア光ファイバは、コア間クラッディング領域を包囲する外側クラッディングを含み得る。コア領域のうちの少なくとも１つのもの（または、各々）の屈折率は、コア間クラッディング領域の屈折率より大きい。入力レーザビームは、その上の経路に沿って、セルラコア光ファイバの入力端を横断して導かれる。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア間クラッディング領域の少なくとも一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものと、コア間クラッディング領域の少なくとも一部とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。セルラコア光ファイバの出力端において放出される出力ビームのビーム形状および／またはビームパラメータ積は、少なくとも部分的に入力レーザビームの経路によって決定される。
【００２２】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。経路は、複数のコア領域を含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。入力レーザビームの出力パワーは、入力レーザビームが経路に沿って導かれるとき、変調され得る。例えば、入力レーザビームの出力パワーレベルは、入力レーザビームが異なるコア領域の中および／またはコア間クラッディング領域に導かれているとき、異なり得る。入力レーザビームの出力パワーは、コア間クラッディング領域を越える（すなわち、交差する）経路の一部に沿って低減させられ（例えば、ゼロにまたはゼロ近くに、もしくは単により低い非ゼロパワーに）、それによって、コア間クラッディング領域の中へのビームエネルギーの結合を低減または実質的に排除し得る。経路は、コア間クラッディング領域の全てまたは一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。コア間クラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、出力ビームへの非ゼロ背景エネルギーレベルに寄与し得る。出力ビームは、セルラコア光ファイバの出力端における複数の個別的なビームを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。複数の個別的なビームは、セルラコア光ファイバの出力端からある距離間隔を置かれた状態において、より少ないビーム（例えば、１つのビーム）に合流し得る。
【００２３】
セルラコア光ファイバのコア領域のうちの少なくとも２つのものは、サイズおよび／または形状が異なり得る。コア間クラッディング領域の屈折率は、外側クラッディングが存在する場合、外側クラッディングの屈折率より大きいか、またはそれにほぼ等しくあり得る。入力端キャップが、セルラコア光ファイバの入力端上に配置され得る。出力端キャップが、セルラコア光ファイバの出力端上に配置され得る。セルラコア光ファイバの出力端に近接して配置されたワークピースが、出力ビームを用いて処理され得る。出力レーザビームのビームパラメータ積および／またはビーム形状が、少なくとも部分的にワークピースの特性に基づいて、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路の選択を介して決定され得る。ワークピースの特性は、ワークピースの厚さ、ワークピースの組成物、ワークピースの反射率、および／またはワークピース上の表面特徴の高さもしくは深度を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路は、セルラコア光ファイバのコア間クラッディング領域と交差し得る。入力レーザビームを経路に沿って導くことは、（ｉ）１つ以上の反射体を用いて、レーザビームを反射させること、および／または、（ｉｉ）１つ以上の光学要素を用いて、レーザビームを集束させることを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。
【００２４】
入力レーザビームは、ビームエミッタから放射され得る。ビームエミッタは、複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束ビームを受け取り、受け取られた集束ビームを分散させるための分散要素と、分散させられたビームを受け取り、分散させられたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散させられたビームの第２の部分を分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられる部分反射出力結合器とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。入力レーザビームは、複数の波長から成り得る。個別的なビームの各々は、異なる波長を有し得る。分散させられたビームの第２の部分は、１つ以上のビーム源に戻るように伝搬し、それによって、ビームをその放出波長に安定化させ得る。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球状レンズ、１つ以上の球状ミラー、および／または、１つ以上の円筒形ミラーを含むか、またはそれから本質的に成り得る。分散要素は、１つ以上の回折格子（例えば、１つ以上の透過格子、および／または、１つ以上の反射格子）、１つ以上の分散ファイバ、および／または、１つ以上のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。
【００２５】
出力ビームの所望されるビームパラメータが、受信され得、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路が、少なくとも部分的に所望されるビームパラメータに基づいて選択され得る。所望されるビームパラメータは、出力ビームのビームパラメータ積および／またはビーム形状を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路は、少なくとも部分的にセルラコア光ファイバの出力端に近接して（例えば、出力端において、出力端に取り付けられたレーザヘッド内で、または処理されるべきワークピースの表面上もしくはその近傍で）感知された（例えば、測定された）ビームパラメータに基づいて選択され得る。
【００２６】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、レーザビームを用いてワークピースを処理する方法を特徴とする。セルラコア光ファイバが、提供される。セルラコア光ファイバは、入力端と、入力端の反対側の出力端とを有する。セルラコア光ファイバは、複数のコア領域と、コア領域を包囲し、それらの間に延びているコア間クラッディング領域とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。セルラコア光ファイバは、コア間クラッディング領域を包囲する外側クラッディングを含み得る。コア領域のうちの少なくとも１つのもの（または、各々）の屈折率は、コア間クラッディング領域の屈折率より大きい。ワークピースが、セルラコア光ファイバの出力端に近接して（例えば、光学的にその下流に）配置または位置付けられる。ワークピースの処理のためのビームパラメータ積および／またはビーム形状は、ワークピースの少なくとも１つの特性に基づいて決定される。レーザビームは、セルラコア光ファイバの入力端に向かって（例えば、それに衝打するように）導かれる。その後および／またはその間、レーザビームは、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路沿って導かれ、セルラコア光ファイバの出力端から放出されるレーザビームのビームパラメータ積、および／または、ビーム形状を選択する。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア間クラッディング領域の少なくとも一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。経路は、コア領域のうちの１つ以上のものと、コア間クラッディング領域の少なくとも一部とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。ワークピースは、セルラコア光ファイバの出力端から放出されるレーザビームを用いて処理される。
【００２７】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含み得る。ワークピースを処理することは、ワークピースの表面上および／または内の特徴の少なくとも一部を物理的に改変すること、および／または、それを形成することを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。ワークピースを処理することは、切断、溶接、エッチング、焼鈍、穿孔、はんだ、および／または蝋接を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。ワークピースの少なくとも１つの特性は、ワークピースの厚さおよび／またはワークピースの組成物、および／または、ワークピースの反射率を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路は、セルラコア光ファイバのコア間クラッディング領域と交差し得、セルラコアクラッディング領域の中に結合されたビームエネルギーは、（少なくとも部分的に）ワークピースを処理するために利用され得る。レーザビームをセルラコア光ファイバの入力端を横切る経路に沿って導くことは、（ｉ）１つ以上の反射体を用いて、レーザビームを反射すること、および／または、（ｉｉ）１つ以上の光学要素を用いて、レーザビームを集束させることを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。ワークピースを処理する間および／またはその後、レーザビームをセルラコア光ファイバの入力端を横切る第２の経路上に導くことによって、レーザビームのビームパラメータ積、および／または、ビーム形状は、改変され、第２の経路は、セルラコア光ファイバの入力端を横切る経路と異なり得る。第２の経路は、コア領域のうちの１つ以上のものを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。第２の経路は、コア間クラッディング領域の少なくとも一部を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。第２の経路は、コア領域のうちの１つ以上のものと、コア間クラッディング領域の少なくとも一部とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。第２の経路は、経路として、同一のコア領域および／またはコア間クラッディング領域（もしくはその一部）を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り、ビームがコア領域、および／または、コア間クラッディング領域のうちの１つ以上のものを交差するために費やす時間は、第２の経路において異なり得る。第１のワークピースと異なる第２のワークピースは、ビームがビームに沿って導かれている間、処理され得る。第２のワークピースは、ワークピースのものと異なる少なくとも１つの特性（例えば、厚さ、組成物、反射率等）を有し得る。
【００２８】
入力レーザビームは、ビームエミッタから放出され得る。ビームエミッタは、複数の個別的なビームを放出する１つ以上のビーム源と、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束ビームを受け取り、受け取られた集束ビームを分散させるための分散要素と、分散させられたビームを受け取り、分散させられたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散させられたビームの第２の部分を分散要素に向かって戻るように反射するように位置付けられる部分反射出力結合器とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。入力レーザビームは、複数の波長から成り得る。個別的なビームの各々は、異なる波長を有し得る。分散させられたビームの第２の部分は、１つ以上のビーム源に戻るように伝搬し、それによって、ビームをその放出波長に安定化させ得る。集束光学は、１つ以上の円筒形レンズ、１つ以上の球状レンズ、１つ以上の球状ミラー、および／または、１つ以上の円筒形ミラーを含むか、またはそれから本質的に成り得る。分散要素は、１つ以上の回折格子（例えば、１つ以上の透過格子、および／または、１つ以上の反射格子）、１つ以上の分散ファイバ、および／または、１つ以上のプリズムを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。
【００２９】
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点ならびに特徴とともに、以下の説明、添付図面、ならびに請求項の参照を通して、より明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、用語「実質的に」は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。用語「本質的に〜から成る」は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、用語「放射線」および「光」は、別様に示されない限り、同義的に利用される。本明細書では、用語「放射線」および「光」は、別様に示されない限り、同義的に利用される。本明細書では、「下流」または「光学的に下流」は、第１の要素であって、第２の要素の「上流」または「光学的に上流」にある、第１の要素に遭遇した後、光ビームが衝打する第２の要素の相対的設置を示すために利用される。本明細書では、２つの構成要素間の「光学距離」は、光ビームによって実際に進行される２つの構成要素間の距離であって、光学距離は、２つの構成要素間の物理的距離と等しくあり得るが、例えば、構成要素のうちの一方から他方に進行する光によって被られるミラーからの反射または伝搬方向における他の変化に起因して、必ずしもそうではない。
【００３０】
図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して、同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を図示する際に強調される。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１Ａおよび１Ｂは、本発明の種々の実施形態による、例示的セルラコア光ファイバの断面概略図である。
【図２】図２は、本発明の種々の実施形態による、例示的セルラコア光ファイバの断面概略図である。
【図３】図３は、本発明の種々の実施形態による、セルラコア光ファイバを利用するレーザシステムの概略図である。
【図４】図４Ａは、本発明の種々の実施形態による、例示的セルラコア光ファイバの断面概略図である。図４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、図４Ａの光ファイバの面に沿って横断可能である２つの異なる入力ビーム経路を描写する。
【図５】図５は、本発明の種々の実施形態による、図４Ｂに描写される経路のうちの１つに沿って進行する入力ビームに関する入力および出力レーザビームの一連の時間平均ビーム形状を描写する。
【図６】図６は、本発明の種々の実施形態による、図４Ｂに描写される経路のうちの１つに沿って進行する入力ビームに関する入力および出力レーザビームの一連の時間平均ビーム形状を描写する。
【図７】図７は、本発明の種々の実施形態による、例示的セルラコア光ファイバの断面概略図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、本発明の種々の実施形態による、図７の光ファイバの面に沿って横断可能である２つの異なる入力ビーム経路を描写する。
【図９】図９は、本発明の種々の実施形態による、図８Ａに描写される経路に沿って進行する入力ビームに対する入力および出力レーザビームの一連の時間平均ビーム形状を描写する。
【図１０】図１０は、本発明の種々の実施形態による、図８Ｂに描写される経路に沿って進行する入力ビームに対する入力および出力レーザビームの一連の時間平均ビーム形状を描写する。
【図１１】図１１は、本発明の種々の実施形態による、レーザビーム送達システムのための入力ビームを供給するために利用され得る波長ビーム結合レーザシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（詳細な説明）
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の実施形態に従って使用可能である２つの異なる例示的セルラコアファイバ１００、１１０を描写する。示されるように、各セルラコアファイバは、各々がある屈折率（例えば、屈折率ｎ０）を有する複数の異なるコア領域１２０を有する。（この例では、コア領域１２０は全て、同一の屈折率を有するように説明されるが、本発明の実施形態は、コア領域１２０のうちの１つ以上のものが、他のコア領域と異なる屈折率を有する実装を含み、そのような屈折率は、概して、コア間クラッディング領域、および／または、外側クラッディングの屈折率より大きい。）セルラコアファイバ１００、１１０は、種々の形状および数のコア領域１２０（例えば、ファイバ１００に対して断面において実質的に円形、ファイバ１１０に対して異なる形状（例えば、正方形、長方形、三角形、楕円形、円形等））を有するように描写されるが、これらは、例示的にすぎず、本発明の実施形態によるセルラコアファイバは、２つ以上のコア領域１２０を有し得、コア領域１２０は、同一のサイズおよび／または形状もしくは異なるサイズおよび／または形状を有し得る。本明細書で利用されるように、「セルラコアファイバ」または「セルラコア光ファイバ」は、互いから分離され、コアのうちの少なくとも１つのものより低い屈折率を有するコア間クラッディング領域によって少なくとも部分的に包囲される２つ以上の異なるコア領域を有する。種々の実施形態では、セルラコアファイバのコア領域は、同軸ではない：コア領域のうちの１つ以上のものは、環状であり得るが、典型的には、コア領域は、セルラコアファイバ内の他のコア領域のうちの１つを包囲しない。
【００３３】
コア間クラッディング領域１３０は、種々のコア領域１２０間に配置され、コア間クラッディング領域１３０は、典型的には、コア領域１２０のうちの少なくとも１つのもの（種々の実施形態では、全て）より小さい屈折率（例えば、屈折率ｎ１）を有する。セルラコアファイバ１００、１１０はまた、コア領域１２０およびコア間クラッディング１３０を包囲する外側クラッディング領域１４０を有し得、外側クラッディング領域１４０は、コア間クラッディング領域１３０の屈折率より小さいか、またはそれにほぼ等しい屈折率（例えば、屈折率ｎ２）を有し得る。種々の実施形態では、１つ以上の追加の外側クラッディング領域が、外側クラッディング領域１４０の部分的もしくは完全に周囲に配置され、外側クラッディング領域の各々は、同一または異なる屈折率を有し得る。
【００３４】
本発明の種々の実施形態では、入力ビームの形状は、ビームをセルラコアファイバ（例えば、ファイバ１００、ファイバ１１０、または別のセルラコアファイバ）のコア領域１２０のうちの異なるもの間で急速に操向することによって改変される。異なるパターンにおける（すなわち、コア領域１２０のうちの異なるものの間の）入力ビームの移動は、光ファイバから、異なるビーム形状を有する出力ビームを生成する。本発明の種々の実施形態では、入力ビームの形状は、ビームをセルラコアファイバ１１０の異なって成形されたコア領域の中に導かれることによって改変され得る。入力ビームが導かれるコア領域の形状は、光ファイバから放出される出力ビームの形状を決定することに役立つ。種々の実施形態では、コア間クラッディング領域１３０に導かれるビームエネルギー（例えば、ビームが異なるコア領域１２０の間で移動させられるとき）は、特に、外側クラッディング領域１４０の屈折率ｎ２がコア間クラッディング領域１３０の屈折率ｎ１を下回る実施形態において、少なくとも部分的にコア間クラッディング領域１３０の中に閉じ込められる。コア間クラッディング領域１３０の中に結合されたそのようなビームパワーは、典型的には、出力において非ゼロの背景パワーレベルをもたらす。この背景パワーレベルは、出力ビームの種々の異なる用途（例えば、切断または溶接等の材料プロセス）において望ましくあり得る最終出力ビームのＢＰＰを変動させ得る。
【００３５】
図２は、本発明の種々の実施形態による、別の例示的セルラコアファイバ２００を描写する。セルラコアファイバ２００は、ファイバ束であり、ファイバ束において、各々がクラッディング領域２３０によって包囲される少なくとも１つのコア領域２２０を有する複数の個別的な光ファイバ２１０が、「コア間」またはファイバ間材料２４０を介して一緒に束にされ、材料２４０は、光に対して少なくとも部分的に透明である（例えば、光がファイバ２１０を通して伝送される）材料を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。例えば、ファイバ間材料２４０は、エポキシ、ガラス、プラスチック等を含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。図２に示されるように、ファイバ束２００は、例えば、ガラスおよび／または金属を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得るフェルール２５０によって、少なくとも部分的に（例えば、その外周において）包囲され得る。種々の実施形態では、ファイバ束２００の種々の個々のファイバ２１０は、異なるサイズおよび／または形状、および／または、数のコア領域２２０を有する。種々の実施形態では、ファイバ間材料２４０の中への入力ビームの放出は、そのようなビームパワーが、典型的には、喪失され（すなわち、ファイバ束２００からの出力ビームの一部として放出されない）、さらにファイバ束２００自体を損傷させ得るので、回避される。それらを利用する例示的ファイバ束およびシステムは、２０１７年１１月９日に出願された米国特許出願第１５／８０７，７９５号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）においても説明される。
【００３６】
種々の実施形態では、ファイバ２００のうちの１つ以上のものは、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号（「第‘７４５号出願」）（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に詳述されるようなステップクラッド光ファイバであり得る。第‘７４５号出願において説明されるように、ステップクラッド光ファイバは、中心コアと、中心コアを包囲する第１のクラッディングと、第１のクラッディングを包囲する環状コアと、環状コアを包囲する第２のクラッディングとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成り得る。第１のクラッディングの種々の性質は、少なくとも部分的に第１のクラッディングの中に結合されるパワーに基づいて、ＢＰＰ変動を可能にし得る。他のＢＰＰおよび／またはビーム形状の変動も、第１のクラッディングに加えもしくはその代わりとしてのいずれか一方で、ステップクラッド光ファイバの他の部分の中に結合されるパワーに基づいて達成され得る。第‘７４５号出願において説明されるように、ステップクラッドファイバの第１のクラッディングの屈折率（Ｎ２）は、高屈折率Ｎ１（例えば、中心コアおよび／または環状コアの高屈折率Ｎ１）と低屈折率Ｎ３（例えば、第２のクラッディングの低屈折率Ｎ３）との間の値を有し、それによって、中心コアは、（Ｎ１２−Ｎ３２）の平方根によって与えられる環状コアの開口数（ＮＡ）よりも、（Ｎ１２−Ｎ２２）の平方根によって与えられる小さいＮＡを有するであろう。種々の実施形態において、ステップクラッド光ファイバの中心コアおよび環状コアは、相互にほぼ等しいが、種々の実施形態では、環状コアの屈折率は、中心コアの屈折率と異なり（すなわち、それより小さいか、または大きいかのしずれか）得るが、しかしながら、一般的に、環状コアの屈折率は、第１のクラッディングの屈折率より大きいままである。種々の実施形態では、第‘７４５号出願において開示されるように、環状コアは、第１のクラッディングと同一の屈折率を有し得、すなわち、環状コアは、第１のクラッディングの中に合流する。本発明の実施形態によるステップクラッドファイバは、レーザパワーの実質的に全てまたは全てを第１のクラッディングの中に結合させ得る。第１のクラッディングの中に結合されるより大きいパワーは、概して、より大きいＢＰＰにつながるであろう。種々の実施形態では、第１のクラッディングと中心コアとの直径比率は、１．２を上回り、例えば、１．２〜３、またはさらに１．３〜２である。
【００３７】
本発明の種々の実施形態によると、光ファイバの種々のコア、コア間クラッディング、および外側クラッディング層は、実質的に純粋な溶融シリカ、および／または、フッ素、チタン、ゲルマニウム、および／またはホウ素でドープされた溶融シリカ等のガラスを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。光ファイバの異なる部分において所望の屈折率を達成するための適切な材料の選択は、過度の実験を伴わずに、当業者によって実施され得る。
【００３８】
図３は、本発明の実施形態による、セルラコアファイバを利用する例示的レーザシステム３００を描写する。示されるように、レーザシステム３００は、セルラコアファイバ３０５を含む。レーザビーム３１０が、反射体３１５（例えば、１つ以上のミラー）によって向きを変えられ、光学要素３２０を介してファイバ３０５の中に結合される。光学要素３２０は、１つ以上のレンズ（例えば、円筒、および／または、球状レンズ）を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。示されるように、ファイバ３０５の一方または両方の端部は、端キャップ３２５（例えば、ガラスブロック）を介して終端され得る。一方または両方の端キャップ３２５、および／または、ファイバ３０５（例えば、一方または両方の端キャップ３２５が存在しない例において）の１つ以上の表面は、反射防止コーティングでコーティングされ得る。端キャップ３２５は、例えば、少なくとも５ｍｍの長さを有し得る。端キャップ３２５の長さは、例えば、５０ｍｍ以下であり得る。
【００３９】
セルラコアファイバ３０５は、本明細書において詳述されるように、ビーム３１０の形状および／またはＢＰＰを改変し、例えば、レーザヘッド３３５の中に出力ビーム３３０を出力する。レーザヘッド３３５は、例えば、出力ビーム３３０が多数の異なる用途（例えば、切断、溶接等）のうちのいずれかのために利用されるときに利用される追加の集束光学および／またはポジショナを含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る。レーザビーム３１０は、下で説明されるように、多波長ビームであり得、ＷＢＣシステムによって生成され得、したがって、種々の実施形態では、出力ビーム３３０も、多波長ビームである。レーザヘッド３３５は、ワークピースの加工のために、出力ビームをワークピースに導き得る。他の実施形態では、レーザヘッド３３５は、省略され、出力ビームは、直接ファイバ３０５からワークピースに導かれる。
【００４０】
種々の実施形態では、反射体３１５の移動は、セルラコアファイバ３０５のコア領域のうちの１つ以上のものの中に（および／または、コア間クラッディングの中に）導かれるように、ビーム３１０を平行移動させる。例えば、反射体３１５は、１つ以上のアクチュエータ３４５に応答して、経路３４０に沿って傾斜（ｔｉｐ−ｔｉｌｔ）調節（例えば、回転）され得る。加えて、または代替として、反射体３１５は、ビーム経路内で平行移動させられ、ビーム３１０をファイバ３０５の異なる領域の中に導き得る。種々の実施形態では、システムは、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）において詳述されるように、ビームを導くための変形可能な反射体３１５を利用し得る。
【００４１】
ビーム３１０は、例えば、約１０ｍｍ／秒より大きい、またはさらに約１００ｍｍ／秒より大きいビーム平行移動速度で、コア領域のうちの異なるもの（および／または、コア間クラッディング）に平行移動させられ得る。ビーム平行移動速度は、例えば、アクチュエータ３４５の動作可能速度および／または光学要素３２０の焦点距離に依存し得る。前述されたように、ビーム３１０の平行移動中、ビームの出力パワーは、変調され得る。例えば、出力パワーは、コア間クラッディング領域の中への内部結合を最小化するために、ビームがコア間クラッディング領域を横切るとき、低減させられるか、またはさらにゼロパワー近くもしくはほぼゼロパワーにまで減少させられ得る。他の実施形態では、出力パワーは、さらなるビームパワーをコア間クラッディングの中に内部結合させるために、ビームが１つ以上のコア領域からコア間クラッディングの中に平行移動させられるとき、ほぼ同一のレベルに維持される。ビーム３１０の出力パワーは、ビームがファイバ３０５のコア領域のうちの異なるものに導かれているときにも、変化（すなわち、増加または減少）させられ得る。加えて、または代わりに、ビームがセルラコアファイバ３０５の任意の特定の領域（例えば、コア領域、および／または、コア間クラッディング領域のうちの１つ以上のもの）に導かれている時間の量は、そのような領域の中に結合される時間平均パワーレベルが異なるように変動させられ得る。
【００４２】
種々の実施形態では、アクチュエータ３４５は、２つの異なる軸（例えば、垂直なｘ軸およびｙ軸）に沿って反射体３１５を傾斜させること、および／または、移動させることが可能である２軸アクチュエータである。ある実施形態では、ミラーが、θｘおよびθｙの角度で回転させられ、それは、ファイバ３０５の入力表面上でビーム３１０の焦点をｘ方向に量θｘ×ｆ、ｙ方向に量θｙ×ｆだけ平行移動させる（式中、ｘおよびｙ方向は、ビーム伝搬の方向に対して垂直であり、ｆは、光学要素３２０の焦点距離である）。本発明の他の実施形態では、複数の異なるアクチュエータおよび／または複数の異なる反射体が、ビーム３１０を平行移動させるために利用され得、各アクチュエータ、および／または、反射体は、単一の軸または方向に沿って平行移動を制御し得る。種々の実施形態では、ビーム３１０をファイバ３０５の入力表面を横断して平行移動させるために、移動させられている反射体３１５に加えて、またはその代わりに、光学要素３２０が、平行移動させられ得る。種々の実施形態では、ビーム３１０をファイバ３０５の入力表面を横断して平行移動させるために、移動させられている反射体３１５および／または光学要素３２０に加えて、またはその代わりに、ファイバ３０５の入力表面（例えば、入力端キャップ３２５）自体が、平行移動させられ得る。
【００４３】
本発明の実施形態によるレーザシステムは、セルラコアファイバ３０５の種々のコア領域および／またはコア間クラッディング間のレーザビーム３１０の移動を制御するコントローラ３５０を組み込み得る。例えば、コントローラは、レーザビーム３１０をコア領域のうちの異なるものの中および／またはコア間クラッディングの中に導くために、反射体３１５、および／または、光学要素３２０（例えば、１つ以上のアクチュエータ３４５を介して）の移動（例えば、回転、および／または、側方移動）を制御し得る。コントローラ３５０は、レーザビーム３１０を異なるコア領域の中および／またはコア間クラッディングの中に結合するために、反射体３１５、および／または、光学要素３２０を制御することに加えて、またはその代わりに、ファイバ１０４の入力端も移動させ得る。コントローラ３５０は、例えば、ファイバ３０５の種々の領域の中に結合されるビームパワーの量を制御するために、ファイバ３０５に対するビームの位置の関数として、ビーム３１０の出力パワーも変調し得る。コントローラ３５０は、時間の関数として、ファイバ３０５の種々の領域の中に結合されるパワーの量を変動させるために、セルラコアファイバ３０５と反射体３１５および／または光学要素３２０との間の相対的運動の速度も改変し得る。
【００４４】
コントローラ３５０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらのある組み合わせのいずれかとして提供され得る。例えば、システムは、Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆ．）によって製造されたＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎファミリのプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ，Ｉｌｌ．）によって製造された６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ  ＰＣファミリのプロセッサ、および／または、Ａｄｖａｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，Ｃａｌｉｆ．）によって製造されたＡＴＨＬＯＮ線のプロセッサ等の１つ以上のプロセッサを含むＣＰＵボードを有するＰＣ等、１つ以上の従来のサーバクラスコンピュータ上に実装され得る。プロセッサは、上で説明される方法に関連するプログラムおよび／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットも含み得る。メモリは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、もしくは読み取り専用メモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般に利用可能なハードウェア上に常駐するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはフラッシュメモリを含み得る。いくつかの実施形態では、プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、ならびに他の一般に使用される記憶デバイス等の外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供され得る。機能が１つ以上のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に対して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／または、ＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のいずれかで記述され得る。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に常駐するマイクロプロセッサを対象とするアセンブリ言語で実装され得、例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ  ＰＣまたはＰＣクローン上で起動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ  ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装され得る。ソフトウェアは、限定ではないが、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ−ＲＯＭを含む、製造品上で具現化され得る。
【００４５】
コントローラ３５０は、ワークピースまたはレーザヘッド３３５におけるビーム性質（例えば、束密度、ビーム直径、ビーム形状、ＢＰＰ等）の所望の値と、ビーム性質とファイバ端面（例えば、コア領域、および／または、コア間クラッディングのうちの１つ以上のもの）に対するビームの位置との間の既知の関係とに基づいて、および／または、ユーザ入力（例えば、ファイバの端面またはその一部（例えば、１つ以上のコアもしくはコア間クラッディング）とのコマンドされる重複度またはその位置）に基づいて、ファイバ端面に対する入力レーザビームの適切な位置を算出し得、および／または、下でより詳細に説明されるように、ビームとファイバの端面との間の最適整列が徐々に達成されるように、フィードバックを使用し得る。例えば、光検出器または他の光センサが、ワークピースに近接して利用され、ワークピース表面におけるビーム形状、ビーム直径、ＢＰＰ、および／または、束密度（例えば、ビーム自体のビーム性質、またはワークピース表面からの反射の測定を介して）を監視し得、コントローラ３５０は、測定された値をフィードバックとして利用し、所望のビーム性質がワークピースにおいて達成されるまで、ファイバ端部に対する入力ビームの位置付けを調節し得る。例えば、測定されたビーム性質は、所望されるビーム性質（例えば、ユーザによって入力または別様に決定されたもの、および／または、レーザが利用され得るワークピースおよび／または処理のタイプのうちの１つ以上の性質によって決定されたもの）と反復的に比較され得、コントローラ３５０は、例えば、エラー関数の最小化を介して、その間の差異を低減もしくは最小化し得る。他のセンサ、例えば、温度センサおよび／またはワークピース表面上に及ぼすビームの影響を測定するセンサ（例えば、深度もしくはプロファイルセンサ等）も、本発明の実施形態における光センサに加えて、またはその代わりに利用され得る。
【００４６】
種々の実施形態では、コントローラ３５０は、種々のセルラコア光ファイバの面上において横切られる種々の経路から結果として生じるビーム形状および／またはＢＰＰ（もしくは他のビーム性質）を検出し、結果を記憶し、ビーム形状またはＢＰＰ等の所望されるビーム性質に応じた１つ以上の好適な経路を決定するために、結果を利用し得る。結果は、所与のセルラコア光ファイバ上のレーザビームによって横切られる可能な経路から結果として生じる１つ以上のビーム性質を予測するために利用され得る機械学習モデルにおいも利用され得る。種々の実施形態では、物理／光学モデリングが、種々の異なるセルラコアファイバ上において横切られる種々の経路から結果として生じる１つ以上のビーム性質（例えば、ビーム形状、および／または、ＢＰＰ）を予測するために利用され得、そのような結果は、少なくとも部分的に所望されるビーム性質を達成するための経路を選択するために、コントローラ３５０によって利用され得る。
【００４７】
図４Ａは、本発明の実施形態による、例示的セルラコアファイバ４００の概略断面図である。示されるように、この例示的ファイバ４００は、コア間隔４１０に対応する互いからほぼ等しい距離間隔を置かれる７つの異なるコア領域１２０を有する。コア領域１２０は、コア間クラッディング１３０によって包囲され、コア間クラッディング１３０は、次に、外側クラッディング層またはフェルール１４０によって封入される。下で提供される例では、各コア１２０は、１００μｍの直径を有し、コア間間隔４１０は、１５０μｍであり、コア間クラッディング１３０は、５００μｍの直径と、０．１２の開口数とを有し、外側クラッディング１４０は、６００μｍの直径と、０．２２の開口数とを有する。図４Ｂは、本発明の実施形態を実証するように利用される２つの異なる例示的ビーム経路を描写する。第１のものは、中心コア領域１２０と中心コア領域１２０に隣接し、かつわずかにその下方にある２つのコア領域１２０との間に進行する「矢印」経路４２０である。第２の経路は、外側の６つのコア領域１２０の間を進行する「リング」経路４３０である。
【００４８】
図５は、入力ビームが図４Ｂに描写される矢印経路４２０に沿って移動させられる例示的実施形態に対する入力および出力レーザビームの一連のシミュレートされた時間平均ビーム形状を描写する。シミュレートされた画像では、レーザは、従来の１００μｍ光ファイバの中に結合される場合、約４ｍｍ−ｍｒａｄのＢＰＰを有する４ｋＷのＷＢＣレーザである。最も左側の画像は、矢印経路４２０に沿って移動する入力ビームを描写し、残りの画像は、ファイバ４００の出射面、および出口から徐々に離れた距離における結果として生じる出力ビームを描写する。示されるように、レーザパワーは、レーザビームが１つのコア領域１２０から他のものに移動させられるとき、経時的に実質的に一定のままであり、したがって、レーザパワーの一部が、コア間クラッディング領域１３０の中に結合される。コア間クラッディング領域１３０の中に結合されるこのパワーは、非ゼロ背景出力パワーレベルとして残りの画像において明白である。図５に示されるように、出力ビームは、ファイバ出口を越えて単一の成形されたビームに合流する３つの個別的なビームとして、ファイバ４００から出現する。このように、入力ビームの形状およびＢＰＰの両方は、経路４２０に沿ったビームの制御を介して、例えば、ワークピースを処理するために利用され得る所望される出力ビームを形成するように改変されている。例えば、図５では、ファイバ出口におけるビームの推定有効スポットサイズは、直径において約４５０μｍであり、ファイバ出口におけるビームのＢＰＰは、約１８ｍｍ−ｍｒａｄである。
【００４９】
図６は、入力ビームが図４Ｂに描写されるリング経路４３０に沿って移動させられる例示的実施形態に対する入力および出力レーザビームの一連のシミュレートされた時間平均ビーム形状を描写する。シミュレートされた画像では、レーザは、従来の１００μｍ光ファイバの中に結合される場合、約４ｍｍ−ｍｒａｄのＢＰＰを有する４ｋＷのＷＢＣレーザである。最も左側の画像は、リング経路４３０に沿って移動する入力ビームを描写し、残りの画像は、ファイバ４００の出射面、および出口から徐々に離れた距離における結果として生じる出力ビームを描写する。示されるように、レーザパワーは、コア間クラッディング領域１３０の中に結合されている感知できるほどのパワーを防止するために、入力において変調される。すなわち、レーザの出力パワーは、１つのコア領域１２０から別のものに進行するとき、レーザビームがコア間クラッディング領域１３０を交差するとき、ゼロまで減少させられる。図６に示されるように、出力ビームは、ファイバ出口を越えて単一の成形されたビームに合流する６つの個別的なビームとして、ファイバ４００から出現する。このように、入力ビームの形状およびＢＰＰの両方は、経路４３０に沿ったビームの制御を介して、例えば、ワークピースを処理するために利用され得る所望される出力ビームを形成するように改変されている。例えば、図６では、ファイバ出口におけるビームの推定有効スポットサイズは、直径において約３６５μｍであり、ファイバ出口におけるビームのＢＰＰは、約１４ｍｍ−ｍｒａｄである。
【００５０】
図７は、本発明の実施形態による、例示的セルラコアファイバ７００の概略断面図である。示されるように、ファイバ７００は、より大きい直径を有する内側（または中心）コア領域７２０を包囲する８つの異なる外側コア領域７１０を有する。コア領域７１０、７２０は、コア間クラッディング１３０によって包囲され、コア間クラッディング１３０は、次に、外側クラッディング層１４０によって封入される。内側コア領域７２０の中心点は、間隔７３０によって、外側コア領域７１０の各々の中心点から分離される。下で提供される例では、各外側コア７１０は、１００μｍの直径を有し、内側コア７２０は、５００μｍの直径を有し、内側中心の中心から外側コアのうちのいずれかまでの間隔７３０は、３５０μｍであり、コア間クラッディング１３０は、９００μｍの外径を有する。図８Ａおよび８Ｂは、本発明の実施形態を実証するために利用される２つの異なる例示的ビーム経路を描写する。図８Ａに示される第１の経路８００は、中心コア領域７２０と外側コア領域７１０のうちの２つのものとの間を進行する経路である。破線によって示されるように、レーザパワーは、ビームがコア間クラッディング領域１３０を交差するとき、最小限または実質的にオフにされる。図８Ｂに示される第２の経路８１０は、レーザビームが中心コア７２０の中心またはその近傍にあるときにも、レーザパワーが低減もしくは最小化される点を除いて、図８Ａの経路８００に類似する。
【００５１】
図９は、入力ビームが図８Ａに描写される経路８００に沿って移動させられる例示的実施形態に対する入力および出力レーザビームの一連のシミュレートされた時間平均ビーム形状を描写する。シミュレートされた画像では、レーザは、従来の１００μｍ光ファイバの中に結合される場合、約４ｍｍ−ｍｒａｄのＢＰＰを有する４ｋＷのＷＢＣレーザである。最も左側の画像は、経路８００に沿って移動する入力ビームを描写し、残りの画像は、ファイバ７００の出射面、および出口から徐々に離れた距離における結果として生じる出力ビームを描写する。示されるように、レーザパワーは、入力ビームが中心コア領域７２０の中に結合されるパワーレベルと比較すると、２つの外側コア領域７１０の中に結合されるとき、少なくとも時間平均ベースで減少させられる（すなわち、外側コア領域７１０にわたって費やされるビームの出力パワーおよび／または時間の量は、ビームが中心コア領域７２０に導かれているときより小さくあり得る）。出力ビームは、ファイバ出口から出現するとき、２つの小さい「パイロットビーム」を伴う大きい一次ビームとして出射する。そのようなパイロットビームは、処理されるべきエリアを事前加熱、および／または一次ビームを誘導するための溶接等の用途において有利であり得る。示されるように、一次ビームは、その中心において高出力パワーを有し、出力パワーは、一次ビームの縁に向かって減少する。図９では、ファイバ出口におけるビームの推定有効スポットサイズは、直径において約４９０μｍであり、ファイバ出口におけるビームのＢＰＰは、約２０ｍｍ−ｍｒａｄである。
【００５２】
図１０は、入力ビームが図８Ｂに描写される経路８１０に沿って移動させられる例示的実施形態に対する入力および出力レーザビームの一連のシミュレートされた時間平均ビーム形状を描写する。シミュレートされた画像では、レーザは、従来の１００μｍ光ファイバの中に結合される場合、約４ｍｍ−ｍｒａｄのＢＰＰを有する４ｋＷのＷＢＣレーザである。最も左側の画像は、経路８１０に沿って移動する入力ビームを描写し、残りの画像は、ファイバ７００の出射面、および出口から徐々に離れた距離における結果として生じる出力ビームを描写する。示されるように、レーザパワーは、入力ビームが２つの外側コア領域７１０の中に結合されるとき、少なくとも時間平均ベースで減少させられる。出力ビームは、ファイバ出口から出現するとき、２つの小さい「パイロットビーム」を伴う大きい一次ビームとして出射する。示されるように、一次ビームの出力パワーは、ファイバ出口およびそれを越えてすぐの場所では実質的に均一であり、すなわち、一次ビームは、溶接、クラッディング等の多くの用途のために有利であり得る平坦な頭の先のビーム形状を有する。図１０では、ファイバ出口におけるビームの推定有効スポットサイズは、直径において約４９５μｍであり、ファイバ出口におけるビームのＢＰＰは、約２０ｍｍ−ｍｒａｄである。
【００５３】
コントローラ３５０は、本発明の実施形態によると、所望の処理のタイプ（例えば、切断、溶接等）および／または処理されるべきワークピース、および／または、出力ビームのためにマッピングされた所望の処理経路の１つ以上の特性（例えば、材料パラメータ、厚さ、材料タイプ等）に基づいて、出力ビームのＢＰＰおよび／またはビーム形状を制御し得る。そのようなプロセスおよび／または材料パラメータは、ユーザによって、コントローラ３５０に関連付けられたメモリ内に記憶されたデータベースから選択され得るか、または入力デバイス（例えば、タッチスクリーン、キーボード、コンピュータマウス等のポインティングデバイス等）を介して打ち込まれ得る。１つ以上の処理経路は、ユーザによって提供され、オンボードもしくはコントローラ３５０に関連付けられた遠隔メモリ内に記憶され得る。ワークピースおよび／または処理経路選択後、コントローラ３５０は、データベースにクエリし、対応するパラメータ値を取得する。記憶された値は、材料および／または１つ以上の処理経路もしくは材料上の処理場所に好適なＢＰＰ、および／または、ビーム形状を含み得る。
【００５４】
プロットおよび走査技術において十分に理解されるように、ビームと所望のビーム経路との間の必要な相対的運動は、例えば、移動可能なミラーを使用したビームの光学偏向、ガントリ、送りねじ、または他の配置を使用したレーザの物理的移動、および／または、ビームではなく（またはそれに加え）、ワークピースを移動させるための機械的配置によって生成され得る。コントローラ３５０は、いくつかの実施形態では、ワークピースに対するビームの位置および／または処理有効性に関するフィードバックを好適な監視センサに接続されるフィードバックユニットから受信し得る。フィードバックユニットからの信号に応答して、コントローラ３５０は、例えば、入力ビーム３１０のセルラコア光ファイバの面上の１つ以上の異なる場所への移動を介して、ビームの経路、ＢＰＰ、および／または、形状を改変し得る。本発明の実施形態は、２０１５年３月５日に出願された米国特許出願第１４／６３９，４０１号、２０１６年９月９日に出願された米国特許出願第１５／２６１，０９６号、および２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第１５／６４９，８４１号（それぞれの開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される装置ならびに技法の側面も組み込み得る。
【００５５】
加えて、レーザシステムは、ワークピースの厚さおよび／またはその上の特徴の高さを検出するための１つ以上のシステムを組み込み得る。例えば、レーザシステムは、２０１５年４月１日に出願された米国特許出願第１４／６７６，０７０号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に詳述されるようなワークピースの干渉深度測定のためのシステム（またはその構成要素）を組み込み得る。そのような深度または厚さ情報は、例えば、処理されている材料のタイプに対応するデータベース内の記録に従って、コントローラによって、出力ビームＢＰＰおよび形状を制御し、ワークピースの処理（例えば、切断もしくは溶接）を最適化するために利用され得る。
【００５６】
本発明の実施形態による、本明細書に詳述されるレーザシステムおよびレーザ送達システムは、ＷＢＣレーザシステムにおいて、および／または、それとともに利用され得る。具体的には、本発明の種々の実施形態では、ＷＢＣレーザシステムの多波長出力ビームは、本明細書に詳述されるように、ＢＰＰおよび／またはビーム形状の変動のために、レーザビーム送達システムのための入力ビームとして利用され得る。図１１は、１つ以上のレーザ１１０５を利用する例示的ＷＢＣレーザシステム１１００を描写する。図１１の例では、レーザ１１０５は、ビーム１１１０を放出する４つのビームエミッタを有するダイオードバーを特徴とする（拡大入力図１１１５参照）が、本発明の実施形態は、任意の数の個々のビームを放出するダイオードバーまたは２次元アレイもしくはスタックのダイオードもしくはダイオードバーを利用し得る。図１１１５では、各ビーム１１１０は、線によって示され、線の長さまたはより長い寸法は、ビームの低速発散次元を表し、高さもしくはより短い寸法は、高速発散次元を表す。コリメート光学１１２０が、各ビーム１１１０を高速次元に沿ってコリメートするために使用され得る。１つ以上の円筒形もしくは球形レンズおよび／またはミラーを含むか、それから本質的に成り得るか、またはそれから成る変形光学１１２５が、各ビーム１１１０をＷＢＣ方向１１３０に沿って結合させるために使用される。変形光学１１２５は、次いで、結合されたビームを分散要素１１３５（例えば、反射または透過回折格子、分散プリズム、グリズム（プリズム／格子）、伝送格子、もしくはエシェル格子を含むか、それから本質的に成るか、またはそれから成り得る）上に重複させ、結合されたビームは、次いで、単一出力プロファイルとして出力結合器１１４０上に伝送される。出力結合器１１４０は、次いで、結合されたビーム１１４５を出力正面図１１５０上に示されるように伝送する。出力結合器１１４０は、典型的には、部分的に反射性であり、この外部キャビティシステム１１００内の全レーザ要素のために共通正面ファセットとして作用する。外部キャビティは、二次ミラーが、各レーザエミッタの放出開口またはファセットから離れるようにある距離だけ変位させられるレージングシステムである。いくつかの実施形態では、追加の光学が、放出開口またはファセットと出力結合器もしくは部分的反射表面との間に設置される。出力ビーム１１４５は、したがって、多波長ビーム（個々のビーム１１１０の波長を結合する）であり、本明細書に詳述されるレーザビーム送達システム内の入力ビームとして利用され得、および／または光ファイバの中に結合され得る。
【００５７】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語ならびに表現の使用において、図示かつ説明される特徴またはその一部の均等物のいずれかを除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月22日(2019.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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