JP2020505776A - ビーム成形のためのセルラコア光ファイバ利用するレーザシステム - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (60)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- (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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- (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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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