JP2021525003A - 角度調節を有する交換可能レーザ共振器 - Google Patents

Abstract

様々な実施の形態において、発振器モジュールはレーザソースと、（ａ）回折光学系、（ｂ）出力カプラ、または（ｃ）回折光学系及び出力カプラの両方と、を含む。これらのいずれかまたは両方は、２軸回転を容易にするマウント上に配置されてもよい。マウントは、例えば、従来の回転調節可能な「チップ／チルト」マウントまたはジンバル配置であってもよい。回折光学系の場合、光学系自体またはビームパスのいずれかが調節されてもよく、即ち、光学系はチップ／チルトマウント上にあってもよく、または光学系はそれぞれチップ／チルトマウント上の２つまたはそれより多くのミラーで交換されてもよい。

Description

（関連出願）
本出願は、２０１８年５月２４日に出願された、米国仮特許出願第６２／６７６，０４１号に基づく利益及び優先権を主張し、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

様々な実施の形態において、本発明はレーザシステムに関し、特に、交換可能な共振器を有する高パワーレーザシステムに関する。

高パワーレーザシステムは、溶接、切断、穴あけ加工及び材料加工等、様々な工業的用途において使用されている。このようなレーザシステムは、一般的に、レーザ発振器と、光学システムとを含み、レーザ発振器からのレーザ光は光ファイバ（または、単に「ファイバ」）内に結合され、光学システムは加工される工作物上にファイバからのレーザ光を集光させる。波長合成技術（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、または１または２次元アレーに配置された他のレーザからの出力パワー及び輝度を調節するための技術である。発振器のアレーの１または両方の次元に沿ってビームを合成するＷＢＣ方法が開発された。一般的なＷＢＣシステムは、マルチ波長ビームを形成するため分散要素を用いて合成される１つまたは複数のダイオードバー等、複数の発振器を含む。ＷＢＣシステム内の各発振器は個別に共振し、ビーム合成の次元に沿って分散要素によりフィルタされ、共通の部分的に反射性を有する出力カプラからの波長特性を有するフィードバックを通じて安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、米国特許第６，１９２，０６２号と、米国特許第６，２０８，６７９号と、米国特許第８，６７０，１８０号と、及び米国特許第８，５５９，１０７号と、において説明され、各出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

あるマルチ発振器構成において、個別の発振器は、別々に取り外され、交換されてもよい。例えば、高パワーレーザシステムは、それぞれ少なくとも１つのレーザソース、例えば、１つまたは複数のダイオードに基づいたソースを含む、複数の個別に交換可能な発振器モジュールを特徴としてもよい。発振器モジュールは、エンドユーザによって、「現場にて」、システムから取り外され、交換されてもよい。しかし、発振器モジュールの交換は、新しいモジュールの正しい位置合わせを要する。多くの高パワーレーザシステムは、レーザ位置合わせに適していない清潔でない環境において使用される。よって、現場での位置合わせが実用的でない場合、発振器モジュールの製造の際に、許容範囲内で位置合わせが保証されている必要がある。それは難しいことだが、レーザ共振器の間のビームポインティング（pointing）及びビーム位置の変動をある臨界レベル以下に低減させることができる場合、さらなる調節を伴わずに、合成システム内で発振器モジュールは交換可能となる。

発振器モジュールは、レーザソースまたは共振器モジュールとも呼ばれ、本発明の実施の形態に基づいて、電気的及び光学的界面を含んでもよい。電気的及び光学的界面は、モジュールからの個別のビームが単一出力ビームに合成される（及び、ある実施の形態において、光ファイバ内に結合される）ビーム合成エンクロージャ上の補完的な特徴と係合する。これらの光学的及び電気的界面は、もし必要であるとすれば最小量のソース位置合わせを伴った、入力レーザソースの簡単な交換を容易にする。発振器モジュールは、出力ビームを形成するために入力ビームが合成されるエンクロージャ内またはその上に配置された入力容器内に挿入可能であっても、及び入力容器と係合してもよい。

発振器モジュールは、レーザソースと、（ａ）回折光学系、（ｂ）出力カプラ、または（ｃ）回折光学系及び出力カプラの両方を含む。このいずれかまたはこの両方は、２軸回転を容易にするマウント上に配置されてもよい。マウントは、例えば、従来の回転調節可能な「チップ／チルト」マウント、またはジンバル（gimbal）配置であってもよい。回折光学系の場合、光学系自体または光路が調節されてもよく、即ち、光学系はチップ／チルトマウント上にあってもよいし、または光学系はそれぞれチップ／チルトマウント上のミラーのペアと交換されてもよい。様々な実施の形態において、出力カプラは、部分的に反射性を有し、発振器モジュールからの出力ビームのある部分の照射、及び元のビーム発振器へ戻す出力ビームの他の部分の反射を容易にし、よって、発振器モジュール内において外部キャビティ照射を発生させる。

本発明の実施の形態に基づいて形成された出力ビームは、工作物を加工するために使用されてもよく、よって、単に表面を光でプローブ（probe）する光学技術（例えば、反射率測定）とは対照的に、工作物の表面は物理的に変更され、及び／または表面上または表面内にある特徴が形成される。本発明の実施の形態に基づいた例示的加工は、切断、溶接、穴あけ加工、及びはんだ付けを含む。本発明の様々な実施の形態は、レーザビームからの照射で工作物の表面の全体または実質的に全体を照らさず、１つまたは複数の点において、または１次元的直線または曲線の加工パスに沿って、工作物を加工してもよい。このような１次元のパスは、複数のセグメントによって構成されてもよく、それぞれは直線または曲線であってもよい。

よって、第１態様において、本発明は、複数の入力ビームを、合成された出力ビームに合成するため、レーザシステムと共に使用するための発振器モジュールに係る。様々な実施の形態において、発振器モジュールは、前面を有し、レーザビームソースと、出力カプラと、発振器モジュールをレーザシステムに取り外し可能かつ強固に連結する手段と、を有し、出力カプラは、前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である。ある実施の形態においては、発振器モジュールは、レーザビームを受けて方向付けるための回折光学系をさらに含み、回折光学系及び／または出力カプラは、前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である。例えば、回折光学系及び／または出力カプラはチップ／チルトマウント上で回転調節可能であってもよい。あるいは、レーザビームは、ビームパスに沿った回折光学系を通じて透過してもよく、ビームパスは、ミラーのペアによって、直交座標軸の周りにおいて調節可能であってもよい。

他の態様において、本発明は、複数の入力ビームを、合成された出力ビームに合成するため、レーザシステムと共に使用するための発振器モジュールに関する。様々な実施の形態において、発振器モジュールは前面を有し、レーザビームソースと、レーザビームを受けて方向付けるための回折光学系と、出力カプラと、発振器モジュールをレーザシステムに取り外し可能かつ強固に連結する手段と、を有し、回折光学系及び／または出力カプラは、前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である。

さらに他の態様において、本発明は、工作物上に光学照射を向けるためのレーザデリバリシステムに関する。様々な実施の形態において、システムは、それぞれ前面を有し、入力ビームを発生させる複数の発振器モジュールを有し、それぞれの発振器モジュールは出力カプラを有し、さらに、システムは、レーザデリバリシステムにそれぞれの発振器モジュールを取り外し可能にかつ強固に連結させる手段と、発振器からの入力ビームを受けて、そこから出力ビームを発生させるビーム合成光学系と、を有する。それぞれの発振器モジュール内において、出力カプラは、発振器モジュールの前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である。

様々な実施の形態において、それぞれの発振器モジュールは、入力ビームを受けて方向付けるための回折光学系をさらに有し、回折光学系及び／または出力カプラは、関連した発振器モジュールの前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である。例えば、回折光学系及び／または出力カプラは、チップ／チルトマウント上で回転調節可能であってもよい。あるいは、それぞれの発振器モジュールの入力ビームは、ミラーのペアによって直交座標軸の周りにおいて調節可能なビームパスに沿った関連した回折光学系を透過してもよい。

ある実施の形態においては、レーザデリバリシステムは、回折光学系または出力カプラの少なくとも１つの角度位置を調節するためのコントローラをさらに有する。システムは、出力ビームのパラメータを検知するためのセンサをさらに含んでもよく、コントローラはセンサに反応して、そこからの信号に基づいて、回折光学系または出力カプラの少なくとも１つの角度位置を調節する。信号は、少なくとも１つのビームパラメータ、例えば、ビーム形状、スポット径及び／または開口数を示してもよい。コントローラは、少なくとも１つのビームパラメータの目標値が達成されるまで、角度位置を調節し続けるように構成されてもよい。

様々な実施の形態において、レーザデリバリシステムは、分散要素上に入力ビームを集光させるための集光光学系と、受けた集光ビームを受けて分散させる分散要素と、分散されたビームを受けて、照射ビームとしてそこを通じて分散ビームの第１部分を透過させて、分散要素に向かって分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分的に反射性を有する出力カプラと、をさらに有する。照射ビームは、複数の波長から構成されている。

本発明のさらなる他の態様は、それぞれ前面を有し、入力ビームを発生させる複数の発振器モジュールを有するレーザシステムを用いて工作物を加工する方法に関する。それぞれの発振器モジュールは、出力カプラを有し、選択的に、入力ビームを受けて方向付けるための回折光学系を有する。様々な実施の形態において、方法は、発振器からの入力ビームを、出力ビームに合成する工程と、出力ビームがビームパラメータの目標値を表示するまで発振器モジュールの前面と平行な直交座標軸のペアの周りで、それぞれの発振器モジュールの出力カプラを回転調節する工程と、出力ビームを用いて工作物を加工する工程と、を有する。

様々な実施の形態において、発振器モジュールは、それぞれ回折光学系及び出力カプラを有する。ビームパラメータは、ビーム形状、スポット径または開口数であってもよい。それぞれの発振器モジュールの回折光学系及び／または出力カプラは、例えば、チップ／チルトマウント上で、回転調節可能であってもよい。ある実施の形態においては、それぞれの発振器モジュールの入力ビームは、ミラーのペアによって直交座標軸の周りにおいて調節可能なビームパスに沿って、関連した回折光学系を透過する。

本明細書にて使用されるように、用語「略」、「約」、「おおよそ」及び「実質的に」は、±１０％を意味し、ある実施の形態では±５％を意味する。本明細書における「１つの例示」、「ある例示」、「１つの実施の形態」または「ある実施の形態」に対する参照は、その例示に関連して説明されるある特徴、構造または性質は、当該技術の少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。よって、本明細書の様々な箇所における、文言「１つの例示において」、「ある例示において」、「１つの実施の形態」または「ある実施の形態」の記載は、必ずしも同じ例示を示すものでない。さらに、特定の特徴、構造、規則、工程または性質は、当該技術の１つまたは複数の例示において、いずれかの適切な方法で組み合わせられてもよい。本明細書にて設けられている題目は、便宜上に設けたものであり、特許請求の範囲に記載した技術の範囲または意味を限定または解釈することは意図されたものではない。用語「実質的に構成する」は、本明細書にて特に定義されない限り、機能に貢献する他の材料を排除することを意味する。しかしながら、このような他の材料は、併せてまたは個別に、微量で存在してもよい。本明細書にて、用語「放射線」及び「光」は、特に断りのない限り、置換可能に使用されている。本明細書にて、「下流」または「光学的に下流」は、光ビームが第１要素に当たった後に当たる第２要素の相対的位置を示すように使用され、第１要素は第２要素に対して「上流」または「光学的に上流」である。本明細書にて、２つの要素の間の「光学的距離」は光ビームが実際に移動する２つの要素の間の距離であり、光学的距離は、２つの要素の間の物理的距離であってもよいが、例えば、ミラーからの反射、または１つの要素から他の要素に移動する光が経験する伝播方向における他の変更によって、必ずしもそうでない。本明細書にて使用される「距離」は、特に記載がない限り、「光学的距離」であるとみなされてもよい。

図面において、類似の参照記号は、一般的に、異なる図面を通じて同一の部品を示す。さらに、図面は必ずしも縮尺があっているものでなく、一般的に、本発明の原理を示すことが強調されている。後続の説明において、本発明の様々な実施の形態は、後続の図面に対する参照と共に説明される。

図１Ａはレーザ共振器及び関連した光学系の従来のアレーの概略図、図１Ｂは本発明の実施の形態に関連する特定のビーム角度を示し、図１Ａに示すファイバ光学モジュールの拡大概略図 本発明の実施の形態に係るレーザ共振器ユニットの概略図 本発明の実施の形態に係るレーザ共振器ユニット内及び／またはレーザ共振器ユニットを用いてレーザビームを形成するように使用可能な波長合成技術の概略図

本発明の実施の形態に係るレーザデバイスは、高輝度、低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）レーザシステムを形成するためにＷＢＣシステム内で使用されてもよい。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と最も狭い点におけるビームの半径（即ち、ビームウェイスト、最小スポット径）との積である。ＢＰＰはレーザビームの品質、及びどの程度小さいスポットに集光できるかを定量化し、一般的にミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表記される。ガウスビームは、レーザ光の波長をπで割ることで得られる、取り得る最も低いＢＰＰを有する。同じ波長における理想的なガウスビームに対する実際のビームのＢＰＰの比は、Ｍ^２または「ビーム品質因子」と示され、波長から独立したビーム品質の基準であり、「最高」の品質は「最小」のビーム品質因子である１に対応する。

本明細書にて、高い熱伝導率を示すと特徴付けられた材料、または「熱伝導性材料」と特徴付けられた材料は、少なくとも１メートル当たり、１ケルビン当たり１００ワット（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）、少なくとも１７０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１、または少なくとも３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率を有する。本明細書にて、高い電気伝導率を示すと特徴付けられた材料、または「電気伝導性材料」と特徴付けられた材料は、例えば、２０°Ｃにおいて、少なくとも１メートル当たり１×１０^５ジーメン（Ｓ／ｍ）、少なくとも１×１０^６Ｓ／ｍ、または少なくとも１×１０^７Ｓ／ｍの電気伝導性を有する。本明細書にて、高い電気抵抗率を示すと特徴付けられた材料、または「電気絶縁性材料」と特徴付けられた材料は、少なくとも１×１０^８オームメートル（Ω・ｍ）、少なくとも１×１０^１０Ω・ｍ、または少なくとも１×１０^１２Ω・ｍの電気抵抗率を有する。

当業者に知られているように、レーザは、誘導放出によって可視光または可視光以外の光を発生させる装置として一般的に定義される。レーザは、上述したような様々な用途において、便利になるような性質を一般的に有する。一般的なレーザの種類は半導体レーザ（例えば、レーザダイオード及びダイオードバー）、固体レーザ、ファイバレーザ、及びガスレーザを含む。レーザダイオードは、フォトン（光）の放出を促進する簡易なダイオード構造に、一般的に基づいている。しかしながら、効率、パワー、ビーム品質、輝度、同調性等を向上させるためには、この簡単な構造が、多くの実用的な種類のレーザダイオードを提供するために、一般的に改造される。レーザダイオードの種類は、高いビーム品質を有するビームで、数ミリワットから約半ワットの出力パワーを発生させる小さいエッジ発光の種類を含む。ダイオードレーザの構造的種類は、高いバンドギャップを有する２つの層の間に低いバンドギャップの材料を有する層が挟まれている、二重のヘテロ構造レーザ；レーザのエネルギの高効率及び量子化をもたらす極めて薄い中間（量子井戸）層を含む量子井戸レーザ；利得性質を向上させるために１つより多くの量子井戸層を含む複数量子井戸レーザ；より高い効率を有する量子井戸レーザを形成するために中間層をワイヤまたはドットで交換する量子ワイヤまたは量子シー（sea）（ドット）レーザ；量子層の厚みを変更することで同調することができる比較的長い波長におけるレーザ動作を可能とする量子カスケードレーザ；最も一般的な商業的レーザダイオードであって、発生させた光を効率よく閉じ込めるために、量子井戸層の上下において他の２つの層を含む、分離閉じ込めヘテロ構造レーザ；過酷な光学通信用途で一般的に使用され、利得領域に単一の波長を戻すように反射させることで、製造中に規定された安定した波長を発生させることを容易にする統合された回折格子を含む、分布帰還型レーザ；そのエッジではなくその表面から光が照射されるという点において他のレーザダイオードとは異なる構造を有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）；主に二重ヘテロ構造ダイオードを使用する同調可能レーザであり、回折格子または複数プリズム回折格子配置を含む、外部垂直共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬｓ）及び外部共振器ダイオードレーザ；を含む。外部共振器ダイオードレーザは、多くの場合において、波長同調可能であり、小さい放出幅（emission line width）を示す。レーザダイオード種類は、様々な高パワーダイオードに基づくレーザも含み、横長出力面を有し得るマルチモードダイオードに特徴付けられ、一般的に低いビーム品質を有するが数ワットのパワーを発生させるブロードエリア型レーザ；ブロードエリア型レーザと比較すると、向上したビーム品質及び輝度を示す傾斜された出力面を有する乱視モードダイオードに特徴付けられたテーパレーザ；楕円形の出力面を有する楕円モードダイオードに特徴付けられたリッジ導波路レーザ；出力面を有する円形モードダイオードに特徴付けられ、略円形のプロファイルを有する回折限定ビームにおいてワットレベルの出力を発生させることができるスラブ結光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）を含む。

ダイオードレーザバーは、半導体レーザの種類であり、ブロードエリア型発振器の１次元アレーを含む、または、代替的に、例えば、１０−２０個の細いストライプ発振器を含むサブアレーを含む。ブロードエリア型ダイオードバーは、一般的に、例えば、１９−４９個の発振器を含み、それぞれ、例えば、１μｍ×１００μｍの桁の寸法を有する。１μｍの寸法、またはファスト軸（fast-axis）に沿ったビーム品質は、一般的に、回折限界を有する。１００μｍの寸法、またはスロー軸（slow-axis）に沿ったビーム品質は、一般的に、複数回の回折限界を有する。一般的に、商業的用途のためのダイオードバーは、１から４ｍｍの桁のレーザ共振器長さを有し、幅方向に約１０ｍｍであり、数十ワットの出力パワーを発生させる。多くのダイオードバーは７８０から１０７０ｎｍの波長範囲内で操作され、８０８ｎｍの波長（ポンピングされたネオジムレーザ）および９４０ｎｍ（ポンピングされたＹｂ：ＹＡＧ）が最も顕著である。９１５−９７６ｎｍの波長範囲は、エルビウムドープ、イッテルビウムドープの高出力ファイバレーザと増幅器のポンピングに使用される。

本発明の実施の形態は、（マルチ波長出力ビームであってもよい）出力ビームを光ファイバ内に結合する。様々な実施の形態において、光ファイバは、単一のコアを囲む複数のクラッド層、１つのクラッド層内に複数の離散的なコア領域（または「コア」）、または複数のクラッド層に囲まれた複数のコアを有する。様々な実施の形態において、出力ビームは、切断、溶接等の用途のために、工作物に照射されてもよい。

本明細書にて、「光学要素」は、電磁気放射を方向転換させる、反射させる、曲げる、または他のいずれかの方法で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、回折格子等のいずれかを指してもよい。本明細書にて、ビーム発振器、発振器、またはレーザ発振器、またはレーザは、電磁気ビームを発生させるが、自己共振するまたはしない半導体要素等のいずれかの電磁気ビーム発振器装置を含む。これらは、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非個体レーザ等を含む。一般的に、各発振器は、背面反射面、少なくとも１つの光学利得媒体、及び正面反射面を含む。光学利得媒体は、電磁気放射の振幅を増加させる。電磁気放射は、電磁気スペクトラムのいずれかの特定部分に限定されておらず、可視光、赤外線及び／または紫外線であってもよい。発振器は、複数のビームを照射するように構成されたダイオードバー等、複数のビーム発振器を含んでもよく、またはそれから実質的に構成されてもよい。本明細書における実施の形態において使用されるビームは、当該分野において知られた様々な技術を使用して結合された、単波長またはマルチ波長ビームであってもよい。加えて、本明細書における「レーザ」、「レーザ発振器」、「ビーム発振器」は、単一ダイオードレーザを含むだけではなく、ダイオードバー、レーザアレー、ダイオードバーアレー、及び単一垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）またはそのアレーを含む。

本発明の環境は図１Ａ及び１Ｂに示されている。高パワーレーザデリバリシステム１００は、複数のレーザ共振器（発振器）モジュールＮ_１−Ｎ_４を含み、合成光学系１１０によって単一の（例えば、マルチ波長）出力ビームまたは複数のビームに合成される。（商業的システムはいずれかの個数の共振器を有してもよいと理解されよう、例示として４つが図示されている。）各発振器Ｎ_１−Ｎ_４の出力は、発振器の出力面と望ましくは実質的に直交する角度θ_Ｎ１．．．θ_Ｎ４で発振器から離れる。複数のビームは空間的にスタックされ、フィルファクター（fill factor）を有する単一ビームを効果的に形成して、合成光学系１１０は、偏光、波長（粗いダイクロイック）、または空間スタックにおいて、合成することができる。出力ビーム１１５は、集光レンズまたはレンズアセンブリ（「ＦＯＭレンズ」）１２５によって、ファイバ光学モジュール（ＦＯＭ）内の光ファイバ１２０内に結合されてもよい。一度光ファイバ１２０内に結合されると、出力ビーム１１５は、工作物を加工（例えば、切断、溶接、アニール、穴あけ等）するために使用されてもよい。図１Ｂは、ＦＯＭレンズ１２５に当たる空間的に離れたビームを示す。θ_Ｎ１．．．θ_Ｎ４が発振器出力面と直交し、発振器Ｎ_１−Ｎ_４が完全に平行である場合、全ビームは、一定の角度θ_ＦＯＭでＦＯＭレンズ１２５に当たる。

結合光学系１１０は、選択的に、１つまたは複数の回折光学要素を含んでもよい。含まれる場合、回折光学要素（本明細書にて、総称的に「回折光学系」として参照される）は、１つまたは複数の円柱または球状のレンズ、平坦な光学系、ウェッジ、及び／またはミラーを含んでもよく、それから実質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。回折光学要素は、波長合成技術（ＷＢＣ）方向に沿って、それぞれのビームを合成する。システムの正しい操作は、レーザ発振器Ｎ_１−Ｎ_４からのビームが合成光学系１１０に入るときにおける、ビームの光学的位置合わせを必要とする。

ビーム合成光学系１１０は、発振器モジュールＮ_１．．．Ｎ_４から照射されたそれぞれのビームのための光学利得の形成及び／または向上のための利得媒体を含んでもよい。利得媒体は、発振器モジュールからのビームによって励起されると、誘導放出を行う１つまたは複数の材料を含んでもよく、それから実質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。例えば、利得媒体は、１つまたは複数のイオン（例えば、ネオジム、イッテルビウム、またはエルビウム等のレアアースイオン、またはチタンまたはクロム等の遷移金属イオン）でドープされた１つまたは複数の結晶及び／またはガラス、例えば、イットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、オルトバナジン酸イットリウム（ＹＶＯ_４）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、またはセシウム臭化カドミウム（ＣｓＣｄＢｒ_３）を含んでもよく、それから実質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい。例示的な利得媒体は、固体の物体または光学ガラスファイバの形態として、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）、Ｙｂ：ＹＡＧ（イッテルビウムドープＹＡＧ）、Ｙｂ：ガラス、Ｅｒ：ＹＡＧ（エルビウムドープＹＡＧ）、またはＴｉ：サファイアを含む。

図２は、代表的なレーザ共振器（発振器）モジュールＮの構造を示す。レーザソース２１０は、従来のレーザ利得媒体及び出力光学系（例えば、１つまたは複数のコリメータ）を含む。出力ビームは、任意の回折光学系２１５、及び合成された出力ビームを伝播させる出力カプラ２２０を透過する。出力カプラ２２０は、一般的に部分的に反射的であり、共振器パッケージＮ内に含まれていない場合、全ての共振器要素の共通の前面として作用してもよい。出力ビームは、出力カプラ２２０から、出力カプラ２２０に対して角度θ_ＯＣで出現し、共振器Ｎから、共振器自体の機械的な参照面に対して角度θ_Ｎで出現する。即ち、共振器と合成光学系との間の機械的位置合わせが厳密に順守された場合においても、ビーム自体は、機械的参照面と完全に直交していないパスに沿うことができる。したがって、θ_Ｎはある許容範囲内において垂直である必要があり、よって、ＦＯＭレンズ１２５に入るビームの角度（θ_ＦＯＭ）は、ビームがファイバ１２０から外れることをもたらすことがなく、よって、許容できない程度に結合効率を低減させることがない。

図示された実施の形態においては、回折光学系２１５及び出力カプラ２２０の両方は、図示されたｘ軸の周りの回転θ_Ｘ及びｙ軸の周りの回転θ_Ｙを容易にするそれぞれのマウント２２５、２３０上に配置される。マウント２２５、２３０は、例えば、従来の回転調節可能な「チップ／チルト」マウント及び／または従来のジンバル配置であってもよい。回折光学系２１５の場合、光学系自体またはビームパスのいずれかが調節されてもよく、即ち、光学系２１５はチップ／チルトマウント上にあってもよく、または光学系は、それぞれチップ／チルトマウント上にあるミラーのペア（またはそれ以上の個数）と交換されてもよい。ある実施の形態においては、回折光学系２１５または出力カプラ２２０の一方のみが回転調節可能であり、他方は固定的に取り付けられている。

他の共振器に対するビーム角度及び位置におけるある許容範囲内に共振器Ｎを予め設定するため、マウント２２５、２３０の調節は、工場内で行われてもよい。下記においてより詳細に説明されるように、様々な実施の形態において、共振器モジュールは、角度及び位置におけるある許容範囲内で、合成モジュール内にピン止めされて（機械的に固定されて）もよい。この許容範囲が満たされる限り、古いレーザ共振器モジュールを取り外して新しいものを設置した後、現場において光学調節の必要がない。即ち、本発明の実施の形態に基づいて、出力ビーム角度及び位置の調節は、共振器Ｎ自体の位置または角度の調節ではなく、回折光学系２１５及び／または出力カプラ２２０の調節のみによって達成されてもよい。

これらの調節は、θ_ＯＣ＝９０°のときにビームは常に最適のレーザ共振器キャビティを形成するため、出力カプラ２２０に対する出力ビーム角度θ_ＯＣを制御し、ｘおよびｙ軸に対する（即ち、発振器モジュールＮの機械的参照平面に対する）ビームの垂直方向からの偏差θ_Ｎが許容範囲内にあることを保証する。ＦＯＭレンズに対するビーム位置は、ビームの開口数θ_ＮＡ（図１Ｂ参照）及びファイバ１２０内への結合効率の両方を規定し、よって、許容レベルまたは範囲は、ある用途における商業的に許容できる偏差に対応する。図示された配置は、過剰な実験無しで、回転可能なマウントが充分に細かい調節をできる限り、実質的にいずれかの望ましい範囲を達成することができる。回折光学系２１５の省略は、出力ビームの開口数の劣化をもたらすと認めるが、θ_ＯＣはＦＯＭレンズのために正しい角度を設定するため、結合効率は高いまま維持される。これは、厳密なビームの位置がより重要でない、高パワー共振器の場合において特に正しい。

交換可能な発振器モジュールＮと保持されるエンクロージャまたは支持との間の機械的界面は、重要でない；２０１７年７月２６日に出願された米国特許出願第１５／６６０，１３４号に１つの配置は説明され、当該出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。例えば、当該出願にて説明されるように、それぞれの発振器モジュールＮは、ビーム合成光学系１１０のためのエンクロージャ内またはその上に配置される（またはその一部を形成している）複数の入力容器の１つと、機械的に、電気的に、及び光学的に接続してもよい。共振器モジュールＮとビーム合成エンクロージャとの間の電気的接続は、発振器ハウジング上に配置される電気的界面によって、促進されてもよい。発振器ハウジングは、発振器モジュールがエンクロージャ内に受けられたとき、ビーム合成光学系エンクロージャ上の入力容器内の補完的電気的出力に電気的に接続する。例えば、発振器モジュールの電気的界面と電気的出力は、ワイヤ、逆の極性（例えば、オス及びメス）を有する電気的コネクタ、バンプボンド（bump bond）、または他の電気的伝導性構造を含んでもよく、それから実質的に構成してもよく、またはそれから構成してもよい。それぞれの発振器モジュールＮは、光学界面（例えば、１つまたは複数の光学要素、レンズ、プリズム、及び／または窓）を含んでもよく、それを通じて、集光された入力ビームはビーム合成光学系１１０に伝播される。ビーム合成エンクロージャの入力容器に対する、それぞれの発振器モジュールＮの機械的位置合わせは、位置合わせ特徴（例えば、ソケット、突出部、ファスナー、クラスプ等）によって、容易にされてもよい。位置合わせ特徴は、発振器モジュールＮとビーム合成光学系エンクロージャとの光学的及び電気的接続をもたらす配置において、発振器モジュールを受けて固定するような（例えば、ラッチまたは圧縮的に保持するような）形状を有する。それぞれの入力容器は、発振器モジュールが入力容器に接続されているとき、発振器モジュールからの入力ビームを受ける光学受容要素（例えば、１つまたは複数の光学要素、レンズ、プリズム及び／または窓）を含んでもよい。様々な実施の形態において、入力容器の使用は、発振器モジュール（及び／またはその中のビームソース）とビーム合成光学系エンクロージャとの間において光ファイバまたは他の個別のコネクタを使用する必要がなくなる。

回転可能なマウント２２５及び／または２３０は、手動で調節されてもよく、または、ある実施の形態においては、（図示していない）関連したステッパーモータ等を通じてコントローラ２５０に対して反応を示してもよい。コントローラ２５０は、ソフトウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせのいずれかとして設けられてもよい。例えば、システムは、カリフォルニア州、サンタクララのインテルコーポレーションによって製造されるＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎ（登録商標）の系列のプロセッサ、イリノイ州、シャンバーグのモトローラコーポレーションによって製造される６８０ｘ０及びＰＯＷＥＲ ＰＣ（登録商標）の系列のプロセッサ、及び／またはカリフォルニア州、サニーベールのアドバンスドマイクロデバイス株式会社によって製造されるＡＴＨＬＯＮ（登録商標）の系列のプロセッサ等の１つまたは複数のプロセッサを有するＣＰＵボードを有するＰＣ等、１つまたは複数の従来のサーバクラスのコンピュータ上で実施されてもよい。プロセッサは、本明細書にて説明する方法に関連するプログラム及び／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットをさらに含んでもよい。メモリは、１つまたは複数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ー（ＦＰＧＡ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、リードオンリーメモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般的に入手可能なハードウェアに設置されているランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及び／またはＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリを含んでもよい。ある実施の形態において、プログラムは、光学ディスク、磁気ディスク、及びその他一般的に使用されている記憶デバイス等、外部ＲＡＭ及び／またはＲＯＭを使用して提供してもよい。１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして機能が提供される実施の形態において、プログラムは、ＰＹＴＨＯＮ、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、様々なスクリプト言語、及び／またはＨＴＭＬ等のいずれかの数の高度な言語で記載されてもよい。加えて、ソフトウェアは、ターゲット（target）コンピュータに設置されたマイクロプロセッサに向けたアセンブリ言語として実施されてもよい；例えば、ソフトウェアがＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で実行されるように構成されている場合、ソフトウェアはインテル８０ｘ８６アセンブリ言語において実施されてもよい。ソフトウェアは、これらに限定されず、フロッピーディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光学ディスク、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ー、またはＣＤ−ＲＯＭを含む、製造された物品上で具現化されてもよい。

様々な実施の形態において、コントローラ２５０は、マウント２２５、２３０の１つまたは両方の移動をもたらし、出力ビームの１つまたは複数のパラメータは、連続的に検知されてもよく、測定はフィードバックとして使用され、よって、マウント２２５、２３０の最適な回転的位置が徐々に達成される。例えば、フォト検出器または他の光センサ２６０は、ビーム形状、ビーム直径、ＮＡ、及び／または工作物表面における束密度を（例えば、ビーム自体のビーム性質、または工作物表面からの反射の測定を通じて）モニタリングするために使用されてもよく、コントローラ２５０は、マウント２２５、２３０の位置を調節するために測定された値を使用してもよい。例えば、測定されたビーム性質は、望ましいビーム性質（例えば、１つの入力または他の方法で使用に決定された、及び／または工作物の１またはそれより多くの性質に決定された及び／またはレーザな使用される加工方法の種類）に繰り返し比較されてもよく、コントローラ２５０は、その間の差を減少または最小化させること、例えば、エラー機能の最小化ができる。他のセンサ、例えば、熱センサ及び／または工作物表面上のビームの効果を測定するセンサ（深さまたはプロファイルセンサ等）は、本発明の他の実施の形態の光センサに加えてまたはそれに替えて使用されてもよい。

様々な実施の形態において、コントローラ２５０は、マウント２２５、２３０の様々な回転的角度によって生じるビーム形状、ＮＡ，スポット径（または他のビーム性質）を検出してもよく、結果を記憶してもよく、ビーム形状、スポット径、またはＮＡ等の望ましいビーム性質に応じて、１つまたは複数の適した設定を決定するために結果を使用してもよい。結果は、マウント２２５、２３０の回転的位置によって生じる１つまたは複数のビーム性質を予測するために構成された機械学習モデルに使用されてもよい。様々な実施の形態において、物理的／光学的モデリングは、マウント２２５、２３０の様々な回転的位置によって生じる１つまたは複数のビーム性質（例えば、ビーム形状、スポット径、及び／またはＮＡ）を予測するために使用されてもよく、その結果は、これらの位置を選択するために、コントローラ２５０に少なくとも部分的に使用されてもよい。

コントローラ２５０は、本発明の実施の形態に基づいて、望ましい加工（例えば、切断、溶等）の種類、及び／または加工される工作物の１つまたは複数の性質（例えば、材料パラメータ、厚み、材料の種類等）、及び／または出力ビームのために設計された望ましい加工パスに基づいて、出力ビームのＮＡ、スポット径、及び／またはビーム形状を制御してもよい。このような工程及び／または材料パラメータは、使用者によって、コントローラ２５０に関連したメモリ内に記憶されたデータベースから選択されてもよく、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）によって入力されてもよい。１つまたは複数の加工パスは、使用者によって提供されてもよく、コントローラ２５０に関連したオンボードまたはリモートのメモリに記憶されてもよい。工作物及び／または加工パスの選択の後、コントローラ２５０は、対応するパラメータ値を取得するためにデータベースに問い合わせる。記憶された値は、材料に適した出力パワーまたは出力ビームスペクトラム、及び／または材料上の１つまたは複数の加工パスまたは加工場所を含んでもよい。本発明の実施の形態は、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、及び２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第１５／６４９，８４１号に開示される装置及び技術の態様を含んでもよく、それぞれの開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明の実施の形態に基づき、本明細書にて説明されるレーザシステム及びレーザデリバリシステムは、ＷＢＣレーザシステム内及び／またはそれと共に使用されてもよい。特に、本発明の様々な実施の形態において、ＷＢＣレーザシステムのマルチ波長出力ビームは、本明細書にて説明されるように、レーザビームデリバリシステムのための入力ビーム（例えば、発振器モジュールＮからの出力ビーム）として使用されてもよい。図３は、１つまたは複数のレーザ３０５を使用する例示的なＷＢＣレーザシステム３００を示す。図３の例示において、レーザ３０５は、ビーム３１０を照射する４つのビーム発振器を有するダイオードバーを特徴としている（拡大入力図３１５を参照）が、本発明の実施の形態は、いずれかの個数の個別ビームを照射するダイオードバーまたは２次元アレーまたはダイオードのスタックまたはダイオードバーを使用してもよい。拡大入力図３１５において、各ビーム３１０は線によって示され、線の長さまたは長手方向の寸法が、ビームをゆっくり発散させる寸法を示し、線の高さまたは短手方向の寸法が、ビームを速く発散させる寸法を示す。コリメーション光学系３２０は、ビームを速く発散させる寸法に沿ってそれぞれのビーム３１０をコリメートするために使用されてもよい。変換光学系３２５は、ＷＢＣ方向３３０に沿ってそれぞれのビーム３１０を合成するために使用され、１つまたは複数の円柱状または球状のレンズ及び／またはミラーを含んでもよく、実質的に構成してもよく、または構成してもよい。変換光学系３２５は、合成されたビームを分散要素３３５（例えば、反射的または透過的回折格子、分散的プリズム、グリズム（プリズム／回折格子）、透過性回折格子、またはエシェル回折格子）上に重ねて、合成されたビームは単一出力プロファイルとして出力カプラ３４０上に伝播される。出力前面図３５０に示すように、出力カプラ３４０は、合成されたビーム３４５を透過させる。出力カプラ３４０は、一般的に部分的に反射性を有し、この外部キャビティシステム３００内の全レーザ要素のための共通の前面として機能する。外部キャビティは、第２ミラーが、それぞれのレーザ発振器の照射開口または面からある距離離れて配置されるレーザシステムである。ある実施の形態においては、追加の光学系が、照射開口または面と、出力カプラまたは部分的に反射性を有する表面との間に配置される。したがって、出力ビーム３４５は、（個別ビーム３１０の波長を合成した）マルチ波長ビームであり、本明細書にて説明されるレーザビームデリバリシステム内の入力ビームとして使用されてもよい、及び／または光ファイバ内に結合されてもよい。様々な実施の形態において、図３に基づくＷＢＣ技術は、１つまたは複数の発振器モジュールＮ自体内で実施されてもよく、よって、出力カプラ３２０は、図２に示す出力カプラ２２０に相当してもよい。図３に示される他の様々な要素は、本発明の実施の形態に基づいて、発振器モジュールＮ内で存在してもよい。

本明細書にて使用される用語及び表現は、限定ではなく、説明の用語として使用され、このような用語及び表現の使用において、示された及び説明された特徴と同等なものを除外する意図はなく、様々な改造は請求項に記載されている発明の範囲内で可能であると認めている。

Claims (28)

1. 複数の入力ビームを、合成された出力ビーム内に合成するレーザシステムと共に使用するための発振器モジュールであって、
   前記発振器モジュールは、前面を有し、
   レーザビームソースと、
   出力カプラと、
   前記レーザシステムへ前記発振器モジュールを、取り外し可能に、かつ強固に連結する手段と、を備え、
   前記出力カプラは、前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である、発振器モジュール。
2. 前記発振器モジュールは、レーザビームを受けて、方向付ける回折光学系をさらに備え、
   前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つは、前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である、請求項１に記載の発振器モジュール。
3. 前記回折光学系及び前記出力カプラの両方が回転調節可能である、請求項２に記載の発振器モジュール。
4. 前記回折光学系または前記出力カプラが回転調節可能である、請求項２に記載の発振器モジュール。
5. 前記出力カプラは、チップ／チルトマウント上で回転調節可能である、請求項１に記載の発振器モジュール。
6. 前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つは、チップ／チルトマウント上で回転調節可能である、請求項２に記載の発振器モジュール。
7. 前記レーザビームは、ビームパスに沿って前記回折光学系を透過し、
   前記ビームパスは、ミラーのペアによって、直交座標軸のペアの周りにおいて調節可能である、請求項２に記載の発振器モジュール。
8. 複数の入力ビームを、合成された出力ビーム内に合成するレーザシステムと共に使用するための発振器モジュールであって、
   前記発振器モジュールは、前面を有し、
   レーザビームソースと、
   レーザビームを受けて、方向付ける回折光学系と、
   出力カプラと、
   前記レーザシステムへ前記発振器モジュールを、取り外し可能に、かつ強固に連結する手段と、を備え、
   前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つは、前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である、発振器モジュール。
9. 工作物上に光学照射を向けるレーザデリバリシステムであって、
   前記システムは、
   それぞれが前面を有し、入力ビームを発生させる複数の発振器モジュールと、
   ここで、前記複数の発振器モジュールのそれぞれは出力カプラを有する、
   前記複数の発振器モジュールのそれぞれを前記レーザデリバリシステムに取り外し可能に、かつ強固に連結する手段と、
   発振器から前記入力ビームを受けて、そこから出力ビームを発生させるためのビーム合成光学系と、を備え、
   前記複数の発振器モジュールのそれぞれ内において、前記出力カプラは、発振器モジュールの前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である、レーザデリバリシステム。
10. ぞれぞれの前記発振器モジュールは、前記入力ビームを受けて、方向付ける回折光学系をさらに備え、
    前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つは、関連した前記発振器モジュールの前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて回転調節可能である、請求項９に記載のシステム。
11. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系及び前記出力カプラの両方が回転調節可能である、請求項１０に記載のシステム。
12. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系または前記出力カプラが回転調節可能である、請求項１０に記載のシステム。
13. それぞれの前記発振器モジュールの前記出力カプラは、チップ／チルトマウント上で回転調節可能である、請求項９に記載のシステム。
14. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つは、チップ／チルトマウント上で回転調節可能である、請求項１０に記載のシステム。
15. それぞれの前記発振器モジュールの前記入力ビームは、ビームパスに沿って関連した前記回折光学系を透過し、
    前記ビームパスは、ミラーのペアによって、直交座標軸のペアの周りにおいて調節可能である、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つの角度位置を調節するコントローラをさらに有する、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記システムは、前記出力ビームのパラメータを検知するためのセンサをさらに有し、
    前記コントローラは、センサに反応し、前記センサからの信号に基づいて、前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つの前記角度位置を調節する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記信号は少なくとも１つのビームパラメータを示す、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記少なくとも１つのビームパラメータは、ビーム形状、スポット径、及び／または開口数である、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記コントローラは、前記少なくとも１つのビームパラメータの目標値が達成されるまで、前記角度位置を調節し続けるように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記システムは、
    分散要素上に前記入力ビームの集光させるための集光光学系と、
    受けた集光されたビームを受けて、分散させる分散要素と、
    分散されたビームを受けて、照射ビームとしてそこを通じて前記分散されたビームの第１部分を伝播させ、前記分散要素に戻すように前記分散されたビームの第２部分を反射させるように配置された部分的に反射性を有する出力カプラと、をさらに備え、
    前記照射ビームは複数の波長から成る、請求項９に記載のシステム。
22. それぞれが前面を有し、入力ビームを形成する複数の発振器モジュールを備えるレーザシステムを用いて、工作物を加工する方法であって、
    前記複数の発振器モジュールのそれぞれは、出力カプラ、及び、任意に、前記入力ビームを受けて、方向付けるための回折光学系を有し、
    前記方法は、
    発振器からの前記入力ビームを、出力ビーム内に合成する工程と、
    前記出力ビームがビームパラメータの目標値を示すまで、発振器モジュールの前記前面と平行な直交座標軸のペアの周りにおいて、前記複数の発振器モジュールのそれぞれの前記出力カプラを回転調節する工程と、
    前記出力ビームを用いて前記工作物を加工する、方法。
23. 前記発振器モジュールは、それぞれ、回折光学系及び出力カプラを有する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記ビームパラメータは、ビーム形状、スポット径、または開口数である、請求項２２に記載の方法。
25. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系及び前記出力カプラの両方が回転調節可能である、請求項２３に記載の方法。
26. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系または前記出力カプラが回転調節可能である、請求項２３に記載の方法。
27. それぞれの前記発振器モジュールの前記回折光学系または前記出力カプラの少なくとも１つが、チップ／チルトマウント上において、回転調節可能である、請求項２３に記載の方法。
28. それぞれの前記発振器モジュールの前記入力ビームは、ビームパスに沿って、関連した回折光学系を透過し、前記ビームパスは、ミラーのペアによって、前記直交座標軸の周りにおいて調節可能である、請求項２３に記載の方法。

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