JP2022527175A

JP2022527175A - 高周波数ビーム成形を用いた材料処理

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Publication number: JP2022527175A
Application number: JP2021557628A
Authority: JP
Inventors: モルダルシ，マーク; ロックマン，ブライアン; ビジャレアル－サウセド，フランシスコ
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: US11719897B2; WO2020198553A1; US20230333339A1; JP7236560B2; DE112020001578T5; US20200310055A1; CN113891777A

Abstract

様々な実施の形態において、レーザ発振は、出力が異なる空間的出力プロファイルを有するように、時間的なパターンにおいて、光ファイバの異なる領域に、及び／または異なる光ファイバに操作される。時間的なパターンは、異なる空間的出力プロファイルを組み合わせた効果的な出力形状によって工作物が処理されるように、充分な周波数を有する。

Description

（関連出願）
本出願は、２０１９年３月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／８２５，１０８号の利益及び優先権を主張し、開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。

様々な実施の形態において、本発明は、成形可能なビームを有する高パワーレーザデバイスを用いる材料処理（例えば、溶接または切削）に関する。

高パワーレーザは、多数の切削、エッチング、アニーリング、溶接、穴あけ加工及びはんだ付けの用途において使用される。いずれかの材料処理の操作において、効率は、費用及び時間の観点において、重要な制限要素となる場合がある。効率が低いほど、費用が高くなり、及び／または、ある材料を処理するように採用されたレーザの操作が遅くなる。レーザビームの性質が、効率に影響を与える場合があり、異なる材料（例えば、銅、アルミニウム、スチール等）は、処理されると、ビームの性質に異なる応答を示す。さらに、これらの材料の厚みが、その応答に影響を与える場合がある。即ち、切削または溶接の形態は、その材料及び／またはその厚みによって、ビーム性質とともに変化する場合がある。

加えて、等しい材料及び等しい厚みにおいても、材料の光学的応答（及び、よってその最適ビーム）は、処理の形状によって変化する可能性がある。例えば、長い真っ直ぐな切削における材料の光学的応答は、例えば、鋭利な角度、曲げまたは他の特徴を有する複雑な形状と比較して、異なってもよい。

さらに、高パワーレーザシステムは、多くの場合においてレーザ発振器と、光ファイバ（または、単に「ファイバ」）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、光ファイバにカップリングされ、光学システムは、処理される工作物（workpiece）上にファイバからのレーザ光を集光する。光学システムは、通常、最高品質を有するレーザビーム、または、同等に、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有する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度（半角）と、最も絞った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、及び小さいスポットに集光される程度を定量化し、通常、ミリメートル－ミリラジアン（ｍｍ－ｍｒａｄ）の単位で表現される。（本明細書にて開示されるＢＰＰの値は、特に記載がない限り、ｍｍ－ｍｒａｄの単位である。）ガウスビームはパイでレーザ光の波長を割ると得られる、可能な範囲で最も低いＢＰＰを有する。実際のビームのＢＰＰと、等しい波長における理想ガウスビームのＢＰＰとの比は、Ｍ^２と表現され、波長から独立したビーム品質の値である。

ファイバに基づいたレーザ処理システムは、例えば、レーザビームに対する（例えば、その中、外、またはその内部に対する）１つまたは複数の光学素子の移動によって、異なるビーム形状との間で選択するように構成されてもよい。しかしながら、このようなシステムは、複雑であり、高額な、専用光学系を必要とする場合がある。さらに、従来のシステムは、例えば、処理される材料によって複数のビーム形状の内で選択するように構成されてもよいが、取り得るビーム形状が少数の離散的な形状に限定される場合が多い。

ＷＢＣ等の技術は、様々な用途においてレーザに基づくシステムを製造することに成功したが、材料処理における課題は残る。例えば、特定の厚みにおいて特定の材料を切削するように最適なビーム形状を有するレーザは、異なる材料、異なる厚みを有する材料、変化する厚みを有する材料、及び等しい材料において、異なる種類及び形状の切削においては、適切でない可能性がある。溶接工程も似た課題を示す。さらに、従来のシステムは、少数の異なるビーム形状の内での選択のみを可能にすることが多く、目の前の処理において、いずれもが完全に最適でない可能性がある。したがって、特定の材料及び処理において、ビーム形状を最適化できるだけではなく、処理が進むとビーム形状を「途中で（on-the-fly）」で最適化するように、処理の間でビーム形状を速く変更できるレーザシステムが求められている。

本発明の実施の形態において、成形可能な出力ビームを有するレーザシステムは、金属材料等の材料の切削及び溶接等の材料処理工程を最適化及び簡単化するように使用される。様々な実施の形態において、ビームを伝播させるために使用される光ファイバの構成は、出力ビームの形状を少なくとも部分的に決定する。例えば、光ファイバは、複数のコア領域及び／または複数のクラッド領域を有してもよく、１つまたは複数の領域へのビームのイン－カップリングは、最終出力ビームの形状を少なくとも部分的に決定してもよい。他の実施の形態において、ビームは、例えば、共有ファイバ束における光ファイバ等、異なる光ファイバに操作（steer）されてもよく、異なるファイバ（及び／または１つまたは複数のファイバが使用するイン－カップリング位置）は、出力ビームの形状を少なくとも部分的に決定する。

加えて、本発明の実施の形態は、高い速度レートにおいてファイバのうち異なる領域（または異なるファイバ）の内部にレーザビームを操作するように構成されるスイッチング機構を特徴とする。スイッチング速度は、（工作物に照射される）１つまたは複数のファイバ構造によって可能になる異なる出力プロファイルの時間的平均化（または「融合」または「組み合わせ」）をもたらし、よって、処理のために使用される様々な異なる効果的な出力ビームプロファイルが可能になる。出力ビームと処理される工作物との間の相対移動と組み合わせると、高速ビームスイッチングは、材料構成、処理形状、処理種類等の要因において最適化される異なる出力形状を有する材料処理を可能にする。有利に、本発明の実施の形態は、よって、最終ビームプロファイル及び処理出力形状を最適化している間でさえも、全てまたは実質的に全ての出力ビームパワーの使用を可能にする。したがって、本発明の実施の形態は、ビーム形状の選択が出力ビームパワーの部分のブロッキングまたは非使用に依存する従来の方法に対して、改善を示す。

本発明の例示的な実施の形態において、高速スイッチング機構は、制御波形による、２つまたは３つ以上の異なるファイバ領域（及び／または２つまたは３つ以上の異なるファイバ）の間でレーザビームを操作するように使用される。制御波形は、ファイバのうち異なる領域（及び／または異なるファイバ）にビームを操作するフレクシャーマウント式（flexure-mounted）反射板等のスイッチング装置を制御してもよい。したがって、異なるファイバ領域の間またはその内におけるレーザパワーの時間的分布を、制御波形のデューティ比を変えることで変更してもよい。即ち、処理において工作物が受ける出力ビームの効果的な形状は、制御波形の形状及びデューティ比に基づく（異なるファイバ及び／またはファイバ領域によって可能になる）異なる空間的出力プロファイルの重み付き（weighted）平均である。制御波形は、例えば、矩形波、サイン波、鋸歯状の（sawtooth）波等の複数の異なる形状のいずれか１つを有してもよい。本発明の様々な実施の形態は、フレクシャーマウント式反射板以外の、例えば、レンズ及び／またはプリズムまたは電気光学素子等のフレクシャーマウント式及び／またはアクチュエータ付き光学素子を使用してもよい。

例示の実施の形態において、制御波形は、（１）ビームの出力プロファイルはガウス分布のような集光されたスポットビームである中央コア領域と、（２）ビームの出力プロファイルがより広領域の環状ビームである外側の環状領域と、の間でビームの操作（steering）を決定してもよい。様々な実施の形態において、このような中央及び環状のコア領域は、１つまたは複数の中間層（例えば、１つまたは複数のコア及び／またはクラッド層）によって分離されてもよい。制御波形は、波形のデューティ比によって、２つの出力ビーム形状の時間的重み付き平均を決定する。例えば、工作物において、最終出力ビームは、５０％のデューティ比（即ち、５０％は内側コア、５０％は外側コア）のスポットビーム及び環状ビームの平均を示す形状を有してもよく、その形状はデューティ比の変更によって一方または他方の極限に向かって変えられてもよい。

本発明の様々な実施の形態におけるレーザシステムは、出力と工作物との間で相対移動をもたらす間に、レーザ出力を工作物に向けるデリバリ機構を含んでもよい。例えば、デリバリ機構は、工作物に向かって出力を向けるまたは集光するためのレーザヘッドを含んでもよく、それにより本質的に構成されても、またはそれにより構成されてもよい。レーザヘッド自体も工作物に対して可動であってもよく、及び／またはデリバリ機構は、固定されてもよい出力に対する工作物の移動を可能にする可動なガントリーまたは工作物用の他のプラットホームを含んでもよい。

本発明の実施の形態は、様々な異なる内部構成及び形状を有する光ファイバを含んでもよい。例えば、光ファイバは、内側クラッド層によって分離される中央コア領域及び環状コア領域を含んでもよく、それにより本質的に構成されても、またはそれにより構成されてもよい。１つまたは複数の外側クラッド層は、環状コア領域の周りに配置されてもよい。本発明の実施の形態は、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号と、２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願第１６／６７５，６５５号に説明された構成を有する光ファイバとともに使用されてもよく及び／またはそれらを含んでもよく、それぞれの出願の開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。

本発明の様々な実施の形態において、２０１７年１１月９日に出願された米国特許出願第１５／８０７，７９５に説明されるように、制御波形は、ビーム成形のためにファイバ束の２つまたは３つ以上の光ファイバとの間でビームの操作を決定してもよく、出願の開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。ファイバの束の１つまたは複数の光ファイバは、マルチクラッドファイバであってもよく、即ち、中央コア領域と、コア領域を同心円状に囲む複数のクラッド領域とを含んでもよい。他の実施の形態において、１つまたは複数の光ファイバは、単一クラッドファイバであってもよく、即ち、コア領域を囲む単一のクラッド領域のみを有してもよい。様々な実施の形態において、ファイバ束における異なる光ファイバは、異なるコア直径を有する。ファイバ束における１つまたは複数のファイバは、複数の離散的コア領域を有してもよい。様々な実施の形態において、レーザ出力ビームは、ファイバ束のうち２つの異なるファイバの内部に、及び／またはファイバの２つまた３つ以上の特定の断面領域（例えば、コア領域及び／または１つまたは複数のクラッド領域）の内部に向けられ、制御波形に対応してビーム形状を変更する。

様々な実施の形態において、最終組み合わせ出力ビームは、スイッチング機構によってビームが意図的に操作される２つまたは３つ以上のファイバ領域（またはファイバ束における光ファイバ）との間の光ファイバ（またはファイバ束）の「遷移領域」から発生する１つまたは複数の貢献（contributions）を含んでもよい。即ち、組み合わせビームの形状は、システムの動的応答曲線の積分近似（integral approximation）の重み付き平均に対応してもよい。特に、高い周波数において（例えば、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以上等）、２つの異なるファイバ領域（またはファイバ束におけるファイバ）との間で操作されたビームは、デューティ比の内の無視できない量において、それらの領域の間のファイバ（またはファイバの束）の領域をさらに照らしてもよい。本発明の実施の形態は、出力ビームの組み合わせた形状が、ビームが意図的に操作されるファイバ領域またはファイバのみだけではなく、それらの領域またはファイバの間を遷移するビームが横断する１つまたは複数の領域から発生する形状の重み付き平均である実施の形態を含む。スイッチング機構の速度及び応答が増加すると、組み合わせビーム形状に対する遷移領域から発生する形状の貢献は減少してもよい。他の実施の形態において、ビームは、意図的に操作される領域への遷移の間においてスイッチオフされてもよく、遷移領域の貢献を最小化または実質的に排除する。加えて、ファイバ束における２つまたは３つ以上の光ファイバに操作されるビームから発生する組み合わせ形状に対する遷移領域の貢献は、ファイバの間に発振される光が出力端からの伝送のために束にカップリングされない場合において（即ち、このような光がファイバ束の出力端から伝送されず、損出される場合において）、より小さくてもよく、または実質的に存在しなくてもよい。

構造的には、本発明の実施の形態に係る光ファイバは、本発明の原理を変更せずに、外側クラッドの向こう側（即ち、その外側）に、高い及び／または低い屈折率を有する１つまたは複数の層を含んでもよい。それらの追加層の１つは、クラッドまたはコーティングとして呼称されてもよく、光を誘導しなくてもよい。光ファイバは、記載されているものに加えて、１つまたは複数のコアを含んでもよい。このような変形例は、本発明の範囲内である。本発明の実施の形態に係る光ファイバと、その様々なコア及びクラッド層は、高純度の石英ガラス及び／またはフッ素、チタン、ゲルマニウム及び／またはホウ素でドープされた石英ガラス等のガラスを含んでもよく、それにより本質的に構成されても、またはそれにより構成されてもよい。本発明の実施の形態に係る光ファイバの特定の層または領域において望ましい屈折率を取得することは、過度な実験を伴わず、当業者によって（ドーピング等の手法によって）実現されてもよい。本発明の様々な実施の形態に使用される光ファイバは、より脆いガラスまたは石英ガラスのファイバ自体の周りに配置される任意の外側ポリマー保護コーティングまたは外装を特徴としてもよい。本明細書にて説明する光ファイバはマルチモード光ファイバであってもよい。

本明細書にて説明される光ファイバは、その出力端において、処理される工作物に向かってファイバからの出力ビームを集光するように構成されるレーザヘッドを有してもよい。レーザヘッドは、出力ビームの集光及び／またはコリメーションのため、及び／またはビームの偏光及び／または軌道の制御のために１つまたは複数の光学素子を有してもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。レーザヘッドは、工作物に向かって及び／または工作物が配置され得るプラットホームまたは配置可能なガントリーに向かって出力ビームを発振するように配置されてもよい。

本発明の実施の形態は、ある表面を光でプローブ（probe）するのみの光学的手法（例えば、反射率測定）と対照的に、通常、工作物の表面が物理的に変形される及び／または表面の上または内部にある特徴が形成されるように、工作物を処理するように使用される。本発明の実施の形態による例示的な方法は、切削、溶接、穴開け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を工作物の表面の全体または実質的に全体に当てるのではなく、１つまたは複数の点においてまたは１次元的な処理パスに沿って、工作物を処理する。例えば、１つまたは複数のビームスポットは、切削または溶接等の方法において、工作物の表面に対して相対的に移動されてもよい。一般的に、処理パスは、曲線または直線であってもよく、「直線」処理パスは、１つまたは複数の方向変換を特徴としてもよく、即ち、直線処理パスは、必ずしも、互いに平行でない２つまたは３つ以上の実質的に直線状のセグメントによって構成されてもよい。

本明細書にて、レーザビームの「形状」を変えることは、ビームの空間的プロファイル（即ち、３次元形状）及び（例えば、ビームがある表面と交差する点において）ビームの形状的範囲を変更することを意味する。形状の変更は、ビーム大きさ、ビームの角度的強度分布及びＢＰＰにおける変化に同伴されてもよいが、単なるビームＢＰＰの変化は、レーザビーム形状を変えるには必ずしも足りるわけではなく、及びその逆も然りである。レーザビーム成形は、ビームの強度（輝度）及び位相を再分布する工程である。強度分布は、ガウス、ベッセル、環状、マルチモード、矩形、トップハット（top-hat）、楕円形または円形等のビームプロファイルを規定し、特定のレーザ材料処理手法において、異なる強度分布が望ましい場合がある。（本明細書にて使用されるように、「環状」のビームはリング形状を有し、即ち、中央部分では小さいビーム強度を有しまたは実質的にビーム強度を有せず、中央部分はより高いビーム強度を有する領域に囲まれるが、この領域は必ずしも円形でなくてもよい。即ち、「環状」ビームは楕円形または他の方法によって擬似環状形状であってもよい。）

本明細書にて、「光学要素」は、特に記載がない限り、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、ミラー、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、自己共鳴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、実質的に複数のビーム発振器を含んでもよくまたはそれからなってもよい。本明細書における実施の形態において受ける入力ビームは、単一波長、または先行技術において知られている様々な技術を用いて結合されるマルチ波長ビームであってもよい。本発明の実施の形態において生成される出力ビームは単一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」、または「ビーム発振器」の参照は、単一ダイオードレーザのみではなく、ダイオードバー、レーザアレー、ダイオードバーアレー、及び単一またはアレーを形成した垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）を含む。

本発明の実施の形態は、１つまたは複数のダイオードバー等の複数の発振器を含み、マルチ波長ビームを形成するように拡散要素を用いて、複数の発振器を組み合わせる、波長合成（ＷＢＣ）システムとともに使用されてもよい。ＷＢＣシステムの各発振器は、個別に共振し、ビーム合成方向に沿って、拡散要素にフィルタされる共通の部分反射型出力カプラからの波長特有の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８，６７０，１８０号、及び２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号にて説明され、それぞれの開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。ＷＢＣシステムのマルチ波長出力ビームは、ビーム形状の制御及び異なる工作物の処理等において、本発明の実施の形態とともに、入力ビームとして使用されてもよい。

ある態様において、本発明の実施の形態は工作物を処理する方法を特徴とする。レーザと、複数の内側領域を有する光ファイバとが設けられている。それぞれの内側領域へのレーザ発振のイン－カップリングは、ファイバが、異なる空間的出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらす。レーザ発振は、時間的なパターンにおいて、出力が異なる空間的出力プロファイルを有するようにファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作される。工作物と出力との間の相対移動は、工作物を処理するように工作物に向けることによって発生する。時間的なパターンは、工作物と出力との間の相対移動の間において、異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、工作物が処理されるように、充分な周波数を有する。

本発明の実施の形態は、後述の１つまたは複数を、任意の組み合わせにおいて含んでもよい。工作物（例えば、少なくともその表面）は、空間的出力プロファイル及び／またはそのパワー密度に基づいて、出力に対する時間に基づく応答を受けてもよい。相対移動は、最大処理速度以下で行われてもよい。最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、時間的なパターンの周波数に基づいて選択されてもよく、（ｉｉ）応答が効果的な出力形状に対する応答であることを保証してもよい。ファイバのそれぞれの内側領域は、コア領域であってもよい。内側領域は、少なくとも中央の第１コアと、第１コアを囲む環状の第２コアとを含んでもよい。ファイバの少なくとも１つの内側領域はコア領域であってもよい。ファイバの少なくとも１つの内側領域はクラッド領域であってもよい。レーザ発振は制御波形に応じて操作されてもよい。制御波形は、矩形波を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。効果的な出力形状は、制御波形の形状及びデューティ比に基づく異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均であってもよい。

レーザ発振はマルチ波長ビームであってもよい。レーザ発振は、（ｉ）工作物上に実行される処理の種類、（ｉｉ）工作物の性質、及び／または（ｉｉｉ）工作物が処理される処理パスに基づいて、ファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作されてもよい。処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ、はんだ付け及びろう付けによって構成されるリストから選択されてもよい。工作物の性質は、工作物の厚み、工作物の組成、工作物の反射率、及び／または工作物のトポグラフィーを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。レーザ発振は、処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいてファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作されてもよい。レーザは、（ｉ）複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、（ｉｉ）拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、（ｉｉｉ）受けた集光ビームを受けて拡散する拡散要素と、（ｉｖ）拡散ビームを受け、拡散されたビームの第１部分をレーザ発振として透過させて、拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。レーザ発振は、複数の波長によって構成されてもよい。拡散要素は、回折格子を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

光ファイバは、ファイバコアと、ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、第１クラッド領域を囲う第２クラッド領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。光ファイバは、ファイバコアと、ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、第１クラッド領域を囲む環状コアと、環状コアを囲む第２クラッド領域を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲み、第３屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第４屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。第１屈折率は、第４屈折率より大きくてもよい。第３屈折率は、第４屈折率より大きくてもよい。第２屈折率は、第１屈折率より小さくてもよく、及び／または第４屈折率より大きくてもよい。第３屈折率は、第１屈折率より大きくてもよい。

光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよく、第２領域の屈折率は、（ｉ）第４屈折率以下の第５屈折率と、（ｉｉ）第２屈折率以上の第６屈折率との間で変化する。第１領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。

光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲む環状コアと、（ｉｉｉ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第３屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよく、第２領域の屈折率は、（ｉ）第３屈折率以下の第４屈折率と、（ｉｉ）第４屈折率未満の第５屈折率との間で変化する。第１領域は、第２領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。

光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２屈折率より大きく、第４屈折率より小さい第５屈折率を有する第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。第１領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。

光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２屈折率より大きい第５屈折率を有する第２領域と、（ｉｉｉ）第１領域と第２領域との間に配置され、第４屈折率及び第５屈折率より小さい第６屈折率を有する第３領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第７屈折率を有する第４領域と、（ｉｉ）第２領域と第４領域との間に配置され、第５屈折率及び第７屈折率より小さい第８屈折率を有する第５領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、工作物を処理する方法を特徴とする。レーザ及び複数の光ファイバを有するファイバ束が設けられている。少なくとも２つのそれぞれ（またはそれぞれ）の光ファイバへのレーザ発振のイン－カップリングは、ファイバが異なる空間出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらす。レーザ発振は、出力が異なる空間的出力プロファイルを有するように、ファイバ束の複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに、時間的なパターンにおいて操作される。工作物と出力との間の相対移動は、工作物を処理するように工作物に出力を向ける間に生じる。時間的なパターンは、異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、工作物と出力との間の相対移動の間に、工作物が処理されるような充分な周波数を有する。

本発明の実施の形態は、後述の１つまたは複数を、任意の組み合わせにおいて含んでもよい。工作物（例えば、少なくともその表面）は、空間的出力プロファイル及び／またはそのパワー密度に基づいて、出力に対する時間に基づく応答を受けてもよい。相対移動は、最大処理速度以下で行われてもよい。最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、時間的なパターンの周波数に基づいて選択されてもよく、（ｉｉ）応答が効果的な出力形状に対する応答であることを保証してもよい。レーザ発振は制御波形に応じて操作されてもよい。制御波形は、矩形波を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。効果的な出力形状は、制御波形の形状及びデューティ比に基づく異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均であってもよい。

レーザ発振はマルチ波長ビームであってもよい。レーザ発振は、（ｉ）工作物上に実行される処理の種類、（ｉｉ）工作物の性質、及び／または（ｉｉｉ）工作物が処理される処理パスに基づいて、複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作されてもよい。処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ、はんだ付け及びろう付けによって構成されるリストから選択されてもよい。工作物の性質は、工作物の厚み、工作物の組成、工作物の反射率、及び／または工作物のトポグラフィーを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。レーザ発振は、処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作されてもよい。レーザは、（ｉ）複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、（ｉｉ）拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、（ｉｉｉ）受けた集光ビームを受けて拡散する拡散要素と、（ｉｖ）拡散ビームを受け、拡散されたビームの第１部分をレーザ発振として透過させて、拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。レーザ発振は、複数の波長によって構成されてもよい。拡散要素は、回折格子を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

少なくとも１つの光ファイバは、ファイバコアと、ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、第１クラッド領域を囲う第２クラッド領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。少なくとも１つの光ファイバは、ファイバコアと、ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、第１クラッド領域を囲む環状コアと、環状コアを囲む第２クラッド領域を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。少なくとも１つの光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲み、第３屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第４屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。第１屈折率は、第４屈折率より大きくてもよい。第３屈折率は、第４屈折率より大きくてもよい。第２屈折率は、第１屈折率より小さくてもよく、及び／または第４屈折率より大きくてもよい。第３屈折率は、第１屈折率より大きくてもよい。

少なくとも１つの光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよく、第２領域の屈折率は、（ｉ）第４屈折率以下の第５屈折率と、（ｉｉ）第２屈折率以上の第６屈折率との間で変化する。第１領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。

少なくとも１つの光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲む環状コアと、（ｉｉｉ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第３屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよく、第２領域の屈折率は、（ｉ）第３屈折率以下の第４屈折率と、（ｉｉ）第４屈折率未満の第５屈折率との間で変化する。第１領域は、第２領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。

少なくとも１つの光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２屈折率より大きく、第４屈折率より小さい第５屈折率を有する第２領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。第１領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。

少なくとも１つの光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する中央コアと、（ｉｉ）中央コアを囲み、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する第１クラッドと、（ｉｉｉ）第１クラッドを囲む環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲み、第１屈折率より小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第４屈折率を有する第１領域と、（ｉｉ）第２屈折率より大きい第５屈折率を有する第２領域と、（ｉｉｉ）第１領域と第２領域との間に配置され、第４屈折率及び第５屈折率より小さい第６屈折率を有する第３領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。環状コアは、（ｉ）第２屈折率より大きい第７屈折率を有する第４領域と、（ｉｉ）第２領域と第４領域との間に配置され、第５屈折率及び第７屈折率より小さい第８屈折率を有する第５領域とを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

さらに他の態様において、本発明の実施の形態は、入力レーザビームの発振のためのビームソースと、複数の内側領域を有する光ファイバと、スイッチング機構と、デリバリ機構とを含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成されるレーザシステムを特徴とする。内側領域のそれぞれへの入力レーザ発振のイン－カップリングは、ファイバが異なる空間出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらす。スイッチング機構は、周波数を有する時間的なパターンにおいて、異なる空間的出力プロファイルを生成するように、入力レーザ発振をファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作する。デリバリ機構は、出力を工作物に向けて、出力と工作物との間で相対移動をもたらし、工作物を処理する。周波数は、異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、工作物と出力との間の相対移動の間、工作物が処理される充分な周波数である。

本発明の実施の形態は、後述の１つまたは複数を、任意の組み合わせにおいて含んでもよい。スイッチング機構は、フレクシャーマウント式反射板を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。工作物（例えば、少なくともその表面）は、空間出力プロファイル及び／またはそのパワー密度に基づいて、出力に対する時間に基づく応答を経験してもよい。スイッチング機構は、相対的移動を最大処理速度に制限するように構成されてもよい。最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、時間的なパターンの周波数に基づいて選択されてもよく、（ｉｉ）応答が効果的な出力形状に対する応答であることを保証してもよい。ファイバのそれぞれの内側領域はコア領域であってもよい。内側領域は、少なくとも中央の第１コアと、第１コアを囲む環状の第２コアとを含んでもよい。ファイバの内側領域の少なくとも１つは、コア領域であってもよい。ファイバの内側領域の少なくとも１つは、クラッド領域であってもよい。システムは、制御波形を生成する波形ジェネレータを含んでもよい。スイッチング機構は、制御波形に応じて入力レーザ発振を操作するように構成されてもよい。制御波形は、矩形波を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。効果的な出力形状は、制御波形の形状のデューティ比に基づく異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均であってもよい。

レーザ発振はマルチ波長ビームであってもよい。スイッチング機構は、レーザ発振を、（ｉ）工作物上に実行される処理の種類、（ｉｉ）工作物の性質、及び／または（ｉｉｉ）工作物が処理される処理パスに基づいて、ファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作するように構成されてもよい。処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ、はんだ付け及びろう付けによって構成されるリストから選択されてもよい。工作物の性質は、工作物の厚み、工作物の組成、工作物の反射率、及び／または工作物のトポグラフィーを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。スイッチング機構は、レーザ発振を、処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいてファイバの複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作するように構成されてもよい。ビームソースは、（ｉ）複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、（ｉｉ）拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、（ｉｉｉ）受けた集光ビームを受けて拡散する拡散要素と、（ｉｖ）拡散ビームを受け、拡散されたビームの第１部分を入力レーザ発振として透過させて、拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。入力レーザ発振は、複数の波長によって構成されてもよい。拡散要素は、回折格子を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、入力レーザビームの発振のためのビームソースと、複数の光ファイバを有するファイバ束と、スイッチング機構と、デリバリ機構とを含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成される。少なくとも２つ（または全て）のそれぞれの光ファイバへの入力レーザ発振のイン－カップリングは、ファイバ束が異なる空間出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらす。スイッチング機構は、周波数を有する時間的なパターンにおいて、出力が異なる空間的出力プロファイルを生成するように、入力レーザ発振をファイバ束の複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作する。デリバリ機構は、出力を工作物に向けて、出力と工作物との間で相対的移動をもたらし、工作物を処理する。周波数は、異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、工作物と出力との間の相対移動の間、工作物が処理される充分な周波数である。

本発明の実施の形態は、いずれかの組み合わせにおいて後続の物を１つまたは複数を含んでもよい。スイッチング機構は、フレクシャーマウント式反射板を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。工作物（例えば、少なくともその表面）は、空間出力プロファイル及び／またはそのパワー密度に基づいて出力に対する時間に基づく応答を経験してもよい。スイッチング機構は、相対的移動を最大処理速度に制限するように構成されてもよい。最大処理速度は（ｉ）材料の時間に基づく応答と、時間的なパターンの周波数とに基づいて選択されてもよく、（ｉｉ）応答が効果的な出力形状に対してであることを保証してもよい。システムは、制御波形を生成する波形ジェネレータを含んでもよい。スイッチング機構は、制御波形に応じて入力レーザ発振を操作するように構成されてもよい。制御波形は、矩形波を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。効果的な出力形状は、制御波形の形状のデューティ比に基づいて異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均であってもよい。

レーザ発振はマルチ波長ビームであってもよい。スイッチング機構は、レーザ発振を、（ｉ）工作物上に実行される処理の種類、（ｉｉ）工作物の性質、及び／または（ｉｉｉ）工作物が処理される処理パスに基づいて、複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作するように構成されてもよい。処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ、はんだ付け及びろう付けによって構成されるリストから選択されてもよい。工作物の性質は、工作物の厚み、工作物の組成、工作物の反射率、及び／または工作物のトポグラフィーを含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。スイッチング機構は、レーザ発振を、処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作するように構成されてもよい。ビームソースは、（ｉ）複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、（ｉｉ）拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、（ｉｉｉ）受けた集光ビームを受けて拡散する拡散要素と、（ｉｖ）拡散ビームを受け、拡散されたビームの第１部分を入力レーザ発振として透過させて、拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。入力レーザ発振は、複数の波長によって構成されてもよい。拡散要素は、回折格子を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、それにより構成されてもよい。

これら及び他の目的は、本明細書にて開示される本発明の利点及び特徴とともに、後続の説明、添付の図面及び請求項の参照によって、より明確になる。さらに、本明細書にて説明される様々な実施の形態の特徴は、相互に排他的でなく、様々な組み合わせ及び順列として存在してもよいと理解されよう。本明細書にて使用されるように、用語「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。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、特に断りがない限り、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、特に特定されない限り、「光学距離」として考慮されてもよい。

本発明の様々な実施の形成に係るレーザシステムの模式図本発明の様々な実施の形成に係る光ファイバの異なる領域にレーザエネルギを向けるように使用される制御波形のデューティ比の変動による空間的出力プロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係る比較的遅い周波数における例示的な制御波形の使用による空間的出力プロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係るより高い周波数における図３の制御波形の使用による空間的出力プロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係る工作物に沿ったビーム移動のレートに対して適切に高い波形周波数を仮定して、工作物とビームとの間の相対移動において、工作物の表面が受ける平均ビーム形状の側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形態に係る光ファイバの模式断面図図６Ａの光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の様々な実施の形態に係るステップ－クラッド光ファイバの模式断面図図７Ａの光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の様々な実施の形態に係る光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の様々な実施の形態に係る光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の様々な実施の形態に係る光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の様々な実施の形態に係る光ファイバの様々な層の屈折率の模式図本発明の実施の形態に係る光ファイバ束を用いるレーザシステムの部分の模式図図１１Ａのレーザシステムにおいて使用可能な例示的にファイバ束の模式的端面図本発明の実施の形態に係る波長合成技術（ＷＢＣ）共振器の模式図本発明の様々な実施の形成に係る例示的な制御波形の使用から成る工作物の表面における平均化されたビームプロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係る例示的な制御波形の使用から成る工作物の表面における平均化されたビームプロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係る例示的な制御波形の使用から成る工作物の表面における平均化されたビームプロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット本発明の様々な実施の形成に係る例示的な制御波形の使用から成る工作物の表面における平均化されたビームプロファイルの側面図及び上面図を示す例示的な図のセット

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正しいものでなく、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１には、本発明の実施の形態に係るファイバ１０５を用いてレーザビーム形状を変更する例示的なレーザシステム１００を示す。図示されるように、レーザシステム１００は、ファイバカップリング光学素子１２０（例えば、１つまたは複数のレンズ、反射ウェッジ、及び／またはプリズム）に入射入力ビーム１１５を再度向けるように、スイッチング機構１１０（例えば、チップ－チルト調節可能及び／または折り返し（folding）ミラー等の調節可能な反射板）を含む。ファイバカップリング光学素子１２０は、ビーム１１５をファイバ１０５に向かって集光する。スイッチング機構１１０の調節またはチルトは曲がった矢印１２５によって示されている。作動されたプリズム及び／またはレンズ等の他のスイッチング機構は、発明の実施の形態に使用されてもよい。図示されるように、ビーム１１５がイン－カップリングされるファイバ１０５の入力面の領域は、少なくとも部分的に、スイッチング機構１１０の構成（例えば、位置及び／または角度）、及び／または（矢印１３０に示されるビーム１１５のパスの内部において並進移動されてもよい）光学素子１２０の位置の調節によって規定されてもよい。代わりにまたは加えて、ファイバ１０５自体は、ファイバ１０５の長手軸に対して実質的に平行及び／または実質的に垂直な方向に並進移動されてもよい。最良の初期ビーム品質（即ち、最小ＢＰＰ）のために、ファイバ１０５の端部表面は光学素子１３０の焦点に配置されてもよい。

光ファイバ１０５は、様々な異なる内部構成及び形状を有してもよい。例えば、光ファイバ１０５は、内側クラッド層によって分離される中央コア領域と環状コア領域を含んでもよく、それにより本質に構成されてもよく、それより構成されてもよい。環状コア領域の周囲に、１つまたは複数のクラッド層が配置されてもよい。本発明の実施の形態は、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号と、２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願第１６／６７５，６５５号とに説明される構成を有する光ファイバとともに使用されてもよく、及び／またはそれを含んでもよく、それらの開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。

レーザシステム１００の全体または一部は、工作物に出力ビームを届けるように使用されるレーザ処理ヘッドの光学的上流側に配置されてもよい。デリバリヘッドは、工作物に出力ビームを集光させるまたは他の方法で向けるように１つまたは複数の光学素子を含んでもよい。光ファイバ１５は、処理ヘッドに光学的に結合され、そこに出力ビームを届けてもよい。

スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０及び／またはファイバ１０５の構成は、コントローラ１４０及び／またはそこに操作的に接続された１つまたは複数のアクチュエータ（図示されず）を通じて制御されてもよい。よって、スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０及び／またはファイバ１０５及び／または１つまたは複数のアクチュエータはコントローラ１４０に応答してもよい。コントローラ１４０は、望ましい目標空間的出力ビームプロファイルに（例えば、ユーザの入力、及び／または工作物までの距離、工作物の組成、工作物の厚み、工作物の反射率、工作物のトポグラフィー等の処理される工作物の１つまたは複数の性質に基づいて、及び／または処理の種類及び／または工作物の望ましい処理パスに基づいて）応答してもよく、ファイバ１０５からの出力ビーム出力が目標空間的出力ビームプロファイルを有するように、ビーム１１５がファイバ１０５の入力面に当たることをもたらすように、スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０及び／またはファイバ１０５を配置するように構成される。このように生成された出力ビームは、アニーリング、切削、溶接、穴開け等の方法のために工作物に向けられてもよい。コントローラ１４０は、本明細書にて説明されるように、例えば、特定のスイッチング機構のチルト及び／または光学素子１２０及び／またはファイバ１０５の配置（及び／またはチルト）によって、望ましいパワー分布及び／または出力ＢＰＰ及び／またはビーム品質を実現するようにプログラムされてもよい。

コントローラ１４０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ＰＯＷＥＲＰＣ（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／またはフラッシュ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、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ＩＢＭＰＣ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。

コントローラ１４０は、スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０の構成（例えば、チルト及び／または並進移動）、したがってファイバ１０５から発振される空間的出力プロファイルを制御するように使用される制御波形を生成するように構成される波形ジェネレータ１５０（例えば、可変周波数コントローラまたは可変周波数ジェネレータ）に操作的に接続されてもよく、またはそれを含んでもよい。波形ジェネレータは、従来のものであり、過度の実験を行うことなく、当業者によって供給されてもよい。制御波形は、例えば、スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０の構成を制御するアクチュエータ及び／またはステージへの波形の適用を通じて、スイッチング機構１１０及び／または光学素子１２０を制御するように使用されてもよい。例えば、このような要素は、適用される電場に応じて変形する圧電材料を含んでもよい。このような材料、アクチュエータ及びステージは、従来のものであり、過度の実験を行うことなく、当業者によって提供されてもよい。

コントローラ１４０は、出力レーザビームと処理される工作物との間の相対移動をもたらすように構成される従来の位置合わせシステムを操作してもよい。例えば、位置合わせシステムは、２または３次元の工作物に沿った処理パスに沿ってビームを方向付ける任意の制御可能な光学的、機械的、または光学機械的システムであってもよい。処理の間、コントローラ１４０は、レーザビームが工作物に沿った処理パスを横断するように、位置合わせシステムとレーザシステム１００とを操作してもよい。処理パスは、ユーザによって提供され、処理の種類（切削、溶接等）及び処理を実行するために必要なビームパラメータ（例えば、ビーム形状）に関するパラメータを併せて格納する搭載されたまたは遠隔のメモリに格納されてもよい。この観点において、ローカルまたは遠隔のデータベースは、システムが処理し得る材料及び厚みのライブラリを維持してもよく、ユーザが材料パラメータ（材料の種類、厚み等）を選択すると、コントローラ１４０は対応するパラメータ値を取得するようにデータベースを照会する。格納された値は、材料、処理の種類、及び／または処理パスの形状に適切であるビーム形状を含んでもよい。

プロット及びスキャンの先行技術においてよく理解されているように、ビームと工作物との間の必要な相対移動は、可動ミラー、ガントリー、リードスクリューまたは他の構成を用いたレーザの物理的移動、及び／またはビームに代えて（または加えて）工作物を移動させる機械的構成を用いたビームの光学的偏向によって生成されてもよい。コントローラ１４０は、ある実施の形態において、適切なモニタリングセンサに接続されるフィードバックユニットから、工作物に対するビームの位置及び／または処理効率に関するフィードバックを受けてもよい。

制御波形のデューティ比は、少なくとも工作物が受けるレーザビームの出力形状を生成するように選択されてもよく、出力形状は、ファイバ１０５の１つまたは複数の領域へのビーム１１５のイン－カップリングによって発生する２つ以上の空間的出力プロファイルの重み付き平均である。即ち、制御波形のデューティ比は、時間的なパターンを特定してもよく、時間的なパターンによってビーム１１５がファイバ１０５の様々な領域へ操作される。したがって、制御波形のデューティ比は、工作物に届き、工作物が受けるビームの全体の平均化出力形状を特定してもよい。様々な実施の形態において、制御波形のスイッチング周波数が、ビームに対する工作物の時間－応答より大きいため、工作物におけるレーザビームの影響は、出力プロファイルがビーム出力において互いから離散的である場合においても、ビームの様々な空間的出力プロファイルの重み付き平均に対応する。したがって、本明細書にて、「融合された」または「平均化された」または「組み合わせた」出力ビーム形状は、工作物が受ける平均ビームプロファイルを意味する。

図２は、光ファイバの（１）中央の円形コア領域、または（２）環状外側コア領域のいずれか一方にレーザエネルギを向けるように使用される矩形波制御波形のデューティ比の変動によって生じる空間的出力プロファイルの側面図及び上面図を示す画像の例示的なセットを示す。例えば、図２で示すように、０％のデューティ比は、レーザエネルギの全てが中央コアに向けられることに対応してもよく、結果としてタイトに集光されたスポットビームが生じる。１００％のデューティ比は、レーザエネルギの全てが環状コアに向けられることに対応してもよく、結果として環状ビームが生じる。図２に示すように、０％と１００％との間のデューティ比によって、２つのエンドポイント形状の重み付き平均が生じる。図２は例示的な実施の形態を示し、本発明の他の実施の形態は、例えば、より複雑な内部構成を有する光ファイバを用いることで、他の領域（または同時に複数の領域）にレーザエネルギを向けることによって、さらに複雑な平均化された形状を形成してもよい。

図３は、明確性のため、比較的遅い周波数において、図２に対して上述のように５０％のデューティ比を示す矩形波制御波形３００の使用を示す。即ち、制御波形３００は、時間の半分において、ビーム形状はスポットビームであり、時間の他の半分において、ビーム形状は環状ビームであることを規定し、全ての時間において、ビームが処理パスに沿って工作物に適用される。図３において、制御波形３００に応じた結果であるビーム形状は、（上面図ビーム形状３１０として）上面図と、（側面図ビーム形状３２０として）側面図において示されている。図３に示す比較的遅い周波数において、時間経過によるこの形状変化は充分に離散的であり、出力ビーム形状は、平均化されず、単に工作物の表面上でトグル（toggle）してもよい。

レーザビームと工作物との間の移動の特定の相対的比において、制御波形の周波数は、ビームが工作物に適用されると、新しい平均化された出力ビーム形状を生成するように増加されてもよい。図４は、図３と等しい配置を示すが、制御波形３００の周波数が増加されている。図示されるように、より高い周波数は、スポットと環状のビームプロファイルを組み合わせる平均化出力形状に光ファイバによって生成される離散的空間ビームプロファイルを融合させるように充分である。相対移動が工作物とレーザビームとの間で誘発されると、出力プロファイルとその空間的パワー分布に基づいて、工作物は出力ビームに応じた時間に基づく応答を示す。したがって、本発明の様々な実施の形態において、出力ビーム形状を効果的に融合するために必要な最小波形周波数は、ビームと工作物との間の移動のレートに依存する。図５は、工作物に沿ったビーム移動のレートに対して波形周波数が適切に高いと仮定して、工作物と（上面図平均ビーム形状５１０と側面図平均ビーム形状５２０としての）ビームとの間の相対移動の間、工作物の表面に適用される平均ビーム形状を示す。コントローラ１４０は、（波形周波数及び工作物の材料応答時間に規定される）最大処理速度以下に相対移動を制限すること、または工作物の応答が望ましい応答、即ち、処理パスに沿った異なる位置における異なるビーム形状に対してではなく、平均化された出力ビームに対する応答であるように、最小波形周波数を保証することによって、平均化出力が取得されることを保証してもよい。最大処理速度または最小波形周波数は、レーザビームエネルギに対する材料の時間に基づく応答（例えば、空間的ビームエネルギの関数として材料において望ましい変化（例えば、切削、溶融、軟化等）を起こすために必要な時間）に依存し、過度な時間を必要とせず、特定の用途において取得されてもよい。

本発明の実施の形態は、ユーザが望ましい処理パスに沿って工作物を処理（例えば、切削または溶接）することを可能にしてもよく、最適なビーム形状及び最大処理速度は、これに限定されないが、工作物の組成、工作物の厚み、工作物の反射率、処理パスの形状等の要因に基づいて選択される。例えば、いずれかの適切な入力デバイスまたはファイル移送の手段を用いて、ユーザはシステムに望ましい処理パスを選択または予めプログラムしてもよい。その後、コントローラ１４０は、必要に応じてデータベースを参照し、システムの光ファイバ、処理パス、及び工作物の種類及び特徴（例えば、厚み）によって可能である異なる出力ビーム形状を分析してもよい。この情報に基づいて、システムは、処理パスに沿った位置、制御周波数、及びビーム形状を生成するために必要な相対移動の比、したがって最大処理速度の関数として、最適な出力ビーム形状を特定してもよい。操作において、コントローラ１４０は、予めプログラムされたパスに沿って工作物を処理するように、レーザシステム及び工作物の配置を操作してもよく、工作物が受ける正しいな平均ビーム形状を維持する。処理される材料の構成及び／または厚みが変化すると、変化の位置及び態様はプログラムされてもよく、コントローラ１４０は、レーザビーム形状及び／または工作物とビームとの間の相対移動の比を適切に調節してもよい。

加えて、レーザシステムは、工作物の厚み及び／または工作物上の特徴の高さを検出する１つまたは複数のシステムを含んでもよい。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号に説明される工作物の干渉計深さ測定のためのシステム（またはその要素）を含んでもよく、出願の開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。このような深さ及び厚み情報は、例えば、処理される材料の種類に対応したデータベースにおける記憶によって、工作物の処理（例えば、切削または溶接）を最適化するように出力ビーム形状を制御するようにコントローラに使用されてもよい。

上述のように、本発明の実施の形態は、様々な異なる構成を有する光ファイバとともに使用され、及び／またはこのような光ファイバを含んでもよい。例えば、図６Ａは、中央コア６０５と、内側クラッド６１０と、環状コア６１５と、外側クラッド６２０とを有する二重クラッドファイバ６００を示す。光ファイバ６００の各層（コアまたはクラッド）の半径は、図６Ｂに示すようにＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４によって示されている。二重クラッド６００において、２つのコア６０５、６１５は、等しい、より高い屈折率Ｎ_Ｈを有してもよく、図６Ｂに示すように、２つのクラッド６１０、６２０は、等しい、より低い屈折率Ｎ_Ｌを有してもよく、したがって、２つのコア６０５、６１５は、ｓｑｒｔ（Ｎ_Ｈ ^２－Ｎ_Ｌ ^２）の等しい開口数（ＮＡ）を有してもよい。他の実施の形態において、コア６０５、６１５及び／またはクラッド６１０、６２０の屈折率は、互いから異なってもよい。

加えて、本発明の実施の形態は、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号において説明される光ファイバを使用してもよく、本開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。したがって、本発明の実施の形態は、本明細書にて「ステップクラッドファイバ」と呼ばれるマルチクラッド光ファイバの内部へレーザビームをカップリングすることを含む。１つの例示的なステップクラッドファイバは、中央コアと、中央コアの周りに配置される第１クラッドと、第１クラッドの周りに配置される第１環状コアと、第１環状コアの周りに配置される第２クラッドとを含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成される。発明の実施の形態によるステップクラッドファイバは、単一の環状コアと２つのクラッドとのみを有するものには限定されず、１つまたは複数の追加の環状コア及び関連クラッドは、第２クラッドの周りに配置されてもよい。本明細書にて使用されるように、用語「環状コア」は、それに隣接した内側及び外側層の両方より高い屈折率を有するリング状の領域として定義される。中央コア及び環状コア以外の層は通常ステップクラッドファイバにおけるクラッドである。このようなクラッドは、それに隣接する少なくとも１つの層より低い屈折率を有する。

図７Ａは、中央コア７０５と、第１クラッド７１０と、環状コア７１５と、第２クラッド７２０を含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成される例示的なステップクラッドファイバ７００を示す。図７Ｂは、ステップクラッドファイバ７００の各層の屈折率及び半径を示す。図示されるように、ファイバ７００の第１クラッド７１０の屈折率（Ｎ_Ｍ）は、高い屈折率Ｎ_Ｈ（必ずしも図６Ｂの高い屈折率でなくともよい）と、低い屈折率Ｎ_Ｌ（必ずしも図６Ｂの低い屈折率でなくともよい）との間の値を有し、よって、中央コア７０５は、ｓｑｒｔ（Ｎ_Ｈ ^２－Ｎ_Ｌ ^２）による環状コア７１５のＮＡより、ｓｑｒｔ（Ｎ_Ｈ ^２－Ｎ_Ｍ ^２）によるより小さいＮＡを有する。図７Ｂは、中央コア７０５と環状コア７１６との屈折率が互いに略等しいことを示すが、様々な実施の形態において、環状コア７１５の屈折率は、中央コア７０５の屈折率と異なってもよい（即ち、より小さくても、より大きくてもよい）。しかしながら、一般的に、環状コア７１５の屈折率は、第１クラッド７１０の屈折率より大きく維持される。

本発明の実施の形態は、２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願１６／６７５，６５５号において説明される構成を有する光ファイバを使用してもよく及び／またはそれらを含んでもよく、本出願の開示の全体は、参照によって本明細書に含まれる。例えば、本発明の実施の形態における光ファイバは、（ｉ）グラデーションを形成する（graded）屈折率を有するサブ領域、（ｉｉ）ステップされたプロファイルにおける異なる屈折率を有するサブ領域、または（ｉｉｉ）低い屈折率バリア層を含む環状コア領域を特徴とする。

図８は、本発明の実施の形態によるグラディエントステップクラッド光ファイバ８００の内部構造を示す。図示されるように、ファイバ８００は、直径Ｄ_０と屈折率ｎ_０とを有する中央コア８１０と、直径Ｄ_１と屈折率ｎ_１とを有する第１クラッド８１５と、直径Ｄ_２を有する環状コア８２０と、屈折率ｎ_３を有する外側クラッド８２５とを特徴とする。図７Ａに示すステップクラッドファイバ７００と類似するように、第１クラッド８１５は、屈折率ｎ_０より小さく、屈折率ｎ_３より大きい中間屈折率ｎ_１を有してもよい。様々な実施の形態において、ｎ_０とｎ_１との差は、中央コア８１０のＮＡを特定し、中央コア８１０のＮＡはＮＡ_ｃｏｒｅ＝ｓｑｒｔ（ｎ_０ ^２－ｎ_１ ^２）によって計算され、ｎ_０とｎ_３との差は、ファイバ８００の全体のＮＡを少なくとも部分的に特定し、全体のＮＡはＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}＝ｓｑｒｔ（ｎ_０ ^２－ｎ_３ ^２）によって計算される。ｎ_１がｎ_３より大きいため、ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}はＮＡ_ｃｏｒｅより大きい。

様々な実施の形態において、環状コア８２０は、２つの異なる領域を含み、それにより本質的に構成され、または構成される。図８に示すように、環状コア８２０は、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇと、屈折率ｎ_２を有する一定屈折率領域とを特徴としてもよい。グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇにおいて、屈折率は、低い屈折率ｎ_Ｌと高い屈折率ｎ_Ｈとの間で変化する。様々な実施の形態において、低い屈折率ｎ_Ｌは、第１クラッド８１５の屈折率ｎ_１と略同じまたはそれより高くてもよく、高い屈折率ｎ_Ｈは、一定屈折率の屈折率ｎ_２と略同じまたはそれより低くてもよい。図８に示すように、様々な実施の形態において、ｎ_２は、ｎ_０に略等しくてもよい。他の実施の形態において、ｎ_２はｎ_０より大きくてもまたは小さくてもよい。ｎ_２とｎ_０との間のこれらの関係は、本明細書にて説明される発明の実施の形態による光ファイバのいずれか１つに適用されてもよい。

本発明の様々な実施の形態において、コア及びクラッド領域の直径は、レーザソースの様々な性質（例えば、出力パワー）及び／または光ファイバによって伝達される出力ビームの望ましいＢＰＰ範囲に少なくとも部分的に依存してもよい。例えば、略３．５ｍｍ－ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザソースとマッチされた略１００μｍの中央直径Ｄ０は、通常、略４ｍｍ－ｍｒａｄの最小ＢＰＰを有する比較的低い出力ＮＡ（略０．０９）をもたらす。例示を続けると、望ましいＢＰＰ変化範囲が略６のファクタであると、一部のレーザパワーが第１クラッド８１５及び／またはグラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇの一部（例えば、低屈折率部分）にイン－カップリングされると発生し得るＮＡ拡大を考慮せず、環状コア３２０の直径Ｄ２は、略６００μｍであってもよい。中央コア８１０のＮＡが略０．１２であり、レーザ入力ＮＡは略０．０８５であると仮定すると、拡大されたＮＡは略０．１４７（＝ｓｑｒｔ（０．１２×０．１２＋０．０８５×０．０８５））であり、これは入力ＮＡより１．７のファクタ分において大きい。様々な実施の形態において、入力パワーの全てが、低屈折率領域に結合されず、または高屈折率領域から出ないため、説明したように、全体出力ＮＡの効果的な拡大は、このファクタ１．７より小さくてもよい。全体のＮＡ拡大が略１．５であると仮定して、環状コア直径は、同じＢＰＰの変動の望ましい範囲を達成するように略４００μｍに減少されてもよい。環状コアのより小さい直径は、出力ビームのより高い強度をもたらしてもよく、高い強度は多くの高パワーレーザ用途において有益である可能性がある。様々な実施の形態において、直径Ｄ２に対する直径Ｄ０の比は、略２．５から略８、または略３から略６の範囲を有する。この比は、本明細書にて説明される全ての異なる光ファイバの実施の形態に適用可能である。

様々な実施の形態において、第１クラッド８１５の厚み（即ち（（Ｄ_１－Ｄ_０）／２））は、直径Ｄ_０の略半分より小さくてもよい（即ち、略Ｄ_０／２より小さてもよい）。第１クラッドの厚みは、本明細書にて説明される全ての異なる光ファイバの実施の形態に適用されてもよい。光ファイバ８００において、第１クラッド８１５の厚みは、例えば、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇにおける低屈折率部分の存在によって、さらに小さくてもよく、例えば、直径Ｄ_０の略２５％より小さく、略１０％より小さく、または略５％より小さくてもよい。

有利に、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇを含む環状コア８２０の屈折率プロファイルに結合されるレーザエネルギは、環状コア８２０における入力位置により、異なる効果的な直径及び幅を有する環状ビームを有する出力ビームが結果として生じる。したがって、上述のように制御波形に応じてビーム形状が変更されると、ファイバ８００の使用は工作物が受ける様々な異なる平均ビーム形状を可能にする。様々な実施の形態において、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇは、異なるＮＡを有する入力ビームの全反射において、異なる臨界角インタフェース位置を設けて可能にする。例えば、環状コア８２０の一定屈折率領域にイン－カップリングされる入力ＮＡｉｎを有するレーザパワーは、通常、環状コア８２０の全体において広がらず、ｓｑｒｔ（ｎ_２ ^２－ｎ_Ｘ ^２）＝ＮＡｉｎを満たす（ｎ_１より大きい）ｎ_ｘより大きい屈折率を有するより限定された領域において収容されてもよい。言い換えれば、屈折率ｎ_ｘを有する環状コア８２０の部分は、光線ストッパとして機能する。同様に、ＮＡ領域における入力パワーの異なる部分は、０からＮＡｉｎまでの範囲を有する異なる入力ＮＡを有し、これらの異なる部分はしたがって、環状コア８２０における異なる部分（即ち、円柱状の「インタフェース」）によって「阻害」される。一般的に、比較的高い屈折率ｎ_ｙを有する位置ｙにおける環状コア８２０にイン－カップリングされた（入力ＮＡｉｎ以下の）入力ＮＡｚを有するパワーのｚ部分は、ｎ_ｘより大きく、ｓｑｒｔ（ｎ_ｙ ^２－ｎ_ｘ ^２）＝ＮＡｚを満たす屈折率を有する環状コア８２０における体積内に拘束される。この一般的な提案は、本明細書において説明される発明のいずれか及び全ての異なる実施の形態に適用されてもよい。

様々な実施の形態において、図７Ａに示すステップクラッドファイバ７００と比較して、グラディエントステップクラッドファイバ８００は、より幅広いビーム形状を設け、より幅広い用途と出力ビームによって処理される工作物との要件を満たすように使用されてもよい。上述の一般式が示すように、入力位置（ｙ）の変化は、通常、強度及び幅における異なる断面プロファイルを有する出力ビームにおける異なる環状リングをもたらす。入力位置における変化は、特に、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇが環状コア８２０の外側エッジにおいてまたはその付近に配置されると、異なる効果的な直径を有する環状リングを生成してもよい。従来のファイバ（例えば、光ファイバ７００）は、ファイバの環状コア領域にイン－カップリングされたレーザパワーが環状コア領域の全体に亘って略均一に広がるため、このような動作を示さない。

加えて、図８における位置ＡとＢとの間の両矢印によって示すように、グラディエントステップクラッド光ファイバ８００は、レーザ入力ＮＡ_ｉｎがｓｑｒｔ（ｎ_１ ^２－ｎ_３ ^２）と等しい第１クラッド８１５のＮＡ以下である場合、認識できるパワーの損失なく、位置Ａから位置Ｂまで（例えば、望ましい制御波形に応じて）レーザ入力スポットを連続的に移動させることを可能にする。

様々な実施の形態において、グラデーションを形成した屈折率領域８２０ｇの屈折率プロファイル（即ち、位置の関数としての屈折率の変化）は、図８に示すように、実質的に直線状の傾斜であってもよい。他の実施の形態において、プロファイルは、放物線状、平方根状、多項式による、ステップ状（即ち、屈折率における離散的なステップによって構成される）、または他のいずれかの単調な曲線等の他の形状を有してもよい。他の実施の形態において、グラデーションを形成した屈折率領域８２０ｇは、代わりに一定屈折率領域と外側クラッド８２５との間に配置されてもよく、またはグラデーションを形成する領域は一定屈折率領域の両側に配置されてもよい。このような実施の形態においては、一定屈折率領域の屈折率は、図８に示すｎ_０とｎ_１との間にあってもよい。

様々な実施の形態において、環状クラッド８２０の全体は、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇによって構成されてもよく、即ち、環状クラッド８２０の一定屈折率領域の幅はゼロであってもよい。加えてまたは代わりに、グラデーションを形成する屈折率領域８２０ｇは、中央コア８１０と面するように延びてもよく、即ち第１クラッド８１５の幅は略０であってもよい。様々な実施の形態において、環状コア８２０における屈折率ｎ_２及び／またはｎ_Ｈは、ｎ_０、即ち中央コア８１０の屈折率より小さく、大きくまたは略等しくてもよい。最終的に、図８に示していないが、グラデーションを形成するステップクラッド光ファイバ８００は、外側クラッド８２５の外側に配置される１つまたは複数の追加クラッド層を含んでもよい。（例えば、コーティング層及び／または保護外装を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい）このようなクラッドは、主に保護用のものであってもよく、その内部にレーザエネルギを直接的に伝達しなくてもよい。このような層の屈折率は、外側クラッド８２５の屈折率ｎ_３より低くてもよい。他の実施の形態において、このような層の屈折率はｎ_３より大きくてもよい。様々な実施の形態において、光ファイバは、外側クラッド８２５を直接囲む中央コアと略等しい屈折率を有する外側グラス層と、その上に配置され、それぞれｎ_３より低い屈折率を有する１つまたは複数（例えば、１つまたは２つ）のコーティング層とを有する。

図９は、本発明の実施の形態による他の光ファイバの内部構造を示す。図示されるように、マルチステップ光ファイバ９００は、直径Ｄ_０及び屈折率ｎ_０を有する中央コア９１０と、直径Ｄ_１及び屈折率ｎ_１を有する第１クラッド９１５と、直径Ｄ_２を有する環状コア９２０と、屈折率ｎ_３を有する外側クラッド９２５とを特徴とする。図８に示すファイバ８００と似て、第１クラッド９１５は、屈折率ｎ_０より小さく、屈折率ｎ_３より大きい中間屈折率ｎ_１を有してもよい。

様々な実施の形態において、環状コア９２０は、２つの異なる領域を含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成される。図９に示すように、環状コア９２０は、屈折率ｎ_２ｓを有する内側ステップ屈折率領域９２０ｓと、屈折率ｎ_２を有する外側ステップ屈折率領域９２０ｅとを特徴としてもよい。様々な実施の形態において、屈折率ｎ_２ｓは、第１クラッド９１５の屈折率ｎ_１より大きく、屈折率ｎ_２より小さい。本発明の様々な実施の形態において、外側ステップ屈折率領域９２０ｅにカップリングされるレーザパワーは、外側ステップ屈折率領域９２０ｅに主にとどまり、内側ステップ屈折率領域９２０ｓにカップルされるパワーは、領域９２０ｅ、９２０ｓとの両方に主に拘束される。したがって、これらの領域の一方または両方にカップリングされたレーザエネルギは、（上記のファイバ８００に関する説明と同様に）環状コア９２０における入力位置によって、異なる効果的直径及び幅を有する環状ビームを有する出力ビームをもたらす。

マルチステップクラッド光ファイバ９００において、様々な実施の形態により、内側ステップ屈折率領域９２０ｓの厚みは、中央コアの直径Ｄ_０の略１０％以上であってもよく、またはＤ_０の略２５％以上であってもよい。このような値は、第１クラッド９１５の厚みに適用されてもよい。様々な実施の形態において、入力レーザビームのスポットサイズは、例えばＤ_０の略６０％から略９０％であってもよいため、光ファイバの１つまたは複数の層の厚みは、中央コア直径Ｄ_０による。

様々な実施の形態において、図７Ａに示すステップクラッド光ファイバ７００と比較して、マルチステップ光ファイバ９００は、より幅広いビーム形状を提供し、よって、望ましい制御波形に応じて出力ビームによって処理するより幅広い用途と工作物との要件を満たすように適用されてもよい。例えば、マルチステップクラッド光ファイバ９００は、レーザ－エネルギ入力を受けるための環状コア９２０の内部における２つの異なる領域９２０ｓ、９２０を設けて、ファイバ７００等のファイバによって取得可能でない異なる環状リングプロファイルをそれぞれもたらす。様々な実施の形態において、離散的領域９２０ｓ、９２０ｅの存在は、２つの部分の間の入力パワー比における変化を通じて環状リングプロファイル（例えば、強度及び／または幅）の操作を可能にする。

様々な実施の形態において、環状コア９２０は、異なる屈折率を有する２つ以上の異なる領域を含んでもよく、それにより本質的に構成されてもよく、またはそれにより構成されてもよい。加えて、様々な実施の形態において、外側ステップ屈折率領域９２０ｅの屈折率ｎ_２は、図９に示すように、内側ステップ屈折率領域９２０ｓの屈折率ｎ_２ｓより大きくてもよく、またはｎ_２はｎ_２ｓより小さくてもよい。

図１０Ａは、本発明の実施の形態による他の光ファイバの内部構造を示す。図示のように、バリアステップクラッド光ファイバ１０００は、直径Ｄ_０及び屈折率ｎ_０を有する中央コア１０１０と、直径Ｄ_１及び屈折率ｎ_１を有する第１クラッド１０１５と、直径Ｄ_２を有する環状コア１０２０と、屈折率ｎ_３を有する外側クラッド１０２５とを特徴とする。ファイバ８００、９００と同様に、第１クラッド１０１５は、屈折率ｎ_０より小さく、屈折率ｎ_３より大きい中間屈折率ｎ_１を有してもよい。

様々な実施の形態において、環状コア１０２０は、３つの異なる領域を含み、それにより本質的に構成され、それにより構成される。図１０Ａに示すように、環状コア１０２０は、内側領域１０２０ａと、外側領域１０２０ｃと、領域１０２０ａ、１０２０ｃとの間に配置されるバリア領域１０２０ｂとを特徴としてもよい。様々な実施の形態において、領域１０２０ａ、１０２０ｃの両方の屈折率は、屈折率ｎ_２と等しく、屈折率ｎ_２は、中央コア１０１０の屈折率ｎ_０と略等しくてもよい。他の実施の形態において、ｎ_２はｎ_０以上であってもよい。バリア領域１０２０ｂの屈折率ｎ_２ｂはｎ_２より小さく、第１クラッド１０１５の屈折率ｎ_１より大きくてもよくまたは略等しくてもよい。図１０Ａに示すように、バリア領域１０２０ｂは、第１クラッド１０１５の直径Ｄ_１より大きい内側直径Ｄ_ｂと、層厚みＴとを有してもよい。様々な実施の形態において、バリア領域１０２０ｂの層厚みＴは、略３０μｍより小さく、略２０μｍより小さく、または略１０μｍより小さい。層厚みＴは、略１μｍより大きくてもよく、略２μｍより大きくてもよく、略５μｍより大きくてもよく、または略１０μｍより大きくてもよい。

本発明の様々な実施の形態において、パワーが初期において内側領域１０２０ａまたは外側領域１０２０ｃのいずれか一方にカップリングされると、バリア領域１０２０ｂは、第１クラッド１０１５と外側クラッド１０２５と併せて、レーザパワーがファイバ１０００の他の領域に広がることを抑制する。したがって、本発明の実施の形態による出力ビームは、少なくとも望ましい出力波形に応じて平均化する前に、ファイバ出口において２つの離散的環状リングを特徴としてもよい。即ち、ファイバ１０００は、領域１０２０ａ、１０２０ｃとの間における入力レーザパワーの分布を通じて異なる出力強度を有する２つの環状リングを有する出力ビームの形成を可能にする。このような出力ビームは、通常、上述のファイバ６００、７００の使用を通じて可能にならない。さらに、バリア領域１０２０ｂの内部にイン－カップリングされたレーザパワーは、出力ビームから通常失われず、環状コア１０２０を通じて広がる。

本発明の様々な実施の形態において、第１クラッド１０１５にカップリングされるレーザパワーは、環状コア領域１０２０の全体にわたって広がる傾向があり、このようなパワーは、中央コア１０１０にわたって広がってもよい。したがって、第１クラッド１０１５の内部にカップリングビームエネルギは、内側領域１０２０ａへのカップリングより、ファイバ出口においてより大きい効果的ビームサイズをもたらしてもよい。したがって、本発明の実施の形態において、出力ビーム大きさにおける非単調な増加は、レーザエネルギがファイバ１０００の様々な領域の内部にカップリングされると生じ、ファイバ６００、７００の使用を通じては可能にならない動的ＢＰＰバリエーションをもたらす。

本発明の様々な実施の形態において、環状コア領域１０２０は、１つより多くのバリア領域１０２０ｂを含んでもよく、それぞれのバリア領域は、異なる厚み及び／または異なる屈折率を有してもよいが、このようなバリア層の屈折率は、通常屈折率ｎ_２より小さく、屈折率ｎ_１より大きくまたは略等しい。即ち、環状コア領域１０２０はＮ個のバリア領域１０２０ｂによってＮ＋１個の領域（例えば、領域１０２０ａ、１０２０ｃ）に分割されてもよい。複数のバリア領域１０２０ｂの２つ以上（または全て）の厚み及び／または屈折率は、互いに等しくまたは互いに対して異なってもよい。

図１０Ｂは、本発明の実施の形態による、図１０Ａに示すバリアステップクラッド光ファイバ１０００の変形例である光ファイバの内部構造を示す。図示されるように、バリアステップクラッド光ファイバ１０３０は、中央コア１０１０ｂと、第１クラッド１０１５と、環状コア１０２０と、外側クラッド１０２５とを特徴とする。ファイバ８００、９００、１０００と同様に、第１クラッド１０１５は、屈折率ｎ_０より小さく、屈折率ｎ_３より大きい中間屈折率ｎ_１を有してもよい。

図１０Ｂに示すように、中央コア１０１０ｂは、グラデーションを形成する屈折率プロファイルを有し、中央コア１０１０ｂの中心は、最高屈折率ｎ_０を有し、中央コア１０１０ｂの屈折率は、中心から離れる半径方向の距離の関数として減少する。様々な実施の形態において、中央コア１０１０ｂの中心のみが最高屈折率ｎ_０を有し、他の実施の形態において、中央コア１０１０ｂは、有限厚みを有し、最高屈折率ｎ_０を有する中心部分を有する。（即ち、中央コア１０１０ｂの屈折率は、中央部分にわたってプラトー（plateau）し、その後中央コア１０１０ｂの外周に向かって減少してもよい。）中央コア１０１０ｂの屈折率における減少は、実質的に直線状、放物線状、または多項式による依存性等の他の形状を有してもよい。他の実施の形態において、中央コア１０１０ｂの屈折率は、１つまたは複数（または２つ以上）の離散的ステップのシリーズにおいて減少してもよい。様々な実施の形態において、中央コア１０１０ｂの屈折率は、中央コア１０１０ｂと第１クラッド１０１５との間のインタフェースにおける屈折率ｎ’_０まで減少する。図示されるように、屈折率ｎ’_０は、第１クラッド１０１５の屈折率ｎ_１より大きくてもよい。他の実施の形態において、屈折率ｎ’_０は、第１クラッド１０１５の屈折率ｎ_１に略等しくてもよい。

図１０Ａの光ファイバ１０００のように、本発明の様々な実施の形態において、ファイバ１０３０の環状コア領域１０２０は、１つより多くのバリア領域１０２０ｂを含んでもよく、それぞれのバリア領域は、異なる厚み及び／または異なる屈折率を有してもよいが、このようなバリア層の屈折率は、通常、屈折率ｎ_２より小さく、屈折率ｎ_１より大きくまたは略等しい。

本発明の実施の形態において、ビームは、ファイバの内部における２つまたは３つ以上の異なる領域に操作されることに代わってまたは加えて、２つまたは３つ以上の光ファイバ（例えば、ファイバ束におけるファイバ）に操作される。図１１Ａは、本発明の様々な実施の形態によるレーザシステム１１００を示す。図示されるように、（例えば、ＷＢＣシステムの出力ビームであってもよい）レーザビーム１１５はスイッチング機構１１０によって方向付けられ、ファイバ束１１１０の複数のファイバの１つの内部に光学素子１２０（例えば、１つまたは複数のレンズ）によってカップリングされ、ファイバ束１１１０は２つまたは３つ以上の光ファイバ１０５を含み、それにより本質的に構成され、またはそれにより構成され、光ファイバの少なくとも２つ（または全て）は異なる内部構成（例えば、クラッド層の数、コアの数、コア及び／またはクラッドの屈折率、コア及び／またはクラッドの大きさ等）を有してもよい。ファイバ束１１１０のそれぞれの光ファイバ１０５は、レーザヘッド１１２０に接続されてもよく、レーザヘッド１１２０は、例えば、切削、溶接等の材料処理のために工作物に向かって出力レーザビームを方向付けるためのさらなる光学系を含んでもよい。図１１Ａは、レーザビーム１１５が、スイッチング機構１１０の移動（例えば、回転及び／または並進移動）を通じて、ファイバ束１１１０の内部において２つの異なる光ファイバ１０５にカップリングされる例示的な実施の形態を示す。本発明の様々な実施の形態において、ファイバ束１１１０のファイバ１０５は、本明細書にて説明されるいずれかの光ファイバの内部構成を有してもよい。ファイバ束１１１０のファイバ１０５の２つまたは３つ以上は、等しい内部構成（例えば、コア及び／またはクラッドの大きさ及び形状）を有してもよく、及び／またはファイバ束１１１０のファイバ１０５の２つまたは３つ以上は異なる内部構造を有してもよい。図１１Ｂは、ファイバ束１１１０の模式端面図を示す。図１１Ｂは、密集した丸い構成において配置されたファイバ束１１１０のファイバを示すが、本発明の実施の形態は、例えば、直線スタック等、ファイバ束１１１０の内部のファイバの他の配置を含む。

本発明の様々な実施の形態において、ファイバ１０５へのダメージのリスクを減少するために、ファイバ束１１１０の入力側はガラスのエンドキャップに（例えば、融合を通じて）接続される。即ち、ファイバ束の入力側は、ユニット型（unitary）セグメントであってもよく、ユニット型セグメントにおいて、異なるファイバ１０５はガラスエンドキャップの異なる領域部分にカップリングされる。ガラスエンドキャップ（図１１Ａに図示せず）は、例えば、少なくとも５ｍｍの長さを有してもよい。エンドキャップの長さは、例えば、５０ｍｍ以下であってもよい。図１１Ｂに示すように、ファイバは、少なくともファイバ束１１１０の入力端において、外装体１１３０の内部において配置されてもよい。

図１１Ａに示すように、レーザシステム１１００は、コントローラ１４０を含み、コントローラ１４０は、波形ジェネレータ１５０に生成される制御波形によるファイバ束１１１０の様々なファイバ１０５におけるレーザビーム１１５の動作を制御する。例えば、コントローラ１４０は、スイッチング機構１１０、光学素子１２０、及び／またはファイバ束１１１０の動作（例えば、１、２または３自由度を有する回転及び／または並進移動）を制御してもよく、レーザビーム１１５が、上述のようにファイバ束１１１０における異なるファイバ１０５またはファイバ１０５の異なる部分の内部に向かうことをもたらす。

本発明の実施の形態により、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レーザシステムにおいて及び／またはそれととも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、波形に基づく制御用のレーザビームデリバリシステム用の入力ビームとして使用されてもよい。図１２は、本発明の実施の形態において使用される入力ビームを形成するように使用されてもよいＷＢＣレーザシステム（または「共振器」）１２００の様々な構成品を模式的に示す。
図示された実施の形態において、共振器１２００は、９つの異なるダイオードバー（本明細書にて、「ダイオードバー」は、任意のマルチビーム発振器、即ち、単一のパッケージから複数のビームが発振される発振器を示す）から発振されるビームを合成するＷＢＣ共振器１００の様々な要素を概略的に示す。本発明の実施の形態は、９つより少ないまたは多くの発振と共に用いられてもよい。本発明の実施の形態によると、各発振器は単一のビームを発振してもよく、または各発振器は複数のビームを発振してもよい。図１２のビューはＷＢＣ次元、即ち、バーからのビームが合成される次元に沿っている。例示的共振器１２００は、９つのダイオードバー１２０５を特徴として、各ダイオードバー１２０５は、ＷＢＣ次元に沿った発振器のアレー（例えば、１次元アレー）を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。様々な実施の形態において、ダイオードバー１２０５の各発振器は、１つの方向（ＷＢＣ次元に対して縦方向に配置された「ファスト軸」として知られている）においてより大きい発散、及び垂直方向（ＷＢＣ次元に沿った「スロー軸」として知られている）においてより小さい発散を有する非対称的なビームを発振する。

様々な実施の形態において、各ダイオードバー１２０５は、ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリに関連している（例えば、取り付けられまたは他の方法で光学的に結合される）。ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリは、ビームのファスト軸及びスロー軸を９０°回転させつつ、発振されるビームのファスト軸をコリメートし、よって、発振される各ビームのスロー軸は、マイクロレンズアセンブリの下流のＷＢＣ次元に直交する。マイクロレンズアセンブリは、拡散要素１２１０に向かって各ダイオードバー１２０５からの発振器の主光線を収束させる。適切なマイクロレンズアセンブリは、２０１１年３月７日に出願された、米国特許第８，５５３，３２７号と、２０１５年６月８日に出願された、米国特許第９，７４６，６７９号とにおいて説明され、それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。

ＦＡＣレンズ及び光学ツイスタ（例えば、マイクロレンズアセンブリ）の両方を、各ビーム発振器及び／または発振されるビームと関連している本発明の実施の形態において、ＳＡＣレンズ（後述する）は、非ＷＢＣ次元においてビームに影響を与える。他の実施の形態において、発振されるビームは回転せず、ＦＡＣレンズは非ＷＢＣ次元におけるポインティングエラーを変更するために使用されてもよい。したがって、本明細書にて、ＳＡＣレンズとは、通常、非ＷＢＣ次元においてパワーを有するレンズを示し、このようなレンズは、様々な実施の形態において、ＦＡＣレンズを含んでもよい、と理解されよう。よって、様々な実施の形態において、例えば、発振されるビームが回転されない実施の形態、及び／またはビームのファスト軸が非ＷＢＣ次元にある実施の形態において、ＦＡＣレンズは、本明細書にて説明するように、ＳＡＣレンズとして使用されてもよい。

図１２に示すように、共振器１２００も、ＳＡＣレンズ１２１５のセットを特徴として、１つのＳＡＣレンズ１２１５は、１つのダイオードバー１２０５に関連して、そこからビームを受ける。各ＳＡＣレンズ１２１５は、単一のダイオードバー１２０５から発振されるビームのスロー軸をコリメートする。ＳＡＣレンズ１２１５によるスロー軸におけるコリメーションのあと、ビームは、拡散要素１２１０に向かってビーム１２２５を方向転換させるインターリービングミラー１２２０のセットに伝播する。インターリービングミラー１２２０の配置は、ダイオードバー１２０５の間の自由空間が減少または最小化することを可能にする。拡散要素１２１０（例えば、図１２に示す透過型回折格子等の回折格子または反射型回折格子を含んでもよく、それから本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）の上流において、レンズ１２３０は、ダイオードバー１２０５からのサブビーム（即ち、主光線以外の発振される光線）をコリメートするために、選択的に使用されてもよい。様々な実施の形態において、レンズ１２３０は、ダイオードバー１２０５から、レンズ１２３０の焦点距離と実質的に同等な光学距離において配置されてもよい。通常の実施の形態おいて、拡散要素１２１０における主光線の重なりは、主に、レンズ１２３０の集光能力でなく、インターリービングミラー１２２０の方向転換によるものであることに留意する。

レンズ１２３５、１２４０も図１２に示され、２０１３年３月１５日に出願された米国特許第９，２５６，０７３号と、２０１５年６月２３日に出願された米国特許第９，２６８，１４２号に開示するように、レンズ１２３５、１２４０は光学的クロストークの向上のための光学的望遠鏡を形成し、開示の全体は参照によって本明細書にて含まれる。共振器１２００は、共振器１２００がより小さい物理的なフットプリントの内部に収納されてもよいように、ビームの再方向付けのための１つまたは複数の任意の折り返しミラー１２４５を含んでもよい。拡散要素１２１０は、ダイオードバー１２０５からのビームを単一のマルチ波長ビーム１２５０に組み合わせて、単一のマルチ波長ビーム１２５０を部分反射型出力カプラ１２５５に伝播する。カプラ１２５５は、拡散要素１２１０に戻すようにビームの他の部分を反射させて、その後、ビームのそれぞれの発振波長を安定させるようなフィードバックとして、ダイオードバー１２０５に反射させつつ、共振器１２００の出力ビームとしてビームの部分を透過させる。

（実施例）
図１３Ａ－図１３Ｄは、波形１３２０自体とともに、光ファイバの２つの異なる部分にレーザエネルギを方向付けるように使用される（５０％デューティ比を有する）矩形制御波形の周波数の変形によって生じる空間的出力プロファイルの側面及び上面図１３００、１３１０を示す図のセットを示す。この例示において、レーザエネルギは、厚み１．５ｍｍを有するアルミニウムシートを溶接するように使用される。レーザビームの処理速度は２ｍ／分であり、それぞれの図１３Ａ－図１３Ｄは、アルミニウムシートに沿った１０ｍｍの移動（即ち０．３秒の処理時間）を示す。それぞれの場合において、ビームは、光ファイバの中央コア領域と環状コア領域との間でスイッチされる。中央コアの直径１００μｍであり、環状コアは３６０μｍであり、中央コア及び環状コアは３０μｍの厚みを有するバリア（即ち、クラッド領域）によって分割される。レーザビームは、２ｋＷの連続波の直接ダイオードレーザシステムによって生成される。図１３Ａは、５０Ｈｚの制御周波数によって生じる出力を示し、図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び１３Ｄは、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、及び２００Ｈｚの制御周波数に対応する。図１３Ａにおいて、個別ビーム出力は、明確に維持され、工作物の表面においてそれらのエッジにおいてのみ少し重なる。図示のように、制御周波数が増加すると、ビーム出力は、平均ビームプロファイルにより融合し、平均ビームプロファイルにおいて、（例えば、図５に示すように）より高い周波数が生じる。

この例示に使用される溶接工程においては、制御周波数は、レーザビームがスポット溶接を生成するように工作物の１つまたは複数の層に貫通するように使用される「ピアスポイント（pierce point）」の間の距離を変化させるように、変化されてもよい。同様に、処理速度（即ち、工作物とビームとの間の相対的な並進移動の比）は、制御周波数が一定に維持される間、変化されてもよい。例えば、この処理は、様々な層を通じてスポット溶接が形成されるように、異質の材料の層を含む工作物との間において、リベットに代わって、使用してもよい。高周波数ビームスイッチングによって可能である平均化／融合されたビームプロファイルは、より良い結果をもたらす。なぜなら、（ピアスポイントより大きいビームサイズを有する）平均化ビーム大きさは、工作物を予備加熱し、工作物がピアスポイントにおいて貫通されるときに熱応力を減少する。工作物における熱傾斜は減少し、処理に間において、クラックまたは割れのリスクが減少する。平均化ビーム形状の使用は、材料の飛散を減少させ、（例えば、塗料の塗布または他の仕上げ方法の前の溶接痕の研削等の）追加処理を必要としないよりきれいな溶接痕をもたらす。

本明細書にて採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、用語及び表現の使用において、図示及び説明される特徴、また特徴の部分のいずれかの同等品を除外する意図はなく、請求項に記載される発明の範囲内において、様々な変形が可能であると認識される。

Claims

工作物を処理する方法であって、
レーザと、複数の内側領域を有する光ファイバとを設けることと、
ここで、それぞれの内側領域へのレーザ発振のイン－カップリングは、前記光ファイバが、異なる空間的出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらし、
時間的なパターンにおいて、前記出力が異なる空間的出力プロファイルを有するように、前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に前記レーザ発振を操作することと、
前記工作物を処理するように前記出力を前記工作物に向けながら、前記工作物と前記出力との間の相対移動をもたらすことと、
を含み、
前記時間的なパターンは、前記工作物と前記出力との間の相対移動の間において、前記異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、前記工作物が処理されるように、充分な周波数を有する、方法。
前記工作物は、前記空間的出力プロファイルとそのパワー密度に基づいて、前記出力に対する時間に基づく応答を受ける、請求項１に記載の方法。
前記相対移動は、最大処理速度以下で行われ、
前記最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、前記時間的なパターンの周波数とに基づいて選択され、（ｉｉ）前記応答が前記効果的な出力形状に対するものであることを保証する、請求項２に記載の方法。
前記光ファイバのそれぞれの内側領域はコア領域である、請求項１に記載の方法。
内側領域は、少なくとも、中央の第１コアと、前記第１コアを囲む環状の第２コアを含む、請求項４に記載の方法。
前記光ファイバの内側領域の少なくとも１つはコア領域であり、前記光ファイバの内側領域の少なくとも１つはクラッド領域である、請求項１に記載の方法。
前記レーザ発振は、制御波形に応じて操作される、請求項１に記載の方法。
前記制御波形は、矩形波である、請求項７に記載の方法。
前記効果的な出力形状は、前記制御波形の形状及びデューティ比に基づく前記異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均である、請求項７に記載の方法。
前記レーザ発振は、マルチ波長ビームである、請求項１に記載の方法。
（ｉ）前記工作物上で実行される処理の種類、（ｉｉ）前記工作物の性質、または（ｉｉｉ）前記工作物が処理される処理パス、の少なくとも１つに基づいて、前記レーザ発振は、前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作される、請求項１に記載の方法。
前記処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ加工、はんだ付け、及びろう付けによって構成されるリストから選択される、請求項１１に記載の方法。
前記工作物の性質は、前記工作物の厚み、前記工作物の組成、前記工作物の反射率、または前記工作物のトポグラフィーのいずれか１つを有する、請求項１１に記載の方法。
前記レーザ発振は、前記処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて、前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作される、請求項１１に記載の方法。
前記レーザは、
複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、
拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、
受けた集光ビームを受けて拡散する前記拡散要素と、
拡散ビームを受けて、拡散されたビームの第１部分を前記レーザ発振として透過させて、前記拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置される部分反射型出力カプラと、
を有し、
前記レーザ発振は、複数の波長によって構成される、請求項１に記載の方法。
前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項１５に記載の方法。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域とを有する、請求項１に記載の方法。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む環状コアと、前記環状コアを囲む第２クラッド領域とを有する、請求項１に記載の方法。
工作物を処理する方法であって、
レーザと、複数の光ファイバを有するファイバ束とを設けることと、
ここで、少なくとも２つの光ファイバへのレーザ発振のイン－カップリングは、前記ファイバ束が、異なる空間的出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらし、
時間的なパターンにおいて、前記出力が異なる空間的出力プロファイルを有するように、前記ファイバ束の前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに前記レーザ発振を操作することと、
前記工作物を処理するように前記出力を前記工作物に向けながら、前記工作物と前記出力との間の相対移動をもたらすことと、
を含み、
前記時間的なパターンは、前記工作物と前記出力との間の相対移動の間において、前記異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、前記工作物が処理されるように、充分な周波数を有する、方法。
前記工作物は、前記空間的出力プロファイルとそのパワー密度に基づいて、前記出力に対する時間に基づく応答を受ける、請求項１９に記載の方法。
前記相対移動は、最大処理速度以下で行われ、
前記最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、前記時間的なパターンの周波数とに基づいて選択され、（ｉｉ）前記応答が前記効果的な出力形状に対するものであることを保証する、請求項２０に記載の方法。
前記レーザ発振は、制御波形に応じて操作される、請求項１９に記載の方法。
前記制御波形は、矩形波である、請求項２２に記載の方法。
前記効果的な出力形状は、前記制御波形の形状及びデューティ比に基づく前記異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均である、請求項２２に記載の方法。
前記レーザ発振は、マルチ波長ビームである、請求項１９に記載の方法。
（ｉ）前記工作物上で実行される処理の種類、（ｉｉ）前記工作物の性質、または（ｉｉｉ）前記工作物が処理される処理パス、の少なくとも１つに基づいて、前記レーザ発振は、前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作される、請求項１９に記載の方法。
前記処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ加工、はんだ付け、及びろう付けによって構成されるリストから選択される、請求項２６に記載の方法。
前記工作物の性質は、前記工作物の厚み、前記工作物の組成、前記工作物の反射率、または前記工作物のトポグラフィーのいずれか１つを有する、請求項２６に記載の方法。
前記レーザ発振は、前記処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて、前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作される、請求項２６に記載の方法。
前記レーザは、
複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、
拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、
受けた集光ビームを受けて拡散する前記拡散要素と、
拡散ビームを受けて、拡散されたビームの第１部分をレーザ発振として透過させて、前記拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置される部分反射型出力カプラと、
を有し、
前記レーザ発振は、複数の波長によって構成される、請求項１９に記載の方法。
前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項３０に記載の方法。
少なくとも１つの光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域とを有する、請求項１９に記載の方法。
少なくとも１つの光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む環状コアと、前記環状コアを囲む第２クラッド領域とを有する、請求項１９に記載の方法。
入力レーザビームの発振のためのビームソースと、
複数の内側領域を有する光ファイバと、
ここで、それぞれの内側領域への入力レーザ発振のイン－カップリングは、前記光ファイバが、異なる空間的出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらし、
周波数を有する時間的なパターンにおいて、異なる空間的出力プロファイルを生成するように、入力レーザ発振を前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作するスイッチング機構と、
前記出力を工作物に向けて、前記出力と前記工作物との間で相対移動をもたらし、前記工作物を処理するデリバリ機構と、
を含み、
前記周波数は、前記工作物と前記出力との間の相対移動の間において、前記異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、前記工作物が処理されるように、充分である、レーザシステム。
前記スイッチング機構は、フレクシャーマウント式反射板を有する、請求項３４に記載のシステム。
前記工作物は、前記空間的出力プロファイルとそのパワー密度に基づいて、前記出力に対する時間に基づく応答を受け、
前記スイッチング機構は、前記相対移動を最大処理速度に制限するように構成され、
前記最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、前記時間的なパターンの周波数とに基づいて選択され、（ｉｉ）前記応答が前記効果的な出力形状に対するものであることを保証する、請求項３４に記載のシステム。
前記光ファイバのそれぞれの内側領域はコア領域である、請求項３４に記載のシステム。
内側領域は、少なくとも、中央の第１コアと、前記第１コアを囲む環状の第２コアを含む、請求項３７に記載のシステム。
前記光ファイバの内側領域の少なくとも１つはコア領域であり、前記光ファイバの内側領域の少なくとも１つはクラッド領域である、請求項３４に記載のシステム。
制御波形を生成する波形ジェネレータをさらに有し、
前記スイッチング機構は、前記入力レーザ発振を前記制御波形に応じて操作するように構成される、請求項３４に記載のシステム。
前記制御波形は、矩形波である、請求項４０に記載のシステム。
前記効果的な出力形状は、前記制御波形の形状及びデューティ比に基づく前記異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均である、請求項４０に記載のシステム。
前記入力レーザ発振は、マルチ波長ビームである、請求項３４に記載のシステム。
前記スイッチング機構は、（ｉ）前記工作物上で実行される処理の種類、（ｉｉ）前記工作物の性質、または（ｉｉｉ）前記工作物が処理される処理パス、の少なくとも１つに基づいて、前記入力レーザ発振を、前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作するように構成される、請求項３４に記載のシステム。
前記処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ加工、はんだ付け、及びろう付けによって構成されるリストから選択される、請求項４４に記載のシステム。
前記工作物の性質は、前記工作物の厚み、前記工作物の組成、前記工作物の反射率、または前記工作物のトポグラフィーのいずれか１つを有する、請求項４４に記載のシステム。
前記スイッチング機構は、前記入力レーザ発振を、前記処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて、前記光ファイバの前記複数の内側領域のうち異なる複数の内側領域に操作するように構成される、請求項４４に記載のシステム。
前記ビームソースは、
複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、
拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、
受けた集光ビームを受けて拡散する前記拡散要素と、
拡散ビームを受けて、拡散されたビームの第１部分を前記入力レーザ発振として透過させて、前記拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置される部分反射型出力カプラと、
を有し、
前記入力レーザ発振は、複数の波長によって構成される、請求項３４に記載のシステム。
前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項４８に記載のシステム。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域とを有する、請求項３４に記載のシステム。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む環状コアと、前記環状コアを囲む第２クラッド領域とを有する、請求項３４に記載のシステム。
入力レーザビームの発振のためのビームソースと、
複数の光ファイバを有するファイバ束と、
ここで、少なくとも２つの光ファイバへの入力レーザ発振のイン－カップリングは、前記ファイバ束が、異なる空間的出力プロファイルを有する出力を生成することをもたらし、
周波数を有する時間的なパターンにおいて、異なる空間的出力プロファイルを生成するように、入力レーザ発振を前記ファイバ束の前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作するスイッチング機構と、
前記出力を工作物に向けて、前記出力と前記工作物との間で相対移動をもたらし、前記工作物を処理するデリバリ機構と、
を含み、
前記周波数は、前記工作物と前記出力との間の相対移動の間において、前記異なる空間的出力プロファイルを組み合わせる効果的な出力形状によって、前記工作物が処理されるように、充分である、レーザシステム。
前記スイッチング機構は、フレクシャーマウント式反射板を有する、請求項５２に記載のシステム。
前記工作物は、前記空間的出力プロファイルとそのパワー密度に基づいて、前記出力に対する時間に基づく応答を受け、
前記スイッチング機構は、前記相対移動を最大処理速度に制限するように構成され、
前記最大処理速度は、（ｉ）材料の時間に基づく応答と、前記時間的なパターンの周波数とに基づいて選択され、（ｉｉ）前記応答が前記効果的な出力形状に対するものであることを保証する、請求項５２に記載のシステム。
制御波形を生成する波形ジェネレータをさらに有し、
前記スイッチング機構は、前記入力レーザ発振を前記制御波形に応じて操作するように構成される、請求項５２に記載のシステム。
前記制御波形は、矩形波である、請求項５５に記載のシステム。
前記効果的な出力形状は、前記制御波形の形状及びデューティ比に基づく前記異なる空間的出力プロファイルの重み付き平均である、請求項５５に記載のシステム。
前記入力レーザ発振は、マルチ波長ビームである、請求項５２に記載のシステム。
前記スイッチング機構は、（ｉ）前記工作物上で実行される処理の種類、（ｉｉ）前記工作物の性質、または（ｉｉｉ）前記工作物が処理される処理パス、の少なくとも１つに基づいて、前記入力レーザ発振を、前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作するように構成される、請求項５２に記載のシステム。
前記処理の種類は、切削、溶接、エッチング、アニーリング、穴あけ加工、はんだ付け、及びろう付けによって構成されるリストから選択される、請求項５９に記載のシステム。
前記工作物の性質は、前記工作物の厚み、前記工作物の組成、前記工作物の反射率、または前記工作物のトポグラフィーのいずれか１つを有する、請求項５９に記載のシステム。
前記スイッチング機構は、前記入力レーザ発振を、前記処理パスにおける１つまたは複数の方向転換に基づいて、前記複数の光ファイバのうち異なる複数の光ファイバに操作するように構成される、請求項５９に記載のシステム。
前記ビームソースは、
複数の離散的ビームを発振する１つまたは複数のビーム発振器と、
拡散要素に向かって複数のビームを集光する集光光学系と、
受けた集光ビームを受けて拡散する前記拡散要素と、
拡散ビームを受けて、拡散されたビームの第１部分を前記入力レーザ発振として透過させて、前記拡散要素に向かって拡散ビームの第２部分を反射して戻すように配置される部分反射型出力カプラと、
を有し、
前記入力レーザ発振は、複数の波長によって構成される、請求項５２に記載のシステム。
前記拡散要素は、回折格子を有する、請求項６３に記載のシステム。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む第２クラッド領域とを有する、請求項５２に記載のシステム。
前記光ファイバは、ファイバコアと、前記ファイバコアを囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を囲む環状コアと、前記環状コアを囲む第２クラッド領域とを有する、請求項５２に記載のシステム。