JP2023534644A - ビーム形状及び強度を変更するためのステップコアファイバ構造及び方法 - Google Patents

Abstract

様々な実施の形態では、ステップコア光ファイバから放射され、非円形のビーム形状を有し得る１つ以上の入力ビームから形成される１つ以上の出力ビームを利用してワークを加工する。様々な実施の形態では、入力ビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビーム開口数（ＮＡ）を有する可変出力レーザビームであってもよい。ステップコア光ファイバは、約１００％のレーザパワーにおけるレーザビームＮＡ以上の外側コアＮＡ、外側コアＮＡ以下の内側コアＮＡ、約５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上の内側コアＮＡを有してもよい。

Description

（関連出願）
本出願は、２０２０年７月７日に出願された米国仮特許出願第６３／０４８，７１４号と、２０２０年８月４日に出願された米国仮特許出願第６３／０６０，８０１号とに基づく利益及び優先権を主張し、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。

様々な実施の形態において、本発明は、レーザシステム及び光ファイバに関し、特に、ビーム強度及びビームパラメータ積等のビームパラメータの制御を可能にするレーザシステム及び光ファイバに関する。

高出力レーザシステムは、溶接、切削、穴あけ加工及び材料加工等、異なる複数の用途に使用されている。このようなレーザシステムは、一般的に、レーザエミッタと、光学システムとを含み、レーザエミッタ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ワーク上にファイバからのレーザ光を集光させる。光学システムは、一般的に、最高品質のレーザビーム、または、同等に、最低のビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有するビームを生成するために設計されている。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。即ち、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２であって、ここでＤは集光スポット（ウエスト）直径であり、ＮＡは開口数であり、したがってＮＡ及び／またはＤを変更することでＢＰＰを変更してもよい。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（pi）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と示され、波長から独立したビーム品質の基準である。

高出力産業用レーザは、一般的に従来のマルチモードステップインデックスファイバで伝送される。このようなシステムでは、出力側のＢＰＰが入力側のＢＰＰよりも大幅に大きくなることが多く、これは主に入力レーザスポットとファイバの中心コアの形状及び／またはサイズとのミスマッチによるＢＰＰ劣化の影響である。さらに、与えられた総ビームパワーに対して、より高いピーク強度とワーク上のより小さな有効レーザスポットは、板金切断及び穴あけなどの多くのアプリケーションに有益である。そのため、ＢＰＰのカップリング劣化に対応し、かつ、様々な用途に対応して小さい出力ビームサイズ及び高いビーム強度の生成を可能にする光ファイバ構造、システム及び技術が求められている。

本発明の様々な実施の形態が提供するレーザシステム、カップリング及び伝送技術、及び光ファイバは、入力ビームの形状が変化しても、ＢＰＰ劣化が少なく、効率的にビームカップリングと伝送を可能にする。さらに、本発明の実施の形態による光ファイバは、より小さいファイバを使用することなく、効果的に小さい出力スポットサイズ及び実質的により大きいピークビーム強度を生成するために利用されてもよい。このようにして、本発明の実施形態は、ファイバカップリング効率及びビーム安定性を犠牲にすることなく、出力ビームを生成する。

本発明の実施の形態は、本明細書において「ステップコア」ファイバと称される光ファイバを含み、利用する。従来のレーザ伝送装置、特に工業用加工のための装置は、単一の中心コアとコアを取り囲む単一の外側クラッドを有する従来のステップインデックス光ファイバを利用している。これに対し、本発明の実施の形態に係るステップコアファイバは、内側コアと、内側コアを囲む外側の環状コアと、外側コアを囲むクラッドとを含み、本質的にそれからなり、またはそれからなる。様々な実施の形態では、外側コアは内側コアとクラッドとの間に配置され、対向する表面で内側コアとクラッドとに直接接触している。様々な実施の形態において、ステップコアファイバは、クラッド層の外側に配置された１つ以上のコア層、コーティング層、及び／またはクラッド層を含んでもよい。このような層は、ＢＰＰ操作、ファイバ構造支持、ファイバ保護などを含むがこれらに限定されない様々な目的のために設けられてもよい。したがって、内側コア、外側コア及びクラッド層は、典型的には、ガラス、例えば、石英ガラスまたはドープされた石英ガラスを含む、本質的にそれからなる、またはそれからなるが、クラッド層の外側に配置された層は、ガラス（例えば、石英ガラス、ドープされた石英ガラス）、ポリマー、プラスチック等を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。本発明の様々な実施の形態は、光ファイバの構造上またはその内部にモードストリッパを含まない。同様に、本発明の実施の形態による光ファイバの様々な層は、ファイバの全長に沿って連続的であり、その内部に開口、フォトニック結晶構造、断絶、隙間または他の不連続を含まない。

本発明によるステップコア光ファイバは、マルチモードファイバであってもよく、よってその内部に（例えば、３より多く、１０より多く、２０より多く、５０より多くまたは１００モードより多く）複数のモードを支持する。加えて、本発明によるステップコア光ファイバは、一般的にパッシブファイバであり、即ち、ポンプされたファイバレーザ及び増幅器のために通常使用される活性ドーパント（例えば、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、ホルミウム、またはその他の希土類金属）がドープされていない。代わって、本発明によるファイバの様々な層における望ましい屈折率を選択するように使用されるドーパントは、例えば、フッ素、チタン、ゲルマニウム、及び／またはホウ素等のレーザ光によって励起されない一般的に受動的なドーパントである。本発明の実施の形態による光ファイバの特定の層または領域のために望ましい屈折率を取得することは、過度な実験なく当業者によって（ドーピング等の技術によって）実現され得る。関連して、本発明の実施の形態による光ファイバは、反射板、または部分反射板（例えば、ブラッグ格子等の格子）をその内部にまたはその上に含まなくてもよい。本発明の実施の形態によるファイバは、異なる波長のレーザ光を生成するように構成されるポンプ光によって通常ポンプされない。代わって、本発明の実施の形態によるファイバは、その波長を変更することなく、その長さに沿って単に光を伝播させる。

加えて、本発明の実施の形態によるステップコアファイバ及びシステムは、光学通信または光学データ送信等の用途ではなく、材料加工（例えば、切削、穴あけ等）のために通常使用される。したがって、本発明の実施の形態によるファイバに結合されてもよいレーザビームは、光学通信に使用される１．３μｍまたは１．５μｍとは異なる波長を有してもよい。実は、本発明の実施の形態によって使用されるファイバは、光学通信のために使用される約１２６０ｎｍから約１６７５ｎｍの範囲における１つまたは複数の（または全ての）波長において分散を示してもよい。例えば、本発明の実施の形態に従って利用されるレーザ波長は、約７８０ｎｍから約１０６４ｎｍ、約７８０ｎｍから約１０００ｎｍ、約８７０ｎｍから約１０６４ｎｍ、または約８７０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の波長であってもよい。様々な実施の形態において、レーザビームの波長（またはプライマリまたは中心波長）は、例えば、約１０６４ｎｍ、約９７０ｎｍ、約７８０または８５０から約１０６０ｎｍ、または約９５０ｎｍから約１０７０ｎｍであってもよい。様々な実施の形態では、レーザの波長は、光通信で利用されている波長（例えば、約１２６０ｎｍから約１６７５ｎｍ）よりもはるかに大きく、例えば、約２μｍから約１１μｍ、または約５μｍから約１１μｍの範囲であってもよい。

様々な実施の形態では、レーザビームは高エネルギの可視光（青、緑、紫など）または紫外線（ＵＶ）の波長（または波長範囲）を有する。例えば、波長は、約３００ｎｍから約７４０ｎｍ、約４００ｎｍから約７４０ｎｍ、約５３０ｎｍから約７４０ｎｍ、約３００ｎｍから約８１０ｎｍ、約４００ｎｍから約８１０ｎｍ、または約５３０ｎｍから約８１０ｎｍの範囲であってもよい。様々な実施の形態では、レーザビームの波長は紫外域または可視域であるが、様々な用途のために、波長が約８１０ｎｍ程度まで増加する場合がある。特定の実施の形態において、レーザビームの波長（またはプライマリまたは中心波長）は、例えば、約８１０ｎｍ、約４００から約４６０ｎｍ、または約５３２ｎｍであってもよい。（ここで、異なる「波長」という表現は、異なる「波長範囲」または異なる「プライマリ波長」を包含すると理解される。）

本発明の追加の実施の形態により、異なる波長を有する２つ以上のレーザビームがステップコアファイバに直列的に及び／または同時に結合され、材料加工の最適化のために各波長の利点を利用することが可能である。そのような実施の形態は、２０２０年８月４日に出願された米国特許出願第１６／９８４，４８９号に記載された詳細及び技術を組み込んでもよく、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。例えば、様々な実施の形態では、レーザシステムは、材料（例えば金属材料）の切断に利用される比較的長い波長（例えば、赤外線または近赤外線）で発光するプライマリレーザと、少なくとも切断開始時の穿孔動作に利用される比較的より短い波長（例えば、紫外線または可視光線）で発光するセカンダリレーザを備えていることを特徴としている。一般的に、各種金属は、少なくとも固体状態において、短波長側でレーザ光の吸収の増加を示す。そのため、例えば、レーザ切断の開始時に行う穿孔加工には、より波長の短いレーザを効率的に利用できる。つまり、短波長のレーザを用いることで、より速く、より高い品質（エッジの粗さなど）で穿孔加工を行うことができる可能性がある。残念ながら、多くの短波長レーザ（例えば、緑色または青色の波長領域で発光するレーザ）は、近赤外線レーザなどの様々な長波長レーザよりも効率が低く、寿命が短く、高価であり、全出力へのランプが遅く、および／または全出力へのランプが容易でない。また、金属が溶融すると、金属のレーザ光の吸光度がレーザ波長に依存しなくなり、またはレーザ波長から独立する。したがって、金属を穿孔して溶かした後の実際の切断作業は、一般に寿命が長く、高い効率を示す長波長レーザによって、より迅速かつ効率的に実行される場合がある。このような長波長レーザは、（１）材料による長波長の吸収率が低いこと、及び／または（２）材料による長波長の反射率が高いことによって、最初の穿孔加工に適さない場合があり、レーザ切断の開始を妨げるだけでなく、スプリアス反射によるレーザシステム（またはその各種構成要素）の損傷につながる可能性もある。

例示的な切断作業では、材料の表面に向けてレーザを照射し、レーザエネルギの少なくとも一部を吸収させることで、材料を加熱する例を挙げた。十分にエネルギを吸収した後、表面が溶けて溶融状態となる。その後、表面化の材料も溶けて、材料に穴が空く。このような穴が形成されると、レーザエネルギは材料を横切って移動し、材料を所望のパターンで切断できる。本発明の実施の形態によって、より波長の短いセカンダリレーザを用いて切断作業を開始する。様々な実施の形態では、セカンダリレーザは、少なくとも加工する材料の表面の一部が溶融するまで、加工する材料の表面に光を照射する。（即ち、材料の少なくとも一部が溶融し、より長い波長のレーザ光に対する吸収性が高ければ、実際に材料に穴が発生するまでセカンダリレーザを利用する必要はないが、様々な実施の形態では少なくとも材料に穴が形成されるまでセカンダリレーザを利用する）。材料表面の少なくとも一部が溶融した後、プライマリレーザはより長い波長の光を実質的に同じ点で材料に照射し（すなわち、プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとは同じステップコア光ファイバに結合されているので同軸でもよく）、材料上を並進して切断を実行する。そのため、様々な実施の形態ではセカンダリレーザをより低いパワーで、及び／またはより短い時間で使用してもよく、寿命を延ばすことができる。さらに、セカンダリレーザを使用することで、銅のようにレーザの長い波長（赤外線や近赤外線など）に対する反射率が高い材料も効率よく加工できる。

様々な実施の形態では、セカンダリレーザは（例えば、切断作業を開始する場合の）材料の穿孔のみならず、材料の１つ以上の特性が変化した場合、または切断自体の１つ以上の特性を変更することが望まれる場合、切断作業の間にも利用することができる（レーザエネルギを材料に向けて照射できる）。例えば、材料の厚みが１箇所以上変化（例えば、増加）した場合、その箇所でセカンダリレーザを活用し、切断作業を効率的に継続することも可能である。さらに、セカンダリレーザは、切断の大きさを変える（例えば、大きくする）ことが望まれる箇所、および／または、切断方向が変わる箇所で利用できる（プライマリレーザを併用してもしなくてもよい）。

上記に詳述したように、穿孔／切断作業（または他の加工作業）の異なるステップにおいて、プライマリおよびセカンダリレーザを互いに独立して利用できる。即ち、セカンダリレーザを利用してカットを開始し、その後電源を切り、プライマリレーザに電源を入れて作業を完了させることができ、２つのレーザが材料に向かって光を同時に放射することはない。しかし、様々な実施の形態では、両方のレーザがステップコアファイバに結合されているため、加工動作の少なくとも一部において、材料に向かって同時に光を照射するのである。即ち、ステップコアファイバは、穿孔動作の少なくとも一部の間、および／または、その後の切断作業の少なくとも一部の間、両方のレーザからの光を表面に向けて照射してもよい。２つのレーザを同時に使用することで、レーザパワーを増やすことができ、より高速な切断や厚い材料の切断が可能になる。さらに、両方のレーザの同時使用による広がった帯域は、レーザコヒーレンスとスペックルのスクランブルを増加させることで、加工／切断材料の表面品質を向上させることができる。様々な実施の形態では、両方のレーザが同時に材料に向けて光を照射するが、どちらか一方のレーザの出力が、プロセスの一部分または複数部分で変調される。例えば、穿孔中はプライマリレーザが発光してもよいが、その後の切断作業よりも低いパワーで発光する。同様に、セカンダリレーザは切断中に発光してもよいが、最初の穿孔動作中よりも低いパワーで発光する。

様々な実施の形態では、プライマリ及びセカンダリレーザの動作、即ちステップコアファイバへのレーザのインカップリングは、コンピュータに基づくコントローラによって制御されている。セカンダリレーザが穿孔に使用された（または主に使用された）後にプライマリレーザが切断に使用される実施の形態では、コントローラは、プロセスの所望の時点でプライマリレーザに電源を入れる（またはそのパワーレベルをランプさせる）ことができる（例えば、材料表面の少なくとも一部が溶融しているが、材料に穴が形成される前、または、材料に穴が形成された後）。このとき、コントローラはセカンダリレーザの電源を切ってもよい（またはパワーレベルをランプダウンしてもよい）。コントローラは、材料表面の状態（例えば、溶融状態になったとき）に応じて、このプライマリレーザの使用を直接開始できる。例えば、レーザシステムは、材料表面を監視し、例えば表面の反射率および／または温度の変化を介して溶融したときにそれを検出する１つまたは複数のセンサを含んでもよい。（当業者に知られているように、表面が溶融状態になると、この相変化は反射率の急激な変化（例えば、赤外線や近赤外線のような長波長への変化）を伴う場合がある。少なくとも材料が蒸発し始めるまでは、材料表面の温度上昇も遅くなることがある）。他の実施の形態では、コントローラは、単に計られた遅延の後、プライマリレーザの使用を開始する（および／またはセカンダリレーザをパワーダウンまたはオフにする）ことができる。

このように、様々な実施の形態では、より短い波長のセカンダリレーザを利用して（または主に利用して）材料を溶かし、穿孔し、あるいは部分的に穿孔し、その後、より長い波長のプライマリレーザで（例えば、材料を横切るプライマリレーザスポットの移動によって）材料を切断する。一般的には、あるプロセスを開始するためにセカンダリレーザを利用し、開始後のプロセスを完了するためにプライマリレーザを利用してもよい。このような実施の形態は、特に金属材料に適しているかもしれないが、様々な実施の形態では、より長い波長のレーザを利用して（または主に利用して）材料を溶かし、穿孔し、または部分的に穿孔し、その後、より短い波長レーザを利用して（または主に利用して）（例えば、材料を横切るプライマリレーザスポットの移動によって）材料を切断する。例えば、ガラス及びプラスチックなどの非金属材料の多くは、可視および近赤外波長では透明であるが、紫外波長（例えば、約３５０ｎｍ以下）および／または赤外波長（例えば、約２μｍから約１１μｍまで）で高い吸収を示す場合がある。したがって、そのような材料は、上記及び本明細書で詳述したように、すなわち、穿孔及び／または溶融のためのより短い波長レーザと、切断のためのより長い波長のレーザとによって加工できるが、レーザ波長は、穿孔及び／または溶融のために用いられるより長い波長のレーザと、切断のために用いられるより短い波長レーザとによってその材料を加工できるように選択されてもよい。したがって、そのような材料については、本明細書に記載の「セカンダリレーザ」は、様々な実施の形態の「プライマリレーザ」よりも長波長を有してもよい。（例えば、プライマリレーザは近赤外波長を有するのに対し、セカンダリレーザは約５μｍ（ＣＯレーザなど）または約１０．６μｍ（ＣＯ_２レーザなど）の波長を有してもよい）。

本発明の様々な実施の形態により、プライマリレーザとセカンダリレーザとの両方は、同じ集光光学系によりステップコアファイバに結合されてもよい。例えば、ダイクロイックミラーまたは他の光学要素を利用して、２つのレーザがほぼ同軸となるように、２つのレーザを、ステップコアファイバにレーザビームを結合する集光レンズに向けることができる。様々な実施の形態では、セカンダリレーザ（即ち、より短い波長を有するレーザ）が小さいスポットサイズに集光され、ステップコアファイバの内側コアに結合され、プライマリレーザ（すなわち、波長の長い方のレーザ）が大きいスポットサイズに集光され、ステップコアファイバの内側コアと外側の環状コアとの両方に結合される。このように、プライマリレーザのスポットサイズがステップコアファイバの内側コアの直径よりも（少なくとも一方向では）大きい場合があるが、出力ビームの品質やインカップリング効率を犠牲にすることなく、集光光学系の共有利用を可能にする。

本明細書にて、「光学素子」は、特段の記載がない限り、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、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、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エミッタ装置を含む。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。エミッタは、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、複数のビームエミッタを含んでもよくまたは本質的にこれによって構成されてもよい。本明細書における実施の形態において受けられる入力ビームは、先行技術において知られている様々な技術を用いて合成される単一波長または複数波長のビームであってもよい。本発明の実施の液体において生成される出力ビームは、単一波長または複数波長のビームであってもよい。

本発明の実施の形態は、波長合成技術（Wavelength beam combining：ＷＢＣ）システムとともに使用されてもよく、ＷＢＣシステムは、多波長ビームを形成する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、複数のエミッタを含む。ＷＢＣシステム内の各エミッタは個別に共振し、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る、共通の部分反射型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、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号と、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号と、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号と、２０１１年３月７日に出願された米国特許第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。ＷＢＣシステムの多波長出力ビームは、本発明の実施の形態と連携して入力ビームとして、例えばＢＰＰ制御などのために使用されてもよい。したがって、様々な実施の形態において、レーザビームのソースは、広帯域で多波長のレーザビームを放射するＷＢＣレーザを含む、本質的にそれからなる、またはそれからなる。様々な実施の形態では、このようなレーザは、例えば、約１０ｎｍから約６０ｎｍの範囲の帯域幅を有してもよい。レーザビームの光源は、ファイバレーザやケミカルレーザではなく、ダイレクトダイオードレーザ光源であってもよい。

本発明の実施の形態によって生成された出力ビームは、ワークを加工するために使用されてもよく、よって、ある表面を光で単にプローブ（probe）する光学技術（例えば、反射率測定）とは対照的に、ワークの表面は物理的に変更され、及び／または表面上または内にある特徴が形成される。本発明の実施の形態による例示的なプロセスは、切断、溶接、穴開け、及びはんだ付けを含む。このように、本明細書で詳述する光ファイバは、その出力端において、ファイバからの出力ビームがワークに向かって集束するように構成されたレーザヘッドを有してもよい。レーザヘッドは、出力ビームの集束及び／またはコリメートのため、及び／またはビームの偏光及び／または軌道を制御するための１つまたは複数の光学素子を含む、本質的にそれからなる、またはそれからなることができる。レーザヘッドは、出力ビームを、ワークに向けて、及び／またはワークが配置され得るプラットフォームまたは位置決め可能なガントリーに向けて放射するように配置されてもよい。

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ワーク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次元の直線的または曲線的な加工パスに沿ってワークを加工してもよい。一般的に、加工パスは、曲線状または直線上であってもよく、「直線」加工パスは１つまたは複数の方向転換を含んでもよく、即ち、直線加工パスは、互いに平行でない２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。同様に、「曲線的」なパスは、方向転換を間に挟んだ複数の曲線的なセグメントで構成されてもよい。本発明の実施の形態による他の加工パスとしては、各セグメントが直線的または曲線的であり、任意の２つのセグメントの間に方向転換が存在し得るセグメント化されたパスが挙げられる。

本発明の実施の形態は、異なるタイプの加工技術や異なるタイプの被加工材料の性能を改善または最適化するために、ビーム形状および／またはＢＰＰを変化させることができる。本発明の実施の形態は、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号に説明される、レーザビームのＢＰＰおよび／または形状を変化させるための様々な追加技術を利用でき、これらの開示は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

ある態様において、本発明の実施の形態は、レーザビームによるワークの加工方法を特徴としている。入力端と、入力端の反対側の出力端とを有するステップコア光ファイバが設けられている。ステップコア光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）内側コアを囲み、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）外側コアを囲み、第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを含む、本質的にそれからなる、またはそれから構成されている。ステップコア光ファイバは、（ａ）クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｂ）外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｃ）クラッドに相対する外側コアＮＡとを有する。ワークは、光ファイバの出力端の近位に配置される。パワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームは、光ファイバの入力端に向けられる。光ファイバの出力端から放射される出力ビームが生成される。外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であって、（ｉｉ）第２内側コアＮＡは外側コアＮＡ以下であって、（ｉｉｉ）第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上である。ワークは、出力ビームで加工される。

本発明の実施の形態は、以下の１つまたは複数を様々な組み合わせで含んでもよい。ワークは、ワークの少なくとも一部を横切って延びる加工パスに沿って加工されてもよい。ワークを加工することは、ワークの表面の少なくとも一部及び／またはワークの少なくとも一部を物理的に変更することを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。ワークの加工は、切断、溶接、エッチング、アニール、穴あけ、はんだ付け、および／またはろう付けを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形または長方形の非円形スポットを生成してもよい。スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１と第２横寸法を有してもよい。第１横寸法は、第２横寸法より大きくてもよい。外側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも大きくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも大きくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも小さくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも小さくてもよい。内側コアの断面形状は、非円形、例えば、長方形、楕円形、正方形、三角形、多角形等であってもよい。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。レーザビームは光ファイバの入力端にスポットを発生させてもよく、スポットは内側コアの直径より大きく、外側コアの直径より小さくてもよい。

レーザビームはビームエミッタから放射されてもよい。ビームエミッタは、複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、受けた集束ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を分散要素に向けて戻すように反射する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、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは複数の波長で構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよく、それに関連する１つまたは複数のプリズムを有してもよい。分散要素は、少なくとも１つのプリズムと接触していてもよく、および／またはプリズムからのビームを受けて、および／またはプリズムにビームを伝送してもよい。また、光ファイバの出力端は、その中に１つまたは複数の光学素子を含むレーザヘッドに結合されてもよい。ワークの加工前および／または加工中に、レーザヘッドでビームを回転させてもよい。

他の態様では、本発明の実施の形態は、レーザビームを用いたワークの加工方法を特徴としている。入力端と、入力端の反対側の出力端とを有するステップコア光ファイバが設けられている。ステップコア光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）内側コアを囲み、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）外側コアを囲み、第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを含む、本質的にそれからなる、またはそれから構成されている。ステップコア光ファイバは、（ａ）クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｂ）外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｃ）クラッドに相対する外側コアＮＡとを有する。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸及び／またはクラッドの中心軸及び／または光ファイバの中心軸と同軸でない。ワークは、光ファイバの出力端の近位に配置される。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。ワークは、光ファイバの出力端の近位に配置される。レーザビームは、光ファイバの入力端に誘導され、光ファイバの出力端から放射される出力ビームを生成する。レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有してもよい。ワークは、出力ビームで加工される。

本発明の実施の形態は、以下の１つ以上を様々な組み合わせで含んでもよい。レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであっても、それを含んでも、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡ以下であってもよい。第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であってもよい。ワークは、ワークの少なくとも一部を横切って延びる加工パスに沿って加工されてもよい。ワークを加工することは、ワークの表面の少なくとも一部及び／またはワークの少なくとも一部を物理的に変更することを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。ワークの加工は、切断、溶接、エッチング、アニール、穴あけ、はんだ付け、および／またはろう付けを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形または長方形の非円形スポットを生成してもよい。スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１と第２横寸法を有してもよい。第１横寸法は、第２横寸法より大きくてもよい。外側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも大きくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも大きくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも小さくてもよい。内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも小さくてもよい。内側コアの断面形状は、非円形、例えば、長方形、楕円形、正方形、三角形、多角形等であってもよい。レーザビームの中心軸は、内側コアの中心軸および／または外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。レーザビームの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸であってもよい。レーザビームは光ファイバの入力端にスポットを発生させてもよく、スポットは内側コアの直径より大きく、外側コアの直径より小さくてもよい。

レーザビームはビームエミッタから放射されてもよい。ビームエミッタは、複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、受けた集束ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を分散要素に向けて戻すように反射する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、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは複数の波長で構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよく、それに関連する１つまたは複数のプリズムを有してもよい。分散要素は、少なくとも１つのプリズムと接触していてもよく、および／またはプリズムからのビームを受けて、および／またはプリズムにビームを伝送してもよい。また、光ファイバの出力端は、その中に１つまたは複数の光学素子を含むレーザヘッドに結合されてもよい。ワークの加工前および／または加工中に、レーザヘッドでビームを回転させてもよい。

さらに他の態様では、本発明の実施の形態は、レーザビームを用いたワークの加工方法を特徴としている。入力端と、入力端の反対側の出力端とを有するステップコア光ファイバが設けられている。ステップコア光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する複数の非同軸内側コアと、（ｉｉ）複数の内側コアを囲み、複数の内側コアの間に延びており、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）外側コアを囲み、第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを含む、本質的にそれからなる、またはそれから構成されている。ワークは、光ファイバの出力端の近位に配置される。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。ワークは、光ファイバの出力端の近位に配置される。レーザビームは、光ファイバの入力端に誘導され、光ファイバの出力端から放射される出力ビームを生成する。レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有してもよい。ワークは、出力ビームで加工される。

本発明の実施の形態は、以下の１つ以上を様々な組み合わせで含んでもよい。すべての内側コアの第１屈折率は互いにほぼ等しくてもよい。少なくとも２つの内側コアの第１屈折率が異なっていてもよい。内側コアのすべての第１屈折率が異なっていてもよい。レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビーム開口数（ＮＡ）を有する可変パワーレーザビームであっても、それを含んでも、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。ステップコア光ファイバは、クラッドに相対する外側コアＮＡを有してもよい。外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡ以下であってもよい。１つまたは複数の内側コアは、外側コアと相対的な内側コアＮＡを有してもよい。１つまたは複数、またはそれぞれの内側コアの内側コアＮＡは、外側コアＮＡより小さくてもよい。１つまたは複数、またはそれぞれの内側コアの内側コアＮＡは、５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡよりも大きくてもよい。内側コアの１つの中心軸は、外側コアの中心軸と同軸であってもよい。外側コアの中心軸は、内側コアのいずれかの中心軸と同軸でなくてもよい。１つまたは複数の内側コアの断面形状は、非円形、例えば、直方体、楕円体、正方形、三角形、多角形などであってもよい。レーザビームの中心軸は、１つまたは複数（またはすべての）内側コアの中心軸および／または外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。レーザビームの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸および／または１つの内側コアと同軸であってよい。

ワークは、ワークの少なくとも一部を横切って延びる加工パスに沿って加工されてもよい。ワークを加工することは、ワークの表面の少なくとも一部及び／またはワークの少なくとも一部を物理的に変更することを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。ワークの加工は、切断、溶接、エッチング、アニール、穴あけ、はんだ付け、および／またはろう付けを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形または長方形の非円形スポットを生成してもよい。スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１と第２横寸法を有してもよい。第１横寸法は、第２横寸法より大きくてもよい。外側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも大きくてもよい。１つまたは複数（または全て）の内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも大きくてもよい。１つまたは複数（または全て）の内側コアの直径または横寸法は、スポットの第１横寸法よりも小さくてもよい。１つまたは複数（または全て）の内側コアの直径または横寸法は、スポットの第２横寸法よりも小さくてもよい。

レーザビームはビームエミッタから放射されてもよい。ビームエミッタは、複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、受けた集束ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を分散要素に向けて戻すように反射する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、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。レーザビームは複数の波長で構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよく、それに関連する１つまたは複数のプリズムを有してもよい。分散要素は、少なくとも１つのプリズムと接触していてもよく、および／またはプリズムからのビームを受けて、および／またはプリズムにビームを伝送してもよい。また、光ファイバの出力端は、その中に１つまたは複数の光学素子を含むレーザヘッドに結合されてもよい。ワークの加工前および／または加工中に、レーザヘッドでビームを回転させてもよい。

他の態様では、本発明の実施の形態は、プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとを利用したワークの加工方法を特徴とする。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長よりも長い。入力端と入力端の反対側の出力端とを有するステップコア光ファイバが提供される。ステップコア光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）内側コアを囲み、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）外側コアを囲み、第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを含む、本質的にそれからなる、またはそれからなる。ステップコア光ファイバは、（ａ）クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｂ）外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｃ）クラッドに相対する外側コアＮＡとを有する。光ファイバの出力端の近位には、ワークが配置されている。第１ステージの間に、少なくともセカンダリレーザビームは、光ファイバの出力端から放射され、ワークの表面に向けられる第１出力ビームを形成するように光ファイバに結合され、第１出力ビームのエネルギはワークに吸収される。ワークの表面の少なくとも一部が第１出力ビームのエネルギの吸収に反応した後の第２ステージの間に、（ｉ）少なくともプライマリレーザビームは、光ファイバの出力端から放射され、ワークの表面に向けられる第２出力ビームを形成するように光ファイバに結合されて、（ｉｉ）その間、第２出力ビームとワークとの間の相対運動が発生し、少なくとも部分的に相対運動によって決定された加工パスに沿って、ワークが切断される。

本発明の実施の形態は、以下の１つまたは複数を様々な組み合わせで含んでもよい。プライマリレーザビームは、プライマリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであってもよく、それを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるプライマリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡよりも小さくてもよく、または等しくてもよい。第２内側コアＮＡは約５０％のパワーにおけるプライマリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。セカンダリレーザビームは、セカンダリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであってもよく、それを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡよりも小さくてもよく、または等しくてもよい。第２内側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるセカンダリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。

少なくとも第１ステージの期間中は、セカンダリレーザビームは内側コアと重なることがあっても外側コアと重なることはない。少なくとも第２ステージの期間中は、プライマリレーザビームが内側コアに重なり、外側コアに重なることがある。プライマリレーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形や長方形の非円形スポットを生成してもよい。セカンダリレーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形や長方形の非円形スポットを生成してもよい。内側コアの断面形状は、非円形、例えば、長方形、楕円形、正方形、三角形、多角形等であってもよい。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。プライマリレーザビームは第１ステージ中に光ファイバに結合しなくてもよい。セカンダリレーザビームは第２ステージ中に光ファイバに結合しなくてもよい。プライマリレーザビームは第１ステージの間に光ファイバに結合されてもよい。第１ステージにおけるプライマリレーザビームの出力パワーは、第２ステージにおけるプライマリレーザビーム出力パワーよりも低くてもよい。セカンダリレーザビームは第２ステージ中に光ファイバに結合されてもよい。第２ステージにおけるセカンダリレーザビームの出力パワーは、第１ステージにおけるセカンダリレーザビームの出力パワーよりも低くてもよい。

プライマリレーザビームの波長は、約８７０ｎｍから約１１μｍの範囲であってもよい。プライマリレーザビームの波長は、約８７０ｎｍから約１０６４ｎｍの範囲であってもよい。プライマリレーザビームの波長は、約８７０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲であってもよい。セカンダリレーザビームの波長は、約３００ｎｍから約８１０ｎｍの範囲であってもよい。セカンダリレーザビームの波長は、約４００ｎｍから約８１０ｎｍの範囲であってもよい。セカンダリレーザビームの波長は、約５３０ｎｍから約８１０ｎｍの範囲であってもよい。

少なくともワークの表面は、金属材料を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。少なくともワークの表面は、アルミニウム、銅、鉄、鋼、金、銀、および／またはモリブデンを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。第２ステージを開始する前に、ワークの表面の反射率および／または温度に基づいて、ワークの表面の少なくとも一部が溶融していると判定するようにしてもよい。第２ステージの間、少なくともセカンダリレーザビームは、加工パスに沿って、（ｉ）ワークの厚さが変化する、（ｉｉ）加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）ワークの組成が変化する１つまたは複数の点において光ファイバに結合されてもよい。第１ステージの間及び第２ステージ前に、ワークの厚みの少なくとも一部を貫通する孔が形成されてもよい。第２ステージの開始前にワークの厚みを貫通する孔が形成されていなくてもよい。

さらに他の態様では、本発明の実施の形態は、ワークを加工するレーザシステムを特徴とする。レーザシステムは、入力端と入力端の反対側の出力端とを有するステップコア光ファイバと、プライマリレーザビームを放射するように構成されたプライマリレーザエミッタと、セカンダリレーザビームを放射するように構成されたセカンダリレーザエミッタと、プライマリレーザビーム及びセカンダリレーザビームを光ファイバの入力端に結合するためのカップリング機構と、コンピュータに基づくコントローラとを含み、本質的にそれからなり、またはそれからなる。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長よりも長い。ステップコア光ファイバは、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）内側コアを囲み、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）外側コアを囲み、第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを含む、本質的にそれからなる、またはそれからなる。ステップコア光ファイバは、（ａ）クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｂ）外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｃ）クラッドに相対する外側コアＮＡとを有する。コントローラは、第１ステージの間に、光ファイバの出力端から放射され、ワークの表面に向かった第１出力ビームを形成するように、少なくともセカンダリレーザビームを光ファイバに結合させて、第１出力ビームのエネルギはワークに吸収される。コントローラは、ワークの表面の少なくとも一部が第１出力ビームのエネルギの吸収に反応した後の第２ステージの間に、（ｉ）光ファイバの出力端から放射され、ワークの表面に向かった第２出力ビームを形成するように、少なくともプライマリレーザビームを光ファイバに結合させて、（ｉｉ）その間、第２出力ビームとワークとの間の相対運動を発生させて、少なくとも部分的に相対運動によって決定された加工パスに沿って、ワークが切断される。

本発明の実施の形態は、以下の１つまたは複数を様々な組み合わせで含んでもよい。カップリング機構は、少なくとも１つのリフレクタ（例えば、ダイクロイックミラー）および／または１つ以上の集光光学系（例えば、集光レンズ）を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。プライマリレーザビームは、プライマリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであってもよく、それを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるプライマリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡよりも小さくてもよく、または等しくてもよい。第２内側コアＮＡは約５０％のパワーにおけるプライマリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。セカンダリレーザビームは、セカンダリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであってもよく、それを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。第２内側コアＮＡは外側コアＮＡよりも小さくてもよく、または等しくてもよい。第２内側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるセカンダリレーザビームのレーザビームＮＡ以上であってもよい。

少なくとも第１ステージの間、セカンダリレーザビームが内側コアに重なるが外側コアに重ならないように、コントローラは、セカンダリレーザビームを光ファイバに結合するように構成されてもよい。少なくとも第２ステージの間、コントローラは、プライマリレーザビームが内側コアに重なり、外側コアに重なるように光ファイバに結合するように構成されてもよい。プライマリレーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形や長方形の非円形スポットを生成してもよい。セカンダリレーザビームは光ファイバの入力端に、例えば楕円形や長方形の非円形スポットを生成してもよい。内側コアの断面形状は、非円形、例えば、長方形、楕円形、正方形、三角形、多角形等であってもよい。内側コアの中心軸は、外側コアの中心軸および／またはクラッドの中心軸および／または光ファイバの中心軸と同軸でなくてもよい。

コントローラは、第１ステージの間に、プライマリレーザビームを光ファイバに結合しないように構成されてもよい。コントローラは、第２ステージの間に、セカンダリレーザビームを光ファイバに結合しないように構成されてもよい。コントローラは、プライマリレーザビームを第１ステージの間に光ファイバに結合するように構成されてもよい。コントローラは、（ｉ）第１ステージの間に第１出力パワーで、（ｉｉ）第２ステージの間に第１出力パワーより高い第２出力パワーで、プライマリレーザビームを光ファイバに結合するように構成されてもよい。コントローラは、第２ステージの間にセカンダリレーザビームを光ファイバに結合するように構成されてもよい。コントローラは、（ｉ）第１ステージの間に第１出力パワーで、（ｉｉ）第２ステージの間に第１出力パワーより低い第２の出力パワーで、セカンダリレーザビームを光ファイバに結合するように構成されてもよい。

レーザシステムは、１つまたは複数のセンサを含んでもよい。コントローラは、１つまたは複数のセンサから受信した信号に少なくとも部分的に基づいて、ワークの表面の少なくとも一部が溶融していることを判定するように構成されてもよい。１つまたは複数のセンサは、１つまたは複数の光学センサ及び／または１つまたは複数の温度センサを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。コントローラは、第２ステージの間、少なくともセカンダリレーザビームを、加工パスに沿って、（ｉ）ワークの厚さが変化する、（ｉｉ）加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）ワークの組成が変化する１つまたは複数の点において光ファイバに結合させるように構成されてもよい。コントローラは、第１ステージの間にワークの厚さの少なくとも一部を通じた孔が形成された後にのみ第２ステージを開始するように構成されてもよい。コントローラは、第１ステージの間にワークの厚さを貫通する孔が形成される前に第２ステージを開始するように構成されてもよい。

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「本質的に」は、±１０％を意味し、ある実施の形態では±５％を意味する。用語「本質的にそれからなる」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。

従来のステップインデックス光ファイバの屈折率のプロファイル 本発明の様々な実施の形態によるステップコア光ファイバの屈折率のプロファイル 図１の光ファイバの入口における入力ビームの模式図 図３Ａの入力ビームに対応する出口ビームの模式図 本発明の様々な実施の形態による図２の光ファイバの入口における入力ビームの模式図 本発明の様々な実施の形態による図３Ｃの入力ビームに対応する出口ビームの模式図 本発明の様々な実施の形態によって、内側コア直径の関数として出力ビームＢＰＰのシミュレーション結果の図 本発明の様々な実施の形態によって、内側コア直径の関数として出力ビームのスポットサイズのシミュレーション結果の図 本発明の様々な実施の形態による図４Ａ及び図４Ｂのシミュレーションにおける様々な条件による出力ビームプロファイルの図 本発明の様々な実施の形態による図４Ａ及び図４Ｂのシミュレーションにおける様々な条件による出力ビームプロファイルの図 本発明の様々な実施の形態による図４Ａ及び図４Ｂのシミュレーションにおける様々な条件による出力ビームプロファイルの図 本発明の様々な実施の形態による偏心した（decentered）ステップコア光ファイバの屈折率プロファイル 本発明の様々な実施の形態による図６Ａの偏心したステップコア光ファイバ内に結合されたビームに対応するファイバ出口におけるビームの画像 本発明の様々な実施の形態による図６Ａの偏心したステップコア光ファイバ内に結合されたビームに対応する出口におけるビームの断面プロファイルの画像 本発明の様々な実施の形態による複数の内側または中心コアを有する例示的なステップコア光ファイバの模式断面図 本発明の様々な実施の形態による図７Ａの光ファイバの出口におけるビームの画像 本発明の様々な実施の形態による図７Ｂの横軸に沿った断面ビーム強度プロファイル 本発明の様々な実施の形態による図７Ｂの縦軸に沿った断面ビーム強度プロファイル 本発明の様々な実施の形態による波長合成技術（ＷＢＣ）共振器の模式図 本発明の様々な実施の形態によるレーザ共振器の第１側面の模式図 本発明の様々な実施の形態によるレーザ共振器の第２側面の模式図 本発明の様々な実施の形態によるステップコア光ファイバへ複数のレーザビームを結合するレーザシステムの模式図 本発明の様々な実施の形態による複数のレーザ共振器を特徴とするレーザエンジンの模式図

図１は、高出力ビーム伝送に利用される従来のステップインデックス光ファイバ１００の屈折率プロファイルを示したものである。図示のように、ステップインデックスファイバ１００は、周囲のクラッド１２０の屈折率よりも高い屈折率を有する中心コア１１０を有する。これに対し、図２は、本発明の実施の形態によるステップコア光ファイバ２００の屈折率プロファイルを示したものである。図示のように、ステップコアファイバ２００は、内側中心コア２１０と、内側コア２１０を囲む外側リングまたは環状コア２２０と、環状コア２２０を囲むクラッド２３０とを含む、本質的にそれからなる、またはそれからなる。本発明の実施の形態によれば、内側コア２１０は、外側リングコア２２０の屈折率よりも高い屈折率を有し、内側コア２１０に最初に結合されたパワーの大部分、あるいは実質的にすべてが内側コア２１０内に閉じ込められることになる。様々な実施の形態では、内側中心コア２１０の直径は、外側リングコア２２０の直径の、例えば、約１０％から約９０％、または約２０％から約８０％、または約３０％から約７０％、または約４０％から約６０％である。

本発明の様々な実施の形態は、複数の内側コアを有するステップコアファイバを含み、外側コアが様々な内側コアの周囲及びその間に延びている。このような実施の形態では、各内側コアの直径は、例えば、外側リングコアの直径を内側コアの数で割った値の約１０％から約９０％、または外側リングコアの直径を内側コアの数で割った値の約２０％から約８０％、または外側リングコアの直径を内側コアの数で割った値の約３０％から約７０％、または外側リングコアの直径を内側コアの数で割った値の約４０％から約６０％、などの範囲内である。様々な実施の形態では、ステップコアファイバが単一または複数の内側コアを有するかによらず、各内側コアはそこに複数（例えば、少なくとも３つ、少なくとも５つ、または少なくとも１０つ）のモードを支持してもよい（即ち、マルチモードであってもよい）。

様々な実施の形態では、ステップコアファイバの内側コア開口数（ＮＡ）が０．１４未満であってもよく、０．１２未満であってもよく、０．１０未満であってもよい。様々な実施の形態では、ステップコアファイバの内側コアＮＡが０．０７以上であってもよい。様々な実施の形態では、ステップコアファイバの外側コアＮＡが内側コアＮＡより大きくてもよい。例えば、外側コアＮＡは、０．１５より大きくてもよく、０．１８より大きくてもよく、または０．２０より大きくてもよい。例示的な本発明の実施の形態では、ファイバ全体のＮＡ（すなわち、クラッドに対する内側コアＮＡ）をＮＡ_０と表記し、内側コアＮＡ（外側リングコアの相対的なもの）をＮＡ_１と表記すると、外側リングコアＮＡ（ＮＡ_２）はＮＡ_２＝ｓｑｒｔ（ＮＡ_０ ^２－ＮＡ_１ ^２）として計算される。石英ガラスで構成される一般的なパワー伝送用ファイバはＮＡ_０＝０．２２である。ＮＡ_１＝０．１２とすると、ＮＡ_２＝０．１８となる。様々な実施の形態では、外側コアＮＡは約０．２１以下である（例えば、ＮＡ_１が０．０７の場合）。本発明の様々な実施の形態において、外側コアＮＡ（ＮＡ_２）は、外側コア（ＮＡ_１）に対する内側コアＮＡ以上である。

様々な実施の形態では、外側コアの直径は、例えば、約３０μｍから約２００μｍ、約５０μｍから約１５０μｍ、約６０μｍから約１２０μｍの範囲内であってもよい。様々な実施の形態において、内側コアの直径は、外側リングコアの直径の約３０％から約９５％、または約５０％から約９０％の範囲内であってもよい（例えば、単一の内側コアを有するファイバの場合）。例えば、外側コアの直径を１００μｍとすると、本発明の実施の形態は、（１）比較的大きな内側コア（例えば、約８０μｍから９０μｍの範囲にある内側コアの直径）を選択することにより、ほとんどのパワーが内側コア内にインカップリングされて閉じ込められるように、より小さな有効スポットサイズを可能にする、または（２）比較的小さな内側コア（例えば、約３０μｍから７０μｍの範囲にある内側コアの直径）を選択することにより、ピーク強度を高くすることが可能である。

図３Ａから図３Ｄは、同じ入力ビームスポットサイズと形状とを仮定して、図１の従来のステップインデックスファイバ１００と図２のステップコアファイバ２００とを、本発明の実施の形態によって利用した場合に、結果として得られるビーム出力を比較対照したものである。このように、本発明の様々な実施の形態によって、入力ビームのスポット３００は円形でない。むしろ、入力ビームのスポットは長方形、楕円形、または長方形であってもよい。このような非円形ビームは、そのようなエミッタの物理的形状から、高出力ダイレクトダイオードレーザから多く生成される。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、非円形入力ビーム３００は、ビーム３００の最大寸法よりも大きい従来のファイバ１００のコア領域１１０に結合されなければならず、したがって、ファイバ入力における大部分の領域はレーザパワーで満たされない。図３Ｂに示すように、出力において、より大きな円形の内側コア１１０を埋めるようにビームが拡大し、出力ビーム３１０を形成する際にビームのＢＰＰが大きく劣化する。

これに対し、図３Ｃ及び図３Ｄを参照すると、本発明の実施の形態によれば、非円形ビーム３００は、ステップコアファイバ２００の中心コア２１０及び外側コア２２０の双方に重なる。すなわち、本発明の実施の形態によれば、中心コア２１０の直径は入力ビーム３００の最大寸法より小さく（または入力ビーム３００の最小寸法より小さく）、環状コア２２０の外径はこの入力ビーム３００の最大寸法より大きいかほぼ等しくなっている。このように、内側コア２１０の内部で入力パワーがない部分は、従来のファイバ１００を用いた場合と比較して大幅に少なくなり、パワーの大部分は内側コア２１０の内部に閉じ込められている。これにより、出力ビーム３２０は有効スポットサイズが小さく、ピーク強度が高く、カップリング効率及び安定性を犠牲にすることなく、ＢＰＰの劣化が少なくなる。

また、本発明の実施の形態は円形内側コア及び外側コアを利用してもＢＰＰ劣化の少ない出力ビームの生成を実現し、非円形入力ビームを効率よく囲い込むために、非円形（楕円、長方など）の内側コアまたはクラッド領域を有する光ファイバを製作する必要がない。したがって、本発明の実施の形態によるファイバは、非円形のビームに対応する形状の領域を有するより珍しいファイバよりも容易かつ安価に作製できる。

本発明の様々な実施の形態は、得られる出力ビームの全体的なＢＰＰ劣化を最小化または低減させつつ、異なる波長を有する複数のビームをステップコアファイバに結合することができる。ビームは、ステップコアファイバに同時にまたは個別に結合されてもよい。このような実施の形態は、以下にさらに詳しく説明するように、吸光度または反射率などの波長依存特性を有する様々な材料の処理を容易にするために利用できる。それぞれ異なる入力ビームは円形または非円形であってもよい。様々な実施の形態では、図３Ｃに示すように、より長い波長を有するプライマリ入力ビームをステップコアファイバに結合してもよく、すなわち、スポット（円形または非円形でもよい）は、内側コアだけでなく外側コアにも重なってもよく、得られる出力ビームのＢＰＰ低下を少なくする。また、より短い波長を持つセカンダリ入力ビームをステップコアファイバに結合してもよく、スポット（これも円形か非円形でもよい）は、内側コアのみと重なる。プライマリビームとセカンダリビームは同じ集光光学系でステップコアファイバに結合され、セカンダリビームをプライマリビームよりも小さな入力スポットサイズに集光させてもよい。このような実施の形態では、より珍しくまたは複雑なインカップリング技術または装置の必要性を排除しながら、全体的なＢＰＰの劣化を低減または最小化できる。

ステップコアファイバの活用の一般原理と、その結果としての本発明の実施の形態のメリットを説明するために、ＢＰＰと出力ビームスポットサイズとを調査するために数値シミュレーションを実施した。シミュレーションでは、ステップコアファイバの外側コアの直径を１００μｍとし、内側コアの直径を４０μｍから１００μｍの間で変化させた。（１００μｍの内側コアの直径では、内側と外側コアの直径が同じなので、モデル化したファイバは単一のコアを有する従来のステップインデックスファイバと同等となる）。 外側コアに対する内側コア開口数（ＮＡ）は０．１であって、クラッドに対する内側コアＮＡは０．２２であった。クラッドに対する外側コアＮＡは０．１９６であった。入力ビームの波長は９７５ｎｍであって、内側コア、外側コア、及びクラッドの屈折率はそれぞれ１．４５０７６、１．４４７３１、及び１．４３４であった。

シミュレーションにおける入力ビームは、ファイバ入力に、スポットサイズがそれぞれ約６１μｍと８３μｍの２つの垂直（および垂直）寸法であって、対応する入力ＮＡが約０．０７５と０．０９５の長方形のスポットを生成した。入力ビームが非対称であるため、入力スポットサイズとＮＡは１次元の２シグマ値として測定され、１次元の９５％パワー含有率（content）に相当する。２方向の２シグマでの入力ＢＰＰ値は、２．３ｍｍ．ｍｒａｄ（＝６１／２×０．０７５）と３．９４ｍｍ．ｍｒａｄ（＝８３／２×０．０９５）と計算でき、合計で約３．０ｍｍ．ｍｒａｄ（＝ｓｑｒｔ（２．３×３．９４））のＢＰＰに対応する。

図４Ａ及び図４Ｂは、シミュレーションの結果を示しており、それぞれファイバからのビーム出口におけるＢＰＰとスポットサイズとを、２次元の２シグマ値として測定し、２次元８７％パワー含有率に相当することを示している。（当業者には知られているように、８７％のパワー含有率でのＢＰＰは、高出力レーザにビーム品質の指標として典型的に使用される）。前述のように、シミュレーションの例示的ステップコアファイバは外側コアの直径が１００μｍなので、内側コアの直径を１００μｍにすると従来の１００μｍコアのステップインデックスファイバと同等となり、グラフ上の矢印で示す対応する右端のデータポイントが比較の基点となる。このように、比較対象の従来のステップインデックスファイバのデータポイントは、ＢＰＰが３．９ｍｍ．ｍｒａｄ（図４Ａの矢印）であって、スポットサイズが９０μｍ（図４Ｂの矢印）であることがわかる。このＢＰＰと上記で算出した入力ＢＰＰを比較すると、従来のステップインデックスファイバを用いたＢＰＰ劣化は約３０％、すなわちＢＰＰが約３０％向上している。

一方で、図４Ａは、本発明の実施の形態によるステップコアファイバを使用した場合に著しいＢＰＰの低減が達成され、そのような低減は約７０μｍの内側コアの直径で最大となり、ＢＰＰは約３．１３ｍｍ．ｍｒａｄとなり、すなわち従来のステップインデックスファイバのＢＰＰより約２５％小さくなることを示している。入力ＢＰＰが約３．０であることと比較すると、ＢＰＰの劣化は約４％にとどまっている。図４Ｂに示すように、ＢＰＰの減少または改善は、主に出力での有効なスポットサイズの減少に起因している。また、内側コアの直径を４０μｍまで下げると、外側リングコアに最初に結合した光線の一部が内側コアから出射されるため、出力ＮＡが最大でわずか数％増加する（グラフには表示されていない）。

図５Ａ－５Ｃは、図４Ａと図４Ｂのシミュレーションにおける様々な条件での出射ビームプロファイルをグラフ化したものである。描かれた各プロファイルに対応するパラメータを下表にまとめた。図５Ａは、上記でまとめた、図４Ａおよび図４Ｂの右端のデータポイントで表される従来のステップインデックスファイバに対応し、図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明の実施の形態によって、異なる内側コアの直径を有するステップコアファイバに対応している。

上記表および図５Ａから図５Ｃに示すように、本発明の実施の形態によるステップコアファイバは、出口において著しく高いピークビーム強度と小さなビーム直径（８７％のパワー含有率）を示している。このような利点は、より薄い金属の切断や穴あけなどの用途では非常に重要であると考えられる。さらに、図５Ｂおよび図５Ｃは、本発明の実施の形態によるステップコアファイバでＢＰＰとピークビーム強度とがどのようにトレードオフされうるかを示している。図５Ｃおよび表中の関連パラメータに示すように、この例の場合、従来のステップインデックスファイバ（図５Ａ）の使用と比較してＢＰＰは改善されないものの、従来のステップインデックスファイバの使用と比較してピーク強度がほぼ２倍になり、一部の用途（例えば、薄い金属の切断および穴あけ）では重要であると思われる。

従来のレーザシステムでは、特定のレーザパワーに対して、より細いファイバや縮小光学系を有するレーザヘッドを使用することで、より高い強度を達成できる場合がある。前者はファイバカップリングの効率が悪く、ＮＡが大幅に大きくなる可能性があり、標準的なレーザヘッドやシステムでは許容できない可能性がある。後者の場合、より高価なレーザヘッドの光学系が必要となり、作動距離もかなり短くなる可能性がある。したがって、これらの従来技術はいずれも、本発明の実施の形態によるステップコアファイバを使用することで可能となるＢＰＰの改善をもたらすものではない。本発明の実施の形態によるステップコアファイバをパワー供給ファイバとして使用することのメリットは、特に高出力レーザでは明らかである。（様々な実施の形態では、「高出力」レーザとは、１ｋＷ以上のビームパワーを出せるレーザである）。さらに重要なことは、これらの利点（例えば、ＢＰＰの改善、スポットサイズの低減、ピーク強度の増加）は、ファイバのカップリング効率を下げることなく、またフルパワーのビームサイズを大きくすることなく達成されることである。様々な実施の形態の小さなペナルティとして、出力ＮＡの数％の増加があるが、これは通常許容範囲内であり、時には有益な場合もある。

また、本発明の実施の形態によるステップコア光ファイバとレーザシステムは、効率的なカップリングとパワー供給とを行うための特別な関係を持っている。例えば、ＮＡ_１は外側リングコアに対する内側コアＮＡを表すために利用され、ＮＡ_０はクラッドに対する内側コアＮＡを表すために利用され、ＮＡ_２はクラッドに対する外側リングコアＮＡを表すために利用されてもよい。本発明の様々な実施の形態において、ＮＡ_１は、内側コアに最初に結合されたパワーの大部分が内側コア内に閉じ込められるように、５０％を超えるパワー含有率においてレーザ入力カップリングＮＡよりも大きくてもまたはほぼ等しくてもよい。（しかしながら、様々な実施の形態ではＮＡ_１がフルパワー時のレーザ入力カップリングＮＡよりも小さく、少なくともフルパワーの光の一部が外側コアに結合されてもよい。このような実施の形態では、内側コアの外側に結合されたレーザパワーの部分は、レーザ入力カップリングＮＡがＮＡ_１と比較してどれだけ大きいか、集光レーザースポットサイズが内側コアの直径と比較してどれだけ大きいかに依存してもよい。）さらに、様々な実施の形態ではＮＡ_２がレーザ入力フルパワーＮＡ（即ち、約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ）より大きいため、ＮＡの許容の問題でクラッドに大きなパワーが失われることはない。様々な実施の形態において、１００％のレーザパワーは現実的に実現不可能であるか、または望ましいとは限らないので、本明細書で利用する場合、「約１００％の」または「フルパワーの」または「約フルパワーの」レーザパワーは、少なくとも９８％（例えば、９８％～１００％）、少なくとも９９％（例えば、９９％～１００％）、または少なくとも９９．５％（例えば、９９．５％～１００％の）のレーザパワーを指すものとする。

また、様々な実施の形態では、ＮＡ_１がＮＡ_２より大きいことはない。ＮＡ_１ ^２＋ＮＡ_２ ^２＝ＮＡ_０ ^２なので、ＮＡ_１≦ＮＡ_０／ｓｑｒｔ（２）となる。例えば、ＮＡ_０＝０．２２の場合、ＮＡ_１≦０．１５５となる。参考までに、図４Ａと図４Ｂのシミュレーションで使用したステップコアファイバＮＡ_０は０．２２、ＮＡ_１は０．１であり、レーザはパワー含有率５０％と８７％でそれぞれ約０．０６と０．０９の有効入力ＮＡを有する。様々な実施の形態では、ステップコアファイバに複数の内側コアがあり、それぞれの内側コアに上記のＮＡの関係が適用される。

異なる波長の複数の入力ビームが利用される実施の形態では、上述したＮＡの関係は、ビームの全てではなく、１つまたは複数のビームに適用されてもよい。例えば、より長い波長を有するプライマリビームの場合、ＮＡ_１は５０％以上のパワー含有率におけるレーザ入力カップリングＮＡより大きいかほぼ等しく、ＮＡ_１はフルパワーにおけるレーザ入力カップリングＮＡより小さく、ＮＡ_２はレーザ入力フルパワーＮＡより大きくてもよい。また、同じステップコアファイバに結合されるより短い波長を有するセカンダリビームでは、ＮＡ_１が（したがってＮＡ_２も）フルパワーにおけるレーザ入力カップリングＮＡより大きいかほぼ等しくてもよい。また、様々な実施の形態では、ＮＡ_１がプライマリビームとセカンダリビームとの両方の（例えばフルパワーにおける）レーザ入力ＮＡとほぼ等しいか大きくてもよい。このような実施の形態では、内側コア外に（例えば、外側コアに）の結合された各レーザのパワーは、主に、各レーザの集光ビームスポットが内側コアの直径（例えば、内側コアのファイバの外側の部分に重なるビームスポットの量）よりも大きい量に依存してもよい。

上述した例示的なステップコア光ファイバは、一般に同軸である内側と外側コアを有する、すなわち光ファイバ及び外側コアの中心軸と一致する内側コアを有するが、本発明の実施の形態には内側コアがオフセンター、すなわち偏心したステップコアファイバを含む。様々な実施の形態では、内側コアの外径が外側コアの直径と１箇所以上で交差（一致）している。他の実施の形態では、内側コアが外側コアに完全に囲まれている。このような実施の形態では、内側コアとクラッドとの間に配置される外側コアの厚さは、少なくとも約１μｍ、少なくとも約２μｍ、少なくとも約３μｍ、または少なくとも約５μｍであってもよい。様々な実施の形態において、内側コアとクラッドとの間に配置される外側コアの厚さは、最大で約１５μｍ、約１２μｍ、約１０μｍ、または約８μｍであってもよい。様々な実施の形態において、内側コアの直径は、例えば、外側コアの直径の約２０％から約８０％、外側コアの直径の約３０％から約７０％、または外側コアの直径の約４０％から約６０％の範囲であってもよい。様々な実施の形態において、内側コアの中心軸と外側コアの中心軸との変位は、内側コアの直径の１０％以上、２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、または１００％以上であってもよい。

図６Ａは、本発明の実施の形態によって、偏心したステップコア光ファイバ６００を直径上の屈折率プロファイルの例を示す図である。図示のように、内側コア６１０の中心軸は、外側コア６２０の中心軸（これ自体がクラッド６３０に囲まれている）またはファイバ６００全体と一致しない。様々な実施の形態では、内側コア６１０の一部が外側コア６２０の中心軸や光ファイバ６００の全体と交差または重なることはない。図６Ｂおよび図６Ｃはそれぞれ、ファイバ出口におけるビームの画像と、図６Ａの偏心したステップコアファイバに結合したビームに相当する出口でのビームの断面画像を示している。このようなファイバは、強度が著しく高い「鋭い」フロントと、強度が低い「テール」を有するテーラード（tailored）ビームを有利に実現できる。図６Ｂと図６Ｃとの画像は、図４Ａと図４Ｂと同じシミュレーションの結果であるが、内側コアが２０μｍ偏心し、その直径が４０μｍに設定されたものである。図６Ｂおよび図６Ｃに示すような結果として生じるビームは、用途によっては有益であり、レーザ加工性能を向上させる可能性がある。例えば、高いピーク強度を持つ鋭いフロントは、レーザ切断カーフ幅を縮小するのに役立ち、低いテールは、切断プロセスから生じる破片を排出するのに役立つ可能性がある。したがって、本発明の様々な実施の形態において、ワークは、図６Ｃに示すように偏心したステップコアファイバからのビームで処理パスに沿って加工（例えば、切断）されてもよく、ビームの高強度の「フロント」ピークが処理パスに平行に維持されて（例えば、方向転換中を含む）加工中にビームの低強度の「テール」部分をリードしていくことになる。例えば、切断中にレーザヘッド（出力ビームの出射元）または被加工物を回転させ、切断の最先端をビームのピークで行い、ビームのテールは後ろに続くようにしてもよい。

上述の例示的なステップコア光ファイバは、一般に単一の内側コアを有するが、本発明の実施の形態には、外側コア領域内に複数の内側コアが埋め込まれたステップコア光ファイバが含まれる。このような実施の形態では、外側コアは、一般に、様々な内側コアを取り囲み、かつ、その間に延びることになる。図７Ａは、本発明の実施の形態による複数の内側または中心コア７１０を有し、外側コア７２０およびクラッド７３０によって囲まれた例示的なステップコア光ファイバ７００を示している。図７Ｂは、得られたビームのファイバ出口での画像であり、図７Ｃおよび図７Ｄは、図７Ｂの横軸（図７Ｃ）および縦軸（図７Ｄ）に沿った断面のビーム強度プロファイルである。図７Ｂの画像は、図４Ａおよび図４Ｂで利用したのと同じ数値例に基づくシミュレーション結果であるが、ファイバの中心横軸に沿って、３つの２０μｍ内側コア７１０が等間隔で配置されており、ビーム出力において鋭く強いレーザピークのセットが発生している。コントロールである従来の１００μｍステップインデックスファイバと比較すると、図７Ａのファイバ７００から放射されるビームのピーク強度は、２．４倍増強されている。

上記の通り、本発明の実施の形態に準じたステップコアファイバの内側コアは、一般に外側コアよりも屈折率が高いが、複数の内側コアが同じ屈折率を有する必要はない（一方で、様々な実施の形態によって同じであってもよい）。さらに、中心コアは、中心コアが１つしかない実施の形態であっても、断面形状の円形である必要はない。むしろ、中心コアは他の形状を有していてもよく、例えば、長方形、楕円形、三角形等、互いに異なる形状を有していてもよい。ステップコアファイバが複数の内側コアを備える様々な実施の形態では、入力ビームのサイズ（またはその小さい寸法及び／または大きい寸法）は、一般に、各内側コアの直径、または小さいまたは大きい横寸法よりも大きい。即ち、本発明の実施の形態では、入力ビームは一般に複数の内側コアまたはその全てと重なっており、内側コアの両方と重ならずに１つの内側コアから別の内側コアに移せるほど小さなビームサイズを有しない。さらに、様々な実施の形態では、入力ビームのパワー、および／または入力面上の位置は、ステップコア光ファイバにビームを結合する際に、一般的に変調または変化させないようになっている。このように、内側コアのすべて、および外側コア（少なくともその一部）は、同一の入力ビーム、および／または、実質的に同一の入力ビームの強度で同時に照明されてもよい。

本発明の実施の形態では、少なくともステップコアファイバの外側コアの直径が、他の場合において使用される従来のステップインデックスファイバのコア径と等しいと仮定しているため、ファイバカップリング効率や安定性を犠牲にすることなくＢＰＰ改善（またはＢＰＰ劣化の減少）が実現される。言い換えれば、従来のステップインデックスファイバを使用した場合と比較して、外側コアの直径を大きくしたステップコアファイバを使用した方が、ＢＰＰの低下を招くことなくカップリング効率と安定性とを向上できる可能性がある。また、様々な実施の形態ではビームのカップリング効率を最大化するために、入力レーザスポットの中心軸を外側コアの中心軸に向けてもよい。偏心した及び／または複数の内側コアを特徴とする実施の形態では、入力レーザスポットの中心軸は、その内側コアから放射される結果として生じる出力強度をさらに増加させるために、内側コアの１つまたは複数のうちの１つの中心軸に向けられてもよい。様々な実施の形態では、入力レーザスポットが外側のクラッド層と重ならないため、入力ビームのインカップリング中にクラッドへのパワー損失が実質的にない。

本発明の様々な実施の形態において、ステップコア光ファイバの出力端（すなわち、ビームを受ける入力端と反対側のファイバの端）には、出力ビームを加工されるべきワークに向けるためのレーザヘッドが結合されてもよい。レーザヘッドは、出力ビームの集束及び／またはコリメート、及び／またはビームの偏光及び／または軌道を制御するための１つまたは複数の光学素子を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。例えば、本発明の実施の形態によるレーザヘッドは、１つまたは複数のコリメータ（即ち、コリメーションレンズ）及び／または集光光学系（例えば、１つまたは複数の集光レンズ）を含んでもよい。レーザヘッドに入るビームが既にコリメートされている場合、レーザヘッドはコリメータを含まなくてもよい。様々な実施の形態によるレーザヘッドは、１つまたは複数の保護窓、焦点調整機構（手動または自動、例えば、１つまたは複数のダイヤル及び／またはスイッチ及び／または選択ボタン）を含んでもよい。レーザヘッドは、例えば、レーザパワー、対象物材料温度、及び／または反射率、プラズマスペクトル等のための１つまたは複数の監視システムを含んでもよい。レーザヘッドは、ビーム成形及び／またはビーム品質（例えば、可変ＢＰＰ）の調整のための光学素子を含んでもよく、ビームの偏光及び／または焦点の軌跡のための制御システムを含んでもよい。

レーザヘッドは、出力ビームをワークに向けて、及び／または、ワークが配置され得るプラットフォームまたは位置決めが可能なガントリーに向けて放射するように配置されてもよい。様々な実施の形態では、レーザヘッドには、出力ビームを回転させるための１つまたは複数の光学素子が含まれている。このような実施の形態は、例えば、図６Ｃ、図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、出力ビームが回転対称でない場合に特に有用である可能性がある。本発明の様々な実施の形態は、２０２０年１２月１６日に出願された米国特許出願第１７／１２３，３０５号に記載されているように、非対称及び／または回転可能な出力ビームを供給するように構成されたレーザヘッドを含んでもよく、その開示全体は、参照により本書に組み込まれる。このように、回転対称でない出力ビームを、上述のように、方向転換を有する加工パスに沿って、任意に位置合わせ及び回転させてもよい。

様々な実施の形態では、コンピュータに基づくコントローラが出力ビーム（および／またはレーザヘッド）を使用して実行するプロセスを開始し、制御できる。例えば、コントローラは、例えば１つまたは複数のアクチュエータの制御を介して、ワークに対するファイバ及び／またはレーザヘッドの動きを制御してもよい。コントローラは、出力レーザビームと加工されるワーク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次元のワークに沿った加工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。加工の間、コントローラは、レーザビームがワークに沿った加工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とを操作してもよい。加工パスは、ユーザによって提供され、搭載されたまたは遠隔のメモリに格納されてもよく、メモリは、加工の種類（切削、溶接等）に関するパラメータ（例えば、ビーム形状、強度、及び／またはＢＰＰ）及び加工を実行するために必要なビームパラメータも格納してもよい。この点で、ローカルまたはリモートのデータベースは、システムが処理する材料と厚みのライブラリを維持してもよい。記憶された値は、材料の様々な加工（例えば、穿孔、切断など）、加工の種類、及び／または加工パスの形状に適したビーム特性を含んでもよい。さらに、複数の入力ビームを特徴とする実施の形態では、コントローラは、各ビームの相対的なパワーレベル、ビームの動作（例えば、順番に及び／または同時に）などを制御してもよく、そのような制御は、ワークの１つまたは複数の特性、感知されたパラメータまたはワークからのフィードバック、及び／または様々なプロセス及び／または加工パスの形状に関連する記憶された値に基づいてもよい。

プロット及びスキャニング技術においてよく理解されているように、出力ビーム（及び／またはレーザヘッド）とワークとの間の必要な相対運動は、可動ミラーを用いたビームの光学的方向転換、ガントリー、リードスクリューまたは他の配置を用いたレーザの物理的移動、及び／またはビームではなく（またはビームに加えて）ワークを移動させる機械構成によって生じさせてもよい。コントローラは、ある実施の形態において、ワークに対するビームの位置及び／または加工効果に関するフィードバックを、適切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できる。

本発明の実施の形態は、ユーザが所望の加工パスに沿ってワークを加工（切削、穴あけ、溶接など）することを可能にする場合があり、出力ビームの特性（例えば、ビーム形状、ＢＰＰ、またはその両方）、出力ビームのパワーレベル、及び／または最大加工速度は、これらに限られないが、ワークの組成、ワークの厚さ、加工パスの形状などの要因に基づいて選択される。例えば、ユーザは、任意の適切な入力装置を用いて、またはファイル転送の手段によって、システムに所望の加工パスおよび／またはワークの種類（および／または厚さなどの他の特性）を選択または事前プログラムしてもよい。その後、コントローラは、加工パスに沿った位置の関数として、最適な加工速度または出力ビームパワーレベルを決定してもよい。操作では、コントローラは、切断または溶接などのプロセスのための適切な出力ビームの特性を利用して、事前にプログラムされたパスに沿ってワークを処理するために、レーザシステムとワークの位置決めとを操作してもよい。加工される材料の組成および／または厚さが変化する場合、変化の位置と性質がプログラムされ、それに応じてコントローラがレーザビームの特性および／またはワークとビームとの間の相対運動の速度を調整してもよい。

加えて、レーザシステムは、ワークの厚み及び／またはその上の特徴の高さを検出するための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号で説明された、ワークの干渉計による深さ測定のためのシステム（またはその部品）を含んでもよい。上記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。このような深さまたは厚みの情報は、例えば、加工される材料の種類に対応するデータベースの記録によって、ワークの加工を最適化するように、出力ビーム性質及び／または加工速度を制御するためにコントローラに使用されてもよい。

コントローラは、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、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。

本発明の実施の形態による実施の形態によ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ＷＢＣレーザシステムとともに使用されてもよい。図８は、ＷＢＣレーザシステム（または「共振器」）８００の様々な部品を模式的に示し、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。図示された実施の形態において、共振器８００は、９つの異なるダイオードバー（本明細書において、「ダイオードバー」は、いずれかのマルチビームエミッタ、即ち、単一のパッケージから複数のビームが放射されうるエミッタ）から放射されるビームを合成する。実施の形態は、９つより少ないまたは多くのエミッタと共に用いられてもよい。本発明の実施の形態によると、各エミッタは単一のビームを放射してもよく、または各エミッタは複数のビームを放射してもよい。図８のビューはＷＢＣ方向、即ち、バーからのビームが合成される方向に沿っている。例示的共振器８００は、９つのダイオードバー８０５を特徴として、各ダイオードバー８０５は、ＷＢＣ方向に沿ったエミッタのアレー（例えば、１次元アレー）を含み、本質的にそれからなり、またはそれからなる。ダイオードバー８０５の各エミッタは、１つの方向（ＷＢＣ方向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方向に沿った「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放射してもよい。

様々な実施の形態において、各ダイオードバー８０５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、放射されるビームのファスト軸をコリメートし、よって、放射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、分散要素８１０に向かって各ダイオードバー８０５からのエミッタ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。

（例えば、マイクロレンズアセンブリとして）ＦＡＣレンズと光学ツイスターとの両方がビームエミッタ及び／又は放射ビーム、及びＳＡＣレンズ（以下に詳述）のそれぞれに関連している本発明の実施の形態では、非ＷＢＣ方向のビームに影響を及ぼす。 他の実施の形態では、放射ビームを回転させず、非ＷＢＣ方向ではＦＡＣレンズを利用してポインティングアングルを変更することがある。したがって、本明細書におけるＳＡＣレンズへの言及は、一般に非ＷＢＣ方向のパワーを有するレンズを指し、そ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ことが理解される。したがって、様々な実施の形態において、放射ビームが回転されないおよび／またはビームのファスト軸が非ＷＢＣ方向にある実施の形態の例では、ＦＡＣレンズは、ＳＡＣレンズについて本明細書に詳述するように利用されてもよい。

図８に示すように、共振器８００も、ＳＡＣレンズ８１５のセットを特徴として、１つのＳＡＣレンズ８１５は、１つのダイオードバー８０５に関連して、そこからビームを受ける。各ＳＡＣレンズ８１５は、単一のダイオードバー８０５から放射されるビームのスロー軸をコリメートする。ＳＡＣレンズ８１５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、分散要素８１０に向かってビーム８２５を方向転換させるインターリービングミラー８２０のセットに伝播する。インターリービングミラー８２０の配置は、ダイオードバー８０５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。分散要素８１０（例えば、図８に示す透過回折格子または反射型回折格子等の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８３０は、ダイオードバー８０５からのサブビーム（即ち、主光線以外の放射される光線）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８３０は、ダイオードバー８０５から、レンズ８３０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、分散要素８１０における主光線の重なりは、主に、レンズ８３０の集光能力でなく、インターリービングミラー８２０の方向転換によるものであることに留意する。

図８に示すように、レンズ８３５、８４０は、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号とに開示されるように、光学クロストーク（optical cross-talk）の促進のための光学テレスコープ（optical telescope）を形成し、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。共振器８００は、ビームの方向転換のための１つまたは複数の任意の光学折り返しミラー８４５を含んでもよく、よって共振器８００は、より小さい物理的フットプリントに収容されてもよい。分散要素８１０は、ダイオードバー８０５からのビームを、単一の多波長ビームに合成して、多波長ビーム８５０は、部分反射型出力カプラ８５５に伝播する。カプラ８５５は、ビームの一部を、共振器８００の出力ビームとして、透過させ、共に、ビームの他の部分を、分散要素８１０、及び、各ビームの放射波長を安定させるためのフィードバックとして、そこからダイオードバー８０５に戻すように反射する。

本発明の様々な実施の形態は、外部キャビティレーザシステムを実施して、共振器の対向する側面に沿って延びるレーザキャビティを用いる共振器の必要な大きさを減少させることができる。図９Ａ及び図９Ｂは、（下記で説明するように中央の開口によって接続される）単一のレーザキャビティを併せて構成する共振器９００の対向する側面を示す。本発明の実施の形態によって、共振器９００の両方の側面は、例えば、シーリングパス９０５に沿ってシールされてもよい。例えば、固体のカバープレートは、共振器９００の内部のレーザキャビティをシールするようにシーリングパス９０５に沿って共振器９００のそれぞれの側面の上にシールされてもよい。様々な実施の形態において、それぞれのカバープレートは、共振器９００に規定される開口の内部に延びる（及び、開口と機械的に係合し得る、例えば、スレッド状に（threadingly）係合し得る）ファスナー（例えば、ねじ、ボルト、リベット等）によって、共振器９００に固定及び／またはシールされてもよい。他の実施の形態において、それぞれのカバープレートは、溶接、ろう付け、または粘着材料の使用等の技術によって、シーリングパス９０５に沿ってシールされてもよい。

様々な実施の形態において、ミラー等の反射板は、レーザキャビティの内部の１つまたは複数のビームエミッタからビームを方向付けるように使用されてもよく、レーザキャビティは両方の側面に沿って延びるため、共振器９００の全体の大きさは、（例えば、一方の側面にのみ光学キャビティを有する共振器と比較して）同じキャビティの大きさのために対応して減少されてもよい。

図９Ａ及び図９Ｂに示す例示的な実施の形態において、取付領域９１０に配置されるビームエミッタ（例えば、図８に示すビームエミッタ８０５）からのビームは、レンズ領域９１５に配置されたレンズのグループ（及び／または図８に示すＳＡＣレンズ８１５等の他の光学素子）によって、ミラー領域９２０におけるミラーのグループ（例えば、図８に示す折り返しミラー８２０）に向かって集光されてもよい。ミラー領域９２０から、ビームエミッタのビームは、（ミラー等の複数の反射板を収容する）他のミラー領域９２５に向けられてもよく、そこから開口９３０を通じて、共振器９００の他の側面におけるレーザキャビティの残りの部分に向けられてもよい。図９Ｂに示すように、ビームは、ビーム合成領域９４０にビームを反射する（ミラー等の複数の反射板を収容する）ミラー領域９３５に向けられてもよい。例示的な実施の形態において、ビーム合成領域９４０は、その内部に、図８に示す分散要素８１０（及び、ある実施の形態において、出力カプラ８４５）を含んでもよい。様々な実施の形態において、ビームは、それぞれ異なる波長を有し、ビーム合成領域９４０において、ビームは複数の波長によって構成される出力ビームに合成される。ビーム合成領域９４０からのビームは、ミラー９４５（様々な実施の形態において、これは部分反射型出力カプラ８４５であってもよい）に向けられてもよく、そこから、共振器９００からの放射のために出力９５０に向けられてもよい。例えば、出力は、そこを通じたビームの放射のための窓、または本発明の実施の形態によるステップコア光ファイバ等の光ファイバに直接接続するように構成された光学カプラあってもよい。様々な実施の形態において、出力は、光ファイバへの結合のためのファイバ光学モジュール（下記参照）にビームを伝達してもよい。他の実施の形態において、出力ビームは、ビーム合成モジュールに伝達されてもよく（例えば、図２参照）、他の共振器によって放射される出力ビームと合成されてもよい。結果として生じる合成ビームは、光ファイバへの結合のためにファイバ光学モジュールに伝達されてもよく、及び／またはワークの加工のために使用されてもよい。

図９Ｂに示すように、共振器９００は、液体クーラントキャビティ９５５を含んでもよい。液体クーラントキャビティ９５５は、様々な実施の形態において、取付領域９１０の直下において液体クーラント（例えば、水、グリセロール、または他の熱移動流体）を収容するように構成された中空のキャビティである。液体クーラントは、流体入口及び流体出口（図示せず）を通じて、キャビティ９５５に流入及び流出してもよく、流体入口及び流体出口は、ビームエミッタによって加熱された流体を冷却するためにクーラントのリザーバ及び／または熱交換器に流体的に結合されてもよい。本発明の実施の形態は、例えば、ビームエミッタの温度、冷却流体、及び／または共振器９００の内部の１つまたは複数の他の部品及び／または位置等の１つまたは複数の検知された特徴に応じて、キャビティ９５５に流入及び流出する流体の流れ速度を制御するコントロールシステムを有してもよい。様々な実施の形態において、共振器９００のレーザキャビティは、光学クーラントキャビティ９５５のシーリングなしまたはカバーなしでシールされてもよく、よって、レーザキャビティに配置されたより繊細な部品のシールを取ることまたは露出させることを要せず、光学クーラントキャビティ９５５を（例えば、サービス、修理、または清掃のために）アクセス可能な状態で維持できる。

以上のように、本発明の様々な実施の形態では、様々なワークの加工を容易にするように、異なる波長を有する複数のビームがステップコアファイバに結合されてもよい。例えば、本発明の実施の形態では、材料が固体状態にあるときは、切断作業（穿孔など）を開始するために波長の短いセカンダリレーザを使用し、材料が溶けた後は、材料の切断などの加工のために波長の長いプライマリレーザを使用する。例えば、少なくとも固体状態では、レーザの波長が短くなると、ほとんどの金属の吸収が大きくなる。特に、アルミニウムは約８１０ｎｍに吸収ピークを持ち、銅、金、銀などの金属は反射率が高く、近赤外波長以上（例えば、約８００ｎｍまたは１０００ｎｍ以上の波長）では非常に低い吸収を示す。このように、多くの材料（例えば金属材料）では、材料の融点以下では、吸収は短波長の光に対して著しく高くなる。しかしながら、融点に達し、表面が溶け始めると、吸収が著しく増加し、波長に実質的に依存しなくなる。気化温度（例えば、切断を行う領域）まで温度が上昇すると、吸収は増加し続け、その後、吸収は高いレベルで横ばいになる傾向がある。このように、本発明の実施の形態では、材料が固体状態にあるときは、波長の短いセカンダリビームを切断作業（穿孔など）の開始に利用し、材料が溶けた後は、波長の長いプライマリビームを材料の切断などの加工に利用する。他の例では、他の材料、例えば、プラスチック、ガラス、または高分子材料は、反対の挙動を示すことがあり、したがって、そのような材料の場合、本発明の実施の形態は、材料が固体状態にあるときに切断作業（例えば、穿孔）の開始のために波長の長いプライマリレーザが利用され、いったん材料が溶融されると、材料の切断などの加工のために波長の短いセカンダリレーザが利用されてもよい。

図１０は、本発明の実施の形態によるレーザシステム１０００の各種構成要素を模式的に示す。図示のように、レーザシステム１０００では、プライマリレーザのプライマリビーム１０１０とセカンダリレーザのセカンダリビーム１０２０が共に１つまたは複数の光学素子を利用したステップコア光ファイバ１０３０に結合される（または結合可能である）。描かれた具体的な実施の形態では、ダイクロイックミラー１０４０は、セカンダリビーム１０２０を、ビームをファイバ１０３０に結合する集光光学系１０５０に方向転換するために利用され、ダイクロイックミラー１０４０は、プライマリビーム１０１０がミラーを通って集光光学系１０５０に到達することを可能にする。図示のように、様々な実施の形態では、ステップコア光ファイバ１０３０にプライマリビームとセカンダリビームとが実質的に同軸に結合されるまたは結合可能である。様々な実施の形態では、ステップコア光ファイバ１０３０は、本明細書で詳述するファイバ２００、６００、７００のいずれかを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれらからなってもよい。

図１０に示すように、様々な実施の形態では、ステップコア光ファイバ１０３０へのビームを結合するために利用される集光レンズ１０５０は、プライマリビーム１０１０のために得られるスポットサイズよりも小さい入力スポットサイズに、より短い波長を有するセカンダリビーム１０２０を集束させる。プライマリビームとセカンダリビームとのＭ^２値がほぼ同じであると仮定すると、集光レンズで集光された各ビームの集光スポット径ｄは、ビームの波長λに比例し、ｄ＝２×Ｍ^２／ＮＡ×λ／πで計算でき、レーザ結合ＮＡがＮＡ＝Ｄ／２／ｆで与えられ、Ｄは集光レンズでのフルビームサイズ、ｆは集光レンズでの焦点距離を指している。したがって、様々な実施の形態では、同じ集光レンズ１０５０によってステップコア光ファイバ１０３０に両方のビームを集束させた場合、より短い波長を有するセカンダリビーム１０２０は、プライマリビーム１０１０のそれよりも入力スポットサイズが小さくなることになる。また、集光レンズ１０５０より上流側のビームのレーザ入力ＮＡを調整することで、いずれかのビームのスポットサイズをさらに調整してもよい。例えば、集光レンズ１０５０の上流でビームサイズを拡大して（例えば、光学望遠鏡、例えば、ガリレオ式望遠鏡などの光学素子を使用して）レーザ入力ＮＡを増加させると、ビームの集束スポットサイズが減少する。（望遠鏡を反転させると、ビームサイズが小さくなり、レンズ上流のレーザ入力ＮＡが小さくなり、ビームの集光スポットサイズが大きくなる場合がある）。

したがって、様々な実施の形態では、プライマリビーム１０１０は内側コアと外側の環状コアとの両方に重なり、セカンダリビーム１０２０は内側コアのみに重なっていてもよい。有利には、プライマリビーム１０１０のＢＰＰ劣化を最小化または低減しつつ、両方のビームに同じ集光レンズ１０５０を利用してもよい。また、様々な実施の形態では、セカンダリレーザはプライマリレーザよりも小さい放射パワーを有してもよい。このような実施の形態では、セカンダリレーザビーム１０２０を内側コアのみに結合することで、セカンダリレーザビーム１０２０の強度向上が最大になり、これは多くの用途、例えば穿孔加工中に有利になる。他の実施の形態では、プライマリビーム１０１０とセカンダリビーム１０２０との両方が、内側コアのみと重なる集束スポットサイズを有し、そのレーザパワーの大部分または実質的に全部が内側コアに結合される。このような実施の形態では、ステップコア光ファイバ１０３０は、本明細書に記載されるように、両方のビームに対して、改善されたＢＰＰ、低減された有効スポットサイズ、及び向上したピークパワーを含む有益的な効果を提供する。

様々な実施の形態では、ビームの一方または両方が非円形になることがある。例えば、プライマリビーム１０１０が非円形で、セカンダリビーム１０２０が円形であってもよく、両方のビームが非円形であってもよい。したがって、様々な実施の形態では、セカンダリビーム１０２０のパワーの約１００％が内側コアに結合され（例えば、セカンダリビームのソースが全パワーで稼働していても）、（例えば、図３Ｃおよび図３Ｄに関連して上記で詳述したように）プライマリビーム１０１０のパワーの大部分が内側コアに結合され、プライマリビームの一部が外側コアに結合されている。

前述したように、様々な実施の形態では、プライマリレーザは、セカンダリレーザが発するレーザビーム１０２０よりも長い波長（または波長範囲）を有するレーザビーム１０１０を放射する。様々な実施の形態では、プライマリレーザの方が安価で、運用コストが低く、及び／または広く入手可能である。また、プライマリレーザはセカンダリレーザよりも高い最大パワーで動作するように構成されてもよい。様々な実施の形態では、セカンダリレーザは効率が悪く、寿命が短く、コスト（出力パワーあたりのコストなど）が高くなる可能性がある。

様々な実施の形態では、プライマリレーザとセカンダリレーザとは異なる種類のレーザである。例えば、プライマリレーザは、ダイレクトダイオードレーザ（例えば、自由空間へ放射するものや、光ファイバに結合しているものなど）、ファイバレーザ、または固体レーザ（即ち、１つまたは複数の希土類元素をドープしたガラスや結晶などの固体利得媒体を利用するレーザ）を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。様々な実施の形態において、セカンダリレーザは、ダイレクトダイオードレーザ（例えば、自由空間へ放射するものや、光ファイバに結合しているものなど）、ガスレーザ、または固体レーザを含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。様々な実施の形態では、金属材料などの材料をより高品質に加工できることから、プライマリレーザ及び／またはセカンダリレーザとして、ダイレクトダイオードＷＢＣレーザが好まれる場合がある。理論に縛られること無く、ＷＢＣレーザは、それぞれが異なる波長を有する数十（または数百）の離散的なエミッタの組み合わせから生じる広帯域の性質により、より優れた品質を提供する可能性がある。これは、空間ドメインと時間ドメインの両方において強度プロファイルを平滑化しつつ、レーザコヒーレンス及びスペックルをスクランブルしてもよい。

したがって、本明細書で詳述するように、プライマリレーザおよびセカンダリレーザのいずれかまたは両方は多波長ビームを放射してもよい。本発明の実施の形態によると、そのような多波長ビームの「波長」または「主波長」は、レーザによって放射される中心（すなわち中央）および／または最も高強度の波長に対応してもよい。当業者に知られているように、実質的にすべてのレーザ出力は複数の波長の帯域を含むが、レーザ波長帯域が非常に狭くなっている傾向にある。例えば、１０６４ｎｍで放射するファイバレーザは、約２ｎｍの非常に狭い帯域を有し、９７０ｎｍで放射するＷＢＣダイレクトダイオードレーザは、約４０ｎｍの帯域を有してもよい。

様々な実施の形態では、プライマリレーザビーム１０１０は、約７８０ｎｍから約１１μｍ、約７８０ｎｍから約１０６４ｎｍ、約７８０ｎｍから約１０００ｎｍ、約８７０ｎｍから約１１μｍ、約８７０ｎｍから約１０６４ｎｍ、または約８７０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲内の波長（または波長範囲）を有する。特定の実施の形態では、プライマリレーザビーム１０１０の波長（またはプライマリまたは中心波長）は、例えば、約１０６４ｎｍ、約１０．６μｍ、約９７０ｎｍ、約７８０または８５０から約１０６０ｎｍ、または約９５０ｎｍから約１０７０ｎｍであってもよい。様々な実施の形態では、セカンダリレーザビーム１０２０は、約３００ｎｍから約７４０ｎｍ、約４００ｎｍから約７４０ｎｍ、約５３０ｎｍから約７４０ｎｍ、約３００ｎｍから約８１０ｎｍ、約４００ｎｍから約８１０ｎｍ、または約５３０ｎｍから約８１０ｎｍの範囲の波長（または波長範囲）を有する。様々な実施の形態では、セカンダリレーザビーム１０２０の波長はＵＶまたは可視範囲にあるが、波長は、その範囲に吸収ピークを有する材料（例えば、アルミニウム）に対して約８１０ｎｍまで延びてもよい。特定の実施形態では、セカンダリレーザビーム１０２０の波長（またはプライマリまたは中心波長）は、例えば、約８１０ｎｍ、約４００から約４６０ｎｍ、または約５３２ｎｍであってもよい。様々な実施の形態では、プライマリレーザの光源および／またはセカンダリレーザの光源は、ブロードバンド、多波長レーザビームを放射するＷＢＣレーザである。様々な実施の形態では、そのようなレーザは、例えば、約１０ｎｍから約６０ｎｍまでの範囲の帯域幅を有してもよい。

したがって、様々な実施の形態において、レーザシステムは、複数の共振器９００を含み、共振器９００からの出力ビームは、下流において（例えば、図１０に示すように、マスターハウジングの内部で及び／または１つまたは複数の光学素子によって）単一の出力ビームに合成され、ステップコア光ファイバに結合され、加工（例えば、溶接、切削、アニーリング等）のためにワークに向けられてもよい。例えば、図１１は、本発明の実施の形態による例示的なレーザシステム（または「レーザエンジン」）１１００を示す。レーザシステム１１００において、複数のレーザ共振器９００は、マスターハウジング１１０５の内部に取り付けられ、共振器９００からの出力ビームは、ビーム合成モジュール１１１０の内部に、及びそこからファイバ光学モジュール１１１５に放射される。例示的な実施の形態において、ビーム合成モジュール１１１０は、例えば、ミラー、ダイクロイックミラー、レンズ、プリズム、分散要素、偏光ビームコンバイナ等の１つまたは複数の光学素子を収容してもよく、これらは、様々な共振器から受けたビームを、（図１０に示すように）１つまたは複数の出力ビームの内部に合成してもよい。様々な実施の形態において、ファイバ光学モジュール１１１５は、光ファイバへのビームの結合のための光ファイバに接続するインタフェースハードウェアとともに、例えば、出力レーザビームを調整するための１つまたは複数の光学素子を収容してもよい。レーザエンジン１１００が４つの共振器９００を含むように図示されているが、本発明の実施の形態によるレーザエンジンは、１つ、２つ、３つ、または５つ以上のレーザ共振器を含んでもよい。各共振器は、異なる波長（または異なる範囲の波長）を有するビームを放射してもよく、これらのビームは、本明細書で詳述するように、ファイバ内で合成および結合されてもよい。

本明細書で詳述される例示的な実施の形態は、プライマリレーザビームおよびセカンダリレーザビームの放射のために別個のプライマリレーザおよびセカンダリレーザを利用し、説明するが、様々な実施の形態では、プライマリレーザビームおよびセカンダリレーザビームは、同じレーザ源を用いて生成されてもよい。例えば、より長い波長を有するプライマリレーザビームを放射するように構成されたレーザ源は、周波数二倍化（すなわち、第２高調波発生（ＳＨＧ））によってより短い波長を有するセカンダリレーザビームを生成するためにも利用されてもよい。様々な実施の形態において、プライマリレーザビームは、本明細書に詳述されるようにステップコア光ファイバに結合されてもよく、プライマリレーザビームの波長の約半分の波長を有するＳＨＧ放射を生成する非線形光学材料を通じて導かれて、セカンダリレーザビームを生成してもよい。（そのような実施の形態は、単一のレーザ源しか必要としないという利点を有するが、それらはＳＨＧを利用するので、そのような実施の形態は、一方のレーザビームの波長を他方のレーザビームの波長の約半分にすることに制限される。）様々な実施の形態では、プライマリレーザビームとそこから生成されたセカンダリレーザビームは実質的に同一線上にあってもよく、セカンダリレーザビームは、（上述のように）両方のビームを同じ集光レンズによって集光させると仮定すると、プライマリレーザビームの集光スポットサイズの約半分の集光スポットサイズを有してもよい。

様々な実施の形態では、セカンダリレーザビームの生成に必要であるように、非線形光学材料をプライマリレーザビームのビーム経路に出し入れしてもよく、及び／または、加工に現在必要ないレーザビーム（ある場合、下記参照）はビームスプリッタやダイクロイックミラーなど光学素子を用いて光ファイバから離れるように向けてもよい。様々な実施の形態において、レーザシステムは、例えば、変換効率の向上及び／または吸湿防止のために、非線形光学結晶を配向させる機構（例えば、可動および／または回転可能なマウント）及び／又はその温度制御する機構（例えば、ヒータまたは炉）を含んでもよい。

様々な実施の形態では、プライマリレーザビームの未変換部分がセカンダリレーザビームの生成中に非線形光学材料を経由し、両方のレーザビームは非線形光学材料と集光光学系とから直接ステップコア光ファイバに結合されてもよい。したがって、様々な実施の形態では、図１０に示すダイクロイックミラーが存在せず、両方のビームが非線形光学材料から集光レンズ１０５０に（実質的に共線上に）進出してもよい。非限定的な例では、レーザ源は、約１０６４ｎｍでレーザビーム３０５を放射するＹＡＧまたはファイバレーザであってよく、これは、約５３２ｎｍの波長を有するＳＨＧレーザビーム３１５を発生させる。

様々な実施の形態において、非線形光学材料は、β－ホウ酸バリウム（β－ＢａＢ_２Ｏ４、またはＢＢＯ）、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５、またはＬＢＯ）、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ、ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、三ホウ酸ビスマス（ＢｉＢ_３Ｏ_６、またはＢＩＢＯ）またはホウ酸セシウム（ＣｓＢ_３Ｏ_５、またはＣＢＯ）などの１以上のホウ酸塩結晶を含んでもよく、本質的にそれからなってもよく、またはそれからなってもよい。他の例示的な非線形光学結晶には、フルオロホウ酸ベリレートカリウム（ＫＢｅ_２ＢＯ_３Ｆ２、またはＫＢＢＦ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、またはＬＢ４）、四ホウ酸リチウムルビジウム（ＬｉＲｂＢ_４Ｏ_７、またはＬＲＢ４）およびフッ化バリウムマグネシウム（ＭｇＢａＦ_４）などが含まれる。適切な非線形光学材料は市販されており、当業者であれば過度な実験をすることなく提供できる。

プライマリビームおよびセカンダリビームの様々な波長または波長範囲は、様々な種類のワーク、特に１つまたは複数の金属材料を含む、本質的にそれからなる、またはそれからなるワークの加工に利用されてもよい。他の実施の形態では、「プライマリ」及び「セカンダリ」ビームの波長または波長範囲は、本明細書に詳述するように、例えばガラス、プラスチック、紙、または１つまたは複数のポリマー材料または他の非金属材料を含む、本質的にそれからなる、またはそれからなるワークの加工のための他のタイプのワークのために切り替えてもよい。

下表は、プライマリレーザとセカンダリレーザとの様々な異なる組み合わせと、それぞれの組み合わせにおける金属ターゲット材料（即ち、加工対象物）の例をまとめたものである。（表中、ＳＨＧは第２高調波発生である）。

様々な実施の形態では、プライマリビーム（および／またはプライマリビームのソース）、セカンダリビーム（および／またはセカンダリビームのソース）、ステップコアファイバ、および／またはビームを導きファイバにインカップリングするために利用される光学素子の１つまたは複数（あるいはすべて）がコンピュータに基づくコントローラに応答する。例えば、コントローラは、（様々な実施の形態にはその出力端に結合したレーザヘッドが結合されている）ステップコアファイバを用いて実行するプロセスを開始し、それに応じてプライマリビーム及びセカンダリレーザビームのオン／オフを切り替えてもよい（及び／または出力パワーレベルを調節してもよい）。様々な実施の形態では、コントローラは、例えば１つまたは複数のアクチュエータの制御を介して、レーザヘッドおよび／またはステップコアファイバのワークに対する動きでさえ制御してもよい。また、コントローラは、出力レーザビームと加工中のワークとの間に相対運動をもたらすように構成される従来の配置システムを操作してもよい。

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、出力ビームとワークとの間の必要な相対移動は、可動ミラーを用いたビームの光学的方向転換、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）ワークを移動させる機械的構成によって生成されてもよい。コントローラは、ある実施の形態において、適切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、ワークに対するビームの位置及び／または加工効率に関するフィードバックを受けてもよい。

様々な実施の形態では、コントローラがワーク（例えば表面）に関する感知された情報に基づいて、プライマリビームとセカンダリビームとのオン／オフ切り替えおよび／または出力パワーのレベルを制御する。例えば、レーザシステムは、ワークの表面の少なくとも一部が溶融したときに（例えば、反射率の変化及び／又は材料の融点に達する温度を介して）検出する１または複数の光学センサ及び／または温度センサを含んでもよい。このようなセンサは従来からあるセンサを活用できるため、過度の実験なしに提供できる。様々な実施の形態では、セカンダリビームは、ワークの表面の少なくとも一部が溶融するまでワーク表面を加熱し、またはワークの厚さの少なくとも一部を貫通するように利用され、その後、プライマリビームは、少なくとも一部が溶融した領域を起点とする加工パスに沿ってワークを切断する。他の実施の形態では、コントローラは単にセカンダリビームからプライマリビームに時間差で切り替えて、その時間は材料の種類、材料の厚さ、出力ビームのスポットサイズなどの要因から推定されてもよい。

様々な実施の形態では、プライマリレーザビームとセカンダリビームは穿孔と切断の両方に利用されるため、両方が両方の作業中に同時にステップコアファイバに結合されるが、切断の場合はプライマリビームのパワーが上げられ（そのため、穿孔のためには比較的下げられ）、穿孔の場合はセカンダリビームのパワーが上げられる（そのため、切断のためには比較的下げられる）。このようなデュアルビームの実施の形態は、組み合わせた出力ビームのより広いスペクトルバンドにより、レーザのコヒーレンスとスペックルを大幅に減少させるため、より高品質の切断と穿孔の利点を提供し得る。ある実施の形態では、ワーク表面の少なくとも一部がセカンダリビームによって溶融状態になるまでプライマリビームは利用されず、その後両方のビームが後続の切断に利用される。このような実施の形態は、レーザシステムの構成部品（例えば光学素子）を損傷する可能性のあるワーク表面からの有害な逆反射を防止または大幅に低減する。

本発明の実施の形態は、ユーザが所望の加工パスに沿ってワークを加工（例えば、切断又は溶接）することを可能にし、出力ビームの構成（例：プライマリビームを含むか、セカンダリビームを含むか、または両方を含むか）、出力ビーム（および／またはプライマリビームおよび／またはセカンダリビーム）のパワーレベル、及び最大加工速度は、ワークの構成、ワークの厚さ、加工パスの形状などの要因に基づいて選択するが、これらに限定されない。例えば、ユーザは、任意の適切な入力装置を用いて、またはファイル転送手段によって、システムに所望の加工経路及び／またはワークの種類（および／または厚さなどの他の特性）を選択または事前プログラミングできる。その後、コントローラは、加工パスに沿った位置の関数として、最適な出力ビーム構成（例えば、プライマリとセカンダリビーム、及び／またはそれらの相対的なパワーレベルとの間の切り替え）を決定してもよい。操作では、コントローラは、穿孔や切断などの加工において適切な出力ビームの構成を利用し、あらかじめプログラムされた経路に沿ってワークを加工するためにレーザシステムとワークとの位置決めとを操作してもよい。加工材料の組成および／または厚さが変化した場合、その変化の位置と性質をプログラムし、それに応じてコントローラは、レーザビーム構成および／またはワークとビームとの間の相対運動速度を調整してもよい。

加えて、レーザシステムは、ワークの厚み及び／またはその上の特徴の高さを検出するための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号で説明された、干渉計によるワークの深さ測定のためのシステム（またはその部品）を含んでもよい。上記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。このような深さまたは厚みの情報は、例えば、加工される材料の種類に対応するデータベースの記憶によって、ワークの加工（例えば、切断または穿孔）を最適化するように、出力ビーム構成を制御するためにコントローラに使用されてもよい。

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またはその部分と同等なものを除外する意図はなく、様々な変更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 (70)

1. レーザビームを用いてワークを加工する方法であって、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し、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）前記内側コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）前記外側コアを囲み、前記第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドと、（ｉｖ）前記クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｖ）前記外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｖｉ）前記クラッドに相対する外側コアＮＡとを有するステップコア光ファイバを設けるステップと、
   前記光ファイバの前記出力端の近位にワークを配置するステップと、
   レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームを、前記光ファイバの前記入力端に向けて、前記光ファイバの前記出力端から放射される出力ビームを生成するステップであって、（ｉ）前記外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であって、（ｉｉ）前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、（ｉｉｉ）前記第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上である、出力ビームを生成するステップと、
   前記出力ビームを用いて前記ワークを加工するステップと、を含む、方法。
2. レーザビームは、前記光ファイバの前記入力端に非円形スポットを生成し、
   前記スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１横寸法と第２横寸法とを有し、
   前記第１横寸法は、前記第２横寸法より大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記外側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも大きい、請求項２に記載の方法。
4. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも大きい、請求項２に記載の方法。
5. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも小さい、請求項２に記載の方法。
6. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも小さい、請求項２に記載の方法。
7. レーザビームは、前記光ファイバの前記入力端にスポットを生成し、
   前記スポットは、前記内側コアの直径より大きく、前記外側コアの直径より小さい、請求項１に記載の方法。
8. レーザビームをビームエミッタから放射するステップをさらに含み、
   前記ビームエミッタは、
   複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、
   分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、
   受けた集束ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
   分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を前記分散要素に向けて戻すように反射するように配置された部分反射型出力カプラと、を有し、
   レーザビームは、複数の波長によって構成される、請求項１に記載の方法。
9. レーザビームを用いてワークを加工する方法であって、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し、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）前記内側コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）前記外側コアを囲み、前記第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドと、（ｉｖ）前記クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｖ）前記外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｖｉ）前記クラッドに相対する外側コアＮＡとを有するステップコア光ファイバを設けるステップであって、前記内側コアの中心軸が、前記外側コアの中心軸と同軸でない、前記ステップコア光ファイバを設けるステップと、
   前記光ファイバの前記出力端の近位にワークを配置するステップと、
   レーザビームを、前記光ファイバの前記入力端に向けて、前記光ファイバの前記出力端から放射される出力ビームを生成するステップと
   前記出力ビームを用いて前記ワークを加工するステップと、を含む、方法。
10. レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであって、
    前記外側コアＮＡは約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であって、
    前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、
    前記第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上である、請求項９に記載の方法。
11. レーザビームは、前記光ファイバの前記入力端に非円形スポットを生成し、
    前記スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１横寸法と第２横寸法とを有し、
    前記第１横寸法は、前記第２横寸法より大きい、請求項９に記載の方法。
12. 前記外側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも大きい、請求項１１に記載の方法。
13. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも大きい、請求項１１に記載の方法。
14. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも小さい、請求項１１に記載の方法。
15. 前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも小さい、請求項１１に記載の方法。
16. レーザビームの中心軸は、前記内側コアの中心軸と同軸でない、請求項９に記載の方法。
17. レーザビームの中心軸は、前記外側コアの中心軸と同軸でない、請求項９に記載の方法。
18. レーザビームは、前記光ファイバの前記入力端にスポットを生成し、
    前記スポットは、前記内側コアの直径より大きく、前記外側コアの直径より小さい、請求項９に記載の方法。
19. レーザビームをビームエミッタから放射するステップをさらに含み、
    前記ビームエミッタは、
    複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、
    受けた集束ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を前記分散要素に向けて戻すように反射するように配置された部分反射型出力カプラと、を有し、
    レーザビームは、複数の波長によって構成される、請求項９に記載の方法。
20. レーザビームを用いてワークを加工する方法であって、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し、（ｉ）それぞれ第１屈折率を有する複数の非同軸内側コアと、（ｉｉ）複数の前記内側コアを囲み、複数の前記内側コアの間に延びており、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）前記外側コアを囲み、前記第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドとを有するステップコア光ファイバを設けるステップと、
    前記光ファイバの前記出力端の近位にワークを配置するステップと、
    レーザビームを、前記光ファイバの前記入力端に向けて、前記光ファイバの前記出力端から放射される出力ビームを生成するステップと
    前記出力ビームを用いて前記ワークを加工するステップと、を含む、方法。
21. 複数の前記内側コアの全ての前記第１屈折率が互いと同一である、請求項２０に記載の方法。
22. 複数の前記内側コアのうち少なくとも２つの前記第１屈折率が異なる、請求項２０に記載の方法。
23. 複数の前記内側コアの全ての前記第１屈折率が異なる、請求項２０に記載の方法。
24. レーザビームは、レーザビームのパワーの関数として変化するレーザビーム開口数（ＮＡ）を有する可変パワーレーザビームであって、
    前記ステップコア光ファイバは、前記クラッドに相対する外側コアＮＡを有し、
    前記外側コアＮＡは、約１００％のパワーにおけるレーザビームＮＡ以上であって、
    それぞれの前記内側コアは、前記外側コアに相対する内側コアＮＡを有し、
    それぞれの前記内側コアの前記内側コアＮＡは、前記外側コアＮＡよりも小さく、
    それぞれの前記内側コアの前記内側コアＮＡは、５０％のパワーにおける前記レーザビームＮＡより大きい、請求項２０に記載の方法。
25. 前記外側コアの中心軸は、前記内側コアのいずれもの中心軸と同軸でない、請求項２０に記載の方法。
26. レーザビームは、前記光ファイバの前記入力端に非円形スポットを生成し、
    前記スポットは、互いに異なり、互いに直交する第１横寸法と第２横寸法とを有し、
    前記第１横寸法は、前記第２横寸法より大きい、請求項２０に記載の方法。
27. 前記外側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも大きい、請求項２６に記載の方法。
28. １つまたは複数の前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも大きい、請求項２６に記載の方法。
29. １つまたは複数の前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第１横寸法よりも小さい、請求項２６に記載の方法。
30. １つまたは複数の前記内側コアの直径は、前記スポットの前記第２横寸法よりも小さい、請求項２６に記載の方法。
31. レーザビームの中心軸は、前記内側コアのいずれもの中心軸と同軸でない、請求項２０に記載の方法。
32. レーザビームの中心軸は、前記外側コアの中心軸と同軸でない、請求項２０に記載の方法。
33. レーザビームをビームエミッタから放射するステップをさらに含み、
    前記ビームエミッタは、
    複数の離散ビームを放射する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向けて複数のビームを集束させるための集光光学系と、
    受けた集束ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、分散ビームの第１部分をレーザビームとして透過させて、分散ビームの第２部分を前記分散要素に向けて戻すように反射するように配置された部分反射型出力カプラと、を有し、
    レーザビームは、複数の波長によって構成される、請求項２０に記載の方法。
34. プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとを用いてワークを加工する方法であって、
    前記プライマリレーザビームの波長は、前記セカンダリレーザビームの波長より長く、
    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し、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）前記内側コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）前記外側コアを囲み、前記第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドと、（ｉｖ）前記クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｖ）前記外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｖｉ）前記クラッドに相対する外側コアＮＡとを有するステップコア光ファイバを設けるステップと、
    前記光ファイバの前記出力端の近位にワークを配置するステップと、
    第１ステージの間に、前記光ファイバの前記出力端から放射され、前記ワークの表面に向かう第１出力ビームを形成するように、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記光ファイバに結合させるステップであって、前記第１出力ビームのエネルギは前記ワークに吸収される、ステップと、
    第２ステージの間に、前記ワークの表面の少なくとも一部が前記第１出力ビームのエネルギの吸収に反応した後に、（ｉ）前記光ファイバの前記出力端から放射され、前記ワークの表面に向かう第２出力ビームを形成するように、少なくとも前記プライマリレーザビームを前記光ファイバに結合させて、（ｉｉ）その間、前記第２出力ビームと前記ワークとの間の相対運動を発生させて、少なくとも部分的に前記相対運動によって決定された加工パスに沿って、前記ワークは切断される、ステップと、を含む、方法。
35. （ｉ）前記プライマリレーザビームは、前記プライマリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであって、
    （ｉｉ）前記外側コアＮＡは約１００％のパワーにおける前記プライマリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上であって、
    （ｉｉｉ）前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、
    （ｉｖ）前記第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおける前記プライマリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上である、請求項３４に記載の方法。
36. （ｉ）前記セカンダリレーザビームは、前記セカンダリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであって、
    （ｉｉ）前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、
    （ｉｉｉ）前記第２内側コアＮＡは約１００％のパワーにおける前記セカンダリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上である、請求項３４に記載の方法。
37. 少なくとも前記第１ステージの間、前記セカンダリレーザビームは前記内側コアと重なるが前記外側コアと重ならない、請求項３４に記載の方法。
38. 少なくとも前記第２ステージの間、前記プライマリレーザビームは前記内側コアと重なり、前記外側コアと重なる、請求項３４に記載の方法。
39. 前記プライマリレーザビームは前記光ファイバの前記入力端に、非円形スポットを生成する、請求項３４に記載の方法。
40. 前記セカンダリレーザビームは前記光ファイバの前記入力端に、非円形スポットを生成する、請求項３４に記載の方法。
41. 前記内側コアの中心軸は、前記外側コアの中心軸と同軸でない、請求項３４に記載の方法。
42. 前記プライマリレーザビームは、前記第１ステージの間に、前記光ファイバに結合されない、請求項３４に記載の方法。
43. 前記セカンダリレーザビームは、前記第２ステージの間に、前記光ファイバに結合されない、請求項３４に記載の方法。
44. 前記プライマリレーザビームは、前記第１ステージの間に前記光ファイバに結合され、
    前記第１ステージにおける前記プライマリレーザビームの出力パワーは、前記第２ステージにおける前記プライマリレーザビームの出力パワーよりも低い、請求項３４に記載の方法。
45. 前記セカンダリレーザビームは、前記第２ステージの間に前記光ファイバに結合され、
    前記第２ステージにおける前記セカンダリレーザビームの出力パワーは、前記第１ステージにおける前記セカンダリレーザビームの出力パワーよりも低い、請求項３４に記載の方法。
46. 前記プライマリレーザビームの波長は、約８７０ｎｍから約１１μｍの範囲を有する、請求項３４に記載の方法。
47. 前記セカンダリレーザビームの波長は、約３００ｎｍから約８１０ｎｍの範囲を有する、請求項３４に記載の方法。
48. 少なくとも前記ワークの表面は、金属材料を含む、請求項３４に記載の方法。
49. 少なくとも前記ワークの表面は、アルミニウム、銅、鉄、鋼、金、銀、またはモリブデンの少なくとも１つを含む、請求項３４に記載の方法。
50. 前記第２ステージを開始する前に、前記ワークの表面の反射率または温度の少なくとも１つに基づいて、前記ワークの表面の少なくとも一部が溶融していると判定するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
51. 前記第２ステージの間、前記加工パスに沿って、（ｉ）前記ワークの厚さが変化する、（ｉｉ）前記加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）前記ワークの組成が変化する１つまたは複数の点において、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記光ファイバに結合するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
52. 前記第１ステージの間及び前記第２ステージの前に、前記ワークの厚みを貫通する孔が形成される、請求項３４に記載の方法。
53. 前記第２ステージの開始前に、前記ワークの厚みを貫通する孔が形成されない、請求項３４に記載の方法。
54. ワークを加工するレーザシステムであって、前記レーザシステムは、
    入力端と、前記入力端の反対側の出力端とを有し、（ｉ）第１屈折率を有する内側コアと、（ｉｉ）前記内側コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する外側コアと、（ｉｉｉ）前記外側コアを囲み、前記第２屈折率よりも小さい第３屈折率を有するクラッドと、（ｉｖ）前記クラッドに相対する第１内側コア開口数（ＮＡ）と、（ｖ）前記外側コアに相対する第２内側コアＮＡと、（ｖｉ）前記クラッドに相対する外側コアＮＡと、を有するステップコア光ファイバと、
    プライマリレーザビームを放射するように構成されたプライマリレーザエミッタと、
    セカンダリレーザビームを放射するように構成されたセカンダリレーザエミッタであって、前記プライマリレーザビームの波長が、前記セカンダリレーザビームの波長より長い、セカンダリレーザエミッタと、
    前記プライマリレーザビームと前記セカンダリレーザビームとを前記光ファイバの前記入力端に結合するためのカップリング機構と、
    コンピュータに基づくコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、第１ステージの間に、前記光ファイバの前記出力端から放射され、前記ワークの表面に向かう第１出力ビームを形成するように、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記光ファイバに結合させるように構成され、
    前記第１出力ビームのエネルギは前記ワークに吸収され、
    前記コントローラは、前記ワークの表面の少なくとも一部が前記第１出力ビームのエネルギの吸収に反応した後の第２ステージの間に、（ｉ）前記光ファイバの前記出力端から放射され、前記ワークの表面に向かう第２出力ビームを形成するように、少なくとも前記プライマリレーザビームを前記光ファイバに結合させて、（ｉｉ）その間、前記第２出力ビームと前記ワークとの間の相対運動を発生させるように構成され、
    少なくとも部分的に前記相対運動によって決定された加工パスに沿って、前記ワークが切断される、レーザシステム。
55. 前記カップリング機構は、ダイクロイックミラーと集光レンズとを有する、請求項５４に記載のレーザシステム。
56. （ｉ）前記プライマリレーザビームは、前記プライマリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであって、
    （ｉｉ）前記外側コアＮＡは約１００％のパワーにおける前記プライマリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上であって、
    （ｉｉｉ）前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、
    （ｉｖ）前記第２内側コアＮＡは５０％のパワーにおける前記プライマリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上である、請求項５４に記載のレーザシステム。
57. （ｉ）前記セカンダリレーザビームは、前記セカンダリレーザビームのパワーの関数として変化するレーザビームＮＡを有する可変パワーレーザビームであって、
    （ｉｉ）前記第２内側コアＮＡは前記外側コアＮＡ以下であって、
    （ｉｉｉ）前記第２内側コアＮＡは約１００％のパワーにおける前記セカンダリレーザビームの前記レーザビームＮＡ以上である、請求項５４に記載のレーザシステム。
58. 少なくとも前記第１ステージの間、前記コントローラは、前記セカンダリレーザビームが前記内側コアと重なるが前記外側コアと重ならないように、前記セカンダリレーザビームを前記光ファイバに結合させるように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
59. 少なくとも前記第２ステージの間、前記コントローラは、前記プライマリレーザビームが前記内側コアと重なり、前記外側コアと重なるように、前記プライマリレーザビームを前記光ファイバに結合させるように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
60. 前記プライマリレーザビームは前記光ファイバの前記入力端に、非円形スポットを生成する、請求項５４に記載のレーザシステム。
61. 前記セカンダリレーザビームは前記光ファイバの前記入力端に、非円形スポットを生成する、請求項５４に記載のレーザシステム。
62. 前記内側コアの中心軸は、前記外側コアの中心軸と同軸でない、請求項５４に記載のレーザシステム。
63. 前記コントローラは、前記第１ステージの間に、前記プライマリレーザビームを前記光ファイバに結合させないように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
64. 前記コントローラは、前記第２ステージの間に、前記セカンダリレーザビームを前記光ファイバに結合させないように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
65. 前記コントローラは、前記プライマリレーザビームを、（ｉ）前記第１ステージの間に、第１出力パワーで前記光ファイバに結合させて、（ｉｉ）前記第２ステージの間に、前記第１出力パワーより高い第２出力パワーで前記光ファイバに結合させるように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
66. 前記コントローラは、前記セカンダリレーザビームを、（ｉ）前記第１ステージの間に、第１出力パワーで前記光ファイバに結合させて、（ｉｉ）前記第２ステージの間に、前記第１出力パワーより低い第２出力パワーで前記光ファイバに結合させるように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
67. １つまたは複数のセンサをさらに備え、
    前記コントローラは、前記１つまたは複数のセンサから受信した信号に少なくとも部分的に基づいて、前記ワークの表面の少なくとも一部が溶融していることを判定するように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
68. 前記コントローラは、前記第２ステージの間、少なくとも前記セカンダリレーザビームを、前記加工パスに沿って、（ｉ）前記ワークの厚さが変化する、（ｉｉ）前記加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）前記ワークの組成が変化する１つまたは複数の点において前記光ファイバに結合させるように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
69. 前記コントローラは、前記第１ステージの間に前記ワークの厚さを貫通する孔が形成された後にのみ前記第２ステージを開始するように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。
70. 前記コントローラは、前記第１ステージの間に前記ワークの厚さを貫通する孔が形成される前に前記第２ステージを開始するように構成される、請求項５４に記載のレーザシステム。

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