JP2023548038A - 相変化ライトバルブシステム - Google Patents

Abstract

積層製造システムが、第１の波長での高フルエンスレーザビームを生成するための高出力レーザを含む。第２の波長での書き込みビームに応答し、第１の波長では応答しない相変化材料を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブが、高フルエンスレーザビームをパターン化するために使用される。

Description

関連出願
本開示は、２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６３／１０７，０７７の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。

本開示は、一般に、相変化材料を含む動作ライトバルブシステムに関する。より詳細には、異なる波長で異なる応答性を有する相変化材料の使用が、それぞれの書き込みおよび高フルエンスビームを有効化にするために使用される。

高フルエンスで長い持続時間にわたって動作させることができる高出力レーザシステムは、パターン化された高エネルギーレーザの使用から利益を得ることができる積層製造および他の用途に有用である。

本開示の非限定的および非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、ここで、同様の参照番号は、特に指定されない限り、様々な図全体にわたって同様の部品を指す。

ライトバルブ構造内での相変化冷却の使用を示している。 体積相変化ライトバルブを示している。 量子ドット相変化ライトバルブを示している。 メタマテリアル相変化ライトバルブを示している。 ピクセル歪み相変化ライトバルブを示している。 構造化材料歪み相変化ライトバルブを示している。 非線形材料相変化ライトバルブを示している。 補償光学構造での相変化ライトバルブの使用を示している。 ビームダンプ、相変化ライトバルブ、および熱機関をサポートする高フルエンスライトバルブベースの積層製造システムのブロック図を示している。 高フルエンス相変化ライトバルブベースの積層製造システムを示している。 高フルエンス相変化ライトバルブベースの積層製造システムの別の実施形態を示している。 廃エネルギーの回収およびさらなる使用のためのスイッチヤード手法を組み込む高フルエンス相変化ライトバルブベースの積層製造の別の実施形態を示している。

以下の説明では、その一部を形成し、開示を実施することができる具体的な例示的な実施形態を例示する方法で示されている添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示された概念を実践することができるように十分に詳細に説明されており、本開示の範囲から逸脱することなく、開示された様々な実施形態に修正を加えることができ、他の実施形態を利用することができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味では取らない。

以下の開示では、積層製造システムが、第１の波長での高フルエンスレーザビームを生成するための高出力レーザを含む。第２の波長での書き込みビームに応答し、第１の波長では応答しない相変化材料を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブが、高フルエンスレーザビームをパターン化するために使用される。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、体積相変化をサポートする。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、量子ドット相変化材料である。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、メタマテリアル相変化材料である。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、ピクセル歪み相変化材料である。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、構造化材料である。

いくつかの実施形態では、相変化材料は、非線形材料相変化材料である。

ライトバルブ（ＬＶ）技術は、光導電体および液晶材料への依拠により、ピクセル速度を切り替える能力が制限されている。現在のデバイスは、一般にグループ現象を利用する（例えば、光導電体にわたる電荷の蓄積、または液晶セルにわたる偏光位相差の蓄積）。対照的に、相変化ベースのシステムは、材料の状態を局所的に修正して、ある状態（結晶質）から別の状態（非晶質）への相変化を行い、その際、高フルエンス光に対するその応答（反射／透過、偏光、位相、振幅または波長）を修正する。結果として得られる相変化ＬＶの効果は、高フルエンス光、速度、および／または追加機能の存在下でのロバスト性である。

有利には、相変化ＬＶは、光伝導体または透明導電性酸化物（高フルエンス光に対して故障しやすい標準的なＬＶ内の２つの構造）を必要とせず、書き込みビームの直接作用による材料のある状態から別の状態への分子再配列に依拠する。状態変化が生じると（例えば結晶質から非晶質へ）、材料は安定し、変質された体積に対して高フルエンス光によって与えられる修正の影響はない。変質された体積は、高フルエンスビームに対する影響が、書き込みビームによって変えられなかった体積とは異なる。さらに、書き込みビームの強度レベルを調整することによって、変質された体積内のピクセルおよび／またはボクセル間の応力を能動的に調整することができ、それにより、高フルエンスビームの様々な態様（その偏光、位相、反射、屈折、波長応答）を修正することができる。相変化ＬＶのいくつかの変形形態では、高フルエンスビームを修正することができる切り替え速度は、現在のＬＶで現在利用可能な速度よりも数桁速い。

図１Ａは、ライトバルブ構造内で相変化冷却を使用する平面相変化ライトバルブシステム１００Ａを示している。活性化材料は、支持基板に塗布された薄膜体積（１３５Ａ）である。この配置では、パターン化されていない高フルエンスビーム（ＨＦＬ、１０５Ａ）は、１００Ａに入る前にビーム結合器（１２５Ａ）を通過する。ＨＦＬは、タイミングサイクルｔ１およびパルス幅τ１に関する時間で、波長λ１で動作する。光メモリ用途では、波長は、典型的には、緑（５３２ｎｍ）または青（４５０ｎｍ）である。この同じタイプの用途では、パルス幅は、典型的には、書き込みビームに関してはピコ秒（＜１ｎｓ、＜０．１ｎｓ、＜１０ｎｓ、または＜１００ｎｓ）であり、消去ビームに関しては１０～５００マイクロ秒である。パターン化された低フルエンス書き込みビーム（１１０Ａ）は、１２５Ａで反射し、１１５Ａとして１００Ａに入る。書き込みビームは、λ２で動作し、ｔ２で活性化され、τ２のパルス幅およびＥ１のフルエンスを有する。さらに、１１０Ａには、λ２またはλ３のいずれかで動作するパターン化された消去ビーム（１２０Ａ）が含まれるが、（両方がλ２で動作している場合には）ｔ３＞ｔ２＋τ２、パルス持続時間τ３、およびフルエンスＥ２で１１０Ａの後にのみ存在するように時間同期されている。いくつかの実施形態では、消去ビームは、書き込みビームと同時に動作することができ、上記と同じタイミング要件（ｔ３およびτ３）でλ３で動作する。（媒体の薄膜性質を前提とする）書き込みビームと消去ビームとの同時操作は、それらが同じピクセルに対して作用しない場合に許可される。１２０Ａは、１２５Ａで反射された後に１３０Ａになり、その後、１００Ａに入る。

書き込みビームと消去ビームとが同じ波長（λ２）で動作する相変化ＬＶ動作の一例として。書き込み（１１０Ａ）および消去（１２０Ａ）ビームは、それぞれＥ１／Ｅ２およびτ２／τ３のフルエンスおよびパルス幅を有し、Ｅ１＞Ｅ２およびτ２＜τ３である。書き込みビームは、塩化ナトリウムまたはＮＢＫ７ガラスなど同等の結晶質構造で構成されるシード層（１４０Ａ）の上にある、典型的な１５０ｎｍ～２μｍの厚さの結晶質ゲルマニウム－アンチモン－テルル（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、別名ＧＳＴ、１３５Ａ）膜を含む相変化ＬＶを照射する。書き込みビームは、ｔ２で活性化され、そのフルエンスおよび波長は、ＧＳＴ膜が照射された領域で、ＧＳＴ膜が結晶質から非晶質への相変化を受けるようなものである。１１０Ａのパルス幅（τ２）は、一実施形態では、２～３ピコ秒のパルス持続時間であり、１１０Ａがオフに切り替えられるとき、非晶質体積は非晶質として凍結する。

材料が結晶質から非晶質に変わるとき、屈折率変化が大きいことがあり、ＧＳＴに関する場合、その結晶屈折率は典型的には６．５であり、その非晶質状態での３．８５に変化する。さらに、１３５Ａは、その結晶質状態では複屈折性であり得、その非晶質状態では均質であり得る。ＬＶが、全反射または他の屈折率感受性の手段で動作してＨＦＬ（１０５Ａ）を画像ごとに修正する場合、１３５Ａにその屈折率を所定の様式で大幅に変化させることによって、事前に（１３５Ａが結晶質であったときに）定義された反射面を１０５Ａが通過できるようにすることによって、１０５Ａにこのパターンを付与することができる。ＬＶが偏光によって動作する場合、１３５Ａを複屈折結晶から均質な材料に変化させると、材料偏光修正属性がオフになり、１０５Ａは、書き込みビームパターンを付与される。

消去ビーム（１２０Ａ）は、書き込み領域に当たり、そのフルエンス、波長、およびパルス幅により、より長い時間枠にわたって書き込みビームの低出力バージョンを提示する。１２０Ａは、１３５Ａの非晶質領域の温度をそのガラス転移点よりも上に上昇させ、シード層テンプレートまたは隣接する変質されていない体積に固有の特徴により、変質された体積で再結晶化が生じるまで、その温度を維持する。１２０Ａのパルス幅τ３は、典型的には、（ＧＳＴに関して）数十ナノ秒である。

１００Ａでは、薄膜相変化媒体１３５Ａは、ＧＳＴ、Ｓｃ_０．２Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＧｅＴｅ、Ａｇ_４Ｉｎ_３Ｓｂ_６７Ｔｅ_２６、Ｇｅ_１５Ｓｂ_８５、またはＳｂなど多数のカルコゲナイドガラスを含むいくつかの異なる材料でよい。さらに、ＣｄＴｅ、ＡＺＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、またはＳｉなどの多結晶質材料を使用することもできる。いくつかの場合には、液晶の非線形性の態様を使用することができ、非線形性は、液晶およびそれらの配置の相変化を引き起こす。さらに、量子ドット、人工誘電体、または上述した個々の材料の群（カルコゲニド、多結晶、または非線形液晶）から構成されるメタマテリアルを１３５Ａで使用することができる。この薄層は、コーティングされた支持基板（１４５Ａ）または中間層１４０Ａに堆積させることができ、中間層１４０Ａは、ベースラインシーディング構造、反射防止スタック、熱放散もしくは断熱層、または支持基板への全般的な界面として作用して、接着性および膜機能を補助することができる。

１０５Ａに入り、アクション１１０Ａによって１３５Ａに付与された変質されたパターンと相互作用するＨＦＬは、１００Ａを出て１７５Ａになり、パターン化されたＨＦＬ光とパターン化されていないＨＦＬ光との両方を含む。このビームは、パターンＨＦＬ光１８０Ａを非パターン光１８５Ａから分割するパターン弁別器１９０Ａに当たる。１８０Ａは床に結像され、一方、１８５Ａは、ビームダンプに入る、または再フォーマットもしくは他の方法で処理される。パターン弁別器は、１８０Ａを１８５Ａから区別するために使用されている属性によって異なる。１３５Ａの複屈折の変化の場合、１９０Ａは偏光ビームスプリッタであり、位相の場合、１９０Ａは、干渉構造、または位相を振幅に変換することができる同様のコヒーレント構造であり得る。

有利には、従来のＬＶと比較して、相変化ＬＶは、より高い固有のレーザ損傷閾値を有する材料から構成される。情報が相変化ＬＶに書き込まれると、ＬＶはＨＦＬビームと相互作用し、ＨＦＬがＬＶの状態に影響を及ぼすことはない。

一実施形態は、長期の相変化パターン待ち時間を利用する。変更または修正が必要とされるまで、追加の１１０Ａまたは１２０Ａ光を必要とせずに、印刷床の様々な領域に印刷される必要がある共通のパターンを書き込み、疑似静止画像を提供することができる。

図１Ｂは、体積相変化ライトバルブ１００Ｂを示している。λ１およびｔ１で動作し、パルス幅がτ１であるパターン化されていないＨＦＬ光１０５Ｂは、ダイクロイック結合器１１０Ｂを通過して１１５Ｂになり、その後、体積相変化ＬＶ１１６Ｂに入る。λ１／２およびｔ１／２で動作し、パルス幅がτ１／２のパターン書き込み／消去ビーム光１２５Ｂは、結像レンズ１２０Ｂおよび位相遅延ライトバルブ（１３０Ｂ）を通過し、その後、１１０Ｂで反射して書き込みビーム（１４０Ｂ）または消去ビーム（１５０Ｂ）になる。１１６Ｂは、上部クラッド／シード層（１６５Ｂ）、相変化材料の体積（１７０Ｂ）、底部クラッド／シード層（１７５Ｂ）、および支持基板（１８０Ｂ）から構成される。１４０Ｂによって書き込まれるパターンは、１４５Ｂによって示され、１５０Ｂによって消去される体積パターンは、１５５Ｂによって示される。事前に書き込まれたパターン１６０Ｂは、１１５Ｂに作用し、パターンセパレータ（１９０Ｂ）を通過するパターン化されたおよびパターン化されていないフィーチャ（１８５Ｂ）の両方を含むＨＦＬビームをもたらす。パターン化されたＨＦＬビームは１９５Ｂになり、パターン化されていないビーム（２００Ｂ）はビームダンプに逸らされる、または再フォーマットもしくは他の方法で処理される。

体積相変化材料は通常、結晶質材料（上記と同じリスト）であるが、非晶質、液晶、ガラス、セラミック、ポリマー、量子ドット、人工誘電体、プラズモニック、またはメタマテリアルでもよい。体積相変化材料が有さなければならない条件は、λ１（ＨＦＬ波長）では透明であり非吸収性であり、一方、λ２および／またはλ３（書き込みおよび消去波長）では吸収性であることを必要とする。さらに、相変化材料は、感受率の非線形性（χ２またはχ３）を示すことができる材料であり得、したがって、λ１に対しては反応性を有さないが、λ２および／またはλ３に対しては高い反応性を有する。

λ２およびλ３への露出時の相変化は、λ１での光のいくつかの態様が修正されるようなものであり、これは、光位相遅延／前進（光波パケットまたは群速度の遅延）、偏光ベクトルのシフト、λ１に対する体積の全体的なスペクトル応答の変位、１１５Ｂの振幅／強度の修正、１１５Ｂに対する１７０Ｂの透過率または反射率の変化、または１１５Ｂの入射角に対する１８５Ｂの放出角の変化を含む。

１７０Ｂ内での相変化は、離散変化ボクセルを含む１６０Ｂによって例示されるように、非常に局所化されて離散していることがあり、または１４０Ｂおよび１５０Ｂに含まれるパターンのグレースケール値に応じて、１７０Ｂのスパンにわたって連続するグレースケールでもよい。書き込みまたは消去が行われる深さ（Δｚ）は、１３０Ｂによって１４０Ｂ／１５０Ｂに付与されるグレースケール値に依存する。

一実施形態では、１４０Ｂおよび１５０Ｂは、それぞれλ２およびλ３で動作することができる。その場合、隣接するボクセルで同時に１７０Ｂに作用することができる。同じ材料体積に書き込みと消去とを行うことが望まれる場合、追加の実施形態は、第２の１３０Ｂがλ２およびλ３で個別に作用することを必要とし、この実施形態は図示されていないが、１２０Ｂの前に追加の光回路を必要とする。

１５０Ｂによる任意のボクセル体積の消去は、１６５Ｂおよび１７５Ｂの隣接する変質されていない体積またはフィーチャ／構造のいずれかを使用して、相変化材料がその本来の／初期状態に戻ることを可能にする。

図１Ｃは、量子ドット相変化ライトバルブ１００Ｃを示す。相変化材料（１１０Ｃ）は、平面構造（１つの離散ボクセルを取ることができる）または体積構造（列としての多くの離散ボクセル、３Ｄ体積内のグレースケールボクセル、または３Ｄ体積にわたるアナロググレースケール、総称的に１１１Ｃとして示す）のいずれかでよい。λ１で動作するパターン化されていないＨＦＬは、１１０Ｃ内の量子ドットの体積が１２０Ｃによって修正された領域で１０５Ｃに入射する。持続時間τ１でλ２、Ｉ１、ｔ１（それぞれ波長、フルエンス、および時間間隔）で動作するパターン化された書き込みビームは、１０５Ｃに入り、１１５Ｃが体積１１０Ｃに入る前にこの体積に作用する。書き込みビームにより、量子ドットが相変化を受け、それらの光学特性が１１５Ｃに対して変化し、１１５Ｃが１１０Ｃを通過するときに１１０Ｃが１１５Ｃの振幅、位相、偏光、またはスペクトル応答に影響を及ぼし、したがって１１５Ｃが１１０Ｃから出るときに１１５Ｃを１３０Ｃに変化させる。得られたパターン化されたＨＦＬ（１３０Ｃ）は、１０５Ｃから出て、印刷床に進む。パターン化されていないＨＦＬビームは、１２０Ｃによってアドレス指定されていない領域で１０５Ｃに入り、１１０Ｃ内の変更されていない量子ドットによって影響を及ぼされずに通過して、パターン化されていないＨＦＬ１３５Ｃのままであり、ＨＦＬ１３５Ｃは、廃光として進み、ビームダンプ、画像再フォーマット機能、またはスイッチヤードシステムに送られる。

１１０Ｃの詳細な検査は１４０Ｃに示されており、上述した材料のいずれかからコアを構成することができる量子ドットから構成されている。量子ドットは、その全体の寸法が１１５Ｃと共鳴するように構築され、この共鳴は、本来の状態または相変化状態でのコア材料の光学特性に依存する。コアが修正されると、１１５Ｃに対するその応答の態様が変化し、１１０Ｃの変質された体積が、１２０Ｃによって変質されなかった場所または消去ビーム１５０Ｃによってさらに修正された場所とは異なる反応をして、異なる方法で１１０Ｃを修正する。書き込みビーム（１４５Ｃ）は１４０Ｃに入り、それにより、ビームが照射する量子ドットが相変化を受ける。量子ドットのコアは、λ２およびλ３で吸収性を有し、λ１では吸収性を有さない材料から構成される。

量子ドットの詳細な検査が１５５Ｃに示されており、いくつかのシェルでカバーされたコア１７５Ｃから構成され、最も外側のシェル（１６０Ｃ）がλ１で共鳴し、１つまたは複数の内側シェル寸法がλ２／λ３で共鳴する。内側シェルは、バッファ層（１６５Ｃ）およびシード層（１７０Ｃ）を含む。１６５Ｃと１７０Ｃがどの波長でも吸収性を有さないという追加の要件により、言及したこれら２つのシェルよりも多くのシェルがあり得る。１２０Ｃの一部は１１０Ｃに入射し、１４０Ｃとして示される１１０Ｃのサブセクションに入射する１４５Ｃとして示され、同様に、１４５Ｃの一部は、１８０Ｃとして単一の量子ドットに入射するものとして示されている。内側シェル寸法はλ２で共鳴するので、１８０Ｃは１６０Ｃに入り、λ２、Ｉ１、およびτ１のその動作パラメータで、１６０Ｃの内部で複数の反射を受け、それによりコアが（一例として）結晶質から非晶質へ相変化を受ける。この相変化は、１１５Ｃに関する屈折率および／または複屈折の修正と、λ１での共鳴変化をもたらす。この修正は、１１５Ｃが、１５５Ｃと、１２０Ｃが活性化する１４０Ｃ（さらに１１０Ｃ）のボクセル内の量子ドットの集合とを通過するときに、１１５Ｃに影響を及ぼす。コアの相変化は、１９０Ｃとして表され、相変化は、１５５Ｃの状態が１８５Ｃの経路に沿って１９０Ｃに変化するものとして示されている。

持続時間τ２で、λ２またはλ３、Ｉ２、ｔ２で動作する消去ビーム（１５０Ｃ）は、１４０Ｃに入射し、量子ドットのコアに、シードシェル層（１７０Ｃ）によって（一例として）非晶質から結晶質状態に戻る相変化を起こさせる。単一の量子ドットを有する消去ビームの作用の検査は、１９０Ｃによって表されており、１５０Ｃのサブセットが１９５Ｃによって表されており、事前に変更された量子ドットに入射する。１５０Ｃのサブセットは量子ドットに入り、それにより、コア（２００Ｃ）は、経路２０５Ｃによって表される元の状態に戻る相変化を受ける。

量子ドットの体積は、自立した相変化の相当する体積よりもはるかに小さく、量子ドットのシード層も同様に、正相変化または消去相変化を受ける体積に近いので、これにより、１０５Ｃが、標準的な体積または平面相変化ＬＶよりもはるかに速く活性化／消去を行う。

別の実施形態は、λ１で吸収性を有するように選択されたシェル層（例えば１７０Ｃ）と、吸収性を有さないように選択された１７５Ｃとのうちの一方を有する。代わりに、１７５Ｃは、消去サイクル中の復元プロセスのためのシード構造として作用することができる。これは、堆積法によって体積および吸収機能を高めることができるので、消去時間を短縮する目的で有益である。追加の利点は、バルク材料の自然な吸収機能に依存するのではなく、プロセスによって相変化パラメータを調整できるので、相変化／リセットに使用することができる使用可能な材料の数を増加させることである。

図１Ｄは、メタマテリアル相変化ライトバルブ１００Ｄを示している。メタマテリアル構造１１０Ｄは、メタマテリアル相変化ＬＶ構造１０５Ｄにおける活性相変化材料である。相変化修正は１１５Ｄによって例示され、体積ベースのメタマテリアルまたは平面のいずれでもよい。詳細の検査１５５Ｄは、わかりやすくするために平面として示されている。パターン化されていない高フルエンスビーム（１２０Ｄ）が１０５Ｄに入り、１１５Ｄと相互作用し、パターン化された書き込み／消去ビーム（１２５Ｄ）が１１０Ｄに相変化を引き起こさせている場合には常に、１０５Ｄから出ると、パターン化されたＨＦＬビーム（１３０Ｄ）になる。１２０Ｄは、持続時間τ１で、λ１およびｔ１で動作し、１２５Ｄは、それぞれ書き込みビームおよび消去ビームに関して、持続時間τ２／τ３で、λ２／λ３、Ｉ２／Ｉ３、ｔ２／ｔ３で動作する。１３５Ｄによって修正されていない領域では、ＨＦＬビーム１３５Ｄは、１０５Ｄに入り、１１０Ｄを通過しても影響を及ぼされず、パターン化されていないＨＦＬビーム１４０Ｄのままである。１１０Ｄの検査は、１４１Ｄによって例示される。

書き込みビーム（１４５Ｄ）が１４１Ｂ－Ｉに入る。このビームは、典型的には、短く高強度のフルエンスを有しており、したがって（典型的には）Ｉ２＞Ｉ３およびτ２＜τ３である。１４５Ｄは、１４１Ｄ内の相変化材料によって吸収され、したがって、材料は（例として）結晶質状態から非晶質状態への相変化を受け、このプロセスはτ２時間枠で行われ、材料は、再結晶化する前に新たな非晶質に急速に安定化する。非晶質状態は、メタマテリアルの特性および１２０Ｄに対するその応答の変化を引き起こす。この応答は、スペクトル、偏光、または１４１Ｄの複素インピーダンスの変化でよく、λ１での１４１Ｄの透過性または反射性応答が影響を及ぼされ、したがって１２０Ｄの振幅、位相、偏光、または１０５Ｄから出る方向を修正する。１４５Ｄは、１４１Ｄに対するこの修正を空間的に実施するので、出射する１３０Ｄは、修正された応答と同じ空間パターンに修正される。１４５Ｄはグレースケールをサポートすることができ、完全な結晶質（ピクセルが活性化されていない）から完全な非晶質（ピクセルが完全に活性化されている）まで、様々なレベルの多結晶質状態を１４１Ｄに生成することができる。

消去ビーム（１５０Ｄ）は１４１Ｄに入り、１４１Ｄ内で吸収され、したがって、材料は（一例として）非晶質から結晶質への相変化を受け、メタマテリアルをその元の状態に戻す。１５０Ｄもパターン化することができ、１４５Ｄによって提供されるのと同じグレースケールレベルでピクセルをリセットすることができる。

１４１Ｄの詳細は１５５Ｄに示されており、これは平面メタマテリアルフィーチャの小さなサブセットを示している。様々なシェル材料およびＱＤ形状（球体、楕円体、小板、他の体積形状）を使用して複雑な共鳴を生成することができる構造化された量子ドットを使用することによって、このアレイの体積等価を実現することができる。１５５Ｄのさらなる詳細な検査は１８０Ｄに例示されており、これは、結晶質層（１６０Ｄ）の上のメタマテリアル回路のアレイを示しており、１６５Ｄは１つの使用可能なメタマテリアル回路の一例を示している。メタマテリアル回路のこの例は、λ１で共鳴するフィーチャ１７０Ｄと、１６０Ｄと同じ結晶質材料から構成される制御構造（１７５Ｄ）とから構成される。１４５Ｄが１４１Ｄを照射すると、１７５Ｄに集束され、この材料の相変化を引き起こし、材料が結晶質から非晶質に変化する。この変化は、１６５Ｄの共鳴構造および１２０Ｄに対するその応答の変化を生じ、１２０Ｄを１３０Ｄに変化させる。同様に、１５０Ｄは、１４１Ｄを照射するとき、１７５Ｄに集束され、１４５Ｄによって最初に変更された１８０Ｄのピクセルに、より長いパルス持続時間にわたってより低いフルエンスで影響を及ぼすことができ、１６０Ｄのシード層とともに、非晶質（または多結晶質から非晶質への様々なレベル）にされた変質された領域を結晶質（または結晶質への他のレベルの多結晶質）に戻す。同様に、１４５Ｄの照射とともに、１５０Ｄは、１８０Ｄの共鳴および１２０Ｄへのその応答に影響を及ぼすことができるが、１４１Ｄの状態をその初期状態に戻すために使用される。１４５Ｄおよび１５０Ｄはλ２／λ３で動作すると述べたが、同じ波長λ２で動作することもできる。それらの他のパラメータ（Ｉ、ｔ、およびτ）は、材料に依存するので異なる可能性が高い。

図１Ｅは、ピクセル歪み相変化ライトバルブ１００Ｅを示している。相変化材料は、結晶質のいずれかであり得る。パターン化されていない偏光ＨＦＬビーム（１１０Ｃ）は１０５Ｅに入り、事前にパターン化されたボクセルアレイ（１１５Ｅ）を通過し、ボクセルアレイ（１１５Ｅ）は、画像ごとに１００Ｅの偏光状態を修正して、１１５Ｅに書き込まれた作成された複屈折に相関される楕円偏光を含むパターン化されたＨＦＬビーム（１２０Ｅ）を作成する。この複屈折を作成するためのアクションは、１４０Ｅによって例示される体積パターン化画像内でのボクセル間の歪み（１３５Ｅ）を作成することによって生成され、１３５Ｅは、２つのグレースケールボクセルを表し、各ボクセルが、ボクセル内の任意の１つの層にわたるグレースケールの変化を含む。材料が差分相変化を受けると、ピクセル間に歪みが生じ、ピクセル間のこの領域に、制御された複屈折を生成する。これらのアクションは、結晶質または非晶質材料で行うことができる。画像の位置を平面（１６５Ｃ）内で横方向に移動すると、２次元（２Ｄ）の歪み画像が生成され、体積全体に対してこれを行うことで、３次元（３Ｄ）の歪み場（１７０Ｃ）が作成される。歪みは、この狭い領域にわたって屈折率を修正し、２Ｄ屈折率格子を作成し、これは、３Ｄ歪み場に拡張されるときに、１１０Ｃで有用な機能を生成することができる。ＨＦＬはコヒーレントビーム（１３０Ｃ）であるので、１３０Ｅの出力ビームが１４０Ｅと相互作用して１４０Ｅを通過するときに、歪みによって引き起こされた屈折率変化が、１３０Ｅの出力ビームのコヒーレント方向の差分変化を生じ、１５０Ｅとして示される方向を有する１４５Ｅにする。１０５Ｃでの相変化材料が最初に結晶質材料から構成されている場合、その偏光状態と方向状態とを同時に修正することが可能であり、ボクセル１１５Ｅに書き込まれた歪みパターンに応じて角度操作することができる振幅変化する空間画像を生成できる。１３０Ｅが、１６０Ｅで示されるように１０５Ｅへのコヒーレント偏光入射ビームであり、ピクセル歪みボクセルが、１１５Ｃ全体にわたって領域（１６５Ｃ）を３Ｄで重ね合わせることによって作成される場合、結果として生じる３Ｄ歪み（１７０Ｃ）は、１６０Ｅに体積相および振幅構造を符号化し、１０５Ｅを通過すると１７６Ｃになる。複雑に符号化された１７５Ｅは、１０５Ｃから離れた位置で、シングルまたはマルチローブ（１８０Ｃ）出力を可能にし、１０５Ｅをソリッドステートスキャナおよび／または画像再フォーマット機能用のダイナミックフェーズドアレイとして作用させる。重ね合わせ部分１６５Ｅは、１５５Ｃで述べたものの拡張である。

図１Ｆは、構造化材料歪み相変化ライトバルブ１００Ｆを示している。この実施形態では、純粋な結晶質または非晶質の相変化材料の代わりとして、構造化された材料が使用される。構造化された材料は、上記の材料のセットを含むが、自然発生的に形成される層によって提供されるのではなく、堆積することができる。この実施形態では、構造化材料１１０Ｆは、歪み相変化ＬＶ（１０５Ｆ）内の相変化体積である。定義された形状を有し、任意選択でパターン化（１２０Ｆ）することができる入射ＨＦＬ（１１５Ｆ）が１０５Ｆに入り、事前に符号化された歪みボクセル１２５Ｆと相互作用し、１０５Ｆを出た後、この体積構造を１３０Ｆとして含む。ここで１３０Ｆの一部である１２０Ｆに移送されたボクセル情報は、出射ＨＦＬを画像再フォーマットして、任意のプロファイル、および１２０Ｆとは異なるパターン化（１３５Ｆ）を達成することができるようにする。

図１Ｇは、非線形材料相変化ライトバルブ１００Ｇを示す。この実施形態では、非線形光学特性または電気光学特性を有する材料は、λ２で動作する書き込みビームによって修正することができ、λ１（ＨＦＬビーム動作波長）では影響がない。そのような材料の１つは、ネマチックおよび等方性液晶（ＬＣ）である。通常はこれらの相に存在する多数のＬＣがあり、ここで挙げるには多すぎ、それらの３次感受率（χ３）により、ＬＣが、（例えば）青およびＵＶ範囲（およびλ２を有する）での書き込み／消去ビームと相互作用でき、それらの線形電気光学特性は、近赤外（ＮＩＲ）波長に関して修正される。これらの材料は、ＮＩＲビームによる修正効果（線形または非線形）も有さない。システム１００Ｇは、χ３プロセスによるこの修正条件を使用する相変化ＬＶを示している。非線形活性化相変化ＬＶでは、ＬＶ（１０５Ｇ）は、上部基板（１１０Ｇ）と、ＬＣの体積（１２０Ｇ）を配向させる初期パターンを作成する上部アライメント層（１１５Ｇ）と、ＬＣに関する終端アライメント配置を可能にする底部アライメント層（１２５Ｇ）と、底部基板（１３０Ｇ）とから構成される。パターン化されていないＨＦＬビーム（１３５Ｇ）が、書き込みビームによってアドレス指定されていない領域で１０４Ｇに入り、影響を受けずに１０５Ｇを通過して１４０Ｇになる。このビームは、ビームダンプまたはスイッチヤードに進む、あるいは再フォーマットされる。パターン化された書き込みビーム（１４５Ｇ）が存在する領域では、１２０Ｇを有するＬＣがそのχ３感受率によって活性化され（１５５Ｇ）、ネマチック（構造化）相と等方（非構造化）相（１６０Ｇ）との間での相変化を受ける。この変化は、変質されるＬＣの体積（１５５Ｇ）の屈折率の大きな変化を生じ、入射するパターン化されていないＨＦＬ（１５０Ｇ）がパターン化され、パターン化されたＨＬＦＬビーム（１６５Ｇ）として１０５Ｇから出る。ボクセル（１５５Ｇ）内の相変化の一例が１７０Ｇに示されており、ここでは、ネマチックＬＣの図的な詳細が１８５Ｇとして示されており、ＬＣ平面が、体積１２０Ｇ全体にわたって基板および互いと位置合わせされる。１４５Ｇが１２０Ｇの体積を照射するとき、ＬＣはネマチックから等方性への相変化を受け（１８５Ｇが１９０Ｇに従って１８０Ｇに変化し）、λ１での屈折率が変更されて、パターン化されていない１５０Ｇを、パターン化された１６５Ｇにする。この効果は非常に速く、典型的には１０μｓ未満であり得る。書き込みビームがこのボクセルを照射しなくなると、隣接するＬＣ分子により、変質された領域がネマチック相に再編成され、これは１００マイクロ秒程度で、１ミリ秒よりもはるかに速く生じ、その屈折率がネマチック状態に戻り、その結果、１９０Ｇに従って１８０Ｇを１８５Ｇに変化させる。

図１Ｈは、補償光学構造１００Ｈにおける相変化ライトバルブの使用を示している。この実施形態では、相変化ＬＶは、ＬＵＩＳ分析モジュール（このシステムの検出モジュールを含む）およびＬＵＩＳ画像転送および走査モジュールを使用することによってフィードバックループに組み込まれる。これらはどちらも、仮出願された米国出願ＳＥＵＲ－０４１００に記載されている。

この構成では、相変化ライトバルブ（１０５Ｈ）が、ＡＭシステムでの用途を含むことができる高フルエンスレーザシステムにおけるフィードバック補正システムで２次ＬＶとして使用される。この構成では、パターン化されたＨＦＬビーム（１１０Ｈ）が、ダイクロイックビームスプリッタ（１１５Ｈ）を通過することによって補償光学制御ループシステム（１００Ｈ）に入り、１２０Ｈ（依然としてパターン化されたＨＦＬビーム）になり、１０５Ｈに入って通過する。相変化ＬＶ（１０５Ｈ）は、最初は活性化されておらず、その相変化体積にはパターンが含まれておらず、したがって、１２０Ｈは、１０５Ｈを通過して１３０Ｈになる。この初期（ベースライン）ビームは、ＬＵＩＳ分析モジュール（１３５Ｈ）を通過し、その一部は参照画像を形成するために残り、残りは、ＬＵＩＳ画像転送および走査アセンブリ（１４５Ｈ）に伝播する。画像転送アセンブリ（１４５Ｈ）は、１３０Ｈを宛先（これはＡＭ床または他の作業環境であり得る）に転送し、ここで、１３０Ｈは環境と相互作用し、環境が１３０Ｈの光学特性を乱して修正し、このビームの一部を反射して１４５Ｈに戻し、ここではフィードバックビーム（１５０Ｈ）として示されている１４０Ｈの歪んだバージョンになる。フィードバックビームは、潜在的な印刷エラー、ビームの問題または光学的欠陥による意図的でない保証されない印刷エラーを表す波面エラーを含み、このエラーは、現在および将来の印刷領域を破損することになり、時間とともに急速に変化し得る（フィードバック補正ループを介した修正に適応可能である）。このフィードバックビーム（１５０Ｈ）は、１３５Ｈに戻り、１３０Ｈから生成されたベースラインによって分析され、１３５Ｈからの波面エラー（１５５Ｈ）出力を生成し、これは、１０５Ｄを駆動するパターンジェネレータ（１６０Ｈ）に供給される。パターンジェネレータ（１６０Ｈ）は、書き込み／消去ビーム（１６５Ｈ）にインプリントされるパターンを作成し、このビームは、結像レンズ（１７０Ｈ）を通過し、光学相ＬＶ（１７５Ｈ）を通過し、１１５Ｈによって１１０Ｈと同一直線状になり、１８０Ｈによって１０５Ｈを修正し、１２０Ｈに対する補正を作成し、これは次いで、補正されたＨＦＬビーム（１８５Ｈ）になる。補正された１８５Ｈは、同じプロセスを経て、１１０Ｈをさらに洗練させる。補正ビーム（１８５Ｈ）は、下流のすべての要素および環境と相互作用し、これは、初期の１３０Ｈで明らかな初期収差および歪みを改善し、時間の経過とともにこれらの収差がリアルタイムで最小化される。

積層製造システムにおいてシステム１００Ｈの上述の実施形態を使用することで、線形光学収差および局所ホット／コールドスポットなどの光学的な歪みが補正され、より良好に解像された画像を印刷部分で実現する。局所化された温度変化による溶融プールでの系統的な変動を低減することができ、したがって密度とせん断ピクセル応力をより良く制御することができる。１１０Ｈが、同様の収差を有する大気および送達環境を備える武器ベースのシステムの一部である場合、同様の問題を補正することができる。一般に、システム１００Ｈは、輸送およびエンドポイント送達に収差が存在し、意図された表面／体積との最大エネルギー／出力交換を欠陥が減少させる、任意のタイプの１１０Ｈシステムで使用することができる。

上述した相変化ライトバルブシステムと組み合わせて、様々な波長の広範なレーザを使用することができる。いくつかの実施形態では、使用可能なレーザのタイプには、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、固体レーザ（例えばファイバ）、半導体（例えばダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガスダイナミックレーザ、「ニッケル様」サマリウムレーザ、ラマンレーザ、または核ポンプレーザが含まれるが、これらに限定されない。

ガスレーザには、ヘリウム－ネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、キセノンイオンレーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、またはエキシマレーザなどのレーザを含めることができる。

化学レーザには、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素－ヨウ素レーザ）、またはＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）などのレーザを含めることができる。

金属蒸気レーザは、ヘリウム－カドミウム（ＨｅＣｄ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－水銀（ＨｅＨｇ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－セレン（ＨｅＳｅ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－銀（ＨｅＡｇ）金属－蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン－銅（ＮｅＣｕ）金属－蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、またはマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ_２）蒸気レーザなどのレーザを含み得る。ルビジウムなどのアルカリ金属蒸気レーザも使用できる。固体レーザには、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジウムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジウムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザ、ネオジウムドープオキソホウ酸イットリウムカルシウムＮｄ：ＹＣａ_４Ｏ（ＢＯ_３）_３または単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジウムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザ、チタンサファイア（Ｔｉ：サファイア）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ_３（ガラスまたはセラミック）レーザ、イッテルビウムドープガラスレーザ（ロッド、プレート／チップ、およびファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウムドープリチウムストロンチウム（またはカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ^＋３：ガラス）固体レーザ、クロミウムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープおよびエルビウムイッテルビウム共ドープガラスレーザ、三価ウランドープフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ_２）固体レーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ_２）レーザ、またはＦセンターレーザなどのレーザを含み得る。

半導体レーザには、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器形面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、またはこれらの組み合わせなどのレーザ媒質タイプを含めることができる。

図２は、積層製造システム２００における、本明細書に開示されるような相変化ライトバルブの使用を示している。レーザ源２０２は、レーザ前置増幅器および／または増幅器２０４を介してレーザビームを相変化ライトバルブ２０６に向ける。パターン化後、光を印刷床２１０に向けることができる。いくつかの実施形態では、レーザ源２０２、レーザ前置増幅器および／または増幅器２０４、またはアクティブに冷却されるライトバルブ２０６からの熱またはレーザエネルギーは、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に能動的または受動的に転送することができる。ライトバルブベースの積層製造システム２００の全体的な動作は、レーザ出力およびタイミングを変更することができる１つまたは複数のコントローラ２２０によって制御することができる。

いくつかの実施形態では、様々な前置増幅器または増幅器２０４を任意選択で使用してレーザ信号に高利得を提供し、それとともに、光変調器およびアイソレータをシステム全体に分散させて、光損傷を低減または回避し、信号コントラストを改良し、システム２００のより低いエネルギー部分に対する損傷を防ぐことができる。光変調器およびアイソレータには、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セル、ファラデー回転子、ファラデーアイソレータ、音響光学反射器、またはボリュームブラッグ格子を含めることができるが、これらに限定されない。前置増幅器または増幅器２０４は、ダイオード励起増幅器またはフラッシュランプ励起増幅器でよく、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。理解されるように、本明細書における前置増幅器という用語は、（より大きい）レーザ増幅器に比べて熱的に制限されない（すなわちより小さい）増幅器を表すために使用される。増幅器は、典型的には、レーザシステム２００での最終ユニットになるように配置され、限定はされないが熱破壊や過度の熱レンズ効果などの熱損傷を受けやすい最初のモジュールになる。

レーザ前置増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス前置増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各前置増幅器２０４から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス前置増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる前置増幅器２０４の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化または偏光スイッチング（例えば、波長板またはファラデー回転子を使用する）によって達成することができる。

代わりに、前置増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。そのようなキャビティ構造は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）により最大パルス長を制限する可能性があるが、いくつかの実施形態では、「ホワイトセル」キャビティを使用することができる。「ホワイトセル」は、各パスに小さな角度ずれが追加されるマルチパスキャビティアーキテクチャである。入口および出口経路を提供することによって、そのようなキャビティは、入口と出口との間に非常に多数のパスを有するように設計することができ、増幅器の大きな利得と効率的な使用を可能にする。ホワイトセルの一例は、ビームがわずかにオフ軸で注入され、ミラーが傾いている共焦点キャビティであり、多くのパスの後に反射がミラーにリングパターンを作成する。注入およびミラー角度を調整することによって、パスの数を変更することができる。

増幅器は、システムエネルギー要件を満たすのに十分な蓄積エネルギーを提供するためにも使用され、それとともに、ダイオードであるか励起されるフラッシュランプであるかにかかわらず、システムに必要とされる繰り返し率での動作を可能にするのに十分な熱管理をサポートする。動作中に生成される熱エネルギーとレーザエネルギーとの両方を、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に向けることができる。

増幅器は、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各増幅器から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる増幅器の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）によって達成することができる。代わりに、増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。前置増幅器に関して論じたように、出力増幅のために増幅器を使用することができる。

いくつかの実施形態では、システム２００の動作中に生成される熱エネルギーとレーザエネルギーとを、熱伝達、熱機関、冷却システム、およびビームダンプ２０８に向けることができる。代わりに、またはそれに加えて、いくつかの実施形態では、ビームダンプ２０８は、他の産業プロセスに有用な熱を提供するための熱伝達システムの一部でよい。さらに他の実施形態では、熱を使用して、機械的、熱電気的、または電気的な力を生成するのに適した熱機関にエネルギー供給することができる。いくつかの実施形態では、廃熱を使用して、接続された構成要素の温度を上昇させることができる。理解されるように、このアーキテクチャでは、適切な熱管理および光分離を伴ってより多くの前置増幅器および増幅器を追加することによって、レーザ光束およびエネルギーをスケーリングすることができる。冷却システムの熱除去特性の調整が可能であり、性能を調整するためにポンプ速度の増加または冷却効率の変更が使用される。

図３は、本開示で述べるような相変化ライトバルブを収容することができる積層製造システム３００を示している。図３で見られるように、レーザ源および増幅器３１２は、相変化ライトバルブおよびレーザ増幅器、ならびに前述したような他の構成要素を含むことができる。図３に示すように、積層製造システム３００は、レーザパターン化システム３１０の一部として１次元または２次元の指向性エネルギーを提供できるレーザを使用する。いくつかの実施形態では、１次元パターン化は、直線状または曲線状のストリップ、ラスタ状の線、スパイラル状の線、またはその他の任意の適切な形式で指示することができる。２次元パターン化には、分離されたタイルや重複したタイル、またはレーザの強度が変化する画像を含めることができる。非正方形の境界を有する２次元画像パターンを使用することができ、重複または相互貫通画像を使用することができ、２つ以上のエネルギーパターン化システムによって画像を提供することができる。レーザパターン化システム３１０は、レーザ源および増幅器３１２を使用して、１つまたは複数の連続または断続的なエネルギービームをビーム成形光学系３１４に向ける。成形後、必要に応じて、ビームは、透過型ライトバルブまたは反射型ライトバルブを含むレーザパターン化ユニット３１６によってパターン化され、一般的に、一部のエネルギーは拒絶エネルギー処理ユニット３１８に向けられる。拒絶エネルギー処理ユニットは、図１Ａ～１Ｄに関して論じたようなライトバルブのアクティブな冷却によって提供される熱を利用することができる。

パターン化されたエネルギーは、床３４６の近くに焦点を合わせた２次元画像３２２としての一実施形態において、画像リレー３２０によって物品処理ユニット３４０に向けて中継される。床３４６（任意選択の壁３４８を有する）は、材料ディスペンサ３４２によって分注される材料３４４（例えば金属粉末）を含むチャンバを形成することができる。画像リレー３２０によって指示されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料３４４を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、レーザ源および増幅器３１２、ビーム成形光学系３１４、レーザパターン化ユニット３１６、および画像リレー３２０、およびシステム３００の他の構成要素の動作を調整することができる。理解されるように、接続は有線または無線で、連続または断続的に行うことができ、フィードバック（例えば、感知された温度に応じて熱加熱を調整することができる）の機能を備えている。

いくつかの実施形態では、ビーム成形光学系３１４は、レーザ源および増幅器３１２から受信した１つまたは複数のレーザビームをレーザパターン化ユニット３１６に向けて、結合、集束、発散、反射、屈折、均質化、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法で成形および指向させるために、非常に多様な撮像光学系を含むことができる。一実施形態では、それぞれが異なる光波長を有する複数の光ビームを、波長選択ミラー（例えば二色性）または回折要素を使用して組み合わせることができる。他の実施形態では、多面鏡、マイクロレンズ、および屈折または回折光学要素を使用して、複数のビームを均質化または組み合わせることができる。

レーザパターン化ユニット３１６は、静的または動的エネルギーパターン化要素を含むことができる。例えば、レーザビームは固定または可動要素を有するマスクによって遮断することができる。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレス指定可能なマスキング、画像生成、または伝送を使用できる。いくつかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、単独で、または他のパターン化機構と組み合わせて、パターン化を提供するアドレス指定可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過型、反射型、または透過型と反射型の要素を組み合わせて使用するものとできる。パターンは、電気的または光学的アドレス指定を使用して動的に変更できる。一実施形態では、光学的にアドレス指定された透過型ライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレス指定されたピクセルは、光投影源によって定義されるパターンを形成する。別の実施形態では、光学的にアドレス指定された反射型ライトバルブが、読み出しビームの偏光を変更するための書き込みビームを含む。特定の実施形態では、光学的にアドレス指定されていないライトバルブを使用することができる。これらには、電気的にアドレス指定可能なピクセル要素、可動ミラーまたはマイクロミラーシステム、ピエゾまたはマイクロ作動光学系、固定マスクまたは可動マスク、またはシールド、または高強度の光のパターン化を提供できるその他の従来のシステムが含まれ得るが、これらに限定されない。

拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、パターン化されず画像リレー３２０を通過しないエネルギーを分散、リダイレクト、または利用するために使用される。一実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニット３１８は、レーザ源、ライトバルブ、および増幅器３１２と、レーザパターン化ユニット３１６との両方から熱を除去する受動または能動の冷却要素を含むことができる。他の実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、レーザパターンの定義に使用されないビームエネルギーを吸収して熱に変換するための「ビームダンプ」を含むことができる。さらに他の実施形態では、ビーム成形光学系３１４を使用して、拒絶レーザビームエネルギーを再利用することができる。代わりに、またはそれに加えて、拒絶ビームエネルギーを加熱またはさらなるパターン化のために物品処理ユニット３４０に向けることができる。特定の実施形態では、拒絶ビームエネルギーを追加のエネルギーパターン化システムまたは物品処理ユニットに向けることができる。

一実施形態では、「スイッチヤード」スタイルの光学系を使用することができる。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンによる不要な光の拒絶によって生じる、積層製造システムで無駄になる光を減らすのに適している。スイッチヤードには、複雑なパターンの生成（この場合、構造化ビームまたは非構造化ビームに空間パターンが付与される平面）から一連のスイッチポイントを介した送達への複雑なパターンのリダイレクトが含まれる。各スイッチポイントは、必要に応じて入射ビームの空間プロファイルを変更できる。スイッチヤード光学系は、例えば、限定されず、光にマスクを適用するレーザベースの積層製造技術に利用することができる。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、捨てられたエネルギーは、均質化された形態で、あるいは、高い電力効率または高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光として再利用され得る。さらに、捨てられたエネルギーを再利用および再使用して強度を高め、より難しい材料を印刷することができる。

画像リレー３２０は、レーザパターン化ユニット３１６から直接またはスイッチヤードを介してパターン化された画像（１次元または２次元）を受信し、それを物品処理ユニット３４０にガイドすることができる。ビーム成形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、結合、集束、発散、反射、屈折、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法でパターン化された光を成形して指向させるための光学系を含むことができる。パターン化された光は、実質的な物理的移動を必要としない可動ミラー、プリズム、回折光学要素、または固体光学系を使用して指向させることができる。複数のレンズアセンブリのうちの１つは、倍率比を有する入射光を提供するように構成でき、レンズアセンブリは光学レンズの第１セットと光学レンズの第２セットの両方を備え、光学レンズの第２セットはレンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに取り付けられた１つまたは複数のミラーセットと構築プラットフォームガントリに取り付けられた最終的なミラーの回転を使用して、先行ミラーからの入射光を所望の場所に向けることができる。補償ガントリと構築プラットフォームガントリの並進運動はまた、物品処理ユニット３４０の先行ミラーからの入射光の距離が実質的に画像距離と同等であることを保証することができる。事実上、これにより、システムの高可用性を確保しながら、異なる材料の構築領域の場所全体で光ビームの送達サイズと強度を迅速に変更することができる。

物品処理ユニット３４０は、壁付きチャンバ３４８および床３４４（総体として構築チャンバを画定する）と、材料を分散するための材料ディスペンサ３４２とを含むことができる。材料ディスペンサ３４２は、分散、除去、混合、材料のタイプや粒径のグラデーションや変化の付与、または材料の層厚の調整が可能である。この材料には、金属、セラミック、ガラス、高分子粉末、固体から液体への熱的に誘起された相変化と再び戻ることができる他の可溶材料、またはそれらの組み合わせが含まれ得る。この材料にはさらに、可溶材料と不溶材料の複合材料が含まれ、いずれかまたは両方の成分を撮像リレーシステムによって選択的にターゲットにして、溶融可能な成分を溶融させる一方で、不溶材料に沿って残すか、または気化／破壊／燃焼またはその他の破壊プロセスを行わせることができる。特定の実施形態では、スラリー、スプレー、コーティング、ワイヤー、ストリップ、または材料シートを使用することができる。不要な材料は、送風機、真空システム、掃引、振動、振盪、傾斜、または床３４６の反転を使用して、使い捨てまたは再利用のために除去することができる。

物品処理ユニット３４０は、材料を扱う構成要素に加えて、３Ｄ構造を保持して支持するための構成要素、チャンバを加熱または冷却するための機構、補助または支持光学系、ならびに材料または環境条件を監視または調整するためのセンサおよび制御機構を含むことができる。物品処理ユニットは、全体または部分的に、真空または不活性ガス大気を支持して、不要な化学的相互作用を減らし、火災または爆発（特に反応性金属）のリスクを軽減することができる。いくつかの実施形態では、様々な純粋または他の大気の混合物が使用され得、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ２、Ｎ_２、Ｏ_２、ＳＦ_６、ＣＨ_４、ＣＯ、Ｎ_２Ｏ、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、ｉ－Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_４Ｈ_１０、１－Ｃ_４Ｈ_８、ｃｉｃ－２、Ｃ_４Ｈ_７、１，３－Ｃ_４Ｈ_６、１，２－Ｃ_４Ｈ_６、Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｉ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ_６Ｈ_１４、Ｃ_２Ｈ_３Ｃｌ、Ｃ_７Ｈ_１６、Ｃ_８Ｈ_１８、Ｃ_１０Ｈ_２２、Ｃ_１１Ｈ_２４、Ｃ_１２Ｈ_２６、Ｃ_１３Ｈ_２８、Ｃ_１４Ｈ_３０、Ｃ_１５Ｈ_３２、Ｃ_１６Ｈ_３４、Ｃ_６Ｈ_６、Ｃ_６Ｈ_５－ＣＨ_３、Ｃ_８Ｈ_１０、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、ｉＣ_４Ｈ_８を含むものを含む。いくつかの実施形態では、冷媒または大きな不活性分子（六フッ化硫黄を含むがこれに限定されない）を使用することができる。選択されたパーセンテージの不活性／非反応性ガスとともに、体積（または数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有するエンクロージャ大気組成を使用することができる。

特定の実施形態では、それぞれが粉末床を保持するための構築プラットフォームを有する複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバを、１つまたは複数の入射エネルギービームを受け取って構築チャンバに向けるように配置された複数の光学機械アセンブリと組み合わせて使用することができる。複数のチャンバにより、１つまたは複数の構築チャンバ内での１つまたは複数の印刷ジョブを同時に印刷できる。他の実施形態では、着脱可能なチャンバ側壁は、構築チャンバからの印刷された物体の取外しを簡略化することができ、粉末材料の迅速な交換を可能にする。チャンバには、調整可能なプロセス温度制御機能を装備することもできる。さらに他の実施形態では、構築チャンバは、レーザ光学系の近くに配置可能な着脱可能なプリンタカートリッジとして構成することができる。いくつかの実施形態では、着脱可能なプリンタカートリッジは、粉体を含む、または粉体供給源への取外し可能な接続を支持することができる。物品の製造後、着脱可能なプリンタカートリッジを取り外して、新しいプリンタカートリッジに交換することができる。

別の実施形態では、１つまたは複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバは、固定された高さに維持される構築チャンバを有することができ、一方、光学系は垂直に移動できる。レンズアセンブリの最終光学系と粉末床の上面との間の距離は、構築プラットフォームを固定された高さに保ったまま、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上方にインデックスすることによって、本質的に一定に管理することができる。有利には、構築プラットフォームを垂直方向に移動させる場合と比較して、構築プラットフォームの絶えず変化する質量の正確なミクロンスケールの移動が必要ないため、大きくて重い対象物をより簡単に製造できる。通常、約０．１～０．２立方メートル（すなわち、１００～２００リットルを超えるか、５００～１，０００ｋｇより重い）を超える体積の金属粉末を対象とする構築チャンバは、構築プラットフォームを固定された高さに保つことで最もメリットがある。

一実施形態では、粉末床の層の一部を選択的に融解または融合して、粉末床の層の融合部分から１つまたは複数の一時的な壁を形成し、構築プラットフォーム上の粉末床の層の別の部分を含むことができる。選択された実施形態では、改善された熱管理を可能にするために、１つまたは複数の第１壁に流体通路を形成することができる。

いくつかの実施形態では、積層製造システムは、ホッパ内で粉末床を構築プラットフォームから実質的に分離するために、傾斜、反転、および振盪することができる粉末床を支持する構築プラットフォームを有する物品処理ユニットまたは構築チャンバを含むことができる。粉末床を形成する粉末状の材料は、後の印刷ジョブで再使用するためにホッパに回収され得る。粉末の回収プロセスは自動化され、粉末の排出と除去を支援するためにバキュームやガスジェットシステムも使用され得る。

いくつかの実施形態では、積層製造システムは、利用可能な構築チャンバよりも長い部品を容易に扱うように構成することができる。連続した（長い）部品を、第１ゾーンから第２ゾーンへと縦方向に順次進めることができる。第１ゾーンでは、選択した粒状材料の顆粒を結合できる。第２ゾーンでは、粒状材料の未結合の顆粒を除去することができる。連続部品の第１部分は、第２ゾーンから第３ゾーンに進むことができ、一方、連続部品の最後の部分は第１ゾーン内で形成され、第１部分は、第１部分が第１ゾーンと第２ゾーン内で占めていた横方向および横断方向の同じ位置に維持される。実際には、粒状材料および／または部品の除去のために停止する必要なく、部品コンベア上の異なる場所またはゾーンで、積層製造とクリーンアップ（例えば、未使用または未結合の粒状材料の分離および／または再生）を並行して（すなわち同時に）実行することができる。

別の実施形態では、エンクロージャの内部とエンクロージャの外部との間のガス状物質の交換を制限するエンクロージャを使用することによって、積層製造能力を向上させることができる。エアロックは、内部と外部の間のインターフェースを提供し；動力床融合を支持するものを含む、複数の積層製造チャンバを内部に有する。ガス管理システムは、内部のガス状酸素を制限酸素濃度以下に維持し、システムで使用できる粉末のタイプや処理の柔軟性を高める。

別の製造実施形態では、物品処理ユニットまたは構築チャンバをエンクロージャ内に収容し、構築チャンバが２，０００キログラム以上の重量を有する部品を作製できるようにすることで、能力を向上させることができる。ガス管理システムは、大気レベル未満の濃度でエンクロージャ内のガス状酸素を維持することができる。いくつかの実施形態では、エアロックは、エンクロージャ内のガス環境とエンクロージャ外のガス環境の間の緩衝、およびエンクロージャとエアロックの両方の外部の場所に動作するため、車輪付き車両は、エンクロージャ内からエアロックを介して部品を搬送することができる。

他の製造の実施形態は、粉末床からリアルタイムで粉末サンプルを収集することを含む。インゲスターシステムは、粉末サンプルのインプロセス収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施することができ、特性評価の結果、粉末床融合プロセスの調整が行われる。インゲスターシステムは、必要に応じて、監査、プロセス調整、またはプリンタパラメータの変更やライセンスされた粉末材料の適切な使用の確認などのアクションの１つまたは複数に使用できる。

クレーン、リフティングガントリ、ロボットアームなどのマニピュレータ装置を使用することで、または同様に人が動かすことが困難または不可能な部品の操作を可能にする、積層製造プロセスのさらなる改善が可能であると説明されている。マニピュレータ装置は、部品上に永続的または一時的に積層製造された様々な操作点を把握し、部品の再配置や操作を可能にすることができる。

制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザ増幅器、光学系、熱制御、構築チャンバ、およびマニピュレータ装置を含む、本明細書に記載されている積層製造システム３００の任意の構成要素を制御するために接続することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、動作を調整することができる。制御や監視に使用される情報を提供するために、イメージャ、光強度モニタ、熱センサ、圧力センサ、またはガスセンサなどの幅広いセンサを使用できる。制御プロセッサは、単一の中央コントローラとすることも、または代わりに、１つまたは複数の独立した制御システムを含めることもできる。コントローラプロセッサ３５０には、製造指示の入力を可能にするインターフェースが設けられている。幅広いセンサを使用することで、品質、製造スループット、およびエネルギー効率を向上させる様々なフィードバック制御機構が可能になる。

積層または除去製造に適した相変化ライトバルブの使用を支持する製造システムの動作の一実施形態を図４に示す。この実施形態では、フローチャート４００は、記述された光学構成要素および機械構成要素によって支持される製造プロセスの一実施形態を示している。ステップ４０２では、床、チャンバ、またはその他の適切な支持に材料を配置する。材料は、除去製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、または溶融、融合、焼結、結晶構造を変化させるための誘導、応力パターンの影響を受ける、またはその他の方法で化学的または物理的に積層製造技術によって変更して所望の特性を有する構造を形成することができる粉末であり得る。

ステップ４０４では、パターン化されていないレーザエネルギーが、固体または半導体レーザを含むがこれに限定されない、１つまたは複数のエネルギー放射体によって放出され、その後、１つまたは複数のレーザ増幅器によって増幅される。ステップ４０６では、パターン化されていないレーザエネルギーを成形し、修正する（例えば、強度変調または集束）。ステップ４０８では、相変化ライトバルブによって、このパターン化されていないレーザエネルギーをパターン化し、パターンの一部を形成していないエネルギーはステップ４１０で処理される（これには、廃熱への変換、パターン化されたエネルギーまたはパターン化されていないエネルギーとしての再利用、またはステップ４０４でレーザ増幅器を冷却することによって発生する熱の廃棄を可能にする、図２および図３に関して開示されたビームダンプの使用が含まれ得る）。ステップ４１２では、ここで１次元または２次元の画像を形成するパターン化されたエネルギーが材料に向けて中継される。ステップ４１４では、画像が材料に適用され、３Ｄ構造の一部が除去処理されるか、または積層的に構築される。積層製造では、画像（または異なる画像と後続の画像）が材料の最上層の必要なすべての領域に適用されるまで、これらの手順を繰り返すことができる（ループ４１６）。材料の最上層へのエネルギーの適用が終了したら、新しい層を適用して（ループ４１８）、引き続き３Ｄ構造を構築できる。これらのプロセスループは、残った余分な材料を除去または再利用できる場合、３Ｄ構造が完成するまで継続される。

図５は、パターン化された２次元エネルギーの再使用を可能にする相変化ライトバルブおよびスイッチヤードシステムを含む積層製造システムの一実施形態である。積層製造システム５２０は、１つまたは複数の連続または断続的なレーザビームをビーム成形光学系５１４に向けるレーザおよび増幅器源５１２を備えたエネルギーパターン化システムを有する。余剰の熱は、図１Ａ～図１Ｄ、図２、図３、および図４に関して開示されたアクティブライトバルブ冷却システムを含むことができる拒絶エネルギー処理ユニット５２２に伝達することができる。成形後、ビームは、相変化材料に基づくエネルギーパターン化ユニット５３０によって２次元的にパターン化され、一般に、一部のエネルギーが拒絶エネルギー処理ユニット５２２に向けられる。パターン化されたエネルギーは、複数の画像リレー５３２の１つによって、１つまたは複数の物品処理ユニット５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ、または５３４Ｄに向けて、典型的には可動のまたは固定された高さの床の近くに焦点を合わされた２次元画像として中継される。床は、粉末ホッパまたは同様の材料ディスペンサを含むカートリッジ内にある。画像リレー５３２によって指示されるパターン化されたレーザビームは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。

この実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、拒絶されたパターン化されたエネルギーの再使用を可能にするために複数の構成要素を有する。レーザ増幅器およびレーザ源５１２からの冷却流体は、発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、またはエネルギーダンプ５２６のうちの１つまたは複数に向けることができる。さらに、リレー５２８Ａ、５２８Ｂ、および５２８Ｃは、エネルギーを発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、またはエネルギーダンプ５２６にそれぞれ転送することができる。任意選択で、リレー５２８Ｃは、さらなる処理のために、パターン化されたエネルギーを画像リレー５３２に向けることができる。他の実施形態では、パターン化されたエネルギーを、リレー５２８Ｃによってリレー５２８Ｂおよび５２８Ａに向け、レーザおよび増幅器源５１２によって提供されるレーザビームに挿入することができる。画像リレー５３２を使用して、パターン化された画像の再使用も可能である。画像は、１つまたは複数の物品処理ユニット５３４Ａ～Ｄに配信するために、リダイレクト、反転、ミラーリング、サブパターン化、または他の方法で変換することができる。有利には、パターン化された光の再使用は、積層製造プロセスのエネルギー効率を改良し、いくつかの場合には床に向けられるエネルギー強度を改良する、または製造時間を短縮することができる。

本発明の多くの修正および他の実施形態は、上記の説明および関連する図面に示された教えの利益を有する当業者の頭に浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、修正および実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図していると理解される。また、本発明の他の実施形態は、本明細書で特に開示されていない要素／ステップがない場合にも実施できることが理解される。

Claims (20)

1. 第１の波長での高フルエンスレーザビームを生成するための高出力レーザと、
   第２の波長での書き込みビームに応答し、前記第１の波長では応答しない相変化材料を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブと
   を備える、積層製造システム。
2. 前記相変化材料が、体積相変化をサポートする、請求項１に記載の積層製造システム。
3. 前記相変化材料が、量子ドット相変化材料である、請求項１に記載の積層製造システム。
4. 前記相変化材料が、メタマテリアル相変化材料である、請求項１に記載の積層製造システム。
5. 前記相変化材料が、ピクセル歪み相変化材料である、請求項１に記載の積層製造システム。
6. 前記相変化材料が、構造化材料である、請求項１に記載の積層製造システム。
7. 前記相変化材料が、非線形材料相変化材料である、請求項１に記載の積層製造システム。
8. 前記２Ｄパターン化可能なライトバルブが、消去ビームに応答する相変化材料を有する、請求項１に記載の積層製造システム。
9. 前記２Ｄパターン化可能なライトバルブが、補償光学構造に組み込まれる、請求項１に記載の積層製造システム。
10. パターン化された２次元エネルギーの再利用を可能にするスイッチヤードシステムに前記２Ｄパターン化可能なライトバルブを組み込むことをさらに含む、請求項１に記載の積層製造システム。
11. 第１の波長での高フルエンスレーザビームを生成するための高出力レーザを提供すること、および
    前記高フルエンスレーザビームを受け取るように２Ｄパターン化可能なライトバルブを配置することを含む、積層製造方法であって、前記２Ｄパターン化可能なライトバルブが、第２の波長での書き込みビームに応答し、前記第１の波長では応答しない相変化材料を含む、
    積層製造方法。
12. 前記相変化材料が、体積相変化をサポートする、請求項１に記載の積層製造方法。
13. 前記相変化材料が、量子ドット相変化材料である、請求項１０に記載の積層製造方法。
14. 前記相変化材料が、メタマテリアル相変化材料である、請求項１０に記載の積層製造方法。
15. 前記相変化材料が、ピクセル歪み相変化材料である、請求項１０に記載の積層製造方法。
16. 前記相変化材料が、構造化材料である、請求項１０に記載の積層製造方法。
17. 前記相変化材料が、非線形材料相変化材料である、請求項１０に記載の積層製造方法。
18. 前記２Ｄパターン化可能なライトバルブが、消去ビームに応答する相変化材料を有する、請求項１０に記載の積層製造方法。
19. 前記２Ｄパターン化可能なライトバルブが、補償光学構造に組み込まれる、請求項１０に記載の積層製造方法。
20. パターン化された２次元エネルギーの再利用を可能にするスイッチヤードシステムに前記２Ｄパターン化可能なライトバルブを組み込むことをさらに含む、請求項１０に記載の積層製造方法。