JP2023549638A - 共振ベースのライトバルブシステム - Google Patents

Abstract

付加製造システムは、第１の波長で高フルエンスのレーザビームを形成するための高出力レーザを含む。システムは、書き込みビームに応答する共振ベースの構造体を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブを含む。

Description

［関連出願］
本開示は、その全体が参照により組み込まれる２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願６３／１０７，３０３の優先権を主張する非仮特許出願の一部である。

［技術分野］
本開示は、一般的に、共振ベースの制御構造体を含む動作ライトバルブシステムに関する。より具体的には、高フルエンスビームための透過又は反射パターン化を創出するために低出力書き込みビームを使用した共振ベースの制御構造体の使用。

高フルエンスで長時間動作可能な光を備えた高出力レーザシステムは、パターン化された高エネルギレーザの使用から利益を得ることができる付加製造及びその他の用途に有用である。

本開示の非限定的で非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、同様の参照番号は、別段の指定がない限り、様々な図全体を通じて同様の部分を指す。

共振ベースのライトバルブを説明する。 共振ベースのライトバルブを説明する。 共振ベースのライトバルブにおける反射又は透過応答を描写するグラフを説明する。 共振ベースのライトバルブのためのラムダマジックミラーを説明する。 共振ベースのライトバルブのためのラムダマジックミラーを説明する。 ラムダマジックミラー共振ベースのライトバルブにおける反射又は透過応答を描写するグラフを説明する。 フェーズドアレイラムダマジックミラー制御構造体を説明する。 ラムダマジックミラーの電気光学的に活性化された制御構造体を説明する。 ラムダマジックミラーの電気的に活性化された制御構造体を説明する。 量子ドット共振ベースのライトバルブを説明する。 量子ドット共振ベースのライトバルブにおける反射又は透過応答を描写するグラフを説明する。 量子ドット共振ベースの制御された回折ライトバルブを説明する。 量子ドット共振ベースの相変化ライトバルブを説明する。 内部全反射共振ベースのライトバルブを説明する。 内部全反射共振ベースのライトバルブの他の実施形態を説明する。 内部全反射共振ベースのライトバルブの他の実施形態を説明する。 メタマテリアル共振ベースのライトバルブを説明する。 メタマテリアル共振ベースのライトバルブの他の実施形態を説明する。 ビームダンプ、共振ベースのライトバルブ、及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付加製造システムのブロック図を説明する。 高フルエンス共振ベースのライトバルブベースの付加製造システムを説明する。 高フルエンス共振ベースのライトバルブベースの付加製造システムの別の実施形態を説明する。 廃エネルギの回収及び更なる使用のためのスイッチヤードアプローチを組み込んだ高フルエンス共振ベースのライトバルブベースの付加製造の別の実施形態を説明する。

以下の説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面は、開示が実施され得る具体的な例示的な実施形態を説明することによって示される。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示する概念を実施できるように十分に詳細に説明され、本開示の範囲から逸脱することなく、開示し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できることを理解すべきである。以下の詳細な説明は、それ故、限定的な意味で解釈されるべきではない。

以下の開示では、付加製造システムは、第１の波長で高フルエンスのレーザビームを形成するための高出力レーザを含む。システムは、書き込みビームに応答する共振ベースの構造体を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブを含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体はラムダマジックミラーを含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体はフェーズドアレイラムダマジックミラーを含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体は、電気光学的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体は、電気的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体は内部全反射構造体を含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む。

幾つかの実施形態では、共振ベースの構造体はメタマテリアルを含む。

ライトバルブ（ＬＶ）技術は、光伝導体及び液晶材料に依存しているため、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、群現象（例えば、光伝導体に渡る電荷の蓄積、又は液晶セルに渡る偏光遅延の蓄積）を使用する。材料が活性化フィールド（書き込みビーム）又は高フルエンスビームと良好に結合するように構造化された共振ベースのライトバルブを使用することによって、活性化材料の物理的体積を比較的非常に小さくすることができ、そのインダクタンスを同様に小さくすることができる。また、活性化材料は、高フルエンスビームからの欠陥による損傷を大幅に減らすために、欠陥の可能性が遥かに低い高純度で作られ得る。また、標準的な方法を使用して異なるＬＶ技術の複雑なシステムレベルの結合を必要とするスキャン等の追加機能は、代わりに単一の単純な共振ベースのＬＶを使用して置き換えることができる。共振ベースのＬＶによって提供される追加機能は、単純な振幅、複雑な単一ビーム、構造体化された複数のビーム、及び／又は完全なホログラフィックビームスキャンを含む。

図１Ａ（ｉ）は、共振ベースのライトバルブ（ＲｂＬＶ）１００Ａを説明する。共振器４Ａが据え置かれ、又は共振器４Ａへのキャップ構造体を形成する第２の支持基板５Ａに取り付けられた支持基板３Ａ。λ１のパターン化された低フルエンスビーム６Ａは、共振ベースのライトバルブ１００Ａに入り、共振器４Ａ内の制御構造体と相互作用する。共振器は、λ１の高フルエンスビーム７Ａで共振するように構成される。より詳細には、図１Ａ（ｉｉ）では、１つ以上の多層スタック（ここでは２つが示されている。多層スタック構造体の間に配置された１つ以上の制御構造体１０Ａを備えた９Ａ及び１１Ａ。制御構造体１０Ａは、その複素屈折率の変化によるλ１の書き込みビーム１２Ａに応答する。この率の変化は、フィルタ（９Ａ、１０Ａ、及び１１Ａで構成される）の共振を変更し、高フルエンスビームに対する透過性から反射性（透過性ベースのＲｂＬＶの場合）に、又は反射性から透過性に（反射性ベースのＲｂＬＶの場合）にそれをシフトする。λ２の高フルエンスビーム１３ＡはＲｂＬＶに入り、共振器４Ａ内で複数の反射を受け、共振器を通過する度に、この構造体に対する高フルエンス応答１４Ａを構築し、そのため、制御層に対する書き込みビームの作用に依存する反射関数１５Ａが得られる。

共振器内の制御構造体１０Ａは、多くの異なる材料及び異なる現象に基づくその活性化から構成され得る。制御構造体１０Ａがその屈折率を変えることを可能にする現象は、幾つかの例として、熱光学（材料はλ１の書き込みビームに応答して熱くなるが、λ２では吸収されない）、電気光学（材料はフィールド刺激によって活性化され、その率はλ１によって変更されるが、λ２によって変更されない）、相変化（材料はλ１のみの関数として結晶からアモルファスへの相変化を受ける）、又は極性複屈折（材料の複屈折は書き込みビームの波長及びλ１の偏光状態によって変更され、λ２には応答しない）であり得る（が、これらに限定されない）。

図１Ｂは、ＲｂＬＶにおける個別の反射又は透過応答を描写するグラフ１００Ｂを説明する。共振構造体が設計され得るモードには、エッジ応答１６Ｂ又はノッチ応答１７Ｂの２つがある。グラフは、反射応答又は透過応答として描写され得、ここでは高フルエンスビームの波長１９の関数として示される正規化された反射応答１８Ｂを有する反射応答として表されている。ノッチタイプの共振器スタックに対する通常の反射応答は、グラフ１７Ｂの２０Ｂとして示され、これは、書き込みビームがない場合である（逆も設計できる）。書き込みビームが活性化された場合、それは、制御構造体と相互作用し、その（制御構造体）屈折率の変化を引き起こし、それは、２１Ｂに見られる共振器の応答のシフトを引き起こす。同様に、エッジバンド応答１６Ｂでは、書き込みビームがない場合の通常の応答は２２Ｂによって表される一方、書き込みビームが活性化された場合は２３Ｂへの共振器応答のシフトによって表されている。高フルエンスビームの波長は２４Ｂによって表される一方、書き込みビームの不活性化及び活性化に対するその応答は、夫々２５Ｂ及び２６Ｂで表されている。書き込みビームの関数としての高フルエンスビームの応答の変化は２７Ｂである。

図１Ｃ（ｉ）及び（ｉｉ）は、共振ベースのライトバルブ１００Ｃのためのラムダマジックミラー（ＬＭＭ）を説明する。図１Ｃ（ｉ）に示した一実施形態では、λ１の低フルエンス書き込みビーム４ＣはＬＭＭに入り、反射ノッチ多層構造体に組み込まれる制御構造体の屈折率を変更する。書き込みビームが存在しない場合、ＬＭＭは、高フルエンスビームが共振器と相互作用して、高フルエンスビーム２０Ｃに対して高反射応答を生成するように設計され得る。書き込みビームが存在しない場合、共振器は、高反射関数を高透過関数に変える高フルエンスビームに対してシフトされた応答を有し、ＬＭＭは、高フルエンスビーム２２Ｃに対して透過性になる。逆の作用もＬＭＭで設計できる。図１Ｃ（ｉｉ）は、共振器層７Ｃ構造体及びパターン化された書き込みビーム８Ｃをより詳細に示す。共振器層内の制御構造体は、書き込みビーム波長λ１で容易に吸収するが、高フルエンス波長λ２では殆ど吸収しない材料で構成される。ＬＭＭで機能する適切な材料の例は、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、シリコン、及びニオブ酸ストロンチウムバリウムを含む。

図１Ｄは、ラムダマジックミラー共振ベースのライトバルブにおける個別の反射応答又は透過応答を描写する２つのグラフ１００Ｄを説明する。この材料に対する例示的な吸収曲線は９Ｄで表され、１０Ｄは、書き込みビームの波長１１Ｄ（ナノメートル）の関数として、単位長さ（通常はミクロンあたり）によって吸収されるパーセンテージである。書き込みビームの波長は、制御構造体の吸収曲線１３Ｄに１２Ｄとして描写されている。ＬＭＭに対する高フルエンスビームの応答は、書き込みビームが夫々、不活性化された場合及び活性化された場合の応答１５Ｄ及び１６Ｄと共に、１４Ｄに示されている。ＬＭＭは、書き込みビームによる制御構造体インデックスの熱光学制御を表し、制御構造体のインデックスへのその影響により、共振器は書き込みビームの強度を直接印加して、その応答をシフトさせる。幾つかの実施形態では、低レベルのパターン化されていない書き込みビームフルエンスを印加することによって、小さな書き込み信号が波長シフトを活性化するように、共振がスイッチング閾値のすぐ下で“沸騰”し、この機能により、ピクセルの広がりを防ぎながら、切り替え時間を短縮することを可能にする。

図１Ｅは、高フルエンスビームの非機械的ビームステアリングのためのフェーズドアレイとなるように構造体化されたＬＭＭを備えたフェーズドアレイラムダマジックミラー制御構造体１００Ｅを説明する。第１の実施形態２Ｅでは、ＬＭＭは、ビームステアリングのためのフェーズドアレイとして使用される。第２の実施形態では、ＬＭＭは位相遅延層４Ｅを含む。波長λ１のグレースケールのパターン化された書き込みビーム５Ｅは、ＬＭＭフェーズドアレイ構造体に入り、共振器内の制御層の屈折率に影響を与える。波長λ２のパターン化されていない高フルエンスで高コヒーレンスのビーム６ＥもＬＭＭに入り、書き込みビームによって制御されている共振器と相互作用する。書き込みビームが活性化され、制御構造体に影響を与える場合、高フルエンスビームは、ＬＭＭの影響を受ける領域全体で位相遅延を受け、ＬＭＭ全体でパターン化された位相遅延を受ける。（書き込みビームのグレースケールのパターン化によって決定される）共振器によって与えられるコヒーレントな位相調整により、出射する高フルエンスビーム７Ｅは、書き込みビームがグレースケール品質を含まない場合、又は高フルエンスビームが高コヒーレンスを有する場合のものに対してステアリングすることを可能にする。書き込みビームが活性化されていない、又は高フルエンスビームのコヒーレンスが低下している領域（そのコヒーレンスの上流制御）では、ＬＭＭは高フルエンスビームに対する反射体として機能し、そのエネルギは８Ｅに反射される。フェーズドアレイＬＭＭのこの描写は、活性化された場合の透過状態を示すが、その逆も設計できる。

実施形態９Ｅは、ＬＭＭ実施形態２Ｅの位相調整の詳細を示す。典型的な高フルエンスで高コヒーレンスのビーム１０Ｅは、書き込みビーム１１Ｅと同じ位置に到達する。同様に、ＬＭＭに渡って、過度１２Ｅの対になった高フルエンスビーム及び書き込みビームがフェーズドアレイＬＭＭに入る。書き込みビームはパターン化され、グレースケールの強度レベルを有するが、高フルエンスビームは同等に高コヒーレンスを有し、互いにヌル位相関係を有する。書き込みビームは、制御構造体と相互作用し、各書き込みビームの強度レベルに応じて、制御構造体の屈折率に様々な変更を加える。高フルエンスビームは共振器と相互作用し、各ビームは、書き込みビームの強度に応じて、一定量の位相遅延又は位相前進を取得する。ＬＭＭフェーズドアレイを離れると、高フルエンスビーム１３Ｅのアンサンブルは、互いに位相関係を有するようになる。伝搬量１４Ｅ（通常はアンサンブルの有効開口部の５～１０倍）の後、フェーズド応答が明らかになり、高フルエンスビームは、既存のアンサンブルのフェーザー追加である指向性１５Ｅに達する。書き込みビームの空間パターンとグレースケールパターンとを変更することによって、書き込みビームと共振器の品質関数とによる制御媒体の最大屈折率の変化によって決定される角度１６Ｅの範囲に渡って、ビームを非機械的にステアリングし得る。このタイプのフェーズドアレイからの高フルエンス出力は、その強度にグレースケールを含まない。

図１Ｆは、ラムダマジックミラーの電気光学的に活性化された制御構造体１００Ｆを説明する。電気光学的に活性化された制御構造体１００Ｆは、共振器内の関連する制御層の電気的（この場合）、磁気的、又は音響的活性化を課すように構成され得る例示的なＴＣＯ３Ｆ層を含む。フィールド強化により、高フルエンスビームの影響を受けずに、書き込みビームが制御層の複素屈折率を簡単に操作することを可能にするであろう。この例では、光伝導体層４Ｆは、λ１のパターン化された書き込みビーム７Ｆに応答する。光伝導体に対する書き込みビームの作用により、ＴＣＯ層上に配置された電界が、電界活性化（この場合はＥＯ）材料を含む共振器構造体５Ｆに渡って転送されることを可能にする。書き込みビームがそのパターンで活性化された場合、電界は共振器と内部に埋め込まれたＥＯ材料に渡って転送されるであろう。ＥＯ材料の誘電率は電界強度の関数として変化し、この層の屈折率はその瞬時誘電率に依存し、したがって共振のシフトに依存する。共振器は、支持基板６Ｆを通ってこの実施形態に入るλ２の高フルエンスビーム８Ｆに反応するように設計されている。書き込みビームが活性化された場合、ＥＯ材料は、ＬＭＭの共振を変化させ、高フルエンスビームに対して共振をシフトさせ、この作用は、書き込みビームが共振器と相互作用し、パターン化された高フルエンスビーム９Ｆとして離れるときに、高フルエンスビームを書き込みビームと同じパターンでパターン化することを可能にする。書き込みビームが活性化されていない場合、書き込みビームがオフ又は非活性化された状態で、パターン化されていない高フルエンスビームがパターン化１０Ｆされずに離れるようにＬＭＭの応答に変化がある。

電界強化層は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、又はリン酸二重水素カリウム（ＫＤ＊Ｐ）、リン酸チタニルルビジウム（ＲＴＰ）、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５、又はＬＢＯ）、カリウムチタニルホスフェート（ＫＴＩＯＰＯ４又はＫＴＰ）、リチウムタンタライト（ＬｉＴａＯ３又はＬＴＯ）、磁気光学材料（ＣｄＭｎＴｅ、ＣｄＭｎＨｇＴｅ、ＴｄＧｄＧ、又は類似の材料等）、音響光学材料（ＬｉＮｂＯ３、溶融シリカ、ＰＺＴ、又は類似の材料）、（λ２の高フルエンスビームからλ３の高フルエンスビームへの）電界増強波長コンバータ、又は相変化材料（単結晶若しくは多結晶ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、分極液晶若しくはカルコゲナイド、又は類似の材料）等の結晶性ＥＯ材料から作られ得る。他の実施形態では、ＥＯ材料は、サーモトロピック、リオトロピック、メタロトロピック等の様々なタイプの液晶（ＬＣ）である。各タイプのＬＣでは、ネマチック、コレステリック、強誘電体、スメチック、ブルーディスコティック、及びコニック等、様々な相（安定したエントロピー状態）が存在し得る。更に他の実施形態では、酸化アルミニウム亜鉛（ＡＺＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化インジウム（Ｉｎ２Ｓ３）、硫化鉛（ＰｂＳ）、カドミウム亜鉛テルライド（ＣｄＺＴｅ）、ドープゲルマニウム（ｎ：Ｇｅ、ｐ：Ｇｅ）アモルファスシリコン（α－Ｓｉ）、ドープシリコン（ｎ：Ｓｉ、ｐ：Ｓｉ）、又はヨウ化水銀（ＨｇＩ２）等の材料。

これらの材料は、堆積の一部として成長させた、又は共振器の創出の一部として表面上にエピタキシャル成長させたバルクにあり得る。この用途の一般的な要件は、材料が共振器に組み込まれ（成長、堆積又は積層プロセス）、（λ１の）書き込みビームに応答しつつ高フルエンス光（λ２又はλ３）に吸収されない必要があることである。

図１Ｇは、ラムダマジックミラーの電気的に活性化された制御構造体１００Ｇを説明する。ＬＭＭの電気的に活性化された制御構造体１００Ｇの実施形態は、共振器に埋め込まれた電気的に制御される層から構成される。上部支持基板３Ｇ及び下部支持基板６Ｇは、電気的に活性化された制御層５Ｇを含む共振器４Ｇを挟んでいる。この実施形態ではパターン化された書き込みビームは必要なく、代わりに、外部制御回路１０Ｇによって共振器に埋め込まれた電気マトリックスを適切に活性化することによってパターン化が実施される。共振器は、オフ状態では反射になり得、オン状態では透過になり得、逆も同様に設計できる。電気的に活性化された層は、相変化材料、スピン状態材料、又は電界の印加時に材料誘電率の変化を引き起こす任意の電気活性材料から構成され得る。この実施形態は、電気的界面が高フルエンスビーム波長範囲で吸収を有しないことを必要とする。この属性を有する材料は、幾つかの例として、ナノスケール堆積（幅１０～５０ｎｍ）の金属、半導体材料（ＺｎＳｅ、ＡＺＯ等）の剥離及び光学的に取り付けられた半導体層の２Ｄナノシートに見られる結合が最小限になるようにサイズ化される。

図１Ｈは、量子ドット共振ベースのライトバルブ（ＱＤＲＬＶ）１００Ｈを説明する。ＱＤＲＬＶは、上部支持基板３Ｈ、量子ドット（ＱＤ）共振層４Ｈ、及び下部支持基板５Ｈから構成される。パターン化された書き込みビーム６Ｈは、ＱＤ層に入り、そこでＱＤと相互作用して、パターン化されていない高フルエンスビーム７Ｈに対するＱＤ共振応答を変更する。ＱＤの側面は書き込みビームと共振し、他の側面は高フルエンスビームと共振する。共振（異なる側面）により、小さな体積のＱＤが、この共振を介して高フルエンスビームに大きな影響を与えることを可能にする。書き込みビームが存在しない、又は活性化されていない場所では、ＱＤ共振応答はシフトされず、高フルエンスビームはパターン化９Ｈなしで反射される。前述のように、ＱＤＲＬＶはオフ／非活性化された書き込みビーム状態で反射するものとしてここに描写されているが、逆も同様に設計できる。ＱＤ層の例示的な詳細を１０Ｈに描写し、単一のＱＤの例示的な詳細を１２Ｈに説明する。書き込みビーム１１ＨはＱＤ層に入射し、その小さな一部分１７ＨはＱＤに入射し、全ての書き込みビームレットの総和は、層内の全てのＱＤのコアと相互作用し、高フルエンスビーム（図示せず）の共振に影響を与える所望の効果を有する。

量子ドットは、その体積が光と共振するようにサイズ化され得る。この共振の強化は、ＱＤを多層スタックでコーティングすることによって達成され得、例示的なＱＤが外側コーティング層を含む１２Ｈに示す例では、（この例では）これらのコーティングを備えたＱＤ全体のこのサイズは、λ１の書き込みビームが活性化／存在する場合にのみ、λ２の高フルエンスビームと共振するように設計される。１４Ｈに制御層を追加する場合のように、何れか又は両方の波長への共振を強化するだけでなく、制御層にするために、他の層がＱＤに追加され得る。この層は、λ１の書き込みビームと相互作用し、ＱＤ粒子の光学的有効サイズを増加させ、したがって、高フルエンスビームに共振しなくなり、実際、書き込みビームが活性化又は存在する場合に、ＱＤを高フルエンスビームに対して透明にさせる。ＱＤのコア１６Ｈは書き込みビームと共振するようにサイズ化されるため、この制御層は書き込みビームと繰り返し相互作用し、その小さな薄い層が高フルエンスビームに特大の影響を与えることを可能にする。内部コーティング層１５Ｈは、高フルエンスビームへの共振を助け、コア内のあらゆる効果を高フルエンスビームに対するその所望の効果を歪ませることから分離するために追加され得る。

ＱＤは、コアが波長λ２の高フルエンスビームで吸収を有さない必要があるという要件を有する多種多様な材料から構築され得る。波長λ１の書き込みビームと相互作用する制御構造体であるコア層又はクラッド層を設計する必要があるか否かに応じて、それは、書き込みビームに対する吸収が低い又は高いものであり得る。この場合、ＱＤは、そのコアがλ１で共振する一方で、その全体の寸法が書き込みビームの状態（活性化又は非活性化）の内の１つでλ２で共振するように設計される必要がある。書き込みビームにグレースケールを有することによって、高フルエンスビームのグレースケールが可能である。

図１Ｉは、量子ドット共振ベースのライトバルブ１００Ｉにおける反射又は透過応答を描写するグラフ１８Ｉを説明する。高フルエンスビームによるＱＤに対する応答関数が示され、１９ＩはＱＤの透過応答であり、２０Ｉは、λ２を中心とする高フルエンスビーム２１Ｉが占める波長範囲である。２２Ｉで書き込みビームが不活性化された場合、ＱＤは高フルエンスビームと相互作用し、ビームを反射又は散乱させる。書き込みビームが活性化された場合、制御層とのその繰り返しの相互作用は、１つ以上のＱＤの層又はそのコアを変化させ、その光学的体積を増加させ、高フルエンスビームとの共振から移動させ、ＱＤをこのビームから見えないようにし、その高い透過性２３Ｉを可能にする。この例の設計は、書き込みビームによる活性化のための散乱／反射用であるが、材料及びＱＤサイズを適切に選択することで、逆も同様に設計できる。

図１Ｊは、量子ドット共振ベースの制御回折ライトバルブ１００Ｊを説明する。ＱＤＲ制御回折ＬＶ１００Ｊは、波長λ１の書き込みビーム６Ｊが活性化されるλ２の高フルエンスビーム７Ｊを回折する回折格子に構築されたＱＤ層４Ｊを挟む上部支持基板３Ｊ及び下部支持基板５Ｊを有する。回折された高フルエンスビーム８Ｊは、書き込みビームによって活性化又は非活性化された場合、格子周期構造体とＱＤの光学的等価率とによって決まる角度でＱＤＲ－ＬＶから放出される。放出された高フルエンス光は、傾斜光の透過を制御するためにスロット付き反射スクリーンが使用されるシュリーレン光学システム９Ｊを通過する。シュリーレンシステムは、傾斜光が１０Ｊでプリント床に透過し、回折構造体を乱さずに（逸脱せずに）通過する光１３Ｊを廃棄／反射できるように設定される。後者は、高フルエンスビームが回折層１２Ｊを乱さずに通過し、シュリーレンシステムから反射するように書き込みビームが不活性化され、ＱＤがビームと共振しないＱＤＲ－ＬＶに高フルエンスビーム１１Ｊが入る場合であろう。回折光角度とシュリーレンシステムのアパーチャシステムとの制御の組み合わせにより、グレースケールが得られる。ＱＤ層の回折面の格子構造体は、ナノスコピック体積からのＱＤの除去によって、又はコアが電気光学の又は相漂白可能な材料で構成されている場合は各ＱＤのコアを変更することによって、表面格子、体積格子、又はホログラフィックに誘導された格子を使用して構築され得る。

図１Ｋは、量子ドット共振ベースの相変化ライトバルブ１００Ｋを説明する。ＱＤＲ相変化ベースのＬＶ１００ＫはＱＤＲ構造体３Ｋを含む。波長λ１のパターン化された書き込みビーム４Ｋは、ＱＤＲに入り、ＱＤのコアと繰り返し相互作用する。ＱＤはλ１で共振するが、λ２では共振せず、ＱＤはλ２よりも遥かに小さいため、ＱＤの等価屈折率がλ２の平均屈折率を変更する。波長λ２のパターン化されていない高フルエンスビーム５Ｋは、書き込みビームの強度及び持続時間に応じて変更される。書き込みビームがＱＤのコアの位相変化を可能にするのに十分なビーム品質である場合、高フルエンスビームは変更され、書き込みビーム画像は、パターン化されたＱＤＲを離れる高フルエンスビーム６Ｋを可能にする偏光変化の形式で高フルエンスビームに転送される。書き込みビームがＱＤのコアを変更していない場合、高フルエンスビームは、その元の偏光を保持する。

ＱＤＲ相変化ＬＶの詳細を８Ｋ、１１Ｋ、及び１７Ｋに示す。ＱＤのコアは、結晶／多結晶又はアモルファスの２つの状態で存在し得る材料から構成される。これらの２つの状態は、偏光に対して非常に異なる影響を与える。結晶状態は複屈折であり、高フルエンスビームの偏光を変更するであろう一方、アモルファス状態は複屈折ではなく、高フルエンスビームの偏光状態に影響を与えない。ＱＤのシェル構造体は、コアの結晶状態への前駆体を含み、書き込みビームの波長（λ１）では影響を受けず／吸収されないが、コアはλ１で影響を受け、吸収され、書き込みビームは複数回コアを通過するであろうし、それが十分に高いフルエンスである場合、コアは結晶から非晶質への相変化を起こすであろう。或いは、コアを取り囲むシェルの内の１つは制御層であり得るが、コアは、結晶性アモルファス材料を含む。コアの外側の体積が相変化を起こし、コアの中心が結晶状態になり、結晶状態への反転のシード構造体として機能するように、シェルは十分に加熱される。

持続時間Ｔ１（パルス幅とも知られている）、繰り返し率Ｋ１、及び波長λ１で、強度Ｉ１のパターン化された書き込みビーム９ＫがＱＤＲ内のＱＤ層１０Ｋに入る。ＱＤＲ内のＱＤ１１Ｋは、このビームが十分に高いフルエンス（＝時間＊強度）を有する場合、書き込みビームに反応するであろう。１１ＫのＱＤディテールは、外側シェル１２Ｋ、中間シェル１３Ｋ、及び内側シェル１４Ｋから構成される。これらのシェルは、λ１での共振を強化するために使用され、結晶からアモルファスへ又はアモルファスから結晶への相変化を可能にするように、書き込みビームがコア１５Ｋ及びＱＤ内の制御構造体と相互作用することを可能にする。書き込みビーム１６Ｋの一部分は、ＱＤに入り、コア及びそのクラッドシェルと（共振品質関数Ｑに依存して）複数回相互作用する。書き込みビームは、結晶状態からアモルファス状態１７Ｋ及び１８Ｋへのコアの全部又は一部分の材料相変化を引き起こす。高フルエンスビームは、書き込みビームが存在しないＱＤＲの領域で偏光変化を受けるであろうし、書き込みビームが印加された領域では高フルエンスの偏光状態は変化しないであろう。より長いパルス幅（Ｔ２）、より低い強度（Ｉ２）、及び可変繰り返し率Ｋ２でλ１のリセットビーム１９Ｋ）がＱＤに入り、コア又は制御層に反応し、そのガラス転移温度をただ通過するようにコアをゆっくりと加熱する。内側シェル１４Ｋ中の前駆体又は好ましい結晶テンプレートを含む中央コアの部分は、コアの残部のためのシード構造体として機能する。可変繰り返し率は、加熱及び冷却ランプとして機能するように構成されているため、コアはアモルファスから結晶への相変化を起こし、ＱＤを結晶状態にリセットする。高フルエンスビームの偏光は、その元の偏光状態から、再び結晶状態になる場合にＱＤＲを通過する際に発生する複屈折による偏光シフトを伴う偏光状態に変化する。

図１Ｌは、内部全反射共振ベースのライトバルブ（ＴＩＲｒＬＶ）１００Ｌを説明する。共振ベースの構造体４Ｌは、内部全反射（ＴＩＲ）プリズム３Ｌに据え置かれ／取り付けられる。λ２の高フルエンスビーム５Ｌはプリズムに入り、６Ｌを屈折する。高フルエンスビームの入射角は、プリズム内部の屈折ビームがλ２での共振器４Ｌの等価屈折率に依存するＴＩＲを受けるようなものである。共振器は波長λ１で書き込みビーム７Ｌに共振し、λ１に応答する制御層を含むので、共振器の屈折率は変更され得、λ２のＴＩＲ条件を有効又は無効にし得る。

パターン化された書き込みビーム７Ｌは、共振器４Ｌに入り、共振器内の制御構造体を変更し、ＴＩＲ条件が高フルエンスビーム６Ｌに適用され、その上にインプリントされた書き込みビームパターン９Ｌとの共振器４Ｌの界面でＴＩＲを受けるλ２の波長帯のその屈折率を変化させる。パターン化された高フルエンスビームは、ＴＩＲｒＬＶ１０Ｌを離れ、プリント床に結像される。書き込みビームが活性化されない領域では、共振器の屈折率はＴＩＲをサポートせず、パターン化されていない高フルエンスビームは共振器によって影響を受けずに共振器８Ｌを通過する。

図１Ｍ（ｉ）及び図１Ｍ（ｉｉ）は、内部全反射共振ベースのライトバルブ１００Ｍの他の実施形態を説明する。図Ｍ（ｉ）に示す一実施形態では、バルクプリズム３Ｍは、アレイのＴＩＲ界面に据え置かれ、さもなければ取り付けられた共振器４Ｍを備えたプリズムアレイに置き換えられる。λ２の高フルエンスビーム（５＜）は、一連のプリズム素子に入り、共振器に入りその制御層に影響を与える波長λ１のパターン化された書き込みビーム６Ｍの状態に応じて共振器でＴＩＲを受けるであろう。書き込みビームが（λ２に対するＴＩＲ条件の屈折率の変更によって）ＴＩＲ条件を変更しない場合、高フルエンスビームは、影響を受けずにＴＩＲｒＬＶ７Ｍを通過する。書き込みビームがＴＩＲを可能にするためにＴＩＲ条件を変更する場合、高フルエンスビームはＴＩＲを受け、８Ｍにパターン化され、パターン化された高フルエンスビームとしてＴＩＲｒＬＶを離れる。

図Ｍ（ｉｉ）に説明する別の実施形態では、制御構造体を含む共振器を備えた薄膜ＴＩＲ反射器１０Ｍを有するＴＩＲプリズムアレイが示されている。共振器及び制御構造体の両方はλ１に応答する。共振器及びその制御構造体１１Ｍは、支持基板１２Ｍに据え置かれ又は取り付けられる。薄膜ＴＩＲフィルムはまた、モノリシックでコンパクトな構造体を作るために、共振器に据え置かれ得、又は取り付けられ得る。高フルエンスビーム１３Ｍは、ＴＩＲｒＬＶの薄膜バージョンに入り、書き込みビーム１４Ｍによって決定されるＴＩＲ条件に応じて、ＴｉＲｒＬＶ１５Ｍを通過し、又はＴＩＲを受け、パターン化された高フルエンスビーム１６ＭとしてＴＩＲｒＬＶを離れる。

図１Ｎは、上部支持基板３Ｎ、メタマテリアル共振層４Ｎ、及び下部支持基板５Ｎを含むメタマテリアル共振ベースのライトバルブ（ＭｍｒＬＶ）１００Ｎを説明する。λ１の書き込みビーム６ＮはＭｍｒＬＶに入り、メタマテリアル共振層内に含まれる制御構造体と相互作用する。書き込みビームは、それにＭｍｒＬＶを反射させ、又は（設計による）影響を受けて若しくは受けずにそれを通過させる波長λ２の高フルエンスビーム７Ｎの構造体の複素インピーダンスを変更する。

メタマテリアル共振層８Ｎも説明され、９Ｎはメタマテリアル層の側面図のより詳細であり、１１Ｎはメタマテリアル共振器の例示的なアレイの平面図である。また、共振構造体が構築される支持基板１０Ｎも示されている。単位セル１２Ｎは、共振器１３Ｎと制御構造体１４Ｎとの組み合わせである基本ビルディングブロック又はアレイを含むように示されている。共振構造体は、λ１のみに応答する制御構造体の動作に応じて、λ２で共振する複素インピーダンスを有する。アレイ周波数（単位セル間の間隔もλ２に共振し得るが、制御構造体はλ１に応答するだけ、又は応答及び共振の両方であり得る。

共振器１３Ｎは、共振器が取り得る多くの異なる形状の内の１つであり、その構築に使用される材料も多くのタイプの内の１つであり得る。これらの共振器の典型的な材料は、半導体（幾つか挙げるとＧａＡｓ、ＡＺＯ、ＣｄＳ、ドープＳｉ）、金属ドープ誘電体（ガラス状金属、ＡＺＯ、酸化銀、酸化銅）、又は誘電体にカプセル化されたナノスコピック金属を含む。メタマテリアルは、共振器の複素インピーダンスにより、λ２での比誘電率、抵抗率、及び透磁率の電気回路及び磁気回路の属性を人為的に調整可能にするようになっている。制御素子は、共振器の応答をλ２に向かって、又はλ２から離れてシフトするように、これらの回路パラメータの内の何れか１つ間の結合を変更し得る。共振器セル構造体の各々は、λ２の小さい（＜１０％）ように構築され得、多くのセルは、λ２の高フルエンスビームがメタマテリアル共振器アレイに対して有する全体的な巨視的な複素インピーダンス応答に寄与する。高フルエンスシステムとの関係で重要なことは、（吸収損失を生じさせる）複素インピーダンスの虚数項が最小限に抑えられるため、加熱効果が発生しないことである。制御機構１４Ｎは、λ１のみに応答する必要がある。この例では、これらの共振器の基本素子間の結合を変更することによって、Ｑ（共振品質係数）制御として配置され、それはまた、多数の異なる形状で配置及び形成され得、ＵＶで容易に吸収されるであろうが、１ｕｍでの吸収の違いが６桁未満であろうＺｎＳｅ又はα－Ｓｉであっても、多くの異なる材料で構成され得る。

図１Ｏは、ソリッドステートスキャナとして使用されるＭｍｒＬＶを含むメタマテリアル共振ベースのライトバルブ（ＭｍｒＬＶ）１００Ｏの別の実施形態を説明する。ソリッドステートスキャナ構造体３Ｏ、λ１のパターン化された書き込みビーム４Ｏ、スキャン角度方向１に対するλ３のスキャナ制御ビーム５Ｏ、スキャン角度方向２に対するλ４のスキャナ制御ビーム６Ｏ、及びλ２の高フルエンスビーム７Ｏが説明されている。ＭｍｒＬＶに対する高フルエンスビームの応答は、書き込みビームと２つの制御ビームとによって活性化された場合に、パターン化され２Ｄ角度９Ｏでスキャンされた高フルエンスビーム８Ｏになるであろう（ここでは反射バリアントとして示されているが、透過バージョンも使用できる）。

側面図１０Ｏは、メタマテリアル共振層の例であるが、１１Ｏは、基本共振器セル１２Ｏのアレイ１３Ｏから構成されるこの層の詳細な側面図である。基本メタマテリアル共振器セルは、λ２で共振する共振器１４Ｏと、λ３又はλ４に応答する方向制御構造体１５Ｏと、λ４又はλ３に応答する方向制御構造体１６Ｏと、λ１に応答する共振結合構造体１７Ｏとを含む。

様々な波長の広範囲のレーザが、説明された共振ベースのライトバルブシステムと組み合わせて使用され得る。幾つかの実施形態では、可能なレーザの種類は、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、ソリッドステートレーザ（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、又は核励起レーザを含むが、これらに限定されない。

ガスレーザは、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、又はエキシマレーザ等のレーザを含み得る。

化学レーザは、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）、又はＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）等のレーザを含み得る。

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、又はマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ_２）蒸気レーザ等のレーザを含み得る。ルビジウム又はその他のアルカリ金属蒸気レーザも使用され得る。ソリッドステートレーザは、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）ソリッドステートレーザ、ネオジムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザ、ネオジムドープイットリウムカルシウムオキソボレートＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ_３）^３ 若しくは単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジムガラス（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（ガラス又はセラミック）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、及びファイバ）、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（又はカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸ガラス（１４７Ｐｍ^＋３：ガラス）ソリッドステートレーザ、クロムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープアンデルビウム－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）ソリッドステートレーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ_２）レーザ、又はＦ－センターレーザ等のレーザを含み得る。

半導体レーザは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、又はそれらの組み合わせ等のレーザ媒体タイプを含み得る。

図２は、付加製造システム２００における本明細書に開示するような共振ベースのライトバルブの使用を説明する。レーザ源２０２は、レーザプリアンプ及び／又はアンプ２０４を通してレーザビームを共振ベースのライトバルブ２０６に向ける。パターン化後、光がプリント床２１０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、レーザ源２０２、レーザプリアンプ及び／若しくはアンプ２０４、又は共振ベースのライトバルブ２０６からの熱又はレーザエネルギは、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に能動的又は受動的に伝達され得る。ライトバルブベースの付加製造システム２００の全体的な動作は、レーザ出力及びタイミングを変更し得る１つ以上のコントローラ２２０によって制御され得る。

幾つかの実施形態では、様々なプリアンプ又はアンプ２０４がレーザ信号に高利得を提供するために任意に使用される一方、光変調器及びアイソレータは、光学的損傷を低減又は回避し、信号コントラストを改善し、システム２００の低エネルギ部分への損傷を防止するためにシステム全体に分散させられ得る。光変調器及びアイソレータは、ポッケルスセル、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、又はボリュームブラッググレーティングを含み得るが、これらに限定されない。プリアンプ又はアンプ２０４は、ダイオード励起アンプ又はフラッシュランプ励起アンプであり得、シングルパス及び／若しくはマルチパス又はキャビティタイプのアーキテクチャで構成され得る。理解されるように、ここでの用語、プリアンプは、レーザアンプ（より大きい）に対して熱的に制限されない（すなわち、より小さい）アンプを示すために使用される。アンプは通常、レーザシステム２００の最終ユニットになるように配置され、熱破壊又は過度の熱レンズ効果を含むがこれらに限定されない熱損傷を受けやすい最初のモジュールであろう。

レーザプリアンプは、エネルギ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プリアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各プリアンプ２０４から多くのエネルギを抽出するようにマルチパスプリアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なプリアンプ２０４の数は、システム要件及び各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、（例えば、波長板又はファラデー回転子を使用した）角度多重化又は偏光スイッチングを通じて実現され得る。

或いは、プリアンプは、再生アンプタイプの構成を有するキャビティ構造体を含み得る。そうしたキャビティ構造体は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）に起因して最大パルス長を制限し得るが、幾つかの実施形態では、“ホワイトセル”キャビティが使用され得る。“ホワイトセル”は、各パスに小さな角度偏差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。入口と出口の経路を提供することによって、そうしたキャビティは、入口と出口との間に非常に多くのパスを有するように設計でき、アンプの大きな利得と効率的な使用とを可能にする。ホワイトセルの一例は、何度も通過した後に反射がミラー上にリングパターンを創出するようにビームが僅かに軸から外れて射出され、ミラーが傾いた共焦点キャビティであろう。射出角度とミラー角度とを調整することによって、パス数を変更できる。

アンプはまた、ダイオード又はフラッシュランプで励起されるか否かにかかわらず、システムが必要とす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しつつ、システムのエネルギ要件を満たすのに十分な蓄積エネルギを提供するために使用される。動作中に生成される熱エネルギ及びレーザエネルギの両方は、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に向けられ得る。

アンプは、シングル及び／若しくはマルチパス又はキャビティタイプのアーキテクチャで構成され得る。アンプは、エネルギ効率をあまり気にしないシステムで使用可能なシングルパスアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各アンプから多くのエネルギを抽出するようにマルチパスアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なアンプの数は、システム要件と各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）によって実現され得る。或いは、アンプは、再生アンプタイプの構成を備えたキャビティ構造体を含み得る。プリアンプに関して論じたように、アンプは電力増幅に使用され得る。

幾つかの実施形態では、システム２００の動作中に生成された熱エネルギ及びレーザエネルギは、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に向けられ得る。代替的又は追加的に、幾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あり得る。更に他の実施形態では、機械的、熱電、又は電力を生成するのに適した熱機関に電力を供給するために熱は使用され得る。幾つかの実施形態では、接続されたコンポーネントの温度を上昇させるために廃熱が使用され得る。理解されるように、レーザフラックス及びエネルギは、適切な熱管理と光分離とを備えたより多くのプリアンプ及びアンプを追加することによって、このアーキテクチャでスケール化され得る。性能を調整するためにポンプ速度の増加又は冷却効率の変更を使用すると共に、冷却システムの熱除去特性の調整が可能である。

図３は、本開示に説明するような共振ベースのライトバルブに適応し得る付加製造システム３００を説明する。図３に見られるように、レーザ源及びアンプ３１２は、共振ベースのライトバルブ及びレーザアンプ、並びに前述のようなその他のコンポーネントを含み得る。図３に説明するように、付加製造システム３００は、レーザパターン化システム３１０の一部として、１次元又は２次元の指向性エネルギを提供可能なレーザを使用する。幾つかの実施形態では、１次元パターン化は、線形又は曲線のストリップとして、ラスター化された線として、螺旋線として、又はその他の適切な形式で向けられ得る。２次元パターン化は、分離したタイル若しくは重なり合ったタイル、又はレーザ強度の変化を伴う画像を含み得る。正方形ではない境界を有する２次元画像パターンが使用され得、重複又は相互侵入画像が使用され得、画像は２つ以上のエネルギパターン化システムによって提供され得る。レーザパターン化システム３１０は、１つ以上の連続的又は断続的なエネルギビームをビーム整形光学系３１４に向けるためにレーザ源及びアンプ３１２を使用する。整形後、必要に応じて、ビームは、透過型又は反射型ライトバルブの何れか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、一部のエネルギは、廃棄エネルギ処理ユニット３１８に向けられる。廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、図１Ａ～図１Ｄに関して論じたように、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し得る。

パターン化されたエネルギは、一実施形態では床３４６の近くに焦点を合わせた２次元画像３２２として、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（任意の壁３４８を有する）は、材料ディスペンサ３４２によって分配される材料３４４（例えば、金属粉末）を含むチャンバを形成し得る。画像リレー３２０によって向けられたパターン化されたエネルギは、溶融し得、融合し得、焼結し得、合体し得、結晶構造を変化させ得、応力パターンに影響を与え得、又は所望の特性を有する構造体を形成するために分配された材料３４４を化学的又は物理的に変化させ得る。制御プロセッサ３５０は、システム３００の任意のその他のコンポーネントと共に、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、並びにレーザ源及びアンプ３１２、ビーム整形光学系３１４、レーザパターン化ユニット３１６、及び画像リレーの動作を調整するためのコントローラに接続され得る。理解されるように、接続は、有線又は無線、連続的又は断続的であり得、フィードバック機能を含み得る（例えば、熱加熱は、センシングされた温度に応じて調整され得る）。

幾つかの実施形態では、ビーム整形光学系３１４は、レーザ源及びアンプ３１２から受け取った１つ以上のレーザビームを結合する、集束する、発散する、反射する、屈折する、均質化する、強度を調整する、周波数を調整する、又は整形してレーザパターン化ユニット３１６に向けるための多種多様な結像光学系を含み得る。一実施形態では、波長選択ミラー（例えば、ダイクロイック）又は回折素子を使用して、異なる光波長を各々有する複数の光ビームを組み合わせ得る。他の実施形態では、多面ミラー、マイクロレンズ、及び屈折又は回折光学素子を使用して、複数のビームを均質化又は結合し得る。

レーザパターン化ユニット３１６は、静的又は動的エネルギパターン化素子を含み得る。例えば、固定素子又は可動素子を備えたマスクによってレーザビームはブロックされ得る。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレッシング可能なマスキング、画像生成、又は透過を使用し得る。幾つかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、パターン化を提供するために、単独で、又は他のパターン化メカニズムと組み合わせて、アドレッシング可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過性であり得、反射性であり得、又は透過型素子と反射型素子との組み合わせを使用し得る。パターンは、電気的又は光学的アドレッシングを使用して動的に変更され得る。一実施形態では、透過型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレッシングされたピクセルは、投光光源によって画定されるパターンを形成する。別の実施形態では、反射型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、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。幾つかの実施形態では、非光学的にアドレッシングされたライトバルブが使用され得る。これらは、電気的にアドレッシング可能なピクセル素子、可動ミラー若しくはマイクロミラーシステム、ピエゾ若しくはマイクロ作動光学システム、固定若しくは可動マスク、若しくはシールド、又は高強度の光パターン化を提供可能な任意のその他の従来のシステムを含み得るが、これらに限定されない。

廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、パターン化されずに画像リレー３２０を通過したエネルギを分散、方向転換、又は利用するために使用される。一実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、レーザ源、ライトバルブ、及びアンプ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的又は能動的冷却素子を含み得る。他の実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、レーザパターンを画定することに使用されない何れのビームエネルギも吸収して熱に変換するための“ビームダンプ”を含み得る。更に他の実施形態では、廃棄されたレーザビームエネルギは、ビーム整形光学系３１４を使用して再利用され得る。代替的に又は追加的に、廃棄されたビームエネルギは、加熱又は更なるパターン化のために物品処理ユニット３４０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、廃棄されたビームエネルギは、追加のエネルギパターン化システム又は物品処理ユニットに向けられ得る。

一実施形態では、“スイッチヤード”スタイルの光学システムが使用され得る。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンに起因する不要な光の廃棄によって引き起こされるような付加製造システムで無駄になる光を削減するのに適する。スイッチヤードは、その生成（この場合、空間パターンが構造体化又は非構造体化ビームに加えられる平面）から一連のスイッチポイントを介したその放出までの複雑なパターンのリダイレクトを伴う。各スイッチポイントは、任意に入射ビームの空間プロファイルを変更し得る。スイッチヤード光学システムは、例えば、マスクが光に適用されるレーザベースの付加製造技術で利用され得るが、これに限定されない。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、廃棄されたエネルギは、均質化された形で、又は高い電力効率若しく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リサイクルされ得る。更に、廃棄されたエネルギは、より困難な材料を印刷するために強度を上げるためにリサイクルして再利用され得る。

画像リレー３２０は、レーザパターン化ユニット３１６から直接又はスイッチヤードを通じて（１次元又は２次元の何れかの）パターン化された画像を受信し得、それを物品処理ユニット３４０に向かってガイドし得る。ビーム整形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、結合し、集束し、発散し、反射し、屈折し、強度を調整し、周波数を調整し、又はパターン化された光を整形及び誘導するための光学系を含み得る。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、回折光学素子、又はソリッドステート光学システムを使用して向けられ得る。複数のレンズアセンブリの内の１つは、光学レンズの第１のセットと光学レンズの第２のセットとの両方のレンズアセンブリを用いて、倍率を有する入射光を提供するように構成され得、光学レンズの第２のセットは、レンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに搭載されたミラーの１つ以上のセットとビルドプラットフォームガントリに搭載された最終ミラーとの回転は、プリカーサミラーからの入射光を所望の場所に向けるために使用され得る。補償ガントリ及びビルド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のプリカーサミラーからの入射光の距離が画像距離に実質的に等しいことを保証できる。実際、これにより、システムの高い可用性を確保しつつ、異なる材料のビルド領域の場所全体で光ビームの配信サイズ及び強度をすばやく変更できる。

物品処理ユニット３４０は、壁のあるチャンバ３４８及び床３４４（纏めてビルドチャンバを画定する）と、材料を分配するための材料ディスペンサ３４２とを含み得る。材料ディスペンサ３４２は、分配し得、除去し得、混合し得、材料の種類若しくは粒子サイズの段階的変化又は変化を提供し得、又は材料の層の厚さを調整し得る。材料は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー粉末、固体から液体への熱誘起相変化及びその逆の相変化を受けることが可能なその他の溶融可能な材料、又はそれらの組み合わせを含み得る。材料は、溶融可能材料と非溶融可能材料との複合体を更に含み得、何れか又は両方のコンポーネントは、非溶融可能材料に沿って離れる、又は気化／破壊／燃焼若しくはその他の破壊的なプロセスを受けさせつつ、溶融可能であるコンポーネントを溶融するために画像リレーシステムによって選択的に目標にされ得る。幾つかの実施形態では、材料のスラリー、スプレー、コーティング、ワイヤ、ストリップ、又はシートが使用され得る。不要な材料は、送風機、真空システム、スイープ、振動、震え、傾斜、又は床３４６の反転の使用により、使い捨て又はリサイクルのために除去され得る。

材料処理コンポーネントに加えて、物品処理ユニット３４０は、３Ｄ構造体を保持及び支持するためのコンポーネント、チャンバを加熱又は冷却するためのメカニズム、補助又は支持光学系、並びに材料又は環境条件を監視又は調整するためのセンサ及び制御メカニズムを含る。物品処理ユニットは、全体的又は部分的に、不要な化学的相互作用を減らし、（特に反応性金属の場合に）火災又は爆発のリスクを軽減するために、真空又は不活性ガス雰囲気をサポートし得る。幾つかの実施形態では、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－Ｃ４Ｈ６、Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｉ－Ｃ_５Ｈ_１２、ｎ－Ｃ６Ｈ_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を含むその他の雰囲気の様々な純粋又は混合物が使用され得る。幾つかの実施形態では、冷媒又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）が使用され得る。容積（又は数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有する封止雰囲気組成物が、選択された割合の不活性／非反応性ガスと共に使用され得る。

幾つかの実施形態では、粉体床を保持するためのビルドプラットフォームを各々有する複数の物品処理ユニット又はビルドチャンバが、１つ以上の入射エネルギビームを受けてビルド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され得る。複数のチャンバにより、１つ以上のビルドチャンバ内で１つ以上の印刷ジョブを同時に印刷できる。他の実施形態では、取り外し可能なチャンバ側壁は、ビルドチャンバからの印刷物の取り外しを簡素化し得、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も装備され得る。更に他の実施形態では、ビルドチャンバは、レーザ光学系の近くに配置可能な取り外し可能なプリンタカートリッジとして構成され得る。幾つかの実施形態では、取り外し可能なプリンタカートリッジは、粉体を含み得、又は粉体供給源への取り外し可能な接続をサポートし得る。アイテムの製造後、取り外し可能なプリンタカートリッジは取り外され得、新たなプリンタカートリッジと交換され得る。

別の実施形態では、１つ以上の物品処理ユニット又はビルドチャンバは、固定の高さに維持されるビルドチャンバを有し得る一方、光学系は垂直方向に移動可能である。ビルドプラットフォームを固定の高さに保ちつつ、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上向きに動かすことによって、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を本質的に一定に管理し得る。有利なことに、ビルドプラットフォームを垂直方向に動かす場合と比較して、絶えず変化するビルドプラットフォームの質量をミクロン単位で正確に動かす必要がないため、大きくて重い物体をより簡単に製造できる。通常、体積が０．１～０．２立方メートルを超える（すなわち、１００～２００リットルを超える、又は５００～１，０００ｋｇを超える）金属粉末用のビルドチャンバは、ビルドプラットフォームを一定の高さに保つことにより最も利点を得るであろう。

一実施形態では、ビルドプラットフォームの粉末床の層の別の部分を含むように、粉末床の層の融合部分から１つ以上の一時的な壁を形成するために、粉末床の層の一部分は選択的に溶融又は融合され得る。選択された実施形態では、熱管理の改善を可能にするために、流体通路を１つ以上の第１の壁に形成し得る。

幾つかの実施形態では、付加製造システムは、粉末床をホッパー内の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、及び揺動が可能な粉末床を支持する構築プラットフォームを備えた物品処理ユニット又はビルドチャンバを含み得る。粉末床を形成する粉末材料は、後の印刷ジョブで再利用するためにホッパー内に収集され得る。粉末収集プロセスは自動化され得、粉末の撤去及び除去を支援するために真空又はガスジェットシステムも使用され得る。

幾つかの実施形態では、付加製造システムは、利用可能なビルドチャンバよりも長い部品を容易に取り扱うように構成され得る。連続（長い）部分は、第１のゾーンから第２のゾーンまで縦方向に順次進められ得る。第１ゾーンでは、粒状材料の選択された顆粒を合体させ得る。第２のゾーンでは、粒状材料の合体していない顆粒を除去し得る。連続部分の最初の部分は、第２のゾーンから第３のゾーンに進められ得るが、連続部分の最後の部分は第１のゾーン内で形成され、最初の部分は、第１のゾーン及び第２のゾーン内で最初の部分が占める長手方向及び横方向において同じ位置に維持される。実際には、付加製造及びクリーンアップ（例えば、未使用又は未合体の粒状材料の分離及び／又は再利用）は、粒状材料及び／又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又はゾーンで並行して（すなわち、同時に）実施され得る。

別の実施形態では、筐体の内部と筐体の外部との間のガス状物質の交換を制限する筐体の使用によって、付加製造能力を向上させ得る。エアロックは、内部と外部との間の界面を提供し、内部は、粉末床融解をサポートするものを含む、複数の付加製造チャンバを有する。ガス管理システムは、内部の気体酸素を限界酸素濃度以下に維持し、システムで使用され得る粉末の種類と処理の柔軟性を高める。

別の製造実施形態では、物品処理ユニット又はビルドチャンバを筐体内に収容することによって性能を向上させることができ、ビルドチャンバは、２，０００キログラム以上の重量を有する部品を創出することができる。ガス管理システムは、筐体内の気体酸素を雰囲気レベル未満の濃度に維持し得る。幾つかの実施形態では、エアロックは筐体内のガス環境と筐体外のガス環境との間を緩衝するように動作するので、車輪付き車両は、エアロックを通じて部品を筐体内から、並びに筐体及びエアロックの両方の外部の場所に輸送し得る。

他の製造実施形態は、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。インジェスタシステムは、粉体サンプルのプロセス内収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施され得、特性評価の結果は、粉末床融合プロセスの調整につながる。インジェスタシステムは、監査、プロセス調整、又はプリンタパラメータの変更若しくは認可された粉末材料の適切な使用の検証等のアクションの内の１つ以上に任意に使用され得る。

付加製造プロセスに対する更に別の改善は、クレーン、リフトガントリ、ロボットアーム、又は説明される動きを人間が行うのが困難又は不可能な部品の操作を可能にする同様のもの等のマニピュレータデバイスの使用によって提供され得る。マニピュレータデバイスは、部品の再配置又は操縦を可能にするために、部品上の様々な永続的又は一時的な付加製造操作ポイントを把持し得る。

制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザアンプ、光学系、熱制御、ビルドチャンバ、及びマニピュレータデバイスを含む、本明細書に説明する付加製造システム３００の任意のコンポーネントを制御するために接続され得る。制御プロセッサ３５０は、動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、及びコントローラに接続され得る。イメージャ、光強度モニタ、熱、圧力、又はガスセンサを含む幅広いセンサは、制御又は監視に使用される情報を提供するために使用され得る。制御プロセッサは、単一の中央制御装置であり得、或いは、１つ以上の独立した制御システムを含み得る。制御プロセッサ３５０には、製造命令の入力を可能にするためのインターフェースが提供される。幅広いセンサを使用することにより、品質、製造スループット、及びエネルギ効率を向上させる様々なフィードバック制御メカニズムが可能になる。

付加製造又は減法製造に適した共振ベースのライトバルブの使用をサポートする製造システムの動作の一実施形態が図４に説明されている。この実施形態では、フローチャート４００は、説明した光学的及び機械的コンポーネントによってサポートされる製造プロセスの一実施形態を説明する。ステップ４０２において、材料は床、チャンバ、又はその他の適切な支持体に配置される。材料は、サブトラクティブ製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、又は結晶構造体の変化、応力パターンへの影響、又は所望の特性を有する構造体を形成するための付加製造技術による化学的又は物理的変更のために溶融、融合、焼結が可能な粉末であり得る。

ステップ４０４において、パターン化されていないレーザエネルギは、ソリッドステートレーザ又は半導体レーザを含むがこれらに限定されない１つ以上のエネルギエミッタによって放出され、その後、１つ以上のレーザアンプによって増幅される。ステップ４０６において、パターン化されていないレーザエネルギは整形され、変更される（例えば、強度が変調され又は集束される）。ステップ４０８において、このパターン化されていないレーザエネルギは、ステップ４１０において処理されるパターンの一部を形成しないエネルギで、共振ベースのライトバルブによってパターン化される（これは、パターン化された若しくはパターン化されていないエネルギとしてのリサイクルされる廃熱、又はステップ４０４においてレーザアンプを冷却することによって生成される廃熱への変換を提供する、図２及び図３に関して開示したようなビームダンプの使用を含み得る）。ステップ４１２において、１次元又は２次元の画像を現在形成しているパターン化されたエネルギが材料に向かって中継される。ステップ４１４において、３Ｄ構造体の一部分を減算処理するか加算構築するかの何れかで、画像が材料に印加される。付加製造の場合、材料の最上層の必要な全ての領域に画像（又は別の後続の画像）が印加されるまで、これらのステップが繰り返され得る（ループ４１６）。材料の最上層へのエネルギの印加が終了した場合、３Ｄ構造体の構築を続けるために、新たな層が印加され得る（ループ４１８）。これらのプロセスループは、残りの余分な材料が除去又はリサイクルされ得る場合に３Ｄ構造体が完成するまで続けられる。

図５は、共振ベースのライトバルブと、パターン化された２次元エネルギの再利用を可能にするスイッチヤードシステムとを含む付加製造システムの一実施形態である。付加製造システム５２０は、１つ以上の連続的又は断続的なレーザビームをビーム整形光学系５１４に向けるレーザ及びアンプ源５１２を備えたエネルギパターン化システムを有する。過剰な熱は、図１Ａ～図１Ｄ、図２、図３、及び図４に関して開示したようなアクティブライトバルブ冷却システムを含む廃棄エネルギ処理ユニット５２２に転送され得る。整形後、ビームは、共振ベースの材料に基づくエネルギ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、一般的に、一部のエネルギは、廃棄エネルギ処理ユニット５２２に向けられる。パターン化されたエネルギは、複数の画像リレー５３２の内の１つによって、１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ、又は５３４Ｄに向けて、通常、可動又は固定の高さの床の近くに焦点を合わせた２次元画像として中継される。床は、粉末ホッパー又は同様の材料ディスペンサを含むカートリッジの内側にあり得る。画像リレー５３２によって導かれるパターン化されたレーザビームは、溶融し得、融合し得、焼結し得、合体し得、結晶構造を変更し得、応力パターンに影響を与え得、又は所望の特性を備えた構造体を形成するように分配された材料を化学的又は物理的に変更し得る。

この実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、廃棄されたパターン化エネルギの再利用を可能にする複数のコンポーネントを有する。レーザアンプ及び源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、又はエネルギダンプ５２６の内の１つ以上に向けられ得る。また、リレー５２８Ａ、５２８Ｂ、及び５２８Ｃは、エネルギを発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、又はエネルギダンプ５２６にそれぞれ転送し得る。任意に、リレー５２８Ｃは、更なる処理のために、パターン化されたエネルギを画像リレー５３２に向け得る。他の実施形態では、パターン化されたエネルギは、レーザ及びアンプ源５１２によって提供されたレーザビームに挿入するためにリレー５２８Ｃによってリレー５２８Ｂ及び５２８Ａに向けられ得る。パターン化された画像の再利用は、画像リレー５３２を使用しても可能である。１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ～Ｄに分配するために、画像はリダイレクト、反転、ミラー化、サブパターン化、又はその他の方法で変換され得る。有利なことに、パターン化された光の再利用は、付加製造プロセスのエネルギ効率を改善し得、幾つかの場合、床に向けられるエネルギ強度を改善し得、又は製造時間を短縮し得る。

発明の多くの修正及びその他の実施形態は、前述の説明及び関連する図面に提示された教示の利益を有する当業者の頭に浮かぶであろう。それ故、発明は開示された特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正及び実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれることを意図することが理解される。本発明のその他の実施形態は、本明細書に具体的に開示されていない要素／ステップがなくても実施できることも理解される。

Claims (20)

1. 第１の波長で高フルエンスのレーザビームを形成するための高出力レーザと、
   書き込みビームに応答する共振ベースの構造体を有する２Ｄパターン化可能なライトバルブと
   を含む、付加製造システム。
2. 前記共振ベースの構造体は、ラムダマジックミラーを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
3. 前記共振ベースの構造体は、フェーズドアレイラムダマジックミラーを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
4. 前記共振ベースの構造体は、電気光学的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
5. 前記共振ベースの構造体は、電気的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
6. 前記共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
7. 前記共振ベースの構造体は内部全反射構造体を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
8. 前記共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
9. 前記共振ベースの構造体はメタマテリアルを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
10. 共振ベースの構造体を有する前記２Ｄパターン化可能なライトバルブは、内部全反射を使用して動作する、請求項１に記載の付加製造システム。
11. 第１の波長で高フルエンスのレーザビームを形成するために高出力レーザを提供すること、
    前記高フルエンスの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であって、前記２Ｄパターン化可能なライトバルブは、書き込みビームに応答する共振ベースの構造体を有すること
    を含む、付加製造法。
12. 前記共振ベースの構造体は、ラムダマジックミラーを含む、方法１０に記載の付加製造システム。
13. 前記共振ベースの構造体は、フェーズドアレイラムダマジックミラーを含む、方法１０に記載の付加製造システム。
14. 前記共振ベースの構造体は、電気光学的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む、方法１０に記載の付加製造システム。
15. 前記共振ベースの構造体は、電気的に活性化された制御構造体を備えたラムダマジックミラーを含む、方法１０に記載の付加製造システム。
16. 前記共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む、方法１０の付加製造システム。
17. 前記共振ベースの構造体は内部全反射構造体を含む、方法１０に記載の付加製造システム。
18. 前記共振ベースの構造体は量子ドット材料を含む、方法１０の付加製造システム。
19. 前記共振ベースの構造体はメタマテリアルを含む、方法１０の付加製造システム。
20. 前記２Ｄパターン化可能なライトバルブは、内部全反射を使用して動作する共振ベースの構造体を有する、方法１０に記載の付加製造システム。