JP6244308B2 - レーザービームのビームパラメータ積を変動させること - Google Patents
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Description
従来技術は、レーザー材料処理システムで、BPP,特にスポットサイズが、良く定義した焦点スポットでもって、円滑に、連続的に、且つリアルタイムで変動し得るものを欠いている。従って、そのようなレーザー材料処理システムおよび方法を提供することは発明の目的である。
光学装置中にレーザービームを入力するための入力ポートと、
入力ポートに光学的に結合されたビーム発射機と、
ビーム発射機に光学的に結合された光学的導波管サブアッセンブリーであって、第1と第2の端部と、コアと、コアを取り囲んだクラディングを有する光学的導波管であって、コアとクラディングが光学的導波管の第1と第2の端部の間に伸長しているものと、第2の端部に結合された出口レンズと、
を含んだ光学的導波管サブアッセンブリーと、を含み、
ビーム発射機が、導波管の第1の端部において導波管のコア中に収束角と発射角でレーザービームを発射するように構成され、ビーム発射機が、収束角と発射角の1つ以上を変動させるように構成されており、
動作では、発射されたレーザービームが、光学的導波管の第1の端部から第2の端部までおよび出口レンズを通して伝播し、出口レンズに近接して第1のレーザービームくびれ部を形成し、第1のレーザービームくびれ部は直径を有しており、
光学的導波管の第2の端部における局所的光線角の分布が実質的に第2の端部に近接する導波管軸の周りに回転的に対称的であり、
ビーム発射機が収束角および/または発射角を変動させる時、出口レンズに近接する第1のレーザービームくびれ部の直径が変動され、それにより出口レンズから出るレーザービームのビームパラメータ積を変動させる、
光学装置、が提供される。
レーザービームのビームパラメータ積を変動させるための、上述した光学装置のいずれか1つと、
光学装置に結合されたプロセスヘッドであって、プロセスヘッドは、ターゲット上で第1のレーザービームスポットを第2のレーザービームスポット上に結像するための、出口レンズに結合されたフォーカスエレメントを含むものと、
を含む、レーザービーム配送システム、が更に提供される。
(a)第1と第2の端部と、コアと、コアを取り囲んだクラディングを有する光学的導波管であって、コアとクラディングが光学的導波管の第1と第2の端部の間に伸長しているものと、第2の端部に結合された出口レンズと、を提供することと、
(b)光学的導波管の第1の端部中に収束角および/または発射角でレーザービームを発射することと、
(c)光学的導波管の光学軸に対する局所的光線角の大きさの分布を実質的に保持しながら、第2の端部において実質的に回転的に対称的な分布を形成するような、光学的導波管によって導波されたレーザービームの光線角を可能とすべく、光学的導波管中でステップ(b)で発射されたレーザービームを、第1の端部から第2の端部まで伝播することと、
(d)出口レンズを通してレーザービームを指向させ、出口レンズから出るレーザービーム中に第1のレーザービームくびれ部を形成することであって、第1のレーザービームくびれ部は、ステップ(c)で形成された光学的導波管の第2の端部における光線角の回転的な対称性のために実質的に回転的に対称的であることと、
(e)出口レンズを出るレーザービームのビームパラメータ積を変動させるように、収束角および/または発射角を変動させることと、
を含む、方法、が更に提供される。
定されていることを意図されていない。逆に、当業者によって理解されるであろうように、本教示は様々な代替案、修正案および等価物を包括する。
る。図3Aから3Dに行くに従って、直径は30から100マイクロメーターまで増加する。フラットトップスポット300Aは、例えば、レーザー溶接とレーザー熱処理のいくつかのタイプのような、いくつかの応用のために好まれることができる。ドーナッツ形状のスポット300Bから300Dは、マイルドな鋼鉄のような厚いシートメタルの切断を含んだ、その他の応用に好まれることができる。
均一な角度照明を確かなものとする好まれた非円形コア形状は、限定無しに、正方形、長方形、三角形、六角形、八角形、D字形状、リップル状、カスプ状、および星形を含む。その第1と第2の端部208と210の間の光学的導波管202の長さは、好ましくは少なくとも1mである。更に、好ましくは、クラディング206は、硬さを増加しファイバーベンドを削減して、光線の角度の大きさの向上した保存のために、少なくとも250マイクロメーターの直径を有する。有利なことに、クラディング206は、向上された高いパワーの取り扱いのためのSiO2クラディングであるが、その他のクラディングタイプが使われることができる。光学的導波管202はまた、光学的導波管202内のレーザービームの偏光を制御するための偏光維持、偏光、カイラル、またはスパン導波管を含んでいることができる。
2の端部210からのレーザービームの結合のために、それぞれ第1と第2の端部208と210と融着されている。例えば、GRINレンズであることができる、第1と第2のグレーデッドインデックス光学エレメント701と702は、レーザービーム配送システム400のそれぞれ入口および出口レンズ228と212に対応する。それぞれ第1と第2のエンドキャップ703と704は、それぞれレーザービームを第1のグレーデッドインデックス光学エレメント701にと第2のグレーデッドインデックス光学エレメント702からの送信のために、それぞれ第1と第2のグレーデッドインデックス光学エレメント701と702に融着されている。それぞれ第1と第2のエンドキャップ703と704の外側光学的表面705と706は、反射防止(AR)被覆されていることができる。更には、それぞれ第1と第2のエンドキャップ703と704の外側光学的表面705と706は、それぞれ光学的導波管202の第1の端部208中にレーザービームのフォーカスと光学的導波管202の第2の端部210を出るレーザービームのコリメーションを容易にするために彎曲されることができる。
つまたは整数倍のものである。第1の光学エレメント801の放射状傾斜インデックスプロファイルは、収差を作り出すために実質的に非放物線である。第2の傾斜インデックス光学エレメントは、1/4ピッチ長の1つまたは奇整数倍のものである。第2の光学エレメント802の放射状傾斜インデックスプロファイルは、レーザービームの可変な発散と可変なレーザービームくびれ部直径の望ましい混合を作り出すために実質的に放物線である。
第2のステップインデックス導波管セクション908と910の間に結合されている。発散調整エレメント900Bは、グレーデッドインデックス導波管セクション912のそれぞれ温度または長さを変動させるためのヒーター904を含み、それにより光学的導波管202内のレーザービームの発散を変動させる。グレーデッドインデックス導波管セクション912内の光線の軌跡が、光線920で示されている。第2のステップインデックス導波管セクション910のコア直径は、好ましくは第1のステップインデックス導波管セクション908のものよりも大きく、第2のステップインデックス導波管セクション910中へのより良い光結合を許容する。第1の導波管セクション908はオプショナルであり、省略されることができる。この場合には、オプショナルなビームが第3のグレーデッドインデックス導波管セクション912中に直接発射されるであろう。
1116と1118によって取り囲まれるコア1114を有する、インデックスプロファイル1110Bは、コア1114と第1のクラディング1116に対応する2つの反射率ステップを示す。図11Cでは、グレーデッドインデックス導波管1120が、インデックスプロファイル1110Cによって示されているように、反射率の緩やかな変動、好ましくは放物線変動を有する。全てのそれらの導波管タイプは、光学的導波管202の代わりに使われることができる。更には、フォトニック結晶および/またはマイクロ構造の導派管が使われることができる。フォトニック結晶導派管は一般に、ステップインデックスファイバーよりも大きな発散においてレーザービームをガイドできる。フォトニック結晶導波管によって供されるいくつかの興味深い可能性は、出力くびれ部直径と出力発散の間の望ましい機能的関係をデサインすることの可能性を含み、よってターゲット410における変動させるビームサイズとビーム発散の予め規定された比でBPPを変動させる。
(a)それぞれ第1と第2の端部208と210を有するステップインデックス光学的導波管202を含んだ光学的導波管サブアッセンブリー200と、第2の端部210に結合した出口レンズ212を提供することと、
(b)光学的導波管202の第1の端部208中に可変の収束角においておよび/または可変の発射角においてレーザービーム215を発射することと、
(c)光学的導波管202の光学軸に対する局所的光線角の大きさの分布を実質的に保持しなから、第2の端部210において実質的に回転的に対称的な分布を形成するように、光学的導波管202によって導波されたレーザービーム215の光線角を可能とするために、光学的導波管202中でステップ(b)で発射されたレーザービーム215を伝播することと、
(d)ステップ(c)で伝播したレーザービーム215が、光学的導波管202の第2の端部210を出て出口レンズ212を通して伝播することを引き起こすことと、出口レンズ212を出るレーザービームにおいて第1のレーザービームくびれ部218を形成することで、ここで第1のレーザービームくびれ部217は、光学的導波管202の第2の端部210における光線角の回転的な対称性のために実質的に回転的に対称的であることと、
(e)出口レンズ212を出るレーザービーム215のビームパラメータ積を変動させるように、収束角および/または発射角を変動させることと、
を含む。
Claims (32)
- レーザービームのビームパラメータ積を変動させるための光学装置であって、光学装置は、
光学装置中にレーザービームを入力するための入力ポートと、
入力ポートに光学的に結合されたビーム発射機と、
ビーム発射機に光学的に結合された光学的導波管サブアッセンブリーであって、
第1と第2の端部と、コアと、コアを取り囲んだクラディングを有する光学的導波管であって、コアとクラディングが光学的導波管の第1と第2の端部の間に伸長しているものと、
第2の端部に結合され、10.0mmより大きくない焦点距離を有する出口レンズと、
を含んだ光学的導波管サブアッセンブリーと、を含み、
ビーム発射機が、光学的導波管の第1の端部において光学的導波管のコア中に収束角と発射角でレーザービームを発射するように構成され、ビーム発射機が、収束角または発射角の1つ以上を変動させるように構成されており、
動作では、発射されたレーザービームが、光学的導波管の第1の端部から第2の端部までおよび出口レンズを通して伝播し、出口レンズに近接して第1のレーザービームくびれ部を形成し、第1のレーザービームくびれ部は直径を有しており、
光学的導波管の第2の端部における局所的な光線角の分布が実質的に第2の端部付近の光学的導波管の光学軸の周りに回転的に対称的であり、
ビーム発射機が収束角および/または発射角を変動させる時、出口レンズが、変動された収束角および/または変動された発射角をもったレーザービームを受け取り、レーザービームの分布を第1の分布から第2の分布に変換し、それによりレーザービームの特定の直径を変動させ、焦点平面において直径を有する第1のレーザービームくびれ部を形成し、
光学的導波管が、ステップインデックス導波管であり、
出口レンズが、出口レンズを出るレーザービームのビームパラメータ積を追加に変動させるために、出口レンズから出るレーザービームの可変な発散と第1のレーザービームくびれ部の可変な直径の望ましい混合を作り出すように選択された収差を有し、
出口レンズが、光学的導波管に結合された第1の勾配インデックス光学的エレメントと、第1の勾配インデックス光学的エレメントに結合された第2の勾配インデックス光学的エレメントを含み、
第1の勾配インデックス光学的エレメントが、1/2ピッチ長の1つまたは整数倍のものであり、第1の勾配インデックス光学的エレメントの放射状勾配インデックスプロファイルが、収差を作り出すように実質的に非放物線状であり、
第2の勾配インデックス光学的エレメントが、1/4ピッチ長の1つまたは奇整数倍のものであり、第2の勾配インデックス光学的エレメントの放射状勾配インデックスプロファイルが、出口レンズから出るレーザービームの可変な発散と第1のレーザービームくびれ部の可変な直径の望ましい混合を作り出すように実質的に放物線状である、光学装置。 - 出口レンズが、光学的導波管に強固に載置されている、請求項1の光学装置。
- 出口レンズが、光学的導波管と一体である、請求項2の光学装置。
- 出口レンズが、勾配インデックスレンズ、勾配インデックス導波管ピース、および彎曲した外側光学的表面を有するエンドキャップからなるグループから選択されている、請求項3の光学装置。
- 出口レンズが、勾配インデックスレンズと勾配インデックス導波管ピースからなるグループから選択されており、出口レンズの長さが1/4ピッチまたはその奇数倍ではなく、出口レンズが、1/4ピッチの長さで使われた時に、10mmより大きくない焦点距離を生み出すであろうような、屈折率プロファイルを有する、請求項1の光学装置。
- ビーム発射機が、その上に当たっているレーザービームを光学的導波管の第1の端部中に発射するための入口レンズと、レーザービームと入口レンズの光学軸の間に可変な横方向変位を提供するためのシフターを含む、請求項1の光学装置。
- 入口および出口レンズが、それぞれ光学的導波管の第1および第2の端部に強固に載置されている、請求項6の光学装置。
- 入口レンズが、コア中に傾斜光線を作成するようにレーザービームをコア中に発射するために、光学的導波管のコアに対して横方向にオフセットされている;または入口レンズが勾配インデックスレンズかまたは勾配インデックスファイバーのピースであり、コア中に傾斜光線を作成するようにレーザービームをコア中に発射するために、入口レンズの外側面が傾けられている;またはコア中に傾斜光線を作成するようにレーザービームをコア中に発射するために、レーザービームが、可変な横方向変位に加えて傾きをもって入口レンズ中に発射される、請求項7の光学装置。
- 入口および出口レンズが、光学的導波管と一体である、請求項7の光学装置。
- 入口および出口レンズが、同じ焦点距離を有する、請求項7の光学装置。
- 入口および出口レンズが、勾配インデックスレンズ、勾配インデックス導波管ピース、および彎曲した外側光学的表面を有するエンドキャップからなるグループから選択されている、請求項7の光学装置。
- 入口および出口レンズの外側表面にそれぞれ融着された第1および第2のエンドキャップを更に含む、請求項7の光学装置。
- 第1および第2のエンドキャップの外側光学的表面が、光学的導波管の第1の端部中へのレーザービームのフォーカスと、光学的導波管の第2の端部を出るレーザービームのコリメーションをそれぞれ容易にするように彎曲されている、請求項12の光学装置。
- シフターが、レーザービームを横方向に変位するための、入口レンズの上流に配置された、横方向に変位可能なレンズまたは光学楔を含む、請求項6の光学装置。
- 横方向に変位可能なレンズまたは光学楔を変位可能に載置するための撓みマウントを更に含む、請求項14の光学装置。
- コアが、光学的導波管の第2の端部におけるレーザービームの強度の実質的に均一な放射状分布の形成を容易にするために非円形断面を有し、それにより第1のレーザービームくびれ部における光線角の均一な分布を容易にする、請求項1の光学装置。
- 非円形断面が、正方形、長方形、三角形、六角形、八角形、D字形状、リップル状、カスプ状、および星形からなるグループから選択されている、請求項16の光学装置。
- クラディングが、少なくとも250マイクロメートルの直径を有する、請求項1の光学装置。
- クラディングが、SiO2クラディングからなる、請求項18の光学装置。
- その第1および第2の端部の間の光学的導波管の長さが、少なくとも1mである、請求項19の光学装置。
- 光学的導波管が、レーザービームの偏光を制御するための、偏光維持、偏光、カイラル、またはスパン導波管からなる、請求項1の光学装置。
- 光学的導波管が、ダブルクラッド導波管、マルチクラッド導波管、フォトニック結晶導波管、およびマイクロ構造導波管からなるグループから選択されている、請求項1の光学装置。
- 第1のレーザービームくびれ部においてビームスペックル構造を削減するように、レーザービームがその中に発射された時に光学的導波管を振動させるための、光学的導波管に結合された振動ユニットを更に含む、請求項1の光学装置。
- 振動ユニットが、音響トランスデューサー、超音波トランスデューサー、および機械的バイブレーターからなるグループから選択されている、請求項23の光学装置。
- 可変なビームパラメータ積でターゲットにレーザービームを配送するためのレーザービーム配送システムであって、レーザービーム配送システムは、
請求項1の光学装置と、
光学装置に結合されたプロセスヘッドであって、プロセスヘッドは、ターゲットの上または近くで第1のレーザービームくびれ部を第2のレーザービームくびれ部上に結像するための、出口レンズに結合されたフォーカスエレメントを含むものと、を含む、レーザービーム配送システム。 - 第2および第1のレーザービームくびれ部の直径の比として規定された、フォーカスエレメントの画像拡大率が、焦点平面におけるレーザービームの発散の変動と実質的に独立である、請求項25のレーザービーム配送システム。
- 第2のレーザービームくびれ部を撮像するためのカメラと、
カメラによって撮像された第2のビームくびれ部の直径を決定するための、カメラとビーム発射機に結合されたコントローラーであって、コントローラーは、ターゲット上で第2のレーザービームくびれ部の直径の予め決められた値に達するように、レーザービームの収束角および/または発射角を調節することをビーム発射機に引き起こすように構成されているものと、を更に含む、請求項25のレーザービーム配送システム。 - ターゲットに配送されたレーザービームの制御可能な遮断を提供するためのシャッターボックスであって、ビーム発射機が、シャッターボックス中に配置されているものを更に含む、請求項25のレーザービーム配送システム。
- 入力ポートへのレーザーによって放出されたレーザービームの配送のための、入力ポートに結合された入力ファイバーを更に含む、請求項25のレーザービーム配送システム。
- 光学的導波管中のレーザービームのラマン散乱によって作成された光を抑制するためのラマンフィルターを更に含む、請求項25のレーザービーム配送システム。
- レーザービームのビームパラメータ積を変動させるための方法であって、方法は、(a)第1と第2の端部と、コアと、コアを取り囲んだクラディングを有する光学的導波管であって、コアとクラディングが光学的導波管の第1と第2の端部の間に伸長しているものと、第2の端部に強固に載置され、10.0mmより大きくない焦点距離を有する出口レンズと、を提供することと、(b)光学的導波管の第1の端部中に収束角および/または発射角でレーザービームを発射することと、(c)光学的導波管の光学軸に対する局所的な光線角の大きさの分布を実質的に保持しながら、第2の端部において実質的に回転的に対称的な分布を形成するような、光学的導波管によって導波されたレーザービームの光線角を可能とすべく、光学的導波管中でステップ(b)で発射されたレーザービームを、第1の端部から第2の端部まで伝播することと、
(d)出口レンズを通してレーザービームを指向させ、出口レンズから出るレーザービーム中に第1のレーザービームくびれ部を形成することであって、第1のレーザービームくびれ部は、ステップ(c)で形成された光学的導波管の第2の端部における局所的な光線角の回転的な対称性のために実質的に回転的に対称的であることと、(e)レーザービームの分布を第1の分布から第2の分布に変換し、出口レンズを使って、
出口レンズを出るレーザービームの特定の直径を変動させるように、収束角および/または発射角を変動させ、それにより焦点平面において直径を有する第1のレーザービームくびれ部を形成することと、を含み、
光学的導波管が、ステップインデックス導波管であり、
出口レンズが、出口レンズを出るレーザービームのビームパラメータ積を追加に変動させるために、出口レンズから出るレーザービームの可変な発散と第1のレーザービームくびれ部の可変な直径の望ましい混合を作り出すように選択された収差を有し、
出口レンズが、光学的導波管に結合された第1の勾配インデックス光学的エレメントと、第1の勾配インデックス光学的エレメントに結合された第2の勾配インデックス光学的エレメントを含み、
第1の勾配インデックス光学的エレメントが、1/2ピッチ長の1つまたは整数倍のものであり、第1の勾配インデックス光学的エレメントの放射状勾配インデックスプロファイルが、収差を作り出すように実質的に非放物線状であり、
第2の勾配インデックス光学的エレメントが、1/4ピッチ長の1つまたは奇整数倍のものであり、第2の勾配インデックス光学的エレメントの放射状勾配インデックスプロファイルが、出口レンズから出るレーザービームの可変な発散と第1のレーザービームくびれ部の可変な直径の望ましい混合を作り出すように実質的に放物線状である、方法。 - ステップ(b)において、出口レンズの下流に環状スポットを作り出すべく、発射角が収束角よりも大きい、請求項31の方法。
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