JP6667555B2 - レーザ送達システムにおけるビームパラメータ積を変動させるための光学要素配置 - Google Patents

Description

（関連出願）
本願は、２０１５年６月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／１８３，２１０号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の全体の開示は、参照により本明細書中に援用される。

種々の実施形態では、本発明は、レーザシステムに関し、具体的には、制御可能ビームパラメータ積を伴うレーザシステムに関する。

高パワーレーザシステムが、溶接、切断、穿孔、および材料処理等の異なる用途の集合のために利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、そこからのレーザ光が光ファイバ（または単に「ファイバ」）の中に結合される、レーザエミッタと、ファイバからのレーザ光を処理されるべきワークピース上に集束させる、光学システムとを含む。光学システムは、典型的には、最高品質レーザビーム、または言い換えると、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を伴うビームを生産するようにエンジニアリングされる。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と、その最狭点（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）におけるビームの波形の積である。ＢＰＰは、レーザビームの品質および小スポットに集束され得る程度を定量化し、典型的には、ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。（本明細書に開示されるＢＰＰ値は、別様に示されない限り、ｍｍ−ｍｒａｄの単位である。）ガウスビームは、円周率によって除算されるレーザ光の波長によって求められる、最低可能ＢＰＰを有する。同一波長における実際のビームのＢＰＰと理想的ガウスビームの比率は、Ｍ^２として示され、これは、ビーム品質の波長独立測定値である。

多くのレーザ処理用途では、所望のビームスポットサイズ、発散、およびビーム品質は、例えば、処理のタイプおよび／または処理されている材料のタイプに依存して変動し得る。そのような変更をレーザシステムのＢＰＰに行うために、頻繁には、出力光学システムまたは光ファイバが、他の構成要素と交換および／または再整合されなければならず、時間がかかり、かつ高価なプロセスとなり、これはさらに、レーザシステムの脆弱な光学構成要素の不注意な損傷につながり得る。したがって、そのような調節を光ファイバの出力におけるレーザビームまたは光学システムに伴わない、レーザシステムのＢＰＰを変動させるための代替技法の必要性がある。

本発明の実施形態は、レーザビームを成形し、ビーム品質（特に、ＢＰＰ）を修正する、所望の空間ビームプロファイルを達成することが可能な光学要素を使用する。より具体的には、その位置をレーザビームの光学軸に対して横方向または縦方向に移動または変位させることによる光学要素の光学幾何学形状の変化が、可変ＢＰＰを生産するために利用されてもよい。本発明の実施形態では、光学要素は、ビーム経路内に位置し、その位置に応じて、異なるビーム偏向または回折を生産する切替可能な状態を伴う。本発明の実施形態による光学要素の使用は、入力レーザビームに対応する形状、品質、波長、帯域幅、およびビームの数にかかわらず、ＢＰＰの変動を可能にする。制御可能に可変のＢＰＰを伴う出力ビームは、溶接、切断、穿孔等の用途においてワークピースを処理するために使用されてもよい。

可変ＢＰＰの１つの利点は、異なるタイプの処理技法または処理される異なるタイプの材料のための改良されたレーザ用途性能である。いくつかの技法が、レーザＢＰＰを修正するために調査されている。レーザビーム品質は、共振モードクリーナ、非共振モードクリーナ、および光ファイバを含む、モードクリーナによって改良され得る。レーザビームのＢＰＰを変動させるための種々の技法が、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号に説明されており、その開示は、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。モードクリーナキャビティまたは光学単一モードファイバの使用と比較して、非共振モードクリーナは、比較的に整合が容易である。本方法は、空間フィルタ、屈折光学、および適応光学を使用することによる横方向ビーム成形と、時間および周波数ドメイン方法を使用することによる縦方向ビーム成形とに分割され得る。光学要素（屈折光学）によって誘発される異なるビーム強度分布は、ビーム品質、したがって、ＢＰＰを修正する。ビーム経路内に異なる効果的光学幾何学形状を有する光学要素の平行移動（例えば、モータ駆動平行移動）を使用することによって、ＢＰＰのリアルタイム動的変化が、実現され得る。

レーザビーム成形は、ビームの強度（放射照度）および位相を再分布させるプロセスである。ガウス、ベッセル、環状、多モード、長方形、シルクハット、楕円形または円形、および異なる強度プロファイル等のビームプロファイルを画定する強度分布は、具体的レーザ材料処理技法のために重要かつ必要であり得る。近接場内のビーム成形のために調査されているいくつかの方法の中で、最も簡単なアプローチは、アポディゼーションおよびトランケーションの使用を通したものである。本アプローチは、基本的に、エネルギー非効率的であるため、反射光学、屈折光学、回折光学、音響光学、および／または液晶が、概して、フィールドマッピング方法を使用することによって、レーザビームを成形するために採用される。ビーム成形のための別のアプローチは、ビーム統合であって、これは、強度スパイクを平滑にするための入力ビームの混合割合、すなわち、入力ビームをレンズの焦点面に重複するビームレットに分裂させることに基づく、統合を用いたビーム均質化を伴う。

本発明の実施形態では、光学要素は、レーザビームをワークピースに送達し、レーザを集束させる、送達システム内に位置する。送達システムは、例えば、切断ヘッドまたは溶接ヘッドとして構成および／またはパッケージ化されてもよい。本発明の実施形態は、ワークステーション（および／またはその上に配置されるワークピース）において制御可能に可変のＢＰＰを可能にするために、ビーム品質を変動させる。可変ＢＰＰモジュールは、１つまたはそれを上回る光学要素と、モータ駆動平行移動段と、コリメートレンズと、集束レンズとを含んでもよい。本発明の実施形態は、ＢＰＰを変動させるために使用される光学要素のための複数のタイプの屈折光学のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを特徴としてもよい。

本発明の実施形態は、レーザビームの光学経路内の１つまたはそれを上回る光学要素の位置を動的に変化させることによって、ビーム品質を変動させる。一実施形態では、ビームプロファイルは、光学要素上のビーム指向位置を調節することによって調整される。光学要素は、所望のビームプロファイル、したがって、ＢＰＰに依存する、異なる幾何学形状を有してもよい。本発明の実施形態による１つの光学要素は、平面表面および平坦上部（すなわち、切頭）円錐形表面を有する。本発明の実施形態による別の光学要素は、平面表面および平坦上部球形表面を有する。本発明の実施形態によるさらに別の光学要素は、メニスカスレンズである。ビーム送達ファイバからの発散光線は、光学要素に向かって指向され、光学要素内のビーム強度を再分布させる。本発明の実施形態による他の光学要素は、対合されたポジ型およびネガ型アキシコンレンズを含む。他の実施形態では、光学要素は、対を成す相補的位相プレートレンズを含み、そのうちの１つは、部分的凸面表面を有し、そのうちの１つは、相補的部分的凹面湾曲表面を有する。光学要素の縁は、回折効果を抑制するために丸くされてもよい。種々のビーム成形技法を用いたワークピース上のレーザ強度分布の発生／変形が、実施されているが、そのような従来の技法は、ビーム品質を変動させるための限定された能力を有する。光学要素の自動化された移動を用いたＢＰＰの動的変動の利点が、例えば、自由形態切断の間のＢＰＰ変化が要求される、丸形切断または正方形切断角上におけるレーザ切断用途に適用されてもよい。そのような利点はまた、ＢＰＰおよび焦点距離の両方を変動させる能力を利用し得る、レーザ穿孔用途に適用されてもよい。本発明の実施形態による光学要素の自動化された閉ループモータ制御は、信頼性および再現可能性能をもたらし、光学位置の精密な制御を可能にし、それによって、正確なＢＰＰ変動を提供する。

本明細書で、「光学要素」とは、別様に示されない限り、電磁放射線を再指向し、反射し、屈曲し、または任意の他の様式で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、格子、および同等物のうちのいずれかを指し得る。本明細書で、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、電磁ビームを生成するが、自己共振である場合もあり、そうではない場合もある、半導体要素等の任意の電磁ビーム生成デバイスを含む。これらはまた、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ等も含む。概して、各エミッタは、後反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、前反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルの任意の特定の部分に限定されないが、可視光、赤外線、および／または紫外線であり得る、電磁放射線の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含んでもよい、または本質的にそれから成ってもよい。本明細書の実施形態で受容される入力ビームは、当技術分野で公知である種々の技法を使用して組み合わせられる、単波長または多波長ビームであってもよい。

本発明の実施形態は、多波長ビームを形成するように分散要素を使用して組み合わせられる、１つまたはそれを上回るダイオードバー等の複数のエミッタを含む、波長ビーム結合（ＷＢＣ）システムとともに利用されてもよい。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素によってフィルタにかけられる共通部分反射出力結合器から、波長特異的フィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、それぞれの開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号で詳述される。ＷＢＣシステムの多波長出力ビームが、例えば、ＢＰＰ制御のために、本発明の実施形態と併せて、入力ビームとして利用されてもよい。

ある側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザシステムは、放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための光学要素と、放射ビームの経路内の光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。光学要素は、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置されてもよい（すなわち、ビーム源の光学的に下流かつコリメートレンズの光学的に上流に配置される）。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。メニスカスレンズは、ポジ型メニスカスレンズであってもよい。メニスカスレンズは、ネガ型メニスカスレンズであってもよい。光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。

レーザ送達システムは、放射ビームの経路内に配置される第２の光学要素を含んでもよい。第２の光学要素は、集束レンズとワークピースとの間に配置されてもよい（すなわち、集束レンズの光学的に下流に配置され、かつワークピースの光学的に上流に配置される）。レンズ操作システムは、放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置を変化させるように構成されてもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。第２の光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の表面は、ビーム源に面してもよい。第１の表面は、ビーム源から逆に面してもよい。第２の光学要素は、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。メニスカスレンズは、ポジ型メニスカスレンズであってもよい。メニスカスレンズは、ネガ型メニスカスレンズであってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。

ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つまたはそれを上回る円筒形レンズ、１つまたはそれを上回る球形レンズ、１つまたはそれを上回る球形ミラー、および／または１つまたはそれを上回る円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。

別の側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザ送達システムは、放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、コリメートされたビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための第１および第２の光学要素と、（ｉ）放射ビームの経路内の第１の光学要素の位置、（ｉｉ）放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置、および／または（ｉｉｉ）第１および第２の光学要素間の距離を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。第１および／または第２の光学要素は、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置されてもよい（すなわち、ビーム源の光学的に下流かつコリメートレンズの光学的に上流に配置される）。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、または約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第１の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第１の光学要素の第１の表面に面してもよい。レンズ操作システムは、第１の光学要素および／または第２の光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。第１の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。

ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つまたはそれを上回る円筒形レンズ、１つまたはそれを上回る球形レンズ、１つまたはそれを上回る球形ミラー、および／または１つまたはそれを上回る円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。

さらに別の側面では、本発明の実施形態は、放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムを特徴とする。レーザ送達システムは、放射ビームの発散を増加させるための１つまたはそれを上回る発散増加光学要素と、放射ビームを受信し、ビームをワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための少なくとも１つの光学要素と、放射ビームの経路内の少なくとも１つの光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布をワークピース上で達成するためのコントローラとを含む、またはそれから本質的に成る。

本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて以下のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。集束レンズは、１つまたはそれを上回る発散増加光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、集束レンズの光学的に上流に配置されてもよい。１つまたはそれを上回る発散増加光学要素は、三重コリメータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。三重コリメータは、（ｉ）第１の平凹面レンズと、（ｉｉ）第２のメニスカスレンズと、（ｉｉｉ）第３の平凸面レンズとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の平凹面レンズは、第２のメニスカスレンズの光学的に上流に配置されてもよい。第２のメニスカスレンズは、第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、第１の平凹面レンズの光学的に下流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、第２のメニスカスレンズおよび／または第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置されてもよい。少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。少なくとも１つの光学要素は、メニスカスレンズ（例えば、ポジ型メニスカスレンズまたはネガ型メニスカスレンズ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レンズ操作システムは、少なくとも１つの該光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。

少なくとも１つの光学要素は、第１の光学要素および第２の光学要素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素および第２の光学要素は、その間の間隙によって分離されてもよい。レンズ操作システムは、（ｉ）放射ビームの経路内の第１の光学要素の位置、（ｉｉ）放射ビームの経路内の第２の光学要素の位置、および／または（ｉｉｉ）第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内、約２ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲内、または約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成されてもよい。第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に上流に配置されてもよい。第１の光学要素は、第２の光学要素の光学的に下流に配置されてもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第１の表面に面してもよい。第１の光学要素の第１の表面は、第２の光学要素の第２の表面に面してもよい。第１の光学要素の第２の表面は、第１の光学要素の第１の表面に面してもよい。レンズ操作システムは、第１の光学要素および／または第２の光学要素を放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成されてもよい。第１の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第２の光学要素は、溶融シリカおよび／または硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。

ビーム源は、複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、集束されたビームを受信し、受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して放射ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器とを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。放射ビームは、複数の波長放射から成ってもよい。集束光学は、１つまたはそれを上回る円筒形レンズ、１つまたはそれを上回る球形レンズ、１つまたはそれを上回る球形ミラー、および／または１つまたはそれを上回る円筒形ミラーを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。

これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付図面、および請求項の参照を通して、より明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、「実質的に」という用語は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。「本質的に〜から成る」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、「放射線」および「光」という用語は、別様に指示されない限り、同義的に利用される。本明細書で、「下流」または「光学的に下流」とは、第１の要素に衝突後に光ビームが衝打する、第２の要素の相対的場所を示すために利用され、第１の要素は、第２の要素の「上流」または「光学的に上流」にある。本明細書では、２つの構成要素間の「光学距離」は、光ビームによって実際に進行される、２つの構成要素間の距離であって、光学距離は、２つの構成要素間の物理的距離と等しくてもよいが、例えば、構成要素のうちの一方から他方に進行する光によって被られる、ミラーからの反射または伝搬方向における他の変化に起因して、必ずしもそうではない。

図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して、同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を図示する際に強調が置かれる。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。

図１は、本発明の種々の実施形態による、レーザビーム送達システムの概略図である。 図２は、本発明の種々の実施形態による、平坦上部円錐形光学要素の概略図である。 図３Ａは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカ平坦上部円錐形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。図３Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの硫化亜鉛平坦上部円錐形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図４Ａは、本発明の種々の実施形態による、中心からずれた光学要素を有する、レーザ送達システムの概略図である。 図４Ｂ−４Ｄは、図４Ａのレーザ送達システムによって生産される中心からずれた距離の関数としてのビームプロファイルを描写する。図４Ｅは、図４Ｄに描写される２ピークビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフである。 図５は、本発明の種々の実施形態による、平坦上部球形光学要素の概略図である。 図６Ａは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカ平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。図６Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの硫化亜鉛平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図７Ａ−７Ｃは、本発明の種々の実施形態による、図５の光学要素を組み込むレーザ送達システムによって生産される中心からずれた距離の関数としてのビームプロファイルを描写する。図７Ｄは、図７Ｃに描写される２ピークビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフである。 図８Ａは、本発明の種々の実施形態による、２つのアキシコンレンズ光学要素を有する、レーザ送達システムの一部の概略図である。 図８Ｂおよび８Ｃは、本発明の種々の実施形態による、アキシコンレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。 図８Ｂおよび８Ｃは、本発明の種々の実施形態による、アキシコンレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。 図９は、本発明の種々の実施形態による、ポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図１０は、本発明の種々の実施形態による、ポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。 図１１は、本発明の種々の実施形態による、ビーム経路内で横方向に中心からずれたポジ型およびネガ型アキシコンレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。 図１２Ａは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズを有する、レーザ送達システムの一部の概略図である。図１２Ｂおよび１２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、位相プレートレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。図１２Ｂおよび１２Ｃは、本発明の種々の実施形態による、位相プレートレンズの幾何学的設計パラメータを描写する。 図１２Ｄは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートの内径の関数としてのＢＰＰのグラフである。図１２Ｅは、本発明の種々の実施形態による、入力ファイバ端部キャップからの分離の関数としての対を成す位相プレートの最適化された内径のグラフである。 図１２Ｆは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。図１２Ｇは、本発明の種々の実施形態による、対を成す位相プレートレンズ間の異なる間隙距離におけるビームプロファイルを描写する。 図１３Ａは、本発明の種々の実施形態による、メニスカスレンズ光学要素の概略図である。 図１３Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ビーム源からの溶融シリカメニスカスレンズ光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図１４Ａは、本発明の種々の実施形態による、増加されたビーム発散のための三重コリメータを組み込む、部分的レーザビーム送達システムの概略図である。 図１４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、図１４Ａのレーザ送達システム内のビーム源からの平坦上部球形光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。図１４Ｃは、本発明の種々の実施形態による、図１４Ａのレーザ送達システム内のビーム源からのメニスカスレンズ光学要素の距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図１４Ｄは、本発明の種々の実施形態による、増加されたビーム発散のための三重コリメータと、対を成す位相プレート光学要素とを組み込む、部分的レーザビーム送達システムの概略図である。図１４Ｅは、本発明の種々の実施形態による、図１４Ｄのレーザビーム送達システム内の対を成す位相プレートレンズ間の間隙距離の関数としてのＢＰＰ変動のグラフである。 図１５は、本発明の種々の実施形態による、レーザビーム送達システムのための入力ビームを供給するために利用され得る、波長ビーム組み合わせレーザシステムの概略図である。

図１は、本発明の実施形態による、ビーム操作光学要素を組み込む、レーザビーム送達システム１００の概略図を描写する。種々の実施形態では、レーザビーム送達システム１００は、例えば、レーザベースの切断ヘッドまたは溶接ヘッド内に配置されてもよい。ビーム送達システム１００は、レーザ発生システム（例えば、図１に示されない、ＷＢＣレーザシステム）の残りの部分に接続される、ファイバ端部キャップ１０５で終端する、ビーム送達ファイバと、コリメートレンズ１１０と、集束レンズ１１５と、端部キャップ１０５とコリメートレンズ１１０との間に位置付けられる、光学要素１２０とを特徴とする。種々の実施形態では、光学要素１２０は、ファイバ端部キャップ１０５に近接して配置され、光学要素１２０に衝打するビームのサイズを最小限にする。より小さいビームの屈折は、光学のより小さい幾何学的寸法を有する光学を用いて行われてもよく、より高い感度を用いて、出力プロファイルを変動させてもよい。図１はまた、集束レンズ１１５とワークピース１３０との間に配置される随意の第２の光学要素１２５を描写する。ワークピース１３０は、例えば、集束レンズ１１５によって集束されるビームによって溶接、穿孔、および／または切断される、１つまたはそれを上回る部品（例えば、金属部品）を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。種々の実施形態では、第１の光学要素１２０は、集束レンズ１１５とワークピース１３０との間に配置され、第２の光学要素１２５は、省略される。光学要素１２０、１２５はそれぞれ、例えば、位相プレートを含む、またはそれから本質的に成ってもよい。

第１の光学要素１２０および／または第２の光学要素１２５の位置は、例えば、２つまたは３つの軸に沿って運動可能な１つまたはそれを上回る機械またはモータ駆動平行移動段１３５を含む、またはそれから本質的に成り得る、レンズ操作システムの使用を介して、ビームプロファイル内に平行移動されてもよい。レンズ操作システムは、コントローラ１４０に応答してもよい。コントローラ１４０は、所望の標的放射パワー分布および／またはビーム品質のＢＰＰまたは他の測定（例えば、ユーザによる、および／またはワークピースまでの距離、ワークピースの組成物、ワークピースのトポグラフィ等の処理されるべきワークピースの１つまたはそれを上回る性質に基づく入力）に応答し、光学要素１２０および／または光学要素１２５を位置付け、操作されるビーム１４５を標的放射パワー分布またはビーム品質を用いてワークピース１３０に衝打させるように構成されてもよい。コントローラ１４０は、本明細書に詳述されるように、特定の光学要素位置付けを介して、所望のパワー分布および／または出力ＢＰＰおよび／またはビーム品質を達成するようにプログラムされてもよい。コントローラ１４０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらのある組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， Ｃａｌｉｆ．）製Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）、またはＣｅｌｅｒｏｎファミリーのプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ， Ｉｌｌ．）製６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲＰＣファミリーのプロセッサ、および／またはＡｄｖａｎｃｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ， Ｃａｌｉｆ．）製ＡＴＨＬＯＮラインのプロセッサ等の１つまたそれを上回るプロセッサを含有するＣＰＵ基板を有するＰＣ等の１つまたはそれを上回る従来のサーバクラスコンピュータ上で実装されてもよい。プロセッサはまた、本明細書に説明される方法に関連するプログラムおよび／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含んでもよい。メモリは、１つまたはそれを上回る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イ（ＦＰＧＡ）、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、または読取専用メモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般に利用可能なハードウェア上に常駐するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはフラッシュメモリを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、および他の一般的に使用される記憶デバイス等の外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つまたはそれを上回るソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のうちのいずれかで書かれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に常駐するマイクロプロセッサに指向されるアセンブリ言語で実装されてもよく、例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で作動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、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イ、またはＣＤ−ＲＯＭを含むが、それらに限定されない、製造品上に組み込まれてもよい。

図２は、本発明の実施形態による、切頭円錐形の形状（平坦上部円錐形形状またはテーパ状円筒形形状）を有する、光学要素２００の概略図である。例えば、光学要素２００は、送達システム１００内で光学要素１２０および／または光学要素１２５として利用されてもよい。パラメータＤ、ｄ、θ、およびＨは、それぞれ、外径、内径（光学要素に衝打するときのビームのビームサイズに対応し得る）、最大矢（または「垂下」、ｈ）を画定する傾き角度、ビームのスポット中心からのビームの外側リングの分離、および光学要素２００の厚さに関する幾何学的設計パラメータである。幾何学的光学の光線トレーシングが、エネルギーの保存、光学経路長の恒常性、およびスネルの法則に基づいて、本発明の実施形態による光学要素を設計するために使用されてもよい。レンズ設計およびその表面プロファイルは、例えば、ビームプロファイルを所望の強度分布を伴うガウスからベッセルレーザビームに変形させ得る。

表１は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛（例えば、ＩＩ−ＶＩ Ｉｎｃ．（Ｓａｘｏｎｂｕｒｇ， ＰＡ）から利用可能なＺｎＳ ＭｕｌｔｉＳｐｅｃｔｒａｌ）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素２００のための例示的設計値を提供する。

図３Ａおよび３Ｂは、ファイバ端部キャップ１０５から、表１に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ（図３Ａ）および硫化亜鉛（図３Ｂ）光学要素２００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素２００の初期位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、両方の場合において、ビームのＢＰＰは、約３０ｍｍだけの光学要素２００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。変位の関数としてのＢＰＰにおける本変化の傾きは、端部キャップ１０５におけるファイバ出力の開口数における変化を介して改変されてもよい。光学要素２００からファイバ端部キャップ１０５までの５０ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図３Ａおよび３Ｂに示される。

１つの軸に２つのピークを有する、調整されたビームプロファイルが、図４Ａに示されるように、光学要素２００（または本明細書に詳述される他の光学要素）をビーム経路内で横方向に中心からずれて位置付ける（すなわち、それを入力レーザビームの中に部分的に導入する）ことによって得られ得る。導入度に応じて、出力レーザビームのビームプロファイルは、種々のレーザ用途に対して最適に適合され得る。図４Ｂ−４Ｄでは、端部キャップ１０５までの４０ｍｍの距離における光学要素２００のための異なる中心からずれた距離（０ｍｍ、２ｍｍ、および４ｍｍ）におけるビームプロファイルが、示される。図４Ｅは、図４Ｄに描写されるビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフであって、ビームプロファイルの２ピーク性質を明らかに示す。種々の実施形態では、光学要素２００の異なる中心からずれた位置におけるＢＰＰの変動は、ビームプロファイルを横断して位置の関数として放射照度が変化する間も、約ゼロである。

本発明の実施形態による光学要素はまた、切頭球形（すなわち、平坦上部球形）構成を有してもよく、また、ベッセルビームプロファイルを生産するために使用されてもよい。そのような実施形態による光学要素５００のための幾何学的設計は、図５に図式的に描写される。光学要素５００は、送達システム１００内で光学要素１２０および／または光学要素１２５として利用されてもよい。設計パラメータは、平坦上部円錐形光学要素２００に関して上記で詳述されるものと同一であるが、曲率半径Ｒを除き、これはまた、ビームスポット中心からの結果として生じる環状ビームリングの最大垂下（ｈ）および分離を画定する。

表２は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素５００のための例示的設計値を提供する。

図６Ａおよび６Ｂは、ファイバ端部キャップ１０５から、表２に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ（図６Ａ）および硫化亜鉛（図６Ｂ）光学要素５００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素５００の初期位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、両方の場合において、ビームのＢＰＰは、約３０ｍｍ（例えば、約２８ｍｍ〜約３２ｍｍ）だけの光学要素５００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。変位の関数としてのＢＰＰにおける本変化の傾きは、端部キャップ１０５におけるファイバ出力の開口数における変化を介して改変されてもよい。光学要素５００からファイバ端部キャップ１０５までの５０ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、光学要素５００と端部キャップ１０５との間の５０ｍｍ間隔に関する位置の関数としてのその放射照度のグラフとして図６Ａおよび６Ｂに示される。

図７Ａ−７Ｃでは、端部キャップ１０５の４０ｍｍの距離における、光学要素５００のための異なる中心からずれた距離（０ｍｍ、２ｍｍ、および４ｍｍ）における（すなわち、図４Ａにおける光学要素２００に関して示されるような）ビームプロファイルが、示される。図７Ｄは、図７Ｃに描写されるビームプロファイルのための位置の関数としての放射照度のグラフであって、ビームプロファイルの強度の２ピーク性質を明確に示す。種々の実施形態では、光学要素５００の異なる中心からずれた位置におけるＢＰＰの変動は、ビームプロファイルを横断する位置の関数としての放射照度が変化する間でも、約ゼロである。

本発明の実施形態は、環状ビーム形状を生産するために光学要素を利用する。本発明の実施形態は、アキシコンレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、１つまたはそれを上回る光学要素を特徴とする。当技術分野において公知のように、アキシコンレンズは、少なくとも１つの円錐形表面を有する、レンズであって、そのようなレンズは、点源を光学軸に沿って線区画に結像するために利用されてもよい。回転運動の円錐形表面は、反射または屈折または両方によって、回転運動軸上に位置する点源からの光を混成可能である。本発明の実施形態は、図８Ａに示されるように、ファイバ端部キャップ１０５とコリメートレンズ１１０との間の二重ポジ型（すなわち、二重凸面）アキシコンレンズ８００と二重ネガ型（すなわち、二重凹面）アキシコンレンズ８１０の組み合わせを利用し、ワークピースにおけるビームサイズは、本レンズシステムを利用して変動され得る。示されるように、レンズ８００、８１０は、間隙距離８２０によってビーム経路内で分離される。θ１およびθ２は、図８Ｂおよび８Ｃに図式的に描かれるように、ビームスポット中心からの環状ビームリングの最大垂下（ｈ１およびｈ２）および分離を画定する円錐形表面の傾き変数である。本発明の種々の実施形態では、レンズ８００、８１０の一方または両方の円錐形表面は、平滑縁と、約５μｍ未満の曲率半径とを有する。

図９は、２つのアキシコンレンズ８００、８１０間の間隙距離８２０の関数としてのレーザ送達システムのＢＰＰの制御を描写するグラフである。図９に示されるように、間隙距離８２０における約７ｍｍの変動は、４〜１２のＢＰＰ増加をもたらし、本発明のそのような実施形態によって可能にされる広範囲のＢＰＰ制御を実証する。レンズ８００、８１０間の間隙距離８２０の関数としてのビームプロファイルは、図１０に示され、間隙距離は、ミリメートルで列挙される。示されるように、間隙距離８２０の調節は、単一ピークを有するからビームプロファイルを２つ、３つ、またはそれを上回るピークを有するものに変形させ得る。図１１は、２つのアキシコンレンズ８００、８１０が、ビーム経路内で４ｍｍだけ横方向に中心からずらされ、列挙される間隙距離８２０によって分離される場合の類似ビームプロファイルを描写する（間隙距離は、ミリメートルで列挙される）。

本発明の実施形態は、１つの平面表面およびその対向表面を有する、位相プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成り、少なくとも一部が、凸面または凹面に湾曲される、１つまたはそれを上回る光学要素を特徴とする。図１２Ａは、間隙Ｚによって分離される２つのそのようなプレート１２００、１２１０を特徴とする、部分的ビーム送達システムを描写する。示されるように、プレート１２００は、距離Ｓによってファイバ端部キャップ１０５から分離される。図１２Ｂおよび１２Ｃは、プレート１２００、１２１０をより詳細に描写する。示されるように、プレート１２００、１２１０は、外径Ｄを有し、その表面の凸面／凹面部分は、最大垂下ｈを画定する（以下に詳述されるＲと併せて）、内径ｄを有する。その外側周界におけるプレートの厚さ（すなわち、その対向表面の平面部分間の厚さ）は、Ｈによって表され、凸面／凹面部分の曲率半径は、Ｒによって表される。図１２Ｂおよび１２Ｃに描写されるように、プレート１２００、１２１０は、略同一Ｈ、Ｄ、ｄ、およびＲを有するが、本発明の種々の実施形態は、それらのパラメータのうちの１つまたはそれを上回るものにおいて異なる、対を成すプレート（すなわち、１つが部分的凹面表面を有し、１つが部分的凸面表面を有する）を特徴とする。

表３は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素１２００、１２１０のための例示的設計値を提供する。

図１２Ｄおよび１２Ｅは、本発明の実施形態による、プレート１２００、１２１０の内径ｄが、ファイバ端部キャップ１０５からの距離Ｓの関数としてのレーザ送達システムの出力ＢＰＰを最大限にするように最適化され得ることを描写する。図１２Ｄは、距離Ｓ４０ｍｍと、間隙距離Ｚ１０ｍｍと、曲率半径Ｒ５００とを有する、プレート１２００、１２１０のための内径ｄの関数としてのＢＰＰのグラフである。示されるように、結果として生じるＢＰＰは、約５ｍｍの内径ｄにおいて最大限にされる。本ＢＰＰは、間隙距離Ｚおよび曲率半径Ｒにおける変化から実質的に独立する。図１２Ｅは、端部キャップ１０５とプレート１２００との間の距離Ｓの関数としての最適化された内径ｄ（すなわち、出力ＢＰＰを最大限にする内径ｄ）のグラフである。示されるように、最適化された内径ｄは、距離Ｓの関数としての出力ビームのＢＰＰを最大限にするように選択されてもよい。

図１２Ｆは、表３に提供される設計パラメータを有する、プレート１２００、１２１０間の異なる間隙距離ＺにおけるＢＰＰのグラフである（表３の設計パラメータを用いると、溶融シリカおよび硫化亜鉛プレート１２００、１２１０は両方とも、同一結果を提供する）。プロットでは、端部キャップ１０５までの距離Ｓは、４０ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、約９ｍｍだけのプレート１２００、１２１０間の間隙Ｚの改変を介して、約４〜約１２に増加され得る。間隙Ｚ（ｍｍ単位）の関数としての出力ビームの種々のビームプロファイルが、位置の関数としてのその放射照度のグラフとして図１２Ｇに図示される。示されるように、ビームＢＰＰが増加するにつれて、ビーム形状は、単一ピークを有するものからより広い多ピーク放射照度プロファイルを有するものに変わる。

本発明の実施形態による光学要素はまた、メニスカスレンズを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのような実施形態による光学要素１３００のための幾何学的設計は、図１３Ａに図式的に描写される。示されるように、種々の実施形態では、光学要素１３００の１つの表面は、略表面全体にわたって凸面状に湾曲される一方、対向表面は、表面の一部にわたって凹面状に湾曲され、内径ｄを画定する。光学要素１３００は、送達システム１００内で光学要素１２０および／または光学要素１２５として利用されてもよい。示されるように、光学要素１３００は、外径Ｄと、内径ｄと、厚さＨと、凸面状の湾曲表面の最大垂下ｈ１と、部分的に凹面状の湾曲表面の最大垂下ｈ２とを有してもよい。光学要素１３００の両表面のために略同一であり得る、曲率半径Ｒは、最大垂下ｈ１およびｈ２およびビームスポット中心からの結果として生じる環状ビームリングの分離を画定する。

表４は、２つの異なる材料、すなわち、溶融シリカおよび硫化亜鉛を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、例示的光学要素１３００のための例示的設計値を提供する。

図１３Ｂは、表４に提供される設計パラメータを有する、ファイバ端部キャップ１０５から例示的溶融シリカ光学要素１３００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１３００の初期位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、約２４ｍｍだけの光学要素１３００の変位を介して、約４〜約１２に増加され得る。光学要素１３００からファイバ端部キャップ１０５までの４６ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、光学要素１３００と端部キャップ１０５との間の４６ｍｍ間隔のための位置の関数としての放射照度のグラフとして図１３Ｂに示される。

本発明の実施形態によるレーザビーム送達システムはまた、種々のレンズ配列を利用して、光学要素移動の関数としてのＢＰＰ変動のためのより大きくより分散される入力ビームを形成してもよい。図１４Ａは、ＢＰＰ変動のための移動可能な光学要素１４０５と、レーザビームの発散を増加させるための三重コリメータとを組み込む、レーザ送達システム１４００の一部を描写する。示されるように、三重コリメータは、角度αから角度βまでビームの発散を増加させる。種々の実施形態では、βとαの比率は、約２〜約１．５、例えば、約１．７４である。以下により詳細に説明されるように、本増加される発散は、光学要素１４０５のより少ない移動を伴って、ＢＰＰのより優れた制御を可能にする。種々の実施形態では、光学要素１４０５は、光学要素２００、光学要素５００、光学要素１３００、位相プレート１２００／１２１０、またはアキシコンレンズ８００、８１０のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。

本発明の実施形態による、ビーム発散を増加させるための三重コリメータは、レンズの種々の組み合わせから成ってもよい。図１４Ａは、平凹面レンズ１４１０と、メニスカスレンズ１４１５（例えば、ポジ型メニスカスレンズ）と、平凸面レンズ１４２０とを含む、１つのそのような実施形態を描写する。本発明の種々の実施形態では、光学要素１４０５は、平凹面レンズ１４１０とメニスカスレンズ１４１５との間のビーム経路内に配置される。他の実施形態では、光学要素１４０５は、メニスカスレンズ１４１５と平凸面レンズ１４２０との間のビーム経路内またはさらに平凸面レンズ１４２０の光学的に下流に配置されてもよい。

図１４Ｂは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１４００内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ１０５から、表１に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素２００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素２００の初期位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約１６ｍｍだけの光学要素２００の変位、すなわち、図１４Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約２倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図３Ａ参照）。光学要素２００からファイバ端部キャップ１０５までの２１ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図１４Ｂに示される。

図１４Ｃは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１４００内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ１０５から、表４に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素１３００までの異なる距離におけるＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１３００の初期位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約１２ｍｍだけの光学要素２００の変位、すなわち、図１４Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約２倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図１３Ｂ参照）。光学要素１３００からファイバ端部キャップ１０５までの１７．５ｍｍの距離におけるビームプロファイルもまた、図１４Ｃに示される。

図１４Ｄは、間隙距離Ｚによってビーム経路内で分離される前述の対を成す位相プレート光学要素１２００、１２１０を組み込む、部分的レーザビーム送達システム１４００の概略である。図１４Ｅは、増加されるビーム発散のために三重コリメータと併せてレーザビーム送達システム１４００内で利用されるときの、表３に提供される設計パラメータを有する、例示的溶融シリカ光学要素１２００、１２１０の異なる間隙間隔Ｚに関するＢＰＰのグラフである。プロットでは、光学要素１２００の位置は、端部キャップ１０５から２５ｍｍであると仮定される。示されるように、ビームのＢＰＰは、わずか約３ｍｍだけの光学要素１２００、１２１０間の間隙距離Ｚを増加させること、すなわち、図１４Ａの三重コリメータを欠いたビーム送達システムと比較して、約３倍より少ない変位（すなわち、より優れた制御）を介して、約４〜約１２に増加され得る（図１２Ｆ参照）。光学要素１２００、１２１０間の３ｍｍの間隙距離におけるビームプロファイルもまた、図１４Ｃに示される。

本発明の実施形態による、本明細書に詳述される、レーザシステムおよびレーザ送達システムは、ＷＢＣレーザシステム内および／またはそれとともに利用されてもよい。具体的には、本発明の種々の実施形態では、ＷＢＣレーザシステムの多波長出力ビームが、本明細書に詳述されるように、ＢＰＰの変動のために、レーザビーム送達システムのための入力ビームとして利用されてもよい。図１５は、１つまたはそれを上回るレーザ１５０５を利用する、例示的ＷＢＣレーザシステム１５００を描写する。図１５の実施例では、レーザ１５０５は、ビーム１５１０を放出する４つのビームエミッタを有する、ダイオードバーを特徴とする（拡大入力図１５１５参照）が、本発明の実施形態は、任意の数の個々のビームを放出するダイオードバーまたは２次元アレイまたはスタックのダイオードまたはダイオードバーを利用してもよい。図１５１５では、各ビーム１５１０は、線によって示され、線の長さまたはより長い寸法は、ビームの低速発散次元を表し、高さまたはより短い寸法は、高速発散次元を表す。コリメート光学１５２０が、各ビーム１５１０を高速次元に沿ってコリメートするために使用されてもよい。１つまたはそれを上回る円筒形または球形レンズおよび／またはミラーを含む、またはそれから本質的に成り得る、変形光学１５２５が、各ビーム１５１０をＷＢＣ方向１５３０に沿って組み合わせるために使用される。変形光学１５２５は、次いで、組み合わせられたビームを分散要素１５３５（例えば、反射または透過回折格子、分散プリズム、グリズム（プリズム／格子）、伝送格子、またはエシェル格子を含む、またはそれから本質的に成ってもよい）上に重複させ、組み合わせられたビームは、次いで、単一出力プロファイルとして出力結合器１５４０上に伝送される。出力結合器１５４０は、次いで、組み合わせられたビーム１５４５を、示されるように、出力正面図１５５０上に伝送する。出力結合器１５４０は、典型的には、部分的に反射性であって、本外部キャビティシステム１５００内の全レーザ要素のために共通正面ファセットとして作用する。外部キャビティは、レージングシステムであって、二次ミラーが、各レーザエミッタの放出開口またはファセットから離れるようにある距離だけ変位される。いくつかの実施形態では、付加的光学が、放出開口またはファセットと出力結合器または部分的反射表面との間に設置される。出力ビーム１５４５は、したがって、多波長ビーム（個々のビーム１５１０の波長を組み合わせる）であって、本明細書に詳述されるレーザビーム送達システム内の入力ビームとして利用されてもよい、および／または光ファイバの中に結合されてもよい。

本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の均等物のいずれかを除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。

Claims (32)

1. 放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、前記改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムであって、
   前記放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
   前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
   前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置され、前記放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための光学要素と、
   前記放射ビームの経路内の前記光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、
   前記レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布を前記ワークピース上で達成するためのコントローラと、
   を備え、
   前記レンズ操作システムは、前記光学要素を前記放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、システム。
2. 前記光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の表面は、前記ビーム源に面する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の表面は、前記ビーム源に面する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記光学要素は、溶融シリカまたは硫化亜鉛のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記集束レンズと前記ワークピースとの間に配置される第２の光学要素をさらに備え、前記レンズ操作システムは、前記第２の光学要素の位置を前記放射ビームの経路内で変化させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記第２の光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第２の光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項８に記載のシステム。
11. 前記第２の光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項８に記載のシステム。
12. 前記ビーム源は、
    複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、
    前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
    集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
    前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記放射ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と、
    を備え、前記放射ビームは、複数の波長から成る、請求項１に記載のシステム。
13. 前記分散要素は、回折格子を備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、前記改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムであって、
    前記放射ビームをコリメートするためのコリメートレンズと、
    前記コリメートされたビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
    前記ビーム源と前記コリメートレンズとの間に配置され、前記放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための第１および第２の光学要素と、
    （ｉ）前記放射ビームの経路内の前記第１の光学要素の位置、（ｉｉ）前記放射ビームの経路内の前記第２の光学要素の位置、または（ｉｉｉ）前記第１および第２の光学要素間の距離のうちの少なくとも１つを変化させるためのレンズ操作システムと、
    前記レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布を前記ワークピース上で達成するためのコントローラと、
    を備え、
    前記レンズ操作システムは、前記第１の光学要素または前記第２の光学要素のうちの少なくとも１つを前記放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、システム。
15. （ｉ）前記第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを備え、（ｉｉ）前記第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で前記第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備え、
    前記第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備える、
    請求項１４に記載のシステム。
18. 前記ビーム源は、
    複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、
    前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
    集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
    前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記放射ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と、
    を備え、前記放射ビームは、複数の波長から成る、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記分散要素は、回折格子を備える、請求項１８に記載のシステム。
20. 放射ビームの空間パワー分布をビーム源から受信および改変し、前記改変された空間パワー分布を伴う放射をワークピース上に集束させるためのレーザ送達システムであって、
    前記放射ビームの発散を増加させるための三重コリメータと、
    前記三重コリメータの光学的に下流に配置され、前記放射ビームを受信し、前記ビームを前記ワークピースに向かって集束させるための集束レンズと、
    前記集束レンズの光学的に上流に配置され、前記放射ビームを受信し、その空間パワー分布を改変するための少なくとも１つの光学要素と、
    前記放射ビームの経路内で前記少なくとも１つの光学要素の位置を変化させるためのレンズ操作システムと、
    前記レンズ操作システムを制御し、標的の改変された空間パワー分布を前記ワークピース上で達成するためのコントローラと、
    を備え、
    前記レンズ操作システムは、少なくとも１つの前記光学要素を前記放射ビームの経路内で横方向に中心からずれて位置付けるように構成される、システム。
21. 前記三重コリメータは、（ｉ）第１の平凹面レンズと、（ｉｉ）第２のメニスカスレンズと、（ｉｉｉ）第３の平凸面レンズとを備える、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記第１の平凹面レンズは、前記第２のメニスカスレンズの光学的に上流に配置され、前記第２のメニスカスレンズは、前記第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置される、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）前記第１の平凹面レンズの光学的に下流に配置され、（ｉｉ）前記第２のメニスカスレンズおよび前記第３の平凸面レンズの光学的に上流に配置される、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭円錐形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項２０に記載のシステム。
25. 前記少なくとも１つの光学要素は、（ｉ）切頭球形の形状を有する第１の表面と、（ｉｉ）前記第１の表面と反対の略平面の第２の表面とを有する、レンズを備える、請求項２０に記載のシステム。
26. 前記少なくとも１つの光学要素は、メニスカスレンズを備える、請求項２０に記載のシステム。
27. 前記少なくとも１つの光学要素は、第１の光学要素および第２の光学要素を備え、
    前記レンズ操作システムは、（ｉ）前記放射ビームの経路内の前記第１の光学要素の位置、（ｉｉ）前記放射ビームの経路内の前記第２の光学要素の位置、または（ｉｉｉ）前記第１および第２の光学要素間の距離のうちの少なくとも１つを変化させるように構成される、
    請求項２０に記載のシステム。
28. （ｉ）前記第１の光学要素は、二重凹面アキシコンレンズを備え、（ｉｉ）前記第２の光学要素は、二重凸面アキシコンレンズを備える、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記レンズ操作システムは、約０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内で前記第１および第２の光学要素間の距離を変化させるように構成される、請求項２７に記載のシステム。
30. 前記第１の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凸面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備え、
    前記第２の光学要素は、（ｉ）略平面の第１の表面と、（ｉｉ）（ａ）凹面湾曲の第１の部分および（ｂ）略平面の第２の部分を有する、前記第１の表面と反対の第２の表面とを有する、レンズを備える、
    請求項２７に記載のシステム。
31. 前記ビーム源は、
    複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、
    前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
    集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
    前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記放射ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と、
    を備え、前記放射ビームは、複数の波長から成る、請求項２０に記載のシステム。
32. 前記分散要素は、回折格子を備える、請求項３１に記載のシステム。

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