JP6783374B2 - Material handling using a laser with a variable beam shape - Google Patents

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Description

(関連出願)
本願は、2016年7月15日に出願された米国仮特許出願第62/362,824号および2016年9月9日に出願された米国特許出願第15/261,096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、これらの各々の全体の開示は、参照により本明細書中に援用される。
(Related application)
The present application is the benefit of US Provisional Patent Application No. 62 / 362,824 filed on July 15, 2016 and US Patent Application No. 15 / 261,096 filed on September 9, 2016, and to it. Priority is claimed and the entire disclosure of each of these is incorporated herein by reference.

種々の実施形態では、本発明は、成形可能ビームおよび/または可変ビーム偏光を有する高パワーレーザデバイスを利用する、材料の処理(例えば、溶接または切断)に関する。 In various embodiments, the present invention relates to the processing of materials (eg, welding or cutting) utilizing high power laser devices with formable beam and / or variable beam polarization.

高パワーレーザは、多くの切断、エッチング、アニーリング、溶接、穿孔、およびはんだ用途において使用される。任意の材料処理動作におけるように、効率は、費用および時間の観点から、重要な限界要因であり得る。すなわち、効率が低いほど、コストが高くなり、かつ/または所与の材料を処理するために展開されるレーザの動作が遅くなるであろう。レーザビームの明るさおよび偏光は、効率に影響を及ぼし得、異なる材料(銅、アルミニウム、鋼鉄等)は、それらが処理されるにつれて、ビーム偏光に異なるように応答する。さらに、これらの材料の厚さも、その偏光応答に影響を及ぼし得る。すなわち、切断または溶接の性質は、材料およびその厚さに応じて、ビーム偏光に伴って変動し得る。例えば、線形に偏光された処理ビームは、切断正面に対するビームの偏光の配向に応じて、異なるように吸収され得る。本理由から、レーザ−処理システムは、指向性依存偏光応答を回避するために、時として、円形またはランダムに偏光されたレーザ出力を利用する。そのアプローチは、好ましくない偏光配向の効率低下結果を回避するが、同様に、好ましい配向の利点も除外する。 High power lasers are used in many cutting, etching, annealing, welding, drilling, and soldering applications. As in any material handling operation, efficiency can be an important limiting factor in terms of cost and time. That is, the lower the efficiency, the higher the cost and / or the slower the operation of the laser deployed to process a given material. The brightness and polarization of the laser beam can affect efficiency, and different materials (copper, aluminum, steel, etc.) respond differently to beam polarization as they are processed. In addition, the thickness of these materials can also affect their polarization response. That is, the cutting or welding properties can vary with beam polarization, depending on the material and its thickness. For example, a linearly polarized processed beam can be absorbed differently depending on the polarization orientation of the beam with respect to the cut surface. For this reason, laser-processing systems sometimes utilize circular or randomly polarized laser outputs to avoid directional dependent polarization responses. The approach avoids the inefficient consequences of unfavorable polarization orientation, but also excludes the benefits of favorable orientation.

加えて、高パワーレーザシステムは、多くの場合、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)におけるビームの半径の積である。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の、理想的ガウスビームに対する比は、M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。 In addition, high power laser systems often have a laser emitter and a workpiece to process the laser light from the fiber, from which the laser light is coupled into an optical fiber (or simply "fiber"). Includes an optical system that focuses on the piece. Optical systems are typically engineered to produce the highest quality laser beams, or, in other words, beams with the lowest beam parameter product (BPP). BPP is the product of the divergence angle (half angle) of the laser beam and the radius of the beam at its narrowest point (ie, beam waist, minimum spot size). BPP quantifies the quality of the laser beam and the degree to which it can be focused on small spots and is typically expressed in millimeter-milliradian (mm-mrad) units. (The BPP values disclosed herein are in mm-mrad, unless otherwise indicated.) Gaussian beams are the minimum possible BPP determined by the wavelength of the laser beam divided by pi. Has. The BPP of the actual beam at the same wavelength, the ratio for an ideal Gaussian beam is shown as M 2, which is a wavelength-independent measurement of beam quality.

WBC等の技法は、様々な用途のためのレーザベースのシステムの生産に成功を収めているが、材料処理課題は、残ったままである。例えば、特定の材料を特定の厚さにおいて切断するために最適化されたビーム形状を有するレーザは、異なる材料、異なる厚さを有する材料、および可変厚を有する材料に好適ではない場合がある。溶接プロセスは、類似課題を提示する。さらに、従来の高集束レーザビームの限定された空間範囲に起因して、溶接プロセスは、典型的には、レーザビームと溶接されている部品との間の相対的運動を要求し、そのような運動は、複雑かつ高価なロボット、可動式ガントリ、および/または他の機器を要求し得る。可動ビームを伴う複数のレーザシステムを利用する技法が、開発されている(例えば、米国特許第9,335,551号参照、その全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる)が、複数のレーザシステムの使用は、多くの場合、非常に高価である。したがって、より広い種々の材料プロセスに可能な個々のレーザシステムの必要性が存在する。 Techniques such as WBC have been successful in producing laser-based systems for a variety of applications, but material handling challenges remain. For example, a laser with a beam shape optimized for cutting a particular material to a particular thickness may not be suitable for different materials, materials with different thicknesses, and materials with variable thicknesses. The welding process presents similar challenges. Moreover, due to the limited spatial range of conventional highly focused laser beams, the welding process typically requires relative motion between the laser beam and the part being welded, such as Exercise may require complex and expensive robots, mobile gantry, and / or other equipment. Techniques have been developed that utilize multiple laser systems with movable beams (see, eg, US Pat. No. 9,335,551, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference). The use of multiple laser systems is often very expensive. Therefore, there is a need for individual laser systems that are possible for a wider variety of material processes.

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ビームのBPPおよび/または形状に行うために、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。 In many laser processing applications, the desired beam spot size, divergence, and beam quality can vary, for example, depending on the type of treatment and / or the type of material being treated. In order to make such changes to the BPP and / or shape of the laser beam, the output optics or fiber optics often have to be replaced and / or rematched with other components, which is time consuming , And an expensive process, which can also lead to inadvertent damage to the fragile optical components of the laser system.

米国特許第9,335,551号明細書U.S. Pat. No. 9,335,551

故に、また、異なる材料および材料厚さを特徴付ける、ビーム偏光および/または他のビーム特性(例えば、BPPおよび/またはビーム形状)に対する変動する応答を活用する、レーザ処理動作の効率を向上させるための改良されたシステムおよび技法の必要がある。 Therefore, to improve the efficiency of laser processing operations, also take advantage of variable responses to beam polarization and / or other beam properties (eg, BPP and / or beam shape) that characterize different materials and material thicknesses. There is a need for improved systems and techniques.

本発明の実施形態によると、成形可能出力ビームを有するレーザシステムが、金属材料の切断および溶接等の材料処理タスクを最適化および簡略化するために利用される。例えば、本発明の実施形態によると、レーザシステムの出力ビーム形状は、レーザビームに提示される部品の厚さおよび/または部品の角度が変動するにつれて、(例えば、ガウス状の集束スポットビームからより大きい面積の環状ビームに)改変される。他の例示的実施形態では、レーザシステムの出力ビームは、溶接プロセス(例えば、スポット溶接、突合わせ溶接、または重ね溶接)の間、改変され、レーザビームと処理されているワークピースとの間の任意の(または最小限の)相対的運動を伴わずに、大面積溶接を形成する。 According to embodiments of the present invention, a laser system with a formable power beam is utilized to optimize and simplify material processing tasks such as cutting and welding metal materials. For example, according to an embodiment of the invention, the output beam shape of the laser system will be more (eg, from a Gaussian focused spot beam) as the thickness of the component and / or the angle of the component presented to the laser beam fluctuates. It is modified (to a circular beam with a large area). In another exemplary embodiment, the output beam of the laser system is modified during the welding process (eg, spot welding, butt welding, or lap welding) between the laser beam and the workpiece being processed. Form large area welds without any (or minimal) relative motion.

本発明の実施形態はまた、処理の間、ビームの偏光および/または他の特性(例えば、BPP、形状)を改変および最適化し、処理全体を通して、例えば、ビーム経路が変動する、または材料の性質または厚さが変化しても、ビームの最適特性を維持するシステムおよび技法を提供する。 Embodiments of the invention also modify and optimize the polarization and / or other properties of the beam (eg, BPP, shape) during the process, for example, the beam path varies throughout the process, or the properties of the material. Alternatively, it provides a system and technique that maintains the optimum properties of the beam as the thickness changes.

本発明の実施形態は、ワークピースの厚さが変化するにつれて、および/または異なる厚さのワークピースに対して、ビームの偏光を改変し得る。例えば、ビームの偏光の真円度(すなわち、線形から、楕円形、円形に変化する程度であって、変動する寸法および曲率の任意の数の楕円形が、完全線形と完全円形との間に可能性として考えられる)が、ワークピースの厚さが増加するにつれて、ビームをより円形にするために改変され得る(例えば、線形から楕円形に、あまり円形ではない楕円形からより円形の楕円形に、楕円形から円形に等)。(種々の実施形態では、偏光の真円度は、楕円形偏光の偏心に反比例し、偏心0は、円形偏光を表し、偏心1は、線形偏光を表す。)種々の実施形態では、ビームの偏光状態は、少なくとも部分的に、任意の偏心度の持続的に可変の偏光を可能にする、Babinet−Soleil補償器の使用を介して、改変される。本発明の実施形態はまた、例えば、ビームの集束をより小さいスポットサイズにもたらすために、ビームの偏光を線形から半径方向に変動させ得る。 Embodiments of the present invention may modify the polarization of the beam as the thickness of the workpiece changes and / or for workpieces of different thickness. For example, the roundness of the beam's polarization (ie, any number of ellipses with varying dimensions and curvatures, ranging from linear to elliptical to circular, can be between perfect linear and perfect circle. (Possible), but as the thickness of the workpiece increases, the beam can be modified to be more circular (eg, linear to elliptical, less circular elliptical to more circular ellipse). From oval to circular, etc.). (In various embodiments, the roundness of polarized light is inversely proportional to the eccentricity of elliptical polarized light, eccentricity 0 represents circularly polarized light, and eccentricity 1 represents linearly polarized light.) In various embodiments, the beam of the beam. The polarization state is modified, at least in part, through the use of a Babenet-Soleil compensator, which allows for continuously variable polarization of any degree of eccentricity. Embodiments of the invention can also vary the polarization of the beam from linear to radial, for example, to bring the focus of the beam to a smaller spot size.

本発明の実施形態は、典型的には、単に、光を用いて表面をプローブする、光学技法(例えば、反射率測定)とは対照的に、ワークピースの表面が物理的に改変するように、および/または特徴が表面上もしくは表面内に形成されるように、ワークピースを処理するために利用される。本発明の実施形態による、例示的プロセスは、切断、溶接、穿孔、およびはんだを含む。本発明の種々の実施形態はまた、ワークピース表面の全てまたは実質的に全てをレーザビームからの放射で満たすのではなく、1つ以上のスポットにおいて、もしくは1次元処理経路に沿って、ワークピースを処理する。 Embodiments of the invention typically allow the surface of the workpiece to be physically modified, as opposed to optical techniques (eg, reflectance measurements) that simply probe the surface with light. , And / or are utilized to process the workpiece so that features are formed on or within the surface. Illustrative processes according to embodiments of the present invention include cutting, welding, drilling, and soldering. Various embodiments of the invention also include the workpiece at one or more spots or along a one-dimensional processing path, rather than filling all or substantially all of the workpiece surface with radiation from the laser beam. To process.

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)および/またはビームの形状を修正する、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もしく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、形状および/またはBPPを変動させ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、形状および/またはBPPの変動を可能にする。制御可能に可変の形状および/または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。本明細書で利用されるように、レーザビームの「形状」の変化は、ビームの形状および幾何学的範囲の改変(例えば、ビームが表面と交差する点において)を指す。形状の変化は、ビームサイズ、ビームの角度強度分布、およびBPPの変化に付随して起こり得るが、ビームBPPの単なる変化は、必ずしも、レーザビーム形状を変化させるために、およびその逆のために十分ではない(例えば、異なる形状であるが、同一BPPを有する、2つのビームを描写する、図21参照)。 Embodiments of the invention use optical elements capable of forming a laser beam and modifying the beam quality (particularly BPP) and / or the shape of the beam to achieve the desired spatial beam profile. More specifically, changes in the optical geometry of the optical element due to lateral or longitudinal movement or displacement of its position with respect to the optic axis of the laser beam cause variations in shape and / or BPP. It may be used. In embodiments of the invention, the optics are located in a beam path and entail a switchable state that produces different beam deflections or diffractions depending on the position. The use of optics according to embodiments of the present invention allows variations in shape and / or BPP regardless of the shape, quality, wavelength, bandwidth, and number of beams corresponding to the input laser beam. Output beams with controllably variable shapes and / or BPPs may be used to process workpieces in applications such as welding, cutting, drilling and the like. As used herein, a change in the "shape" of a laser beam refers to a modification of the shape and geometric range of the beam (eg, at the point where the beam intersects the surface). Shape changes can occur with changes in beam size, beam angular intensity distribution, and BPP, but mere changes in beam BPP are not necessarily due to changes in laser beam shape and vice versa. Not enough (eg, depict two beams with different shapes but with the same BPP, see FIG. 21).

可変形状および/または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てい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。本発明の実施形態はまた、2015年2月26日に出願された米国特許出願第14/632,283号、2015年6月23日に出願された米国特許出願第14/747,073号、2015年9月14日に出願された米国特許出願第14/852,939号、2016年6月21日に出願された米国特許出願第15/188,076号、および2017年4月5日に出願された米国特許出願第15/479,745号(それぞれの開示は、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)に説明されるレーザビームの変動するBPPおよび/または形状のための種々の技法を利用してもよい。加えて、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、形状および/またはBPPのリアルタイム動的変化が、実現され得る。 One advantage of variable geometry and / or BPP is improved laser application performance for different types of processing techniques or different types of materials being processed. Embodiments of the present invention also include U.S. Patent Application No. 14 / 632,283 filed February 26, 2015, U.S. Patent Application No. 14 / 747,073 filed June 23, 2015, U.S. Patent Application No. 14 / 852,939 filed September 14, 2015, U.S. Patent Application No. 15 / 188,076 filed June 21, 2016, and April 5, 2017. Various for varying BPP and / or shape of the laser beam as described in U.S. Patent Application No. 15 / 479,745 filed (each disclosure is incorporated herein by reference in its entirety). You may use the technique of. In addition, the different beam intensity distributions induced by the optical elements (refractive optics) modify the beam quality and thus the BPP. Real-time dynamic changes in shape and / or BPP can be achieved by using translations of optical elements with different effective optical geometries within the beam path (eg, motor-driven translations).

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。(本明細書で利用されるように、「環状」ビームは、リング形状である、すなわち、より高いビーム強度の領域によって囲繞される中心部分に殆どまたは実質的に全くビーム強度を有していないが、しかし、必ずしも、円形ではない。つまり、「環状」ビームは、卵形形状または別様に準環状であってもよい。)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、切断ヘッドもしくは溶接ヘッドの少なくとも一部として構成および/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形状および/またはBPPを可能にするために、ビーム品質を変動させる。可変形状および/またはBPPモジュールは、1つ以上の光学要素と、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、形状および/または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つ以上のものを特徴としてもよい。 Laser beam shaping is the process of redistributing the intensity (irradiance) and phase of a beam. Intensity distributions that define beam profiles such as gauss, vessel, annular, multimode, rectangular, top hat, oval or circular, and different intensity profiles may be important and necessary for specific laser material processing techniques. (As used herein, the "annular" beam is ring-shaped, i.e., has little or substantially no beam intensity in the central portion surrounded by the region of higher beam intensity. However, it is not necessarily circular, that is, the "annular" beam may be oval or otherwise quasi-annular.) In embodiments of the invention, the optical element works with the laser beam. Located within the delivery system, which delivers to and focuses the laser. The delivery system may be configured and / or packaged, for example, as at least part of a cutting head or welding head. Embodiments of the invention vary beam quality to allow controllably variable shapes and / or BPPs on workstations (and / or workstations placed on them). The variable shape and / or BPP module may include one or more optical elements, a motor driven translation stage, a collimating lens, and a focusing lens. Embodiments of the invention may feature any one or more of the plurality of types of refracting optics for optical elements used to vary shape and / or BPP.

本発明の実施形態は、レーザビームの光学経路内の1つ以上の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。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、信頼性および再現性性能をもたらし、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。 Embodiments of the present invention vary beam quality by dynamically changing the position of one or more optical elements within the optical path of the laser beam. In one embodiment, the beam profile is adjusted by adjusting the beam pointing position on the optical element. The optics may have different geometries that depend on the desired beam profile and therefore BPP. One optical element according to an embodiment of the present invention has a flat surface and a flat top (ie, truncated) conical surface. Another optical element according to an embodiment of the present invention has a flat surface and a flat upper spherical surface. Yet another optical element according to an embodiment of the invention is a meniscus lens. The divergent rays from the beam delivery fiber are directed towards the optics and redistribute the beam intensity within the optics. Other optical elements according to embodiments of the present invention include paired positive and negative axicon lenses. In other embodiments, the optics include a pair of complementary phase plate lenses, one of which has a partially convex surface and one of which has a complementary partially concave curved surface. .. The edges of the optics may be rounded to suppress the diffraction effect. The advantage of dynamic variation of BPP with automated movement of optics has been applied, for example, to laser cutting applications on round or square cutting angles where BPP change during free-form cutting is required. May be good. Such advantages may also be applied to laser perforation applications where the ability to vary both BPP and focal length can be utilized. The automated closed-loop motor control of the optics according to embodiments of the present invention provides reliability and reproducibility performance, allowing precise control of the optical position, thereby providing accurate BPP variation.

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、もしくはレーザは、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。加えて、本明細書における「レーザ」、「レーザエミッタ」、または「ビームエミッタ」の言及は、単一ダイオードレーザのみではなく、また、ダイオードバー、レーザアレイ、ダイオードバーアレイ、および単一またはアレイの垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を含む。 As used herein, "optical elements" are lenses, mirrors, prisms that redirect, reflect, bend, or optically manipulate electromagnetic radiation in any other manner, unless otherwise indicated. , A grid, and one of the equivalents. As used herein, a beam emitter, emitter, or laser emitter, or laser, produces an electromagnetic beam, but may or may not be self-resonant, any electromagnetic beam-generating device, such as a semiconductor element. including. These also include fiber lasers, disc lasers, non-solid state lasers and the like. In general, each emitter includes a back-reflective surface, at least one optical gain medium, and a pre-reflective surface. The optical gain medium increases the gain of electromagnetic radiation, which can be visible light, infrared light, and / or ultraviolet light, but not limited to any particular portion of the electromagnetic spectrum. The emitter may include, or may consist essentially of, a plurality of beam emitters, such as diode bars, which are configured to emit the plurality of beams. The input beam received in the embodiments herein may be a single wavelength or multiwavelength beam that can be combined using various techniques known in the art. In addition, the reference to "laser," "laser emitter," or "beam emitter" herein is not limited to single diode lasers, but also diode bars, laser arrays, diode bar arrays, and single or arrays. Includes a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).

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つ以上の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、形状、および/または偏光制御のために、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。 Embodiments of the present invention may also be used with wavelength beam coupling (WBC) systems that include multiple emitters, such as one or more diode bars, that are combined using dispersion elements to form a multi-wavelength beam. Good. Each emitter in the WBC system resonates individually and is stabilized through wavelength-specific feedback from an intersection reflected output coupler that is filtered by dispersion elements along the beam coupling dimension. The exemplary WBC system is incorporated herein by reference in its entirety, US Pat. No. 6,192,062, filed February 4, 2000, filed September 8, 1998. US Pat. Nos. 6,208,679 filed, US Pat. No. 8,670,180 filed on August 25, 2011, and US Pat. No. 8,559, filed March 7, 2011, It will be described in detail in No. 107. The multi-wavelength output beam of the WBC system may be utilized as an input beam in conjunction with embodiments of the present invention, for example for BPP, shape, and / or polarization control.

ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理する方法を特徴とする。処理経路は、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせることによって画定される。レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さは、処理経路に沿って変動する。レーザ出力ビームは、処理経路の少なくとも一部に沿って、ワークピースの表面を物理的に改変する。レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の相対的運動の間、レーザ出力ビームの形状は、少なくとも部分的に、ワークピースの厚さに基づいて、改変される。 In one aspect, embodiments of the present invention feature a method of processing a workpiece. The processing path is defined by creating a relative motion between the laser output beam and the surface of the workpiece. The thickness of the workpiece along the direction parallel to the laser output beam varies along the processing path. The laser output beam physically modifies the surface of the workpiece along at least part of the processing path. During the relative motion between the laser output beam and the surface of the workpiece, the shape of the laser output beam is modified, at least in part, based on the thickness of the workpiece.

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つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと拡散スポット(例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット)との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの直径および/またはBPPは、ワークピースの厚さが増加するにつれて、増加されてもよい。レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度は、改変され(例えば、入射レーザ出力ビームの傾斜、ワークピースの傾斜を介して、および/またはワークピースの表面上の角度付けられたトポロジを介して)、それによって、レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さを変動させてもよい。レーザ出力ビームと平行な方向に沿ったワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動し得る(例えば、入射レーザ出力ビームの傾斜、ワークピースの傾斜を介して、および/またはワークピースの表面上の角度付けられたトポロジを介して)。レーザ出力ビームの形状は、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変されてもよい(例えば、レーザ出力ビームは、ワークピースの表面に対して傾斜されなくてもよい、またはワークピースの表面のトポロジは、略一定角度を入射レーザ出力ビームに対して提示してもよい)。ワークピースの厚さは、レーザ出力ビームとワークピースの表面との間の相対的運動の間、測定されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、ワークピースの組成に基づいて改変されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The shape of the laser output beam may vary between the focused spot and the ring as the thickness of the workpiece increases. The shape of the laser output beam may vary between focused spots and diffuse spots (eg, spots having a diameter greater than the diameter of the focused spot) as the thickness of the workpiece increases. The diameter and / or BPP of the laser output beam may be increased as the thickness of the workpiece increases. The angle between the laser power beam and the surface of the workpiece is modified (eg, through the tilt of the incident laser power beam, the tilt of the workpiece, and / or the angled topology on the surface of the workpiece. Through), thereby varying the thickness of the workpiece along the direction parallel to the laser output beam. The thickness of the workpiece along the direction parallel to the laser output beam can vary, at least in part, due to changes in the angle between the laser output beam and the surface of the workpiece (eg, incident laser output). Through the tilt of the beam, the tilt of the workpiece, and / or through the angled topology on the surface of the workpiece). The shape of the laser output beam may be modified while maintaining a substantially constant angle between the laser output beam and the surface of the workpiece (eg, the laser output beam is tilted relative to the surface of the workpiece. It may not be necessary, or the topology of the workpiece surface may present a substantially constant angle with respect to the incident laser output beam). The thickness of the workpiece may be measured during the relative motion between the laser output beam and the surface of the workpiece. The shape of the laser output beam may be modified based on the composition of the workpiece. The laser output beam may consist of multiple wavelengths.

別の側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムを特徴とする。本システムは、レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、ワークピースに対してレーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、位置付けデバイスおよび形状改変手段に結合され、(i)ビームエミッタを動作させ、レーザ出力ビームに、ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、その表面を物理的に改変させ、(ii)少なくとも部分的に、経路に沿ったワークピースの厚さに基づいて、レーザ出力ビームの形状を改変するためのコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。 In another aspect, embodiments of the present invention feature a system for processing workpieces. This system has a beam emitter for emitting a laser output beam, a positioning device for changing the position of the laser output beam with respect to a workpiece, a means for modifying the shape of the laser output beam, and a positioning device. And coupled with shape-modifying means, (i) operate the beam emitter, causing the laser output beam to traverse the path across at least part of the workpiece and physically modify its surface, (ii) at least. Partly, it comprises, consists of, or consists of a controller for modifying the shape of the laser output beam based on the thickness of the workpiece along the path.

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つ以上のものを含んでもよい。ビームエミッタは、そこからレーザ出力ビームが放出される、処理ヘッドを含む、それから本質的に成る、それから成る、その中に配置される、またはそこに結合されてもよい(例えば、光ファイバを介して)。形状改変手段は、(i)処理ヘッド内の1つ以上の光学要素と、(ii)処理ヘッド内の光学要素のうちの少なくとも1つの位置を改変するための第2のコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。第2のコントローラは、コントローラから分離され、それと別個であってもよい、またはコントローラおよび第2のコントローラは、単一制御システムの一部であってもよい。コントローラは、経路に沿って、ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成されてもよい。コントローラは、ワークピースの組成に基づいて、レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成されてもよい。本システムは、それぞれ、レーザ出力ビーム形状とワークピースパラメータを関連させる、複数の記録を含有する、データベースを含んでもよい。ワークピースパラメータは、ワークピース厚および/またはワークピース組成を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームエミッタは、複数の離散入力ビームを放出する、ビーム源と、複数の入力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レーザ出力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、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The beam emitter may be located in or coupled to it (eg, via an optical fiber) from which the laser output beam is emitted, includes a processing head, then consists essentially of, consists of, and comprises. hand). The shape-modifying means include (i) one or more optical elements in the processing head and (ii) a second controller for modifying the position of at least one of the optical elements in the processing head. It consists of or may consist of it. The second controller may be separated from and separate from the controller, or the controller and the second controller may be part of a single control system. The controller may be configured to vary the output power of the beam emitter along the path. The controller may be configured to vary the shape of the laser output beam based on the composition of the workpiece. The system may include a database containing multiple records, each relating the laser output beam shape to the workpiece parameters. Workpiece parameters include, and / or workpiece composition, in essence, or may consist of it. The beam emitter receives a beam source that emits multiple discrete input beams, focusing optics for focusing the multiple input beams onto a dispersion element, and receives the focused beam and receives the received focused beam. A dispersion element for dispersion and a dispersed beam are received, a portion of the dispersed beam is transmitted through it as a laser output beam, and a second portion of the dispersed beam is reflected toward the dispersion element. Positioned, including, with a partially reflective output coupler, then essentially, or may consist of it. The laser output beam may consist of multiple wavelengths.

さらに別の側面では、本発明の実施形態は、第1および第2のワークピースを処理点において継合する方法を特徴とする。第1および第2のワークピースは、処理点において相互に重複および/または近接する。レーザ出力ビームは、処理点に近接して集束および/または配置され、第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つの一部を溶融し、それによって、第1および第2のワークピースをともに継合する。継合の間、レーザ出力ビームの形状は、レーザ出力ビームと第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、変動される。 In yet another aspect, embodiments of the present invention feature a method of joining first and second workpieces at a processing point. The first and second workpieces overlap and / or are in close proximity to each other at the processing point. The laser output beam is focused and / or placed in close proximity to the processing point to melt at least one portion of the first or second workpiece, thereby squeezing the first and second workpieces. Join together. During the splicing, the shape of the laser output beam is varied without causing relative motion between the laser output beam and the first and second workpieces.

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つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと拡散スポット(例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット)との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The shape of the laser output beam may vary between the focused spot and the ring shape. The shape of the laser output beam may vary between focused spots and diffuse spots (eg, spots having a diameter greater than the diameter of the focused spot). The laser output beam may consist of multiple wavelengths.

別の側面では、本発明の実施形態は、最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第1および第2のワークピースを継合する方法を特徴とする。レーザ出力ビームは、第1および/または第2のワークピース上に集束および/または配置され、第1および第2のワークピース上またはその間に配置される接着剤(例えば、鑞材、はんだ材料、またはフラックス材料)のその少なくとも部分的溶融および/または少なくとも部分的溶融を生じさせる。レーザ出力ビームと第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、レーザ出力ビームの形状は、変動され、溶接または継目のサイズを増加させる。 In another aspect, embodiments of the present invention use a laser output beam capable of focusing on a minimum spot size and weld the first and second workpieces with a spatial range greater than the minimum spot size. It features a method of splicing. The laser output beam is focused and / or placed on the first and / or second workpieces and an adhesive (eg, brazing material, solder material, etc.) placed on or between the first and second workpieces. Or at least partial melting of the flux material) and / or at least partial melting. The shape of the laser power beam is varied, increasing the size of the weld or seam, without causing relative motion between the laser power beam and the first and second workpieces.

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つ以上のものを含んでもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと拡散スポット(例えば、集束スポットの直径より大きい直径を有する、スポット)との間で変動されてもよい。レーザ出力ビームは、複数の波長から成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The shape of the laser output beam may vary between the focused spot and the ring shape. The shape of the laser output beam may vary between focused spots and diffuse spots (eg, spots having a diameter greater than the diameter of the focused spot). The laser output beam may consist of multiple wavelengths.

ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムを特徴とする。本システムは、ビームエミッタと、ワークピースに対してビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、位置付けデバイス、偏光器、およびビーム成形器に結合され、その処理のために、ビームエミッタを動作させ、ビームにワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、少なくとも部分的に、ワークピースの1つ以上の性質に基づいて、経路に沿って、ビームの偏光および/または形状を変動させるためのコントローラとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。 In one aspect, embodiments of the present invention feature a system for processing workpieces. This system consists of a beam emitter, a positioning device for changing the beam position of the beam emitter with respect to the workpiece, a variable polarizing device for changing the polarization of the beam, and beam shaping for changing the shape of the beam. Combined with a vessel and a positioning device, a polarizing device, and a beam shaper, for its processing, a beam emitter is operated to allow the beam to traverse the path across at least part of the workpiece, at least partially. , Containing, and essentially consisting of, or consisting of a controller for varying the polarization and / or shape of the beam along the path, based on one or more properties of the workpiece.

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つ以上のものを含んでもよい。コントローラは、ビームが経路をトラバースするにつれて、経路と略平行な偏光方向を有する、ビームの線形偏光を維持するように構成されてもよい。コントローラは、少なくとも部分的に、ワークピースの厚さに基づいて、ビームの偏光の偏心を変動させるように構成されてもよい。コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間でビームの偏光を変動させるように構成されてもよい。可変偏光器は、波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよく、回転要素は、コントローラによって動作される。波プレートは、半波プレートおよび/または4分の1波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームは、線形に偏光されてもよい。コントローラは、回転要素を動作させ、経路と平行な偏光方向を維持してもよい。可変偏光器は、補償器プレートと、補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。可変偏光器は、補償器プレートと、補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよく、平行移動要素は、コントローラによって動作される。可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The controller may be configured to maintain linear polarization of the beam, having a polarization direction substantially parallel to the path as the beam traverses the path. The controller may be configured to vary the polarization eccentricity of the beam, at least in part, based on the thickness of the workpiece. The controller may be configured to vary the polarization of the beam between a linearly polarized state and a radially polarized state. The variable polarizing device includes, and consists essentially of, or may consist of a wave plate. The variable polarizing device includes, and may consist essentially of, a corrugated plate and a rotating element, the rotating element being operated by a controller. The wave plate comprises, and may consist essentially of, or consist of a half wave plate and / or a quarter wave plate. The beam may be linearly polarized. The controller may operate a rotating element to maintain a polarization direction parallel to the path. The variable polarizing device includes, and consists essentially of, a compensator plate, a fixed birefringence wedge located across the compensator plate, and a movable birefringence wedge located across the fixed birefringence wedge. Good. The variable polarizing device comprises, and essentially consists of, a compensator plate, a fixed birefringence wedge disposed across the compensator plate, a movable birefringence wedge disposed across the fixed birefringence wedge, and a translation element. Or may consist of it, the translation element is driven by the controller. The variable polarizing device includes, and may consist essentially of, or may consist of a radial polarizing converter.

本システムは、コントローラにアクセス可能であって、経路に対応するデータを記憶するためのメモリと、複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースとを含んでもよい。コントローラは、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得し、少なくとも部分的に、偏光データに基づいて、ビームの偏光を変動させるように構成されてもよい。経路は、少なくとも1つの指向性変化を含んでもよい。ワークピースは、異なる厚さを有する、少なくとも2つの部分を有してもよい。ワークピースは、異なる材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、少なくとも2つの部分を有してもよい。ビームエミッタは、複数の離散入力ビームを放出する、ビーム源と、複数の入力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ビームエミッタの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、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビームエミッタのビーム(例えば、出力処理ビーム)は、複数の波長から成ってもよい。 The system may include a memory accessible to the controller for storing data corresponding to the path and a database for storing polarization data for a plurality of materials. The controller may be configured to query the database to obtain polarization data about the material of the workpiece and, at least in part, vary the polarization of the beam based on the polarization data. The path may include at least one directional change. The workpiece may have at least two portions having different thicknesses. The workpiece may have at least two parts that include, are essentially made up of, or consist of different materials. The beam emitter receives a beam source that emits multiple discrete input beams, focusing optics for focusing the multiple input beams onto a dispersion element, and receives the focused beam and receives the received focused beam. A dispersion element for dispersion and a dispersed beam is received, a part of the dispersed beam is transmitted through it as a beam of a beam emitter, and a second part of the dispersed beam is reflected toward the dispersion element. Positioned to allow, includes, and may consist essentially of, or consist of, a partially reflective output coupler. The beam of the beam emitter (eg, the output processing beam) may consist of multiple wavelengths.

ビーム成形器は、ビームエミッタから受信された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、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置され、ビームを受信し、その形状を改変させるための光学要素と、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。コントローラは、レンズ操作システムを制御し、ビームの形状を変動させるように構成されてもよい。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。光学要素は、(i)切頭円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。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。レンズ操作システムは、光学要素を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。本システムは、集束レンズとワークピースとの間に配置される第2の光学要素を含んでもよい。レンズ操作システムは、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2の光学要素は、(i)切頭円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。 The beam shaper includes a collimating lens for collimating the beam received from the beam emitter, a condensing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece, and a beam source and a collimating lens. Includes, and essentially consists of, an optical element for receiving and modifying the shape of the beam and a lens manipulation system for changing the position of the optical element within the path of the beam. It may consist of it. The controller may be configured to control the lens manipulation system and vary the shape of the beam. The optics include, and essentially a lens, which has (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface in a substantially flat plane opposite to the first surface. It may or may consist of it. The optics include, and essentially a lens, which has (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface of a substantially flat surface opposite to the first surface. It may or may consist of it. The optics include, and may consist essentially of, or may consist of a meniscus lens. The lens manipulation system may be configured to position the optics laterally off-center in the path of the beam. The system may include a second optical element located between the focusing lens and the workpiece. The lens manipulation system may be configured to change the position of a second optical element in the path of the beam. The second optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. The second optical element comprises a lens which has (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. The second optical element includes, and may consist essentially of, or may consist of a meniscus lens.

ビーム成形器は、ビームエミッタから受信された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、ビーム源とコリメートレンズとの間に配置され、ビームを受信し、その形状を改変するための第1および第2の光学要素と、(i)ビームの経路内の第1の光学要素の位置、(ii)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。コントローラは、レンズ操作システムを制御し、ビームの形状を変動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。レンズ操作システムは、約0mm〜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。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。 The beam shaper includes a collimating lens for collimating the beam received from the beam emitter, a condensing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece, and a beam source and a collimating lens. The first and second optics for receiving the beam and modifying its shape, the position of the first optic in the path of the beam, (ii) the path of the beam. Includes, and / or (iii) a lens manipulation system for varying the distance between the first and second optics within, and / or essentially consists of, or even consists of. Good. The controller may be configured to control the lens manipulation system and vary the shape of the beam. The first optical element comprises, and may consist essentially of, a double concave axicon lens. The second optical element comprises, and may consist essentially of, a biconvex axicon lens. The lens manipulation system may be configured to vary the distance between the first and second optical elements within a range of about 0 mm to about 20 mm. The first optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of convex curvature and (b) a second portion of the substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The second optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of concave curvature and (b) a second portion of a substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The lens manipulation system may be configured to position the first and / or second optical element laterally off-center in the path of the beam.

ある側面では、本発明の実施形態は、ワークピースを処理するためのシステムに関する。種々の実施形態では、本システムは、ビームエミッタと、ワークピースに対してビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、位置付けデバイスおよび偏光器に結合され、その処理のために、ビームエミッタを動作させ、ビームにワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、経路に沿って、ワークピースに対してビームの一貫した偏光を維持するためのコントローラとを備える。 In one aspect, embodiments of the present invention relate to a system for processing workpieces. In various embodiments, the system comprises a beam emitter, a positioning device for varying the beam position of the beam emitter with respect to the workpiece, a variable polarizing device for varying the polarization of the beam, and a positioning device and polarization. Coupled to the vessel, for its processing, the beam emitter is operated to allow the beam to traverse the path across at least part of the workpiece, along the path to consistently polarize the beam against the workpiece. Equipped with a controller to maintain.

種々の実施形態では、可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、回転要素は、コントローラによって動作される。例えば、波プレートは、1つ以上の半波プレート、1つ以上の4分の1波プレート、もしくはいくつかのそれらの組み合わせであってもよい。ビームは、例えば、回転要素を動作させ、経路と平行な偏光方向を維持する、コントローラを用いて、線形に偏光されてもよい。 In various embodiments, the variable polarizing device comprises a corrugated plate and a rotating element, the rotating element being operated by a controller. For example, the wave plate may be one or more half wave plates, one or more quarter wave plates, or a combination thereof. The beam may be linearly polarized, for example, using a controller that operates a rotating element to maintain a polarization direction parallel to the path.

いくつかの実施形態では、本システムはさらに、コントローラにアクセス可能であって、経路に対応するデータを記憶するためのメモリと、複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースとを備える。コントローラは、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得するように構成され、偏光データは、ビームの一貫した偏光を決定する。経路は、少なくとも1つの指向性変化を含んでもよい。 In some embodiments, the system is further accessible to the controller and comprises a memory for storing data corresponding to the path and a database for storing polarization data for a plurality of materials. The controller is configured to query the database to obtain polarization data about the material of the workpiece, which determines the consistent polarization of the beam. The path may include at least one directional change.

ビームエミッタは、複数のビームを放出してもよい。ビームエミッタは、少なくとも1つのレーザおよび/または少なくとも1つの偏光されたファイバであってもよい。 The beam emitter may emit a plurality of beams. The beam emitter may be at least one laser and / or at least one polarized fiber.

別の側面では、本発明は、ワークピースを処理する方法に関する。種々の実施形態では、本方法は、ビームエミッタを動作させ、ビームをワークピースに沿って経路をトラバースするように指向し、ワークピースを処理するステップであって、ビームは、出力偏光を有する、ステップと、その処理全体を通して、ワークピースに対してビームの一貫した偏光を維持するように、経路の少なくとも一部に沿って出力偏光を改変するステップとを含む。 In another aspect, the invention relates to a method of processing a workpiece. In various embodiments, the method is the step of operating a beam emitter, directing the beam to traverse a path along the workpiece, and processing the workpiece, wherein the beam has output polarized light. It includes steps and modifying the output polarization along at least part of the path to maintain consistent polarization of the beam to the workpiece throughout the process.

ワークピースを処理するステップは、ワークピースの切断、溶接、はんだ、穿孔、またはエッチングのうちの1つ以上のものを含んでもよい。改変するステップは、波プレートを通してビームを指向し、ビームに対して波プレートの回転角度を変動させるステップを含んでもよい。例えば、波プレートは、1つ以上の半波プレートおよび/もしくは1つ以上の4分の1波プレートであってもよい。ビームは、例えば、線形に偏光されてもよく、改変するステップは、ビームの偏光方向を経路と平行に維持する。 The steps of processing the workpiece may include one or more of cutting, welding, soldering, drilling, or etching the workpiece. The modification step may include directing the beam through the wave plate and varying the rotation angle of the wave plate with respect to the beam. For example, the wave plate may be one or more half wave plates and / or one or more quarter wave plates. The beam may be linearly polarized, for example, and the modification step keeps the direction of polarization of the beam parallel to the path.

いくつかの実施形態では、本方法はさらに、経路に対応するデータを記憶するステップと、複数の材料に関する偏光データを記憶するステップと、データベースにクエリし、ワークピースの材料に関する偏光データを取得するステップであって、偏光データは、ビームの一貫した偏光を決定する、ステップとを含む。経路は、少なくとも1つの指向性変化を含んでもよい。 In some embodiments, the method further queries the database to obtain polarization data for the material of the workpiece, including a step of storing data corresponding to the path, a step of storing polarization data for multiple materials, and a database. A step, the polarization data, includes a step, which determines the consistent polarization of the beam. The path may include at least one directional change.

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)。 In one aspect, embodiments of the present invention feature a laser delivery system for receiving and modifying the spatial power distribution of a radiating beam from a beam source and focusing the radiation with the modified spatial power distribution onto a workpiece. To do. The laser system receives a collimating lens for collimating the radiated beam, a condensing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece, and the radiated beam to modify its spatial power distribution. To control the optics to change the position of the optics in the path of the radiation beam, and the lens manipulation system to achieve a modified spatial power distribution of the target on the workpiece. Including, or essentially consisting of, a controller. The optical element may be placed between the beam source and the collimating lens (ie, placed optically downstream of the beam source and optically upstream of the collimating lens).

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つ以上の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)切頭円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。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The optics include, and essentially a lens, which has (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface in a substantially flat plane opposite to the first surface. It may or may consist of it. The first surface may face the beam source. The first surface may face upside down from the beam source. The optics include, and essentially a lens, which has (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface of a substantially flat surface opposite to the first surface. It may or may consist of it. The first surface may face the beam source. The first surface may face upside down from the beam source. The optics include, and may consist essentially of, or may consist of a meniscus lens. The meniscus lens may be a positive meniscus lens. The meniscus lens may be a negative meniscus lens. The optical element comprises, and may be essentially composed of, fused silica and / or zinc sulfide. The lens manipulation system may be configured to position the optics laterally off-center in the path of the radiated beam.

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)切頭円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、もしくはそれから成ってもよい。 The laser delivery system may include a second optical element located within the path of the radiated beam. The second optical element may be placed between the focusing lens and the workpiece (ie, placed optically downstream of the focusing lens and optically upstream of the workpiece). The lens manipulation system may be configured to change the position of a second optical element in the path of the radiated beam. The second optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. The first surface may face the beam source. The first surface may face upside down from the beam source. The second optical element comprises a lens which has (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. The first surface may face the beam source. The first surface may face upside down from the beam source. The second optical element includes, and may consist essentially of, or may consist of a meniscus lens. The meniscus lens may be a positive meniscus lens. The meniscus lens may be a negative meniscus lens. The second optical element comprises, and may consist essentially of, fused silica and / or zinc sulfide.

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つ以上の円筒形レンズ、1つ以上の球形レンズ、1つ以上の球形ミラー、および/または1つ以上の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、もしくはそれから本質的に成ってもよい。 The beam source is a beam emitter that emits multiple discrete beams, focusing optics for focusing the multiple beams on a dispersion element, and for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam. And the dispersed beam is received, a part of the dispersed beam is transmitted through it as an radiated beam, and the second part of the dispersed beam is positioned to be reflected toward the dispersed element. , Including, or essentially consisting of a partially reflective output coupler. The radiated beam may consist of multiple wavelengths of radiation. Focusing optics may include, or essentially consist of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersion element may include or essentially consist of a diffraction grating (eg, a transmission diffraction grating or a reflection diffraction grating).

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ならびに第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)。 In another aspect, embodiments of the present invention feature a laser delivery system for receiving and modifying the spatial power distribution of a radiating beam from a beam source and focusing the radiation with the modified spatial power distribution onto a workpiece. And. The laser delivery system receives the collimating lens for collimating the radiated beam, the condensing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece, and the radiated beam for its spatial power distribution. The first and second optical elements to be modified, (i) the position of the first optical element in the path of the radiating beam, (ii) the position of the second optic element in the path of the radiating beam, and / Or (iii) a lens manipulation system for varying the distance between the first and second optics, and a controller for controlling the lens manipulation system and achieving a modified spatial power distribution of the target on the workpiece. Including, or essentially consisting of. The first and / or second optical element may be located between the beam source and the collimating lens (ie, optically downstream of the beam source and optically upstream of the collimating lens).

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つ以上の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、もしくはそれから成ってもよい。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The first optical element comprises, and may consist essentially of, a double concave axicon lens. The second optical element comprises, and may consist essentially of, a biconvex axicon lens. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The lens manipulation system includes first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 50 mm, in the range of about 0 mm to about 20 mm, in the range of about 2 mm to about 50 mm, or in the range of about 2 mm to about 20 mm. It may be configured to vary the distance between them. The first optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of convex curvature and (b) a second portion of the substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The second optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of concave curvature and (b) a second portion of a substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the first surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the first surface of the first optical element. The lens manipulation system may be configured to position the first and / or second optical element laterally off-center in the path of the radiated beam. The first optical element comprises, and may consist essentially of, fused silica and / or zinc sulfide. The second optical element comprises, and may consist essentially of, fused silica and / or zinc sulfide.

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つ以上の円筒形レンズ、1つ以上の球形レンズ、1つ以上の球形ミラー、および/または1つ以上の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、もしくはそれから本質的に成ってもよい。 The beam source is a beam emitter that emits multiple discrete beams, focusing optics for focusing the multiple beams on a dispersion element, and for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam. And the dispersed beam is received, a part of the dispersed beam is transmitted through it as an radiated beam, and the second part of the dispersed beam is positioned to be reflected toward the dispersed element. , Including, or essentially consisting of a partially reflective output coupler. The radiated beam may consist of multiple wavelengths of radiation. Focusing optics may include, or essentially consist of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersion element may include or essentially consist of a diffraction grating (eg, a transmission diffraction grating or a reflection diffraction grating).

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つ以上の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。 In yet another aspect, embodiments of the present invention provide a laser delivery system for receiving and modifying the spatial power distribution of a radiating beam from a beam source and focusing the radiation with the modified spatial power distribution onto a workpiece. It is a feature. The laser delivery system receives one or more divergence optics to increase the divergence of the radiated beam, a focusing lens to receive the radiated beam and focus the beam towards the workpiece, and the radiated beam. , Control the lens manipulation system, modify the target, at least one optical element to modify its spatial power distribution, and a lens manipulation system to change the position of at least one optical element in the path of the radiation beam. Includes, or essentially consists of, a controller to achieve the resulting spatial power distribution on the workpiece.

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つ以上のものを含んでもよい。集束レンズは、1つ以上の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つ以上の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)切頭円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。 Embodiments of the present invention may include one or more of the following in any of the various combinations: The focusing lens may be optically downstream of one or more divergence increasing optics. At least one optical element may be located optically upstream of the focusing lens. The divergence-increasing optics may include, and essentially consist of, or may consist of a triple collimator. The triple collimator comprises, and may consist essentially of, (i) a first plano-concave lens, (ii) a second meniscus lens, and (iii) a third plano-convex lens. .. The first plano-concave lens may be arranged optically upstream of the second meniscus lens. The second meniscus lens may be arranged optically upstream of the third plano-convex lens. At least one optical element may be placed optically downstream of the first plano-concave lens. At least one optical element may be placed optically upstream of the second meniscus lens and / or the third plano-convex lens. The at least one optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. At least one optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. It consists of or may consist of it. The at least one optical element comprises, and may consist essentially of, a meniscus lens (eg, a positive meniscus lens or a negative meniscus lens). The lens manipulation system may be configured to laterally decenter the at least one optical element in the path of the radiated beam.

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ならびに第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、もしくはそれから成ってもよい。 The at least one optical element comprises, consists of, or may consist of a first optical element and a second optical element. The first optical element and the second optical element may be separated by a gap between them. The lens manipulation system includes (i) the position of the first optical element in the path of the radiated beam, (ii) the position of the second optical element in the path of the radiated beam, and / or (iii) the first and second. It may be configured to vary the distance between the optical elements of. The first optical element comprises, and may consist essentially of, a double concave axicon lens. The second optical element comprises, and may consist essentially of, a biconvex axicon lens. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The lens manipulation system includes first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 50 mm, in the range of about 0 mm to about 20 mm, in the range of about 2 mm to about 50 mm, or in the range of about 2 mm to about 20 mm. It may be configured to vary the distance between them. The first optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of convex curvature and (b) a second portion of the substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The second optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of concave curvature and (b) a second portion of a substantially flat surface. It has a second surface opposite to, includes a lens, and is essentially made up of, or may be made up of it. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the first surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the first surface of the first optical element. The lens manipulation system may be configured to position the first and / or second optical element laterally off-center in the path of the radiated beam. The first optical element comprises, and may consist essentially of, fused silica and / or zinc sulfide. The second optical element comprises, and may consist essentially of, fused silica and / or zinc sulfide.

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つ以上の円筒形レンズ、1つ以上の球形レンズ、1つ以上の球形ミラー、および/もしくは1つ以上の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、もしくはそれから本質的に成ってもよい。 The beam source is a beam emitter that emits multiple discrete beams, focusing optics for focusing the multiple beams on a dispersion element, and for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam. And the dispersed beam is received, a part of the dispersed beam is transmitted through it as an radiated beam, and the second part of the dispersed beam is positioned to be reflected toward the dispersed element. , Including, or essentially consisting of a partially reflective output coupler. The radiated beam may consist of multiple wavelengths of radiation. Focusing optics may include, or essentially consist of, one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersion element may include or essentially consist of a diffraction grating (eg, a transmission diffraction grating or a reflection diffraction grating).

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ならびに特徴とともに、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。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
ワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせ、処理経路を画定することであって、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、前記処理経路に沿って変動し、前記レーザ出力ビームは、前記処理経路の少なくとも一部に沿って、前記ワークピースの表面を物理的に改変する、ことと、
その間、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変することと
を含む、方法。
(項目2)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動される、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動する、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変される、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の相対的運動の間、前記ワークピースの厚さを測定することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの組成に基づいて改変される、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目1に記載の方法。
(項目8)
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記レーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、
前記位置付けデバイスおよび前記形状改変手段に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、(i)前記ビームエミッタを動作させ、前記レーザ出力ビームに、前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、その表面を物理的に改変させ、(ii)少なくとも部分的に、前記経路に沿った前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変する、コントローラと
を備える、システム。
(項目9)
前記ビームエミッタは、そこから前記レーザ出力ビームが放出される処理ヘッドを備え、前記形状改変手段は、(i)前記処理ヘッド内の1つ以上の光学要素と、(ii)前記処理ヘッド内の前記光学要素のうちの少なくとも1つの位置を改変するための第2のコントローラとを備える、項目8に記載のシステム。
(項目10)
前記コントローラは、前記経路に沿って、前記ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成される、項目8に記載のシステム。
(項目11)
前記コントローラは、前記ワークピースの組成に基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成される、項目8に記載のシステム。
(項目12)
複数の記録を含むデータベースをさらに備え、前記複数の記録のそれぞれは、レーザ出力ビーム形状をワークピースパラメータと関連させる、項目8に記載のシステム。
(項目13)
前記ワークピースパラメータは、ワークピース厚およびワークピース組成のうちの少なくとも1つを備える、項目12に記載のシステム。
(項目14)
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記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、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、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レーザ出力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、前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目8に記載のシステム。
(項目15)
第1および第2のワークピースを処理点において継合する方法であって、前記第1および第2のワークピースは、前記処理点において、相互に重複および/または近接し、前記方法は、
レーザ出力ビームを前記処理点に近接して集束させ、前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つの一部を溶融し、それによって、前記第1および第2のワークピースをともに継合することと、
その間、前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させることと
を含む、方法。
(項目16)
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目15に記載の方法。
(項目18)
最小スポットサイズに集束可能なレーザ出力ビームを使用して、前記最小スポットサイズより大きい空間範囲を有する溶接を用いて、第1および第2のワークピースを継合する方法であって、前記方法は、
前記レーザ出力ビームを前記第1または第2のワークピースのうちの少なくとも1つ上に集束させ、その溶融を生じさせることと、
前記レーザ出力ビームと前記第1および第2のワークピースとの間に相対的運動を生じさせずに、前記レーザ出力ビームの形状を変動させ、前記溶接のサイズを増加させることと
を含む、方法。
(項目19)
前記レーザ出力ビームの形状は、集束スポットと環形との間で変動される、項目18に記載の方法。
(項目20)
前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、項目18に記載の方法。
(項目21)
ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
ビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記ビームエミッタのビーム位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記ビームの偏光を変動させるための可変偏光器と、
前記ビームの形状を変動させるためのビーム成形器と、
前記位置付けデバイス、前記偏光器、および前記ビーム成形器に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、前記ワークピースの処理のために、前記ビームエミッタを動作させ、前記ビームに前記ワークピースの少なくとも一部を横断して経路をトラバースさせ、少なくとも部分的に、前記ワークピースの1つ以上の性質に基づいて、前記経路に沿って、前記ビームの偏光および/または形状を変動させる、コントローラと
を備える、システム。
(項目22)
前記コントローラは、前記ビームが前記経路をトラバースするにつれて、前記経路と略平行な偏光方向を有する、前記ビームの線形偏光を維持するように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目23)
前記コントローラは、少なくとも部分的に、前記ワークピースの厚さに基づいて、前記ビームの偏光の偏心を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目24)
前記コントローラは、線形偏光状態と半径方向偏光状態との間で前記ビームの偏光を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目25)
前記可変偏光器は、波プレートおよび回転要素を備え、前記回転要素は、前記コントローラによって動作される、項目21に記載のシステム。
(項目26)
前記波プレートは、半波プレートまたは4分の1波プレートのうちの少なくとも1つを備える、項目25に記載のシステム。
(項目27)
前記ビームは、線形に偏光され、前記コントローラは、前記回転要素を動作させ、前記経路と平行な偏光方向を維持する、項目25に記載のシステム。
(項目28)
前記可変偏光器は、補償器プレートと、前記補償器プレートにわたって配置される固定複屈折ウェッジと、前記固定複屈折ウェッジにわたって配置される可動複屈折ウェッジと、平行移動要素とを備え、前記平行移動要素は、前記コントローラによって動作される、項目21に記載のシステム。
(項目29)
前記可変偏光器は、半径方向偏光コンバータを備える、項目21に記載のシステム。
(項目30)
前記コントローラにアクセス可能なメモリであって、前記メモリは、前記経路に対応するデータを記憶する、メモリと、
複数の材料に関する偏光データを記憶するためのデータベースと
をさらに備え、前記コントローラは、前記データベースにクエリし、前記ワークピースの材料に関する前記偏光データを取得し、少なくとも部分的に、前記偏光データに基づいて、前記ビームの偏光を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目31)
前記経路は、少なくとも1つの指向性変化を含む、項目21に記載のシステム。
(項目32)
前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記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、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、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ビームエミッタの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、前記ビームエミッタのビームは、複数の波長から成る、項目21に記載のシステム。
(項目33)
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信された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た光学要素であって、前記光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変させる、光学要素と、
前記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
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目34)
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、項目33に記載のシステム。
(項目35)
前記光学要素は、(i)切頭円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、項目33に記載のシステム。
(項目36)
前記光学要素は、メニスカスレンズを備える、項目33に記載のシステム。
(項目37)
前記レンズ操作システムは、前記光学要素を前記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、項目33に記載のシステム。
(項目38)
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、前記ビームの経路内の前記第2の光学要素の位置を変化させるように構成される、項目33に記載のシステム。
(項目39)
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、項目38に記載のシステム。
(項目40)
前記第2の光学要素は、(i)切頭円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、項目38に記載のシステム。
(項目41)
前記第2の光学要素は、メニスカスレンズを備える、項目38に記載のシステム。
(項目42)
前記ビーム成形器は、
前記ビームエミッタから受信された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た第1および第2の光学要素であって、前記第1および第2の光学要素は、前記ビームを受信し、その形状を改変する、第1および第2の光学要素と、
(i)前記ビームの経路内の前記第1の光学要素の位置、(ii)前記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
を備え、前記コントローラは、前記レンズ操作システムを制御し、前記ビームの形状を変動させるように構成される、項目21に記載のシステム。
(項目43)
(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、項目42に記載のシステム。
(項目44)
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、項目42に記載のシステム。
(項目45)
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、項目42に記載のシステム。
(項目46)
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、項目42に記載のシステム。
These and other objectives, along with the advantages and features of the invention disclosed herein, will become more apparent through reference to the following description, accompanying drawings, and claims. Moreover, it should be understood that the features of the various embodiments described herein are not mutually exclusive and may exist in various combinations and permutations. As used herein, the term "substantially" means ± 10%, and in some embodiments ± 5%. The term "essentially consisting of" means excluding other materials that contribute to function, unless otherwise defined herein. Nevertheless, such other materials may be present in trace amounts, either collectively or individually. As used herein, the terms "radiation" and "light" are used interchangeably unless otherwise indicated. As used herein, "downstream" or "optically downstream" is used to indicate the relative location of the second element, where the light beam strikes the first element after collision. The element is "upstream" or "optically upstream" of the second element. As used herein, the "optical distance" between two components is the distance between the two components actually traveled by the light beam, and the optical distance is the physical distance between the two components. May be equal to, but not necessarily due, for example, due to reflections from the mirror or other changes in the direction of propagation, which are covered by light traveling from one of the components to the other.
The present specification also provides, for example, the following items.
(Item 1)
A method of processing a workpiece, said method:
A relative motion is generated between the laser output beam and the surface of the workpiece to define a processing path, and the thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam is the said. The laser output beam varies along the processing path and physically modifies the surface of the workpiece along at least a portion of the processing path.
In the meantime, at least in part, modifying the shape of the laser output beam based on the thickness of the workpiece.
Including methods.
(Item 2)
The method of item 1, wherein the shape of the laser output beam varies between the focused spot and the ring as the thickness of the workpiece increases.
(Item 3)
Item 1 The thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam varies, at least in part, due to changes in the angle between the laser output beam and the surface of the workpiece. The method described in.
(Item 4)
The method according to item 1, wherein the shape of the laser output beam is modified while maintaining a substantially constant angle between the laser output beam and the surface of the workpiece.
(Item 5)
The method of item 1, further comprising measuring the thickness of the workpiece during relative motion between the laser output beam and the surface of the workpiece.
(Item 6)
The method of item 1, wherein the shape of the laser output beam is modified based on the composition of the workpiece.
(Item 7)
The method according to item 1, wherein the laser output beam is composed of a plurality of wavelengths.
(Item 8)
A system for processing workpieces, said system
A beam emitter for emitting a laser output beam,
A positioning device for varying the position of the laser output beam with respect to the workpiece, and
Means for modifying the shape of the laser output beam and
A controller coupled to the positioning device and the shape-modifying means, which (i) operates the beam emitter and routes the laser output beam across at least a portion of the workpiece. With a controller that traverses, physically modifies its surface, and (ii) at least partially modifies the shape of the laser output beam based on the thickness of the workpiece along the path.
The system.
(Item 9)
The beam emitter comprises a processing head from which the laser output beam is emitted, and the shape-modifying means include (i) one or more optical elements in the processing head and (ii) in the processing head. 8. The system of item 8, comprising a second controller for modifying the position of at least one of the optical elements.
(Item 10)
8. The system of item 8, wherein the controller is configured to vary the output power of the beam emitter along the path.
(Item 11)
8. The system of item 8, wherein the controller is configured to vary the shape of the laser output beam based on the composition of the workpiece.
(Item 12)
8. The system of item 8, further comprising a database containing a plurality of records, each of the plurality of records relating a laser output beam shape to a workpiece parameter.
(Item 13)
The system of item 12, wherein the workpiece parameter comprises at least one of a workpiece thickness and a workpiece composition.
(Item 14)
The beam emitter
A beam source that emits multiple discrete input beams and
Focusing optics for focusing the plurality of input beams on the dispersion element,
A dispersion element for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam,
A partially reflected output coupler, the partially reflected output coupler receives the dispersed beam, transmits a part of the dispersed beam through it as the laser output beam, and the dispersed beam. With a partial reflection output coupler positioned to reflect the second portion of the
8. The system of item 8, wherein the laser output beam comprises a plurality of wavelengths.
(Item 15)
A method of joining the first and second workpieces at a processing point, wherein the first and second workpieces overlap and / or are in close proximity to each other at the processing point.
The laser output beam is focused close to the processing point to melt at least one portion of the first or second workpiece, thereby splicing both the first and second workpieces together. To match and
During that time, the shape of the laser output beam is changed without causing a relative motion between the laser output beam and the first and second workpieces.
Including methods.
(Item 16)
15. The method of item 15, wherein the shape of the laser output beam varies between focused spots and rings.
(Item 17)
The method of item 15, wherein the laser output beam comprises a plurality of wavelengths.
(Item 18)
A method of joining first and second workpieces using a laser output beam capable of focusing on a minimum spot size and using welding with a spatial range greater than the minimum spot size. ,
Focusing the laser output beam onto at least one of the first or second workpieces to cause melting thereof.
To vary the shape of the laser output beam and increase the size of the weld without causing relative motion between the laser output beam and the first and second workpieces.
Including methods.
(Item 19)
18. The method of item 18, wherein the shape of the laser output beam varies between focused spots and rings.
(Item 20)
Item 18. The method of item 18, wherein the laser output beam comprises a plurality of wavelengths.
(Item 21)
A system for processing workpieces, said system
Beam emitter and
A positioning device for varying the beam position of the beam emitter with respect to the workpiece, and
A variable polarizing device for varying the polarization of the beam,
A beam shaper for changing the shape of the beam and
A controller coupled to the positioning device, the polarizing device, and the beam forming device, the controller operating the beam emitter for processing the workpiece, and at least the workpiece on the beam. With a controller that traverses a path across a portion and, at least in part, varies the polarization and / or shape of the beam along the path based on one or more properties of the workpiece.
The system.
(Item 22)
21. The system of item 21, wherein the controller is configured to maintain linearly polarized light of the beam, having a polarization direction substantially parallel to the path as the beam traverses the path.
(Item 23)
21. The system of item 21, wherein the controller is configured to vary the polarization eccentricity of the beam, at least in part, based on the thickness of the workpiece.
(Item 24)
21. The system of item 21, wherein the controller is configured to vary the polarization of the beam between a linearly polarized state and a radially polarized state.
(Item 25)
21. The system of item 21, wherein the variable polarizing device comprises a corrugated plate and a rotating element, the rotating element being operated by the controller.
(Item 26)
25. The system of item 25, wherein the wave plate comprises at least one of a half wave plate or a quarter wave plate.
(Item 27)
25. The system of item 25, wherein the beam is linearly polarized and the controller operates the rotating element to maintain a polarization direction parallel to the path.
(Item 28)
The variable polarizing device includes a compensator plate, a fixed birefringence wedge arranged over the compensator plate, a movable birefringence wedge arranged over the fixed birefringence wedge, and a translation element. 21. The system of item 21, wherein the element is operated by said controller.
(Item 29)
21. The system of item 21, wherein the variable polarizing device comprises a radial polarizing converter.
(Item 30)
A memory that is accessible to the controller, wherein the memory stores data corresponding to the path.
A database for storing polarization data for multiple materials
The controller is configured to query the database, obtain the polarization data for the material of the workpiece, and at least partially vary the polarization of the beam based on the polarization data. The system according to item 21.
(Item 31)
21. The system of item 21, wherein the route comprises at least one directivity change.
(Item 32)
The beam emitter
A beam source that emits multiple discrete input beams and
Focusing optics for focusing the plurality of input beams on the dispersion element,
A dispersion element for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam,
A partial reflection output coupler, the partial reflection output coupler receives the dispersed beam, transmits a part of the dispersed beam through it as a beam of the beam emitter, and the dispersed beam. With a partial reflection output coupler positioned to reflect a second portion of the beam towards the dispersion element
21. The system of item 21, wherein the beam of the beam emitter comprises a plurality of wavelengths.
(Item 33)
The beam forming machine
A collimating lens for collimating the beam received from the beam emitter,
A focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece.
An optical element arranged between the beam source and the collimating lens, wherein the optical element receives the beam and modifies its shape.
With a lens manipulation system for changing the position of the optical element in the path of the beam
21. The system of item 21, wherein the controller controls the lens operating system and is configured to vary the shape of the beam.
(Item 34)
Item 33, wherein the optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. The system described in.
(Item 35)
Item 33, wherein the optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. The system described in.
(Item 36)
33. The system of item 33, wherein the optical element comprises a meniscus lens.
(Item 37)
33. The system of item 33, wherein the lens operating system is configured to position the optical element laterally off-center in the path of the beam.
(Item 38)
Further comprising a second optical element located between the focused lens and the workpiece, the lens manipulation system is configured to change the position of the second optical element in the path of the beam. The system according to item 33.
(Item 39)
The second optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated conical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. , Item 38.
(Item 40)
The second optical element comprises a lens having (i) a first surface having a truncated spherical shape and (ii) a second surface having a substantially flat surface opposite to the first surface. , Item 38.
(Item 41)
38. The system of item 38, wherein the second optical element comprises a meniscus lens.
(Item 42)
The beam forming machine
A collimating lens for collimating the beam received from the beam emitter,
A focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam toward the workpiece.
A first and second optical element disposed between the beam source and the collimating lens, wherein the first and second optical elements receive the beam and modify its shape. With the first and second optics,
(I) the position of the first optical element in the path of the beam, (ii) the position of the second optical element in the path of the beam, or (iii) between the first and second optical elements. With a lens manipulation system to change at least one of the distances
21. The system of item 21, wherein the controller controls the lens operating system and is configured to vary the shape of the beam.
(Item 43)
42. The system of item 42, wherein the first optical element comprises a double concave axicon lens and (ii) the second optical element comprises a double convex axicon lens.
(Item 44)
42. The system of item 42, wherein the lens manipulation system is configured to vary the distance between the first and second optical elements within a range of about 0 mm to about 20 mm.
(Item 45)
The first optical element has (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of convex curvature, and (b) a second portion of the substantially flat surface. With a lens having a second surface opposite to that of
The first optical element comprises (i) a first surface of a substantially flat surface, (ii) (a) a first portion of concave curvature and (b) a second portion of the substantially flat surface. 42. The system of item 42, comprising a lens having a second surface opposite to that of.
(Item 46)
42. The lens manipulation system is configured to position at least one of the first optical element or the second optical element laterally off-center in the path of the beam. System.

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。 In drawings, similar reference characters generally refer to the same part throughout different drawings. Also, the drawings are not necessarily on an exact scale, but instead are generally emphasized in illustrating the principles of the invention. In the following description, various embodiments of the present invention will be described with reference to the following drawings.

図1は、固定されている切断ビームの偏光を用いて、曲線を材料から切り出す従来の方法を図示する。FIG. 1 illustrates a conventional method of cutting a curve out of a material using the polarization of a fixed cutting beam. 図2Aは、本発明の種々の実施形態による、材料内の切断経路に従った偏光の例示的調節を図示する。FIG. 2A illustrates exemplary regulation of polarized light along a cutting path within a material according to various embodiments of the invention. 図2Bは、本発明の種々の実施形態による、材料の厚さに従った偏光の例示的調節を図示する。FIG. 2B illustrates exemplary adjustment of polarized light according to material thickness according to various embodiments of the present invention. 図2Cは、本発明の種々の実施形態による、線形偏光から半径方向偏光への偏光の例示的調節を図示する。FIG. 2C illustrates exemplary adjustment of polarized light from linearly polarized light to radially polarized light according to various embodiments of the present invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図3A−3Gは、本発明の種々の実施形態による、少なくとも部分的に、処理方向または材料厚に基づいて、ビーム偏光を変動させるための例示的システムを図示する。FIG. 3A-3G illustrates an exemplary system for varying beam polarization, at least in part, based on treatment direction or material thickness, according to various embodiments of the invention. 図4Aは、本発明の種々の実施形態による、自動調節偏光ビームを使用して、材料を切断または溶接するための方法を図示する。FIG. 4A illustrates a method for cutting or welding a material using a self-regulating polarized beam according to various embodiments of the present invention. 図4B−4Dは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。FIG. 4B-4D is a graph of cutting speed as a function of workpiece thickness comparing controlled polarized light according to various embodiments of the present invention with a laser beam using a conventional unpolarized beam. 図4B−4Dは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。FIG. 4B-4D is a graph of cutting speed as a function of workpiece thickness comparing controlled polarized light according to various embodiments of the present invention with a laser beam using a conventional unpolarized beam. 図4B−4Dは、本発明の種々の実施形態による制御された偏光と従来の非偏光ビームを用いたレーザビームを比較する、ワークピース厚の関数とした切断速度のグラフである。FIG. 4B-4D is a graph of cutting speed as a function of workpiece thickness comparing controlled polarized light according to various embodiments of the present invention with a laser beam using a conventional unpolarized beam. 図5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。FIG. 5 is a schematic diagram of a laser beam delivery system according to various embodiments of the present invention. 図6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。FIG. 6 is a schematic view of a flat upper conical optical element according to various embodiments of the present invention. 図7A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。FIG. 7A is a graph of BPP variation as a function of the distance of the fused silica flat top conical optics from the beam source according to various embodiments of the present invention. 図7B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。FIG. 7B is a graph of BPP variation as a function of the distance of the zinc sulfide flat upper conical optics from the beam source according to various embodiments of the present invention. 図8A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。FIG. 8A is a schematic representation of a laser delivery system with off-center optical elements according to various embodiments of the present invention. 図8B−8Dは、図8A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。8B-8D depict a beam profile as a function of off-center distance produced by the laser delivery system of FIG. 8A. 図9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。FIG. 9 is a schematic view of a flat upper spherical optical element according to various embodiments of the present invention. 図10A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。FIG. 10A is a graph of BPP variation as a function of the distance of the fused silica flat top spherical optics from the beam source according to various embodiments of the present invention. 図10B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。FIG. 10B is a graph of BPP variation as a function of the distance of the zinc sulfide flat upper spherical optics from the beam source according to various embodiments of the present invention. 図11A−11Cは、本発明の種々の実施形態による、図9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。11A-11C depict a beam profile as a function of off-center distance produced by a laser delivery system incorporating the optical elements of FIG. 9 according to various embodiments of the present invention. 図11Dは、図11C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。FIG. 11D is a graph of irradiance as a function of position for the two-peak beam profile depicted in FIG. 11C. 図12A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。FIG. 12A is a schematic representation of a portion of a laser delivery system having two axicon lens optics according to various embodiments of the present invention. 図12Bおよび12C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。12B and 12C depict the geometric design parameters of an axicon lens according to various embodiments of the present invention. 図12Bおよび12C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。12B and 12C depict the geometric design parameters of an axicon lens according to various embodiments of the present invention. 図13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。FIG. 13 is a graph of BPP variation as a function of the clearance distance between positive and negative axicon lenses according to various embodiments of the present invention. 図14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。FIG. 14 depicts beam profiles at different clearance distances between positive and negative axicon lenses according to various embodiments of the present invention. 図15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。FIG. 15 depicts beam profiles at different clearance distances between positive and negative axicon lenses laterally off-center in the beam path according to various embodiments of the present invention. 図16A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。FIG. 16A is a schematic representation of a portion of a laser delivery system having a pair of phase plate lenses according to various embodiments of the present invention. 図16Bおよび16C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。16B and 16C depict the geometric design parameters of a phase plate lens according to various embodiments of the present invention. 図16D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。FIG. 16D is a graph of BPP as a function of the inner diameter of the paired phase plates according to various embodiments of the present invention. 図16E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。FIG. 16E is a graph of optimized inner diameters of paired phase plates as a function of separation from the input fiber end cap according to various embodiments of the present invention. 図16F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。FIG. 16F is a graph of BPP variation as a function of the clearance distance between paired phase plate lenses according to various embodiments of the present invention. 図16G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。FIG. 16G depicts beam profiles at different clearance distances between paired phase plate lenses according to various embodiments of the present invention. 図17A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。FIG. 17A is a schematic diagram of a meniscus lens optical element according to various embodiments of the present invention. 図17B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。FIG. 17B is a graph of BPP variation as a function of the distance of the fused silica meniscus lens optics from the beam source according to various embodiments of the present invention. 図18A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。FIG. 18A is a schematic representation of a partial laser beam delivery system incorporating a triple collimator for increased beam divergence according to various embodiments of the present invention. 図18Bは、本発明の種々の実施形態による、図18A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。FIG. 18B is a graph of BPP variation as a function of the distance of the flat upper spherical optics from the beam source in the laser delivery system of FIG. 18A according to various embodiments of the present invention. 図18Cは、本発明の種々の実施形態による、図18A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。FIG. 18C is a graph of BPP variation as a function of the distance of the meniscus lens optics from the beam source in the laser delivery system of FIG. 18A according to various embodiments of the present invention. 図18D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。FIG. 18D is a schematic representation of a partial laser beam delivery system incorporating a triple collimator for increased beam divergence and paired phase plate optics according to various embodiments of the present invention. 図18Eは、本発明の種々の実施形態による、図18D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。FIG. 18E is a graph of BPP variation as a function of the clearance distance between paired phase plate lenses in the laser beam delivery system of FIG. 18D according to various embodiments of the present invention. 図19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。FIG. 19 is a schematic representation of a wavelength beam combination laser system that can be utilized to supply an input beam for a laser beam delivery system according to various embodiments of the present invention. 図20は、本発明の種々の実施形態による、レーザシステムの概略図である。FIG. 20 is a schematic diagram of a laser system according to various embodiments of the present invention. 図21は、本発明の種々の実施形態に従って利用される例示的ビーム形状を描写する、一連の画像である。FIG. 21 is a series of images depicting exemplary beam shapes utilized according to various embodiments of the present invention. 図22Aおよび22Bは、本発明の種々の実施形態による、異なる形状を有するレーザビームを用いて処理されている、ワークピースの概略図である。22A and 22B are schematic views of workpieces processed using laser beams with different shapes according to various embodiments of the present invention. 図23A−23Dは、本発明の種々の実施形態による、複数の異なるビーム形状を有するレーザビームを利用する、溶接プロセスの一連の概略図である。23A-23D are a series of schematic views of a welding process utilizing laser beams having a plurality of different beam shapes according to various embodiments of the present invention.

側面および実施形態は、概して、殆ど屑が出ず、綺麗な切断面および溶接を含む、より良好な製造結果を生産するように、製造において使用されるレーザビームの偏光および/または形状を調節する分野に関する。種々の実施形態では、したがって、本発明は、処理を受ける材料に対してレーザビームの偏光および/または形状を最適化することに関する。より具体的には、偏光を調節するためのシステムおよび方法は、例えば、処理を受ける材料の幾何学形状、材料、および厚さ、ならびにそれに対するビームの瞬間配向に基づいて、その偏光を選択的に変動させるために、それを通してビームが通過する、波プレートの配向を変動させるステップを伴ってもよい。本明細書に説明されるアプローチおよび実施形態は、偏光維持光ファイバを使用し、出力ビームをレーザシステムからレーザヘッドに送達する、単一および二重ビーム出力システムに適用されてもよい。いくつかの事例では、これらのレーザシステムは、マルチ波長出力ビームを生産する、波長ビーム組み合わせシステムであってもよい。 The sides and embodiments generally adjust the polarization and / or shape of the laser beam used in the production to produce better production results, including clean cut surfaces and welds with little debris. Regarding the field. In various embodiments, therefore, the invention relates to optimizing the polarization and / or shape of the laser beam for the material being treated. More specifically, systems and methods for adjusting polarization selectively select that polarization based on, for example, the geometry, material, and thickness of the material being processed, and the instantaneous orientation of the beam relative to it. It may involve a step of varying the orientation of the wave plate through which the beam passes. The approaches and embodiments described herein may be applied to single and dual beam output systems that use polarization-maintaining optical fibers and deliver the output beam from the laser system to the laser head. In some cases, these laser systems may be wavelength beam combination systems that produce multi-wavelength output beams.

したがって、本発明の実施形態は、所与の材料のための最適偏光方向を確立し、処理が進むにつれて、処理方向に対して本方向を維持する。これは、偏光方向を改変させない、図1に例示されるような従来技術システムの挙動とは対照的である。図1では、材料のシート100が、湾曲であり得る、所望の切断経路102に追従する、線形に偏光されたビームによって処理される。104に示される線形偏光は、材料100に対するビームの変動する配向にかかわらず、固定配向を維持する。多くのシステムでは、最適ビーム偏光は、処理の方向と平行である。図1では、これは、1回のみ生じ、実際は、大部分の場所において、偏光は、不利なことに、処理方向と垂直である。これは、処理を遅延させ、屑を生産し、不完全な切断をもたらす等となり得る。 Therefore, embodiments of the present invention establish an optimal polarization direction for a given material and maintain this direction relative to the process as the process progresses. This is in contrast to the behavior of prior art systems as illustrated in FIG. 1, which does not alter the polarization direction. In FIG. 1, the sheet 100 of material is processed by a linearly polarized beam that follows a desired cutting path 102, which can be curved. The linearly polarized light shown in 104 maintains a fixed orientation regardless of the variable orientation of the beam with respect to the material 100. In many systems, optimal beam polarization is parallel to the direction of processing. In FIG. 1, this happens only once, and in fact, in most places, the polarization is unfavorably perpendicular to the processing direction. This can delay processing, produce debris, result in incomplete cutting, and so on.

例示的システムのための1つの最適挙動が、図2Aに図示される。処理ビームの偏光配向204は、処理経路102全体を通して、処理方向と平行のままである。例示的システムのための別の最適挙動は、図2Bに図示される。処理ビームの偏光状態210は、材料100の厚さが増加するにつれて、線形偏光から、楕円形偏光、円形偏光に変化する。図2Cに図示される、さらに別の実施形態では、処理ビームの偏光状態210は、処理経路102に沿って、線形偏光から半径方向偏光に変化する。図2Bおよび2Cにおける処理経路は、略線形であるが、本発明の実施形態では、処理経路は、図2Bに示されるように、1つ以上の指向性変化を含んでもよい。一般に、処理経路は、曲線または線形であってもよく、「線形」処理経路は、1つ以上の指向性変化を特徴とし得る、すなわち、線形処理経路は、必ずしも、相互に平行ではない、2つ以上の略直線区画から成ってもよい。 One optimal behavior for an exemplary system is illustrated in FIG. 2A. The polarization orientation 204 of the processing beam remains parallel to the processing direction throughout the processing path 102. Another optimal behavior for the exemplary system is illustrated in FIG. 2B. The polarization state 210 of the processed beam changes from linearly polarized light to elliptical polarized light and circularly polarized light as the thickness of the material 100 increases. In yet another embodiment illustrated in FIG. 2C, the polarization state 210 of the processed beam changes from linearly polarized light to radially polarized light along the processing path 102. The processing pathways in FIGS. 2B and 2C are substantially linear, but in embodiments of the present invention, the processing pathways may include one or more directional changes, as shown in FIG. 2B. In general, the processing pathways may be curved or linear, and "linear" processing pathways can be characterized by one or more directional changes, i.e., linear processing pathways are not necessarily parallel to each other. It may consist of one or more substantially straight sections.

本発明の実施形態による、偏光変動を遂行するための代表的システムは、図3A−3Cに示される。図3Aを参照すると、システム300は、レーザ(または偏光ファイバ等の他のビームエミッタ)305と、コントローラ310とを含む。コントローラ310は、レーザ305の動作を制御する(すなわち、レーザ305をアクティブ化し、必要に応じて、処理の間、強度等のビームパラメータを制御する)。コントローラはまた、従来の位置付けシステム315および偏光コントローラ320を動作させる。位置付けシステム315は、ビームを2または3次元ワークピースに沿って処理経路を通して指向するための任意の制御可能光学システム、機械的システム、または光学機械的システムであってもよい。処理の間、コントローラ310は、レーザビームがワークピースに沿って処理経路をトラバースするように、位置付けシステム315およびレーザ305を動作させてもよい。処理経路は、ユーザによって提供され、オンボードまたは遠隔メモリ325内に記憶されてもよく、これはまた、処理のタイプ(切断、溶接等)に関連するパラメータと、その処理を行うために必要なビームパラメータとを記憶してもよい。この点において、ローカルまたは遠隔データベース330は、システム300が処理するであろう材料および厚さのライブラリを維持してもよく、材料パラメータ(材料のタイプ、厚さ等)のユーザ選択に応じて、コントローラ310は、データベース330にクエリし、対応するパラメータ値を取得する。記憶された値は、材料に好適な偏光配向および/または状態を含んでもよい。 A representative system for carrying out polarization variation according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. 3A-3C. Referring to FIG. 3A, system 300 includes a laser (or other beam emitter such as a polarizing fiber) 305 and a controller 310. The controller 310 controls the operation of the laser 305 (ie, activates the laser 305 and, if necessary, controls beam parameters such as intensity during processing). The controller also operates a conventional positioning system 315 and a polarization controller 320. The positioning system 315 may be any controllable optical system, mechanical system, or optical mechanical system for directing the beam through a processing path along a two- or three-dimensional workpiece. During processing, controller 310 may operate the positioning system 315 and laser 305 such that the laser beam traverses the processing path along the workpiece. The processing path may be provided by the user and stored in the onboard or remote memory 325, which is also required for the parameters related to the type of processing (cutting, welding, etc.) and for performing the processing. The beam parameter may be stored. In this regard, the local or remote database 330 may maintain a library of materials and thicknesses that the system 300 will process, depending on the user's choice of material parameters (material type, thickness, etc.). The controller 310 queries the database 330 and obtains the corresponding parameter values. The stored values may include polarization orientation and / or states suitable for the material.

プロットおよび走査技術において深く理解されるように、ビームとワークピースとの間で必要な相対的運動は、可動ミラーを使用したビームの光学偏向、ガントリ、送りねじ、または他の配列を使用したレーザの物理的移動、および/またはビームではなく(またはそれに加え)、ワークピースを移動させるための機械的配列によって生産されてもよい。コントローラ310は、いくつかの実施形態では、ワークピースに対するビームの位置および/または処理有効性に関するフィードバックをフィードバックユニット335から受信してもよく、これは、好適な監視センサに接続されるであろう。フィードバックユニット335からの信号に応答して、コントローラ310は、ビームの経路、組成、および/または偏光を改変する。 As deeply understood in plotting and scanning techniques, the required relative motion between the beam and the workpiece is the optical deflection of the beam with a movable mirror, a gantry, a feed screw, or a laser with other arrays. It may be produced by physical movement of the work piece and / or mechanical arrangement for moving the workpiece rather than (or in addition to) the beam. In some embodiments, the controller 310 may receive feedback from the feedback unit 335 regarding the position and / or processing effectiveness of the beam with respect to the workpiece, which will be connected to a suitable monitoring sensor. .. In response to the signal from the feedback unit 335, controller 310 modifies the path, composition, and / or polarization of the beam.

図3Bおよび3Cに示される一実施形態では、偏光調節は、レーザヘッド構成要素350内で遂行され、これは、通常、製造において使用されるビームを放出するレーザシステムの最後の光学機械的部分である。レーザヘッド350は、コリメートレンズ355と、調節/回転波プレート360と、ビーム370をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ365とを含む。波プレート360は、ビーム370の偏光を回転させるための4分の1波プレート、半波プレート、または他の波プレートであってもよい。図3A−3Cを参照すると、従来の電気機械的回転デバイス375は、コントローラ310の制御下、ビームが処理経路102を通して移動するにつれて、波プレート360を回転させ、したがって、経路102に対してビーム370の一貫した偏光方向をもたらす。他の構成では、複数の波プレートが、採用され、個々の回転デバイス375によって、別個に回転されてもよい。複数の波プレートの使用は、応答時間を改良し得る。ビーム370の偏光は、波プレート360の遭遇に先立った第1の配向380aと、波プレート360を通して通過後の第2の配向380bとに示される。 In one embodiment shown in FIGS. 3B and 3C, polarization adjustment is performed within the laser head component 350, which is the last optical mechanical part of the laser system that emits a beam, typically used in manufacturing. is there. The laser head 350 includes a collimating lens 355, an adjustment / rotating wave plate 360, and a focusing lens 365 for directing the beam 370 onto the surface of the workpiece. The wave plate 360 may be a quarter wave plate, a half wave plate, or another wave plate for rotating the polarized light of the beam 370. Referring to FIG. 3A-3C, the conventional electromechanical rotation device 375 rotates the wave plate 360 as the beam moves through the processing path 102 under the control of the controller 310, and thus the beam 370 with respect to the path 102. Provides a consistent polarization direction for. In other configurations, multiple corrugated plates may be employed and rotated separately by individual rotating devices 375. The use of multiple corrugated plates can improve response time. The polarization of the beam 370 is shown in the first orientation 380a prior to the encounter with the wave plate 360 and in the second orientation 380b after passing through the wave plate 360.

図3Dおよび3Eに示される一実施形態では、偏光調節はまた、レーザヘッド構成要素350内で遂行される。レーザヘッド350は、図3Bに描写されるレーザヘッド350と同様に、コリメートレンズ355と、ビーム370をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ365とを含む。図3Dの実施形態では、レーザヘッド350は、Babinet−Soleil補償器385をコリメートレンズ355と集束レンズ365との間に含む。当技術分野において公知のように、Babinet−Soleil補償器385は、それを通して進行する光の偏光を線形から円形およびその間の任意の楕円形偏光状態に改変可能な持続的に可変の光学リターダである。種々の実施形態では、Babinet−Soleil補償器385は、補償器プレート386と、固定複屈折ウェッジ387と、可動複屈折ウェッジ388とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。補償器プレート386の長軸は、典型的には、ウェッジ387、388の長軸と垂直である。プレート386およびウェッジ377に対するウェッジ388の移動は、ビーム370の偏光状態を線形と円形との間の任意の楕円形状態に改変する。図3A、3D、および3Eを参照すると、従来の電気機械的平行移動デバイス389は、コントローラ310の制御下、ビームが処理経路102を通して移動するにつれて(例えば、ワークピースの厚さが変化するにつれて)、Babinet−Soleil補償器385の可動ウェッジ388を平行移動させ、それによって、経路102に沿って、ワークピースの厚さの関数として、偏光状態を変化させる。例えば、ビーム370の偏光状態の真円度(すなわち、線形から楕円形または円形への遷移)は、ワークピースの厚さが増加するにつれて、増加され得る。ビーム370の偏光は、Babinet−Soleil補償器385への遭遇に先立った第1の状態390aと、Babinet−Soleil補償器385を通して通過後の第2の状態390bとに示される。 In one embodiment shown in FIGS. 3D and 3E, polarization adjustment is also performed within the laser head component 350. The laser head 350, like the laser head 350 depicted in FIG. 3B, includes a collimating lens 355 and a focusing lens 365 for directing the beam 370 onto the surface of the workpiece. In the embodiment of FIG. 3D, the laser head 350 includes a Babinet-Soleil compensator 385 between the collimating lens 355 and the focusing lens 365. As is known in the art, the Babinet-Soleil compensator 385 is a continuously variable optical retarder capable of altering the polarization of light traveling through it from linear to circular and any elliptical polarization state in between. .. In various embodiments, the Babinet-Soleil compensator 385 comprises, comprises, and consists essentially of a compensator plate 386, a fixed birefringence wedge 387, and a movable birefringence wedge 388. The major axis of the compensator plate 386 is typically perpendicular to the major axis of the wedges 387 and 388. The movement of the wedge 388 with respect to the plate 386 and the wedge 377 modifies the polarization state of the beam 370 to any elliptical state between linear and circular. With reference to FIGS. 3A, 3D, and 3E, the conventional electromechanical translation device 389, under the control of controller 310, as the beam travels through the processing path 102 (eg, as the thickness of the workpiece changes). , The movable wedge 388 of the Babinet-Soleil compensator 385 is translated, thereby changing the polarization state along the path 102 as a function of the thickness of the workpiece. For example, the roundness of the polarized state of the beam 370 (ie, the transition from linear to elliptical or circular) can be increased as the thickness of the workpiece increases. The polarization of the beam 370 is shown in the first state 390a prior to the encounter with the Babinet-Soleil compensator 385 and in the second state 390b after passing through the Babinet-Soleil compensator 385.

図3Fおよび3Gに示される別の実施形態では、偏光調節はまた、レーザヘッド構成要素350内で遂行される。レーザヘッド350は、図3Bおよび3Dに描写されるレーザヘッド350と同様に、コリメートレンズ355と、ビーム370をワークピースの表面上に指向するための集束レンズ365とを含む。図3Fの実施形態では、レーザヘッド350は、半径方向偏光コンバータ391をコリメートレンズ355と集束レンズ365との間に含む。当技術分野において公知のように、半径方向偏光コンバータ391は、線形偏光を半径方向偏光または方位角偏光に変換する、ガラス波プレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、半径方向偏光コンバータ391は、半径方向対称性を有する継続的に変動する遅軸方向または空間変形4分の1波プレートを伴う、半波プレートであってもよい。半径方向偏光コンバータ391は、ナノ構造化された格子、例えば、UAB Altechna(Vilnius, Lithuania)から利用可能なS波プレート半径方向偏光コンバータまたはEdmund OpticsInc.(Barrington, New Jersey)から利用可能な半径方向偏光コンバータのうちの1つをその上に有する、ガラスプレートを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、半径方向偏光コンバータ391は、液晶分子が具体的に整合され、所望の半径方向または方位角偏光を生産する、液晶、例えば、Arcopix(Neuchatel, Switzerland)から利用可能なArcopix半径方向偏光コンバータを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。ビーム370の経路内の半径方向偏光コンバータ391の移動は、ビーム370の偏光状態を線形から半径方向または方位角もしくはその逆に改変する。種々の実施形態では、半径方向に偏光されたビーム370は、線形偏光を有する、ビーム370より小さいスポットサイズに集束可能である。図3A、3F、および3Gを参照すると、従来の電気機械的平行移動デバイス389は、コントローラ310の制御下、ビームが処理経路102を通して移動するにつれて、半径方向偏光コンバータ391を平行移動させ、それによって、経路102に沿って偏光状態を変化させる。ビーム370の偏光は、半径方向偏光コンバータ391への遭遇に先立った第1の状態392a(すなわち、線形偏光)と、半径方向偏光コンバータ391を通して通過後の第2の状態392b(すなわち、半径方向偏光)とに示される。 In another embodiment shown in FIGS. 3F and 3G, polarization adjustment is also performed within the laser head component 350. The laser head 350 includes a collimating lens 355 and a focusing lens 365 for directing the beam 370 onto the surface of the workpiece, similar to the laser head 350 depicted in FIGS. 3B and 3D. In the embodiment of FIG. 3F, the laser head 350 includes a radial polarizing converter 391 between the collimating lens 355 and the focusing lens 365. As is known in the art, the radial polarization converter 391 comprises, consists of, or may consist of a glass wave plate that converts linearly polarized light into radial or azimuthally polarized light. For example, the radial polarization converter 391 may be a half-wave plate with continuously varying slow-axis or spatially deformed quarter-wave plates with radial symmetry. The radial polarization converter 391 is an S-wave plate radial polarization converter or Edmund Optics Inc. available from nanostructured lattices, such as UAB Altechna (Vilnius, Lithuania). Has one of the radial polarizing converters available from (Barrington, NJ) on it, includes a glass plate, and consists of or may consist essentially of it. In another embodiment, the radial polarization converter 391 is available from a liquid crystal, eg, Arcopix (Neuchatel, Switzerland), where the liquid crystal molecules are specifically matched to produce the desired radial or azimuth polarization. It includes, and may essentially consist of, or may consist of a directional polarization converter. The movement of the radial polarization converter 391 within the path of the beam 370 modifies the polarization state of the beam 370 from linear to radial or azimuth and vice versa. In various embodiments, the radially polarized beam 370 can be focused to a spot size smaller than the beam 370 with linearly polarized light. With reference to FIGS. 3A, 3F, and 3G, the conventional electromechanical translation device 389 translates the radial polarization converter 391 as the beam moves through the processing path 102 under the control of the controller 310, thereby. , The polarization state is changed along the path 102. The polarization of the beam 370 is a first state 392a (ie, linearly polarized light) prior to the encounter with the radial polarization converter 391 and a second state 392b (ie, radial polarization) after passing through the radial polarization converter 391. ) And.

図4Aは、システム300を動作させ、切断動作を実施する、代表的方法400を図示する。第1のステップ410では、ユーザは、任意の好適な入力デバイスを使用して、またはファイル転送を用いて、所望の経路をシステム300の中に事前プログラムする。ステップ420では、コントローラ310は、経路の曲線、特徴(例えば、厚さ)、および切断方向を分析し、データベース330にクエリし、必要に応じて、切断が行われ得る速度を決定し、切断方向に対するレーザビームの最適偏光方向および/または状態を決定する。ステップ430に示される動作時、コントローラ330は、レーザ305およびサブシステム315、320を動作させ、事前にプログラムされた経路に沿って切断し、適切な偏光を維持する。処理されている材料の組成および/または厚さが、変化する場合、変化の場所および性質が、プログラムされてもよく、コントローラ310は、適宜、レーザビームパラメータ(偏光および/またはビーム形状を含む)を調節することができる。最適切断、溶接、または製造解決策は、それでもなお、プロセスにおける付加的ステップ(例えば、バリ取り、研削、および/または研磨)が必要とされ得るため、必ずしも、最も綺麗な切断面または溶接ではない場合があることに留意されたい。したがって、全体的最適化は、所望の出力に基づき得、本方法およびシステムは、それらがどのようなものであり得ても、それらの所望の結果を生産するように構成される。上記に記載されるように、切断は、本発明の実施形態のアプローチから利点を享受し得る、レーザ処理の一実施例にすぎない。 FIG. 4A illustrates a representative method 400 in which the system 300 is operated to perform a cutting operation. In the first step 410, the user preprograms the desired route into the system 300 using any suitable input device or using file transfer. In step 420, controller 310 analyzes the curve, features (eg, thickness), and cutting direction of the path, queries database 330, and, if necessary, determines the rate at which cutting can occur, and cutting direction. Determines the optimum polarization direction and / or state of the laser beam for. During the operation shown in step 430, the controller 330 operates the laser 305 and subsystems 315, 320, cutting along a pre-programmed path to maintain proper polarization. If the composition and / or thickness of the material being processed changes, the location and nature of the change may be programmed and the controller 310 appropriately includes laser beam parameters (including polarization and / or beam shape). Can be adjusted. Optimal cutting, welding, or manufacturing solutions are not necessarily the cleanest cut surfaces or welds, as additional steps in the process (eg, deburring, grinding, and / or polishing) may still be required. Please note that there may be cases. Therefore, overall optimizations can be obtained based on the desired output, and the methods and systems are configured to produce their desired results, whatever they may be. As described above, cutting is only one embodiment of laser processing that can benefit from the approach of embodiments of the present invention.

コントローラ310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.)によって製造されたPentium(登録商標)またはCeleronファミリのプロセッサ、Motorola Corporation(Schaumburg, Ill.)によって製造された680x0およびPOWER PCファミリのプロセッサ、および/またはAdvaced Micro Devices, Inc.(Sunnyvale, Calif.)によって製造されたATHLONラインのプロセッサ等の1つ以上のプロセッサを含有する、CPUボードを有するPC等の1つ以上の従来のサーバクラスコンピュータ上に実装されてもよい。プロセッサはまた、上記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つ以上の特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(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、ならびに他の一般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つ以上の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いずれかで書き込まれてもよい。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を対象とするアセンブリ言語で実装されてもよい。例えば、ソフトウェアは、IBM PCまたはPCクローン上で起動するように構成される場合、Intel80x86アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、限定ではないが、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、製造品上で具現化されてもよい。 The controller 310 may be provided as either software, hardware, or some combination thereof. For example, the system is a Pentium® or Celeron family processor manufactured by Intel Corporation (Santa Clara, Calif.), A 680x0 and POWER PC family processor manufactured by Motorola Corporation (Schaumbrug, California), and / Or Advanced Micro Devices, Inc. It may be implemented on one or more conventional server class computers, such as a PC with a CPU board, containing one or more processors, such as ATHLON line processors manufactured by (Sunnyvale, Calif.). The processor may also include a main memory unit for storing programs and / or data related to the methods described above. The memory includes one or more application-specific integrated circuits (ASICs), field programmable gate arrays (FPGAs), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM), programmable logic devices (programmable logic devices). It may include random access memory (RAM), read-only memory (ROM), and / or flash memory resident on commonly available hardware such as a PLD) or read-only memory device (ROM). In some embodiments, the program may be provided using external RAM and / or ROM such as optical disks, magnetic disks, and other commonly used storage devices. With respect to embodiments in which the functionality is provided as one or more software programs, the program may be any number of FORTRAN, PASCAL, JAVA®, C, C ++, C #, BASIC, various scripting languages, and / or HTML. It may be written in any of the higher level languages. In addition, the software may be implemented in assembly language for microprocessors residing on the target computer. For example, the software may be implemented in Intel 80x86 assembly language if configured to boot on an IBM PC or PC clone. The software is embodied on the product, including, but not limited to, floppy (registered trademark) disks, jump drives, hard disks, optical disks, magnetic tapes, PROMs, EPROMs, EEPROMs, field programmable gate arrays, or CD-ROMs. You may.

処理を改良するための本明細書に説明される方法は、線形に偏光されたビーム(自由空間レーザまたは偏光維持ファイバを介して送達される)のために良好に機能するが、本技法はまた、楕円形に偏光されたビーム(1つの偏光に偏っている)とも良好に機能する。例えば、標準的マルチモードファイバからのビームは、楕円形に偏光される可能性が高く、本明細書に説明されるアプローチから利点を享受し得る。 Although the methods described herein for improving processing work well for linearly polarized beams (delivered via a free space laser or polarization maintenance fiber), the technique also works well. Works well with an elliptical polarized beam (biased to one polarized light). For example, a beam from standard multimode fiber is likely to be polarized in an elliptical shape and can benefit from the approaches described herein.

本発明の実施形態は、有利には、種々の材料、例えば、金属材料のより効率的切断のために利用されてもよい。図4Bは、窒素ガス流下における、304ステンレス鋼から成るワークピースに関するワークピース厚の関数としての達成可能切断速度のグラフである。4つの異なるレーザシステムが、切断のために利用された。最初に、1kWのパワーで動作し、線形に偏光されたレーザ出力ビームを生産するために、58μm偏光維持光学出力ファイバを利用する、本発明の実施形態によるレーザシステムが、ワークピースを偏光方向と平行方向および垂直方向に切断するために利用された。傾向線440は、切断方向と平行に偏光されたビームに関して達成可能な切断速度を描写し、傾向線445は、切断方向と垂直に偏光されたビームに関して達成可能な切断速度を描写する。示されるように、平行偏光ビームは、特に、より薄いワークピースに関して、垂直偏光ビームより著しく高い切断速度を可能にする。傾向線450および455は、非偏光出力ビームを有する2つの異なる市販の1kWレーザシステム(すなわち、偏光維持ファイバではない、出力光ファイバケーブルを利用する)に関するデータを描写する。示されるように、非偏光ビームは、傾向線445の垂直偏光ビームと比較して、より高速の切断を可能にするが、傾向線440の平行偏光ビームと比較して、より低速である。傾向線460は、100μm出力ファイバを有するが、非偏光ビームもまた生産する、2kWレーザに関するデータを描写する。予期されるであろうように、このより強力なレーザシステムは、より低いパワーのレーザシステムより高速の切断速度を可能にするが、傾向線440の平行偏光ビームが、より低いパワーで、かつより小さい出力ファイバを用いて動作するにもかかわらず、より高い速度で切断するという、その利点は、より薄いワークピースに関して、減少し、消失さえする。 Embodiments of the present invention may advantageously be utilized for more efficient cutting of various materials, such as metallic materials. FIG. 4B is a graph of achievable cutting rates as a function of workpiece thickness for workpieces made of 304 stainless steel under nitrogen gas flow. Four different laser systems were utilized for cutting. First, a laser system according to an embodiment of the invention, which operates at a power of 1 kW and utilizes a 58 μm polarization-maintaining optical output fiber to produce a linearly polarized laser output beam, polarizes the workpiece in the polarization direction. It was used to cut in parallel and vertical directions. Trend line 440 describes the achievable cutting speed for a beam polarized parallel to the cutting direction, and trend line 445 describes the achievable cutting speed for a beam polarized perpendicular to the cutting direction. As shown, parallel polarized beams allow significantly higher cutting speeds than vertically polarized beams, especially for thinner workpieces. Trend lines 450 and 455 depict data on two different commercially available 1 kW laser systems with unpolarized output beams (ie, utilizing output fiber optic cables that are not polarized maintenance fibers). As shown, the unpolarized beam allows faster cutting compared to the vertically polarized beam of trend line 445, but is slower than the parallel polarized beam of trend line 440. Trend line 460 depicts data for a 2 kW laser that has a 100 μm output fiber but also produces an unpolarized beam. As would be expected, this more powerful laser system allows faster cutting speeds than lower power laser systems, but the parallel polarized beam of trend line 440 has lower power and more. Despite operating with smaller output fibers, the advantage of cutting at higher speeds is diminished and even disappears for thinner workpieces.

図4Cは、窒素ガス流下における、3003アルミニウムから成るワークピースに関するワークピース厚の関数として達成可能な切断速度のグラフである。利用されるレーザシステムは、図4Bに関して上記に説明されるものと同一である。示されるように、傾向線440によって表される平行偏光ビームは、最良切断性能を呈し、平行偏光ビームの性能は、特に、より薄いワークピース厚に関して、傾向線460の2kW、100μm非偏光ビームのものよりさらに優れている。図4Bにおけるように、傾向線445の垂直偏光ビームは、最悪性能を描写し、偏光方向が切断方向と平行に維持される、本発明の実施形態の有利な効果を強調する。 FIG. 4C is a graph of cutting speed achievable as a function of workpiece thickness for workpieces made of 3003 aluminum under nitrogen gas flow. The laser system utilized is the same as that described above with respect to FIG. 4B. As shown, the parallel polarized beam represented by the trend line 440 exhibits the best cutting performance, and the performance of the parallel polarized beam is that of the trend line 460 2 kW, 100 μm unpolarized beam, especially with respect to thinner workpiece thickness. Even better than the one. As in FIG. 4B, the vertically polarized beam of trend line 445 describes the worst performance and emphasizes the advantageous effect of embodiments of the present invention in which the polarization direction is maintained parallel to the cutting direction.

図4Dは、窒素ガス流下、真鍮から成るワークピースに関するワークピース厚の関数として達成可能な切断速度のグラフである。利用されるレーザシステムは、図4Bに関して上記に説明されるものと同一である。示されるように、傾向線440によって表される平行偏光ビームは、特に、より薄いワークピース厚に関して、高速切断性能を呈する。傾向線440によって表される平行偏光ビームはまた、傾向線450によって表される匹敵する1kW非偏光ビームよりはるかに高速の切断速度を呈する。図4Bおよび4Cにおけるように、傾向線445の垂直偏光ビームは、最悪性能を描写し、実際、3mmの厚さを有するワークピースに関して評価できるほどの切断速度の能力がない。 FIG. 4D is a graph of cutting speed achievable as a function of workpiece thickness for workpieces made of brass under nitrogen gas flow. The laser system utilized is the same as that described above with respect to FIG. 4B. As shown, the parallel polarized beam represented by trend line 440 exhibits fast cutting performance, especially for thinner workpiece thicknesses. The parallel polarized beam represented by trend line 440 also exhibits a much faster cutting rate than the comparable 1 kW unpolarized beam represented by trend line 450. As in FIGS. 4B and 4C, the vertically polarized beam of trend line 445 describes the worst performance and, in fact, does not have the ability of cutting speeds to be evaluated for workpieces with a thickness of 3 mm.

本発明の実施形態は、ビームを成形する、および/またはビームのBPPを調節するための技法を用いて、ワークピース材料および/または物理的性質に応答して、ビームの偏光調節を組み合わせる、または置換する。図5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500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500は、例えば、レーザベースの切断ヘッドまたは溶接ヘッド(例えば、切断ヘッド350)内に配置されてもよく、出力ビームの偏光を調節するために利用されるその中の種々の構成要素(例えば、光学要素、コントローラ等)と組み合わせられてもよい。ビーム送達システム500は、レーザ発生システム(例えば、図5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505で終端する、ビーム送達ファイバと、コリメートレンズ510と、集束レンズ515と、端部キャップ505とコリメートレンズ510との間に位置付けられる、光学要素520とを特徴としてもよい。ビーム成形および偏光調節のための組み合わせられた機能性を特徴とする、本発明の種々の実施形態では、コリメートレンズ510および集束レンズ515等の要素は、それらの機能性間で共有されてもよい、すなわち、レーザビーム送達システムは、種々の実施形態では、ビーム成形および偏光調節の両方を促進する、種々の光学要素を有してもよい。種々の実施形態では、光学要素520は、ファイバ端部キャップ505に近接して配置され、光学要素520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5はまた、集束レンズ515とワークピース530との間に配置される随意の第2の光学要素525を描写する。ワークピース530は、例えば、集束レンズ515によって集束されたビームによって溶接、穿孔、および/または切断される、1つ以上の部品(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520は、集束レンズ515とワークピース530との間に配置され、第2の光学要素525は、省略される。光学要素520、525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。 Embodiments of the invention combine beam polarization adjustment in response to workpiece material and / or physical properties, using techniques for shaping the beam and / or adjusting the beam's BPP. Replace. FIG. 5 depicts a schematic of a laser beam delivery system 500 incorporating a beam manipulating optical element according to an embodiment of the present invention. In various embodiments, the laser beam delivery system 500 may be located, for example, within a laser-based cutting head or welding head (eg, cutting head 350) and is utilized to adjust the polarization of the output beam. It may be combined with various components thereof (for example, an optical element, a controller, etc.). The beam delivery system 500 comprises a beam delivery fiber and a collimating lens 510, which are connected to the rest of the laser generation system (eg, the WBC laser system, not shown in FIG. 5) and are terminated by a fiber end cap 505. It may feature an focusing lens 515 and an optical element 520 positioned between the end cap 505 and the collimating lens 510. In various embodiments of the invention, characterized by combined functionality for beam shaping and polarization regulation, elements such as the collimating lens 510 and the focusing lens 515 may be shared between those functions. That is, the laser beam delivery system may, in various embodiments, have various optical elements that facilitate both beam shaping and polarization regulation. In various embodiments, the optics 520 are placed in close proximity to the fiber end cap 505 to minimize the size of the beam striking the optics 520. Refraction of smaller beams may be done using optics with smaller geometric dimensions of optics, or higher sensitivities may be used to vary the output profile. FIG. 5 also depicts an optional second optical element 525 placed between the focusing lens 515 and the workpiece 530. The workpiece 530 may include, or essentially consist of, for example, one or more parts (eg, metal parts) that are welded, perforated, and / or cut by a beam focused by a focusing lens 515. .. In various embodiments, the first optical element 520 is disposed between the focusing lens 515 and the workpiece 530, and the second optical element 525 is omitted. Each of the optical elements 520, 525 may include, or essentially consist of, for example, a phase plate.

第1の光学要素520および/または第2の光学要素525の位置は、例えば、2つもしくは3つの軸に沿って運動可能な1つ以上の機械もしくはモータ駆動平行移動段535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540に応答してもよい。コントローラ540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もしくは他の測定(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、ワークピースのトポグラフィ、ワークピースの厚さ等の処理されるべきワークピースの1つ以上の性質に基づく入力)に応答し、光学要素520および/または光学要素525を位置付け、操作されるビーム545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530に衝打させるように構成されてもよい。コントローラ540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ならびに/もしく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540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POWER PCファミリーのプロセッサ、ならびに/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つ以上の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つ以上の特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(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)、もしく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、ならびに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つ以上の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、Intel80x86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。 The position of the first optical element 520 and / or the second optical element 525 includes, or from, for example, one or more machine or motor driven translation stages 535 that can move along two or three axes. It may be translated into the beam profile through the use of a lens manipulation system, which is essentially possible. The lens manipulation system may respond to controller 540. Controller 540 is a BPP or other measurement of the desired target radiation power distribution and / or beam quality (eg, by the user and / or distance to the workpiece, workpiece composition, workpiece topography, workpiece thickness. In response to an input based on one or more properties of the workpiece to be processed, such as positioning the optics 520 and / or the optics 525, the beam 545 being manipulated using the target radiation power distribution or beam quality. It may be configured to strike the work piece 530. Controller 540 may be programmed to achieve the desired power distribution and / or output BPP and / or beam quality through specific optics positioning, as detailed herein. Controller 540 may be provided as either software, hardware, or some combination thereof. For example, the system may be a Pentium® or Celeron family processor from Intel Corporation (Santa Clara, California), a 680x0 and POWER PC family processor from Motorola Corporation (Schaumburg, California), and / or AdvancedM. , Inc. It may be mounted on one or more conventional server class computers, such as a PC with a CPU board containing one or more processors of the ATHLON line, such as (Sunnyvale, California). The processor may also include a main memory unit for storing programs and / or data related to the methods described herein. The memory includes one or more application-specific integrated circuits (ASICs), field programmable gate arrays (FPGAs), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), programmable read-only memory (PROM), programmable logic devices (programmable logic devices). It may include random access memory (RAM), read-only memory (ROM), and / or flash memory resident on commonly available hardware such as PLD) or read-only memory devices (ROM). In some embodiments, the program may be provided using external RAM and / or ROM such as optical disks, magnetic disks, and other commonly used storage devices. For embodiments in which the functionality is provided as one or more software programs, the program may be any number such as FORTRAN, PASCAL, JAVA®, C, C ++, C #, BASIC, various scripting languages, and / or HTML. It may be written in any of these high-level languages. In addition, the software may be implemented in a microprocessor-oriented assembly language residing on the target computer, for example, the Intel 80x86 assembly if the software is configured to run on an IBM PC or PC clone. It may be implemented in a language. Software includes, but is not limited to, floppy (registered trademark) disks, jump drives, hard disks, optical disks, magnetic tapes, PROMs, EPROMs, EEPROMs, field programmable gate arrays, or CD-ROMs. You may.

図6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600の概略図である。例えば、光学要素600は、送達システム500内で光学要素520および/または光学要素525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600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。 FIG. 6 is a schematic view of an optical element 600 having a truncated conical shape (flat upper conical shape or tapered cylindrical shape) according to an embodiment of the present invention. For example, the optical element 600 may be utilized as an optical element 520 and / or an optical element 525 within the delivery system 500. The parameters D, d, θ, and H are slopes that define the outer diameter, inner diameter (which can correspond to the beam size of the beam when striking the optics), and the maximum arrow (or "hanging", h), respectively. Geometric design parameters for the angle, the separation of the outer ring of the beam from the center of the spot of the beam, and the thickness of the optical element 600. Geometric optics ray tracing may be used to design optical elements according to embodiments of the present invention based on energy conservation, optical path length homeostasis, and Snell's law. The lens design and its surface profile can, for example, transform the beam profile from Gauss with the desired intensity distribution to a Vessel laser beam.

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600のための例示的設計値を提供する。
Table 1 comprises, for example, two different materials, namely fused silica and zinc sulfide (for example, ZnS MultiSpectal available from II-VI Inc. (Saxonburg, PA)), consisting of or consisting of it. An exemplary design value for the optical element 600 is provided.

図7Aおよび7Bは、ファイバ端部キャップ505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7A)および硫化亜鉛(図7B)光学要素600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600の初期位置は、端部キャップ505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600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505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600からファイバ端部キャップ505までの50mmの距離におけるビームプロファイルもまた、図7Aおよび7Bに示される。 7A and 7B are graphs of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary fused silica (FIG. 7A) and zinc sulfide (FIG. 7B) optics 600 with the design parameters provided in Table 1. Is. In the plot, the initial position of the optical element 600 is assumed to be end cap 505 to 25 mm. As shown, in both cases the BPP of the beam can be increased to about 4 to about 12 via a displacement of the optics 600 of only about 30 mm. The slope of this change in BPP as a function of displacement may be modified via a change in the numerical aperture of the fiber output at the end cap 505. Beam profiles at a distance of 50 mm from the optical element 600 to the fiber end cap 505 are also shown in FIGS. 7A and 7B.

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8Aに示されるように、光学要素600(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8B−8Dでは、端部キャップ505までの40mmの距離における光学要素600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8Eは、図8D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600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。 A tuned beam profile with two peaks on one axis traverses the optics 600 (or other optics detailed herein) in the beam path, as shown in FIG. 8A. Can be obtained by off-center positioning (ie, introducing it partially into the input laser beam). Depending on the degree of introduction, the beam profile of the output laser beam can be optimally adapted for a variety of laser applications. In FIG. 8B-8D, beam profiles at different off-center distances (0 mm, 2 mm, and 4 mm) for the optical element 600 at a distance of 40 mm to the end cap 505 are shown. FIG. 8E is a graph of irradiance as a function of position for the beam profile depicted in FIG. 8D, clearly showing the two-peak properties of the beam profile. In various embodiments, the variation in BPP at different centers of the optics 600 is about zero while the irradiance changes as a function of position across the beam profile.

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900のための幾何学的設計は、図9に図式的に描写される。光学要素900は、送達システム500内で光学要素520および/または光学要素525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600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。 The optics according to embodiments of the present invention may also have a truncated spherical (ie, flat top spherical) configuration and may be used to produce a Bessel beam profile. The geometric design for the optical element 900 according to such an embodiment is graphically depicted in FIG. The optical element 900 may be utilized as an optical element 520 and / or an optical element 525 within the delivery system 500. The design parameters are the same as those detailed above for the flat top conical optics 600, except for the radius of curvature R, which also results in the maximum droop of the annular beam ring from the center of the beam spot ( h) and the separation is defined.

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900のための例示的設計値を提供する。
Table 2 provides exemplary design values for an exemplary optical element 900 comprising, consisting of, or consisting of two different materials, namely fused silica and zinc sulfide.

図10Aおよび10Bは、ファイバ端部キャップ505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10A)および硫化亜鉛(図10B)光学要素900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900の初期位置は、端部キャップ505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900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505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900からファイバ端部キャップ505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900と端部キャップ505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10Aおよび10Bに示される。 10A and 10B are graphs of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary fused silica (FIG. 10A) and zinc sulfide (FIG. 10B) optics 900 with the design parameters provided in Table 2. Is. In the plot, the initial position of the optical element 900 is assumed to be end cap 505 to 25 mm. As shown, in both cases the BPP of the beam can be increased to about 4 to about 12 through displacement of the optics 900 by only about 30 mm (eg, about 28 mm to about 32 mm). The slope of this change in BPP as a function of displacement may be modified via a change in the numerical aperture of the fiber output at the end cap 505. The beam profile at a distance of 50 mm from the optical element 900 to the fiber end cap 505 is also a graph of its irradiance as a function of the position with respect to the 50 mm spacing between the optical element 900 and the end cap 505 in FIGS. 10A and 10B. Shown in.

図11A−11Cでは、端部キャップ505の40mmの距離における、光学要素900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6Aにおける光学要素600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11Dは、図11C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900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。 11A-11C, as shown with respect to the optical element 600 in FIG. 6A, at a distance of 40 mm of the end cap 505, at different centered distances (0 mm, 2 mm, and 4 mm) for the optical element 900. The beam profile is shown. FIG. 11D is a graph of irradiance as a function of position for the beam profile depicted in FIG. 11C, clearly showing the two-peak nature of the intensity of the beam profile. In various embodiments, the variation in BPP at different off-center positions of the optical element 900 is about zero, even while the irradiance as a function of the position across the beam profile changes.

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つ以上の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、反射または屈折もしくは両方によって、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12Aに示されるように、ファイバ端部キャップ505とコリメートレンズ510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1200と二重ネガ型(すなわち、二重凹面)アキシコンレンズ1210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1200、1210は、間隙距離1220によってビーム経路内で分離される。θ1およびθ2は、図12Bならびに12C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)ならびに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1200、1210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。 Embodiments of the present invention utilize optical elements to produce an annular beam shape. Embodiments of the present invention are characterized by one or more optical elements comprising, and essentially consisting of, or consisting of an axicon lens. As is known in the art, an axicon lens is a lens having at least one conical surface, such a lens for imaging a point source in a line compartment along the optical axis. It may be used. The conical surface of rotational motion can be mixed with light from a point source located on the axis of rotational motion by reflection, refraction, or both. Embodiments of the present invention are a double positive (ie, double convex) axicon lens 1200 and a double negative (ie) between the fiber end cap 505 and the collimating lens 510, as shown in FIG. 12A. , Double concave) Utilizing a combination of axicon lenses 1210, the beam size in the workpiece can be varied using this lens system. As shown, the lenses 1200, 1210 are separated in the beam path by a gap distance of 1220. θ1 and θ2 are the tilt variables of the conical surface that define the maximum droop (h1 and h2) and separation of the annular beam ring from the center of the beam spot, as graphically depicted in FIGS. 12B and 12C. In various embodiments of the invention, one or both conical surfaces of lenses 1200, 1210 have a smooth edge and a radius of curvature of less than about 5 μm.

図13は、2つのアキシコンレンズ1200、1210間の間隙距離1220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13に示されるように、間隙距離1220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1200、1210間の間隙距離1220の関数としてのビームプロファイルは、図14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1220の調節は、単一ピークを有するビームプロファイルを2つ、3つ、またはそれ以上のピークを有するものに変形させ得る。図15は、2つのアキシコンレンズ1200、1210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1220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)。 FIG. 13 is a graph illustrating control of the BPP of a laser delivery system as a function of the clearance distance 1220 between two axicon lenses 1200, 1210. As shown in FIG. 13, a variation of about 7 mm at a gap distance of 1220 results in a BPP increase of 4-12, demonstrating the wide range of BPP control enabled by such embodiments of the present invention. The beam profile as a function of the clearance distance 1220 between the lenses 1200, 1210 is shown in FIG. 14, and the clearance distances are listed in millimeters. As shown, the adjustment of the gap distance 1220 can transform a beam profile with a single peak into one with two, three or more peaks. FIG. 15 depicts a similar beam profile when two axicon lenses 1200, 1210 are laterally offset by 4 mm in the beam path and separated by the listed clearance distances 1220 (gap distances are: , Listed in millimeters).

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、凸面もしくは凹面に湾曲される、1つ以上の光学要素を特徴とする。図16A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1600、1610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1600は、距離Sによってファイバ端部キャップ505から分離される。図16Bおよび16Cは、プレート1600、1610をより詳細に描写する。示されるように、プレート1600、1610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16Bおよび16Cに描写されるように、プレート1600、1610は、略同一の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つ以上の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。 Embodiments of the present invention include, include, or consist essentially of a phase plate having one planar surface and an opposing surface thereof, and at least a portion of which is curved into a convex or concave surface. It features an optical element. FIG. 16A depicts a partial beam delivery system featuring two such plates 1600, 1610 separated by a gap Z. As shown, the plate 1600 is separated from the fiber end cap 505 by a distance S. 16B and 16C depict plates 1600, 1610 in more detail. As shown, the plates 1600, 1610 have an outer diameter D, and the convex / concave portions of its surface have an inner diameter d that defines the maximum droop h (in combination with R detailed below). .. The thickness of the plate at its outer peripheral boundary (ie, the thickness between the planar portions of its opposing surfaces) is represented by H, and the radius of curvature of the convex / concave portions is represented by R. As depicted in FIGS. 16B and 16C, plates 1600, 1610 have substantially the same H, D, d, and R, but various embodiments of the invention are one or more of their parameters. It features a pair of plates, one having a partially concave surface and one having a partially convex surface, which are different in one.

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。
Table 3 provides exemplary design values for exemplary optical elements 1200, 1210 comprising, consisting essentially of, or consisting of two different materials, namely fused silica and zinc sulfide.

図16Dおよび16Eは、本発明の実施形態による、プレート1600、1610の内径dが、ファイバ端部キャップ505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16Dは、距離S 40mmと、間隙距離Z 10mmと、曲率半径R 500とを有する、プレート1600、1610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16Eは、端部キャップ505とプレート1600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。 16D and 16E are optimized so that the inner diameters d of the plates 1600, 1610 according to the embodiments of the present invention maximize the output BPP of the laser delivery system as a function of the distance S from the fiber end cap 505. Depict what can be done. FIG. 16D is a graph of BPP as a function of inner diameter d for plates 1600, 1610, having a distance S 40 mm, a gap distance Z 10 mm, and a radius of curvature R 500. As shown, the resulting BPP is maximized at an inner diameter d of about 5 mm. The BPP is substantially independent of changes in the gap distance Z and the radius of curvature R. FIG. 16E is a graph of the optimized inner diameter d (ie, the inner diameter d that maximizes the output BPP) as a function of the distance S between the end cap 505 and the plate 1600. As shown, the optimized inner diameter d may be selected to maximize the BPP of the output beam as a function of distance S.

図16Fは、表3に提供される設計パラメータを有する、プレート1600、1610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1600、1610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505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1600、1610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16G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。 FIG. 16F is a graph of BPP at different gap distances Z between plates 1600, 1610 with the design parameters provided in Table 3 (using the design parameters in Table 3, fused silica and zinc sulfide plates 1600, 1610). Both provide the same result). In the plot, the distance S to the end cap 505 is assumed to be 40 mm. As shown, the BPP of the beam can be increased to about 4 to about 12 through modification of the gap Z between plates 1600, 1610 of only about 9 mm. Various beam profiles of the output beam as a function of the gap Z (in mm) are illustrated in FIG. 16G as a graph of its irradiance as a function of position. As shown, as the beam BPP increases, the beam shape changes from one with a single peak to one with a wider multi-peak irradiance profile.

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1700のための幾何学的設計は、図17A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1700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1700は、送達システム500内で光学要素520および/または光学要素525として利用されてもよい。示されるように、光学要素1700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1700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ならびに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。 Optical elements according to embodiments of the present invention may also include, and essentially consist of, or consist of a meniscus lens. The geometric design for the optical element 1700 according to such an embodiment is graphically depicted in FIG. 17A. As shown, in various embodiments, one surface of the optical element 1700 is curved in a convex shape over substantially the entire surface, while the opposing surface is curved in a concave shape over a portion of the surface, with an inner diameter d. Define. The optical element 1700 may be utilized as an optical element 520 and / or an optical element 525 within the delivery system 500. As shown, the optical element 1700 has an outer diameter D, an inner diameter d, a thickness H, a maximum hanging h1 of a convex curved surface, and a maximum hanging h2 of a partially concave curved surface. You may. The radius of curvature R, which can be substantially identical for both surfaces of the optical element 1700, defines the maximum droop h1 and h2 as well as the resulting separation of the annular beam ring from the center of the beam spot.

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1700のための例示的設計値を提供する。
Table 4 provides exemplary design values for the exemplary optical element 1700, comprising, consisting of, or consisting of two different materials, namely fused silica and zinc sulfide.

図17B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505から例示的溶融シリカ光学要素1700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1700の初期位置は、端部キャップ505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1700の変位を介して、約4〜約12に増加され得る。光学要素1700からファイバ端部キャップ505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1700と端部キャップ505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17Bに示される。 FIG. 17B is a graph of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary fused silica optical element 1700 with the design parameters provided in Table 4. In the plot, the initial position of optical element 1700 is assumed to be end cap 505 to 25 mm. As shown, the BPP of the beam can be increased to about 4 to about 12 via displacement of the optics 1700 by only about 24 mm. The beam profile at a distance of 46 mm from the optical element 1700 to the fiber end cap 505 is also shown in FIG. 17B as a graph of irradiance as a function of position for the 46 mm spacing between the optical element 1700 and the end cap 505. Shown.

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18Aは、BPP変動のための可動光学要素1805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1800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、αに対するβの比は、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1805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1805は、光学要素600、光学要素900、光学要素1700、位相プレート1600/1610、またはアキシコンレンズ1200、1210のうちの任意の1つ以上のものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。 The laser beam delivery system according to embodiments of the present invention may also utilize various lens arrangements to form a larger and more dispersed input beam for BPP variation as a function of optical element movement. FIG. 18A depicts a portion of a laser delivery system 1800 incorporating a mobile optical element 1805 for BPP variation and a triple collimator to increase the divergence of the laser beam. As shown, the triple collimator increases the divergence of the beam from angle α to angle β. In various embodiments, the ratio of β to α is about 2 to about 1.5, for example about 1.74. As described in more detail below, this increased divergence allows for better control of the BPP with less movement of the optical element 1805. In various embodiments, the optical element 1805 comprises any one or more of the optical element 600, the optical element 900, the optical element 1700, the phase plate 1600/1610, or the axicon lenses 1200, 1210. In essence, or consists of it.

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18Aは、平凹面レンズ1810と、メニスカスレンズ1815(例えば、ポジ型メニスカスレンズ)と、平凸面レンズ1820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1805は、平凹面レンズ1810とメニスカスレンズ1815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1805は、メニスカスレンズ1815と平凸面レンズ1820との間のビーム経路内またはさらに平凸面レンズ1820の光学的に下流に配置されてもよい。 The triple collimator for increasing beam divergence according to an embodiment of the present invention may consist of various combinations of lenses. FIG. 18A illustrates one such embodiment, including a plano concave lens 1810, a meniscus lens 1815 (eg, a positive meniscus lens), and a plano convex lens 1820. In various embodiments of the invention, the optical element 1805 is arranged in the beam path between the plano-concave lens 1810 and the meniscus lens 1815. In other embodiments, the optical element 1805 may be located in the beam path between the meniscus lens 1815 and the plano-convex lens 1820 or even optically downstream of the plano-convex lens 1820.

図18B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1800内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ505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600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600の初期位置は、端部キャップ505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600の変位、すなわち、図18A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7A参照)。光学要素600からファイバ端部キャップ505までの21mmの距離におけるビームプロファイルもまた、図18Bに示される。 FIG. 18B is exemplary with the design parameters provided in Table 1 from the fiber end cap 505 when used within the laser beam delivery system 1800 in combination with a triple collimator for increased beam divergence. FIG. 5 is a graph of BPP at different distances to the fused silica optical element 600. In the plot, the initial position of the optical element 600 is assumed to be end cap 505 to 25 mm. As shown, the BPP of the beam is only about 16 mm displacement of the optics 600, i.e. less than about twice the displacement (ie, better) compared to the beam delivery system lacking the triple collimator of FIG. 18A. Control) can be increased to about 4 to about 12 (see FIG. 7A). The beam profile at a distance of 21 mm from the optical element 600 to the fiber end cap 505 is also shown in FIG. 18B.

図18C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1800内で利用されるときの、ファイバ端部キャップ505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1700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1700の初期位置は、端部キャップ505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600の変位、すなわち、図18A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17B参照)。光学要素1700からファイバ端部キャップ505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18Cに示される。 FIG. 18C is exemplary with the design parameters provided in Table 4 from the fiber end cap 505 when used within the laser beam delivery system 1800 in combination with a triple collimator for increased beam divergence. FIG. 5 is a graph of BPP at different distances to fused silica optical element 1700. In the plot, the initial position of optical element 1700 is assumed to be end cap 505 to 25 mm. As shown, the BPP of the beam is a displacement of the optical element 600 of only about 12 mm, i.e. less than about twice the displacement (ie, better) compared to the beam delivery system lacking the triple collimator of FIG. 18A. Control) can be increased to about 4 to about 12 (see FIG. 17B). The beam profile at a distance of 17.5 mm from the optical element 1700 to the fiber end cap 505 is also shown in FIG. 18C.

図18D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1600、1610を組み込む、部分的レーザビーム送達システム1800の概略である。図18E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1800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1600、1610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1600の位置は、端部キャップ505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1600、1610間の間隙距離Zを増加させること、すなわち、図18A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16F参照)。光学要素1600、1610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18Cに示される。 FIG. 18D is a schematic of a partial laser beam delivery system 1800 incorporating the aforementioned pair of phase plate optical elements 1600, 1610 separated in the beam path by a gap distance Z. FIG. 18E is an exemplary molten silica optical element 1600, 1610 with the design parameters provided in Table 3 when used within a laser beam delivery system 1800 in combination with a triple collimator for increased beam divergence. It is a graph of BPP about the different gap spacing Z of. In the plot, the position of the optical element 1600 is assumed to be 25 mm from the end cap 505. As shown, the BPP of the beam increases the clearance Z between the optical elements 1600, 1610 by only about 3 mm, ie about 3 compared to the beam delivery system lacking the triple collimator of FIG. 18A. It can be increased to about 4 to about 12 through less than double the displacement (ie, better control) (see Figure 16F). The beam profile at a gap distance of 3 mm between the optical elements 1600, 1610 is also shown in FIG. 18C.

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、ビーム形状、および/または偏光の変動のために、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19は、1つ以上のレーザ1905を利用する、例示的WBCレーザシステム1900を描写する。図19の実施例では、レーザ1905は、ビーム1910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1915参照)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次元アレイもしく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1915では、各ビーム1910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1920が、各ビーム1910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つ以上の円筒形もしく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1925が、各ビーム1910をWBC方向1930に沿って組み合わせるために使用される。変形光学1925は、次いで、組み合わせられたビームを分散要素1935(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1940上に伝送される。出力結合器1940は、次いで、組み合わせられたビーム1945を、示されるように、出力正面図1950上に伝送する。出力結合器1940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1900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1945は、したがって、多波長ビーム(個々のビーム1910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。 The laser system and laser delivery system according to embodiments of the present invention, detailed herein, may be utilized within and / or with the WBC laser system. Specifically, in various embodiments of the invention, the multi-wavelength output beam of the WBC laser system is due to variations in BPP, beam shape, and / or polarization, as detailed herein. It may be used as an input beam for a laser beam delivery system. FIG. 19 illustrates an exemplary WBC laser system 1900 utilizing one or more lasers 1905. In the embodiment of FIG. 19, the laser 1905 features a diode bar having four beam emitters emitting beams 1910 (see magnified input FIG. 1915), but embodiments of the invention are in any number of individuals. A diode bar or a diode or diode bar in a two-dimensional array or stack may be utilized. In FIG. 1915, each beam 1910 is represented by a line, where the length or longer dimension of the line represents the slow divergence dimension of the beam and the height or shorter dimension represents the fast divergence dimension. Collimating optics 1920 may be used to collimate each beam 1910 along a high speed dimension. Deformation optics 1925, including, or essentially capable of containing one or more cylindrical or spherical lenses and / or mirrors, are used to combine each beam 1910 along the WBC direction 1930. Transforming optics 1925 then includes, or essentially consists of a dispersion element 1935 (eg, a reflection or transmission diffraction grating, a dispersion prism, a grinding (prism / grating), a transmission grating, or an Echelle grating) of the combined beam. The beams overlapped and combined on top are then transmitted onto the output coupler 1940 as a single output profile. The output coupler 1940 then transmits the combined beam 1945 onto the output front view 1950, as shown. The output coupler 1940 is typically partially reflective and acts as a common front facet for all laser elements within the external cavity system 1900. The external cavity is a lasing system in which the secondary mirror is displaced by a distance away from the emission aperture or facets of each laser emitter. In some embodiments, additional optics are installed between the emission aperture or facet and the output coupler or partially reflective surface. The output beam 1945 is therefore a multi-wavelength beam (combining the wavelengths of the individual beams 1910) and may be utilized as an input beam within the laser beam delivery system detailed herein and / or. It may be coupled in an optical fiber.

図20は、本発明の種々の実施形態に従って利用される、可変形状出力ビームを有するレーザシステム2000を描写する。示されるように、レーザシステム2000は、光ファイバ2020に結合される、レーザ源2010(例えば、WBCレーザシステム1900は、複数の波長から成る出力ビームを形成する)を含んでもよい。光ファイバ2020の遠位端には、処理ヘッドまたはレーザビーム送達システム2030がある。処理ヘッド2030は、例えば、上記に説明されるレーザビーム送達システム500の構成要素の全部または一部を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。例えば、処理ヘッド2030は、ワークピースの表面における、またはそれに近接する、焦点2040における出力ビーム形状を制御する、コントローラ(例えば、コントローラ540)を組み込む、および/またはそれに応答してもよい。種々の実施形態では、本明細書に詳述されるように、処理ヘッド2030は、可変出力ビーム形状を有する出力レーザビームを形成するために、相互に対して成形される、および/または可動である、種々の光学要素を含む、またはそれから本質的に成ってもよい。図21は、本発明の実施形態による、レーザシステム2000によって形成可能な一連の異なる出力ビーム形状を描写する。示されるように、出力ビーム形状は、処理ヘッド2030内に印加される制御電圧に応じて(例えば、その中の1つ以上の光学要素の位置を制御するためのコントローラを介して)、高集束スポットビームから、拡散し、集束解除されたより大きいスポット、環状ビームに及ぶ。また、図21に示されるように、ビームのBPPもまた、ビーム形状が変化するにつれて変化し得る。 FIG. 20 depicts a laser system 2000 with a variable shape output beam utilized according to various embodiments of the present invention. As shown, the laser system 2000 may include a laser source 2010 (eg, the WBC laser system 1900 forms an output beam of multiple wavelengths) coupled to the optical fiber 2020. At the distal end of the optical fiber 2020 is a processing head or laser beam delivery system 2030. The processing head 2030 includes, or may consist essentially of, all or part of the components of the laser beam delivery system 500 described above, for example. For example, the processing head 2030 may incorporate and / or respond to a controller (eg, controller 540) that controls the output beam shape at focus 2040 on or near the surface of the workpiece. In various embodiments, as detailed herein, the processing heads 2030 are shaped and / or movable relative to each other to form an output laser beam with a variable output beam shape. It may include, or essentially consist of, various optical elements. FIG. 21 depicts a series of different output beam shapes that can be formed by the laser system 2000 according to an embodiment of the present invention. As shown, the output beam shape is highly focused, depending on the control voltage applied within the processing head 2030 (eg, via a controller to control the position of one or more optics within it). From the spot beam to a larger, diffused and unfocused spot, the annular beam. Also, as shown in FIG. 21, the BPP of the beam can also change as the beam shape changes.

種々の実施形態では、レーザシステム2000は、コントローラ(例えば、前述のように、コントローラ540)および/または位置付けシステム(例えば、位置付けシステム315)を含む。コントローラは、レーザシステムの動作を制御する(すなわち、レーザをアクティブ化し、処理の間、必要に応じて、強度および/または出力ビーム形状等のビームパラメータを制御する)。コントローラはまた、位置付けシステムを動作させてもよい。位置付けシステムは、2次元ワークピースまたは3次元ワークピースに沿って処理経路を通してビームを指向するための任意の制御可能光学システム、機械的システム、または光学機械的システムであってもよい。処理の間、コントローラは、レーザビームがワークピースに沿って処理経路をトラバースするように、および/またはレーザ出力ビームが処理されるべきワークピース上の特定の点(例えば、溶接のための位置)に位置付けられるように、位置付けシステムおよびレーザシステム2000を動作させてもよい。処理経路および/または1つ以上の処理点は、ユーザによって提供され、オンボードまたは遠隔メモリ内に記憶されてもよく、これはまた、処理のタイプ(切断、溶接等)に関連するパラメータと、その処理を行うために必要なビームパラメータ(例えば、出力ビーム形状)とを記憶してもよい。この点において、ローカルまたは遠隔データベースは、レーザシステムが処理するであろう材料および厚さのライブラリを維持してもよく、材料パラメータ(材料のタイプ、厚さ等)のユーザ選択に応じて、コントローラは、データベースにクエリし、対応するパラメータ値を取得してもよい。 In various embodiments, the laser system 2000 includes a controller (eg, controller 540, as described above) and / or a positioning system (eg, positioning system 315). The controller controls the operation of the laser system (ie, activates the laser and controls beam parameters such as intensity and / or output beam shape as needed during processing). The controller may also operate the positioning system. The positioning system may be any controllable optical system, mechanical system, or optical mechanical system for directing the beam through the processing path along the 2D or 3D workpiece. During processing, the controller allows the laser beam to traverse the processing path along the workpiece and / or at a specific point on the workpiece on which the laser output beam should be processed (eg, the position for welding). The positioning system and the laser system 2000 may be operated so that they can be positioned at. The processing path and / or one or more processing points may be provided by the user and stored onboard or in remote memory, which also includes parameters related to the type of processing (cutting, welding, etc.). The beam parameters (for example, the output beam shape) necessary for performing the processing may be stored. In this regard, the local or remote database may maintain a library of materials and thicknesses that the laser system will process, depending on the user's choice of material parameters (material type, thickness, etc.). May query the database to get the corresponding parameter values.

プロットおよび走査技術において深く理解されるように、出力ビームとワークピースとの間で必要な相対的運動は、可動ミラーを使用したビームの光学偏向、ガントリ、送りねじ、または他の配列を使用したレーザの物理的移動、および/またはビームではなく(またはそれに加え)、ワークピースを移動させるための機械的配列によって生産されてもよい。コントローラは、いくつかの実施形態では、ワークピースに対するビーム位置および/またはビームの処理有効性に関するフィードバックをフィードバックユニットから受信してもよく、これは、好適な監視センサに接続されるであろう。フィードバックユニットからの信号に応答して、コントローラは、ビームの経路、位置、BPP、および/または形状を改変する。 As deeply understood in plotting and scanning techniques, the required relative motion between the output beam and the workpiece used optical deflection of the beam with a movable mirror, gantry, feed screw, or other arrangement. It may be produced by the physical movement of the laser and / or the mechanical arrangement for moving the workpiece rather than (or in addition to) the beam. In some embodiments, the controller may receive feedback from the feedback unit regarding the beam position and / or the processing effectiveness of the beam with respect to the workpiece, which will be connected to a suitable monitoring sensor. In response to the signal from the feedback unit, the controller modifies the path, position, BPP, and / or shape of the beam.

加えて、レーザシステムは、ワークピースの厚さおよび/またはその上の特徴の高さを検出するための1つ以上のシステムを組み込んでもよい。例えば、レーザシステムは、2015年4月1日に出願された米国特許出願第14/676,070号(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)に詳述されるように、ワークピースの干渉深度測定のためのシステム(またはその構成要素)を組み込んでもよい。そのような深度または厚さ情報は、例えば、処理されている材料のタイプに対応するデータベース内の記録に従って、コントローラによって、出力ビーム形状を制御し、ワークピースの処理(例えば、切断または溶接)を最適化するために利用されてもよい。 In addition, the laser system may incorporate one or more systems for detecting the thickness of the workpiece and / or the height of features on it. For example, the laser system is as detailed in US Patent Application No. 14 / 676,070 filed April 1, 2015, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. A system (or component thereof) for measuring the depth of interference of the workpiece may be incorporated. Such depth or thickness information controls the output beam shape by a controller, eg, according to the records in the database corresponding to the type of material being processed, to process the workpiece (eg, cutting or welding). It may be used for optimization.

図22Aおよび22Bは、本発明の実施形態による、例示的切断シナリオを描写する。本発明の種々の実施形態では、レーザシステム2000は、異なる深度および/または異なるサイズの切断をワークピース2200に行う、および/または一貫したサイズの切断を可変厚を有するワークピース2200内に行うために利用される。示されるように、出力ビーム形状は、浅い切断のために、高集束スポットを有し、ワークピース2200上のより厚い領域および/または処理ヘッド2030とワークピース2200との間の角度の変化によって余儀なくされるより深い切断のために、集束解除スポットおよび/または環状形状(および/または2つ以上の明確に異なる強度ピークを伴うスポット)を有するように徐々にまたは実質的に急に変動されてもよい。例えば、図22Aに示されるように、出力ビームは、ワークピース2200の表面と略垂直角度でワークピース2200に衝打してもよく、出力ビームは、ワークピース2200の厚さの全部または一部を通して比較的に浅い切断を行うために、高集束スポットの形状を有してもよい。また、図22Aに示されるように、ビームの形状は、より大きい幅の切断をワークピース2200の中に行うために、および/または出力ビーム方向に沿ったワークピース2200を通した距離が増加されるように、出力ビームとワークピースの表面2200との間の角度が改変される(例えば、減少される)とき、集束解除スポットまたは環状形状に改変されてもよい。 22A and 22B depict exemplary cutting scenarios according to embodiments of the present invention. In various embodiments of the invention, the laser system 2000 makes cuts of different depths and / or different sizes on the workpiece 2200 and / or cuts of consistent size within the workpiece 2200 with variable thickness. Used for. As shown, the output beam shape has a highly focused spot due to shallow cutting and is forced by a thicker area on the workpiece 2200 and / or a change in angle between the processing head 2030 and the workpiece 2200. Even if it is gradually or substantially abruptly varied to have an unfocused spot and / or an annular shape (and / or a spot with two or more distinctly different intensity peaks) for deeper cutting. Good. For example, as shown in FIG. 22A, the output beam may strike the workpiece 2200 at an angle approximately perpendicular to the surface of the workpiece 2200, and the output beam may be all or part of the thickness of the workpiece 2200. It may have the shape of a highly focused spot to make a relatively shallow cut through. Also, as shown in FIG. 22A, the shape of the beam is increased in order to make larger width cuts into the workpiece 2200 and / or through the workpiece 2200 along the output beam direction. As such, when the angle between the output beam and the surface 2200 of the workpiece is modified (eg, reduced), it may be modified into an unfocused spot or an annular shape.

種々の実施形態では、図22Bに示されるように、処理ヘッド2030(したがって、出力ビーム)の角度は、ビームとワークピース2200との間の相対的運動の間、ワークピース2200のトポロジ、厚さ、および/または表面角度が変動するにつれて、一定(例えば、略垂直)に保たれ得、コントローラは、種々の処理点において、または処理経路にわたって処理ヘッド2030に提示される、ワークピース2200の有効厚(すなわち、ワークピース2200を通して、またはその中の規定された距離まで切断するために要求される切断の深度)に従って、ビーム形状を制御する。例えば、図22Bの左側で処理ヘッド2030に提示されるワークピース2200の厚さは、例えば、表面のトポロジに起因して、図22Bの右側のものより大きく、ビーム形状は、適宜、調節される。そのような配列は、処理ヘッド2030および/または出力ビームがビームとワークピース表面との間の一貫した角度を提示するために再位置付けされる必要性を排除する。したがって、処理ヘッドの角度再位置付けのための複雑なロボットおよび/または他の機器ならびにそれに付随するコストおよび複雑性が、回避され得る。 In various embodiments, as shown in FIG. 22B, the angle of the processing head 2030 (and thus the output beam) is the topology, thickness of the workpiece 2200 during the relative motion between the beam and the workpiece 2200. And / or as the surface angle fluctuates, it can be kept constant (eg, approximately vertical) and the controller is presented to the processing head 2030 at various processing points or across processing paths, the effective thickness of the workpiece 2200. The beam shape is controlled according to (ie, the depth of cut required to cut through or within the workpiece 2200 to a specified distance). For example, the thickness of the workpiece 2200 presented to the processing head 2030 on the left side of FIG. 22B is larger than that on the right side of FIG. 22B, for example due to the surface topology, and the beam shape is adjusted accordingly. .. Such an arrangement eliminates the need for the processing head 2030 and / or the output beam to be repositioned to present a consistent angle between the beam and the workpiece surface. Therefore, the complex robot and / or other equipment and associated costs and complexity for repositioning the angle of the processing head can be avoided.

本発明の種々の実施形態では、レーザシステムは、ワークピースの表面にわたって出力ビームを走査する必要性を最小限にまたは実質的に排除しながら、1つ以上のワークピースを溶接するために利用される。図23A−23Dは、本発明の実施形態による、例示的溶接シーケンスを描写する。示されるように、出力ビーム形状2300は、出力ビームとワークピースとの間の相対的運動の必要なく、2つのワークピース2310、2320をともに溶接するために、スポット溶接の間、より大きい面積の環状形状(図23A)から、より小さい環形(図23B)、大集束スポット(図23C)、より小さい面積の集束スポット(図23D)に変動される。このように、図23Dにおけるスポットサイズ2300より大きい均一溶接(および/または少なくとも図23Aにおけるスポットサイズ2300の外側境界と同じ大きさ)が、ビームがその表面に沿って走査されずに、2つのワークピース2310、2320間に形成される。種々の実施形態では、コントローラは、出力ビームの形状の変動に加え、溶接プロセスの間、ビームの出力パワーおよび/またはBPPを変動させてもよい。例えば、高集束ビーム形状の出力パワーは、より集束解除されたおよび/または環状のビームの出力パワーに実質的に合致するように低減され、空間的に均一な溶接の形成を促進し得る。このように、大きな均一的な単一の溶接が、単に、ビーム形状(かついくつかの実施形態では、ビームパワー)を改変することによって、ワークピース上に生産され、同一面積にわたって複数のより小さいスポット溶接を形成する必要性(ならびに溶接毎に、ビームに対してワークピースを移動する必要性)を排除し得る。図23A−23Dは、例示的スポット溶接プロセスを描写するが、本発明の実施形態は、他の処理技法およびタイプの溶接、例えば、重ね溶接およびスポット溶接を含む。加えて、図23A−23Dに描写される異なるビーム形状を使用する種々の溶接ステップは、本発明の実施形態に従って、任意の順序で実施されてもよい。図23A−23Dは、溶接のために利用される一連の4つの異なるビーム形状を描写するが、本発明の実施形態は、ワークピースを溶接するとき、2つ、3つ、または4つを上回る異なるビーム形状を利用してもよい。 In various embodiments of the invention, a laser system is utilized to weld one or more workpieces while minimizing or substantially eliminating the need to scan the output beam over the surface of the workpiece. To. 23A-23D depict an exemplary welding sequence according to an embodiment of the present invention. As shown, the output beam shape 2300 has a larger area during spot welding to weld the two workpieces 2310 and 2320 together without the need for relative motion between the output beam and the workpiece. It varies from an annular shape (FIG. 23A) to a smaller ring shape (FIG. 23B), a large focusing spot (FIG. 23C), and a smaller area focusing spot (FIG. 23D). Thus, a uniform weld larger than the spot size 2300 in FIG. 23D (and / or at least as large as the outer boundary of the spot size 2300 in FIG. 23A) does not scan the beam along its surface and the two workpieces. It is formed between pieces 2310 and 2320. In various embodiments, the controller may vary the output power and / or BPP of the beam during the welding process, in addition to varying the shape of the output beam. For example, the output power of a highly focused beam shape can be reduced to substantially match the output power of a more defocused and / or annular beam, facilitating the formation of a spatially uniform weld. Thus, a large, uniform single weld is produced on the workpiece simply by modifying the beam shape (and in some embodiments, the beam power) and is produced over multiple smaller pieces over the same area. The need to form spot welds (as well as the need to move the workpiece relative to the beam with each weld) can be eliminated. Although FIGS. 23A-23D depict an exemplary spot welding process, embodiments of the present invention include other processing techniques and types of welding, such as lap welding and spot welding. In addition, the various welding steps using the different beam shapes depicted in FIGS. 23A-23D may be performed in any order according to embodiments of the present invention. Although FIGS. 23A-23D depict a series of four different beam shapes used for welding, embodiments of the present invention exceed two, three, or four when welding workpieces. Different beam shapes may be used.

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、そのような用語ならびに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いかなる均等物をも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。 The terms and expressions used herein are used as a descriptive point of view and exclude any equivalent of the features illustrated and described or any portion thereof in the use of such terms and expressions. Recognize that various modifications are possible within the scope of the claimed invention.

Claims (14)

ワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間に相対的運動を生じさせ、処理経路を画定することであって、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、前記処理経路に沿って変動し、前記レーザ出力ビームは、前記処理経路の少なくとも一部に沿って、前記ワークピースの表面を物理的に改変する、ことと、
その間、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変することと
を含む、方法。
A method of processing a workpiece, said method:
A relative motion is generated between the laser output beam and the surface of the workpiece to define a processing path, and the thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam is the said. The laser output beam varies along the processing path and physically modifies the surface of the workpiece along at least a portion of the processing path.
In the meantime, a method comprising modifying the shape of the laser output beam based, at least in part, on the thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam.
前記レーザ出力ビームの形状は、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さが増加するにつれて、集束スポットと環形との間で変動させられる、請求項1に記載の方法。 The shape of the laser output beam, said as the thickness of the laser output beam and the workpiece along a direction parallel increases, the sera varied between the focused spot and the ring-shaped, the method according to claim 1 .. 前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さは、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度の変化に起因して変動する、請求項1に記載の方法。 Claim that the thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam varies, at least in part, due to changes in the angle between the laser output beam and the surface of the workpiece. The method according to 1. 前記レーザ出力ビームの形状は、前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の角度を略一定に維持しながら、改変される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the shape of the laser output beam is modified while maintaining a substantially constant angle between the laser output beam and the surface of the workpiece. 前記レーザ出力ビームと前記ワークピースの表面との間の相対的運動の間、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さを測定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 The first aspect of the present invention further comprises measuring the thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser output beam during the relative motion between the laser output beam and the surface of the workpiece. the method of. 前記レーザ出力ビームの形状は、前記ワークピースの組成に基づいて改変される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the shape of the laser output beam is modified based on the composition of the workpiece. 前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the laser output beam is composed of a plurality of wavelengths. ワークピースを処理するためのシステムであって、前記システムは、
レーザ出力ビームの放出のためのビームエミッタと、
前記ワークピースに対して前記レーザ出力ビームの位置を変動させるための位置付けデバイスと、
前記レーザ出力ビームの形状を改変するための手段と、
前記位置付けデバイスおよび前記形状改変手段に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、(i)前記ビームエミッタを動作させ、前記レーザ出力ビームに、前記ワークピースの少なくとも一部を横断する経路を通して移動させ、その表面を物理的に改変させ、(ii)前記経路に沿って、少なくとも部分的に、前記レーザ出力ビームと平行な方向に沿った前記ワークピースの厚さに基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を改変する、コントローラと
を備える、システム。
A system for processing workpieces, said system
A beam emitter for emitting a laser output beam,
A positioning device for varying the position of the laser output beam with respect to the workpiece, and
Means for modifying the shape of the laser output beam and
A controller coupled to the positioning device and the shape-modifying means, which (i) operates the beam emitter and passes the laser output beam through a path across at least a portion of the workpiece. move Te, the surface physically altered, along (ii) the path, at least in part, based on the thickness of the workpiece along the laser output beam in a direction parallel, the laser A system with a controller that modifies the shape of the output beam.
前記ビームエミッタは、処理ヘッドを備え、前記処理ヘッドから前記レーザ出力ビームが放出され前記形状改変手段は、(i)前記処理ヘッド内の1つ以上の光学要素と、(ii)前記処理ヘッド内の前記光学要素のうちの少なくとも1つの位置を改変するための第2のコントローラとを備える、請求項8に記載のシステム。 The beam emitter comprises a processing head, the laser output beam is emitted from the processing head , and the shape-modifying means include (i) one or more optical elements in the processing head and (ii) the processing head. 8. The system of claim 8, comprising a second controller for modifying the position of at least one of the optical elements in the device. 前記コントローラは、前記経路に沿って、前記ビームエミッタの出力パワーを変動させるように構成される、請求項8に記載のシステム。 The system of claim 8, wherein the controller is configured to vary the output power of the beam emitter along the path. 前記コントローラは、前記ワークピースの組成に基づいて、前記レーザ出力ビームの形状を変動させるように構成される、請求項8に記載のシステム。 The system according to claim 8, wherein the controller is configured to vary the shape of the laser output beam based on the composition of the workpiece. 複数の記録を含むデータベースをさらに備え、前記複数の記録のそれぞれは、レーザ出力ビーム形状をワークピースパラメータと関連させる、請求項8に記載のシステム。 8. The system of claim 8, further comprising a database comprising a plurality of records, each of the plurality of records relating a laser output beam shape to a workpiece parameter. 前記ワークピースパラメータは、ワークピース厚およびワークピース組成のうちの少なくとも1つを備える、請求項12に記載のシステム。 12. The system of claim 12, wherein the workpiece parameter comprises at least one of a workpiece thickness and a workpiece composition. 前記ビームエミッタは、
複数の離散入力ビームを放出するビーム源と、
前記複数の入力ビームを分散要素上に集束させるための集束光学と、
前記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、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、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レーザ出力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、前記レーザ出力ビームは、複数の波長から成る、請求項8に記載のシステム。
The beam emitter
A beam source that emits multiple discrete input beams and
Focusing optics for focusing the plurality of input beams on the dispersion element,
A dispersion element for receiving the focused beam and dispersing the received focused beam,
A partially reflected output coupler, the partially reflected output coupler receives the dispersed beam, transmits a part of the dispersed beam through it as the laser output beam, and the dispersed beam. 8. The system of claim 8, wherein the laser output beam comprises a partial reflection output coupler, which is positioned to reflect a second portion of the laser output towards the dispersion element.
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