JP7119018B2 - レーザ加工のための微細スケールでの時間的制御 - Google Patents

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関連出願の相互参照

本出願は、２０１６年２月５日に出願された米国仮特許出願第６２／２９２，１０８号及び２０１５年１１月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／２５８，７７４号の利益を主張するものであり、どちらも参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、レーザ加工に関する。

近年、順次層による物体の形成技術が成熟し、広範に利用できるようになるにつれて、付加製造及び３Ｄ印刷技術が注目されるようになってきた。具体的には、現在、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）及び選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）などのレーザに基づく方法が、鋳造及び機械加工などの、工業グレードの物体を製造するための従来の技術に取って代わる可能性があり得る。しかしながら、数多くの障害が残っている。例えば、従来の付加製造法は、典型的には、従来製造されている相対物のように迅速に、又は完成した状態において信頼性の高い物体を作成することができない。更に、作成された物体は、しばしば、優れた精度の細部又は特徴の解像度を有しない。故に、従来の付加製造機器及び方法と関連付けられた問題点及び欠点を解決することを目的とする新しい手法に必要性が残っている。

いくつかの実施形態によれば、方法は、可変走査速度で走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で標的におけるフルエンスを提供するように、走査経路に沿ったレーザビームの移動中に、及び可変走査速度に関連してデジタル変調を調整することとを含む。

更なる実施形態によれば、方法は、走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることを含み、該方向付けることは、標的において可変スポットサイズをレーザビームに提供するように、ズームビームエキスパンダによってレーザビームの幅を調整することと、ｚ軸集束調整光学システム及びガルバノメーター走査システムを有する３Ｄ走査システムによって、ズームビームエキスパンダからレーザビームを受光することと、
標的において走査経路に沿って可変スポットサイズを有するレーザビームを走査することとを含む。

更なる実施形態によれば、機器は、レーザビームを放射するように位置させたレーザ源と、レーザビームを受光し、標的において走査平面内の走査経路に沿ってレーザビームを方向付けるように位置させた３Ｄスキャナと、走査経路に沿ったレーザビーム走査速度が変化したときに所定のフルエンス範囲にある、走査経路に沿った走査平面においてフルエンスを生じさせるようにレーザ源に結合された、レーザ源デジタル変調器とを備える。追加的な例において、機器は、レーザ源からレーザビームを受光するように、及び３Ｄスキャナによって受光するレーザビームの幅を変化させて走査平面内のレーザビームの集束させたレーザスポットのサイズを変化させるように位置させた、ズームビームエキスパンダを更に備える。

追加的な実施形態によれば、方法は、集束フィールド内の標的においてレーザビームを集束させることと、走査経路に沿って、集束させたレーザビームを可変速度で走査することと、走査経路に沿って標的によって受光されるレーザビームの平均パワーを調整するように、及び標的と関連付けられた１つ又は２つ以上のレーザ加工閾値を上回る、又は下回
るフルエンスを標的に提供するように、走査経路に沿った走査移動中にレーザビームをデジタル変調することとを含む。

更なる例によれば、方法は、走査経路に沿って可変走査速度でレーザビームを標的に方向付けることと、可変走査速度に基づいて、ズームビームエキスパンダによってレーザビームのコリメート幅を調整することとを含む。いくつかの例において、コリメート幅は、標的における可変スポットサイズ、及び走査経路に沿った所定のフルエンス範囲内の標的におけるフルエンスをレーザビームに提供するように調整される。いくつかの例は、可変走査速度に基づいて、レーザビームのデジタル変調を調整することを更に含むことができる。

追加的な実施形態において、方法は、標的において可変スポットサイズをレーザビームに提供するように、ズームビームエキスパンダによってレーザビームの幅を調整することと、走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で標的におけるフルエンスを提供するように、可変スポットサイズに関連するレーザビームをデジタル変調することとを含む。更なる例において、レーザビームは、可変走査速度で走査経路に沿って標的に方向付けられ、デジタル変調は、標的においてフルエンスを走査経路に沿った所定のフルエンス範囲内に維持するように調整される。

開示された技術の前述及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。

付加製造機器の概略側面図である。 レーザパターニング走査経路の上面図である。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。 集束位置に関するフルエンスのグラフである。 レーザパターニング機器の概略側面図である。 レーザパターニング機器の別の概略側面図である。 レーザパターニング加工のフローチャートである。 レーザパターニングシステムの概略図である。 レーザパターニングシステムの別の概略図である。 レーザパターニングシステムの別の概略図である。

本出願及び「特許請求の範囲」において使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別途明らかに示されない限り、複数の形態を含む。加えて、用語「含む（includes）」は、「含む（comprises）」を意味する。更に、用語「結合した
」は、結合したアイテム間の中間要素の存在を除外しない。

本明細書で記載されたシステム、機器、及び方法は、いかなるようにも限定するものと解釈すべきでない。むしろ、本開示は、様々な開示された実施形態の、単独並びに相互の様々な組み合わせ及び部分的組み合わせでの、全ての新規かつ自明でない特徴及び態様に
向けられる。開示されたシステム、方法、及び機器は、特定の態様若しくは特徴又はそれらの組み合わせに一切限定されず、また開示されたシステム、方法、及び機器は、１つ若しくは２つ以上の特定の利点が存在すること、又は１つ若しくは２つ以上の特定の問題が解決されることも必要としない。あらゆる動作の理論は、説明を容易にすることができるが、開示されたシステム、方法、及び機器は、そのような動作の理論に限定されない。

開示された方法のいくつかの動作は、利便性の良い表示のために特定の順序で説明されているが、下記に説明される特定の言語によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法が並べ替えを包含することを理解するべきである。例えば、順番に記載された動作は、場合によっては、並べ替えるか又は同時に実行してもよい。更に、簡略化のために、添付図面は、開示されたシステム、方法、及び機器を他のシステム、方法、及び機器と併用できる様々な方法を示さない場合がある。加えて、その説明は時として、「生じさせる」及び「提供する」などの用語を使用して、開示された方法を説明する。これらの用語は、実行される実際の動作の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装に応じて変化することになり、当業者によって認識可能である。

いくつかの例において、値、手順、又は機器の、は、「最低の」、「最良の」、「最小の」などと表現される。そのような説明は、多数の用いられる機能的選択肢から選択が行われ得ること、及びそのような選択が、他の選択より良い、小さい、ないしは別の方法で好ましい必要はないことを示すことを意図していることが理解されよう。

本明細書で使用されるように、レーザビーム及び関連付けられた光放射とは、約１００ｎｍ～１０μｍ、典型的には約５００ｎｍ～２μｍの波長での電磁放射を指す。利用可能なレーザダイオード光源及び光ファイバに基づく例は、一般的に約８００ｎｍ～１７００ｎｍの波長に関連する。いくつかの例では、伝搬する光放射は、ビーム波長とビーム成形用の光システムとに依存可能な、直径、非対称のファースト軸とスロー軸、ビーム断面積、及びビーム拡がり角を有する１つ又は２つ以上のビームと称される。便宜上、光放射は、いくつかの例では光と称され、可視波長である必要はない。

代表的な実施形態は、光ファイバを参照して記載されるが、正方形、長方形、多角形、卵形、楕円形又は他の断面を有する他のタイプの光導波路を用いることもできる。光ファイバは、典型的には、ドープされた（又はドープされていない）シリカ（ガラス）で形成され、所定の屈折率又は屈折率差を提供する。いくつかの例では、ファイバ又は他の導波路は、関心のある波長に応じて、フルオロジルコン酸塩、フッ化アルミン酸、フッ化物又はリン酸ガラス、ガルコゲナイドガラス、あるいはサファイアなどの結晶材料等の、他の材料で作製される。シリカ及びフッ化物ガラスの屈折率は、典型的に約１．５であるが、ガルコゲナイドなどの他の材料の屈折率は３以上であり得る。更に他の例では、光ファイバはプラスチックの部分に形成され得る。典型的な例では、ファイバコアなどのドープされた導波路コアは、ポンピングに応答して光学利得を提供し、コアとクラッドはほぼ同心円にある。別の例では、コアとクラッドのうちの１つ又は２つ以上は偏心し、いくつかの例では、コアとクラッドの方向及び／又は配置は導波路長に沿って変わる。

本明細書に記載された例では、光ファイバコアなどの導波路コアは、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒなどの希土類元素又は他の活性ドーパント若しくはそれらの組み合わせでドープされる。そのように能動的にドープされたコアは、光又は他のポンピングに応答して光学利得を提供できる。以下に説明するように、そのような活性ドーパントを有する導波路を用いて、光増幅器を形成することができ、又は反射層、ミラー、ブラッググレーティング、若しくは他のフィードバック機構などの適切な光フィードバックを備える場合、そのような導波路はレーザ放射を生成できる。光ポンプ放射は、放射されたレーザビーム又は増幅されたビームの伝搬方向に対して、導波路に共伝搬及び／又は反伝搬するように配置され
得る。

「輝度」という用語は、単位面積あたり、立体角あたりの光ビームパワーを指すように本明細書で使用される。いくつかの例において、光ビームパワーは、その立体角がビーム波長及びビーム面積に比例するビームを生じさせる、１つ又は２つ以上のレーザダイオードによって提供される。ビーム面積及びビーム立体角の選択は、選択したポンプビームパワーを、ダブル、トリプル、又は他のマルチクラッド光ファイバの１つ又は２つ以上のコア又はクラッディング層に結合する、ポンプビームを生じさせることができる。「フルエンス」という用語は、単位面積あたりのエネルギーを指すように本明細書で使用される。いくつかの実施形態において、フルエンスは、熱又は別様には走査経路と関連付けられた選択された領域内の標的をレーザ加工するように、走査経路に沿って標的に送達される。走査経路は、直線状、曲線状、繰り返し、セグメント状、その他を含む、様々な形状を有することができる。光学システムによって生じる出力ビームは、走査経路に沿って方向付けられ、また、伝搬方向に対して直角な１つ又は２つ以上の軸に沿って、様々な輝度及び均一特性を有することができる。典型的な出力ビームは、特定の用途に応じて、１００Ｗ、５００Ｗ、１ｋＷ、３ｋＷ、６ｋＷ、１０ｋＷ、又は２０ｋＷ以上の平均ビームパワーを含む、様々な出力パワーを有する連続波である。連続波出力ビームは、本明細書で更に論じられるように、デジタル変調される。

図１は、付加製造加工においてレーザ加工ビーム１０４を放射し、標的１０６に方向付けるレーザシステム１０２を含む、機器１００である。標的１０６は、一般に、容器１１０内に位置する微細金属粉末１０８から一層ずつ形成された層である。層がレーザパターン化されると、ｚステージ１１２が容器１１０を下げ、隣接する貯蔵部１１６から追加的な微細金属粉末１０８を提供するローラー１１４によって、微細金属粉末１０８の新しい層が延ばされる。次いで、三次元の物体を形成するために、新しい層がレーザパターン化され、そして、後に続く微細金属粉末層によって加工が多数回を繰り返される。

図２Ａでは、走査経路２００の一実施例が示され、付加製造の標的などの標的をレーザパターン化する際に、該走査経路に沿ってレーザ加工ビームが走査される。時間ｔ_１において、レーザ加工ビームは、走査速度で、例えば特定の速度で、図２Ａの平面において右側の方向に進行している。時間ｔ_２において、レーザ加工ビームが経路の隅部により近い別の位置に到達するにつれて、レーザ加工ビームの走査速度が減少し始める。時間ｔ_３において、方向を変化させ、図２Ａの平面において下方に移動するために、レーザ加工ビームが瞬間的に静止するまで減速する。時間ｔ_４において、レーザ加工ビームの走査速度が増加し、時間ｔ_５において、レーザ加工ビームが時間ｔ_１と同じ速度に到達している。

走査経路２００の下で、図２Ｂは、速度｜ｖ（ｔ）｜と、走査経路２００の時間ｔ_１～ｔ_５に対応する時間とのグラフ２０２を示す。見て分かるように、レーザ加工ビームの速度は、ｔ_１において初期走査速度を有し、レーザ加工ビームが方向を変化させる時間ｔ_３において減少し、そして、ｔ_５において、初期走査速度と同じ又は異なり得る最終走査速度まで走査速度を増加させる。グラフ２０２の下で、図２Ｃは、レーザ加工ビームの平均パワーＰ_平均（ｔ）と、時間ｔ_１～ｔ_５及び走査経路２００に対応する時間とのグラフ２０４であり、図２Ｄは、走査経路２００などの走査経路に沿って加工標的によって受光されるフルエンスＥ（ｘ）のグラフ２０６である。典型的なレーザ加工の例において、フルエンスＥ（ｘ）は、一定の閾値Ｆ_高、Ｆ_低などの２つの閾値の間などの、所定の範囲内にとどまっていなければならない。いくつかの例において、閾値及び対応する所定の範囲は、特徴のサイズ及び形状、加熱速度及び冷却速度などの材料依存の特性、その他などの、様々な要因に応じて変動させること、又は変調することができる。例えば、異なる標的又は同じ標的の異なる部分若しくは領域は、異なる材料特性を有し得る。また、フルエンスウインドウを含む異なる加工ウインドウでは、異なるレーザ加工効果を達成することがで
きる。フルエンスを対応する１つ又は２つ以上の範囲内に維持することによって、レーザエネルギーは、所望の変化を標的に対して行うことができる。例えば、選択的レーザ溶融加工において、過度のフルエンスは、標的に損傷を与え、熱影響域を悪化させ、また、完成した物体の抗張力及び信頼性などの様々なパラメータに影響を及ぼす場合がある。不十分なフルエンスは、標的材料が正しく溶融することを妨げ得るので、完成した物体を弱化させる。レーザ加工中にフルエンスを所定の範囲内に維持することによって、優れた材料特性を有する完成物体を製作することができる。

いくつかの実施形態において、フルエンスＥ（ｘ）を所定の範囲内（例えば、Ｆ_高とＦ_低との間）に維持するために、レーザ加工ビームの平均パワーＰ_平均（ｔ）は、走査経路２００に沿ったレーザ加工ビームの走査速度｜ｖ（ｔ）｜の減少などの、ビーム移動情報に対応して減少する。しかしながら、種々の理由から、平均パワーＰ_平均（ｔ）の直進の連続的な減少は、達成することができないか、又は効率的な方法で達成することができない。例えば、ミラー及び光学部品などのレーザ走査の構成要素は、レーザパターニング加工が必要とする速度よりも遅い速度で移動させることができ、標的においてＦ_高を上回る、又はＦ_低を下回るレーザフルエンスをもたらす。いくつかの場合において、レーザ加工ビームを生成するレーザ源の利得媒体のダイナミクスは、レーザ加工ビームのパワーレベルに対して所望される連続又は不連続な変化に、十分迅速に応答しない。

グラフ２０６の下で、図２Ｅは、スキャナがスローダイナミクスを有していても、又は他のレーザシステムを欠いていても平均パワーＰ_平均（ｔ）の迅速な変化を生じ得る、レーザ加工ビームの変調された電力Ｐ（ｔ）を表す、グラフ２０８である。変調された電力Ｐ（ｔ）は、高電力Ｐ_高と低電力Ｐ_低とを繰り返し、低電力Ｐ_低は、ゼロ又は非ゼロであり得る。変調された電力Ｐ（ｔ）は、可変変調周期Ｔ_変調、及びＴ_変調のパーセンテージである可変デューティサイクルＰ_{デューティ}を含む。一般に、レーザ加工ビームの走査と関連付けられた速度が減少したときには、レーザ加工ビームの平均パワーが減少するように、及び標的が受けるフルエンスを所定の範囲内に維持するように、変調周期Ｔ_変調及びデューティサイクルＰ_{デューティ}のうちの１つ又は２つ以上を変化させることができる。いくつかの例では、以前に走査した（繰り返しを含む）走査経路２００の隣接部分に対する走査経路２００の近似性、周囲温度、局所温度、加熱速度及び冷却速度、走査加速度、走査位置、その他などの、走査経路２００と関連付けられた他の情報を使用して、フルエンスＥ（ｘ）を所定の範囲内に維持する。更なる例において、送達されたフルエンス、及びフルエンスを送達するレーザビームのピーク電力は、レーザ加工要件に従う所定の範囲内のままである。特定の実施形態において、微細特徴（マイクロメートル程度）は、より小さい標的細部の形成中に、レーザ加工ビームの走査速度が急速に変化するときにレーザ加工される。いくつかの実施形態において、変調周期Ｔ_変調は、ビームを生成するレーザ源の利得媒体の応答ダイナミクス又はレーザ源の他の構成要素に基づいて平均ビームパワーが変化するように変動させることができる。

グラフ２０８に示される実施例では、時間ｔ_１において、レーザ加工ビームの電力は、電力Ｐ_高で一定である。レーザ加工ビームの速度｜ｖ（ｔ）｜が減少すると、レーザ加工ビームが一定電力から変調された電力に変化し、Ｐ_高からＰ_低に切り換わり、そして、レーザ加工ビームの走査速度の減少と関連付けられた周波数でＰ_高に戻る。時間がｔ_２及びｔ_３に接近するときに、レーザ加工ビームの走査速度｜ｖ（ｔ）｜が減少し続けると、電力変調周波数が増加し、周期Ｔ_変調及びデューティサイクルＴ_高／Ｔ_高＋Ｔ_低が減少するが、ここで、Ｔ_高は、その間に電力Ｐ_高が印加される持続時間であり、Ｔ_低は、電力Ｐ_低が印加される持続時間である。減少したデューティサイクルは、レーザ加工ビームの平均パワーＰ_平均を減少させ、また、レーザ加工フルエンスを所定の範囲内で提供する。したがって、レーザ加工ビームの電力のデジタル変調を調整することによって、標的に対応する所定のフルエンス範囲内のままであるフルエンスを標的において提供することができる
ように、レーザ加工ビームの平均パワーを調整することができる。図２Ｆのグラフ２１０を更に参照すると、いくつかの実施形態において、レーザ加工ビームは、Ｐ０、Ｐ１、及びＰ２などの２つ以上のパワーレベルに変化させること、又はこれらの間で切り換えること、並びに平均パワー及び関連付けられたフルエンスの迅速な変化を生じさせるようにデジタル変調することができる。更なる実施例において、平均レーザ加工ビームパワーの減少は、パワーレベルがレーザ加工を行うのに適したピーク電力の範囲内であるように、レーザ加工ビームのデジタル変調を調整することによって提供することができる。

上で論じたように、所定のフルエンス範囲は、レーザ加工要因に従って変動し得、本明細書の実施例は、フルエンスを可変フルエンス範囲内に維持する、変調された光ビームパワーを生じさせることができる。図２Ｇは、閾値Ｆ_１－高、Ｆ_１－低を有する第１のフルエンスＦ_１から閾値Ｆ_２－高、Ｆ_２－低を有する第２のフルエンスＦ_２まで階段状に変動する標的フルエンスを有する、フルエンスＥ_ステップのグラフ２１２を示す。いくつかの例において、直線状の走査経路などによるレーザ加工ビームの一定走査速度によって、一定周期及びデューティサイクルを有するデジタル変調されたビームは、第１のフルエンスＦ_１を提供することができ、変調されていないビームは、第２のフルエンスＦ_２を提供することができる。電力のデジタル変調は、第１のフルエンスＦ_１と第２のフルエンスＦ_２との間のより迅速な移行を可能にすることができる。図２Ｈにおいて、グラフ２１４は、それぞれの高フルエンス限度Ｆ_高と低フルエンス限度Ｆ_低との間でシヌソイドに従って変動する、所定のフルエンス範囲Ｆ_変調を示す。標的に送達されるフルエンスＥ_実際は、レーザ加工ビームの光電力のデジタル変調を通して、フルエンス範囲Ｆ_変調内に維持することができる。いくつかのレーザ加工の例において、フルエンス変調の周波数は、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、又はそれ以上を含む、比較的高速であり得る。異なる例において、高周波数のフルエンスの振動は、フルエンスの振動位相に依存するか、又は該振動位相から独立している。

いくつかの例では、デジタル変調と併用して、アナログ変調を適用して、レーザ加工ビームの平均パワーを変化させることができる。しかしながら、アナログ変調は、典型的に、フルエンスを所定の範囲内に維持するために平均パワーの所望の低減を達成することに対して、より遅い応答時間を有する。加工効率を高めるために、及びスキャナダイナミクスなどの様々なシステム変数にかかわりなくフルエンスを所定のフルエンス範囲内にロバストに維持するために、典型的に、デジタル変調を使用して、又はハイブリッドデジタル／アナログ変調を使用して、フルエンスを所定の範囲内で保つように、レーザ加工ビームの平均パワーを調整し、より迅速な応答を提供する。例えば、図２Ｉを参照すると、グラフ２１６は、アナログコマンド信号Ｐ_アナログに従って、最小電力Ｐ_低１まで減少する電力最大値を有する複数の変調部分を含む、デジタル変調された信号Ｐ_変調を示す。レーザ加工ビームに対して命令され、生じさせた実際の平均出力パワーは、平均ビームパワー及びより低い最小電力Ｐ_低２のより急速な変化を含み得る経路Ｐ_平均のトレースを含むことができる。

図３は、レーザ加工ビームに結合されたスキャナと関連付けられた集束位置Ｚに関するレーザ加工ビームのフルエンスＦ（ｚ）のグラフである。全般に、フルエンスＦ（ｚ）は、フルエンスＦ_最大における最大値であり、該最大値において、レーザ加工ビームは、レーザ加工ビームの伝搬の方向において最良の集束位置Ｚ_最良となる。レーザ加工ビームの集束距離がＺ_最良から増加又は減少するにつれて、レーザ加工ビームを効果的に脱集束させ、レーザ加工ビームが拡大し、脱集束するにつれて、新しい集束位置と関連付けられたフルエンスが減少する。レーザ加工中には、一般に、例えば、レーザ加工が標的において対応する変化を生じさせることができるように、脱集束を集束位置Ｚ_低とＺ_高との間に抑制又は制御することによって、レーザ加工ビームのフルエンスＦ（ｚ）がフルエンス限度Ｆ_高及びＦ_低以内にとどまることが望ましい。フルエンス限度は、可変であり得るが、典
型的な例において、フルエンス限度は、固定される。いくつかの実施形態では、３Ｄスキャナを使用して、大きいパターン加工領域上で、標的において、Ｆθレンズ又は他の走査光学部品よりも平坦な集束フィールドの湾曲を有するレーザ加工ビームを走査することができる。したがって、標的において走査されるレーザ加工ビームによって送達されるフルエンスは、フルエンス限度Ｆ_高、Ｆ_低以内に維持される可能性がより高くなり、又はより容易に維持される。

図４において、機器４００は、レーザ加工ビーム４０４を放射するように位置させたレーザ源４０２を含む。レーザコントローラ４０６は、変調された電力を含むレーザ加工ビーム４０４の電力を制御するために、レーザ源４０２に結合される。３Ｄスキャナ４０８は、レーザ加工ビーム４０４を受光し、レーザ加工ビームを標的４１０に方向付けるように位置される。３Ｄキャナ４０８によって、レーザ加工ビーム４０４は、一般に、標的４１０の平坦面と平行に整列される集束面４１２内に集束させられる。しかしながら、いくつかの例において、３Ｄスキャナ４０８は、不均一な標的面に対応することができる非平坦な集束フィールドを提供するように、集束位置を変動させることを可能にする。典型的な例において、３Ｄスキャナ４０８は、ＸＹガルバノメーター走査ミラーセットと、ガルボ走査ミラーの位置に基づいて集束面４１２におけるビームの集束位置を変化させるＺ位置集束群とを含む。機器４００はまた、コリメートされた入力直径Ｄ_０を有するレーザ加工ビーム４０４を受光し、ビーム幅を調整するように位置させたズームビームエキスパンダ４１４も含み、よって、ズームビームエキスパンダ４１４を出るレーザ加工ビームは、レーザ加工ビームの伝搬経路に対して直角な１つ又は２つ以上の方向に沿って、同じ又は異なるコリメートされた直径Ｄ_１を有する。コリメートされた直径Ｄ_１を有するレーザ加工ビーム４０４は、３Ｄスキャナ４０８によって受光され、そして、標的４１０においてスポットサイズＷ_１で走査され、集束される。ズームビームエキスパンダ４１４はまた、コリメートされた直径Ｄ_１よりも小さいコリメートされた直径Ｄ_２を有するように、レーザ加工ビーム４０４を調整することもできる。より小さいコリメートされた直径Ｄ_２は、３Ｄスキャナによって受光され、そして、標的において、より小さいコリメートされた直径Ｄ_２に起因してスポットサイズＷ_１よりも大きいスポットサイズＷ_２で走査され、集束される。

ズームビームエキスパンダ４１４は、様々な方式で構築することができる。典型的な例において（及び図４に示されるように）、ズームビームエキスパンダ４１４は、レーザ源４０２からレーザ加工ビーム４０４を受光するように固定され、位置させた一組の入口光学部品群４１６を含む。一組の出口光学部品群４１８は、入口光学部品群４１６から拡大されたビームを受光し、出口光学部品群４１８のうちの１つ又は２つ以上の光学部品の光軸に沿った移動を通して、ズームビームエキスパンダ４１４から放射されるレーザ加工ビーム４０４の直径を増加又は減少させるように位置される。レーザ加工ビーム４０４のコリメートされた直径を変化させるための制御された移動を提供するために、ズームビームエキスパンダ４１４は、レーザコントローラ４０６に結合される。３Ｄスキャナ４０８に光学的に結合されるレーザ加工ビーム４０４の直径を制御可能に拡大することによって、様々な効果のために、スポットサイズの管理された変動を標的において提供することができる。

典型的な例では、ズームビームエキスパンダ４１４によって生じさせた異なるスポットサイズを使用して、標的４１０において様々なサイズ及び形状の特徴をレーザ加工する。いくつかの例では、可変走査速度に関連してスポットサイズを変動させることによって、所定のフルエンス範囲内のフルエンスを標的が受光するように、レーザ加工ビーム４０４は、標的４１０において、走査経路に沿って可変走査速度で走査される。更なる例において、より大きい特徴は、より大きいスポットサイズを有する、例えばスポットサイズＷ_２及び一定のレーザ加工ビームパワーを有するレーザ加工ビーム４０４によってレーザ加工
され、より小さい特徴は、より小さいスポットサイズを有する、例えばより小さいスポットサイズＷ_１及び典型的により小さいデジタル変調されたレーザ加工ビームパワーを有するレーザ加工ビーム４０４によってレーザ加工される。レーザ加工ビームパワーをデジタル変調することによって、レーザ加工は、ビームパワーのアナログ変調を回避すること、又は任意選択にすることができ、標的に送達されるフルエンスは、スポットサイズの変化が生じたときのレーザ加工について、所定のフルエンス範囲内に維持することができる。

図５は、レーザコントローラ５０４によって制御され、コリメートされたレーザビーム５０６を生じさせるように配置されたレーザ源５０２を含む、別の機器５００を示す。ズームビームエキスパンダ５０８は、コリメートされたレーザビーム５０６を受光し、その直径を変化させて、拡大されたビーム５０７を生じさせるように位置される。３Ｄスキャナ５１０は、ズームビームエキスパンダ５０８から拡大されたビーム５０７を受光し、標的５１２において、拡大されたビーム５０７を様々な位置Ｓ_１～Ｓ_３のスポットに集束させるように位置される。３Ｄスキャナ５１０は、典型的に、拡大されたビーム５０７を受光し、集束させる可変位置集束光学部品５１４と、集束させたビームを受光し、集束させたビームを標的５１２と整列させた（典型的に、集束面内の）特定の位置に、例えば所定のＸ－Ｙ座標に位置付ける一対のガルボ制御走査ミラー５１６とを含む。標的５１２のレーザビームスポットの位置は、３Ｄスキャナ５１０と関連付けられた走査フィールド全体にわたって変動させることができる。Ｆθレンズなどの固定集束光学部品を使用するスキャナにおいて、Ｆθレンズの集束位置と関連付けられたフィールド湾曲５１８は、典型的に、曲線状である。したがって、位置Ｓ_１及びＳ_３などの、走査フィールドの周囲に向かう位置Ｓ_Ｎにおいて集束させたレーザビームの場合は、典型的に、脱集束が生じる。そのような脱集束は、標的５１２によって受光されるフルエンスを低減させ得るので、フルエンスが所定の範囲を外れ、走査フィールド全体にわたる不均等な加熱及び不均等な加工が生じ得る。３Ｄスキャナ５１０の可変位置集束光学部品５１４（１つ又は２つ以上のレンズ、ミラー、回折光学要素、その他を含むことができる）は、３Ｄスキャナ５１０のフィールド内のスポットのＸ－Ｙ位置に関連するスポットの焦点位置の変化を可能にする。したがって、３Ｄスキャナと関連付けられたフィールド湾曲が他のシステムよりも平坦であるように、スポットの焦点位置に対して細かい調整を行うことができる。三次元スキャナ５１０は、標的において、コリメートされたレーザビーム５０６を走査し、集束させるためのパターンデータに対応する走査及び集束信号を受信するように、レーザコントローラ５０４に結合される。パターンデータは、レーザコントローラ５０４に記憶することができ、又は外部ソースから受信することができる。

図６において、標的をレーザ処理する方法６００は、６０２において、レーザビームの走査経路を提供することと、６０４において、標的におけるレーザビームのスポットサイズを選択することとを含む。例えば、レーザビームの走査経路は、標的全体にわたって走査されるべきレーザビームの位置に関連するデータを含むレーザパターンファイルを、レーザコントローラに提供することができる。レーザビームの走査経路はまた、レーザコントローラ又はレーザスキャナによる走査経路信号の受信が、標的におけるレーザビームの走査と同時に、又は該走査に近い時間関係で生じるように、レーザコントローラにリアルタイムで提供することもできる。６０６において、レーザビームの走査経路、及びレーザビームのスポットサイズ、及び標的のレーザ加工と関連付けられたレーザビームのフルエンス範囲に基づいて、レーザビームの平均パワーが決定される。６０８において、レーザビームを生じさせる活性媒体に結合された１つ又は２つ以上のレーザポンプ源のデジタル変調を通して、レーザビームの電力がデジタル変調される。デジタル変調されたレーザビームは、６０６において決定された平均パワーに対応し、走査経路及びスポットサイズに基づいて大幅に変化させることができる。６１０において、レーザビームは、６０２において提供される走査経路に沿って方向付けられる。更なる例において、平均パワーは、走査経路について決定され、レーザビームのスポットサイズは、決定された平均パワーに対
応するように変動される。更なる例では、デジタル変調及び可変スポットサイズの双方を使用して、所定のフルエンス範囲に対応するように平均パワーを提供する。

図７において、レーザシステム７００は、標的７０２において、フルエンスの正確な制御によって標的７０２をレーザパターニングするように位置される。レーザシステム７００は、電圧制御されたＡＣ／ＤＣ電源又は電源に結合された電圧調整器などのポンプ駆動装置７０６、及びレーザスキャナ７０８に結合された、レーザコントローラ７０４を含む。ポンプ駆動装置７０６は、電圧及び電流のうちの１つ又は２つ以上に基づいて、ポンプダイオード７１０を駆動する。ポンプダイオード７１０は、活性ファイバ７１２などのレーザ利得媒体に結合され、該レーザ利得媒体は、ポンプダイオード７１０からのエネルギーを使用して、レーザシステムビーム７１４を生成する。レーザシステムビーム７１４の伝搬方向に対して直角な１つ又は２つ以上の軸に沿って、標的７０２において、同じ平面内のレーザシステムのビーム７１４の集束させたスポットのサイズを変化させるために、レーザシステムビーム７１４は、ズームビームエキスパンダ７１６を出るレーザシステムビーム７１４のコリメートされた幅を変化させることができるズームビームエキスパンダ７１６によって受光される。走査経路７１５に沿って、パターンを加工し、レーザ加工と関連付けられた所定の範囲内でレーザフルエンスを付与するために、レーザスキャナ７０８は、ズームビームエキスパンダ７１６から、選択されたコリメートされたビーム幅を有するレーザシステムビーム７１４を受光し、レーザシステムビーム７１６を標的７０２に方向付ける。

いくつかの例において、レーザコントローラ７０４は、レーザシステムビーム７１４の第１の状態及び第２の状態の条件をコントローラ７０４に提供し、標的７０２上に形成されるパターンと関連付けることができるゲート信号７１８に結合される。例えば、ゲート信号７１８は、オン及びオフの条件を提供するレーザパターニングデータファイル７２０に対応することができ、よって、レーザシステムビーム７１４が走査されるときに、様々な特徴を標的７０２上の他の特徴から隔離又は離間させることができ、また、複雑な特徴を形成することができる。レーザコントローラ７０４は、ゲート制御７２２を含み、該ゲート制御は、ゲート制御信号をポンプ駆動装置７０６に通信し、よって、ポンプダイオード７１０がエネルギー付与されて、ゲート信号と関連付けられたオン及びオフに対応するように活性ファイバ７１２をポンプする。レーザパターニングデータファイル７２０はまた、レーザシステムビーム７１４が標的７０２において走査されるための、走査位置データなどの様々なベクトルデータも提供することができる。レーザコントローラ７０４は、レーザスキャナ７０８に結合されるが、他の例において、レーザパターニングデータファイル７２０は、レーザスキャナ７０８に直接結合することができる。様々な接続は、有線又は無線とすることができ、ファイルデータは、揮発性又は不揮発性メモリに記憶することができる。更なる例において、ゲート信号のゲートコマンドは、レーザコントローラ７０４のメモリに記憶される。

標的７０２に送達されるレーザフルエンスを所定の範囲内に維持するために、レーザコントローラ７０４は、変調周期制御７２６、デューティサイクル変調制御７２８、及びアナログ変調周波数制御７３０に結合されたフルエンス設定点７２４を含み、これらはまた、ポンプ駆動装置７０６にも結合される。変調周期制御７２６は、ポンプダイオード７１０のデジタル変調周期を調整するように位置される。例えば、ポンプダイオードの光電力出力は、より遅い周波数及び対応する周期から、より速い周波数及び対応する周期まで（例えば、１０ｋＨｚから、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、又はそれ以上まで）増加させることができ、又は連続オン状態（例えば、０ｋＨｚ）から増加させることができ、よって、レーザシステムビーム７１４と関連付けられた電力が、２つ以上のパワーレベルを交替するか、又はより迅速に交替する（例えば、１０ｋＨｚが、１０Ｗと５００Ｗとの間で交替する）。

デューティサイクル制御７２８は、ポンプダイオード７１０の電力デューティサイクルを調整するように位置される。デューティサイクルは、９０％超から１０％未満の範囲とすることができ、また、変調周期に関連して変動させることができる。選択されたデューティサイクルは、典型的に、レーザ加工ビーム平均パワーを所望のレベルに維持するために、選択された変調周期のレーザ加工ビームの立ち上がり及び立ち下がり時間に関連して適切な量のレーザ加工ビームエネルギーを生成することができるように、十分に大きい。いくつかの例では、レーザ加工ビーム平均パワーの対応する低減を生じるように、固定変調周期が選択され、デューティサイクルを１００％から１０％未満まで変動させる。更なる例では、レーザ加工ビーム平均パワーの低減に対応するように、変調周期を減少させ、また、デューティサイクルを減少させ、よって、走査速度との変化と関連付けられた微細な細部をレーザ加工ビームによって形成することができる。

変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８は、標的においてレーザシステムビーム７１４の平均パワーを低減又は変動させるために、フルエンス設定点７２４に基づいて、変調の変化を生じさせることができる。いくつかの実施形態において、平均パワーの減少は、標的７０２におけるレーザシステムビーム７１４のスポットのサイズの減少、又は標的７０２に対して走査されているレーザシステムビーム７１４の、走査速度の減少又は走査方向の変化などの、ビーム走査速度の変化と関連付けることができる。レーザシステムビーム７１４の電力は、コントローラ７０４に結合されている検出された電力の対応する信号で、活性ファイバ７１２などの１つ又は２つ以上のシステム構成要素に結合された電力検出器７３２によって検出することができる。レーザシステムビーム７１４の検出された電力は、一般的な監視、緊急遮断、その他のために使用することができ、更に、該電力を使用して、レーザ加工中に、レーザフルエンスが、１つ又は２つ以上の閾値、限度、許容度、その他の範囲内のままであるか、それを上回っているか、下回っているかを判定する際に支援することができる。例えば、検出された電力は、特定のデジタル変調設定及び変調周期制御７２６に基づいて算出された平均パワーと比較することができ、デューティサイクル制御７２８は、変調周期及びデューティサイクルをスケーリング又は調整して、フルエンス設定点７２４に対応する平均パワーを有するレーザシステムビーム７１４を生じさせることができる。例えば、レーザシステム７００は、異なる種類のレーザスキャナ、ポンプダイオード、活性ファイバ、その他に結合させることができ、これらはそれぞれ、レーザシステム７００のダイナミクスに、及びデジタル変調調整がフルエンス付与に影響を及ぼす範囲に、影響を及ぼし得る。

いくつかの例において、フルエンス設定点７２４に基づいて調整されるデジタル変調周期及びデューティサイクルは、ゲート信号７１８をレーザコントローラ７０４に結合する前に、ゲート信号７１８によって定義することができる。更なる実施形態において、パターンファイル７２０は、コントローラ７０４に結合させることができ、ゲート信号７２２は、外部に提供する必要はない。追加的な実施形態において、アナログ変調制御７３０はまた、それを変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８と組み合わせることによって、標的７０２におけるレーザフルエンスを維持する際に支援するためにも使用される。典型的に、レーザシステムビーム７１４の出力パワーのアナログ変調は、単独では遅すぎるので、標的７０２において、送達されたレーザフルエンスをフルエンス設定点７２４と関連付けられた所定の範囲内に維持すること、又はレーザ加工のフルエンス要件を維持することができない。典型的に、維持ができないことは、コントローラ７０４の電子機器又はポンプダイオード７１０及び活性ファイバ７１２のダイナミクスと関連付けることができる。しかしながら、ズームビームエキスパンダ７１６及びレーザスキャナ７０８のダイナミクスも変動し得る。したがって、変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８を使用してポンプダイオード７１０をデジタル変調することによって、レーザシステム７００の様々な構成要素の間で、遅い又は一貫していないダイナミクスを有する
場合であっても、標的７０２に送達されるレーザフルエンスを所定の範囲内に維持することができる。いくつかの例において、変調周期制御７２６、デューティサイクル制御３２８、及びアナログ変調制御７３０からの、レーザフルエンスに対する複合効果は、フルエンスを所望のレベルに好都合に維持することができる。

更なる例において、変調周期制御７２６はまた、レーザ走査経路７１５と関連付けられたパターンファイル７２０又は他のデータに基づいて、変調周期を調整することもできる。互いに近接する多数の特徴などの微細な特徴が生じる標的７０２と関連付けられたパターンにおいて、総熱負荷は、隣接する、又は繰り返した特徴のレーザ加工フルエンス閾値に影響を及ぼし得る。変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８は、標的７０２に送達された熱負荷、標的７０２の１つ又は２つ以上の部分と関連付けられた予測若しくは測定された温度、又は標的７０２の１つ又は２つ以上の領域におけるレーザシステムビーム７１４の停滞時間、その他に基づいて、レーザシステムビーム７１４の電力を調整することができる。例えば、レーザシステムビーム７１４は、レーザ走査経路７１５における標的７０２に対する第１の走査移動の変化（例えば、レーザシステムビーム７１４の第１の転向）を通してデジタル変調することができ、また、第１の転向に近接する第２の転向中に、レーザシステム７１４の平均パワーをより大きい程度まで低減させるようにデジタル変調することができる。

図８において、レーザシステム８００は、アナログ入力８０４においてアナログ信号を受信し、と、ゲート入力８０６においてゲート信号を受信し、また、フルエンス変調入力８０８においてのフルエンス変調信号を受信するように位置させたコントローラ８０２を含む。コントローラ８０２は、典型的に、ゲート信号を使用して、典型的にレーザポンプダイオード８１２に供給される駆動電流を変動させることによって、電源８１０によってレーザポンプダイオード８１２に提供される電力を変調又は変動させる。レーザポンプダイオード８１２は、ドープファイバ８１４、又はレーザシステムビーム８１６を生成する他のレーザ利得媒体に光学的に結合される。レーザシステムビーム８１６のパワーは、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）標的８１８の不連続部分の加工の間を減少させるように、ゲート信号の変調に対応して増加及び／又は減少させることができる。立ち上がり－立ち下がり回路８２０は、コントローラ８０２及びポンプダイオード８１２に結合されて、電源８１０によってポンプダイオード８１２に提供されるポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を制御する。ポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を制御することによって、ポンプダイオード８１２によって生成される１つ又は２つ以上のポンプビーム８２２の関連付けられた立ち上がり時間、立ち下がり時間、オーバーシュート、及びアンダーシュートを選択することができる。いくつかの例において、ポンプビーム８２２の適切な応答時間は、ポンプダイオードの信頼性とバランスさせることができる。ドープファイバ８１４によって生成されるレーザシステムビーム８１６もまた、ＳＬＭ標的８１８においてレーザスキャナ８２６を通して同じ平面内に集束されるレーザシステムビーム８１４のスポットサイズを変化させるように位置させたズームビームエキスパンダ８２４に結合される。立ち上がり時間は、典型的に、ある定常状態値の選択部分から別の定常状態値の選択部分まで、例えば２％から９８％まで、５％から９５％まで、１０％から９０％まで、１％から９５％まで、その他に立ち上げるために、レーザビームパワーなどのパラメータに必要とされる持続時間として定義される。立ち下がり時間は、同様に、定常状態値から立ち下がるための持続時間として定義することができる。初期値又は定常状態立ち下がり値は、ゼロ又は非ゼロとすることができる。オーバーシュート及びアンダーシュートは、定常状態値のパーセンテージとして定義することができる。

また、フルエンス変調信号を使用して、レーザシステムビームパワーを、ゲート信号と関連付けられた同じ又は異なるパワーレベルに変調させること、変動させること、又は制御することもできる。フルエンス変調信号を使用して、ＳＬＭ標的８１８においてレーザ
スキャナ８２６によって走査されているレーザシステムビーム８１６の可変速度に対応してレーザシステムビーム８１６の平均パワーが変動されるように、ポンプダイオード８１２のポンプ電流をデジタル変調することができる。例えば、同じ期間にわたるデジタル変調周期の減少又はデューティサイクルの低減は、レーザシステムビーム８１６の平均パワーの急速な低減を生じさせ得る。走査経路に沿って走査するレーザシステムビーム８１６の可変速度、又はビームエキスパンダ８２４によるレーザシステムビーム８１６のスポットサイズの変化は、ＳＬＭ標的８１８において、完成品の適合性に悪影響を及ぼし得る望ましくないフルエンス変動を生じさせ得るが、フルエンス変調信号を使用して、フルエンス変動を補償することができる。また、フルエンス変調信号を使用して、ズームビームエキスパンダ８２４によって生じた異なるスポットサイズに対応するようレーザシステムビーム８１６のパワーを調整するように、ポンプ電流をデジタル変調することもできる。いくつかの実施形態において、フルエンス変調信号及びゲート信号は、共通入力を通して提供することができる。更なる実施形態において、フルエンス変調信号を使用して、レーザシステムビーム８１４の平均パワーを調整するように、ズームビームエキスパンダ８２４によってレーザシステムビーム８１４のスポットサイズを変調又は変動させることができる。例えば、スポットサイズは、レーザシステムビーム８１６の走査速度の変動に対応する、異なるサイズに変動させることができる。また、スポットサイズを変調して、異なる変調周期及びデューティサイクルを有する２つ以上の異なるサイズを繰り返して、レーザシステムビーム８１６の平均パワーを変化させることができる。

図９は、１つ又は２つ以上のポンプモジュール９０４において直列的に位置させた（典型的にいくつかの）１つ又は２つ以上のポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの光出力９０１Ａ、９０１Ｂを制御する、レーザポンプ制御装置システム９００を示す。光出力９０１Ａ、９０１Ｂを使用して、いわゆるダイレクトダイオードレーザシステムなどのレーザシステムにおいて、レーザシステム処理ビームを直接生じさせること、又はレーザシステム加工ビーム（例えば、ファイバレーザ、固体レーザ、ディスクレーザ、その他）を生じさせるために他の利得媒体をポンプすることができる。ＡＣ／ＤＣ電源９０６は、光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生じさせるために、電流をポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂに提供する。ＦＰＧＡ ９０８又は他の類似するコントローラデバイス（例えば、ＰＬＣ、ＰＬＤ、ＣＰＬＤ、ＰＡＬ、ＡＳＩＣ、その他）は、ＤＡＣ ９１０へのデジタル出力９０９を生じさせるように位置され、該デジタル出力は、対応するポンプダイオード光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生成するように、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの所望のポンプ電流に対応する。ＤＡＣ ９１０は、ＦＰＧＡからのデジタル出力を、対応する電圧を有し、また、ポンプ電流を生成するためにＡＣ／ＤＣ電源９０６によって受信されるＤＡＣ出力９１１Ａに変換する。

複数の追加的なＤＡＣ出力９１１Ｂ～９１１Ｄは、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂによって受信されるポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を選択するように位置させた信号マルチプレクサ９１２に結合される。信号マルチプレクサ９１２は、ＲＣ回路キャパシタＣ、及びポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂからの光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生成するポンプ電流を制御するように位置させた１つ又は２つ以上の電流制御回路９１４に結合される。例えば、ＤＡＣ出力９１１Ｂに結合された抵抗器Ｒ_Ｂは、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂのより長いポンプ電流立ち上がり時間と関連付けることができ、抵抗器Ｒ_Ｃは、より短いポンプ電流立ち上がり時間と関連付けることができ、抵抗器Ｒ_Ｄは、適切なポンプ電流立ち下がり時間と関連付けることができる。立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、典型的に、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂにおいて非対称であり、よって、立ち上がり及び立ち下がりと関連付けられた異なる選択可能な抵抗値を有し、また、抑制されたオーバーシュート又はアンダーシュートを有するより短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間などの向上した応答を生じる。いくつかの例では、デジタル変調によっても変動させることができ、また、向上した立ち上がり時間、立ち下がり時間
、オーバーシュート、及びアンダーシュート光応答特性を生じる、調整可能な抵抗値を可能にするように、デジポットなどの可変抵抗器が使用される。シリアルバス９１６は、異なる立ち上がり時間と立ち下がり時間との間で切り換え、ポンプ電流をデジタル変調するように、デジタル変調コマンドを、ＦＰＧＡ ９０８からマルチプレクサ９１２に通信することができる。

電流制御回路９１４は、電流検知抵抗器９１７に結合された１つ又は２つ以上のＦＥＴ
９１５と、制御フィードバックを提供し、ＦＰＧＡ ９０８から現在の設定点を受信する１つ又は２つ以上の演算増幅器９１９とを含むことができる。複数の電流制御回路９１４を並列的に含むことで、電流制御回路９１７のそれぞれのＦＥＴ ９１５全体にわたる熱を拡散及び消散させて、電流制御の精度及び信頼性を向上させることができる。典型的な例において、ポンプダイオード９０２Ａは、ポンプダイオード９０２Ｂと異なる順電圧を有する。したがって、ＦＥＴ全体にわたる電圧降下は、一連のポンプダイオードの間で変動することになる。ＡＣ／ＤＣ電源９０６は、一定の又は一貫した熱放散に対応する適切なＦＥＴ電圧を維持するように位置させることができる。ＦＥＴ ９１５全体にわたる熱放散が分割され、制限されるので、電流制御回路９１４の関連付けられた電子効率及び信頼性が向上する。更に、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの光出力９０１Ａ、９０１Ｂの全体的な応答時間に寄与する電流制御回路９１７の電流制御応答特性が向上し、抵抗器Ｒ_Ｂ、Ｒ_Ｃ、Ｒ_Ｄ、及びより高いデジタル変調周波数と関連付けられた、より短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間を可能にする。並列の電流制御回路９１４によって電流を割り当てることはまた、より正確である電流検知抵抗器９１７の電流センサの抵抗器値の選択も可能にし、電流制御回路９１４及び光出力９０１Ａ、９０１Ｂの応答特性を更に向上させる。ＤＡＣ ９１０からの高速サンプリングレートによって、及び電流制御回路９１４の向上した応答特性によって、レーザダイオードの電流を高速に切り換える又は変動させることができる。いくつかの例では、１００μｓ、５０μｓ、２０μｓ、１０μｓ、又は５μｓ未満などの短い変調周期を含む、５０μｓ、２０μｓ、１０μｓ、５μｓ、又は２．５μｓ以下の光出力９０１Ａ、９０１Ｂの立ち上がり時間及び立ち下がり時間が達成される。

いくつかの実施形態において、ＦＰＧＡ ９０８は、信号調整器及びＡＤＣ（図示せず）を通過した外部源からのアナログ入力９１８から、アナログ信号を受信する。自動化システム、コンピュータ、コンピュータメモリ若しくはデータファイル、手動制御、グラフィカルユーザインターフェースの入力、その他などの外部源は、所望のレーザシステムパワーレベルに基づいて、アナログ信号を提供するように構成される。次いで、所望のレーザシステムパワーレベルを達成するために、レーザシステムを光出力９０１Ａ、９０１Ｂによってポンプすることができる。ＦＰＧＡ ９０８はまた、アナログ信号及びアナログ信号を提供する外部源と関連付けることができるゲート入力９２０から、ゲート信号を受信することもできる。ゲート信号は、対応するレーザシステムビームをオン及びオフするように、典型的に、デジタルであり、また、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂのオン及びオフコマンドを提供するように構成することができる。また、ゲート信号及びアナログ信号を使用して、光出力９０１Ａ、９０１Ｂの任意の波形を生じさせることもできる。典型的な例において、アナログ信号及びゲート信号は、レーザシステムビームが標的全体にわたって走査されて、異なるパワーレベル及び標的の異なる場所で標的の材料を選択的に加熱し、加工するようにする協調される。パルスプロファイル信号入力９２２からのパルスプロファイルはまた、外部源を提供して、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂから生成されるレーザシステムビームの様々な特徴を選択するように、ＦＰＧＡ ９０８に結合させることもできる。パルスプロファイル情報は、ローカル又はリモートにメモリに記憶することができ、又は外部源からの信号として提供することができる。例えば、レーザシステムビームの繰り返し速度、パワーレベル、その他と共に、異なる立ち上がり時間及び立ち下がり時間をポンプ電流について選択することができる。

フルエンス変調信号は、フルエンス変調入力９２４から受信され、該フルエンス変調入力はまた、ＦＰＧＡ ９０８にも結合され、また、アナログ信号、ゲート信号、及びパルスプロファイルと協調させることもでき、又は別個とすることができる。フルエンス変調信号は、標的に送達されているレーザシステムビームと関連付けられたフルエンスの逸脱を修正するために提供することができる。例えば、アナログ入力は、例えば典型的に高周波アナログ信号と関連付けられたノイズの増加のため、制限された帯域幅を有する場合があり、又は帯域幅は、スキャナなどの他のレーザシステム構成要素、又は行われているレーザ加工のダイナミクスに関連して適切でない場合がある。光出力９０１Ａ、９０１Ｂによって生じたレーザシステムビームによるレーザ処理中に、標的において所望のフルエンスを達成するために、ポンプ電流をデジタル変調することによって、フルエンス変調信号を使用して、帯域幅が制限されたアナログ信号又は対応する帯域幅が制限されたレーザシステムの性能を補償することができる。例えば、走査速度が減少したときに、フルエンス変調信号は、ＦＰＧＡ ９０８によって受信することができ、ＦＰＧＡ ９０８は、標的における所望のフルエンスの修正を生じさせるように、シリアルバス９１６を通じてマルチプレクサ９１２を方向付けて、変調させることができる。

例示された実施形態を参照して開示された技術の原理を説明し、図示したが、例示された実施形態はそのような原理から逸脱することなく構成及び詳細に関して変更することができる。例えば、例示された実施形態の要素は、ソフトウェア又はハードウェアにおいて実装され得る。また、任意の例からの技術は、他の例のうちの任意の１つ又は２つ以上で記載された技術と組み合わせることができる。例示された例を参照して記載されたようないくつかの手順及び機能は、単一ハードウェア又はソフトウェアモジュールにおいて実装され得て、あるいは別個のモジュールが提供できることが理解されよう。上記特定の構成は、便宜上の図示のために提供されており、他の構成も使用可能である。

開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を鑑みて、図示された実施形態は代表的な例に過ぎず、本開示の範囲を限定するものではないことを認識するべきである。これらのセクションで特別に言及された代替は、単なる例示であり、本明細書に記載された実施形態の全ての可能な代替を構成するものではない。例えば、本明細書に記載されたシステムの様々な構成要素は、機能及び使用において組み合わせられてもよい。したがって、添付の特許請求の範囲内と趣旨にある全てを請求する。

Claims (22)

1. レーザ加工の方法であって、
   可変走査速度で走査経路に沿って連続波レーザビームを標的に方向付けるステップと、
   前記連続波レーザビームの連続波レーザビーム出力パワーのデジタル変調を調整するステップであって、
   前記デジタル変調が、前記走査経路に沿った前記連続波レーザビームの移動中に、実質的にゼロの連続波レーザビームパワーを有する第１デジタル変調パワーレベルと、ゼロを超える所定のレーザビームパワーを有する第２デジタル変調パワーレベルとの間で交互に行うことを含み、
   前記デジタル変調の調整が、前記連続波レーザビームの出力パワーを交互にするデューティサイクル及び／又は変調周期を変更することによって提供され、また、前記標的におけるフルエンスを、前記走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で提供するように、前記可変走査速度に対して提供される、ステップと、を含み、
   前記標的が金属粉末を含み、前記連続波レーザビームが前記金属粉末を選択的に溶融させて３Ｄ物体を形成する、方法。
2. 前記レーザビームパワーの立ち上がり時間が５０μｓ以下となるように、且つ前記レーザビームパワーの立ち下がり時間が５０μｓ以下となるように、前記デジタル変調が選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記デジタル変調を調整する前記ステップが、走査速度の減少に対応するようにレーザビーム平均パワーを減少させると共に、走査速度の増加に対応するようにレーザビーム平均パワーを増加させる、請求項１に記載の方法。
4. 前記所定のフルエンス範囲が、前記標的と関連付けられた、材料加工固有の高及び低フルエンス閾値を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記走査経路に沿って前記標的において特徴をレーザパターニングするステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記可変走査速度に基づいて、前記連続波レーザビームのアナログ変調を調整するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記可変走査速度及び前記所定のフルエンス範囲と関連付けられた走査速度の少なくとも１つの変化に対応する、レーザビームデジタル変調の変化を判定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 請求項１記載の方法において、前記走査経路に沿って前記連続波レーザビームを前記標的に方向付ける前記ステップが、
   前記標的における可変スポットサイズを前記連続波レーザビームに提供するように、ズームビームエキスパンダによって前記連続波レーザビームの幅を調整するステップと、
   ｚ軸集束調整光学システム及びガルバノメーター走査システムを有する３Ｄ走査システムによって、前記ズームビームエキスパンダから前記連続波レーザビームを受けるステップと、
   前記標的において前記走査経路に沿って前記可変スポットサイズを有する前記連続波レーザビームを走査するステップと、
   を含む、方法。
9. 前記フルエンスが、前記可変スポットサイズを変動させ、前記デジタル変調を調整することによって、前記所定のフルエンス範囲内で提供される、請求項８に記載の方法。
10. 前記連続波レーザビームの前記幅を調整する前記ステップが、前記標的の共通平面における異なる幅の特徴に基づく、請求項８に記載の方法。
11. 前記３Ｄ走査システムによって受ける前記連続波レーザビームの前記幅の調整の範囲全体にわたり、前記連続波レーザビームが、前記所定のフルエンス範囲と関連付けられた集束範囲内で前記標的において集束される、請求項８に記載の方法。
12. 前記所定のフルエンス範囲が、前記走査経路に沿って変動する、請求項１に記載の方法。
13. 前記デジタル変調を調整する前記ステップが、前記レーザビームパワーが変化して前記所定のフルエンス範囲の変動に対応するように、前記走査経路の一定速度部分の間に前記デジタル変調を調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
14. レーザ加工のための装置であって、
    連続波レーザビームを放射するように配置されたレーザ源と、
    前記連続波レーザビームを受け、標的に向けて走査平面内の走査経路に沿って前記連続波レーザビームを方向付けるように配置された３Ｄスキャナと、
    前記連続波レーザビームの出力パワーのデジタル変調を少なくとも部分的に調整することによって、レーザビーム走査速度が前記走査経路に沿って前記走査平面で変化したときに所定のフルエンス範囲にある、前記走査経路に沿った前記走査平面におけるフルエンスを生じさせるように、前記レーザ源に結合されたレーザ源デジタル変調器であって、
    前記デジタル変調が、実質的にゼロの連続波レーザビームパワーを有する第１デジタル変調パワーレベルと、ゼロを超える所定のレーザビームパワーを有する第２デジタル変調パワーレベルとの間で交互に行うことを含み、
    前記デジタル変調の調整が、前記連続波レーザビームの出力パワーを交互にするデューティサイクル及び／又は変調周期を変更することによって提供される、
    レーザ源デジタル変調器と、を備え、
    前記標的が金属粉末を含み、前記連続波レーザビームが前記金属粉末を選択的に溶融させて３Ｄ物体を形成する、装置。
15. 前記レーザ源から前記連続波レーザビームを受け、且つ前記３Ｄスキャナによって受ける前記連続波レーザビームの幅を変化させて、前記走査平面内の前記連続波レーザビームの集束レーザスポットのサイズを変化させるように配置された、ズームビームエキスパンダを更に備える、請求項１４に記載の装置。
16. 前記レーザ源デジタル変調器が、５０μｓ以下の前記連続波レーザビームの変調立ち上がり時間及び５０μｓ以下の前記連続波レーザビームの変調立ち下がり時間を有するデジタル変調信号に基づいて、２つ以上のパワーレベルの間で前記連続波レーザビームをデジタル変調するように配置された、請求項１４に記載の装置。
17. 前記レーザ源に結合されると共に、アナログ信号に基づいて２以上のパワーレベルの間で前記連続波レーザビームを変調させるように配置されたアナログ変調器を更に備える、請求項１４に記載の装置。
18. 請求項１４に記載の装置であって、更に、
    前記レーザ源のそれぞれのポンプビームを生じさせるように配置された１つ以上のポンプダイオードを備え、
    前記レーザ源デジタル変調器が立ち上がり－立ち下がり変調回路を含み、該立ち上がり－立ち下がり変調回路が、並列に配設されると共に、前記１つ以上のポンプダイオードと関連付けられた電流を制御するように配置された複数の電流制御回路を含んで、それぞれ５０μｓ以下となる、前記それぞれのポンプビームの光出力パワーの立ち上がり時間及び立ち下がり時間を生じさせる、装置。
19. 前記立ち上がり時間及び立ち下がり時間が、それぞれ５μｓ以下である、請求項１８に記載の装置。
20. レーザ加工の方法であって、
    集束フィールドにおいて標的に向けて連続波レーザビームを集束させるステップと、
    Ｘ－Ｙ走査経路に沿って、前記集束させた連続波レーザビームを可変Ｘ－Ｙ速度で走査するステップと、
    前記Ｘ－Ｙ走査経路に沿って前記標的によって受けるレーザビーム平均パワーを調整するように、且つ前記可変Ｘ－Ｙ速度の変動に対して前記標的と関連付けられた１つ以上のレーザ加工閾値を上回るか、又は下回る所定のフルエンス範囲にあるフルエンスを前記標的に提供するように、前記連続波レーザビームの出力パワーのデジタル変調を、前記Ｘ－Ｙ走査経路に沿った走査移動中に調整するステップであって、
    前記デジタル変調が、前記Ｘ－Ｙ走査経路に沿った前記連続波レーザビームの移動中に、実質的にゼロの連続波レーザビームパワーを有する第１デジタル変調パワーレベルと、ゼロを超える所定のレーザビームパワーを有する第２デジタル変調パワーレベルとの間で交互に行うことを含み、
    前記デジタル変調の調整が、前記連続波レーザビームの出力パワーを交互にするデューティサイクル及び／又は変調周期を変更することによって提供される、ステップと、を含み、
    前記標的が金属粉末を含み、前記連続波レーザビームが前記金属粉末を選択的に溶融させて３Ｄ物体を形成する、方法。
21. レーザ加工の方法であって、
    可変走査速度で走査経路に沿って連続波レーザビームを標的に方向付けるステップと、
    前記可変走査速度及び所定のフルエンス範囲と関連付けられた走査速度の少なくとも１つの変化に対応する、レーザビームデジタル変調の変化を判定するステップと、
    前記連続波レーザビームの連続波レーザビーム出力パワーのデジタル変調を調整するステップであって、
    前記デジタル変調が、前記走査経路に沿った前記連続波レーザビームの移動中に、実質的にゼロの連続波レーザビームパワーを有する第１デジタル変調パワーレベルと、ゼロを超える所定のレーザビームパワーを有する第２デジタル変調パワーレベルとの間で交互に行うことを含み、
    前記デジタル変調の調整が、前記標的におけるフルエンスを、前記走査経路に沿って前記所定のフルエンス範囲内で提供するように、前記可変走査速度に対して提供される、ステップと、を含み、
    前記標的が金属粉末を含み、前記連続波レーザビームが前記金属粉末を選択的に溶融させて３Ｄ物体を形成する、方法。
22. レーザ加工の方法であって、
    可変走査速度で走査経路に沿って連続波レーザビームを標的に方向付けるステップと、
    前記標的におけるフルエンスを、前記走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で提供するように、前記走査経路に沿った前記連続波レーザビームの移動中に、前記可変走査速度に対して、レーザビームパワーのデジタル変調を調整するステップであって、
    前記デジタル変調が、前記走査経路に沿った前記連続波レーザビームの移動中に、実質的にゼロの連続波レーザビームパワーを有する第１デジタル変調パワーレベルと、ゼロを超える所定のレーザビームパワーを有する第２デジタル変調パワーレベルとの間で交互に行うことを含み、
    前記デジタル変調の調整が、前記連続波レーザビームの出力パワーを交互にするデューティサイクル及び／又は変調周期を変更することによって提供される、ステップと、を含み、
    前記所定のフルエンス範囲が、前記走査経路に沿って変動し、
    前記標的が金属粉末を含み、前記連続波レーザビームが前記金属粉末を選択的に溶融させて３Ｄ物体を形成する、方法。

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