JP7354060B2 - Rotating beam symmetrizer - Google Patents

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Description

関連出願
この出願は、2019年6月20日に出願された米国仮特許出願第62/864,333号に対して、35U.S.C.§119に基づいて、優先権を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
RELATED APPLICATIONS This application is filed at 35U. S. C. §119, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

技術分野
本開示は、回転光ビームの提供と関連する光学装置に関し、より詳細には、第1の空間回転方向を有する光パワーおよび第2の空間回転方向の光パワーを有する双方向回転光ビームを提供するための光学装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to optical devices associated with providing rotating light beams, and more particularly to bidirectional rotating light beams having optical power having a first direction of spatial rotation and optical power in a second direction of spatial rotation. The present invention relates to an optical device for providing.

光ビームのビームプロファイルは、光ビームを使って実行される材料加工に関連する加工性能に大きな影響を与える。例えば、環状ビームプロファイルを有する光ビームは、表面に沿ってビームを走査することで改善された金属切断、溶接、および/または他のタイプの材料加工を可能にする。場合によっては、環状ビーム形状を有する光ビームは、光ファイバ内で(すなわち、自由空間光学系なしで)生成され得る。そのような場合、生成された光ビームは回転光ビーム(すなわち、光ファイバ内を螺旋方向に伝播する光ビーム)であり、光ファイバを出た後も環状ビーム形状を有する光ビームを提供する。この光ビームの回転特性は(たとえば、光ビームが光ファイバから出るとき)維持され得るため、光ファイバからワークピースに投影されたレーザスポットは、鋭いエッジを有し、高いビーム品質を有する環状ビームプロファイルを示す。したがって、環状ビーム形状を有する光ビームを生成することができ、それにより、材料加工の向上を促進することができる。 The beam profile of a light beam has a significant impact on the processing performance associated with material processing performed using the light beam. For example, a light beam with an annular beam profile enables improved metal cutting, welding, and/or other types of material processing by scanning the beam along a surface. In some cases, a light beam with an annular beam shape may be generated within an optical fiber (ie, without free space optics). In such cases, the light beam produced is a rotating light beam (i.e., a light beam propagating helically within the optical fiber), providing a light beam that still has an annular beam shape after exiting the optical fiber. This rotational property of the light beam can be maintained (e.g. when the light beam exits the optical fiber), so that the laser spot projected from the optical fiber onto the workpiece is an annular beam with sharp edges and high beam quality. Show profile. Therefore, a light beam having an annular beam shape can be generated, thereby facilitating improved material processing.

いくつかの可能な実装によれば、光学装置は、一方向回転光ビームを第1の偏光状態を有する第1の回転光ビームと第2の偏光状態を有する第2の回転光ビームとに分割する偏光分割器を含むことができ、前記一方向回転光ビームおよび前記第2の回転光ビームは、第1の空間回転方向を有する光パワーを有すること、前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせることに関連して前記第1の回転光ビームのパリティを反転させる反射要素を含むことができ、前記第2の空間回転方向は前記第1の空間回転方向と反対の空間回転方向であること、および前記第1の回転光ビームのパリティの反転後、前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームを結合して、前記第1の偏光状態と前記第2の偏光状態を有する双方向回転光ビームを生成する偏光結合器を含むことができ、前記双方向回転光ビームは前記第1の空間回転方向を有する光パワーおよび前記第2の空間回転方向を有する光パワーを有すること、を特徴とする。 According to some possible implementations, the optical device splits the unidirectionally rotated light beam into a first rotated light beam having a first polarization state and a second rotated light beam having a second polarization state. the unidirectionally rotated light beam and the second rotated light beam have optical powers having a first spatial rotation direction; the optical power of the first rotated light beam; a reflective element that inverts the parity of the first rotating light beam in conjunction with having a second spatial rotation direction, the second spatial rotation direction being the first spatial rotation direction. and after inversion of the parity of the first rotated light beam, the first rotated light beam and the second rotated light beam are combined to obtain the first polarization state. and a polarization coupler that generates a bidirectionally rotated light beam having a polarization state and a polarization state of the bidirectionally rotated light beam, the bidirectionally rotated light beam having an optical power having the first spatial rotation direction and the second spatial rotation state. It is characterized by having optical power having a rotational direction.

いくつかの可能な実装によれば、方法は、一方向回転光ビームを、第1の偏光状態を有する第1の回転光ビームと第2の偏光状態を有する第2の回転光ビームとに分割するステップを含むことができ、前記一方向の回転光ビームおよび前記第2の回転光ビームは、第1の空間回転方向を有する光パワーを有すること、前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせるステップを含むことができ、前記第2の空間回転方向は前記第1の空間回転方向と反対の空間回転方向であること、および前記第1の回転光ビームの光パワーに前記第2の空間回転方向を持たせた後に、前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームを結合して、前記第1の偏光状態および前記第2の偏光状態を有する双方向回転光ビームを生成するステップを含むことができ、前記双方向回転光ビームは前記第1の空間回転方向を有する光パワーおよび前記第2の空間回転方向を有する光パワーを有すること、を特徴とする。 According to some possible implementations, the method splits a unidirectionally rotated light beam into a first rotated light beam having a first polarization state and a second rotated light beam having a second polarization state. the unidirectional rotating light beam and the second rotating light beam have optical powers having a first spatial rotational direction; having a second spatial rotation direction, the second spatial rotation direction being an opposite spatial rotation direction to the first spatial rotation direction; After imparting the optical power with the second spatial rotation direction, the first rotating optical beam and the second rotating optical beam are combined to obtain the first polarization state and the second polarization state. generating a bi-directionally rotating light beam having an optical power having the first direction of spatial rotation and an optical power having the second direction of spatial rotation; It is characterized by

いくつかの可能な実装によれば、システムは、第1の空間回転方向を有する光パワーを有する入力回転光ビームを受け取る光入力部を含むことができ、前記入力回転光ビームを、第1の回転光ビームと第2の回転光ビームに分割する分割器を含むことができ、前記第1回転光ビームは第1の直線偏光状態を有し、前記第2の回転光ビームは第2の直線偏光状態および前記第1の光空間回転方向を有する光パワーを有し、前記第1の直線偏光状態および前記第2の直線偏光状態は直交直線偏光状態であること、前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせる一組の反射器を含むことができ、前記第2の空間回転方向は、前記第1の空間回転方向と反対の空間回転方向であること、および前記第1の回転光ビームおよび前記第2の回転光ビームを受信して出力回転光ビームを出力する結合器を含むことができ、前記出力回転光ビームは、前記第1の直線偏光状態および前記第2の直線偏光状態を有すること、および前記出力回転光ビームは、前記第1の空間回転方向の光パワーと前記第2の空間回転方向の光パワーを有すること、を特徴とする。 According to some possible implementations, the system can include an optical input that receives an input rotated light beam having an optical power having a first spatial rotation direction, the input rotated light beam having a first spatial rotation direction. and a splitter for splitting into a rotating light beam and a second rotating light beam, the first rotating light beam having a first linear polarization state and the second rotating light beam having a second linear polarization state. the first rotated optical beam having an optical power having a polarization state and a first optical spatial rotation direction, wherein the first linear polarization state and the second linear polarization state are orthogonal linear polarization states; a set of reflectors that cause the optical power of the reflector to have a second spatial rotation direction, the second spatial rotation direction being an opposite spatial rotation direction to the first spatial rotation direction; and a combiner that receives the first rotated light beam and the second rotated light beam and outputs an output rotated light beam, the output rotated light beam having the first linear polarization state and The output rotating light beam has the second linear polarization state, and the output rotating light beam has an optical power in the first spatial rotation direction and an optical power in the second spatial rotation direction.

ワークピースを切断するレーザビームの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a laser beam cutting a workpiece. 一方向回転光ビームを使用して材料加工を実行する場合の異なる切断面相互作用を示す図である。FIG. 4 illustrates different cut plane interactions when performing material processing using a unidirectional rotating light beam; 本明細書で説明される、一方向回転光ビームを双方向回転光ビームに変換し得る回転ビーム対称化装置の例示的な実施形態を示す図である。FIG. 2 illustrates an example embodiment of a rotating beam symmetrizer described herein that may convert a unidirectional rotating light beam to a bidirectional rotating light beam. 双方向回転光ビームの部分間の空間オフセットの説明と関連する図である。FIG. 4 is a diagram associated with an illustration of spatial offsets between portions of a bidirectionally rotating light beam; 本明細書で説明される、双方向回転光ビーム内の第1の偏光状態と第2の偏光状態との間に空間オフセットを導入し得る回転ビーム対称化装置の例示的な実施形態を示す図である。FIG. 2 illustrates an example embodiment of a rotating beam symmetrizer described herein that may introduce a spatial offset between a first polarization state and a second polarization state in a bidirectional rotating light beam. It is. 本明細書で説明される、一方向回転光ビームを双方向回転光ビームに変換する例示的なプロセスのフローチャートである。1 is a flowchart of an example process for converting a unidirectionally rotating light beam into a bidirectionally rotating light beam as described herein.

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照するものである。異なる図面において、同じ参照番号は、同一もしくは類似の要素を示し得る。 The following detailed description of exemplary embodiments refers to the accompanying drawings. The same reference numbers may indicate the same or similar elements in different drawings.

上述したように、回転光ビームは、金属切断、溶接、および/または他のタイプの材料加工などの用途で使用することができ、この加工処理ではビームが表面に沿って走査される。一方向回転光ビーム(つまり、1つの主空間回転方向を有する光パワーを有するビーム)が使用される場合、走査方向が光回転方向と整列するか反対であるかに応じて、走査の2つの対向側面でのレーザと材料の相互作用が異なり得る。したがって、一方向回転光ビームを加工材料の両対向則面と相互作用する双方向回転ビーム(つまり、第1の空間回転方向を有する光パワーと第2(反対)の空間回転方向を有する光パワーを持つビーム回転)に変換する必要があり得る。 As mentioned above, rotating light beams can be used in applications such as metal cutting, welding, and/or other types of material processing, where the beam is scanned along a surface. If a unidirectionally rotating light beam (i.e. a beam with optical power that has one principal spatial rotation direction) is used, the two directions of scanning are The laser-material interaction on opposite sides may be different. Therefore, a unidirectionally rotating light beam is transformed into a bidirectionally rotating beam that interacts with the bi-opposing law plane of the processed material (i.e., an optical power having a first spatial rotational direction and an optical power having a second (opposite) spatial rotational direction). beam rotation).

レーザビームがワークピースの1つの表面に衝突し、ワークピースを貫通する、レーザ切断の例を考える。図1Aは、ワークピースを切断するレーザビームの例を示している。図1Aでは、ワークピースに切断部を生成するためにレーザビームが(例えば、レーザおよび/またはワークピースを移動させることによって)ワークピースに対して走査される。ここでは、ビームの側面が、加工中の材料の切断面と相互作用する。レーザビームが一方向回転光ビームである場合、空間回転は、スキャンの方向と関連して、2つの切断面がレーザビームと異なる相互作用を生じさせる可能性がある。図1Bは、一方向回転光ビームによって材料加工が実行されるときの異なる切断面の相互作用の概略図である。 Consider the example of laser cutting, where the laser beam impinges on one surface of the workpiece and passes through the workpiece. FIG. 1A shows an example of a laser beam cutting a workpiece. In FIG. 1A, a laser beam is scanned across a workpiece (eg, by moving the laser and/or the workpiece) to create a cut in the workpiece. Here, the sides of the beam interact with the cut surface of the material being processed. If the laser beam is a unidirectionally rotating light beam, the spatial rotation can cause the two cut planes to interact differently with the laser beam in relation to the direction of scanning. FIG. 1B is a schematic diagram of the interaction of different cutting planes when material processing is performed by a unidirectional rotating light beam.

図1Bに示される例では、レーザビームは時計回りに回転しており、ワークピースに対して左から右に走査されている。側面A(図1Bに示す上部切断面)に対して、回転方向とスキャン方向は整列するが、側面B(図1Bに示す下部切断面)に対して、回転方向とスキャン方向は反対である。したがって、切断品質、表面仕上げ、達成可能な切断速度などが側面Aと側面Bで異なる可能性があり、一方または他方の方が望ましいことがある。どちらの向きが望ましいかは、材料の種類、材料の厚さ、レーザの出力、アシストガスの使用、切断速度、および/または1つ以上の他の要因によって異なり得る。材料加工の柔軟性を向上させるには、回転光ビームの望ましい特性を維持するとともに、加工中にレーザビームの両側で材料と大きく異なる相互作用をしないレーザビームを使用するのが有利であり得る。 In the example shown in FIG. 1B, the laser beam is rotating clockwise and being scanned from left to right across the workpiece. For side A (the upper cut plane shown in FIG. 1B), the rotation direction and the scan direction are aligned, but for side B (the lower cut plane shown in FIG. 1B), the rotation direction and the scan direction are opposite. Therefore, the cut quality, surface finish, achievable cutting speed, etc. may be different between side A and side B, and one or the other may be more desirable. Which orientation is desirable may depend on the type of material, the thickness of the material, the power of the laser, the use of assist gas, the cutting speed, and/or one or more other factors. To improve the flexibility of material processing, it may be advantageous to maintain the desirable properties of a rotating light beam and use a laser beam that does not interact significantly differently with the material on either side of the laser beam during processing.

本明細書に記載のいくつかの実施形態は、一方向回転光ビームを一部の光パワーが一方向に回転し、一部の光パワーが反対方向に回転する双方向回転光ビームに変換することができる回転ビーム対称化装置を提供する。 Some embodiments described herein convert a unidirectionally rotating light beam into a bidirectionally rotating light beam where some optical power is rotated in one direction and some optical power is rotated in the opposite direction. A rotating beam symmetrization device capable of

図2は、一方向回転光ビームを双方向回転光ビームに変換することができる回転ビーム対称化装置200の例示的な実施形態の図である。図2に示すように、回転ビーム対称化装置200は、偏光分割器202、反射要素204、偏光結合器206、および偏光変換器208を備える光学装置を含み得る。ここで、一方向回転光学ビーム250は、第1方向の空間回転を有する光パワーを有し得る(例えば、一方向回転光ビーム250は、第1方向の空間回転を有する一方向回転光ビームであってよい)。 FIG. 2 is an illustration of an exemplary embodiment of a rotating beam symmetrizer 200 that can convert a unidirectional rotating light beam to a bidirectional rotating light beam. As shown in FIG. 2, the rotating beam symmetrizer 200 may include an optical device comprising a polarization splitter 202, a reflective element 204, a polarization combiner 206, and a polarization converter 208. Here, the unidirectionally rotated optical beam 250 may have an optical power with a spatial rotation in a first direction (e.g., the unidirectionally rotated optical beam 250 is a unidirectionally rotated optical beam with a spatial rotation in a first direction). ).

偏光分割器202は、一方向回転光ビーム250を、第1の偏光状態を有する第1の回転光ビーム252-1と、第2の偏光状態を有する第2の回転光ビーム252-2とに分割する光学要素を含む。 Polarization splitter 202 splits unidirectionally rotated light beam 250 into a first rotated light beam 252-1 having a first polarization state and a second rotated light beam 252-2 having a second polarization state. Contains a dividing optical element.

いくつかの実施形態では、偏光分割器202は、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2がほぼ等しい光パワー(たとえば、5%~10%未満の差の光パワー)を有するように、一方向回転光ビーム250をほぼ半分に分割することができる。あるいは、いくつかの実装形態では、偏光分割器202は、第1の回転光ビーム252-1とび第2の回転光ビーム252-2がほぼ等しい光パワーにならないように、一方向回転光ビーム250を分割してもよい。 In some embodiments, the polarization splitter 202 is configured such that the first rotated light beam 252-1 and the second rotated light beam 252-2 have approximately equal optical power (e.g., a difference of less than 5% to 10%). The unidirectionally rotating optical beam 250 can be split approximately in half so that the optical beam 250 has a high power. Alternatively, in some implementations, the polarization splitter 202 divides the unidirectionally rotated light beam 250 such that the first rotated light beam 252-1 and the second rotated light beam 252-2 are not of approximately equal optical power. may be divided.

いくつかの実装形態では、第1の回転光ビーム252-1および第2の回転光ビーム252-2は、直線偏光ビーム(例えば、s偏光およびp偏光を有する)であってよい。いくつかの実装形態では、第1の偏光状態は第1の直線偏光であり、第2の偏光状態は第2の直線偏光であり、第1の直線偏光および第2の直線偏光は直交直線偏光であってよい。あるいは、いくつかの実装形態では、第1の偏光状態は第1の非直線偏光(たとえば、円偏光、楕円偏光)であり、第2の偏光状態は第2の非線形偏光であり、第1の非直線偏光と第2の非直線偏光は直交非直線偏光であってよい。 In some implementations, first rotating light beam 252-1 and second rotating light beam 252-2 may be linearly polarized beams (eg, having s-polarization and p-polarization). In some implementations, the first polarization state is a first linear polarization, the second polarization state is a second linear polarization, and the first linear polarization and the second linear polarization are orthogonal linear polarizations. It may be. Alternatively, in some implementations, the first polarization state is a first nonlinear polarization (e.g., circularly polarized, elliptically polarized light), the second polarization state is a second nonlinear polarization, and the first polarization state is a first nonlinear polarization. The non-linearly polarized light and the second non-linearly polarized light may be orthogonal non-linearly polarized light.

いくつかの実装形態では、一方向回転光ビーム250は非偏光であり得る。そのような場合には、偏光分割器202は、偏光分割器202を通過する際に、一方向回転光ビーム250のほぼ等しい2つの部分を自動的に生成することができる。あるいは、一方向回転光ビーム250は偏光または部分的に偏光されているものとすることができ、その場合には、一方向回転光ビーム250の偏光軸を偏光分割器202と整列させてほぼ等しい光パワーの2つの偏光ビームを生成することができる。例えば、一方向回転光ビーム250が直線偏光光ビームである場合には、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2に等しいパワーを生成するために、偏光軸を偏光分割器202の軸に対して約45度に配向する必要がある。しかしながら、偏光分割器202と偏光結合器206が反対方向を有する限り、偏光分割器202の任意の配向角を使用してもよい。いくつかの実装形態では、偏光分割器202は、第1の回転光ビーム252-1および第2の回転光ビーム252-2がほぼ等しい光パワーにならないように一方向回転光ビーム250を分割するように構成してもよい。 In some implementations, unidirectionally rotated light beam 250 may be unpolarized. In such a case, polarization splitter 202 can automatically generate two approximately equal portions of unidirectionally rotated light beam 250 as they pass through polarization splitter 202 . Alternatively, unidirectionally rotated light beam 250 may be polarized or partially polarized, in which case the polarization axis of unidirectionally rotated light beam 250 is aligned with polarization splitter 202 to be approximately equal. Two polarized beams of optical power can be generated. For example, if the unidirectionally rotated light beam 250 is a linearly polarized light beam, the polarization axis may be changed to produce equal powers in the first and second rotated light beams 252-1 and 252-2. It should be oriented at approximately 45 degrees to the axis of polarization splitter 202. However, any orientation angle of polarization splitter 202 may be used as long as polarization splitter 202 and polarization combiner 206 have opposite directions. In some implementations, polarization splitter 202 splits unidirectionally rotated light beam 250 such that first rotated light beam 252-1 and second rotated light beam 252-2 are not of approximately equal optical power. It may be configured as follows.

図2に示すように、偏光分割器202は、第1の回転光ビーム252-1を(例えば、反射によって)反射要素204への光路に向け、第2の回転光ビーム252-2を(例えば、透過によって)偏光結合器206への光路に向けることができる。ここで、偏光分割器202による反射の後で、反射要素204による反射の前に、第1の回転光ビーム252-1は、第2の空間回転方向(例えば、第1の空間回転方向と反対の空間回転方向)を有する光パワーを有するが、第2の回転光ビーム252の光パワーは、第1の空間回転方向を維持する。 As shown in FIG. 2, polarization splitter 202 directs a first rotated light beam 252-1 (e.g., by reflection) onto a path to reflective element 204 and a second rotated light beam 252-2 (e.g., by reflection). , through transmission) to a polarization coupler 206. Here, after reflection by polarization splitter 202 and before reflection by reflective element 204, first rotated light beam 252-1 is rotated in a second spatial rotation direction (e.g., opposite to the first spatial rotation direction). , while the optical power of the second rotating light beam 252 maintains the first spatial rotation direction.

反射要素204は、第1の回転光ビーム252-1のパリティを反転させるための光学要素を含む。例えば、反射要素204は、1つの反射器(例えば、高反射器(HR))、または任意の奇数の反射器を含み得る。図2に示されるように、第1の回転光ビーム252-1は、反射要素204によって反射され得る。ここで、第1の回転光ビーム252-1は、反射要素204による反射の後で、偏光結合器206による反射の前に、第1の空間回転方向を有する光パワーを再び有し得る。以下に述べるように、偏光結合器206による反射後、第1の回転光ビーム252-1(双方向回転光ビーム254を形成するために第2の回転光ビーム252-2と結合された後)は、第2の空間回転方向の光パワーを有することができる。ここで、回転ビーム対称化装置200によって提供される第1の回転光ビーム252-1の奇数回の反射(例えば、この例では3回の反射)は、回転光ビーム252-1のパリティを反転し、その結果、第1の回転光ビーム252-1の空間回転の方向は、第2の回転光ビーム252-2の空間回転の方向と反対である。 Reflective element 204 includes an optical element for inverting the parity of first rotating light beam 252-1. For example, reflective element 204 may include one reflector (eg, a high reflector (HR)) or any odd number of reflectors. As shown in FIG. 2, first rotating light beam 252-1 may be reflected by reflective element 204. Here, the first rotated light beam 252-1 may again have an optical power having a first spatial rotation direction after reflection by the reflective element 204 and before reflection by the polarization coupler 206. After reflection by polarization coupler 206, first rotated light beam 252-1 (after being combined with second rotated light beam 252-2 to form bidirectionally rotated light beam 254), as described below. can have optical power in the second spatial rotation direction. Here, an odd number of reflections (e.g., 3 reflections in this example) of the first rotating light beam 252-1 provided by the rotating beam symmetrizer 200 inverts the parity of the rotating light beam 252-1. As a result, the direction of spatial rotation of the first rotating light beam 252-1 is opposite to the direction of spatial rotation of the second rotating light beam 252-2.

いくつかの実装形態では、図2に示されるように、第2の回転光ビーム252-2は、偏光結合器206に真っ直ぐに(すなわち、反射なしで)向けることができる。したがって、偏光結合器206において、第2の回転光ビーム252-2は、第1の空間回転方向の光パワーを有し得る。あるいは、第2の回転光ビーム252-2は、偏光結合器206への光路上で偶数の反射器により反射させてよい。反射器からのすべての反射は、反射されるビームのパリティの反転を引き起こし、空間回転の方向の反転を引き起こす。ここで、第1の回転光ビーム252-1の光路は奇数のパリティ反転を有し、第2の回転光ビーム252-2の光路はゼロまたは偶数のパリティ反転を有するので、偏光結合器206において、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2は反対の空間回転方向を有する。 In some implementations, the second rotating light beam 252-2 can be directed straight into the polarization coupler 206 (ie, without reflections), as shown in FIG. 2. Therefore, in polarization coupler 206, second rotating optical beam 252-2 may have optical power in the first spatial rotation direction. Alternatively, the second rotating light beam 252-2 may be reflected by an even number of reflectors on the optical path to the polarization coupler 206. Every reflection from the reflector causes a reversal of the parity of the reflected beam, causing a reversal of the direction of spatial rotation. Here, the optical path of the first rotating optical beam 252-1 has an odd number of parity inversions, and the optical path of the second rotating optical beam 252-2 has a zero or an even number of parity inversions, so that in the polarization coupler 206 , the first rotating light beam 252-1 and the second rotating light beam 252-2 have opposite spatial rotation directions.

偏光結合器206は、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2を結合して、第1の偏光状態および第2の偏光状態を有する双方向回転光ビーム254を生成する光学要素を含む。ここで、第1の回転光ビーム252-1は、第2の回転光ビーム252-2との結合時の偏光結合器206による反射の後に、再び第2の空間回転方向を有する光パワーを有し得る。第1の回転光ビーム252-1は、第2の空間回転方向を有する光パワーを有し、第2の回転光ビーム252-2は、第1の空間回転方向を有する光パワーを有するので、双方向回転光ビーム254は、第1の空間回転方向を有する光パワーと第2の空間回転方向を有する光パワーを有する。いくつかの実装形態では、双方向回転光ビーム254は、第1および第2の空間回転方向のそれぞれにほぼ等しい光パワー部分を有し得るため、正味の回転の観点からほぼ対称であり得る。 Polarization coupler 206 combines first rotating light beam 252-1 and second rotating light beam 252-2 to produce bidirectionally rotating light beam 254 having a first polarization state and a second polarization state. Contains optical elements to generate. Here, the first rotating light beam 252-1 again has optical power having the second spatial rotation direction after being reflected by the polarization coupler 206 when combined with the second rotating light beam 252-2. It is possible. Since the first rotating light beam 252-1 has an optical power having a second spatial rotation direction, and the second rotating light beam 252-2 has an optical power having a first spatial rotation direction, Bidirectional rotating light beam 254 has optical power having a first spatial rotation direction and optical power having a second spatial rotation direction. In some implementations, bidirectionally rotating light beam 254 may have approximately equal optical power portions in each of the first and second spatial rotation directions, and thus may be approximately symmetrical in terms of net rotation.

いくつかの実施形態では、偏光結合器206での結合後に、双方向回転光ビーム254は、偏光に関して非対称性を有し得る。例えば、双方向回転光ビーム254の空間回転の1つの方向が1つの偏光に関連付けられ、双方向回転光ビーム254の空間回転の他の方向が別の偏光に関連付けられるため、双方向回転光ビーム254内に偏光非対称性が存在し得る。この非対称性は、たとえばスキャン方向が2つの偏光に対してどのように整列するかに応じて、ワークピース加工に差異を生じる可能性がある(たとえば、材料吸収率は偏光状態と方向に依存するため)。 In some embodiments, after combining at polarization coupler 206, bidirectionally rotated light beam 254 may have asymmetry with respect to polarization. For example, since one direction of spatial rotation of bidirectionally rotated light beam 254 is associated with one polarization and the other direction of spatial rotation of bidirectionally rotated light beam 254 is associated with another polarization, the bidirectionally rotated light beam Polarization asymmetry may exist within 254. This asymmetry can lead to differences in workpiece processing, depending for example on how the scan direction aligns with respect to the two polarizations (e.g. material absorption depends on polarization state and direction). For).

したがって、いくつかの実装形態では、回転ビーム対称化装置200は、偏光変換器208を含み得る。偏光変換器208は、例えば、1/4波長板を含み得る。いくつかの実装形態では、偏光変換器208は、双方向回転光ビーム254の第1の偏光状態を第3の偏光状態に変換し、双方向回転光ビーム254の第2の偏光状態を第4の偏光状態に変換する光学要素を含み得る。いくつかの実装形態では、第3の偏光状態および第4の偏光状態は、回転対称な直交偏光状態とし得る。いくつかの実装形態では、偏光変換器208は、第3の偏光状態および第4の偏光状態がワークピースに供給すべき最終偏光状態になるように1組の偏光感応光学要素を含み得る。 Accordingly, in some implementations, rotating beam symmetrizer 200 may include polarization converter 208. Polarization converter 208 may include, for example, a quarter wave plate. In some implementations, polarization converter 208 converts the first polarization state of bidirectionally rotating light beam 254 to a third polarization state and converts the second polarization state of bidirectionally rotating light beam 254 to a fourth polarization state. may include an optical element that converts the polarization state to that of the polarization state. In some implementations, the third polarization state and the fourth polarization state may be orthogonal polarization states that are rotationally symmetric. In some implementations, polarization converter 208 may include a set of polarization sensitive optical elements such that the third polarization state and the fourth polarization state are the final polarization states to be provided to the workpiece.

いくつかの実装形態では、偏光変換器208は、偏光結合器206の後の双方向回転光ビーム254の光路上に配置することができる。いくつかの実装形態では、偏光変換器208は偏光結合器206の軸に対して45度に配向されるように回転することができる。結果として、偏光結合器206から発する2つの直線偏光は、回転対称である円偏光に変換することができる。したがって、その結果得られる偏光変換された双方向回転光学ビーム256は、それぞれ独自の円偏光を有する2つの回転部分を含むため、完全な回転対称性を有する。すなわち、いくつかの実装形態では、第3の偏光状態と第4の偏光状態は反対の円偏光である。回転対称である楕円偏光などの他の偏光も考えられる。 In some implementations, polarization converter 208 can be placed in the optical path of bidirectionally rotated light beam 254 after polarization combiner 206. In some implementations, polarization converter 208 can be rotated to be oriented at 45 degrees with respect to the axis of polarization combiner 206. As a result, the two linearly polarized lights emanating from the polarization coupler 206 can be converted into circularly polarized lights that are rotationally symmetric. The resulting polarization-converted bidirectionally rotating optical beam 256 therefore has perfect rotational symmetry, since it includes two rotating parts, each with its own circular polarization. That is, in some implementations, the third polarization state and the fourth polarization state are opposite circular polarizations. Other polarizations are also possible, such as elliptical polarization, which is rotationally symmetric.

いくつかの実施形態では、偏光変換器208の45度の配向(たとえば、偏光変換器208が+45度または-45度に配向されているかどうか)に応じて、偏光変換された双方向回転光学ビーム256を構成する2つのビームの空間および偏光回転方向が整列するか、または反対になるように選択することができる。例えば、偏光変換器208の1つの配向で、時計回りの回転ビームは時計回りの円偏光を有することができ、反時計回りの回転ビームは反時計回りの円偏光を有することができる。偏光変換器208の反対の配向(すなわち、偏光変換器208の+/-90度の回転)により、時計回りの回転ビームは反時計回りの偏光を有し、反時計回りのビームは時計回りの偏光を有する。これらの2つのオプションは、本明細書では回転/偏光の整列または反整列と呼ぶ。したがって、いくつかの実装形態では、偏光変換器208は、第1の空間回転方向が第3の偏光状態の方向と整列し、第2の空間回転方向が第4の偏光状態の方向と整列するように配向することができる。あるいは、偏光変換器208は、第1の空間回転方向が第3の偏光状態の方向と反整列し、第2の空間回転方向が第4の偏光状態の方向と反整列するように配向することもできる。 In some embodiments, depending on the 45 degree orientation of polarization converter 208 (e.g., whether polarization converter 208 is oriented at +45 degrees or -45 degrees), the bidirectional rotating optical beam is polarization converted. The spatial and polarization rotation directions of the two beams making up 256 can be chosen to be aligned or opposite. For example, with one orientation of polarization converter 208, a clockwise rotating beam can have clockwise circular polarization and a counterclockwise rotating beam can have counterclockwise circular polarization. The opposite orientation of polarization converter 208 (i.e., +/-90 degree rotation of polarization converter 208) causes a clockwise rotating beam to have a counterclockwise polarization and a counterclockwise rotating beam to have a clockwise polarization. It has polarized light. These two options are referred to herein as rotation/polarization alignment or anti-alignment. Thus, in some implementations, polarization converter 208 has a first spatial rotation direction aligned with a third polarization state direction and a second spatial rotation direction aligned with a fourth polarization state direction. It can be oriented as follows. Alternatively, the polarization converter 208 may be oriented such that the first spatial rotation direction is counter-aligned with the direction of the third polarization state and the second spatial rotation direction is counter-aligned with the fourth polarization state direction. You can also do it.

これらのオプションは両方とも、走査方向に関して完全に対称であり、対称の加工結果を提供することができる。ただし、回転と偏光の両方がレーザビームとワークピースの相互作用に影響を与えるため、どちらか一方のオプション(回転/偏光整列または回転/偏光反整列)が、例えば、加工されている材料のタイプ、形状、レーザ出力などに応じて、優れた加工結果(例えば、加工速度、加工品質などに関して)を提供することができる可能性がある。 Both of these options are completely symmetrical with respect to the scanning direction and can provide symmetrical machining results. However, since both rotation and polarization affect the interaction of the laser beam with the workpiece, one or the other option (rotation/polarization alignment or rotation/polarization anti-alignment) may not be suitable for the type of material being processed, e.g. , depending on the shape, laser power, etc., it may be possible to provide excellent machining results (e.g., in terms of machining speed, machining quality, etc.).

いくつかの用途では、回転/偏光整列から回転/偏光反整列に変更するのが望ましい場合(例えば、同じ切断機で加工中の材料を別の材料に変更する場合、または1回の切断または他の加工処理中に動的に変更する場合)があり得る。したがって、いくつかの実施形態では、偏光変換器208の向きは、第1の空間回転の方向を第3の偏光状態の方向と、第2の空間回転の方向を第4の偏光状態の方向と選択的に整列または反整列させることに関連して調整可能とすることができる。速度が約100ミリ秒以上のオーダーである場合、これは、偏光変換器208を90度回転させることによって達成され得る。あるいは、より速い速度の場合には、電子駆動調整を使用してもよく、例えば、偏光変換器208は、電気光学変調波長板としてもよい。 In some applications, it is desirable to change from rotation/polarization alignment to rotation/polarization anti-alignment (e.g. when changing from one material to another in the same cutting machine, or when changing from one cut or other may change dynamically during processing). Accordingly, in some embodiments, the orientation of polarization converter 208 is such that the direction of the first spatial rotation is the direction of the third polarization state and the direction of the second spatial rotation is the direction of the fourth polarization state. It may be adjustable in connection with selectively aligning or anti-aligning. If the speed is on the order of about 100 milliseconds or more, this may be accomplished by rotating polarization converter 208 by 90 degrees. Alternatively, for faster speeds, electronic drive adjustment may be used; for example, polarization converter 208 may be an electro-optic modulating wave plate.

さらに他の用途においては、偏光変換された双方向回転光ビーム256に完全な偏光対称化は必要とされない(または望まれない)と判断される場合がある。そのような場合には、偏光変換器208は、軸のリターダンスまたは向きを変更することによって完全な円偏光以外の変更状態を生成するように調整することができ、または偏光変換器208は、(例えば、2つの直交する直線偏光状態を残すために)省略することもできる。 In still other applications, it may be determined that full polarization symmetry is not required (or desired) in the polarization-converted bidirectionally rotating light beam 256. In such cases, polarization converter 208 can be adjusted to produce modified conditions other than perfect circular polarization by changing the retardance or orientation of the axes, or polarization converter 208 can be It can also be omitted (eg, to leave two orthogonal linear polarization states).

いくつかの実装形態では、回転ビーム対称化装置200は材料処理システム、例えば、プロセスヘッド(たとえば、ワークピースに直接隣接するアセンブリ)、光送達ファイバ(たとえば、光送達ファイバの入力端)またはスプライスボックスに実装することができる。光送達ファイバに実装する場合、光送達ファイバは、好ましくは、丸いコア(例えば、ビームの回転特性を維持するために円形または環状コア)、および低複屈折または円形複屈折(例えば、円偏光状態を維持するため)のいずれかを有することができる。 In some implementations, the rotating beam symmetrizer 200 is attached to a material processing system, e.g., a process head (e.g., an assembly directly adjacent to a workpiece), an optical delivery fiber (e.g., the input end of an optical delivery fiber), or a splice box. can be implemented in When implemented in a light delivery fiber, the light delivery fiber preferably has a round core (e.g., a circular or annular core to maintain the rotational properties of the beam) and a low birefringence or circular birefringence (e.g., a circularly polarized state). ).

図2に示される要素の数および配置は、一例として提示されている。実際には、回転ビーム対称化装置200は、図2に示されるものよりも、追加の要素、より少ない要素、異なる要素、または異なる配置の要素を含んでもよい。加えてまたは代わりに、回転ビーム対称化装置200の要素のセット(例えば、1つ以上の要素)は、回転ビーム対称化装置200の要素の別のセットによって実行されるとして記載された1つまたは複数の機能を実行することもできる。 The number and arrangement of elements shown in FIG. 2 is presented as an example. In practice, rotating beam symmetrizer 200 may include additional elements, fewer elements, different elements, or a different arrangement of elements than those shown in FIG. Additionally or alternatively, a set of elements (e.g., one or more elements) of rotating beam symmetrizer 200 may perform one or more of the elements described as being performed by another set of elements of rotating beam symmetrizer 200. It can also perform multiple functions.

上述のように、切断用途においては、回転光ビームがターゲット材料(例えば、図1Bの側面A対側面B)に対して好ましい方向が存在し得る。そのような場合、第1の回転光ビーム252-1および第2の回転光ビーム252-2を空間的にオフセットして、双方向回転光ビーム254(または回転ビーム対称化装置が偏光変換器208を含むときの偏光変換された双方向回転光ビーム256)の各側が所望の回転方向により支配されるようにすることができる。 As mentioned above, in cutting applications, there may be a preferred direction for the rotating light beam relative to the target material (eg, side A vs. side B in FIG. 1B). In such a case, the first rotated light beam 252-1 and the second rotated light beam 252-2 may be spatially offset such that the bidirectional rotated light beam 254 (or the rotating beam symmetrizer is connected to the polarization converter 208). Each side of the polarization-converted bidirectionally rotating light beam 256) can be dominated by a desired direction of rotation.

図3は、双方向回転光ビーム254の部分の間の空間オフセットの説明と関連する図を含む。図3の左側の図は、一方向回転光ビーム250の場合を示し、この場合には側面Aおよび側面Bが上で説明したように、切断動作で異なる回転方向を経験する。図3の中央の図は、双方向回転光ビーム(例えば、双方向回転光ビーム254または偏光変換された双方向回転光ビーム256)がオフセットなしで提供される場合を示す。ここでは、双方向回転光ビームは双方向であり、切断の両側面が等しい方向のビーム回転と切断方向を経験し得る。図3の右側の概略図は、双方向回転光ビーム254の一部が互いに空間的にオフセットされている場合を示す。図に示されるように、空間的なオフセットのために、各側面が材料にとって好ましい有利な回転により支配され得る。光ビームにはテール(つまり、ローカルパワーがゼロに減少する長さ)があるため、オフセットは、所望の方向のローカルパワーが不所望ビームのテールのローカルパワーを無効にするのに十分な大きさとする必要がある(たとえば、完全な空間分離が必要である)。 FIG. 3 includes diagrams associated with an illustration of spatial offsets between portions of bidirectional rotating light beam 254. FIG. The left diagram of FIG. 3 shows the case of a unidirectional rotating light beam 250, where side A and side B experience different rotational directions in the cutting operation, as explained above. The middle diagram of FIG. 3 shows the case where a bidirectionally rotating light beam (eg, bidirectionally rotating light beam 254 or polarization-converted bidirectionally rotating light beam 256) is provided without offset. Here, the bidirectionally rotating light beam is bidirectional and both sides of the cut can experience equal beam rotation and cutting direction. The schematic diagram on the right side of FIG. 3 shows the case where portions of the bidirectional rotating light beam 254 are spatially offset from each other. As shown in the figure, due to the spatial offset, each side can be dominated by a favorable rotation for the material. Since the optical beam has a tail (i.e. a length at which the local power decreases to zero), the offset must be large enough that the local power in the desired direction negates the local power in the tail of the undesired beam. (e.g. complete spatial separation is required).

上述のように、図3は、例示を目的とした単なる一例として提示されている。他の例は、図3に関して説明したものとは異なり得る。 As mentioned above, FIG. 3 is presented as an example only for illustrative purposes. Other examples may differ from those described with respect to FIG.

いくつかの実装形態では、図3の右の図に示されるような空間オフセットを達成するために、回転ビーム対称化装置200は回転光学要素を含むことができる。図4は、双方向回転光ビーム(例えば、双方向回転光ビーム254および偏光変換された双方向回転光学ビーム256)内の第1の偏光状態と第2の偏光状態との間に空間オフセットを導入することができる回転ビーム対称化装置400の例示的な実施形態の図である。図4に示すように、回転ビーム対称化装置400は、回転ビーム対称化装置200に含まれる光学要素と同様の光学要素を含むことができ、回転光学要素210をさらに含むことができる。図に示すように、回転光学要素210は、反射要素204と偏光結合器206との間の第1の回転光ビーム252-1の経路に配置することができる。 In some implementations, rotating beam symmetrizer 200 can include rotating optical elements to achieve a spatial offset as shown in the right diagram of FIG. FIG. 4 illustrates a spatial offset between a first polarization state and a second polarization state in a bidirectionally rotating optical beam (e.g., bidirectionally rotating optical beam 254 and polarization-converted bidirectionally rotating optical beam 256). FIG. 4 is a diagram of an exemplary embodiment of a rotating beam symmetrizer 400 that may be implemented. As shown in FIG. 4 , rotating beam symmetrizer 400 may include optical elements similar to those included in rotating beam symmetrizer 200 and may further include rotating optical elements 210 . As shown, rotating optical element 210 may be placed in the path of first rotating optical beam 252-1 between reflective element 204 and polarization coupler 206.

回転光学要素210は、双方向回転光ビーム254内の第1の偏光状態と第2の偏光状態との間に空間オフセットを生じさせることに関連して、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2との間に角度シフトを導入する光学要素を含む。例えば、切断ヘッド内に回転ビーム対称化装置400を実装する場合、回転光学要素210は回転くさびを含み得る。いくつかの実施形態では、回転くさびは、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2との間に角度シフトを導入するために機械的に回転させることができるプリズムとすることができる。この角度シフトは、ワークピース上の双方向回転光ビーム254(または偏光変換された双方向回転光ビーム256)の部分間に空間オフセットをもたらす。回転光学要素210を回転させると、空間オフセットの方向が変化して材料加工状態を最適化することができる。空間オフセットの可能な方向は、切断方向に垂直な方向のビーム間のオフセット(たとえば、図3の右側の図に示されるように)を含み、このオフセットによってビームの方向を切断方向などに対してずらせることができる。このような実施は、上述したように、切断方向に対して支配的な方向の選択、および偏光回転に対するビーム回転の選択の可能な利点を保持する。 Rotating optical element 210 interacts with first rotating optical beam 252-1 in conjunction with creating a spatial offset between a first polarization state and a second polarization state within bidirectional rotating optical beam 254. It includes an optical element that introduces an angular shift between the second rotating light beam 252-2. For example, when implementing rotating beam symmetrizer 400 within a cutting head, rotating optical element 210 may include a rotating wedge. In some embodiments, the rotating wedge is a prism that can be mechanically rotated to introduce an angular shift between the first rotating light beam 252-1 and the second rotating light beam 252-2. It can be done. This angular shift creates a spatial offset between portions of the bidirectionally rotating light beam 254 (or polarization converted bidirectionally rotating light beam 256) on the workpiece. Rotating the rotating optical element 210 can change the direction of the spatial offset to optimize material processing conditions. Possible directions of spatial offsets include offsets between the beams in the direction perpendicular to the cutting direction (as shown in the right-hand diagram of Figure 3, for example), which offsets the orientation of the beams relative to the cutting direction, etc. It can be shifted. Such an implementation retains the possible advantages of the selection of the dominant direction relative to the cutting direction and the selection of beam rotation relative to polarization rotation, as described above.

いくつかの実装形態では、回転光学要素210の回転の向きは、空間オフセットの制御に関連して調整可能であり得る。加えて、または代りに、回転光学要素210の回転の向きは、切断ヘッドの並進光学系と同期させることができる。 In some implementations, the rotational orientation of rotating optical element 210 may be adjustable in conjunction with controlling spatial offset. Additionally or alternatively, the rotational orientation of rotating optical element 210 can be synchronized with the translational optics of the cutting head.

図4に示される要素の数および配置は、一例として提供される。実際には、回転ビーム対称化装置400は、図4に示されるものよりも、追加の要素、より少ない要素、異なる要素、または異なる配置の要素を含み得る。さらに、または代りに、回転ビーム対称化装置400の要素のセット(例えば、1つ以上の要素)は、対称化装置400の要素の別のセットにより実行されるものとして記載された1つまたは複数の機能を実行することもできる。 The number and arrangement of elements shown in FIG. 4 is provided as an example. In fact, rotating beam symmetrizer 400 may include additional elements, fewer elements, different elements, or a different arrangement of elements than those shown in FIG. Additionally or alternatively, a set of elements (e.g., one or more elements) of rotating beam symmetrizer 400 may be one or more described as being performed by another set of elements of symmetrizer 400. It can also perform the following functions.

図5は、本明細書で説明されるように、一方向回転光ビーム250を双方向回転光ビーム254に変換するための例示的なプロセス500のフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart of an example process 500 for converting a unidirectionally rotating light beam 250 into a bidirectionally rotating light beam 254, as described herein.

図5に示すように、プロセス500は、一方向回転光ビームを第1の偏光状態を有する第1の回転光ビームと第2の偏光状態を有する第2の回転光ビームとに分割するステップを含むことができ、一方向回転光ビームおよび第2の回転光ビームは第1の空間回転方向の光パワーを有する(ブロック510)。例えば、上述のように、偏光分割器202は、一方向回転光ビーム250を、第1の偏光状態を有する第1の回転光ビーム252-1および第2の偏光状態を有する第2の回転光ビーム252-2に分割することができる。いくつかの実装形態では、一方向回転光ビーム250および第2の回転光ビーム252-2は、第1の空間回転方向の光パワーを有する。 As shown in FIG. 5, the process 500 includes splitting a unidirectionally rotated light beam into a first rotated light beam having a first polarization state and a second rotated light beam having a second polarization state. The one-way rotating light beam and the second rotating light beam have optical power in a first spatial rotation direction (block 510). For example, as described above, polarization splitter 202 splits unidirectionally rotated light beam 250 into first rotated light beam 252-1 having a first polarization state and second rotated light beam 252-1 having a second polarization state. It can be split into beams 252-2. In some implementations, unidirectionally rotated light beam 250 and second rotated light beam 252-2 have optical power in the first spatial rotation direction.

図5にさらに示されるように、プロセス500は、第1の回転光ビームの光パワーを第2の空間回転方向にするステップを含むことができ、第2の空間回転方向は第1の空間回転方向と反対である(ブロック520)。例えば、反射要素204は、第1の回転光ビーム252-1の光パワーを第2の空間回転方向にすることができ、第2の空間回転方向は、上述したように第1の空間回転方向と反対の空間回転方向である。 As further shown in FIG. 5, the process 500 can include directing the optical power of the first rotating light beam in a second spatial rotation direction, the second spatial rotation direction being in a first spatial rotation direction. The direction is opposite (block 520). For example, the reflective element 204 can direct the optical power of the first rotated light beam 252-1 into a second spatial rotation direction, where the second spatial rotation direction is different from the first spatial rotation direction as described above. is the opposite direction of spatial rotation.

図5にさらに示されるように、プロセス500は、第1の回転光ビームの光パワーを第2の空間回転方向にした後に、第1の回転光ビームおよび第2の回転光ビームを結合して双方向回転光ビームを生成するステップを含むことができ、ここで、双方向回転光ビームは、第1の偏光状態および第2の偏光状態の両方を有し、且つ双方向回転光ビームは、第1の空間回転方向を有する光パワーおよび第2の空間回転方向を有する光パワーを有する(ブロック530)。例えば、偏光結合器206は、上述したように、第1の回転光ビーム252-1の光パワーを第2の空間回転方向にした後に、その第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2を結合して双方向回転光学ビーム254を生成する。いくつかの実装形態では、双方向回転光ビーム254は、第1の偏光状態と第2の偏光状態の両方を有する。いくつかの実装形態では、双方向回転光ビーム254は、第1の方向の空間回転を有する光パワーと、第2の方向の空間回転を有する光パワーとを有する。 As further shown in FIG. 5, the process 500 combines the first rotated light beam and the second rotated light beam after directing the optical power of the first rotated light beam in a second spatial rotation direction. The bidirectionally rotating light beam may include the step of generating a bidirectionally rotating light beam, wherein the bidirectionally rotating light beam has both a first polarization state and a second polarization state, and the bidirectionally rotating light beam has: having an optical power having a first spatial rotation direction and an optical power having a second spatial rotation direction (block 530). For example, as described above, the polarization coupler 206 sets the optical power of the first rotating light beam 252-1 in the second spatial rotation direction, and then converts the first rotating light beam 252-1 and the second rotating light beam 252-1 into the second spatial rotation direction. Rotating optical beams 252-2 are combined to produce bidirectional rotating optical beam 254. In some implementations, bidirectionally rotating light beam 254 has both a first polarization state and a second polarization state. In some implementations, bidirectionally rotating light beam 254 has optical power with spatial rotation in a first direction and optical power with spatial rotation in a second direction.

プロセス500は、追加の実施形態、例えば、以下に記載されるおよび/または本明細書の他の場所に記載される1つ以上の他のプロセスに関連する任意の単一の実施形態または複数の実施形態の任意の組み合わせを含み得る。 Process 500 may include additional embodiments, e.g., any single embodiment or multiple processes related to one or more other processes described below and/or elsewhere herein. Any combination of embodiments may be included.

第1の実施形態において、プロセス500は、双方向回転光ビーム254の第1の偏光状態を第3の偏光状態に(例えば、偏光変換器208によって)変換し、双方向回転光ビーム254の第2の偏光状態を第4の変更状態に変換するステップを含むことができ、ここで、第3の偏光状態および第4の偏光状態は、回転対称な偏光状態である。いくつかの実装形態では、第3の偏光状態および第4の偏光状態は、反対の円偏光である。 In a first embodiment, process 500 converts a first polarization state of bidirectionally rotating light beam 254 to a third polarization state (e.g., by polarization converter 208) and converts a first polarization state of bidirectionally rotating light beam 254 to a third polarization state of bidirectionally rotating light beam 254. converting the second polarization state to a fourth modified state, where the third polarization state and the fourth polarization state are rotationally symmetric polarization states. In some implementations, the third polarization state and the fourth polarization state are opposite circular polarizations.

第2の実施形態において、プロセス500は、第1の空間回転方向を第3の偏光状態の方向と整列させ、第2の空間回転方向を第4の偏光の方向と整列させること、または第1の空間回転方向を第3の偏光状態の方向と反整列させ、第2の空間回転方向を第4の偏光状態の方向と反整列させることを選択的に生じさせるステップを含むことができる。 In a second embodiment, the process 500 includes aligning a first spatial rotation direction with a third polarization state direction and aligning a second spatial rotation direction with a fourth polarization state direction, or aligning a first spatial rotation direction with a fourth polarization state direction. The method may include selectively causing a direction of spatial rotation to be counter-aligned with a direction of a third polarization state and a second direction of spatial rotation being counter-aligned with a direction of a fourth polarization state.

第3の実施形態において、プロセス500は、双方向回転光ビーム254内の第1の偏光状態と第2の偏光状態との間の空間オフセットの制御に関連して回転光学要素210の向きを調整するステップを含むことができる。 In a third embodiment, process 500 adjusts the orientation of rotating optical element 210 in conjunction with controlling a spatial offset between a first polarization state and a second polarization state within bidirectional rotating optical beam 254. The process may include the step of:

第4の実施形態において、第1の回転光ビーム252-1および第2の回転光ビーム252-2は、ほぼ等しい光パワーを有する。 In the fourth embodiment, the first rotating light beam 252-1 and the second rotating light beam 252-2 have approximately equal optical power.

第5の実施形態において、第1の偏光状態は第1の直線偏光であり、第2の偏光状態は第2の直線偏光であり、第1の直線偏光および第2の直線偏光は直交直線偏光である。 In a fifth embodiment, the first polarization state is a first linear polarization, the second polarization state is a second linear polarization, and the first linear polarization and the second linear polarization are orthogonal linear polarizations. It is.

第6の実施形態において、第1の偏光状態は第1の円偏光であり、第2の偏光状態は第2の円偏光であり、第1の円偏光および第2の円偏光は直交円偏光である。 In a sixth embodiment, the first polarization state is a first circularly polarized light, the second polarization state is a second circularly polarized light, and the first circularly polarized light and the second circularly polarized light are orthogonal circularly polarized lights. It is.

第7の実施形態において、偏光変換器208は、第3の偏光状態および第4の偏光状態がワークピースに送達される最終的な偏光状態になるように、一組の偏光感応光学要素を含み、第3の偏光状態および第4の偏光状態は回転対称な直交偏光状態である。 In a seventh embodiment, polarization converter 208 includes a set of polarization sensitive optical elements such that the third polarization state and the fourth polarization state are the final polarization states delivered to the workpiece. , the third polarization state, and the fourth polarization state are rotationally symmetric orthogonal polarization states.

第8の実施形態において、偏光変換器208は1/4波長板であり、第3の偏光状態と第4の偏光状態は反対の円偏光である。 In an eighth embodiment, polarization converter 208 is a quarter wave plate and the third and fourth polarization states are opposite circularly polarized light.

第9の実施形態において、偏光変換器208は、第1の空間回転方向が第3の偏光状態の方向と整列し、第2の空間回転方向が第4の偏光状態の方向と整列するように配向される。 In a ninth embodiment, the polarization converter 208 is configured such that the first spatial rotation direction is aligned with the third polarization state direction and the second spatial rotation direction is aligned with the fourth polarization state direction. Oriented.

第10の実施形態において、偏光変換器208は、第1の空間回転方向が第3の偏光状態の方向と反整列し、第2の空間回転方向が第4の偏光状態の方向と反整列するように配向される。 In a tenth embodiment, the polarization converter 208 has a first spatial rotation direction anti-aligned with the direction of the third polarization state and a second spatial rotation direction anti-aligned with the fourth polarization state direction. Oriented like this.

第11の実施形態において、偏光変換器208の配向は、第1の空間回転方向を第3の偏光状態の方向と、および第2の空間回転方向を第4の偏光状態と、選択的に整列または反整列させることに関連して調整可能である。 In an eleventh embodiment, the orientation of the polarization converter 208 selectively aligns the first spatial rotation direction with the direction of the third polarization state and the second spatial rotation direction with the fourth polarization state. or adjustable in relation to anti-alignment.

第12の実施形態において、回転光学要素210は、双方向回転光ビーム254内の第1の偏光状態と第2の偏光状態との間に空間オフセットを生じさせることに関連して、第1の回転光ビーム252-1と第2の回転光ビーム252-2との間に角度シフトを導入するために使用することができる。 In a twelfth embodiment, the rotating optical element 210 has a first polarization state associated with creating a spatial offset between a first polarization state and a second polarization state within the bidirectional rotating light beam 254. It can be used to introduce an angular shift between rotating light beam 252-1 and second rotating light beam 252-2.

第13の実施形態において、回転光学要素210の回転の向きは、空間オフセットの制御に関連して調整可能である。 In a thirteenth embodiment, the rotational orientation of rotating optical element 210 is adjustable in conjunction with controlling the spatial offset.

第14の実施形態において、回転光学要素210の回転の向きは、切断ヘッドの並進光学系と同期される。 In a fourteenth embodiment, the rotational orientation of the rotating optical element 210 is synchronized with the translational optics of the cutting head.

第15の実施形態において、回転ビーム対称化装置200/400は、材料加工システムのプロセスヘッド、光送達ファイバ、またはスプライスボックスに実装される。 In a fifteenth embodiment, the rotating beam symmetrizer 200/400 is implemented in a process head, optical delivery fiber, or splice box of a material processing system.

図5はプロセス500の例示的なブロックを示すが、いくつかの実施形態では、プロセス500は、図5に示されるブロックよりも、追加のブロック、より少ないブロック、異なるブロック、または異なる配置のブロックを含み得る。加えてまたは代わりに、プロセス500のブロックの2つ以上を並行して実行することができる。 Although FIG. 5 shows example blocks of process 500, in some embodiments process 500 includes additional blocks, fewer blocks, different blocks, or blocks in a different arrangement than the blocks shown in FIG. may include. Additionally or alternatively, two or more of the blocks of process 500 can be executed in parallel.

本明細書に記載したいくつかの実施形態は、(一方向)回転光ビーム250を双方向回転光ビームに変換することができる回転ビーム対称化装置(例えば、回転ビーム対称化装置200、回転ビーム対称化装置400など)を提供する。この装置においては、一部の光パワーが一方向に回転し、一部の光パワーが反対方向に回転する。上述したように、双方向回転は、偏光の分割、分割したビームの一方の反転、および偏光の再結合によって達成することができる。いくつかの実装形態では、得られた直線偏光状態を、(たとえば、両ビームの空間特性と偏光の完全な回転対称性を実現するために)2つの回転状態に対して反対の円偏光に変換することができる。 Some embodiments described herein include a rotating beam symmetrizer (e.g., rotating beam symmetrizer 200, rotating beam symmetrizer 200, rotating beam symmetrizer 200, rotating beam symmetrizer 200, etc. symmetrization device 400, etc.). In this device, some optical power is rotated in one direction and some optical power is rotated in the opposite direction. As mentioned above, bidirectional rotation can be achieved by splitting the polarizations, reversing one of the split beams, and recombining the polarizations. In some implementations, the resulting linear polarization state is converted to circularly polarized light opposite to the two rotational states (e.g., to achieve perfect rotational symmetry of the spatial properties and polarization of both beams). can do.

前述の開示は、例示および説明を提供するが、網羅的であること、または実施形態を開示の正確な形態に限定することを意図するものではない。様々な修正や変更が以上の開示に照らして可能であり、また実施形態の実施から得ることができる。 The foregoing disclosure provides examples and descriptions and is not intended to be exhaustive or to limit embodiments to the precise forms disclosed. Various modifications and variations are possible in light of the above disclosure or may be acquired from practice of the embodiments.

特定の特徴の組み合わせが請求の範囲に列挙されおよび/または明細書に開示されているが、これらの組み合わせは様々な実施形態の開示を限定することを意図するものではない。実際に、これらの特徴の多くは請求の範囲に明確に列挙されていないおよび/または明細書に開示されていない方法で組み合わせてもよい。以下に列挙される各従属請求項は一つの請求項にのみ直接従属してよいが、様々な実施形態の開示は各従属請求項と請求の範囲内のすべての他の請求項との組み合わせも含むものである。 Although certain combinations of features may be recited in the claims and/or disclosed in the specification, these combinations are not intended to limit the disclosure of the various embodiments. Indeed, many of these features may be combined in ways not expressly recited in the claims and/or disclosed in the specification. Although each dependent claim listed below may be directly dependent on only one claim, the disclosure of the various embodiments also includes the combination of each dependent claim with all other claims within the scope of the claim. It includes.

本明細書で使用する要素、操作または命令は、特に明記されない限り、決定的または本質的と解釈されるべきである。また、冠詞“a”及び“an”は一以上の要素を含むことが意図され、「一以上」と互換的に使用され得る。さらに、冠詞“the”は“the”と関連する一以上の要素を含むことが意図され、「一以上」と互換的に使用され得る。さらに、本明細書で使用される「セット」は一以上の要素(例えば、関連要素、非関連要素、それらの要素の組み合わせ等)を含むことが意図され、「一以上」と互換的に使用され得る。唯一の要素が意図される場合には、「一つ」または類似の語が使用される。また、本明細書で使用する語「有する」、「有している」等はオープンエンデッドタームであることが意図されている。さらに、語句「基づく」は特に明記されない限り「少なくとも部分的に基づく」を意味することが意図されている。また、本明細書で使用する「または」は、シリーズで使用される場合に包括的であることが意図され、特に明記されていない限り(例えば、「いずれか」または「1つのみ」と組み合わせて使用される場合)、「および/または」と交換可能に使用され得る。
Any element, act, or instruction used herein should be construed as critical or essential unless explicitly stated otherwise. Additionally, the articles "a" and "an" are intended to include one or more elements and may be used interchangeably with "one or more." Additionally, the article "the" is intended to include one or more of the elements associated with "the" and may be used interchangeably with "one or more." Furthermore, as used herein, "set" is intended to include one or more elements (e.g., related elements, unrelated elements, combinations of those elements, etc.) and is used interchangeably with "one or more". can be done. If only one element is intended, "one" or a similar word is used. Additionally, as used herein, the words "comprising,""having," and the like are intended to be open-ended terms. Further, the phrase "based on" is intended to mean "based at least in part" unless otherwise specified. Also, as used herein, "or" is intended to be inclusive when used in a series, and unless expressly stated otherwise (e.g., in combination with "any" or "only one") may be used interchangeably with "and/or".

Claims (20)

一方向回転光ビームを第1の偏光状態を有する第1の回転光ビームと第2の偏光状態を有する第2の回転光ビームとに分割する偏光分割器を備え、
前記一方向回転光ビームと前記第2の回転光ビームとは、第1の空間回転方向を有する光パワーを有し、
第1の空間回転方向は、時計回りまたは反時計回りの一方であり、
前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせることに関連して前記第1の回転光ビームのパリティを反転させる反射要素を備え、
前記第2の空間回転方向は、前記時計回りまたは前記反時計回りのもう一方であり、
前記第1の回転光ビームのパリティの反転後、前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームを結合して、前記第1の偏光状態と前記第2の偏光状態を有する双方向回転光ビームを生成する偏光結合器を備え、
前記双方向回転光ビームは前記第1の空間回転方向を有する光パワー前記第2の空間回転方向を有する光パワーを有する光学装置。
comprising a polarization splitter that splits the unidirectional rotating light beam into a first rotating light beam having a first polarization state and a second rotating light beam having a second polarization state;
The unidirectional rotating light beam and the second rotating light beam have optical powers having a first spatial rotation direction,
the first spatial rotation direction is one of clockwise or counterclockwise;
a reflective element for inverting the parity of the first rotating light beam in conjunction with imparting a second spatial rotation direction to the optical power of the first rotating light beam;
the second spatial rotation direction is the other of the clockwise or counterclockwise direction;
After reversing the parity of the first rotating light beam, combining the first rotating light beam and the second rotating light beam to have the first polarization state and the second polarization state . Equipped with a polarization coupler that produces a bidirectional rotating light beam,
The optical device , wherein the bidirectionally rotating light beam has an optical power having the first spatial rotation direction and an optical power having the second spatial rotation direction .
前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームほぼ等しい光パワーを有する請求項1に記載の光学装置。 The optical device according to claim 1 , wherein the first rotating light beam and the second rotating light beam have approximately equal optical power. 前記第1の偏光状態は第1の直線偏光であり、前記第2の偏光状態は第2の直線偏光であり、
前記第1の直線偏光および前記第2の直線偏光は直交直線偏光である請求項1に記載の光学装置。
the first polarization state is a first linearly polarized light, the second polarization state is a second linearly polarized light,
The optical device according to claim 1 , wherein the first linearly polarized light and the second linearly polarized light are orthogonal linearly polarized lights.
前記第1の偏光状態は第1の円偏光であり、前記第2の偏光状態は第2の円偏光であり、
前記第1の円偏光および前記第2の円偏光は直交円偏光である請求項1に記載の光学装置。
the first polarization state is a first circularly polarized light, the second polarization state is a second circularly polarized light,
The optical device according to claim 1 , wherein the first circularly polarized light and the second circularly polarized light are orthogonal circularly polarized lights.
前記双方向回転光ビーム中の前記第1の偏光状態を第3の偏光状態に変換し、前記双方向回転光ビーム中の前記第2の偏光状態を第4の偏光状態に変換する偏光変換器をさらに備え、
前記偏光変換器は、前記第3の偏光状態および前記第4の偏光状態がワークピースに送達される最終偏光状態であるように一組の偏光感応光学要素を含み、
前記第3の偏光状態および前記第4の偏光状態は回転対称の直交偏光状態である請求項1に記載の光学装置。
a polarization converter that converts the first polarization state in the bidirectionally rotating light beam to a third polarization state and converts the second polarization state in the bidirectionally rotating light beam to a fourth polarization state; Furthermore,
the polarization converter includes a set of polarization sensitive optical elements such that the third polarization state and the fourth polarization state are final polarization states delivered to the workpiece;
The optical device according to claim 1 , wherein the third polarization state and the fourth polarization state are rotationally symmetric orthogonal polarization states.
前記偏光変換器は1/4波長板であり、前記第3の偏光状態および前記第4の偏光状態は反対の円偏光である請求項5に記載の光学装置。 6. The optical device of claim 5, wherein the polarization converter is a quarter wave plate and the third polarization state and the fourth polarization state are opposite circular polarizations. 前記偏光変換器は、前記第1の空間回転方向が前記第3の偏光状態の方向と整列し、前記第2の空間回転方向が前記第4の偏光の方向と反整列するように配向されている請求項5に記載の光学装置。 The polarization converter is oriented such that the first direction of spatial rotation is aligned with the direction of the third polarization state and the second direction of spatial rotation is anti-aligned with the direction of the fourth polarization state. The optical device according to claim 5. 前記偏光変換器は、前記第1の空間回転方向が前記第3の偏光状態の方向と反整列し、前記第2の空間回転方向が前記第4の偏光の方向と整列するように、配向されている請求項5に記載の光学装置。 The polarization converter is oriented such that the first direction of spatial rotation is anti-aligned with the direction of the third polarization state and the second direction of spatial rotation is aligned with the direction of the fourth polarization state. The optical device according to claim 5. 前記偏光変換器の配向は、前記第1の空間回転方向を前記第3の偏光状態の方向前記第2の空間回転方向を前記第4の偏光状態と選択的に整列または反整列させることに関連して調整可能である請求項5に記載の光学装置。 The orientation of the polarization converter is configured to selectively align or anti-align the first spatial rotation direction with the direction of the third polarization state and the second spatial rotation direction with the fourth polarization state. 6. Optical device according to claim 5 , which is associated adjustable. 前記双方向回転光ビーム内の前記第1の偏光状態と前記第2の偏光状態との間に空間オフセットを生じさせることに関連して前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームとの間に角度シフトを導入するための回転光学要素をさらに備える請求項1に記載の光学装置。 the first rotating light beam and the second rotating light beam in conjunction with creating a spatial offset between the first polarization state and the second polarization state in the bidirectional rotating light beam; 2. The optical device of claim 1 , further comprising a rotating optical element for introducing an angular shift between. 前記回転光学要素の回転の向きは、前記空間オフセットの制御に関連して調整可能である請求項10に記載の光学装置。 11. The optical device of claim 10 , wherein the rotational orientation of the rotating optical element is adjustable in conjunction with controlling the spatial offset. 前記回転光学要素の回転の向きは切断ヘッドの並進光学系と同期する請求項10に記載の光学装置。 11. Optical device according to claim 10 , wherein the rotational orientation of the rotating optical element is synchronized with the translational optics of the cutting head. 前記光学装置は、
材料加工システムのプロセスヘッド
光デリバリファイバ、または
スプライスボックス、
内に実装されている、請求項1に記載の光学装置。
The optical device includes:
process head of material processing system,
Optical delivery fiber or splice box,
2. An optical device according to claim 1, wherein the optical device is implemented in an optical device.
一方向回転光ビームを第1の偏光状態を有する第1の回転光ビームと第2の偏光状態を有する第2の回転光ビームとに分割することを含み、
前記一方向回転光ビームと前記第2の回転光ビームとは、第1の空間回転方向を有する光パワーを有し、
第1の空間回転方向は、時計回りまたは反時計回りの一方であり、
前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせることを含み、前記第2の空間回転方向は、前記時計回りまたは前記反時計回りのもう一方であり、
前記第1の回転光ビームの光パワーに第2の空間回転方向を持たせ後に、前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームを結合して双方向回転光ビームを生成することを含み、
前記双方向回転光ビームは前記第1の偏光状態と前記第2の偏光状態との両方を有し、
前記双方向回転光ビームは前記第1の空間回転方向を有する光パワーと前記第2の空間回転方向を有する光パワーを有する方法。
splitting the unidirectional rotating light beam into a first rotating light beam having a first polarization state and a second rotating light beam having a second polarization state ;
The unidirectional rotating light beam and the second rotating light beam have optical powers having a first spatial rotation direction,
the first spatial rotation direction is one of clockwise or counterclockwise;
the optical power of the first rotating light beam having a second spatial rotation direction, the second spatial rotation direction being the other of the clockwise rotation and the counterclockwise rotation;
After giving the optical power of the first rotating light beam a second spatial rotation direction, the first rotating light beam and the second rotating light beam are combined to generate a bidirectional rotating light beam. including doing;
the bidirectionally rotating light beam has both the first polarization state and the second polarization state ;
The method wherein the bi-directionally rotating light beam has an optical power having the first spatial rotation direction and an optical power having the second spatial rotation direction .
前記双方向回転光ビーム中の前記第1の偏光状態を第3の偏光状態に変換することと、
前記双方向回転光ビーム中の前記第2の偏光状態を第4の偏光状態に変換することと、さらに含み、
前記第3の偏光状態および前記第4の偏光状態は回転対称の直交偏光状態である、請求項14に記載の方法。
converting the first polarization state in the bidirectionally rotating light beam to a third polarization state ;
converting the second polarization state in the bidirectionally rotating light beam to a fourth polarization state ,
15. The method of claim 14, wherein the third polarization state and the fourth polarization state are rotationally symmetric orthogonal polarization states.
前記第3の偏光状態および前記第4の偏光状態は反対の円偏光である請求項15に記載の方法。 16. The method of claim 15 , wherein the third polarization state and the fourth polarization state are opposite circular polarizations. 前記第1の空間回転方向を前記第3の偏光状態の方向と整列させ、前記第2の空間回転方向を前記第4の偏光の方向と整列させること、または前記第1の空間回転方向を前記第3の偏光状態の方向と反整列させ、前記第2の空間回転方向を前記第4の偏光の方向と反整列させることを選択的に実行することをさらに含む、請求項15に記載の方法。 aligning the first spatial rotation direction with the direction of the third polarization state and aligning the second spatial rotation direction with the fourth polarization direction ; or 16. The method of claim 15 , further comprising selectively performing anti-aligning the second spatial rotation direction with the direction of the third polarization state and anti-aligning the second spatial rotation direction with the direction of the fourth polarization state. the method of. 前記双方向回転光ビーム内の前記第1の偏光状態と前記第2の偏光状態との間の空間オフセットの制御と関連して回転光学要素の向きを調製することをさらに含む、請求項14に記載の方法。 15. The method of claim 14 , further comprising adjusting the orientation of a rotating optical element in conjunction with controlling a spatial offset between the first polarization state and the second polarization state in the bidirectionally rotating light beam. Method described. 第1の空間回転方向の光パワーを有する入力回転光ビームを受け取る光入力部を備え
第1の空間回転方向は、時計回りまたは反時計回りの一方であり、
前記入力回転光ビームを第1の回転光ビームと第2の回転光ビームに分割する分割器を備え、
前記第1の回転光ビームは第1の直線偏光状態を有し、
前記第2の回転光ビームは第2の直線偏光状態と、前記第1の空間回転方向を有する光パワーとを有し、
前記第1の直線偏光状態と前記第2の直線偏光状態直交直線偏光状態であり、
前記第1の回転光ビームの前記光パワーに第2の空間回転方向を持たせる一組の反射器を備え、
前記第2の空間回転方向は、前記時計回りまたは前記反時計回りのもう一方であり、
前記第1の回転光ビームと前記第2の回転光ビームを受け取り、出力回転光ビームを出力する結合器を備え、
前記出力回転光ビームは前記第1の直線偏光状態および前記第2の直線偏光状態を有し、
前記出力回転光ビームは前記第1の空間回転方向を有する光パワー前記第2の空間回転方向を有する光パワーを有するシステム。
an optical input receiving an input rotating optical beam having an optical power in a first spatial rotational direction ;
the first spatial rotation direction is one of clockwise or counterclockwise;
a splitter for splitting the input rotating light beam into a first rotating light beam and a second rotating light beam;
the first rotating light beam has a first linear polarization state;
the second rotating light beam has a second linear polarization state and an optical power having the first spatial rotation direction ;
The first linear polarization state and the second linear polarization state are orthogonal linear polarization states,
a set of reflectors for causing the optical power of the first rotating light beam to have a second spatial rotation direction;
the second spatial rotation direction is the other of the clockwise or counterclockwise direction;
a coupler receiving the first rotating light beam and the second rotating light beam and outputting an output rotating light beam;
the output rotating light beam has the first linear polarization state and the second linear polarization state;
The system wherein the output rotating light beam has an optical power having the first spatial rotation direction and an optical power having the second spatial rotation direction .
前記出力回転光ビームの前記第1の直線偏光状態を第3の直線偏光状態に変換し、前記出力回転光ビームの前記第2の直線偏光状態を第4の直線偏光状態に変換する変換器をさらに備え、
前記第3の直線偏光状態および前記第4の直線偏光状態は回転対称の偏光状態である請求項19に記載のシステム。
a converter for converting the first linear polarization state of the output rotating light beam to a third linear polarization state and converting the second linear polarization state of the output rotating light beam to a fourth linear polarization state; More prepared,
20. The system of claim 19 , wherein the third linear polarization state and the fourth linear polarization state are rotationally symmetric polarization states.
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