JP7445879B2 - デュアル波長レーザシステム及びそのシステムを用いた材料加工 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２０１９年８月６日に出願された、米国仮特許出願第６２／８８３，１８９号に基づく利益及び優先権を主張し、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

様々な実施の形態においては、本発明は、複数の波長において発振する高パワーレーザ装置を用いた材料の加工（例えば、溶接または切削）に関する。

高パワーレーザは、多くの切削、エッチング、アニーリング、溶接、穴あけ、及びはんだ付け用途において使用される。いずれかの材料加工操作において、コスト及び時間の観点において、効率は決定的な制限要素になり得る。効率が低いと、コストが高くなり、及び／またはある材料を加工するために適用されるレーザの操作が遅くなる。レーザビームの性質は、効率を影響し得り、異なる材料（例えば、銅、アルミニウム、鋼鉄等）は加工において、ビーム性質に異なった反応を示す。さらに、これらの材料の厚みはその反応に影響し得る。これは、切削または溶接の性質は、少なくとも、材料及びその厚みに応じて、ビーム性質と共に変化し得る。

加えて、同じ材料及び厚みにおいても、加工の形状に応じて、材料の光学的反応（及び最適なビーム）は変化し得る。例えば、長い直線上の切削における材料の光学的反応は、例えば、鋭利な角または他の特徴を有する複雑な形状における反応と比較して異なる可能性がある。

さらに、多くの場合において、高パワーレーザシステムは、レーザ発振器と、光学システムとを含み、レーザ発振器からのレーザ光は光ファイバ（または、単に「ファイバ」）内に結合され、光学システムは加工される工作物上にファイバからのレーザ光を集光させる。光学システムは、一般的に、最高品質のレーザビーム、または、同等に、最低のビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有するビームを生成するように設計されている。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と最も狭い点におけるビームの半径（即ち、ビームウェイスト、最小スポット径）との積である。ＢＰＰはレーザビームの品質、及びどの程度小さいスポットに集光できるかを定量化し、一般的にミリメートル－ミリラジアン（ｍｍ－ｍｒａｄ）の単位で表記される。（本明細書にて開示されるＢＰＰの値は、特段の記載がない限り、ｍｍ－ｍｒａｄの単位を有する。）ガウスビームは、レーザ光の波長をπ（pi）で割ることで得られる、取り得る最も低いＢＰＰを有する。同じ波長における理想的なガウスビームに対する実際のビームのＢＰＰの比はＭ^２と示され、波長から独立したビーム品質の基準である。

波長合成技術（Wavelength beam combining：ＷＢＣ）は、レーザダイオード、レーザダイオードバー、ダイオードバーのスタック、または１または２次元アレーに配置された他のレーザからの出力パワー及び輝度を調節するための技術である。発振器のアレーの一方または両方の方向に沿ってビームを合成するようにＷＢＣ方法は開発された。一般的なＷＢＣシステムは、マルチ波長ビームを形成するように分散要素を用いて合成される１つまたは複数のダイオードバー等、複数の発振器を含む。ＷＢＣシステム内の各発振器は個別に共振し、ビーム合成の方向に沿って分散要素によりフィルタされる、共通の部分的に反射性を有する出力カプラからの波長特性を有するフィードバック（wavelength-specific feedback）を通じて安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、及び２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号において説明され、各出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

ＷＢＣ等の技術は幅広い用途のためのレーザに基づくシステムを生成することに成功しているが、材料加工における課題は残っている。具体的に、様々な異なる波長において発振するレーザは、異なる材料、及び／または異なる厚みを有する材料と、異なる態様において作用してもよい。例えば、異なる材料は、異なる方法でレーザ光を吸収し、よって複数の操作及び／または複数の異なる材料のためのレーザシステムの最適化はかなり難しい。したがって、異なる材料加工操作のために最適化されて、多くの異なる材料を効率的に加工するように、様々なタイプの加工を実行するように、及び様々な異なる加工パスに沿って工作物を加工するように使用できるレーザシステムが求められている。

本発明の実施の形態によって、レーザシステムは、材料加工の最適化のために各波長の利点を活用するように、２つ以上の波長、または２つ以上の波長範囲を有するビームを発振する。（本明細書にて、異なる「波長」への参照は、異なる「波長の範囲」を包含し、レーザの波長はそのプライマリ波長に対応すると理解される。）例えば、様々な実施の形態において、レーザシステムは、材料（例えば、金属材料）を切削するために使用される比較的長い波長（例えば、赤外または遠赤外において発振するプライマリレーザと共に、少なくとも切削の開始における初期穿孔操作のために使用される比較的短い波長（例えば、紫外線または可視光）を発振するセカンダリレーザを有する。一般的に、様々な金属は、少なくとも固体状態において、短い波長において、レーザ光のより大きい吸収を示す。したがって、より短い波長レーザは、例えば、レーザ切削の開始において実行される穿孔操作のために効率的に使用されてもよい。即ち、穿孔操作は、短い波長のレーザで、より速く、及びより高品質（例えば、エッジ粗さ）において実行される可能性がある。残念ながら、多くの短い波長のレーザ（例えば、緑または青の波長範囲において発振するレーザ）は、例えば、近赤外線レーザ等のより長い波長のレーザと比較すると、効率良くなく、短寿命であり、より高価であり、フルパワーまでのランプ（ramp）に時間がかかり及び／またはランプが容易でない。加えて、金属が溶融すると、レーザ光に対するそれらの吸収度が、レーザ波長に依存しにくくなるまたは依存しなくなる。したがって、実際の切削操作は、金属が穿孔され溶融すると、一般的により長い寿命を有し、より高い効率を示す、より長い波長を有するレーザによってより早く及び効率良く実施される可能性がある。このようなより長い波長を有するレーザは、レーザ切削の開始を妨害し得るだけではなく、スプリアス（spurious）反射によってレーザシステム（またはその様々な部品）のダメージをもたらし得る（１）材料によるより長い波長のより低い吸収率、及び／または（２）材料によるより長い波長の高い反射率によって、初期の穿孔操作において適切でない可能性がある。

例示の切削操作において、レーザは材料の表面に向かって照射され、そこで、レーザエネルギの少なくとも一部が吸収され、よって材料を加熱する。充分なエネルギ吸収の後、材料の表面は溶けて溶融する。その後、表面下（sub-surface）材料も溶けて、材料に穴を形成する。このような穴が形成されると、レーザエネルギは、材料にわたって並進移動されてもよく、望ましいパターンにおいて材料を通じて切削する。本発明の様々な実施の形態によって、より小さい波長を有するセカンダリレーザは、切削操作を開始するように使用される。様々な実施の形態において、セカンダリレーザは、少なくとも材料の表面の一部が溶融するまで、加工する材料の表面上に光を発振する。（即ち、セカンダリレーザは、材料を通じて実際に穴が形成されるまで使用されなくてもよく、少なくとも材料の一部が溶融し、よってより長い波長のレーザ光をより吸収すれば足りる。しかしながら、様々な実施の形態においては、セカンダリレーザは、少なくとも材料を通じた穴が形成されるまで、使用される。）少なくとも材料表面の一部が溶融した後、プライマリレーザは、実質的に同じ点において（即ち、プライマリレーザとセカンダリレーザビームとは、同軸上であってもよく、またはそれらの光軸は互いに近く接近してもよい）、例えば、表面の溶融した部分内、及び／またはセカンダリレーザによって形成されるいずれかの穴の少なくとも部分的に内側の点に、材料上により長い波長の光を発振し、カットを生成するように材料にわたって並進移動される。したがって、様々な実施の形態において、セカンダリレーザは、より低いパワー及び／またはより少ない時間において使用されてもよく、その寿命を延ばすことができる。さらに、セカンダリレーザの使用は、より長いレーザ波長（例えば、赤外線または近赤外線）に対して高い反射率を有する材料、例えば、銅の高効率の加工を実現できる。

様々な実施の形態において、セカンダリレーザは、材料の穿孔（即ち、切削操作を開始するとき）のみならず、材料の１つまたは複数の特性が変化するまたはカット自体の１つまたは複数の特性を変更することが望ましい場合において、切削操作中に使用されてもよい（即ち、材料に向かってレーザエネルギを発振してもよい）。例えば、材料の厚みが１つまたは複数の点において変化すると（例えば、増加すると）、切削操作を効率良く継続するために、セカンダリレーザはそのような点において使用されてもよい。加えて、セカンダリレーザは、カットのサイズ（例えば、幅）を変更（例えば、増加）させることが望ましい点、及び／または切削方向が変化する点において、（プライマリレーザと共にまたはプライマリレーザ無しで）使用されてもよい。

上述のように、プライマリ及びセカンダリレーザは、穿孔／切削操作（または他の加工操作）の異なる部分において、互いから独立して使用されてもよい。これら、セカンダリレーザは、カットを開始するように使用されて、その後電源が切られてもよく、一方で、プライマリレーザは操作を完成させるように電源が付けられてもよく、２つのレーザは、同時に材料に向かって光を発振しない。しかしながら、様々な実施の形態において、両方のレーザは、少なくとも加工操作の一部において、材料に向かって同時に光を発振する。即ち、両方のレーザは、少なくとも穿孔操作の一部及び／または後続の切削操作の少なくとも一部において表面に向かって光を発振してもよい。両方のレーザの同時の使用は、追加（extra）のレーザパワーを提供してもよく、よってより早い切削及び／またはより厚い材料の切削を可能にする。加えて、両方のレーザの同時の使用によって提供される拡大されたバンド幅は、レーザコヒーレンスとスペックルとのスクランブル（scrambling）の増加によって、加工／切削材料の表面品質を改善し得る。様々の実施の形態において、両方のレーザは、同時に材料に向かって光を発振し、一方または他方のパワーは、プロセスの１つまたは複数の部分において変調されてもよい。例えば、穿孔において、プライマリレーザは、後続の切削操作においてより低いパワーで光を発振してもよい。同様に、セカンダリレーザは、切削において、初期の穿孔操作においてより低いパワーで光を発振してもよい。

他の例示的な実施の形態において、セカンダリレーザは、初期の軟化または溶融のために使用されてもよく、一方でプライマリレーザは、加工パスに沿って工作物または複数の工作物を溶接するように使用される。プライマリレーザ及びセカンダリレーザは、例示の切削操作のために上述したように操作されてもよい。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ及びセカンダリレーザの操作は、コンピュータに基づくコントローラによって制御される。プライマリレーザが、セカンダリレーザが穿孔のために使用された（または主に使用された）後に、切削のために使用される（または主に使用される）実施の形態において、コントローラは、プロセスにおける望ましい点において（例えば、少なくとも材料表面の一部が溶融して、材料に穴が形成される前、または材料に穴が形成された後でも）、プライマリレーザの電源をオンにしてもよい（またはそのパワーレベルを上げてもよい）。このようなとき、コントローラは、セカンダリレーザの電源をオフにしてもよい（またはパワーレベルを下げてもよい）。コントローラは、材料表面の状態に直接応じて（例えば、溶融したら）、プライマリレーザのこの使用を開始してもよい。例えば、レーザシステムは、材料表面を監視し、例えば、表面の反射率及び／または温度における変化によって溶融したときを検知する１つまたは複数のセンサを含んでもよい。（当業者によって知られているように、表面が溶融すると、この相変化には、（例えば、赤外線または近赤外線等のより長い波長に対する）反射率における急な変化が伴う場合がある。少なくとも材料が蒸発し始めるまで、材料の表面の温度上昇も減速し得る。）他の実施の形態において、コントローラは、予定した遅延の後、単にプライマリレーザの使用（及び／またはセカンダリレーザのパワーダウンまたはパワーを切ること）を開始してもよい。

よって、様々な実施の形態において、より短い波長を有するセカンダリレーザは、材料を溶かす、穿孔する、または部分的に穿孔するように使用（または主に使用）され、その後、より長い波長を有するプライマリレーザは、（例えば、材料にわたるプライマリレーザスポットの並進移動によって）材料を切削するように使用（または主に使用）される。一般的に、セカンダリレーザは、特定のプロセスを開始するように使用されてもよく、一方で、プライマリレーザは、開始された後にそのプロセスを完成させるように使用されてもよい。このような実施の形態は特に金属材料に適してもよい一方、様々な実施の形態において、より長い波長のレーザは、材料を溶かす、穿孔する、または部分的に穿孔するように使用（または主に使用）され、その後、より短い波長を有するレーザは、（例えば、材料にわたるプライマリレーザスポットの並進移動によって）材料を切削するように使用（または主に使用）される。例えば、多くの非金属材料、例えば、ガラス及びプラスチックは、可視光及び近赤外線波長において透明であるが、ＵＶ波長（例えば、略３５０ｎｍより短い）及び／またはＩＲ波長（例えば、略２μｍから略１１μｍまでの範囲）において高い吸収を示してもよい。よって、このような材料が、上及び本明細書にて説明するように加工されてもよい、即ち、より短い波長を有するレーザが穿孔及び／または溶融、より長い波長のレーザが切削を行ってもよいが、より長い波長を有するレーザが穿孔及び／または溶融、より短い波長のレーザが切削のために使用されて、このような材料が加工されてもよいように、レーザ波長は選択されてもよい。したがって、このような材料においては、様々な実施の形態において、本明細書にて説明される「セカンダリレーザ」は、「プライマリレーザ」より長い波長を有してもよい。（例えば、プライマリレーザは、近赤外線の波長を有してもよく、セカンダリレーザは、略５μｍ（例えば、ＣＯレーザ）または略１０．６μｍ（例えば、ＣＯ_２レーザ）の波長を有してもよい。）

本発明の実施の形態は、光で表面をプローブするだけの光学的技術（例えば、反射率測定）と対照的に、通常、工作物の表面が物理的に変更され、及び／または表面上にまたは内に特徴が形成されるように、工作物を加工するように使用される。本発明の実施の形態による例示的なプロセスは、切削、溶接、穴開け、及びはんだ付けを含む。本発明の様々な実施の形態において、レーザビームからの照射で工作物の表面の全てまたは実質的に全てを同時に充満させることに代わって、１つまたは複数のスポットにおいてまたは１次元の加工パスに沿って加工する。一般的に、加工パスは、曲線的または直線的であってもよく、「直線」加工パスは、１つまたは複数の方向変化を有してもよく、即ち、直線加工パスは、互いに必ずしも平行でない２つ以上の実質的にまっすぐなセグメントによって構成されてもよい。

本明細書にて、「光学素子」は、特段の記載がない限り、電磁気放射を方向転換させる、反射させる、曲げる、または他のいずれかの方法で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、回折格子等のいずれかを指してもよい。本明細書にて、ビーム発振器、発振器、またはレーザ発振器、またはレーザは、電磁気ビームを発生させるが、自己共振するまたはしない半導体要素等のいずれかの電磁気ビーム発生装置を含む。これらは、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非個体レーザ等を含む。一般的に、各発振器は、背面反射面、少なくとも１つの光学利得媒体、及び正面反射面を含む。光学利得媒体は、電磁気放射の利得を増加させる。電磁気放射は、電磁気スペクトラムのいずれかの特定部分に限定されておらず、可視光、赤外線及び／または紫外線であってもよい。発振器は、複数のビームを発振するように構成されたダイオードバー等、複数のビーム発振器を含んでもよくまたは実質的にこれからなってもよい。本明細書における実施の形態において使用されるレーザビームは、単一波長、または先行技術によって知られている様々な技術を用いて結合された複数波長ビームであってもよい。加えて、本明細書にて、「レーザ」、「レーザ発振器」、または「ビーム発振器」への参照は、単一ダイオードレーザのみを含むのではなく、ダイオードバー、レーザアレー、ダイオードバーアレー、及び単一の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）またはそのアレーを含む。

本発明の実施の形態は、マルチ波長ビームを形成するように分散要素を用いて合成される１つまたは複数のダイオードバー等の複数の発振器を含む波長合成技術（ＷＢＣ）システムを用いて使用されてもよい。ＷＢＣシステムにおける各発振器は、個別に共振し、波長合成方向に沿って分散要素によってフィルタされる共通の部分反射型出力カプラからの波長特定フィードバックを通じて安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許８，６７０，１８０号、及び２０１１年３月７日に出願された米国特許８，５５９，１０７号において説明され、それらの開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。ＷＢＣシステムのマルチ波長出力ビームは、例えば、工作物の穿孔及び／または切削及び／または溶接のために、本発明の実施の形態において加工ビームとして使用されてもよい。

本開示の様々な実施の形態によるレーザシステムは、工作物上にレーザ出力を向けて、出力と工作物との間で相対移動をもたらすデリバリ機構をさらに含んでもよい。例えば、デリバリ機構は、工作物に向かって出力を向ける及び／または集光するためのレーザヘッドを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよい。レーザヘッド自体は、工作物に対して可動及び／または回転可能であってもよく、及び／またはデリバリ機構は、固定されてもよい出力に対して、工作物の移動を可能にするように工作物のための可動なガントリーまたは他のプラットホームを含んでもよい。

本発明の実施の形態は、２０１９年１２月２７日に出願した米国仮特許出願６２／９５４，０３３号に説明されるように、望まれる場合において、工作物に非対称なレーザビームの供給を可能にする、及び／または工作物の加工においてビームを回転するように、レーザヘッド及び／または関連のシステム部品を使用してもよく、出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。例えば、プライマリビーム、セカンダリビーム、またはその両方は、本明細書において説明される様々な加工ステージの全てまたは一部において、（例えば、工作物にわたって方向が１回または複数回変更し得る加工パスに対して、特定の配向にまたは望ましい角度に（例えば、平行にまたは垂直に）連続的に）回転されてもよい。例えば、１つまたは複数の加工ステージにおけるビーム回転は、プロセスを速くすること、または加工された工作物においてより鋭利なエッジを生成することができる。

本発明の様々な実施の形態において、様々な工作物の加工のために使用されるプライマリ及びセカンダリレーザビームは、１つまたは複数の光ファイバ（または「デリバリファイバ」）を通じて、工作物に供給されてもよい。本発明の実施の形態は、多くの異なる内部構成及び形状を有する光ファイバを含んでもよい。このような光ファイバは、１つまたは複数のコア領域及び１つまたは複数のクラッド領域を有してもよい。例えば、光ファイバは、内側クラッド層によって分離される中央コア領域と環状コア領域とを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよい。１つまたは複数の外側クラッド層は、環状コア領域の周りに配置されてもよい。本発明の実施の形態は、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号、及び２０１９年１１月６日に出願された米国特許出願第１６／６７５，６５５号において説明される構成を有する光ファイバと共に使用されてもよく、及び／またはこれらを含んでもよく、各出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

構造的に、本発明の実施の形態による光ファイバは、本発明の原理を変更することなく、外側クラッドを超えて（即ちその外側において）高い及び／または低い屈折率を有する１つまたは複数の層を含んでもよい。追加の層のそれぞれは、クラッドまたはコーティングと呼ばれてもよく、光を誘導しなくてもよい。光ファイバは、明記されたものに加えて１つまたは複数のコアを含んでもよい。このような変形例は本発明の範囲内にある。本発明の様々な実施の形態は、光ファイバの構造内またはその上においてモードストリッパを含まない。同様に、本発明の実施の形態による光ファイバの様々な層は、ファイバの全長に沿って連続的であり、穴、フォトニック結晶構造、断線、隙間、または他の不連続を含まない。

本発明による光ファイバは、マルチモードファイバであってもよく、したがってその中に複数のモード（例えば、３より多く、１０より多く、２０より多く、５０より多く、または１００より多くのモード）を支持する。加えて、本発明による光ファイバは、一般的にパッシブファイバ（passive fibers）であって、即ちポンプされたファイバレーザ及び増幅器において通常使用されるように、アクティブドーパント（例えば、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、ホルミウム、またはその他の希土類金属）がドープされていない。むしろ、本発明による光ファイバの様々な層において望ましい屈折率を選択するように使用されるドーパントは、例えば、フッ素、チタン、ゲルマニウム、及び／またはホウ素等、一般的に、レーザ光によって励起されないパッシブドーパントである。したがって、本発明の様々な実施の形態による光ファイバ、その様々なコア及びクラッド層は、実質的に純石英ガラス及び／または石英ガラス等のガラスを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよく、フッ素、チタン、ゲルマニウム、及び／またはホウ素がドープされてもよい。本発明の実施の形態による光ファイバの特定の層または領域において望ましい屈折率を取得することは、過度な実験なく当業者によって（ドーピング等の技術によって）実現されてもよい。関連して、本発明の実施の形態による光ファイバは、その内部またはその上に、反射体、または部分反射体（例えば、ブラッグ格子等の格子）を含まなくてもよい。本発明の実施の形態によるファイバは、通常、異なる波長のレーザ光を発生させるように構成されるポンプ光でポンプされない。むしろ、本発明の実施の形態によるファイバは、単に、その波長を変更せずに、その長さによって光を伝播させる。本発明の様々な実施の形態において使用される光ファイバは、よりもろいガラスまたは石英ガラスファイバ自体の周りに配置される任意の外側ポリマー保護コーティングまたは外装を有してもよい。

加えて、本発明の実施の形態によるシステム及び技術は、光学通信または光学データ伝達等の用途ではなく、材料加工（例えば、切削、穴あけ等）のために通常使用される。したがって、本発明の実施の形態によってファイバに結合されてもよいレーザビームは、光学通信のために使用される１．３μｍまたは１．５μｍとは異なる波長を有してもよい。実は、本発明の実施の形態によって使用されるファイバは、光学通信のために使用される略１２６０ｎｍから略１６７５ｎｍまでの範囲の１つまたは複数（または全て）の波長において、分散を示してもよい。

ある態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを用いて工作物を加工する方法を有する。レーザシステムは、プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリレーザと、セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリレーザを含み、本質的にこれから構成され、またはこれから構成される。プライマリレーザビームの波長はセカンダリレーザビームの波長と異なる。第１ステージにおいて、少なくともセカンダリレーザビームは工作物の表面に向けられて、セカンダリレーザビームのエネルギは工作物によって吸収される。第２ステージにおいて、少なくとも工作物の表面の一部が、第１ステージにおけるセカンダリレーザビームのエネルギの吸収に反応した後、（ｉ）少なくともプライマリレーザビームが工作物の表面に向けられて、（ｉｉ）その間、少なくともプライマリレーザビームと工作物との間において相対移動が発生し、工作物は、相対移動によって少なくとも部分的に特定される加工パスに沿って切削または溶接される。

本発明の実施の形態は、いずれかの様々な組み合わせにおいて、後続の１つまたは複数を含んでもよい。プライマリレーザビームは、第１ステージにおいて、工作物の表面に向けられなくてもよい。セカンダリレーザビームは、第２ステージにおいて、工作物の表面に向けられなくてもよい。プライマリレーザビームは、第１ステージにおいて、工作物の表面に向けられてもよい。第１ステージにおけるプライマリレーザビームの出力パワーは、第２ステージにおけるプライマリレーザビームの出力パワーより低くてもよい。セカンダリレーザビームは、第２ステージの間において工作物の表面に向けられてもよい。第２ステージにおけるセカンダリレーザビームの出力パワーは、第１ステージにおけるセカンダリレーザビームの出力パワーより低くてもよい。

プライマリレーザビームの波長は略８７０ｎｍから略１１μｍまでの範囲を有してもよい。プライマリレーザビームの波長は略８７０ｎｍから略１０６４ｎｍまでの範囲を有してもよい。プライマリレーザビームの波長は略８７０ｎｍから略１０００ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略３００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略４００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略５３０ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。

プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より長くてもよい。工作物（または少なくともその一部またはその表面の少なくとも一部）は、金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物（または少なくともその一部またはその表面の少なくとも一部）は、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、金、銀、及び／またはモリブデンを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より短くてもよい。工作物（または少なくともその一部またはその表面の少なくとも一部）は、非金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物（または少なくともその一部またはその表面の少なくとも一部）は、ガラス及び／またはプラスチック及び／または紙及び／またはポリマー材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。プライマリレーザビームの波長の固体状態における工作物による吸収は、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満、１０％未満、５％未満、２％未満、または１％未満であってもよい。

プライマリレーザビームはマルチ波長ビームであってもよい。プライマリレーザビームは、波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器によって発振されてもよい。波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向かって複数のビームを集光させるための集光光学系と、受けた集光ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、プライマリレーザビームとしてそこを通じて分散ビームの第１部分を透過させて、分散要素に向かって分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。プライマリレーザビームは、マルチ波長ビームであってもよい。セカンダリレーザビームは、波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器によって発振されてもよい。波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向かって複数のビームを集光させるための集光光学系と、受けた集光ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、セカンダリレーザビームとしてそこを通じて分散ビームの第１部分を透過させて、分散要素に向かって分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。

プライマリレーザビームは、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザによって発振されてもよい。セカンダリレーザビームは、ガスレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザによって発振されてもよい。プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとは、異なるタイプのレーザによって発振されてもよい。プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとは同じタイプのレーザによって発振されてもよい。第２ステージが開始される前において、工作物の表面の反射率及び／または温度に基づいて、少なくとも工作物の表面の一部が溶けていると特定されてもよい。第２ステージにおいてまたはその後で、少なくともセカンダリレーザビームは、（ｉ）工作物の厚みが変化する、（ｉｉ）加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）工作物の組成が変化する加工パスに沿った１つまたは複数の点において工作物の表面に向けられてもよい。このような点において、プライマリレーザビームは、工作物の表面に向けられてもよく、または工作物の表面に向けられなくてもよい。このような点の１つまたは複数において、第２ステージが終了し、第１ステージが再開されてもよい。第１ステージの間で及び第２ステージの前において、少なくとも工作物の厚みの一部（または全部）を通じて、穴が形成されてもよい。穴は、第２ステージの開始の前において、少なくとも工作物の厚みの一部（または全部）を通じて形成されなくてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、工作物を加工するレーザシステムを有する。レーザシステムは、プライマリレーザ発振器と、セカンダリレーザ発振器と、レーザヘッドと、コンピュータに基づくコントローラとを含み、本質的にこれから構成され、またはこれから構成される。プライマリレーザ発振器は、プライマリレーザビームを発振するように構成される。セカンダリレーザ発振器は、セカンダリレーザビームを発振するように構成される。プライマリレーザビームの波長はセカンダリレーザビームの波長と異なる。レーザヘッドは、プライマリレーザビーム及び／またはセカンダリレーザビームを工作物上に向ける。コントローラは、（ｉ）第１ステージにおいて、少なくともセカンダリレーザビームを工作物の表面に向けて、セカンダリレーザビームのエネルギが工作物によって吸収され、（ｉｉ）第２ステージにおいて、少なくとも工作物の表面の一部がセカンダリレーザビームのエネルギの吸収に反応した後、プライマリレーザビームと工作物との間において相対移動の間に、少なくともプライマリレーザビームを工作物の表面に向けて、工作物が、相対移動によって少なくとも部分的に特定される加工パスに沿って切削または溶接されるように構成される。

本発明の実施の形態は、いずれかの様々な組み合わせにおいて、後続の１つまたは複数を含んでもよい。システムは、プライマリレーザビームとセカンダリレーザビームとを合成するビーム合成装置を含んでもよい。ビーム合成装置は、レーザヘッド内にまたはその光学的上流に配置されてもよい。ビーム合成装置は、波長合成装置、偏光合成装置、空間合成装置、またはファイバ合成装置を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。システムは、ビーム合成装置がその中にプライマリレーザビーム及びセカンダリレーザビームを合成するデリバリ光ファイバを含んでもよい。デリバリ光ファイバは、プライマリレーザビーム及びセカンダリレーザビームをレーザヘッドに供給してもよい。レーザヘッドは、工作物上にプライマリレーザビーム及び／またはセカンダリレーザビーム及び／または合成ビームを集光するための１つまたは複数の光学素子を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。

コントローラは、第１ステージにおいて、工作物の表面にプライマリレーザビームを向けないように構成されてもよい。コントローラは、第２ステージにおいて、工作物の表面にセカンダリレーザビームを向けないように構成されてもよい。コントローラは、第１ステージにおいて、工作物の表面にプライマリレーザビームを向けるように構成されてもよい。コントローラは、（ｉ）第１ステージにおいて、第１出力パワーと共に、及び（ｉｉ）第２ステージにおいて、第１出力パワーより高い第２出力パワーと共に、工作物の表面にプライマリレーザビームを向けるように構成されてもよい。コントローラは、第２ステージにおいて、工作物の表面にセカンダリレーザビームを向けるように構成されてもよい。コントローラは、（ｉ）第１ステージにおいて、第１出力パワーと共に、及び（ｉｉ）第２ステージにおいて、第１出力パワーより低い第２出力パワーと共に、工作物の表面にセカンダリレーザビームを向けるように構成されてもよい。

プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１１μｍまでの範囲を有してもよい。プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０６４ｎｍまでの範囲を有してもよい。プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０００ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略３００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略４００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。セカンダリレーザビームの波長は略５３０ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有してもよい。

システムは工作物を含んでもよい。工作物は、金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物は、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、金、銀、及び／またはモリブデンを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。コントローラは、金属材料を含み、本質的にこれから構成され、またはこれから構成される工作物を加工するように構成されてもよい。工作物は、非金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物は、ガラス及び／またはプラスチック及び／または紙及び／またはポリマー材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。コントローラは、非金属材料を含み、本質的にこれから構成され、またはこれから構成される工作物を加工するように構成されてもよい。プライマリレーザビームの波長の固体状態における工作物による吸収は、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満、１０％未満、５％未満、２％未満、または１％未満であってもよい。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より長くてもよい。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より短くてもよい。

プライマリレーザビームはマルチ波長ビームであってもよい。プライマリレーザビームは、波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器によって発振されてもよい。波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向かって複数のビームを集光させるための集光光学系と、受けた集光ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、プライマリレーザビームとしてそこを通じて分散ビームの第１部分を透過させて、分散要素に向かって分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。プライマリレーザビームは、マルチ波長ビームであってもよい。セカンダリレーザビームは、波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器によって発振されてもよい。波長ビーム合成された（または合成する）ビーム発振器は、複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、分散要素に向かって複数のビームを集光させるための集光光学系と、受けた集光ビームを受けて分散させる分散要素と、分散ビームを受けて、セカンダリレーザビームとしてそこを通じて分散ビームの第１部分を透過させて、分散要素に向かって分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。分散要素は、回折格子（例えば、透過型回折格子または反射型回折格子）を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。

システムは、プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリビーム発振器を有してもよい。プライマリビーム発振器は、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよい。システムは、セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリビーム発振器を有してもよい。セカンダリビーム発振器は、ガスレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよい。システムは、１つまたは複数のセンサを含んでもよい。コントローラは、１つまたは複数のセンサから受信した信号に少なくとも部分的に基づいて工作物の表面の少なくとも一部が溶けていることを特定するように構成されてもよい。コントローラは、第２ステージにおいて、（ｉ）工作物の厚みが変化する、（ｉｉ）加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）工作物の組成が変化する加工パスに沿った１つまたは複数の点において、少なくともセカンダリレーザビームを工作物の表面に向けるように構成されてもよい。このような点において、コントローラは、工作物の表面にプライマリレーザビームを向けるまたは向けないように構成されてもよい。このような点の１つまたは複数において、コントローラは、第２ステージを終了して、第１ステージを再開するように構成されてもよい。コントローラは、第１ステージの間において工作物の厚みの一部または全部を通じて穴が形成された後にのみ第２ステージを開始するように構成されてもよい。コントローラは、第１ステージにおいて工作物の厚みの一部または全部を通じて穴が形成される前に第２ステージを開始するように構成されてもよい。

他の態様において、本発明の実施の形態は、レーザシステムを使用して工作物を加工する方法を有する。レーザシステムは、レーザヘッドを含み、本質的にこれから構成されて、またはこれから構成される。レーザヘッドからの少なくともセカンダリレーザビームは、第１位置において、工作物を溶かすまたは少なくとも部分的に穿孔するように工作物の表面に向けられる。少なくともセカンダリレーザビームとは異なるプライマリレーザビームは、レーザヘッドから工作物に向けられて、第１位置から延びる加工パスに沿って工作物を切削または溶接するようにレーザヘッドと工作物との間で相対移動をもたらす。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長と異なる。

本発明の実施の形態は、いずれかの様々な組み合わせにおいて、後続の１つまたは複数を含んでもよい。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より長くてもよい。工作物、または少なくとも工作物の表面の一部、または少なくとも工作物の一部は、金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物、または少なくとも工作物の表面の一部、または少なくとも工作物の一部は、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、金、銀、及び／またはモリブデンを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。プライマリレーザビームの波長は、セカンダリレーザビームの波長より短くてもよい。工作物、または少なくとも工作物の表面の一部、または少なくとも工作物の一部は、非金属材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。工作物、または少なくとも工作物の表面の一部、または少なくとも工作物の一部は、ガラス、プラスチック、紙、及び／またはポリマー材料を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。

これら及び他の目的は、本明細書にて開示される本発明の利点及び特徴と共に、後続の説明、添付の図面及び請求項の参照によって、より明確になる。さらに、本明細書にて説明される様々な実施の形態の特徴は、相互に排他的でなく、様々な組み合わせ及び順列として存在してもよいと理解されよう。本明細書にて使用されるように、用語「実質的に」は、±１０％を意味し、ある実施の形態では±５％を意味する。用語「実質的に構成する」は、本明細書にて特に定義されない限り、機能に貢献する他の材料を排除することを意味する。しかしながら、このような他の材料は、併せてまたは個別に、微量で存在してもよい。本明細書にて、用語「放射線」及び「光」は、特に断りのない限り、置換可能に使用されている。本明細書にて、「下流」または「光学的に下流」は、光ビームが第１要素に当たった後に当たる第２要素の相対的位置を示すように使用され、第１要素は第２要素に対して「上流」または「光学的に上流」である。本明細書にて、２つの要素の間の「光学的距離」は光ビームが実際に移動する２つの要素の間の距離であり、光学的距離は、２つの要素の間の物理的距離であってもよいが、例えば、ミラーからの反射、または１つの要素から他の要素に移動する光が経験する伝播方向における他の変更によって、必ずしもそうでない。本明細書にて使用される距離は、特に記載がない限り、「光学的距離」であるとみなされてもよい。

図面において、類似の参照記号は、一般的に、異なる図面を通じて同一の部品を示す。さらに、図面は必ずしも縮尺があっているものでなく、一般的に、本発明の原理を示すことが重視されている。後続の説明において、本発明の様々な実施の形態は、後続の図面に対する参照と共に説明される。

レーザ加工光の波長の関数として、本発明の実施の形態による加工可能な様々な金属材料の吸収スペクトルのグラフ ２つの異なる波長、１０６０ｎｍ及び１０．６μｍのレーザ光に対する温度の関数として鋼鉄の表面の吸収のグラフ 本発明の実施の形態によるレーザシステムの様々な部品の概略図 本発明の実施の形態によるビーム合成装置のまたはその内部の異なる構成の概略図 本発明の実施の形態によるビーム合成装置のまたはその内部の異なる構成の概略図 本発明の実施の形態によるビーム合成装置のまたはその内部の異なる構成の概略図 本発明の実施の形態による合成レーザヘッドの概略図 本発明の実施の形態による波長合成技術（ＷＢＣ）共振器の概略図

図１は、レーザ加工光の波長の関数として、本発明の実施の形態による加工可能な様々な金属材料の吸収スペクトルのグラフである。図１は、Ｗ．Ｍ．スティーン、Ｊ．マズムダー、「レーザ材料加工」、第４版、スプリンガー、ロンドン、２０１０、ｄｏｉ：１０．１００７／９７８－１－８４９９６－０６２－５を調整したものであって、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。図示するように、少なくとも固体状態において、多くの金属の吸収は、レーザ波長が減少すると増加する。特に、アルミニウムは略８１０ｎｍにおいて吸収ピークを有し、銅、金、銀等の金属は、近赤外線及びそれ以上の波長において（例えば、略８００ｎｍまたは１０００ｎｍ以上の波長において）高い反射性を示し、極めて低い吸収を示す。図１には、例えば、略３５０ｎｍで発振するＵＶレーザ、略５００ｎｍで発振するグリーンレーザ、１０６０ｎｍで発振するＮｂ：ＹＡＧレーザ、及び１０．６μｍにおいて発振するＣＯ_２レーザ等の様々なタイプのレーザのおおよその発振波長を示す。

図２は、２つの異なる波長１０６０ｎｍ及び１０．６μｍのレーザ光に対して、温度の関数として、通常の金属表面（ここでは、鋼鉄）の吸収のグラフである。図２は、鋼鉄熱処理ハンドブック、第２版、ＣＲＣプレス（２００６）の図６．２３、第４６２頁から引用され、その開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。図示するように、材料の融点以下において、吸収は、より短い波長の光に対して大幅に高い。しかしながら、融点が達成され、表面が溶け始めると、吸収は大幅に増加し、波長に対して依存しなくなりまたは実質的に独立する。図示するように、この相対的温度領域において、溶接プロセスが実行されてもよい。吸収は、温度が蒸発温度（例えば、切削が実行されてもよい領域）に到達するまで増加し、そこで、吸収は高いレベルで一定になる。したがって、本発明の実施の形態は、材料が固体状態であるとき、切削または溶接操作の開始（例えば、穿孔及び／または少なくとも部分的な溶融）のために、より短い波長のセカンダリレーザを使用して、材料が溶融すると、材料の切削または溶接等のプロセスのためにより長い波長のプライマリレーザが使用される。

上述の実施の形態は、特に金属材料に適していてもよいが、様々な実施の形態において、より長い波長レーザは、材料を溶かす、穿孔する、または部分的に穿孔するように使用（または主に使用）され、その後、より短い波長のレーザは、（例えば、材料にわたってプライマリレーザスポットを並進移動させることによって）材料を切削するように使用（または主に使用）される。例えば、多くの非金属材料、例えば、ガラス及びプラスチックは、可視光及び近赤外線波長において透明であるが、ＵＶ波長（例えば、略３５０ｎｍより短い）及び／またはＩＲ波長（例えば、略２μｍから略１１μｍまでの範囲）において高い吸収を示してもよい。よって、このような材料が、上及び本明細書にて説明するように加工されてもよい、即ち、より短い波長を有するレーザが穿孔及び／または溶融、より長い波長のレーザが切削を行ってもよいが、より長い波長を有するレーザが穿孔及び／または溶融、より短い波長のレーザが切削のために使用されて、様々な材料（例えば、ガラス、プラスチック、紙）が加工されてもよいように、レーザ波長は選択されてもよい。したがって、このような材料においては、様々な実施の形態において、本明細書にて説明される「セカンダリレーザ」は、「プライマリレーザ」より長い波長を有してもよい。（例えば、プライマリレーザは、近赤外線の波長を有してもよく、セカンダリレーザは、略５μｍ（例えば、ＣＯレーザ）または略１０．６μｍ（例えば、ＣＯ_２レーザ）の波長を有してもよい。）

図３は、本発明の実施の形態によるレーザシステム３００の様々な部品を概略的に示す。図示するように、レーザシステム３００において、プライマリレーザ３１０からのビーム３０５と、セカンダリレーザ３２０からのビーム３１５は、合成装置（または「合成モジュール」）３３０において合成される。合成装置３３０は、光学接続３４５（例えば、１つまたは複数の光ファイバ）を通じてレーザヘッド３４０に結合される。合成装置３３０は、ビーム３０５、３１５を受けて、同軸上にまたは互いに接近して発振されてもよいようにビームを合成するように構成される。様々な実施の形態において、互いに接近のビームは、ビームエネルギの少なくとも一部が重なるように、または第２ビームのビームエネルギの一部が第１ビームのビームエネルギが表面に当たった位置に当たるように、または第１ビームによって、少なくとも部分的に溶融された表面の点において、表面に当たる。様々な実施の形態において、２つのビームの中心は、同軸上であっても、または１ｃｍ、０．５ｃｍ、０．１ｃｍ、０．５ｍｍ、または０．１ｍｍ以下の間隔を有してもよい。

下記でさらに説明するように、本発明の様々な実施の形態において、合成装置３３０は、空間的にビームを合成し、ファイバによってビームを合成し、偏光によってビームを合成し、または波長によってビームを合成してもよい。様々な実施の形態において、レーザヘッド３４０は、工作物の加工のために工作物上にビーム（及び／または合成ビーム）を集光するように使用される１つまたは複数の光学素子を含む。例えば、本発明の実施の形態によるレーザヘッドは、１つまたは複数のコリメータ（即ちコリメートレンズ）及び／または集光光学系（１つまたは複数集光レンズ）を含んでもよい。レーザヘッドに入るビームが既にコリメートされていると、レーザヘッドはコリメータを含まなくてもよい。様々な実施の形態によるレーザヘッドは、１つまたは複数の保護窓、集光調節機構（手動または自動、例えば、１つまたは複数のダイヤル及び／またはスイッチ及び／または選択ボタン）を含んでもよい。レーザヘッドは、例えば、レーザパワー、ターゲット材料温度、及び／または反射率、プラズマスペクトル等のための１つまたは複数の監視システムを含んでもよい。レーザヘッドは、ビーム成形及び／またはビーム品質（例えば、可変ＢＰＰ）の調整のための光学素子を含んでもよく、及びビームの偏光及び／または集光スポットの軌道のための制御システムを含んでもよい。

ある実施の計形態において、合成装置３３０の部品の全部または一部はレーザヘッド３４０の内部に収容される。様々な実施の形態において、レーザヘッド３４０は、２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号に説明されるように、例えば、出力ビームのビーム形状及び／またはＢＰＰの変更のためのその選択及び／または配置のための１つまたは複数の光学素子（例えば、レンズ）と、レンズ操作システムを含んでもよく、出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

光学接続３４５が光ファイバを含む、本質的にこれから構成される、またはこれから構成される実施の形態において、光ファイバは、多数の異なる内部構成及び形状を有してもよい。例えば、光ファイバは、内側クラッド層によって分離される中央コア領域と環状コア領域とを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、またはこれから構成されてもよい。１つまたは複数の外側クラッド層は、環状コア領域の周りに配置されてもよい。本発明の実施の形態は、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号、及び２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７３１号に説明された構成を有する光ファイバを含んでもよく、それらの開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０は、セカンダリレーザ３２０によって発振されるレーザビーム３１５より長い波長（または波長の範囲）を有するレーザビーム３０５を発振する。様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０は、安価であって、操作するコストが安く、及び／または容易に入手できる。プライマリレーザ３１０は、セカンダリレーザ３２０より高い最大パワーにおいて操作するように構成されてもよい。様々な実施の形態において、セカンダリレーザ３２０は、効率が悪く、寿命が短く、（例えば、出力パワー当たりのコストの観点において）高価であってもよい。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０は、必ずしもそうではないが、異なったタイプのレーザであってもよい。例えば、プライマリレーザ３１０は、ダイレクトダイオードレーザ（例えば、自由空間に発振するまたは光ファイバに結合される）、ファイバレーザ、または固体状態レーザ（即ち、１つまたは複数の希土類要素によってドープされたガラスまたは結晶等の固体の利得媒体を使用するレーザ）を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。様々な実施の形態において、セカンダリレーザ３２０は、ダイレクトダイオードレーザ（例えば、自由空間に発振するまたは光ファイバに結合される）、ガスレーザ、または固体状態レーザを含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。様々な実施の形態において、ダイレクトダイオードレーザは、より高い品質において材料（例えば、金属材料）を加工する能力によって、プライマリレーザ３１０及び／またはセカンダリレーザ３２０として望まれてもよい。原理によって拘束されることを願わずに、ＷＢＣレーザは、それぞれが異なる波長を有する数１０個（または数１００個）の離散的な発振器の組み合わせによって生じるこれらのブロードバンドな性質によってより高い品質を提供してもよい。これは、空間的ドメイン及び時間的ドメインの両方においてレーザ強度プロファイルを平滑化すると共に、レーザコヒーレンス及びスペックルをスクランブルしてもよい。

したがって、本明細書において説明するように、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０の一方または両方がマルチ波長ビームを発振してもよい。本発明の実施の形態によって、マルチ波長ビームの「波長」または「プライマリ波長」は、中央（即ち、中心）及び／またはレーザに発振される最も大きい強度の波長に対応してもよい。当業者に知られているように、事実上全てのレーザ出力は、複数の波長のバンドを含み、レーザ波長バンドはかなり狭い傾向にある。例えば、１０６４ｎｍにおいて発振するファイバレーザは、略２ｎｍの極めて狭いバンドを有してもよく、一方で、９７０ｎｍで発振するＷＢＣのダイレクトダイオードレーザは、略４０ｎｍのバンドを有してもよい。

本明細書にて例示の実施の形態は、レーザビーム３０５、３１５の発振のために個別のプライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０を使用し、説明するが、様々な実施の形態において、レーザビーム３０５、３１５は同一のレーザソースを用いて生成されてもよい。例えば、より長い波長を有するレーザビーム３０６を発振するように構成されるレーザソースは、周波数周波数二倍化（即ち、第二次高調波発生（ＳＨＧ））を通じて、より短い波長を有するレーザビーム３１５を発生させるように使用されてもよい。様々な実施の形態において、レーザビーム３０５は、本明細書で説明されるように加工のために使用されてもよく、レーザビーム３１５を発生させるようにレーザビーム３０５の略半分の波長を有するＳＨＧ照射を発生させる非線形光学材料を通じて向けられてもよい。（このような実施の形態は、ＳＨＧを用いるため、単一のレーザソースのみを要する利点を有するが、このような実施の形態は、一方のレーザビームの波長が、他方のレーザビームの略半分であることに限定される。）様々な実施の形態において、非線形光学材料は、レーザビーム３１５の発生の必要性に応じて、レーザビームの３０５のビームパスの内側及び外側に移動されてもよく、及び／または（存在すれば）現在加工に必要でないレーザビームは、ビームスプリッタまたはダイクロイックミラー等の光学素子を用いて、離れるように向けられてもよい。様々な実施の形態において、レーザシステムは、変換効率を向上させる及び／または水分の吸収を抑制するように、非線形光学結晶を配向する機構（例えば、可動及び／または回転可能なマウント）、及び／または温度を制御する機構（例えば、ヒータまたは炉）を含んでもよい。

様々な実施の形態において、レーザビーム３０５の変換されていない部分は、レーザビーム３１５の発生において非線形光学材料を横切って、両方のレーザビーム３０５、３１５は、本明細書にて説明されるように加工のための非線形光学材料から直接使用されてもよい。非限定的な例示において、レーザソースは、略１０６４ｎｍでレーザビーム３０５を発振するＹＡＧまたはファイバレーザであってもよく、略５３２ｎｍの波長を有するＳＨＧレーザビームを生成する。

様々な実施の形態において、非線形光学材料は、β－バリウムホウ酸塩（β－ＢａＢ_２Ｏ_４、またはＢＢＯ）、リチウムトリボレート（ＬｉＢ_３Ｏ_５、またはＬＢＯ）、セシウムリチウムボレート（ＣＬＢＯ、ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ビスマストリボレート（ＢｉＢ_３Ｏ_６、またはＢＩＢＯ）またはセシウムボレート（ＣｓＢ_３Ｏ_５、またはＣＢＯ）等の１つまたは複数のホウ酸塩結晶を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。他の例示的な非線形光学結晶には、カリウムフルオロボラートベリレート（ＫＢｅ_２ＢＯ_３Ｆ_２、またはＫＢＢＦ）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、またはＬＢ４）、リチウムルビジウムテトラボレート（ＬｉＲｂＢ_４Ｏ_７、またはＬＲＢ４）、およびフッ化マグネシウムバリウム（ＭｇＢａＦ_４）を含む。適切な非線形光学材料は、商業的に入手可能であって、過度な実験無しで当業者によって提供されてもよい。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０のレーザビーム３０５は、略７８０ｎｍから略１１μｍ、略７８０ｎｍから略１０６４ｎｍ、略７８０ｎｍから略１０００ｎｍ、略８７０ｎｍから略１１μｍ、略８７０ｎｍから略１０６４ｎｍ、または略８７０ｎｍから略１０００ｎｍの範囲を有する波長（または波長の範囲）を有する。特定の実施の形態において、レーザビーム３０５の波長（またはプライマリまたは中央波長）は、例えば、略１０６４ｎｍ、略１０．６μｍ、略９７０ｎｍ、略７８０または８５０から略１０６０ｎｍ、または略９５０ｎｍから略１０７０ｎｍであってもよい。様々な実施の形態において、セカンダリレーザ３２０のレーザビーム３１５は、略３００ｎｍから略７４０ｎｍ、略４００ｎｍから略７４０ｎｍ、略５３０ｎｍから略７４０ｎｍ、略３００ｎｍから略８１０ｎｍ、略４００ｎｍから略８１０ｎｍ、または略５３０ｎｍから略８１０ｎｍの範囲を有する波長（または波長の範囲）を有する。様々な実施の形態において、レーザビーム３１５の波長は、ＵＶまたは可視光の範囲にあり、一方で、その範囲において吸収ピークを有する材料（例えば、アルミニウム）のために、波長は略８１０ｎｍまで延びてもよい。特定の実施の形態において、レーザビーム３１５の波長（またはプライマリまたは中央波長）は、例えば、略８１０ｎｍ、略４００ｎｍから略４６０ｎｍ、または略５３２ｎｍであってもよい。様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０及び／またはセカンダリレーザ３２０は、ブロードバンドマルチ波長レーザビームを発振するＷＢＣレーザである。様々な実施の形態において、このようなレーザは、例えば、略１０ｎｍから略６０ｎｍの範囲を有するバンド幅を有してもよい。

以下の表は、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０の様々な可能な非限定的な組み合わせの例示を、各組み合わせにおける例示のターゲット材料（即ち、加工する材料）と共に示す。（表において、ＳＨＧは第二次高調波発生である。）

図３に示すように、プライマリレーザ３１０、セカンダリレーザ３２０、及び／またはレーザヘッド３４０は、コントローラ３５０に応答してもよい。例えば、コントローラ３５０は、レーザヘッド３４０を用いて実行するプロセスを開始し、対応してプライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０のオン／オフを切り替えて（及び／またはプライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０の出力パワーレベルを変調して）もよい。様々な実施の形態において、コントローラ３５０は、例えば、１つまたは複数のアクチュエータの制御を通じて工作物に対するレーザヘッド３４０の移動を制御してもよい。コントローラ３５０は、出力レーザビームと加工される工作物との間の相対移動をもたらすように構成される従来の配置システムを操作してもよい。例えば、配置システムは、２次元または３次元の工作物に沿った加工パスを通じてビームを向けるためのいずれかの制御可能な光学的、機械的または光学機械的システムであってもよい。加工において、コントローラ３５０は、レーザビームが工作物に沿った加工パスで横切るように、配置システムとレーザシステムを操作してもよい。加工パスは、ユーザによって提供されてもよく、オンボードまたは遠隔のメモリに保存されてもよく、メモリは、加工のタイプ（切削、溶接等）に関するパラメータ及び加工を実行するために必要なビーム波長（及びその順番）を保存してもよい。この観点において、ローカルまたは遠隔のデータベースは、システムが加工する材料及び厚みのライブラリを維持してもよく、材料パラメータ（材料のタイプ、厚み等）のユーザ選択によって、コントローラ３５０は、対応するビーム波長を取得し、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０が使用される時期及びパワーレベルを特定するように、データベースを参照する。保存された値は、材料の様々なプロセスにおいて適切なビーム波長、加工のタイプ、及び／または加工パスの形状を含んでもよい。

プロット及びスキャンの先行技術においてよく理解されているように、出力ビームと工作物との間で必要な相対移動は、可動なミラーによるビームの光偏向、ガントリー、リードスクリューまたは他の配置を用いたレーザの物理的な移動、及び／またはビームに代わって（または加えて）工作物を移動するための機械的配置によって生成されてもよい。コントローラ３５０は、実施の形態において、適切な監視センサに接続されるフィードバックユニットから、工作物に対するビームの位置及び／または加工効果に関するフィードバックを受信してもよい。

様々な実施の形態において、コントローラ３５０は、工作物（例えば、その表面）に関する検知された情報に基づいて、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０のオン／オフのスイッチング及び／または出力パワーレベルを制御する。例えば、レーザシステム３００は、（反射率の変化及び／または温度が材料の融点に到達したことを通じて、このようなセンサは従来からあり、過度な実験無しで提供され得る）少なくとも工作物の表面の一部が溶けていることを検知する１つまたは複数の光学及び／または温度センサを含んでもよい。様々な実施の形態において、セカンダリレーザ３２０は、少なくとも工作物の表面の一部が溶けるまで工作物の表面を加熱するように、または少なくとも工作物の厚みの一部を通じて穿孔するように使用され、その後、プライマリレーザ３１０は、少なくとも部分的に溶けた領域から始まる加工パスに沿って工作物を切削または溶接するように使用される。他の実施の形態において、コントローラ３５０は、予定した遅延の後、単にセカンダリレーザ３２０からプライマリレーザ３１０に切り替えて、遅延の期間は、材料のタイプ、材料の厚み、セカンダリレーザ３２０のスポットサイズ等の要因に基づいて推定されてもよい。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０の両方は、全プロセスの間にオンにされ、（本明細書にて説明するように）一方のビームが使用されていないと、そのビームは、工作物の表面に供給されるのではなく、逸らされる（例えば、ビームダンプに逸らされる、または少なくともレーザヘッドに入るまたは出ることが妨害される）。このような実施の形態において、逸らしたビームのパワーレベルは、逸らしている間は減少され、工作物に向けられるときは増加される。このような方法で、実施の形態においてレーザの寿命に悪影響を及ぼす可能性がある様々なレーザのパワーサイクリングを回避できる。

様々な実施の形態において、プライマリレーザ３１０及びセカンダリレーザ３２０の両方は、穿孔（または溶融）及び切削（または溶接）の両方のために使用されているが、プライマリレーザ３１０のパワーは後者のために増加されて（よって前者のために相対的に減少されて）、セカンダリレーザ３２０のパワーは前者のために増加されて（よって後者のために相対的に減少される）。このようなデュアルビームの実施の形態は、合成された出力ビームのより幅広いスペクトルバンドによってより高品質な切削及び穿孔という利点を提供でき、レーザコヒーレンス及びスペックルを大きく減少させる。ある実施の形態において、プライマリレーザ３１０は、セカンダリレーザ３２０によって少なくとも工作物の表面の一部が溶かされるまで使用されず、その後、両方のレーザ３１０、３２０が後続の切削または溶接に使用される。このような実施の形態は、レーザシステム３００の部品（例えば、光学素子）にダメージを与え得る工作物の表面からの有害なバック反射を防止または大幅に抑制する。

本発明の実施の形態は、望ましい加工パスに沿って工作物を加工（例えば、切削または溶接）することをユーザに可能にし、出力ビーム（例えば、ビーム３０５、ビーム３１５またはその両方を含んでもよい）の組成、出力ビーム（及び／またはビーム３０５及び／またはビーム３１５）のパワーレベル、及び最大加工速度は、工作物の組成、工作物の厚み、加工パスの形状等の要因に基づいて選択されるが、これらに限定されない。例えば、ユーザは、望ましい加工パス及び／または工作物のタイプ（及び／または厚み等の他の性質）を、いずれかの適切な入力装置またはファイル移送の手段によって、システムにおいて選択または予めプログラムしてもよい。その後、コントローラ３５０は、加工パスに沿った位置の関数として、最適な出力ビーム組成（例えば、ビーム３０５とビーム３１５との間でのスイッチング及び／またはその相対的パワーレベル）を特定してもよい。操作においてコントローラ３５０は、穿孔、切削、及び溶接等のプロセスのために適切な出力ビーム組成を用いて、予めプログラムされたパスに沿って工作物を加工するように、レーザシステム及び工作物の配置を操作してもよい。加工する材料の組成及び／または厚みが変化すると、変化の位置及び性質がプログラムされてもよく、コントローラ３５０は、レーザビームの組成及び／または工作物とビームとの間の相対移動のレートを調節してもよい。

加えて、レーザシステムは、工作物の厚み及び／またはその上の特徴の高さを検知するための１つまたは複数のシステムを含んでもよい。例えば、レーザシステムは、２０１５年４月１日に出願された米国特許出願第１４／６７６、０７０号に記載された工作物の干渉深度測定のためのシステム（またはその部品）を含んでもよく、出願の開示の全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。このような深さまたは厚み情報は、例えば、加工される材料のタイプに対応するデータベースの記録に応じて、工作物の加工（例えば、切削、穿孔または溶接）を最適化するように、出力ビーム組成を制御するようにコントローラに使用されてもよい。

コントローラ３５０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせのいずれかとして設けられてもよい。例えば、システムは、カリフォルニア州、サンタクララのインテルコーポレーションによって製造されるＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎ（登録商標）の系列のプロセッサ、イリノイ州、シャンバーグのモトローラコーポレーションによって製造される６８０ｘ０及びＰＯＷＥＲ ＰＣ（登録商標）の系列のプロセッサ、及び／またはカリフォルニア州、サニーベールのアドバンスドマイクロデバイス株式会社によって製造されるＡＴＨＬＯＮ（登録商標）の系列のプロセッサ等の１つまたは複数のプロセッサを有するＣＰＵボードを有するＰＣ等、１つまたは複数の従来のサーバクラスのコンピュータ上で実施されてもよい。プロセッサは、本明細書にて説明する方法に関連するプログラム及び／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットをさらに含んでもよい。メモリは、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、リードオンリーメモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般的に入手可能なハードウェアに設置されているランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及び／またはＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリを含んでもよい。ある実施の形態において、プログラムは、光学ディスク、磁気ディスク、及びその他一般的に使用されている記憶デバイス等、外部ＲＡＭ及び／またはＲＯＭを使用して提供してもよい。１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして機能が提供される実施の形態において、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、様々なスクリプト言語、及び／またはＨＴＭＬ等のいずれかの数の高度な言語で記載されてもよい。加えて、ソフトウェアは、ターゲット（target）コンピュータに設置されたマイクロプロセッサに向けたアセンブリ言語として実施されてもよい；例えば、ソフトウェアがＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で実行されるように構成されている場合、ソフトウェアはインテル８０ｘ８６アセンブリ言語において実施されてもよい。ソフトウェアは、これらに限定されず、フロッピーディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光学ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレー、またはＣＤ－ＲＯＭを含む、製造された物品上で具現化されてもよい。

図４Ａから図４Ｃは、本発明の実施の形態による合成装置３３０のまたはその内部の異なる構成を概略的に示す。例えば、図４Ａに示すように、合成装置３３０は、ビーム３０５、３１５を受けて、パワーデリバリファイバ４２０の内部に１つまたは複数の集光レンズ４１０によって集光されるビームに合成するダイクロイックミラー４００を備える疎（coarse）波長合成装置を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。様々な実施の形態において、ダイクロイックミラー４００は、ビーム３０５、３１５を偏光によって（例えば、両方のビームの直線偏光である場合において）合成し得る偏光ビームスプリッタによって交換または補助されてもよい。他の実施の形態において、図４Ｂに示すように、合成装置３３０は、空間合成装置であって、その内部で１つまたは複数のミラー４３０がビーム３０５、３１５を受けて、互いに実質的に平行にして、空間的に可能な限り互いに近づけて伝播させて、パワーデリバリファイバ４２０の内部に集光する。また他の実施の形態において、図４Ｃに示すように、合成装置３３０は、ファイバ合成装置であってもよく、ビーム３０５、３１５は、個別の光ファイバ４４０、４５０の内部にそれぞれ受けられてもよい。光ファイバ４４０、４５０は、パワーデリバリファイバ４２０の内部にまたはパワーデリバリファイバ４２０と共にスプライス（例えば、フュージョンスプライス）されてもよい。様々な実施の形態において、図３の光学接続３４５は、図４Ａから図４Ｃに示すファイバ４２０を含んでもよく、本質的にこれから構成されてもよく、これから構成されてもよい。様々な実施の形態において、いずれかのファイバ４２０、４４０、４５０の一方または両方の端部（例えば、空気、自由空間、または周囲の環境とインターフェースを形成するファイバ端部）は、（例えば、フュージョンによって取り付けられた）エンドキャップ（例えば、ガラスブロック）を含んでもよい。このようなエンドキャップは、有益的に入力及び／または出力パワー密度を減少させることができる。このようなエンドキャップは、例えば、略５ｍｍから略５０ｍｍまでの範囲を有する長さを有してもよい。いずれかの光ファイバ４２０、４４０、４５０は、本明細書にて説明されるいずれかの様々な内部構造（例えば、１つまたは複数のコア、及び１つまたは複数のクラッド）を有してもよい。

様々な実施の形態において、例えば図４Ａから図４Ｃに示すように、プライマリレーザビーム及びセカンダリレーザビームは、少なくともレーザと工作物との間のパスの一部において、工作物への共通の光学パスを追従してもよい。他の実施の形態において、プライマリレーザビーム及びセカンダリレーザビームは、工作物に到達する前に合成されなくてもよく、または共通の光学パスを追従しなくてもよい。例えば、２つのレーザビームは、工作物の表面上の同一の点に向かって、（例えば、異なるデリバリ光ファイバの内部において）異なる光学パスを追従して、レーザヘッド３４０によって個別に集光されてもよい。様々な実施の形態において、２つのレーザビームは、専用のデリバリファイバの内部で、それぞれレーザヘッドに供給されてもよく、少なくとも２つのデリバリファイバの一部は共通の保護外装（例えば、ポリマー製のスリーブまたはコーティング）に一緒に収容されてもよい。

様々な実施の形態において、合成装置３３０（またはその機能）はレーザヘッド３４０の内部に統合される。図５は、ビーム３０５、３１５がそれぞれ光ファイバ５１０、５２０によって供給され、それぞれコリメータ５３０、５４０によってコリメートされる合成レーザヘッド５００を示す。コリメートされたビームは、例えば、ダイクロイックミラー５５０を通じて合成されてもよい。１つまたは複数の集光レンズ（例えば、１つまたは複数の球状及び／または円柱状レンズ）５６０は、工作物５７０の加工のために工作物５７０の上にビーム３０５、ビーム３１５、及び／または合成ビームを集光してもよい。

本発明の実施の形態により、本明細書にて説明されるレーザシステム及びレーザデリバリシステムは、ＷＢＣレーザシステムの内部で及び／またはＷＢＣレーザシステムと共に使用されてもよい。特に、本発明の様々な実施の形態において、ＷＢＣレーザシステムのマルチ波長出力ビームは、本明細書にて説明される加工のためのレーザビームデリバリシステムのための一方または両方の入力ビームとして使用されてもよい。図６は、本発明の実施の形態において使用される入力ビームを形成するように使用されてもよいＷＢＣレーザシステム（または「共振器」）６００の様々な部品を示す。図示される実施の形態において、共振器６００は、９つの異なるダイオードバー（本明細書にて、「ダイオードバー」は、任意のマルチビーム発振器、即ち、単一のパッケージから複数のビームが発振される発振器を示す）から発振されるビームを合成する。本発明の実施の形態は、９つより少ないまたは多くの発振器と共に用いられてもよい。本発明の実施の形態によると、各発振器は単一のビームを発振してもよく、または各発振器は複数のビームを発振してもよい。図６のビューはＷＢＣ方向、即ち、バーからのビームが合成される方向に沿っている。例示的共振器６００は、９つのダイオードバー６０５を備えて、各ダイオードバー６０５は、ＷＢＣ方向に沿った発振器のアレー（例えば、１次元アレー）を含み、それから本質的に構成され、またはそれから構成される。様々な実施の形態において、ダイオードバー６０５の各発振器は、１つの方向（ＷＢＣ方向に対して縦方向に配置され、「ファスト軸」として知られている）においてより大きい発散、及び垂直方向（ＷＢＣ方向に沿って、「スロー軸」として知られている）においてより小さい発散を有する非対称的なビームを発振する。

様々な実施の形態において、各ダイオードバー６０５は、ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリに関連している（例えば、取り付けられまたは他の方法で光学的に結合される）。ファスト軸コリメータ（ＦＡＣ）／光学ツイスタマイクロレンズアセンブリは、ビームのファスト軸及びスロー軸を９０°回転させつつ、発振されるビームのファスト軸をコリメートし、よって、発振される各ビームのスロー軸は、マイクロレンズアセンブリの下流のＷＢＣ方向に直交する。マイクロレンズアセンブリは、分散要素６１０に向かって各ダイオードバー６０５からの発振器の主光線を集束させる。適切なマイクロレンズアセンブリは、２０１１年３月７日に出願された、米国特許第８，５５３，３２７号と、２０１５年６月８日に出願された、米国特許第９，７４６，６７９号とにおいて説明され、それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。

ＦＡＣレンズ及び光学ツイスタ（例えば、マイクロレンズアセンブリ）の両方が、各ビーム発振器及び／または発振されるビームと関連する本発明の実施の形態において、ＳＡＣレンズ（後述する）は、非ＷＢＣ方向においてビームに影響を与える。他の実施の形態において、発振されるビームは回転せず、ＦＡＣレンズは非ＷＢＣ方向におけるポインティングエラーを変更するために使用されてもよい。したがって、本明細書にて、ＳＡＣレンズとは、通常、非ＷＢＣ方向においてパワーを有するレンズを示し、このようなレンズは、様々な実施の形態において、ＦＡＣレンズを含んでもよい、と理解されよう。よって、様々な実施の形態において、例えば、発振されるビームが回転されない実施の形態、及び／またはビームのファスト軸が非ＷＢＣ方向にある実施の形態において、ＦＡＣレンズは、本明細書にて説明するように、ＳＡＣレンズとして使用されてもよい。

図６に示すように、共振器６００も、ＳＡＣレンズ６１５のセットを特徴として、１つのＳＡＣレンズ６１５は、１つのダイオードバー６０５に関連して、そこからビームを受ける。各ＳＡＣレンズ６１５は、単一のダイオードバー６０５から発振されるビームのスロー軸をコリメートする。ＳＡＣレンズ６１５によるスロー軸におけるコリメーションのあと、ビームは、分散要素６１０に向かってビーム６２５を方向転換させるインターリービングミラー６２０のセットに伝播する。インターリービングミラー６２０の配置は、ダイオードバー６０５の間の自由空間を減少または最小化することを可能にする。分散要素６１０（例えば、図６に示す透過型回折格子等の回折格子または反射型回折格子を含んでもよく、それから本質的に構成されてもよく、またはそれから構成されてもよい）の上流において、レンズ６３０は、ダイオードバー６０５からのサブビーム（即ち、主光線以外の発振される光線）をコリメートするために、選択的に使用されてもよい。様々な実施の形態において、レンズ６３０は、ダイオードバー６０５から、レンズ６３０の焦点距離と実質的に同等な光学距離において配置されてもよい。通常の実施の形態おいて、分散要素６１０における主光線の重なりは、主に、レンズ６３０の集光能力でなく、インターリービングミラー６２０の方向転換によるものであることに留意する。

図６に示すように、レンズ６３５、６４０は、２０１３年３月１５日に出願された、米国特許第９，２５６，０７３号と、２０１５年６月２３日に出願された、米国特許第９，２６８，１４２号とに開示されるように、光学クロストーク（optical cross-talk）の促進のための光学テレスコープ（optical telescope）を形成し、それぞれの開示の全体は、本明細書にて参照することによって組み込まれる。共振器６００は、ビームの方向転換のための１つまたは複数の任意の光学折り返しミラー６４５を含んでもよく、よって共振器６００は、より小さい物理的フットプリントに収容されてもよい。分散要素６１０は、ダイオードバー６０５からのビームを、単一のマルチ波長ビーム６５０に合成して、マルチ波長ビーム６５０は、部分反射型出力カプラ６５５に伝播する。カプラ６５５は、ビームの一部を、共振器６００の出力ビームとして、透過させ、共に、ビームの他の部分を、分散要素６１０、及び、そこから各ビームの発振波長を安定させるためのフィードバックとして、ダイオードバー６０５に戻すように反射する。

本明細書にて使用される用語及び表現は、限定ではなく、説明の用語として使用され、このような用語及び表現の使用において、示された及び説明された特徴またはその部分と同等なものを除外する意図はなく、様々な改造は請求項に記載されている発明の範囲内で可能であると認めている。

Claims (54)

1. プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリレーザと、セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリレーザとを備えるレーザシステムを使用して工作物を加工する方法であって、
   前記プライマリレーザビームの波長は前記セカンダリレーザビームの波長と異なり、
   前記方法は、
   第１ステージにおいて、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けることと、
   ここで、前記セカンダリレーザビームのエネルギは前記工作物に吸収され、
   第２ステージにおいて、少なくとも前記工作物の表面の一部が、前記セカンダリレーザビームのエネルギの吸収に反応した後、（ｉ）少なくとも前記プライマリレーザビームを前記工作物の表面に向けて、（ｉｉ）その間、少なくとも前記プライマリレーザビームと前記工作物との間において相対移動を発生させることと、
   を含み、
   前記工作物は、前記相対移動によって少なくとも部分的に特定される加工パスに沿って切削され、
   前記プライマリレーザビームの波長は、前記セカンダリレーザビームの波長より長く、
   前記第２ステージは、前記工作物の厚みを通じた穴が形成される前に開始され、
   前記第２ステージの開始において、前記工作物の表面の一部は、溶融している、方法。
2. 前記プライマリレーザビームは、前記第１ステージにおいて、前記工作物の表面に向けられていない、請求項１に記載の方法。
3. 前記セカンダリレーザビームは、前記第２ステージにおいて、前記工作物の表面に向けられていない、請求項１に記載の方法。
4. 前記プライマリレーザビームは、前記第１ステージにおいて、前記工作物の表面に向けられている、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１ステージにおける前記プライマリレーザビームの出力パワーは、前記第２ステージにおける前記プライマリレーザビームの出力パワーより低い、請求項４に記載の方法。
6. 前記セカンダリレーザビームは、前記第２ステージにおいて、前記工作物の表面に向けられている、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２ステージにおける前記セカンダリレーザビームの出力パワーは、前記第１ステージにおける前記セカンダリレーザビームの出力パワーより低い、請求項６に記載の方法。
8. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１１μｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０６４ｎｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０００ｎｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略３００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
12. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略４００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
13. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略５３０ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記工作物は金属材料を有する、請求項１に記載の方法。
15. 前記工作物は、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、金、銀、またはモリブデンの少なくとも１つを有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記プライマリレーザビームの波長の固体状態における前記工作物の吸収は、２０％未満、１０％未満、または５％未満である、請求項１に記載の方法。
17. 前記プライマリレーザビームはマルチ波長ビームである、請求項１に記載の方法。
18. 前記プライマリレーザビームは、波長ビーム合成ビーム発振器によって発振され、前記波長ビーム合成ビーム発振器は、
    複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向かって前記複数のビームを集光させる集光光学系と、
    受けた集光ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、前記プライマリレーザビームとして前記分散ビームの第１部分を透過させて、前記分散要素に向かって前記分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、
    を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記プライマリレーザビームは、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザによって発振される、請求項１に記載の方法。
20. 前記セカンダリレーザビームはマルチ波長ビームである、請求項１に記載の方法。
21. 前記セカンダリレーザビームは、波長ビーム合成ビーム発振器によって発振され、前記波長ビーム合成ビーム発振器は、
    複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向かって前記複数のビームを集光させる集光光学系と、
    受けた集光ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、前記セカンダリレーザビームとして前記分散ビームの第１部分を透過させて、前記分散要素に向かって前記分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、
    を有する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記セカンダリレーザビームは、ガスレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザによって発振される、請求項１に記載の方法。
23. 前記第２ステージを開始する前において、前記工作物の表面の反射率または温度の少なくとも一方に基づいて、少なくとも前記工作物の表面の一部が溶融していることを特定することをさらに有する、請求項１に記載の方法。
24. 前記第２ステージにおいて、（ｉ）前記工作物の厚みが変化する、（ｉｉ）前記加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）前記工作物の組成が変化する前記加工パスに沿った１つまたは複数の点において、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けることをさらに有する、請求項１に記載の方法。
25. 工作物を加工するレーザシステムであって、前記レーザシステムは、
    プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリレーザと、
    セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリレーザと、
    ここで、前記プライマリレーザビームの波長は前記セカンダリレーザビームの波長と異なり、
    前記プライマリレーザビームまたは前記セカンダリレーザビームの少なくとも一方を前記工作物上に向けるレーザヘッドと、
    コンピュータに基づくコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、
    第１ステージにおいて、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けて、
    ここで、前記セカンダリレーザビームのエネルギは前記工作物に吸収され、
    第２ステージにおいて、少なくとも前記工作物の表面の一部が、前記セカンダリレーザビームのエネルギの吸収に反応した後、少なくとも前記プライマリレーザビームと前記工作物との相対移動の間に、少なくとも前記プライマリレーザビームを前記工作物の表面に向けるように構成され、
    前記工作物は、前記相対移動によって少なくとも部分的に特定される加工パスに沿って切削され、
    前記プライマリレーザビームの波長は、前記セカンダリレーザビームの波長より長く、
    前記コントローラは、前記第１ステージにおいて前記工作物の厚みを通じた穴が形成される前に、前記第２ステージを開始するように構成され、
    前記第２ステージの開始において、前記工作物の表面の一部は、溶融している、レーザシステム。
26. 前記プライマリレーザビームと前記セカンダリレーザビームとを合成するビーム合成装置をさらに有する、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記ビーム合成装置は、前記レーザヘッド内に配置される、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記ビーム合成装置は、波長合成装置、偏光合成装置、空間合成装置、またはファイバ合成装置である、請求項２６に記載のシステム。
29. 前記ビーム合成装置がその中に前記プライマリレーザビームと前記セカンダリレーザビームとを合成するデリバリ光ファイバをさらに有する、請求項２６に記載のシステム。
30. 前記レーザヘッドは、前記工作物上に前記プライマリレーザビームまたは前記セカンダリレーザビームの少なくとも一方を集光する１つまたは複数の光学素子を有する、請求項２５に記載のシステム。
31. 前記コントローラは、前記第１ステージにおいて、前記プライマリレーザビームを前記工作物の表面に向けないように構成される、請求項２５に記載のシステム。
32. 前記コントローラは、前記第２ステージにおいて、前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けないように構成される、請求項２５に記載のシステム。
33. 前記コントローラは、前記第１ステージにおいて、前記プライマリレーザビームを前記工作物の表面に向けるように構成される、請求項２５に記載のシステム。
34. 前記コントローラは、（ｉ）前記第１ステージにおいて、第１出力パワーで、及び（ｉｉ）前記第２ステージにおいて、前記第１出力パワーより高い第２出力パワーで、前記工作物の表面に前記プライマリレーザビームを向けるように構成される、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記コントローラは、前記第２ステージにおいて、前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けるように構成される、請求項２５に記載のシステム。
36. 前記コントローラは、（ｉ）前記第１ステージにおいて、第１出力パワーで、及び（ｉｉ）前記第２ステージにおいて、前記第１出力パワーより低い第２出力パワーで、前記工作物の表面に前記セカンダリレーザビームを向けるように構成される、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１１μｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
38. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０６４ｎｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
39. 前記プライマリレーザビームの波長は、略８７０ｎｍから略１０００ｎｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
40. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略３００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
41. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略４００ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
42. 前記セカンダリレーザビームの波長は、略５３０ｎｍから略８１０ｎｍまでの範囲を有する、請求項２５に記載のシステム。
43. 前記工作物をさらに有し、
    前記工作物は、金属材料を有する、請求項２５に記載のシステム。
44. 前記工作物をさらに有し、
    前記工作物は、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、金、銀、またはモリブデンの少なくとも１つを有する、請求項２５に記載のシステム。
45. 前記工作物をさらに有し、
    前記プライマリレーザビームの波長の固体状態における前記工作物の吸収は、２０％未満、１０％未満、または５％未満である、請求項２５に記載のシステム。
46. 前記プライマリレーザビームはマルチ波長ビームである、請求項２５に記載のシステム。
47. 前記プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリビーム発振器をさらに有し、前記プライマリビーム発振器は、
    複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向かって前記複数のビームを集光させる集光光学系と、
    受けた集光ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、前記プライマリレーザビームとして前記分散ビームの第１部分を透過させて、前記分散要素に向かって前記分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、
    を有する、請求項４６に記載のシステム。
48. 前記プライマリレーザビームを発振するように構成されたプライマリビーム発振器をさらに有し、
    前記プライマリビーム発振器は、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザを有する、請求項２５に記載のシステム。
49. 前記セカンダリレーザビームはマルチ波長ビームである、請求項２５に記載のシステム。
50. 前記セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリビーム発振器をさらに有し、前記セカンダリビーム発振器は、
    複数の離散的なビームを発振する１つまたは複数のビームソースと、
    分散要素に向かって前記複数のビームを集光させる集光光学系と、
    受けた集光ビームを受けて分散させる前記分散要素と、
    分散ビームを受けて、前記セカンダリレーザビームとして前記分散ビームの第１部分を透過させて、前記分散要素に向かって前記分散ビームの第２部分を戻すように反射させるように配置された部分反射型出力カプラと、
    を有する、請求項４９に記載のシステム。
51. 前記セカンダリレーザビームを発振するように構成されたセカンダリビーム発振器をさらに有し、
    前記セカンダリビーム発振器は、ガスレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、または固体レーザを有する、請求項２５に記載のシステム。
52. １つまたは複数のセンサをさらに有し、
    前記コントローラは、前記１つまたは複数のセンサから受信した信号に少なくとも部分的に基づいて少なくとも前記工作物の表面の一部が溶融していることを特定するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
53. 前記１つまたは複数のセンサは、１つまたは複数の光学センサ及び／または１つまたは複数の温度センサを有する、請求項５２に記載のシステム。
54. 前記コントローラは、前記第２ステージにおいて、（ｉ）前記工作物の厚みが変化する、（ｉｉ）前記加工パスの方向が変化する、及び／または（ｉｉｉ）前記工作物の組成が変化する前記加工パスに沿った１つまたは複数の点において、少なくとも前記セカンダリレーザビームを前記工作物の表面に向けるように構成される、請求項２５に記載のシステム。

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