KR102370083B1 - Applications, Methods and Systems for Laser Delivery Addressable Arrays - Google Patents

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매튜 실바 사
진 마이클 펠라프라트
다비드 힐
매튜 피너프
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누부루 인크.
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Abstract

일군의 레이저 소스를 조합된 레이저 빔으로 조합하기 위한 어셈블리가 제공된다. 블루 레이저 다이오드의 어셈블리로부터 레이저 빔을 조합하는 블루 다이오드 레이저 어레이
가 또한 제공된다. 레이저 다이오드 어레이 및 모듈로부터 조합된 블루 레이저 빔을 사용하는 레이저 처리 작동 및 용례가 제공된다.
An assembly is provided for combining a group of laser sources into a combined laser beam. Blue diode laser array combining laser beams from an assembly of blue laser diodes
is also provided. Laser processing operations and applications using a combined blue laser beam from a laser diode array and module are provided.

Description

레이저 전달 어드레스 가능한 어레이를 위한 용례, 방법 및 시스템Applications, Methods and Systems for Laser Delivery Addressable Arrays

본 출원은 2015년 7월 15일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/193,047 호의 이득을 35 U.S.C. §119(e)(1) 하에서 주장하며, 그의 전체 개시는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.This application is entitled to 35 U.S.C. §119(e)(1), the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

본 발명은 레이저 빔을 조합하기 위한 어레이 어셈블리, 특히 제작, 제조, 엔터테인먼트, 그래픽, 이미징, 분석, 모니터링, 조립, 치과 및 의료 분야에서 시스템 및 용례에 사용하기 위한 고휘도 레이저 빔을 제공할 수 있는 어레이 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to an array assembly for combining laser beams, particularly an array capable of providing a high intensity laser beam for use in systems and applications in the fields of fabrication, manufacturing, entertainment, graphics, imaging, analysis, monitoring, assembly, dental and medical fields. It's about assembly.

많은 레이저, 특히 레이저 다이오드와 같은 반도체 레이저는 휘도를 포함한, 매우 바람직한 파장 및 빔 품질을 갖는 레이저 빔을 제공한다. 이들 레이저는 가시 범위, UV 범위, IR 범위 및 이들의 조합의 파장뿐만 아니라, 더 높고 더 낮은 파장을 가질 수 있다. 반도체 레이저뿐만 아니라 다른 레이저 소스, 예를 들어, 섬유 레이저의 기술은 새로운 레이저 소스가 지속적으로 개발되고 기존 및 새로운 레이저 파장을 제공함에 따라 급속히 발전하고 있다. 바람직한 빔 품질을 갖지만, 많은 이들 레이저는 바람직한 것보다 더 낮은 레이저 출력을 가지거나 특정 용례에 필요하다. 따라서, 이들 저출력으로 인해 이들 레이저 소스는 더 큰 유용성과 상업적 용례를 찾지 못했다.Many lasers, particularly semiconductor lasers such as laser diodes, provide laser beams with highly desirable wavelengths and beam qualities, including luminance. These lasers can have wavelengths in the visible range, UV range, IR range, and combinations thereof, as well as higher and lower wavelengths. The technology of semiconductor lasers as well as other laser sources, eg, fiber lasers, is advancing rapidly as new laser sources are continuously developed and offer both existing and new laser wavelengths. Although having desirable beam quality, many of these lasers have lower laser power than desirable or are necessary for certain applications. Therefore, due to their low power, these laser sources have not found greater utility and commercial application.

또한, 이들 유형의 레이저를 조합하기 위한 종래의 노력은 다른 이유들 중에서 몇 가지만 예를 들면, 빔 정렬의 어려움, 적용 중 빔 정렬 상태의 유지의 어려움, 빔 품질의 손실, 레이저 소스의 특별한 배치의 어려움, 크기 고려 사항, 및 출력 관리의 이유로 일반적으로 불충분했다.In addition, prior efforts to combine these types of lasers have led to difficulties in beam alignment, difficulties in maintaining beam alignment during application, loss of beam quality, and special placement of the laser source, to name but a few among other reasons. It was generally insufficient for reasons of difficulty, size considerations, and output management.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "블루(blue) 레이저 빔", "블루 레이저" 및 "블루"는 약 400 nm 내지 약 500nm의 파장을 갖는 레이저 빔 또는 광을 제공, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 소스, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저를 제공하는 그들의 폭넓은 의미가 주어져야 하고 일반적으로 그러한 것을 제공하는 시스템을 지칭한다.As used herein, unless otherwise specified, the terms "blue laser beam", "blue laser" and "blue" provide a laser beam or light having a wavelength between about 400 nm and about 500 nm; For example, propagating laser beams, laser sources, such as lasers and diode lasers, should be given their broad meaning and generally refer to systems providing such.

일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어 "약"은 달리 특정되지 않는 한, 언급된 값을 얻는 것과 관련된 실험 오차 또는 계기 오차인 ±10 %의 편차 또는 범위, 바람직하게는 그 중에서 더 큰 값을 포함하는 의미이다.In general, the term "about" as used herein, unless otherwise specified, includes a deviation or range of ±10%, preferably the greater of ±10%, which is the experimental or instrumental error associated with obtaining the stated value. it means to

본 발명의 이러한 배경 부분은 본 발명의 실시예와 관련될 수 있는 당업계의 다양한 양태를 소개하고자 하는 것이다. 따라서, 이 부분에서의 전술한 논의는 본 발명을 더 잘 이해하기 위한 토대를 제공하며, 종래 기술의 인정으로 간주되지 않는다.This background portion of the present invention is intended to introduce various aspects of the art that may relate to embodiments of the present invention. Accordingly, the foregoing discussion in this section provides a basis for a better understanding of the present invention and is not considered an admission of prior art.

다른 것들 중에서도, 휘도 및 출력과 같은 원하는 빔 품질을 유지 및 향상시키면서 다중 레이저 빔 소스를 단일 또는 다수의 레이저 빔으로 조합하는 어셈블리 및 시스템에 관한 오랫동안 충족되지 못한 요구가 있었다. 본 발명자는 다른 것들 중에서도, 본 명세서에 교시되고 개시된 제작 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이들 요구를 해결한다.There has been a long unmet need for assemblies and systems that combine multiple laser beam sources into single or multiple laser beams while maintaining and improving desired beam qualities, such as brightness and output, among other things. The inventors address these needs by providing, among other things, articles of manufacture, apparatus and processes taught and disclosed herein.

따라서, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 그 시스템은 복수의 레이저 다이오드 어셈블리; 레이저 빔 경로를 따라 개별적인 블루 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 갖는 각각의 레이저 다이오드 어셈블리; 타겟 재료로 전달하기 위해 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리 필드에 단일 스폿을 갖는 조합된 레이저 빔을 만들기 위해 개별적인 블루 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단; 및 레이저 빔 경로 상에 그리고 각각의 레이저 다이오드와 광학적으로 관련되게 개별적인 블루 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단을 가진다.Accordingly, a laser system for performing laser operation is provided, the system comprising: a plurality of laser diode assemblies; each laser diode assembly having a plurality of laser diodes capable of generating a respective blue laser beam along the laser beam path; means for spatially combining the individual blue laser beams to create a combined laser beam having a single spot in a far field that can be coupled to an optical fiber for delivery to a target material; and means for spatially combining the individual blue laser beams on the laser beam path and optically associated with each laser diode.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 가지는 방법 및 시스템이 제공되며, 그 특징은 적어도 3 개의 레이저 다이오드 어셈블리를 가지며; 각각의 레이저 다이오드 어셈블리는 적어도 30 개의 레이저 다이오드를 포함하며; 레이저 다이오드 어셈블리는 적어도 약 30 와트의 전체 전력 및 20 ㎜ mrad 미만의 빔 파라미터 특성을 갖는 레이저 빔을 전파할 수 있으며; 빔 파라미터 특성은 15 ㎜ mrad 미만이며; 빔 파라미터 특성은 10 ㎜ mrad 미만이며; 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔의 휘도의 N배의 조합된 레이저 빔을 생성하며, N은 레이저 다이오드 어셈블리 내의 레이저 다이오드의 수이며; 공간적으로 조합하는 수단은 조합된 레이저 빔의 휘도를 보존하면서 레이저 빔의 출력을 증가시키며; 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔의 적어도 50배 출력인 출력을 가지며 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 2배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 1.5배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 1배 이하이며; 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔의 휘도를 보존하면서 레이저 빔의 출력을 증가시키며; 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔의 적어도 100배 출력인 출력을 가지며 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 2배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 1.5배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔의 빔 파라미터 곱의 1배 이하이며; 광섬유는 솔라리제이션 저항성(solarization resistant)이며; 공간적으로 조합하는 수단은 레이저 다이오드의 위치 오류 또는 지향 오류 중 적어도 하나를 보정하기 위해 평행한 정렬 평판 및 웨지로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어셈블리를 가지며; 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔보다 조합된 레이저 빔의 유효 휘도를 증가시킬 수 있는 편향 빔 조합기를 가지며; 레이저 다이오드 어셈블리는 각각의 경로들 사이의 공간에 대해 개별 레이저 빔 경로를 한정하여, 개별 레이저 빔이 각각의 빔 사이에 공간을 가지며, 공간적으로 조합하는 수단은 레이저 다이오드의 고속 축에 개별 레이저 빔을 조준하기 위한 조준기 및 조준된 레이저 빔을 조합하기 위한 주기적인 미러를 포함하며, 주기적인 미러는 레이저 다이오드 어셈블리 내의 제 1 다이오드로부터 제 1 레이저 빔을 반사시키고 레이저 다이오드 어셈블리 내의 제 2 다이오드로부터 제 2 레이저 빔을 전달하도록 구성되어, 고속 방향으로 개별 레이저 빔들 사이의 공간이 충전되며; 공간적으로 조합하는 수단은 유리 기판 상의 패턴화된 미러를 가지며; 유리 기판은 레이저 다이오드들 사이의 빈 공간을 충전하기 위해 레이저 다이오드로부터 레이저 빔의 수직 위치를 전환(shift)하는데 충분한 두께이며; 단차형 히트 싱크를 가진다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features, comprising: an assembly of at least three laser diodes; each laser diode assembly includes at least 30 laser diodes; the laser diode assembly is capable of propagating a laser beam having a total power of at least about 30 watts and a beam parameter characteristic of less than 20 mm mrad; Beam parameter properties are less than 15 mm mrad; Beam parameter properties are less than 10 mm mrad; the spatially combining means produces a combined laser beam N times the luminance of the individual laser beams, where N is the number of laser diodes in the laser diode assembly; The spatially combining means increases the output of the laser beam while preserving the luminance of the combined laser beam; the combined laser beam has an output that is at least 50 times the power of the individual laser beams and the beam parameter product of the combined laser beam is no more than twice the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beams is not more than 1.5 times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1 times the beam parameter product of the individual laser beams; The spatially combining means increases the output of the laser beams while preserving the luminance of the individual laser beams; the combined laser beam has an output that is at least 100 times the power of the individual laser beams and the beam parameter product of the combined laser beam is no more than twice the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beams is not more than 1.5 times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1 times the beam parameter product of the individual laser beams; Optical fibers are solarization resistant; the spatially combining means has an assembly selected from the group consisting of parallel alignment plates and wedges for correcting at least one of a positional error or a directing error of the laser diode; The spatially combining means has a deflecting beam combiner capable of increasing the effective luminance of the combined laser beam over individual laser beams; The laser diode assembly defines individual laser beam paths with respect to the space between the respective paths so that the individual laser beams have a space between each beam, and the spatially combining means directs the individual laser beams to the high speed axis of the laser diode. a periodic mirror for combining the collimated laser beam and a collimator for collimating, the periodic mirror reflecting a first laser beam from a first diode in the laser diode assembly and a second laser from a second diode in the laser diode assembly configured to deliver the beam, so that the space between the individual laser beams is filled in a high-speed direction; The spatially combining means has a patterned mirror on the glass substrate; The glass substrate is thick enough to shift the vertical position of the laser beam from the laser diode to fill the empty space between the laser diodes; It has a stepped heat sink.

또한, 고휘도, 고출력 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 시스템이 추가로 제공되며, 그 시스템은 복수의 레이저 다이오드 어셈블리, 초기 휘도를 갖는 블루 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 갖는 각각의 레이저 다이오드 어셈블리, 및 최종 휘도를 갖는 조합된 레이저 빔을 만들기 위해 블루 레이저 빔을 공간적으로 조합하고 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리 필드에 단일 스폿을 형성하는 수단을 가지며, 각각의 레이저 다이오드가 조합된 레이저 빔의 휘도를 실질적으로 증가시키도록 상이한 파장에 외부 공동에 의해 고정되어, 조합된 레이저 빔의 최종 휘도가 레이저 다이오드로부터의 레이저 빔의 초기 휘도와 대략 동일하다.Also provided is a laser system for providing a high-brightness, high-power laser beam, the system comprising a plurality of laser diode assemblies, each laser diode having a plurality of laser diodes capable of generating a blue laser beam having an initial brightness an assembly, and means for spatially combining the blue laser beam to produce a combined laser beam having a final luminance and forming a single spot in a far field that can be coupled to an optical fiber, each laser diode being the combined laser beam fixed by external cavities at different wavelengths to substantially increase the luminance of the combined laser beam so that the final luminance of the combined laser beam is approximately equal to the initial luminance of the laser beam from the laser diode.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며, 그 특징들은 각각의 레이저 다이오드가 격자에 기초한 외부 공동을 사용하여 단일 파장에 고정되며 각각의 레이저 다이오드 어셈블리가 좁게 이격된 광학 필터 및 격자로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 조합 수단을 사용하여 조합된 빔으로 조합되며; 라만 변환기는 고휘도 소스를 생성하기 위한 순수 융합 실리카 코어 및 블루 펌프 광을 함유하는 플루오르화 외부 코어를 가지는 광섬유이며; 라만 변환기는 고휘도 소스를 생성하기 위해 외부 코어를 갖춘 GeO2 도핑된 중심 코어 및 블루 펌프 광을 함유하는 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 고휘도 소스를 생성하기 위한 P2O2 도핑된 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위해 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유이며; 라만 변환기는 고휘도 소스를 생성하기 위한 등급화된 인덱스 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위해 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유이며; 라만 변환기는 등급화된 GeO2 도핑된 코어 및 외부 단차형 인덱스 코어이며; 라만 변환기는 등급화된 P2O2 도핑된 코어 및 외부 단차형 인덱스 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 등급화된 GeO2 도핑된 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 등급화된 인덱스 P2O2 도핑된 코어 및 외부 단차형 인덱스 코어이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하는 다이아몬드이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하는 KGW이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하는 YVO4이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하는 Ba(NO3)2이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하는 고압 가스이다.Also provided is a method and system having one or more of the following features, wherein each laser diode is fixed to a single wavelength using an external cavity based grating and each laser diode assembly comprises a narrowly spaced optical filter and combined into a combined beam using combining means selected from the group consisting of gratings; The Raman transducer is an optical fiber having a pure fused silica core and a fluorinated outer core containing blue pump light to create a high brightness source; Raman transducers are used to pump Raman transducers, such as optical fibers, having a GeO 2 doped central core with an outer core and an outer core larger than the central core containing blue pump light to create a high brightness source; A Raman transducer is an optical fiber having a P 2 O 2 doped core to create a high brightness source and an outer core larger than the central core to contain blue pump light; A Raman transducer is an optical fiber having a graded index core to create a high brightness source and an outer core larger than the central core to contain blue pump light; The Raman transducer is a graded GeO 2 doped core and an external stepped index core; A Raman transducer is used to pump a Raman transducer fiber that is a graded P 2 O 2 doped core and an outer stepped index core; A Raman transducer is used to pump a Raman transducer fiber that is a graded GeO 2 doped core; The Raman transducer is a graded index P 2 O 2 doped core and an outer stepped index core; The Raman transducer is a diamond generating a high-brightness laser source; The Raman transducer is a KGW generating a high-brightness laser source; The Raman transducer is a YVO 4 generating a high intensity laser source; The Raman transducer is Ba(NO 3 ) 2 , which produces a high intensity laser source; A Raman transducer is a high-pressure gas that creates a high-brightness laser source.

또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 추가로 제공되며, 그 시스템은 복수의 레이저 다이오드 어셈블리, 레이저 빔 경로를 따라 블루 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 가지는 각각의 레이저 다이오드 어셈블리, 및 라만 변환기에 광학적으로 커플링될 수 있는 원거리 필드에 단일 스폿을 갖는 조합된 레이버 빔을 만들고, 라만 변환기로 펌핑하고, 조합된 레이저 빔의 휘도를 증가시키도록 블루 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단을 포함한다.Also provided is a laser system for performing laser operation, the system comprising: a plurality of laser diode assemblies, each laser diode assembly having a plurality of laser diodes capable of generating a blue laser beam along a laser beam path; and means for spatially combining the blue laser beam to create a combined laser beam having a single spot in the far field that can be optically coupled to the Raman transducer, pump to the Raman transducer, and increase the brightness of the combined laser beam. includes

또한, 조합된 레이저 빔의 제조 방법이 제공되며, 그 방법은 오리지널 소스의 공간 휘도를 보존하면서 고출력 소스를 생성하기 위해 개별적인 상이한 파장에서 블루레이저 빔 및 조합된 레이저 빔을 발생하도록 라만 변환 레이저의 어레이를 작동시키는 단계를 가진다.Also provided is a method of manufacturing a combined laser beam, the method comprising an array of Raman converted lasers to generate a blue laser beam and a combined laser beam at respective different wavelengths to create a high power source while preserving the spatial luminance of the original source. has steps to operate it.

여전히 또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 그 시스템은 복수의 레이저 다이오드 어셈블리, 레이저 빔 경로를 따라 블루 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 가지는 각각의 레이저 다이오드 어셈블리, 조준된 레이저 빔이 제공될 수 있는, 레이저 빔 경로를 따르는 빔 조준 및 조합 광학기기, 및 조합된 레이저 빔을 수용하기 위한 광섬유를 가진다.Still further, there is provided a laser system for performing laser operation, the system comprising: a plurality of laser diode assemblies, each laser diode assembly having a plurality of laser diodes capable of generating a blue laser beam along a laser beam path; It has beam collimating and combining optics along the laser beam path, from which an integrated laser beam can be provided, and optical fibers for receiving the combined laser beam.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며, 그 특징은 광학 필터가 희토류 도핑된 섬유와 광학적으로 연통하여, 조합된 레이저 빔이 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 희토류 도핑된 섬유를 펌핑할 수 있으며; 광섬유가 고휘도 변환기의 외부 코어와 광학적으로 연통하여, 조합된 레이저 빔은 더 높은 비율의 휘도 향상을 생성하기 위해 휘도 변환기의 외부 코어를 펌핑할 수 있다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features, wherein an optical filter is in optical communication with the rare earth doped fiber such that the combined laser beam uses the rare earth doped fiber to produce a high intensity laser source. can be pumped; The optical fiber is in optical communication with the outer core of the high brightness converter so that the combined laser beam can pump the outer core of the brightness converter to produce a higher rate of brightness enhancement.

여전히 또한, 하나가 고휘도 중심 코어인 이중 코어; 및 필터, 섬유 브래그 격자, 차수 V인 1차 및 2차 라만 신호, 및 마이크론 벤드 손실 차로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 고휘도 중심 코어에서 2차 라만 신호를 억제하는 수단을 가지는 라만 섬유가 제공된다.Still also, a dual core, one of which is a high-brightness central core; and means for suppressing the secondary Raman signal at the high luminance central core selected from the group consisting of a filter, a fiber Bragg grating, first and second order Raman signals of order V, and a micron bend loss difference.

또한, 제 2 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 제 1 파장의 절반 파장에서 광을 발생시키기 위한 제 1 파장의 라만 변환기, 및 절반 파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 방지하도록 구성되는 외부 공진 이중 결정체를 가진다.Also provided is a second harmonic generating system, the system comprising a Raman converter of the first wavelength for generating light at half the wavelength of the first wavelength, and an external resonance configured to prevent the half-wavelength light from propagating through the optical fiber. It has double crystals.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며, 그 특징들은 제 1 파장이 약 460 nm이며, 외부 공진 이중 결정체가 KTP이며, 라만 변환기가 라만 변환 효율을 개선하도록 구조화된 비-원형 외부 코어를 가진다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features, wherein the first wavelength is about 460 nm, the extrinsic resonant double crystal is KTP, and the non-Raman converter is structured to improve Raman conversion efficiency. It has a circular outer core.

또한, 제 3 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 제 1 파장보다 더 낮은 제 2 파장에서 광을 발생시키기 위한 제 1 파장의 라만 변환기, 및 더 낮은 파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 방지하도록 구성되는 외부 공진 이중 결정체를 가진다.Also provided is a third harmonic generating system, the system comprising a Raman converter of a first wavelength to generate light at a second wavelength lower than the first wavelength, and to prevent lower wavelength light from propagating through the optical fiber. It has an external resonant double crystal that is constructed.

또한, 제 4 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 57.5 nm 파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 방지하도록 구성되는 외부 공진 이중 결정체를 사용하여 57.5 nm에서 광을 발생시키는 라만 변환기를 가진다.Also provided is a fourth harmonic generating system, the system having a Raman converter that generates light at 57.5 nm using an external resonant double crystal configured to prevent 57.5 nm wavelength light from propagating through the optical fiber.

또한, 제 2 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 단파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 허용하지 않지만 외부 공진 이중 결정체를 사용하여 소스 레이저의 절반 파장 또는 236.5 nm에서 광을 발생시키기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨을 포함하는 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가진다.Also provided is a second harmonic generating system, wherein the system does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber but uses an external resonant double crystal to generate light at half wavelength of the source laser or at 236.5 nm at 450 nm. It has a rare earth doped luminance converter containing thulium that fires a laser at 473 nm when pumped by an array of blue laser diodes.

또한, 제 3 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 단파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 허용하지 않지만 외부 공진 이중 결정체를 사용하여 118.25 nm에서 광을 발생시키기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨을 포함하는 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가진다.Also provided is a third harmonic generating system, which system does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber but in an array of blue laser diodes at 450 nm to generate light at 118.25 nm using an external resonant double crystal. It has a rare earth doped luminance converter containing thulium that fires a laser at 473 nm when pumped by

또한, 제 4 고조파 발생 시스템이 제공되며, 그 시스템은 단파장 광이 광섬유를 통해 전파하는 것을 허용하지 않지만 외부 공진 이중 결정체를 사용하여 59.1 nm에서 광을 발생시키기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨을 가지는 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가진다.Also provided is a fourth harmonic generating system, which system does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber, but in an array of blue laser diodes at 450 nm to generate light at 59.1 nm using an external resonant double crystal. It has a rare earth doped luminance converter with thulium that fires a laser at 473 nm when pumped by

여전히 또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 그 시스템은 적어도 3 개의 레이저 다이오드 어셈블리; 각각 적어도 10 개의 레이저 다이오드를 가지는 적어도 레이저 다이오드 어셈블리로서, 각각의 적어도 10 개의 레이저 다이오드가 레이저 빔 경로를 따라 적어도 약 2 와트의 전력 및 8 mm-mrad 미만의 빔 파라미터 곱을 갖는 블루 레이저 빔을 생성할 수 있는, 적어도 레이저 다이오드 어셈블리; 및 모두 적어도 30 개의 레이저 빔 경로에 위치되는 블루 레이저 빔의 휘도를 공간적으로 조합하고 보존하기 위한 수단으로서, 레이저 빔의 제 1 축을 위한 조준 광학기기, 레이저 빔의 제 2 축을 위한 수직 프리즘 어레이, 및 망원경을 포함하여, 레이저 에너지를 갖는 레이저 빔들 사이의 공간을 충전함으로써 적어도 약 600 와트의 전력 및 40 mm-mrad 미만의 빔 파라미터 곱을 조합 레이저 빔에 제공하는, 수단을 가진다.Still further, there is provided a laser system for performing laser operation, the system comprising: an assembly of at least three laser diodes; at least a laser diode assembly having at least 10 laser diodes each, wherein each of the at least 10 laser diodes generates a blue laser beam having a power of at least about 2 watts and a beam parameter product of less than 8 mm-mrad along a laser beam path. at least a laser diode assembly; and means for spatially combining and preserving the luminance of a blue laser beam, all positioned in at least 30 laser beam paths, comprising: aiming optics for a first axis of the laser beam, a vertical prism array for a second axis of the laser beam, and means, including a telescope, for providing a combined laser beam with a power of at least about 600 watts and a beam parameter product of less than 40 mm-mrad by filling a space between the laser beams with laser energy.

여전히 또한, 어드레스 가능한 어레이 레이저 처리 시스템이 제공되며, 어드레스 가능한 어레이 레이저 처리 시스템은 본 발명에서 설명한 유형의 적어도 3 개의 레이저 시스템 및 제어 시스템을 가지며, 적어도 3 개의 레이저 시스템 각각은 단일 광섬유에 그들의 조합된 레이저 빔 각각을 커플링하도록 구성됨으로써 적어도 3 개의 조합된 레이저 빔 각각은 그의 커플링된 광섬유를 따라 전달될 수 있으며, 적어도 3 개의 광섬유는 레이저 헤드와 광학적으로 관련되어 있으며, 제어 시스템은 타겟 재료 상의 미리 결정된 위치에 조합된 레이저 빔 각각을 전달하기 위한 미리 결정된 순서를 갖는 프로그램을 가진다.Still further, an addressable array laser processing system is provided, the addressable array laser processing system having at least three laser systems of the type described herein and a control system, each of the at least three laser systems having their combination in a single optical fiber configured to couple each of the laser beams so that each of the at least three combined laser beams can be transmitted along its coupled optical fiber, the at least three optical fibers being optically associated with the laser head, and wherein the control system is configured to operate on the target material. having a program having a predetermined order for delivering each of the combined laser beams to a predetermined location.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 어드레스 가능한 어레이를 위한 방법 및 시스템이 제공되며, 그 특징들은 전달하기 위한 미리 결정된 순서가 레이저 헤드로부터의 레이저 빔을 개별적으로 켜고 끄는 것을 가짐으로써 분말을 갖는 타겟 재료를 용융하여 부품으로 융합하기 위해 분말 베드 상에 이미징화하며; 레이저 헤드 내의 섬유는 선형, 비-선형, 원형, 장사방형, 정사각형, 삼각형, 및 육각형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 배열로 구성되며; 레이저 헤드 내의 섬유는 2 × 5, 5× 2, 4 × 5, 적어도 5 × 적어도 5, 10 × 5, 5 × 10 및 3 × 4로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 배열로 구성되며; 타겟 재료는 분말 베드를 가지며, 분말 베드를 가로질러 레이저 헤드를 이송할 수 있음으로써 분말 베드를 용융 및 융합하는 x-y 모션 시스템, 및 융합 층 뒤에 새로운 분말 층을 제공하도록 레이저 소스 뒤에 위치되는 분말 전달 시스템을 가지며; 분말 베드의 표면 위로 레이저 헤드의 높이를 증가 및 감소시키도록 레이저 헤드를 이송할 수 있는 z-모션 시스템을 가지며; 양의 x 방향 또는 음의 x 방향으로 이동함에 따라 전달된 레이저 빔 바로 뒤에 분말을 배치할 수 있는 양방향 분말 배치 장치를 가지며; 복수의 레이저 빔 경로와 동축인 분말 공급 시스템을 가지며; 중력 공급 분말 시스템을 가지며; 분말이 불활성 가스 유동에 동반되는 분말 공급 시스템을 가지며; 분말이 레이저 빔 앞에 중력에 의해 배치되는, N(N≥1) 레이저 빔에 횡 방향인 분말 공급 시스템을 가지며; 분말이 레이저 빔과 교차하는 불활성 가스 유동에 동반되는, N(N≥1) 레이저 빔에 횡 방향인 분말 공급 시스템을 가진다.Also provided is a method and system for an addressable array having one or more of the following features, wherein a predetermined order for delivering a target having powder by having a laser beam from the laser head turn on and off individually imaging on a bed of powder to melt the material and fuse it into parts; the fibers in the laser head are configured in an arrangement selected from the group consisting of linear, non-linear, circular, rhomboid, square, triangular, and hexagonal; the fibers in the laser head are configured in an arrangement selected from the group consisting of 2 x 5, 5 x 2, 4 x 5, at least 5 x at least 5, 10 x 5, 5 x 10 and 3 x 4; The target material has a bed of powder, an xy motion system that melts and fuses the bed of powder by being able to move a laser head across the bed of powder, and a powder delivery system that is positioned behind the laser source to provide a new layer of powder behind the layer of fusing. has; having a z-motion system capable of transporting the laser head to increase and decrease the height of the laser head above the surface of the powder bed; having a bidirectional powder placement device capable of placing the powder directly behind the transmitted laser beam as it travels in the positive or negative x direction; having a powder supply system coaxial with the plurality of laser beam paths; It has a gravity-fed powder system; having a powder supply system in which the powder is entrained in an inert gas flow; having a powder feeding system transverse to the N(N≧1) laser beam, wherein the powder is placed by gravity in front of the laser beam; It has a powder feeding system transverse to the N (N≧1) laser beam, in which the powder is entrained in an inert gas flow that intersects the laser beam.

여전히 또한, 고휘도를 갖는 조합된 블루 레이저 빔을 제공하기 위한 방법이 제공되며, 그 방법은 복수의 개별적인 블루 레이저 빔을 제공하도록 복수의 라만 변환 레이저를 작동시키는 단계, 및 오리지널 소스의 공간 휘도를 보존하면서 고출력 소스를 생성하도록 개별적인 블루 레이저 빔을 조합하는 단계를 가지며, 복수의 개별적인 레이저 빔은 상이한 파장을 가진다.Still further, a method is provided for providing a combined blue laser beam having a high brightness, the method comprising operating a plurality of Raman transform lasers to provide a plurality of individual blue laser beams, and preserving the spatial brightness of the original source and combining the individual blue laser beams to produce a high power source, wherein the plurality of individual laser beams have different wavelengths.

또한, 타겟 재료를 레이저 처리하는 방법이 제공되며, 그 방법은 3 개의 개별적인 광섬유에 조합된 개별적인 레이저 빔을 발생하기 위해 본 발명에서 설명되는 유형의 적어도 3 개의 레이저 시스템을 가지는 어드레스 가능한 어레이 레이저 처리 시스템을 작동하는 단계, 그의 광 섬유를 따라 레이저 헤드로 각각의 조합된 레이저 빔을 전달하는 단계, 및 타겟 재료 상의 미리 결정된 위치에 미리 결정된 순서로 레이저 헤드로부터의 조합된 3 개의 개별적인 레이저 빔을 지향시키는 단계를 가진다.Also provided is a method for laser processing a target material, the method comprising: an addressable array laser processing system having at least three laser systems of the type described herein for generating individual laser beams combined into three individual optical fibers directing each combined laser beam to a laser head along its optical fiber, and directing the combined three individual laser beams from the laser head in a predetermined order to a predetermined location on a target material. have steps

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 레이저 성능을 도시하는 그래프이다.
도 2a는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 및 축 초점 렌즈의 개략도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 고속 및 저속 축 포커싱 이후의 레이저 다이오드 스폿의 실시예의 개략도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 어셈블리의 실시예의 사시도이다.
도 2d는 본 발명에 따른 레이저 다이오드 모듈의 실시예의 사시도이다.
도 2e는 본 발명에 따른 레이저 빔들 사이의 레이저 빔, 레이저 빔 경로 및 공간을 도시하는 도 2c의 실시예의 부분도이다.
도 2f는 도 2e의 레이저 빔들 사이의 레이저 빔, 레이저 빔 경로 및 공간의 횡단면도이다.
도 2g는 본 발명에 따른 레이저 빔, 레이저 빔 경로 및 광학계의 실시예의 사시도이다.
도 2h는 본 발명에 따른 패턴화된 미러 이후의 조합된 레이저 다이오드 빔의 도면이다.
도 2i는 본 발명에 따른 빔의 균등한 분할을 갖는 빔 폴더 이후의 레이저 다이오드 빔의 도면이다.
도 2j는 본 발명에 따른 3-2 칼럼 분할을 갖는 빔 폴더 이후의 레이저 다이오드 빔의 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 출발 재료 또는 타겟 재료 상의 레이저 다이오드 어레이의 실시예의 스캐닝 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 처리 파라미터를 제공하는 표이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템 및 공정의 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템 및 공정의 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템 및 공정의 실시예의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 13은 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 14a는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 14b는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 14c는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 15a는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 15b는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 16a는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 16b는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 16c는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
도 16d는 본 발명에 따른 레이저 어레이 시스템의 실시예에 사용하기 위한 레이저 섬유 다발 배열의 실시예의 개략도이다.
1 is a graph showing the laser performance of an embodiment according to the present invention.
2a is a schematic diagram of a laser diode and an axial focus lens according to the present invention;
Figure 2b is a schematic diagram of an embodiment of a laser diode spot after fast and slow axis focusing in accordance with the present invention;
2C is a perspective view of an embodiment of a laser diode assembly according to the present invention;
2D is a perspective view of an embodiment of a laser diode module according to the present invention;
Fig. 2e is a partial view of the embodiment of Fig. 2c showing the laser beam, the laser beam path and the space between the laser beams according to the present invention;
FIG. 2F is a cross-sectional view of a laser beam, a laser beam path and space between the laser beams of FIG. 2E ;
2G is a perspective view of an embodiment of a laser beam, a laser beam path and an optical system according to the present invention;
2H is a diagram of a combined laser diode beam after a patterned mirror in accordance with the present invention;
Fig. 2i is a diagram of a laser diode beam after a beam folder with an even splitting of the beam according to the present invention;
2j is a diagram of a laser diode beam after a beam folder with 3-2 column division according to the present invention;
3 is a schematic diagram illustrating a scanning embodiment of an embodiment of a laser diode array on a starting material or a target material according to the present invention;
4 is a table providing processing parameters according to the present invention.
5 is a schematic diagram of an embodiment of a laser array system and process in accordance with the present invention.
6 is a schematic diagram of an embodiment of a laser array system and process in accordance with the present invention.
7 is a schematic diagram of an embodiment of a laser array system and process in accordance with the present invention.
8 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
9 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
10 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention;
11 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
12 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention;
13 is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention;
14A is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention;
14B is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
14C is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
15A is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention;
15B is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
16A is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
16B is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
16C is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.
16D is a schematic diagram of an embodiment of a laser fiber bundle arrangement for use in an embodiment of a laser array system according to the present invention.

일반적으로, 본 발명은 레이저 빔의 조합, 이들 조합을 만들기 위한 시스템 및 조합된 빔을 사용하는 공정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 여러 레이저 빔 소스로부터의 하나 이상의 조합된 레이저 빔으로 레이저 빔을 조합하기 위한 어레이, 어셈블리 및 장치에 관한 것이다. 이들 조합된 레이저 빔은 바람직하게, 개별 소스로부터의 레이저 빔에 관한 향상된, 다양한 양태와 특성을 보존한다.In general, the present invention relates to combinations of laser beams, systems for making these combinations, and processes using the combined beams. In particular, the present invention relates to arrays, assemblies and apparatus for combining laser beams into one or more combined laser beams from several laser beam sources. These combined laser beams preferably preserve the improved, various aspects and characteristics of laser beams from individual sources.

본 발명의 어레이 어셈블리 및 이들이 제공하는 조합된 레이저 빔의 실시예는 광범위한 용례를 발견할 수 있다. 본 발명의 어레이 어셈블리의 실시예는 소형이고 내구성이 있다. 본 발명의 어레이 어셈블리는 몇 가지 예를 들면, 용접, 3-D 프린팅을 포함한 적층 제작, 적층 제작- 밀링 시스템, 예를 들어 적층 및 절삭 제작, 천문학, 기상학, 이미징, 엔터테인먼트를 포함한 프로젝션, 치과를 포함한 의료에서의 용례를 가진다.Embodiments of the array assemblies of the present invention and the combined laser beams they provide may find a wide range of applications. Embodiments of the array assembly of the present invention are compact and durable. Array assemblies of the present invention can be used in welding, additive manufacturing including 3-D printing, additive manufacturing-milling systems, such as additive and cutting fabrication, astronomy, meteorology, imaging, projection including entertainment, dental, to name a few. It has applications in medicine, including

본 명세서에서 블루 레이저 다이오드 어레이에 초점을 맞추고 있지만, 이 실시예는 본 발명에 의해 고려되는 어레이 어셈블리, 시스템, 공정 및 조합된 레이저 빔의 유형에 관한 단지 예시임을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 다양한 레이저 빔 소스, 예컨대 고체 레이저, 섬유 레이저, 반도체 레이저뿐만 아니라 다른 유형의 레이저 및 이들의 조합과 변형으로부터의 레이저 빔을 조합하기 위한 어레이 어셈블리를 포함한다. 본 발명의 실시예는 모든 파장, 예를 들어 약 380 nm 내지 800 nm(예를 들어, 가시광), 약 400 nm 내지 약 880 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 700 nm 내지 1 mm, 및 이들 다양한 범위 내의 특정 파장의 조합과 변형 전반에 걸친 레이저 빔의 조합을 포함한다. 본 발명의 어레이의 실시예는 또한, 마이크로파 간섭 성 방사선(예를 들어, 약 1 mm 초과의 파장)에서의 용례를 발견할 수 있다. 본 발명의 어레이의 실시예는 1 개, 2 개, 3 개, 수십 개 또는 수백 개의 레이저 소스로부터의 빔을 조합할 수 있다. 이들 레이저 빔은 수 밀리와트로부터 와트, 킬로와트까지 가질 수 있다.Although the focus herein is on a blue laser diode array, it should be understood that this embodiment is merely illustrative of the types of array assemblies, systems, processes and combined laser beams contemplated by the present invention. Accordingly, embodiments of the present invention include array assemblies for combining laser beams from a variety of laser beam sources, such as solid state lasers, fiber lasers, semiconductor lasers, as well as other types of lasers and combinations and variations thereof. Embodiments of the present invention include all wavelengths, such as from about 380 nm to 800 nm (eg, visible light), from about 400 nm to about 880 nm, from about 100 nm to about 400 nm, from 700 nm to 1 mm, and these It includes combinations of specific wavelengths within various ranges and combinations of laser beams across variations. Embodiments of the arrays of the present invention may also find use in microwave coherent radiation (eg, wavelengths greater than about 1 mm). Embodiments of the inventive array may combine beams from one, two, three, tens or hundreds of laser sources. These laser beams can range from a few milliwatts to watts or kilowatts.

본 발명의 실시예는 바람직하게 고휘도 레이저 소스를 생성하는 구성에 조합되는 블루 레이저 다이오드의 어레이로 이루어진다. 이 고휘도 레이저 소스는 재료를 직접적으로 처리, 즉 마킹, 절단, 용접, 납땜, 열처리, 어닐링하는데 사용될 수 있다. 처리될 재료, 예를 들어 출발 재료 또는 타겟 재료는 임의의 재료 또는 구성요소 또는 조성물을 포함할 수 있고, 몇 가지 예를 들면 TFT(박막 트랜지스터)와 같은 이에 한정되지 않는 반도체 구성요소; 3-D 프린팅 출발 재료; 금, 은, 백금, 알루미늄 및 구리를 포함하는 금속; 플라스틱; 티슈; 및 반도체 웨이퍼를 포함할 수 있다. 직접적인 처리는 몇 가지 예를 들면, 전자기기, 프로젝션 디스플레이 및 레이저 라이트 쇼로부터의 금의 제거를 포함할 수 있다.Embodiments of the present invention preferably consist of an array of blue laser diodes combined in a configuration to create a high intensity laser source. This high-brightness laser source can be used to directly process materials: marking, cutting, welding, brazing, heat treating, annealing. The material to be processed, such as a starting material or a target material, may include any material or component or composition, including but not limited to semiconductor components such as, but not limited to, TFTs (Thin Film Transistors); 3-D printing starting material; metals including gold, silver, platinum, aluminum and copper; plastic; tissue; and semiconductor wafers. Direct processing may include the removal of gold from electronics, projection displays and laser light shows, to name a few.

본 발명의 고휘도 레이저 소스의 실시예는 또한, 라만(Raman) 레이저 또는 안티-스톡스 레이저(Anti-Stokes laser)를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 라만 매질은 광섬유; 또는 다이아몬드, KGW(칼륨 가돌리늄 텅스테이트(potassium gadolinium tungstate), KGd(WO4)2), YVO4 및 Ba(NO3)2와 같은 결정체일 수 있다. 실시예에서, 고휘도 레이저 소스는 400 nm 내지 500 nm의 파장 범위에서 작동하는 반도체 장치인 블루 레이저 다이오드 소스이다. 라만 매질은 휘도 변환기이고 블루 레이저 다이오드 소스의 휘도를 증가시킬 수 있다. 휘도 향상은 단일 모드, 회절 제한 소스, 즉 파장에 따라서 1 미만, 0.7 미만, 0.5 미만, 0.2 미만 및 0.13 미만 mm-mrad의 빔 파라미터 곱을 갖춘 약 1 및 1.5의 M2을 갖는 빔을 생성하는 모든 방법까지 확장할 수 있다.Embodiments of the high intensity laser source of the present invention may also be used to pump Raman lasers or Anti-Stokes lasers. The Raman medium is an optical fiber; or crystals such as diamond, KGW (potassium gadolinium tungstate, KGd(WO 4 ) 2 ), YVO 4 and Ba(NO 3 ) 2 . In an embodiment, the high intensity laser source is a blue laser diode source that is a semiconductor device operating in a wavelength range of 400 nm to 500 nm. The Raman medium is a luminance converter and can increase the luminance of the blue laser diode source. Brightness enhancement is a single-mode, diffraction-limited source, i.e., any beam that produces a beam having an M 2 of about 1 and 1.5 with beam parameter products of less than 1, less than 0.7, less than 0.5, less than 0.2, and less than 0.13 mm-mrad depending on the wavelength. method can be extended.

실시예에서, "n" 또는 "N"(예를 들어, 2, 3, 4 등, 수십, 수백 또는 그 초과) 레이저 다이오드 소스는 몇 가지 레이저 작동 및 절차의 예를 들면, 재료의 마킹, 용융, 용접, 제거, 어닐링, 열처리, 절단, 및 이의 조합과 변형에 사용될 수 있는 어드레스 가능한 광 소스를 가능하게 하는 광섬유 다발로 구성될 수 있다.In embodiments, “n” or “N” (eg, 2, 3, 4, etc., tens, hundreds or more) laser diode sources may be used in several laser operations and procedures, eg, marking, melting of material. , welding, ablation, annealing, heat treatment, cutting, and combinations and transformations thereof.

블루 레이저 다이오드의 어레이는 광 어셈블리와 조합되어 고휘도 직접 다이오드 레이저 시스템을 생성할 수 있으며, 이는 고휘도 조합된 레이저 빔을 제공할 수 있다. 도 1은 200 와트에서 8 ㎜-mrad 내지 4000 와트에서 45 mm-mrad의 휘도 범위를 갖는 섬유 조합기 기술을 사용할 때 빔 파라미터 곱의 범위의 실시예에 대한 레이저 성능(빔 파라미터 곱 대 W(와트) 단위의 레이저 출력)에 관한 표(100)를 도시한다. 라인(101)은 레이저 다이오드 어레이의 실시예에 대한 성능을 나타낸다. 라인(102)은 고밀도 파장 빔 조합 어레이의 성능을 나타낸다. 라인(103)은 광섬유 조합기 기술을 사용하여 스케일링될 때 휘도 변환 기술의 성능을 나타낸다. 라인(104)은 휘도 변환기의 출력의 고밀도 파장 조합을 사용할 때 휘도 변환 기술의 성능을 나타낸다. 이는 출력 레벨이 스케일링됨에 따라 단일 공간 모드 또는 근(near) 단일 공간 모드를 조합된 빔이 유지하게 한다. 고밀도 파장 조합은 각각의 개별적인 휘도 변환 레이저의 파장을 제어하기 위한 격자를 사용하고, 그 다음에 빔을 단일 빔으로 조합하기 위한 격자를 사용한다. 격자는 규칙 격자, 홀로그래피 격자, 섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating; FBG) 또는 볼륨 브래그 격자(Volume Bragg Grating; VBG)일 수 있다. 바람직한 실시예는 격자를 사용하는 것이지만 프리즘을 사용하는 것도 또한 가능하다.An array of blue laser diodes can be combined with an optical assembly to create a high brightness direct diode laser system, which can provide a high brightness combined laser beam. 1 shows laser performance (beam parameter product versus W (watts)) for an embodiment of a range of beam parameter products when using fiber combiner technology with a luminance range of 8 mm-mrad at 200 watts to 45 mm-mrad at 4000 watts. A table 100 for units of laser power) is shown. Line 101 represents the performance for an embodiment of a laser diode array. Line 102 represents the performance of the high-density wavelength beam combination array. Line 103 represents the performance of the luminance conversion technique when scaled using a fiber combiner technique. Line 104 represents the performance of the luminance conversion technique when using the high-density wavelength combination of the output of the luminance converter. This allows the combined beam to maintain a single spatial mode or a near single spatial mode as the output level is scaled. High-density wavelength combining uses a grating to control the wavelength of each individual luminance converting laser, and then uses a grating to combine the beams into a single beam. The grating may be a regular grating, a holographic grating, a Fiber Bragg Grating (FBG), or a Volume Bragg Grating (VBG). A preferred embodiment is to use a grating, but it is also possible to use a prism.

도 2a는 레이저 빔 경로를 따라 고속 축 조준 렌즈(FAC)(201)로 레이저 빔을 전파하는 레이저 다이오드(200)의 개략도이다. 1.1, 1.2, 1.5, 2 또는 심지어 4 mm의 원통형 비구면 렌즈는 고속 축 출력을 캡처하고 정확한 높이로 고속 축에 회절 제한된 빔을 생성하여 휘도를 보존하고 광학 체인을 더욱 내려 빔의 조합을 허용한다. 조준 렌즈(202)는 레이저 다이오드의 저속 축(더 작은 발산 각을 갖는 축, 전형적으로 x 축)을 조준하기 위한 것이다. 15, 16, 17, 18 또는 21 mm 초점 길이의 원통형 비구면 렌즈는 저속 축의 출력을 캡처하고 저속 축을 조준하여 레이저 소스의 휘도를 보존한다. 저속 축 조준기의 초점 길이는 타겟 섬유 직경으로 광학 시스템에 의한 레이저 빔렛(beamlet)의 최적 조합을 초래한다. 어레이의 바람직한 실시예에서, 저속 축 및 고속 축 조준 렌즈는 각각의 레이저 빔 경로를 따라 위치되고 개별적인 레이저 빔을 형상화하는데 사용된다.2A is a schematic diagram of a laser diode 200 propagating a laser beam along a laser beam path to a fast axis collimating lens (FAC) 201 . A cylindrical aspherical lens of 1.1, 1.2, 1.5, 2 or even 4 mm captures the high-speed axis output and creates a diffraction-limited beam on the high-speed axis at the correct height to preserve luminance and further lower the optical chain to allow for beam combination. The collimating lens 202 is for collimating the slow axis of the laser diode (an axis with a smaller divergence angle, typically the x axis). Cylindrical aspherical lenses with 15, 16, 17, 18 or 21 mm focal lengths capture the output of the slow axis and aim the slow axis to preserve the luminance of the laser source. The focal length of the slow axis collimator results in an optimal combination of laser beamlets by the optical system with the target fiber diameter. In a preferred embodiment of the array, slow axis and fast axis collimating lenses are positioned along each laser beam path and used to shape the individual laser beams.

도 2b는 고속 및 저축 초점 렌즈 모두를 통과하는 레이저 다이오드로부터의 레이저 빔에 의해 형성된 레이저 빔 스폿(203)의 개략도이다. 이 시뮬레이션은 소스의 전체 구멍에 걸친 소스의 최대 발산을 고려한다. 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 선형 및 이들과 다른 형상의 조합 및 변형과 같은 많은 상이한 형상의 레이저 빔 스폿이 생성될 수 있음이 이해된다. 예를 들어, 조합된 레이저 빔은 0.18의 NA에서, 100 mm 초점 길이 렌즈에 대해 100 ㎛의 스폿 크기로 포커싱된 블루 레이저 광을 갖는 스폿(203)을 생성한다.2B is a schematic diagram of a laser beam spot 203 formed by a laser beam from a laser diode passing through both a high speed and a low focus lens. This simulation considers the maximum divergence of the source over the entire hole of the source. It is understood that laser beam spots of many different shapes can be created, such as square, rectangular, circular, elliptical, linear, and combinations and variations of these and other shapes. For example, the combined laser beam produces a spot 203 with blue laser light focused at a NA of 0.18 with a spot size of 100 μm for a 100 mm focal length lens.

도 2c 및 도 2d를 참조하면, 레이저 다이오드 서브 어셈블리(210)(예를 들어, 다이오드 모듈, 바, 플레이트, 다중-다이 패키지) 및 4 개의 레이저 다이오드 어셈블리(210, 210a, 210b, 210c)를 갖는 레이저 다이오드 모듈(220)의 실시예가 도시된다.2C and 2D , having a laser diode subassembly 210 (eg, diode module, bar, plate, multi-die package) and four laser diode assemblies 210 , 210a , 210b , 210c An embodiment of a laser diode module 220 is shown.

도 2e에는 그들 각각의 레이저 빔 경로(250, 251, 252)를 따른 몇몇 레이저 빔(250a, 251a, 252a)의 부분을 도시하는 상세도가 도시된다. 도 2f는 개방 공간 수평(260) 및 수직(261)(도면의 방향에 기초함)을 도시하는 도 2e의 레이저 빔의 횡단면도이다. 빔 조합 광학계는 최종 스폿(203)(도 2b)에서 개방 공간(예를 들어, 260, 261)을 제거하기 위해 함께 공간적으로 빔을 폐쇄한다.2E is a detailed view showing portions of several laser beams 250a , 251a , 252a along their respective laser beam paths 250 , 251 , 252 . FIG. 2F is a cross-sectional view of the laser beam of FIG. 2E showing open space horizontal 260 and vertical 261 (based on the orientation of the drawing). The beam combining optics spatially close the beams together to eliminate open space (eg, 260 , 261 ) in the final spot 203 ( FIG. 2B ).

레이저 다이오드 모듈(220)은 도 1의 곡선(101)의 성능을 갖는 조합된 레이저 빔, 바람직하게 조합된 블루 레이저 빔을 생성할 수 있다. 레이저 다이오드 어셈블리(210)는 다이오드(예를 들어, 213)에 전력을 공급하기 위해 진입하는 전력 리드(예를 들어, 와이어)(예를 들어, 212)를 가지는 열 전도성 재료, 예를 들어 구리인 베이스플레이트(211)를 가진다. 다중-다이 패키지의 이러한 실시예에서, 커버 플레이트 뒤에 5 × 4 구성으로 배열되는 20 개의 레이저 다이오드(예를 들어, 213)가 있다. 어셈블리 내에 n × n 개의 다이오드를 제공하기 위한 다른 구성, 예를 들어, 4 × 4, 4 × 6, 5 × 6, 10 × 20, 30 × 5 및 현재 개발 중인 것 등, 및 이들의 조합과 변형이 고려된다. 각각의 다이오드는 다중 열(예를 들어, 216)을 가로지르는 단일 저속 축 조준(SAC) 렌즈를 사용할 때 저속 축(예를 들어, 214)에서 빔의 위치를 병진 이동시키기 위한 평행 평판을 가질 수 있다. 평행 평판은 바람직한 실시예인 각각의 레이저 다이오드에 대해 개별적인 저속 축 렌즈를 사용할 때 필요하지 않다. 평행 평판은 조립 공정의 결과일 수 있는 각각의 개별적인 레이저 다이오드로부터 전파될 때 저속 축에서 레이저 빔 경로의 위치를 보정한다. 각각의 레이저 다이오드에 대해 개별적인 FAC/SAC 렌즈 쌍이 사용되면 평행 평판은 필요하지 않다. SAC 위치는 패키지의 임의의 조립 오류를 보완한다. 이러한 모든 접근법의 결과는 개별적인 FAC/평행 평판 이후에 개별 렌즈 쌍(FAC/SAC) 또는 공유 SAC 렌즈를 사용할 때 평행하게 되도록 빔렛을 정렬하여, 평행하고 이격된 레이저 빔(예를 들어, 251a, 252a, 250a) 및 빔 경로(예를 들어, 251, 252, 250)를 제공한다.The laser diode module 220 is capable of generating a combined laser beam, preferably a combined blue laser beam, having the performance of curve 101 of FIG. 1 . The laser diode assembly 210 is a thermally conductive material, such as copper, having a power lead (eg, wire) (eg, 212 ) that enters to power the diode (eg, 213 ). It has a base plate (211). In this embodiment of a multi-die package, there are 20 laser diodes (eg, 213 ) arranged in a 5×4 configuration behind the cover plate. Other configurations for providing n × n diodes in an assembly, such as 4 × 4, 4 × 6, 5 × 6, 10 × 20, 30 × 5 and currently under development, etc., and combinations and variations thereof This is considered Each diode can have parallel plates for translating the position of the beam in the slow axis (e.g., 214) when using a single slow axis collimating (SAC) lens across multiple rows (e.g., 216). there is. Parallel plates are not required when using a separate slow axis lens for each laser diode, which is the preferred embodiment. The parallel plates correct the position of the laser beam path in the slow axis as it propagates from each individual laser diode, which may be the result of the assembly process. If a separate FAC/SAC lens pair is used for each laser diode then parallel plates are not needed. The SAC location compensates for any assembly errors in the package. The result of all these approaches is that individual FAC/parallel plates followed by aligning the beamlets to be parallel when using individual lens pairs (FAC/SAC) or shared SAC lenses, resulting in parallel and spaced laser beams (e.g., 251a, 252a , 250a) and beam paths (eg, 251 , 252 , 250 ).

레이저 다이오드 서브 어셈블리(210, 210a, 210b, 210c) 각각으로부터의 합성 빔은 도 2g에 도시된 바와 같이, 4 개의 레이저 다이오드 서브 어셈블리로부터의 빔을 단일 빔으로 재지향 및 조합하는데 사용되는 패턴화된 미러(예를 들어, 225)로 전파된다. 조준 레이저 다이오드의 4 개 열은 합성 빔을 생성하는 다른 3 개 패키지의 4 개 열과 비월 주사(interlaced)된다. 도 2h는 레이저 서브 어셈블리(210)로부터의 빔(예를 들어, 230)의 위치를 도시한다. 구경 조리개(235)는 조합된 빔렛으로부터 원하지 않는 산란 광을 클립핑하며, 이는 섬유 입력 면의 열 부하를 감소시킨다. 편광 빔 폴딩 어셈블리(227)는 합성 레이저 다이오드 빔의 휘도를 2 배로 하기 위해 저속 축에서 빔을 절반으로 접는다(도 2i). 빔은 도 2i에 도시된 패턴을 초래하는 중심에서 중심 이미터를 분할함으로써 폴딩될 수 있으며, 여기서 빔(231)은 편광에 의해 저속 축 방향으로 2 개의 빔렛의 중첩이며, 빔(232)은 임의의 다른 이미터와 중첩되지 않는 분할 빔렛이다. 빔이 제 2 및 제 3 빔렛(도 2j) 사이에서 분할되면, 빔 폴더가 더 효율적이며 빔(예를 들어, 233)의 칼럼 중 두 개가 중첩되는 반면에, 빔의 제 3 칼럼(예를 들어, 234)은 단순히 직선으로 통과한다. 망원경 어셈블리(228)는 조합된 레이저 빔을 저속 축에서 팽창시키거나 고속 축을 압축하여 더 작은 렌즈의 사용을 가능하게 한다. 이러한 예(도 2g)에 도시된 망원경 어셈블리(228)는 2.6x 배만큼 빔을 팽창시켜, 그 크기를 11 mm로부터 28.6 mm로 증가시키면서 동일한 2.6x 배만큼 저속 축의 발산을 감소시킨다. 망원경 어셈블리가 고속 축을 압축하면, 고속 축을 22 mm 높이(전체 합성 빔)로부터 11 mm 높이로 단축하여 11 mm x 11 mm인 합성 빔을 제공하는 2x 망원경이 된다. 이는 더 낮은 비용 때문에 바람직한 실시예이다. 비구면 렌즈(229)는 합성 빔을 직경이 적어도 50, 100, 150 또는 200 ㎛인 광섬유(245)로 포커싱한다. 다중 레이저 다이오드 모듈(220)의 섬유 출력은 섬유 조합기와 조합되어 도 1(라인(101))에 따른 고출력 레벨 레이저를 생성한다. 레이저 다이오드 모듈은 비구면 렌즈(229) 및 섬유 조합기(240)가 비구면 렌즈 및 광섬유의 단부 내로 발사된 합성 빔으로 커플링되는 전단 미러 세트로 대체되는 광학 조합 방법을 사용하여 조합된다. 이러한 방식으로, 하나, 둘, 셋, 수십 및 수백 개의 레이저 다이오드 모듈이 광학적으로 관련될 수 있으며 그들의 레이저 빔이 조합될 수 있다. 이러한 방식으로, 조합된 레이저 빔 자체가 추가로 또는 부가적으로 조합되어 다중 조합 레이저 빔을 형성할 수 있다.The composite beams from each of the laser diode sub-assemblies 210, 210a, 210b, 210c are patterned mirrors used to redirect and combine the beams from the four laser diode sub-assemblies into a single beam, as shown in FIG. 2G . (eg 225). The four rows of collimating laser diodes are interlaced with the four rows of the other three packages generating the composite beam. 2H shows the position of a beam (eg, 230 ) from laser subassembly 210 . Aperture stop 235 clips unwanted scattered light from the combined beamlets, which reduces the thermal load on the fiber input face. Polarizing beam folding assembly 227 folds the beam in half in the slow axis to double the luminance of the composite laser diode beam (FIG. 2I). The beam can be folded by splitting the central emitter at the center resulting in the pattern shown in FIG. 2i , where beam 231 is the superposition of two beamlets in the slow axial direction with polarization and beam 232 is arbitrary It is a split beamlet that does not overlap with other emitters of If the beam is split between the second and third beamlets (Fig. 2J), the beam folder is more efficient and two of the columns of beams (e.g. 233) overlap, whereas the third column of beams (e.g. , 234) simply pass through a straight line. The telescope assembly 228 expands the combined laser beam on the slow axis or compresses the fast axis to allow the use of smaller lenses. The telescope assembly 228 shown in this example ( FIG. 2G ) expands the beam by a factor of 2.6×, increasing its size from 11 mm to 28.6 mm while reducing the divergence of the slow axis by the same factor of 2.6×. When the telescope assembly compresses the high-speed axis, it shortens the high-speed axis from a 22 mm high (full composite beam) to an 11 mm high, resulting in a 2x telescope providing a composite beam measuring 11 mm x 11 mm. This is a preferred embodiment because of its lower cost. An aspherical lens 229 focuses the composite beam onto an optical fiber 245 having a diameter of at least 50, 100, 150 or 200 μm. The fiber output of multiple laser diode module 220 is combined with a fiber combiner to produce a high power level laser according to FIG. 1 (line 101 ). The laser diode module is combined using an optical combining method in which an aspherical lens 229 and fiber combiner 240 are replaced with a set of shear mirrors that are coupled into a composite beam fired into the end of the aspherical lens and optical fiber. In this way, one, two, three, tens and hundreds of laser diode modules can be optically related and their laser beams combined. In this way, the combined laser beams themselves may additionally or additionally be combined to form multiple combined laser beams.

도 2c 및 도 2d의 실시예에서, 상기 구성은 예를 들어, 최대 200 와트의 레이저 빔 출력을 단일 50, 100, 150 또는 200 ㎛ 코어 광섬유를 발사하는 것을 가능하게 한다. 도 2c 및 도 2d의 이러한 실시예는 최대 4 개의 50 와트 개별 다이오드 어셈블리, 예를 들어 50 와트 모듈을 사용하는 예를 들어, 200 W 다이오드 어레이 어셈블리, 예를 들어 200 W 조합 모듈을 만들기 위한 전형적인 구성요소를 도시한다.2c and 2d, the configuration makes it possible to fire a single 50, 100, 150 or 200 μm core optical fiber, for example, with a laser beam output of up to 200 watts. 2c and 2d are typical configurations for making eg 200 W diode array assemblies, eg 200 W combination modules, using up to four 50 watt discrete diode assemblies, eg 50 watt modules. shows the elements.

구성, 출력 및 조합되는 빔의 수가 실현 가능하다는 것이 이해된다. 도 2c 및 도 2d의 실시예는 전원으로부터 레이저 다이오드로의 전기 연결을 최소화한다.It is understood that the configuration, output and number of beams combined are feasible. 2C and 2D minimize the electrical connection from the power source to the laser diode.

따라서, 개별 모듈, 조합 모듈, 및 양자 모두는 단일의 조합 레이저 빔 또는 다중 조합 레이저 빔, 예를 들어 2, 3, 4, 수십, 수백 또는 그 초과의 빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 이들 레이저 빔은 각각 단일 섬유로 발사될 수 있으며, 이들은 추가로 조합되어 더 적은 섬유로 발사될 수 있다. 따라서, 예시로서, 12 개의 조합 레이저 빔은 12 개의 섬유로 발사될 수 있거나, 12 개의 비임은 조합되어 12 개 미만의 섬유, 예를 들어 10, 8, 6, 4 또는 3 개의 섬유로 발사될 수 있다. 이 조합은 개별 광섬유 간의 출력 분배의 균형 또는 불균형을 일으키기 위해 상이한 출력 빔이 될 수 있거나 상이한 파장 또는 동일한 파장을 갖는 빔이 될 수 있다는 것을 이해해야 한다.Accordingly, individual modules, combination modules, and both may be configured to provide a single combined laser beam or multiple combined laser beams, for example two, three, four, tens, hundreds or more beams. Each of these laser beams can be fired with a single fiber, and they can be further combined to fire with fewer fibers. Thus, as an example, 12 combined laser beams can be fired at 12 fibers, or 12 beams can be combined and fired at less than 12 fibers, for example 10, 8, 6, 4 or 3 fibers. there is. It should be understood that this combination may be different output beams or may be beams with different wavelengths or the same wavelength to create a balance or imbalance in the distribution of power between individual optical fibers.

실시예에서, 레이저 다이오드 어레이의 휘도는 상이한 파장에서 각각의 어레이를 작동시킨 다음 이들을 격자 또는 일련의 협대역 이색 필터와 조합시킴으로써 개선될 수 있다. 이 기술의 휘도 스케일링은 도 1에 근 직선 라인(102)으로서 도시된다. 출발 지점은 단일 모듈에 의해 달성될 수 있는 것과 동일한 휘도이며, 각각의 모듈이 선형 방식으로 이전 모듈과 공간적으로 중첩되기 때문에 섬유 지름은 변하지 않으나, 발사된 출력이 파장 빔 조합 모듈로부터 더 높은 휘도를 초래한다.In embodiments, the brightness of an array of laser diodes may be improved by operating each array at a different wavelength and then combining them with a grating or series of narrowband dichroic filters. The luminance scaling of this technique is shown in FIG. 1 as a near straight line 102 . The starting point is the same luminance that can be achieved by a single module, and since each module spatially overlaps with the previous module in a linear manner, the fiber diameter does not change, but the emitted output produces a higher luminance from the wavelength-beam combining module. cause

실시예에서, 블루 레이저 다이오드의 어레이는 휘도 변환기의 도움으로 근 단일 모드 또는 단일 모드 출력으로 변환될 수 있다. 휘도 변환기는 광섬유, 결정체 또는 가스일 수 있다. 변환 공정은 블루 레이저 다이오드의 어레이로부터의 출력을 공진기 공동에 의해 광섬유 또는 결정체 또는 가스로 발사함으로써 달성되는 유도 라만 산란(Stimulated Raman Scattering)을 통해 진행된다. 블루 레이저 다이오드 출력은 유도 라만 산란을 통해 이득으로 변환되며, 레이저 공진기는 스톡스 시프트(Stokes shift)에 의해 펌프 파장으로부터 오프셋된 제 1 스톡스 라만 라인에서 발진한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 실시예 및 그 전체 개시가 원용에 의해 본 명세서에 포함되는 WO 2014/179345에 기초한 미국 특허 출원 일련번호 14/787,393 호의 명세서에서의 관련 개시 참조. 이 기술의 성능 특성은 도 1의 라인(103)에 도시되며, 여기서 휘도는 다중 고휘도 레이저 빔을 조합하기 위해 섬유 조합기를 사용할 때 200 W 레이저에 대해 0.3 mm-mrad에서 그리고 4000 W 레이저에 대해 2 mm-mrad에서 시작한다.In an embodiment, the array of blue laser diodes can be converted to a near single mode or single mode output with the aid of a luminance converter. The luminance converter may be an optical fiber, a crystal or a gas. The conversion process proceeds via Stimulated Raman Scattering, which is achieved by firing the output from an array of blue laser diodes by a resonator cavity into an optical fiber or crystal or gas. The blue laser diode output is converted to gain through induced Raman scattering, and the laser resonator oscillates at a first Stokes Raman line offset from the pump wavelength by a Stokes shift. See, for example, the embodiment shown in FIG. 3 and the related disclosure in the specification of US Patent Application Serial No. 14/787,393 based on WO 2014/179345, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The performance characteristics of this technique are shown on line 103 of Figure 1, where the luminance is 2 at 0.3 mm-mrad for a 200 W laser and 2 for a 4000 W laser when using a fiber combiner to combine multiple high-intensity laser beams. Start at mm-mrad.

블루 레이저 소스의 휘도는 휘도 변환 소스의 출력을 조합함으로써 더욱 증가될 수 있다. 이러한 유형의 실시예의 성능은 도 1의 라인(104)에 의해 도시된다. 여기서 휘도는 0.3 mm-mrad에서 출발 모듈에 의해 정의된다. 라만 라인의 이득 대역폭은 레이저 다이오드의 대역폭보다 실질적으로 더 넓으며, 따라서 더 많은 레이저가 레이저 다이오드 기술만 사용하는 것 이외에 파장을 통해 조합될 수 있다. 결과는 200 W 레이저와 동일한 휘도 또는 0.3 mm-mrad를 갖는 4 kW 레이저이다. 이는 도 1에 직선 라인(104)에 의해 표시되어 있다.The luminance of the blue laser source can be further increased by combining the output of the luminance conversion source. The performance of this type of embodiment is illustrated by line 104 in FIG. 1 . Here the luminance is defined by the starting module at 0.3 mm-mrad. The gain bandwidth of a Raman line is substantially wider than that of a laser diode, so more lasers can be combined across wavelengths other than using laser diode technology alone. The result is a 4 kW laser with the same luminance as a 200 W laser or 0.3 mm-mrad. This is indicated by straight line 104 in FIG. 1 .

본 명세서에 설명되는 본 발명의 기술은 용접, 절단, 납땜, 열처리, 조형, 형상화, 성형, 접합, 어닐링 및 제거, 그리고 이들의 조합과 다양한 다른 재료 처리 작업의 범위에 이르기까지 광범위한 용례를 위한 레이저 시스템을 구성하는데 사용될 수 있다. 바람직한 레이저 소스가 비교적 고휘도이지만, 본 발명은 더 낮은 휘도 요건을 충족시키도록 시스템을 구성하는 능력을 제공한다. 또한, 이들 레이저 그룹은 긴 라인으로 조합될 수 있으며, 이는 예를 들어, 평판 디스플레이의 TFT와 같은 대면적 반도체 장치를 어닐링하는 것과 같이 대면적 타겟 재료에 레이저 작동을 수행하는데 사용될 수 있다.The techniques of the present invention described herein can be applied to lasers for a wide range of applications, ranging from welding, cutting, brazing, heat treating, shaping, shaping, forming, bonding, annealing and ablation, and combinations thereof and a variety of other material processing operations. It can be used to configure the system. Although preferred laser sources are relatively high luminance, the present invention provides the ability to configure the system to meet lower luminance requirements. Also, these laser groups can be combined into long lines, which can be used to perform laser operation on large area target materials, such as, for example, annealing large area semiconductor devices such as TFTs in flat panel displays.

레이저 다이오드, 레이저 다이오드 어레이, 파장 조합 레이저 다이오드 어레이, 휘도 변환 레이저 다이오드 어레이 및 파장 조합 레이저 다이오드 어레이의 출력은 개별적으로 어드레스 가능한 고유한 프린팅 기계를 생성하는데 사용될 수 있다. 각각의 모듈로부터의 레이저 출력이 플라스틱뿐만 아니라 금속 분말을 용융 및 융합하는데 충분하기 때문에, 이들 소스는 적층 제작 용례뿐만 아니라 적층-절삭 제작 용례에도 이상적이다(즉, 현재의 레이저 적층 제작 시스템은 CNC 기계 또는 기타 유형의 밀링 기계와 같은 기존의 제거 제작 기술뿐만 아니라 레이저 제거 또는 절제와 조합된다). 작은 스폿 크기, 정밀도 및 기타 요인을 제공하는 그들의 능력 때문에, 본 발명의 시스템 및 레이저 구성은 마이크로 및 나노 적층, 절삭 및 적층-절삭 제작 기술에서 용례를 또한 발견할 수 있다. 개별적으로 연결되는 레이저 어레이는 단일 스캔된 레이저 소스의 속도의 n 배로 물체를 생성하기 위해 분말 표면에 이미징될 수 있다. n-스폿 각각에 대해 더 높은 출력의 레이저를 사용함으로써 속도가 더욱 증가될수 있다. 휘도 변환 레이저를 사용할 때, n 개의 스폿에 대해 근 회절 한계 스폿이 얻어질 수 있으므로 블루 고휘도 레이저 소스에 의해 형성된 개별 스폿의 서브-마이크론 특성으로 인해 고해상도 부품을 생성하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 구성 및 시스템의 이러한 더 작은 스폿 크기는 종래 기술의 3D 프린팅 기술과 비교하여 프린팅 속도 및 프린팅 공정의 해상도에서 상당한 개선을 제공한다. 휴대용 분말 공급 장치와 조합될 때, 본 발명의 시스템의 실시예는 종래 기술의 적층 제작 기계의 프린트 속도의 100 배를 초과하는 속도로 층 이후의 층을 연속적으로 프린트할 수 있다. 위치 설정 장치가 레이저 융합 스폿(예를 들어, 도 5, 분말 장치(508), 분말 장치(508b)) 바로 뒤의 양 또는 음의 방향으로 이동함에 따라 시스템이 분말을 적층하게 함으로써, 시스템은 다음 층에 요구되는 분말을 도포하거나 레벨링하기 위해 멈출 필요없이 연속적으로 프린트할 수 있다.The outputs of laser diodes, laser diode arrays, wavelength combination laser diode arrays, luminance conversion laser diode arrays, and wavelength combination laser diode arrays can be used to create unique individually addressable printing machines. Because the laser output from each module is sufficient to melt and fuse metal powders as well as plastics, these sources are ideal for additive-cutting as well as additive-manufacturing applications (i.e., current laser additive-manufacturing systems are not designed for CNC machines). or in combination with laser ablation or ablation, as well as conventional ablation fabrication techniques such as other types of milling machines). Because of their ability to provide small spot sizes, precision, and other factors, the systems and laser configurations of the present invention may also find application in micro and nano additive, ablation and additive-cutting fabrication techniques. Individually coupled laser arrays can be imaged on the powder surface to create objects at n times the speed of a single scanned laser source. The speed can be further increased by using a higher power laser for each of the n-spots. When using a luminance-converted laser, near-diffraction-limited spots can be obtained for n spots, making it possible to create high-resolution parts due to the sub-micron properties of individual spots formed by the blue high-intensity laser source. This smaller spot size of the inventive construction and system provides significant improvements in printing speed and resolution of the printing process compared to prior art 3D printing techniques. When combined with a portable powder feeder, embodiments of the system of the present invention are capable of continuously printing layer after layer at speeds in excess of 100 times the print speed of prior art additive manufacturing machines. By causing the system to deposit powder as the positioning device moves in the positive or negative direction immediately behind the laser fusion spot (eg, FIG. 5 , powder device 508, powder device 508b), the system then Print continuously without stopping to apply or level the required powder in layers.

도 3을 참조하면, 두 열의 엇갈린 스폿(예를 들어, 303a 및 303b)을 갖는 레이저 시스템을 갖는 레이저 공정의 개략도가 도시된다. 레이저 스폿(예를 들어, 303a, 303b)은 타겟 재료를 가로질러 화살표(301)의 방향으로 이동, 예를 들어 스캔된다. 타겟 재료는 출력 형태(302)로 존재할 수 있고, 이어서 레이저 스폿(304)에 의해 용융된 다음 일반적으로 전이 라인(305)을 따라 고화되어 융합된 재료(306)로서 형성된다. 빔의 출력, 빔의 점화 시간, 이동 속도 및 이들의 조합은 미리 결정된 방식으로 변화되어 용융 전이 라인(305)의 미리 결정된 형상을 초래할 수 있다. 빔이 엇갈릴 수 있는 거리는 섬유 및 그들의 광학 구성요소를 유지하는데 요구되는 고정 장치에 의한 필요에 따라 0, 0.1, 0.5, 1, 2 mm 간격일 수 있다. 엇갈림은 또한, 설정된 엇갈림 스텝-크기 또는 가변 스텝-크기에서 단조롭게 증가 또는 감소하는 위치일 수 있다. 정확한 속도 장점은 제작될 부품의 타겟 재료 및 구성에 따라 달라질 것이다.3, a schematic diagram of a laser process with a laser system having two rows of staggered spots (eg, 303a and 303b) is shown. The laser spot (eg, 303a, 303b) is moved, eg, scanned, in the direction of arrow 301 across the target material. The target material may be in an output form 302 , which is then melted by a laser spot 304 and then solidified generally along a transition line 305 to form as a fused material 306 . The power of the beam, the firing time of the beam, the speed of movement, and combinations thereof may be varied in a predetermined manner to result in a predetermined shape of the melt transition line 305 . The distance at which the beams may be staggered may be 0, 0.1, 0.5, 1, 2 mm spacing as needed by the fixtures required to hold the fibers and their optical components. A stagger may also be a monotonically increasing or decreasing position in a set stagger step-size or a variable step-size. The exact speed advantage will depend on the target material and configuration of the part being fabricated.

도 4는 시스템에 추가되는 각각의 추가 빔에 따라 속도가 증가하는 20 개의 빔 시스템에 대해 도 5 내지 도 7에 도시된 것과 같은 레이저 시스템 및 구성의 실시예에 대해 달성될 수 있는 성능을 요약한다.Figure 4 summarizes the performance that can be achieved for an embodiment of a laser system and configuration such as that shown in Figures 5-7 for a 20 beam system whose velocity increases with each additional beam added to the system; .

도 5를 참조하면, 어드레스 가능한 레이저 전달 구성을 갖는 레이저 시스템의 실시예의 개략도가 제공된다. 시스템은 어드레스 가능한 레이저 다이오드 시스템(501)을 가진다. 시스템(501)은 복수의 섬유(502a, 502b, 502c)에 독립적으로 어드레스 가능한 레이저 빔을 제공한다(더 많고 더 적은 수의 섬유 및 레이저 빔이 고려된다). 섬유(502a, 502b, 502c)는 보호 튜브(503) 또는 커버에 함유된 섬유 다발(504)로 조합된다. 섬유 다발(504) 내의 섬유(502a, 502b, 502c)는 함께 융합되어 빔 경로를 따라 레이저 빔을 포커싱하여 타겟 재료(507)로 지향시키는 광학 어셈블리(506)를 포함하는 프린트 헤드(505)를 형성한다. 프린트 헤드 및 분말 호퍼는 510에 따르는 양의 방향인 프린트 헤드의 이동과 함께 이동한다. 추가 재료(509)는 프린트 헤드 또는 호퍼의 각각의 패스와 함께 융합 재료(507)의 상부에 배치될 수 있다. 프린트 헤드는 양방향이고 프린트 헤드가 이동함에 따라 양방향으로 재료를 융합하며, 따라서 분말 호퍼가 인쇄 헤드 뒤에서 작동하여 레이저 프린팅 헤드의 다음 패스에 융합될 적층 재료를 제공한다.5 , a schematic diagram of an embodiment of a laser system having an addressable laser delivery configuration is provided. The system has an addressable laser diode system 501 . System 501 provides independently addressable laser beams to a plurality of fibers 502a, 502b, 502c (more and fewer fibers and laser beams are contemplated). Fibers 502a, 502b, 502c are combined into a fiber bundle 504 contained in a protective tube 503 or cover. The fibers 502a, 502b, 502c in the fiber bundle 504 are fused together to form a print head 505 comprising an optical assembly 506 that focuses and directs a laser beam along a beam path to a target material 507 . do. The print head and powder hopper move with movement of the print head in a positive direction according to 510 . Additional material 509 may be placed on top of fusing material 507 with each pass of the print head or hopper. The print head is bi-directional and fuses material in both directions as the print head moves, so a powder hopper operates behind the print head to provide laminated material to be fused to the next pass of the laser printing head.

"어드레스 가능한 어레이"란 다음 중 하나 이상, 즉 출력; 점화 기간; 점화 순서; 점화 위치; 빔 출력; 빔 스폿의 형상뿐만 아니라, 초점 길이, 예를 들어 z-방향으로의 침투 깊이가 독립적으로 변화되거나, 제어되고 미리 결정될 수 있거나 각각의 섬유 내의 각각의 레이저 빔이 타겟 재료로부터 매우 정밀한 최종 제품(예를 들어, 빌드 재료를 생성할 수 있는 정밀하고 미리 결정된 전달 패턴을 제공하는 것을 의미한다. 어드레스 가능한 어레이의 실시예는 또한 어닐링, 절제 및 용융과 같은 다양하고, 미리 결정되고 정밀한 레이저 작동을 수행하기 위해 개별 빔 및 이들 빔에 의해 생성되는 레이저 스톱을 위한 능력을 가질 수 있다."Addressable array" means one or more of the following: an output; ignition period; ignition sequence; ignition location; beam output; The shape of the beam spot, as well as the focal length, e.g. depth of penetration in the z-direction, can be independently varied, controlled and predetermined or each laser beam within each fiber can be separated from the target material into a very precise final product (e.g. For example, it means providing a precise and predetermined transfer pattern that can create build materials.Embodiments of addressable arrays are also capable of performing various, predetermined and precise laser operations such as annealing, ablation and melting. It can have the capability for individual beams and the laser stops produced by these beams.

도 6을 참조하면, 어드레스 가능한 레이저 전달 구성을 갖는 레이저 시스템의 실시예의 개략도가 제공된다. 레이저 시스템은 레이저 다이오드 어레이 시스템, 휘도 변환 시스템 또는 고 출력 섬유 레이저 시스템일 수 있다. 그 시스템은 어드레스 가능한 레이저 시스템(601)을 가진다. 시스템(601)은 복수의 섬유(602a, 602b, 602c)에 독립적으로 어드레스 가능한 레이저 빔을 제공한다(더 많고 더 적은 수의 섬유 및 레이저 빔이 고려된다). 섬유(602a, 602b, 602c)는 보호 튜브(603) 또는 커버 내에 함유되는 섬유 다발(604) 내로 조합된다. 섬유 다발(604) 내의 섬유(602a, 602b, 602c)는 서로 융합되어 빔 경로를 따라 레이저 빔을 초점 맞춰서 타겟 재료(607)로 지향시키는 광학 어셈블리(606)를 포함하는 프린팅 헤드(605)를 형성한다. 타겟 재료(607)는 어닐링되어 어닐링된 재료(609)를 형성한다. 레이저 헤드의 이동 방향은 화살표(610)에 의해 도시된다.6 , a schematic diagram of an embodiment of a laser system having an addressable laser delivery configuration is provided. The laser system may be a laser diode array system, a luminance conversion system, or a high power fiber laser system. The system has an addressable laser system 601 . System 601 provides independently addressable laser beams to a plurality of fibers 602a, 602b, 602c (more and fewer fibers and laser beams are contemplated). Fibers 602a, 602b, 602c are combined into a fiber bundle 604 contained within a protective tube 603 or cover. The fibers 602a, 602b, 602c in the fiber bundle 604 are fused together to form a printing head 605 that includes an optical assembly 606 that focuses and directs a laser beam along a beam path to a target material 607 . do. Target material 607 is annealed to form annealed material 609 . The direction of movement of the laser head is indicated by arrow 610 .

도 7을 참조하면, 어드레스 가능한 레이저 전달 구성을 갖는 레이저 시스템의 실시예의 개략도가 제공된다. 그 시스템은 어드레스 가능한 레이저 다이오드 시스템(701)을 가진다. 그 시스템(701)은 복수의 섬유(702a, 702b, 702c)에 독립적으로 어드레스 가능한 레이저 빔을 제공한다(더 많고 더 적은 수의 섬유 및 레이저 빔이 고려된다). 섬유(702a, 702b, 702c)는 보호 튜브(703) 또는 커버 내에 함유되는 섬유 다발(704)로 조합된다. 섬유 다발(704) 내의 섬유(702a, 702b, 702c)는 함께 융합되어 인쇄 헤드 분말 분배 헤드(720)를 형성한다. 분말 분배 헤드(720)는 레이저 빔에 동축으로 또는 레이저 빔에 횡 방향으로 전달되는 분말을 가질 수 있다. 분말 분배 헤드(720)는 타겟 재료(707)에 그리고 그의 상부에 융합되는 추가 재료 층(709)을 제공한다. 레이저 헤드의 이동 방향은 화살표(710)로 도시된다.7 , a schematic diagram of an embodiment of a laser system having an addressable laser delivery configuration is provided. The system has an addressable laser diode system 701 . The system 701 provides independently addressable laser beams to a plurality of fibers 702a, 702b, 702c (more and fewer fibers and laser beams are contemplated). Fibers 702a, 702b, 702c are combined into a fiber bundle 704 contained within a protective tube 703 or cover. The fibers 702a , 702b , 702c in the fiber bundle 704 are fused together to form a print head powder dispensing head 720 . The powder dispensing head 720 may have powder delivered coaxial to the laser beam or transverse to the laser beam. The powder dispensing head 720 provides an additional material layer 709 that is fused to and on top of the target material 707 . The direction of movement of the laser head is indicated by arrow 710 .

도 8은 서로 융합되고 도 5 내지 도 7에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 801)의 다발(800)의 구성을 도시한다. 그 구성은 섬유 배열과 유사하게 구성되는 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 단일 선형 열에 5 개의 섬유, 즉 1 x 5 선형 구성이 있다. 섬유의 1 x n 선형 열은 최종 레이저 프린트 헤드이며. 여기서 n은 프린트될 제품의 물리적 범위에 따라 다르다.FIG. 8 shows the configuration of a bundle 800 of fibers (eg, 801 ) fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-7 . The configuration will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this embodiment, there are 5 fibers in a single linear row, i.e. 1 x 5 linear configuration. A 1 x n linear row of fibers is the final laser printhead. where n depends on the physical extent of the product to be printed.

도 9는 서로 융합되고 도 5 내지 도 8에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 901) 다발(900)의 구성을 도시한다. 그 구성은 엇갈리게 배열되고 장사방형(rhomboid) 배열로 배열되는 섬유의 2 개의 선형 열(902, 903)을 가진다. 섬유는 섬유 배열과 유사하게 구성된 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 각각의 선형 열에 5 개의 섬유로 이루어진 2 개의 열, 즉 2 × 5 선형 구성이 있다.9 shows the configuration of a fiber (eg, 901) bundle 900 fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-8. The configuration has two linear rows 902 , 903 of fibers arranged in a staggered and rhomboid arrangement. The fiber will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this example, there are two rows of 5 fibers in each linear row, i.e., a 2 x 5 linear configuration.

도 10은 서로 융합되고 도 5 내지 도 8에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 1001) 다발(1000)의 구성을 도시한다. 이 구성은 엇갈리게 배열되고 장사방형 배열로 배열되는 섬유의 3 개의 선형 열(1002, 1003, 1004)을 가진다. 섬유는 섬유 배열과 유사하게 구성된 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 각각의 선형 열에 5 개의 섬유로 이루어진 3 개의 열, 즉 3 × 5 선형 구성이 있다.10 shows the configuration of a fiber (eg, 1001) bundle 1000 fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-8. This configuration has three linear rows 1002 , 1003 , 1004 of fibers arranged in a staggered and rhomboidal arrangement. The fiber will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this embodiment, there are 3 rows of 5 fibers in each linear row, i.e., a 3 x 5 linear configuration.

도 11은 서로 융합되고 도 5 내지 도 8에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 1101) 다발(1100)의 구성을 도시한다. 이 구성은 엇갈리게 배열되고 삼각형 배열로 배열되는 섬유의 3 개의 선형 열(1102, 1103, 1104)을 가진다. 섬유는 섬유 배열과 유사하게 구성된 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 각각의 선형 열에 5 개의 섬유로 이루어진 3 개의 열, 즉 3 × 5 선형 구성이 있다.11 shows the configuration of a fiber (eg, 1101) bundle 1100 fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-8. This configuration has three linear rows 1102 , 1103 , 1104 of fibers arranged in a staggered and triangular arrangement. The fiber will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this embodiment, there are 3 rows of 5 fibers in each linear row, i.e., a 3 x 5 linear configuration.

도 12는 서로 융합되고 도 5 내지 도 8에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 1201) 다발(1200)의 구성을 도시한다. 이 구성은 엇갈리지 않게 배열되고 정사각형 배열로 배열되는 섬유의 4 개의 선형 열(1202, 1203, 1204, 1205)을 가진다. 섬유는 섬유 배열과 유사하게 구성된 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 각각의 선형 열에 4 개의 섬유로 이루어진 4 개의 열, 즉 4 × 4 선형 구성이 있다.FIG. 12 shows the configuration of a fiber (eg, 1201) bundle 1200 fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-8. This configuration has four linear rows 1202 , 1203 , 1204 , 1205 of fibers arranged in a non-staggered and square arrangement. The fiber will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this example, there are 4 rows of 4 fibers in each linear row, i.e., a 4 x 4 linear configuration.

도 13은 서로 융합되고 도 5 내지 도 8에 도시된 시스템과 같은 시스템의 레이저 헤드에 사용되는 섬유(예를 들어, 1301) 다발(1300)의 구성을 도시한다. 이 구성은 5 개의 선형 열(예를 들어, 1302)을 가진다. 섬유는 엇갈리게 배열되지 않고 정사각형 배열로 배열된다. 섬유는 섬유 배열과 유사하게 구성된 레이저 스폿을 전달할 것이다. 이 실시예에서, 각각의 선형 열에 4 개의 섬유로 이루어진 5 개의 열, 즉 5 × 5 선형 구성이 있다.13 shows the configuration of a fiber (eg, 1301) bundle 1300 fused together and used in a laser head of a system such as the system shown in FIGS. 5-8. This configuration has 5 linear columns (eg 1302). The fibers are not staggered but arranged in a square arrangement. The fiber will deliver a laser spot configured similar to the fiber arrangement. In this example, there are 5 rows of 4 fibers in each linear row, i.e., a 5 x 5 linear configuration.

도 14a는 원형 구성으로 배열되는 5 개(n = 5)의 섬유(예를 들어, 1401)의 다발(1401)의 구성을 도시한다.14A shows the configuration of a bundle 1401 of five (n=5) fibers (eg, 1401 ) arranged in a circular configuration.

도 14b는 원형의 중심에 위치되는 섬유(1402b)를 갖는 원형 구성으로 배열되는 9 개(n = 9)의 섬유(예를 들어, 1402a)의 다발(1402)의 구성을 도시한다. 중심 섬유(1402b)는 매체 또는 홀딩 장치에 의해 제자리에 유지되거나 또는 서로 융합될 것이다.14B shows the configuration of a bundle 1402 of nine (n=9) fibers (eg, 1402a ) arranged in a circular configuration with the fiber 1402b positioned at the center of the circle. The central fibers 1402b may be held in place by a medium or holding device or fused together.

도 14c는 내부 원의 섬유(1405) 및 중심 섬유(1403b)를 갖는 19 개(n = 19)의 섬유(예를 들어, 1403a)의 다발(1403)의 구성을 도시한다.14C shows the configuration of a bundle 1403 of 19 (n=19) fibers (eg, 1403a ) with an inner circle of fibers 1405 and a central fiber 1403b .

도 15a는 삼각형 간격을 갖는 육각형 배열을 가지는 7 개(n = 7)의 섬유(예를 들어, 1501a)의 다발(1501)을 도시한다.15A shows a bundle 1501 of seven (n=7) fibers (eg, 1501a) in a hexagonal arrangement with triangular spacing.

도 15b는 삼각형 간격을 갖는 육각형 배열을 가지는 19 개(n = 19)의 섬유(예를 들어, 1502a)의 다발(1502)을 도시한다.15B shows a bundle 1502 of 19 (n = 19) fibers (eg, 1502a) in a hexagonal arrangement with triangular spacing.

도 16a, 도 16b 및 도 16c는 임의의 기하학적 배열로 배열되는 섬유 다발의 구성을 도시한다. 이들 구성은 구성에서 다양한 레벨의 섬유 밀도를 제공한다. 도 16a는 사분원 구성으로 섬유(예를 들어, 1601a)의 n = 16 다발(1601)이다. 도 16b는 정사각형 구성으로 섬유(예를 들어 1602b)의 n = 8 다발(1602)이다. 도 16c는 삼각형 구성으로 섬유(예를 들어, 1604a)의 n = 6 다발(1604)이다. 도 16d는 반원형 구성으로 섬유(예를 들어, 1603a)의 n = 9 다발(1603)이다.16A, 16B and 16C show the configuration of fiber bundles arranged in arbitrary geometrical arrangements. These configurations provide different levels of fiber density in the construction. 16A is an n=16 bundle 1601 of fibers (eg, 1601a) in a quadrant configuration. 16B shows n = 8 bundles 1602 of fibers (eg 1602b) in a square configuration. 16C shows n = 6 bundles 1604 of fibers (eg, 1604a) in a triangular configuration. 16D is an n=9 bundle 1603 of fibers (eg, 1603a) in a semicircular configuration.

다음 예는 본 발명의 레이저 어레이, 시스템, 장치 및 방법의 다양한 실시 예를 예시하기 위해 제공된다. 이들 예는 예시의 목적을 위한 것이고 본 발명의 범주로서 간주되어서는 안되고, 본 발명의 범주를 달리 제한하지도 않는다.The following examples are provided to illustrate various embodiments of the laser array, system, apparatus, and method of the present invention. These examples are for the purpose of illustration and should not be considered as the scope of the present invention, nor do they otherwise limit the scope of the present invention.

예 1Example 1

피가공재로 전달하기 위해 솔라리제이션 저항성 광섬유(Solarization resistant optical fiber)에 커플링될 수 있는, 원거리 필드에서 단일 스폿을 만들기 위해 공간적으로 조합되는 블루 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes spatially combined to create a single spot in a far field, which can be coupled to a solarization resistant optical fiber for delivery to a workpiece.

예 2Example 2

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 레이저 빔의 유효 휘도를 증가시키도록 조합되는 편광 빔이다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, wherein the polarizing beams are combined to increase the effective luminance of the laser beam.

예 3Example 3

제 1 레이저 다이오드(들)를 반사하고 제 1 어레이의 고속 방향으로 레이저 다이오드들 사이의 공간을 충전하도록 제 2 레이저 다이오드(들)를 전달하는, 주기적인 플레이트와 후에 조합되는 레이저 다이오드의 고속 축에서 각각의 조준된 빔들 사이에 공간을 갖는 블루 레이저 다이오드의 어레이.at the high speed axis of the laser diode later combined with the periodic plate, reflecting the first laser diode(s) and passing the second laser diode(s) to fill the space between the laser diodes in the high speed direction of the first array An array of blue laser diodes with a space between each collimated beam.

예 4Example 4

예 3의 공간 충전을 달성하는데 사용되는, 유리 기판 상의 패턴화된 미러.A patterned mirror on a glass substrate, used to achieve the space fill of Example 3.

예 5Example 5

예 3의 공간 충전을 달성하기 위해 유리 기판의 한 측면 상의 패턴화된 미러로서, 유리 기판은 개별 레이저 다이오드들 사이의 빈 공간을 충전하기 위해 각각의 레이저 다이오드의 수직 위치를 전환시키는데 충분한 두께이다.A patterned mirror on one side of a glass substrate to achieve the space filling of Example 3, the glass substrate being thick enough to shift the vertical position of each laser diode to fill the void space between the individual laser diodes.

예 6Example 6

예 3의 공간 충전을 달성하고 예 4에서 설명된 바와 같은 패턴화된 미러인 단차형 히트 싱크.A stepped heat sink that achieves the space fill of Example 3 and is a patterned mirror as described in Example 4.

예 7Example 7

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 각각의 개별 레이저는 외부 공동에 의해 상이한 파장으로 고정되어 어레이의 휘도를 단일 레이저 다이오드 소스의 동등한 휘도로 실질적으로 증가시킨다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, wherein each individual laser is held at a different wavelength by an external cavity to substantially increase the brightness of the array to the equivalent brightness of a single laser diode source.

예 8Example 8

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 레이저 다이오드의 개별 어레이는 격자에 기초한 외부 공동을 사용하여 단일 파장에 고정되고 각각의 레이저 다이오드 어레이는 좁게 이격된 광학 필터 또는 격자를 사용하여 단일 빔으로 조합된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, wherein the individual arrays of laser diodes are fixed to a single wavelength using an external cavity based grating and each array of laser diodes is a single array using a narrowly spaced optical filter or grating. combined with a beam.

예 9Example 9

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 고휘도 소스를 생성하기 위한 순수한 융합 실리카 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위한 플루오르화 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, having a pure fused silica core to create a high brightness source and a fluorinated outer core to contain the blue pump light.

예 10Example 10

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 고휘도 소스를 생성하기 위해 외부 코어에 대해 GeO2 도핑된 중심 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위해 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, comprising an optical fiber having a GeO 2 doped central core for an outer core to produce a high brightness source and an outer core larger than the central core to contain blue pump light; The same Raman transducer is used to pump.

예 11Example 11

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 고휘도 소스를 생성하기 위해 P2O5 도핑된 중심 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위해 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is a Raman, such as an optical fiber, having a P 2 O 5 doped central core to produce a high luminance source and an outer core larger than the central core to contain blue pump light. Used to pump the transducer.

예 12Example 12

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 고휘도 소스를 생성하기 위한 등급화된 색인 코어 및 블루 펌프 광을 함유하기 위해 중심 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which pumps a Raman transducer, such as an optical fiber, having a graded index core to produce a high brightness source and an outer core larger than the central core to contain blue pump light. used to do

예 13Example 13

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 등급화된 색인 GeO2 도핑된 코어 및 외부 단차형 색인 코어인 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer that is a graded index GeO 2 doped core and an outer stepped index core.

예 14Example 14

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 등급화된 색인 P2O5 도핑된 코어 및 외부 단차형 색인 코어인 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer that is a graded index P 2 O 5 doped core and an outer stepped index core.

예 15Example 15

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 등급화된 색인 GeO2 도핑된 코어인 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer that is a graded index GeO 2 doped core.

예 16Example 16

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 등급화된 색인 P2O5 도핑된 코어 및 외부 단차형 색인 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber that is a graded index P 2 O 5 doped core and an outer stepped index core.

예 17Example 17

예 1의 실시예의 다른 실시예 및 변형예가 고려될 수 있다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 다이아몬드와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 KGW와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 YVO4와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 Ba(NO3)2와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위한 고압 가스인 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 희토류 도핑된 결정체를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위해 희토류 도핑된 섬유를 펌핑하는데 사용된다. 예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이는 더 높은 비율의 휘도 향상을 생성하기 위해 휘도 변환기의 외부 코어를 펌핑하는데 사용된다.Other embodiments and variations of the embodiment of Example 1 are contemplated. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump a Raman transducer, such as a diamond, to create a high intensity laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump a Raman transducer, such as a KGW, to create a high brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump a Raman transducer, such as YVO 4 , to create a high-brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump a Raman transducer, such as Ba(NO 3 ) 2 , to create a high-brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump a Raman transducer, a high pressure gas to create a high intensity laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump rare earth doped crystals to create a high intensity laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump rare earth doped fibers to create a high intensity laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 is used to pump the outer core of the brightness converter to produce a higher rate of brightness enhancement.

예 18Example 18

개별 파장에서 작동되고 오리지널 소스의 공간 휘도를 보존하면서 고 출력 소스를 생성하도록 조합되는 라만 변환 레이저의 어레이.An array of Raman transforming lasers operated at individual wavelengths and combined to create a high power source while preserving the spatial luminance of the original source.

예 19Example 19

듀얼 코어; 및 필터, 섬유 브래그 격자, V 차수의 1 차 및 2 차 라만 신호, 또는 마이크로 벤드 손실 차이를 사용하여 고휘도 중심 코어에서 2 차 라만 신호를 억제하기 위한 수단을 갖는 라만 섬유.dual core; and means for suppressing the secondary Raman signal in the high luminance central core using a filter, a fiber Bragg grating, a V order 1st and 2nd order Raman signal, or a micro bend loss difference.

예 20Example 20

개별적으로 켜지고 꺼질 수 있고 분말 베드 상에 이미징되어 분말을 용융시키고 고유 부품으로 융합시킬 수 있는 N(N≥ 1) 개의 레이저 다이오드.N (N≥ 1) laser diodes that can be turned on and off individually and imaged on a powder bed to melt the powder and fuse it into a unique part.

예 21Example 21

예 1의 N(N≥ 1) 개의 레이저 다이오드 어레이로서, 그의 출력은 섬유 커플링될 수 있으며 각각의 섬유는 분말에 이미징되거나 포커싱되어 분말을 용융시켜 고유한 층별 형상으로 융합시킬 수 있는 고출력 레이저 빔의 어드레스 가능한 어레이를 생성하도록 선형 또는 비-선형 방식으로 배열될 수 있다.The array of N (N≧1) laser diodes of Example 1, the output of which can be fiber coupled and each fiber is imaged or focused on a powder to melt the powder and fuse it into a unique layer-by-layer shape of a high-power laser beam may be arranged in a linear or non-linear manner to create an addressable array of

예 22Example 22

라만 변환기를 통해 조합되는 하나 이상의 레이저 다이오드 어레이로서, 그의 출력은 섬유 커플링될 수 있으며 각각의 섬유는 분말에 이미징되거나 포커싱되어 분말을 용융시켜 고유한 층별 형상으로 융합시킬 수 있도록 N(N≥ 1) 개의 고출력 레이저 빔의 어드레스 가능한 어레이를 생성하도록 선형 또는 비-선형 방식으로 배열될 수 있다.An array of one or more laser diodes combined via a Raman transducer, the output of which can be fiber coupled, each fiber being imaged or focused on a powder to melt the powder and fuse it into a unique layer-by-layer shape with N (N≥ 1) ) can be arranged in a linear or non-linear manner to create an addressable array of high power laser beams.

예 23Example 23

분말 베드를 용융 및 융합하면서 분말 베드를 가로질러 N(N≥ 1) 개의 블루 레이저 소스를 이송할 수 있는 x-y 모션 시스템으로서, 분말 전달 시스템이 융합 층 뒤에 새로운 분말 층을 제공하기 위해 레이저 소스 뒤에 위치된다.An xy motion system capable of transporting N (N≥ 1) blue laser sources across a powder bed while melting and fusing the powder bed, wherein the powder delivery system is positioned behind the laser source to provide a new powder layer behind the fusing layer. do.

예 24Example 24

새로운 분말 층이 배치된 이후에 예 20의 부품/분말 베드의 높이를 증가/감소시킬 수 있는 z-모션 시스템.A z-motion system capable of increasing/decreasing the height of the part/powder bed of Example 20 after a new layer of powder has been placed.

예 25Example 25

z-모션 시스템은 분말 층이 레이저 소스에 의해 융합된 이후에 예 20의 부품/분말 베드의 높이를 증가/감소시킬 수 있다.The z-motion system can increase/decrease the height of the part/powder bed of Example 20 after the powder layers are fused by the laser source.

예 26Example 26

예 20에 대한 양방향 분말 배치 성능은 분말이 양의 x 방향 또는 음의 x 방향으로 이동함에 따라 레이저 스폿(들)의 바로 뒤에 배치된다.The bidirectional powder placement performance for Example 20 is placed immediately behind the laser spot(s) as the powder travels in the positive or negative x direction.

예 27Example 27

예 20에 대한 양방향 분말 배치 성능은 분말이 양의 y 방향 또는 음의 y 방향으로 이동함에 따라 레이저 스폿(들)의 바로 뒤에 배치된다.The bidirectional powder placement performance for Example 20 is placed directly behind the laser spot(s) as the powder moves in the positive or negative y direction.

예 28Example 28

N(N≥ 1) 개의 레이저 빔과 동축인 분말 공급 시스템.Powder feeding system coaxial with N (N≥ 1) laser beams.

예 29Example 29

분말이 중력에 의해 공급되는 분말 공급 시스템.Powder feeding system in which the powder is fed by gravity.

예 30Example 30

분말이 불활성 가스 유동에 동반되는 분말 공급 시스템.A powder supply system in which the powder is entrained in an inert gas flow.

예 31Example 31

N(N≥ 1) 개의 레이저 빔에 횡 방향인 분말 공급 시스템으로서, 분말이 레이저 빔의 바로 앞에 중력에 의해 배치된다.A powder feeding system transverse to N (N≧1) laser beams, in which the powder is placed by gravity directly in front of the laser beam.

예 32Example 32

N(N≥ 1) 개의 레이저 빔에 횡 방향인 분말 공급 시스템으로서, 분말이 레이저 빔과 교차하는 불활성 가스에 동반된다.A powder feeding system transverse to N (N≧1) laser beams, in which the powder is entrained in an inert gas intersecting the laser beam.

예 33Example 33

KTP와 같은 외부에서 공진하는 결정체로 이루어지는 소스 레이저의 파장의 절반에서 또는 230 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 예를 들어 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하는 제 2 고조파 발생 시스템.Use the output of a Raman transducer, e.g. at 460 nm, to generate light at 230 nm or at half the wavelength of a source laser made of an externally resonant crystal such as KTP, but not allow short-wavelength light to propagate through the optical fiber. 2nd harmonic generation system.

예 34Example 34

외부에서 공진하는 이중 결정체를 사용하여 115 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 예를 들어 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하는 제 3 고조파 발생 시스템.A third harmonic generation system using an externally resonating double crystal to generate light at 115 nm, but not allowing short-wavelength light to propagate through the optical fiber, using, for example, the output of a Raman transducer at 460 nm.

예 35Example 35

외부에서 공진하는 이중 결정체를 사용하여 57.5 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 예를 들어 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하는 제 4 고조파 발생 시스템.A fourth harmonic generation system using an externally resonant double crystal to generate light at 57.5 nm, but not allowing short-wavelength light to propagate through the optical fiber, using, for example, the output of a Raman transducer at 460 nm.

예 36Example 36

외부에서 공진하는 이중 결정체를 사용하여 소스 레이저의 파장의 절반에서 또는 236.5 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하는 제 2 고조파 발생 시스템.It uses an externally resonant double crystal to generate light at half the wavelength of the source laser or at 236.5 nm, but when pumped by an array of blue laser diodes at 450 nm to not allow the short wavelength light to propagate through the optical fiber. A second harmonic generation system using the output of a rare earth doped luminance converter such as thulium that fires a laser at 473 nm.

예 37Example 37

외부에서 공진하는 이중 결정체를 사용하여 118.25 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하는 제 3 고조파 발생 시스템.Thulium uses an externally resonant double crystal to generate light at 118.25 nm, but fires a laser at 473 nm when pumped by an array of blue laser diodes at 450 nm to not allow short-wavelength light to propagate through the fiber. A third harmonic generation system using the output of a rare earth doped luminance converter such as

예 38Example 38

외부에서 공진하는 이중 결정체를 사용하여 59.1 nm에서 광을 발생시키지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않기 위해 450 nm에서 블루 레이저 다이오드의 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발사하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하는 제 4 고조파 발생 시스템.Thulium uses an externally resonant double crystal to generate light at 59.1 nm, but fires a laser at 473 nm when pumped by an array of blue laser diodes at 450 nm to not allow short-wavelength light to propagate through the fiber. A fourth harmonic generation system using the output of a rare earth doped luminance converter such as

예 39Example 39

가시광 또는 근-가시광 출력을 발생시키기 위해 고출력 450nm 소스에 의해 펌핑될 수 있는 모든 다른 희토류 도핑된 섬유 및 결정체는 예 34 내지 예 38에 사용될 수 있다.All other rare earth doped fibers and crystals that can be pumped by a high power 450 nm source to generate visible or near-visible light output can be used in Examples 34-38.

예 40Example 40

라만 또는 희토류 도핑된 코어 섬유의 내부 코어를 펌핑하기 위해 비-원형 외부 코어 또는 클래드로 고출력 가시광의 발사.Firing of high power visible light into a non-circular outer core or clad to pump the inner core of a Raman or rare earth doped core fiber.

예 41Example 41

펌프의 편광을 라만 발진기의 편광과 정렬시킴으로써 라만 섬유의 이득을 향상시키기 위한 편광 유지 섬유의 용도.Use of a polarization maintaining fiber to improve the gain of a Raman fiber by aligning the polarization of a pump with that of a Raman oscillator.

예 42Example 42

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 특정 편광의 더 높은 휘도 소스를 생성하도록 구조화된 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, structured to produce a higher luminance source of a specific polarization.

예 43Example 43

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 특정 편광의 더 높은 휘도 소스를 생성하고 펌핑 소스의 편광 상태를 유지하도록 구조화된 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to generate a higher luminance source of a particular polarization and to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, structured to maintain the polarization state of the pumping source.

예 44Example 44

예 1에서 설명된 바와 같은 블루 레이저 다이오드의 어레이로서, 이는 라만 변화 효율을 개선하도록 구조화된 비-원형 외부 코어에 의해 더 높은 휘도 소스를 생성하기 위한 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용된다.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, to create a higher luminance source with a non-circular outer core structured to improve Raman conversion efficiency.

예 45Example 45

예 1 내지 예 44의 실시예는 또한, 하나 이상의 다음의 구성 요소 또는 어셈블리인, 레이저가 분말 베드 위로 스캐닝되기 이전에 각각의 패스의 끝에서 분말을 평탄화하는 장치; 고출력 빔을 생성하기 위해 섬유 조합기를 통해 다중 저출력 레이저 모듈을 조합함으로써 레이저의 출력을 스케일링하는 장치; 고출력 빔을 생성하기 위해 자유 공간을 통해 다중 저출력 레이저 모듈을 조합함으로써 블루 레이저 모듈의 출력 전력을 스케일링하는 장치; 임베디드 냉각(imbedded cooling)을 사용하여 단일 베이스플레이트에 다중 레이저 모듈을 조합하는 장치를 포함할 수 있다.Embodiments of Examples 1-44 also include one or more of the following components or assemblies: an apparatus for planarizing powder at the end of each pass before the laser is scanned over the bed of powder; a device for scaling the power of a laser by combining multiple low power laser modules through a fiber combiner to produce a high power beam; a device for scaling the output power of a blue laser module by combining multiple low power laser modules through free space to produce a high power beam; It may include devices that combine multiple laser modules on a single baseplate using embedded cooling.

본 발명의 실시예의 요지 또는 그와 관련된 신규하고 획기적인 성능 또는 다른 유익한 특징 및 특성의 토대가 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요는 없다는 것을 주목해야 한다. 그럼에도 불구하고, 이 중요한 영역, 특히 레이저, 레이저 처리 및 레이저 용례의 중요한 영역에서 기술을 추가로 발전시키기 위해 다양한 이론이 본 명세서에 제공된다. 이들 이론은 본 명세서에 제시되고, 달리 명시되지 않는 한 청구된 발명이 제공하는 보호의 범위를 결코 한정하거나, 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론은 발명을 이용하기 위해 요구되거나 실행되지 않을 수 있다. 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 실시예의 작동, 기능 및 특징을 설명하기 위한 새롭고 지금까지 공지되지 않은 이론을 유도할 수 있으며, 그러한 최근에 개발된 이론은 본 발명이 제공하는 보호의 범위를 한정하지 않는다는 것이 추가로 이해된다.It should be noted that it is not necessary to provide or cover the theory underlying the subject matter of the embodiments of the present invention or novel and innovative performance or other beneficial features and characteristics related thereto. Nevertheless, various theories are provided herein to further advance the technology in this important area, particularly in the important areas of lasers, laser processing, and laser applications. These theories are presented herein and in no way limit, limit or narrow the scope of protection afforded by the claimed invention unless otherwise specified. These theories may or may not be practiced in order to use the invention. This invention may lead to novel and heretofore unknown theories for describing the operation, function, and features of embodiments of the methods, articles, materials, devices and systems of the present invention, and such recently developed theories provide that the present invention It is further understood that it does not limit the scope of protection it provides.

본 명세서에 기재된 레이저, 다이오드, 어레이, 모듈, 어셈블리, 행위 및 작동의 다양한 실시예는 위에서 확인된 분야 및 다양한 다른 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 이들 실시예는 예를 들어, 기존의 레이저, 적층 제작 시스템, 작동 및 행위뿐만 아니라 다른 기존의 장비; 미래의 레이저, 적층 제작 시스템, 작동 및 행위; 및 본 명세서의 교시에 기초하여 부분적으로 수정될 수 있는 그러한 물품과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예는 상이하고 다양한 조합으로 서로 함께 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 본 명세서의 다양한 실시예에 제공된 구성이 서로 함께 사용될 수 있으며, 본 발명이 제공하는 보호 범주는 특정 실시예, 예 또는 특정 도면의 실시예에 기재되는 특정 실시예, 구성 또는 배열에 한정되지 않아야 한다.The various embodiments of lasers, diodes, arrays, modules, assemblies, acts and operations described herein may be used in the fields identified above and in various other fields. In addition, these embodiments may include, for example, existing lasers, additive manufacturing systems, operations and behaviors, as well as other existing equipment; Future lasers, additive manufacturing systems, operation and behavior; and with such articles as may be modified in part based on the teachings herein. In addition, the various embodiments described herein can be used with each other in different and various combinations. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments herein may be used in conjunction with each other, and the protection scope provided by the present invention is the specific embodiment, configuration or arrangement described in the specific embodiment, example, or embodiment in specific drawings. should not be limited to

본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 본 발명에 구체적으로 개시된 것 이외의 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 점에서 단지 예시적이고 비제한적인 것으로 고려될 것이다.The present invention may be embodied in other forms than those specifically disclosed herein without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and non-limiting.

Claims (62)

레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템으로서,
a. 복수의 레이저 다이오드 어셈블리;
b. 레이저 빔렛 경로를 따라 개별적인 블루 레이저 빔렛을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드; 및 레이저 빔렛을 정렬 및 이격시키는 수단를 포함하는 각각의 레이저 다이오드 어셈블리로서, 각각의 레이저 다이오드로부터의 레이저 빔렛 경로는 다른 레이저 빔렛 경로와 평행하고 다른 레이저 빔렛 경로와 일치하지 않아서, 제1 미리 결정된 거리에 이격된 제1 평행 빔렛 경로를 한정하는, 각각의 레이저 다이오드 어셈블리; 및
c. 타겟 재료에 전달하기 위해 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리 필드에 단일 스폿을 갖는 조합된 레이저 빔을 만들기 위해, 복수의 레이저 다이오드 어셈블리 각각으로부터 개별적인 블루 레이저 빔렛을 공간적으로 조합하는 수단을 포함하고,
d. 개별적인 블루 레이저 빔렛을 공간적으로 조합하는 수단은 평행한 레이저 빔렛 경로 상의 복수의 레이저 다이오드 어셈블리 각각으로부터의 빔렛을 비월 주사(interlace)하고, 공간적으로 조합하는 수단은 각각의 레이저 다이오드와 광학적으로 관련되어 있어서, 제2 미리 결정된 거리에 이격된 제2 평행한 빔렛 경로를 한정하며, 제2 미리 결정된 거리는 제1 미리 결정된 거리보다 작고,
e. 조합된 레이저 빔은 500와트보다 큰 전력 및 20 ㎜ mrad 미만의 빔 파라미터 곱을 갖는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
A laser system for performing laser operation, comprising:
a. a plurality of laser diode assemblies;
b. a plurality of laser diodes capable of generating individual blue laser beamlets along the laser beamlet path; and means for aligning and spacing the laser beamlets, wherein the laser beamlet path from each laser diode is parallel to the other laser beamlet path and does not coincide with the other laser beamlet path at a first predetermined distance. each laser diode assembly defining a spaced apart first parallel beamlet path; and
c. means for spatially combining individual blue laser beamlets from each of a plurality of laser diode assemblies to produce a combined laser beam having a single spot in a far field that can be coupled to an optical fiber for delivery to a target material;
d. means for spatially combining individual blue laser beamlets interlace beamlets from each of a plurality of laser diode assemblies on a parallel laser beamlet path, and means for spatially combining are optically associated with each laser diode; , define a second parallel beamlet path spaced apart at a second predetermined distance, the second predetermined distance being less than the first predetermined distance;
e. The combined laser beam has a power greater than 500 watts and a beam parameter product less than 20 mm mrad.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항에 있어서,
적어도 3 개의 레이저 다이오드 어셈블리를 포함하며; 각각의 레이저 다이오드 어셈블리는 적어도 30 개의 레이저 다이오드를 포함하며; 레이저 다이오드 어셈블리는 적어도 30 와트의 전체 전력을 갖는 레이저 빔을 전파할 수 있는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
The method of claim 1,
at least three laser diode assemblies; each laser diode assembly includes at least 30 laser diodes; The laser diode assembly is capable of propagating a laser beam having an overall power of at least 30 watts.
A laser system for performing laser operations.
제 2 항에 있어서,
상기 빔 파라미터 곱은 15 ㎜ mrad 미만인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
3. The method of claim 2,
the beam parameter product is less than 15 mm mrad
A laser system for performing laser operations.
제 2 항에 있어서,
상기 빔 파라미터 곱은 10 ㎜ mrad 미만인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
3. The method of claim 2,
the beam parameter product is less than 10 mm mrad
A laser system for performing laser operations.
제 1 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔렛의 휘도의 N배의 조합된 레이저 빔을 생성하며, N은 레이저 다이오드 어셈블리 내의 레이저 다이오드의 수인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
The method of claim 1,
The spatially combining means generates a combined laser beam of N times the luminance of the individual laser beamlets, where N is the number of laser diodes in the laser diode assembly.
A laser system for performing laser operations.
제 5 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 조합된 레이저 빔의 휘도를 보존하면서 출력을 증가시켜; 상기 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔렛의 적어도 50배 출력인 출력을 가지며, 상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 2배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
6. The method of claim 5,
the spatially combining means increases the output while preserving the luminance of the combined laser beam; wherein the combined laser beam has an output that is at least 50 times the power of the individual laser beamlets, and wherein the beam parameter product of the combined laser beam is no more than twice the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 6 항에 있어서,
상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 1.5배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 6,
wherein the beam parameter product of the combined laser beam is not more than 1.5 times the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 6 항에 있어서,
상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 1배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 6,
wherein the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1 times the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 5 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔렛의 휘도를 보존하면서 레이저 빔의 출력을 증가시켜; 상기 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔렛의 적어도 100배 출력인 출력을 가지며 상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 2배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
6. The method of claim 5,
The spatially combining means increases the output of the laser beam while preserving the luminance of the individual laser beamlets; wherein the combined laser beam has an output that is at least 100 times the power of the individual laser beamlets and the beam parameter product of the combined laser beam is no more than twice the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 9 항에 있어서,
상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 1.5배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
10. The method of claim 9,
wherein the beam parameter product of the combined laser beam is not more than 1.5 times the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 7 항에 있어서,
상기 조합된 레이저 빔의 빔 파라미터 곱은 개별 레이저 빔렛의 빔 파라미터 곱의 1배 이하인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
8. The method of claim 7,
wherein the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1 times the beam parameter product of the individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 광섬유는 솔라리제이션 저항성(solarization resistant)인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 1, 2 or 6,
The optical fiber is solarization resistant.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 레이저 다이오드의 위치 오류 또는 지향 오류 중 적어도 하나를 보정하기 위해 평행한 정렬 평판 및 웨지로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어셈블리를 포함하는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 1, 2 or 6,
wherein said spatially combining means comprises an assembly selected from the group consisting of parallel alignment plates and wedges for correcting at least one of a positioning error or a directing error of the laser diode.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 개별 레이저 빔렛보다 조합된 레이저 빔의 유효 휘도를 증가시킬 수 있는 편향 빔 조합기를 포함하는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 1, 2 or 6,
The spatially combining means comprises a deflecting beam combiner capable of increasing the effective brightness of the combined laser beam over individual laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 어셈블리는 고속 방향을 갖고 고속 방향으로의 각각의 경로들 사이의 공간을 갖는 개별 레이저 빔렛 경로를 한정하며, 상기 공간적으로 조합하는 수단은 레이저 다이오드의 고속 축에 개별 레이저 빔렛을 조준하기 위한 조준기 및 조준된 레이저 빔렛을 조합하기 위한 주기적인 미러를 포함하며, 상기 주기적인 미러는 레이저 다이오드 어셈블리 내의 제 1 다이오드로부터 제 1 레이저 빔렛을 반사시키고 레이저 다이오드 어셈블리 내의 제 2 다이오드로부터 제 2 레이저 빔렛을 전달하도록 구성되어, 고속 방향으로의 공간이 레이저 빔렛으로 충전되는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
7. The method of claim 1, 2 or 6,
The laser diode assembly defines individual laser beamlet paths having a high speed direction and having a space between the respective paths in the high speed direction, wherein the spatially combining means is configured to aim the individual laser beamlets on a high speed axis of the laser diode. a periodic mirror for combining the collimator and the collimated laser beamlet, the periodic mirror reflecting a first laser beamlet from a first diode in the laser diode assembly and a second laser beamlet from a second diode in the laser diode assembly configured to deliver, wherein the space in the high-speed direction is filled with the laser beamlets.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항에 있어서,
상기 공간적으로 조합하는 수단은 유리 기판 상의 패턴화된 미러를 포함하는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
The method of claim 1,
The spatially combining means comprises a patterned mirror on a glass substrate.
A laser system for performing laser operations.
제 16 항에 있어서,
상기 유리 기판은 레이저 다이오드들 사이의 빈 공간을 충전하기 위해 레이저 다이오드로부터 레이저 빔렛의 수직 위치를 전환하는데 충분한 두께인
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
17. The method of claim 16,
wherein the glass substrate is thick enough to divert the vertical position of the laser beamlet from the laser diode to fill the void space between the laser diodes.
A laser system for performing laser operations.
제 1 항에 있어서,
단차형 히트 싱크를 포함하는
레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템.
The method of claim 1,
with stepped heat sink
A laser system for performing laser operations.
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