特開 2024-19706 可視ラマンレーザーを用いた材料加工のための用途、方法、及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024019706

(43)【公開日】2024-02-09

(54)【発明の名称】可視ラマンレーザーを用いた材料加工のための用途、方法、及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/35 20060101AFI20240202BHJP

【ＦＩ】

G02F1/35 502

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023220383

(22)【出願日】2023-12-27

(62)【分割の表示】P 2022042177の分割

【原出願日】2015-08-27

(31)【優先権主張番号】62/042,785

(32)【優先日】2014-08-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/193,047

(32)【優先日】2015-07-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】316003531

【氏名又は名称】ヌブル インク

(74)【代理人】

【識別番号】100175983

【弁理士】

【氏名又は名称】海老 裕介

(72)【発明者】

【氏名】ゼディカー， マーク， エス．

(57)【要約】

【課題】８００ｎｍより下のレーザー波長を使用するレーザー利用製造システム及び装置を提供する。
【解決手段】当該ラマンレーザーモジュールは、レーザー利用製造で使用するためのラマンレーザーモジュール（ＲＬＭ）であり、約７００ｎｍ未満の波長、２以下のＭ^２、及び５００Ｗより大きいパワーを有する機能的レーザービームを提供するためのポンプレーザービーム源及びラマン発振器、を備えている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー利用製造で使用するためのラマンレーザーモジュール（ＲＬＭ）であって、約７００ｎｍ未満の波長、２以下のＭ^２、及び５００Ｗより大きいパワーを有する機能的レーザービームを提供するためのポンプレーザービーム源及びラマン発振器、を備えているラマンレーザーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本願は、（ｉ）合衆国法典第３５巻、第１１９条（ｅ）（１）の下に、米国仮特許出願第６２／０４２，７８５号の出願日である２０１４年８月２７日について出願日の恩典を主張するとともに、（ｉｉ）合衆国法典第３５巻、第１１９条（ｅ）（１）の下に、米国仮特許出願第６２／１９３，０４７号の出願日である２０１５年７月１５日について出願日の恩典を主張するものであり、それら仮特許出願の各々の開示全体をここに参考文献として援用する。

【0002】

[0002]本発明は、３００ｎｍから７００ｎｍの範囲にあるレーザービームを発生させるレーザーに関するものであり、当該レーザービームはこれらの波長にあって優れたビーム品質を有するより高いパワーのレーザービームを含む。本発明は、更に、レーザー製造プロセス、レーザー製造システム、及びレーザー製造デバイスに関し、特に、本発明の新規性のあるレーザーの新規性のあるレーザービームを使用するレーザー利用製造プロセスに関する。

【背景技術】

【0003】

[0003]本発明以前は、３００ｎｍ－７００ｎｍの範囲にあるレーザービームは、典型的には、近赤外線レーザー又は赤外線レーザーの周波数二逓倍化を使用するレーザー源から得られている。今日まで、一般的には、またとりわけ商業的に存立可能なシステムについては、技術がこれらの型式のレーザーをスケールして、より高いパワーのレーザー、例えば５００Ｗ（０．５ｋＷ）より大きいレーザー、特に１ｋＷ以上のレーザーを作り出すことはできなかったと考えられる。ひいては、これまで、技術がこれらのレーザーをスケールして３００ｎｍ－７００ｎｍの範囲にあって高ビーム品質を有する高パワーレーザーを得ることはできなかったと考えられる。これらの波長範囲にある高パワーレーザーを得ることができないという無能さは、概して、技術的には、他にもあるが中でも特に、高いパワーレベルで要求される熱負荷及びフルエンスレベルを取り扱う非線形結晶の能力によって制限されるものであると考えられる。必然の結果として、周波数二逓倍化によって入手可能な最も高いパワーの高ビーム品質レーザーは、目下のところ、約４００Ｗ（０．４ｋＷ）パルスに制限されると考えられる。結晶への熱負荷を管理するにはパルシングが必要になる。３００ｎｍ－７００ｎｍの範囲にあって例えば１ｋＷ以上のより高いパワーを有し且つ例えばＭ^２～１のより高いビーム品質を有する商業的に存立可能又は有用なレーザーは、本発明以前は得られなかったと考えられる。

【0004】

[0004]本発明の具現化以前は、大別して４つの型式の青色レーザーがあったと考えられる。青色レーザーは、約４００ｎｍ－５０５ｎｍ、典型的には４０５ｎｍ－４９５ｎｍの範囲にある波長を有するレーザーである。これらの青色レーザーは、（ｉ）Ｈｅ：Ｃｄ型、（ｉｉ）Ａｒ－イオン型、（ｉｉｉ）ダイオードレーザーダイレクト及び周波数二逓倍化型、（ｉｖ）固体パラメトリック発振器及び周波数二逓倍化型、（ｖ）ファイバーレーザー二逓倍化型及び周波数シフトファイバーレーザー二逓倍化型、である。
（ｉ）Ｈｅ：Ｃｄ型レーザーは、単一モードであるが、パワーは数百ミリワット、例えば０．０００１ｋＷに制限される。Ｈｅ：Ｃｄ型レーザーは、典型的には単一横モードであるが、これらのレーザーの低効率（＜０．０２５％）のせいで、これらのレーザーを高いパワーレベルへスケールするのは極めて困難であり、よってそれらは高パワー材料加工用途には適していない。
（ｉｉ）Ａｒ－イオン型レーザーは、非常に非効率であり、必然の結果として比較的低いパワー、即ち約０．００５ｋＷ未満マルチラインに制限される。これらのレーザーは、これらの低パワーにおいて、多波長動作を有する単一横モードである。これらのシステムの寿命は、典型的には＜５，０００時間であって、殆どの工業的用途にとっては比較的短い。
（ｉｉｉ）青色ダイオードレーザーは近年になって入手可能になりつつある。とはいえ、それらは、低パワー、典型的には０．００２５ｋＷ未満であり、また貧弱なビーム品質、例えば遅軸でＭ^２＞５、速軸でＭ^２＿～１を有している。それらデバイスは今日では２０，０００時間のオーダーの寿命を有しており、多くの工業的レーザー用途及び商業的レーザー用途に適している。これらのデバイスを２００ワット又はそれ以上へスケールしようとすると、ビーム品質はパワーの漸増につれ低下する。例えば２００ワットでＭ^２＞５０である。
（ｉｖ）周波数二逓倍化青色レーザー源は典型的には約０．５０ｋＷ程度の出力パワーに制限される。青色光を作成するための方法は、８００ｎｍ台－９００ｎｍ台の範囲の光源を周波数二逓倍化するか又は２つの異なる波長の和周波数混合を使用して第３の周波数を生成するかのどちらかということになろう。どちらの技法もニオブ酸リチウム又はＫＴＰの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。ＣＷモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。
（ｖ）周波数シフトされ次いで青色へと周波数二逓倍化されるファイバーレーザーは、ニオブ酸リチウム又はＫＴＰの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。ＣＷモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。

【0005】

[0005]本発明以前は、青色波長レーザービームは、典型的には、パラメトリック発振器、四光波混合、及びダイレクト二逓倍化によって得られた。これらは全て、青色波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとする非効率的なプロセスである。これらの結晶は、レーザーパワーが数百Ｗ（０．数ｋＷ）ＣＷに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、１ｋＷ及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。

【0006】

[0006]これらの先行技術による型式の青色レーザー及びそれらが提供したレーザービームは、レーザー利用製造プロセス又はレーザー利用製造システムでの使用には不適当であると考えられる。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、本発明の実施形態の高パワーのレーザービーム、例えば０．１ｋＷ及びそれより大きいパワーを有する青色波長、を得ることができないと考えられる。高パワー周波数二逓倍化レーザー源は、典型的には、高いピークパワーレベル及びその結果である高い変換効率を実現することのできる高速パルス源である。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、更に、殆どのレーザー利用製造での使用、とりわけ厳しい公差を有する物品の形成で使用するうえでの時間的特性を有している。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、本発明の実施形態の高パワー及び高ＣＷ出力を提供するのは無理である。

【0007】

[0007]本発明以前は、４５０ｎｍ以下のレーザービームは、典型的には、パラメトリック発振器、四光波混合、及びＩＲ源の周波数三逓倍化によって得られた。これらは全て、短い（２００ｎｍ－４５０ｎｍ）波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとする非効率的なプロセスである。これらの結晶は、レーザーパワーが数百Ｗ（０．数ｋＷ）ＣＷに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、１ｋＷ及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。

【0008】

[0008]本発明以前は、７００ｎｍ－８００ｎｍの範囲にあるレーザービームは、典型的には、色素レーザーの励起、パラメトリック発振器、四光波混合、及びＩＲ源の周波数二逓倍化によって得られた。これらは全て非効率的なプロセスであり、色素レーザーは経時的に脱色する傾向があり、限られた相互作用体積を有しており、高いＣＷパワーレベルを実現するのを困難にする。他のプロセスは７００ｎｍ－８００ｎｍの波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとしている。これらの結晶は、レーザーパワーが数百Ｗ（０．数ｋＷ）ＣＷに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、１ｋＷ及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。

【0009】

[0009]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「レーザー利用製造」（「ＬＡＭ：Laser Additive Manufacturing」）、「レーザー利用製造プロセス」、「利用製造プロセス」という用語及び類似のその様な用語は、それらの可能な限り最も広範な意味を与えられるべきであり、３Ｄ印刷、三次元印刷、焼結、溶接、及びろう付けの様なプロセス、用途、及びシステムはもとより、作製される物品（例えば、製品、構成要素、及び部品）の作製過程の少なくとも１つの段階でレーザービームを利用する何れかの他のプロセスを含む、ということになる。これらの用語は、作製される物品のサイズによって限定又は制限されることはなく、例えば、それらは、サブミクロン、例えば、１μｍ未満から、１μｍまで、１０μｍまで、数十ミクロンまで、数百ミクロンまで、数千ミクロンまで、ミリメートルまで、メートル乃至キロメートルまで、の物品を網羅することになる（例えば、リボン状又は帯状の材料を作成する連続ＬＡＭプロセス）。

【0010】

[0010]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「レーザービームスポットサイズ」及び「スポットサイズ」という用語は、それらの可能な限り最も広範な意味を与えられるべきであり、レーザービームの横断面形状、レーザービームの横断面積、ターゲット上のレーザービーム照射区域の形状、ターゲット上のレーザービームの照射面積、「最大強度スポットサイズ」つまりレーザービームが少なくとも１／ｅ^２又はそのピーク値の０．１３５であるレーザービームの断面積、「５０％強度スポットサイズ」つまりレーザービームがそのピーク値の少なくとも０．００６７５であるレーザービームの断面積、及びレーザービームが機能的特性を有しているレーザービームの断面積、を含む。

【0011】

[0011]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「機能的利用製造レーザービーム」、「機能的ビーム」、「機能的レーザービーム」という用語及び類似のその様な用語は、出発材料又はターゲット材料を物品へと形成又は造形するためのパワー、波長、フルエンス、放射照度（単位面積当たりパワー）、及びこれらの特性の組合せ及び変形形態を有するレーザービームであって、これらの材料へレーザービーム効果を及ぼすことによって、例えば、焼結する、ろう付けする、焼き鈍す、溶接する、融解させる、接合する、粘着性を高める、軟化させる、架橋結合する、結着する、反応させる、などによって、出発材料又はターゲット材料を物品へと形成又は造形するレーザービームを意味する。

【0012】

[0012]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「約」という用語は、±１０％の分散又は範囲、表明されている値を得ることに関連付けられる実験誤差又は計器誤差、及び望ましくはこれらのより広い範囲、を網羅するものとする。

【0013】

[0013]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「光学素子」、「光学要素」、「光学系」という用語及び類似のその様な用語は、それらの可能な限り最も広範な意味を与えられるべきであり、それらは、レーザービームを取り扱う（例えば、ビームのエネルギーによって傷ついたり急速に破壊されたりすること無しにレーザービームを伝送する、反射する）ことのできる何れかの型式の要素又は系；レーザービームを所定の方式で有効化すること（例えば、レーザービームを、伝送する、合焦する、焦点外しする、成形する、コリメートする、操舵する、走査する、など）のできる何れかの型式の要素又は系；多重化されたビーム形状、例えば、十字、Ｘ形状、矩形、六角形、アレイ状の線、或いは、線、方形、及び円柱形を接続させた又は異なる距離に離間させた関連の形状など、を提供する要素又は系；屈折レンズ；回折レンズ；回折格子；透過型回折格子；ミラー；プリズム；レンズ；コリメーター；非球面レンズ；球面レンズ；凸レンズ；負メニスカスレンズ；両凸レンズ；アキシコン、勾配屈折レンズ；非球面プロファイルを有する要素；アクロマティックダブレットを有する要素；マイクロレンズ；マイクロアレイ；オンザフライで画像を作成及び操舵するのに使用することのできるＤＬＰプロジェクターで使用されている様なメムスステアリングミラー；ニオブ酸リチウムビーム操舵用結晶；高速度ガルバノメーター；リニアモーターと高速度ガルバノメーターの組合せ；浮上式光ヘッド；形状可変ミラーデバイス；これら及び他のビーム取り扱いデバイスの組合せ及び変形形態、を含むことになる。

【0014】

[0014]本発明の背景技術の項は、本発明の実施形態と関連付けられ得る当技術の様々な態様を紹介することを意図している。而して、本項での上記論考は、本発明をより深く理解するための枠組みを提供しており、先行技術の是認と見なされてはならない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】米国仮特許出願第６２／０４２，７８５号

【特許文献2】米国仮特許出願第６２／１９３，０４７号

【特許文献3】米国特許第５，３５２，４０５号

【特許文献4】米国特許第５，３４０，６５６号

【特許文献5】米国特許第５，２０４，０５５号

【特許文献6】米国特許第４，８６３，５３８号

【特許文献7】米国特許第５，９０２，４４１号

【特許文献8】米国特許第５，０５３，０９０号

【特許文献9】米国特許第５，５９７，５８９号

【特許文献10】米国特許出願公開第２０１２／００７２００１号

【特許文献11】米国特許第５，８３２，００６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

[0015]他にもあるが中でも特に３００ｎｍ－８００ｎｍ波長にあるレーザービームを提供するレーザーの必要性、具体的には、他にもあるが中でも特に改善されたレーザー利用製造プロセス、溶接プロセス、切削プロセス、ろう付けプロセス、研磨プロセス、アブレーションプロセス、及びはんだ付けプロセスで使用するための高パワー及び高ビーム品質を有する青色レーザー及びレーザービームの必要性が、長年に亘って存在し未だ成就されていない。本発明は、他にもあるが中でも特に、これらの必要性をここに教示され開示されている製造品、デバイス、及びプロセスを提供することによって解決する。

【課題を解決するための手段】

【0017】

[0016]レーザー利用製造プロセス（ＬＡＭ：Laser Additive Manufacturing）装置であって、約７５０ｎｍ未満の波長を有する機能的レーザービームをビーム経路に沿って提供するためのレーザーと、造形台と、出発材料及び出発材料を造形台に隣接するターゲット区域へ送達することのできる出発材料送達装置と、機能的レーザービームを提供するとともにレーザービームスポットを形成するためのビーム成形光学素子を有するレーザービーム送達装置と、造形台又はレーザービーム送達装置又はそれら両方へ機械的に接続されていて、それによりレーザービーム送達装置と造形台の間の相対運動を提供することのできるモーター及び位置決め装置と、プロセッサとメモリデバイスとＬＡＭ計画を有していて、機能的レーザービーム及び出発材料の所定の配置を通してＬＡＭ計画を実施することのできる制御システムと、を有しているＬＡＭ装置が提供されている。

【0018】

[0017]また更に、次の特徴の１つ又はそれ以上を有しているシステム、装置、及び方法であって、即ち、レーザーは、５００ｎｍ未満の波長を有するポンプレーザーダイオードと、ラマン発振器ファイバーと、を有している；レーザーは、ポンプレーザーダイオード及びラマン発振器であってｎを整数としてｎオーダーのラマン発振を提供するように構成されているポンプレーザーダイオード及びラマン発振器、を有している；ｎは１、２、３、４、５、６、７、８、及び９から成る群より選択されている；ｎオーダーの発振はストークスである；ｎオーダーの発振はアンチストークスである；造形材料は、マグネシウム、アルミニウム、ガリウム、錫、鉛、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、タングステン、金、水銀、金属、金属の合金、及び金属の混合物から成る群より選択されている；出発材料は粉末である；出発材料は約１μｍ未満の粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約０．０５μｍから約２．５μｍまでの粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約０．０５μｍから約２．５μｍまでの粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約４０μｍからの及びそれより小さい粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約２５μｍ未満の粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約１５μｍ未満の粒子サイズを有する粉末である；出発材料は約０．５μｍ未満の粒子サイズを有する粉末である、のうちの１つ又はそれ以上を有しているシステム、装置、及び方法が提供されている。

【0019】

[0018]加えて、レーザー利用製造で使用するためのラマンレーザーモジュール（ＲＬＭ：Rama Laser Modules）であって、約７００ｎｍ未満の波長、２未満のＭ^２、及び５００Ｗより大きいパワーを有する機能的レーザービームを提供するためのポンプレーザービーム源及びラマン発振器を有しているラマンレーザーモジュールが提供されている。

【0020】

[0019]更にまた、次の特徴の１つ又はそれ以上を有している装置、システム、及び方法であって、即ち、ラマン発振器は、シリカ、ＧｅＯ₂ドープシリカ、リンドープシリカから成る群より選択された材料を有するファイバー発振器を有している；ポンプレーザー源はダイオードレーザーを有している；ポンプレーザー源は、約１０ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有するポンプレーザービームを発生させるために複数のレーザーダイオードを有している；ポンプレーザー源は少なくとも２０個の青色レーザーダイオードで成るアレイを有している；アレイは約４０５ｎｍから約４６０ｎｍの範囲にある波長を有するポンプレーザービームを提供する；発振器ファイバーは長さを有しており、当該長さは約３０ｍ又はそれより短い；発振器ファイバーは長さを有しており、当該長さは約２０ｍ又はそれより短い；発振器ファイバーは長さを有しており、当該長さは約２５ｍ又はそれより短い；発振器ファイバーは長さを有しており、当該長さは約４０ｍ又はそれより短い；機能的レーザービームは約４０５ｎｍから約４７０ｎｍまでの波長を有している、のうちの１つ又はそれ以上を有している装置、システム、及び方法が提供されている。

【0021】

[0020]更には、ポンプレーザー源が、約４０５ｎｍ－約４７０ｎｍの波長、１００Ｗより大きいパワー、を有するポンプレーザービームを提供する青色レーザーダイオードシステムを有している、及びラマン発振器ファイバーが、約１０μｍ－５０μｍのコア径を有していて、グレーデッドインデックスファイバー又はステップインデックスファイバーである、装置、方法、及びシステムが提供されている。

【0022】

[0021]また加えて、ポンプレーザー源を含むレーザーを冷却する手段が提供されており当該冷却する手段は、能動的又は受動的な空気冷却を使用する空冷式、冷却液又は冷媒を使用する様な液冷式、及び閉ループ水冷システムを使用する水冷式であってもよい。

【0023】

[0022]更には、次の特徴の１つ又はそれ以上を有している装置、方法、及びシステムであって、即ち、ポンプレーザー源はスペクトルビームコンバイナを有している；ＲＬＭからのレーザービームはコヒーレント的に組み合わされて単一の機能的レーザービームを形成する；ポンプレーザー源は、駆動電子機器一体型レーザーダイオードであって、電流を制御しパルスポンプレーザービームを提供するべくポンプレーザー源ダイオードの急速パルシングを可能にする駆動電子機器一体型レーザーダイオードを有している；約０．１ＭＨｚから約１０ＭＨｚまでのパルス繰返し数、のうちの１つ又はそれ以上を有している装置、方法、及びシステムが提供されている。

【0024】

[0023]更にまた、出発材料を所定の造形区域に隣接するターゲット区域へ送達することのできる出発材料送達装置と、造形区域にて約１００ミクロン未満の断面を有する機能的レーザービームスポットを提供するビーム成形光学素子と、ラマンレーザーモジュール（ＲＬＭ）と、を有している３Ｄ印刷装置が提供されている。

【0025】

[0024]更にまた、本明細書に説明されているＲＬＭのうちの１つ又はそれ以上のＲＬＭを有する３Ｄ印刷装置を含んでいるＬＡＭシステムが提供されている。

【0026】

[0025]加えて、レーザー利用製造（ＬＡＭ）の方法であって、所定の最大吸収波長を有する出発材料を提供する段階と、所定の波長を有する機能的レーザービームを出発材料へ方向決めする段階であって、機能的レーザービーム波長は少なくとも部分的に出発材料の最大吸収波長に整合させることに基づいている、機能的レーザービームを方向決めする段階と、機能的レーザービームが出発材料と相互作用して物品を造形する段階と、を含んでいる方法が提供されている。

【0027】

[0026]更に、次の特徴の１つ又はそれ以上を有している方法、システム、及び装置であって、即ち、機能的レーザービーム波長と最大吸収波長は互いの１００ｎｍ内で整合している；機能的レーザービーム波長と最大吸収波長は互いの５０ｎｍ内で整合している；機能的レーザービーム波長と最大吸収波長は互いの１０％内で整合している；機能的レーザービーム波長と最大吸収波長は互いの２０％内で整合している；機能的レーザービーム波長と最大吸収波長は整合しており、それらは同じ波長である；物品は単一工程で造形される；物品は、熱膨張７．５乃至３２μｍ／（ｍ－Ｋ）（２５°Ｃにて）、熱伝導率１８乃至４５０Ｗ／（ｍ－Ｋ）、電気抵抗１４乃至４２０ｎΩ－ｍ（２０°Ｃにて）、ヤング率４０乃至２２０ＧＰａ、剪断弾性係数１５乃至５２ＧＰａ、体積弾性係数４０乃至１９０ＧＰａ、ポアソン比０．２乃至０．５、モース硬さ１乃至７、ビッカース硬さ１５０乃至３５００ＭＰａ、ブリネル硬さ３５乃至２８００ＭＰａ、密度１．５乃至２１ｇ／ｃｍ^３、を有している；物品は、熱膨張７．５乃至３２μｍ／（ｍ－Ｋ）（２５°Ｃにて）、熱伝導率１８乃至４５０Ｗ／（ｍ－Ｋ）、ヤング率４０乃至２２０ＧＰａ、剪断弾性係数１５乃至５２ＧＰａ、体積弾性係数４０乃至１９０ＧＰａ、ポアソン比０．２乃至０．５、及び密度１．５乃至２１ｇ／ｃｍ^３、を有している；物品は、電気抵抗１４乃至４２０ｎΩ－ｍ（２０°Ｃにて）、ポアソン比０．２乃至０．５、及びモース硬さ１乃至７、を有している；物品は、熱膨張７．５乃至３２μｍ／（ｍ－Ｋ）（２５°Ｃにて）、電気抵抗１４乃至４２０ｎΩ－ｍ（２０°Ｃにて）、ヤング率４０乃至２２０ＧＰａ、モース硬さ１乃至７、及び密度１．５乃至２１ｇ／ｃｍ^３、を有している；物品は、熱膨張７．５乃至３２μｍ／（ｍ－Ｋ）（２５°Ｃにて）、熱伝導率１８乃至４５０Ｗ／（ｍ－Ｋ）、電気抵抗１４乃至４２０ｎΩ－ｍ（２０°Ｃにて）、ヤング率４０乃至２２０ＧＰａ、剪断弾性係数１５乃至５２ＧＰａ、体積弾性係数４０乃至１９０ＧＰａ、ポアソン比０．２乃至０．５、モース硬さ１乃至７、ビッカース硬さ１５０乃至３５００ＭＰａ、ブリネル硬さ３５乃至２８００ＭＰａ、及び密度１．５乃至２１ｇ／ｃｍ^３から成る群より選択された物理的特性を有している、のうちの１つ又はそれ以上を有している方法、システム、及び装置が提供されている。

【0028】

[0027]更にまた、次の特徴の１つ又はそれ以上を有している装置、システム、及び方法であって、即ち、ラマン発振器は、ダイヤモンド、ＫＧＷ、ＹＶＯ_４、及びＢａ（ＮＯ_３）_２から成る群より選択された材料を有する結晶発振器を有している；ラマン発振器は高圧ガスを有している；ポンプレーザー源は約１４ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有するポンプレーザービームを発生させるために複数のレーザーダイオードを有している；ポンプレーザー源は約９ｍｍ－ｍｒａｄから約１４ｍｍ－ｍｒａｄまでのビームパラメータ積を有するポンプレーザービームを発生させるために複数のレーザーダイオードを有している、のうちの１つ又はそれ以上を有している装置、システム、及び方法が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】[0028]本発明によるＬＡＭシステム及びＬＡＭプロセスの或る実施形態の概略斜視図である。

【図2】[0029]本発明によるＬＡＭプロセスの或る段階での出発材料の或る実施形態の断面図である。

【図2A】[0030]本発明によるＬＡＭプロセスの或る実施形態のより後の段階で図２の出発材料から形成される物品の或る実施形態の断面図である。

【図2B】[0031]本発明によるＬＡＭプロセスの或る実施形態のより後の段階で出発材料及び図２Ａの物品の実施形態の断面図である。

【図3】[0032]本発明によるＬＡＭ物品の或る実施形態の断面図である。

【図4】[0033]本発明によるＬＡＭ物品の或る実施形態の断面図である。

【図5】[0034]本発明によるＬＡＭシステムの斜視図である。

【図6】[0035]本発明によるＬＡＭシステムの斜視図である。

【図7】[0036]本発明による、４５９ｎｍの機能的レーザービームを提供するための様々なラマン発振器ファイバー長さについての出力対出力カプラパーセンテージの図表である。

【図8】[0037]本発明による、４５５ｎｍの機能的レーザービームを提供するための様々な１００Ｗのポンプ波長での出力パワー対出力カプラパーセンテージの図表である。

【図9】[0038]本発明による、様々なラマン発振器ファイバー長さでの１００Ｗ４５０ｎｍポンプレーザービームからの４５５ｎｍ機能的レーザービームについての出力パワー対出力カプラの図表である。

【図10】[0039]本発明による、コリメートされたレーザーダイオードの遅軸及び速軸について５００ｍｍ焦点距離レンズを通るポンプレーザービームについてのスポットサイズ対ビームウエストの図表である。

【図11】[0040]本発明による、使用される出発材料の実施形態についての最大吸収波長を示す図表である。

【図12】[0041]本発明による、使用される水の吸収率を示す図表である。

【図13A】[0042]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンストークスシフトを示す図表である。

【図13B】[0042]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンストークスシフトを示す図表である。

【図13C】[0042]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンストークスシフトを示す図表である。

【図14A】[0043]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンアンチストークスシフトを示す図表である。

【図14B】[0043]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンアンチストークスシフトを示す図表である。

【図14C】[0043]本発明による、様々な材料のラマンファイバー及びラマン結晶についてのラマンアンチストークスシフトを示す図表である。

【図15】[0044]本発明による、リンケイ酸ファイバーの或る実施形態での使用される３通りの異なるドーパントレベルについてのラマンスペクトルである。

【図16】[0045]本発明によるレーザーの実施形態について、複数の波長での吸収率増加を示す様々な金属の吸収率のグラフである。

【図17】[0046]本発明によるＬＡＭシステムの或る実施形態の模式図である。

【図18】[0047]本発明によるレーザーの様々な実施形態のレーザー性能を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

[0048]概して、本発明は、約２００ｎｍから約８００ｎｍの範囲にある波長を有するレーザービームを発生させるレーザーに関する。具体的には、本発明の実施形態は、青色レーザービームを発生させるレーザー及びこれらのレーザービームの用途に関する。また、本発明の実施形態は、３００ｎｍ－７００ｎｍの範囲、特に４００ｎｍ台の範囲、及び５００ｎｍ台の範囲にある波長を有するより高いパワー乃至は高いパワーのレーザー及びレーザービーム、及びこれらの波長にあって優れたビーム品質を有するレーザー及びレーザービーム、に関する。本発明の実施形態は、更に、レーザー利用製造及びレーザー材料加工、特に、本発明の新規性のあるレーザーの新規性のあるレーザービームを使用するレーザー利用製造プロセス並びに溶接、ろう付け、切削、及びはんだ付けに関する。

【0031】

[0049]更に、本発明の実施形態は、所定の金属出発材料、及びこれらの出発材料へレーザー利用製造を遂行するための所定のレーザー波長に関する。特に、本発明の実施形態は、レーザー利用製造を遂行して金属物品を作製するために金属出発材料に整合されている所定のレーザービーム波長に関する。

【0032】

[0050]図１を見ると、ＬＡＭシステム及びＬＡＭプロセスの或る実施形態を描く概略図が示されている。而して、基部１００、レーザーユニット１０１、レーザービーム送達組立体１０２がある。レーザービーム送達組立体１０２は、基部１００からのスタンドオフ距離１０３にある（また出発材料が基部上にある場合は出発材料からのスタンドオフ距離にある）遠位端１０８を有している。典型的には、ＬＡＭプロセス中、出発材料（図に示さず）は基部１００によって支持される。次いで、出発材料とレーザービームを互いに対して動かし、機能的レーザービーム１０９をビーム経路１１０に沿って進ませてレーザースポット１１１を形成させ、当該スポットが出発材料に接触することで出発材料が一体に接合され物品が形成される。出発材料とレーザースポットの相対運動（例えばラスタースキャン）が、矢印１０４（例えばｘ軸運動）、矢印１０５（例えばｙ軸運動）、矢印１０６（例えばｚ軸運動）、及び矢印１０７（例えば回転）によって描かれており、加えて、レーザービーム経路及びレーザービームが基部ひいては基部上の出発材料を打つ角度は変えることもできる。レーザースポットはまた、ベクトル様式で動かされてもよく、その場合、ｘとｙの両方の運動が同時に起こってスポットを材料上の所定位置へ動かす。図１のターゲット上のレーザービームの角度は、基部に対して９０°又は直角である。この角度は、４５°から１３０°まで、３０°から１２０°まで、及び０°から１８０°まで、及び１８０°から３６０°までで変えることができる（例えば、物品は一例としてＵ字形状のリップを作製するように反転される）。これらの異なる基本的な相対運動の更なる組合せ及び変形形態を、レーザービームの発射及び出発材料の堆積と連携して遂行させることができ、この方式で、多くの異なる形状の物品、多くの異なるサイズの物品、また複雑度の変化する物品を作製することができる。これらの相対運動は、基部を動かすこと、レーザービーム送達組立体を動かすこと、レーザービームを操舵すること（例えば、ビームをガルボスキャナーで走査すること）、及びこれらの組合せ及び変形形態、によって実現され得るものと理解している。

【0033】

[0051]レーザーユニット及びレーザービーム送達組立体は、１つの一体型装置であってもよいし、又はそれらは別々になっていて光学的に例えば光ファイバー又は浮上式光ヘッドを介して接続されていてもよい。更に、レーザーユニットの構成要素の幾つか又は全てがレーザービーム送達組立体内に在ってもよく、その逆であってもよい。同様に、これらの構成要素及び他の構成要素は、レーザーユニット及びレーザービーム送達組立体から離して配置されていてもよい。これらの遠隔の構成要素は、光学的にレーザーユニット及びレーザービーム送達組立体と関連付けられていてもよく、機能的にレーザーユニット及びレーザービーム送達組立体と関連付けられてもよく（例えば、制御通信、データ通信、ＷｉＦｉ、など）、また光学的と機能的の両方であってもよい。レーザーユニット及びレーザービーム送達組立体は、概して、高パワーレーザー（好適には、本明細書に開示され教示されているラマンレーザー又はその開示全体がここに参考文献として援用される第６２／１９３，０４７号に開示され教示されているダイレクトダイオードレーザー）と、レーザービームをレーザービーム経路に沿って所定のスポットサイズで送達するためのビーム成形及び取り扱い光学素子と、を有している。

【0034】

[0052]好適には、レーザーユニットは、レーザービームを所定の波長に生成し伝播させることのできる高パワーレーザーを有していて、レーザービームをレーザービーム送達組立体へ送達し、レーザービーム送達組立体がレーザービームを成形し、当該レーザービームを遠位端からレーザービーム経路に沿ってターゲットである例えば基部上又は造形途上の物品上に在る出発材料へ送達することができる。

【0035】

[0053]例えば、レーザービームは好適には表Iに示されている特性の１つ、２つ、又はそれ以上を有することができる。（表中の列又は行は特定の実施形態のためではなく、異なる行の特性は異なる列の特性と組み合わされてもよく、例えば１つの列内のパワーを異なる波長の全てについて存在させてもよい。単一の実施形態が表の異なる列及び異なる行からの特性を有するようにすることができる。）

【0036】

【表1】

※横断面は、スポットを例えば遅軸に横断して最も長い距離であり、円形スポットについて横断面は直径であり、楕円形についてそれは長径ということになる。

【0037】

[0055]レーザービーム送達装置は、所定のスポットサイズを意図されるスタンドオフ距離にて提供する受動的及び能動的なレーザービーム成形光学素子を収容している。レーザービーム送達装置は、更に、監視及び制御デバイスを収容していてもよいし、又は監視及び制御デバイスと動作可能に関連付けられていてもよい。例えば、当該デバイスは一例として高速度ビデオカメラを有する直線視野（down the pipe viewing）を有することもできるのではないだろう。この方式では、カメラはレーザービーム経路を基部へと下って眺め、レーザービームと出発材料との相互作用からの溶融塊の形成を視認することができる。深度センサ又は計器、場所センサ又は計器、レーザー警告（monitory）、溶融塊温度を測定する及びデバイスを測定するための赤外線及び可視光線高温計、及び他の監視、分析、及び制御装置、が使用することができる。この方式では、ＬＡＭプロセス、例えば物品を出発材料から造形する又は作製するプロセスを、監視、分析、及び制御することができる。而して、ＬＡＭプロセスは所定の用途に従うように制御され、ＬＡＭプロセスがリアルタイムで変更又は修正されてもよいし、又は監視機器が加工中の材料の緻密化及び品質に関してリアルタイムのフィードバックを提供するようにしてもよい。

【0038】

[0056]出発材料を提供するための送達デバイスはまた、レーザービーム送達装置に隣接しているか、或いはそれ以外にレーザービーム送達装置と動作可能に関連付けられているか、またそれ以外のやり方でレーザービーム送達装置と関連付けられていてもよい。この方式では、出発材料は基部上へ又は作製途上の物品上へと送達されることになり、例えば、噴霧され、流され、搬送され、引き出され、注がれ、まぶされる、ことになる。而して、例えば、出発材料は、ジェット、ノズル、レーザービームを中心とする同軸ジェット、エアナイフ又はドクターブレード組立体、レーザービームの動きを先回りして出発材料を送達する何れかの装置、噴霧ノズル、及び出発材料を送達する及び取り扱うための他のデバイス、を通して送達することができる。例えば、３Ｄ印刷用途に見られる出発材料送達デバイス及び出発材料を送達するためのプロセスを使用することができる。

【0039】

[0057]３Ｄ印刷装置、３Ｄ印刷システム、及び３Ｄ印刷方法の実施形態は、米国特許第５，３５２，４０５号、同第５，３４０，６５６号、同第５，２０４，０５５号、同第４，８６３，５３８号、同第５，９０２，４４１号、同第５，０５３，０９０号、同第５，５９７，５８９号、及び米国特許出願公開第２０１２／００７２００１号、に開示され、教示されており、それら特許及び特許出願の各々の開示全体をここに参考文献として援用する。

【0040】

[0058]制御システムは、レーザーの動作と物品を造形するための相対運動を提供する各種構成要素の動きと出発材料の送達を、統合し、監視し、制御するのが望ましい。制御システムはまた、監視、安全インターロック、レーザー動作条件、及びＬＡＭ加工プログラム又はＬＡＭ加工計画の様な、動作の他の態様を統合し、監視し、制御していてもよい。制御システムは、物品に関係のある様々な情報及びデータ、例えば幾つか例を挙げるなら顧客情報、伝票情報、在庫、動作履歴、保守点検、及びＬＡＭ加工プログラム又はＬＡＭ加工計画など、を記憶及び計算するためのデータ記憶デバイス及びデータ処理デバイスと（例えばネットワーク経由で）通信しているか又はその様なデータ記憶デバイス及びデータ処理デバイスを自身のシステムの一部として有していてもよい。

【0041】

[0059]ＬＡＭ加工プログラム又はＬＡＭ加工計画は、所定の物品を作製するべく所定のＬＡＭプロセスを遂行するようにＬＡＭデバイスである例えば３Ｄプリンタを動作させるために制御部が実施するファイル、プログラム、又は一連の命令である。ＬＡＭ加工計画は、３Ｄ描画又は３Ｄモデルファイルであるか、それに基づくか、又はそれから導出されてもよく、例えば、一例として．ＳＴＥＰ、．ＳＴＬ、．ＷＲＬ（ＶＲＭＬ）、．ＰＬＹ、．_３ＤＳ、及び．ＺＰＲを含む標準フォーマットをしているファイルの様なＣＡＤファイルがある。制御部はＬＡＭ加工計画（例えば、自身のメモリ内、ドライブ上、記憶デバイス上、又はネットワーク経由で入手可能）を有しており、当該計画を使用し、デバイスを動作させＬＡＭプロセスを遂行させて意図する物品を造形させる。制御部が直接に３Ｄモデルファイルを使用する能力又は直接に当該ファイルをＬＡＭ加工計画へ変換する能力を有していてもよい。変換は、別のコンピュータによってなされていて、制御部に対し直接利用可能にされているというのであってもよいし又は後で使用するためにメモリ内又は記憶デバイス上に保持されるようになっていてもよい。３ＤモデルファイルをＬＡＭ加工計画へ変換するプログラムの一例は、Ｚ Ｃｏｒｐ．社から入手できるＺＰｒｉｎｔ（商標）である。

【0042】

[0060]出発材料は、幾つか例を挙げれば、液体、流体、固体、逆エマルジョン、エマルジョン、コロイド、マイクロエマルジョン、懸濁液、及びこれらの組合せ及び変形形態、であってもよい。流体ベースの出発材料系、例えば、懸濁液、コロイド、エマルジョンは、担体成分と担体成分内に分散させた造形成分とを有している。造形成分がレーザービームと相互作用して物品を作製する。これらの出発材料系は、レーザー波長に対して透過性である担体成分とレーザー波長に対して吸収性である造形成分とを有するものとすることができる。図１１及び図１２を見ると、金属出発材料である例えば造形材料の諸実施例の吸収特性と担体成分の一例である水の吸収特性が示されている。これらの図から、４５０ｎｍの波長では、造形成分は吸収が高く、水は当該波長を容易に透過させることが分かる。而して、流体ベースの出発材料系については、所定のレーザー波長、特に表Iのレーザー波長につき、造形成分は、担体成分の吸収率の少なくとも２倍、担体成分の吸収率の少なくとも５倍、担体成分の吸収率の少なくとも１０倍、担体成分の吸収率の少なくとも１００倍、の吸収率を有することができる。

【0043】

[0061]図１６を見ると、出発材料の主成分であるか又は出発材料を構成しているとされるアルミナ、銅、金、銀、チタン、鉄、ニッケル、ステンレス鋼３０４、及び錫、についての吸収特性が示されている。このグラフから、本レーザーの実施形態の波長である例えば線１６０２では、これらの金属についての吸収率が、ＩＲ波長である例えば線１６０１でのそれらの吸収率より大きいことが分かる。

【0044】

[0062]好適には、表Iの波長について、出発材料は、金属ベースの粒子、例えば、ビード、粉末、微粒子である。而して、出発材料の実施形態は、マグネシウム、アルミニウム、ガリウム、錫、鉛、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、タングステン、金、及び水銀、これら及び他の金属の合金、インコネル６２５、インバー、ステンレス鋼、ステンレス鋼３０４、及びこれら及び他の金属及び合金の混合物及び変形物、の粒子とすることができる。出発材料の実施形態は、幾つか例を挙げれば、炭化ケイ素や光構造化可能な（photo-structurable）アルミノシリケートガラス－セラミック基板の様なセラミック材料、アルミニウム充填プラスチック、耐衝撃性ナイロン、ナイロン、ガラス充填ナイロン、難燃性ナイロン、炭素繊維、炭素繊維充填ナイロン、及びゴム様プラスチック、であってもよいし又はそれらを含んでいてもよい。システムの実施形態はまた、光学系が清浄に保たれるのを保証するとともに材料加工中に放出される何れかの揮発物を捕捉するための手段を提供する流動ガスエアナイフを含むことができる。粒子はまた、例えば混合金属複合体物品又は複合材物品を作製する場合には、金属と他の例えばセラミック又は充填剤の様な材料とを含有していることもあろう。３Ｄ印刷技術にとって知られている他の型式の出発材料を使用することもできる。機能的レーザービーム波長を出発材料の吸収特性に整合させることができる、例えば出発材料の吸収特性に対し適合するものとされている、のが好適である。例えば、４５０ｎｍでの高い吸収にとって良好な出発材料の実施形態が図１１に示されており、それらは図１６にも示されている。

【0045】

[0063]金属粒子は、物品を造形するためレーザービームの経路への給送段階に備えてファイバー又はロッドの中へ好適には均一に分散させて組み入れられていてもよい。ファイバー又はロッド中の金属粒子のための担体は、形成される合金の中へ、各金属の正しい比を確立させ当該金属の「管材」が溶融塊内の材料の必要なバランスを提供するようにして、組み入れられているのが望ましい。加えて、ファイバー担体又はロッド担体は、出発材料又は造形品へ最小限又は無視できるほどの影響しか与えずに又は全く影響を与えずに機能的レーザービームによって蒸発させエアナイフシステムによって除去させる非金属材料とすることもできると考えられる。担体材料は、同様に、複合材物品の様な物品の一部を形成するように選択されていてもよい。例えば、機能的レーザービームに金属粒子の融合をもたらす吸収特性を持たせ、融合によって物品のための母材を作成し、そこへ次いで担体材料が充填されるというようにしてもよい。

【0046】

[0064]新規性のある新しいレーザー及び高パワーレーザービームは、これらの型式の所定の出発材料の組合せが、異なる吸収特性を活かし、先行技術による３Ｄ印刷では得ることのできなかった、また約７００ｎｍより下の波長では概して得ることのできなかった材料及び物品を造形する多くの機会を提供する。更に、金属粒子がサブミクロン範囲にあるなら、独自の新しいナノ複合材物品及びナノ複合材材料を造形することが可能になる。

【0047】

[0065]理解しておくべきこととして、物品及び造形品又は作製品は、例えば、完成最終製品、最終製品で使用するための完成構成要素、更なる加工工程又は追加の製造工程を必要とする製品又は構成要素、他の用途で使用するための材料、及び基板上の被覆、例えばワイヤ上の被覆、であってもよい。

【0048】

[0066]出発材料の粒子は、全体として単一金属又は単一合金で構成されていてもよいし、全体として幾つかの金属の混合物、幾つかの合金の混合物、及び幾つかの金属及び合金の混合物で構成されていてもよいし、約５％から約１００％を金属、合金、又はその両方で構成されていてもよい。出発材料粒子の金属ベースの成分は、レーザービームによって直接接触させるために、及び粒子を一体に接合するのに使えるようにするために、粒子の外部に配置させることができる。粒子は、同じ形状又は本質的に同じ形状であってもよいし、又は粒子は異なる形状であってもよい。粒子は本質的に同じサイズであってもよいし、又は粒子は異なるサイズであってもよい。粒子は、約＜１μｍから約１ｍｍまで、約１μｍから約１００μｍまで、約１μｍから約５μｍまで、約０．０５μｍから約２．５μｍまで、約０．１μｍから約３．５μｍまで、約０．５μｍから約１．５μｍまで、約１μｍから約１０μｍまで、約０．１μｍから約１μｍまで、及びより大きいサイズ及びより小さいサイズ、の断面を有してもよい。粒子サイズ、例えば断面は、所定の機能的レーザービーム波長に関して所定のサイズを有するものとすることができる。而して、例えば、粒子は、レーザービームスポットサイズの約１／１０、レーザービーム波長と同じ、波長より２倍大きい、波長より３倍大きい、波長より５倍大きい、及び波長より１０倍大きいサイズ、更には、より小さい及びより大きいサイズ、を有していてもよい。好適には、レーザービームスポットより小さいサイズを有する粒子を使用し、レーザービームとほぼ同じサイズのレーザービームスポットを使用することで、例えば単一モード回折制限ビームが形成するその最も小さいスポットを使用することで、極めて高い解像度の物品、例えば高解像度３Ｄ印刷、を提供することができる。

【0049】

[0067]粒子のサイズ及び形状は、所定の機能的レーザービームスポットに関して所定とすることができる。而して、例えば、粒子は、レーザービームスポットより小さい（例えば、１／２、１／５、１／１０）サイズ、レーザービームスポットとほぼ同じサイズ、スポットより２倍大きい、スポットより３倍大きい、スポットより５倍大きい、及びスポットより１０倍大きいサイズ、を有することができる。粒子は、レーザービームスポットの形状と本質的に同じ形状を有していてもよく、例えば円形スポットなら球状ビードとすることもできるし、又は異なる形状を有していてもよいし、これらの組合せ及び変形形態を有していてもよい。

【0050】

[0068]粒子サイズを有する出発材料内粒子の一団について、粒子のサイズに言及するなら、中央値粒子サイズ分布、例えばＤ_５０、を使用することができる。典型的な３Ｄ印刷機械は４０μｍの平均粒子サイズを有しており、粒子はサイズが１５μｍから８０μｍに及んでいる。粒子分布がより厳密に制御されるのが望ましく、そうすれば最終的に印刷される部品の表面粗さが改善されるであろう。

【0051】

[0069]出発材料内の粒子の形状は、何れの体積形状であってもよく、例えば次の形状、即ち、球、ペレット、リング、レンズ、円盤、パネル、円錐、円錐台形、方形、矩形、立方体、溝、中空封止室、中空球、ブロック、シート、被覆、フィルム、スキン、スラブ、ファイバー、ステープルファイバー、管、カップ、不定形又は無定形、楕円体、回転楕円体、卵型、多面カット構造、及び多面体（例えば、八面体、十二面体、二十・十二面体、菱形三十面体、及びプリズム）、及び、これらの形状及び他の工学的にも建築学的にもより複雑な形状の組合せ及び各種形態、を含むことができる。好ましい粒子形状は本質的にはほぼ完全な球体であり、且つ狭いサイズ分布を持たせることで、粒子がシステムを通って流れてゆくことが支援され、また作製される最終部品の表面粗さの低減化が支援される。平均粒子サイズが４０μｍより小さい場合は、粒子間の静摩擦、摩擦、及びその両方を低減する何れかの形状が望ましい。

【0052】

[0070]図２から図２Ｂまでを見て、ＬＡＭプロセスの或る実施形態の模式表現が示されている。図２には、幾つかの出発材料粒子例えば２０１、２０２、２０３が２つの層２０４、２０５を形成している簡略化された模式図が示されている。動作時、機能的レーザービームは出発材料粒子と相互作用し、それら粒子を一体に融合させて図２Ａに見られる様に物品２０７の初期区分を形成する。図２Ｂでは、出発材料粒子２０９の追加の層２０８が初期区分２０６上に設置される。次いで、機能的レーザービームが追加の層２０８を初期区分２０６と一体に融合し、更に物品２０７を造形してゆく。このプロセスは、その後、物品が完成するまで繰り返される。

【0053】

[0071]図２から図２Ｂまでのプロセス及び物品の実施形態では、物品は、例えば初期区分２０６に示されている様に、本質的に固体モノリシック材料として造形される。ＬＡＭデバイス及びＬＡＭプロセス、及び特に表Iのレーザービームを使用するＬＡＭデバイスは物品を強度補強するための別段の浸潤工程又は樹脂浸潤工程の必要性無しに並外れた強度のある物品を作製する性能を有している。而して、本ＬＡＭデバイス及びプロセスの実施形態は、現在の３Ｄプリンタを用いての、単一プロセスによって作製される物品、また更には二工程式再浸潤プロセスによって作製される物品の、２倍、３倍、４倍、１０倍、又はそれより更に強度のある物品をたった１回の工程（即ち、その後に続く浸潤プロセス、充填、又は再充填の型式のプロセス無しに）作製することができる。而して、本発明の本ＬＡＭ造形品、例えば３Ｄ印刷品、の実施形態は、表ＩＩに示されている特性を有することができる。

【0054】

【表2】

【0055】

[0073]ＬＡＭ造形品及びＬＡＭ造形材料の実施形態、特に単一工程３Ｄ印刷プロセスによって造形される物品の実施形態は、次の特性の１つ又はそれ以上を有することができ、即ち、熱膨張０乃至３２μｍ／（ｍ－Ｋ）（２５°Ｃにて）、熱伝導率１８乃至４５０Ｗ／（ｍ－Ｋ）、電気抵抗１４乃至４２０ｎΩ－ｍ（２０°Ｃにて）、ヤング率４０乃至２２０ＧＰａ、剪断弾性係数１５乃至５２ＧＰａ、体積弾性係数４０乃至１９０ＧＰａ、ポアソン比０．２乃至０．５、モース硬さ１乃至７、ビッカース硬さ１５０乃至３５００ＭＰａ、ブリネル硬さ３５乃至２８００ＭＰａ、密度１．５乃至２１ｇ／ｃｍ^３、及びこれら並びに他の特徴及び特性の組合せ、のうちの１つ又はそれ以上を有することができる。

【0056】

[0074]図３を見ると、造形骨格３０１の形態をしている、金属出発材料の物品の実施形態が示されており、当該実施形態は、ＬＡＭ加工計画に準拠して、機能的レーザービームを使用して金属出発材料同士を選択的に融合させることによって形成することができる。骨格３０１は、相互接続されたフィラメント例えば３０２、３０３と空隙例えば３０４を有している。この物品３０１へ更なるＬＡＭプロセス又は他のプロセスが遂行されるかもしれないし、それは完成品例えばフィルタであるかもしれない。

【0057】

[0075]図４を見ると、幾つかの異なるサイズの出発材料粒子、例えば４０１、４０３、４０４で作り上げられている造形品４００の或る実施形態が示されている。粒子は接合部４０５、４０６、４０７にて一体に融合されて、空隙例えば４０８を形成している。この物品４００へ更なるＬＡＭプロセス又は他のプロセスが遂行されるかもしれないし、それは完成品であるかもしれない。

【0058】

[0076]図５を見ると、ＬＡＭシステム５００の或る実施形態の斜視図が示されている。システム５００は、レーザーユニットとレーザービーム送達組立体と基部を収容するキャビネット５０１を有している。キャビネット５０１は、更に、モーター、センサ、アクチュエータ、ノズル、出発材料送達デバイス、及び相対運動を遂行したり出発材料を所定の方式で送達したりするのに使用される他のデバイス、例えばＬＡＭ加工計画を実施する機器及びデバイス、を収容している。キャビネット５０１及びより具体的にはキャビネット５０１内の構成要素は、ケーブル５０３を介し、制御部を有する動作ステーション５０２とデータ通信及び制御通信している。制御部は、ＰＬＣ（プログラムマブル・ロジック・コントローラ）、自動化及びデバイスコントローラ、ＰＣ、又はＬＡＭ加工計画を実施することのできる他の型式のコンピュータ、とすることができる。この実施形態では、動作ステーションは、２つのＧＵＩ（グラフィックユーザーインターフェース）５０３、５０４、例えばモニタ、を有している。キャビネット５０１は、レーザーセーフガラスを有する窓であってもよいとされるアクセスパネル５０５を有している。

【0059】

[0077]ＬＡＭシステムの実施形態では、システム及び好適にはキャビネットは、次の追加の構成要素、即ち、自動エアフィルタ、出発材料バルク貯蔵庫、完成品を清浄にする空気を送達するためのコンプレッサ、造形区域（例えば、機能的レーザービームが出発材料と相互作用し出発材料を融合する場所）を清浄に且つレーザービームのレーザービーム経路に沿った進行に干渉しかねない塵埃や他の物質の無い状態に保つことのできる内部フィルタリングシステム、を収容していてもよい。更に、制御部はキャビネット内に又はキャビネットに隣接して配置されていてもよいし、又は制御部は遠隔場所に但しシステムと制御通信及びデータ通信して配置されていてもよい。更に、造形室とフィルタの両方で酸素モニタが使用されていてもよく、酸素の欠乏を継続的に監視するには使用されるのが望ましい。

【0060】

[0078]図６を見ると、ＬＡＭ造形区域６００の斜視図が提供されている。造形区域６００は、駆動モーター６０２を有する造形台６０１を有しており、モーター６０２は関節型ロボット６０３によって台６０１へ接続されている。この方式では、台の運動、方向転換、角度、スタンドオフ距離を制御することができる。出発材料送達組立体６０４が、出発材料給送ライン６０５と、レーザービーム６０８が照準を合わされる場所に隣接して位置付けられているノズル６０６と、を有している。レーザービーム６０８はレーザーヘッド６１４から送達される。レーザーヘッド６１４は、ＬＡＭプロセスを視認するためのカメラ６１１と、機能的レーザービームをレーザーユニットから送達するためのコネクタ６１２及び光ファイバー６１３と、レーザービーム６０８をレーザービーム経路６１６に沿ってターゲット区域６１７へ送達するためのビーム成形光学素子組立体６０７例えば合焦光学素子と、を有している。レーザーヘッド６１４は、ＬＡＭプロセス中に物品が造形されてゆく際、レーザービームを使用して当該物品の位置サイズ及び形状を測定及び監視する２つのレーザー位置確定デバイス６０９、６１０を有している。レーザーヘッド６１４は、示されていないフレームヘ接続されている架台６１５を有している。フレーム及び駆動モーター６０２は、更に、一体化されていてもよく、追加の型式の相対運動を提供するように可動であってもよい。

【0061】

[0079]より低い波長範囲、例えば約７００ｎｍ及びそれより下は、ＬＡＭでは、特に３Ｄ印刷では、有意な利点を提供する。これらのより低い波長範囲では、出発材料特に金属及び金属ベースの出発材料のより高い吸収能が、他にもあるが中でも特に、ＬＡＭプロセスをより高い効率で遂行する性能を提供する。例えば、高い吸収能のおかげで、物品を造形するための出発材料を接合する段階を遂行するのに必要なパワーはより少なくて済む。このことは、結果として、他にも利点がある中で特に、より高速な造形時間、費用のあまりかからないＬＡＭデバイス、保守点検が少なくて済み且つより長いデューティーサイクルを有するＬＡＭデバイス、をもたらすことができる。

【0062】

[0080]例えば、金属物品を造形する３Ｄプリンタの実施形態は、１ｍ／秒より大きい、５ｍ／秒より大きい、及び１０ｍ／秒より大きい線形印刷速度を有することができる。更に、一般的にはそれぞれの材料に依存して、青色レーザーなら、２ｍｍ又はそれより薄い金属シートを、ＣＯ_２レーザーより少なくとも約４倍速く、またファイバーレーザーより少なくとも約２倍速く、切削することができる。異なった見方をすれば、これは２ｋＷ青色レーザーがこれらの材料について５ｋＷ－８ｋＷのＣＯ_２レーザーと同じ切削速度を持てるようになるということである。青色レーザー光の吸収増加は利点であり、薄い材料の切削、溶接、及び焼結の場合がそうである様に断熱プロセスがレーザープロセスを支配する場合には望ましい。この利点は、５ｍｍ又はそれより厚い材料については利用性が低い又はより小さい恩恵しかもたらさず、というのも、加工される材料の熱拡散率及び必然の結果としての吸収特性によってプロセスが制限されると、プロセスに対する効果は使用されている総パワー分よりも薄れてしまう。

【0063】

[0081]加えて、より低い波長は、実質的により小さいスポットサイズ及び造形プロセスに対するより大きな制御性を持つことを可能にする。この方式では、より鋭い縁とより滑らかな表面を有し尚且つ微細機械加工された部品の表面特徴及び特性に引けを取らない高度に洗練された表面特徴及び特性を有する物品が、本ＬＡＭシステムを用いて得られるわけである。基本的には、レーザーによって形成されるスポットサイズは源レーザーの波長によって制限され、波長が短いほど、所与の焦点距離の系について形成されるスポットサイズは小さくなる。しかしながら、同じスポットサイズが所望されるなら、ＩＲレーザーに比較して、より長い焦点距離のレンズを青色レーザーと共に使用すれば、青色レーザーはＩＲレーザー源の８倍のアドレス指定可能体積を提供することができる。

【0064】

[0082]システムのスポットサイズを融合される粒子サイズと組み合わせることで、最小限の特徴サイズ及び表面粗さが決まる。より小さい直径の粒子（＜４０μｍ、＜１０μｍ、又は＜１μｍ）を、＜４０μｍ、＜１０μｍ、又は＜１μｍのビームサイズと共に使用すると、～４０μｍ、～１０μｍ、又は～１μｍのオーダーの最小特徴サイズを有する部品を現出させることができ、結果として＜１μｍの部品についての表面粗さの劇的改善がもたらされる。より小さいスポットそしてより小さい粒子が当該部品を形成するのに使用されるということは、当該部品の収縮及び応力が、より大きな粒子の場合よりも格段に良好に制御できるようになり、必然の結果としてより大きな部品安定性を実現できる、ということを意味する。加工材料の体積が小さいほど、「ボクセル」を溶融させるのに要するエネルギーは少なく、必然の結果として造形途上の基板又は部品は、製作中により低い熱勾配を経験することになり、必然の結果として当該部品がその加工温度から「冷める」際の収縮量は小さくなる。而して、粒子を固体へ融合するのにより少ないレーザーパワー、例えばより低い熱入力、を使用することによって、強度がより大きく狂いがより低い物品を造形することが実現できる。

【0065】

[0083]本レーザーの実施形態は、３００ｎｍから８００ｎｍの範囲にあるレーザービームを提供する。本発明のラマンレーザーの実施形態は、３００ｎｍ－７００ｎｍの範囲にある波長、特に４００ｎｍ台の範囲及び５００ｎｍ台の範囲にある波長、を有するレーザービームを提供する。本ラマンレーザーの実施形態は、少なくとも約１０Ｗ（０．０１ｋＷ）、少なくとも約１００Ｗ（０．１ｋＷ）、少なくとも約１，０００Ｗ（１ｋＷ）、少なくとも約５ｋＷ、及びそれより大きいパワーを有している。加えて、本発明のラマンレーザー及びレーザービームは優れたビーム品質を有している。而して、これらのラマン生成レーザービームの実施形態は、図１８に示されているビームパラメータスケーラビリティを有することができる。この図は、ダイレクト青色レーザーダイオード源（４５０ｎｍ）、線１８０１と、波長の組み合わされた青色レーザーダイオード源、線１８０２と、光学的に組み合わされたラマンレーザー源、線１８０３と、波長の組み合わされた青色ラマンレーザー源、線１８０４と、を用いて生成され得るビームパラメータを強調表示している。ラマンレーザー源は、同等のパワー出力のＩＲレーザーに勝る源輝度を提供する。波長の組み合わされたラマンレーザー源は、出力パワーレベルの広い範囲に亘って類を見ないパワー及びビーム輝度を提供する。ラマンレーザー源は、広いスペクトル範囲（溶融シリカについては～１０μｍ）に亘る単一モード性能維持の可能な大コア光ファイバーの開発と共に、波長の組み合わされたラマンレーザー源と同等のスケーラビリティを有することができる。

【0066】

[0084]注目すべきこととして、この明細書における主眼は、本発明のラマン高パワー青色レーザーを、ＬＡＭプロセス、ＬＡＭシステム、及びＬＡＭデバイスで使用する用途に置かれているが、本発明のラマンレーザーにとっては多くの現時点での用途及び将来的な用途がある。而して、例えば、本発明のラマンレーザーの実施形態は、溶接、切削、熱処理、ろう付け、及び表面改質における用途として、；ｎ－ラマンオーダーファイバーレーザーを励起して任意の可視波長を実現する；３Ｄ性能を含むカラー画像を投影するためのデジタルミラーデバイスと組み合わせるための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；娯楽目的のための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；他にもあるが中でも特に投影システム、ヘッドライト、又は照明システムで使用できる白色光源を現出するようにリンを励起するための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；水中レーザー測距のための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；暗号化された通信を含む水中通信のための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；レーザー測距、特に霧や雲の様な高水分含量環境でのレーザー測距のための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；通信、特に霧や雲の様な高水分含量環境での暗号化された通信のための少なくとも約１０Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；水中及び霧や雲の様な高水分含量環境でのレーザー兵器としての使用のための少なくとも約１０００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；船舶サルベージ作業及び沖合サルベージ作業、特に水面環境、潮汐環境、水面下環境でのサルベージ作業のための少なくとも約１０，０００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；海洋上、海洋より上方数フィート未満、海洋の波を通して、及び海洋の水面より下での、レーザー兵器としての使用のための少なくとも約１０００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；非致死レーザー兵器としての使用のための少なくとも約１０００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；ガラス切削のための少なくとも約１００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；塗料除去のための少なくとも約１０００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；ラマン散乱による海底ダイヤモンド発見のための少なくとも約１００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する；ＡｕＳｎはんだを溶融するための及びはんだ付け全般のための少なくとも約１００Ｗのパワーを有する青色ラマンレーザービームを提供する、ことに用途を見い出すことができる。

【0067】

[0085]本発明の青色ラマンレーザーの実施形態は、殆どの現時点でのレーザー切削、加工、及び製造システムに用途を見い出すことができる。青色ラマンレーザーは、これらのシステムへの容易代入物であり、その様なシステムで現在使用されている既存のＩＲ(赤外線、＞７００ｎｍ）レーザーに取って代わる。青色ラマンレーザーは、これらのシステムで、置き換えられるＩＲレーザーに勝ること２倍乃至１０倍の効率増加及び処理速度増加並びに他の利点をもたらすことができる。青色ラマンレーザーは、更に、より小さいパワー要件及びより小さいフットプリントを有する全体として改善されたシステムを提供することができる。而して、例えば、青色ラマンレーザーの実施形態は、製造施設内、例えば巨大な自動車製造工場内のレーザーシステムで使用されているＩＲレーザーに置換する例えばスワップアウトするのに使用することができるのではないだろうか。好適にも、このレーザースワップアウトは、ビーム送達光学素子を青色波長用に被覆する必要があるといった様にレーザーシステムの他の構成要素への変更を最小限に留めて行うことができる。

【0068】

[0086]一般に、本発明の青色ラマンレーザーの実施形態は、ｎオーダーのラマンレーザーを励起して４１０ｎｍと８００ｎｍの間で発振させるのに固体レーザーを使用する。或る実施形態では、４０５ｎｍ－４７５ｎｍの領域で放射する青色ダイオードレーザーのアレイ（少なくとも１０、少なくとも５０、及び少なくとも１０００のダイオードを有する）が、ｎオーダーのラマンレーザーを励起して４１０ｎｍから近赤外線８００ｎｍの間で任意のオーダー例えばｎ－ラマンオーダーで発振させることができる。より大きいオーダー又は他のオーダーも実施可能であり本発明によって構想されていると理解しているが、４０５ｎｍ－４７５ｎｍの範囲内のｎオーダーが現時点では好適であり、というのも、ｎオーダーのラマン範囲を提供する波長励起範囲で利用できる商業的に入手可能なレーザーダイオードが幾つかあるからである。

【0069】

[0087]或る実施形態では、青色ダイオードレーザーアレイは、ｎ次のラマンオーダーを通じて３００ｎｍほども短い波長を生成するアンチストークスラマンレーザーを励起することができる。アンチストークスのゲインはストークスよりも実質的に低いが、４５０ｎｍポンプ波長から３００ｎｍへの移行時に低損失媒質を使用するのが好適である。

【0070】

[0088]或る実施形態では、青色レーザーダイオードポンプは、Ｔ０５６事例又は個別取り付けのどちらにしても、個々のレーザーダイオードに基づく。概して、レーザーダイオードからのポンプレーザービームは、２軸にコリメートされる。レーザーダイオードをモジュールパッケージに設置し、それからバックプレーンへ挿入したら、レーザーダイオード全てを同一線上に配し同時に単一ファイバーへ集束させるようにすることができる。レーザーダイオードを、更に、単一の担持体上に取り付け、それらのビームをコリメートし、単一の合焦光学素子によってファイバーの中へ発射させるようにしてもよい。而して、レーザーダイオードビームは二重クラッドファイバーの中へ発射され、二重クラッドは、外側のクラッドが２０μｍ又はそれより大きく、内側のコアは出力レーザー波長となるはずの第ｎラマンオーダーでの単一モード動作を支持するのに十分な直径である。外側クラッドの内側コアに対する比はｎ＋１オーダーの閾値によって制限され、ここに、第ｎオーダーを励起しｎ＋１を励起しないことが所望される。ｎ＋１は、外対内コアの比、ファイバーの長さ、を制限することによって、又はｎ＋１オーダーを抑制する共振器内のフィルタによって、抑制することができる。

【0071】

[0089]好適な実施形態では、本発明のラマン青色レーザーは、高輝度青色レーザー源によって励起された場合、２．９ｋＷへスケール可能である。これらのパワーレベルでは、青色レーザーダイオードポンプからの４５５ｎｍ又は４５９ｎｍ波長への変換効率は８０％という高いものとなり、結果的に≧２０％のシステム電気－光変換効率がもたらされる。

【0072】

[0090]ラマン変換プロセスは、青色波長での光ファイバーのモード損失に依存しており、また極めて依存性が高いこともある。この損失は、主にファイバー内のレイリー散乱が原因であり、波長の逆４乗に従ってスケールするので、結果的に４５０ｎｍでの損失は３０ｄＢ／ｋｍのオーダーとなってしまう。この損失は懸念事項となり得るものであり、幾つかの実施形態ではレーザーシステム設計時の主たる懸念事項となることもある。この損失に対処するために、本ラマンレーザーの実施形態は、短い光ファイバー（例えば、＜１５ｍ、＜１０ｍ、＜５ｍ、＜３ｍ）を使用することができる。これらのより短い長さの実施形態はレーザーの動作効率を高める。但し、より長いファイバーが構想されるものと理解している。而して、ラマン発振ファイバーは、３０ｍ以上、５０ｍ以上、８０ｍ以上、及び１００ｍ以上、の長さとすることができる。

【0073】

[0091]このラマンレーザーの実施形態のモデル化は、第１ラマン変換オーダーでの高い発振パワーレベルを実現するのに比較的高い出力カプラ反射能が使用できるようになることを示しており、その結果、このオーダーへの効率的なエネルギー移動がもたらされる。ラマンシフトに因るエネルギー変換損失は、ポンプ波長が４４７ｎｍであり第１ラマンオーダーを４５５ｎｍで発振するよう仕向けることができるので、ごく僅かである。これはたった２％の量子欠損に相当し、エネルギーの９８％は変換波長で利用可能となる。但し、ファイバーでのレイリー散乱が、変換効率を、モデル化された最も短いファイバー（６ｍ）について８０％未満に制限する。このモデル化されたレーザーより短いファイバーレーザーも構想され、より大きい及びより小さい変換効率が獲得できるものと理解している。逆に言えば、光ファイバー内で、例えばＰ_２Ｏ_５ドープファイバーについて、溶融シリカファイバーの損失８５％であったレイリー散乱を、利得を５より高い倍数にしたまま低減させることができるなら、なおいっそう大きい効率を実現することができる。

【0074】

[0092]本発明のラマン変換レーザーは、ｎラマンオーダーを取り扱うことができる。この能力を設計に利用し、所定の波長及び例えば４５５ｎｍ又は４５９ｎｍで発振させることのできるファイバーレーザー出力を設計することができる。この実施形態は、同時に異なる波長例えば４５５ｎｍと４５９ｎｍの両方で発振させるように設計することができる。次のラマンオーダーは抑制されるのが望ましい。この抑制は、例えば、ファイバーへの十分なＡＲ被覆、ファイバーの長さを制限すること及びクラッド対コア比を制限すること、次のラマンオーダーでのインライン損失性フィルタの追加、及びこれらの組合せ及び変形形態、を用いて実現させることができる。

【0075】

[0093]ファイバーに加え、ラマン発振器を結晶及びガスにすることもできる。ラマン結晶発振器は、例えば、ダイヤモンド、ＫＧＷ、ＹＶＯ_４、及びＢａ（ＮＯ_３）_２であってもよい。ラマンガス発振器は、例えば、一例として５０気圧の圧力の高圧ガス、高圧水素、及び高圧メタンであってもよい。

【0076】

[0094]クラッド励起型ラマンレーザーをレーザーダイオードビームと組み合わせることによって、組み合わせの諸方法が、４００ｎｍ－８００ｎｍの範囲にある波長での、例えば４５５ｎｍ又は４５９ｎｍでの、数ｋＷファイバーレーザーの設計及び構築を可能にする。図７は、このレーザー源についての、４，０００ワットまでのレーザーダイオードパワーを３０μｍ単一モードコアを有する２００μｍ直径クラッドの中へ発射した場合のファイバーの長さの関数としての予測出力である。図７は、２０ｍ、１５ｍ、１０ｍ、８ｍ、及び６ｍの長さを有するラマンファイバーから４５９ｎｍのレーザービームを生成するラマンファイバーレーザーについて、パワー出力をＷ対％出力カプラに示している。これらのより短い長さのファイバー実施形態は、誘導ブリュアン散乱の様な他の非線形現象からの有害な影響を低減、緩和、及び好適には排除し、尚且つ次のオーダーのラマンオーダー発振を抑制するという、追加の利点を有している。

【0077】

[0095]実施形態では、ダイヤモンドラマン変換器又は類似の材料を使用している方法は、従来の共振器である例えば半共焦点共振器又は全共焦点共振器を、モード整合ポンプビームと組み合わせて使用している。ダイヤモンドは、極めて大きいストークスシフト及び高いラマン利得係数に因り、比類が無い。

【0078】

[0096]様々な発振器についてのストークスシフトの実施形態が表ＩＩＩに示されており、第１ストークスシフトは、光の波長における４５０ｎｍから４７９ｎｍへの２９ｎｍのシフト、つまりこの波長に透過性の現時点で入手可能な材料を用いて実現可能な最も大きい単一のストークスシフトの１つ、に対応している。他のラマン変換方法を使用し高パワー可視動作を実現させることもでき、例えば、純粋な溶融シリカファイバー、ＧｅＯ_２ドープ光ファイバー、Ｐ_２Ｏ_５（リン）ドープ光ファイバー、レーザーダイオードのアレイ又は単一のレーザー源によって励起されるＫＧＷ結晶、レーザーダイオードのアレイ又は単一のレーザー源によって励起されるＹＶＯ_４（バナジン酸イットリウム）結晶、レーザーダイオードのアレイ又は単一のレーザー源によって励起されるＢａ（ＮＯ_３）_２（硝酸バリウム）結晶、の中へ発射するといった様な方法が使用されてもよい。

【0079】

【表3】

【0080】

[0098]これらのレーザーダイオードのためのパッケージングコンセプトの或る実施例は、並外れた高信頼度のための十分な冗長性を提供することのできるモジュール性の高い設計を用いて極めてコンパクトな高密度構成を可能にする。青色ダイオードレーザー装置の実施形態は、２０℃で４５０ｎｍにて発振する。この波長は、ダイオードを冷却することによってより低い波長へシフトさせることができ、例えばＧａＮレーザーダイオード波長シフトは０．０４乃至０．０６ｎｍ／℃のオーダーである。波長は、同様に、例えば体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）又はリトロー又はリットマン－メトカフ外部共振器型の刻線回折格子、の様な外部回折格子でダイオードをロックすることによって下げることができる。ポンプアレイ全体を必須波長へロックするのに必要なのはＶＢＧ１つだけである。但し、２つ、３つ、又はそれ以上のＶＢＧを使用することもできる。ラマンレーザーが４５５ｎｍか又は４５９ｎｍのどちらかで発振するために、ポンプ波長を４５０ｎｍとすることができる。４５５ｎｍラインは４５９ｎｍラインより利得が低く、結果的に変換効率はより低くなることに留意されたい。

【0081】

[0099]青色レーザーダイオードポンプはラマンレーザー例えばラマン発振器ファイバーへファイバー連結され、融着接続されている。これは好適であり、高振動及び広範な温度の振れの様な極限条件下に動作できる最も堅牢な設計を提供する。極限条件にとって好適であるとはいえ、ポンプレーザー及び複数ポンプレーザーをラマン発振器ファイバーへ結合する方式は、外部光学素子を有する自由空間の様な他の方式を採用することもできるものと認識している。

【0082】

[0100]図８を見ると、６２．５μｍ直径のクラッドと１０μｍ直径のコアを有するラマン発振器ファイバーレーザーのモデル化された出力が示されている。レーザーは、ファイバーの遠位端側のポンプ波長にＨＲ回折格子を、ファイバーのポンプ入力端の第１ラマンオーダーにＨＲ回折格子を、有している。第１ラマンオーダーでのファイバーの遠位端の出力カプラの反射能は、ファイバー長さ及びポンプ中心波長への依存度を研究するために変化させている。第１ラマンオーダーでの高反射能を要求する設計は、第２オーダーのラマン発振の抑制にとって好適であるが、必要条件ではない。このラマン発振器ファイバーへ結合されている４５０ｎｍ、４４９ｎｍ、４４８ｎｍ、及び４４７ｎｍからのポンプ波長を変化させた場合についての結果が、図８に、４５５ｎｍ発振器出力について示されており、而して発振器についての所定の波長でのポンプ帯域幅が実証されている。このグラフ及びモデルでは、出力パワーは出力カプラとポンプ源の波長の関数として示されている。ファイバーは、長さが１５メートルで、６２．５μｍ直径クラッドにつき０．２１ｎａを有している。外側クラッドのより高いｎａは、同等に高い出力パワーレベルをクラッドへ注入することを可能にする。

【0083】

[0101]４５９ｎｍラマンレーザーシミュレーションの結果が図９に示されている。この実施形態では、ラマンレーザーは４５９ｎｍのレーザービームを提供しており、出力パワーは、２０ｍと１５ｍの２通りのファイバー長さについて、出力カプラの関数として示されている。クラッド及びコア構成は図８の実施形態と同一であり、４５９ｎｍは、レーザーダイオードの４５０ｎｍ中心波長で励起したときのこれらのファイバーについての第１ラマンオーダーである。この波長は、広い帯域の温度での動作が所望される場合、出力パワーへの影響がほんの僅かである体積ブラッグ回折格子を使用して安定化させることができる。

【0084】

[0102]４５０ｎｍビームを発生させる青色レーザーダイオードポンプの実施形態は、ビーム火面を確定しひいてはレーザーアレイを発射させることのできるファイバー直径を確定するべく５００ｎｍ焦点距離レンズを使用して測定された。図１０は、出力パワーの関数としてのビームウエストを示しており、それは実質的に装置の出力パワーに伴って変化していない。この図は、遅軸が２００μｍの１／ｅ^２ウエストを有していることを示しており、それは８０ｍｍ焦点距離レンズを使用したときの３０μｍウエストビームへ翻訳される。図１０は速軸もグラフ化されている。これは、この実施形態については、９０％超の結合効率が６２．５μｍ直径のファイバーの中へ実現され得るということを示唆している。６２．５μｍ直径のファイバーの中への発射に先立ち、ポンプパワーと輝度を両方の偏光状態を使用して二逓倍化することができる。而して、この実施形態では、ラマン発振器レーザーファイバーの中への２００ワットの入力で約６０ワットより大きい出力となる。

【0085】

[0103]図７－図１０の実施形態に使用されている高輝度青色レーザーダイオードは、単一モードコアにラマン発振を可能にさせ而してラマン生成レーザービームを提供するに足る利得を生み出すのに十分なフルエンスを提供する。而して、これらの本実施形態は、可視ラマンレーザーの開発を妨げる重要課題の１つを克服する。当該課題は、光ファイバーでの可視波長における高い損失である。このことが、本発明以前には可視ラマン発振器レーザーが当技術によって看過され他の技術によって実例的に示されることも提案されることもなかったのはなぜかということの主要理由ではないにしても理由の１つであると考えられる。

【0086】

[0104]本発明のラマン発振器の実施形態は、多くの異なる型式の材料から作製することができる。好適には、ファイバーについては、それらは、シリカベースであり、ＧｅＯ_２又はＰ_２Ｏ_５でドープされたシリカベースのファイバーを含むものということになり、その特性は表ＩＩＩに示されている。他の重金属も、同様に、様々な型式の発振器のためのドーパントとして使用することができ、そこでは動作波長は吸収帯域端に近く、従来の源より実質的に高くなり得る異例のラマン利得を生じさせる。５００ｎｍ光についてのこれの一例はテルライトドープガラスということになり、その場合、ラマン利得は溶融シリカよりほぼ４０倍大きくなる。目標波長４５０ｎｍで同様の結果を有する他のドーパントが使用されてもよい。

【0087】

[0105]或る好適な実施形態では、クラッドがポンプ波長において比較的低損失性でありコアが＞３μｍ、＞１０μｍ、また一部の実施形態では＞２０μｍである二重クラッドファイバーについては、高いＮＡの外側クラッドとされている。クラッド／コア比は、好適には、第２ストークスオーダーの自己発振のための閾値より下に維持される。第１ストークス利得は、コアへと結合されるクラッド内の光の強度によって決まり、方や第２オーダーストークスの利得は、コア内の第１オーダーストークスの発振によって決まる。以上に言及されている様に、これは、制限因子となり、ファイバー内の損失、第１オーダーストークスでの発振パワー、ファイバーの長さひいては総利得、及び仮にあれば第２オーダーストークス信号でのフィードバック、に依存性である。このプロセスは、究極的には、この方法で実現できる輝度増強量を制限するものであり、例えば図１８に示されているスケーラビリティによって解決を図ることができ、その場合、ラマン源は高輝度及び高パワーを実現するのに波長ビーム組み合わせ方法を必要とする。

【0088】

[0106]ラマン増幅は、優にＧＨｚレジームに入る変調速度を可能にさせる極めて広い帯域幅を有している。この急速変調は、青色ラマンレーザー源の場合、反転プロセスと関連付けられる短寿命に因り実現可能である。急速変調性能はレーザー利用製造用途において、例えば部品が高い空間周波数又は再現させる必要のある鋭利な細部を有している場合に、多大な恩恵をもたらすことができる。理想的には、レーザーのオンオフ切り替えがより高速にできれば、より高速に部品を印刷することができる。例えば或る実施形態では、所与の走査速度について、部品の空間周波数が印刷速度への制限となり、というのは数ｋＨｚでしか変調させられないレーザーは微小な細部を複製するのにスキャナを低速度で動かす必要があるからであるが、数十ＧＨｚレジームで変調させられるレーザーは、部品を速く走査できるようにし、当然の結果として部品を速く印刷できるようにする。

【0089】

[0107]表ＩＶは、ファイバーレーザー造形速度の、同等パワーレベルの青色レーザーについての造形速度に対する比較を示している。この表は、所与のスポットサイズについて、青色レーザーはより大きい造形体積を実現することができ、比較対象の材料に依存して、速度はレーザー波長の吸収強化に基づき１．２倍（チタン）乃至＞８０倍（金）の間で増加する、ということを示している。

【0090】

【表4】

【0091】

[0109]図１３Ａを見ると、４５０ｎｍのポンプ源からの４７８ｎｍの機能的レーザービームを提供するべく３つのラマンオーダーのストークスを通して起こる遷移が示されている。

【0092】

[0110]異なる材料を有していて４５０ｎｍレーザーで励起されたときのｎオーダーストークスシフトについて各自の波長出力を有しているラマンファイバーレーザーの実施例が、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示されている。これらのファイバーは全て２０μｍ直径コアと５０μｍクラッド厚さを有している。

【0093】

[0111]図１４Ａを見ると、４５０ｎｍのポンプ源からの４２５ｎｍの機能的レーザービームを提供するべく３つのラマンオーダーのアンチストークスを通して起こる遷移が示されている。

【0094】

[0112]異なる材料を有していて４５０ｎｍレーザーで励起されたときのｎオーダーストークスシフトについて各自の波長出力を有しているラマンファイバーレーザーの実施例が、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示されている。これらのファイバーは全て２０μｍ直径コアと５０μｍクラッド厚さを有している。

【0095】

[0113]図１５を見ると、リンケイ酸ドープファイバーでのラマンスペクトルが示されている。ファイバー中のＰ_２Ｏ_５濃度は、線１が１８モル％、線２が７モル％、そして線３が無Ｐ_２Ｏ_５（例えば、０ｎｉｋ％）の溶融シリカファイバーについてである。而してレーザー放射は、数ｃｍ^－１から１３３０ｃｍ^－１までの周波数の広い範囲に亘って実現させることができる。

【0096】

[0114]次の実施例は、本発明のＬＡＭシステム、ＬＡＭ方法、及びラマン発振器レーザーの様々な実施形態を例示するために提供されている。これらの実施例は、例示目的であり、本発明の範囲を限定するものと見なされてはならず、また他の形で本発明の範囲を限定するものでもない。

【実施例0097】

[0115]実施例１
[0116]ラマンレーザーモジュール（ＲＬＭ）が、様々な製造用途及び所定の製造用途のための、２ＭＨｚにまで変調させることのできる、２００Ｗ、約１のＭ^２、及び４６０ｎｍのレーザービームを提供するべく、ラマンレーザー発振器ファイバーに対するポンプレーザーとして前方型ポンプラマン標準レーザーモジュールを有する。ポンプ標準レーザーモジュール（ＳＬＭ）は、レーザー発振器ファイバーのための前方型ポンプとして使用されることになる２００Ｗ、１０ｍｍ－ｍｒａｄ、～４５０ｎｍのレーザービームを提供する。発振器ファイバーは、６０μｍ－１００μｍクラッド、１０μｍ－５０μｍコアを有し、２００Ｗ出力、＜０．３ｍｍ－ｍｒａｄ、～４６０ｎｍのレーザービームを提供する。

【実施例0098】

[0117]実施例２
[0118]実施例１のＲＬＭ５基を図５のレーザー利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の１ｋＷ機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。