特開 2024-20355 レーザー送達アドレス指定可能アレイのための用途、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】P2024020355

(43)【公開日】2024-02-14

(54)【発明の名称】レーザー送達アドレス指定可能アレイのための用途、方法、及びシステム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20240206BHJP

   H01S 5/02251 20210101ALI20240206BHJP

   H01S 5/02253 20210101ALI20240206BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20240206BHJP

   H01S 5/0225 20210101ALI20240206BHJP

   B23K 26/34 20140101ALI20240206BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240206BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 K

H01S5/02251

H01S5/02253

H01S5/40

H01S5/0225

B23K26/34

B23K26/21 Z

B23K26/064 G

B23K26/064 A

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023192275

(22)【出願日】2023-11-10

(62)【分割の表示】P 2020209313の分割

【原出願日】2016-07-14

(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】100083895

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 茂

(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

(72)【発明者】

【氏名】シルヴァ サ， マシュー

(72)【発明者】

【氏名】ペラプラット， ジャン ミシェル

(72)【発明者】

【氏名】ヒル， デイヴィッド

(72)【発明者】

【氏名】フィナフ， マシュー

(57)【要約】

【課題】多様なレーザービーム光源を、輝度及びパワーの様な所望のビーム品質を維持及び強化しながら、単一又は複数のレーザービームに結合するレーザー加工システムを提供する。
【解決手段】少なくとも３つのレーザーシステム５０１を備えるアドレス指定可能アレイレーザー加工システムであって、当該システムは、少なくとも３つのレーザーダイオード組立体と、レーザービームを空間的に結合してその輝度を維持するための手段とを備える。各レーザーダイオード組立体は、少なくとも１０のレーザーダイオードを備える。各レーザーシステムは、結合レーザービームのそれぞれを単一の光ファイバー５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃへ結合する。制御システムは、結合レーザービームのそれぞれを標的材料５０７上の既定位置に送達するための既定シーケンスを有するプログラムを有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも３つのレーザーシステムを備えるアドレス指定可能アレイレーザー加工システムであって、各レーザーシステムが、
ａ．少なくとも３つのレーザーダイオード組立体であって、
ｂ．前記少なくとも３つの少なくともレーザーダイオード組立体のそれぞれが、少なくとも１０のレーザーダイオードを備え、前記少なくとも１０のレーザーダイオードのそれぞれが、少なくとも約２ワットのパワー及び８ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する青色レーザービームを、レーザービーム経路に沿って発生させることができ、各レーザービーム経路は本質的に平行であり、それにより前記レーザービーム経路に沿って進む前記青色レーザービームの間に空間が画定されるようにした、３つのレーザーダイオード組立体と、
ｃ．少なくとも３０の前記レーザービーム経路の全てに配置されている、前記青色レーザービームを空間的に結合して前記青色レーザービームの輝度を維持するための手段であって、レーザービームの第１軸のためのコリメート用光学素子と、前記レーザービームの第２軸のための垂直方向プリズムアレイと、テレスコープとを備え、それにより空間的に結合して維持するための当該手段が、前記青色レーザービームの間の前記空間をレーザーエネルギーで満たし、それにより少なくとも約２５０ワットのパワーと４０ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する結合レーザービームを提供する、手段と、を備え、
ｄ．前記少なくとも３つのレーザーシステムのそれぞれが、前記結合レーザービームのそれぞれを単一の光ファイバーへ結合するように構成され、それにより前記少なくとも３つの結合レーザービームのそれぞれがその結合された光ファイバーに沿って伝送することができるようにし、前記少なくとも３つの光ファイバーは、レーザーヘッドと制御システムに光学的に関連付けられており、前記制御システムは、前記結合レーザービームのそれぞれを標的材料上の既定位置に送達するための既定シーケンスを有するプログラムを有している、アドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項2】

送達するための前記既定シーケンスが、前記レーザーヘッドからの前記青色レーザービームを個別にオン及びオフし、それにより粉末床上に結像させて、粉末を有する前記標的材料を融解させ部品へと融合させる段階を有している、請求項１に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項3】

前記レーザーヘッド内の前記光ファイバーは、線形、非線形、円形、菱形、方形、三角形、及び六角形から成る群より選択されている配列で構成されている、請求項１に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項4】

前記レーザーヘッド内の前記光ファイバーは、２ｘ５、５ｘ２、４ｘ５、少なくとも５ｘ少なくとも５、１０ｘ５、５ｘ１０、及び３ｘ４から成る群より選択されている配列で構成されている、請求項１に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項5】

前記標的材料は粉末床を有し、当該アドレス指定可能アレイレーザー加工システムはさらに、前記粉末床を横切って前記レーザーヘッドを移動させ、それにより前記粉末床を融解させ融合させることのできるｘ－ｙモーションシステムと、融合された層の後ろに追加の粉末層を提供するようにレーザー光源の後ろに位置付けられた粉末送達システムと、を備える、請求項１に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項6】

前記レーザーヘッドを移動させて前記粉末床の表面より上の前記レーザーヘッドの高さを増加及び減少させることのできるｚモーションシステムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項7】

送達された前記青色レーザービームが正ｘ方向又は負ｘ方向に進む際に前記青色レーザービームの真後ろに粉末を置くことのできる２方向粉末設置装置を備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項8】

複数のレーザービーム経路と同軸である粉末給送システムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項9】

重力粉末給送システムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項10】

粉末が不活性ガスの流れに同伴される粉末給送システムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項11】

Ｎの青色レーザービームに対し横断方向の粉末給送システムであって、Ｎ≧１であり、粉末が重力により前記青色レーザービームの前方に置かれるようにした粉末給送システムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【請求項12】

Ｎの青色レーザービームに対し横断方向の粉末給送システムであって、Ｎ≧１であり、粉末が前記青色レーザービームに交わる不活性ガスの流れに同伴されるようにした粉末給送システムを備える、請求項５に記載のアドレス指定可能アレイレーザー加工システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【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６２／１９３，０４７号、出願日２０１５年７月１５日の恩典を主張するものであり、その各々の開示全体をここに参考文献として援用する。

【0002】

本発明は、レーザービームを結合するためのアレイ組立体に関するものであり、具体的には、製造、製作、娯楽、グラフィックス、画像化、分析、監視、組立、歯科、及び医療の諸分野でのシステム及び用途に使用するための高輝度レーザービームを提供することのできるアレイ組立体に関する。

【背景技術】

【0003】

多くのレーザー、特にレーザーダイオードの様な半導体レーザーは、極めて望ましい波長と、輝度を含む極めて望ましいビーム品質とを有するレーザービームを提供する。これらのレーザーは、可視範囲の波長、ＵＶ範囲の波長、ＩＲ範囲の波長、及びこれらの結合を有することができ、また更には、より高い波長及びより低い波長を有することもできる。半導体レーザー、及びファイバーレーザーのような他のレーザー光源の技術は急激に進化してきており、新たなレーザー光源が絶えず開発され既存のレーザー波長と新たなレーザー波長を提供している。これらのレーザーの多くは、望ましいビーム品質を有してはいるものの、特定の用途にとって望ましい又は必要とされるレーザーパワーよりも低いレーザーパワーを有している。かくして、これらの低いパワーは、これらのレーザー光源がより有用で商業的な用途を見出すことを妨げてきた。

【0004】

加えて、これらの型式のレーザーを組み合わせようとするこれまでの努力は、他にも理由はあるが幾つか例を挙げると、ビーム整列の難しさ、適用の間ずっとビームが整列された状態に保つことの難しさ、ビーム品質の損失、レーザー光源の特別な設置の難しさ、サイズの考慮、及びパワー管理のせいで、概して不十分であった。

【0005】

ここでの使用に際し、別途明示的に表明されていない限り、「青色レーザービーム」、「青色レーザー」、及び「青色」という用語は、それらの最も広義な意味を与えられるべきであり、概して、レーザービームを提供するシステム、レーザービーム、レーザー光源、例えばレーザー及びダイオードレーザーであって、約４００ｎｍから約５００ｎｍの波長を有するレーザービーム又は光を提供するもの、例えば伝播させるもの、をいう。

【0006】

概して、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うちのより大きい方、を網羅するものとする。

【0007】

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。従って、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】

【0008】

【特許文献1】米国仮特許出願第６２／１９３，０４７号

【特許文献2】国際公開第２０１４／１７９３４５号

【特許文献3】米国特許出願第１４／７８７，３９３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

他にもあるが中でも特に、多様なレーザービーム光源を、輝度及びパワーの様な所望のビーム品質を維持及び強化しながら、単一又は複数のレーザービームに結合する組立体及びシステムに対する必要性が長年存在しており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、ここに教示され開示されている製造物品、装置、及びプロセスを提供することによって、これらの必要性を解決する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

而して、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムが提供されており、当該システムは、複数のレーザーダイオード組立体であって；各レーザーダイオード組立体が、個別青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って発生させることのできる複数のレーザーダイオードを有している、複数のレーザーダイオード組立体と；個別青色レーザービームを空間的に結合する手段であって、ファーフィールドに単一スポットを有し標的材料への送達のために光ファイバーへ結合させることのできる結合レーザービームを作り出す手段と；を備え、空間的に結合する手段は、個別青色レーザービームをレーザービーム経路上で空間的に結合し、各レーザーダイオードと光学的に関連付けられている。

【0011】

更に、次の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムを提供する。即ち、少なくとも３つのレーザーダイオード組立体を有している；各レーザーダイオード組立体が少なくとも３０のレーザーダイオードを有している；レーザーダイオード組立体は、少なくとも約３０ワットの総パワー及び２０ｍｍ ｍｒａｄ未満のビームパラメータ特性を有するレーザービームを伝幡させることができる；ビームパラメータ特性は１５ｍｍ ｍｒａｄ未満である；ビームパラメータ特性は１０ｍｍ ｍｒａｄ未満である；空間的に結合する手段は、個別レーザービームのＮ倍の輝度の結合レーザービームを発生させる；ここに、Ｎはレーザーダイオード組立体のレーザーダイオードの数である；空間的に結合する手段は、青色ビームの輝度を維持しながら複合レーザービームのパワーを増加させる；結合レーザービームは個別レーザービームのパワーの少なくとも５０倍のパワーを有し、結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の２倍以下である；結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の１．５倍以下である；結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の１倍以下である；空間的に結合する手段は、個別レーザービームの輝度を維持しながらレーザービームのパワーを増加させる；結合レーザービームは、個別レーザービームのパワーの少なくとも１００倍のパワーを有し、結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の２倍以下である；結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の１．５倍以下である；結合レーザービームのビームパラメータ積は個別レーザービームのビームパラメータ積の１倍以下である；光ファイバーは耐ソラリゼーションである；空間的に結合する手段は、レーザーダイオードの位置誤差又は照準誤差のうちの少なくとも１つを補正するための、整列平面平行板とウェッジから成る群より選択されている組立体を有している；空間的に結合する手段は、結合レーザービームの有効輝度を個別レーザービームに勝って増加させることのできる偏光ビームコンバイナを有している；レーザーダイオード組立体は、個別レーザービーム経路を各経路の間に空間を設けて画定しており、それにより個別レーザービームは各ビームの間に空間を有している；空間的に結合する手段は、個別レーザービームをレーザーダイオードの速軸でコリメートするためのコリメータと、コリメートされたレーザービームを結合するための周期ミラーと、を有し、周期ミラーは、レーザーダイオード組立体内の第１ダイオードからの第１レーザービームを反射し、レーザーダイオード組立体内の第２ダイオードからの第２レーザービームを透過させ、それにより、個別レーザービームの間の速軸方向の空間が充填される；空間的に結合する手段は、ガラス基板上のパターン化されたミラーを有している；ガラス基板は、レーザーダイオードからのレーザービームの垂直方向位置をシフトさせてレーザーダイオードの間の空間を満たすのに充分な厚さである；段状ヒートシンク有している；のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムを提供する。

【0012】

また更に、高輝度高パワーレーザービームを提供するためのレーザーシステムが提供されており、当該システムは、複数のレーザーダイオード組立体であって；各レーザーだオードが初期輝度を有する青色レーザービームを発生させることのできる複数のレーザーダイオードを有している、複数のレーザーダイオード組立体；及び、青色レーザービームを空間的に結合して、最終輝度を有しファーフィールドに単一スポットを形成し、光ファイバーへ結合させることのできる結合レーザービームを作り出すための手段；を有しており、各レーザーダイオードは、外部キャビティによって、結合レーザービームの輝度を実質的に増加させるように異なる波長にロックされ、それにより、結合レーザービームの最終輝度はレーザーダイオードからのレーザービームの初期輝度とほぼ同じである。

【0013】

更に、次の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムを提供する。即ち、各レーザーダイオードは回折格子に基づく外部キャビティビティを使用して単一波長へロックされ、レーザーダイオード組立体のそれぞれは、狭い間隔の光学フィルタと回折格子から成る群より選択されている結合する手段を使用して結合ビームへ結合される；ラマン変換器は、より高い輝度の光源を現出させるための純粋な溶融石英のコアと、青色ポンプ光を収容するためのフッ素化された外側コアと、を有する光ファイバーである；ラマン変換器は、より高い輝度の光源を現出させるためのＧｅＯ２ドープされた中心コア及び外側コアと、青色ポンプ光を収容するための、中心コアより大きい外側コアと、を有する光ファイバーの様なラマン変換器をポンプするのに使用される；ラマン変換器は、より高い輝度の光源を現出させるためのＰ２Ｏ５ドープされたコアと、青色ポンプ光を収容するための、中心コアより大きい外側コアと、を有する光ファイバーである；ラマン変換器は、より高い輝度の光源を現出させるためのグレーデッドインデックス型のコアと、青色ポンプ光を収容するための、中心コアより大きい外側コアと、を有する光ファイバーである；ラマン変換器は、グレーデッドインデックス型のＧｅＯ２ドープされたコア及び外側のステップインデックス型コアである；ラマン変換器は、グレーデッドインデックス型のＰ２Ｏ５ドープされたコア及び外側のステップインデックス型コアであるラマン変換器ファイバーをポンプするのに使用される；ラマン変換器は、グレーデッドインデックス型のＧｅＯ２ドープされたコアであるラマン変換器ファイバーをポンプするのに使用される；ラマン変換器は、グレーデッドインデックス型のＰ２Ｏ５ドープされたコア及び外側のステップインデックス型コアである；ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を現出させるためのダイヤモンドである；ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を現出させるためのＫＧＷである；ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を現出させるためのＹＶＯ４である；ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を現出させるためのＢａ（ＮＯ３）２である；及び、ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を現出させるための高圧ガスである；のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムを提供する。

【0014】

また更に、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムが提供されており、当該システムは、複数のレーザーダイオード組立体であって；各レーザーダイオード組立体が青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って発生させることのできる複数のレーザーダイオードを有している、複数のレーザーダイオード組立体；青色レーザービームを空間的に結合して、ファーフィールドに単一スポットを有しラマン変換器へ光学的に結合させることのできる結合レーザービームを作り出し、ラマン変換器をポンプして、当該結合レーザービームの輝度を増加させるための手段、を有している。

【0015】

加えて、結合レーザービームを提供する方法が提供されており、当該方法は、ラマン変換式レーザーのアレイを動作させて個別の異なる波長の青色レーザービームを生成する段階、及び、それらレーザービームを結合して、元の光源の空間輝度を維持しながらより高いパワーの光源を現出させる段階、を有している。

【0016】

その上更に、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムが提供されており、当該システムは、複数のレーザーダイオード組立体であって；各レーザーダイオード組立体が、青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って発生させることのできる複数のレーザーダイオードを有している、複数のレーザーダイオード組立体；レーザービーム経路に沿ってビームをコリメート及び結合する光学素子であって、結合レーザービームを提供させることのできる光学素子；及び、結合レーザービームを受け入れるための光ファイバー；を有している。

【0017】

更に、次の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステム、即ち、光ファイバーは、希土類ドープされたファイバーと光学的に連通しており、それにより、結合レーザービームが希土類ドープされたファイバーをポンプして、より高い輝度のレーザー光源を現出させることができる；及び、光ファイバーは、輝度変換器の外側コアと光学的に連通しており、それにより、結合レーザービームは、輝度変換器の外側コアをポンプして、より高い輝度強化比を現出させることができる；のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムが提供されている。

【0018】

また更に、ラマンファイバーが提供されており、当該ラマンファイバーは、デュアルコアにおいて、そのうちの一方は高輝度の中心コアあるデュアルコア；及び、高輝度の中心コアでの２次ラマン信号を抑制するための、フィルタ、ファイバーブラッググレーティング、１次及び２次のラマン信号についてのＶ数の差、及びマイクロベンド損失の差、から成る群より選択されている手段；を有している。

【0019】

加えて、第２高調波生成システムが提供されており、当該システムは、第１波長にあって当該第１波長の半分の波長の光を生成するためのラマン変換器；及び、半分の波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのを防ぐように構成されている外部共振二倍化結晶；を有している。

【0020】

更に、次の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステム、即ち、第１波長は約４６０ｎｍであ；外部共振二倍化結晶はＫＴＰである；ラマン変換器はラマン変換効率を改善する構造の非円形外側コアを有している；のうちの１つ又はそれ以上を有している方法及びシステムが提供されている。

【0021】

更に、第３高調波生成システムが提供されており、当該システムは、第１波長にあって当該第１波長より低い第２波長の光を生成するためのラマン変換器；及び、より低い波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのを防ぐように構成されている外部共振二倍化結晶；を有している。

【0022】

更に、第４高調波生成システムが提供されており、当該システムは、５７．５ｎｍの光を、当該５７．５ｎｍ波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのを防ぐように構成されている外部共振二倍化結晶を使用して生成するラマン変換器、を有している。

【0023】

更に、第２高調波生成システムが提供されており、当該システムは、４５０ｎｍの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされると４７３ｎｍのレーザーを発して、外部共振二倍化結晶を使用して光源レーザーの半分の波長即ち２３６．５ｎｍの光を生成し、短い波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのは許容しない、ツリウムを有する希土類ドープされた輝度変換器、を有している。

【0024】

更に、第３高調波生成システムが提供されており、当該システムは、４５０ｎｍの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされると４７３ｎｍのレーザーを発して、外部共振二倍化結晶を使用して１１８．２５ｎｍの光を生成し、短い波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのは許容しない、ツリウムを有する希土類ドープされた輝度変換器、を有している。

【0025】

更に、第４高調波生成システムが提供されており、当該システムは、４５０ｎｍの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされると４７３ｎｍのレーザーを発して、外部共振二倍化結晶を使用して５９．１ｎｍの光を生成し、短い波長の光が光ファイバーを通って伝幡するのは許容しない、ツリウムを有する希土類ドープされた輝度変換器、を有している。

【0026】

更に加えて、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムが提供されており、当該システムは、少なくとも３つのレーザーダイオード組立体であって；当該少なくとも３つのレーザーダイオード組立体の各々が、少なくとも１０のレーザーダイオードを有しており、当該少なくとも１０のレーザーダイオードの各々は、少なくとも約２ワットのパワー及び８ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って発生させることができ、各レーザービーム経路は本質的に平行であり、それにより、レーザービーム経路に沿って進むレーザービームの間に空間が画定される、少なくとも３つのレーザーダイオード組立体；少なくとも３０のレーザービーム経路の全てに配置されている、青色レーザービームを空間的に結合して輝度を維持するための手段であって、レーザービームの第１軸のためのコリメート用光学素子と、レーザービームの第２軸のための垂直方向プリズムアレイと、テレスコープと、を有している手段；を有しており、それにより、空間的に結合して輝度を維持するための手段は、レーザービームの間の空間をレーザーエネルギーで満たして、少なくとも約６００ワットのパワーと４０ｍｍ－ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積の結合レーザービームを提供する。

【0027】

その上更に、アドレス指定可能アレイレーザー加工システムが提供されている。当該アドレス指定可能アレイレーザー加工システムは、目下説明されている型式の少なくとも３つのレーザーシステムであって；当該少なくとも３つのレーザーシステムの各々が各自の結合レーザービームを単一の光ファイバーへ結合するように構成されており；それにより、当該少なくとも３つの結合レーザービームの各々は各自の結合された光ファイバーに沿って透過でき；当該少なくとも３つの光ファイバーはレーザーヘッドと光学的に関係付けられている、少なくとも３つのレーザーシステム；及び、制御システムであって；結合レーザービームの各々を標的材料上の既定位置に送達するための既定シーケンスを有するプログラムを有している制御システム；を有している。

【0028】

更に、次の特徴のうちの１つ又はそれ以上を有しているアドレス指定可能アレイのための方法及びシステムを提供する。即ち、送達するための既定シーケンスは、レーザーヘッドからのレーザービームを個別にオン及びオフし、それにより粉末床上に結像させて、粉末を有する標的材料を融解させ部品へと融合させる段階を有している；レーザーヘッド内のファイバーは、線形、非線形、円形、菱形、方形、三角形、及び六角形から成る群より選択されている配列で構成されている；レーザーヘッド内のファイバーは、２ｘ５、５ｘ２、４ｘ５、少なくとも５ｘ少なくとも５、１０ｘ５、５ｘ１０、及び３ｘ４から成る群より選択されている配列で構成されている；標的材料は、粉末床を有している；且つ、粉末床を横切ってレーザーヘッドを移動させ、それにより粉末床を融解させ融合させることのできるｘ－ｙモーションシステムと；融合された層の後ろに追加の粉末層を提供するようにレーザー光源の後ろに位置付けられている粉末送達システムと、を有している；レーザーヘッドを移動させて粉末床の表面より上のレーザーヘッドの高さを増加及び減少させることのできるｚモーションシステムを有している；送達されたレーザービームが正ｘ方向又は負ｘ方向に進む際に当該レーザービームの真後ろに粉末を置くことのできる２方向粉末設置装置を有している；複数のレーザービーム経路と同軸である粉末給送システムを有している；重力粉末給送システムを有している；粉末が不活性ガスの流れに同伴される粉末給送システムを有している；Ｎのレーザービームに対し横断方向の粉末給送システムであって、ここにＮ≧１であり、粉末は重力によりレーザービームの前方に置かれる、粉末給送システムを有している；及び、Ｎのレーザービームに対し横断方向の粉末給送システムであって、ここにＮ≧１であり、粉末はレーザービームに交わる不活性ガスの流れに同伴される、粉末給送システムを有している；のうちの１つ又はそれ以上を有するアドレス指定可能アレイのための方法及びシステムが提供されている。

【0029】

更にまた、高輝度を有する結合青色レーザービームを提供する方法が提供されており、当該方法は、複数のラマン変換式レーザーを動作させて複数の個別青色レーザービームを提供する段階；及び、個別青色レーザービームを結合して、元の光源の空間輝度を維持しながらより高いパワー光源を現出させる段階；を有しており、ここに、複数のレーザービームの個別レーザービームは異なる波長を有している。

【0030】

また、標的材料をレーザー加工する方法が提供されており、当該方法は、目下説明されているシステムの型式の少なくとも３つのレーザーシステムを有するアドレス指定可能アレイレーザー加工システムを動作させて、３つの個別の結合レーザービームを３本の個別の光ファイバーの中へ生成する段階；各結合レーザービームを各自の光ファイバーに沿ってレーザーヘッドへ透過させる段階；及び、レーザーヘッドからの当該３つの個別の結合レーザービームを既定シーケンスで標的材料上の既定位置に方向決めする段階；を有している。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明による実施形態のレーザー性能を示すグラフである。

【図2A】本発明によるレーザーダイオード及び軸集束レンズの概略図である。

【図2B】本発明による、速軸及び遅軸集束の後のレーザーダイオードスポットの或る実施形態の概略図である。

【図2C】本発明によるレーザーダイオード組立体の或る実施形態の予想図である。

【図2D】本発明によるレーザーダイオードモジュールの或る実施形態の予想図である。

【図2E】図２Ｃの実施形態の部分図であり、本発明によるレーザービーム、レーザービーム経路、及びレーザービームの間の空間を示している。

【図2F】図２Ｅのレーザービーム、レーザービーム経路、及びレーザービームの間の空間の断面図である。

【図2G】本発明によるレーザービーム、ビーム経路、及び光学素子の或る実施形態の予想図である。

【図2H】本発明による、パターン化されたミラー後の結合レーザーダイオードビームの図である。

【図2I】本発明による、ビームの均等スプリットを有するビームフォルダ後のレーザーダイオードビームの図である。

【図2J】本発明による、３－２列スプリットを有するビームフォルダ後のレーザーダイオードビームの図である。

【図3】本発明による、レーザーダイオードアレイの或る実施形態の出発又は標的材料上の走査の或る実施形態を描いている概略図である。

【図4】本発明による、加工パラメータを提供している表である。

【図5】本発明によるレーザーアレイシステム及びプロセスの或る実施形態の概略図である。

【図6】本発明によるレーザーアレイシステム及びプロセスの或る実施形態の概略図である。

【図7】本発明によるレーザーアレイシステム及びプロセスの或る実施形態の概略図である。

【図8】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図9】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図10】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図11】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図12】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図13】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図14A】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図14B】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図14C】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図15A】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図15B】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図16A】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図16B】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図16C】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【図16D】本発明によるレーザーアレイシステムの或る実施形態で使用するためのレーザーファイバー束配列の或る実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

概して、本発明は、レーザービームを結合すること、これらの結合を作り出すためのシステム、及び組み合わされたビームを利用するプロセスに関する。特に、本発明は、幾つかのレーザービーム光源からのレーザービームを１つ又はそれ以上の結合レーザービームへと結合するためのアレイ、組立体、及び装置に関する。これらの結合レーザービームは、望ましいことに、個別光源からのレーザービームの維持された、強化された、又は維持され且つ強化された、様々な態様及び特性を有している。

【0033】

本アレイ組立体の実施形態及びそれらが提供する結合レーザービームは、広範な適用可能性を見出すことができる。本アレイ組立体の実施形態はコンパクトで堅牢である。本アレイ組立体は、利用可能性として幾つか例を挙げるなら、溶接、３Ｄ印刷を含む積層造形；積層造形－フライス加工システム、例えば積層除去的製造；天文学；気象学；画像化；娯楽を含む映写；及び歯科を含む医用；に適用可能性を有する。

【0034】

この明細書は青色レーザーダイオードアレイに主眼を置いているが、この実施形態は本発明によって構想されるアレイ組立体、システム、プロセス、及び結合レーザービームの諸型式を例示しているに過ぎないことを理解されたい。而して、本発明の実施形態は、固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー、並びに他の型式のレーザー、及びこれらの結合及び変形型の様な、様々なレーザービーム光源からのレーザービームを結合するためのアレイ組立体を含む。本発明の実施形態は、全波長に亘ってレーザービームを結合すること、例えば、約３８０ｎｍから８００ｎｍまで（例えば可視光線）、約４００ｎｍから約８８０ｎｍまで、約１００ｎｍから４００ｎｍまで、約７００ｎｍから１ｍｍまでの波長、及びこれらの様々な範囲内の特定の波長の結合及び変形型、を有するレーザービームを結合することを含んでいる。本アレイの実施形態は、マイクロ波コヒーレント放射（例えば、約１ｍｍより大きい波長）にも適用可能性を見出すことであろう。本アレイの実施形態は、１つ、２つ、３つ、数十、又は数百のレーザー光源からのビームを結合することができる。これらのレーザービームは、数ミルワットから、数ワット、数キロワットまでを有することができる。

【0035】

本発明の実施形態は、望ましくは高輝度レーザー光源を現出させる構成で組み合わされている青色レーザーダイオードのアレイから成る。この高輝度レーザー光源は、材料を直接的に加工する、即ち、刻印、切削、溶接、ろう付け、熱処理、焼き鈍し、をするのに使用することができるだろう。加工される材料、例えば出発材料又は標的材料は、何れの材料又は成分又は組成物を含んでいてもよく、幾つか例を挙げると、限定するわけではないがＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の様な半導体素子、３Ｄ印刷出発材料、金、銀、プラチナ、アルミニウム、及び銅を含む金属、プラスチック、組織、及び半導体ウェーハ、を含めることができる。直接的な加工には、幾つか例を挙げるなら、例えば、電子機器からの金の融除、映写ディスプレイ、及びレーザー光のショーを含めることができる。

【0036】

本高輝度レーザー光源の実施形態は、また、ラマンレーザー又はアンチストークスレーザーをポンプするのに使用することもできる。ラマン媒質は、ファイバー光学素子であってもよいし、又はダイヤモンド、ＫＧＷ（タングステン酸カリウムガドリニウム、ＫＧｄ（Ｗ０４)２）、ＹＶＯ４、及びＢａ（ＮＯ３）２の様な結晶であってもよい。或る実施形態では、高輝度レーザー光源は青色レーザーダイオード光源であって、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲で動作する半導体デバイスである。ラマン媒質は、輝度変換器であり、青色レーザーダイオード光源の輝度を増加させることができる。輝度強化は単一モードの回折制限された光源を現出させるまでに及び、即ち、ビームは、約１及び１．５のＭ２値を有することになり、ビームパラメータ積は、波長に依存して１ｍｍ-ｍｒａｄ未満、０．７ｍｍ-ｍｒａｄ未満、０．５ｍｍ-ｍｒａｄ未満、０．２ｍｍ-ｍｒａｄ未満、及び０．１３ｍｍ-ｍｒａｄ未満となる。

【0037】

或る実施形態では、「ｎ」又は「Ｎ」（例えば、２つ、３つ、４つなど、数十、数百、又はそれ以上）のレーザーダイオード光源を光ファイバーの束に構成することができ、そうすれば、レーザー動作及び処置手順の２～３の例として、材料の刻印、融解、溶接、融除、焼き鈍し、熱処理、切削、及びこれらの結合及び変形型、を行うのに使用することのできるアドレス指定可能な光源が可能になる。

【0038】

青色レーザーダイオードのアレイを光学組立体と組み合わせ、高輝度結合レーザービームを提供することのできる高輝度ダイレクトダイオードレーザーシステムを現出させることもできる。図１は、２００ワットでの８ｍｍ－ｍｒａｄから４０００ワットでの４５ｍｍ－ｍｒａｄの範囲に及ぶ輝度を有するファイバーコンバイナ技法を使用した場合のビームパラメータ積の範囲の実施形態のレーザー性能（ビームパラメータ積対レーザーパワーＷ（ワット））についての表１００を示している。線１０１は、レーザーダイオードアレイの或る実施形態についての性能を描いている。線１０２は、稠密波長ビーム結合アレイの性能を描いている。線１０３は、ファイバーコンバイナ技法を使用してスケールした場合の輝度変換技術の性能を描いている。線１０４は、輝度変換器の出力の稠密波長結合を使用した場合の輝度変換技術の性能を描いている。これは、パワーレベルがスケールされた際に、結合ビームが単一空間モード又はほぼ単一空間モードに留まれるようにする。稠密波長を結合する段階は、回折格子を使用して各個々の輝度変換式レーザーの波長を制御し、続いて回折格子によってそれらビームを単一ビームへ結合する。回折格子は、刻線回折格子、ホログラフィック回折格子、ファイバーブラッグ回折格子（ＦＢＧ）、又は体積ブラッグ回折格子（ＶＢＧ）とすることができる。更に、好適な実施形態は回折格子を使用するものとされてはいるが、プリズムを使用することも実現可能である。

【0039】

図２Ａは、レーザービームをレーザービーム経路に沿って速軸コリメートレンズ２０１（ＦＡＣ）へ伝幡させているレーザーダイオード２００の概略図である。速軸パワーを捕捉し、輝度を維持し且つ光学チェーンへ至るビームの結合を可能にさせる的確な高さを有する回折制限されたビームを速軸に現出させるために、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの、又は４ｍｍもの円筒形非球面レンズが使用されている。コリメートレンズ２０２は、レーザーダイオードの遅軸（発散角度がより小さい軸、典型的にはｘ軸）のコリメート用である。１５ｍｍ、１６ｍｍ、１７ｍｍ、１８ｍｍ、又は２１ｍｍの焦点距離の円筒形非球面レンズが、遅軸パワーを捕捉し、レーザー光源の輝度を維持するように遅軸をコリメートする。遅軸コリメータの焦点距離は、光学システムによって目標ファイバー直径にされるレーザービームレットの最適化された結合をもたらす。アレイの好適な実施形態では、遅軸コリメートレンズと速軸コリメートレンズはどちらも各レーザービーム経路に沿って配置されていて、個別レーザービームを成形するのに使用されている。

【0040】

図２Ｂは、レーザーダイオードからのレーザービームが速軸集束レンズ及び遅軸集束レンズの両方を通過することによって形成されたレーザービームスポット２０３の概略図である。このシミュレーションは、光源の完全開口を横切る光源の最大発散を勘案している。方形、矩形、円形、楕円形、線形、及び、これら及び他の形状の結合及び変形型の様な、多くの異なる形状のレーザービームスポットを現出させることができるものと理解している。例えば、結合レーザービームは、青色レーザー光を用いて、１００ｍｍの焦点距離のレンズ、０．１８のＮＡで、１００μｍのスポットサイズへ集束されたスポット２０３を現出させる。

【0041】

図２Ｃ及び図２Ｄを見ると、レーザーダイオード部分組立体２１０（例えば、ダイオードモジュール、バー、プレート、マルチダイパッケージ）及び４つのレーザーダイオード組立体２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを有するレーザーダイオードモジュール２２０の実施形態が示されている。

【0042】

図２Ｅには、レーザービーム２５０ａ、２５１ａ、２５２ａの一部の各自のレーザービーム経路２５０、２５１、２５２に沿った部分を示す詳細図が示されている。図２Ｆは、図２Ｅのレーザービームの断面図であり、開放空間の水平方向２６０及び垂直方向２６１（図の向きに基づく）を示している。ビーム結合光学素子は、最終スポット２０３（図２Ｂ）での開放空間、例えば２６０、２６１を排除するようにこれらビームを一緒に近づける。

【0043】

レーザーダイオードモジュール２２０は、結合レーザービームを発生させることができ、望ましくは図１の曲線１０１の性能を有する結合青色レーザービームを発生させることができる。レーザーダイオード組立体２１０は、熱伝導性材料例えば銅であるベースプレート２１１を有しており、ベースプレートは、ダイオード例えば２１３へ電気パワーを提供するために進入するパワーリード（一例としてワイヤ）例えば２１２を有している。このマルチダイパッケージの実施形態では、２０のレーザーダイオード例えば２１３がカバープレートの後ろに５ｘ４構成で配列されている。組立体内にｎｘｎのダイオードを提供するのに他の構成、例えば、４ｘ４、４ｘ６、５ｘ６、１０ｘ２０、３０ｘ５、及び今日開発中の構成など、及びこれらの組み合せ及び変形型も構想される。各ダイオードは、複数の行例えば２１６を横切って単一の遅軸コリメート（ＳＡＣ）レンズを使用する場合に、遅軸例えば２１４でのビームの位置を平行移動させるための平面平行板を有していてもよい。好適実施形態がそうであるように各レーザーダイオードのために個別遅軸レンズを使用している場合には、平面平行板は必要でない。組立体のプロセスの結果として、レーザービーム経路が個別レーザーダイオードの各々から伝幡してゆく際に、平面平行板が遅軸でのレーザービーム経路の位置を補正する。各レーザーダイオードのために個別ＦＡＣ／ＳＡＣレンズ対が使用されている場合は平面平行板は不要である。ＳＡＣ位置はパッケージ内の何らかの組立体誤差を補償する。これらの手法の両方の結果は、個別レンズ対（ＦＡＣ／ＳＡＣ）を使用している場合か又は個別ＦＡＣ／平面平行板の後に共用ＳＡＣレンズを使用している場合に、ビームレットを整列させて平行にする、というものであり、平行で離間されたレーザービーム例えば２５１ａ、２５２ａ、２５０ａ及びビーム経路例えば２５１、２５２、２５０がもたらされる。

【0044】

レーザーダイオード部分組立体、例えば２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの各々からの合成ビームは、４つのレーザーダイオード部分組立体からのビームを向け直して図２Ｇに示されている様に単一のビームへ結合するのに使用されるパターン化されたミラー例えば２２５へ伝搬する。４行のコリメートレーザーダイオードが他の３つのパッケージの４行と組み合わされ（ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ）、複合（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）ビームを現出させる。図２Ｈは、レーザー部分組立体２１０からのビーム例えば２３０の位置を示している。開口絞り２３５が、結合ビームレットからの何らかの不要な散乱光を削ぎ取り、ファイバー入力面への熱負荷を軽減する。偏光ビーム折り重ね組立体２２７が、ビームを遅軸で半分に折り重ねて、合成レーザーダイオードビームの輝度を二倍化する（図２Ｉ）。ビームは、どちらかのやり方として、中央の中央エミッタをスプリットすることによって折り重ねられて図２１に示されているパターンがもたらされるようにしてもよく、その場合、ビーム２３１は偏光による遅軸方向への２つのビームレットの重なりであり、ビーム２３２は何れの他のエミッタにも重ならないスプリットビームレットである。ビームが第２ビームレットと第３ビームレットの間でスプリットされる場合（図２Ｊ）、ビーム折り重ね部は更に効率的であり、ビーム例えば２３３の列の２つが重ね合わされ、一方でビームの第３列例えば２３４は単にそのまま通過してゆく。テレスコープ組立体２２８は、結合ビームの遅軸を拡張するか又は速軸を圧縮してより小さいレンズの使用を可能にする。この実施例（図２Ｇ）に示されているテレスコープ２２８は、ビームを２．６倍の倍率で拡張し、そのサイズを１１ｍｍから２８．６ｍｍに増加させ、尚且つ同じ２．６倍の倍率で遅軸の発散を縮小させている。テレスコープ組立体が速軸を圧縮するのであれば、その場合、それは速軸を２２ｍｍの高さ（総合成ビーム）から１１ｍｍの高さに引き下げて１１ｍｍｘ１１ｍｍの合成ビームを与える２倍テレスコープということになる。これは、低コスト故に好適な実施形態である。非球面レンズ２２９は、合成ビームを、少なくとも５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、又は２００μｍの直径の光ファイバー２４５（図２Ｄ）の中へ集束させる。多重レーザーダイオードモジュール２２０のファイバー出力は、ファイバーコンバイナを用いて組み合わされて、図１（線１０１）による更に高い出力パワーレベルのレーザーを発生させる。レーザーダイオードモジュールは、非球面レンズ２２９とファイバーコンバイナ２４０が剪断ミラーのセットで置き換えられ、当該剪断ミラーが次いで非球面レンズへ結合し、合成ビームを光ファイバーの端の中へ射出させる、という光学的組み合わせ方法を使用して組み合わされる。このやり方では、１つ、２つ、３つ、数十、及び数百のレーザーダイオードモジュールを光学的に関連付け、それら各自のレーザービームを結合することができる。このやり方で、結合レーザービームそれ自体を更に又は積層に結合して、多重結合レーザービームを形成させることもできる。

【0045】

図２Ｃ及び図２Ｄの実施形態では、構成は、例えば２００ワットに上るレーザービームパワーを単一の５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、又は２００μｍのコアの光ファイバーの中へ射出することを実現可能にしている。図２Ｃ及び図２Ｄの実施形態は、５０ワットの個別ダイオード組立体例えば５０ワットモジュールを４つまで使用する２００Ｗダイオードアレイ組立体例えば２００Ｗの結合モジュールを作り出すための典型的な構成要素を示している。

【0046】

複数の構成、パワー、及び結合ビーム数が実現可能であるものと理解している。図２Ｃ及び図２Ｄの実施形態は、パワー供給からレーザーダイオードへの電気接続を最小限にする。

【0047】

而して、個別モジュール、組み合わせモジュール、及びそれら両方は、単一の結合レーザービームを提供するように構成されることもできれば、複数の結合レーザービーム、例えば２、３、４、数十、数百、又はそれ以上の結合レーザービームを提供するように構成されることもできる。これらのレーザービームは、それぞれ、単一ファイバーに射出されてもよいし、又はそれらはより少数のファイバーの中へ射出されるように更に組み合わされてもよい。従って、例示として、１２の結合レーザービームを１２本のファイバーの中へ射出させることもできるし、１２のビームを組み合わせ、１２本より少ないファイバー例えば１０本、８本、６本、４本、又は３本のファイバーの中へ射出させることもできる。この結合する段階は、個別ファイバーの間でのパワー分配の釣り合いを図るか又は不釣り合いを図るために異なるパワーのビームとすることができ、また、異なる波長又は同じ波長を有するビームとすることができるものと理解されたい。

【0048】

或る実施形態では、レーザーダイオードのアレイの輝度は、各アレイを異なる波長で動作させ、次いでそれらを回折格子か又は一連の狭帯域ダイクロイックフィルタを用いて結合することによって、改善することができる。この技術の輝度スケーリングは図１には直線に近い線１０２として示されている。出発点は、単一モジュールによって実現され得るものと同じ輝度であり、各モジュールが先のモジュールに線形様式で空間的に重ね合わされることから、ファイバー直径は変わらないが、射出されるパワーは、実際に、波長ビーム結合モジュールからのより高い輝度をもたらす。

【0049】

或る実施形態では、青色レーザーダイオードのアレイを、輝度変換器の助けを借りてほぼ単一モード又は単一モードの出力へ変換することができる。輝度変換器は、光ファイバー、結晶、又はガスとすることができる。変換プロセスは、青色レーザーダイオードのアレイからの出力を、共振器キャビティを用いて、光ファイバー、結晶、又はガスの中へ射出させることによって実現される誘導ラマン散乱を介して進行する。青色レーザーダイオードのパワーは誘導ラマン散乱を介して利得へ変換され、レーザー共振器はポンプ波長からストークスシフトだけオフセットされている第１ストークスラマン線上で発振する。例えば、米国特許出願第１４／７８７，３９３号の明細書の図３及び関連付けられる開示に示されている実施形態は、国際公開第２０１４／１７９３４５号に基づくものであって、その開示全体をここに参考文献として援用する。この技術の性能の特徴は図１の線１０３に示されており、ファイバーコンバイナを使用して複数の高輝度レーザービームを結合する場合に、輝度は、２００Ｗレーザーについては０．３ｍｍ－ｍｒａｄにてにて始り、４０００Ｗレーザーについては２ｍｍ－ｍｒａｄとなる。

【0050】

青色レーザー光源の輝度は、輝度変換された光源の出力を結合することによって更に高めることができる。この型式の実施形態の性能は図１の線１０４によって示されている。ここでは輝度は出発モジュールによって０．３ｍｍ－ｍｒａｄに画定されている。ラマン線の利得－帯域幅はレーザーダイオードのそれより実質的に広く、従ってレーザーダイオード技術単独の場合より多くのレーザーを、波長を介して結合することができる。結果は、２００Ｗのレーザーと同じ０．３ｍｍ－ｍｒａｄを有する４ｋＷレーザーである。これは、図１に平坦な線１０４によって示されている。

【0051】

本明細書に記載されている本発明の技術は、溶接から、切削、ろう付け、熱処理、彫刻、成形、形成、接合、焼き鈍し、及び融除、並びにこれら及び様々な他の材料加工動作の組み合わせに及ぶ広い範囲の用途のためのレーザーシステムを構成するのに使用することができる。好適なレーザー光源は相対的に高輝度であるが、本発明は、より低い輝度要件に合致するシステムを構成する能力も提供する。また、これらのレーザーの群を長いラインへと結合することができ、それを使用すれば、例えば、フラットパネルディスプレイのＴＦＴの様な広い面積の半導体デバイスを焼き鈍す場合の様に、標的材料のより広い面積へレーザー動作を実行することができるようになる。

【0052】

レーザーダイオード、レーザーダイオードアレイ、波長結合式レーザーダイオードアレイ、輝度変換式レーザーダイオードアレイ、及び波長結合式レーザーダイオードアレイのどれかの出力を使用して、独自の個別にアドレス指定可能な印刷機械を創出することもできる。各モジュールからのレーザーパワーはプラスチックの他に金属粉末も融解及び融合させるのに十分であるので、これらの光源は、積層造形用途はもとより積層－除去的製造用途（即ち、本レーザーの積層造形システムを、ＣＮＣ機械又は他の型式のフライス加工機械並びにレーザー除去又は融除の様な伝統的除去製造技術と組み合わせる）にとっても理想的である。本システム及びレーザー構成は、小スポットサイズ、精密さ、及び他の因子を提供することのできる能力を有しているので、ミクロ及びナノスケールの積層的、除去的、及び積層－除去的製造技術にも用途を見出すことができるだろう。個別に接続されているレーザーのアレイを粉末表面へ結像させれば、単一の走査式レーザー光源のｎ倍の速さでオブジェクトを作成することができる。速さは、ｎスポットの各々についてより高いパワーのレーザーを使用することによって更に高めることができる。輝度変換式レーザーを使用した場合、ほぼ回折制限されたスポットをｎスポットの各々について実現することができ、その結果、青色高輝度レーザー光源を用いて形成される個別スポットのサブミクロン性質のおかげで、より高い解像度の部品を作成することが実現可能になる。本構成及びシステムのこのより小さいスポットサイズは、先行技術の３Ｄ印刷技術に比べ、加工速度及び印刷プロセスの解像度における実質的改善をもたらす。本システムの実施形態が可搬式粉末給送装置と組み合わされれば、先行技術の積層造形機械の印刷速度の１００倍を超える速さで層を次々と継続的に印刷することができる。位置決め装置がレーザー融合スポットの直後ろで正又は負の方向のどちらかに動いてゆく際にシステムが粉末を堆積させられるようにする（例えば、図５、粉末装置５０８、粉末装置５０８ｂ）ことによって、システムは次層にとって必要な粉末を塗布する又は水平にするのに停止する必要無しに継続的に印刷することができる。

【0053】

図３を見ると、２列の段違いのスポット例えばスポット３０３ａと例えばスポット３０３ｂを有するレーザーシステムの場合のレーザープロセスの概略図が示されている。レーザースポット例えば３０３ａ、３０３ｂは、標的材料を横切って矢印３０１の方向に動かされ、例えば走査される。標的材料が粉末形態３０２であるとして、すると材料はレーザースポット３０４によって融解され、次いで転移線３０５にほぼ沿って固化して融合材料３０６としての形になる。ビームのパワー、ビームの照射時間、運動速度、及びこれらの組合せは、融解転移線３０５の既定形状をもたらす既定の方式で変えることができる。ビームを段違いにさせることのできる距離は、ファイバー及びそれらの光学構成要素を保持するのに要求される固定具によって必要とされる通りに、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ離間させることができる。段違いは、更に、設定された段違いの段サイズで単調的に増加及び減少する位置であってもよいし、又は可変段サイズで増加及び減少する位置であってもよい。正確な速度という利点は製造される部品の標的材料及び構成に依存するであろう。

【0054】

図４は、図５－図７で２０ビームシステムについて描かれている様なレーザーシステム及び構成の実施形態について実現され得る性能を要約しており、速度は、追加のビームがシステムへ加えられる毎に増加する。

【0055】

図５を見ると、アドレス指定可能レーザー送達構成を有するレーザーシステムの或る実施形態の概略図が提供されている。システムはアドレス指定可能レーザーダイオードシステム５０１を有している。システム５０１は、アドレス指定可能レーザービームを複数のファイバー５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃへ独立に提供する（より大きい数又はより小さい数のファイバー及びレーザービームも構想される）。ファイバー５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃは、保護管５０３又はカバーに収容されるファイバー束５０４へ組み合わされている。ファイバー束５０４のファイバー５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃは、一体に融合されて印刷ヘッド５０５を形成しており、印刷ヘッド５０５は、レーザービームをビーム経路に沿って集束させ標的材料５０７へ方向決めする光学素子組立体５０６を含んでいる。印刷ヘッド及び粉末ホッパは、印刷ヘッドが５１０に従って正方向に動くのと共に一体に動く。追加の材料５０９が、印刷ヘッド又はホッパの通過の度に融合材料５０７の上に置かれてゆく。印刷ヘッドは、二方向性であり、印刷ヘッドが動く際に材料を両方向に融合させてゆき、従って粉末ホッパは印刷ヘッドの後ろで動作してレーザー印刷ヘッドの次の通過時に融合されることになる積層材料を提供する。

【0056】

「アドレス指定可能アレイ」とは、パワー；照射の持続時間；照射のシーケンス；照射の位置；ビームのパワー；ビームスポットの形状、並びに焦点距離、例えばｚ方向の浸透深度；のうちの１つ又はそれ以上を、独立に変更、制御、及び予め既定できること、又は、各ファイバーの各レーザービームに、標的材料から高精密最終製品（例えば造形材料）を現出させることのできる精密で既定された送達パターンを提供させることができること、を意味する。アドレス指定可能アレイの実施形態は、更に、個別ビーム及びそれらのビームによって現出されるレーザースポットに、焼き鈍し、融除、及び融解の様な、可変、既定、及び精密なレーザー動作を実行させる能力を有することができる。

【0057】

図６を見ると、アドレス指定可能レーザー送達構成を有するレーザーシステムの或る実施形態の概略図が提供されている。レーザーシステムは、レーザーダイオードアレイシステム、輝度変換式システム、又は高パワーファイバーレーザーシステムとすることができる。本システムは、アドレス指定可能レーザーシステム６０１を有している。本システム６０１は、アドレス指定可能レーザービームを複数のファイバー６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃへ独立に提供する（より大きい数又はより小さい数のファイバー及びレーザービームも構想される）。ファイバー６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃは、保護管６０３又はカバーに収容されるファイバー束６０４へと組み合わされている。ファイバー束６０４のファイバー６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃは、一体に融合されて印刷ヘッド６０５を形成しており、印刷ヘッド６０５は、レーザービームをビーム経路に沿って集束させ標的材料６０７へ方向決めする光学素子組立体６０６を含んでいる。標的材料６０７は焼き鈍されて焼き鈍し材料６０９を形成することができる。レーザーヘッドの運動方向は矢印６１０で示されている。

【0058】

図７を見ると、アドレス指定可能レーザー送達構成を有するレーザーシステムの或る実施形態の概略図が提供されている。システムはアドレス指定可能レーザーダイオードシステム７０１を有している。システム７０１は、アドレス指定可能レーザービームを複数のファイバー７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃへ独立に提供する（より大きい数又はより小さい数のファイバー及びレーザービームも構想される）。ファイバー７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃは、保護管７０３又はカバーに収容されるファイバー束７０４へと組み合わされている。ファイバー束７０４のファイバー７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃは、一体に融合されて印刷ヘッド部粉末分配ヘッド７２０を形成している。粉末分配ヘッド７２０は、粉末をレーザービームと同軸に又はレーザービームを横断する向きに送達させることができる。粉末分配ヘッド７２０が追加材料の層７０９を提供すると、当該層は標的材料７０７へ及び標的材料の上に融合される。レーザーヘッドの運動方向は矢印７１０で示されている。

【0059】

図８は、一体に融合されていて図５－図７に示されているシステムの様なシステムのレーザーヘッド内に使用されるファイバー例えば８０１の束８００の構成を示している。当該構成はファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、単一の線形行に５本のファイバーがある１ｘ５線形構成である。ファイバーの１ｘｎ線形行は、究極的なレーザー印刷ヘッドであり、ここにｎは印刷される製品の物理的広がりに依存する。

【0060】

図９は、一体に融合されていて図５－図８に示されているシステムの様なシステムのレーザーヘッド内に使用されるファイバー例えば９０１の束９００の構成を示している。当該構成は、ファイバーの２つの線形行９０２、９０３を段違いにして菱形配列に配して有している。ファイバーは、ファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、各行５本のファイバーから成る線形行が２つある２ｘ５線形構成である。

【0061】

図１０は、一体に融合されていて図５－図８に示されているシステムの様なシステムのヘッド内に使用されるファイバー例えば１００１の束（１０００）の構成を示している。当該構成は、ファイバーの３つの線形行１００２、１００３、１００４を段違いにして菱形配列に配して有している。ファイバーは、ファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、各行５本のファイバーから成る線形行が３つある３ｘ５線形構成である。

【0062】

図１１は、一体に融合されていて図５－図８に示されているシステムの様なシステムのヘッド内に使用されるファイバー例えば１１０１の束１１００の構成を示している。当該構成は、ファイバーの３つの線形行１１０２、１１０３、１１０４を段違いにして三角形配列に配して有している。ファイバーは、ファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、各行５本のファイバーから成る線形行が３つある３ｘ５線形構成である。

【0063】

図１２は、一体に融合されていて図５－図８に示されているシステムの様なシステムのヘッド内に使用されるファイバー例えば１２０１の束１２００の構成を示している。当該構成は、ファイバーの４つの線形行１２０２、１２０３、１２０４、１２０５を段違いにせず方形配列に配して有している。ファイバーは、ファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、各行４本のファイバーから成る線形行が４つある４ｘ４線形構成である。

【0064】

図１３は、一体に融合されていて図５－図８に示されているシステムの様なシステムのヘッド内に使用されるファイバー例えば１３０１の束１３００の構成を示している。当該構成は、ファイバーの５つの線形行１３０２を有している。ファイバーは段違いにはなっておらず、方形配列に配されている。ファイバーは、ファイバー配列と同様の構成のレーザースポットを送達することになる。この実施形態では、各行４本のファイバーから成る線形行が５つある５ｘ４線形構成である。

【0065】

図１４Ａは、円形構成で配列された５本（ｎ＝５）のファイバー例えば１４０１ａから成る束１４０１の構成を示している。

【0066】

図１４Ｂは、円形構成で配列されたファイバー例えば１４０２ａと円の中心に位置するファイバー１４０２ｂの９本（ｎ＝９）のファイバーから成る束１４０２の構成を示している。中心のファイバー１４０２ｂは、媒質又は保持装置によってその場に保持されるか又は他のやり方で融合されることになろう。

【0067】

図１４Ｃは、内側の円のファイバー１４０５と中心のファイバー１４０３ｂとを有する１９本（ｎ＝１９）のファイバー例えば１４０３ａから成る束１４０３の構成を示している。

【0068】

図１５Ａは、三角形の空間のある六角形配列を有している７本（ｎ＝７）のファイバー例えば１５０１ａから成る束１５０１を示している。

【0069】

図１５Ｂは、三角形の空間のある六角形配列を有している１９本（ｎ＝１９）のファイバー例えば１５０２ａから成る束１５０２を示している。

【0070】

図１６Ａ、図１６Ｂ、及び図１６Ｃは、任意の幾何学配列に配されたファイバー束の諸構成を示している。これらの構成は、構成内のファイバーの密度の様々なレベルを提供している。図１６Ａは、４分の１円構成のファイバー例えば１６０１ａのｎ＝１６本の束１６０１である。図１６Ｂは、方形構成のファイバー例えば１６０２ｂのｎ＝８本の束１６０２である。図１６Ｃは、三角形構成のファイバー例えば１６０４ａのｎ＝６本の束１６０４である。図１６Ｄは、半円形構成のファイバー例えば１６０３ａのｎ＝９本の束１６０３である。

【0071】

次の実施例は、本発明のレーザーアレイ、システム、装置、及び方法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0072】

実施例１
ファーフィールドに単一スポットを形成するように空間的に結合され、工作片への送達のために耐ソラリゼーション光ファイバーの中へ結合させることのできるように青色レーザーダイオードのアレイ。

【実施例0073】

実施例２
実施例１に記載されている青色レーザーダイオードのアレイであって、レーザービームの有効輝度を増加させるように結合された偏光ビームである青色レーザーダイオードのアレイ。