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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-12
(45)【発行日】2023-06-20
(54)【発明の名称】光ファイバ曲げメカニズム
(51)【国際特許分類】
G02B 6/028 20060101AFI20230613BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20230613BHJP
G02B 6/00 20060101ALI20230613BHJP
【ＦＩ】
G02B6/028
G02B6/02 411
G02B6/00 Z
【請求項の数】
34
(21)【出願番号】P 2019565380
(86)(22)【出願日】2018-03-28
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-07-27
(86)【国際出願番号】 US2018024904
(87)【国際公開番号】W WO2018217298
(87)【国際公開日】2018-11-29
【審査請求日】2021-03-12
(31)【優先権主張番号】15/607,411
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/607,399
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/607,410
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】PCT/US2017/034848
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518055899
【氏名又は名称】エヌライト，インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100173565
【弁理士】
【氏名又は名称】末松 亮太
(72)【発明者】
【氏名】クライナー，ダブ・エイ．ブイ
(72)【発明者】
【氏名】ファロー，ロジャー
【審査官】百瀬 正之
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－２９５１３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１０１３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】独国特許発明第０４２００５８７（ＤＥ，Ｃ１）
【文献】特表２００９－５２３９０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０３６６９５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１０－５３４３５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５０６８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／００７３８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－２２８２７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２０１５５８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／００－６／１０
Ｇ０２Ｂ ６／２４５－６／２５
Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／５４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
機器であって、入力光ビームを受けるように位置付けられた第１ファイバであって、第１屈折率分布を有する、第１ファイバと、
ファイバ整形面であって、少なくとも前記第１ファイバの一区間が付勢されて当該ファイバ整形面に一致するように位置付けられた、ファイバ整形面と、
前記ファイバ整形面に一致するように付勢される前記第１ファイバの区間の長さを選択する、または前記入力光ビームに摂動を起こし修正光ビームを生成するための前記ファイバ整形面の湾曲を選択するように位置付けられた曲げコントローラと、
前記第１ファイバに結合され、前記修正光ビームを受けるように位置付けられた第２ファイバであって、前記修正光ビームの少なくとも１つのビーム特性を維持するように選択された第２屈折率分布を有し、前記第２屈折率分布が、前記第１屈折率分布とは異なり、少なくとも２つのコアを定める、第２ファイバと、
を備える、機器。
【請求項2】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が柔軟面である、機器。
【請求項3】
請求項２記載の機器において、前記ファイバ整形面が、柔軟板の主面である、機器。
【請求項4】
請求項３記載の機器において、前記柔軟板がイオン性ポリマー複合体を含む、機器。
【請求項5】
請求項４記載の機器において、前記柔軟板が、第１主面と第２主面とを含み、更に、第１電極と第２電極とを備え、前記イオン性ポリマーの少なくとも一部が前記第１電極と前記第２電極との間に位置付けられるように、前記第１電極および前記第２電極が位置付けられる、機器。
【請求項6】
請求項５記載の機器において、前記第１電極および前記第２電極が、前記第１主面および前記第２主面を実質的に覆う導電層である、機器。
【請求項7】
請求項６記載の機器において、前記曲げコントローラが電圧源である、機器。
【請求項8】
請求項７記載の機器であって、更に、前記イオン性ポリマー付近に位置付けられた第２組の電極と、
前記柔軟板の変形を検出するために前記第２組の電極に結合されたセンサと、
を備え、前記曲げコントローラが前記センサに結合され、前記センサによって検出される電圧に基づいて、前記イオン性ポリマーに印加される電圧を確定する、機器。
【請求項9】
請求項２記載の機器において、前記第１ファイバが、前記ファイバ整形面の湾曲の方向に沿って延びるように位置付けられる、機器。
【請求項10】
請求項２記載の機器において、前記第１ファイバが、１つ以上の延長ループを含み、前記ファイバ整形面に一致する前記ファイバの前記区間が、前記ファイバ整形面の湾曲の方向に延びるように位置付けられた、前記ループの１つ以上の部分を含む、機器。
【請求項11】
請求項３記載の機器であって、更に、前記柔軟板に結合され、前記ファイバ整形面の湾曲を変化させる変位部材を備える、機器。
【請求項12】
請求項１１記載の機器において、前記変位部材が、前記柔軟板に押し付けるように結合される、機器。
【請求項13】
請求項１１記載の機器であって、更に、前記変位部材に結合された圧電アクチュエータを備え、前記変位部材が、前記柔軟板を引っ張るように結合される、機器。
【請求項14】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が複数のファイバ整形面を含み、前記複数のファイバ整形面の内少なくとも２つが異なる面曲率を有し、少なくとも前記第１ファイバの区間が付勢されて少なくとも２つのそれぞれのファイバ整形面に一致するように、前記複数のファイバ整形面の各々が位置付けられ、前記曲げコントローラが、前記複数のファイバ整形面の内対応するファイバ整形面に一致するように付勢される少なくとも前記第１ファイバの前記区間の長さを選択するように位置付けられる、機器。
【請求項15】
請求項１１記載の機器において、前記柔軟板が、前記ファイバ整形面の湾曲の方向に沿って、それぞれの端部において固定される、機器。
【請求項16】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が固定の湾曲を有する、機器。
【請求項17】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が、円環の表面、または円環の一区間の表面である、機器。
【請求項18】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が円筒の外面である、機器。
【請求項19】
請求項１８記載の機器において、前記円筒が直円柱である、機器。
【請求項20】
請求項１６記載の機器において、前記曲げコントローラが、前記ファイバ整形面に一致する前記第１ファイバの区間の長さを変化させるように位置付けられる、機器。
【請求項21】
請求項２記載の機器であって、更に、前記柔軟面に関して摺動可能に固定されたガイドを備え、前記ファイバ整形面に一致するように付勢される前記第１ファイバの前記区間の長さが、前記ファイバ整形面に沿った前記ガイドの移動に応答して、可変となるように、前記ガイドが前記第１ファイバを係合するように位置付けられる、機器。
【請求項22】
請求項２１記載の機器において、前記ガイドが、前記第１ファイバを係合する溝を含む、機器。
【請求項23】
請求項２１記載の機器において、前記ファイバ整形面に一致する前記第１ファイバの前記区間の長さが、前記ファイバ整形面によって定められる円周よりも大きくなるように、前記ガイドが摺動可能である、機器。
【請求項24】
請求項２１記載の機器であって、更に、回転軸に回転可能に固定され、前記軸を中心とする前記ガイドの回転が、前記ファイバ整形面に沿って前記ガイドを付勢するように、前記ガイドに固定された接続部材を備える、機器。
【請求項25】
請求項２４記載の機器において、前記ファイバ整形面が、複数の円曲線を含む複合曲線を有し、前記回転軸が、前記複数の円曲線の内１つの湾曲中心に対応する、機器。
【請求項26】
請求項１記載の機器において、前記ファイバ整形面が、マンドレル面の一部によって定められ、前記曲げコントローラが、前記長さの第１ファイバを前記マンドレル面の一部に向けて付勢するように位置付けられたジョーを備える、機器。
【請求項27】
請求項２６記載の機器において、前記長さの第１ファイバが、前記マンドレルの周囲に位置付けられたループの少なくとも一部を形成する、機器。
【請求項28】
請求項２７記載の機器において、前記曲げコントローラが、前記マンドレルを前記長さの第１ファイバに向けて付勢するように位置付けられたステージを含む、機器。
【請求項29】
請求項２８記載の機器において、前記第１ファイバおよび前記第２ファイバが、前記ループの少なくとも前記一部を形成し、更に、前記第１ファイバおよび前記第２ファイバを結合するスプライスを備え、前記ジョーが、前記長さの第１ファイバ、前記第２ファイバの一部、および前記スプライスを、前記マンドレル面の前記一部に向けて付勢するように位置付けられる、機器。
【請求項30】
請求項２９記載の機器において、前記ジョーが、前記ステージの変位軸に関して対向して位置付けられた第１ジョーおよび第２ジョーを含み、前記第１ジョーおよび前記第２ジョーが、それぞれのジョー面を前記マンドレル面に向けて付勢するように各々位置付けられた第１弾性部材および第２弾性部材に結合される、機器。
【請求項31】
請求項３０記載の機器において、前記ファイバ整形面に一致するように付勢される前記第１ファイバの前記区間と、前記ファイバ整形面に一致するように付勢される前記第２ファイバの区間と、前記ファイバ整形面、前記第１ジョー、または前記第２ジョーのいずれとも接触しない前記ループの少なくとも一部の湾曲とを選択するように、前記曲げコントローラが、前記マンドレルを前記第１ジョー面および前記第２ジョー面に向けて付勢するように構成される、機器。
【請求項32】
機器であって、入力光ビームを受けるように位置付けられた第１ファイバであって、第１屈折率分布を有する、第１ファイバと、
前記入力光ビームに摂動を起こし、修正光ビームを生成するために、前記第１ファイバの少なくとも一区間の曲げを選択するように位置付けられた曲げコントローラと、
前記第１ファイバに結合され、前記修正光ビームを受けるように位置付けられた第２ファイバであって、前記修正光ビームの少なくとも１つのビーム特性を維持するように選択された第２屈折率分布を有し、前記第２屈折率分布が、前記第１屈折率分布とは異なり、少なくとも２つのコアを定める、第２ファイバと、
を備える、機器。
【請求項33】
請求項３２記載の機器において、前記第１ファイバの前記区間が、ファイバ支持体から延びる、機器。
【請求項34】
請求項３２記載の機器において、前記第１ファイバの前記区間が、第１ファイバ支持体と第２ファイバ支持体との間に位置付けられる、機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本願は、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，３９９号、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１０号、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１１号、および２０１７年５月２６日に出願された特許協力機構出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３４８４８号の一部継続出願である。これらの全ては、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の権利を主張する。これらの出願をここで引用したことにより、これら全ての開示内容全体が本願にも含まれるものとする。
本願は、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，３９９号、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１０号、２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１１号、および２０１７年５月２６日に出願された特許協力機構出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３４８４８号の一部継続出願である。これらの全ては、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の権利を主張する。これらの出願をここで引用したことにより、これら全ての開示内容全体が本願にも含まれるものとする。
【0002】
分野
本開示は、光ファイバにおけるビーム整形に関する。
本開示は、光ファイバにおけるビーム整形に関する。
【従来技術】
【0003】
高パワー・ファイバ結合レーザの使用は、材料処理、切断、溶接、および／または付加製造のような種々の用途において好評を博し続けている。これらのレーザには、例えば、ファイバ・レーザ、ディスク・レーザ、ダイオード・レーザ、ダイオード励起固体レーザ、およびランプ励起固体レーザが含まれる。これらのシステムでは、光パワーがレーザから作業片に光ファイバを通じて伝送される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
種々のファイバ結合レーザ材料処理作業では、異なるビーム特性（例えば、空間プロファイルおよび／または発散プロファイル）が要求される。例えば、厚い金属を切断し溶接するには、通常、薄い金属を切断するよりも大きなスポット・サイズが必要となる。理想的なのは、これらの異なる作業に対して最適化された処理を可能にするように、レーザ・ビーム・プロパティが調節可能であることであろう。従来では、ユーザは次の２つの選択肢を有する。（１）異なる作業に使用することができるがこれらの殆どに対して最適でない固定ビーム特性を有するレーザ・システムを採用する（即ち、性能と柔軟性との間の妥協）、または、（２）可変ビーム特性を提供するが、著しいコスト、サイズ、重量、複雑さ、およびおそらくは性能低下（例えば、光損失）または信頼性低下（例えば、ロバスト性低下または稼働時間の短縮）が加わるレーザ・システムあるいは付属品を購入する。 現在入手可能で、ビーム特性を変化させることができるレーザ・システムは、ビーム特性を変化させるためには、自由空間光学素子(free-space optics)または他の複雑で高価な後付けメカニズム（例えば、ズーム・レンズ、ミラー、並進可能なレンズまたはモータ駆動レンズ、コンバイナ等）の使用を必要とする。コスト、複雑さ、性能、および／または信頼性に関して著しい不利が加わる自由空間光学素子あるいはその他の余分な部品の使用に対する依存を最小限に抑えるまたは解消し、ビーム特性において所望の調節可能性を提供する解決策は存在しない。必要とされているのは、可変ビーム特性に対応し、自由空間光学素子の使用を必要としないまたは最小限に抑え、著しいコスト、複雑さ、性能の妥協、および／または信頼性低下を回避することができる、ファイバ内機器(in-fiber apparatus)である。
【課題を解決するための手段】
【0005】
機器は、入力光ビームを受けるように位置付けられた第１ファイバを備え、この第１ファイバは第１屈折率分布を有する。少なくとも第１ファイバの一区間が付勢されてファイバ整形面に一致するように、ファイバ整形面が位置付けられる。曲げコントローラが、ファイバ整形面に一致するように付勢された第１ファイバの区間の長さを選択するように位置付けられるか、または入力光ビームに摂動を起こし修正光ビームを生成するためのファイバ整形面の湾曲を選択するように位置付けられる。第２ファイバが、第１ファイバに結合され、修正光ビームを受けるように位置付けられる。第２ファイバは、修正光ビームの少なくとも１つのビーム特性を維持するように選択された第２屈折率分布を有する。ある例では、ファイバ整形面は柔軟板の主面であり、この柔軟板はイオン性ポリマー複合体を含む。他の代替物では、互いに接合された１つ以上の圧電板を含むことができるピエゾ－曲げアクチュエータ(piezo-bending actuator)が使用される。通例、イオン性ポリマーの少なくとも一部が第１電極と第２電極との間に位置付けられるように、第１電極および第２電極が位置付けられる。ある例では、第１電極および第２電極は、第１主面および第２主面を実質的に覆う導電層であり、曲げコントローラは電圧源である。更に他の例では、イオン性ポリマー付近に第２組の電極が位置付けられ、柔軟板の変形を検出するために、センサが第２組の電極に結合される。曲げコントローラはこのセンサに結合され、第２組の電極によって検出される電圧に基づいて、イオン性ポリマーに印加される電圧を確定する。
【0006】
ある例によれば、ファイバ整形面の湾曲の方向に沿って延びるように、第１ファイバが位置付けられる。他の例では、第１ファイバは、１つ以上の延長ループを含み、ファイバ整形面に一致するファイバの区間は、ファイバ整形面の湾曲の方向に延びるように位置付けられたループの延長部分を含む。他の実施形態では、柔軟板を押すまたは柔軟板を引くことによって、ファイバ整形面の湾曲を変化させるために、変位部材が柔軟板に結合される。典型的な例では、柔軟板は２ヵ所で固定され、変位部材はこれらの２ヵ所の間において、柔軟板に結合される。代表的な実施形態では、柔軟板は、ファイバ整形面の湾曲の方向に沿ってそれぞれの端部において固定される。ある例によれば、ファイバ整形面は固定湾曲を有し、円環の表面、円環の一部の表面、または直円柱のような円柱の外面である。
【0007】
ある例では、曲げコントローラは、ファイバ整形面に一致する第１ファイバの区間の長さを変化させるように位置付けられる。追加の例では、ガイドが柔軟面に関して摺動可能に固定され、ファイバ整形面に一致するように付勢された第１ファイバの区間の長さが、ファイバ整形面に沿ったガイドの移動に応答して可変となるように、ファイバを係合するように位置付けられる。ある例では、ガイドは第１ファイバを係合する溝を含む。更に他の実施形態では、接続部材が回転軸に回転可能に固定され、軸を中心としたガイドの回転がガイドをファイバ整形面に沿って付勢するように、ガイドに固定される。追加の例によれば、ファイバ整形面は、複数の円曲線(circular curvature)を含む複合湾曲を有し、回転軸は、複数の円曲線の内の１つの湾曲中心(center of curvature)に対応する。
【0008】
ある例によれば、ファイバ整形面は、マンドレル表面の一部によって定められ、曲げコントローラは、第１長のファイバをマンドレル表面の一部に向けて付勢するように位置付けられたジョー(jaw)を含み、第１ファイバは、マンドレル周囲に位置付けられたループの少なくとも一部を形成する。場合によっては、曲げコントローラは、マンドレルを第１長のファイバに向けて付勢するように位置付けられたステージを含む。追加の例では、第１ファイバおよび第２ファイバがループの少なくとも一部を形成する。スプライスが第１ファイバおよび第２ファイバを結合し、ジョーは、第１長のファイバ、第２ファイバの一部、およびスプライスをマンドレル表面の一部に向けて付勢するように位置付けられる。更に他の例では、ジョーは、ステージの変位軸に関して対向して位置付けられた第１ジョーおよび第２ジョーを含む。第１ジョーおよび第２ジョーは、第１弾性部材および第２弾性部材に結合され、各弾性部材は、それぞれのジョー表面をマンドレル表面に向けて付勢するように位置付けられる。他の例では、曲げコントローラは、ファイバ整形面に一致するように付勢される第１ファイバの区間、ファイバ整形面に一致するように付勢される第２ファイバの区間、およびファイバ曲げ面、第１ジョー、または第２ジョーのいずれとも接触しないループの少なくとも一部の湾曲を選択するように、マンドレルを第１ジョー面および第２ジョー面に付勢するように構成される。
【0009】
ある例では、ファイバ区間は１つまたは２つの終点において固定され、あるいは湾曲区間、ループ状区間、または直線区間に形成され、ピン、ロッド、または球体の表面のような１つ以上の表面がファイバ区間と接触し、応答してファイバが曲げられる。ある例では、ファイバ区間がこのような表面に向けて付勢され、または表面がファイバ区間に向けて付勢され、または双方が互いに向けて移動可能である。
【0010】
開示する技術の以上のおよびその他の目的、特徴、ならびに利点は、以下の詳細な説明から一層明らかとなろう。詳細な説明は、添付図面を参照しながら進められる。
【0011】
添付図面では、同様の参照番号は同様のエレメントを表し、添付図面は説明と共に本明細書に組み込まれその一部を構成し、ここで開示する技術の利点および原理を説明する。図面において、
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
本開示および請求項において使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに違うことを規定するのでないならば、複数形も含むものとする。加えて、「含む」(includes)という用語は「備える」(comprises)を意味する。更に、「結合された」(coupled)という用語は、結合された品目間における中間エレメントの存在を除外しない。また、「修正する」(modify)および「調節する」(adjust)という用語は、「変更する」(alter)を意味するように相互交換可能に使用される。
【0014】
本明細書において説明するシステム、機器、および方法は、限定として解釈しては決してならない。代わりに、本開示は、種々の開示する実施形態の態様が単独であっても、そして種々の組み合わせであっても、更に互いとのサブコンビネーションであっても、全て新規で非自明な特徴の達成に向けられる。開示するシステム、方法、および機器は、いずれの特定の態様にも、特徴にも、その組み合わせにも限定されず、更に開示するシステム、方法、および機器はいずれも、いずれか１つ以上の特定の利点が存在することも、問題が解決されることも求めない。あらゆる動作理論は、説明を容易にするためのものであるが、開示するシステム、方法、および機器はそのような動作理論に限定されるのではない。
【0015】
開示する方法のいくつかの動作は、利便性の良い表示のために特定の順序で説明されるが、下記に説明される特定の言語によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法が並べ替えを包含することは理解されてしかるべきである。例えば、順番に記載される動作は、場合によっては、並べ替えるかまたは同時に実行してもよい。更に、簡略化のために、添付図面は、開示されたシステム、方法、及び機器を他のシステム、方法、及び機器と併用できる様々な方法を示さない場合がある。加えて、その説明はときとして、「生じさせる」および「提供する」等の用語を使用して、開示する方法を説明する。これらの用語は、実行される実際の動作の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装に応じて変化することになり、当業者によって容易に認識可能である。
【0016】
ある例では、値、手順、または機器が「最低」、「最良」、「最小」等と呼ばれることがある。このような説明は、多くの使用される機能的代用物から選択を行うことができ、このような選択は他の選択肢よりも必ずしも勝る、小さい、またそうでなければ好ましいという訳ではないことを示すという意図があることは認められよう。「上記の」(above)、「下記の」(below)、「上の」(upper)、「下の」(lower)等を示す方向を参照して、例について説明する。これらの用語は、説明の都合上使用されるのであって、特定の空間的な向きを暗示するのではない。
【0017】
定義
本明細書において使用する場合の単語および用語の定義
本明細書において使用する場合の単語および用語の定義
【0018】
１．「ビーム特性」(beam characteristics)という用語は、光ビームを記述するために使用される以下の用語の内１つ以上を指す。一般に、最も関心のあるビーム特性は、用途または光学システムの詳細次第で異なる。
【0019】
２．「ビーム径」(beam diameter)という用語は、放射照度（強度）が最大放射照度の１／ｅ２に等しい軸に沿ったビームの中心を横切る距離として定義される。本明細書において開示する例は、一般に、方位角方向対称モードで伝搬するビームを使用するが、楕円形または他のビーム形状も使用することができ、ビーム径は異なる軸に沿って異なることもあり得る。円形ビームは１つのビーム径によって特徴付けられる。他のビーム形状は、異なる軸に沿って異なるビーム径を有する可能性がある。
【0020】
３．「スポット・サイズ」(spot size)という用語は、最大放射強度の中心点から１／ｅ２点までの半径方向距離（半径）である。
【0021】
４．「ビーム発散分布」(beam divergence distribution)という用語は、パワー対最大円錐角である。この量は、「角度分布」(angular distribution)または「ＮＡ分布」(NA distribution)と呼ばれることもある。
【0022】
５．レーザ・ビームの「ビーム・パラメータ積」(beam parameter product)（ＢＰＰ）という用語は、ビーム半径（ビームのくびれにおいて測定される）とビーム発散半角（遠場において測定される）との積として定義される。ＢＰＰの単位は通例ｍｍ－ｍｒａｄである。
【0023】
６．「閉じ込めファイバ」(confinement fiber)は、１つ以上の閉じ込め領域を保有するファイバであると定義される。ここで、閉じ込め領域は、屈折率が低い方の領域（クラッディング領域）によって包囲された屈折率が高い方の領域（コア領域）を含む。閉じ込めファイバのＲＩＰは、屈折率が低い方の領域（クラッディング領域）によって包囲された１つ以上の屈折率が高い方の領域（コア領域）を含んでもよく、光は屈折率が高い方の領域内において誘導される。各閉じ込め領域および各クラッディング領域は、ステップ・インデックス型(step-index) およびグレーデッド・インデックス型(graded-index)を含むがこれらに限定されない、任意のＲＩＰを有することができる。閉じ込め領域は、同心円状であってもなくてもよく、更に円形、環状、多角形、弓状、楕円形、または不規則形状等、あるいはこれらの組み合わせのような種々の形状であってもよい。特定の閉じ込めファイバにおける閉じ込め領域は、全て同じ形状であってもよく、または異なる形状であってもよい。更に、閉じ込め領域は同軸状であってもよく、または互いに対してずれた軸を有してもよい。閉じ込め領域は、長手方向の中心軸を中心に均一の厚さでもよく、または厚さは長手方向の中心軸を中心に変化してもよい。
【0024】
７．「強度分布」(intensity distribution)という用語は、線分（１Ｄプロファイル）に沿った位置または平面（２Ｄプロファイル）上における位置の関数としての光強度を指す。線分または平面は、光の伝搬方向に対して垂直に取られるのが普通である。これは定量的プロパティである。
【0025】
８．「輝度」(luminance)とは、所与の方向に進む光の単位面積当たりの光度の測光尺度である。
【0026】
９．「Ｍ２係数」(M2 factor)（「ビーム品質係数」または「ビーム伝搬係数」とも呼ぶ）は、レーザ・ビームのビーム品質を定量化するための、次元がないパラメータであり、Ｍ２＝１の場合回折限界ビームであり、Ｍ２値が大きくなるに連れて低いビーム品質に対応する。Ｍ２はＢＰＰをλ／πで除算した値に等しく、ここでλはミクロン単位のビームの波長である（ＢＰＰがｍｍ－ｍｒａｄ単位で表される場合）。
【0027】
１０．光学系の「開口数」(numerical aperture)または「ＮＡ」という用語は、その系が光を受け入れるまたは発することができる角度の範囲を特徴付ける、次元のない数値である。
【0028】
１１．「光強度」(optical intensity)という用語は、正式な（ＳＩ）単位ではなく、表面上の単位面積当たりの入射パワーまたは平面を貫通する入射パワーを示すために使用される。
【0029】
１２．「パワー密度」(power density)という用語は、単位面積当たりの光パワーを指すが、これは「光強度」(optical intensity)とも呼ばれる。
【0030】
１３．「半径方向ビーム位置」(radial beam position)という用語は、ファイバ軸に対して垂直な方向におけるファイバ・コアの中心に関して測定されたファイバ内におけるビームの位置を指す。
【0031】
１４．「放射輝度」(radiance)とは、光源（例えば、レーザ）の単位面積によって所与の方向に単位立体角当たり放出される放射光線(radiation)である。放射輝度は、ビーム強度分布および／またはビーム発散プロファイルもしくは分布を変化させることによって変更することができる。レーザ・ビームの放射輝度プロファイルを変化させる能力は、ＢＰＰを変化させる能力を暗示する。
【0032】
１５．「屈折率分布」(refractive-index profile)または「ＲＩＰ」は、ファイバ軸に対して垂直な線分（１Ｄ）に沿った位置、または平面（２Ｄ）における位置の関数とした屈折率を指す。多くのファイバは方位角方向に対称であり、この場合１Ｄ ＲＩＰはあらゆる方位角に対して同一となる。
【0033】
１６．「ステップ・インデックス・ファイバ」(step-index fiber)は、ファイバ・コア内では平坦なＲＩＰを有する（位置に関係ない屈折率）。
【0034】
１７．「グレーデッド・インデックス・ファイバ」(graded-index fiber)は、半径方向位置が増大するに連れて（即ち、ファイバ・コアの中心からの距離が増大するに連れて）屈折率が減少するＲＩＰを有する。
【0035】
１８．「二乗分布型ファイバ」(parabolic-index fiber)は、グレーデッド・インデックス・ファイバの特異事例であり、ファイバ・コアの中心からの距離が増大するに連れて、屈折率が二次関数的に減少する。
【0036】
１９．「自由空間伝搬」(free space propagation)または「無誘導伝搬」(unguided propagation)は、通例、ビーム・レイリー範囲よりも５倍、１０倍、２０倍、１００倍またはそれ以上の光距離にわたって、１つ以上の導波路（光ファイバのような）に制約されることなく伝搬する光フビームを指すために使用される。このような伝搬は、ガラス、溶融シリカ、半導体、空中、結晶性材料、真空というような光媒体において可能である。
【0037】
２０．「平行化ビーム」(collimated beam)は、一般に、ビームが平面波面を有する、有する場合がある(would have)、または有するように見える位置（ガウス・ビームの焦点におけるまたは光ファイバの出力におけるというな位置）からの視距離が、焦点距離ｆの焦点から焦点距離ｆの１０％、５％、２％、１％、０．５％、０．１％未満となるように、レンズ、あるいは湾曲ミラー、フレネル・レンズ、またはホログラフ光学素子のような他の合焦素子を位置付けることによって生成される。
【0038】
ビーム特性を変化させるためのファイバ
本明細書において開示するのは、先に説明した従来の方法のコスト、複雑さ、光損失、またはその他の欠点を減らすことができ、可変ビーム特性（ＶＢＣ）を有するレーザ・ビームを供給するように動作可能なファイバを提供するように構成された方法、システム、および機器である。このＶＢＣファイバは、広範囲におよぶ多様な光ビーム特性を変化させるように構成される。このようなビーム特性は、ＶＢＣファイバを使用して制御することができ、つまり、ユーザが広く多様なレーザ処理用途の個々の要件に適するように、種々のビーム特性を調整する(tune)ことを可能にする。例えば、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、強度分布、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、スポット・サイズ等、またはこれらの任意の組み合わせを調整するために、ＶＢＣファイバを使用することができる。
本明細書において開示するのは、先に説明した従来の方法のコスト、複雑さ、光損失、またはその他の欠点を減らすことができ、可変ビーム特性（ＶＢＣ）を有するレーザ・ビームを供給するように動作可能なファイバを提供するように構成された方法、システム、および機器である。このＶＢＣファイバは、広範囲におよぶ多様な光ビーム特性を変化させるように構成される。このようなビーム特性は、ＶＢＣファイバを使用して制御することができ、つまり、ユーザが広く多様なレーザ処理用途の個々の要件に適するように、種々のビーム特性を調整する(tune)ことを可能にする。例えば、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、強度分布、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、スポット・サイズ等、またはこれらの任意の組み合わせを調整するために、ＶＢＣファイバを使用することができる。
【0039】
一般に、開示する技術は、レーザ・ビームをファイバ内に結合し、このファイバにおいて、種々の方法の内任意のもの（例えば、ファイバを折り曲げる、または１つ以上の他の摂動を導入する）によってレーザ・ビームに摂動を起こしおよび／または第１長のファイバに摂動を起こすことによってレーザ・ビームの特性を調節することができ、調節したビーム特性を完全にまたは部分的に第２長のファイバにおいて維持することを伴う。第２長のファイバは、調節したビーム特性を維持する、および／または更に修正するように特別に構成される。ある場合には、第２長のファイバは、レーザ・ビームのその最終的な使用（例えば、材料処理）への伝達の間中、調節したビーム特性を保存する。第１および第２長のファイバは、同じファイバまたは異なるファイバを含んでもよい。
【0040】
開示する技術は、レーザ・ファイバおよびファイバ結合レーザと適合する。ファイバ結合レーザは、通例、ステップ・インデックス型の屈折率分布（ＲＩＰ）を有する伝送ファイバ、即ち、ファイバ・コア内の屈折率が平坦または一定である伝送ファイバを通じて出力を伝送する。実際には、伝送ファイバのＲＩＰはファイバの設計によっては、完全に平坦ではない場合もある。重要なパラメータは、ファイバ・コア径（ｄｃｏｒｅ）およびＮＡである。コア径は、通例、１０～１０００ミクロンの範囲内であり（しかし、他の値も可能である）、ＮＡは、通例、０．０６～０．２２の範囲内である（しかし、他の値も可能であるｘ）。レーザからの伝送ファイバは、直接プロセス・ヘッドまたは作業片に導かれることもあり、あるいはファイバ間カプラ（ＦＦＣ：fiber-to-fiber coupler)またはファイバ間スイッチ（ＦＦＳ：fiber-to-fiber switch)に導かれることもあり、このカプラまたはスイッチが光を伝送ファイバからプロセス・ファイバに結合し、プロセス・ファイバがビームをプロセス・ヘッドまたは作業片に送信する。
【0041】
殆どの材料処理ツール、特に、高パワー（＞１ｋＷ）のものは、多モード（ＭＭ：multimode)ファイバを採用するが、一部は、ｄｃｏｒｅおよびＮＡ範囲の下端にある単一モード（ＳＭ）ファイバを採用する。ＳＭファイバからのビーム特性は、ファイバ・パラメータによって一意に決定される。しかしながら、ＭＭファイバからのビーム特性は、ファイバに結合されているレーザ源（１つまたは複数）からのビーム特性、ファイバへの発射(launching)または繋ぎ(splicing)条件、ファイバのＲＩＰ、ファイバの静的および動的外形（曲げ、渦巻き、動き、マイクロベンディング等）に応じて、変動する可能性がある（単位毎、および／またはレーザ・パワーや時間の関数として）。ＳＭおよびＭＭ双方の伝送ファイバについては、所与の材料処理作業にとってビーム特性が最適にならない場合があり、広範囲の作業にとって最適になることはありそうにないので、特定の処理作業に合わせてこれらをカスタム化するまたは最適化するために、系統的にビーム特性を変化させることを可能にしたいという要望が高まっている。
【0042】
一例では、ＶＢＣファイバは第１長および第２長を有することができ、ビーム特性の所望の調節可能性を提供するために、伝送ファイバとプロセス・ファイバとの間におけるファイバ内デバイスとして介在させるように構成することができる。ビームの調節を可能にするために、摂動デバイスおよび／またはアセンブリをＶＢＣファイバに近接して配置し、および／またはＶＢＣファイバと結合し、ビーム特性がファイバの第１長において変更されるように、第１長においてビームに摂動を起こす役割を果たし、変更された特性は、ビームが第２長のファイバ内を伝搬する間保存されるか、または更に変更される。摂動を起こされたビームは、調節されたビーム特性を保存するように構成された第２長のＶＢＣファイバ内に発射される。第１および第２長のファイバは、同じファイバでも異なるファイバでもよく、および／または第２長のファイバは閉じ込めファイバを構成することができる。第２長のＶＢＣファイバによって保存されたビーム特性は、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、強度分布、輝度、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、スポット・サイズ等、またはこれらの任意の組み合わせの内任意のものを含むことができる。
【0043】
図１は、ビーム特性を変化させるために自由空間光学素子の使用を必要とせずに、可変ビーム特性を有するレーザ・ビームを提供するためのＶＢＣファイバの例１００を示す。ＶＢＣファイバ１００は、第１長のファイバ１０４と第２長のファイバ１０８とを含む。第１長のファイバ１０４および第２長のファイバ１０８は、同じファイバでも異なるファイバでもよく、同じＲＩＰまたは異なるＲＩＰを有してもよい。第１長のファイバ１０４および第２長のファイバ１０８は、スプライスによって一緒に接合されてもよい。第１長のファイバ１０４および第２長のファイバ１０８は、他の方法で結合されてもよく、離間されてもよく、あるいは他の長さのファイバ、自由空間光学素子、糊、屈折率整合材(index-matching material)等、またはこれらの組み合わせのような、介在部品を介して接続されてもよい。
【0044】
摂動デバイス１１０が、摂動領域１０６に近接して配置される、および／または摂動領域１０６を包み込む。摂動デバイス１１０は、デバイス、アセンブリ、ファイバ内構造、および／またはその他の機構(feature)でもよい。摂動デバイス１１０は、少なくとも、光ビーム１０２の１つ以上のビーム特性を調節するために、第１長のファイバ１０４または第２長のファイバ１０８、あるいはその組み合わせにおいて、光ビーム１０２に摂動を起こす。摂動デバイス１１０による摂動に応答するビーム１０２の調節は、第１長のファイバ１０４または第２長のファイバ、あるいはその組み合わせにおいて行われてもよい。摂動領域１０６は、種々の幅にわたって広がってもよく、更に第２長のファイバ１０８の一部に及んでも及ばなくてもよい。ビーム１０２がＶＢＣファイバ１００内を伝搬すると、摂動デバイス１１０は、ファイバに摂動を起こしビーム１０２の特性を調節するように、ＶＢＣファイバ１００に物理的に作用することができる。あるいは、摂動デバイス１１０は、ビーム１０２のビーム特性を変更するために、直接ビーム１０２に作用してもよい。調節された後、摂動を起こされたビーム１１２はビーム１０２とは異なるビーム特性を有し、このビーム特性は第２長のファイバ１０８において完全にまたは部分的に保存される。他の例では、摂動デバイス１１０をスプライスに近接して配置する必要はない。更に、スプライスが全く不要となる場合もある。例えば、ＶＢＣファイバ１００が１本のファイバである場合、第１長のファイバおよび第２長のファイバを離間させることができる場合、または小さな間隙をもって固定される場合である（空気で離間される、あるいは光セメントまたは屈折率整合材のような光材料で満たされる）。
【0045】
摂動を起こされたビーム１１２は、第２長のファイバ１０８内に発射され、この中で、摂動を起こされたビーム１１２の特性はほぼ維持されるか、または摂動を起こされたビーム１１２が伝搬するに連れて発達し続け、第２長のファイバ１０８の出力において、調節されたビーム特性が得られる。一例では、新たなビーム特性は調節された強度分布を含むのでもよい。一例では、変更されたビーム強度分布は、第２長のファイバ１０８の種々の構造的に制限された閉じ込め領域内に保存される。つまり、ビーム強度分布は、特定のレーザ処理作業に合わせて最適化された所望のビーム強度分布に調整することができる。一般に、摂動ビーム１１２の強度分布は、それが第２長のファイバ１０８内を伝搬するに連れて発達し、第１長のファイバ１０４内における条件および摂動デバイス１１０によって起こされた摂動に応答して、 摂動を起こされたビーム１１２が入射する閉じ込め領域（１つまたは複数）を満たす。加えて、ビームが第２ファイバ内を伝搬するに連れて、発射条件およびファイバ特性に応じて角度分布も発達することがある。一般に、ファイバは、入力発散分布をほぼ保存するが、入力発散分布が狭い場合、および／またはファイバが不規則性を有するもしくは発散分布に摂動を起こす意図的な構造を有する場合、この分布を広げることができる。種々の閉じ込め領域、摂動、および第２長のファイバ１０８のファイバ構造(fiber feature)については、以下で更に詳しく説明する。ビーム１０２および１１２は、可変ビーム特性を提供するために、ビームがどのようにＶＢＣファイバ１００を伝搬するとよいか例示することを意図した概念的な抽象化であり、特定の光ビームの挙動を詳しくモデル化することを意図するのではない。
【0046】
ＶＢＣファイバ１００は、ＰＣＶＤ（プラズマ化学蒸着）、ＯＶＤ（外部蒸着）、ＶＡＤ（気相軸付け法）、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学蒸着）、および／またはＤＮＤ（直接ナノ粒子堆積）を含む種々の方法によって製造することができる。ＶＢＣファイバ１００は、種々の材料を含むことができる。例えば、ＶＢＣファイバ１００は、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２がドープされたＳｉＯ２、ゲルマノシリケート、五酸化りん、ホスホシリケート、Ａｌ２Ｏ３、アルミノケイ酸塩等、またはこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。閉じ込め領域は、フッ素、硼素等またはその任意の組み合わせがドープされたクラッディングによって囲まれるとよい。アクティブ・ファイバには他のドーパントが添加されてもよく、Ｅｒ３＋（エルビウム）、Ｙｂ３＋（イッテルビウム）、Ｎｄ３＋（ネオジウム）、Ｔｍ３＋（ツリウム）、Ｈｏ３＋（ホルミウム）等、またはこれらの任意の組み合わせのような希土類イオンを含む。閉じ込め領域は、フッ素または硼素のドーピングによって、閉じ込め領域よりも低い屈折率を有するクラッディングによって囲まれるとよい。あるいは、ＶＢＣファイバ１００はフォトニツク結晶ファイバまたは微細構造ファイバを含んでもよい。
【0047】
ＶＢＣファイバ１００は、種々のファイバ、光ファイバ、またはファイバ・レーザ・デバイスの内任意のものにおける使用に適しており、連続波およびパルス状ファイバ・レーザ、ディスク・レーザ、固体レーザ、またはダイオード・レーザ（物理的制約による以外には、パルス・レートは制限を受けない）を含む。更に、単にファイバだけでなく、平面導波路または他の種類の導波路における実装も、特許請求する技術の範囲内に該当する。
【0048】
図２は、光ビームのビーム特性を調節するためのＶＢＣファイバの例２００の断面図を示す。一例では、ＶＢＣファイバ２００はプロセス・ファイバとしてもよい。何故なら、これは材料処理のためにビームをプロセス・ヘッドに伝送することができるからである。ＶＢＣファイバ２００は、接合部２０６において第２長のファイバ２０８に繋がれた第１長のファイバ２０４を含む。摂動アセンブリ２１０が、接合部２０６に近接して配置される。摂動アセンブリ２１０は、ＶＢＣファイバ２００内を伝搬する光ビーム２０２のビーム特性の調節を可能にするように構成された種々のデバイスの内任意のものでよい。一例では、摂動アセンブリ２１０は、スプライス付近においてＶＢＣファイバ２００の曲げ半径および／または曲げ長を変化させる手段を提供することができるマンドレル(mandrel)および／または他のデバイスでもよい。摂動デバイスの他の例について、図２４に関して以下で論ずる。
【0049】
一例では、第１長のファイバ２０４は、左側のＲＩＰグラフによって示されるように、二乗分布型屈折率ＲＩＰ２１２を有する。ビーム２０２の強度分布の殆どは、ファイバ２０４が直線状またはほぼ直線状であるときは、ファイバ２０４の中央に集中する。第２長のファイバ２０８は、右側のＲＩＰグラフに示すようなＲＩＰ２１４を有する閉じ込めファイバである。第２長のファイバ２０８は、閉じ込め領域２１６、２１８、および２２０を含む。閉じ込め領域２１６は、２つの環状（またはリング形状）閉じ込め領域２１８および２２０によって囲まれた中央コアである。層２２２および２２４は、閉じ込め領域（２１６、２１８、および２２０）間における、屈折率がもっと低い材料の構造的バリアであり、一般に「クラッディング」領域と呼ばれる。一例では、層２２２および２２４は、フルオロケイ酸塩のリングを構成してもよく、ある実施形態では、フルオロケイ酸塩のクラッディング層は比較的薄い。他の材料も同様に使用することができ、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0050】
一例では、ビーム２０２がＶＢＣファイバ２００に沿って伝搬すると、摂動アセンブリ２１０が物理的にファイバ２０８および／またはビーム２０２に作用して、そのビーム特性を調節し、調節されたビーム２２６を生成することができる。この例では、ビーム２０２の強度分布が摂動アセンブリ２１０によって修正される。ビーム２０２の調節後では、調節されたビーム２２６の強度分布は、外側の閉じ込め領域２１８および２２０に集中することができ、中央の閉じ込め領域２１６では比較的小さい強度となる。閉じ込め領域２１６、２１８、および／または２２０の各々はバリア層２２２および２２４において屈折率がもっと低い材料の薄い層によって分離されるので、第２長のファイバ２０８は、調節されたビーム２２６の調節された強度分布を実質的に維持することができる。ビームは、通例、所与の閉じ込め領域内で方位角方向に分散される(distribute)が、第２長のファイバ２０８に沿って伝搬する際に、閉じ込め領域間で（著しく）移行することはない。つまり、調節されたビーム２２６の調節されたビーム特性は、分離された閉じ込め領域２１６、２１８、および／または２２０内においてほぼ保存される。ある場合には、ビーム２２６のパワーが１つの領域に集中するのではなく、閉じ込め領域２１６、２１８、および／または２２０間で分割されることが望ましいこともあり、この条件は、しかるべく調節されたビーム２２６を生成することによって達成することができる。
【0051】
一例では、コア閉じ込め領域２１６ならびに環状閉じ込め領域２１８および２２０は、溶融シリカ・ガラスで構成されてもよく、閉じ込め領域を定めるクラッディング２２２および２２４は、フルオロケイ酸塩ガラスで構成されてもよい。種々の閉じ込め領域（２１６、２１８、および２２０）を形成するためには、他の材料を使用してもよく、ゲルマノケイ酸塩、りんケイ酸塩、アルミノケイ酸塩等、またはこれらの組み合わせを含み、特許請求する主題がそれに限定されることはない。バリア・リング（２２２および２２４）を形成するには、溶融シリカ、ホウケイ酸等、またはこれらの組み合わせを含む他の材料を使用してもよく、特許請求する主題がそれらに限定されることはない。他の実施形態では、光ファイバまたは導波路は、種々のポリマー、またはプラスチック、または結晶材料を含む、またはこれらによって構成される。一般に、コア閉じ込め領域の屈折率は、隣接するバリア／クラッディング領域の屈折率よりも大きい。
【0052】
ある例では、ビーム・プロファイルを微調整するために、第２長のファイバにおける閉じ込め領域の数を増やして、ビーム変位に対するビーム制御の粒度を高めることが望ましい場合もある。例えば、閉じ込め領域は、段階的なビーム変位が得られるように構成されてもよい。
【0053】
図３は、光ビームの可変ビーム特性を提供するためにファイバ２００に摂動を起こす方法の例を示す。ファイバの曲げ半径を変化させると、ファイバ内におけるビームの半径方向ビーム位置、発散角、および／または放射輝度プロファイルを変化させることができる。ＶＢＣファイバ２００の曲げ半径は、ステップ型マンドレル(stepped mandrel)またはコアを摂動アセンブリ２１０として使用することによって、スプライス接合部２０６を中心として、第１曲げ半径Ｒ１から第２曲げ半径Ｒ２に減少させることができる。加えてまたは代わりに、マンドレル（１つまたは複数）またはコアの係合長も変化させることができる。ＶＢＣファイバ２００を摂動アセンブリ２１０に係合させるために、ローラ２５０を採用してもよい。一例では、ローラ２５０のファイバ２００との係合量は、固定のマンドレル半径を用いて、強度プロファイルの分布をファイバ２００の外側の閉じ込め領域２１８および２２０に移すように示されている。ファイバ２００の曲げ半径を変化させるには、クランプ・アセンブリ(clamping assembly)、フレキシブル・チューブ(flexible tubing)等、またはその組み合わせを使用するというように、種々の他の方法があり、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。他の例では、特定の曲げ半径に対して、ＶＢＣファイバ２００が曲げられる長さも、制御され再現可能な方法で、ビーム特性を変化させることができる。例では、曲げ半径、および／または特定の曲げ半径においてファイバが曲げられる長さを変化させることによっても、１つ以上のモードをファイバ・コアの中心から半径方向に移すことができるように、ビームの強度分布を修正する。
【0054】
接合部２０６を跨ぐファイバの曲げ半径を維持することによって、光ビーム２０２の半径方向ビーム位置および放射輝度プロファイルのような調節されたビーム特性が、第２長のファイバ２０８に発射される前に、ビーム２０２の非摂動状態に戻らないことを確保する。更に、調節されたビーム２２６の位置、発散角、および／または強度分布を含む、調節された半径方向ビーム特性を、ＶＢＣファイバ２００曲げ半径の減少度合いおよび／または曲げ長の度合いに基づいて変化させることができる。このように、この方法を使用すると、特定のビーム特性を得ることができる。
【0055】
現在の例では、第１ＲＩＰ２１２を有する第１長のファイバ２０４は、接合部２０６において、第２ＲＩＰ２１４を有する第２長のファイバ２０８に繋がれる。しかしながら、ビーム２０２のビーム特性の摂動を可能にする（例えば、マイクロベンディングによって）、更に調節されたビームの保存を可能にするように形成された１つのＲＩＰを有する１本のファイバを使用することは可能である。このようなＲＩＰは、図１７、図１８、および／または図１９に例示されるファイバにＲＩＰと同様であってもよい。
【0056】
図７～図１０は、ＶＢＣファイバ２００（図２および図３において示した）に対する実験結果を示し、更に、摂動アセンブリ２１０がＶＢＣファイバ２００に作用してファイバを曲げたときの、ＶＢＣファイバ２００の摂動に対するビーム応答も示す。図４～図６はシミュレーションであり、図７～図１０は、ＳＭ１０５０ｎｍ光源からのビームが、４０ミクロンのコア径を有する入力ファイバ（図示せず）に発射されたときの実験結果である。入力ファイバは、第２長のファイバ２０４に繋がれている。
【0057】
図４は、異なるファイバ曲げ半径４０２に対する第１長のファイバ２０４について計算された最低次モード（ＬＰ０１）のプロファイルを示すグラフの例４００であり、ここでは、摂動アセンブリ２１０はＶＢＣファイバ２００を曲げることを伴う。ファイバの曲げ半径が減少するに連れて、ＶＢＣファイバ２００のコアの中心４０４（ｒ＝０ミクロン）からコア／クラッディング界面（この例ではｒ＝１００ミクロンに位置する）に向けて遠ざかるように、モードが半径方向に移るように、ＶＢＣファイバ２００内を伝搬する光ビームが調節される。これよりも高次のモード（ＬＰｉｎ）も、曲げによって移る。つまり、直線状またはほぼ直線状のファイバ（曲げ半径が非常に大きい）では、ＬＰ０１の曲線４０６は、ＶＢＣファイバ２００の中心または中心付近を中心とする。約６ｃｍの曲げ半径では、ＬＰ０１の曲線４０８は、ＶＢＣファイバ２００の中心４０６から約４０μｍの半径方向位置に移される。約５ｃｍの曲げ半径では、ＬＰ０１の曲線４１０は、ＶＢＣファイバ２００の中心４０６から約５０μｍの半径方向位置に移される。約４ｃｍの曲げ半径では、ＬＰ０１の曲線４１２は、ＶＢＣファイバ２００の中心４０６から約６０μｍの半径方向位置に移される。約３ｃｍの曲げ半径では、ＬＰ０１の曲線４１４は、ＶＢＣファイバ２００の中心４０６から約８０μｍの半径方向位置に移される。約２．５ｃｍの曲げ半径では、ＬＰ０１の曲線４１６は、ＶＢＣファイバ２００の中心４０６から約８５μｍの半径方向位置に移される。尚、このモードの形状は比較的一定のままであり（コアのエッジに近づくまで）、これは二乗分布型ＲＩＰの特異なプロパティであることを注記しておく。このプロパティは、ある状況では望ましい場合もあるが、ＶＢＣ機能のために必須であるのではなく、他のＲＩＰが採用されてもよい。
【0058】
一例では、ＶＢＣファイバ２００を真っ直ぐにした場合、ＬＰ０１モードは、ファイバの中心に戻るように移る。つまり、第２長のファイバ２０８の目的は、ビームの調節された強度分布を、ＶＢＣファイバ２００の中心から変位した閉じ込め領域に「捕獲する」または閉じ込めることである。ファイバ２０４および２０８間のスプライスは、曲げ領域に含まれ、このために、移されたモード・プロファイルは、リング形状の閉じ込め領域２１８および２２０の一方に優先的に発射され、そうでなければ閉じ込め領域間で分散されることになる。図５および図６はこの効果を示す。
【0059】
図５は、ＶＢＣファイバ２００がほぼ直線状であるときの、第２長のファイバ２０８内の接合部２０６における二次元強度分布の例を示す。ＬＰ０１およびＬＰｉｎの大部分が、ファイバ２０８の閉じ込め領域２１６内にある。図６は、ＶＢＣファイバ２００が、第２長のファイバ２０８の閉じ込め領域２２０（最も外側の閉じ込め領域）を優先的に励起するように選択された半径で曲げられたときの、第２長のファイバ２０８内の接合部２０６における二次元強度分布を示す。ＬＰ０１およびＬＰｉｎの大部分が、ファイバ２０８の閉じ込め領域２２０内にある。
【0060】
一例では、第２長のファイバ２０８の閉じ込め領域２１６の直径は１００ミクロンであり、閉じ込め領域２１８は、直径が１２０ミクロンと２００ミクロンとの間であり、閉じ込め領域２２０は、直径が２２０ミクロンと３００ミクロンの間である。閉じ込め領域２１６、２１８、および２２０は、厚さ１０μｍのフルオロケイ酸塩のリングによって分離されており、これらの閉じ込め領域に対して０．２２のＮＡが得られる。閉じ込め領域の内径および外径、閉じ込め領域を分離するリングの厚さ、閉じ込め領域に対するＮＡ値、ならびに閉じ込め領域の数は、他のものも採用することができる。
【0061】
再度図５を参照して、先に記したパラメータを用いると、ＶＢＣファイバ２００が直線状であるとき、パワーの約９０％が中央の閉じ込め領域２１６内に収容され、パワーの約１００％が閉じ込め領域２１６および２１８内に収容される。ここで図６を参照すると、第２リング閉じ込め領域２２０を優先的に励起するようにファイバ２００を曲げると、パワーのほぼ７５％が閉じ込め領域２２０内に収容され、パワーの９５％超が閉じ込め領域２１８および２２０内に収容される。これらの計算には、ＬＰ０１および２つのこれよりも高次のモードが含まれるが、これは２～４ｋＷファイバ・レーザにおいては典型的である。
【0062】
図５および図６から、摂動アセンブリ２１０がファイバを曲げるためにＶＢＣファイバ２００に作用する場合、曲げ半径が、第１長のファイバ２０４のモード強度分布の第２長のファイバ２０８の異なる誘導閉じ込め領域（２１６、２１８、および２２０）との空間的重複を決定することは明らかである。つまり、曲げ半径を変化させると、第２長のファイバ２０８の出力において強度分布を変化させることができ、これによってビームの直径またはスポット・サイズを変化させ、こうしてその放射輝度およびＢＰＰ値も変化させることができる。このスポット・サイズの調節は、全ファイバ構造において遂行することができ、自由空間光学素子を伴わず、結果的に、先に論じた自由空間光学素子の欠点を低減または解消することができる。また、このような調節は、曲げ半径、曲げ長、ファイバ張力、温度、または以下で論ずるその他の摂動を変更する他の摂動アセンブリによって行うこともできる。
【0063】
典型的な材料処理システム（例えば、切断または溶接ツール）では、プロセス・ファイバの出力が、プロセス・ヘッドによって、作業片においてまたはその近くで撮像される。つまり、図５および図６に示したように強度分布を変化させると、プロセスを所望通りに調整および／または最適化するために、作業片におけるビーム・プロファイルの変更(variation)が可能になる。以上の計算を目的にするためにのみ、２つのファイバに対して特定的なＲＩＰを想定したが、他のＲＩＰも可能であり、特許請求する主題がこれに関して限定されないことはない。
【0064】
【0065】
図７において、ＶＢＣファイバ２００が直線状であるとき、ビームはほぼ完全に閉じ込め領域２１６に閉じ込められる。曲げ半径が減少するに連れて、強度分布は大きな直径の方に移っていく（図８～図１０）。図８は、ＶＢＣファイバ２００の曲げ半径が、閉じ込め領域２１８に優先的に強度分布を移すように選択されたときの強度分布を示す。図９は、曲げ半径を更に減少させ、閉じ込め領域２２０および閉じ込め領域２１８に向かって外側に強度分布を移すように選択されたときの実験結果を示す。図１０において、最も小さい曲げ半径のとき、ビームはほぼ「ドーナツ・モード」となり、強度の殆どが最も外側の閉じ込め領域２２０に入っている。
【0066】
スプライス接合部２０６の一方側からの閉じ込め領域の励起にも拘わらず、強度分布は、ビームがＶＢＣファイバ２００内を伝搬するときの閉じ込め領域内部のスクランブリング(scrambling)のために、方位角方向にほぼ対称になる。ビームは、伝搬するときに、方位角方向にスクランブルするのが通例であるが、このプロセスを促進するために、種々の構造または摂動（例えば、コイル）を含ませることができる。
【0067】
図７～図１０に示した実験に使用されたファイバ・パラメータについて、複数の閉じ込め領域に何らかの強度が存在したので、特定の閉じ込め領域だけが排他的に励起されることはなかった。この特徴は、ビーム強度分布をより平坦化するまたは分散することによって材料処理用途に最適化し、有利に活用することができる。所与の閉じ込め領域の励起をもっと明確にしなければならない用途では、異なるファイバＲＩＰを採用すれば、この特徴を活用することができる。
【0068】
図７～図１０に示す結果は、この実験において使用された特定のファイバに関するのであり、詳細は実施の詳細によって様々に変化する。具体的には、出力ビームの空間プロファイルおよび発散分布、ならびにそれらの曲げ半径に対する依存度は、採用される特定のＲＩＰ、スプライス・パラメータ、および第１ファイバに発射されるレーザ源の特性に依存する。
【0069】
図２に示したものとは異なるファイバ・パラメータも使用してもよく、特許請求する主題の範囲内に入ることに変わりはない。具体的には、異なる入力ビーム・プロファイルとの適合性を促進するため、そして異なる出力ビーム特性を可能にするために、異なるＲＩＰならびにコア・サイズおよび形状を使用してもよい。第１長のファイバに対するＲＩＰの例には、図２に示した二乗分布型の屈折率分布に加えて、他のグレーデッド・インデックス型分布、ステップ・インデックス、ペデスタル設計(pedestal design)（即ち、ファイバの中心からの距離が大きくなるに連れて累進的に屈折率が低くなるネスト状コア）、および屈折率値は同じであるが、中央コアおよび周囲のリングに対して種々のＮＡ値を用いるネスト状コアによる設計が含まれる。第２長のファイバに対するＲＩＰの例には、図２に示した分布に加えて、閉じ込め領域の数が異なる閉じ込めファイバ、非均一な閉じ込め領域の厚さ、閉じ込め領域を囲むリングの厚さに対する異なるおよび／または非均一な値、閉じ込め領域に対する異なるおよび／または非均一なＮＡ値、ＲＩＰの高屈折率および低屈折率部分に対する異なる屈折率値、円形以外の閉じ込め領域（楕円形、長円形、多角形、正方形、矩形、またはこれらの組み合わせのような領域）、更に図２６～図２８に関して更に詳しく論ずるようなその他の設計が含まれる。更に、ＶＢＣファイバ２００、および本明細書において説明するＶＢＣファイバの他の例は、２本のファイバの使用に限定されるのではない。ある例では、実施態様が１本のファイバまたは２本よりも多いファイバの使用を含んでもよい。ある場合には、ファイバ（１本または複数本）は軸方向に均一でなくてもよい。例えば、これらは、ファイバ・ブラグ・グレーティングまたは長周期グレーティングを含むことができ、あるいは直径がファイバの長さに沿って変化することも可能である。加えて、ファイバは、方位角方向に対称である必要はなく、例えば、コア（１つまたは複数）が正方形または多角形の形状を有することも可能である。種々のファイバ・コーティング（バッファ）を採用してもよく、高屈折率または屈折率整合コーティング（ガラス－ポリマー界面において光を除去する(strip)）、および低屈折率コーティング（ガラス－ポリマー界面において全内部反射によって光を誘導する）を含む。ある例では、ＶＢＣファイバ２００上に複数のファイバ・コーティングを使用してもよい。
【0070】
図１１～図１６は、第１長のファイバ内を伝搬する光ビームの摂動に応答して、ＶＢＣファイバにおけるビーム特性の調節を可能にするための、第１長のファイバの例の断面図を示す。第１長のファイバにおいて調節することができるビーム特性のいくつかの例には、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、強度分布、輝度、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度プロファイル、パワー密度プロファイル、半径方向ビーム位置、放射輝度、スポット・サイズ等、またはこれらの任意の組み合わせがある。図１１～図１６に示し以下で説明する第１長のファイバは、単なる例であり、ＶＢＣファイバ・アセンブリにおけるビーム特性の調節を可能にするために利用することができる種々の第１長のファイバの網羅的な列挙(recitation)を示すのではない。図１１～図１６に示す第１長のファイバに対する材料、適切なＲＩＰ、およびその他の変数の選択は、少なくとも、所望のビーム出力に依存する。多種多様なファイバ変数が考えられ、特許請求する主題の範囲内に入る。つまり、特許請求する主題がここで示される例によって限定されることはない。
【0071】
図１１において、第１長のファイバ１１００は、ステップ・インデックス型分布１１０２を含む。図１２は、「ペデスタルＲＩＰ」（即ち、ステップ・インデックス領域と、これを取り囲むもっと大きなステップ・インデックスの領域とを含むコア）１２０２を含む第１長のファイバ１２００を示す。図１３は、多重ペデスタルＲＩＰ(multiple-pedestal RIP)１３０２を含む第１長のファイバ１３００を示す。
【0072】
図１４Ａは、ドープ減少領域(down-doped region)１４０４によって囲まれたグレーデッド・インデックス型分布１４１８を含む第１長のファイバ１４００を示す。ファイバ１４００に摂動が起こされると、ファイバ１４００においてモードが半径方向の外側に移る（例えば、ファイバ１４００の曲げの間）として差し支えない。グレーデッド・インデックス型分布１４０２は、モード形状の維持または圧縮をも促進するように設計することができる。この設計は、ファイバの外周（即ち、ファイバ軸から変位したファイバ・コアの部分）に集中するビーム強度分布を有するビームを生成するように、ファイバ１４００内を伝搬するビームの調節を促進することができる。先に説明したように、調節されたビームが、閉じ込め領域を有する第２長のファイバ内に結合されると、調節されたビームの強度分布を最も外側の閉じ込め領域内に捕獲し、ドーナツ形状の強度分布を得ることができる。ビーム・スポットが狭い外側閉じ込め領域を有すると、特定の材料処理作用を可能にするのに有用となる場合もある。
【0073】
図１４Ｂは、ファイバ１４００と同様に、 ドープ減少領域１４０８によって囲まれたグレーデッド・インデックス型分布１４１４を含む第１長のファイバ１４０６を示す。しかしながら、ファイバ１４０６は、分布１４１２において見ることができるように、発散構造１４１０（低屈折率領域）を含む。発散構造１４１０は、周囲のコアよりも低い屈折率を有する材料のエリアである。ビームが第１長のファイバ１４０６に発射されると、発散構造１４１０からの屈折が、第１長のファイバ１４０６においてビーム発散を増大させる。増大する発散の量は、ビームの発散構造１４１０との空間的重複量、および発散構造１４１０とコア材料との間の屈折率の差の大きさに依存する。発散構造１４１０は、入力発散分布および所望の出力発散分布に応じて、種々の形状を有することができる。一例では、発散構造１４１０は、三角形またはグレーデッド・インデックス形状を有する。
【0074】
図１５は、屈折率一定領域１５０４によって囲まれた二乗分布型屈折率の中央領域１５０２を含む第１長のファイバ１５００を示し、屈折率一定領域１５０４は、それよりも屈折率が低い環状層１５０６によって囲まれている。低屈折率環帯１５０６は、ファイバ１５００内を伝搬するビームを誘導するのを補助する。伝搬するビームが摂動を受けると、モードはファイバ１５００において半径方向に外側に移る（例えば、ファイバ１５００の曲げの間）。１つ以上のモードが半径方向の外側に移ると、二乗分布型屈折率領域１５０２はモード形状の保持を促進する。モードがＲＩＰ１５１０の屈折率一定領域に達すると、これらは低屈折率リング１５０６に衝突して(against)圧縮され、これによって、第２ファイバにおける最外側の閉じ込め領域の優先的励起が生ずる（図１４に示す第１ファイバＲＩＰと比較して）。一実施態様では、このファイバ設計は、中央のステップ・インデックス・コアおよび１つの環状コアを有する閉じ込めファイバと相性がよい。ＲＩＰの二乗分布型屈折率部分１５０２は、閉じ込めファイバの中央のステップ・インデックス・コアと重複する。屈折率一定部分１５０４は、閉じ込めファイバの環状コアと重複する。第１ファイバの屈折率一定部分１５０４は、曲げによって、環状コアとの重複部分にビームを移動させやすくすることを意図している。このファイバ設計は、閉じ込めファイバの他の設計とも相性がよい。
【0075】
図１６は、誘導領域１６０４、１６０６、１６０８、および１６１６と、これらを取り囲み、これらよりも屈折率が低い層１６１０、１６１２、および１６１４とを含む第１長のファイバ１６００を示す。屈折率が低い方の層１６１０、１６１２、および１６１４は、ステップ型であり、更に一般的には、全てが同じ値を有していない。ステップ・インデックス層は、摂動アセンブリ２１０（図２参照）がファイバ１６００に作用したときに、ビーム強度を特定の誘導領域（１６０４、１６０６、１６０８、および１６１６）に拘束する役割を果たすことができる。このように、ある範囲の摂動作用にわたって（ある範囲の曲げ半径、ある範囲の曲げ長、ある範囲のマイクロベンディング圧力、および／またはある範囲の音響光学信号にわたってというように） 調節されたビーム光が誘導領域に捕獲され、ビーム強度分布がファイバ１６００においてもっと離れた半径方向位置に移される前に、一定の度合いの摂動許容度を考慮に入れるようにしてもよい。つまり、ビーム特性の変化は、階段状に制御することができる。誘導領域１６０４、１６０６、１６０８、および１６１６の半径方向の幅は、用途によって要求されてもよいように、所望のリング幅を達成するために調節することができる。また、誘導領域は、所望であれば、到達するビーム・プロファイルからより多くの断片の捕獲をし易くするために、もっと厚い半径方向幅を有することができる。領域１６０６はこのような設計の一例である。
【0076】
図１７～図２１は、第２長のファイバ（例えば、ファイバ２０８）において、調節されたビーム特性の維持および／または閉じ込めを可能にするように構成されたファイバの例を示す。これらのファイバ設計を「リング形状閉じ込めファイバ」と呼ぶ。何故なら、これらは、中央コアと、これを取り囲む環状またはリンク形状コアとを含むからである。これらの設計は単なる例に過ぎず、ファイバ内における、調節されたビーム特性の維持および／または閉じ込めを可能にするために使用することができる種々のファイバＲＩＰの網羅的な列挙ではない。つまり、特許請求する主題がここで示す例に限定されることはない。更に、図１１～図１６に関して先に説明した第１長のファイバはいずれも、図１７～図２１において説明する第２長のファイバのいずれとでも組み合わせることができる。
【0077】
図１７は、ＶＢＣファイバ・アセンブリにおいて、調節されたビーム特性を維持するおよび／または閉じ込めるための第２長のファイバの一例の断面図を示す。摂動を受けたビームが第１長のファイバから第２長のファイバ１７００に結合されると、第２長のファイバ１７００は、第１長のファイバにおける摂動に応答して調節されたビーム特性の内少なくとも一部を、閉じ込め領域１７０４、１７０６、および／または１７０８の内１つ以上の中に維持することができる。ファイバ１７００はＲＩＰ１７０２を有する。閉じ込め領域１７０４、１７０６、および／または１７０８の各々は、それよりも屈折率が低い層１７１０および／または１７１２によって取り囲まれている。この設計によって、第２長のファイバ１７００が、調節されたビーム特性を維持することが可能になる。その結果、ファイバ１７００によるビーム出力は、第１長のファイバにおいて修正されたままに、調節されたビームを受けて実質的に維持し、処理作業または他の用途に合わせてカスタム化することができる調節ビーム特性(adjusted beam characteristics)を、出力ビームに与える。
【0078】
同様に、図１８は、ＶＢＣファイバ・アセンブリにおいて、第１長のファイバにおける摂動に応答して調節されたビーム特性を維持するおよび／または閉じ込めるための第２長のファイバの例１８００の断面図を示す。ファイバ１８００はＲＩＰ１８０２を有する。しかしながら、閉じ込め領域１８０８、１８１０、および／または１８１２は、閉じ込め領域１７０４、１７０６、および１７０８とは異なる厚さを有する。閉じ込め領域１８０８、１８１０、および／または１８１２の各々は、それよりも屈折率が低い層１８０４および／または１８０６によって取り囲まれている。閉じ込め領域（および／またはバリア領域）の厚さを変化させることにより、調節されたビームを閉じ込めるようとする特定の半径方向位置を選択することによって、閉じ込められた調節放射輝度プロファイルの個別調整(tailoring)または最適化を可能にする。
【0079】
図１９は、可変ビーム特性を提供するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリにおいて、調節されたビームを維持するおよび／または閉じ込めるための、ＲＩＰ１９０２を有する第２長のファイバの例１９００の断面図を示す。この例では、閉じ込め領域１９０４、１９０６、１９０８、および１９１０の数および厚さは、ファイバ１７００および１８００とは異なり、バリア層１９１２、１９１４、および１９１６も異なる厚さのものとなっている。更に、閉じ込め領域１９０４、１９０６、１９０８、および１９１０は異なる屈折率を有し、バリア層１９１２、１９１４、および１９１６も異なる屈折率を有する。この設計は、更に、ファイバ１９００内部の特定の半径方向位置への調節されたビーム放射輝度の閉じ込めおよび／または維持の一層粒度の高いあるいは最適化された個別調整を可能にするとして差し支えない。摂動を起こされたビームが第１長のファイバから第２長のファイバ１９００に発射されると、ビームの修正されたビーム特性（調節された強度分布、半径方向位置、および／または発散角等、あるいはこれらの組み合わせを有する）が第２長のファイバ１９００の閉じ込め領域１９０４、１９０６、１９０８、および／または１９１０の内１つ以上によって、特定の半径に閉じ込められる。
【0080】
先に注記したように、ビームの発散角が保存されてもよく、または調節され次いで第２長のファイバにおいて保存されてもよい。ビームの発散角を変化させるには種々の方法がある。以下にあげるのは、ビーム特性を変化させるためのファイバ・アセンブリにおいて、第１長のファイバから第２長のファイバに伝搬するビームの発散角の調節を可能にするように構成されたファイバの例である。しかしながら、これらは単なる例に過ぎず、ビーム発散の調節を可能にするために使用することができる種々の方法の網羅的な列挙ではない。つまり、特許請求する主題がここで示される例に限定されることはない。
【0081】
図２０は、第１長のファイバにおける摂動に応答して調節されたビーム特性を修正する、維持する、および／または閉じ込めるための、ＲＩＰ２００２を有する第２長のファイバの例の断面図を示す。この例では、第２長のファイバ２０００は、以前に説明した第２長のファイバと同様であり、先に論じたように可変ビーム特性を伝えるためのＶＢＣファイバ・アセンブリの一部を形成する。３つの閉じ込め領域２００４、２００６、および２００８、ならびに３つのバリア層２０１０、２０１２、および２０１６がある。また、第２長のファイバ２０００は、閉じ込め領域２００６内に位置する発散構造２０１４も有する。発散構造２０１４は、周りの閉じ込め領域よりも低い屈折率を有する材料のエリアである。ビームが第２長のファイバ２０００に発射されると、発散構造２０１４からの屈折が、第２長のファイバ２０００においてビーム発散を増大させる。増大する発散の量は、ビームと発散構造２０１４との空間的重複量、および発散構造２０１４とコア材料との間の屈折率の差の大きさに依存する。第２長のファイバ２０００への発射点付近においてビームの半径方向位置を調節することによって、発散分布を変化させることができる。ビームの調節された発散は、ファイバ２０００内に保存される。ファイバ２０００は、調節されたビームをプロセス・ヘッド、他の光学系（例えば、ファイバ間カプラまたはファイバ間スイッチ）、作業片等、またはこれらの組み合わせに伝送するように構成される。一例では、発散構造２０１４は、周りの材料に関して約１０－５～３×１０－２の屈折率の低下(dip)を有するとよい。屈折率低下の他の値も、本開示の範囲内で採用することもでき、特許請求する主題がそのように限定されることはない。
【0082】
図２１は、第１長のファイバにおける摂動に応答して調節されたビーム特性を修正する、維持する、および／または閉じ込めるための、ＲＩＰ２１０２を有する第２長のファイバの例２１００の断面図を示す。第２長のファイバ２１００は、可変特性を有するビームを伝送するためのＶＢＣファイバ・アセンブリの一部を形成する。この例では、３つの閉じ込め領域２１０４，２１０６、および２０１８、ならびに３つのバリア層２１１０、２１１２、および２１１６がある。また、第２長のファイバ２１００は、複数の発散構造２１１４および２１１８も有する。発散構造２１１４および２１１８は、傾斜状に屈折率が低くなる材料のエリアである。ビームが第１長のファイバから第２長のファイバ２１００に発射されると、発散構造２１１４および２１１８からの屈折が、ビーム発散を増大させる。増大する発散の量は、ビームと発散構造との空間的重複の量、ならびに、発散構造２１１４および／または２１１８とそれぞれの閉じ込め領域２１０６および２１０４の周りのコア材料との間の屈折率の差の大きさに依存する。第２長のファイバ２１００への発射点付近においてビームの半径方向位置を調節することによって、発散分布を変化させることができる。図２１に示す設計は、特定の閉じ込め領域と、この閉じ込め領域内における発散分布との双方を選択することによって、強度分布および発散分布をいくらか独立して変化させることを可能にする（各閉じ込め領域が発散構造を含んでもよいためである）。ビームの調節された発散は、ファイバ２１００内に保存される。ファイバ２１００は、調節されたビームをプロセス・ヘッド、他の光学系、または作業片に伝送するように構成される。発散構造２１１４および２１１８をグレーデッド・インデックス、即ち、一定でない屈折率によって形成することにより、ファイバ２１００内を伝搬するビームの発散プロファイルの調整が可能になる。放射輝度プロファイルおよび／または発散プロファイルのような、調節されたビーム特性は、これが第２ファイバによってプロセス・ヘッドに伝送されるときに、保存することができる。あるいは、放射輝度プロファイルおよび／または発散プロファイルのような調節されたビーム特性は、これが第２ファイバによってファイバ間カプラ（ＦＦＣ）および／またはファイバ間スイッチ（ＦＦＣ）を介して、ビームをプロセス・ヘッドまたは作業片に伝送するプロセス・ファイバに導かれるときに、保存する、または更に調節することもできる。
【0083】
図２６～図２８は、方位角方向に非対称的な第２長のファイバ内を伝搬するビームの調節されたビーム特性の維持および／または閉じ込めを可能にするように構成されたファイバおよびファイバＲＩＰの例を示す断面図であり、ビーム特性は、第２長のファイバに結合された第１長のファイバの摂動、および／または摂動デバイス１１０によるビームの摂動に応答して調節される。これらの方位角方向に非対称的な設計は、単なる例に過ぎず、方位角方向に非対称的なファイバ内における、調節されたビーム特性の維持および／または閉じ込めを可能にするために使用することができる種々のＲＩＰの網羅的な列挙ではない。つまり、特許請求する主題がここで示す例に限定されることはない。更に、種々の第１長のファイバ（例えば、先に説明したもののようなファイバ）の内任意のものが、任意の方位角方向に非対称的な第２長のファイバ（例えば、図２６～図２８において説明するもののようなファイバ）と組み合わされてもよい。
【0084】
図２６は、楕円状ファイバ２６００を通る断面の種々の方位角におけるＲＩＰを示す。第１方位角２６０２において、ファイバ２６００は第１ＲＩＰ２６０４を有する。第１方位角２６０２から４５°回転した第２方位角２６０６において、ファイバ２６００は第２ＲＩＰ２６０８を有する。第２方位角２６０６から更に４５°回転した第３方位角２６１０において、ファイバ２６００は第３ＲＩＰ２６１２を有する。第１、第２、および第３ＲＩＰ２６０４、２６０８、および２６１２は全て異なる。
【0085】
図２７は、多重コア・ファイバ２７００を通る断面の種々の方位角におけるＲＩＰを示す。第１方位角２７０２において、ファイバ２７００は第１ＲＩＰ２７０４を有する。第２方位角２７０６において、ファイバ２７００は第２ＲＩＰ２７０８を有する。第１および第２ＲＩＰ２７０４および２７０８は異なる。一例では、摂動デバイス１１０は、調節されたビームを、方位角方向に非対称的な第２ファイバの異なる領域に発射するために複数の平面において作用することができる。
【0086】
図２８は、少なくとも１つの三日月形状のコアを有するファイバ２８００を通る断面の種々の方位角におけるＲＩＰを示す。ある場合には、三日月の角部を丸めても、平坦にしても、またはそれ以外の形状にしてもよく、こうすることによって光損失を最小限に抑えることができる。第１方位角２８０２において、ファイバ２８００は第１ＲＩＰ２８０４を有する。第２方位角２８０６において、ファイバ２８００は第２ＲＩＰ２８０８を有する。第１および第２ＲＩＰ２８０４および２８０８は異なる。
【0087】
図２２Ａは、可変ビーム特性を提供するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含むレーザ・システムの例２２００を示す。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２は、第１長のファイバ１０４、第２長のファイバ１０８、および摂動デバイス１１０を含む。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２は、供給ファイバ２２１２（即ち、レーザ源からの出力ファイバ）とＶＢＣ伝送ファイバ２２４０との間に配置される。ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０は、調節されたビーム特性を修正する、維持する、および／または閉じ込める、第２長のファイバ１０８または第２長のファイバ１０８の延長部を含んでもよい。ビーム２２１０は、供給ファイバ２２１２を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２に結合される。ファイバ・アセンブリ２２０２は、以上で説明した種々の例にしたがって、ビーム２２１０の特性を変化させるように構成される。ファイバ・アセンブリ２２０２の出力は、調節されたビーム２２１４であり、ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０に結合される。ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０は、調節されたビーム２２１４を自由空間光学素子アセンブリ２２０８に伝送し、次いで、自由空間光学素子アセンブリ２２０８はビーム２２１４をプロセス・ファイバ２２０４に結合する。次いで、調節されたビーム２２１４は、プロセス・ファイバ２２０４によって、プロセス・ヘッド２２０６に伝送される。プロセス・ヘッドは、導波路光学素子（ファイバおよびファイバ・カプラのような素子）、レンズ、ミラー、光学フィルタ、回折格子のような自由空間光学素子、検流計スキャナ、ポリゴン・ミラー・スキャナ、またはビーム２２１４を整形し整形したビームを作業片に伝送するために使用される他のスキャン・システムのようなビーム・スキャン・アセンブリを含むことができる。
【0088】
レーザ・システム２２００では、調節されたビーム２２１４の種々の光学的操作（図２２Ａにおいてビーム２２１０とは異なる点線(dashing)で表される）を実行するために、アセンブリ２２０８の自由空間光学素子の内１つ以上がＦＦＣまたは他のビーム・カプラ２２１６内に配置されてもよい。例えば、自由空間光学素子アセンブリ２２０８は、ビーム２２１４の調節されたビーム特性を保存することもできる。プロセス・ファイバ２２０４は、ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０と同じＲＩＰを有してもよい。つまり、調節されたビーム２２１４の調節されたビーム特性は、プロセス・ヘッド２２０６に至る経路の全てで保存することができる。プロセス・ファイバ２２０４は、閉じ込め領域を含む前述の第２長のファイバの内任意のものと同様のＲＩＰを含んでもよい。
【0089】
あるいは、図２２Ｂに示すように、自由空間光学素子アセンブリ２２０８は、例えば、ビーム２２１４の発散および／またはスポット・サイズを増大あるいは減少させることによって（例えば、ビーム２２１４を拡大または縮小することによって）、および／またはそれ以外で更に調節されたビーム２２１４を修正することによって、ビーム２２１４の調節されたビーム特性を変化させることもできる。更に、プロセス・ファイバ２２０４は、ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０とは異なるＲＩＰを有してもよい。したがって、プロセス・ファイバ２２０４のＲＩＰは、２回調節されたビーム２２２４（図２２Ｂにおいてビーム２２１４とは異なる点線で表される）を生成するために、アセンブリ２２０８の自由空間光学素子によって行われる、調節されたビーム２２１４の追加の調節を保存するように選択されてもよい。
【0090】
図２３は、供給ファイバ２３１２とＶＢＣ伝送ファイバ２３４０との間に配置されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２を含むレーザ・システムの例２３００を示す。動作中、ビーム２３１０は、供給ファイバ２３１２を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２に結合される。ファイバ・アセンブリ２３０２は、第１長のファイバ１０４、第２長のファイバ１０８、および摂動デバイス１１０を含み、以上で説明した種々の例にしたがってビーム２３１０の特性を変化させるように構成される。ファイバ・アセンブリ２３０２は、調節されたビーム２３１４を生成し、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０によって出力する。ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０は、以上で説明した種々の例にしたがって（例えば、図１７～図２１参照）ファイバ・アセンブリ２３０２において、調節されたビーム特性を修正する、維持する、および／または閉じ込めるために第２長のファイバ１０８を含む。ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０は、調節されたビーム２３１４をビーム・スイッチ（ＦＦＳ）２３３２に結合し、次いで、ビーム・スイッチ２３３２はその種々の出力ビームを、複数のプロセス・ファイバ２３０４、２３２０、および２３２２の内１つ以上に結合する。プロセス・ファイバ２３０４、２３２０、および２３２２は、調節されたビーム２３１４、２３２８、および２３３０を、それぞれのプロセス・ヘッド２３０６、２３２４、および２３２６に伝送する。
【0091】
一例では、ビーム・スイッチ２３３２は、調節されたビーム２３１４の種々の光学的操作を実行するように構成された１組以上の自由空間光学素子２３０８、２３１６、および２３１８を含む。自由空間光学素子２３０８、２３１６、および２３１８は、ビーム２３１４の調節されたビーム特性を保存するまたは変化させることができる。つまり、調節されたビーム２３１４は、自由空間光学素子によって維持される、または更に調節されることが可能である。プロセス・ファイバ２３０４、２３２０、および２３２２は、自由空間光学素子アセンブリ２３０８、２３１６、および２３１８からそれぞれのプロセス・ファイバ２３０４、２３２０、および２３２２に進むビームを保存することまたは更に修正することが望ましいか否かに応じて、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０と同じＲＩＰまたは異なるＲＩＰを有することができる。他の例では、ビーム２３１０の１つ以上のビーム部分が、調節されずに、作業片に結合されるか、または複数のビーム特性に関連付けられたビーム部分が同時作業片処理のために供給できるように、異なるビーム部分がそれぞれのＶＢＣファイバ・アセンブリに結合される。あるいは、ビーム２３１０を１組のＶＢＣファイバ・アセンブリの内１つ以上に切り替えることができる。
【0092】
自由空間光学素子アセンブリ２２０８、２３１６、および２３１８の内任意のものを介して、調節されたビーム２３１４を導くことによって、種々の追加的に調節されたビームのプロセス・ヘッド２２０６、２３２４、および２３２６への伝送が可能になる。したがって、レーザ・システム２３００は、ビームの特性を変化させる自由度を高め、更にプロセス・ヘッド間でビームを切り替える（「時分割」）、および／または複数のプロセス・ヘッドに同時にビームを伝送する（「パワー分割」）自由度も高める。
【0093】
例えば、ビーム・スイッチ２３３２における自由空間光学素子は、ビーム２３１４の調節された特性を保存するように構成された自由空間光学素子アセンブリ２３１６に、調節されたビーム２３１４を方向付ける(direct)ことができる。プロセス・ファイバ２３０４は、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０と同じＲＩＰを有してもよい。つまり、プロセス・ヘッド２３０６に伝送されるビームは、調節され保存されたビーム２３１４となる。
【0094】
他の例では、ビーム・スイッチ２３３２が、調節されたビーム２３１４の調節された特性を保存するように構成された自由空間光学素子アセンブリ２３１８に、調節されたビーム２３１４を方向付けることもできる。プロセス・ファイバ２３２０は、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０とは異なるＲＩＰを有してもよく、ビーム２３１４の発散分布に対して追加の調節を行うために、図２０および図２１に関して説明したような、発散変更構造が装備されても(configured with)よい。つまり、プロセス・ヘッド２３２４に伝送されるビームは、調節されたビーム２３１４とは異なるビーム発散プロファイルを有する、２回調節されたビーム２３２８となる。
【0095】
プロセス・ファイバ２３０４、２３２０、および／または２３２２は、以上で説明した第２長のファイバの内任意のものと同様のＲＩＰを含んでも良く、閉じ込め領域または多種多様な他のＲＩＰを含み、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0096】
更に他の例では、自由空間光学素子アセンブリ２３３２が、調節されたビーム２３１４のビーム特性を変化させるように構成された自由空間光学素子アセンブリ２３０８に、調節されたビーム２３１４を方向付けるのでもよい。プロセス・ファイバ２３２２は、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０とは異なるＲＩＰを有してもよく、ビーム２３１４の新たに更に調節された特性を保存する（または、代わりに、更に修正する）ように構成されてもよい。つまり、プロセス・ヘッド２３２６に伝送されるビームは、調節されたビーム２３１４とは異なるビーム特性を有する（調節された発散プロファイルおよび／または強度プロファイルのために）２回調節されたビーム２３３０となる。
【0097】
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２３では、ＦＦＣまたはＦＦＳにおける光学素子は、ビーム２２１４がプロセス・ファイバ内に発射する前にビーム２２１４を拡大または縮小することによって、空間プロファイルおよび／または発散プロファイルを調節することができる。また、これらは、他の光学的変換(transformation)によって、空間プロファイルおよび／または発散プロファイルを調整することもできる。また、これらは、プロセス・ファイバへの発射位置を調節することもできる。これらの方法は、単独でも組み合わせても使用することができる。
【0098】
図２２Ａ、図２２Ｂ、および図２３は、調節されたビーム２２１４および２３１４を保存または修正するために、自由空間光学素子およびファイバＲＩＰの種々の組み合わせを使用する、ビーム特性に対する調節の組み合わせの例を示すに過ぎない。以上であげた例は、網羅的ではなく、例示を目的にするに過ぎないことを意味する。つまり、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0099】
図２４は、本明細書においてあげた種々の例にしたがって、ＶＢＣファイバ２００、および／またはＶＢＣファイバ２００内を伝搬する光ビームに摂動を起こすための摂動デバイス、アセンブリ、または方法（簡単にするために、ここでは纏めて「摂動デバイス１１０」と呼ぶ）の種々の例を示す。摂動デバイス１１０は、ＶＢＣファイバ２００内を伝搬するビームのビーム特性の調節を可能にするように構成された種々のデバイス、方法、および／またはアセンブリの内任意のものでよい。一例では、摂動デバイス１１０は、マンドレル２４０２、ＶＢＣファイバにおけるマイクロベンディング２４０４、フレキシブル・チュービング２４０６、音響光学変換器２４０８、熱デバイス(thermal device)２４１０、圧電デバイス２４１２、グレーティング２４１４、クランプ２４１６（または他の締結具）等、またはこれらの組み合わせでもよい。これらは、摂動デバイス１００の例に過ぎず、摂動デバイス１００の網羅的な列挙(listing)ではなく、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0100】
マンドレル２４０２は、ＶＢＣファイバ２００を曲げることができる形状を与えることによって、ＶＢＣファイバ２００に摂動を起こすために使用することができる。先に論じたように、ＶＢＣファイバ２００の曲げ半径を小さくすると、ビームの強度分布が半径方向の外側に動く。ある例では、マンドレル２４０２は、離散曲げ半径レベルを得るために、ステップ型にしてもまたは円錐形状にしてもよい。あるいは、マンドレル２４０２は、曲げ半径を更に粒度高く制御するための連続曲げ半径が得られるように、段のない円錐形状を含んでもよい。マンドレル２４０２の曲率半径は、一定（例えば、円筒形状）であっても、一定でなくても（例えば、長円形状）よい。同様に、フレキシブル・チュービング２４０６、クランプ２４１６（または他の様々な締結具）、またはローラ２５０も、マンドレル２４０２の周りでＶＢＣファイバ２００の曲げを誘導および制御するために使用することができる。更に、特定の曲げ半径においてファイバを曲げる長さを変更することによって、ビームの強度分布を修正することができる。ＶＢＣファイバ２００およびマンドレル２４０２は、第１ファイバ内における強度分布を予測可能に変化させるように構成することができる（例えば、ファイバを曲げる長さおよび／または曲げ半径に比例する）。ローラ２５０は、ＶＢＣファイバ２００の曲げ半径を変化させるために、プラットフォーム２４３４上のトラック２４４２に沿って往復運動する(move up and down)ことができる。
【0101】
クランプ２４１６（または他の締結具）も、マンドレル２４０２を用いてまたは用いずに、ＶＢＣファイバ２００の曲げを誘導および制御するために使用することができる。クランプ２４１６は、トラック２４４２またはプラットフォーム２４４６に沿って往復運動することができる。また、クランプ２４１６は、ＶＢＣファイバ２００の曲げ半径、張力、または方向を変化させるために、旋回することもできる。コントローラ２４４８はクランプ２４１６の移動を制御することができる。
【0102】
他の例では、摂動デバイス１１０は、フレキシブル・チュービング２４０６であってもよく、マンドレル２４０２を用いてまたは用いずに、ＶＢＣファイバ２００の曲げを誘導することができる。フレキシブル・チュービング２４０６は、ＶＢＣファイバ２００を包み込む(encase)ことができる。チュービング２４０６は、種々の材料で作ることができ、コントローラ２４４４によって制御される圧電変換器を使用して操作することができる。他の例では、クランプまたは他の締結具を使用して、フレキシブル・チュービング２４０６を移動させてもよい。
【0103】
ＶＢＣファイバのマイクロベンディング２４０４は、ファイバに対する横方向の機械的応力によって生ずる局所的な摂動である。マイクロベンディングは、ファイバ内において１つの閉じ込め領域から他の閉じ込め領域へのモード結合および／または移行の原因となる可能性があり、ＶＢＣファイバ２００内を伝搬するビームのビーム特性を変化させる結果となる。機械的応力は、コントローラ２４４０によって制御されるアクチュエータ２４３６によって加えられてもよい。しかしながら、これは、ファイバ２００において機械的応力を誘発する方法の一例に過ぎず、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0104】
音波を使用してＶＢＣファイバ内を伝搬するビームの摂動を誘発するために、音響光学変換器（ＡＯＴ：acousto-optic transducer）２４０８を使用することもできる。音波の発振する機械的圧力によるファイバの屈折率修正によって、摂動を生じさせる。音波の周期および強度は、音波の周波数および振幅に関係があり、音響摂動の動的な制御を可能にする。つまり、ＡＯＴ２４０８を含む摂動アセンブリ１１０は、ファイバ内を伝搬するビームのビーム特性を変化させるように構成することができる。一例では、圧電変換器２４１８が音波を発生してもよく、コントローラまたはドライバ２４２０によって制御されてもよい。リアルタイムでＶＢＣ２００内において光ビームのビーム特性を変化させるおよび／または制御するために、ＡＯＴ２４０８において誘発された音波を変調することができる。しかしながら、これはＡＯＴ２４０８を発生し制御する方法の一例に過ぎず、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0105】
熱を使用してＶＢＣファイバ内を伝搬するビームの摂動を誘発するために、熱デバイス２４１０も使用することができる。熱によって誘発されるファイバのＲＩＰの修正によって、摂動を生じさせる。ファイバに移転する熱の量、および熱が加えられる長さを制御することによって、摂動を動的に制御することができる。つまり、熱デバイス２４１０を含む摂動アセンブリ１１０は、ビーム特性の範囲を変化させるように構成することができる。熱デバイス２４１０は、コントローラ２４５０によって制御することができる。
【0106】
圧電作用を使用して、ＶＢＣファイバ内を伝搬するビームの摂動を誘発するために、圧電変換器２４１２を使用することができる。ファイバに取り付けられた圧電材料によって誘発されるファイバのＲＩＰの修正によって、摂動を生じさせる。裸のファイバを囲むジャケットの形態とした圧電材料が、ファイバに張力または圧縮力を加えて、結果的に生ずる密度変化によって、その屈折率を修正することができる。摂動は、圧電デバイス２４１２への電圧を制御することによって動的に制御することができる。このように、圧電変換器２４１２を含む摂動アセンブリ１１０は、特定の範囲にわたってビーム特性を変化させるように構成することができる。
【0107】
一例では、圧電変換器２４１２は、どのように圧電変換器２４１２がＶＢＣファイバ２００に取り付けられるか、圧電材料の分極方向、印加電圧等を含む種々の要素に応じて、種々の方向（例えば、軸方向、半径方向、および／または横方向）にＶＢＣファイバ２００を変位させるように構成することができる。加えて、圧電変換器２４１２を使用して、ＶＢＣファイバ２００の曲げ加工も可能である。例えば、対向電極を含む複数のセグメントを有するある長さの圧電材料を駆動することによって、圧電変換器２４１２を横方向に曲げさせることができる。ＶＢＣファイバ２００の変位を制御するために、電極２４２４によって圧電変換器２４１２に印加される電圧を、コントローラ２４２２によって制御することができる。リアルタイムでＶＢＣファイバ２００における光ビームのビーム特性を変化させるおよび／または制御するために、変位を変調することができる。しかしながら、これは、圧電変換器２４１２を使用してＶＢＣファイバ２００の変位を制御する方法の一例に過ぎず、特許請求する主題がこれに関して限定されることはない。
【0108】
グレーティング２４１４は、ＶＢＣファイバ２００内を伝搬するビームの摂動を誘発するために、使用することができる。グレーティング２４１４は、屈折率の周期的変動をコア内に刻み込むことによって、ファイバ内に書き込むことができる。ファイバ・ブラグ・グレーティングのようなグレーティング２４１４は、光ファイバとしてまたは反射器として動作することができる。長周期グレーティングは、共伝搬ファイバ・モード間で遷移を誘発することができる。したがって、元のモードの１つ以上を、異なる放射輝度および／または発散プロファイルを有する１つ以上の異なるモードに結合するために、長周期グレーティングを使用して、１つ以上のモードで構成されるビームの放射輝度、強度プロファイル、および／または発散プロファイルを調節することができる。調節は、屈折率グレーティングの周期または振幅(amplitude)を変化させることによって行われる。このような調節のためには、ファイバ・ブラグ・グレーティングの温度、曲げ半径、および／または長さ（例えば、引き伸ばし）を変化させるというような方法を使用することができる。グレーティング２４１４を有するＶＢＣファイバ２００をステージ２４２６に結合することができる。ステージ２４２６は、種々の機能の内任意のものを実行するように構成することができ、コントローラ２４２８によって制御することができる。例えば、ステージ２４２６は、締結具２４３０によってＶＢＣファイバ２００に結合されてもよく、締結具２４３０を使用して、てこの作用でＶＢＣファイバ２００を引き延ばすおよび／または曲げるように構成することもできる。ステージ２４２６は、埋め込み熱デバイスを有してもよく、ＶＢＣファイバ２００の温度を変化させることができる。
【0109】
図２５は、ビーム特性を調節するために自由空間光学素子を使用せずに、ファイバ内においてビーム特性を調節および／または維持するためのプロセス例２５００を示す。ブロック２５０２において、第１長のファイバおよび／または光ビームに摂動を起こし、１つ以上の光ビーム特性を調節する。プロセス２５００はブロック２５０４に進み、ここで光ビームを第２長のファイバに発射する。プロセス２５００はブロック２５０６に進み、ここで、調節されたビーム特性を有する光ビームを、第２長のファイバ内を伝搬させる。プロセス２５００はブロック２５０８に進み、ここで、光ビームの１つ以上のビーム特性の内少なくとも一部を、第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域内で維持する。第１および第２長のファイバは、同じファイバで構成されてもよく、またはこれらは異なるファイバであってもよい。
【0110】
図２９Ａ～図２９Ｃを参照すると、可変ビーム特性（ＶＢＣ）機器２９００は、ディスク２９０２を含む。ディスク２９０２は、ファイバ曲げ面またはファイバ整形面として機能する周面２９０４を定める円形、楕円形、または他の湾曲断面を有する摂動アセンブリである。ファイバ・ガイド２９０６、２９０８が、第１ファイバ２９１０の一区間を周面２９０４に向けて付勢するために、周面２９０４に位置付けられる。ファイバ・ガイド２９０６、２９０８は、これらのファイバ・ガイド２９０６、２９０８が軸２９１２を中心として回転可能になるのを許容するように接続されたスポーク２９０７、２９０９に固定される。周面２９０４に沿ったガイド２９０６、２９０８の分離は、周面２９０４に一致するように、または周面２９０４に接触するように付勢される第１ファイバ２９１０の区間の長さに関連付けられる角度θを定める。ガイド２９０６、２９０８の一方または双方の回転により、適した長さの選択が可能になる。ある例では、ファイバはガイド２９０８のようなガイドに固定され、ガイドの回転により、ファイバがファイバ曲げ面の回りに巻回され、これによって、ガイドの回転に基づいて曲げられるファイバの長さを選択する。このような例では、ファイバを解くためにガイドが回転するに連れてファイバがファイバ曲げ面から解けるように、張力メカニズムを設けることができる。
【0111】
ガイド２９０６、２９０８は、ファイバをファイバ曲げ面に向かって押圧する表面を含むことができる。例えば、ガイド２９０６、２９０８は、ゴム、発泡体、布、繊維、または他の材料の弾性部分で作るまたは含むことができ、ファイバを損傷する可能性がある鋭い表面不規則性に配慮し、ファイバの保全性を損なうことがないように、ファイバに対して付勢することができる。周面２９０４のようなファイバ曲げ面には、その表面全体に沿って、またはファイバを一致させる際に使用すると予測される部分のみに、同様の材料を設けることができる。あるいは、ガイド２９０６、２９０８は、溝２９１６のような溝を含むことができ、この溝は、ファイバを保持し、ファイバをファイバ曲げ面に対して押圧してもしなくてもよい。ガイドが回転可能である場合、ガイドが回転しファイバ曲げ面に沿って進むときにファイバが溝内に保持されるように、溝は周囲全体にわたって延長することもできる。
【0112】
第１ファイバ２９１０は、通例、融着スプライスのようなスプライス２９１８（図２９Ａでは、可能な２つの位置において示す）によって、第２ファイバ２９２０に接続される。ある例では、１本のファイバを使用することができるが、一般的には、異なる屈折率分布を有する２本の異なるファイバが使用される。次いで、ガイド２９０６、２９０８は、第２ファイバの一区間を、周面２９０４に沿った曲げ経路内に付勢する（スプライス２９１８と共に）。ある例では、スポーク２９０７、２９０９は剛体であるが、他の例では、ガイド２９０６、２９０８が周面２９０４に向かって引き上げられるように、ばねのような弾力性部材を使用することができる（または、スポークが弾力部分を含むことができる）。多くの実用的な例では、１つのガイドだけが使用されるが、ファイバ曲げ面２９０４に一致させる１本以上のファイバの部分を選択するために、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上のガイドを使用することができる。例えば、第１ファイバ２９１０および第２ファイバ２９２０の区間は、それぞれの対のガイドを使用して周面に向かって付勢されるように、独立して選択することができる。
【0113】
ガイド２９０６、２９０８の位置は、モータ２９３０を使用して制御することができる。モータ２９３０は、スポーク２９０７、２９０９に結合され、角度θを確定するように回転する。ガイド２９０６、２９０８をコンピュータまたはプロセッサ制御する、または相互に制御することができるように、コントローラ２９３２がモータ２９３０に結合される。ある例では、コントローラ２９３２は、角度θおよび関連するビーム特性が格納される較正表を含む非一時的コンピュータ読み取り可能媒体を含む。複数のガイドを有するシステムでは、これらを独立して移動させるように各々を配置することができ、１本以上のファイバの区間を選択することができる。
【0114】
図２９Ａ～図２９Ｃの例では、１つの曲げ半径がファイバ曲げ面に関連付けられるが、他の例では、一連の異なる曲げ半径を使用することができ、各半径は、例えば、円筒の一部として形成される対応する刻み(step)で定められるか、あるいは円錐またはその一部というようなテーパー面上で定められる。弓状または他の湾曲面も同様に使用することができる。ガイドは、特定の湾曲を有するファイバ曲げ面または成型面にファイバを導き、この湾曲の形状にするファイバの長さを選択するように位置付けることができる。ファイバ区間は、湾曲が関連付けられた複数の表面エリアにおいて曲げることができ、湾曲毎に区間の長さを変化させることができる。図２９Ａ～図２９Ｃでは、円筒状湾曲が示されているが、球形または楕円湾曲というような、複数の方向に沿った湾曲を使用することができる。周面２９０４はディスク２９０２の外面であるが、他の例では、円環、中空円筒、または他の形状の内面を、ファイバ曲げまたは整形面として使用することができ、ガイドは、このような内面に関してファイバ形状を調節するように位置付けられる。
【0115】
開示する例では、融着接続されたある長さの第１光ファイバおよび第２光ファイバを含む光ファイバが、第１ファイバまたは第２ファイバにおいて生成される空間ビーム・プロファイルまたは他のビーム特性を変化させるように、融着スプライスまたはその近くにおいて曲げられる。通例、融着スプライスがファイバの曲げ部分に含まれると、一層効率的な空間ビーム・プロファイルの調節が行われる。しかしながら、融着スプライスを曲げ部分に十分近くに配置することができる。通例、融着スプライスは、いずれかのファイバのコア直径の約２倍、５倍、１０倍、５０倍、１００倍、５００倍、または１０００倍未満の長さ以内に位置付けられなければならない。十分なファイバ長は、ファイバの開口数にも依存する可能性がある。第１ファイバまたは第２ファイバのいずれかを曲げる有効性(utility)について、スプライス接合部２９１８である発射点(launch point)付近でファイバを曲げることにより、元のビーム形状に潰れる(collapsing to)前にある距離だけ伝搬する可変空間ビーム・プロファイルを生成できるという１つの説明を行うことができる。受ける側（第２）のファイバでは、スプライス付近における曲げは、発射側（第１）ファイバからの空間パワー分布に摂動を起こし、つまり受けたパワーを選択した空間パワー分布に可変的に結合することができる。本開示は、このような動作にしたがう動作に限定されるのではなく、この説明は、便宜上可能な説明の１つとして提示したに過ぎない。
【0116】
図２９Ａにおいて、摂動アセンブリ・ディスク２９０２は、スプライス接合２９１８に近接して配置されている。あるいは、摂動アセンブリをスプライス付近に配置しなくてもよい。更に、スプライスが全く必要とされない場合もあり、例えば、ファイバ２９１０が１本のファイバであってもよく、第１長のファイバおよび第２長のファイバを離間させることができ、または小さな間隙を入れて固定することができる（空気離間(air-spaced)させる、または光学接着剤または屈折率整合材料のような光学材料で充填する）。
【0117】
ある例では、摂動アセンブリにおいて段付きマンドレル(stepped mandrel)または円錐を使用することによって、ファイバの曲げ半径を第１曲げ半径Ｒ１から第２曲げ半径Ｒ２に変更する。異なる曲げ半径を有するファイバ部分を独立して選択することができる。ファイバの曲げ半径を変更すると、半径方向ビーム位置、発散角度、および／または放射輝度プロファイル、あるいはファイバ内におけるビームの他のビーム特性も変化するのはもっともである。
【0118】
図３０において断面図に示す例では、ディスク３００２が周面（ファイバ曲げ面）３００４を定め、周面３００４には溝３０１０、３０１１が彫られている。通例、ディスク３００２は、回転可能な軸（図示せず）の挿入のために、中央孔３００６を含む。ガイド３００８は、ガイド３００８が周面３００４に沿って移動可能になるように、溝３０１０、３０１１に挿入することができる突起３０１６、３０１７を含む。ファイバ３０１４は、ガイド３００８の溝３０１５内に位置付けられて示されている。他の例では、ディスクまたは他の支持体における対応する溝に収まるように、ガイドはありつぎ形状の突起(dovetail shaped protrusion)を有することができる。あるいは、使いやすくすることができるように、溝をガイド内に設ける、突起をディスク内に設ける、またはこれらの任意の組み合わせも可能である。
【0119】
図３１を参照すると、ＶＢＣ機器３１００は、周面（ファイバ曲げ面）３１０４を有する楕円形ディスク３１０２を含む。ガイド３１０６、３１０７が、ファイバ曲げ面３１０４に一致するファイバ３１０８の長さを選択するために位置付けられる。図示のように、ガイド３１０６は周面３１０４に関して固定され、ガイド３１０７は、周面３１０４に沿って移動可能になるように構成されている。図３１の例では、ガイド３１０７は、軸３１１２を中心として回転可能になるように、弾性部材３１１０によって固定されている。周面３１０４は、楕円によって定められ、したがって、変化する曲率半径を有し、弾性部材３１１０は、ガイド３１０７が軸３１１２から周面３１０４までの可変距離に対処することができるように、選択される。
【0120】
図３２は、基板３２００上に形成された追加のファイバ曲げ面３２０２を示す。ファイバ曲げ面３２０２に対向する表面３２０６は、平面である、あるいは凸または凹曲面を有することができる。ガイド３２０８は、ファイバをファイバ曲げ面３２０２に付勢するように位置付けられ、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上のこのようなガイドを使用することができる。先に論じたように、ガイド３２０８は、溝によって保持することができ、そして摺動可能であり、あるいはガイド３２０８をファイバ曲げ面３２０２に向けて付勢する弾性部材に結合することができる。ファイバ曲げ面３２０２は、種々の単一または複合曲面を有することができ、少なくともいくつかの部分において凸状、凹状、または平面とすることができる。ガイド３２０８は、球状または円筒状とすることができ、ファイバ曲げ面３２０４に沿って転がるように配置することができる。ある例では、ガイド３２０８は、ファイバ曲げ面３２０２と接触するようにファイバ３２１０を付勢する、ファイバ３２１０の曲げ角度を変更する、またはファイバ３２１０とガイド３２０８に近接するファイバ曲げ面３２０２との間にギャップ３２１２を残しつつ、ファイバ３２１０を曲げるように位置付けられる。
【0121】
図３３Ａ～図３３Ｂを参照すると、ファイバ３３０６をファイバ曲げ面３３０８に向けて付勢するように、ガイド３３０４が位置付けられる。ファイバ３３０６は、ファイバ曲げ面３３０８に関して、クリップ３３１０によって固定することができ、またそうでなければ、ファイバ曲げ面３２０８に一致させられるファイバの長さがガイド３３０４の一部によって決定されるように固定することができる。図３３Ｂの断面図に示すように、ファイバ３３０６はチャネル３３１２内に保持され、ガイド３３０４は、ファイバ曲げ面３３０８における溝３３３０、３３３１に対応する突起３３２０、３３２１を含む。
【0122】
図３４を参照すると、ディスクの区間３４０２がファイバ曲げ面３４０４を定める。クランプ３４０６がファイバ３４０８をファイバ曲げ面３４０３に固定し、ガイド３４１０は、ファイバ曲げ面３４０４に向けて付勢されるファイバ長を制御するために、ファイバ曲げ面３４０４に沿って移動可能である。ガイド３４１０は、溝内で表面に沿って移動することができ、および／または回転を可能にする軸に固定することができる。図３５に示すように、円環の部分３５０２はファイバ曲げ面３５０４を定める。クランプ３５０６およびガイド３５１０は、ファイバ曲げ面３５０４に一致させられるファイバ長を調節するために設けられる。ガイド３５１０は、溝内でファイバ曲げ面３５０４に沿ってまたは他の方法で摺動可能であり、あるいは軸に沿って回転するようにスポークに結合することができる。ある例では、ファイバ曲げ面は、ファイバ曲げ面およびガイドに関して固定されたクランプの分離が調節可能になるように、回転可能であるか、またそうでなければ調節可能である。例えば、図３５に示すように、スポーク３５１２がファイバ曲げ面３５０４に沿ったガイド３５１０の移動を可能にすることができ、および／またはガイド３５１０に関して円環３５０２の回転を可能にするために、スポーク３５１４を結合することができる。ファイバ曲げ面のこのような回転または移動は、ディスク、円筒、またはファイバ曲げ面を定める他の形状の回転によって行うことができる。
【0123】
図３６に示すように、ＶＢＣ機器３６００は柔軟板３６０２を含む。柔軟板３６０２は、ベアリング３６１０を柔軟板３６０２に向けて付勢するリニア・アクチュエータ３６０８によって、固定支持体３６０４、３６０６に接して曲げられるように位置付けられる。ファイバ３６１２は、柔軟板３６０２の屈曲(flexing)に応答して曲がる(bend)ように、柔軟板３６０２に固定されるか、またはそれ以外の方法で位置付けられる。
【0124】
図３７Ａ～図３７Bは、ファイバ３７０２の１つ以上のループを保持するように構成された溝またはチャネル３７０４を含むスプール３７００を示す。スプール３７００（またはスプール３７００を中心とするファイバ）の回転により、ファイバ３７０２によって加えられるビーム摂動の調節が可能になる。基板上でファイバの巻回回数を変化させることを可能にする他の構成を設けることもでき、通例では、円筒の一区間で十分可能である。一般に、ステッパ・モータまたは他のモータを制御することによって巻回し（折り返し）回数を選択するためにコントローラが設けられるが、ある例では、折り返し回数を手作業で調節することができる。ファイバ３７０２が溝３７０４の半径方向に最も内側の部分に接触すれば好都合であろうが、これは必須ではない。
【0125】
図３８Ａ～図３８Ｂを参照すると、ＶＢＣデバイス３８００は円筒３８０４を含む。円筒３８０４は、円筒３８０４に固定されたロッド３８１２の並進に応答して、ファイバ・ループ３８０２を第１ジョー３８０６および第２ジョー３８０８に向けて押圧するように位置付けられる。代表的なばね３８１０のような１つ以上のばねが、ジョー３８０６、３８０８の一方または両方をファイバ３８０２および円筒３８０４に向けて付勢するように位置付けられる。図３８Ａは、図示し易くするために、変形のないファイバ・ループ３８０２を示す。図３８Ｂの構成により、ファイバ・ループ３８０２の相当な曲げが得られる。円筒形、球形、楕円形、弓形、または他の形状というように、ファイバ・ループ３８０２を押圧するためには種々の形状を使用することができるが、図示をし易くするために、円筒が示されている。
【0126】
図３９Ａ～図３９Ｄは、図３８Ａ～図３８Ｂのメカニズムの種々の係合と共に、ファイバ形状を示す。図３９Ａでは、ファイバは、曲げも変形もなく、ループ３９００内に留まる。図３９Ｂ～図３９Ｃは、メカニズムの係合が増えるに連れて、ジョー３８０６、３８０８および円筒３８０４に接触するファイバ区間３９０２、３９０４、３９０６を示す。ループ３９００の形状も変化する。
【0127】
図４０は、 ビーム特性に摂動を起こすＶＢＣ機器４０００を示す。ＶＢＣ機器４０００は、第１組４００２および第２組４００４の円筒、または互いに対向して位置付けられた他の適した形状を含む。第１組４００２および第２組３００４が互いに向かって付勢されるに連れて、ファイバ４００８が曲げられるまたは変形されるように、第１組４００２と第２組４００４との間に位置付けられる。図４０では、同じ形状の円筒が示されているが、いずれの組の円筒も、その１つ以上が異なる直径を有することができ、各組の表面毎に異なる形状を使用することができる。
【0128】
図４１に示すように、便利であれば、１つの基板上に複数のファイバ整形面を定めることができる。板４１００は、ファイバ整形面となる(provide)楕円形または他の突起４１０１、４１０２、４１０３、４１０４を含む。円筒形、弓形、球形、放物線状、または他の形状を使用することができる。
【0129】
図４２は、ＶＢＣ機器４２００を示す。これは、図３６と同様であるが、弾性または剛性カップリング４２１０によって柔軟板４２０２に結合されたリニア・アクチュエータ４２０８によって、柔軟板４２０２がストップ(stop)４２０４、４２０６に接して引っ張られる。ファイバ４２１２が、柔軟板４２０２の形状に一致するように位置付けられる。
【0130】
図４３Ａ～図４３Ｂに示す他の例では、ビーム摂動メカニズム４３００は、駆動軸を収容することができる中央孔４３０６を有する円筒４３０４を含む。円筒４３０４の外面４３０５は、ファイバ整形面として機能する。図４３Ｂにおいて、ファイバ４３０２は、円筒４３０４の周囲に数回巻回されていることが示されている。円筒４３０４の回転は、選択したビーム摂動を、手動で、またはプロセッサ・ベースの制御システムによって付与するために使用することができる。プロセッサ・ベースの制御システムは、ビーム摂動特性を回転角度の関数として、１つ以上の非一時的コンピュータ読み取り可能媒体に格納することができる。
【0131】
図４４Ａ～図４４Ｂは、少なくとも部分的にイオン性ポリマー複合体（ＩＰＣ）で形成され、第１主面４４０４と第２主面４４０５とを有する基板４４０２を含むＶＢＣデバイス４４００を示す。電極４４０６、４４０８が、それぞれ、第１主面４４０４および第２主面４４０５上または第１主面４４０４および第２主面４４０５に位置付けられる。場合によっては、非導電層、保護層、あるいは製作または使用に必要とされる他の層というような、介在層があるが、このような層は示されていない。蛇行するファイバ・ループ４４１０が、第１主面４４０４に固定され、右側にある直交座標系４４５０のＸ軸に沿って延びる延長部分４４１１のような、延長部分を有する形状になっている。図４４Ｂの断面図に示すように、電極４４０６、４４０８に印加された電圧に応答して、基板４４０２に電界が加えられると、Ｚ方向の変形が生じるので、第１主面４４０４は、表面４４０４Ａのように撓められるまたは曲げられる。このような変形によって、ファイバ・ループ４４１０にビーム摂動が生ずる。他の方向への他の変形を生ずることもでき、真っ直ぐなファイバ長、円形ループ、部分的なループ、蛇行域(serpentine length)、およびその他のファイバ形状(arrangement)も、第１主面４４０４または第２主面４４０５上のいずれかで、Ｘ方向、Ｙ方向に向けることができ、あるいは任意の方向に向けることができる。
【0132】
図４５に示す他の例では、ＶＢＣデバイス４５０はＩＰＣ基板４５０２を含み、ファイバ蛇行ループ４５０４、４５０５（あるいは円形ループまたは他の形状に配されたファイバ）が、ＩＰＣ基板４５０２の曲げ(flexing)を受けるように、ＩＰＣ基板４５０２に固定される。電極４５０６のような電極が、ＩＰＣ基板４５０２の端部に設けられるが、他の部分に位置付けることもでき、または基板４５０２を覆うこともできる。ファイバ端部４５１０、４５１１は、光ビームをビーム摂動デバイス４５００に結合するため、およびビーム摂動デバイス４５００から取り外す(out of)ために使用することができる。先に論じた他の例におけると同様、ファイバ蛇行ループ４５０４、４５０５は、１本のファイバ（第１ファイバ）、またはスプライスを有する第１ファイバおよび第２ファイバであることも可能である。
【0133】
図４６は、ＶＢＣシステム４６００を示す。ＶＢＣシステム４６００は、１つ以上のビームをビーム摂動デバイス４６０２に結合する入力光学素子４６０１と、基板への伝送のため、または他の使用のために、１つ以上の摂動ビームを受ける出力光学素子４６０４とを含む。制御システム４６０８は、制御回路、マイクロプロセッサまたは他のプログラマブル・ロジック・デバイスのようなプロセッサ、ビーム摂動デバイス４６０２の制御のためのプロセッサ実行可能命令を格納するＲＡＭまたはＲＯＭのようなメモリを含むことができる。例えば、メモリは、ビーム摂動デバイスの駆動レベルの関数としてビーム摂動を収容する１つ以上の較正表を含む。場合によっては、ビーム摂動デバイス４６０２は、リニア・モータまたはステッパ・モータ、圧電ステージ、圧電アクチュエータ、ピエゾベンディング・モータ(piezobending motor)、バイメタル細片（熱制御を伴う）、回転モータ、またはボイス・コイル・モータというような、１つ以上のアクチュエータまたはモータを含むことができる。あるいは、制御システムは、駆動レベルをビーム摂動デバイスに設定するためにディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を含むことができる。例えば、ＩＰＣ系ビーム摂動デバイスは、ＤＡＣによって供給することができる印加電圧に応答する。通例では、ビーム摂動値を設定、調節、ならびに記録および格納するために、マウス、トラックパッド、キーボード、またはタッチスクリーンのような、１つ以上のコンピュータ入力デバイスまたはポインティング・デバイスを含むことができるユーザ・インターフェース（ＵＩ）４６１２が設けられる。場合によっては、制御は遠隔ネットワーク接続を介して行われ、制御システム４６０８は、有線またはワイヤレス・ネットワーク・インターフェースを含む。また、ＵＩ４６１２は、ビーム摂動デバイス４６０２を制御するときに使用するためのスイッチ、ポテンショメータ、およびその他のデバイスを含むこともできる。ある例では、ビーム摂動デバイス４６０２は制御システムを含む。
【0134】
ある例では、ビーム摂動デバイスのビーム摂動または条件を決定するために、センサ４６１０が位置付けられる。センサ４６１０は、ビーム摂動における誤差およびドリフトを補正するため、および／またはビーム摂動デバイスが意図する通りに動作していることを確認するために、制御システム４６０８に結合される。例えば、イオン性ポリマー層を含むＶＢＣ機器に、層の変形を示す信号を生成するために、増幅器または他の回路に結合される１つ以上の追加電極を設けることができる。この信号は、イオン性ポリマーの変形を安定化するために使用することができる。他のＶＢＣ機器では、摂動デバイスによって生成される摂動を検出し、選択された摂動を維持するように制御することができるように、位置、回転、距離、または他のセンサを含ませることができる。
【0135】
図４７は、ファイバ４７０２が支持体４７０４、４７０６に固定される、または支持体４７０４、４７０６によって誘導される、ＶＢＣ機器４７００を示す。ファイバ４７０２の端部４７０３を撓ませるために、ファイバ偏向部材４７０８（例示の目的で、円形の断面を有するものとして示す）が位置付けられる。端部４７０３は、第１ファイバおよび第２ファイバが接続されるスプライス領域４７０４を含むことができる。ファイバ偏向部材４７０８は、ファイバ４７０２に押し当ててファイバ偏向を増大させるように、更にファイバを引いてファイバ偏向を減少させるように位置付けられるが、偏向を減少させるように押し付ける、および偏向を増大させるように引くように位置付けることもできる。
【0136】
図４７Ｂに示す他の例では、ＶＢＣ機器４７２０は、支持体４７２４と接触する、支持体４７２４に固定された、またはそれ以外で支持体４７２４によって制約されるファイバ４７２２を含む。ファイバ偏向部材４７２８は、第１ファイバ部分および第２ファイバ部分が互いに接続されるスプライス領域４７３０における位置、その付近の位置、またはその中の位置においてファイバ４７２２を撓ませるように位置付けられる。ファイバ偏向部材４７０８、４７２８は、種々の形状およびサイズを有することができ、圧電デバイス、リニア・モータ、または変位を付与する他のアクチュエータに結合することができる。
【0137】
図４７Ｃに示す他の例では、ＶＢＣ機器４７５０は、支持体４７５４、４７５６と接触する、支持体４７５４、４７５６に固定された、またはそれ以外で支持体４７５４、４７５６によって制約されるファイバ４７５２を含む。第１ファイバ部分および第２ファイバ部分が互いに接続されるスプライス領域４７６０における位置、その付近の位置、またはその中の位置において、ファイバ４７５２を撓ませるように、ファイバ偏向部材４７５８が位置付けられる。
【0138】
ＶＢＣ機器４７００、４７２０、４７５０は、ファイバ曲げ面を含まない。このような面は、以上で示したような一部の実施形態では便利であるが、必須ではない。図４７Ａ～図４７Ｃの例では、ファイバの撓みを使用する。ファイバ偏向部材４７０８、４７２８、４７５８は、種々の形状およびサイズを有することができ、圧電デバイス、リニア・モータ、または変位を付与する他のアクチュエータに結合することができる。
【0139】
本明細書において開示した技術の実施例の概略的な原理および具体的な原理について説明および図示したが、このような原理から逸脱することなく、例示した実施形態の構成および詳細を修正できることは認められよう。以上の特定的な構成は、図示をし易くするために提示したに過ぎず、他の構成を使用することもできる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22A】
【図22B】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33A】
【図33B】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37A】
【図37B】
【図38A】
【図38B】
【図39A】
【図39B】
【図39C】
【図39D】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43A】
【図43B】
【図44A】
【図44B】
【図45】
【図46】
【図47A】
【図47B】
【図47C】