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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】2023-08-10
(45)【発行日】2023-08-21
(54)【発明の名称】光ファイバー構造とビーム成型方法
(51)【国際特許分類】
G02B 6/036 20060101AFI20230814BHJP
G02B 6/028 20060101ALI20230814BHJP
G02B 6/42 20060101ALI20230814BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230814BHJP
【ＦＩ】
G02B6/036
G02B6/028
G02B6/42
B23K26/064 K
【請求項の数】
59
(21)【出願番号】P 2021525679
(86)(22)【出願日】2019-11-06
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-18
(86)【国際出願番号】 US2019060020
(87)【国際公開番号】W WO2020101970
(87)【国際公開日】2020-05-22
【審査請求日】2021-06-17
(31)【優先権主張番号】62/758,731
(32)【優先日】2018-11-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106518
【弁理士】
【氏名又は名称】松谷 道子
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100183265
【弁理士】
【氏名又は名称】中谷 剣一
(72)【発明者】
【氏名】ワン－ロン・ジョウ
(72)【発明者】
【氏名】フランシスコ・ビジャレアル－サウエド
【審査官】林 祥恵
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１２／１０２１３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２９３０８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２１０１４４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００３１７６２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１４－５１１１２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／００４４１４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５３０７２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０８６７７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５２２８１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／００５７７９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２１０２１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００２－１６２５２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２９６４４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０３１７３６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／０２－ ６／１０
Ｇ０２Ｂ ６／２６－ ６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／４２－ ６／４３
Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
マルチモード光ファイバーであって、
第１屈折率を有するセンターコアと、
前記センターコアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有し、前記センターコアの直径の１／２よりも小さい厚さを有する第１クラッドと、
前記第１クラッドを囲み、前記センターコアの直径に対する直径の比率が２．５以上８以下の範囲である環状コアと、
前記環状コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第３屈折率を有する第２クラッドと、
を備え、
前記センターコアは、純粋石英ガラスにより構成され、
前記環状コアは、
前記第２屈折率よりも大きい第４屈折率を有する第１領域と、
第２領域と、
を有し、
前記第１領域は、前記第２領域と前記第２クラッドとの間に配置され、
前記第２領域の屈折率は、（ｉ）前記第４屈折率以下の第５屈折率と（ｉｉ）前記第２屈折率以上の第６屈折率との間で変化し、前記第６屈折率から前記第５屈折率まで徐々に増加し、前記第２領域の屈折率の変化は線形である、
勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項2】
前記第４屈折率は、前記第１屈折率と等しい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項3】
前記第４屈折率は、前記第１屈折率よりも大きい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項4】
前記第４屈折率は、前記第１屈折率よりも小さい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項5】
前記第２屈折率は、前記第３屈折率と等しい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項6】
前記第２屈折率は、前記第３屈折率よりも大きい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項7】
前記第２屈折率は、前記第３屈折率よりも小さい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項8】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さと等しい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項9】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さよりも小さい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項10】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さよりも大きい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項11】
前記第５屈折率は、前記第４屈折率よりも小さい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項12】
前記第５屈折率は、前記第４屈折率と等しい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項13】
前記第６屈折率は、前記第２屈折率よりも大きい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項14】
前記第６屈折率は、前記第２屈折率と等しい、請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項15】
前記第１屈折率は、１．４５０７６であり、前記第４屈折率は、１．４５０７６である、
請求項１に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項16】
マルチモード光ファイバーであって、
第１屈折率を有するセンターコアと、
前記センターコアを囲み、前記センターコアの直径に対する直径の比率が２．５以上８以下の範囲である環状コアと、
前記環状コアを囲み、前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有し、前記センターコアの直径の１／２よりも小さい厚さを有する第１クラッドと、
を備え、
前記センターコアは、純粋石英ガラスにより構成され、
前記環状コアは、
前記第２屈折率よりも大きい第３屈折率を有する第１領域と、
第２領域と、
を有し、
前記第２領域の屈折率は、（ｉ）前記第３屈折率以下の第４屈折率と（ｉｉ）前記第４屈折率よりも小さい第５屈折率との間で変化し、前記第５屈折率から前記第４屈折率まで徐々に増加し、前記第２領域の屈折率の変化は、線形であり、
前記第１領域は、第２領域と第１クラッドとの間に配置される、
勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項17】
前記第３屈折率は、前記第１屈折率と等しい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項18】
前記第３屈折率は、前記第１屈折率よりも大きい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項19】
前記第３屈折率は、前記第１屈折率よりも小さい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項20】
前記第５屈折率は、前記第２屈折率と等しい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項21】
前記第５屈折率は、前記第２屈折率よりも大きい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項22】
前記第５屈折率は、前記第２屈折率よりも小さい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項23】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さと等しい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項24】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さよりも小さい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項25】
前記第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さよりも大きい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項26】
前記第４屈折率は、前記第３屈折率よりも小さい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項27】
前記第４屈折率は、前記第３屈折率と等しい、請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項28】
前記第１屈折率は、１．４５０７６であり、前記第３屈折率は、１．４５０７６である、
請求項１６に記載の勾配ステップクラッド光ファイバー。
【請求項29】
入力レーザービームを放射するビーム源と、入力端と、前記入力端と反対側の出力端と、を有する、請求項１から２８のいずれか１項に記載の光ファイバーと、
前記入力レーザービームを受信し、前記入力レーザービームを前記光ファイバーの前記入力端に向ける結合機構であって、前記入力レーザービームは、前記光ファイバーに結合され、前記光ファイバーの出力端から出力ビームとして放射される、結合機構と、
前記光ファイバーに対する前記結合機構を制御して、前記光ファイバーの前記入力端の１つまたは複数の結合位置に前記入力レーザービームを向ける制御部であって、前記１つまたは複数の結合位置により、前記出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうち少なくとも一方が少なくとも部分的に決定される制御部と、
を備える、
レーザーシステム。
【請求項30】
前記結合機構は、前記入力レーザービームを前記光ファイバーの前記入力端に集光する光学素子、を備え、前記光学素子は、前記制御部に応答して、（ｉ）前記入力レーザービームの伝播方向に実質的に平行な軸と、（ｉｉ）前記入力レーザービームの前記伝播方向に実質的に垂直な１つまたは複数の軸と、のいずれか一方に沿って移動可能である、
請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項31】
前記結合機構は、前記入力レーザービームを受信し、前記入力レーザービームを前記光ファイバーに向けるステアリング機構、を備える、請求項３０に記載のレーザーシステム。
【請求項32】
前記ステアリング機構は、リフレクタ、を備える、請求項３１に記載のレーザーシステム。
【請求項33】
前記光学素子は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズム、を備える、請求項３０に記載のレーザーシステム。
【請求項34】
前記結合機構は、前記入力レーザービームを受信し、前記入力レーザービームを前記光ファイバーに向けて反射するリフレクタ、を備え、前記リフレクタは、前記制御部に応答して回転可能である、
請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項35】
前記結合機構は、前記リフレクタから前記入力レーザービームを受信し、前記入力レーザービームを前記光ファイバーに集光する光学素子、を備える、請求項３４に記載のレーザーシステム。
【請求項36】
前記光学素子は、前記制御部に応答して、（ｉ）前記入力レーザービームの伝播方向に実質的に平行な軸と、（ｉｉ）前記入力レーザービームの前記伝播方向に実質的に垂直な１つまたは複数の軸と、のいずれか一方に沿って移動可能である請求項３５に記載のレーザーシステム。
【請求項37】
前記光学素子は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズム、を備える、請求項３６に記載のレーザーシステム。
【請求項38】
前記ビーム源は前記制御部に応答し、前記制御部は、前記入力レーザービームが異なる前記結合位置の間に向けられるときに、前記入力レーザービームの出力パワーを変調することなく、前記入力レーザービームを複数の前記異なる結合位置に向けるよう構成される、
請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項39】
前記制御部は、前記第１クラッドに少なくとも部分的に重複する少なくとも１つの結合位置に前記入力レーザービームを向けるよう構成され、そのため、前記第１クラッドに結合されたビームエネルギーは、前記出力ビームを少なくとも部分的に形成する、請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項40】
前記制御部は、前記第１領域および／または前記第２領域に少なくとも部分的に重複する少なくとも１つの結合位置に前記入力レーザービームを向けるよう構成され、そこに結合されたビームエネルギーは、前記出力ビームを少なくとも部分的に形成する、請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項41】
さらに、前記光ファイバーの前記出力端に結合され、前記出力ビームを加工するために加工対象物に向けるレーザーヘッド、を備える、請求項２９に記載のレーザーシステム。
【請求項42】
前記制御部は、（ｉ）前記加工対象物で実施される加工の種類、（ｉｉ）前記加工対象物の特性、または（ｉｉｉ）前記加工対象物が加工される加工経路、のうち少なくとも１つに基づいて、前記光ファイバーの前記入力端の１つまたは複数の結合位置に前記入力レーザービームを向けるよう構成される、請求項４１に記載のレーザーシステム。
【請求項43】
前記加工の種類は、切断、溶接、エッチング、焼きなまし、穴あけ、半田付け、またはろう付け、からなるリストから選択される、請求項４２に記載のレーザーシステム。
【請求項44】
前記加工対象物の特性は、前記加工対象物の厚さ、前記加工対象物の組成、前記加工対象物の反射率、または前記加工対象物のトポグラフィ、のうち少なくとも１つを含む、請求項４２に記載のレーザーシステム。
【請求項45】
前記制御部は、前記加工経路における１つまたは複数の方向変化に基づいて、前記光ファイバーの前記入力端の１つまたは複数結合位置に前記入力レーザービームを向けるよう構成される、請求項４２に記載のレーザーシステム。
【請求項46】
前記ビーム源は、複数の分散ビームを放射する１つまたは複数のビームエミッタと、
分散素子に前記複数の分散ビームを集光する集光光学系と、
受信した集光ビームを受信し分散する分散素子と、
前記分散ビームを受信し、前記分散ビームの一部を前記入力レーザービームとして透過させ、および、前記分散素子に戻るよう前記分散ビームの第２の一部を反射するよう配置された部分反射出力カプラと、
を備え、
前記入力レーザービームは、複数の波長により構成される、
請求項４２に記載のレーザーシステム。
【請求項47】
前記分散素子は、回折格子を備える、請求項４６に記載のレーザーシステム。
【請求項48】
レーザービームで加工対象物を加工する方法であって、請求項１から２８のいずれか１項に記載の、入力端と前記入力端と反対側の出力端とを有する光ファイバーを提供するステップと、
前記光ファイバーの前記出力端に近接して前記加工対象物を配置するステップと、
（ｉ）前記加工対象物で実施される加工の種類、（ｉｉ）前記加工対象物の特性、または（ｉｉｉ）前記加工対象物が加工される加工経路、のうち少なくとも１つに少なくとも部分的に基づいて、前記加工対象物を加工するためのビームパラメータ積または開口数のうち少なくとも一方を決定するステップと、
前記光ファイバーの前記入力端の１つまたは複数の結合位置に入力レーザービームを向けて、前記光ファイバーの前記出力端から放射される前記レーザービームのビームパラメータ積または開口数のうち少なくとも一方を選択するステップと、
前記光ファイバーの前記出力端から放射される前記レーザービームで前記加工対象物を加工するステップと、
を含む、
方法。
【請求項49】
前記加工対象物を加工するステップは、前記加工対象物の表面の少なくとも一部を物理的に変化させること、を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項50】
前記加工対象物を加工するステップは、切断、溶接、エッチング、焼きなまし、穴あけ、半田付け、またはろう付け、のうち少なくとも１つを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項51】
（ｉ）前記ビームパラメータ積または前記開口数のうち少なくとも一方は、前記加工対象物の特性に少なくとも部分的に基づいて決定される、および、（ｉｉ）前記加工対象物の特性は、前記加工対象物の厚さ、前記加工対象物の組成、前記加工対象物の反射率、または前記加工対象物のトポグラフィ、のうちいずれか１つを含む、
請求項４８に記載の方法。
【請求項52】
前記ビームパラメータ積または前記開口数のうち少なくとも一方は、前記加工経路における１つまたは複数の方向変化に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項４８に記載の方法。
【請求項53】
少なくとも１つの前記結合位置は、前記第１クラッドに少なくとも部分的に重複し、そのため、前記第１クラッドに結合されたビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成する、請求項４８に記載の方法。
【請求項54】
少なくとも１つの前記結合位置は、前記第１領域および／または前記第２領域に少なくとも部分的に重複し、そのため、そこに結合されたビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成する、請求項４８に記載の方法。
【請求項55】
前記光ファイバーの前記入力端の１つまたは複数の結合位置に入力レーザービームを向けるステップは、（ｉ）１つまたは複数のリフレクタで前記レーザービームを反射するステップ、または（ｉｉ）１つまたは複数の光学素子で前記レーザービームを集光するステップ、のうち少なくとも一方を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項56】
前記１つまたは複数の結合位置は、複数の異なる結合位置を含む、含む、
請求項４８に記載の方法。
【請求項57】
さらに、前記加工対象物の加工中に、前記１つまたは複数の結合位置と異なる１つまたは複数の第２の結合位置に前記レーザービームを向けることにより、前記レーザービームのビームパラメータ積または開口数のうち少なくとも一方を変更するステップと、請求項４８に記載の方法。
【請求項58】
さらに、ビームエミッタから前記レーザービームを放射するステップ、を含み、前記ビームエミッタは、
複数の分散ビームを放射する１つまたは複数のビームエミッタと、
分散素子に前記複数の分散ビームを集光する集光光学系と、
受信した集光ビームを受信し分散する分散素子と、
前記分散ビームを受信し、前記分散ビームの一部を前記入力レーザービームとして透過させ、および、前記分散素子に戻るよう前記分散ビームの第２の一部を反射するよう配置された部分反射出力カプラと、
を備え、
前記レーザービームは、複数の波長により構成される、
請求項４８に記載の方法。
【請求項59】
前記分散素子は、回折格子を含む、請求項５８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願）
本出願は、２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７３１号の利益および優先権を主張するものであり、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７３１号の利益および優先権を主張するものであり、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
様々な実施の形態において、本発明は、レーザーシステムおよび光ファイバーに関する。具体的には、制御可能なビームプロファイル、例えば、可変ビームパラメータ積を有するレーザーシステムおよび光ファイバーに関する。
【背景技術】
【0003】
高出力レーザーシステムは、溶接、切断、穴あけ、および材料加工のなどの多くの異なる用途に利用されている。このようなレーザーシステムには、一般的に、レーザー光を光ファイバー（または単に「ファイバー」）に結合するレーザーエミッタと、ファイバーからのレーザー光を加工対象物に集光する光学系と、が含まれる。光学系は、通常、最高品質のレーザービームを生成するよう、言い換えると、最も低いビームパラメータ積（ＢＰＰ）のビームを生成するよう設計される。ＢＰＰは、レーザービームの発散角（半角）とビームの最も狭い点（すなわち、ビームウエスト、最小スポット径）の半径との積である。つまり、Ｄを焦点スポット（ウエスト）直径、ＮＡを開口数、とすると、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２である。したがって、ＮＡおよび／またはＤの変化によりＢＰＰを変化させることができる。ＢＰＰはレーザービームの品質と小さなスポットへの集光性とを数値化したものであり、一般的に、ミリメートル－ミリラジアン（ｍｍ－ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、レーザー光の波長を円周率（ｐｉ）で除算することで得られる、取り得る最低のＢＰＰを有する。同じ波長での理想的なガウスビームのＢＰＰに対する実際のビームのＢＰＰの比率はＭ２で表され、これは、波長に依存しないビーム品質の基準である。
【0004】
多くのレーザー加工用途において、所望のビームスポット径、発散角、およびビーム品質は、例えば、加工の種類および／または加工対象の材料の種類に応じて変化する場合がある。これは、特に、材料加工用途における産業用レーザーに当てはまる。例えば、低いＢＰＰ値、すなわち、より良いビーム品質は、薄い材料の切断に好適である場合がある。一方、長いＢＰＰ（すなわち、より悪いビーム品質）は、より厚い材料の切断に好適である場合がある。レーザーシステムのＢＰＰを変更するために、出力光学系または光ファイバーを他の構成要素に交換する、および／または再調整する必要があり、これは、時間とコストのかかる処理であり、レーザーシステムの壊れやすい光学部品を誤って破損させてしまうことがある。したがって、光ファイバーの出力におけるレーザービームまたは光学系の調整を伴わない、レーザーシステムのＢＰＰを変化させるための代替技術が求められている。
【発明の概要】
【0005】
本発明の様々な実施の形態によると、光パワー損失を最小化または実質的に排除しながら、出力レーザービームのＢＰＰおよび／または形状の変化を可能にするレーザーシステムおよび光ファイバーを提供する。本発明の実施の形態では、コア領域およびクラッド領域の複雑な構成を有する光ファイバーを提供する。同様に、レーザーエネルギーを例えば、その加工対象物に伝達するためにそのようなファイバーを利用するシステムを提供する。本発明の実施の形態にかかる例示的な光ファイバーは、（ｉ）段階的な屈折率のサブ領域、（ｉｉ）段階的なプロファイルで異なる屈折率を有するサブ領域、または（ｉｉｉ）低屈折率バリア層、を組み込んだ環状のコア領域を特徴とする。したがって、本発明の実施の形態にかかる光ファイバーを利用することで、従来の光ファイバーでは達成不可能な、様々なＢＰＰおよび／またはビーム形状を有する出口ビーム（ｅｘｉｔ ｂｅａｍｓ）を形成することができる。
【0006】
本発明の実施の形態にかかる光ファイバーは、構造的には、本発明の原理を変更することなく、外部クラッドを超えて（すなわち、外側に）高屈折率および／または低屈折率の１つまたは複数の層を含んでもよい。このような追加の層は、クラッド、コート、または環状コアと呼ばれることもあるが、光を導かないこともある。このような変形は、本発明の範囲内である。本発明の様々な実施の形態にかかるファイバーの様々なコア層およびクラッド層は、実質的に純粋石英ガラス、および／または、フッ素、チタン、ゲルマニウム、および／またはボロンをドーピングした石英ガラスなどのガラスを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。本発明の実施の形態にかかる光ファイバーの特定の層または領域に対して所望の屈折率を得ることは、当業者であれば過度の実験をすることなく（ドーピングなどの技術により）達成することができる。本明細書に記載される光ファイバーは、マルチモード光ファイバーであってもよい。
【0007】
本明細書において、「光学素子」は、特に明記のない限り、方向転換、反射、曲げ、または他の方法で電磁放射を光学的に操作する、レンズ、ミラー、プリズム、回折格子などのいずれかを示すことがある。本明細書において、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザーエミッタは、電磁ビームを生成するが自己共振する場合もしない場合もある、半導体素子などの任意の電磁ビーム生成装置を含む。また、電磁ビームには、ファイバーレーザー、ディスクレーザー、非半導体レーザーなどが含まれる。一般的に、それぞれのエミッタは、後方反射面、少なくとも１つの光学利得媒質、および前方反射面を含む。光学利得媒質は、電磁スペクトルの特定の部分に限定されないが、可視光線、赤外線、および／または紫外線であり得る電磁放射の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放射するよう構成されたダイオードバーなどの複数のビームエミッタを含んでもよい、または本質的にそれにより構成されてもよい。本明細書における実施の形態で受信した入力ビームは、当技術分野で知られている様々な技術を使用して組み合わされた単一波長ビームまたは多重波長ビームであってもよい。本発明の実施の形態で生成された出力ビームは、単一波長ビームまたは多重波長ビームであってもよい。
【0008】
本発明の実施の形態は、分散素子を使用して組み合わせて多重波長ビームを形成する１つまたは複数のダイオードバーなどの複数のエミッタを含む波長合成技術（ＷＢＣ）システムで使用することができる。ＷＢＣシステムにおけるそれぞれのエミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿った分散素子によりフィルタリングされる共通の部分反射出力カプラからの波長固有のフィードバックを通して安定化される。例示的なＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および、２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号に詳述されており、それらの開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。ＷＢＣシステムの多重波長出力ビームは、例えば、ＢＰＰ制御のために本発明の実施の形態と併せて入力ビームとして使用することができる。
【0009】
本発明の実施の形態に従って生成された出力ビームは、光で表面を検査するだけの光学技術（例えば、反射率測定）およびデータ伝送に使用される光学ビームと対照的に、加工対象物の表面を物理的に変化させるよう、および／または表面上または表面内にフィーチャー（ａ ｆｅａｔｕｒｅ）を形成するよう、加工対象物を加工するために使用することができる。本発明の実施の形態にかかる例示的な加工には、切断、溶接、穴あけ、および、半田付けが含まれる。このように、本明細書に詳述される光ファイバーは、その出力端に、ファイバーから加工対象物に向かって出力ビームを集光するよう構成されたレーザーヘッドを有する。レーザーヘッドは、出力ビームを集光するおよび／またはコリメートする、および／またはビームの偏光および／または軌道を制御する１つまたは複数の光学素子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザーヘッドは、加工対象物に向かっておよび／または加工対象物を配置することができる台（ｐｌａｔｆｏｒｍ）または位置決め可能な構台（ｇａｎｔｒｙ）に向かって、出力ビームを放射する。
【0010】
本発明の様々な実施の形態ではまた、加工対象物の表面のすべてまたは実質的にすべてにレーザービームからの放射を照射するのではなく、１つまたは複数のスポットに、または、一次元の直線的または曲線的な加工経路に沿って、加工対象物を加工してもよい。一般的に、加工経路は、曲線的であっても直線的であってもよい。「直線的な」加工経路は、１つまたは複数の方向変化を特徴とすることがある。すなわち、直線的な加工経路は、必ずしも互いに平行ではない、２つ以上の実質的に直線であるセグメントから構成されてもよい。同様に、「曲線的な」加工経路は、それらの間で方向変化を有する複数の曲線であるセグメントから構成されてもよい。本発明の実施の形態にかかる他の加工経路は、それぞれのセグメントが直線的または曲線的であるセグメント化された経路を含む。任意の２つのセグメントの間に方向変化が存在してもよい。
【0011】
本発明の実施の形態では、様々な種類の加工技術または様々な種類の加工対象の材料に応じて性能を改善または最適化するために、ビーム形状および／またはＢＰＰを変化させてもよい。本発明の実施の形態では、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第１４／７４７，０７３号、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５２，９３９号、２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号、２０１７年４月５日に出願された米国特許出願第１５／４７９，７４５号、および、２０１７年７月１４日に出願された米国特許出願第１５／６４９，８４１号、に記載されたＢＰＰおよび／またはレーザービームの形状を変化させる様々な追加の技術を利用することができ、それぞれの開示内容は参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【0012】
一態様において、本発明の実施の形態は、センターコア、センターコアを取り囲む第１クラッド、第１クラッドを取り囲む環状コア、および環状コアを取り囲む第２クラッド、を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される、勾配ステップクラッド光ファイバーを特徴とする。センターコアは第１屈折率を有する。第１クラッドは、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する。第２クラッドは、第１屈折率よりも小さい第３屈折率を有する。環状コアは、第１領域と第２領域とを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。第１領域は、第２屈折率よりも大きい第４屈折率を有する。第２領域の屈折率は、（ｉ）第４屈折率以下の第５屈折率と、（ｉｉ）第２屈折率以上の第６屈折率と、の間で変化する。
【0013】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。第２領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は、第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域の屈折率の変化は、線形、非線形、放物線、多項式、または段階的であってもよい。第４屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率に等しくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率よりも大きくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率よりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さに等しくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも大きくてもよい。第５屈折率は、第４屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第４屈折率に等しくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率よりも大きくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率に等しくてもよい。
【0014】
別の態様において、本発明の実施の形態は、センターコア、センターコアを取り囲む環状コア、および環状コアを取り囲む第１クラッドを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される勾配ステップクラッド光ファイバーを特徴とする。センターコアは、第１屈折率を有する。第１クラッドは、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する。環状コアは、第１領域と第２領域とを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。第１領域は、第２屈折率よりも大きい第３屈折率を有する。第２領域の屈折率は、（ｉ）第３屈折率以下の第４屈折率と、（ｉｉ）第４屈折率よりも小さい第５屈折率と、の間で変化する。
【0015】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。第１領域は、第２領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は、第１領域と第１クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域の屈折率の変化は、線形、非線形、放物線、多項式、または段階的であってもよい。第３屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第３屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第３屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率よりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さに等しくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも大きくてもよい。第４屈折率は、第３屈折率よりも小さくてもよい。第４屈折率は、第３屈折率に等しくてもよい。
【0016】
さらに別の態様において、本発明の実施の形態は、センターコア、センターコアを取り囲む第１クラッド、第１クラッドを取り囲む環状コア、および、環状コアを取り囲む第２クラッドを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成されるマルチステップクラッド光ファイバーを特徴とする。センターコアは、第１屈折率を有する。第１クラッドは、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する。第２クラッドは、第１屈折率よりも小さい第３屈折率を有する。環状コアは、第１領域と第２領域とを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。第１領域は、第２屈折率よりも大きい第４屈折率を有する。第２領域は、第２屈折率よりも大きく第４屈折率よりも小さい第５屈折率を有する。
【0017】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。第１領域は、第２領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２領域は、第１領域と第２クラッドとの間に配置されてもよい。第２屈折率は、第３屈折率に等しくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率よりも大きくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率よりも小さくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さに等しくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも大きくてもよい。
【0018】
別の態様において、本発明の実施の形態は、センターコア、センターコアを取り囲む第１クラッド、第１クラッドを取り囲む環状コア、および、環状コアを取り囲む第２クラッドを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成されるバリアステップクラッド光ファイバーを特徴とする。センターコアは、第１屈折率を有する。第１クラッドは、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する。第２クラッドは、第１屈折率よりも小さい第３屈折率を有する。環状コアは、第１領域、第２領域、および第１領域と第２領域との間に配置される第３領域を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。第１領域は、第２屈折率よりも大きい第４屈折率を有する。第２領域は、第２屈折率よりも大きい第５屈折率を有する。第３領域は、第４屈折率および第５屈折率よりも小さい第６屈折率を有する。
【0019】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。環状コアは、第２屈折率よりも大きい第７屈折率を有する第４領域と、第２領域と第４領域との間に配置され、第５屈折率および第７屈折率よりも小さい第８屈折率を有する第５領域とを含んでもよい。第７屈折率は、第４屈折率および／または第５屈折率に等しくてもよい。第７屈折率は、第４屈折率および／または第５屈折率よりも大きくてもよい。第７屈折率は、第４屈折率および／または第５屈折率よりも小さくてもよい。第８屈折率は、第６屈折率に等しくてもよい。第８屈折率は、第６屈折率よりも大きくてもよい。第８屈折率は、第６屈折率よりも小さくてもよい。第５領域の厚さは、第３領域の厚さに等しくてもよい。第５領域の厚さは、第３領域の厚さよりも小さくてもよい。第５領域の厚さは、第３領域の厚さよりも大きくてもよい。
【0020】
第４屈折率は、第５屈折率に等しくてもよい。第４屈折率は、第５屈折率よりも大きくてもよい。第４屈折率は、第５屈折率よりも小さくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第４屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率に等しくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率よりも大きくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率よりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さに等しくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも大きくてもよい。第３領域の厚さは、第１領域の厚さおよび／または第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さに等しくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さよりも小さくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さよりも大きくてもよい。
【0021】
さらに別の態様において、本発明の実施の形態は、センターコア、センターコアを取り囲む第１クラッド、第１クラッドを取り囲む環状コア、環状コアを取り囲む第２クラッドを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成されるバリアステップクラッド光ファイバーを特徴とする。センターコアの屈折率は、センターコアの中心部分における第１屈折率と等しい。センターコアの屈折率は、センターコアの半径または厚さの少なくとも一部にわたって、第１屈折率よりも小さい第２屈折率まで低下する。第１クラッドは、第１屈折率よりも小さい第３屈折率を有する。第２クラッドは、第１屈折率よりも小さい第４屈折率を有する。環状コアは、第１領域、第２領域、および第１領域と第２領域との間に配置される第３領域を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。第１領域は、第３屈折率よりも大きい第５屈折率を有する。第２領域は、第３屈折率よりも大きい第６屈折率を有する。第３領域は、第５屈折率および第６屈折率よりも小さい第７屈折率を有する。
【0022】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。第２屈折率は、第３屈折率に等しくてもよい。第２屈折率は、第３屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第６屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第６屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第６屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率に等しくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率よりも大きくてもよい。第５屈折率は、第２屈折率よりも小さくてもよい。第６屈折率は、第１屈折率に等しくてもよい。第６屈折率は、第１屈折率よりも大きくてもよい。第６屈折率は、第１屈折率よりも小さくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率に等しくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率よりも大きくてもよい。第６屈折率は、第２屈折率よりも小さくてもよい。第７屈折率は、第３屈折率に等しくてもよい。第７屈折率は、第３屈折率よりも大きくてもよい。第７屈折率は、第３屈折率よりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さに等しくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第１領域の厚さは、第２領域の厚さよりも大きくてもよい。第３領域の厚さは、第１領域の厚さよりも小さくてもよい。第３領域の厚さは、第２領域の厚さよりも小さくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さに等しくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さよりも小さくてもよい。第３領域の厚さは、第１クラッドの厚さよりも大きくてもよい。
【0023】
別の態様において、本発明の実施の形態は、入力レーザービームの放射用ビーム源、入力端と入力端と反対側の出力端とを有する光ファイバー、結合機構（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）、および制御部を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される、レーザーシステムを特徴とする。光ファイバーは、上述のまたは本明細書に記載される任意の光ファイバーを含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。結合機構は、入力レーザービームを受信し、入力レーザービームを光ファイバーの入力端に向ける。入力レーザービームは、光ファイバーに結合され（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｅｄ）、光ファイバーの出力端から出力ビームとして放射される。制御部は、光ファイバーに対して結合機構を制御して、光ファイバーの入力端における１つまたは複数の結合位置（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎ）に入力レーザービームを向ける。出力ビームのビームパラメータ積および／または開口数および／またはビーム形状は、１つまたは複数の結合位置により少なくとも部分的に決定される。
【0024】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。結合機構は、入力レーザービームを光ファイバーの入力端に向かって集光する１つまたは複数の光学素子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。光学素子は、制御部に応答して、（ｉ）入力レーザービームの伝播方向に実質的に平行な軸、および／または（ｉｉ）入力レーザービームの伝播方向に実質的に垂直な１つまたは複数の軸、に沿って移動可能であってもよい。結合機構は、入力レーザービームを受信し、光ファイバーに入力レーザービームを向けるステアリング機構を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ステアリング機構は、１つまたは複数のリフレクタを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。光学素子は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズムを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。結合機構は、入力レーザービームを受信し、光ファイバーに向けて入力レーザービームを反射させるリフレクタを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。リフレクタは、制御部に応答して回転可能（すなわち、傾斜可能）であってもよい。結合機構は、リフレクタから入力レーザービームを受信して光ファイバーに向けて入力レーザービームを集光する光学素子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。光学素子は、制御部に応答して、（ｉ）入力レーザービームの伝播方向に実質的に平行な軸、および／または（ｉｉ）入力レーザービームの伝播方向に実質的に垂直な１つまたは複数の軸、に沿って移動可能であってもよい。光学素子は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズムを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ビーム源は、制御部に応答してもよい。制御部は、入力レーザービームが異なる結合位置の間に向けられる場合に、入力レーザービームの出力パワーを変調することなく、複数の異なる結合位置に入力レーザービームを向けるよう構成されてもよい。制御部は、第１クラッドに少なくとも部分的に（または完全に）重複する少なくとも１つの結合位置に、入力レーザービームを向けるよう構成されてもよい。第１クラッドに結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成してもよい。制御部は、第１領域および／または第２領域に少なくとも部分的に（または完全に）重複する少なくとも１つの結合位置に入力レーザービームを向けるよう構成されてもよい。その中に結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成してもよい。レーザーヘッドは、光ファイバーの出力端に結合されてもよい。レーザーヘッドは、加工対象物に出力ビームを向けてそれを加工してもよい。制御部は、（ｉ）加工対象物で実施される加工の種類、（ｉｉ）加工対象物の特性、および／または（ｉｉｉ）加工対象物が加工される加工経路に基づいて、光ファイバーの入力端の１つまたは複数の結合位置に、入力レーザービームを向けるよう構成されてもよい。加工の種類は、切断、溶接、エッチング、焼きなまし、穴あけ、半田付け、またはろう付け、からなるリストから選択することができる。加工対象物の特性は、加工対象物の厚さ、加工対象物の組成、加工対象物の反射率、および／または加工対象物のトポグラフィを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。制御部は、加工経路における１つまたは複数の方向変化に基づいて、光ファイバーの入力端の１つまたは複数の結合位置に、入力レーザービームを向けるよう構成されてもよい。ビーム源は、（ｉ）複数の分散ビームを放射する１つまたは複数のビームエミッタ、（ｉｉ）分散素子に向けて複数のビームを集光する集光光学系、（ｉｉｉ）受信した集光ビームを受信し分散する分散素子、および、（ｉｖ）分散ビームを受信し、分散ビームの一部を入力レーザービームとして透過させ、および、分散素子に（そして、例えば、その放射波長を安定させるために１つまたは複数のビームエミッタに）戻るよう分散ビームの第２の一部を反射するよう配置された部分反射出力カプラを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。入力レーザービームは、複数の波長により構成されてもよい。分散素子は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。
【0025】
さらに別の態様において、本発明の実施の形態は、レーザービームで加工対象物を加工する方法を特徴とする。入力端と入力端と反対側の出力端とを有する光ファイバーが提供される。光ファイバーは、上述のまたは本明細書に記載される光ファイバーのいずれかを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。加工対象物は、光ファイバーの出力端に近接して配置される。ビームパラメータ積、開口数、および／またはビーム形状は、（ｉ）加工対象物で実施される加工の種類、（ｉｉ）加工対象物の特性、および／または（ｉｉｉ）加工対象物が加工される加工経路に少なくとも部分的に基づいて、加工対象物の加工のために決定される。レーザービームは、光ファイバーの入力端における１つまたは複数の結合位置に向けられて、光ファイバーの出力端から放射されるレーザービームのビームパラメータ積、開口数、および／またはビーム形状を選択する。加工対象物は、光ファイバーの出力端から放射されるレーザービームで加工される。
【0026】
本発明の実施の形態は、様々な組み合わせのいずれかで以下の１つまたは複数を含んでもよい。加工対象物を加工することは、加工対象物の表面の少なくとも一部を物理的に変化させることを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。加工対象物を加工することは、切断、溶接、エッチング、焼きなまし、穴あけ、半田付け、および／またはろう付けを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ビームパラメータ積、開口数、および／またはビーム形状は、加工対象物の特性に少なくとも部分的に基づいて決定されてもよい。加工対象物の特性は、加工対象物の厚さ、加工対象物の組成、加工対象物の反射率、および／または加工対象物のトポグラフィを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。ビームパラメータ積、開口数、および／またはビーム形状は、加工経路における１つまたは複数の方向変化に少なくとも部分的に基づいて決定されてもよい。少なくとも１つの結合位置は、第１クラッドに少なくとも部分的に重複していてもよい。第１クラッドに結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成してもよい。少なくとも１つの結合位置は、第１領域および／または第２領域に少なくとも部分的に重複していてもよい。その中に結合されたビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成してもよい。光ファイバーの入力端における１つまたは複数の結合位置にレーザービームを向けることは、（ｉ）１つまたは複数リフレクタでレーザービームを反射させること、および／または（ｉｉ）１つまたは複数の光学素子でレーザービームを集光することを含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。１つまたは複数の結合位置は、複数の異なる結合位置を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。加工対象物の加工中に、１つまたは複数の結合位置と異なる１つまたは複数の第２の結合位置に向けられることにより、レーザービームのビームパラメータ積、開口数、および／またはビーム形状が変更されてもよい。レーザービームは、（ｉ）複数の分散ビームを放射する１つまたは複数のビームエミッタ、（ｉｉ）分散素子に向けて複数のビームを集光する集光光学系、（ｉｉｉ）受信した集光ビームを受信し分散する分散素子、および、（ｉｖ）分散ビームを受信し、分散ビームの一部をレーザービームとして透過させ、および、分散素子に（そして、例えば、その放射波長を安定させるためにビームエミッタに）戻るよう分散ビームの第２の一部を反射するよう配置された部分反射出力カプラ、を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される、ビームエミッタから放射されてもよい。レーザービームは、複数の波長により構成されてもよい。分散素子は、回折格子（例えば、透過回折格子または反射回折格子）を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。
【0027】
これらのおよび他の目的は、本明細書に記載される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付の図面、および特許請求の範囲を参照することによって、より明らかになるであろう。さらに、本明細書に記載される様々な実施の形態の特徴は、相互排他的なものではなく、様々な組み合わせおよび変形が存在することがあることを理解されたい。本明細書では、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、±１０％を意味し、いくつかの実施の形態では±５％を意味する。「本質的に構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という用語は、本明細書で特に記載されていない限り、機能に貢献する他の材料を除いたものを意味する。それにもかかわらず、そのような他の物質は、集合的にまたは個別に、微量に存在することがある。本明細書において、特に断りのない限り、「放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」および「光（ｌｉｇｈｔ）」という単語は互換的に使用される。本明細書において、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」または「光学的に下流（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、光ビームが第１要素に到達した後に当たる第２要素の相対位置を示し、第１要素が第２要素の「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」または「光学的に上流（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｕｐｓｔｒｅａｍ）」である。本明細書において、２つの構成要素の間の「光学的距離（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ）」は、光ビームが実際に移動する２つの構成要素間の距離である。光学的距離は、２つの構成要素の物理的距離に等しいことがある。しかし、例えば、ミラーからの反射、または１つの構成要素から他の構成要素へ移動する光の伝播方向における他の変化に起因して、必ずしもそうではないこともある。特に断りのない限り、本明細書で使用される距離は「光学的距離」であるとみなすことができる。
【0028】
図面において、類似の参照符号は、通常、異なる図を通して同じ部分を指している。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。以下の説明では、本発明の様々な実施の形態が以下の図面を参照して説明されている。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1A】従来のダブルクラッド光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図2】従来のステップクラッド光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図3】本発明の様々な実施の形態にかかる光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図4】本発明の様々な実施の形態にかかる光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図5A】本発明の様々な実施の形態にかかる光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図5B】本発明の様々な実施の形態にかかる光ファイバーの様々な層の屈折率を示す概略図
【図6】本発明の実施の形態にかかる光ファイバーを使用したレーザーシステムの一部を示す概略図
【図7A】本発明の様々な実施の形態の効果を示すシミュレーション用の例示的な入力ビームを示す概略図
【図8】図７Ａおよび図７Ｂの入力ビームおよびファイバーパラメータを使用したシミュレーションにおいて、本発明の実施の形態にかかる光ファイバーを使用した場合と従来のステップクラッド光ファイバーを使用した場合とを比較した、リフレクタの傾斜の関数としてのビームパラメータ積のシミュレーション結果を示すグラフ
【図11】本発明の実施の形態にかかる波長合成（ＷＢＣ）共振器を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【0030】
図１Ａおよび図１Ｂは、直径Ｄ０および屈折率ｎ０のセンターコア１１０と、直径Ｄ１および屈折率ｎ１の内部クラッド１１５と、直径Ｄ２および屈折率ｎ２の環状コア１２０と、屈折率ｎ３の外部クラッド１２５と、を有する従来のダブルクラッドファイバー１００を示す。このように、屈折率ｎ２は屈折率ｎ０に等しく、屈折率ｎ３は屈折率ｎ１と等しい。したがって、センターコア１１０と環状コア１２０とは、ｓｑｒｔ（ｎ０
２－ｎ１
２）（（ｎ０
２－ｎ１
２）の平方根）と等しい同じＮＡ（開口数）を有する。図１Ａは、ファイバー１００の直径方向の屈折率を示し、図１Ｂは、ファイバー１００自体の概略断面図である。
【0031】
ダブルクラッドファイバー１００は、通常、図１Ａに示す位置Ａまたは位置Ｂのいずれかまたは両方にレーザービームを結合することにより使用される。つまり、レーザービームは、センターコア１１０および／または環状コア１２０に結合され得る。したがって、ファイバー１００を使用するシステムは、ファイバー１００の出口で有効スポット径を変化させることにより、出力ビームのＢＰＰを変化させるが、出力ＮＡは変化しない。ファイバー１００を使用することで、出力ビームの形状は、セントラルスポット（すべてのレーザーパワーが位置Ａに結合される場合）、環状リング（すべてのレーザーパワーが位置Ｂに結合される場合）、またはその２つの混合（レーザーパワーが位置Ａおよび位置Ｂに結合される場合）に制限される。
【0032】
重要なことに、内部クラッド１１５に結合されたレーザーパワーは、通常、完全に失われる。内部クラッド１１５に結合されたパワーは、従来非常に薄く、外部クラッド１２５に広がり、モードストリッパにより除去される。高出力レーザー伝送用のファイバーケーブルは、通常、外部クラッドからの放射を除去するためモードストリッパを有する。モードストリッパは、限られたレベルのレーザーパワーのみを扱うことができるため、外部クラッド１２５における過剰なパワーは、容易にモードストリッパおよびファイバー自体に損傷を与えることがある。モードストリッパのないファイバーでは、内部クラッド１１５に結合されたパワーは、ファイバー出力において、０ではない大口径背景放射となる。このような背景パワーは、下流の光学系に損傷を与えることがあり、通常無効な出力パワーであり、多くの用途で有害でさえあり得る。最後に、外部クラッドは通常、１つまたは複数のプラスチックコーティングで囲まれているため、外部クラッドに延びる大量のパワーが、結果としてファイバーの燃焼を引き起こすことがある。
【0033】
したがって、ファイバー１００を使用するレーザーシステムは、位置Ａと位置Ｂとの間のレーザーパワーの連続的なシフト（すなわち、レーザービームのパワーを有する内部クラッド１１５を横断すること）を回避する。このようなレーザーシステムは、通常、２つの異なるレーザー（すなわち、位置Ａおよび位置Ｂのそれぞれに１つ）、または、複雑な可変パワー光分割システムのいずれかを使用し、内部クラッド１１５を照射することなく、位置Ａと位置Ｂとの間にレーザーパワーを割り当てる。
【0034】
図２は、２０１７年４月５日に出願された米国特許第１０，０８８，６３２号（’６３２号特許）に詳述されている、従来のステップクラッド光ファイバー２００の対応する構造を示し、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。図示されているように、ファイバー２００は、直径Ｄ０および屈折率ｎ０を有するセンターコア２１０と、直径Ｄ１および屈折率ｎ１を有する第１クラッド２１５と、直径Ｄ２および屈折率ｎ２を有する環状コア２２０と、屈折率ｎ３を有する外部クラッド２２５と、を備えることを特徴とする。図示されている実施の形態において、屈折率ｎ２は屈折率ｎ０に等しく、屈折率ｎ３は屈折率ｎ１よりも小さい。’６３２号特許に詳述されているように、ファイバー２００は、ファイバー１００よりも動的に出力レーザービームを形成するために使用することができる。例えば、レーザーエネルギーをセンターコア２１０および／または環状コア２２０に結合することを可能にすることに加えて、ファイバー２００は、一部のまたはすべてのレーザーパワーを第１クラッド２１５に結合させることも可能にする。
【0035】
具体的には、第１クラッド２１５に結合したレーザーパワーは失われず、そのエネルギーは通常、ファイバー２００の中央（すなわち、センターコア２１０内）から環状コア２２０の外側の境界（すなわち、環状コア２２０と外部クラッド２２５との間の接触面）までの全領域に広がる。最初に第１クラッド２１５に結合するが、センターコア２１０および環状コア２２０から出るレーザービームは、ＮＡｏｕｔ＝ｓｑｒｔ（ＮＡｉｎ
２＋（ｎ０
２－ｎ１
２））により計算される、入力ＮＡｉｎよりも大きい出力ＮＡｏｕｔを有する。全体の出力ＮＡに対する拡大されたＮＡの寄与は、第１クラッド２１５に結合したパワーの割合、およびセンターコア２１０および環状コア２２０の領域の合計に対する第１クラッド２１５の断面領域の比率にも依存する。加えて、外部クラッド２２５へのレーザーエネルギーの漏洩を回避するために、ファイバー２００で使用されるレーザー入力ＮＡｉｎは、通常、第１クラッド２１５のＮＡよりも小さく、ＮＡｉｎはｓｑｒｔ（ｎ１
２－ｎ３
２）と等しい。
【0036】
ファイバー１００と比較して、ファイバー２００は、ビーム形成の点で様々な利点を提供する。例えば、ファイバー２００を使用するシステムは、入力ＮＡを変えずにファイバー出口での有効スポット径およびＮＡの両方を変化させることにより、ビームのＢＰＰを変化させる。加えて、ファイバー１００と比較して、ファイバー２００は、同じセンターコアおよび環状コアの直径に対して、広い範囲でＢＰＰを変化させる。ファイバー２００はまた、第１クラッド２１５に対するレーザーパワーの受容により追加のビーム形状の形成を可能にする。最後に、入力レーザービームエネルギーは、第１クラッド２１５を横断して、センターコア２１０と環状コア２２０との間で連続的にシフトされ得る。したがって、ファイバー２００を使用するシステムは、入力レーザービームに対するデュアル入力レーザーまたは複雑なレーザーパワー分割システムを必要としない。
【0037】
ステップクラッド光ファイバー２００は従来のデュアルコアファイバー１００に対する多くの利点を有するが、本発明の実施の形態では、従来のステップクラッドファイバー２００では実現できない追加の利点を提供する。図３は、本発明の実施の形態にかかる勾配ステップクラッド光ファイバー３００の構造を示す。図示されているように、ファイバー３００は、直径Ｄ０および屈折率ｎ０を有するセンターコア３１０と、直径Ｄ１および屈折率ｎ１を有する第１クラッド３１５と、直径Ｄ２を有する環状コア３２０と、屈折率ｎ３を有する外部クラッド３２５と、を備えることを特徴とする。図２に示すステップクラッドファイバー２００と同様に、第１クラッド３１５は、屈折率ｎ０よりも小さく屈折率ｎ３よりも大きい中間屈折率ｎ１を有していてもよい。様々な実施の形態において、屈折率ｎ０と屈折率ｎ１との間の差異により、センターコア３１０のＮＡが決定される。センターコア３１０のＮＡは、ＮＡｃｏｒｅ＝ｓｑｒｔ（ｎ０
２－ｎ１
２）により計算される。屈折率ｎ０と屈折率ｎ１との間の差異により、ファイバー３００の全体のＮＡが少なくとも部分的に決定される。ファイバー３００の全体のＮＡは、ＮＡｆｉｂｅｒ＝ｓｑｒｔ（ｎ０
２－ｎ３
２）により計算される。屈折率ｎ１は屈折率ｎ３よりも大きいため、ＮＡｆｉｂｅｒはＮＡｃｏｒｅよりも大きい。
【0038】
様々な実施の形態において、環状コア３２０は、２つの異なる領域を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。図３に示すように、環状コア３２０は、グレーデッドインデックス（ｇｒａｄｅｄ－ｉｎｄｅｘ）領域３２０ｇと、屈折率ｎ２を有するコンスタントインデックス（ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｉｎｄｅｘ）領域とを備えることを特徴としてもよい。グレーデッドインデックス領域３２０ｇにおいて、屈折率は、低屈折率ｎＬと高屈折率ｎＨとの間で変化する。様々な実施の形態において、低屈折率ｎＬは、第１クラッド３１５の屈折率ｎ１とほぼ等しいかそれより高くてもよい。高屈折率ｎＨは、コンスタントインデックス領域の屈折率ｎ２にほぼ等しいかそれよりも低くてもよい。様々な実施の形態において、図３に示すように、屈折率ｎ２は屈折率ｎ０とほぼ等しくてもよい。様々な実施の形態において、屈折率ｎ２は屈折率ｎ０よりも大きくてもよい。屈折率ｎ２と屈折率ｎ０とのこれらの関係は、本明細書に記載される本発明の実施の形態にかかる光ファイバーのいずれにも適用することができる。
【0039】
本発明の様々な実施の形態によると、コアおよびクラッド領域の直径は、レーザー光源の様々な特性（例えば、出力パワー）、および／または光ファイバーにより伝送される出力ビームの所望のＢＰＰ範囲に少なくとも部分的に依存してもよい。例えば、センターコアの直径Ｄ０が約１００μｍの場合、約３．５ｍｍ－ｍｒａｄのＢＰＰを有するレーザー光源と組み合わせると、通常、約４ｍｍ－ｍｒａｄの最小ＢＰＰを有する比較的低出力ＮＡ（約０．０９）が得られる。例を続けると、第１クラッド３１５に、および／またはグレーデッドインデックス領域３２０ｇ（例えば、低屈折率部分）に、いくつかのレーザーパワーが結合される場合に起こり得るＮＡの拡大を考慮しないと、所望のＢＰＰ変動範囲が約６倍である場合、環状コア３２０の直径Ｄ２は約６００μｍである。センターコア３１０のＮＡが約０．１２であり、レーザー入力ＮＡが約０．０８５であるとすると、拡大したＮＡは、約０．１４７（＝ｓｑｒｔ（０．１２×０．１２+０．０８５×０．０８５））である。それは、入力ＮＡよりも１．７倍大きい。上述のように、様々な実施の形態において、すべての入力パワーが低屈折率領域に結合される、または高屈折率領域から出るわけではないため、全体の出力ＮＡの有効な拡大は、この１．７倍よりも小さくてもよい。全体のＮＡ拡大が約１．５であるとすると、同じ所望のＢＰＰ変動範囲を達成するために、環状コアの直径は約４００μｍに縮小されてもよい。環状コア直径をより小さくすると、出力ビームの強度がより高くなる。それにより、多くのハイパワーレーザー用途において有利になる可能性がある。様々な実施の形態において、直径Ｄ０に対する直径Ｄ２の比率は、約２．５から約８の範囲、または約３から約６の範囲である。この比率は、本明細書に記載されるすべての異なる光ファイバーの実施の形態に適用することができる。
【0040】
様々な実施の形態において、第１クラッド３１５の厚さ（すなわち、（（Ｄ１－Ｄ０）／２））は、直径Ｄ０の約１／２よりも小さくてもよい（すなわち、約Ｄ０／２よりも小さくてもよい）。この第１クラッドの厚さは、本明細書に記載されるすべての異なる光ファイバーの実施の形態に適用することができる。光ファイバー３００では、第１クラッド３１５の厚さは、例えば、グレーデッドインデックス領域３２０ｇの低屈折率部分の存在に起因して、例えば、直径Ｄ０の約２５％、約１０％、または約５％よりもさらに小さくてもよい。
【0041】
有利には、グレーデッドインデックス領域３２０ｇを含む環状コア３２０の屈折率プロファイルに結合されたレーザーエネルギーは、環状コア３２０における入力位置に応じて、異なる有効直径および幅を有する環状ビームを有する出力ビームをもたらす。様々な実施の形態において、グレーデッドインデックス領域３２０ｇは、異なるＮＡを有する入力ビームの内部全反射の異なる臨界角の接触面位置を提供し、可能にする。例えば、環状コア３２０のコンスタントインデックス領域に結合された入力ＮＡｉｎを有するレーザーパワーは、通常、環状コア３２０の全体には広がらないが、むしろ、屈折率ｎｘ（屈折率ｎ１よりも大きい）よりも大きい屈折率を有するより限られた領域内に含まれる。ここで、屈折率ｎｘは、ｓｑｒｔ（ｎ２
２－ｎｘ
２）＝ＮＡｉｎを満たす。言い換えると、環状コア３２０の屈折率ｎｘを有する部分は、光線ストッパーとして機能する。同様に、ＮＡドメイン内の入力パワーの異なる部分は、０からＮＡｉｎまでの異なる入力ＮＡ範囲を有する。したがって、これらの異なる部分は、環状コア３２０内の異なる部分（すなわち、円筒形の「接触面」）により「ブロック」される。一般的に、高屈折率ｎｙを有する位置ｙにおいて環状コア３２０に結合された入力ＮＡｚ（ＮＡｉｎ以下である）を有するｚ部分は、屈折率ｎｘよりも大きく、ｓｑｒｔ（ｎｙ
２－ｎｘ
２）＝ＮＡｚを満たす屈折率を有する環状コア３２０の体積内に閉じ込められる。この式は、本発明のすべての実施の形態に適用される。この一般命題は、本明細書に記載される本発明のあらゆる異なる実施の形態に適用することができる。
【0042】
様々な実施の形態において、図２に示される従来のステップクラッド光ファイバー２００と比較して、勾配ステップクラッド光ファイバー３００は、より多様なビーム形状を提供し、したがって、多様な用途、およびその出力ビームにより加工される加工対象物の要求を満たすよう展開することができる。上述の一般式が示すように、入力位置（ｙ）の変化により、通常、強度および幅の異なる断面プロファイルを有する出力ビームにおいて異なる環状リングが生じる。入力位置の変化はまた、特にグレーデッドインデックス領域３２０ｇが環状コア３２０の外端部またはその近くに配置される場合、異なる有効直径の環状リングも生成することがある。従来のファイバー（例えば、光ファイバー２００）では、そのようなファイバーの環状コア領域に結合されたレーザーパワーが環状コア領域の全体にほぼ均等に広がるため、そのようなダイナミクスは見られない。
【0043】
さらに、図３において、位置Ａと位置Ｂとの間の両矢印に示すように、レーザー入力ＮＡｉｎがｓｑｒｔ（ｎ１
２－ｎ３
２）と等しい第１クラッド３１５のＮＡよりも大きくないと仮定すると、勾配ステップクラッド光ファイバー３００により、レーザー入力スポットを、感知できるほどのパワー損失なく位置Ａから位置Ｂまで連続的にシフトさせることができる。
【0044】
様々な実施の形態において、グレーデッドインデックス領域３２０ｇの屈折率プロファイル（すなわち、位置の関数としての屈折率の変化）は、図３に示すように、実質的に線形の勾配であってもよい。他の実施の形態において、プロファイルは、放物線、平方根、多項式、段階的（すなわち、屈折率が離散的な段階で構成される）、または他の単調曲線を含む他の形状であってもよい。様々な実施の形態において、グレーデッドインデックス領域３２０ｇは、図３に示すように、第１クラッド３１５と環状コア３２０のコンスタントインデックス領域との間に配置されてもよい。他の実施の形態において、グレーデッドインデックス領域３２０ｇは、代わりに、コンスタントインデックス領域と外部クラッド３２５との間に配置されてもよい。または、グレーデッドインデックス領域３２０ｇは、コンスタントインデックス領域の両側に配置されてもよい。そのような実施の形態において、コンスタントインデックス領域の屈折率は、図３に示すように、屈折率ｎ０と屈折率ｎ１との間であってもよい。
【0045】
様々な実施の形態において、環状クラッド３２０は、その全体がグレーデッドインデックス領域３２０ｇで構成されてもよい。つまり、環状クラッド３２０のコンスタントインデックス領域の幅がほぼ０であってもよい。加えて、または代わりに、グレーデッドインデックス領域３２０ｇは、センターコア３１０に接触するよう、延びていてもよい。すなわち、第１クラッド３１５の幅がほぼ０であってもよい。様々な実施の形態において、環状コア３２０内の屈折率ｎ２および／または屈折率ｎＨは、屈折率ｎ０、すなわち、センターコア３１０の屈折率よりも小さくても、大きくても、またはほぼ等しくてもよい。最後に、図３には示されていないが、勾配ステップクラッド光ファイバー３００はまた、外部クラッド３２５の外側に配置される１つまたは複数の追加のクラッド層を含んでいてもよい。そのようなクラッド（コーティング層を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい）は、主に保護的な性質を有してもよく、したがって、その中でレーザーエネルギーが直接伝送しなくてもよい。そのような層の屈折率は、外部クラッド３２５の屈折率である屈折率ｎ３よりも小さくてもよい。他の実施の形態において、そのような層の屈折率は、屈折率ｎ３よりも大きくてもよい。様々な実施の形態において、光ファイバーは、外部クラッド３２５を直接取り囲み、センターコアの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する外部ガラス層と、そこに配置され、屈折率ｎ３よりも小さい屈折率をそれぞれ有する１つまたは複数の（例えば、１つまたは２つの）コーティング層と、を有する。
【0046】
図４は、本発明の実施の形態にかかる別の光ファイバーの内部構造を示す。図示されているように、マルチステップクラッド光ファイバー４００は、直径Ｄ０および屈折率ｎ０を有するセンターコア４１０と、直径Ｄ１および屈折率ｎ１を有する第１クラッド４１５と、直径Ｄ２を有する環状コア３２０と、屈折率ｎ３を有する外部クラッド４２５と、を備えることを特徴とする。図３に示すファイバー３００と同様に、第１クラッド４１５は、屈折率ｎ０よりも小さく屈折率ｎ３よりも大きい中間屈折率ｎ１を有してもよい。
【0047】
様々な実施の形態において、環状コア４２０は、２つの異なる領域を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。図４に示すように、環状コア４２０は、屈折率ｎ２ｓを有する内部ステップインデックス（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｓｔｅｐ－ｉｎｄｅｘ）領域４２０ｓと、屈折率ｎ２を有する外部ステップインデックス（ｅｘｔｅｒｉｏｒ ｓｔｅｐ－ｉｎｄｅｘ）領域４２ｅと、を有することを特徴としてもよい。様々な実施の形態において、屈折率ｎ２ｓは、第１クラッド４１５の屈折率ｎ１よりも大きく、屈折率ｎ２よりも小さい。本発明の様々な実施の形態によると、外部ステップインデックス領域４２０ｅに結合されたレーザーパワーは、主に外部ステップインデックス領域４２０内に留まる。内部ステップインデックス領域４２０ｓに結合されたパワーは、主に、領域４２０ｓ、４２０ｅの両方に含まれる。したがって、これらの領域のいずれかまたは両方に結合されたレーザーエネルギーは、環状コア４２０における入力位置に応じて（上述のファイバー３００に関する議論と同様に）、異なる有効直径および幅を有する環状ビームを有する出力ビームをもたらす。
【0048】
様々な実施の形態にかかるマルチステップクラッド光ファイバー４００の場合、内部ステップインデックス領域４２０ｓの厚さは、センターコアの直径Ｄ０の約１０％よりも大きくてもまたは等しくても、あるいは直径Ｄ０の約２５％よりも大きくてもまたは等しくてもよい。このような値は、同様に第１クラッド４１５の厚さにも適用することができる。様々な実施の形態において、光ファイバーの１つまたは複数の層の厚さは、入力レーザービームのスポット径が、例えば直径Ｄ０の約６０％から約９０％であり得るため、センターコアの直径Ｄ０に依存する。
【0049】
様々な実施の形態において、図２に示す従来のステップクラッド光ファイバー２００と比較して、マルチステップクラッド光ファイバー４００は、多様なビーム形状を提供し、したがって、多様な用途、およびその出力ビームにより加工される加工対象物の要求を満たすよう展開することができる。例えば、マルチステップクラッド光ファイバー４００は、環状コア４２０内にレーザーエネルギー入力を受信する２つの離散領域４２０ｓ、４２０ｅを提供し、それぞれ、ファイバー２００などの従来のファイバーでは得られない異なる環状リングプロファイルをもたらす。様々な実施の形態において、離散領域４２０ｓ、４２０ｅの存在により、２つのセクションの間での入力パワー比率を変化させることにより、環状リングプロファイル（例えば、強度および／または幅）を操作することができる。
【0050】
様々な実施の形態において、環状コア４２０は、異なる屈折率を有する２つの異なる領域を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。さらに、様々な実施の形態において、外部ステップインデックス領域４２０ｅの屈折率ｎ２は、図４に示すように、内部ステップインデックス領域４２０ｓの屈折率ｎ２ｓよりも大きくてもよい。あるいは、屈折率ｎ２は、屈折率ｎ２ｓよりも小さくてもよい。
【0051】
図５Ａは、本発明の実施の形態にかかる別の光ファイバーの内部構造を示す。図示されているように、バリアステップクラッド光ファイバー５００は、直径Ｄ０および屈折率ｎ０を有するセンターコア５１０と、直径Ｄ１と屈折率ｎ１とを有する第１クラッド５１５と、直径Ｄ２を有する環状コア５２０と、屈折率ｎ３を有する外部クラッド５２５と、を備えることを特徴とする。ファイバー３００およびファイバー４００と同様に、第１クラッド５１５は、屈折率ｎ０よりも小さく屈折率ｎ３よりも大きい中間屈折率ｎ１を有してもよい。
【0052】
様々な実施の形態において、環状コア５２０は、３つの異なる領域を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。図５に示すように、環状コア５２０は、内部領域５２０ａと、外部領域５２０ｃと、領域５２０ａと領域５２０ｃとの間に配置されるバリア領域５２０ｂと、を備えることを特徴としてもよい。様々な実施の形態において、領域５２０ａ、５２０ｃの両方の屈折率は屈折率ｎ２と等しい。屈折率ｎ２は、センターコア５１０の屈折率ｎ０にほぼ等しくてもよい。他の実施の形態において、屈折率ｎ２は屈折率ｎ０よりも大きくても、または小さくてもよい。バリア領域５２０ｂの屈折率ｎ２ｂは、屈折率ｎ２よりも小さく、第１クラッド５１５の屈折率ｎ１よりも大きくても、またはほぼ等しくてもよい。図５Ａに示すように、バリア領域５２０ｂは、第１クラッド５１５の直径Ｄ１よりも大きい内径Ｄｂと、層厚Ｔと、を有してもよい。様々な実施の形態において、バリア領域５２０ｂの層厚Ｔは、約３０μｍよりも小さいか、約２０μｍよりも小さいか、または約１０μｍよりも小さい。層厚Ｔは、約１μｍより大きくても、約２μｍより大きくても、約５μｍより大きくても、または約１０μｍより大きくてもよい。
【0053】
本発明の様々な実施の形態において、パワーが最初に内部領域５２０ａまたは外部領域５２０ｃのいずれかに結合される場合に、バリア領域５２０ｂは、第１クラッド５１５および外部クラッド５２５とともに、ファイバー５００の他の領域にレーザーパワーが広がるのを実質的に阻止する。したがって、本発明の実施の形態にかかる出力ビームは、ファイバーの出口に２つの離散環状リングを有することを特徴としてもよい。つまり、ファイバー５００は、領域５２０ａと領域５２０ｃとの間に入力レーザーパワーを分配することにより、異なる出力強度を有する２つの環状リングを有する出力ビームを形成することができる。このような出力ビームは、通常、上述したファイバー１００、２００を使用することでは有効とはならない。さらに、バリア領域５２０ｂに結合されたレーザーパワーは、通常、出力ビームからは失われないが、代わりに、環状コア５２０全体に広がる。
【0054】
本発明の様々な実施の形態において、第１クラッド５１５に結合されたレーザーパワーは、環状コア領域５２０の全体に広がる傾向にあり、そのようなパワーは、センターコア５１０にも広がることがある。
【0055】
したがって、ビームエネルギーを第１クラッド５１５に結合すると、内部領域５２０ａに結合する場合よりも、ファイバーの出口でより大きい有効ビーム径とすることができる。したがって、本発明の実施の形態において、レーザーエネルギーがファイバー５００の様々な領域に結合されるため、出力ビーム径が非単調的に増加する。その結果、ファイバー１００、２００では実現できない、動的なＢＰＰ変化をもたらす。
【0056】
本発明の様々な実施の形態において、環状コア領域５２０は、１つ以上のバリア領域５２０ｂを含んでもよい。それぞれのバリア領域は、異なる厚さおよび／または異なる屈折率を有してもよい。ただし、そのようなバリア層の屈折率は、通常、屈折率ｎ２よりも小さく、屈折率ｎ１よりも大きいか、またはほぼ等しい。つまり、環状コア領域５２０は、Ｎ個のバリア領域５２０ｂにより、Ｎ＋１個の領域（例えば、領域５２０ａ、５２０ｃ）に分割されてもよい。２つ以上（またはすべて）の複数のバリア領域５２０ｂの厚さおよび／または屈折率は、互いに等しくても、または互いに異なっていてもよい。
【0057】
図５Ｂは、図５Ａに示すバリアステップクラッド光ファイバー５００の変形例である、本発明の実施の形態にかかる光ファイバーの内部構造を示す。図示されるように、バリアステップクラッド光ファイバー５３０は、センターコア５１０ｂと、第１クラッド５１５と、環状コア５２０と、外部クラッド５２５と、を備えることを特徴とする。ファイバー３００、４００、および５００と同様に、第１クラッド５１５は、屈折率ｎ０よりも小さく屈折率ｎ３よりも大きい中間屈折率ｎ１を有してもよい。
【0058】
図５Ｂに示すように、センターコア５１０ｂは、センターコア５１０ｂの中心点に最も大きい屈折率ｎ０を有し、センターコア５１０ｂの屈折率は、中心点から離れる半径方向の距離の関数として減少する、勾配インデックス（ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｉｎｄｅｘ）プロファイルを有する。様々な実施の形態において、センターコア５１０ｂの中心点だけが、最も高い屈折率ｎ０を有するが、他の実施の形態では、センターコア５１０ｂは、有限の厚さを有し、最も大きい屈折率ｎ０を有する中心部分を有する。（つまり、センターコア５１０ｂの屈折率は、中心部分で横ばいになり、センターコア５１０ｂの外周に向かって小さくなってもよい。）センターコア５１０ｂの屈折率の減少は、実質的に線形、放物線であってもよく、または、多項式依存性を有していてもよい。言い換えると、センターコア５１０ｂの屈折率は、一連の１つまたは複数の（または２つ以上）の離散的なステップで減少してもよい。様々な実施の形態において、センターコア５１０ｂの屈折率は、センターコア５１０ｂと第１クラッド５１５との接触面における屈折率ｎ’０まで減少する。図示されているように、屈折率ｎ’０は、第１クラッド５１５の屈折率ｎ１よりも大きくてもよい。他の実施の形態において、屈折率ｎ’０は、第１クラッド５１５の屈折率ｎ１とほぼ等しくてもよい。
【0059】
図５Ａの光ファイバー５００と同様に、本発明の様々な実施の形態において、ファイバー５３０の環状コア領域５２０は、１つまたは複数のバリア領域５２０ｂを含んでもよい。それぞれのバリア領域は、異なる厚さおよび／または異なる屈折率を有していてもよい。ただし、そのようなバリア層の屈折率は、通常、屈折率ｎ２よりも小さく、屈折率ｎ１よりも大きいまたはほぼ等しい。
【0060】
本発明の実施の形態にかかるファイバー６１０を使用してＢＰＰを変化させる例示的なレーザーシステム６００が図６に示されている。図示されるように、レーザーシステム６００は、入射する入力レーザービーム６３０を光学素子６４０（例えば、１つまたは複数のレンズ、反射ウェッジ、および／またはプリズム）に方向転換させる調整可能リフレクタ６２０（例えば、チップチルト（ｔｉｐ－ｔｉｌｔ）調整可能および／または折り返し式ミラー）などのステアリング機構を含み、ビーム６３０をファイバー６１０に向けて集光する。リフレクタ６３０の調整または傾斜は、曲線矢印６５０で示されている。図示されているように、ビーム６３０が結合されるファイバー６１０の入力面の領域は、リフレクタ６２０の構成（例えば、位置および／または角度）、および／または光学素子６４０の位置の調整（ビーム６３０の経路内で矢印６６０に示されるように平行移動させてもよい）により少なくとも部分的に定義されてもよい。かわりに、または加えて、ファイバー６１０それ自体が、ファイバー６１０の長手方向軸に対して実質的に平行な、および／または実質的に垂直な方向に平行移動してもよい。最良の開始ビーム品質（すなわち、最小ＢＰＰ）のために、ファイバー６１０の入力面は、光学素子６４０の焦点スポットに（すなわち、光学素子６４０からその焦点距離と等しい距離を隔てて）配置されてもよい。しかし、様々な実施の形態において、光学素子６４０および／またはファイバー６１０は、長手方向に（例えば、図６に示すファイバー６１０の長軸に沿った方向に）平行移動されてもよく、ファイバー６１０の入力面は、光学素子６４０の焦点距離よりも短いまたは長い距離の位置に配置される。本発明の様々な実施の形態において、ファイバー６１０は、本明細書に記載される任意のファイバー３００、４００、５００、５３０を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。
【0061】
本発明の様々な実施の形態では、フレクシャーマウント（ｆｌｅｘｕｒｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ）リフレクタ６２０以外のステアリング機構、例えば、レンズおよび／またはプリズムなどのフレクシャーマウントおよび／またはアクチュエート（ａｃｔｕａｔｅｄ）光学素子、を使用することができる。したがって、本明細書におけるリフレクタ６２０への言及は、非反射型の変形例（およびリフレクタと１つまたは複数の光学素子との両方を含む変形例）を包含すると理解される。
【0062】
リフレクタ６２０および／または光学素子６４０および／またはファイバー６１０の構成は、制御部６７０および／またはそれに動作可能に接続された１つまたは複数のアクチュエータ（図示省略）を介して制御されてもよい。したがって、リフレクタ６２０および／または光学素子６４０および／またはファイバー６１０および／または１つまたは複数のアクチュエータは、制御部６７０に応答してもよい。制御部６７０は、所望の目標放射パワー分布および／またはＢＰＰまたはビーム品質の他の尺度（例えば、ユーザによる入力、および／または加工対象物への距離、加工対象物の組成、加工対象物のトポグラフィ、などの加工される加工対象物の１つまたは複数の特性に基づく）に応答してもよいし、ビーム６３０がファイバー６１０の入力面に当たり、ファイバー６１０から出力される出力ビームが目標放射パワー分布またはビーム品質を有するように、リフレクタ６２０および／または光学素子６４０および／またはファイバー６１０を配置するよう構成されてもよい。このようにして生成された出力ビームは、焼きなまし、切断、溶接、穴あけなどの加工のために加工対象物に向けられてもよい。制御部６７０は、例えば、本明細書に記載される特定のリフレクタ傾斜および／または光学素子６４０および／またはファイバー６１０の位置（および／または傾斜）を介して、所望のパワー分布および／または出力ＢＰＰおよび／またはビーム品質を達成するようプログラムされてもよい。
【0063】
したがって、様々な実施の形態において、ビーム源、リフレクタ６２０、ファイバー６１０、および／または光学素子６４０は、制御部６７０に応答してもよい。光ファイバー６１０の出力端（すなわち、ビーム６３０を受信する入力端と反対側のファイバーの端部）は、加工される加工対象物に出力ビームを向けるレーザーヘッドをそれに結合してもよい。レーザーヘッドは、出力ビームを集光するおよび／またはコリメートする、および／またはビームの偏光および／または軌道を制御する、１つまたは複数の光学素子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい。レーザーヘッドは、出力ビームを加工対象物に、および／または加工対象物を配置することができる台または位置決め可能な構台に向かって、出力ビームを放射するよう配置されてもよい。
【0064】
様々な実施の形態において、制御部６７０は、出力ビーム（および／またはレーザーヘッド）を使用して実施されるプロセスを開始し、それに応じて、１つまたは複数の結合位置でファイバー６１０に対してビーム６３０を位置決めしてもよい。様々な実施の形態において、制御部６７０は、例えば１つまたは複数のアクチュエータの制御を介して、加工対象物に対するファイバー６１０および／またはレーザーヘッドの動き制御することさえできる。制御部６７０はまた、出力レーザービームと加工中の加工対象物との間の相対的な動きを引き起こすよう構成された従来の位置決めシステムを操作することもできる。例えば、位置決めシステムは、２次元または３次元の加工対象物に沿った加工経路を通してビームを誘導するための、任意の制御可能な光学的、機械的、または光機械的システムであってもよい。加工中に、制御部６７０は、レーザービームが加工対象物に沿って加工経路を横断するよう、位置決めシステムおよびレーザーシステム６００を操作してもよい。加工経路は、ユーザにより提供されてもよく、オンボードメモリまたはリモートメモリに格納されてもよい。このメモリは、加工の種類（切断、溶接、など）に関するパラメータ、および、加工を実行するために必要なまたは所望のビームパラメータ（例えば、ビーム形状および／またはＢＰＰ）もまた格納してもよい。これに関して、ローカルまたはリモートデータベースは、システムが処理する材料および厚さのライブラリを維持してもよい。材料パラメータ（材料の種類、厚さ、など）をユーザが選択すると、制御部６７０は、データベースを照会して対応するビーム特性を取得し、ファイバー６１０へのビーム６３０の適切な結合位置を決定する。格納された値は、材料の様々な加工（例えば、穴あけ、切断、など）、加工の種類、および／または加工経路の形状に適するビーム特性を含んでもよい。
【0065】
プロッティング（ｐｌｏｔｔｉｎｇ）またはスキャニング（ｓｃａｎｎｉｎｇ）技術でよく知られているように、出力ビーム（および／またはレーザーヘッド）と加工対象物との間の必須の相対的な動きは、可動ミラーを使用したビームの光学的偏向、構台を使用したレーザーの物理的な動き、送りねじまたは他の構成、および／またはビームではなく（またはビームに加えて）加工対象物を動かすための機械的構成により生成され得る。いくつかの実施の形態において、制御部６７０は、フィードバック部から加工対象物に対するビームの位置および／または加工効率に関するフィードバックを受信してもよい。フィードバックユニットは、適切なモニタリングセンサに接続される。
【0066】
本発明の実施の形態によると、ユーザーは所望の加工経路に沿って加工対象物を加工（例えば、切断または溶接）することができる。出力ビームの特性（例えば、ビーム形状、ＢＰＰ、またはその両方）、出力ビームのパワーレベル、および／または最大加工速度は、加工対象物の組成、加工対象物の厚さ、加工経路の形状などの、ただしそれらに限定されない要素に基づいて選択される。例えば、ユーザは、任意の適切な入力装置を使用して、またはファイル転送により、所望の加工経路および／または加工対象物の種類（および／または厚さなどの他の特性）を、システムに選択しても、または事前にプログラムしてもよい。その後、制御部６７０は、加工経路に沿った位置の関数として、最適な出力ビーム特性を決定してもよい。動作中、制御部６７０は、切断または溶接などの加工に対する適切な出力ビーム特性を使用して、レーザーシステムおよび加工対象物の位置を操作して、事前にプログラムされた経路に沿って加工対象物を加工してもよい。加工される材料の組成および／または厚さが変わる場合、その変化の位置および性質が事前にプログラムされてもよい。制御部６７０は、それに応じて、レーザービーム特性および／または加工対象物とビームとの間の相対的な動きの速度を調整してもよい。
【0067】
加えて、レーザーシステムには、加工対象物の厚さおよび／またはその上のフィーチャー（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の高さを検出するための１つまたは複数のシステムが組み込まれていてもよい。例えば、レーザーシステムには、干渉法により加工対象物の干渉深さ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｅｐｔｈ）を計測するシステム（またはその構成要素）が組み込まれていてもよく、これは、２０１５年４月１日に出願された米国特許出願第１４／６７６，０７０号に詳述されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。そのような深さまたは厚さ情報は、例えば加工される材料の種類に対応するデータベースのレコードに従い、加工対象物の加工を最適化する出力ビーム特性を制御するために制御部６７０により使用されてもよい。
【0068】
制御部６７０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、カリフォルニア州サンタクララのインテル社により製造されたＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｅｌｅｒｏｎ（登録商標）ファミリのプロセッサ、イリノイ州シャンバーグのモトローラ社により製造された、６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ ＰＣ（登録商標）ファミリのプロセッサ、および／または、カリフォルニア州サニーベールのアドバンストマイクロデバイセズ社により製造されたＡＴＨＬＯＮ（登録商標）、などの１つまたは複数のプロセッサを含むＣＰＵ基板を有するＰＣなどの、１つまたは複数の従来のサーバクラスコンピュータに実装されてもよい。プロセッサはまた、本明細書に記載される方法に関するプログラムおよび／またはデータを格納するメインメモリユニットを含んでもよい。メモリは、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などの一般的に利用可能なハードウェアに存在する、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリを含んでもよい。いくつかの実施の形態において、プログラムは、光学ディスク、磁気ディスク、および他の一般的に使用されるストレージ装置などの、外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして提供される実施の形態では、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、様々なスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬなどの多くの高級言語のうちのいずれかで記述されていてもよい。さらに、ソフトウェアは、ターゲットコンピュータに常駐するマイクロプロセッサに向けたアセンブリ言語で実装されていてもよい。例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ ＰＣまたはＰＣクローン上で実行されるよう構成されている場合、インテル８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、フロッピーディスク、ジャンプドライブ（ｊｕｍｐ ｄｒｉｖｅ）、ハードディスク、光学ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ－ＲＯＭを含むがそれに限定されない製造物に具現化されていてもよい。
【0069】
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の様々な実施の形態の効果を実証するシミュレーションのための例示的な入力ビームおよびファイバーパラメータを示す。図６に示すものと同様の、焦点距離が３０ｍｍの集光レンズ（光学素子６４０に対応する）を有するシステムに基づく数値例である。図７Ａは、入力ビームがシステム６００の光学素子６４０に当たる前の入力レーザービームの断面を示す。図示されているように、入力ビームは、互いに同一でＸ軸に沿って整列した２つの矩形ビームを含むことを特徴とする。図示された例では、入力レーザービームは、２つの同一のＷＢＣ共振器の出力ビームの空間結合により形成された（図１１参照）。４シグマでの個々のビームのフルサイズは、ｍｍで約１．５×５．６（ｘ×ｙ）である。入力レーザービームの全体のＢＰＰは、ｍｍ・ｍｒａｄで約３×４（ｘ×ｙ）である。システム６００の光ファイバー６１０は、図５Ａに示されるファイバー５００に、図７Ｂに記載された様々なファイバーパラメータを加えたものに相当する。
【0070】
図８は、図７Ａおよび図７Ｂ（曲線１）の例示的な構成におけるシミュレーション結果のＢＰＰ値を、リフレクタ／ミラーの傾斜角度の関数として示すグラフである。比較のために、従来のステップクラッド光ファイバー２００（図２参照）を使用した場合のシミュレーション結果のＢＰＰ値を示す第２曲線（曲線２）もまた、表示されている。曲線２では、ステップクラッド光ファイバー２００は、センターコア、第１クラッド、環状コアの直径がそれぞれ１００μｍ、１６０μｍ、および３６０μｍであり、図７Ｂに記載されている値と同様の屈折率を有する。シミュレーションにおいて、ファイバー結合システム（図６）は、ミラー傾斜がゼロである場合にファイバーの中心に入力スポットが来るよう配置されている。入力ビームスポットの中心からずれたシフトは、２×ｆ×θにより計算されるミラーの傾斜に比例する。ｆ（この例では３０ｍｍと等しい）は集光レンズ（図６の光学素子６４０に相当する）の焦点距離であり、θは、ミラーの傾斜角度である。
【0071】
図８に示すように、本発明の実施の形態による曲線１のＢＰＰ変化は、２つのこぶ（すなわち、極大値）を有するが、曲線２では１つだけである。本明細書で上述の通り、光ファイバー２００の環状コア２１２に結合された入力パワーが、その入力位置に関わらず、環状コア２１２の全体に広がるため、曲線２は、約２ｍｒａｄのミラーの傾斜を超えた領域で平らになる。
【0072】
曲線２の単一のこぶは、主に、レーザービームが最初に低屈折率領域（図２の第１クラッド２１５）に結合されるが、高屈折率領域（例えば、図２のセンターコア２１０および環状コア２２０）から出る場合にもたらされるＮＡの拡大に起因する。曲線１の２つのこぶの特徴は、光ファイバー５００の使用によりもたらされ、ＮＡ拡大だけでなく、上述のミラーの傾斜の増加によるファイバー出口での有効ビーム径に特有の非単調な増加の複合効果によるものである。
【0073】
図９Ａ～図９Ｅは、図７Ａ、図７Ｂ、および図８の数値例に対応する、異なるミラー傾斜での、ファイバー出口でのビーム画像の５つのシミュレーション結果を示す。対応するＢＰＰ値は、図８の曲線１に対応するミラー傾斜で示されている。図９Ａ～図９Ｅのそれぞれはまた、それぞれの画像の下部にファイバー出口でのビームの断面プロファイルを含む。図９Ａは、最低ＢＰＰ（約４ｍｍ・ｍｒａｄ）を有する出口ビームを示し、すべてのパワーが光ファイバーのセンターコアから出ている。図９Ｂは、図８の曲線１の第１ピーク（約１９ｍｍ・ｍｒａｄ）に達するＢＰＰを有する出口ビームを示し、レーザーパワーのかなりの部分が最初に光ファイバーの第１クラッド層（すなわち、図５Ａの第１クラッド５１５）に結合している。図９Ｃに示すように、１．６ｍｒａｄのミラー傾斜では、入力パワーのかなりの部分が環状コアの内部領域（図５Ａの領域５２０ａ）に結合され、ファイバーの出口で比較的小さい環状リングが生じている。図９Ｄに示すように、２．２ｍｒａｄのミラー傾斜では、出力プロファイルは２つの環状リングと図８のグラフの第２ピークに近いＢＰＰ（曲線１）を特徴としている。この場合、入力ビームは、バリア５２０ｂの近く、またはほぼバリア５２０ｂにあり、パワーのほとんどが内部領域５２０ａおよび外部領域５２０ｃの両方に結合される。加えて、ビームプロファイルの中心にある明確な非ゼロパワー密度は、バリア５２０ｂに結合したパワーの一部がセンターコア５１０から出ることを示す。図９Ｅに示すように、２．７ｍｒａｄのミラー傾斜では、入力スポットが環状コアの外部領域（すなわち、図５Ａの領域５２０ｃ）にシフトし、したがって、大きな環状リングが生成されている。
【0074】
図１０Ａ～図１０Ｄは、光ファイバー２００を使用した、図８の数値例に対応する、異なるミラー傾斜での、ファイバー出口でのビーム画像の４つのシミュレーション結果である。対応するＢＰＰ値は、対応するミラー傾斜での図８の曲線２に示されている。図１０Ａ～図１０Ｄのそれぞれはまた、それぞれの画像の下部にファイバー出口でのビーム断面プロファイルを含む。図１０Ａは、最低ＢＰＰ（約４ｍｍ・ｍｒａｄ）を有する出口ビームを示し、図９Ａと同様に、すべてのパワーが光ファイバーのセンターコアから出ている。図１０Ｂは、図８の曲線２のピーク（約２２ｍｍ・ｍｒａｄ）に達するＢＰＰを有する出口ビームを示し、これは主に、レーザーパワーのかなりのパワーが第１クラッド２１５（図２参照）に結合する場合のＮＡ拡大に起因する。図１０Ｃおよび図１０Ｄは、約１．８ｍｒａｄを超えるミラー傾斜で、出力プロファイルが感知できるほど変化しないことを示す。すなわち、入力スポットが第１クラッドの外側に配置されると、パワーの大部分が環状コア２２０に結合されるためである。図９Ｃ～図９Ｅと比較すると、この挙動は、本発明の実施の形態に係る光ファイバーと比較した場合かなり異なる。
【0075】
したがって、本発明の実施の形態にかかる光ファイバーは、ＢＰＰ、ＮＡおよび出力ビームサイズのより動的で多様な変化を提供し、多様な用途および／またはより多様な異なる加工対象物の加工のために展開され得る。本発明の実施の形態に係るファイバーにより、様々な直径および／または幅の１つまたは複数の環状リングを有する出力ビームを形成することができ、異なるビームプロファイルおよびＢＰＰ値を有する様々な混合ビーム形状を可能にする。
【0076】
レーザーシステム６００は、ビームがファイバーの入力面を横切って掃引されて、ビームの異なる部分がファイバーの異なる領域に結合されるため、入力レーザービームのパワーダウン（すなわち、スイッチオフ）の必要なく連続してレーザービームのＢＰＰ、形状、および／またはＮＡを変化させるために使用することができる。ファイバーは、クラッド領域（例えば、第１クラッド）に伝播するビームエネルギーが閉じ込められ、ファイバーまたはそれに関連する光学系（例えば、光学素子）に損傷につながらないよう構成されているため、入力ビームまたはその一部が光ファイバーのクラッドに当たるときに入力ビームをスイッチオフする必要がない。
【0077】
本発明の実施の形態により、本明細書に詳述されているレーザーシステムおよびレーザーデリバリーシステムは、ＷＢＣレーザーシステムで、またはＷＢＣレーザーシステムとともに使用することができる。具体的には、本発明の様々な実施の形態において、ＷＢＣレーザーシステムの多重波長出力ビームは、本明細書に詳述されるように、ＢＰＰを変化させるためのレーザービームデリバリーシステム用の入力ビームとして使用することができる。図１１は、本発明の実施の形態で使用される入力ビームを形成するために使用することができるＷＢＣレーザーシステム（または「共振器」）１１００の様々な構成要素を示す概略図である。図示された実施の形態において、共振器１１００は、９つの異なるダイオードバーにより放射されるビームを組み合わせる（本明細書で使用される「ダイオードバー」は、任意のマルチビームエミッタ、すなわち、単一のパッケージから複数のビームを放射するエミッタを指す）。本発明の実施の形態は、９つよりも少ない、または多くのエミッタとともに使用してもよい。本発明の実施の形態において、それぞれのエミッタが単一のビームを放射してもよいし、または、それぞれのエミッタが複数のビームを放射してもよい。図１１は、ＷＢＣ次元、すなわち、バーからのビームが組み合わされた次元に沿っている。例示的な共振器１１００は、９つのダイオードバー１１０５を備えることを特徴とし、それぞれのダイオードバー１１０５は、ＷＢＣ次元に沿ったエミッタの配列（例えば、一次元配列）を含む、本質的にそれにより構成される、またはそれにより構成される。様々な実施の形態において、ダイオードバー１１０５のそれぞれのエミッタは、一方向において大きな発散（ここではＷＢＣ次元に対して垂直に方向づけられる「ファスト軸」として知られる）と、垂直方向において小さな発散（ここではＷＢＣ次元に沿った「スロー軸」として知られる）と、を有する非対称ビームを放射する。
【0078】
様々な実施の形態において、それぞれのダイオードバー１１０５は、放射されたビームのファスト軸をコリメートするファスト軸コリメータ（ＦＡＣ：ｆａｓｔ－ａｘｉｓ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）／光学ツイスターマイクロレンズアセンブリに関連付けられている（例えば、取り付けられている、または、光学的に結合されている）。このため、ビームのファスト軸およびスロー軸を９０°回転させているときに、それぞれの放射されたビームのスロー軸がマイクロレンズの下流のＷＢＣ次元に垂直になる。マイクロレンズアセンブリはまた、それぞれのダイオードバー１１０５から分散素子１１１０に向かってエミッタの主光線を集光させる。適切なマイクロレンズアセンブリは、２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５３，３２７号、および２０１５年６月８日に出願された米国特許第９，７４６，６７９号に記載されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【0079】
ＦＡＣレンズおよび光学ツイスターの両方（例えば、マイクロレンズアセンブリ）がそれぞれのビームエミッタおよび／または放射されたビームに関連付けされている本発明の実施の形態において、ＳＡＣレンズ（詳細は後述する）が非ＷＢＣ次元においてビームに影響を与える。他の実施の形態において、放射されたビームは回転せず、ＦＡＣレンズを使用して、非ＷＢＣ次元においてポイント角度を変化させてもよい。したがって、本明細書におけるＳＡＣレンズへの言及は、非ＷＢＣ次元においてパワーを有するレンズを指し、そのようなレンズには、様々な実施の形態におけるＦＡＣレンズを含んでもよい、ということが理解される。したがって、様々な実施の形態、例えば、放射されたビームが回転しない、および／またはビームのファスト軸が非ＷＢＣ次元にある実施の形態では、ＳＡＣレンズについて本明細書に詳述されるように、ＦＡＣレンズを利用することができる。
【0080】
図１１に示すように、共振器１１００は、一連のＳＡＣレンズ１１１５を備えることを特徴とし、１つのＳＡＣレンズは、１つのダイオードバー１１０５に関連付けられ、１つのダイオードバー１１０５からビームを受信する。それぞれのＳＡＣレンズ１１１５は、単一のダイオードバー１１０５から放射されたビームのスロー軸をコリメートする。ＳＡＣレンズ１１１５によりスロー軸がコリメートされると、ビームは一連のインターリーブミラー１１２０に伝播する。インターリーブミラー１１２０は、ビーム１１２５を分散素子１１１０に向けて方向転換する。インターリーブミラー１１２０の配置により、ダイオードバー１１０５のフリースペースを縮小するまたは最小化することができる。分散素子１１１０（図１１に示す透過回折格子、または反射回折格子などの回折格子を含んでもよい、本質的にそれにより構成されてもよい、またはそれにより構成されてもよい）の上流では、レンズ１１３０がダイオードバー１１０５からのサブビーム（すなわち、主光線以外の放射光線）をコリメートするために任意に使用されてもよい。様々な実施の形態において、レンズ１１３０は、レンズ１１３０の焦点距離と実質的に等しいダイオードバー１１０５からの光学距離となる位置に配置される。典型的な実施の形態において、分散素子１１１０での主光線の重複は、主に、レンズ１１３０の集光力ではなく、インターリーブミラー１１２０の方向転換に起因することに留意されたい。
【0081】
また、図１１には、光学的クロストークを軽減するための光学望遠鏡を形成するレンズ１１３５、１１４０が示されている。これらは、２０１３年３月１５日に出願された米国特許第９，２５６，０７３号および２０１５年６月２３日に出願された米国特許第９，２６８，１４２号に詳述されており、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれている。共振器１１００はまた、共振器１１００がより小さい物理的設置面積（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）内に収まるようビームを方向転換するための、１つまたは複数のオプションの折りたたみ式ミラー１１４５を含んでもよい。分散素子１１１０は、ダイオードバー１１０５からのビームを、部分反射出力カプラ１１５５に伝播する単一の多重波長ビーム１１５０に結合する。カプラ１１５５は、共振器１１００の出力ビームとしてのビームの一部を透過させる一方で、ビームの別の一部を反射させて分散素子１１１０に戻し、その後、それぞれのビームの放射波長を安定させるためにフィードバックとしてダイオードバー１１０５に戻す。
【0082】
本明細書において使用される用語および表現は、限定のためではなく説明のための用語として使用される。それらの用語および表現の使用において、図示され説明された特徴またはその一部と同等なものを排除する意図はない。しかし、請求項に記載された発明の範囲内において様々な変更が可能であることが認識されている。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11】