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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】2024-02-06
(45)【発行日】2024-02-15
(54)【発明の名称】光ビームを使用して材料を処理するための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20240207BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20240207BHJP
G02B 27/09 20060101ALI20240207BHJP
B23K 26/073 20060101ALI20240207BHJP
G02F 1/11 20060101ALI20240207BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20240207BHJP
H01S 3/00 20060101ALN20240207BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 C
H01S3/10
G02B27/09
B23K26/073
G02F1/11 502
G02B6/02 411
H01S3/00 B
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2019565416
(86)(22)【出願日】2018-03-28
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-08-06
(86)【国際出願番号】 US2018024889
(87)【国際公開番号】W WO2018217296
(87)【国際公開日】2018-11-29
【審査請求日】2021-03-04
(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
(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】15/607,411
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】518172129
【氏名又は名称】エヌライト， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＮＬＩＧＨＴ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100179903
【弁理士】
【氏名又は名称】福井 敏夫
(72)【発明者】
【氏名】ブライアン ビクター
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー エイ リベラ
(72)【発明者】
【氏名】ダーブ エイ ブイ クリナー
(72)【発明者】
【氏名】ロジャー ファロー
【審査官】百瀬 正之
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－２２１１９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５１０４９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５１５３６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３４７３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２９３３０６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１５－５００５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００８／１２３６０９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１５－５０５０６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５１７１１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２０２２６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１４－５１１１２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３４３７０３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００４／０２０８４６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第５８６４４３０（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００８－２０９１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５３２５２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５００２２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５１００９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３５０６６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００４／００８６２４５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第５９８６８０７（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第７９２４５００（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－７／００
Ｈ０１Ｓ ３／００－３／３０
Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０
Ｇ０２Ｂ ６／００－６／０２
Ｇ０２Ｂ ６／２４５－６／２５
Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／４３
Ｇ０２Ｂ ６／４６－６／５４
Ｇ０２Ｂ ２７／０９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ビーム、並びに第１屈折率分布（ＲＩＰ）を有する第１長のファイバおよび前記第１ＲＩＰとは異なる第２ＲＩＰを有する第２長のファイバを使用して材料を処理する方法であって、前記第１ＲＩＰを有する前記第１長のファイバ内に前記光ビームを発射するステップと、
前記第１長のファイバと前記第２長のファイバとを機能的かつ直接結合するファイバ－結合界面を介して、前記第１長のファイバから、前記第２ＲＩＰであって、複数の閉じ込め領域を規定する前記第２ＲＩＰを有する第２長のファイバ内に前記光ビームを結合するステップと、
摂動に基づいて第１状態から前記第１状態とは異なる第２状態に変化可能である１つ以上のビーム特性を、１つ以上の材料を蝋付けする、被覆する、焼き付ける、加熱処理する、または溶接する、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上である材料処理構成に基づいて、前記第１状態から前記第２状態に変化させるために、前記第１長のファイバを摂動することによって、前記第１長のファイバ内において、前記光ビームの前記１つ以上のビーム特性を修正するステップと、
前記第２長のファイバの出力にて、前記１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを生成するステップであって、該１つ以上のビーム特性が修正された前記出力ビームを生成するステップは、前記第２長のファイバの前記複数の閉じ込め領域の少なくとも１つ内に、前記光ビームの前記修正された１つ以上のビーム特性を閉じ込めるステップを有する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項2】
請求項１記載の方法であって、更に、前記材料処理構成のために、前記出力ビームを使用するステップを含む、方法。
【請求項3】
請求項１記載の方法において、前記１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、前記１つ以上のビーム特性を調節するステップを含む、方法。
【請求項4】
請求項１記載の方法において、前記１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において、前記１つ以上のビーム特性を調節するステップを含む、方法。
【請求項5】
請求項１記載の方法において、前記１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、前記１つ以上のビーム特性を前記第１状態から前記第２状態に変化させるために、摂動デバイスを１つ以上の離散刻みずつ調節するステップを含む、方法。
【請求項6】
請求項１記載の方法において、前記１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、前記１つ以上のビーム特性を前記第１状態から前記第２状態に変化させるために、摂動デバイスを連続的に調節するステップを含む、方法。
【請求項7】
請求項１記載の方法において、前記出力ビームのビーム形状が非対称である、方法。
【請求項8】
請求項１記載の方法であって、更に、前記材料処理中に、１つ以上の材料に沿った前記出力ビームの進行方向を第１方向から第２方向に変更するステップを含み、
前記第１方向が前記第２方向と異なる、方法。
【請求項9】
請求項８記載の方法において、前記第２方向が前記第１方向に対して逆である、方法。
【請求項10】
請求項１記載の方法において、前記修正するステップは、前記光ビームに対して横方向の変位を与えるステップを含む、方法。
【請求項11】
請求項１記載の方法において、前記第１長のファイバは、入力ファイバから前記光ビームを受け取る入力を含む、方法。
【請求項12】
請求項１記載の方法において、前記ファイバ－結合界面は屈折率整合材を含む、方法。
【請求項13】
請求項１記載の方法において、前記ファイバ－結合界面はスプライスを含む、方法。
【請求項14】
請求項１記載の方法において、前記第１長のファイバからの前記光ビームのビーム特性を前記第２長のファイバにおいて実質的に維持する、方法。
【請求項15】
請求項１記載の方法において、前記第１状態は第１ビーム・パラメータ積（ＢＰＰ）に対応し、前記第２状態は前記第１ＢＰＰとは異なる第２ＢＰＰに対応する、方法。
【請求項16】
請求項１記載の方法において、前記第１状態は第１スポット形状に対応し、前記第２状態は前記第１スポット形状とは異なる第２スポット形状に対応する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
[0001] 本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３４８４８号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１１号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１０号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，３９９号の一部継続出願である。以上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。
[0001] 本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０３４８４８号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１１号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，４１０号の一部継続出願である。本願は、２０１６年９月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／４０１，６５０号の優先権を主張して２０１７年５月２６日に出願された米国特許出願第１５／６０７，３９９号の一部継続出願である。以上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】
技術分野
[0002] 本明細書において開示する主題は、一般的には、光ビームを使用して材料を処理する方法およびシステムに関する。また、本明細書において開示する主題は、光ビームを使用して、ファイバ結合レーザ（例えば、ダイオード・レーザ、ファイバ・レーザ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（「ＹＡＧ」）レーザ）またはダイオード・レーザ（例えば、ファイバ結合ダイオード・レーザ、自由空間ダイオード・レーザ）のようなレーザ・ビームを使用して、材料を処理する方法およびシステムに関する。
[0002] 本明細書において開示する主題は、一般的には、光ビームを使用して材料を処理する方法およびシステムに関する。また、本明細書において開示する主題は、光ビームを使用して、ファイバ結合レーザ（例えば、ダイオード・レーザ、ファイバ・レーザ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（「ＹＡＧ」）レーザ）またはダイオード・レーザ（例えば、ファイバ結合ダイオード・レーザ、自由空間ダイオード・レーザ）のようなレーザ・ビームを使用して、材料を処理する方法およびシステムに関する。
【従来技術】
【0003】
[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。
【0004】
[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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
[0005] 加えて、目の前の作業に合わせて個々に調整された(tailored)ビーム特性を操作する能力を設けることによって、例えば、ろう付け、被覆、焼き付け、熱処理、および溶接を伴う材料処理というような用途の有効性ならびに効率を高めることができる。このため、本業界は、可変ビーム特性を一貫して、予測可能に、そして素早く付与するためのファイバ内機器を求めている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
[0006] 本明細書では、少なくとも、光ビームを使用して材料を処理するための方法およびシステムを開示する。
【0007】
[0007] ある例では、光ビームを使用して材料を処理する方法は、第１屈折率分布（ＲＩＰ）を有する第１長のファイバ内に光ビームを発射するステップと、第１長のファイバからの光ビームを、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に結合するステップと、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するステップと、および／または第２長のファイバから、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正した、出力ビームを生成するステップとを含む。第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと異なってもよい。１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変更するステップを含むことができる。第１状態は第２状態と異なってもよい。
【0008】
[0008] 段落[0007]の方法のある例では、この方法が、更に、第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域内において、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を閉じ込めるステップを含むことができる。
【0009】
[0009] 段落[0007]または[0008]の方法のある例では、この方法が、更に、１つ以上の材料をろう付けする、被覆する、焼き付ける、加熱する、または溶接する、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上にのために、出力ビームを使用するステップを含むことができる。
【0010】
[0010] 段落[0007]、[0008]、または[0009]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。
【0011】
[0011] 段落[0007]、[0008]、[0009]、または[0010]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。
【0012】
[0012] 段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、または[0011]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、摂動デバイスを１つ以上の離散刻みずつ調節するステップを含むことができる。
【0013】
[0013] 段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、または[0012]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、摂動デバイスを連続的に調節するステップを含むことができる。
【0014】
[0014] 段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]、または[0013]の方法のある例では、出力ビームのビーム形状は非対称にすることができる。
【0015】
[0015] 段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]、[0013]、または[0014]の方法のある例では、この方法が、更に、材料処理中に、１つ以上の材料に沿った出力ビームの進行方向(travel direction)を第１方向から第２方向に変化させるステップを含むことができる。第１方向は第２方向と異なってもよい。
【0016】
[0016] 段落[0007]、[0008]、[0009]、[0010]、[0011]、[0012]、[0013]、[0014]、または[0015]の方法のある例では、第２方向を第１方向に対して逆方向にすることができる。
【0017】
[0017] ある例では、光ビームを使用して材料を処理する方法は、第１屈折率分布（ＲＩＰ）を有する第１長のファイバ内に光ビームを発射するステップと、光ビームを、第１長のファイバから、第２ＲＩＰと２つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に結合するステップと、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するステップと、および／または第２長のファイバから、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正した、出力ビームを生成するステップとを含んでもよい。第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと同じでもよい。１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるステップを含むことができる。第１状態は第２状態と異なってもよい。
【0018】
[0018] 段落[0017]の方法のある例では、この方法が、更に、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を、第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域内に閉じ込めるステップを含むことができる。
【0019】
[0019] 段落[0017]または[0018]の方法のある例では、この方法が、更に、１つ以上の材料をろう付けする、被覆する、焼き付ける、熱処理する、または溶接する、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上にのために、出力ビームを使用するステップを含むことができる。
【0020】
[0020] 段落[0017]、[0018]、または[0019]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。
【0021】
[0021] 段落[0017]、[0018]、[0019]、または[0020]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。
【0022】
[0022] 段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、または[0021]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、摂動デバイスを１つ以上の離散刻みずつ調節するステップを含むことができる。
【0023】
[0023] 段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、または[0022]の方法のある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップが、更に、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、摂動デバイスを連続的に調節するステップを含むことができる。
【0024】
[0024] 段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]、または[0023]の方法のある例では、出力ビームのビーム形状は非対称にすることができる。
【0025】
[0025] 段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]、[0023]、または[0024]の方法のある例では、この方法が、更に、材料処理中に、１つ以上の材料に沿った出力ビームの進行方向(travel direction)を第１方向から第２方向に変化させるステップを含むことができる。第１方向は第２方向と異なってもよい。
【0026】
[0026] 段落[0017]、[0018]、[0019]、[0020]、[0021]、[0022]、[0023]、[0024]、または[0025]の方法のある例では、第２方向を第１方向に対して逆方向にすることができる。
【0027】
[0027] 尚、以上の概略的な説明および以下に続く詳細な説明は例示であり、説明のために過ぎず、特許請求される本教示を限定するのではないことは理解されて当然である。
【0028】
[0028] 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】
【0029】
【発明を実施するための形態】
【0030】
[0052] これより、添付図面を参照して、態様例について更に十分に説明する。しかしながら、本開示の例は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書において明記される例に限定されるように解釈してはならない。逆に、これらの例は、本開示に見落としがなく(thorough)完全であり、その範囲を当業者に漏らさずに伝えるように、提示されるのである。図面において、一部の詳細は簡略化される場合があり、および／または厳格な構造的精度、詳細、および／または尺度(scale)を維持するよりはむしろ理解を容易にするために描画される場合もある。例えば、層および領域の厚さが、明確化のために誇張されることもある。
【0031】
[0053] 尚、エレメントが他のコンポーネント「の上にある」(on)、「に接続される」(connected to)、「に電気的に接続される」(electrically connected to)、または「に結合される」(coupled to)と表現されるとき、これは他のコンポーネントの直接上にある、他のコンポーネントに接続される、他のコンポーネントに電気的に接続される、他のコンポーネントに結合されるのでもよく、または仲介するコンポーネントが存在してもよいことは理解されよう。対照的に、あるコンポーネントが他のコンポーネント「の直接上にある」(directly on)、「に直接接続される」(directly connected to)、「に直接電気的に接続される」(directly electrically connected to)、または「直接結合される」(directly coupled to)と表現されるとき、仲介するコンポーネントは存在しない。本明細書において使用する場合、「および／または」(and/or)という用語は、関連する品目の列挙の内その１つ以上の任意のまたはあらゆる組み合わせを含むものとする。
【0032】
[0054] 尚、第１、第２、第３等の用語が、種々のエレメント、コンポーネント、領域、層、および／またはセクションを記述するために本明細書において使用されることがあるが、これらのエレメント、コンポーネント、領域、層、および／またはセクションがこれらの用語によって限定されないことは理解されよう。これらの用語は、１つのエレメント、コンポーネント、領域、層、および／またはセクションを他のエレメント、コンポーネント、領域、層、および／またはセクションと区別するために使用されるに過ぎない。例えば、例の教示から逸脱することなく、第１エレメント、コンポーネント、領域、層、またはセクションを、第２エレメント、コンポーネント、領域、層、またはセクションと呼ぶこともできる。
【0033】
[0055] 本明細書において、１つのコンポーネントおよび／または構造(feature)の他の１つコンポーネントおよび／または構造、あるいは複数の他のコンポーネントおよび／または構造に対する関係を、図面に示される通りに記述するための説明を容易にするために、「直下に」(beneath)、「下に」(below)、「下位の」(lower)、「上方に」(above)、「上位の」(upper)等のような空間的相対語が使用される場合がある。尚、空間的相対語は、図に描かれる向き（１つまたは複数）に加えて、使用中または動作中のデバイスの異なる向きも包含することを意図していることは理解されよう。
【0034】
[0056] 本明細書において使用される用語は、特定の例を説明することを目的とするに過ぎず、例を限定することを意図するのではない。本明細書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。更に、「備える」(comprises)、「備えている」(comprising)、「含む」(includes)、および／または「含んでいる」(including)という用語は、本明細書において使用する場合、明言される構造、整数、ステップ、動作、エレメント、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つ以上の他の構造、整数、ステップ、動作、エレメント、コンポーネント、および／またはその集合体の存在あるいは追加を除外するのではないことも理解されよう。
【0035】
[0057] 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が、場合によっては、並べ替えられても、または同時に実行されてもよい。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、およ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、「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ともある。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、個々の実装に応じて異なるが、当業者によって容易に認識可能である。
【0036】
[0058] 特に別段定義されないのであれば、本明細書において使用する全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、当業者によって理解されるのと同じ意味を有するものとする。更に、一般に使用される辞書において定義されるような用語は、関連技術のコンテキストにおけるそれらの意味と一致する意味を有するように解釈されて当然であり、本明細書において明示的に定義されなければ、理想化された意味または過度に形式的な意味で解釈されるべきでないことも理解されよう。
【0037】
[0059] 本開示は、可調節ビーム特性を使用する処理方法およびシステムを対象とする。
【0038】
定義
[0060] 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
[0060] 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
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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）。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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）。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
１９．「付加製造」(additive manufacturing)という用語は、除去製造および形成的製造方法論とは異なり、三次元（「３Ｄ」）モデル・データから、大抵の場合積層して、部品を作るために材料を接合する(join)プロセスを指す。例えば、粉末床溶融結合(powder bed fusion)は１つの一般的な付加材料プロセスである。
【0058】
２０．「溶融する」(fuse)および「溶融」(fusing)という用語は、焼結、溶解（例えば、部分的にまたは完全に溶解する）、化学接合、または熱を使用して粒子を一緒に接合する任意の他の現象（例えば、加熱による２つ以上の材料の合体）を意味する。
【0059】
２１．「メルト・プール」(melt pool)という用語は、光ビームもしくは他の熱源（当業界では、「溶融帯」(fusion zone)、「溶融プール」(molten pool)、または「溶接プール」(weld pool)としても知られる）からの熱の吸収によって作られる、処理対象材料、原材料、および／またはフィラーの実質的に液体状の混合物を指す。
【0060】
ビーム特性を変化させるためのファイバ
[0061] 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。
[0061] 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。
【0061】
[0062] 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。
【0062】
[0063] 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。
【0063】
[0064] 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。
【0064】
[0065] 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。
【0065】
[0066] 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。
【0066】
[0067] 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）。
【0067】
[0068] 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。
【0068】
[0069] 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。
【0069】
[0070] 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。
【0070】
[0071] 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。
【0071】
[0072] 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。
【0072】
[0073] 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。
【0073】
[0074] 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。
【0074】
[0075] 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。
【0075】
[0076] 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。
【0076】
[0077] 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。
【0077】
[0078] この例では、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。
【0078】
[0079] 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１長のファイバ２０４に繋がれている。
【0079】
[0080] 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。
【0080】
[0081] 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。
【0081】
[0082] 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。
【0082】
[0083] 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。
【0083】
[0084] 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。
【0084】
[0085] 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。
【0085】
[0086] 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。
【0086】
【0087】
[0088] 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。
【0088】
[0089] 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。
【0089】
[0090] 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。
【0090】
[0091] 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。
【0091】
[0092] 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。
【0092】
[0093] 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。
【0093】
[0094] 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。
【0094】
[0095] 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。
【0095】
[0096] 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。
【0096】
[0097] 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。
【0097】
[0098] 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。
【0098】
[0099] 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。
【0099】
[00100] 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。
【0100】
[00101] 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。
【0101】
[00102] 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。
【0102】
[00103] 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。
【0103】
[00104] 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。
【0104】
[00105] 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。
【0105】
[00106] 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。
【0106】
[00107] 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。
【0107】
[00108] 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。
【0108】
[00109] 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。
【0109】
[00110] 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。
【0110】
[00111] 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。
【0111】
[00112] 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。
【0112】
[00113] 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。
【0113】
[00114] 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。
【0114】
[00115] 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。
【0115】
[00116] 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。
【0116】
[00117] 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。
【0117】
[00118] 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。
【0118】
[00119] 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。
【0119】
[00120] 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。
【0120】
[00121] 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。
【0121】
[00122] 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。
【0122】
[00123] 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。
【0123】
[00124] 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。
【0124】
[00125] 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。
【0125】
[00126] 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。
【0126】
[00127] 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。
【0127】
[00128] 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。
【0128】
[00129] 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。
【0129】
[00130] 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。
【0130】
[00131] 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。
【0131】
[00132] 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。
【0132】
光ビームを使用して材料を処理する機器
[00133] 光ビームを使用して材料を処理する機器は、例えば、図１にしたがって光ビーム１０２の１つ以上のビーム特性を制御するために、第１長のファイバ１０４および第２長のファイバ１０８、ならびに摂動デバイス１１０とを含む、ＶＢＣファイバ１００を備えることができる。光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、例えば、図２にしたがって光ビーム２０２の１つ以上のビーム特性を制御するために、第１長のファイバ２０４および第２長のファイバ２０８と、摂動デバイス２１０とを含む、ＶＢＣファイバ２００を備えることができる。
[00133] 光ビームを使用して材料を処理する機器は、例えば、図１にしたがって光ビーム１０２の１つ以上のビーム特性を制御するために、第１長のファイバ１０４および第２長のファイバ１０８、ならびに摂動デバイス１１０とを含む、ＶＢＣファイバ１００を備えることができる。光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、例えば、図２にしたがって光ビーム２０２の１つ以上のビーム特性を制御するために、第１長のファイバ２０４および第２長のファイバ２０８と、摂動デバイス２１０とを含む、ＶＢＣファイバ２００を備えることができる。
【0133】
[00134] 光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、例えば、図１１による第１長のファイバ１１００、図１２による第１長のファイバ２１００、図１３による第１長のファイバ１３００、図１４Ａによる第１長のファイバ１４００、図１４Ｂによる第１長のファイバ１４０６、図１５による第１長のファイバ１５００、または図１６による第１長のファイバ１６００を備えることができる。
【0134】
[00135] 光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、例えば、図１７による第２長のファイバ１７００、図１８による第２長のファイバ１８００、図１９による第２長のファイバ１９００、図２０による第２長のファイバ２０００、または図２１による第２長のファイバ２１００を備えることができる。
【0135】
[00136] ある例では、第１長のファイバ、第２長のファイバ、および摂動デバイスを、図２２Ａまたは図２２ＢによるＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２、あるいは図２３によるＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２のような、ファイバ・アセンブリにおいて組み合わせることができる。
【0136】
[00137] 摂動デバイス（例えば、摂動デバイス１１０）は、処理中に、第１長のファイバ（例えば、第１長のファイバ１０４）において、第２長のファイバ（例えば、第２長のファイバ１０８）において、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビーム（例えば、光ビーム１０２）の１つ以上のビーム特性を修正するように構成することができる。
【0137】
[00138] ある例では、摂動デバイス（例えば、摂動デバイス１１０）は、光ビーム（例えば、光ビーム１０２）の１つ以上のビーム特性を修正することができる。修正される１つ以上のビーム特性は、例えば、角度分布、方位強度分布、ビーム径、ビーム・プロファイル（例えば、ガウス状、フラットトップ(flat-top)）、ビーム形状、発散、発散プロファイル、発散分布、ＢＰＰ、強度分布、輝度、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度、光学モード（例えば、フィルタリング）、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度(radiance)、空間断面分布、スポット形状、またはスポット・サイズ、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上を含むことができる。
【0138】
[00139] ある例では、摂動デバイス（例えば、摂動デバイス１１０）によって実施される摂動は、曲げ、特定の長さへの曲げ、マイクロベンディング(micro-bending)、音響光学励起の適用、熱摂動、伸長、圧電摂動の適用、締め具（または他の締結具）の適用、格子の使用、またはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上を含むことができる。図２４は、このような摂動デバイスの種々の例を示す。
【0139】
[00140] 光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、更に、例えば、図２２Ａ、図２２Ｂ、および／または図２３によるファイバ結合レーザ（例えば、ダイオード・レーザ、ファイバ・レーザ）に関連付けられたレーザ・ビームのような、光ビームを生成するように構成された１つ以上の光ビーム源を備えることができる。
【0140】
[00141] 光ビームを使用して材料を処理するためのこのような機器は、更に、例えば、１つ以上のビーム・カプラ、ビーム・スイッチ、自由空間光学素子アセンブリ、プロセス・ヘッド、またはこれらの任意の組み合わせを含むことができる。ある例では、ＶＢＣファイバ・アセンブリ（例えば、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２）からの調節されたビーム（例えば、調節されたビーム２２１４）の特性は、図２２Ａによれば、伝送ファイバ（例えば、ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０）、自由空間光学素子アセンブリ（例えば、自由空間光学素子アセンブリ２２０８）、プロセス・ファイバ（例えば、プロセス・ファイバ２２０４）、および／またはプロセス・ヘッド（プロセス・ヘッド２２０６）において保存することができる。ある例では、ＶＢＣファイバ・アセンブリ（例えば、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２）からの調節されたビーム（例えば、調節されたビーム２２１４）の特性は、図２２Ｂによれば、伝送ファイバ（例えば、ＶＢＣ伝送ファイバ２２４０）において保存することができるが、次いで、自由空間光学素子アセンブリ（例えば、自由空間光学素子アセンブリ２２０８）において更に修正され、次いで、二度調節されたビームをプロセス・ファイバ（例えば、プロセス・ファイバ２２０４）および／またはプロセス・ヘッド（プロセス・ヘッド２２０６）において保存することができる。ある例では、図２３によれば、ＶＢＣファイバ・アセンブリ（例えば、ＶＢＣファイバ２３０２）からの調節されたビーム（例えば、調節されたビーム２３１４）の特性は、伝送ファイバ（例えば、ＶＢＣ伝送ファイバ２３４０）において保存することができるが、次いで、ビーム・スイッチ（例えば、ビーム・スイッチ２３３２）を使用して切り替えて保存すること、または１つ以上の自由空間光学素子アセンブリ（例えば、自由空間光学素子アセンブリ２３０８、２３１６、２３１８）において更に修正することができ、次いで、１回または２回調節されたビームを１つ以上のプロセス・ファイバ（例えば、プロセス・ファイバ２３０４、２３２０、２３２２）および／または１つ以上のプロセス・ヘッド（例えば、プロセス・ヘッド２３０６、２３２４、２３２６）において保存することができる。このような機器は、例えば、段落[00114]において論じたような、パワー分担および時分割のような選択肢に対応する。
【0141】
光ビームを使用して材料を処理する方法
[00142] 図２９は、光ビームを使用して材料を処理する方法の第１例を示す。光ビームを使用して材料を処理する方法は、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバ内に光ビームを発射するステップと、光ビームを第１長のファイバから、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に結合するステップと、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するステップと、および／または第２長のファイバから、光ビームの１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを生成するステップとを含む。第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと異なってもよい。１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のビーム特性を第１状態（例えば、ＢＰＰ＝０．６３７ｍｍ－ｍｒａｄ）から第２状態（例えば、ＢＰＰ＝１．２７ｍｍ－ｍｒａｄ）に変化させるステップを含むことができる。第１状態は第２状態と異なってもよい。
[00142] 図２９は、光ビームを使用して材料を処理する方法の第１例を示す。光ビームを使用して材料を処理する方法は、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバ内に光ビームを発射するステップと、光ビームを第１長のファイバから、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に結合するステップと、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するステップと、および／または第２長のファイバから、光ビームの１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを生成するステップとを含む。第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと異なってもよい。１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のビーム特性を第１状態（例えば、ＢＰＰ＝０．６３７ｍｍ－ｍｒａｄ）から第２状態（例えば、ＢＰＰ＝１．２７ｍｍ－ｍｒａｄ）に変化させるステップを含むことができる。第１状態は第２状態と異なってもよい。
【0142】
[00143] 図２９のブロック２９０２において、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバ内に光ビームを発射する。光ビームを使用する材料処理において、例えば、ろう付け、被覆、焼き付け、熱処理、または溶接、あるいはこれらの任意の組み合わせのために、１つ以上の材料内に蓄熱するために、光ビームを使用することができる。
【0143】
[00144] 例えば、ファイバ・レーザによって光ビームを生成することができる。先に論じたように、このようなファイバ・レーザは、例えば、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバと、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバと、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するように構成された摂動デバイスとを備えることができる。
【0144】
[00145] 図２９のブロック２９０４において、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバから、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバに、光ビームを結合する。ある例では、第２長のファイバが１つの閉じ込め領域を有するとき、第１ＲＩＰは第２ＲＩＰとは異なってもよいが、第２長のファイバが２つ以上の閉じ込め領域を有するとき、第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと同じでもまたは異なってもよい。
【0145】
[00146] 図２９のブロック２９０６において、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正する。図２９のブロック２９０４および２９０６に関して、この修正を結合の前に実行することができ（例えば、第１長のファイバにおいて修正する）、修正の前に結合を実行することができ（例えば、第２長のファイバにおいて修正する）、または結合および修正を同時に実行することができる（例えば、第１および第２長のファイバにおいて修正する）。
【0146】
[00147] １つ以上のビーム特性を修正することは、更に、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、および／または１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正することは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるステップを含むことができ、第１状態は第２状態とは異なる。更に、１つ以上のビーム特性を修正することは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、１つ以上の離散刻みずつおよび／または連続的に摂動デバイスを調節するステップを含むこともできる。
【0147】
[00148] 修正される１つ以上のビーム特性は、例えば、角度分布、方位強度分布、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、ビーム・プロファイル（例えば、ガウス状、フラットトップ(flat-top)）、ビーム形状、発散、発散プロファイル、強度分布、輝度、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度プロファイル、光学モード（例えば、フィルタリング）、パワー密度プロファイル、半径方向ビーム位置、放射輝度(radiance)、空間断面分布、スポット形状、スポット・サイズ等、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上を含むことができる。
【0148】
[00149] 図２９のブロック２９０８において、光ビームの１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを、第２長のファイバから生成する。ある例では、出力ビームのビーム形状を非対称にすることができる。ある例では、出力ビームのビーム形状を対称にすることができる。ある例では、出力ビームのビーム形状は２つ以上の個別スポット形状を含む。
【0149】
[00150] ビーム形状の対称性は、例えば、対称的であるスポット形状において現れることができる。スポット形状は、例えば、円形、方形、矩形、六角形、楕円形であり、鏡像対称を有すること、および／または回転対称（例えば、４５°、６０°、９０°、１２０°、または１８０°の回転対称）を有することができる。
【0150】
[00151] ある例では、材料処理中における、１つ以上の材料に沿った出力ビームの進行方向を、第１方向から第２方向に変更することができる。第１方向は第２方向と異なってもよい（例えば、材料処理の方向の変更）。第２方向は、第１方向とは逆にすることができる（例えば、材料処理の方向の逆転）。
【0151】
[00152] 図３０は、光ビームを使用して材料を処理する方法の第２例を示す。光ビームを使用して材料を処理する方法は、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバ内に光ビームを発射するステップと、第１長のファイバから、第２ＲＩＰと２つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に光ビームを結合するステップと、第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するステップと、および／または第２長のファイバから、光ビームの１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを生成するステップとを含む。第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと同じであってもよい。１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のビーム特性を第１状態（例えば、丸いスポット形状、直径＝５ミリメートル（「ｍｍ」）から第２状態（例えば、矩形のスポット形状、長さ×幅＝３ｍｍ×６ｍｍ）に変化させるステップを含むことができる。第１状態は第２状態と異なってもよい。
【0152】
[00153] 図３０のブロック３００２において、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバ内に光ビームを発射する。光ビームを使用する材料処理において、 例えば、ろう付け、被覆、焼き付け、熱処理、または溶接、あるいはこれらの任意の組み合わせのために、１つ以上の材料内に蓄熱するために、光ビームを使用することができる。
【0153】
[00154] 例えば、ファイバ・レーザによって光ビームを生成することができる。先に論じたように、このようなファイバ・レーザは、例えば、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバと、第２ＲＩＰと２つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバと、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正するように構成された摂動デバイスとを備えることができる。
【0154】
[00155] 図３０のブロック３００４において、第１ＲＩＰを有する第１長のファイバから、第２ＲＩＰと２つ以上の閉じ込め領域とを有する第２長のファイバ内に、光ビームを結合する。ある例では、第２長のファイバが２つ以上の閉じ込め領域を有するとき、第１ＲＩＰは第２ＲＩＰと同じでもまたは異なってもよい。
【0155】
[00156] 図３０のブロック３００６において、 第１長のファイバにおいて、第２長のファイバにおいて、または第１および第２長のファイバにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正する。図３０のブロック３００４および３００６に関して、この修正を結合の前に実行することができ（例えば、第１長のファイバにおいて修正する）、修正の前に結合を実行することができ（例えば、第２長のファイバにおいて修正する）、または結合および修正を同時に実行することができる（例えば、第１および第２長のファイバにおいて修正する）。
【0156】
[00157] １つ以上のビーム特性を修正することは、更に、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、および／または１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正することは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるステップを含むことができ、第１状態は第２状態とは異なる。更に、１つ以上のビーム特性を修正することは、１つ以上のビーム特性を第１状態から第２状態に変化させるために、１つ以上の離散刻みずつおよび／または連続的に摂動デバイスを調節するステップを含むこともできる。
【0157】
[00158] 修正される１つ以上のビーム特性は、例えば、角度分布、方位強度分布、ビーム径、ビーム発散分布、ＢＰＰ、ビーム・プロファイル（例えば、ガウス状、フラットトップ(flat-top)）、ビーム形状、発散、発散プロファイル、強度分布、輝度、Ｍ２係数、ＮＡ、光強度プロファイル、光学モード（例えば、フィルタリング）、パワー密度プロファイル、半径方向ビーム位置、放射輝度(radiance)、空間断面分布、スポット形状、スポット・サイズ等、あるいはこれらの任意の組み合わせの内１つ以上を含むことができる。
【0158】
[00159] 図３０のブロック３００８において、光ビームの１つ以上のビーム特性が修正された出力ビームを、第２長のファイバから生成する。ある例では、出力ビームのビーム形状を非対称にすることができる。ある例では、出力ビームのビーム形状を対称にすることができる。ある例では、出力ビームのビーム形状は２つ以上の個別スポット形状を含む。
【0159】
[00160] ビーム形状の対称性は、例えば、対称的であるスポット形状において現れることができる。スポット形状は、例えば、円形、方形、矩形、六角形、楕円形であり、鏡像対称を有すること、および／または回転対称（例えば、４５°、６０°、９０°、１２０°、または１８０°の回転対称）を有することができる。
【0160】
[00161] ある例では、材料処理中における、１つ以上の材料に沿った出力ビームの進行方向を、第１方向から第２方向に変更することができる。第１方向は第２方向と異なってもよい（例えば、材料処理の方向の変更）。第２方向は、第１方向とは逆にすることができる（例えば、材料処理の方向の逆転）。
【0161】
光ビームを使用して材料を処理する機器
[00162] 図３１は、光ビームを使用して材料を処理する機器の第１例を示す。図３１に示す材料処理は、例えば、ろう付けまたは溶接とすることができる。ある例では、蝋付けまたは溶接プロセスに関与する材料は、同様のまたは異なる金属合金、ポリマー（例えば、熱可塑性樹脂）、あるいは複合材料を含むことができる。
[00162] 図３１は、光ビームを使用して材料を処理する機器の第１例を示す。図３１に示す材料処理は、例えば、ろう付けまたは溶接とすることができる。ある例では、蝋付けまたは溶接プロセスに関与する材料は、同様のまたは異なる金属合金、ポリマー（例えば、熱可塑性樹脂）、あるいは複合材料を含むことができる。
【0162】
[00163] 機器の第１例は、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッドを通じて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正した出力ビームを生成するように構成されたレーザ・システムと、粉体、細片、線材等の形態の原材料、フィラー等を供給するように構成されたガイドと、および／または１つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサとを備えることができる。
【0163】
[00164] レーザ・システムは、例えば、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２１４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ａのレーザ・システム２２００、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２２４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ｂのレーザ・システム２２００、あるいは光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッド２３０６、２３２４、および／または２３２６を通じて、光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２３１４、２３２８、および／または２３３０を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２を含む、図２３のレーザ・システム２３００を含むことができる。
【0164】
[00165] ある例では、蝋付け用材料処理は、円形、方形、または複合スポット形状を有し、直径が約１ｍｍから３ｍｍまでの出力ビームを使用することができ、溶接よりも高い発散を必要とする可能性がある。
【0165】
[00166] 原材料、フィラー等を供給するように構成されたガイドは、例えば、粉体、細片、線材等を、処理される１つ以上の材料の近傍に、および／またはメルト・プールの意図する位置に誘導するように構成されたノズルまたはチューブを備えることができる。ガイドを、付随するプロセス・ヘッドと組み合わせることもできる。
【0166】
[00167] ガイドは、処理される１つ以上の材料に関して、出力ビームの進行方向に対して軸上(on-axis)または軸外(off-axis)にすることができる。ガイドは、複数のノズルまたはチューブを有することができる。複数のノズルまたはチューブを対称的に配置することができる（例えば、メルト・プールの意図する位置に対して相対する両側に、２つのノズルまたはチューブを配置する）。このような複数のノズルまたはチューブは、機器の第１例の動作モードに応じて、交互におよび／または同時に動作することができる。
【0167】
[00168] １つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサは、例えば、外形（例えば、高さ、幅）、冶金特性（例えば、凝固速度）、圧力（１つまたは複数）、温度（１つまたは複数）等を監視する１つ以上のセンサを含むことができる。
【0168】
[00169] 図３１において、第１機器３１００は、プロセス・ヘッド３１０２、ガイド３１０４、および／またはセンサ３１０６を備える。第１機器３１００は、プロセス・ヘッド３１０２を通じて出力ビーム３１０８を生成することができる。ある例では、出力ビーム３１０８のビーム形状は非対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３１０８のビーム形状は対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３１０８のビーム形状は２つ以上の別個のスポット形状を含むことができる。
【0169】
[00170] ガイド３１０３は、細片または線材３１１０を、処理される第１材料３１１２および第２材料３１１４の近傍に、および／またはメルト・プール３１１６の意図する位置に供給するように構成されている。第１材料３１１２および第２材料３１１４が処理されるに連れて、プロセス・ヘッド３１０２、ガイド３１０４、出力ビーム３１０８、細片または線材３１１０、およびメルト・プール３１１６は全体的に、矢印３１１８によって示される方向に移動する。
【0170】
[00171] ガイド３１０４および細片または線材３１１０は、矢印３１１８によって示される方向に対して軸上または軸外にすることができる。ある例では、軸上ガイド３１０４および細片または線材３１１０は、これら双方が全体的に矢印３１１８によって示される方向に移動するので、出力ビーム３１０８に先行することができる。ある例では、軸外ガイド３１０４および細片または線材３１１０は全体的に矢印３１１８によって示される方向に移動することができるが、細片または線材３１１０は次いでメルト・プール３１１６に、矢印３１１８の位置からメルト・プール３１１６に向かう以外の方向から供給される。ある例では、出力ビーム３１０８および／またはメルト・プール３１１６の先端縁において細片または線材３１１０を供給することが、ガイド３１０４にとって有利になることができる。何故なら、これらは矢印３１１８によって示される方向に移動するからである。
【0171】
[00172] センサ３１０６は、第１材料３１１２および第２材料３１１４の処理を監視し、第１材料３１１２および／または第２材料３１１４の処理中にフィードバックを供給し、および／または第１材料３１１２および第２材料３１１４を処理するステップ間においてフィードバックを供給することができる。ある例では、センサ３１０６は、サイン(signature)３１２０によって示されるように、第１材料３１１２、第２材料３１１４、および／またはメルト・プール３１１６の１つ以上の指標(indicator)を監視することができる。
【0172】
[00173] ある例では、センサ３１０６は１つ以上のローカル・センサまたはグローバル・センサを含むことができる。ある例では、センサ３１０６は１つ以上の固定センサ（即ち、オイラー基準フレーム）および／または出力ビーム３１０８と共に移動する１つ以上のセンサ（即ち、ラグランジアン基準フレーム）を含むことができる。センサ３１０６は、例えば、１つ以上のフォトダイオード、光電子倍増管、高温計（１－または２－波長を使用する）、高分解能熱撮像カメラ（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器）、または分光計（可視光、ＵＶ光）を含むことができる。センサ３１０６は、例えば、メルト・プール３１１６のピークおよび／または平均温度、メルト・プール３１１０６の凝固輪郭および／または寸法（面積、長さ、および／または幅）、および／または第１材料３１１２、第２材料３１１４、および／またはメルト・プール３１１６の加熱／冷却速度を監視することができる。センサ３１０６は、例えば、材料処理中に第１材料３１１２および／または第２材料３１１４からそれらの長さ（１つまたは複数）に沿ってサイン３１２０（例えば、放射放出の形態）を検知することによって、第１材料３１１２および／または第２材料３１１４の熱履歴を監視するように構成された複数の固定ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器を構成するグローバル・センサを含むことができる。
【0173】
[00174] 図３２は、光ビームを使用して材料を処理する機器の第２例を示す。図３２において示す材料処理は、例えば、被覆にすることができる。被覆プロセスは、例えば、全方向性被覆または広域被覆にすることができる。ある例では、被覆プロセスに関与する材料は、セラミクス、同様のまたは異なる金属合金、ポリマー、あるいは複合材を含むことができる。
【0174】
[00175] 機器の第２例は、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッドを通じて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正した出力ビームを生成するように構成されたレーザ・システムと、粉体、細片、線材等の形態の原材料、フィラー等を供給するように構成されたガイドと、および／または１つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサとを備えることができる。
【0175】
[00176] レーザ・システムは、例えば、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２１４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ａのレーザ・システム２２００、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２２４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ｂのレーザ・システム２２００、あるいは光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッド２３０６、２３２４、および／または２３２６を通じて、光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２３１４、２３２８、および／または２３３０を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２を含む、図２３のレーザ・システム２３００を含むことができる。
【0176】
[00177] ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のセンサからのプロセス内フィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中に、１つ以上のビーム特性（例えば、強度分布、空間プロファイル）を調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料を処理する工程間において１つ以上のビーム特性（例えば、ビーム径および／またはスポット・サイズ）を調節するステップを含むことができる。ある例では、 １つ以上のビーム特性を修正するステップは、１つ以上のセンサからのフィードバックに基づいて、１つ以上の材料の処理中および１つ以上の材料を処理する工程間において、１つ以上のビーム特性（例えば、ビーム発散）を調節するステップを含むことができる。
【0177】
[00178] ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、全方向性被覆と広域被覆との間の切り替えを考慮するために、ビーム径、スポット・サイズ、および／またはビーム発散分布を変化させるステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、被覆の隣接する痕跡(track)の滑らかな重複を促進するために、空間プロファイルを調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、被覆合金(clad alloy)の溶融速度を最大化しつつ、被覆合金の母材(base metal)（例えば、基板合金）への希釈(dilution)を最小に抑えることを促進し、被覆合金から母材への鋭い遷移が得られるようにするために、ビーム径、スポット・サイズ、および／または強度分布を調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、堆積される被覆の冷却速度を最適化することを促進し、亀裂または剥離（例えば、被覆合金と基板合金との間における熱膨張率の不一致による可能性がある）に対する性向を最小に抑えるために、ビーム径、スポット・サイズ、および／または強度分布を調節するステップを含むことができる。
【0178】
[00179] ある例では、全方向性被覆の材料処理では、円形のスポット形状を有し、スポット形状の直径が約３ｍｍ以上で約１０ｍｍ以下であり、パワーが約４ｋＷ以上で約１２ｋＷ以下である出力ビームを使用することができる。ある例では、広域被覆の材料処理は、矩形のスポット形状を有し、幅および長さが約１００ｍｍ以上×約２０ｍｍであり、パワーが約５ｋＷ以上で約２０ｋＷ以下である出力ビームを使用することができる。
【0179】
[00180] 原材料、フィラー等を供給するように構成されたガイドは、例えば、粉体、細片、線材等を、処理される１つ以上の材料の近傍に、および／またはメルト・プールの意図する位置に誘導するように構成されたノズルあるいはチューブを含むことができる。ガイドを、付随する得プロウズス・ヘッドと組み合わせることもできる。
【0180】
[00181] ガイドは、処理される１つ以上の材料に関して、出力ビームの進行方向に対して軸上(on-axis)または軸外(off-axis)にすることができる。ガイドは、複数のノズルまたはチューブを有することができる。複数のノズルまたはチューブを対称的に配置することができる（例えば、メルト・プールの意図する位置に対して相対する両側に、２つのノズルまたはチューブを配置する）。このような複数のノズルまたはチューブは、機器の第２例の動作モードに応じて、交互におよび／または同時に動作することができる。
【0181】
[00182] ある例では、単一方向および全方向性被覆のための材料処理は、軸上で誘導される粉体（例えば、褐色粉末）の原材料を使用することができる。ある例では、単一方向性被覆のための材料処理は、軸外で誘導される線材の原材料を使用することができる。ある例では、広域被覆のための材料処理は、軸外で誘導される粉体（例えば、褐色粉末）、細片、または線材の原材料を使用することができる。
【0182】
[00183] ある例では、線形被覆プロセスの方向性(directionality)を素早く変化させることができる。１つのノズルまたはチューブを有するガイドを使用する線形被覆プロセスでは、例えば、第１進行方向に対してビーム形状を最適化することができる。次いで、第２進行方向に対してビーム形状を素早く反転させる(invert)ことができる。１つのノズルまたはチューブが両方の進行方向で動作することができる。２つ以上のノズルまたはチューブを有するガイドを使用する線形被覆プロセスでは、例えば、第１進行方向に対してビーム形状を最適化し、これらのノズルまたはチューブの内関連する１つを第１進行方向で動作させることができる。次いで、第２進行方向に対してビーム形状を素早く反転させ、ノズルまたはチューブの他の１つを第２進行方向で動作させることができる（即ち、ノズルまたはチューブは交互に動作する）。
【0183】
[00184] １つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサは、例えば、外形（例えば、高さ、幅）、冶金特性（例えば、凝固速度）、圧力（１つまたは複数）、温度（１つまたは複数）等を監視する１つ以上のセンサを含むことができる。ある例では、熱撮像ツールまたは高温計が加熱および／または冷却速度を測定することができる。ある例では、外形モニタが、高さ、幅、および／または被覆の隣接する痕跡との重複、あるいは粗さまたは全体的な形状というような、被覆の堆積に関する他の物理的測定値測定することができる。
【0184】
[00185] 図３２において、第２機器３２００は、プロセス・ヘッド３２０２、ガイド３２０４、および／またはセンサ３２０６を備える。第２機器３２００は、プロセス・ヘッド３２０２を通じて、出力ビーム３２０８を生成することができる。ある例では、出力ビーム３２０８のビーム形状は非対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３２０８のビーム形状は対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３２０８のビーム形状は２つ以上の別個のスポット形状を含むことができる。
【0185】
[00186] ガイド３２０４は、処理される材料３２１２の近傍に、および／またはメルト・プール３２１６の意図する位置に粉体３２２２（例えば、金属粉体）を供給するように構成されている。ガイド３２０４は、例えば、水冷粉体ノズルを備えることができる。材料３２１２が処理されるに連れて、プロセス・ヘッド３２０２、ガイド３２０４、出力ビーム３２０８、メルト・プール３２１６、および粉体３２２２が全体的に、矢印３２１８によって示される方向に移動する。粉体３２２２がガイド３２０４間で上に向かって逃げるのを防止するために、遮蔽ガス３２２４（例えば、不活性ガス）をガイド３２０４間に注入することができる。粉体３２２２が一旦３２０４から出てから横方向に逃げるのを防止するため、そして加熱された材料３２１２の酸化を防止するために、シュラウド・ガス（例えば、不活性ガス）（図示せず）を使用することができる。
【0186】
[00187] ガイド３２０４および粉体３２２２は、矢印３２１８によって示される方向に対して、軸上または軸外にすることができる。ある例では、軸上ガイド３２０４および粉体３２２２は、これら全てが矢印３２１８によって示される方向に全体的に移動するので、出力ビーム３２０８に先行および追従することができる。ある例では、軸外ガイド３２０４および粉体３２２２は、矢印３２１８によって示される方向に全体的に移動することができるが、次いで、矢印３２１８の位置からメルト・プール３２１６に向かう以外の方向から、または矢印３２１８の方向に、粉体３２２２がメルト・プール３２１６に供給される。ある例では、粉体３２２２を出力ビーム３２０８および／またはメルト・プール３２１６の先端および後端縁において供給することが、ガイド３２０４にとって有利になることができる。何故なら、これらは矢印３２１８によって示される方向に移動するからである。
【0187】
[00188] ある例では、材料３２１２の処理の結果、被覆層３２２６、接合帯３２２８、および／または熱作用帯３２３０を形成することができる。
【0188】
[00189] センサ３２０６は、材料３２１２の処理を監視し、材料３２１２の処理中にフィードバックを供給し、および／または材料３２１２を処理する工程間においてフィードバックを供給することができる。ある例では、センサ３２０６は、サイン３２２０によって示されるように、材料３２１２および／またはメルト・プール３２１６の１つ以上の指標を監視することができる。
【0189】
[00190] ある例では、センサ３２０６は１つ以上のローカル・センサまたはグローバル・センサを含むことができる。ある例では、センサ３２０６は１つ以上の固定センサ（即ち、オイラー基準フレーム）および／または出力ビーム３２０８と共に移動する１つ以上のセンサ（即ち、ラグランジアン基準フレーム）を含むことができる。センサ３２０６は、例えば、１つ以上のフォトダイオード、光電子倍増管、高温計（１－または２－波長を使用する）、高分解能熱撮像カメラ（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器）、または分光計（可視光、ＵＶ光）を含むことができる。センサ３２０６は、例えば、メルト・プール３２１６のピークおよび／または平均温度、メルト・プール３２１６の凝固輪郭および／または寸法（面積、長さ、および／または幅）、および／または第１材料３２１２および／またはメルト・プール３２１６の加熱／冷却速度を監視することができる。センサ３２０６は、例えば、材料処理中に第１材料３２１２からそれらの長さ（１つまたは複数）に沿ってサイン３２２０（例えば、放射放出の形態）を検知することによって、第１材料３２１２の熱履歴を監視するように構成された複数の固定ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器を構成するグローバル・センサを含むことができる。
【0190】
[00191] 図３３は、光ビームを使用して材料を処理する機器の第３例を示す。図３３において示す材料処理は、例えば、焼き付けまたは熱処理とすることができる。焼き付けは、表面溶融、および後続の薄い材料層（例えば、１００μｍ）の急速凝固を含むことができる。ある例では、焼き付けプロセスに関与する材料は、セラミクスおよび金属（例えば、フェライト球状黒鉛鋳鉄、ＦｅＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ、および／またはＮｉＣｒＡｌ合金、３０４ステンレス鋼、６１４Ａｌ青銅（Ａｌ＝アルミニウム、Ｃｒ＝クローム、Ｆｅ＝鉄、およびＮｉ＝ニッケル）を含むことができる。熱処理は、例えば、アニーリング、表面硬化、焼ならし、析出強化、焼き入れ（自己焼き入れを含む）、軟化、応力緩和、および／または焼き戻しを含むことができる。ある例では、熱処理プロセスに関与する材料は、ガラス、金属、またはポリマーを含むことができる。他の熱処理の応用(application)には、材料を接合するために使用する直前における、接着材、ポリマー、またはレジンの直接加熱、更には接合部の硬化(curing or hardening)のために、材料を接合した後における、 接着材、ポリマー、またはレジンの直接加熱を含むことができる。
【0191】
[00192] 機器の第３例は、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッドを通じて、光ビームの１つ以上のビーム特性を修正した出力ビームを生成するように構成されたレーザ・システム、および／または１つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサを備えることができる。
【0192】
[00193] レーザ・システムは、例えば、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２１４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ａのレーザ・システム２２００、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性を修正し、プロセス・ヘッド２２０６を通じて、光ビーム２２１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２２２４を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２２０２を含む、図２２Ｂのレーザ・システム２２００、あるいは光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性を修正し、１つ以上のプロセス・ヘッド２３０６、２３２４、および／または２３２６を通じて、光ビーム２３１０の１つ以上のビーム特性が修正された出力ビーム２３１４、２３２８、および／または２３３０を生成するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２３０２を含む、図２３のレーザ・システム２３００を含むことができる。
【0193】
[00194] ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、処理される材料に対して要求される熱処理痕跡外形(heat treat track geometry)と一致させるために、ビーム径、スポット・サイズ、および／またはビーム発散分布をリアル・タイムで調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、生産性を最大限高めつつ、処理される材料の溶融を抑えるために、強度分布および／または空間プロファイルを調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、合金、微小構造、厚さ、および／または処理される材料の好ましい硬化深度(hardness depth)を最適化するために、１つ以上のビーム特性を調節するステップを含むことができる。ある例では、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、材料処理の２Ｄ／３Ｄ方向性と一致させるために、ビーム・プロファイルを軸方向に回転させるステップを含むことができる。
【0194】
[00195] ある例では、焼き付けおよび／または熱処理のための材料処理は、矩形のスポット形状を有し、パワーが約４ｋＷ以上および約５０ｋＷ以下である出力ビームを使用することができる。ある例では、同質（例えば、フラット・トップ）強度分布によって、焼き付けのための溶融の均一深度、硬化のための均一硬化深度、または軟化のための均一焼き戻し帯を得ることができる。あるいは、異なる強度分布を、例えば、矩形スポット内に発生するためにビーム特性の１つ以上を変化させることによって、矩形のスポット形状全域にわたって処理深度を調整する(tailor)ことができる。
【0195】
[00196] １つ以上の材料の処理中、および／または１つ以上の材料を処理する工程間においてフィードバックを供給するように構成された１つ以上のセンサは、例えば、外形（例えば、高さ、幅）、冶金特性（例えば、硬度）、温度（１つまたは複数）等を監視する１つ以上のセンサを含むことができる。
【0196】
[00197] 図３３において、第３機器３３００はプロセス・ヘッド３３０２および／またはセンサ３３０６を備える。第３機器３３００は、プロセス・ヘッド３３０２を通じて、出力ビーム３３０８を生成することができる。ある例では、出力ビーム３３０８のビーム形状は非対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３３０８のビーム形状は対称にすることができる。ある例では、出力ビーム３３０８のビーム形状は、２つ以上の別個のスポット形状を含むことができる。図３３において、出力ビーム３３０８のビーム形状は、幅が「ｘ」、長さが「ｙ」の矩形として示されている。
【0197】
[00198] ある例では、材料３３１２の処理の結果、硬化帯または軟化帯３３３２を形成することができる。図３３に示すように、帯３３３２は最大深度「ｄ」を有することができる。
【0198】
[00199] センサ３３０６は、材料３３１２の処理を監視し、材料３３１２の処理中にフィードバックを供給し、および／または材料３３１２を処理する工程間においてフィードバックを供給することができる。ある例では、センサ３３０６は、サイン３３２０によって示されるように、材料３３１２の１つ以上の指標を監視することができる。
【0199】
[00200] ある例では、センサ３３０６は１つ以上のローカル・センサまたはグローバル・センサを含むことができる。ある例では、センサ３３０６は１つ以上の固定センサ（即ち、オイラー基準フレーム）および／または出力ビーム３３０８と共に移動する１つ以上のセンサ（即ち、ラグランジアン基準フレーム）を含むことができる。センサ３３０６は、例えば、１つ以上のフォトダイオード、光電子倍増管、高温計（１－または２－波長を使用する）、高分解能熱撮像カメラ（ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器）、または分光計（可視光、ＵＶ光）を含むことができる。センサ３３０６は、例えば、処理材料３３１２のピークおよび／または平均温度、処理材料３３１２の凝固輪郭および／または寸法（面積、長さ、および／または幅）、および／または処理材料３３１２の加熱／冷却速度を監視することができる。センサ３３０６は、例えば、材料処理中に第１材料３３１２からそれらの長さ（１つまたは複数）に沿ってサイン３３２０（例えば、放射放出の形態）を検知することによって、処理材料３３１２の熱履歴を監視するように構成された複数の固定ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器を構成するグローバル・センサを含むことができる。
【0200】
【0201】
[00202] 図３４Ａにおいて、出力ビーム３４００は、第１スポット形状３４０２と第２スポット形状３４０４とを有する。第１スポット形状３４０２は円形であるので、これはミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３４０４は、図示のように、水平方向の向きにおいて、その中心を通る鏡像対称のみを呈する。第２スポット形状３４０４の対称性が限られるために、出力ビーム３４００の全体的な対称性も限られる。
【0202】
[00203] ある例では、矢印３４０６によって示される進行方向における材料処理に合わせて、出力ビーム３４００を最適化することができる。
【0203】
[00204] 図３４Ｂにおいて、出力ビーム３４１０は第１スポット形状３４１２と第２スポット形状３４１４とを有する。第１スポット形状３４１２は円形であるので、これは、ミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３４１４は、図示のように、水平方向の向きにおいて、その中心を通る鏡像対称のみを呈する。第２スポット形状３４１４の対称性が限られるために、出力ビーム３４１０の全体的な対称性も限られる。
【0204】
[00205] ある例では、出力ビーム３４１０は、矢印３４１６によって示される進行方向における材料処理に合わせて、出力ビーム３４００を最適化することができる。
【0205】
[00206] 段落[00182]において論じたように、線形被覆プロセスの方向性を素早く変化させることができる。２つのノズルまたはチューブを有するガイドを使用する線形被覆プロセスでは、例えば、第１スポット形状３４０２と第２スポット形状３４０４とを有する図３４Ａの出力ビーム３４００、およびノズルまたはチューブの内関連するものを、矢印３４０６によって示される進行方向（例えば、「右」に進む）に対して最適化することができる。第１スポット形状３４０２は被覆プロセスの前における材料の予備加熱を行うことができ、第２スポット形状３４０４は被覆プロセス中における材料の主加熱を行うことができる。次いで、ビーム形状を素早く反転させることができる。第１スポット形状３４１２と第２スポット形状３４１４とを有する図３４Ｂの出力ビーム３４１０、およびノズルまたはチューブの内他の１つを、矢印３４１４によって示される進行方向（例えば、「左」に進む）に対して最適化することができる。第１スポット形状３４１２は、被覆プロセスの前における材料の予備加熱を行うことができ、第２スポット形状３４１４は被覆プロセス中における材料の主加熱を行うことができる。
【0206】
[00207] あるいは、段落[00203]において説明した指向性線形被覆プロセスは、図３４Ａにおける矢印３４０６および図３４Ｂにおける矢印３４１６によって示される方向とは逆の方向に動作することもできる。この逆方向（図示せず）では、第２スポット形状３４０４および第２スポット形状３４１４は、被覆プロセスのために後加熱を行うことができる（例えば、焼き戻し、応力緩和、または冷却速度を低下させ亀裂性向を減ずる）。
【0207】
【0208】
[00209] 図３５Ａにおいて、出力ビーム３５００は第１スポット形状３５０２と第２スポット形状３５０４とを有する。第１スポット形状３５０２は円形であるので、これは、ミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３５０４は円形であるので、これもミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。出力ビーム３５００は、第１スポット形状３５０２および第２スポット形状３５０４の組み合わせであり、図示のように、水平方向の向きにおいて、第１スポット形状３５０２および第２スポット形状３５０４のそれぞれの中心を通る鏡像対称のみを呈する。
【0209】
[00210] ある例では、矢印３５０６によって示される進行方向における材料処理に対して、出力ビーム３５００を最適化することができる。
【0210】
[00211] 図３５Ｂにおいて、出力ビーム３５１０は第１スポット形状３５１２と第２スポット形状３５１４とを有する。第１スポット形状３５１２は円形であるので、これは、ミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３５１４は円形であるので、これもミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。出力ビーム３５１０は、第１スポット形状３５１２および第２スポット形状３５１４の組み合わせであり、図示のように、垂直方向の向きにおいて、第１スポット形状３５１２および第２スポット形状３５１４のそれぞれの中心を通る鏡像対称のみを呈する。
【0211】
[00212] ある例では、矢印３５１６によって示される進行方向における材料処理に対して、出力ビーム３５１０を最適化することができる。
【0212】
[00213] 図３５Ｃにおいて、出力ビーム３５２０は第１スポット形状３５２２と第２スポット形状３５２４とを有する。第１スポット形状３５２２は円形であるので、これは、ミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３５２４は円形であるので、これもミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。出力ビーム３５２０は、第１スポット形状３５２２および第２スポット形状３５２４の組み合わせであり、図示のように、水平方向の向きにおいて、第１スポット形状３５２２および第２スポット形状３５２４のそれぞれの中心を通る鏡像対称のみを呈する。
【0213】
[00214] ある例では、矢印３５２６によって示される進行方向における材料処理に対して、出力ビーム３５２０を最適化することができる。
【0214】
[00215] 図３５Ｄにおいて、出力ビーム３５３０は第１スポット形状３５３２と第２スポット形状３５３４とを有する。第１スポット形状３５３２は円形であるので、これは、ミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。第２スポット形状３５３４は円形であるので、これもミラーのいずれの向きにおいてもその中心を通る鏡像対称を呈し、更にいずれの回転角においても回転対称を呈する。出力ビーム３５３０は、第１スポット形状３５３２および第２スポット形状３５３４の組み合わせであり、図示のように、垂直方向の向きにおいて、第１スポット形状３５３２および第２スポット形状３５３４のそれぞれの中心を通る鏡像対称のみを呈する。
【0215】
[00216] ある例では、矢印３５３６によって示される進行方向における材料処理に対して、出力ビーム３５３０を最適化することができる。
【0216】
[00217] 段落[00192]において論じたように、１つ以上のビーム特性を修正するステップは、材料プロセスの２Ｄ／３Ｄ方向性と一致させるために、ビーム・プロファイルを軸方向に回転させるステップを含むことができる。図３５Ａ～図３５Ｄは、図３５Ａから開始する、このような軸回転の例を示し、図３５Ｂは、時計回り方向に９０°度の回転を示し、図３５Ｃは時計回りまたは反時計回り方向に１８０°の回転を示し、図３５Ｄは時計回り方向に９０°度の回転を示す。
【0217】
[00218] 図３５Ａ～図３５Ｄは、ｎ×９０°度の回転（ｎ＝０，±１，±２，．．．）を示すが、回転は、所望の任意の角度増分（例えば、ビームの共通中央線に対して、７２°、６０°、４５°、３６°、３０°、２２．５°、２０°、１５°、１０°）でも可能である。
【0218】
[00219] 以上、本明細書において開示した技術の実施例の概略的な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、実施例の構成および詳細を修正できることは明白ななずである。以下の請求項の主旨および範囲に該当する全ての変更および変形を特許請求する。
【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33】
【図34A】
【図34B】
【図35A】
【図35B】
【図35C】
【図35D】