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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】2024-05-01
(45)【発行日】2024-05-13
(54)【発明の名称】ビーム特性の修正のためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20240502BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20240502BHJP
G02B 27/09 20060101ALI20240502BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20240502BHJP
G02B 6/036 20060101ALI20240502BHJP
B23K 26/073 20060101ALI20240502BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20240502BHJP
B23K 26/067 20060101ALI20240502BHJP
H01S 3/00 20060101ALN20240502BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 C
H01S3/10 Z
G02B27/09
G02B6/02 411
G02B6/02 421
G02B6/02 461
G02B6/036 501
B23K26/073
B23K26/064 K
B23K26/067
G02B6/036
H01S3/00 B
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2019565390
(86)(22)【出願日】2018-03-28
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-07-27
(86)【国際出願番号】 US2018024959
(87)【国際公開番号】W WO2018217306
(87)【国際公開日】2018-11-29
【審査請求日】2021-02-22
(31)【優先権主張番号】15/607,410
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】PCT/US2017/034848
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(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】15/607,411
(32)【優先日】2017-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】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】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
(72)【発明者】
【氏名】スコット カールセン
(72)【発明者】
【氏名】ブライアン ビクター
【審査官】林 祥恵
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／０３１８９５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－２０１５５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１９８７２４（ＷＯ，Ａ２）
【文献】特開２０１０－１１５６８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５００５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５０９２６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１３１９３６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－１６６１７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１１３９２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１０２１３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】Cindy S. Fernandes et al.，"Curvature and Vibration Sensing Based on Core Diameter Mismatch Structures"，IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，米国，IEEE，2016年06月06日，Vol. 65, No. 9，pp. 2120-2128，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7485860
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－１／３９
Ｇ０２Ｂ ６／０２
Ｇ０２Ｂ ６／０３６
Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／４３
Ｈ０１Ｓ ３／００
Ｈ０１Ｓ ３／１０
Ｇ０２Ｂ ２７／０９
Ｂ２３Ｋ ２６／０７３
Ｂ２３Ｋ ２６／０６４
Ｂ２３Ｋ ２６／０６７
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
システムであって、光ビームを生成するように構成された光ビーム源と、
前記光ビーム源と動作可能に結合され、前記光ビーム源から前記光ビームを受けるように構成された第１長のファイバであって、前記第１長のファイバは第１の屈折率分布（ＲＩＰ）を有する、第１長のファイバと、
前記第１長のファイバと動作可能に結合され、前記第１長のファイバを通過する前記光ビームを修正するように構成された摂動デバイスであって、曲げ加工アセンブリ、マンドレル、フレキシブル・チュービング、前記第１長のファイバにおけるマイクロベンディング、ローラ、締結具、音響光学変換器、熱デバイス、ファイバ・ストレッチャ、圧電デバイス、グレーティング、またはこれらの組み合わせである、摂動デバイスと、
前記第１長のファイバと動作可能に結合され、前記修正された光ビームを前記第１長のファイバから受けるように構成された第２長のファイバ（ただし、前記第２長のファイバが前記第１長のファイバとビーム結合器によって結合される場合を除く）であって、前記第２長のファイバは、前記第１のＲＩＰとは異なる第２のＲＩＰを規定する複数の閉じ込め領域を含むマルチコア・ファイバであって、前記第２長のファイバは、前記修正された光ビームを前記複数の閉じ込め領域の少なくとも１つに閉じ込めるように構成されている、第２長のファイバと、
前記第２長のファイバと動作可能に結合されたビーム整形アセンブリであって、前記第２長のファイバから前記修正された光ビームを受け、前記修正された光ビームの１つ以上のビーム特性を調節し、前記調節した光ビームを下流プロセスに導くように構成される、 ビーム整形アセンブリと、
を備える、システム。
【請求項2】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ビーム整形アセンブリが、前記修正された光ビームを前記第２長のファイバから受けるように構成された第１レンズと、
前記第１レンズの下流側に配置され前記第１レンズと動作可能に結合された第２レンズと、
前記第２レンズの下流側に配置され前記第２レンズと動作可能に結合された回折光学素子と、
を備える、システム。
【請求項3】
請求項２記載のシステムであって、更に、前記ビーム整形アセンブリと前記下流プロセスとの間に挟まれたビーム整形コンポーネントを備え、前記ビーム整形コンポーネントが、前記調節された光ビームを前記ビーム整形アセンブリから受け、前記調節された光ビームを前記下流プロセスに導くように構成される、システム。
【請求項4】
請求項３記載のシステムにおいて、前記マルチコア・ファイバが、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含み、前記第１および第２閉じ込め領域が、前記第２長のファイバの直径に沿って互いに整列される、システム。
【請求項5】
請求項４記載のシステムにおいて、前記第１および第２閉じ込め領域が円形である、システム。
【請求項6】
請求項５記載のシステムにおいて、前記第２長のファイバが第３閉じ込め領域を含み、前記第３閉じ込め領域が矩形である、システム。
【請求項7】
請求項３記載のシステムにおいて、前記複数の閉じ込め領域の各々が、異なるＮＡ分布、ならびに同じ形状および寸法を含む、システム。
【請求項8】
請求項３記載のシステムにおいて、前記複数の閉じ込め領域の各々が、同じＮＡ分布および異なる形状、寸法、または双方を含む、システム。
【請求項9】
請求項３記載のシステムにおいて、前記複数の閉じ込め領域の各々が、異なる寸法、異なるサイズ、異なる形状、異なるＮＡ分布、またはこれらの組み合わせの内１つ以上を含む、システム。
【請求項10】
請求項１記載のシステムにおいて、前記第２長のファイバが、前記ビーム整形アセンブリと動作可能に結合されたレンズ状エンド・キャップを備え、前記ビーム整形アセンブリが、前記レンズ状エンド・キャップと動作可能に結合されたレンズと、前記レンズの下流側に配置され前記レンズと動作可能に結合された回折光学素子とを備える、システム。
【請求項11】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記マルチコア・ファイバが、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含む、システム。
【請求項12】
請求項１１記載のシステムにおいて、前記第１閉じ込め領域および前記第２閉じ込め領域が円形で互いに同心円状であり、前記第１閉じ込め領域が、前記第２閉じ込め領域よりも相対的に小さい直径を有する、システム。
【請求項13】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ビーム整形アセンブリが、前記修正された光ビームを前記第２長のファイバから受けるように構成された第１レンズと、
前記第１レンズの下流側に配置され、前記第１レンズと動作可能に結合された第２レンズであって、前記修正された光ビームを前記下流プロセスに導くように構成される、第２レンズと、
を備える、システム。
【請求項14】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記マルチコア・ファイバが、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含む、システム。
【請求項15】
請求項１４記載のシステムにおいて、前記第１閉じ込め領域および前記第２閉じ込め領域が、円形で互いに同心円状であり、前記第１閉じ込め領域が、前記第２閉じ込め領域よりも相対的に小さい直径を有する、システム。
【請求項16】
請求項１記載のシステムにおいて、前記ビーム整形アセンブリが、前記修正された光ビームを前記第２長のファイバから受けるように構成された第１レンズと、
前記第１レンズの下流側に配置され前記第１レンズと動作可能に結合された第２レンズと、
前記第２レンズの下流側に配置され前記第２レンズから前記光ビームを受けるように構成された反射器と、
を備える、システム。
【請求項17】
請求項１６記載のシステムにおいて、前記反射器が、更に、前記光ビームの第１部分および前記光ビームの第２部分を、それぞれ、第１光路および第２光路を通じて、前記下流プロセスに導くように構成される、システム。
【請求項18】
請求項１７記載のシステムにおいて、前記マルチコア・ファイバが、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含み、前記第１および第２閉じ込め領域が、前記第２長のファイバの直径に沿って互いに整列される、システム。
【請求項19】
方法であって、光ビーム源から光ビームを生成するステップと、
前記光ビーム源と動作可能に結合された第１長のファイバにおいて、前記光ビームを受けるステップであって、前記第１長のファイバは第１の屈折率分布（ＲＩＰ）を有する、ステップと、
前記第１長のファイバを通過する前記光ビームを、前記第１長のファイバと動作可能に結合された摂動デバイスであって、曲げ加工アセンブリ、マンドレル、フレキシブル・チュービング、前記第１長のファイバにおけるマイクロベンディング、ローラ、締結具、音響光学変換器、熱デバイス、ファイバ・ストレッチャ、圧電デバイス、グレーティング、またはこれらの組み合わせである、摂動デバイスによって修正し、修正された光ビームを生成するステップと、
前記第１長のファイバと動作可能に結合された第２長のファイバ（ただし、前記第２長のファイバが前記第１長のファイバとビーム結合器によって結合される場合を除く）において、前記修正された光ビームを受けるステップであって、前記第２長のファイバは、第１のＲＩＰとは異なる第２のＲＩＰを規定する複数の閉じ込め領域を含むマルチコア・ファイバであって、前記第２長のファイバは、前記修正された光ビームを前記複数の閉じ込め領域の少なくとも１つに閉じ込めるように構成されている、ステップと、
前記第２長のファイバからの前記修正された光ビームを、前記第２長のファイバと動作可能に結合されたビーム整形アセンブリにおいて受けるステップと、
前記修正された光ビームの１つ以上のビーム特性を、前記ビーム整形アセンブリによって調節するステップと、
前記調節した光ビームを下流プロセスに導くステップと、
を含む、方法。
【請求項20】
請求項１９記載の方法において、前記ビーム整形アセンブリが、１つ以上のビーム整形デバイスを備える、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技術は、ファイバ・レーザ、およびファイバ結合レーザに関する。更に特定すれば、開示する技術は、光ビーム特性（スポット・サイズ、発散プロファイル、空間プロファイル、またはビーム形状等、あるいはこれらの任意の組み合わせ）を調節し、ファイバ・レーザまたはファイバ結合レーザの出力において、調節した光ビーム特性を維持するための方法、機器、およびシステムに関する。
[0002] 本明細書において開示する技術は、ファイバ・レーザ、およびファイバ結合レーザに関する。更に特定すれば、開示する技術は、光ビーム特性（スポット・サイズ、発散プロファイル、空間プロファイル、またはビーム形状等、あるいはこれらの任意の組み合わせ）を調節し、ファイバ・レーザまたはファイバ結合レーザの出力において、調節した光ビーム特性を維持するための方法、機器、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。
【0005】
[0005] 広域レーザ加熱の応用(application)には、プラスチック、半導体、ガラス、および金属に対する硬化、アニーリング、熱処理、被覆、テープ敷設(tape laying)、ろう付け、はんだ、ならびに溶接を含むことができる。これらの広域レーザ加熱の応用に必要となるのは、大抵の場合、矩形または正方形のビーム形状、および直径３ｍｍの円よりも大きな面積である。矩形のレーザ・ビーム形状は、通例、ダイオード・バーのスタック(stack of diode bar)、方形コア伝送ファイバ(square core delivery fiber)、または専用のビーム整形光学素子によって生成される。これらの方法は、固定寸法または固定アスペクト比のビーム形状を生成するが、加熱幅または面積を変更するために寸法を調節するのは容易でない。加熱幅要件は、異なる製品設計毎に異なる可能性があり、または１つの製品設計内における異なる構造(features)毎に変化する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
[0006] 異なる加熱幅要件に対処するためには、ユーザはレーザ加熱ツールの光学構成を変更しなければならず、または所望の加熱帯幅を達成するために、複数の隣接する加熱帯を生成しなければならない。両選択肢は、サイクル・タイムを増大させ、投資収益率を低下させる。異なる加熱帯幅を生成する代わりの方法の１つに、「ズーム」光学アセンブリ(zoom optic assembly)を使用し、矩形ビーム形状の一方または双方の軸方向において可変倍率を可能にするものがある。これらのズーム光学素子は高価であり、アセンブリの重量およびサイズのために、あらゆる用途に対して実現可能である訳ではない。
【0007】
[0007] したがって、製品の改良をもたらすために、従来のプロセスおよびシステムの欠点を克服しつつ、レーザのプロパティを制御する方法があれば、当技術分野に加えられることが歓迎されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0008】
[0008] 少なくとも本明細書において開示するのは、光ビーム特性を変化させるための方法、システム、および機器である。方法は、第１長のファイバまたは第２長のファイバ、あるいはその組み合わせにおいて、光ビームの１つ以上のビーム特性を調節するために、第１長のファイバ内を伝搬する光ビームに摂動を起こすステップと、摂動を起こされた光ビームを第２長のファイバに結合するステップと、１つ以上の閉じ込め領域を有する第２長のファイバ内に、１つ以上の調節されたビーム特性の内少なくとも一部を維持するステップとを含んでもよい。更に、方法は、第１長のファイバの第１屈折率分布（ＲＩＰ）または第２長の第２ＲＩＰ、あるいはその組み合わせの選択に応答して、調節されたビーム特性を有する選択出力ビームを、第２長のファイバから生成するステップを含んでもよい。ある例では、摂動を起こされた光ビームの１つ以上のビーム特性が、第１長のファイバに摂動を起こしたことに応答して、調節された光ビームを生成するために、第１長のファイバの１つ以上のコア寸法、または第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域の寸法、あるいはその組み合わせの選択に基づいて調節され、調節される光ビームが、第２長のファイバの出力において、ビーム径、発散分布、ビーム・パラメータ積（ＢＰＰ）、強度分布、輝度、Ｍ２値、開口数（ＮＡ）、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、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である、調節された特異項目(particular)を有する。ある例では、方法は、光ビームの１つ以上のモードが、第１長のファイバの長手方向軸に関して半径方向に変位されるように、第１長のファイバの曲げ半径を変更するため、または第１長のファイバの曲げ領域の長さを変更するため、あるいはこれらの組み合わせのために、第１長のファイバを曲げることによって光ビームに摂動を起こすステップを含み、第２長のファイバが、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域を定めるＲＩＰを有する。ある例では、調節された１つ以上のビーム特性は、第２長のファイバの２つ以上の閉じ込め領域内に光ビームを閉じ込めることによって生成される。この方法例は、更に、光ビームの１つ以上の変位されたモードが、第１閉じ込め領域または第２閉じ込め領域、あるいはその組み合わせに選択的に結合され維持されるように、摂動を起こされた光ビームを第１長のファイバから第１閉じ込め領域または第２閉じ込め領域、あるいはその組み合わせに発射するステップを含んでもよい。開示する方法は、第２長のファイバの出力において、光ビームの少なくとも１つのビーム特性を調節するために、第１長のファイバまたは第１長のファイバにおける光ビーム、あるいはその組み合わせに摂動を起こすことによって、光ビームの１つ以上のビーム特性に摂動を起こすステップを含んでもよい。 第１長のファイバに摂動を起こすステップは、曲げる、特定の長さにわたって曲げる、マイクロベンディングを行う、音響光学的励起を加える、熱摂動、引き伸ばし、または圧電摂動を加える、あるいはこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。第２長のファイバは、中央コアを含む第１閉じ込め領域と、第１閉じ込め領域を取り囲む環状コアを含む第２閉じ込め領域とを備えてもよい。光ビームの１つ以上のビーム特性を調節するステップは、前述の調節に続いて、最低次モード、１つ以上のそれよりも高次のモード、またはその組み合わせの所望のモード形状を生成するように、第１長のファイバのＲＩＰを選択するステップを含んでもよい。ある例では、第１長のファイバがコアを有し、二乗分布型の屈折率分布が、コアの放射方向の一部または全部に及ぶ。第１長のファイバのＲＩＰは、光ビームに摂動を起こしたことに応答して、最低次モード、それよりも高次のモード、またはその組み合わせの幅を増大または減少させるように選択されてもよい。 第１長のファイバまたは第２長のファイバ、あるいはその組み合わせが、光ビームの発散プロファイルを修正する(modify)ように構成された少なくとも１つの発散構造を含んでもよい。閉じ込め領域が１つ以上のクラッディング構造によって分離されてもよく、発散構造が、クラッディング構造から離れた少なくとも１つの閉じ込め領域内に配置されてもよく、発散構造に隣接する閉じ込め領域よりも低い屈折率を有する材料を含む。ある例では、第２長のファイバが方位角方向に非対称であってもよい。
【0009】
[0009] 本明細書において開示する機器は、光ビーム伝送デバイスを含んでもよく、この光ビーム伝送デバイスは、摂動デバイスによる光ビームの１つ以上のビーム特性の修正を可能にするように形成された第１ＲＩＰを含む第１長のファイバと、第１長のファイバに結合され、第２ＲＩＰを有する第２長のファイバであって、第２ＲＩＰが、光ビームの修正されたビーム特性の少なくとも一部を１つ以上の閉じ込め領域内に閉じ込めるように形成される、第２長のファイバとを備える。ある例では、第１ＲＩＰおよび第２ＲＩＰは異なる。ある例では、第２長のファイバが、複数の閉じ込め領域を備える。摂動デバイスは、第１長のファイバに結合されるか、または第１長のファイバと一体であるか、またはその組み合わせであってもよい。第１長のファイバは、少なくとも半径方向の中央部においてグレーデッド・インデックスＲＩＰを備えてもよく、第２長のファイバは、中央コアを備える第１閉じ込め領域と、環状であり第１閉じ込め領域を取り囲む第２閉じ込め領域とを有する。第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域は、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッディング構造によって分離されてもよい。クラッディング構造は、フルオロケイ酸塩を含んでもよい。第１長のファイバまたは第２長のファイバ、あるいはその組み合わせは、光ビームの発散プロファイルを修正するように構成された少なくとも１つの発散構造を含んでもよく、発散構造は、発散構造を取り囲む第２材料よりも低い屈折率を有する第１材料を含んでもよい。第２長のファイバは、方位角方向に非対称であってもよく、第１コアを含む第１閉じ込め領域と、第２コアを含む第２閉じ込め領域とを備えてもよい。ある例では、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域が同軸状であってもよい。他の例では、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域が同軸状でなくてもよい。ある例では、第２閉じ込め領域が三日月形状であってもよい。第１ＲＩＰは、第１半径を有する第１部分において二乗分布型であってもよい。ある例では、第１ＲＩＰが、第２半径を有する第２部分において一定であってもよく、第２半径は第１半径よりも大きい。第１ＲＩＰは、第１長のファイバのコアのエッジまでに及び半径方向に傾斜する屈折率を含んでもよく、第１ＲＩＰは、摂動デバイスによるビーム特性の修正に応答して、光ビームの１つ以上のモードの幅を増大または減少させるように形成される。第１長のファイバは、第１半径までに及び屈折率が半径方向に傾斜するコアと、これに続いて第２半径までに及び屈折率が一定の部分とを有してもよく、第２半径が第１半径よりも大きい。ある例では、第２長のファイバが、約０から１００ミクロンの範囲の直径を有する中央コアと、約１０から６００ミクロンの範囲の直径を有し中央コアを取り囲む第１環状コアと、約２０から１２００ミクロンの範囲の直径を有する第２環状コアとを備える。摂動デバイスは、光ビームのビーム特性を修正するために、曲げ半径を変更するように、または第１長のファイバの曲げ長を変更するように、あるいはこれらの組み合わせとなるように構成された曲げ加工アセンブリを備えてもよい。ある例では、摂動デバイスが、曲げ加工アセンブリ、マンドレル、ファイバにおけるマイクロベンディング、音響光学変換器、熱デバイス、ファイバ・ストレッチャ、または圧電デバイス、あるいはこれらの組み合わせを備えてもよい。第１長のファイバおよび第２長のファイバは、互いに繋がれた別個の受動ファイバであってもよい。
【0010】
[0010] 本明細書において開示するシステムは、光ビーム伝送システムを含んでもよい。このシステムは、第１および第２長のファイバを含む光ファイバと、第２長のファイバに結合され、修正されたビーム特性を含む光ビームを受けて送信するように構成された１つ以上の自由空間光学素子を含む光学系とを備える。第１長のファイバは、１つ以上のビーム特性を修正するように配された摂動アセンブリによって光ビームの１つ以上のビーム特性の修正を少なくとも部分的に可能にするように形成された第１ＲＩＰを含んでもよく、摂動アセンブリが第１長のファイバに結合される、または第１長のファイバと一体である、あるいはその組み合わせであってもよい。第２長のファイバは、第１長のファイバに結合されてもよく、摂動アセンブリによって修正された光ビームの１つ以上のビーム特性の内少なくとも一部を１つ以上の第１閉じ込め領域内に保存するように形成された第２ＲＩＰを有してもよい。ある例では、第１ＲＩＰおよび第２ＲＩＰが異なる。
【0011】
[0011] 光ビーム伝送システムは、更に、第１プロセス・ヘッドと光学系との間に結合された第１プロセス・ファイバを含んでもよく、第１プロセス・ファイバが、修正された１つ以上のビーム特性を含む光ビームを受けるように構成される。第１プロセス・ファイバは、プロセス・ファイバの１つ以上の第２閉じ込め領域内に、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性の内少なくとも一部を保存するように構成された第３ＲＩＰを含んでもよい。一例では、自由空間光学素子の少なくとも一部が、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成されてもよい。１つ以上のビーム特性は、ビーム径、発散分布、ＢＰＰ、強度分布、輝度、Ｍ２値、ＮＡ、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、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を含んでもよい。第３ＲＩＰが第２ＲＩＰと同じであっても異なってもよい。第３ＲＩＰは、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成されてもよい。ある例では、１つ以上の第２閉じ込め領域の少なくとも１つが、光ビームの発散プロファイルを修正するように構成された少なくとも１つの発散構造を含む。発散構造は、第２閉じ込め領域よりも低い屈折率の材料のエリアを含んでもよい。
【0012】
[0012] 光ビーム伝送システムは、更に、第４ＲＩＰを有し、光学系と第２プロセス・ヘッドとの間に結合された第２プロセス・ファイバを含んでも良く、第２プロセス・ファイバが、第２プロセス・ファイバの１つ以上の第２閉じ込め領域内において、修正された１つ以上のビーム特性を含む光ビームを受けるように構成されてもよい。ある例では、第１プロセス・ファイバまたは第２プロセス・ファイバ、あるいはその組み合わせが、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成されてもよい。第２プロセス・ファイバは、光ビームの発散プロファイルを修正するように構成された少なくとも１つの発散構造を含んでもよい。第２プロセス・ファイバは、１つ以上の第２閉じ込め領域の内少なくとも１つによって取り囲まれた中央コアを備えてもよく、コアおよび第２閉じ込め領域は、中央コアの第２屈折率および第２閉じ込め領域の第３屈折率よりも低い第１屈折率を有するクラッディング構造によって分離され、第２閉じ込め領域が少なくとも１つの発散構造を含んでもよい。少なくとも１つの発散構造は、第２閉じ込め領域よりも低い屈折率の材料のエリアを備えてもよい。一例では、第２ＲＩＰが、愛３ＲＩＰまたは第４ＲＩＰ、あるいはその組み合わせとは異なってもよい。あるいは、第２ＲＩＰが、第３ＲＩＰまたは第４ＲＩＰ、あるいはその組み合わせと同じであってもよい。修正されてもよい１つ以上のビーム特性は、ビーム径、発散分布、ＢＰＰ、強度分布、輝度、Ｍ２値、ＮＡ、光強度、パワー密度、半径方向ビーム位置、放射輝度、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を含むことができる。
【0013】
[0013] ある例では、自由空間光学素子の少なくとも一部が、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成されてもよい。第１プロセス・ヘッドと光学系との間に第１プロセス・ファイバが結合されてもよく、第１プロセス・ファイバが、２回修正された１つ以上のビーム特性を含む光ビームを受けるように構成される。第１プロセス・ファイバは、第１プロセス・ファイバの１つ以上の第２閉じ込め領域内に、光ビームの２回修正された１つ以上のビーム特性の少なくとも一部を保存するように構成された第３ＲＩＰを有してもよい。第３ＲＩＰは、第２ＲＩＰとは異なってもよく、第３ＲＩＰは、光ビームの２回修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成される。
【0014】
[0014] ある例では、第１プロセス・ファイバが、光ビームの２回修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成された発散構造を含んでもよい。ある例では、光学系と第２プロセス・ヘッドとの間に第２プロセス・ファイバが結合されてもよく、第２プロセス・ファイバが、２回修正された１つ以上のビーム特性を受けるように構成される。
【0015】
[0015] ある例では、第１プロセス・ファイバまたは第２プロセス・ファイバ、あるいはその組み合わせが、光ビームの２回修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成される。第１プロセス・ファイバまたは第２プロセス・ファイバ、あるいはその組み合わせは、光ビームの２回修正された１つ以上のビーム特性を更に修正するように構成された少なくとも１つの発散構造を含んでもよい。光学系は、ファイバ間カプラ、ファイバ間スイッチ、またはプロセス・ヘッド等、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。
【0016】
[0016] 更に、本開示は、製品を形成する方法も対象とする。この方法は、第１材料プロパティを含む材料を供給するステップと、少なくとも１つのビーム特性を含む光ビームにこの材料を露出させることによって、メルト・プールを形成するステップであって、メルト・プールが、この材料の第２材料プロパティを決定する少なくとも１つのメルト・プール・プロパティを含む、ステップと、メルト・プール・プロパティの変化に応答して、少なくとも１つのビーム特性を修正するステップとを含む。
【0017】
[0017] 更に、本開示は光ビーム・システムも対象とする。この光ビーム・システムは、光ビーム伝送デバイスを備え、光ビーム伝送デバイスは、第１屈折率分布（ＲＩＰ）を有する第１長のファイバと、第１長のファイバに結合され、第２ＲＩＰと１つ以上の閉じ込め領域を有する第２長のファイバと、第１長のファイバおよび第２長のファイバの内１つ以上において、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ように構成された摂動デバイスとを備え、第１ＲＩＰが第２ＲＩＰとは異なり、第２ＲＩＰが、第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域内に、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性の少なくとも一部を閉じ込めるように構成される。
【0018】
[0018] また、本開示は、光ビーム源と、第１長のファイバと、摂動デバイスと、第２長のファイバと、ビーム整形アセンブリとを含むシステムも対象とする。光ビーム源は、光ビームを生成するように構成されてもよい。第１長のファイバは、光ビーム源と動作可能に結合され、そこから光ビームを受けるように構成されてもよい。摂動デバイスは、第１長のファイバと動作可能に結合され、第１長のファイバを通過する(traverse through)光ビームを修正するように構成されてもよい。第２長のファイバは、第１長のファイバと動作可能に結合され、そこから修正された光ビームを受けるように構成される。ビーム整形アセンブリは、第２長のファイバと動作可能に結合され、第２長のファイバから修正された光ビームを受け、この修正された光ビームの１つ以上のビーム特性を調節し、調節した光ビームを下流プロセスに導くように構成されてもよい。
【0019】
[0019] ある例では、ビーム整形アセンブリは、第２長のファイバから修正された光ビームを受けるように構成された第１レンズと、第１レンズの下流側に配置され第１レンズと動作可能に結合された第２レンズと、第２レンズの下流側に配置され第２レンズと動作可能に結合された回折光学素子とを含んでもよい。
【0020】
[0020] ある例では、ビーム整形コンポーネントが、ビーム整形アセンブリと下流プロセスとの間に挟まれてもよい。ビーム整形コンポーネントは、調節された光ビームをビーム整形アセンブリから受け、調節された光ビームを下流プロセスに導くように構成されてもよい。
【0021】
[0021] ある例では、第２長のファイバは、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含むマルチコア・ファイバであり、第１および第２閉じ込め領域は、第２長のファイバの直径に沿って互いに整列される(align)。ある例では、第１および第２閉じ込め領域は、円形である。ある例では、第２長のファイバは第３閉じ込め領域を含み、第３閉じ込め領域は矩形である。ある例では、第２長のファイバは複数の閉じ込め領域を含み、複数の閉じ込め領域の各々が、異なるＮＡ分布ならびに同じ形状および寸法を含む。ある例では、第２長のファイバは複数の閉じ込め領域を含み、複数の閉じ込め領域の各々が、同じＮＡ分布および異なる形状、寸法、または双方を含む。ある例では、第２長のファイバは、複数の閉じ込め領域を含み、複数の閉じ込め領域の各々が、異なる寸法、異なるサイズ、異なる形状、異なるＮＡ分布、またはこれらの組み合わせの内１つ以上を含む。
【0022】
[0022] ある例では、第２長のファイバは、ビーム整形アセンブリと動作可能に結合されたレンズ状エンド・キャップを含み、ビーム整形アセンブリは、レンズ状エンド・キャップと動作可能に結合されたレンズと、このレンズの下流に配置されこのレンズと動作可能に結合された回折光学素子とを含む。
【0023】
[0023] ある例では、第２長のファイバは、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含むマルチコア・ファイバである。ある例では、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域は円形で互いに同心円状であり、第１閉じ込め領域は第２閉じ込め領域よりも相対的に小さい直径を有する。
【0024】
[0024] ある例では、ビーム整形アセンブリは、第２長のファイバから修正された光ビームを受けるように構成された第１レンズと、第１レンズの下流側に配置され第１レンズと動作可能に結合された第２レンズとを含む。第２レンズは、修正された光ビームを下流プロセスに導くように構成されてもよい。ある例では、第２長のファイバは、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含むマルチコア・ファイバである。ある例では、第１閉じ込め領域および第２閉じ込め領域は円形で互いに同心円状であり、第１閉じ込め領域は第２閉じ込め領域よりも相対的に小さい直径を有する。
【0025】
[0025] ある例では、ビーム整形アセンブリは、第２長のファイバから修正された光ビームを受けるように構成された第１レンズと、第１レンズの下流側に配置され第１レンズと動作可能に結合された第２レンズと、第２レンズの下流側に配置されこれから光ビームを受けるように構成された反射器とを含む。ある例では、反射器は、更に、光ビームの第１部分および光ビームの第２部分を、それぞれ、第１光路および第２光路を通じて、下流プロセスに導くように構成される。ある例では、第２長のファイバは、第１閉じ込め領域と第２閉じ込め領域とを含むマルチコア・ファイバであり、第１および第２閉じ込め領域が、第２長のファイバの直径に沿って、互いに整列される。
【0026】
[0026] また、本開示は方法も対象とする。この方法は、光ビーム源から光ビームを生成するステップと、光ビーム源と動作可能に結合された第１長のファイバにおいて光ビームを受けるステップと、第１長のファイバを通過する光ビームを、第１長のファイバと動作的に結合された摂動デバイスによって修正して、修正された光ビームを生成するステップと、第１長のファイバと動作可能に結合された第２長のファイバにおいて修正された光ビームを受け、第２長のファイバからの修正された光ビームを、第２長のファイバと動作可能に結合されたビーム整形アセンブリにおいて受けるステップと、修正された光ビームの１つ以上のビーム特性をビーム整形アセンブリによって調節するステップと、調節した光ビームを下流プロセスに導くステップとを含むのでもよい。
【0027】
[0027] ある例では、ビーム整形アセンブリが、１つ以上のビーム整形デバイスを含んでもよい。
【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】
[0029] 本開示および請求項において使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに違うことを規定するのでないならば、複数形も含むものとする。加えて、「含む」(includes)という用語は「備える」(comprises)を意味する。更に、「結合された」(coupled)という用語は、結合された品目間における中間エレメントの存在を除外しない。また、「修正する」(modify)および「調節する」(adjust)という用語は、「変更する」(alter)を意味するように相互交換可能に使用される。
【0031】
[0030] 本明細書において説明するシステム、機器、および方法は、限定として解釈しては決してならない。代わりに、本開示は、種々の開示する実施形態の態様が単独であっても、そして種々の組み合わせであっても、更に互いとのサブコンビネーションであっても、全て新規で非自明な特徴の達成に向けられる。開示するシステム、方法、および機器は、いずれの特定の態様にも、特徴にも、その組み合わせにも限定されず、更に開示するシステム、方法、および機器はいずれも、いずれか１つ以上の特定の利点が存在することも、問題が解決されることも求めない。あらゆる動作理論は、説明を容易にするためのものであるが、開示するシステム、方法、および機器はそのような動作理論に限定されるのではない。
【0032】
[0031] 開示する方法のいくつかの動作は、利便性の良い表示のために特定の順序で説明されるが、下記に説明される特定の言語によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法が並べ替えを包含することは理解されてしかるべきである。例えば、順番に記載される動作は、場合によっては、並べ替えるかまたは同時に実行してもよい。更に、簡略化のために、添付図面は、開示されたシステム、方法、及び機器を他のシステム、方法、及び機器と併用できる様々な方法を示さない場合がある。加えて、その説明はときとして、「生じさせる」および「提供する」等の用語を使用して、開示する方法を説明する。これらの用語は、実行される実際の動作の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装に応じて変化することになり、当業者によって容易に認識可能である。
【0033】
[0032] ある例では、値、手順、または機器が「最低」、「最良」、「最小」等と呼ばれることがある。このような説明は、多くの使用される機能的代用物から選択を行うことができ、このような選択は他の選択肢よりも必ずしも勝る、小さい、またそうでなければ好ましいという訳ではないことを示すという意図があることは認められよう。「上記の」(above)、「下記の」(below)、「上の」(upper)、「下の」(lower)等を示す方向を参照して、例について説明する。これらの用語は、説明の都合上使用されるのであって、特定の空間的な向きを暗示するのではない。
【0034】
定義
[0033] 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
[0033] 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
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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）。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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）。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
ビーム特性を変化させるためのファイバ
[0034] 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。
[0034] 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。
【0054】
[0035] 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。
【0055】
[0036] 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。
【0056】
[0037] 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。
【0057】
[0038] 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。
【0058】
[0039] 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。
【0059】
[0040] 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）。
【0060】
[0041] 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。
【0061】
[0042] 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。
【0062】
[0043] 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。
【0063】
[0044] 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。
【0064】
[0045] 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。
【0065】
[0046] 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。
【0066】
[0047] 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。
【0067】
[0048] 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。
【0068】
[0049] 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。
【0069】
[0050] 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。
【0070】
[0051] 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。
【0071】
[0052] 図７～図１０は、ＶＢＣファイバ２００（図２および図３において示した）に対する実験結果を示し、更に、摂動アセンブリ２１０がＶＢＣファイバ２００に作用してファイバを曲げたときの、ＶＢＣファイバ２００の摂動に対するビーム応答も示す。図４～図６はシミュレーションであり、図７～図１０は、ＳＭ１０５０ｎｍ光源からのビームが、４０ミクロンのコア径を有する入力ファイバ（図示せず）に発射されたときの実験結果である。入力ファイバは、第２長のファイバ２０４に繋がれている。
【0072】
[0053] 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。
【0073】
[0054] 一例では、ＶＢＣファイバ２００を真っ直ぐにした場合、ＬＰ０１モードは、ファイバの中心に戻るように移る。つまり、第２長のファイバ２０８の目的は、ビームの調節された強度分布を、ＶＢＣファイバ２００の中心から変位した閉じ込め領域に「捕獲する」または閉じ込めることである。ファイバ２０４および２０８間のスプライスは、曲げ領域に含まれ、このために、移されたモード・プロファイルは、リング形状の閉じ込め領域２１８および２２０の一方に優先的に発射され、そうでなければ閉じ込め領域間で分散されることになる。図５および図６はこの効果を示す。
【0074】
[0055] 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。
【0075】
[0056] 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。
【0076】
[0057] 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。
【0077】
[0058] 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。
【0078】
[0059] 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。
【0079】
【0080】
[0061] 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。
【0081】
[0062] 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。
【0082】
[0063] 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。
【0083】
[0064] 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。
【0084】
[0065] 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。
【0085】
[0066] 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。
【0086】
[0067] 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。
【0087】
[0068] 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。
【0088】
[0069] 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。
【0089】
[0070] 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。
【0090】
[0071] 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。
【0091】
[0072] 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。
【0092】
[0073] 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。
【0093】
[0074] 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。
【0094】
[0075] 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。
【0095】
[0076] 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。
【0096】
[0077] 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。
【0097】
[0078] 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。
【0098】
[0079] 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。
【0099】
[0080] 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。
【0100】
[0081] 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。
【0101】
[0082] 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。
【0102】
[0083] 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。
【0103】
[0084] 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。
【0104】
[0085] 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。
【0105】
[0086] 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。
【0106】
[0087] 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。
【0107】
[0088] 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。
【0108】
[0089] 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。
【0109】
[0090] 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。
【0110】
[0091] 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。
【0111】
[0092] 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。
【0112】
[0093] 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。
【0113】
[0094] 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。
【0114】
[0095] 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。
【0115】
[0096] 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。
【0116】
[0097] 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。
【0117】
[0098] 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。
【0118】
[0099] 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。
【0119】
[00100] 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。
【0120】
[00101] 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。
【0121】
[00102] 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。
【0122】
[00103] 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。
【0123】
[00104] 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。
【0124】
[00105] 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。
【0125】
追加の実施形態
[00106] 図２９Ａは、可変ビーム特性を付与する(provide)ように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と、プロセス・ヘッド例２９０４とを含むレーザ・システム例２９００を示す。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、先に論じたように、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を含むことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、レーザ源（図示せず）からの出力ファイバであってもよい、入射側ファイバ(feeding fiber)２９０６とＶＢＣ伝送ファイバ２９０８との間に配置され、２９０６と動作可能に結合することができる。ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、第２長のファイバ１０８の少なくとも一部を含むことができる。また、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、第２長のファイバ１０８を延長しても、または第２長のファイバ１０８の延長部であってもよい。ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、これを通過するビームの調節特性を修正する、維持する、および／または制限するように構成することができる。また、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、調節されたビーム２９１０のような、ビームを、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８と結合された自由空間光学素子アセンブリ(free-space optics assembly)２９１２に伝送するように構成することもできる。プロセス・ファイバ２９１４は、自由空間光学素子アセンブリ２９１２と動作可能に結合され、これからビームを受けるように構成することができる。プロセス・ヘッド２９０４は、プロセス・ファイバ２９１４と動作可能に結合され、これからビーム（例えば、調節されたビーム２９１０）を受け、このビーム１を１つ以上の下流プロセス２９１６に伝送するように構成することができる。図２９Ａに示すように、プロセス・ヘッド２９０４と下流プロセス２９１６との間に、１つ以上のレンズ（１つを２９１８で示す）を随意に配置してもよい。
[00106] 図２９Ａは、可変ビーム特性を付与する(provide)ように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と、プロセス・ヘッド例２９０４とを含むレーザ・システム例２９００を示す。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、先に論じたように、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を含むことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、レーザ源（図示せず）からの出力ファイバであってもよい、入射側ファイバ(feeding fiber)２９０６とＶＢＣ伝送ファイバ２９０８との間に配置され、２９０６と動作可能に結合することができる。ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、第２長のファイバ１０８の少なくとも一部を含むことができる。また、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、第２長のファイバ１０８を延長しても、または第２長のファイバ１０８の延長部であってもよい。ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、これを通過するビームの調節特性を修正する、維持する、および／または制限するように構成することができる。また、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、調節されたビーム２９１０のような、ビームを、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８と結合された自由空間光学素子アセンブリ(free-space optics assembly)２９１２に伝送するように構成することもできる。プロセス・ファイバ２９１４は、自由空間光学素子アセンブリ２９１２と動作可能に結合され、これからビームを受けるように構成することができる。プロセス・ヘッド２９０４は、プロセス・ファイバ２９１４と動作可能に結合され、これからビーム（例えば、調節されたビーム２９１０）を受け、このビーム１を１つ以上の下流プロセス２９１６に伝送するように構成することができる。図２９Ａに示すように、プロセス・ヘッド２９０４と下流プロセス２９１６との間に、１つ以上のレンズ（１つを２９１８で示す）を随意に配置してもよい。
【0126】
[00107] 少なくとも１つの実施態様では、プロセス・ヘッド２９０４は、プロセス・ファイバ２９１４から調節されたビーム２９１０を受け、下流プロセス２９１６の任意の１つ以上に合わせて、調節されたビームを修正、調節、リダイレクト、またそうでなければ特別に加工する(tailor)ように構成されたビーム整形アセンブリ２９２０を含んでもよい。他の実施態様では、ビーム整形アセンブリ２９２０は、プロセス・ヘッド２９０４とは別体であってもよい。ビーム整形アセンブリ２９２０は、１つ以上のビーム整形コンポーネントまたはデバイスを含んでもよく、１つ以上のビーム整形コンポーネントまたはデバイスの各々は、種々の構成（例えば、互いに対して上流側または下流側）で配置されてもよい。例示的なビーム整形コンポーネントは、レンズ、レンズ・アレイ、微小光学コンポーネントまたはデバイス、ファセット・レンズ、ミラーまたは反射器、回折光学素子（ＤＯＥ：diffractive optical element）、位相マスク、波長板、拡大レンズ、回折格子、光学フィルタ、集積光学素子、円筒状レンズ、レンズレット・アレイ等であってもよく、またはこれらを含んでもよいが、これらに限定されるのではない。
【0127】
[00108] 以下で更に論ずるように、ビーム整形アセンブリ２９２０内に配置されたビーム整形コンポーネントの選択および／または構成(arrangement)は、少なくとも部分的に、レーザ・システム２９００の１つ以上のパラメータによって決定することができる。少なくとも１つの実施態様では、ビーム整形アセンブリ２９２０のビーム整形コンポーネントの選択および／または構成は、少なくとも部分的に、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８の断面(profile)、構成、または断面設計によって決定されてもよい。例えば、図２９Ｂに示すＶＢＣ伝送ファイバ２９０８の断面形状(cross-sectional profile)に示すように、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、２つ以上のコア（４つのコア２９２２、２９２４、２９２６、２９２８が示されている。）を有するマルチコア・ファイバであってもよい。先に論じたように、コア２９２２、２９２４、２９２６、２９２８の各々の断面または特性は、同じでも異なってもよい。例えば、コア２９２２、２９２４、２９２６、２９２８の各々の形状、サイズ、角度分布またはＮＡ分布等の内任意の１つ以上が、同じでも異なってもよい。図２９Ｂに示すＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、４つのコア２９２２、２９２４、２９２６、２９２８を含む。具体的には、２つの小さな円形コア２９２２、２９２４、大きなコア２９２６、および方形コア２９２８を含む。尚、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、単心ファイバ、即ち、モノコア(mono-core)ファイバであってもよいことは認められてしかるべきである。更に、図２９ＢのＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は特定の構成の４つのコア２９２２、２９２４、２９２６、２９２８を示すが、本明細書において開示するＶＢＣ伝送ファイバはこれに限定されるのではない。例えば、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、直径は同じであるがＮＡ分布が異なる３つの円形コアを含んでもよい。他の例では、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８は、同じまたは変化する直径あるいは寸法と、同じまたは変化するＮＡ分布とを有する、可変形状コアを有してもよい。
【0128】
[00109] 図２９Ａに示すように、マルチコア・ファイバを利用するとき、ビーム整形アセンブリ２９２０は１つ以上のレンズ（２つのレンズ２９３０、２９３２が示されている。）と、１つ以上の回折光学素子（１つの回折光学素子２９３４が示されている。）とを含むとよい。２つのレンズ２９３０、２９３２は、撮像望遠鏡(imaging telescope)として機能するように構成されるとよい。回折光学素子２９３４は、少なくとも部分的に、近場におけるビーム形状の空間分布、および／または遠場における発散プロファイルを修正あるいは制御するように構成することができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２から出射するビーム画像が修正されるに連れて、回折光学素子２９３４上の照明パターンもビーム整形アセンブリ２９２０の割合(proportions)との関連で変化することができる。
【0129】
[00110] 動作において、レーザ源（図示せず）からのビーム２９３６を、入射側ファイバ２９０６を通じてＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２に導くことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、ビーム２９３６の特性を変化させて、調節ビーム(adjusted beam)２９１０を供給することができる。尚、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、以上で論じた実施形態の内任意のものにしたがって、ビーム２９３６の特性を変化させてもよいことは認められてしかるべきである。次に、ＶＢＣ伝送ファイバ２９０８を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２からの調節ビーム２９１０を自由空間光学素子アセンブリ２９１２に導くことができる。尚、ある実施形態では、レーザ・システム２９００が自由空間光学素子アセンブリ２９１２を含まなくてもよいことは認められてしかるべきである。例えば、ビーム２９３６の整形は、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２および／またはビーム整形アセンブリ２９２０のような、レーザ・システム２９００における他のコンポーネントの内１つ以上によって行うこともできる。自由光学素子アセンブリ２９１２からの調節ビーム２９１０は、プロセス・ファイバ２９１４を通じて、プロセス・ヘッド２９０４およびそのビーム整形アセンブリ２９２０に導かれ、これらを通過させることができる。その後、ビーム整形アセンブリ２９２０からの調節ビーム２９１０を下流プロセス２９１６に導くことができる。
【0130】
[00111] 図３０Ａは、可変ビーム特性を付与するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と、他のビーム整形アセンブリ例３００２とを含む他のレーザ・システム３０００を示す。レーザ・システム３０００は、以上で説明したレーザ・システム２９００といくつかの点で同様であってもよく、したがって、図２９Ａの説明を参照することによって、最良に理解することができる。図２９Ａでは、同様の番号は同様のコンポーネントを指しており、再度詳しく説明することは控える。
【0131】
[00112] 図３０Ａに示すように、プロセス・ファイバ３００４は、これを通過するビームを拡大および／または再撮像する(reimage)ように構成されたレンズ状エンド・キャップ３００６を含むことができる。レンズ状エンド・キャップ３００６は、プロセス・ファイバ３００４をプロセス・ヘッド２９０４および／またはそのビーム整形アセンブリ３００２と動作可能に結合することができる。尚、図３０Ａのレンズ状エンド・キャップ３００６と同様のレンズ状エンド・キャップが、本明細書において開示したレーザ・システム２９００、３０００、３１００のいずれにおいても含まれてもよいことは認められてしかるべきである。例えば、レンズ状エンド・キャップが、図２９Ａのレーザ・システム２９００のプロセス・ファイバ２９１４または図３０Ａのレーザ・システム３０００のプロセス・ファイバ２９１４と結合されてもよい。図３０Ａに示すように、ビーム整形アセンブリ３００２は、１つ以上のレンズ（１つのレンズ３００８が示されている。）と１つ以上のＤＯＥ（１つのＤＯＥ３０１０が示されている。）とを含んでもよい。レンズ３００８は、レンズ状エンド・キャップ３００６からのビームを拡大および／または再撮像し、このビームをＤＯＥ３０１０に導くように構成することができ、ＤＯＥ３０１０は、レンズ３００８からのビームを回折し、回折ビーム３０１２を下流プロセス２９１６に導くように構成することができる。図３０Ｂに示すように、ＶＢＣ伝送ファイバ３０１４は、図５～図１０に関して先に説明したものと同様に、複数の同心円状閉じ込め領域（３つの領域３０１６、３０１８、３０２８が示されている。）を有するマルチコア・ファイバであってもよい。
【0132】
[00113] 動作において、レーザ源（図示せず）からのビーム２９３６を、入射側ファイバ２９０６を通じてＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２に導くことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２はビーム２９３６の特性を変化させて、調節ビーム２９１０を供給することができる。尚、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、以上で論じた実施形態の内任意のものにしたがって、ビーム２９３６の特性を変化させてもよいことは認められてしかるべきである。次いで、ＶＢＣ伝送ファイバ３０１４を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２からの調節ビーム２９１０を自由空間光学素子アセンブリ２９１２に導くことができる。尚、ある実施形態では、レーザ・システム３０００が自由空間光学素子アセンブリ２９１２を含まなくてもよいことは認められてしかるべきである。例えば、ビーム２９３６の整形は、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２および／またはビーム整形アセンブリ３００２のような、レーザ・システム２９００における他のコンポーネントの内の１つ以上によって行うこともできる。自由空間光学素子アセンブリ２９１２からの調節ビーム２９１０は、プロセス・ファイバ３００４を通じて、プロセス・ヘッド２９０４およびそのビーム整形アセンブリ３００２に導き、通過させることができる。次いで、ビーム整形アセンブリ３００２のＤＯＥ３０１０のレンズ３００８は、このビームを修正、拡大、および／または再撮像し、修正したビームを下流プロセス２９１６に導くことができる。
【0133】
[00114] 図３１Ａは、可変ビーム特性を付与するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と、他のビーム整形アセンブリ例３１０２とを含む他のレーザ・システム３１００を示す。レーザ・システム３１００は、先に説明したレーザ・システム２９００といくつかの点で同様であってもよく、したがって、図２９Ａの説明を参照することにより最良に理解することができる。図２９Ａでは、同様の番号は同様のコンポーネントを指しており、再度詳しく説明することは控える。
【0134】
[00115] 図３１Ａに示すように、ビーム整形アセンブリ例３１０２は、プロセス・ファイバ２９１４からのビームを拡大および再撮像し、このビームを下流プロセス２９１６に導くように構成された１つ以上のレンズ（２つのレンズ３１０４、３１０６が示されている。）を含むことができる。図３１Ｂに示すように、ＶＢＣ伝送ファイバ３１０８は、図３０Ｂのマルチコア・ファイバと同様の、複数の同心円状コア（３つのコア３１１０、３１１２、３１１４が示されている。）を有するマルチコア・ファイバであってもよい。
【0135】
[00116] 動作において、レーザ源（図示せず）からのビーム２９３６を、入射側ファイバ２９０６を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２に導くことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、ビーム２９３６の特性を変化させて調節ビーム２９１０を供給することができる。尚、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、以上で論じた実施形態の内任意のものにしたがって、ビーム２９３６の特性を変化させてもよいことは認められてしかるべきである。次いで、ＶＢＣ伝送ファイバ３１０８を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２からの調節ビーム２９１０を自由空間光学素子アセンブリ２９１２に導くことができる。尚、ある実施形態では、レーザ・システム３１００が自由空間光学素子アセンブリ２９１２を含まなくてもよいことは認められてしかるべきである。例えば、ビーム２９３６の整形は、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２および／またはビーム整形アセンブリ３１０２のような、レーザ・システム２９００における他のコンポーネントの内の１つ以上によって行うこともできる。自由空間光学素子アセンブリ２９１２からの調節ビーム２９１０は、プロセス・ファイバ２９１４を通じて、プロセス・ヘッド２９０４およびそのビーム整形アセンブリ３１０２に導き、通過させることができる。次いで、ビーム整形アセンブリ３１０２のレンズ３１０４、３１０６がこのビームを拡大および／または再撮像し、修正したビームを下流プロセス２９１６に導くことができる。
【0136】
[00117] 図３２Ａは、可変ビーム特性を付与するように構成されたＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と、他のビーム整形アセンブリ例３２０２とを含む他のレーザ・システム３２００を示す。レーザ・システム３２００は、以上で説明したレーザ・システム２９００といくつかの点で同様であってもよく、したがって、図２９Ａの説明を参照することにより最良に理解することができる。図２９Ａでは、同様の番号は同様のコンポーネントを指しており、再度詳しく説明することは控える。
【0137】
[00118] 図３２Ａに示すように、ビーム整形アセンブリ３２０２は、１つ以上のレンズ（２つのレンズ３２０４、３２０６が示されている。）と、１つ以上の反射器またはミラー（１つのミラー３２０８が示されている。）とを含むことができる。レンズ３２０４、３２０６は、プロセス・ファイバ２９１４からのビームを拡大および再撮像し、このビームを反射器３２０８に導くように構成することができる。例えば、レンズ３２０４、３２０６は、ビームを反射器３２０８の異なる部分に導くように構成することもできる。反射器３２０８は、レンズ３２０４または３２０６からの１つのビームまたは複数のビームを受け、このビームまたは複数のビームを反射するように構成することができる。例えば、図３２Ａに示すように、反射器３２０８は、第１ビーム経路３２１０に沿ってビームの少なくとも第１部分を反射し、第２ビーム経路３２１２に沿ってビームの第２部分を反射するように構成することもできる。図３２Ｂに示すように、ＶＢＣ伝送ファイバ３２１４は、複数のコア（２つのコア３２１６、３２１８が示されている。）を含むマルチコア・ファイバであってもよい。コア３１２６、３２１８は、ＶＢＣ伝送ファイバ３２１４の直径に沿って互いに整列されてもよい。
【0138】
[00119] 動作において、レーザ源（図示せず）からのビーム２９３６を、入射側ファイバ２９０６を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２に導くことができる。ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、ビーム２９３６の特性を変化させて、調節ビーム２９１０を供給することができる。尚、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２は、以上で論じた実施形態の内任意のものにしたがって、ビーム２９３６の特性を変化させてもよいことは認められてしかるべきである。次いで、ＶＢＣ伝送ファイバ３２１４を通じて、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２からの調節ビーム２９１０を自由空間光学素子アセンブリ２９１２に導くことができる。尚、ある実施形態では、レーザ・システム３２００が自由空間光学素子アセンブリ２９１２を含まなくてもよいことは認められてしかるべきである。例えば、ビーム２９３６の整形は、ＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２および／またはビーム整形アセンブリ３２０２のような、レーザ・システム２９００における他のコンポーネントの内の１つ以上によって行うこともできる。自由空間光学素子アセンブリ２９１２からの調節ビーム２９１０は、プロセス・ファイバ２９１４を通じて、プロセス・ヘッド２９０６およびそのビーム整形アセンブリ３２０２に導かれ、通過させることができる。次いで、ビーム整形アセンブリ３２０２のレンズ３２０４、３２０６がこのビームを拡大および／または再撮像し、ビームを反射器３２０８の別個部分に導くことができる。反射器３２０８は、ビームを受け、このビームの第１および第２部分を下流プロセス２９１６に、それぞれ、第１および第２ビーム経路３２１０、３２１２に沿って反射させることができる。
【0139】
[00120] 図２９～図３２では、ビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２を、１つ以上のビーム整形コンポーネントまたはデバイスを特定の構成で含むように示す。尚、本明細書において開示したビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２は、様々な数の１つ以上のビーム整形コンポーネントまたはデバイスを含んでもよく、これらのビーム整形コンポーネントの各々は任意の数の方法で構成されても(arranged)よいことは認められてしかるべきである。例えば、以上で論じたビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２において示したレンズ、ＤＯＥ、および／またはミラー／反射器の内任意の１つ以上を、除去すること、レンズ、レンズ・アレイ、微小光学素子またはデバイス、ファセット・レンズ、反射器／ミラー、ＤＯＥ、位相マスク、波長板、拡大レンズ、回折格子、光学フィルタ、集積光学素子、円筒状レンズ、および／またはレンズレット・アレイのような、他のビーム整形コンポーネントと交換すること、および／またはこれらで補足することもできる。更に、ビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２において開示したビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上は、任意の構成で配置されてもよい。例えば、ビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上を、残りのビーム整形コンポーネントの内任意の１つの上流側または下流側に移動させてもよい。更に、図２９～図３２において示したビーム形成コンポーネントは固定されているが、他の実施形態では、それぞれのビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２のビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上が動的であってもよいことも、認められてしかるべきである。例えば、それぞれのビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２のビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上が、手動でまたは自動的に操作あるいは並進されるように構成されてもよい。例えば、それぞれのビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２のビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上が動的に調節されてもよい。それぞれのビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２のビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上の動的な調節は、それぞれのＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と同期されてもよい。あるいは、それぞれのビーム整形アセンブリ２９２０、３００２、３１０２、３２０２のビーム整形コンポーネントの内任意の１つ以上の調節は、それぞれのＶＢＣファイバ・アセンブリ２９０２と無関係であってもよい。
【0140】
[00121] 以上で説明したように、光ビーム伝送デバイスは、第１屈折率分布（ＲＩＰ）を含む第１長のファイバと、第２ＲＩＰを有し第１長のファイバに結合された第２長のファイバと、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の内１つ以上において、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含むことができる。つまり、一実施態様では、方法３１００は、更に、光ビームを第１長のレーザ内に発射するステップと、この光ビームを第２長のファイバ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ために摂動デバイスを有効化するステップと、光ビームの修正された１つ以上のビーム特性の少なくとも一部を、第２長のファイバの１つ以上の閉じ込め領域内に閉じ込めるステップであって、第１ＲＩＰが第２ＲＩＰとは異なる、ステップとを含むことができる。
【0141】
[00122] 本明細書において説明したシステムおよび方法は、矩形ビーム形状を有する光ビームを形成するため、および／または矩形ビーム形状、更には非対称ビーム形状、同心円状ビーム形状の寸法あるいはアスペクト比を変化させるため、もしくは近場ビーム形状（空間プロファイル）を変化させることなく、発散プロファイル（ＮＡ）を変化させるために使用することができる。光ファイバを参照して種々の実施態様について説明したが、方形、矩形、多角形、楕円形、長円形、または他の断面形状を有する１つ以上の閉じ込め領域を有する他の種類の光導波路を使用することもできる。光ファイバは、通例、所定の屈折率が得られるようにまたは屈折率の差が生ずるようにドープされた（またはドープされない）シリカ（ガラス）で形成される。ある例では、ファイバまたは他の導波路は、対象波長に応じて、ふっ化ジルコニウム酸塩、フッ化アルミン酸、フッ化物ガラスまたはりん酸塩ガラス、カルコゲン化物ガラス、あるいはサファイアのような結晶材料というような、他の材料で作られる。加えて、矩形ビームの形成、および／または矩形ビームの寸法もしくはアスペクト比の変更は、材料処理の間、または材料処理工程(runs)の間に、現場で行うことができる。
【0142】
[00123] 本開示において説明した少なくとも１つの実施態様の利点の１つには、大型でより高価なズーム処理光学素子アセンブリによるのではなく、光ビーム伝送デバイスによる、加熱プロセスに使用される光ビームのビーム形状の調節が含まれる。
【0143】
[00124] 以上、本明細書において開示した技術の例について、その総合的および特定的な原理を説明し図示したが、これらの例は、このような原理から逸脱することなく、構成および詳細を変更できることは認められてしかるべきである。以下の請求項の趣旨および範囲内に該当する全ての変更および変形を特許請求することとする。
【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29A】
【図29B】
【図30A】
【図30B】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】