特許7487197制御可能な出力ビーム強度プロファイルを有する超高ファイバレーザシステム
(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】2024-05-10
(45)【発行日】2024-05-20
(54)【発明の名称】制御可能な出力ビーム強度プロファイルを有する超高ファイバレーザシステム
(51)【国際特許分類】
G02B 6/42 20060101AFI20240513BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20240513BHJP
G02B 6/036 20060101ALI20240513BHJP
G02B 6/24 20060101ALI20240513BHJP
H01S 3/067 20060101ALI20240513BHJP
【ＦＩ】
G02B6/42
G02B6/02 411
G02B6/02 421
G02B6/036
G02B6/24
H01S3/067
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2021531606
(86)(22)【出願日】2019-12-03
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-25
(86)【国際出願番号】 US2019064251
(87)【国際公開番号】W WO2020117816
(87)【国際公開日】2020-06-11
【審査請求日】2022-09-26
(31)【優先権主張番号】62/774,846
(32)【優先日】2018-12-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501012517
【氏名又は名称】アイピージー フォトニクス コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ユージーン・シチェルバコフ
(72)【発明者】
【氏名】ヴァレンティン・フォミン
(72)【発明者】
【氏名】アンドレイ・アブラモフ
(72)【発明者】
【氏名】ミハイル・アブラモフ
(72)【発明者】
【氏名】ドミトリ・ヤゴドキン
【審査官】奥村 政人
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５２７１８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８２５５３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３０１６６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１９０９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０５５０４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２７５９９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０４１３４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５１７０５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５１３２４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４５１６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５３０５５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５１５３４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１３４９６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０３４１８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０３８１８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１１５９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０６４８７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１９８９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２８８９４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／０２－ ６／０３６
Ｇ０２Ｂ ６／２４
Ｇ０２Ｂ ６／２５５－６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０－ ６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／３６－ ６／４４
Ｈ０１Ｓ ３／００－ ５／５０
Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれのレーザビームを選択的に出力するように制御される、少なくとも１つの中心ファイバレーザ発生源および複数の周辺ファイバレーザ発生源と、それぞれの中心ファイバレーザ発生源および周辺ファイバレーザ発生源からのレーザビームを受け取り案内するそれぞれのコアを有する、中心供給ファイバおよび周辺供給ファイバと、
中心ガイドファイバおよび前記中心ガイドファイバを囲む複数の周辺ガイドファイバの先細のファイバ束であって、前記中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバが互いに融合されてファイバコンバイナを構成し、
それぞれの中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバの入力端が、中心供給ファイバおよび周辺供給ファイバのそれぞれの出力端に接合される、先細のファイバ束と、
マルチコア送達用ファイバであって、
入力端および出力端、
入力端と出力端の間に延在して入力端と出力端から内向きに離間される中間部であって、前記入力端および出力端のものより大きい直径を備える、中間部、ならびに
入力端および出力端を前記中間部のそれぞれの対向する端部とブリッジする、入力先細部分および出力先細部分、
を有する、マルチコア送達用ファイバと、
を備え、
前記マルチコア送達用ファイバが、
互いに径方向に離間され、前記ファイバコンバイナのそれぞれの中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバに結合される、同心状の中心コアおよび第２のコアであって、前記中心コアが前記中心ガイドファイバのものと合致する、またはより大きいコア外径を有する、同心状中心コアおよび第２のコア、ならびに
前記第２のコアと同心で前記第２のコアをサンドイッチする内部クラッドおよび外部クラッド、
で構成され、
前記レーザビームのうちの１つが、それぞれの前記中心供給ファイバ、前記中心ガイドファイバ、および、前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアの接合されるコアによって画定される第１の固定経路に沿って伝播し、残りのレーザビームが、前記周辺供給ファイバおよび前記周辺ガイドファイバそれぞれのコアを通り、前記マルチコア送達用ファイバの前記第２のコアをさらに通る第２の固定経路に沿って伝播し、
前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアの外径が、前記入力先細部分、前記中間部および前記出力先細部分に対応するように変化し、かつ、前記第２のコアの外径も、前記入力先細部分、前記中間部および前記出力先細部分に対応するように変化する、超高パワー全ファイバレーザシステム。
【請求項2】
前記ファイバコンバイナのそれぞれの中心ガイドファイバに結合される複数の中心供給ファイバをさらに備える、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項3】
前記中心ガイドファイバが前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアに突合せ接合され、前記周辺ガイドファイバが前記マルチコア送達用ファイバの前記第２のコアに突合せ接合されて、前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアと重ならない、請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項4】
各々が少なくとも２つの供給ファイバのグループを組み合わせる複数の第２のファイバコンバイナをさらに備え、その結果、前記中心供給ファイバが中心の第２のファイバコンバイナ中で組み合わされ、一方、前記周辺供給ファイバが複数の周辺の第２のファイバコンバイナの中で組み合わされ、第２の中心および周辺ファイバコンバイナが、前記ファイバコンバイナの前記中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバに接合されるそれぞれの出力ファイバを有する、請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項5】
前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源に結合されて前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源を選択的に通電するコントローラをさらに備え、その結果、前記中心ファイバレーザ発生源だけが、前記第１の固定経路に沿って、前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアへと伝播するレーザビームを放出する、または
１つまたは複数の周辺ファイバレーザ発生源だけが、前記第２の固定経路に沿って伝播し、前記マルチコア送達用ファイバの前記第２のコアへと結合するそれぞれのレーザビームを放出する、または
前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源が、前記マルチコア送達用ファイバのそれぞれの前記中心コアおよび第２のコアへと結合するそれぞれのレーザビームを放出し、前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアおよび第２のコアから出力される前記レーザビームがそれぞれ異なるビーム強度プロファイルを有する、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項6】
前記マルチコア送達用ファイバの前記出力端に融合される石英ビームエキスパンダをさらに備える、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項7】
前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源のすべてが同じ形態または異なる形態で動作し、前記形態が、連続波（ＣＷ）、もしくは準連続波（ＱＣＷ）、もしくはパルス、または異なる形態の組合せを含む、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項8】
前記周辺ファイバレーザ発生源がＣＷ形態で動作し、一方、前記中心ファイバレーザ発生源がＱＣＷ形態で動作する、請求項７に記載のレーザシステム。
【請求項9】
前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源が互いに同時に通電される、または、前記中心ファイバレーザ発生源が、前記周辺ファイバレーザ発生源の前もしくは後に通電される、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項10】
前記周辺ファイバレーザ発生源が選択的に通電される、請求項９に記載のレーザシステム。
【請求項11】
前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源が単一横モード（ＳＭ）またはマルチモード（ＭＭ）でそれぞれのレーザビームを出力し、前記中心ファイバレーザ発生源および前記周辺ファイバレーザ発生源が各々、マスタ発振器パワーファイバ増幅器（ＭＯＰＦＡ）構成、または発振器を有する、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項12】
前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアおよび第２のコアがそれぞれの屈折率を有する一方で、前記内部クラッドおよび外部クラッドが、それぞれの中心コアおよび第２のコアの屈折率より低いそれぞれの屈折率で構成される、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項13】
前記マルチコア送達用ファイバのそれぞれの中心コアおよび周辺コアの前記屈折率が互いに等しく、または異なり、それぞれの内部クラッドおよび外部クラッドの前記屈折率が互いに等しく、または異なる、請求項１２に記載のレーザシステム。
【請求項14】
前記ファイバコンバイナが３ｘ１、７ｘ１、１９ｘ１、または３８ｘ１ポート構成を有する、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項15】
前記マルチコア送達用ファイバの前記中心コアの直径が５０μｍと１００μｍの間の範囲で変わり、前記マルチコア送達用ファイバの外径が１５０μｍ～３００μｍである、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項16】
前記ファイバコンバイナを囲み、入出力面を越えて延在する保護用スリーブをさらに備えて、前記ファイバコンバイナと供給ファイバの間および前記ファイバコンバイナと前記マルチコア送達用ファイバの間それぞれの結合領域を保護し、前記保護用スリーブが、前記マルチコア送達用ファイバの前記内部クラッドおよび外部クラッドのものより低い屈折率を有するポリマから作られる、請求項１に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、超高全ファイバレーザシステムに関する。特に、本開示は、同時または順次に、異なる強度分布プロファイルを有するビームを送達するように動作する、超高パワー全ファイバレーザシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
超高ファイバレーザシステムは、マルチｋＷ高輝度出力光を出力することが知られている。典型的な高パワーファイバレーザシステムは、一緒に組み合わされる複数のファイバレーザモジュールを含むので、大きな占有面積を有しており、したがって、容易には操作可能でない。さらにしばしば、高パワー光を離れた、アクセスするのが困難な場所に送達することが必要である。このために、高パワーレーザシステムは、多くの非線形効果に起因して、光の品質およびファイバの完全性に有害な可能性のある、長い送達用ファイバを有する。
【0003】
「非線形」という用語は、光学では、強度依存性の現象を意味する。光ファイバにおける非線形効果は、（１）光強度での媒体の屈折率の変化、および（２）非弾性散乱現象に起因して発生する。非線形効果は、伝送長に依存する。ファイバリンク長が長いほど、光相互作用が大きくなり、非線形効果が大きくなる。ファイバ中の非線形性に影響を及ぼす他の要因は、強度であり、強度は、コアの面積に反比例する。強度が強くなるほど、非線形効果が大きくなる。これらの要因は、高パワーファイバレーザシステム中に常に存在し、システムのパワーと品質の両方を低下させることによって、システムの出力に悪影響を及ぼす可能性がある。
【0004】
材料を切断および溶着するための様々な解決策は、様々なビーム強度プロファイルの出力ビームを必要とすることが多い。たとえば、「リング」形状のプロファイルなどといった、より従来型のビームプロファイルの代わりに「ドーナツ」形状のプロファイルを使用するとき、はるかに低いパワー、より高い切断速度および品質で金属の切断を実施できることが観察されている。「ドーナツ」型は、コアの周辺部の周りの比較的高い強度、およびコアの中心（または軸）領域に沿った比較的低い強度によって特徴づけられる。
【0005】
確実に単一の送達用ファイバへと組み合わされるそれぞれの出力ファイバを有する、複数のファイバレーザ発生源で構成されるファイバレーザシステムは、この要件に合致する場合がある。異なるビームプロファイルでそれぞれのビームを出力する、組み合わせた出力ファイバは、様々な産業用途で有利である。たとえば、より従来型のビームプロファイルの代わりにドーナツビームを使用すると、所与の厚さの金属を切断することが、はるかに低いパワー、高い切断速度および改善した品質で実施できることが観察されている。
【0006】
特許文献１は、それぞれの光源からのいくつかの入力ビームをマルチクラッドファイバへ選択的に結合して、異なるビーム形状の出力レーザビームを発生するための様々な配置構成を開示する。入力ビームは、自由空間およびバルク切換光学系を通して伝播し、その後、供給マルチクラッドファイバの所望のコアおよびクラッド領域へと選択的に結合される。選択性は、複数の入力ビームのうちのただ１つが送達用ファイバへと結合することができるように、切換光学系によって実現される。この参照文献中に開示されるレーザは、典型的には、バルク構成要素を利用する光学系に有害な、強い機械的ストレスおよび熱的ストレスと関連する重工業で配備される。さらに、バルク光学系を通って伝播する光ビームには、レンズ表面の反射に起因する損失が生じる。レンズを通して伝送される光学的パワーの減少に寄与する別の要因は、表面の粗さおよびレンズ体積内のガラスの不完全性による光散乱である。
【0007】
特許文献２は、特許文献１のものと同様の配置構成を教示し、そこでは、レンズなどといったバルク光学系を使用することによる、ファイバ対光学系の結合が教示されている。そのような結合は、コリメーション効果を補償する傾向がある。
【0008】
特許文献３は、１つの同軸リングファイバを通して複数の個別に制御可能なレーザビームを伝播することを教示するが、特許文献１とは対照的に、開示されるレーザが全ファイバ設計であるために、バルク切換光学系は存在しない。参照文献は、それぞれの送達用ファイバにより横断され、送達用ファイバのコアおよび少なくとも１つのクラッドへとさらにスライスされる、中心チャンネルおよび周辺チャンネルを有するレーザビームインサートを開示する。コンバイナの構成は複雑であり、したがって、労力および費用は効果的でない。
【0009】
本出願人は、それぞれが参照によって本明細書に完全に組み込まれる、２０１４年８月１３日に出願された特許文献４および２０１５年５月２６に出願された特許文献５に開示される、マルチビームレーザシステムの開発に以前に従事していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】米国特許第８，７８１，２６９号明細書
【文献】米国特許第７，１３０，１１３号明細書
【文献】国際公報第２０１６／１９８７２４号明細書
【文献】国際公報第２０１６／０２５７０１号明細書
【文献】国際公報第２０１６／２００６２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
したがって、離れた位置で、超高パワーレーザビームを出力するように構成される長い送達用ファイバを有する超高パワー全ファイバレーザについて必要である。
【0012】
制御可能な複合出力ビームを提供することができる簡単な構成を有する超高パワー全ファイバレーザシステムについて別に必要である。
【課題を解決するための手段】
【0013】
これらの必要性は、実用的な問題によってのみ制限される、多数のファイバレーザ発生源を含む、開示される超高パワー全ファイバレーザシステムによって満足される。レーザ発生源は、１つまたは複数の中心レーザ発生源、および、具体的な順番なしの、中心発生源の側面に位置する、中心発生源を囲む、または中心発生源からただ単に離間される場合がある、周辺発生源と呼ばれる他の複数のレーザ発生源を有するように配置される。
【0014】
レーザ発生源は、それらの下流端がそれぞれの供給ファイバに接合される、それぞれ中心発生源出力ファイバおよび周辺発生源出力ファイバを通して光経路に沿って案内されるそれぞれのレーザ出力を発生する。かなりの損失を防ぐため、それぞれの接合される出力のコア端部と供給ファイバは、互いに位置合わせされ、均一に寸法決定される。
【0015】
供給ファイバは、ファイバコンバイナを規定するために一緒に融合される複数のガイドファイバを含む先細のファイバ束に結合される。ファイバコンバイナは、当業者に知られているように、中心供給ファイバの下流端に接合される中心ガイドファイバ、および中心ガイドファイバを囲みそれぞれの周辺供給ファイバに突合せ接合される複数の周辺ガイドファイバで構成される。こうして構造的にファイバコンバイナは、大きい入力面、および入力面よりも小さい出力面を有する。
【0016】
開示されるシステムでは、ファイバコンバイナの出力面がマルチコア送達用ファイバに接合され、このことによって、周辺ファイバを通して案内される光が、少なくとも１つの第２のコアへと結合されるのを可能にする一方、１列の接合した中心ファイバを通して伝播する光は、送達用ファイバの中心コアへと結合される。送達用ファイバの縦断面図は、好ましくは、２重ボトルネック型を有し、これは、２つの比較的小さい入出力端、各端部のものより大きい直径を有する中間部、中間部の対向する端部とそれぞれの入出力端とをブリッジする２つの先細部で構成される。開示される構造によって、送達用ファイバが従来技術のものよりはるかに長くなることが可能になる。というのは、非線形効果についての閾値は、中心部の拡大したコア直径に起因して、均一に寸法決定された送達用ファイバで観察される閾値より高いためである。
【0017】
開示される全ファイバレーザシステムは、特許文献３とは対照的に、１つの中心ファイバ端および複数の周辺ファイバ端で構成される先細コンバイナへと一緒に結合される、それぞれの供給ファイバを有する複数のレーザ発生源を含む。先細コンバイナは、ファイバコンバイナの中心コアおよび周辺コアと位置合わせされるそれぞれの中心ファイバおよび周辺ファイバのコアを有するマルチコア送達用ファイバに直接接合される。送達用ファイバの出力端は、石英ブロックと光学的および機械的接触する。供給ファイバと送達用ファイバの間の全ファイバ接続は、特許文献３の複雑で労働集約型のファイバカプラの必要性を取り除く。それぞれのレーザ発生源の出力を制御することによって、送達用ファイバが様々なビーム形状を有するビームを出力することが可能になる。
【0018】
レーザ発生源は、マルチモード、シングルモード、またはＭＭとＳＭの組合せの発生源、偏光または非偏光の発生源として構成することができる。レーザ発生源は、任意の特定のパワーレベルに限定されず、したがって、数ワットから数百ｋＷ、任意の所与のレーザ発生源の動作形態に依存して、最大１ＭＷまたは数ＭＷの非常に広範囲のパワーで動作する。動作形態は、連続波（ＣＷ）、準連続波（ＱＣＷ）、およびパルスレーザ動作から選択することができる。本開示の範囲内の動作形態は、同じ動作形態または異なる動作形態で、同時にまたは順次動作するすべてのレーザ発生源を含むことができる。好ましくは、レーザ発生源は、ファイバレーザであるが、光ファイバ付きダイオードレーザ、ＹＡＧ、ディスクレーザ、および任意の可能な組合せのレーザ構成が本開示の範囲内である。本開示によってカバーされるすべてのレーザの変更形態に共通なのは、必ずマルチコア送達用ファイバで構成されるファイバ送達システムである。上で開示されたレーザ構成のすべて、ならびに上で開示され以下で詳細に議論される特徴は、本開示の特許請求の範囲に記載される主題から逸脱することなく、互いに任意の組合せで使用することができる。
【0019】
開示されるファイバレーザシステムの上記および他の特徴は、以下の図面が添付される詳細な説明からより容易に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】一変形形態に従って構成される、開示されるファイバレーザシステムの略図である。
【図2】別の変形形態に従って構成される、開示されるレーザシステムの概略縦断面図である。
【図4A】７ｘ１ファイバコンバイナの出力面の断面図である。
【図4C】コンバイナと送達用ファイバそれぞれの接合された端部間の界面である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
ここで、本発明の実施形態へ詳細に参照が行われる。可能な場合には、図面および説明の中で、同じまたは同様の部分またはステップを言及するために、同じまたは同様の参照番号を使用する。図面は、簡略化した形であって、正確な縮尺ではない。利便性および明瞭性だけのため、方向（上下など）または運動（前後など）といった用語を、図に関して使用する場合がある。「結合」という用語および同様の用語は、必ずしも、直接で直の接続を示さず、中間の要素またはデバイスを介した接続も含む。
【0022】
図１、図２、および図３に示される本発明の概念によれば、開示される超高パワー全ファイバレーザシステム１０は、実用的な問題によってのみ制限される、任意の数のファイバレーザ発生源１４ｐ～１４ｃを含むことができる。レーザ発生源１４は、１つまたは複数の中心レーザ発生源１４ｃ、および、具体的な順番なしの、中心発生源の側面に位置する、中心発生源を囲む、または中心発生源からただ単に離間される場合がある、複数の周辺レーザ発生源１４ｐを有する構成で配置される。レーザ発生源１４の動作形態は、連続波（ＣＷ）、もしくは準連続波（ＱＣＷ）、またはパルス形態のうちの１つから選択することができる。本開示の範囲では、レーザ発生源１４がそれぞれ異なる形態で動作することを実現し、またはすべての発生源が同じ形態を有することができる。たとえば、中心レーザ１４ｃがＱＣＷレーザであってよく、一方、周辺レーザ発生源１４ｐが、ＣＷ形態で動作することができる。レーザ発生源は、単一横モード（ＳＭ）または多重横モード（ＭＭ）で同時にまたは順次それぞれのレーザビームを出力することができ、このことは、必然的にＳＭファイバまたはＭＭファイバのいずれかを伴う。ＳＭレーザ発生源とＭＭレーザ発生源の組合せ、ならびにそれぞれＳＭファイバおよびＭＭファイバを含む構成は、やはり本開示の範囲内であることが意図される。それぞれのレーザ発生源１４の出力パワーは、互いに同じまたは異なってよい。レーザ発生源は、ソフトウェアおよびレーザ技術の当業者に知られているやり方で、中央処理装置１２によって制御される。
【0023】
レーザ発生源１４は、それらの下流端がそれぞれの供給ファイバ１８ｃおよび１８ｐに接合される、それぞれ中心出力ファイバ１６ｃおよび周辺出力ファイバ１６ｐを通して光経路に沿って案内されるそれぞれのレーザ出力を発生する。損失を防ぐため、それぞれの接合される出力のコアと供給ファイバは、互いに位置合わせされ、均一に寸法決定される。
【0024】
供給ファイバ１８ｐおよび１８ｃは、下流のファイバコンバイナ２０を規定するために一緒に融合される複数のガイドファイバを含む先細のファイバ束に結合される。ファイバコンバイナは、当業者に知られており図２に示されるように、中心供給ファイバ１８ｃの下流端に接合される中心ガイドファイバ２２ｃ、および中心ガイドファイバ２２ｃを囲み周辺供給ファイバ１８ｐに接合される複数の周辺ガイドファイバ２２ｐで構成される。入力面２４および出力面２６は、それぞれ、それらの間にコンバイナ２０の本体を規定する。
【0025】
開示されるシステムでは、下流のファイバコンバイナ２０（図１）の出力面２６がマルチコア送達用ファイバ２８に接合され、このことによって、周辺ファイバ１６ｐ、１８ｐ、および２２ｐを通して案内される光が、少なくとも１つの第２のコア３２へと結合されるのを可能にする一方、１列の接合した中心ファイバ１６ｃ、１８ｃ、および２２ｃを通して伝播する光は、送達用ファイバの中心コア３４へと結合される。中心コア３２および第２のコア３４は、それぞれ、内部クラッド３６によって分離され、内部クラッド３６は、外部クラッド３８と一緒に第２のコア３２をサンドイッチする。供給ファイバ１８の数に依存して、コンバイナ２０は、３ｘ１または７ｘ１または１９ｘ１構成を有することができ、これによって、より多くの供給ファイバ１８を、送達用ファイバ２８の１つより多くの第２のコアに結合させることができる。技術的な環境が許す場合には、より多くのファイバを、コンバイナの本体に収容することができる。
【0026】
送達用ファイバ２８の縦断面図は、好ましくは、２重ボトルネック型を有し、これは、互いに向かって延在して互いからある距離で終端する、入力先細部または先細部分４４および出力先細部または先細部分４６で構成される。中間部４２は、送達用ファイバの各入力面および出力面のものより大きい直径を有し、それぞれ部分４４および４６をブリッジする。図１に示されるように、入力部４４および出力部４６は、各々、送達用ファイバ２８の面から直接外側に先細となってよい。代わりに、送達用ファイバ２８は、対向する入力細長円筒形端部４８、出力細長円筒形端部５０のそれぞれを備えることができ、その各々は、図２に図示されるように、面と先細部分４４、４６の間に延在する。送達用ファイバ２８は、１００ｋＷ ＣＷレーザシステム１０において、何ら低下を示すことなく、最高で少なくとも２０ｍの長さとすることができる。保護用スリーブ５２が送達用ファイバ２８を包み、コンバイナの出力ファイバと送達用ファイバの間の接合５４をカバーする（図２）。端部ブロックまたはビームエキスパンダ４０は、送達部２８の出力面に接合され、知られているやり方で、環境からの危険を最小化するように構成される。
【0027】
供給ファイバ１８ｃ、１８ｐは、下流コンバイナ２０の中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバそれぞれに直接結合されるように上で開示される。代わりに、図１に示されるように、複数の中心レーザ発生源１４ｃと複数の周辺レーザ発生源１４ｐを一緒にグループ化することができる。各グループのそれぞれのレーザ発生源から光を案内する供給ファイバ１８は、今度は、それぞれの第２のまたは上流のコンバイナ６０に結合される。したがって、システム１０は、コンバイナ２０の中心ガイドファイバおよび周辺ガイドファイバに接合される出力ファイバ６２ｃおよび６２ｐそれぞれを有する中心コンバイナ６０ｃおよび周辺コンバイナ６０ｐを備えることができる。各コンバイナの複数のレーザ出力を単一の出力ファイバへと組み合わせることによって、下流コンバイナ２０に送達される光の強度を増加させることができる。各グループの供給ファイバ１８の数は、変えることができ、技術的および実用的な問題によってのみ制限される。たとえば、図１は、各コンバイナ６０ｃ、６０ｐの３ｘ１構成を図示する。送達用ファイバ２８は、当技術分野で知られているようなクラッドモード吸収器を備えることができ、クラッドモード吸収器は、送達用ファイバ２８の保護層に有害な可能性がある、外部クラッドに沿ったモードの伝播を取り除くように構成される。
【0028】
図４Ａは、中心ファイバ２０ｃおよび６つの周辺ファイバ２０ｐを備える、７ｘ１下流ファイバコンバイナ２０の断面図を図示する。コンバイナのファイバ２２ｃ、２２ｐは、供給ファイバ１８の出力それぞれに接合される。図４Ｂに図示される２コア送達用ファイバ２８は、中心ガイドファイバ２２ｃのものとほぼ等しい直径を有する中心コア３４を有する。送達用ファイバ２８の第２のコア３２は、図４Ｃに示されるように、コンバイナ２０の周辺ガイドファイバ２２ｐを受け入れるように寸法決定される。送達用ファイバ２８の屈折率プロファイルが図４Ｄに図示される。
【0029】
図５Ａ～図５Ｄは、図４Ａ～図４Ｄのそれぞれの図に対応するそれぞれの図を図示する。しかし、示されるコンバイナ２０の構成は、内部の円と同心に配置される１９のガイドファイバ２０ｃおよび２０ｐを含み、内部の円は中心ガイドファイバ２０ｃに対応し、外部の円は１２の周辺ガイドファイバ２０ｐを有する。ガイドファイバの数の増加によって、送達用ファイバ２８の変更がもたらされる場合がある。図５Ｂおよび図５Ｄに図示されるように、後者は中心コア３４ならびに２つの第２のコア３２および３５で構成される。３つのクラッド３６、３８、および３９が、図５Ｂの構成に匹敵する。図４Ａ～図４Ｄの構成と同様に、ガイドファイバ２０Ｃと送達用ファイバ２８の中心コア３４のそれぞれのコア直径は、互いに合致するように寸法決定される。
【0030】
図４Ｄおよび図５Ｄを簡単に参照すると、中心コアと第２のコアそれぞれの屈折率ｎ１は、互いに等しいように図示される。しかし、本開示の範囲は、互いに異なるそれぞれの屈折率で構成される中心コアおよび第２のコアをカバーする。同様に、内部および外部クラッド３８、３６、および３９は、均一な屈折率ｎ２を有すると示される一方で、クラッドは、互いに等しくないそれぞれの屈折率を有することができると予測される。
【0031】
図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、コンバイナ２０および送達用ファイバ２８の断面図を図示する。この変形形態と図４および図５に示されるものとの間の差異は、コンバイナ２０の異なる複数の中心ファイバ２０ｃを含む。特に、３つの中心ファイバ２０ｃが一緒になって、送達用ファイバ２８の中心コア３４のコア直径と合致する外周を規定する。
【0032】
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ図６Ａおよび図６Ｂに類似する。しかし、ファイバコンバイナ２０は、送達用ファイバ２８の中心コア３２のコア直径と合致する外周を規定する７つの中心ファイバ２０ｃによって規定される中心ゾーンを有する。１２の案内周辺ファイバ２０ｐが送達用ファイバ２８の第２のコア３２に接合され、すべての上で開示された変形形態と同様に、送達用ファイバ２８のそれぞれのクラッド３６、３８の隣接する領域へと径方向に延在し得る。
【0033】
レーザ分野の当業者には容易に理解されるように、コンバイナ２０の中心ファイバ２０ｃの数を増やすことができる。中心ファイバ２０ｃの数が増えることによって、今度は、送達用ファイバ２８の中心コア３４のコア直径の増加が必要となる場合がある。送達用ファイバ２８の中心コア３４のコア直径は、５０μと１００μの間で変わることができる一方で、送達用ファイバ２８の外径は１５０μと３００μの間の範囲であってよい。もちろんこれらの範囲は、例示であり、任意の所与の要件に従って調節することができる。
【0034】
図１および図２は、本発明の例示的な概略を記載し、それによって、レーザシステム１０は、下で開示されるように、中心送達用ファイバ２０を囲むそれぞれの供給光ファイバ１８１～１８ｎを通して、それぞれのレーザ１４１～１４ｎからの複数の異なる出力を送達する。それぞれの供給ファイバの下流端は、マルチコア送達用ファイバ２４の上流端に直接接合されるように下で開示されるコンバイナを形成する。後者は、今度は、石英から作られる端部ブロック２６に融合される。
【0035】
レーザ１４１～１４ｎは、コンソール１２の中に囲繞することができ、またはそれぞれ異なる場所に配置することができる。レーザは、上で開示したように、同様または異なる特性を有する同一または異なる構成を有し、同じまたは異なる動作形態で動作することができる。
【0036】
図３および図４を参照すると、供給周辺ファイバ１８および中心ファイバ２０それぞれの複数の出力端が一緒に結合されて、７つの構成要素のコンバイナ２５または１９個の構成要素のコンバイナ（図５Ａ、図５Ｃ、および図６）、または、ファイバレーザ分野の当業者には知られているやり方で、先細の中間部２７および一般的に円筒形の端部２９を有するように成形される、任意の他の合理的な数のこうした構成要素を形成する。離間し同じ広さに広がる供給ファイバ１８の外側周辺部によって決定される外径Ｄ－Ｄから端部２９の外径ｄへの減少は（図４Ａ）、２～１０倍の範囲内で変わることができる。実際の減少の決定要因は、（１）中心供給ファイバ２０（図４）の減少した中心コア２０’（図４Ａ）および送達用ファイバ２４のコア３０（図４Ｂ）、および（２）それぞれの周辺供給ファイバ１８（図４）のコア１８’（図４Ａ）および送達用ファイバ２４のクラッド２８（図４Ｂ）の位置合わせおよび寸法を含む。図５、図６の構成の場合には、中心ファイバ２０に隣接する周辺ファイバ１８は、コア３０’と位置合わせするべきであり、送達用ファイバ２４（図５Ｂ）、および中心コアの隣のものを囲む周辺供給ファイバ１８は、送達用ファイバ２４のコア３０”に位置合わせされる、などである。図３～図４では、隣の送達用周辺ファイバ１８それぞれの端部２９は、すべてが互いにまた供給ファイバ２０の中心端部に機械的に接触することに留意されたい。図５、図６では、それぞれの「外部の」隣接する周辺ファイバ１８、すなわち、中心供給ファイバ２０から径方向に離間されるそれら供給ファイバ１８の端部が、互いに、また隣接する「内側の」供給ファイバのそれぞれの端部と明らかに接触する。全体構造を完了させるのは、当業者に知られている方法での、コンバイナ２５と送達用ファイバ２４の間の接合領域をカバーするポリマ材料の保護用スリーブ３４である。
【0037】
送達用ファイバ２４は、図４Ｂの２つのコア領域２８、３０それぞれ（または図５Ｂの３つのコア領域３０～３０”以上）で構成される。コア領域は同心で、図４Ｄおよび図５Ｄに示されるような、コア領域を分割する、内部コア同心領域３６～３６”の各々の屈折率ｎ２より高い同じ屈折率ｎ１を有する。
【0038】
図３Ｃと組み合わせて図３Ｅを参照すると、単一の中心ファイバ２０の代わりに、複数のファイバ２０、４２、および４４を使用することができる。これらのファイバは、同心状に位置決めされ、同じまたは異なるレーザ発生源からのビームを案内する（図示せず）。周辺ファイバ１８～１８”は、図４Ａのものと同様のやり方で、外部の中心ファイバ４４を囲む。図３Ｅに示される構成は、図５Ａ～図５Ｄに示される構成で明らかに利用することができる。
【0039】
使用中に、レーザの出力を制御して、光信号を、供給ファイバ１８のそれぞれのコア１８’を通して選択的に案内し（図３Ａ、図４、図５Ａ、および図６）、送達用ファイバ２４の所望の１つまたは複数のコアに結合することができる。結果として、送達用ファイバは、所望の形状を有するシステムビームを出力する。レーザ処理される工作物に入射するビームの形状は、周辺の送達用ファイバの助けなしで１つまたは複数の中心供給ファイバだけを利用する場合には、完全な中心回路だけ、または複数のドーナツ型ビームだけ、もしくは前者と後者を一緒にしたものとなる可能性がある。好ましくは、必ずというわけではないが、図４および図６のコンバイナのすべてのファイバは、マルチモード（ＭＭ）ファイバである。あるいは、中心ファイバ２０だけがＭＭである一方で、すべての周辺ファイバ１８がシングルモード（ＳＭ）ファイバとなる。明らかに、ＭＭファイバとＳＭファイバの他の組合せを利用して、要求される仕事に合致させることができる。
【0040】
図１のレーザ発生源１４１～１４ｎの１つの有利な組合せは、準連続波（ＱＣＷ）領域で動作する「中心」レーザを含むことができる一方、「周辺」レーザは各々がＣＷビームを出力する。中心レーザおよび周辺レーザは、同時または順次動作することができる。ＱＣＷレーザは、たとえば穴開け器として使用することができる一方、ＣＷ周辺レーザは、切断のために使用することができる。図３Ｃおよび図３Ｅの構成では、工作物の穴開けおよび切断の両方は、中心の同心状供給ファイバを利用して実施することができる。動作レーザ領域の他の可能な組合せは、ＣＷレーザまたはＱＣＷレーザのいずれかと組み合わせたパルスレーザを含むことができる。周辺レーザは、ビームを出力しない１つまたは複数の周辺レーザを選択的に利用することができる。
【0041】
少なくとも１つの例のいくつかの態様をこうして記載してきたが、当業者には様々な代替形態、変形形態、および改善形態が容易に想到される。たとえば、本明細書で開示される例は、他の文脈中でも使用することができる。そのような代替形態、変形形態、および改善形態は、本開示の一部であることが意図され、本明細書で議論される例の範囲内となることが意図される。したがって、上の記載および図面は、例のためだけのものである。
【符号の説明】
【0042】
１０ 超高パワー全ファイバレーザシステム
１２ 中央処理装置
１４ レーザ発生源
１４１ レーザ発生源、レーザ
１４ｎ レーザ発生源、レーザ
１４ｃ ファイバレーザ発生源、中心発生源、中心レーザ発生源、中心レーザ
１４ｐ ファイバレーザ発生源、周辺発生源、周辺レーザ発生源
１６ｃ 中心出力ファイバ
１６ｐ 周辺出力ファイバ
１８ 供給ファイバ、周辺ファイバ、送達用周辺ファイバ
１８’ コア
１８” 周辺ファイバ
１８１ 供給光ファイバ
１８ｎ 供給光ファイバ
１８ｃ 供給ファイバ、中心供給ファイバ
１８ｐ 供給ファイバ、周辺供給ファイバ
２０ コンバイナ、ファイバコンバイナ、中心供給ファイバ、中心ファイバ、供給ファイバ
２０’ 中心コア
２０ｃ 中心ファイバ
２０ｐ 周辺ファイバ
２２ｃ 中心ガイドファイバ
２２ｐ 周辺ガイドファイバ
２４ 入力面、送達用ファイバ
２５ コンバイナ
２６ 出力面、端部ブロック
２７ 中間部
２８ 送達用ファイバ、クラッド、コア領域
２９ 端部
３０ コア、コア領域
３０’ コア
３０” コア
３２ 第２のコア
３４ 中心コア、第２のコア、保護用スリーブ
３５ 第２のコア
３６ 内部クラッド、内部コア同心領域
３６” 内部コア同心領域
３８ 外部クラッド
３９ クラッド
４０ ビームエキスパンダ
４２ ファイバ、中間部
４４ 入力部、ファイバ、外部の中心ファイバ、入力先細部、先細部分
４６ 出力部、出力先細部、先細部分
４８ 入力細長円筒形端部
５０ 出力細長円筒形端部
５２ 保護用スリーブ
５４ 接合
６０ コンバイナ
６０ｃ 中心コンバイナ
６０ｐ 周辺コンバイナ
６２ｃ 出力ファイバ
６２ｐ 出力ファイバ
１２ 中央処理装置
１４ レーザ発生源
１４１ レーザ発生源、レーザ
１４ｎ レーザ発生源、レーザ
１４ｃ ファイバレーザ発生源、中心発生源、中心レーザ発生源、中心レーザ
１４ｐ ファイバレーザ発生源、周辺発生源、周辺レーザ発生源
１６ｃ 中心出力ファイバ
１６ｐ 周辺出力ファイバ
１８ 供給ファイバ、周辺ファイバ、送達用周辺ファイバ
１８’ コア
１８” 周辺ファイバ
１８１ 供給光ファイバ
１８ｎ 供給光ファイバ
１８ｃ 供給ファイバ、中心供給ファイバ
１８ｐ 供給ファイバ、周辺供給ファイバ
２０ コンバイナ、ファイバコンバイナ、中心供給ファイバ、中心ファイバ、供給ファイバ
２０’ 中心コア
２０ｃ 中心ファイバ
２０ｐ 周辺ファイバ
２２ｃ 中心ガイドファイバ
２２ｐ 周辺ガイドファイバ
２４ 入力面、送達用ファイバ
２５ コンバイナ
２６ 出力面、端部ブロック
２７ 中間部
２８ 送達用ファイバ、クラッド、コア領域
２９ 端部
３０ コア、コア領域
３０’ コア
３０” コア
３２ 第２のコア
３４ 中心コア、第２のコア、保護用スリーブ
３５ 第２のコア
３６ 内部クラッド、内部コア同心領域
３６” 内部コア同心領域
３８ 外部クラッド
３９ クラッド
４０ ビームエキスパンダ
４２ ファイバ、中間部
４４ 入力部、ファイバ、外部の中心ファイバ、入力先細部、先細部分
４６ 出力部、出力先細部、先細部分
４８ 入力細長円筒形端部
５０ 出力細長円筒形端部
５２ 保護用スリーブ
５４ 接合
６０ コンバイナ
６０ｃ 中心コンバイナ
６０ｐ 周辺コンバイナ
６２ｃ 出力ファイバ
６２ｐ 出力ファイバ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A-4D】
【図5A-5D】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】