KR20190035807A - 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

재료(11)를 레이저 프로세싱하기 위한 장치(10)로서, 그 장치는 레이저(1) 및 빔 전달 케이블(2)을 포함하고, 여기서: 레이저(1)는 빔 전달 케이블(2)에 연결되고; 빔 전달 케이블(2)은 레이저(1)로부터 방출된 레이저 방사선(13)을 송신하도록 구성되고, 레이저 방사선(13)은 빔 파라미터 곱(4)에 의해 규정되고; 장치(10)는: 장치(10)가, 피치(7)에 의해 규정되는 주기적 표면(6)을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘(5)을 포함하고; 레이저(1) 및/또는 빔 전달 케이블(2)의 부분을 형성하는 길이(8)의 광섬유(9)가 주기적 표면(6)에 인접하여 위치되고; 스퀴징 메커니즘(5)이 스퀴징 힘(12)과 함께 주기적 표면(6) 및 길이(8)의 광섬유(9)를 스퀴징하도록 구성되고; 이에 의해 빔 파라미터 곱(4)이 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해 변화되는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법

본 발명은 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

강(steel)의 레이저 절삭(laser cutting)은, 레이저 빔과 동축(co-axial)인 고압 가스 제트를 제공하기 위한 원뿔형 구리 노즐 및 레이저 빔을 콜리메이팅(collimating) 및 포커싱하기 위한 광학계(optics)를 갖는 프로세스 헤드를 통해 레이저 빔을 피가공물(work-piece)에 지향시키는 것에 의해 달성된다. 기본 절삭 동작은, 레이저 빔이 금속판 피가공물을 가열 및 용융하는 것, 그리고 보조 가스 제트라고 알려져 있는 가스 제트가 용융된 재료를 절삭 존(cut-zone)의 저부 밖으로 분출시키는 것을 수반한다. 절삭 헤드는 노즐 팁과 피가공물 표면 사이의 일정한 거리를 유지하면서 판금(sheet metal) 위로 이동된다. 절삭 헤드는 프로그래밍된 경로에서 이동되어, 요망되는 판금 프로파일을 생성한다.

스테인리스 강을 절삭하는 경우에는, 불활성 보조 가스를 사용하는 것이 전형적이다. 이것은 금속 부분이 사용 중일 때 문제들을 야기시킬 수 있는 피가공물의 절삭-에지 면들 상의 금속 산화물들의 생성을 방지한다. 이 절삭 프로세스를 위한 유일한 열원이 포커싱된 레이저 빔에 의해 제공되기 때문에, 보다 높은 에너지 전력 밀도를 갖는 보다 작은 초점 스폿 사이즈는 보다 좁은 용융된 영역을 생성하는 것에 의해 더 효율적인 절삭을 제공할 것이다. 용융 영역이 금속의 두께를 통해 좁아지도록 낮은 발산(divergence)을 사용하는 것이 이롭다. 가장 작은 실제적인 초점 스폿에 대한 한계는 재료 두께와 관련하여 광학 피사계 심도에 의해 결정된다. 이것은 절삭-폭(커프(kerf))이 보조 가스가 충분한 압력으로 절삭의 저부로 이동하게 하여 용융된 재료를 깨끗하게 제거하고 보다 낮은 절삭 에지 상의 드로스(dross)를 회피하여 깨끗한 절삭을 생성하기에 충분히 넓어야 하기 때문이다. 이 절삭 타입의 경우, 보조 가스는, 전형적으로 10 내지 20 bar의 범위에서의, 높은 압력으로 제공되어야 한다. 노즐 유출구의 직경은 통상적으로 범위 0.5 ㎜ 내지 2.0 ㎜에 있고, 일반적으로 보다 두꺼운 재료들이 보다 큰 노즐들을 요구한다.

5 ㎜보다 더 두꺼운 연강(mild steel)(저탄소 강이라고도 또한 알려져 있음)을 절삭하는 경우에, 피가공물 내의 철과 발열 반응하여 절삭 속도를 증가시키는 부가적인 열을 제공하는 산소를 보조 가스로서 사용하는 것이 전형적이다. 이것은 전형적으로 범위 0.25 bar 내지 1 bar에서의 압력들로 제공되는데, 이 범위는 질소 보조 가스 절삭에 사용되는 것에 비해 훨씬 더 낮다. 전형적으로 범위 10 ㎜ 내지 30 ㎜ 두께에서의, 두꺼운 단면 절삭의 경우, 드로스가 없는 절삭을 유지하면서 용융된 재료를 방출하기에 충분한 가스 흐름으로 산소 보조 가스가 절삭 존의 저부에 도달할 수 있도록 커프가 충분히 넓어야 한다. 두꺼운 연강 절삭을 위해, 판금 표면 상의 입사 빔 직경이 빔 허리보다 더 커지도록 빔 허리가 판금 표면 위에 있도록 빔이 디포커싱되는 것이 통상적이다. 빔의 발산이 증가될 때 보다 낮은 에지 거칠기를 갖는 보다 양호한 품질의 절삭들이 획득될 수 있다.

대부분의 범용 플랫베드 레이저 절삭 머신(flatbed laser cutting machine)들은, 모두가 양호한 품질로 되어야 하는, 가변 두께의 다양한 금속들을 절삭하는 것이 요구된다. 초점 스폿 사이즈의 선정은 전형적으로, 넓은 세트의 프로세스 조건들을 충족시키는 데 필요한 요건들의 절충안이다. 얇은 스테인리스 강을 절삭하기 위해 작은 초점 스폿은 낮은 발산이 필요한 한편, 두꺼운 연강을 절삭하기 위해 보다 큰 초점 스폿은 보다 높은 발산이 필요하다. 그러한 플랫베드 절삭 머신들은 고정된 빔 품질을 갖는 레이저로 작동하도록 설계된다. 프로세싱 능력들을 증가시키기 위해, 절삭 헤드는 입사 스폿 사이즈를 증가시킬 수 있는 피가공물에 대한 레이저 빔의 디포커싱을 가능하게 하기 위해, 그리고 두 번째로 초점 스폿 직경이 조정되게 하기 위해, 빔 경로를 따라 포커싱 렌즈의 제한된 이동을 가능하게 하기 위한 증대된 광학 시스템을 가질 수도 있다. 이것은, 일정한 레이저 빔 품질을 갖는 레이저가, 절삭 프로세스 레짐(cutting process regime)들에 의해 요망되는 것과는 반대 방식으로 작용하는 발산과 초점 스폿 사이즈 사이의 고정된 관계를 가질 것이기 때문에 제한된 이익을 갖는다.

상이한 절삭 레짐들은 낮은 발산을 갖는 작은 스폿 또는 높은 발산을 갖는 큰 스폿 중 어느 하나를 요구하는 반면, 고정된 빔 품질의 레이저는 높은 발산을 갖는 작은 스폿 및 좁은 발산을 갖는 큰 스폿을 제공할 수 있다. 그에 따라, 모든 금속 타입들 및 두께들에 대한 프로세스 파라미터들을 최적화시키는 것이 가능하지 않다.

용접, 마킹, 및 첨가제 제조와 같은 다른 재료 프로세싱 장비에서 유사한 한계들이 발생한다. 모든 이들 적용 영역들에서, 레이저의 빔 파라미터 곱(beam parameter product)이 변화되는 것이 가능하고, 프로세싱되는 재료 상의 포커싱된 레이저 빔의 직경이 변화되는 것이 가능한 레이저 프로세싱 장치에 대한 필요성이 있다.

본 발명의 목적은, 상기에 전술한 문제를 감소시키는, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명:

본 발명의 비제한적인 실시예에 따르면, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치가 제공되고, 그 장치는 레이저 및 빔 전달 케이블을 포함하고, 여기서:

레이저는 빔 전달 케이블에 연결되고;

빔 전달 케이블은 레이저로부터 방출된 레이저 방사선을 송신하도록 구성되고;

레이저 방사선은 빔 파라미터 곱에 의해 규정되고;

장치는:

장치가, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘(squeezing mechanism)을 포함하고;

레이저 및/또는 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 길이의 광섬유가 주기적 표면에 인접하여 위치되고;

스퀴징 메커니즘이 스퀴징 힘과 함께 주기적 표면 및 길이의 광섬유를 스퀴징하도록 구성되고;

이에 의해 빔 파라미터 곱이 스퀴징 힘을 조정하는 것에 의해 변화되는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

광섬유를 선택하는 것에 의해 그리고 스퀴징 힘을 변화시키는 것에 의해, 범위 0.3 ㎜.mrad 내지 30 ㎜.mrad에서의 전형적인 산업용 레이저들의 빔 파라미터 곱을 조정하는 것이 가능하다. 유리하게는, 광섬유를 따라 전파하는 레이저 방사선의 빔 반경 및 유효 개구수 양측 모두가 스퀴징 힘을 변화시키는 것에 의해 제어될 수도 있다. 예를 들어 종-형상 가우시안 빔 프로파일(bell-shaped Gaussian beam profile)로부터 톱 햇 빔 프로파일(top hat beam profile)로 또는 링 프로파일로 레이저 방사선의 출력 빔 프로파일을 조정 또는 스위칭하는 것이 또한 가능하다; 이것은 많은 레이저 절삭 적용들에 매우 바람직하다. 본 발명은 절삭과 같은 재료 프로세스들을 최적화시킴에 있어서 훨씬 더 큰 자유를 가능하게 한다. 초점 스폿 사이즈 및 발산은 각각의 판금 타입 및 두께마다 최적화될 수 있다. 장치는 금속들을 관통하기 위한 그리고 스테인리스 강을 절삭하기 위한 높은 빔 품질(낮은 빔 파라미터 곱), 및 보다 두꺼운 연강을 절삭하기 위한 낮은 빔 품질(보다 높은 빔 파라미터 곱)을 갖는 레이저 방사선을 생성하도록 설정될 수 있다. 전자의 경우에, 재료 상에 포커싱될 때 레이저 방사선의 직경은 후자에서보다 더 작고 발산이 더 적어야 한다.

주기적 표면은 처핑될(chirped) 수도 있다. 단조적으로 또는 비-단조 방식으로 스퀴징 메커니즘의 길이를 따라 피치를 변화시키면, 요망되는 빔 파라미터 곱 또는 출력 빔 프로파일을 획득하는 데 요구되는 스퀴징 힘의 양을 감소시켜서, 그에 의해 신뢰성을 증가시킬 수 있다.

스퀴징 메커니즘은, 서로 각도를 이루도록 배열되는 주기적 표면들 중 적어도 2개를 포함할 수도 있다. 주기적 표면들은 동일한 피치를 가질 수도 있다. 각도는 직각일 수도 있다. 각도는 60도일 수도 있다. 스퀴징 메커니즘은 주기적 표면들 중 하나가 주기적 표면들 중 다른 것과는 상이한 스퀴징 힘으로 광섬유에 대해 스퀴징되는 것이 가능하도록 할 수도 있다. 주기적 표면들의 공간 위상들은 스퀴징 힘들이 주기적 표면들에 인가될 때 광섬유가 실질적으로 나선형 방식으로 변형되도록 구성될 수도 있다. 스퀴징 힘들은 광섬유가 1 N보다 더 적은 힘으로 주기적 표면들을 통해 당겨지는 것이 가능하도록 하여, 증가된 기계적 신뢰성을 발생시킬 수도 있다.

장치는, 복수의 스퀴징 메커니즘들을 포함할 수도 있다. 스퀴징 메커니즘들 중 하나 초과를 가지면, 스퀴징 메커니즘들 각각에 요구되는 스퀴징 힘들을 감소시켜서, 그에 의해 신뢰성을 개선시킨다.

스퀴징 메커니즘들 중 적어도 하나는 스퀴징 메커니즘들 중 다른 것과는 상이한 피치를 가질 수도 있다. 상이한 피치들은 광섬유에서의 유도된 모드들의 상이한 그룹들 사이의 커플링을 가능하게 한다. 상이한 피치들을 갖는 스퀴징 메커니즘들을 조합하면, 출력 빔 파라미터 곱 및 출력 빔 프로파일의 보다 큰 제어를 제공한다.

스퀴징 메커니즘은 선형 스퀴징 메커니즘일 수도 있다. 이것은 공간이 장려되는 경우 유리하다.

스퀴징 메커니즘은 실린더를 포함할 수도 있다. 광섬유는 실린더 둘레에 감겨 있을 수도 있다. 스퀴징 힘은 실린더의 축을 따라 인가될 수도 있다. 이것은 선형 스퀴징 메커니즘에 의한 것보다 더 긴 길이의 광섬유 위에 스퀴징 힘을 인가하는 것이 더 편리해지는 콤팩트한 배열을 제공하고, 광섬유의 1 회전 초과가 사용되는 것을 가능하게 한다. 이것은 보다 작은 스퀴징 힘들이 인가될 수 있게 하여, 그에 의해 장기 신뢰성을 개선시킨다. 그것은 또한 스퀴징될 때 광섬유의 광학 손실들을 감소시키는 데 도움이 된다.

피치는 실린더의 반경 또는 주연부(perimeter)를 따라 변화될 수도 있다. 이것은 처핑된 장기 주기 격자들이 제조될 수 있게 한다.

광섬유는 적어도 10 ㎛의 직경을 갖는 코어를 가질 수도 있다. 직경은 적어도 15 ㎛일 수도 있다. 직경은 적어도 50 ㎛일 수도 있다.

광섬유는, 100 ㎛ 이하인 외경을 갖는 유리를 포함할 수도 있다. 외경은 80 ㎛ 이하일 수도 있다. 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장비에 사용되는 광섬유들의 종래 기술의 유리 직경들은 125 ㎛를 초과한다. 직경을 감소시키면, 광섬유가 더 쉽게 변형될 수 있게 한다. 그것은 또한, 0.5 ㎜ 이하의 피치들이 획득될 수 있게 하여, 따라서 전파 상수들의 훨씬 더 큰 차이들을 갖는 모드들 사이의 커플링을 가능하게 한다. 그에 따라, 보다 작은 유리 직경들은 종래 기술보다 유용한 이점들을 제공한다.

피치는 8 ㎜ 이하일 수도 있다. 피치는 6 ㎜ 이하일 수도 있다. 피치는 5 ㎜ 이하일 수도 있다. 피치는 범위 0.5 ㎜ 내지 4 ㎜에 있을 수도 있다.

광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 제1 광학 모드 및 전파 상수 β₂를 갖는 제2 광학 모드를 지원하는 코어를 포함할 수도 있고, 피치는 스퀴징 힘이 인가될 때 제1 광학 모드를 제2 광학 모드에 커플링하도록 선택된다. 피치는 2π/(β₁-β₂)와 동일할 수도 있다. 스퀴징 메커니즘은 광섬유를 그 길이를 따라 비틀 수도 있고, 비틀림은 대칭성에 의해 규정될 수도 있고, 대칭성은 제1 광학 모드를 제2 광학 모드에 커플링하도록 대칭성이 선택될 수도 있다. 스퀴징 메커니즘은 스퀴징 힘을 변화시키는 것에 의해 광섬유의 출력이 제1 광학 모드로부터 제2 광학 모드로 스위칭되는 것이 가능하도록 구성될 수도 있다.

광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 제1 광학 모드를 지원하는 코어, 및 전파 상수 β₂를 갖는 제2 광학 모드를 지원하는 적어도 하나의 위성 코어를 포함할 수도 있고, 피치는 제1 광학 모드를 제2 광학 모드에 커플링하도록 선택될 수도 있다. 코어를 둘러싸는 위성 코어들 중 적어도 2개가 있을 수도 있다. 코어를 둘러싸는 위성 코어들 중 적어도 4개가 있을 수도 있다. 위성 코어는 링 코어일 수도 있다. 피치는 2π/(β₁-β₂)와 동일할 수도 있다. 스퀴징 메커니즘은 광섬유를 그 길이를 따라 비틀 수도 있다. 비틀림은 대칭성에 의해 규정될 수도 있고, 대칭성은 제1 광학 모드가 제2 광학 모드에 커플링하는 것이 가능하도록 선택될 수도 있다.

장치는, 중심 코어 및 적어도 하나의 위성 코어를 포함하는 전이 광섬유를 포함할 수도 있다. 위성 코어는, 제2 광학 모드에서 전파하는 레이저 방사선의 빔 직경의 확장에 대한 상이한 비례로, 제1 광학 모드에서 전파하는 레이저 방사선의 빔 직경을 확장하도록 구성될 수도 있다. 위성 코어들 중 적어도 4개가 있을 수도 있다. 위성 코어는 링 코어일 수도 있다.

장치는, 중심 코어를 포함하는 빔 전달 광섬유를 포함할 수도 있고, 그 빔 전달 광섬유는, 레이저 방사선이 방출되게 하는 출력 단부를 포함한다. 빔 전달 광섬유는 페데스탈(pedestal)을 포함할 수도 있다. 빔 전달 광섬유는, 중심 코어를 둘러싸는 링 코어를 포함할 수도 있다. 장치는 테이퍼를 포함할 수도 있고, 여기서 테이퍼는 중심 코어의 직경이 출력 단부를 향해 증가되도록 한다. 장치는 스퀴징 메커니즘들 중 2개를 포함할 수도 있다. 제2 스퀴징 메커니즘이, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 가질 수도 있고, 제2 스퀴징 메커니즘의 주기적 표면은 빔 전달 광섬유에 적용될 수도 있다. 제2 스퀴징 메커니즘의 피치는 제1 스퀴징 메커니즘의 피치보다 더 클 수도 있다.

빔 전달 광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 기본 모드, 및 전파 상수 β₂를 갖는 2차 광학 모드를 지원할 수도 있고, 제2 스퀴징 메커니즘의 피치는 2π/(β₁-β₂)보다 더 길고, 그에 의해 제2 스퀴징 메커니즘은 기본 모드와 2차 모드를 함께 커플링하지 않는다.

제2 스퀴징 메커니즘의 피치는, 빔 전달 광섬유에서 전파할 수 있는 고차 모드들을 함께 커플링하도록 선택되어, 그에 의해 더 균일한 출력 빔 프로파일을 생성할 수도 있다.

장치는, 빔 전달 케이블로부터 레이저 방사선을 수신하도록 포지셔닝되는 렌즈 시스템을 포함할 수도 있다. 렌즈 시스템은 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경이 변화되는 것이 가능하도록 할 수도 있다.

스퀴징 메커니즘은 액추에이터를 포함할 수도 있다.

장치는 컴퓨터를 포함할 수도 있고, 여기서 렌즈 시스템과 액추에이터 중 적어도 하나는 컴퓨터에 의해 제어된다. 컴퓨터는 재료 파라미터들에 관한 정보를 포함하는 메모리를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 메모리는 재료 파라미터들에 따라 렌즈 시스템 및/또는 액추에이터 신호들이 선택될 수 있게 하는 정보를 포함하고, 이 재료 파라미터들은 재료의 타입 및 그 두께를 포함할 수도 있다. 이것은, 그것이 렌즈 시스템 및 액추에이터로의 신호를 제어하는 것에 의해 레이저 방사선의 발산 및 포커싱된 스폿의 직경이 제어되게 하므로 본 발명의 특히 유용한 양태이다. 그에 따라, 그것은, 비교적 고비용인 산업용 레이저들이, 프로세싱되는 재료에 따라, 광범위한 레이저 프로세싱 파라미터들에 걸쳐 자동으로 튜닝되게 한다.

하나 초과의 스퀴징 메커니즘의 사용은 레이저 방사선의 파라미터들의 자동 제어를 단순화시킨다. 부가적으로, 상이한 유도 특성들을 갖는 광섬유들 상의 상이한 스퀴징 메커니즘들의 사용은, 적용될 수 있는 제어의 범위를 개선시킨다.

장치는, 광섬유로부터 레이저 방사선을 수신하도록 구성되는 프로세싱 헤드를 포함할 수도 있다.

장치는 제1 및 제2 광섬유를 포함할 수도 있고, 제1 광섬유는 제1 코어 직경을 가지며, 제2 광섬유는 제1 직경보다 더 큰 제2 코어 직경을 갖는다. 제2 광섬유는 프로세싱 헤드와 제1 광섬유 사이에 위치될 수도 있다. 제1 광섬유에 스퀴징 메커니즘들 중 제1 스퀴징 메커니즘이 적용될 수도 있고, 제2 광섬유에 스퀴징 메커니즘들 중 제2 스퀴징 메커니즘이 적용될 수도 있고, 이에 의해 사용 시에 제1 광섬유에서 전파하는 레이저 방사선의 스폿 사이즈가 제1 스퀴징 메커니즘으로 변화될 수도 있고, 레이저 방사선의 프로파일이 제2 스퀴징 메커니즘으로 변화될 수도 있다. 이 구성은 빔 파라미터 곱이 출력 빔 프로파일과는 독립적으로 큰 범위로 제어될 수 있게 한다. 상이한 빔 파라미터 곱들이, 동일한 출력 빔 프로파일로 획득될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 이 장치를 사용하여 4 내지 100의 빔 파라미터 곱들을 갖는 톱 햇 빔 프로파일들을 출력하는 것이 가능하다.

장치는, 빔 전달 케이블에 부착되거나 또는 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 진동 요소를 포함할 수도 있다. 진동 요소는 빔 전달 케이블을 진동시키도록 구성될 수 있다. 이것은 레이저 방사선으로부터 레이저 스펙클을 제거하는 데 유리할 수 있다. 진동 요소는 압전 요소 또는 전자기 요소일 수 있다.

본 발명은 또한, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 방법을 제공하고, 그 방법은, 레이저 및 빔 전달 케이블을 제공하는 단계 - 여기서 빔 전달 케이블은 레이저로부터의 레이저 방사선을 송신하도록 구성되고, 레이저 방사선은 빔 파라미터 곱에 의해 규정되고; 장치는, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘을 포함하고; 레이저 및/또는 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 길이의 광섬유가 주기적 표면에 인접하여 위치되고; 스퀴징 메커니즘은 스퀴징 힘과 함께 주기적 표면 및 길이의 광섬유를 스퀴징하도록 구성됨 -; 및 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위해 스퀴징 힘을 조정하는 단계를 포함한다.

방법은, 렌즈 시스템을 제공하는 단계, 및 빔 전달 케이블로부터 레이저 방사선을 수신하도록 렌즈 시스템을 포지셔닝하는 단계를 포함할 수도 있다.

렌즈 시스템은 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경이 변화되는 것이 가능하도록 할 수도 있고, 방법은, 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경을 변화시키는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 방법에서, 스퀴징 메커니즘은 액추에이터를 포함할 수도 있다.

방법은, 컴퓨터를 제공하는 단계, 및 렌즈 시스템과 액추에이터 중 적어도 하나를 컴퓨터에 의해 제어하는 단계를 포함할 수도 있다. 컴퓨터는, 재료 파라미터들에 관한 정보를 포함하는 메모리를 포함할 수도 있다.

본 발명의 실시예들은 오로지 예로서 그리고 첨부 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치를 도시한다.
도 2는 처핑된 주기적 표면을 갖는 스퀴징 메커니즘을 도시한다.
도 3은 서로에 대해 직각들로 2개의 주기적 표면들을 포함하는 스퀴징 메커니즘을 도시한 것으로, 스퀴징 메커니즘은 그것이 나선형으로 광섬유를 변형시키는 것이 가능하도록 한다.
도 4는 서로에 대해 60도로 3개의 주기적 표면들을 포함하는 스퀴징 메커니즘을 도시한다.
도 5는 도 4의 3개의 주기적 표면들 사이의 공간 위상들을 도시한다.
도 6은 제2 주기적 표면들을 갖는 스퀴징 메커니즘을 도시한다.
도 7은 함께 조립되는 도 6의 스퀴징 메커니즘을 도시한다.
도 8은 실린더의 형태의 스퀴징 메커니즘을 도시한다.
도 9는 균일한 피치를 갖는 스퀴징 표면을 도시한다.
도 10은 처핑된 피치를 갖는 스퀴징 표면을 도시한다.
도 11은 광섬유의 기본 모드 및 2차 모드의 유효 굴절률들을 도시한다.
도 12는 광섬유의 기본 모드를 도시한다.
도 13은 광섬유의 2차 모드를 도시한다.
도 14는 위성 코어들을 갖는 광섬유를 도시한다.
도 15는 도 14의 광섬유의 광학 모드들을 도시한다.
도 16은 중심 코어를 둘러싸는 링 코어를 갖는 광섬유를 도시한다.
도 17은 링 코어의 2차 모드를 도시한다.
도 18은 페데스탈 광섬유를 도시한다.
도 19는 중심 코어를 둘러싸는 링 코어를 갖는 광섬유를 도시한다.
도 20은 장치가 제1, 제2, 및 제3 광섬유를 포함하고, 스퀴징 힘을 스퀴징 메커니즘에 인가하는 것에 의해 제3 광섬유에 의해 유도되는 레이저 방사선의 직경이 13 ㎛로부터 100 ㎛로 스위칭될 수 있는 본 발명의 예를 도시한다.
도 21은 장치가 제1 및 제2 광섬유를 포함하고, 스퀴징 힘을 스퀴징 메커니즘에 인가하는 것에 의해 제2 광섬유에 의해 유도되는 레이저 방사선의 직경이 13 ㎛로부터 100 ㎛로 스위칭될 수 있는 본 발명의 예를 도시한다.
도 22는 장치가 제1, 제2, 및 제3 광섬유를 포함하고, 제3 광섬유에 의해 방출되는 레이저 방사선의 출력 빔 프로파일이, 50 ㎛의 빔 직경을 갖는 중심 빔으로부터 100 ㎛의 빔 직경을 갖는 링 형상의 빔으로 스위칭될 수 있는 본 발명의 예를 도시한다.

도 1은 재료(11)를 레이저 프로세싱하기 위한 장치(10)를 도시한 것으로, 그 장치는 레이저(1) 및 빔 전달 케이블(2)을 포함하고, 여기서:

레이저(1)는 빔 전달 케이블(2)에 연결되고;

빔 전달 케이블(2)은 레이저(1)로부터 방출된 레이저 방사선(13)을 송신하도록 구성되고;

레이저 방사선(13)은 빔 파라미터 곱(4)에 의해 규정되고;

장치(10)는:

장치(10)가, 피치(7)에 의해 규정되는 주기적 표면(6)을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘(5)을 포함하고;

레이저(1) 및/또는 빔 전달 케이블(2)의 부분을 형성하는 길이(8)의 광섬유(9)가 주기적 표면(6)에 인접하여 위치되고;

스퀴징 메커니즘(5)이 스퀴징 힘(12)과 함께 주기적 표면(6) 및 길이(8)의 광섬유(9)를 스퀴징하도록 구성되고;

이에 의해 빔 파라미터 곱(4)이 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해 변화되는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

피치(7)는 주기적 표면(6)의 연이은 최대치들 사이의 거리이고, 주기적 표면(6)의 주기성 또는 공간 주파수의 역수이다. 주기적 표면(6)은, 도 1에 도시된 주기적 표면(6)과 같은, 단일 부분으로부터 이루어지는 연속적인 주기적 표면일 수 있다. 대안적으로, 주기적 표면(6)은 함께 조립되는 와이어들 또는 핑거들과 같은 복수의 부분들을 포함할 수 있다. 와이어들 또는 핑거들은 피치(7)가 조정 가능하도록 조정 가능할 수도 있다.

도 1은 렌즈 시스템(24), 프로세싱 헤드(3) 및 포커싱 렌즈(25)에 광학적으로 커플링되는 장치(10)를 도시한다. 렌즈 시스템(24)은, 레이저 방사선(13)을 콜리메이팅 및/또는 확대하기 위한 하나 이상의 렌즈들을 포함할 수 있다. 프로세싱 헤드(3)는, 재료(11) 상에 레이저 방사선(13)을 스캐닝하기 위한 하나 이상의 스캐닝 시스템들을 포함할 수 있다. 포커싱 렌즈(25)는 포커스 포인트(29)에서의 재료(11) 상으로 레이저 방사선(13)을 포커싱할 수 있다.

빔 파라미터 곱(4)은 포커싱된 레이저 방사선(13)의 빔 직경 2ω(21)의 절반과 발산 각도 α(22)의 곱과 동일하다. 빔 파라미터 곱(4)은, M² 값에 의해 또한 특성화될 수 있는 레이저 빔의 빔 품질의 척도이다. 빔 파라미터 곱(4)은 M².λ/π와 동일하고, 여기서 λ는 레이저 방사선(13)의 파장(23)이다. 단일 모드 섬유 레이저는 전형적으로 대략 1.1의 M²을 갖는다. 파장(23)이 1.06 ㎛인 경우, 그러면 빔 파라미터 곱(4)은 0.35 ㎜.mrad와 동일하다. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱(4)은, 어떠한 수차들도 갖고 있지 않은 렌즈들을 포함하는 단순한 광학 시스템들에서 보존된다. 따라서, 포커스(29)에서의 빔 파라미터 곱(4)은 레이저 방사선(13)의 빔 파라미터 곱(34)과 대략 동일한데, 이는 그것이 레이저 방사선(13)이 방출되게 하는 빔 전달 케이블(2)의 출력 단부(28)로부터 나타나기 때문이다. 포커스(29)에서의 빔 직경(21)은, 빔 전달 케이블(2)의 출력 단부(28)에서의 빔 직경(27)과, 렌즈 시스템(24) 및 포커싱 렌즈(24)를 포함하는 광학 시스템의 배율의 곱과 실질적으로 동일하다. 레이저 방사선(13)의 발산(22)은, 빔 전달 케이블(2)의 출력 단부(28)로부터 방출된 레이저 방사선(13)의 발산(35)과, 광학 시스템의 배율의 지수와 실질적으로 동일하다. 따라서, 빔 직경(21)이 빔 직경(27)보다 더 큰 경우, 그러면 발산(22)은 발산(35)보다 더 작다.

레이저 방사선(13)은 광섬유(9), 광섬유(19)(존재한다면), 및 빔 전달 케이블(2)을 따라 유도된다. 레이저 방사선(13)은, 스퀴징 메커니즘(5)에 의해 조정 또는 스위칭될 수 있는 유도된 빔 직경(39) 및 유도된 빔 프로파일(38)을 갖는다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저(1)의 출력에서 대략 가우시안 빔 프로파일로서 도시되는 유도된 빔 프로파일(38)은, 톱 햇 빔 프로파일을 갖는 것으로서 도시되는 출력 빔 프로파일(14)이 되도록 조정되었다. 출력 빔 직경(27)은 유도된 빔 직경(39)보다 더 큰 것으로서 도시되어 있다.

광섬유(9) 및 스퀴징 메커니즘(5)을 선택하는 것에 의해, 그리고 스퀴징 힘(12)을 변화시키는 것에 의해, 범위 0.3 ㎜.mrad 내지 30 ㎜.mrad에서의 전형적인 산업용 레이저들의 빔 파라미터 곱(4)을 조정하는 것이 가능하다. 유리하게는, 스퀴징 힘(12)을 선택하는 것에 의해 빔 직경(27) 및 발산(35) 양측 모두가 제어될 수 있다. 또한, 레이저 방사선(13)의 출력 빔 프로파일(14)을, 예를 들어 도 1에 도시된 유도된 빔 프로파일(38)과 같은 종-형상 가우시안 빔 프로파일로부터, (도 1에 도시된 출력 빔 프로파일(14)과 같은) 톱 햇 빔 프로파일로 또는 링 프로파일로 조정 또는 스위칭하는 것이 가능하다. 출력 빔 프로파일(14)을 조정 또는 스위칭하는 능력은 많은 레이저 절삭 적용들에 매우 바람직하다. 출력 빔 프로파일(14)을 변경하는 것이 가능하다는 것은 많은 레이저 재료 프로세싱 적용들에 바람직하다. 예를 들어, 가우시안 프로파일은 재료(11)를 관통하는 데 유리할 수 있고, 톱 햇 프로파일 또는 링 프로파일은 재료(11)를 절삭하는 데 유리할 수 있다. 상이한 출력 빔 프로파일들(14)은 상이한 적용들에 유리하고, 최적의 출력 빔 프로파일은 재료(11) 및 그 두께(26)에 의존할 것이다.

렌즈 시스템(24)은 콜리메이션 광학계, 가변 빔 확장기, 및/또는 망원경을 포함할 수 있다. 렌즈 시스템(24)은 재료(11) 상의 포커싱된 레이저 방사선(13)의 직경(21)을 변화시키도록 구성될 수 있다. 렌즈 시스템(24)과 관련하여 스퀴징 메커니즘(5)의 사용은 레이저 방사선(13)의 발산(22) 및 레이저 방사선(13)의 빔 직경(21)이 독립적으로 변화될 수 있게 한다. 이것은, 장치가 작은 직경(21)에 의한 높은 빔 품질(M² < 4), 중간 빔 직경(21)에 의한 중간 빔 품질(10 내지 20의 M²), 큰 빔 직경(21)에 의한 낮은 빔 품질(30보다 더 큰 M²)을 제공하게 하는, 극도로 매력적인 특징이다. 부가적으로, 중간 또는 낮은 빔 품질을 갖는 작은 빔 직경(21), 및 낮은 또는 높은 빔 품질을 갖는 중간 빔 직경(21)을 생성하는 것이 가능하다. 이 유연성의 정도는 절삭과 같은 재료 프로세스들을 최적화시킴에 있어서 훨씬 더 큰 자유를 가능하게 한다. 초점 스폿 사이즈 및 발산은 각각의 판금 타입 및 두께마다 최적화될 수 있다. 장치는 스테인리스 강을 절삭하기 위한 높은 빔 품질(낮은 빔 파라미터 곱(4)), 및 두께(26)를 갖는 연강을 절삭하기 위한 낮은 빔 품질(보다 높은 빔 파라미터 곱(4))을 갖는 레이저 방사선(13)을 생성하도록 설정될 수 있다. 전자의 경우에, 재료(11) 상에 포커싱될 때 레이저 방사선(13)의 빔 직경(21)은 후자의 경우에서보다 더 작고 발산이 더 적어야 한다.

본 발명은 레이저들로 금속들을 절삭하는 데 유리하다. 레이저(1)는 파이버 레이저, 디스크 레이저, 또는 솔리드 스테이트 레이저일 수 있다. 레이저(1)는 범위 500 W 내지 20 kW에서의 출력 전력에 의해 규정될 수 있다.

실험에서, 레이저(1)는 3 kW 이터븀-도핑된 파이버 레이저이었다. 파장(23)은 1.07 ㎛이었다. 재료(11)는 스테인리스 강이었다. 포커싱된 빔 직경(21)은 200 ㎛이었고, 출력 빔 프로파일(14)은 톱 햇 프로파일이었다. 범위 2 ㎜ 내지 8 ㎜에서의 두께(26)를 갖는 스테인리스 강을 절삭할 때, 대략 4.8 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대한 것보다 대략 3.0 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)으로 더 높은 절삭 속도들 및 더 양호한 절삭 품질이 획득되었다. 역으로, 재료(11)가 범위 15 ㎜ 내지 30 ㎜에서의 두께(26)를 갖는 연강일 때, 3.0 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)보다 대략 4.8 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)으로 더 양호한 결과들이 획득되었다. 출력 프로파일(14)은 톱 햇 프로파일이었다. 연강에 대한 더 낮은 빔 품질(더 높은 빔 파라미터 곱(4))은 절삭-에지 면의 품질을 개선시켜서, 표면 거칠기를 감소시켰다.

레이저 절삭 프로세스는 레이저 빔(13)으로 재료(11)를 관통하는 것으로 시작한다. 절삭할 때보다 관통할 때 포커스 스폿(29)에서 더 적은 발산(22)을 갖는 더 작은 빔 직경(21)을 사용하는 것이 유리하다. 출력 프로파일(14)은 바람직하게는 가우시안 프로파일과 같은 종 형상 프로파일이다. 이것은 관통의 품질 및 속도를 증가시킨다. 모든 금속들을 관통할 때 빔 파라미터 곱(4)은 3 ㎜.mrad 미만, 바람직하게는 1 ㎜.mrad 미만, 그리고 더 바람직하게는 0.5 ㎜.mrad 미만이어야 한다.

빔 전달 케이블(2)의 출력 단부(28)에서 방출되는 빔 직경(27), 발산(35) 및 출력 빔 프로파일(14)을 선택하는 것이 가능하다는 이점은, 상이한 빔 직경들(21) 및 발산 각도들(22)이 포커스 포인트(29)에서 선택될 수 있게 하는데, 이 포커스 포인트(29)는 재료(11) 위에, 그 내에, 또는 그 아래에 있을 수도 있다. 예를 들어, 스테인리스 강의 경우, 포커스 포인트(29)는 레이저 방사선(13)이 재료(11)에서 수렴하고 있도록 재료(11) 아래에 있을 수 있는 반면, 연강의 경우, 포커스 포인트(29)는 레이저 방사선이 재료(11)에서 발산하고 있도록 재료(11) 위에 있을 수 있다. 메커니즘들(5) 중 하나 이상을 조정하는 것에 의해 그와 같이 되는 것이 가능하다는 것은 종래 기술보다 주요한 이점인데, 이는 그것이, 포커싱 광학계의 배율을 조정하는 것을 포함하는 대안보다 더 낮은 비용 및 더 단순한 시스템을 제공하기 때문이다.

관통한 후에, 보조 가스가 용융된 금속 및 잔해를 관통-홀 출구 밖으로 분출시킨다. 이 스테이지에서, 빔 직경(28) 및 발산(35)은 포커스 스폿(29)에서 최적의 빔 직경(21) 및 발산 각도(22)를 제공하도록 증가될 수 있다. 결과적인 빔 파라미터 곱(4)은 프로세싱되는 재료(11)에 따라 선택될 수 있다.

스퀴징 메커니즘(5)은 바람직하게는 대향하는 주기적 표면(42)을 갖는다. 주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)은 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 서로에 대해 동위상이다. 따라서, 주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)이 광섬유(9)에 대해 스퀴징됨에 따라, 광섬유(9)는 스프링으로서 작용하고 그 길이를 따라 주기적으로 편향되어 광섬유(9)의 변형 에너지가 최소화되도록 한다. 광섬유(9)의 편향은 주기적 표면(6)과 동일한 피치(7)를 가질 것이지만, 주기적 표면(6)의 주기성보다 더 높은 공간 주파수들에서 부가적인 고조파들을 포함할 수도 있다. 스퀴징 힘(12)이 증가함에 따라, 광섬유(9)가 주기적 표면(6)과 대향하는 주기적 표면(42) 사이에서 그리핑될 때까지 광섬유(9)의 편향이 그와 같이 된다. 스퀴징 힘(12)의 추가 증가들은 광섬유(9)를 가로지르는 스퀴징 응력들을 유발할 것이다.

주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)은 서로에 대해 논-제로 위상(non-zero phase)을 가질 수도 있다. 그러한 설계는 광섬유(9)에 의해 지지되는 부가적인 세트들의 광학 모드들 사이의 커플링을 유발할 수도 있는 광섬유(9)의 비틀림으로의 부가적인 고조파들을 유발할 수 있다.

주기적 표면(6)과 대향하는 주기적 표면(42) 사이의 위상은 광섬유(9)가 주기적 표면(6)과 대향하는 주기적 표면(42) 사이에서 그리핑되도록 반대 위상으로 있을 수 있다. 그 후에, 광탄성 효과에 의해 유발된 주기적 섭동들에 의해 모드 커플링이 야기된다.

도 1의 장치는 피치(17)에 의해 규정되는 주기적 표면(16)을 포함하는 제2 스퀴징 메커니즘(15)을 갖는 것으로서 도시되어 있다. 주기적 표면(16)은 광섬유(19)의 길이(18)에 대해 스퀴징될 수 있다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)의 사용은, 요구되는 빔 직경(27), 발산(35) 및 출력 빔 프로파일(14)을 획득하는 데 요구되는 스퀴징 힘(12)을 감소시켜서, 그에 의해 광섬유(9)를 파단할 위험을 감소시키고 기계적 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)은 또한, 고차 광학 모드들을 함께 커플링시키는 데 사용될 수 있는데, 그 경우에 피치(17)는 바람직하게는 피치(7)보다 더 길다.

도 1에 도시된 바와 같이, 주기적 표면(16)은 처핑될 수도 있고, 즉 그 피치(17)는 스퀴징 메커니즘(15)의 길이를 따라 변화될 수도 있다. 피치(17)는 (도시된 바와 같은) 단조 방식 또는 비-단조 방식으로 변화될 수 있다. 처프는 요망되는 빔 파라미터 곱(4) 또는 출력 빔 프로파일(14)을 획득하는 데 요구되는 스퀴징 힘(12)의 양을 감소시켜서, 그에 의해 신뢰성을 증가시킨다. 도 2는 처핑되는 스퀴징 메커니즘(15)의 예를 도시한다. 스퀴징 메커니즘(15)은 대향하는 주기적 표면(41)을 가지며, 광섬유(19)(도시되지 않음)는 주기적 표면(16)과 대향하는 주기적 표면(41) 사이에서 스퀴징된다. 스퀴징 힘(12)은 태핑된 홀들일 수도 있는 홀들(43) 중 적어도 하나를 통해 인가될 수 있다. 대향하는 주기적 표면(41)은 홀들(44) 중 적어도 하나를 통해 피팅되는 고정 나사들을 사용하여 제위치에 고정될 수 있다.

주기적 표면(16) 및 대향하는 주기적 표면(41)은 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 서로에 대해 동위상이다. 따라서, 주기적 표면(16) 및 대향하는 주기적 표면(41)이, 도 1을 참조하여 도시된 광섬유(19)에 대해 스퀴징됨에 따라, 광섬유(19)는 스프링으로서 작용하고 그 길이를 따라 편향되어 광섬유(19)의 변형 에너지가 최소화되도록 한다. 편향은 주기적 표면(16)과 동일한 피치(17)를 가질 것이지만, 광섬유(19)에 의해 유도되는 부가적인 모드들을 함께 커플링시키는 것이 바람직할 수도 있는 부가적인 고조파들을 포함할 수도 있다. 스퀴징 힘(12)이 증가함에 따라, 광섬유(19)가 주기적 표면(16)과 대향하는 주기적 표면(41) 사이에서 그리핑될 때까지 광섬유(19)의 편향이 그와 같이 된다. 스퀴징 힘(12)의 추가 증가들은 광섬유(19)를 가로지르는 스퀴징 응력들을 추가로 유발할 것이다. 대안적으로, 주기적 표면(16) 및 대향하는 주기적 표면(41)은 서로에 대해 논-제로 위상을 가질 수도 있다. 그러한 설계는 광섬유(19)에 의해 지지되는 부가적인 세트들의 광학 모드들 사이의 커플링을 유발할 수도 있는 광섬유(19)의 비틀림으로의 부가적인 고조파들을 유발할 수 있다. 주기적 표면(16)과 대향하는 주기적 표면(41) 사이의 위상은 광섬유(19)가 주기적 표면(16)과 대향하는 주기적 표면(41) 사이에서 그리핑되도록 반대 위상으로 있을 수 있다. 그 후에, 광탄성 효과에 의해 유발된 주기적 섭동들에 의해 모드 커플링이 야기된다.

스퀴징 메커니즘(5)은, 도 3에 도시된 스퀴징 메커니즘(40)에 도시된 바와 같이 서로에 대해 각도(45)를 이루도록 배열되는 주기적 표면들(6) 중 2개를 포함할 수도 있다. 주기적 표면들(6) 각각은 동일한 또는 유사한 설계의 대향하는 주기적 표면(42)을 갖는다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 주기적 표면들(6)은 이들의 각각의 대향하는 주기적 표면(42)과 동일한 위상을 가질 수도 있다. 주기적 표면(6) 각각이 광섬유(9)에 대해 스퀴징됨에 따라, 광섬유(9)의 길이는 스프링으로서 작용하고 그 길이를 따라 비틀린다. 스퀴징 메커니즘(40)의 주기적 표면들(6)은 서로 동일한 피치(7) 또는 서로 상이한 피치(7)를 가질 수도 있다. 각도(45)는 직각일 수도 있다. 스퀴징 메커니즘(40)은 단면에 도시되어 있는데, 이때 광섬유(9)가 주기적 표면들(6) 중 하나에 의해 스퀴징 메커니즘(40)의 중심 라인으로부터 오프셋된 것으로 도시되어 있다.

스퀴징 메커니즘(40)은 각각의 주기적 표면(6)이 상이한 스퀴징 힘들(12)로 광섬유(9)에 대해 스퀴징되는 것이 가능하도록 할 수도 있다. 2개의 주기적 표면들(6)의 공간 위상들은 서로에 대해 90도의 위상차가 있을 수도 있어서, 스퀴징 힘들(12)이 2개의 주기적 표면들(6)에 인가될 때 광섬유(9)가 실질적으로 나선형 방식으로 변형될 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 광섬유(9)는 스프링으로서 작용하고, 그 변형 에너지를 최소화시키도록 변형될 것이다. 그에 따라, 광섬유(9)의 변형은 정확히 나선형이 아닐 수도 있지만, 고조파들을 포함할 수도 있다. 이들 고조파들은 광섬유(9)에 의해 유도되는 특정 세트들의 광학 모드들 사이의 커플링에 유리할 수 있다. 이 배열은 광섬유(9)의 어떤 유도된 모드들이 어떤 것에 커플링되는지에 대한 큰 제어를 제공한다.

스퀴징 메커니즘(5)은, 도 4에 도시된 스퀴징 메커니즘(50)에 도시된 바와 같이 서로에 대해 각도(51)를 이루도록 배열되는 홀수 개의 주기적 표면들(6)을 포함할 수도 있다. 각도(51)는 바람직하게는 180도와 (n-2)/n의 곱이고, 여기서 n은 주기적 표면들(6)의 수이다. 도 5를 참조하여 도시된 바와 같이, 주기적 표면들(6)은 바람직하게는 360도가 주기적 표면들(6)의 수로 나누어진 것과 동일한 서로에 대한 상대 공간 위상들(55)을 갖는다. 홀수 개는 바람직하게는 3개이고, 각도(51)는 바람직하게는 60도이다. 도 5는 스퀴징 메커니즘(50)의 길이를 따라 도 4에 도시된 3개의 주기적 표면들(6) 각각의 진폭들(52, 53, 54)을 도시한다. 주기적 표면들(6)은 서로에 대해 120도의 상대 공간 위상(55)을 갖는다. 주기적 표면(6) 각각이 광섬유(9)에 대해 스퀴징됨에 따라, 광섬유(9)의 길이는 스프링으로서 작용하고 실질적으로 나선형 방식으로 그 길이를 따라 비틀어진다. 도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 광섬유(9)는 스프링으로서 작용하고, 그 변형 에너지를 최소화시키도록 변형될 것이다. 그에 따라, 광섬유(9)의 변형은 그 길이를 따라 정확하게 나선형이 아닐 수도 있지만, (피치(7)의 역수로서 규정되는) 나선형의 주기성의 고조파들을 포함할 수도 있다. 이들 고조파들은 광섬유(9)에 의해 유도되는 특정 세트들의 광학 모드들 사이의 커플링에 유리할 수 있다.

스퀴징 메커니즘(5)은, 부분들(66) 중 다른 것의 주기적 표면(6)에 정렬되도록 설계되는 제2 주기적 표면(61)을 갖는 적어도 3개의 부분들(66)을 포함하는, 도 6을 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(60)일 수도 있다. 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이, 3개의 주기적 표면들(6)은 바람직하게는 서로에 대해 120도의 상대 공간 위상(55)을 갖는다. 부분들(66)이 서로 피팅되도록 하기 위해, 부분들(66) 각각의 제2 주기적 표면(61)은 동일한 부분(66)의 주기적 표면(6)에 대해 120도의 상대 공간 위상(55)을 갖는다. 도 7은 3개의 부분들(66)이 함께 피팅되고 스퀴징 힘(12)이 인가된 하나의 배열을 도시한다. 광섬유(9)는 부분들(66) 중 하나에 의해 편향되어 도시된다. 제2 주기적 표면들(61) 중 하나가 광섬유(9)에 대해 스퀴징되는 배열들을 포함하여, 부분들(66)을 함께 피팅하기 위한 다른 배열들도 또한 가능하다. 실험적으로, 광섬유(9)에 의해 유도되는 LP₀₁ 모드는 LP₃₁ 및 LP₃₂ 모드들에 우선적으로 커플링될 수 있다는 것이 관측되었다. 이것은 스퀴징 메커니즘(50)의 3배의 대칭성의 결과로서 될 수도 있다. 유리하게는, 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명된 스퀴징 메커니즘들(40, 50, 60)의 스퀴징 힘은, 광섬유(9)에 의해 유도되는 기본 LP₀₁로부터의 유사한 레벨의 모드 커플링을 위해 도 2를 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(15)보다 실질적으로 더 적은 스퀴징 힘들(12)을 요구한다. 실험에서, 스퀴징 힘(12)은, 상당한 양들의 모드 커플링이 있음에도 불구하고, 1 N보다 더 적은 힘으로 도 7에 도시된 스퀴징 메커니즘으로부터 광섬유(9)가 당겨질 수 있도록 상당히 작았다. 동일한 레벨들의 모드 커플링에 대해 스퀴징 힘(12)을 감소시키는 능력은 신뢰성을 개선시킨다.

장치는, 복수의 스퀴징 메커니즘들(5)을 포함할 수도 있다. 복수의 스퀴징 메커니즘들을 포함시키면, 스퀴징 메커니즘들(5) 각각에 요구되는 스퀴징 힘들(12)을 감소시켜서, 그에 의해 신뢰성을 개선시킬 수 있다.

스퀴징 메커니즘들(5) 중 적어도 하나는 스퀴징 메커니즘들(5) 중 다른 것과는 상이한 피치(7)를 가질 수도 있다. 상이한 피치들(7)은 광섬유(9)에서의 유도된 모드들의 상이한 그룹들 사이의 커플링을 야기한다. 상이한 피치들(7)을 갖는 스퀴징 메커니즘들(5)을 조합하면, 출력 빔 파라미터 곱(4) 및 출력 빔 프로파일(14)의 보다 큰 제어를 제공한다.

스퀴징 메커니즘(5)은 도 1 내지 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 도시된 바와 같은 선형 스퀴징 메커니즘(5)일 수도 있다. 이것은 공간이 장려되는 경우 유리하다.

스퀴징 메커니즘(5)은 도 8에 도시된 바와 같은 실린더(81)를 포함할 수도 있다. 광섬유(9)(도시되지 않음)는 실린더(81) 둘레에 감겨 있을 수도 있다. 스퀴징 힘(12)은 예를 들어 링(82)으로 광섬유(9)를 스퀴징하는 것에 의해 실린더(81)의 축을 따라 인가될 수도 있다. 링(82)은 대향하는 주기적 표면(42)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 그것이 반드시 그러할 필요는 없다. 피치(7)는, 각각의 주기가 라인(83)에 의해 도시되는 도 9 및 도 10의 주기적 표면(6)의 예들의 상부 표면들 각각에 의해 도시된 바와 같이, 균일하거나 또는 처핑될 수도 있다. 주기적 표면(6)은 도 8에 도시된 바와 같은 평면에 또는 만곡된 표면 상에 구성될 수도 있다. 실린더(81)는 원형 또는 타원형일 수도 있다. 다른 형상들도 또한 가능하다. 피치(7)는 실린더(81)의 주연부(85)의 반경(84)을 따라 변화될 수도 있다. 이것은 처핑된 장기 주기 격자들이 제조될 수 있게 한다.

실린더(81)의 형태의 스퀴징 메커니즘(5)은 선형 스퀴징 메커니즘(5)에 의한 것보다 더 긴 길이(8)의 광섬유(9) 위에 스퀴징 힘(12)을 인가하는 것이 더 편리해지는 콤팩트한 배열을 제공하고, 광섬유(9)의 1 회전 초과가 사용되는 것을 가능하게 한다. 이것은 보다 작은 스퀴징 힘들(12)이 인가될 수 있게 하여, 그에 의해 장기 신뢰성을 개선시킨다. 그것은 또한 스퀴징될 때 광섬유(9)의 광학 손실들을 감소시키는 데 도움이 된다.

광섬유(9) 및/또는 광섬유(19)는 도 11을 참조하여 도시된 광섬유(90)일 수 있다. 광섬유(90)는 코어(91), 유리 클래딩(94), 및 폴리머 코팅(95)을 갖는다. 코어(91)는 바람직하게는 적어도 10 ㎛의 직경(92)을 갖는다. 직경(92)은 적어도 15 ㎛일 수도 있다. 직경(92)은 적어도 50 ㎛일 수도 있다. 코어 직경(92)을 증가시키면, 광섬유(90)가 증가하는 수의 광학 모드들을 유도할 수 있게 한다.

코어(91)는 유리 클래딩(94)의 굴절률(99)보다 더 큰 굴절률(96)을 갖는다. 바람직하게는 광섬유(9)는, 도 12를 참조하여 도시된 적어도 기본 모드(121) 및 도 13을 참조하여 도시된 2차 모드(122)를 지원한다. 기본 모드(121)는 2개의 직교 편광 상태들에서 발생할 수 있는 LP₀₁ 모드일 수도 있다. 2차 모드(122)는 2개의 배향들로 발생할 수 있는 LP₁₁ 모드일 수도 있는데, 이들 양측 모두는 2개의 직교 편광 상태들에서 발생할 수 있다. 따라서 도 12 및 도 13에 각각 도시된 바와 같이 2개의 기본 모드들(121) 및 4개의 2차 모드들(122)이 있다.

LP₀₁ 및 LP₁₁ 모드들은 더 일반적으로는 LP_p,q 모드들로서 설명되고, 여기서 p는 방위각 모드 번호이고, q는 방사 모드 번호이다. 2p는 방위각 둘레의 로브들의 수이고, q는 반경을 따르는 로브들의 수이다. 따라서 LP₀₁ 모드는 방위각 둘레의 제로 로브들, 및 반경을 따르는 하나의 로브를 갖는다. LP₁₁ 모드는 방위각 둘레의 2개의 로브들, 및 반경을 따르는 하나의 로브를 갖는다. 스퀴징 메커니즘(5)에 의해 유발된 광섬유(9)의 섭동, 제1 모드의 전기장, 및 제2 모드의 전기장의 곱의 중첩 적분들이 광섬유(9)의 길이(8)에 걸쳐 논-제로 값으로 적분되는 경우, 스퀴징 메커니즘(5)은 제1 모드를 제2 모드에 커플링할 것이다. 아래에 설명되는 바와 같이, 이것은, 제1 모드 및 제2 모드의 전파 상수들, 및 주기적 표면(7)의 주기성에 대해 요건들을 둔다. 그것은 또한, 광섬유의 섭동과 비교하여 제1 모드 및 제2 모드의 전기장들에 대해 대칭성 요건들을 둔다.

도 11을 참조하면, 기본 모드(121)는 β₁/k의 유효 인덱스(97)를 가지며, 2차 모드(122)는 β₂/k의 유효 인덱스(98)를 가지며, 여기서 β₁ 및 β₂는 기본 모드(121) 및 2차 모드(122) 각각의 전파 상수들이고, k는 k = 2π/λ에 의해 레이저 방사선(13)의 파장 λ(23)에 관련된 파수이다. 전파 상수들의 차이 Δβ = β₁-β₂를 고려하는 것이 유용하다. 도 1 내지 도 7을 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(5)이 LP₀₁ 모드를 LP₁₁ 모드에 커플링시키기 위해, Δβ/2π와 동일한 길이를 따르는 광섬유(9)의 비틀림에 있어서의 공간 주파수 성분이 있다는 것이 요구된다. 이것은, (피치(7)의 역수로서 규정되는) 주기성이 Δβ/2π와 동일하거나, 또는 주기성의 고조파가 Δβ/2π와 동일한 경우, 발생할 것이다. 그러나, 광학 모드들과 비교하여 광섬유(9)의 섭동의 대칭성을 고려하는 것도 또한 중요하다.

p가 논-제로인 경우, 그러면 광섬유(9)의 코어에 의해 유도되는 각각의 LP_p,q 모드에 대한 전기장들의 방위각 의존성은 다음의 것에 의해 표현될 수 있다:

여기서 E(r)은 전기장의 방사 의존성이고, cos(pθ) 및 sin(pθ)는 (p = 1의 경우) 도 13에 도시된 2개의 배향들을 나타낸다.

광섬유(9) 또는 광섬유(19)가 (예를 들어 피치(7)가 길이(8)를 따라 균일한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 선형 스퀴징 메커니즘에 의해 유발된) 길이를 따르는 선형 사인파 편향을 가질 때, 그러면 대칭성 고려사항들에 의해, 피치(7)가 2/Δβ와 동일할 때 이들 2개의 배향들 중 하나만이 커플링될 것이다. 이것은 도 13의 2차 모드들(122)이 퇴보한 것으로 가정한다. 더 일반적으로는, 코어에 의해 유도되는 LP₀₁ 모드는 피치(7)가 2π/(β_A-β_B)와 동일한 경우 p가 홀수 정수인 경우 동일한 코어에 의해 유도되는 LP_p,q 모드에 커플링할 수 있고, 여기서 β_A 및 β_B는 함께 커플링되는 광학 모드들의 전파 상수들이다. 그러나, 사인파 편향에 상당한 고조파들이 없는 한, LP₁₁ 모드에의 커플링이 가장 강력할 것이다. p가 짝수 정수인 경우, 그러면 섭동의 대칭성이 올바르지 않다. 유사한 대칭성 인수에 의해, 선형 스퀴징 메커니즘은 또한, 섬유가 그 길이를 따라 사인파 편향을 갖는 경우 LP₀₁ 모드를 LP_0q 모드에 커플링하지 않을 것이다. 아래에 설명되는 바와 같이, 중심 코어에 의해 유도되는 LP₀₁ 모드 및 다른 광학 모드들은 또한, 중심 코어에 인접한 위성 코어들에 의해 유도되는 광학 모드들에 커플링할 수 있다. 그러한 커플링은 상기에 언급된 중첩 적분이 제로가 아닌 경우 발생할 수 있다.

주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)이 (도 1에 도시된 동위상 배열과는 대조적으로) 반대 위상으로 있는 경우, 그러면 광섬유(9)는 그 길이를 따라 주기적으로 압축될 것이다. 그 후에, 모드 커플링이 광탄성 효과에 의해 유발될 것이다. 대칭성 고려사항들에 의해, 대칭성이 올바르지 않기 때문에 LP₀₁ 모드가 LP₁₁ 모드와 커플링하지 않을 것이다. 그러나, LP₀₁ 모드는 피치(7)가 2π/(β_A-β_B)와 동일한 경우 LP₂₁ 모드, 또는 더 일반적으로는 LP_p,q 모드들 - 여기서 p = 2, 4, 8 등이다 - 에 커플링하는 것이 가능하고, 여기서 β_A 및 β_B는 함께 커플링되는 광학 모드들의 전파 상수들이다. 그러나, 이 배열은 일반적으로 선호되지 않는데, 이는, 주목할 만한 모드 커플링을 획득하기 위해 요구되는 스퀴징 힘(12)이, 주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)이 도 1에 관련하여 도시된 바와 같이 동위상일 때 요구되는 스퀴징 힘(12)보다 일반적으로 훨씬 더 크기 때문이다.

광섬유(9) 또는 광섬유(19)가 (예를 들어, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7에 도시된 스퀴징 메커니즘들 중 하나에 의해 유발된) 나선형 비틀림을 가질 때, 그러면 대칭성 인수들에 의해, 피치(7)가 2π/Δβ와 동일할 때 양측 모두의 배향들에서 LP₀₁ 모드가 LP_p,q 모드들에 커플링할 수 있다. 그러나, 그것은, p가 짝수 정수인 경우에, 또는 LP_0q 모드에, 커플링하지 않을 것이다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 스퀴징 메커니즘들보다 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7에 도시된 스퀴징 메커니즘들에 의해 제공되는 모드 커플링의 양의 적어도 2배가 있다. 도 5를 참조하여 논의된 바와 같이, 스퀴징 메커니즘(60)은, 광섬유(90)를 나선형으로 변형시키는 3개의 부분들(60)을 포함한다. LP₀₁ 모드는 LP₃₁ 및 LP₃₂ 모드들에 커플링된 것으로 관측되었다. 이것은, 커플링을 위해 요구되는 대칭성을 제공하는 스퀴징 메커니즘(60)에 의해 유발되는 광섬유(90)를 따르는 3배 방위각 섭동이 있다는 것을 암시한다.

이전과 같이, 메커니즘들(40, 50 및 60)의 주기적 표면(6) 및 대향하는 주기적 표면(42)이 반대 위상으로 있어서 광섬유(9)가 그 길이를 따라 주기적으로 압축되는 경우, 그러면 모드 커플링은 상이한 세트의 광학 모드들 사이에 있다. 대칭성 고려사항들로부터, LP₀₁ 모드는 LP_0q 모드들에 커플링할 것이다. 이 배열은 일반적으로 선호되지 않는데, 이는 그것이 비교할 만한 효과를 위해 보다 큰 스퀴징 힘들(12)을 요구하기 때문이다.

일단 LP₀₁ 모드로부터 커플링된다면, 광은 다른 고차 모드들로 더 쉽게 커플링 또는 분산될 수 있는데, 이는 (ⅰ) 이들 모드들 사이의 전파 상수들의 차이 Δβ가 LP₀₁ 모드와 그것이 커플링한 제1 모드 사이의 전파 상수들의 차이 Δβ보다 일반적으로 더 작고, (ⅱ) 통계적으로, 주기성보다 더 긴 공간 주파수들로 발생하는 섭동들이 광섬유(9)에 있을 것이기 때문이다.

나선형 방식으로 섭동되는 광섬유(9)를 갖는 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 도시된 나선형 스퀴징 메커니즘들(30, 40, 50, 60)은 그에 따라, 이들이 도 1 및 도 2를 참조하여 도시된 선형 스퀴징 메커니즘보다 더 많이 모드들의 배향들을 함께 커플링하고, 추가로, 커플링을 제공하기 위해 요구되는 스퀴징 힘(12), 그리고 그에 따라 광섬유(9)의 최대 편향이 더 적어져서 광섬유(9)에 인가되는 더 적은 응력, 그리고 따라서 더 높은 신뢰성을 발생시킨다는 점에서 유리하다. 실험적으로, 광섬유(9)는 1 N보다 더 적은 당기는 힘으로 도 7에 도시된 바와 같은 나선형 스퀴징 메커니즘들로부터 당겨질 수 있다는 것이 관측되었다. 이것은 도 2에 도시된 바와 같은 선형 스퀴징 메커니즘으로부터 광섬유(9)를 당기는 데 요구되는 당기는 힘보다 실질적으로 더 적고, 여기서 나선형 및 선형 스퀴징 메커니즘들은 광섬유(9)에서 유사한 레벨들의 모드 커플링을 유발한다. 그에 따라, 더 적은 스퀴징 힘들(12)이 나선형 스퀴징 메커니즘에서 광섬유에 인가되고 있어서, 더 큰 기계적 신뢰성을 암시한다.

도 14에 도시된 바와 같이, 광섬유(9) 및 광섬유(19)는, 코어(91)에 인접한 적어도 하나의 위성 코어(141)를 가질 수 있다. 광섬유(140)는, 코어(91) 주위에 대칭적으로 이격되는 위성 코어들(141) 중 4개를 갖는다. 각각의 위성 코어(141)는 굴절률(142) 및 직경(143)을 가질 수 있어서, 도 15를 참조하여 도시된 그것의 광학 모드(151)는, 도 11 및 도 13을 참조하여 도시된 2차 모드(122)의 유효 인덱스 β₂/k(98)와 실질적으로 동일한 유효 인덱스(143)를 갖는다. 그 후에, 광학 모드(151)는 2차 모드(122)에 공진 커플링할 것이다. 공진 커플링은 도 15에서 양단 화살표들로 표시된다. 따라서, 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(5)은 코어(91)의 LP₀₁ 모드를 코어(91)의 LP₁₁ 모드에 커플링하도록 구성될 수 있는데, 이 코어(91)의 LP₁₁ 모드는 그 후에 위성 코어들(141)의 광학 모드(151)에 커플링할 것이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(5)이 광섬유(140)에 적용되는 경우, 그러면, 코어(91)가 2차 LP₁₁ 모드(122)를 지원하지 않도록 코어(91)의 설계가 된 경우에도, 스퀴징 힘(12)은 예컨대 LP₀₁ 기본 모드(121)로부터 위성 코어들(141)의 광학 모드(151)로 직접 커플링하는 것을 야기하도록 선택될 수 있다. 이전의 논의와 같이, 광섬유(9)가 선형 방식으로 사인파로 비틀어지는 경우, 그러면 커플링은 단지 하나의 방위각 배향에서 가장 강력할 것이다. 나선형 방식으로 비틀어진 경우, 그러면 모든 방위각 배향들에서 커플링이 발생할 것이다. 유리하게는, 위성 코어들(141)의 포함은 레이저 방사선(13)이 코어(91)로부터 위성 코어들(141)로 커플링될 수 있게 하여, 따라서 레이저 방사선(13)이 광섬유(9)를 따라 전파함에 따라 레이저 방사선(13)의 유도된 빔 직경(39)을 증가시킨다.

도 16에 도시된 바와 같이, 광섬유(9) 및 광섬유(19)는, 코어(91)를 둘러싸는 링 코어(161)를 갖는 광섬유(160)일 수 있다. 링 코어(161)는 굴절률(162) 및 두께(164)를 가질 수 있어서, 도 17을 참조하여 도시된 그것의 2차 모드(171)는, 도 11 및 도 13을 참조하여 도시된 2차 모드(122)의 유효 인덱스 β₂/k(98)와 실질적으로 동일한 유효 인덱스(163)를 갖는다. 코어(91)의 2차 모드(122)가 광섬유(160)로 론칭되는 경우, 그러면 2차 모드(122)는 2차 모드(171)에 공진 커플링할 것이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(5)이 광섬유(160)에 적용되는 경우, 그러면, 코어(91)가 2차 LP₁₁ 모드(122)를 지원하지 않도록 코어(91)의 설계가 된 경우에도, 스퀴징 힘(12)은 예컨대 LP₀₁ 기본 모드(121)로부터 링 코어(161)의 광학 모드(171)로 직접 커플링하는 것을 야기하도록 선택될 수 있다. 이전의 논의와 같이, 광섬유(9)가 선형 방식으로 사인파로 비틀어지는 경우, 그러면 커플링은 단지 하나의 방위각 배향에서 가장 강력할 것이다. 나선형 방식으로 비틀어진 경우, 그러면 모든 방위각 배향들에서 커플링이 발생할 것이다. 유리하게는, 링 코어(161)의 포함은 레이저 방사선(13)이 직접적으로 또는 간접적으로 2차 LP₁₁ 모드(122)를 통해 코어(91)로부터 링 코어(161)로 커플링될 수 있게 하여, 따라서 레이저 방사선(13)이 광섬유(9)를 따라 전파함에 따라 레이저 방사선(13)의 유도된 빔 직경(39)을 증가시킨다.

도 11, 도 14 및 도 16을 참조하면, 유리 클래딩(94)은, 70 ㎛ 내지 500 ㎛인 직경(93)을 가질 수 있다. 직경(93)은 70 ㎛ 내지 200 ㎛일 수도 있다. 직경(93)은 바람직하게는 125 ㎛ 이하이다. 직경(93)은 더 바람직하게는 80 ㎛ 이하이다. 직경(93)을 감소시키면 광섬유(9)가 더 쉽게 변형될 수 있게 한다. 그것은 또한, 0.5 ㎜ 이하의 피치들(7)이 획득될 수 있게 하여, 따라서 전파 상수들의 더 큰 차이들을 갖는 모드들 사이의 커플링을 가능하게 한다. 그에 따라, 보다 작은 피치들(7)과 조합된 보다 작은 유리 직경들(93)은 종래 기술보다 유용한 이점들을 제공한다.

도 1 내지 도 4, 및 도 6 내지 도 10을 참조하면, 피치(7)는 12 ㎜보다 더 작을 수 있다. 피치(7)는 5 ㎜보다 더 작을 수 있다. 피치(7)는 범위 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜에 있을 수 있다.

도 1을 참조하면, 광섬유(9), 또는 존재한다면 광섬유(19)는 빔 전달 케이블(2)에 커플링된다. 빔 전달 케이블(2)은, 도 18을 참조하여 도시된 광섬유(180)를 포함할 수도 있다. 광섬유(180)는 직경(182) 및 굴절률(183)을 갖는 코어(181)를 갖는다. 광섬유(180)는 또한, 직경(185) 및 굴절률(186)을 갖는 페데스탈(184)을 포함한다. 직경들(182 및 185) 및 굴절률들(183 및 186)은 광섬유(9) 또는 존재한다면 광섬유(19)의 코어(91)에서 전파하는 레이저 방사선(13)의 비례를 보존하도록 선택될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 14의 광섬유(140)에 스플라이스(splice)된 경우, 직경(182)은 직경(92)과 실질적으로 동일하게 선택될 수 있고, 직경(185)은 외측 에지 대 외측 에지 거리(149)와 실질적으로 동일하거나 또는 그보다 더 크게 선택될 수 있다. 굴절률(186)은 굴절률(142)과 실질적으로 동일하거나 또는 그보다 더 높게 선택될 수 있다. 굴절률(183)은 굴절률(142)에 굴절률들(96 및 99)의 차이를 더한 것과 실질적으로 동일하게 선택될 수 있다. 따라서, 광섬유(140)의 코어(91)로부터 하나 이상의 위성 코어들(141)로 커플링되는 레이저 방사선(13)은 광섬유(180)의 페데스탈(184)에 커플링되고 빔 전달 케이블(2)을 따라 전파될 수 있다.

빔 전달 케이블(2)은, 도 19를 참조하여 도시된 광섬유(190)를 포함할 수도 있다. 광섬유(190)는, 직경(192) 및 굴절률(193)을 갖는 코어(191)를 갖는다. 광섬유(190)는 또한, 직경(195), 굴절률(196), 및 두께(199)를 갖는 링 코어(194)를 포함한다. 직경들(192 및 195), 두께(199), 및 굴절률들(193 및 196)은 광섬유(9) 또는 존재한다면 광섬유(19)의 코어(91)에서 전파하는 레이저 방사선(13)의 비례를 보존하도록 선택된다. 따라서, 예를 들어, 도 16의 광섬유(160)에 스플라이스된 경우, 직경(192)은 직경(92)과 실질적으로 동일하게 선택될 수 있고, 두께(199)는 두께(164)와 실질적으로 동일하게 선택될 수 있고, 직경(195)은 직경(169)과 실질적으로 동일하게 선택될 수 있다. 굴절률(196)은 굴절률(162)과 실질적으로 동일하거나 또는 그보다 더 높게 선택될 수 있다. 굴절률(193)은 굴절률(96)과 실질적으로 동일하게 선택될 수 있다. 따라서, 광섬유(160)의 코어(91)로부터 링(161)으로 커플링되는 레이저 방사선(13)은 광섬유(190)의 링(194)에 커플링되고 빔 전달 케이블(2)을 따라 전파될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 스퀴징 메커니즘(5)은 적어도 하나의 액추에이터(31)를 포함할 수도 있다. 액추에이터(31)는 전기 모터 및/또는 전자석을 포함할 수도 있다. 액추에이터는 래칫(ratchet)을 포함할 수도 있다. 전기 신호의 인가는 액추에이터(31)를 통해 스퀴징 힘(12)을 제공하는 데 사용될 수 있다.

장치(10)는 컴퓨터(32)를 포함할 수도 있다. 렌즈 시스템(24)과 액추에이터(31) 중 적어도 하나는 컴퓨터(32)에 의해 제어될 수도 있다. 컴퓨터(32)는, 재료 파라미터들에 관한 정보를 포함하는 메모리(33)를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 메모리(33)는, 렌즈 시스템(24) 및/또는 액추에이터들(31) 중 적어도 하나를 구동하는 신호들이 재료(11)의 파라미터들에 따라 선택될 수 있게 하는 정보를 포함한다. 파라미터들은 재료의 타입 및 그 두께(26)를 포함할 수도 있다. 이것은, 그것이 렌즈 시스템(24) 및 액추에이터(31)로의 신호를 제어하는 것에 의해 레이저 방사선(13)의 발산(22) 및 포커싱된 레이저 방사선(13)의 직경(21)이 제어되게 하므로 본 발명의 특히 유용한 양태이다. 그에 따라, 그것은, 비교적 고비용인 산업용 레이저들(1)이, 프로세싱되는 재료에 따라, 광범위한 레이저(1) 프로세싱 파라미터들에 걸쳐 자동으로 튜닝되게 한다.

예 1

도 20은 본 발명의 제1 예를 도시한다. 도 1에 도시된 스퀴징 메커니즘(5)은 도 11의 제1 광섬유(90)에 적용되었다. 코어(91)는 도 12의 기본 모드(121) 및 도 13의 2차 모드(122)를 지원하였다. 기본 모드(121)는 포인트 A에서의 제1 광섬유(90)의 위와 아래에 표시된 바와 같이 코어(91)에서 전파하였다. 코어(91)는, 차수 15 ㎛의 직경(92), 및 클래딩 인덱스(99)보다 0.0034만큼 더 큰 굴절률(96)을 가졌다. 스퀴징 메커니즘(5)은, 피치(17) = 2π/Δβ이도록 광학 모드들(121 및 122)의 유효 인덱스들(97 및 98)의 차이와 매칭하는 피치(7)를 가졌다. 스퀴징 메커니즘(5)에 의해 인가되는 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해, 제1 광섬유(90)에 의해 출력된 레이저 방사선(13)은 도 20의 포인트 B에서의 제1 광섬유(90)의 위와 아래에 각각 표시된 바와 같이 기본 모드(121)와 2차 모드(122) 사이에서 스위칭될 수 있다. 기본 모드(121)와 2차 모드(122)의 조합들 사이에서 스위칭하는 것도 또한 가능하였다. 이들 조합들은 도 20에 도시되어 있지 않다.

제1 광섬유(90)는 도 14에 도시된 제2 광섬유(140)에 스플라이스되었다. 제2 광섬유(140)의 중심 코어(91)는 제1 광섬유(90)의 코어(91)와 동일한 설계를 가졌다. 4개의 위성 코어들(141)은, 6.6 ㎛의 직경(143), 중심 코어(91)의 굴절률(96)과 동일한 굴절률(142), 및 36.6 ㎛의 외측 에지 대 외측 에지 거리(149)를 가졌다. 제1 광섬유(90)의 출력이 기본 모드(121)이도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 기본 모드(121)는 제2 광섬유(140)의 코어(91)에 성공적으로 커플링되었고, 다른 고차 광학 모드들에의 커플링 없이 제2 광섬유(140)를 따라 전파하였다. 따라서, 제2 광섬유(140)는 도 20의 포인트 C에서의 광섬유(140)의 위에 도시된 기본 모드(121)를 방출하였다. 제1 광섬유(90)의 출력이 2차 모드(122)이도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 2차 모드(122)는 제2 광섬유(140)의 출력에 위성 코어들(141)로부터 출력된 도 15에 도시된 광학 모드(들)(151)로 변환되었다. 광학 모드들(151)은 도 20의 포인트 C에서의 제2 광섬유(140)의 아래에 도시되어 있다. 따라서, 제2 광섬유(140)는, 제2 광학 모드(122)에서 전파하는 레이저 방사선(13)의 유도된 빔 직경(39)의 확장에 대한 상이한 비례로, 기본 광학 모드(121)에서 전파하는 레이저 방사선(13)의 유도된 빔 직경(39)을 확장하기 위한 전이 광섬유로서 사용되고 있다.

제2 광섬유(140)의 출력은 도 18의 제3 광섬유(180)에 스플라이스되었다. 제3 광섬유(180)는 빔 전달 광섬유이다. 제3 광섬유(180)의 코어(181)는 제1 광섬유(90)의 코어(91)와 동일한 직경(92)이었다. 코어 굴절률(183)과 페데스탈 굴절률(186) 사이의 차이는 0.0034이었다. 페데스탈(184)은 100 ㎛의 직경(185)을 가졌고 페데스탈 굴절률(186)과 클래딩 굴절률(99) 사이의 차이는 0.014이었다. 제1 광섬유(90)에서 기본 모드(121)를 선택하도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 제3 광섬유(180)의 출력은 13 ㎛의 출력 빔 직경(27), 및 대략 1.1의 빔 품질 M² 값을 가졌다. 이것은, 대략 가우시안인 출력 빔 프로파일(14), 및 대략 0.37 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대응한다. 제1 광섬유(90)에서 2차 모드(122)를 선택하도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 레이저 방사선(13)은 많은 고차 모드들(개별적으로 도시되지 않음)의 조합으로서 주로 제3 광섬유(180)의 페데스탈(184)에 레이저 빔(2001)으로서 유도되었다. 레이저 빔(2001)은, 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27), 및 대략 12의 빔 품질 M² 인자를 가졌다. 이것은, 대략 톱 햇인 출력 빔 프로파일(14), 및 대략 4 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대응한다.

레이저 빔(2001)은 안정적인 출력 빔 프로파일(14)을 갖지 않는 것으로 관측되었다. 그에 따라, 도 2를 참조하여 도시된 제2 스퀴징 메커니즘(15)이 제3 광섬유(180)에 적용되었다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)의 피치(17)는 스퀴징 메커니즘(5)의 피치(7)보다 더 길었는데, 이는 그것이 보다 가까운 이격된 유효 굴절률들(도시되지 않음)을 갖는 제3 광섬유(180)를 따라 전파하는 고차 광학 모드들을 커플링하도록 요망되었기 때문이다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)의 사용은 페데스탈(186)의 영역 내에서 대략 15의 빔 품질 M² 인자 및 균일한 전력 분포를 보장하였다. 빔 파라미터 곱(4)은 대략 5이었다. 도 20에 도시된 바와 같이, 그 후에, 스퀴징 메커니즘(5)에 인가되는 스퀴징 힘(12)을 선택하는 것에 의해, 광섬유(180)로부터 방출되는 레이저 방사선(13)을, 0.37 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4) 및 13 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 갖는 가우시안 프로파일을 갖는 출력 빔 프로파일(14)로부터, 5 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4) 및 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 가지며 대략 톱 햇인 출력 빔 프로파일(14)로 스위칭하는 것이 가능하였다. 절삭에 앞서 레이저 빔(13)으로 재료(11)를 관통하기 위해 가우시안 프로파일이 종종 선호된다. 톱 햇 프로파일은 레이저 빔(3)으로 재료(11)를 절삭하기 위해 종종 선호된다.

예 2

도 21은 제1 예의 제1 광섬유(90)가 광섬유(140)로 대체된 본 발명의 제2 예를 도시한다. 도 1에 도시된 스퀴징 메커니즘(5)은 도 14에 도시된 섬유(140)에 적용되었다. 코어(91)는, 대략 15 ㎛의 직경(92), 및 클래딩 굴절률(99)보다 0.0034만큼 더 큰 굴절률(96)을 가졌다. 코어(91)는 유효 굴절률(97)을 갖는 기본 모드(121)를 지원할 수 있다. 4개의 위성 코어들(141) 각각은, 6.6 ㎛의 직경(143), 클래딩 굴절률(99)보다 0.003만큼 더 큰 굴절률(142), 및 36.6 ㎛의 외측 에지 대 외측 거리(149)를 가졌다. 위성 코어들(141)은 유효 굴절률(143)을 갖는 모드(들)(151)를 전파할 수 있다. 스퀴징 메커니즘(5)은, 피치(7) = 2π/Δβ이도록 유효 굴절률들(97 및 143)의 차이와 매칭하도록 설계된 피치(7)를 가졌다. 도 21에 표시된 바와 같이, 스퀴징 메커니즘(5)에 의해 인가된 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해, 광섬유(140)의 출력에서 기본 모드(121) 또는 광학 모드(151)가 선택될 수 있다.

그 섬유(140)의 출력은 도 18의 광섬유(180)에 스플라이스되었고, 그 파라미터들은 예 1의 제3 섬유와 동일한 특성들을 가졌다. 스퀴징 메커니즘(5)이 섬유(140)에서 기본 모드(121)를 선택하도록 조정되었을 때, 광섬유(180)의 출력은 실질적으로 기본 모드(121)에 있었다. 광섬유(140)에서 광학 모드(151)를 선택하도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 레이저 방사선(13)은 주로 광섬유(180)의 페데스탈(184)에 유도되었고, 대략 4 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대응하는 대략 12의 빔 품질 M² 인자, 및 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 가졌다. 예 1에 설명된 바와 같이, 도 2를 참조하여 도시된 스퀴징 메커니즘(15)은 광섬유(180)의 출력(28)에서 출력 빔 프로파일(14)을 안정화시키기 위해 광섬유(180)에 적용되었다. 도 21에 도시된 바와 같이, 그 후에, 스퀴징 메커니즘(5)에 인가되는 스퀴징 힘(12)을 선택하는 것에 의해, 광섬유(180)로부터 방출되는 레이저 방사선(13)을, 0.37 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱 및 13 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 갖는 가우시안 프로파일로부터, 5 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4) 및 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 갖는 대략 톱 햇 프로파일로 스위칭하는 것이 가능하였다.

예 3

도 22는, 제1 예의 제2 광섬유(140)가 도 16의 제2 광섬유(160)로 대체되었고, 제1 예의 제3 광섬유(180)가 도 19를 참조하여 설명된 제3 광섬유(190)로 대체된 본 발명의 제3 예를 도시한다. 제1 광섬유(90)의 설계는 제1 예 및 도 20을 참조하여 설명된 것과 동일하였다.

제1 광섬유(90)는 도 16에 도시된 제2 광섬유(160)에 스플라이스되었다. 제2 광섬유(160)의 중심 코어(91)는 제1 광섬유(90)의 코어(91)와 동일한 설계이었다. 링 코어(161)는 40 ㎛의 외경(169), 5 ㎛의 두께(164), 및 클래딩 굴절률(99)보다 0.0026만큼 더 큰 굴절률(162)을 가졌다. 제1 광섬유(90)의 출력이 기본 모드(121)이도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 기본 모드(121)는 제2 광섬유(160)의 코어(91)에 성공적으로 커플링되었고, 다른 고차 광학 모드들에의 커플링 없이 제2 광섬유(160)를 따라 전파하였다. 제1 광섬유(90)의 출력이 2차 모드(122)이도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 2차 모드(122)는 제2 광섬유(160)의 출력에 링 코어(161)로부터 출력된 도 17에 도시된 광학 모드(들)(171)로 변환되었다.

도 19의 제3 광섬유(190)의 코어(191)는 50 ㎛의 직경(192)을 가졌다. 코어 굴절률(193)은 페데스탈 굴절률(99)보다 0.014만큼 더 컸다. 링 코어(194)는 100 ㎛의 외경(195), 20 ㎛의 두께(199), 및 클래딩 인덱스(99)보다 0.014만큼 더 큰 굴절률(196)을 가졌다. 코어 직경(192)은 제2 광섬유(160)의 코어 직경(92)의 대략 2.5배 더 컸다. 그에 따라, 제2 및 제3 광섬유들(160 및 190)의 대응하는 횡방향 치수들이 제3 광섬유(190)의 입력(221)에서 매칭되도록 대략 2.5의 테이퍼 비율로 제3 광섬유를 테이퍼하는 것이 필요하였다.

제1 섬유(90)에서 기본 모드(121)를 선택하도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 제3 섬유(180)의 출력은, 대략 1.35 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱에 대응하는 대략 4의 빔 품질 M² 값 및 50 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 가졌다. 제1 광섬유(90)에서 2차 모드(122)를 선택하도록 스퀴징 메커니즘(5)이 조정되었을 때, 레이저 방사선(13)은 제3 광섬유(190)의 외측 코어(194)에 유도되었고, 대략 4 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대응하는 대략 12의 빔 품질 M² 인자, 및 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 가졌다.

도 2를 참조하여 도시된 제2 스퀴징 메커니즘(15)이 제3 광섬유(190)에 적용되었다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)의 피치(17)는 스퀴징 메커니즘(5)의 피치(7)보다 더 길었는데, 이는 그것이 보다 가까운 이격된 유효 굴절률들(도시되지 않음)을 갖는 광섬유(190)를 따라 전파하는 고차 광학 모드들을 커플링하도록 요망되었기 때문이다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)은 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해 조정되었다. 스퀴징 메커니즘(5)에 스퀴징 힘(12)을 인가하는 것에 의해 제1 광섬유(90)의 출력에서 기본 모드(121)가 선택되었을 때, 제3 광섬유(190)의 출력에서의 레이저 빔(13)은, 대략 2.36 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(14)에 대응하는 대략 7의 빔 품질 M² 인자를 가졌다. 레이저 방사선(13)은 코어(191)에 대략 균일하게 분포되었다. 2차 모드(122)가 제1 광섬유(90)의 출력에서 선택되었을 때, 제3 광섬유(190)의 출력(28)에서의 빔 품질 M² 인자는, 대략 5 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4)에 대응하는 대략 15이었다. 광 전력은 링 코어(194) 내에 대략 균일하게 분포되었다. 스퀴징 메커니즘(5)에 인가되는 스퀴징 힘(12)을 조정하는 것에 의해 제1 섬유(90)에서 기본 모드(121)와 2차 모드(122)의 조합이 선택되었을 때, 코어(191) 및 링 코어(194) 사이의 총 전력의 대략 0% 내지 대략 100%의 임의의 상대 분포가 달성될 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 그 후에, 스퀴징 메커니즘(5)에 인가되는 스퀴징 힘(12)을 선택하는 것에 의해, 광섬유(190)로부터 방출되는 레이저 방사선(13)을, 2.36 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱 및 50 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 갖는 대략 톱 햇 프로파일(14)로부터, 5 ㎜.mrad의 빔 파라미터 곱(4) 및 대략 100 ㎛의 출력 빔 직경(27)을 갖는 대략 톱 햇 프로파일(14)로 스위칭하는 것이 가능하였다. 톱 햇 링 프로파일을 갖는 출력 빔 프로파일(14)은 레이저 빔(13)으로 재료(11)를 절삭하기 위한 종-형상 가우시안 빔 프로파일 또는 톱 햇 프로파일을 갖는 출력 빔 프로파일(14)보다 종종 선호된다. 종-형상 가우시안 프로파일(M² ~ 1.1)로부터 톱 햇 링 프로파일로 스위칭하는 것이 요망된 경우, 그러면 테이퍼(225)는 모드 커플링 없이 기본 모드(121)가 광섬유들(90, 160), 테이퍼(255), 및 광섬유(190)를 따라 전파하도록 단열되도록 설계될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

예 1 및 예 2 양측 모두는 광섬유(180) 및 제2 메커니즘(15)을 사용하였다. 그러나, 장치(10)로부터 방출된 레이저 방사선(13)을 위성 코어들(141)의 모드들(151) 및 기본 모드(121)로부터 스위칭하도록 요망되는 경우 이들은 생략될 수도 있다. 이것은 다수의 가깝게 이격된 빔들이 요망되는 특정 용접 적용들에 유리할 수 있다.

예 1 내지 예 3에서 사용된 스퀴징 메커니즘(5) 및 스퀴징 메커니즘(15)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 선형 종류로 된 것이었다. 스퀴징 메커니즘(5)과 스퀴징 메커니즘(15) 중 어느 하나 또는 양측 모두는 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명된 스퀴징 메커니즘들로 대체될 수 있다. 바람직하게는, 스퀴징 메커니즘(5) 및 스퀴징 메커니즘(15)은 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명된 나선형 스퀴징 메커니즘들일 것이다. 그러한 스퀴징 메커니즘들은 동일한 양의 모드 스위칭에 대해 보다 낮은 스퀴징 힘들(12)이 인가될 수 있게 하고, 그에 따라 신뢰성을 개선시킨다. 그러한 스퀴징 메커니즘들은 또한 모든 배향들의 광학 모드들을 커플링하고, 따라서 출력 빔 프로파일(14)에서 때때로 보여지는 핫 스폿들의 형성을 감소시킨다. 기본 모드(121) 및 2차 모드(122)와 같은 2개의 규정된 광학 모드들 사이에서 커플링할 때, 균일한 피치(7 또는 17)가 선호된다. 제2 스퀴징 메커니즘(15)이 예 1 내지 예 3의 광섬유들(180 및 190)에 적용하였을 때와 같이, 다양한 광학 모드들 사이에서 커플링할 때, 처핑된 피치(7 또는 17)가 선호된다. 기본 모드(121)와 2차 모드(122) 사이에서 커플링할 때보다 다양한 고차 광학 모드들 사이에서 커플링할 때 피치(7 또는 17)가 더 긴 것이 선호된다.

하나 초과의 스퀴징 메커니즘(5)의 사용은 레이저 방사선(13)의 파라미터들의 자동 제어를 단순화시킨다. 빔 발산(22), 직경(21), 및 모드 프로파일(14)이 제어될 수 있다. 부가적으로, 상이한 유도 특성들을 갖는 광섬유들(9) 상의 상이한 스퀴징 메커니즘들(5)의 사용은, 적용될 수 있는 제어의 범위를 개선시킨다. 예를 들어, 광섬유(9) 및 광섬유(19)는 각각 도 11의 광섬유(90)일 수 있다. 광섬유(90)의 직경(93)은 75 ㎛이어서 피치(7)가 0.5 ㎜만큼 작아질 수 있게 할 수 있다. 광섬유(19)의 직경(93)은 250 ㎛일 수도 있고, 코어(91)는 광섬유(9)의 코어(91)보다 더 멀티모드로 될 수 있다. 그 후에, 피치(17)는 바람직하게는 피치(7)보다 더 긴데, 예를 들어 범위 2 ㎜ 내지 8 ㎜에 있다. 부가적으로, 스퀴징 메커니즘들(5 및 15) 중 적어도 하나는 도 3에 도시된 형태로 될 수 있고, 이때 광섬유(9 또는 19)는, 균일한 또는 처핑된 피치(7 또는 17)를 가질 수도 있는 나선형으로 변형되는 것이 가능하다. 이들 메커니즘들(5) 중 하나는, 예를 들어, 오프셋 코어를 갖는 스플라이스와 같은 다른 모드 커플링 디바이스로 대체될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

도 1을 참조하여 도시된 바와 같이, 장치(10)는, 빔 전달 케이블(2)에 부착되거나 또는 빔 전달 케이블(2)의 부분을 형성하는 진동 요소(36)를 포함할 수도 있다. 진동 요소(36)는 빔 전달 케이블(2)을 진동시키도록 구성될 수 있다. 이것은 레이저 방사선(13)으로부터 레이저 스펙클을 제거하거나, 또는 레이저 방사선(13)의 출력 빔 프로파일(14)로부터 핫 스폿들을 제거하는 데 유리할 수 있다. 진동 요소(36)는 압전 요소 또는 전자기 요소일 수 있다.

도 1에 도시된 광섬유(9) 및 광섬유(19)는 도 11, 도 14, 도 16, 도 18 및 도 19를 참조하여 설명된 광섬유들(90, 140, 160, 180, 및 190) 중 임의의 것일 수 있다. 광섬유(9) 및 광섬유(19)는 솔리드 코어들 및 클래딩들을 가질 수도 있고, 함몰된 클래딩들을 포함하는 부가적인 코어들 및 클래딩들을 가질 수 있고, 코어 및/또는 클래딩 내에 길이방향으로 연장되는 홀들을 가질 수 있다. 논의는 LP₀₁ 기본 모드와 LP₁₁ 2차 모드의 커플링에 주로 포커싱되었다. 그러나, 스퀴징 메커니즘들(5, 15, 40, 50, 60, 및 82)은 다른 세트들의 광학 모드들 사이의 모드 커플링을 야기시키는 데 사용될 수 있다.

첨부 도면들을 참조하여 상술된 본 발명의 실시예들은 단지 예로서 주어졌고 성능을 향상시키기 위해 수정들 및 부가적인 컴포넌트들이 제공될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 도면들에 도시된 개별 컴포넌트들은 이들의 도면들에서 사용하는 것으로 제한되지 않고, 이들은 다른 도면들에서 그리고 본 발명의 모든 양태들에서 사용될 수도 있다. 본 발명은 또한, 단일하게 또는 임의의 조합으로 취해지는, 상기에 언급된 및/또는 도시된 개별 컴포넌트들로 확장된다.

Claims (58)

1. 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치로서,
   상기 장치는 레이저 및 빔 전달 케이블을 포함하고,
   

   

   상기 레이저는 상기 빔 전달 케이블에 연결되고;
   

   

   상기 빔 전달 케이블은 상기 레이저로부터 방출된 레이저 방사선을 송신하도록 구성되고;
   

   

   상기 레이저 방사선은 빔 파라미터 곱(beam parameter product)에 의해 규정되고;
   상기 장치는:
   

   

   상기 장치가, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘(squeezing mechanism)을 포함하고;
   

   

   상기 레이저 및/또는 상기 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 길이의 광섬유가 상기 주기적 표면에 인접하여 위치되고;
   

   

   상기 스퀴징 메커니즘이 스퀴징 힘과 함께 상기 주기적 표면 및 상기 길이의 광섬유를 스퀴징하도록 구성되어;
   상기 빔 파라미터 곱이 상기 스퀴징 힘을 조정하는 것에 의해 변화되는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 것인 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 주기적 표면은 처핑되는(chirped) 것인 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은, 서로에 대해 각도를 이루도록 배열되는 주기적 표면들 중 적어도 2개를 포함하는 것인 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 주기적 표면들은 동일한 피치를 갖는 것인 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 각도는 직각인 것인 장치.
6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 각도는 60도인 것인 장치.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 상기 주기적 표면들 중 하나가 상기 주기적 표면들 중 다른 것과는 상이한 스퀴징 힘으로 상기 광섬유에 대해 스퀴징되는 것이 가능하도록 하는 것인 장치.
8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주기적 표면들의 공간 위상들은 상기 스퀴징 힘들이 상기 주기적 표면들에 인가될 때 상기 광섬유가 나선형 방식으로 변형되도록 구성되는 것인 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 힘들은 상기 광섬유가 1 N보다 더 적은 힘으로 상기 주기적 표면들을 통해 당겨지는 것이 가능하도록 하는 것인 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 스퀴징 메커니즘들을 포함하는 것인 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘들 중 적어도 하나는 상기 스퀴징 메커니즘들 중 다른 것과는 상이한 피치를 갖는 것인 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 선형 스퀴징 메커니즘인 것인 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 실린더를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 실린더 둘레에 감겨 있고, 상기 스퀴징 힘은 상기 실린더의 축을 따라 인가되는 것인 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 피치는 상기 실린더의 반경 또는 주연부(perimeter)를 따라 변화되는 것인 장치.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는, 적어도 10 ㎛의 직경을 갖는 코어를 갖는 것인 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 직경은 적어도 15 ㎛인 것인 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 직경은 적어도 50 ㎛인 것인 장치.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는, 100 ㎛ 이하인 외경을 갖는 유리를 포함하는 것인 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 외경은 80 ㎛ 이하인 것인 장치.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피치는 8 ㎜ 이하인 것인 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 피치는 6 ㎜ 이하인 것인 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 피치는 5 ㎜ 이하인 것인 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 피치는 범위 0.5 ㎜ 내지 4 ㎜에 있는 것인 장치.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 제1 광학 모드 및 전파 상수 β₂를 갖는 제2 광학 모드를 지원하는 코어를 포함하고, 상기 피치는 상기 스퀴징 힘이 인가될 때 상기 제1 광학 모드를 상기 제2 광학 모드에 커플링하도록 선택되는 것인 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 피치는 2π/(β₁-β₂)와 동일한 것인 장치.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 상기 광섬유를 그 길이를 따라 비틀고, 비틀림은 대칭성에 의해 규정되고, 상기 대칭성은 상기 제1 광학 모드를 상기 제2 광학 모드에 커플링하도록 상기 대칭성이 선택되는 것인 장치.
27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 상기 스퀴징 힘을 변화시키는 것에 의해 상기 광섬유의 출력이 상기 제1 광학 모드로부터 상기 제2 광학 모드로 스위칭되는 것이 가능하도록 구성되는 것인 장치.
28. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 제1 광학 모드를 지원하는 코어, 및 전파 상수 β₂를 갖는 제2 광학 모드를 지원하는 적어도 하나의 위성 코어를 포함하고, 상기 피치는 상기 제1 광학 모드를 상기 제2 광학 모드에 커플링하도록 선택되는 것인 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기 코어를 둘러싸는 상기 위성 코어들 중 적어도 2개가 있는 것인 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 코어를 둘러싸는 상기 위성 코어들 중 적어도 4개가 있는 것인 장치.
31. 제28항에 있어서, 상기 위성 코어는 링 코어인 것인 장치.
32. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피치는 2π/(β₁-β₂)와 동일한 것인 장치.
33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 상기 광섬유를 그 길이를 따라 비틀고, 비틀림은 대칭성에 의해 규정되고, 상기 대칭성은 상기 제1 광학 모드가 상기 제2 광학 모드에 커플링하는 것이 가능하도록 선택되는 것인 장치.
34. 제24항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 중심 코어 및 적어도 하나의 위성 코어를 포함하는 전이 광섬유를 포함하고, 상기 위성 코어는, 상기 제2 광학 모드에서 전파하는 레이저 방사선의 빔 직경의 확장에 대한 상이한 비례로, 상기 제1 광학 모드에서 전파하는 레이저 방사선의 빔 직경을 확장하도록 구성되는 것인 장치.
35. 제34항에 있어서, 상기 위성 코어들 중 적어도 4개가 있는 것인 장치.
36. 제34항에 있어서, 상기 위성 코어는 링 코어인 것인 장치.
37. 제24항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 중심 코어를 포함하는 빔 전달 광섬유를 포함하고,
    상기 빔 전달 광섬유는, 상기 레이저 방사선이 방출되게 하는 출력 단부를 포함하는 것인 장치.
38. 제37항에 있어서, 상기 빔 전달 광섬유는 페데스탈(pedestal)을 포함하는 것인 장치.
39. 제38항에 있어서, 상기 빔 전달 광섬유는, 상기 중심 코어를 둘러싸는 링 코어를 포함하는 것인 장치.
40. 제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 테이퍼를 포함하고,
    상기 테이퍼는 상기 중심 코어의 직경이 상기 출력 단부를 향해 증가되도록 하는 것인 장치.
41. 제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘들 중 2개가 있고, 제2 스퀴징 메커니즘이, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 가지며, 상기 제2 스퀴징 메커니즘의 상기 주기적 표면은 상기 빔 전달 광섬유에 적용되는 것인 장치.
42. 제41항에 있어서, 상기 제2 스퀴징 메커니즘의 피치는 제1 스퀴징 메커니즘의 피치보다 더 큰 것인 장치.
43. 제41항 또는 제42항에 있어서, 상기 빔 전달 광섬유는, 전파 상수 β₁을 갖는 기본 모드, 및 전파 상수 β₂를 갖는 2차 광학 모드를 지원하고, 상기 제2 스퀴징 메커니즘의 피치는 2π/(β₁-β₂)보다 더 길고, 그에 의해 상기 제2 스퀴징 메커니즘은 상기 기본 모드와 상기 2차 모드를 함께 커플링하지 않는 것인 장치.
44. 제37항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스퀴징 메커니즘의 피치는, 상기 빔 전달 광섬유에서 전파할 수 있는 고차 모드들을 함께 커플링하도록 선택되어, 그에 의해 더 균일한 출력 빔 프로파일을 생성하는 것인 장치.
45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 전달 케이블로부터 상기 레이저 방사선을 수신하도록 포지셔닝되는 렌즈 시스템을 포함하는 장치.
46. 제45항에 있어서, 상기 렌즈 시스템은 상기 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경이 변화되는 것이 가능하도록 하는 것인 장치.
47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 액추에이터를 포함하는 것인 장치.
48. 제46항 또는 제47항에 있어서, 컴퓨터를 포함하고,
    상기 렌즈 시스템과 상기 액추에이터 중 적어도 하나는 상기 컴퓨터에 의해 제어되는 것인 장치.
49. 제48항에 있어서, 상기 컴퓨터는, 재료 파라미터들에 관한 정보를 포함하는 메모리를 포함하는 것인 장치.
50. 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는, 상기 광섬유로부터 상기 레이저 방사선을 수신하도록 구성되는 프로세싱 헤드를 포함하는 것인 장치.
51. 제50항에 있어서, 상기 장치는 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 포함하고, 상기 제1 광섬유는 제1 코어 직경을 가지며, 상기 제2 광섬유는, 상기 제1 직경보다 더 큰 제2 코어 직경을 가지며, 상기 제2 광섬유는 상기 프로세싱 헤드와 상기 제1 광섬유 사이에 위치되고, 상기 제1 광섬유에 상기 스퀴징 메커니즘들 중 제1 스퀴징 메커니즘이 적용되고, 상기 제2 광섬유에 상기 스퀴징 메커니즘들 중 제2 스퀴징 메커니즘이 적용되어, 사용 시에 상기 제1 광섬유에서 전파하는 상기 레이저 방사선의 스폿 사이즈가 상기 제1 스퀴징 메커니즘으로 변화되고, 상기 레이저 방사선의 프로파일이 상기 제2 스퀴징 메커니즘으로 변화되는 것인 장치.
52. 제1항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 전달 케이블에 부착되거나 또는 상기 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 진동 요소를 포함하는 장치.
53. 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은, 레이저 및 빔 전달 케이블을 제공하는 단계 -
    

    

    상기 빔 전달 케이블은 상기 레이저로부터의 레이저 방사선을 송신하도록 구성되고,
    

    

    상기 레이저 방사선은 빔 파라미터 곱에 의해 규정되고;
    

    

    상기 장치는, 피치에 의해 규정되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 스퀴징 메커니즘을 포함하고;
    

    

    상기 레이저 및/또는 상기 빔 전달 케이블의 부분을 형성하는 길이의 광섬유가 상기 주기적 표면에 인접하여 위치되고;
    

    

    상기 스퀴징 메커니즘은 스퀴징 힘과 함께 상기 주기적 표면 및 상기 길이의 광섬유를 스퀴징하도록 구성됨 -; 및
    상기 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위해 상기 스퀴징 힘을 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
54. 제53항에 있어서, 상기 방법은, 렌즈 시스템을 제공하는 단계, 및 상기 빔 전달 케이블로부터 상기 레이저 방사선을 수신하도록 상기 렌즈 시스템을 포지셔닝하는 단계를 포함하는 것인 방법.
55. 제54항에 있어서, 상기 렌즈 시스템은 상기 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경이 변화되는 것이 가능하도록 하고, 상기 방법은, 상기 재료 상의 포커싱된 스폿의 직경을 변화시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
56. 제53항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스퀴징 메커니즘은 액추에이터를 포함하는 것인 방법.
57. 제56항에 있어서, 컴퓨터를 제공하는 단계, 및 상기 렌즈 시스템과 상기 액추에이터 중 적어도 하나를 상기 컴퓨터에 의해 제어하는 단계를 포함하는 것인 방법.
58. 제57항에 있어서, 상기 컴퓨터는, 재료 파라미터들에 관한 정보를 포함하는 메모리를 포함하는 것인 방법.

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