Применения, способы и системы для доставки лазерного излучения адресуемой матрицы - RU2735581C2

Чертежи

Показать все 23 чертежа(ей)

Описание

[0001] В соответствии с пар. 119(е)(1) раздела 35 Кодекса законов США по этой заявке испрашивается преимущество согласно предварительной заявке №62/193047 на патент США, поданной 15 июля 2015 года, полное раскрытие которой включено в настоящий документ по ссылке.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение относится к матричным модулям для совмещения лазерных пучков; и, в частности, к матричным модулям, которые могут обеспечивать лазерные пучки с высокой яркостью для использования в системах и применениях в областях производства, изготовления, зрелищных мероприятий, графического изображения, визуализации, анализа, мониторинга, сборки, стоматологии и медицины.

[0003] Многие лазеры и, в частности, полупроводниковые лазеры, такие как лазерные диоды, обеспечивают лазерные пучки, имеющие весьма желательные длины волн и качество пучков, включая яркость. Эти лазеры могут иметь длины волн в видимой области, УФ области, ИК области и их комбинациях, а также большие или меньшие длины волн. Область полупроводниковых лазеров, а также других лазерных источников, например волоконных лазеров, быстро развивается, при этом непрерывно разрабатываются новые лазерные источники и обеспечивают существование новых длин волн лазеров. При наличии требуемых качеств пучков многие из этих лазеров имеют меньшие мощности, чем требуемые или необходимые для конкретных применений. Таким образом, эти более низкие мощности ограничивали увеличение практической ценности и промышленных применений этих лазерных источников.

[0004] Кроме того, ранее имевшие место попытки объединения лазеров этих видов обычно были неудовлетворительными, в качестве некоторых примеров, среди прочих причин, трудности при выставлении пучков, трудности при поддержании пучков выставленными во время применений, потерю качества пучков, трудности с конкретным расположением лазерных источников, проблемы размеров и управления электропитанием.

[0005] Используемым в этой заявке терминам «синие лазерные пучки», «лазеры синего свечения» и «синий» следует придавать самый широкий смысл, если особо не оговорено иное, и обычно они относятся к системам, которые обеспечивают лазерные пучки, лазерным пучкам, лазерным источникам, например, лазеры или лазерные диоды, которые обеспечивают, например, распространение лазерного пучка или излучения, имеющего длину волны от примерно 400 нм до примерно 500 нм.

[0006] Термин «примерно», используемый здесь, обычно служит для охвата, если не указано иное, изменения или диапазона ±10% экспериментальной или инструментальной ошибки, связанной с получением контрольного значения, и, предпочтительно, чтобы он охватывал более широкие пределы.

[0007] Раздел «Предпосылки изобретения» предназначен для ознакомления с различными аспектами из уровня техники, которые могут быть связаны с вариантами осуществления настоящего изобретения. Поэтому предшествующим рассмотрением в этом разделе обеспечиваются основные положения, предназначенные для лучшего понимания настоящего изобретения, и его не следует считать признанием уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Помимо всего прочего, в течение длительного времени имеется неудовлетворенная потребность в модулях и системах для совмещения многочисленных лазерных пучков источников в один или несколько лазерных пучков при сохранении или улучшении требуемых характеристик пучков, таких как яркость и мощность. Настоящим изобретением, помимо всего прочего, решается задача удовлетворения этой потребности путем создания изделий промышленного производства, устройств и процессов, раскрытых в этой заявке.

[0009] Таким образом, обеспечена лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, имеющая множество модулей лазерных диодов, при этом каждый модуль лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных выдавать отдельный синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка; средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно для подачи на целевой материал; и при этом средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков по траектории лазерного пучка и в оптической связи с каждым лазерным диодом.

[0010] Кроме того, предложены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: имеющие по меньшей мере три модуля лазерных диодов; и при этом каждый модуль лазерных диодов имеет по меньшей мере 30 лазерных диодов; причем модули лазерных диодов способны к распространению лазерных пучков, имеющих суммарную мощность по меньшей мере примерно 30 Вт и показатель параметра пучка ниже 20 мм⋅мрад; причем показатель параметра пучка ниже чем 15 мм⋅мрад; причем показатель параметра пучка ниже 10 мм⋅мрад; причем средство пространственного совмещения выдает совмещенный лазерный пучок с яркостью, составляющей умноженную на N яркость отдельного лазерного пучка, где N - число лазерных диодов в модуле лазерных диодов; причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости совмещенного лазерного пучка; в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 50-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 раза произведение параметров отдельного лазерного пучка; в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 раза произведение параметров отдельного лазерного пучка; в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка; причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости отдельных лазерных пучков; в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 100-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 произведение параметров отдельного лазерного пучка; в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 произведение параметров отдельного пучка; в результате этого произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше чем, умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка; причем оптическое волокно является стойким к соляризации; причем средство пространственного совмещения содержит модули, выбранные из группы, состоящей из выставляющих плоскопараллельных пластинок и клиньев, для коррекции по меньшей мере одного из ошибок положения или ошибок в наведении лазерного диода; причем средство пространственного совмещения имеет поляризационное устройство совмещения пучков, способное повышать эффективную яркость совмещенных лазерных пучков по сравнению отдельными лазерными пучками; причем модулями лазерных диодов заданы траектории отдельных лазерных пучков с пространством между каждой из этих траекторий, в результате чего отдельные лазерные пучки имеют пространство между каждым пучком; и причем средство пространственного совмещения имеет коллиматор для коллимирования отдельных лазерных пучков по быстрой оси лазерных диодов, периодическое зеркало для совмещения коллимированных лазерных пучков, при этом периодическое зеркало выполнено с возможностью отражения первого лазерного пучка с первого диода в модуле лазерных диодов и пропускания второго лазерного пучка со второго диода в модуле лазерных диодов, в результате чего заполняется пространство между отдельными лазерными пучками по быстрому направлению; причем средство пространственного совмещения имеет структурированное зеркало на стеклянной подложке; причем стеклянная подложка имеет достаточную толщину для сдвига вертикального положения лазерного пучка от лазерного диода для заполнения пустого пространства между лазерными диодами; и способы и системы имеют ступенчатый теплоотвод.

[0011] Более того, предложена лазерная система для обеспечения лазерного пучка высокой яркости и большой мощности, имеющая: множество модулей лазерных диодов; при этом каждый модуль лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок, имеющий исходную яркость; средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего конечную яркость и образующего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно; причем каждый лазерный диод фиксирован внешним резонатором на другой длине волны для значительного повышения яркости совмещенного лазерного пучка, в результате чего конечная яркость совмещенного лазерного пучка является примерно такой же, как исходная яркость лазерных пучков от лазерного диода.

[0012] Кроме того, предложены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: причем каждый лазерный диод фиксирован на одной длине волны с помощью внешнего резонатора на основе дифракционной решетки и каждый из модуля лазерных диодов объединен в совмещенный пучок с помощью средства совмещения, выбранного из группы, состоящей из узкополосного пространственного оптического фильтра и дифракционной решетки; причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину из беспримесного плавленого кварцевого стекла для создания источника с более высокой яркостью и фторсодержащую внешнюю сердцевину для удержания синего излучения накачки; причем рамановский преобразователь использован для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет легированную GeO₂ центральную сердцевину с внешней сердцевиной, для создания вместе источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки; причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет легированную P₂O₅ сердцевину, для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки; причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину с градиентным показателем преломления, для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки; причем рамановский преобразователь представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления; причем рамановский преобразователь использован для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления; причем рамановский преобразователь использован для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления; причем рамановский преобразователь представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления; причем рамановский преобразователь представляет собой алмаз для создания лазерного источника с более высокой яркостью; причем рамановский преобразователь представляет собой калиево-гадолиниевый вольфрамат для создания лазерного источника с более высокой яркостью; причем рамановский преобразователь представляет собой YVO₄ для создания лазерного источника с более высокой яркостью; причем рамановский преобразователь представляет собой Ba(NO₃)₂ для создания лазерного источника с более высокой яркостью; и причем рамановский преобразователь представляет собой газ высокого давления для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

[0013] Кроме того, также предложена лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, имеющая: множество модулей лазерных диодов; при этом каждый модуль лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка; средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, оптически вводимого в рамановский преобразователь, чтобы накачивать рамановский преобразователь для повышения яркости совмещенного лазерного пучка.

[0014] В дополнение к этому предложен способ обеспечения совмещенного лазерного пучка, содержащий функционирование матрицы лазеров с рамановским преобразованием для генерации синих лазерных пучков с отдельными различными длинами волн и совмещенных лазерных пучков для образования источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника.

[0015] Кроме того, дополнительно предложена лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, имеющая: множество модулей лазерных диодов; при этом каждый модуль лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок вдоль траектории лазерного пучка; коллимирующую и совмещающую оптику вдоль траектории лазерного пучка, которая способна выдавать совмещенный лазерный пучок; и оптическое волокно для приема совмещенного лазерного пучка.

[0016] Более того, предложены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: причем оптическое волокно находится в оптической связи с легированным редкоземельной примесью волокном, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать легированное редкоземельным элементом волокно для создания лазерного источника с более высокой яркостью; и причем оптическое волокно находится в оптической связи с внешней сердцевиной преобразователя яркости, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать внешнюю сердцевину преобразователя яркости для получения более высокого коэффициента повышения яркости.

[0017] Кроме того, предложено рамановское волокно, имеющее сдвоенные сердцевины, при этом одна из двух сердцевин является центральной сердцевиной с высокой яркостью; и средство подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине с высокой яркостью, выбранное из группы, состоящей из фильтра, волоконной брэгговской решетки, разности в нормализованной частоте (V) для рамановских сигналов первого и второго порядка и различия потерь на микроизгибах.

[0018] Кроме того, предложена система генерации второй гармоники, имеющая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения на половине первой длины волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с половинной длиной волны через оптическое волокно.

[0019] Более того, предложены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: причем первая длина волны составляет примерно 460 нм; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе представляет собой KTP; и причем рамановский преобразователь имеет некруговую внешнюю сердцевину, структурированную для повышения эффективности рамановской конверсии.

[0020] Кроме того, предложена система генерации третьей гармоники, имеющая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения со второй длиной волны, меньшей, чем первая длина волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с меньшей длиной волны через оптическое волокно.

[0021] Кроме того, предложена система генерации четвертой гармоники, имеющая: рамановский преобразователь для генерации излучения при 57,5 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, выполненного с возможностью предотвращения распространения излучения с длиной волны 57,5 через оптическое волокно.

[0022] Кроме того, предложена система генерации второй гармоники, имеющая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения с длиной волны, равной половине длины волны лазерного источника или 236,5 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0023] Кроме того, предложена система генерации третьей гармоники, имеющая: легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 118,25 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0024] Кроме того, предложена система генерации четвертой гармоники, имеющая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 59,1 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0025] Дополнительно предложена лазерная система для выполнения лазерных технологических операций, имеющая по меньшей мере три модуля лазерных диодов; при этом каждый из упомянутых по меньшей мере трех модулей лазерных диодов имеет по меньшей мере десять лазерных диодов, причем каждый из упомянутых по меньшей мере десяти лазерных диодов способен выдавать синий лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере примерно 2 Вт и произведение параметров пучка ниже 8 мм⋅мрад, по траектории лазерного пучка, при этом траектория каждого лазерного пучка являются практически параллельной, в результате чего задано пространство между лазерными пучками, распространяющимися по траекториям лазерных пучков; средство пространственного совмещения и сохранения яркости синих лазерных пучков, расположенных по всем из упомянутых по меньшей мере тридцати траекторий лазерных пучков, при этом средство пространственного совмещения и сохранения яркости имеет коллимирующую оптику по первой оси лазерного пучка, вертикальную матрицу призм по второй оси лазерного пучка и телескопическое устройство, в результате чего средство пространственного совмещения и сохранения заполняет пространство между лазерными пучками лазерной энергией, вследствие чего выдается совмещенный лазерный пучок мощностью по меньшей мере примерно 600 Вт и с произведением параметров пучка ниже 40 мм⋅мрад.

[0026] Кроме того, предложена система лазерной обработки с адресуемой матрицей, имеющая: по меньшей мере три лазерные системы ранее описанного вида, при этом каждая из упомянутых по меньшей мере трех лазерных систем выполнена с возможностью ввода каждого из совмещенных лазерных пучков в одно оптическое волокно; в результате чего каждый из упомянутых по меньшей мере трех совмещенных лазерных пучков способен проходить по связанному с ним оптическому волокну; упомянутые по меньшей мере три оптических волокна в оптической связи с лазерной головкой; и систему управления; при этом система управления имеет программу, имеющую заданную последовательность доставки каждого из совмещенных лазерных пучков на заданное местоположение на целевом материале.

[0027] Более того, предложены способы и системы для адресуемой матрицы, имеющей один или более из следующих признаков: причем заданная последовательность для доставки имеет отдельное включение и выключение лазерных пучков из лазерной головки, вследствие чего происходит отображение на слой порошка для плавления и вплавления целевого материала, имеющего порошок, в деталь; причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из линейной, нелинейной, круговой ромбовидной, квадратной, треугольной и гексагональной; причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из 2×5, 5×2, 4×5, по меньшей мере 5 на 5, 10×5, 5×10 и 3×4; причем целевой материал имеет слой порошка; и имеющей систему перемещения по x-y, способную транспортировать лазерную головку вдоль слоя порошка, благодаря чему осуществляются плавление и сплавление слоя порошка; и систему подачи порошка, расположенную позади лазерного источника, для обеспечения слоя свежего порошка позади сплавленного слоя; имеющей систему перемещения по z, способную транспортировать лазерную головку с уменьшением и увеличением высоты лазерной головки над поверхностью слоя порошка; имеющей двунаправленное устройство размещения порошка, способное помещать порошок непосредственно позади доставляемого лазерного пучка, когда оно перемещается в положительном направлении x или отрицательном направлении x; имеющей систему подачи порошка, которая расположена коаксиально со множеством траекторий лазерных пучков; имеющей систему подачи порошка самотеком; имеющей систему подачи порошка, в которой порошок увлекается потоком инертного газа; имеющей систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок помещается самотеком впереди лазерных пучков; и имеющей систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок увлекается потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.

[0028] Кроме того, предложен способ обеспечения совмещенного синего лазерного пучка, имеющего высокую яркость, при этом способ содержит: функционирование множества лазеров с рамановским преобразованием для создания множества отдельных синих лазерных пучков и совмещение отдельных синих лазерных пучков для создания источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника; при этом отдельные лазерные пучки из упомянутого множества имеют различные длины волн.

[0029] Более того, предложен способ лазерной обработки целевого материала, содержащий функционирование лазерной системы обработки с адресуемой матрицей, имеющей по меньшей мере три лазерные системы типа ранее описанных систем для генерации трех отдельных совмещенных лазерных пучков в три отдельных оптических волокна; прохождение каждого совмещенного лазерного пучка по его оптическому волокну к лазерной головке; и направление в заданной последовательности трех отдельных совмещенных лазерных пучков от лазерной головки на заданное местоположение на целевом материале.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

[0030] фиг. 1 представляет собой график, показывающий характеристики лазеров согласно вариантам осуществления настоящим изобретениям;

[0031] фиг. 2А представляет собой схематичный вид лазерного диода и осевой фокусирующей линзы согласно настоящим изобретениям;

[0032] фиг. 2В представляет схематичный вид варианта осуществления пятна лазерного диода после фокусировки по быстрой и медленной осям согласно настоящим изобретениям;

[0033] фиг. 2С представляет собой перспективный вид варианта осуществления модуля лазерных диодов согласно настоящим изобретениям;

[0034] фиг. 2D представляет собой перспективный вид варианта осуществления модуля лазерных диодов согласно настоящим изобретениям;

[0035] фиг. 2Е представляет собой частичное изображение варианта осуществления с фиг. 2С показывающего лазерные пучки, траектории лазерных пучков и пространство между лазерными пучками согласно настоящим изобретениям;

[0036] фиг. 2F представляет собой поперечное сечение лазерных пучков, траекторий лазерных пучков и пространства между лазерными пучками с фиг. 2Е;

[0037] фиг. 2G представляет собой перспективный вид варианта осуществления лазерных пучков, траекторий пучков и оптики согласно настоящим изобретениям;

[0038] фиг. 2Н представляет собой вид совмещенных пучков от лазерных диодов после структурированных зеркал согласно настоящему изобретению;

[0039] фиг. 2I представляет вид пучков от лазерных диодов после устройства складывания пучков при использовании равномерного расщепления пучков согласно настоящему изобретению;

[0040] фиг. 2J представляет вид пучков от лазерных диодов после устройства складывания пучков при использовании расщепления между двумя из трех столбцов согласно настоящему изобретению;

[0041] фиг. 3 представляет собой схематичную иллюстрацию сканирования по варианту осуществления матрицы лазерных диодов по исходному или целевому материалу согласно настоящим изобретениям;

[0042] фиг. 4 представляет собой таблицу с параметрами обработки согласно настоящим изобретениям;

[0043] фиг. 5 представляет собой схематичную иллюстрацию варианта осуществления системы лазерной матрицы и процесса согласно настоящим изобретениям;

[0044] фиг. 6 представляет собой схематичную иллюстрацию варианта осуществления системы лазерной матрицы и процесса согласно настоящим изобретениям;

[0045] фиг. 7 представляет собой схематичную иллюстрацию варианта осуществления системы лазерной матрицы и процесса согласно настоящим изобретениям;

[0046] фиг. 8 представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианта осуществления системы лазерной матрицы согласно варианту настоящим изобретениям;

[0047] фиг. 9 представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0048] фиг. 10 представляет схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0049] фиг. 11 представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0050] фиг. 12 представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0051] фиг. 13 представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0052] фиг. 14А представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0053] фиг. 14В представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0054] фиг. 14С представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0055] фиг. 15А представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0056] фиг. 15В представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0057] фиг. 16А представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0058] фиг. 16В представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям;

[0059] фиг. 16С представляет схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям; и

[0060] фиг. 16D представляет собой схематичный вид варианта осуществления структуры жгута лазерных волокон, предназначенного для использования в варианте осуществления системы лазерной матрицы согласно настоящим изобретениям.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0061] В общем, настоящие изобретения относятся к совмещению лазерных пучков, системам для выполнения таких совмещений и процессам с использованием совмещенных пучков. В частности, настоящее изобретение относится к матрицам, модулям и устройствам для совмещения лазерных пучков от нескольких источников лазерных пучков в один или более совмещенных лазерных пучков. Предпочтительно, чтобы в этих совмещенных лазерных пучках имелись как сохраненные, так и улучшенные различные аспекты и свойства лазерных пучков от отдельных источников.

[0062] Варианты осуществления представленных матричных модулей и совмещенные лазерные пучки, которые они обеспечивают, могут найти широкое применение. Варианты осуществления представленных матричных модулей являются компактными и надежными. Представленные матричные модули могут применяться при сварке, аддитивном производстве, в том числе при трехмерной печати; аддитивном изготовлении - фрезерных системах, например, при аддитивном и субтрактивном производстве; в астрономии; метеорологии; визуализации; проецировании, включая индустрию развлечений; и медицину, включая стоматологию, и это только некоторые примеры.

[0063] Хотя это описание сосредоточено на матрицах лазерных диодов синего свечения, следует понимать, что этот вариант осуществления является только иллюстрирующим виды матричных модулей, систем, процессов и совмещенных лазерных пучков, рассматриваемых в настоящих изобретениях. Таким образом, варианты осуществления настоящих изобретений включают в себя матричные модули для совмещения лазерных пучков от различных источников лазерных пучков, таких как твердотельные лазеры, волоконные лазеры, полупроводниковые лазеры, а также лазеры других видов и сочетания и их варианты. Варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя совмещение лазерных пучков при всех длинах волн, например лазерных пучков, имеющих длины волн от примерно 380 нм до 800 нм (например, видимого излучения), от примерно 400 нм до примерно 880 нм, от примерно 100 нм до примерно 400 нм, от 700 нм до 1 мм и сочетаний, варианты конкретных длин волн в этих различных диапазонах. Кроме того, представленные матрицы согласно вариантам осуществления могут найти применение при микроволновом когерентном излучении (например, при длине волны больше чем примерно 1 мм). Варианты осуществления представленных матриц могут совмещать пучки от одного, двух, трех, десятков или сотен лазерных источников. Эти лазерные пучки могут иметь мощность от нескольких милливатт до ватт, до киловатт.

[0064] Вариант осуществления настоящего изобретения включает матрицу лазерных диодов синего свечения, которые объединены в конфигурацию для создания, предпочтительно, лазерного источника с высокой яркостью. Этот лазерный источник с высокой яркостью может использоваться для непосредственной обработки материалов, то есть маркировки, резания, сварки, высокотемпературной пайки, термической обработки, отжига. Обрабатываемые материалы, например исходные материалы или целевые материалы, могут включать в себя любой материал или компонент или композицию и, например, могут включать в себя полупроводниковые компоненты, такие как, но без ограничения, ТПТ (тонкопленочные транзисторы), исходные материалы для трехмерной печати, металлы, включая золото, серебро, платину, алюминий и медь, пластики, ткань и полупроводниковые пластины, и это только некоторые примеры. Непосредственная обработка может включать в себя, например, абляцию золота из электронных компонентов, кроме того, проекционные дисплеи и лазерные световые представления, и это только некоторые примеры.

[0065] Кроме того, варианты осуществления представленных лазерных источников с высокой яркостью можно использовать для накачки рамановского лазера и антистоксового лазера. Рамановской средой может быть волоконная оптика или кристалл, такой как алмаз, KGW (калиево-гадолиниевый вольфрамат), KGd(WO₄)₂), YVO₄ и Ba(NO₃)₂. В варианте осуществления лазерные источники с высокой яркостью представляют собой источники на основе лазерных диодов синего свечения, которые являются полупроводниковыми приборами, работающими в диапазоне длин волн от 400 нм до 500 нм. Рамановская среда представляет собой преобразователь яркости и способна повышать яркость источников на основе лазерных диодов синего свечения. Повышение яркости можно распространить целиком и полностью на создание одномодового, дифракционно-ограниченного источника, то есть, с пучком, имеющим М² от примерно 1 до 1,5, при произведениях параметров пучка ниже 1, ниже 0,7, ниже 0,5, ниже 0,2 и чем 0,13 мм⋅мрад, в зависимости от длины волны.

[0066] В варианте осуществления ʺnʺ или ʺNʺ (например, два, три, четыре и т.д., десятки, сотни или больше) источников на основе лазерных диодов могут быть сконфигурированы в пучок оптических волокон, что позволит иметь источник адресуемого излучения, который можно использовать для маркировки, плавления, сварки, абляции, отжига, термической обработки, резания материалов или выполнения сочетаний и вариантов этих операций, и это только некоторые примеры лазерных операций и процедур.

[0067] Матрицу лазерных диодов синего свечения можно объединять с оптическим модулем, чтобы создавать систему прямых диодных лазеров с повышенной яркостью, которая может обеспечивать совмещенный лазерный пучок с высокой яркостью. На фиг. 1 показан график 100, показывающий характеристики лазера (произведение параметров пучка в зависимости от мощности лазера в ваттах (Вт)) согласно варианту осуществления, диапазон произведений параметров пучка для случая, когда используется технология волоконного объединителя, в пределах от 8 мм⋅мрад при 200 Вт до 45 мм⋅мрад при 4000 Вт. Линия 101 отображает характеристику варианта осуществления матрицы лазерных диодов. Линия 102 отображает характеристику матриц со совмещенными пучками и уплотнением по длинам волн. Линия 103 отражает характеристику в соответствии с технологией преобразования яркости при масштабированном использовании технологии волоконного объединителя. Линия 104 отражает характеристику в соответствии с технологией преобразования яркости при использовании совмещения с уплотнением по длинам волн выходных излучений преобразователя яркости. Это позволяет иметь одиночную пространственную моду или почти одиночную пространственную моду совмещенного пучка при масштабировании уровня мощности. При совмещении с уплотнением по длинам волн используют дифракционные решетки для регулирования длины волны каждого отдельного лазера с преобразованной яркостью, при этом дифракционные решетки осуществляют совмещение пучков в один пучок. Дифракционные решетки могут быть штриховыми решетками, голографическими решетками, волоконными брэгговскими решетками (ВБР) или объемными брэгговскими решетками (ОБР). Кроме того, можно использовать призмы, хотя в предпочтительном варианте осуществления используются дифракционные решетки.

[0068] На фиг. 2А схематично показан лазерный диод 200, от которого лазерный пучок распространяется по траектории лазерного пучка к коллимирующей по быстрой оси (КБО) линзе 201. Цилиндрическая асферическая линза размером 1,1; 1,2; 1,5; 2 или даже 4 мм используется для захвата энергии по быстрой оси и образования дифракционно-ограниченного пучка по быстрой оси с точной высотой для сохранения яркости и обеспечения возможности дальнейшего совмещения пучков вниз по оптической цепочке. Коллимирующая линза 202 предназначена для коллимирования по медленной оси лазерного диода (оси с меньшим углом расходимости, обычно по оси x). Цилиндрическая асферическая линза с фокусным расстоянием 15, 16, 17, 18 или 21 мм захватывает энергию по медленной оси и осуществляет коллимирование по медленной оси для сохранения яркости лазерного источника. Выбранное фокусное расстояние коллиматора по медленной оси приводит к оптимизированному совмещению оптической системой лазерных элементарных пучков в волокно заданного диаметра. В предпочтительных вариантах осуществления матриц как коллимирующая по медленной оси линза, так и коллимирующая по быстрой оси линза расположены вдоль каждой из траекторий лазерных пучков и используются для придания формы отдельным лазерным пучкам.

[0069] На фиг. 2В схематично показано пятно 203 лазерного пучка, образованное лазерным пучком от лазерного диода, прошедшим как через фокусирующую по быстрой оси линзу, так и через фокусирующую по медленной оси линзу. При этом моделировании принималась во внимание максимальная расходимость источника по всей апертуре источника. Понятно, что можно создать пятна лазерного пучка многих различных форм, таких как квадратная, прямоугольная, круговая, овальная, линейная, и в виде сочетаний и вариантов этих и других форм. Например, при использовании излучения лазера синего свечения совмещенный лазерный пучок образует пятно 203, фокусируемое в пятно размером 100 мкм линзой с фокусным расстоянием 100 мм при числовой апертуре 0,18.

[0070] Обратимся к фиг. 2С и 2D, на которых показан вариант осуществления подмодуля 210 лазерных диодов (например, модуль диодов, стержень, пластина, многокристальный блок) и модуля 220 лазерных диодов, имеющего четыре модуля 210, 210а, 210b, 210c лазерных диодов.

[0071]На фиг. 2Е представлен детализированный вид, показывающий участки некоторых лазерных пучков 250а, 251а, 252а по соответствующим траекториям 250, 251, 251 лазерных пучков. На фиг. 2F представлено поперечное сечение лазерных пучков с фиг. 2Е с показом горизонтального 260 и вертикального 261 открытого пространства (исходя из ориентации чертежа). Совмещающая пучки оптика сближает пучки пространственно друг к другу для исключения открытых пространств, например 260, 261, в конечном пятне 203 (фиг. 2В).

[0072] Модуль 220 лазерных диодов способен выдавать совмещенный лазерный пучок, предпочтительно совмещенный синий лазерный пучок, имеющий характеристику, показанную кривой 101 на фиг. 1. Модуль 210 лазерных диодов имеет базовую пластину 211, которая представляет собой теплопроводящий материал, например медь, которая имеет силовые выводы (например, провода), например 212, входящие для снабжения электрической энергией диодов, например 213. В этом варианте осуществления в многокристальном блоке имеются 20 лазерных диодов, например 213, расположенных в конфигурации 5×4 позади крышки. Предполагаются другие конфигурации, например 4×4, 4×6, 5×6, 10×20, 30×5 и разрабатываемые в настоящее время, и т.д., и сочетания и варианты их для размещения n×n диодов в модуле. Каждый диод может иметь плоскопараллельную пластинку, например 214, для перемещения положения пучка по медленной оси при использовании одной коллимирующей по медленной оси (КМО) линзы для всех многочисленных рядов, например 216. Плоскопараллельная пластинка не является необходимой при использовании отдельных линз по медленной оси для каждого лазерного диода, что соответствует предпочтительному варианту осуществления. Плоскопараллельные пластинки исправляют положение траектории лазерного пучка по медленной оси, когда он распространяется от каждого из отдельных лазерных диодов, которая может быть результатом сборочного процесса. Плоскопараллельные пластинки не требуются, если отдельные коллимирующие по быстрой оси/коллимирующие по медленной оси пары линз используются для каждого лазерного диода. Положением коллимирующей по медленной оси линзы компенсируются любые ошибки при компоновке в блок. Результатом обоих этих подходов к решению является выставление элементарных пучков, так что они становятся параллельными либо при использовании отдельных пар коллимирующих по быстрой оси/коллимирующих по медленной оси линз, либо при общем использовании коллимирующей по медленной оси линзы после отдельных коллимирующих по быстрой оси линз/плоскопараллельных пластинок, образующих параллельные и разнесенные лазерные пучки, например 251а, 252а, 250а, и траектории пучков, например 251, 252, 250.

[0073] Составной пучок от каждого из подмодулей 210, 210а, 210b, 210c лазерных диодов распространяется к структурированному зеркалу, например 225, которое, как показано на фиг. 2G, используется для перенаправления и совмещения пучков от четырех подмодулей лазерных диодов в один пучок. Четыре ряда коллимируемых лазерных диодов чередуются с четырьмя рядами из других трех блоков, создавая составной пучок. На фиг. 2Н показано положение пучков, например 230, от подмодулей 210 лазеров. Апертурная диафрагма 235 вырезает любое нежелательное рассеянное излучение из совмещенных элементарных пучков, и это снижает тепловую нагрузку на входную поверхность волокна. Поляризационный модуль 227 складывания пучка складывает (фиг. 2I) пучок пополам по медленной оси для удвоения яркости составного пучка лазерного диода. Пучок может быть сложен разделением центрального излучателя по центру, что приводит к картине, показанной на фиг. 2I, где пучок 231 является наложением двух элементарных пучков по направлению медленной оси благодаря поляризации, а пучок 232 является расщепленным элементарным пучком, который не перекрывается с какими-либо другими излучателями. При расщеплении пучка между вторым и третьим элементарными пучками (фиг. 2J) модуль складывания пучка является более эффективным и два столбца пучков, например 233, перекрываются, тогда как третий столбец пучков, например 234, просто проходит обычным образом. Телескопический модуль 228 либо расширяет совмещенные лазерные пучки по медленной оси, либо сжимает по быстрой оси, что позволяет использовать линзу меньшего размера. Телескопическое устройство 228, показанное в этом примере (фиг. 2G), расширяет пучок в соответствии с множителем 2,6х, повышая его размер с 11 мм до 28,6 мм, при этом уменьшается расходимость по медленной оси в соответствии с тем же множителем 2,6х. Если телескопический модуль осуществляет сжатие по быстрой оси, то он должен быть телескопическим устройством 2х для уменьшения высоты по быстрой оси (полного составного пучка) с 22 мм до высоты 11 мм, что будет давать составной пучок 11 мм × 11 мм. Вследствие небольших затрат это является предпочтительным вариантом осуществления. Асферическая линза 229 фокусирует составной пучок в оптическое волокно 245, которое имеет диаметр по меньшей мере 50, 100, 150 или 200 мкм. Выходные излучения многочисленных модулей 220 лазерных диодов объединяются волоконным объединителем для создания лазеров с более высоким уровнем выходной мощности, соответствующей фиг. 1 (линия 101). Модули лазерных диодов объединяют при использовании способа оптического объединения, в соответствии с которым асферическую линзу 229 и волоконный объединитель 240 заменяют набором сдвигающих зеркал, которые далее связывают с асферической линзой, и составной пучок вводят в торец оптического волокна. Таким способом можно оптически связывать один, два, три, десятки и сотни модулей лазерных диодов и совмещать их лазерные пучки. Совмещенные таким способом лазерные пучки могут сами в дальнейшем или дополнительно совмещаться с образованием полученного многократным совмещением лазерного пучка.

[0074] В варианте осуществления с фиг. 2С и 2D конфигурация позволяет вводить, например, до 200 Вт мощности лазерного пучка в одно оптическое волокно с сердцевиной 50, 100, 150 или 200 мкм. Согласно этому варианту осуществления на фиг. 2С и 2D показаны типичные компоненты, необходимые для изготовления, например, модуля диодных матриц мощностью 200 Вт, например объединенного модуля мощностью 200 Вт, в котором используются до четырех отдельных диодных модулей мощностью 50 Вт, например модулей мощностью 50 Вт.

[0075] Понятно, что конфигурации, мощности и число совмещенных пучков являются возможными. В варианте осуществления с фиг. 2С и 2D минимизированы электрические соединения от источника питания к лазерным диодам.

[0076] Таким образом, отдельные модули, объединенные модули и как те, так и другие могут быть выполнены с возможностью образования одного совмещенного лазерного пучка или многочисленных совмещенных лазерных пучков, например двух, трех, четырех, десятков, сотен или большего числа. Каждый из этих лазерных пучков можно вводить в отдельное волокно или их также можно совмещать, чтобы вводить в меньшее число волокон. Таким образом, для иллюстрации, 12 совмещенных лазерных пучков можно вводить в 12 волокон или 12 пучков можно совмещать и вводить в меньше чем 12 волокон, например в 10, 8, 6, 4 или три волокна. Следует понимать, что при этом совмещении могут быть пучки с различной мощностью, чтобы имелась сбалансированность или несбалансированность распределения мощности между отдельными волокнами; и могут быть пучки, имеющие различные или одинаковые длины волн.

[0077] В варианте осуществления яркость матрицы лазерных диодов может быть повышена при работе каждой матрицы на иной длине волны и последующего объединения их при использовании либо дифракционной решетки, либо набора узкополосных дихроичных фильтров. Масштабирование яркости по этой технологии показано на фиг. 1 почти прямой линией 102. Начальная точка соответствует такой же яркости, какая может быть получена при одном модуле, поскольку каждый модуль пространственно линейно перекрывается с предшествующими модулями, диаметр волокна не меняется, а вводимая мощность приводит к более высокой яркости от совмещенных с уплотнением по длинам волн пучков модулей.

[0078] В варианте осуществления выходное излучение матрицы лазерных диодов синего свечения может быть преобразовано в почти одномодовое или одномодовое выходное излучение с помощью преобразователя яркости. Преобразователь яркости может быть оптическим волокном, кристаллом или газом. Процесс преобразования протекает при вынужденном рамановском рассеянии, которое достигается при вводе выходного излучения с матрицы лазерных диодов синего свечения в оптическое волокно, или кристалл, или газ с объемным резонатором. При вынужденном рамановском рассеянии энергия лазерных диодов синего свечения преобразуется в усиление и осцилляции лазерного резонатора на первой линии Стокса-Рамана, которая смещена от длины волны накачки в соответствии со стоксовым сдвигом. Например, вариант осуществления, показанный на фиг. 3, связан с раскрытием в описании заявки №14/787393 на патент США, которая основана на заявке WO2014/179345, все раскрытие которых включено в эту заявку по ссылке. Рабочие характеристики согласно этой технологии с использованием волоконного объединителя для совмещения многочисленных лазерных пучков с высокой яркостью показаны на фиг. 1 линией 103, при этом точка отсчета яркости начинается с 0,3 мм⋅мрад для лазера мощностью 200 Вт и 2 мм⋅мрад для лазера мощностью 4000 Вт.

[0079] Кроме того, яркость источника на основе лазера синего свечения можно повышать объединением выходных излучений источников с преобразованной яркостью. Для этого варианта осуществления характеристика показана линией 104 на фиг. 1. В данном случае яркость определяется исходным модулем при 0,3 мм⋅мрад. Ширина полосы усиления рамановской линии значительно шире, чем ширина полосы усиления лазерных диодов, поэтому больше лазеров можно объединять по длинам волн, чем только по технологии лазерных диодов. Результат заключается в получении от лазера мощностью 4 кВт такого же произведения параметров пучка, какое имеет лазер мощностью 200 Вт, или 0,3 мм⋅мрад. Это показано на фиг. 1 плоской линией 104.

[0080] Технология согласно настоящему изобретению, рассмотренная в этом описании, может быть использована для конфигурирования лазерной системы для широкого диапазона применений, начиная со сварки, резания, высокотемпературной пайки, термической обработки, скульптурного фрезерования, придания формы, профилирования, соединения, отжига и абляции, и заканчивая сочетаниями их и различными другими операциями по обработке материалов. Хотя предпочтительные лазерные источники имеют относительно высокую яркость, настоящим изобретением предоставляется возможность конфигурирования систем для удовлетворения требований меньшей яркости. Кроме того, группы этих лазеров могут быть объединены в длинную линию, которая может быть использована для выполнения лазерных работ на больших площадях целевых материалов, таких как, например, отжиг полупроводниковых приборов с большой площадью, таких как тонкопленочные транзисторы плоского панельного дисплея.

[0081] Выходных излучений лазерных диодов, матриц лазерных диодов, матриц лазерных диодов, объединенных с уплотнением по длинам волн, и матриц лазерных диодов с преобразованной яркостью можно использовать для создания однозначно индивидуально адресуемых печатных машин. Поскольку мощность лазера из каждого модуля является достаточной для плавки и сплавления пластика, а также металлических порошков, эти источники являются идеальными для применений аддитивного производства, а также применений аддитивно-субтрактивного производства (то есть, предложенная лазерная система аддитивного производства сочетается с традиционными технологиями удаления, такими, какие реализуются на станках с числовым программным управлением или фрезерных станках других видов, а также с технологиями удаления материала лазером или абляцией). Вследствие способности создавать пятна небольших размеров, точности и других факторов, предложенные системы и лазерные конфигурации могут также найти применение в микро- и нано- аддитивных, субтрактивных и аддитивно-субтрактивных технологиях производства. Матрица лазеров, которые соединены отдельно, может быть отображена на поверхность порошка для создания объекта со скоростью, превышающей в n раз скорость при одном сканируемом лазерном источнике. Скорость может быть еще больше повышена при использовании лазера большой мощности для каждого из n пятен. При использовании лазеров с преобразованной яркостью каждое из n пятен может быть получено как ограниченное дифракцией в ближней зоне пятно, поэтому становится возможным создание с высоким разрешением деталей вследствие субмикронного характера отдельного пятна, образуемого источником повышенной яркости на основе лазеров синего свечения. Этим пятном меньшего размера в предложенных конфигурациях и системах обеспечивается значительное повышение скорости обработки и разрешающей способности процесса печатания по сравнению с технологии трехмерного печатания из уровня техники. Согласно вариантам осуществления при сочетании предложенных систем с портативным устройством подачи порошка можно непрерывно печатать слой за слоем при скоростях, превышающих скорости печатания машин для аддитивного производства из уровня техники в соответствии с множителем 100х. Когда позиционирующие устройства перемещаются в положительном или отрицательном направлении непосредственно позади лазерных плавящих пятен, при наличии устройства осаждения порошка (например, устройства 508 осаждения порошка, устройства 508b осаждения порошка на фиг. 5) система может непрерывно печатать без остановки для нанесения или выравнивания порошка, необходимого для следующего слоя.

[0082] Обратимся к фиг. 3, на которой схематично представлена лазерная обработка лазерной системой, имеющей два ряда расположенных в шахматном порядке пятен, например пятен 303а и 303b. Лазерные пятна, например 303а, 303b, перемещаются, например, сканируются, в направлении стрелки 301 по целевому материалу. Целевой материал может быть в виде порошка 302, который в таком случае расплавляется лазерными пятнами 304 и затем затвердевает, обычно вдоль линии 305 переноса, с образованием плавленого материала 306. Мощность пучка, время обжига пучками, скорость перемещения и сочетания этих параметров могут быть изменены в заданном порядке, приводящем к получению заданной формы линии 305 переноса плавления. В соответствии с требованиями к зажимным приспособлениям, необходимым для удержания волокон и их оптических компонентов, пучки могут располагаться в шахматном порядке на расстоянии друг от друга, составляющем 0; 0,1; 0,5; 1,2 мм. Кроме того, разнос может монотонно возрастать или уменьшаться с заданным или изменяющимся шагом шахматного порядка. Точная предпочтительная скорость зависит от целевого материала и конфигурации изготавливаемых деталей.

[0083] На фиг. 4 приведены характеристики, которые могут быть получены для вариантов осуществления лазерных систем, таких, как показанные на фиг. 5-7, точнее, для 20-лучевой системы, в которой скорость повышается с каждым дополнительным пучком, который добавляется к системе.

[0084] Обратимся к фиг. 5, на которой схематично показан вариант осуществления лазерной системы с конфигурацией адресуемой доставки лазерного излучения. Система имеет систему 501 адресуемых лазерных диодов. Система 501 обеспечивает независимо адресуемые лазерные пучки для множества волокон 502а, 502b, 502c (предполагается большее и меньшее число волокон и лазерных пучков). Волокна 502a, 502b, 502c объединены в волоконный жгут 504, который содержится в защитной трубке 503 или оболочке. Волокна 502a, 502b, 502c в волоконном жгуте 504 сплавлены друг с другом для образования печатающей головки 505, которая включает в себя модуль 506 оптики, который фокусирует и направляет лазерные пучки по траекториям пучков к целевому материалу 507. Печатающая головка и бункер для порошка перемещаются совместно при перемещении печатающей головки в положительном направлении по стрелке 510. Дополнительный материал 509 может быть помещен поверх плавленого материала 507 при каждом проходе печатающей головки или бункера. Печатающая головка является двунаправленной и осуществляет плавление материала в обоих направлениях, когда печатающая головка перемещается, так что бункеры для порошка работают позади печатающей головки, обеспечивающей сплавление отложенного материала на следующем проходе лазерной печатающей головки.

[0085] «Адресуемая матрица» означает, что одно или более из мощности, продолжительности разогрева, последовательности разогрева, мощности пучка, формы пятна пучка, а также фокусного расстояния, например, глубины проникновения по направлению z можно независимо изменять, регулировать и задавать или делать то же самое относительно каждого лазерного пучка в каждом волокне для обеспечения точных и заданных картин доставки излучения, при которых можно создавать из целевого материала высокоточные конечные изделия (например, конструктивные материалы). Кроме того, при отдельных пучках и апертурах лазеров, создаваемых этими пучками, адресуемые матрицы согласно вариантам осуществления могут обладать способностью выполнять различные заданные и точные лазерные технологические операции, такие как отжиг, абляция и плавление.

[0086] Обратимся к фиг. 6, на которой схематично показан вариант осуществления лазерной системы с конфигурацией адресуемой доставки лазерного излучения. Лазерная система может быть системой на основе матрицы лазерных диодов, системой с преобразованной яркостью или системой на основе волоконного лазера большой мощности. Система имеет систему 601 адресуемого лазерного излучения. Система 601 обеспечивает независимо адресуемые лазерные пучки для множества волокон 602a, 602b, 602c (предполагается большее или меньшее число волокон и лазерных пучков). Волокна 602a, 602b, 602c объединены в волоконный жгут 604, который содержится в защитной трубке 603 или оболочке. Волокна 602a, 602b, 602c в волоконном жгуте 604 сплавлены друг с другом для образования печатающей головки 605, которая включает в себя модуль 606 оптики, который фокусирует и направляет лазерные пучки по траекториям пучков к целевому материалу 607. Целевой материал 607 может отжигаться для образования отожженного материала 609. Направление перемещения лазерной головки показано стрелкой 610.

[0087] Обратимся к фиг. 7, на которой схематично показана лазерная система с конфигурацией адресуемой доставки лазерного излучения согласно варианту осуществления. Система имеет систему 701 адресуемых лазерных диодов. Система 701 обеспечивает независимо адресуемые лазерные пучки для множества волокон 702a, 702b, 702c (предполагается большее или меньшее число волокон и лазерных пучков). Волокна 702a, 702b, 702c объединены в волоконный жгут 704, который содержится в защитной трубке 703 или оболочке. Волокна 702a, 702b, 702c в волоконном пучке 704 сплавлены друг с другом для образования головки 720 распределения порошка печатающей головки. Головка 720 распределения порошка может иметь порошок, подаваемый коаксиально с лазерными пучками или поперек лазерных пучков. Головка 720 распределения порошка обеспечивает слой дополнительного материала 709, который сплавляется с целевым материалом 707 и наплавляется поверх него. Направление перемещения лазерной головки показано стрелкой 710.

[0088] На фиг. 8 показана конфигурация жгута 800 волокон, например 801, которые сплавлены друг с другом и используются в лазерной головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-7. Конфигурация подводит лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются пять волокон в одном линейном ряду, в линейной конфигурации 1×5. Линейный ряд 1×n волокон находится в конечной лазерной печатающей головке, где n зависит от физической протяженности печатаемого изделия.

[0089] На фиг. 9 показана конфигурация жгута 900 волокон, например 901, которые сплавлены друг с другом и используются в лазерной головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-8. Конфигурация имеет два линейных ряда 902, 903 волокон которые расположены в шахматном порядке и скомпонованы в ромбовидную структуру. Волокна подводят лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются пять рядов с пятью волокнами в каждом линейном ряду, в линейной конфигурации 2×5.

[0090] На фиг. 10 показана конфигурация жгута 1000 волокон, например 1001, которые сплавлены друг с другом и используются в головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-8. Конфигурация имеет три линейных ряда 1002, 1003, 1004 волокон, которые расположены в шахматном порядке и скомпонованы в ромбовидную структуру. Волокна подводят лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются три ряда с пятью волокнами в каждом линейном ряду, в линейной конфигурации 3×5.

[0091] На фиг. 11 показана конфигурация жгута 1100 волокон, например 1101, которые сплавлены друг с другом и используются в головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-8. Конфигурация имеет три линейных ряда 1102, 1103, 1104 волокон, которые расположены в шахматном порядке и скомпонованы в треугольную структуру. Волокна подводят лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются три ряда с пятью волокнами в каждом линейном ряду, в линейной конфигурации 3×5.

[0092] На фиг. 12 показана конфигурация жгута 1200 волокон, например 1201, которые сплавлены друг с другом и используются в головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-8. Конфигурация имеет четыре линейных ряда 1202, 1203, 1204, 1205 волокон, которые расположены в шахматном порядке и скомпонованы в квадратную структуру. Волокна подводят лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются четыре ряда с четырьмя волокнами в каждом линейном ряду, в линейной конфигурации 4×4.

[0093] На фиг. 13 показана конфигурация жгута 1300 волокон, например 1301, которые сплавлены друг с другом и используются в головке такой системы, как системы, показанные на фиг. 5-8. Конфигурация имеет пять линейных рядов, например 1302. Волокна не расположены в шахматном порядке, а скомпонованы в прямоугольную структуру. Волокна подводят лазерные пятна, сконфигурированные аналогично структуре волокон. Согласно этому варианту осуществления имеются пять рядов с четырьмя волокнами в каждом линейном ряду, в линейной конфигурации 5×4.

[0094] На фиг. 14А показана конфигурация жгута 1401 из пяти (n=5) волокон, например 1401а, скомпонованных в круговую конфигурацию.

[0095] На фиг. 14В показана конфигурация жгута 1402 из девяти (n=9) волокон, например 1402а, скомпонованных в круговую конфигурацию, имеющую волокно 1402b, расположенное в центре круговой конфигурации. Центральное волокно 1402b удерживается на месте с помощью связующего вещества или удерживающего устройства или же за счет сплавления.

[0096] На фиг. 14С показана конфигурация жгута 1403 из девятнадцати (n=19) волокон, например 1403а, который имеет внутренний круг 1405 волокон и центральное волокно 1403b.

[097] На фиг. 15А показан жгут 1501 из семи (n=7) волокон, например 1501а, которые имеют гексагональную структуру с треугольным расположением по отношению друг к другу.

[0098] На фиг. 15В показан жгут 1502 из девятнадцати (n=19) волокон, например 1502а, которые имеют гексагональную структуру с треугольным расположением по отношению друг к другу.

[0099] На фиг. 16А, 16В и 16С показаны конфигурации жгутов волокон, которые расположены в произвольных геометрических конфигурациях. В этих конфигурациях предусмотрены различные уровни плотности волокон. На фиг. 16А представлен жгут 1601 из n=16 волокон, например 1601а, в конфигурации четверти круга. На фиг. 16В представлен жгут 1602 из n=8 волокон, например 1602b, в квадратной конфигурации. На фиг. 16С представлен жгут 1604 из n=6 волокон, Например 1604а, в треугольной конфигурации. На фиг. 16D представлен жгут 1603 из n=9 волокон, например 1603а, в конфигурации полукруга.

[0100] Нижеследующие примеры даются для иллюстрации различных вариантов осуществления лазерных матриц, систем, устройств и способов согласно настоящим изобретениям. Эти примеры даются для иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничивающие и не должны ограничивать объем настоящего изобретения.

[0101] Пример 1

[0102] Матрица лазерных диодов синего свечения, которые пространственно объединены для создания одного пятна в дальней зоне, которое может быть введено в стойкое к соляризации оптическое волокно для подачи к обрабатываемой детали.

[0103] Пример 2

[0104] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, с поляризованным пучком, совмещенным для повышения эффективной яркости лазерного пучка.

[0105] Пример 3

[0106] Матрица лазерных диодов синего свечения с пространством между каждым из коллимированных пучков по быстрой оси лазерных диодов, которые далее совмещаются периодической пластинкой, которая отражает первый лазерный диод (диоды) и пропускает второй лазерный диод (диоды) для заполнения пространства между лазерными диодами по быстрому направлению первой матрицы.

[0107] Пример 4

[0108] Структурированное зеркало на стеклянной подложке, которое использовано для осуществления заполнения пространства из примера 3.

[0109] Пример 5

[0110] Структурированное зеркало на одной стороне стеклянной подложки для осуществления заполнения пространства из примера 3, при этом стеклянная подложка имеет толщину, достаточную, чтобы сдвинуть вертикальное положение каждого лазерного диода для заполнения пустого пространства между отдельными лазерными диодами.

[0111] Пример 6

[0112] Ступенчатый теплоотвод, который осуществляет заполнение пространства из примера 3, и структурированное зеркало, описанное в примере 4.

[0113] Пример 7

[0114] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, где каждый из отдельных лазеров фиксируется внешним резонатором на другой длине волны для значительного повышения яркости матрицы до эквивалентной яркости одного источника на основе лазерных диодов.

[0115] Пример 8

[0116] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, где отдельные матрицы лазерных диодов фиксируются на одной длине волны при использовании внешнего резонатора на основе дифракционной решетки, а матрицы лазерных диодов объединяются с образованием одного пучка при использовании либо узкополосных пространственных фильтров, либо дифракционных решеток.

[0117] Пример 9

[0118] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет сердцевину из беспримесного плавленого кварца для создания источника с более высокой яркостью, и фторсодержащую внешнюю сердцевину для удержания синего излучения накачки.

[0119] Пример 10

[0120] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет легированную GeO₂ центральную сердцевину для образования вместе с внешней сердцевиной источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

[0121] Пример 11

[0122] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет легированную P₂O₅ сердцевину для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

[0123] Пример 12

[0124] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет сердцевину с градиентным показателем преломления для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

[125] Пример 13

[126] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

[0127] Пример 14

[0128] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину с градиентным показателем преломления.

[0129] Пример 15

[0130] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления.

[0131] Пример 16

[0132] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

[0133] Пример 17

[0134] Предполагаются другие варианты осуществления и изменения варианта осуществления из примера 1. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как алмаз, для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого KGW, для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как YVO₄, для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как Ba(NO₃)₂, для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, которым является газ высокого давления, для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки легированного редкоземельной примесью кристалла для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки легированного редкоземельной примесью волокна для создания лазерного источника с более высокой яркостью. Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки внешней сердцевины преобразователя яркости для получения более высокого коэффициента повышения яркости.

[0135] Пример 18

[0136] Матрица лазеров с рамановским преобразованием, которые функционируют на отдельных длинах волн и объединены для образования более мощного источника при сохранении пространственной яркости исходного источника.

[0137] Пример 19

[0138] Рамановское волокно со сдвоенными сердцевинами и средством для подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине при использовании фильтра, волоконной брэгговской решетки, разности в нормализованной частоте (V) для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка или различия потерь на микроизгибах.

[0139] Пример 20

[0140] N лазерных диодов, где N≥1, которые могут быть отдельно включены и выключены и могут быть отображены на слой порошка для плавления и сплавления порошка в уникальную деталь.

[0141] Пример 21

[0142] N матриц лазерных диодов, где N≥1, из примера 1, выходное излучение которых может быть введено в волокно, а каждое волокно может быть расположено в линейной или нелинейной конфигурации для создания адресуемой матрицы лазерных пучков большой мощности, которые могут быть отображены или сфокусированы на порошок для плавления или послойного сплавления порошка с получением уникальной формы.

[0143] Пример 22

[0144] Одна или более матриц лазерных диодов, объединенных с помощью рамановского преобразователя, выходное излучение которых может быть введено в волокно, а каждое волокно может быть расположено в линейной или нелинейной конфигурации для образования адресуемой матрицы N лазерных пучков большой мощности, где N≥1, которые могут быть отображены или сфокусированы на порошок для плавления или послойного сплавления с получением уникальной формы.

[0145] Пример 23

[0146] Система перемещения по x-y, которая может транспортировать N источников на основе лазеров синего свечения, где N≥1, вдоль слоя порошка при плавлении и сплавлении слоя порошка, при этом система подачи порошка расположена позади лазерного источника для обеспечения слоя свежего порошка позади расплавленного слоя.

[0147] Пример 24

[0148] Система перемещения по z, которая может увеличивать/уменьшать высоту детали/слоя порошка из примера 20 после помещения нового слоя порошка.

[0149] Пример 25

[0150] Система перемещения по z, которая может увеличивать/уменьшать высоту детали/слоя порошка из примера 20 после сплавления порошка лазерным источником.

[0151] Пример 26

[0152] Возможность двунаправленного размещения порошка для примера 20, при этом порошок помещается непосредственно позади лазерного пятна (пятен), когда оно перемещается в положительном направлении x или отрицательном направлении x.

[0153] Пример 27

[154] Возможность двунаправленного размещения порошка для примера 20, при этом порошок помещается непосредственно позади лазерного пятна (пятен), когда оно перемещается в положительном направлении y или отрицательном направлении y.

[0155] Пример 28

[0156] Система подачи порошка, которая является коаксиальной с N лазерными пучками, где N≥1.

[0157] Пример 29

[0158] Система подачи порошка, в которой порошок подается самотеком.

[0159] Пример 30

[160] Система подачи порошка, в которой порошок уносится потоком инертного газа.

[0161] Пример 31

[0162] Система подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок помещается самотеком непосредственно перед лазерными пучками.

[0163] Пример 32

[0164] Система подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок уносится потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.

[0165] Пример 33

[0166] Система генерации второй гармоники, которая использует выходное излучение рамановского преобразователя, например, при 460 нм для генерации излучения с длиной волны, равной половине длины волны лазерного источника или 230 нм, которая состоит из удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, такого как KTP, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0167] Пример 34

[0168] Система генерации третьей гармоники, которая использует выходное излучение рамановского преобразователя, например, при 460 нм для генерации излучения при 115 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0169] Пример 35

[0170] Система генерации четвертой гармоники, которая использует выходное излучение рамановского преобразователя, например, при 460 нм для генерации излучения при 57,5 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0171] Пример 36

[0172] Система генерации второй гармоники, которая использует выходное излучение легированного редкоземельной примесью преобразователя яркости, такого как тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения с длиной волны, равной половине длины волны лазерного источника или 236,5 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0173] Пример 37

[174] Система генерации третьей гармоники, которая использует выходное излучение легированного редкоземельной примесью преобразователя яркости, такого как тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 118,25 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

[0175] Пример 38

[0176] Система генерации четвертой гармоники, которая использует выходное излучение легированного редкоземельной примесью преобразователя яркости, такого как тулий, который генерирует когерентное излучение при 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения при 450 нм, для генерации излучения при 59,1 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространение распространения излучения с короткой длиной волны через оптическое волокно.

0177] Пример 39

[0178] Все другие легированные редкоземельными примесями волокна и кристаллы, которые можно накачивать от источника большой мощности при 450 нм для генерации видимого или почти видимого излучения, которые могут быть использованы в примерах 34-38.

[0179] Пример 40

[0180] Ввод видимого излучения большой мощности в некруговую внешнюю сердцевину или оболочку для накачки внутренней сердцевины рамановского волокна или волокна с легированной редкоземельной примесью сердцевиной.

[0181] Пример 41

[0182] Применение поддерживающего поляризацию волокна для повышения коэффициента передачи рамановского волокна путем согласования поляризации накачки с поляризацией рамановского осциллятора.

[0183] Пример 42

[0184] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое структурировано для создания источника с более высокой яркостью, с конкретной поляризацией излучения.

[0185] Пример 43

[0186] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое структурировано для создания источника с более высокой яркостью, с конкретной поляризацией излучения и поддержанием поляризации источника накачки.

[0187] Пример 44

[0188] Матрица лазерных диодов синего свечения, описанная в примере 1, которая использована для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, для создания источника с более высокой яркостью при использовании некруговой внешней сердцевины, структурированной для повышения эффективности рамановской конверсии.

[0189] Пример 45

[0190] Кроме того, варианты осуществления из примеров с 1 по 44 могут включать в себя один или более из следующих компонентов или модулей: устройство для разравнивания порошка в конце каждого прохода перед сканированием лазером вдоль слоя порошка; устройство для повышения выходной мощности лазера путем объединения многочисленных лазерных модулей небольшой мощности через посредство волоконного объединителя для образования выходного пучка с более высокой мощностью; устройство для повышения выходной мощности модуля лазеров синего свечения путем объединения многочисленных лазерных модулей небольшой мощности через посредство свободного пространства для образования выходного пучка с более высокой мощностью; устройство для объединения многочисленных лазерных модулей на одной опорной плите со встроенным охлаждением.

[0191] Следует отметить, что отсутствуют требования относительно представления или изложения теории, лежащей в основе новых и основополагающих характеристик или других полезных признаков и свойств, которые являются предметом вариантов осуществления настоящего изобретения или имеют отношение к ним. Тем не менее, различные теории изложены в этом описании для дальнейшего продвижения в этой важной области и, в частности, в важной области лазеров, лазерной обработки и применений лазеров. Эти теории выдвинуты в этом описании и, если иное особо не оговорено, никоим образом не ограничивают или не сужают объем защиты заявленного изобретения. Эти теории могут не требоваться или не применяться при использовании настоящего изобретения. Кроме того, понятно, что настоящее изобретение может наталкивать на новые, и поэтому неизвестные, теории для пояснения работы, функции и признаков способов, изделий, материалов, устройств и систем согласно вариантам осуществления настоящего изобретения; и такие позднее разработанные теории не должны ограничивать объем защиты настоящего изобретения.

[0192] Различные варианты осуществления лазеров, диодов, матриц, модулей, узлов, функций и операций, изложенные в этом описании, могут быть использованы в обозначенных выше областях и в различных других областях. Кроме того, эти варианты осуществления могут быть использованы, например, вместе с существующими лазерами, системами аддитивного производства, операциями и функциями, а также с другим существующим оборудованием; перспективными лазерами, операциями и функциями систем аддитивного производства; и такими изделиями, которые в какой-либо степени могут быть модифицированы на основании идей этого описания. Кроме того, различные варианты осуществления, изложенные в этом описании, могут быть использованы совместно в различных и многих сочетаниях. Таким образом, например, конфигурации, представленные в этом описании в различных вариантах осуществления, могут использоваться совместно; и объем защиты настоящего изобретения не должен быть ограничен конкретным вариантом осуществления, конфигурацией или компоновкой, которая рассмотрена, например, в конкретном варианте осуществления или в варианте осуществления на конкретном чертеже.

[0193] Изобретение может быть реализовано в иных формах, а не в раскрытых в этой заявке, без отступления от его сущности или существенных характеристик. Описанные варианты осуществления во всех аспектах должны рассматриваться только как иллюстративные и не ограничивающие.

[0194] Изобретение может быть реализовано в указанных ниже формах:

1. Лазерная система для выполнения лазерных операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать отдельный синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно для доставки к целевому материалу; и при этом

d. средство пространственного совмещения отдельных синих лазерных пучков находится на траектории лазерного пучка и в оптической связи с каждым лазерным диодом.

2. Система по п. 1, содержащая по меньшей мере три модуля лазерных диодов; и при этом каждый модуль лазерных диодов содержит по меньшей мере 30 лазерных диодов; причем модули лазерных диодов способны к распространению лазерных пучков, имеющих суммарную мощность по меньшей мере около 30 Вт и показатель параметра пучка ниже 20 мм⋅мрад.

3. Система по п. 2, причем показатель параметра пучка ниже 15 мм⋅мрад.

4. Система по п. 2, причем показатель параметра пучка ниже 10 мм⋅мрад.

5. Система по п. 1, причем средство пространственного совмещения выдает совмещенный лазерный пучок с яркостью, составляющей умноженную на N яркость отдельного лазерного пучка, где N - число лазерных диодов в модуле лазерных диодов.

6. Система по п. 5, причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости совмещенного лазерного пучка, в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 50-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате чего произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

7. Система по п. 6, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

8. Система по п. 6, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

9. Система по п. 5, причем средство пространственного совмещения повышает мощность лазерного пучка при сохранении яркости отдельных лазерных пучков, в результате чего совмещенный лазерный пучок имеет мощность, которая составляет по меньшей мере 100-кратную мощность отдельного лазерного пучка, и в результате чего произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 2 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

10. Система по п. 9, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1,5 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

11. Система по п. 7, причем произведение параметров совмещенного лазерного пучка составляет не больше, чем умноженное на 1 произведение параметров отдельного лазерного пучка.

12. Система по п. 1, 2 или 6, причем оптическое волокно является стойким к соляризации.

13. Система по п. 1, 2 или 6, причем средство пространственного совмещения содержит модули, выбранные из группы, состоящей из выставляющих плоскопараллельных пластинок и клиньев, для коррекции по меньшей мере одной из ошибок положения или ошибок в наведении лазерного диода.

14. Система по п. 1, 2 или 6, причем средство пространственного совмещения содержит поляризационное устройство совмещения пучков, способное повышать эффективную яркость совмещенных лазерных пучков по сравнению отдельными лазерными пучками.

15. Система по п. 1, 2 или 6, причем модули лазерных диодов задают траектории отдельных лазерных пучков с пространством между каждой из этих траекторий, в результате чего отдельные лазерные пучки имеют пространство между каждым пучком; и причем средство пространственного совмещения содержит коллиматор для коллимирования отдельных лазерных пучков по быстрой оси лазерных диодов, периодическое зеркало для совмещения коллимированных лазерных пучков, при этом периодическое зеркало выполнено с возможностью отражения первого лазерного пучка от первого диода в модуле лазерных диодов и пропускания второго лазерного пучка от второго диода в модуле лазерных диодов, в результате чего заполняется пространство между отдельными лазерными пучками по быстрому направлению.

16. Система по п. 1, причем средство пространственного совмещения содержит структурированное зеркало на стеклянной подложке.

17. Система по п. 16, причем стеклянная подложка имеет достаточную толщину для сдвига вертикального положения лазерного пучка от лазерного диода для заполнения пустого пространства между лазерными диодами.

18. Система по п. 1, содержащая ступенчатый теплоотвод.

19. Лазерная система для обеспечения лазерного пучка высокой яркости и большой мощности, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок, имеющий исходную яркость;

c. средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего конечную яркость и образующего одно пятно в дальней зоне, вводимого в оптическое волокно;

d. причем каждый лазерный диод фиксирован внешним резонатором на другой длине волны для значительного повышения яркости совмещенного лазерного пучка, в результате чего конечная яркость совмещенного лазерного пучка является примерно такой же, как исходная яркость лазерных пучков от лазерного диода.

20. Лазерная система по п. 1, причем каждый лазерный диод фиксирован на одной длине волны с помощью внешнего резонатора на основе дифракционной решетки, и каждый из модуля лазерных диодов объединен в совмещенный пучок с помощью средства совмещения, выбранного из группы, состоящей из узкополосного пространственного оптического фильтра и дифракционной решетки.

21. Лазерная система для выполнения лазерных операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. средство пространственного совмещения синих лазерных пучков для получения совмещенного лазерного пучка, имеющего одно пятно в дальней зоне, оптически вводимого в рамановский преобразователь, чтобы накачивать рамановский преобразователь для повышения яркости совмещенного лазерного пучка.

22. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину из беспримесного плавленого кварцевого стекла для создания источника с более высокой яркостью и фторсодержащую внешнюю сердцевину для удержания синего излучения накачки.

23. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь использован для накачки рамановского преобразователя, такого как оптическое волокно, которое имеет легированную GeO₂ центральную сердцевину с внешней сердцевиной для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

24. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет легированную P₂O₅ сердцевину для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

25. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, которое имеет сердцевину с градиентным показателем преломления для создания источника с более высокой яркостью и внешнюю сердцевину, которая крупнее, чем центральная сердцевина, для удержания синего излучения накачки.

26. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

27. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь используется для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

28. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь использован для накачки волокна рамановского преобразователя, которое представляет собой легированную GeO₂ сердцевину с градиентным показателем преломления.

29. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой легированную P₂O₅ сердцевину с градиентным показателем преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатым показателем преломления.

30. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой алмаз для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

31. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой KGW для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

32. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой YVO₄ для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

33. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой Ba(NO₃)₂ для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

34. Лазерная система по п. 21, причем рамановский преобразователь представляет собой газ высокого давления для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

35. Способ обеспечения совмещенного лазерного пучка, содержащий функционирование матрицы лазеров с рамановским преобразованием для генерации синих лазерных пучков с отдельными различными длинами волн и совмещенных лазерных пучков для создания источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника.

36. Лазерная система для выполнения лазерных операций, содержащая:

a. множество модулей лазерных диодов; при этом

b. каждый модуль лазерных диодов содержит множество лазерных диодов, способных выдавать синий лазерный пучок по траектории лазерного пучка;

c. коллимирующую и совмещающую оптику вдоль траектории лазерного пучка, способную выдавать совмещенный лазерный пучок; и

d. оптическое волокно для приема совмещенного лазерного пучка.

37. Система по п. 36, причем оптическое волокно находится в оптической связи с легированным редкоземельным элементом волокном, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать легированное редкоземельным элементом волокно для создания лазерного источника с более высокой яркостью.

38. Система по п. 36, причем оптическое волокно находится в оптической связи с внешней сердцевиной преобразователя яркости, в результате чего совмещенный лазерный пучок способен накачивать внешнюю сердцевину преобразователя яркости для получения более высокого коэффициента повышения яркости.

39. Рамановское волокно, содержащее сдвоенные сердцевины, при этом одна из сдвоенных сердцевин является центральной сердцевиной с высокой яркостью; и средство подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине с высокой яркостью, выбранное из группы, состоящей из фильтра, волоконной брэгговской решетки, разности в нормализованной частоте (V) для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка и различия потерь на микроизгибах.

40. Система генерации второй гармоники, содержащая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения на половине первой длины волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с половинной длиной волны через оптическое волокно.

41. Система по п. 40, причем первая длина волны составляет примерно 460 нм; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе представляет собой KTP.

42. Система генерации третьей гармоники, содержащая: рамановский преобразователь с первой длиной волны для генерации излучения со второй длиной волны, меньшей, чем первая длина волны; и удваивающий частоту кристалл во внешнем резонаторе, выполненный с возможностью предотвращения распространения излучения с меньшей длиной волны через оптическое волокно.

43. Система генерации четвертой гармоники, содержащая: рамановский преобразователь для генерации излучения на 57,5 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, выполненного с возможностью предотвращения распространения излучения с длиной волны 57,5 нм через оптическое волокно.

44. Система генерации второй гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение на 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения на 450 нм, для генерации излучения с длиной волны, равной половине длины волны лазерного источника или 236,5 нм, с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространяться излучению с короткой длиной волны через оптическое волокно.

45. Система генерации третьей гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение на 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения на 450 нм, для генерации излучения на 118,25 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространяться излучению с короткой длиной волны через оптическое волокно.

46. Система генерации четвертой гармоники, содержащая легированный редкоземельной примесью преобразователь яркости, содержащий тулий, который генерирует когерентное излучение на 473 нм, будучи накачиваемым матрицей лазерных диодов синего свечения на 450 нм, для генерации излучения на 59,1 нм с использованием удваивающего частоту кристалла во внешнем резонаторе, но не позволяет распространяться излучению с короткой длиной волны через оптическое волокно.

47. Система по п. 21, причем рамановский преобразователь содержит некруговую внешнюю сердцевину, структурированную для повышения эффективности рамановского преобразования.

48. Лазерная система для выполнения лазерных операций, содержащая:

a. по меньшей мере три модуля лазерных диодов; при этом

b. каждый из упомянутых по меньшей мере трех модулей лазерных диодов содержит по меньшей мере десять лазерных диодов, при этом каждый из упомянутых по меньшей мере десяти лазерных диодов способен выдавать синий лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере примерно 2 Вт и произведение параметров пучка ниже 8 мм⋅мрад, по траектории лазерного пучка, при этом траектория каждого лазерного пучка является практически параллельной, в результате чего задается пространство между лазерными пучками, распространяющимися по траекториям лазерных пучков;

c. средство пространственного совмещения и сохранения яркости синих лазерных пучков, расположенное на всех из упомянутых по меньшей мере тридцати траекторий лазерных пучков, при этом средство пространственного совмещения и сохранения яркости содержит коллимирующую оптику по первой оси лазерного пучка, вертикальную матрицу призм по второй оси лазерного пучка и телескопическое устройство, в результате чего средство пространственного совмещения и сохранения заполняет пространство между лазерными пучками лазерной энергией, вследствие чего выдается совмещенный лазерный пучок мощностью по меньшей мере примерно 600 Вт и с произведением параметров пучка ниже 40 мм⋅мрад.

49. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей, содержащая: по меньшей мере три лазерные системы по п. 48, при этом каждая из упомянутых по меньшей мере трех лазерных систем выполнена с возможностью ввода каждого из ее совмещенных лазерных пучков в одно оптическое волокно, в результате чего каждый из упомянутых по меньшей мере трех совмещенных лазерных пучков способен проходить по связанному с ним оптическому волокну; упомянутые по меньшей мере три оптических волокна в оптической связи с лазерной головкой; и систему управления; при этом система управления содержит программу, имеющую заданную последовательность для доставки каждого из совмещенных лазерных пучков на заданное местоположение на целевом материале.

50. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем заданная последовательность для доставки содержит отдельное включение и выключение лазерных пучков из лазерной головки, вследствие чего происходит отображение на слой порошка для плавления и сплавления целевого материала, содержащего порошок, в деталь.

51. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из линейной, нелинейной, круговой, ромбовидной, квадратной, треугольной и гексагональной.

52. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем волокна в лазерной головке сконфигурированы в структуру, выбранную из группы, состоящей из 2×5, 5×2, 4×5, по меньшей мере 5 на по меньшей 5, 10×5, 5×10 и 3×4.

53. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 49, причем целевой материал содержит слой порошка; и содержащая систему перемещения по x-y, способную транспортировать лазерную головку вдоль слоя порошка, благодаря чему осуществляются плавление и сплавление слоя порошка; и систему подачи порошка, расположенную позади лазерного источника, для обеспечения слоя свежего порошка позади сплавленного слоя.

54. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему перемещения по z, способную транспортировать лазерную головку с увеличением и уменьшением высоты лазерной головки над поверхностью слоя порошка.

55. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая: двунаправленное устройство размещения порошка, способное помещать порошок непосредственно позади подводимого лазерного пучка по мере того, как оно перемещается в положительном направлении x или отрицательном направлении x.

56. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая коаксиальна со множеством траекторий лазерных пучков.

57. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка самотеком.

58. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, причем порошок увлекается потоком инертного газа.

59. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок помещается самотеком впереди лазерных пучков.

60. Система лазерной обработки с адресуемой матрицей по п. 53, содержащая систему подачи порошка, которая расположена поперек N лазерных пучков, где N≥1, и порошок увлекается потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.

61. Способ обеспечения совмещенного синего лазерного пучка, имеющего высокую яркость, при этом способ содержит: функционирование множества лазеров с рамановским преобразованием для выдачи множества отдельных синих лазерных пучков и совмещение отдельных синих лазерных пучков для создания источника с более высокой мощностью при сохранении пространственной яркости исходного источника; при этом отдельные лазерные пучки из упомянутого множества имеют различные длины волн.

62. Способ лазерной обработки целевого материала, содержащий: функционирование лазерной системы обработки с адресуемой матрицей, содержащей по меньшей мере три лазерные системы по п. 1, для генерации трех отдельных совмещенных лазерных пучков в три отдельных оптических волокна; прохождение каждого совмещенного лазерного пучка по его оптическому волокну к лазерной головке; и направление в заданной последовательности трех отдельных совмещенных лазерных пучков от лазерной головки на заданное местоположение на целевом материале.

Реферат

Предложена лазерная система для выполнения лазерных операций, содержащая по меньшей мере три модуля лазерных диодов, при этом каждый из упомянутых по меньшей мере трех модулей лазерных диодов содержит по меньшей мере десять лазерных диодов, при этом каждый из упомянутых по меньшей мере десяти лазерных диодов способен выдавать синий лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере примерно 2 Вт и произведение параметров пучка ниже 8 мм·мрад, по траектории лазерного пучка, при этом траектория каждого лазерного пучка является практически параллельной, в результате чего задается пространство между лазерными пучками, распространяющимися по траекториям лазерных пучков, средство пространственного совмещения и сохранения яркости синих лазерных пучков, расположенное на всех из упомянутых по меньшей мере тридцати траекторий лазерных пучков, при этом средство пространственного совмещения и сохранения яркости содержит коллимирующую оптику по первой оси лазерного пучка, вертикальную матрицу призм по второй оси лазерного пучка и телескопическое устройство, в результате чего средство пространственного совмещения и сохранения заполняет пространство между лазерными пучками лазерной энергией, вследствие чего выдается совмещенный лазерный пучок мощностью по меньшей мере примерно 600 Вт и с произведением параметров пучка ниже 40 мм·мрад. Также предложена система лазерной обработки с адресуемой матрицей, содержащая по меньшей мере три вышеуказанные лазерные системы, при этом каждая из упомянутых по меньшей мере трех лазерных систем выполнена с возможностью ввода каждого из ее совмещенных лазерных пучков в одно оптическое волокно, в результате чего каждый из упомянутых по меньшей мере трех совмещенных лазерных пучков способен проходить по связанному с ним оптическому волокну, упомянутые по меньшей мере три оптических волокна в оптической связи с лазерной головкой и систему управления, при этом система управления содержит программу, имеющую заданную последовательность для доставки каждого из совмещенных лазерных пучков на заданное местоположение на целевом материале. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

Формула