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公開番号2024019706
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-02-09
出願番号2023220383,2022042177
出願日2023-12-27,2015-08-27
発明の名称可視ラマンレーザーを用いた材料加工のための用途、方法、及びシステム
出願人ヌブル インク
代理人個人
主分類G02F 1/35 20060101AFI20240202BHJP(光学)
要約【課題】800nmより下のレーザー波長を使用するレーザー利用製造システム及び装置を提供する。
【解決手段】当該ラマンレーザーモジュールは、レーザー利用製造で使用するためのラマンレーザーモジュール(RLM)であり、約700nm未満の波長、2以下のM2、及び500Wより大きいパワーを有する機能的レーザービームを提供するためのポンプレーザービーム源及びラマン発振器、を備えている。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
レーザー利用製造で使用するためのラマンレーザーモジュール(RLM)であって、約700nm未満の波長、2以下のM

、及び500Wより大きいパワーを有する機能的レーザービームを提供するためのポンプレーザービーム源及びラマン発振器、を備えているラマンレーザーモジュール。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
[0001]本願は、(i)合衆国法典第35巻、第119条(e)(1)の下に、米国仮特許出願第62/042,785号の出願日である2014年8月27日について出願日の恩典を主張するとともに、(ii)合衆国法典第35巻、第119条(e)(1)の下に、米国仮特許出願第62/193,047号の出願日である2015年7月15日について出願日の恩典を主張するものであり、それら仮特許出願の各々の開示全体をここに参考文献として援用する。
続きを表示(約 4,200 文字)【0002】
[0002]本発明は、300nmから700nmの範囲にあるレーザービームを発生させるレーザーに関するものであり、当該レーザービームはこれらの波長にあって優れたビーム品質を有するより高いパワーのレーザービームを含む。本発明は、更に、レーザー製造プロセス、レーザー製造システム、及びレーザー製造デバイスに関し、特に、本発明の新規性のあるレーザーの新規性のあるレーザービームを使用するレーザー利用製造プロセスに関する。
【背景技術】
【0003】
[0003]本発明以前は、300nm-700nmの範囲にあるレーザービームは、典型的には、近赤外線レーザー又は赤外線レーザーの周波数二逓倍化を使用するレーザー源から得られている。今日まで、一般的には、またとりわけ商業的に存立可能なシステムについては、技術がこれらの型式のレーザーをスケールして、より高いパワーのレーザー、例えば500W(0.5kW)より大きいレーザー、特に1kW以上のレーザーを作り出すことはできなかったと考えられる。ひいては、これまで、技術がこれらのレーザーをスケールして300nm-700nmの範囲にあって高ビーム品質を有する高パワーレーザーを得ることはできなかったと考えられる。これらの波長範囲にある高パワーレーザーを得ることができないという無能さは、概して、技術的には、他にもあるが中でも特に、高いパワーレベルで要求される熱負荷及びフルエンスレベルを取り扱う非線形結晶の能力によって制限されるものであると考えられる。必然の結果として、周波数二逓倍化によって入手可能な最も高いパワーの高ビーム品質レーザーは、目下のところ、約400W(0.4kW)パルスに制限されると考えられる。結晶への熱負荷を管理するにはパルシングが必要になる。300nm-700nmの範囲にあって例えば1kW以上のより高いパワーを有し且つ例えばM

~1のより高いビーム品質を有する商業的に存立可能又は有用なレーザーは、本発明以前は得られなかったと考えられる。
【0004】
[0004]本発明の具現化以前は、大別して4つの型式の青色レーザーがあったと考えられる。青色レーザーは、約400nm-505nm、典型的には405nm-495nmの範囲にある波長を有するレーザーである。これらの青色レーザーは、(i)He:Cd型、(ii)Ar-イオン型、(iii)ダイオードレーザーダイレクト及び周波数二逓倍化型、(iv)固体パラメトリック発振器及び周波数二逓倍化型、(v)ファイバーレーザー二逓倍化型及び周波数シフトファイバーレーザー二逓倍化型、である。
(i)He:Cd型レーザーは、単一モードであるが、パワーは数百ミリワット、例えば0.0001kWに制限される。He:Cd型レーザーは、典型的には単一横モードであるが、これらのレーザーの低効率(<0.025%)のせいで、これらのレーザーを高いパワーレベルへスケールするのは極めて困難であり、よってそれらは高パワー材料加工用途には適していない。
(ii)Ar-イオン型レーザーは、非常に非効率であり、必然の結果として比較的低いパワー、即ち約0.005kW未満マルチラインに制限される。これらのレーザーは、これらの低パワーにおいて、多波長動作を有する単一横モードである。これらのシステムの寿命は、典型的には<5,000時間であって、殆どの工業的用途にとっては比較的短い。
(iii)青色ダイオードレーザーは近年になって入手可能になりつつある。とはいえ、それらは、低パワー、典型的には0.0025kW未満であり、また貧弱なビーム品質、例えば遅軸でM

>5、速軸でM

_~1を有している。それらデバイスは今日では20,000時間のオーダーの寿命を有しており、多くの工業的レーザー用途及び商業的レーザー用途に適している。これらのデバイスを200ワット又はそれ以上へスケールしようとすると、ビーム品質はパワーの漸増につれ低下する。例えば200ワットでM

>50である。
(iv)周波数二逓倍化青色レーザー源は典型的には約0.50kW程度の出力パワーに制限される。青色光を作成するための方法は、800nm台-900nm台の範囲の光源を周波数二逓倍化するか又は2つの異なる波長の和周波数混合を使用して第3の周波数を生成するかのどちらかということになろう。どちらの技法もニオブ酸リチウム又はKTPの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。CWモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。
(v)周波数シフトされ次いで青色へと周波数二逓倍化されるファイバーレーザーは、ニオブ酸リチウム又はKTPの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。CWモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。
【0005】
[0005]本発明以前は、青色波長レーザービームは、典型的には、パラメトリック発振器、四光波混合、及びダイレクト二逓倍化によって得られた。これらは全て、青色波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとする非効率的なプロセスである。これらの結晶は、レーザーパワーが数百W(0.数kW)CWに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、1kW及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。
【0006】
[0006]これらの先行技術による型式の青色レーザー及びそれらが提供したレーザービームは、レーザー利用製造プロセス又はレーザー利用製造システムでの使用には不適当であると考えられる。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、本発明の実施形態の高パワーのレーザービーム、例えば0.1kW及びそれより大きいパワーを有する青色波長、を得ることができないと考えられる。高パワー周波数二逓倍化レーザー源は、典型的には、高いピークパワーレベル及びその結果である高い変換効率を実現することのできる高速パルス源である。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、更に、殆どのレーザー利用製造での使用、とりわけ厳しい公差を有する物品の形成で使用するうえでの時間的特性を有している。これらの型式の先行技術による青色レーザーは、本発明の実施形態の高パワー及び高CW出力を提供するのは無理である。
【0007】
[0007]本発明以前は、450nm以下のレーザービームは、典型的には、パラメトリック発振器、四光波混合、及びIR源の周波数三逓倍化によって得られた。これらは全て、短い(200nm-450nm)波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとする非効率的なプロセスである。これらの結晶は、レーザーパワーが数百W(0.数kW)CWに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、1kW及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。
【0008】
[0008]本発明以前は、700nm-800nmの範囲にあるレーザービームは、典型的には、色素レーザーの励起、パラメトリック発振器、四光波混合、及びIR源の周波数二逓倍化によって得られた。これらは全て非効率的なプロセスであり、色素レーザーは経時的に脱色する傾向があり、限られた相互作用体積を有しており、高いCWパワーレベルを実現するのを困難にする。他のプロセスは700nm-800nmの波長を実現するのに非線形結晶の使用を頼みとしている。これらの結晶は、レーザーパワーが数百W(0.数kW)CWに近付くと起こる熱負荷を管理することができず、1kW及びそれより大きいパワーについては言うまでもない。
【0009】
[0009]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「レーザー利用製造」(「LAM:Laser Additive Manufacturing」)、「レーザー利用製造プロセス」、「利用製造プロセス」という用語及び類似のその様な用語は、それらの可能な限り最も広範な意味を与えられるべきであり、3D印刷、三次元印刷、焼結、溶接、及びろう付けの様なプロセス、用途、及びシステムはもとより、作製される物品(例えば、製品、構成要素、及び部品)の作製過程の少なくとも1つの段階でレーザービームを利用する何れかの他のプロセスを含む、ということになる。これらの用語は、作製される物品のサイズによって限定又は制限されることはなく、例えば、それらは、サブミクロン、例えば、1μm未満から、1μmまで、10μmまで、数十ミクロンまで、数百ミクロンまで、数千ミクロンまで、ミリメートルまで、メートル乃至キロメートルまで、の物品を網羅することになる(例えば、リボン状又は帯状の材料を作成する連続LAMプロセス)。
【0010】
[0010]ここでの使用に際し、別途明示されていない限り、「レーザービームスポットサイズ」及び「スポットサイズ」という用語は、それらの可能な限り最も広範な意味を与えられるべきであり、レーザービームの横断面形状、レーザービームの横断面積、ターゲット上のレーザービーム照射区域の形状、ターゲット上のレーザービームの照射面積、「最大強度スポットサイズ」つまりレーザービームが少なくとも1/e

又はそのピーク値の0.135であるレーザービームの断面積、「50%強度スポットサイズ」つまりレーザービームがそのピーク値の少なくとも0.00675であるレーザービームの断面積、及びレーザービームが機能的特性を有しているレーザービームの断面積、を含む。
(【0011】以降は省略されています)

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