JP2000246468A - レーザ衝撃ピーニング方法 - Google Patents
レーザ衝撃ピーニング方法Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
- C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ターゲットの表面に残留圧縮応力を生み出す
ための新規なレーザ衝撃ピーニング方法を提供する。 【解決手段】 本発明の方法は、ターゲット（１６）上
の削摩性被膜（１８）に対しレーザ・ビーム・パルス
（１４）を照射する工程であって、該パルスが被膜（１
８）のアブレーションを行ってその中にプラズマ（４
２）及び衝撃波を生成させるのに有効なフルエンス、持
続時間及び対応したピーク・パワーを有している工程
と、ターゲットに隣接した位置に前記プラズマを閉込め
てターゲットを衝撃波により塑性変形させ、それによっ
てターゲット中に残留圧縮応力を生み出す工程とを含
む。前記パルスは、該パルスとプラズマとの間の結合効
率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時間及び対応し
たピーク・パワーを有する。
ための新規なレーザ衝撃ピーニング方法を提供する。 【解決手段】 本発明の方法は、ターゲット（１６）上
の削摩性被膜（１８）に対しレーザ・ビーム・パルス
（１４）を照射する工程であって、該パルスが被膜（１
８）のアブレーションを行ってその中にプラズマ（４
２）及び衝撃波を生成させるのに有効なフルエンス、持
続時間及び対応したピーク・パワーを有している工程
と、ターゲットに隣接した位置に前記プラズマを閉込め
てターゲットを衝撃波により塑性変形させ、それによっ
てターゲット中に残留圧縮応力を生み出す工程とを含
む。前記パルスは、該パルスとプラズマとの間の結合効
率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時間及び対応し
たピーク・パワーを有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はショット・ピーニン
グ(shot peening)に関するものであって、更に詳しく言
えば、レーザ衝撃ピーニングに関する。
グ(shot peening)に関するものであって、更に詳しく言
えば、レーザ衝撃ピーニングに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のショット・ピーニングにおいて
は、金属加工物又はターゲットの表面に小さな球を吹付
けてそこに塑性変形をもたらすことにより、対応した残
留圧縮応力が生み出される。かかる残留応力は、加工物
を高応力用途において使用する場合にそれの有効疲労寿
命を向上させる。
は、金属加工物又はターゲットの表面に小さな球を吹付
けてそこに塑性変形をもたらすことにより、対応した残
留圧縮応力が生み出される。かかる残留応力は、加工物
を高応力用途において使用する場合にそれの有効疲労寿
命を向上させる。
【０００３】加工物中に残留圧縮応力を生み出す操作を
更に改善するため、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）が
開発されつつある。レーザをパルス・モードで動作させ
ることにより、加工物の表面にレーザ・パルスが照射さ
れる。通例、その表面にはたとえば水から成る光学的に
透明な薄い慣性閉込め層によって閉込められた吸光性の
削摩性(ablative)被膜が存在している。レーザ・パルス
は小さな爆発により被膜を気化させて高温のプラズマを
生じるが、これは水によって閉込められる。その結果と
して発生した瞬間的な圧力パルス又は衝撃波が加工物の
表面を塑性変形させ、それによってその中に残留圧縮応
力が生じる。
更に改善するため、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）が
開発されつつある。レーザをパルス・モードで動作させ
ることにより、加工物の表面にレーザ・パルスが照射さ
れる。通例、その表面にはたとえば水から成る光学的に
透明な薄い慣性閉込め層によって閉込められた吸光性の
削摩性(ablative)被膜が存在している。レーザ・パルス
は小さな爆発により被膜を気化させて高温のプラズマを
生じるが、これは水によって閉込められる。その結果と
して発生した瞬間的な圧力パルス又は衝撃波が加工物の
表面を塑性変形させ、それによってその中に残留圧縮応
力が生じる。
【０００４】このような操作における重要な制御パラメ
ータは、レーザ・ビームの単位面積当りのパルス・エネ
ルギとして定義されるレーザ・ビームのフルエンス(flu
ence) である。ターゲットの位置におけるフルエンスは
レーザ衝撃ピーニングを行うための閾値を越えなければ
ならないが、レーザ・ビームを生成する共振器又は発振
器内のフルエンスはそれの光損傷を防止するために低く
なければならない。
ータは、レーザ・ビームの単位面積当りのパルス・エネ
ルギとして定義されるレーザ・ビームのフルエンス(flu
ence) である。ターゲットの位置におけるフルエンスは
レーザ衝撃ピーニングを行うための閾値を越えなければ
ならないが、レーザ・ビームを生成する共振器又は発振
器内のフルエンスはそれの光損傷を防止するために低く
なければならない。
【０００５】これを達成するためには、低エネルギの発
振器に続いて、段階的に口径が大きくなる複数の棒状増
幅器を使用すればよい。そうすれば、パルスエネルギが
増大する一方、フルエンスは損傷閾値より低く維持さ
れ、従ってレーザ装置の光損傷は防止される。しかしな
がら、このような構成は数多くのレーザ・ヘッド又はレ
イジング(lasing)用利得媒質、光ポンピング用フラッシ
ュランプ、電源及び関連設備を必要とするが、それは装
置の複雑度を増大させると共に、動作中においてそれの
故障が起こり易くなる。
振器に続いて、段階的に口径が大きくなる複数の棒状増
幅器を使用すればよい。そうすれば、パルスエネルギが
増大する一方、フルエンスは損傷閾値より低く維持さ
れ、従ってレーザ装置の光損傷は防止される。しかしな
がら、このような構成は数多くのレーザ・ヘッド又はレ
イジング(lasing)用利得媒質、光ポンピング用フラッシ
ュランプ、電源及び関連設備を必要とするが、それは装
置の複雑度を増大させると共に、動作中においてそれの
故障が起こり易くなる。
【０００６】米国特許第５７３０８１１号明細書中に
は、少ない部品から成る別の有用なレーザ装置が開示さ
れている。この構成は大形のＱスイッチ式かつキャビテ
ィ・ダンピング(cavity dumping)式のレーザ発振器を使
用するものであって、レーザ衝撃ピーニングのために必
要なエネルギの相当部分を生成する単一ヘッドの共振器
及びそれと協働する追加の増幅器を含んでいる。このよ
うな高エネルギのレーザは、適度に大きな口径の光学部
品と共に、Ｑスイッチング及びキャビティ・ダンピング
を実行するためのポッケルスセルを必要とする。大口径
の光学部品は発振器内のフルエンスを低下させ、そして
発振器内で生成された高エネルギ・レーザ・ビームによ
る熱的損傷を防止する。
は、少ない部品から成る別の有用なレーザ装置が開示さ
れている。この構成は大形のＱスイッチ式かつキャビテ
ィ・ダンピング(cavity dumping)式のレーザ発振器を使
用するものであって、レーザ衝撃ピーニングのために必
要なエネルギの相当部分を生成する単一ヘッドの共振器
及びそれと協働する追加の増幅器を含んでいる。このよ
うな高エネルギのレーザは、適度に大きな口径の光学部
品と共に、Ｑスイッチング及びキャビティ・ダンピング
を実行するためのポッケルスセルを必要とする。大口径
の光学部品は発振器内のフルエンスを低下させ、そして
発振器内で生成された高エネルギ・レーザ・ビームによ
る熱的損傷を防止する。
【０００７】もう１つの重要な制御パラメータは、フル
エンスをパルス持続時間で割った値として定義される強
度又は放射照度である。加工物の所望の残留応力分布は
有限の面積に広がり、また加工物のＬＳＰ処理は加工物
材料に依存するフルエンス閾値を要求するから、レーザ
・パルス当りの最小エネルギが必要とされる。生産部品
の処理には単一のレーザ・スポットより遥かに大きい処
理面積が関与するから、プロセスの処理量は光源として
のレーザ装置の平均パワー及び繰返し数によって制限さ
れる。
エンスをパルス持続時間で割った値として定義される強
度又は放射照度である。加工物の所望の残留応力分布は
有限の面積に広がり、また加工物のＬＳＰ処理は加工物
材料に依存するフルエンス閾値を要求するから、レーザ
・パルス当りの最小エネルギが必要とされる。生産部品
の処理には単一のレーザ・スポットより遥かに大きい処
理面積が関与するから、プロセスの処理量は光源として
のレーザ装置の平均パワー及び繰返し数によって制限さ
れる。
【０００８】商業的に実行可能なシステムにおいてレー
ザ衝撃ピーニングを行う場合、強度制御パラメータに寄
与するレーザの動作パラメータ（すなわち、パルス・エ
ネルギ、フルエンス、持続時間、強度及び繰返し数）と
レーザ装置のサイズ及び効率とは相互に関係する。現在
公知のレーザ衝撃ピーニングにおいて特に問題となるの
は、パルス当り５０ジュール、２００ジュール／平方セ
ンチメートル、及び２０ナノ秒のパルス持続時間のごと
き高エネルギ要求条件である。これらは、損傷閾値の設
計限界の近くで動作し、それに対応して制限された処理
能力及び効率を有し、かつそれに対応して高い維持費を
要求する大形の複雑で高価なレーザ装置を必要とする。
ザ衝撃ピーニングを行う場合、強度制御パラメータに寄
与するレーザの動作パラメータ（すなわち、パルス・エ
ネルギ、フルエンス、持続時間、強度及び繰返し数）と
レーザ装置のサイズ及び効率とは相互に関係する。現在
公知のレーザ衝撃ピーニングにおいて特に問題となるの
は、パルス当り５０ジュール、２００ジュール／平方セ
ンチメートル、及び２０ナノ秒のパルス持続時間のごと
き高エネルギ要求条件である。これらは、損傷閾値の設
計限界の近くで動作し、それに対応して制限された処理
能力及び効率を有し、かつそれに対応して高い維持費を
要求する大形の複雑で高価なレーザ装置を必要とする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、効率及び処理
量を向上させると共に維持費及び停止時間を低減させる
ため、より低いパルス・エネルギ及びより大きいパルス
繰返し数の下でレーザ衝撃ピーニングを行うことが望ま
れている。
量を向上させると共に維持費及び停止時間を低減させる
ため、より低いパルス・エネルギ及びより大きいパルス
繰返し数の下でレーザ衝撃ピーニングを行うことが望ま
れている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】ターゲットにレーザ衝撃
ピーニングを施すため、その上の削摩性被膜に対し、該
被膜のアブレーション(ablation；分解除去)を行って該
被膜中にプラズマ及び衝撃波を生成させるのに有効なフ
ルエンス、持続時間及び対応したピーク・パワーを有す
るレーザ・ビーム・パルスが照射される。ターゲットに
隣接した位置にプラズマを閉込めてターゲットを衝撃波
により塑性変形させれば、ターゲット中に残留圧縮応力
が生み出される。上記のパルスは、パルスとプラズマと
の間の結合効率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時
間及び対応したピーク・パワーを有している。
ピーニングを施すため、その上の削摩性被膜に対し、該
被膜のアブレーション(ablation；分解除去)を行って該
被膜中にプラズマ及び衝撃波を生成させるのに有効なフ
ルエンス、持続時間及び対応したピーク・パワーを有す
るレーザ・ビーム・パルスが照射される。ターゲットに
隣接した位置にプラズマを閉込めてターゲットを衝撃波
により塑性変形させれば、ターゲット中に残留圧縮応力
が生み出される。上記のパルスは、パルスとプラズマと
の間の結合効率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時
間及び対応したピーク・パワーを有している。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１には、本発明の実施の一態様
に係わるレーザ衝撃ピーニング装置１０が略示されてい
る。かかる装置は循環するレーザ・ビーム１２を発生さ
せるために有効であって、このレーザ・ビームをダンピ
ングすなわち放出することによって生じたレーザ・ビー
ム・パルス１４を金属加工物又はターゲット１６に照射
すれば、それの表面及びその直下に残留圧縮応力が生み
出される。
に係わるレーザ衝撃ピーニング装置１０が略示されてい
る。かかる装置は循環するレーザ・ビーム１２を発生さ
せるために有効であって、このレーザ・ビームをダンピ
ングすなわち放出することによって生じたレーザ・ビー
ム・パルス１４を金属加工物又はターゲット１６に照射
すれば、それの表面及びその直下に残留圧縮応力が生み
出される。
【００１２】上記のターゲットは任意適宜の形態を取り
得るのであって、たとえば黒色ペイントから成る通常の
削摩性被膜１８を含んでいてもよい。被膜に対するレー
ザ・ビーム・パルスの衝突の結果として生じる爆発プラ
ズマを閉込めるため、被膜上には水又はその他の透明な
弾性媒質の薄膜２０を設けるのが適当である。
得るのであって、たとえば黒色ペイントから成る通常の
削摩性被膜１８を含んでいてもよい。被膜に対するレー
ザ・ビーム・パルスの衝突の結果として生じる爆発プラ
ズマを閉込めるため、被膜上には水又はその他の透明な
弾性媒質の薄膜２０を設けるのが適当である。
【００１３】従って、ターゲットの表面に対して圧力パ
ルスが発生する結果、衝撃波又は応力波がターゲット材
料中に伝播して表面又はその近傍の領域を塑性変形さ
せ、それによって該領域に残留圧縮応力を保持する。タ
ーゲットの表面に沿って一連のレーザ・ビーム・パルス
を適宜に走査することにより、それに対して実質的に一
様なレーザ衝撃ピーニングを施すことができる。
ルスが発生する結果、衝撃波又は応力波がターゲット材
料中に伝播して表面又はその近傍の領域を塑性変形さ
せ、それによって該領域に残留圧縮応力を保持する。タ
ーゲットの表面に沿って一連のレーザ・ビーム・パルス
を適宜に走査することにより、それに対して実質的に一
様なレーザ衝撃ピーニングを施すことができる。
【００１４】装置１０は、レイジング用媒質又は利得媒
質２４を有する協働する発振器又は共振器２２中におい
て循環レーザ・ビーム１２を生成させるための手段を含
む光学部品を組立てたものである。かかるレーザ・ビー
ムを発振器から放出するための手段により、レーザ・ビ
ーム・パルス１４が得られる。
質２４を有する協働する発振器又は共振器２２中におい
て循環レーザ・ビーム１２を生成させるための手段を含
む光学部品を組立てたものである。かかるレーザ・ビー
ムを発振器から放出するための手段により、レーザ・ビ
ーム・パルス１４が得られる。
【００１５】適当なエネルギ及び時間的形状を持ったレ
ーザ・ビーム・パルス１４を得るためには、基本の発振
器２２はＱスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の
発振器であることが好ましいが、それは様々な従来の構
成を有することができる。たとえば、発振器２２は１０
０％の反射率を有する第１及び第２の末端鏡２６及び２
８を含んでいて、これらは生じたレーザ・ビーム１２を
両者間で循環させるために役立つ。かかる末端鏡は利得
媒質２４の両側において光学的に整列していて、利得媒
質２４がそれの光ポンピングを行うための通常のフラッ
シュランプ３０と協働することによって２枚の鏡間で循
環するレーザ・ビーム１２が生成される。利得媒質２４
及びフラッシュランプ３０はレーザ・ヘッドを規定する
が、このレーザ・ヘッドは任意公知の形態を有し得ると
共に、適宜に冷却される。
ーザ・ビーム・パルス１４を得るためには、基本の発振
器２２はＱスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の
発振器であることが好ましいが、それは様々な従来の構
成を有することができる。たとえば、発振器２２は１０
０％の反射率を有する第１及び第２の末端鏡２６及び２
８を含んでいて、これらは生じたレーザ・ビーム１２を
両者間で循環させるために役立つ。かかる末端鏡は利得
媒質２４の両側において光学的に整列していて、利得媒
質２４がそれの光ポンピングを行うための通常のフラッ
シュランプ３０と協働することによって２枚の鏡間で循
環するレーザ・ビーム１２が生成される。利得媒質２４
及びフラッシュランプ３０はレーザ・ヘッドを規定する
が、このレーザ・ヘッドは任意公知の形態を有し得ると
共に、適宜に冷却される。
【００１６】適当なエネルギ・レベルに達成すると発振
器からレーザ・ビームが生成されるようにするため、第
１のポッケルスセル３２から成る手段が利得媒質２４並
びに末端鏡２６及び２８と光学的に整列して配置されて
いる。このポッケルスセルはそれのスイッチングを行う
ための電気制御器３４の一部を成すドライバによって制
御される結果、循環するレーザ・パルスが生成されると
共に、一連のレーザ・ビーム・パルス１４が周期的に発
生される。このポッケルスセルは、２枚の末端鏡２６及
び２８の間において適当なやり方で（たとえば、利得媒
質２４の両側で）光学的に整列した四分の一波長板３６
及び偏光子３８と協働することが好ましい。
器からレーザ・ビームが生成されるようにするため、第
１のポッケルスセル３２から成る手段が利得媒質２４並
びに末端鏡２６及び２８と光学的に整列して配置されて
いる。このポッケルスセルはそれのスイッチングを行う
ための電気制御器３４の一部を成すドライバによって制
御される結果、循環するレーザ・パルスが生成されると
共に、一連のレーザ・ビーム・パルス１４が周期的に発
生される。このポッケルスセルは、２枚の末端鏡２６及
び２８の間において適当なやり方で（たとえば、利得媒
質２４の両側で）光学的に整列した四分の一波長板３６
及び偏光子３８と協働することが好ましい。
【００１７】発振器２２の部品は、構成及び機能の点で
は従来通りのものである。ポッケルスセル３２は、フラ
ッシュランプ３０からエネルギのポンピングを行った後
に発振器内において発生期のレーザ・ビーム１２を循環
させるための再生モードで動作し得る。再生モードにお
いては、偏光子３８は第２の末端鏡２８に向けてレーザ
・ビームを斜めに反射させるための鏡として作用する。
このようにして、利得媒質２４中にエネルギが蓄積した
状態でレーザ・ビームが２枚の末端鏡２６及び２８の間
において前後に循環する。
は従来通りのものである。ポッケルスセル３２は、フラ
ッシュランプ３０からエネルギのポンピングを行った後
に発振器内において発生期のレーザ・ビーム１２を循環
させるための再生モードで動作し得る。再生モードにお
いては、偏光子３８は第２の末端鏡２８に向けてレーザ
・ビームを斜めに反射させるための鏡として作用する。
このようにして、利得媒質２４中にエネルギが蓄積した
状態でレーザ・ビームが２枚の末端鏡２６及び２８の間
において前後に循環する。
【００１８】ポッケルスセルはまた、発振器内のエネル
ギがレーザ・ビーム・パルス１４を発生するのに十分な
レベルに到達した時に偏光子３８を通してレーザ・ビー
ムを放出するためのダンピングモードでも動作し得る。
ギがレーザ・ビーム・パルス１４を発生するのに十分な
レベルに到達した時に偏光子３８を通してレーザ・ビー
ムを放出するためのダンピングモードでも動作し得る。
【００１９】ポッケルスセル・ドライバは、ポッケルス
セル３２の両端にバイアス電圧を加えて波の遅延を選択
的に制御することによって動作する。利得媒質２４の初
期ポンピングの後、ドライバ３４が再生モード又は高Ｑ
モードのポッケルスセル３２にバイアス電圧を加えて適
当な波の遅延をもたらせば、発生したビームは偏光子３
８を介して末端鏡２６及び２８の間で振動し、そしてビ
ーム中のエネルギは再生によって増大する。発振器内の
ビームがピーク・パワーに達すると、ドライバはセルに
対するバイアスを適宜に低下させて遅延を変化させる。
その結果、ビームは第２の末端鏡２８を迂回して偏光子
３８を通過し、それによってレーザ・ビーム・パルス１
４が放出される。
セル３２の両端にバイアス電圧を加えて波の遅延を選択
的に制御することによって動作する。利得媒質２４の初
期ポンピングの後、ドライバ３４が再生モード又は高Ｑ
モードのポッケルスセル３２にバイアス電圧を加えて適
当な波の遅延をもたらせば、発生したビームは偏光子３
８を介して末端鏡２６及び２８の間で振動し、そしてビ
ーム中のエネルギは再生によって増大する。発振器内の
ビームがピーク・パワーに達すると、ドライバはセルに
対するバイアスを適宜に低下させて遅延を変化させる。
その結果、ビームは第２の末端鏡２８を迂回して偏光子
３８を通過し、それによってレーザ・ビーム・パルス１
４が放出される。
【００２０】末端の反射鏡２６及び２８の間において、
発振器２２は一定の光路長を有するキャビティを規定す
る。この光路長は振動するレーザ・ビームの往復走行時
間を制御し、ひいてはそれのパルス幅及び持続時間を決
定する。発振器によって生成されるパルスの立上り時間
は、ポッケルスセル３２のスイッチング時間によって制
御される。好適な実施の態様に従えば、発振器２２は本
質的に鋭い前縁及び適当な持続時間をそれぞれに有する
一連のレーザ・ビーム・パルスを生成するために有効で
ある。その結果、ターゲット１６の位置で生じる圧力パ
ルス中においては、レーザ衝撃ピーニング操作を改善す
るために適した振幅及び時間的形状が生み出される。
発振器２２は一定の光路長を有するキャビティを規定す
る。この光路長は振動するレーザ・ビームの往復走行時
間を制御し、ひいてはそれのパルス幅及び持続時間を決
定する。発振器によって生成されるパルスの立上り時間
は、ポッケルスセル３２のスイッチング時間によって制
御される。好適な実施の態様に従えば、発振器２２は本
質的に鋭い前縁及び適当な持続時間をそれぞれに有する
一連のレーザ・ビーム・パルスを生成するために有効で
ある。その結果、ターゲット１６の位置で生じる圧力パ
ルス中においては、レーザ衝撃ピーニング操作を改善す
るために適した振幅及び時間的形状が生み出される。
【００２１】本発明の好適な実施の態様に従えば、たと
えば偏光子３８と第２の鏡２８との間において光学的に
整列した第２のポッケルスセル４０を導入することによ
り、基本的なキャビティ・ダンピング技術が自己注入再
生増幅器方式に改造される。第２のポッケルスセルは対
応するドライバを有していて、第１のポッケルスセル３
２の動作と同期させるため制御器３４に対して機能的に
接続されている。このように構成された発振器は、短い
パルス持続時間を持ったレーザ・ビーム・パルス１４を
発生するために有効なキャビティ内注入式、Ｑスイッチ
式かつキャビティ・ダンピング式の共振器２２を規定す
る。
えば偏光子３８と第２の鏡２８との間において光学的に
整列した第２のポッケルスセル４０を導入することによ
り、基本的なキャビティ・ダンピング技術が自己注入再
生増幅器方式に改造される。第２のポッケルスセルは対
応するドライバを有していて、第１のポッケルスセル３
２の動作と同期させるため制御器３４に対して機能的に
接続されている。このように構成された発振器は、短い
パルス持続時間を持ったレーザ・ビーム・パルス１４を
発生するために有効なキャビティ内注入式、Ｑスイッチ
式かつキャビティ・ダンピング式の共振器２２を規定す
る。
【００２２】レーザ衝撃ピーニング用として構成された
典型的なキャビティ・ダンピング式の共振器は、立上り
時間の短い前縁と共に約１０〜２０ナノ秒（ｎｓ）の持
続時間を有するレーザ・ビーム・パルスを生み出す。キ
ャビティ・ダンピング式の発振器は、末端鏡２６及び２
８の間におけるキャビティ往復時間と実質的に等しい持
続時間を有するパルスを生み出す。上記のごとく、レー
ザ衝撃ピーニングにおける重要な制御パラメータとして
は、フルエンスと、（そのパラメータをパルス持続時間
で割って得られる）強度又は放射照度とが挙げられる。
レーザ衝撃ピーニングにおいては、ターゲット被膜のア
ブレーションを行ってターゲットを塑性変形させるのに
十分な圧力パルスを生み出すため、レーザ・ビーム・パ
ルス当りの最小フルエンス及びエネルギが要求される。
そのためには、パルス当り約５０ジュール、1/4 平方セ
ンチメートルのパルス面積に対応して約２００ジュール
／平方センチメートル、及び約１０ｎｓ通例は約２０ｎ
ｓを越えるパルス持続時間という実質的に大きいレーザ
・パラメータを有する高エネルギ・レーザ装置が要求さ
れるのが通例である。２０ｎｓのパルス持続時間の場
合、約２．５ギガワット（ＧＷ）のピーク強度又はパワ
ーが達成される。
典型的なキャビティ・ダンピング式の共振器は、立上り
時間の短い前縁と共に約１０〜２０ナノ秒（ｎｓ）の持
続時間を有するレーザ・ビーム・パルスを生み出す。キ
ャビティ・ダンピング式の発振器は、末端鏡２６及び２
８の間におけるキャビティ往復時間と実質的に等しい持
続時間を有するパルスを生み出す。上記のごとく、レー
ザ衝撃ピーニングにおける重要な制御パラメータとして
は、フルエンスと、（そのパラメータをパルス持続時間
で割って得られる）強度又は放射照度とが挙げられる。
レーザ衝撃ピーニングにおいては、ターゲット被膜のア
ブレーションを行ってターゲットを塑性変形させるのに
十分な圧力パルスを生み出すため、レーザ・ビーム・パ
ルス当りの最小フルエンス及びエネルギが要求される。
そのためには、パルス当り約５０ジュール、1/4 平方セ
ンチメートルのパルス面積に対応して約２００ジュール
／平方センチメートル、及び約１０ｎｓ通例は約２０ｎ
ｓを越えるパルス持続時間という実質的に大きいレーザ
・パラメータを有する高エネルギ・レーザ装置が要求さ
れるのが通例である。２０ｎｓのパルス持続時間の場
合、約２．５ギガワット（ＧＷ）のピーク強度又はパワ
ーが達成される。
【００２３】本発明に係わる開発経験の結果、レーザを
用いた材料除去のごときレーザ誘起現象のために要求さ
れるエネルギ及びフルエンスは照射されるピーク強度の
増加に伴って減少すること、かつまたレーザ−プラズマ
間のエネルギ結合も照射されるレーザのピーク強度に敏
感であることが判明した。レーザ−材料間に相互作用が
起こるためのフルエンス及びエネルギ閾値の依存性は、
非線形の光学的にレーザ−材料相互作用が存在すること
に由来している。
用いた材料除去のごときレーザ誘起現象のために要求さ
れるエネルギ及びフルエンスは照射されるピーク強度の
増加に伴って減少すること、かつまたレーザ−プラズマ
間のエネルギ結合も照射されるレーザのピーク強度に敏
感であることが判明した。レーザ−材料間に相互作用が
起こるためのフルエンス及びエネルギ閾値の依存性は、
非線形の光学的にレーザ−材料相互作用が存在すること
に由来している。
【００２４】光の吸収は、レーザ又はその他の光源の強
度又は放射照度が一連の材料依存性吸収係数に比例して
変化することを規定する吸収法則によって記述される。
これらの吸収係数は、照射されるレーザ強度に関する多
項式中の各項に掛けられるものである。
度又は放射照度が一連の材料依存性吸収係数に比例して
変化することを規定する吸収法則によって記述される。
これらの吸収係数は、照射されるレーザ強度に関する多
項式中の各項に掛けられるものである。
【００２５】 ｄＩ／ｄｚ＝（ａＩ＋ｂＩ2＋ｃＩ3＋…） （１） 式（１）中、ｄＩ／ｄｚは位置ｚにおける材料との相互
作用によって吸収されるエネルギである。係数ａは放射
の線形吸収を記述するものであり、係数ｂは照射強度の
２乗に比例する吸収を記述ものであり、以下同様であ
る。通例、ａ>>ｂ>>ｃであって、低強度においては線形
の効果が最も強い。
作用によって吸収されるエネルギである。係数ａは放射
の線形吸収を記述するものであり、係数ｂは照射強度の
２乗に比例する吸収を記述ものであり、以下同様であ
る。通例、ａ>>ｂ>>ｃであって、低強度においては線形
の効果が最も強い。
【００２６】しかるに、強度Ｉが増加するのに伴い、Ｉ
2 及びＩ3 はＩよりも急速に増加するから、吸収法則に
対する非線形の寄与が支配的になることがある。このよ
うに、削摩性被膜材料による光の吸収、発生期の気化材
料による光の吸収がもたらすプラズマの生成、及びそれ
によって開始される過程は、レーザ・パルスの持続時間
を短縮することによってより低いパルス・エネルギ及び
フルエンスの下でより効率的に生起させることができ
る。なぜなら、Ｉは単位面積当りかつ単位時間当りのエ
ネルギとして定義されるからである。
2 及びＩ3 はＩよりも急速に増加するから、吸収法則に
対する非線形の寄与が支配的になることがある。このよ
うに、削摩性被膜材料による光の吸収、発生期の気化材
料による光の吸収がもたらすプラズマの生成、及びそれ
によって開始される過程は、レーザ・パルスの持続時間
を短縮することによってより低いパルス・エネルギ及び
フルエンスの下でより効率的に生起させることができ
る。なぜなら、Ｉは単位面積当りかつ単位時間当りのエ
ネルギとして定義されるからである。
【００２７】同様に、衝撃インパルスの生成を規定する
アブレーション、プラズマ圧力パルスの発生、閉込め層
の破壊、及びエネルギ散逸過程の時間的順序に基づけ
ば、特異な組合せのピーク・パワー（レーザ・パルスの
内部で光エネルギが加工物に引き渡される速度）及びパ
ルス繰返し数を用いてレーザ衝撃ピーニングにおけるプ
ラズマ圧力パルスの振幅及び持続時間を最適化すること
が可能となる。
アブレーション、プラズマ圧力パルスの発生、閉込め層
の破壊、及びエネルギ散逸過程の時間的順序に基づけ
ば、特異な組合せのピーク・パワー（レーザ・パルスの
内部で光エネルギが加工物に引き渡される速度）及びパ
ルス繰返し数を用いてレーザ衝撃ピーニングにおけるプ
ラズマ圧力パルスの振幅及び持続時間を最適化すること
が可能となる。
【００２８】最適のレーザ・パラメータに関して行うべ
きトレードオフを達成するためには、プラズマ衝撃イン
パルスの生成を最適化することに適用されるものと同じ
考察を競合的なエネルギ散逸過程を最小化することに適
用すればよい。かかる競合的過程の実例としては、光に
よる閉込め層の非線形破壊、プラズマによるレーザ・エ
ネルギの反射、最適でないプラズマ衝撃振幅の生成、な
どが挙げられる。
きトレードオフを達成するためには、プラズマ衝撃イン
パルスの生成を最適化することに適用されるものと同じ
考察を競合的なエネルギ散逸過程を最小化することに適
用すればよい。かかる競合的過程の実例としては、光に
よる閉込め層の非線形破壊、プラズマによるレーザ・エ
ネルギの反射、最適でないプラズマ衝撃振幅の生成、な
どが挙げられる。
【００２９】このような発見が本発明の基礎を成してい
る。すなわち、レーザ衝撃ピーニングを行うために高い
エネルギ、大きいフルエンス、及び長い（つまり、１０
ナノ秒より長い）持続時間を持ったレーザ・パルスを使
用しなくても、より短くかつより低エネルギのレーザ・
パルスを用いてかかるピーニングを行うことができるの
である。そのようなレーザ・パルスは、レーザ装置のサ
イズ及び複雑度を低減させかつレーザ装置の光損傷に対
する感受性を低下させるという点で顕著に有利である。
最終増幅段においてより低いエネルギを生み出すレーザ
装置を規定することにより、主増幅器又は共振器のサイ
ズを実質的に縮小することができ、それに対応してパル
ス繰返し数を実質的に増大させることができる。これ
は、大きい面積にピーニングを施すために比較的高い処
理性能を要求する商業的に実行可能なレーザ照射ピーニ
ング・システムに対して顕著な利益をもたらす。
る。すなわち、レーザ衝撃ピーニングを行うために高い
エネルギ、大きいフルエンス、及び長い（つまり、１０
ナノ秒より長い）持続時間を持ったレーザ・パルスを使
用しなくても、より短くかつより低エネルギのレーザ・
パルスを用いてかかるピーニングを行うことができるの
である。そのようなレーザ・パルスは、レーザ装置のサ
イズ及び複雑度を低減させかつレーザ装置の光損傷に対
する感受性を低下させるという点で顕著に有利である。
最終増幅段においてより低いエネルギを生み出すレーザ
装置を規定することにより、主増幅器又は共振器のサイ
ズを実質的に縮小することができ、それに対応してパル
ス繰返し数を実質的に増大させることができる。これ
は、大きい面積にピーニングを施すために比較的高い処
理性能を要求する商業的に実行可能なレーザ照射ピーニ
ング・システムに対して顕著な利益をもたらす。
【００３０】図１に示されたキャビティ内注入式のレー
ザ発振器２２は、本発明に従ってターゲット１６上の削
摩性被膜１８に対してレーザ・ビーム・パルス１４を照
射するように構成しかつ動作させることができる。この
レーザ・ビーム・パルス１４は、図２のフローチャート
中に略示されるごとく、上記の被膜を分解除去して高温
のプラズマ４２を生成させるために有効なフルエンス、
持続時間、及び対応したピーク・パワー又は強度を有し
ている。削摩性被膜中における爆発的なエネルギ放出
は、その中にプラズマ４２及びそれに対応した圧力衝撃
波を生み出すが、それらは上方の水２０によってターゲ
ットに隣接した位置に閉込められる。プラズマ中に発生
した圧力パルスはターゲットを衝撃してそれの表面を塑
性変形させ、それによってターゲット中に残留圧縮応力
を生み出す。
ザ発振器２２は、本発明に従ってターゲット１６上の削
摩性被膜１８に対してレーザ・ビーム・パルス１４を照
射するように構成しかつ動作させることができる。この
レーザ・ビーム・パルス１４は、図２のフローチャート
中に略示されるごとく、上記の被膜を分解除去して高温
のプラズマ４２を生成させるために有効なフルエンス、
持続時間、及び対応したピーク・パワー又は強度を有し
ている。削摩性被膜中における爆発的なエネルギ放出
は、その中にプラズマ４２及びそれに対応した圧力衝撃
波を生み出すが、それらは上方の水２０によってターゲ
ットに隣接した位置に閉込められる。プラズマ中に発生
した圧力パルスはターゲットを衝撃してそれの表面を塑
性変形させ、それによってターゲット中に残留圧縮応力
を生み出す。
【００３１】レーザ衝撃ピーニングのための最小フルエ
ンス閾値は、５０ジュールより低いパルス・エネルギの
下でレーザ・パルスの持続時間を短縮してターゲット
（加工物）の位置におけるレーザ強度又は放射照度を増
大させることによって低下させることができる。その理
由は、プラズマ圧力パルスがレーザ・パルスの瞬時パワ
ー並びにレーザと加工物及び発生期プラズマとの非線形
の光学的結合に対して複雑に依存することにある。かか
るパルスは、レーザ・パルス・エネルギとプラズマ圧力
パルスとの間の結合効率を高めるため、約１０ｎｓ未満
の持続時間及び対応したピーク・パワー（好ましくは１
ギガワットを越えるピーク・パワー）を有している。
ンス閾値は、５０ジュールより低いパルス・エネルギの
下でレーザ・パルスの持続時間を短縮してターゲット
（加工物）の位置におけるレーザ強度又は放射照度を増
大させることによって低下させることができる。その理
由は、プラズマ圧力パルスがレーザ・パルスの瞬時パワ
ー並びにレーザと加工物及び発生期プラズマとの非線形
の光学的結合に対して複雑に依存することにある。かか
るパルスは、レーザ・パルス・エネルギとプラズマ圧力
パルスとの間の結合効率を高めるため、約１０ｎｓ未満
の持続時間及び対応したピーク・パワー（好ましくは１
ギガワットを越えるピーク・パワー）を有している。
【００３２】従来のレーザ衝撃ピーニング用レーザ装置
の大きな問題点は、被膜を分解除去してプラズマを発生
させ、続いて発生期プラズマのポンピングによりそれの
温度を十分な圧力パルスの生成に必要な程度にまで高め
るためには、約１０ナノ秒を越える長い持続時間を有す
るレーザ・パルスが持続時間の短いパルスよりも低い効
率を有することである。効率が最適値より低いのは、ピ
ーク・パワーが低くかつパルス持続時間が長いために削
摩性層及びプラズマとの結合効率が低く、またレーザ材
料の相互作用容積外へのエネルギ輸送のためにエネルギ
損失が大きいことに由来している。
の大きな問題点は、被膜を分解除去してプラズマを発生
させ、続いて発生期プラズマのポンピングによりそれの
温度を十分な圧力パルスの生成に必要な程度にまで高め
るためには、約１０ナノ秒を越える長い持続時間を有す
るレーザ・パルスが持続時間の短いパルスよりも低い効
率を有することである。効率が最適値より低いのは、ピ
ーク・パワーが低くかつパルス持続時間が長いために削
摩性層及びプラズマとの結合効率が低く、またレーザ材
料の相互作用容積外へのエネルギ輸送のためにエネルギ
損失が大きいことに由来している。
【００３３】パルス持続時間が短く、それに対応してピ
ーク・パワー又は強度が高い結果、吸収効率が高くかつ
損失が少ないため、プラズマを発生させ、そしてピーニ
ングのために必要な臨界温度にまでそれを加熱するため
に要求される光子の数は少なくて済む。圧力パルスの生
成のためのエネルギ要求量が少ないことは、より大きい
プロセス処理量を支援し得る高繰返し数動作モードに適
応したレーザ設計を可能にする。もう１つの大きな利点
は、臨界圧力パルスを達成するために削摩性被膜から除
去される材料が少なくて済み、従って被膜の補充又は交
換が必要となるまでに多数回のレーザ照射を施すことが
できる。
ーク・パワー又は強度が高い結果、吸収効率が高くかつ
損失が少ないため、プラズマを発生させ、そしてピーニ
ングのために必要な臨界温度にまでそれを加熱するため
に要求される光子の数は少なくて済む。圧力パルスの生
成のためのエネルギ要求量が少ないことは、より大きい
プロセス処理量を支援し得る高繰返し数動作モードに適
応したレーザ設計を可能にする。もう１つの大きな利点
は、臨界圧力パルスを達成するために削摩性被膜から除
去される材料が少なくて済み、従って被膜の補充又は交
換が必要となるまでに多数回のレーザ照射を施すことが
できる。
【００３４】ピーニングは、ターゲットの位置に生じて
塑性変形をもたらす圧力パルスの大きさによって制御さ
れる。衝撃によって誘起される圧力は、平方センチメー
トル当りのワット数で表わされるパワー密度又はフラッ
クスの非線形関数である。通例、かかる圧力はターゲッ
トの位置におけるレーザ強度の増大に伴って増大する
が、実際には式（１）の右辺に関するものと同様なスケ
ーリング則に従う。それ故、結合効率はパルス持続時間
を対応して短縮させることによって達成されるパワー密
度の増大によって実質的に上昇させることができる。持
続時間の短いレーザ・パルスを使用すれば、適当なフル
エンス・レベルでピーク・パワーが増大すると共に、そ
れに対応してレーザ−プラズマ間の結合効率及びそれに
対応した圧力パルスが増大することになる。
塑性変形をもたらす圧力パルスの大きさによって制御さ
れる。衝撃によって誘起される圧力は、平方センチメー
トル当りのワット数で表わされるパワー密度又はフラッ
クスの非線形関数である。通例、かかる圧力はターゲッ
トの位置におけるレーザ強度の増大に伴って増大する
が、実際には式（１）の右辺に関するものと同様なスケ
ーリング則に従う。それ故、結合効率はパルス持続時間
を対応して短縮させることによって達成されるパワー密
度の増大によって実質的に上昇させることができる。持
続時間の短いレーザ・パルスを使用すれば、適当なフル
エンス・レベルでピーク・パワーが増大すると共に、そ
れに対応してレーザ−プラズマ間の結合効率及びそれに
対応した圧力パルスが増大することになる。
【００３５】Ｑスイッチング式、キャビティ・ダンピン
グ式、モード同期(mode lock) 式、キャビティ内注入
式、又はそれらの組合せに基づくレーザから短い光パル
スを得るためには、幾つかの公知技術が存在する。Ｑス
イッチング式の場合、パルス持続時間はキャビティ内の
往復走行時間より長い。キャビティ・ダンピング式の場
合、パルス持続時間は一般に往復走行時間に等しく、か
つ実際には発振器長さの減少によって約５ｎｓに制限さ
れる。モード同期式の場合、およそ数ピコ秒にも達する
顕著に短いパルスを得ることができる。また、キャビテ
ィ内注入式の場合、１ナノ秒未満から数ナノ秒までのパ
ルスを得ることができる。
グ式、モード同期(mode lock) 式、キャビティ内注入
式、又はそれらの組合せに基づくレーザから短い光パル
スを得るためには、幾つかの公知技術が存在する。Ｑス
イッチング式の場合、パルス持続時間はキャビティ内の
往復走行時間より長い。キャビティ・ダンピング式の場
合、パルス持続時間は一般に往復走行時間に等しく、か
つ実際には発振器長さの減少によって約５ｎｓに制限さ
れる。モード同期式の場合、およそ数ピコ秒にも達する
顕著に短いパルスを得ることができる。また、キャビテ
ィ内注入式の場合、１ナノ秒未満から数ナノ秒までのパ
ルスを得ることができる。
【００３６】とは言え、これら各種の技術の効率は様々
であって、レーザ衝撃ピーニングのごとき高パワー用途
に対するそれらの有用性及び複雑度も様々である。
であって、レーザ衝撃ピーニングのごとき高パワー用途
に対するそれらの有用性及び複雑度も様々である。
【００３７】図１に示された好適な実施の態様において
は、第２のポッケルスセル４０の導入により、基本的な
キャビティ・ダンピング式発振器がレーザ衝撃ピーニン
グのために有用なキャビティ内注入式、Ｑスイッチング
式かつキャビティ・ダンピング式の発振器に改造されて
いる。本発明に従い、１０ｎｓ未満のパルス持続時間及
び対応したピーク・パワーで発振器２２を動作させれ
ば、パルスとプラズマとの間の結合効率が向上し、従っ
て持続時間の長いパルスを用いたレーザ衝撃ピーニング
法に比べて実質的な改善が得られる。
は、第２のポッケルスセル４０の導入により、基本的な
キャビティ・ダンピング式発振器がレーザ衝撃ピーニン
グのために有用なキャビティ内注入式、Ｑスイッチング
式かつキャビティ・ダンピング式の発振器に改造されて
いる。本発明に従い、１０ｎｓ未満のパルス持続時間及
び対応したピーク・パワーで発振器２２を動作させれ
ば、パルスとプラズマとの間の結合効率が向上し、従っ
て持続時間の長いパルスを用いたレーザ衝撃ピーニング
法に比べて実質的な改善が得られる。
【００３８】レーザ装置１０は、ターゲット被膜１８の
一定面積に対し、公知の高出力レーザ装置の繰返し数よ
りも実質的に大きい毎秒約１パルスを越える繰返し数で
一連の持続時間の短いレーザ・ビーム・パルス１４を繰
返して照射するように動作させることが好ましい。この
ようにすれば、商業的に実行可能なシステムにおいてタ
ーゲット１６の広い面積にピーニングを施すために十分
な処理量を達成することができる。
一定面積に対し、公知の高出力レーザ装置の繰返し数よ
りも実質的に大きい毎秒約１パルスを越える繰返し数で
一連の持続時間の短いレーザ・ビーム・パルス１４を繰
返して照射するように動作させることが好ましい。この
ようにすれば、商業的に実行可能なシステムにおいてタ
ーゲット１６の広い面積にピーニングを施すために十分
な処理量を達成することができる。
【００３９】本発明の好適な実施の態様に従えば、繰返
し数は最大で毎秒約１００サイクルにまで達し得るが、
これはパルス持続時間を対応して短縮することによって
達成することができる。所定のレーザ装置は限られた平
均パワーを有するから、短い持続時間とそれに対応した
高いピーク・パワーを有するパルスを使用すると共に、
より高い効率及び処理量でのピーニングを可能にする対
応した大きい繰返し数を使用することにより、そのパワ
ーをより効率的に利用することができる。
し数は最大で毎秒約１００サイクルにまで達し得るが、
これはパルス持続時間を対応して短縮することによって
達成することができる。所定のレーザ装置は限られた平
均パワーを有するから、短い持続時間とそれに対応した
高いピーク・パワーを有するパルスを使用すると共に、
より高い効率及び処理量でのピーニングを可能にする対
応した大きい繰返し数を使用することにより、そのパワ
ーをより効率的に利用することができる。
【００４０】ピーク・パワー又は強度はフルエンスをパ
ルス持続時間で割った値であるから、短いパルス持続時
間は対応して高いピーク・パワーを与える。それはま
た、プラズマとの結合効率を高め、そしてターゲットの
一層効率的なレーザ衝撃ピーニングを可能にする。従っ
て、持続時間の短いパルスを使用すれば、適当なピーク
・パワーを達成しながらパルス当りのエネルギを実質的
に低下させることができる。また、パルス・エネルギの
低下は発振器を含めてレーザ装置に要求される平均パワ
ーをも低下させる。低パワーのレーザ装置は、それに付
随した利点、すなわちサイズの縮小、複雑度の低下、及
び原価の低減を有するばかりでなく、効率、安定性及び
性能の向上のごとき追加の利点をも示す。
ルス持続時間で割った値であるから、短いパルス持続時
間は対応して高いピーク・パワーを与える。それはま
た、プラズマとの結合効率を高め、そしてターゲットの
一層効率的なレーザ衝撃ピーニングを可能にする。従っ
て、持続時間の短いパルスを使用すれば、適当なピーク
・パワーを達成しながらパルス当りのエネルギを実質的
に低下させることができる。また、パルス・エネルギの
低下は発振器を含めてレーザ装置に要求される平均パワ
ーをも低下させる。低パワーのレーザ装置は、それに付
随した利点、すなわちサイズの縮小、複雑度の低下、及
び原価の低減を有するばかりでなく、効率、安定性及び
性能の向上のごとき追加の利点をも示す。
【００４１】好適な実施の態様に従えば、パルス持続時
間は約０．０１ｎｓより長く、かつ好ましくは約５ｎｓ
以下である。レーザ衝撃ピーニングを行うために適した
パワーを有するこのような持続時間の短いレーザ・パル
スは、図１に示された代表的なレーザ装置１０を用いて
得ることができる。この装置は、最大でキャビティ内往
復走行時間まで連続的に調整し得る持続時間を持ったパ
ルスを発生するように構成されている。
間は約０．０１ｎｓより長く、かつ好ましくは約５ｎｓ
以下である。レーザ衝撃ピーニングを行うために適した
パワーを有するこのような持続時間の短いレーザ・パル
スは、図１に示された代表的なレーザ装置１０を用いて
得ることができる。この装置は、最大でキャビティ内往
復走行時間まで連続的に調整し得る持続時間を持ったパ
ルスを発生するように構成されている。
【００４２】図３は、図１のレーザ装置の動作に関する
典型的なタイミング図である。最初、発振器２２はポン
ピングサイクル中において動作する。それが第１の時刻
ｔ1において終了すると、第１のポッケルスセル３２は
それの四分の一波長電圧に切換えられ、そしてＱスイッ
チとして働く。適当な遅延の後、共振器内である循環パ
ワーが達成されるが、利得媒質２４内の利得がまだ欠乏
し始めない内に、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻ｔ3 との
間において共振器からの放出が行われる。そのために
は、第２のポッケルスセル４０をそれの四分の一波長電
圧に切換え、次いでゼロ電圧に戻せばよい。
典型的なタイミング図である。最初、発振器２２はポン
ピングサイクル中において動作する。それが第１の時刻
ｔ1において終了すると、第１のポッケルスセル３２は
それの四分の一波長電圧に切換えられ、そしてＱスイッ
チとして働く。適当な遅延の後、共振器内である循環パ
ワーが達成されるが、利得媒質２４内の利得がまだ欠乏
し始めない内に、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻ｔ3 との
間において共振器からの放出が行われる。そのために
は、第２のポッケルスセル４０をそれの四分の一波長電
圧に切換え、次いでゼロ電圧に戻せばよい。
【００４３】第２の時刻と第３の時刻との間の（往復走
行時間より短い）時間間隔においては、循環する光子列
の対応部分が偏光子３８を通して完全に除去されて廃棄
される。循環する光子列の残りの部分は共振器内に残留
し、成長し、そして最終的には利得媒質内に蓄積された
エネルギを抽出する。
行時間より短い）時間間隔においては、循環する光子列
の対応部分が偏光子３８を通して完全に除去されて廃棄
される。循環する光子列の残りの部分は共振器内に残留
し、成長し、そして最終的には利得媒質内に蓄積された
エネルギを抽出する。
【００４４】第４の時刻ｔ4 においては、従来のキャビ
ティ・ダンピング技術において行われるごとく、第１の
ポッケルスセル３２をゼロ電圧に戻すことによってキャ
ビティのダンピングが実行される。従来のキャビティ・
ダンピング技術に対する唯一の相違点は、キャビティか
らの放出が行われる時点において、キャビティが連続し
た光子列で満たされているのではなく、ダンピング時に
放出される短い循環パルスで満たされていることであ
る。こうして得られるパルス持続時間は、第２の時刻と
第３の時刻との間の選定された時間間隔と往復走行時間
との差によって連続的に調整可能である。
ティ・ダンピング技術において行われるごとく、第１の
ポッケルスセル３２をゼロ電圧に戻すことによってキャ
ビティのダンピングが実行される。従来のキャビティ・
ダンピング技術に対する唯一の相違点は、キャビティか
らの放出が行われる時点において、キャビティが連続し
た光子列で満たされているのではなく、ダンピング時に
放出される短い循環パルスで満たされていることであ
る。こうして得られるパルス持続時間は、第２の時刻と
第３の時刻との間の選定された時間間隔と往復走行時間
との差によって連続的に調整可能である。
【００４５】その時刻において循環パルスが第１のポッ
ケルスセル３２に近接しないように切換え時刻ｔ4 を選
定すれば、出力パルスの時間的形状は第２のポッケルス
セル４０の切換えによって完全に決定される。従って、
第２のポッケルスセル４０は適度に早い速度で切換えら
れるのに対し、第１のポッケルスセル３２の切換えはキ
ャビティの往復走行時間より早ければ事足りる。
ケルスセル３２に近接しないように切換え時刻ｔ4 を選
定すれば、出力パルスの時間的形状は第２のポッケルス
セル４０の切換えによって完全に決定される。従って、
第２のポッケルスセル４０は適度に早い速度で切換えら
れるのに対し、第１のポッケルスセル３２の切換えはキ
ャビティの往復走行時間より早ければ事足りる。
【００４６】このようなタイプの共振器には数多くの変
形例が存在する。たとえば、第２のポッケルスセルは共
振器内の任意の位置に配置することができる。キャビテ
ィ・ダンピングは、２個のポッケルスセルのいずれによ
っても実行することができる。第２のポッケルスセルは
取除き、そしてそれの役割を第１のポッケルスセルによ
って代行させることさえできる。そのためには、第１の
ポッケルスセルの電圧を第２の時刻と第３の時刻との間
でゼロに低下させるか半波値に上昇させるかした後、第
３の時刻で四分の一波長値に戻せばよい。
形例が存在する。たとえば、第２のポッケルスセルは共
振器内の任意の位置に配置することができる。キャビテ
ィ・ダンピングは、２個のポッケルスセルのいずれによ
っても実行することができる。第２のポッケルスセルは
取除き、そしてそれの役割を第１のポッケルスセルによ
って代行させることさえできる。そのためには、第１の
ポッケルスセルの電圧を第２の時刻と第３の時刻との間
でゼロに低下させるか半波値に上昇させるかした後、第
３の時刻で四分の一波長値に戻せばよい。
【００４７】図４には、一定の短い持続時間を有するレ
ーザ・ビーム・パルスを発生させるために役立つよう
な、本発明の別の実施の態様に係わるキャビティ内注入
式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピング式の
共振器４４が示されている。図５は、それに関する対応
したタイミング図である。
ーザ・ビーム・パルスを発生させるために役立つよう
な、本発明の別の実施の態様に係わるキャビティ内注入
式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピング式の
共振器４４が示されている。図５は、それに関する対応
したタイミング図である。
【００４８】この実施の態様に従えば、利得媒質２４は
第１の鏡２６と第２のポッケルスセル４０との間に規定
された第１の脚Ａ内に配置されている。他方、第２のポ
ッケルスセル４０と第２の鏡２８との間には第２の脚Ｂ
が規定されていて、偏光子３８はそれらの間に配置され
ている。このような構成においては、第２の脚Ｂの長さ
を相対的に短くすることにより、その長さを光速で割っ
た値の２倍に等しい短い持続時間を持った出力パルスを
得ることができる。このような実施の態様が可能である
理由は、利得媒質２４が水平方向又は垂直方向の直線偏
光に対して等しく機能することにある。
第１の鏡２６と第２のポッケルスセル４０との間に規定
された第１の脚Ａ内に配置されている。他方、第２のポ
ッケルスセル４０と第２の鏡２８との間には第２の脚Ｂ
が規定されていて、偏光子３８はそれらの間に配置され
ている。このような構成においては、第２の脚Ｂの長さ
を相対的に短くすることにより、その長さを光速で割っ
た値の２倍に等しい短い持続時間を持った出力パルスを
得ることができる。このような実施の態様が可能である
理由は、利得媒質２４が水平方向又は垂直方向の直線偏
光に対して等しく機能することにある。
【００４９】図１に示された第１の実施の態様と同じ
く、キャビティ・ダンピングのタイミングを適当に選定
すれば、出力レーザ・パルスの立上り時間及び下降時間
は第２のポッケルスセル４０の切換え速度によって完全
に決定される。なお、キャビティのダンピングはポッケ
ルスセル３２及び４０のいずれによっても実行すること
ができる。
く、キャビティ・ダンピングのタイミングを適当に選定
すれば、出力レーザ・パルスの立上り時間及び下降時間
は第２のポッケルスセル４０の切換え速度によって完全
に決定される。なお、キャビティのダンピングはポッケ
ルスセル３２及び４０のいずれによっても実行すること
ができる。
【００５０】図４に示された共振器４４の場合には、ダ
ンピングは第３の時刻ｔ3 において第１のポッケルスセ
ル３２により実行されることが好ましい。その場合、第
４の時刻ｔ4 において第２のポッケルスセル４０の電圧
をゼロに戻すことは重要でない。
ンピングは第３の時刻ｔ3 において第１のポッケルスセ
ル３２により実行されることが好ましい。その場合、第
４の時刻ｔ4 において第２のポッケルスセル４０の電圧
をゼロに戻すことは重要でない。
【００５１】もし第２のポッケルスセル４０によってダ
ンピングを実行するのであれば、第３の時刻ｔ3 及び第
４の時刻ｔ4 における役割は交換される。
ンピングを実行するのであれば、第３の時刻ｔ3 及び第
４の時刻ｔ4 における役割は交換される。
【００５２】共振器４４はただ１個のポッケルスセルを
用いて動作させることもできる。その場合には、第１の
ポッケルスセル３２が取除かれ、かつ四分の一波長板３
６が利得媒質２４の反対側の第２のポッケルスセル４０
に隣接した位置に移動される。更に、第２のポッケルス
セルに印加される電圧は第１の時刻ｔ1 以前にはゼロで
あり、第１の時刻ｔ1 と第２の時刻ｔ2 との間では四分
の一波長電圧に調整され、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻
ｔ3 との間では四分の三波長電圧に調整され、そして第
３の時刻ｔ3 においては四分の一波長電圧に戻すことに
よってキャビティのダンピングが実行される。なお、ダ
ンピングのための遷移は循環パルスが共振器の第１の脚
Ａ内に位置する時に起こる必要がある。パルスが放出さ
れた後、ポッケルスセル４０に印加される電圧はゼロに
戻すことができるが、そのタイミングは重要でない。
用いて動作させることもできる。その場合には、第１の
ポッケルスセル３２が取除かれ、かつ四分の一波長板３
６が利得媒質２４の反対側の第２のポッケルスセル４０
に隣接した位置に移動される。更に、第２のポッケルス
セルに印加される電圧は第１の時刻ｔ1 以前にはゼロで
あり、第１の時刻ｔ1 と第２の時刻ｔ2 との間では四分
の一波長電圧に調整され、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻
ｔ3 との間では四分の三波長電圧に調整され、そして第
３の時刻ｔ3 においては四分の一波長電圧に戻すことに
よってキャビティのダンピングが実行される。なお、ダ
ンピングのための遷移は循環パルスが共振器の第１の脚
Ａ内に位置する時に起こる必要がある。パルスが放出さ
れた後、ポッケルスセル４０に印加される電圧はゼロに
戻すことができるが、そのタイミングは重要でない。
【００５３】キャビティ・ダンピングに基づく従来の衝
撃ピーニング用レーザ装置がパルス当り約５０ジュール
のパルス・エネルギを生み出すのに対し、図１及び４に
示された装置は約０．０１〜約１０ジュールの範囲内の
実質的に低いエネルギを持ったパルス１４を生成するよ
うに構成すればよい。これは、棒状の利得媒質とは異な
り、スラブ状の利得媒質２４を使用することによって達
成することができる。
撃ピーニング用レーザ装置がパルス当り約５０ジュール
のパルス・エネルギを生み出すのに対し、図１及び４に
示された装置は約０．０１〜約１０ジュールの範囲内の
実質的に低いエネルギを持ったパルス１４を生成するよ
うに構成すればよい。これは、棒状の利得媒質とは異な
り、スラブ状の利得媒質２４を使用することによって達
成することができる。
【００５４】このような低パルス・エネルギ要求条件に
対応して、1/4 センチメートルの有効面積を有するレー
ザ・パルスの場合、フルエンスはたとえば約０．０５〜
約４０ジュール／平方センチメートルの範囲内にあるの
が適当である。
対応して、1/4 センチメートルの有効面積を有するレー
ザ・パルスの場合、フルエンスはたとえば約０．０５〜
約４０ジュール／平方センチメートルの範囲内にあるの
が適当である。
【００５５】従来通りのＮｄ：ＹＡＧから成るスラブ状
の利得媒質２４を使用することにより、追加の効率及び
原価の低減を得ることもできる。この種のレーザ利得媒
質はエネルギ貯蔵能力が限られているから、追加の増幅
を併用することが好ましい。
の利得媒質２４を使用することにより、追加の効率及び
原価の低減を得ることもできる。この種のレーザ利得媒
質はエネルギ貯蔵能力が限られているから、追加の増幅
を併用することが好ましい。
【００５６】たとえば図１には、共振器２２からのレー
ザ・ビーム・パルス１４を増幅してそれのエネルギを増
大させるため、偏光子３８とターゲット１６との間にお
いて光学的に整列した追加の増幅器４６が示されてい
る。かかる増幅器４６は任意公知の構成を有し得るので
あって、たとえば、１台以上の増幅器を順次に配列した
ものが挙げられる。
ザ・ビーム・パルス１４を増幅してそれのエネルギを増
大させるため、偏光子３８とターゲット１６との間にお
いて光学的に整列した追加の増幅器４６が示されてい
る。かかる増幅器４６は任意公知の構成を有し得るので
あって、たとえば、１台以上の増幅器を順次に配列した
ものが挙げられる。
【００５７】増幅されたレーザ・ビーム・パルスは、そ
れをターゲット被膜１８に対して集束させるため、増幅
器４６とターゲット１６との間において光学的に整列し
て配置された適当な光学系４８を通して照射されること
が好ましい。かかる光学系４８は任意公知の形態を有し
得る。たとえば、レーザ衝撃ピーニング操作に際してレ
ーザ・ビーム・パルス１４を削摩性被膜上の適度に小さ
なスポット面積内に照射するため、所望に応じて集束レ
ンズ及び折りたたみ鏡を使用することができる。
れをターゲット被膜１８に対して集束させるため、増幅
器４６とターゲット１６との間において光学的に整列し
て配置された適当な光学系４８を通して照射されること
が好ましい。かかる光学系４８は任意公知の形態を有し
得る。たとえば、レーザ衝撃ピーニング操作に際してレ
ーザ・ビーム・パルス１４を削摩性被膜上の適度に小さ
なスポット面積内に照射するため、所望に応じて集束レ
ンズ及び折りたたみ鏡を使用することができる。
【００５８】このように、基本共振器２２は初期には約
１ジュール以下のエネルギを持ったレーザ・ビーム・パ
ルス１４を発生するように寸法決定しかつ構成すればよ
く、また増幅器４６は発生されたパルスを増幅してたと
えば０．０１ジュールより実質的に越えかつ最大で約１
０ジュールにまで達するエネルギを付与するように寸法
決定しかつ構成すればよい。このような組合せの場合に
は、スラブ状のＮｄ：ＹＡＧ利得媒質２４を有する比較
的簡単で安価なキャビティ・ダンピング式発振器２２が
使用され、そして最初はそれのエネルギ能力の限界内で
持続時間の短いレーザ・パルスが発生される。かかる持
続時間の短いレーザ・パルスはそれに対応して比較的大
きいパルス当りのピーク・パワーを有するが、それはま
た削摩性被膜１８への照射に先立つ第２段の増幅器４６
において適宜に増幅される。
１ジュール以下のエネルギを持ったレーザ・ビーム・パ
ルス１４を発生するように寸法決定しかつ構成すればよ
く、また増幅器４６は発生されたパルスを増幅してたと
えば０．０１ジュールより実質的に越えかつ最大で約１
０ジュールにまで達するエネルギを付与するように寸法
決定しかつ構成すればよい。このような組合せの場合に
は、スラブ状のＮｄ：ＹＡＧ利得媒質２４を有する比較
的簡単で安価なキャビティ・ダンピング式発振器２２が
使用され、そして最初はそれのエネルギ能力の限界内で
持続時間の短いレーザ・パルスが発生される。かかる持
続時間の短いレーザ・パルスはそれに対応して比較的大
きいパルス当りのピーク・パワーを有するが、それはま
た削摩性被膜１８への照射に先立つ第２段の増幅器４６
において適宜に増幅される。
【００５９】従って、削摩性被膜１８は高いピークエネ
ルギ及びパワー並びに比較的短いパルス持続時間を有す
るレーザ・パルスに出会うことになる。かかるレーザ・
パルスはそれのエネルギを削摩性被膜及び生成するプラ
ズマに対してより効率的に結合し、そしてターゲット１
６に効果的なピーニングを施す。このようにすれば、高
い平均パワーを有するレーザ装置の代りに比較的低い平
均パワーを有するレーザ装置を使用することにより、向
上した効率でレーザ衝撃ピーニングを実行することがで
きる。共振器２２の低いパワーと短いパルス持続時間と
の相乗効果により、高出力のパルス・レーザでは本来得
ることのできない比較的大きい繰返し数を得ることがで
きる。それに対応して、かかるレーザ装置の処理能力は
高出力レーザを用いたピーニング・システムにおいて達
成し得るレベルよりも大きくなるのである。
ルギ及びパワー並びに比較的短いパルス持続時間を有す
るレーザ・パルスに出会うことになる。かかるレーザ・
パルスはそれのエネルギを削摩性被膜及び生成するプラ
ズマに対してより効率的に結合し、そしてターゲット１
６に効果的なピーニングを施す。このようにすれば、高
い平均パワーを有するレーザ装置の代りに比較的低い平
均パワーを有するレーザ装置を使用することにより、向
上した効率でレーザ衝撃ピーニングを実行することがで
きる。共振器２２の低いパワーと短いパルス持続時間と
の相乗効果により、高出力のパルス・レーザでは本来得
ることのできない比較的大きい繰返し数を得ることがで
きる。それに対応して、かかるレーザ装置の処理能力は
高出力レーザを用いたピーニング・システムにおいて達
成し得るレベルよりも大きくなるのである。
【００６０】レーザ衝撃ピーニングのために使用し得る
ものとして例示されたパルス持続時間範囲を考慮しなが
らレーザ発振器のタイプを選定することにより、装置の
性能を最大にすることができる。最も短いパルス持続時
間に対しては、キャビティ・ダンピング式又はＱスイッ
チング式のパルス抽出を行うモード同期式発振器が好適
である。中間のパルス持続時間に対しては、キャビティ
内注入式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピン
グ式の発振器が好適である。また、長いパルス持続時間
に対しては、Ｑスイッチング式の発振器が好適である。
これらの選択条件は図２中に略示されている。
ものとして例示されたパルス持続時間範囲を考慮しなが
らレーザ発振器のタイプを選定することにより、装置の
性能を最大にすることができる。最も短いパルス持続時
間に対しては、キャビティ・ダンピング式又はＱスイッ
チング式のパルス抽出を行うモード同期式発振器が好適
である。中間のパルス持続時間に対しては、キャビティ
内注入式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピン
グ式の発振器が好適である。また、長いパルス持続時間
に対しては、Ｑスイッチング式の発振器が好適である。
これらの選択条件は図２中に略示されている。
【００６１】以上、好適なものと考えられる実施の態様
の関連して本発明を説明したが、本明細書中の記載に基
づけば本発明のその他の変更態様は当業者にとって自明
であろう。それ故、本発明の真の精神及び範囲から逸脱
しない限り、前記特許請求の範囲はかかる変更態様の全
てを包括するものと解すべきである。
の関連して本発明を説明したが、本明細書中の記載に基
づけば本発明のその他の変更態様は当業者にとって自明
であろう。それ故、本発明の真の精神及び範囲から逸脱
しない限り、前記特許請求の範囲はかかる変更態様の全
てを包括するものと解すべきである。
【図１】本発明の実施の一態様に従ってターゲットにレ
ーザ衝撃ピーニングを施すための持続時間の短いレーザ
・パルスを発生するために有効なレーザ装置の略図であ
る。
ーザ衝撃ピーニングを施すための持続時間の短いレーザ
・パルスを発生するために有効なレーザ装置の略図であ
る。
【図２】本発明の実施の一態様に従ってターゲットにレ
ーザ衝撃ピーニングを施すための方法を示す流れ図であ
る。
ーザ衝撃ピーニングを施すための方法を示す流れ図であ
る。
【図３】図１に示されたレーザ装置に関するタイミング
図である。
図である。
【図４】本発明の別の実施の態様に従ってターゲットに
衝撃ピーニングを施すためのレーザ装置の略図である。
衝撃ピーニングを施すためのレーザ装置の略図である。
【図５】図４に示されたレーザ装置に関するタイミング
図である。
図である。
１２ レーザ・ビーム １４ レーザ・ビーム・パルス １６ ターゲット １８ 削摩性被膜 ２０ 慣性閉込め層 ２２ 発振器 ２４ 利得媒質 ２６ 末端鏡 ２８ 末端鏡 ３０ フラッシュランプ ３２ ポッケルスセル ３４ 電気制御器 ３６ 四分の一波長板 ３８ 偏光子 ４０ ポッケルスセル ４２ プラズマ ４４ 共振器 ４６ 増幅器 ４８ 光学系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・タイラー・ローシャウ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ゴッドフレイ・レーン、1190番 (72)発明者 フィリップ・ランダル・スタバー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ハガマ ン、ペース・ロード、1060番
Claims (14)
- 【請求項１】 ターゲット（１６）にレーザ衝撃ピーニ
ングを施してそれの表面に残留圧縮応力を生み出すため
の方法において、 前記ターゲット上の削摩性被膜（１８）に対し、前記被
膜（１８）のアブレーションを行ってその中にプラズマ
（４２）及び衝撃波を生成させるのに有効なフルエン
ス、持続時間及び対応したピーク・パワーを有するレー
ザ・ビーム・パルス（１４）を照射する工程と、 前記ターゲットに隣接した位置に前記プラズマを閉込め
て前記ターゲットを前記衝撃波により塑性変形させ、そ
れによって前記ターゲット中に前記残留圧縮応力を生み
出す工程とを含み、 前記パルスが、前記パルスと前記プラズマとの間の結合
効率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時間及び対応
したピーク・パワーを有すること、を特徴とする前記方
法。 - 【請求項２】 毎秒１パルスより大きい繰返し数で一連
の前記パルス（１４）を前記ターゲット上の被膜（１
８）の所定領域に繰返して照射する工程を更に含む、請
求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記繰返し数が最大で毎秒１００サイク
ルである、請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 前記パルス持続時間が０．０１ナノ秒よ
り大きい、請求項２記載の方法。 - 【請求項５】 前記パルス持続時間が５ナノ秒以下であ
る、請求項２記載の方法。 - 【請求項６】 前記パルスが０．０１〜１０ジュールの
範囲内のエネルギを有する、請求項２記載の方法。 - 【請求項７】 前記フルエンスが０．０５〜４０ジュー
ル／平方センチメートルの範囲内にある、請求項６記載
の方法。 - 【請求項８】 前記パルスを発生するための発振器がス
ラブ状の利得媒質（２４）を含む、請求項２記載の方
法。 - 【請求項９】 前記スラブ状の利得媒質がＮｄ：ＹＡＧ
から成る、請求項８記載の方法。 - 【請求項１０】 前記発振器からの前記パルスを増幅す
る工程と、増幅された前記パルスを前記ターゲット上の
被膜に対して集束させる工程とを更に含む、請求項９記
載の方法。 - 【請求項１１】 前記発振器が１ジュール以下のエネル
ギを持った前記パルスを発生するように構成され、かつ
発生された前記パルスを増幅するように構成された増幅
器が含まれている、請求項９記載の方法。 - 【請求項１２】 前記一連のパルスがキャビティ内注入
式、Ｑスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の発振
器から発生される、請求項２記載の方法。 - 【請求項１３】 前記一連のパルスがモード同期式かつ
キャビティ・ダンピング式の発振器から発生される、請
求項２記載の方法。 - 【請求項１４】 前記一連のパルスがモード同期式かつ
Ｑスイッチ式の発振器から発生される、請求項２記載の
方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/252620 | 1999-02-16 | ||
| US09/252,620 US6197133B1 (en) | 1999-02-16 | 1999-02-16 | Short-pulse high-peak laser shock peening |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000246468A true JP2000246468A (ja) | 2000-09-12 |
| JP4642962B2 JP4642962B2 (ja) | 2011-03-02 |
Family
ID=22956807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000036603A Expired - Fee Related JP4642962B2 (ja) | 1999-02-16 | 2000-02-15 | レーザ衝撃ピーニング方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6197133B1 (ja) |
| JP (1) | JP4642962B2 (ja) |
| FR (1) | FR2789615B1 (ja) |
| GB (1) | GB2348161B (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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