JP2016515475A - レーザー光に対して透明な固体媒体とターゲットとの間に挟まれた流体流路を有してターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するためのシステムに関連している。システムは、レーザーパルスを発生させ、且つターゲットに送達するためのデバイス、及び入口と出口との間に配置された流体流路に流体を供給するための流体源を含む。レーザーパルスが通過することを可能にするように、入射レーザー光に対して透明な固体媒体がレーザー経路内に位置される。使用中に、流体が固体媒体及びターゲットと直接接触し、その結果、レーザーパルスの通過経路において如何なる空気−流体界面を除去するように、流体流路は、レーザーショックピーニング工程の間に、固体媒体とターゲットとの間に挟まれている。レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ／蒸気泡の崩壊に際し、流体層におけるキャビテーションを通した二次ショック事象が起こるように、流体は一定の厚さを有した流体流路に供給される。

Description

本発明は、レーザーショックピーニング（ＬＳＰ）を実施するための装置及び方法に関している。特に、しかし排他的ではなく、本発明は、レーザーショックピーニング（ＬＳＰ）工程の間に、実効エネルギー転換の決定において、キャビテーション事象の第１の気泡振動周期の使用に関連している。

従来のショットピーニング（ＳＰ）は、機械的特性を改善するために金属材料の表面層に圧縮残留応力が導入される冷間加工工程である。ＳＰ工程は一般的に、可塑的に材料を変形させるために、金属、ガラス、またはセラミックの粒子のような粒子を構成要素の表面に衝突させることを含み、その結果機械的特性が変化する。レーザーベースの技術における改善は、順に、強化された製品性能、改善された構成要素の品質、費用対効果、及び柔軟な生産の観点から製造業部門における改善を提供するＳＰ工程における潜在的な改善を提供する。レーザーショックピーニング（ＬＳＰ）は、従来のＳＰにおいて金属、ガラス、またはセラミックの粒子の代わりにレーザーパルスを表面層に衝突させることによって金属材料の表面層に圧縮残留応力が導入されるＳＰ工程である。ＳＰ及びＬＳＰのような機械的な表面処理は、構成要素の疲労寿命の強化のための効果的手段として、製造工業で一般的に使用されている。構成要素の操作寿命に影響を及ぼす主要な３つの要因、すなわち、疲労荷重、摩耗、及び腐食がある。これらの要因の全ては、ＬＳＰ工程を通して構成要素の表面材料の機械的特性を強化することによって抑えられ、且つ制御されることができる。ＬＳＰによって処理された構成要素の疲労寿命は、未処理の構成要素の数倍であることが見出されている。

従来のＳＰと同様に、構成要素の性能改善は、金属表面を通した工学的な圧縮残留応力の導入に起因すると考えられる。しかしながら、ＬＳＰを使用するときに、塑性的に影響を受けた領域の深さ及び大きさは、従来のＳＰのそれらをはるかに超える。このように、ＬＳＰのエマージング技術は、従来のＳＰ技術で達成できるものを越えた疲労性能を改善することが示されている。

圧縮残留応力の層を金属構成要素に導入することの利点は一般的に、増大した疲労性能（寿命及び抵抗）、応力腐食割れに対する抵抗、及びフレッティングに関連した不具合への抵抗を含む。従来のＳＰは確立した技術であるが、可塑的に変形した領域の浅い影響を受けた深さ、及び結果として生じる相対的に荒い表面仕上げに起因して、その応用範囲において制限される。ＬＳＰ技術は、圧縮残留応力をさらに深く、さらに大きく導入でき、及びＳＰよりもより良好な表面仕上げを達成できる、革新的な表面強化工程として発達されてきた。ＬＳＰ工程の間のピーニングに対して生成された機械的な衝撃は、（従来のショットピーニングで媒体に影響を与えるものと対照的に、）パルスレーザーからのレーザーショットに起因している。パルスレーザーが金属ターゲットに発射されるとき、素早く膨張する蒸気及びプラズマの機械的な反跳衝撃は、構成要素の永久的な材料の改良のために使用される。ＬＳＰ工程の概略図が図１及び２に与えられる。強烈なパルスレーザービームは、１〜１０ＧＷ／ｃｍ^２の範囲における出力強度でターゲットを照射する。一般的に、約５０ｍＪから約５０Ｊに及ぶ出力を有するレーザーは、ナノ秒の範囲、一般的には５から５０ナノ秒の範囲の短パルス幅を有して使用される。入射する高強度照射は、１００００Ｋの範囲の高温及び数ギガパスカルの圧力を有して、プラズマとしても参照される、部分的にイオン化された気体として素早く膨張するターゲット表面の蒸発をもたらす。プラズマ膨張による素早い圧力パルスは、金属ターゲットを通して伝播する衝撃波を発生し、ピークストレスがもはや金属のユゴニオ弾性限界（ＨＥＬ）（ショック条件の下での降伏強度に等しい）を上回らない深さへの単軸の動的ひずみ（１０^６ｓｅｃ^−１）及び塑性変形をもたらし、これは影響を受けた深さを通した残留応力の状態をもたらす。

ＬＳＰ工程において、加工物上の機械的な衝撃だけが望まれる。レーザー照射による材料の加熱は、より短いレーザーパルス及びアブレータとして参照される熱保護皮膜を用いて最低限に保たれる。レーザー吸収性犠牲皮膜の使用は、衝撃波の強度を増大させること、及びレーザーアブレーション及び溶解から表面を保護することが見出されている。アブレーション皮膜を用いて、構成要素の表面完全性、特に表面仕上げが維持され得る。いくつかの応用において、ＬＳＰ工程は、吸収性皮膜を用いずに実施され、皮膜無しレーザーピーニング（ＬＰｗＣ）として参照される。工業的展望から、ＬＰｗＣは、吸収性オーバレイの応用に必要とされる周到な準備の除去に起因して魅力的であり得る。しかしながら、表面粗さの増大は、例えばタービンブレードの処理のようないくつかの応用に対して適当でない場合がある。加えて、表面劣化は、増加した疲労性能に対するいくらかのポテンシャルを減少し得る。

ＬＳＰの主要なメカニズムがプラズマ膨張に起因する高圧パルスの発生に起因しているので、ＬＳＰ工程は一般的に、自由に膨張するプラズマと対照的にターゲットに運ばれる圧力パルスの大きさを３のオーダーの大きさまで閉じ込め、且つ強化するために閉じ込めレジームを使用する。閉じ込めは、例えばクオーツなどのレーザー照射に対して十分に透明な如何なる材料によって達成され得る。しかしながら、実際の検討に対して、水が一般的に閉じ込め媒体として使用される。水が閉じ込め媒体として使用される閉じ込めレジームは、水閉じ込めレジームまたはモード（ＷＣＭ）と参照されることもある。「間接的アブレーションモード」と「閉じ込めアブレーションモード」との用語は、如何なる閉じ込め媒体が使用されるレジーム説明するように使用されることもある一方で、直接的アブレーションモードは、閉じ込め媒体が使用されない場合、すなわち、プラズマが空気中で自由に膨張するときに使用される。

水が閉じ込め媒体として使用されている間接的アブレーションモードを利用しているＬＳＰ工程において、ノズルは一般的に、水噴霧または水ジェットの一種を処理される構成要素の表面に運ぶために使用される。あるいは、処理される構成要素は、水面下に完全に沈められる。これらの２つの従来の方法の概略図は、それぞれ図３及び４において与えられる。

閉じ込め層として薄い水層または噴霧を使用することで経験される問題の１つは、空気の絶縁破壊が空気／水界面の前で起こり得ることである。空気の絶縁破壊は一般的に、レーザーショットの後で発生する各圧力パルスの後で、大気に排出される水滴の噴霧化に起因している。これらの小さな水滴は、高いレーザー強度の吸収に起因するブレークダウンの開始サイトとして作用する。商用のＬＳＰ工程において、レーザーは、広い処理面積の範囲に対して連続的なレーザーショットをターゲットに発射するために、繰り返し操作される。空気の絶縁破壊の発生は、ターゲットに運ばれる未知量のエネルギーをもたらし、その結果、工程ロバストネを減少させる。

ターゲット領域が均一で薄層状の水層厚さで十分に被覆されるまでの期間は、これは基本的にＬＳＰ工程の間に操作可能な繰り返し率を制限しているように、大幅である。言い換えると、次のレーザーショットが発射され得る前に水の薄層が修復するまでに十分な時間を与えられなければならない事実は、レーザーショットがターゲットに発射され得る周波数を制限している。

構成要素が水面下に沈められる従来の方法を検討してみると、この方法に関する明らかな問題は、水浴の寸法による構成要素に課される大きさの制限である。従って、この方法を採用しているＬＳＰ工程において、いくつかの構成要素がそれらの形状及び寸法に起因して単純に処理されることができるように、処理可能である構成要素の範囲は制限される。

工学的な残留応力が如何なる金属的構成要素に潜在的に導入されることができるので、ＬＳＰに対して多数の潜在的産業応用がある。例えば、ＬＳＰは現在、自動車、海洋、発電、生物医学、及び最も広範囲にわたって航空宇宙産業において使用されている。最近において、ＬＳＰはまた、例えばミリング、ブローチ削り、破砕、レーザーカット及び接合部の溶接を含むサブトラクティブ機械加工などの、張力の残留応力が製造工程の結果である応用に対して考慮されてきた。しかしながら、ＬＳＰの商業化は、この新たな技術のマーケットリーダーのままである航空宇宙産業に主に起因している。チタンガスタービンブレードなどの一般的に高値の構成要素は、構成要素の疲労寿命の強化及び異物の損傷に対する抵抗のために処理される。近年では、インテグラルエアフレーム構造の構成要素でＬＳＰ技術を使用することにおける発展中の関心があった。

Ｒ．Ｆａｂｂｒｏ他：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８ ７７５−７８４（１９９０）

既存のＬＳＰ工程で経験される問題の少なくともいくつかを軽減することが本発明の目的である。既存のシステム及び方法に代わって役に立つＬＳＰ工程を実行するためのシステム及び方法を提供することが本発明の更なる目的である。

特に、キャビテーションショック事象の発生を通したレーザービームによって誘発されるショックを、そのようなキャビテーション事象の発生のために十分に厚い水層を維持することによって最適化するように閉じ込めレジームを提供することが本発明の目的である。ターゲットへの効果的なエネルギー移動の診断プロセスを提供するために、キャビテーション事象の第１の気泡振動周期を測定することが本発明の別の目的である。

発生した圧力パルスに起因する跳ね返りまたは水放出によって影響を受けない寸法で水閉じ込め層を作り出すための手段を提供することが本発明のさらに別の目的である。圧縮残留応力を案内するショック効果を最適化するために閉じ込め層の厚さの正確な制御を提供することが本発明のさらに別の目的である。レーザービームが処理される表面に到達する前の空気／水界面、並びに空気中のプラズマブレークダウンを減少することが本発明の別の目的であり、それによってより反復可能なレーザーエネルギーの送達をもたらす。

ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するためのシステムであって、
レーザーパルスを発生させ、ターゲットに伝播する装置と、
流体を供給するための流体源と、
使用中に流体が供給される入口と、
使用中に流体が分注される出口と、
入口と出口との間に配置された流体流路と、
レーザーパルスが通過できるように、入射レーザー光に対して透明である固体媒体と、
流体が固体媒体及びターゲットと直接接触するように、レーザーショックピーニング工程の間に、流体流路は使用中に固体媒体とターゲットとの間に挟まれており、その結果、レーザーパルスの通過経路で如何なる空気−流体界面を除去し、
レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ／蒸気泡の崩壊に際して、流体層のキャビテーションを通した二次ショック事象が起こるように、流体は一定の厚さを有する流体流路に供給される。

流体流路は、流体層の厚さが約５ｍｍと４５ｍｍの間、好ましくは少なくとも約１１ｍｍとなるように配置され得る。

レーザー発生装置は、約０．５と１００ＧＷ／ｃｍ^２の間、好ましくは約０．５と１０ＧＷ／ｃｍ^２の間の強度のレーザーパルスを発生させることができ得る。

固体媒体は、ウインドウまたはレンズ、またはウインドウとレンズの組み合せであり得る。本発明の１つの実施形態において、レンズに入射するレーザービームは収束されていない。レンズが使用され得る場合において、伝播損失が最小に保たれるように、レンズは短焦点距離を有し得る。

パルスが流体層と接触しているウインドウに到達する前に、システムは、空気中でレーザーパルスのプラズマブレークダウンを防ぐように、第２のウインドウ及び２つのウインドウの間の真空領域を含み得る。この実施形態において、真空領域は、好ましくは約３００ｍｍ長さである。

システムの１つの実施形態において、流体流路は、流体流がショックピーニング工程において処理されるターゲットの表面と平行になるように配置され得る。

システムはさらに、レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ／蒸気泡の第１の気泡振動周期を検出するための手段を含み得る。第１の気泡振動周期を検出するためのそのような手段は、第１の気泡振動周期を記録するための手段を含み得る。キャビテーション事象の第１の気泡振動周期は、ターゲットに運ばれるエネルギーに関連していてもよく、その結果、工程診断技術を可能にさせている。

本発明の第２の態様によると、ターゲット上にレーザーショックピーニングを実施する方法が提供され、その方法は、
レーザーパルスを発生させ、レーザーパルスをターゲットに伝播させるためのデバイスを提供するステップと、
ターゲットの表面がレーザーパルスによって衝突されるように、ターゲットをレーザー経路に位置させるステップと、
レーザーパルスが通過できるように、入射レーザー光に対して透明である固体媒体をレーザー通路に位置させるステップと、
流体が、レーザーパルスの通過経路において如何なる空気−流体界面を除去するため、固体媒体及びターゲットと直接接触するように、固体媒体とターゲットの接触面との間に配置された流体流路中に流体を供給するステップと、
レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ／蒸気泡の崩壊に際し、流体層中のキャビテーションを通した二次ショック事象を誘導するように、一定の厚さの流体層を作り出すステップと、
を含む。

その方法は、レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ／蒸気泡の泡エネルギーを測定するステップを含む。

その方法は、レーザーパルスの出力強度及びエネルギーを監視するために流体層中のキャビテーションを検出するステップを含み得る。

好ましくは、その方法は、レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生する、泡エネルギーの測定としての、プラズマ／蒸気泡の第１の気泡振動周期を検出するステップを含む。

その方法はまた、レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡エネルギーを用いることにより、ターゲットの接触面に及ぼされるレーザーパルスの圧力を測定するステップを含み得る。

添付の図面を参照して、本発明は、ほんの一例として、詳細に説明される。

従来のレーザーショックピーニングの概略図を示している。 図１の従来技術の工程において、レーザーショットが処理されるターゲットまたは加工物の表面に衝突する衝突ゾーンの概略図を示している。 水が閉じ込め媒体として使用される間接的アブレーションモードを用いる従来技術のＬＳＰ工程の概略図を示している。 処理されるターゲットまたは加工物が完全に水の下に沈められる従来技術のＬＳＰ工程の概略図を示している。 処理されるターゲットの接触面上のレーザーパルスの衝突の後で、一次衝撃波の発生及びプラズマ／気泡の膨張を示している。 図５のプラズマ／気泡の崩壊、及び気泡の崩壊における二次衝撃波の発生を示している。 ターゲットの接触面から発するプラズマ／気泡と、空気／水界面から発する別のプラズマ／気泡との間の接触が明確に見える一連の画像を示している。 実験的研究の間に二次衝撃波が検出される水層の厚さの実験的データを示している。 １５ｍｍの水層の厚さに対する実験的研究の間に得られた第１の気泡振動周期の結果を示している。 ３０ｍｍの水層の厚さに対する実験的研究の間に得られた第１の気泡振動周期の結果を示している。 ４５ｍｍの水層の厚さに対する実験的研究の間に得られた第１の気泡振動周期の結果を示している。 図９から１１に示された結果の組み合わせを示している。 最大で３．１ＧＷ／ｃｍ^２の強度の範囲で焦点をあてた、図１３の拡大図を示している。 ３０ｍｍの水層を用いる様々なエネルギーのシングルレーザーショットに対して、第１の気泡振動周期が見られることができる図１１のデータの別の描写を示している。 実験的研究の間に使用されたシャドウグラフ観測技術によって衝撃波の伝播が明白である、空気／水界面でのプラズマ発生を示している。 図１５に図示されたレーザーショット後の０．１秒の二次レーザーパルスショットからのプラズマ発生を示している。 約０．８ｍｍの薄い水層を用いた一般的なＬＳＰ工程の間の、水滴の放出を例示している一連の写真を示している。 ターゲットが水で十分に被覆されていないときに、図１７の工程においてターゲットをたたくレーザーパルスによって発生する圧力パルスからもたらされる水層の崩壊を示している。 ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するための、本発明の第１の実施形態によるシステムを示している。 ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するための、本発明の第２の実施形態によるシステムを示している。 ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するための、本発明の第３の実施形態によるシステムを示している。 ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するための、本発明の第４の実施形態によるシステムを示している。 本発明によるＬＳＰ工程の短期間にわたって取られた圧力−時間履歴の記録の例を示している。

実験結果
ＬＳＰの間の二次ショック事象の発生
切除皮膜の無いレーザーショックピーニング（ＬＳＰ）に対する適切な閉じ込め層の厚さへの発明者の研究は、キャビテーションショック現象の観測をもたらした。そのようなキャビテーションショック現象は、研究の様々な他の分野において見出されているが、現在までのところ、レーザー誘導キャビテーションショックはＬＳＰの分野とまだ関連がない。１０６４ｎｍのシングルレーザーショットが静的水槽に発射される実験的試験が、南アフリカのＣＳＩＲナショナルレーザーセンターで行われた。タンクは、１ｍｍから４５ｍｍの水層厚さの制御された変化を可能にしている。水層内で起こる物理的なショック現象を観察するために、Ｆａｓｔｃａｍ ＳＡ−５ ハイスピードカメラがシャドウグラフ光学構成において使用された。レーザー照射において、初期または第１の衝撃波が予想通りに起こることが見出され、プラズマ／蒸気泡の膨張が続く。気泡は、数ナノ秒の間プラズマの形態に、その後蒸気の形態にあるプラズマ／蒸気泡として参照される。第１の衝撃波の発生及びプラズマ気泡の膨張が図５に示されており、第１の衝撃波及びプラズマ気泡は符号１１０及び１１２でそれぞれ示されている。研究の間、水層が十分に厚い場合、ターゲット表面上のプラズマ蒸気泡１１２の急速な崩壊がキャビテーションに起因する強い二次ショック事象をもたらすことが見出された。プラズマ蒸気泡１１２の崩壊及び二次衝撃波の発生が図６に示されている。この図において、二次衝撃波は、符号１１４により示されている。

プラズマ／蒸気泡の崩壊に起因する、キャビテーション事象とも参照されるこの二次ショック事象の発生に必要な条件は、１０６４ｎｍのレーザー光で、開放空気における静水条件に対して確立された。二次ショック事象の発生は、ターゲットに運ばれる入射出力強度（ＧＷ／ｃｍ^２）及び水層の厚さに主に依存していることが見出された。研究の間に、以下の２つのシナリオが起こるとき、二次ショック事象が起こらないことが見出された。
ｉ）膨張するプラズマ／蒸気泡は、水層を通して突発する。これは一般的に、薄い水層が水スプレージェットまたはノズルを通して適用される従来のＬＳＰ工程の間に起こるものである。
ｉｉ）ターゲット表面で膨張または崩壊するプラズマ蒸気泡は、空気／水界面の水面から形成された別のプラズマ／蒸気泡と接触する。図７は、ターゲット表面１１８から生じるプラズマ／蒸気泡１１６と、空気／水界面１２２から生じる別のプラズマ／蒸気泡１２０との間の接触が明確に見える一連の画像を示している。

図７において、レーザーショットが、約１５ｍｍの厚さを有する水層１２４を通って発射される。最初の３つの画像における画像ぶれによって証明されている第１または最初のショック事象の後で、プラズマ／蒸気泡１１６は、これらの画像における下の黒帯であるターゲット表面１１８から成長する。このプラズマ／蒸気泡１１６が縮小し始めると、別のプラズマ／蒸気泡１２０が上の黒帯で見られる水面１２２で生じる。ターゲット及び水面からの２つの泡１１６、１２０が合体する際に、ターゲット表面の泡１１６内部のエネルギーが解放され、及びそれ故、その崩壊に際し、二次ショック事象またはキャビテーション事象がない。

ターゲット表面のプラズマ／蒸気泡の崩壊に際し、二次ショック事象の発生に必要な条件が図７に図示されている。各データ点は、制御された水層の厚さ及び出力強度（ＧＷ／ｃｍ^２）に対する実験観測を示している。二次ョック事象の発生または不発生は、図８におけるキー（ｋｅｙ）で示されるデータ点の種類によって示されている。二次ショックまたはキャビテーション事象の発生または不発生は、画像の濃度勾配の変化を通してショック現象の観測を可能にするシャドウグラフ光学構成を通して、視覚的な観測により決定された。

図８から、水層の厚さが、レーザーパルス後の二次ショック事象の発生または不発生を決定することができる重要なパラメータであることは明らかである。ＬＳＰの間に採用される出力強度の一般的な範囲は１〜１０ＧＷ／ｃｍ^２であり、図８は、出力強度のこの範囲に対して、１．７Ｊのレーザーパルスを用いるときのこれらの静的試験条件の下で、二次ショック事象は水層が１１または１２ｍｍより大きいときに起こることを明確に示している。しかしながら、より強力なレーザーパルスを用いるとき、この水層の厚さは増加することが予期される。

この観測は、有益な結果をＬＳＰの分野に保持し、結果として、本発明は水層の正確な制御に関係している。本発明は、静的条件、及び水層が水の連続的な流れによって生成される動的条件の両条件に対して、二次ショック事象が起こることを保証するＬＳＰ工程を実行するためのシステムに特に関係している。

第１の気泡振動周期
十分に厚い水層によって被覆されているターゲットに高強度のレーザーパルスを発射した後に発生するプラズマ／蒸気泡は、上述したように、最初に膨張して、それから特定の条件で崩壊する。上述したように、プラズマ／蒸気泡の崩壊は、キャビテーション事象として参照されてもよく、ターゲット材料及び水閉じ込め層の両方を通したショックの発生をもたらすのに十分な高レベル圧力の発生に関連している。シングルレーザーパルスの後で、プラズマ／蒸気泡の成長と崩壊が二次ショック事象をもたらすことが理解されなければならない。このプラズマ／蒸気泡は一般的に、気泡振動として参照されるように、連続して膨張及び縮小、並びにリバウンドし続ける。第１の気泡膨張及び縮小の期間は、第１の気泡振動周期として参照される。上述したように、レーザー照射の際に、初期または第１の衝撃波は、ＬＳＰ工程において予期されているように発生する。それから、水閉じ込め構成に依存して、キャビテーション事象は、追加の、または二次のショック事象をもたらし得る。例えば、この二次ショック事象によって発生するプラズマ／蒸気泡の特性は、例えば気泡のエネルギー、媒体の密度、媒体の比熱、水圧、及び表面の存在のような他の境界条件に依存している。二次プラズマ／蒸気泡の挙動に関して、各気泡振動の大きさと期間は、泡エネルギーに直接関連している。

第１の気泡振動周期が泡エネルギーに直接関連しているという事実は、ＬＳＰ工程に対していくらか重要である。この第１の気泡振動周期はそれ故、レーザー−材料相互作用効率の直接の指標であり得る。発明者はそれ故、広範囲にわたる可能な測定技術を使用して定量化しやすい性質であるように、研究を第１の気泡振動周期の重要性に導く必要性を認定した。

ＬＳＰの信頼でき、且つ反復可能な処理に含まれるいくらかの課題は、説明のつかないエネルギー損失、すなわちターゲット表面に送られる実際のエネルギーの制御または知識の欠陥に起因している。レーザーショックピーニング作用の原因である初期の圧力パルスが、ターゲット表面に送られる実際のエネルギーに直接関連があるという事実を考慮すると、第１の気泡振動周期は、ＬＳＰ工程の間に発生する圧力に付随する価値のある情報を提供し得る。一般的に、説明のつかない損失は、破壊現象の発生またはレーザー光学の損害さえ含み、これはレーザー光学が消耗アイテムであるとき不可避である。ＬＳＰ工程の間の空気または水の汚染は、指定されたターゲットを放射する前にレーザービームが伝播する媒体の絶縁閾値をさらに減少させ得る。損失が伝播媒体の汚染を通して発生するような場合において、例えばＬＳＰ工程の間のそのような損失の検出は、監視することが難しい。しかしながら、キャビテーション事象または二次ショック事象の発生がある場合、第１の気泡振動周期の監視は、各レーザーパルスの間に供給される実際のエネルギーに関する情報を得る単純な方法であり得る。

発明者によって行われた実験的研究は、ＬＳＰ工程の間の第１の気泡振動周期とターゲットに供給されるエネルギーとの関係を決定することに向けられた。この研究は、ハイスピードイメージング技術を利用しているシャドウグラフ光学構成を通して物理的なショック現象、すなわち、発生した第１及び第２のショックの視覚的な観測を含む。研究の間、ターゲットに送られるレーザーパルスの出力強度が制御されると同時に、様々な水層の構成が静的水槽で使用された。それから、異なる構成及び出力強度に対する第１の気泡振動周期が記録された。再び、研究において使用される出力強度の範囲は、一般的なＬＳＰ工程のもの、すなわち１から１０ＧＷ／ｃｍ^２のものと同じであった

図９から１１は、水層の厚さがそれぞれ１５ｍｍ、３０ｍｍ、及び４５ｍｍである研究の間に得られた結果を例示している。水の特定の厚さを通した損失の範囲を決定するために三つの異なる水層が試験された。１５ｍｍ、３０ｍｍ、及び４５ｍｍのそれぞれの試験の結果を図示している図９から１１において、内部エネルギーを有する気泡周期における変化が指数則に従って変化することが予期されるように、指数関数の近似曲線がプロットされている。第１の気泡振動周期が内部エネルギーを伴って変化するにもかかわらず、レーザーパルスの出力強度が実験的研究の間に考慮された点に留意する必要がある。出力強度は、ＬＳＰ工程の間の主要なパラメータであり、本質的に、プラズマ／蒸気泡が発生する表面及び水気化の範囲を決定し、それ故、内部エネルギーの指標である。図９から１１において、試験される各出力強度は、６つのデータ点によって示されている。これらの図から、各出力強度に対する６つのデータ点は一般的に、より低い出力強度、すなわち０．５から３．５ＧＷ／ｃｍ^２に対して重なり合い、より高い出力強度、すなわち３．５から１０ＧＷ／ｃｍ^２に対して散乱することがわかる。

３つの異なる水層の厚さに対するデータ点が単一のグラフに図示されるように、図９から１１のデータ点の全てが図１２に図示された単一のグラフに結合されている。図１３は、最大で３．１ＧＷ／ｃｍ^２の出力強度の範囲に焦点を当てている。各出力強度に対する６つの異なるデータ点を考慮すると、０から約３．５、特に３．１ＧＷ／ｃｍ^２の低出力強度に対する再現性が、より高い出力強度に対する再現性よりはるかに大きいことが図１３からわかる。

出力強度に関する第１の気泡振動周期に対して予期される傾向は明らかであるにもかかわらず、特により高い出力強度での大幅な偏差がある。これらの偏差は、観測された絶縁破壊に起因し得る。上述したこれらの実験のように、水層を閉じ込めるために用いられるレーザーウインドウがなく、且つその結果、絶縁破壊が空気／水界面で起こる。

図１４は再び、３０ｍｍの水層を用いて様々なエネルギーのシングルレーザーショットに対する第１の気泡振動周期を図示している。図１４において示されるデータは、図１１において示されたものと同じデータである。

入射レーザーのエネルギーが、例えば第１の衝撃波エネルギー、キャビテーション気泡エネルギー、及びスペクトル放射のような様々な機構に区分されるので、わずかな入射レーザーのエネルギーだけが泡エネルギーに転換される。入射レーザーのエネルギーの一定部分が泡エネルギーに転換されると仮定する場合、入射パルスからの泡エネルギーの割合が推定され得る。わずかなレーザーエネルギーとしての泡エネルギーを示し、且つ曲線を図６のデータに適合するとき、最も適合するものは、０．３２のレーザーエネルギーの泡エネルギーへの転換の因子に対して収束することがわかった。

本発明によるＬＳＰを実施するシステム及び方法を用いて、最大で約３．８ＧＷ／ｃｍ^２の出力強度のものと同じ再現性が、空気／水界面の除去の結果として、さらにより高い出力強度に対して得ることができたと予測されている。図６に図示された結果から、発明者は、第１の気泡振動周期を測定することにより、ＬＳＰ工程において任意のブレークダウン事象が起こるかどうかを決定するために、データ中の散乱が検出され得ることを認識した。それ故、第１の気泡振動周期は、工程診断を開発することにおいて有益な手段であり得る。

ＬＳＰ工程内の絶縁破壊
非特許文献１（Ｒ．Ｆａｂｂｒｏ他：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８ ７７５−７８４（１９９０））は、予測できず、且つ信頼性に欠くエネルギーのターゲットへの送達に起因した望ましくないブレークダウン現象が、ＬＳＰ工程の間に、水面、すなわち空気／水界面で最初に起こることを以前に述べた。彼らの短い研究の間に、水面でのプラズマ形成は、２ＧＷ／ｃｍ^２程度で１０６４ｎｍのレーザー光に対して最初に観察された。

実験的な研究の間に、発明者は、第１の気泡振動周期の決定に必要とされるショック現象の視覚的な観測を通した類似の発見をした。図１５は、使用されたシャドウグラフ観測技術に起因して衝撃波の伝播が明白である、空気／水界面でのプラズマ発生を図示している。図１５において、水層と空気はそれぞれ符号１２６及び１２８で示されており、これに対して、空気／水界面は符号１３０で示されている。図１５の図の範囲において、衝撃波１３２の伝播及びプラズマ１３４の発生をはっきりと見ることができる。

プラズマの形成及び結果として生じる衝撃波は、ターゲット表面に送達可能であるエネルギー量を減少させ、その結果、第１の気泡振動周期を減少させる。絶縁破壊事象は、既知の確率的な事象であり、本質的に図９から１４におけるデータ点の散乱によって示されるような、第１の気泡振動周期の出力強度との関係において見出された大きな偏差に対する直接的な理由である。

図１５の画像並びに図９から１４の第１の気泡振動周期に対して得られたデータ点は、シングルレーザーパルスの発射から得られたことに留意する必要がある。産業上のＬＳＰ工程が広い処理面積の範囲でターゲットへの連続的なレーザーショットの発射を採用する以上、レーザーが繰り返し操作される事象を含むように、研究は拡張された。図１６は、図１４のレーザーショットの後の０．１秒の第２のレーザーパルスショット、すなわち１０Ｈｚのレーザー繰り返し率からのプラズマ発生の描写である。これらの２つの画像が同じ試験において得られたという事実を考慮すると、図１６の実験的条件は図１５に一致していた。それ故、図１５及び１６において同一の参照符号は同一の特徴を示している。

図１６から、空気の絶縁破壊が、図１５におけるシングルレーザーショットに対してみられたように、空気／水界面１３０の前で起こることは明白である。このブレークダウンの理由は、各レーザーショットにより発生した圧力パルスの後で空気に排出される霧状にされた水滴に起因している。これらの小さな水滴は、高レーザー強度の吸収に起因してブレークダウン開始のサイトとして作用する。レーザーが一般的に繰り返しモードで操作され、それによって、薄い水層が一般的に採用され、水放出が約１５ｍｍの厚さを有する水層を含む図１５及び１６の構成のものよりはるかに激しいとき、これは産業ＬＳＰ工程に対して重要な懸念事項である。

一般的なＬＳＰ工程の間に水滴放出を観測するために、レーザーが１０Ｈｚ、１０６４ｎｍで操作され、且つ約０．８ｍｍの薄い水層が採用されるときの結果を捕えるためにハイスピード写真が用いられた。図１６で示された画像シーケンスは、次のレーザーショットが０．１秒でターゲットに衝突する前に存在している大きな水滴がないことを示しているものの、霧状にされた水滴の形態にある非常に微細な霧が実際のビデオから観測されることができる。このハイスピードイメージングから明白である重要な特徴は、散水ノズルを通して適用される薄い水層の復帰に必要とされる明確な時間があるということである。上述したように、ターゲット領域が均一で薄層状の水層厚さで十分に覆われるまでのこの時間分は、これがＬＳＰ工程の間に操作可能な繰り返し率を本質的に制限しているように大幅である。図１８は、ターゲットをたたいているレーザーパルスによって発生した圧力パルスからもたらされる水層破壊を示している。図１８がとられた瞬間で、ターゲットは水で十分に覆われていない。

図示された実施例の説明
図面を参照すると、同一の参照符号は同一の特徴を示しており、本発明の第１の実施形態による、ターゲット上のレーザーショックピーニング（ＬＳＰ）を実施するためのシステムの非限定的な実施例が、参照符号１０によって示されている。

システム１０は特に、ＬＳＰ工程において処理される構成要素の表面１０２上に厚い流体層を与えることによって、強い二次衝撃波またはキャビテーション事象を誘導するために開発された。

システム１０は、レーザーパルスを発生させ、且つ図１９において参照符号１００によって示されているターゲットに伝達する装置を含む。レーザーパルスを発生させ伝達する装置は、図１９に図示されていないが、一般的に、例えば１０６４及び５３２ｎｍなどのレーザーパルスを伝達することができるレーザーである。レーザーは一般的に、使用中、図１９において参照符号１２で示されているレーザービームを発生させるためにレーザーパルスの連続的な流れを供給する。レーザー発生装置は、約０．５から１００ＧＷ／ｃｍ^２の間、特に約０．５から１０ＧＷ／ｃｍ^２の間の強度を有するレーザーパルスを発生させることができる。

レーザービーム１２は、使用中、入射レーザー光に透明である固体媒体１４を通過する。図１９の図示された実施例において、固体媒体１４は、締め具１８によって本体１６に接続されているレーザーウインドウの形態である。必要な時に、締め具１８はレーザーウインドウ１４に取って代わられることを可能にしている。

システム１０は、流体、好ましくは水をＬＳＰ工程において処理される構成要素の表面１０２に供給するための流体源（添付の図面には図示されていない）をさらに含む。好ましい実施形態において、処理される構成要素１００の表面１０２の領域にわたって水層を作り出すように、流体は水の形態にある。水は一般的に入口２０を通ってシステム１０の本体１６に送り込まれ、または供給され、少なくとも１つの出口を通って本体から分注される。図１８の実施形態において、システム１０は、使用中に頂部及び底部の出口となる２つの出口２２．１及び２２．２を有している。図１９から、出口２２．１及び２２．２は単に構成要素１００の表面１０２と本体１６との間に作り出された通路の形態であることは明らかである。従って、出口２２．１及び２２．２の大きさは、構成要素１００、特にその表面１０２に向かって、及び離れてシステムの本体１６を移動させることにより制御可能である。

図１９をさらに参照すると、流体流路２４が入口２０と出口２２．１及び２２．２との間に配置されていることが見られる。流体流路２４は、システム１０の本体１６内に形成されている流体チャンバ２６を通り抜ける。流体チャンバ２６及び、結果的に、流体流路２４の少なくとも一部は、レーザーウインドウ１４とターゲットまたは構成要素１００の表面１０２との間に挟まれており、その結果、使用中、レーザーショックピーニング工程の間に水はレーザーウインドウ及び処理される構成要素の表面１０２と直接接触している。この配置または構成は、レーザーパルス、すなわちレーザービーム１２の走行路において如何なる空気／水界面を除去しており、その結果レーザービーム１２の絶縁破壊を減らしていることは明らかである。

使用中、レーザーパルスがターゲットをたたいた後で発生するプラズマ気泡が崩壊して、流体層内のキャビテーションを通して二次ショック事象を誘導するように、水は流体流路２４及び流体チャンバ２６に供給され、処理される表面１０２の領域にわたって一定の厚さを有する水層を作り出す。上述した実験結果の説明から、水層は、二次衝撃波が起こることを確実とするために十分な厚さでなければならないことは明らかである。実験結果に基づいて、発明者は、約５ｍｍ、好ましくは少なくとも約１０ｍｍの水層の厚さは、二次衝撃波を誘発することを確認した。

図１９に図示されるシステム１０の実施形態において、水層の厚さは、使用中に、ターゲットまたは構成要素１００から一番遠い本体１６の端部から構成要素の接触面１０２までで決定される。図１９における参照符号２８は、水層の厚さを意味している。システムのこの特定の実施形態において、水層の厚さは、流体チャンバ２６の長さ３０及び本体１６の端部と処理される構成要素１００の接触面１０２との間のギャップ３２の長さによって決定される。水層の厚さは、それ故、調節可能であり、流体チャンバ２６の長さ３０に等しい最小の厚さを有している。最大の水層の厚さは、本体１６と構成要素１００の接触面１０２と間のギャップ３２の長さによって決定される。流体流路２４を通る望ましい水流速度を得るために、本体１６と構成要素１００の接触面１０２との間のギャップ長さ３２は、一般的に０．１〜１０ミリメートルの範囲にある。

使用中、レーザービーム１２はレーザーウインドウ１４及び流体チャンバ２６を通して伝播する。水は流体チャンバ２６を通って注入され、システム１０の本体１６とターゲットまたは構成要素１００の接触面１０２と間のギャップを通って分注される。基本的に、レーザーウインドウ１４とターゲット１００との間に空気はなく、水だけがある。レーザービーム１２が伝播する界面の全てが不変であるという事実からみれば、ビームの散乱は除去される。

本発明によるシステムのもう一つの実施形態は、図２０に図示されており、それは参照符号４０によって示されている。第２の実施形態によるシステム４０はシステム１０に類似しており、添付の図面において同一の参照符号は同一の特徴を示している。第１の実施形態と第２の実施形態との間の主な違いは、第２の実施形態の水の出口が、使用中に、処理される構成要素１００の接触面１０２に位置していないことである。図１９から、システム４０は、水が使用中に分注される単一の出口４４を画定している本体４２を有していることがわかる。この第２の実施形態において、水層の厚さ２８は、流体チャンバ２６の長さ３０に実質的に等しい。

本発明によるシステムのさらにもう一つの実施形態が図２１に図示されており、それは参照符号５０によって示されている。第２の実施形態によるシステム５０は再び、システム１０と類似しており、同一の参照符号は同一の特徴を示している。

システム５０のこの第３の実施形態において、レーザーウインドウはレンズ５２によって置き換えられている。例えばシステムの第１及び第２の実施形態においてレーザーウインドウを使用するとき、レーザーウインドウ上に入射する集光ビームがその損傷閾値を上回らないように、水キャビティ２６は十分に長いこと必要である。しかしながら、水キャビティの長さ３０は、水伝達の損失を最小にするために、二次衝撃波またはキャビテーション事象を得るのに十分な程度に、可能な限り短くしておくことがより望ましいことが見出された。従って、図２１に図示されたシステム５０の第３の実施形態の構成は、レンズ５２に入射するレーザービームが収束されておらず、それ故損傷を与える傾向がないという事実から見ると、水伝達損の問題に対処している。結果として、システム５０の構成は短い焦点距離を有するレンズ５２を利用することを可能にしており、その結果、水キャビティの長さ３０、それ故伝達損失が最低限に保たれる。

この第３の実施形態において、システム５０は、水を流体チャンバ２６に供給する２つの入口５６．１及び５６．２を画定している本体５４を含む。図２１から、流体入口５６．１及び５６．２は、流体チャンバ２６の両側に位置している。水入口５６．１及び５６．２は、本体２６において互いに反対側に半径方向に配置され得ることが予測される。

さらに本発明によるシステムの更なる実施形態が、図２１に図示されており、それは参照符号６０によって示されている。再び、同一の参照符号は同一の特徴を示している。

本発明のこの第４の実施形態によるシステム６０は、内部空洞６４を画定している本体６２を含む。図２２で示すように、内部空洞６４は、本体６２の端部領域に位置する２つのレーザーウインドウ６６．１及び６６．２の間で提供される。使用中に水層と接触するウインドウ６６．２に到達する前に空気中でのプラズマブレークダウンを避けるべく、真空領域が２つの高出力レーザーウインドウ６６．１及び６６．１の間に作られる。実験的研究の間に、発明者は、空気の絶縁破壊が一般的に、ターゲットからおおよそ５０〜１００ｍｍで起こることを確認した。従って、約３００ｍｍ長さの真空領域が、システム６０のこの第４の実施形態の試験の間に使用された。真空領域は真空チャンバとして参照されてもよく、空気で真空にされるか、窒素のような他の気体で満たされ、それから真空にされることができる。

図２２において、流体流路は、流体がターゲット１００の接触面１０２、すなわち使用中にＬＳＰ工程において処理される表面に実質的に平行となるように配置されていることがわかる。システム６０において、水は、入口７０に近接して位置するノズル６８によって、流体流路に運ばれる。流体流路が構成要素１００の接触面１０２と実質的に平行であることに起因して、入口７０は水が使用中に分注される出口７２と一致している。入口７０及び出口７２は、それ故実質的に等しい大きさである。本発明の第１の実施形態によるシステム１０に同じように、出口７２、及びそれ故入口７０の大きさは、本体６２を構成要素１００の表面１０２に向けて、及び離れて移動させることにより調節可能である。本体６２と構成要素１００の接触面１０２との間のギャップの長さを変えることによって、レーザービーム１２が伝播する水層の厚さは調節されることが理解されるべきである。水層の厚さは、参照符号２８によって再び図示されており、レーザーウインドウ６６．２と構成要素１００の接触面１０２との間の距離として定義されている。約５ｍｍと約１０ｍｍとの間の水層の厚さ２８は、二次ショック事象の発生をもたらすことが見出された。

レーザービーム１２の空気の絶縁破壊に対する主要な要因は、第一に、出力強度、第二に、例えば圧力、性質、及び湿度のような空気の特性である。空気の性質は、その中に存在するダスト微粒子または水滴の量によって一般的に決定される。実験的研究の間に、エネルギー入力、スポットサイズ及びパルス幅が定量化されるとき、出力強度が十分に制御されることが最初に仮定された。それ故、解放は、伝達媒体における改善のような他の手段によりレーザービーム１２の空気の絶縁破壊の可能性を減らそうとした。空気の絶縁破壊の閾値は、空気圧の縮小または他の媒体の使用と共に際立って増加することが知られている。

システム６０において真空チャンバを用いることにより、レーザービーム１２は外気を通るよりもむしろこのチャンバで伝播する。このシステム６０の重要な因子は、ビームの通路において如何なる空気を完全に排除するのに十分な高容量の水がレーザーウインドウ６６．２と構成要素１００の接触面１０２との間に注入されることである。システム６０で使用されるレーザーウインドウ６６．１及び６６．２は、１０６４ｎｍに対して設計された特殊化した高出力ウインドウである（Ｎ−ＢＫ７溶融シリカ）。これらのウインドウ６６．１及び６６．２は実験的試験の間に極めて高出力強度にさらされるので、損傷閾値より低く作動することが確実となるように慎重な測定が取られた。懸念の１つは、レーザービーム１２が第１のウインドウ６６．１を通って、それから真空６４を通って伝播するときの屈折率の変化が、スポットサイズ及びそれ故に第２のウインドウ６６．２での入射出力強度を変化させることである。従って、試験は、Ｎ．Ｄ．フィルタがチャンバの前に配置されている、チャンバ６４を通るビームのスポットサイズのためのｃｃｄカメラを使用して行われた。これは、スポットサイズの急激な減少を示した。この影響が真空に起因するかどうかを決定するために、空気がその中に入ることを可能にするようにチャンバは開孔された。しかしながら、小さなスポットサイズがそれでも達成された。試験は、完全に真空チャンバを取り除くことによって繰り返されたが、小さいスポットサイズはそれでも維持された。これは、レーザーウインドウからの距離を使用してのスポットサイズの決定が無効であることを意味しているように、これは極めて重大な問題である。「レンズ性能（ｌｅｎｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」が変化した理由のいくつかの更なる研究の後で、レーザーからの大幅なビーム発散の存在が存在すると結論された。

本発明によるＬＳＰ工程を実施するためのシステムの上記の実施形態は、ノズルを用いて厚い水層を適用することにより一般的に直面した問題を対処している。従来技術のこれらの問題は一般的に、ビーム散乱をもたらす水層面における波紋のような空気−水界面の効果の結果である。本発明によるシステムの様々な実施形態はまた、水流量、ターゲットからの水ノズルまでの距離、レーザー衝撃と比較した水ジェット衝撃の高さ、及びターゲットからの水ジェット衝突の角度などのような要因に依存している厚い水層の均一で反復可能な成果を達成することの従来技術における困難性に対処している。本発明によるシステムの様々な実施形態の説明から、実施形態の全てが、水層の厚さの正確な制御、並びに空気−水界面でのブレークダウン及び水滴の放出／跳ね返りのような空気−水界面効果の除去を可能にさせていることは明らかである。特に、本発明によるシステムの実施形態の全ては、強い二次衝撃波またはキャビテーション事象が各レーザーパルスの後で起こることを確実となるように設計された。

上記のように、水層の厚さが二次ショック事象を起こす目的のために正確に制御される水閉じ込め装置を提供することは、本発明の目的の１つである。ＬＳＰ工程の間に、反復可能な出力強度を有するレーザーパルスが、各々の及び全てのレーザーパルスでターゲットを照射することが重要である。しかしながら、ＬＳＰの本質は高出力強度で操作することであり、それによって蒸発及びプラズマ形成はターゲット表面で要求されるだけである。ターゲット表面の前で起こる如何なる蒸発またはプラズマ形成は、ブレークダウンの発生として考慮される。ブレークダウン事象は、実際はいくらか確率的であり、入射照射を高く吸収する。レーザーパルスの衝撃により発生し、且つターゲット内の圧縮残留応力の発生の原因となる、圧力パルスが、入射出力強度の平方根に直接比例するように、ターゲット１００の接触面１０２への反復可能な出力強度の送達がＬＳＰ工程の間で達成可能であることが必要である。従って、ＬＳＰを通して均一な且つ制御された圧縮残留応力状態を達成するために、反復可能な出力強度が必要とされる。

二次ショック事象またはキャビテーション事象が起こるときの第１の気泡振動周期は、入射出力強度からプラズマへのエネルギー転換工程、それ故圧力発生に非常に関連があるという事実からみれば、ターゲットに運ばれた出力強度の指標として有効である。ターゲット１００に運ばれた出力強度の如何なる減少は、第１の気泡振動周期の変化として現れる。出力強度の減少は、空気中のブレークダウン、光学への損傷または汚染のようないくつかの種類のエネルギー損失の理由の結果であり得る。

レーザーパルスの出力強度、特にターゲット１００の接触面１０２に与えられたエネルギーを監視するために、本発明によるシステムは、第１の気泡振動周期を検出し、且つ記録するための手段を含む。二次ショック事象が起こるとき、各レーザーパルスは２つの強い圧力パルスを発生する。これらの２つのパルスの間の時間差は、第１の気泡振動周期を構成する。図２３は、ＬＳＰ工程の短い期間にわたってとられた圧力−時間ヒストリの予期された記録の概略図の例を示している。図２３において、キャビテーション事象によって起こる二次圧力パルスが参照符号８２によって示されると同時に、構成要素１００の接触面１０２をたたくレーザーパルスによって起こる一次圧力パルスが参照番号８０で図示されている。一次及び二次圧力パルス８０及び８２の各対が、接触面１０２をたたくシングルレーザーパルスの結果であることは理解されるべきである。従って、図２３において、一次及び二次圧力パルス８０及び８２の第２及び第３の対は、接触面１０２をたたく第２及び第３のレーザーパルスを示している。同一のレーザーパルスによって発生する一次圧力パルス８０及び二次圧力パルスの間の時間分８６が第１の気泡振動周期を表すと同時に、第１及び第２のレーザーパルスの一次圧力パルスの間の時間分８４は、レーザー周期Ｔを示している。

本発明によるシステムは、第１の気泡振動周期８６を決定するための、広範囲にわたる異なる種類の測定器具及び技術を含むことができる。上記の説明から、圧力パルスが最初のレーザーパルス及びキャビテーション事象の両方から発生した後で、衝撃波または音響波が、好ましい実施形態においては水である閉じ込め媒体、並びに金属であるターゲット材料の両方を通して伝播することは明らかである。その結果、水中聴音器のような測定器具は水キャビティ内に置かれてもよく、あるいは、変換器が処理される構成要素１００上に置かれてもよい。光学的測定手段が第１の気泡振動周期８６を決定するために用いられ得ることが想定される。視覚法は、上述の実験的研究の間に行われたシャドウグラフ視覚化の背後にある原理に類似している。

ターゲットまたは構成要素１００上でＬＳＰ工程を実施する方法が、本発明の様々な実施形態によるシステムの上記説明から明確でなければならないが、それにもかかわらず明確さのために再び簡潔に説明される。その方法は、レーザーパルスを発生させ、且つ伝達することのできるＮｄ：ＹＡＧレーザーのようなデバイスを提供するステップを含む。ターゲットの接触面１０２がレーザーパルスに衝突されるように、ターゲット１００はレーザー経路に位置している。入射レーザー光に透明な固体媒体は、レーザーパルスがターゲット１００の接触面１０２をたたく前にそこを通過するように、レーザー経路に位置している。好ましい実施形態において、固体媒体は、レーザーウインドウまたはレンズのどちらか、または２つの組合せでさえあり得る。

その方法はさらに、固体媒体とターゲット１００の接触面１０２との間に配置される流体流路に流体、好ましくは水を供給することを含み、その結果、レーザーパルスの通過経路において如何なる空気−流体界面を除去するように流体は固体媒体及びターゲットと直接接触する。水は、処理されるターゲット１００の接触面１０２の領域上に一定の厚さの水層を作り出すように制御された方法で流体流路に供給され、その結果、レーザーパルスがターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡の崩壊の際に、流体層においてキャビテーションを通した二次ショック事象を誘導する。

水層におけるキャビテーション事象は、接触面１０２に運ばれるレーザーパルスの出力強度及びエネルギーを監視する手段として検出される。このステップは、レーザーパルスがターゲット１００をたたいた後に発生するプラズマ気泡の泡のエネルギーを決定するために、第１の気泡振動周期を決定し、及び記録することを含む。第１の気泡振動周期及び泡エネルギーに関して得られる情報はそれから、ターゲット１００の接触面１０２に及ぼされるレーザーパルスの圧力を決定するために使用され得る。本発明による方法は、ＬＳＰ工程の間にターゲット１００に運ばれるエネルギーの正確な監視を可能にしていることを理解すべきである。第１の気泡振動周期を検出し、且つ記録することにより、及びこの情報をターゲット１００に運ばれるエネルギーを決定するために使用することにより、本発明のシステムを通してエネルギー損失を試み且つ決定するような必要はない。本発明によるシステム及び方法は、ＬＳＰ工程の間にターゲットに運ばれるエネルギーを決定するためにキャビテーション事象の第１の気泡振動周期を用いたＬＳＰ工程診断技術を可能にさせる。ターゲットに正確に届けられるエネルギー量を決定する能力は、従来のシステム及び方法に対して本発明によるシステム及び方法の顕著な利点である。

本発明によるシステム及び方法の上記説明から、それらは特に、水層の厚さを正確に制御することを通して二次ショック事象またはキャビテーション事象を誘導するように設計されていることは明らかである。ＬＳＰ工程に含まれる水放出またははね返りがないように、本発明のシステムはまた如何なる空気−水界面を除去する。発明者は、水層の復帰に起因するレーザーの操作可能な繰り返し率における制限が除かれる際に、これは非常に有益であると確信している。本発明のシステム及び方法を用いるとき、レーザーパルスは従来技術のシステムのものより非常に高い振動数でターゲットに撃たれることができる。水−空気界面の除去はさらに、排出された水滴が、水層の前の空気媒体のブレークダウンに対する潜在的な開始サイトとして作用するのを防ぐ。これは、従来技術のシステムの水ジェットまたは噴霧ノズルを用いることにより達成されない別の利点である。

１０ システム
１２ レーザービーム
１４ レーザーウインドウ（固体媒体）
１６ 本体
１８ 締め具
２０ 入口
２４ 流体流路
２６ 流体チャンバ
２８ 水層の厚さ
３０ 水キャビティの長さ
３２ ギャップ
４０ システム
４２ 本体
４４ 出口
５０ システム
５２ レンズ
５４ 本体
６０ システム
６２ 本体
６４ チャンバ
６８ ノズル
７０ 入口
７２ 出口
８０ 一次圧力パルス
８２ 二次圧力パルス
８４ 圧力パルスの間の時間分
８６ 第１の気泡振動周期
１００ 構成要素（ターゲット）
１０２ ターゲットの接触面
１１０ 衝撃波
１１２ プラズマ蒸気泡
１１４ 二次衝撃波
１１６ 蒸気泡
１１８ ターゲット表面
１２０ 蒸気泡
１２２ 空気／水界面
１２４ 水層
１２６ 水層
１２８ 空気
１３０ 空気／水界面
１３２ 衝撃波
１３４ プラズマ

Claims (16)

1. ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施するためのシステムであって、
   レーザーパルスを発生させ、且つ前記ターゲットに送達させるためのデバイスと、
   流体を供給するための流体源と、
   使用中に流体が供給される入口と、
   使用中に流体が分注される出口と、
   前記入口と前記出口との間に配置された流体流路と、及び
   前記レーザーパルスが通過することを可能にさせる、入射レーザー光に対して透明である固体媒体と、
   を含み、
   前記流体が前記固体媒体及び前記ターゲットと直接接触し、その結果、前記レーザーパルスの通過経路において如何なる空気−流体界面を除去するように、前記流体流路は、前記レーザーショックピーニング工程の間に、使用中に前記固体媒体と前記ターゲットとの間に挟まれており、
   前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡の崩壊に際し、流体層におけるキャビテーションを通した二次ショック事象が起こるように、前記流体は一定の厚さを有した前記流体流路に供給される、システム。
2. 前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生する前記プラズマ気泡の第１の気泡振動周期を検出するための手段を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の気泡振動周期を検出するための手段は、前記第１の気泡振動周期を記録するための手段を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記流体流路は、層状の前記流体層の厚さが少なくとも約５ｍｍとなるように配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記流体層の厚さは少なくとも約１０ｍｍである、請求項４に記載のシステム。
6. 前記レーザー発生装置は、約０．５から１００ＧＷ／ｃｍ^２の間の強度のレーザーパルスを発生させることができる、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記レーザーパルスの強度は、約０．５から１０ＧＷ／ｃｍ^２の間にある、請求項６に記載のシステム。
8. 前記固体媒体は、ウインドウまたはレンズであるか、またはウインドウとレンズの組み合せである、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記レンズに入射するレーザービームは収束していない、請求項８に記載のシステム。
10. 伝達損失が最小に保たれるように、前記レンズは短焦点距離を有している、請求項９に記載のシステム。
11. 流体流路は、前記流体流がレーザーショックピーニング工程において処理されるターゲットの表面に平行となるように配置されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. ターゲット上でレーザーショックピーニングを実施する方法であって、
    レーザーパルスを発生させ、前記ターゲットに送達させるためのデバイスを提供するステップと、
    前記ターゲットの表面が前記レーザーパルスによって衝突されるように前記ターゲットをレーザー経路に位置させるステップと、
    前記レーザーパルスが通過できるように入射レーザー光に対して透明である固体媒体を前記レーザー経路に位置させるステップと、
    流体を供給するステップであって、前記レーザーパルスの通過経路において如何なる空気−流体界面を除去するため、前記流体が前記固体媒体及び前記ターゲットと直接接触するように、前記固体媒体と前記ターゲットの接触面との間に配置された流体流路に流体を供給するステップと、及び
    一定厚さの流体層を作り出すステップであって、前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡の崩壊に際し、前記流体層におけるキャビテーションを通した二次ショック事象を誘導するように流体層を作り出すステップと、
    を含む方法。
13. 前記レーザーパルスの出力強度を検視するため、前記流体層における前記キャビテーションを検出するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡の泡エネルギーを測定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 泡エネルギーの測定として、前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡の第１の気泡振動周期を決定するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記レーザーパルスが前記ターゲットをたたいた後に発生するプラズマ気泡のエネルギーを利用して、前記ターゲットの前記接触面に及ぼされる前記レーザーパルスの圧力を決定するステップを含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。

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