JP2017148829A - Ultra-short pulsed laser processing apparatus - Google Patents

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大和 田原
Yamato Tawara
大和 田原
拓也 門澤
Takuya Kadosawa
拓也 門澤
恭 石井
Yasushi Ishii
恭 石井
住吉 哲実
Satomi Sumiyoshi
哲実 住吉
明美 伊東
Akiyoshi Ito
明美 伊東
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultra-short pulse laser processing apparatus capable of forming a high-accuracy, high-efficiency and arbitrary pattern even in such a state that a distance from each processing point and a condenser lens does not necessarily get to constant when processing a certain processing area simultaneously according to beam branching in order to perform high-speed processing.SOLUTION: An ultra-short pulse laser processing apparatus includes: an ultra-short pulse laser beam source device composed of a seed laser and a regenerative amplifier; a high-speed shutter which opens and closes ultra-short pulse beam; beam branching means which branches the ultra-short pulse beam to a plurality of beams; beam scanning means; a condenser lens; scanning means which retains an object to be processed and performs three-dimensional translational movement and rotational movement; and vision means which observes characteristics of a processed face of the object to be processed before processing or during processing.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超短パルスレーザーにより機械部品の摺動部表面にテクスチャリングを施す超短パルスレーザー加工装置に関し、特に、被加工物表面に摩擦低減効果のある各種ディンプルパターンを形成できる超短パルスレーザー加工装置に関する。   The present invention relates to an ultrashort pulse laser processing apparatus for texturing the surface of a sliding part of a machine part with an ultrashort pulse laser, and in particular, an ultrashort pulse capable of forming various dimple patterns having a friction reducing effect on a workpiece surface. The present invention relates to a laser processing apparatus.

人類は産業を進化させ、地球に埋蔵されている燃料を燃やして動力に変換し成長を遂げてきた。しかし、これに伴い、地球温暖化ガス排出量が増加し、地球環境に大きな悪影響を及ぼしている。世界の重要産業のひとつである自動車産業では内燃機関が直接的に悪影響物質の創出に関わるため、その機能、部品に改良技術が適用されてきた。排出される物質の総量を減らせるという意味で、省エネルギー観点以外にも熱エネルギーから運動エネルギーへの変換効率を高めることは重要な課題の一つである。内燃機関における負荷動作時の全エネルギー損失の6割は機械的摩擦損失が占めている。その主なものがピストン系、クランク系、動弁系に存在する。これら動力部のみならず、動力伝達部も含めた摺動部の摩擦低減は、地球温暖化ガス排出低減と省エネルギーにつながることから世界中で盛んに研究開発がなされている。   Mankind has evolved through industry and has grown by burning the fuel buried in the earth and converting it into power. However, along with this, the amount of global warming gas emissions has increased, which has a great adverse effect on the global environment. In the automobile industry, one of the world's important industries, internal combustion engines are directly involved in the creation of harmful substances, so improved technology has been applied to their functions and components. In the sense that the total amount of discharged substances can be reduced, it is one of the important issues to increase the conversion efficiency from thermal energy to kinetic energy in addition to the viewpoint of energy saving. Mechanical friction loss accounts for 60% of the total energy loss during load operation in an internal combustion engine. The main thing exists in a piston system, a crank system, and a valve system. Friction reduction of sliding parts including not only these power parts but also power transmission parts leads to reduction of global warming gas emissions and energy saving, and research and development has been actively conducted all over the world.

上記内燃機関の往復運動、回転運動の摺動部の表面摩擦抵抗を極限まで減らす加工方法には、機械的な外力やレーザーにより表面に微細な凹凸形状を施す加工技術がある。このテクスチャリング加工は摺動する2つの面間の潤滑剤の保持や、面圧分布の変調、接触面積の変化など摺動面機能を向上させる効果をもたらす。レーザー加工機では、フェムト秒レーザーを用いて被加工物表面に微細な周期構造やディンプル形状を形成するものが提供されている。例えば、特許文献1から4参照。   As a processing method for reducing the surface frictional resistance of the sliding portion of the internal combustion engine in a reciprocating motion or a rotational motion to the limit, there is a processing technology for applying a fine uneven shape on the surface by a mechanical external force or a laser. This texturing process brings about the effect of improving the sliding surface function such as retaining the lubricant between the two sliding surfaces, modulating the surface pressure distribution, and changing the contact area. Laser processing machines that use a femtosecond laser to form a fine periodic structure or dimple shape on the surface of a workpiece are provided. For example, see Patent Documents 1 to 4.

摺動における摩擦損失はその摺動速度に依存する特性を持ち、テクスチャリングのうちディンプルを例にあげると動作速度ごとに最適な加工領域、形状、サイズ、深さ、面積占有率(これらは加工パラメータと呼ばれる)が異なる。そのため、様々な加工パラメータの組み合わせが必要とされる。例えば、非特許文献1参照。   Friction loss in sliding has a characteristic that depends on the sliding speed. For example, dimples in texturing are the optimum processing area, shape, size, depth, and area occupancy for each operating speed. Called parameters). Therefore, a combination of various processing parameters is required. For example, see Non-Patent Document 1.

表面テクスチャリング技術は摺動面の機能向上とともに被加工物の劣化レートの低減とともに寿命の伸長が期待される。さらに内燃機関以外にも機械装置全般に無数の摺動部分が存在していることから、表面テクスチャリングによって摩擦損失を低減する技術は重要である。   Surface texturing technology is expected to improve the function of the sliding surface and reduce the deterioration rate of the workpiece and extend the service life. In addition to the internal combustion engine, there are innumerable sliding parts in all mechanical devices, so a technique for reducing friction loss by surface texturing is important.

特開2008−200698号公報JP 2008-200698 A 特開2008−200699号公報JP 2008-200699 A 特開2008−200700号公報JP 2008-200700 A 特開2009−028766号公報JP 2009-028766 A

I. Etsion, “Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing”, Tribology Lett. 17, 733 (2004).I. Etsion, “Improving tribological performance of mechanical components by laser surface texturing”, Tribology Lett. 17, 733 (2004).

上記の従来技術において、フェムト秒レーザーによるテクスチャリング加工装置では照射領域の被加工物表面と集光ビームの加工点の相対距離が常に一定になるようにビーム走査を行うことを特徴とする。   In the above prior art, the texturing apparatus using the femtosecond laser is characterized in that beam scanning is performed so that the relative distance between the surface of the workpiece in the irradiation region and the processing point of the focused beam is always constant.

本発明は、上記の従来技術が持つ問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、特に高速加工のためにビーム分岐をして或る加工領域を同時加工する際に必ずしも各加工点と集光レンズからの距離が一定にならない状態であっても、高精度、高効率、任意のパターン形成ができるようにした超短パルスレーザー加工装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the purpose thereof is not limited to each processing particularly when a certain region is simultaneously processed by branching a beam for high-speed processing. It is an object of the present invention to provide an ultrashort pulse laser processing apparatus capable of forming an arbitrary pattern with high accuracy, high efficiency even when the distance between the point and the condenser lens is not constant.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の超短パルスレーザー加工装置は、シードレーザーと再生増幅器からなる超短パルスレーザー光源装置と、超短パルス光を開閉する高速シャッターと、超短パルス光を複数のビームに分岐するビーム分岐手段と、ビーム走査手段と、集光レンズと、被加工物を保持し三次元の並進動作および回転動作をする走査手段と、被加工物の加工面の特性を加工前または加工中に観測するビジョン手段とを備えたこと、を特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, an ultrashort pulse laser processing apparatus of the present invention includes an ultrashort pulse laser light source device including a seed laser and a regenerative amplifier, a high-speed shutter that opens and closes ultrashort pulse light, and A beam branching means for splitting ultrashort pulse light into a plurality of beams, a beam scanning means, a condenser lens, a scanning means for holding a workpiece and performing a three-dimensional translation operation and a rotation operation, and a workpiece And a vision means for observing the characteristics of the processed surface before or during the processing.

本発明の超短パルスレーザー加工装置により、被加工物に対して高速・高精度・高効率に、かつ、任意のテクスチャリングパターン形成ができる。これにより、上記被加工物にテクスチャリング加工を施した摺動面は摩擦抵抗を極限まで減らすことが可能になり、内燃機関の燃費改善を最大限に図れる。内燃機関に限らず、各種機械装置の摺動部品、例えば走査用ステージやメカニカルシールに対して適用して、その摺動抵抗が低減できるという効果を奏する。   With the ultrashort pulse laser processing apparatus of the present invention, an arbitrary texturing pattern can be formed on a workpiece at high speed, high accuracy, and high efficiency. As a result, the sliding surface obtained by texturing the workpiece can reduce the frictional resistance to the utmost limit, thereby improving the fuel consumption of the internal combustion engine to the maximum. Not only the internal combustion engine, but also applied to sliding parts of various mechanical devices such as scanning stages and mechanical seals, the sliding resistance can be reduced.

本実施の形態にかかる超短パルスレーザー加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrashort pulse laser processing apparatus concerning this Embodiment. ピストンリング摺動外周面に超短パルスで形成したディンプルの観察写真である。It is the observation photograph of the dimple formed in the piston ring sliding outer peripheral surface by the ultrashort pulse. ビーム分岐手段の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a beam branching means. ピストンリングの形状と分岐した超短パルスビームの照射方法を説明する図である。It is a figure explaining the irradiation method of the shape of a piston ring and the branched ultrashort pulse beam. 本実施の形態にかかる超短パルスレーザー加工装置でディンプル加工を施したピストンリング摺動外周面の観察写真である。It is the observation photograph of the piston ring sliding outer peripheral surface which performed the dimple process with the ultrashort pulse laser processing apparatus concerning this Embodiment.

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる超短パルスレーザー加工装置の最良の形態を詳細に説明する。なお、以下において示す図面では、説明の便宜上、図面の各部材の縮尺を異ならせて記載してある場合がある。   The best mode of an ultrashort pulse laser processing apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings shown below, for convenience of explanation, the scales of the members of the drawings may be described differently.

図1は、本実施の形態にかかる超短パルスレーザー加工装置の構成を示す図である。超短パルスレーザー加工装置は、超短パルスレーザー光源装置1、単一光束であるシングルビーム2.1を開閉する高速シャッター3、レーザー光を任意パターンに分岐するビーム分岐手段4、レーザー光を高速かつ高精度で走査するビーム走査手段5、超短パルスレーザー光を集光する集光レンズ6、被加工物9を把持するチャック8、被加工物9を二次元方向に移動し、位置決めするX軸ステージ7.1、及び、Y軸ステージ7.2、被加工物9を円筒軸中心に回転する回転子7.3、超短パルスレーザー光集光点の光軸方向における被加工物9との距離を最適に調整するためのZ軸ステージ7.4、及び、分岐した超短パルスビーム2.2の加工位置と被加工物9の表面の相対距離を観察するビジョン装置10を備えて構成される。ビジョン装置10は、超短パルスレーザーの波長と異なる観察用波長光11によって被加工物9の表面を観察する。観察用波長光11は、超短パルスビーム2.2と同軸であるか非同軸であるかにこだわらない。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an ultrashort pulse laser processing apparatus according to the present embodiment. The ultra-short pulse laser processing apparatus includes an ultra-short pulse laser light source device 1, a high-speed shutter 3 that opens and closes a single beam 2.1 that is a single light beam, a beam branching means 4 that branches a laser beam into an arbitrary pattern, and a high-speed laser beam. A beam scanning means 5 that scans with high accuracy, a condenser lens 6 that condenses the ultrashort pulse laser beam, a chuck 8 that grips the workpiece 9, and a workpiece 9 that moves and positions in a two-dimensional direction X Axis stage 7.1, Y-axis stage 7.2, rotor 7.3 that rotates workpiece 9 about the cylindrical axis, workpiece 9 in the optical axis direction of the ultrashort pulse laser beam condensing point, and And a vision device 10 for observing the relative distance between the processing position of the branched ultrashort pulse beam 2.2 and the surface of the workpiece 9. Is done. The vision apparatus 10 observes the surface of the workpiece 9 with the observation wavelength light 11 different from the wavelength of the ultrashort pulse laser. The observation wavelength light 11 does not matter whether it is coaxial or non-coaxial with the ultrashort pulse beam 2.2.

被加工物9が内燃機関のピストン部に搭載されるピストンリングの場合について以降詳述するが、加工物は円筒形状の外周部にこだわらず、たとえば、シリンダーライナーの内壁を加工対象としても良い。また、被加工物9が円筒形状に限られることもなく、自由曲面のバルク形状であっても良い。   Although the case where the workpiece 9 is a piston ring mounted on the piston portion of the internal combustion engine will be described in detail later, the workpiece is not limited to the cylindrical outer peripheral portion, and for example, the inner wall of a cylinder liner may be processed. Further, the workpiece 9 is not limited to a cylindrical shape, and may be a free-form bulk shape.

X軸ステージ7.1、Y軸ステージ7.2、回転子7.3、及び、Z軸ステージ7.4は、CNC技術によって制御される。ビジョン装置10の観察結果を利用して高精度にピストンリングの外周面を位置決めし、回転動作の速度制御を行う。   The X-axis stage 7.1, the Y-axis stage 7.2, the rotor 7.3, and the Z-axis stage 7.4 are controlled by CNC technology. Using the observation result of the vision apparatus 10, the outer peripheral surface of the piston ring is positioned with high accuracy, and the speed control of the rotation operation is performed.

加工対象であるピストンリングは例えば金属製であり、外周部には耐摩耗性や耐スカッフ性を高めるためのコーティングがなされている場合がある。コーティングには例えばCr−N系皮膜、Cr−B−N系皮膜、Ti−N系皮膜、W−Ni系硬質炭素皮膜、Si系硬質炭素皮膜があげられる。ピストンリングには、一般にトップリング、セカンドリング、オイルリングの3種があるが、本発明では主にトップリングを対象に発明の効果を実証したが、本発明にかかる装置の適用はそれに限らない。ピストンリングの摺動面である外周面はバレル型(樽状曲面)や傾斜型などがある。   The piston ring to be processed is made of, for example, metal, and the outer peripheral portion may be coated to improve wear resistance and scuff resistance. Examples of the coating include a Cr—N-based film, a Cr—B—N-based film, a Ti—N-based film, a W—Ni-based hard carbon film, and a Si-based hard carbon film. There are generally three types of piston rings, a top ring, a second ring, and an oil ring. In the present invention, the effects of the invention have been demonstrated mainly for the top ring, but the application of the device according to the present invention is not limited thereto. . The outer peripheral surface, which is the sliding surface of the piston ring, includes a barrel type (barrel-shaped curved surface) and an inclined type.

超短パルスレーザー光源装置1は、シードレーザー1.1、及び、再生増幅器1.2を備えて構成される。シードレーザー1.1は、チャープパルスを発生するシミラリトンレーザー、又は、ゲインスイッチレーザーダイオード(LD)と、その前置増幅器からなる光源装置である。   The ultrashort pulse laser light source device 1 includes a seed laser 1.1 and a regenerative amplifier 1.2. The seed laser 1.1 is a light source device including a similariton laser that generates a chirp pulse or a gain-switched laser diode (LD) and a preamplifier thereof.

再生増幅器1.2に注入するこれらシードレーザー1.1の種パルス光は、数10ピコ秒から数100ピコ秒に線形チャープしており、再生増幅器1.2の出力後に圧縮することで1ピコ秒ないし10ピコ秒で、平均パワー10W級以上の高出力が得られる。超短パルスレーザー光のパルス幅が1〜10ps(ピコ秒)であって、被加工物9の材質が誘電体、半導体、金属いずれであってもレーザー照射部境界において非熱的加工を行う。   The seed pulse light of these seed lasers 1.1 injected into the regenerative amplifier 1.2 is linearly chirped from several tens of picoseconds to several hundreds of picoseconds. A high output with an average power of 10 W or more can be obtained in seconds to 10 picoseconds. Even if the pulse width of the ultrashort pulse laser beam is 1 to 10 ps (picoseconds) and the material of the workpiece 9 is a dielectric, a semiconductor, or a metal, non-thermal processing is performed at the laser irradiation portion boundary.

シードレーザー1.1に、ファイバーレーザーでモードロックシミラリトンパルスを発生する構成の装置を使用することができる。出力パルス幅は20psであるが線形チャープしており、ファイバーブラッググレーティングで圧縮し、1psにした状態で再生増幅器1.2に注入する。Yb:YAG結晶の利得幅でスペクトル幅が狭窄し、再生増幅後のパルス幅は3ピコ秒となって出力される。シードレーザー1.1はモードロックを安定化させるためにカーボンナノチューブ可飽和吸収変調器を搭載しており安定したシードパルスを供給する。   An apparatus configured to generate a mode-locked similariton pulse with a fiber laser can be used as the seed laser 1.1. Although the output pulse width is 20 ps, it is linearly chirped, compressed with a fiber Bragg grating, and injected into the regenerative amplifier 1.2 in a state of 1 ps. The spectrum width is narrowed by the gain width of the Yb: YAG crystal, and the pulse width after reproduction amplification is output at 3 picoseconds. The seed laser 1.1 is equipped with a carbon nanotube saturable absorption modulator to stabilize the mode lock, and supplies a stable seed pulse.

一方、シードレーザー1.1に、ゲインスイッチレーザーダイオードを使うことができ、その場合、再生増幅器1.2の出力においてパルス幅は6ピコ秒である。   On the other hand, a gain-switched laser diode can be used for the seed laser 1.1, in which case the pulse width at the output of the regenerative amplifier 1.2 is 6 picoseconds.

再生増幅器1.2の利得媒質にはYb:YAG結晶が使われており、パルス幅1〜10ピコ秒のパルス光を発生する。中心波長は1030nm、その平均パワーは20Wから100W程度、パルス発生の繰り返し周波数は10kHzから1000kHz程度、パルスエネルギーは100μJから1mJ程度である。レーザーパルスの光偏光の向きは直線偏光である。   A Yb: YAG crystal is used as the gain medium of the regenerative amplifier 1.2 and generates pulsed light having a pulse width of 1 to 10 picoseconds. The center wavelength is 1030 nm, the average power is about 20 W to 100 W, the pulse generation repetition frequency is about 10 kHz to 1000 kHz, and the pulse energy is about 100 μJ to 1 mJ. The direction of light polarization of the laser pulse is linear polarization.

図2はピストンリングの外周摺動部に3ピコ秒の超短パルスレーザーを照射して形成したディンプル加工の事例を示した。加工条件は50kHzで発生する超短パルスビームを20ミリ秒の間のみ、すなわち1000パルスを一つのディンプルに照射した。図2(a)は光学顕微鏡写真、同(b)はレーザー顕微鏡による等高線図(色分け)、同(c)は断面形状図である。ディンプルサイズは、直径23μm、深さ10μm、ディンプル間ピッチは40μm、面積充填率49%である。本ピストンリングでは窒化クロム(CrN)の表面コーティングが厚み約20μmの層として付与されている。図2(c)において加工周辺部に従来のレーザー加工時に発生するデブリ堆積や溶融由来のバリ(突起形状)は極めて小さく、非熱的加工が実証されている。ディンプル周辺に加工によって突起が生じた場合、その高さは1μm以下が望ましいが、本加工においては、突起高さは0.1μm以下であった。   FIG. 2 shows an example of dimple processing formed by irradiating the outer periphery sliding portion of the piston ring with an ultrashort pulse laser of 3 picoseconds. The processing conditions were that an ultrashort pulse beam generated at 50 kHz was irradiated for 20 milliseconds, that is, 1000 pulses were applied to one dimple. 2A is an optical micrograph, FIG. 2B is a contour map (color-coded) by a laser microscope, and FIG. 2C is a sectional view. The dimple size has a diameter of 23 μm, a depth of 10 μm, a pitch between dimples of 40 μm, and an area filling rate of 49%. The piston ring is provided with a chromium nitride (CrN) surface coating as a layer having a thickness of about 20 μm. In FIG. 2 (c), debris deposition and melting-derived burrs (projection shape) generated during conventional laser processing are extremely small in the processing peripheral portion, and non-thermal processing has been demonstrated. When protrusions are generated around the dimples by machining, the height is desirably 1 μm or less, but in this machining, the height of the protrusions was 0.1 μm or less.

超短パルスレーザーのパルスビームは、高速シャッター3によりパルス毎に被加工物9に照射、非照射を設定できる。高速シャッター3は電気光変調器か音響光変調器を使用する。電気光変調器について詳述すると、非線形光学結晶ベータバリウムボレート結晶(BBO)を搭載したポケルスセルと偏光子からなる。ポケルスセルにパルス電圧を印加すると偏光の向きが変化し、偏光子によって被加工物9に照射するビーム軌道に導かれる。偏光子は例えばTFP(Thin Film Polarizer)を用いることができる。   The pulse beam of the ultrashort pulse laser can be set to irradiate or not irradiate the workpiece 9 for each pulse by the high-speed shutter 3. The high-speed shutter 3 uses an electro-optic modulator or an acousto-optic modulator. The electro-optic modulator will be described in detail. The electro-optic modulator includes a Pockels cell mounted with a nonlinear optical crystal beta-barium borate crystal (BBO) and a polarizer. When a pulse voltage is applied to the Pockels cell, the direction of polarized light is changed and guided to the beam trajectory that irradiates the workpiece 9 by the polarizer. For example, TFP (Thin Film Polarizer) can be used as the polarizer.

ビーム分岐手段4は、DOE(Diffractive Optical Elements、回折光学素子)、または、空間位相変調器(たとえばLiquid crystal on silicon:LCOS)とその前後にビーム整形光学素子を配置したものである。図3は、ビーム分岐手段4の構成を示す図である。具体的には、ビーム分岐手段4にDOEを用いて、レーザー光を4分岐するビーム分岐手段4の装置構成事例を示している。   The beam branching unit 4 includes a DOE (Differential Optical Elements) or a spatial phase modulator (for example, Liquid crystal on silicon: LCOS) and a beam shaping optical element disposed before and after the spatial phase modulator (LCOS). FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the beam branching means 4. Specifically, an apparatus configuration example of the beam branching unit 4 that splits the laser light into four by using DOE as the beam branching unit 4 is shown.

単一光束であるシングルビーム(単一ビームの超短パルスビーム)2.1は、補正光学系4.1で収差などを矯正し、軸対象のビームとしてビームエキスパンダ4.2でビーム径を10mmに調整する。DOE4.3を透過したビームは回折しながら4分岐するので、それらを像リレー光学系4.4によって後段のビーム走査手段5に伝送する。図3(a)には4分岐した超短パルスビーム2.2を集光照射して形成したディンプル加工の光学顕微鏡像を示す。ディンプル径は40μm、ディンプル間ピッチは100μmである。   Single beam (single beam ultrashort pulse beam) 2.1, which is a single beam, corrects aberrations etc. with correction optical system 4.1, and uses beam expander 4.2 as the beam for the axis. Adjust to 10 mm. Since the beam transmitted through DOE 4.3 is branched into four while being diffracted, they are transmitted to the subsequent beam scanning means 5 by the image relay optical system 4.4. FIG. 3A shows an optical microscope image of dimple processing formed by condensing and irradiating four-branched ultrashort pulse beam 2.2. The dimple diameter is 40 μm and the pitch between the dimples is 100 μm.

ビーム分岐手段4に空間位相変調器(Spatial Light Modulator:SLM)のうち液晶型であるLCOSを搭載することができる。シリコン基板と対向する透明基板の間に液晶を挟みこむ構造であって、シリコン基板側には液晶駆動回路と画素電極を設け、透明基板と液晶層を通過したレーザー光は、画素電極にて反射される。反射されたレーザー光は空間位相変調されることで、集光レンズを通過することによりレーザー照射点において任意のパターンに整形される。目標とするレーザー照射パターンを逆フーリエ変換することで空間位相変調のパターンが決定される。この逆フーリエ変換の最適化には例えば、GS(Gerchber−Saxton)アルゴリズムを使うことができる。LCOSでは分岐するビームの拡がり角を各ビームに設定することができ、同一のfθレンズでこれら分岐されたビームを集光すると集光点の位置を任意に変えることができる。   An LCOS that is a liquid crystal type among spatial phase modulators (SLMs) can be mounted on the beam branching unit 4. A structure in which liquid crystal is sandwiched between a transparent substrate opposite to a silicon substrate. A liquid crystal driving circuit and a pixel electrode are provided on the silicon substrate side, and laser light that has passed through the transparent substrate and the liquid crystal layer is reflected by the pixel electrode. Is done. The reflected laser light is spatially phase-modulated, and is shaped into an arbitrary pattern at the laser irradiation point by passing through the condenser lens. A spatial phase modulation pattern is determined by inverse Fourier transform of the target laser irradiation pattern. For example, a GS (Gerber-Saxton) algorithm can be used for optimization of the inverse Fourier transform. In LCOS, the divergence angle of the branched beam can be set for each beam, and when the branched beam is condensed by the same fθ lens, the position of the condensing point can be arbitrarily changed.

ビーム分岐手段4は分岐した1個以上のビーム集光点を加工表面との相対位置データに応じて、ビーム波面の位相を制御する。そして分岐したビームそれぞれが適切に加工面を照射し、同時に複数の多点加工を行う。集光されたビームの加工点と表面との相対位置に関する情報を得るためにビジョン手段(ビジョン装置10)を搭載する。被加工物の製造時に取得される物理データを活用する場合、被加工物一つ一つの位置情報を得る必要が無い場合がある。   The beam branching unit 4 controls the phase of the beam wavefront according to the relative position data of one or more branched beam condensing points with the processing surface. Each of the branched beams appropriately irradiates the processing surface and simultaneously performs a plurality of multi-point processing. A vision means (vision device 10) is mounted in order to obtain information on the relative position between the processing point of the focused beam and the surface. When utilizing physical data acquired at the time of manufacturing a workpiece, it may not be necessary to obtain position information for each workpiece.

ビーム分岐手段4がDOEの場合には、一つのDOEで一つのビーム配列を形成する。また、ビーム分岐手段4が空間位相変調器の場合にはビーム配列と位相制御をプログラムすることができるので、異なる表面形状に様々なディンプル配列を形成することができる。加工表面の限定された領域のみを、ビーム分岐手段4とチャック8(固定具)との連携した被加工物の移動によって加工する。   When the beam branching means 4 is a DOE, one beam array is formed by one DOE. When the beam branching means 4 is a spatial phase modulator, the beam arrangement and phase control can be programmed, so that various dimple arrangements can be formed on different surface shapes. Only a limited area of the processing surface is processed by moving the workpiece in cooperation with the beam branching means 4 and the chuck 8 (fixing tool).

ビーム走査手段5には2次元でのレーザー光走査を行える2軸のガルバノスキャナーを用いる。ガルバノスキャナーは高精度で動作させるためにエンコーダーを搭載したデジタル制御であることが好ましい。集光レンズ6にはテレセントリックfθレンズを使用することで、分岐された複数の超短パルスビーム2.2はほぼ平行なビーム軸を有し、設計された間隔で被加工物9の表面を照射する。   As the beam scanning means 5, a biaxial galvano scanner capable of two-dimensional laser beam scanning is used. The galvano scanner is preferably digitally controlled with an encoder in order to operate with high accuracy. By using a telecentric fθ lens as the condenser lens 6, the plurality of branched ultrashort pulse beams 2.2 have substantially parallel beam axes and irradiate the surface of the workpiece 9 at a designed interval. To do.

ガルバノスキャナーのミラー材質としてBe、SiC、SiOがあげられるが、ミラーの面精度が高いSiOであれば高出力ビームの使用でミラーが変形することがないので、fθレンズの集光照射可能な視野限界まで形状安定性の高い、ほぼ均一なディンプル形状を形成できる。 It is as a mirror material of the galvano scanner, SiC, although SiO 2 and the like, since the mirror with the use of high power beams if surface accuracy of the mirror is a high SiO 2 is not deformed, the fθ lens condenser can be irradiated It is possible to form a substantially uniform dimple shape having a high shape stability up to the limit of visual field.

図4は、ピストンリングの形状と分岐した超短パルスビームの照射方法を説明する図である。図4では、ピストンリング30の摺動面と分岐した超短パルスビームを集光した照射点の位置関係を示している。ピストンリング30の摺動面はバレル型で中央が凸の曲面であり、そこにSLMで超短パルスビーム2.1を分岐した複数の超短パルスビーム2.2がfθレンズによって集光して照射されている。ピストンリング30のサイズはおよそ最外直径が90mmであり、リングの厚みは1.2mmである。バレル型摺動面31の高低差はおよそ200μmあり、分岐ビームはこれらの高低差を補償するようにSLMによって各ビームの拡がり角が矯正される。SLMがLCOSである場合にはおよそ50Hzでそのパターンを変更することができるので、摺動面全体をディンプルで埋め尽くす場合に回転周回ごとに加工の軌道を変えつつ、LCOSによって分岐ビームの加工パラメータを変化させることができる。その加工の様子を図4(c)に示した。図4中の分岐ビーム32(軌道1)から分岐ビーム33(軌道N)までの軌道数は摩擦低減機能に合わせて設計可能である。Nは1以上を表しており、N=1の場合は、1周回だけピストンリング30を回転させディンプル加工を行うことを示す。   FIG. 4 is a diagram illustrating the shape of the piston ring and the irradiation method of the branched ultrashort pulse beam. FIG. 4 shows the positional relationship between the sliding surface of the piston ring 30 and the irradiation point where the branched ultrashort pulse beam is condensed. The sliding surface of the piston ring 30 is a barrel-shaped curved surface having a convex center, and a plurality of ultrashort pulse beams 2.2 branched from the ultrashort pulse beam 2.1 by the SLM are condensed by an fθ lens. Irradiated. The size of the piston ring 30 is approximately 90 mm at the outermost diameter, and the thickness of the ring is 1.2 mm. The height difference of the barrel-type sliding surface 31 is about 200 μm, and the divergent beam is corrected for the divergence angle of each beam by the SLM so as to compensate for the height difference. When the SLM is LCOS, the pattern can be changed at about 50 Hz. Therefore, when the entire sliding surface is filled with dimples, the processing parameters of the branch beam are changed by the LCOS while changing the processing trajectory for each rotation. Can be changed. The state of the processing is shown in FIG. The number of orbits from the branch beam 32 (orbit 1) to the branch beam 33 (orbit N) in FIG. 4 can be designed according to the friction reducing function. N represents 1 or more, and N = 1 indicates that the dimple processing is performed by rotating the piston ring 30 only once.

超短パルスレーザー装置1から出力されたシングルビーム2.1が、高速シャッター3、ビーム分岐手段4、ビーム走査手段5、fθレンズを透過してピストンリング30に照射されるまでのスループット効率はおよそ50%であった。加工のため照射されるパルスエネルギーの総量が200μJのとき、SLMによって7×7の配置で、分岐ビーム一本あたりの照射エネルギーを約4μJにして、ディンプル加工を行うことができた。   The throughput efficiency until the single beam 2.1 output from the ultrashort pulse laser device 1 passes through the high-speed shutter 3, the beam branching means 4, the beam scanning means 5, and the fθ lens and is irradiated onto the piston ring 30 is approximately 50%. When the total amount of pulse energy irradiated for processing was 200 μJ, dimple processing could be performed with an SLM of 7 × 7 and an irradiation energy per branch beam of about 4 μJ.

図5は、本実施の形態にかかる超短パルスレーザー加工装置でディンプル加工を施したピストンリング摺動外周面の観察写真である。具体的には、ディンプル加工を施したピストンリング30の摺動外周面の光学顕微鏡写真を示す。図5(a)の周辺部と図5(b)のバレル中央部で異なる加工パラメータでディンプル配列を形成しており、面積占有率はそれぞれ20%、4%、ディンプル直径はそれぞれ20μm、10μmである。周回ごとにSLMのプログラムを変えた結果である。本ディンプル加工ではピストンリング30の一個あたりの加工時間は30秒以下であり、本発明の課題である、高精度、高効率、任意のパターン形成を実証した。   FIG. 5 is an observation photograph of the piston ring sliding outer peripheral surface that has been dimple processed by the ultrashort pulse laser processing apparatus according to the present embodiment. Specifically, an optical micrograph of the sliding outer peripheral surface of the piston ring 30 subjected to dimple processing is shown. A dimple array is formed with different processing parameters in the peripheral portion of FIG. 5A and the barrel central portion of FIG. 5B, the area occupancy is 20% and 4%, respectively, and the dimple diameter is 20 μm and 10 μm, respectively. is there. This is the result of changing the SLM program for each lap. In this dimple processing, the processing time per piston ring 30 is 30 seconds or less, and high accuracy, high efficiency, and arbitrary pattern formation, which are the problems of the present invention, have been demonstrated.

ピストンリング30は、オイル消費に悪影響を与える摺動面の上部にはディンプル加工を施さず、負荷容量が要求されるバレル中央部のディンプルの面積割合を低くし、負荷容量、及び、オイル消費には影響が少なく、かつ摩擦低減効果が得られると思われる摺動面下部(周辺部)には高い面積割合でディンプル加工を施している。   The piston ring 30 is not subjected to dimple processing on the upper part of the sliding surface that adversely affects oil consumption, and the area ratio of the dimple at the center of the barrel where load capacity is required is reduced to reduce load capacity and oil consumption. Has a small area, and the dimple processing is performed at a high area ratio on the lower part (peripheral part) of the sliding surface, which is considered to have a friction reducing effect.

表1にディンプル加工する前のピストンリングと加工後のピストンリングの摩擦力測定結果を示した。摩擦力の測定対象として、燃費に直接影響を与える摩擦平均有効圧(Friction Mean Effective Pressure:FMEP)とした。FMEPとはピストンの摩擦仕事の総和を行程容積(排気量)で除した値であり、ピストンの摩擦損失の大小を表す。利点は排気量によらず摩擦損失の比較ができることで、筒内圧による仕事を行程容積で除した値である平均有効圧と比較ができることから、このような値を指標として使うのが妥当と判断した。3つの回転スピード1500、2000、2500rpmにおいて、低速側で今回のテクスチャリング加工の効果が得られた。境界潤滑領域から混合潤滑領域において好適な摩擦低減状態を実証した。   Table 1 shows the measurement results of the frictional force between the piston ring before dimple processing and the piston ring after processing. A friction mean effective pressure (FMEP) that directly affects fuel consumption was used as a measurement target of the friction force. FMEP is a value obtained by dividing the total friction work of the piston by the stroke volume (displacement), and represents the magnitude of piston friction loss. The advantage is that the friction loss can be compared regardless of the displacement, and it can be compared with the average effective pressure, which is the value obtained by dividing the work due to the in-cylinder pressure by the stroke volume. did. At three rotation speeds of 1500, 2000 and 2500 rpm, the effect of the texturing process this time was obtained on the low speed side. A suitable friction reduction state was demonstrated from the boundary lubrication region to the mixed lubrication region.

レーザー光軸方向におけるレーザー照射点とピストンリング外周面の相対距離調整は、集光レンズおよびガルバノスキャナーの位置を変化させることで可能である。DOEやSLMと相互補完する加工動作ができる。その相対距離の調整には図1中のZステージ7.4を用いる。さらに、ガルバノスキャナーに入射させるレーザー光の発散角を2枚以上のレンズにより構成されるコリメーターを設置することにより変化させることでも、レーザー光軸方向におけるレーザー照射点の高さ調整は可能である。いずれの方法を採るか被加工物に対する単位加工時間である分岐ビームによる加工時間を考慮して決定される。   The relative distance between the laser irradiation point and the piston ring outer peripheral surface in the laser optical axis direction can be adjusted by changing the positions of the condenser lens and the galvano scanner. Processing operations that complement each other with DOE and SLM are possible. The Z stage 7.4 in FIG. 1 is used for adjusting the relative distance. Furthermore, the height of the laser irradiation point in the laser optical axis direction can be adjusted by changing the divergence angle of the laser light incident on the galvano scanner by installing a collimator composed of two or more lenses. . Which method is adopted is determined in consideration of the processing time by the branch beam, which is the unit processing time for the workpiece.

ビームスポットは円形に限らず、自由な形状を与えることができ、ビームスキャン手段に高速なガルバノスキャナーを使用しDOE、SLMと補完動作を行えば、長円や十字型などのディンプル加工が可能である。   The beam spot is not limited to a circle but can be given any shape. If a high-speed galvano scanner is used as the beam scanning means and complementary operation is performed with DOE and SLM, dimple processing such as an ellipse or cross shape is possible. is there.

以上、本発明の実施例を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。   The embodiments of the present invention have been described above. Obviously, modifications may be made to the invention without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims.

本発明は摺動部における摩擦低減を目的とした、摺動部の表面テクスチャリング加工に適用できる。   The present invention can be applied to surface texturing of a sliding part for the purpose of reducing friction at the sliding part.

1 超短パルスレーザー装置
1.1 シードレーザー
1.2 再生増幅器
2.1 シングルビーム
2.2 超短パルスビーム
3 高速シャッター
4 ビーム分岐手段
4.1 補正光学系
4.2 ビームエキスパンダ
4.3 DOE(回折光学素子)
4.4 像リレー光学系
5 ビーム走査手段
6 集光レンズ
7.1 X軸ステージ
7.2 Y軸ステージ
7.3 回転子
7.4 Z軸ステージ
8 チャック
9 被加工物
10 ビジョン装置
11 観察用波長光
30 ピストンリング
31 バレル型摺動面
32 分岐ビーム(軌道1)
33 分岐ビーム(軌道N)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrashort pulse laser apparatus 1.1 Seed laser 1.2 Reproduction amplifier 2.1 Single beam 2.2 Ultrashort pulse beam 3 High speed shutter 4 Beam branching means 4.1 Correction optical system 4.2 Beam expander 4.3 DOE (diffractive optical element)
4.4 Image relay optical system 5 Beam scanning means 6 Condensing lens 7.1 X-axis stage 7.2 Y-axis stage 7.3 Rotor 7.4 Z-axis stage 8 Chuck
9 Workpiece 10 Vision device 11 Wavelength light for observation 30 Piston ring 31 Barrel type sliding surface 32 Branch beam (orbit 1)
33 Branch beam (orbit N)

Claims (8)

シードレーザーと再生増幅器からなる超短パルスレーザー光源装置と、
超短パルス光を開閉する高速シャッターと、
前記超短パルス光を複数のビームに分岐するビーム分岐手段と、
ビーム走査手段と、
集光レンズと、
被加工物を保持し三次元の並進動作および回転動作をする走査手段と、
前記被加工物の加工面の特性を加工前または加工中に観測するビジョン手段と
を備えたこと、を特徴とする被加工物の自由表面を高速でパターン加工可能な超短パルスレーザー加工装置。
An ultrashort pulse laser light source device comprising a seed laser and a regenerative amplifier;
A high-speed shutter that opens and closes ultra-short pulse light,
Beam branching means for branching the ultrashort pulse light into a plurality of beams;
Beam scanning means;
A condenser lens;
Scanning means for holding a workpiece and performing three-dimensional translation and rotation;
An ultrashort pulse laser machining apparatus capable of patterning a free surface of a workpiece at high speed, comprising vision means for observing characteristics of a machining surface of the workpiece before or during machining.
前記超短パルス光のパルス幅は1〜10psであって、前記被加工物へのレーザー照射部境界において熱影響が小さくなるパルス幅領域にあること、を特徴とする請求項1に記載の超短パルスレーザー加工装置。   The pulse width of the ultrashort pulse light is 1 to 10 ps, and is in a pulse width region in which a thermal influence is reduced at a laser irradiation portion boundary to the workpiece. Short pulse laser processing equipment. 前記被加工物は内燃機関における摺動摩擦表面を有する部品であること、を特徴とする請求項1又は2に記載の超短パルスレーザー加工装置。   3. The ultrashort pulse laser processing apparatus according to claim 1, wherein the workpiece is a part having a sliding friction surface in an internal combustion engine. 前記自由表面が集光ビームに対して傾斜していること、を特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超短パルスレーザー加工装置。   The ultrashort pulse laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the free surface is inclined with respect to the focused beam. 前記ビーム分岐手段は、回折光学素子または空間位相変調器と、それらいずれかに好適なビーム整形光学系からなること、を特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の超短パルスレーザー加工装置。   The ultrashort pulse according to any one of claims 1 to 4, wherein the beam branching unit includes a diffractive optical element or a spatial phase modulator and a beam shaping optical system suitable for either of them. Laser processing equipment. 前記シードレーザーは、シミラリトンレーザーまたはゲインスイッチレーザーダイオードと、それらの前置増幅器を含むシード光発生手段であること、を特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超短パルスレーザー加工装置。   6. The ultrashort according to claim 1, wherein the seed laser is a seed light generation unit including a similariton laser or a gain-switched laser diode and a preamplifier thereof. Pulse laser processing equipment. 前記摺動摩擦表面を有する部品がピストンリングであって、その摺動外周面の面領域の一部または全部に、同一とは限らない配列かつ円形とは限らないディンプル加工を行うこと、を特徴とする請求項3に記載の超短パルスレーザー加工装置。   The part having the sliding friction surface is a piston ring, and a dimple process that is not necessarily the same and is not necessarily circular is performed on a part or all of the surface area of the sliding outer peripheral surface. The ultrashort pulse laser processing apparatus according to claim 3. 前記ピストンリングは、オイル消費に悪影響を与える摺動面の上部にはディンプル加工を施さず、負荷容量が要求されるバレル中央部および、負荷容量、及び、オイル消費には影響が少なく、かつ摩擦低減効果が得られると思われる摺動面下部にディンプル加工を施してあること、を特徴とする請求項7に記載の超短パルスレーザー加工装置。   The piston ring does not have dimple processing on the upper part of the sliding surface that adversely affects oil consumption, the barrel center where load capacity is required, load capacity, and less impact on oil consumption, and friction 8. The ultrashort pulse laser processing apparatus according to claim 7, wherein dimple processing is applied to a lower portion of the sliding surface that is considered to have a reduction effect.
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