JP2024501650A - 材料を液体に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は目標（Ｔａｒ）を液体（Ｌｉｑ）に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理するシステム（１０）に関し、本システムは、１ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間及びある波長を有するビーム（Ｂ）を生成するパルスレーザーと、焦点距離を有し、目標（Ｔａｒ）の表面（Ｓｔ）にビーム（Ｂ）を集光すべく構成された集光素子（ＣＯＤ）（当該集光素子に入射するレーザービーム（Ｂ）は直径（Ｄ）を有している）と、屈折率ｎを有する前記液体で満たされたタンク（ＴＫ）とを含み、目標の表面（Ｓｔ）でのビームの直径（Ｄ）の所望の値が所定であってＤｓｔと表記され、ビーム（Ｂ）が目標（Ｔａｒ）の表面（Ｓｔ）に達する前に通過する液体（Ｌｉｑ）の厚さ（ｅ）が、液体の表面でのレーザー強度（Ｉｓｌ）が目標の表面でのレーザー強度（Ｉｓｔ）を２で除算した値以下になるように選択されている。

Description

本発明は、処理対象である目標の表面に閉じ込められたプラズマの生成に基づき、材料に衝撃波を生じさせるレーザー衝撃による材料処理の分野に関する。

レーザー衝撃は、極めて高い圧力のプラズマを生じさせるべく目標（典型的には金属又は複合材料）にエネルギーを急激に印加できるようにするレーザー方法である。本方法により極めて強い衝撃波（ＧＰａオーダーの圧力）が生成されて様々な応用が可能になる。

本技術分野で公知のレーザー衝撃処理を実行するシステム５の一例を図１に示す。当該システム５は、パルスＬＰの形式でビームＢを生成するパルスレーザーＬと、処理対象である目標Ｔａｒの表面にビームＢを集光すべく構成された焦点距離ｆの集光素子ＣＯＤとを含んでいる。従来、上述の応用では目標表面の閉じ込め媒体との界面でミリメートルのオーダー（典型的には０．３ｍｍ～１０ｍｍ）のビーム径が求められるため、目標は素子ＣＯＤの焦点面には配置されない。

レーザーは、レーザーアブレーションにより極めて高い圧力のプラズマＰＬｃｏｎｆを生成する。レーザーアブレーションされた表面に閉じ込め媒質が置かれる。最も一般的且つ産業上実用的な閉じ込めは、レーザーに対して透過的な媒体（水、他のレーザー透過性液体、石英、ポリマー接着テープ等）の薄層ＣＬであり、厚さは典型的に１～数ｍｍである。閉じ込め状態によりプラズマの圧力及び目標への印加の持続時間を大幅に増大させることが可能になる。任意選択的に、処理対象である目標に熱保護コーティングＨＰＣが堆積される。このシステムにより、圧力がＧＰａのオーダーである極めて強い衝撃波ＯＣが生成されるため、様々な応用が可能になる。

レーザーと材料の相互作用及びレーザー衝撃処理については、例えば以下の文献に記述されている。
－ Ｓｏｌｌｉｅｒ他：“Ｌａｓｅｒ－ｍａｔｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，Ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ Ｍａｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＳＰＩＥ ｎ° ４８３１，ｐａｇｅｓ ４６３－４６７（２００３）、
－ Ｊ．Ｔ Ｗａｎｇ他：“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ７０７５ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ”、Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ & Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ６４７ ｐａｇｅｓ ７－１４（２０１５）。

プラズマ、従って衝撃波を処理の適用に良好な状態で生成するには０．３～１０ｍｍのサイズに応じて典型的に１ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τ、及び０．５～１０ＪのエネルギーＥで目標に集光されるレーザーを用いるべきであり、これらの異なるパラメータは目標とする応用に応じて選択されている。

主な応用は以下の通りである。
－ レーザー衝撃接着及び分解試験（ＬＡＳＡＴ－ＬＡｓｅｒ Ｓｈｏｃｋ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ）。時間をずらされ、試験対象又は分解対象のアセンブリの接合部で合流する２個のレーザーパルスにより２個の衝撃波を生成し、強い引張ひずみを要する（参考文献：Ｂｅｒｔｈｅ他：“Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｓｅｒ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ（ＬＡＳＡＴ）”，Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３－４，ｐａｇｅｓ ３０３－３１７（２０１１））、
－ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ（ＬＳＰ－Ｌａｓｅｒ Ｓｈｏｃｋ Ｐｅｅｎｉｎｇ）による表面強化。プラズマにより印加されて衝撃波を介して目標に伝達された高圧により目標を塑性化してその特性（強度、寿命等）を向上させることができる（参考文献：Ｍｏｎｔｒｏｓｓ他：“Ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙｓ：ａ ｒｅｖｉｅｗ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ ２４，ｐａｇｅｓ １０２１－１０３６（２００２）、
－ 高圧下での材料の特性評価。

これらの応用は、主に科学研究、及び航空、原子力、海軍等、産業活動に異なる分野に関連している。

これらのシステムで重要なパラメータは、生成される圧力がレーザー強度の平方根に比例するためＧＷ／ｃｍ^２で表される目標に照射される出力密度又は強度Ｉである（例えば、Ｆａｂｂｒｏ他による文献“Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｐｌａｓｍａ ｉｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，６８（２），ｐａｇｅｓ ７７５－７８４（１９９０）参照）。

レーザー強度Ｉ（ＧＷ／ｃｍ^２）は次式により定義される：

ここにＥはパルス当たりレーザーエネルギー（Ｊ）、τはレーザーパルス持続時間（ｎｓ）、及びＳはレーザー照射面積（ｃｍ^２）である。

しかし、閉じ込めの表面で生じる絶縁破壊機構を貫通して目標に伝達されるレーザー強度が飽和するため、目標を照射するレーザー強度を高めて生成される圧力を無限に増大させることは不可能である。実際、レーザー衝撃においてレーザーと物質を相互作させる方式には、二つの異なる種類のプラズマが含まれる。すなわち目標の表面、すなわち図１に示す目標と閉じ込め液の界面で生じる閉じ込めプラズマＰＬｃｏｎｆ、及び図２に示す閉じ込め媒質のイオン化現象に起因して液体の表面で生じる絶縁破壊プラズマＰＬｂｋ／ｓである。

この絶縁破壊プラズマについては、例えばＳｏｌｌｉｅｒ他による文献“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”，Ｅｕｒ．Ｐｈｙｓ．ＡＰ、ｖｏｌ．１６，ｐａｇｅｓ１３１－１３９（２００１）で考慮されている。

出現する絶縁破壊プラズマＰＬｂｋ／ｓはレーザー放射に対して不透過性であるため、レーザーパルスに含まれる残りのエネルギーを吸収する。この絶縁破壊現象の結果、閉じ込めレーザー衝撃により目標を照射する最大強度は、閉じ込め媒質中の絶縁破壊閾値強度により制約される。この現象は、上記文献の図５で見ることができる。Ｉｂｋと称する約８ＧＷ／ｃｍ^２（例えば、λ＝１０６４ｎｍ、τ＝２５ｎｓ）の閉じ込め媒質（ここでは水）の表面への閾値入射強度を超えると、入射強度が増大する一方で閉じ込め媒質により透過されるパルスの強度は飽和する。

その結果、レーザー衝撃により生じる最大圧力が制約される。水の層の厚さは使用する焦点距離に比べて小さい（例えば厚さ１～３ｍｍに対して焦点距離が３００～５００ｍｍ）、目標の表面での強度Ｉｓｔは水の表面での強度Ｉｓｌと実質的に等しいため、目標の表面に印加できる最大強度も８ＧＷ／ｃｍ^２であると考えることができる。この印加強度８ＧＷ／ｃｍ^２では、５～１５ｎｓのパルス持続時間内にレーザー衝撃により得られる最大圧力は約８ＧＰａである。

特定の堅牢又は厚い組立物を分解できるためには、今日レーザー衝撃で得られる圧力は低過ぎる。同様に、レーザーピーニングにより目標を最適に強化するには一般に降伏強度の２．５倍を超える圧力が必要であるため、現在の圧力では全ての材料、特に最も堅牢な材料を処理できるようにならない。

従って、最大圧力値を増大できれば、存在する未だ満たされていないニーズに対応することが可能になろう。

目標に対する圧力を増大させるいくつかの解決策が現在可能である。

レーザーパルス持続時間の短縮。
所与の閉じ込め媒体内において、絶縁破壊閾値レーザー強度Ｉｐｋはレーザーパルス持続時間

に逆比例することが文献（実験的及び理論的）に示されている。従って、目標を照射する最大レーザー強度（従って生じる最大圧力）を増大させる一つの解決策は、絶縁破壊閾値強度が増大するため、使用するレーザーシステムのパルス持続時間を短縮することである。

しかし、この解決策はプラズムにより生成される最大圧力を増大させることはできるが、視認性と利用性の問題が生じる。実際、衝撃波の持続時間はレーザーパルスの持続時間に依存（レーザーパルスの持続時間の約２倍）し、持続時間が短いほど衝撃波の減衰が大きい。このように生成された衝撃波は（レーザーパルスの持続時間が短縮されたため）処理された目標でより早く減衰し、従って（表面ではなく材料の中心における）「有用な」圧力は増大せずにむしろ減少してしまう。

いわゆる直接方式の使用。
第２の解決策は、閉じ込め方式を廃止して直接照射方式を用いることである。従って圧力を増大させるための目標周囲での閉じ込めは無くなる。しかし、直接方式は、１０倍～１００倍高いレーザー強度を用いることで、閉じ込め方式と同様の圧力を得ることが可能である。一方、この強度レベルでは起こりやすい空気中での絶縁破壊現象を避けるため、目標の周囲を高真空にする必要がある。この第２の解決策は、一方では処理する部品の周囲を真空にする必要があり、他方では極めて高エネルギーのレーザーシステムが必要となるため、コストが掛かって嵩張るため産業的応用は困難である。

プラズマの生成時に磁場又は電場を利用（中国特許出願公開第２０１２１０５７１５２１号明細書及び米国特許第１０７４５７７６号明細書）してプラズマに追加的なエネルギーを印加（伝達）する。しかし、これらの解決策では満足な結果が得られず、生成される圧力レベルを顕著に上昇させないか又は実装及び較正が複雑過ぎる。

本発明の目的の一つは、目標の表面での最大強度を増大させること、従ってレーザー衝撃により目標に伝達される圧力を増大させることを可能にするシステムを提案することにより上述の短所を改善することである。更に、本発明によるシステムは、既存のレーザー衝撃システムで用いられているレーザーを改造する必要がないため費用対効果が高い。

中国特許第２０１２１０５７１５２１号明細書 米国特許第１０７４５７７６号明細書

Ｓｏｌｌｉｅｒ他："Ｌａｓｅｒ－ｍａｔｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"，Ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ Ｍａｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＳＰＩＥ ｎ° ４８３１，ｐａｇｅｓ ４６３－４６７（２００３） Ｊ．Ｔ Ｗａｎｇ他："Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ７０７５ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ"，Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ & Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ６４７ ｐａｇｅｓ ７－１４（２０１５） Ｂｅｒｔｈｅ他："Ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｓｅｒ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ（ＬＡＳＡＴ）"，Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３－４，ｐａｇｅｓ ３０３－３１７（２０１１） Ｍｏｎｔｒｏｓｓ他："Ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙｓ：ａ ｒｅｖｉｅｗ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ ２４，ｐａｇｅｓ １０２１－１０３６（２００２） Ｆａｂｂｒｏ他："Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｐｌａｓｍａ ｉｎ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｇｅｏｍｅｔｒｙ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，６８（２），ｐａｇｅｓ７７５－７８４（１９９０） Ｓｏｌｌｉｅｒ他："Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"，Ｅｕｒ．Ｐｈｙｓ．ＡＰ，ｖｏｌ．１６，１３１－１３９ページ（２００１）

本発明の主題は、目標を液体に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理するシステムであり、本システムは、
－ １ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τ及びある波長λを有するビームを生成するパルスレーザーと、
－ 焦点距離ｆを有し、目標の表面にビームを集光すべく構成された集光素子（当該集光素子への入射ビームが直径Ｄを有している）と、
－ 屈折率ｎを有する前記液体で満たされたタンクとを含み、
目標の表面におけるビームの直径の所望の値は所定であってＤｓｔと表記され、
ビームが目標の表面に達する前に通過する液体の厚さｅは、液体の表面でのレーザー強度が目標の表面でのレーザー強度を２で除算した値以下になるように選択されている。

好適な一実施形態によれば、厚さｅは、次式で定義される最小厚さｅ_ｍｉｎ以上となるように選択される。

一実施形態によれば、本発明によるシステムは更に、ビームを均一化すべく構成され、且つ前記ビームの光路上に配置された素子を含んでいる。

一実施形態によれば、レーザーのエネルギーＥ及び集光素子は、目標の表面でのレーザー強度が０．１ＧＷ／ｃｍ^２～２５ＧＷ／ｃｍ^２であり、前記所定値Ｄｓｔが０．３ｍｍ～１０ｍｍであるように構成されている。

一実施形態によれば、液体の前記波長での吸収係数は０．１／ｍ^２以下である。

一実施形態によれば、液体は水であり、レーザーの波長λは［３５０ｎｍ～６００ｎｍ］の範囲にある。

別の態様によれば、本発明は、目標を液体に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理する方法に関し、
－ 前記液体で満たされ、且つ目標が収容されたタンクを有していることと、
－ １ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τを有するビームをパルスレーザーにより生成することと、
－ 浸漬された目標の表面に、焦点距離ｆの集光素子（当該集光素子への入射ビームは直径Ｄを有している）によりビームを集光することと、
－ ビームが目標の表面に達する前に少なくとも最小厚さｅ_ｍｉｎに等しい厚さｅの液体を通過し、且つ目標の表面におけるビームの直径が所定の値Ｄｓｔに等しくなるようにタンク内の目標の位置を調整し、次いでビームにより表面を照射することを含み、
液体の最小厚さｅ_ｍｉｎは次式で定義され、

液体の表面でのレーザー強度は、目標の表面でのレーザー強度を２で除算した値よりも厳密に小さい。

以下の記述は本発明の装置のいくつかの例示的な実施形態を提示するが、これらの例は本発明の範囲を限定するものではない。これらの例示的な実施形態は、本発明の本質的な特徴、及び考慮する複数の実施形態に紐付けられた追加的な特徴の両方を提示する。

以下の詳細な記述、及び複数の非限定的な例として与える添付図面を参照することにより、本発明に対する理解が深まり、他の特徴、目的及び利点が発想されよう。

上述のように当技術分野におけるレーザー衝撃特性評価システムを示す。 上述のようにレーザー衝撃の機構に関わる二つのプラズマを示す。 塊体絶縁破壊機構の存在実証に用いた測定プロトコルを示す。 二つのケース（十字点は２ｍｍの水の層、丸い点は１５ｃｍの水の層）について、透過率の傾向を閉じ込め媒体中で到達した最大強度Ｉｍａｘの関数として示す。 本発明によるレーザー衝撃により目標を処理するシステムを示す。 先の二つのケース（十字点は２ｍｍの水の層、丸い点は１５ｃｍの水の層）について、閉じ込めプラズマを介して加えられた圧力を閉じ込め媒体中で到達した最大強度の関数として示す。

本発明は、レーザー衝撃システムの絶縁破壊機構に関する発明者らの研究に基づいている。

最初に、本発明者らの研究により、二つの絶縁破壊モード、すなわち現在の技術水準で公知の閉じ込め媒質の表面を介した絶縁破壊、及び閉じ込め媒質の塊体内での絶縁破壊が実際に存在することが初めて実証できた。この塊体内絶縁破壊は、使用する閉じ込め層は常に極めて薄く、このような絶縁破壊が生じない厚さであったため、レーザー衝撃構造では研究されてこなかった。この塊体内絶縁破壊は、通過する閉じ込め媒質の厚さが増した場合に視認可能になる。

本発明者らは実験により、この塊体内絶縁破壊機構の存在を図３に模式的に表す測定プロトコルにより明らかにした。部分Ａは現在の技術水準による状況（水の厚さが薄い、ここでは２ｍｍ）に対応し、部分Ｂは水の厚さを（１５ｃｍに）増して行った測定に対応する。

両方のケースにおいて、透過率Ｔ＝Ｅｔ／Ｅｉを測定し、Ｅｉは閉じ込め媒質の外面への入射エネルギー、Ｅｔは液体の厚さを通過した後の透過エネルギーである。エネルギーＥｉは既知であり、Ｅｔの測定は熱量計ＣＡＬを用いて、タンクＴＫの底に焦点を合わせた窓Ｗを介して透過されたビームを回収する。

この測定において、波長が５３２ｎｍ、パルス持続時間τが７．２ｎｓ、初期直径が２０ｍｍのビーム、及び焦点距離がｆ＝８０ｍｍの集光素子を用いた。ここではビームを均一化すべく構成されてビームの光路上に配置された素子ＢＨ（典型的にはＤＯＥ（「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ」）を用いている。

図４に、透過率Ｔの傾向を（レーザーのエネルギーの変動により）変化させた液体Ｉｓｌの表面での所与の強度について得られた閉じ込め媒体中で到達する最大強度Ｉｍａｘの関数として示す。強度Ｉｓｌは、式（１）及び表面でのビームの直径が分かればＥｉから容易に導くことができる。

このケースＡにおいて、液体の厚さが薄いため、強度は液体の表面又はタンクの深い所等、あらゆる場所で実質的に同じである。強度Ｉｍａｘは従って、液体Ｉｓｌの表面への入射強度と考えられる（Ｉｍａｘ≒Ｉｓｌ）。この強度Ｉｍａｘはまた、目標が存在する場合、Ｉｓｔと称する閉じ込め媒体と接触する目標の表面での強度と等しくなる。

ケースＢの場合、素子ＢＨと組み合わせたシステムＣＯＤは、液体塊体内の既知の最小直径１．５ｍｍに従い集光すべく構成されている。入射エネルギー及び最小直径が分かれば関連する強度Ｉｍａｘが導かれる。

従って、図４のｘ軸Ｉｍａｘは、液体中（表面又は塊体内のいずれか）で得られる最大強度に対応する。

液体中で得られるこの強度Ｉｍａｘは従って、衝撃波を生成すべく目標表面で得られる最大強度になる可能性がある。

図４において、十字点はＡによる測定で得られた値に対応し、丸い点はＢによる測定で得られた値に対応する。

十字点では、Ｉｂｋ／ｓと称する約８ＧＷ／ｃｍ^２の実験閾値で、現行技術水準から公知の表面絶縁破壊現象が再び観察される。この結果は、絶縁破壊強度閾値が４～１０ＧＷ／ｃｍ^２の閉じ込め媒質の表面での絶縁破壊プラズマの生起を、使用したレーザーパラメータの関数として記述したＡｒｎａｕｄ Ｓｏｌｌｉｅｒ（上述の文献参照）により得られた結果と整合している。

斬新な点は、円により得られるＴの変化であり、これは強度が最も高くなる点で生起する液体塊体の絶縁破壊に対応するＩｂｋ／ｖと称する新たな閾値を示している。この閾値は約２０～２１ＧＷ／ｃｍ^２であり、Ｉｂｋ／ｓよりも大きい。

従って、この測定により、発明者らは単一ではなく２個の絶縁破壊閾値、すなわちＩｂｋ／ｓと称する表面絶縁破壊閾値及び塊体絶縁破壊閾値Ｉｂｋ／ｖが存在することを実証した。更に、これらの測定により、同一レーザーパルス持続時間及び同一波長であってもこれら２個の閾値の値を判定し、そこから塊体閾値が表面閾値よりも高い（Ｉｂｋ／ｖ＞Ｉｂｋ／ｓ）と推論することが可能になった。

比

が定義される。

ペアリング（τ＝７．２ｎｓ；λ＝５３２ｎｍ）の場合、Ｒ≒２．５である。

この比Ｒの存在と、それが１より大きいという事実を組み合わせれば重要な結果をもたらす。これは、より厚い閉じ込め材料を用いた場合、薄い材料を用いた場合よりも、絶縁破壊前に目標により高い強度Ｉｓｔを与えることができる。

この二つの絶縁破壊閾値が、一方は閉じ込め層が薄い場合に優勢な表面で、他方は閉じ込め層が厚くなった場合に生じる塊体内で顕在化すること、及び二つの閾値を紐付けるパラメータＲ＞１を実験的に決定したことは、従来知られていなかった真の発見である。

換言すれば、これらの研究は、レーザーパラメータが一定との前提で、閉じ込め媒質中の絶縁破壊閾値は、絶縁破壊が閉じ込め媒質の表面ではなくその塊体内で生じた場合の方が大きい（典型的には水に閉じ込めた場合、７．２ｎｓのパルスで８～１０ＧＷ／ｃｍ^２から２０～２５ＧＷ／ｃｍ^２）ことを初めて実証した。

通過する閉じ込め媒質の厚さｅが充分であれば、閉じ込め媒質の表面での絶縁破壊は回避され（レーザーは未だ表面に集光されていないため、そこでのレーザー強度は局所的に低い）、この絶縁破壊は、塊体内の閉じ込め媒質の絶縁破壊閾値強度が表面よりも高い中心に伝達される。従って、（同じレーザーパラメータ組において）目標を照射できる最大強度が増大するため、生成される最大圧力も増大する。塊体内絶縁破壊の先の例において、従来の表面絶縁破壊での８ＧＰａ（８～１０ＧＷ／ｃｍ^２）と比べて１２ＧＰａ（２０～２２ＧＷ／ｃｍ^２の閾値強度に相当）の圧力を目標に伝達することができる。

他のいくつかの実験的測定及び物理的推論により、この比Ｒの値は、考慮する閉じ込め材料に依存し、且つ［１～３０ｎｓ］のパルス持続時間にわたり比較的安定していることが示される。水の場合、Ｒは２．５～３の間にある。レーザー条件及びレーザー衝撃を受けた注目する閉じ込め材料ではより一般的に、本発明者らはＲが典型的に２～４の間にあるものと判定した。

Ｒ＞１であるという事実から、表面に絶縁破壊が存在する場合、到達する最大強度はＩ_ｂｋ／ｓであり、目標上での強度は高々Ｉ_ｂｋ／ｓに等しいと推論される。同様に、塊体内に絶縁破壊がある場合、最大目標強度は高々Ｉ_ｂｋ／ｖに等しい。従って目標上での最大強度を最大化するには、塊体内で絶縁破壊が生じる条件にあることが必要であり、この絶縁破壊は、レーザーが最も集光される（強度が最も強い）点に目標を配置することにより目標で生じる。

換言すれば、レーザー衝撃システムは従って、目標上での強度（Ｉｓｔ）の値がＩ_ｂｋ／ｖであれば閉じ込め媒体の表面（Ｉｓｌ）ではＩ_ｂｋ／ｓよりも小さくなるように設計されなければならない。実際、そうでなければ、例えば、目標上でＩ_ｂｋ／ｖが存在する場合、表面では既にＩ_ｂｋ／ｓを超えており、従って表面では既に絶縁破壊が生じており、従って、目標上でＩ_ｂｋ／ｖが生じることは実際には不可能（不合理）である。

これは従って次式が成立しければならないことを意味する。

条件（２）の実現により、表面絶縁破壊（Ｉ_ｓｌ＝Ｉ_ｂｋ／ｓ）が存在する場合、目標上での強度は少なくともＩ_ｂｋ／ｖに等しく、従って、実際には表面での絶縁破壊の前に塊体内での絶縁破壊が生じる。目標上での可能な強度が最大化されている（表面よりも塊体内で閾値が高いため、絶縁破壊が最初に塊体内で生じるような条件でなければならないが、これは厚さ１ｍｍの水では絶対にあり得ない。）

Ｒの最小値Ｒ_ｍｉｎ＝２は実験的に決定されている。

従って、レーザー衝撃システムは次式を満たす。

液体の表面及び液体中でのこれらの強度は例えばジュールメーターやフォトダイオードにより測定することができる。

上での説明を前提に、レーザー及び注目する閉じ込め媒体には常に塊体内での絶縁破壊が存在する。

この条件（３）の遵守は本発明者らにより得られた結果であり、塊体内での絶縁破壊を優先する本発明によるレーザー衝撃システムの設計を可能にする。本発明によるレーザー衝撃システムは、閉じ込め媒質の表面よりも塊体内により高い絶縁破壊閾値が存在するという実験的実証を利用している。

本発明は、図５に示すように、液体Ｌｉｑに閉じ込めた状態でレーザー衝撃により目標Ｔａｒを処理するシステム１０に関する。本システムは、１ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τ、及びある波長λを有するビームＢを生成するパルスレーザーＬと、焦点距離ｆを有し、目標の表面ＳｔにビームＢを集光すべく構成された集光素子ＣＯＤとを含んでいる。集光素子ＣＯＤに入射するレーザービームは直径Ｄを有している。本システムはまた、前記液体で満たされたタンクＴＫを含み、液体は指数ｎを有している。

レーザー衝撃システムにおいて、ビームが照射される目標の表面Ｓｔ上でのビームの直径Ｄｓｔは入力パラメータを構成し、応用及び処理対象である材料の性質の関数である。実用面では、この所望の直径Ｄｓｔは０．３ｍｍ～１０ｍｍ、好適には０．８ｍｍ～５ｍｍの間で変化する。

入力パラメータ（Ｄ，ｆ，ｎ，Ｄｓｔ）から、目標は、ビームが目標の表面Ｓｔに達する前に、液体の表面でのレーザー強度（Ｉｓｌ）が目標の表面でのレーザー強度（Ｉｓｔ）を２で除算した値以下（条件（３）になるように選択された厚さｅの液体を通過するようにタンク内に配置される。

入力パラメータが設定され、条件（３）を遵守することにより遵守すべき液体の最小厚さｅ_ｍｉｎを決定することができる。

次式が成立する。

且つ屈折の法則により、
ｓｉｎ（θ）＝ｎｓｉｎ（θ_ｒ） （５）
ｎは液体の屈折率。

また、
Ｄ_ｓｔ＝Ｄ_ｓｌ－２ｅｔａｎ（θ_ｒ） （６）

強度Ｉは次式で定義される。

ここにＥはレーザーのパルス当たりエネルギー（Ｊ）、τはパルス持続時間（ｎｓ）、Ｓは照射面（ｃｍ）である。

従って

であり、ＤＥは照射面の直径である。

関係式（２）から次式が導かれる。ＲＤ^２ _ｓｔ≦Ｄ^２ _ｓｌ、故に

関係式（６）から次式が導かれる。

関係式（４）及び（５）から、ｔａｎ（θｒ）をパラメータＤ、ｆ、ｎの関数として表すことができ、次式で最大になる。

Ｒの最小値、すなわちＲ_ｍｉｎ＝２を取ることにより、そこから注目する全てのシステムに充分な値ｅ_ｍｉｎが導かれる。

レーザーシステムは、ビームが目標表面に達する前に通過する厚さｅの液体がｅ_ｍｉｎ 以上となるように構成されなければならない。この場合、液体の表面でのレーザー強度Ｉｓｌは目標の表面でのレーザー強度Ｉｓｔを２で除算した値以下である。

厚さｅ_ｍｉｎは、システム１０のパラメータＤ、ｆ、ｎ、Ｄｓｔに依存する。一例として、Ｄ＝２０ｍｍ、ｆ＝５００ｍｍ、ｎ＝１．３３（水）及びＤｓｔ＝４ｍｍならばｅ_ｍｉｎ＝５５ｍｍである。

現実には、システム１０は、条件（３）を確実に遵守しながら、注目する全てのケースをカバーすべく、１０～１５ｃｍの水を例にして寸法決めされる。

上述の計算が、遠視野モードを使用する前提で（つまり、レーザーの直径が数ミクロンである「ウェスト」からレンズの焦点までの距離）、ガウシアンレーザービームに対して有効であることに注意されたい。レーザー衝撃システムでは当該条件は常に成立する（レーザースポットＤｓｔ≧３００μｍ）。

角度が小さい場合、式（９）は簡素化される。

ここにＮ＝ｆ／Ｄである。

本発明によるレーザー衝撃システムの寸法決めは、システムの開口数（ＯＮ＝Ｄ／２ｆ）を、閉じ込めの表面での絶縁破壊を閉じ込め塊体内に移動させるために用いる液体の厚さに紐付ける。

式（９）において、システム／水の厚さは点Ｄｓｔの大きさに依存することが分かる。すなわち、チタンの処理に３ｍｍ、アルミニウムの処理に１ｍｍを必要とする場合、二つの異なる最小タンク厚さが決定される。現実には、レーザー衝撃システムを設計する製造業者は、最大厚さｅ_ｍｉｎよりも厚さが厚い同じタンクを使用し、そのタンクは両方の材料に対して機能する。

本発明によるレーザーシステムは、絶縁破壊を表面から塊体に移動させるべく用いる液体の最小厚さを決定することにより、必要に応じて、使用するシステムの開口数（Ｄ／２ｆ）に適合させることができる。

本発明によるシステム１０は、ｅが条件ｅ≧ｅ_ｍｉｎを満たす前提で、タンク内に浸漬された素子ＣＯＤに対応するｅ＝ｆのアーキテクチャに整合することに留意すべきである。

他方、システム１０は、極めて開放的なＣＯＤ光学素子を考慮すれば、比較的薄い水層の厚さとも整合し、

が保証される。但しこの構成には光学素子を目標に近づけるという短所があり、望ましくない。

一般に、ＣＯＤの光学素子が開放しているほど、閉じ込め層の厚さを薄くすることができる。水の高さが約１０～１５ｃｍであれば開口部Ｄ／２ｆが小さくなり、大きい開口部は目標に近づくため光学素子を損傷させる可能性がある（例えばプラズマによる水及び金属粒子の放出）ためこれは利点である。また、水の高さが典型的に少なくとも１０ｃｍの場合、レンズに水しぶきが掛からない。システムのパラメータＤ及びｆは典型的に、ＣＯＤ上での直径が１５～３０ｍｍ、集光距離が約２０～３０ｃｍのレーザービームである。

従って、本発明により設計されたレーザー衝撃システム１０は、閉じ込め媒質の表面での絶縁破壊を回避可能にする（レーザーは未だ表面に集光しておらず、従ってそこでのレーザー強度は絶縁破壊を生じさせるには局所的に小さ過ぎる）。この絶縁破壊は、より高い閾値強度を有する閉じ込め媒質の中心部で塊体内に移動する。従って、（同じレーザーパラメータの組で）目標を照射できる最大強度が増大するため、生成される最大圧力も増大する。

本発明によるレーザーシステムにより、生成される圧力が大幅に増大する（＋約５０％）。本システムは実装が比較的簡単である。本システムはレーザー及び既存の集光素子、並びに目標が浸漬される閉じ込め液体で典型的に通常１０～１５ｃｍ満たされたタンクを用いる。

図６に、先の二つのケース（十字点は２ｍｍの水の層、丸い点は１５ｃｍの水の層）について、閉じ込めプラズマを介して印加される圧力ＰをＩｍａｘの関数として示す。曲線６０は、絶縁破壊現象を考慮しないレーザー／物質相互作用の１次元コードで行なった計算（目標に吸収される所与の入射レーザーパルスから生成される圧力だけを計算した）に基づく数値シミュレーションである。

薄い層（十字）の場合、約１０ＧＷ／ｃｍ^２（Ｉｂｋ／ｓに相当）の強度を超えると、生成される圧力は約８ＧＰａで停滞してから減少することが観察される。表面での絶縁破壊は目標を照射する強度を制限する。より厚い層（円）の場合、生成される圧力は少なくとも２２ＧＷ／ｃｍ^２までＩｍａｘの増大に追随して値１２ＧＰａ、すなわち薄い層に比べて４０％超の増大に達する。更に、トレンドはより長い時間にわたり絶縁破壊無しに理論曲線に追随しており、絶縁破壊に伴う問題がより高い強度に移動していることを明確に示している。

一実施形態によれば、システム１０は更に、ビームを均一化すべく構成され、且つ前記ビームの光路上に配置された素子ＢＨを含んでいる。ビーム均一化装置（典型的にはＤＯＥ）の存在により、レーザーの空間プロファイルに過剰強度が生じない、従って局所的な絶縁破壊（目標に伝達される強度の局所的な損失につながる）を回避することを保証できるようにする。

レーザー衝撃を生成すべく、好適にはレーザーの（パルス当たり）エネルギーＥ及び集光素子は、目標表面でのレーザー強度Ｉｓｔが０．１ＧＷ／ｃｍ^２～２５ＧＷ／ｃｍ^２、Ｄｓｔ値が０．３ｍｍ～１０ｍｍであるように構成されている。

一実施形態によれば、液体Ｌｉｑが０．１／ｍ^２以下の吸収係数α（λ）を有する、すなわち閉じ込め媒体により少し吸収される波長を用いるように（λ、液体）のペアが選択される。

好適には、液体は水であってレーザーの波長λは［３５０ｎｍ～６００ｎｍ］の範囲内にある。水の薄い層でレーザー衝撃に頻繁に使用される波長１０６４ｎｍと比較して波長５３２ｎｍが好適である。

別の態様によれば、本発明は、目標Ｔａｒを液体Ｌｉｑに閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理する方法に関し、当該方法は、
－ 前記液体Ｌｉｑで満たされ、且つ目標Ｔａｒが収容されたタンクを有することと、
－ １ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τを有するビームＢをパルスレーザーにより生成することと、
－ 浸漬された目標の表面に、焦点距離ｆの集光素子ＣＯＤ（当該集光素子への入射ビームは直径Ｄを有している）によりビームＢを集光することと、
－ 液体の表面でのレーザー強度Ｉｓｌが目標の表面でのレーザー強度Ｉｓｔを２で除算した値よりも厳密に小さくなるように選択された厚さｅの液体をビームが通過するようにタンク内で目標の位置を調整し、次いでビームにより表面を照射することを含んでいる。

Claims (7)

1. 目標（Ｔａｒ）を液体（Ｌｉｑ）に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理するシステム（１０）であって、
   － １ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τ及びある波長λを有するビーム（Ｂ）を生成するパルスレーザー（Ｌ）と、
   － 焦点距離ｆを有し、前記目標の表面（Ｓｔ）に前記ビーム（Ｂ）を集光すべく構成された集光素子（ＣＯＤ）（前記集光素子に入射するレーザービームは直径Ｄを有している）と、
   － 屈折率ｎを有する前記液体で満たされたタンク（ＴＫ）とを含み、
   前記目標の表面（Ｓｔ）での前記ビームの直径の所望の値が所定であってＤｓｔと表記され、
   前記ビームが前記目標の表面に達する前に通過する液体の厚さｅが、前記液体の表面でのレーザー強度（Ｉｓｌ）が前記目標の表面でのレーザー強度（Ｉｓｔ）を２で除算した値以下になるように選択されているシステム。
2. 前記厚さｅが、次式で定義される最小厚さｅ_ｍｉｎ以上となるように選択されている、
   

   

   請求項１に記載のシステム。
3. 前記ビームを均一化すべく構成され、且つ前記ビームの光路上に配置された素子（ＢＨ）を更に含んでいる、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記レーザーのエネルギーＥ及び前記集光素子が、前記目標の表面でのレーザー強度（Ｉｓｔ）が０．１ＧＷ／ｃｍ^２～２５ＧＷ／ｃｍ^２であり、前記所定値Ｄｓｔが０．３ｍｍ～１０ｍｍであるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記液体の前記波長λでの吸収係数αが０．１／ｍ^２以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記液体が水であり、前記レーザーの波長λが［３５０ｎｍ～６００ｎｍ］の範囲にある、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 目標（Ｔａｒ）を液体（Ｌｉｑ）に閉じ込めた状態でレーザー衝撃により処理する方法であって、
   － 前記液体で満たされ、且つ前記目標を収めたタンクを有することと、
   － １ｎｓ～３０ｎｓのパルス持続時間τを有するビーム（Ｂ）をパルスレーザーにより生成することと、
   － 浸漬された前記目標の表面に、焦点距離ｆの集光素子（ＣＯＤ）（前記集光素子への入射ビームは直径Ｄを有している）により前記ビーム（Ｂ）を集光することと、
   － 前記ビームが前記目標の表面に達する前に、少なくとも最小厚さｅ_ｍｉｎに等しい厚さｅの液体を通過し、且つ前記目標の表面での前記ビームの直径（Ｓｔ）が所定の値Ｄｓｔに等しくなるように前記タンク内の前記目標の位置を調整し、次いで前記ビームにより前記表面を照射することとを含み、
   前記液体の前記最小厚さｅ_ｍｉｎが次式で定義され、
   

   

   前記液体の表面でのレーザー強度（Ｉｓｌ）が従って前記目標の表面でのレーザー強度（Ｉｓｔ）を２で除算した値よりも厳密に小さい方法。