JP7038775B2 - レーザ衝撃ピーニング処理において使用するための方法および装置 - Google Patents

Description

本願はレーザ衝撃ピーニングに関する。

レーザ衝撃ピーニング（「ＬＳＰ」）処理は、従来のショットピーニングに対する代替的または補完的な処理であって、深い（例えば１ｍｍを越える）圧縮残留応力層を形成するために、および、材料の機械的特性を、材料に塑性変形を作るにあたり十分な力で衝撃を与えることにより、改質するために、使用される冷間加工処理である。ＬＳＰ処理により形成された残留応力によって疲労および応力に対する材料の耐性が大きくなり、それによりレーザピーニング処理が施されたパーツの寿命が顕著に延びることとなる。ＬＳＰは、高エネルギーレーザパルスを使用してプラズマプルームを生成し、パーツの表面に対して急激な圧力上昇を生じさせる。この圧力は高強度衝撃波を形成および維持し、この衝撃波がパーツの表面へと伝播していく。ＬＳＰにより生成された衝撃波は、パーツ材料の微細構造に対する冷間加工を誘導し、パーツの性能向上に寄与する。

衝撃波がパーツ内に進入するにつれてパーツ材料に塑性変形が生じる際に衝撃波のエネルギーの一部が吸収される。これは、冷間加工としても知られている。ＬＳＰでは通常、約８ナノ秒（ｎｓ）～約４０ｎｓのレーザパルス幅が使用される。ＬＳＰにおけるレーザビームに対する通常のスポット直径は約１．０ｍｍ～約８．０ｍｍである。フルエンスは、単位面積あたりに供給されるエネルギーの測定値である。ＬＳＰの適用では、フルエンスは通常、１００Ｊ／ｃｍ^２を越える。パワー密度は、塑性変形および関連する圧縮残留応力を引き起こす材料のユゴニオ弾性限界（ＨＥＬ：Ｈｕｇｏｎｉｏｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｌｉｍｉｔ）を越える値でなければならない。一部の材料に対するＨＥＬはわずか約３ＧＷ／ｃｍ^２であるが、レーザピーニングに対して使用される通常のパワー密度は通常、６ＧＷ／ｃｍ^２～１２ＧＷ／ｃｍ^２の範囲である。

フラッシュランプ励起された利得媒質を使用するレーザが、ＬＳＰ適用における使用に対して十分なエネルギーを有するレーザパルスを生成するために使用され得る。フラッシュランプは、電磁スペクトルの可視光および赤外線部分の両方にまたがる範囲の波長を有する広い帯域幅の励起光を生成し得る。フラッシュランプにより生成された光の大部分を利得媒質が使用することは容易ではなく、利得媒質により有利に吸収されない光は過剰な熱を生成し得る。過剰な熱は、レーザの繰り返し率およびパワー出力を制限し、レーザの作動温度を維持するための追加的な冷却システムを要求する。フラッシュランプ励起されたレーザ、およびレーザを作動状態に保つための支持システムは、必要な構成要素を移動させるための大規模な物流管理を用いないかぎり、搬送が困難である。

フラッシュランプ励起されたレーザは電気的に非効率的であり、その結果、ビーム歪みが発生し得る。フラッシュランプ励起されたレーザでは、より高い作動電圧および作動電流も要求され得る。そのために、係るレーザの運用は、高電圧および高電流の工業用供給を有する場所に制限される。フラッシュランプの作動寿命は数百万回のパルスに制限され得る。それにより、フラッシュ励起されたレーザを稼働状態に保つための保守およびコストの増大化が余儀なくされ得る。

装置は、第１エネルギーおよび第１時間プロファイルを有するパルスレーザビームを出力するよう構成されたダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）発振器を含み得る。この装置は変調器および増幅器をさらに含み得る。変調器は、ＤＰＳＳＬ発振器からパルスレーザビームを受け取ることと、パルスレーザビームを第１エネルギーから第２エネルギーへと変換することと、第１時間プロファイルを第２時間プロファイルへと変換することと、第２エネルギーおよび第２時間プロファイルを有するビームを出力することと、を実施するよう構成され得る。増幅器は多段を有し得る。例えば第１段は、第２エネルギーおよび第２時間プロファイルを有するビームを受け取ることと、変換済みビームを第２エネルギーから第３エネルギーへと増幅し、ビームを第２時間プロファイルから第３時間プロファイルへと変換することと、第３エネルギーおよび第３時間プロファイルを有するビームを出力することと、を実施するよう構成され得る。第２段は、第３エネルギーを有するビームを受け取ることと、ビームを第３エネルギーから第４エネルギーへと増幅し、ビームを第３時間プロファイルから第４時間プロファイルへと変換することと、第４エネルギーおよび第４時間プロファイルを有するビームを出力することと、を実施するよう構成され得る。

この装置は、光キャビティを有し且つパルスレーザビームの生成および出力を行うよう構成されたダイオード励起固体レーザ発振器と、シードレーザを光キャビティへと出力し、それにより単一縦モードのパルスレーザビームを生成および出力するよう構成されたインジェクションシーダと、をさらに含み得る。

ターゲット部分に対してレーザ衝撃ピーニングを実施するための方法は、第１エネルギー、第１ビーム直径、および第１時間プロファイルを有するパルスレーザビームを出力することを含み得る。この方法は、第１エネルギーおよび第１時間プロファイルを有するビームを第２エネルギーおよび第２時間プロファイルへと変換することを、さらに含み得る。この方法は、第２エネルギーを有するビームを第３エネルギーへと増幅し、第１ビーム直径より大きい第２ビーム直径へとビームを変換することと、第２時間プロファイルを第３時間プロファイルへと変換することと、をさらに含み得る。この方法は、ターゲット部分に対してレーザ衝撃ピーニングを実施するために、第３エネルギー、第２ビーム直径、および第３時間プロファイルを有するビームをターゲット部分に出力することを含み得る。

レーザ衝撃ピーニング処理において使用するための例示的な装置の概略図である。 例示的なダイオード励起固体レーザ発振器の概略図である。 ＤＰＳＳＬ発振器の例示的な出力のグラフである。 ＤＰＳＳＬ発振器の例示的な出力のグラフである。 インジェクションシーダ・リセット動作のフローチャートである。 レーザビームに対する例示的な時間変換のグラフである。 例示的な光学フィルタの概略図である。 レーザビームに対する例示的な空間変換のグラフである。 例示的な増幅器の概略図である。 例示的なレーザ供給装置およびピーニングセルの概略図である。 ＬＳＰ装置からの例示的な出力のグラフである。 ＬＳＰ装置からの例示的な出力のグラフである。 ＬＳＰ装置からの例示的な出力のグラフである。 ＬＳＰ装置からの例示的な出力のグラフである。 ＬＳＰ装置からの例示的な出力のグラフである。 ターゲット部分に対してレーザピーニングを実施するための装置を使用する例示的な方法のフローチャートである。 例示的な増幅器段の概略図である。 例示的な増幅器段の概略図である。 例示的なビームスプリッタ構成の概略図である。 ＬＳＰシステムにおける使用のための例示的な装置を調整および較正するための例示的な方法のフローチャートである。

図１を参照すると、レーザ衝撃ピーニングにおける使用のための例示的な装置１００が示されている。装置１００は、ターゲット部分１０１に対してレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を実施するために、レーザビームを生成し、ターゲット部分１０１に出力するよう、動作する。

装置１００は、ＤＰＳＳＬ発振器１０２、変調器１０４、および増幅器１０６を含み得る。ＤＰＳＳＬ発振器１０２はパルスレーザビーム１０８を生成し、パルスレーザビーム１０８を変調器１０４へと出力するよう構成され、変調器１０４は、パルスレーザビーム１０８を変換し、変換済みビーム１１０を増幅器１０６へと出力し得る。装置１００は、光学フィルタ１１２、光アイソレータ１１４、および波長板１１６も含み得る。光学フィルタ１１２は、変調器１０４からのビーム１１０をさらに変換し、変換済みビーム１１８を増幅器１０６に向かって出力する。

装置１００は光アイソレータ１２０、ビーム供給装置１２２、およびレーザピーニングセル１２４も含み得る。光アイソレータ１２０は、変換および増幅済みビーム１２６を増幅器１０６からビーム供給装置１２２へと通過させ、ビーム供給装置１２２は、変換および増幅済みビーム１２６を、ターゲット部分１０１を含むレーザピーニングセル１２４へと供給してもよく、または、変換および増幅済みビーム１２６を直接的にターゲット部分１０１へと供給してもよい。

図２を参照すると、ＤＰＳＳＬ発振器１０２の概略図が示されている。ＤＰＳＳＬ発振器１０２は、光キャビティ２２８と、光キャビティ２２８内の利得媒質２３０と、光およびエネルギー２３３を用いて利得媒質２３０を励起してパルスレーザビーム１０８を生成するためのレーザダイオードアレイ２３２と、を含み得る。発振器１０２は、パルスレーザビーム１０８の安定化を支援するためにシードレーザビーム２３６をキャビティ２２８へと出力するよう構成されたインジェクションシーダ２３４と、虹彩／絞りアパーチャ２３８と、をさらに含み得る。

利得媒質２３０は、２ｍｍ直径（Ｎｄ：ＹＬＦ）レーザロッドであり、１つまたは複数のレーザダイオード（すなわちダイオードアレイ）２３２により光励起され得る固体利得媒質であり得る。利得媒質２３０は、単結晶またはガラス物質であり得、３価の希土類イオンまたは遷移金属イオンがドープされ得る。一実施形態では、発振器１０２において使用されるレーザロッド２３０はネオジム（Ｎｄ^３＋）がドープされ得る。利得媒質２３０は、別名「ＹＡＧ」としても知られる合成イットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）にネオジムがドープされた結晶（Ｎｄ：ＹＡＧ）であり得る。他の実施形態では、利得媒質２３０は合成イットリウム・リチウム・フッ化物（ＹＬｉＦ_４）結晶すなわち「ＹＬＦ」にネオジムがドープされた結晶（Ｎｄ：ＹＬＦ）である。（Ｎｄ：ＹＬＦ）レーザロッド２３０により生成されたレーザビーム１０８は１０５３ｎｍの波長を有し得る。ＹＬＦ結晶は、より良好なビーム品質を有するレーザビームを生成し、より長い寿命を有し、より長いビームパルス幅の抽出を可能にし得る。その結果として、装置１００の設計をより小さいものとすることが可能となり得る。ＹＡＧおよびＹＬＦ結晶の両方はチョクラルスキー法などの既知の処理を使用して成長させることが可能である。利得およびエネルギー格納などの利得部媒質の要素を変化させるために、結晶を様々な幾何学的形状および構成へと成長させ得る。

レーザダイオードアレイ２３２は、利得媒質２３０による増幅のために、光エネルギー２３３を用いて利得媒質２３０を励起し得る。一実施形態では、レーザダイオードアレイ２３２は、１０ｍＪのレーザ出力１０８を生成するために利得媒質２３０を励起させる９個のダイオードバーのアレイを含む。例えばレーザダイオードアレイ２３２は、約６０００ＷのＱＣＷ（準持続波）パワー出力を有し、約５７％の電気－光効率で、約１５Ａの電流で動作し得る。例えばダイオードアレイ２３２は約６０Ｖの作動電圧を有し得る。一実施形態では、ダイオードアレイ２３２は約８０５．５±２ｎｍの波長の電磁放射を放出しる。他の実施形態ではダイオードアレイ２３２は約７５０ｎｍ～約９００ｎｍの範囲の波長の電磁放射を放出する。ユニバーサルコントローラ（ＵＣＣ）２４２が、レーザダイオード２３２による利得媒質２３０の励起を制御するために使用され得る。特にＵＣＣ２４２は、ビーム１０８が利得媒質２３０を通過するときにのみレーザダイオード２３２が利得媒質２３０を励起するよう、レーザダイオード２３２のタイミングを制御し得る。それによりビーム１０８の利得および増幅が最適化されることとなる。

発振器１０２は、パルスレーザビーム１０８を生成するよう構成された変調器２４０（すなわちＱスイッチ）をさらに含み得る。一実施形態では、Ｑスイッチ２４０はナノ秒範囲のパルス幅を有するレーザビーム１０８を生成するために使用される。装置１００に対するＵＣＣ２４２は、レーザビーム１０８の発生と発生の周波数とを制御するためのトリガ信号２４３をＱスイッチ２４０に供給し得る。一実施形態では、約２０Ｈｚの繰り返し率がＬＳＰ適用のパルス生成のために使用される。他の実施形態では、約２５Ｈｚ～約３０Ｈｚの範囲の繰り返し率がパルス生成のために使用される。他の実施形態では、約５０Ｈｚ以上の繰り返し率がパルス生成のために使用される。繰り返し率は可変であり、２０Ｈｚの基本的な繰り返し率より低い繰り返し率が使用され得るよう、ユーザにより選択され得る。例えば、２０Ｈｚ、１９Ｈｚ、１８Ｈｚ、１７Ｈｚ、１６Ｈｚ、１５Ｈｚ、１４Ｈｚ、１３Ｈｚ、１２Ｈｚ、１１Ｈｚ、１０Ｈｚ、９Ｈｚ、８Ｈｚ、７Ｈｚ、６Ｈｚ、５Ｈｚ、４Ｈｚ、３Ｈｚ、２Ｈｚ、および１Ｈｚの繰り返し率が考えられる。本明細書で記載の発振器１０２上のＱスイッチされた光キャビティ２２８に対して、例えば２０Ｈｚ、１０Ｈｚ、６．６７Ｈｚ、５Ｈｚ、４Ｈｚ、３．３３Ｈｚ、２．８５７Ｈｚ、２．５Ｈｚ、２．２２Ｈｚ、２Ｈｚ、および１Ｈｚの繰り返し率が考えられる。これらの例示的な周波数は、２０Ｈｚの周波数が達成されるよう各パルスを選択することにより、１０Ｈｚの周波数が達成されるよう各第２パルスを選択することにより、６．６７Ｈｚの周波数が達成されるよう各第３パルスを選択することにより、その他、別様にパルスを選択することにより、形成される。

図２で図示されているように光キャビティ２２８は、第１ミラー２４４および第２ミラー２４６をさらに含み得る。ミラー２４４および２４６は、光キャビティ２２８内で利得媒質２３０により放出されたコヒーレント光を反射し、それにより、ビーム１０８が発振器１０２から出力されたとき、ビーム１０８が増幅される。圧電性変換器２４８が第２ミラー２４６に取り付けられている。

インジェクションシーダ２３４は、ビーム１０８の安定化を支援するためにシードレーザビーム２３６を光キャビティ２２８に出力するよう構成され得る。インジェクションシーダ２３４は単一縦モード（ＳＬＭ）ファイバレーザであり、シードレーザビーム２３６を光キャビティ２２８へと放出して光キャビティ２２８内で単一縦モードのビーム１０８を生成する。

インジェクションシーダ２３４はシーダ制御器２５２を含み得る。シーダ制御器２５２は、シーダリセット機能を制御するために装置１００のＵＣＣ制御器２４２とインターフェース接続し得る。シーダ制御器２５２は、ＰＺＴ２４８の位置を制御しそれにより第２ミラー２４６の位置を制御するためにも、使用され得る。フィードバックライン２５４はＰＺＴ２４８をシーダ制御器２５２に接続する。出力ライン２５６はシーダ制御器２５２をＰＺＴ２４８に接続する。

使用時、シーダリセット信号およびＰＺＴ制御信号が、ＰＺＴ２４８の位置を制御するためにシーダ制御器２５２から出力ライン２５６を介して送られ得る。ＰＺＴ２４８は、ＰＺＴ２４８の位置に基づいてフィードバックライン２５４に電圧を出力する。その電圧は、ＰＺＴ２４８の現在位置および第２ミラー２４６の現在位置に対応する。シーダ制御器２５２は第２ミラー２４６の位置を調整し、それにより、光キャビティ２２８内におけるビーム１０８の位相シフトが制御され、且つ、単一縦モード（ＳＬＭ）に対するビーム１０８の所望の位相が維持され得る。換言するとシーダ制御器２５２はＰＺＴ２４８および第２ミラー２４６の位置を制御し、それによりビーム１０８がＳＬＭに維持される。

ＰＺＴ２４８はスタート位置を有する。ＰＺＴ２４８のスタート位置は、装置１００のスタートアップの際に、且つシーダリセット信号がシーダ制御器２５２からＰＺＴ２４８に送られた後に、発生する。発振器１０２がビーム１０８を生成および出力すると、ＰＺＴは継続的に調整し、後続のビーム１０８をＳＬＭに維持するために、そのスタート位置から離れた新しい位置に移動する。シーダ制御器２５２は、ＳＬＭビーム１０８を生成し得るＰＺＴ２４８の位置に対応する基準電圧を格納し得る。基準電圧は、スタート位置に対するＰＺＴ２４８の現在位置に対応するＰＺＴ２４８からの電圧と比較される。比較されたこれらの電圧値間の差異が事前決定された範囲から逸脱した場合、シーダ制御器２５２は、ＰＺＴ２４８および第２ミラー２４６の位置を調整するためのＰＺＴ制御信号を、出力ライン２５６を介して送信し得る。ＰＺＴ２４８が移動限界に到達する場合もある。ＰＺＴ２４８が移動限界に到達した後は、ＰＺＴ２４８は、第２ミラー２４６の位置を調整するために移動することはもはやないであろう。その時点で、シーダ制御器２５２は「シーダリセット」を実施してＰＺＴ２４８をスタート位置に復帰させる。シーダ制御器２５２はリセット信号を、出力ライン２５６を介してＰＺＴ２４８に送信し、ＰＺＴ２４８は、シーダリセット信号を受信すると、その現在位置からスタート位置まで移動する。

シーダ制御器２５２は、ＰＺＴ２４８のリセットがいつ実施されるかを制御するためにも使用され得る。シーダに関する１つの問題は、ＰＺＴ２４８のリセットが自動的に実施され得、フルシステムレージングの間に実施され得ることである。シーダの手動制御は、修正され、シーダリセットに対する必要性を予測するためにシーダ制御器２５２およびＵＣＣ制御器２４２に統合され得、シーダリセットを実施するに適切な時点でシーダリセットを実施する。

図３を参照すると、ＤＰＳＳＬ発振器からの通常出力としてのレーザビーム１０８の時間プロファイルを示す例示的なグラフ３００が図示されている。ビーム１０８は、ビーム１０８に対する実質的な効果がまったくない状態で、シーダリセット動作間において発振器１０２から出力され得る。

図４を参照すると、シーダリセット動作の間に発振器１０２から出力されるレーザビーム１０８の時間プロファイルを示す例示的なグラフ４００が図示されている。グラフ４００では、シーダリセット動作により生じた、発振器１０２から出力されたビーム１０８のモードビーティングが示されている。

図５を参照すると、シーダ制御器２５２により提供される例示的なシーダリセット方法５００を示すフローチャートが提供されている。（５０１）では、図１で示されるレーザ衝撃ピーニングにおいて使用するための装置１００は、レーザ衝撃ピーニングのためのレーザビームを出力する準備が整ったウォームアップ状態またはアイドル状態にある。（５０１）の間、図２で示されるＰＺＴ２４８は、発振器１０２内におけるビーム１０８の位相を調整するために、第２ミラー２４６を移動させるであろう。（５０１）では、ビーム１０８は図１で示すように発振器１０２から出力されるであろう。しかしビーム１２６は装置１００から出力され得ない。

（５０３）では、ユーザが、またはユーザのプログラムされたコマンドが、装置１００（図１）からビーム１２６を出力するよう、ＵＣＣ制御器２４２（図２）に対して命令し得る。（５０５）では、ビーム１２６が装置１００から出力される場合、ビーム１２６が事前決定されたパラメータ（例えばエネルギー、時間プロファイル、空間プロファイル、直径、その他）にしたがって装置１００から出力され得るよう、装置１００に対する処理設定がロードされる。

第２ミラー２４６（図２）におけるビーム１０８の位相に基づいて、シーダ制御器２５２は（５０７）においてフィードバックライン２５０を使用してＰＺＴ２４８の電圧を判定し、その電圧と基準電圧とを比較して、光キャビティ２２８内におけるＰＺＴ２４８の位置を判定し得る。上述のようにＰＺＴ２４８はスタート位置（すなわち装置１００のスタートアップ時におけるＰＺＴ２４８の初期位置）を有する。第２ミラー２４６を調整して発振器１０２内におけるビーム１０８の位相を調整するために、ＰＺＴ２４８が移動し続けるにつれて、ＰＺＴ２４８は、もはや移動が不可能となる位置へとしだいに移動し、ＰＺＴ２４８をスタート位置に復帰させるにあたってはリセットが必要となるであろう。

（５０７）においてフィードバック電圧が基準限界よりも低い場合、（５０９）において手動シーダリセットが起動され得る。手動シーダリセットの間、装置１００から出力されるビーム１２６は中断される。（５０９）における手動シーダリセットは、ＰＺＴ２４８をスタート位置へと調整する。（５１１）では、ＰＺＴ２４８がそのスタート位置に復帰するのを待機するために、１秒の遅延が用いられる。

ＰＺＴ２４８がスタート位置に復帰することを可能にするための（５１１）における１秒の遅延の後、シーダは自動モードに復帰する。なお自動モードでは、ＰＺＴ２４８が第２ミラー２４６を調整するために移動すると、発振器１０２内におけるビーム１０８の位相が調整され得る。ビーム１０８に対する所望の位相が生成される位置へとＰＺＴ２４８が第２ミラー２４６を調整することを可能にする自動モードに切り替わった後、５秒の遅延が用いられる。一実施形態では、自動モード遅延は５秒未満であり得る。

（５０９）から（５１５）までは、装置１００（図１）からのビーム１２６の出力は中断され、ＵＣＣ制御器２４２（図２）は、ビーム１２６が出力されないよう、装置１００内の構成要素を調整し得る。例えばＵＣＣ制御器２４２は、ビーム１０８が装置１００の他の構成要素に出力されないようスライサー１０４（図１）の切り替えを制御し、それにより、装置１００からビーム１２６が出力されることが防止され得る。ＵＣＣ制御器２４２は、スライサー１０４から漏出するレーザエネルギーがビーム１２６として装置１００から出力されないよう、増幅器１０６（図１）のタイミングも調整し得る。

（５１５）における遅延の後、装置１００からビーム１２６を出力する処理は（５１７）において再開する。ＰＺＴ２４８の電圧が（５０７）においてフィードバック基準電圧２５０に基づいて限界を越える場合、装置１００からビーム１２６を出力する処理は（５１７）において継続される。

（５１７）におけるビーム１２６（図１）の処理および出力の後、ＵＣＣ制御器２４２は（５１９）において装置１００をシャットダウンするかどうかを問い合わせる。装置１００がシャットダウンされるべきであるとＵＣＣ制御器２４２が（５１９）において判定した場合、装置１００はシャットダウンされて動作は（５２１）で終了する。装置１００がシャットダウンすべきでないとＵＣＣ制御器２４２が（５１９）において判定した場合、方法５００は（５０１）に戻る。（５０３）において装置１００がビーム１２６を出力しないとＵＣＣ２４２が判定した場合、ＵＣＣ２４２は、上述のように、（５１９）において装置１００がシャットダウンされるべきかどうかを問い合わされる。

シーダリセット方法５００は、フラッシュランプ励起発振器を有するレーザシステム／装置上のシーダをリセットするよう適応され得る。

図２で図示されているように、発振器１０２は虹彩／絞りアパーチャ２３８をさらに含み得る。虹彩２３８は、レーザビーム１０８が発振器１０２から出力される前にレーザビーム１０８を通過させるためのアパーチャ開口部を含み得る。虹彩２３８上のアパーチャのサイズは、発振器１０２から出力されるビーム１０８の量を加減し得る。虹彩２３８を通してビーム１０８を通過させることは、ＴＥＭ_００単一横モードのビームを生成するために使用される。

本明細書で使用される「単一横モード」（ＳＴＭ）とは、レーザビーム１０８の品質が回折限界であり、ビーム１０８が非常に小さいスポットに集光され得るよう、発振器１０２が単一横共振器モード（一般にガウスモード）で動作することを意味する。ここで、横共振器モードは横電磁モード（ＴＥＭ）モードであり、ビーム伝搬方向において磁界も電界も存在しない。「単一縦モード」（ＳＬＭ）は、単一周波数および単一波長の縦ビームを意味する。レーザシステムにおける主要なノイズの供給源は、励起源２３２の変動、光キャビティ２２８の長さにおける変化、または光キャビティ２２８のアライメントであり得る。発振器１０２から出力されるビーム１０８をＳＴＭおよびＳＬＭに限定することは、ビーム１０８におけるノイズを排除し得る。したがって発振器１０２は、ＳＴＭおよびＳＬＭの両方においてパルスレーザビーム１０８を出力するよう動作し得る。

ビーム一様性はビームプロファイル測定であり、ビーム１０８の中央の９０％以上における、その平均からのエネルギー密度の正規化されたＲＭＳ（二乗平均平方根）偏差を表す。中央の９０％に含まれないデータは、ＲＭＳ計算に含まれない。一実施形態では、発振器１０２から出力されるパルスレーザビーム１０８に対するビーム一様性は約０．２より低い。

ビーム品質はＭ^２値により与えられ、ビーム品質因子と呼ばれる。Ｍ^２値は、実際のビーム１０８と理想的ビームとの間の変動の程度を定量化するために使用される。単一横モードのＴＥＭ_００ガウス型レーザビームに対して、Ｍ^２は正確に１．０である。一実施形態では、発振器１０２はＭ^２値が約１．２以下であるビーム１０８を出力する。他の実施形態では、発振器１０２はＭ^２値が約１．３より小さいビーム１０８を出力する。他の実施形態では、発振器１０２はＭ^２値が約１．５より小さいビーム１０８を出力する。ＳＬＭビーム１０８は約１ｐｍのスペクトル幅を有し得る。「実質的」という修飾語が本明細書では様々な場合で使用される。明示的であったとしても、または明示的でなかったとしても、Ｍ^２の説明については「単一横モード」および「単一縦モード」という用語は「実質的な単一横モード」および「実質的な単一縦モード」と解釈されるべきである。理想からの係る逸脱は、当業者には容易に理解されるであろう。

ＳＴＭおよびＳＬＭにおける出力ビームに加えて、発振器１０２から出力されるパルスレーザビーム１０８は、約１０ｍＪ～約２０ｍＪの第１エネルギーを、直径が約４ｍｍまでの第１ビーム直径を、第１時間プロファイル（例えばガウス形状）を、および第１空間プロファイル（例えばガウス形状）を、有し得る。

図１を参照すると、変調器１０４は発振器１０２からパルスレーザビーム１０８を受容し得る。変調器１０４はパルススライサーであって、このパルススライサーは、パルスレーザビーム１０８の前縁部および後縁部の一方または両方を鋭利化して、パルスレーザビーム１０８の時間プロファイルを変換し、第２エネルギー、第１直径、第２時間プロファイル、および第１空間プロファイルを有する変換済みビーム１１０を出力するために使用され得る。

一実施形態では、パルススライサー１０４はレーザビーム１０８の時間プロファイルを変更するために使用されるＳＢＳセルである。他の実施形態では、パルススライサー１０４はレーザビーム１０８の時間プロファイルを変更するために使用されるポッケルスセルである。

変調器１０４は、パルスレーザビーム１０８が通過するホウ酸バリウム（ＢＢＯ）またはリン酸二重水素化カリウム（ＫＤ＊Ｐ）などの結晶体を含み得る。一実施形態では、パルススライサー１０４は、ビーム１０８のより高速なパルススライシングを提供するために、ＢＢＯ物質を含む。一実施形態では、パルススライサー１０４はレーザパルス１０８の前縁部を変換する。他の実施形態では、パルススライサー１０４はレーザパルス１０８の前縁部および後縁部の両方を変換する。パルスレーザビーム１０８はスライスされ、約５ｎｓより短い立ち上がり時間を有する変換済みビーム１１０として出力され得る。一実施形態では、変換済みビーム１１０の立ち上がり時間は３ｎｓより短い。他の実施形態では、変換済みビーム１１０の立ち上がり時間は２ｎｓより短い。一実施形態では、ビーム１０８のパルス幅は、変換済みビーム１１０として出力されるために、約５ｎｓ～１６ｎｓの範囲へと調整される。他の実施形態では、ビーム１０８のパルス幅は、変換済みビーム１１０として出力されるために、約８ｎｓ～１６ｎｓの範囲へと調整される。他の実施形態では、変換済みビーム１１０のパルス幅は約５ｎｓ以下である。短い立ち上がり時間は、より良好なレーザ衝撃ピーニング結果をもたらすレーザビームを提供する。

図６を参照すると、例示的な変換済みビーム１１０の時間プロファイル６００が示されている。上述のように、発振器１０２から出力されるパルスレーザビーム１０８の時間プロファイルは、図面で示されているように、実質的にガウス形状の外観を有する。ビーム１０８が変調器１０４によりビーム１１０へと変換される際、前縁部６５６は変調器１０４によりスライスされ、その結果、レーザパルスのより鋭利な前縁部６５８が形成される。レーザパルスの鋭利な前縁部６５８は、変換済みビーム１１０に対して、より高速な立ち上がり時間を提供し得る。レーザパルスの後縁部６６０も変調器１０４によりスライスされ、その結果、変換済みビーム１１０のパルス幅６６２が変えられ得る。

図１を参照すると、変換済みビーム１１０は変調器１０４から出力され、光アイソレータ１１４を通過し得る。一実施形態では光アイソレータ１１４は、変換済みビーム１１０を順方向に伝達し、その一方で逆方向の光（例えば、装置１００内の構成要素の光学表面から、またはターゲット部分１０１から、反射されたレーザエネルギー）をブロックするファラデーアイソレータである。光アイソレータ１１４は、後方反射が制限および防止されるよう、すなわち他の構成要素から反射された光が光アイソレータ１１４を通って後方に通過し、発振器１０２および変調器１０４に損傷が加えられることが防止および制限されるよう、変換済みビーム１１０が装置１００の他の構成要素と相互作用することから発振器１０２および変調器１０４を保護するために使用され得る。一実施形態では、ファラデーアイソレータ１１４は、約４ｍｍまでのビーム直径を有する変換済みビーム１１０を通過させるよう構成される。

波長板１１６は、例えば、直線偏光したレーザパルス（例えば変換済みレーザパルス１１０）の偏光を回転させるために使用される１／２波長板（λ／２板）であり得る。レーザパルスが装置１００の光学構成要素と相互作用すると、レーザパルスの偏光状態が変化し得る。波長板１１６は、装置１００を通るパルスのエネルギー伝達が最適化されるようレーザビームの偏光を回転させることにより、装置１００を微調整するために使用され得る。追加的な波長板が、装置１００内の光学構成要素を通るレーザパルスの伝達を最適化するために、装置１００に追加され得る。追加的な波長板は、図１で示される波長板１１６と同一であってもよく、または代替的に、異なってもよい。例えば係る異なる波長板は１／４波長板（λ／４板）であり得る。

光学フィルタ１１２は波長板１１６から変換済みビーム１１０を受容し、第２エネルギー、第２時間プロファイル、および第１空間プロファイルを有する状態から、第２エネルギー、第２時間プロファイル、および第２空間プロファイルを有する変換済みビーム１１８へと、ビーム１１０をさらに変換し、変換されたビーム１１８を出力し得る。

図７を参照すると、例示的な光学フィルタ１１８の概略図が示されており、この概略図は、ビームエキスパンダ７６６およびビーム整形要素７６８を含み得る。ビームエキスパンダ７６６は、変換済みビーム１１０の直径を、発振器により生成されたビームの第１直径よりも大きくなるよう拡大するために使用され得る。ビームエキスパンダ７６６を用いて変換済みビーム１１０の直径を拡大することにより、拡大された変換済みビーム７７０は、ビーム整形要素７６８上のアパーチャ７７２を過剰充填し得る。一実施形態では、ビーム整形要素７６８はアポダイザである。アポダイザ７６８は、グリットブラストされた縁部またはのこぎり状の縁部７７４を有するアパーチャ７７２を含み得る。ビームエキスパンダ７６６を用いて変換済みビーム１１０を拡大し、拡大された変換済みビーム７７０でアポダイザ７６８を過剰充填することにより、拡大された変換済みビーム７７０の翼型の部分が除去され、その結果、第１空間プロファイルを有するビーム１１０は第２空間プロファイルを有するビーム１１８（頂部が平坦な山高帽形状の外観となっている）へと変換され得る。他のビーム整形装置がビーム整形要素７６８に対して使用され得る。一実施形態では、ドイツ、ベルリンのＡｄｌＯｐｔｉｃａ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＧｍｂＨ製のパイシェーパー（πｓｈａｐｅｒ（登録商標））が、頂部が平坦な（すなわちπ形状）ビーム１１８を生成するためにビーム整形要素７６８として使用される。

図８を参照すると、変換済みレーザビーム１１８の例示的な空間プロファイル８００が示されている。図１で示されるパルスレーザビーム１０８および変換済みビーム１１０の両方は、図８で示される実質的なガウス型の外観を有する第１空間プロファイルを有し得る。実質的に山高帽形状の頂部が平坦なビームをビーム中央部分８７６から作るために、ビーム整形要素が使用され得る。翼型の区域８７８が除去された後、実質的に山高帽形状の頂部が平坦なビームの丸みを帯びた部分８８０は、頂部が平坦な中央部分８７６を有する変換済みビーム１１８が増幅器を通過する際、破線８８１により近似されるように平坦化され続け得る。

図１を参照すると、第２エネルギー、第２時間プロファイル、および第２空間プロファイルを有する変換済みビーム１１８は光学フィルタ１１２から出力され、変換済みビーム１１８を増幅するために、増幅器１０６に入力され得る。増幅器１０６は変換および増幅済みビーム１２６を出力し得る。一実施形態では、発振器１０２から出力されたレーザビームパルス１０８は、第１エネルギーを、第１ビーム直径を、第１時間プロファイルを、および第１空間プロファイルを有し、その一方で、増幅器１０６から出力された変換および増幅済みビーム１２６は、第１エネルギーよりも大きいエネルギーを、第１ビーム直径よりも大きいビーム直径を、第１時間プロファイルと異なる時間プロファイルを、および、第１空間プロファイルと異なる空間プロファイルを有する。

図９を参照すると、例示的な多段増幅器１０６が示されている。図９で示されているように、増幅器１０６は４つの増幅段９０１、９０２、９０３、および９０４を有する。図９で示されているように、変換済みビーム１１８が第１増幅器段９０１に進入し得、変換および増幅済みビーム１２６が第４増幅器段９０４から出力され得る。

変換済みビーム１１８は第１増幅器段９０１上の入力９０５に入力され、光アイソレータ９０７を通過し得る。変換済みビーム１１８は、光アイソレータ９０７から、真空リレー撮像モジュール（ＶＲＩＭ）９０９をさらに通過する。ＶＲＩＭ９０９は、変換済みビーム１１８を集束させ、次に、ビーム１１８をより大きい直径に再度コリメートし、その後、コリメート済みビーム９１１を増幅器モジュール９１３に出力する。増幅器モジュール９１３はコリメート済みビーム９１１を増幅し、増幅済みビーム９１５を第１増幅器段出力９１７へと出力する。

光アイソレータ９０７は上述の光アイソレータ１１４と同様の機能を発揮し得る。光アイソレータ９０７は、変換済みビーム１１８を順方向の伝搬方向に伝達し、その一方で、ビーム１１８からの後方散乱された光および他の逆方向のエネルギーをブロックする、ファラデーアイソレータであり得る。一実施形態では、光アイソレータ９０７は、ビーム１１８が光アイソレータ９０７を通過した後に、ビーム１１８からの逆方向のエネルギーから、装置１００の前述の構成要素を保護するために使用される。光アイソレータ９０７は、約８ｍｍまでのビーム直径を有する変換済みビーム１１８の通路を提供し得る。

変換済みビーム１１８はアイソレータ９０７を通過し、真空リレー撮像モジュール（ＶＲＩＭ）９０９に入力され得る。ＶＲＩＭ９０９は、変換済みビーム１１８を集束および再度コリメートし、コリメート済みビーム９１１を出力し得る。ＶＲＩＭ９０９は第１レンズ９２１、真空チューブ９２３、および第２レンズ９２５を含み得る。変換済みビーム１１８はＶＲＩＭ９０９に進入し、第１レンズ９２１を通過する。第１レンズ９２１は、変換済みビーム１１８を、真空チューブ９２３の内部の中心付近の焦点を通過させる。変換済みビーム１１８が真空チューブ９２３から出ると、ビーム１１８は第２レンズ９２５により再度コリメートされる。コリメート済みビーム９１１は、ビーム強度が減少し且つビーム直径がパルスレーザビーム１１８第１ビーム直径より大きい状態で、ＶＲＩＭ９０９から出力される。ＶＲＩＭ９０９は、変換済みビーム１１８を、より大きい直径のコリメート済みビーム９１１へと中継する。真空チューブ９２３は、焦点位置における変換済みビーム１１８のエアブレークダウンを防止するために使用される。ビーム１１８のエアブレークダウンにより、ビーム品質およびビームエネルギーの損失がもたらされるであろう。

ＶＲＩＭ９０９は、変換済みビーム１１８の空間プロファイルを保持し、その一方で、増幅器モジュール９１３の利得媒質９２７を最適に充填するよう、変換済みビーム１１８のサイズを大きくし得る。利得媒質９２７を最適に充填することにより、増幅器モジュール９１３によるコリメート済みビーム９１１の増幅が最適化される。

ビーム９１１は増幅器モジュール９１３の利得媒質９２７に進入する。増幅器モジュール９１３は、利得媒質９２７および励起源９２９を含む。ビーム９１１が利得媒質９２７を通過する際、励起源はビーム９１１を最適に励起する。利得媒質９２７は、レーザダイオードアレイ９２９により励起されるＮｄ：ＹＬＦ結晶レーザロッドであり得る。ビーム９１１がロッド９２７を通過する際にビーム９１１は増幅され、増幅済みビーム９１５として出力される。一実施形態では、レーザロッド９２７の直径は約５ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９２７の直径は約４～６ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９２７の直径は約３～７ｍｍである。利得媒質９２７は約８０％のフィルファクタを有し得る。すなわち、利得媒質面積の約８０％がビーム９１１により充填されるであろう。一般に、より大きいフィルファクタを有する利得媒質はより高い利得を有し、利得媒質内に格納されたより多くのエネルギーが抽出され得る。一実施形態では、ロッド９２７は８５％のフィルファクタを有する。

増幅器モジュール９１３を有する第１増幅器段９０１は、入力９０５で入力されるビームのエネルギーを増幅し且つ出力９１７において増幅済みビーム９１５を出力する小型の前置増幅器として機能し得る。所与の事例では、増幅済みビーム９１５は、約４０ｍＪ～１００ｍＪの第３エネルギー、約４．５ｍｍの第２ビーム直径、第３時間プロファイル、および第３空間プロファイルを有し得る。

増幅済みビーム９１５は第２増幅器段９０２上の入力９３１に入力され得る。第２増幅器段９０２は、第１増幅器段９０１と同様であり、ＶＲＩＭ９３３と、利得媒質９３７および励起源９３９を有する増幅器モジュール９３５と、を含む。増幅済みビーム９４１は増幅器モジュール９３５から第２増幅器段出力９４３に出力され得る。

ＶＲＩＭ９３３は、動作においてＶＲＩＭ９０９と同様であり、レンズと、増幅済みビーム９１５を集束させ、ビーム９１５を再度コリメートし、コリメート済みビーム９４５を出力するための真空チューブと、を含み得る。ＶＲＩＭ９３３は、増幅済みビーム９１５のブレークダウンを防止し、利得媒質９３７上のコリメート済みビーム９４５のフィルファクタが大きくなるよう、増幅済みビーム９１５の直径を大きくする。ＶＲＩＭ９３３のレンズは、ＶＲＩＭ９０９のレンズ９２１および９２３よりも直径がより大きいものであり得（すなわち、より高いエネルギーおよびより大きいビーム直径を有するビーム、例えば増幅済みビーム９１５は、より大きい直径のレンズを利用し得る）、ＶＲＩＭ９３３における真空チューブの長さはＶＲＩＭ９０９におけるチューブ９２３よりも長いものであり得る。一般に、ＶＲＩＭに対するレンズのサイズおよびＶＲＩＭにおける真空チューブの長さは、ビームエネルギーおよびビーム直径が大きくなるにしたがって、大きくなる。ＶＲＩＭ９３３は増幅済みビーム９１５をコリメート済みビーム９４５に画像中継（Ｒｅｌａｙ Ｉｍａｇｅ）し得る。なおコリメート済みビーム９４５は、約８０％～８５％のフィルファクタを有する利得媒質９３７が提供されるような直径を有する。

増幅器モジュール９３５は、上述の増幅器モジュール９１３と同様に、利得媒質９３７および励起源９３９を含み得る。ビーム９４５は、利得媒質９３７が励起源９３９により励起されている間に、利得媒質９３７を通過し得、それによりビーム９４５は増幅され、その後、ビーム９４５は、増幅器モジュール９３５から、増幅済みビーム９４１として出力され得る。利得媒質９３７は、レーザダイオードアレイ９３９により励起されるＮｄ：ＹＬＦ結晶レーザロッドであり得る。一実施形態では、レーザロッド９３７の直径は約９ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９３７の直径は約８～１０ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９３７の直径は約７～１１ｍｍである。増幅器モジュール９３５を有する第２増幅器段９０２は、入力９３１で入力されるビームのエネルギーを増幅し且つ出力９４３において増幅済みビーム９４１を出力する小型の前置増幅器として機能し得る。所与の事例では、増幅済みビーム９４１は、約１Ｊの第４エネルギー、約８．１ｍｍの第３ビーム直径、第４時間プロファイル、および第４空間プロファイルを有し得る。

図９で示されているように、増幅器段９０１および９０２は小信号利得の方式で動作し得る。そのため、利得鋭利化を通して、ビームの時間プロファイルの前縁部がさらに鋭利化され得る。ビームがこれらの増幅器段を通過する際に、ビームのパルス幅も狭くなり得る。

増幅済みビーム９４１は第３増幅器段９０３上の入力９４７に入力され得る。第３増幅器段９０３は以前の増幅器段９０１および９０２と同様であり、光アイソレータ９４９と、ＶＲＩＭ９５１と、利得媒質９５５および励起源９５７を有する増幅器モジュール９５３と、を有し得る。増幅済みビーム９５９は、増幅器モジュール９５３から第３増幅器段出力９６１へと出力され得る。

光アイソレータ９４９は上述の光アイソレータ９０７と動作において同様であり得る。一実施形態では、光アイソレータ９４９は、約１２ｍｍまでの直径を有する増幅済みビーム９４１に対して通路を提供するよう構成される。

ＶＲＩＭ９５１は、上述のＶＲＩＭ９０９および９３３と動作において同様であり、レンズと、増幅済みビーム９４１を集束させ、増幅済みビーム９４１を再度コリメートし、コリメート済みビーム９６３を出力するための真空チューブと、を含む。ＶＲＩＭ９５１は、増幅済みビーム９４１が集束された後の増幅済みビーム９４１のブレークダウンを防止し、利得媒質９５５上でコリメート済みビーム９６３のフィルファクタが大きくなるよう増幅済みビーム９４１の直径を大きくするために、ビーム９４１を再度コリメートする。ＶＲＩＭ９５１のレンズは、ＶＲＩＭ９０９および９３３におけるレンズよりも直径が大きいものであり得、ＶＲＩＭ９５１における真空チューブの長さはＶＲＩＭ９０９および９３３における真空チューブよりも長いものであり得る。ＶＲＩＭ９５１は増幅済みビーム９４１をコリメート済みビーム９６３に画像中継し得る。なおコリメート済みビーム９６３は、約８０％～８５％のフィルファクタを有する利得媒質９５５が提供されるような直径を有する。

増幅器モジュール９５３は、上述の増幅器モジュール９１３および９３５と同様に、利得媒質９５５および励起源９５７を含み得る。コリメート済みビーム９６３は、利得媒質９５５が励起源９５７により励起されている間に、利得媒質９５５を通過し、それによりビーム９６３は増幅され、その後、ビーム９６３は、増幅器モジュール９５３から、増幅済みビーム９５９として出力され得る。利得媒質９５５は、レーザダイオードアレイ９５７により励起されるＮｄ：ＹＬＦ結晶レーザロッドであり得る。一実施形態では、レーザロッド９５５の直径は約１５ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９５５の直径は約１４～１８ｍｍである。他の実施形態では、レーザロッド９５５の直径は約１２～１８ｍｍである。増幅器モジュール９５３を有する第３増幅器段９０３は、入力９４７で入力されるビームのエネルギーを増幅し且つ増幅済みビーム９５９を出力９６１において出力する小型の前置増幅器として機能し得る。所与の事例では、増幅済みビーム９５９は、約４．３Ｊの第５エネルギー、約１３．５ｍｍの第４ビーム直径、第５時間プロファイル、および第５空間プロファイルを有し得る。

増幅済みビーム９５９は第４増幅器段９０４上の入力９６５に入力され得る。第４増幅器段９０４は以前の増幅器段９０１、９０２、および９０３と同様であり、ＶＲＩＭ９６７と、波長板９６９と、利得媒質９７３および励起源９７５を有する増幅器モジュール９７１と、を有し得る。増幅済みビーム１２６は、増幅器モジュール９７１から第４増幅器段出力９７７へと出力され得る。

ＶＲＩＭ９６７は上述のＶＲＩＭ９０９、９３３、および９５１と動作において同様であり、レンズと、増幅済みビーム９５９を集束させ、増幅済みビーム９５９を再度コリメートし、コリメート済みビーム９７９を出力するための真空チューブと、を含み得る。ＶＲＩＭ９６７は、増幅済みビーム９５９のブレークダウンを防止し、利得媒質９７３上で出力ビーム９７９のフィルファクタが大きくなるよう増幅済みビーム９５９の直径を大きくするために、増幅済みビーム９５９を再度コリメートする。ＶＲＩＭ９６７のレンズは、ＶＲＩＭ９０９、９３３、および９５１におけるレンズよりも直径が大きいものであり得、ＶＲＩＭ９６７における真空チューブの長さはＶＲＩＭ９０９、９３３、および９５１における真空チューブよりも長いものであり得る。ＶＲＩＭ９６７は増幅済みビーム９５９をコリメート済みビーム９７９に画像中継し得る。なおコリメート済みビーム９７９は、約８０％～８５％のフィルファクタを有する利得媒質９７３が提供されるような直径を有する。

増幅器モジュール９７１は、上述の増幅器モジュール９１３、９３５、および９５３と同様に、利得媒質９７３および励起源９７５を含み得る。コリメート済みビーム９７９は、利得媒質９７３が励起源９７５により励起されている間に、利得媒質９７３を通過し、それによりビーム９７９は増幅され、その後、ビーム９７９は、増幅器モジュール９７１から、増幅済みビーム１２６として出力され得る。利得媒質９７３は、レーザダイオードアレイ９７５により励起されるＮｄ：ＹＬＦ結晶レーザロッドであり得る。一実施形態では、レーザロッド９７３の直径は約２５ｍｍである。増幅器モジュール９７１を有する第４増幅器段９０４は、入力９６５で入力されるビームのエネルギーを増幅し且つ増幅済みビーム１２６を出力９７７において出力する増幅器として機能し得る。一実施形態では、第４増幅器段９０４は１つの増幅器モジュール９７１を含む。他の実施形態では、第４増幅器段９０４は１つまたは複数の増幅器モジュール９７１を含む。所与の事例では、増幅済みビーム１２６は、約７Ｊ～１３Ｊの第６エネルギー、約２０ｍｍ～２５ｍｍの第５ビーム直径、第６時間プロファイル、および第６空間プロファイルを有し得る。増幅器１０６から出力される増幅済みビーム１２６は変換および増幅済みのビームであり得る。

増幅器１０６を通過するビームの特性はビームの増幅により変化し得る。例えば、ビームが増幅される際、ビーム直径が増幅器１０６における光学要素により増大化され、その結果、各利得媒質（例えばレーザロッド）がより効果的に充填されることとなる。それにより、最適に増幅されたレーザが利得媒質から出力され、その一方で、増幅器１０６における特定の構成要素の能力も十分に活用されることとなり得る。

ビームが増幅器１０６を通過する際、ビーム直径は、例えば増幅器９０１、９０２、９０３、および９０４でそれぞれ使用されるロッド９２７、９３７、９５５、および９７３などの利得媒質のサイズ（例えばロッド直径）に合致するよう、大きくなり得る。ビームエネルギーが増幅器１０６の全域を通して増大化されるため、ビーム直径が小さすぎた場合には、増幅器１０６内の光学構成要素に損傷が生じるリスクが大きくなる。ビームエネルギーの増大化につれてビームサイズを増大化させることにより、利得媒質上のパワー密度は損傷閾値より小さい値に保たれ得る。

増幅器１０６のビームの他の特性は、ビームの増幅により、変化し得る。例えば、ビームの時間プロファイルの前縁部は、ビームが増幅されると鋭利化され得る。

図２で図示されるＵＣＣ制御器２４２は、図９で図示される増幅器モジュール９１３、９３５、９５３、および９７１のタイミングを制御するために使用され得る。特にＵＣＣ制御器２４２は、利得媒質を通過するビームの増幅が最適化されるよう増幅器モジュールにおける励起源が増幅器モジュールにおける利得媒質を励起するタイミングを制御し得る。このようにして、増幅器モジュールを通過するビームの増幅が制御され得る。

図１を参照すると、ビーム１２６が増幅器１０６から出力された後、ビーム１２６がひとたび光アイソレータ１２０を通過した後にはビーム１２６が装置１００の以前の光学構成要素と相互作用することを防止するために、光アイソレータ１２０は使用され得る。例えば、ビーム１２６がひとたび光アイソレータ１２０を通過すると、光アイソレータ１２０は、ビーム１２６から後方散乱された光が、装置１００における発振器１０２から増幅器１０６までの以前の光学構成要素のいずれとも相互作用することを防止する。一実施形態では、光アイソレータ１２０はファラデーアイソレータであり、約３５ｍｍまでの直径を有するビーム１２６の通過を可能にし得る。

追加的要素が、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）が実施されるよう変換および増幅済みレーザビーム１２６をターゲット部分１０１に供給するために、装置１００とともに使用され得る。ビーム１２６は、ターゲット部分１０１のみに供給されるよう、または、ピーニングセル１２４内に含まれたターゲット部分１０１に供給されるよう、光アイソレータ１２０を通ってビーム供給装置１２２まで通され得る。

図１０で示されているように、レーザビーム供給装置１２２は１つまたは複数のミラー１０８１、１つまたは複数の光ケーブル１０８３、および多軸関節アーム１０８５を含み得る。レーザビーム供給装置１２２は、より大きいサイズのビーム１２６を、ＬＳＰ実施のために使用する約２～３ｍｍのより小さいスポットサイズへと集束させるための集束光学系１０８７を含み得る。一実施形態では、レーザビーム供給装置１２２の集束光学系１０８７は、ビーム１２６のスポットサイズを約３ｍｍ～８ｍｍの範囲へと集束および調整する。レーザビーム供給装置１２２は追加的な安全機能（例えば、供給装置１２２がビーム１２６をターゲット部分１０１またはピーニングセル１２４に供給する位置にないかぎり、ビーム１２６がレーザビーム供給装置１２２に進入することをブロックするためのシャッター１０８９など）も含み得る。追加的なＶＲＩＭ組立体１０９１が、増幅器１０６から出力される変換および増幅済みビーム１２６の近接場値および測定値を維持するために、レーザビーム供給装置１２２とともに使用され得る。一実施形態では、ＶＲＩＭ１０９１はビーム１２６をターゲット部分１０１に画像中継するために使用される。

レーザピーニングセル１２４はレーザ衝撃ピーニングが実施されるべきターゲット部分１０１を含み得る。ロボットハンドリングシステム１０９３は、レーザビーム供給装置１２２の位置を変化させ、それにより供給装置１２２から出力されたビーム１２６の位置をターゲット部分１０１へと変化させるために、レーザビーム供給装置を操作するよう適応され得る。ロボットハンドリングシステム１０９３は、レーザピーニングセル１２４へとパーツを、およびレーザピーニングセル１２４からパーツを、導入するためにも使用され得る。レーザピーニングセル１２４は、ビーム１２６から発する危険なレーザ光をレーザピーニングセル１２４内に閉じ込めるための光遮蔽環境を提供し得る。レーザピーニングセル１２４には、照明、空気濾過システム、ならびに、ＬＳＰ処理の際に生成される流出物およびデブリを除去するための排出システムなどの、オプション部品、および、様々なパーツをレーザピーニングセル１２４へと、ならびにレーザピーニングセル１２４から、移動させるためのロボット１０９３に対するインターフェース１０９５（すなわち入口／出口）の他に、他の安全システムも、装備され得る。一実施形態では、レーザピーニングセル１２４は、ロボット１０９３が、レーザピーニングセル１２４内のより大きいターゲット部分を操作することが可能となるよう、約４．５ｍ×４．５ｍ×３．０ｍ（高さ）の寸法となり得る。レーザピーニングセル１２４は、ターゲット部分１０１から後方散乱されたレーザエネルギーが、供給装置１２２に、または装置の他の光学要素に、進入することを防止するためのターゲット分離システム１０９６（例えば光アイソレータ）を含み得る。一実施形態では、レーザピーニングセル１２４は、不透明オーバーレイをターゲット部分１０１に印加するための不透明オーバーレイアプリケータ１０９７と、透明オーバーレイをターゲット部分１０１に印加するための透明オーバーレイアプリケータ１０９９と、を含み得る。不透明オーバーレイおよび透明オーバーレイは、増幅および変換済みビーム１２６がＬＳＰ処理の際にターゲット部分１０１上の不透明オーバーレイおよび透明オーバーレイに接触するよう、ターゲット部分１０１に印加され得る。

一実施形態では、変換および増幅済みビーム１２６の近接場値は、約７～１３Ｊのエネルギーと、約１６ｎｓまでのパルス幅と、２００Ｗの平均パワーと、少なくとも３ｍｍのスポットサイズと、を含む。この実施形態では、これらのパラメータを有する変換および増幅済みビーム１２６は、２０Ｈｚの繰り返し率で装置１００により生成される。

他の実施形態では、変換および増幅済みビーム１２６の近接場値は、約５Ｊ～約１０Ｊのエネルギーと、約５Ｗ～約２００Ｗの平均パワーと、約０．２（２０％）より小さいビーム一様性と、約３ｍｍ～約８ｍｍのスポットサイズに集束されたビームと、を有する。この実施形態では、装置１００の発振器１０２は、発振器からの約１．３Ｍ^２より小さいビーム品質を有するビームと、これらのパラメータを有するビームと、を生成し得る。初期のビーム品質は、約１Ｈｚ～２０Ｈｚの範囲の可変繰り返し率で、所望により、ターゲット部分１０１の表面に応じて、可変の「オン・ザ・フライ」で、生成され得る。

他の実施形態では、最終的な集束光学系１０８７とターゲット１０１との間の約５～１０ｍの作動距離が可能である。大きい作動距離は、適切には、装置１００の光学構成要素と、ＬＳＰ処理の際に生成されるデブリおよび流出物と、の間の距離である。

図１１を参照すると、パワー／パルスエネルギーの長期ドリフトを図示するグラフが１１００において示されている。グラフ１１００は、８時間の連続動作後における変換および増幅済みビームの平均パルスパワーを示し、およそ２００Ｗの平均パワーを示す。なおここでは、パルスエネルギーの長期的安定性が０．２８％（ｒｍｓ）となっている。

図１２を参照すると、空間ビームフルエンス一様性を図示するグラフが１２００において示されている。空間ビームフルエンス一様性は、変換および増幅済みビームを、ビームを輪郭検出するよう構成されたカメラに対して向けることにより、キャプチャされ得る。係るカメラはアパーチャを含み得、ビームフルエンス一様性は、輪郭検出器ソフトウェアにより画成されるアパーチャ内で定量化され得る。この画成されたアパーチャ内のビームエネルギーは、パルスエネルギー全体の約９０％以上となるであろう。なおビーム一様性は、画成されたアパーチャ内のその平均値からのパワー／エネルギー密度の正規化されたｒｍｓ偏差として定義される。輪郭検出器ソフトウェアは、空間ビーム一様性を測定するために使用され得る。例えば、ユタ州ノースローガンのＯｐｈｉｒ－Ｓｐｉｒｉｃｏｎ社製のＳｐｉｒｉｃｏｎ（登録商標）ＢｅａｍＧａｇｅ（登録商標）ソフトウェアを使用するＳｐｉｒｉｃｏｎ（登録商標）カメラが、１２００で示されるビームフルエンス一様性を測定および出力するために使用され得る。グラフ１２００における同様色が変換および増幅済みビームの空間ビームフルエンス一様性を維持する能力を示す一方で、色の変化は変換および増幅済みビーム内のホットスポットを示す。グラフ１２００で図示されているように、ビームフルエンス一様性は９．１０％である。

図１３を参照すると、変換および増幅済みビームの近接場ビームプロファイルを図示するグラフ１３００が示されている。グラフ１３００で図示される近接場ビームプロファイルは約２１ｍｍ（さらに詳細には、測定および計算技術に応じて２１．０６ｍｍ～２１．７９３ｍｍ）のビーム直径を示す。

図１４を参照すると、Ｍ^２分析（すなわち、出力ビーム１２６（図１）に対する近接場におけるビーム品質分析）グラフ１４００が示されている。Ｍ^２値（ビーム品質因子としても知られる）は、次の式１により求められる。

式中ｄ_１はビームにおける最小ウエスト（表における２ω_０）すなわち０．３１０ｍｍであり、Ｄ_０はレンズに進入するビームのサイズ（この場合２０ｍｍ）である。なおλはレーザの波長（この場合、１０５３ｎｍ）であり、ｆはレンズの焦点距離（この場合、８００ｍｍ）である。表１４０１で示されるように、近接場ビーム品質は約５．９７の平均値を有する。

図１５で図示されているように、グラフ１５００は、変調器１０４（図１）により前縁部がスライスにより除去された状態のビームの時間プロファイルを示す。ビームのグラフは、ビームのエネルギーを電圧として測定するフォトダイオードにビームの一部分を誘導することにより生成された。電圧は、データ収集のためにオシロスコープに送られる。図１５で図示されているように、ｙ軸は、オシロスコープからのデジタル化された未加工データポイントを表す。オシロスコープは、データを８ビットのサンプルとしてキャプチャし、それにより１２７の離散的な正の値が提供される。表１では、時間と、図１５で図示されるビームの前縁部上における０と、５８のピーク値と、の間でキャプチャされた値に対する関連付けられた値と、が示されている。

立ち上がり時間は、ピーク値の約１０％と９０％との間の時間として計算され得る。所与の事例では、５８のピーク値に対して、立ち上がり時間は約６と５２との値の間で計算される。上記の表における値に基づいて、図１５で図示されるビームの前縁部に対する立ち上がり時間は約３．５ｎｓである。

図１６を参照すると、ターゲット部分に対してレーザピーニングを実施するための例示的な方法１６００のフローチャートが提供されている。この方法は、ダイオードで励起されたレーザロッドを有する発振器から第１エネルギー、第１ビーム直径、および第１時間プロファイルを有するパルスレーザビームを生成および出力することを含む（１６０１）。発振器により出力されるビームは、第１エネルギーおよび第１時間プロファイルを有するビームを第２エネルギーおよび第２時間プロファイルに変換する（１６０５）パルススライサーにより受容される（１６０３）。パルススライサーは、第２エネルギーおよび第２時間プロファイルを有する変換済みビームをパルススライサーから増幅器に出力する（１６０７）。増幅器は、変換済みビームを受容し、増幅器を用いて、第２エネルギーから、第１ビーム直径よりも大きい第２ビーム直径を有する第３エネルギーへと（１６０９）、および第２時間プロファイルと異なる第３時間プロファイルへと増幅し、第３エネルギー、第２ビーム直径、第３時間プロファイルを有するビームを、ターゲット部分に対してレーザ衝撃ピーニングを実施するために、増幅器からターゲット部分に出力する（１６１１）。

方法１６００で記載の発振器は、第１空間プロファイルを有するビームをさらに出力し、第２エネルギー、第２時間プロファイル、および第１空間プロファイルを有する変換済みビームを光学フィルタにおいて受容することと、光学フィルタを用いて変換済みビームを変換し、第２エネルギー、第２時間プロファイル、および第２空間プロファイルを有する変換済みビームを出力することと、を含み得る。

方法１６００で記載の増幅器は、スポットサイズを有するビームをさらに出力し、増幅器から出力されたビームをレーザビーム供給装置において受容することと、レーザビーム供給装置を用いてビームを約３ｍｍ～約８ｍｍのスポットサイズに集束させることと、ビームをターゲット部分に出力することと、を含み得る。

方法１６００で記載の第３エネルギーは約５Ｊ～約１０Ｊであり得る。方法１６００で記載の第２ビーム直径は約２２ｍｍ～約２２．５ｍｍの範囲であり得る。方法１６００で記載の第３時間プロファイルは約１２ｎｓの平均パルス幅を含み得る。

図１７を参照すると、増幅器１０６に対する例示的な二重通過型の第１増幅段１７０１が示されている。第１増幅段１７０１は、変換済みレーザビーム１７８を入力１７０５において受容し、変換済みビーム１７８を、偏光器１７０６、光アイソレータ１７０７、およびＶＲＩＭ１７０９を通過させ、それにより、より大きい直径を有するビーム１７１１を出力するよう構成され得る。より大きいビーム１７１１は、レーザ増幅器モジュール１７１３をさらに通され、増幅済みビーム１７１５として増幅器モジュール１７１３から出力され得る。増幅済みビーム１７１５はミラー１７１６で反射された後、増幅器モジュール１７１３を逆向きに通され、その結果、二重通過された増幅済みビーム１７１７が生成され得る。この増幅済みビーム１７１７は、ＶＲＩＭ１７０９および光アイソレータ１７０７を逆向きに通され、偏光器１７０６から出力１７１９へと反射され得る。

上述の第１増幅器段９０１と同様に、二重通過型の第１増幅器段１７０１は、変換済みビーム１７８を入力１７０５で受容し、偏光器１７０６を通して変換済みビーム１７８を通過させ得る。偏光器１７０６はビーム１７８の偏光を変化させ、ビーム１７８を光アイソレータ１７０７に向かって誘導し得る。光アイソレータ１７０７は、上述の光アイソレータ９０７と同様に作用し得る。ビーム１７８の偏光を変化させることにより、二重通過された増幅済みビーム１７１７は、光アイソレータ１７０７を、ビーム１７８の方向とは異なる方向に、逆方向に通過することが可能となる。

ＶＲＩＭ１６０９は第１レンズ１７２１と、真空チューブ１７２３と、第２レンズ１７２５と、を含み、上述のＶＲＩＭ９０９と同様に、より大きいビーム１７１１を出力するよう動作し得る。加えてＶＲＩＭ１７０９は、増幅器モジュール１７１３から出力された、二重通過された増幅済みビーム１７１７がＶＲＩＭ１７０９を、ビーム１７１１の方向とは異なる移動方向に通過することを可能にし得る。

増幅器モジュール１７１３は、上述の増幅器モジュール９１３と同様であり、利得媒質１７２７および励起源１７２９を含み得る。ビーム１７１１は、利得媒質１７２７が励起源１７２９により励起されている間に、利得媒質１７２７を通過し、それによりビーム１７１１は増幅され、その後、ビーム１７１１は、増幅器モジュール１７１３から、増幅済みビーム１７１５として出力され得る。利得媒質１７２７は、レーザダイオードアレイ１７２９により励起されるＮｄ：ＹＬＦ結晶レーザロッドであり得る。ロッド１７２７は、ロッド１７２７を逆方向に通過する反射された増幅済みビーム１７１５をさらに増幅し、その後、増幅済みビーム１７１５はロッド１７２７および増幅器モジュール１７１３から、二重通過された増幅済みビーム１７１７として、出力され得る。

ミラー１７１６が、逆方向に第１増幅器モジュール１７１３を通すように増幅済みビーム１７１５を反射させると、ビーム１７１５はさらに増幅され、二重通過された増幅済みビーム１７１７として出力され得る。

二重通過された増幅済みビーム１７１７がＶＲＩＭ１７０９および光アイソレータ１７０７の両方を通過した後、二重通過されたビーム１７１７は偏光器１７０６に接触し、偏光器１７０６は二重通過された増幅済みビーム１７１７の偏光を変化させ、ビーム１７１７を二重通過型の第１増幅器段１７０１の出力１７１９に向かって誘導し得る。

増幅器モジュール１７１３を有する二重通過型の第１増幅器段１７０１は、入力１７０５において入力されたビームのエネルギーを増幅し且つ二重通過された増幅済みビーム１７１７を出力１７１９において出力するための小型の前置増幅器として動作し得る。所与の事例では、二重通過された増幅済みビーム１７１７は、約２３０ｍＪの第３エネルギー、約４．５ｍｍの第２ビーム直径、第３時間プロファイル、および第３空間プロファイルを有し得る。

図９で図示されているような追加的な増幅器段（例えば９０２、９０３、および９０４など）は、二重通過される第１増幅器段１７０１に対して上述した同様の構成要素に関して二重通過されるよう構成され得る。追加的な複式二重通過型の増幅構成が使用され得る。なおこの複式二重通過型の増幅構成では、パルスは、最初に、１つの増幅器モジュールを通して二重通過された後、以前の増幅器モジュールよりも大きい直径を有する利得媒質を有する後続の増幅器モジュールを通して二重通過される。

図１８で図示されているように、合致する増幅器モジュール１８８３を有する例示的な第４増幅段１８０４が、増幅器モジュール９７１から出たビーム１８８１の増幅を増大化させるために使用され得る。合致する第４増幅段１８０４は、追加的な増幅器モジュールを有する、上述の増幅段９０４と同様であり得る。増幅器モジュール１８８３は増幅器モジュール９７１と同様であり得る。すなわち、増幅器モジュール１８８３の利得媒質１８８７は、増幅器モジュール９７１の利得媒質９７３と同一サイズであり得る。増幅器モジュール１８８３は、出力９７７において出力ビーム１２６を出力する前に入力ビーム１８８１が増幅されるよう利得媒質１８８７を励起するための励起源１８８５を有する。装置１００のあらゆる増幅器段は合致するよう構成され得る。すなわち、増幅器段は、ビームを増幅するための追加的な増幅器モジュールを含み、図１８で図示されている構成と同様に構成され得る。

図１９を参照すると、例示的なビームスプリッタ構成１９００の概略図が示されている。ビームスプリッタ構成１９００は、例えば、最終の増幅器段の後、１つのビームを、等しいエネルギーまたは等しくないエネルギーの２つのビームに分割するために使用され得る。ビームスプリッタ構成１９００は、変換および増幅済みビーム１９２６をビーム１９２８および１９３０に分割するためのビームスプリッタ１９０５を含み得る。追加的な増幅構成（例えば二重通過型の構成、合致型の構成、または他の構成）が分割ビームを増幅するために使用され得る。

本明細書で記載の実施形態では、実行されたときに本明細書で記載の例示的な方法を実行し得る、ロボティック制御、制御システム、および、コンピュータ可読媒体上に格納された命令が使用され得る。例えば、ターゲット部分を操作し且つターゲット部分上の異なる位置にパルスレーザビームを誘導するために、ロボットが使用され得る。ロボットは、ＬＳＰを実施するために、ターゲット部分をレーザピーニングセル内に、およびレーザピーニングセルから移動させるために、使用され得る。ロボットは、効率的なＬＳＰ処理のために、複数の部分を一括的に移動させ得る。ロボットは、ＬＳＰ処理のために部品を操作するために、制御システムとインターフェース接続し得る。すなわち、部品が透明オーバーレイおよびＬＳＰのためのレーザパルスの両方を受容するために位置決めされ得るよう、ロボットは部品の位置決めを制御し得る。ロボットアームが同一部品を、部品上の後続のＬＳＰターゲットのために、再度位置決めし得る。一実施形態では、ロボットは、約２０Ｈｚの速度で後続のＬＳＰターゲットに対して部品を再度位置決めする。他の実施形態では、ロボットは約０．２ｍｍより小さい位置反復精度を有する。加えてロボットは、システム調整またはシステム較正のためのフィードバックが生成されるよう、ツールまたはセンサと相互作用するために使用され得る。図１０で図示されているように、ロボティックアーム１０９３などのロボットがビーム供給装置１２２の構成要素に装備され得る。それにより、ロボット１０９３およびビーム供給装置１２２は、レーザ衝撃ピーニングのためにレーザパルスがターゲット部分１０１に供給されるよう、静止部分１０１に対して再度位置決めされ得る。このようにしてロボットは、出力ビーム１２６に対してターゲット部分１０１の位置を制御すること、またはターゲット部分１０１に対して出力ビーム１２６の位置を制御すること、を実施し得る。

ＬＳＰ処理において使用するための装置は、装置の機能を制御するための１つまたは複数の制御器とインターフェース接続され得る。制御器においては、較正または調整が自動的に実施されてもよく、または、ユーザが装置の制御とインターフェース接続するためのユーザインターフェースが存在してもよい。自動制御に関して、ビームが装置内を進行する際の様々なビームパラメータを収集するために様々なセンサが用いられ得る。センサの測定値はリアルタイムで収集される場合もあり、または周期的に収集される場合もある。センサの測定値は装置制御のためのフィードバックとして使用され得る。例えば、装置が特定的な温度範囲内で動作していることを確認するために、温度測定値が周期的に装置内で採取されてもよい。１つまたは複数のパルスのパルスエネルギー、パルス幅、および空間プロファイルが測定および監視され、測定値がユーザの選択による範囲から逸脱した場合、制御システムは、測定値がユーザの選択による範囲内に収まるよう、装置の構成要素を調整し得る。

レーザビームパラメータに関するデータは、装置の内部から、およびビーム供給経路から（例えば、光学構成要素からの反射の一部として、またはミラーから漏出したエネルギーとして）、取得され得る。データは周期的に取得され、ＬＳＰ処理条件がユーザの選択による誤差の範囲内となることを確保するために、ターゲットデータに対して相互較正され得る。

ビーム位置およびスポットサイズは、ビーム経路内に配置されたカメラを用いて、非常に厳しい許容誤差範囲内で判定され得る。ビーム画像をキャプチャするためにカメラが使用され、ビーム画像から抽出されたパラメータが理想的なパラメータと比較され得る。例えばビーム位置が理想的な位置パラメータにより示される中心にない場合、理想的なパラメータにより確定される位置にビームが近接するよう、ミラーが自動的に調整され得る。ビームの調整および移動は小さい増分で実施され、理想的な位置パラメータにより確定される位置にビームが到達するには数回の測定および調整が必要となり得る。カメラは、スポット面積およびスポットサイズの測定にも使用され得る。制御器は、ターゲットレンズが設定されたスポットサイズに調整されるよう、レンズを自動的に調整し得る。

網羅的または限定的であることを意図するものではないが、ＬＳＰ処理における使用のための装置とともに使用される制御システムは、ｅＤｒｉｖｅ／発振器（例えば、タイミング、励起電流）を構成および監視することと、タイミング生成器を構成および監視することと、レーザ安全性を制御および監視することと、レーザ出力を制御および監視することと、レーザ温度（例えば、エンクロージャ温度、冷却水温度、その他）を制御および監視することと、レーザヘッド部タイミングに対する調整を介して出力エネルギーを制御することと、オーバーレイ適用を制御することと、最終的な集束レンズを制御および監視することと、最終的な反射鏡を制御および監視することと、ロボットなどの外部制御システムとの統合化と、装置の構成要素の構成を格納することと、レーザ処理のために装置により収集されたデータを格納することと、装置に対するアクセスを制御する（例えば、装置のアクセスを認定ユーザに制限する）ことと、を実施するために使用され得る。

網羅的であることまたは限定的であることを意図するものではないが、ＬＳＰ処理のための装置とともに使用される制御システムのセンサ構成要素は、パルス幅、パルスエネルギー、ビーム空間プロファイル、ダイオード電圧、励起電流、エンクロージャ温度、冷却水温度、レーザ安全システム、および装置の健康状態の検出および監視を実施し得る。

本明細書で記載の制御システムは、レーザヘッド部タイミング、最終的な集束レンズ位置、最終的な反射鏡位置、オーバーレイ適用タイミング、冷却システム動作、およびデータ収集の自動的調整を実施するために使用され得る。制御システムは出力レーザビームのエネルギーを自動的に調整し得る。制御システムはダイオード電圧を自動的に調整し得る。ダイオード電流はｅＤｒｉｖｅにより自動的に制御され得る。

図２０を参照すると、ＬＳＰにおいて使用するための装置に対して自動的な較正および調整を実施するための例示的な方法（２０００）のフローチャートが提供されている。方法（２０００）は、ターゲット部分に対してＬＳＰを実施する前に、ＬＳＰのための装置における最終的な集束レンズをユーザの定義によるスポットサイズに調整することを含み得る（２００１）。この方法は、ターゲット部分に対してＬＳＰを実施する前に、レーザビーム供給システム上のミラーの位置を、ユーザの定義によるターゲット場所に基づいて調整することも含み得る（２００３）。この方法は、較正されたエネルギー測定値のテストレーザをテストレーザのエネルギーを測定するために放出し、テストレーザの測定エネルギーとユーザの定義によるレーザ出力エネルギーとを比較することにより、装置により出力されるビームのエネルギーを較正することも含み得る（２００５）。この方法は、出力ビームを較正するために、ＬＳＰのための装置の構成要素を調整し、テストレーザの測定エネルギーがユーザの定義によるエネルギーの許容誤差範囲内となるまで、較正されたエネルギー計測値のテストレーザを再度放出することをさらに含み得る（２００７）。この方法は、較正されたビームをＬＳＰに対するターゲット部分に放出し、較正されたビームパラメータをビームにおけるピックオフ位置において測定し（２００９）、測定されたスポットサイズ、測定された位置、および測定されたパルス幅と、ユーザの定義によるスポットサイズ、位置、およびパルス幅とを比較すること（２０１１）により、レーザ出力のスポットサイズ、ビーム位置、およびバルス幅を較正することも含み得る。この方法は、最終的な集束レンズを調整し、レーザビーム供給装置におけるミラーの位置を調整し、パルススライサーを調整することにより、レーザのパラメータを反復的に調整し、スポットサイズ、ビーム位置、およびパルス幅がユーザの定義によるスポットサイズ、ビーム位置、およびパルス幅となるまで、スポットサイズ、ビーム位置、およびパルス幅を再度測定することをさらに含み得る（２０１３）。

特記ある場合を除き、添付の請求項を含む本明細書において説明される数値パラメータは、代表的な実施形態にしたがって取得しようと努められる所望の特性に応じて変動し得る近似値である。請求項の範囲に対して均等論の適用を制限することを意図するものではなく、少なくとも、各数値パラメータは、記録された有効数字の桁数に照らし合わせ、通常の丸め技術を適用することにより、少なくとも解釈されるべきである。

本発明の広範な範囲を説明する数値範囲およびパラメータが近似値であるにもかかわらず、具体例において説明される数値は、可能な限り正確に記載されている。しかし、任意の数値は、それぞれの試験測定値において見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含むものである。

さらに、システム、方法、および装置については例示的な実施形態を記載することにより説明し、例示的な実施形態について、かなり詳細に記載および説明してきたが、出願者は、係る詳細が添付の請求項に記載されていなかったとしても、請求項の範囲を、係る詳細に制限またはあらゆる方法で限定することを意図しない。無論のこと、システム、方法、および装置を説明する目的のために、構成要素または方法体系の考えられ得るあらゆる組み合わせを説明することは不可能である。本願の利益を用いるならば、追加的な利点および変更が当業者には明らかとなることであろう。それゆえ本発明は、その広範な態様において、本明細書で図示および説明された特定の詳細にわたる具体例および代表的な実施形態に限定されない。したがって、全般的な発明概念の趣旨および範囲から逸脱することなく、係る詳細からの逸脱が可能であり得る。したがって本願は、添付の請求項の範囲に含まれる改変例、変更例、および変化例を含むことを意図するものである。前述の記載は本発明の範囲を制限するものではない。むしろ本発明の範囲は添付の請求項およびその均等物により決定されるべきである。

明細書および請求項で使用される単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数形を含む。さらに「または」という用語が請求項で用いられる（例えばＡまたはＢ）限り、それは「ＡもしくはＢ、またはその両方」を意味することを意図する。出願者が「両方ではなく、ＡのみまたはＢのみ」を指すことを意図する場合には、「両方ではなく、ＡのみまたはＢのみ」という用語が用いられるであろう。同様に出願者がＡ、Ｂ、またはＣのうちの「１つであって、１つに限る」を指すことを意図する場合には、出願者は「１つであって、１つに限る」という文言を用いるであろう。また、「～における」または「～へと」という用語が明細書または請求項で使用される限り、それは追加的に「～上の」または「～上に」を意味することを意図する。「選択的に」という用語が明細書または請求項で使用される限り、それは、装置のユーザが装置の使用時に必要または所望に応じて構成要素の特徴または機能を有効化または無効化し得る構成要素の状態を指すことを意図する。「動作可能に連結された」という用語が明細書または請求項で使用される限り、それは、指定された構成要素が、設計された機能が実行されるように接続されることを意味することを意図する。最後に、「約」という用語が数値と組み合わせて使用される場合、それは、当該数値の±１０％を含むことを意図する。換言すると「約１０」は９～１１を意味し得る。

Claims (15)

1. レーザ衝撃ピーニング用の装置（１００）内での使用のための多段増幅器（１０６）であって、前記多段増幅器（１０６）は、
   前記装置（１００）からの第１エネルギー出力を有するレーザビーム（１０８）を第１増幅し、第２エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を出力するよう構成された第１増幅器モジュール（９１３）を有する第１段（９０１）であって、前記第１段（９０１）は、第１光アイソレータ（９０７）、第１真空リレー撮像モジュール（ＶＲＩＭ）（９０９）、および前記第１増幅器モジュール（９１３）という第１順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記レーザビーム（１０８）は、前記第１光アイソレータ（９０７）を通って、直接前記第１ＶＲＩＭ（９０９）内を、次いで直接前記第１増幅器モジュール（９１３）内を連続的に通過して前記第１増幅済みビーム（９１５）を出力し、前記第２エネルギーへの第１増幅の前に、前記レーザビーム（１０８）は、前記第１ＶＲＩＭ（９０９）によりコリメートされ、より大きい直径の第１コリメート済みビーム（９１１）をもたらす、第１段（９０１）と、
   前記第２エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を第２増幅し、第３エネルギーを有する第２増幅済みビーム（９４１）を出力するよう構成された第２増幅器モジュール（９３５）を有する第２段（９０２）であって、前記第２段（９０２）は、第２ＶＲＩＭ（９３３）および前記第２増幅器モジュール（９３５）という第２順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）を通って、次いで直接前記第２増幅器モジュール（９３５）内を連続的に通過して前記第２増幅済みビーム（９４１）を出力し、前記第３エネルギーへの第２増幅の前に、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）によりコリメートされ、より大きい直径の第２コリメート済みビーム（９４５）をもたらす、第２段（９０２）と、
   を備える、多段増幅器（１０６）。
2. 前記第３エネルギーを有する第２増幅済みビーム（９４１）を第３増幅し、第４エネルギーを有する第３増幅済みビーム（９５９）を出力するよう構成された第３増幅器モジュール（９５３）を有する第３段（９０３）であって、前記第３段（９０３）は、第２光アイソレータ（９４９）、第３ＶＲＩＭ（９５１）、および前記第３増幅器モジュール（９５３）という第３順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第２増幅済みビーム（９４１）は、前記第２光アイソレータ（９４９）を通って、直接前記第３ＶＲＩＭ（９５１）内を、次いで前記第３増幅器モジュール（９５３）内を連続的に通過して前記第３増幅済みビーム（９５９）を出力し、前記第４エネルギーへの第３増幅の前に、前記第２増幅済みビーム（９４１）は、前記第３ＶＲＩＭ（９５１）によりコリメートされ、より大きい直径の第３コリメート済みビーム（９６３）をもたらす、第３段（９０３）
   をさらに備える、請求項１に記載の多段増幅器（１０６）。
3. 前記第３増幅済みビーム（９５９）を前記第４エネルギーから第５エネルギーに第４増幅するよう構成された第４増幅器モジュール（９７１）を有する第４段（９０４）であって、前記第４段（９０４）は、第４ＶＲＩＭ（９６７）、波長板（９６９）、および前記第４増幅器モジュール（９７１）という第４順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第３増幅済みビーム（９５９）は、前記第４ＶＲＩＭ（９６７）を通って、直接前記波長板（９６９）内を、次いで前記第４増幅器モジュール（９７１）内を連続的に通過して出力ビーム（１２６）を出力し、前記第５エネルギーへの第４増幅の前に、前記第３増幅済みビーム（９５９）は、前記第４ＶＲＩＭ（９６７）によりコリメートされ、より大きい直径の第４コリメート済みビーム（９７９）をもたらす、第４段（９０４）
   をさらに備える、請求項２に記載の多段増幅器（１０６）。
4. 前記装置（１００）は、前記レーザビーム（１０８）をパルスレーザビームとして出力するダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）発振器（１０２）を備え、前記ＤＰＳＳＬ発振器（１０２）は、第１直径を有する第１レーザロッド（２３０）を備える、請求項１に記載の多段増幅器（１０６）。
5. 前記パルスレーザビーム（１０８）を増幅する前に、前記ＤＰＳＳＬ発振器（１０２）からのパルスレーザビーム（１０８）のエネルギーレベルおよび時間プロファイルは、変調器（１０４）により、前記パルスレーザビーム（１０８）とは異なるエネルギーレベルおよび異なる時間プロファイルを用いて、第１空間プロファイルを有する変換済みレーザビーム（１１０）に変換される、請求項４に記載の多段増幅器（１０６）。
6. 前記パルスレーザビーム（１０８）を増幅する前に、前記変換済みレーザビーム（１１０）の第１空間プロファイルは、光学フィルタ（１１２）を通して順方向に伝達するときに、前記変換済みレーザビーム（１１０）のエネルギーレベルおよび時間プロファイルを修正することなく、第２空間プロファイルに変換される、請求項５に記載の多段増幅器（１０６）。
7. レーザ衝撃ピーニング用の装置（１００）内でレーザビームを増幅する方法であって、前記方法は、
   増幅済みビームを出力するべく、多段増幅器（１０６）により、前記装置（１００）により生成されたレーザビーム（１０８）を連続的に増幅することであって、前記連続的に増幅することは、
   前記装置（１００）からの第１エネルギー出力を有するレーザビーム（１０８）を第１増幅し、第２エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を出力するよう構成された第１増幅器モジュール（９１３）を有する第１段（９０１）により増幅することであって、前記第１段（９０１）は、第１光アイソレータ（９０７）、第１真空リレー撮像モジュール（ＶＲＩＭ）（９０９）、および前記第１増幅器モジュール（９１３）という第１順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記レーザビーム（１０８）は、前記第１光アイソレータ（９０７）を通って、直接前記第１ＶＲＩＭ（９０９）内を、次いで前記第１増幅器モジュール（９１３）内を連続的に通過して前記第１増幅済みビーム（９１５）を出力し、前記第２エネルギーへの第１増幅の前に、前記レーザビーム（１０８）は、前記第１ＶＲＩＭ（９０９）によりコリメートされ、より大きい直径の第１コリメート済みビーム（９１１）をもたらすことと、
   前記第２エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を第２増幅し、第３エネルギーを有する第２増幅済みビーム（９４１）を出力するよう構成された第２増幅器モジュール（９３５）を有する第２段（９０２）により増幅することであって、前記第２段（９０２）は、第２ＶＲＩＭ（９３３）および前記第２増幅器モジュール（９３５）という第２順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）を通って、次いで直接前記第２増幅器モジュール（９３５）内を連続的に通過して前記第２増幅済みビーム（９４１）を出力し、前記第３エネルギーへの第２増幅の前に、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）によりコリメートされ、より大きい直径の第２コリメート済みビーム（９４５）をもたらすことと、
   を備えること
   を備える、方法。
8. 前記連続的に増幅することは、
   前記第３エネルギーを有する第２増幅済みビーム（９４１）を第３増幅し、第４エネルギーを有する第３増幅済みビーム（９５９）を出力するよう構成された第３増幅器モジュール（９５３）を有する第３段（９０３）により増幅することであって、前記第３段（９０３）は、第２光アイソレータ（９４９）、第３ＶＲＩＭ（９５１）、および前記第３増幅器モジュール（９５３）という第３順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第２増幅済みビーム（９４１）は、前記第２光アイソレータ（９４９）を通って、直接前記第３ＶＲＩＭ（９５１）内を、次いで直接前記第３増幅器モジュール（９５３）内を連続的に通過して前記第３増幅済みビーム（９５９）を出力し、前記第４エネルギーへの第３増幅の前に、前記第２増幅済みビーム（９４１）は、前記第３ＶＲＩＭ（９５１）によりコリメートされ、より大きい直径の第３コリメート済みビーム（９６３）をもたらすこと
   をさらに備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記連続的に増幅することは、
   前記第３増幅済みビーム（９５９）を前記第４エネルギーから第５エネルギーに第４増幅するよう構成された第４増幅器モジュール（９７１）を有する第４段（９０４）により増幅することであって、前記第４段（９０４）は、第４ＶＲＩＭ（９６７）、波長板（９６９）、および前記第４増幅器モジュール（９７１）という第４順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第３増幅済みビーム（９５９）は、前記第４ＶＲＩＭ（９６７）を通って、直接前記波長板（９６９）内を、次いで直接前記第４増幅器モジュール（９７１）内を連続的に通過して出力ビーム（１２６）を出力し、前記第５エネルギーへの第４増幅の前に、前記第３増幅済みビーム（９５９）は、前記第４ＶＲＩＭ（９６７）によりコリメートされ、より大きい直径の第４コリメート済みビーム（９７９）をもたらすこと
   をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記装置（１００）は、前記レーザビーム（１０８）をパルスレーザビームとして出力するダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）発振器（１０２）を備え、前記ＤＰＳＳＬ発振器（１０２）は、第１直径を有する第１レーザロッド（２３０）を備える、請求項７に記載の方法。
11. 前記パルスレーザビーム（１０８）を増幅する前に、前記ＤＰＳＳＬ発振器（１０２）からのパルスレーザビーム（１０８）のエネルギーレベルおよび時間プロファイルは、変調器（１０４）により、前記パルスレーザビーム（１０８）とは異なるエネルギーレベルおよび異なる時間プロファイルを用いて、第１空間プロファイルを有する変換済みレーザビーム（１１０）に変換される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記パルスレーザビーム（１０８）を増幅する前に、前記変換済みレーザビーム（１１０）の第１空間プロファイルは、光学フィルタ（１１２）を通して順方向に伝達するときに、前記変換済みレーザビーム（１１０）のエネルギーレベルおよび時間プロファイルを修正することなく、第２空間プロファイルに変換される、請求項１１に記載の方法。
13. レーザ衝撃ピーニングにおける使用のための装置であって、前記装置は、
    第１エネルギーを有するパルスレーザビーム（１０８）を出力するよう構成されたダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）発振器（１０２）と、
    前記ＤＰＳＳＬ発振器（１０２）から前記パルスレーザビーム（１０８）を受け取り、第１エネルギーおよび第１時間プロファイルを有するパルスレーザビームを変換し、第２エネルギーおよび第２時間プロファイルを有する変換済みレーザビーム（１１０）を出力するよう構成された変調器（１０４）と、
    多段増幅器（１０６）であって、
    前記第２エネルギーを有する変換済みレーザビーム（１１０）を第１増幅し、第３エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を出力するよう構成された第１増幅器モジュール（９１３）を有する第１段（９０１）であって、前記第１段（９０１）は、第１光アイソレータ（９０７）、第１真空リレー撮像モジュール（ＶＲＩＭ）（９０９）、および前記第１増幅器モジュール（９１３）という第１順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記パルスレーザビーム（１０８）は、前記第１光アイソレータ（９０７）を通って、直接前記第１ＶＲＩＭ（９０９）内を、次いで直接前記第１増幅器モジュール（９１３）内を連続的に通過して前記第１増幅済みビーム（９１５）を出力し、前記第３エネルギーへの第１増幅の前に、前記パルスレーザビーム（１０８）は、前記第１ＶＲＩＭ（９０９）によりコリメートされ、より大きい直径の第１コリメート済みビーム（９１１）をもたらす、第１段（９０１）と、
    前記第３エネルギーを有する第１増幅済みビーム（９１５）を第２増幅し、第４エネルギーを有する第２増幅済みビーム（９４１）を出力するよう構成された第２増幅器モジュール（９３５）を有する第２段（９０２）であって、前記第２段（９０２）は、第２ＶＲＩＭ（９３３）および前記第２増幅器モジュール（９３５）という第２順序に従う直接連続配列を備え、それにより、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）を通って、次いで直接前記第２増幅器モジュール（９３５）内を連続的に通過して前記第２増幅済みビーム（９４１）を出力し、前記第４エネルギーへの第２増幅の前に、前記第１増幅済みビーム（９１５）は、前記第２ＶＲＩＭ（９３３）によりコリメートされ、より大きい直径の第２コリメート済みビーム（９４５）をもたらす、第２段（９０２）と、
    を備える、多段増幅器（１０６）と、
    を備える、装置。
14. 前記パルスレーザビーム（１０８）を増幅する前に、前記変換済みレーザビーム（１１０）の第１空間プロファイルは、光学フィルタ（１１２）を通して順方向に伝達するときに、前記変換済みレーザビーム（１１０）のエネルギーレベルおよび時間プロファイルを修正することなく、第２空間プロファイルに変換される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記変換済みレーザビーム（１１０）の第２空間プロファイルは、前記第１ＶＲＩＭ（９０９）を通過するときに保持される、請求項１４に記載の装置。

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