(57)【要約】  レーザーピーニング方法は、パルス光ＰＬＤを生成する工程（Ｓ２１）と、対象物（５）の表面（５ａ）の非照射領域（Ｗ１）を囲む照射領域（Ｗ２）を形成するように、パルス光（ＰＬＤ）を対象物（５）の表面（５ａ）に照射する工程（Ｓ２３）とを含む。パルス光（ＰＬＤ）に基づいて対象物（５）に付与される圧縮残留応力のピーク値（ＰＶ）は、非照射領域（Ｗ１）の径（ＤＭ１）が大きい程、非照射領域（Ｗ１）に対して深い位置に位置する。
2019098330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を生成する工程と、
対象物の表面の非照射領域を囲む照射領域を形成するように、前記パルス光を前記対象物の表面に照射する工程と
を含む、レーザーピーニング方法。
【請求項２】
前記パルス光に基づいて前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値は、前記非照射領域の径が大きい程、前記非照射領域に対して深い位置に位置する、請求項１に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項３】
前記パルス光を生成する前記工程は、
前記非照射領域の径を調節して、前記圧縮残留応力の前記ピーク値の深さ方向の位置を制御する工程を含み、
前記深さ方向は、前記非照射領域に対して深さが大きくなる方向を示す、請求項２に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項４】
前記非照射領域の半径は、前記パルス光に基づく衝撃波によって前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値の前記非照射領域に対する深さに実質的に等しい、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項５】
第１パルス光及び第２パルス光を生成する工程と、
対象物の表面に第１照射領域を形成するように、前記第１パルス光を前記対象物の表面に照射するとともに、前記対象物の表面に第２照射領域を形成するように、前記第２パルス光を前記対象物の表面に照射する工程と
を含み、
前記第２照射領域は、前記第１照射領域を囲み、
前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度と異なり、
前記第１パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第１パルス光のエネルギーを示し、
前記第２パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第２パルス光のエネルギーを示す、レーザーピーニング方法。
【請求項６】
前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度よりも小さい、請求項５に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項７】
前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度よりも大きい、請求項５に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項８】
前記第１パルス光及び前記第２パルス光に基づいて前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値は、前記第１照射領域の径が大きい程、前記第１照射領域に対して深い位置に位置する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項９】
前記第１パルス光及び前記第２パルス光を生成する前記工程は、
前記第１照射領域の径を調節して、前記圧縮残留応力の前記ピーク値の深さ方向の位置を制御する工程を含み、
前記深さ方向は、前記第１照射領域に対して深さが大きくなる方向を示す、請求項８に記載のレーザーピーニング方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載したレーザーピーニング方法によって前記対象物を改質して、改質物を製造する改質物製造方法。
【請求項１１】
パルス光を生成するパルス生成部と、
対象物の表面の非照射領域を囲む照射領域を形成するように、前記パルス光を前記対象物の表面に照射するパルス照射部と
を備える、レーザーピーニング装置。
【請求項１２】
第１パルス光及び第２パルス光を生成するパルス生成部と、
対象物の表面に第１照射領域を形成するように、前記第１パルス光を前記対象物の表面に照射するとともに、前記対象物の表面に第２照射領域を形成するように、前記第２パルス光を前記対象物の表面に照射するパルス照射部と
を備え、
前記第２照射領域は、前記第１照射領域を囲み、
前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度と異なり、
前記第１パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第１パルス光のエネルギーを示し、
前記第２パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第２パルス光のエネルギーを示す、レーザーピーニング装置。
【請求項１３】
表面と部分とを有する本体を備え、
前記部分は、前記表面に対して深さ方向に離れた位置に位置し、
前記部分では、圧縮残留応力が、ピーク値を有し、
前記圧縮残留応力は、前記部分から前記深さ方向に向かって、減少と増大とを繰り返しながら減衰している、金属材料。
【請求項１４】
前記表面は、パルス光の照射領域と、前記パルス光の非照射領域とを有し、
前記非照射領域は、前記照射領域に囲まれており、
前記非照射領域に対する前記部分の深さは、前記非照射領域の半径と実質的に等しい、請求項１３に記載の金属材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーピーニング方法、改質物製造方法、レーザーピーニング装置、及び金属材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されたレーザーピーニング方法では、レーザー光が、パルスレーザー装置から反射鏡及び移動反射鏡を通して被加工物の表面に照射される。具体的には、被加工物が透明液体中に設置され、移動反射鏡により、被加工物の表面での照射位置を変えながらレーザー光が照射される。その結果、被加工物の表面に圧縮応力が残留する。つまり、被加工物の表面に圧縮の残留応力場（以下、「圧縮残留応力場」と記載する。）が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４６４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたレーザーピーニング方法では、被加工物に比較的薄い圧縮残留応力場が形成されるに過ぎない。【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的厚い圧縮残留応力場を形成することの可能なレーザーピーニング方法、改質物製造方法、レーザーピーニング装置、及び金属材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面によれば、レーザーピーニング方法は、パルス光を生成する工程と、対象物の表面の非照射領域を囲む照射領域を形成するように、前記パルス光を前記対象物の表面に照射する工程とを含む。【０００７】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記パルス光に基づいて前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値は、前記非照射領域の径が大きい程、前記非照射領域に対して深い位置に位置することが好ましい。【０００８】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記パルス光を生成する前記工程は、前記非照射領域の径を調節して、前記圧縮残留応力の前記ピーク値の深さ方向の位置を制御する工程を含むことが好ましい。前記深さ方向は、前記非照射領域に対して深さが大きくなる方向を示すことが好ましい。【０００９】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記非照射領域の半径は、前記パルス光に基づく衝撃波によって前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値の前記非照射領域に対する深さに実質的に等しいことが好ましい。【００１０】
本発明の他の局面によれば、レーザーピーニング方法は、第１パルス光及び第２パルス光を生成する工程と、対象物の表面に第１照射領域を形成するように、前記第１パルス光を前記対象物の表面に照射するとともに、前記対象物の表面に第２照射領域を形成するように、前記第２パルス光を前記対象物の表面に照射する工程とを含む。前記第２照射領域は、前記第１照射領域を囲む。前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度と異なる。前記第１パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第１パルス光のエネルギーを示す。前記第２パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第２パルス光のエネルギーを示す。【００１１】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度よりも小さいことが好ましい。【００１２】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度よりも大きいことが好ましい。【００１３】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記第１パルス光及び前記第２パルス光に基づいて前記対象物に付与される圧縮残留応力のピーク値は、前記第１照射領域の径が大きい程、前記第１照射領域に対して深い位置に位置することが好ましい。【００１４】
本発明のレーザーピーニング方法において、前記第１パルス光及び前記第２パルス光を生成する前記工程は、前記第１照射領域の径を調節して、前記圧縮残留応力の前記ピーク値の深さ方向の位置を制御する工程を含むことが好ましい。前記深さ方向は、前記第１照射領域に対して深さが大きくなる方向を示すことが好ましい。【００１５】
本発明の更に他の局面によれば、改質物製造方法では、上記レーザーピーニング方法によって前記対象物を改質して、改質物を製造する。【００１６】
本発明の更に他の局面によれば、レーザーピーニング装置は、パルス生成部と、パルス照射部とを備える。パルス生成部は、パルス光を生成する。パルス照射部は、対象物の表面の非照射領域を囲む照射領域を形成するように、前記パルス光を前記対象物の表面に照射する。【００１７】
本発明の更に他の局面によれば、レーザーピーニング装置は、パルス生成部と、パルス照射部とを備える。パルス生成部は、第１パルス光及び第２パルス光を生成する。パルス照射部は、対象物の表面に第１照射領域を形成するように、前記第１パルス光を前記対象物の表面に照射するとともに、前記対象物の表面に第２照射領域を形成するように、前記第２パルス光を前記対象物の表面に照射する。前記第２照射領域は、前記第１照射領域を囲む。前記第１照射領域での前記第１パルス光の強度は、前記第２照射領域での前記第２パルス光の強度と異なる。前記第１パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第１パルス光のエネルギーを示す。前記第２パルス光の強度は、単位時間かつ単位面積あたりの前記第２パルス光のエネルギーを示す。【００１８】
本発明の更に他の局面によれば、金属材料は、表面と部分とを有する本体を備える。前記部分は、前記表面に対して深さ方向に離れた位置に位置する。前記部分では、圧縮残留応力が、ピーク値を有する。前記圧縮残留応力は、前記部分から前記深さ方向に向かって、減少と増大とを繰り返しながら減衰している。【００１９】
本発明の金属材料において、前記表面は、パルス光の照射領域と、前記パルス光の非照射領域とを有することが好ましい。前記非照射領域は、前記照射領域に囲まれていることが好ましい。前記非照射領域に対する前記部分の深さは、前記非照射領域の半径と実質的に等しいことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態１に係るレーザーピーニング装置を示す図である。（ｂ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置によって実行されるレーザーピーニング方法を示すフローチャートである。（ｃ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による第１照射領域及び第２照射領域を示す図である。
【図２】（ａ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による第１衝撃波及び第２衝撃波を示す模式図である。（ｂ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による第１衝撃波及び第２衝撃波の波面を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による第１パルス光を示す図である。（ｂ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による第１衝撃波と比較例に係る衝撃波とを示す模式図である。
【図４】（ａ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置によって対象物に形成された残留応力場を示すグラフである。（ｂ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置によって改質された対象物を示す模式的断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１に係るレーザーピーニング装置による圧縮残留応力場の形成原理の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態２に係るレーザーピーニング装置を示す図である。
【図７】実施形態２に係るレーザーピーニング装置の光学ユニットを示す模式的断面図である。
【図８】実施形態２に係るレーザーピーニング装置によるアブレーション圧力と第１パルス光及び第２パルス光の強度との関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は、本発明の実施形態３に係るレーザーピーニング装置を示す図である。（ｂ）は、実施形態３に係るレーザーピーニング装置によって実行されるレーザーピーニング方法を示すフローチャートである。（ｃ）は、実施形態３に係るレーザーピーニング装置による非照射領域及び照射領域を示す図である。
【図１０】（ａ）は、実施形態３に係るレーザーピーニング装置によって対象物に形成された残留応力場を示すグラフである。（ｂ）は、実施形態３に係るレーザーピーニング装置によって改質された対象物を示す模式的断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態３に係るレーザーピーニング装置による圧縮残留応力場の形成原理を示す図である。
【図１２】実施形態３に係るレーザーピーニング装置の詳細を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施例に係る残留応力場を示す図である。
【図１４】（ａ）は、第１実施例に係る第１照射領域及び第２照射領域を示す図である。（ｂ）は、第１実施例に係る第１照射領域の一部を拡大して示す図である。（ｃ）は、第１実施例に係る第２照射領域の一部を拡大して示す図である。
【図１５】（ａ）は、第１実施例に係る第１照射領域及び第２照射領域の深さを示す図である。（ｂ）は、第１実施例に係る第１照射領域及び第２照射領域を示す斜視図である。
【図１６】（ａ）は、第１実施例に係る第１パルス光を示す図である。（ｂ）は、第１実施例に係る第２パルス光を示す図である。
【図１７】第１実施例に係る粒子速度と時間との関係を示すグラフである。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施例に係る衝撃波を時系列で示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は、第２実施例に係る衝撃波であって、図１８（ｄ）に示す衝撃波よりも後の衝撃波を時系列で示す図である。
【図２０】本発明の第３実施例に係る残留応力場を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。また、図面の簡略化のため、断面を示す斜線を適宜省略する。
【００２３】
（実施形態１）
図１（ａ）〜図３（ｂ）を参照して、本発明の実施形態１に係るレーザーピーニング装置１００を説明する。まず、図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して、レーザーピーニング装置１００の構成及び動作を説明する。
【００２４】
図１（ａ）は、レーザーピーニング装置１００を示す図である。図１（ｂ）は、レーザーピーニング装置１００によって実行されるレーザーピーニング方法を示すフローチャートである。図１（ｃ）は、レーザーピーニング装置１００による第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を示す図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、レーザーピーニング装置１００は、対象物５に対してレーザーピーニングを実行する。レーザーピーニングとは、対象物５の表面にパルスレーザー光を照射して、対象物５の内部に圧縮の残留応力場（以下、「圧縮残留応力場」と記載する。）を形成する技術のことである。具体的には、対象物５の表面にパルスレーザー光が照射されると、対象物５の表面がアブレーションされて、対象物５の表面にプラズマが発生する。さらに、プラズマの作用、つまり、プラズマによるアブレーション圧力によって、衝撃波が発生して、衝撃波が対象物５の内部に伝搬する。そして、衝撃波によって、対象物５の内部に、圧縮残留応力場が形成される。その結果、対象物５の強度が大きくなって、対象物５が強靭になる。
【００２６】
実施形態１では、対象物５は、圧縮残留応力場を形成するターゲットＴＡである。対象物５は、例えば、金属である。なお、対象物５の材質は特に限定されない。また、実施形態１では、対象物５は、空気中又は真空中に設置される。
【００２７】
レーザーピーニング装置１００は、パルス生成部１と、パルス照射部３とを備える。そして、図１（ｂ）に示すように、レーザーピーニング装置１００は、レーザーピーニング方法を実行する。レーザーピーニング方法は、工程Ｓ１及び工程Ｓ３を含む。
【００２８】
工程Ｓ１において、パルス生成部１は、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を生成する。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の各々はレーザー光である。
【００２９】
次に、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、工程Ｓ３において、パルス照射部３は、対象物５の表面５ａに第１照射領域Ａ１を形成するように、第１パルス光ＰＬ１を対象物５の表面５ａに照射するとともに、対象物５の表面５ａに第２照射領域Ａ２を形成するように、第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面５ａに照射する。実施形態１では、単数の第１パルス光ＰＬ１及び単数の第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面５ａに照射する。
【００３０】
第１照射領域Ａ１は、略円形形状を有する。具体的には、第１パルス光ＰＬ１は、対象物５の表面５ａで略円形状の照射領域を形成する。第１パルス光ＰＬ１による略円形状の照射領域が、第１照射領域Ａ１である。
【００３１】
第２照射領域Ａ２は第１照射領域Ａ１を囲む。第２照射領域Ａ２は、第１照射領域Ａ１を取り囲む略円環形状を有する。具体的には、第２パルス光ＰＬ２は、対象物５の表面５ａで略円形状の照射領域を形成する。第２パルス光ＰＬ２による略円形状の照射領域のうち、「中心の略円形状の領域」を除く「略円環状の領域」が、第２照射領域Ａ２である。「中心の略円形状の領域」は、第１照射領域Ａ１と重なっている。第２照射領域Ａ２の直径ＤＭ２は第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１よりも大きい。第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１は、「第１照射領域の径」の一例に相当する。
【００３２】
第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度は、第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度と異なる。以下、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度を「強度Ｋ１」と記載し、第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度を「強度Ｋ２」と記載する。なお、第２パルス光ＰＬ２による略円形状の照射領域のうち「中心の略円形状の領域」は、第１照射領域Ａ１と重なっているため、第１パルスＰＬ１及び第２パルスＰＬ２による第１照射領域Ａ１での強度は、「Ｋ１＋Ｋ２」である。
【００３３】
第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、単位時間かつ単位面積あたりの第１パルス光ＰＬ１のエネルギーを示す。具体的には、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、次式により算出される。
Ｋ１＝Ｅ１／（ＰＴ１×ＡＲ１）
【００３４】
「Ｅ１」は、第１パルス光ＰＬ１のエネルギー（例えば、単位はジュール：Ｊ）を示す。「ＰＴ１」は、第１パルス光ＰＬ１の時間幅（例えば、単位は秒：ｓ）を示す。「ＡＲ１」は、第１照射領域Ａ１の面積（例えば、単位は平方センチメートル：ｃｍ2）を示す。「Ｅ１／ＰＴ１」は、仕事率（例えば、単位はワット：Ｗ）を示す。
【００３５】
第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は、単位時間かつ単位面積あたりの第２パルス光ＰＬ２のエネルギーを示す。具体的には、第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は、次式により算出される。
Ｋ２＝Ｅ２／（ＰＴ２×ＡＲ２）
【００３６】
「Ｅ２」は、第２パルス光ＰＬ２のエネルギー（例えば、Ｊ）を示す。「ＰＴ２」は、第２パルス光ＰＬ２の時間幅（例えば、ｓ）を示す。「ＡＲ２」は、第１照射領域Ａ１の面積と第２照射領域Ａ２の面積との和（例えば、ｃｍ2）を示す。つまり、「ＡＲ２」は、第２パルス光ＰＬ２の照射領域の面積を示す。「Ｅ２／ＰＴ２」は、仕事率（例えば、Ｗ）を示す。
【００３７】
なお、時間幅ＰＴ１及び時間幅ＰＴ２の各々は、例えば、数フェムト秒〜数百ナノ秒である。
【００３８】
以上、図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して説明したように、第１パルス光ＰＬ１が第１照射領域Ａ１に照射される。従って、第１照射領域Ａ１から対象物５の内部に向かう衝撃波（以下、「第１衝撃波ＳＷ１」と記載する。）が発生する。加えて、第２パルス光ＰＬ２が第２照射領域Ａ２に照射される。従って、第２照射領域Ａ２から対象物５の内部に向かう衝撃波（以下、「第２衝撃波ＳＷ２」と記載する。）が発生する。
【００３９】
そして、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１と第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２とは異なるため、第１衝撃波ＳＷ１の速度と第２衝撃波ＳＷ２の速度とは異なる。従って、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との相互作用、又は、第２衝撃波ＳＷ２のうち第１衝撃波ＳＷ１を挟んで対向する圧力波同士の相互作用によって、第２衝撃波ＳＷ２を発生させない場合と比較して、第１照射領域Ａ１の下方において衝撃波が対象物５の深い位置まで伝搬する。その結果、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。換言すれば、対象物５の内部に比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。なお、「深さ」は、対象物５の表面５ａに対する深さを示す。
【００４０】
換言すれば、実施形態１では、図１（ｂ）を参照して説明したレーザーピーニング方法によって対象物５に圧縮残留応力場を形成して、対象物５を改質している。従って、実施形態１では、図１（ｂ）を参照して説明したレーザーピーニング方法によって対象物５を改質して、改質物（以下、「改質物５１」と記載する。）を製造する改質物製造方法が提供される。また、対象物５が金属である場合の改質物５１を「金属材料５１Ａ」と記載する場合がある。
【００４１】
対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できると、対象物５（例えば金属）の疲労強度を向上できるとともに、対象物５での応力腐食割れの発生を抑制できる。その結果、対象物５の耐久性を向上できる。例えば、本発明は、高い安全性の要求される産業（例えば、航空機産業及び原子力産業）で使用される材料（対象物５）に圧縮残留応力場を形成する際に有効である。
【００４２】
また、実施形態１によれば、第１衝撃波ＳＷ１に加えて第２衝撃波ＳＷ２を利用することによって、ターゲットＴＡの表面に特定層ＬＹを配置した対象物を形成することなく、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成している。従って、ターゲットＴＡの表面に特定層ＬＹを配置する作業を省略可能である。その結果、圧縮残留応力場を形成する際のコストを抑制できる。特定層ＬＹとは、ターゲットＴＡに圧縮残留応力場を形成することを支援する層のことである。特定層ＬＹについては後述する。
【００４３】
さらに、実施形態１では、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１と第２パルス光ＰＬ２の波長λ２とは異なることが好ましい。波長を異ならせることによって、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１と第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２とを容易に異ならせることができるからである。
【００４４】
また、実施形態１では、対象物５の表面５ａに発生するアブレーション圧力Ｐは、次式によって表される。
Ｐ＝０．８６×（Ｋ／λ）2/3
【００４５】
「Ｐ」の単位は、「テラパスカル：ＴＰａ」である。「Ｋ」は、対象物５の表面５ａでのパルス光の単位時間かつ単位面積あたりのエネルギーを示し、「Ｋ」の単位は、「１０14Ｗ／ｃｍ2」である。「λ」はパルス光の波長を示し、「λ」の単位は、「μｍ」である。
【００４６】
そこで、第１パルス光ＰＬ１に基づくアブレーション圧力Ｐ１は、０．８６×（Ｋ１／λ１）2/3と表され、第２パルス光ＰＬ２に基づくアブレーション圧力Ｐ２は、０．８６×（Ｋ２／λ２）2/3と表される。
【００４７】
従って、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１と第２パルス光ＰＬ２の波長λ２とを異ならせることによって、アブレーション圧力Ｐ１とアブレーション圧力Ｐ２とを容易に異ならせることができる。その結果、互いに速度の異なる第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２を容易に発生できる。
【００４８】
さらに、実施形態１によれば、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を対象物５に照射して圧縮残留応力場を形成しているため、「多数の粒子」を高速で対象物５の表面５ａに衝突させるショットピーニングと比較して、廃棄対象となる「多数の粒子」が発生しない。従って、「多数の粒子」による地球環境の汚染を防止できる。また、ショットピーニングと比較して、対象物５に局所的な圧縮残留応力場を容易に形成でき、更に装置の操作性も向上できる。
【００４９】
以下の実施形態１の説明において、特に明示しない限りは、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きい。従って、第１照射領域Ａ１で発生するアブレーション圧力Ｐ１は、第２照射領域Ａ２で発生するアブレーション圧力Ｐ２よりも大きい。その結果、第１衝撃波ＳＷ１のピーク圧力が第２衝撃波ＳＷ２のピーク圧力よりも大きくなって、第１衝撃波ＳＷ１の速度は第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも速い。
【００５０】
次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２を説明する。図２（ａ）は、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２を示す模式図である。図２（ａ）では、縦軸は圧力を示し、横軸は、対象物５の表面５ａからの位置を示す。図２（ｂ）は、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２の波面を示す模式図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、ある時点における対象物５の内部の第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２を示している。
【００５１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２は、伝搬方向Ｄに伝搬している。伝搬方向Ｄは、対象物５の表面５ａに略直交し、対象物５の表面５ａから対象物５の内部に向かう方向を示す。
【００５２】
第１衝撃波ＳＷ１の圧力のピーク値は、第２衝撃波ＳＷ２の圧力のピーク値よりも大きい。第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きいからである。そして、第１衝撃波ＳＷ１の速度は第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも速い。
【００５３】
その結果、実施形態１によれば、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉によって、希薄波（Ｒａｒｅｆａｃｔｉｏｎ）による第１衝撃波ＳＷ１の減衰を抑制する。加えて、第２衝撃波ＳＷ２が、第１衝撃波ＳＷ１の側方からの希薄波の侵入を抑制する。従って、第２衝撃波ＳＷ２を発生させない場合と比較して、第１衝撃波ＳＷ１が、対象物５の深い位置まで伝搬する。その結果、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【００５４】
なお、希薄波は、一般的に、パルス光の照射終了に応じて発生する。そして、希薄波の速度は、衝撃波の速度よりも速い。従って、希薄波は、衝撃波に追いついて、衝撃波を減衰させる。しかしながら、実施形態１では、第２衝撃波ＳＷ２によって、希薄波による第１衝撃波ＳＷ１の減衰を抑制しているため、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【００５５】
また、実施形態１によれば、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉によって、第１衝撃波ＳＷ１を対象物５の深い位置まで伝搬させている。従って、対象物５が特定層ＬＹを有していない場合でも、対象物５の内部に比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。
【００５６】
さらに、実施形態１では、ミリメートル（ｍｍ）オーダーの深さまで圧縮残留応力場を形成することも可能である。例えば、一般的に、対象物５の深さ数百μｍ程度まで圧縮残留応力場を形成した程度では、対象物５を組み込む製品によっては、対象物５の摩耗及び／又は機械的衝撃が原因となって、対象物５の信頼性及び耐久性が十分でない可能性がある。しかしながら、実施形態１では、ミリメートルオーダーの深さまで圧縮残留応力場を形成することで、対象物５の信頼性及び耐久性を更に向上できる。
【００５７】
次に、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、第１パルス光ＰＬ１と関連して第１衝撃波ＳＷ１を説明する。図３（ａ）は、第１パルス光ＰＬ１を示す図である。図３（ａ）において、縦軸は第１パルス光ＰＬ１の強度（任意単位：ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｕｎｉｔ）を示し、横軸は時間（ナノ秒：ｎｓ）を示す。図３（ｂ）は、第１衝撃波ＳＷ１と比較例に係る衝撃波ＳＷａとを示す模式図である。図３（ｂ）において、縦軸は圧力を示し、横軸は、対象物５の表面５ａからの位置を示す。図３（ｂ）では、ある時点における第１衝撃波ＳＷ１及び衝撃波ＳＷａを示している。
【００５８】
図３（ａ）に示すように、第１パルス光ＰＬ１はテーラードパルスであり、第１パルス光ＰＬ１の時間軸上の形状は、第１パルス光ＰＬ１のピークに対して非対称であることが好ましい。具体的には、第１パルス光ＰＬ１は、互いに異なる方向に傾斜する第１スロープＳＬ１及び第２スロープＳＬ２を有する。時間軸上において、第１スロープＳＬ１は、第２スロープＳＬ２よりも前方に位置する。そして、第１スロープＳＬ１は、第２スロープＳＬ２よりも緩やかな傾斜である。
【００５９】
その結果、図３（ｂ）に示すように、第１パルス光ＰＬ１によって生成される第１衝撃波ＳＷ１のエッジＥＧ１の傾斜は、比較例に係る衝撃波ＳＷａのエッジＥＧａの傾斜と比較して緩やかである。
【００６０】
第１衝撃波ＳＷ１のエッジＥＧ１の傾斜が緩やかな理由は、第１パルス光ＰＬ１が緩やかな第１スロープＳＬ１を有しているためである。衝撃波ＳＷａのエッジＥＧａの傾斜が急峻な理由は、衝撃波ＳＷａがガウス分布を有する対称なパルス光（以下、「比較パルス光ＰＬＣ」と記載する。）によって生成されているからである。
【００６１】
第１衝撃波ＳＷ１のエッジＥＧ１の傾斜が緩やかであるため、エッジＥＧａの急峻な衝撃波ＳＷａが伝搬する場合と比較して、第１衝撃波ＳＷ１の伝搬によって対象物５の内部にせん断応力を効果的に誘起できる。加えて、互いに速度の異なる第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との相互作用によって、対象物５の内部にせん断応力を更に効果的に誘起できる。せん断応力を効果的に誘起することによって、対象物５の内部には、比較的高い転位密度で転位が生成され得る。加えて、転位密度が高い程、残留応力が保持され易い。その結果、実施形態１によれば、対象物５の内部で圧縮残留応力場を効果的に形成できる。
【００６２】
第１衝撃波ＳＷ１のエッジＥＧ１の傾斜が緩やかであることは、換言すれば、衝撃波ＳＷａによる歪速度と比較して、第１衝撃波ＳＷ１による歪速度が遅いことを示す。歪速度は、対象物５の内部における単位時間あたりの歪の変化量を示す。歪速度を遅くすることによって、すなわち、圧力勾配を緩やかにすることによって、転位の生成と成長とが促される。その結果、実施形態１によれば、対象物５の内部で圧縮残留応力場を効果的に形成できる。例えば、第１衝撃波ＳＷ１による歪速度は、衝撃波ＳＷａによる歪速度よりも、３桁〜４桁小さい。
【００６３】
また、実施形態１によれば、第１パルス光ＰＬ１の時間軸上の形状が非対称であるため、比較パルス光ＰＬＣを対象物５に照射した場合と比較して、対象物５の温度上昇を抑制できる。従って、転位がアニールされることを抑制できる。その結果、対象物５の内部で圧縮残留応力場を効果的に維持できる。
【００６４】
なお、第２パルス光ＰＬ２はテーラードパルスであり、第２パルス光ＰＬ２の形状は、第１パルス光ＰＬ１の形状と近似していることが好ましい。つまり、第２パルス光ＰＬ２の時間幅は、第１パルス光ＰＬ１の時間幅と略同一である。また、第１パルス光ＰＬ１と同様に、第２パルス光ＰＬ２の時間軸上の形状は、第２パルス光ＰＬ２のピークに対して非対称である。
【００６５】
具体的には、第２パルス光ＰＬ２は、互いに異なる方向に傾斜する第１スロープＳＬ１２及び第２スロープＳＬ２２を有する。時間軸上において、第１スロープＳＬ１２は、第２スロープＳＬ２２よりも前方に位置する。そして、第１スロープＳＬ１２は、第２スロープＳＬ２２よりも緩やかな傾斜である。従って、第２パルス光ＰＬ２によって生成される第２衝撃波ＳＷ２のエッジの傾斜は、比較例に係る衝撃波ＳＷａのエッジＥＧａの傾斜と比較して緩やかである。第２衝撃波ＳＷ２のエッジの傾斜が緩やかであるため、第１衝撃波ＳＷ１の場合と同様に、対象物５の内部で圧縮残留応力場を効果的に形成できる。
【００６６】
また、第２パルス光ＰＬ２の時間軸上の形状が非対称であるため、第１パルス光ＰＬ１と同様に、対象物５の温度上昇を抑制できる。その結果、対象物５の内部で圧縮残留応力場を効果的に維持できる。
【００６７】
なお、比較パルス光ＰＬＣの時間軸上の形状は、比較パルス光ＰＬＣのピークに対して略対称である。また、比較パルス光ＰＬＣの時間幅は、例えば、第１パルス光ＰＬ１の時間幅と略同一である。また、比較パルス光ＰＬＣは、互いに異なる方向に傾斜する第１スロープ及び第２スロープを有する。そして、時間軸上において、第１スロープは、第２スロープよりも前方に位置する。比較パルス光ＰＬＣの第１スロープは、第１パルス光ＰＬ１の第１スロープＳＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の第１スロープの各々よりも急な傾斜である。
【００６８】
なお、パルス光（第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び比較パルス光ＰＬＣ）の時間幅は、パルス光を通過させるウインドウの開時間によって定義される。例えば、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び比較パルス光ＰＬＣの各々の時間幅は、１０ｎｓである。なお、パルス光の時間幅は、パルス光の半値全幅によって定義されてもよいし、パルス光の強度が最大強度の１／ｅ2になるときのパルス光の幅によって定義されてもよい。
【００６９】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、圧縮残留応力場が形成された対象物５を説明する。図４（ａ）は、レーザーピーニング装置１００によって対象物５に形成された残留応力場を示すグラフである。図４（ａ）において、縦軸は残留応力（メガパスカル：ＭＰａ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａからの深さ（マイクロメートル：μｍ）を示す。図４（ｂ）は、レーザーピーニング装置１００によって改質された対象物５を示す模式的断面図である。
【００７０】
図４（ａ）に示すように、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２が照射された対象物５の内部には、残留応力ＣＴが発生する。図４（ａ）では、第１照射領域Ａ１の中心Ｃの下方における残留応力ＣＴが示される。正の値の残留応力ＣＴが、引張の残留応力ＣＴＡを示し、負の値の残留応力ＣＴが、圧縮の残留応力ＣＴＢを示す。
【００７１】
以下、本明細書において、引張の残留応力ＣＴＡを「引張残留応力ＣＴＡ」と記載し、圧縮の残留応力ＣＴＢを「圧縮残留応力ＣＴＢ」と記載する場合がある。
【００７２】
また、図４（ｂ）に示すように、対象物５（具体的には改質物５１又は金属材料５１Ａ）は本体５３を備える。本体５３は表面５３ａと部分５３ｂとを有する。表面５３ａは表面５ａに相当する。表面５３ａは、第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を有する。部分５３ｂは、表面５３ａに対して深さ方向ＤＰに離れた位置に位置する。具体的には、部分５３ｂは、第１照射領域Ａ１の中心Ｃに対して、深さ方向ＤＰに略垂直に離れた位置に位置する。つまり、部分５３ｂは、第１照射領域Ａ１の中心Ｃに対して深さＤＴＰの位置に位置する。
【００７３】
実施形態１では、深さ方向ＤＰは、表面５３ａに略垂直であり、表面５３ａから離れる方向を示す。具体的には、深さ方向ＤＰは、第１照射領域Ａ１に対して深さが大きくなる方向を示す。なお、本明細書において、第１照射領域Ａ１の下方は、第１照射領域Ａ１に対して深さ方向ＤＰ側を示し、第１照射領域Ａ１の中心Ｃの下方は、第１照射領域Ａ１の中心Ｃに対して深さ方向ＤＰ側を示す。
【００７４】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、部分５３ｂでは、圧縮残留応力ＣＴＢが、ピーク値ＰＶを有する。ピーク値ＰＶは圧縮残留応力ＣＴＢの絶対値の最大値を示す。そして、圧縮残留応力ＣＴＢは、深さ方向ＤＰに向かって、ピーク値ＰＶから減少と増大とを繰り返しながら減衰している。つまり、圧縮残留応力ＣＴＢは、部分５３ｂから深さ方向ＤＰに向かって、減少と増大とを繰り返しながら減衰している。従って、実施形態１によれば、圧縮残留応力が単調減少する場合と比較して、深さ方向ＤＰに深い範囲にわたって圧縮残留応力ＣＴＢを発生できる。つまり、比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。圧縮残留応力ＣＴＢが減少と増大とを繰り返しながら減衰している理由は、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉によって圧縮残留応力ＣＴＢが発生しているためである。
【００７５】
ここで、本明細書及び特許請求の範囲において、圧縮残留応力の「減衰」は、圧縮残留応力の絶対値が小さくなることを示し、圧縮残留応力の「増加」は、圧縮残留応力の絶対値が大きくなることを示す。
【００７６】
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１と圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶとの関係を説明する。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２に基づいて対象物５に付与される圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶは、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１が大きい程、第１照射領域Ａ１に対して深い位置に位置する。従って、実施形態１によれば、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１を調節することで、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置を制御できる。ピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置は、深さＤＴＰを示す。
【００７７】
具体的には、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、工程Ｓ１は工程Ｓ１１を含む。そして、工程Ｓ１１において、パルス生成部１は、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１を調節して、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置（深さＤＴＰ）を制御する。具体的には、パルス生成部１の光学系を調整することで、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１が設定される。従って、工程Ｓ３では、パルス照射部３は、工程Ｓ２１で設定された直径ＤＭ１を有する第１照射領域Ａ１を形成するように、第１パルス光ＰＬ１を対象物５の表面５ａに照射する。実施形態１によれば、レーザーピーニング方法が工程Ｓ１１を含むことで、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置を制御できる。
【００７８】
以上、図２（ａ）〜図４（ｂ）では、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きい場合を説明した。ただし、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも小さくてもよい。この場合、第２衝撃波ＳＷ２の速度が第１衝撃波ＳＷ１の速度よりも速い。従って、第２衝撃波ＳＷ２のうち第１衝撃波ＳＷ１を挟んで対向する圧力波同士の相互作用によって、第２衝撃波ＳＷ２を発生させない場合と比較して、第１照射領域Ａ１の下方において衝撃波が対象物５の深い位置まで伝搬する。その結果、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【００７９】
次に、図５（ａ）を参照して、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも小さい場合において、圧縮残留応力場の形成原理を詳細に説明する。図５（ａ）は、圧縮残留応力場の形成原理を示す図である。
【００８０】
図５（ａ）に示すように、第１照射領域Ａ１と第２照射領域Ａ２との境界近傍では、斜め衝撃波（圧力波）ＷＡ１及び斜め衝撃波（圧力波）ＷＡ２が発生する。以下、斜め衝撃波ＷＡ１を衝撃波ＷＡ１と記載し、斜め衝撃波ＷＡ２を衝撃波ＷＡ２と記載する。衝撃波ＷＡ１及び衝撃波ＷＡ２は、第２パルス光ＰＬ２によって発生する第２衝撃波ＳＷ２の一部である。第１照射領域Ａ１と第２照射領域Ａ２との境界近傍において、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とは、第１照射領域Ａ１を挟んで互いに対向する。
【００８１】
衝撃波ＷＡ１は、第１照射領域Ａ１と第２照射領域Ａ２との境界近傍において、速度ベクトル成分Ｖｈ１０と速度ベクトル成分Ｖｖ１とを有する。速度ベクトル成分Ｖｈ１０は、表面５ａに略平行であり、第１照射領域Ａ１の中心Ｃを向いている。速度ベクトル成分Ｖｖ１は、表面５ａに略垂直であり、深さ方向ＤＰを向いている。速度ベクトル成分Ｖｈ１０の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｖ１の大きさよりも小さい。速度ベクトル成分Ｖｈ１０の大きさが、第１パルス光ＰＬ１に基づく第１衝撃波ＳＷ１によって低減されるからである。
【００８２】
一方、衝撃波ＷＡ２は、第１照射領域Ａ１と第２照射領域Ａ２との境界近傍において、速度ベクトル成分Ｖｈ２０と速度ベクトル成分Ｖｖ２とを有する。速度ベクトル成分Ｖｈ２０は、表面５ａに略平行であり、第１照射領域Ａ１の中心Ｃを向いている。速度ベクトル成分Ｖｖ２は、表面５ａに略垂直であり、深さ方向ＤＰを向いている。速度ベクトル成分Ｖｈ２０の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｖ２の大きさよりも小さい。速度ベクトル成分Ｖｈ２０の大きさが、第１パルス光ＰＬ１に基づく第１衝撃波ＳＷ１によって低減されるからである。
【００８３】
速度ベクトル成分Ｖｈ２０の向きは、速度ベクトル成分Ｖｈ１０の向きと反対である。速度ベクトル成分Ｖｈ２０の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｈ１０の大きさと略同一である。速度ベクトル成分Ｖｖ２の向き及び大きさは、それぞれ、速度ベクトル成分Ｖｖ１の向き及び大きさと略同一である。
【００８４】
衝撃波ＷＡ１は、速度ベクトル成分Ｖｈ１０と速度ベクトル成分Ｖｖ１との合成ベクトルＶＲ１の向きに進む。合成ベクトルＶＲ１と表面５ａとのなす角度θ１０は鋭角である。一方、衝撃波ＷＡ２は、速度ベクトル成分Ｖｈ２０と速度ベクトル成分Ｖｖ２との合成ベクトルＶＲ２の向きに進む。合成ベクトルＶＲ２と表面５ａとのなす角度θ２０は鋭角である。角度θ２０と角度θ１０とは略同一である。
【００８５】
合成ベクトルＶＲ１及び合成ベクトルＶＲ２は、深さ方向ＤＰに向かって互いに近づくように、表面５ａに対して傾斜している。従って、第１照射領域Ａ１の中心Ｃに対して、深さ方向ＤＰに略垂直に離れた位置において、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉して合成衝撃波ＷＡＳが形成される。つまり、第１照射領域Ａ１の中心Ｃに対して深さＤＴＰの位置で、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とがマッハ反射を起こし、合成衝撃波ＷＡＳが形成される。そして、合成衝撃波ＷＡＳは深さ方向ＤＰに伝搬する。その結果、合成衝撃波ＷＡＳによって、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【００８６】
特に、干渉の起こる深さＤＴＰでは、合成衝撃波ＷＡＳの圧力は最大である。従って、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、深さＤＴＰに位置する部分５３ｂでは、圧縮残留応力ＣＴＢがピーク値ＰＶを有する。
【００８７】
また、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも小さい場合は、合成衝撃波ＷＡＳが形成されるため、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも大きい場合と比較して、更に深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【００８８】
なお、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも小さいため、第１照射領域Ａ１で発生するアブレーション圧力Ｐ１は、第２照射領域Ａ２で発生するアブレーション圧力Ｐ２よりも小さい。従って、第１衝撃波ＳＷ１のピーク圧力が第２衝撃波ＳＷ２のピーク圧力よりも小さくなって、第１衝撃波ＳＷ１の速度は第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも遅い。つまり、第２衝撃波ＳＷ２の速度は第１衝撃波ＳＷ１の速度よりも速い。
【００８９】
ここで、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも小さい場合でも、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２よりも大きい場合と同様に、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２に基づいて対象物５に付与される圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶは、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１が大きい程、第１照射領域Ａ１に対して深い位置に位置する。
【００９０】
圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが、直径ＤＭ１が大きい程、深い位置に位置する理由を、図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較しながら説明する。図５（ｂ）は、圧縮残留応力場の形成原理を示す図である。
【００９１】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、図５（ｂ）に示す第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１の値Ｍ２は、図５（ａ）に示す第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１の値Ｍ１よりも大きい。また、第１照射領域Ａ１での強度Ｋ１及び第２照射領域Ａ２での強度Ｋ２は、図５（ａ）の場合と図５（ｂ）の場合とで同じである。従って、図５（ａ）の場合と図５（ｂ）の場合とで、合成ベクトルＶＲ１及び合成ベクトルＶＲ２の向き及び大きさは同じである。
【００９２】
その結果、直径ＤＭ１（＝図５（ｂ）のＭ２）が大きい場合において衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰ（＝図５（ｂ）のＴ２０）は、直径ＤＭ１（＝図５（ａ）のＭ１）が小さい場合において衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰ（＝図５（ａ）のＴ１０）よりも深い。よって、直径ＤＭ１（＝図５（ｂ）のＭ２）が大きい場合において圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが位置する深さＤＴＰは、直径ＤＭ１（＝図５（ａ）のＭ１）が小さい場合において圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが位置する深さＤＴＰよりも深い。換言すれば、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶは、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１が大きい程、深い位置に位置する。
【００９３】
なお、直径ＤＭ１が大きい場合の圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの絶対値は、直径ＤＭ１が小さい場合の圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの絶対値よりも小さい。衝撃波ＷＡ１及び衝撃波ＷＡ２が深さ方向ＤＰに深くなるほど減衰するため、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰが深くなるほど合成衝撃波ＷＡＳの圧力が小さくなるためである。
【００９４】
（実施形態２）
図６〜図８を参照して、本発明の実施形態２に係るレーザーピーニング装置１００を説明する。実施形態２が、非線形光学結晶を利用して第２パルス光ＰＬ２を生成する点で、実施形態２は実施形態１と主に異なる。以下、実施形態２が実施形態１と異なる点を主に説明する。
【００９５】
まず、図６を参照して、実施形態２に係るレーザーピーニング装置１００の構成を説明する。図６は、レーザーピーニング装置１００を示す図である。図６に示すように、レーザーピーニング装置１００は、レーザー発振器１１と、光学ユニット１３と、移動部１５と、制御部１７とを備える。光学ユニット１３は、高調波発生部２１と、パルス照射部３とを含む。高調波発生部２１は、エネルギー調節部２３と、非線形光学結晶２５とを含む。高調波発生部２１とレーザー発振器１１とは、パルス生成部１を構成する。パルス照射部３は、集光レンズ３１を含む。
【００９６】
レーザー発振器１１は、パルス光ＰＬを発生して、パルス光ＰＬを高調波発生部２１に入射する。パルス光ＰＬはレーザー光である。レーザー発振器１１は、例えば、ネオジウムガラスレーザーである。そして、例えば、パルス光ＰＬの波長は１０５３ｎｍであり、パルス光ＰＬのエネルギーは３００Ｊ〜４００Ｊであり、パルス光ＰＬの時間幅は１０ｎｓである。
【００９７】
制御部１７は、例えば、コンピューターである。制御部１７は、パルス光ＰＬが非対称の形状を有するように、レーザー発振器１１を制御する。その結果、レーザー発振器１１は、時間軸上の形状がピークに対して非対称なパルス光ＰＬを生成する。具体的には、パルス光ＰＬは、互いに異なる方向に傾斜する第１スロープ及び第２スロープを有する。時間軸上において、第１スロープは、第２スロープよりも前方に位置する。そして、第１スロープは、第２スロープよりも緩やかな傾斜である。
【００９８】
高調波発生部２１は、パルス光ＰＬに基づいて第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を生成する。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の各々の形状は、パルス光ＰＬの形状と近似している。第１パルス光ＰＬ１の波長λ１と第２パルス光ＰＬ２の波長λ２とは異なる。
【００９９】
具体的には、パルス光ＰＬが非線形光学結晶２５に入射する（図１（ｂ）の工程Ｓ１で実行）。そして、非線形光学結晶２５は、パルス光ＰＬの第２次高調波を発生する（図１（ｂ）の工程Ｓ１で実行）。第２次高調波が第１パルス光ＰＬ１である。パルス光ＰＬの基本波が第２パルス光ＰＬ２である。例えば、基本波の波長λ１は１０５４ｎｍであり、第２次高調波の波長λ２は５２７ｎｍである。従って、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１は第２パルス光ＰＬ２の波長λ２よりも短い。非線形光学結晶２５は、第２次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）結晶の一種であり、例えば、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶である。
【０１００】
エネルギー調節部２３は、非線形光学結晶２５の姿勢を調節して、第１パルス光ＰＬ１のエネルギーＥ１と第２パルス光ＰＬ２のエネルギーＥ２との比を調節する。具体的には、エネルギー調節部２３は、エネルギーＥ１がエネルギーＥ２よりも小さくなるように、非線形光学結晶２５の姿勢を調節する。例えば、エネルギー調節部２３は、エネルギーＥ１とエネルギーＥ２との比（Ｅ１：Ｅ２）が１：９になるように、非線形光学結晶２５の姿勢を調節する。その結果、第１パルス光ＰＬ１と第２パルス光ＰＬ２とは、エネルギー比が調節されて、非線形光学結晶２５から集光レンズ３１に入射する。
【０１０１】
集光レンズ３１は、対象物５の表面５ａに第１照射領域Ａ１を形成するように、第１パルス光ＰＬ１を対象物５の表面５ａに照射するとともに、対象物５の表面５ａに第２照射領域Ａ２を形成するように、第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面５ａに照射する（図１（ｂ）の工程Ｓ３で実行）。
【０１０２】
制御部１７は、光学ユニット１３がレーザー発振器１１の光軸ＡＸと略平行な方向に沿って移動するように、移動部１５を制御する。その結果、移動部１５は、光学ユニット１３を光軸ＡＸと略平行な方向に沿って移動させる。
【０１０３】
以上、図６を参照して説明したように、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きい。従って、第１衝撃波ＳＷ１の速度が第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも大きい。その結果、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉によって、第２衝撃波ＳＷ２を発生させない場合と比較して、第１衝撃波ＳＷ１が対象物５の深い位置まで伝搬する。その結果、実施形態１と同様に、対象物５の内部に比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。その他、実施形態２では、実施形態１と同様の効果を有する。
【０１０４】
また、実施形態２によれば、例えば、一般的なレーザーピーニング装置に、非線形光学結晶２５を導入することによって、実施形態２に係るレーザーピーニング装置１００を容易に構成できる。その結果、一般的なレーザーピーニング装置を、対象物５の内部に比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能なレーザーピーニング装置１００として容易に機能させることができる。
【０１０５】
さらに、実施形態２によれば、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１を第２パルス光ＰＬ２の波長λ２より短くすることによって、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１を第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも容易に大きくできる。また、波長λ１を波長λ２よりも短くすることによって、第１パルス光ＰＬ１に基づくアブレーション圧力Ｐ１を第２パルス光ＰＬ２に基づくアブレーション圧力Ｐ２よりも容易に大きくすることができる。その結果、第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも大きな速度を有する第１衝撃波ＳＷ１を容易に発生できる。
【０１０６】
次に、図７を参照して光学ユニット１３の詳細を説明する。図７は、光学ユニット１３を示す模式的断面図である。
【０１０７】
図７に示すように、高調波発生部２１は、結晶ホルダー２７と、支持部２９とをさらに含む。結晶ホルダー２７は非線形光学結晶２５を保持する。支持部２９は、非線形光学結晶２５が揺動可能なように、結晶ホルダー２７を介して非線形光学結晶２５を支持する。
【０１０８】
高調波発生部２１のエネルギー調節部２３は、第１マイクロメーター２３ａと、第２マイクロメーター２３ｂとを含む。第１マイクロメーター２３ａと第２マイクロメーター２３ｂとによって、非線形光学結晶２５の姿勢を特定の姿勢に設定して、非線形光学結晶２５に対して位相整合を行う。そして、第１マイクロメーター２３ａによって、非線形光学結晶２５の姿勢を特定の姿勢に対して変更して、第１パルス光ＰＬ１のエネルギーＥ１と第２パルス光ＰＬ２のエネルギーＥ２との比を調節する。
【０１０９】
パルス照射部３はレンズホルダー３３をさらに含む。レンズホルダー３３は集光レンズ３１を保持する。レンズホルダー３３は支持部２９に固定される。集光レンズ３１は、例えば、凸レンズである。
【０１１０】
集光レンズ３１は、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面５ａに集光する。具体的には、第１パルス光ＰＬ１の波長は第２パルス光ＰＬ２の波長より短い。従って、集光レンズ３１は、第１パルス光ＰＬ１を光軸ＡＸに向かって、第２パルス光ＰＬ２よりも大きな角度で屈折させる。その結果、集光レンズ３１から対象物５の表面５ａに、第１照射領域Ａ１が形成されるように第１パルス光ＰＬ１が照射されるとともに、第２照射領域Ａ２が形成されるように第２パルス光ＰＬ２が照射される。実施形態２によれば、集光レンズ３１に第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を入射することにより、対象物５の表面５ａに、第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を容易に形成できる。
【０１１１】
集光レンズ３１の焦点距離を調整することによって、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１及び第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２、並びに、第１照射領域Ａ１の面積（例えば直径ＤＭ１）及び第２照射領域Ａ２の面積（例えば直径ＤＭ２）を容易に制御できる。例えば、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１は略１ｍｍであり、第２照射領域Ａ２の直径ＤＭ２は略１０ｍｍである。例えば、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、１０11Ｗ／ｃｍ2であり、第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は、１０10Ｗ／ｃｍ2である。
【０１１２】
移動部１５は、リニアステージ４１と、モーター４３とを含む。リニアステージ４１には光学ユニット１３が設置される。そして、リニアステージ４１は、モーター４３によって駆動されて、光軸ＡＸと略平行な方向に沿って移動する。従って、光学ユニット１３が、光軸ＡＸと略平行な方向に沿って移動して、集光レンズ３１と対象物５との間の距離を変更できる。その結果、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１及び第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２、並びに、第１照射領域Ａ１の面積（例えば直径ＤＭ１）及び第２照射領域Ａ２の面積（例えば直径ＤＭ２）を容易に制御できる。
【０１１３】
実施形態２では、移動部１５は、対象物５の表面５ａが集光レンズ３１に対して集光レンズ３１の焦点距離よりも近くに位置するように、光学ユニット１３の位置を設定する。その結果、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１が第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きくなる。
【０１１４】
なお、対象物５の広い範囲にわたって圧縮残留応力場を形成する際には、対象物５を光軸ＡＸに交差する方向ＤＡ（具体的には光軸ＡＸに略直交する方向ＤＡ）に沿って移動しながら、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面５ａに照射する。又は、光学ユニット１３を方向ＤＡに沿って移動しながら、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を対象物５の表面に照射する。
【０１１５】
次に、図８を参照して、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１及び第２パルス光の強度Ｋ２を説明する。図８は、アブレーション圧力と第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１及び第２パルス光の強度Ｋ２との関係を示すグラフである。図８において、縦軸はアブレーション圧力（ギガパスカル：ＧＰａ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａでのパルス光の強度（Ｗ／ｃｍ2）を示す。
【０１１６】
図８に示すように、例えば、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、略１０11（Ｗ／ｃｍ2）のオーダー（領域Ｂ１に対応）である。一方、例えば、第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は、略１０10（Ｗ／ｃｍ2）のオーダー（領域Ｂ２に対応）である。
【０１１７】
そして、第１照射領域Ａ１では、略１０11（Ｗ／ｃｍ2）のオーダーの強度Ｋ１に対応するアブレーション圧力Ｐ１が発生する。一方、第２照射領域Ａ２では、略１０10（Ｗ／ｃｍ2）のオーダーの強度Ｋ２に対応するアブレーション圧力Ｐ２が発生する。従って、第１照射領域Ａ１で発生する第１衝撃波ＳＷ１のピーク圧力は、第２照射領域Ａ２で発生する第２衝撃波ＳＷ２のピーク圧力よりも大きくなる。その結果、第１衝撃波ＳＷ１の速度は第２衝撃波ＳＷ２の速度よりも大きくなる。
【０１１８】
なお、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の各々によって、１０0（ＧＰａ）以上のアブレーション圧力Ｐ１、Ｐ２を発生するため、対象物５の内部に容易に圧縮残留応力場を形成できる。特に、第１パルス光ＰＬ１によって、１０1（ＧＰａ）以上のアブレーション圧力Ｐ１を発生するため、対象物５の内部に更に容易に圧縮残留応力場を形成できる。
【０１１９】
なお、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１及び第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は一例に過ぎず、アブレーション圧力が発生する限りにおいては、強度Ｋ１及び強度Ｋ２は、特に限定されない。
【０１２０】
以上、図６〜図８の説明では、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きかった。ただし、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１が第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも小さくてもよい。
【０１２１】
（実施形態３）
図９（ａ）〜図１２を参照して、本発明の実施形態３に係るレーザーピーニング装置１００Ａを説明する。実施形態３が、第１照射領域Ａ１に第１パルス光ＰＬ１を照射しない点で、実施形態３は実施形態１と主に異なる。以下、実施形態３が実施形態１と異なる点を主に説明する。
【０１２２】
まず、図９（ａ）〜図９（ｃ）を参照して、実施形態３に係るレーザーピーニング装置１００Ａの構成及び動作を説明する。
【０１２３】
図９（ａ）は、レーザーピーニング装置１００Ａを示す図である。図９（ｂ）は、レーザーピーニング装置１００Ａによって実行されるレーザーピーニング方法を示すフローチャートである。図９（ｃ）は、レーザーピーニング装置１００Ａによる非照射領域Ｗ１及び照射領域Ｗ２を示す図である。
【０１２４】
図９（ａ）に示すように、レーザーピーニング装置１００Ａは、対象物５に対してレーザーピーニングを実行する。レーザーピーニング装置１００Ａは、パルス生成部１Ａと、パルス照射部３Ａとを備える。そして、図９（ｂ）に示すように、レーザーピーニング装置１００Ａは、レーザーピーニング方法を実行する。レーザーピーニング方法は、工程Ｓ２１及び工程Ｓ２３を含む。
【０１２５】
工程Ｓ２１において、パルス生成部１は、パルス光ＰＬＤを生成する。パルス光ＰＬＤはレーザー光である。パルス光ＰＬＤは、略円環形状の断面を有する。
【０１２６】
次に、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、工程Ｓ２３において、パルス照射部３Ａが、対象物５の表面５ａの非照射領域Ｗ１（所定領域）を囲む照射領域Ｗ２を対象物５の表面５ａに形成するように、パルス光ＰＬＤを対象物５の表面５ａに照射する。
【０１２７】
非照射領域Ｗ１は、略円形形状を有する。非照射領域Ｗ１の形状は、例えば、図１（ｃ）に示す第１照射領域Ａ１の形状と同様である。ただし、非照射領域Ｗ１には、パルス光ＰＬＤは照射されない。
【０１２８】
照射領域Ｗ２は非照射領域Ｗ１を囲む。つまり、非照射領域Ｗ１は照射領域Ｗ２に囲まれている。照射領域Ｗ２は、非照射領域Ｗ１を取り囲む略円環形状を有する。照射領域Ｗ２の形状は、例えば、図１（ｃ）に示す第２照射領域Ａ２の形状と同様である。照射領域Ｗ２の直径ＤＭ２は非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１よりも大きい。非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１は、「非照射領域の径」の一例に相当する。
【０１２９】
以上、図９（ａ）〜図９（ｃ）を参照して説明したように、実施形態３によれば、パルス光ＰＬＤは照射領域Ｗ２に照射される。従って、照射領域Ｗ２から対象物５の内部に向かう衝撃波（以下、「衝撃波ＳＷ」と記載する場合がある。）が発生する。一方、非照射領域Ｗ１にはパルス光ＰＬＤは照射されない。従って、パルス光ＰＬＤによって発生した衝撃波ＳＷのうち、非照射領域Ｗ１の下方の領域を挟んで対向する圧力波同士の相互作用によって、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。換言すれば、対象物５の内部に比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。その他、実施形態３は、実施形態１と同様の効果を有する。
【０１３０】
換言すれば、実施形態３では、図９（ｂ）を参照して説明したレーザーピーニング方法によって対象物５に圧縮残留応力場を形成して、対象物５を改質している。従って、実施形態３では、図９（ｂ）を参照して説明したレーザーピーニング方法によって対象物５を改質して、改質物５１を製造する改質物製造方法が提供される。また、対象物５が金属である場合の改質物５１は、金属材料５１Ａである。
【０１３１】
次に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照して、圧縮残留応力場が形成された対象物５を説明する。図１０（ａ）は、レーザーピーニング装置１００Ａによって対象物５に形成された残留応力場を示すグラフである。図１０（ａ）において、縦軸は残留応力（メガパスカル：ＭＰａ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａからの深さ（マイクロメートル：ｍｍ）を示す。図１０（ｂ）は、レーザーピーニング装置１００Ａによって改質された対象物５を示す模式的断面図である。
【０１３２】
図１０（ａ）に示すように、断面視略円環形状のパルス光ＰＬＤが照射された対象物５の内部には、残留応力ＣＴが発生する。図１０（ａ）では、非照射領域Ｗ１の中心Ｃの下方における残留応力ＣＴが示される。正の値の残留応力ＣＴが、引張残留応力ＣＴＡを示し、負の値の残留応力ＣＴが、圧縮残留応力ＣＴＢを示す。
【０１３３】
また、図１０（ｂ）に示すように、対象物５（具体的には改質物５１又は金属材料５１Ａ）は本体５３を備える。本体５３は表面５３ａと部分５３ｂとを有する。表面５３ａは表面５ａに相当する。表面５３ａは、パルス光ＰＬＤの非照射領域Ｗ１と、パルス光ＰＬＤの照射領域Ｗ２とを有する。部分５３ｂは、表面５３ａに対して深さ方向ＤＰに離れた位置に位置する。具体的には、部分５３ｂは、非照射領域Ｗ１の中心Ｃに対して、深さ方向ＤＰに略垂直に離れた位置に位置する。つまり、部分５３ｂは、非照射領域Ｗ１の中心Ｃに対して深さＤＴＰの位置に位置する。
【０１３４】
実施形態３では、深さ方向ＤＰは、表面５３ａに略垂直であり、表面５３ａから離れる方向を示す。具体的には、深さ方向ＤＰは、非照射領域Ｗ１に対して深さが大きくなる方向を示す。なお、本明細書において、非照射領域Ｗ１の下方は、非照射領域Ｗ１に対して深さ方向ＤＰ側を示し、非照射領域Ｗ１の中心Ｃの下方は、非照射領域Ｗ１の中心Ｃに対して深さ方向ＤＰ側を示す。
【０１３５】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、部分５３ｂでは、圧縮残留応力ＣＴＢが、ピーク値ＰＶを有する。ピーク値ＰＶは圧縮残留応力ＣＴＢの絶対値の最大値を示す。そして、圧縮残留応力ＣＴＢは、深さ方向ＤＰに向かって、ピーク値ＰＶから減少と増大とを繰り返しながら減衰している。つまり、圧縮残留応力ＣＴＢは、部分５３ｂから深さ方向ＤＰに向かって、減少と増大とを繰り返しながら減衰している。従って、実施形態３によれば、圧縮残留応力が単調減少する場合と比較して、深さ方向ＤＰに深い範囲にわたって圧縮残留応力ＣＴＢを発生できる。つまり、比較的厚い圧縮残留応力場を形成することが可能である。圧縮残留応力ＣＴＢが減少と増大とを繰り返しながら減衰している理由は、衝撃波ＳＷのうち互いに対向する圧力波同士の干渉によって圧縮残留応力ＣＴＢが発生しているためである。
【０１３６】
次に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照して、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１と圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶとの関係を説明する。断面視略円環形状のパルス光ＰＬＤに基づいて対象物５に付与される圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶは、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１が大きい程、非照射領域Ｗ１に対して深い位置に位置する。従って、実施形態３によれば、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１を調節することで、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置を制御できる。ピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置は、深さＤＴＰを示す。
【０１３７】
具体的には、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、工程Ｓ２１は工程Ｓ２１１を含む。そして、工程Ｓ２１１において、パルス生成部１Ａは、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１を調節して、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置（深さＤＴＰ）を制御する。具体的には、パルス生成部１Ａの光学系を調整することで、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１が設定される。従って、工程Ｓ２３では、パルス照射部３Ａは、工程Ｓ２１１で設定された直径ＤＭ１を有する非照射領域Ｗ１を囲む照射領域Ｗ２を形成するように、パルス光ＰＬＤを対象物５の表面５ａに照射する。実施形態３によれば、レーザーピーニング方法が工程Ｓ２１１を含むことで、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さ方向ＤＰの位置を制御できる。
【０１３８】
次に、図１１（ａ）を参照して、圧縮残留応力場の形成原理を詳細に説明する。図１１（ａ）は、圧縮残留応力場の形成原理を示す図である。図１１（ａ）に示すように、非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍では、斜め衝撃波（圧力波）ＷＡ１及び斜め衝撃波（圧力波）ＷＡ２が発生する。以下、斜め衝撃波ＷＡ１を衝撃波ＷＡ１と記載し、斜め衝撃波ＷＡ２を衝撃波ＷＡ２と記載する。衝撃波ＷＡ１及び衝撃波ＷＡ２は、パルス光ＰＬＤによって発生する衝撃波ＳＷの一部である。非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍において、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とは、非照射領域Ｗ１を挟んで互いに対向する。
【０１３９】
衝撃波ＷＡ１は、非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍において、速度ベクトル成分Ｖｈ１と速度ベクトル成分Ｖｖ１とを有する。速度ベクトル成分Ｖｈ１は、表面５ａに略平行であり、非照射領域Ｗ１の中心Ｃを向いている。速度ベクトル成分Ｖｖ１は、表面５ａに略垂直であり、深さ方向ＤＰを向いている。速度ベクトル成分Ｖｈ１の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｖ１の大きさと略同一である。非照射領域Ｗ１にはパルス光ＰＬＤが照射されないため、非照射領域Ｗ１からは、速度ベクトル成分Ｖｈ１を低減させる衝撃波が発生しないからである。
【０１４０】
一方、衝撃波ＷＡ２は、非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍において、速度ベクトル成分Ｖｈ２と速度ベクトル成分Ｖｖ２とを有する。速度ベクトル成分Ｖｈ２は、表面５ａに略平行であり、非照射領域Ｗ１の中心Ｃを向いている。速度ベクトル成分Ｖｖ２は、表面５ａに略垂直であり、深さ方向ＤＰを向いている。速度ベクトル成分Ｖｈ２の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｖ２の大きさと略同一である。非照射領域Ｗ１にはパルス光ＰＬＤが照射されないため、非照射領域Ｗ１からは、速度ベクトル成分Ｖｈ２を低減させる衝撃波が発生しないからである。
【０１４１】
速度ベクトル成分Ｖｈ２の向きは、速度ベクトル成分Ｖｈ１の向きと反対である。速度ベクトル成分Ｖｈ２の大きさは、速度ベクトル成分Ｖｈ１の大きさと略同一である。速度ベクトル成分Ｖｖ２の向き及び大きさは、それぞれ、速度ベクトル成分Ｖｖ１の向き及び大きさと略同一である。
【０１４２】
衝撃波ＷＡ１は、速度ベクトル成分Ｖｈ１と速度ベクトル成分Ｖｖ１との合成ベクトルＶＲ１の向きに進む。合成ベクトルＶＲ１と表面５ａとのなす角度θ１は鋭角である。具体的には、角度θ１は略４５度である。一方、衝撃波ＷＡ２は、速度ベクトル成分Ｖｈ２と速度ベクトル成分Ｖｖ２との合成ベクトルＶＲ２の向きに進む。合成ベクトルＶＲ２と表面５ａとのなす角度θ２は鋭角である。具体的には、角度θ２は略４５度である。角度θ２と角度θ１とは略同一である。
【０１４３】
合成ベクトルＶＲ１及び合成ベクトルＶＲ２は、深さ方向ＤＰに向かって互いに近づくように、表面５ａに対して傾斜している。従って、非照射領域Ｗ１の中心Ｃに対して、深さ方向ＤＰに略垂直に離れた位置において、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉して合成衝撃波ＷＡＳが形成される。つまり、非照射領域Ｗ１の中心Ｃに対して深さＤＴＰの位置で、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とがマッハ反射を起こし、合成衝撃波ＷＡＳが形成される。そして、合成衝撃波ＷＡＳは深さ方向ＤＰに伝搬する。その結果、合成衝撃波ＷＡＳによって、対象物５の比較的深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【０１４４】
特に、干渉の起こる深さＤＴＰでは、合成衝撃波ＷＡＳの圧力は最大である。従って、深さＤＴＰに位置する部分５３ｂでは、圧縮残留応力ＣＴＢがピーク値ＰＶを有する。
【０１４５】
また、実施形態３では、非照射領域Ｗ１が存在するため、第１照射領域Ａ１が存在する場合（図５（ａ））と比較して、合成衝撃波ＷＡＳが発生する深さＤＴＰが浅くなる。つまり、角度θ１が角度θ１０（図５（ａ））より小さく、角度θ２が角度θ２０（図５（ａ））よりも小さい。従って、実施形態３では、第１照射領域Ａ１が存在する場合と比較して、干渉時の衝撃波ＷＡ１及び衝撃波ＷＡ２の圧力が大きい。つまり、衝撃波ＷＡ１及び衝撃波ＷＡ２が深さ方向ＤＰに深くなるほど減衰するため、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰが浅くなるほど合成衝撃波ＷＡＳの圧力が大きくなる。従って、実施形態３では、第１照射領域Ａ１が存在する場合と比較して、更に深い位置まで合成衝撃波ＷＡＳ進み、更に深い位置まで圧縮残留応力場を形成できる。
【０１４６】
さらに、実施形態３では、角度θ１が略４５度であり、角度θ２が略４５度である。従って、非照射領域Ｗ１に対する部分５３ｂの深さＤＴＰは、非照射領域Ｗ１の半径Ｒと実質的に等しい。その結果、非照射領域Ｗ１の半径Ｒを調節することによって、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶを有する部分５３ｂの深さＤＴＰを精度良く制御できる。
【０１４７】
換言すれば、非照射領域Ｗ１の半径Ｒは、パルス光ＰＬＤに基づく衝撃波ＳＷによって対象物５に付与される圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの非照射領域Ｗ１に対する深さＤＴＰに実質的に等しい。従って、実施形態３によれば、非照射領域Ｗ１の半径Ｒによって、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの深さＤＴＰを容易に推測できる。
【０１４８】
次に、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが、直径ＤＭ１が大きい程、深い位置に位置する理由を、図１１（ａ）と図１１（ｂ）とを比較しながら説明する。図１１（ｂ）は、圧縮残留応力場の形成原理を示す図である。
【０１４９】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、図１１（ｂ）に示す非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１の値Ｍ２は、図１１（ａ）に示す非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１の値Ｍ１よりも大きい。また、照射領域Ｗ２でのパルス光ＰＬＤの強度は、図１１（ａ）の場合と図１１（ｂ）の場合とで同じである。従って、図１１（ａ）の場合と図１１（ｂ）の場合とで、合成ベクトルＶＲ１及び合成ベクトルＶＲ２の向き及び大きさは同じである。
【０１５０】
その結果、直径ＤＭ１（＝図１１（ｂ）のＭ２）が大きい場合において衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰ（＝図１１（ｂ）のＴ２０）は、直径ＤＭ１（＝図１１（ａ）のＭ１）が小さい場合において衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰ（＝図１１（ａ）のＴ１０）よりも深い。よって、直径ＤＭ１（＝図１１（ｂ）のＭ２）が大きい場合において圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが位置する深さＤＴＰは、直径ＤＭ１（＝図１１（ａ）のＭ１）が小さい場合において圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶが位置する深さＤＴＰよりも深い。換言すれば、圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶは、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１が大きい程、深い位置に位置する。
【０１５１】
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明した実施形態１と同様の理由により、直径ＤＭ１が大きい場合の圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの絶対値は、直径ＤＭ１が小さい場合の圧縮残留応力ＣＴＢのピーク値ＰＶの絶対値よりも小さい。
【０１５２】
次に、図１２を参照して、レーザーピーニング装置１００Ａの詳細を説明する。図１２は、レーザーピーニング装置１００Ａの詳細を示す図である。図１２に示すように、レーザーピーニング装置１００Ａにおいて、パルス生成部１Ａは、レーザー発振器７１と、径設定部７３とを含む。パルス照射部３Ａは集光レンズ６１を含む。
【０１５３】
レーザー発振器７１の構成は、図６に示すレーザー発振器１１の構成と同様である。レーザー発振器７１は、断面視略円形状のパルス光ＰＬを発生して、パルス光ＰＬを径設定部７３に入射する。具体的には、レーザー発振器７１は、レンズ及びミラー等を含む光学系（不図示）を介して、パルス光ＰＬを径設定部７３に入射する。
【０１５４】
径設定部７３は、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１を設定する。具体的には、径設定部７３は、基板７３ａと、光遮断部７３ｂとを含む。基板７３ａは、パルス光ＰＬを透過する。基板７３ａは、例えば、透明である。基板７３ａは、例えば、ガラス製又は合成樹脂製である。光遮断部７３ｂは、パルス光ＰＬを遮断する。その結果、径設定部７３は、断面視略円環形状のパルス光ＰＬＤを、集光レンズ６１に向けて出射する。光遮断部７３ｂは、例えば、基板７３ａの表面に取り付けられる。光遮断部７３ｂは、例えば、黒色であり、パルス光ＰＬを吸収して、パルス光ＰＬを透過させない。光遮断部７３ｂは、例えば、金属製又は合成樹脂製である。光遮断部７３ｂは、例えば、略円形形状を有する。光遮断部７３ｂの形状と非照射領域Ｗ１の形状とは相似である。
【０１５５】
径設定部７３が光遮断部７３ｂを含むことで、集光レンズ６１に入射するパルス光ＰＬＤは断面視略円環形状を有する。
【０１５６】
集光レンズ６１は、対象物５の表面５ａの非照射領域Ｗ１を囲む照射領域Ｗ２を形成するように、パルス光ＰＬＤを対象物５の表面５ａに照射する。特に、実施形態３では、１／ｆ＝（１／Ｌａ）＋（１／Ｌｂ）、を満足するように、径設定部７３と集光レンズ６１と対象物５とが配置される。その結果、レーザーピーニング装置１００Ａは、光遮断部７３ｂに相似な非照射領域Ｗ１を、対象物５の表面５ａに精度良く形成できる。つまり、レーザーピーニング装置１００Ａは、光遮断部７３ｂの像を対象物５の表面５ａに転送して、精度良く非照射領域Ｗ１を形成できる。「ｆ」は、集光レンズ６１の焦点距離を示す。「Ｌａ」は、径設定部７３と集光レンズ６１との間の距離を示す。「Ｌｂ」は、集光レンズ６１と対象物５との間の距離を示す。
【０１５７】
なお、対象物５の表面５ａの非照射領域Ｗ１を形成できる限りにおいては、断面視略円環形状のパルス光ＰＬＤの生成方法は特に限定されない。
【０１５８】
例えば、径設定部７３は、基板７３ａ及び光遮断部７３ｂに代えて、透過型の空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）を含んでいてもよい。ＳＬＭは、一次元又は二次元に配列された複数のピクセルを含む。そして、ＳＬＭは、パルス光ＰＬに対して、ピクセルごとに位相変調を実行する。具体的には、ＳＬＭは、非照射領域Ｗ１に対応する領域のピクセルからパルス光ＰＬが出射せず、照射領域Ｗ２に対応する領域のピクセルからパルス光ＰＬが出射するように、位相変調を実行する。
【０１５９】
例えば、径設定部７３は、基板７３ａ及び光遮断部７３ｂに代えて、パルス光ＰＬからラゲール・ガウスビームを生成する光学系を含んでいてもよい。そして、径設定部７３は、ラゲール・ガウスビームを、パルス光ＰＬＤとして出射してもよい。また、レーザー発振器７１が、ラゲール・ガウスビームを生成して、ラゲール・ガウスビームをパルス光ＰＬＤとして出射してもよい。この場合は、径設定部７３を設けなくてもよい。
【０１６０】
なお、図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して説明した実施形態１において、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１を第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きくする場合、図１２を参照して説明したレーザーピーニング装置１００Ａを使用できる。
【０１６１】
ただし、この場合、例えば、光遮断部７３ｂに代えて、パルス光ＰＬを透過する部材（以下、「部材ＭＢ１」と記載する。）を、基板７３ａに取り付ける。部材ＭＢ１の光透過率は、基板７３ａの光透過率よりも高い。その結果、第１照射領域Ａ１が、部材ＭＢ１に対応して対象物５の表面５ａに形成される。
【０１６２】
又は、この場合、例えば、径設定部７３は、基板７３ａ及び光遮断部７３ｂに代えて、透過型のＳＬＭを含む。そして、ＳＬＭは、パルス光ＰＬのうち、第１照射領域Ａ１に対応する領域のピクセルから出射する光（第１パルス光ＰＬ１）の強度Ｋ１が、第２照射領域Ａ２に対応する領域のピクセルから出射する光（第２パルス光ＰＬ２）の強度Ｋ２よりも大きくなるように、位相変調を実行する。
【０１６３】
また、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明した実施形態１において、第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１を第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも小さくする場合、図１２を参照して説明したレーザーピーニング装置１００Ａを使用できる。
【０１６４】
ただし、この場合、例えば、光遮断部７３ｂに代えて、パルス光ＰＬを透過する部材（以下、「部材ＭＢ２」と記載する。）を、基板７３ａに取り付ける。部材ＭＢ２の光透過率は、基板７３ａの光透過率よりも低い。その結果、第１照射領域Ａ１が、部材ＭＢ２に対応して対象物５の表面５ａに形成される。
【０１６５】
又は、この場合、例えば、径設定部７３は、基板７３ａ及び光遮断部７３ｂに代えて、透過型のＳＬＭを含む。そして、ＳＬＭは、パルス光ＰＬのうち、第１照射領域Ａ１に対応する領域のピクセルから出射する光（第１パルス光ＰＬ１）の強度Ｋ１が、第２照射領域Ａ２に対応する領域のピクセルから出射する光（第２パルス光ＰＬ２）の強度Ｋ２よりも小さくなるように、位相変調を実行する。
【０１６６】
又は、この場合、例えば、径設定部７３は、基板７３ａ及び光遮断部７３ｂに代えて、パルス光ＰＬからラゲール・ガウスビームを生成する光学系を含む。そして、径設定部７３は、ラゲール・ガウスビームのうち、第１照射領域Ａ１に照射される光（第１パルス光ＰＬ１）の強度Ｋ１が、第２照射領域Ａ２に照射される光（第２パルス光ＰＬ２）の強度Ｋ２よりも小さくなるように、ラゲール・ガウスビームを出射する。また、レーザー発振器７１が、このようなラゲール・ガウスビームを生成してもよい。この場合は、径設定部７３を設けなくてもよい。
【０１６７】
次に、本発明が実施例に基づき具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例によって限定されない。
【実施例】
【０１６８】
（第１実施例）
図６、図７、及び図１３〜図１７を参照して、本発明の第１実施例を説明する。第１実施例では、図６及び図７を参照して説明した実施形態２に係るレーザーピーニング装置１００を使用した。第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は、第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２よりも大きかった。対象物５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）であった。レーザー発振器１１はネオジウムガラスレーザーであった。パルス光ＰＬの波長は１０５４ｎｍであり、パルス光ＰＬのエネルギーは３５０Ｊであり、パルス光ＰＬの時間幅は１０ｎｓであった。対象物５は、特定層ＬＹを有しておらず、ターゲットＴＡそのものであった。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２が真空中で対象物５の表面５ａに直接照射された。【０１６９】
第１パルス光ＰＬ１（第２次高調波）の波長は５２７ｎｍであった。第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１のエネルギーは７．５３（Ｊ）であった。第１照射領域Ａ１での第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１は３６５．７（ＧＷ／ｃｍ2）であった。第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１が略１ｍｍになるように、集光レンズ３１の位置及び焦点距離を調整した。【０１７０】
第２パルス光ＰＬ２（基本波）の波長は１０５４ｎｍであった。第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２のエネルギーは３３６．４（Ｊ）であった。第２照射領域Ａ２での第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２は５３（ＧＷ／ｃｍ2）であった。第２照射領域Ａ２の直径ＤＭ２が略１０ｍｍになるように、集光レンズ３１の位置及び焦点距離を調整した。【０１７１】
まず、図１３を参照して、第１実施例に係るレーザーピーニング装置１００によって形成された圧縮残留応力場を説明する。【０１７２】
図１３は、第１実施例に係る残留応力場を示す図である。図１３において、縦軸は残留応力（メガパスカル：ＭＰａ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａからの深さ（マイクロメートル：μｍ）を示す。【０１７３】
図１３に示すように、Ｘ線回折を利用したｓｉｎ2φ法によって、対象物５の内部に形成された残留応力を計測した。具体的には、第１照射領域Ａ１の中心Ｃの下方における残留応力を計測した。正の値の残留応力が、引張の残留応力（引張残留応力）を示し、負の値の残留応力が、圧縮の残留応力（圧縮残留応力）を示した。Ｘ線回折装置は、ブルカー社製の「Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒ  ｗｉｔｈ  ＧＡＤＤＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ａｒｅａ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）」であった。【０１７４】
圧縮残留応力は、２０００μｍ（２ｍｍ）に近い深さまで存在した。つまり、２０００μｍに近い深さまで、圧縮残留応力場が形成されていることを確認できた。具体的には、圧縮残留応力のピーク値ＰＶは、深さ約５００μｍの位置に位置した。そして、圧縮残留応力は、深さ方向ＤＰに向かって、ピーク値ＰＶから減衰と増加とを繰り返しながら減衰していることを確認できた。具体的には、圧縮残留応力は、略１０００μｍ（１ｍｍ）の深さを超えてから、深さ方向ＤＰに対して単調減衰しておらず、深さ方向ＤＰに対して減衰と増加とを繰り返しながら、徐々に減衰していることを確認できた。圧縮残留応力が単調減衰しなかった理由は、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉による効果であると推測できた。【０１７５】
第１実施例では、対象物５が特定層ＬＹを有していない場合であっても、ミリメートルオーダーの深さまで圧縮残留応力場を形成できた。【０１７６】
次に、図１４（ａ）〜図１５（ｂ）を参照して、第１実施例に係るレーザーピーニング装置１００によって形成された第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を説明する。図１４（ａ）〜図１５（ｂ）は、レーザー変位計を使用して、対象物５の表面５ａの粗さを計測した結果を示す。色彩が黒色に近いほど、表面５ａの粗さが大きいことを示す。つまり、色彩が黒色に近い領域ほど、領域の深さが深いことを示す。レーザー変位計は、キーエンス社製の「ＫＳ−１１００」であった。【０１７７】
図１４（ａ）は、第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を示す図である。図１４（ｂ）は、第１照射領域Ａ１の一部を拡大して示す図である。図１４（ｃ）は、第２照射領域Ａ２の一部を拡大して示す図である。【０１７８】
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に示すように、第１照射領域Ａ１の直径ＤＭ１は略１ｍｍであった。第１照射領域Ａ１の粗さは、第２照射領域Ａ２の粗さよりも大きかった。従って、強度Ｋ１の大きな第１パルス光ＰＬ１によって、第１照射領域Ａ１が形成されたことを確認できた。同様の理由により、第１照射領域Ａ１には、大きなアブレーション圧力Ｐ１が発生し、速度の大きな第１衝撃波ＳＷ１が発生したことを推測できた。【０１７９】
一方、第２照射領域Ａ２の直径ＤＭ２は略１０ｍｍであった。第２照射領域Ａ２の粗さは、第１照射領域Ａ１の粗さよりも小さかった。従って、強度Ｋ２の小さな第２パルス光ＰＬ２によって、第２照射領域Ａ２が形成されたことを確認できた。また、第２照射領域Ａ２には、第１照射領域Ａ１のアブレーション圧力Ｐ１よりも小さなアブレーション圧力Ｐ２が発生し、第１衝撃波ＳＷ１の速度よりも小さな速度の第２衝撃波ＳＷ２が発生したことを推測できた。【０１８０】
図１５（ａ）は、第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２の深さを示す図である。図１５（ａ）では、図１４（ａ）のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面での深さを示している。図１５（ａ）において、縦軸は対象物５の表面５ａからの深さ（μｍ）を示し、横軸は位置（ｍｍ）を示す。図１５（ｂ）は、第１照射領域Ａ１及び第２照射領域Ａ２を示す斜視図である。【０１８１】
図１５（ａ）に示すように、５ｍｍの位置は、第１照射領域Ａ１の中心Ｃを示した。第１照射領域Ａ１の最も深い部分の深さは、７μｍ程度であった。従って、第１パルス光ＰＬ１による対象物５のダメージが、ほとんどないことを確認できた。また、第２照射領域Ａ２の最も深い部分の深さは、２μｍ程度であった。従って、第２パルス光ＰＬ２による対象物５のダメージが、ほとんどないことを確認できた。【０１８２】
図１５（ｂ）に示すように、第１照射領域Ａ１の中心Ｃ近傍で、深さの浅い部分を観測した。深さの浅い部分は、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２との干渉が起因となって発生したと推測した。つまり、深さの浅い部分の発生が、第１衝撃波ＳＷ１と第２衝撃波ＳＷ２とが干渉していることを示していた。【０１８３】
次に、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）を参照して、第１実施例に係るレーザーピーニング装置１００の発生した第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２を説明する。【０１８４】
図１６（ａ）は、第１パルス光ＰＬ１を示す図である。図１６（ｂ）は、第２パルス光ＰＬ２を示す図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）において、縦軸はパルス光の強度（任意単位：ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｕｎｉｔ）を示し、横軸は時間（ｎｓ）を示す。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２は、対象物５の表面５ａにおいて、パワーセンサーによって計測された。パワーセンサーは、浜松ホトニクス社製の「バイプレナー光電管  Ｒ１３２８Ｕ−５１（第２パルス光ＰＬ２）  Ｒ１３２８Ｕ−５２（第１パルス光ＰＬ１）」であった。なお、図１６（ａ）と図１６（ｂ）とで、縦軸のスケールは一致していない。【０１８５】
図１６（ａ）に示すように、第１パルス光ＰＬ１の形状はピークに対して非対称であった。そして、第１パルス光ＰＬ１は第１スロープＳＬ１及び第２スロープＳＬ２を有していた。第１スロープＳＬ１は、第２スロープＳＬ２よりも緩やかな傾斜であった。第１パルス光ＰＬ１の時間幅は１０ｎｓであった。【０１８６】
図１６（ｂ）に示すように、第２パルス光ＰＬ２の形状はピークに対して非対称であった。そして、第２パルス光ＰＬ２は第１スロープＳＬ１２及び第２スロープＳＬ２２を有していた。第１スロープＳＬ１２は、第２スロープＳＬ２２よりも緩やかな傾斜であった。第２パルス光ＰＬ２の時間幅は１０ｎｓであった。【０１８７】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、第１パルス光ＰＬ１の形状と第２パルス光ＰＬ２の形状とは近似していた。第１パルス光ＰＬ１と第２パルス光ＰＬ２とは、ともにパルス光ＰＬから生成されているためであると推測できた。なお、パルス光ＰＬの形状は、第１パルス光ＰＬ１の形状に近似していると推測できた。【０１８８】
次に、図３（ｂ）、図１６（ａ）、及び図１７を参照して、第１実施例に係るレーザーピーニング装置１００によって対象物５に発生した粒子速度について説明する。粒子速度とは、対象物５の内部の注目位置に位置する粒子の速度のことである。粒子速度は、衝撃波の圧力を表すパラメーターの１つである。粒子速度は、第１照射領域Ａ１の下方の粒子の速度を示した。粒子速度はＶＩＳＡＲ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ａｎｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  法）を用いて測定された。【０１８９】
図１７は、粒子速度と時間との関係を示すグラフである。図１７において、縦軸は粒子速度（ｋｍ／ｓ）を示し、横軸は時間（ｎｓ）を示す。また、曲線ＣＶは粒子速度の時間推移を表す。図１７に示すように、曲線ＣＶは、第３スロープＳＬＡ及び第４スロープＳＬＢを有する。時間軸上において、第３スロープＳＬＡは、第４スロープＳＬＢよりも前方に位置する。【０１９０】
図１６（ａ）及び図１７に示すように、粒子速度は、第１パルス光ＰＬ１の第１スロープＳＬ１に対応して、第３スロープＳＬＡのように推移した。第３スロープＳＬＡのような粒子速度の推移から、第１衝撃波ＳＷ１が、図３（ｂ）に示すようなエッジＥＧ１を有することを推測できた。つまり、第１衝撃波ＳＷ１のエッジＥＧ１の傾斜が、比較パルス光ＰＬＣ（ガウス分布を有する対称なパルス光）によって生成された衝撃波ＳＷａのエッジＥＧａの傾斜よりも緩やかであることを推測できた。【０１９１】
（第２実施例）
図９（ｂ）、図９（ｃ）、及び図１８（ａ）〜図１９（ｄ）を参照して、本発明の第２実施例を説明する。第２実施例では、図９（ｂ）及び図９（ｃ）を参照して説明した実施形態３に係るレーザーピーニング方法による衝撃波の伝搬をシミュレーションした。シミュレーションでは、対象物５は、オーステナイト系のステンレス鋼であった。非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１は１ｍｍであり、照射領域Ｗ２の直径ＤＭ２は５ｍｍであった。パルス光ＰＬＤの波長は１０５４ｎｍであり、パルス光ＰＬＤのエネルギーは６００Ｊであり、パルス光ＰＬＤの時間幅は５ｎｓであった。対象物５は、特定層ＬＹを有しておらず、ターゲットＴＡそのものであった。【０１９２】
図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、第２実施例に係る衝撃波を時系列で示す図である。図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第２実施例に係る衝撃波であって、図１８（ｄ）に示す衝撃波よりも後の衝撃波を時系列で示す図である。図１８（ａ）〜図１９（ｄ）の各々において、縦軸は対象物５の表面位置（ｍｍ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａからの深さ（ｍｍ）を示す。縦軸では、非照射領域Ｗ１の中心Ｃを「０」に設定している。また、図１８（ａ）〜図１９（ｄ）の各々において、白色の領域が衝撃波を示す。さらに、図１８（ａ）〜図１９（ｄ）の各々の上側部分には、照射領域Ｗ２へのパルス光ＰＬＤの照射時からの経過時間（ｎｓ）が示されている。【０１９３】
図１８（ａ）に示すように、パルス光ＰＬＤが照射領域Ｗ２に照射されると、照射領域Ｗ２から深さ方向ＤＰに伝搬する衝撃波が発生した。特に、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍で発生した衝撃波ＷＡ１は、方向ＡＷ１（図１１（ａ）の合成ベクトルＶＲ１に相当）に向かって進んだ。一方、非照射領域Ｗ１と照射領域Ｗ２との境界近傍で発生した衝撃波ＷＡ２は、方向ＡＷ２（図１１（ａ）の合成ベクトルＶＲ２に相当）に向かって進んだ。その結果、図１８（ｃ）に示すように、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉して、合成衝撃波ＷＡＳが発生した。衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰは、約０．５ｍｍであった。従って、衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２とが干渉する深さＤＴＰが、非照射領域Ｗ１の半径Ｒ（＝０．５ｍｍ）に略等しいことが確認できた。【０１９４】
そして、図１８（ｄ）及び図１９（ａ）〜図１９（ｄ）に示すように、合成衝撃波ＷＡＳは、深さ方向ＤＰに伝搬した。合成衝撃波ＷＡＳは、深さ方向ＤＰに伝搬するほど減衰した。ただし、図１９（ａ）〜図１９（ｄ）に示すように、合成衝撃波ＷＡＳは、合成衝撃波ＷＡＳの周囲の衝撃波よりも、深い位置まで到達することが確認できた。【０１９５】
（第３実施例）
図９（ｂ）、図９（ｃ）、図１２、及び図２０を参照して、本発明の第３実施例を説明する。第３実施例では、図１２を参照して説明した実施形態３に係るレーザーピーニング装置１００Ａを使用して、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すレーザーピーニング方法を実行した。ただし、レーザーピーニング装置１００Ａでは、径設定部７３を設ける代わりに、対象物５の表面５ａに直径１ｍｍのスチールボールを設置した。そして、断面視略円形状のパルス光ＰＬが、スチールボールを包含するように、表面５ａに向けて照射された。その結果、表面５ａのうちスチールボールが設置された領域が非照射領域Ｗ１になった。従って、非照射領域Ｗ１の直径ＤＭ１は１ｍｍであった。一方、スチールボールが設置された領域を囲む領域が照射領域Ｗ２になった。照射領域Ｗ２の直径ＤＭ２は５ｍｍであった。なお、１ショットのパルス光ＰＬが照射された。【０１９６】
対象物５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）であった。対象物５は、特定層ＬＹを有しておらず、ターゲットＴＡそのものであった。パルス光ＰＬの波長は１０５４ｎｍであり、パルス光ＰＬのエネルギーは６２３Ｊであり、パルス光ＰＬの時間幅は５ｎｓであった。パルス光ＰＬはガウス分布を有していた。照射領域Ｗ２でのパルス光ＰＬの強度（つまり、パルス光ＰＬＤの強度）は、６．３×１０11（Ｗ／ｃｍ2）であった。【０１９７】
第３実施例では、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すレーザーピーニング方法によって、対象物５に残留応力が発生した。そして、Ｘ線回折を利用したｓｉｎ2φ法によって、対象物５の内部に形成された残留応力を計測した。具体的には、非照射領域Ｗ１の中心Ｃの下方における残留応力を計測した。Ｘ線回折装置は、第１実施例で使用したＸ線回折装置と同じであった。【０１９８】
図２０は、第３実施例に係る残留応力場を示す図である。図１３において、縦軸は残留応力（メガパスカル：ＭＰａ）を示し、横軸は対象物５の表面５ａからの深さ（マイクロメートル：ｍｍ）を示す。【０１９９】
図２０に示すように、正の値の残留応力が、引張の残留応力（引張残留応力）を示し、負の値の残留応力が、圧縮の残留応力（圧縮残留応力）を示した。圧縮残留応力は、約３．５ｍｍの深さまで存在した。つまり、約３．５ｍｍの深さまで、圧縮残留応力場が形成されていることを確認できた。【０２００】
具体的には、圧縮残留応力のピーク値ＰＶは、深さ約０．５ｍｍの位置に位置した。一方、非照射領域Ｗ１の半径Ｒは０．５ｍｍであった。従って、非照射領域Ｗ１の半径Ｒが、パルス光ＰＬに基づく衝撃波によって対象物５に付与される圧縮残留応力のピーク値ＰＶの非照射領域Ｗ１に対する深さＤＴＰに等しいことを確認できた。【０２０１】
また、圧縮残留応力は、深さ方向ＤＰに向かって、ピーク値ＰＶから減衰と増加とを繰り返しながら減衰していることを確認できた。圧縮残留応力が単調減衰しなかった理由は、互いに対向する衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２との干渉による効果であると推測できた。【０２０２】
第１実施例と第３実施例とを比較した。図１３に示すように、第１実施例では、圧縮残留応力は約２ｍｍの深さまで存在した。一方、図２０に示すように、第３実施例では、圧縮残留応力は約３．５ｍｍの深さまで存在した。従って、第３実施例の方が、第１実施例よりも深い位置まで、圧縮残留応力場を形成できることが確認できた。第３実施例では、互いに対向する衝撃波ＷＡ１と衝撃波ＷＡ２との干渉によって生じる大きな圧力の合成衝撃波ＷＡＳによって、圧縮残留応力場が形成されるためであると推測できた。【０２０３】
第３実施例では、対象物５が特定層ＬＹを有していない場合であっても、ミリメートルオーダーの深さまで圧縮残留応力場を形成できた。【０２０４】
以上、図面（図１〜図２０）を参照しながら本発明の実施形態及び実施例について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態及び実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である（例えば、下記に示す（１）〜（４））。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数、間隔等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質、形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。【０２０５】
（１）図１（ａ）及び図６を参照して説明した実施形態１及び実施形態２において、複数の第１パルス光ＰＬ１を１つの第１照射領域Ａ１に連続して照射し、複数の第２パルス光ＰＬ２を１つの第２照射領域Ａ２に連続して照射してもよい（重ね打ち）。また、第１パルス光ＰＬ１において、第２スロープＳＬ２が第１スロープＳＬ１よりも緩やかに傾斜していてもよい。同様に、第２パルス光ＰＬ２において、第２スロープＳＬ２２が第１スロープＳＬ１２よりも緩やかに傾斜していてもよい。また、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の各々は、ピークに対してガウス分布を有する対称なパルス光であってもよい。また、実施形態３において、複数のパルス光ＰＬＤを１つの照射領域Ｗ２に連続して照射してもよい（重ね打ち）。【０２０６】
（２）図１（ａ）及び図６を参照して説明した実施形態１及び実施形態２では、対象物５自体が、圧縮残留応力場を形成するターゲットＴＡであり、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２が対象物５に直接照射された。ただし、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２をターゲットＴＡ内に伝搬させることができる限りにおいては、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２が、ターゲットＴＡに特定層ＬＹを介して照射されてもよい。同様に、実施形態３において、パルス光ＰＬＤがターゲットＴＡに特定層ＬＹを介して照射されてもよい。【０２０７】
例えば、対象物５は、ターゲットＴＡと、単数又は複数の特定層ＬＹとを有していてもよい。特定層ＬＹは、少なくともターゲットＴＡの表面を覆う。【０２０８】
具体的には、例えば、特定層ＬＹは、透明物質（例えば、水）により形成され、希薄波の発生を遅らせる。この場合、例えば、ターゲットＴＡを水中に設置することによって、特定層ＬＹをターゲットＴＡの表面に配置する。特定層ＬＹによって希薄波の発生が遅れるため、第１衝撃波ＳＷ１及び第２衝撃波ＳＷ２がターゲットＴＡの更に深い位置まで進む。その結果、更に厚い圧縮残留応力場を形成できる。例えば、特定層ＬＹは、黒色物質により形成され、アブレーション圧力によって膨張する部分として機能する。従って、特定層ＬＹには、引張の残留応力場（以下、「引張残留応力場」と記載する。）が形成される。つまり、特定層ＬＹは犠牲層として機能する。その結果、ターゲットＴＡに引張残留応力場が形成されることを抑制できる。【０２０９】
具体的には、パルス照射部３は、特定層ＬＹの表面に第１照射領域Ａ１を形成するように、第１パルス光ＰＬ１を特定層ＬＹの表面に照射するとともに、特定層ＬＹの表面に第２照射領域Ａ２を形成するように、第２パルス光ＰＬ２を特定層ＬＹの表面に照射する。【０２１０】
なお、図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して説明したように、対象物５が特定層ＬＹを有していない場合には、つまり、ターゲットＴＡに特定層ＬＹを配置しない場合には、例えば、ターゲットＴＡを水中に設置する作業、及び、ターゲットＴＡの表面に特定層ＬＹを形成する作業を省略できる。その結果、圧縮残留応力場を形成する際のコストを抑制できる。【０２１１】
（３）図６及び図７を参照して説明した実施形態２では、高調波発生部２１は、第２次高調波を発生した。ただし、高調波発生部２１は、第２次高調波〜第Ｑ次高調波を発生してもよい。「Ｑ」は３以上の整数である。【０２１２】
（４）図１（ａ）を参照して説明した実施形態１において、パルス生成部１は、第１パルス光ＰＬ１を生成する第１レーザー発振器と、第２パルス光ＰＬ２を生成する第２レーザー発振器とを有していてもよい。また、実施形態１において、第１パルス光ＰＬ１の強度Ｋ１と第２パルス光ＰＬ２の強度Ｋ２とが異なる限りにおいては、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１と第２パルス光ＰＬ２の波長λ２とが同一であってもよい。又は、第１パルス光ＰＬ１の波長λ１が、第２パルス光ＰＬ２の波長λ２よりも、短くてもよいし、長くてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２１３】
本発明は、レーザーピーニング方法、改質物製造方法、レーザーピーニング装置、及び金属材料を提供するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【０２１４】
１００、１００Ａ    レーザーピーニング装置
１、１Ａ    パルス生成部
３、３Ａ    パルス照射部
５    対象物
５１    改質物
５１Ａ    金属材料
Ａ１    第１照射領域
Ａ２    第２照射領域
Ｗ１    非照射領域
Ｗ２    照射領域
【図１】
2019098330.tif 000003
【図２】
2019098330.tif 000004
【図３】
2019098330.tif 000005
【図４】
2019098330.tif 000006
【図５】
2019098330.tif 000007
【図６】
2019098330.tif 000008
【図７】
2019098330.tif 000009
【図８】
2019098330.tif 000010
【図９】
2019098330.tif 000011
【図１０】
2019098330.tif 000012
【図１１】
2019098330.tif 000013
【図１２】
2019098330.tif 000014
【図１３】
2019098330.tif 000015
【図１４】
2019098330.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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