(57)【要約】【課題】簡便且つ確実にレーザピーニングを行い得るレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置を提供する。【解決手段】第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光Ａを物体１６の表面に照射しながら、第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光Ｂを物体の表面のうちの第１のレーザ光Ａが照射されている箇所に照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を物体の表面に照射しながら、前記第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を前記物体の前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に照射する、レーザピーニング方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光は、ナノ秒レーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、フェムト秒レーザ光である、請求項１記載のレーザピーニング方法。
【請求項３】
前記物体に照射する前記第２のレーザ光の前記第２のレーザ強度は、前記物体に前記第２のレーザ光を単独で照射した際にはアブレーションが生じ、前記物体に前記第１のレーザ光を照射しながら、前記物体のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に前記第２のレーザ光を照射した際にはアブレーションが生じない範囲内のレーザ強度である、請求項１又は２記載のレーザピーニング方法。
【請求項４】
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の走査する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザピーニング方法。
【請求項５】
前記物体の前記表面における前記第２のレーザ光の照射スポットの範囲は、前記物体の前記表面における前記第１のレーザ光の照射スポットの範囲と同等、又は、前記物体の前記表面における前記第１のレーザ光の照射スポットの範囲の内側である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザピーニング方法。
【請求項６】
前記物体に照射する前記第２のレーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングは、前記物体に照射する前記第１のレーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングより早い、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザピーニング方法。
【請求項７】
第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射される前記第１のレーザ光を物体の表面に照射させながら、前記物体の前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に、前記第２のレーザ光源から出射される前記第２のレーザ光を照射させる制御部と
を有するレーザピーニング装置。
【請求項８】
前記第１のレーザ光は、ナノ秒レーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、フェムト秒レーザ光である、請求項７記載のレーザピーニング装置。
【請求項９】
第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を表面に照射しながら、前記第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に照射することにより、レーザピーニングが行われた物体。
【請求項１０】
前記第１のレーザ光は、ナノ秒レーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、フェムト秒レーザ光である、請求項９記載の物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザピーニング方法及びレーザピーニング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料等の表面改質法の一つとして、ショットピーニングが知られている。
【０００３】
ショットピーニングは、鋼球やセラミックス等から成る投射材を物体の表面に高速で打ち込むことにより、物体の表面に塑性変形を生じさせる技術である。ショットピーニングを行うことにより、物体の表面を硬化させることが可能である。また、ショットピーニングを行うことにより、物体の表面に圧縮の残留応力が付与されるため、物体の疲労強度の改善や応力腐食割れの防止等を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、ショットピーニングでは、投射材を物体に叩き付けるため、物体に不純物が混入してしまう場合がある。
【０００５】
一方、近時では、レーザピーニング技術が提案されている。レーザピーニングでは、投射材を物体に叩き付ける代わりに、パルスレーザ光を物体に照射する。物体の表面にパルスレーザ光を照射すると、物体の表面に高圧プラズマが瞬間的に発生し、かかる高圧プラズマが膨張する際に物体の表面に衝撃が加わる。高圧プラズマが膨張する際に物体に加わる衝撃により、物体の表面に塑性変形が生じ、これにより、ピーニング効果を得ることができる。レーザピーニングには、例えばナノ秒レーザが用いられている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３３７３６３８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“フェムト秒レーザピーニング機構解明のための材料学的アプローチ”、[online]、平成２２年、財団法人若狭湾エネルギー研究センター、公募型共同研究報告書、[平成25年10月9日検索]、インターネット（URL:http://www.werc.or.jp/support/josei_seika/img/tokubetsu09.pdf）
【非特許文献２】Hitoshi Nakano et al., “Femtosecond and Nanosecond Laser Peening of Stainless Steel,” Journal of Laser Micro / Nanoengineering, 2010, Vol. 5 Issue 2, p175.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、ナノ秒レーザの照射によって生ずるプラズマを閉じ込めるための媒質が必要である。ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、プラズマを閉じ込めるための媒質を用いないと、十分に高い衝撃を物体に加えることが困難なためである。このため、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、ピーニングの対象となる物体を水中等に配した状態で、ピーニングを行わざるを得なかった。
【０００９】
本発明の目的は、簡便且つ確実にレーザピーニングを行い得るレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を物体の表面に照射しながら、前記第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を前記物体の前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に照射する、レーザピーニング方法が提供される。
【００１１】
本発明の他の観点によれば、第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源から出射される前記第１のレーザ光を物体の表面に照射させながら、前記物体の前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に、前記第２のレーザ光源から出射される前記第２のレーザ光を照射させる制御部とを有するレーザピーニング装置が提供される。
【００１２】
本発明の更に他の観点によれば、第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を表面に照射しながら、前記第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と、前記第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を前記表面のうちの前記第１のレーザ光が照射されている箇所に照射することにより、レーザピーニングが行われた物体が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１のレーザ強度と第１のパルス幅とを有する第１のレーザ光を物体の表面に照射しながら、第１のレーザ強度より強い第２のレーザ強度と第１のパルス幅より狭い第２のパルス幅とを有する第２のレーザ光を照射する。このため、第２のレーザ光によりアブレーションが生じるのを、第１のレーザ光の照射により抑制することができる。このため、本発明によれば、簡便且つ確実にピーニングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態によるレーザピーニング装置を示す概略図である。
【図２】図２は、レーザ光のパワーとレーザ光のパルスエネルギーとレーザ光のレーザ強度との関係を示す図である。
【図３】図３は、フェムト秒レーザ光の波形及びナノ秒レーザ光の波形を概念的に示すタイムチャートである。
【図４】図４は、フェムト秒レーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングとナノ秒レーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ナノ秒レーザ光の照射スポットとフェムト秒レーザ光の照射スポットとの関係を示す図である。
【図６】図６は、硬度試験の結果を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態によるレーザピーニング装置を示す概略図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態によるレーザピーニング装置の光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述したように、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、ピーニングの対象となる物体を水中等に配した状態で、ピーニングを行わざるを得なかった。また、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、単に水中等でピーニングを行わざるをえないというだけではなく、プラズマによって生ずる気泡を除去しなければならない場合もあった。また、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、ピーニングの対象となる物体の表面に別の膜を成膜し、ピーニング後において、かかる膜を除去しなければならない場合もあった。また、ナノ秒レーザを用いたピーニングにおいては、物体の表面に凹凸が生じる場合もあった。
【００１６】
一方、フェムト秒レーザ等を用いてピーニングを行うことも考えられるが、フェムト秒レーザを用いてピーニングを行う場合には、物体の表面においてアブレーションが生じる。物体の表面においてアブレーションが生じると、物体の表面が削られてしまうこととなるため、十分なピーニング効果を得ることは困難である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。
【００１８】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態によるレーザピーニング装置を示す概略図である。図１において、各構成要素間の接続は実線で示されており、レーザ光の光路は破線で示されている。
【００１９】
本実施形態によるレーザピーニング装置２は、第１のレーザ光Ａを発するレーザ光源１０と、第２のレーザ光Ｂを発するレーザ光源１２と、本実施形態によるレーザピーニング装置全体の制御を司る制御部１４とを有している。また、本実施形態によるレーザピーニング装置２は、ピーニングの対象となる物体（被処理物）１６が載置されるステージ１８を更に有している。
【００２０】
本実施形態によるレーザピーニング装置は、物体１６の表面にパルスレーザビームを照射することにより、ピーニングを行うものである。パルスレーザビームを用いてピーニングを行う手法は、レーザピーニングとも称される。
【００２１】
制御部１４は、種々の演算、制御、判別等の処理を実行するＣＰＵ（図示せず）を有している。また、制御部１４は、ＣＰＵによって実行される様々な制御プログラム等を格納するＲＯＭ（図示せず）等を有している。また、制御部１４は、ＣＰＵが処理中のデータや入力データ等を一時的に格納するＲＡＭ（図示せず）等を有している。
【００２２】
制御部１４には、所定の指令やデータなどをユーザが入力するための入力操作部４６が接続されている。かかる入力操作部４６としては、例えばキーボードや各種スイッチ等が用いられる。
【００２３】
制御部１４には、種々の表示を行うための表示部４８が接続されている。表示部４８には、例えば、本実施形態によるレーザピーニング装置２の動作状態、ステージ１８の状態、ＣＣＤカメラ５０により取得された画像等が表示される。表示部４８としては、例えば液晶ディスプレイ等が用いられる。
【００２４】
レーザ光源１０は、第１のレーザ光Ａを発するものである。ここでは、第１のレーザ光Ａとして、ナノ秒レーザ光が用いられている。ナノ秒レーザ光とは、パルス幅（レーザパルスの時間幅）がナノ秒（ｎｓ：１０−９秒）のオーダーのパルスレーザ光、即ち、パルス幅が１ｎｓ以上、１μｓ未満のパルスレーザ光のことである。レーザ光源１０からは、パルス幅がナノ秒のオーダーのパルスレーザビームＡが出射される。本実施形態では、レーザ光源１０として、例えば、中心波長１０５０ｎｍ程度、パルス幅１０ｎｓ程度のレーザ発振器が用いられている。
【００２５】
なお、ここでは、ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅を１０ｎｓ程度とする場合を例に説明したが、ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅は１０ｎｓ程度に限定されるものではない。ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅は、例えば１ｎｓ〜８００ｎｓの範囲内で適宜設定することができる。ただし、十分なピーニング効果を得る観点からは、ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅は、１ｎｓ〜５００ｎｓの範囲内とすることが好ましく、１０ｎｓ〜１００ｎｓの範囲内とすることが更に好ましい。また、レーザ光源１０の中心波長も、１０５０ｎｍ程度に限定されるものではなく、適宜設定し得る。
【００２６】
レーザ光源１２は、第２のレーザ光Ｂを発するものである。ここでは、第２のレーザ光Ｂとして、フェムト秒レーザ光が用いられている。フェムト秒レーザ光とは、一般的には、パルス幅がフェムト秒（ｆｓ：１０−１５秒）オーダーのパルスレーザ光、即ち、パルス幅が１ｆｓ以上、１ｐｓ未満のパルスレーザ光のことである。レーザ光源１２からは、パルス幅がフェムト秒のオーダーのパルスレーザビームＢが出射される。本実施形態では、レーザ光源１２として、例えば、中心波長１０４５ｎｍ程度、パルス幅８００ｆｓ程度のレーザ発振器が用いられている。
【００２７】
なお、ここでは、第２のレーザ光Ｂのパルス幅を８００ｆｓ程度とする場合を例に説明したが、第２のレーザ光Ｂのパルス幅は８００ｆｓ程度に限定されるものではない。第２のレーザ光Ｂのパルス幅は、例えば１０ｆｓ〜１０ｐｓの範囲内で適宜設定することができる。ただし、十分なピーニング効果を得る観点からは、第２のレーザ光Ｂのパルス幅は、５０ｆｓ〜５ｐｓとすることが好ましく、３００ｆｓ〜２ｐｓとすることが更に好ましい。このように、第２のレーザ光Ｂのパルス幅は、厳密にフェムト秒のオーダーに限定されるものではなく、ピコ秒のオーダーであってもよい。本願の明細書及び特許請求の範囲において、フェムト秒レーザ光とは、パルス幅がフェムト秒であるレーザ光に限定されるものではなく、パルス幅が数十ピコ秒以下であるピコ秒レーザ光をも含むものとする。また、レーザ光源１２の中心波長も、１０４５ｎｍ程度に限定されるものではなく、適宜設定し得る。
【００２８】
フェムト秒レーザ光Ｂのパルス幅はフェムト秒のオーダーであり、ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅はナノ秒のオーダーであるため、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス幅は、ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅より狭い。また、レーザ光源１２から発せられるフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、レーザ光源１０から発せられるナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度より強い。
【００２９】
なお、レーザ強度Ｉは、Ｅをパルスエネルギー、Ｓを照射スポットの面積、ｔをパルス幅とすると、以下のような式（１）により表される。
【００３０】
Ｉ ＝ Ｅ／Ｓｔ  ・・・  （１）
【００３１】
レーザ光源１０及びレーザ光源１２は、制御部１４により制御される。レーザ光源１０から出射されるナノ秒レーザ光Ａのパルス幅及びレーザ光源１２から出射されるフェムト秒レーザ光Ｂのパルス幅は、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。なお、ユーザにより入力された各種の設定情報等は、制御部１４に設けられた記憶部（図示せず）内に適宜記憶される。制御部１４は、レーザ光源１０から出射されるナノ秒レーザ光Ａが物体１６に照射されている状態で、レーザ光源１２から出射されるフェムト秒レーザ光Ｂが物体１６に照射されるように、レーザ光源１０及びレーザ光源１２を制御する。レーザ光源１０から出射されるナノ秒レーザ光Ａのタイミングとレーザ光源１２から出射されるフェムト秒レーザ光Ｂのタイミングは、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。制御部１４は、予め設定された繰り返し周波数でレーザ光源１０からナノ秒レーザ光Ａのパルスを出射させる。また、制御部１４は、予め設定された繰り返し周波数でレーザ光源１２からフェムト秒レーザ光Ｂのパルスを出射させる。ナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数及びフェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数は、いずれも例えば１ＭＨｚとする。ナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数及びフェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数は、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。
【００３２】
ナノ秒レーザ光Ａを発するレーザ光源１０の後段には、ナノ秒レーザ光Ａの偏光方向を制御する１／２波長板２０が設けられている。１／２波長板２０の後段には、ナノ秒レーザ光Ａの出力を調整する偏向ビームスプリッタ２２が設けられている。１／２波長板２０は、回転させることによりレーザ光の偏向方向を変更することができる光学素子である。偏光ビームスプリッタ２２は、入射光の偏向成分を分岐することができる光学素子である。１／２波長板２０を回転することによりレーザ光の偏光方向を変更すると、偏光ビームスプリッタ２２において分岐される偏向成分の割合が変化する。１／２波長板２０の回転角を適宜調整することにより、偏向ビームスプリッタ２２から出射されるナノ秒レーザ光Ａのパワーを適宜調整することができる。１／２波長板２０と偏向ビームスプリッタ２２とが相俟って出力減衰器２４が構成されている。このように、レーザ光源１０から出射されるナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度は、出力減衰器２４により調整し得るようになっている。ナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度は、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。出力減衰器２４により調整されたナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度は、例えば、５×１０９Ｗ／ｃｍ２程度とする。図２は、レーザ光のパワーとレーザ光のパルスエネルギーとレーザ光のレーザ強度との関係を示す図である。図２は、ナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数及びフェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数が、それぞれ１ＭＨｚである場合を例に示している。レーザ強度が５×１０９Ｗ／ｃｍ２程度のナノ秒レーザ光Ａのパルスエネルギーは、図２から分かるように、５０μＪ程度である。ナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数が１ＭＨｚの場合には、パルスエネルギーが５０Ｊ程度のナノ秒レーザ光Ａのパワーは、図２から分かるように、５０Ｗ程度である。
【００３３】
なお、ここでは、１／２波長板２０と偏光ビームスプリッタ２２とにより構成される出力減衰器２４を用いてナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度を調整する場合を例に説明したが、ナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度を調整する手段はこれに限定されるものではない。任意の調整手段を用いてナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度を適宜調整し得る。
【００３４】
フェムト秒レーザ光Ｂを発するレーザ光源１２の後段には、フェムト秒レーザ光Ｂの偏光方向を制御する１／２波長板２６が設けられている。１／２波長板２６の後段には、フェムト秒レーザ光Ｂの出力を調整する偏向ビームスプリッタ２８が設けられている。１／２波長板２６を回転することによりレーザ光の偏光方向を変更すると、偏光ビームスプリッタ２８において分岐される偏向成分の割合が変化する。１／２波長板２６の回転角を適宜調整することにより、偏向ビームスプリッタ２８から出射されるフェムト秒レーザ光Ｂのパワーを適宜調整することができる。１／２波長板２６と偏向ビームスプリッタ２８とが相俟って出力減衰器３０が構成されている。このように、レーザ光源１２から出射されるフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、出力減衰器３０により調整し得るようになっている。フェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、ナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度と同様に、入力操作部４６を介してユーザが適宜設定し得る。出力減衰器３０により調整されたフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、例えば、６．２５×１０１０Ｗ／ｃｍ２〜２．５０×１０１１Ｗ／ｃｍ２程度とする。なお、６．２５×１０１０Ｗ／ｃｍ２〜２．５０×１０１１Ｗ／ｃｍ２程度のレーザ強度のフェムト秒レーザ光Ｂのパルスエネルギーは、図２から分かるように、０．０５μＪ〜０．２μＪ程度である。フェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数が１ＭＨｚの場合には、パルスエネルギーが０．０５μＪ〜０．２μＪ程度のフェムト秒レーザ光Ｂのパワーは、図２から分かるように、０．０５Ｗ〜０．２Ｗ程度である。
【００３５】
なお、ここでは、１／２波長板２６と偏光ビームスプリッタ２８とにより構成される出力減衰器３０を用いてフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度を調整する場合を例に説明したが、フェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度を調整する手段はこれに限定されるものではない。任意の調整手段を用いてフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度を適宜調整し得る。
【００３６】
このように、本実施形態では、第１のナノ秒レーザ光Ａのレーザ強度とフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度とを、それぞれ独立に設定し得るようになっている。
【００３７】
出力減衰器２４の後段には、ナノ秒レーザ光Ａの光路を変更するミラー３２が設けられている。レーザ光源１０から出射され、出力減衰器２４により減衰されたナノ秒レーザ光Ａは、ミラー３２により反射され、出力減衰器３０の後段に設けられたビームスプリッタ３４に導入されるようになっている。ビームスプリッタ３４は、合波や分波を行い得る光学素子である。本実施形態では、ナノ秒レーザ光Ａとフェムト秒レーザ光Ｂとを合波するためにビームスプリッタ３４が用いられる。出力減衰器２４により減衰され、ミラー３２により反射され、ビームスプリッタ３４に導入されるナノ秒レーザ光Ａと、出力減衰器３０により減衰され、ビームスプリッタ３４に導入されるフェムト秒レーザ光Ｂとが、ビームスプリッタ３４により合波される。ビームスプリッタ３４により合波された後において、ナノ秒レーザ光Ａのビーム軸とフェムト秒レーザ光Ｂのビーム軸とが一致するように、ミラー３２やビームスプリッタ３４等の位置や角度等が適宜調整されている。
【００３８】
ビームスプリッタ３４の後段には、ガルバノスキャナ３６が配されている。ガルバノスキャナ３６は、ミラーの角度を適宜変化させることによりレーザ光を高速で走査することができる光学機器である。ガルバノスキャナ３６に導入されるナノ秒レーザ光Ａやフェムト秒レーザ光Ｂは、ガルバノスキャナ３６のミラー３８により反射されて、Ｆθ（Ｆ−Ｔｈｅｔａ）レンズ４０に導入されるようになっている。Ｆθレンズは、レーザ走査に用いられるレンズであり、回転ミラーで等角度走査されたレーザビームを結像面上で等速走査させる機能を有するレンズである。ガルバノスキャナ３６とＦθレンズ４０とが相俟って、ナノ秒レーザ光Ａやフェムト秒レーザ光Ｂの２次元走査する走査光学系４２が構成されている。走査光学系４２は、制御部１４により適宜制御される。
【００３９】
Ｆθレンズ４０の下方には、ステージ１８が位置している。ステージ１８上には、ピーニングの対象となる物体１６が載置される。ステージ１８には、ステージ１８を駆動するためのステージ駆動部４４が接続されている。制御部１４は、ステージ駆動部４４を介してステージ１８を駆動する。ステージ１８は、ＸＹ軸ステージであってもよいし、ＸＹＺ軸ステージであってもよいし、ＸＹＺθ軸ステージであってもよい。
【００４０】
このように、本実施形態では、ナノ秒レーザ光Ａとフェムト秒レーザ光Ｂとを同一点に集光させ、同一点に集光させたナノ秒レーザ光Ａ及びフェムト秒レーザ光Ｂを走査し得るようになっている。
【００４１】
本実施形態によるレーザピーニング装置は、ピーニングの対象となる物体１６を液体中に配することなく、ピーニングを行い得る。物体１６の周囲の雰囲気は、例えば大気（空気）とする。
【００４２】
ピーニングの対象となる物体１６の材料としては、例えば金属等を挙げることができる。ここでは、物体１６の材料を、例えばアルミニウム合金とする。
【００４３】
なお、ピーニングの対象となる物体１６の材料は、アルミニウム合金に限定されるものではない。例えば、ピーニングの対象となる物体１６の材料は、鉄合金、鉄、ステンレス鋼等であってもよい。また、ピーニングの対象となる物体１６の材料が、半導体やセラミック等であってもよい。
【００４４】
ピーニングの対象となる物体１６としては、例えばピストン等を挙げることができる。
【００４５】
なお、ピーニングの対象となる物体１６は、ピストンに限定されるものではない。ピーニングを行うことを要する様々な物体１６に適用可能である。ピーニングの対象となる物体１６が、例えば、電子部品の接点等であってもよい。
【００４６】
ステージ１８の上方には、ＣＣＤカメラ５０が設けられている。ＣＣＤカメラ５０により取得される画像は、制御部１４に入力されるようになっている。制御部１４は、ＣＣＤカメラ５０により取得される画像を用いて、ピーニングの対象となる物体１６の位置決め等を行う。
【００４７】
このように、本実施形態では、ピーニングの対象となる物体１６にナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、物体１６のうちのナノ秒レーザ光Ａが照射されている箇所にフェムト秒レーザ光Ｂを照射することにより、ピーニングを行う。本実施形態において、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、フェムト秒レーザ光Ｂを照射することによりピーニングを行うのは、以下のような理由によるものである。
【００４８】
即ち、大気中でナノ秒レーザ光を単に物体１６の表面に照射した場合には、プラズマを閉じ込めるための媒質が存在しないため、物体１６の表面に十分な衝撃を与えることは困難である。一方、フェムト秒レーザ光を物体１６の表面に単に照射した場合には、フェムト秒レーザ光のレーザ強度が比較的小さい場合であってもプラズマが生じ、物体１６の表面においてアブレーションが生じる。アブレーションが生じた場合には、物体１６の表面が削り取られることとなるため、十分なピーニング効果を得ることは困難である。従って、フェムト秒レーザ光を物体１６の表面に単に照射した場合には、物体１６の表面を十分に硬化等させることは困難である。
【００４９】
これに対し、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、適度なレーザ強度のフェムト秒レーザ光Ｂを照射した場合には、物体１６の表面においてアブレーションが生じるのを、ナノ秒レーザ光Ａの照射により抑制することができる。このため、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、適度なレーザ強度のフェムト秒レーザ光Ｂを照射した場合には、十分なピーニング効果が得られる。このような理由により、本実施形態では、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、適度なレーザ強度のフェムト秒レーザ光Ｂを照射することにより、ピーニングを行うようにしている。なお、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながら、適度なレーザ強度のフェムト秒レーザ光Ｂを照射すると、物体１６の表面を十分に硬化等させ得るということは、本願発明者らが初めて見いだしたものである。
【００５０】
なお、物体１６に照射するフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度が比較的強い場合には、フェムト秒レーザ光Ｂによって生じるアブレーションをナノ秒レーザ光Ａの照射によって十分に抑制することは困難である。このため、物体１６に照射するフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度が比較的強い場合には、ナノ秒レーザ光Ａを物体１６に照射しているにもかかわらず、物体１６の表面においてアブレーションが生じてしまう。物体１６の表面においてアブレーションが生じた場合には、物体１６の表面が削り取られることとなるため、十分なピーニング効果を得ることは困難である。このような理由により、本実施形態では、物体１６に照射されるフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度を適度に設定している。
【００５１】
物体１６に照射するフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、フェムト秒レーザ光Ｂのみを照射した際にはアブレーションが生じるが、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながらフェムト秒レーザ光Ｂを照射した際にはアブレーションが生じない範囲内のレーザ強度とすることが好ましい。フェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度をこのような範囲に設定するのは、以下のような理由によるものである。
【００５２】
即ち、フェムト秒レーザ光Ｂのみを照射した場合にアブレーションが生じないような弱いレーザ強度でフェムト秒レーザ光Ｂを照射した場合には、物体１６の表面に十分な衝撃を加えることができず、十分なピーニング効果を得ることが困難である。一方、ナノ秒レーザ光Ａを照射しているにもかかわらずアブレーションが生じてしまうような強いレーザ強度でフェムト秒レーザ光Ｂを照射した場合には、アブレーションを抑制することができないため、十分なピーニング効果を得ることは困難である。従って、フェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は、フェムト秒レーザ光Ｂのみを照射した際にはアブレーションが生じるが、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながらフェムト秒レーザ光Ｂを照射した際にはアブレーションが生じない範囲内とすることが好ましい。
【００５３】
図３は、フェムト秒レーザ光の波形及びナノ秒レーザ光の波形を概念的に示すタイムチャートである。図３に示すように、ナノ秒レーザ光Ａが照射されている状態でフェムト秒レーザ光Ｂが照射される。また、図３に示すように、フェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数及びナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数は、互いに等しく設定される。
【００５４】
図４は、フェムト秒レーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングとナノ秒レーザ光のパルス波形がピークとなるタイミングとの関係を示すグラフである。
【００５５】
本実施形態では、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１を、ナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２より早く設定する。ここでは、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２との差Δｔは、例えば３ｎｓ程度とする。制御部１４は、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１がナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２よりも所望の時間Δｔだけ早くなるように、レーザ光源１０，１２を制御する。フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２との差Δｔは、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。
【００５６】
フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１は、ナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２に対して過度に早くないことが好ましい。即ち、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２との差Δｔが過度に大きくないことが好ましい。フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１が、ナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２に対して過度に早いと、アブレーションの抑止効果が十分に発現していない段階で、フェムト秒レーザ光Ｂが照射されることとなる。そうすると、アブレーションが生じてしまい、十分なピーニング効果が得られない虞がある。従って、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１は、ナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２に対して過度に早くないことが好ましい。
【００５７】
フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２とが同じであってもよい。フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２とが一致している場合にも、物体１６の表面にナノ秒レーザ光Ａが照射されている状態で、フェムト秒レーザ光Ｂが照射される。従って、フェムト秒レーザ光Ｂのパルス波形がピークとなるタイミングｔ１とナノ秒レーザ光Ａのパルス波形がピークとなるタイミングｔ２とが同じである場合にも、アブレーションを抑制することは可能であり、十分なピーニング効果を得ることが可能である。
【００５８】
なお、本実施形態では、ガルバノスキャナ３６を含む走査光学系４２を用いてナノ秒レーザ光Ａ及びフェムト秒レーザ光Ｂを走査する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ミラー（図示せず）と集光レンズ（図示せず）とを用いてナノ秒レーザ光Ａ及びフェムト秒レーザ光Ｂを物体１６に照射するようにしてもよい。
【００５９】
物体１６に対するレーザ光の走査を開始する前には、物体１６の位置が所定の位置に設定される。制御部１４は、ステージ制御部４４を介してステージ１８を適宜制御し、走査光学系４２によるレーザ光の走査が可能な範囲内に物体１６を位置させる。
【００６０】
物体１６に対するレーザ光の走査は、走査光学系４２を制御することにより行われる。走査光学系４２に対する制御は、例えば制御部１４により行われる。走査光学系４２は、ガルバノスキャナ３６のミラー３８を適宜回転させることにより、レーザ光の走査を行う。
【００６１】
レーザ光の走査速度は、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。レーザ光の走査速度は、例えば１５００ｍｍ／ｓ程度とする。
【００６２】
ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径及びフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径は、ユーザが入力操作部４６を介して適宜設定し得る。ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径及びフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径は、ステージ１８の上面の法線方向にステージ１８を上下させることにより調整し得る。
【００６３】
図５は、ナノ秒レーザ光の照射スポットとフェムト秒レーザ光の照射スポットとの関係を示す図である。
【００６４】
図５（ａ）は、ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径とフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径とが等しい場合を示している。図５（ａ）に示すように、ナノ秒レーザ光Ａの照射スポット４７の径とフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポット４９の径とが等しくてもよい。ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径とフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径とが等しい場合には、フェムト秒レーザ光Ｂの照射範囲とナノ秒レーザ光Ａの照射範囲とは一致する。
【００６５】
図５（ｂ）は、ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径がフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径より大きい場合を示している。図５（ｂ）に示すように、ナノ秒レーザ光Ａの照射スポット４７の径がフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポット４９の径より大きくてもよい。ナノ秒レーザ光Ａの照射スポットの径がフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポットの径より大きい場合には、フェムト秒レーザ光Ｂの照射範囲はナノ秒レーザ光Ａの照射範囲の内側に位置する。
【００６６】
ここでは、図５（ａ）に示すように、ナノ秒レーザ光Ａの照射スポット４７の径とフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポット４９の径とを等しく設定する。ナノ秒レーザ光Ａの照射スポット４７の径及びフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポット４９の径は、それぞれ例えば５０μｍとする。
【００６７】
レーザ光の走査を行う範囲、即ち、レーザ照射予定範囲は、例えば、物体１６が位置している範囲を包含するように設定される。レーザ照射予定範囲は、予め制御部１４にプログラムされていてもよいし、レーザ光の走査を開始する際にユーザが入力操作部４６を介して設定するようにしてもよい。
【００６８】
物体１６に対するレーザ光の走査を開始する際には、例えば、ユーザが入力操作部４６を介してレーザ光の走査の開始の指示を行う。
【００６９】
レーザ光の走査の開始の指示が入力されると、制御部１４は、レーザ光源１０、１２からナノ秒レーザ光Ａ及びフェムト秒レーザ光Ｂを繰り返し出射させつつ、走査光学系４２を用いてレーザ光を走査する。レーザ光は、ステージ１８上において例えば直線状の軌跡を描くように走査される。直線状の軌跡を描くレーザ光の走査を、平行に複数回行うことにより、レーザ照射予定範囲の全域にレーザ光が照射される。
【００７０】
レーザ光の照射スポットの中心領域は照射強度が比較的強い一方、レーザ光の照射スポットの中心領域を除く領域においては照射強度が比較的弱い。このため、レーザ光により描かれる直線状の軌跡が互いにオーバーラップしないようにレーザ光を走査した場合には、改質の度合いにムラが生じ得る。物体１６の表面全体をムラなく改質するためには、レーザ光により描かれる直線状の軌跡が互いに部分的にオーバーラップするように、レーザ光を走査することが好ましい。
【００７１】
なお、レーザ光の軌跡は直線状に限定されるものではなく、例えば円形状であってもよい。
【００７２】
レーザ照射予定範囲の全域へのレーザ光の走査が完了すると、制御部１４は、レーザ光源１０からのナノ秒レーザ  光Ａの出射、レーザ光源１２からのフェムト秒レーザ光Ｂの出射、及び、走査光学系４２によるレーザ光の走査を終了させる。
【００７３】
なお、ユーザが入力操作部４６を介してレーザ光の走査の終了の指示を行うことにより、レーザ光の走査を終了させるようにしてもよい。
【００７４】
［評価結果］
図６は、硬度試験の結果を示すグラフである。図６において一点鎖線で示された範囲は、レーザ照射を行う前における物体１６の硬度の範囲を示している。ピーニングの対象となる物体１６としては、アルミニウム合金より成る鋳物を用いた。図６における横軸は、ナノ秒レーザ光Ａのパワーを示している。図６における縦軸は、硬度を示している。硬度試験に用いる試験装置としては、ナノインデンターを用いた。硬度試験は、以下のような条件で行った。フェムト秒レーザ光Ｂの波長は１０４５ｎｍとした。ナノ秒レーザ光Ａの波長は、１０５０ｎｍとした。フェムト秒レーザ光Ｂのパルス幅は、８００ｆｓとした。ナノ秒レーザ光Ａのパルス幅は、１０ｎｓとした。ナノ秒レーザ光Ａのパルスの繰り返し周波数及びフェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数は、いずれも１ＭＨｚとした。ナノ秒レーザ光Ａの照射スポット４７の径及びフェムト秒レーザ光Ｂの照射スポット４９の径は、いずれも５０μｍとした。レーザ光の走査速度は、１５００ｍｍ／ｓとした。
【００７５】
図６における＋印のプロットは、ナノ秒レーザ光Ａのみを物体１６に照射した場合を示している。図６からわかるように、ナノ秒レーザ光Ａのみを物体１６に照射した場合には、レーザ照射の前後において物体１６の表面の硬度は殆ど変化しなかった。また、ナノ秒レーザ光Ａのパワーを変化させても、ナノ秒レーザ光Ａのみを物体１６に照射した場合には、レーザ照射の前後において物体１６の表面の硬度は殆ど変化しなかった。
【００７６】
図６における×印のプロットは、フェムト秒レーザ光Ｂのみを物体１６に照射した場合を示している。図６から分かるように、フェムト秒レーザ光Ｂのみを物体１６に照射した場合には、レーザ照射の前後において物体１６の表面の硬度は殆ど変化しなかった。
【００７７】
図６における●印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．０５Ｗである場合を示している。図６における■印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．１Ｗである場合を示している。図６における▲印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．２Ｗである場合を示している。図６から分かるように、フェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．０５Ｗ、０．１Ｗ、０．２Ｗの場合には、ナノ秒レーザ光Ａのパワーを大きくするに伴って硬度が上昇する傾向がある。
【００７８】
図６における○印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．５Ｗの場合を示している。図６における□印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが１．０Ｗの場合を示している。図６における△印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが５．０Ｗの場合を示している。図６における▽印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが１０．０Ｗの場合を示している。図６における◇印のプロットは、物体１６に照射したフェムト秒レーザ光Ｂのパワーが１５．０Ｗの場合を示している。図６から分かるように、フェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．５Ｗ、１．０Ｗ、５．０Ｗ、１０．０Ｗ、１５．０Ｗの場合には、レーザ照射の前後において物体１６の表面の硬度は殆ど変化しなかった。また、ナノ秒レーザ光Ａのパワーを変化させても、フェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．５Ｗ、１．０Ｗ、５．０Ｗ、１０．０Ｗ、１５．０Ｗの場合には、レーザ照射の前後において物体１６の表面の硬度は殆ど変化しなかった。
【００７９】
これらの結果から、ナノ秒レーザ光Ａのみを単に物体１６に照射した場合には、物体１６の表面を十分に改質させ得ないことが分かる。また、フェムト秒レーザ光Ｂのみを単に物体１６に照射した場合も、物体１６の表面を十分に改質させ得ないことが分かる。また、ナノ秒レーザ光Ａを照射しながらフェムト秒レーザ光Ｂを照射した場合であっても、フェムト秒レーザ光Ｂのパワーが０．５Ｗ以上である場合には、物体１６の表面を十分に改質させ得ないことが分かる。また、フェムト秒レーザ光Ｂのパワーは０．０５Ｗ〜０．２Ｗ程度が好ましいことが分かる。また、ナノ秒レーザ光Ａのパワーを例えば１０Ｗ〜５０Ｗ程度とすることにより、十分な硬度が得られることが分かる。
【００８０】
なお、フェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数が１ＭＨｚの場合、図２から分かるように、０．０５Ｗ〜０．２Ｗ程度のパワーのフェムト秒レーザ光Ｂのパルスエネルギーは０．０５〜０．２μＪ程度である。また、フェムト秒レーザ光Ｂのパルスの繰り返し周波数が１ＭＨｚの場合、図２から分かるように、０．０５Ｗ〜０．２Ｗ程度のパワーのフェムト秒レーザ光Ｂのレーザ強度は６．２５×１０１０Ｗ／ｃｍ２〜２．５０×１０１１Ｗ／ｃｍ２程度である。
【００８１】
このように、本実施形態によれば、ナノ秒レーザ光Ａを物体の表面に照射しながら、物体の表面のうちのナノ秒レーザ光Ａが照射されている箇所にフェムト秒レーザ光Ｂを照射することにより、ピーニングを行う。フェムト秒レーザ光Ｂによりアブレーションが生じるのを、ナノ秒レーザ光Ａの照射により抑制することができるため、本実施形態によれば、簡便且つ確実に物体の表面を改質することができる。
【００８２】
［第２実施形態］
第２実施形態による第２実施形態によるレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置を図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態によるレーザピーニング装置を示す概略図である。図１乃至図６に示す第１実施形態によるレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
【００８３】
本実施形態によるレーザピーニング方法及びレーザピーニング装置は、単一の発振器から発せられるレーザ光を分岐して用いて、第１のレーザ光Ａと第２のレーザ光Ｂとを生成するものである。
【００８４】
本実施形態によるレーザピーニング装置１００は、第１のレーザ光（第１のパルスレーザビーム）Ａから所定時間だけ遅延した第２のレーザ光（第２のパルスレーザビーム）Ｂを空間的に重畳して出射するレーザ光発生装置１０１を有している。レーザ光発生装置１０１は、光源１０２、１／２波長板１０３、偏光ビームスプリッタ１０４、ミラー１０５、遅延回路１０６、及び、１／２波長板１０７を有している。
【００８５】
光源１０２は、フェムト秒レーザ光を発するレーザ光源１０２ａと、ナノ秒レーザを発するレーザ光源１０２ｂとを有している。光源１０２は、ナノ秒レーザＡとフェムト秒レーザ光Ｂとを同期して出射し得る。
【００８６】
レーザ光源１０２ａの後段には、１／２波長板１０３が設けられている。１／２波長板１０３の後段には、偏光ビームスプリッタ１０４が設けられている。本実施形態では、レーザ光源１０２ａから出射されたナノ秒レーザ光Ａが、偏光ビームスプリッタ１０４に対してＰ偏光で入射するように１／２波長板１０３は構成されている。従って、レーザ光源１０２ａから出射されたナノ秒レーザ光Ａは、１／２波長板１０３にてＰ偏光になり、偏光ビームスプリッタ１０４をそのまま透過する。
【００８７】
レーザ光源１０２ｂの後段には、ミラー１０５、遅延回路１０６、及び、１／２波長板１０７がこの順番で設けられている。レーザ光源１０２ｂから出射され、ミラー１０５により反射されたフェムト秒レーザ光Ｂが、遅延回路１０６及び１／２波長板１０７を介して偏光ビームスプリッタ１０４に入射されるように、ミラー１０５、遅延回路１０６及び１／２波長板１０７が位置決めされている。本実施形態では、レーザ光源１０２ｂから出射されたフェムト秒レーザ光Ｂが、偏光ビームスプリッタ１０４に対してＳ偏光で入射するように１／２波長板１０７が構成されている。従って、１／２波長板１０７に入射されたフェムト秒レーザ光は、１／２波長板１０７によりＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１０４により反射されて、偏光ビームスプリッタ１０４の後段に達する。偏光ビームスプリッタ１０４は、レーザ光源１０２ａから出射されたナノ秒レーザ光Ａとレーザ光源１０２ｂから出射されたフェムト秒レーザＢとを合波する合波部として機能する。
【００８８】
遅延回路１０６は、ナノ秒レーザ光Ａとフェムト秒レーザ光Ｂとが同期して出射された場合に、フェムト秒レーザ光Ｂがナノ秒レーザ光Ａに対して所定時間だけ遅延して偏光ビームスプリッタ１０４に入射されるように構成されている。従って、レーザ光源１０２ａからのナノ秒レーザ光Ａの出射とレーザ光源１０２ｂからのフェムト秒レーザ光の出射とを同期して行うと、ナノ秒レーザ光Ａとフェムト秒レーザ光Ｂとが所定時間だけずれて偏光ビームスプリッタ１０４から出射される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１０４からは、ナノ秒レーザ光（ナノ秒レーザパルス）Ａから所定時間だけ遅れてフェムト秒レーザ光（フェムト秒レーザパルス）Ｂが出射される。
【００８９】
偏光ビームスプリッタ１０４の後段には、ガルバノスキャナ３６、Ｆθレンズ４０及びステージ１８がこの順番で設けられている。従って、偏光ビームスプリッタ１０４から出射され、ナノ秒レーザ光Ａとフェムト秒レーザ光Ｂとが合波されて成るレーザ光は、ガルバノスキャナ３６のミラー３８により反射され、Ｆθレンズ４０を介してステージ１８に載置された物体１６に入射する。
【００９０】
図８は、本実施形態によるレーザピーニング装置の光源１０２の構成を示す図である。図８において、レーザ光源１０２ｂは、発振器２０１、パルス間引き器２０２、分岐カプラ２０３、ストレッチャ２０４、予備増幅器２０５、増幅器２０６、パルス圧縮器２０７及びシャッター２０８を有している。一方、レーザ光源１０２ａは、ストレッチャ２０９、予備増幅器２１０、増幅器２１１及びシャッター２１２を有している。なお、シャッター２０８は、パルス圧縮器２０７から出射されるフェムト秒レーザが照射されても破壊されないように構成されている。また、シャッター２１２は、増幅器２１１から出射されるナノ秒レーザが照射されても破壊されないように構成されている。
【００９１】
発振器２０１は、例えば５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を出射するものである。発振器２０１の後段には、光ファイバを介してパルス間引き器２０２が接続されている。パルス間引き器２０２は、発振器２０１から発せられる、例えば５０ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、例えば１ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光に変換して出射するものである。パルス間引き器２０２の後段には、光ファイバを介して分岐カプラ２０３が接続されている。分岐カプラ２０３としては、例えば３ｄＢカプラが用いられている。分岐カプラ２０３の一方の出力端には、光ファイバを介してストレッチャ２０４が接続されている。また、分岐カプラ２０３の他方の出力端には、光ファイバを介してストレッチャ２０９が接続されている。
【００９２】
ストレッチャ２０４は、分岐カプラ２０３の一方の出力端から出射された、１ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、１ＭＨｚ、１００ｐｓのレーザ光に変換して出射する。ストレッチャ２０４の後段には、光ファイバを介して予備増幅器２０５が接続されている。予備増幅器２０５の後段には、光ファイバを介して増幅器２０６が接続されている。増幅器２０６の後段には、光ファイバを介してパルス圧縮器２０７が接続されている。パルス圧縮器２０７は、増幅器２０６から出射されるレーザ光を、例えば１ＭＨｚ、８００ｆｓのレーザ光に変換して出射する。パルス圧縮器２０７から出射される、例えば１ＭＨｚ、８００ｆｓのレーザ光は、レーザ光源１０２ｂの出射端２１３から出射される。このようにして、レーザ光源１０２ｂは、例えば、１ＭＨｚ，８００ｆｓのフェムト秒レーザ光Ｂを出射することができる。パルス圧縮器２０７の後段には、矢印方向Ｐに開閉可能なシャッター２０８が設けられている。レーザ光源１０２ｂは、シャッター２０８を開閉することにより、フェムト秒レーザ光Ｂの出射をオン、オフすることができる。なお、シャッター２０８の開閉は、例えば制御部１４により制御される。
【００９３】
ストレッチャ２０９は、分岐カプラ２０３の他方の出力端から出射された、１ＭＨｚ、１００ｆｓのレーザ光を、１ＭＨｚ、１０ｎｓのレーザ光に変換して出射する。ストレッチャ２０９の後段には、光ファイバを介して予備増幅器２１０が接続されている。予備増幅器２１０の後段には、光ファイバを介して増幅器２１１が接続されている。増幅器２１１から出射される、例えば１ＭＨｚ、１０ｎｓのレーザ光は、レーザ光源１０２ａの出射端２１４から出射される。従って、レーザ光源１０２ａは、例えば１ＭＨｚ、１０ｎｓのナノ秒レーザＡを出射することができる。増幅器２１１の後段には、矢印方向Ｐに開閉可能なシャッター２１２が設けられている。レーザ光源１０２ａは、シャッター２１２を開閉することにより、ナノ秒レーザＡの出射をオン、オフすることができる。なお、シャッター２１２の開閉は、例えば制御部１４により制御される。
【００９４】
分岐カプラ２０３の一方の出力端からレーザ光源１０２ｂの出射端２１３までの光路長と、分岐カプラ２０３の他方の出力端からレーザ光源１０２ａの出射端２１４までの光路長とは、等しく設定されている。このため、単一の発振器２０１から出射された単一のレーザ光を分岐して、互いに同期したフェムト秒レーザ及びナノ秒レーザを出射することができる。なお、光路長は、例えば、各構成要素間に設けられる光ファイバの長さや屈折率等を適宜設定することにより調整し得る。
【００９５】
このように、単一の発振器２０１から発せられるレーザ光を分岐して用いて、第１のレーザ光Ａと第２のレーザ光Ｂとを生成するようにしてもよい。本実施形態においても、ピーニングの対象となる物体１６に第１のレーザ光Ａを照射しながら、物体１６のうちの第１のレーザ光Ａが照射されている箇所に第２のレーザ光Ｂを照射することにより、ピーニングを行い得る。
【００９６】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９７】
例えば、上記実施形態では、第１のレーザ光Ａとしてナノ秒レーザ光を用い、第２のレーザ光Ｂとしてフェムト秒レーザ光を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。第１のレーザ光Ａと第２のレーザ光Ｂとが、以下のような関係を満たせばよい。即ち、第２のレーザ光Ｂのレーザ強度が第１のレーザ光Ａのレーザ強度よりも強く、且つ、第２のレーザ光Ｂのパルス幅が第１のレーザ光Ａのパルス幅より狭いという関係を満たせばよい。このような関係を満たせば、第１のレーザ光Ａを照射しながら第２のレーザ光Ｂを照射することにより、第２のレーザ光Ｂによりアブレーションが生ずるのを、第１のレーザ光Ａの照射により抑制することが可能である。例えば、第１のレーザ光Ａがピコ秒レーザ光であり、第２のレーザ光Ｂがフェムト秒レーザ光であってもよい。ピコ秒レーザ光とは、パルス幅がピコ秒（ｐｓ：１０−１２秒）のオーダーのパルスレーザ光、即ち、パルス幅が１ｐｓ以上、１ｎｓ未満のパルスレーザ光のことである。また、第１のレーザ光Ａがナノ秒レーザ光であり、第２のレーザ光Ｂがピコ秒レーザであってもよい。また、第１のレーザ光Ａがマイクロ秒レーザ光であり、第２のレーザ光Ｂがフェムト秒レーザであってもよい。マイクロ秒レーザ光とは、パルス幅がマイクロ秒（μｓ：１０−６秒）のオーダーのパルスレーザ光、即ち、パルス幅が１μｓ以上、１ｍｓ未満のパルスレーザ光のことである。また、第１のレーザ光Ａがマイクロ秒レーザ光であり、第２のレーザ光Ｂがピコ秒レーザ光であってもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１０…レーザ光源
１２…レーザ光源
１４…制御部
１６…物体
【図１】
2015093284.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015093284.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2015093284.tif 000008
【図７】
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【図８】
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