(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット（１６）にレーザ衝撃ピーニングを施してそれの表面に残留圧縮応力を生み出すために、
前記ターゲット上の削摩性被膜（１８）をアブレーションしてプラズマ（４２）を発生させ、このプラズマ中に衝撃波を生成させるのに有効なフルエンスと、持続時間と、これらフルエンスと持続時間に対応したピーク・パワーとを有するレーザ・ビーム・パルス（１４）を、前記削摩性被膜（１８）に対して照射する工程と、
前記ターゲットに隣接した位置に前記プラズマを閉込めて前記ターゲットを前記衝撃波により塑性変形させ、それによって前記ターゲット中に前記残留圧縮応力を生み出す工程とを具備する方法において、
前記レーザ・ビーム・パルス（１４）が、前記パルスと前記プラズマとの間の結合効率を高めるために、５ナノ秒以下の持続時間とこの持続時間に対応したピーク・パワーを有することを特徴とする前記方法。
【請求項２】
毎秒１パルスより大きい繰返し数で一連の前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を前記ターゲット上の前記被膜（１８）の所定領域に繰返して照射する工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記繰返し数が最大で毎秒１００サイクルであることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記パルス持続時間が０．０１ナノ秒より大きいことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記レーザ・ビーム・パルス（１４）が０．０１〜１０ジュールの範囲内のエネルギを有することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記フルエンスが０．０５〜４０ジュール／平方センチメートルの範囲内にあることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を発生するための発振器がスラブ状の利得媒質（２４）を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記スラブ状の利得媒質がＮｄ：ＹＡＧから成ることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記発振器からの前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を増幅する工程と、
増幅された前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を前記ターゲット上の被膜に対して集束させる工程とを更に含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記発振器が１ジュール以下のエネルギを持った前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を発生するように構成され、かつ発生された前記レーザ・ビーム・パルス（１４）を増幅するように構成された増幅器が含まれていることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記一連のレーザ・ビーム・パルス（１４）がキャビティ内注入式、Ｑスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の発振器から発生されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１２】
前記一連のレーザ・ビーム・パルス（１４）がモード同期式かつキャビティ・ダンピング式の発振器から発生されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１３】
前記一連のレーザ・ビーム・パルス（１４）がモード同期式かつＱスイッチ式の発振器から発生されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はショット・ピーニング(shot peening)に関するものであって、更に詳しく言えば、レーザ衝撃ピーニングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のショット・ピーニングにおいては、金属加工物又はターゲットの表面に小さな球を吹付けてそこに塑性変形をもたらすことにより、対応した残留圧縮応力が生み出される。かかる残留応力は、加工物を高応力用途において使用する場合にそれの有効疲労寿命を向上させる。
【０００３】
加工物中に残留圧縮応力を生み出す操作を更に改善するため、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）が開発されつつある。レーザをパルス・モードで動作させることにより、加工物の表面にレーザ・パルスが照射される。通例、その表面にはたとえば水から成る光学的に透明な薄い慣性閉込め層によって閉込められた吸光性の削摩性(ablative)被膜が存在している。レーザ・パルスは小さな爆発により被膜を気化させて高温のプラズマを生じるが、これは水によって閉込められる。その結果として発生した瞬間的な圧力パルス又は衝撃波が加工物の表面を塑性変形させ、それによってその中に残留圧縮応力が生じる。
【０００４】
このような操作における重要な制御パラメータは、レーザ・ビームの単位面積当りのパルス・エネルギとして定義されるレーザ・ビームのフルエンス(fluence) である。ターゲットの位置におけるフルエンスはレーザ衝撃ピーニングを行うための閾値を越えなければならないが、レーザ・ビームを生成する共振器又は発振器内のフルエンスはそれの光損傷を防止するために低くなければならない。
【０００５】
これを達成するためには、低エネルギの発振器に続いて、段階的に口径が大きくなる複数の棒状増幅器を使用すればよい。そうすれば、パルスエネルギが増大する一方、フルエンスは損傷閾値より低く維持され、従ってレーザ装置の光損傷は防止される。しかしながら、このような構成は数多くのレーザ・ヘッド又はレイジング(lasing)用利得媒質、光ポンピング用フラッシュランプ、電源及び関連設備を必要とするが、それは装置の複雑度を増大させると共に、動作中においてそれの故障が起こり易くなる。
【０００６】
米国特許第５７３０８１１号明細書中には、少ない部品から成る別の有用なレーザ装置が開示されている。この構成は大形のＱスイッチ式かつキャビティ・ダンピング(cavity dumping)式のレーザ発振器を使用するものであって、レーザ衝撃ピーニングのために必要なエネルギの相当部分を生成する単一ヘッドの共振器及びそれと協働する追加の増幅器を含んでいる。このような高エネルギのレーザは、適度に大きな口径の光学部品と共に、Ｑスイッチング及びキャビティ・ダンピングを実行するためのポッケルスセルを必要とする。大口径の光学部品は発振器内のフルエンスを低下させ、そして発振器内で生成された高エネルギ・レーザ・ビームによる熱的損傷を防止する。
【０００７】
もう１つの重要な制御パラメータは、フルエンスをパルス持続時間で割った値として定義される強度又は放射照度である。加工物の所望の残留応力分布は有限の面積に広がり、また加工物のＬＳＰ処理は加工物材料に依存するフルエンス閾値を要求するから、レーザ・パルス当りの最小エネルギが必要とされる。生産部品の処理には単一のレーザ・スポットより遥かに大きい処理面積が関与するから、プロセスの処理量は光源としてのレーザ装置の平均パワー及び繰返し数によって制限される。
【０００８】
商業的に実行可能なシステムにおいてレーザ衝撃ピーニングを行う場合、強度制御パラメータに寄与するレーザの動作パラメータ（すなわち、パルス・エネルギ、フルエンス、持続時間、強度及び繰返し数）とレーザ装置のサイズ及び効率とは相互に関係する。現在公知のレーザ衝撃ピーニングにおいて特に問題となるのは、パルス当り５０ジュール、２００ジュール／平方センチメートル、及び２０ナノ秒のパルス持続時間のごとき高エネルギ要求条件である。これらは、損傷閾値の設計限界の近くで動作し、それに対応して制限された処理能力及び効率を有し、かつそれに対応して高い維持費を要求する大形の複雑で高価なレーザ装置を必要とする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、効率及び処理量を向上させると共に維持費及び停止時間を低減させるため、より低いパルス・エネルギ及びより大きいパルス繰返し数の下でレーザ衝撃ピーニングを行うことが望まれている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ターゲットにレーザ衝撃ピーニングを施すため、その上の削摩性被膜に対し、該被膜のアブレーション(ablation；分解除去)を行って該被膜中にプラズマ及び衝撃波を生成させるのに有効なフルエンス、持続時間及び対応したピーク・パワーを有するレーザ・ビーム・パルスが照射される。ターゲットに隣接した位置にプラズマを閉込めてターゲットを衝撃波により塑性変形させれば、ターゲット中に残留圧縮応力が生み出される。上記のパルスは、パルスとプラズマとの間の結合効率を高めるために１０ナノ秒未満の持続時間及び対応したピーク・パワーを有している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施の一態様に係わるレーザ衝撃ピーニング装置１０が略示されている。かかる装置は循環するレーザ・ビーム１２を発生させるために有効であって、このレーザ・ビームをダンピングすなわち放出することによって生じたレーザ・ビーム・パルス１４を金属加工物又はターゲット１６に照射すれば、それの表面及びその直下に残留圧縮応力が生み出される。
【００１２】
上記のターゲットは任意適宜の形態を取り得るのであって、たとえば黒色ペイントから成る通常の削摩性被膜１８を含んでいてもよい。被膜に対するレーザ・ビーム・パルスの衝突の結果として生じる爆発プラズマを閉込めるため、被膜上には水又はその他の透明な弾性媒質の薄膜２０を設けるのが適当である。
【００１３】
従って、ターゲットの表面に対して圧力パルスが発生する結果、衝撃波又は応力波がターゲット材料中に伝播して表面又はその近傍の領域を塑性変形させ、それによって該領域に残留圧縮応力を保持する。ターゲットの表面に沿って一連のレーザ・ビーム・パルスを適宜に走査することにより、それに対して実質的に一様なレーザ衝撃ピーニングを施すことができる。
【００１４】
装置１０は、レイジング用媒質又は利得媒質２４を有する協働する発振器又は共振器２２中において循環レーザ・ビーム１２を生成させるための手段を含む光学部品を組立てたものである。かかるレーザ・ビームを発振器から放出するための手段により、レーザ・ビーム・パルス１４が得られる。
【００１５】
適当なエネルギ及び時間的形状を持ったレーザ・ビーム・パルス１４を得るためには、基本の発振器２２はＱスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の発振器であることが好ましいが、それは様々な従来の構成を有することができる。たとえば、発振器２２は１００％の反射率を有する第１及び第２の末端鏡２６及び２８を含んでいて、これらは生じたレーザ・ビーム１２を両者間で循環させるために役立つ。かかる末端鏡は利得媒質２４の両側において光学的に整列していて、利得媒質２４がそれの光ポンピングを行うための通常のフラッシュランプ３０と協働することによって２枚の鏡間で循環するレーザ・ビーム１２が生成される。利得媒質２４及びフラッシュランプ３０はレーザ・ヘッドを規定するが、このレーザ・ヘッドは任意公知の形態を有し得ると共に、適宜に冷却される。
【００１６】
適当なエネルギ・レベルに達成すると発振器からレーザ・ビームが生成されるようにするため、第１のポッケルスセル３２から成る手段が利得媒質２４並びに末端鏡２６及び２８と光学的に整列して配置されている。このポッケルスセルはそれのスイッチングを行うための電気制御器３４の一部を成すドライバによって制御される結果、循環するレーザ・パルスが生成されると共に、一連のレーザ・ビーム・パルス１４が周期的に発生される。このポッケルスセルは、２枚の末端鏡２６及び２８の間において適当なやり方で（たとえば、利得媒質２４の両側で）光学的に整列した四分の一波長板３６及び偏光子３８と協働することが好ましい。
【００１７】
発振器２２の部品は、構成及び機能の点では従来通りのものである。ポッケルスセル３２は、フラッシュランプ３０からエネルギのポンピングを行った後に発振器内において発生期のレーザ・ビーム１２を循環させるための再生モードで動作し得る。再生モードにおいては、偏光子３８は第２の末端鏡２８に向けてレーザ・ビームを斜めに反射させるための鏡として作用する。このようにして、利得媒質２４中にエネルギが蓄積した状態でレーザ・ビームが２枚の末端鏡２６及び２８の間において前後に循環する。
【００１８】
ポッケルスセルはまた、発振器内のエネルギがレーザ・ビーム・パルス１４を発生するのに十分なレベルに到達した時に偏光子３８を通してレーザ・ビームを放出するためのダンピングモードでも動作し得る。
【００１９】
ポッケルスセル・ドライバは、ポッケルスセル３２の両端にバイアス電圧を加えて波の遅延を選択的に制御することによって動作する。利得媒質２４の初期ポンピングの後、ドライバ３４が再生モード又は高Ｑモードのポッケルスセル３２にバイアス電圧を加えて適当な波の遅延をもたらせば、発生したビームは偏光子３８を介して末端鏡２６及び２８の間で振動し、そしてビーム中のエネルギは再生によって増大する。発振器内のビームがピーク・パワーに達すると、ドライバはセルに対するバイアスを適宜に低下させて遅延を変化させる。その結果、ビームは第２の末端鏡２８を迂回して偏光子３８を通過し、それによってレーザ・ビーム・パルス１４が放出される。
【００２０】
末端の反射鏡２６及び２８の間において、発振器２２は一定の光路長を有するキャビティを規定する。この光路長は振動するレーザ・ビームの往復走行時間を制御し、ひいてはそれのパルス幅及び持続時間を決定する。発振器によって生成されるパルスの立上り時間は、ポッケルスセル３２のスイッチング時間によって制御される。好適な実施の態様に従えば、発振器２２は本質的に鋭い前縁及び適当な持続時間をそれぞれに有する一連のレーザ・ビーム・パルスを生成するために有効である。その結果、ターゲット１６の位置で生じる圧力パルス中においては、レーザ衝撃ピーニング操作を改善するために適した振幅及び時間的形状が生み出される。
【００２１】
本発明の好適な実施の態様に従えば、たとえば偏光子３８と第２の鏡２８との間において光学的に整列した第２のポッケルスセル４０を導入することにより、基本的なキャビティ・ダンピング技術が自己注入再生増幅器方式に改造される。第２のポッケルスセルは対応するドライバを有していて、第１のポッケルスセル３２の動作と同期させるため制御器３４に対して機能的に接続されている。このように構成された発振器は、短いパルス持続時間を持ったレーザ・ビーム・パルス１４を発生するために有効なキャビティ内注入式、Ｑスイッチ式かつキャビティ・ダンピング式の共振器２２を規定する。
【００２２】
レーザ衝撃ピーニング用として構成された典型的なキャビティ・ダンピング式の共振器は、立上り時間の短い前縁と共に約１０〜２０ナノ秒（ｎｓ）の持続時間を有するレーザ・ビーム・パルスを生み出す。キャビティ・ダンピング式の発振器は、末端鏡２６及び２８の間におけるキャビティ往復時間と実質的に等しい持続時間を有するパルスを生み出す。上記のごとく、レーザ衝撃ピーニングにおける重要な制御パラメータとしては、フルエンスと、（そのパラメータをパルス持続時間で割って得られる）強度又は放射照度とが挙げられる。レーザ衝撃ピーニングにおいては、ターゲット被膜のアブレーションを行ってターゲットを塑性変形させるのに十分な圧力パルスを生み出すため、レーザ・ビーム・パルス当りの最小フルエンス及びエネルギが要求される。そのためには、パルス当り約５０ジュール、1/4 平方センチメートルのパルス面積に対応して約２００ジュール／平方センチメートル、及び約１０ｎｓ通例は約２０ｎｓを越えるパルス持続時間という実質的に大きいレーザ・パラメータを有する高エネルギ・レーザ装置が要求されるのが通例である。２０ｎｓのパルス持続時間の場合、約２．５ギガワット（ＧＷ）のピーク強度又はパワーが達成される。
【００２３】
本発明に係わる開発経験の結果、レーザを用いた材料除去のごときレーザ誘起現象のために要求されるエネルギ及びフルエンスは照射されるピーク強度の増加に伴って減少すること、かつまたレーザ−プラズマ間のエネルギ結合も照射されるレーザのピーク強度に敏感であることが判明した。レーザ−材料間に相互作用が起こるためのフルエンス及びエネルギ閾値の依存性は、非線形の光学的にレーザ−材料相互作用が存在することに由来している。
【００２４】
光の吸収は、レーザ又はその他の光源の強度又は放射照度が一連の材料依存性吸収係数に比例して変化することを規定する吸収法則によって記述される。これらの吸収係数は、照射されるレーザ強度に関する多項式中の各項に掛けられるものである。
【００２５】
ｄＩ／ｄｚ＝（ａＩ＋ｂＩ2＋ｃＩ3＋…）            （１）
式（１）中、ｄＩ／ｄｚは位置ｚにおける材料との相互作用によって吸収されるエネルギである。係数ａは放射の線形吸収を記述するものであり、係数ｂは照射強度の２乗に比例する吸収を記述ものであり、以下同様である。通例、ａ>>ｂ>>ｃであって、低強度においては線形の効果が最も強い。
【００２６】
しかるに、強度Ｉが増加するのに伴い、Ｉ2 及びＩ3 はＩよりも急速に増加するから、吸収法則に対する非線形の寄与が支配的になることがある。このように、削摩性被膜材料による光の吸収、発生期の気化材料による光の吸収がもたらすプラズマの生成、及びそれによって開始される過程は、レーザ・パルスの持続時間を短縮することによってより低いパルス・エネルギ及びフルエンスの下でより効率的に生起させることができる。なぜなら、Ｉは単位面積当りかつ単位時間当りのエネルギとして定義されるからである。
【００２７】
同様に、衝撃インパルスの生成を規定するアブレーション、プラズマ圧力パルスの発生、閉込め層の破壊、及びエネルギ散逸過程の時間的順序に基づけば、特異な組合せのピーク・パワー（レーザ・パルスの内部で光エネルギが加工物に引き渡される速度）及びパルス繰返し数を用いてレーザ衝撃ピーニングにおけるプラズマ圧力パルスの振幅及び持続時間を最適化することが可能となる。
【００２８】
最適のレーザ・パラメータに関して行うべきトレードオフを達成するためには、プラズマ衝撃インパルスの生成を最適化することに適用されるものと同じ考察を競合的なエネルギ散逸過程を最小化することに適用すればよい。かかる競合的過程の実例としては、光による閉込め層の非線形破壊、プラズマによるレーザ・エネルギの反射、最適でないプラズマ衝撃振幅の生成、などが挙げられる。
【００２９】
このような発見が本発明の基礎を成している。すなわち、レーザ衝撃ピーニングを行うために高いエネルギ、大きいフルエンス、及び長い（つまり、１０ナノ秒より長い）持続時間を持ったレーザ・パルスを使用しなくても、より短くかつより低エネルギのレーザ・パルスを用いてかかるピーニングを行うことができるのである。そのようなレーザ・パルスは、レーザ装置のサイズ及び複雑度を低減させかつレーザ装置の光損傷に対する感受性を低下させるという点で顕著に有利である。最終増幅段においてより低いエネルギを生み出すレーザ装置を規定することにより、主増幅器又は共振器のサイズを実質的に縮小することができ、それに対応してパルス繰返し数を実質的に増大させることができる。これは、大きい面積にピーニングを施すために比較的高い処理性能を要求する商業的に実行可能なレーザ照射ピーニング・システムに対して顕著な利益をもたらす。
【００３０】
図１に示されたキャビティ内注入式のレーザ発振器２２は、本発明に従ってターゲット１６上の削摩性被膜１８に対してレーザ・ビーム・パルス１４を照射するように構成しかつ動作させることができる。このレーザ・ビーム・パルス１４は、図２のフローチャート中に略示されるごとく、上記の被膜を分解除去して高温のプラズマ４２を生成させるために有効なフルエンス、持続時間、及び対応したピーク・パワー又は強度を有している。削摩性被膜中における爆発的なエネルギ放出は、その中にプラズマ４２及びそれに対応した圧力衝撃波を生み出すが、それらは上方の水２０によってターゲットに隣接した位置に閉込められる。プラズマ中に発生した圧力パルスはターゲットを衝撃してそれの表面を塑性変形させ、それによってターゲット中に残留圧縮応力を生み出す。
【００３１】
レーザ衝撃ピーニングのための最小フルエンス閾値は、５０ジュールより低いパルス・エネルギの下でレーザ・パルスの持続時間を短縮してターゲット（加工物）の位置におけるレーザ強度又は放射照度を増大させることによって低下させることができる。その理由は、プラズマ圧力パルスがレーザ・パルスの瞬時パワー並びにレーザと加工物及び発生期プラズマとの非線形の光学的結合に対して複雑に依存することにある。かかるパルスは、レーザ・パルス・エネルギとプラズマ圧力パルスとの間の結合効率を高めるため、約１０ｎｓ未満の持続時間及び対応したピーク・パワー（好ましくは１ギガワットを越えるピーク・パワー）を有している。
【００３２】
従来のレーザ衝撃ピーニング用レーザ装置の大きな問題点は、被膜を分解除去してプラズマを発生させ、続いて発生期プラズマのポンピングによりそれの温度を十分な圧力パルスの生成に必要な程度にまで高めるためには、約１０ナノ秒を越える長い持続時間を有するレーザ・パルスが持続時間の短いパルスよりも低い効率を有することである。効率が最適値より低いのは、ピーク・パワーが低くかつパルス持続時間が長いために削摩性層及びプラズマとの結合効率が低く、またレーザ材料の相互作用容積外へのエネルギ輸送のためにエネルギ損失が大きいことに由来している。
【００３３】
パルス持続時間が短く、それに対応してピーク・パワー又は強度が高い結果、吸収効率が高くかつ損失が少ないため、プラズマを発生させ、そしてピーニングのために必要な臨界温度にまでそれを加熱するために要求される光子の数は少なくて済む。圧力パルスの生成のためのエネルギ要求量が少ないことは、より大きいプロセス処理量を支援し得る高繰返し数動作モードに適応したレーザ設計を可能にする。もう１つの大きな利点は、臨界圧力パルスを達成するために削摩性被膜から除去される材料が少なくて済み、従って被膜の補充又は交換が必要となるまでに多数回のレーザ照射を施すことができる。
【００３４】
ピーニングは、ターゲットの位置に生じて塑性変形をもたらす圧力パルスの大きさによって制御される。衝撃によって誘起される圧力は、平方センチメートル当りのワット数で表わされるパワー密度又はフラックスの非線形関数である。通例、かかる圧力はターゲットの位置におけるレーザ強度の増大に伴って増大するが、実際には式（１）の右辺に関するものと同様なスケーリング則に従う。それ故、結合効率はパルス持続時間を対応して短縮させることによって達成されるパワー密度の増大によって実質的に上昇させることができる。持続時間の短いレーザ・パルスを使用すれば、適当なフルエンス・レベルでピーク・パワーが増大すると共に、それに対応してレーザ−プラズマ間の結合効率及びそれに対応した圧力パルスが増大することになる。
【００３５】
Ｑスイッチング式、キャビティ・ダンピング式、モード同期(mode lock) 式、キャビティ内注入式、又はそれらの組合せに基づくレーザから短い光パルスを得るためには、幾つかの公知技術が存在する。Ｑスイッチング式の場合、パルス持続時間はキャビティ内の往復走行時間より長い。キャビティ・ダンピング式の場合、パルス持続時間は一般に往復走行時間に等しく、かつ実際には発振器長さの減少によって約５ｎｓに制限される。モード同期式の場合、およそ数ピコ秒にも達する顕著に短いパルスを得ることができる。また、キャビティ内注入式の場合、１ナノ秒未満から数ナノ秒までのパルスを得ることができる。
【００３６】
とは言え、これら各種の技術の効率は様々であって、レーザ衝撃ピーニングのごとき高パワー用途に対するそれらの有用性及び複雑度も様々である。
【００３７】
図１に示された好適な実施の態様においては、第２のポッケルスセル４０の導入により、基本的なキャビティ・ダンピング式発振器がレーザ衝撃ピーニングのために有用なキャビティ内注入式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピング式の発振器に改造されている。本発明に従い、１０ｎｓ未満のパルス持続時間及び対応したピーク・パワーで発振器２２を動作させれば、パルスとプラズマとの間の結合効率が向上し、従って持続時間の長いパルスを用いたレーザ衝撃ピーニング法に比べて実質的な改善が得られる。
【００３８】
レーザ装置１０は、ターゲット被膜１８の一定面積に対し、公知の高出力レーザ装置の繰返し数よりも実質的に大きい毎秒約１パルスを越える繰返し数で一連の持続時間の短いレーザ・ビーム・パルス１４を繰返して照射するように動作させることが好ましい。このようにすれば、商業的に実行可能なシステムにおいてターゲット１６の広い面積にピーニングを施すために十分な処理量を達成することができる。
【００３９】
本発明の好適な実施の態様に従えば、繰返し数は最大で毎秒約１００サイクルにまで達し得るが、これはパルス持続時間を対応して短縮することによって達成することができる。所定のレーザ装置は限られた平均パワーを有するから、短い持続時間とそれに対応した高いピーク・パワーを有するパルスを使用すると共に、より高い効率及び処理量でのピーニングを可能にする対応した大きい繰返し数を使用することにより、そのパワーをより効率的に利用することができる。
【００４０】
ピーク・パワー又は強度はフルエンスをパルス持続時間で割った値であるから、短いパルス持続時間は対応して高いピーク・パワーを与える。それはまた、プラズマとの結合効率を高め、そしてターゲットの一層効率的なレーザ衝撃ピーニングを可能にする。従って、持続時間の短いパルスを使用すれば、適当なピーク・パワーを達成しながらパルス当りのエネルギを実質的に低下させることができる。また、パルス・エネルギの低下は発振器を含めてレーザ装置に要求される平均パワーをも低下させる。低パワーのレーザ装置は、それに付随した利点、すなわちサイズの縮小、複雑度の低下、及び原価の低減を有するばかりでなく、効率、安定性及び性能の向上のごとき追加の利点をも示す。
【００４１】
好適な実施の態様に従えば、パルス持続時間は約０．０１ｎｓより長く、かつ好ましくは約５ｎｓ以下である。レーザ衝撃ピーニングを行うために適したパワーを有するこのような持続時間の短いレーザ・パルスは、図１に示された代表的なレーザ装置１０を用いて得ることができる。この装置は、最大でキャビティ内往復走行時間まで連続的に調整し得る持続時間を持ったパルスを発生するように構成されている。
【００４２】
図３は、図１のレーザ装置の動作に関する典型的なタイミング図である。最初、発振器２２はポンピングサイクル中において動作する。それが第１の時刻ｔ1 において終了すると、第１のポッケルスセル３２はそれの四分の一波長電圧に切換えられ、そしてＱスイッチとして働く。適当な遅延の後、共振器内である循環パワーが達成されるが、利得媒質２４内の利得がまだ欠乏し始めない内に、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻ｔ3 との間において共振器からの放出が行われる。そのためには、第２のポッケルスセル４０をそれの四分の一波長電圧に切換え、次いでゼロ電圧に戻せばよい。
【００４３】
第２の時刻と第３の時刻との間の（往復走行時間より短い）時間間隔においては、循環する光子列の対応部分が偏光子３８を通して完全に除去されて廃棄される。循環する光子列の残りの部分は共振器内に残留し、成長し、そして最終的には利得媒質内に蓄積されたエネルギを抽出する。
【００４４】
第４の時刻ｔ4 においては、従来のキャビティ・ダンピング技術において行われるごとく、第１のポッケルスセル３２をゼロ電圧に戻すことによってキャビティのダンピングが実行される。従来のキャビティ・ダンピング技術に対する唯一の相違点は、キャビティからの放出が行われる時点において、キャビティが連続した光子列で満たされているのではなく、ダンピング時に放出される短い循環パルスで満たされていることである。こうして得られるパルス持続時間は、第２の時刻と第３の時刻との間の選定された時間間隔と往復走行時間との差によって連続的に調整可能である。
【００４５】
その時刻において循環パルスが第１のポッケルスセル３２に近接しないように切換え時刻ｔ4 を選定すれば、出力パルスの時間的形状は第２のポッケルスセル４０の切換えによって完全に決定される。従って、第２のポッケルスセル４０は適度に早い速度で切換えられるのに対し、第１のポッケルスセル３２の切換えはキャビティの往復走行時間より早ければ事足りる。
【００４６】
このようなタイプの共振器には数多くの変形例が存在する。たとえば、第２のポッケルスセルは共振器内の任意の位置に配置することができる。キャビティ・ダンピングは、２個のポッケルスセルのいずれによっても実行することができる。第２のポッケルスセルは取除き、そしてそれの役割を第１のポッケルスセルによって代行させることさえできる。そのためには、第１のポッケルスセルの電圧を第２の時刻と第３の時刻との間でゼロに低下させるか半波値に上昇させるかした後、第３の時刻で四分の一波長値に戻せばよい。
【００４７】
図４には、一定の短い持続時間を有するレーザ・ビーム・パルスを発生させるために役立つような、本発明の別の実施の態様に係わるキャビティ内注入式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピング式の共振器４４が示されている。図５は、それに関する対応したタイミング図である。
【００４８】
この実施の態様に従えば、利得媒質２４は第１の鏡２６と第２のポッケルスセル４０との間に規定された第１の脚Ａ内に配置されている。他方、第２のポッケルスセル４０と第２の鏡２８との間には第２の脚Ｂが規定されていて、偏光子３８はそれらの間に配置されている。このような構成においては、第２の脚Ｂの長さを相対的に短くすることにより、その長さを光速で割った値の２倍に等しい短い持続時間を持った出力パルスを得ることができる。このような実施の態様が可能である理由は、利得媒質２４が水平方向又は垂直方向の直線偏光に対して等しく機能することにある。
【００４９】
図１に示された第１の実施の態様と同じく、キャビティ・ダンピングのタイミングを適当に選定すれば、出力レーザ・パルスの立上り時間及び下降時間は第２のポッケルスセル４０の切換え速度によって完全に決定される。なお、キャビティのダンピングはポッケルスセル３２及び４０のいずれによっても実行することができる。
【００５０】
図４に示された共振器４４の場合には、ダンピングは第３の時刻ｔ3 において第１のポッケルスセル３２により実行されることが好ましい。その場合、第４の時刻ｔ4 において第２のポッケルスセル４０の電圧をゼロに戻すことは重要でない。
【００５１】
もし第２のポッケルスセル４０によってダンピングを実行するのであれば、第３の時刻ｔ3 及び第４の時刻ｔ4 における役割は交換される。
【００５２】
共振器４４はただ１個のポッケルスセルを用いて動作させることもできる。その場合には、第１のポッケルスセル３２が取除かれ、かつ四分の一波長板３６が利得媒質２４の反対側の第２のポッケルスセル４０に隣接した位置に移動される。更に、第２のポッケルスセルに印加される電圧は第１の時刻ｔ1 以前にはゼロであり、第１の時刻ｔ1 と第２の時刻ｔ2 との間では四分の一波長電圧に調整され、第２の時刻ｔ2 と第３の時刻ｔ3 との間では四分の三波長電圧に調整され、そして第３の時刻ｔ3 においては四分の一波長電圧に戻すことによってキャビティのダンピングが実行される。なお、ダンピングのための遷移は循環パルスが共振器の第１の脚Ａ内に位置する時に起こる必要がある。パルスが放出された後、ポッケルスセル４０に印加される電圧はゼロに戻すことができるが、そのタイミングは重要でない。
【００５３】
キャビティ・ダンピングに基づく従来の衝撃ピーニング用レーザ装置がパルス当り約５０ジュールのパルス・エネルギを生み出すのに対し、図１及び４に示された装置は約０．０１〜約１０ジュールの範囲内の実質的に低いエネルギを持ったパルス１４を生成するように構成すればよい。これは、棒状の利得媒質とは異なり、スラブ状の利得媒質２４を使用することによって達成することができる。
【００５４】
このような低パルス・エネルギ要求条件に対応して、1/4 センチメートルの有効面積を有するレーザ・パルスの場合、フルエンスはたとえば約０．０５〜約４０ジュール／平方センチメートルの範囲内にあるのが適当である。
【００５５】
従来通りのＮｄ：ＹＡＧから成るスラブ状の利得媒質２４を使用することにより、追加の効率及び原価の低減を得ることもできる。この種のレーザ利得媒質はエネルギ貯蔵能力が限られているから、追加の増幅を併用することが好ましい。
【００５６】
たとえば図１には、共振器２２からのレーザ・ビーム・パルス１４を増幅してそれのエネルギを増大させるため、偏光子３８とターゲット１６との間において光学的に整列した追加の増幅器４６が示されている。かかる増幅器４６は任意公知の構成を有し得るのであって、たとえば、１台以上の増幅器を順次に配列したものが挙げられる。
【００５７】
増幅されたレーザ・ビーム・パルスは、それをターゲット被膜１８に対して集束させるため、増幅器４６とターゲット１６との間において光学的に整列して配置された適当な光学系４８を通して照射されることが好ましい。かかる光学系４８は任意公知の形態を有し得る。たとえば、レーザ衝撃ピーニング操作に際してレーザ・ビーム・パルス１４を削摩性被膜上の適度に小さなスポット面積内に照射するため、所望に応じて集束レンズ及び折りたたみ鏡を使用することができる。
【００５８】
このように、基本共振器２２は初期には約１ジュール以下のエネルギを持ったレーザ・ビーム・パルス１４を発生するように寸法決定しかつ構成すればよく、また増幅器４６は発生されたパルスを増幅してたとえば０．０１ジュールより実質的に越えかつ最大で約１０ジュールにまで達するエネルギを付与するように寸法決定しかつ構成すればよい。このような組合せの場合には、スラブ状のＮｄ：ＹＡＧ利得媒質２４を有する比較的簡単で安価なキャビティ・ダンピング式発振器２２が使用され、そして最初はそれのエネルギ能力の限界内で持続時間の短いレーザ・パルスが発生される。かかる持続時間の短いレーザ・パルスはそれに対応して比較的大きいパルス当りのピーク・パワーを有するが、それはまた削摩性被膜１８への照射に先立つ第２段の増幅器４６において適宜に増幅される。
【００５９】
従って、削摩性被膜１８は高いピークエネルギ及びパワー並びに比較的短いパルス持続時間を有するレーザ・パルスに出会うことになる。かかるレーザ・パルスはそれのエネルギを削摩性被膜及び生成するプラズマに対してより効率的に結合し、そしてターゲット１６に効果的なピーニングを施す。このようにすれば、高い平均パワーを有するレーザ装置の代りに比較的低い平均パワーを有するレーザ装置を使用することにより、向上した効率でレーザ衝撃ピーニングを実行することができる。共振器２２の低いパワーと短いパルス持続時間との相乗効果により、高出力のパルス・レーザでは本来得ることのできない比較的大きい繰返し数を得ることができる。それに対応して、かかるレーザ装置の処理能力は高出力レーザを用いたピーニング・システムにおいて達成し得るレベルよりも大きくなるのである。
【００６０】
レーザ衝撃ピーニングのために使用し得るものとして例示されたパルス持続時間範囲を考慮しながらレーザ発振器のタイプを選定することにより、装置の性能を最大にすることができる。最も短いパルス持続時間に対しては、キャビティ・ダンピング式又はＱスイッチング式のパルス抽出を行うモード同期式発振器が好適である。中間のパルス持続時間に対しては、キャビティ内注入式、Ｑスイッチング式かつキャビティ・ダンピング式の発振器が好適である。また、長いパルス持続時間に対しては、Ｑスイッチング式の発振器が好適である。これらの選択条件は図２中に略示されている。
【００６１】
以上、好適なものと考えられる実施の態様の関連して本発明を説明したが、本明細書中の記載に基づけば本発明のその他の変更態様は当業者にとって自明であろう。それ故、本発明の真の精神及び範囲から逸脱しない限り、前記特許請求の範囲はかかる変更態様の全てを包括するものと解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一態様に従ってターゲットにレーザ衝撃ピーニングを施すための持続時間の短いレーザ・パルスを発生するために有効なレーザ装置の略図である。
【図２】本発明の実施の一態様に従ってターゲットにレーザ衝撃ピーニングを施すための方法を示す流れ図である。
【図３】図１に示されたレーザ装置に関するタイミング図である。
【図４】本発明の別の実施の態様に従ってターゲットに衝撃ピーニングを施すためのレーザ装置の略図である。
【図５】図４に示されたレーザ装置に関するタイミング図である。
【符号の説明】
１２  レーザ・ビーム
１４  レーザ・ビーム・パルス
１６  ターゲット
１８  削摩性被膜
２０  慣性閉込め層
２２  発振器
２４  利得媒質
２６  末端鏡
２８  末端鏡
３０  フラッシュランプ
３２  ポッケルスセル
３４  電気制御器
３６  四分の一波長板
３８  偏光子
４０  ポッケルスセル
４２  プラズマ
４４  共振器
４６  増幅器
４８  光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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