(57)【要約】  表面を黒化する方法は、試料（１０）の表面にレーザを照射し、試料（１０）の表面に構造の周期性配置を生成することを含み、ここでレーザ照射は、２ＧＷ／ｃｍ２〜５０ＧＷ／ｃｍ２または０．１〜３ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、および／または、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ピコ秒（ｐｓ）のパルス持続時間の範囲内にある一連のレーザパルスおよびパルスのパワー密度を含むパルスレーザ照射を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を黒化する方法であって、
前記表面にレーザを照射し、前記表面に構造の周期性配置を生成することを含み、
前記レーザ照射は、２〜５０ＧＷ／ｃｍ２の範囲、または、０．１ＴＷ／ｃｍ２〜３ＴＷ／ｃｍ２の範囲にある一連のレーザパルスおよび前記パルスのパワー密度を含むパルスレーザ照射を含む、方法。
【請求項２】
前記パワー密度は、０．１〜２ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、１〜４５ＧＷ／ｃｍ２の範囲内、１〜４５ＧＷ／ｃｍ２の範囲内または０．１〜２ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、２〜３０ＧＷ／ｃｍ２の範囲内、０．３〜２ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、４〜１０ＧＷ／ｃｍ２の範囲内または０．４〜１．５ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、０．３８〜０．６ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、０．１６〜０．５４ＴＷ／ｃｍ２の範囲内である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも一部のレーザパルスは、前記表面の材料の熱緩和時間より短い持続時間を有する、請求項１〜２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザパルスのパルス持続時間は、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ピコ秒（ｐｓ）の範囲内または１０００ｐｓ〜２００ｎｓの範囲内であり、必要に応じて１〜１００ｐｓの範囲内であり、必要に応じて１〜５０ｐｓの範囲内であり、必要に応じて５〜５００ｐｓの範囲内である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記表面上の前記構造の周期性配置は、互いに実質的に平行な周期性一連の山と谷を含み、必要に応じて前記山は頂部が実質的に平坦であってもよく、および／または頂部が丸くてもよく、および／または実質的に頂部に尖ったおよび／または鋭利な領域はなくてもよい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
少なくともいくつかの山についての前記山から谷の距離、および／または平均または中間の山から谷の距離は５〜１００μｍの範囲内、必要に応じて２０〜８０μｍの範囲内、必要に応じて３０〜６０μｍの範囲内にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記構造の周期性配置は、クロスハッチング配置または実質的にクロスハッチングなしの実質的に平行な山と谷の線の配置を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記構造の周期性配置を生成するために、前記表面にわたって前記レーザ源の単一の通過を実行することを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザ照射は、前記表面に１〜５０μｍの範囲内、または１〜１００μｍの範囲内にある焦点スポット直径を有するパルスレーザビームを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記パルス照射は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周期を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記レーザ照射の平均パワーは、０．３〜１００Ｗの範囲内、または０．３〜５０Ｗの範囲内、または１〜３０Ｗの範囲内、または１〜２０Ｗの範囲内、または０．１〜１Ｗの範囲内、または０．１〜２Ｗの範囲内、または０．３〜５Ｗの範囲内である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記表面への前記レーザ照射は、前記表面にパルスレーザビームを走査することを含み、前記走査の走査速度は、１〜２００ｍｍ／ｓの範囲内であってもよい、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記表面上の前記パルスレーザビームの走査は、２〜１０回繰り返すか、１回行う、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記表面への前記レーザ照射の入射角は、０〜３０度または９０〜６０度の範囲内である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記照射の波長は、１００〜２０００ｎｍの範囲内、必要に応じて５３２ｎｍまたは５２８ｎｍまたは１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍまたは１０７０ｎｍである、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記表面への前記レーザ照射は、さらなる構造を生成するようなものであり、前記さらなる構造は、前記構造の周期性配置の構造よりも小さい、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記さらなる構造が、さらなる周期性構造、必要に応じてリップルまたはナノリップルを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記さらなる構造は、レーザ誘起周期性表面構造（ＬＩＰＰＳ）を含む、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記さらなる構造は、１０ｎｍ〜１μｍの範囲内、必要に応じて１００ｎｍ〜１μｍの範囲内の周期性を有する、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記さらなる構造は、前記周期性構造のアレイの少なくとも一部を覆い、および／または前記構造の周期性配置の谷内および／または山上に形成される、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記表面が、金属表面、必要に応じて銅、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタン表面を含む、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記表面が、コンピューティングデバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスの１つ以上の一部を形成するか、または含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
選択された領域にわたる前記表面に前記構造の周期性配置を生成するために前記レーザを照射し、前記選択された領域はイメージ、識別子、マーカ、セキュリティマーカの１つ以上を示し、または、含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
イメージ、識別子、マーカ、セキュリティマーカの少なくとも１つを形成するために、前記表面に前記構造の周期性配置を生成するように前記レーザを照射する、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
固体レーザを使用して照射することを含み、必要に応じて前記固体レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧまたはＹｂ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＫＧＷまたはＮｄ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷまたはＹｂ：ＫＹＷレーザ、またはパルスファイバレーザ、必要に応じてＹｂ、ＴｍまたはＮｄパルスファイバレーザを含み、必要に応じて、前記照射することは、前記レーザの動作の基本波長またはその第２または第３高調波を使用することを含む、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
表面を黒化する装置であって、
表面にパルスレーザを照射するためのレーザ源と、
前記レーザ源を制御して一連のレーザパルスとして前記レーザを照射し、前記表面に構造の周期性配置を形成するように構成されたレーザコントローラとを含み、前記パルスのパワー密度は、２〜５０ＧＷｃｍ２の範囲内、必要に応じて０．１〜３ＴＷ／ｃｍ２の範囲内である、装置。
【請求項２７】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法を用いて形成された前記表面の構造の周期性配置を含むレーザ処理された表面。
【請求項２９】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法を用いて形成されたイメージ、識別子、マーカ、セキュリティマーカを含むコンピューティングデバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイス。
【請求項３０】
表面を黒化する方法であって、
前記表面にレーザを照射し、前記表面に構造の周期性配置を生成することを含み、
前記レーザ照射は、一連のレーザパルスを含むパルスレーザ照射を含み、前記レーザパルスのパルス持続時間は、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ピコ秒（ｐｓ）の範囲にある、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザによって表面を黒化するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面の反射率の低減、例えば、可視光の表面の反射率を低減するように表面を改変するために、表面にレーザを照射する用途で、レーザによって表面を黒化することが参照され得る。
【０００３】
例えば、創造産業、または、セキュリティ／認識用途で、金属にマーキングをすることに関する関心が高まっている。レーザマーキングは、黒色または白色マークを形成するために、自動車鋼板、医療ガラス、スマートフォン材料等の製造に広く使用されている。
【０００４】
表面を黒化するための改善されたまたは少なくとも代替の方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様では、表面を黒化する方法が提供され、方法は、
表面にレーザを照射し、表面に構造の周期性配置を生成することを含み、
レーザ照射は、１ＧＷ／ｃｍ２〜５０ＧＷ／ｃｍ２または０．１ＴＷ／ｃｍ２〜３ＴＷ／ｃｍ２の範囲、必要に応じて２ＧＷ／ｃｍ２〜５０ＧＷ／ｃｍ２の範囲にある一連のレーザパルスおよびパルスのパワー密度を含むパルスレーザ照射を含む。
当該パワー密度の使用によって、可視光または赤外線波長での表面の反射率または放射率が変化し得る。黒化は、可視光または赤外線波長、または電磁放射の他の適切な波長で実施され得る。必要に応じて、少なくともいくつかのレーザパルスは低パワーのレーザパルスでインターリーブされ得る。
【０００６】
必要に応じて、パワー密度は、１ＧＷ／ｃｍ２〜４５ＧＷ／ｃｍ２または０．１ＴＷ／ｃｍ２〜２ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、必要に応じて２ＧＷ／ｃｍ２〜３０ＧＷ／ｃｍ２または０．３ＴＷ／ｃｍ２〜２ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、必要に応じて４ＧＷ／ｃｍ２〜１０ＧＷ／ｃｍ２または０．４ＴＷ／ｃｍ２〜１．５ＴＷ／ｃｍ２の範囲内、さらに必要に応じて０．３８ＴＷ／ｃｍ２〜０．６ＴＷ／ｃｍ２、０．１６ＴＷ／ｃｍ２〜０．５４ＴＷ／ｃｍ２の範囲であってもよい。
【０００７】
このようなパワー密度を有するレーザパルスを使用することによって、所望の特性を有する表面を提供する構造の周期性配置を得ることができる。例えば、放射率または反射率の所望の値または値の範囲を有する、または、関心のある波長または波長範囲で所望の黒化した表面を得ることができる。
【０００８】
レーザパルスは、表面の材料の熱緩和時間より短い持続時間を有することができる。または、レーザパルスは熱緩和時間より長い持続時間を有することができる。レーザパルスは、実質的にレーザパルスの照射全体を通して、電子と表面の材料の原子格子が実質的に異なる温度を有するような持続時間を有してもよい。レーザパルスは、表面の材料が、実質的に溶融および／または流動することなく蒸発または気化あるいは除去される少なくとも１つであるような持続時間を有することができる。レーザパルスは、表面のいくつかの材料が、表面の残りの材料の実質的な溶融および／または流動なしに、蒸発または気化あるいは除去される少なくとも１つであるような持続時間を有することができる。
【０００９】
レーザパルスのパルス持続時間は、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ピコ秒（ｐｓ）、または、１０００ｐｓ〜２００ナノ秒（ｎｓ）の範囲内であり得る。
【００１０】
表面上の構造の周期性配置は、互いに実質的に平行な周期性一連の山と谷を含むことができ、山は頂部が実質的に平坦であってもよく、および／または頂部が丸くてもよく、および／または実質的に頂部に尖ったおよび／または鋭利な領域はなくてもよい。山は、実質的にシルクハット形状および／または角錐台形状、例えば断面にシルクハット形状および／または角錐台形状を有することができる。したがって、例えば、所望の電子仕事関数および／または所望の電子または光子トラップ特性を得ることができる。山は、長手方向に延びていてもよく、尾根と呼ばれてもよい。
【００１１】
少なくともいくつかの山についての山から谷の距離、および／または平均または中間の山から谷の距離は、５００ｎｍ〜５００μｍの範囲内、必要に応じて５００ｎｍ〜１００μｍ、必要に応じて１００μｍ〜５００μｍ、必要に応じて５〜１００μｍ、必要に応じて２０〜８０μｍの範囲内、必要に応じて１〜６０μｍの範囲内、必要に応じて３０〜６０μｍの範囲内にあってもよい。
【００１２】
構造の周期性配置は、クロスハッチング配置または実質的にクロスハッチングなしの実質的に平行な山と谷（例えば、尾根と谷）の線の配置を含むことができる。構造の周期性配置は、例えば、レーザ照射を提供するレーザ源の単一の通過によって生成することができる。
【００１３】
表面は、少なくとも１つの下層（例えば、鋼、ステンレス鋼の少なくとも１つ）上にあってもよく、レーザ照射は、下層を露出させるような表面の材料を実質的に除去または移動させないようなものであってもよい。
【００１４】
独立して提供され得る本発明のさらなる態様では、表面にレーザ形成された構造の周期性配置を含むレーザ処理された表面が提供され、
構造の周期性配置は、実質的に互いに平行な周期性一連の山および谷を含み、構造の周期性配置は、クロスハッチングされた周期性一連の山および谷を含み、さらに必要に応じて
山は頂部が実質的に平坦であってもよく、および／または頂部が丸くてもよく、および／または実質的に頂部に尖ったおよび／または鋭利な領域はなくてもよく、山は、実質的にシルクハット形状および／または角錐台形状、例えば断面にシルクハット形状および／または角錐台形状を有することができ、および／または
少なくともいくつかの山についての山から谷の距離、および／または平均または中間の山から谷の距離は、５００ｎｍ〜５００μｍの範囲内、必要に応じて５００ｎｍ〜１００μｍ、必要に応じて１００μｍ〜５００μｍ、必要に応じて５〜１００μｍ、必要に応じて２０〜８０μｍの範囲内、必要に応じて１〜６０μｍの範囲内、必要に応じて３０〜６０μｍの範囲内にあってもよい、
うちの少なくとも１つである。
【００１５】
独立して提供され得る本発明のさらなる態様では、表面を黒化する装置が提供され、装置は、
表面にパルスレーザを照射するためのレーザ源と、
レーザ源を制御して一連のレーザパルスとしてレーザを照射し、表面に構造の周期性配置を形成するように構成されたレーザコントローラとを含み、パルスのパワー密度は、１ＧＷ／ｃｍ２〜５０ＧＷ／ｃｍ２または０．１ＴＷ／ｃｍ２〜３ＴＷ／ｃｍ２の範囲、必要に応じて２ＧＷ／ｃｍ２〜５０ＧＷ／ｃｍ２の範囲にある。
本発明のさらなる態様では、表面を黒化する方法が提供され、方法は、
表面にレーザを照射し、表面に構造の周期性配置を生成することを含み、
レーザ照射は、一連のレーザパルスを含むパルスレーザ照射を含み、レーザパルスのパルス持続時間は、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ピコ秒（ｐｓ）の範囲にあり、または、１０００ｐｓ〜２００ナノ秒（ｎｓ）であり得る。
【００１６】
表面は、対象物の表面であってもよい。
【００１７】
パルス持続時間は、１〜１００ｐｓの範囲内または１〜１００ｎｓの範囲内であってもよい。パルス持続時間は、１〜５０ｐｓの範囲内または１〜１００ｎｓの範囲内であってもよい。パルス持続時間は、５〜５００ｐｓの範囲内または５〜２００ｎｓの範囲内であってもよい。
【００１８】
レーザ照射は、表面に１〜５０μｍの範囲内、または１〜１００μｍの範囲内にある焦点スポット直径を有するパルスレーザビームを含むことができる。
【００１９】
パルス照射は、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲のパルス繰り返し周期を有することができる。
【００２０】
レーザ照射の平均パワーは、０．３〜１００Ｗの範囲内、または０．３〜５０Ｗの範囲内、または０．３〜２Ｗの範囲内、または１〜３０Ｗの範囲内、または１〜２０Ｗの範囲内、または１〜５Ｗの範囲内、または０．１〜１Ｗの範囲内、または０．１〜２Ｗの範囲内、または０．３〜５Ｗの範囲内であってもよい。
【００２１】
表面へのレーザ照射は、表面にパルスレーザビームを走査することを含むことができ、走査の走査速度は、１〜２００ｍｍ／ｓの範囲内、必要に応じて１〜１００ｍｍ／ｓの範囲内であってもよい。
【００２２】
表面上のパルスレーザビームの走査は、２〜２０回繰り返されてもよいし、２〜１０回繰り返されてもよいし、１回行われてもよい。
【００２３】
表面へのレーザ照射の入射角は、０〜３０度の範囲内であってもよい。表面へのレーザ照射の入射角は、９０〜６０度の範囲内であってもよい。
【００２４】
照射の波長は、１００〜２０００ｎｍの範囲内、必要に応じて５３２ｎｍまたは５２８ｎｍまたは１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍまたは１０７０ｎｍであってもよい。
【００２５】
構造は、山および谷を含むことができる。構造の周期性配置は、周期性一連の山および谷を含むことができる。山と谷は、実質的に互いに平行であってもよい。
【００２６】
構造の周期性配置は、第１の方向に配置された第１の一連の山および谷と、第２の異なる方向に配置された第２の一連の山および谷とを含むことができる。第１の方向と第２の方向は、実質的に直交していてもよい。第１の一連の山および谷と第２の一連の山および谷とは、構造の周期性配置がクロスハッチング配置を含むように交差してもよい。
【００２７】
周期性配置の周期は、０．５〜１００μｍの範囲であってもよい。周期性構造の隣接する山（または谷）の離隔は、０．５〜１００μｍの範囲内であってもよい。クロスハッチング配置のハッチング距離は、０．５〜１００μｍの範囲内であってもよい。
【００２８】
当該表面は、例えば、コンピューティングデバイス、エネルギー貯蔵デバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスの１つ以上のコンポーネントの表面、または、表面の一部を形成または含み得る
【００２９】
方法は、表面にレーザを照射し、選択された領域にわたって表面に構造の周期性配置を生成することを含み得る。選択された領域は、イメージ、識別子、マーカの１つ以上を示しまたは含み得る。マーカはセキュリティマーカを含み得る。
【００３０】
方法は、レーザを照射し、イメージ、識別子、マーカ、セキュリティマーカの少なくとも１つを形成するために表面に構造の周期性配置を生成することを含み得る。
【００３１】
レーザ照射は、表面へのレーザ照射が、さらなる構造を生成することを含むようなものであってもよい。さらなる構造は、構造の周期性配置の構造よりも小さくてもよい。
【００３２】
その特徴は特に重要であり得、したがって、独立して提供され得る本発明のさらなる態様では、表面をレーザで黒化する方法が提供され、方法は、
表面にレーザを照射し、表面に構造の周期性配置を生成することを含み、レーザ照射は一連のレーザパルスを含むパルスレーザ照射を含み、レーザ照射は、構造の周期性配置と同様に、表面にさらなる構造を生成するようなものである。
【００３３】
さらなる構造は、さらなる周期性構造を含んでもよい。さらなる構造はリップルを含むことができる。さらなる構造は、ナノリップルを含むことができる。さらなる構造は、さらなる周期性構造であってもよい。さらなる構造は、レーザ誘起周期性表面構造（ＬＩＰＰＳ）を含むことができる。さらなる構造は、１０ｎｍ〜１μｍの範囲内、必要に応じて１００ｎｍ〜１μｍの範囲内の周期性を有することができる。
【００３４】
さらなる構造は、周期性構造のアレイの少なくとも一部を覆うことができる。さらなる構造は、構造の周期性配置の谷内および／または山上に形成されてもよい。
【００３５】
表面は金属表面であってもよい。表面および／または対象物は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンを含むことができる。金属表面の金属は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンから選択される金属であってもよい。表面は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンおよび少なくとも１つの他の材料のうちの１つを含む例えば積層対象物のような積層構造、および／または銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンの少なくとも２つを含む積層構造の一部を形成してもよい。
【００３６】
表面は、箔の表面であってもよい。対象物は箔であってもよい。
【００３７】
レーザ照射の平均フルエンスまたはピークフルエンスあるいは他の特性は、表面のアブレーション閾値を上回り、アブレーション閾値の１００〜３００％以内、必要に応じて１０５％以内、必要に応じて１０２％以内、必要に応じて１０１％以内であり得る。
【００３８】
照射は少なくとも表面の一部を溶融させ、および／または、表面での材料の流出を提供し得る。
【００３９】
パルスは、各パルスについて、表面にプラズマが形成されるようなものであってもよい。プラズマは、例えば、表面の下層材料と実質的に同じ密度を有することができる。
【００４０】
方法は固体レーザを使用して照射することを含んでもよく、必要に応じて固体レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧまたはＹｂ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＫＧＷまたはＮｄ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷまたはＹｂ：ＫＹＷレーザ、またはパルスファイバレーザ、必要に応じてＹｂ、ＴｍまたはＮｄパルスファイバレーザを含む。適用された照射は、そのようなレーザあるいはその第２または第３高調波の動作の基本波長を含むことができる。
【００４１】
独立して提供され得る本発明のさらなる態様では、表面を黒化する装置が提供され、装置は、
表面にパルスレーザを照射するためのレーザ源と、
レーザ源を制御して、２００フェムト秒（ｆｓ）〜１０００ｐｓの範囲のパルス持続時間を有する一連のレーザパルスとしてレーザを照射し、表面に構造の周期性配置を生成させるように構成されたレーザコントローラとを含む。
【００４２】
独立して提供することができる本発明の別の態様では、任意の他の態様による方法を用いて形成された表面の構造の周期性配置を含むレーザ処理された表面が提供される。
【００４３】
独立して提供することができる本発明のさらなる態様では、表面にレーザ形成された構造の周期性配置と、表面にさらにレーザ形成された構造とを含むレーザ処理された表面が提供される。
【００４４】
さらなる構造は、さらなる周期性構造を含んでもよい。さらなる構造はリップルを含むことができる。さらなる構造は、ナノリップルを含むことができる。さらなる構造は、さらなる周期性構造であってもよい。さらなる構造は、レーザ誘起周期性表面構造（ＬＩＰＰＳ）を含むことができる。さらなる構造は、１０ｎｍ〜１μｍの範囲内、必要に応じて１００ｎｍ〜１μｍの範囲内の周期性を有することができる。
【００４５】
構造は、山および谷を含むことができる。構造の周期性配置は、周期性一連の山および谷を含むことができる。山と谷は、実質的に互いに平行であってもよい。
【００４６】
構造の周期性配置は、第１の方向に配置された第１の一連の山および谷と、第２の異なる方向に配置された第２の一連の山および谷とを含むことができる。第１の方向と第２の方向は、実質的に直交していてもよい。第１の一連の山および谷と第２の一連の山および谷とは、構造の周期性配置がクロスハッチング配置を含むように交差してもよい。
【００４７】
周期性配置の周期は、０．５〜１００μｍの範囲内、または、１００〜５００μｍの範囲内であってもよい。周期性構造の隣接する山（または谷）の離隔は、０．５〜１００μｍの範囲内であってもよい。クロスハッチング配置のハッチング距離は、０．５〜１００μｍの範囲内であってもよい。
【００４８】
さらなる構造は、さらなる周期性構造を含んでもよい。さらなる構造はリップルを含むことができる。さらなる構造は、ナノリップルを含むことができる。さらなる構造は、さらなる周期性構造であってもよい。さらなる構造は、レーザ誘起周期性表面構造（ＬＩＰＰＳ）を含むことができる。さらなる構造は、１０ｎｍ〜１μｍの範囲内、必要に応じて１００ｎｍ〜１μｍの範囲内の周期性を有することができる。
【００４９】
さらなる構造は、周期性構造のアレイの少なくとも一部を覆うことができる。さらなる構造は、構造の周期性配置の谷内に形成されてもよい。
【００５０】
当該表面は、例えば、コンピューティングデバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスの１つ以上のコンポーネントの表面、または、表面の一部を形成または含み得る
【００５１】
選択された領域にわたって表面に構造の周期性配置を配置することを含み得る。選択された領域は、イメージ、識別子、マーカの１つ以上を示しまたは含み得る。マーカはセキュリティマーカを含み得る。
【００５２】
表面は金属表面であってもよい。表面は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンを含むことができる。金属表面の金属は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼およびチタンから選択することができる。表面は、例えば銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンおよび少なくとも１つの他の材料のうちの１つを含む例えば積層対象物のような積層構造、および／または銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタンの少なくとも２つを含む積層構造の一部を形成してもよい。
【００５３】
独立して提供され得る本発明の別の態様では、本発明の他の適切な態様による表面を含むコンピューティングデバイス、エネルギー貯蔵デバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスが提供される。
【００５４】
本明細書に記載された、または、クレームされた方法を使用して形成された、イメージ、識別子、マーカ、セキュリティマーカを含む表面が形成されたコンピューティングデバイス、エネルギー貯蔵デバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスも提供される。
【００５５】
本発明のさらなる態様では、本明細書に記載および／または例示されるように、表面、装置、部品、コンピューティングデバイス、通信デバイス、セキュリティデバイス、医療デバイス、識別デバイス、金融トランザクションデバイス、光デバイス、記憶デバイスを含む方法、表面および構造が提供される。
【００５６】
本発明の任意の１つ以上の態様における任意の特徴は、任意の適切な組み合わせで本発明の任意の他の１つ以上の態様に適用することができる。
【００５７】
本発明の実施形態は、添付図面を参照して以下にさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】表面を黒化させるために、表面のレーザ処理に使用されるシステムの概略図である。
【図２】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の銅サンプルの画像を示す。
【図３】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のアルミニウムサンプルの画像を示す。
【図４ａ】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼サンプルの画像を示す。
【図４ｂ】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼サンプルの画像を示す。
【図５】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼サンプルの波長の関数に対する放射率のプロットである。（波長３０μｍまでに対する放射率＞０．９を示し、ステンレス鋼参照サンプル（放射率０．４未満））
【図６】サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼サンプルの波長の関数に対する放射率のプロットである。（波長３０μｍまでに対する放射率＞０．９を示し、ステンレス鋼参照サンプル（放射率０．４未満））
【図７】レーザ処理されたステンレス鋼サンプルの表面の異なる位置のＳＥＭ画像を示す。
【図８ａ】レーザ処理されたステンレス鋼サンプルの表面の２ｄ顕微鏡画像、３ｄ画像およびＳＥＭ画像を示す。
【図８ｂ】レーザ処理されたステンレス鋼サンプルの表面の２ｄ顕微鏡画像、３ｄ画像およびＳＥＭ画像を示す。
【図９】レーザ処理されたアルミニウムサンプルの画像を示す。
【図１０】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１１】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１２】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１３】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１４】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１５】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１６】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１７】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１８】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図１９】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２０】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２１】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２２】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２３】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２４】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２５】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２６】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２７】さらなるサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、さらなるサンプルの画像を示す。
【図２８】図２８ａ及び図２８ｂは、レーザ相互作用機構の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１は、レーザで表面を黒化するための表面のレーザ処理に使用されるシステムを示す。
【００６０】
図１のシステム２は、所望の特性のパルスレーザ照射ビームを発するようにレーザ６の動作を制御するために使用されるレーザコントローラ４に接続されたレーザ６を含む。レーザ６は、レーザコントローラ４の制御下のレーザ６の動作が対象物の表面に周期性構造を形成するように、対象物１０と位置合わせされる。
【００６１】
実施形態では、レーザは、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＹＡＧレーザまたはＹｂ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＫＧＷまたはＮｄ：ＫＹＷまたはＹｂ：ＫＧＷまたはＹｂ：ＫＹＷレーザを含み得て、主な動作波長、または、２次、３次高張波の一つが使用され得る。またはパルスファイバレーザ、例えばＹｂ、ＴｍまたはＮｄパルスファイバレーザあってもよく、主な動作波長、または、２次、３次高張波の一つが使用され得る。別の実施形態では、任意の他の適切なレーザを使用することができる。図１の実施形態では、パルスレーザ照射の波長は５３２ｎｍであるが、他の実施形態では、他の任意の適切な波長、例えば５２８ｎｍまたは１０３０ｎｍまたは１０６４ｎｍまたは１０７０ｎｍを使用することができる。
【００６２】
コントローラは、専用のコントローラ、または適切にプログラムされたコンピュータを含むことができる。コントローラは、ソフトウェア、ハードウェア、またはハードウェアとソフトウェアの任意の適切な組み合わせで実現してもよい。いくつかの実施形態では、コントローラは、より多くのＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）またはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）または他の適切な回路を含むことができる。
【００６３】
図１の実施形態では、対象物１０およびレーザ６は空気中に配置され、表面のレーザ処理は空気中で行われる。対象物１０およびレーザ６は、関連するポンプおよび／またはガス供給源を有する密閉可能および／またはポンプ操作可能なチャンバ８内に配置することができ、表面のレーザ処理は、真空中または所望の気体状態において、例えば選択した反応ガスの存在する中で、行われてもよい。いくつかの実施形態では、チャンバ８は省略される。
【００６４】
図１の実施形態では、対象物は、銅を含む金属対象物である。他の対象物、例えばアルミニウム、ステンレス鋼またはチタンを使用することができる。
【００６５】
動作では、所望の特性のパルスレーザ照射が、レーザコントローラ４の制御下でレーザ６によって対象物１０の表面にわたって走査され、表面に構造の周期性配置を生成する。例えば、平行な列に配置された山と谷を形成するために、レーザビームは、平行に離間された経路に沿って表面にわたって走査され、山によって分離された平行な谷を形成してもよい。表面上のレーザビームの適切な走査によって、任意の他の適切な構造の配置を形成することができる。レーザは所望の領域にわたって前記構造を形成するように制御されることができる。所望の領域は、例えば、イメージ、識別子、マーカの１つ以上を含み、または示し得る。マーカは、例えば、セキュリティマーカを含み得る。
【００６６】
レーザの動作パラメータ、およびそのようなパラメータを関連づける特定の式は、以下のように表すことができ、
【００６７】
波長（λ）［ｍ］
レーザの繰り返し周期（γ）［Ｈｚ］
レーザのパルス長（τ）［ｓ］
レーザの平均パワー（Ｐａｖｇ）［Ｗ］−１周期ｔ上のエネルギーフローを表す
１パルスあたりのエネルギー（Ｅｐ）［Ｊ］
レーザのフルエンス（Ｆ）［Ｊ／ｃｍ２］
対象物上のビームスポット半径（ｒ）［ｍ］
対象物上のビームスポットエリア（Ａ＝πｒ２）［ｍ２］
対象物の表面がレーザビームで走査された回数（Ｎ）無次元
対象物の表面がレーザビームによって走査された速度（Ｖ）［ｍ／ｓ］
対象物の表面の各スポットごとに発射されるパルスの数（ｎ）［無次元］
パルス間の時間間隔−１周期（ｔ）［ｓ］
ピークパワー（Ｐｐｅａｋ）［Ｗ］−単一パルス内のエネルギーフローを定義する
パワー密度または強度（Ｉ）［Ｗ／ｃｍ２］
【００６８】
式
【数１】
2018519165.tif 000003
【００６９】
好適な動作パラメータは、所望の特性、例えばパルスの所望のパワー密度のパルスレーザ照射を得るために、例えば上記の式および表現に基づいて選択することができる。
【００７０】
表１は、表面が銅である実施形態の場合に、表面に所望の構造の周期性配置を生成するためのレーザの動作パラメータを提供する。一実施形態による３組の動作パラメータを表１に示す。この場合、表面のレーザ処理は空気中で行われる。
【００７１】
【表１】
2018519165.tif 000004
【００７２】
対象物が銅であるいくつかの他の実施形態では、動作パラメータは以下のように選択される。
【００７３】
ａ）波長５３２ｎｍ、レーザのパルス幅：２００フェムト秒から２００ピコ秒、対象物上の焦点スポット直径：１〜５０μｍ、レーザの繰り返し周期：１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、平均パワー：０．３〜２Ｗ、走査速度：１〜１００ｍｍ／ｓ、走査の繰り返し回数：１〜１０、ハッチング距離：０．５〜１００μｍ、レーザビームの入射角：０〜３０度。
【００７４】
ｂ）波長１０６４ｎｍ、レーザのパルス幅：２００フェムト秒から２００ピコ秒、対象物上の焦点スポット直径：１〜５０μｍ、レーザの繰り返し周期：１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、平均パワー：１〜５Ｗ、走査速度：１〜１００ｍｍ／ｓ、走査の繰り返し回数：１〜１０、ハッチング距離：０．５〜１００μｍ、レーザビームの入射角：０〜３０度。
表２は、表面がアルミニウムである実施形態の場合に、表面に所望の構造の周期性配置を生成するためのレーザの動作パラメータを提供する。
【表２】
2018519165.tif 000005
【００７５】
対象物がアルミニウムであるいくつかの他の実施形態では、動作パラメータは以下のように選択される。
【００７６】
ａ）波長１０６４ｎｍ、レーザのパルス幅：２００フェムト秒から２００ピコ秒、対象物上の焦点スポット直径：１〜５０μｍ、レーザの繰り返し周期：１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、平均パワー：０．１〜１Ｗ、走査速度：１〜１００ｍｍ／ｓ、走査の繰り返し回数：１〜１０、ハッチング距離：０．５〜１００μｍ、レーザビームの入射角：０〜３０度。
表３は、表面がステンレス鋼である実施形態の場合に、表面に所望の構造の周期性配置を生成するためのレーザの動作パラメータを提供する。
【表３】
2018519165.tif 000006
【００７７】
対象物がステンレス鋼であるいくつかの他の実施形態では、動作パラメータは以下のように選択される。
【００７８】
ａ）波長５３２ｎｍ、レーザのパルス幅：２００フェムト秒から２００ピコ秒、対象物上の焦点スポット直径：１〜５０μｍ、レーザの繰り返し周期：１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、平均パワー：０．１〜２Ｗ、走査速度：１〜１００ｍｍ／ｓ、走査の繰り返し回数：１〜１０、ハッチング距離：０．５〜１００μｍ。
【００７９】
ｂ）波長１０６４ｎｍ、レーザのパルス幅：２００フェムト秒から２００ピコ秒、対象物上の焦点スポット直径：１〜５０μｍ、レーザの繰り返し周期：１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、平均パワー：１〜５Ｗ、走査速度：１〜１００ｍｍ／ｓ、走査の繰り返し回数：１〜１０、ハッチング距離：０．５〜１００μｍ、レーザビームの入射角：０〜３０度。
【００８０】
ステンレス鋼に使用されるパワー密度（パワー強度）は、例えば、上述のパラグラフａ）またはｂ）で引用されるパラメータ等の他の動作パラメータおよび波長の適切な選択によって、０．０１ＴＷ／ｃｍ２〜１ＴＷ／ｃｍ２の範囲内で選択され得る。
【００８１】
図２は、図１に関して説明したように、サンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の銅サンプルの画像を示す。銅サンプルのレーザ処理に使用される動作パラメータは、以下の表４に提供される。銅サンプルａ）、ｂ）およびｃ）の３つのサンプルを処理した。サンプルａ）、ｂ）およびｃ）の画像と、１〜４とラベル付けされたサンプルの処理された表面の４つの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を図２に示し、以下の表４に記載する。
【００８２】
図３は、図１に関して説明したように、表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のアルミニウムサンプルの画像を示す。アルミニウムサンプルのレーザ処理に使用される動作パラメータは、以下の表５に提供される。アルミニウムサンプルａ）およびｂ）の２つのサンプルを処理した。サンプルａ）およびｂ）の画像と、１〜３とラベル付けされた、異なる倍率レベルでのサンプルの処理された表面の３つの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を図に示し、以下の表５に記載する。
【表４】
2018519165.tif 000007
【表５】
2018519165.tif 000008
【００８３】
図４ａおよび図４ｂは、図１に関して説明したように、表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼サンプルの画像を示す。サンプルのレーザ処理に使用される動作パラメータは、以下の表６ａおよび表６ｂに提供される。ステンレス鋼サンプルａ）、ｂ）、ｃ）およびｄ）の４つのサンプルを処理した。サンプルａ）、ｂ）、ｃ）およびｄ）の画像と、１〜１０とラベル付けされたサンプルの処理された表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を図４ａおよび図４ｂに示し、以下の表６ａおよび表６ｂに記載する。
【表６ａ】
2018519165.tif 000009
【表６ｂ】
2018519165.tif 000010
【００８４】
さらなる実施形態では、ステンレス鋼サンプルは以下の表７によって提供される動作パラメータによって図１の装置によってレーザ処理された。
【表７】
2018519165.tif 000011
【００８５】
サンプルは参照ＰＳ１０ＨＤＳ（ピコ秒パルスレーザ処理）、ＰＳ１５ＨＤＳ（ピコ秒パルスレーザ処理）、ＰＳ１５ＨＤ＋（ピコ秒パルスレーザ処理）、ＮＳＨＳ（フルエンス４．８ＧＷ／ｃｍ２を提供するナノ秒パルスレーザ処理）およびＮＳＰＳ（フルエンス５．５ＧＷ／ｃｍ２を提供するナノ秒パルスレーザ処理）、と称される。サンプルは３１６ＬＮ鋼サンプルであって、表に示したパラメータを使用してレーザ処理された。
【００８６】
ＮＳＨＳＤと称されるさらなるステンレス鋼サンプルも処理された。同一の処理パラメータが、表７および表８で提供されるように、ＮＳＨＳサンプルと同様にＮＳＨＳＤに使用されたが、レーザ書き込みは、双方向ではなく一方向であった。双方向レーザ書き込みの実施例では、レーザ書き込みは、（いわゆる）左から右のラインを書いて、次のラインは右から左になる。一方向レーザ書き込みの実施例では、レーザ書き込みは、（いわゆる）左から右のラインを書いて、次のラインも左から右になる。ＮＳＰＳ、ＮＳＨＳおよびＮＳＨＳＤサンプルのさらなるパラメータは以下の表８で提供される。
【表８】
2018519165.tif 000012
【００８７】
ＰＳ１０ＨＤＳ、ＰＳ１５ＨＤＳ、ＰＳ１５ＨＤ＋、ＮＳＨＳ、ＮＳＰＳおよびＮＳＨＤサンプルのそれぞれは直径が２０ｍｍで、放射率測定がサンプルで実施された。サンプルは測定前にプラスチックボックスに入れてシルク紙に包んで保管された。放射率測定は、レーザ処理が実施されず、参照サンプルとして使用された３０４ＬＮおよび３１６ＬＮサンプルと称される、（ステンレス鋼タイプ３０４ＬＮおよび３１６ＬＮの）２つのステンレス鋼サンプルでも実施された。
【００８８】
２．５μｍ〜２５μｍの波長の赤外線光を使用してサンプルの放射率が測定された。各サンプルは異なる入射角度（レーザ構造に対する入射光）でランダムに数回測定された。図５は、ＮＳＨＳＤ、ＮＳＨＳおよびＮＳＰＳサンプルに対する放射率の測定データを示す。レーザ処理が実施されなかった３１６ＬＮおよび３０４ＬＮ参照サンプルも比較のために示す。
【００８９】
図５のグラフにプロットされた下部の２つのラインは、２つのレーザ未処理参照サンプル（３０４Ｌおよび３１６ＬＮ参照サンプル）で実施された放射率の測定結果を示す。他のラインは、レーザ処理されたＮＳＨＳＤ、ＮＳＨＳおよびＮＳＰＳサンプルに対する波長の関数に対して測定された放射率を示す。ＮＳＨＳＤ、ＮＳＨＳおよびＮＳＰＳサンプルのそれぞれに対しては２つ以上のラインがプロットされ、入射光とレーザ構造との間の異なる入射角度で測定されたことを示す。
【００９０】
図５から分かるように、波長１６μｍ未満で、ＮＳＨＳＤおよびＮＳＨＳサンプルの測定放射率は、ＮＳＰＳサンプルの測定放射率よりもわずかに小さい。測定放射率は、レーザ処理によって形成された周期構造に対する入射光の角度には依存していない。ＮＳＰＳサンプルは、波長１６μｍ未満で最高放射率を有する。
【００９１】
図６にＰＳ１０ＨＤＳおよびＰＳＡ５ＨＤ＋サンプルの放射率測定結果を示し、一緒にＮＳＰＳサンプルおよび２つのレーザ未処理参照サンプル（３１６ＬＮおよび３０４Ｌ）の測定結果を示す。図６のグラフにプロットされた下部の２つのラインは、２つのレーザ未処理参照サンプル（３０４Ｌおよび３１６ＬＮサンプル）で実施された放射率の測定結果を示す。ラインのトップグループはＮＳＰＳサンプルの結果（図５にもプロットされている）を示し、測定は入射光とレーザ構造間の異なる入射角度で実施されたことを示す。他の２つのグループラインは、ＰＳ１０ＨＤＳおよびＰＳ１５ＨＤ＋サンプルの測定結果を示し、グループ内の異なるラインは異なる入射角度での測定を示す。
【００９２】
図６から分かるように、波長の関数としての放射率測定に基づいて（ＰＳ１０ＨＤＳ、ＰＳＡ５ＨＤ＋およびＮＳＰＳサンプルに対する）３つの異なる表面処理が明確に区別できる。図６（ＰＳ１０ＨＤＳ、ＰＳＡ５ＨＤ＋およびＮＳＰＳサンプル）の３つのすべてのレーザ処理サンプルは測定されたすべての波長にわたってレーザ未処理参照サンプル（３０４Ｌおよび３１６ＬＮサンプル）よりも高い放射率を示す。ＮＳＰＳサンプルは全範囲で最高の放射率を示す。
【００９３】
図７はレーザ処理されたＮＳＰＳサンプルおよびＮＳＨＳサンプル表面の異なる位置のＳＥＭイメージを示す。ＮＳＰＳサンプルおよびＮＳＨＳサンプルの処理パラメータは、ＮＳＰＳサンプルでは一方向の態様で表面をレーザビームが走査され、ＮＳＨＳサンプルでは双方向の態様で表面をレーザビームが走査されたことを除いて実質的に同じである。
【００９４】
図８ａおよび図８ｂは、ＰＳ１０ＨＤＳ、ＰＳ１５ＨＤＳ、ＰＳ１５ＨＤ＋、ＮＳＨＳおよびＮＳＰＳサンプル表面の２ｄ顕微鏡画像、３ｄ画像およびＳＥＭ画像を示す。
【００９５】
図９はａ）およびｂ）でラベリングされたレーザ処理アルミニウムサンプルの画像を示す。
【００９６】
図９のサンプルａ）は、サイズが２５ｍｍ×２５ｍｍで、厚さが１ｍｍである。レーザ処理された領域は約２０ｍｍ×２０ｍｍの領域であった。図９の様々なサンプルａ）は、周期構造を形成するためにレーザ処理され、以下のパラメータが使用された。波長５３２ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し周期２００ｋＨｚ、パルスエネルギー範囲が０．７５×１０−６Ｊ〜２９．８×１０−６Ｊ、ビームスポット直径が約１２μｍ、走査速度が５ｍｍ／ｓ〜１５ｍｍ／ｓ、ハッチ距離範囲が８μｍ〜２４μｍである。
【００９７】
図９のサンプルｂ）は、厚さが１ｍｍであり、レーザ処理された領域は約５ｍｍ×５ｍｍの領域であった。図９のサンプルｂ）は、周期構造を形成するためにレーザ処理され、以下のパラメータが使用された。波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し周期２００ｋＨｚ、パルスエネルギー１．０５×１０−６Ｊ、ビームスポット直径が１６μｍ、走査速度が１０ｍｍ／ｓ、ハッチ距離が２０μｍである。
【００９８】
サンプルｂ）の表面領域のＳＥＭ画像は異なる倍率で図９にも示される。
【００９９】
別添１は、さらなる実施形態による、表面に所望の構造の周期性配置を生成するためのレーザのさらなる動作パラメータを提供する。
【０１００】
図１０は、上述のように、サンプルの表面に周期性構造（この場合クロスハッチング構造）を形成するためのレーザ処理後の銅サンプルの画像を示す。表面上の５つの点（１、３、６、９および１２とラベル付けされた）の５つのＳＥＭ画像も図５に含まれ、シルクハット状角錐台構造を示している。
【０１０１】
図１１は、上述のように、サンプルの表面に周期性構造（この場合クロスハッチング構造）を形成するためのレーザ処理後の（ａ）〜（ｅ）とラベル付けされたさらなる表面のＳＥＭ画像を示す。それぞれの異なるサンプルは、図１１に示すように、それぞれ異なるパワー密度のパルスを受けた。
【０１０２】
図１２は、サンプルの表面に周期性構造（この場合は平行線）を形成するためのレーザ処理後のサンプルの画像を示す。サンプル表面の５つの領域での５つのＳＥＭ画像も示す。サンプルは、０．４ＴＷ／ｃｍ２に等しいパワー密度のレーザパルスを受けた。
【０１０３】
図１３は、上述のようにサンプルの表面に周期性構造（この場合は平行線）を形成するためのレーザ処理後の３つのサンプルの画像を示す。サンプルの１つの表面の５つの領域での５つのＳＥＭ画像も示す。サンプルは、０．２ＴＷ／ｃｍ２に等しいパワー密度のレーザパルスを受けた。
【０１０４】
図１４は、上述のように表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の銅サンプルの画像を示す。図１４はまた、異なる倍率での表面の領域のＳＥＭ画像を示す。
【０１０５】
図１５は、上述のように、表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、銅サンプルの表面の様々な領域の様々な倍率でのＳＥＭ画像を示す。
【０１０６】
図１６は、上述のように、表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後、ならびに切断および研磨後の、銅サンプルの断面の様々な倍率でのＳＥＭ画像を、正面から見たサンプルのさらなる画像と共に示す。
【０１０７】
図１７は、表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、サンプルの異なる領域での銅サンプルの断面のＳＥＭ画像を示す。
【０１０８】
図１８は、上述のように表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のステンレス鋼層上の銅層を含む共積層サンプルの画像と、サンプルの断面のＳＥＭ画像を示す。
【０１０９】
図１９は、上述のように表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のサンプルの断面のさらなるＳＥＭ画像を示す。
【０１１０】
図２０は、上述のように表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の、正面から見たサンプルのＳＥＭ画像を示す。図中には挿入画像が含まれ、正面から見た画像に示される線に沿った断面のＳＥＭ断面画像である。正面から見た画像および断面画像上の対応する位置にはドットが印されている。３つの赤色の点（図の白黒バージョンでは暗い）と１つの緑色の点（図の白黒バージョンでは明るい）がある。赤色の点はレーザが２回通過した領域を示し、緑色の点はレーザが１回通過した領域を示す。断面画像で、レーザの２回の通過により、レーザの１回の通過よりも深い谷が形成されたことが分かる。
【０１１１】
図２１は、上述のように表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後の銅サンプルの表面のＳＥＭ画像を示す。レーザ処理は、波長５３２ｎｍのレーザパルスおよびレーザパルスパワー密度２９．６ＧＷ／ｃｍ２を使用した。レーザパルスはＰｓレーザパルスであって、パワー密度は適切なレーザスポットサイズを選択することによって選択された。
【０１１２】
図２２は、図２１の銅サンプルを含むサンプル表面の画像である。
【０１１３】
図２３は、上述のように表面に周期性構造（この場合はクロスハッチング）を形成するためのレーザ処理後のサンプルの表面の画像を示す。
【０１１４】
図２４は、上述のように表面に周期性構造（この場合は溝）を形成するためのレーザ処理後のサンプルの表面の画像を示す。
【０１１５】
図２５は、上述のように表面に周期性構造（この場合はクロスハッチング）を形成するためのレーザ処理後のサンプルの表面の画像を示す。
【０１１６】
図２６は、上述のように表面に周期性構造（この場合は溝）を形成するためのレーザ処理後のサンプルの表面の画像を示す。
【０１１７】
図２７は、上記のようにサンプルの表面に周期性構造を形成するためのレーザ処理後のサンプルの表面のさらなる画像を示す。
【０１１８】
理論に縛ることを望むものではなく、また保護の範囲を限定するものでもなく、少なくともいくつかの実施形態に関連して起こり得るプロセスに関する以下のコメントが提供される。
【０１１９】
レーザ工学は、実施形態による周期性構造の形成を提供する包括的な方法論を提供する。精密なレーザ工学は、金属内の自由電子、絶縁体内の振動、さらに実際に半導体内の励起の両方のタイプを励起することが期待されている。レーザが材料を処理するメカニズムは次の通りである。
（ｉ）光−熱相互作用（ＰＴＩ）−短いドウェル時間を提供するレーザビーム（例えば、ナノ秒のパルス幅を有するレーザ）を使用して一般に達成される。
（ｉｉ）光−アブレーション相互作用（ＰＡＩ）−超短ドウェル時間（例えば、ピコ秒またはフェムト秒のパルス幅を有するレーザ）を提供するレーザビームを使用して想定される。
【０１２０】
ＰＴＩ方式では、集束レーザビームは、空間的に閉じ込められた強い熱源として働く。対象材料は急速に加熱され、最終的には気化する。保護範囲の限定を暗示するものではないが、対象材料は蒸発されていると言える。この手法の利点は、比較的多量の対象物材料の迅速な除去を可能にすることである。しかし、処理後の周辺熱影響部（ＨＡＺ）の損傷およびリキャスト材料の存在は、精密レーザ材料工学のための熱閉じ込めという点で限界がある。
【０１２１】
ＰＡＩ方式では、レーザは材料内の光の多光子吸収を駆動する。これは材料から電子を取り除き、電子はその後クーロン反発力により爆発する。ＰＡＩは、単純に加熱するのではなく、材料を保持する分子結合または原子結合を直接破壊するため、本質的には「熱い」プロセスでははい。材料は非常に短い時間枠内で除去されるので、アブレーションされた材料は、周囲の材料に熱が広がる前に大部分のエネルギーを持ち去る。これらの影響により、ＨＡＺを著しく低減することができる。さらに、これは清浄なプロセスであり、リキャスト材料を最小限に抑えることができるため、複雑な後処理の必要性が排除される。ＰＡＩ機構は、線形の光吸収が低く、したがって既存の技術では設計が困難な高バンドギャップ材料を含む、非常に広範囲の材料と適合する。ＰＡＩ機構は「波長中性」と考えることができ、つまり、材料がレーザ波長で正常に透過性であっても、非線形吸収を低減することができる。
【０１２２】
ＰＡＩ機構は、表面の電子仕事関数のカスタム設計を基本的に可能にするべきである。
【０１２３】
ＰＴＩおよびＰＡＩ機構は、それぞれ図２８ａおよび図２８ｂに概略的に示されている。
【０１２４】
実施形態のさらなる特徴は、表面に加えるパルス照射の特性、例えば、ピコ秒範囲以下のパルス持続時間の使用は、より高いエネルギーおよび／またはより長い持続時間のパルス照射、例えばナノ秒の範囲のパルス持続時間を使用して形成された特徴よりも、形成される周期性構造がより浅い深度であり、および／または緩やかに傾斜している。
【０１２５】
再び、理論に縛ることを望むものではなく、また保護の範囲を限定するものでもなく、少なくともいくつかの実施形態に関連して起こり得るプロセスに関する以下のコメントが提供される。
【０１２６】
非常に高い強度（または高い照射度）での照射では、最初の数十ｎｍにおいて、約１０２０Ｗ／ｃｍ３のエネルギーが放出される、高密度の強く吸収する材料の問題に直面する。一旦ランダム化されたこのエネルギーの一部は、材料のバルクに伝導され、一方、加熱された層の熱膨張によって、一部は、指向性運動エネルギーに変換される。２つの方式がこの点で区別されている。
【０１２７】
１．材料の膨張およびアブレーションによって支配されるナノ秒パルスレーザ相互作用。ここで、加熱された層の熱圧力は、下にある対象物材料の著しい圧縮を引き起こすのに十分高い。
【０１２８】
２．パルス持続時間中の流体力学的運動が無視できる（ここではレーザパルスはナノ秒のものより１０００倍以上短い可能性がある）ので、熱伝導が支配的であるピコ秒パルスレーザ相互作用（例えば、本明細書に記載のいくつかの実施形態による）。ピコ秒方式では、被処理層の流体力学的膨張が開始する前から、高密度材料の強い加熱が起こり得る。この方式で生成されたプラズマは、固体対象物それ自体と本質的に同じ密度を有することができる。冷却の際、これは、ナノ構造で覆われた、照射パラメータに応じて１〜５０μｍの範囲の微細構造を形成する。
【０１２９】
いくつかの実施形態によれば、ピコ秒持続時間パルス照射を用いると、表面上に適切なパターンでレーザビームを走査することによって得られる大きな規模の山および谷に加えて、表面にナノリップルまたは他の小規模構造の形成を引き起こす場合もある。このようなナノリップルまたは他の小規模構造は、大きな周期的な山および谷構造によって得られる減少に加えて、場合によってはＰＥＹまたはＳＥＹをさらに減少させる可能性がある。さらに、いくつかの場合には、ナノリップルまたは他の小規模構造および／またはナノ秒パルスではなくピコ秒に関連するより浅い山および谷が、表面の改善されたまたは代替の電気的特性、例えば誘導の低減をさらに提供してもよく、および／または表面にナノまたはマイクロスケールの増加した領域を提供できる。
【０１３０】
以上、本発明を純粋に例として説明してきたが、本発明の範囲内で詳細の変更を行うことができることは理解されよう。説明における各特徴、および（適切な場合）図面は、独立して、または他のそのような特徴と適切に組み合わせて提供されてもよい。
【０１３１】
別添１−Ａ１
【表９】
2018519165.tif 000013
【図１】
2018519165.tif 000014
【図２】
2018519165.tif 000015
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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