特許 5774277 超短レーザ微細テクスチャ印刷

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5774277

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】超短レーザ微細テクスチャ印刷

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20150820BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 B

   G02B5/18

【請求項の数】10

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2009-546579(P2009-546579)

(86)(22)【出願日】2008年1月22日

(65)【公表番号】特表2010-516472(P2010-516472A)

(43)【公表日】2010年5月20日

(86)【国際出願番号】US2008051713

(87)【国際公開番号】WO2008091898

(87)【国際公開日】20080731

【審査請求日】2011年1月19日

【審判番号】不服2014-4377(P2014-4377/J1)

【審判請求日】2014年3月5日

(31)【優先権主張番号】60/886,285

(32)【優先日】2007年1月23日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】593185670

【氏名又は名称】イムラ アメリカ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(74)【復代理人】

【識別番号】100115624

【弁理士】

【氏名又は名称】濱中 淳宏

(74)【復代理人】

【識別番号】100136490

【弁理士】

【氏名又は名称】中西 英一

(72)【発明者】

【氏名】ローレンス シャー

(72)【発明者】

【氏名】マーティン イー．ファーマン

【合議体】

【審判長】 西村 泰英

【審判官】 刈間 宏信

【審判官】 久保 克彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３０６５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第２００６／０１２１２４（ＥＰ，Ａ２）

【文献】 特開２００６−２１２６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１１４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−５１６１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８６１１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

B23K 26/00 G02B 5/18

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

グレースケール画像が媒体から取得可能となるように前記媒体を改質する方法において、
表面を有する媒体を備えるステップと、
約１００ピコ秒未満のパルス幅を有しおよび波長λを有する複数の偏光した光パルスを含み、前記媒体の前記表面に光エネルギーを供給するレーザビームを、前記表面に対して走査して、前記媒体の前記表面のマイクロテクスチャリングを引き起こすステップと、
前記媒体の前記表面の異なる領域に供給される前記光エネルギーを変化させて、前記表面の前記異なる領域が異なる表面粗さを有するようにするステップであって、それにより、前記領域の反射率、吸収率または回折特性のうち少なくとも１つを改変して、前記媒体から取得可能な前記グレースケール画像をもたらすステップと
を備え、
前記偏光した光パルスは、直線偏光、円偏光、楕円偏光または径偏光を含み、前記偏光された光パルスは、約０．５λから１．５λの範囲の間隔のフィーチャ（機構）を有するグレーティング様構造を形成することが可能であり、前記グレーティング様構造は、可視光で見たときに前記グレースケール画像の中に色効果を生じさせることができることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記レーザビームは、約１００ｋＨｚよりも大きな繰返しレートを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記光パルスは、約１００ｎＪから約１００μＪの範囲内のエネルギーを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記媒体から取得可能な前記グレースケール画像として実質的に複製すべき画像に関連する情報を含む電子画像ファイルを受領するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記グレースケール画像は、少なくとも８グレーレベルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

請求項１に記載の方法により、グレースケール画像がそこから取得可能となるように改質され、前記グレースケール画像は、人、動物、自然構造物、人工構造物、または芸術的表現作品を表現したものを含むことを特徴とする媒体。

【請求項7】

グレースケール画像が媒体から取得可能となるように前記媒体を改質するシステムであって、
約１００ピコ秒未満のパルス幅を有しおよび波長λを有する複数の偏光した複数の光パルスを含むレーザビームを出力することが可能なレーザソースと、
表面を有する媒体を保持する支持体と、
前記レーザビームを前記媒体の前記表面に対して相対的に走査して、前記媒体の前記表面のマイクロテクスチャリングを引き起こすように構成された走査システムと、
前記レーザビームによって前記媒体の前記表面の異なる領域に供給される光エネルギーを所望のグレースケールに基づいて変化させて、前記表面の前記異なる領域が異なる表面粗さを有するようにし、それにより、前記領域の反射率、吸収率、または回折率のうち少なくとも１つを改変して、前記媒体から取得可能な前記グレースケール画像をもたらすように構成されたコントローラと
を備え、
前記偏光した光パルスは、直線偏光、円偏光、楕円偏光または径偏光を含み、前記偏光された光パルスは、間隔が約０．５λから１．５λのフィーチャ（機構）を有するグレーティング様構造を形成することが可能であり、前記グレーティング様構造は、可視光で見たときに前記グレースケール画像の中に色効果を生じさせることができることを特徴とするシステム。

【請求項8】

前記レーザソースは、ファイバレーザを備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記レーザソースは、変調器をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

【請求項10】

前記媒体から取得可能な前記グレースケール画像として複製すべき画像に対応するデータファイルを受領するように構成された入力部をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超短光パルスによる材料の表面上へのテクスチャ付き領域の形成、および材料上への画像の形成に関する。本発明は、超高速パルス列を光変調するための技法にも関する。

【背景技術】

【0002】

従来のインク印刷では、画像内のグレースケールが一般に、予め定義されたサイズの二値画素を使用することにより形成される。例えば、「オン」が黒に対応し、「オフ」が白に対応することができる。グレースケールは、「オン」（例えば黒）画素の密度を変化させることにより生成することができる。したがって、白画像部分には、「オン」画素がほとんどまたは全くなく、黒画像部分は、画像部分を実質的に覆う「オン」画素を有し、グレー画像部分は、「オン」画素の変化する密度を有して、所望のグレースケールを達成する。したがって、画像コントラストは基本的に、グレーレベルの数によって決まり、グレーレベルの数は本質的に、画素サイズによって決まる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第５，４９９，１３４号明細書

【特許文献2】米国特許第５，６９６，７８２号明細書

【特許文献3】米国特許第７，１１３，３２７号明細書

【特許文献4】米国特許出願第１０／４３７，０５７号明細書（米国特許出願公開第２００４／０２４００３７号明細書）

【特許文献5】米国特許第５，８１８，６３０号明細書

【特許文献6】米国特許出願第１１／１３４，８５６号明細書（米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号明細書）

【特許文献7】米国特許出願第１０／８１３，１７３号明細書（米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号明細書）

【特許文献8】米国特許第６，１７２，３２５号明細書

【特許文献9】米国特許出願第１１／３１４，１９７号明細書（米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０１５９１３７号明細書）

【特許文献10】米国特許出願第１１／３３６，３８３号明細書（米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２０７９７６号明細書）

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｓｈａｈ等による“１２μＪ，１．２ Ｗ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ３４６ ｎｍ ｆｒｏｍ ａ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ Ｙｂ Ｃｕｂｉｃｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，”２００５，ＣＬＥＯ ２００５ Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ，ＣＰＤＢ１

【非特許文献2】Ｐ．Ｓ．Ｂａｎｋｓ，Ｍ．Ｄ．Ｆｅｉｔ，Ａ．Ｍ．Ｒｕｂｅｎｃｈｉｋ，Ｂ．Ｃ．Ｓｔｕａｒｔ，Ｍ．Ｄ．Ｐｅｒｒｙ，“Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｕｌｔｒａ−ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ，”５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ ＣＯＬＡ １９９９

【非特許文献3】Ｍ．ＧｒｏｅｎｅｎｄｉｊｋおよびＪ．Ｍｅｉｊｅｒ，“Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ，”４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＬＡＭＰ ２００６

【非特許文献4】Ｔ．−Ｈ．Ｈｅｒ，Ｒ．Ｊ．Ｆｉｎｌａｙ，Ｃ．Ｗｕ，Ｓ．Ｄｅｌｉｗａｌａ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１９９８），ｐ．１６７３

【非特許文献5】Ｔ．−Ｈ．Ｈｅｒ，Ｒ．Ｊ．Ｆｉｎｌａｙ，Ｃ．Ｗｕ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ７０（２０００），ｐ．３８３

【非特許文献6】Ｃ．Ｗｕ，Ｃ．Ｈ．Ｃｒｏｕｃｈ，Ｌ．Ｚｈｏａ，Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｅｙ，Ｒ．Ｊ．Ｙｏｕｎｋｉｎ，Ｊ．Ａ．Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ｒ．Ｍ．Ｆａｒｒｅｌ，Ｐ．ＧｏｔｈｏｓｋａｒおよびＡ．Ｋａｒｇｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１）ｐ．１８５０

【非特許文献7】Ｒ．Ｊ．Ｙｏｕｎｋｉｎ，Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｅｙ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ｊ．Ａ．Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｃ．Ｍ．Ｆｒｉｅｎｄ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９３（２００３）ｐ．２６２６

【非特許文献8】Ｃ．Ｈ．Ｃｒｏｕｃｈ，Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｅｙ，Ｍ．Ｓｈｅｎ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ｆ．Ｙ．Ｇｅｎｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ ７９（２００４）ｐ．１６３５

【非特許文献9】Ｃ．Ｈ．Ｃｒｏｕｃｈ，Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｅｙ，Ｊ．Ｍ．Ｗａｒｒｅｎｄｅｒ，Ｍ．Ｊ．Ａｚｉｚ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ｆ．Ｙ．Ｇｅｎｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（２００４）ｐ．１８５０

【非特許文献10】Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｅｙ，Ｃ．Ｈ．Ｃｒｏｕｃｈ，Ｍ．Ｓｈｅｎ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３０（２００５）ｐ．１７７３

【非特許文献11】Ｃ．Ｗｕ，Ｃ．Ｈ．Ｃｒｏｕｃｈ，Ｌ．Ｚｈａｏ，Ｅ．Ｍａｚｕｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（２００２）ｐ．１９９９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

画素は、さまざまな方法で製作することができる。１つの方法はインクジェット印刷であり、その場合、インクの噴流が、さまざまな密度で基材上に堆積される。この方法は、紙基材の場合には非常にうまくいくが、金属などの固体基材の場合には実用性が限られている。一般に、イメージング技法は、次の動作、１）画像をデジタル化すること、２）表面パターンを形成すること、および３）表面パターンをデジタル画像と相関させること、を含むものとして特徴付けることができる。従来のインクジェット印刷では、１）が、画像のグレースケールに基づく画素密度の計算に対応し、２）が、インクの堆積に対応し、３）が、画像上のインク画素の密度に対応する。

【0006】

固体基材上に画像をパターン化するために、レーザを使用することができる。従来のレーザ彫刻したグレースケール画像では、画像コントラストが一般に、機械加工深さによって決まる。しかし、従来のレーザ彫刻は、レーザ照射パラメータの影響を非常に受けやすい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

基材のテクスチャリングを、超短パルス（ＵＳＰ）を使用して行う装置および方法の諸実施形態が開示される。テクスチャリングは、基材および／または基材の表面をパターン化および構造化することを含み、テクスチャリング、パターン化、および構造化という用語は、本明細書において交換可能に使用される。これらの実施形態のいくつかでは、テクスチャリングを、任意の固体基材上への画像印刷（もしくは彫刻）および／またはグレースケール画像の生成に使用することができる。

【0008】

画像彫刻に材料および／または材料表面の微細構造化を利用し、微細構造が超高速パルス列を用いて生成される装置および方法が開示される。いくつかの実施形態では、高コントラストおよび高解像度のグレースケール画像を、材料表面に入射する累積レーザフルエンスの変化によって生成することができる。一実施形態では、光の反射率（例えば回折および／または散乱）ならびに／あるいは光吸収の変化に対応することができる表面粗さの変化を生じさせるために、レーザ照射条件が変更される。表面微細構造化により誘起される光の反射率および／または吸収の変化は、グレースケールの滑らかな変化をもたらし、多種多様な材料の表面上への機械加工すべき画像の生成を可能にする。

【0009】

表面微細構造化により、例えば穴、ピット、スカラップ、溝、トレンチ、ピーク、クレータ、針、円錐体、棒状体、バンプ、または他の表面フィーチャを含む、表面粗さの変化を生じさせることができる。レーザ照射は、表面のさまざまな領域が異なる表面粗さを有するように調整することができる。例えば、表面フィーチャの密度を、より低い光の反射率が望まれる領域内で増大させることができる。その代わりにまたはそれに加えて、レーザ照射を、表面フィーチャのサイズ、形状、深さ、または他の任意の適切な特性の分布の変化を生じさせるように調整することもできる。

【0010】

いくつかの実施形態では、高画像コントラストが、表面粗さの制御された変化を用いて比較的浅いフィーチャを形成することによりもたらされる。超短レーザパルスを使用して、表面粗さの制御された変化を得ることができる。というのも、超短パルス持続時間は、レーザ／材料相互作用の決定的なしきい値となるためである。いくつかの実施形態では、超短パルスは、約１０ｎｓ未満のパルス幅を有する。他の実施形態では、パルス幅を約１００ｐｓ未満とすることができる。いくつかの実施形態では、パルス幅が約１０ｐｓ未満である。

【0011】

より長いパルスのレーザシステムを用いた微細テクスチャリングによる画像加工および／または画像形成は、より短いパルスのレーザシステムによってもたらされる利点のいくつかを達成することができない。例えば、一部の従来型レーザに関連するより長いパルス持続時間（例えば＞２５０ｐｓ）は、表面粗さの制御を行うことができず、より短いパルスを用いて得ることが可能な微細なテクスチャを破壊する傾向のある重大な溶融の影響を引き起こすことがある。

【0012】

妥当なサイズまでの画像印刷は、有利には、ビーム走査を可能にするのに十分なパルスエネルギー（例えばいくつかの実施形態では約１０μＪよりも大きな）を有するパルスを利用することができる。イメージングシステムのいくつかの実施形態は、比較的高いパルス繰返しレートを利用し、比較的高い平均電力を使用して妥当な加工時間中に画像を生成することができる。

【0013】

事実上どんな実質的に「平坦な」材料の表面テクスチャリングも行う画像彫刻の諸実施形態が開示される。例えば、材料は、サファイアなど、大きなバンドギャップの誘電体を含むことができる。材料は、金属、ガラス、結晶、プラスチック、ポリマー、または他の適切な固体基材を含むことができる。従来の機械的ミリングによって得られる材料仕上げを受けた材料を、画像彫刻に使用することができる。いくつかの実施形態では、材料が磨き仕上げを受けていない。高平均電力超高速レーザを使用するいくつかの実施形態では、かなり大きな巨視的画像を、かなり大きな表面エリア上に彫刻することができる。本明細書に開示するシステムおよび方法を使用して、例えば写真（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ）、写真（ｐｉｃｔｕｒｅ）、絵画、素画、肖像画、イラストレーション、および／または任意の芸術的表現作品から、画像を実質的に複製することができる。画像は、例えばグラフィックスおよび／またはテキストなどの視覚要素を含むことができる。開示するシステムおよび方法は、例えば人、動物、植物、自然構造物、人工構造物などに似たもの、またはそれを表現したものを含む画像の彫刻に使用することができる。本明細書に記載する画像彫刻システムおよび方法は、有利には、芸術品を生成する新たな可能性を可能にすることができる。開示する実施形態は、量産品の個別化を、車のドア、窓、携帯電話、コンピュータ、パーソナルコンピューティングデバイス（例えばＰＤＡ、ポケットＰＣ）、携帯型音楽デバイス（例えばＡｐｐｌｅ，Ｉｎｃ．、Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａから入手可能なｉＰｏｄ）など、多種多様なアイテム上に個人のエンブレムを彫刻することによって可能にすることもできる。有利には、そのような実施形態を使用して、製品（ｐｒｏｄｕｃｔ）、製品（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ａｒｔｉｃｌｅ）、構成部品、デバイスなどの上に情報を印刷または彫刻することができる。例えば、そのような情報は、識別情報および／またはセキュリティ情報、使用説明書き、警告、ロゴ、商標、個人化情報、ならびに／あるいは製品または製品包装上に見られる他の任意のタイプの情報を含むことができる。いくつかの実施形態では、システムを使用して、例えば半導体（例えばシリコン）、金属（例えば鋼）、および／または誘電体（例えばガラス）を含む材料の表面上にマーキングを形成することができる。そのような実施形態は、半導体製造用途（例えば微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの製作）および／または測定学用途において有用となることがある。

【0014】

画像彫刻用の表面テクスチャリングは、（織物やポリマーなど）一部の有機材料において実施がより困難となることがある。というのもそれらの有機材料は、約１μｍレーザ波長を使用して機械加工すると、フェムト秒レーザパルスを使用したとしても燃焼する傾向があることがあるためである。いくつかの実施形態では、この燃焼問題を、大きく異なる吸収特性に適切な照射波長を選択することにより克服することができる。例えば、ポリマー（またはプラスチック）上に、波長約５００ｎｍ（例えば「緑色」光）の超高速パルスを使用して画像を生成することができる。一般に、照射波長は、任意の材料について画像コントラストおよび精度を修正および／または改善する、あるいは最適化するように変更することができる。

【0015】

いくつかの実装形態では、製作後に、超短パルス画像彫刻に関連する微細構造が、汚染の影響を受けやすいことがある。例えば、指紋により堆積した油が、画像に有害となることがある。場合によっては、指紋、水あか、塵埃などによる汚染が微細構造にはまり込んだ状態になることがあり、画像品質を低下させることがある。したがって、いくつかの実施形態では、画像定着を使用して画像を保護する。そのような保護は、いくつかのそのような実施形態では、画像をレーザ彫刻した後に例えばエナメル、ポリマーなどの被覆を施与することによって、画像品質を大幅に損なわずに比較的容易に達成することができる。一実施形態では、被覆は光に対して実質的に光学的透過性（または半透明）である。

【0016】

一部の微細テクスチャ付き画像では、最浅の周期的または半周期的な構造が、グレーティング様構造として機能することができる。いくつかの実施形態では、グレーティング様構造が、厳格な光学用途に使用するのに十分なほど規則的となることはできないが、そうしたフィーチャは、例えばグレースケール画像、グラフィックス、および／またはテキストの印刷などの用途において使用することができる視覚効果をもたらすことができる。いくつかの実装形態では、そうした構造が、入射光の角度および／または観測者の視点に対して表面の色が変化するように見えるような「レインボー」効果をもたらす。したがって、開示する画像印刷方法のいくつかの実施形態は、こうしたグレーティング様構造を利用して、結果として得られる画像に色効果を導入する。一実施形態では、グレーティング様構造を、直線偏光の使用によりある一定の偏光方向に沿って得ることができる。別の実施形態では、実質的に全方向性のグレーティング構造を、円偏光を使用して生成することができる。別の実装形態では、色効果を、径偏光を使用して生じさせることもできる。いくつかの実施形態では、円偏光または楕円偏光を使用して、基材上に実質的に直線状のグレーティング様構造を生成することができる。いくつかのそのような実施形態では、円偏光または楕円偏光を使用して生成される直線状のグレーティング様構造が、直線偏光を使用して生成されるグレーティング様構造に比べてある角度で形成される。

【0017】

グレーティング様構造は、照明レーザ光の波長λに比例する間隔のあるフィーチャを有する。いくつかの実施形態では、間隔を、約０．５λから約１．５λの範囲内とすることができる。可視照明光が使用される（例えば約５２０ｎｍまたは３５５ｎｍのλ）諸実施形態では、フィーチャの間隔を、およそ可視光の波長以下とすることができる。照明波長は、表面を可視光中で見たときに例えば「レインボー」様効果および／または色を含む所望の特性を有するグレーティング様構造を形成するように調整することができる。

【0018】

いくつかの実施形態では、照射が行われる環境を変更することによって、微細構造を改質することができる。例えば、環境は、雰囲気（例えば空気もしくは他の適切な気体）の組成、雰囲気の圧力および／または温度などを含むことができる。いくつかの実施形態では、レーザ加工が実質的な真空中で行われる。他の実装形態では、印刷される画像グレースケールおよび／または見掛けの色に影響を及ぼすように変更することのできる他のパラメータが、次のパラメータ：露光時間、照射スポットサイズ、パルス長、パルスエネルギー、パルス繰返しレート、フラックス、フルエンス、強度、および累積エネルギー、のうち一部または全部を（単独でまたは組み合わせて）含む。一般に、レーザパラメータの変更があればそれが、画像特性の有用な変化を生じさせることができる。その代わりにまたはそれに加えて、ビーム走査システムの特性を変更して、画像特性の変化を生じさせることもできる。例えば、走査速度、滞在時間、焦点距離、焦点スポットサイズなどの変更をいくつかの実施形態で使用することができる。

【0019】

いくつかの実施形態では、グレースケール画像などの画像が、ターゲット基材に対する超短パルスレーザビームの走査速度を変化させることによって生成される。走査速度が比較的低いターゲット基材の領域内では、比較的より多くの光パルスがその領域に入射し、その結果、比較的より多くの光エネルギーがその領域に供給される。走査速度が比較的高いターゲット基材の領域内では、比較的より少ない光パルスがその領域に入射し、その結果、比較的より少ない光エネルギーがその領域に供給される。したがって、レーザビームとターゲット基材との相対走査速度の変化を使用して、ターゲット基材のさまざまな領域に供給される光エネルギーの変化をもたらすことができる。供給される光エネルギーの変化は、ターゲット基材のさまざまな領域の微細構造テクスチャの変化を生じさせる。いくつかのそのような実施形態では、微細構造テクスチャの変化により、ターゲット基材の光学特性（例えば反射、吸収、回折、および／または散乱）の変化が生じる。例えば、ターゲット基材のさまざまな領域に供給される光エネルギーの変化を使用して、さまざまな領域の反射率を改変することができ、その結果、観測者は、ターゲット基材を光源（例えば周辺光）で照明したときに画像を見ることになる。

【0020】

微細テクスチャリングに十分なフルエンスでの、またいくつかの実施形態では、迅速な加工に十分なほど高い平均電力での超短パルス光照射を可能にする、さまざまな技法およびシステムが開示される。いくつかの非限定的な実施形態例について以下に説明する。

【0021】

第１の実施形態では、超高速ファイバレーザが、ターゲット材料上の累積光フルエンスを制御するためのガルバノメータ式スキャナおよびＦシータレンズと共に使用される。さまざまな量の光エネルギーをターゲット材料のさまざまな領域に供給するために、ターゲット材料に対するレーザの走査速度を変調することにより、グレースケール画像が得られる。他の実施形態では、例えば半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザなど、異なるタイプのレーザを使用することができる。

【0022】

第２の実施形態では、高速光シャッタを導入して、高電力フェムト秒パルス列の迅速な変調を可能にする。例えば、高電力および高利得ファイバ増幅器に注入されるパルス列の繰返しレートを、注入前に変調することができる。この実施形態では、低平均電力「シード」列に対して変調機能を達成し、それにより、従来型の光デバイスの使用を、光変調器に対する損傷のリスクを伴わずに可能にすることができる。高利得ファイバ増幅器から出た後の平均出力電力は、注入されたパルス列の繰返しレートに比例することができ（例えば、高い繰返しレートの場合により高い平均電力）、パルスエネルギーは、パルス繰返しレートに反比例することができる（例えば、より高い繰返しレートの場合により低いパルスエネルギー）。いくつかの実装形態では、非線形光周波数変換素子が使用され、周波数変換の変化が、増幅後のパルスエネルギーに比例し、したがって増幅後のレーザ繰返しレートに反比例する。いくつかの実施形態では、周波数変換された光のみをターゲットに誘導することによって、最終ファイバ増幅器内の利得および熱的条件に影響を及ぼさずに、光変調により、加工すべき材料に衝突する平均電力の実質的に瞬時の変化が可能になる。いくつかのそのような実施形態では、ターゲット上のパルスエネルギーおよび関連するレーザフルエンスの変化が、基本波長においてさえ、表面テクスチャリングに十分となることができる。したがって、ターゲットに到達するレーザ電力は、「レーザオフ」条件において比較的高くなることができるが、ターゲット上のレーザフルエンスは、ターゲット材料がレーザビームによって大幅に加工または改質されないように、ターゲット材料のアブレーションしきい値および／または表面改質しきい値に比べて低くなることができる。

【0023】

第３の実施形態では、基材がさらに、画像印刷するためにロボットアーム上に配置される。ロボットアームは、基材の並進、回転、および／または方向変更を可能にすることができ、有利には、非平坦物体上への画像の形成を可能にすることができる。

【0024】

第４の実施形態では、レーザビームが固定された状態のまま、基材が移動される。この実施形態は、有利には、入射レーザビームのずっと厳格な焦点合せと、その結果生じるビームスポットサイズの低減を可能にする。この実施形態は、小画像サイズによりテクスチャ変調の微細な制御が必要となる、小規模ではあるが、それでもなお高解像度の画像の生成に十分に適切となることができる。

【0025】

第５の実施形態では、基材または基材表面上に画像を彫刻する方法が提供され、画像は、基材または基材表面エリアの微細テクスチャリングにより形成される。微細テクスチャリングは、基材または基材表面エリアの光学特性を変調させる、ランダムまたは半周期的な微視的表面フィーチャを含む。

【0026】

第５の実施形態の一態様では、基材または基材表面エリアの光学特性の変調は、光反射、光吸収、光散乱、光回折、またはこれら３つの効果のうちいずれかの組合せの変調によるものである。

【0027】

第５の実施形態の一態様では、微視的表面フィーチャは、可視スペクトル範囲内の光の波長と同等の、またはそれよりも小さな寸法を有する。

【0028】

第５の実施形態の一態様では、微視的表面フィーチャは、可視スペクトル範囲内の光の波長の約１０〜５０倍よりも小さな寸法を有する。

【0029】

第５の実施形態の一態様では、基材または基材表面エリアの反射、吸収および／または回折特性の変調は、表面フィーチャの平均サイズおよび／または周期的（もしくは半周期的）構造の変化の変調から生じる。

【0030】

第５の実施形態の一態様では、表面フィーチャは、超高速光パルス列を用いて誘起される。

【0031】

第６の実施形態では、画像彫刻用システムが、基材、超高速光パルス列のソース、および光走査システムを備える。パルス列は光放出波長を有する。基材は光走査システムを介して超高速光パルスを受領し、超高速光パルスは、基材または基材表面上への微細構造の形成を誘起する。微細構造は、基材表面の反射、吸収および／または回折特性を変調させる。

【0032】

第６の実施形態の一態様では、超高速光パルスは、約１００ｐｓ未満のパルス幅を有する。

【0033】

第６の実施形態の一態様では、超高速光パルスは、約１０ｐｓ未満のパルス幅を有する。

【0034】

第６の実施形態の一態様では、画像は、基材表面上に誘起される微細構造の平均パターンサイズの変調により形成されることが可能である。

【0035】

第６の実施形態の一態様では、光走査システムはさらに、基材または基材表面の超高速パルス列での露光時間を変調するように構成される。

【0036】

第６の実施形態の一態様では、光走査システムは光スキャナを備える。光走査システムは、ガルバノメータ式スキャナを備えることができる。

【0037】

第６の実施形態の一態様では、光走査システムは、基材を少なくとも１次元軸に沿って移動させるように構成された可動ロボットアームを備える。可動ロボットアームは、基材を少なくとも１つの傾斜面内で移動させるように構成することができる。

【0038】

第６の実施形態の一態様では、光走査システムはさらに光変調器を備える。

【0039】

第６の実施形態の一態様では、超高速パルス列は、光発振器増幅器システムによりもたらされる。いくつかの態様では、光発振器増幅器システムはさらに、発振器と増幅器との間に光変調器を備える。光変調器は、増幅器に注入されるパルス繰返しレートの変調用に構成し、それにより、増幅器の出力端から放出されるパルス列のパルスエネルギーを変調することができる。いくつかの態様では、システムはファイバ増幅器を含むこともできる。ファイバ増幅器は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、またはＴｍ／Ｙｂファイバ増幅器からなる群から選択することができる。

【0040】

光発振器増幅器システムを有する第６の実施形態のいくつかの態様では、画像彫刻用システムはさらに、増幅後のパルスエネルギーによって変わる非線形周波数変換効率を周波数変換後の波長にもたらし、それにより、周波数変換後の波長におけるパルス列の平均およびピーク電力の変調が強化されるように構成された、非線形周波数変換結晶を備える。

【0041】

第６の実施形態の一態様では、超高速パルス列のソースは固体レーザに由来する。

【0042】

第６の実施形態の一態様では、微細構造は、超高速パルス列の偏光の変調により変調されることが可能である。

【0043】

第６の実施形態の一態様では、微細構造は、基材表面を取り囲む反応性雰囲気または周囲雰囲気の制御により改質されることが可能である。

【0044】

第６の実施形態の一態様では、微細構造の制御は、画像のグレースケールをもたらすように適合される。

【0045】

第６の実施形態の一態様では、微細構造の制御は、画像のカラースケールをもたらすように適合される。カラースケールは、微細構造のところでの波長依存の回折効果、散乱効果、または吸収効果の結果として生じることができる。

【0046】

第６の実施形態の一態様では、システムはさらに、画像定着の手段を備える。画像定着手段は、例えばポリマーまたはエナメルの被膜を含むことができる。

【0047】

第６の実施形態の一態様では、基材は、金属、ガラス、セラミック、半導体、およびポリマーからなる群から選択される。

【0048】

第６の実施形態の一態様では、微細構造は、放出波長の変調により改質されることが可能である。

【0049】

第６の実施形態の一態様では、微細構造は、基材または基材表面に衝突するパルス強度の変調により改質されることが可能である。

【0050】

第７の実施形態では、画像彫刻の方法が提供される。方法は、複数の画像領域を有する画像を提供すること、基材表面を有する基材を提供すること、および変調後の超高速レーザパルス列を基材上に誘導することを含む。変調後の超高速レーザパルス列は、各画像領域に特有の特徴を有し、レーザパルスは、基材または基材表面上に形成される各画像領域の光学特性を改変することが可能である。光学特性は、反射、吸収、散乱、回折、またはそれらの組合せを含むことができる。

【0051】

第７の実施形態の一態様では、パルス列の特徴は、パルス強度、パルス波長、パルス列露光時間、パルス偏光、および基材表面に隣接する反応性雰囲気のうち少なくとも１つを含む。

【0052】

第８の実施形態では、グレースケール画像を中に有する媒体が提供される。媒体は、表面を有する基材、および表面上の複数の領域を備える。領域は、光で照明したときに画像を生成するように、グレースケール画像に実質的に類似しているように見える異なるテクスチャを有する。

【0053】

第８の実施形態の一態様では、基材は金属または半導体を含む。

【0054】

第８の実施形態の一態様では、基材はシリコンを含む。

【0055】

第８の実施形態の一態様では、基材は結晶を含む。

【0056】

第８の実施形態の一態様では、基材はサファイアまたはダイアモンドを含む。

【0057】

第８の実施形態の一態様では、基材はガラスを含む。

【0058】

第８の実施形態の一態様では、基材はプラスチックまたはポリマーを含む。

【0059】

第８の実施形態の一態様では、基材は可視波長の範囲内で実質的に透過性または半透明の材料を含む。

【0060】

第８の実施形態の一態様では、領域は穴またはトレンチを備える。

【0061】

第８の実施形態の一態様では、領域は、約１００ｎｍから１．５ミクロンの幅を有する
第８の実施形態の一態様では、領域は、約１００ｎｍから１００ミクロンの深さを有する表面フィーチャを備える。

【0062】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャは、表面フィーチャの深さの約５％から約５０％の表面粗さを有する。

【0063】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャはピットまたはピークを備える。

【0064】

第８の実施形態の一態様では、ピットまたはピークは、約１００ｎｍから約５０ミクロンの幅を有する。

【0065】

第８の実施形態の一態様では、ピットまたはピークは、約１００ｎｍから１００ミクロンの高さまたは深さを有する。

【0066】

第８の実施形態の一態様では、ピット数またはピーク数の密度の差異が、テクスチャおよびグレースケールの差異となる。

【0067】

第８の実施形態の一態様では、領域は画像画素に対応する。

【0068】

第８の実施形態の一態様では、領域はビットマップ画素に対応する。

【0069】

第８の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも４つのレベルを含む。

【0070】

第８の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも８つのレベルを含む。

【0071】

第８の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも１６のレベルを含む。

【0072】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャの差異により異なる反射率が生じて、異なるグレースケールとなる。

【0073】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャの差異により異なる吸収をして、異なるグレースケールとなる。

【0074】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャの差異により異なる回折をして、異なるグレースケールとなる。

【0075】

第８の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１００万画素を含む。

【0076】

第８の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１０，０００画素を含む。

【0077】

第８の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも１００ミクロン×１００ミクロンほどの空間広がりを有する。

【0078】

第８の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも１ｃｍ×１ｃｍほどの空間広がりを有する。

【0079】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャはグレーティング様構造を備える。

【0080】

第８の実施形態の一態様では、テクスチャは、媒体を可視光中で見たときに１つまたは複数の色をもたらす、複数の周期的または半周期的な構造を備える。いくつかのそのような態様では、それらの構造は、入射光の角度に対して、かつ／または観測者の視点に対して表面の色が変化するように見えるような「レインボー」効果をもたらす。

【0081】

第９の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を形成する方法が開示される。方法は、表面を有する基材を提供すること、およびレーザビームを表面に対して走査することを含む。レーザビームは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含む。方法はさらに、基材の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーの総量を変化させ、それにより、領域の反射率を改変して、グレースケール画像を生成することを含む。いくつかの態様では、総供給エネルギーを、光パルスによって単位面積あたりに供給されるエネルギーの合計から求めることができる。

【0082】

第９の実施形態の一態様では、表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーの総量の変化は、表面に対するレーザビームの走査速度を変化させることによりもたらされ、それにより、光パルスのオーバーラップの変化が生じる。

【0083】

第９の実施形態の一態様では、レーザビームは約１０ｋＨｚよりも大きな繰返しレートを有する。

【0084】

第９の実施形態の一態様では、レーザビームは約１００ｋＨｚよりも大きな繰返しレートを有する。

【0085】

第９の実施形態の一態様では、光パルスのパルス幅は約１０ピコ秒未満である。

【0086】

第９の実施形態の一態様では、光パルスのパルス幅は約１ピコ秒未満である。

【0087】

第９の実施形態の一態様では、光パルスは約１００ｎＪから約１００μＪの範囲内のエネルギーを有する。

【0088】

第９の実施形態の一態様では、光パルスは約１μＪから約５０μＪの範囲内のエネルギーを有する。

【0089】

第９の実施形態の一態様では、方法はさらに、媒体中に実質的に複製すべきグレースケール画像ファイルを受領することを含む。グレースケール画像は、ネットワークを介してインポートすることができ、および／または記憶媒体からもたらすことができる。

【0090】

第９の実施形態の一態様では、方法はさらに、グレースケール画像のさまざまなグレースケールを生成するために供給される光エネルギーを求めることを含む。

【0091】

第９の実施形態の一態様では、グレースケール画像は２次元画像を含む。

【0092】

第９の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１００万画素を含む。

【0093】

第９の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１０，０００画素を含む。

【0094】

第９の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１００画素を含む。

【0095】

第９の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも約１００ミクロン×約１００ミクロンの空間広がりを有する。

【0096】

第９の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも
第１０の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を形成するシステムが開示される。システムは、レーザビームを出力するように構成されたレーザソースを備える。レーザビームは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含む。システムは、表面を有する基材を保持する支持体、およびレーザビームを基材の表面に対して走査するように構成された走査システムも含む。システムは、基材の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーの総量を所望のグレースケールに基づいて変化させ、それにより、領域の反射率を改変して、グレースケール画像を生成するように構成されたコントローラも含む。いくつかの態様では、光エネルギーの総量は、基材の表面の一領域に供給される光パルスのエネルギーを合計することにより求められる。

【0097】

第１０の実施形態の一態様では、レーザソースはファイバレーザを備える。

【0098】

第１０の実施形態の一態様では、レーザソースはさらに、変調器を備える。変調器は、音響光学変調器を備えることができる。

【0099】

第１０の実施形態の一態様では、レーザソースはさらに、２次高調波発生変換器を備える。

【0100】

第１０の実施形態の一態様では、レーザソースはさらに、３次高調波発生変換器または４次高調波発生変換器を備える。

【0101】

第１０の実施形態の一態様では、レーザソースはさらに、発振器および増幅器を備える。

【0102】

第１０の実施形態の一態様では、走査システムは、ビームスキャナおよび／または基材を保持する支持体を並進させるための並進システムを備える。

【0103】

第１０の実施形態の一態様では、コントローラは、走査の速度を変化させるように走査システムと通信する。

【0104】

第１０の実施形態の一態様では、コントローラは、光パルスのエネルギーを変化させるように構成される。

【0105】

第１０の実施形態の一態様では、コントローラは、光パルスの繰返しレートを変化させるように構成される。

【0106】

第１０の実施形態の一態様では、システムはさらに、媒体中に複製すべきグレースケール画像に対応するデータファイルを受領するように構成された入力部を備える。入力部は、例えば、ネットワークリンクおよび／または記憶媒体を受け入れるように構成された入力ポートを備えることができる。

【0107】

第１１の実施形態では、グレースケール画像を中に有する媒体が開示される。媒体は、表面を有する基材、および表面上の複数の領域を備える。領域は、光で照明したときに画像を生成するように、異なるグレースケールとなる異なるテクスチャを有する。

【0108】

第１１の実施形態の一態様では、基材は金属または半導体を含む。

【0109】

第１１の実施形態の一態様では、基材はシリコンを含む。

【0110】

第１１の実施形態の一態様では、基材は結晶を含む。

【0111】

第１１の実施形態の一態様では、基材はサファイアまたはダイアモンドを含む。

【0112】

第１１の実施形態の一態様では、基材はガラスを含む。

【0113】

第１１の実施形態の一態様では、基材はプラスチックまたはポリマーを含む。

【0114】

第１１の実施形態の一態様では、基材は可視波長の範囲内で実質的に透過性または半透明の材料を含む。

【0115】

第１１の実施形態の一態様では、領域は穴またはトレンチを備える。

【0116】

第１１の実施形態の一態様では、領域は約１００ｎｍから１．５ミクロンの幅を有する。

【0117】

第１１の実施形態の一態様では、領域は、約１００ｎｍから１００ミクロンの深さを有する表面フィーチャを備える。

【0118】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャは、表面フィーチャの深さの約５％から約５０％の表面粗さを有する。

【0119】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャはピットまたはピークを備える。

【0120】

第１１の実施形態の一態様では、ピットまたはピークは、約１００ｎｍから約５０ミクロンの幅を有する。

【0121】

第１１の実施形態の一態様では、ピットまたはピークは、約１００ｎｍから１００ミクロンの高さまたは深さを有する。

【0122】

第１１の実施形態の一態様では、ピット数またはピーク数の密度の差異が、テクスチャおよびグレースケールの差異となる。

【0123】

第１１の実施形態の一態様では、領域は画像画素に対応する。

【0124】

第１１の実施形態の一態様では、領域はビットマップ画素に対応する。

【0125】

第１１の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも４つのレベルを含む。

【0126】

第１１の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも８つのレベルを含む。

【0127】

第１１の実施形態の一態様では、グレースケールは少なくとも１６のレベルを含む。

【0128】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャの差異により異なる反射率が生じて、異なるグレースケールとなる。

【0129】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャの差異により異なる吸収をして、異なるグレースケールとなる。

【0130】

第１１の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１００万画素を含む。

【0131】

第１１の実施形態の一態様では、グレースケール画像は少なくとも１０，０００画素を含む。

【0132】

第１１の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも約１００ミクロン×約１００ミクロンの空間広がりを有する。

【0133】

第１１の実施形態の一態様では、媒体中に形成されるグレースケール画像は、少なくとも約１ｃｍ×約１ｃｍの空間広がりを有する。

【0134】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャはグレーティング様構造を備える。

【0135】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャは、媒体を可視光中で見たときに１つまたは複数の色をもたらす、複数の周期的または半周期的な構造を備える。いくつかのそのような態様では、それらの構造は、入射光の角度に対して、かつ／または観測者の視点に対して表面の色が変化するように見えるような「レインボー」効果をもたらす。

【0136】

第１１の実施形態の一態様では、テクスチャは波長λを有するレーザパルスによって生成される。領域は、約０．５λから約１．５λの範囲内の幅を有する表面フィーチャを備えることができる。領域は、グレーティング様構造を備えることができる。テクスチャは、約０．５λから約１．５λの範囲内の間隔を有する、表面フィーチャの周期的または半周期的な配列を備えることができる。テクスチャは、可視光中で見たときに１つまたは複数の色を生成することができる。テクスチャは、レインボーを生成することができる。

【0137】

第１２の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を形成する方法が開示される。方法は、表面を有する基材を提供すること、レーザビームを表面に対して走査すること、および基材の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーを変化させ、それにより領域の反射率、吸収率、および回折率のうち少なくとも１つを改変して、グレースケール画像を生成することを含む。レーザビームは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、基材の表面に光エネルギーを供給する。観測者は、媒体を光で照明したときにグレースケール画像を見ることができる。イメージングシステム（例えばカメラ）を使用して、グレースケール画像を記録することができる。

【0138】

第１３の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を形成するシステムが開示される。システムは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含むレーザビームを出力することが可能なレーザソースを備える。システムは、表面を有する基材を保持するための支持体、およびレーザビームを基材の表面に対して相対的に走査するように構成された走査システムも備える。システムはさらに、領域の反射率、吸収率および回折特性のうち少なくとも１つを改変してグレースケール画像を生成するために、レーザビームによって基材の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーを所望のグレースケールに基づいて変化させるように構成されたコントローラを含む。

【0139】

第１４の実施形態では、表面を有する基材上にグレースケール画像を形成する方法が開示される。方法は、第１のレーザビームを表面に対して第１の走査速度で走査することを含む。第１のレーザビームは、約１００ピコ秒未満の第１のパルス幅を有する複数の光パルスを含む。第１のレーザビームは、第１の光エネルギーを、基材の表面のエリアに供給する。方法はさらに、第１のレーザビームによってエリアのさまざまな領域に供給される第１の光エネルギーを変化させ、それにより、エリア内の領域の反射率を改変して、第１の可視性（visibility）を有する第１のグレースケール画像を生成することを含む。方法はさらに、第２のレーザビームを表面に対して第２の走査速度で走査することを含む。第２の走査速度は、第１の走査速度よりも大きい。第２のレーザビームは、約１００ピコ秒未満の第２のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、第２の光エネルギーを、第１のレーザビームによって走査されたエリアの少なくとも一部分に供給する。方法は、第１の可視性よりも優れた第２の可視性を有する第２のグレースケール画像を生成するために、エリア内のさまざまな領域に供給される第２の光エネルギーを変化させることも含む。

【0140】

第１５の実施形態では、グレースケール画像が媒体から取得可能となるように媒体を改質する方法が開示される。方法は、表面を有する媒体を提供すること、およびレーザビームを表面に対して走査することを含む。レーザビームは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、レーザビームは、媒体の表面に光エネルギーを供給する。方法はさらに、媒体の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーを変化させ、それにより、領域の反射率、吸収率および回折特性のうち少なくとも１つを改変して、媒体から取得可能なグレースケール画像をもたらすことを含む。

【0141】

第１６の実施形態では、グレースケール画像が媒体から取得可能となるように媒体を改質するシステムについて記載される。システムは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含むレーザビームを出力することが可能なレーザソース、表面を有する媒体を保持する支持体、およびレーザビームを媒体の表面に対して相対的に走査するように構成された走査システムを備える。システムは、レーザビームによって媒体の表面のさまざまな領域に供給される光エネルギーを所望のグレースケールに基づいて変化させ、それにより、領域の反射率、吸収率、および回折率のうち少なくとも１つを改変して、媒体から取得可能なグレースケール画像をもたらすように構成されたコントローラも含む。

【0142】

第１７の実施形態では、表面を有する媒体を、グレースケール画像が媒体から取得可能となるように改質する方法が開示される。方法は、第１のレーザビームを表面に対して第１の走査速度で走査することを含む。第１のレーザビームは、約１００ピコ秒未満の第１のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、第１のレーザビームは、第１の光エネルギーを媒体の表面のエリアに供給する。方法はさらに、第１のレーザビームからエリアのさまざまな領域に供給される第１の光エネルギーを変化させ、それにより、エリア内の領域の反射率、吸収率および回折特性のうち少なくとも１つを改変して、媒体から取得可能な第１のグレースケール画像をもたらすことを含む。第１のグレースケール画像は、第１の可視性を有する。方法はさらに、第２のレーザビームを表面に対して第２の走査速度で走査することを含む。第２の走査速度は、第１の走査速度よりも大きい。第２のレーザビームは、約１００ピコ秒未満の第２のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、第２のレーザビームは、第２の光エネルギーを、第１のレーザビームによって走査されたエリアの少なくとも一部分に供給する。方法はさらに、エリア内のさまざまな領域に供給される第２の光エネルギーを変化させ、それにより、媒体から取得可能な第２のグレースケール画像をもたらすことを含む。第２のグレースケール画像は、第２の可視性を有し、第２の可視性は、第１の可視性よりも優れている。

【0143】

第１８の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を生成する方法が開示される。方法は、レーザビームを媒体の表面に対して走査することを含む。レーザビームは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを含み、レーザビームは、光エネルギーを媒体の表面に供給して、グレースケール画像を生成する。

【0144】

第１９の実施形態では、媒体中にグレースケール画像を生成するシステムが開示される。システムは、約１００ピコ秒未満のパルス幅を有する複数の光パルスを出力することが可能なレーザソースを備える。システムは、光パルスと媒体を相対的に走査して、媒体中にグレースケール画像を生成することが可能な走査システムも備える。

【0145】

さまざまな実施形態では、画像がそこから取得可能となるような媒体が提供される。媒体（または媒体の表面）は、本明細書に開示する方法およびシステムのいずれかによって改質することができる。画像は、媒体を光で照明することにより取得可能となることができる。画像は、例えば４、８、１６、またはより多くのグレーレベルを有するグレースケール画像とすることができる。媒体から取得可能な画像の部分は、いくつかの実施形態では、「レインボー」効果を表示することができる。観測者は、媒体を例えば可視光などの光で照明したときに、画像を見ることができる。イメージングシステム（例えばカメラ）を使用して、画像を記録することができる。

【0146】

他の実施形態では、上述の実施形態のさまざまな態様、構成部品、および特徴を単独でまたは組み合わせて使用して、所望の基材テクスチャリング特性をもたらすことができることを、当業者なら理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

【0147】

【図1】超高速パルス誘起表面テクスチャリングを使用して画像を生成するシステムの第１の実施形態を概略的に示す図である。

【図2A】本明細書に記載するグレースケール画像の形成で使用される「黒」構造と「白」構造との微視的差異を示す実験結果を示す図である。入射レーザフルエンスは、図２Ａ〜図２Ｃに示す実験において実質的に同じであり、パルス持続時間は、図２Ａ（上部）から図２Ｃ（下部）に向かって伸びていた。結果として得られる表面構造の、入射レーザパルス持続時間の関数としての変化により、超短パルスレーザが表面テクスチャの大幅かつ制御可能な変化を生じさせることが可能であり、それにより、高解像度および高コントラストのグレースケール画像彫刻が可能になることが実証されている。

【図2B】本明細書に記載するグレースケール画像の形成で使用される「黒」構造と「白」構造との微視的差異を示す実験結果を示す図である。入射レーザフルエンスは、図２Ａ〜図２Ｃに示す実験において実質的に同じであり、パルス持続時間は、図２Ａ（上部）から図２Ｃ（下部）に向かって伸びていた。結果として得られる表面構造の、入射レーザパルス持続時間の関数としての変化により、超短パルスレーザが表面テクスチャの大幅かつ制御可能な変化を生じさせることが可能であり、それにより、高解像度および高コントラストのグレースケール画像彫刻が可能になることが実証されている。

【図2C】本明細書に記載するグレースケール画像の形成で使用される「黒」構造と「白」構造との微視的差異を示す実験結果を示す図である。入射レーザフルエンスは、図２Ａ〜図２Ｃに示す実験において実質的に同じであり、パルス持続時間は、図２Ａ（上部）から図２Ｃ（下部）に向かって伸びていた。結果として得られる表面構造の、入射レーザパルス持続時間の関数としての変化により、超短パルスレーザが表面テクスチャの大幅かつ制御可能な変化を生じさせることが可能であり、それにより、高解像度および高コントラストのグレースケール画像彫刻が可能になることが実証されている。

【図3A】超短レーザパルスを使用して彫刻した画像（図３Ａ、左側）を、非超短レーザパルスを使用して彫刻した画像（図３Ｂ、右側）と比較した場合の、画像品質の巨視的差異を示す実験結果を示す図である。画像の可視性およびコントラストは、超短レーザパルスを使用した場合の方が、明らかにはるかに良好である。超短レーザパルスの場合（図３Ａ、左側）に生じた、背景のレインボー様色変化が見られる。

【図3B】超短レーザパルスを使用して彫刻した画像（図３Ａ、左側）を、非超短レーザパルスを使用して彫刻した画像（図３Ｂ、右側）と比較した場合の、画像品質の巨視的差異を示す実験結果を示す図である。画像の可視性およびコントラストは、超短レーザパルスを使用した場合の方が、明らかにはるかに良好である。

【図4A】アルミニウムを含むターゲット（図４Ａ、左側）、ガラスを含むターゲット（図４Ｂ、中央）、およびシリコンを含むターゲット（図４Ｃ、右側）内に構造を機械加工することができ、それにより、開示する技法が多種多様なターゲット材料に適用可能であることが確立されることを示す実験結果を示す図である。図４Ａは、５０μｍの長さを有する基準マーカを含む。

【図4B】アルミニウムを含むターゲット（図４Ａ、左側）、ガラスを含むターゲット（図４Ｂ、中央）、およびシリコンを含むターゲット（図４Ｃ、右側）内に構造を機械加工することができ、それにより、開示する技法が多種多様なターゲット材料に適用可能であることが確立されることを示す実験結果を示す図である。

【図4C】アルミニウムを含むターゲット（図４Ａ、左側）、ガラスを含むターゲット（図４Ｂ、中央）、およびシリコンを含むターゲット（図４Ｃ、右側）内に構造を機械加工することができ、それにより、開示する技法が多種多様なターゲット材料に適用可能であることが確立されることを示す実験結果を示す図である。

【図5A】超高速パルス誘起表面テクスチャリングを使用してグレースケール画像を生成するシステムの第２の実施形態を概略的に示す図である。

【図5B】超高速パルス誘起表面テクスチャリングを使用してグレースケール画像を生成するシステムの第３の実施形態を概略的に示す図である。

【図6】超高速パルス誘起表面テクスチャリングを使用してグレースケール画像を生成するシステムの第４の実施形態を概略的に示す図である。

【図7】超高速パルス誘起表面テクスチャリングを使用してグレースケール画像を生成するシステムの第５の実施形態を概略的に示す図である。

【図8A】複数パスレーザイメージング技法の実験結果を示す図であり、４回のクリーニングパス後の画像を示す写真である。

【図8B】複数パスレーザイメージング技法の実験結果を示す図であり、イメージングパス後に形成された画像を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0148】

図１は、超高速パルス列を用いた表面微細構造化によるターゲット基材１１２の画像形成に使用することが可能なシステム１００の、第１の実施形態を概略的に示す。システム１００は、レーザシステム１０４および走査システム１０６を備える。この実施形態では、走査システム１０６は、２次元走査が可能な２つのガルバノメータ式走査ミラー１０８を含む。他の実施形態では、異なる数および／またはタイプの走査ミラーを使用することができる。いくつかの実施形態では、走査を１次元とすることができる。走査システム１０６は、例えばターゲット基材１１２のところに実質的に平坦な視野を生成することが可能な集積Ｆシータレンズなどの集束光学系１１０を含むこともできる。例えば、いくつかの実施形態では、Ｆシータレンズは、２０μｍレーザ集束スポットおよび約８０００ｍｍ２の面積にわたる実質的に平坦な視野を生成するように構成される。走査システム１０６（および／または他のシステム構成部品）は、コントローラ１１４によって制御することができる。例えば、コントローラ１１４は、１つまたは複数の汎用および／または専用コンピュータを含むことができ、それは、システム１００に対してリモートおよび／またはローカルとすることができる。

【0149】

図１に概略的に示す実施形態では、システム１００は、電子画像ファイル（例えばビットマップファイル）を、ターゲット基材１１２内に機械加工される走査ルーチンに変換することが可能である。他の実施形態では、走査システム１０６内で追加の光学素子を利用することができる（例えばミラー、レンズ、グレーティング、空間光変調器など）。彫刻すべき画像をシステム１００に、有線および／または無線技法を含む多くの方法によって通信することができることを、当業者なら理解するであろう。所望の画像をデジタル化して記憶媒体に記憶することができ、記憶媒体は、コントローラ１１４のローカルおよび／またはリモートとすることができる。デジタル化画像は、複数の画素を含むことができる。画素は、画素のデカルト（例えばｘ−ｙ）配列を含むことができ、または画素は、他の任意の適切な構造化したまたはランダムな、配列またはグループとして構成することができる。画素は、特定のグレースケールレベルに対応することができる。例えば２、３、４、８、１６、３２、６４、１００、１２８、２５６、またはより多くのレベルを含む、任意の適切な数のグレースケールレベルを使用することができる。好ましい一実施形態では、１６グレーレベルが使用される。いくつかの実施形態では、デジタル化画像が、ビットマップ、ラスタグラフィックス配列、または他の何らかの適切なデジタルファイルもしくは構造によって表現される。例えば、ビットマップは、例えばＰＮＧ（ポータブルネットワークグラフィックス）フォーマット、ＧＩＦ（グラフィックス交換フォーマット）、または他の任意の適切なフォーマットなどのビットマップ画像フォーマットに対応することができる。デジタル化画像フォーマットは、データ圧縮を行うことができる。いくつかの実施形態では、画像が、曲線および／または多角形を含むベクトルグラフィックスによって表現される。多くの変形形態が可能である。

【0150】

いくつかの実施形態では、レーザシステム１０４が、超短パルス（ＵＳＰ）を出力することができる。超短パルスは、例えば約１０ｐｓ未満などの持続時間を有することができる。超短パルスを利用して、ターゲット基材１１２上にテクスチャ付き構造を得ることができ、それにより、改善された（または最大の）画像可視性および／または画像コントラストがもたらされる。図１に示す例示のシステム１００では、レーザシステム１０４が、超高速パルス列を発生させることが可能なファイバベースレーザを備える。例えば、レーザは、本件特許出願人（Ａｎｎ Ａｒｂｏｒ、Ｍｉｃｈｉｇａｎ）から入手可能なＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌレーザを備えることができる。レーザパルスは、約１μｍとすることができる波長を有する。いくつかの実施形態では、例えば約５２０ｎｍ波長の緑色光パルスなど、より短波長のレーザパルスが使用される。他の実施形態では、他の任意のレーザシステムを実施することができる。いくつかの実施形態では、レーザシステム１０４は、約１０ｐｓ未満のパルス幅を有するレーザパルスを生成することができる。例えば、パルス幅は、約１００ｆｓから約１ｐｓの範囲内とすることができる。レーザシステム１０４の他の実施形態では、例えば≦１０ｎｓ、≦１ｎｓ、≦１００ｐｓ、≦１ｐｓ、および／または≦１００ｆｓなど、他のパルス幅が使用される。

【0151】

図１に示す実施形態では、比較的長い焦点距離（約１２５ｍｍ）を使用して、約８０００ｍｍ２の走査面積を達成し、約５μＪをほぼ上回るパルスエネルギーを使用して、ターゲット基材１１２上に十分なレーザフルエンス（面積あたりのエネルギー）を生成する。他の実施形態では、異なる焦点距離を使用して、同じまたは異なるサイズの走査面積に印刷することができる。いくつかの実施形態では、パルスエネルギーが約１μＪよりも大きい。

【0152】

いくつかの実施形態では、比較的高いレーザ繰返しレートを使用して、比較的迅速なレーザ加工を可能にする。例えば、繰返しレートを、１００ｋＨｚよりも大きくすることができる。いくつかの実施形態では、約５００ｋＨｚの繰返しレートを使用することができる。他の繰返しレートも可能である。改善されたまたは最適な画像コントラストが得られるように形成される微細テクスチャは、多くのレーザパルスが累積した結果であるため、比較的高い繰返しレートを使用すると有利となることがある。例えば、いくつかの実装形態では、数百のレーザパルスが、各２０μｍ焦点スポット径内でオーバーラップすることができる。比較的高い繰返しレートの考えられるもう１つの利点は、画像をより低い繰返しレートが使用されているときよりも短い時間内で形成できることである。いくつかの実装形態では、より高い繰返しレートを使用すると、画像品質の低下を生じることがある。したがって、いくつかのそのような実装形態では、より正確な走査システムコントローラを使用して、より高品質の画像をもたらす。

【0153】

図１に概略的に示す実施形態は、実際の画像形成に使用されており、一部の結果を、図２Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。例えば、図２Ａ〜図２Ｃは、その他の点では実質的に同一のレーザ照射（例えば実質的に同一の約４．７５Ｊ／ｃｍ²のフルエンス）を受けた状態で、異なるレーザパルス持続時間によって鋼中に機械加工された表面形態を示す微視的画像である。参考までに、図２Ａ〜図２Ｃは、１００μｍの長さを有する基準マーカを含む。図２Ａでは、パルス持続時間が約６００ｆｓであり、レーザ電力密度が約８．０×１０¹²Ｗ／ｃｍ²であった。図２Ｂでは、パルス持続時間が約８．７ｐｓであり、レーザ電力密度が約５．５×１０¹¹Ｗ／ｃｍ²であった。図２Ｃでは、パルス持続時間が約４００ｐｓであり、レーザ電力密度が約１．２×１０¹⁰Ｗ／ｃｍ²であった。これらの画像例では、微細構造化したフィーチャの深さが、図２Ａ（上部）および図２Ｂ（中央）それぞれに示すフェムト秒およびピコ秒照射のどちらについても１０μｍ程度である。図２Ｃ（下部）に示すフィーチャの深さは、０．４ナノ秒パルスを用いた照射について約５μｍである。したがって、機械加工した深さは、画像コントラストの１つの要因となることができるが、これは一般に、表面形態の影響に比べて二次的であると考えられている。

【0154】

表面形態の差異のため、画像の可視性(visibility)およびコントラストは、超短レーザパルスを用いて生成されたときと、より長いパルスを用いて生成されたときを比較すると、大幅に異なることができる。図３Ａおよび図３Ｂは、超短パルスを用いて生成された画像３０４（左側の図３Ａ）、およびより長いパルスを用いて生成された画像３０８（右側の図３Ｂ）を示す写真である。不均一な照明にもかかわらず、図３Ａは、超短パルスレーザを使用して機械加工した左側の画像３０４がはっきりと見えることを示し、一方図３Ｂは、より長いパルスを用いて製作した右側の画像３０８にコントラストがずっと少なく、その可視性が大いに照明に依存することを示している。レーザ機械加工した画像３０４、３０８は、約７５ｍｍ×５０ｍｍのサイズを有し、同一条件下で写真撮影した。可視性の差異は、図３Ｂに示す画像３０８の最右側において特に明白であり、そこでは、ＵＳＰ照射した画像３０４の縁部３１２を、より長いパルスを用いて製作した画像３０８と同じフレーム内で見ることが可能である。さらに、より長いパルスを使用した画像３０８は、超短パルスを使用した画像３０４の後に印刷したので、より長いレーザパルスによって形成されたテクスチャが、超短機械加工したテクスチャの可視性を「消去した」ところを見ることが可能であり、それにより、可視性が、機械加工した深さの差異によってではなく、テクスチャの差異によって決まることができることが実証されている。

【0155】

図３Ａおよび図３Ｂに示す画像３０４および３０８は、約５００ｋＨｚのパルス繰返しレートで動作するファイバレーザシステムを使用して約４．５分間機械加工した。同じ画像を、より従来的な１ｋＨｚ Ｔｉ：Ｓレーザを使用して生成するには、約４０時間必要となる。従来型のＴｉ：Ｓレーザは、より多くのレーザエネルギーをもたらすが、より高いエネルギーにより、この用途に必要な横方向分解能および深さ分解能が損なわれる。超短パルス持続時間、十分に大きな（しかし大きすぎない）パルスエネルギー、および高レーザ繰返しレートの組合せは、最近になってようやくレーザ技術により達成された。このシステムのいくつかの実施形態では、適切なターゲット照明パラメータをもたらすために、ファイバレーザが使用される。ファイバレーザの利点には、堅牢性、安定性、およびそのようなレーザによって生成される超短パルスの高いビーム品質がある。

【0156】

さまざまな実施形態では、システム１００は、約１０４０ｎｍの波長を有する超短パルスビームを出力するレーザシステム１０４を含むことができる。例えば約５２０ｎｍの周波数２倍化波長など、他の波長を使用することもできる。いくつかの実施形態では、超短パルスは、約１ｐｓ未満のパルス幅、および約２００ｋＨｚから約１０００ｋＨｚの繰返しレートを有することができる。パルスエネルギーは、約５μＪから約２５μＪの範囲内とすることができる。走査システム１０６は、ターゲット基材１１２上に約１０μｍから約３０μｍの範囲内の直径を有する焦点スポットを出力するように構成することができる。いくつかの実施形態では、走査システム１０６は、約１０００ドット／インチ（２．５４ｃｍ）（ｄｐｉ）の画像解像度、およびターゲット基材１１２に対する約１００ｍｍ／ｓから約１０００ｍｍ／ｓの平均走査速度をもたらすように構成される。他の実施形態では、システム１００は、例えば波長、パルス幅、繰返しレート、パルスエネルギー、焦点スポットサイズ、画像解像度、および／または走査速度のさまざまな値をもたらすように構成することができる。多くの変形形態が可能である。

【0157】

材料表面微細構造化による微細テクスチャの形成および画像の生成は、多種多様な材料に対して可能である。例えば、機械加工した材料には、アルミニウム、ガラス、およびシリコンがあり、その結果は大幅に類似していた。図４Ａ〜図４Ｃは、アルミニウム（図４Ａ）、ガラス（図４Ｂ）、およびシリコン（図４Ｃ）内で得られた表面構造の例を示す写真である。

【0158】

上述のように、画像定着は、いくつかの実施形態において容易に実施することができる。例えば、実質的に透明な保護被覆を、加工後の材料に施与することができる。被覆は、エナメルおよび／またはポリマーの１種または複数種のコートを含むことができる。他の被覆を使用することもできる。これらの実施形態では、可視性および画像コントラストを、大幅に長い時間にわたり維持することができ、機械加工した材料が、取扱いまたは環境の影響を比較的受けなくなることができる。

【0159】

図５Ａは、超高速パルス列を用いた表面微細構造化によるターゲット基材１１２の画像形成に使用することができるシステム５００の一実施形態を概略的に示す。このシステム５００は、図１に概略的に示す実施形態と概して類似することができる。図５Ａに示す実施形態におけるレーザシステム１０４は、図１に示す実施形態には示していないオプションの内部パルス変調器５０２を備える。光変調器５０２は、超短パルス列の繰返しレートの変調に使用することができる。いくつかの実施形態では、変調器５０２が、レーザパルス繰返しレートを、発振器の繰返しレート（いくつかのファイバレーザ実施形態では典型的に約５０ＭＨｚ）から機械加工の繰返しレート（典型的に１ＭＨｚ未満または約１ＭＨｚ）に変更するように適合される。例えば、変調器５０２は、発振器パルス列からｎ個ごとに１つのパルスだけを最終電力増幅器に送出するのを可能にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、そのような発振器増幅器構成を、高エネルギーパルス列の発生用に実施することが好都合となることがあり、その場合、発振器安定性の向上を得るために、５０ＭＨｚ程度の発振器の繰返しレートが利用される。そのような発振器増幅器システムは、当業者に公知である。

【0160】

いくつかの実装形態では、内部変調器５０２が、パルスエネルギーおよびパルスピーク電力を実質的に瞬時に変更しながら、増幅器内の平均電力および熱的条件が実質的に同じままであることを可能にする。内部変調器５０２は、音響光学変調器または他の任意の適切な光変調器を備えることができる。いくつかの実施形態では、レーザシステム１０４が、約１μＪを上回るパルスエネルギー、約１０ｐｓ未満のパルス持続時間、および約１００ｋＨｚよりも大きなパルス繰返しレートを有するパルスを出力する。

【0161】

図５Ａに示す実施形態は、例えば２次高調波発生（ＳＨＧ）変換器などの周波数変換器５０４も備える。この実施形態では、ＳＨＧ変換器と内部変調器５０２が相まって、「高速シャッタ」となる。というのも、高調波変換効率は、レーザパルスエネルギーに比例するためである。したがって、発振器からのレーザ繰返しレートを変調することにより、機械加工ビーム（例えば送出されたＳＨＧビーム）を実質的に瞬時にオンおよびオフにすることが可能である。そのような迅速なシャッタ開閉は、機械的には不可能であり、高レーザ電力の場合、ビーム品質、パルス持続時間などに対する劣化を引き起こさずに光学的に実施することは困難である。いくつかの実施形態は、３次高調波発生変換器および／または４次高調波発生変換器、あるいは他の任意の適切な高調波発生変換器を含むことができる。

【0162】

図５Ａに示す実施形態はコントローラ１１４も備え、コントローラ１１４を使用して、レーザシステム１０４、走査システム１０６、周波数変換器５０４、および／または他のシステム構成部品を制御することができる。例えば、いくつかの実施形態では、変調器５０２と走査システム１０６（例えば走査ミラー１０８および／または集束光学系１１０）の制御を、レーザ照射条件のはるかに高い制御性を可能にし、それにより、機械加工深さおよび横方向広がりの制御性が高まるようにリンクすることができる。

【0163】

図５Ｂは、超高速パルス列を用いた表面微細構造化によるターゲット基材１１２上への画像形成に使用することが可能なシステム５３０の一実施形態を概略的に示す。この実施形態では、レーザシステム１０４が、例えばファイバベースチャープパルス増幅器（ＦＣＰＡ）システムなどのチャープパルス増幅器システムを含む。ＦＣＰＡシステムを使用する利点には、効率および信頼性の向上がある。また、ファイバ増幅器の出力エネルギーおよびピーク電力は一般に、発振器の繰返しレートが増加するにつれて減少するため、繰返しレートの関数としてのファイバ増幅器の出力エネルギーおよび電力の変化を利用して、ＦＣＰＡ性能の向上をもたらすこともできる。

【0164】

本願の譲受人に譲渡されたさまざまな米国特許では、小型ファイバ構成を使用したチャープパルス増幅システムについて開示している。以下の米国特許それぞれの開示をここに、参照によりその全体を本明細書に組み込む：１９９６年３月１２日にＧａｌｖａｎａｕｓｋａｓ等に発行された、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の特許文献１、１９９７年１２月９日にＨａｒｔｅｒ等に発行された、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の特許文献２、および２００６年９月２６日にＧｕ等に発行された、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｅｌｅｃｏｍ−Ｔｙｐｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」という名称の特許文献３（以後「‘３２７特許」と呼ぶ）。これらの特許において開示されたレーザシステムのいずれか、ならびに他の市販の「全ファイバ」レーザシステムを、図５Ｂに示すシステム５３０で使用することができる。

【0165】

いくつかの実施形態では、レーザシステム１０４が、ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌレーザ（本願の譲受人である本件特許出願人から入手可能）を備え、それがレーザパルスを圧縮器５５２の出力端にもたらす。出力パルスは、約１ＭＨｚまでの調整可能な繰返しレートで発生させることができる。出力パルスは、約１μＪ以上のエネルギー、および約１ｐｓ以下のパルス幅を有することができる。いくつかの実施形態では、ピーク電力およびピークエネルギーが非線形効果を回避するのに十分なほど低い場合、バルク出力圧縮器ではなくファイバ圧縮器をパルス圧縮に使用することができる。いくつかの実施形態では、フォトニックバンドギャップファイバまたはフォトニック結晶ファイバを単独で、またはバルク圧縮器もしくは大面積ファイバと組み合わせて使用して、出力エネルギーおよびピーク電力の増大をもたらすことができる。

【0166】

図５Ｂに概略的に示すシステム５３０の実施形態では、レーザシステム１０４が、単光路のファイバベースチャープパルス増幅システムを備える。レーザシステム１０４は、高繰返しレートソース５３２、ファイバ伸長器５３６、ファイバ前置増幅器５４０、パルス選択器／変調器５４４、ファイバ電力増幅器５４８、および圧縮器５５２を含む。圧縮器５５２の出力は、超短パルス列とすることができる。いくつかの実施形態では、レーザシステム１０４は、複光路の前置増幅器、伸長器、および電力増幅器構成（図示せず）を含むことができ、それにより、同等のパッケージサイズ内でより長い伸長パルス幅およびより高い利得をもたらすことができる。上述のように、コントローラ１１４は、走査システム１０６を介したターゲット基材１１２へのパルスの供給を調整するように構成することができる。さまざまな実施形態では、コントローラ１１４を使用して、レーザシステム１０４、走査システム１０６、および／または他のシステム構成部品の各構成部品の一部または全部を制御することができる。一実施形態では、コントローラ１１４は、パルス選択器／変調器５４４を制御することにより、レーザシステム１０４を制御するように構成される。上述のように、走査システム１０６は、例えば、例としてガルバノメータ走査ミラーなどの走査ミラー１０８を含むことができる。走査システム１０６は、集束光学系１１０を含むこともできる。

【0167】

高繰返しレートソース５３２は、１ＭＨｚをかなり上回る、例えば約２０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内の繰返しレートで動作する自走パルス列をもたらすことができる。全ファイバベースの受動モード同期デバイスまたは他のデバイスを含むモード同期レーザを使用して、そのような繰返しレートを生成することができる。対応するパルス幅は、例えば約数百フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内とすることができる。他の実施形態では、非モード同期レーザソースを使用することができる。例えば、準ＣＷ半導体レーザの出力を変調し、オプションで圧縮して、ピコ秒またはフェムト秒のパルスを生成することができる。適切なレーザソースには、「Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｐ−Ｒａｔｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｌａｓｅｒｓ」という名称の、本願の譲受人に譲渡され、ここに参照によりその全体を本明細書に組み込む、Ｈａｒｔｅｒの特許文献４に記載のレーザソースがある。

【0168】

ファイバ伸長器５３６は、非線形効果、ならびに／あるいはファイバ前置増幅器５４０および／またはファイバ電力増幅器５４４に対する損傷を回避するために、ある長さの光ファイバ（例えば約１００メートル）を含んで、高繰返しレートソース５３２からのパルスを伸長することができる。伸長器５３６は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、チャープＦＢＧ、またはそれらの組合せを備えることができる。伸長器５３６は、システム内に累積することがある残留ＴＯＤ（がもしあればそれ）を部分的に補償するように、異常３次分散（ＴＯＤ）を有するファイバを備えることができる。いくつかの実施形態では、残留ＴＯＤの大部分が、伸長器（ファイバベースの）と圧縮器（バルクグレーティングベースの）の不整合の分散を使用することから生じる。さまざまな実施形態例では、伸長パルスの幅を約５０ｐｓ、約１００ｐｓから約５００ｐｓの範囲内、または約１ｎｓまでの範囲内とすることができる。パルス伸長は、複光路構成内で行うこともできる。

【0169】

一部のレーザシステム１０４ではオプションであるファイバ前置増幅器５４０は、高繰返しレートソース５３２から放出されたパルスのエネルギーを増幅する。ソース５３２は、約数百ｐＪから約１ｎＪのエネルギーを有するパルスを放出することができる。いくつかの実施形態では、前置増幅器５４０の出力端でのパルスエネルギーを、約１ｎＪより大きく、例えば約１ｎＪから約２０ｎＪの範囲内とすることができる。

【0170】

パルス選択器／変調器５４４は、パルスを電力増幅器５４８に選択的に送出するように構成することができる。パルス選択器／変調器５４４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、高速マッハツェンダーデバイス（ＭＺ）、および／または電界吸収型変調器（ＥＡＭ）を含むことができる。ＡＯＭは、高電圧電子回路を必要とせず、市販のデジタルドライバ電子回路により使いやすくなっている。マッハツェンダー変調器（ＭＺ）は、ＧＨｚ帯域幅および低駆動電圧を有する集積光デバイスであり、多くの場合、偏光入力ビームを必要とする。いくつかの実施形態では、集積ＭＺデバイスの比較的小さなエリアが、使用可能なピーク電力を制限することができる。いくつかの実施形態では、パルス伸長器５３６が、‘３２７特許に記載されているように、変調器５４４に入射するピーク電力を低減させる。ＭＺデバイスは、１．５５μｍテレコム波長において使用されてきており、ＭＺデバイスは現在、１μｍ波長において利用可能である。‘３２７特許は、ＭＺ変調器を使用したチャープパルス増幅システムについて開示している。いくつかの実施形態では、パルス選択器／変調器５４４が、約２０ｄＢから約３０ｄＢの強度制御を行うことができ、出力強度を、入力の関数としての電力増幅器５４８の伝達特性に基づいて少なくとも部分的に制御するために有用となることがある。

【0171】

いくつかの実施形態では、ファイバ電力増幅器５４８が、実質的に基本モードで出力をもたらすように構成された多モードファイバ増幅器を備える。例えば、このシステムは、Ｆｅｒｍａｎｎ等に発行された「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の、本願の譲受人に譲渡され、ここに参照によりその全体を本明細書に組み込む、特許文献５に記載のファイバ電力増幅器を利用することができる。多モードファイバ増幅器は、単一モード（ＳＭ）ファイバで達成可能なピーク電力およびパルスエネルギーよりも高いピーク電力およびパルスエネルギーを、望ましくない非線形性および利得飽和が始まる前に生成する。他の実施形態では、大面積増幅器、例えばフォトニックバンドギャップ設計またはフォトニック結晶設計を利用することができる。例えば「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の、本発明の譲受人に譲渡され、ここに参照によりその全体を本明細書に組み込む特許文献６に記載されているように、高品質出力ビームが漏れモード設計を用いて実証済みである。

【0172】

上述のように、圧縮器５５２は、いくつかの実施形態では全ファイバ圧縮器である。しかし、いくつかの実装形態においてピーク電力が高すぎる、例えば約１００ｋＷ以上である場合、非線形効果により全ファイバ圧縮器の性能が制限されることがある。したがって、ファイバ設計の小型性とバルク圧縮器に付随する柔軟性との間でトレードオフが存在することがある。いくつかの実施形態では、ファイバ構成部品とバルク構成部品をどちらも、レーザシステム１０４内で使用することができる。

【0173】

高繰返しレートソース５３２は、約１μｍの出力波長を有するパルスを生成することができる。いくつかの実施形態では、システム５３０は、オプションの周波数変換器５５６を備える。例えば、周波数変換器５５６は、周波数２倍器、周波数３倍器、および／または周波数４倍器を備えて、（１μｍ入力波長に対して）それぞれに対応する可視（例えば緑色）出力波長または紫外出力波長を生成することができる。いくつかの実施形態では、周波数変換器５５６は、パラメトリック増幅器を備えることができる。変換効率は一般に、ピーク強度がより高いほど向上する。したがって、周波数変換器５５６は、有利には、圧縮器５５２の出力を受領するように配置することができる。一実施形態例では、周波数変換器５５６を、２次、３次、および４次高調波発生を行うように構成した。２次高調波発生は、タイプＩ非臨界位相整合三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を使用して達成した。３次高調波は、基本波と２次高調波をタイプＩＩ臨界位相整合ＬＢＯ結晶内で和周波混合することによって生成した。タイプＩ臨界位相整合ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）結晶で、２次高調波光を周波数２倍化することにより４次高調波を発生させた。この実施形態例では、１０４０ｎｍの基本波長において５０μＪ、５００ｆｓパルスを有する光を、５３％、２５％、および１０％の変換効率をそれぞれ２次、３次、および４次高調波周波数にもたらす周波数変換器５５６に入力した。１００ｋＨｚのレーザ繰返しレートにおいて、この実施形態例は、１０４０ｎｍにおいて約５．００Ｗの平均電力を生成し、５２０ｎｍにおいて約２．６２Ｗ、３４６ｎｍにおいて約１．２０Ｗ、および２６０ｎｍにおいて約５０４ｍＷの平均変換後電力を生成した。変換後のパルスエネルギーは、５２０ｎｍにおいて約２６μＪ、３４６ｎｍにおいて約１２μＪ、２６０ｎｍにおいて約５μＪであった。周波数変換した超短パルスをもたらすために使用することができるレーザシステム１０４の更なる詳細が記載されており（例えば、非特許文献１参照）、それをここに、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

【0174】

コントローラ１１４を使用して、走査ビームの位置決め、およびレーザパルスの選択を調整することができる。いくつかの実施形態では、高繰返しレートソース５３２が自走しているとき、ビームの一部が、高速光検出器（図示せず）に結合されたある長さの光ファイバを使用して検出される。光検出器出力は、コントローラ１１４に同期信号を供給する。同期信号は、有利には、デジタル信号とすることができる。走査システム１０６は、例えばＳＣＡＮＬＡＢ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（Ｎａｐｅｒｖｉｌｌｅ、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）から入手可能なｈｕｒｒｙＳＣＡＮ（登録商標）ＩＩ １４走査ヘッドなどの２Ｄガルバノメータミラー１０８を含むことができる。そのような走査ヘッドを使用する利点には、それが低慣性デバイスであること、またミラーの位置信号および／または速度信号が容易にプログラムできるように、ユーザフレンドリな市販のコントローラがそれに備えられているということがある。走査システム１０６およびコントローラ１１４は、並進ステージ、回転ステージ、およびロボットアーム（図示せず）の任意の適切な組合せと共に使用して、ターゲット基材１１２を位置決めすることもできる。いくつかの実施形態では、走査ミラー１０８を除くことができ、レーザビームとターゲット基材１１２を相対的に移動させるための他の任意の適切なシステム。例えばＦシータレンズおよび／または高分解能対物レンズなど、適切な集束光学系１１０を使用して、各超短パルスをターゲット材料の表面上に焦点合せすることができる。一部の屈折光学素子は、材料分散から生じるスポットの配置および焦点合せ誤差を導入することがあるため、いくつかの実施形態では、超短レーザパルスビーム用に設計された市販の光学素子が使用される。

【0175】

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の増幅器を実質的に連続して動作させて、損傷の可能性を低減させ、かつ増幅器から最大限のエネルギー抽出を行うことが望ましいことがある。ファイバ増幅器は、高速パルス列を増幅させるのに十分に適している。しかし、いくつかの実施形態では、材料加工が行われていない（「アイドル」期間）長期間の間に、増幅器損傷のリスクの増大が生じ、望ましくない増幅自然放出光（ＡＳＥ）が発生する。例えば、一部の増幅器では、アイドル期間が、数十マイクロ秒から数百ミリ秒以上の範囲内となることがある。いくつかのファイバ増幅器では、約１００μｓのアイドル時間が、高利得（強励起）条件下で利得がフリーレージング（ｆｒｅｅ−ｌａｓｉｎｇ）に十分なレベルまで増加するのに十分となることがある。約４０μｓのアイドル時間後に、シードパルスが注入される場合、増幅器内の高まった利得が、出力ファイバファセットに対して損傷を誘起することが可能な高エネルギーパルスを形成するのに十分な利得を有していることがある。したがって、いくつかの実施形態では、レーザ構成部品の安定化および保護が、例えば、Ｎａｔｉ等の「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ Ｐｕｌｓｅｄ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の、本願の譲受人に譲渡され、ここに参照によりその全体を本明細書に組み込む特許文献７に記載されているように、入力パルスエネルギーの動的調整および／または励起ダイオード電流の制御により行われる。

【0176】

システム５３０のさまざまな実施形態では、コントローラ１１４を、アイドル期間中に高繰返しレート（例えば約５０ＭＨｚから約１００ＭＨｚ）でパルス選択器／変調器５４４を動作させるように構成することができる。アイドル期間中、増幅器５４８は一般に、非飽和状態で動作している。電力増幅器の平均出力は、基本波長においてわずかに増加することがある。アイドル期間と「アクティブ」期間（システム５３０がターゲットを加工しているとき）との間でのパルスエネルギーの変調は、ビームの迅速なシャッタ開閉（例えば「オフ」および「オン」機能）を行うのに十分となることができる。いくつかの実装形態では、一部の「アイドル」期間中のターゲット基材１１２上のレーザフルエンスが、アブレーションしきい値および／または表面改質しきい値を上回ることがあるが、「アイドル」期間と「アクティブ」期間の間でのフルエンスの変調が、加工制御に十分となることができる。いくつかの実施形態では、オプションのシャッタ５６０を使用して、ターゲット基材１１２に入射するエネルギーを制御することができる。オプションのシャッタ５６０は、音響光学デバイス、光学機械式シャッタ、および／または電気光学シャッタを備えることができる。

【0177】

システム５３０のいくつかの実施形態は、例えば周波数２倍化および／または３倍化を行うことができる周波数変換器５５６を含む。いくつかのそのような実施形態では、パルスエネルギーおよび／またはピーク電力が、周波数変換器５５６の出力端で比較的低くなり得る。そのような場合には、変換器５５６の出力が、大部分のエネルギー内容が基本波長である状態で、比較的低エネルギーのパルスとなることができ、ターゲット上への焦点合せ時に、エネルギーがターゲット材料のアブレーションしきい値および／または表面改質しきい値未満となることができる。いくつかのシステム実施形態では、ターゲット材料の特性を改変しないように、変調器の約２０ｄＢから約３０ｄＢの調整により、広い動作範囲にわたる強度の制御を行うことができる。

【0178】

いくつかの実施形態では、諸技法を使用して、望ましくないビームエネルギーを減衰させることができる。例えば、望ましくないエネルギーを、スペクトルフィルタ（図示せず）を用いて除去することができる。いくつかの実装形態では、タイプＩ位相整合の場合に基本周波数と高調波周波数との間の偏光状態が異なるため、偏光フィルタリングが可能となることがある。パルス選択器／変調器５４４を制御して、増幅器５４８へのエネルギーを制限することもできる。走査システム１０６内の集束光学系（または、スキャナが使用されていない場合には他の集束光学系）を、整合波長（オプションの周波数変換器５５６が使用されている場合には、周波数変換後の波長とすることができる）に合わせて最適化することができる。いくつかの実装形態では、集束光学系を、基本波長のスポットサイズが増加し、その結果ターゲット基材１１２の表面でのエネルギー密度が減少するように構成することができる。

【0179】

アクティブ加工期間中、コントローラ１１４を使用して、信号をパルス選択器／変調器５４４に供給することによって、パルスを「ダウンカウント（ｄｏｗｎ ｃｏｕｎｔ）」またはその他の様式で選択することができる。いくつかの実施形態では、加工繰返しレートを、約１００ＫＨｚから約１０ＭＨｚとすることができる。アクティブ加工中、ファイバ増幅器から最大限のエネルギーを抽出するために、レーザが飽和状態またはほぼそのような状態で動作することが有利となることがある。

【0180】

図６は、超高速パルス列を用いた表面微細構造化によるターゲット基材１１２上への画像形成に使用することが可能なシステム６００の一実施形態を概略的に示す。このシステム６００は、図１および図５に示す実施形態と概して類似することができる。システム６００はさらに、ターゲット基材１１２に結合され、ターゲット位置（および／または向き）を走査ビームに対して操作するように構成された、ロボットアームシステム６０４を備えることができる。ロボットアームシステム６０４は、単軸または多軸システムとすることができる。いくつかの実施形態では、走査システム１０６が、ターゲット基材１１２に対して移動される走査ヘッドを備える。走査ビームとターゲット基材１１２との間で相対移動を行う諸実施形態の考えられる利点は、このシステムが、非平坦表面の加工を可能にすることができるということである。

【0181】

図１、図５および図６それぞれに概略的に示すシステム１００、５００、および６００の実施形態では、レーザスポットサイズが主として、走査システム１０６内のＦシータレンズによって決まる。いくつかの実装形態では、画像の妥当な加工面積を得るために、約１０μｍよりも大きなスポットサイズが使用される。超短パルスレーザ１０４のいくつかの実施形態は、ずっと小さなスポットサイズ（例えば≦１μｍ）を機械加工することが可能である。そのような小さな焦点寸法の場合、いくつかの実施形態では、大幅により低いパルスエネルギーが使用される。十分高い解像度を十分広い作業面積にわたって達成するために、ターゲットとビームを互いに移動させることができる。例えば、ターゲットを実質的に固定されたレーザビームに対して（またはその逆に）移動させることができる。

【0182】

システム１００、５００、および６００のいくつかの実施形態では、可変テレスコープ（ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）をレーザシステム１０４と走査システム１０６の間の光路に沿って配置することができる。いくつかのそのような実施形態では、走査システム１０６からＦシータレンズを除くことができる。可変テレスコープを使用して、システムの焦点距離を動的に変更することができ、可変テレスコープは、ターゲット基材１１２上での焦点スポットサイズの連続的な変化を可能にすることができる。市販の可変テレスコープシステムには、例えば、ＳＣＡＮＬＡＢ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（Ｎａｐｅｒｖｉｌｌｅ、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）から入手可能なｖａｒｉｏＳＣＡＮ動的焦点合せユニットを含むことができる。

【0183】

図７は、超高速パルス列を用いた表面微細構造化によるターゲット基材１１２上への画像形成に使用することが可能なシステム７００の一実施形態を概略的に示す。この実施形態は、レーザシステム１０４、およびターゲット基材１１２をレーザビームに対して移動させるように構成された並進ステージ７０８を備える。いくつかの実施形態では、並進ステージ７０８が、十分高い加工速度を可能にするために、比較的高い並進速度で実質的に絶えず移動し続ける。いくつかの実施形態では、並進ステージ７０８は、Ｘ−ＹまたはＸ−Ｙ−Ｚ並進ステージを含むことができる。例えば、並進ステージ７０８は、Ａｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）から入手可能なＮａｎｏ−Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ（ＡＮＴ（商標））ステージを含むことができる。例えばＢａｉｒｄ等の「Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の特許文献８に記載されているような、パルスレーザビームとターゲット基材の位置決めを相対的に制御する多くの技法が知られている。いくつかの実施形態では、コントローラ１１４が、例えばＡｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）から入手可能なＮｍａｒｋ（商標）制御ソフトウェアなど、走査システム１０６と並進ステージ７０８を調整するための制御命令を実行することができる。

【0184】

図７に概略的に示すシステム７００のいくつかの実施形態では、表面テクスチャリングの制御の向上を得るために、変調器７０２を使用して実質的に瞬時のレーザ変調を行うことができる。変調器７０２は、図５を参照して説明した変調器５０２と概して類似することができ、または変調器７０２は、図７に概略的に示すように外部変調器とすることができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１１４が、変調器７０２と並進ステージ７０８のリンクした制御を行う。

【0185】

いくつかの実施形態では、本明細書に記載のシステム（例えばシステム１００、５００、６００、および７００）がターゲット基材上に画像を、ターゲット基材に対するレーザビームの複数パスを使用して形成することができる。例えば、さまざまな実施形態では、２回、３回、４回、５回、６回、７回、８回、またはより多くのパスを使用することができる。いくつかの実施形態では、第１のレーザパス（「イメージングパス」）を使用して、基材上に画像を形成する。イメージングパスでは、基材表面のより深いテクスチャリングを行うために、比較的高いレーザフルエンスを利用することができる。場合によっては、基材の表面上に形成されたデブリのため、イメージングパスによって形成された画像が、比較的乏しい可視性を有することがある（例えば表面を可視光中で見たときに画像が不明瞭になる）。デブリは、スラグ、溶融した領域、熱影響部などを含むことができる。場合によっては、例えば超音波浴内でのクリーニングなど、従来のクリーニング技法を使用してデブリを効果的に除去することができない。イメージングパスを、比較的低い平均走査速度（例えば約１００ｍｍ／ｓから約２００ｍｍ／ｓ）で実施して、比較的高解像度の画像（例えば、一部の例では２０００ドット／インチ（２．５４ｃｍ））をもたらすことができる。

【0186】

いくつかの実施形態では、イメージングパス後に形成された画像の可視性を、レーザビームを用いた１回または複数回の追加パス（「クリーニングパス」）を行うことにより改善することができる。クリーニングパスは、基材の表面から、イメージングパスによって形成されたデブリの一部または全部を除去し、それにより、画像の可視性を改善することができる。場合によっては、１回または複数回のクリーニングパス後に、画像の可視性が大幅により優れたものになる。いくつかの実施形態では、単一のクリーニングパスが使用される。他の実施形態では、２回、３回、４回、５回、６回、またはより多くのクリーニングパスが使用される。いくつかの実装形態では、クリーニングパスが、イメージングパスに使用されるのと同じレーザパラメータ（例えば波長、持続時間、繰返しレート、エネルギー、フルエンスなど）を使用して実施される。いくつかのそのような実装形態では、クリーニングパスが、イメージングパスに使用される走査速度よりも大きな走査速度で実施される。例えば、クリーニングパスは、イメージングパスの走査速度の倍数である走査速度で実施することができる。倍数は、例えば、２、３、４、５、１０にする、またはより大きくすることができる。他の倍数を使用することもでき、倍数は、クリーニングパスが異なれば、異なることができる。他の実施形態では、イメージングパスとクリーニングパスに使用されるレーザパラメータの一部または全部が異なることができる。また、異なるクリーニングパスのレーザパラメータの一部または全部が異なることもできる。いくつかの実装形態では、第１のレーザシステムがイメージングパス用のビームをもたらし、第２のレーザシステムがクリーニングパス用のビームをもたらす。多くの変形形態が可能である。

【0187】

したがって、いくつかの実施形態では、ターゲット基材に対するレーザビームの複数パスを使用して、ターゲット基材の表面上に、可視性の改善された１次元および／または２次元画像をもたらす。いくつかのそのような実施形態では、イメージングパスおよび／またはクリーニングパス中に比較的高いレーザフルエンスを使用すると、有利には、画像のコントラストを増大させることができ、かつ／または最終画像（例えば１回または複数回のクリーニングパス後に生成された画像）の可視性の角度依存性を低減させることができる。いくつかの実装形態では、比較的高品質の画像を、比較的高解像度（例えば２０００ｄｐｉ）で生成することができる。

【0188】

図８Ａおよび図８Ｂは、複数パスイメージング技法の一例の結果を示す写真である。図８Ｂは、イメージングパス後に生成された画像を示し、図８Ａは、４回のクリーニングパス後の最終画像を示す。クリーニングパス後の画像の可視性の品質の増大が、図８Ｂの画像（レーザクリーニング後）と図８Ａの画像（イメージング後ではあるが、レーザクリーニング前）を比較することにより容易に明らかである。場合によっては、イメージングパスから最終クリーニングパスへの可視性の改善が、４倍以上の画像コントラストの改善に対応する。例えば、図８Ｂの画像（イメージングパス後）は、約２〜４グレーレベルを有しているが、図８Ａの画像（４回のクリーニングパス後）は１６グレーレベルを有している。

【0189】

図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、アルミニウム基材上に２０００ｄｐｉ画像を、図１に関して説明したシステム１００に概して類似のシステムを使用して機械加工した。レーザシステムが、約１０４０ｎｍの波長、約１ｐｓ未満のパルス幅、約１０μＪのパルスエネルギー、および約２００ｋＨｚのパルス繰返しレートを有する超短パルスを出力した。この例では、イメージングパスおよびクリーニングパスの平均フルエンス（パルスエネルギーを１／ｅ²ビーム面積で割った商から求められる）が、約６Ｊ／ｃｍ²であった。走査システムが、基材表面上に約１５μｍの焦点スポット径をもたらした。イメージングパスを約２００ｍｍ／秒の平均走査速度で実施し、クリーニングパスを約５０００ｍｍ／秒の平均走査速度で実施した。この例では、クリーニングパス中に、レーザビームが、約２０μｍ未満のピッチを有する直線走査線で画像エリアを走査した。このレーザビームは、イメージングパスによって形成された画像を複製しなかった。他の例では、クリーニングパスで、異なる走査線ピッチおよび／または異なる走査パターンを利用することができる。

【0190】

超短レーザパルスを使用して固体基材の表面テクスチャリングを行うことが可能なシステムの更なる実施形態が、「Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ」という名称の、２００５年１２月２０日出願の特許文献９に開示されており、それをここに、参照によりその全体を本明細書に組み込む。超短レーザパルスを使用して、固体基材の表面テクスチャリングを行うことが可能なシステムの更なる実施形態が、「Ｌａｓｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｇｒｅｅｎ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅｓ」という名称の、２００６年１月２０日出願の特許文献１０に開示されており、それをここに、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

【0191】

更なる情報は、以下の文献、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、非特許文献８、非特許文献９、非特許文献１０、非特許文献１１から入手することができる。

【0192】

上記の文献それぞれの開示全体をここに、参照により本明細書に組み込む。

【0193】

好ましい諸実施形態および諸例についての上記の詳細な説明は、例示のために示してきたものであり、開示した装置、システム、および方法の範囲を限定するものではない。本明細書における開示から、当業者なら本開示およびその付随する利点を理解するだけでなく、説明した諸実施形態および諸例に対する明白なさまざまな変更形態、等価物、および修正形態を見い出しもするであろう。さらに、あらゆる実施形態および例が、本明細書に記載の各利点を達成する必要があるとは限らないこと、ならびにいくつかの実施形態および例が、１つの利点または１群の利点を、他の利点または複数群の利点を必ずしも最適にすることなく、最適なものにできることを、当業者なら理解するであろう。さらに、本明細書に記載の方法例における各動作は、任意の適切な順序で実施（ｐｅｒｆｏｒｍ）または実施（ｃａｒｒｙ ｏｕｔ）することができ、本明細書に記載の特定の例示的順序に限定されない。多くの変形形態が可能であり、それらは本開示の範囲内で企図される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】