ホワイトペーパー – ISO準拠の非接触リアルタイムビーム解析

Jed Simmons Ph.D. & Kevin Kirkham

このホワイトペーパーでは、レイリー散乱ベースのビームプロファイリング手法と、ビーム伝播パラメーターの測定に使用される他のビームプロファイリング手法との明確な比較を作成し、配布します。目的は、これらのテクノロジーが同様の結果をもたらすかどうか、またこれらの結果がレーザービーム幅、拡散角、ビーム伝播比の測定に関するISOガイドラインに準拠しているかどうかを判断することです。

ここでは、さまざまな測定技術に基づく複数のシステムが同様の結果を生成するため、関連する技術の精度と有用性に対する信頼が得られることが示されています。この文書では、従来のレーザービーム測定技術が不便または不可能な場合に、レーザービームのレイリー散乱観察が特に有用であると考えられる理由についても説明します。

以下は、さまざまなシステムとその測定結果の概要です。ウエスト幅 W0x と W0y、拡散 x と y、両軸のM二乗、Mx2 と My2 の3つのパラメータが報告されます。レイリー長、Zᵣも含まれます。BeamWatch、NanoScan、およびBeamGage SP920の軸が確実に同じ方向を向くように努力が払われました。この研究では、高出力材料処理で広く使用されているガウシアンビームプロファイルに焦点を当てています。

このホワイト ペーパーで参照するすべてのテストには、ワシントン州バンクーバーのnLight社のalta Prime 1kWシングルモードファイバーレーザーが使用されました。この1080nmファイバーレーザーの焦点領域またはコースティクスを作成するために、焦点距離30mmのコリメートレンズと焦点距離125mmの集光レンズを備えた垂直デリバリーヘッドが使用されました。レーザーはCWモードで動作し、これらの測定中に変調されることはありませんでした。

ビームは4つの異なるOphirシステムで測定されました。

• NanoScan 2s Ge/9/5モデル NanoScan™スキャニングスリット技術ベースのビームプロファイラー
• BeamGage Professionalレーザービームプロファイリングアプリケーションを使用した高解像度 SP920モデル シリコンCCDカメラ
• BeamWatch非接触ビームプロファイラーモデル BW-NIR-2-155レイリー散乱を使用したモデル
• BeamWatch AMモデル BW-NIR-2-50-AMレイリー散乱を使用した統合レーザービーム プロファイラー/パワーセンサーシステム

すべてのシステムは、伝播軸に沿って平行移動することなく、集光レーザービームの苛性線を一度に測定するか、同じまたはほぼ同じ点でデータを取得するためにレーザービームの光軸に沿って平行移動させます。

走査センサーの主要コンポーネントの機械的構成には、光学式位置エンコーダとモーターを備えた走査ドラム、走査スリット、固定された大面積の単一素子ディテクターが含まれます。NanoScans⁵は、シリコン、ゲルマニウム、パイロエレクトリックディテクターを採用しています。これらの測定に使用された NanoScanはパイロエレクトリックディテクターを使用しました。走査スリットは長さ９ｍｍ、幅５μｍでした。

走査スリットベースのビームプロファイラーは、入射したレーザービームの一部がスリットを通過し、単一要素センサーによって検出されるように、直角に取り付けられた微細なスリットを使用します。ドラムが回転すると、ドラムに取り付けられた高解像度光学エンコーダがスリットの位置を示します⁵。ディテクターからの信号は、スリットの方向に直交する軸における試験中のビームの積分プロファイルを表します。その後、ビームが両方のスリットを通過するときにビームによって生成される信号をデジタル化することにより、ビームのX軸とY軸の両方の走査軸に沿って積分された強度分布を測定できます。ビーム伝播軸を考慮するとスリット面が測定面となります。ドラムの回転速度と、回転通過時間のサブセットとしての単一要素ディテクターのデジタル化のサンプリング周波数が、測定システムの空間分解能になります。NanoScanモデルNS2-Pyro-9/5の場合、このサンプリング周波数は125.2nmの有効「ピクセル」サイズを表します。

走査型スリットビームプロファイラーは、単一素子ディテクターの非常に広いダイナミックレンジと、微細なスリットを通してビームを照射することによってもたらされる大きな減衰の恩恵を受けます。多くの場合、光信号強度をディテクターの飽和レベル以下に維持するために追加の光減衰は必要ありません。

テスト中のレーザービームは、カメラベースのレーザービームプロファイリングシステムのCCDまたはCMOSセンサーに直接衝突します。光信号をマトリックスセンサーの線形範囲内に維持するには、大幅な光サンプリングと減衰が必要です。採用されたカメラはSony ICX274センサー、解像度: 1624x1224、ピクセルピッチ: 4.4µmを使用しています。ピクセル間隔、つまりシステムの光学解像度は、センサーの作成に使用されるマイクロリソグラフィー技術に基づいています。これらの技術は、メモリーチップやマイクロプロセッサーなどの他のシリコンベースの集積回路の製造に使用される技術と似ています。この技術に基づくレーザービーム幅測定の精度は1～3%です。精度に影響を与える変数には次のものがあります。衝突するビーム強度がカメラの飽和レベルにどの程度近いか、レーザービームがカバーするピクセル数、使用される測定アルゴリズム、データセットを削減するために使用されるソフトウェア絞りなどです。BeamGage²ビームプロファイリングソフトウェアスイートは、UltraCalと呼ばれる高度なベースラインバランシング機能を採用しています。カメラのベースラインを効果的にゼロにすることにより、ビーム幅の最大測定精度が実現されます。ビーム測定の計算ではカメラ/測定ノイズと光信号が区別されないため、ノイズをゼロ付近でバランスさせることが不可欠です。

Ophir BeamWatch³システムは、大気散乱を利用して、側面または伝播軸に直交する方向からレーザービームの苛性を画像化します。

これらの測定の本来の解像度は、ビームを観察するために使用されるカメラの5.5μmピクセルサイズと結像光学系の倍率によって定義されます。ビームはX軸ビューとY軸ビューで表示されます。カメラ画像の各行は、移動するスリットビーム幅の測定値と等価になります。これらのビーム幅からXおよびY双曲線フィットが作成されます。

これらの適合により、各軸のウエスト位置、拡散およびレイリー長の測定値が得られます。測定スペース全体から、ウエストの両側の3つのレイリー長を測定できます。

BeamWatchソフトウェアは、疑似カラーパレットが適用された生のビーム画像を提供します。このアプリケーションは、可動カーソルによって位置を特定された断面強度の2D画像も提供します。このソフトウェアは、計算されたフィットの描写と、コイン型ディスプレイのスタックでのビーム苛性の3D画像も提供します。

BeamWatch AMは標準のBeamWatchと同じですが、サーモパイルタイプの1kWパワーセンサーが追加されています。このパワーセンサーは、国立標準技術研究所 (NIST) のトレーサブルなディテクターに合わせて校正されており、統合センサーの代替形式の校正で使用されるNIST校正済みパワーセンサーへのトレーサビリティーチェーンを含む校正証明書が付属しています。このファン冷却センサーは、レイリー散乱測定経路の領域から出るビームを安全に捕捉するため、ビームダンプとしても機能します。

パワーセンサーを追加すると、BeamWatchはテスト中のビームの総パワーを把握できるようになります。これにより、システムは、平方センチメートルあたりのワット数 (W/cm²) などの面積当たりのパワー (パワー密度) 値を使用して、苛性アルカリのすべての部分をレポートできるようになります。

現在、測定機器は、付加プロセスで使用される金属粉末を溶解する作業を実行するために利用できるパワー密度を記録できるようになりました。

カメラCCDセンサー、センサーメーカーのピクセルピッチがすべての空間測定に使用されます。業界標準のマイクロリソグラフィー製造公差が想定されています。ビーム幅測定システムは、統計的プロセス制御 (SPC) 手法を使用して比較されます。制限要因には以下が含まれます： ビーム幅測定技術、制限開口、およびカバーされるピクセル数。

スキャンスリット、ドラムスキャン速度、空間サンプリング間隔の測定値は、業界標準のデバイスで校正されました。スリットは走査型電子顕微鏡で測定されました。制限要因には、スリット幅、ドラム速度の安定性、光信号の振幅などがあります。最小光信号はセンサーシステムのノイズの20倍を超える必要があります。ここで述べたすべてのケースにおいて、NanoScanに提供された光信号はNanoScanシステムのノイズの数百秒を超えていました。レイリー散乱、結像システムの倍率はNISTトレーサブルレチクルで確認されます。SPC法を使用したビーム幅測定の比較 制限要因には、信号対雑音比、測定で捕捉されたレイリー長の数が含まれます。

CCDカメラと走査スリットNanoScanシステム用のデータ収集システムは、センサーが光伝播軸に沿って良好な精度と再現性で移動できるように、並進ステージに取り付けられました。

BeamWatchデータは、テスト対象のレーザーのウエスト付近に配置されたシステム測定領域で取得されました。水冷サーモパイル型レーザーパワーセンサーを使用してレーザーパワーを測定し、ビームダンプとして機能させました。

各システムで10回の測定が行われました。これらの測定値は平均され、その平均測定値は4つすべての測定システムからの測定値の平均と比較されました。

測定値と各測定平均値の変動を4つのシステムすべての平均値と比較しました。

BeamWatchは、走査スリットで行われる測定と本質的に同等であると考えられる測定を生成するテクノロジーです。さらに、BeamWatch解析で使用されるカメラ画像は、数百の個別のスリット測定値で構成されています。コースティクスの画像からのデータの各行、またはラインアウトは、コースティクスの対応する平面のスリット測定をスキャンすることと同等であると考えられます。ISO 11146-1のビーム伝播測定では、二次モーメントのビーム幅を取得する必要があります。ISO 11146-3:2004(E)は、セクション4.4で概説されている走査スリット法を含む代替測定法を規定しています。ISO 11146-3:2004(E)の式63および69を使用すると、走査スリットの結果を二次モーメントの結果に変換できます。ISO規格に準拠し、ここに示す結果は、このセクションで説明する変換に従って計算されました。

レイリー散乱に基づくさまざまな非接触測定装置、BeamWatchおよびBeamWatch AMで行われた測定は、移動スリット測定から得られる二次モーメントのビーム幅を含むISO 11146の要件をすべて満たしています。報告された3つの結果 (W0x、W0y、x、y、Mx2、およびM²y) のそれぞれの平均からの最大偏差は3.75%未満です。3つの異なるテクノロジーと4つの異なる校正標準を使用してテストされた4つのOphir機器間には優れた一貫性があり、レイリー散乱に基づくBeamWatchがビーム品質を測定するための信頼できるテクノロジーであることが確信できます。レーザービーム伝播特性のISO標準測定にレイリー散乱を使用するという公式の記述は存在しませんが、高出力ファイバーレーザーのユーザーは、非接触ビーム伝播特性測定技術を使用して得られた結果が、他の技術で取得した測定値とよく相関する信頼性の高い結果を提供することを保証できます。高出力レーザーの理解をさらに進めるためのレイリー散乱測定の明らかな互換性に加えて、これらのデバイスには大きな利点があります。

• 非接触の性質のため、この技術で測定できるレーザーには実際的なパワーの上限はありません。
• レイリー散乱は波長の逆二乗に比例するため、1030～1080nmの光源からの散乱を測定することは可能ですが、可視光源とUV光源は利用可能な信号が桁違いに多くなります。
• 可動部品がなく、レーザービームへの直接インターフェースがないため、予防保守が簡素化され、ビームスプリッター光学系の摩耗がありません。
• 測定セットアップが簡単になると、データの完全性が向上し、異なる時間または場所で異なる人が取得したデータの比較可能性が向上します。

レイリー散乱現象のこの新しい応用は、文字通り上限のない高出力ファイバーおよびIRレーザーシステムの集光レーザービームの文書化された性能を保証する機能を提供します。この技術は、ビーム品質測定を簡素化することにより、レーザー溶接、切断、熱処理、アニーリングおよびアディティブマニュファクチャリングシステムの品質と性能の一貫性を簡単かつ経済的に確保できることを約束します。

カメラのベースライン: センサーにエネルギーが当たらないときにカメラが生成する画像。カメラのベースラインには、外部の画像やエネルギーが存在しないときにカメラシステムが生成するノイズが含まれています。

ビームプロファイラー: ビームプロファイラーは、ビーム伝播軸に沿った特定の位置でのレーザービームの断面強度分布を表すレーザービームの画像を取得する測定システムです。ビームプロファイラーは、レーザービームのサイズと位置を測定するために使用されます。レーザービームプロファイラーを使用して、断面エネルギーがどのように分布しているかを判断することもできます。ガウシアン (TEM00)、ドーナツモード (TEM*10)、トップハットモードなどの理想的なビーム分布にどの程度近いかは、一部のビームプロファイラーシステムで測定できます。

苛性: この定義におけるコースティクスは、焦点が合わされたレーザービームのセグメントです。集光ビームコースティクスには、通常、焦点面またはビームの最小直径の両側に多数のレイリー範囲が含まれます。場合によっては、テスト対象のレーザーの伝播特性を測定するためにコースティクスが人工的に作成されることがあります。

レイリー山脈: レイリー範囲は、直径が2の平方根によって変化するビームの長さです。ビームの断面積が2倍になるとも言えます。レイリー範囲 (またはレイリー長) は通常、ビームのウエストから測定されますが、ウエストまたは焦点面からのビームの伝播軸に沿った複数のレイリー長として表現することもできます。

レイリー散乱: レイリー散乱は、放射線の波長よりもはるかに小さい粒子による光またはその他の電磁放射線の散乱です。レイリー散乱は物質の状態を変化させません。粒子は個々の原子または分子である場合があります。

二次モーメントのビーム幅: このドキュメントでは、二次モーメントとD4σは同じ意味で使用されます。それぞれは、σの4倍であるレーザービーム幅の説明を指します。ここで、σは水平または垂直分布の標準偏差です。ISO 11146では、レーザービームの伝播を測定するためにレーザービーム幅の二次モーメントの記述を使用することが求められています。二次モーメントは次のように定義されます。

シングルモードファイバーレーザーシングルモード光ファイバーは通常、コア直径が8～10.5μmで、単一横モードのみがファイバーコアを伝播できるように構成されています。通常、コアは、光がクラッドではなくコアのみを透過するように処理または変更されます。シングルモードファイバーは、単一の光モードのみを伝送する利点に加えて、信号の劣化がほとんどまたはまったくなく、分散も低くなります。

1. alta™ Medium Power Fiber Lasers, http://www.nlight.net/nlightfiles/file/DatasheetsV2/Fiber%20Lasers/alta/alta%20700W.pdf
2. BeamGage User Guide, Standard Edition Version 6.x https://www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/Beam-Profiling/Camera-Profiling-with-BeamGage
3. BeamWatch Standard User Notes, Version 3.0, https://www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/High-Power-Beam-Profiling/BeamWatch
4. BeamWatch AM User Note, Document No. 50394-001 Rev C 07/20/2018, https://www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/High-Power-Beam-Profiling/BeamWatch-AM
5. NanoScan v2 Installation and Operation Manual, https://www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/Scanning-Slit-Beam-Profiling-with-NanoScan
6. How to (Maybe) Measure Laser Beam Quality, Professor A. E. Siegman
7. Edward L. Ginzton Laboratory, Stanford University, Optical Society of America Annual Meeting Long Beach, California, October 1997