ビーム減衰: ビームプロファイリング成功の鍵

Derrick Peterman, PhD

ビームプロファイリングは、レーザービームのサイズ、形状、品質、焦点位置を特徴付けます。アプリケーションのパワーが数ミリワットであろうと数キロワットであろうと、ビームプロファイリングは光学設計のテスト、レーザー性能の検証、またはレーザーシステムの性能の監視に使用されます。

ほとんどのビームプロファイリング機器で使用されるセンサーは非常に感度が高く、最小パワーのレーザーの放射照度よりもはるかに低い、1cm²あたり約1マイクロワットのパワーレベルで飽和します。したがって、ビームプロファイリングでは、ビームを分析できるようにパワーレベルを慎重に減衰させることが重要です。鋼板を切断するように設計されたレーザーは、ビームパワーが減衰しなければビームプロファイラーを問題なく切断できるため、これは非常に重要です。

良いニュースは、ビームプロファイルの完全性を維持しながらビームパワーを必要なレベルまで低減する信頼できる方法があることです。必要なのは、関連する光学系についてのある程度の理解と、基本的な計算です。

減光フィルターは、プロファイリング用途でビームを減衰するために一般的に使用されます。しかし、十分に高いパワーでは、サーマルレンズが発生し、ビームプロファイルが歪む可能性があります。サーマルレンズは、吸収性減光フィルターの局所的な加熱によって材料の局所的な屈折率が変化するときに発生します。温度による屈折率の変化によりサーマルレンズが形成され、ビームが実際のサイズよりも大きく見えるようになります。この効果は、単位面積あたりのビームパワーが5W/cm²以上の場合に発生します。

サーマルレンズを回避するには、吸収型アッテネーターではなく反射型アッテネーターを使用する必要があります。一般的な反射アッテネーターには、ビームスプリッターが含まれるか、または前面から4%反射するウェッジ光学素子からの前面反射が使用されます。反射率の低下は、反射防止コーティングにより実現されます。プロファイルの完全性を維持するには、反射ビーム減衰スキームにレーザーグレードの光学部品を使用する必要があります。

前面の反射を使用してビームを減衰する場合、通常は2つの反射光学部品が使用され、ビームの偏光を維持するためにビームが反対の直角で表面に当たるように取り付けられます。サーマルレンズが問題でなくなるポイントまでビームパワーが低減されると、吸収性減光フィルターが光ビーム経路のさらに下で使用され、ビームパワーがさらに低減されます。

532nmで2Wのパワーで100ミクロンのビームをプロファイリングしたいとします。ビームがガウシアンであると仮定すると、ビームの放射照度は1x104W/cm²です。センサーの飽和を防ぐには、ビームを10桁減衰させる必要があります。さらに、ビームパワーはサーマルレンズの限界をはるかに超えているため、反射ビーム減衰方式により、吸収性減光フィルターが使用できるレベルまでビームパワーを低減する必要があります。

Ophirは、反射減衰光学系と吸収減衰光学系を備えた可変ビーム減衰を提供するコンパクトなLBS-300シリーズのビームアッテネーターを開発し、お客様がさまざまなプロファイリングアプリケーションで信頼性の高いビームプロファイルを取得できるようにサポートします。

Ophir® LBS-300sは、小さなビーム径と幅広いパワーに対応するコンパクトでポータブルなレーザービームスプリッターです。LBS-300sは、直径15mmまで、パワー10mW～400Wのレーザービームを測定します。短い作動距離で焦点スポットを見つけることができるように、入力面からカメラアレイまでの距離が短くなるように設計されています。このため、LBS-300は、微細加工、微細溶接、医療機器の製造などの密閉型ワークステーションに最適です。詳細については、LBS-300sをご参照ください。

高出力NIRレーザー用のOphir® LBS-300HP-NIRビーム スプリッターは、5kWで最大15MW/cm²という極めて高いパワー密度の減衰を実現できるコンパクトなデバイスです。入射近赤外ビームの反射率は0.0001%未満ですが、99.9999%は透過します。これにより、ビーム形状、焦点スポット、ビームウェスト、および全体のパワーの測定が可能になります。特許出願中のLBS-300HP-NIRビームスプリッターは、さまざまな高出力軍用レーザーのオンラインビームプロファイリングや、産業材料の加工や研究開発におけるNd:YAGアプリケーションに最適です。詳細については、LBS-300HP-NIRをご参照ください。