ファイバーレーザー用途の光学
ファイバーレーザーは、Nd：YAGレーザーが高価すぎるか、望ましくないビーム特性（たとえば、M2値が大きい）を持つ加工および研究のニッチを見つけました。 ファイバーレーザーのユーザーは、既存の光学部品の供給の互換性や、新しい光学部品の指定方法に関心があるかもしれません。 この記事では、このような懸念事項に対処し、特に注意して指定すべき特性を強調しています。
ファイバーレーザーは、ドリル、溶接、箔切断、レーザーマーキング、精密な微細加工など、さまざまな用途で活用されています。 また、研究者は、フットプリントが小さく、M2値が低いため、ソースとして非常に有用であると考えています。 ファイバーレーザーの成功は、同じ波長範囲の他のソースからは利用できないビーム特性の独自の組み合わせに基づいています：オプションのCWまたはパルス動作、偏光制御（ランダム、線形または円形）、狭いスペクトル帯域幅、および1に近いTEM00 M2値Nd：YAGレーザーに対するM2のこのような改善により、大幅に高い出力密度を実現できます。 より厳密に焦点を合わせたビームが可能になり、マーキング用のよりシャープな画像と、マイクロマシニング用のより細かいカットが得られます。 製造作業距離も長くすることができます。 したがって、市場では、ファイバーレーザーアプリケーション用に設計された専用の光学コンポーネントの需要が高まることが予想されます。
1ビーム品質の影響
コンポーネントの選択プロセスは、ファイバーレーザーで達成可能な高出力密度の影響を大きく受けます。 ファイバーレーザーの光キャビティは、モードの数を最小限に抑えるように設計できるファイバーコアであるため、メーカーはM2 = 1.05のレーザーを商業的に生産できます。 M2は、レーザービームのマルチモード直径発散積と理想的な回折限界（TEM00）ビーム直径発散積との比です。
ここで、Θ0はミリラジアン単位のビーム発散で、w0は出力ビームウエストの幅です（ビームが円形の場合、w0はビーム直径d0で置き換えることができます）。 または、達成可能な焦点径d0の場合：
図1は、式（2）で使用されるパラメーターを示しています。 ファイバーレーザーメーカーは、通常、直径5mm〜20mm（D0）のコリメート出力のビームデリバリーヘッドを提供しています。 計算により、19mmの焦点距離のレンズで10μmの理論上の焦点スポット径d0を達成できることが示されています。 したがって、1075nmの50Wファイバーレーザーの場合、集束ビームは非常に高い光パワー密度を実現します。
さらに多くの組み合わせを表1に示します。ビームステアリング光学系が完全に焦点を合わせたスポットを見ることはないかもしれませんが、設計エンジニアが考慮したい安全係数があります。 これらの高い回折限界パワー密度は、アライメント中に光学素子に衝突する可能性があります。
低エネルギーパルスファイバーレーザーおよびミッドレンジCWレーザー（平均出力1〜5 W）の場合、Schott chott.deのN-BK7ガラスは、エネルギーが反射および透過光学の両方に適した安価な基板材料です。光学表面で<50mw> N-BK7は、可視および近赤外で高い均一性と高い透過率を備えたホウケイ酸クラウン光学ガラスです。 窓、レンズ、部分反射板に反射防止（AR）コーティングを使用して、コンポーネント全体の透過率を高めることができます。 これらのエネルギーでは、狭帯域（「V」コート）ARコーティングまたは多層広帯域ARコーティングのいずれかを使用して、表面あたりの反射率を単一波長で約4％から<><>
狭帯域「V」コートは、波長の狭帯域で理論的な最小反射率を実現する多層（通常は2層）誘電体反射防止コーティングです。 反射率はこの最小値の両側で急激に上昇し、反射率と波長のグラフで「V」字型になります。 米国の製造業者は通常、このコーティングをブロードバンドAR製品と区別するために「Vコート」または「レーザーライン」という用語を使用しています。
1-5Wファイバーレーザーで使用する別の材料オプションは、SchottのN-SF11ガラスで、1060 nmでの屈折率n = 1.754で、N-BK7（1.507）よりも高くなっています。 これにより、アプリケーションに短い焦点距離のレンズが必要な場合に柔軟性が得られます。 N-SF11とN-BK7は両方とも8×10-6 /°Cの範囲の熱膨張係数を持っているため、熱安定性が重要な場合、溶融シリカが基板材料の好ましい選択です。 溶融シリカの熱膨張係数はわずか0.57×10-6 /°Cであり、他の光学材料よりも1桁安定です。 ファイバーレーザーメーカーは、50Wを超えるファイバーレーザー出力で使用するために、透過型光学系にフューズドシリカを推奨しています。 たとえば、Southampton Photonics、Inc.（pioptics.com）では、レーザー損傷のしきい値が非常に高いため、ファイバーレーザーアプリケーションにはフューズドシリカを使用することを強く推奨しています。 500-2000nmのN-BK7と同様の透過特性を持ちますが、熱的安定性が高く、パルスシステムとCWシステムの両方でより高い損傷閾値制限があります。 IPG Photonics pgphotonics.com）は、1kW以上の定格のファイバーレーザー用にIRグレードの溶融シリカを推奨しています。 繰り返しになりますが、ARコーティングは表面反射を低減するために使用できますが、より高いエネルギーを得るには、最大1MW / cm2以上に耐える多層「V」コーティングARコーティングのみを使用するのが最善です。
2枚のレンズ
光学トラップのイメージングなどの特定のアプリケーションでは、ビーム経路全体で画像品質を維持することが重要です。 フューズドシリカまたはN-BK7材料のシングルレットレンズは、単純なビームステアリングアプリケーションに適していますが、透過波面誤差を最小限に抑えるために、ダブレットまたはトリプレットアプラナティックレンズの方が適している場合があります。 これらのレンズは、球面収差とコマ収差と呼ばれる2つの単色波面誤差を最小限に抑えるように設計されています。 球面収差は軸対称であり、レンズの外側のゾーンを通過するコリメートされた光線が、中央のゾーンを通過する光線とは異なる距離でレンズから焦点を結ぶときに発生します。 コマは軸外の非対称波面歪みであり、主軸からの画角または距離に比例して増加します。 組み合わせて、これらの収差は、レンズを通過する透過波面を歪ませ、焦点を不規則な形状にしたり、ぼやけたりします。
ダブレットおよびトリプレットレンズの設計では、特定の設計基準に応じて、前述の基板材料またはその他の材料を利用できます。 それらは単一の波長に対して最適化されており、通常はガラス表面間のセメントによって生じる追加の波面歪みを最小限に抑えるためにエアスペースが設けられています。 また、要素の間隔を空けることで、隣接するサーフェスの曲率を一致させる必要がないため、設計の柔軟性が向上します。 代わりに、レンズアセンブリ全体でコマ収差と球面収差を最小限に抑えるために、4〜6面のそれぞれを個別に最適化できます。 全体の損傷閾値とコンポーネントの寿命を最大化するために、接合レンズアセンブリは避けてください。
3狭いスペクトル帯域幅
ファイバーレーザーの波長範囲は、製造元のポンピングアーキテクチャとアクティブファイバーレーザーキャビティで使用されるドーパントによって決まります。 典型的な波長範囲は次のとおりです。エルビウムドーピングの場合は780-800nm、
イッテルビウムは1030-1120nm、エルビウム-イッテルビウムは1530-1600nm、ツリウムは1800-2100nmです。 ファイバーレーザーの帯域幅は、通常、ファイバーブラッググレーティングによって定義されます。 ファイバーレーザーメーカーは、エンドユーザーが特定の波長を選択できる範囲を指定します。 各レーザーの実際の帯域幅は1〜2nmです。 これは、狭帯域幅でのみ適切に機能する高次波長板などのコンポーネントを選択する際に重要な詳細になる可能性があります。
4偏光光学
帯域幅とエネルギー密度は、さまざまな偏光子と波長板を選択する際に知っておくべき最も重要なビーム特性です。 ポリマー直線偏光子は、1W / cm2を超えるエネルギーでの使用を意図していません。 セメントキューブ偏光子は、狭帯域設計と広帯域設計の両方で使用できますが、損傷のしきい値は内部エポキシによって制限されます。 いくつかの光学セメントは、500W / cm2のレーザー出力密度に耐えることができると報告されていますが、ファイバーレーザーメーカーは、定格50Wを超えるファイバーレーザーの場合、接合光学部品の使用を避けることを推奨しています。 このレベルを超えると、通常は1 MW / cm2を超えるCWレーザー光を処理できる、エアスペース型または光学的に接触した偏光キューブデザインに切り替える必要があります。
厚さが1mmに近い多次数の水晶水晶波長板の場合、波長の2nmの変動により、優れた波長板と許容できない部分の違いが生じる可能性があります。 1082nm用に設計された厚さ1mmのλ/ 4波長板は、実際には1084nmで0.23λ波長板、つまりλ/ 50オフになります。 あるいは、同じ2つの波長用に設計された複合ゼロ次波長板は、2つの間のリターデーションを<λ> ゼロ次波長板は、設計波長から±40〜70 nmで非常に良好に機能し、調整可能なレーザーシステムおよび> 1 nmのレーザーライン帯域幅を備えたシステムに最適です（図3を参照）。
5つの鏡
他のレーザーラインの標準コンポーネント（既存のコーティング設計）は、最適なパフォーマンスを得るために、新しいファイバーレーザーの波長とパワーに十分に一致しない場合があります。 非常に低エネルギーのシステムでは、金、アルミニウム、銀などの保護された金属ミラーコーティングが、100％の反射率を必要としない特定の用途に適した選択肢になる場合があります。 それらは容易に入手でき、安価です。 ただし、保護層があっても、金属コーティングは柔らかく、適切に処理しないと、最終的に傷が付いたり腐食したりします。 あるいは、多層誘電体ミラーはハードコートされており、耐久性があり、法線入射または45°のいずれかで反射率が高くなります（図4を参照）。 10〜20nsのパルスシステムで20J / cm2を超える損傷しきい値があるため、パルスまたはCWファイバーレーザーのセットアップで使用しても、劣化したり損傷したりすることはありません。 特に広帯域ではありませんが、1064nm Nd：YAGシステム用に設計された誘電体標準ミラーは、1075nmまたは1080nmで> 99％を反射します。
6結論
CVIは、ファイバーレーザーシステムで使用するために特別に設計された新しいラインのミラーを導入しました。 さらに、CVIは、波長板、レンズ、窓などの透過型光学部品用のARコーティング、ビームスプリッター、部分反射器、出力カプラー、ミラー用の反射コーティングなど、既存の製品ラインに最も一般的なファイバーレーザー波長を追加しました。
ファイバーレーザーメーカーは、技術の限界を押し広げ、商業的に利用可能なCW出力とパルスエネルギーを増やしています。 高いエネルギーと相まって優れたビーム品質は、これらのシステムで使用される光学部品にますます要求を課します。 これらのコンポーネントの主要な仕様には、基板材料、損傷閾値、および表面品質が含まれます。
