図1：実験的に測定されたガウスビーム（左）とシルクハットビーム（右）の強度分布。
ほとんどのレーザービームにはガウス強度分布があります。ただし、一部のアプリケーションでは、非ガウスビームを使用する方が有益かもしれません。ガウスビームには、中心からの距離が増加すると対称的に減少する強度分布断面があります。対照的に、トップハットビームは断面全体に一定の強度分布を維持し、処理中にターゲットに一貫した照射強度を可能にします（図1を参照）。その結果、半導体ウェーハ処理、その他の材料処理、高出力レーザーの非線形周波数変換などのアプリケーションで、より正確で予測可能な結果を達成できます。
トップハットビームは、ガウスビームよりもきれいなカットとより鋭いエッジを生成しますが、シップハットビームを生成すると、システムコストと複雑さが追加されます。トップハットビームの利点とそれらを生成するさまざまな方法を理解することで、レーザーシステムインテグレーターがアプリケーションのタイプに適したタイプのレーザービームを選択するのに役立ちます。
ガウスビームの特性
ガウスレーザーは、他のビームタイプのレーザー源よりも一般的で費用対効果が高い。ほとんどの高品質のシングルモードレーザーは、TEM 00モードとしても知られている低次ガウス放射照度プロファイルに従うビームを発します。より低い品質のソースには、他のレーザーモードがある程度存在しますが、通常、レーザーがシステムモデリングを簡素化するための望ましいガウスプロファイルを持っていると仮定します。
ガウスビームがトップハットビームと同じ平均光出力を持っている場合、ガウスビームのピーク照度は、トップハットビームの2倍になります。ガウスビームは光学システムを通じて伝播するため、ピーク強度またはビームサイズが変化しても、ガウス照度プロファイルの分布を維持します。これは、ガウスビームが伝播するにつれて一定のままであることを意味します。
ガウスビームの問題は何ですか？
ガウスビームには欠点があります。中心のビームの高強度部分を使用するアプリケーションでは、レーザー強度が材料処理、レーザー手術、またはその他のアプリケーションであろうと、レーザー強度がアプリケーションに必要なしきい値よりも高いため、両側のビームの低強度部分（いわゆる「翼」）がしばしば無駄になります。
さらに、ガウスビームの翼は、ターゲットゾーンを越えて領域を損傷する可能性があり、それにより熱に影響を受けるゾーンを拡大する可能性があります。これは、高精度と最小限の熱影響ゾーンが優先されているレーザー手術や精密材料処理などの用途に有害です。その結果、ガウスビームで処理された材料は特に滑らかなエッジを持たないため、システムの精度が低下します。
なぜシルクハットビームを使用するのですか？
ガウスビームと比較して、シルクハットビームプロファイルには翼のあるセクションがなく、より急なエッジ遷移があり、より効率的な強度伝達とより小さな熱罹患ゾーンをもたらします。 [2]トップハットビームでのエッチング、溶接、または切断は、より正確で、周囲のエリアへの損害が少なくなります。
写真。
トップハットビームのこの主な利点により、さまざまな状況に適しています。レーザー誘発ダメージの閾値（LIDT）テストおよびその他のメトロロジーシステムでは、トップハットビームの均一な強度分布が測定の不確実性と統計的分散を最小限に抑えます。シルクハットビームは、蛍光顕微鏡、ホログラフィ、干渉系システムでも有利です。
実際のレーザービームが完全なトップハットビームに近いかどうかを評価する1つの方法は、ISO 13694標準で説明されているように、平均放射照度値をビームの最大放射照度値で除算することによって計算されるフラットネス係数（Fη）を分析することです。
トップハットビームの欠点は何ですか？
トップハットビームは、すべてのアプリケーションに適していません。ガウスビームをトップハットビームに形作るために追加のビーム型コンポーネントが必要であるため、ガウスビームほど費用対効果が高くありません。このコンポーネントは、レーザーソースに直接構築するか、レーザー外のシステムで使用できます。これらのビーム型コンポーネントは、入力ビームのサイズに依存し、XY平面アライメントに敏感です。さらに、ガウスビームとは異なり、トップハットビームは伝播中に一定のままではありません。これは、インシデントのトップハットビームがシステムを移動する際にトップハットの形状を維持しないことを意味し、最終的には風通しの良いスポット分布に似て進化します。
トップハットビームはどのように実現しますか？
トップハットビームが望ましいが、システムコストが非常に限られており、パフォーマンスを非常に高くする必要がない場合、ガウスビームは小さな開口部を使用して物理的に切り捨てられ、擬似トップハットプロファイルを作成できます。この方法は遮断され、ガウスビームの両方の翼からエネルギーを浪費し、ビームの中心に強度分布を均一にしません。この方法は、低コストを維持することが主要な要因である場合に役立つ場合があります。
レーザーエネルギーを効率的に使用する必要がある高性能システムの場合、ビーム型コンポーネントを使用して、ガウスビームをトップハットビームに形作ることができます。屈折、反射性、ホログラフィック、および回折デバイスなど、いくつかの異なるタイプのビーム型コンポーネントがあります。屈折ビーム型装置は、フィールドマップされた非球面または自由形式のレンズおよびその他の屈折率を使用して、ビームの位相を調節します（図2を参照）。利点は、均一な強度分布とフラットフェーズの前面です。入射ビームの振幅と位相は、ガリラヤまたはケプラーのレンズアセンブリの光学要素によって変調されます。このプロセスは通常、デバイス設計の範囲で非常に効率的（96％を超える）および波長が独立しています。屈折ビームシェイパーは、ホログラフィックイメージングや顕微鏡システムなど、長距離で動作するアプリケーションに特に適したコリメートされたトップハットビームを生成します。
図2：波面異常や省エネルギー保存条件などの動作原理に基づいて、エドマンド光学のアドロプティックスのアドロプティカシェーパートップハットビームシェーパーを使用して、ガウスビームをトップハットビームに形作ります。
ガウスビームを準ストレートエアリースポットに形作る他のタイプの屈折ビームシェイパー。これの利点は、回折制限されたレンズセットに焦点を合わせたときに風通しの良い場所が、トップハットプロファイルを備えたフォーカスポイントを形成することです。マイクロマシン、リソグラフィ、マイクロウェルディングなどの多くのアプリケーションでは、焦点を合わせるにはトップハットプロファイルが必要です。
一方、回折ビームシェイパーは、屈折ではなく回折を利用して、入射レーザービームの強度分布を変化させます。特定のマイクロ構造とナノ構造は、回折要素を形成するためにエッチングプロセスを使用して基板上に調製されます。回折要素の効果と波長範囲は、通常、構造の高さと領域間隔に依存します。したがって、パフォーマンスエラーを回避するために、設計された波長範囲内で回折光学要素を使用する必要があります。
回折ビームシェイパーは、屈折ビームシェイパーよりも発散角、アライメント、ビーム位置に対してより敏感です。ただし、回折ビームシェイパーは、通常、複数の屈折レンズの代わりに単一の回折要素で構成されており、トップハットビームと風通しの良いスポットの両方を形成できるため、空間制約のあるレーザーシステムで特に利点があります。
レーザービームインテグレーター、またはホモジナイザーは、別のタイプのビームシェーピングコンポーネントです。それらは、入射光を小さなビームに分離する小さなレンズの配列で構成されています。フォーカスレンズは、小さなビームをターゲットプレーンに重ねます。最終出力ビームは、アレイ内の各小さなレンズによって生成される回折パターンの合計です。インシデントガウスビームを均一なシルクハットプロファイルに形作ることができます。ただし、これらのシステムはしばしばランダムな放射照度の変動に遭遇し、完全に強度の均一ではない出力ビームプロファイルをもたらします。表1は、さまざまなビームシェイパーを比較しています。
トップハットビームは、精度と効率がコストよりも重要なさまざまなレーザーシステムに適しています。屈折率、回折、および現在市場に出回っている他の種類のビームシェイパーを使用して、レーザーシステムインテグレーターには、ビームシェーパーを選択する際にさまざまな選択肢があります。
