材料加工、レーザー手術、リモートセンシングなど、さまざまな用途向けに一般的なレーザー システムが幅広く存在しますが、多くのレーザー システムは共通の重要なパラメーターを共有しています。 これらのパラメータに共通の用語を確立すると、コミュニケーションの誤りが防止され、それらを理解することで、アプリケーション要件を満たすレーザー システムとコンポーネントの適切な仕様が可能になります。
図 1: 一般的なレーザー材料加工システムの概略図。レーザー システムの 10 個の主要なパラメーターはそれぞれ対応する数字で表されます。
基本パラメータ
以下の基本パラメータは、レーザー システムの最も基本的な概念であり、より高度な点を理解するために不可欠です。
1: 波長 (代表的な単位: nm ～ µm)
レーザーの波長は、放射される光波の空間周波数を表します。 特定の使用例に最適な波長は、アプリケーションに大きく依存します。 材料が異なると、材料処理時に固有の波長依存の吸収特性があり、その結果、材料との相互作用が異なります。 同様に、大気の吸収と干渉は、リモートセンシングでは特定の波長に異なる影響を与え、医療レーザー用途では、さまざまな複合体が特定の波長を異なる方法で吸収します。 波長が短いレーザーとレーザー光学系は、焦点が小さいため、周囲の加熱を最小限に抑えながら、小さくて正確な形状の作成を容易にします。 ただし、通常、長波長レーザーよりも高価であり、損傷しやすいです。
2: 電力とエネルギー (一般的な単位: W または J)
レーザーのパワーはワット (W) で測定され、連続波 (CW) レーザーの光パワー出力またはパルスレーザーの平均パワーを特徴付けるために使用されます。 パルス レーザーは、パルス エネルギーによっても特徴付けられます。パルス エネルギーは、平均パワーに比例し、レーザーの繰り返し率に反比例します (図 2)。 エネルギーはジュール (J) で測定されます。
図 2: パルスレーザーのパルスエネルギー、繰り返し率、平均パワーの関係を視覚的に表現
高出力および高エネルギーのレーザーは通常、より高価であり、より多くの廃熱を発生します。 出力とエネルギーが増加すると、ハイビームの品質を維持することも難しくなります。
3: パルス持続時間 (一般的な単位: fs から ms)
レーザーのパルス持続時間またはパルス幅は、通常、時間に対するレーザー光のパワーの半値全幅 (FWHM) として定義されます (図 3)。 超高速レーザーは、精密材料加工や医療用レーザーなどの幅広い用途で多くの利点をもたらし、約ピコ秒 (10-12 秒) からアト秒 (10-18 秒) までの短いパルス持続時間を特徴としています。
図 3: 繰り返し周波数の逆数によって時間的に分離されたパルス レーザー パルス
4: 繰り返し率 (一般的な単位: Hz ～ MHz)
パルスレーザーの繰り返し率またはパルス繰り返し周波数は、1 秒あたりに放出されるパルスの数、または時間の逆数パルス間隔を表します (図 3)。 前述したように、繰り返し率はパルスエネルギーに反比例し、平均パワーに正比例します。 繰り返し率は通常、レーザー利得媒体に依存しますが、多くの場合、変動する可能性があります。 繰り返し率が高くなると、レーザー光学系の表面および最終焦点での熱緩和時間が短くなり、材料の加熱が速くなります。
5: コヒーレンス長 (一般的な単位: ミリメートルからメートル)
レーザーはコヒーレントです。これは、異なる時間または場所での電場の位相値の間に一定の関係があることを意味します。 これは、他のほとんどの種類の光源とは異なり、レーザーは励起放出によって生成されるためです。 コヒーレンスは伝播プロセス全体を通じて劣化し、レーザーのコヒーレンス長は、レーザーの時間的コヒーレンスが一定の品質に維持される距離を定義します。
6: 偏光
偏光は光波の電場の方向を定義し、常に伝播方向に対して垂直になります。 ほとんどの場合、レーザーは直線偏光になります。つまり、放出される電場は常に同じ方向を指します。 偏光していない光は、さまざまな方向を向く電場を持ちます。 偏光度は通常、2 つの直交する偏光状態における光の焦点距離の比、たとえば 100:1 または 500:1 として表されます。
ビームパラメータ
次のパラメータは、レーザー ビームの形状と品質を特徴付けます。
7: ビーム直径 (一般的な単位: mm ～ cm)
レーザーのビーム直径は、ビームの横方向の広がり、または伝播方向に垂直な物理的寸法を特徴付けます。 通常、1/e2 幅として定義され、1/e2 (≈ 13.5%) でのビーム強度によって到達されます。 1/e2 点では、電界強度は 1/e (約 37%) に低下します。 ビーム直径が大きくなると、ビームの切断を避けるために光学系とシステム全体を大きくする必要があり、コストが増加します。 ただし、ビーム直径が小さくなると出力/エネルギー密度が増加し、これが有害になる可能性もあります。
8: 電力またはエネルギー密度 (一般的な単位: W/cm2 ～ MW/cm2 または µJ/cm2 ～ J/cm2)
ビーム直径は、レーザービームのパワー/エネルギー密度、または単位面積あたりの光パワー/エネルギーに関係します。 ビーム直径が大きくなるほど、一定のパワーまたはエネルギーを持つビームのパワー/エネルギー密度は低くなります。 システムの最終出力 (レーザー切断や溶接など) では、多くの場合、高い出力/エネルギー密度が望ましいですが、システム内では、レーザー誘発損傷を防ぐためには、低い出力/エネルギー密度が有益です。 これにより、ビームの高出力/エネルギー密度領域における空気のイオン化も防止されます。 これらの理由から、とりわけ、直径を大きくし、それによってレーザーシステム内の出力/エネルギー密度を下げるためにレーザービームエキスパンダーがよく使用されます。 ただし、ビームがシステムの開口部から隠れてエネルギーが無駄になり、損傷が生じる可能性があるほどビームを拡大しないように注意する必要があります。
9: ビームプロファイル
レーザーのビーム プロファイルは、ビーム断面内の分布強度を表します。 一般的なビーム プロファイルにはガウス ビームとフラットトップ ビームが含まれ、そのビーム プロファイルはそれぞれガウス関数とフラットトップ関数に従います (図 4)。 ただし、レーザー内部には常に一定数のホット スポットや変動が存在するため、固有関数と正確に一致するビーム プロファイルを備えた完全にガウス ビームまたは完全にフラット トップ ビームを生成できるレーザーはありません。 レーザーの実際のビーム プロファイルと理想的なビーム プロファイルの差は、通常、レーザーの M2 係数を含む測定基準によって説明されます。
図 4: 同じ平均パワーまたは強度を持つガウス ビームとフラットトップ ビームのビーム プロファイルを比較すると、ガウス ビームのピーク強度がフラットトップ ビームの 2 倍であることがわかります。
10: ダイバージェンス (代表的な単位: mrad)
レーザービームは通常コリメートされていると考えられていますが、常に一定量の発散を含んでいます。これは、レーザーのビームウエストからの距離が離れるにつれて回折によってビームが発散する度合いを表します。 物体がレーザー システムから数百メートル離れている可能性がある LIDAR システムなど、動作距離が長いアプリケーションでは、発散が特に重要な問題になります。 ビーム発散は通常レーザーの半角によって定義され、ガウス ビームの発散 (θ) は次のように定義されます。
写真。
λ はレーザーの波長、w0 はレーザーのビームウェストです。
最終的なシステムパラメータ
これらの最終パラメータは、出力時のレーザー システムのパフォーマンスを表します。
11: スポットサイズ (代表的な単位: µm)
集束されたレーザー ビームのスポット サイズは、集束レンズ システムの焦点におけるビーム直径を表します。 材料処理や医療手術などの多くの用途では、スポット サイズを最小限に抑えることが目標となります。 これにより電力密度が最大化され、非常に微細な形状の作成が可能になります。 非球面レンズは、球面収差を最小限に抑え、より小さな焦点サイズを生成するために、従来の球面レンズの代わりによく使用されます。 一部のタイプのレーザー システムでは、最終的にレーザーの焦点をスポットに合わせることはできません。その場合、このパラメーターは適用されません。
12: 作動距離 (一般的な単位: μm ～ m)
レーザー システムの作動距離は、通常、最終光学要素 (通常は集束レンズ) からレーザーが集束する物体または表面までの物理的な距離として定義されます。 医療用レーザーなどの特定のアプリケーションは通常、作動距離を最小限に抑えることを目指しますが、リモート センシングなどの他のアプリケーションは通常、作動距離の範囲を最大化することを目指します。
