導入
レーザー ビームのコリメーションは、多くの分析方法の基本的な側面であり、連続波 (CW) レーザーが励起源としてよく使用されます。蛍光、ラマン散乱、吸収、レイリー散乱などの技術では、レーザーを使用して分子にエネルギーを伝達し、励起またはエネルギー抽出を引き起こします。レーザーの種類の選択は、ビームの強度の焦点合わせと均一性に影響を与えるため、非常に重要です。高解像度と均一な照明要件を満たすには、特定の種類の CW レーザーが不可欠です。
分析用途向け CW レーザーの種類
CW レーザーはタイプと構造が多様で、可視光線と近赤外線 (NIR) スペクトルのさまざまな用途に合わせて調整されています。主なタイプは、ダイオード レーザーとダイオード ポンプ固体 (DPSS) レーザーの 2 つです。ダイオード レーザーはよりコンパクトで経済的ですが、DPSS レーザーは多くの場合、より高いビーム品質を実現します。各タイプは、自由空間、シングルモード ファイバー (SMF)、マルチモード ファイバー (MMF)、偏波保持ファイバー (PMF) などのさまざまなモジュールで構成できます。次の表は、ダイオード レーザーと DPSS レーザーのコリメーション技術の特徴を比較したものです。
CWレーザー空間モード
CW レーザーは、シングル空間モード (SM) またはマルチ空間モード (MM) のいずれかで動作します。これらは、「横方向」または「ビーム モード」とも呼ばれます。これらのモードはビーム プロファイルに影響し、フォーカス性とビーム品質を決定する上で重要です。レーザーは、多くの場合、意図するアプリケーションに基づいて選択されます。SM レーザーは一般に優れたビーム品質とフォーカス性を提供し、MM レーザーはより高い出力を提供します。
レーザービームのコリメーション方法
ビームのコリメーションでは、レーザー出力を調整して発散を最小限に抑えます。これは、発散が 2 mrad 未満でなければならない顕微鏡検査や分光検査では特に重要です。たとえば、短共振器ダイオード レーザーは、コリメーションを必要とする高度に発散したビームを生成します。最も単純なアプローチは、単一の非球面レンズを使用して発散を減らすことですが、ビーム サイズをより正確に制御するために、望遠鏡とも呼ばれる 2 つのレンズ システムなどのより複雑な構成が使用されることがよくあります。
レーザー ビームをコリメートする最も簡単な方法は、単一の非球面レンズを使用することです。レンズの焦点距離はコリメート後のビーム径に直接影響し、焦点距離が長いほどビーム径が大きくなります。この方法は簡単なため広く使用されていますが、適切に調整されていない場合は収差が生じる可能性があります。
2レンズシステム
2 レンズ システム (望遠鏡) は、負レンズ 1 枚と正レンズ 1 枚を使用してビームを平行にし、拡大または縮小します。この設定は、ビーム半径の微調整が必要な用途に適しており、ダイオード レーザー ビームのビーム品質を改善し、非点収差を減らすのに特に役立ちます。
ビーム品質と測定
レーザー ビームの品質は、ビーム品質係数 M² を使用して評価されることが多く、これはビームがガウス プロファイルにどれだけ近いかを測定するものです。M² 値が 1 の場合、理想的なガウス ビームであることを示し、値が高いほど偏差があることを示します。低出力 DPSS レーザーは、通常、M² 係数が低くてもビーム品質は高くなりますが、高出力 DPSS レーザーとダイオード レーザーは、熱の影響によりビーム品質が低下する傾向があります。
楕円形レーザービームの円形化
ダイオード レーザーは、一般的に楕円形の断面を持つビームを放射するため、特定の用途ではビームを円形にするための追加手順が必要です。1 つのアプローチでは、2 つの直交する円筒レンズを使用して異なる軸に沿った発散に対処し、より円形に近いビーム プロファイルを実現します。別の手法では、アナモルフィック プリズムを使用します。これは、1 つの軸を拡大または縮小することでビームの形状を調整します。表に示すように、各方法には長所と限界があります。
指向安定性とビームプロファイルの均一性
高精度が求められるアプリケーションでは、ビーム指向の安定性が不可欠です。機械的な振動やコンポーネントの熱膨張などの要因により、ビームが変動することがあります。指向の不安定性を最小限に抑えるには、光学要素の慎重な調整と加熱されたコンポーネントの温度制御が重要です。
ダイオード レーザーは、近距離ではビーム プロファイルが劣る場合もありますが、長距離では優れた集束性を実現できます。厳密なテストにより、レーザー ビームは焦点の近くで均一性が向上し、より円形になることが実証されており、高い集束性が求められる用途での使用に適しています。
最後に
レーザーのコリメーション技術は、レーザーの種類とアプリケーションの要件によって大きく異なります。ダイオード レーザーは多くの用途でコスト効率の高いソリューションを提供しますが、最適なビーム品質を得るために追加のコンポーネントが必要になる場合があります。DPSS レーザーはより高価ですが、優れたビーム品質とフォーカス性を提供します。Integrated Optics は、高需要のアプリケーション向けにファイバー結合ソリューションを備えたさまざまなコリメーション オプションを提供します。最終的には、ダイオード レーザーと DPSS レーザーのどちらを選択するかは、ビーム品質、フォーカス性、予算の制約などの要素を考慮する必要があります。
