レーザビームシステムの設計を理解する：ビームサイズとクリアアパーチャ
システムを構築する際には、レーザ走査技術を活用したレーザビームシステムの設計を理解することが重要です。 より具体的には、レーザ走査装置とレーザを適切に組み合わせることが不可欠です。 セットアップの際、レーザ走査装置のクリアアパーチャとレーザビームサイズを正確に合わせることが極めて重要です。 これにより、レーザビームサイズとクリアアパーチャのどちらを重視すべきかという疑問が生じることがよくあります。 このブログ記事では、この問題について詳しく解説するとともに、適切な計算方法についても解説します。
レーザビームシステムのセットアップ
レーザーおよびレーザ走査システムのセットアップに関しては、多くの誤解が存在します。最も一般的な誤解は、クリアアパーチャの値がレーザビームの最大許容サイズと 等しくなければならないというものです。 光学素子には「クリアアパーチャ」と呼ばれるパラメータがあり、このアパーチャ内での光学性能が厳密に定義されています。クリアアパーチャ外の光学性能は未規定です。この境界を大きく超えて光が照射されると、出力の損失が生じるだけでなく、光学素子に次のような影響が及ぶことになります：
- 過度な発熱による光学素子の変形
- 温度に伴う屈折率の変化（透過型光学部品のみ）
- コーティングと基板間の剥離
- システムの他の部品を損傷させる可能性のある迷光
ビームサイズとクリアアパーチャの関係：ガウス分布
通常、レーザはガウス分布を持つ円形のビームを放射します。ビーム整形技術を適用することで、ガウス分布を均一分布（トップハット）に変換し、出力ビームを正方形や長方形などに整形することができます。均一分布におけるビームサイズは単純明快です（下図参照）。 一方、ガウス分布のビーム径の測定はより主観的であり、採用される測定方法に大きく依存します。ガウスビームサイズを表記するために用いられる基準には、D4σ、10/90または20/80ナイフエッジ、1/e2、FWHM、D86などがあります。 中でも、1/e²とFWHM（半値全幅）が最も一般的に使用されています。レーザビームのプロファイルとビームサイズを理解することは重要です。実際、同じレーザビームであっても、その定義1によってビームサイズは異なります。
異なるビームサイズ
同じクリアアパーチャを異なるビームサイズに適用するとどうなるでしょうか？下の図に示す通り、その答えは極めて単純です。レーザビームがクリアアパーチャからはみ出すと、ビームの外周部分が切り取られてしまいます。そこで次の疑問が生じます。特定のクリアアパーチャに対して、どのようなビーム径を適用すべきでしょうか？
数式をもう少し深く掘り下げ、ビームサイズが1/e² で定義されるTypical ガウスビームを例として 考えると、ビームのクリッピングによる出力損失を 1% 未満に抑えることができます。以下の式を参照してください：
したがって、開口部への入射ビーム径は次のようになります：
また、同じ計算を用いて電力損失を10％未満に抑える場合、有効開口径は1/e²のビームサイズよりも少なくとも1.07倍大きくなければなりません。 電力損失を5%未満に抑える場合は1.22、0.1%未満に抑える場合は1.86である必要があります。 重要な点として、1/e²で定義されるレーザビームサイズは FWHM で定義される直径の約 1.7倍であるため、上記の例から適切なレーザビームサイズとクリアアパーチャの比率を算出することができます。 ここでは、例としてガウスビームを使用する場合のFWHMにおけるビームサイズを定義します。ビームクリッピングによる電力損失を1%未満に抑えるためには、クリアアパーチャは以下の通りである必要があります：
レーザビームサイズの重要性
もう1つ明確にしておくべき点は、入力レーザビームサイズをクリアアパーチャと完全に同一にすべきだという、Typicalな誤解です。同じ式を適用し、ビームサイズが1/e²で定義されると仮定すると、出力の13.5%がクリッピングされるリスクがあります。 ミラーから漏れ落ちる光の量は、前述のように発熱、層間剥離、コーティングの焼損、光の散乱を引き起こすだけでなく、スキャンヘッド筐体内の内部部品に蓄積されたり、DFMレンズ保持リング（接着剤付き）やDFMレンズホルダーに吸収されたりする点に注意することが極めて重要です。 いずれの場合も、これは組み込み時に現行のシステムに重大な損傷を与える原因となり、ハイパワーレーザを使用する際には特に重要です。 最後に重要な点として、上記の計算は完璧なアライメントを前提としています。実際にアライメントエラーがある場合は、ある程度の余裕を持たせることを検討すべきです。
ビームサイズとクリアアパーチャの違いを忘れないでください
結論として、入力ビームサイズとクリアアパーチャビーム口径の定義は同一ではないことを常に念頭に置いてください。これを混同すると、予期せぬ出力クリッピングを引き起こし、組み込み時に誤動作やシステムの爆発といった悪影響を及ぼす可能性があります。 当社からレーザ走査ソリューションをご購入いただいた場合、クリアアパーチャに関する情報は当社から提供されますが、レーザビームサイズの定義については、レーザの仕様書に記載されている情報を参照する必要があります。また、レーザの仕様書には、レーザ出力位置やポインティングエラーなどのアライメント仕様が記載されている場合もあります。 これらの情報が記載されていない場合は、最適な性能を得るために、必ずレーザメーカーに確認し、これらのパラメータを確定してください。当社は、さまざまなアプリケーションにわたる多様なシステムのテストと組み込み実績があり、これらの推奨事項が混乱を解消し、将来的な損害を防ぐのに役立つことを保証します。
1. 一部のレーザは、中心部の放射照度プロファイルがガウス分布に近似している一方で、周辺部に追加の「ローブ」状の放射照度を含む場合があります。ハイパワー or 高出力時には、これらのローブが顕著になる可能性があるため、十分に考慮する必要があります。
