テーパレンズ

テーパレンズ

概要

テーパレンズは通常、回転対称プリズムとも呼ばれ、円錐面と平面からなるレンズである。テーパレンズは、Bessel強度分布のビームまたはテーパ非発散ビームを生成するためによく使用されます。コリメートビームを環状ビームに変更する場合、テーパレンズの平面はコリメート光源に面するべきである。

テーパレンズが光を屈折するときはスネルの法則に従い、偏向角を測定するために使用することができます：

ここで、nはガラスの屈折率、αはテーパレンズの物理的底角、るつぼは屈折光と光軸による偏向角である。ここでは空気の屈折率を1と仮定する。

これらの精密研磨されたテーパレンズの底角範囲は0.5°〜40°である。それらは高品質の紫外溶融石英から作られ、高出力レーザー応用に非常に適している。私たちのテーパレンズは無めっきバージョンを選択するか、-UV（245-400 nm）、-A（350-700 nm）、-B（650-1050 nm）、または-C（1050-1700 nm）の4種類の増透めっきバージョンをめっきします。透過性膜は、レンズの表面反射率を低下させ、最大透過率（R（avg）＜0.5%）を得ることができる。メッキをカスタマイズする必要がある場合は、テクニカルサポートに連絡してください。

特性

• 直径1/2インチまたは1インチ

• 6種類の底角を提供する：0.5°、1.0°、2.0°、5.0°、10.0°、20.0°、40.0°

• 無めっき膜またはめっき増透膜のバージョンを提供する

アプリ

•

• オプチカルキャプチャ

• 光コヒーレントクロマトグラフィー（OCT）

• 角膜手術

• 望遠鏡

仕様パラメータ

ビーム形状

テーパレンズによる光束

• BesselビームBesselビーム：回折なし

• 環状ビーム：レーザー穴あけに最適

図2.1：0（th）次数のベッセル関数の絶対値。真のベッセルビームは、各リングが中心ピークと同じエネルギーを持つことを必要とするため、無x量のエネルギーです。

図2.2：

ベッセルビームは回折なしの同心環状ビームであり、各同心環は中心環と同じ電力を有する。技術的にはベッセルビームを生成することはできません。なぜなら、それは無x量のエネルギーです。しかし、ガウスビームをテーパレンズに通過させ、ビームの投影をテーパレンズの円錐面に近づけることで、ベッセル分布によく似たビームを生成することができる。図2.1は、このような0（th）次数ベッセル関数の絶対値を示している。

ビーム投影がレンズから遠ざかると、単一の環状ビームが形成される。実際には、ビームは円錐形（すなわち、距離に応じて直径が増加する）であるが、光は発散していないため、リングの厚さは変化しない（図2.2参照）。リングの厚さは入射レーザビームの直径の半分である。

フィレット

発生したBesselビームと環状Gaussビームの強度分布は先端欠陥の影響を受ける。先端が円形である場合、空間一致（1）を示すのではなく、0次ベッセルビームの中心ローブは強度振動を示すが、中空ガウスビームは非対称なループを持ち、尾部は中心または2次ループに向かっている（2）。ためにより良い円角を縮小し、Thorlabs内部にテーパレンズを作製し、w全フィレットの最小直径が0.70 mmになるように生産プロセスを制御します。

図2.3：中空環状Gaussビームを生成する実験装置。

観察画面に示されるように、Thorlabsのテーパレンズ（a）と2つの一般的なテーパレンズ［（b）と（c）］によって生成される環状ビーム。Thorlabsコーンレンズによって生成されるリングは、短範囲で高強度から低強度に移行するが、一般的にはコーンレンズはより多くの画素に移行する。白色の水平線は、図2.5で抽出された強度分布の位置を示す。

テーパレンズ先端のいかなる欠陥も出射ビームの特性に影響を与えるので、Thorlabsテーパレンズと2つの一般的なテーパレンズから発生する中空ガウスビームを比較することで、Thorlabsテーパレンズ品質を示した。リングビームは、633 nmレーザ、GBE 05−A 5 X消色差ガリレオビーム拡散器、SM 2 D 25 D SM 2リング駆動可変絞り、テーパレンズ（AX 2520と2つのテーパ角20°の一般的なテーパレンズ）、EDU−VS 1ポリスチレン観察画面を含む、図2.3に示す実験装置により生成された。獲得するためにより良い性能、テーパレンズに入射するレーザ光は、コリメートされた小径ビームでなければならない。これは、まずコリメートビームを拡散させ、次にビームを2.0 mmに閉じ込めた絞りを通過させることによって実現することができる。そして得られたビーム形状を観察スクリーンに投影した。観察スクリーンは遠視野の位置にある。移動を容易にするために、観察スクリーンは、係入ガイドスライド付きダブテールガイドに取り付けられている。

図2.4は、観察スクリーン上に生成された環状ガウスビームを表示する3種類のテストコーンレンズを示している。ビーム品質から言えば、Thorlabsコーンレンズ（図2.4（a）））はクリーンな環状ビームを生成し、リングのエッジと濃色中心との間に高いコントラストを持っている。他のメーカーのテーパレンズで生成される環状ビームの品質は異なる。図2.4（c）に示すように、一般的なテーパレンズによって生成されるリングの1つは、高強度領域と低強度領域との間のコントラストが悪い。主環は弱く見え、環内には非ゼロ強度分布が見られる。下の写真の2番目の一般的なテーパレンズはきれいなリングを生成しますが、リングのエッジと濃い色の中心とのコントラストは明らかに弱いです。

得られたビームの強度変化を強調表示するために、これらの画像の擬似カラースケールバージョンを作成し、線プロファイルを抽出した。【図2.4】元の画像（左）と擬似カラー画像（右）を並べて示す図である。図中の1本の白線は強度分布図の位置出典を示し、図2.5は対応する画素情報を示している。3種類のテスト用テーパレンズの線強度比較によると、Thorlabsのテーパレンズは最も鮮明な強度ピーク、すなわちより良い一方、一般的なテーパレンズは、大きな画素範囲で明るいエッジからゼロ強度中心に移行することができ、この点は非対称強度ピークの緩やかな減衰の尾部で見ることができる。この場合、ブライトリングと中空の間のコントラストが低下します。リングの中心にある非ゼロピークは、理想的な、より良いのテーパレンズだけが高強度エッジを持ち、他の場所ではゼロ強度である。フィレット直径を改善し、テーパレンズの表面欠陥を低減することにより、高強度領域と非ゼロ中心との間のコントラストを高めることができる。

図2.5：図2.4のリングビーム画像種から抽出されたラインプロファイル。Thorlabsのテーパレンズは最も鮮明な強度ピークを持ち、明るいエッジからゼロ強度中心への遷移は最も急峻である。強度は任意の単位で表され、絶対測定値ではありません。

損傷閾値

紫外溶融石英コーンレンズ損傷閾値

表3.1の規格はThorlabs紫外溶融石英レンズの測定データである。損傷閾値仕様は、レンズの大きさにかかわらず、すべての紫外溶融石英レンズに対して固定されている。

表3.1損傷閾値仕様

注釈

a.ビームの電力密度はW/cm単位で計算しなければならない。線形パワー密度が長いパルスと連続光の理由についてより良いメトリックは、下の「連続波と長パルスレーザー」部分を見てください。

b.規定された損傷閾値は、実際の損傷閾値（すなわち、光学素子が損傷のない状態で耐えられる最大出力）ではなく、認証測定である。

レーザ誘起損傷閾値教程

以下では、レーザー誘起損傷閾値を測定する方法と、損傷閾値規格に基づいて光学素子が特定の用途に適しているかどうかを決定する方法を簡単に紹介する。光学素子を選択する際には、光学素子のレーザ誘起損傷閾値（LIDT）を理解することが重要である。光学素子のLIDTは、使用するレーザータイプに大きく依存します。連続波（CW）レーザは一般的に熱効果（膜層または基板の吸収）により損傷を引き起こす。パルスレーザーは通常、熱損傷を引き起こす前に光学素子の格子構造中の電子を奪う。ここで提供されているガイドは、室温での動作と新しい光学素子を前提としています（すなわち、スクラッチ-麻点仕様、表面に汚染がないなど）。光学素子表面のほこりや他の微粒子は損傷閾値を低下させるので、不純物汚染がなく、光学素子表面を清潔に保つことを提案します。光学素子のクリーニングの詳細については、光学素子クリーニングチュートリアルを参照してください。

テスト方法

ThorlabsはISO/DIS 11254とISO 21254規格に基づいてLIDTをテストした。

まず、低電力/エネルギービームを測定対象の光学素子に入射します。光学素子の10個の位置は、このレーザビームの下で30秒間（連続レーザ）露光するか、またはいくつかのパルス（指定パルス再周波数）露光する。露光後、顕微鏡（拡大率~ 100 X）で可視の損傷の有無を検出する。損傷位置の個数及び対応する電力/エネルギーを記録する。次に、入射光のパワー/エネルギーを増減させ、光学素子の10の新しい位置で露光を行う。損傷が観察されるまで、上記の手順を繰り返します。このように、損傷閾値は、光学素子が損傷していないときに耐えることができる最高電力／エネルギーである。図37 Bは、BB 1−E 02ミラーのテスト結果である。

テスト結果によると、ミラーの損傷閾値は2.00 J/cm 2（532 nm、パルス幅10 ns、10 Hz、Ø0.803 mm）であった。不純物や汚染物質が素子損傷閾値を著しく低下させる可能性があるため、これらの試験は清浄な光学素子上で行われることに注意してください。本試験結果はある膜層のみを表し、Thorlabsの損傷閾値仕様は膜層によって変化する。

連続波及び長パルスレーザ

光学素子が連続波（CW）レーザにより損傷されると、通常はレーザエネルギーの吸収による表面融解または光学フィルム層（透過膜）損傷である[1]。

表37 C試験データ例

パルス幅が1 nsと1µsの間では、吸収または誘電破壊によるレーザ誘起損傷が発生する可能性があるため、ユーザは連続波とパルスLIDTを同時に分析しなければならない。吸収は光学素子の固有の特性または表面不規則に起因する可能性があり、LIDT値は、メーカーが提供する表面品質規格を満たしているか超えている光学素子のみ有効である。多くの光学素子は高出力連続波レーザ光に耐えることができるが、接着（色消し二重レンズなど）や高吸収（中性密度フィルタなど）などの光学素子の連続波損傷閾値は低い。これは接着層や金属膜の吸収や散乱が損傷閾値を低下させるためである。

高パルス繰返し周波数（PRF）のパルスレーザは連続ビームと似ている。しかし、これは吸収や熱拡散などに大きく依存するため、高PRFレーザーが熱効果により光学素子を損傷するかどうかを決定する信頼性の高い方法はない。また、高度に透明な材料では、PRFが増加した場合、LIDTはほとんどないか、w全下がっていません。

光学素子で規定される連続波損傷閾値を使用するためには、以下の情報を知る必要がある。

1. レーザー波長

2. ビーム直径（1/e（2））

3. ビームの近似強度プロファイル（ガウス分布など）

4. ビームの線形パワー密度（総パワーを1/e（2）ビーム直径で割る）

ThorlabsはW／cmを用いてCWレーザのLIDT値を表現した。このように、線形電力密度で与えられたLIDTは、任意のビーム直径に使用することができ、次の式を使用して平均線形電力密度を計算します。

以上の計算式は、均一なビーム強度プロファイルであると仮定している。これで、ビーム内のホットスポットやその他の不均一強度プロファイルを考慮し、最大電力密度を大まかに計算する必要があります。例えば、ガウス光の最大電力密度は、通常、均一な光ビームの2倍である（図37 E）。

ここで、最大電力密度を光学素子で規定されるLIDTと比較する。光学素子のテスト波長が作業波長と等しくない場合は、損傷閾値を適切にスケーリングする必要があります。経験によれば、損傷閾値と波長は線形関係を持っている。したがって、波長が減少すると、損傷閾値も減少する（例えば、LIDTが1310 nmの場合の損傷閾値は10 W/cm、655 nmの場合は5 W/cm）：

この経験則は、LIDTや波長の定量的な分析ではなく、大まかな傾向しか提供していない。例えば、連続光用途では、損傷閾値は膜層と基板の吸収に良好な比例関係にあり、上記吸収は必ずしも波長に比例するとは限らない。上記のプロセスはLIDT計算にとって良い経験則ですが、動作波長がLIDT波長と異なる場合は、テクニカルサポートに連絡してください。実際の電力密度が調整後の損傷閾値未満であれば、光学素子は用途に適しているはずです。

ネット上に表示されている損傷閾値と試験結果との間には一定の予約誤差があり、これにより異なるロット製品間の差に適応できることに注意してください。必要に応じて、個別のテスト情報とテスト証明書を提供することができます。同様の光学素子を使用して損傷解析を行います（お客様の光学素子を損傷させることはありません）。テストには追加料金または納期が必要な場合があります。詳細については、テクニカルサポートにお問い合わせください。

パルスレーザ

上述したように、パルスレーザは一般的に、連続波レーザとは異なるタイプの損傷を光学素子に導入する。パルスレーザーは通常、熱効果によって光学素子に損傷を与えない、材料中に誘起された誘電破壊を可能にする強い電場を生成することによって破壊されるのである。残念ながら、光学素子のLIDT規格を使用しているレーザーと比較するのは非常に困難です。パルスレーザによる光学素子の損傷には様々な機構があり、損傷の程度はレーザパルス幅に依存する。表37 Fのハイライト部分は、私たちが規定したLIDT値に対応するパルス幅を要約している。

10（-9）s未満のパルスは、私たちが規定したLIDT値と比較すると信頼性に欠ける。このような超短パルス範囲では、多光子アバランシェイオン化などの損傷機構が支配的である[2]。対照的に、10（−7）s〜10（−4）s間のパルスによる光学素子の損傷は、誘電破壊または熱効果によるものである。これは、連続レーザ光とパルスレーザ光の損傷閾値の両方をレーザ光ビームと比較して、光学素子が用途に適しているかどうかを判断する必要があることを意味します。

表37 Fレーザ誘起損傷区間

特定のパルスレーザーの下で与えられたLIDTを使用するレーザーと比較するには、次の情報を理解する必要があります。★QADB 610★QADB 610★QADB 610★QADB 610★QADB 610★QADB 610★QADB 610

1. レーザー波長

2. あなたのビームエネルギー密度（全エネルギーを1/e（2）面積で割る）

3. レーザーパルス幅

4. レーザパルス繰返し速度（prf）

5. レーザーのビーム直径（1/e（2））

6. ビームの概略強度分布（ガウス分布など）

ビームエネルギー密度はJ／cm（2）で計算する必要があります。図37 Gは、エネルギー密度が短パルス光源によってLIDTを発現する理由を示しているより良い尺度。これらの条件下で、エネルギー密度で与えられたLIDTはスポットサイズとは無関係である、したがって、フレアサイズの変化によってLIDT値を再調整する必要はありません。計算過程は光強度分布が均一であると仮定した。ビーム内のホットスポットやその他の不均一強度分布に対応するためにエネルギー密度を調整し、最大エネルギー密度を大まかに計算する必要があります。例えば、ガウス光の最大エネルギー密度は、通常、1／e（2）ビームの2倍である。

ここで、最大エネルギー密度を光学素子によって与えられたLIDTと比較する。光学素子テスト波長が作業波長と等しくない場合、損傷閾値は適切にスケーリングされなければならない[3]。経験によれば、損傷閾値は波長比の平方根に比例する。したがって、波長が減少すると、損傷閾値も減少する（例えば、1064 nmでの損傷閾値は1 J/m（2）、532 nmでの損傷閾値は0.7 J/cm（2））：

ビーム直径は損傷閾値を比較する際にも重要である。LIDTはJ/cm²で表現される場合、スポットの大きさとは関係がないが、しかし、大きなビームはより多くの欠陥を照射する可能性があり、これはより大きなレーザ損傷閾値の変化を招く可能性がある[4]。ここでのデータについては、1 mm未満のビームを用いてLIDTを測定した。ビームサイズが5 mmより大きい場合、LIDT（J／cm 2）もビーム直径と関係があります。サイズが大きいビームはより多くの欠陥を露出しやすいためです。

現在、パルス幅を補償する必要があります。パルス幅が長いほど、光学素子はより多くのエネルギーに耐えることができる。1 ns〜100 nsのパルス幅の場合、その関係は次のように近似することができる：

この式を使用して、パルス幅計算に基づいてLIDTを調整します。使用するレーザーの最大エネルギー密度が調整後のLIDTの最大エネルギー密度よりも小さい場合、光学素子は使用に適しています。この計算は10（-9）sと10（-7）sの間のパルスレーザにのみ適用されることに注意してください。10（-7）sと10（-4）sの間のパルスレーザについては、同時に連続波LIDTを満たすかどうかを検討する必要があります。

ネット上に表示されている損傷閾値と試験結果との間には一定の予約誤差があり、これにより異なるロット製品間の差に適応できることに注意してください。必要に応じて、個別のテスト情報とテスト証明書を提供することができます。詳細については、テクニカルサポートにお問い合わせください。

レーザ誘起損傷閾値（LIDT）計算

ある所与のレーザシステムが光学素子を損傷しているかどうかを決定する方法を紹介するために、以下にレーザ誘起損傷閾値（LIDT）の多くの計算例を提供する。似たような計算を容易にするために、右側のボタンをクリックしてダウンロードできるスプレッドシート計算機を提供します。計算機を使用する場合は、まず緑色のボックスに光学素子で指定されたLIDT値とレーザーシステムの関連パラメータを入力します。スプレッドシートは、CWとパルスシステムの線形電力密度とパルスシステムのエネルギー密度値を計算します。これらの数値根拠を使用する認知のスケーリング方法は、光学素子のために調整され、スケーリングされたLIDT値を計算する。計算器はガウスビームプロファイルを想定しているので、他のビーム形状に補正係数（均一性など）を導入しなければならない。LIDTスケーリングは経験に基づいて決定する、精度は保証できません。いくつかのスペクトル領域では、光学素子または膜層のレーザ光への吸収能力がLIDTを大幅に低下させる可能性があることに注意してください。これらのLIDT値は、パルス幅が1 ns未満の超短パルスには無効である。

図71 A：Gaussビーム分布の最大光*は均一ビーム分布の約2倍である。

1つのCWレーザシステムが1319 nmで1／e（2）直径10 mmの0.5 Wガウスビームを出力すると仮定した。ビーム直径を総電力で直接除算したビームの平均線形電力密度は0.5 W/cm：

しかし、ガウスビームの最大電力密度は、図71 Aに示すように、均一ビームの最大電力密度の約2倍である。したがって、システムのより正確な最大線形電力密度は1 W/cmである。

AC 127-030-C色収差解消二重合レンズで規定されたCW LIDTは350 W/cmで、1550 nmで測定された。CW損傷閾値は通常レーザ源の波長に直接比例するので、調整されたLIDT値を得る：

調整された350 W／cmx（1319 nm／1550 nm）＝298 W／cmのLIDT値はレーザシステムの最大線形パワー密度より顕著に高いため、システムがこの二重接合レンズを使用することは安全である。

パルスナノ秒レーザーの例：異なるパルス幅のスケーリング

あるパルスNd：YAGレーザシステムの三倍周波出力355 nm、10 Hz、パルス幅2 ns、単一パルスエネルギー1 J、ビーム直径1.9 cm（1/e（2））のガウスビームを仮定する。

上述したように、ガウスビームの最大エネルギー密度は平均エネルギー密度の約2倍である。したがって、ビームの最大エネルギー密度は~ 0.7 J/cm（2）である。

このビームエネルギー密度をBB 1−E 01広帯域誘電体膜反射鏡で規定されたLIDT値1 J／cm（2）とNB 1−K 08 Nd：YAGレーザライン反射鏡のLIDT値3.5 J／cm（2）とそれぞれ比較した。両LIDT値は355 nmで測定し、パルス幅10 ns、重周波数10 Hzのパルスレーザを用いて決定した。そのため、システムのより短いパルス幅を調整する必要があります。上記のラベルに記載されているように、ナノ秒パルスのLIDT値は、レーザパルス幅の平方根に比例する：

この調整因子を用いて、BB 1−E 01広帯域ミラーのLIDT値は0.45 J／cm（2）になり、Nd：YAGレーザラインミラーのLIDT値は1.6 J／cm（2）になり、それらをビームの0.7 J／cm（2）最大エネルギー密度と直接比較した。広帯域ミラーはレーザ損傷を受ける可能性が高いが、特殊なレーザラインミラーはレーザシステムに使用できる。

パルスナノ秒レーザの例：異なる波長のスケーリング

あるパルスレーザシステムが10 nsパルスを2.5 Hzで放射すると仮定して、各パルスの1064 nmのエネルギーは100 mJで、1/e（2）ビームの直径は16 mmで、私たちは今中性密度フィルタで減衰する必要があります。ガウス出力では、これらの仕様を使用して最大エネルギー密度を0.1 J/cm（2）と計算します。

355 nmの10 nsパルスに対して、NDUV 10 AØ25 mm、OD 1.0の反射型中性密度フィルタの損傷閾値は0.05 J/cm（2）であり、532 nmの10 nsパルスに対して、類似のNE 10 A吸収型フィルタの損傷閾値は10 J/cm（2）である。前のラベルに記載されているように、ナノ秒パルスの場合、光学素子のLIDT値は波長の平方根に比例する：

この割合により、反射型フィルタ調整後のLIDT値は0.08 J/cm（2）、吸収型フィルタは14 J/cm（2）となった。この場合、吸収型フィルタは、光学的損傷を防止するために、より良いを選択します。

パルスマイクロ秒レーザの例

1µsパルスを発生するレーザシステムを考慮すると、シングルパルスエネルギーは150µJ、重周波数は50 kHzであり、これは5%の相対的に高いデューティサイクルをもたらす。システムはCWとパルスレーザ誘起損傷の間にあり、いずれの機構によっても光学素子損傷を引き起こす可能性がある。したがって、CW値とパルスLIDT値は同時にレーザシステムの性質と比較して、安全な動作を確保しなければならない。

この長いパルスレーザが980 nm、1/e（2）直径12.7 mmのガウスビームを放射すると、レーザ出力の線形パワー密度は5.9 W/cm、単一パルスエネルギー密度は1.2 x 10（-4）J/cm（2）となる。この値をWPQ 10 E−980重合体の0段4分の1波長板のLIDT値と比較し、810 nmの連続波に対して5 W／cm、810 nmの10 nsパルスに対して5 J／cm（2）とした。前と同様に、光学素子のCW LIDTはレーザ波長に線形比例しているため、980 nmで調整されたCW値は6 W/cmである。光学素子のパルスLIDTはレーザパルスのエネルギー密度より顕著に大きいので、シングルパルスは波長板を損傷しない。しかし、レーザシステムの平均線形パワー密度は高く、高パワーCWビームと似ており、光学素子に熱損傷を与える可能性がある。

製品注文情報

テーパレンズ

これらのテーパレンズは185 nm−2.1µmの波長範囲に使用される無めっき膜である。それらの基材は紫外溶融石英であり、紫外から近赤外への応用に非常に適している。N−BK 7と比較して、紫外溶融石英はより良い均一性とより低い熱膨張係数を有する。

a.偏向角は532 nmの光から計算した。

b.10 mm厚窓シートの典型的な透過率曲線。

共通（14商品）

テーパレンズ、透過性フィルム：245-400 nm

このテーパレンズの透過膜は245から400 nmの範囲であり、UV範囲での透過率が高く、紫外線応用に非常に適している。また、使用される基材（UV溶融石英）は優れたUV透過率を提供する。

a.偏向角は330 nmの光から計算される。

b.各表面

共通（1品）

テーパレンズ、透過性フィルム：350-700 nm

これらのテーパレンズの透過性膜は350〜700 nmの範囲であり、部分近紫外（NUV）とすべての可視光帯域に最適である。この波長範囲はヘリウムネオンレーザや他の可視光レーザに適している。

a.偏向角は532 nmの光から計算した。

b.各表面

共通（14商品）

テーパレンズ、透過性フィルム：650〜1050 nm

これらのテーパレンズの増透膜波長範囲は650〜1050 nmであり、光学捕捉や角膜手術などの多くの近赤外（NIR）応用の理想的な選択である。

a.偏向角は850 nmの光から計算した。

b.各表面

共通（14商品）

テーパレンズ、透過性フィルム：1050-1700 nm

これらのテーパレンズの透過性膜の範囲は1050〜1700 nmであり、近赤外（NIR）応用の理想的な選択である。この波長範囲は、光コヒーレントトモグラフィー（OCT）、光捕捉、レーザ穿孔などの用途の波長をカバーしている。これらの用途でテーパレンズを使用することで、サンプルアームの焦点深度を高めることができる。

a.偏向角は1310 nmの光から計算した。

b.各表面

共通（14商品）