レーザービームプロファイラー

レーザービーム プロファイラーは、ビーム伝搬経路を横切る特定の平面でレーザー ビームの空間強度プロファイルをキャプチャ、表示、および記録します。レーザーには紫外線、可視光線、赤外線、連続波、パルス、高出力、低出力など多くの種類があるため、レーザー ビーム プロファイルを測定するためのさまざまな機器があります。1 つのレーザー ビーム プロファイラーで、すべての出力レベル、パルス持続時間、繰り返し率、波長、およびビーム サイズを処理できるものはありません。

レーザービームプロファイリング機器は以下の量を測定します。

• ビーム幅: ビーム幅には 5 つ以上の定義があります。
• ビーム品質: ビーム品質パラメータM ²によって定量化されます。
• ビームの広がり: これは距離に応じたビームの広がりの尺度です。
• ビーム プロファイル: ビーム プロファイルは、ビーム パスに沿った特定の位置でのビームの 2D 強度​​プロットです。多くの場合、ガウスプロファイルまたはフラット トップ プロファイルが求められます。ビーム プロファイルは、レーザー キャビティ内の不要な高次空間モードとビーム内のホット スポットを示します。
• ビームの非点収差:ビームの垂直部分と水平部分がビーム経路に沿って異なる場所に焦点を合わせる場合、ビームは非点収差になります。
• ビームのふらつきまたはジッター:ビーム プロファイルの重心またはピーク値が時間とともに移動する量。

上記のビーム特性を得るために、以下の機器と技術が開発されました。

• カメラ技術: カメラ センサーの直接照射が含まれます。CCDセンサーに収まる最大スポット サイズは 10 mm 程度です。または、平らな拡散面をレーザーで照射し、レンズで光をCCDに投影すると、より大きな直径のビームのプロファイルを作成できます。拡散面からレーザーを観察する方法は、ビーム幅が大きい場合に最適ですが、照射面全体で均一な反射率 (<1% の変動) を持つ拡散面が必要です。
• ナイフエッジ法: 回転するブレードまたはスリットがレーザービームをカットし、パワーメータで検出します。パワーメータは、時間の関数として強度を測定します。複数のカットにおける統合強度プロファイルを取得することで、トモグラフィー用に開発されたアルゴリズムを使用して元のビームプロファイルを再構築できます。これは通常、パルスレーザーでは機能せず、真の 2D ビームプロファイルは提供されませんが、優れた解像度があり、場合によっては 1 μm 未満になります。
• 位相面技術: ビームは、シャック・ハルトマン波面センサー内の小さなレンズの 2D アレイを通過します。各レンズはビームの一部を方向転換し、偏向したビームレットの位置から元のビームの位相を再構築できます。
• 歴史的な技術: これらには、写真乾板や焼き付けプレートの使用が含まれます。たとえば、高出力の二酸化炭素レーザーは、アクリレートブロックへのゆっくりとした焼き付けを観察することによってプロファイルされました。

2002年現在^{[アップデート]}、市販のナイフエッジ測定システムの価格は5,000～12,000ドル、CCDビームプロファイラの価格は4,000～9,000ドルです。^[1] CCDビームプロファイラの価格は近年低下しており、主にシリコンCCDセンサーのコスト低下により、2008年現在では^{[アップデート]}1000ドル未満で入手できます。

レーザービームプロファイリングの用途は次のとおりです。

• レーザー切断: 楕円形のビーム プロファイルを持つレーザーは、一方の方向に沿った切断がもう一方の方向に沿った切断よりも広くなります。ビームの幅は切断のエッジに影響します。ビーム幅が狭いほど、高いフルエンスが得られ、加工部品が溶けるのではなくイオン化されます。イオン化されたエッジは、溶けたエッジよりもきれいで、ローレットも少なくなります。
• 非線形光学:非線形光学材料における周波数変換効率は、入力光強度の 2 乗 (場合によっては 3 乗以上) に比例します。したがって、効率的な周波数変換を得るには、入力ビーム ウェストを小さくし、非線形材料内に配置する必要があります。ビーム プロファイラーを使用すると、適切な位置に適切なサイズのウェストを作成できます。
• アライメント: ビーム プロファイラーは、アイリスよりも桁違いに優れた角度精度でビームをアライメントします。
• レーザー監視: 長時間の動作後にビーム プロファイルが変化していないかどうかを確認するために、レーザー出力を監視する必要があることがよくあります。特定のビーム形状を維持することは、適応光学、非線形光学、およびレーザーからファイバーへの伝送にとって重要です。さらに、ポンプ ダイオード レーザーバーのエミッターを画像化して故障したエミッターの数を数えるか、レーザー アンプチェーンのさまざまなポイントに複数のビーム プロファイラーを配置することによって、レーザーの状態を測定できます。
• レーザーおよびレーザー増幅器の開発: パルスポンプ増幅器の熱緩和により、ゲイン結晶に時間的および空間的な変化が生じ、増幅された光のビーム プロファイルが実質的に歪んでしまいます。増幅器の出力に配置されたビーム プロファイラーは、結晶内の過渡的な熱効果に関する豊富な情報を提供します。増幅器へのポンプ電流を調整し、入力電力レベルを調整することで、出力ビーム プロファイルをリアルタイムで最適化できます。
• 遠距離測定:長距離のレーザー レーダーや自由空間光通信 (いわゆる「遠距離」) では、レーザーのビーム プロファイルを知ることが重要です。遠距離でのビームの幅によって、通信受信機が収集するエネルギー量と、レーザー レーダーのターゲットに入射するエネルギー量が決まります。遠距離でのビーム プロファイルを直接測定することは、必要な経路長が長いため、実験室では不可能な場合がよくあります。一方、レンズはビームを変換し、遠距離が焦点の近くで発生するようにします。レンズの焦点の近くに配置されたビーム プロファイラーは、ベンチトップのスペースを大幅に節約しながら、遠距離でのビーム プロファイルを測定します。
• 教育: ビーム プロファイラーは、学生の研究室で回折理論を検証し、フラウンホーファーまたはフレネルの回折積分近似をテストするために使用できます。その他の学生の研究室のアイデアとしては、ビーム プロファイラーを使用して不透明ディスクのポアソン スポットを測定したり、透明ディスクのエアリー ディスク 回折パターンをマッピングしたりすることが挙げられます。

ビーム幅は、レーザービームプロファイルの最も重要な特性です。ビーム幅の定義としては、少なくとも D4σ、10/90 または 20/80 ナイフエッジ、1/e ²、FWHM、および D86 の 5 つが一般的に使用されています。D4σ ビーム幅は ISO 標準定義であり、M ²ビーム品質パラメータの測定には D4σ 幅の測定が必要です。^{[2] [3] [4]}その他の定義は D4σ の補足情報を提供し、さまざまな状況で使用されます。定義の選択は、得られるビーム幅の数値に大きな影響を与える可能性があり、特定のアプリケーションに対して正しい方法を使用することが重要です。^[5] D4σ 幅とナイフエッジ幅は検出器のバックグラウンドノイズの影響を受けやすいですが、1/e ²幅と FWHM 幅は影響を受けません。ビーム幅に含まれる総ビームパワーの割合は、使用する定義によって異なります。

M ²パラメータはビーム品質の尺度です。M ²値が低いほどビーム品質が良く、狭い場所に焦点を合わせることができます。M 値は、ビームの発散角と、同じ D4σウエスト幅を持つガウスビームの発散角の比に等しくなります。ガウスビームは他のビーム形状よりも発散が遅いため、M ^{2パラメータは常に 1 以上になります。過去にはビーム品質の他の定義も使用されていましたが、} 2 次モーメント幅を使用する定義が最も一般的に受け入れられています。^[6]

ビーム品質は多くの用途で重要です。光ファイバー通信では、シングルモード光ファイバーに結合するために、 M ²が1 に近いビームが必要です。レーザー加工工場では、レーザーの M ²パラメータに非常に気を配っています。これは、ビームが、焦点を合わせる前の同じ波長と D4σ ウエスト幅を持つガウスビームの M ⁴倍の領域に焦点を合わせるためです。言い換えると、フルエンスは 1/M ⁴に比例します。経験則では、レーザー出力が増加すると M ^{2も増加します。}レーザーゲイン媒体の熱レンズ効果により、優れたビーム品質と高い平均出力 (100 W から kW) を得るのは困難です。

M2パラメータ^は実験的に次のように決定される: ^[2]

1. ビームウェスト（ビームが最も狭い場所）付近の 5 つの軸方向位置で D4σ 幅を測定します。
2. ウエストから少なくとも 1レイリー長離れた 5 つの軸位置で D4σ 幅を測定します。
3. 測定された 10 個のデータ ポイントを にフィッティングします^[7]。ここで、は x 方向または y 方向の分布の 2 次モーメント (D4σ ビーム幅のセクションを参照)、 は2 次モーメント幅 のビーム ウェストの位置です。10 個のデータ ポイントをフィッティングすると、M ²、、およびが得られます。Siegman は、ビーム半径がビーム幅の D4σ 定義を使用している限り、すべてのビーム プロファイル (ガウス、フラット トップ、TEM _XY、または任意の形状) は上記の式に従わなければならないことを示しました。10/90 ナイフ エッジ、D86、または FWHM 幅を使用しても機能しません。${\displaystyle \sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}} \右)^{2}(z-z_{0})^{2}}$${\displaystyle \sigma ^{2}(z)}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle 2\sigma _{0}}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle \sigma _{0}}$

ビーム プロファイラーは、レーザー ビーム プロファイルの強度 |E フィールド| ²を測定しますが、 E フィールドの位相に関する情報は提供しません。特定の平面で E フィールドを完全に特性評価するには、位相プロファイルと振幅プロファイルの両方を知る必要があります。電界の実数部と虚数部は、2 つの別々の伝搬平面でビームをサンプリングする 2 つの CCD ビーム プロファイラーを使用し、キャプチャされたデータに位相回復アルゴリズムを適用することで特性評価できます。1 つの平面で E フィールドを完全に特性評価する利点は、回折理論を使用して他の任意の平面の E フィールド プロファイルを計算できることです。

M ²パラメータは、ビーム品質を指定する上でのすべてではありません。M ²が低いということは、ビーム プロファイルの 2 次モーメントがゆっくりと拡大することを意味するだけです。それでも、同じ M ^{2 を}持つ 2 つのビームが、特定の領域に供給されるパワーの割合が同じではない場合があります。パワー イン ザ バケットとストレール比は、特定の領域に供給されるパワーの量の関数としてビーム品質を定義する 2 つの試みです。残念ながら、標準的なバケット サイズ (D86 幅、ガウス ビーム幅、エアリー ディスク ヌルなど) やバケットの形状 (円形、長方形など) はなく、ストレール比を比較するための標準的なビームもありません。したがって、これらの定義は、数値を指定する前に常に指定する必要があり、レーザーを比較しようとすると非常に困難になります。また、M ^{2 、パワー イン ザ バケット、およびストレール比の間には単純な変換はありません。たとえば、ストレール比は、収差のある点広がり関数と理想的な}点広がり関数のピーク焦点強度の比として定義されています。他の場合には、画像のピーク強度を同じ全フラックスの回折限界画像のピーク強度で割った比として定義されています。^{[8] [9]}文献ではパワー・イン・ザ・バケットとストレール比がさまざまな方法で定義されているため、ビーム品質パラメータについてはISO標準M ²定義に従うことをお勧めします。また、たとえばストレール比が0.8であっても、定義が伴わない限り何の意味も持たないことに注意してください。

レーザービームのビーム発散角は、ビームがビームウェストから遠くに広がる速さの尺度です。これは通常、ビーム半径を遠方場、つまりビームウェストからレイリー長よりもはるかに大きい距離における軸方向の位置に対して微分したものとして定義されます。この定義により、発散半角が得られます。(文献では全角が使用される場合もありますが、これは 2 倍の大きさです。) 回折限界のガウスビームの場合、ビーム発散角は λ/(πw ₀ ) です。ここで、λ は波長 (媒体内)、w _{0 は}ビームウェストにおけるビーム半径 (1/e ^{2の強度を持つ半径) です。与えられたビーム半径に対してビーム発散角が大きいと、ビーム品質が低下します。ビーム発散角が低いことは、ポインティングや}自由空間光通信などの用途では重要になる場合があります。非常に小さな発散角を持つビーム、すなわち、かなりの伝搬距離にわたってほぼ一定のビーム半径を持つビームは、コリメートビームと呼ばれます。ビーム発散角の測定では、通常、ビームプロファイラーなどを使用して、さまざまな位置でビーム半径を測定します。単一平面におけるビームの複素振幅プロファイルからビーム発散角を導き出すことも可能です。空間フーリエ変換により、伝搬角度に直接関連する横方向の空間周波数の分布が得られます。レンズとCCDカメラを使用してレーザービームの発散角を測定する方法に関するチュートリアルについては、 US Laser Corpsアプリケーションノート^{[10]を参照してください。}

レーザー ビームの非点収差は、ビームの水平断面と垂直断面がビーム経路に沿って異なる場所に焦点を合わせるときに発生します。非点収差は、一対の円筒レンズで補正できます。非点収差の測定基準は、水平​​断面と垂直断面の焦点を合わせるために必要な円筒レンズのパワーです。非点収差は、次の原因で発生します。

• Nd:YAG スラブ増幅器の熱レンズ効果。2 つの金属ヒートシンクに挟まれたスラブでは、ヒートシンク間に温度勾配が生じます。この温度勾配により、円筒レンズと非常によく似た屈折率 勾配が生じます。増幅器によって生じる円筒レンズ効果により、ビームは非点収差になります。
• 円筒レンズが一致していないか、これらの光学系の配置にエラーがあります。
• 非線形一軸結晶（非線形光学結晶で一般的）を介した伝播。x 偏光および y偏光の電界は異なる屈折率を経験します。
• 球面レンズや鏡の中心を通過しない。

CCD ビーム プロファイラーをビーム パスに沿って移動させるときに、ビームの x ウェストと y ウェストがどこで発生するかを観察することで、非点収差を簡単に特性評価できます。

すべてのレーザー ビームは、わずかではありますが、ふらつきやジッターを生じます。一般的なキネマティック チップ ティルト マウントは、実験室環境 (光学テーブルによる振動絶縁、一定の温度と圧力、部品の加熱を引き起こす太陽光がない) では 1 日あたり約 100 μrad ドリフトします。このミラーに入射するレーザー ビームは、1,000 km の距離で 100 m 移動します。これは、地球から通信衛星に当たるかどうかの違いを生む可能性があります。したがって、レーザー ビームのビームふらつき (低速時間スケール) またはジッター (高速時間スケール) の特性評価には大きな関心が寄せられています。ビームのふらつきとジッターは、CCD ビーム プロファイラーでビームの重心またはピークを追跡することで測定できます。CCD のフレーム レートは通常 30 フレーム/秒であるため、30 Hz より低速のビーム ジッターをキャプチャできます。ただし、人の声、60 Hz のファン モーターのハム音、またはその他の高速振動源による高速振動は検出できません。幸いなことに、これは通常、ほとんどの実験用レーザー システムにとって大きな問題ではなく、CCD のフレーム レートは、最大のノイズ パワーを含む帯域幅にわたってビームのふらつきをキャプチャするのに十分な速さです。典型的なビームのふらつきの測定では、数分間にわたってビームの重心を追跡します。重心データのrms偏差は、レーザー ビームの指向安定性を明確に示します。ビーム ジッター測定の積分時間は、計算された rms 値に常に伴う必要があります。カメラのピクセル解像度は数マイクロメートルですが、信号対雑音比が良好で、ビームが CCD のアクティブ領域の大部分を占める場合は、サブピクセルの重心解像度 (数十ナノメートルの解像度になることもあります) が達成されます。^[11]

ビームふらつきは以下によって発生します:

• レーザーのゆっくりとした熱化。レーザー製造元は通常、起動後にレーザーが平衡状態になるまでのウォームアップ仕様を持っています。
• 温度勾配、圧力、およびスプリングの緩みによって発生するチップチルトと光学マウントのドリフト。
• 非固定式光学系
• ファン、人の歩行/くしゃみ/呼吸、水ポンプ、実験室外の車両の移動による振動。

たとえ顧客に誤解を与えることになっても、自社製品を最もよく見せるような方法で仕様を提示することは、ほとんどのレーザー製造業者にとって有利です。レーザーの性能仕様は、次のような質問をすることで明確にすることができます。

• 仕様は標準的なパフォーマンスですか、それとも最悪のケースのパフォーマンスですか?
• どのようなビーム幅の定義が使用されましたか?
• M ²パラメータは垂直断面と水平断面の両方に適用されますか、それともより良好な断面のみに適用されますか?
• M ^{2 は}ISO 標準技術を使用して測定されましたか、それともバケット内の電力など他の方法を使用して測定されましたか。
• 指定された RMS ビーム ジッタのデータを取得するのにどのくらいの時間がかかりましたか? (RMS ビーム ジッタは測定間隔が長くなるにつれて悪化します。) レーザー環境 (光学テーブルなど) はどうでしたか?
• ^{指定された M 2}、ビーム幅、発散角、非点収差、ジッターを達成するために必要なウォームアップ時間はどれくらいですか?

ビームプロファイラは一般的に2つのクラスに分類されます。1つはビームをスキャンする開口部の後ろにある単純な光検出器を使用します。2つ目はカメラを使用してビームを画像化します。^[12]

最も一般的な走査アパーチャ技術は、ナイフエッジ技術と走査スリットプロファイラです。前者は、ビームをナイフで切り刻み、ブレードがビームを切り開くときに透過パワーを測定します。測定された強度対ナイフ位置は、1 つの方向の積分ビーム強度である曲線をもたらします。強度曲線を複数の方向で測定することにより、X 線トモグラフィー用に開発されたアルゴリズムを使用して元のビーム プロファイルを再構築できます。測定機器は、回転ドラム上に配置され、ビーム方向に対して異なる角度を持つ高精度の複数のナイフ エッジに基づいています。次に、走査されたビームはトモグラフィー アルゴリズムを使用して再構築され、2D または 3D の高解像度エネルギー分布プロットを提供します。特殊な走査技術により、システムは現在のビーム サイズに自動的にズームインし、サブ ミクロン ビームだけでなく、10 ミリメートル以上の比較的大きなビームも高解像度で測定できます。さまざまな波長の測定値を取得するために、深紫外線から遠赤外線までのレーザー ビーム測定を可能にするさまざまな検出器が使用されます。他のカメラベースのシステムとは異なり、この技術はリアルタイムで正確なパワー測定も提供します。スキャンスリットプロファイラーは、単一のナイフエッジの代わりに狭いスリットを使用します。この場合、強度はスリット幅にわたって積分されます。結果の測定値は、スリットのプロファイルで畳み込まれた元の断面と同等です。

ナイフエッジ技術と断層撮影アルゴリズムの融合により、ビームプロファイリングの新しい分野であるCKET（コンピュータ化ナイフエッジ断層撮影）が生まれました。これにより、1ミクロンから10ミリメートル以上までの正確な測定が可能になり、広いスペクトル範囲にわたって適応可能な解像度が得られます。特定の波長領域に単一表面検出器が存在する場合、この技術を使用して画像のようなプロファイルを導き出すことができます。^[13]

これらの技術は、1μmまでの非常に小さなスポットサイズを測定でき、高出力ビームを直接測定するために使用できます。20ヘルツもの繰り返しレートは達成できますが、連続的な読み出しは提供されません。また、プロファイルはx方向とy方向の積分強度を示し、実際の2D空間プロファイルではありません（複雑なビームプロファイルでは積分強度を解釈するのが難しい場合があります）。これらは、アパーチャの動きとレーザーパルスを同期させるという余分な複雑さがあるため、一般にパルスレーザー光源には機能しません。^[14]

CCD カメラ技術は単純です。レーザーを減衰させて CCD に照射し、ビーム プロファイルを直接測定します。このため、カメラ技術はレーザー ビーム プロファイリングの最も一般的な方法です。最もよく使用されるカメラはシリコン CCD で、センサーの直径は最大 25 mm (1 インチ)、ピクセル サイズは数マイクロメートルです。これらのカメラは、深紫外線(200 nm)から近赤外線(1100 nm) までの広範囲の波長に感度があります。この波長範囲には、広範囲のレーザー ゲイン メディアが含まれます。CCD カメラ技術の利点は次のとおりです。

• 2Dビームプロファイルをリアルタイムでキャプチャします
• 高ダイナミックレンジ。ウェブカメラのCCDチップでも約²⁸のダイナミックレンジを持っています。^[15]
• ソフトウェアは通常、D4σ幅などの重要なビーム指標をリアルタイムで表示します。
• 高感度CCD検出器は弱いレーザーのビームプロファイルを捉えることができる
• 解像度はピクセルサイズに応じて約4μmまで低下します。特殊なケースでは±1.1μmの解像度が実証されました。^[15]
• トリガー入力を備えたCCDカメラは、低デューティサイクルパルスレーザーのビームプロファイルをキャプチャするために使用できます。
• CCDは200～1100nmの広い波長感度を持っています。

CCD カメラ技術の欠点は次のとおりです。

• 高出力レーザーには減衰が必要
• CCD センサーのサイズは約 1 インチに制限されます。
• CCDは感度の限界付近（例えば1100nm付近）で使用するとブルーミングが発生しやすい^{[16] [17]}

D4σ 幅は、ビームの重心から遠いピクセルが距離の 2 乗として D4σ 幅に寄与するため、パルスの末尾のビーム エネルギーまたはノイズに敏感です。D4σ 幅の推定における誤差を減らすために、測定された信号からベースライン ピクセル値が減算されます。ピクセルのベースライン値は、入射光がない状態で CCD ピクセルの値を記録することによって測定されます。有限値は、暗電流、読み出しノイズ、およびその他のノイズ源によるものです。ショット ノイズによって制限されるノイズ源の場合、ベースライン減算によって D4σ 幅の推定が として改善されます。ここで、 は翼のピクセル数です。ベースライン減算を行わないと、D4σ 幅は過大評価されます。 ${\displaystyle {\sqrt {N}}}$${\displaystyle N}$

連続した CCD 画像を平均化すると、よりクリーンなプロファイルが得られ、CCD イメージャーのノイズとレーザー ビームの強度変動の両方が除去されます。ビーム プロファイルのピクセルの信号対ノイズ比 (SNR) は、ピクセルの平均値をその二乗平均平方根 (rms) 値で割った値として定義されます。SNR は、ショット ノイズ プロセス (暗電流ノイズ、読み出しノイズ、ポアソン検出ノイズ) のキャプチャされたフレーム数の平方根として向上します。したがって、たとえば、平均数を 100 倍に増やすと、ビーム プロファイルは 10 倍滑らかになります。

CCD センサーは非常に感度が高いため、適切なビーム プロファイリングを行うにはほとんどの場合減衰が必要です。たとえば、ミリワットHeNe レーザーの場合、減衰は 40 dB ( ND 4 または 10 ⁻⁴ ) が一般的です。適切な減衰には次の特性があります。

• 多重反射が発生してCCDセンサーにゴースト画像が残ることはありません。
• 平行面間の反射や欠陥による回折による干渉縞が発生しません。
• 波面を歪ませず、十分な光学的平坦性（波長の10分の1未満）と均質性を備えた光学素子となる。
• 必要な光パワーに対応できる

CCD センサーを使用したレーザー ビーム プロファイリングでは、通常、減光フィルターとウェッジまたは厚い光学フラット の 2 種類の減衰器が使用されます。

ND (中性密度) フィルターには、吸収型と反射型の 2 種類があります。

吸収型フィルターは通常、着色ガラスで作られています。これらは、平均出力が約 100 mW までの低出力アプリケーションに便利です。これらの出力レベルを超えると、基板 (通常はガラス) の熱伝導率が低いため、熱レンズ効果が発生し、ビーム サイズの変化や変形を引き起こす可能性があります。出力が高くなると、溶解やひび割れが発生する可能性があります。吸収型フィルターの減衰値は通常、可視スペクトル (500～800 nm) に対して有効であり、そのスペクトル領域外では有効ではありません。一部のフィルターは、基板の長波長吸収端 (ガラスの場合は約 2.2 μm) までの近赤外波長用に注文および較正できます。通常、製造元に特に指定がない限り、2 インチ (51 mm) の ND フィルター全体で減衰の約 5～10% の変動が予想されます。ND フィルターの減衰値は対数で指定されます。ND 3 フィルターは、入射ビーム出力の10 ⁻³を透過します。最大の減衰器を CCD センサーの最後に配置することで、多重反射によるゴースト画像を最も効果的に除去できます。

反射フィルターは薄い金属コーティングで作られているため、より広い帯域幅で動作します。ND 3 金属フィルターは、200～2000 nm で良好です。このスペクトル領域外では、ガラス基板での吸収のため、減衰が急速に増加します。これらのフィルターは入射電力を吸収するのではなく反射するため、より高い入力平均電力を処理できます。ただし、パルスレーザーの高ピーク電力にはあまり適していません。これらのフィルターは、加熱によって割れるまで、約 5 W の平均電力 (約 1 cm ²の照射領域) まで正常に動作します。これらのフィルターは光を反射するため、複数の ND フィルターを積み重ねる場合は注意が必要です。フィルター間の多重反射により、ゴースト画像が元のビームプロファイルに干渉するからです。この問題を軽減する 1 つの方法は、ND フィルタースタックを傾けることです。金属 ND フィルターの吸収が無視できると仮定すると、吸収フィルターの場合のように ND フィルタースタックの順序は重要ではありません。

回折ビーム サンプラーは、送信ビームの光学的損失と波面歪みを最小限に抑える必要がある高出力レーザーを監視するために使用されます。ほとんどのアプリケーションでは、入射光の大部分は「ゼロ次回折次数」で「影響を受けずに」前進し続けなければなりませんが、少量のビームはより高い回折次数に回折され、ビームの「サンプル」を提供します。より高い次数でサンプリングされた光を検出器に向けることで、レーザー ビームのパワー レベルだけでなく、そのプロファイルやその他のレーザー特性もリアルタイムで監視できます。

光学ウェッジとコーティングされていない光学ガラス表面からの反射は、高出力レーザー ビームを減衰させるために使用されます。空気とガラスの境界面からは約 4% が反射され、複数のウェッジを使用することで、ビームを ND フィルターで減衰できるレベルまで大幅に減衰させることができます。ウェッジの角度は通常、表面からの 2 回目の反射が CCD のアクティブ領域に当たらないように、また干渉縞が見えないように選択されます。CCD がウェッジから遠いほど、必要な角度は小さくなります。ウェッジには、ビームの方向を平行移動および曲げるという欠点があります。つまり、パスが便利な直交座標上になくなるのです。ウェッジを使用する代わりに、光学品質の厚いガラス板をビームに対して傾けて使用することもできます。これは、実際には 0° の角度のウェッジと同じです。厚いガラスはビームを平行移動させますが、出力ビームの角度は変更しません。ガラスは、ビームが重なって干渉縞を生成しないように、また可能であれば二次反射が CCD のアクティブ領域を照らさないように、十分な厚さが必要です。ガラス板からのビームのフレネル反射は、 s 偏光と p 偏光 (s はガラスの表面と平行、p は s に垂直) で異なり、入射角の関数として変化します。2 つの偏光が異なるビーム プロファイルを持つことが予想される場合は、この点に留意してください。ビーム プロファイルの歪みを防ぐために、ガラスは光学品質 (表面の平坦度が λ/10 (λ=633 nm)、スクラッチ ディグが 40-20 以上) である必要があります。1/ 2 波長板の後に偏光ビーム スプリッターを接続すると可変減衰器が形成され、この組み合わせは光学システムでよく使用されます。この方法で作られた可変減衰器は、ビームプロファイリング用途の減衰には推奨されません。その理由は、(1) 2 つの直交偏光のビームプロファイルが異なる可能性がある、(2) 偏光ビームキューブの光学損傷しきい値が低い可能性がある、(3) 非常に高い減衰でキューブ偏光子内でビームが歪む可能性があるからです。安価なキューブ偏光子は、2 つの直角プリズムを接着して作られています。この接着剤は高出力に耐えられないため、強度は 500 mW/mm ²未満に抑える必要があります。高出力には、単一要素偏光子が推奨されます。

CCD 検出器の最適なビーム サイズを決定する 2 つの競合する要件があります。1 つの要件は、レーザー ビームの全エネルギー (または可能な限り多くのエネルギー) が CCD センサーに入射することです。これは、ビームのテールが外側のピクセルでキャプチャされるように、中心のピクセルをいくつかだけ使用して、アクティブ領域の中心にすべてのエネルギーをできるだけ小さなスポットに集中させる必要があることを意味します。これは 1 つの極端な例です。2 つ目の要件は、ビーム プロファイルの形状を適切にサンプリングする必要があることです。経験則として、ビームのエネルギーの大部分 (たとえば 80%) を囲む領域全体に少なくとも 10 ピクセルが必要です。したがって、最適なビーム サイズを選択するための厳格なルールはありません。CCD センサーがビーム エネルギーの 90% 以上をキャプチャし、少なくとも 10 ピクセルが横切っている限り、ビーム幅の測定にはある程度の精度があります。

CCD センサーが大きいほど、プロファイルできるビームのサイズが大きくなります。ただし、ピクセル サイズが大きくなるという代償を払うこともあります。集束したビームを観察するには、ピクセル サイズが小さい方が望ましいです。コンピューターでの読み取り時間が長すぎる可能性があるため、メガピクセル数の多い CCD が小さいアレイよりも優れているとは限りません。アレイをリアルタイムで読み取ることは、レーザー プロファイルの微調整や最適化に不可欠です。

遠距離場ビーム プロファイラーは、レンズの焦点でビームのプロファイルを作成することに他なりません。この平面はフーリエ平面と呼ばれることもあり、ビームが非常に遠くまで伝搬した場合に表示されるプロファイルです。フーリエ平面のビームは、入力フィールドのフーリエ変換です。遠距離場測定を設定する際には注意が必要です。焦点を絞ったスポット サイズは、複数のピクセルにまたがるのに十分な大きさでなければなりません。スポット サイズはおよそf λ/ Dです。ここで、fはレンズの焦点距離、 λ は光の波長、D はレンズに入射する平行ビームの直径です。たとえば、ビーム直径が 1 mm のヘリウムネオン レーザー (633 nm) は、500 mm のレンズで 317 μm のスポットに焦点を合わせます。ピクセル サイズが 5.6 μm のレーザー ビーム プロファイラーは、56 か所でスポットを適切にサンプリングします。

これまで CCD レーザー ビーム プロファイラーは高額でしたが、今では低コストのビーム プロファイラーが主流になっています。低コストのビーム プロファイラーにより、超高精度の調整のための絞りの置き換えや、レーザー システムの複数ポートの同時監視など、数多くの新しい用途が実現しました。

かつて、レーザー ビームの調整は絞りを使用して行われていました。2 つの絞りによってビーム パスが一意に定義され、絞りの間隔が広いほど、また絞りの穴が小さいほど、パスがより正確に定義されました。絞りが定義できる最小の開口部は約 0.8 mm です。比較すると、レーザー ビーム プロファイラーを使用すると、レーザー ビームの重心をサブ マイクロメートルの精度で決定できます。レーザー ビーム プロファイラーの有効開口部のサイズは、絞りよりも 3 桁小さくなっています。その結果、ビーム プロファイラーを使用すると、光路を定義する能力が絞りよりも 1000 倍向上します。マイクロラジアンの調整精度が必要なアプリケーションには、地球から宇宙への通信、地球から宇宙へのレーダー、マスター発振器から電力発振器への調整、およびマルチパス増幅器があります。

実験用レーザー システムでは、複数のレーザー ビーム プロファイラーを使用して、レーザー システム内の中間位置 (たとえば、カー レンズ モードロッカーの後) でのポンプビーム、出力ビーム、およびビーム形状を特性評価できます。ポンプ レーザー ビーム プロファイルの変化は、ポンプ レーザーの状態 (ゲイン結晶で励起されるレーザーモード)を示します。また、ブレッドボードに対するビームの重心の位置を特定することで、レーザーが温まっているかどうかも判断できます。出力ビーム プロファイルは、ゲイン媒体の熱光学効果により、ポンプ パワーに強く依存することがよくあります。

• レーザービームの品質

• レーザービームプロファイリング測定