適切な光学フィルターの選び方: 実践的な選択ガイド

レーザー システムの精度は、その内部の光学系に依存します。ミラーはビームを操縦し、レンズはビームの焦点を合わせますが、システムが最小限の損失で光の向きを変えたり、形を変えたり、スペクトル的に分離したりする必要がある場合、多くの場合、カスタム光学プリズムが正しい答えになります。既製のプリズムは、標準的な形状と一般的な波長を処理します。カスタム プリズムは、標準カタログでは対処できない、非標準の角度、高出力環境、UV または IR 範囲、狭いスペースの制約などの難しい問題を解決します。

この記事では、レーザー システムでカスタム プリズムが実行する中核的な機能と、プリズムが機能するか失敗するかを決定するエンジニアリング上の決定について説明します。

ビームステアリングと方向制御

レーザー システムにおけるプリズムの最も直接的な応用は、ビームの方向を変更することです。平面ミラーとは異なり、プリズムは全内部反射 (TIR) または制御された屈折によってビームの方向を変えます。反射面にコーティングは必要ありません。これにより、レーザーに連続的にさらされるとミラーコーティングが劣化する可能性がある高繰り返し環境でのプリズムの耐久性が向上します。

直角プリズム 90°のたわみの標準です。 ポロプリズム 180°回転してビームを再帰反射します。標準以外の角度 (30°、45°、60°、またはカスタム値) の場合は、プリズムの形状を用途に合わせて特別に計算して製造する必要があります。ここでカスタム製造が不可欠になります。角度公差に 1 ～ 2 分角の誤差があると、干渉計やレーザー距離計などの高精度システムでは光路全体の位置がずれる可能性があります。

調整可能なステアリングが必要なシステムの場合、 産業用および科学用の精密光学プリズム ウェッジプリズムなどは通常、逆回転構成でペアになります。 2 つのウェッジを相互に回転させることにより、可動ミラーを使用せずにビームを角度の円錐上に向けることができます。これは、レーザー スキャンおよびターゲティング システムで使用されるコンパクトで堅牢なソリューションです。

ビーム整形: 楕円形から円形へ

レーザー ダイオードは非対称のビームを出力します。つまり、速軸と遅軸が異なる速度で発散し、楕円形の断面が形成されます。ほとんどの下流光学およびファイバー結合アプリケーションでは、円形ビームが必要です。アナモルフィック プリズム ペアは、これを直接解決します。

角度が一致した一対のプリズムは、他方の軸に影響を与えることなく一方の軸に沿ってビームを拡大し、楕円形のプロファイルを円形に近いプロファイルに変換します。ビームの方向は変化しません。これは、ポインティングの安定性が重要なシステムにおける重要な要件です。カスタム アナモフィック プリズムは、倍率比 (通常 2:1 ～ 4:1)、入力ビームの寸法、波長によって指定されるため、異なるレーザー ダイオード モデル間で互換性がありません。のために設計された光学反射板 レーザービームステアリングアプリケーション 多くの場合、ビーム調整段階を完了するためにアナモルフィック ペアと一緒に使用されます。

分散制御と波長分離

プリズムは、多波長レーザー ビームをスペクトル成分に分離したり、超高速レーザー システムの群速度分散 (GVD) を正確に補償したりできます。これら 2 つの機能は同じ物理原理 (波長依存の屈折率) を使用しますが、相反する工学目標を果たします。

で 分光法とレーザーチューニング 、等辺プリズムまたはペリン・ブローカ プリズムは、ビームをその構成波長に分散します。たとえば、ペリン ブローカ プリズムは、選択した 1 つの波長を正確に 90° で偏向させながら、他の波長を逸らすため、複数ラインのレーザー光源から単一の高調波を分離するのに最適です。

で 超高速レーザーシステム (フェムト秒およびピコ秒パルス)、分散補償にはプリズム ペアが使用されます。短いパルスがガラスやその他の光学素子を通って伝播すると、異なる波長がわずかに異なる速度で伝播し、パルスが伸びます。プリズム ペアは、これに対抗するために負の GVD を導入し、パルスを設計持続時間まで圧縮します。幾何学形状 (プリズム分離、頂角、材料) は、特定のパルス幅と波長帯域に合わせて計算する必要があります。ここではカスタム製作はオプションではありません。間違ったジオメトリでは単に補正できません。これらと組み合わせると、 ビーム品質とシステムパフォーマンスのために最適化された光学レンズ 全ビーム経路がパルスの完全性を維持することを保証します。

材質とコーティングの選択

633 nm で機能するプリズムが、266 nm または 10.6 μm では完全に機能しない可能性があります。材料の選択は、波長範囲と出力密度によって決まります。

• N-BK7 350 ～ 2000 nm をカバーし、優れた均一性とコスト効率を実現し、ほとんどの可視および近赤外レーザー システムに適合します。レーザー誘起損傷しきい値 (LIDT) は、中程度の出力のアプリケーションには十分です。
• UV溶融シリカ 透過波長を 195 nm まで拡張し、BK7 よりも高い LIDT を搭載し、熱膨張係数が低いため、高出力またはパルス UV レーザー環境に不可欠です。
• フッ化カルシウム (CaF₂) そして セレン化亜鉛 (ZnSe) 標準のガラスが不透明な IR システムに使用できます。

コーティングも同様に重要です。 反射防止 (AR) コーティング 入射面と出射面のフレネル損失は表面あたり 0.5% 未満に減少します。これは、小さな反射でも不安定性を引き起こす高利得レーザー キャビティでは重要です。レーザー共振器内で使用されるプリズムの場合、コーティングの損傷を避けるために、コーティングはレーザーの特定の波長とパルスエネルギーにも一致する必要があります。方法を確認してください 光学プリズムは科学および産業用途全体で精度を向上させます パフォーマンス要件のより広範な概要については、こちらをご覧ください。

カスタムプリズムを指定する際の主要なパラメータ

カスタム プリズムの注文には、形状のスケッチ以上のものが必要です。次のパラメータはシステムのパフォーマンスに直接影響するため、正確に指定する必要があります。

• 角度許容差 : 一般的な使用の場合、通常は ±1 ～ 5 分角です。干渉計またはキャビティ用途では±10 秒角以上の精度
• 表面平坦度 : 波長の分数で表されます (例: 632.8 nm の λ/10) — 許容差が厳しくなると、コストとリードタイムが大幅に増加します
• 表面品質 : スクラッチディグ仕様によって定義されます (例: レーザーグレードの場合は 10-5、工業用の場合は 40-20)
• クリア絞り : 使用可能な光学領域 — 通常、物理開口部の ≥80 ～ 90%
• 塗装仕様 : 対象となるレーザー光源の波長範囲、入射角、最小 LIDT

リードタイムは、在庫材料での単純な形状の場合は数日から、複雑な形状や特殊な基板の場合は数週間と多岐にわたります。光学レイアウトを最終決定する前に、早い段階でメーカーと協力することで、コストのかかる再設計が回避され、システム全体にわたって公差のトレードオフを評価できるようになります。当社の全製品をご覧ください レーザービーム集束用の高性能光学レンズ 完全なビーム調整アセンブリでプリズムの選択を補完します。