可視光半導体レーザ、中心波長:404 nm～690 nm

半導体レーザに適したコリメート用レンズの選択

半導体レーザの出力光は大きく発散するため、コリメート用の光学素子が必要になります。非球面レンズは球面収差が生じにくいので、コリメート光のビーム径を1～5 mmにしたい場合は非球面レンズを用いるのが一般的です。ここでは目的の用途に適したレンズを選定する上での重要な仕様について、簡単な例をあげてご説明します。下の例2では、さらに楕円形のビームを円形化する方法を説明しています。

例1:発散光のコリメート

• 使用する半導体レーザ:L780P010
• 目標とするコリメート後のビーム径: Ø3 mm(長軸)

コリメート用レンズを選ぶときには、ご使用の光源の発散角と必要とする出射ビームの径を把握することが必要です。半導体レーザL780P010の仕様によると、水平方向と垂直方向の典型的なビーム発散角(FWHM)はそれぞれ8°と30°です。従って光が発散するにつれて、ビームは楕円形になっていきます。コリメートするときにできるだけ多くの光を集光するために、計算では2つの発散角のうちの大きい方の数値を使ってください(この場合は30°)。楕円ビームを円形化したい場合は、ビームの1軸方向を拡大するアナモルフィックプリズムペアの使用をお勧めします。詳細は下の例2をご覧ください。

レンズの厚さが曲率半径に比べて十分に薄いと仮定すると、薄レンズ近似を用いて非球面レンズの適切な焦点距離が求められます。発散角が30°(FWHM)、目標とするビーム径が3 mmと仮定します。

Θ = 発散角	Ø = ビーム径	f = 焦点距離	r = コリメートされたビームの半径 = Ø/2

なお、一般に必要とする光源とレンズ間の距離に等しい焦点距離のレンズが存在するわけではありません。

これらの情報をもとに、適切なコリメート用レンズの選定をします。当社では様々な種類の非球面レンズをご用意しています。この使用例における理想的なレンズは、780 nmに対応した-B反射防止コーテイングが施された、焦点距離が約5.6 mmのモールドレンズです。非球面レンズのC171TMD-B(マウント付き)や354171-B(マウント無し)の焦点距離は6.20 mmなので、その場合のコリメート後のビーム径(主軸)は3.3 mmになります。次に半導体レーザの開口数(NA)がレンズのNAより小さいことを確認します。

0.30 = NA_Lens > NA_Diode ≈ sin(15°) = 0.26

ここまで、ビームの特性を表すのにビームの半値全幅(FWHM)を用いてきました。しかし、より優れた方法は1/e²ビーム径を用いることです。ガウシアンビームプロファイルにおいては、1/e²ビーム径の方が半導体レーザの出力光をより多く捕捉することになり(光パワーの利用率向上)、さらにファーフィールド回折も最小限に留められます(入射光のケラレが少ないため)。

経験則として、レーザーダイオードのNAの2倍のNAを有するレンズを選ぶのが良いとされています。例えばA390-BやA390TM-BのNAはいずれも0.53で、これは半導体レーザのNA(0.26)の約2倍です。なお、これらのレンズの焦点距離は4.6 mmで、楕円ビームの長径は約2.5 mmになります。一般に、焦点距離の短いコリメート用レンズを使用すると、コリメート光の径は小さくなり、ビーム発散角は大きくなります。これに対して、焦点距離の長いコリメート用レンズを使用するとコリメート光の径は大きくなり、ビーム発散角は小さくなります。

例2:楕円ビームを円形化する方法

上で選択した半導体レーザと非球面レンズに、当社のアナモルフィックプリズムペアを使用して、コリメートされた楕円ビームを円形ビームに変換することができます。

例1では大きい方の発散角しか見ませんでしたが、今度は小さい方の発散角を見ます。例1で選んだ非球面レンズA390-Bの有効焦点距離を用いて、コリメート後の楕円ビームの短半径を求めることができます。

r' = f * tan(Θ'/2) = 4.6 mm * tan(4°) = 0.32 mm

短軸のビーム径は短半径の2倍で0.64 mmとなります。短径を長径と同じ2.5 mmまで長くするには、アナモルフィックプリズムペアを用いて3.9倍に拡大する必要があります。当社ではマウント付きとマウント無しのプリズムペアをご用意しております。マウント付きのプリズムペアは、安定な筐体のために、アライメントを維持しやすいという利点があります。一方、マウント無しのプリズムペアでは任意の角度に配置できるため、必要とする倍率に正確に設定することができます。

波長950 nmのビームに対するマウント付きプリズムペアPS883-Bの倍率は4.0倍です。波長が短いビームほどプリズムペアを通ったときの倍率は大きくなるため、波長が780 nmのビームでは4.0倍よりも若干大きくなります。従って、ビームには小さな楕円率が残ることになります。

一方、マウント無しプリズムペアPS871-Bを使用すると、円形ビームにするのに必要な短軸の倍率を正確にセットすることができます。こちらのデータを使用すると、波長670 nmのビームの場合にはPS871-Bを下記の角度に配置すると4.0の倍率が得られることが分かります。

α₁およびα₂の定義については右の図をご覧ください。780 nmレーザがこの角度でプリズムを通ると、倍率は670 nmのビームよりも若干小さくなります。正確な倍率にするには、ある程度の試行錯誤が必要な場合があります。一般的な方法は下記のとおりです。

• 倍率を上げるには、1つ目のプリズムを時計回りに回し(α₁増大)、2つ目のプリズムを反時計回りに回します(α₂減少)。
• 倍率を下げるには、1つ目のプリズムを反時計回りに回し(α₁減少)、2つ目のプリズムを時計回りに回します(α₂増大)。

なお、プリズムペアでは入射ビームと出射ビームの間にオフセットが生じ、このオフセットは倍率を大きくするほど大きくなることにご留意ください。

仕様の範囲内でご使用いただく限り、半導体レーザの製品寿命は非常に長いものです。ほとんどの故障は、不適切に取り扱われた場合や最大定格値を超えて動作した場合に生じています。半導体レーザは非常に静電気に敏感なデバイスであるため、取り扱う際は適切な静電気防止製品を使用する必要があります。静電気に非常に敏感なため、半導体レーザはパッケージ開封後の返品を受け付けておりません。未開封の場合のみ全額返金いたします。

取扱いならびに保管に関する注意点

半導体レーザは、静電気放電(ESD)による損傷の可能性が非常に高いため、取扱い時は以下の点にご注意ください。

リストストラップ
半導体レーザを取り扱う際には、必ず接地用ESDリストストラップをご使用ください。

静電気防止マット
常に接地用ESDマットの上で作業してください。

半導体レーザの保管
使用していない時はレーザのリード端子を短絡させると静電気放電による損傷を防ぐことが出来ます。

使用上の安全遵守事項

適切なドライバの使用
半導体レーザを使用するときは、オーバードライブを防止するためにも駆動電流と電圧を精密に制御する必要があります。またレーザードライバは、電源ラインのサージ等の過渡的で急激な変化を吸収し、半導体レーザを守ります。用途に応じたレーザードライバをお選びください。汎用的な電流制限抵抗器付きの定電圧電源(直流電源)は、半導体レーザを防御するのに十分な制御機能が備わっていないのでご使用にならないでください。

パワーメータ
半導体レーザと電流電源(ドライバ)を組み合わせた系のレーザ出力を較正する際には、NISTトレーサブルなパワーメータを使用してレーザの出力を正確に計測してください。通常、半導体レーザを光学系に組み込む前に、レーザの出力を直接計測するのがもっとも安全です。これができない場合には、レーザ直後の出力を推定する際、必ず光損失(伝送損失や開口絞りなど)を考慮してください。

反射について
半導体レーザの前方にある光学系の中にレーザに対面するような平面があると、レーザーエネルギの一部分が反射され、レーザ内のモニタ用フォトダイオードに戻ってしまい、誤った高いフォトダイオード電流値が計測される場合があります。その状態でシステム内の光学部品が移動され、モニタ用フォトダイオードへのエネルギの後方反射がなくなった場合、光出力を一定に維持するフィードバックループがフォトダイオード電流の低下を感知します。その結果、レーザードライバの電流を上げる制御が自動的に行なわれ、半導体レーザのオーバードライブにつながる可能性があります。後方反射はその他にも故障や半導体レーザの損傷を招くことがあります。これを防ぐため、光学部品のすべての面を光軸に対して5～10°の角度で傾けるように配置してください。また必要に応じて光アイソレータを使用し、レーザへの直接的なフィードバックを減衰するようにしてください。

ヒートシンク
半導体レーザの寿命は動作温度に対して反比例します。半導体レーザは必ず適切なヒートシンクを取り付けてレーザーパッケージから余分な熱を除去してください。

電圧ならびに電流のオーバードライブについて
各半導体レーザの仕様書に記載されている最大電圧ならびに電流を一時的にでも超えないようご注意ください。また、逆方向電圧については3 Vでも半導体レーザを損傷する可能性があります。

静電気放電(ESD)に敏感なデバイス
半導体レーザは駆動時であってもESDによる損傷を受けやすいデバイスです。静電気放電によるダメージは、半導体レーザとドライバ間に使用するインターフェイスのケーブルを長くしている場合、インダクタンスによりさらに起こりやすくなります。半導体レーザならびに半導体レーザを取り付けた機器を静電気にさらさないよう常にご注意ください。

ON/OFF時ならびに電源ラインを共通にする他の機器に起因する過渡現象
半導体レーザは応答が高速なため、 1 µs未満の過渡電流でもダメージを受ける場合があります。はんだごて、真空ポンプ、蛍光ランプなどの高電流機器の使用時には過渡的に過大な負荷がかかる場合があります。そのため半導体レーザを駆動する際は必ずサージ防止付きコンセントをご使用ください。

半導体レーザについてご質問がございましたら当社までお問い合わせください。

レーザの安全性とクラス分類

レーザを取り扱う際には、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも障害を引き起こします。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光がヒトの網膜に損傷を与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。

安全な作業および安全に関わるアクセサリ

• クラス3または4のレーザを取り扱う場合は、必ずレーザ用保護メガネを装着してください。
• 当社では、レーザのクラスにかかわらず、安全上無視できないパワーレベルのレーザ光線を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ用保護メガネを必ずご使用いただくようにお勧めしております。
• 特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ装置付近では常に装着してください。
• レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
• レーザ保護カーテンやレーザー安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
• 遮光用マテリアルは、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
• 当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
• ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバとの接続を外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
• いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
• レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
• 実験は光学テーブル上で、全てのレーザービームが水平を保って直進するように設定してください。
• ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
• レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
• あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
• アライメントは、可能な限りレーザの出力パワーを低減して作業を行ってください。
• ビームパワーを抑えるためにビームシャッタや フィルタをお使いください。
• レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
• クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、警告灯をご用意ください。
• ビームトラップの代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

レーザ製品のクラス分け

レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定および普及を行う国際機関で、IEC60825-1は、レーザ製品の安全性を規定するIEC規格です。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラス。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザを発光することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ製品には、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品になり得ます。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を発光し、ビーム径を小さくするために光を集束する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は被害が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類となる場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	クラス3Rのレーザ製品は、直接および鏡面反射の観察条件下で危険な可視光および不可視光を発生します。特にレンズ等の光学機器を使用しているときにビームを直接見ると、目が損傷を受ける可能性があります。ビーム内観察が行われなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルが低いクラスです。可視域の連続光のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。拡散反射は通常は有害になることはありませんが、高出力のクラス3Bレーザを使用した場合、有害となる場合もあります。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときにレーザ保護眼鏡を装着してください。このクラスのレーザ機器にはキースイッチと安全保護装置を設け、さらにレーザ安全表示を使用し、安全照明がONにならない限りレーザがONにならないようにすることが求められます。Class 3Bの上限に近いパワーを出力するレーザ製品は、やけどを引き起こすおそれもあります。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。

Insights:ビーム解析

こちらのページでは下記について説明しています。

• チョッパーホイールを使用したビームサイズ測定

このほかにも実験・実習や機器に関するヒントをまとめて掲載しています。こちらからご覧ください。

チョッパーホイールを使用したビームサイズ測定

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図2:ブレードはfの角回転速度で、Rθ の弧(Rはブレード中心からの距離)をトレースします。図のチョッパーホイールは、MC1F2です。　

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図1:上記に示すセットアップでおおよそのビームサイズの測定が可能です。チョッパーホイールのブレードがビームを横切るとき、S字状の曲線がオシロスコープに現れます。

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図4:ガウシアンビームの直径は1/e²強度の幅で表されます。

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図3:信号の立ち上がり時間(t_r )は、通常、強度の10%～90%の時間で定義されます。立ち上がり時間はホイールの回転速度とビーム径に依存します。

カメラや走査スリット型ビームプロファイラはビームサイズやビーム形状を特性化するツールですが、ビームサイズが小さすぎたり、動作範囲外の波長においては正確な測定を行うことができません。

ビームサイズの正確な測定にはチョッパーホイールやフォトディテクタ、オシロスコープが使用されます(図1)。回転するチョッパーホイールがビームを通過すると、S字状の軌跡がオシロスコープに表示されます。

ブレードがθ の角度を掃引すると、S曲線の立ち上がりまたは立ち下がり時間は、ブレードの移動方向に沿ったビームのサイズに比例します(図2)。 ホイールの中心からR の距離にあるブレードエッジ上の点は、ビームサイズにほぼ等しい弧の長さ分(Rθ )、ビームを横切ります。

このビームサイズ測定をするためには、ディテクタとオシロスコープを合わせた応答を、信号の変化の速度よりもはるかに速くする必要があります。

例:S曲線の立ち上がりエッジ
ビームに関連する角度(θ = ft_r )は、信号の立ち上がり時間(図3)や、ホイール回転周波数(f または回転/秒)に依存します。ビームを通る弧長(Rθ = R ⋅ ft_r )は、この角度を使用して求められます。小さなガウシアン状のビームにおいては、一次近似の1/e² ビーム径(D )は、

10%～90%の強度間で定義されたビーム径の1.56倍となります。

最終更新日:2021年6月22日
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