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大径ビームファイバーコリメータ


  • Long Effective Focal Length: 40 mm or 80 mm
  • FC/PC, FC/APC, or SMA Connector
  • Three AR-Coating Wavelength Ranges Available
  • Adjustable Focus

Application Idea

C40FC-A Collimator Mounted on a Ø1/2" Post Using an SM1RC Slip Ring

C80APC-A (Front View)

80 mm Focal Length
FC/APC Connector
AR Coated for 400 - 650 nm

C40SMA-B (Back View)

40 mm Focal Length
SMA905 Connector
AR Coated for 650 - 1050 nm

C80APC-C (Back View)

80 mm Focal Length
FC/APC Connector
AR Coated for 1050 - 1650 nm

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Zoom Fiber Collimators with Lens Tubes
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コリメータの自由空間側の先端にはSM2またはSM1外ネジが付いており、それぞれØ50 mmØ50.8 mm(Ø2インチ)レンズチューブとØ25 mmØ25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブを取り付けられます。

特長

  • コリメート出力またはファイバ結合の用途
  • 有効焦点距離(EFL)40 mmまたは80 mm
  • 3種類の広帯域反射防止(AR)コーティングでご用意(グラフは「コーティング」のタブをご覧ください)
    • 400 nm650 nmRmax0.5%
    • 650 nm1050 nmRmax0.5%
    • 1050 nm1650 nmRmax0.5%
  • 最短集光距離:0.35 m(EFL 40 mm)または0.7 m(EFL 80 mm)
  • Ø42.5 mmまでの自由空間光をファイバへ結合
  • ガウシアンに近い出力
  • 回折限界の波面誤差: 典型値λ/8(NA = 0.14のファイバ、波長633 nmでのPV)
  • 2.2 mmのワイドキー付きのFC/PCまたはFC/APCコネクタ、またはSMA905ポート付き
  • Ø30.5 mmまたはØ55.9mmの外径で、スリップリングおよびチューブクランプとともに使用可能
  • SM1またはSM2外ネジが付いており、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)またはØ50.8 mm(Ø2インチ)レンズチューブに取り付け可能

当社の大径ビームファイバーコリメータは40 mmまたは80 mmの有効焦点距離(EFL)を有し、3種類の波長範囲に対応するARコーティング付きでご用意しています。各コリメーターパッケージには、FC/PCFC/APCまたはSMAポートが付いています。4つのレンズを使用したエアスペース型設計により、非球面レンズを用いたコリメータと比べてビーム品質は高く(1に近いM2)、波面誤差は小さくなります。 赤いホイールは無限遠から最短の集光距離までの間で集光距離を調整します。ホイールは付属の1.3 mm六角レンチを使用してロックできます。 このように、こちらのコリメータは調整幅が大きいため、自由空間用コリメータまたはカプラとしてご使用いただけます。2個セットで使用すると、長距離間の自由空間光に適用できます。この場合、ビームウェストを調整できるため、間に光学素子が挿入された場合でも、最適化できます。また、長距離の空間光通信の用途にも使用できます。

表面反射による損失を最小限に抑えるため、コリメータ内のすべてのレンズは両面に広帯域ARコーティングが施されています(詳細は「コーティング」のタブをご参照ください)ARコーティング範囲は、400650 nm6501050 nm10501650 nm3種をご用意しています。特定の波長におけるVコーティングについては当社までお問い合わせください。

2.2 mmワイドキー付きのFC/PCまたはFC/APCコネクタ用コリメーターパッケージは、公差が小さいセラミック製スリーブを使用しているため、ポインティングの再現性に優れ、大幅な再アライメントをせずに簡単に集光距離の調整やファイバの交換が行えます。なお、ナローキー型の偏波保持ファイバをコリメータのワイドキー型レセプタクルに結合する際には、慎重なアライメントが必要です。 

当社ではこのほかにも、広い波長範囲での使用に適したズーム機能付きファイバーコリメータ調整機能付きFiberPort コリメーターパッケージなどもご用意しています。コリメートならびにカップリング用の製品のラインアップについてはコリメーターガイドをご覧ください。

取付オプション
各コリメータのØ30.5 mmまたはØ55.9mmの外径部分は黒色アルマイト加工が施されており、それぞれ当社のØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブとØ50 mm~Ø50.8 mm(Ø2インチ)レンズチューブの外径と一致します。 これにより、スリップリングまたはチューブクランプを用いてコリメータをポストに簡単に取り付けることができます。 EFL 40 mmおよびEFL 80 mmのコリメータの自由空間側の先端には、それぞれSM1とSM2外ネジが付いています。これらのネジを用いることで、コリメータを30 mmおよび60 mmケージシステムのような当社のオプトメカニクス部品のラインナップに簡単に統合できます。 コリメータの先端にあるネジ付きのリングは、焦点調整リングを回しても回転しないため、取り付けた光学素子に影響を与えずに焦点を調整することができます(詳細は「性能」タブをご参照ください)。

集束光状態または発散光状態
Converging LightDiverging Light
コリメート光状態
Collimated Light

コリメート

光をコリメートする際、それがコヒーレント光であれば、コリメートされているかどうかを判断するためにシヤリング干渉計をお使いいただけます。 この干渉計は、45°に取り付けられたくさび形オプティカルフラットと、中心に基準線がある拡散板で構成されています。

拡散板は、オプティカルフラットの前面および裏面からのフレネル反射で生成される干渉縞を見るために使われます(右写真参照)。ビームがコリメートされている場合、縞パターンは基準線に対して平行になります。干渉縞は、コリメーション以外に、球面収差、コマや非点収差の影響も受けます。

  

自由空間結合

このコリメータを自由空間カプラとしてご使用の場合、結合効率を良くするためには精密なアライメントが必要です。通常、キネマティックマウントとXYZ移動ステージを一緒に使用する場合のような、6つの自由度を持つ調整機構の使用をお勧めしています。例えば、40 mmのコリメータの取り付けにはキネマティックマウントKM100TKC1-T/MKS1Tのいずれか と移動ステージMT3/Mが使用できます。また、80 mmコリメータの取り付けには、キネマティックマウントKM200TKC2-T/MKS2Tのいずれかと移動ステージMT3/Mが使用できます。 ビームは、ビームウェストまでの最大距離(「広がり角」のタブ参照)から最短の集光距離までの間で焦点を結ばせることができ、結合効率の最適化が容易になります。 ARコーティングされたシングルモードまたは偏波保持パッチケーブルを使用すると結合効率やビーム品質をさらに向上させることができます。これらのケーブルは、片方のコネクタ端面にARコーティングが施され、ファイバと自由空間の界面における光結合時の反射減衰量が低減されることを特長としています。

  

Zoom Collimator Adjustments
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ホイールを回転させることにより集光距離を滑らかに調整できます。

調整

当社の大径ビームファイバーコリメータは、40 mmまたは80 mmの焦点距離のレンズが使用され、ビームウェストまでの最大距離(「広がり角」のタブ参照)から最短の集光距離までの間でビームに焦点を結ばせることができます。自由空間光がファイバに入射する際の結合効率を簡単に最適化できます。 

集光距離を調整するには、筐体の赤い部分を回転させます(右写真参照)。これによりビームの焦点位置を変えます。 付属の1.3 mm六角レンチを使い、片端にある止めネジ(セットスクリュ)で回転をロックします。

軸上色収差
規定の動作波長範囲で使用した場合、これらの大径ビームファイバーコリメータは軸上色収差(色焦点シフト)を最小限にとどめるように設計されています。 軸上色収差は、異なる光波長を含む光線がレンズにより集光されるとき、波長に依存した複数の焦点面が生じる現象です。

こちらのコリメータをカプラとして使用した場合の焦点シフトが下のグラフでご覧いただけます。動作波長範囲における焦点距離(公称値)と焦点面の位置の偏差(理論値)がプロットされています。これは、各コーティングタイプについて、ご提供可能な焦点距離(40 mm 、80 mm)で計算されています。

Longitudinal Chromatic Aberration
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理論値はこちらからご覧いただけます。
400~650 nmの大径ビームファイバーコリメータの色焦点移動 青色の領域はこのコリメータの動作波長範囲を示しています。
Longitudinal Chromatic Aberration
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理論値はこちらからご覧いただけます。
650~1050 nmの大径ビームファイバーコリメータの色焦点移動 青色の領域はこのコリメータの動作波長範囲を示しています。
Longitudinal Chromatic Aberration
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理論値はこちらからご覧いただけます。
1050~1650 nmの大径ビームファイバーコリメータの色焦点移動 青色の領域はこのコリメータの動作波長範囲を示しています。

下のグラフでは、最小広がり角に調整した当社の大径ビーム用コリメータとトリプレットコリメータの特定のシングルモードレーザ波長における理論的ビーム径を伝搬距離の関数として示しています。 グラフはシングルモードファイバ使用時の大径ビーム用コリメータコリメータすべてに有効で、焦点距離の短いコリメータに比べて、コリメータから離れた距離でもビームの広がりが最小であることを示しています。

広がり角の理論的近似値

広がり角は、ファイバからの光がガウス型の強度プロファイルを有する場合、下記の計算式で理論的近似値を簡単に求めることができます。この計算式は、シングルモードファイバの場合にはよく当てはまりますが、非ガウス型の強度プロファイルの光を出射するマルチモードファイバからの広がり角については実際より小さい数値になります。

Divergence(°)は以下の式で求められます。

Divergence Angle Equation

ここでMFDはモードフィールド径、fはコリメータの焦点距離です (注:この式ではMFDとfには同じ単位を使わなければなりません)。

計算例:

コリメータC40APC-AをシングルモードファイバーパッチケーブルP3-460B-FC-1と組み合わせて用い、MFD = 3.6 µm、f ≈ 40 mm、λ = 543 nmとした場合、広がり角は

θ ≈ (0.0036 mm / 40 mm) x (180 / 3.1416) ≈ 0.0051°または0.089 mradとなります。

出力ビーム径の理論的近似値

出力ビーム径は以下の式で近似値が求められます。

Output Beam Diameter Equation

ここでλは光の波長、MFDはモードフィールド径、fはコリメータの焦点距離です。

計算例:

コリメータC80FC-C(f = 80 mm)をパッチケーブルP1-SMF28E-FC-1(MFD = 10.5 µm)と1550 nmの光で使用した場合、出力ビーム径は以下の式で近似値が求められます。

d = 4 x 1550 nm x [80 mm / (3.1416 · 10.5 µm)] = 15.0 mm

ビームウェスト最大距離(Maximum Waist Distance)の理論的近似値

ビームウェストまでの最大距離、つまりコリメートが維持されるレンズからの最大距離は以下の式で近似値が求められます。

Max Waist Distance Calculation

fはコリメータの焦点距離、λは光の波長、MFDはモードフィールド径です。

計算例:

コリメータC40FC-AをシングルモードファイバーパッチケーブルP3-460B-FC-1と組み合わせて用い、MFD = 3.6 µm、f ≈ 40 mm、λ = 543 nmとした場合、広がり角は

40 mm + (2 x (40 mm)2 x (543 nm) / (3.1416) x (3.6 µm)2) = 42.7 mとなります。

Divergence for 633 nm collimators
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上の写真は、円形状-線形状変換ファイバーバンドルの出力光のイメージを、大径ビームファイバーコリメータC40SMA-Aで生成した像()と、保護膜銀コーティング付き反射型コリメータRC04SMA-P01で生成した像()です。

当社のSMAコネクタ付き大径ビームファイバーコリメータは、マルチモードファイバを使用した時に優れた性能を発揮します。この特性を実証するために、ハロゲン光源と円形状-線形状変換ファイバーバンドルBFL105LS02を使用して、出力光を大径ビームファイバーコリメータおよび反射型コリメータでコリメートしました。 コリメータは、ファイバからの出力光のイメージを出力部から約0.35 mの位置に設置したスクリーンに生成しました。この距離はコリメータC40SMA-Aの最短焦点距離です。

右の写真では、大径ビームファイバーコリメータC40SMA-A7つの大径マルチモードファイバーコアのすべてを鮮明かつ識別可能な状態で映しだしており、軸外における結像性能に優れていることが示されています。一方、反射型コリメータRC08SMA-P01に同じ円形状-線形状変換マルチモードファイバーバンドルを使用した場合、軸外収差(つまり、コマ収差、非点収差、像面湾曲)が著しいことが分かります。これらの収差は軸外放物面ミラーの原理からくるものです。.

下のグラフは、当社のSMAコネクタ付き大径ビームファイバーコリメータを使用したときのコアの像の径(理論値)を、コリメータ筐体からの距離の関数として示しています。 生成される像のサイズは下記の式で近似的に求められます。

Image Size.

下のグラフは、当社の大径ビーム用ファイバーコリメータの8つのレンズ表面(レンズ毎に2表面)に使用されているARコーティングの反射率の波長依存性を示しています。青色の網掛け部分は各コーティングの波長範囲を示しています。各コリメータに施されているARコーティングの詳細については下の表をご覧ください。

Antireflection Coatings
Item # SuffixWavelength RangeReflectance (Per Surface)a
-A400 - 650 nmbRmax < 0.5%
-B650 - 1050 nmRmax < 0.5%
-C1050 - 1650 nmRmax < 0.5%
  • コリメータにはコーティングされたレンズ表面が8つあります。
  • Zemax機能を使用すると400 nm未満での透過率が著しく低くなるのを見ることができます。

Damage Threshold Specifications
Item # SuffixAR CoatingDamage Threshold
-A400 - 650 nm3 J/cm2 (532 nm, 10 Hz, 10 ns, Ø408 μm)
-B650 - 1050 nm7.5 J/cm2 (810 nm, 10 Hz, 10 ns, Ø76.9 μm)
-C1050 - 1650 nm3 J/cm2 (1542 nm, 1 Hz, 10 ns, Ø268 μm)

当社の大径ビームファイバーコリメータの損傷閾値データ

右は当社の大径ビームファイバーコリメータの測定データです。

 

レーザによる損傷閾値について

このチュートリアルでは、レーザ損傷閾値がどのように測定され、使用する用途に適切な光学素子の決定にその値をどのようにご利用いただけるかを総括しています。お客様のアプリケーションにおいて、光学素子を選択する際、光学素子のレーザによる損傷閾値(Laser Induced Damage Threshold :LIDT)を知ることが重要です。光学素子のLIDTはお客様が使用するレーザの種類に大きく依存します。連続(CW)レーザは、通常、吸収(コーティングまたは基板における)によって発生する熱によって損傷を引き起こします。一方、パルスレーザは熱的損傷が起こる前に、光学素子の格子構造から電子が引き剥がされることによって損傷を受けます。ここで示すガイドラインは、室温で新品の光学素子を前提としています(つまり、スクラッチ&ディグ仕様内、表面の汚染がないなど)。光学素子の表面に塵などの粒子が付くと、低い閾値で損傷を受ける可能性があります。そのため、光学素子の表面をきれいで埃のない状態に保つことをお勧めします。光学素子のクリーニングについては「光学素子クリーニングチュートリアル」をご参照ください。

テスト方法

当社のLIDTテストは、ISO/DIS 11254およびISO 21254に準拠しています。

初めに、低パワー/エネルギのビームを光学素子に入射します。その光学素子の10ヶ所に1回ずつ、設定した時間(CW)またはパルス数(決められたprf)、レーザを照射します。レーザを照射した後、倍率約100倍の顕微鏡を用いた検査で確認し、すべての確認できる損傷を調べます。特定のパワー/エネルギで損傷のあった場所の数を記録します。次に、そのパワー/エネルギを増やすか減らすかして、光学素子にさらに10ヶ所レーザを照射します。このプロセスを損傷が観測されるまで繰返します。損傷閾値は、光学素子が損傷に耐える、損傷が起こらない最大のパワー/エネルギになります。1つのミラーBB1-E02の試験結果は以下のようなヒストグラムになります。

LIDT metallic mirror
上の写真はアルミニウムをコーティングしたミラーでLIDTテストを終えたものです。このテストは、損傷を受ける前のレーザのエネルギは0.43 J/cm2 (1064 nm、10 ns pulse、 10 Hz、Ø1.000 mm)でした。
LIDT BB1-E02
Example Test Data
Fluence# of Tested LocationsLocations with DamageLocations Without Damage
1.50 J/cm210010
1.75 J/cm210010
2.00 J/cm210010
2.25 J/cm21019
3.00 J/cm21019
5.00 J/cm21091

試験結果によれば、ミラーの損傷閾値は 2.00 J/cm2 (532 nm、10 ns pulse、10 Hz、 Ø0.803 mm)でした。尚、汚れや汚染によって光学素子の損傷閾値は大幅に低減されるため、こちらの試験はクリーンな光学素子で行っています。また、特定のロットのコーティングに対してのみ試験を行った結果ではありますが、当社の損傷閾値の仕様は様々な因子を考慮して、実測した値よりも低めに設定されており、全てのコーティングロットに対して適用されています。

CWレーザと長パルスレーザ

光学素子がCWレーザによって損傷を受けるのは、通常バルク材料がレーザのエネルギを吸収することによって引き起こされる溶解、あるいはAR(反射防止)コーティングのダメージによるものです[1]。1 µsを超える長いパルスレーザについてLIDTを論じる時は、CWレーザと同様に扱うことができます。

パルス長が1 nsと1 µs の間のときは、損傷は吸収、もしくは絶縁破壊のどちらかで発生していると考えることができます(CWとパルスのLIDT両方を調べなければなりません)。吸収は光学素子の固有特性によるものか、表面の不均一性によるものかのどちらかによって起こります。従って、LIDTは製造元の仕様以上の表面の質を有する光学素子にのみ有効です。多くの光学素子は、ハイパワーCWレーザで扱うことができる一方、アクロマティック複レンズのような接合レンズやNDフィルタのような高吸収光学素子は低いCWレーザ損傷閾値になる傾向にあります。このような低い損傷閾値は接着剤や金属コーティングにおける吸収や散乱によるものです。

Linear Power Density Scaling

線形パワー密度におけるLIDTに対するパルス長とスポットサイズ。長パルス~CWでは線形パワー密度はスポットサイズにかかわらず一定です。 このグラフの出典は[1]です。

Intensity Distribution

繰返し周波数(prf)の高いパルスレーザは、光学素子に熱的損傷も引き起こします。この場合は吸収や熱拡散率のような因子が深く関係しており、残念ながらprfの高いレーザが熱的影響によって光学素子に損傷を引き起こす場合の信頼性のあるLIDTを求める方法は確立されておりません。prfの大きいビームでは、平均出力およびピークパワーの両方を等しいCW出力と比較する必要があります。また、非常に透過率の高い材料では、prfが上昇してもLIDTの減少は皆無かそれに近くなります。

ある光学素子の固有のCWレーザの損傷閾値を使う場合には、以下のことを知る必要があります。

  1. レーザの波長
  2. ビーム径(1/e2)
  3. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)
  4. レーザのパワー密度(トータルパワーをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)

ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。この条件下では、出力密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません(右グラフ参照)。平均線形パワー密度は、下の計算式で算出できます。

ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。次に、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときはビームの強度が1/e2の2倍のパワー密度を有します(右下図参照)。

次に、光学素子のLIDTの仕様の最大パワー密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です。おおよその目安として参考にできるのは、損傷閾値は波長に対して比例関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(つまり、1310 nmで10 W/cmのLIDTならば、655 nmでは5 W/cmと見積もります)。

CW Wavelength Scaling

この目安は一般的な傾向ですが、LIDTと波長の関係を定量的に示すものではありません。例えば、CW用途では、損傷はコーティングや基板の吸収によってより大きく変化し、必ずしも一般的な傾向通りとはなりません。上記の傾向はLIDT値の目安として参考にしていただけますが、LIDTの仕様波長と異なる場合には当社までお問い合わせください。パワー密度が光学素子の補正済みLIDTよりも小さい場合、この光学素子は目的の用途にご使用いただけます。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社は個別の情報やテスト結果の証明書を発行することもできます。損傷解析は、類似した光学素子を用いて行います(お客様の光学素子には損傷は与えません)。試験の費用や所要時間などの詳細は、当社までお問い合わせください。

パルスレーザ

先に述べたように、通常、パルスレーザはCWレーザとは異なるタイプの損傷を光学素子に引き起こします。パルスレーザは損傷を与えるほど光学素子を加熱しませんが、光学素子から電子をひきはがします。残念ながら、お客様のレーザに対して光学素子のLIDTの仕様を照らし合わせることは非常に困難です。パルスレーザのパルス幅に起因する光学素子の損傷には、複数の形態があります。以下の表中のハイライトされた列は当社の仕様のLIDT値が当てはまるパルス幅に対する概要です。

パルス幅が10-9 sより短いパルスについては、当社の仕様のLIDT値と比較することは困難です。この超短パルスでは、多光子アバランシェ電離などのさまざまなメカニクスが損傷機構の主流になります[2]。対照的に、パルス幅が10-7 sと10-4 sの間のパルスは絶縁破壊、または熱的影響により光学素子の損傷を引き起こすと考えられます。これは、光学素子がお客様の用途に適しているかどうかを決定するために、レーザービームに対してCWとパルス両方による損傷閾値を参照しなくてはならないということです。

Pulse Durationt < 10-9 s10-9 < t < 10-7 s10-7 < t < 10-4 st > 10-4 s
Damage MechanismAvalanche IonizationDielectric BreakdownDielectric Breakdown or ThermalThermal
Relevant Damage SpecificationN/APulsedPulsed and CWCW

お客様のパルスレーザに対してLIDTを比較する際は、以下のことを確認いただくことが重要です。

Energy Density Scaling

エネルギ密度におけるLIDTに対するパルス長&スポットサイズ。短パルスでは、エネルギ密度はスポットサイズにかかわらず一定です。このグラフの出典は[1]です。

  1. レーザの波長
  2. ビームのエネルギ密度(トータルエネルギをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)
  3. レーザのパルス幅
  4. パルスの繰返周波数(prf)
  5. 実際に使用するビーム径(1/e2 )
  6. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)

ビームのエネルギ密度はJ/cm2の単位で計算します。右のグラフは、短パルス光源には、エネルギ密度が適した測定量であることを示しています。この条件下では、エネルギ密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません。ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。ここで、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときは一般にビームの強度が1/e2のときの2倍のパワー密度を有します。

次に、光学素子のLIDTの仕様と最大エネルギ密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です[3]。経験則から、損傷閾値は波長に対して以下のような平方根の関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(例えば、1064 nmで 1 J/cm2のLIDTならば、532 nmでは0.7 J/cm2と計算されます)。

Pulse Wavelength Scaling

 

波長を補正したエネルギ密度を得ました。これを以下のステップで使用します。

ビーム径は損傷閾値を比較する時にも重要です。LIDTがJ/cm2の単位で表される場合、スポットサイズとは無関係になりますが、ビームサイズが大きい場合、LIDTの不一致を引き起こす原因でもある不具合が、より明らかになる傾向があります[4]。ここで示されているデータでは、LIDTの測定には<1 mmのビーム径が用いられています。ビーム径が5 mmよりも大きい場合、前述のようにビームのサイズが大きいほど不具合の影響が大きくなるため、LIDT (J/cm2)はビーム径とは無関係にはなりません。

次に、パルス幅について補正します。パルス幅が長くなるほど、より大きなエネルギに光学素子は耐えることができます。パルス幅が1~100 nsの場合の近似式は以下のようになります。

Pulse Length Scaling

お客様のレーザのパルス幅をもとに、光学素子の補正されたLIDTを計算するのにこの計算式を使います。お客様の最大エネルギ密度が、この補正したエネルギ密度よりも小さい場合、その光学素子はお客様の用途でご使用いただけます。ご注意いただきたい点は、10-9 s と10-7 sの間のパルスにのみこの計算が使えることです。パルス幅が10-7 sと10-4 sの間の場合には、CWのLIDTも調べなければなりません。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社では個別のテスト情報やテスト結果の証明書を発行することも可能です。詳細は、当社までお問い合わせください。


[1] R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517 (1997).
[2] Roger M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics Publishing, Philadelphia, PA, 2003).
[3] C. W. Carr et al., Phys. Rev. Lett. 91, 127402 (2003).
[4] N. Bloembergen, Appl. Opt. 12, 661 (1973).

レーザーシステムが光学素子に損傷を引き起こすかどうか判断するプロセスを説明するために、レーザによって引き起こされる損傷閾値(LIDT)の計算例をいくつかご紹介します。同様の計算を実行したい場合には、右のボタンをクリックしてください。計算ができるスプレッドシートをダウンロードいただけます。ご使用の際には光学素子のLIDTの値と、レーザーシステムの関連パラメータを緑の枠内に入力してください。スプレッドシートでCWならびにパルスの線形パワー密度、ならびにパルスのエネルギ密度を計算できます。これらの値はスケーリング則に基づいて、光学素子のLIDTの調整スケール値を計算するのに用いられます。計算式はガウシアンビームのプロファイルを想定しているため、ほかのビーム形状(均一ビームなど)には補正係数を導入する必要があります。 LIDTのスケーリング則は経験則に基づいていますので、確度は保証されません。なお、光学素子やコーティングに吸収があると、スペクトル領域によってLIDTが著しく低くなる場合があります。LIDTはパルス幅が1ナノ秒(ns)未満の超短パルスには有効ではありません。

Intensity Distribution
ガウシアンビームの最大強度は均一ビームの約2倍です。

CWレーザの例
波長1319 nm、ビーム径(1/e2)10 mm、パワー0.5 Wのガウシアンビームを生成するCWレーザーシステム想定します。このビームの平均線形パワー密度は、全パワーをビーム径で単純に割ると0.5 W/cmとなります。

CW Wavelength Scaling

しかし、ガウシアンビームの最大パワー密度は均一ビームの約2倍です(右のグラフ参照)。従って、システムのより正確な最大線形パワー密度は1 W/cmとなります。

アクロマティック複レンズAC127-030-CのCW LIDTは、1550 nmでテストされて350 W/cmとされています。CWの損傷閾値は通常レーザ光源の波長に直接スケーリングするため、LIDTの調整値は以下のように求められます。

CW Wavelength Scaling

LIDTの調整値は350 W/cm x (1319 nm / 1550 nm) = 298 W/cmと得られ、計算したレーザーシステムのパワー密度よりも大幅に高いため、この複レンズをこの用途に使用しても安全です。

ナノ秒パルスレーザの例:パルス幅が異なる場合のスケーリング
出力が繰返し周波数10 Hz、波長355 nm、エネルギ1 J、パルス幅2 ns、ビーム径(1/e2)1.9 cmのガウシアンビームであるNd:YAGパルスレーザーシステムを想定します。各パルスの平均エネルギ密度は、パルスエネルギをビームの断面積で割って求めます。

Pulse Energy Density

上で説明したように、ガウシアンビームの最大エネルギ密度は平均エネルギ密度の約2倍です。よって、このビームの最大エネルギ密度は約0.7 J/cm2です。

このビームのエネルギ密度を、広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDT 1 J/cm2、そしてNd:YAGレーザーラインミラーNB1-K08のLIDT 3.5 J/cm2と比較します。LIDTの値は両方とも、波長355 nm、パルス幅10 ns、繰返し周波数10 Hzのレーザで計測しました。従って、より短いパルス幅に対する調整を行う必要があります。 1つ前のタブで説明したようにナノ秒パルスシステムのLIDTは、パルス幅の平方根にスケーリングします:

Pulse Length Scaling

この調整係数により広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDTは0.45 J/cm2に、Nd:YAGレーザーラインミラーのLIDTは1.6 J/cm2になり、これらをビームの最大エネルギ密度0.7 J/cm2と比較します。広帯域ミラーはレーザによって損傷を受ける可能性があり、より特化されたレーザーラインミラーがこのシステムには適していることが分かります。

ナノ秒パルスレーザの例:波長が異なる場合のスケーリング
波長1064 nm、繰返し周波数2.5 Hz、パルスエネルギ100 mJ、パルス幅10 ns、ビーム径(1/e2)16 mmのレーザ光を、NDフィルタで減衰させるようなパルスレーザーシステムを想定します。これらの数値からガウシアン出力における最大エネルギ密度は0.1 J/cm2になります。Ø25 mm、OD 1.0の反射型NDフィルタ NDUV10Aの損傷閾値は355 nm、10 nsのパルスにおいて0.05 J/cm2で、同様の吸収型フィルタ NE10Aの損傷閾値は532 nm、10 nsのパルスにおいて10 J/cm2です。1つ前のタブで説明したように光学素子のLIDTは、ナノ秒パルス領域では波長の平方根にスケーリングします。

Pulse Wavelength Scaling

スケーリングによりLIDTの調整値は反射型フィルタでは0.08 J/cm2、吸収型フィルタでは14 J/cm2となります。このケースでは吸収型フィルタが光学損傷を防ぐには適した選択肢となります。

マイクロ秒パルスレーザの例
パルス幅1 µs、パルスエネルギ150 µJ、繰返し周波数50 kHzで、結果的にデューティーサイクルが5%になるレーザーシステムについて考えてみます。このシステムはCWとパルスレーザの間の領域にあり、どちらのメカニズムでも光学素子に損傷を招く可能性があります。レーザーシステムの安全な動作のためにはCWとパルス両方のLIDTをレーザーシステムの特性と比較する必要があります。

この比較的長いパルス幅のレーザが、波長980 nm、ビーム径(1/e2)12.7 mmのガウシアンビームであった場合、線形パワー密度は5.9 W/cm、1パルスのエネルギ密度は1.2 x 10-4 J/cm2となります。これをポリマーゼロオーダ1/4波長板WPQ10E-980のLIDTと比較してみます。CW放射に対するLIDTは810 nmで5 W/cm、10 nsパルスのLIDTは810 nmで5 J/cm2です。前述同様、光学素子のCW LIDTはレーザ波長と線形にスケーリングするので、CWの調整値は980 nmで6 W/cmとなります。一方でパルスのLIDTはレーザ波長の平方根とパルス幅の平方根にスケーリングしますので、1 µsパルスの980 nmでの調整値は55 J/cm2です。光学素子のパルスのLIDTはパルスレーザのエネルギ密度よりはるかに大きいので、個々のパルスが波長板を損傷することはありません。しかしレーザの平均線形パワー密度が大きいため、高出力CWビームのように光学素子に熱的損傷を引き起こす可能性があります。


Posted Comments:
kevin.yyw  (posted 2018-11-22 03:02:10.983)
Dear Thorlabs team: For this item of focuser, can we change the connector for SMA905? We need it to do the fiber alingment, but we must use SMA905 connector, because our customer require select SMA905 connector fiber.
YLohia  (posted 2018-12-03 12:20:32.0)
Hello, thank you for contacting Thorlabs. Custom beam expanders can be requested through techsupport@thorlabs.com. I will reach out to you directly regarding the possibility of obtaining one of these.
rkharrison  (posted 2018-07-25 12:23:26.577)
Hi, Can you make one of these with SMA fiber coupling? Thanks, Rick
YLohia  (posted 2018-07-26 08:44:34.0)
Hi Rick, I have reached out to you directly to discuss the possibility of offering this.
user  (posted 2018-01-17 18:15:09.33)
divergence calculation is wrong. Should be 0.089 mrad.
tcampbell  (posted 2018-01-19 10:11:51.0)
Hello, thank you for contacting Thorlabs. Our calculation already shows the result of 0.089 mrad. Feel free to contact us at techsupport@thorlabs.com if you have further questions about our calculations.

ファイバーコリメーターセレクションガイド

コリメータのタイプまたは画像をクリックすると、各コリメータの詳細がご覧いただけます。 

Type Description
固定型FC、APC、SMAコネクタ付きファイバーコリメータFixed SMA Fiber Collimatorこのファイバーコリメーターパッケージは、FC/PC、FC/APC、またはSMAコネクタ付きファイバからの光をコリメートするようアライメント済みです。 各コリメーターパッケージは、405 nm~4.55 µmの波長で回折限界までアライメントされています。 規定の波長以外でコリメータを使用することも可能ですが、球面レンズの有効焦点距離の波長依存によって引き起こされる色収差により、最適動作は設計波長のみです。
エアスペース型複レンズ、大径ビームコリメータAir-Spaced Doublet Fiber Collimator大径ビーム(Ø5.3 mm~Ø8.5 mm)用FC/PC、SMA、FC/APCエアスペース型複レンズコリメータをご用意しています。 このコリメーターパッケージは、FCやSMAコネクタ付きファイバの先端からの出力光をコリメートし、設計波長で回折限界性能を発揮するよう、製造時にアライメントを済ませてご提供いたします。
トリプレットコリメータTriplet Fiber Collimator当社の高品質なトリプレットコリメーターパッケージは、エアスペーストリプレットレンズを使用し、非球面レンズコリメータと比べて優れたビーム品質が得られます。収差の小さいトリプレットデザインの利点は、1に近いM2値(ガウス)と、広がり角や波面エラーが小さくなることなどです。
マルチモードファイバ用アクロマティックコリメータTriplet Fiber Collimator当社の高NAアクロマティックコリメータは、メニスカスレンズとアクロマティック複レンズを組み合わせることで、可視スペクトル域において球面収差の少ない優れた性能を発揮します。高NAのマルチモードファイバ用に設計されているため、オプトジェネティクスやファイバーフォトメトリの用途に適しています。
反射型コリメータReflective Fiber Collimator当社の金属コーティング反射型コリメータは90°軸外パラボリックミラーをベースにしています。レンズと違い、ミラーは広い波長範囲にわたり焦点距離を維持します。この固有の特性により、パラボリックミラーコリメータは幅広い光波長に合わせた調整が不要で、多色光用途に適しています。当社の反射型コリメータはシングルモードファイバに適しています。
FiberPortFiberport Fiber Collimatorこちらのコンパクトかつ超安定型のFiberPortマイクロポジショナは、FC/PC、FC/APCまたはSMAコネクタ付き光ファイバからの光を入出力するための、安定で使いやすいプラットフォームです。 シングルモード、マルチモードまたは偏波保持(PM)ファイバと一緒に使え、ポストやステージ、プラットフォーム、またはレーザへ取り付けることができます。 組み込まれている非球面またはアクロマティックレンズは、ARコーティングを3種類から選択でき、5軸のアライメント調整(3つの移動調整と2つの角度調整)が可能です。 コンパクトでアライメントの長時間安定性を実現しているFiberPortは、ファイバへの光の入射やコリメート、またはOEM用途に適しています。
調整可能ファイバーコリメータAdjustable Fiber Collimatorこのコリメータは、FC/PCやFC/APCコネクタに接続するよう設計され、またARコーティング付き非球面レンズが含まれています。 非球面レンズとFCコネクタ付きファイバ端との距離は、焦点距離変化の補正や、要求される距離や波長での再コリメートに合わせて調整できます。
大径ビームファイバーコリメータlarge beam collimators当社の大径ビームファイバーコリメータは3種類の波長範囲にわたって40 mmまたは80 mmの有効焦点距離(EFL) を有し、FC/PC、FC/APCまたはSMA905コネクタ付きでご用意しています。4つのレンズを使用したエアスペース型設計により、非球面レンズを用いたコリメータと比べてビーム品質は高く(1に近いM2)、波面誤差は小さくなります。このように、こちらのコリメータは調整幅が大きいため、自由空間用コリメータまたはカプラとしてご使用いただけます。2個セットで使用すると、自由空間光のビームウェストを調整できるため、長距離通信の用途に役立ちます。 
ズーム機能付きファイバーコリメータZoom Fiber Collimatorこちらのコリメータは、ビームをコリメートしたまま、6~18 mmの範囲で焦点距離を変えることができます。 その結果、コリメートしたままビームサイズの変更が可能です。 このデバイスは、用途に適した固定のファイバーコリメータを探す手間を省けるという利点に加え、1つで様々な幅広い用途に対応することができます。 FC/PC、FC/APCまたはSMA905コネクタ付きで、3種類の反射防止コーティングでご用意しております。
ピグテール付きコリメータPigtailed Fiber Collimator1メートルのシングルモードまたはマルチモードファイバ付きのピグテール付きコリメータは、ファイバとステンレススチール製筐体にしっかり埋め込まれたARコーティング付き非球面レンズを備え、532、830、1030、1064、1310、1550 nmの6波長のいずれかで適切なコリメートとなります。コーティング範囲内のどの波長でもコリメートできますが、設計波長からずれると結合損失が増加します。 
GRINレンズコリメータGRIN Fiber Collimator当社のGRINレンズファイバーコリメータは、630~1550 nm のいずれかにアライメントされ、FCまたはAPCコネクタ付きもしくはコネクタ無しをお選びいただけます。 開口Ø1.8 mmのGRINレンズコリメータは、ファイバへの入射の後方反射を抑えるARコーティングが施され、標準シングルモードファイバまたはグレーデッドインデックス(GI)マルチモードファイバへ結合されています。
GRINレンズGRIN Lensこの630、830、1060、1300、1560 nm用のARコーティングが施された屈折率分布型(GRIN)レンズは、光ファイバから出力された光が、自由空間を通って、再度別のファイバへ入射する用途に使用されます。 また半導体レーザからのファイバへの入射光の結合や、ファイバから出射してディテクタへ集光したり、レーザ光をコリメートする際にも適しています。このGRINレンズは当社のピグテール付きガラスフェルールやGRINレンズ/フェルール用スリーブとお使いいただけます。

400~650 nm用コリメータ

Item #EFLaTypical Collimated Beam
Diameter (Alignment Fiber)b
Closest Focus
Distance
Clear
Aperturec
Outer
Diameterd
ThreadingConnectorTransmissionAR CoatingFiber NA
(Max)e
C40FC-A40 mm7.5 mm (SM400 at 405 nm)
7.4 mm (SM450 at 543 nm)
7.4 mm (SM600 at 633 nm)
0.35 mØ20.5 mm1.2"External SM1
(1.035"-40)
2.2 mm FC/PC 93% at 405 nm
93% at 543 nm
93% at 633 nm
400 - 650 nm
Rmax < 0.5%
Per Surface
0.25
C40APC-A2.2 mm FC/APC
C40SMA-ASMA905
C80FC-A80 mm15.2 mm (SM400 at 405 nm)
14.9 mm (SM450 at 543 nm)
15.0 mm (SM600 at 633 nm)
0.7 mØ42.5 mm2.2"External SM2
(2.035"-40)
2.2 mm FC/PC
C80APC-A2.2 mm FC/APC
C80SMA-ASMA905
  • 有効焦点距離
  • この1/e2ビーム径は、表に記載のシングルモードファイバを使用し、仕様の波長範囲の光における測定データです。
  • コリメータに入出射可能な最大ビームサイズです。
  • これらのコリメータはチューブクランプならびにスリップリングを用いて取り付け可能です。外径30.5 mmのコリメータはSM1RC/MSM1TCCP12SM2A21にお使いいただけます。外径55.9 mmのコリメータはSM2RC/MSM2TCLCP09にお使いいただけます。
  • ファイバから出射した光をコリメートする時に使用できるファイバの最大NAです。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
C40FC-A Support Documentation
C40FC-ALarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/PC, ARC: 400 - 650 nm
¥117,230
3-5 Days
C40APC-A Support Documentation
C40APC-ALarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/APC, ARC: 400 - 650 nm
¥117,230
3-5 Days
C40SMA-A Support Documentation
C40SMA-ANEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, SMA, ARC: 400 - 650 nm
¥117,230
3-5 Days
C80FC-A Support Documentation
C80FC-ALarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/PC, ARC: 400 - 650 nm
¥165,500
3-5 Days
C80APC-A Support Documentation
C80APC-ALarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/APC, ARC: 400 - 650 nm
¥165,500
3-5 Days
C80SMA-A Support Documentation
C80SMA-ANEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, SMA, ARC: 400 - 650 nm
¥165,500
3-5 Days

650~1050 nm用コリメータ

Item #EFLaTypical Collimated Beam
Diameter (Alignment Fiber)b
Closest Focus
Distance
Clear
Aperturec
Outer
Diameter
d
ThreadingConnectorTransmissionAR CoatingFiber NA
(Max)e
C40FC-B40 mm8.6 mm (780HP at 780 nm)
8.6 mm (SM980-5.8-125 at 980 nm)
0.35 mØ20.5 mm1.2"External SM1
(1.035"-40)
2.2 mm FC/PC 96% at 780 nm
95% at 980 nm
650 - 1050 nm
Rmax < 0.5%
Per Surface
0.25
C40APC-B2.2 mm FC/APC
C40SMA-BSMA905
C80FC-B80 mm17.3 mm (780HP at 780 nm)
17.2 mm (SM980-5.8-125 at 980 nm)
0.7 mØ42.5 mm2.2"External SM2
(2.035"-40)
2.2 mm FC/PC
C80APC-B2.2 mm FC/APC
C80SMA-BSMA905
  • 有効焦点距離
  • この1/e2ビーム径は、表に記載のシングルモードファイバを使用し、仕様の波長範囲の光における測定データです。
  • コリメータに入出射可能な最大ビームサイズです。
  • これらのコリメータはチューブクランプならびにスリップリングを用いて取り付け可能です。外径30.5 mmのコリメータはSM1RC/MSM1TCCP12SM2A21にお使いいただけます。外径55.9 mmのコリメータはSM2RC/MSM2TCLCP09にお使いいただけます。
  • ファイバから出射した光をコリメートする時に使用できるファイバの最大NAです。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
C40FC-B Support Documentation
C40FC-BLarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/PC, ARC: 650 - 1050 nm
¥117,230
3-5 Days
C40APC-B Support Documentation
C40APC-BLarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/APC, ARC: 650 - 1050 nm
¥117,230
Today
C40SMA-B Support Documentation
C40SMA-BNEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, SMA, ARC: 650 - 1050 nm
¥117,230
3-5 Days
C80FC-B Support Documentation
C80FC-BLarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/PC, ARC: 650 - 1050 nm
¥165,500
3-5 Days
C80APC-B Support Documentation
C80APC-BLarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/APC, ARC: 650 - 1050 nm
¥165,500
3-5 Days
C80SMA-B Support Documentation
C80SMA-BNEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, SMA, ARC: 650 - 1050 nm
¥165,500
3-5 Days

1050~1650 nm用コリメータ

Item #EFLaTypical Collimated Beam
Diameter (Alignment Fiber)b
Closest Focus
Distance
Clear
Aperturec
Outer
Diameter
d
ThreadingConnectorTransmissionAR CoatingFiber NA (Max)e
C40FC-C40 mm8.7 mm (SM980-5.8-125 at 1064 nm)
7.2 mm (SMF-28-J9 at 1310 nm)
7.3 mm (SMF-28-J9 at 1550 nm)
0.35 mØ20.5 mm1.2"External SM1
(1.035"-40)
2.2 mm FC/PC 92% at 1064 nm
92% at 1310 nm
92% at 1550 nm
1050 - 1650 nm
Rmax < 0.5%
Per Surface
0.25
C40APC-C2.2 mm FC/APC
C40SMA-CSMA905
C80FC-C80 mm17.5 mm (SM980-5.8-125 at 1064 nm)
14.5 mm (SMF-28-J9 at 1310 nm)
14.5 mm (SMF-28-J9 at 1550 nm)
0.7 mØ42.5 mm2.2"External SM2
(2.035"-40)
2.2 mm FC/PC
C80APC-C2.2 mm FC/APC
C80SMA-CSMA905
  • 有効焦点距離
  • この1/e2ビーム径は、表に記載のシングルモードファイバを使用し、仕様の波長範囲の光における測定データです。
  • コリメータに入出射可能な最大ビームサイズです。
  • これらのコリメータはチューブクランプならびにスリップリングを用いて取り付け可能です。外径30.5 mmのコリメータはSM1RC/MSM1TCCP12SM2A21にお使いいただけます。外径55.9 mmのコリメータはSM2RC/MSM2TCLCP09にお使いいただけます。
  • ファイバから出射した光をコリメートする時に使用できるファイバの最大NAです。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
C40FC-C Support Documentation
C40FC-CLarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/PC, ARC: 1050 - 1650 nm
¥117,230
3-5 Days
C40APC-C Support Documentation
C40APC-CLarge-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, FC/APC, ARC: 1050 - 1650 nm
¥117,230
Today
C40SMA-C Support Documentation
C40SMA-CNEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 40 mm, SMA, ARC: 1050 - 1650 nm
¥117,230
3-5 Days
C80FC-C Support Documentation
C80FC-CLarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/PC, RC: 1050 - 1650 nm
¥165,500
3-5 Days
C80APC-C Support Documentation
C80APC-CLarge-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, FC/APC, ARC: 1050 - 1650 nm
¥165,500
Today
C80SMA-C Support Documentation
C80SMA-CNEW!Large-Beam Fiber Collimator, f = 80 mm, SMA, ARC: 1050 - 1650 nm
¥165,500
3-5 Days
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