マルチモードファイバーを用いたビームプロファイルの実験データ
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当社で行った特性確認実験:マルチモードファイバを用いたビームプロファイルの変更
ビーム入射角がマルチモードファイバからの出力ビームプロファイルに与える影響についての測定結果をご紹介しています。いくつかの用途では、一般的な光学素子から得られる特有のガウシアン分布の代わりに、トップハット型やドーナツ型のようなビーム分布が望ましい場合があります。この実験では、マルチモードパッチケーブルへ入射する集光ビームの入射角を変化させた場合の影響について調べました。光をファイバ端面に対して垂直に集光すると、ガウシアン分布に近い出力ビームプロファイル(図1)が発生し、入射角を大きくするとトップハット型(図2)またはドーナツ型(図3)のビームプロファイルが発生します。この結果は、マルチモードファイバをどのように使用してビームプロファイルの形状を変更するかを示しています。
実験にはØ200 µm、NA 0.39のステップインデックスファイバーパッチケーブルM38L01(ファイバ素線型番 FT200EMT)をテスト用ファイバとして使用し、集光ビームを入射させました。入射光は、初期、トップ型およびドーナツ型プロファイルを形成するように、マルチモードファイバの入射面に対してそれぞれ0°、11°、15°の入射角で設定しました。入射角を変更する度に、最大の結合効率が得られるよう出力パワーをパワーメータでモニタし、入射ファイバが適切にアライメントされるようにしました。9秒の露光時間でイメージを取得し、ビームプロファイルの形状を評価しました。露光中は、結合用の光学素子(テスト用ファイバの前方)の間で1500 gritの拡散板を手動で回転させて、空間的コヒーレンスを減少させ、きれいなビームプロファイルが形成されるようにしました。
光線追跡モデルを仮定すると、マルチモードファイバに沿って伝搬する一般的な光線には次の2種類があります。毎回反射後にファイバの中心軸を通過する(a)メリジオナル光線と、ファイバの中心軸を通過しない(b)スキューレイです。下図では、この実験で観察された3種類の基本的な光線伝搬の様子を示しています。図4および6は、メリジオナル光線とスキューレイがそれぞれマルチモードファイバを伝搬する様子と、ファイバ出力時の理論的なビーム分布を示しています。図6のように、スキューレイはファイバに沿って螺旋軌道を描きながら伝搬します。その際、半径がrの内側の火面と正接しています。図5は、メリジオナル光線とスキューレイの合成ビームの伝搬と分布を示しています。マルチモードファイバに入射する光の入射角を変更することで、伝搬するメリジオナル光線とスキューレイの割合を変えることができました。その結果、出力をガウシアンに近い分布(主にメリジオナル光線、図1参照)からトップハット型(メリジオナル光線とスキューレイの合成、図2参照)、そしてドーナツ型(主にスキューレイ、図3参照)に変えることができました。図4から6で示されているビームプロファイルは、ファイバ端面から5 mm離れた場所で得たものです。このことから、標準的なマルチモードパッチケーブルを使用すれば、入力ガウシアンプロファイルを損失を最小限に抑えながらトップハット型およびドーナツ型のプロファイルへ変更することが比較的低価格に行えるということがわかります。この実験に使用された装置や実験結果のまとめはこちらをクリックしてご覧ください。
図1. 入射角0°(ファイバ端面に垂直)で得られたガウシアンに近いビームプロファイル
図3. 入射角15°で得られたドーナツ型ビームプロファイル
図2. 入射角11°で得られたトップハット型ビームプロファイル
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図4. ガウシアンに近いプロファイルに対応してメリジオナル光線が伝搬する様子
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図6. ドーナツ型プロファイルに対応してスキューレイが伝搬する様子
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図5. トップハット型プロファイルに対応してメリジオナル光線とスキューレイが伝搬する様子
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