フォトニクスとは

最終更新日:2019年12月4日

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レーザのポインティング角度を補正する手順とは

キネマティックマウントのピッチ(チップ)とヨー(ティルト)を調整することで、レーザ角度の微細な補正を行うことができます。この角度調整は、コリメートされたレーザ光を光学テーブル表面などの基準面に対して、あるいはテーブルのタップ穴のラインに沿ってなどその面の特定の方向に対して水平にアライメントするときなどで行います。

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図2:ビームは、光学テーブルのタップ穴のラインに対して平行になるようアライメントすることができます。キネマティックマウントのヨー調整でビーム角度を調整し、ルーラをタップ穴のラインに沿ってスライドさせるときに、ビームがルーラの縦の基準線上に保持されるようにします。

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図1:ビーム方向を光学テーブルの表面に対して水平にするには、レーザ用キネマティックマウントのピッチ調整を使用します(図2)。ビームがテーブル表面に対して平行になっている状態は、ビーム高がレーザ前面に近い位置(左)と遠い位置(右)でパワー測定値が同じであることを確認することで行います。

マウントのアジャスタを使用する前に
まず、キネマティックマウントの各アジャスタを回して移動範囲の中央に移動させます。これにより調整範囲が足りなくなるリスクが少なくなります。また調整範囲の真ん中にアジャスタがあると、マウントのポインティング安定性が良くなります。

その後、レーザを支えるポストやポストホルダなどのオプトメカニクス部品を調整することで、レーザの高さ、位置、向きの粗調整を行います。 調整後はすべての固定ネジが締め付けられていることを確認してください。

ビームをテーブル表面に対して平行にする場合
レーザ光のレベル調整のため、アライメントツールを用いて、マウントのピッチアジャスタによる微細な調整を繰り返す必要があります。

まず光源から近い位置と遠い位置のビームの高さを測定します(図1)。2つの間の距離が長ければ長いほど、確度は高くなります。 2つの位置のビーム高が一致するまで、キネマティックマウントのピッチを繰り返し調整します。

動画3の例では、光源に近いビーム高は当初82 mmでしたが、最初のピッチ調整で83 mmに上がっています。

水平のビームを任意の高さに調整した後は、レーザを支えるオプトメカニクス部品をその高さに調整します。または2つのステアリングミラーをレーザの後ろに置き、違う方法でアライメントすることもできます。ステアリングミラーは特にレーザのビームの高さと方向を固定して使用する場合のビーム出力方向の調整に有用です。

ビームをタップ穴列に沿った向きにする
ビームをテーブルのタップ穴列に対して平行にアライメントするのもまたアライメントツールとマウントのヨーアジャスタの調整が必要な反復プロセスです。

アライメントツールにより、タップ穴列を基準線としたレーザ出力方向を調整できます。ルーラの底辺の端をタップ穴列に合わせて配置します(図2)。

テーブル上の基準線に対するビームの角度は、レーザースポッ位置トとルーラの垂直基準線の差を見ることで確認できます。 垂直基準線として、ルーラ端や目盛端では不十分な場合には、取付けブラケットBHMA1を使用して水平置き型のルーラを取り付けることができます。

動画3では、ルーラをタップ穴列に並行に移動し、レーザ照射位置をルーラーの1 mm単位の目盛の端に一致させるようにアライメントします。ルーラを基準線の遠い方の位置に移動させると、ルーラのビーム位置も水平方向に移動します。ルーラを遠い方の位置に配置した後、ビーム端が1 mm単位の目盛に一致するまでマウントのヨーを調整します。その後ルーラを光源の近くに移動させ、ビームの位置調整の結果を見ます。このプロセスは必要に応じて反復で行われています。

ビームアライメントに関する追加情報はこちらの動画ページでご覧ください。

最終更新日:2020年10月12日

2つのミラーを使用して異なる光路にレーザ光をアライメントする方法

1つ目のステアリングミラーは、新しい光路上に配置された2つ目のミラーに向けてビームを反射します。2つ目のステアリングミラーは、新しい光路に沿うようにアライメントします。2つのステアリングミラーでレーザ光をアライメントする手順は、Walking the Beam(ビームの移動)として説明することがあり、その結果はFolded Beam Path(折りたたまれたビーム路)と呼ばれることがあります。動画4の例では、ビームを新しい光路にアライメントするために2つのアイリスが使用されています。新しい光路は光学テーブル面に対して平行で、タップ穴列に沿っています。

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図3:1つ目のミラーから反射されたビームは、x軸ならびにy軸まわりに、それぞれ θおよびψ回転すれば、2つ目のミラーに入射します。どちらの角度も2つ目のミラーの中心位置(座標x₂ , y₂ , z₂ )に影響を及ぼします。1つ目のミラーのx軸周りの回転は、マウントのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲によって制限されますが、その移動範囲は、2つ目のミラーの位置と高さも制限します。

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図 5:2つ目のキネマティックミラーマウントのアジャスタは、2つ目のアイリスにビームをアライメントするのに使用します。

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図4:1つ目のキネマティックミラーマウントのアジャスタを調整して、1つ目のアイリスの開口部にレーザースポットを合わせています。

ミラーの高さの設定
1つ目のミラーの中心は、入射路の高さと一致させます。2つ目のミラーの中心は、新しい光路の高さに合わせてください。

アイリスのセットアップ
新しい光路はアイリスによって設定されます。動画4では光路がテーブル面に対して水平となるよう、アイリスの高さが一致していることがご覧いただけます。マウント内のアイリスの高さはルーラかノギスを使用すると適度な精度で設定可能です。

アイリスが閉じているときの(小さな)開口部は、完全な中心位置にない場合があります。そのため、ビームに面するアイリスの左右を交換すると、開口の位置がシフトする場合があります。ビームに面するアイリスの面を決めたらセットアップから使用まで同じ面を使用することを推奨します。

コンポーネントの配置と粗調整
まず、両ミラーのアジャスタを回しながら移動範囲の中央に移動させます。1つ目のミラーは入射光路に配置し、2つ目のミラーは新しい光路内での位置を決めます(図3)。1つ目のミラーのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲がx周りのミラーの回転(θ )を制限するため、ミラー配置は1つ目のミラーのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲によって制限されます。2つ目のミラーの位置(x₂ 、y₂ 、 z₂ )を選ぶときは、ピッチに加え、1つ目のミラーのヨー(ティルト)も考慮しなければなりません。2つ目のミラー位置(座標)は、1つ目のミラーのピッチとヨーに複雑に依存し、同様に2つのミラーの間の距離にも依存します。2つのミラーは、1つ目のミラーの両アジャスタを移動範囲いっぱいに回さなくてすむよう配置してください。

新しい光路に2つ目のミラーを配置後、両方のアイリスを光路上に置いてください。1つ目のアイリスは2つ目のミラーの近くに、2つ目のアイリスは2つ目のミラーからできるだけ遠くに配置してください。

2つのミラーの高さはそのまま維持し、またヨーのアジャスタは触らずに1つ目のミラーを回転させて、光を2つ目のミラーに向けます。1つ目のミラーのピッチアジャスタを調整して、レーザースポットを2つ目のミラーの中心近くに移動させます。その後、2つ目のミラーを回転させて、ビームを新しい光路にある程度向けます。

最初に光路上に光を当て、その後、向きを調整します。
1つ目のミラーは、2つ目のミラー上にある新しい光路上の点に向けてビームをステアリングするために使用します。まず、1つ目のアイリスのレーザースポットの位置を見ながら1つ目のミラーのアジャスタを調整します(図4)。アイリスの開口部の中心にレーザースポットが合えば最初のステップは終了です。

次に2つ目のミラーでビームをステアリングして、新しい光路とアライメントさせます。2つ目のミラーのアジャスタを調整して、レーザースポットを2つ目のアイリスの開口部に移動します(図5)。ピッチアジャスタがビームの高さを調整し、ヨーアジャスタがビームを横方向に移動します。2つ目のアイリスでレーザースポットが消えてしまう場合、2つ目のミラーのレーザースポットが新しい光路から離れています。

1つ目のミラーのアジャスタを調整しながら2つ目のミラー上のビーム位置を変え、1つ目のアイリスの開口部の中心にレーザースポットがあたるようにします。2つ目のミラーのアジャスタ調整を再開して、2つ目のアイリスの開口部にレーザースポットを向けます。これをレーザービームが両方のアイリスの中心を通るまで繰り返します(動画4)。アジャスタのどれかが調整範囲の制限に近づいてしまったら、ミラーの1つ、あるいは両方の位置を変え、アライメント手順を繰り返してください。

ヨー軸のアジャスタが制限に近づいた場合、反射ビーム方向を記録しておき、ヨーアジャスタを調整範囲の中央に回転させます。反射ビーム方向が記録した位置になるようミラーマウントの向きを変えます。ミラーが回転できない場合、ビームが新しい光路にほぼ沿うよう1つあるいは両方のミラーの位置を変えます。ビームの向きが微細に調整できるまでこのアライメント手順を繰り返します。

ピッチ軸のアジャスタが制限に近づいた場合、2つのミラーの間の距離を長くするか、入射路あるいは新しい光路の高さの差を小さくします。どちらの方法でもアライメント手順が繰り返された後、ピッチアジャスタが調整範囲の中心の近くに配置されます。

ビームアライメントに関する追加情報はこちらの動画ページでご覧ください。

最終更新日:2020年10月22日

2つのビームステアリングミラー間に必要な距離

2つのステアリングミラーの間に必要な距離(図6)は、1つ目のミラーから反射するビームの傾斜と、2つのミラーの高さの差によって決まります。必要な距離を把握することは、ブレッドボードや光学テーブル上のセットアップのスペースを見積もるのに重要です。

入射ビームに対する1つ目のミラーのピッチ(tip)だけを使用した簡単な計算をしがちですが、ヨー(tilt)を無視してしまうと、ミラー間の必要な距離がかなり低く見積もられる場合があります。下の例では、マウント全体ポスト軸を中心に回転することでヨー調整を行い、マウントのアジャスタでピッチ調整を行うという仮定で距離が計算されています(図7)。この手法はしばしばミラーを初期配置するときに使用されます。

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図 7:ヨーアジャスタを使用する代わりに、ポスト軸中心にマウント全体を回転させることで、初期のミラー調整(ヨー)を行います(左図)。これによりマウントがX、Y、Z軸と入射光に対して回転します。マウントのピッチアジャスタがミラーのピッチを調整し(右)、マウントのX、Y、Z軸に対してミラーの向きを変えます。上の写真はミラーマウントKS2と位置保持用ポストカラーRMCです。

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図 6:1つ目のミラーが入射ビームを反射して2つ目のミラーに送ります。2つのミラー間に必要な距離は、1つ目のミラーのピッチとヨーの両方に依存します。これらのミラーマウントKM100は±4°の範囲に渡りピッチとヨーの調整が可能です。

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図9:これらの値は、図8で説明するセットアップを使用して計算されています。ただし1つ目のミラーのピッチ角は1°と仮定しています。この結果では、ピッチを小さくすると、2つのミラーの間に必要な距離が長くなることを示しています。しかし、アジャスタが調整範囲の制限いっぱいまで使用すると安定性が悪くなることを考慮すると、距離をある程度長くすることを許容しても良さそうです。

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図8:この例では2つ目のミラーのテーブル上の配置に関して、入射ビームより12.7 mm低い(y₂ = -0.5")位置にあるときでもに反射ビームが受光できる位置を決めるのが目標です。1つ目のミラーのピッチはアジャスタの最大調整範囲である4°と仮定しています。マウント全体をポスト軸中心に回転させ、1つ目のミラーのヨーを変えます。マウントのヨーアジャスタを使用しないのは、ヨー角度は4°以上必要で、かつこのステップではミラーの向きの微調整が必要ないからです。

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図10:このグラフはテーブル面を上から見た位置を示しています。1つ目のミラー(星印)が始点です。枠内で定義されている曲線は2つ目のミラーの位置のいくつかの例を示しており、2つ目のミラーは1つ目のミラーよりも12.7 mm低い高さ(y₂)でビームを受光します。ミラー間の距離は、ピッチ角が一定でも1つ目のミラーのヨー角によって大幅に長くなります。

ヨーとピッチを適用する
ビームステアリングミラーの配置は、一般的に2つのステップで行います。まずミラーを大まかな位置と向きで置いてから、向きの微調整を行います。

ここの例ではまず調整の最初ステップを行い、その後のピッチとヨーの調整は異なる方法を用いることを想定しています。必要なヨー角度がマウントのアジャスタのヨーの調整範囲よりも大きいことが多いため、ポスト軸中心にマウント全体を回転させることでヨー調整を行います(図7、左)。これでマウントに対する入射ビームの角度が変わります。ヨーアジャスタは使用せず、マウントのピッチアジャスタだけ使用します。ピッチアジャスタは、入射ビームとマウントにおけるすべての軸の両方に対して、ミラーの向きを変えます(図7、右)。

ミラーの向きは通常、ポスト軸中心にマウントを回転させることなく、マウントのピッチとヨーのアジャスタを使用して微調整をします。両方のアジャスタを使用することは、ここでご紹介している方法例とは異なる効果でミラーの向きを変えます。

反射ビーム上の点の座標
1つ目のミラーの中心は、デカルト座標系の始点として選択されています(図7)。 Z軸は、入射光とは平行です。Y軸はテーブル面に対して垂直方向です。

ポストとX軸周りの回転角度(それぞれとθが既知である場合、反射ビームに沿っている点(x₂、y₂、z₂ )は行列代数(例2)を用いて求めることができます。

変数Aはスケールファクタです。大きければ大きいほど点とミラーの間の距離は長くなります。この例では、既知の高さの変化(y₂ )をx₂およびz₂ の算出に使っています。

例：ステアリングミラーのセットアップ
これらの式は、ビームの高さや方向を変えるステアリングミラー2つを配置するのに役立ちます。1つ目のミラーの中心は入射ビームの高さ、2つ目のミラーの中心は新しい光路の高さに設定します。2つ目のミラーは、新しい光路の高さで反射ビームを受光する必要があります。

この例では、どちらの光路も光学テーブルに対して平行ですが、新しい光路は入射路よりも12.7 mm低くなっています。ミラーはキネマティックマウントKM100に固定されており、マウントはポストホルダで固定したポストの上に取り付けられています(図6)。マウントのピッチとヨーのアジャスタはそれぞれ調整範囲に±4°の制限があります。この範囲は最初にミラーのピッチを設定するには十分ですが、ミラーのヨーには十分ではありません。代わりに入射ビームとミラー間のヨーは、ポスト軸中心にマウント全体を回転させることで調整します。これによりヨーの調整範囲の制限がなくなります。

図8では、2つ目のミラーのx₂ とz₂ 座標が、1つ目のミラーのヨー角に対してプロットされています。これらの値は、新しい光路の任意の高さ(y₂ = -0.5")およびピッチ角(θ  = 4°)で求められています。このマウントでは最大範囲4°が使用できますが、これよりも小さいピッチ角を使用することをお勧めいたします。小さいピッチ角の方が後に微調整を行う余裕があり、安定性も増します。y₂  = -0.5"のまま、ピッチ角を1°に変更したときの結果が図9のグラフでご覧いただけます。.

図10では、2つ目のミラーのx₂とz₂ の座標を光学テーブルの位置としてプロットしています。テーブルを上からみたときの位置です。1つ目のミラーの位置は星印、グレーの円は星印中心の同心円です。矢印は反射光の方向で、いずれも異なるヨー角度に相当します。枠内で定義されている曲線は異なるいくつかのピッチ角と、ビーム高の差-12.7 mmに対して算出されています。曲線をグレーの円と比較すると、ヨー角が大きくなると2つのミラーの間の距離を長くする必要があることが示されています。ピッチ角が小さくなっても距離を長くする必要があります。

ビームアライメントに関する追加情報はこちらの動画ページでご覧ください。

最終更新日:2021年1月5日

テーブルクランプ:保持力を最大にする方法

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図 2:L₁ > L₂であるため、物体を保持する力は負荷した力(F_Total)の半分よりも大きくなります。クランプCL2/Mの左側の脚の長さは、物体の高さにあわせて調整可能です。そのためクランプの上面と取付け面を平行にすることができます**。

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図 1:L₁ < L₂であるため、物体を保持する力は負荷した力(F_Total)の半分よりも小さくなります。上のクランプはCL5Aです。

クランプのスロット内の締め付けネジの位置が物体から離れすぎていると、クランプされている物体は動きやすくなります。ネジの位置を適切にすることにより、クランプされた物体の位置ずれを防止することができます。

クランプ力を最大化するためには、ネジをできるだけ物体の近くに配置してください**。

これは、CL5A(図1)やCL2/M(図2)のようなクランプを用いた場合、トルクのかかったネジによって加わる力(F_Total)は2点に分配されるためです。

クランプ力F₂が物体にかかります。F₂の値がF_Totalの何％になるかは、以下で説明するようにL₁とL₂に依存します。残りの力(F₁)は、クランプの反対側の端にかかります。

これらの2つの力は、次の式によって求められます。

物体にかかる力:

もう一方の接点にかかる力:

これらの式は、物体とネジ間の距離が小さくなると物体にかかるクランプ力が大きくなることを示しています。L₁とL₂が等しいとき、締め付けられたネジによってかかる力は、F₁とF₂に等しく分配されます。

**クランプ力を最大化するには、図1および図2に示すように、クランプの上面と物体に接触する面のどちらも、取付け面に対して平行でなければなりません。

クランプと物体間の接触面が取付け面に対して平行ではない場合、物体にかかる力は、物体を取付け面に押し付ける力と、取付け面に沿う方向に押す力とに分解されます。取付け面に沿う方向の力は、物体を移動せるのに十分な場合と、それほどではない場合があります。　

物体の高さに対応させるために、CL2/Mのようなクランプではその一端の脚がネジになっており、高さ調整が可能になっています(図2参照)。クランプと取付け面の間のネジ山の数は物体の高さに応じて調整しますが、同時にクランプの上面が光学テーブルに対して水平になるように調整する必要があります。

最終更新日:2019年12月4日

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移動ステージはアジャスタから伝わる振動を絶縁できるか

移動ステージは、アジャスタからの振動を下部(ベース)プレートに結合させることで、可動部である上部プレートには影響しにくいように設計することができます。アジャスタを固定するバレルクランプをベースプレートに取り付けることにより、アジャスタの操作時にステージに取り付けられたオプトメカニクス部品が受ける振動を最小に抑えることができます。

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図2:上の写真ではアジャスターネジを取り外しているため、上部プレートがバレルクランプから独立していることがより分かりやすくなっています。上部プレートは手前側の位置に戻っており、下部プレートに取り付けられているバレルクランプのベースよりも高い位置にあります。

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図1:直線移動ステージMT1B(/M)のバレルクランプが見えます。クランプは下部プレートに取り付けられているため、上部プレートはアジャスターネジに触れたときの振動から絶縁されています。

ステージとアジャスタの接触について
移動ステージには、バレルクランプによって手動アジャスタや電動アクチュエータが取付けられています(図1)。アジャスタのバレルはクランプによってしっかり固定されており、アジャスタからクランプへの振動を効率的に結合する強固な機械的接触になっています。クランプは直接下部プレートにボルトで固定されているため(図2)、アジャスタに触れることによる振動はステージの固定部に伝わります。この振動は光学テーブルまたはステージが固定されている取付け面によって減衰します。

アクチュエータとオプトメカニクス部品が取り付けられている上部プレートが直接接触するのは、アクチュエータ先端の1点のみです。この接触は強固な接続ではないため、アクチュエータと上部プレート間の振動の結合は弱くなります。同様に、上部プレートと下部プレートの接触点も強固ではないため、振動は効率的には伝わりません。

移動ステージに関するその他の情報
こちらからは、ステージの取付け方法や手動アジャスターネジを電動アクチュエータに交換する方法など、移動ステージに関するその他の情報を動画でご覧いただけます。

最終更新日:2020年9月2日

ポストホルダ: 穴の内側の長方形の溝について

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図4:上から見た図。ポストとポストホルダの間の3つの接触点(赤で表示)で、ポストのYZ軸に対する移動や回転を止めています。X軸に対する移動や回転は摩擦力で抑止されます。

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図 3:当社のポストホルダの穴の内側には鋭いエッジの溝が加工されています。

図 5:ブローチには上図のように刃が並んでおり、その高さは徐々に高くなっています。刃を材料に接触させ、機械でブローチを表面の端から端まで引っ張ります。各刃はそれぞれ少量の材料を削りとり、ブローチ加工された溝の深さは刃全体の高さの差と同じになります。

当社の全てのポストホルダには、穴の内側に沿って平行なエッジを有する溝が作られています(図3)。止めネジ(セットスクリュ)を締め付けることで、ポストが溝の2つのエッジに押し付けられます(図4)。エッジ間の距離が広いため(ポストホルダ内径の約半分)、ポストはエッジに対して安定に保持され、また再現性も得られます。

溝の2つのエッジに接触することでY軸とZ軸に対する移動と回転が止められるため、ポストの6つの自由度のうちの4つが拘束されます。また、ポスト側面と溝のエッジ間の摩擦により、残りの2つの自由度であるX軸に対する移動と回転が抑止されます。

穴の内側に溝が無い場合には、ポストとポストホルダの接触は1本の線になります。ポストにはZ軸回りの回転とY軸に沿った移動の自由度が残り、その位置は安定しません。

この不安定さによる光学セットアップ内の各部品位置のシフト量がサブマイクロメートルのレベルであったとしても、累積することでシステムの性能に重大な悪影響を及ぼす場合があります。また、システムを頻繁に再アライメントする必要が生じるかもしれません。

ブローチ加工
ポストを安定に保持するためには、溝のエッジは直線状でなければならず、隆起や凹凸があってはなりません。これらのポストホルダの溝は、ミクロンスケールで見ても直線状の鋭いエッジを有しています。エッジの直線性が不完全な場合には、ポストがホルダ内で動いたり、ホルダ内でのポストの位置再現性が得られなくなったりする場合があります。

溝の滑らかで直線状のエッジは、ブローチ加工と呼ばれる機械加工によって作ることができます。ブローチ(図5)は鋸に似ていますが、その刃の高さは徐々に高くなっています。

表面に沿ってブローチを引っ張ると、各刃はそれぞれ少量の材料を削り取ります。ブローチによって切削される溝の深さは、刃全体の高さの差(H2 - H1)に等しくなります。

溝を作るうえでブローチ加工が他の加工方法に比べて好まれる理由は、直線状の加工が可能であるほかに大量生産にも対応できるためです。

最終更新日:2019年12月11日

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NAによりシングルモードファイバからのビーム広がり角がわかるか

開口数(NA)を使用してシングルモードファイバから出射される、あるいはシングルモードファイバに結合する光円錐を概算する場合、大きな誤差が生じる場合があります。広がり角はガウシアンビーム伝搬モデルを使用した方がより良い概算値が得られます。このモデルにより、広がり角を算出し、用途に適したビームスポットサイズを得ることができます。

シングルモードファイバにおけるモードフィールド径(MFD)内は、ビームパワーの約86%が含まれるため、MFDによりスポットサイズを決めることは、シングルモードファイバから光をコリメートしたり、光を集光する際の適切な定義であるとされています。一次近似でファーフィールドで測定されたとき、

,

(1)

は、広がり角または受光角(θ_SM )(単位：ラジアン)です。これは1/2ビーム角で、波長()に依存し、ビームのウェスト径はファイバのMFDに等しく設定されています。[1]

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		Rayleigh Range:
		Beam Radius at Distance z:
図 4:青い線は、シングルモードファイバからの出射光の広がり角(θSM )をNAを用いて計算した結果を示しています。赤い線は、ガウシアンビーム伝搬モデルを使用して計算されており、これにより、ビームスポット径の大きな誤差を回避することができます。 こちらのグラフではSM980-5.8-125からのビームをモデル化しています。NAは0.13、MFDは6.4 µmの値を使用しています。動作波長は980 nm、レイリー範囲は32.8 µmでした。

ガウシアンビームによるアプローチ
シングルモードファイバの端面から出射される光は円錐状に広がりますが、この光はファイバ軸から様々な角度で出力する複数の光線と同様の振る舞いにはなりません。

この光はガウシアンビームに似ており、モデル化ができます。放射光がガウシアンビームと同様に伝搬するのは、光の導波モードがガウス分布に近似しているからです。

ガウシアンビームの広がり角は、光線として作用する光を想定して計算された広がり角度とは実質的に異なります。光線モデルを使用した場合、広がり角は sin^-1(NA)となります。しかし、NAと広がり角の関係性は高次マルチモードファイバのみ有効です。

図4では、NAを使用して広がり角を計算すると大きな違いが生じる可能性を示しています。 ガウシアンビームでは、広がり角はビームパワーの86%を含む領域とされており、この領域の境界円における強度は、ピーク強度の1/e²となっています。

図4の右の式は、シングルモードファイバ端面から出射されるビームの広がり角を正確にモデル化するガウシアンビームの式です。計算に使用するファイバのMFD、NAならびに動作波長を含む値はグラフ下に記載されています。ビーム発散角は、1/e²半径によって定義されたビームサイズの変化により算出されています。ビームサイズは、z < z_Rの距離においては非線形で、ファーフィールド(z >> z_R)においてはほぼ線形に変化します。

グラフに記載されている角度は各曲線の傾斜から計算されました。式(1)で求めたファーフィールドの概算が使用された場合、広がり角は0.098ラジアン(5.61°)です。

参考文献
[1] Andrew M. Kowalevicz Jr. and Frank Bucholtz, Beam Divergence from an SMF-28 Optical Fiber (NRL/MR/5650--06-8996) (Naval Research Laboratory, Washington, DC, 2006).

最終更新日:2020年2月28日
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積分球によって放射されるUV蛍光ならびに青色蛍光

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図1:各波長における典型的な蛍光収量は、励起波長の強度より4桁程度低くなっています。[4]

蛍光スペクトルの収量は、積分球内で発光する蛍光の強度と励起波長の強度により決まります。収量(Yield)は積分球の内面全体で励起した蛍光量(波長に依存)を励起光の強度で割って計算します。

データご提供:Dr. Ping-Shine Shaw, Physics Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899, USA.

積分球内面のコーティングにはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が使用されています。この素材は白色ですが、幅広い波長において高い、かつ平坦な反射率と、化学的不活性があることなどの理由から好まれます。

しかし、積分球はPTFEならびにPTFEよりも反射率が低い硫酸バリウムでコーティングされており、UV光を照射した場合、低量ではありますがUVならびに青色の蛍光を発光することにご留意ください。[1-3]

PTFE内の炭化水素
蛍光発光しているのはPTFE自体ではなく、UVならびに青色の蛍光の原因はPTFE内の炭化水素です。コーティングの原料には低量の炭化水素不純物が存在しており、また積分球を使用したり保管している間に汚染源によりさらに炭化水素がコーティング材に付着します。[1]

蛍光波長域と強度
米国標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology/NIST)の研究者がPTFEコーティング付き積分球の励起蛍光を調査しました。積分球の全蛍光量を蛍光波長と励起波長を変えて測定しています。最大蛍光量は、励起光強度より4桁程度低くなりました。

PTFEから発光するUVならびに青色の蛍光は主に200 nm～300 nmの吸収帯で励起されます。蛍光は図1のとおり250 nm～400 nmの波長範囲で発光します。励起波長を長波長側にすることにより、短い波長で発光する蛍光量が少なくなり、蛍光スペクトルの形状が変動することが示されています。

PTFE内の炭化水素のレベルが高くなると、蛍光量も多くなります。それに伴い、積分球からの出力量は吸収帯波長において少なくなります。それは、このスペクトル域においてより多くの光が吸収されるからです。[1, 3]

使用への影響
PTFEから発光するUVならびに青色蛍光は、多くの用途において影響はほとんどありません。蛍光の強度が小さく、励起されるのは主に300 nm未満の入射波長の場合だからです。この蛍光に影響される用途には、UV放射の長期に渡る測定、UV光源の校正、UV反射率標準の確立、UVリモートセンシングの実施などがあります。

蛍光の影響の最小化
蛍光レベルの最小化ならびに安定化のためには、積分球をガソリン・ディーゼルエンジンの排気や、ナフタレン・トルレンなどの溶剤を含めあらゆる炭化水素源から隔離することが必要です。また、炭化水素による汚染は最小化または減少することはできますが、完全に除去できないことにご留意ください。[1]

炭化水素に曝される履歴は積分球ごとに異なるため、個別の積分球における入射光への応答性を予測することはできません。蛍光により、用途への悪影響があった場合には、積分球の校正をお勧めいたします。下記[4]では、校正に必要な光源(対象の波長にわたってスペクトルがよく知られている重水素ランプやシンクロトロン放射)、モノクロメータ、ディテクタ、積分球と、その手順について説明しています。

参考文献
[1] Ping-Shine Shaw, Zhigang Li, Uwe Arp, and Keith R. Lykke, "Ultraviolet characterization of integrating spheres," Appl.Opt. 46, 5119-5128 (2007).
[2] Jan Valenta, "Photoluminescence of the integrating sphere walls, its influence on the absolute quantum yield measurements and correction methods," AIP Advances 8, 102123 (2018).
[3] Robert D. Saunders and William R. Ott, "Spectral irradiance measurements: effect of UV-produced fluorescence in integrating spheres," Appl. Opt. 15, 827-828 (1976).
[4] Ping-Shine Shaw, Uwe Arp, and Keith R. Lykke, "Measurement of the ultraviolet-induced fluorescence yield from integrating spheres," Metrologia 46, S191 - S196 (2009).

最終更新日:2020年1月22日

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コリメート光は常にレーザ軸に平行に放射されているか

レーザは、レーザーパッケージの長軸に対して平行なビームを放射しない場合があります。この角度偏差はポインティング角度(θ_p)と呼ばれており、動画1で説明しています。角度偏差は、レーザの配置にピッチ(チップ)とヨー(ティルト)調整付きのキネマティックマウントを使用すると、補償することができます。

角度偏差
ビームの角度偏差は、レーザがマウントに適切に取り付けられていない、レーザ共振器が筐体内の中央に完全に配置されていない、あるいはレーザーパッケージ内蔵の光学素子を透過するビームが偏向しているなど、いくつかの要素によって生じる場合があります。複合的な公差(公差の積み上げ)は非ゼロのポインティング角度をもたらします。

レーザが円筒形の筐体に納められている場合、この偏差はレーザをV溝付きマウントに置いて測定することができます。レーザを長軸周りに回転させ、レーザースポットの軌跡の円の直径を記録するのです。コリメートレーザーパッケージの仕様にはよく最大角度偏差が示されています。

角度補正にキネマティックマウントを使用
レーザ光の角度を補正する方法の1つに、キネマティックマウントをレーザを固定して、マウントのアジャスタを使用してレーザのピッチとヨーを調整する方法があります。

キネマティックマウントがレーザ筐体の外径に直接取り付け可能な場合があります。 キネマティックV字型マウントは、Ø38 mm(Ø1.5インチ)ポスト用V字型クランプも含め、アダプタを使用せずに様々な径の筐体に対応できるよう構成可能です。

そのほかのキネマティックマウントは径が固定の内孔です。レーザの筐体とマウントの内孔に対応するアダプタは、円筒形やSMネジ付き部品用など様々な種類をご用意しております。

アダプタの取り付け
アダプタAD11NTを使用してコリメートレーザーパッケージPL202をキネマティックマウントKM100に取付ける方法が動画2でご覧いただけます。アダプタを取り付ける前に、レーザーヘッドをキネマティックマウントの内孔の後ろから通してください。

マウントの内孔の背面にはストッパが付いているので、アダプタをアジャスタ側ではないマウントの面に取り付ける必要があります。ストッパはØ25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子を内孔に固定するのに役立ちますが、Ø25.4 mm(Ø1インチ)アダプタをマウント内孔の後ろ側から取り付けるのを防ぐ役割もあります。

アダプタにはレーザを固定するナイロンチップ付きの止めネジ(セットスクリュ)が付いており、またマウントにもアダプタを固定するナイロンチップ付き止めネジが付いています。ナイロンチップ付き止めネジを採用しているのは、表面に傷を付け、摩耗させないよう取り付けた部品をしっかり保持するためです。

そのほかにもポインティング角度の補正に関する情報が
こちらの動画ページでご覧いただけます。

最終更新日:2020年10月12日

量子カスケードレーザ(QCL)とインターバンドカスケードレーザ(ICL):印加電流のリミットと発熱によるロールオーバ

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図1:QCLのL-I(光出力-駆動電流)曲線例。QCLとICLレーザで典型的な非線形の勾配と、ロールオーバーの領域が見られます。動作パラメータがレーザ発振領域から発生する熱負荷を決定し、それがピーク出力に影響します。こちらのレーザは25 °Cに温度制御されたマウントに取り付けられています。

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図2:これらのQCLのL-I曲線は、マウント温度がピーク動作電流値に影響をおよぼすことを示していますが、一方で温度制御マウントを使用しても、ロールオーバ値を超え、レーザを損傷しかねない駆動電流が印加される可能性を排除できないことを示しています。

量子カスケードレーザ(QCL)とインターバンドカスケードレーザ(ICL)で測定された光出力-駆動電流特性(L-I)曲線には、図1の赤枠部分に示すロールオーバの領域があります。

ロールオーバの領域にはレーザのピーク出力が含まれます。こちらの例の駆動電流はちょうど500 mAの部分にあたります。この値より高い駆動電流は、レーザを損傷する危険性があります。

レーザ動作
これらのレーザでは、半導体層構造の設計によりエネルギー準位が制御されており、電子が励起準位から制御された準位に落ちる際のエネルギー差により発光します。これらの電子は駆動電流により供給されます。

電子がレーザのエネルギの準位を降りるとき、電子は光子の形でエネルギを放出しますが、電子は光子を放出する代わりに半導体素材に熱を与えることによってもエネルギを放出します。

熱の蓄積
レーザでは、電子の準位間遷移によるエネルギを100%の効率で光子に変換することはできません。エネルギを熱として放出する電子も存在し、それにより、レーザの発振領域の温度が上がります。

レーザ発振領域の熱は、逆に電子によって吸収される場合もあります。このように余分なエネルギが加わることにより、電子がしかるべきエネルギ準位に落ちずに散乱してしまう場合があります。その後、散乱した電子は通常エネルギを光子ではなく、熱として放出します。

レーザの発振領域の温度が上がるにつれ、電子はさらに散乱し、熱ではなく光を生成する電子の割合は小さくなります。温度の上昇はまた、レーザのエネルギ準位にも変化を及ぼし、結果、電子が光子を生成しにくくする場合もあります。これらがともに作用し、レーザ発振領域の温度が上昇し、レーザが電流をレーザ光に変換する効率が低下します。

動作リミットは熱負荷によって決定
L-I曲線の理想的な勾配は、閾値電流以上では線形になることです。図1においてこの閾値電流は270 mAのあたりです。しかし、駆動電流が増加すると勾配が小さくなります。これはレーザ発振領域の温度上昇の影響です。ロールオーバは、レーザが追加した電流をレーザ光に変換できなくなったときに起こります。追加した駆動電流は代わりに熱のみを発生させます。電流値が高くなりすぎると、レーザ発振領域における局部的な高い熱によりレーザが故障する原因となります。

レーザ発振領域の温度の管理には通常、温度制御マウントが必要です。しかし、半導体素材の熱伝導率は高くないため、熱がレーザ発振領域に蓄積することがあります。図2で示すように、マウントの温度はピーク出力に影響を与えますが、ロールオーバを防ぐことはできません。

QCLおよびICLの最大駆動電流と最大光出力は、動作条件に依存します。なぜなら動作条件がレーザ発振領域の熱負荷を決定するからです。

最終更新日:2019年12月4日

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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5: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4: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7: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6: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4)。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5)。 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6)や、ホイール回転周波数f (Hz 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、強度の10%～90%の時間で定義されるビーム幅の0.64倍となります。

最終更新日:2020年1月13日

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Can C-mount and CS-mount cameras and lenses be used with each other?

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Figure 1: C-mount lenses and cameras have the same flange focal distance (FFD), 17.526 mm. This ensures light through the lens focuses on the camera's sensor. Both components have 1.000"-32 threads, sometimes referred to as "C-mount threads".

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Figure 2: CS-mount lenses and cameras have the same flange focal distance (FFD), 12.526 mm. This ensures light through the lens focuses on the camera's sensor. Their 1.000"-32 threads are identical to threads on C-mount components, sometimes referred to as "C-mount threads."

The C-mount and CS-mount camera system standards both include 1.000"-32 threads, but the two mount types have different flange focal distances (FFD, also known as flange focal depth, flange focal length, register, flange back distance, and flange-to-film distance). The FFD is 17.526 mm for the C-mount and 12.526 mm for the CS-mount (Figures 1 and 2, respectively).

Since their flange focal distances are different, the C-mount and CS-mount components are not directly interchangeable. However, with an adapter, it is possible to use a C-mount lens with a CS-mount camera.

Mixing and Matching
C-mount and CS-mount components have identical threads, but lenses and cameras of different mount types should not be directly attached to one another. If this is done, the lens' focal plane will not coincide with the camera's sensor plane due to the difference in FFD, and the image will be blurry.

With an adapter, a C-mount lens can be used with a CS-mount camera (Figures 3 and 4). The adapter increases the separation between the lens and the camera's sensor by 5.0 mm, to ensure the lens' focal plane aligns with the camera's sensor plane.

In contrast, the shorter FFD of CS-mount lenses makes them incompatible for use with C-mount cameras (Figure 5). The lens and camera housings prevent the lens from mounting close enough to the camera sensor to provide an in-focus image, and no adapter can bring the lens closer.

It is critical to check the lens and camera parameters to determine whether the components are compatible, an adapter is required, or the components cannot be made compatible.

1.000"-32 Threads
Imperial threads are properly described by their diameter and the number of threads per inch (TPI). In the case of both these mounts, the thread diameter is 1.000" and the TPI is 32. Due to the prevalence of C-mount devices, the 1.000"-32 thread is sometimes referred to as a "C-mount thread." Using this term can cause confusion, since CS-mount devices have the same threads.  

Measuring Flange Focal Distance
Measurements of flange focal distance are given for both lenses and cameras. In the case of lenses, the FFD is measured from the lens' flange surface (Figures 1 and 2) to its focal plane. The flange surface follows the lens' planar back face and intersects the base of the external 1.000"-32 threads. In cameras, the FFD is measured from the camera's front face to the sensor plane. When the lens is mounted on the camera without an adapter, the flange surfaces on the camera front face and lens back face are brought into contact.

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Figure 5: A CS-mount lens is not directly compatible with a C-mount camera, since the light focuses before the camera's sensor. Adapters are not useful, since the solution would require shrinking the flange focal distance of the camera (blue arrow).   

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Figure 4: An adapter with the proper thickness moves the C-mount lens away from the CS-mount camera's sensor by an optimal amount, which is indicated by the length of the purple arrow. This allows the lens to focus light on the camera's sensor, despite the difference in FFD.

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Figure 3: A C-mount lens and a CS-mount camera are not directly compatible, since their flange focal distances, indicated by the blue and yellow arrows, respectively, are different. This arrangement will result in blurry images, since the light will not focus on the camera's sensor.

Date of Last Edit: July 21, 2020

Why can the FFD be smaller than the distance separating the camera's flange and sensor?

Flange focal distance (FFD) values for cameras and lenses assume only air fills the space between the lens and the camera's sensor plane. If windows and / or filters are inserted between the lens and camera sensor, it may be necessary to increase the distance separating the camera's flange and sensor planes to a value beyond the specified FFD. A span equal to the FFD may be too short, because refraction through windows and filters bends the light's path and shifts the focal plane farther away.

If making changes to the optics between the lens and camera sensor, the resulting focal plane shift should be calculated to determine whether the separation between lens and camera should be adjusted to maintain good alignment. Note that good alignment is necessary for, but cannot guarantee, an in-focus image, since new optics may introduce aberrations and other effects resulting in unacceptable image quality. 

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Figure 9: Refraction causes the ray's angle with the optical axis to be shallower in the medium than in air (θ_m vs. θ_o ), due to the differences in refractive indices (n_m vs. n_o ). After travelling a distance d in the medium, the ray is only h_m closer to the axis. Due to this, the ray intersects the axis Δf beyond the f point. 

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Figure 8: A ray travelling through air intersects the optical axis at point f. The ray is h_o closer to the axis after it travels across distance d. The refractive index of the air is n_o .

Equations for Calculating the Focal Shift (Δf )
Angle of Ray in Air, from Lens f-Number ( f / N )
Change in Distance to Axis, Travelling through Air (Figure 8)
Angle of Ray to Axis, in the Medium (Figure 9)
Change in Distance to Axis, Travelling through Optic (Figure 9)
Focal Shift Caused by Refraction through Medium (Figure 9)	Exact Calculation
	Paraxial Approximation

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Figure 11: Tolerance and / or temperature effects may result in the lens and camera having different FFDs. If the FFD of the lens is shorter, images of objects at infinity will be excluded from the focal range. Since the system cannot focus on them, they will be blurry. 

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Figure 10: When their flange focal distances (FFD) are the same, the camera's sensor plane and the lens' focal plane are perfectly aligned. Images of objects at infinity coincide with one limit of the system's focal range.

A Case of the Bends: Focal Shift Due to Refraction
While travelling through a solid medium, a ray's path is straight (Figure 8). Its angle (θ_o ) with the optical axis is constant as it converges to the focal point (f ). Values of FFD are determined assuming this medium is air.

When an optic with plane-parallel sides and a higher refractive index (n_m ) is placed in the ray's path, refraction causes the ray to bend and take a shallower angle (θ_m ) through the optic. This angle can be determined from Snell's law, as described in the table and illustrated in Figure 9. 

While travelling through the optic, the ray approaches the optical axis at a slower rate than a ray travelling the same distance in air. After exiting the optic, the ray's angle with the axis is again θ_o , the same as a ray that did not pass through the optic. However, the ray exits the optic farther away from the axis than if it had never passed through it. Since the ray refracted by the optic is farther away, it crosses the axis at a point shifted Δf beyond the other ray's crossing. Increasing the optic's thickness widens the separation between the two rays, which increases Δf.

To Infinity and Beyond
It is important to many applications that the camera system be capable of capturing high-quality images of objects at infinity. Rays from these objects are parallel and focused to a point closer to the lens than rays from closer objects (Figure 10). The FFDs of cameras and lenses are defined so the focal point of rays from infinitely distant objects will align with the camera's sensor plane. When a lens has an adjustable focal range, objects at infinity are in focus at one end of the range and closer objects are in focus at the other.

Different effects, including temperature changes and tolerance stacking, can result in the lens and / or camera not exactly meeting the FFD specification. When the lens' actual FFD is shorter than the camera's, the camera system can no longer obtain sharp images of objects at infinity (Figure 11). This offset can also result if an optic is removed from between the lens and camera sensor.

An approach some lenses use to compensate for this is to allow the user to vary the lens focus to points "beyond" infinity. This does not refer to a physical distance, it just allows the lens to push its focal plane farther away. Thorlabs' Kiralux™ and Quantalux^® cameras include adjustable C-mount adapters to allow the spacing to be tuned as needed.

If the lens' FFD is larger than the camera's, images of objects at infinity fall within the system's focal range, but some closer objects that should be within this range will be excluded. This situation can be caused by inserting optics between the lens and camera sensor. If objects at infinity can still be imaged, this can often be acceptable.

Not Just Theory: Camera Design Example
The C-mount, hermetically sealed, and TE-cooled Quantalux camera has a fixed 18.1 mm spacing between its flange surface and sensor plane. However, the FFD (f ) for C-mount camera systems is 17.526 mm. The camera's need for greater spacing becomes apparent when the focal shift due to the window soldered into the hermetic cover and the glass covering the sensor are taken into account. The results recorded in the table beneath Figure 9 show that both exact and paraxial equations return a required total spacing of 18.1 mm.

Date of Last Edit: July 31, 2020

How can a manual translation stage be motorized?

The movement of Thorlabs' manual translation stages is driven by a micrometer or other adjuster, which can be replaced with a motorized actuator that has a compatible travel range and barrel diameter. Before making the substitution, it is important to fully retract the installed adjuster to protect the stage from the mechanical shock of a sudden release of spring energy.

Check Barrel Diameter and Travel Range Compatibility
These stages secure the actuator using a barrel clamp, which makes it necessary to match the actuator's barrel diameter to the clamp's specifications. Both stages chosen for this demonstration accept actuators with a 3/8" (9.5 mm) diameter barrel.

The travel range of the actuator must not exceed that of the stage. An actuator with a larger travel range can potentially force the stage to extend beyond its limit, which may damage both the stage and the actuator's motor. An actuator with a shorter travel range will cause no mechanical harm to itself or the stage, but the stage's travel range will be reduced. The MT1B and XR25P linear translation stages included in this demonstration have travel ranges of 0.5" and 1" (13 mm and 25 mm), respectively.

Retract the Adjuster to Avoid Damaging the Stage
Fully retracting the installed adjuster, before doing anything else, avoids a significant cause of damage to these stages. When the adjuster is fully retracted, the top plate is positioned as far backwards as possible to relieve the spring tension. Ideally, the tip of the adjuster would no longer be in contact with the stage.

An extended position is dangerous due to the force exerted by the stage's internal springs. The spring force keeps the top plate, or moving world, in contact with the tip of the adjuster (Clip 1). If the adjuster is extended when it is released from the stage, the spring force on the top plate will propel it backwards into a hard stop. The mechanical shock of this collision can be severe and potentially misalign the stage's components, affect the ball bearings, and introduce angular deviations to the stage's travel.

Make the Replacement
With the installed adjuster completely retracted, the locking cap screw in the barrel clamp of the MT1B or XR25P stage can be loosened using a 3/32" or 5/64" (2 mm) hex key, respectively. This will release the holding force on the barrel of the adjuster, so that it can be removed (Clips 2 and 3). 

Insert the barrel of the motorized actuator and tighten the locking cap screw until it is snug, but not too tight. The spring load on the top plate should not be able to push the actuator out of the barrel clamp, but the locking screw should not be so tight that it deforms the barrel, which could affect the linearity of the actuator.

Want additional Insights on translation stages?
Watch the full video.

Date of Last Edit: Sept. 8, 2020

デジタルマイクロメータからの位置情報の記録

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図 2:上のSBC-COMMパッケージは、デジタルマイクロメータ DM713に表示される位置データを記録するのにご使用いただけます。

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図1: バビネソレイユ補償板SBC-VIS(左)にはデジタルマイクロメータDM713(右)が付属しており、補償板のリターダンスを調整するのに使用されます。

DM713などのデジタルマイクロメータは、1つのオプトメカニクスを特定の距離だけ移動するのに便利です。例えば、均等な間隔で試料内の点に光を集光するために、対物レンズの前で試料を保持した移動ステージを移動させる場合があります。

しかし、同時にその位置を記録したい場合もあります。1つの方法は、マイクロメータを開始位置(0)に設定し、必要な距離を移動させてその距離を表示させることです。

DM713のみを使用した場合には、表示を読んで記録するという手順が追加されますが、これは表示が見えないような暗い実験室内では面倒な作業になることがあります。それに対する1つの解決策は、RS-232 インターフェイスケーブルが付属する当社のSBC-COMMを使用することです。 当社では、DM713で距離を連続的に測定するためのプログラムを、Visual C#^®およびLabVIEW^®を用いて作成する方法を解説したソフトウェアアプリケーションノートを作成しています。

ほかの解決策としては、Mitutoyo^®製のSPCケーブル05CZA662と、プッシュボタンおよびUSBインターフェイスケーブルが付いたUSBインプットツールIT-016Uを別途ご購入いただく方法がございます。このデバイスを使用すると、任意のテキスト入力ソフトウェアパッケージを開き、1つのプッシュボタンを押すことで、デバイスがキーボードのように機能してソフトウェアに数値を入力することができます。

最終更新日:2019年12月4日

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なぜ球面ミラーの代わりに放物面ミラーを使うのか？

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図2:球面ミラーでは、コリメート光のすべての光線が1つの点を通過するように反射することはできません。焦点体積内での光線同士の交差点を、いくつか選んで黒点で示しています。

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図 1:放物面ミラーでは、コリメート光のすべての光線が1つの焦点に集められます。

放物面ミラーは、点光源からの光をコリメートしたりコリメート光を集光したりする場合には、球面ミラーよりも優れた性能を有します。

コリメート光の集光
放物面ミラー(図1)を用いると、コリメートされている入射光を回折限界スポットに集光することができます。 これに対して球面ミラー(図2)を用いた場合は、コリメートされている入射光を回折限界スポットよりも大きな体積のスポットにしか集光できません。球面ミラーのこの焦点体積(Focal Volume)の大きさは、コリメートされた入射ビームの径を小さくすることで小さくすることができます。

点光源からの光のコリメート
点光源からの光はすべての方向に放射されます。この発散光の光源を放物面ミラーの焦点に置くと、ミラーから出てくる光は非常に良くコリメートされています。理想的な点光源の場合、反射されたすべての光線は互いに完全に平行になります。

点光源を球面ミラーの焦点体積内に置いたときには、ミラーから出てくる光は放物面ミラーと比較してそれほど良くコリメートされません。点光源からの各光線は、球面ミラーで反射されたときには完全な平行にはなりませんが、球面ミラー表面上の近い点で反射された2本の光線は遠い点で反射された2本の光線よりも平行に近い状態になります。そのため、反射面積を小さくすればコリメート光としての品質は向上します。これは焦点体積内の光源から放射される光の角度範囲を制限することと等価です。

放物面ミラーと球面ミラーの選択について
放物面ミラーを選択するのが常に良いとは限りません。アプリケーションにおいて要求されるビーム径、コスト面の制約、スペース上の制限、性能要件など、すべてが選択に影響します。ビーム径が影響するのは、ビーム径が小さいと放物面ミラーと球面ミラーの性能が近くなるためです。放物面ミラーは反射部分の加工がより難しいため、球面ミラーより高価になります。また放物面ミラーのサイズは一般に球面ミラーよりも大きくなります。コストや物理的なサイズの違いに比べて、向上する性能が重要な場合もあれば、重要でない場合もあります。

最終更新日:2019年12月4日

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How can the strength of a material's Faraday effect be measured?

Since the Faraday effect causes the polarization state of light to rotate as it propagates through a material in the presence of a magnetic field, one approach to determining the effect's strength in a material is to input linearly polarized light, apply a strong magnetic field through the material, and observe the induced change in the orientation of the output polarization state. It is not necessary to directly measure the output polarization state to determine the change in its orientation. Instead, the output light can be analyzed by measuring the optical power transmitted through a rotating linear polarizer. The measured power oscillates with a phase dependent on the orientation of the linear polarization state incident on the rotating polarizer. This was demonstrated using a CdMgTe crystal. Measurements of light output from the crystal were used to calculate its Verdet constant, which characterizes the strength of a material's Faraday effect.

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Figure 1: Faraday effect measurements can be made with the sample placed between a linearly polarized light source and a polarization-sensitive detection system. The CdMgTe crystal was approximately a third of the length of the annulus magnet's bore, and the plastic sample holder was used to position and immobilize the crystal at the center of the bore. In the detection system, the optical power sensor was placed as close as possible to the output side of the linear polarizer, which was installed in an indexed rotation mount. An advantage of this setup is that it requires minimal alignment. 

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Figure 3: Optical power measurements were made while rotating the detection polarizer's transmission axis in 2° increments. Data were acquired with the magnet out of (triangles) and in (squares) the setup. Malus' law (solid lines) was used to model a to fit each curve. The phase shift (Δθ ) between the two curves is 36°.

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Figure 2: The crystal under test was placed in the bore of the annulus magnet (left). The 2.2 mm long crystal was positioned in the center of the 6.35 mm long bore, where the magnetic field was strongest, most uniform, and directed along the N-S axis (right). 

Curve Fit to Data Acquired Without Magnet	Curve Fit to Data Acquired With Magnet	Faraday Rotation (Δθ )

Faraday Rotation
The rotation of the polarization state due to the Faraday effect is called the Faraday rotation, which is directly proportional to both the magnetic field strength (B ) in the material and the physical distance (L ) the light propagates through the material in the presence of the field. The proportionality constant is called the Verdet constant (V ).

This intrinsic material parameter, which is wavelength and temperature dependent, characterizes the strength of the material's Faraday effect. When the Verdet constant is known, the Faraday rotation (Δθ ),

due to different magnetic field strengths and material lengths can be calculated. One approach to obtaining the Verdet constant is to measure the Faraday rotation for a specific material length and a known magnetic field strength.

Faraday Effect Measurement
Using this approach, and the setup illustrated in Figure 1, the strength of a CdMgTe crystal's Faraday effect was measured. 

The linearly polarized light source consisted of a collimated fiber-coupled laser whose 785 nm emission was transmitted through a fixed linear polarizer.

An annulus super magnet was used in order to provide a magnetic field strong enough to induce a measurable Faraday rotation. The crystal was mounted in the center of the magnet's bore, as that is where the magnetic field is the strongest (Figure 2).

The light output from the crystal was transmitted through a second linear polarizer, which was secured in an indexed rotation mount, and to a power sensor. The power sensor was positioned as close as possible to the output side of the linear polarizer. 

Two measurement sets were acquired, one with, and the other without, the magnet in the setup. Each data set (Figure 3) recorded average power measurements taken at 2° increments of the second linear polarizer's transmission axis angle. The curves oscillate with the same period but are phase shifted (Δθ ) from one another.

Calculate the Verdet Constant
The phase shift between the two curves plotted in Figure 3 is the Faraday rotation. It can be determined after each data curve is fit using Malus' law,

,

in which I_o is the intensity of the incident light and is the angle of the second linear polarizer's transmission axis. The fit parameter (θ ) is a constant that was optimized individually (θ_base and θ_mag , respectively, in the table) for each data set. The difference in the two fit parameters is the Faraday rotation (36°). Using this Faraday rotation value, the Verdet constant can be calculated,

The magnetic field strength (B ) was 5800 Gauss at the center of the magnet's bore, the crystal's length (L ) was 0.22 cm, and the Faraday rotation angle (Δθ = 36°) was multiplied by a factor of 60 to convert it to 2160 arcmin.

Content contributed by and based on work performed by Zoya Shafique.
Date of Last Edit: Jan. 14, 2021

立ち上がり時間に対する波長の影響

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図2: シリコン、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ素(In_0.53Ga_0.47As)の吸収係数と侵入深さ(典型値)のグラフです。侵入深さは吸収係数の逆数です。

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図 1:PN接合のディテクタへの光の平均侵入深さは波長によって異なります。侵入深さは吸収係数に関係しますが、その吸収係数は波長に依存します(図2)。

フォトダイオードに光が入射したとき、空気/半導体界面からのフレネル反射で反射されなった光子は、半導体材料内を伝搬していきます。

光子は、吸収されるか、あるいは最後の末端に到達するまで伝搬を続けます。光子が吸収された場合には、電荷担体のペアが生成されます。

空乏領域内で生成された電荷担体は、ほぼ即座に光電流に寄与することができます。しかし、空乏領域以外で生成された電荷担体の場合は、空乏領域まで移動するのに余分なステップを踏む必要があります。この移動に要する時間が拡散時間です。図1では、青色と赤色の光子がP型とN型の領域でそれぞれ電荷担体を生成しています。これらは空乏領域まで拡散しなければなりません。

半導体に入射した光子が吸収される確率は吸収係数に基づいて決まります。図2では、ディテクタに使用される様々な材料における、吸収係数と侵入深さの波長依存性を示しています。

入射光波長が長くなると、吸収係数が小さくなります。これは、より長波長の光子は、吸収されて電荷担体のペアを生成するまでに、平均的により長い距離を伝搬することを意味します。また、電荷担体が空乏領域に到達するまでの距離が長くなれば、立ち上がり時間も長くなります。

図3～5は、シリコン、InGaAs、およびゲルマニウムのフォトダイオードで測定された立ち上がり時間のグラフです。Siフォトダイオードのグラフでは、800 nm未満の波長域での傾斜はほぼ平坦です。これは、表面付近で吸収された光子の拡散時間は無視できることを示唆しています。800 nm以上では立ち上がり時間は急激に大きくなります。Siフォトダイオードの800 nmでの侵入深さは9 µm(図2)であるため、これはセンサの上部から空乏領域の底部までの距離が9 µmより小さいことを示唆しています。

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図5: Geフォトディテクタの立ち上がり時間

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図4: InGaAsフォトディテクタの立ち上がり時間

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図3: Siフォトディテクタの立ち上がり時間

最終更新日:2019年12月4日

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偏波保持ファイバはすべての入射偏光状態を維持するか

偏波保持(PM)ファイバは、ファイバの2つの直交軸のうちの1つに対して平行に偏光する直線偏光しか維持しません。偏波保持ファイバで直線偏光の方向が重要なのは、偏波保持ファイバの2つの直交軸の屈折率が異なるからです。屈折率が高い方向(スロー軸)に沿って偏光する光は、直交方向(ファスト軸)に沿って偏光する光よりも遅く進みます。

直線偏光として入射した光線が、これらの2つの軸のいずれかに平行な偏光でない場合、ファイバから出射する光は楕円偏光します。しかし楕円偏光状態はファイバ長に渡る温度と応力の変化に依存するため、予測ができず、かつ安定しません。

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図1:偏波保持ファイバーパッチケーブルの出射光を偏光計によりポアンカレ球表示。矢印で示されている点は、直線偏光とファイバ軸の1つが適切にアラインメントされている結果です。これらの入射状態はファイバによって維持されています。その他の点は楕円偏光状態を示し、入射偏光方向がファイバ軸の1つに平行ではないときの結果です。

偏波保持ファイバは光を偏光しない
偏波保持ファイバは直線偏光子のように作用せず、任意の入射偏光状態を直線偏光状態に変換する機能は有しておりません。

直線偏光子には2つの直交軸が規定されていますが、これらは偏波保持ファイバのスロー軸とファスト軸に相当するものではありません。直線偏光子の場合、軸の1つに対して平行に偏光する光は減衰し、もう1つの軸に対して平行に偏光する光が透過します。1つの偏光成分のみが透過するので、出射光は直線偏光となります。

偏波保持ファイバは直交する偏光成分のどちらも透過させ、どちらかを減衰させることはないため、直線偏光子としてはご使用いただけません。

波長板との比較
偏波保持ファイバと波長板にはどちらもファスト軸とスロー軸があるなど、多くの共通点があります。直線偏光の偏光軸がスロー軸またはファスト軸のどちらかに平行であるとき、偏波保持ファイバと波長板のどちらもその偏光状態を維持します。しかし、入射ビームにスロー軸とファスト軸の両方に沿って偏光する成分がある場合、偏波保持ファイバと波長板のどちらもその入射偏光状態を維持しません。

偏波保持ファイバと波長板は、スロー軸に平行な偏光成分をファスト軸に平行な偏光成分より遅らせることで、光の偏光状態を変化させます。しかし、偏波保持ファイバはファイバにかかる温度や応力の変化によりこの遅延が変動するため、波長板の代わりに使用することはできません。

出射偏光状態
図1で ポアンカレ球上に表示されている偏光計の測定結果は、偏波保持ファイバーパッチケーブルがもたらす様々な楕円偏光状態を示しています。これは直線偏光がファイバ軸に対して任意の方向に入射されているときに起こります。ファイバによりが入射偏光状態が維持されているとき、出射光の偏光計測定結果は、黒い矢印で示している2つの値の内の1つとなります。これらの値は、入射偏光状態の偏光方向とファイバ軸の1つの間のアライメントが適切である結果です。その他の点はすべて楕円偏光状態を示しており、これは入射偏光状態がどちらのファイバ軸に対しても平行ではないときに起こります。

図のデータの軌跡は、直線偏光の偏光方向を光軸の周りで1回転させて生成しました。軌跡がオーバーラップしないのは、ファイバの温度が毎回、回転後に変化したからです。ファイバの温度の感度により、温度が変化する度に異なる楕円偏光状態を得ます。なお、各軌跡が黒矢印の点を通過することをご確認ください。これは入射時の直線偏光状態がファイバ軸の1つによくアライメントされているとき、出射時の偏光状態が温度や応力の変化に依存しないことを示しています。

最終更新日:2020年8月6日

偏波保持ファイバはどのようにして直線偏光を維持するのか

偏波保持(PM)ファイバでは直交する「スロー軸」と「ファスト軸」の間の屈折率の差(複屈折性)が著しく、この複屈折性により偏波保持ファイバが入射光の偏光状態を維持することができます。しかし、入射偏光状態は、2つのファイバ軸のうちの1つに平行にアライメントされていなければ維持することはできません。

偏波保持ファイバはその複屈折性により、ファイバのスロー軸とファスト軸で速度差、より正確に言えば伝搬定数差があり、偏光を保持するためにはスロー軸・ファスト軸に対して平行な偏光とする必要があります。光が直交偏光に切り替わるためには、光の速度(伝搬定数)も直交軸の条件に合う必要が出てきます。ファイバの複屈折を小さくしないと、このような速度変化は起きにくくなります。このようにして、複屈折を有するファイバでは、偏光が維持されます。

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図 3:ボウタイ型ファイバでは、2本のウェッジ型ストレスロッドを使用してコアで張力を得て、複屈折にしています。スロー軸に沿った応力は、製造後のファイバが冷却されていくにつれ、ストレスロッドがクラッドよりも収縮するために付与されます。

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図2:PANDA型偏波保持ファイバは、2本の円柱型ストレスロッドを使用してコアで張力を得て、複屈折にしています。スロー軸に沿った応力は、製造後のファイバが冷却されていくにつれ、ストレスロッドがクラッドよりも収縮するために付与されます。

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図 5:楕円形コアの偏波保持ファイバのコアは、複屈折性を生じさせるのに十分な楕円形状です。

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図 4:マイクロベンドを最小化するにはきれいに緩く巻き付けてください(上)。マイクロベンドは、巻き付けたファイバによる凸凹面を横切って巻き付けることにより生じます(下)。

応力の効果について
偏波保持ファイバを構築する方法の1つにファイバーコアに機械的な応力を付与する方法があります。応力によりガラスに複屈折(光弾性)が生じるからです。このように応力を利用した複屈折ファイバで最も一般的なのはPANDA型とボウタイ型で、ファイバのコアに張力が加えられています。

これらの製品では、ストレスロッドと呼ばれるガラスの構造がファイバの全長に渡り、ファイバのコアに平行に伸びています。図2と3の断面図で見ると、ストレスロッドとファイバのコアは直線状に配置されています。製造後のファイバが冷却されていくにつれ、ストレスロッド内のガラスは、周りのクラッド内のガラスよりも収縮されます。ストレスロッドの収縮からの引っ張りにより、コアでは張力が生じ(スロー軸)、直交方向(ファスト軸)にはコアよりも小さい応力がかかります。そのため2つの軸では屈折率差が生じます。

応力低下ともたらす影響について
応力複屈折ファイバのコアでの張力は、温度に依存します。これは、ストレスロッドのガラスとクラッドのガラスで熱膨張率(CTE)が異なるからです。ストレスロッドによりもたらされる張力は、動作温度が高くなると低くなります。これにより複屈折率、そして偏光を維持するファイバの性能が低下するため、結果、消光比(ER)が低下する場合があります。

コアでの張力は、ファイバを小さく巻きつけたり、急激に曲げたり、あるいは凸凹の面に固定するなど、取扱い方によって生じる応力によっても低下する場合があります。局所的な応力付与部におけるマイクロベンドが直交偏光に散乱光を入射し、消光比が低下します。マイクロベンドはファイバの不適切な巻き付け方(図4)、あるいはファイバ素線を表面に押し付けることによって起こる場合があります。

一般的にファイバーコネクタは消光比を低下させます。それは、ファイバを固定するために硬化した樹脂化合物が非対称性の応力の原因となったり、化合物内の樹脂泡がファイバに圧力をかけたり、またファイバとフェルールの内孔が接触し圧力が加わる場合があるからです。一般的に各メーカはファイバの消光比を最大化するために、これらの応力を抑える手段をとっていますが、これらの応力は完全に除去することはできません。

形状複屈折ファイバ
応力複屈折ファイバの温度依存性が好ましくないときには、温度に依存性のない形状複屈折ファイバがございます。これらの偏波保持ファイバの複屈折性は、ストレスロッドによる張力ではなく、楕円形のコアにより生じます(図5)。

偏波保持フォトニック結晶ファイバを含む形状複屈折ファイバは、すべての用途に適しているわけではありません。楕円形のコアと減衰量、そして小さなモードサイズは通信用途には適しませんが、ファイバーセンサでよく使用されています。

参考文献
[1] Chris Emslie, in Specialty Optical Fibers Handbook, edited by Alexis Mendez and T. F. Morse (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 243-277.
[2] Malcolm P. Varnham et al., "Analytic Solution for the Birefringence Produced by Thermal Stress in Polarization-Maintaining Optical Fibers," J. Lightwave Technol., LT-1(2), 332-339 (1983).
[3] Zhenyang Ding et al., "Accurate Method for Measuring the Thermal Coefficient of Group Birefringence of Polarization-Maintaining Fibers," Opt. Lett., 36(11), 2173-2175 (2011).
[4] M. Shah Alam and Sarkar Rahat M. Anwar, "Modal Propagation Properties of Elliptical Core Optical Fibers Considering Stress-Optic Effects," World Academy of Science, Engineering and Technology, Open Science Index 44, International Journal of Electronics and Communication Engineering, 4(8), 1170 - 1175 (2010).

最終更新日:2020年9月11日

PANDA型およびボウタイ型偏波保持ファイバからの出射光の消光比(ER)を制限する要因

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図 6:クロストークの影響により、偏波保持ファイバは一般的にやや楕円形状の偏光を出射します。偏波保持ファイバの温度を変えることで、出射する楕円偏光の状態を制御することができます。偏光の測定値はポアンカレ球上で円の軌跡をたどり、出射光の特性化に使用することができます。

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図 7:3つの異なるデータの軌跡がポアンカレ球にプロットされています。いずれも入射偏光状態と偏波保持ファイバ軸の間の角度の不一致を示しています。軌跡はヒートガンを用いてファイバの温度を変化させ、出射偏光状態を回転させることで取得しました。角度の不一致度が減少するにつれ、温度に依存する偏光状態の範囲が小さくなり、消光比が増加します。各軌跡の消光比はdBで表されています。

PANDA型およびボウタイ型の偏波保持ファイバは、不適切なファイバへの光入力結合、ファイバにかかる外部応力の影響、あるいは不完全な状態のファイバの作用により、出射光の消光比(ER)が入射光と比べて低くなる場合があります。光の一部が直交偏光状態に変換されると、消光比は低下します。

ミスアライメントによるクロストーク量の概算
クロストーク(クロスカップリング)は、光の一部が直交方向に対して平行に偏光すると生じます。偏波保持ファイバへの光の結合は、光源とファイバの偏光軸間でミスアライメント(回転)があるとクロストークをもたらします。このとき、光源からの直線偏光がファイバのスロー軸とファスト軸によって別々に誘導される2つの直交する偏光成分の間で分岐されます。

ミスアライメントによるクロストーク量は大きく、出射偏光を測定中にファイバの温度を変化させることで概算することができます。出射光に直交する両方の偏光成分が含まれる場合、その成分の間の遅延は温度によって変動します。温度の変化に応じて出射光の楕円偏光が変化します。

温度の依存する偏光の測定値をポアンカレ球にプロットすると、その軌跡は円になります(図6と7)。ミスアライメントによるクロストーク量の概算値は、図6における角度(2φ)から求められます。

2φは楕円化の具合を表しています。半角(φ )をラジアンで表すと、クロストークの概算量(dB)は、下記の式で求められます。

Cross Talk (dB) ≈ -20 log (tan(φ )).

光源とファイバ間のアライメントを改善する方法の1つは、温度に依存するファイバの出射偏光状態の変動が最小限に抑えられるところまで、光源の偏光角度を光軸周りで回転調整することです。

出射光の消光比の概算
ファイバを伝搬する光は、不完全な状態のファイバであってもクロストーク量は小さいですが、外部からの応力の影響により消光比は著しく低下する場合があります。ファイバを小さく、あるいは凸凹面や鋭角な面にきつく巻き付けたり、ファイバ素線を固い面に固定したりすることも消光比を低下させます。ファイバーコネクタも、ファイバ素線、コネクタのフェルール、あるいは樹脂化合物との接触による応力によりクロストークの大きな原因となる場合があります。

消光比(ER)の概算値は様々な式で求めることができます。

ER_δ (dB) ≈ -20 log (tan(φ + |δ |)).

上記の1つ目の式は、ミスアライメントによるクロストーク量の求め方と似ていますが、不完全な状態のファイバによるクロストーク、マイクロベンド、その他ファイバの長さ方向に渡り付与される影響が含まれています。これらの影響により、円の軌跡の中心がポアンカレ球の赤道から2δ角度分だけ変位します。

上記はより確度の高い式で、偏光強度を合計の強度を割った偏光度(DOP)が含まれています。

参考文献
[1] Chris Emslie, in Specialty Optical Fibers Handbook, edited by Alexis Mendez and T. F. Morse (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 243-277.
[2] Edward Collett, Polarized Light in Fiber Optics (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 45-53.

最終更新日:2020年9月11日

ビート長とは？ビート長が偏波消光比の代わりに偏波保持ファイバの仕様として明記されている理由

偏波保持(PM)ファイバの出射光の偏波消光比(PER)は、ファイバ製造メーカにとって明記することが難しい仕様です。その理由は、このパラメータがファイバ長、入射光の状態、偏光、アライメントに依存するからです。ビート長はこれらの要素に依存しないため、偏波保持ファイバのポテンシャルを数値化するのに便利なパラメータです。ビート長は短いほどよく、偏波保持ファイバとその動作温度を選択するうえで参照できる有用なパラメータです。ビート長により偏波保持ファイバの性能のポテンシャルに関する情報が得られますが、実際の性能とファイバの出射光のPERは、最終的にファイバの配置に依存します。

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図8:青と緑の曲線はそれぞれ偏波保持ファイバのスロー軸とファスト軸に平行に偏光する波を表しています。2つの軸の屈折率が異なるため、2つの波はファイバの光軸(グレーの線)に沿った距離に応じて異なる周期で振動します。ビート長は、空気中で測定される2つの赤い球の間の距離です。左の球は2つの波の基準となる位相(この例の場合0°)、右の球は次の両方の波が同じ位相にある位置です。ファイバの複屈折性が一定である限り、ビート長はファイバ長に沿ったあらゆる位置において同じです。

偏波保持ファイバのビート長
偏波保持ファイバのビート長は、ファイバの2つの直交軸、ファスト軸とスロー軸に沿って伝搬する波を比較することで分かります。これら２つの波は、偏光角がファイバのファスト軸とスロー軸方向の間の単色の直線偏光から得られます。直交して偏光する波は、ファイバ入射前(入射後ではありません)と同じ位相で振動します。スロー軸の屈折率は、ファスト軸の屈折率より大きいため(n_slow > n_fast )、スロー軸に平行に偏光する波は、ファスト軸に平行に偏光する波よりも短い周期で振動します。

これらの2つの正弦波の位相は、0～2 (0°～360°)の間でサイクルします。しかし2つの波は伝搬するときにお互いに同じ位相のままにはなりません(図8)。スロー軸に対して平行に偏光する波は、ファスト軸に対して偏光する波よりも多くのサイクルで振動します。

ビート長は、2つの位相の差により決まる測定値です。これは図8で表しています。ここでは基準点において両方の波の位相が0°となっています。ビート長は、この基準点から、次に両方の波が同時に基準点と同じ位相に戻るまでの距離です。ビート長(L_p )は、

波長()に比例し、ファイバの複屈折性(B = n_slow - n_fast )に反比例します。

ビート長の典型値について
2つのファイバ軸の間の屈折率差が大きければ大きいほど、複屈折は大きく、ビート長は短く、そしてファイバの偏光保持性能は高くなります。ビート長は、ファイバの複屈折性に変化がない限り、ファイバ長に沿って一定です。製造メーカーはよくいくつかの波長に対するビート長と温度の制限範囲を仕様に明記しています。

以前は、ビート長が1 mm未満の偏波保持ファイバは、楕円のコアと、標準的なシングルモードファイバに比べて著しく小さいモードフィールド径を持ちました。しかし、多くの用途では、円状のコアと標準的なシングルモードファイバに近いモードフィールド径を持つファイバが必要とされます。これらの基準を満たし、性能の良い偏波保持ファイバのビート長は1 mm～数ミリの間となります。標準的なシングルモードファイバにも測定可能なビート長がありますが、それはメートル単位の長さとなります。これは、コアは完全な円状の断面にはなっていないことに起因しています。コアの楕円率はわずかで、ファイバ長に沿ってランダムに変化するため、標準的なシングルモードファイバは、偏波保持ファイバとしては有用ではありません。

ビートパターン
偏波保持ファイバの場合、ビート長が示すのは、偏波保持ファイバの直交するスロー軸とファスト軸に平行に偏光する波の間で繰り返し示される位相の関係となります。ファイバの任意の位置での位相差が、その光の偏光状態を決定します。例えば同位相であれば光は直線偏光で、/2 (90°)の差があれば円偏光です。

これらの波は互いに直交して偏光するため、振幅のビートパターンは生じません。振幅のビートパターンが生じるのは、2つの波に互いに平行に偏光する成分を持つときのみです。同じ理由により、フォトディテクタを使用して周期の異なる2つの直交して偏光する波を合わせた強度を測定するとき、干渉成分がゼロに等しい信号を得ます。

参考文献
[1] Chris Emslie, in Specialty Optical Fibers Handbook, edited by Alexis Mendez and T. F. Morse (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 243-277.
[2] Malcolm P. Varnham et al., "Analytic Solution for the Birefringence Produced by Thermal Stress in Polarization-Maintaining Optical Fibers," J. Lightwave Technol., LT-1(2), 332-339 (1983).

最終更新日:2020年9月17日

ストレスロッド(応力付与ロッド)タイプの偏波保持ファイバの温度依存性

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図9:パンダ型の偏波保持ファイバにはクラッドにストレスロッド(応力付与ロッド)が存在します。これらの円筒径のロッドは、コアに対して平行に配置されています。ファイバの温度が加工時の温度より下がるにつれ、ストレスロッドのガラスは周りのクラッドよりも収縮するため、コアがスロー軸に沿って引っ張られます。

Source of  Change in Delay	Change in Parameter		Resulting Change in Delay
	Birefringence	Length
Temperature-Dependent Birefringence		---
Temperature-Dependent Fiber Length	---

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図 11:図10では、複屈折性の温度による変化のみが大きな影響があったため、図10の赤線のみをここに示しています。これらの値は、温度の変化によってファイバ長が増加し、ファイバの複屈折性が一定であることを仮定して計算されています。

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図10:パンダ型偏波保持ファイバを伝搬する直交の偏光成分の間の相対遅延(y軸)は、ファイバの温度が変化すると変動(x軸)します。温度が上昇すると、偏波保持性能は低下します。性能は温度が下がることで向上します。青線と赤線の数値は、それぞれ複屈折性とファイバ長のみが温度によって変化することを仮定して計算されています。

偏波保持ファイバの直交するスロー軸とファスト軸の間の屈折率の差が大きければ大きいほど、偏波保持性能は良くなります。しかし、温度が上昇するにつれてコアの張力が下がるため、この差(複屈折性)は減少します。ファイバの複屈折性の減少は、温度の上昇にほぼ比例します。

温度依存の複屈折性
パンダファイバやボウタイ型ファイバなどの応力複屈折の偏波保持ファイバは、クラッドにストレスロッド(応力付与ロッド)が存在します(図9)。ストレスロッドのガラスはクラッドのグラスよりも熱膨張係数(CTE)が高いため、加工後すぐにファイバの温度が下がるにつれて、ストレスロッドのガラスは周りのクラッドに比べて収縮速度が速くなります。より収縮するストレスロッドは、周りのクラッドを引っ張り、室温程度ではコアに大きな張力を与えます。これによりファイバのコアでは複屈折性が生じます。

比例定数() において、下記の複屈折性(B )の式は

,

ガラスの温度差の関係式で、温度差は液状からガラス状に変化するときの温度(T_o 、仮想温度)と動作温度(T )との差です。

温度の影響の概算
偏波保持ファイバを伝搬するすべての光が同じファイバ軸に対して平行に偏光する場合、ファイバから出射する光の偏光状態は温度に依存しません。光に２つのファイバ軸に平行な偏光成分が含まれている場合、動作温度の変化により楕円偏光状態が変化します。

これは出射偏光状態を決定する2つの直交成分の間の相対遅延によるものです。遅延はファイバの複屈折性とファイバ長に依存しますが、このどちらも温度に依存性があります。しかし、ファイバの偏波保持性能に大きな影響を与えるのは複屈折性の変化のみです。

これら2つの出射偏光状態への影響は、表の式を使用して求めました。動作波長は1550 nm、ファイバはパンダ型ファイバ(PM980-XP)で長さ2 m(L )、ビート長は約2.7 mmで計算しています。係数は-5.6 x 10^-7で仮定しました。[3] また、溶融石英ガラスファイバーのコアも、熱膨張係数5.5 x 10^-7/°Cで仮定しました。

計算結果は図10と11のグラフに示しています。遅延(y軸)は温度の変化(x軸)によって変動します。これは、温度に依存する遅延をモニタすることで、温度に依存するファイバの複屈折性と、ファイバが偏光を維持するポテンシャルについての情報が得られることを示しています。

温度とビート長
ファイバの複屈折性が偏波保持ファイバの偏光維持力を決定しますが、複屈折性は通常製造メーカーによって明記されません。 ビート長は通常明記されているパラメータです。ビート長(L_p )、

は波長()と複屈折性の割合で、性能が高い偏波保持ほど短くなります。なお応力複屈折の偏波保持ファイバでは、ビート長は温度上昇とともに長くなります。

参考文献
[1] Chris Emslie, in Specialty Optical Fibers Handbook, edited by Alexis Mendez and T. F. Morse (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 243-277.
[2] Malcolm P. Varnham et al., "Analytic Solution for the Birefringence Produced by Thermal Stress in Polarization-Maintaining Optical Fibers," J. Lightwave Technol., LT-1(2), 332-339 (1983).
[3] Zhenyang Ding et al., "Accurate Method for Measuring the Thermal Coefficient of Group Birefringence of Polarization-Maintaining Fibers," Opt. Lett., 36(11), 2173-2175 (2011).
[4] M. Cavillon, P. D. Dragic, and J. Ballato, "Additivity of the coefficient of thermal expansion in silicate optical fibers," Opt. Lett, 42(18), 3650 - 3653 (2017).

最終更新日:2020年9月16日

垂直成分と平行成分の識別に使用されるラベルについて

偏光が面に対して入射されるときには、よく垂直成分と平行成分で説明されます。これらの成分は互いに、そして光の伝搬方向に対して直交します(図1)。

垂直成分と平行成分に用いられるラベルや記号は、どちらがどちらだか分からなくなる場合があります。表では垂直成分と平行成分に使用されているラベルの一覧がご覧いただけます。

垂直ならびに平行方向は入射面を基準にして定義されています。図1の動画ではビームが表面から反射されている図で説明しています。入射面は、入射光と反射光の両方を含む面として定義されます。垂直方向は入射面に対して垂直、平行方向は入射面内に平行です。

垂直成分ならびに平行成分の電界は互いに直交する面で振動します。垂直成分の電界は入射面に対して垂直な面で、平行成分の電界は入射面内に平行な面で振動します。偏光は垂直成分と平行成分のベクトルの和です。

垂直入射光
垂直入射光の場合、入射面の定義できないため、このアプローチから光の垂直成分と平行成分を明確に定義することはできません。垂直入射光においてこれらを区別する必要性は限られています。なぜなら垂直入射光のすべての成分の反射率は同じだからです。

最終更新日:2020年3月5日

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偏光状態を表すのにポアンカレ球が役に立つ理由

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図 5:偏光状態が方位角(S1軸基準)と楕円率(赤道基準)を用いてポアンカレ球にマッピングされています。偏光状態の半径は、光が完全な偏光のとき(無偏光が含まれていない)に最大値となります。

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図 6:球面の赤道(青線)上にマッピングされた偏光状態(青い円)は、完全な直線偏光です。S3軸上で±1の値でマッピングされた偏光状態(緑の円)は、円偏光です。直線でも円偏光でもない楕円偏光状態は球体のその他の領域でマッピングされています。

ポアンカレ球には、経緯と緯度を利用して地球儀上の位置を特定するのと同じように偏光状態がマッピングされます。ポアンカレ球での座標は2つの角度(方位角、楕円率)と半径を使用して特定されます。方位角と楕円率のパラメータは、偏光状態を表す楕円偏光からとります。半径は光の偏光度から求められます。最大値は完全な偏光に相当する1です。

ポアンカレ球と楕円偏光はどちらも偏光状態の可視化と偏光の観察に役立ちます。しかしポアンカレ球の大きな利点は、偏光状態の変化の計算が簡素化されることです。

ポアンカレ球のデータポイント
方位角(2ψ )は、±/2の間の値で、図5のS₁軸から測定します。楕円率(2χ ) は±/4の間の値で、図のように球体の赤道座標から測定します。赤道座標の点は直線偏光に相当し、両極は円偏光(図6)、そして球体のその他の点は楕円偏光状態を示します。

半径1は、球面に相当し、光が完全に偏光していることを示します。半径は無偏光の割合が増えると、小さくなります。偏光度(DOP)は、偏光強度を合計の強度で割った値です。

偏光状態のストークスパラメータ(S₁、S₂、S₃)は偏光状態のデカルト座標に相当します(下表をご覧ください)。

2つの偏光状態の計算方法
ポアンカレ球面上にプロットされた2つの偏光状態を1本の弧でつなぎ、球面三角法を用いてそれぞれの方位角および楕円率の差を計算することができます。これは偏光素子と相互作用した後の光の偏光状態を予測したり、任意の偏光状態を得るために偏光素子が与えるべき方位角と楕円率を決定するのに便利な方法です。

Cartesian to Poincaré Sphere Coordinates
S1 = cos(2χ)*cos(2ψ)
S2 = cos(2χ)sin(2ψ)
S3 = sin(2χ)
Selected Polarization States	Azimuth/2a	Ellipticity/2a	Stokes Parameters (S1, S2, S3)
Horizontal Linear	ψ = 0	χ = 0	(1, 0, 0)
+45° Linear	ψ =/4	χ = 0	(0, 1, 0)
Vertical Linear	ψ = /2	χ = 0	(-1, 0, 0)
-45° Linear	ψ = 3/4	χ = 0	(0, -1, 0)
Right Circular	ψ = 0	χ = /4	(0, 0, 1)
Left Circular	ψ = 0	χ = -/4	(0, 0, -1)

• 方位角(ψ)と楕円率(χ)はポアンカレ球ならびに楕円偏光の両方のパラメータです。

参考文献
[1] Edward Collett, Polarized Light in Fiber Optics (Elsevier, Inc., New York, 2007) pp. 45-53.
[2] Russell A. Chipman, Wai-Sze Tiffany Lam, and Garam Young, Polarized Light and Optical Systems (CRC Press, New York, 2019) pp. 80-83.

最終更新日:2020年9月11日

レーザのビーム径に基づいてミラー径を選択するルールはあるか

レーザのビーム径はミラーの有効径よりも大幅に小さくなければなりません(図1)。ビーム径はミラー径の1/3以下に制限するのが一般的なルールです。このようなルールに従うことで、ビームがミラー表面の周辺でコーティングの境界と相互作用したり、あるいは光学素子のエッジでクリップされたりすることで収差が生じるリスクを制限することができます。

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図1:ミラーの有効径は、ビーム径よりも大きい必要があります。一般的なルールでは、ビームの1/e²径より少なくとも3倍以上大きい径のミラーを使用することを推奨しています。

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図2:径の大きなミラーを使用すると、レーザースポットが完全にミラーの中心にない時や、斜めからの入射によりビーム径が引き延ばされた時にも、柔軟に対応してビーム品質を維持することができます。

ビーム径と光パワー
レーザ光がガウシアンの強度プロファイルを有する場合、ビーム径は1/e²の強度になるポイントで測定するのが一般的です。可視のビームを観察すると、通常1/e²径はビームを取り囲むように見えます。しかし、1/e²径における光の強度はピーク強度の13.5%であり、この直径の外側にも測定可能なパワーが存在します。

ミラーはビームの全パワーを反射するのに十分な大きさの直径(D )を有するのが最適です。反射されるパワーの比率(P_T )は、

のように、Dと1/e²ビーム強度の径(d )、またはミラーの半径(r )と1/e²ビーム強度の半径(w )を使用して求められます。[1]

ミラーの径がビームの1/e²径より1.52倍大きい場合、ミラーはパワーの99%を反射できます。ミラー径を大きくしてビーム径の2倍にした場合、パワーの99.96%を反射します。ビームが完全にミラーの中心にない場合、反射される光の割合は小さくなります。

ビーム位置と有効径
ミラーの光学性能は有効径の全領域に対して定められますが、この有効径にはミラー周辺の細い円環部分は含まれません。レーザ光を有効径内に制限するのは、ミラー周辺部の性能が知られてないため適切な方法です。また、有効径からはみ出た光は、ミラーのエッジでクリップされるリスクがあります。

ミラー径がビーム径の2倍あり、かつビームが完全にミラーの中心にある場合、ビームの光学的品質は維持され、ビームのほぼすべてのパワーが反射されます。しかし、何らかのミスアライメントがあれば、ビームの品質は影響を受けます。より大きなミラーを使用すると、アライメント時に柔軟性が得られ、ビームが完全に有効径の中心にない場合にも対応できます。そのため、ビーム径より少なくとも3倍以上大きい有効径を有するミラーを使用することが有用です。

ビームアライメントに関する追加情報は
こちらの動画ページでご覧ください。

参考文献
[1] Bahaa E. A. Saleh and Malvin Carl Teich, Fundamentals of Photonics (John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991) p. 85.

最終更新日:2020年10月12日

ビームのアライメントはレトロリフレクタを通過するビーム光路にどのような影響を及ぼすか

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図4:ビームが反射されるシークエンスは6通りあります。そのシークエンスは最初にビームが反射される領域によって決まります。上の図は、レトロリフレクタのノーマル軸(本文参照)とほぼ平行な入射ビームに適用されます。矢印はビームの光路、点は反射される位置を示しています。

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図 3:図ではコーナーキューブの3つの反射面をそれぞれ色分けして示し、さらにその半分の面を数字で示しています。レトロリフレクタは、入射ビームをそれぞれの面で反射し、入射ビームに平行なビームを出射するように設計されています。

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図6:最初に反射される位置を赤色の面の斜線より下の位置にシフトすると、次は黄色の面で反射されます。青色の面での3回目の反射の後、ビームは図5の出射ビームと平行に出射しますが、その出射面は変化しています。

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図5:ビームがレトロリフレクタのノーマル軸に平行に入射し、最初に赤色の面の斜線より上の位置で反射されたときは、次に青色の面で反射されます。その後、ビームは黄色の面で反射され、レトロリフレクタから出射します。

コーナーキューブから出射したビームは、入射ビームに対して平行に、しかし入射ビームとは反対方向に伝搬します。入射ビームはコーナーキューブの頂点、あるいは3面のうちの1つの面上の１点にアライメントすることができます。 入射ビームが頂点にアライメントされているときは、入射ビームと出射ビームは同一線上にあります。入射ビームのスポットが頂点と重ならないときは、2つのビームは分離します。

レトロリフレクタの面の1つにアライメントされた入射ビームは、その面で反射されたのち、レトロリフレクタから出射されるまでに他の2つの面で反射されます。入射角により、ビームが3つの異なる面で反射されるシークエンスは6通りあります。レトロリフレクタ内を通過する光路を選択することは、ビーム位置を最適化し、また偏光に対する影響を最小化するという観点から、非常に有用です。

ビームを特定のシークエンスで反射させたいときには、1つの面に入射するようにビームをアライメントするだけでは不十分です。ビームをその面の適切な半分の面内に入射しなければなりません。

ビーム光路の追跡
レトロリフレクタの頂点を正面から見ると、反射の効果により、3つの面のそれぞれ半分の面に対応する6つの面を見ることができます。ここで、それらの面は斜めの点線で分離して識別されています(図3)。さらに、見やすくするために、レトロリフレクタの3つの面をそれぞれ色分けして示しています。ノーマル軸は図に示されていませんが、頂点を通り、3つのすべての面から等距離にあります。

6通りある反射のシークエンスは、入射角によって異なります。図4はノーマル軸にほぼ平行に入射するビームに対して適用されます。これらの図では中空レトロリフレクタが使用されていますが、反射のシークエンスはプリズムミラーにも当てはまります。

最初に反射された位置により、ビームがレトロリフレクタ内で反射されるシークエンスが決まります。ビームは常に入射面とは異なる面から出射します。

例
図5と6は、入射ビームが最初に左端の垂直な面で反射された時に生じる、2通りの反射の様子を示しています。入射ビームはレトロリフレクタのノーマル軸に平行です。

図5のように、入射ビームが最初に斜線より上の位置で反射されたときは、最後の反射面は水平な面(黄色)になります。一方、入射ビームが最初に斜線より下の位置で反射されたときは、最後の反射面はもう一つの垂直な面(青色)になります。この2つのケースで、出射するビームは互いに平行ですが、その位置は異なっています。

最終更新日:2020年7月8日

コーナーキューブへの入射角は出射ビームのパワーに影響を及ぼすか

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図 12:ガラスと空気の屈折率は異なるため、ビームは前面で反射します。反射された光は出射するまでにレトロリフレクタ内を複数回通過する場合があります。重ねられたコヒーレント光により干渉が生じます。

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図11:コーナーキューブレトロリフレクタを通過するビームは後方の3つの面で反射され、その順序はビームの入射位置によって決定されます。上図に示す入射ビームの入射角は0°で、頂点から外れています。

レトロリフレクタープリズムからの出射光のパワーは、入射角(AOI)が変化すると平均値のまわりで振動する場合があります。これは、多重反射干渉によるもので、光源のコヒーレント長がレトロリフレクタ内の光路長の2倍以上あるときに生じることがあります。

レトロリフレクタの前面に反射防止コーティングが施されていると、この変動はすべての入射角において大幅に小さくなります。金属コーティングされた中空レトロリフレクタの出射ビームパワーは、入射角にほぼ依存しません。

光路
これらのコーナーキューブレトロリフレクタでは、入射ビームに対して平行で、かつ反対方向に伝搬するビームが出射されます。図11では1つのビーム路を示しています。

入射角は、レトロリフレクタの前面に垂直な軸を基準にしています。この軸は頂点を通り、また3つの反射面から等距離にあります。

前面での反射
図12に示すように、光はレトロリフレクタの表面と周囲の物質の境界面において反射するかあるいは透過するかによって、レトロリフレクタ内を複数回通過する場合があります。

ガラス製のレトロリフレクタが空気に囲まれているとき、入射光の約96%はレトロリフレクタ内を1回通過(図12の1st Pass)して最初に出射する主たるビームとなり、約0.16%はレトロリフレクタ内をもう1巡(図12の3rd Pass)してから出射します。さらに巡回する光の強度は、ここでは無視できます。

干渉の条件
レトロリフレクタープリズムの出射光は異なる光路長を伝播するビームから構成されているため、次の条件のときに干渉が生じます。

• ビームが重なっている。これは入射ビームの入射角が0°に近く、出射光の測定位置がレトロリフレクタに近い場合により生じやすい条件です。より離れた位置で測定した場合、レトロリフレクタの仕様に基づくビームのずれと入射角の影響により、1st Passと3rd Passの出射光はより大きく分離します。
• 光源のコヒーレント長が、1st Passの光路長とそれに重なる3rd Passの光路長との差よりも長い。

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図14:出射光パワーの入射角依存性の、コーナーキューブレトロリフレクタの種類による差異。図13と同じ方法で測定したデータを、同様に同じスケールで規格化し、見やすいように各グラフを垂直方向にシフトして示しています。前面にARコーティングが施されているリフレクタ(PS975-C)では、振幅が大幅に抑えられています。中空レトロリフレクタ(HRR201-M01)では干渉が観察されませんでした。

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図13:内部全反射レトロリフレクタープリズム(PS975M)の出射光パワーの入射角依存性(測定値)。入射ビームの光源は1064 nmレーザ光源DBR1064Sで、そのコヒーレンス長は数メートルです。 最大の振幅は入射角0°付近にみられ、ここでは1st Passと3rd Passの出射光は重なっていました。1/e²ビーム径は、レトロリフレクタの前面から30 cmの位置で、±1°より大きい入射角では重なりませんでした。

コーナーキューブレトロリフレクタの比較
小さい入射角での出射光パワーの変化を、次の4種類のコーナーキューブレトロリフレクタで比較しました(内部全反射レトロリフレクタープリズムPS975M、裏面に金コーティング付きのレトロリフレクタープリズムPS975M-M01B、前面にARコーティング付きの内部全反射レトロリフレクタープリズムPS975M-C、中空レトロリフレクタHRR201-M01)。光源にはコヒーレンス長が数メートルの1064 nm半導体レーザDBR1064Sを使用し、パワーディテクタはレトロリフレクタの前面から30 cmの位置に配置しました。1面につき1回の反射となるように十分小さなビームサイズに設定しました。

図13は内部全反射レトロリフレクタープリズムの測定値で、グラフは規格化されています。入射角が大きくなると、1st Passと3rd Passの出射ビームは互いに離れていきました。入射角が約±1°より大きくなると、ビームの1/e²径は重ならなくなりました。これにより振幅は入射角の増加とともに小さくなりました。ディテクタの位置をレトロリフレクタの前面に近付けると、振動が著しい入射角の範囲は大きくなります。

図14では、図13のグラフにほかの3種類のレトロリフレクタの測定データを加えています。同じスケールに規格化していますが、見やすいよう垂直方向にシフトさせています。この結果から、前面にARコーティングを施すと、レトロリフレクタープリズムからの出射光におけるパワー変動の振幅を抑えられることが分かります。中空レトロリフレクタの出射光パワーが変動しないのは、前面に物質の境界面が無いためです。

最終更新日:2020年7月7日

デジタルマイクロメータDM713: LabVIEWおよびC#プログラミングリファレンス

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図 1:デジタルマイクロメータDM713の測定値を読み取るためのプログラムを、Visual C#やLabVIEWで書くことができます。プログラミングリファレンスをダウンロードすると、その詳細な例をご覧頂けます。

デジタルマイクロメータDM713(図1)と通信する方法を紹介したプログラミングリファレンスをご提供しています。1つはLabVIEW用、もう1つはVisual C#用です。どちらのリファレンスにも、プログラムを作成するまでを順を追って説明したセクションと、説明無しで全プログラムテキストを簡潔に記載したセクションが含まれています。

LabVIEWプログラミングリファレンスの内容

• ドライバーソフトウェアのダウンロードとインストールの方法
• DM713のCOMポートへの接続ケーブルと接続方法についての情報
• DM713とのシリアル通信を行うための新VIの作成
• DM713からのデータの連続受信
• 変位データとその測定単位の表示
• ボタンのクリックによるデータの記録

Visual C#プログラミングリファレンスの内容

• DM713のCOMポートにPCを接続するための情報
• DM713と連続的に通信するためにセカンダリスレッドを生成する方法
• 変位データと単位を抽出するための受信データの操作手順
• プログラムのGUIに変位データと単位を表示する方法
• ボタンのクリックによる変位データのファイルへの記録

最終更新日:2019年12月4日

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光学テーブルに対するレーザービームの高さ調整

レーザービームが光学テーブルの表面に水平に伝搬するようにアライメントする方法を2つご紹介します。

最初の方法では、レーザービームのあおり調整(チップ&チルト)を行い、ポインティング角度の調整を行います。ルーラを使用して、レーザービームの高さを調整するとともに､テーブルのタップ穴の列に沿うように向きを調整します。

2つ目の方法として、この調整済みのビームを用いて、固定されたレーザ光源からのビームの向きと高さの両方を変更する方法を実演します。異なる高さに設定された2つのミラーを用いて、ビームをテーブルの別のタップ穴の列に沿うように向けます。次に、2つのアイリスを用いて、ビームの高さを2つ目のミラーの高さに合わせます。

ここで使用しているコンポーネントは、レーザーモジュールPL202、キネマティックマウントKM100、アダプタAD11NT、ルーラBHM1、ミラーPF10-03-P01、アイリスIDA25です。

最終更新日:2020年9月8日

ポストホルダをテーブルまたはベースに固定するときに注意すべきネジの長さについて

ポストホルダをベースやテーブルに固定する際に、ネジがポストホルダの底部から突き出ていて困ることがあります。そのようなネジが突き出た状態では、ポストホルダの高さ調整範囲が制限されてしまいます。さらに、ポストをポストホルダ内で回転したときに、意図せずに突き出たネジにポストをねじ込んでしまう場合もあります。

これを防ぐ方法は、ポストホルダを固定するためのセットスクリュまたはキャップスクリュを選ぶ際に、それらのネジの長さを考慮に入れることです。この動画では、ポストホルダの底部から突き出たネジによって生じる問題と、その解決方法をご紹介します。また、ポストホルダをベースに固定する場合とテーブルに直接固定する場合についての比較も行っています。

ここで使用しているコンポーネントは、Ø12 mm～Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)ポストホルダ、ベースBA2/M、Ø12 mm～Ø12.7 mmポスト、キャップスクリュ、セットスクリュ、およびアイリスです。

最終更新日:2020年9月24日

フリースペース型アイソレータのレーザ波長に応じた調整

ファラデーアイソレータを調整することで、光源からの光パワーを適切に透過させ、光源に向かって戻る反射光を効果的に抑えることができます。この実演では、動作波長範囲が510 nm～550 nmの偏光依存性を有するフリースペース型アイソレータIO-3-532-LP、ポスト用カラーR2T、520 nmのコリメート光を出力する直線偏光レーザ PL201、シリコンパワーセンサS120C、パワーメータPM400を使用しています。

これらの光学アイソレータからは直線偏光が出射され、また入射光が直線偏光のときに最良の性能が得られます。

必ず所属する研究機関等のレーザ安全ガイドラインに従ってください。この実演で使用されている低パワーの光源とは異なる他のレーザ光源を使用した場合は、後方反射によってレーザが損傷する可能性があります。人体やレーザに対して危険な迷光反射の影響は、不要なときにはレーザービームをブロックすることで軽減することができます。

最終更新日:2020年9月10日

直線偏光子の軸をテーブルに対して垂直または平行にアライメントする方法

多くの光学セットアップの光路は、光学テーブルに対して平行になるようにセットします。この場合、一般には入射面 とp偏光の向きはテーブル面に対して平行に、s偏光の向きはテーブル面に対して垂直になります。したがって、pまたはs偏光が通過するようにアライメントされた偏光子の軸は、テーブル面に対してそれぞれ平行または垂直になるようにアライメントされます。

偏光子を透過する光パワーの読み取り値を用いて、偏光子の軸を光学テーブルに対して垂直になるようにアライメントする手順について、説明と実演を行います。次に、偏光子の軸をテーブル面に水平にアライメントする3つの方法の概要について説明し、直交する偏光子を使用した方法を実演しています。より正確な測定値を得るためのヒントやコツについてもご紹介しています。

ここで使用しているコンポーネントは、コリメートされたレーザ、偏光ビームスプリッタ、直線偏光子、精密回転マウント、光パワーセンサ、およびパワーメータです。また、ポスト用カラーとルーラも使用しています。

最終更新日:2020年10月23日

ハンドヘルド型スクライブを使用して大きな直径の石英ファイバをクリーブする方法

ハンドヘルド型スクライブを用いて大きな直径の光学ファイバを手でクリーブすることで、光学的品質の優れたファイバ端を得ることができます。コア径400 µmのマルチモードファイバを使用してその手順を実演します。

ファイバ端から保護ポリマのバッファを除去し、ファイバをフラットな面に固定します。次に、ハンドヘルド型スクライブでファイバの外側の面に切り込みを入れます。スクライブでは、ファイバのコア部分から離れたファイバのクラッド部分に、浅く切り込みが入るようにしてください。直径の小さなファイバをクリーブする場合は、力を加減しながらゆっくりとスクライブを行い、切り込みを深く入れすぎないようにしてください。スクライブを動かさず、軽くファイバに押し付けるだけで十分な場合もあります。切り込みを入れた部分を挟んで縦方向に力を加えてクリーブします。

アイルーペを使ってファイバ端の状態を目視で評価する方法も実演しています。品質の良い端面はファイバの縦軸に対して垂直でフラットな面になっています。クリーブされた端面からの出射光をスクリーンで観察し、その強度分布から端面の品質に関する情報を得る方法なども紹介しています。

ここで使用しているコンポーネントは、ファイバーバッファーストリップ用ツール、ルビー製スクライブ、 an SMAファイバ素線ターミネータ、アイルーペ(倍率10倍)、ファイバーグリッパ、ファイバ出力型LED、観察スクリーン、簡単脱着式調整可能ファイバークランプ、および自立型プラットフォームです。

最終更新日:2020年11月3日

光ファイバ用コンポーネントの挿入損失測定

挿入損失は、光ファイバーネットワークにデバイスを追加することで発生する光パワーの低下を測定することで得られます。デバイスの挿入損失の原因となる光学的損失には、素材固有の特性による反射、吸収、散乱のほか、マイクロベンディング損失および曲げ損失、分岐比、接続損失、コネクタ損失などが含まれます。

動画では、シングルエンド挿入損失の測定方法を実演しています。このアプローチでは、まず参照用ケーブルを光源に取り付け、そのケーブルから出力される光パワーを測定します。次に、アダプタを使用して試験対象のコンポーネントを参照用ケーブルに取り付けます。取付けられたコンポーネントの選択した出力ポートからの光パワーを測定します。挿入損失は、このパワーの読み取り値と参照用ケーブルからの出力光パワーの測定値との比を求め、その比をデシベル(dB)単位で表します。

シングルエンド挿入損失の測定値には光がデバイスに結合する際の損失が含まれますが、その主たる原因がアダプタ内のファイバーコアのミスアライメントによる場合が多く見られます。しかし、この測定値には、デバイスからの出力光がファイバーネットワークの次のコンポーネントに結合するときに発生する損失と同じタイプの損失は含まれていません。また、挿入損失は波長に依存し、測定時のデバイスの入力ポートおよび出力ポートの組み合わせによって異なるということにもご注意ください。これは、分岐比、曲げ損失、吸収、散乱、反射、および2つのポート間の光路に沿った他のすべての減衰要因の違いによるものです。

ここで使用しているコンポーネントは、ファイバ出力型レーザ光源、アダプタ、ファイバ出力光源用パワーセンサ、パワーメータ、分岐比50:50のファイバーカプラ、シングルモードファイバーパッチケーブルです。

最終更新日:2020年12月3日

1/4波長板を使用して円偏光に変換する方法

直線偏光ビーム対して1/4波長板を置くことで円偏光に変換できますが、いくつかの条件を満たす必要があります。1つは光の波長が波長板の動作範囲内にあることです。もう1つは、波長板の直交するスロー軸とファスト軸が、直線偏光の偏光方向に対して45° の位置にセットされていることです。この条件が満たされたとき、入射光の2つの軸に平行な成分の強度は等しくなります。波長板は、スロー軸に平行な成分を、ファスト軸に平行な成分に対して1/4波長分(/2)だけ遅延させます。この遅延効果により、直線偏光は波長板で円偏光に変換されます。

動画の最初では、直線偏光の偏光方向を波長板のファスト軸、スロー軸、およびその間の角度に設定して入射したときに得られる結果を図解しています。角度や向きは、光の伝搬方向の逆方向から光源を視る見方で描かれています。次に、入射光側の偏光子と出射光側の偏光子を互いに直交する方向に設定し、偏光によって変化するパワーを測定する手順を紹介します。波長板を2つの偏光子の間に挿入し、向きを変えてその影響を調べます。波長板から出射された円偏光の品質は、2番目の偏光子の透過軸を回転させることで確認できます。回転したときのパワーの読み取り値の変化が小さければ、光はより円偏光に近いことになります。

このデモンストレーションでは、HeNeレーザ(光アイソレータ付き)、V字型クランプマウント、精密回転マウント、1/4波長板、フィルム型直線偏光子、パワーセンサ、パワーセンサ用SM1ネジ付きアダプタ、SM1レンズチューブおよび光パワーメータを使用しています。

最終更新日:2020年12月30日

直線偏光子を入射面に対して45°にアライメントする方法

直線偏光子の透過軸は、2枚の直線偏光子を補助的に使用することで、入射面に対して45°に設定することができます。まず、補助的な2枚の直線偏光子の軸を、入射面に対してそれぞれ平行および垂直になるようにアライメントします。次に3枚目の偏光子の透過軸を回転させて前述の2枚の偏光子の軸に対して45°の角度にすると、その透過軸は入射面に対して45°になります。

動画では、入射面が光学テーブルに対して平行な場合について実演しています。1枚目の偏光子の軸をテーブルに対して平行にアライメントする手順では、偏光子を垂直軸の周りに180°回転させる操作を繰り返し行う必要があります。直線偏光子アセンブリは長方形のベースを用いており、固定式位置決めプレート(フォーク)を用いてコーナの位置決めができます。このフォークにより、偏光子アセンブリを垂直軸回りに反転させた後も、素早く正確に元の位置に設置できます。180°の反転操作のたびに、偏光子の透過軸を最初は手動で回転させ、最後にはマウントに取付けられているマイクロメータ(mic)で微調整します。1枚目の偏光子の軸がアライメントできたら、2枚目の偏光子の軸をそれに直交させます。このとき、2枚目の偏光子の透過光は最小になります。

3枚目の偏光子を他の2枚の偏光子の間に設置し、透過軸を回転させます。その回転角度により3枚の偏光子を透過する光のパワーは変化し、入射面に対して45°のときに透過光パワーは最大になります。この結果を確認し、またディテクタで検出される可能性のある最大光パワーを見積もる一つの方法として、余弦二乗法則(マリュスの法則)を利用する方法があります。これを利用することで、直線偏光子への入射光が直線偏光の場合の出射光パワーを算出することができます。

このデモンストレーションでは、コリメート型レーザーモジュール、フィルム型直線偏光子、精密回転マウント、パワーセンサ、パワーセンサ用SM1ネジ付きアダプタ、SM1レンズチューブ、光パワーメータを使用しています。

最終更新日:2021年2月8日