ヘリオットセル、マルチパス吸収分光法用


  • 10.5 m or 31.2 m Optical Path Length in 0.4 m Long Cell
  • Mid-Infrared-Enhanced Gold Mirrors & CaF2 Windows
  • Angled Entry & Exit Ports for Ease of Alignment
  • Interfaces Compatible with Thorlabs' Optomechanics

Angled Optical Ports for
FiberPort Collimators,
30 mm Cage System,
or Ø1" Lens Tubes

Ø2" Concave Mirrors
with Gold Coating and
Ø3 mm Off-Axis Holes

Gas Ports with Swagelok® Tube Fittings

HC30L-M02

31.2 m Herriott Cell with
1/4" OD Tube Fittings

A Herriott cell increases the path length of a beam through the cell.
The HC30L-M02 Herriott Cell has 80 internal reflections.

Ø1/2"
Calcium Fluoride
Wedged Windows

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Herriott Cell
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アライメントを容易にするため、各取付けプレート上のインターフェイスには、適切なビーム入射角が得られるように角度がつけられています。
詳細については「使用方法」タブをご覧ください。

用途例

  • 吸収分光法
  • 呼気分析やプロセスガス分析
  • 環境モニタ
  • 医療診断
  • 機器の校正
  • 燃焼プロセス
Herriott Cell Application
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ヘリオットセルの光学ポートには入射光のアライメントを補助する角度が付いています。詳細は上の「使用方法」タブをご覧ください。この写真では、ジョイント付きケージロッドとロッドアダプタERSCB-P4を使用して、角度付きポートとテーブル上に設置された30 mmケージシステム直角キネマティックミラーマウントとを結合しています。

特長

  • マルチパス型ヘリオットセル:分光測定における吸収量の増加
  • 中赤外域強化型金コーティング付きØ50.8 mm(Ø2インチ)凹面ミラー
  • Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)フッ化カルシウム製ウェッジウィンドウ(交換可能)
  • ガスの圧力とリークレートは個別に検査済み
  • ガスの動作圧力範囲:< 10-4Torr~2 atm
  • ガス接続部:Ø6 mmまたはØ1/4インチSwagelok®チューブ継手
  • ガスのリークレート:< 10-5 Torr·L/s
  • 当社のFiberPortコリメータ30 mmケージシステムØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブの取り付けが可能
  • ウィンドウ、ミラーコーティング、およびガスポートのカスタマイズについては当社までご連絡ください。

当社のヘリオットセルは、ガス吸収分光法において長い光路長を得ることができるコンパクトな製品です。ヘリオット型マルチパスセルの光路長としては10.5 mまたは31.2 mの2種類をご用意しており、また中赤外域の性能を強化した保護膜付きの金コーティングを施した凹面ミラーを採用しています。セルには2つのガス接続ポートが付いており、定圧力セルとしてもフローセルとしてもご使用いただけます。すべてのヘリオットセルが仕様を満たすことを保証するため、個々の製品ごとに真空およびリークテストを行っています。両端の開口には、アライメントを容易にするために、当社の様々なオプトメカニクス部品に対応する取付けプレートが付いています。ヘリオットセルのウィンドウ、ミラーコーティング、ガスポートについてカスタマイズをご希望の場合は当社までご連絡ください。

ヘリオット型マルチパスセル

一般にヘリオットセルと呼ばれるこの長光路吸収セルは、主に環境モニタリング、燃焼プロセス、医療診断、基礎的な原子・分子物理学などで利用される微量ガス吸収分光法に用いられます。ホワイトセルなどの他の長光路吸収セルに比べて、ヘリオットセルは小さな擾乱に対して安定しています。ヘリオットセルの主な利点としては、コンパクトな構造でありながら比較的長い吸収路を実現できること、高フィネスの光共振器(一般に空間モードマッチング、光学的な精密アライメント、あるいは共鳴励起が必要とされる)よりも非常にシンプルであることなどが上げられます。ヘリオットセルの原理については「ヘリオットセル用ミラー」の製品ページで、また用途例は上の「用途」タブでご覧いただけます。

ガス接続部

各セルにはガス接続ポートが2つ付いています。フローセルとしてお使いにならない場合は、2つ目のガスポートにはプレッシャーゲージやその他のデバイスを接続してご使用いただけます。ガスポートには標準的なオス型のステンレススチール製Swagelok® チューブ継手が付いています。これらの継手は外径6 mm(ミリ規格)または1/4インチ(インチ規格)のチューブ用です。

チューブ継手を取り外すと、セル筐体内のG1/4インチ平行メス型ネジコネクタを使用することができます。KF16フランジアダプタKF16G25E(別売り、下記参照)を使用すると、KF16シリーズ真空部品に接続が可能です。また英国規格管用平行ネジ(British Standard Parallel Piping/BSPP)の付いたパイプは直接メス型のネジコネクタに接続できます。なお、チューブ継手をお客様が交換または調整された場合、リークレートは保証されませんのでご注意ください。お手持ちの真空システムやガス供給システムに当社セルを接続する方法について、ご不明な点がございましたら当社までお問い合わせください。

角度付き光学ポート

こちらのマルチパスヘリオットセルの両端の開口には、当社のFiberPortコリメータ30 mm ケージシステムおよびØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブに対応する取付けプレートが付いています。各取付けプレートの面はビーム経路に対して垂直になっているため、アライメントが容易です。詳細は「仕様」タブをご覧ください。これらの取付けプレートは、セルに直接取り付けられていない自由空間光学系と組み合わせる場合でも有用です。詳細については「使用方法」タブをご覧ください。なお、当社の31.2 mセルは、刻印が付いている側の取り付けプレートから光を入射するようにしたとき、その入射ビームは光学テーブル面に平行な面内になるように設計されています。セルのほかの取付けプレートについては、ビームの伝搬方向は水平方向と垂直方向の両方に角度オフセットが付いてきます。詳細については下の赤いアイコン()をクリックしてご覧ください。

Item #HC10L-M02HC10L/M-M02HC30L-M02HC30L/M-M02
Optical Specifications
Recommended
Operating Wavelength
600 nm to ~10 µma1.5 µm to ~10 µma
Optical Path Length10.498 ± 0.015 m31.227 ± 0.020 m
Number of Reflections
Inside the Cell
2880
Max Input Beam Diameter
(1/e2, Collimated)
2 mm1.3 mm
Beam Angles of Incidence
(Horizontal, Vertical)b
Engraved End: 3.2° H, 2.8° VEngraved End: 4.2° H, 0° V
Unengraved End: 2.5° H, 3.5° VUnengraved End: 4.1° H, 0.3° V
MirrorsCM508-200EH4-M02 Concave
Mirrors with Ø4 mm Hole
CM508-200-M02 Concave
Mirrors with Custom Ø3 mm Hole
WindowsWW50530 Uncoated Calcium Fluoride Wedged Windows
Gas Specifications
Supported Pressurec< 10-4 Torr - 2 atm (1520 Torr)
Gas Leakage Rated< 10-5 Torr·L/s
Sample Volume≈0.7 L≈0.85 L
Gas Interface1/4" OD Tube
Swagelok®
6 mm OD Tube
Swagelok®
1/4" OD Tube
Swagelok®
6 mm OD Tube
Swagelok®
Fitting Interface
in Housing
G1/4" Straight Thread
Materials in Contact
with Gas Sample
Stainless Steel (1.4301), Aluminum, Calcium Fluoride,
Borosilicate Glass, UV Fused Silica, Gold with Protective Overcoat per
MIL-C-48497A, FKM (Viton), Torr Seal® Epoxy
General Specifications
Bake-Out Temperature80 °C Max
Operating Temperature-5 to 80 °C (Non-Condensing)0 to 40 °C (Non-Condensing)
Storage Temperature-20 to 80 °C
Dimensions (LxWxH)16.30" x 6.00" x 4.45"
(414.1 mm x 152.0 mm x 113.1 mm)
437.8 mm x 152.0 mm x 113.1 mm
(17.24" x 6.00" x 4.45")
Mass (Weight)5.7 kg (12.6 lbs)5.8 kg (12.8 lbs)
  • セルは16 µmまでの波長において干渉無しで機能するよう設計されていますが、動作範囲は光学素子によって制限されています。2 µmより短波長側については、ミラーコーティングの反射率曲線をご覧ください。10 µmより長波長側で使用するには、フッ化カルシウム(CaF2)のウィンドウを、セレン化亜鉛(ZnSe)などの適切な材質のウィンドウに交換する必要があります。詳細については上の「グラフ」タブや「使用方法 」タブのトラブルシューティングの段落をご覧になるか、または当社までご連絡ください。
  • これらの角度は、セルの刻印を上向きに置いたときの角度です。詳細については下の赤いアイコン()をクリックしてご覧ください。
  • 各ユニットはmTorrまで試験しています。
  • 10-3 – 10-2 Torrの試験圧力で設定した仕様値。760 Torrを超える圧力では有効ではありません。ガスチューブ継手をお客様が交換または調整された場合は、リークレートは保証されません。
Concave Mirror Specifications
Item #10.5 m Cells: CM508-200EH4-M02
31.2 m Cells: Custom CM508-200-M02
Focal Length200.0 mm
Outer Diameter2"
Clear Aperture> Ø45.7 mm
Off-Axis Hole
(20.0 mm from Center)
10.5 m Cells: Ø4.0 mm
31.2 m Cells: Ø3.0 mm
CoatingGold with Protective Overcoat per MIL-C-48497A
Reflectance (0° - 45° AOI)Ravg > 98%, Rabs > 95% from 2.0 - 20.0 µm
Reflectance Plot
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Raw Data
Damage
Threshold
Pulsed0.1 J/cm2 at 1.064 µm, 10 ns, 10 Hz, Ø1.06 mm
3 J/cm2 at 10.6 µm, 100 ns, 1 Hz, Ø1.29 mm
CWa25 W/cm at 1.07 µm, Ø1.04 mm
450 W/cm at 10.6 µm, Ø1.18 mm
Surface Quality40-20 Scratch-Digb
Power Tolerance< λ/2 @ 633 nmb
Surface Irregularity< λ/4 @ 633 nmb
Back Surface FinishUniform Fine Grind #12-20 Grit
SubstrateUV Fused Silicac
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。この単位(単位長さあたりのパワー)で表したパワー密度が長パルスおよびCW光源に対して最も適した測定量である理由については、こちらをクリックしてご覧ください。
  • 開口全体に適用されます。
  • リンクをクリックすると材料の仕様をご覧いただけます。 
Window Specifications
Item #WW50530
Diameter 1/2" (12.7 mm)
Diameter Tolerance+0.0 / -0.2 mm
Thickness3.0 mm
Thickness Tolerance±0.1 mm
Clear Aperture≥ Ø11.43 mm
Transmission Plot
(Click for Details)
Uncoated Transmission
Raw Data
Wedge Angle30 arcmin
Wedge Angle Tolerance±10 arcmin
Surface Flatnessa≤ λ/16 Over Central Ø5 mm; ≤λ/8 Full Clear Aperture
Surface Quality40-20 Scratch-Dig
SubstrateCalcium Fluorideb
  • 633 nmで測定
  • リンクをクリックすると材料の仕様をご覧いただけます。
Protected Gold Coating
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生データはこちらからダウンロードいただけます。
このグラフは、当社の中赤外域強化型金コーティングミラーに対して、光をほぼ垂直に入射したときの反射率の測定値です。グラフの青い網掛け部分は、反射率を仕様として保証する波長範囲を示しています。この帯域の外側(特に反射率のグラフに変動や傾斜がみられる範囲)ではロット毎にバラつきがある可能性があります。
Transmission of Uncoated CaF2
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生データはこちらからダウンロードいただけます。
このグラフは、コーティング無しのフッ化カルシウム(CaF2)ウィンドウに、光を垂直に入射した時の透過率の測定値です。
10 m Herriott Cell Throughput
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生データはこちらからダウンロードいただけます。
このグラフは、フッ化カルシウムウィンドウ(CaF2)の透過率の測定値と中赤外域強化型金コーティングミラーの反射率の測定値を用いて、ヘリオットセルHC10L(/M)-M02のスループットをシミュレーションした結果です。グラフの青色の網掛け領域は、推奨する動作波長範囲を示しています。グラフの黄色の網掛け領域は、付属のフッ化カルシウムウィンドウ(CaF2)ウィンドウをセレン化亜鉛(ZnSe)などの適切な材質のウィンドウに交換する必要がある領域です。詳細については上の「使用方法」タブのトラブルシューティングの段落をご覧になるか、 当社までご連絡ください。
30 m Herriott Cell Throughput
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生データはこちらからダウンロードいただけます。
このグラフは、フッ化カルシウムウィンドウの透過率の測定値と中赤外域強化型金コーティングミラーの反射率の測定値を用いて、ヘリオットセルHC10L(/M)-M02のスループットをシミュレーションした結果です。グラフの緑色の網掛け領域は、ミラーコーティングによって透過率が低下する領域を示しています。グラフの青色の網掛け領域は、推奨する動作波長範囲を示しています。グラフの黄色の網掛け領域は、付属のフッ化カルシウムウィンドウ(CaF2)ウィンドウをセレン化亜鉛(ZnSe)などの適切な材質のウィンドウに交換する必要がある領域です。詳細については上の「使用方法」タブのトラブルシューティングの段落をご覧になるか、当社までご連絡ください。
Herriott Cell
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各取付けプレートには、Ø6 mmケージロッド用のタップ穴、FiberPortコリメータ用のタップ穴、およびSM1内ネジ付きの開口(光学窓)があります。
Herriott Cell
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マウントはM6(1/4"-20)キャップスクリュで固定でき、それらの間隔も調整が可能です。各ロック用止めネジは2.0 mm(5/64インチ)六角穴付きです。

準備

まずヘリオットセル用マウントを光学テーブルまたはブレッドボード上に置きます。次にヘリオットセルをマウントに乗せ、セルロッドがスナップオンでマウントに取り付けられることを確認します。マウントの穴位置が光学テーブルまたはブレッドボードの穴位置と合致するように、マウントの間隔を調整します。各マウントのロック用止めネジを用いて、右の写真のようにセルを固定します。その後に、エンドキャップ(交換品型番SM1CP2)を両ポートから取り外します。入射側・出射側の区別はなく、セルはどちらの方向からもご使用いただけます。 なおバックグラウンド光を低減させるため、セルのウィンドウはヘリオットセルミラーに共通する光軸に対して垂直に取り付けられています。 つまり、ビーム経路に対して垂直な軸から約3°傾くことになります(入射角については「仕様」タブをご覧ください。 

セルの両端の角度付き取付けプレートには、右の写真でご覧いただけるように、当社のFiberPortコリメータ30 mmケージシステム、およびØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブを取り付けることができます。取付けプレートの接続面はビーム経路に対して垂直になっているため、セルに直接取り付けられていない自由空間光学系と組み合わせて使用する場合においても、アライメントは容易です。詳細については下記の「自由空間光の場合」の例をご覧ください。

各ガスポートを封止しているエンドプラグは、チューブやガス管をポートに接続するときには取り外さなければなりません。各プラグは14 mm(9/16インチ)レンチで取り外すことができます。なお、このSwagelokプラグを取り外す際は、19 mm(1/4インチ)レンチを用いてガスポートアダプタがセル筐体にしっかり保持されていることを確認してください。ガスポートを封止する場合は、プラグを締め付けたままにしておいてください。なお、製造工程でのリークテストは、刻印の無い筐体のポートにプラグを取り付け、刻印された筐体のポートに真空システムおよびリーク試験システムを接続して実施しています。 

Herriott Cell
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各取付けプレートは、必要とするビームの入射角に容易にアライメントできるように、角度が付けられています。写真にはケージロッドER10とアライメントプレートCPA1 も見えています。

アライメント

自由空間光の場合
自由空間光のアライメントは、ケージロッドと当社のアライメントツールを使用して簡単に行えます。たとえば右の写真のように、取付けプレートに30 mmケージアセンブリーロッド(ここではER10)を接続し、ケージシステム用ターゲットプレート(CPA1)を使用します(この例で必要なケージロッドは上側の2本のみです)。ターゲットプレートは、ロッドに対して垂直に置いてください。これらの取付けプレートには角度が付いているため、接続されたケージシステムの光軸はテーブルの表面に対して平行ではありません。初期アライメントでは、取付けプレートによって決められた光軸に沿うようにビームを調整します。なお、取付けプレートの角度公差は±0.3°です。当社では、焦点距離500 mmの両凸レンズをセルの手前(セルの中心から500 mmの位置)に置くことをお勧めしています。これにより、ビーム径Ø2 mmのコリメート光をセルに入射したとき、バックグラウンド信号の原因となるミラーからの光の漏洩をより確実に防止できます。

また、ヘリオットセルの手前に2枚の折り返しミラーを置き、入射ビームの位置と角度の調整を行うことをお勧めいたします。初期アライメントを行った後、開口によるトランケートと呼ばれるビームのケラレがないことを確認します。これは、セルの透過光強度を大口径のフォトディテクタでモニタ(すべての透過光を検出するため)しながら、ビームのアライメントを少しずつ崩してみることで確認できます。ビームがトランケートされていなければ、透過強度は小さなミスアライメントが生じても変化しないはずです。

なお、ビームが光路内のどの光学素子によってトランケートされても、スペクトル信号には残留バックグラウンド信号として乗ってくるため、システム全体の性能を低下させます。不可視のレーザ光を用いる場合は、可視光でシステムの予備的なアライメント調整をすることで(例えば逆方向からのビームで)、不可視光のアライメントが容易になります。 

Herriott Cell
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取付けプレートにはFiberPortコリメータも取り付けられます。赤外光を使用する場合、可視レーザ光を用いてFiberPortの予備的なアライメント調整を行うことができます。

FiberPortを使用する場合
当社のFiberPortコリメータ・カプラは、セルの取付けプレートに直接取り付けることができます。使用するFiberPortは、その出力光の1/e2ウェスト径が最大ビーム径を超えないものであることを確認してください。FiberPortの操作方法についてはFiberPortのマニュアルをご参照ください。最良の性能を得るには、使用するFiberPortで、ビームの焦点を反対側のミラーの方向に可能な限り移動させる必要があります。赤外光を使用する場合、FiberPortを可視レーザで予備的にアライメントすることもできます。

ウィンドウの交換

各ヘリオットセルに付属するフッ化カルシウム製のコーティングされていない2枚のウェッジ付きウィンドウWW50530は、取り外して同じ厚さと直径のウィンドウに交換することができます。各ウィンドウはSM05ネジ付き固定リングPOLARIS-SM05RRで固定されており、スパナレンチSPW603で取り外すことができます。ウィンドウとセルの間にはViton Oリング(内径9.25 mm x 厚さ1.78 mm)、ウィンドウと固定リングの間にはViton Xリング(内径9.25 mm x 厚さ1.78 mm)が入っています。なお、付属のウェッジ付きウィンドウをフラットウィンドウに交換すると、弱い干渉縞が生じる場合があります。それがシステム全体の性能を制限する要因である場合は、ウェッジ付きウィンドウに戻してください。

トラブルシューティング

マルチパスセルを通った後に観測されるスペクトル信号は、干渉縞によりその質が低下する可能性があります。様々な原因 (セルの前後の光学素子内での定在波、異なる光学素子間の定在波など)がありますが、この問題は入射ビームがトランケートされることで発生する場合があります。下記のことをご確認ください。

  1. ビームサイズがセルの最大ビームサイズを超えていない。
  2. ビームがセルの入射窓および出射窓の中心を通り、ビームに欠けた部分が無い。

ヘリオットセルについて

ヘリオットセルは、光学システムと真空システムの両方の視点から、様々な構成の光学セットアップに使用することができます。セルを分光分析に用いる場合、基本的に異なる2つの方法があります。これら違いは、システム内でのスペクトルの分解方法です。1つの方法は、狭帯域の波長可変光源(一般にレーザ)の光をセルに入射し、セルの反対側でフォトディテクタを用いて分析を行います。この場合は光源がスペクトル的に分解する機能を有します。ターゲットとする分析対象の特徴的なスペクトルが観測できる周波数範囲で光源の周波数を変化させ、関連する実験パラメータを把握することで定量的な分光分析を行うことができます。もう1つの方法は、広帯域光源(例:グローバー光源LEDスーパールミネッセント光源広線幅レーザなど)を用い、セルからの光の出射部にフーリエ変換光スペクトラムアナライザ回折格子、チューナブルフィルタなどの分光装置を置きます。すべてのケースで重要なことは、システムが特定の波長においてターゲットの特徴を正確に摘出できることです。

ガス試料を分析するためには、ヘリオットセル内にガスを充填しなければなりません。分光実験の要件を満たすシステム設計を行うには、多くのパラメータを決定する必要があります。下記の質問に答えることは、実験セットアップを決定する一助になります。

  • 実験はセル内の排気後に分析対象のガスを充填することで実施できるか(定圧力セル)、あるいはターゲットの特徴を連続的にモニタするために分析対象のガスを継続的に流入させる必要があるか(フローセル)?
  • 必要な時間分解能は? 定圧力での測定では、バックグラウンド信号を取得する必要性の有無、および取得する場合はその取得速度を決める必要があります。フローセルでの測定では、実験で要求される時間分解能を得るために、セル内のガス交換を十分な速さで行うことができる流量を決める必要があります。
  • 実験に適した圧力は? 大気圧の条件下で吸収特性が受ける影響を検討し、セルを大気圧で使用してもスペクトルを適切に検出できるか、あるいは大気圧以下にする必要があるかを決める必要があります。
  • ヘリオットセルに試料を入れる前に、試料の前処理は必要か? 例えば、水分、油、あるいは個体粒子(埃やすすなど)を試料から取り除き、ターゲットの特性への影響やセル内の汚染を防止します。

用途例

下記の3つの構成例では、プレッシャーゲージ、マスフローコントローラ、あるいはその両方が使用されています。バルブを追加すると圧力や流量の制御を改善できる場合があります。

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図1:フローセル構成、大気圧

例1:フローセル構成、大気圧 
右の図1のセットアップは、大気圧で行う場合の典型的なフローセル構成です。1つまたはそれ以上の試料(ガスシリンダ、パイプラインなど)を、セルと試料の間に設置されたマスフローコントローラに接続します。マスフローコントローラは、セルを流れる質量流量を正確に設定することができます。それほど要件が厳しくない場合は、厳密な流量制御はできなくなりますが、マスフローコントローラの代わりにニードルバルブを使用することもできます。

例2:フローセル構成、大気圧以下
こちらの例では、ガス試料はセルに入る前にニードルバルブを通過します。セル内のガスはポンプで排気しますが、排気速度はセルの出口とポンプの間に置かれたもう一つのニードルバルブで調整します。2つのニードルバルブのバランスを調整することで、セル内の圧力と質量流量の両方を調整できます。セル内の圧力を正確に読み取るには、2つのニードルバルブの間にプレッシャーゲージを取り付ける必要があります。下の図2のようにガスの流入経路にマスフローメータを設置すると、セル内の質量流量が測定できます。

例3:定圧力、大気圧以下
下の図3は、大気圧以下での典型的な定圧力実験のセットアップを示しています。試料をヘリオットセルに入れる前に、フォアポンプ(バックポンプ)を付けたターボ分子ポンプなどのポンプシステムで、セル内のガスを排気します。セルに接続したプレッシャーゲージでセル内の圧力が測定できます。セル内のガスが排気されたら、ポンプシステムの直前にあるバルブを閉めて、ポンプシステムを切り離します。試料容器(例えば、ヒトの呼気やリモートテストサイトで収集されたガスなどが入ったガスシリンダやテドラーバッグ)に近いバルブを注意して徐々に開け、セル内に試料を充填します。要求された圧力に達したら入口側のバルブを閉め、測定を行います。

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図2:フローセル構成、大気圧以下
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図3:定圧力、大気圧以下
Damage Threshold Specifications
Coating Designation
(Item # Suffix)
Damage Threshold
-M02Pulsed0.1 J/cm2 at 1.064 µm, 10 ns, 10 Hz, Ø1.06 mm
3 J/cm2 at 10.6 µm, 100 ns, 1 Hz, Ø1.29 mm
CWa25 W/cm at 1.07 µm, Ø1.04 mm
450 W/cm at 10.6 µm, Ø1.18 mm
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算してください。線形パワー密度が長パルスおよびCW光源において最も適した測定量である理由については、下記の「CWレーザと長パルスレーザ」をご覧ください。

当社の中赤外域強化型ミラーの損傷閾値データ

右は当社の中赤外域強化型の金ミラーコーティングの測定データです。コーティングの種類が同じミラーの損傷閾値は、ミラーのサイズや形状に関わらず全て同じです。

 

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).


Posted Comments:
Stephan Schiller  (posted 2021-01-07 15:57:48.633)
Please contact me for a specific question
YLohia  (posted 2021-01-08 09:37:22.0)
Hello, your local Thorlabs Tech Support team can be contacted at europe@thorlabs.com or +49 (0) 8131-5956-2. We will reach out to you directly.
V Ebert  (posted 2019-07-19 10:20:57.617)
i need to know how i can clean the cell and how i can replace components is it possible to get a pdf of the manual ? we want to use it in corrosive applications will the mirrors withstand 100 ppm Hcl in N2 i want to have other pathlengths than 10 m .. can i align it myself ? can i get it aligned to different pathlength ? how accurate will you tell the pathlength can i get a 17025 certification on the path length of the individual cell i buy ? thanks for your help best regards Volker Ebert
YLohia  (posted 2019-08-14 09:22:47.0)
Hello Volker, thank you for contacting Thorlabs. Currently, we do not have a PDF version of the manual. We refer to the information presented on the web page for most of our optics. The cell is not intended to be aligned by the end-user. The item cannot be aligned to a different path length either. The OPL is 10.498 ± 0.020 m. The OPL tolerances are predominantly governed by the tolerances in mirror radius of curvature and factory alignment. Unfortunately, we do not have an ISO 17025 certificate for our Herriott cells. We have reached out to you directly to discuss this further and determine the feasibility of using this in corrosive applications.

ヘリオットセル

Key Specsa
Item #Operating
Wavelength
Optical Path Length
(OPL)
Internal
Reflections
Max Beam
Diameter (1/e2)
Sample
Volume
Swagelok® Gas InterfaceOperating Temperature
(Non-Condensing)
HC10L-M02600 nm to
~10 µmb
10.498 ± 0.015 m282 mm≈0.7 L1/4" OD Tube Fittings-5 to 80 °C
HC10L/M-M026 mm OD Tube Fittings
HC30L-M021.5 µm to
~10 µmb
31.227 ± 0.020 m801.3 mm≈0.85 L1/4" OD Tube Fittings0 to 40 °C
HC30L/M-M026 mm OD Tube Fittings
  • 仕様の詳細については「仕様」タブをご覧ください。
  • セルは16 µmまでの波長において干渉無しで機能するよう設計されていますが、動作範囲は光学素子によって制限されています。2 µmより短波長側については、ミラーコーティングの反射率曲線をご覧ください。10 µmより長波長側で使用するには、フッ化カルシウム(CaF2)のウィンドウを、セレン化亜鉛(ZnSe)などの適切な材質のウィンドウに交換する必要があります。詳細については上の「グラフ」タブや「使用方法」タブのトラブルシューティングの段落をご覧になるか、または当社までご連絡ください。
+1 数量 資料 型番 - インチ規格 定価(税抜) 出荷予定日
HC10L-M02 Support Documentation
HC10L-M02Herriott Cell for Absorption Spectroscopy, OPL = 10.5 m, 1/4" OD Tube Fittings
¥528,905
5-8 Days
HC30L-M02 Support Documentation
HC30L-M02Herriott Cell for Absorption Spectroscopy, OPL = 31.2 m, 1/4" OD Tube Fittings
¥717,340
5-8 Days
+1 数量 資料 型番 - ミリ規格 定価(税抜) 出荷予定日
HC10L/M-M02 Support Documentation
HC10L/M-M02Herriott Cell for Absorption Spectroscopy, OPL = 10.5 m, 6 mm OD Tube Fittings
¥528,905
Lead Time
HC30L/M-M02 Support Documentation
HC30L/M-M02Herriott Cell for Absorption Spectroscopy, OPL = 31.2 m, 6 mm OD Tube Fittings
¥717,340
5-8 Days

KF16フランジ用ガスポートアダプタ


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当社のヘリオットセル(左) のダブルフェルール継手は、真空フランジアダプタKF16G25E(右)に交換できます。ただしお客様ご自身でガス繋手を調整あるいは交換した場合、リークレートは保証されません。
  • 当社のヘリオットセルにはKFシリーズ対応真空システムの接続が可能
  • 英国規格管用平行ネジ(British Standard Pipe Parallel/BSPP) 
  • 耐久性に優れ、アウトガスの少ないSUS304ステンレススチール製 
  • 外側のフラットな面は14 mm(9/16インチ)レンチに対応

アダプタKF16G25Eを使用すると、当社のヘリオットセルなどのG1/4インチBSPP内ネジの付いたコンポーネントをKF16フランジ付き真空システムに接続することができます。このアダプタは、各セルのガスポートに取り付けられているSwagelok®ステンレススチール製チューブ繋手を取り外し、そのガスポートのG1/4インチ内ネジに取付けます(右の写真参照)。

このアダプタの内径はØ9.0 mm(Ø0.35インチ)です。付属のゴム製ガスケットは、あらかじめ取り付けられております。このガスケットの取り外しは、損傷の恐れがありますので推奨しておりません。締め付け用のフラットな面には14 mm(9/16インチ)レンチがご使用いただけます。各フランジはプラスチック製の保護カバーを付けて発送いたします。

なお、ヘリオットセルの継手部分をお客様が交換または調整された場合、リークレートは保証されませんのでご注意ください。お手持ちの真空システムやガス供給システムと当社セルの接続に関して、ご不明な点がございましたら当社までお問い合わせください。

+1 数量 資料 型番 - インチ規格 定価(税抜) 出荷予定日
KF16G25E Support Documentation
KF16G25EKF16フランジ-G1/4インチネジ用アダプタ(インチ規格)
¥8,102
Lead Time