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ファラデーローテータ


  • Rotates Linearly Polarized Light Non-Reciprocally by 45°
  • Operating Ranges for Visible or Near-IR Beams
  • Mounted in Lens Tubes with SM1 Threading

I532R5

532 nm CWL

I780R5

780 nm CWL

I1064R3

1064 nm CWL

Application Idea

Use a Faraday Rotator with a polarizing beamsplitter to split the illumination and detection arms of a reflectance imaging system.
See Application tab for details.

I1550R5

1550 nm CWL

I633R5

633 nm CWL

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Faraday Rotator DiagramClick to Enlarge
磁束密度Bの磁場中に置かれたファラデーローテータ内を直線偏光の光がdメートル進むと、その偏光方向はβラジアン回転します。

特長 

  • 直線偏光が一方向に45°回転
  • 532 nm~1550 nmの波長域で4種類の中心波長の製品をご用意
  • 偏光の回転方向が筐体に刻印
  • SM1ネジ付きでオプトメカニクス部品との組み合わせが可能 
  • カスタム仕様のファラデーローテータもご提供可能です。当社までお問い合わせください。

ファラデーローテータは強磁性体結晶を強力な永久磁石で取り囲んだ磁気光学デバイスです。直線偏光がファラデーローテータを通過すると、その偏光方向は入射時の偏光方向の角度にかかわらず45°回転します。偏光の回転方向は一方向に限定されており、結晶の反対側から入射した光も結晶に対して同じ方向に回転します。アルミニウム製筐体には回転方向を示す矢印が刻印されています。後方反射を低減するために、結晶の入射面および出射面には約1°~2°のウェッジが付いており、さらに反射防止コーティングも施されています。 ファラデーローテータは特定の中心波長と室温(約22 °C)において動作するよう設計されており、その範囲外で使用したときには出射角度や透過率が変動して仕様値を外れる場合があります。

こちらのデバイスはファラデー効果で動作し、回転角はβ = VBdで表されます。ここで回転角βの単位はラジアンで、その値は結晶のベルデ定数V、伝搬方向に沿った磁束密度B(テスラ)、および結晶の長さd(m)の積で決定されます。これらの変数は右の図にも示されています。ファラデー効果は、光アイソレータ(「アイソレータチュートリアル」タブ参照)や反射イメージング(「用途」タブ参照)に利用されています。当社では、自由空間光や光ファイバに適した、幅広い種類の標準ならびにカスタム仕様のアイソレータをご用意しております。回転角度や中心波長の異なるファラデーローテータをご希望の場合には当社までご連絡ください。 

各ローテータにはエンドキャップSM1CP1SM1CP2が付属します。どちらもご使用前には取り外してください。各ローテータには強力なマグネットが内蔵されているため、磁石による影響を受けやすいまたは損傷しやすい物質やデバイスは50 mm以上離してください。

Section of a Confocal Reflectance Microscopy SetupClick to Enlarge
こちらでは、反射イメージングシステムにおいて、一方向の偏光回転によって照明光と検出光を分離する方法を説明しています。

反射イメージング用ファラデーローテータ

イメージングシステムにおいて照明光と検出光を分離する方法は多数あります。蛍光顕微鏡法では、一般にダイクロイックミラーを用いて励起光と蛍光を分離します。しかし例えば反射イメージングなどの場合には、軸上照明と単一波長でのイメージングが求められます。このような場合の1つの解決策として、ファラデーローテータによる偏光回転の一方向性を利用する方法があります。 

右の写真は反射イメージングに利用可能なセットアップの一部を示しています。まず532 nmの無偏光ビームを、システムの右から直線偏光子LPVISC100-MP2に向けて入射します。回転マウントCRM1P(/M)を用いて、直線偏光のビームが中央にある偏光ビームスプリッターキューブCCM1-PBS25-532-HP(/M)を透過するようにアライメントします。その後、ファラデーローテータI532R5により光の偏光方向を45°回転させます。このとき、ファラデーローテータの回転方向のアライメントは重要ではありません。ビーム光は走査モジュールを通して、または直接対物レンズから試料に照射されます。照射時の偏光状態を維持している反射光は、ファラデーローテータを再び通るときにさらに回転し、偏光方向は最初の偏光方向に対して垂直になります。このビーム光は偏光ビームスプリッターによりイメージングシステムの検出器の方向に反射され、解析が可能になります。このようなセットアップは光学テーブルに直接取り付け可能なほか、当社のCerna®顕微鏡部品を使用したより大きい自作システムにも組み込めます。

Diagram of Beam splitting with Faraday RotatorClick to Enlarge
セットアップ図。図を見やすくするため、反射ビームはオフセットして描かれています。
型番数量Description
Metric Product List
ER3-P43Ø6 mmケージアセンブリーロッド、長さ 76.2 mm、4個入り
I532R5145° Faraday Rotator, CWL = 532 nm
CCM1-PBS25-532-HP/M130 mm Cage-Cube-Mounted, High-Power, Polarizing Beamsplitter Cube, 532 nm, M4 Tap
LPVISC100-MP21Ø25.0 mm SM1-Mounted Linear Polarizer, 510 - 800 nm
CRM1P/M1マイクロメータードライブ付きケージ用高精度回転マウント、Ø25.0 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子用、M4タップ穴付き(ミリ規格)
TR75/M1Ø12.7 mmポスト、M4ネジ、M6タップ穴付き、長さ75 mm(ミリ規格)
View Imperial Product List
型番数量Description
Imperial Product List
ER3-P43Ø6 mmケージアセンブリーロッド、長さ 76.2 mm、4個入り
I532R5145° Faraday Rotator, CWL = 532 nm
CCM1-PBS25-532-HP130 mm Cage-Cube-Mounted, High-Power, Polarizing Beamsplitter Cube, 532 nm, 8-32 Tap
LPVISC100-MP21Ø25.0 mm SM1-Mounted Linear Polarizer, 510 - 800 nm
CRM1P1マイクロメータードライブ付きケージ用高精度回転マウント、Ø1インチ光学素子用、#8-32タップ穴付き(インチ規格)
TR31Ø1/2インチポスト、#8-32ネジ、1/4”-20タップ穴付き、長さ3インチ(インチ規格)

光アイソレータのチュートリアル

機能
光アイソレータはパッシブ型の磁気光学デバイスで、1方向にしか光を透過しません。 アイソレータの後方(下流)で生じる後方反射や信号から光源を保護するために使われます。 後方反射によって、レーザ光源の損傷や、モードホップや振幅変調、周波数シフトが生じる場合があります。 高パワーの用途では、後方反射が、光学系を不安定にし、出力スパイクを発生させる可能性があります。

光アイソレータの1方向性は、ファラデ 効果により実現されます。 1842年にMichael Faradayは、光が磁場にさらされたガラス(または別の材質)を透過すると、偏光面が回転するということを発見しました。 回転の向きは光の伝播方向ではなく、磁場の方位によって決まります。したがって回転は非相反的です。 回転量βはV x B x dで表されます。ここでV、B、dはそれぞれ下記のように定義されます。

 

Faraday Effect in an Isolator Drawing
図1. ファラデーローテータの直線偏光への影響

ファラデ回転

β = V x B x d

V:ベルデ定数。光学物質の特性でradian/T • mで表される。 

B:磁束密度でテスラで表される。

d:光学物質を通過する光路の長さで、mで表される。

光アイソレータは、入射側偏光子、マグネット付きファラデーローテータ、出射側偏光子から構成されます。 入射側偏光子は、直線偏光だけをファラデーローテータに透過するフィルタとして機能します ファラデ素子によって入射光の偏光面は45°回転させられて、その後に光はもう1つの直線偏光子から出射します。 そこで入射信号に対して出射光は45°回転していることになります。 逆方向では、ファラデ回転子は順方向においてと同じ方向に光の偏光面を回転し続けるので、光の偏光面は入射信号に対して 90°回転していることになります。 光の偏光面は、この時点で入射側偏光子の透過軸に対して垂直となり、光エネルギーは偏光子の種類によって反射または吸収されます。

 

Drawing of Light Propagation Through an Isolator
図2. 偏光依存型ファイバーアイソレータ 逆方向に伝搬する光は、入力側偏光子によって遮断されます

偏光依存型アイソレータ

順方向モード
この例では、入力側偏光子の軸は垂直です( 図2では0°)。 レーザ光は偏光に関係なく、入射偏光子に入ると直線偏光に切り出されます。 その後、ファラデーローテータによって、ロッドは偏光面 (POP)を同じ方向に45°回転させます。 最終的に、光は軸45°の出射側偏光子から出力されます。 そのため、光は45°のPOPでアイソレータを離れます。

逆方向モード
アイソレータを逆方向に進む光は最初に出射側偏光子に入ります。出射側偏光子により、光を入射側偏光子に対して45°の直線偏光に切り出されます。 この光がファラデーローテータのロッドに入るとロッドは偏光面(POP)を同じ方向に45°回転させるので、入射側偏光子に対して全部で90°回転することになり、光の偏光面はこの時点で入射側偏光子の透過軸に対して垂直なので、光は偏光子によって反射または吸収されます。

 

Light Propagation Through a Polarization-Independent IsolatorClick for Details
図3. 偏光無依存型ファイバーアイソレータ。 逆方向からの光は入力ポートには結合せず、筐体で散乱・吸収されます

偏光無依存型ファイバーアイソレータ

順方向モード
偏光無依存型ファイバーアイソレータでは、入射光は複屈折性結晶によって2つに分岐します(図3参照)。 分岐した2本の光は、ファラデーローテータと1/2波長板によって偏光回転され、2つ目の複屈折性結晶により再結合されます。

逆方向モード
後方反射光などの逆方向から入力する光は、2つ目の複屈折性結晶に入射し、2本のビームに分岐します。 逆方向に進行する光では1/2波長板による偏光回転はファラデーローテータによる偏光回転により相殺されます。2本の光はいずれも、入射側の複屈折性ビーム分離プリズムから出力後、入力ポートに結合されず、アイソレータ筐体の壁に当たり散乱・吸収されます。これによって、逆方向からの光は入力側ファイバに伝搬しません。

 

一般情報

損傷閾値
当社のアイソレータは、市場に出ている従来のアイソレータと比べて高い透過率とアイソレーションを持っています。 さらに、25年の実績と5つの米国特許に裏打ちされ、同じ開口数の他社製品よりも小型で高性能な製品が揃っています。可視域からYAGレーザ波長までのアイソレータには、ファラデーローテータ 結晶としてTGG (テルビウムガリウムガーネット)を使用しています。TGGは光学品質、ベルデ定数、高出力レーザ耐力において極めて優れています。 当社のTGGアイソレーターロッドは、1064nmにおいての損傷閾値は15nsパルス(1.5GW/cm2)で22.5J/cm2、CWレーザで 20kW/cm2という試験結果となっています。 しかしながら、ビームのホットスポットによって引き起こされるレーザーパワーによる損傷に関しては当社が保証できないことにご留意ください。

Dispersion Measurement of Isolator IO-5-780-HP
図4. アイソレータ IO-5-780-HP入射前と出射後のパルス分散測定値

磁石
アイソレータのサイズと性能を決定する時、磁石は主要な要素となります。 磁石のサイズは、磁場強度だけではなく機械的設計によっても左右されます。当社の磁石の多くは単品ではなく複数の部品を組み合わせたものです。 当社独自のモデリングシステムによって、サイズ、光路長、回転、磁場の均一性に影響を与える 多くのパラメータを最適化しています。 当社の米国特許4,856,878 には、複数のYAGレーザ用の大口径アイソレータで採用されている設計に関して説明されています。 これらのアイソレータのまわりには強力な磁場があるので、5cm以内に鉄や磁性体を近づけないようにしてください。

温度
磁石およびファラデーローテータは、温度に依存性があります。温度が上昇するにつれ、磁場強度とベルデ定数は減少します。 使用温度が室温との間に±10 °C以上差がある場合には、当社までご相談ください。

パルス分散
屈折率が1を超える材質内を、パルスが伝播するとパルス幅は拡がります。 この分散はパルス幅に反比例するため、超高速レーザではこの傾向が顕著になります。

τ: アイソレータ入射前のパルス幅

τ(z): アイソレータ出射後のパルス幅

例:
t = 197 fs results in t(z) = 306 fs  (右写真)
t = 120 fs results in t(z) = 186 fs

当社のネジ規格表

当社のレンズチューブには標準規格外のネジを使用しております。下記は当社のレンズチューブやケージシステム部品に使用しているSMネジの規格表です。用途に適した結合部品の機械加工にご参照ください。当社ではCマウントやRMSネジ付きの製品もご用意しております。ネジ規格は下記をご覧ください。なお、他社製品は公差が下記ネジと異なる場合がありますのでご注意ください。こちらに掲載されていないネジの規格については当社までお問い合わせください。

SM05 Threading: Ø1/2" Lens Tubes, 16 mm Cage Systems
External Thread, 0.535"-40.0, UNS-2AInternal Thread, 0.535"-40.0, UNS-2B
Max Major Diameter0.5340"Min Major Diameter0.5350"
Min Major Diameter0.5289"Min Pitch Diameter0.5188"
Max Pitch Diameter0.5178"Max Pitch Diameter0.5230"
Min Pitch Diameter0.5146"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)0.508"
Max Minor Diameter0.5069"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)0.514"
RMS Threading: Objective, Scan, and Tube Lenses
External Thread, 0.800"-36.0, UNS-2AInternal Thread, 0.800"-36.0, UNS-2B
Max Major Diameter0.7989"Min Major Diameter0.8000"
Min Major Diameter0.7934"Min Pitch Diameter0.7820"
Max Pitch Diameter0.7809"Max Pitch Diameter0.7866"
Min Pitch Diameter0.7774"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)0.770"
Max Minor Diameter0.7688"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)0.777"
C-Mount Threading: Machine Vision LensesCCD/CMOS Cameras
External Thread, 1.000"-32.0, UN-2AInternal Thread, 1.000"-32.0, UN-2B
Max Major Diameter0.9989"Min Major Diameter1.0000"
Min Major Diameter0.9929"Min Pitch Diameter0.9797"
Max Pitch Diameter0.9786"Max Pitch Diameter0.9846"
Min Pitch Diameter0.9748"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)0.966"
Max Minor Diameter0.9651"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)0.974"
SM1 Threading: Ø1" Lens Tubes, 30 mm Cage Systems
External Thread, 1.035"-40.0, UNS-2AInternal Thread, 1.035"-40.0, UNS-2B
Max Major Diameter1.0339"Min Major Diameter1.0350"
Min Major Diameter1.0288"Min Pitch Diameter1.0188"
Max Pitch Diameter1.0177"Max Pitch Diameter1.0234"
Min Pitch Diameter1.0142"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)1.008"
Max Minor Diameter1.0068"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)1.014"
SM30 Threading: Ø30 mm Lens Tubes
External Thread, M30.5x0.5Internal Thread, M30.5x0.5
Max Major Diameter30.480 mmMin Major Diameter30.500 mm
Min Major Diameter30.371 mmMin Pitch Diameter30.175 mm
Max Pitch Diameter30.155 mmMax Pitch Diameter30.302 mm
Min Pitch Diameter30.059 mmMin Minor Diameter (and 83.3% of thread)29.959 mm
Max Minor Diameter29.938 mmMax Minor Diameter (and 64.9% of thread)30.094 mm
SM1.5 Threading: Ø1.5" Lens Tubes
External Thread, 1.535"-40, UNS-2AInternal Thread, 1.535"-40, UNS-2B
Max Major Diameter1.5339"Min Major Diameter1.535"
Min Major Diameter1.5288"Min Pitch Diameter1.5188"
Max Pitch Diameter1.5177"Max Pitch Diameter1.5236"
Min Pitch Diameter1.5140"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)1.508"
Max Minor Diameter1.5068"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)1.514"
SM2 Threading: Ø2" Lens Tubes, 60 mm Cage Systems
External Thread, 2.035"-40.0, UNS-2AInternal Thread, 2.035"-40.0, UNS-2B
Max Major Diameter2.0338"Min Major Diameter2.0350"
Min Major Diameter2.0287"Min Pitch Diameter2.0188"
Max Pitch Diameter2.0176"Max Pitch Diameter2.0239"
Min Pitch Diameter2.0137"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)2.008"
Max Minor Diameter2.0067"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)2.014"
SM3 Threading: Ø3" Lens Tubes
External Thread, 3.035"-40.0, UNS-2AInternal Thread, 3.035"-40.0, UNS-2B
Max Major Diameter3.0337"Min Major Diameter3.0350"
Min Major Diameter3.0286"Min Pitch Diameter3.0188"
Max Pitch Diameter3.0175"Max Pitch Diameter3.0242"
Min Pitch Diameter3.0133"Min Minor Diameter (and 83.3% of thread)3.008"
Max Minor Diameter3.0066"Max Minor Diameter (and 64.9% of thread)3.014"
Item #  Damage Threshold
I532R5 CW 185 W/cm at 532 nm
Pulsed 150 MW/cm2 at 532 nm
I633R5 CW 185 W/cm at 633 nm
Pulsed 150 MW/cm2 at 633 nm
I780R5 CW 185 W/cm at 780 nm
Pulsed 150 MW/cm2 at 780 nm
I1064R3 CW 106 W/cm at 1064 nm
Pulsed 150 MW/cm2 at 1064 nm
I1550R5 CW 92.3 W/cm at 1550 nm

Damage Threshold Data for Thorlabs' Faraday Rotators

The specifications to the right are measured data for Thorlabs' Faraday Rotators. The power density of your beam should be calculated in terms of W/cm. For an explanation of why the linear power density provides the best metric for long pulse and CW sources, please see below.

 

レーザによる損傷閾値について

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

テスト方法

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

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

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

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

CWレーザと長パルスレーザ

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

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

Linear Power Density Scaling

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

Intensity Distribution

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

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

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

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

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

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

CW Wavelength Scaling

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

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

パルスレーザ

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

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

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

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

Energy Density Scaling

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

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

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

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

Pulse Wavelength Scaling

 

波長を補正したエネルギ密度を得ました。これを以下のステップで使用します。

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

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

Pulse Length Scaling

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

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


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

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

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

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

CW Wavelength Scaling

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

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

CW Wavelength Scaling

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

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

Pulse Energy Density

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

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

Pulse Length Scaling

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

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

Pulse Wavelength Scaling

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

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

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


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ファラデーローテータ、可視域

Item #Center
Wavelength
Operating
Range
ApertureFaraday
Rotationa
Minimum
Transmissiona
Max Beam
Diameter
Max
Power
Damage ThresholdDimensions
(D x L)
I532R5532 nm510 - 550 nm5.0 mm45° ± 3°95.5%4.7 mm40 W185 W/cm (CW)
150 MW/cm2 (Pulsed)
Ø1.20" x 1.15"
I633R5633 nm603 - 663 nm5.0 mm45° ± 3°98%4.7 mm40 W185 W/cm (CW)
150 MW/cm2 (Pulsed)
  • 中心波長、動作温度21 °C ~23 °Cでの仕様値
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
I532R5 Support Documentation
I532R5Customer Inspired! 45° Faraday Rotator, CWL = 532 nm
¥100,425
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I633R5 Support Documentation
I633R5Customer Inspired! 45° Faraday Rotator, CWL = 633 nm
¥93,730
3-5 Days

ファラデーローテータ、近赤外域

Item #Center
Wavelength
Operating
Range
ApertureFaraday
Rotationa
Minimum
Transmissiona
Max Beam
Diameter
Max
Power
Damage ThesholdDimensions
(D x L)
I780R5780 nm740 - 820 nm5.0 mm45° ± 3°97.5%4.7 mm40 W185 W/cm (CW)
150 MW/cm2 (Pulsed)
Ø1.20" x 1.65"
I1064R31064 nm1020 - 1100 nm3.0 mm45° ± 3°97.5%2.7 mm30 W106 W/cm (CW)
150 MW/cm2 (Pulsed)
Ø1.20" x 2.65"
I1550R51550 nm1500 - 1600 nm5.0 mm45° ± 1°98%4.7 mm15 W92.3 W/cm (CW)Ø1.20" x 0.65"
  •  中心波長、動作温度21 °C ~23 °Cでの仕様値
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
I780R5 Support Documentation
I780R5Customer Inspired! 45° Faraday Rotator, CWL = 780 nm
¥113,815
3-5 Days
I1064R3 Support Documentation
I1064R3Customer Inspired! 45° Faraday Rotator, CWL = 1064 nm
¥174,070
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I1550R5Customer Inspired! 45° Faraday Rotator, CWL = 1550 nm
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