ピンホール空間フィルターシステム

特長

• クリーンなガウシアンビームを生成
• ピンホール、非球面レンズ、コリメートレンズの様々な組み合わせに対応
• 標準部品を用いてあらかじめ組み立てられたシステム　
• 光学素子とピンホールは別売り

この空間フィルターシステムKT311/Mは、クリーンで空間的に均一なガウシアンビームを生成するのに適しており、ホログラフィを含む多くのアプリケーションに有用です。この空間フィルターシステムは、コリメートされたレーザ光源からの楕円ビームを円形にするのにご利用いただけます。詳細については「実験データ」のタブをご覧ください。

空間フィルタの入射側には回折限界性能の非球面レンズを保持したZ軸移動マウントSM1ZAが配置され、レーザービームはそのレンズでピンホール(付属していません)に集光されます。このキットにはZ軸マウントにM9 x 0.5ネジ付きの非球面レンズを取り付けるアダプタが付属しています。XY移動マウントST1XY-A/Mには、お手持ちのピンホールを取り付けるためのSM1ネジが付いており、取り付けられたピンホールをビーム経路に対してアライメンすることができます。空間フィルタの出射側には粗調整のできるXYスリッププレートポジショナSPT1C/Mが配置され、これはØ25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)のコリメート用光学素子を取り付けて中心合わせを行うのに使用されます。アプリケーションに応じた光学素子とピンホールの選び方についての詳細は「チュートリアル」タブをご覧ください。アライメントの手順についての詳細はマニュアルでご覧いただけます。

この空間フィルターシステムには当社のポストベースPB1が付属しています。PB1には4つのM6ザグリ穴があり、これらを用いてシステムを穴間隔25 mmの光学テーブルまたは ブレッドボードに取り付けることができます。ベースを固定するのにL字型のテーブルクランプCL5もご使用いただけます。組み立てや取付けがすべて完了した時の光学軸の高さは、光学テーブルから105.7 mmになります。

なおこちらの空間フィルターシステムに付属するのはオプトメカニクス部品のみです。詳細については「構成部品」タブをご覧ください。非球面レンズ、コリメート用光学素子、およびピンホールは別途ご購入が必要です。

当社ではケージシステム対応のファイバ入射システムとして、ミリ規格とインチ規格に対応した製品をご用意しております。KT311/Mに使用されている部品はミリ規格あるいはミリ・インチ共用規格に対応しています。

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空間フィルタの原理

ホログラフィをはじめとして、レーザービームの空間的な強度変化が許容されないアプリケーションがたくさんあります。空間フィルタ―システムKT311/M は、クリーンなガウシアンビームを生成するのに適しています。

図1:空間フィルターシステム

一般に、入射するガウシアンビームには空間的な強度変化、すなわち「ノイズ」が含まれています。入射ビームが非球面レンズによって集光されると、中心の(光軸上の)ガウシアンスポットとサイドフリンジに変換され、そのサイドフリンジ は望ましくない「ノイズ」を表しています(図2参照)。サイドフリンジの動径方向の位置は「ノイズ」の空間周波数に比例します。

図2

ガウシアンスポットの中心にピンホールを置くことによって、ビームのクリーンな部分は通過し、「ノイズ」であるフリンジは遮断されます(下図3参照)。

図3

回折限界スポットサイズをビームパワーの99%が透過する等高線で表した時、その径は次の式で与えられます。

ここでλは波長、ƒは焦点距離、r は 入射ビームの1/e²半径です。

空間フィルターシステムのための正しい光学素子とピンホールの選択

アプリケーションに応じて選択すべき正しい光学素子とピンホールは、入射光波長、光源のビーム径、および希望する出射ビーム径に依存します。

例えば、直径(1/e²)1.2 mmの650 nmの半導体レーザ光源を用いて、空間フィルターシステムから直径4.4 mmの出射ビームを得たい場合を考えてみます。これらのパラメータの場合、空間フィルターシステムの入射側にマウント付き非球面レンズC560TME-Bを置くのは適切な選択です。このレンズは650 nm用に設計されており、その有効径は5.1 mmでレーザ光源の直径に対して十分な大きさです。

上記の99%等高線による回折限界スポットサイズの式における各パラメータは、この例の場合はλ = (650 x 10^-9 m)、f = 13.86 mm for the C560TM-B、r = 0.6 mmとなります。これらを式に代入すると、以下の結果が得られます。

回折限界スポットサイズ(光源波長：650 nm、ビーム径：Ø1.2 mm)

ピンホールとしてはDよりもおよそ30%大きいものを選択します。ピンホールが小さすぎるとビームの一部がカットされ、大きすぎるとTEM₀₀以外のモードがピンホールを通過してしまいます。そのため、この例では19.5 μmのピンホールが適しています。したがって、ピンホールサイズ20 μmのマウント付きピンホールP20Kの利用をお勧めします。パラメータの中で、それが変化するとビームウエスト径が変化し、それに伴ってピンホールサイズの変更が必要になるものとして、入射ビームの径と集光レンズの焦点距離があります。入射ビーム径が小さくなるとビームウエスト径は大きくなります。焦点距離の長い集光レンズを使用した場合もビームウエスト径は大きくなります。

最後に、コリメートしたビーム径が希望する4.4 mmになるように空間フィルタの出射側の光学素子を選択します。レンズの正しい焦点距離を決定するのに、以下の図4を考えます(尺度は記入していません)。左側の三角形から角度はおおよそ2.48oであると分かります。右側の三角形に同じ角度を使うと、平凸レンズの焦点距離はおよそ50 mmであることが分かります。

図4:ビーム拡大の例

この焦点距離から平凸レンズLA1131-Bが推奨されます(設計波長633 nmにおける焦点距離が50 mmですが、光源の波長650 nmにおいても良い近似の範囲と考えられます)。

注:ビームの拡大率は、出射側の焦点距離を入射側の焦点距離で割った値に等しくなります。

もし出射側の焦点距離を20 mmとしなければならない場合には、適切な性能を得るために、平凸レンズの代わりに大きな直径の非球面レンズ使うことができます(例えば、AL2520-A、AL2520-B、AL2520-C)など)。これらのレンズの直径は25 mmで、固定リングSM1RRを使って固定できます。