ピンホール空間フィルターシステム


  • Produces "Clean" Gaussian Beams
  • Easy-to-Follow Instructions and Alignment Tools Included

Application Idea

The KT311(/M) spatial filter system can be used to circularize an elliptical beam from a collimated laser source. For more information, please see the Lab Facts tab.

Collimated Output Source

Output After Spatial Filter

KT311

Spatial Filter System

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Pinhole Spatial Filter
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Alignment Tools

特長

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SPT1/M(旧製品)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。SPT1/Mの交換が必要な場合にはSPT1C/Mがご使用いただけます。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。

 
KT311KT311/MDescriptionQty.
CPA130 mm Cage System Alignment Plate1
E09RMSExtended RMS to M9 x 0.5 Adapter1
ER2Cage Assembly Rod, 2" Long8
MA2MA2/MØ1.5" Post Mounting Adapter1
P2P50/MØ1.5" Mounting Post1
PB1Mounting Post Base1
SM1L03SM1 Lens Tube, 0.3" Thread Depth1
SM1A3Adapter with External SM1 Threads and
Internal RMS Threads
1
SM1RRSM1 Retaining Ring3
SM1ZAZ-Axis Translation Mount1
SPT1CSPT1C/MCoarse ±1 mm XY Slip Plate Positioner1
SPW301Spanner Wrench for a M9 x 0.5 Optics Housing1
SPW801Adjustable Spanner Wrench1
ST1XY-AST1XY-A/MXY Translator with 100 TPI Drives1
-5/64" (2.0 mm) Hex Keya1
  • 追加用の六角レンチは、10個入りで別途ご購入が可能です(型番564HK)。

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。

Spatial Filter System Ray Diagram

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。

Input Gaussian Beam

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)。

Clean Gaussian Beam

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。

Diffraction-Limited Spot Size

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。

Spot Size Example

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。

Spatial Filter Diagram

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-AAL2520-BAL2520-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。

Beam Circularization Setup
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図1: 実験セットアップ上の黄色い四角で囲まれたエリアにビーム円形化システムを設置
Spatial Filter Setup
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図4: 空間フィルターシステム
Anamorphic Prism Pair Setup
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図3: アナモルフィックプリズムペアシステム
Cylindrical Lens Pair Setup
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図2: シリンドリカルレンズペアシステム

楕円ビームの円形化技術の比較 

端面発光型半導体レーザは、発光開口部の断面が長方形になっているため、楕円形のビームを出射します。開口部の短辺から出射されるビーム成分は、これに直交するビーム成分よりも大きな広がり角を有します。一方のビーム成分がもう一方よりも大きく拡散するため、ビームの形状は円形ではなく楕円形になります。

楕円形のビーム形状は、円形のビームよりも集光ビームのスポットサイズが大きいことで放射照度(面積あたりのパワー)が低くなってしまいます。楕円ビームを円形化する技術は複数ありますが、ここではシリンドリカルレンズアナモルフィックプリズムのペア空間フィルタを利用した3種類の方法で実験を行い性能を比較しています。 円形化されたビームの特性は、M2測定、波面測定、伝送パワー測定によって評価しました。

これらの円形化技術によって楕円形の入射ビームの真円度は向上しますが、それぞれの技術ごとに円形化やビーム品質および伝送パワーの特性が異なることを示しました。この「実験データ」タブ内に記載されている結果から、用途に必要な要件を満たした円形化技術を選択するべきである事がわかりました。

実験の設計とセットアップ

この実験セットアップは図1の写真で示されています。図2~4では温度制御された670 nm半導体レーザからの楕円コリメート光をそれぞれの円形化システムに入射させています。コリメートにより、広がり角は小さくなりますが、ビーム形状はレーザ出力時と変わりません。各システムは下記の光学系をベースに構成されています。

ビーム円形化システム(右写真参照)を黄色い四角で囲まれた空きスペースに1台ずつ設置しました。このようにすることでそれぞれの円形化技術を同じ実験条件で評価できるため、実験結果を直接比較することができます。この実験上の制約により取り付け方法も制約されるため、コンパクト化という点では最適化されていません。またアナモルフィックプリズムペアについても、より便利で光学的にも調整されたマウント済みの製品を使わずに、マウント無しの製品を用いています。

それぞれの円形化システムから出射されたビームの特性は、パワーメータ波面センサならびにM2システムを使用して測定を行い、評価されました。例示目的のため、実験セットアップの写真内、テーブルの右側に、これらの評価機器がすべて表示されていますが、評価は1種類ずつ行います。 パワーメータは、ビーム円形化システムが入射ビームの強度をどの位減衰させるのかを測定するために使用します。波面センサは、出射ビームの収差を測定するために使用します。M2システムは出力ビームのビーム品質(理想のガウシアンビームからの劣化具合)の測定に使用します。円形化システムはレーザービームの減衰もされず、収差も生じず、完全なガウシアンビームを出射することが理想的です。

端面発光型半導体レーザからの発光には非点隔差があるため、直交するビーム成分の変位した焦点をオーバーラップで望ましい形状が得られます。ここで調査している3種類の円形化技術のうち、シリンドリカルレンズペアのみが非点収差も補償することができます。直交するビーム成分の焦点間の変位はこれらすべての円形化技術で測定できます。シリンドリカルレンズペアの場合、構成を調整することでレーザービーム内の非点収差を最小限に抑えます。この非点収差は規格化しています。 

実験結果

実験結果を下の表にまとめています。緑色のセルは各カテゴリ内における最も良い結果を示しています。円形化の方法にはそれぞれの利点があります。用途に最適な円形化技術は、ビーム品質、伝送パワー、セットアップの制約に対するシステムの要件によって決まります。

空間フィルタは真円度とビーム品質を著しく向上させますが、ビームの伝送パワーは低くなります。シリンドリカルレンズペアは、伝送ビームを綺麗な円形にし、バランスの良い円形およびビーム品質を実現します。また、シリンドリカルレンズペアはビームの非点収差のほとんどを補償します。アナモルフィックプリズムペアによるビームの真円度はシリンドリカルレンズペアによる真円度と比較しても遜色ありません。シリンドリカルレンズと比較して、プリズムからの出力ビームのM2値は小さく、波面誤差は少なくなりますが、伝送パワーはやや低くなります。

MethodBeam Intensity ProfileCircularityaM2 ValuesRMS WavefrontTransmitted PowerNormalized 
Astigmatismb
Collimated Source Output
(No Circularization Technique)
Collimated
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Scale in Microns
0.36X Axis: 1.28
Y Axis: 1.63
0.17Not Applicable0.67
Cylindrical Lens PairCylindrical
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Scale in Microns
0.84X Axis: 1.90
Y Axis: 1.93
0.3091%0.06
Anamorphic Prism Pair
Anamorphic
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Scale in Microns
0.82X Axis: 1.60
Y Axis: 1.46
0.1680%1.25
Spatial FilterSpatial
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Scale in Microns
0.93X Axis: 1.05
Y Axis: 1.10
0.1034%0.36
  • 真円度(Circularity)=dminor/dmajor、ここでdminorとdmajorは対応する楕円(強度:1/e)の長径と短径を表し、真円度 = 1は完全な円形ビームを表します。
  • 規格化された非点収差(Normalized Astigmatism)はビームの2つの直交する成分のウェスト位置の差で、ウェストが小さい方のビーム成分のレイリ長で割った値です。 

円形化システムに使用されている部品は、同じ実験セットアップで全ての実験を行えるように選択されています。これにより、全ての円形化技術を直接比較することができます。ただし、円形化システムのセットアップを個別に最適化した方が性能は向上します。コリメートレンズおよびアナモルフィックプリズムペア用のマウントを使用すると、操作や実験システムへの取り付けが簡単に行えます。小型のマウントを使用して、それぞれのペア同士をより精密に設置して、実験結果を向上させることもできます。 また、焦点距離をカスタマイズした受注生産品のシリンドリカルレンズを使用して、シリンドリカルレンズペアの円形化システムの実験結果を向上させることもできます。ビームプロファイルソフトウェアのアルゴリズムを用いて、真円度の計算に使用するビーム半径を決定すると、全ての実験結果に影響を与えます。

追加情報

この実験で使用したコンポーネントの選択および構築方法についての情報は、下記のリンクをクリックしてご覧いただけます。


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