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液晶ポリマーデポラライザ


  • Randomize the Polarization of a Linearly Polarized Input Beam
  • Designed for Laser Beams as Small as Ø0.5 mm
  • Effective for Both Monochromatic and Broadband Light Sources
  • AR Coated for 350 - 700 nm, 650 - 1050 nm, or 1050 - 1700 nm

DPP25-A

AR Coating: 350 - 700 nm

DPP25-A Depolarizer
in an LMR1 Optic Mount

DPP25-B

AR Coating: 650 - 1050 nm

DPP25-C

AR Coating: 1050 - 1700 nm

US Patent 9,599,834 B2

Related Items


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Specifications
Item #DPP25-ADPP25-BDPP25-C
MaterialLiquid Crystal Polymer Between
N-BK7 Glass Plates
Design Wavelength Range350 - 700 nm650 - 1050 nm1050 - 1700 nm
AR Coating ReflectanceaRavg < 0.5% Over Design Wavelength Range
Diameter1" (25.4 mm)
Thickness3.2 mm (0.13")
Clear Aperture> 90% of Diameter
Surface Quality60-40 Scratch-Dig
Surface Flatnessλ/4 at 632.8 nm
Strip Widthb25 µm
Retardation Variation250 - 300 nm380 - 430 nm720 - 770 nm
Fast Angle Axis2° Increase From Pixel to Pixel
Parallelism< 5 arcmin
Laser Damage
Thresholdc
CWd5 W/cm (532 nm,
CW, Ø0.004 mm)
5 W/cm (810 nm,
CW, Ø0.004 mm)
-
Pulsed (ns)1.8 J/cm2 (532 nm,
8 ns, 10 Hz,
Ø0.200 mm)
8 J/cm2 (810 nm,
10 ns, 10 Hz,
Ø0.08 mm)
10 J/cm2 (1550 nm, 7.8 ns, 10 Hz,
Ø0.191 mm)
Pulsed (fs)0.041 J/cm2 (532 nm, 100 Hz, 76 fs,
Ø162 µm)
0.041 J/cm2 (800 nm, 100 Hz, 36.4 fs,
Ø189 µm)
0.11 J/cm2 (1550 nm, 100 Hz, 70 fs,
Ø145 µm)
  • ARコーティングは外側の両表面に施されています。
  • リターダンスが最小値から最大値まで変化する領域を横切るストリップの幅。詳細は「チュートリアル」のタブをご参照ください。
  • 損傷閾値はLCP層による制限を受けます。
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。 このパワー密度の単位(単位長さあたりのパワー)が長パルスおよびCW光源において最も適した測定基準である理由については、「損傷閾値」タブをご参照ください。
Depolarizer Retardation
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デポラライザDPP25-AのØ10 mm部分のリターダンスパターン。
Depolarizer Fast-Axis
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デポラライザDPP25-AのØ10 mm部分のファスト軸方向。0°は図の左下~右上の45度方向です。

特長

  • 光軸アライメント不要
  • 広帯域光源と単色ビームの両方に適した製品
  • 最小ビーム径0.5 mmまでの偏光をデポラライズ可能
  • 3種類のARコーティング:
    • 350~700 nm
    • 650~1050 nm
    • 1050~1700 nm
  • 入射角の変動に比較的依存しません(詳細は「LCPと石英の比較」タブをご参照ください)

当社の液晶ポリマ(LCP)デポラライザ(US Patent 9,599,834 B2)は、直線偏光を疑似ランダム偏光に変換するように設計されたパターンリターダです。ここで「疑似ランダム」と言っているのは、デポラライザを透過するビームを無偏光状態にするのではなく、偏光状態をランダム化することです。単色光源から出射された直線偏光は、このデポラライザを透過すると、偏光状態が空間的に変化するようになります。広帯域光源から出射された直線偏光がデポラライザを透過すると、偏光状態は空間的に変化するとともに、波長によっても変化するようになります。このデポラライザは、光をどちらの面から入射しても機能します。

設計
液晶ポリマーデポラライザは、液晶ポリマの薄膜が厚さ1.6 mmのØ25.4 mm(Ø1インチ)N-BK7ガラスプレート2枚に挟まれた構造となっております。リターダンスパターンとファスト軸の方向は液晶ポリマ材に刷り込まれています。デポラライザDPP25-AのØ10 mm部分のリターダンスパターンならびにファスト軸方向の測定値は右の図でご覧いただけます。こちらのデポラライザでは、ファスト軸の角度は2°ずつ増加し、リターダンスは個々の25 µmのストリップを超えて250 nm~300 nmの範囲で周期的に変化します。DPP25-BとDPP25-Cでは、リターダンスはそれぞれ周期的に380~430 nmならびに720~770 nmの範囲で変化し、ファスト軸の角度は25 µmのストリップごとに2°ずつ増加します。

外側の両表面にはARコーティングが施されており、仕様に示す波長範囲における光学素子の透過率を向上させています。詳細は右の表をご覧ください。

デポラライザは、ビーム径が0.5 mmしかない狭帯域(単色)レーザービームにも使用可能です。そのような小さいビームサイズに対しても、偏光状態の空間的変化を作り出すことによって、出射ビームの偏光状態のランダム化が実現されます(「チュートリアル」のタブの例をご覧ください)。広帯域光源の場合、偏光状態の空間的変化に加えて、波長による偏光状態の変化も現れます。2つの異なる波長のリターダンスの絶対値(ナノメートル単位)が同じ場合でも、波長に対するその比率は異なります。例えば、250 nmのリターダンスは、500 nmの入射光の場合の相対リターダンスは0.5λ、700 nmの場合は0.36λとなります。よって、広帯域ビームの方が同様なサイズの単色ビームよりもより高い偏光解消度が得られることになります。

偏光に敏感なデバイスを用いるときや、ラマン増幅で偏光依存損失を小さくしたいといったときには、直線偏光よりもこちらのデポラライザが生成する疑似ランダム偏光の方が適している場合があります。広帯域・狭帯域の光源のいずれにおいても広いスペクトル領域において有効な素子であるため、偏光感度の高い分光計やLCDテストシステムなどの用途でよく使用されています。さらにこのデポラライザは、入射光の偏光方向軸に対してアライメントが不要な設計になっているため、入射光の偏光が変化する場合でも使用可能です。

その他のデポラライザ製品
こちらのデポラライザと石英ウェッジのデポラライザは、用途に応じた利点がそれぞれはっきりと分かれています。液晶ポリマのデポラライザは、Ø0.5 mmまでの単色ビームを効果的に偏光解消できるのに対し、石英ウェッジを使用しているデポラライザやその他の従来設計のデポラライザでは6 mm以上の入射ビーム径が必要です。また、液晶ポリマーデポラライザのパターン化されたリターダは、入射角の変動にそれほど敏感ではありません。石英ウェッジのデポラライザは、表面品質が液晶ポリマのデポラライザよりも優れており、また石英基板の使用、およびエアギャップの設計により損傷閾値も高くなっています。よって、高出力の用途に適しています。性能の比較については「LCPと石英の比較」のタブでも詳細がご覧いただけます。

Depolarizer Comparison Table
Depolarizer TypeLCP Patterned RetarderQuartz-Wedge Design
Effective Beam SizeDown to Ø0.5 mmDown to Ø6 mm
Surface Quality60-40 Scratch-Dig10-5 Scratch Dig
Thickness3.2 mm (0.13")7.35 mm (0.289")
Available Wavelengths350 - 700 nm (AR Coated)
650 - 1050 nm (AR Coated)
1050 - 1700 nm (AR Coated)
190 - 2500 nm (Uncoated)
350 - 700 nm (AR Coated)
650 - 1050 nm (AR Coated)
1050 - 1700 nm (AR Coated)

下のグラフでは、液晶ポリマ(LCP)のデポラライザと当社の石英ウェッジデポラライザの偏光度(DOP)を比較しています。液晶ポリマのデポラライザは、石英ウェッジデポラライザと比較して、入射角の変動に対して性能が安定しており、またサイズが小さいビームの偏光を効果的にデポラライズします。よって特にレーザの用途に有効です。一方、石英ウェッジのデポラライザは、表面品質ならびに損傷閾値が高くなっております。また、楕円偏光や円偏光のデポラライズについてはより高い性能を発揮します。


偏光度vs.ビームサイズ

DPP25-A Polarization versus Beam Size
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DPP25-Aは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Aは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、532 nmの半導体レーザーモジュールCPS532(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。

DPP25-A Polarization versus Beam SIze
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DPP25-Bは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Bは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、780 nmの半導体レーザーモジュールCPS192(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。
DPP25-C Polarization versus Beam Size
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DPP25-Cは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Cは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、1310 nmの半導体レーザーモジュールMCLS1-1310(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。

偏光度(DOP)vs.波長

DPP25-A Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Aは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Aは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズがØ4 mmの3種類の異なるレーザを使用して3種類の波長で行いました。レーザの種類と波長は以下の通りです: 405 nm(CPS405、FWHM帯域幅:1 nm)、532 nm(CPS532、FWHM帯域幅:1 nm)、633 nm(旧製品 HRS015*、FWHM帯域幅:<10 pm)
DPP25-B Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Bは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Bは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズがØ4 mmの3種類の異なるレーザを使用して3種類の波長で行いました。レーザの種類と波長は以下の通りです: 670 nm(CPS186、FWHM帯域幅:1 nm)、780 nm(CPS192、FWHM帯域幅:1 nm)、980 nm(CPS980、FWHM帯域幅:1 nm)。
DPP25-C Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Cは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Cは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズがØ4 mmの3種類の異なるレーザを使用して3種類の波長で行いました。レーザの種類と波長は以下の通りです: 1064 nm(FWHM帯域幅:1.5 nm)、1310 nm(MCLS1-1310MCLS1-1310、FWHM帯域幅:1 nm)、1550 nm(旧世代のT-Cube™製品TLS001-1550、FWHM帯域幅:1 nm)。

*安定化HeNeレーザHRS015Bで代替


透過率

DPP25-A Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Aは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Aは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。
DPP25-B Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Bは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Bは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。
DPP25-C Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Cは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Cは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。

偏光度(DOP)vs.入射角

DPP25-A Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Aは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Aは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズØ1 mm、532 nmの半導体レーザーモジュールCPS532(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。
DPP25-B Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Bは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Bは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズØ1 mm、780 nmの半導体レーザーモジュールCPS192(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。
DPP25-C Polarization vs. Wavelength
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DPP25-Cは液晶ポリマのデポラライザで、DPU-25-Cは当社の石英ウェッジデポラライザの1つです。このテストでは、ビームサイズØ1 mm、1310 nm半導体レーザーモジュールMCLS1-1310(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。

偏光度(DOP)vs.回転角度

下のグラフでは、デポラライザが回転したときの偏光度の変動例を示しています。実際の性能は製品毎に異なり、また、ビームの照射位置によっても違ってきます。デポラライザを表面に垂直な軸の周りを回転させると、偏光度(DOP)が変動します。しかし、全体的にはØ0.5 mmのビームにおける液晶ポリマーデポラライザの偏光度は、石英ウェッジ設計のデポラライザより低くなります。型番に-Bと-Cがつくデポララライザも同様の結果が得られます。

DPP25-A Polarization vs. Wavelength
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上のグラフは、デポラライザを回転させた際の特性を示しています。このテストでは、ビームサイズØ0.5 mm、532 nmの半導体レーザーモジュールCPS532(FWHM帯域幅:1 nm)を使用しました。石英ウェッジのデポラライザの0°は、厚い方のウェッジのファスト軸を示している切欠きと平行方向になります。液晶ポリマのデポラライザの0°は、ファスト軸方向に平行な線となります(ファスト軸方向を示している図は「概要」タブでご覧いただけます)。

マイクロリターダーデポラライザからのビーム偏光の空間的周期性は、単色光源からの直線偏光を使用することで観測できます。 当社のデポラライザは、ビームサイズを拡大することなく一般的なレーザの用途にご使用になれます。 効果を観測するためには、ビームの伝搬方向がデポラライザの表面に対して垂直になるようデポラライザを置いてください。

LCP and Quartz Depolarizer Comparison
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図2: この等高線図は、直線偏光ビームがデポラライザDPP25-Aを透過した後、生成された出射偏光の理論的計算値の結果を表したものです。 黒い矢印は入射偏向状態を示しています。
LCP and Quartz Depolarizer Comparison
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図1: この図は、デポラライザDPP25-AのØ10 mm部分のファスト軸方向を表しています。 0°は図の左下~右上の45度方向です。

ビームの偏光状態の空間的周期性を検知するには、光路上のデポラライザの後ろに直線偏光子を設置してください。 出射光の強度は帯状に変化します。 これは、デポラライザ内の液晶ポリマーシートのリターダンスならびにファスト軸方向が場所によって異なるため、出射ビームにも空間によって異なる偏光状態が生成されるからです。


この例では、デポラライザDPP25-Aとビーム径Ø10 mmの532 nm直線偏光光源を使用しました。 光はデポラライザの0°方向に対して45°の角度で直線偏光されています。 デポラライザDPP25-AのØ10 mm部分のファスト軸方向は図1に描かれています。 図2は、空間に依存する偏光角度の理論的プロット図です。 このカラープロット図は、上記で説明した入射ビームの特性に基づいたデポラライザからの出射ビームの偏光角度を示しています。

図の帯の色により同じ偏光状態の領域が分かります。 デポラライザ表面を透過した出射偏光角度は、-90°~+90°で周期的に変化しています。 -90°と+90°の間の距離は、約1 mmです。

Custom CapabilityCustom Specification
Patterned Retarder SizeØ100 µm to Ø2"
Patterned Retarder ShapeAny
Microretarder Size≥ Ø30 µm
Microretarder ShapeRound or Square
Retardance Range @ 632.8 nm50 to 550 nm
SubstrateN-BK7, UV Fused Silia, or Other Glass
Substrate SizeØ5 mm to Ø2"
AR Coating-A: 350 - 700 nm
-B: 650 - 1050 nm
-C: 1050 - 1700 nm
Liquid Crystal Retarder Smaple Switching Time
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図1: ランダム分布のパターンリターダ

特長

  • カスタム仕様のマイクロリターダを構築
  • サイズ、形状、ならびに基板材料のカスタマイズが可能
  • リターダンス範囲: 50~550 nm
  • ファスト軸分解能: <1°
  • リターダンス変動:30 nm未満

用途

  • 3次元ディスプレイ
  • 偏光イメージング
  • 回折用途:偏光回折格子、偏光分析法、ビームステアリング

当社ではパターンサイズØ100 µm~Ø50.8 mm(Ø2インチ)、基板サイズØ5 mm~ Ø50.8 mm(Ø2インチ)でカスタム仕様のパターンリターダをご提供可能です。 カスタム仕様のリターダは、隣り合うファスト軸がそれぞれ異なる角度を持つマイクロリターダのアレイによって構成されます。 マイクロリターダのサイズ(最小は30 µm)や形状(円、正方形、多角形など)もカスタマイズ可能です。 当社では、1つ1つのマイクロリターダのサイズや形状をコントロールできるため、ほとんどの実験・デバイスニーズに合った様々なパターンリターダを構築することができます。

パターンリターダは、液晶ならびに液晶ポリマから作られます。 フォトアライメントの技術を用い、各マイクロリターダのファスト軸を<1°の分解能でどの角度にも設定可能です。 図1~3では当社のパターンリターダの例をご紹介しています。 図はイメージング偏光計で得られたパターンリターダの測定結果を表しており、個々のマイクロリターダのファスト軸方向が隣り合っていても別々に制御可能であることを示しています。

当社のパターンリターダの製造工程はすべて社内で行われています。 工程は、基板を準備することから始まります。典型的な基板はN-BK7またはUV溶融石英(UVFS)です(ほかのガラス基板でも対応可能なものがあります)。 基板をフォトアライメント材料の層でコーティングし、当社のパターンリターダーシステムに設置後、ファスト軸を設定するために直線偏光で露光します。 露光箇所は、ご希望のマイクロリターダのサイズによって決まります。ファスト軸は<1°分解能で0°~180°の角度に設定可能です。 設定後、液晶ポリマでデバイスをコーティングすることによって液晶セルを構築し、UV光で硬化します。

当社の LCPデポラライザ はこのパターンリターダの1例です。原則的に真にランダム化されたパターンは入射偏光を空間的にスクランブルするのでデポラライザとして使用可能です。しかし、このようなパターン素子は回折が大きくなります。当社のデポラライザは、ファスト軸の角度が線形的に増加しており、回折を大きくすることなく、0.5 mm径以上のサイズの広帯域ならびに単色ビームの両方をデポラライズする設計がなされています。詳細については当社の LCPデポラライザの製品ページをご覧ください。

ご希望のパターンリターダの図、またはファスト軸分布のエクセルファイルをご提供いただければ、ほとんどのパターンリターダが構築可能です。 また、リターダンスが可変可能なパターンリターダも製造可能です。 パターンリターダの作製については当社までお問い合わせください。

Liquid Crystal Retarder Smaple Switching Time
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図2: スパイラル分布のパターンリターダ
Liquid Crystal Retarder Smaple Switching Time
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図3: 複雑な分布のパターンリターダ
Damage Threshold Specifications
Item #Laser TypeDamage Thresholda
DPP25-ACWb5 W/cm (532 nm, CW, Ø0.004 mm)
Pulsed (ns)1.8 J/cm2 (532 nm, 8 ns, 10 Hz, Ø0.200 mm)
Pulsed (fs)0.041 J/cm2 (532 nm, 100 Hz, 76 fs, Ø162 µm)
DPP25-BCWb5 W/cm (810 nm, CW, Ø0.004 mm)
Pulsed (ns)8 J/cm2 (810 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.08 mm)
Pulsed (fs)0.041 J/cm2 (800 nm, 100 Hz, 36.4 fs, Ø189 µm)
DPP25-CPulsed (ns)10 J/cm2 (1550 nm, 7.8 ns, 10 Hz, Ø0.191 mm)
Pulsed (fs)0.11 J/cm2 (1550 nm, 100 Hz, 70 fs, Ø145 µm)
  • このデポラライザの損傷閾値は、LCP層による制限を受けます。
  • ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。 このパワー密度の単位(単位長さあたりのパワー)が長パルスおよびCW光源において最も適した測定基準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。

当社の液晶ポリマ(LCP)アクロマティックデポラライザの損傷閾値データ

右の仕様は当社のLCPアクロマティックデポラライザの測定値です。

 

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).

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。


Posted Comments:
Romain  (posted 2017-12-08 15:54:14.707)
Dear Sir or Madam, Would it be possible to have this microretarder depolarizer array with a diameter smaller to be adapted at the output of a collimator (RC08SMA-P01) ? Thanks you
nbayconich  (posted 2017-12-14 02:49:03.0)
Thank you for contacting Thorlabs. We can provide smaller versions of these depolarizing arrays. Please provide us your contact information or contact us directly at techsupport@thorlabs.com for more information about custom options. Alternatively the standard Ø1" diameter microretarder depolarizer arrays can be mounted to the reflective collimators by using an SM1A6 adapter and a Ø1" lens tube.
brad.kimbrough  (posted 2016-11-30 16:44:23.03)
Dear Sir, In your custom retarder arrays, can both the orientation and retardance be varied from cell to cell. Regards, Brad Kimbrough
tfrisch  (posted 2016-11-30 05:14:50.0)
Hello, thank you for contacting Thorlabs. Yes, both fast axis orientation and retardance can be changed for each cell of a custom microretarder array. I will contact you directly about your application.
aayeb  (posted 2016-05-23 13:13:48.513)
This product is quite efficient in terms of depolarization. However, the energy threshold that is given is not correct. I ordered it 3 times and had the 3 of them damaged around 150mJ . The laser I am using is at 532nm with a pulse duration of 6ns and a frequency of 10Hz while the beam diameter was 12mm (so, approx 1cm²). Also, it was used in normal temperature conditions. Therefore we are quite far from the 5J/cm² that are mentioned in the product description.
besembeson  (posted 2016-05-24 03:25:48.0)
Response from Bweh at Thorlabs USA: It seems to me the peak powers that your laser is generating is too high compared to what we would recommend to be safe, especially if 150mJ corresponds to your pulse energy. Your beam size is also much larger compared to what we used for the tests so the probability of encountering in-homogeneity that could act as heat traps is higher. I have contacted you to determine your peak power intensity.
olivier  (posted 2016-02-02 13:12:52.353)
Dear Sir or Madam, Does this microretarder depolarizer array exist without AR coating? Thank you.
besembeson  (posted 2016-02-04 10:18:52.0)
Response from Bweh at Thorlabs USA: Yes we can provide this without the AR coating. Please contact me at techsupport@thorlabs.com for a quotation. The AR coating is applied on both depolarizer surfaces to increase throughput over set wavelength ranges.
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
DPP25-A Support Documentation
DPP25-ALCP Achromatic Depolarizer, Ø1", AR Coating: 350 - 700 nm
¥68,930
Today
DPP25-B Support Documentation
DPP25-BLCP Achromatic Depolarizer, Ø1", AR Coating: 650 - 1050 nm
¥68,930
Today
DPP25-C Support Documentation
DPP25-CLCP Achromatic Depolarizer, Ø1", AR Coating: 1050 - 1700 nm
¥68,930
3-5 Days
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