レーザービームをアライメントする方法

レーザを光学系に取り付ける場合、まず行うべきは、所望の光路設定をするためビームの水平度と方向を調整することです。このようにして設定されると、ビームをうまく迂回させてシステム内の光学素子を透過するように誘導できるだけでなく、システムのアライメントを調整することによって得られる結果が予測しやすくなり、再現性が高くなります。下記のセクションではそれぞれの方法について説明しています。

• レーザービームのポインティング角度を水平にアライメントする方法
• ビームを迂回させて任意の光路に沿ってアライメントする方法

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レーザービームのポインティング角度を水平にアライメントする方法

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図2: ビームは、光学テーブルのタップ穴のラインに対して平行になるようアライメントすることができます。キネマティックマウントのヨー調整でビーム角度を調整し、ルーラをタップ穴のラインに沿ってスライドさせるときに、ビームの照射位置が横方向で動かないようにします。

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図1: :ビーム方向を光学テーブルの表面に対して水平にするには、レーザ用キネマティックマウントのピッチ調整を使用します(図2)。ビームがテーブル表面に対して平行になっている状態は、ビーム高がレーザ前面に近い位置(左)と遠い位置(右)でパワー測定値が同じであることを確認することで行います。

キネマティックマウントのピッチ(チップ)とヨー(ティルト)を調整することで、レーザ角度の微細な補正を行うことができます。この角度調整は、コリメート光を光学テーブル表面などの基準面に対して、あるいはテーブルのタップ穴のラインに沿ってなど基準面内の特定の方向に対してアライメントするときなどで行います。

マウントのアジャスタを使用する前に
まず、キネマティックマウントの各アジャスタを回して移動範囲の中央に移動させます。これにより調整範囲が足りなくなるリスクが少なくなります。また調整範囲の真ん中にアジャスタがあると、マウントのポインティング安定性が良くなります。

その後、レーザを支えるポストやポストホルダなどのオプトメカニクス部品を調整することで、レーザの高さ、位置、向きの粗調整を行います。 調整後はすべてのロックネジが締め付けられていることを確認してください。

ビームをテーブル表面に対して平行にする場合
レーザ光のレベル調整のため、アライメントツールを用いて、マウントのピッチアジャスタによる微細な調整を繰り返す必要があります。

まず光源から近い位置と遠い位置のビームの高さを測定します(図1)。2つの間の距離が長ければ長いほど、確度は高くなります。2つの位置のビーム高が一致するまで、キネマティックマウントのピッチを繰り返し調整します。

ピッチ調整により光源の高さも変わります。動画の例では、光源に近いビーム高は当初82 mmでしたが、最初のピッチ調整で83 mmに上がっています。

ビームを水平に調整した後は、レーザを支えるオプトメカニクス部品を所望の高さに調整します。または2つのステアリングミラーをレーザの後ろに置き、違う方法でアライメントすることもできます(詳細については同セクション内に記載されています)。ステアリングミラーは特に装置自体の角度調整が難しいレーザ装置のビームの高さと方向の調整に有用です。

ビームをタップ穴列に沿った向きに調整
ビームをテーブルのタップ穴列に対して平行にアライメントする場合もアライメントツールとマウントのヨーアジャスタの反復調整が必要になります。

アライメントツールにより、タップ穴列を基準線として、レーザ出力方向を調整できます。ルーラの底辺の端をタップ穴列に合わせて配置します(図2)。

テーブル上の基準線に対するビームの角度ズレは、ルーラに照射されるレーザースポット位置とルーラの垂直基準線の差を見ることで確認できます。取付けブラケットBHMA1を使用して水平置き型のルーラを取り付けることができます。

動画では、ルーラをタップ穴列に並行に移動し、レーザ照射位置をルーラーの1 mm単位の目盛の端に一致させるようにアライメントします。ルーラを基準線の遠い方の位置に移動させると、ルーラのビーム位置も水平方向に移動します。ルーラを遠い方の位置に配置した後、ビーム端が1 mm単位の目盛に一致するまでマウントのヨーを調整します。その後ルーラを光源の近くに移動させ、ビームの位置調整の結果を見ます。このプロセスは必要に応じて反復で行われています。

ビームを迂回させて任意の光路に沿ってアライメントする方法

1つ目のステアリングミラーは、新しい光路上に配置された2つ目のミラーに向けてビームを反射します。2つ目のステアリングミラーは、新しい光路に沿うようにアライメントします。2つのステアリングミラーでレーザ光をアライメントする手順は、Walking the Beam(ビームの移動)として説明することがあり、その結果はFolded Beam Path(折りたたまれたビーム路)と呼ばれることがあります。上の動画の例では、ビームを新しい光路にアライメントするために2つのアイリスが使用されています。新しい光路は光学テーブル面に対して平行で、タップ穴列に沿っています。

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図3: 1つ目のミラーから反射されたビームは、x軸ならびにy軸まわりに、それぞれθおよびψ回転すれば、2つ目のミラーに入射します。どちらの角度も2つ目のミラーの中心位置(座標x_2、y_2、z₂ )に影響を及ぼします。1つ目のミラーのx軸周りの回転は、マウントのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲によって制限されますが、その移動範囲は、2つ目のミラーの位置と高さも制限します。

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図5: 2つ目のキネマティックミラーマウントのアジャスタは、2つ目のアイリスにビームをアライメントするのに使用します。

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図4: 1つ目のキネマティックミラーマウントのアジャスタを調整して、1つ目のアイリスの開口部にレーザースポットを合わせています。

ミラーの高さの設定
1つ目のミラーの中心は、入射路の高さと一致させます。2つ目のミラーの中心は、新しい光路の高さに合わせてください。

アイリスのセットアップ
新しい光路はアイリスによって設定されます。動画では光路がテーブル面に対して水平となるよう、アイリスの高さが一致していることがご覧いただけます。マウント内のアイリスの高さはルーラかノギスを使用すると適度な精度で設定可能です。

アイリスが閉じているときの(小さな)開口部は、完全な中心位置にない場合があります。そのため、アイリスのビームの入力面をひっくり返すと、開口の位置がシフトする場合があります。アイリスのビーム入力面を決めたらセットアップから使用まで同じ面を使用することを推奨します。

コンポーネントの配置と粗調整
まず、両ミラーのアジャスタを回しながら移動範囲の中央に移動させます。1つ目のミラーは入射光路に配置し、2つ目のミラーは新しい光路上に配置します(図3)。1つ目のミラーのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲がx周りのミラーの回転(θ )を制限するため、ミラー配置は1つ目のミラーのピッチ(チップ)アクチュエータの移動範囲によって限定されます。2つ目のミラーの位置(x₂ 、y₂ 、z₂ )を選ぶときは、ピッチに加え、1つ目のミラーのヨー(ティルト)も考慮しなければなりません。2つのミラーは、1つ目のミラーの両アジャスタを移動範囲いっぱいに回さなくてすむよう配置してください。

新しい光路に2つ目のミラーを配置後、両方のアイリスを光路上に置いてください。1つ目のアイリスは2つ目のミラーの近くに、2つ目のアイリスは2つ目のミラーからできるだけ遠くに配置してください。

2つのミラーの高さはそのまま維持し、またヨーのアジャスタは触らずに1つ目のミラーを回転させて、光を2つ目のミラーに向けます。1つ目のミラーのピッチアジャスタを調整して、レーザースポットを2つ目のミラーの中心近くに移動させます。その後、2つ目のミラーを回転させて、ビームを新しい光路にある程度向けます。

最初に光路上に光を当て、その後、向きを調整します。
1つ目のミラーは、2つ目のミラー上にある新しい光路上の点に向けてビームをステアリングするために使用します。まず、1つ目のアイリスに当たるレーザースポットの位置を見ながら1つ目のミラーのアジャスタを調整します(図4)。アイリスの開口部の中心にレーザースポットが合えば最初のステップは終了です。

次に2つ目のミラーでビームをステアリングして、新しい光路とアライメントさせます。2つ目のミラーのアジャスタを調整して、レーザースポットを2つ目のアイリスの開口部に移動します(図5)。ピッチアジャスタがビームの高さを調整し、ヨーアジャスタがビームを横方向に移動します。2つ目のアイリスでレーザースポットが消えてしまう場合、2つ目のミラーのレーザースポットが新しい光路から離れています。

1つ目のミラーのアジャスタを調整しながら2つ目のミラー上のビーム位置を変え、1つ目のアイリスの開口部の中心にレーザースポットがあたるようにします。2つ目のミラーのアジャスタ調整を再開して、2つ目のアイリスの開口部にレーザースポットを向けます。これをレーザービームが両方のアイリスの中心を通るまで繰り返します(動画参照)。アジャスタのどれかが調整範囲の制限に近づいてしまったら、ミラーの1つ、あるいは両方の位置を変え、アライメント手順を繰り返してください。

ヨー軸のアジャスタが制限に近づいた場合、反射ビーム方向を記録しておき、ヨーアジャスタを調整範囲の中央に回転させます。反射ビーム方向が記録した位置になるようミラーマウントの向きを変えます。ミラーが回転できない場合、ビームが新しい光路にほぼ沿うよう1つあるいは両方のミラーの位置を変えます。ビームの向きが微細に調整できるまでこのアライメント手順を繰り返します。

ピッチ軸のアジャスタが制限に近づいた場合、2つのミラーの間の距離を長くするか、入射路と新しい光路の高さの差を小さくします。どちらの方法でもアライメント手順が繰り返された後、ピッチアジャスタが調整範囲の中心の近くに配置されます。

レーザの安全性とクラス分類

レーザを取り扱う際には、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも障害を引き起こします。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光がヒトの網膜に損傷を与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。

安全な作業および安全に関わるアクセサリ

• クラス3または4のレーザを取り扱う場合は、必ずレーザ用保護メガネを装着してください。
• 当社では、レーザのクラスにかかわらず、安全上無視できないパワーレベルのレーザ光線を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ用保護メガネを必ずご使用いただくようにお勧めしております。
• 特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ装置付近では常に装着してください。
• レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
• レーザ保護カーテンやレーザー安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
• 遮光用マテリアルは、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
• 当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
• ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバとの接続を外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
• いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
• レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
• 実験は光学テーブル上で、全てのレーザービームが水平を保って直進するように設定してください。
• ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
• レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
• あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
• アライメントは、可能な限りレーザの出力パワーを低減して作業を行ってください。
• ビームパワーを抑えるためにビームシャッタや フィルタをお使いください。
• レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
• クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、警告灯をご用意ください。
• ビームトラップの代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

レーザ製品のクラス分け

レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定および普及を行う国際機関で、IEC60825-1は、レーザ製品の安全性を規定するIEC規格です。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラス。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザを発光することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ製品には、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品になり得ます。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を発光し、ビーム径を小さくするために光を集束する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は被害が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類となる場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	クラス3Rのレーザ製品は、直接および鏡面反射の観察条件下で危険な可視光および不可視光を発生します。特にレンズ等の光学機器を使用しているときにビームを直接見ると、目が損傷を受ける可能性があります。ビーム内観察が行われなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルが低いクラスです。可視域の連続光のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。拡散反射は通常は有害になることはありませんが、高出力のクラス3Bレーザを使用した場合、有害となる場合もあります。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときにレーザ保護眼鏡を装着してください。このクラスのレーザ機器にはキースイッチと安全保護装置を設け、さらにレーザ安全表示を使用し、安全照明がONにならない限りレーザがONにならないようにすることが求められます。Class 3Bの上限に近いパワーを出力するレーザ製品は、やけどを引き起こすおそれもあります。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。