Products Home / 光学素子 / 光学レンズ / 球面単レンズ / 平凸球面レンズ / UV溶融石英平凸球面レンズ / UV溶融石英(UVFS)平凸テクスチャーレンズ、反射防止ナノ構造表面UV溶融石英(UVFS)平凸テクスチャーレンズ、反射防止ナノ構造表面
- Antireflective Performance Provided by Subwavelength Surface Structures
- <0.25% Average Reflectance in the Visible and NIR
- Ideal for Applications Requiring Long-Term Beam Stability
For a detailed comparison between the T1 textured surfaces and Thorlabs' AR coatings, see the Comparison tab.
Lower Reflectance Over a Broad Wavelength Range*
Higher Laser Damage Threshold*
Lower Angular Sensitivity*
*When Compared to Thorlabs' -UV, -A, -AB, and -B
Broadband Antireflective (BBAR) Coatings
LA4148T1
(Ø1", Unmounted)
LA4148T1-ML
(Ø1", Mounted)
Please Wait
| Common Specifications | |||
|---|---|---|---|
| Available Diameter | 1" | ||
| Lens Shape | Plano-Convex | ||
| Substrate Material | UV-Grade Fused Silicaa | ||
| AR Wavelength Range | 400 - 1100 nm (T1 Textured Surface) | ||
| Reflectance over Coating Range (Avg.)b | < 0.25% Per Surface | ||
| Transmission Over Wavelength Rangeb | Tabs ≥ 98% | ||
| Design Wavelength | 587.6 nm | ||
| Index of Refraction | 1.460 @ 588 nm | ||
| Surface Flatness (Plano Side) | ≤λ/2 @ 633 nm | ||
| Spherical Surface Power (Convex Side)c | ≤3λ/2 @ 633 nm | ||
| Surface Irregularity (Peak to Valley) | ≤λ/4 @ 633 nm | ||
| Diameter Tolerance | +0.0 mm / -0.1 mm | ||
| Thickness Tolerance | ±0.1 mm | ||
| Surface Quality | 20-10 Scratch-Dig | ||
| Centration | < 3 arcmin | ||
| Damage Threshold | > 30 J/cm2 at 532 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.4 mm | ||
| Abbe Number | 67.82 | ||
| Clear Aperture | > Ø22.86 mm | ||
| Focal Length Tolerance | ±1% | ||
| Reflectance Data (Click for Graph) |  Raw Data | ||
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UV溶融石英(UVFS)基板のT1テクスチャー加工面を走査型電子顕微鏡(SEM)で上から見た画像
特長
- Ø25.4 mm、焦点距離50 mmのレンズ
- マウント無しまたはSM1ネジ付きマウントに取り付け済みでご用意
- 両面にT1反射防止のテクスチャー加工
- 400～1100 nmの波長範囲に対応する反射防止(AR)面
- 反射防止面1面あたりの平均反射率： 0.25%以下
- 透過率98%以上
- ビームの長期安定性を必要とする可視(VIS)および近赤外(NIR)域の用途に好適
- ハイパワーレーザによる損傷に対する高い耐性
当社のテクスチャー反射防止(AR)平凸レンズは、ナノ構造表面を有する高性能なUV溶融石英(UVFS)レンズで、可視(VIS)～近赤外(NIR)域(400～1100 nm)において98%以上の透過率を示します。このレンズは、従来の薄膜コーティングの代わりに表面をT1構造化することで、低い反射率 (1面あたり0.25%以下)だけでなく、レーザ損傷への高い耐性(30 J/cm2以上)、さらには長期安定性を実現しています。当社のT1テクスチャー表面と広帯域反射防止(BBAR)コーティングの比較については「比較」タブをご覧ください。カスタム品については当社までお問い合わせください。
基板の表面に薄膜を蒸着するARコーティングに対して、このテクスチャーレンズはバルクの基板から材料の一部を除去する方法で作成されています。製造には、サブ波長サイズの構造を加工するために最適化された独自の製造プロセスを用いられています。表面にテクスチャー加工を施すことで、広い波長範囲にわたり反射光を効果的に抑制する屈折率層が形成されます。構造化された表面の走査型電子顕微鏡(SEM)によるイメージを、右上の写真でご覧いただけます。
| UVFS Plano-Convex Lens Selection Guide | |
|---|---|
| Unmounted Lenses | Mounted Lenses |
| Uncoated | Uncoated |
| -UV Coating (245 - 400 nm) | -UV Coating (245 - 400 nm) |
| -A Coating (350 - 700 nm) | -A Coating (350 - 700 nm) |
| -AB Coating (400 - 1100 nm) | - |
| T1 Textured Surface (400 - 1100 nm) | T1 Textured Surface (400 - 1100 nm) |
| -B Coating (650 - 1050 nm) | -B Coating (650 - 1050 nm) |
| -C Coating (1050 - 1700 nm) | -C Coating (1050 - 1700 nm) |
| -405 V-Coating (405 nm) | - |
| -532 V-Coating (532 nm) | - |
| -YAG V-Coating (532/1064 nm) | -YAG V-Coating (532/1064 nm) |
| -633 V-Coating (633 nm) | - |
| -1064 V-Coating (1064 nm) | - |
| -1550 V-Coating (1550 nm) | - |
標準波長以外のカスタム対応も可能です。お見積りについては、当社までお問い合わせください。
UV溶融石英(UVFS)平凸レンズは深紫外域(DUV)で優れた透過率を有し、またレーザ誘起蛍光がほとんど発生しないため(193 nmで測定)、紫外(UV)域から近赤外(NIR)域までの用途にお使いいただけます。また、N-BK7と比較すると、UV溶融石英は均一性が高く、熱膨張係数が小さい素材です。
レンズの選択
平凸レンズは、コリメートビームを集光したり、点光源からの光をコリメートしたりするのにお使いいただけます。球面収差を最小化するためには、集光するときはコリメート光をレンズの曲面側から入射し、コリメートするときは点光源からの光を平面側から入射する必要があります。像の質が重要でない場合は、アクロマティック複レンズの代わりに平凸レンズを使うこともできます。
レンズの焦点距離は、下記の厚レンズの公式で計算できます。
f = R/(n-1),
ここでnは屈折率、Rはレンズ表面の曲率半径です。レンズはアッベ数が67.82のUV溶融石英ガラスを加工して作られています。アッベ数は分散の指標です。
これらの平凸レンズの低反射テクスチャー表面は、特に複数の光学素子を使って光学系を構築する場合に有用です。コーティング無しの基板の各表面では入射光の約4%が反射されますが、低反射テクスチャー加工を施すことで透過率が向上します。この効果は特に低光量の用途で重要であり、また複数回の反射による望ましくない影響(ゴーストイメージなど)を防ぐこともできます。
平凸レンズと両凸レンズは、どちらも入射するコリメート光を発散させますが、求められる絶対倍率が0.2未満または5を超える場合は、一般に平凸レンズを使用するのが望ましいとされています。一方、絶対倍率が0.2～5の場合は、一般に両凸レンズを使用するのが望ましいとされています。
取付け
レンズ両面のナノ構造部分に取付部や固定リングが接触するとダメージを与える可能性があり、局所的に性能が低下する恐れがあります。接触する領域を最小限に抑えるために、マウント無しのレンズは固定式レンズマウントLMR1/MのようなSM1ネジ付きマウントに、低応力固定リングSM1LTRRを用いて取り付けることをお勧めします。
なお、マウント付きのレンズには矢印と無限大のマークが刻印されています。無限遠からのコリメート光は、矢印で表示された凸面に入射するようにしてください。
取扱い上の注意およびクリーニング
当社のテクスチャーレンズは、水分、指紋、エアロゾルのほか、ほんの少しの研磨性の材料に接触しただけで汚染されたり損傷したりする場合があります。 手指の油がテクスチャー表面に付着するのを防ぐため、ラテックス製手袋または同様の保護カバーを着用してください。マウント無しのレンズについては必要時のみ、ピンセットTZ2またはTZ3で側面だけを保持するようにして取り扱ってください。
レンズの表面が汚れた場合は、以下の方法でクリーニングしてください：
- クリーンエアまたは窒素で埃を吹き飛ばす。
- イソプロピルアルコールなどの溶剤で汚れを洗い流し、クリーンエアまたは窒素を吹きかけて乾燥させる。
- 塩基性水溶液(水酸化アンモニウムと過酸化水素の混合液)、もしくは酸性溶液(塩化水素と過酸化水素の混合液)に浸し、イソプロピルアルコールで洗い流し、クリーンエアまたは窒素を吹きかけて乾燥させる(マウント無しレンズのみ)。
一般的なクリーニング方法は、さらに汚染することになるため避けてください。
| Quick Links to Other Spherical Singlets | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Plano-Convex | Bi-Convex | Best Form | Plano-Concave | Bi-Concave | Positive Meniscus | Negative Meniscus |
下のグラフは、両面にT1テクスチャー加工が施された厚さ5 mmのUV溶融石英(UVFS)ウィンドウW41050T1の透過率曲線を示しています。光は表面に対して垂直入射しています。この透過率の測定値には表面反射の影響も含まれています。青い網掛け部分は、400～1100 nmの波長範囲におけるT1テクスチャー表面の性能を示しています。
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T1テクスチャー表面は、一般的な広帯域コーティングやコーティング無しの基板に比べて優れた反射防止性能を有し、それは目視でも確認できます。この写真では、厚さ1.0 mmの3枚のUV溶融石英(UVFS)ウィンドウを、天井の蛍光灯で照明しています。3枚のうち、コーティング無しおよびAコーティング付きのウィンドウ表面からは反射を見ることができます。Bコーティング付きウィンドウは、650 nm以下の波長用ではないため、ここには含まれていません。
| Coating or Surface Designation (Item # Suffix) | Wavelength Range | Reflectance (Average)a |
|---|---|---|
| -A | 350 - 700 nm | < 0.5% td |
| T1 | 400 - 1100 nm | < 0.25% td |
| -AB | 400 - 1100 nm | < 1.0% td |
| -B | 650 - 1050 nm | < 0.5% td |
表面がT1テクスチャー加工されたUV溶融石英(UVFS)レンズは、400 nm～1100 nmの広い波長範囲において反射防止性能があります。下のグラフでは、T1テクスチャー表面の性能と350～700 nm(-A)、400～1100 nm(-AB)、650～1050 nm (-B)の広帯域反射防止(BBAR)コーティングとの比較を示しています。測定には表面が平坦なウィンドウを使用していますが、結果はレンズの場合も同じです。
T1テクスチャー表面とBBARコーティング面の平均反射率を右の表に示します。どちらの面も、入射角0°～30°、開口数(NA)0.5までの範囲で優れた性能を発揮します。
反射率
各グラフはT1テクスチャー表面の反射率と、当社のBBARコーティングのうちの1種類の反射率を示しています。
Click to EnlargeC当社の-AB 広帯域BBARコーティングとT1テクスチャー表面の反射率の比較。-ABコーティングとT1表面の波長範囲はどちらも400～ 1100 nmで、黒い矢印で示しています。
Click to Enlarge当社の-A BBARコーティングとT1テクスチャー表面の反射率の比較。青色の矢印は-A BBARコーティングの仕様波長範囲(350～700 nm)を示しています。赤色の矢印はT1表面の波長範囲を示しています。
Click to Enlarge当社の-B BBARコーティングとT1テクスチャー表面の反射率の比較。青色の矢印は-B BBARコーティングの仕様波長範囲(650～1050 nm)を示しています。赤色の矢印はT1表面の波長範囲を示しています。
入射角(AOI)と偏光
各グラフは、厚さ1.0 mmのUV溶融石英(UVFS)ウィンドウにT1テクスチャー加工(W41010T1)、-Aコーティング(WG41010-A)または-Bコーティング(WG41010-B)を施し、それぞれの複数の入射角におけるs偏光およびp偏光の反射率を示しています。T1表面は角度に対する感度が低いため、s偏光と p偏光の反射率は共に広い角度範囲にわたって比較的低いことが予想されます。これに対して-Aおよび-Bコーティングの場合は、s偏光の反射率は入射角が大きくなると急激に大きくなり、p偏光の反射率は増加する前にわずかに減少することが予想されます。青色の網掛け領域はテクスチャー面およびコーティング面の仕様波長範囲を示しています。
| Damage Threshold Specifications | |
|---|---|
| Item # Suffix | Damage Threshold |
| T1 | > 30 J/cm2 at 532 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.4 mm |
当社のT1テクスチャー反射防止面の損傷閾値データ
右の仕様は、T1テクスチャー表面のUV溶融石英(UVFS)ウィンドウの測定値です。 測定には表面が平坦なウィンドウを使用していますが、結果はレンズの場合も同じです。
レーザ誘起損傷に対する高い耐性を実証するために、テクスチャーウィンドウW41010T1に対して、532 nmにおいて最大エネルギーフルエンス50 J/cm2までのLIDT試験を実施しました。露光に対して損傷した箇所の数が下のヒストグラムに赤色で表示されていますが、48 J/cm2未満では、T1テクスチャーウィンドウに損傷は観察されていません。LIDTの試験方法についての詳細は、下記の「レーザによる損傷閾値について」の中の「テスト方法」をご覧ください。
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テクスチャーウィンドウW41010T1のLIDT試験における露光に対するヒストグラム。測定用ビームのパラメータ：532 nm、10 ns、10 Hz、Ø0.4 mm
| Laser Induced Damage Threshold Data | |||
|---|---|---|---|
| W41010T1 LIDT Testing Dataa | |||
| Fluence | # of Tested Locations | Locations with Damage | Locations Without Damage |
| 10 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 20 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 30 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 40 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 44 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 46 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 48 J/cm2 | 10 | 1 | 9 |
| 50 J/cm2 | 10 | 3 | 7 |
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。
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。
| Example Test Data | |||
|---|---|---|---|
| Fluence | # of Tested Locations | Locations with Damage | Locations Without Damage |
| 1.50 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 1.75 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 2.00 J/cm2 | 10 | 0 | 10 |
| 2.25 J/cm2 | 10 | 1 | 9 |
| 3.00 J/cm2 | 10 | 1 | 9 |
| 5.00 J/cm2 | 10 | 9 | 1 |
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。
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。
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。
- レーザの波長
- ビーム径(1/e2)
- 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)
- 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)。
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 Duration | t < 10-9 s | 10-9 < t < 10-7 s | 10-7 < t < 10-4 s | t > 10-4 s |
|---|---|---|---|---|
| Damage Mechanism | Avalanche Ionization | Dielectric Breakdown | Dielectric Breakdown or Thermal | Thermal |
| Relevant Damage Specification | No Comparison (See Above) | Pulsed | Pulsed and CW | CW |
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。
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。
- レーザの波長
- 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)
- レーザのパルス幅
- パルスの繰返周波数(prf)
- 実際に使用するビーム径(1/e2 )
- 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)。
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。
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 (1998).
[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。
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。
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。
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。
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:
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。
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。
| Recommended Mounting Options for Thorlabs Lenses | ||
|---|---|---|
| Item # | Mounts for Ø2 mm to Ø10 mm Optics | |
| Imperial | Metric | |
| (Various) | Fixed Lens Mounts and Mini-Series Fixed Lens Mounts for Small Optics, Ø5 mm to Ø10 mm | |
| (Various) | Small Optic Adapters for Use with Standard Fixed Lens Mounts, Ø2 mm to Ø10 mm | |
| Item # | Mounts for Ø1/2" (Ø12.7 mm) Optics | |
| Imperial | Metric | |
| LMR05 | LMR05/M | Fixed Lens Mount for Ø1/2" Optics |
| MLH05 | MLH05/M | Mini-Series Fixed Lens Mount for Ø1/2" Optics |
| LM05XY | LM05XY/M | Translating Lens Mount for Ø1/2" Optics |
| SCP05 | 16 mm Cage System, XY Translation Mount for Ø1/2" Optics | |
| (Various) | Ø1/2" Lens Tubes, Optional SM05RRC Retaining Ring for High-Curvature Lenses (See Below) | |
| Item # | Mounts for Ø1" (Ø25.4 mm) Optics | |
| Imperial | Metric | |
| LMR1 | LMR1/M | Fixed Lens Mount for Ø1" Optics |
| LM1XY | LM1XY/M | Translating Lens Mount for Ø1" Optics |
| ST1XY-S | ST1XY-S/M | Translating Lens Mount with Micrometer Drives (Other Drives Available) |
| CXY1A | 30 mm Cage System, XY Translation Mount for Ø1" Optics | |
| (Various) | Ø1" Lens Tubes, Optional SM1RRC Retaining Ring for High-Curvature Lenses (See Below) | |
| Item # | Mount for Ø1.5" Optics | |
| Imperial | Metric | |
| LMR1.5 | LMR1.5/M | Fixed Lens Mount for Ø1.5" Optics |
| (Various) | Ø1.5" Lens Tubes, Optional SM1.5RR Retaining Ring for Ø1.5" Lens Tubes and Mounts | |
| Item # | Mounts for Ø2" (Ø50.8 mm) Optics | |
| Imperial | Metric | |
| LMR2 | LMR2/M | Fixed Lens Mount for Ø2" Optics |
| LM2XY | LM2XY/M | Translating Lens Mount for Ø2" Optics |
| CXY2 | 60 mm Cage System, XY Translation Mount for Ø2" Optics | |
| (Various) | Ø2" Lens Tubes, Optional SM2RRC Retaining Ring for High-Curvature Lenses (See Below) | |
| Item # | Adjustable Optic Mounts | |
| Imperial | Metric | |
| LH1 | LH1/M | Adjustable Mount for Ø0.28" (Ø7.1 mm) to Ø1.80" (Ø45.7 mm) Optics |
| LH2 | LH2/M | Adjustable Mount for Ø0.77" (Ø19.6 mm) to Ø2.28" (Ø57.9 mm) Optics |
| VG100 | VG100/M | Adjustable Clamp for Ø0.5" (Ø13 mm) to Ø3.5" (Ø89 mm) Optics |
| SCL03 | SCL03/M | Self-Centering Mount for Ø0.15" (Ø3.8 mm) to Ø1.77" (Ø45.0 mm) Optics |
| SCL04 | SCL04/M | Self-Centering Mount for Ø0.15" (Ø3.8 mm) to Ø3.00" (Ø76.2 mm) Optics |
| LH160C | LH160C/M | Adjustable Mount for 60 mm Cage Systems, Ø0.50" (Ø13 mm) to Ø2.00" (Ø50.8 mm) Optics |
| SCL60CA | SCL60C/M | Self-Centering Mount for 60 mm Cage Systems, Ø0.15" (Ø3.8 mm) to Ø1.77" (Ø45.0 mm) Optics |
曲率が高い光学素子の取付け
当社の固定リングはマウント無しの光学素子をレンズチューブまたは光学マウント内に固定します。リングの位置固定には対応するスパナレンチを使用します。平面光学素子や曲率が低い光学素子用には黒アルマイト製の固定リングをØ5 mm～Ø101.6 mm(Ø4インチ)まで標準品としてご用意しております。曲率が高い光学素子用には、厚みのある固定リングをØ12.7 mm(Ø1/2インチ)、Ø25.4 mm(Ø1インチ)、Ø50.8 mm(Ø2インチ)でご用意しております。
厚みのある固定リングは非球面レンズ、短焦点距離の平凸レンズ、コンデンサーレンズなど、曲率が高い光学素子の取り付けに使用します。右の動画のように通常の固定リングを曲率が高い光学素子に使用した場合、スパナレンチのガイドフランジが光学素子の表面に接触し、光学素子を傷つける可能性があります。また、スパナレンチと固定リングの間に隙間ができるため、固定リングが正しく締め付けられません。厚みのある固定リングは、スパナレンチが光学素子の表面に接触することなくレンズを固定させることができます。
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UVFS平凸レンズ、T1テクスチャー加工表面