レーザ光学系何ですか？

レーザ光学系 、その用途と同様に多岐にわたり、光ファイバー通信用のマイクロ光学系から、メートル級の望遠鏡用鏡に至るまでレーザ光学系 。これらは、屈折、反射、回折、偏光、スペクトル選択的プロセス、非線形効果、さらには散乱に至るまで、光と物質の相互作用のほぼあらゆる形態を通じてレーザービームを制御します。

レーザ光学系 製造においても、同様に多様な技術レーザ光学系 。その範囲は、従来の研削や研磨（それらの自動化・コンピュータ制御化された手法を含む）から、単点ダイヤモンド旋削、リソグラフィ、各種成形・複製法、ホログラフィック技術、そして多岐にわたる薄膜コーティングプロセスにまで及ぶ。

しかし、レーザ光学系いくつかの共通点があります。第一に、レーザビーム本来の波面品質を維持することが、ほぼ例外なく求められます。これは、空間輝度やコヒーレンスなど、レーザー光を独特なものにしている特性を維持するために不可欠です。 光学系によって生じる波面歪みは、システムの効率や、レーザーの集光能力、およびビームプロファイルの維持を制限する。これは、材料加工、外科手術、顕微鏡検査、フローサイトメトリー、通信など、ほとんどの用途に当てはまる。製造の観点からは、波面歪みを最小限に抑えるためには、通常、極めて高精度な表面形状を持つ光学素子を製造し、非常に均質な材料を使用する必要がある。

また、レーザ光学系 通常、散乱を最小限に抑えるレーザ光学系 。散乱はレーザシステム 低下させ、ノイズを発生させる原因となるためです。これにより、イメージングから材料加工に至るまで、あらゆる分野での性能が低下してしまいます。さらに、レーザ光学系、レーザー誘起損傷を防ぐ上でも、散乱の低減は重要な要素となります。低散乱光学系を製造する際の第一歩は、通常、表面粗さの少ない部品表面を作ることから始まります。

レーザ光学系 、ブリュースター窓という顕著な例外を除き、ほぼ例外なく薄膜コーティングレーザ光学系 。これもまた、通常は性能を向上させるために行われます。例えば、透過レーザ光学系 ほとんどレーザ光学系 、透過率を最大化し、不要な（ゴースト）反射を最小限に抑えるために、反射防止コーティングレーザ光学系 。薄膜コーティングは、多くの場合、光学素子の基材よりも耐久性が高いため、コーティングは光学面の保護や部品の寿命延長にも役立ちます。Coherent ダイヤモンドオーバーコート（DOC）は、その顕著な例である。

このトピックは実に広範な分野に及ぶため、本記事では、レーザ光学系の中でも特に重要かつ代表的な分類について概説するにとどめる。以下にそれらを説明するが、このリストは決して網羅的なものではない。

レンズ

レンズは、レーザー光を1次元または2次元で集光または拡散させる屈折透過型光学素子です。主に単色光で使用されるため、レーザーレンズにおいて色収差（波長によるレンズ の変化）が問題となることはほとんどありません。このため、光学系が完全に軸上（オンアクシス）で動作する多くの単純な用途では、色収差補正のない単素子レンズで十分です。 例としては、ビーム拡大用望遠鏡や、集光・コリメーション用レンズが挙げられる。実際、非球面形状 レンズ 単一素子のレンズ 、軸上性能において実質的に回折 （理論上可能な最高の性能）に達することができる。

しかし、少なくとも以下の2つのケースでは、より複雑なレンズ 必ず必要となる。1つ目は、低F値のシステムである（レンズ 焦点距離／口径）。特にF3未満では、ほとんどの単一球面レンズの性能は回折 から大きく外れてしまう。この問題に対処するために、多レンズ構成の球面集光レンズや非球面レンズが用いられる。

多要素システムの2つ目の用途は、純粋に軸上でのみ動作するのではなく、特定の視野をカバーする必要があるシステムです。F-θスキャンレンズはその一例です。ある角度範囲にわたって（曲面ではなく）平面上に焦点を合わせ、かつ視野の周辺部でも良好な焦点スポットサイズを実現する光学系を構築するには、複数の要素が必要となります。

鏡

金属（特にシリコン、銅、アルミニウム、金）でコーティングされたミラーは、可視光および赤外線のレーザービームを反射するために頻繁に使用される。波長が約10CO₂ 、金属基板を用いてミラーを作成し、研磨された金属表面そのものを鏡面として使用することも珍しくない。金属製および金属コーティングされたミラーの利点は、一般的にコストが低いことである。

薄膜コーティングは、より高い反射率が必要な場合、より高いレーザー損傷しきい値 を達成する場合、あるいは精密な偏光制御が必要な場合に用いられる。最も単純なレーザーライン用薄膜反射鏡は、通常、屈折率 交互に積層したもので、各層の厚さは波長1/4波長である。この種の層を多数積み重ねることで、99.9%を超える反射率が容易に達成される。

しかし、この種のコーティングが施されたミラーは、比較的狭帯域です。つまり、設計波長 以外の波長では使用できません。 また、あらゆる薄膜ミラーコーティングのピーク反射率は入射角によって変化します。したがって、入射角0°での使用を想定して設計されたレーザーラインミラーは、45°では使用できず、その逆も同様です。より広い波長範囲および入射角で使用可能な広帯域全誘電体（薄膜）ミラーを設計することは可能です。ただし、これらではピーク反射率の値が若干低下するというトレードオフがあります。

ビームスプリッター

ビームスプリッターとは、入射するレーザエネルギー の一部を反射しレーザエネルギー 残りを透過させる光学素子である。この効果は偏光に強く依存する場合がある。これは欠点となることもあるが、場合によっては、直交する偏光を分離または結合させるために意図的に利用されることもある。

ビームスプリッター 、波長 ビームスプリッター この場合、波長の異なる2つの同軸レーザービームを分離するために使用されることがあります。その一例として、Nd:YAGレーザー波長 1064 nm）を反射し、その2次高調波（532 nm）を通過させるダイクロイックビームスプリッター挙げられます。

ビームスプリッターの最も一般的な形状は、キューブ型とプレート型です。キューブ型のビームスプリッター 2つの直角プリズムを斜辺同士で接合して立方体を形成したビームスプリッター 。ビームスプリッター 、一方のプリズムの斜辺に施されます。残りの4つの面には、通常、反射防止コーティングが施されています。

板状ビームスプリッター はビームスプリッター 平面で平行な（あるいは多くの場合、わずかにくさび形に傾斜した）板ビームスプリッター 。ビームスプリッター 通常、第1の表面に施されており、第2の表面には反射防止コーティングが施されています。

キューブ型とプレート型のビームスプリッターは、それぞれ独自の特性を持っており、用途によって長所と短所が現れます。例えば、プレート型ビームスプリッターは一般的にコンパクトで軽量であり、製造コストも安価です。しかし、入射角が0°以外の場合、主反射光からずれた不要な二次反射が生じます。また、透過光もずれてしまうため、システム設計が複雑になり、アライメントが難しくなる可能性があります。

キューブ型ビームスプリッターは、不要な二次反射や透過ビームのずれといった問題を解消します。また、一般的に、より広い入射角の範囲で良好な性能を発揮します。さらに、偏光の影響を受けにくく、より広い波長範囲で機能するコーティングを施したキューブ型ビームスプリッターを製造することも容易です。しかし、キューブ型ビームスプリッターは耐久性が低く、温度変化の影響を受けやすいという欠点があります。

偏光成分

ほとんどのレーザーは偏光光を放射しており、この偏光を操作、分析、または利用するために設計された光学素子や装置は数多く存在します。概念的に最も直線偏光子。これは、特定の方向に偏光した光のみを通し、それ以外の方向に偏光した光を遮断するものです。直線偏光子 、多くの機能を実現するために直線偏光子 。偏光されたレーザビーム の中でこれを回転させると、可変減衰器としてレーザビーム 。つまり、レーザー用の調光スイッチレーザビーム ！

レーザビーム 偏光状態を変える最も基本的な光学素子のひとつがレーザビーム これは、直線偏光を円偏光に変換したり、その逆の変換を行ったりします。半波長板は、入射する直線偏光の偏光方向を回転させます。この回転角度は、半波長板自体を物理的に回転させることで、0°から90°まで滑らかに変化させることができます。

偏光回転子と直線偏光子（または偏光ビームスプリッター）を組み合わせることで、ファラデーアイソレーターを作ることができます。これは光のための「一方向弁」のようなものです。この装置は、レーザーへの反射光の再入射を防ぐのに特に有用であり、再入射はレーザーの損傷や動作の不安定化を引き起こす恐れがあります。ファラデーアイソレーターは、高出力の産業用レーザーシステムにおいて、この機能を果たすことが非常に一般的です。