レーザ光学系

レーザ光学系は、光ファイバー通信用マイクロ光学系からメートル級の望遠鏡ミラーまで、その用途と同じくらい多岐にわたります。これらは、屈折、反射、回折、偏光、スペクトル選択プロセス、非線形効果、さらには散乱など、事実上あらゆる種類の光と物質の相互作用を通じてレーザ ビームを操作します。

レーザ光学系の製造についても同様にさまざまな手法が用いられます。これには、（自動化およびコンピュータ制御のバリエーションを含む）従来の研削と研磨から、シングルポイントダイヤモンド旋削、リソグラフィー、さまざまな成形および複製方法、ホログラフィック技術、さまざまな薄膜コーティングプロセスまでが含まれます。

ただし、レーザ光学系には共通する要素がいくつかあります。まず、レーザビームの元の波面品質をほぼ常に維持する必要があります。これは、空間的な明るさやコヒーレンスなど、レーザ光の独自性を構成する高い品質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により、システム効率性とレーザを集光してレーザのビームプロファイルを維持する能力が制限されます。これは、材料加工、手術、顕微鏡検査、フローサイトメトリー、通信など、ほとんどのアプリケーションに当てはまります。製造面では、波面歪みを最小限に抑えるには通常、非常に正確な表面形状を持つ光学系を作成し、非常に均質な材料を使用する必要があります。

レーザ光学系は通常、散乱を最小限に抑える必要があります。散乱があるとレーザシステムの効率が低下し、光ノイズが発生する可能性があるためです。これにより、イメージングから材料加工までのあらゆる行程でパフォーマンスが低下します。散乱を最小限に抑えることは、高出力レーザ光学系のレーザ誘起損傷を回避するための重要な要素でもあります。低散乱光学系を製造する最初のステップは、通常、表面粗さが低いコンポーネント表面を作成することです。

レーザ光学系は、ブリュースター ウィンドウを除いて、ほぼ常に薄膜コーティングされています。これは通常、パフォーマンスを向上させるために行われます。たとえば、ほとんどの透過型レーザ光学系では、スループットを最大化し、スプリアス（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を使用しています。薄膜コーティングは光学部品の基板材料よりも耐久性が高いことが多いため、コーティングを使用して光学表面を保護し、コンポーネントの寿命を延ばすこともできます。Coherentのダイヤモンドオーバーコート（DOC）は、その顕著な例です。

このトピックの範囲が非常に広いため、この記事では、レーザ光学系の最も重要な広範なクラスの概要のみを説明します。これらは以下に説明されており、このリストは決して包括的なものではありません。

レンズ

レンズは、レーザ光を1次元または2次元に集中または拡散する屈折透過光学系です。レーザレンズは主に単色光で使用されるため、色収差（波長によるレンズの焦点距離の変化）が問題に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で動作する多くの単純な作業には、（色補正機能のない）単一要素レンズで十分です。例としては、ビーム拡大望遠鏡や集束レンズ、コリメートレンズなどが挙げられます。実際、非球面形状の単一要素集束レンズは、基本的に（理論上可能な最高の性能を誇る）回折限界で軸上性能を実現できます。

ただし、少なくとも他の2つの場合には、より複雑な複数要素レンズ システムが必ず必要になります。1つ目は、低F値システムです（F値 = レンズ システムの焦点距離 / 絞り）。特にf/3未満では、ほとんどの単一要素球面レンズの性能は回折限界から大幅に外れます。これを解決するために、複数素子の球面集束レンズおよび非球面が使用されます。

マルチエレメント システムの2番目の用途は、純粋に軸上で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ものです。 F-θ スキャン レンズ がその一例です。さまざまな角度にわたって（曲面ではなく）平面上で集束させて、フィールドの端で適切な集束スポットサイズを達成する光学系を作成するには、複数の素子が必要です。

ミラー

金属コーティングされたミラー、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、可視光レーザビームや赤外線レーザビームを反射するためによく使用されます。出力が約10 µmのCO₂レーザの場合、金属基板からミラーを作成し、研磨された金属表面をそのままミラーとして使用することは珍しくありません。金属ミラーや金属コーティングされたミラーの利点は、おおむねコストが低いことです。

薄膜コーティングは、より高いレベルの反射率が求められる場合、より高いレーザ損傷閾値レベルを達成する必要がある場合、または正確な偏光制御が必要な場合に使用されます。最も単純なレーザであるライン薄膜反射板は、通常、高屈折率の材料と低屈折率の材料を交互に重ねたもので、各材料の厚さはレーザ波長で1/4波長です。このタイプの層を多数積み重ねることで、99.9% を超える反射率が日常的に達成されます。

ただし、このタイプ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、設計されたレーザ波長以外の波長では使用できません。また、すべての薄膜ミラーコーティングのピーク反射率は角度によって変化します。したがって、0°の入射角で使用するように設計されたレーザラインミラーは45°では使用できません。逆も同様です。より広範囲の波長と入射角で使用できる広帯域全誘電体（薄膜）ミラーを設計できます。しかし、これらではピーク反射率の値がわずかに犠牲になります。

ビームスプリッター

ビームスプリッターは、入射するレーザ エネルギーの一部を反射し、残りを透過する光学系です。この効果は偏光に大きく依存する可能性があります。これは時には欠点となりますが、他の場合には、直交偏光を分離または結合するために特に利用されます。

ビームスプリッターは波長に依存することもあります。この場合、異なる波長を持つ2つの同軸レーザ ビームを分離するために使用される可能性があります。一例としては、Nd:YAGレーザの基本波長（1064 nm）を反射し、その第2高調波（532 nm）を透過する二色性ビームスプリッターが挙げられます。

ビームスプリッターの最も一般的な形式は、キューブ型とプレート型です。キューブ型ビームスプリッターは、2つの直角プリズムを斜辺で結合して立方体を形成しています。ビームスプリッターコーティングはプリズムの1つの斜辺に施されます。他の4つの面は通常、反射防止コーティングが施されています。

プレート型ビームスプリッターは、平行平面（またはわずかにくさび形になっていることが多い）のプレートです。ビームスプリッターコーティングは通常、最初の表面に施され、2番目の表面には反射防止コーティングが施されます。

キューブ型ビームスプリッターとプレート型ビームスプリッターはそれぞれ独自の特性があり、さまざまな用途で利点と欠点が生じます。たとえば、プレート型ビームスプリッターは通常、よりコンパクトで軽量であり、製造コストも低くなります。しかし、0° 以外の入射角で使用すると、主な反射ビームからオフセットされた不要な二次反射が発生します。また、透過ビームがオフセットされるため、システム設計がより複雑になり、アライメントが困難になる可能性があります。

キューブ ビームスプリッターは、不要な二次反射や、送信ビームのオフセットの問題を排除します。また、キューブ ビームスプリッターは通常、より広範囲の入射角でより効果的に機能します。また、偏光に対する感度が低く、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 ビームスプリッターの製造も容易になります。しかし、キューブ 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場合があります。

偏光コンポーネント

ほとんどのレーザは偏光を放射し、この偏光を操作、分析、利用するために設計されたさまざまな光学系とデバイスが存在します。概念的に最も単純な光学系は直線偏光子です。特定の方向に偏光した光だけを通過させ、他の方向に偏光した光を遮断します。直線偏光子はさまざまな機能を実行するために使用できます。偏光したレーザビーム内で回転させると、可変減衰器、つまりレーザの調光スイッチとして機能します。

レーザ ビームの偏光状態を変える最も基本的な光学系の1つは、 1/4波長板です。これらは直線偏光を円偏光に変換したり、その逆を行ったりします。半波長板は、入力される直線偏光の偏光方向を回転させます。この回転は、半波長板自体が物理的に回転するため、0° から90° までスムーズに変化します。

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）を組み合わせてファラデー アイソレーターを作成できます。これらは光用の「一方向バルブ」です。これらは、損傷を引き起こしたり動作の不安定化を誘発したりする可能性のある反射光がレーザに再び入るのを防ぐのに特に役立つデバイスです。ファラデー アイソレーターは、一般的に高出力産業用レーザシステムでこの機能を効果的に実行します。