材料加工、レーザー手術、リモートセンシングなど、さまざまな用途で使用される一般的なレーザー システムは多岐にわたりますが、多くのレーザー システムには共通の主要パラメータがあります。これらのパラメータに共通の用語を確立することで、コミュニケーション エラーを防ぐことができ、また、これらの用語を理解することで、レーザー システムとコンポーネントをアプリケーションの要件に合わせて正しく指定できるようになります。
図1: 一般的なレーザー材料加工システムの概略図。レーザーシステムの10個の主要パラメータのそれぞれが対応する番号で表されています。
基本パラメータ
以下の基本パラメータはレーザーシステムの最も基本的な概念であり、より高度な点を理解する上でも重要です。
1: 波長（一般的な単位：nm～um）
レーザーの波長は、放射される光波の空間周波数を表します。特定の使用例に最適な波長は、アプリケーションによって大きく異なります。材料処理において、異なる材料はそれぞれ独自の波長依存の吸収特性を持ち、その結果、材料との相互作用が異なります。同様に、大気の吸収と干渉はリモートセンシングにおいて特定の波長に異なる影響を与え、医療用レーザーアプリケーションでは、さまざまな複合体が特定の波長を異なる方法で吸収します。短波長レーザーとレーザー光学系は、焦点が小さいため、周囲の加熱を最小限に抑えながら小さくて正確な特徴を作成するのに便利です。ただし、一般に、長波長レーザーよりも高価で、損傷を受けやすくなります。
2: 電力とエネルギー (一般的な単位: W または J)
レーザーの出力はワット (W) で測定され、連続波 (CW) レーザーの光出力またはパルス レーザーの平均出力を表すために使用されます。パルス レーザーはパルス エネルギーによっても特徴付けられ、パルス エネルギーは平均出力に比例し、レーザーの繰り返し率に反比例します (図 2)。エネルギーはジュール (J) で測定されます。
図2: パルスレーザーのパルスエネルギー、繰り返し率、平均出力の関係を視覚的に表したもの
一般に、高出力および高エネルギーのレーザーは高価であり、廃熱も多く発生します。また、出力とエネルギーが増加するにつれて、高いビーム品質を維持することがますます困難になります。
3: パルス持続時間（一般的な単位：fs～ms）
レーザーパルス持続時間またはパルス幅は、通常、レーザー光出力の最大値の半分における全幅（FWHM）対時間として定義されます（図3）。超高速レーザーは、精密材料加工や医療用レーザーを含むさまざまな用途で多くの利点を提供します。ピコ秒（10-12秒）からアト秒（10-18以下）のオーダーの短いパルス持続時間が特徴です。
P(W)
1/繰り返し率
パブリックアカウントの購入時間
図3: パルスレーザーのパルスは、繰り返し率の逆数だけ時間的に分離されている
4: 繰り返し周波数（一般的な単位：Hz～MHz）
パルスレーザーの繰り返し率またはパルス繰り返し周波数は、1 秒あたりに放出されるパルスの数、またはパルス間隔の逆数を表します (図 3)。前述のように、繰り返し率はパルスエネルギーに反比例し、平均電力に正比例します。繰り返し率は一般にレーザーゲイン媒体に依存しますが、多くの場合は変化します。繰り返し率が高いほど、レーザー光学系の表面と最終焦点での熱緩和時間が短くなり、材料の加熱が速くなります。
5: コヒーレンス長（一般的な単位：ミリメートルからメートル）
レーザーはコヒーレントです。つまり、異なる時間や場所の電流はコヒーレントです。フィールド位相値の間には固定関係があります。これは、レーザーが他のほとんどのタイプの光源とは異なり、誘導放出によって生成されるためです。コヒーレンス長は、レーザー光の伝播中、その過程において劣化することなく、レーザー光の時間的コヒーレンスが一定に保たれる距離を定義します。
6: 二極化
偏光は光波の電界の方向を定義します。「常に伝播方向に対して垂直です。」ほとんどの場合、レーザー光は直線偏光されます。つまり、放出される電界は常に同じ方向を向きます。非偏光光では、電界はさまざまな方向を向きます。偏光度は通常、100:1 や 500:1 など、2 つの直交偏光状態の光パワーの比率として表されます。
ビームパラメータ
以下のパラメータはレーザービームの形状と品質を特徴づけます。
7: ビーム径（一般的な単位：mm～cm）
レーザーのビーム径は、ビームの横方向の広がり、または伝播方向に垂直な物理的サイズを表します。これは通常、1/e2 幅として定義され、これは 1/e2 (=13.5%) までのビーム強度の幅です。1/e2 ポイントでは、電界強度は 1/e (=37%) まで低下します。ビーム径が大きいほど、ビームの切断を回避するために光学系とシステム全体を大きくする必要があり、コストが増加します。ただし、ビーム径を小さくすると、電力/エネルギー密度が増加し、これも悪影響を及ぼす可能性があります。
8: 電力またはエネルギー密度（一般的な単位：W/cm2 ～ MWicm2 または uJ/cm2 ～ J/cm2）
ビーム径は、レーザー ビームのパワー/エネルギー密度に関係しています。エネルギー密度、つまり単位面積あたりの光パワー/エネルギーの量です。ビーム径が大きいほど、一定のパワーまたはエネルギーに対するビームのパワー/エネルギー密度は低くなります。システムの最終出力では、パワー/エネルギー密度が高いことが望ましい場合が多くあります (レーザー切断や溶接など) が、システム内部では、レーザーによる損傷を防ぐためにパワー/エネルギーの集中度が低い方が有利な場合がよくあります。これにより、ビームのパワー/エネルギー密度が高い領域で空気がイオン化されることも防止されます。これらの理由などから、レーザー ビーム エキスパンダーを使用して直径を拡大し、レーザー システム内のパワー/エネルギー密度を下げることがよくあります。ただし、ビームを拡大しすぎてシステムの開口部からブロックされ、エネルギーが無駄になったり、損傷の恐れが生じたりしないように注意する必要があります。
9: ビームプロファイル
レーザーのビーム プロファイルは、ビームの断面全体にわたる分布強度を表します。一般的なビーム プロファイルには、ガウス ビームとフラット トップ ビームがあり、そのビーム プロファイルはそれぞれガウス関数とフラット トップ関数に従います (図 4)。ただし、レーザー内部には常に一定量のホット スポットまたは変動があるため、特性関数と正確に一致するビーム プロファイルを持つ完全なガウス ビームまたは完全なフラット トップ ビームを生成するレーザーはありません。レーザーの実際のビーム プロファイルと理想的なビーム プロファイルの違いは、レーザーの M2 係数などの指標によって説明されることがよくあります。
ガウス分布とフラットトップビームプロファイル
図4: 平均出力または強度が等しいガウスビームとフラットトップビームのビームプロファイルを比較すると、ガウスビームのピーク強度はフラットトップビームの2倍であることがわかります。
10: 発散（一般的な単位：mrad）
レーザー ビームは平行ビームであると考えられることが多いですが、常に一定量の発散度合いを持ちます。これは、回折によりレーザーのビーム ウェストからの距離が長くなるにつれてビームが発散する度合いを表します。LiDAR システムなど、物体がレーザー システムから数百メートル離れている可能性がある長い作動距離のアプリケーションでは、発散度合いが特に重要な問題になります。ビーム発散度合いは、レーザーの半角によって定義されることが多く、ガウス ビーム (0) の発散度合いは次のように定義されます。
Wはレーザーの波長であり、w0はレーザーのビームウエストである。
最終的なシステムパラメータ
これらの最終パラメータは、出力におけるレーザーシステムのパフォーマンスを表します。
11: スポットサイズ（一般的な単位：um）
集束レーザービームのスポットサイズは、集束レンズシステムの焦点におけるビームの直径を表します。材料加工や医療手術などの多くのアプリケーションでは、スポットサイズを最小化することが目標です。これにより、パワー密度が最大化され、特に微細な特徴を作成できます (図 5)。球面収差を減らし、より小さな焦点スポットサイズを生成するために、従来の球面レンズの代わりに非球面レンズがよく使用されます。レーザーシステムによっては、最終的にレーザーをスポットに集束しないものもあり、その場合はこのパラメータは適用されません。
図5: イタリア工科大学のレーザーマイクロマシニング実験では、一定の流量でスポットサイズを220umから9umに縮小すると、ナノ秒レーザードリルシステムでのアブレーション効率が10-倍に増加することを示しています。
12: 作動距離（一般的な単位：um～m）
レーザー システムの動作距離は、通常、最終的な光学要素 (通常は集光レンズ) からレーザーが焦点を合わせる物体または表面までの物理的な距離として定義されます。医療用レーザーなどの特定のアプリケーションでは、通常、動作距離を最小限に抑えることを目指しますが、リモート センシングなどの他のアプリケーションでは、通常、動作距離の範囲を最大化することを目指します。
