シルクハット/フラットトップレーザービームを使用する理由?

ほとんどのレーザー ビームはガウス分布ですが、場合によっては、非ガウス放射照度プロファイルを持つことが有益な場合があります。 ガウス ビームの対称放射照度分布は、レーザー ビーム断面の中心からの距離が増加するにつれて減少します。 フラットトップまたはトップハット ビームは、レーザー ビームの断面全体にわたって一定の放射照度分布を持ちます (図 1)。 特定の領域にわたる一定の強度から恩恵を受けるアプリケーションには、半導体ウェーハの処理、高電力レベルでの非線形周波数変換、材料処理などがあります。 フラットトップ ビームは通常、ガウス ビームよりも鮮明なカットやシャープなエッジなど、より正確で予測可能な結果を​​生成しますが、システムの複雑さとコストが追加されます。

図 1: ガウス ビームは、アプリケーションに必要なしきい値より高い余分なエネルギーと、ガウス ビームの外側部分のしきい値より低いエネルギーの両方によってエネルギーを浪費します。 シルクハット/フラットトップビームは、無駄なエネルギーを最小限に抑えながら閾値を超えるという点でより効率的です。

 

 

ガウスビーム
高品質のシングルモード レーザーは、低次のガウス放射照度分布、TEM00 モードを生成します。 トップハット/フラットトップ レーザー ビームと同じ平均光パワーを持つガウス ビームは、トップ ハット/フラット トップ レーザー ビームの 2 倍のピーク エネルギー密度を持ちます (図 2)。 ガウス ビームは変換中も一定のままです。 したがって、ビームがシステム内を伝播するとき、ビーム サイズが変化してもビーム プロファイルはガウス分布のままになります。 これは、ガウス関数のフーリエ変換が別のガウス関数であるためです。 光は無限に伝播するか、完全なレンズを通して集束することによってフーリエ変換を受けます。 TEM00 などのレーザー モードの詳細については、レーザー共振器モードのアプリケーション ノートをご覧ください。

図 2: 同じ光パワーでのガウス ビームとフラット トップ ビーム。ガウス ビームのピーク強度がフラット トップ ビームのピーク強度の 2 倍であることを示しています。

ガウシアン レーザーは他のレーザーよりも一般的でコスト効率が高くなりますが、「翼」やビームの使用可能な中心から広がる低強度領域など、いくつかの欠点があります。 ガウス ビームのウィングの強度がアプリケーションに必要なしきい値を下回る場合、通常はエネルギーが無駄になります (図 1)。 また、周囲の領域に損傷を与え、熱影響範囲を拡大するため、レーザー手術や精密材料加工などの用途に悪影響を与える可能性があります。 ガウス ビームを使用して微細なフィーチャを切断または成形すると、ビームの熱影響ゾーンが大きくなるため、トップ ハット/フラット トップ ビームよりも精度が低下するため、このような用途にはトップ ハット/フラット トップ ビームが適しています。

 

 

トップハット/フラットトップビーム

実際のビームが理想的なフラットトップビームにどの程度近いかを評価する 1 つの方法は、平坦度係数 (F_η）。 これは、説明したように、平均放射照度値を最大放射照度値で割ることによって決定されます。

 

Fη=平均放射照度 / 最大放射照度

 

トップハット/フラットトップビームには翼と急なエッジ遷移がないため、より効率的なエネルギー伝達が可能になり、熱の影響を受けるゾーンが減少します。 これは、高精度と周囲への損傷の最小化が優先される幅広い用途に有益です。 レーザー誘起損傷閾値（LIDT）試験などの計測アプリケーションでは、トップハット/フラットトップビームの均一で明確なプロファイルにより、測定の不確実性と統計的分散が低減されます。

 

トップハット/フラットトップビームは、レーザー出力をトップハット/フラットトップビームに変換するために追加のビーム整形コンポーネントが必要となるため、ガウスビームほどコスト効率が高くありません(図3)。 このビーム整形コンポーネントは、レーザー源に組み込むことも、レーザーの外部に配置することもできます。 これらの追加のビーム整形器は、xy アライメントの影響を受けやすく、入力ビームの直径に依存します。 シルクハット/フラットトップのレーザービームは、変形中は一定に保たれません。 したがって、入射トップハット/フラットトップビームのビームプロファイルは、ビームが伝播するにつれて自然に保存されません。 トップ ハット/フラット トップ関数のフーリエ変換はエアリー スポット関数です。これは、トップ ハット/フラット トップ ビームが最終的にエアリー スポットに進化することを意味します。

図 3: ガウス分布とフラットトップ分布の間で変換するビーム プロファイルのアニメーション。

 

 

ハイハット/フラットハット レーザー ビームの使用は、さまざまな産業および科学用途にさまざまな利点をもたらします。 このタイプのビームは、エネルギーが均一に分布し、熱レンズ効果とスポット サイズを縮小できるため、さまざまなレーザー プロセスの精度、一貫性、有効性の向上に役立ちます。

 

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