ビーム品質に影響する要因は何ですか？

レーザー物理学では、ビームの品質とは、レーザービームがどの程度良好に集束したままであるかを指します。 品質が高いほど、ビームの発散が少なくなります。 ビームの品質は、レーザーのコンポーネントの種類と品質、使用するレーザーゲイン媒体の種類、使用する光ポンピング方法、出力レベル、レーザーの機械的および熱的ストレスなど、多くの要因の影響を受けます。

ビーム品質とビーム出力の間にはトレードオフがあります。 レーザーが光を増幅するために使用するレーザーのゲイン媒体にエネルギーが注入されると、エネルギーの一部が熱に変換されます。 熱が過剰になると、媒体に温度勾配が生じ、熱レンズ効果が生じ、ビームの品質が低下します。 これにより、使用されるゲイン媒体のタイプが重要になります。

ガスレーザーは、媒体の密度が低いため、熱レンズの影響を受けにくい傾向があり、二酸化炭素レーザーは非常に高い出力レベルで高いビーム品質を維持できます。 固体レーザーの中で、最高のビーム品質は、シングルモードファイバーレーザーと薄型ディスクレーザーによって生成されます。 ファイバーレーザーは、イッテルビウムやネオジムなどの希土類イオンをドープした二酸化シリコンガラスをゲイン媒体として使用し、薄型ディスクレーザーは、3価のイッテルビウムイオンをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット結晶を使用します。 これらのレーザーは、数キロワットの出力レベルでも非常に高いビーム品質を維持できます。 低出力レベルでは、ヘリウムネオンガスレーザーと面発光半導体レーザーによって、非常に高いビーム品質を実現できます。

レーザー設計の他のコンポーネントも、レーザーの光共振器のサイズや構成など、ビームの品質にとって重要です。 エンドポンピングと呼ばれる技術であるレーザービームの経路に沿ってゲイン媒体に光を注入する設計は、サイドポンピングレーザーよりも高いビーム品質を生み出します。 モードクリーナーを使用すると、ビームをシングルモードファイバに通すか、レンズを使用してコリメートされていないビームをピンホールからビームを再コリメートする2番目のレンズに集束させることで、ビーム品質を改善できます。

ビーム品質は、レーザーのコンポーネントの状態にも影響されます。 固体レーザーは、媒体の表面に欠陥があると品質が低下し、波面の歪みや散乱を引き起こす可能性があります。 品質は、機械的ストレス、レーザー環境の温度変化、またはレーザー自体の熱による熱膨張によって引き起こされる可能性のあるコンポーネントの不整列によっても損なわれます。 レンズの傷も品質に影響を与えます。