デュアルスポットレーザーシステムにおける球面バイコンベックスレンズの主な機能は、コリメート素子として機能することです。 光ファイバーから出射される自然に発散するレーザービームを捉え、平行なコリメートビームに変換するように戦略的に配置されています。この変換は、システム内の後続のビーム分割、成形、または集光のいずれにとっても重要な前提条件となります。
このレンズは、光ファイバーからの広がる光をまっすぐな平行経路に変換することにより、正確なデュアルスポット生成に必要な幾何学的な基盤を確立します。分割または集光される前のレーザーエネルギーの初期の一貫性と安定性を決定します。
ビーム変換のメカニズム
ビーム発散の補正
光ファイバーから出射されるレーザー光は、直線で進むのではなく、円錐状に広がります。
球面バイコンベックスレンズはこの広がる円錐を捉えます。その形状により光線が内側に曲げられ、発散が効果的に打ち消されます。その結果、光線が光軸に平行に進むビームが得られます。
焦点距離の役割
真のコリメーションを達成するためには、レンズの位置は譲れません。
レンズは、光ファイバーの先端からその焦点距離に正確に等しい距離に配置する必要があります。レンズが近すぎたり遠すぎたりすると、ビームは早期に収束するか、発散し続けるため、光学系全体が損なわれます。
システムパフォーマンスへの影響
スポット成形を可能にする
コリメーションは最終目標ではなく、準備段階です。
一次参照では、このプロセスが後続のスポット成形とサイズ調整に不可欠であると述べられています。「デュアルスポット」にビームを分割するように設計された光学コンポーネントは、一般的に予測可能な機能のために平行な入力を必要とします。この初期コリメーションがないと、最終的なスポットは歪んだり、サイズが不正確になったりします。
出力安定性の決定
最終的なレーザービームの品質は、この初期レンズに大きく依存します。
レンズは、出力の形状安定性を決定します。コリメーションが一貫しない場合、ワークピースでの最終的なエネルギー密度が変動し、信頼性の低いレーザー加工結果につながります。
トレードオフの理解
アライメントへの感度
バイコンベックスレンズは効率的ですが、高い機械的精度が必要です。
コリメーションの品質は完全にファイバーからの特定の距離（焦点距離）に依存するため、この距離をシフトさせる機械的振動や熱膨張は、すぐにビーム品質を低下させます。
球面収差の限界
球面レンズ表面の物理的な限界に注意することが重要です。
球面レンズは、特にレンズの端に当たるすべての光線を同じ点に完全に集光することはできません。一般的なコリメーションには効果的ですが、より高価な非球面レンズと比較して、ビームプロファイルにわずかな「ソフトネス」やハロー効果が生じる可能性があります。
光学セットアップの最適化
デュアルスポットシステムが正しく機能するようにするには、このレンズを光学経路のアンカーと見なす必要があります。
- ビームの一貫性が最優先事項の場合： 平行出力を維持するために、ファイバー先端とレンズ間の距離が機械的に固定され、熱的に安定していることを確認してください。
- スポット精度が最優先事項の場合： エネルギー損失を防ぐために、レンズの直径がファイバー出力の数値開口（円錐）全体を捉えるのに十分であることを確認してください。
球面バイコンベックスレンズは、システムの品質のゲートキーパーです。効果的にコリメートできない場合、後続の調整では結果として生じるビームを修正することはできません。
概要表：
| 特徴 | デュアルスポットシステムにおける機能 | パフォーマンスへの影響 |
|---|---|---|
| 主な役割 | ビームコリメーション | 発散するファイバー光を平行ビームに変換 |
| 配置 | 焦点距離に固定 | ビームの一貫性を確保し、早期の収束を防ぐ |
| コアメリット | スポット成形準備 | 予測可能なビーム分割とサイズ調整を可能にする |
| 安定性 | 幾何学的基盤 | エネルギー密度と出力形状の安定性を維持 |
| 制限 | 球面収差 | 非球面タイプと比較して、わずかなビームの「ソフトネス」を引き起こす可能性がある |
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参考文献
- Nicolas Kudsieh, Zachary C. Wiley. Design and fabrication of dual-spot-size medical laser-handle prototype. DOI: 10.1109/honet.2019.8908115
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Belislaser ナレッジベース .
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