コリメーションレンズについて教えて下さい。

質問

出来るだけスポット径を抑えたレーザーを作製するためにコリメーションレンズの購入を考えているのですが質問よろしいでしょうか？

ある拡がり角θをもったレーザーを使って、あるf値、NA値をもったコリメーションレンズを使って平行光を作った場合、レーザースポット径はどうやって計算すれば良いのでしょうか？

回答No.3

walkingdic · ベストアンサー

>のレーザーを使ってコリメーションレンズを使って平行光として取り出したい
半導体レーザですか。その場合には通常専用設計されたレンズを使います。
レーザの仕様からＮＡは約０．２以上であればカバーできそうです。
またワーキングディスタンス（作動距離）は最低１ｍｍ以上必要ですね。

たとえば、
http://www.mgkk.com/products/01_kougaku/15/dlo02.html
の製品で考えると、ｐｄｆファイルの中に詳しく仕様が書かれているのでそちらを参照すると、ＧＬＣ００１～００３あたりは使えそうです。

ＬＤ特有の非点収差はあるものの割と小さいほうなので、これでもそこそこ平行光は得られるでしょう。

＞スペック表にはM^2という値は出てきません。
＞これは発散角と同義のものなのでしょうか？
いえ、違います。半導体レーザの場合にはＭ＾２値はあまり意味を成さないので評価しないのが通例です。
計算する場合にはＭ＾２＝１で考えて単純にガウスビーム伝播でよいかと思います。
ただ非点収差がありますから、計算式どおり正確に出来るわけではありません。

＞というところの具体的な計算方法を教えて頂けないでしょうか？
こちらはとてもこの場で説明できるほど簡単なものではないから、「光エレクトロニクスの基礎」の本を入手してください。
基本的には、先に示した過去の回答に式がありますから、上記で選択したコリメータレンズで平行光を作った場合のスポット径で伝播した場合を計算すればよいでしょう。

上記レンズでのスポット径はレーザーの広がり角が２０度であれば、焦点距離ｆのレンズを使うと、ビーム半径ｒ＝ｆ＊ｔａｎ（２０）の単純に幾何的寸法サイズで求めるのでかまいません。
これで平面波が作られたとして、あとはガウスビーム伝播の式で距離を進んだ場合のビーム径を求めることになります。

定性的に説明すると、レーザー光はほぼ点光源とみなせるのでかなり平行度の高い光は出せますけど、回折現象は当然あって、そのため完全に平行で伝播させることは出来ません。

ですからあまりビーム径が小さい平行光を作ると離れたところでは逆に広がりも大きく、ビーム径をある程度大きくすると離れたところではビーム径はそこそこ小さいという形になります。

では。

回答No.2

walkingdic

補足です。

具体的な内容がわかればもう少し補足できます。
あと、レーザービームのビーム系を求める伝搬式自体は、

http://oshiete1.goo.ne.jp/qa578565.html?ans_count_asc=0

に詳しくあるので参照下さい。
上記には平行な光がレンズに入射した場合の式がかかれていますが、レーザー光自体がすでに広がりを持つ場合には、レンズを通った光が、出射時点で平行光という条件とは同じ式になるので、そうなるように焦点距離ｆを決めることになります。

任意のガウスビーム経路内にレンズを挿入したときにどうなるかを求めるやり方はＡＢＣＤ行列を使う方法があり、これは上記回答の中で出てくる「光エレクトロニクスの基礎」という本に詳しく書かれています。

お礼

ありがとうございます。

具体的には
http://www.opnext.com/jp/products/pdf/j208025_hl6340mg_41mg.pdf
のレーザーを使ってコリメーションレンズを使って平行光として取り出したいと考えているわけですが、スペック表にはM^2という値は出てきません。
これは発散角と同義のものなのでしょうか？

＞レーザー光自体がすでに広がりを持つ場合には、レンズを通った光が、出射時点で平行光という条件とは同じ式になるので、そうなるように焦点距離ｆを決めることになります。

というところの具体的な計算方法を教えて頂けないでしょうか？

回答No.1

walkingdic

>出来るだけスポット径を抑えたレーザーを作製するために
とお書きなのですが、、、、、
ご質問内容を見ると少し簡単に考えすぎているように思われます。

ご存じのように光というのは回折という現象があり、大抵はこの物理的な現象による制約が一番のネックとなっているのが大半です。
それで色々使用上その影響を最小にしようという工夫をする訳なのですが、そういう話をし出すと、単にこういう仕様のレンズを購入すればよいなどという単純な話では済まなくなります。

あとレーザといっても色んなものがあります。レーザの種類がわかればある程度そのビーム形状も推測できますけど、ご質問のようになにもかかれていないとそれも出来ません。
レーザーにはＭ＾２（＾２は二乗の意味）というビームの品質のパラメータがあります。この数値はスポット径を算出するために必要な重要なパラメータになります。

あと平行光を作るとお書きなのですが、先に述べたように回折という現象のため、厳密に平行光といえる光を作ることは出来ません。（ある特定の場所だけ平面波というものは出来ます）
なのでその話だけで厳密に言うと出来ないという話になってしまいます。

つまり、ご質問内容だけではこうすればよいという単純な答えは出ないのです。