ビームエキスパンダーとはどういう機材？

ビームエキスパンダーとは

ビームエキスパンダーとは、レーザービームを取り扱う際にビーム径を拡大するために使う光学機器です。

主な使用用途には、レーザースキャンニング光干渉実験、リモートセンシング・などのアプリケーションなどがあります。

レーザーを集光したときの径は、レンズの焦点距離が一定であれば、入射するレーザー光のビーム径に反比例する性質を持っています。

そのため、ビーム径が大きいほど集光ビーム径は小さくなるのです。ちなみに、ビーム径は2分の1で得られるパワー密度は4倍になります。

これにより、微細かつ熱影響の少ないレーザー加工の実現が可能です。

ビームエキスパンダーの原理

ビームエキスパンダーのデザインは光学式望遠鏡のそれから発展しています。そのため、原理は屈折式望遠鏡と同じです。

屈折式望遠鏡はケプラー式とガリレオ式の2種類があります。

ケプラー式では、焦点距離が正のレンズを2枚使い、それぞれのレンズの焦点距離の和だけ話してレンズを配置するのが一般的です。

光源に近いレンズは「対物レンズ」、眼に近い方は「像側レンズ」と呼ばれます。

ガリレオ式では、焦点距離が正のレンズと負のレンズを各1枚使います。そのため、全体を短くできます。

それぞれのレンズの焦点距離の和だけ離してレンズを配置しますが、一方が負なので、レンズ間隔を短くできるのが特徴です。

レーザービームエキスパンダーの設計

通常は、入射したレーザー光の径を拡げる役割を果たすレンズと、コリメート光（平行光線）にして出射する2枚のレンズで構成されます。

レーザービームエキスパンダーの場合、光源に近い方に「像側レンズ」を、その反対側に「対物レンズ」を配置します。望遠鏡とは配置が逆です。

ケプラー式と同じく正の焦点距離のレンズ同士でビームエキスパンダーを作る場合は、焦点を結ぶ場所が存在します。

そのため、空間フィルタリングが求められるレーザーアプリケーション上では有利です。

一方、ガリレオ式のように正の焦点距離と負の焦点距離のレンズを1枚ずつ使ったビームエキスパンダーには、焦点を結ぶ場所がありません。

そのため、高出力レーザーアプリケーションでの利用に最適です。

なお、ビームエキスパンダーは、出射ビームの拡がり角を計算する必要があります。入射ビーム径 ÷ 出射ビーム径 ＝ 出射ビーム発散角 ÷ 入射ビーム発散角。

スライド式か回転式か（ピント調整機構）

ビームエキスパンダーのピント調整機構、可変ビームエキスパンダーの倍率可変機構は、スライド式か回転式の2つにわかれます。

回転式ピント調整機構はフォーカスチューブなどに搭載され、光学素子を装着すると移動時に回転します。構造は単純なので、スライド式に比べると安価なのが特徴です。

ただし、勝手に回転するので移動時には意図せぬ方向に動いてしまいます。

一方、スライド式は、直進ヘリコイド鏡筒などに搭載されています。内部に装着した装置が回転することなく移動するので、ふらつきも最小限に抑えられるのが特徴です。

ただし、複雑な設計になるので価格も高くなります。

その他、設計が甘いと動きの自由度が大きくなりすぎます。

調整すれば元に戻るものの、回転式ピント調整機構よりふらつきが大きくなることもあるので注意してください。

反射型か透過型のどちらを選ぶべきか

ビームエキスパンダーには、2種類あります。反射型と透過型です。

反射型では、集光したビームを拡大するために、透過型レンズの代わりに曲面ミラーを使います。

一方透過型ビームエキスパンダーでは、文字どおり透過型レンズを使って拡大します。

一般的なのは透過型ビームエキスパンダーで、多く市場に出回っていて入手しやすいのもこの製品です。

しかし、倍率や出射ビームコリメーションの波長依存性が高い点という短所もあります。

一方、反射型ビームエキスパンダーはあまり一般的ではなく、入手しにくいのは確かです。

ただし、反射型ならではの利点もあります。それは、色収差の影響を受けない点です。

そのため、透過型の欠点である倍率や出射ビームコリメーションの波長依存性もありません。

レーザーアプリケーションでは単一波長のレーザーを扱うことが多く、これが問題になることは少ないでしょう。

しかし、広域帯アプリケーションでは大変重要です。

また、反射型ビームエキスパンダーはアクロマティックな性能を有します。

そのため、マルチレーザーシステムやいくつかあるチューナブルレーザー、超短パルスレーザーではニーズもあるでしょう。

超短パルスレーザーはパルス持続時間がきわめて短いという特徴があり、他のレーザー光源と比べて波長域も本質的に広くなりやすいという特徴が見られます。

また、量子カスケードレーザーも、その発振波長で機能できる透過型ビームエキスパンダーを入手しにくいのが現状です。

そのため、上記のような用途で反射型ビームエキスパンダーを選ぶ人が増えています。