ビームエキスパンダー

ビームエキスパンダーとは

ビームエキスパンダーは光学機器の1種であり、レーザー加工機や光干渉計といった機器においてビーム径を拡大するために使用されます。

そもそもレーザー加工機では、集光されたビームのスポット径は、使用するレンズの焦点距離が一定の場合、入射光のビーム径に反比例することがポイントです。つまり入社するレーザーのビーム径を拡大することで、それに反比例してスポット径は縮小されます。

またレーザー加工機のパワー密度はスポット径に反比例するため、スポット径が縮小されればレーザー加工の効率も高まります。

ビームエキスパンダーの原理

ビームエキスパンダーの原理は光学式望遠鏡の仕組みにもとづいており、基本的な構造や考え方は屈折式望遠鏡と同様です。

屈折式望遠鏡では2枚のレンズを使って、光源もしくは対象物に近いレンズを対物レンズ、観測者の目や像を形成する側のレンズを像側レンズと呼び、両者の位置を調節してレンズ間の距離を設定することで像のサイズをコントロールできます。

ケプラー式

屈折式望遠鏡には2つのタイプが存在し、その1つが「ケプラー式」です。

ケプラー式は対物レンズと像側レンズにそれぞれ凸レンズを使用し、レンズの焦点距離の和とレンズ感の距離を合わせるように配置します。

ケプラー式の場合、2枚のレンズの間に焦点が存在することが特徴です。

ケプラー式は高出力パルスレーザーなどを使用するレーザー加工機にはあまり適しておらず、一定以上のパワーのレーザーを集光させると空気がイオン化してビーム品質が低下するといった可能性があります。

ガリレイ式

ガリレイ式は、対物レンズに凸レンズ、像側レンズに凹レンズをそれぞれ使用したタイプです。対物レンズと像側レンズの間に焦点は発生せず、レンズ同士の距離を短くできることが特徴です。そのためケプラー式と比較してコンパクトな形状の光学機器を設計することができます。

ビームエキスパンダーとしてガリレイ式を使用する場合、ビーム径を抑えたビームを凹レンズへ入射します。

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ビームエキスパンダーの種類

透過型

一般的に使用されるビームエキスパンダーです。

またビームエキスパンダーにはさらに固定倍率タイプと可変倍率タイプが存在しており、可変倍率タイプでは回転式のピント調整機構やスライド式のピント調整機構を使って焦点を調整することができます。

なおケプラー式の原理を採用しているケプラー式ビームエキスパンダーでは、ハイパワーシステムを搭載したレーザー加工機でビーム品質の劣化といった悪影響を受ける場合があります。これは内部集光が原因になっており、ハイパワーのレーザー加工機を使用する際には、空間フィルタリングを必要とするアプリケーションを除いて、内部集光を起こさないガリレイ式ビームエキスパンダーが一般的です。

反射型

反射型ビームエキスパンダーは、ビームの拡大にレンズを使わず、曲面ミラーを利用してレーザー光を反射させることが特徴です。

ビームを透過させる透過型ビームエキスパンダーに対して、反射型ビームエキスパンダーは色収差の影響を受けないという特性があり、波長依存性を解消することができます。そのため複数の波長を使用する広帯域アプリケーションでは反射型ビームエキスパンダーの有用性が向上します。

ビームエキスパンダーの選び方

空間フィルタリングを必要とするアプリケーションであれば透過型のケプラー式ビームエキスパンダーを採用し、ハイパワーのレーザー加工機を使用する場合は透過型のガリレイ式を採用し、また波長に配慮しなければならない広帯域アプリケーションでは反射型ビームエキスパンダーを採用するなど、用途やレーザー加工機の特性によって適したビームエキスパンダーは異なることが重要です。

そのためビームエキスパンダーを選ぶ際にはレーザー加工機に適したものを比較検討してください。