レーザービーム整形素子/フリーフォームレンズアレイ|オプティクス・ファイバー 光学レンズ

1.　レーザー直接描画による製造：　特殊ツール不要、専用マスク不要です
2.　シンプルな製造プロセス：　フレキシブルなプロトタイプ品製造に対応します
3.　ウエハサイズでの製造：　量産時の低コスト化が可能です
4.　高い設計自由度：　対称構造等のデザイン制約がありません
5.　石英ガラス材の使用：　ハイパワーレーザー耐性があり、様々な用途に使用できます

PowerPhotonic社は石英ガラスを使った光学素子の製造に革新的な技術を用いています。この技術は、レーザー直接描画マイクロマシニングをベースとし、幅広い光学系の性能を許容範囲から極めて優れたものに変えることができる製品の設計、製造、供給のための画期的な機会を提供します。この直接描画加工プロセスにより、特定のアプリケーションに合わせて完全にカスタマイズされた光学面が作成でき、しばしば複雑なシステムにおいて予算を引き上げずに回折限界の性能を実現できます。PowerPhotonic社によって開発されたレーザーマイクロマシニング技術には対称性の制限はありません。これにより以前は実現不可能と考えられていた要件を満たす全く新しいクラスの光学面を作製することができます。

PowerPhotonic社独自の直接描画加工プロセスでは、コンピュータ制御のレーザー光線を使用して3次元屈折光学部品を加工し、サブナノサイズの表面のスムージングを実現しています。その結果として、高い光学性能、優れた設計の柔軟性のあるフリーフォーム素子を、短納期、低コストで製造することができます。

Silica Substrate・・・石英基板
Pitch・・・ピッチ
Beam Width・・・ビーム幅
Raster Direction・・・ラスター方向
Laser Scan Direction・・・レーザー走査方向

このプロセスでは、溶融石英であれば200umまでの範囲サグ値で滑らかな屈折面を生成することが可能です。完全な直接描画プロセスであるがゆえに、ウエハハスケール加工では、大量の同一部品の生産だけでなく、大量の仕様の違う部品のシリアル化、検査、追跡をすることも可能です。これは、プロトタイプ、少量生産価格および他の製造アプローチのリードタイムの不利益なしで、フリーフォーム光学部品の大量生産の利点をもたらします。

ディフューザーはレンズアレイホモジェナイザーと同じ原理で作用し、マルチモードレーザー光源と共に使用されます。これらは入力ビームに制御された角度分布を与えるように設計されます。PowerPhotonic社のディフューザーは合成石英に非常に不均一な面を加工するために自由曲面直接描画プロセスを使用します。この光学素子により遠視野で定義した強度分布がもたらされます。単純なガウシアンディフューザーからフラットトップまたは環状のスポットを生成するもっと複雑なビームシェイパーにわたり広い範囲の強度分布を実現することができます。全てのディフューザーの発散角はほんのわずかの角度から 10 度までの範囲でしっかり制御されており、その透過率は 99% よりも大きくなる可能性があります。
遠視野形状はガウシアン、あるいは、円、楕円、環、その他の直線形状の半径方向の形状を生成するように整形することができます。発散角は比類なく非常に正確に制御することができます。

レーザービームの元の形状は通常ガウス強度分布を有する円形です。製造業では、かなり高い精度と制御性を求められる新しい世代の高度製造アプリケーションに対応する強度プロファイルと形状に変形する能力を必要としています。こうした要求から新しいビームシェイパーが求められてきました。この素子は強度プロファイルを変更してビームの形状を変形することができます。PowerPhotonic社独自のマイクロマシニング製造技術は、ハイパワーレーザーのビーム整形をする任意の光学面を作製する理想的な基盤技術です。

PowerPhotonic社ではいくつかの異なるタイプの屈折型ビームシェイパーを提供しています。これらは使用するレーザー光源や加工面で要求される強度プロファイルに応じて選択しますが、使用するにあたっては通常あまり大きく光学系を変更する必要はありません。 PowerPhotonic社のビームシェイパーは、ほとんどの場合、既存の光学系に容易に直接統合されます。一般的に、適切なビームシェイパーは平行光を加工面に集光するレンズの直前に挿入され、集光レンズや加工面の位置を変更することなくビームを整形します。中には集光レンズさえもビームシェイパー光学素子に統合することができる場合もあります。この場合、ビームシェイパーが集光レンズに取って代わり、それにより集光され整形されたスポットを得ることができます。

一般的に、ビームシェイパーは、アプリケーションの要求を満たすように遠視野強度分布を変えることで機能します。そして、集光レンズにより、この強度分布が加工面上に結像します。

こうしたことからPowerPhotonic社の屈折型ビームシェイパーは、ほとんど「プラグアンドプレイ」となることができ、レーザー光学系の効率と品質を向上することができます。任意のレーザー光学系で使用されるこのタイプのビームシェイパーは、使用するレーザー光源と、このビームシェイパー光学系が、一つの光学素子かそれ以上の光学素子で構成されるのかを決定する加工面での必要条件に依存しています。これらのビームシェイパーは面形状と機能の両方で大きく異なりますので、ビームシェイパーを光学性能に対する条件に合わせることが非常に重要となります。

産業用材料加工向けにハイパワーレーザーを均一化や整形することは設計と組み立ての両方において課題が存在します。回折と均一化の間のトレードオフを要求され、ビームのホットスポットを避け、非常に高い CW パワーローディングを扱うことのできる材料を使う必要があります。

ビームシェイパーは加工面で求められるビーム寸法を達成しなければならない一方で、ビームプロファイル上で十分に均一な強度を維持しなければなりません。高い均一性やピークパワーのビームを使用するビームシェイパーを使用するには、偽焦点やレトロフォーカスの生成を避ける必要があります。これらは他の光学素子に損傷を与えたり、空気の絶縁破壊を引き起こしたりする可能性があります。このことは凹面のマイクロレンズアレイ（MLA）を使用することで避けることができます。ほとんどの MLA 製造過程は、凸面の MLA を作製することに最適化されていますが、Power Photonic社の自由曲面製造過程を用いれば、凹面の MLA を製造することができます。
PowerPhotonic社の全ての光学製品の超平滑面は、本質的に散乱は小さく有しており、ハイパワーで UV溶融石英ガラスを処理することで、かなりのハイパワー処理も理想のものにします。

回折ホモジェナイザーに基づいた凹面のマイクロレンズアレイの凹面のレンズレットのプロファイル（左）、
加工面の矩形プロファイル（2mm x 2mm）（右）