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ビームシェーパーとは？

 

昨今の市場においては様々なレーザ加工機が流通しています。レーザ加工機を選定する際には、アプリケーションに合わせて以下のパラメータから自由な選択が可能です。
　CWまたはパルス？
　レーザ出力（平均パワー、パルスエネルギー）
　レーザ波長（EUV、DUV、UV、VIS、NIR、MIR、FIR）
　パルス幅（ms、us、ns、ps、fs）
　スポット径
　繰り返し周波数
　ビーム走査スピード（XYステージ、ガルバノ、ポリゴン、ロボット）
　アシストガス（圧力、種類）

 

こういったパラメータに加え、昨今ではビーム強度分布（ガウシアン、トップハット、逆ガウス、ドーナッツ、マルチフォーカス）、ビーム形状（円形、矩形、ライン、楕円、長方形）についてもより自由度をもって選択ができるようになってきています。ビームシェイパーはガウシアンビームをトップハットビームやドーナッツビーム、リングビームなど、切断、溶接、AM（Additive Manufacturing）、ブレージング、穴あけ、スクライビングなど様々なレーザ加工に有効なビームプロファイルに成形するための光学部品です。
弊社で取り扱うビームシェイパーは全て屈折光学系で設計されており
高出力レーザやショートパルスレーザを使用したレーザ加工機にもご使用いただけます。
レーザ加工以外にもホログラフィや共焦点顕微鏡など様々な用途で使用されます。

 

 

ビームシェーパーの種類

ビームシェーパーには様々なタイプがあります。DoE（回折格子＝Diffractive Optical Element）、ホモジナイザ、フィールドマッピングなどがあります。それぞれのビームシェーピング技術について解説します。

 

DoE（回折格子＝Diffractive Optical Element）

DoEは石英やZnSeなどの光学基板表面に波長オーダーの凹凸を形成することで意図的に回折現象を起こしビームシェーピングを行う光学素子です。デザイン次第ではあらゆるビームプロファイルを生成することが可能となります。一方で、デザインが複雑な上、製造時に露光マスクが必要となるため、初期費用が高いというデメリットがあります。また単一波面に対しての設計となるため、マルチモードレーザにおいては十分なパフォーマンスが期待できないという面があります。

ホモジナイザ

ホモジナイザは入射するビームを小さなビームに分割し、レンズのバックフォーカスの位置でトップハットビームを形成する光学系です。入射ビームのプロファイルに依存しないトップハットビームを作ることが可能ですが、一方で、スポットビーム径が大きくなってしまう、シングルモードではスペックルが出るため使用ができないなどのデメリットがあります。マルチモードのビームを長方形のトップハットに成形するなど、レーザ焼入れのようなアプリケーションには最適です。

フィールドマッピング

入射するレーザ強度分布を変換するビームシェーパーです。Airy Diskを生成する集光型ビームシェーパーと、トップハットを出力する結像型ビームシェーパーがあります。フィールドマッピングタイプのビームシェーパーは透過率が高く、高出力レーザでの使用が可能で、トップハット以外にもドーナッツや逆ガウスなど多様に対応できるという特徴があります。

 

 

 

 

 

フィールドマッパーには集光型と結像型があります。
集光型フィールドマッパーは集光点でトップハットやリングビームを生成するのに対し、結像型フィールドマッパーはビームシェーパー直後でトップハットビームを生成します。

• フィールドマッパー（集光型ビームシェーパー）

• フィールドマッパー（結像型ビームシェーパー）

集光型ビームシェーパー（フォーカルπシェーパー）は入射するガウシアンビームを集光位置でトップハットビームに変換します。そのほか、ドーナッツ形状のビームなども得られます。溶接、AM（AdditiveManufacturing）、穴あけ、スクライビングなどのレーザ加工に有効です。溶接時のスパッタの低減や、微細加工時のHAZ（熱影響領域）の低減に役立ちます。

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紹介動画

特徴

 

　　ガウシアンビームで使用していた光学系をそのまま使用しても同等のスポットビーム径が得られます。

　　　反射型の光学部品ですので、レーザパワーのロスが少ないです。

　　　様々な波長、入射ビーム径、出力に対応した幅広いラインナップをそろえております。
　　　平行光だけでなく、拡散光（ファイバからの出力）に対応したコリメータ内蔵型もございます。

　　　数kWのレーザ出力に対応したモデルもご用意しています。

　　　インフォーカスで使用するとトップハットビームだけでなく、ドーナッツ形状のビームが得られます。
　　　このビームは溶接やAMなどの熱加工に有効です。
　　　ビームシェーパー本体の調整リングを回すことで、ワーキングディスタンスを変えずにビームプロ
　　　ファイルを変えることも可能です。

標準ラインナップ

標準トップハットジェネレータは4-6mmのビームを入射しAiryDiskを出力します。このビームをご使用のレンズで集光すると集光点付近にトップハットやドーナッツビームを生成することが可能です。広がり角調整機構があり、ワーキングディスタンスを変えることなく、加工点で必要なビームプロファイルが得られます。

標準トップハットジェネレータ
型式	波長	直径×長さ	ダメージ閾値 @ 5ns
Focal-πShaper 9_1940_HP	1800-2050nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_1550_HP	1450-1650nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_1064_HP	1020-1100nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_TiS_HP	750-850nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_532_HP	510-550nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_355_HP	340-370nm	44×93mm	100mJ/cm2
Focal-πShaper 9_266_HP	255-275nm	44×93mm	100mJ/cm2

矩形トップハットジェネレータはその名の通り、加工点で矩形のトップハットビームを生成します。薄膜の除去などのアプリケーションに最適です。

矩形トップハットジェネレータ
型式	波長	直径×長さ
Focal-πShaper 9_1064	1020-1100nm	41×110mm
Focal-πShaper 9_532	520-550nm	41×110mm
Focal-πShaper 9_355	330-380nm	41×110mm

高出力ファイバレーザ用トップハットジェネレータはQBHコリメータと集光型ビームシェーパーのハイブリットデバイスです。QBHコネクタ付きのファイバレーザを接続すると内部でコリメートし、AiryDiskに変換してから出力します。この出力をレンズで集光することで、集光点付近でトップハットやドーナッツを得ることができます。溶接などのアプリケーションに最適です。

高出力ファイバレーザ用トップハットジェネレータ
型式	波長	入射ビーム2θ(1/e2)	最大入射パワー
Focal-πShaper NA0.1_50_80_1064	1020-1100nm	0.2-0.24	2kW (CW)
Focal-πShaper NA0.06_50_80_1064	1020-1100nm	0.1-0.12	2kW (CW)

CO2レーザ用トップハットジェネレータはCO2レーザを加工点でトップハットまたはドーナッツに変換します。

CO2レーザ用トップハットジェネレータ
型式	波長	入射ビーム2θ(1/e2)	直径×長さ
Focal-πShaper10 _CO2_9.4	9.3-9.5um	7.0-10.0mm	45×72mm
Focal-πShaper CO2_Q-10	10.5-10.7m	8.0-12.0mm	42×29mm

1枚タイプトップハットジェネレータは入射するビームをAiryDiskに変換します。標準トップハットジェネレータのような広がり角調整機構がない分、小型の設計となっており装置へ簡単にインテグレーションできます。入出射の取り付けネジはQBHコリメータで標準的なネジとなっており、取り付けも簡単です。金属３Dプリンタなどのアプリケーションに最適です。

1枚タイプトップハットジェネレータ
型式	波長	入射ビーム径	最大レーザパワー
Focal-πShaper NIR_Q-3	1500-2100nm	2.5-4mm	100W
Focal-πShaper NIR_Q-4		3-5mm	100W
Focal-πShaper NIR_Q-5		4-6mm	200W
Focal-πShaper NIR_Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper NIR_Q-10		8-12mm	200W
Focal-πShaper 1064_Q-3	1020-1100nm	2.5-4mm	100W
Focal-πShaper 1064_Q-4		3-5mm	100W
Focal-πShaper 1064_Q-5		4-6mm	200W
Focal-πShaper 1064_Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper 1064_Q-10		8-12mm	200W
Focal-πShaper 1064_Q-14		11-17mm	300W
Focal-πShaper 1070_Q-5-HP		4-6mm	1,500W
Focal-πShaper 1070_Q-7.5-HP		6-9mm	2,000W
Focal-πShaper 1070_Q-10-HP		8-12mm	3,000W
Focal-πShaper TiS_Q-3	750-900nm	2.5-4mm	100W
Focal-πShaper TiS_Q-4		3-5mm	100W
Focal-πShaper TiS_Q-5		4-6mm	200W
Focal-πShaper TiS_Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper TiS_Q-10		8-12mm	200W
Focal-πShaper TiS_Q-14		11-17mm	300W
Focal-πShaper NUV-Q-3	335-560nm	2.5-4mm	100W
Focal-πShaper NUV-Q-4		3-5mm	100W
Focal-πShaper NUV-Q-5		4-6mm	200W
Focal-πShaper NUV-Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper NUV-Q-10		8-12mm	200W
Focal-πShaper 266-Q-3	250‐275nm	2.5‐4mm	100W
Focal-πShaper 266-Q-4		3-5mm	100W
Focal-πShaper 266-Q-5		4-6mm	200W
Focal-πShaper 266-Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper 266-Q-10		8-12mm	200W
Focal-πShaper CO2＿Q-5	9000-11000nm	4-6mm	200W
Focal-πShaper CO2＿Q-7.5		6-9mm	200W
Focal-πShaper CO2＿Q-10		8-12mm	200W

このタイプのビームシェーパーは入射するガウシアンビーム、またはマルチモードビームを平行なトップハットビームに変換します。ビームシェーパーからの出射ビームを結像することで様々なサイズのトップハットビームを生成することができます。ブレージングなどの他、ホログラフィや干渉パターニング、共焦点顕微鏡などに使用されます。

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　　　　強度分布が一様なだけではなく、シャープなエッジが得られます

　　　反射型の光学部品ですので、レーザパワーのロスが少ないです。

　　　様々な波長、入射ビーム径、出力に対応した幅広いラインナップをそろえております。
　　　平行光だけでなく、拡散光（ファイバからの出力）に対応したコリメータ内蔵型もございます。

　　　数kWのレーザ出力に対応したモデルもご用意しています。

　　　　波面を崩すことなくビームの強度分布のみを変換します。

標準ラインナップ

型式	波長	入射ビーム径(1/e2)	タイプ
πShaper 6_6_1064	1020-1100nm	6.4-6.5mm	平行光入射
πShaper 6_6_532	510-550nm	6.3-6.4mm	平行光入射
πShaper 6_6_1550	1500-1600nm	6.4-6.5mm	平行光入射
πShaper 6_6_2.05	1900-2160nm	6.4-6.5mm	平行光入射
πShaper 6_6_1.9-2.8	1900-2800nm	6.1-6.2mm	平行光入射
πShaper 6_6_NIR	1100-1700nm	5.9-6.0mm	平行光入射
πShaper 6_6_VIS	405-680nm	5.9-6.0mm	平行光入射
πShaper 6_6_NUV	335-560nm	5.9-6.0mm	平行光入射
πShaper 6_6_TiS	700-900nm	6.4-6.5mm	平行光入射
πShaper 6_6_xTiS	750-1100nm	5.9-6.0mm	平行光入射
πShaper 6_6_325	305-345nm	6.3-6.4mm	平行光入射
πShaper 6_6_350	330-380nm	6.3-6.4mm	平行光入射
πShaper 6_6_266	250-275nm	6.3-6.4mm	平行光入射
πShaper 6_6_213	206-220nm	6.3-6.4mm	平行光入射
πShaper 6_6_350C	330-380nm	75mrad	拡散光入射 （コリメータ内蔵）
πShaper 12_12_10.6	10000-11000nm	12.0-12.2mm	平行光入射
πShaper 12_12_1064_HP	1020-1100nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_1064_HP_W	1020-1100nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_1064C	1020-1100nm	58mrad	拡散光入射 （コリメータ内蔵）
πShaper 12_12_TiS	700-900nm	12.8-13.0mm	平行光入射
πShaper 12_12_TiS_HP	700-900nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_532	515-550nm	12.8-13.0mm	平行光入射
πShaper 12_12_532HP	515-550nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_355HP	330-380nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_266	250-270nm	12.6-12.8mm	平行光入射
πShaper 12_12_266HP	250-270nm	12.0-12.1mm	平行光入射
πShaper 12_12_266C	250-270nm	60mrad	拡散光入射 （コリメータ内蔵）
πShaper 37_34_1064	1020-1100nm	160-190mrad 30-37mm	拡散光入射 （コリメータ内蔵）

製品		説明
4スポットジェネレータ		入射ビームを4つに分岐するアフォーカルの光学系です。 分岐したビームの強度比率を変えたり、位置を変えることができ、様々なビームプロファイルに対応します。
9スポットジェネレータ		入射ビームを9つに分岐するアフォーカルの光学系です。 分岐したビームの強度比率を変ることができます。
マルチフォーカス光学系		光軸方向に複数の焦点を生成する光学系です。コリメータタイプ、集光レンズタイプ、アフォーカルタイプがございます。 フォーカスビームの強度比率を変えることができ、各プレーンにおいて様々なビームプロファイルを生成します。
コヒーレントビームコンバイニング		無限にビームプロファイルを生成することができる最新のファイバーレーザです。

 

 

 

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