熱レンズ効果のメカニズムとその対策をご紹介します

熱レンズ効果の発生原因

高出力のレーザを使った加工においては様々な問題が発生します。その一つとして熱レンズ効果があります。
レーザ光が吸収され物質が温められると、温められた部分の密度、屈折率が変化します。
透過型の光学部品の場合、レーザ光の波長に最適な材質にARコート（反射防止コート）が施され、ほとんどの光は透過しますが、一部の光は吸収され熱に変わってしまいます。この熱によりレーザの照射されたところとその周辺に屈折率差がうまれ、それが原因で光学部品がレンズ作用を発揮します。これを熱レンズ効果と言います。

熱レンズ効果の加工への影響

熱レンズ効果が起きてしまうと、焦点位置がレンズ側に移動するため、加工点ではデフォーカスされたビームとなってしまいます。加工点でのビーム径（パワー密度）が変わってしまうため、加工品質が劣化してしまうことが考えられます。安定した加工を行うためには熱レンズ効果対策を十分に行う必要があります。

熱レンズ効果の対策

1umの高出力レーザ（YAGレーザ、ファイバレーザ）を使用する場合、合成石英の光学部品を使用するのが一般的です。
これは合成石英がこの波長を透過しやすく、熱レンズ効果の原因となるレーザ光の吸収が起こりにくいからです。
しかしながら、合成石英の屈折率温度計数(dn/dT)は7.5×10^-6と非常に大きい（BK7の屈折率温度計数の5倍）という材質でもあります。そのため、コンタミ等の影響で吸収が発生してしまうと、その屈折率は大きく変化し、結果として熱レンズ効果が起きてしまいます。
高出力レーザを取り扱う際にはS/D（スクラッチ/ディグ）の優れた光学部品を使用し、コンタミフリーの環境で使用することが重要となります。

この観点で考えると、プロセス中にコンタミがついてしまう保護ガラスは熱レンズの要因になりやすい製品と言えます。
当社では石英と比較してdn/dTの小さな保護ガラスをご提供しています。詳しくはこちら

熱レンズ効果対策製品

製品		概要
熱レンズ効果対策保護ガラス		熱レンズ効果抑制保護ガラスは特殊な材料により、dn/dTに起因するフォーカスシフト量をCTEに起因するフォーカスシフト量でキャンセルすることができる特殊な光学部品です。 レーザ加工時のフォーカス位置を一定に保ちます。
サファイヤ光学部品		サファイヤは熱伝導率が高く、熱レンズ効果の原因となる光学部品上の熱分布を作りません。 透過率も高く、高出力レーザにおけるレーザ加工の安定化に非常に有効な材料です。
超低吸収光学部品		特殊な製造方法により、レーザ光の吸収を極限まで落とした光学部品です。超ハイパワーレーザを使ったアプリケーションに最適です。
フォーカスシフト計測器		フォーカスシフトの計測に使用します。
リアルタイムフォーカスシフトモニタ		レーザ加工中にリアルタイムでフォーカスシフト量をモニタリングし、結果をアウトプットすることができます。 レーザ加工機にフィードバックさせることで、安定したレーザ加工を実現できます。