熱レンズ効果対策製品

 

 

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。それだけではなく、ビームプロファイルも変化してしまいます。
加工点でのビーム径、強度分布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。

 

 

 

 

 

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、合成石英は屈折率温度計数(dn/dT)が7.5×10^-6と非常に大きい（BK7の屈折率温度計数の5倍）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。

熱レンズ効果を抑制するため、当社では以下の3つの方法を推奨しています。

 

石英の中でも純度の高いも（コーニングのC7979など）のを使い、高い品質の研磨、研磨残差の除去、高い品質のコーティングを施すことで、吸収が極めて小さな光学部品を作ることができます。

 

合成石英は熱伝導率が悪い材料です。熱伝導率が低いと光学部品上に温度分布ができやすくなります。温度分布ができると屈折率等にも分布ができますので熱レンズ効果が起きてしまいます。
ダイヤモンドやサファイヤのような熱伝導率の高い材質を使うことで、熱分布を小さくすることができます。

 

熱による屈折率変化dn/dTによって起きる熱レンズ効果を、熱膨張CTEによって起きる熱レンズ効果でキャンセルするという方法です。光学材料の中にはこれがベストな組み合わせで、常にdn/dTで起こる熱レンズ効果をCTEで起こる熱レンズ効果でキャンセルするという材料があります。