01はじめに
現在、光源からアプリケーション領域までビームを本質的に導く、さまざまなタイプのビーム伝達システムが開発されています。ほとんどの場合、使用される光源は何らかのレーザーです。たとえば、レーザー材料加工では、工業用レーザーの出力をワークピースに導き、ワークピースがレーザーにさらされるようにする必要があります。工業処理では、ビーム送達システムは通常、ロボット技術と組み合わせて使用されます。通常、ロボット アーム上のレーザー加工ヘッドには固定レーザーが供給されます。もう 1 つのアプローチは、必要なビーム経路の長さを最小限に抑え、可動性を最大化するために、十分にコンパクトで堅牢なレーザーをロボット アームに直接取り付けることです。ビーム伝達システムの利点は、レーザー光源を適用領域の近くではなく、保護された保守が容易な領域に配置できることです。さらに、可動送達システムにより、重いレーザー自体を移動させることなく、レーザービームを広範囲に移動させることもできます。ただし、長いビーム送達システムの場合、光パワーの損失、非線形効果による制限、またはパルスの広がりの問題（超短パルスの場合）など、いくつかの欠点も存在する可能性があります。
02フリー-スペースビーム送信システム
レーザーの自由空間出力ビームは、ミラーを使用して誘導できます。{0}高品質、高反射率の誘電体ミラーを使用すると、非常に高い光パワー レベルを処理できます。-複数のミラーが必要な場合でも、その透過率 (入力パワーに対する出力パワーの割合) は 100% に非常に近くなる可能性があります。誘電体ミラーは、限られた波長範囲内でのみ効果を発揮します。したがって、このような装置は通常、波長 1064nm および 1030nm の Nd:YAG および Yb:YAG レーザーに適した特定の種類のレーザー用に製造されていますが、波長 1500nm または 2000nm では動作しません。ただし、ミラーは、紫外（エキシマレーザーなど）から可視範囲（周波数-倍のYb:YAGレーザーなど）、赤外範囲（CO2レーザーなど）まで、幅広い波長に対応するものが市販されています。最も単純なビーム伝送システムは、固定されたビーム経路を持ち、たとえば 1 つまたは 2 つの 90 度偏向のみを使用して、元々水平だったビームを下向きにワークピースに向けます。ビーム経路全体は気密導管システムに囲まれており、その終端にはレーザー加工ヘッドがあります。経路はシール要素を交換することで変更できますが、動作中に変更することはできません。
古典的な自由空間ビーム伝送ソリューションは、ヒンジ付きミラー アームです。このアームでは、ヒンジ付き反射アームに統合されたミラーによって可動光路が実現されます。ジョイントの設計により、最小トルクが適用された場合にのみ動作します。それ以外の場合は、その位置に留まります。コンポーネントの重量はカウンターウェイト、スプリング、またはその他の手段で補償できるため、位置調整が容易になります。ドリフトや振動などの問題を回避して、スムーズな動きと安定したビーム位置を実現するには、使用される光学機械デバイスが高精度である必要があります。ビーム伝送光学システムの端には、通常、ヘッドセット、固定レーザー加工ヘッド、走査ヘッドなどの光学デバイスが接続されます。通常、ビームは塗布領域に焦点を合わせますが、場合によってはより広いターゲット領域を照射します。
03 光ファイバービーム伝送システム 光ファイバー伝送は、レーザービームを伝送するための非常に柔軟な方法です。通常、レーザー伝送に使用されるファイバーは、壊れやすいファイバーを保護するための外側シースを含む保護光ケーブル内にカプセル化されています。また、偶発的なファイバー損傷によるレーザー漏れをリアルタイムで検出できる内蔵ケーブル監視システムなどの追加機能も統合されている場合があります。-最も一般的な光学ガラス ファイバーである石英ファイバーは、特定の波長範囲にわたって非常に低い伝送損失で光エネルギーを伝送でき、伝送距離は数メートルまたはそれ以上です。その波長範囲は、ほとんどの産業用レーザーが動作する近赤外線領域をカバーしています。-ただし、この材料の限界も明らかです。高出力用途では、石英ファイバーの紫外線範囲（エキシマレーザーなど）と遠赤外線範囲での伝送能力が制限されます。-典型的な例は、波長 10600 nm の CO₂ レーザーの場合、その高出力ビームを効果的に送信できる成熟したファイバーが現在ほとんど存在せず、多関節アームがこの分野で一般的に使用されるソリューションです。-伝送する光パワーが大きくなるほど、ファイバコアの直径も大きくする必要があります。これは、損傷を防ぐためにコア内の出力密度を下げるため、また高出力レーザー源に通常関連するより大きなビームパラメータ積（BPP）に適合させるためでもあります。-。レーザーをファイバーに効果的に結合するには、ファイバーに十分に大きな開口数 (NA) が必要です。NA は、コアとクラッド間の屈折率差によって決まります。大きなコア直径と高い NA の組み合わせにより、多数の導波モードが発生し、ファイバー内のビーム伝播が非常に複雑になります。全体的な光損失が小さい場合でも、異なるモード間でのエネルギーの再配分により、多くの場合、ビームの輝度が低下し、一般にビーム品質の低下と呼ばれます。ファイバー出力には通常、処理ヘッドや走査ヘッドなどの追加の光学要素が装備されています。基本的にこのヘッドはビームの位置と方向を決定するものであり、ファイバーケーブルを動かすだけではビーム特性にほとんど影響を与えません。しかし、ファイバを曲げるとモード結合が容易に発生し、ファイバモード間のパワー分布が変化し、ファイバからのビーム発散とファイバ出力における強度分布の「重心」の両方に影響を及ぼし、それに対応して出力ビーム品質が低下する可能性があります。
