レーザーコリメータは、光のビームを狭めるために使用されるデバイスです。光ビームを特定の方向に配置したり、ビームの空間断面を縮小して小さくしたりするために使用できます。レーザー コリメータは、レーザー ビームをコリメートするためによく使用されます。これは、散乱光のビームを平行光線のビームに変換することを意味します。
コリメーションのコンセプトは非常にユニークです。実験室で視野角を補正するために使用され、天文学でも重要な役割を果たします。今日の標準的な 8 インチの望遠鏡は遠くのクエーサーや銀河を見ることができますが、そのような通常の望遠鏡はどのようにして遠くの物体を見るための明瞭さを得たのでしょうか?その答えは、今日の望遠鏡にはほとんどの場合、レーザーまたは光学コリメータが付属しているということです。レーザー コリメータとは何かを説明する前に、まずビームのコリメーションが実際に何を意味するのかを理解してみましょう。
コリメーションとは?
光が屈折する物体を通過するときはいつでも、一定量の回折を受けます。光のビームは散乱し、観察者には届きません。さらに、平行光線ではなく、散乱角を持っています。
一方、コリメートされた光線は、極端に平行な光線を持つ光線です。したがって、コリメーションは、散乱光を多数の平行光線を持つ光ビームに変換するプロセスとして定義できます。コリメートされた光ビームは、ビーム半径が中程度の伝播距離内で大幅に変化しないように、ビーム発散が小さいビーム (通常はレーザー ビーム) です。単純な (そして頻繁に遭遇する) ガウス ビームの場合、これは想定される伝搬距離に比べてレイリー長が長くなければならないことを意味します。
コリメータ 光を絞る装置です。光のビームを狭くすることには、2 つの意味があります。最初のものは、特定の方向に光のビームを配置することを意味します。 2 番目の手段は、ビームの空間断面を小さくすることです。
レーザーのコリメート方法
レーザーは、高強度単色光のコヒーレント ビームを生成するデバイスとして定義できます。民間人が使用する通常のレーザーのほとんどは、レーザー ダイオードです。ラボに存在するガスまたは結晶レーザーの対応物とは異なり、レーザー ダイオードは深刻な発散レベルを持っています。ダイオード レーザー ビームには、波面の品質が低く、深刻な非点収差があり、楕円の問題もあります。レーザー ダイオードの非点収差は、通常、レーザー ダイオードからのレーザー ビームが直面する収差のレベルを指します。楕円形のビームは、エッジでレーザーが少しにじむこともあります。完全な点を形成するのではなく、小さな楕円を形成します。これらの問題は両方とも、いくつかの光学補正を使用して修正できます。
コリメートされているレーザーの概略図。
レーザー ダイオード ビームをコリメートする最も簡単で一般的な方法は、単一の非球面レンズを使用することです。このレンズの焦点距離が長いほど、コリメート後のビーム径は大きくなります。さらに、たとえばコリメートされたビームのビーム半径を拡大するなど、特定のビーム調整を行う必要がある場合は、いわゆる望遠鏡と呼ばれる 2 レンズ システムがよく使用されます。負の焦点距離を持つ 1 つのレンズと正の焦点距離を持つもう 1 つのレンズは、ビームをコリメートして拡大または縮小するためのセットアップを作成します。楕円の問題を修正するには、楕円の遅軸方向に拡大するか、速軸方向に圧縮することによって、コリメートされた楕円ビームを円形にすることができます。
望遠鏡のレーザー コリメータ
レーザーコリメータを使用すると、反射望遠鏡の光学系を便利に調整できます。まず、レーザー コリメータを使用して、副鏡が 主鏡の中心を直接指しています .
最初に行うことは、望遠鏡のチューブを通してレーザー コリメータを照らすことです。レーザーコリメータが動かずにしっかりと固定されていることを確認する必要があります。これにより、たわみやフロップなしでレーザー コリメータの適切な位置合わせが保証されます。
レーザー光線は副鏡で反射し、主鏡に到達します。通常、主鏡には小さなマーキング テープが貼られています。レーザーはこのマーカーに当たるように調整され、二次ミラーはそれに応じて方向付けられ、焦点が合わせられます。
レーザーのコリメーションは、非常に正当な理由で行われます。理論的には画像の焦点を無限遠に合わせるのに役立ちます。これにより、遠く離れた天体の透明度が向上します。望遠鏡でレーザーを使用してコリメートする理由を説明する理論的な例を考えてみましょう。
オブジェクトが遠くにある場合の光のコリメーション。
コリメートの問題は、遠くのオブジェクトが点光源として表示される場合に発生します。残念ながら、真の点光源というものはなく、点光源の半径が y1 で最大光線の角度が θ1 の場合、光源のサイズを計算に含める必要があります。焦点距離 f のレンズを使用してこの光源からの出力をコリメートすると、結果は半径 y2 =θ1f および発散角 θ2 =y1/f のビームになります。どのレンズを使用しても、ビーム半径とビーム発散角は相反関係にあることに注意してください。したがって、焦点が無限遠にあると、光線角度がゼロになり、それによって光ビームがコリメートされます。
ラボでのレーザーコリメーション
(画像クレジット:PICRYL.Com)
コリメートされたレーザービームは、ビーム半径がほぼ一定に保たれるため、実験室のセットアップで非常に役立ちます。そのため、追加の光学系を適用せずに光学部品間の距離を簡単に変更でき、過剰なビーム半径が回避されます。ほとんどの固体レーザーは、コリメートされたビームを自然に放出します。フラット出力カプラーは、出力でフラットな波面 (つまり、ビーム ウエスト) を強制します。ビーム ウエストは通常、過度の発散を避けるのに十分な大きさです。ただし、端面発光レーザー ダイオードは強く発散するビームを放出するため、多くの場合、コリメーション光学系 (少なくとも高速軸コリメータを備えたもの) が装備されており、「高速」方向の強い発散を大幅に低減します。ファイバーの場合、多くの場合、単純な光学レンズでコリメーションに十分ですが、特に開口数の大きいシングルモード ファイバーの場合、非球面レンズを使用するとビーム品質をより良好に保つことができます。
