アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 ·...

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アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点スポットサイズと焦点深度の最適化 ビーム伝送システム (BDS.0004 v1.2)

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Page 1: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成による焦点スポットサイズと焦点深度の最適化

ビーム伝送システム (BDS0004 v12)

アプリケーション例の要約

設定の詳細

3 wwwLightTranscom

bull 光源minus 非点収差IRレーザダイオード

bull 構成minus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus 集光するための非球面レンズ

bull ディテクタminus スポットダイアグラムminus 焦点領域の1Dおよび2Dでの検証minus 焦点深度(DOF)

minus ビームパラメータ

bull モデリング設計minus 光線追跡初期焦点位置検出minus フィールドトレーシングベッセルビームの実際の形状と焦点深度の計算

コリメーション対物レンズ

システムの図解

ベッセルビームを生成する対のアキシコン

IRレーザーダイオード

の非対称ガウシアンビーム 集光強度分布

カタログからの非球面に焦点を当てる

4 wwwLightTranscom

モデリングと設計の結果

スポットダイアグラム

3Dシステム解析

強度解析

焦点領域解析

5 wwwLightTranscom

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 2: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

アプリケーション例の要約

設定の詳細

3 wwwLightTranscom

bull 光源minus 非点収差IRレーザダイオード

bull 構成minus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus 集光するための非球面レンズ

bull ディテクタminus スポットダイアグラムminus 焦点領域の1Dおよび2Dでの検証minus 焦点深度(DOF)

minus ビームパラメータ

bull モデリング設計minus 光線追跡初期焦点位置検出minus フィールドトレーシングベッセルビームの実際の形状と焦点深度の計算

コリメーション対物レンズ

システムの図解

ベッセルビームを生成する対のアキシコン

IRレーザーダイオード

の非対称ガウシアンビーム 集光強度分布

カタログからの非球面に焦点を当てる

4 wwwLightTranscom

モデリングと設計の結果

スポットダイアグラム

3Dシステム解析

強度解析

焦点領域解析

5 wwwLightTranscom

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 3: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

設定の詳細

3 wwwLightTranscom

bull 光源minus 非点収差IRレーザダイオード

bull 構成minus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus ビームコリメーション用の屈折レンズシステムminus 集光するための非球面レンズ

bull ディテクタminus スポットダイアグラムminus 焦点領域の1Dおよび2Dでの検証minus 焦点深度(DOF)

minus ビームパラメータ

bull モデリング設計minus 光線追跡初期焦点位置検出minus フィールドトレーシングベッセルビームの実際の形状と焦点深度の計算

コリメーション対物レンズ

システムの図解

ベッセルビームを生成する対のアキシコン

IRレーザーダイオード

の非対称ガウシアンビーム 集光強度分布

カタログからの非球面に焦点を当てる

4 wwwLightTranscom

モデリングと設計の結果

スポットダイアグラム

3Dシステム解析

強度解析

焦点領域解析

5 wwwLightTranscom

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 4: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

コリメーション対物レンズ

システムの図解

ベッセルビームを生成する対のアキシコン

IRレーザーダイオード

の非対称ガウシアンビーム 集光強度分布

カタログからの非球面に焦点を当てる

4 wwwLightTranscom

モデリングと設計の結果

スポットダイアグラム

3Dシステム解析

強度解析

焦点領域解析

5 wwwLightTranscom

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 5: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

モデリングと設計の結果

スポットダイアグラム

3Dシステム解析

強度解析

焦点領域解析

5 wwwLightTranscom

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 6: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

VirtualLabの追加機能

この例では次の機能の利点を挙げる

bull 焦点領域解析

―プロファイルラインディテク

―パラメータ実行ドキュメント

― HWxMディテクタ

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができる

mdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

z

6 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 7: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

まとめ

bull この例ではどのように焦点スポットサイズを小さくすることができるかと対のアキシコンレンズによって焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルを可能としアキシコンのような特殊な構成によって生成されたビームの焦点解析も可能にする 非球面レンズ後

のビーム

焦点でのビーム

7 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 8: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

アプリケーション例の詳細

システムパラメータ

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 9: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

関連するアプリケーション例

この応用例は対のアキシコンレンズによる「非回折」ベッセルビームの生成を示し焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

BDS0004ベッセルビーム生成用アキシコンレンズペア

BDS0001 コリメーション

レンズ

IBDS0002 ではビームを集光するために非球面レンズを使用した

この例では非球面レンズの前にアキシコンレンズペアを含んでいる

BDS0002フォーカスレンズ

9 wwwLightTranscom

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 10: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

設計タスク

コリメーション対物レンズダイオードレーザー

5mm 2037mm 5mm 2256mm

焦点面対のアキシコンレンズ

2つの同一のアキシコンレンズを使用して焦点スポットサイズを縮小し焦点深度を増加させる

10 wwwLightTranscom

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 11: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

仕様コリメートされていない入射レーザービーム

レーザー素子からのシングルモードIRダイオードレーザー

パラメータ 値 (単位)

11 wwwLightTranscom

名称型WSLD-1064-050m-

1-PD

波長 1064nm

ビーム強度の発散

10 deg times 20 deg (FWHM)

ie 849 deg times 1699 deg

(referring to 1e2)

偏光 直線(eg x軸に平行)

BDS0001と同様

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 12: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

仕様コリメーションレンズと背後のライト

BDS0001でのレンズその背後のビームパラメータ

パラメータ 値(単位)

12 wwwLightTranscom

1e2半径 X x Y 93622 microm times

18607 mm

1 e2発散角 0021245 deg times

0012396 deg

M2をXtimesY方向に 1018 times 11802

波面誤差のRMS ~003

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 13: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

仕様アキシコンレンズペア

パラメータ 値と単位

直径 254 mm

幅 5 mm

開き角度 -20 deg

材料 N-BK7

第2のアキシコンは第1のアキシコンに平行に光軸に沿って203672mmの相対距離で配置される開き角度は+20deg

その結果アキシコンペアは10の比を持つビーム拡張器のように機能する2

54

mm

13 wwwLightTranscom

bull アキシコンペアは2つの同一ア

キシコンタイプのレンズで構成されている

bull 開き角度は通常反時計回りとされている

5mm

-20deg

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 14: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

125mm

仕様非球面フォーカスレンズ

bull Asphericonの凸面非球面レンズはカタログから選択する

bull モデルALL12-25-S-U

(A12-25LPX)

パラメータ 値(単位)

直径 125 mm

実効焦点距離 25 mm

後側焦点距離 22354 mm

開口数 023

中心厚 40 mm

縁の厚さ 24 mm

材料 N-BK7

BDS0002では波長1064nmのレーザダイオードについて22576mmの後側焦点距離が決定された

14 wwwLightTranscom

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 15: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

アプリケーション例の詳細

シミュレーションと結果

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 16: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

bull The axicon pair generates a

Bessel beam which is called

a ldquonon-diffractingrdquo beam in

literature[1]

bull This is a physical optics

effect and cannot be

calculated by ray tracing

光線追跡ビームフォーカスの解析

wwwLightTranscom16

1次元光線分布

スポットダイアグラム

file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracinglpd

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 17: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

フィールドトレーシング回折ゾーン内のフィールドの計算

wwwLightTranscom17 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

幾何学的ゾーン

フィールド

再構成平面

bull Geometric Field Tracing Plus(GFT +)エンジンによる光の伝播は焦点領域外では正確である

bull 回折領域では幾何学的アプローチが有効ではないためビーム回折が顕著になる前にGFT +による伝播を停止しなければならないこの位置(フィールド再構成平面)においてフィールドデータはより適切な伝播技術に適切に伝えられる

bull この平面の再構成フィールドはクラシックフィールドトレーシングを使用していて焦点領域(=回折ゾーン)の内部へ伝播するために使用できる

回折ゾーン

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 18: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

フィールドトレーシング再構成平面でのフィールドの計算

wwwLightTranscom18

bull 回折ゾーン内のフィールドを計算するために非球面から185mmの距離にある幾何学ゾーンの終わり(=フィールド再構成平面)にGeometric Field Tracing (1)のバーチャルスクリーンが使用される

bull アキシコンの連続的でない頂点に当たる光はフィールドの再構築を数値的に乱すので絞り(2)によってブロックすべきである

12

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+lpd

フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

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フィールドトレーシングによる回折領域内の伝播

wwwLightTranscom19

bull 再構成されたフィールドはクラシックフィールドトレーシングを用い回折ゾーン内のフィールドを計算する際に使用できる

bull そのために再構築されたフィールドをStored Field Componentに格納するための新しいLPDの生成が推奨される

bull 光学部品または検出器など様々な要素の追加が可能ここではクラシックフィールドトレーシングによりフィールドのより正確な評価が得られる

bull このLPDはパラメータランのような最適化

および自動化ツールに使用して検出器までの距離を様々に変えることによってビームの焦点領域を検証することが可能

file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

20 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

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21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

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焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

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焦点領域におけるビーム幅

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bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

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この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

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まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

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レファレンス

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XZ平面における焦点領域の検証

bull 焦点領域の検証のため前回のLPDを焦点面と再構成面との間の距離を38mmから43mm(223mmから228mmの非球面からの距離に対応する)に変化させるパラメータランの実行に使用した

bull 両方の図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のx軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはx-z平面内のビームの焦点をより小さくする

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

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bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

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焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

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焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

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1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

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XZ平面における焦点領域の検証

bull 両図は(BDS0004)およびアキシコンペアなしの(BDS0002)焦点領域内のy軸に沿ったビームの2乗振幅を示す

bull 比較するとアキシコンペアはy-z平面内のビームの焦点も小さくする

21 wwwLightTranscomfile used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegionrun

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

アキシコンペアを有するxz平面におけるビームプロファイル

焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

wwwLightTranscom22 file BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002amp0004da

焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

23 wwwLightTranscom

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

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この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

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まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

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参考文献

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焦点領域におけるビーム幅

bull 焦点領域内のより詳細なビーム評価のためにアキシコンペアを入れる場合(BDS0004)と入れない場合(BDS0002) およびガウスTEM00モードの場合の半値半幅(HWHM)を計算し比較参照する結果は下図のとおり

bull アキシコンペアを使用することによって焦点スポットサイズおよび焦点深度が測定可能なほどに改善されることが明確に分かる

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焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

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焦点領域におけるビーム幅

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bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

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25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

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この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

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まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

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参考文献

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焦点領域におけるビーム幅

bull 理論上ではアキシコンは理想的なベッセルビームを生成するこれらのビームは焦点領域内のある距離までは「回折しない」という特性を有する[1]

bull その結果ベッセルビームは焦点領域内の焦点深度がより大きく同様のビームサイズのガウシアンビームのような発散は低減される

bull 比較する際焦点深度は距離として定義されビームウエスト(HWHMとして定義される)はradic2の係数で増える

DOF =radic2 HWHM

bull 焦点深度の比較にはガウスTEM00モードが参照として計算されすべてのビー

ムの総合的な焦点面においてそのビームウエストはベッセルビームのビームウエストに類似している

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焦点領域におけるビーム幅

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bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

BDS0004 X-Profile 155 249

BDS0004 Y-Profile 140 240

Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

25 file used BDS0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFTlpd

VirtualLab追加機能

この例においては次の機能の利点がある

bull 焦点領域解析mdash プロファイルライン検出器mdash パラメータ実行ドキュメントmdash HWxMディテクタ

z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

26 wwwLightTranscom

まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

非球面レンズ後のビーム

焦点でのビーム

27 wwwLightTranscom

参考文献

レファレンス

29 wwwLightTranscom

1 D McGloin K Dholakia ldquoBessel Beams diffraction in a new lightrdquo

Contemporary Physics Vol 4615 ndash 28 2005

2 Frank Wyrowski Huiying Zhong Site Zhang Christian Hellmann

bdquoApproximate solution of Maxwellrsquos equations by geometrical opticsldquo Proc

SPIE 9630 Optical Systems Design 2015 Computational Optics 963009

2015

参考文献

30 wwwLightTranscom

bull Get Started動画

minus Introduction to the Light Path Diagram

minus Introduction to the Parameter Run

minus Introduction to Parametric Optimization

bull アプリケーション例に関連のある文献

minus BDS0001 Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens

minus BDS0002 Focus Investigation behind Aspherical Lens

minus UseCase0047 Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine

minus UseCase0065 Usage of the Parameter Run Document

minus UseCase0083 High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus

Page 24: アキシコンペアを用いたベッセルビーム生成に よる焦点 ... · 2019-02-20 · • モデル:ALL12-25-S-U (A12-25LPX) パラメータ 値(単位) 直径 12.5

焦点領域におけるビーム幅

24 wwwLightTranscom

bull これと比較して計算されたビームウェストと焦点深度は以下のリストに示されている

bull アキシコンの入射光は収差があり非点収差のガウスシアンビームであるため生成されたビームは理想的なベッセルビームにはならない

bull 興味深いことに焦点領域における非点収差的なビームのふるまいはアキシコンペアによって著しく改善されるこれは特にビームのyプロファイルのパラメータに見られる

bull さらに生成されたベッセルビームの焦点深度は同様のビームウエストを有するガウシアンビームに比べて4倍に増加する

ビーム幅 (HWHM) [microm] 焦点深度 [microm]

BDS0002 X-Profile 554 gt 300

BDS0002 Y-Profile 297 165

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Gaussian TEM00mode 185 58

レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

(BDS0002)

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z

bull 以下のようなさまざまな有益な結果を得ることができるmdash 良質なビームビームサイズ形mdash 焦点深度mdash 焦点領域内の光軸に沿ったビームの伝播を示す多様な2D3D図

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まとめ

bull この例では一対のアキシコンレンズによって焦点スポットサイズをどのように小さくすることができ焦点深度を増加させることができるかを示した

bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

bull VirtualLabは物理光学ベースのプロファイルとアキシコンのような

特殊なコンポーネントによって生成されたビームの焦点解析を可能にする

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焦点でのビーム

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レンズより22576mmでの焦点スポット強度

対のアキシコンを用いた焦点スポット アキシコンを使用しない焦点スポット

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bull 焦点領域内のベッセルビームの伝播を解析した

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