レーザービームプロファイルとは？
レーザービームプロファイリングは、レーザービームの特性を測定・解析するための重要なツールです。本記事では、レーザービームプロファイリングの概念を解説し、レーザービームの特性を理解する重要性について説明します。さらに、カメラ、センサー、ソフトウェアを用いたさまざまな測定・解析手法と、それぞれの利点および制限についても解説します。また、レーザーシステムの設計・製造から、科学研究や医療用途に至るまで、レーザービームプロファイリングの多様な応用分野についても紹介します。レーザーの世界に初めて触れる方から経験豊富な専門家まで、最適なレーザー性能を実現し、レーザー技術の可能性を最大限に引き出すためには、レーザービームプロファイリングの理解が不可欠です。
レーザービームプロファイルとは何か？
レーザービームプロファイルとは、空間内の特定の位置におけるレーザービームの強度分布を測定したものです。このプロファイルは、レーザービームプロファイラと呼ばれる装置を用いて測定され、ビームからの光を検出し、空間内の強度分布をマップとして可視化します。レーザービームのプロファイルは、レーザーやビーム整形に用いられる光学系の特性に応じて、ガウシアン、トップハット、ローレンツ型、ベッセル型など、さまざまな形状を持つことがあります。
上の画像は、理想的な2次元ガウシアンビームプロファイルをカラー マップで示したもので、右側にカラースケールが表示されています。
ビームプロファイルは、伝搬距離、すなわちビームの進行方向に沿って変化することもあります。最も一般的な例がビーム発散です。ビームプロファイルは、多くのレーザー用途において重要であり、ターゲットに供給されるエネルギー量、レーザーの集光スポットのサイズと形状、特定位置における光の強度および均一性を決定します。
CMOSおよびCCDカメラを用いたビームプロファイル測定
CMOS（相補型金属酸化膜半導体）カメラおよびCCD（電荷結合素子）カメラの両方を、レーザービームプロファイルの測定に使用することができます。これらのカメラはレーザービームからの光を検出し、強度分布の画像を生成します。この画像を解析することで、ビームプロファイルを求めることができます。
CMOSおよびCCDカメラはいずれも、光を電気信号に変換することで動作します。CMOSカメラでは、センサー内の各ピクセルが独自のフォトディテクタとアンプを持ち、光を電気信号に変換します。すべてのピクセルからの信号が読み出され、処理されて画像が生成されます。CMOSカメラは、低消費電力、高速読み出し、画像処理などの機能を同一チップ上に統合できる点など、多くの利点を備えています。
一方、CCDカメラは、入射した光子によって生成された電荷を半導体上に蓄積し、それをレジスタ間で転送することで読み出します。CCDカメラは従来、高画質かつ低ノイズで知られてきましたが、近年ではCMOSカメラがその差を大きく縮めています。
両タイプのカメラはいずれもレーザービームプロファイルの測定に使用可能ですが、用途によって適・不適があります。例えば、CCDカメラは高感度かつ低ノイズであるため、低光量用途に適しています。一方、CMOSカメラは高速読み出しと低消費電力が特長であり、高速アプリケーションに適しています。また、高出力レーザーによる損傷に対して、より耐性が高いとも言われています。
いずれの場合も、カメラで取得した画像は、レーザースポットの画像を処理し、ビームプロファイルを算出できるソフトウェアによって解析される必要があります。最も一般的に使用される手法は、画像強度に対するガウシアンフィッティングです。
下の画像は、CMOSアレイ表面の例を示しています。この画像は、ピクセル形状を調査するためにSEM（走査型電子顕微鏡）で取得されたものです。画像内の各小さな正方形が、実際の受光素子、すなわちピクセルです。
3次元強度分布としてのレーザービームプロファイル
レーザービームプロファイルは、2次元（2D）の強度分布を指す場合もあれば、3次元（3D）の強度分布を指す場合もあります。
2D強度分布は横方向強度分布とも呼ばれ、焦点位置やターゲット位置など、空間内の特定点におけるレーザービームの強度を測定したものです。ビーム断面内での強度変化を示します。
一方、3D強度分布は、空間内の複数点におけるレーザービーム強度を測定したもので、ビーム特性をより包括的に把握することができます。ビーム断面内の強度分布に加え、ビームの発散や集光位置を含む、ビーム軸方向の変化も表現します。
3D強度分布を測定するには、複数の手法を組み合わせることが可能です。例えば、センサーやビームを制御しながら移動させて複数点で強度を測定する方法や、シャック・ハルトマンセンサーやスキャンスリット方式などの専用イメージングシステムを用いる方法があります。これらの手法により、より詳細かつ正確なレーザービーム特性評価が可能となり、特にレーザー材料加工など、3D強度分布が加工品質に影響を与える用途で有効です。
これらの画像を組み合わせることで、下図に示すようなレーザービームの「コースティクス」を描くことができます。
このような曲線（コースティクス）を用いることで、ビーム品質因子の一つであるM²などを評価することが可能です。
レーザービームプロファイルにおける代表的なアーティファクト
レーザービームプロファイルには、レーザーや測定システムの特性に応じて、さまざまなアーティファクトが現れることがあります。代表的な例は以下の通りです。
ノイズ：
電源の揺らぎや温度変化などによって生じる、不要な強度変動を指します。ノイズはビームプロファイルの正確な測定を困難にし、強度分布にランダムな変動として現れます。
クリッピング：
高強度領域が切り取られる現象を指します。測定に使用するセンサーが飽和し、ビームの最も強い部分を検出できない場合に発生します。その結果、実際のピーク強度が過小評価されます。
散乱：
ビーム経路上の表面や材料による回折や反射によってビームが拡散する現象です。散乱によりビームが歪み、プロファイルが変化します。
空間周波数依存損失：
光学部品がレーザー波長に最適化されていない場合に発生し、強度分布の不均一につながります。
参照ビームの不一致：
例えばシャック・ハルトマンセンサーで発生する可能性があります。このセンサーはマイクロレンズアレイを用いてレーザービームをサンプリングし、参照ビームと比較します。参照ビームが測定対象のレーザービーム特性と一致しない場合、測定結果に誤差が生じます。
ダスト：
レーザーシステムにおいて非常に一般的な問題です。光学素子上に付着した微小な埃は回折を引き起こし、ビーム品質に影響を与えます。さらに高出力では、埃が過剰にエネルギーを吸収して発熱し、最終的にミラー破損につながることもあります。
Huaris Laser Cloudは、人工知能によりビーム中のダストを非常に初期段階で全自動検出します。光学素子が損傷するリスクが低い段階でユーザーに警告を出し、不可逆的な破損が起こる前に清掃を促します。
回折：
レーザービームではさまざまな種類の回折が観測されます。例えば、ビームが進行経路上で遭遇した構造物に応じて、線形回折や円形回折が発生します。また、ミラーエッジのような丸みを帯びたエッジに当たることで、円形に近い回折パターンが現れることもあります。
ダスト検出と同様に、HuarisのAIは回折パターンも非常に早い段階で検出可能です。人間の目ではまだ認識できない段階でも、レーザーに異常が生じていることを明確に示します。この場合も、Huaris Cloudはビームアライメントの確認など、適切な保全アクションを提案します。
下の画像は回折したビームの例です。このケースでは、Huarisプロファイリングソフトウェアのローカルアプリケーション上で表示された、ガウシアンビームに対する線形回折です。
なお、これらのアーティファクトはすべての測定で必ず発生するわけではありません。また、適切に設計・校正されたシステムでは、これらの影響を大幅に低減することが可能です。
Huaris関連リンク
Huarisシステムは、人工知能を活用した最新のレーザービームプロファイリング技術を体現する優れた例です。製品およびソフトウェアはこちらをご覧ください。
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