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ビームプロファイルの測定原理-1
レーザービームが伝播する時、レーザーキャビティや広がり角の変化、光学素子の相互の影響により、
その幅と空間強度分布は変化します。
空間強度分布は、レーザービームがアプリケーションにおいてどのように振る舞うかを示す、
基本的なパラメータの1 つです。
レーザーによる印刷、材料処理、光ファイバーへのカップリング、光ディスクへのデータの保存、
レーザーの励起、および光化学は、レーザーの空間強度プロファイルとビームの幅が効率に影響するアプリケーションの例です。
理論的にビームの振る舞いを予測することはできますが、レンズやミラーの製造公差、
レーザーキャビティへの周囲の影響などから実際に解析することが必要となります。
従ってこれらのパラメータを正確に測定することは、研究者、システムの設計者、
およびレーザーのメーカーにとって大変重要です。
ISO 11146 規格では、このようなビーム測定に関する手法が定義されています。
CVI メレスグリオの全ての製品は、この規格に完全に適合しています。
ビーム径の定義
レーザービーム裾の境界線は明確に定義されておらず、少なくとも理論的には無限に広がっています。
従って、物理的に固い物質の寸法のようにビームの寸法を定義することは、容易ではありません。
一般的に使用されているビーム径は、光軸に直行する面において、ピーク値に対する1/e2（13.5 ％）
のレベルで測定された強度分布の幅と定義されています。
これはガウシアンビームの伝播が基本となり導かれており、基本的にTEM00 モードで発振するレーザーに適したものです
（図33 を参照）。
図33 TEM 00 モードのガウシアンプロファイル（w は、1/e 2
（13.5％）の強度レベルでのビーム半径）
しかしながら、多くのレーザーにおいては様々なビームの構造を呈するため、
このシンプルな定義を用いることには問題があります。
従ってISO 11146 規格では、実際の強度データより算出された強度分布の2 次モーメントの1/e2レベルを共通の定義として、
ビーム径と規定しています。
ビーム径の測定
レーザービームプロファイル測定装置は、カメラベースのシステム、ナイフエッジスキャナ、スリットスキャナ、
およびピンホールスキャナの4 つのタイプに大別されます。
これらは、各々長所と短所を併せ持っています。
各々の測定原理によりわずかに異なる結果が出る可能性があるため、
測定値の比較を行なう場合には測定原理の同じ測定装置を使用する必要があります。
カメラベースのプロファイラ
カメラベースのプロファイラは、ピクセルを正方形もしくは長方形の2 次元アレイ状に並べた画像デバイスを使用しています。
素子上に入射された光学パターンは、瞬時に記録され、表示することができます。
レーザービームの強度分布はピクセルごとに記録され、トモグラフィック（断層投影）もしくは3 次元プロファイルとして表示されます。
このプロファイラの利点は、どのような構造のプロファイルも検出し、表示することができるという点です。
また、2 次元および3 次元プロファイルを表示することができ、CW およびパルスレーザーのいずれにも使用することができます。
このタイプの装置の最大の短所は、測定分解能がピクセルのサイズ（通常一辺は5 〜10 μm ）により制限されるため、
一般的には60 μm 以上のビーム径の測定に限定されるという点です。
新しいタイプのカメラベースプロファイラであるマイクロビームは、レーザービームを100 倍の倍率で拡大することにより、
このビームサイズの制限の問題を解決しています。
これにより、直径が最小0.5 μm までのビームプロファイル測定が可能ですが、
逆に最大の直径は36.9 μm に制限されます。
その他に、波長範囲が限られるということも弱点として挙げられます。
CVI メレスグリオのカメラベースビームプロファイラには、
CCD ディテクタとCMOS ディテクタの2 つのタイプのディテクタが使用されています。
一般的に、CCD ディテクタはCMOS ディテクタに比べ、ダイナミックレンジが大きく、ノイズが小さいという特長を有していますが、
応答速度が若干遅く、複雑な回路が必要となります。
カメラベースのビームプロファイラの性能差は、大きくありません。
CMOS ディテクタの明らかな利点は、1 つのピクセルの不具合が、特定のピクセルにしか影響しないという点です。
CCD ディテクタの場合、電荷がディテクタ内の1 つの列を通って移動するため、
1 つの列全体に影響します。
ナイフエッジ、スリット、およびピンホールプロファイラ
これら3 種類の装置は、光軸に直交する方向にビームを横切る（機械的に移動する）
アパーチャーによりプロファイルの測定を行ないます。
アパーチャーを通過した光パワーはディテクタにより測定され、その値とアパーチャーの位置の相関関係が求められます。
3 次元的（X 軸とY 軸に対する強度分布）にプロファイルを測定するカメラベースのプロファイラとは異なり、
このタイプのプロファイラは1 度に2 次元的（X 軸方向の強度分布、もしくはY 軸方向の強度分布）な測定を行ないます。
従って、このシステムによる3 次元表示は直接測定されたものではなく計算されたものであり、
その精度と再現性は、ビームの特性と、表示に使用されるアルゴリズムによって導かれる基本的な理論に依存します。
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