非球面オプティクスでフレキシブルかつ頑強なビーム成形

測定技術や生物学の分野では，最適な照明を得るためにレーザビームプロファイルの均一性が常に求められる。材料加工においては，トップハット型ビームを使って材料に対する熱の印加や加工速度を最適化することができる。

ガウシアンビームのプロファイルは，そのフレキシブルな特長から，産業および研究分野で広く使用されているが，ビームプロファイルが不均一であったり，ビーム端で高エネルギーが欠如してしまうために，受け入れられないというアプリケーションもある。

材料加工では，材料への熱の印加や加工速度の最適化を行なうためにトップハット型プロファイルを使用することができる。過去には，屈折型ビーム成形のコンセプトが良好な結果をもたらすことが実証されている^1）。その理由は主に，高い効率と波長変化に対し過敏でないこと，またそのシンプルな構成と製造性にある。

今回我々が開発したのは，非常にフレキシブルなシステムレイアウトが可能な，2つの非球面ビーム形成システムである。入力の強度分布はコリメートされたガウシアンビームプロファイルで，これがコリメートまたは集光されたトップハット強度分布へと変換される。この両システムはいずれも，既存の測定セットアップにスムーズに組み込むことができる。これらは，コリメートされたレーザ光，またはファイバカプリングされた光源を使用することができる。さらに，入力および出力ビームはスケーラブル（拡大縮小可能）で，1台のビーム成形システムだけで幅広いトップハットサイズをカバーすることができる。この両ビーム成形システムは，高い光学性能を達成することができる。

■TopShapeでの屈折型ビーム成形

非球面オプティクスによるビーム成形の基本概念は，2−30年前には既にFriedenとKreuzerによって示されていた^{2, 3）}。この場合，コリメートされたガウシアンビームは，ある距離で均一化された強度分布をつくる非球面オプティクスの助けを使って再分配される。この位置では，再度トップハット型ビームをコリメートする2番目の非球面オプティクスが置かれ，その結果，可変距離でのトップハット型強度分布を生成する。そのために必要な光線の再分布と非球面形状の計算は，すでに文献で頻繁に考察されてきている^{1, 4）}。