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ガウスビーム

1960
光学研究所にあるガウシアンビームを利用したレーザー切断機。.

(画像はイメージです)

ガウスビームとは、横方向の電場分布と強度分布がガウス関数で記述される電磁波ビームのことです。これは、基本横モード(TEM00)で動作するレーザーにおいて最も一般的な出力プロファイルです。このプロファイルにより、ビームは長距離にわたって高い集束性を維持でき、高ビーム品質を実現する理想的なケースとなります。

ガウスビームは、近軸ヘルムホルツ方程式の解であり、急速に発散しないビームに対するマクスウェル方程式の近似です。ビームの中心からの半径方向距離[latex]r[/latex]と、その最も狭い点(「ビームウエスト」)からの軸方向距離[latex]z[/latex]の関数としてのガウスビームの強度[latex]I(r, z)[/latex]は、[latex]I(r, z) = I_0 left(frac{w_0}{w(z)}right)^2 expleft(frac{-2r^2}{w(z)^2}right)[/latex]で与えられます。ここで、[latex]I_0[/latex]はビームウエストでのピーク強度、[latex]w_0[/latex]はビームウエスト半径(強度が軸方向値の[latex]1/e^2[/latex]まで低下する点)、[latex]w(z)[/latex]は距離[latex]z[/latex]でのビーム半径です。

ガウスビームを記述する主要なパラメータには、ビームウエスト ([latex]w_0[/latex])、ビームが比較的平行な状態を保つ距離であるレイリー距離 ([latex]z_R[/latex])、および遠視野でビームがどれだけ速く広がるかを表すビーム発散角 ([latex]theta[/latex]) があります。これらのパラメータはすべて相互に関連しています。ビームウエストが小さいほど、回折の結果として発散角が大きくなります。実際のレーザービームの品質は、多くの場合、M二乗 ([latex]M^2[/latex]) 係数で表されます。これは、ビームパラメータの積 (ウエスト半径と遠視野発散角の積) を、理想的なガウスビーム ([latex]M^2=1[/latex]) と比較したものです。ガウスプロファイルは、特定の波長に対して可能な限り小さなスポットサイズに集束でき、強度を最大化できるため望ましいものです。

UNESCO Nomenclature: 2210
光学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • マクスウェルの電磁気学方程式
  • ホイヘンス・フレネルの回折原理
  • 基本モードを自然にサポートするレーザー共振器の開発

アプリケーション

  • レーザー切断と溶接
  • 光ファイバー結合
  • レーザーポインター
  • バーコードスキャナー
  • 光トラッピング(「光ピンセット」)
  • レーザー通信システム

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:ガウスビーム、レーザービームプロファイル、EM00、ビームウエスト、レイリー距離、ビーム発散、M二乗、近軸近似、回折、ビーム品質。

歴史的背景

ガウスビーム

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1960-05-16
1962
1963
1964

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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