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長距離伝搬非回折ビーム

2018年3月12日 - 未分類

長距離でレーザー光の焦点を合わせる方法を探索中です。NRNB(Long Range Non-diffracting Beam)について調べました。

レーザービームは、ガウシャンビームと考えた場合、レンズ系で集光した場合には、ビームウエストで最少径になる。BW径を小さくしようとすると照射位置は近距離になり、平行束にしようとするとBW径は大きくせざるを得ないということになります。

ところが、光学的な非線形現象を利用すると話は変わってきます。レーザー光線を干渉させて発生する干渉光は、回折現象によりビームが広がらない非回折ビームという特徴がある。ベッセルビームは、既に、半導体の微細加工に使われているが、焦点長さは数mmほど。最大で6cmくらいまで焦点が伸びると言われている。ベッセルビームは円錐レンズ1つで作れるので簡単だが、到達距離が短く、また、中心のエネルギー密度も高くない。

長距離伝搬非回折ビーム (LRNB:Long Range Nondiffracting Beam) は、細いビーム幅を保ってあたかも回折しないかの如く長距離を伝搬する特殊なビーム光であり、ベッセルビームよりも、中心へのより高いエネルギー集中、長距離伝搬といった優位性がある。1990年代の後半、実験中に生じた現象の解明していた結果見つかったもので、このビームの発見は偶然だった。望遠鏡の接眼レンズからレーザーを入射し、天空にレーザー照射する実験で、接眼レンズの球面収差の影響で、たまたま干渉が生じて、LRNBの発生が見つかったとのこと。

原理

LRNB は、伝送する光の波面を特殊な形に制御する(光波面を開口で周辺程曲率が小さくなるように歪んだ球面にする)ことによって生成可能である。

具体的な方法

1.望遠鏡の接眼レンズに、適度な負の球面収差を持つ凹レンズを用い、この望遠鏡から光ビームを送信する。

2.透過型位相板を通して、レーザー光線をカセグリン望遠鏡から光ビームを送信する。

1のガリレオ望遠鏡に負の球面収差を持つの接眼レンズを使う方法が簡単そうです。負の球面収差を持つ凹レンズをどのように入手するかが問題です。

•メインローブの安定性・・・サイドロープに比して媒質の揺らぎに対する安定性が高い。それどころか一般のコリメートビームやフォーカスビームよりも安定している。

•回折限界以下のビーム幅・・・一般の光学系よりも高い分解能を発揮しうることを示している。

•細いビーム幅を保った長距離伝搬・・・一般的には不可能な非回折的なビームを生成できる。

•口径に比例した長距離伝搬・・・530nmの光を用いた場合、口径2~3cmで100m 、~10cmで数km、50cmで~50kmの長距離を非回折で伝搬できる。しかも、そのビームのコアの幅はミリメートルオーダーである。(10mの距離ならば、口径1cm以下になるかもしれない。)

LRNBの他の非回折ビームと異なる大きな特徴は、長距離(~100m、~km、~10km、それ以上と、送信のビーム径によって可変)の伝搬が可能であること、及び、中心へのエネルギー集中度が高いことである。

LRNBの論文は、いづれも大出力レーザーを使ったものが多く、距離も100m以上、数kmのものが多い。半導体レーザーでLRNBを生成したという報告は、見つけられていない。半導体レーザーでLRNB生成を試みたいところです。

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