レーザービーム広がり角計算ツールの使い方
レーザービーム広がり角計算ツールは、光学設計、物理実験、レーザー加工機や測定機器の選定において、レーザー光の拡散特性（ダイバージェンス）を迅速に評価・シミュレーションするためのオンライン計算ツールです。
- 計算モードの選択: 実測データに基づく「測定ビーム径モード」、または波長とウエスト半径から理論値を求める「ガウシアンビームモード」を選択します。
- パラメータの入力: 初期ビーム径（$D_1$）、伝搬後のビーム径（$D_2$）、距離（$L$）、波長（$\lambda$）、ビームウエスト半径（$w_0$）などの既知数値を適切な単位で入力します。
- 角度タイプの指定: 結果を「全角（Full-angle）」または「半角（Half-angle）」のいずれで出力するかを選択します。
- 結果の確認: リアルタイムで算出された広がり角（mrad、deg、rad等）と単位換算ステップ、計算過程を確認できます。
計算公式と理論解説 - レーザービームのダイバージェンス
本計算ツールでは、目的に応じて以下の2つの代表的な公式を使用しています。
1. 2点間ビーム径による幾何学的計算（小角近似）
伝搬距離 $L$ だけ離れた2位置におけるビーム径を $D_1$、$D_2$ とするとき、全角ダイバージェンス $\theta_{\text{full}}$ は小角近似を用いて次式で表されます。
$$\theta_{\text{full}} \approx \frac{D_2 - D_1}{L}$$
半角ダイバージェンス $\theta_{\text{half}}$ はその半分となります。
$$\theta_{\text{half}} = \frac{\theta_{\text{full}}}{2} \approx \frac{D_2 - D_1}{2L}$$
2. ガウシアンビームの回折限界広がり角（理論計算）
基本モード（$\text{TEM}{00}$）ガウシアンビームにおいて、波長を $\lambda$、ビームウエスト半径（強度が $1/e^2$ に低下する位置の半径）を $w_0$ とすると、遠方界（Far-field）における遠方半角広がり角 $\theta{\text{half}}$ は次のように定義されます。
$$\theta_{\text{half}} = \frac{\lambda}{\pi w_0}$$
全角広がり角 $\theta_{\text{full}}$ は $2 \times \theta_{\text{half}} = \frac{2\lambda}{\pi w_0}$ となります。
※不適切な入力（$D_2 \le D_1$ や負の距離・波長など）が与えられた場合は警告が表示され、誤った計算結果が出力されるのを防ぎます。
レーザービーム広がり角計算の活用シーン
- 光学系の設計とレンズ選定: レンズやビームエクスパンダを通した後のビームスポット径評価や光束の広がり防止の設計。
- レーザー加工・精密計測: ワーク位置でのエネルギー密度（パワー密度）やスポットサイズの正確な試算。
- 自由空間光通信・センサー評価: 長距離伝搬時の受光径設計および到達パワー評価。
- 研究・実験・教育: ガウシアンビーム光学や回折限界の理解、実験データの整合性チェック。
本ツールの計算結果は計画・学習・概算の補助を目的としています。高精度な産業用設計や安全管理においては、ビーム品質因子（$M^2$）やメーカー仕様書、実測波形による検証を併せて実施してください。