帶有獨立波前校正的高效率光束分配裝置的製作方法

2023-11-30 16:18:26

專利名稱：帶有獨立波前校正的高效率光束分配裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及帶有獨立波前校正的高效率光束分配裝置。
背景技術：
在許多光學系統中，需要以最高質量的波前和最低的損耗將雷射源分配到許多輸出。通常，光束分配是用某些結構的分束器來實現的。一到二的光束分配可以用無塗層的玻璃片相對於輸入光束旋轉來實現。可以設置多個片以分配多個光束。可以增加塗層以提高效率。但是，這種方式代價高且複雜。多個光學器件需要多次對準並可能引起對準容差和元件波前容差的累加。容差的累加指的是對準中以及各個元件中缺陷的積累，它造成組件偏離理想性能的顯著偏差。
可以將平行的片結合在一起以使容差累加減至最小。可以將每個表面製造並測試到光學級別的表面質量，它給下一個平行的片提供了良好的參考表面。如果這些片的厚度至少與輸入光束的尺寸相等，並且它們以較大角度傾斜(例如45度)，則來自每個片的反射是空間分離的。反射光束的空間分離有利於光束分配。
假設某種應用要求高度的機械穩定性，則光束分配可以被結合到光學系統的支架。當結合成堆疊以造成單塊光學系統時，就難以對每個分配的光束的波前獨立地進行校正。因此性能受到光束序列中每個光學元件表面輪廓的限制。
因此，需要一種可以為每個分配的光束提供獨立波前校正的光學分配裝置。

發明內容
在根據本發明的一種實施例中，光束分配裝置包括沿軸線結合的平行四邊形稜鏡的堆疊以及分束塗層，每個所述分束塗層位於堆疊中相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間。堆疊安裝在三角稜鏡的入口表面上並向三角稜鏡提供輸出光束陣列。三角稜鏡包括全部沿軸線延伸的入口表面、反射表面和出口表面。反射表面具有暴露的表面用於對輸出光束進行整形，所述輸出光束來自堆疊，從反射表面反射並經過出口表面離開。
在根據本發明的另一種實施例中，光束分配裝置包括平行四邊形稜鏡的堆疊和分束塗層，每個所述分束塗層位於堆疊中相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間。分束塗層透射第一偏振態的光並反射部分第二偏振態的光。此裝置還包括延遲片和用於對輸出光束進行整形的校正反射光學器件，每個所述延遲片安裝在平行四邊形稜鏡與分束塗層相鄰的表面上，每個所述校正反射光學器件安裝在延遲片上。


圖1、2和3分別圖示了本發明的一種實施例的光束分配裝置的側視圖、正視圖和俯視圖。
圖4圖示了本發明的另一種實施例中光束分配裝置的側視圖。
不同附圖中使用的相同標號指示相似或相同的元件。附圖不是按比例繪製的，而僅僅是為了說明目的。
具體實施例方式
圖1、2和3分別圖示了本發明的一種實施例的光束分配裝置100的側視圖、正視圖和俯視圖。裝置100包括平行四邊形稜鏡104-1、104-2、104-3…104-n的堆疊102(其中「n」為等於所分配的光束數目的變量)，所述堆疊102安裝在三角稜鏡106上。在堆疊102中，相鄰的平行四邊形稜鏡沿X軸結合起來。
分束塗層108-1、108-2、108-3…108-n位於相鄰平行四邊形稜鏡間的相對平行表面之間。分束塗層108-1到108-n的反射光與透射光之比由輸出光束的功率需求來確定。通過光學幹涉塗層的設計和製造可以實現0％到100％之間的任意分光比。在一種要求輸出光束具有相等功率的實施例中，分光塗層108-1的分光比為1/n，分光塗層108-2的分光比為1/(n-1)，分光塗層108-3的分光比為1/(n-2)，等等。在一種實施例中，分光塗層108-1到108-n是可以根據下列特性中的一個或多個進行設計的光學塗層低損耗、限定的光譜範圍，以及對介質材料的選擇。
在一種實施例中，堆疊102是通過下列步驟製成的將各在一側塗有分光膜的平行的片結合，將結合的片傾斜為45度，將結合的片的頂部和底部切去以產生具有平坦的頂面和底面的堆疊，以及對堆疊的頂面和底面進行拋光。在一種實施例中，稜鏡104-1到104-n是玻璃斜方稜鏡。
三角稜鏡106具有入口表面110、反射表面112(圖2)和沿X軸延伸的出口表面114。堆疊102安裝在三角稜鏡入口表面110的頂部。如下面將要說明的，輸入光束陣列將從反射表面112反射並經過出口表面114沿Y軸輸出。由於反射表面112可以從外部接觸，可以修改反射表面112上的相應區域對輸出光束進行個別整形以確保每個輸出光束具有正確的波前。在一種實施例中，稜鏡106是玻璃直角稜鏡。
裝置100由單一的輸入光束118以如下方式產生輸出光束116-1、116-2、116-3…116-n的陣列。如圖1所示，輸入光束118從上方沿Z軸進入堆疊102，穿過稜鏡104-1的入口表面120，並照射到稜鏡104-1的反射表面121。由於入射光束118的入射角和從稜鏡104-1到空氣的介質改變，反射表面121作為全內反射(TIR)反射鏡並將輸入光束118沿X軸反射到稜鏡104-1的平行表面122上。表面122上的分束塗層108-1使輸入光束118的一部分通過(圖示為輸入光束118』)並沿Z軸反射輸入光束118的另一部分(圖示為輸出光束116-1)。
如圖2所示，輸出光束116-1通過三角稜鏡106的入口表面110並照射到反射表面112。反射表面112是TIR反射鏡並沿Y軸將輸出光束116-1反射到輸出表面114上。如圖2和3所示，輸出光束116通過輸出表面114並離開裝置100。圖1、2和3還圖示了對於後繼的平行四邊形稜鏡重複這種光路以產生輸出光束116-2到116-n。如上所述，分束塗層108-1到108-n可以選擇為使輸出光束116-1到116-n具有相同的光功率。
在裝置100組裝之後，可以測量輸出光束116-1到116-n以確定它們是否具有期望的波前。如果得到的波前不令人滿意，可以從反射表面112暴露的外表面對它的相應區域進行單獨修改以提供期望的波前。在一種實施例中，用紐約Rochester的QED Technologies的磁流變拋光技術對相應區域進行整形。這由反射表面112上的虛線表面124所圖示。也可以在反射表面112的相應區域上設置校正光學器件來提供期望的波前，而不是對反射表面112進行整形。
圖4圖示了本發明的一種實施例中的光束分配裝置400。裝置400包括平行四邊形稜鏡404-1、404-2、404-3…404-i(其中「i」為等於所分配的光束數目的變量)的堆疊402。在堆疊402中，相鄰的平行四邊形稜鏡沿X軸結合。在一種實施例中，稜鏡405安裝到堆疊402末端的平行四邊形稜鏡404-i。稜鏡405使平行四邊形稜鏡404-i無需複雜的塗層，並隔離最後的輸出光束使之不受環境影響，例如由氣壓引起的光束指向改變。在一種實施例中，稜鏡405是玻璃三角稜鏡。
分束塗層408-1、408-2、408-3…408-i位於相鄰平行四邊形稜鏡間的相對平行表面之間。在一種實施例中，每個分束塗層透射的基本上是P偏振光，而只有一部分S偏振光。分束塗層408-1到408-i反射和透射的S偏振光之比由輸出光束的功率要求來確定。通過光學幹涉塗層的設計和製造可以實現0％到100％之間的任意分光比。在一種要求輸出光束具有相等功率的實施例中，分光塗層408-1的分光比為1/i，分光塗層408-2的分光比為1/(i-1)，分光塗層408-3的分光比為1/(i-2)，等等。在一種實施例中，分光塗層408-1到408-i是可以根據下列特性中的一個或多個進行設計的光學塗層低損耗、限定的光譜範圍，以及對介質材料的選擇。
在一種實施例中，堆疊402是通過下列步驟製成的將各在一側塗有分光膜的平行的片結合，將結合的片傾斜為45度，將結合的片的頂部和底部切去以產生具有平坦的頂面和底面的堆疊，以及對堆疊的頂面和底面進行拋光。在一種實施例中，稜鏡404-1到404-i是玻璃斜方稜鏡。
延遲片430-1、430-2、430-3…430-i分別安裝在平行四邊形稜鏡404-1到404-i的底面上。校正反射光學器件434-1、434-2、434-3…434-i分別安裝在延遲片430-1到430-i上用於修改輸出光束的波前。在一種實施例中，延遲片430-1到430-i是四分之一波片，反射光學器件434-1到434-i是反射鏡。
裝置400由單一的輸入光束418以如下方式產生輸出光束416-1、416-2、416-3…416-i的陣列。在一種實施例中，輸入光束418既包括P偏振光也包括S偏振光。輸入光束418從上方沿Z軸進入堆疊402，穿過稜鏡404-1的入口表面420，並照射到稜鏡404-1的反射表面421。由於入射光束418的入射角和從稜鏡404-1到空氣的介質改變，反射表面421作為全內反射(TIR)反射鏡並將輸入光束418沿X軸反射到稜鏡404-1的平行表面422上。表面422上的分束塗層408-1將輸入光束418的部分S偏振光(示為輸入光束416-1)沿Z軸反射並經過出口表面432。分束塗層408-1還使輸入光束418中S偏振光的剩餘部分和基本上所有的P偏振光透射(圖示為輸入光束418』)到下一個分束塗層408-2上。
輸出光束416-1經過四分之一波片430-1並照射到反射光學器件434-1。反射光學器件434-1將輸出光束416-1經過四分之一波片430反射回去再次到達表面422上。在兩次經過四分之一波片430之後，輸出光束416-1從S偏振光改變到P偏振光。因此，輸出光束416-1現在經過表面422上的分束塗層408-1並離開裝置400。圖4還圖示了對於後繼的平行四邊形稜鏡重複這種樣式以產生輸出光束416-2到416-i。如上所述，分束塗層408-1到408-i可以選擇為使輸出光束416-1到416-i具有相同的光功率。
在裝置400組裝之後，可以測量輸出光束416-1到416-i以確定它們是否具有期望的波前。如果波前不令人滿意，可以對相應的反射光學器件434-i進行單獨修改以提供期望的波前。在一種實施例中，用磁流變拋光對相應的反射光學器件434-i進行整形以提供期望的波前。或者，也可以從可用的反射光學器件箱裡選擇預製的反射光學器件434-i以提供期望的波前。
對所公開的實施例的各個特徵進行的各種其他改編和組合都在本發明的範圍內。多種實施例都包含於所附權利要求中。
權利要求
1.一種光束分配裝置，包括堆疊，所述堆疊包括沿軸線結合的多個平行四邊形稜鏡；多個分束塗層，每個分束塗層位於所述堆疊中相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間；其中所述堆疊安裝在三角稜鏡的入口表面上並向所述三角稜鏡提供輸出光束陣列；所述三角稜鏡包括全部沿所述軸線延伸的入口表面、反射表面和出口表面，其中所述反射表面包括用於對所述輸出光束進行整形的區域，所述輸出光束來自所述堆疊，從所述反射表面反射，並經過所述出口表面離開。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述平行四邊形稜鏡包括斜方稜鏡。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述三角稜鏡包括直角稜鏡，所述反射表面包括斜邊表面。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述堆疊至少包括包括另一入口表面、第一斜表面和第二斜表面的第一稜鏡；包括第三斜表面和第四斜表面的第二稜鏡；所述第二斜表面和所述第三斜表面之間的分束塗層；在第一光路中，形成第一輸出光束的部分輸入光束進入所述另一入口表面，從所述第一斜表面反射，從所述第二斜表面與所述第三斜表面之間的所述分束塗層反射，進入所述三角稜鏡的所述入口表面，從為所述第一輸出光束修改的所述反射表面上的第一區域反射，並經過所述出口表面離開；並且在第二光路中，形成第二輸出光束的所述光束的另一部分經過所述第二斜表面與所述第三斜表面之間的所述分束塗層，從所述第四斜表面反射，進入所述入口表面，從為所述第二輸出光束修改的所述反射表面上的第二區域反射，並經過所述出口表面離開。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述分束塗層包括1/n、1/(n-1)、1/(n-2)等等的分束比，其中n為等於所述輸出光束數目的變量。
6.一種光束分配裝置，包括平行四邊形稜鏡的堆疊；多個分束塗層，每個分束塗層位於所述堆疊中相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間，每個分束塗層可以基本上透射第一偏振態的光，每個分束塗層可以透射第二偏振態的光的一部分並反射所述第二偏振態的光的剩餘部分；多個延遲片，每個延遲片安裝在平行四邊形稜鏡與偏振分束塗層相鄰的表面上；多個用於對光進行整形的校正反射光學器件，每個校正反射光學器件安裝在延遲片上。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述平行四邊形稜鏡包括斜方稜鏡。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述延遲片包括四分之一波片。
9.根據權利要求6所述的裝置，其中所述平行四邊形稜鏡包括包括第一表面、與第一表面平行的第二表面、以及第三表面的第一平行四邊形稜鏡；包括結合到所述第一平行四邊形稜鏡的所述第二表面的第四表面、平行於所述第四表面的第五表面、以及第六表面的第二平行四邊形稜鏡；所述分束塗層包括所述第二表面與所述第四表面之間的分束塗層；所述延遲片包括安裝在所述第三表面上的第一延遲片；安裝在所述第六表面上的第二延遲片；所述校正反射光學器件包括安裝在所述第一延遲片上的第一校正反射光學器件，為形成第一輸出光束的第一部分輸入光束而對所述第一校正反射光學器件進行修改；安裝在所述第二延遲片上的第二校正反射光學器件，為形成第二輸出光束的第二部分輸入光束而對所述第二校正反射光學器件進行修改；在第一光路中，所述第一部分輸入光束從所述第一表面反射，從所述第二表面反射，經過所述第三表面和所述第一延遲片，從所述第一校正反射光學器件反射，經過所述第一延遲片、所述第三表面和所述第二表面，並作為所述第一輸出光束離開所述裝置；在第二光路中，所述第二部分輸入光束經過所述第二表面和所述第四表面，從所述第五表面反射，經過所述第六表面和所述第二延遲片，從所述第二校正反射光學器件反射，經過所述第二延遲片、所述第六表面和所述第五表面，並作為所述第二輸出光束離開所述裝置。
10.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述堆疊還包括安裝到所述堆疊中最後一個平行四邊形稜鏡的三角稜鏡。
11.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述分束塗層包括1/i、1/(i-1)、1/(i-2)等等的分束比，其中i為等於從所述裝置輸出的光束數目的變量。
全文摘要
本發明公開了一種光束分配裝置，它包括平行四邊形稜鏡的堆疊和分束塗層，每個分束塗層位於相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間。堆疊安裝在三角稜鏡的入口表面上。三角稜鏡包括入口表面、反射表面和出口表面。反射表面具有用於對來自堆疊的輸出光束進行整形並將輸出光束經過出口表面反射的表面。本發明還公開了一種光束分配裝置，它包括平行四邊形稜鏡的堆疊和分束塗層，每個分束塗層位於堆疊中相鄰平行四邊形稜鏡的相對平行表面之間。分束塗層透射第一偏振態的光並反射部分第二偏振態的光。此裝置還包括延遲片和對輸出光束整形的校正反射光學器件，各延遲片安裝在平行四邊形稜鏡與分束塗層相鄰的表面上，各校正反射光學器件安裝在延遲片上。
文檔編號G02B27/10GK1908732SQ20061006702
公開日2007年2月7日 申請日期2006年3月31日 優先權日2005年8月1日
發明者W·克萊·施盧赫特, 榮·P·貝維斯, 約翰·J·博克曼, 格雷格·C·費利克斯, 特裡·E·裡納 申請人:安捷倫科技有限公司