CN102017337A - 用于精密调整光学元件的位置的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学装置，该光学装置包括：腔，该腔限定光传播的腔轴线；至少两个光学元件，所述至少两个光学元件分别具有它们的光学轴线，并且所述至少两个光学元件沿所述腔轴线对齐，使得所述光学元件的所述光学轴线与所述腔轴线重合；以及定位单元，该定位单元与所述至少两个光学元件中的至少一个光学元件相关联。所述定位单元被配置成并且可操作用于提供所述至少一个光学元件绕所述腔轴线的可控的轴向转动，因此能够可控地精密调整所述至少一个光学元件相对于至少一个其它所述光学元件的定向，同时保持所述光学元件相对于所述腔轴线的对齐位置。

Description

用于精密调整光学元件的位置的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种可控地调整光学元件的位置的定位机构。本发明尤其用于调整在双晶体普克耳斯盒中晶体的位置。
背景技术
设计用于开关、调制和放大激光束的光学系统通常使用电光材料。在激光或其它光学系统中，电光材料通常被配置成基于普克耳斯电光效应的普克耳斯盒，其中在施加的电场下，寻常光线和非常光线的折射率都变化。普克耳斯效应发生在没有中心对称的材料中，如磷酸钛氧铷(RTP)、砷酸钛氧铷(RTA)、磷酸钛氧钾(KTP)、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)和其它材料。
普克耳斯盒用于许多科学和技术的应用中。结合有偏光器的普克耳斯盒用于许多应用中并且尤其用于控制光开关和/或光调制。在这些应用中，电光晶体的偏振方向根据施加到普克耳斯盒上的电场的改变而改变，从而穿过偏光器的光量改变而产生光闸/调制器。通过向电光材料施加或去除外部电场，可以在0°旋光度和90°旋光度之间转换，该光闸能够以几纳秒的速率很快地“开”和“关”光。同样的方法通过在0°和90°之间的偏振旋转用于光束调制，这样通过偏光器观察的光束显示出振幅调制的信号。
在其它应用中普克耳斯盒用于激光放大，在再生式放大器腔中的激光介质被充能以便在介质中生成过量的受激原子。然后普克耳斯盒通过防止振荡光从该腔出来而用于增益介质的放大。当该普克耳斯盒切换时，腔内的光能够从该腔发射出来并且通过该方法产生快速高能脉冲。这种结构可用于许多应用，如Q开关，啁啾脉冲放大和腔倒空。另外，普克耳斯盒可用于量子密钥分配以及电光探针中。
不带有任何附加的热稳定装置的热补偿普克耳斯盒基于使用两个相同的晶体。已知非线性光学材料的电光性能是依赖温度的，并且为了获得普克耳斯盒的稳定且可靠的操作，使用的非线性材料的温度必须稳定。使用两个晶体使得在没有任何热稳定单元的情况下普克耳斯盒的性能稳定。光传播沿着X轴或Y轴(取决于晶体切割平面)，两者都表现出双折射。两个晶体串联地定位，以这种方式使得第二晶体(或者第一晶体)相对于第一晶体(或者第二晶体)90°定向。在这种布置中，由温度引起的第一晶体双折射的任何变化由另一晶体抵消或补偿，保持整个普克耳斯盒不受温度影响。为了达到完美的匹配，两个晶体应该有相同的尺寸。另外，两个晶体的材料性能应当相似，以便获得普克耳斯盒的高对比率。而且，需要晶体性能之间的匹配以及机械装配，以便提供在从-60℃至+120℃的宽温度范围内普克耳斯盒的稳定且可靠的操作。两个晶体安装在相同的导电基上，并且上电极也以引线的方式连接在一起，所以两个晶体始终具有相同的电压。通常，两个晶体以在它们之间获得最好匹配并且达到最高的对比率的方式胶合到支撑物。一旦晶体安装上，在客户终端系统操作期间就没有任何可能性进行可能需要的进一步优化。
基于热补偿设计的普克耳斯盒用于许多应用中，其中脉冲从皮可秒到毫秒级变化。观察到的是，在使用飞秒级脉冲的普克耳斯盒的操作期间，观察到邻近主脉冲的相同飞秒级持续的边带脉冲。通常，对于较长脉冲，这些飞秒边带脉冲可能不会被观察到的，并且由此它对于主脉冲的影响可以忽略，然而对于飞秒主脉冲，边带脉冲降低了主脉冲的强度。观察到的是，在两个晶体之间的偏角的微小变化(也就是稍微高于或低于90°)可以降低或者甚至消除边带脉冲。两个晶体通过胶合安装的常规通用技术不能提供对于飞秒级脉冲所需的优化，而需要更精确地调整。
美国专利公布NO.2007/0236771公开了一种使用双晶体普克耳斯盒用于激光放大的方法和系统。在这个系统中，普克耳斯盒被构造成能够调整一个晶体相对另一晶体的转动定向。调整普克耳斯盒中的一个或两个晶体的转动定向以便控制激光脉冲中的边带。
发明内容
在本领域中需要促进光学元件相对于穿过光学系统的光传播的光学轴线的定向，尤其是但不限于调整在一个常规的腔内的晶体元件的定向。
本发明提供一种用于精密调整在系统中光学元件的转动定向的新颖的方法和系统。该技术可用于精密调整在普克耳斯盒中一个晶体相对于其它晶体以及相对于光传播轴线的定向。
根据本发明的一个宽的方面，提供一种光学装置，该光学装置包括：腔，该腔限定光传播的腔轴线；至少两个光学元件，所述至少两个光学元件分别具有它们的光学轴线，并且所述至少两个光学元件沿所述腔轴线对齐，使得所述光学元件的所述光学轴线与所述腔轴线重合；以及定位单元，该定位单元与所述光学元件中的至少一个光学元件相关联，并且所述定位单元被配置成且可操作用于提供所述至少一个光学元件绕所述腔轴线的可控的轴向转动，因此能够可控地调整所述至少一个光学元件相对于至少一个其它所述光学元件的位置，同时保持所述光学元件相对于所述腔轴线的对齐位置。
所述光学元件可以是晶体。所述装置可以被配置成且可操作为普克耳斯盒。
在本发明的一些实施方式中，所述至少一个其它光学元件的位置可以固定在所述腔内。
优选地，能转动的所述至少一个光学元件被防止沿着或横着所述腔轴线进行任何运动，能转动的所述至少一个光学元件还被防止相对于所述腔轴线倾斜。
在本发明的一些实施方式中，所述能转动的光学元件固定在能转动的支撑件上。通常，每个光学元件可在相对于它自己的支撑件的固定位置处被安装在该支撑件上，并且所述至少一个光学元件的支撑件被安装成用于绕所述腔轴线进行轴向转动。
在本发明的一些实施方式中，定位单元包括细长元件，该细长元件被安装成用于从所述细长元件的缩回的非作用性位置到所述细长元件的伸展位置进行往复运动，在所述非作用性位置处所述细长元件的远端与所述能转动的支撑件隔开，在所述伸展位置处所述远端接触所述能转动的支撑件而推动所述能转动的支撑件进行转动。
根据本发明的另一个宽的方面，提供一种系统，该系统包括上述光学装置，并且包括光检测单元。后者接收来自所述光学装置的光输出并且生成表示所述光输出的数据(例如输出光的时间分布图)。在操纵能转动的光学元件的角位置期间控制输出光，并且随后根据要获得的期望的光输出而固定所述元件的最优位置。
在本发明应用于双晶体普克耳斯盒的实施例中，两个晶体安装在分离的支撑物(支撑件)上，该支撑物(支撑件)合成为一个固定物(壳体)，然而，带有晶体的一个支撑物与所述固定物附接而没有任何调整的可能性，并且带有晶体的另一个支撑物被安装成用于绕光传播轴线转动，该光传播轴线也是晶体轴线。接着，所述固定物被导入到所述光学装置(框架)中，所述光学装置(框架)安装到终端用户系统用于最后的转动调整(例如为了减小或者完全消除边带脉冲)。为实现所述转动调整，所述系统具有定位单元，该定位单元带有特殊的转动机构，该特殊的转动机构允许在通过观测仪器观察主脉冲和边带脉冲两者的同时带有晶体的一个支撑件相对于另外一个支撑件以非常小的转动角度转动。带有一个晶体的可调整的支撑件被稳定在边带脉冲减少到最小或被消除的位置处，并且该位置被“储存”用于进一步操作。
附图说明
为了理解本发明并且了解如何在实践中实施本发明，现参考附图，仅通过非限制性实施例的方式来描述实施方式，其中：
图1A示意性地示出了在普克耳斯盒中晶体的相对定向之下的原理；
图1B是本发明的光学系统的框图，其适合用在普克耳斯盒中；
图2A和2B是适合用在图1B的系统中的光学装置的实施例的相对的立体图；
图3A和3B更具体地示出了分别用在图2A和图2B的装置中的两个光学元件的两个支撑件；
图4示意性地示出了用在图2A和图2B的装置中的定位单元的实施例；和
图5是图2A和图2B的装置的立体装配图。
具体实施方式
本发明提供一种用于精密调整在光学系统中的光学元件的位置的新颖的方法和装置。所述调整包括至少一个所述光学元件绕穿过该系统的光传播的光轴线的精密轴向转动调整。本发明尤其适用于双晶体普克耳斯盒，该双晶体普克耳斯盒用于超快激光脉冲的开关。在这些情况下这种调整可以或者消除或者至少显著地降低激光脉冲系统中的边带脉冲。
图1A示出了光学腔20，该光学腔20具有穿过该腔的光传播的光学轴线CA，并且包括两个光学元件10和10′。这些光学元件沿所述光学轴线CA以间隔开的关系布置，使得所述光学轴线穿过每个光学元件。多种应用需要光学元件相对于彼此和/或相对于光传播轴线精确地对齐(布置)。例如，考虑到双晶体、热补偿普克耳斯盒，它由两个相同的电光晶体10和10′形成，电光晶体10和10′沿穿过每个晶体的光学轴线CA对齐。这些晶体在腔内定向成使得晶体轴线大体上与光学轴线CA重合。基于本领域所公知的横向效应，热补偿通过两个晶体以一个晶体相对于另一个晶体绕穿过两者的光传播的光学轴线CA的角位移W(通常大约为90°)的布置来实现。图1A示出了这种角位移，其示出了第二晶体10′的X′轴线和Z′轴线相对于第一晶体10的X轴线和Z轴线绕光学轴线CA进行角位移，其位移角为W。第一晶体10的热相关双折射效应由第二晶体10′处发生的类似热效应补偿，该第二晶体10′绕光学轴线CA相对于第一晶体转动角度W。由此，在普克耳斯盒(像图1A中所示的普克耳斯盒)利用脉冲激光操作的情况下，通常观察到伴随主脉冲的边带脉冲。通过转动角W的微小变化可实现这些边带脉冲的降低或消除。
参考图1B，示出了根据本发明配置且可操作的光学系统的框图，整体标记为100。为了便于理解，相同的附图标记用于表示本文引用的所有附图中相同的部件。系统100包括光学装置102，该光学装置102具有限定光传播轴线CA的腔20以及两个光学元件10和10′(例如电光晶体)，这两个光学元件10和10′具有它们的光轴线Y和Y′。在系统100中还设置有控制单元30，该控制单元30包括定位单元31和光检测单元33，该定位单元31与光学装置102合成一体并且和光学元件中的一个光学元件(在本实施例中是元件10′)相关联，该光检测单元33可以是或者可以不是光学装置102的一部分。
应当注意的是，该系统可以包括两个以上的光学元件，其中它们中的至少一个光学元件的位置相对于至少一个其它光学元件能够调整。
光学元件10和10′的布置使得光学元件的光学轴线Y和Y′与腔轴线CA相重合。应当理解的是，当说到晶体时，轴线Y(或者Y′)构成晶体轴线。本发明的系统允许至少一个光学元件的位置相对于其它光学元件和/或相对于腔轴线再调整，同时保持元件的光学轴线和腔轴线之间所需的对齐(重合)。为此，定位单元31配置成且可操作地能够使光学元件10′绕腔轴线CA转动一定角度。尽管没有具体地示出，应当理解的是，可以配置成使得其它的光学元件10也装配成可控地调整其定向。定位单元31包括适当的机械组件(这里未示出)，该机械组件可以直接地或者经由光学元件支撑件连接到各个光学元件，用于实现所述光学元件的转动调整以便提供其所需的定向。该机械组件优选地配置成防止所述光学元件的任何其它运动。而且，该机械组件优选地限制元件10′的转动。
以下是实现光学装置102的实施例，更具体地示出了定位单元31。
图2A和图2B示出了光学装置102的两个相对的立体图。该装置具有中空的壳体110，该壳体110具有前表面110A和背表面110B，该前表面110A和背表面110B形成有光输入/输出开口32A和32B。这种壳体由此限定出用于光传播的腔20。该腔20具有两个大体上圆柱形的腔部分20A和20B，该腔部分20A和20B沿共同的对称轴线CA布置并且限定出两个部位，这两个部位分别用于通过它们各自的支撑件容纳这两个光学元件。腔部分20A用于容纳在系统操作期间不需转动/运动的光学元件，而腔部分20B配置成用于在其内容纳可控地转动的光学元件。而且，腔20配置成防止能转动的光学元件除了绕轴线CA转动之外的任何运动。在本实施例中，这个目的是这样实现的：通过将第二腔部分20B的半径设置成稍微大于第一腔部分20A的半径，并且在腔部分20B的另一侧设置另外的止挡件20C。这个止挡件20C以环状的形式绕开口32B的至少一部分从表面110B的内表面突出。这样，当支撑元件放置在腔部分20B内并且受腔部分20B限制时，防止支撑元件沿腔轴线纵向运动。
由此，第一腔部分20A配置成承载静止(不可转动的)支撑件(如图3A中112A所示)，该静止支撑件适当地固定在所述腔部分内。第二腔部分20B配置成承载可转动的(圆柱形的)支撑件(如图3B中112B所示)。支撑件112B具有半圆柱形状并且其尺寸类似于腔部分20B的尺寸，因此适于精确地装配在所述腔部分内。
定位单元31具有角调整机构，该角调整机构配置成推动支撑元件112B绕它的对称轴线(构成所述元件的光学轴线，或者在晶体的情况下构成晶体轴线，其与腔轴线CA相重合)转动。
如图4中所示，这可以通过包括细长元件40和弹簧42的组件来实现，该细长元件40被安装成相对于支撑元件112B(优选地沿着垂直于支撑元件的转动轴线的轴线)往复运动，该弹簧42位于支撑元件112B下方。这种元件40朝向支撑件112B的运动导致元件40(通过它的远端40A)接触可转动支撑件112B并且推动它逆着弹簧的张力而转动。该弹簧位于在腔部分20B中形成的适当的凹槽21中。该弹簧42呈现为保持机构，其在可转动支撑件上施加扭矩，而朝向销40“推动”支撑件。
如图5中更具体地示出，细长元件40是以螺钉的形式安装(旋拧)在孔44中，该孔44被形成在壳体的在腔部分20B上方的适当位置处。螺钉40的远端40A接触可转动支撑件112B。
回到图1B，在晶体元件10′转动期间，在检测单元33处检测来自该系统的光输出的时间分布图(time profile)，并且一旦识别出所需的分布图(没有边带脉冲或边带脉冲减小)，转动晶体的相应的角位置被固定。这通过相对于支撑件112B将螺钉40的位置固定来实现，例如使用紧固托架118和托架固定螺栓螺母组件(未示出)，该紧固托架和该螺栓螺母组件可通过合适的孔119安装在壳体上。
可以理解的是，虽然这里没有具体地描述，在该系统利用电光元件10和10′的情况下，电极的布置以及和它们相关联的电子设备适当地安装在壳体上。
由此，系统100操作如下：承载固定到其上的光学元件10的第一静止支撑件112A固定在腔部分20A里面，并且在其上附接有光学元件10′的第二可转动支撑件安装在腔部分20B里面，使得元件的光学轴线Y和Y′与腔轴线CA重合。螺钉40朝向支撑件112B运动引起支撑件转动并且因此引起光学元件10′绕腔轴线CA轴向转动。同时，检测光输出分布图。当观察到所需的分布图时，通过使用紧固托架118固定支撑件112B的位置，来固定光学元件10′的相应的角位置。由此系统100获得最佳的操作条件。
本领域技术人员会容易地理解到，对如以上所描述的本发明的实施方式可以进行各种改进和变型，而不偏离由所附的权利要求所限定的范围。

Claims (11)

1.一种光学装置，该光学装置包括：
腔，该腔限定光传播的腔轴线；
至少两个光学元件，所述至少两个光学元件分别具有它们的光学轴线，并且所述至少两个光学元件沿所述腔轴线对齐，使得所述光学元件的所述光学轴线与所述腔轴线重合；以及
定位单元，该定位单元与所述至少两个光学元件中的至少一个光学元件相关联，并且所述定位单元被配置成且可操作用于提供所述至少一个光学元件绕所述腔轴线的可控的轴向转动，因此能够可控地精密调整所述至少一个光学元件相对于至少一个其它所述光学元件的定向，同时保持所述光学元件相对于所述腔轴线的对齐位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少两个光学元件是晶体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述至少一个其它光学元件的位置固定在所述腔内。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中能转动的所述至少一个光学元件被防止沿所述腔轴线运动。
5.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中能转动的所述至少一个光学元件被防止相对于所述腔轴线倾斜。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中能转动的所述至少一个光学元件固定在能转动的支撑件上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中每个所述光学元件在相对于它自己的支撑件的固定位置处被安装在该支撑件上，并且所述至少一个光学元件的所述支撑件被安装成用于绕所述腔轴线进行轴向转动。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中所述定位单元包括细长元件，该细长元件被安装成用于从所述细长元件的缩回的非作用性位置到所述细长元件的伸展位置进行往复运动，在所述非作用性位置处所述细长元件的远端与所述能转动的支撑件相隔开，在所述伸展位置处所述远端接触所述能转动的支撑件而推动所述能转动的支撑件进行转动。
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，所述装置被配置成并且可操作为普克耳斯盒。
10.一种系统，该系统包括前述任一项权利要求所述的光学装置，以及光检测单元，该光检测单元用于接收来自所述光学装置的光输出并且生成表示所述光输出的数据，因此能够根据要获得的所述光学装置的期望输出而控制所述至少一个光学元件绕所述腔轴线进行所述轴向转动。
11.一种系统，该系统包括：
光学装置，该光学装置包括：腔，该腔限定光传播的腔轴线；至少两个光学元件，所述至少两个光学元件分别具有它们的光学轴线，并且所述至少两个光学元件沿所述腔轴线对齐，使得所述光学元件的所述光学轴线与所述腔轴线重合；和定位单元，该定位单元与所述光学元件中的至少一个光学元件相关联，并且所述定位单元被配置成并且可操作用于提供所述至少一个光学元件绕所述腔轴线的可控的轴向转动，因此能够可控地调整所述至少一个光学元件相对于至少一个其它所述光学元件的位置，同时保持所述光学元件相对于所述腔轴线的对齐位置；以及
光检测单元，该光检测单元用于接收来自所述光学装置的光输出并且生成表示所述光输出的数据，因此能够根据要获得的所述光学装置的期望输出而控制所述至少一个光学元件的角位置。
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