CN102204038A - 选择和控制光源带宽的系统方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种带宽选择的机构，包括色散光学元件，该色散光学元件具有包括色散反射面的本体，该色散反射面包括沿着色散光学元件的反射面沿纵向轴方向延伸的入射区域。该本体还包括第一端块和第二端块，第一端块设置在本体的第一纵向端上，而第二端块设置在本体的第二纵向端上，第二纵向端与第一纵向端相对。该带宽选择机构还包括安装在色散光学元件第二面上的第一致动器，所述第二面与反射面相反，第一致动器具有联接到第一端块的第一端和联接到第二端块的第二端，第一致动器可操作而对第一端块和第二端块施加相等而相反的力。

Description

选择和控制光源带宽的系统方法和装置

技术领域

本发明总的涉及光栅，具体来说，涉及调谐和控制带宽的系统方法和装置，其通过弯曲光栅来选择对中在所选中心波长上的光的波长的带宽来进行调谐和控制带宽。

背景技术

通常使用光栅来选择缩窄的光束。然而，缩窄光束中的波长带宽不是用通常的光栅就可容易地选择的。图1是典型的光束缩窄系统100的简化示意图。该典型的光束缩窄系统100包括光源束102和光栅106，所述光源束102被引导通过光束扩展器104(通常包括一个或多个棱镜)。光栅106具有带许多光栅线110的反射表面108。反射表面108具有曲面112，其基本上等同于扩展的光源束102A的波前曲面114。应该指出的是，光束缩窄系统100的部件102-114未按比例绘出，具体来说，为了示范的目的，曲面112、波前曲面114和光栅的间距作了放大。

扩展的光束源102A包括多个光的波长116A-n。多个光的波长116A-n相对于光束扩展器104以不同角度发散，并在相应不同部位撞击到反射表面108上。

理想的是，选定的光栅线110A反射缩窄的光束124，光束124仅包括以合适角度118朝向光束扩展器104的相应反射波长116E’，使得缩窄的光束124返回通过光束扩展器104，超越光束扩展器104而到光学系统120。遗憾的是，选定的光栅线110A还反射另外波长的带宽，包括比反射的中心波长116E’稍短的波长1502A以及比反射的中心波长116E’稍长的波长1502B。因此，缩窄的光束124包括反射的中心波长116E’以及包括比反射的中心波长116E’稍短的波长1502A和比反射的中心波长116E’稍长的波长1502B的波长的带宽。

调谐光束扩展器104和曲面112内的曲率量，可选择非常精确的中心波长和非常狭窄的最大带宽，例如，对于缩窄的光束124，带宽在反射的中心波长116E’的每侧小于1.0pm(1.0×10^-12米)+/-。然而，调谐光束扩展器104并不能对缩窄的光束124精确地控制或选择最大的带宽和最小的带宽，例如，带宽在在反射的中心波长116E’的两侧0.5至1.0pm+/-。

光学系统120可包括多个使用缩窄的光束124的子系统。某些子系统会要求选定的最大带宽和选定的最小带宽。举例来说，光学系统120可包括扫描仪，其需要若干个对中在选定波长上且跨越可用来产生要求的干扰图形的足够宽度的带宽上分布的波长。

为了连续地满足更加严格的控制带宽的要求，尤其是，包含选定百分比亮度的光谱的宽度，即，分别从全宽半值(“FWHM”)起的95％(“E95％”或简单地“E95”)或E95，需要使中心波长选择和带宽选择光学元件(例如，具有多个色散光学特征，例如，光栅一个面上的槽的色散光栅)的波前互相作用表面变形。这些要求可包括需要更大范围的控制以及将带宽保持在某些小范围内和/或不超过某些选定值。该变形需要在两个平面内，并需要独立地在两个平面中的每个平面内，使变形机构之间的干扰尽可能小，业已发现，需要一种变形机构能够作用更大的变形力，该变形机构诸如使槽横贯色散光学元件的表面(与沿着色散光学元件的长度相比)的槽形成特征的分离变形的机构。申请人提出了现有激光系统带宽控制机构的这些改进。

鉴于以上所述，需要有一种弯曲光栅的系统、方法和装置，用于选择对中在选定中心波长上并具有选定最小带宽和选定最大带宽的光波长的带宽。

发明内容

广义上说，本发明通过提供一种使光栅弯曲来选择对中在选定中心波长上并具有选定最小带宽和选定最大带宽的光的波长的带宽的系统、方法和装置来满足上述需求。应该认识到，本发明可以多种方式来实施，作为一种工艺过程，可包括设备、系统、计算机可读介质或装置。下面将描述本发明的若干个发明实施例。

本文所公开的带宽选择系统和方法包括沿两个不同方向(垂向地和水平地)使色散光学元件的色散反射面弯曲，同时还从水平弯曲力中基本上解耦(decoupling)出垂向的弯曲力。该解耦使得垂向弯曲力和水平弯曲力之间的互相作用或干扰变得最小。使用一个或多个挠曲件来解耦每个垂向弯曲力和水平弯曲力。

一个实施例提供了带宽选择的机构，其包括色散光学元件，该色散光学元件具有包括色散反射面的本体，该色散反射面包括沿着色散光学元件的反射面沿纵向轴方向延伸的入射区域。该本体还包括第一端块和第二端块，第一端块设置在本体的第一纵向端上，而第二端块设置在本体的第二纵向端上，第二纵向端与第一纵向端相对。该带宽选择机构还包括安装在色散光学元件第二面上的第一致动器，所述第二面与反射面相反，所述第一致动器具有联接到第一端块的第一端和联接到第二端块的第二端，第一致动器可操作而对第一端块和第二端块施加相等而相反的力，以使本体沿着本体的纵向轴线和沿正交于色散光学元件反射面的第一方向弯曲。该带宽选择机构还包括安装在色散光学元件第三面上的第二致动器，该第三面正交于反射面，所述第二致动器具有用第一挠曲件联接到第一端块的第一端以及用第二挠曲件联接到第二端块的第二端，第一致动器可操作而对第一端块和第二端块施加相等而相反的力，以使本体沿着本体的纵向轴线和沿垂直于色散光学元件反射面的第二方向弯曲，该第二方向也垂直于第一方向，所述第二致动器包括加压流体力的施加机构。还公开了一种选择带宽的方法。

从以下结合附图的详细描述中，本发明的其它方面和优点将会变得明了，附图借助于实例示出了本发明的原理。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将可容易地理解本发明。

图1是典型的光束缩窄系统的简化示意图。

图2A是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束控制装置的简化示意图。

图2B和2C是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束控制装置的反射面的简化示意图。

图3是根据公开主题内容的实施例的各方面，显示弯曲光栅来选择对中在选定中心波长上并具有选定最小带宽和选定最大带宽的光波长的带宽所执行的方法操作的流程图。

图4是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束缩窄系统的简化示意图。

图5是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件的俯视图。

图6是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件的侧视图。

图7A-7E是根据公开主题内容的实施例的各方面的将力施加到光栅体上的各种形式致动器的简化示意图。

图8是根据公开主题内容的实施例的各方面的双作用带宽控制装置的立体图。

图9-12示出另一根据公开主题内容的实施例的各方面的双作用带宽控制机构。

图13A和13B是根据公开主题内容的实施例的各方面的挠曲元件的立体图。

图14A是根据公开主题内容的实施例的各方面的加力板的立体图。

图14B是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件体的前端或后端的立体图。

图15A是根据公开主题内容的实施例的各方面的E95带宽的曲线图。

图15B是根据公开主题内容的实施例的各方面的用于弯曲诸如光栅的色散光学元件的另一装置的立体图。

图16A和16B示意地示出根据公开主题内容的实施例的各方面可能有用的挠曲的光栅安装件。

具体实施方式

现将描述弯曲光栅来选择对中在选定中心波长上并具有选定最小带宽和选定最大带宽的光波长的带宽的系统、方法和装置的若干个示范实施例。本技术领域内的技术人员将会认识到，没有本文所阐述的某些或全部特殊细节也可实践本发明。

图2A是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束控制装置200的简化示意图。该光束控制装置BCD包括光栅206和第一力装置218。第一力装置218联接到第一平面230内的光栅206的相对端206A、206B。

第一力装置218可分别通过连接件219A、219B对光栅206的相对端206A、206B施加第一力，以使光栅的反射表面208以受控方式弯曲。举例来说，第一力装置218可在光栅206的相对端206A、206B上施加拉力5022，以使光栅沿控制的凸出的方向5024弯曲。同样地，第一力装置218可在光栅206的相对端206A、206B上施加推力5026，以使光栅沿控制的凹入的方向5028弯曲。这样，第一力装置218可使光栅206的反射面212弯曲，以基本上与光束的波前曲面匹配，并因此选择反射的中心波长和反射的缩窄的光束的最大带宽。

在使用过程中，光束加热光栅206。加热光栅206可致使光栅根据光栅材料的热膨胀系数膨胀。通常，光栅206由膨胀系数低的材料形成。

第一力装置218和连接件219A、219B的热膨胀系数基本上类似于光栅206的热膨胀系数，以使第一力装置218以与光栅相同的速率膨胀。因此，第一力装置作用在光栅上的力5022、5026基本上在预期的热运行范围内保持恒定不变。

第二力装置240在不同于第一平面230的第二平面232内联接到光栅206的相对端206A、206B。第二力装置240分别通过连接件241A、241B联接到光栅206的相对端206A、206B。举例来说，如图所示，第二平面232可基本上垂直于第一平面230。第二力装置240和连接件241A、241B的热膨胀系数基本上类似于光栅206的热膨胀系数，以使第二力装置以与光栅相同的速率膨胀。因此，第二力装置作用在光栅上的力5022、5026基本上在预期的热运行范围内保持恒定不变。

图2B和2C是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束控制装置200的反射面208的简化示意图。第二力装置240可对光栅206的相对端206A、206B施加第二力，以使光栅以受控方式弯曲。这样，第二力装置240可使光栅206的反射面212弯曲，使得光栅线210在光栅的反射面208上呈扇形。由于扇形缘故，随着反射的光束的边缘在不同方向上反射，该扇形图形改变着反射光束的形状。

举例来说，如图2B所示，第二力装置240可在光栅206的相对端206A、206B上施加拉力242，以使光栅线210的扇形图形从右向左增加。同样地，并如图2C所示，第二力装置240可在光栅206的相对端206A、206B上施加推力246，以使扇形图形在左边较宽而在右边较靠近在一起。

图3是根据公开主题内容的实施例的各方面的流程图，显示了弯曲光栅以选择对中在选定中心波长上并具有选定最小带宽和选定最大带宽的光波长的带宽所执行的方法操作300。文中所示的操作仅是举例而已，因为应该理解到某些操作可具有子操作，而在其他的情形中，文中所述的某些操作可能不被包括在所示的操作中。记住这一点，现将描述该方法和操作300。图4是根据公开主题内容的实施例的各方面的光束缩窄系统400的简化示意图。应该指出的是，光束缩窄系统400的部件102-424未按比例绘出，具体地说，为示范的目的，曲面5028、波前面114和光栅的间距作了放大。

在操作310中，光束穿过诸如棱镜那样的放大器，例如，光束扩展器104，来放大和扩展或散布光束。在操作320中，第一力装置218分别通过连接件219A、219B对光栅206的相对端206A、206B施加第一力222或226，以使光栅的反射表面208以受控方式弯曲。反射表面208弯曲成使反射表面基本上与扩展的光束102A的波前面114匹配。

在操作330中，选择中心波长。中心波长116E由栅格线210A选择，该栅格线朝向光束扩展器104和光学系统120反射回中心波长。选择中心波长116E和使反射表面208与扩展的光束102A的波前面114匹配，还确定了缩窄反射的光束424A的最大带宽422A。

在操作340中，第二力装置240分别通过连接件241A、241B对光栅206的相对端206A、206B施加第二力242或244，以使光栅的反射表面208上的光栅线210的扇形增大或减小。改变光栅线210的扇形可确定线缩窄的反射光束424B的带宽422B。

光束缩窄系统400还可包括可变孔430。可变孔430可改变扩展的光束所撞击的栅格表面的面积。可变孔430还可增大或减小扩展光束的发散。所述发散是不同光束116A-116n彼此分开的角度。增大该发散就加大了光束116A-116n之间的角度，还增加了这些光束116A-116n反射出光栅208的角度差。于是，可变孔430可增大或减小从光栅表面反射回的光的角度。与沿水平方向和垂向方向的光栅弯曲结合，可变孔就可增大反射带宽的范围，从小于约200fm至大于约1500fm之间。

图5是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件500的俯视图。该色散光学元件500可用于中心波长的选择，色散光学元件500即，诸如埃谢勒(eschelle)光栅那样的光栅。色散光学元件500还可至少部分地用来确定带宽。色散光学元件500包括具有色散光学元件顶504的色散光学元件体502。应该理解到，所述顶这个名称纯粹是用作参考，其在这里是指这样的事实：当色散光学元件500放置在线缩窄的模块外壳1002内时，就如俯视图的图10所示那样，该色散光学元件500将面对外壳1002的顶部。色散光学元件500还可具有一个形成色散光学元件色散表面508的面，所述色散表面508形成在色散光学元件体502的前表面510上。色散光学元件体502还可具有背面506。色散光学元件体502还可具有如图6和9所示的色散光学元件底部512。

色散光学元件500还可具有色散光学元件的前端514和后端516，还应理解到，术语前和后仅是为了参考之目的，其是指这样的事实：如图9所示，前端最靠近中心波长选择机构900，该机构900从激光腔室(未示出)放出光线，并控制光线在色散光学元件500上的入射角以便选择中心波长。

从图5中可见，对色散光学元件背面施加力，将在下文中更加完全地进行描述，其在这种带宽控制装置(“BCD”)行内是公知的，例如将端部514、516固定就位，并沿朝向本体502的方向对色散光学元件体502的背面506施加水平力(又是仅为了参考，并与仅为了参考之目的而先前描述的方向对齐)，对色散光学元件背面施加力可诱发前表面510发生柱状变形，且由此色散光学元件的光栅面508发生柱状变形。这可使光栅面相对于从中心波长选择机构900入射在光栅面508上的光线变形为凸出的圆柱形状。同样地，与此方向相反地施加力可使光栅面相对于从中心波长选择机构入射的光线变形为凹入的圆柱形状。

如图5中可见，沿着色散光学元件体502的背面506施加压缩力，可缩短色散光学元件体502的背面506的不受应力的长度，例如，从长度L1到长度L2。因此背面506形成为压缩应力面，而前面510(对应于光栅表面508)形成为拉应力下的应力面。例如，光栅背面506可从相应的背部角由不受应力位置位移到受应力的位置，位移约为8μm，其可在背面506内形成曲率，该曲率量级在约为1km的曲率半径上，在含有光栅表面508的前面内有对应的曲率。

图6是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件500的侧视图。色散光学元件500显示为因BCD将力施加到顶表面504上而处于应力之下，使得色散光学元件栅格具有多个表面槽210，每个槽具有反射槽面，该反射槽面面向前端514，而槽的相反面面向相反方向，通常垂直于光栅面508的纵向轴线的各个槽210，如图所示发生变形。该变形沿着从顶表面504到底表面512的延伸部分拓宽了槽210，使得槽210的反射表面朝向后端516，相对于光栅面508未受应力的纵向中心轴线接近于角度β，并朝向前端514大致接近于相反角α。

图7A-7E是根据公开主题内容的实施例的各方面、将力施加到光栅体上的各种形式致动器的简化示意图。图7A-7E所示的致动器可组合地使用而将力施加到色散光学元件500的两侧，因此，形成了水平的BCD和垂向的BCD。图7A示意地示出致动器702，其通过挠曲部分706A、706A’、706B和706B’连接到一对端块704A、704B，而挠曲部分706A、706A’、706B和706B’又连接到移动块708A、708B。类似于图9中所示情况，端块704A、704B连接到光栅体(图7A中未示出)的相应端。一个移动块708B攻有螺纹，并具有沿着正交于穿过端块704A、704B的致动器702的纵向轴线的方向穿过螺纹的小螺距的差动螺杆710。

另一移动块708A通过预加载弹簧714可操作地连接到静止块712，通过互相靠近地曳拉移动块708A、708B，超过某个中性移动块位置，弹簧714可在端块704A、704B之间施加拉力。差动螺杆致动的分辨率可以是40nm扭转/圈。扭转调整范围可以是±1微米。例如，移动块在螺杆5028上20微米的移程可导致8微米的下垂，如图6示意地所示，即，对于分辨率为0.1微米/圈的手动致动来说，1微米下垂需要2.5微米的移程。

图7B示意地示出在调整过程中降低施加力的概念。致动器720具有附连到光栅体(图7B中未示出)的端块704A。图7B示出BCD致动器，如上所述，其可在块704A、704B处附连到光栅体502上的端部安装的加力板，或块体可保持静止不动，并定位成沿垂向方向推压在光栅体(图7B中未示出)上。轴722用螺纹方式啮合到块体704A，并延伸通过框架726的端壁和中间壁上的轴承724。该轴722可具有附连到其上的活塞728，相应的邻近弹簧730位于端壁和活塞728中间，以及活塞728和中间壁中间。转动该轴722可相对于块体704B移动块体704A，并可对光栅端部上的端部加力板施力，或对光栅顶部施力，如以上所示。

调整之后，螺纹的轴722可由本技术领域内技术人员按熟知的方式锁定，以抵抗所示OBCD诱发的高的力，对于其它实施例来讲，例如图7A-E、8和9-12所示的实施例，也可以是这样的情形。如图7A-E和8所示，对于给定的转数，例如，图8所示类型BCD致动器的螺纹轴近似为25转，如此的BCD可提供BCD体1微米量级的位移(下垂)。业已发现，提供约160N的力即可造成这样的位移，即，约为6N/转(160N/25转)。6N/螺距等于弹簧常数，而25转*螺距等于移程量。

曲线中心处位移的理想下垂(曲率)范围是从-1至+8微米，这意味着，如果没有特别提供反向作用力，例如由弹簧，像图9及以下实施例各方面中所讨论的预加载弹簧提供的作用力，只推致动器是不令人满意的。如本文参照图9及以下所讨论的那样，诸如波纹管那样的只推致动器可用弹簧进行预加载，例如，加载到-1设定上。

另一形式的致动器可附连到光栅上的端力块，或直线施加力到光栅的侧面/顶面上，这样形式的致动器可示意地显示在图7C中，带有用于预加载该致动器的弹簧，例如，加载到-1微米下垂设定上。如图7C所示，致动器740具有外框架742和内框架744，使内框架的顶和底部可滑动地配合外框架742的后壁746A和中间壁746B，本文中其它处指出的一种类型的致动器驱动机构748可用来对内框架744和外框架742直接施加力，以缩短端块704A、704B之间的距离。弹簧750可沿相反方向施加预加载力。

图7D示意地示出致动器760，其使用杠杆臂762将力施加到端块704A、704B上。杠杆臂762也包括在本文所述的其它实施例中。杠杆臂762可减小需要致动器驱动机构764所施加的力。图7D中的致动器驱动机构764将力施加到杠杆762上，该杠杆又通过连接臂766将端块704A、704B朝向彼此曳拉，连接器766可枢转地附连到与端块704B相连的轴768上。轴768上紧接着右手端块704B的弹簧770可施加预加载力。

图7E示出类似的致动器780，其有围绕支点784枢转并可枢转地连接到轴768的杠杆782，该致动器将端块704A、704B朝向彼此曳拉，弹簧790用于施加预加载力。应该理解到，本文所示和所描述的致动器仅是示例性的，也可使用其它类型的致动器和各种类型致动器的组合。致动器的类型可包括液压的、气动的、压电的、电动机、步进电动机、电磁和磁致伸缩的等，以上仅举出一些例子而已。

图8是根据公开主题内容的实施例的各方面的双作用带宽控制装置800的立体图。双作用带宽控制装置800包括第一带宽控制装置802和第二带宽控制装置804，它们分别布置在色散光学元件体502的背面506和色散光学元件体502的顶面504上。一对端块(加力板)704A、704B布置在各端上，并适于由BCD802、804对本体502施加力。

每个BCD802、804分别包括BCD框架806A、806B。相应的框架806A、806B包括相应的BCD框架前隔壁808A、808B；BCD框架后隔壁810A、810B；以及BCD框架中间隔壁812A、812B。相应的后隔壁810A、810B包括BCD框架后隔壁指形物814A、814B，每个指形物具有圆柱形的安装轴开口(未示出)。

BCD圆柱形致动器轴816A、816B延伸穿过前隔壁808A、808B和中间隔壁812A、812B，终止在带有BCD轴阻挡机构的一端上。BCD轴的轴承延伸通过前隔壁808A、808B并包括BCD轴的轴承凸缘。BCD螺纹衬套延伸穿过前加力板704A并攻有内螺纹，以接纳BCD轴的螺纹部分。

一对L形支架160分别胶合到色散光学元件体502的前端514和后端516上，该对支架具有合适的附连机构，用来将相应的端加力板166附连到色散光学元件体502上。加力板704A包括两对力板夹具，各具有力板夹具拧紧螺钉，以便紧紧地夹持后和顶BCD802、804的相应的后隔壁指形物附连销。相应的附连销各延伸穿过相应的附连销衬套。

BCD活塞820A、820B例如通过设定螺钉或其它合适紧固件固定到轴816A、816B上，通过具有推力轴承塑料环的活塞推力轴承，它们各被前压缩弹簧822A、822B和后压缩弹簧824A、824B分开。

在操作中，响应于带宽控制致动器定位信号，相应的轴816A和/或816B，通过例如旋转的步进电动机，或带有线性运动到转动运动转换器的线性步进电动机，手动地或自动地转动。由于轴转动，其压迫相应的弹簧822A、822B和824A、824B，并根据相应轴816A、816B的转动方向，朝向或背离前端加力板704A将力作用在相应的框架806A、806B上，并通过相应的指形物814A、814B将力作用在后端加力板704B上，以使相应的面506、504处于拉伸或压缩状态。BCD802如图5示意地所示地影响着光栅面，且BCD804如图6示意地所示地影响着光栅面508。

这种双作用带宽控制装置800可用来扭转如上所讨论的色散光学元件体502，作为中心波长/带宽的选择机构影响与色散光学原件关联的激光腔室(未示出)内放大的光的带宽。对于全宽半值(“FWHM”)的情形，带宽可受到不同程度的影响，在光谱侧壁上且对于E95％/E95在最大亮度峰值点的一半处测量的光谱的带宽，光谱的宽度包含95％的对中在光谱中心波长上的亮度。两个BCD802、804的互联接可以是这样：对FWHM和E95上的影响的独立性可以充分地折衷，或其它有害的效果可导致双作用带宽控制装置800在带宽选择和控制方面不尽理想。

图9-12示出根据公开主题内容的实施例的各方面的另一双作用带宽控制机构900。如图9所示，双作用带宽控制机构900使用前端加力板704A和后端加力板704B，如图14A中详细地所示。图14A是根据公开主题内容的实施例的各方面的、加力板704A、704B的立体图。图14B是根据公开主题内容的实施例的各方面的色散光学元件体502的前端514或后端516的立体图。

加力板704A、704B具有多个安装垫1402，其由水平槽1404和垂向槽1406形成，它们将安装面1408分为相应的垫1402。某些或全部的安装垫1402可在其上放置胶合点1410、1410’、1410”，以将相应的加力板704A、704B附连到色散光学元件体502的前端514或后端516上。选定的相应胶合点1410、1410’、1410”的布置可因此使剪切力集中。如图14B所示，区域1412没有置于其上的胶合点。于是，剪切力不施加到色散光学元件体502的前表面508，而是更多地施加到后表面。

相应的胶合点1410、1410’、1410”的选定的部位可集中最佳的枢转部位。最佳的枢转部位是垂向的BCD和水平的BCD彼此影响最小的那个部位。例如，在最佳枢转部位内，添加或减少垂向BCD施加到色散光学元件体502上的力数量，基本上不会减少或增加水平BCD施加在色散光学元件体502上的力。同样地，在最佳枢转部位内，添加或减少水平BCD施加到色散光学元件体502上的力数量，基本上不会减少或增加垂向BCD施加在色散光学元件体502上的力。

本文所述的挠曲元件用来基本上使力矢量与向直BCD解耦或隔离，防止减小或增加水平BCD施加在色散光学元件体502上的力。本文所述的挠曲元件还用来基本上使力矢量与水平BCD解耦或隔离，防止减小或增加垂向BCD施加在色散光学元件体502上的力。

应该指出的是，相应的胶合点1410、1410’、1410”显示为不同的大小和/或强度，以便增加使剪应力集中在色散光学元件体502前端514或后端516的理想部位的另外其它的尺寸。加力板704A、704B还可包括一对水平BCD安装支架1414和垂向(正交)BCD(“OBCD”)安装表面1416。

再转到图9-12，图中示出正交(例如，垂向)BCD(“OBCD”)，其可将拉伸或压缩应力施加到色散光学元件体502上，以实现如图6部分示意地所示的槽210的渐进式加宽。双作用带宽控制机构具有一对后安装支架902，例如其可用殷钢(Invar)制成，并用来通过一对安装支架指形物连接加力板704B，每个指形物延伸入相应的支架141和安装支架角形臂内，它们分别附连到水平BCD附连轭904的顶或底部臂上，并通过螺栓连接到轭。类似的支架902将轭904的底部联接到后端加力板704B。BCD附连轭904具有安装在轭上的轴承用以接纳轴906。轴906包括挠曲部分910。每个推力轴承912可具有一定的延伸长度。

前安装支架902’类似地将前加力板704A联接到前端挠曲安装板914的顶部和底部，前端挠曲安装板914具有将其连接到水平BCD挠曲连接板918的挠曲元件916，而水平BCD挠曲连接板918通过空间924内的类似挠曲连接件(未示出)连接到水平BCD922的前端920，图13A、13B中较详细地显示出该情形。水平BCD922基本上类似于有关文中所讨论和图8中所示的BCD802、804。

图13A和13B是根据公开主题内容的实施例的各方面的挠曲元件916、918的立体图。挠曲元件916、918和端块300可用殷钢制成。OBCD可具有一个或多个挠曲元件，例如，前挠曲元件和后挠曲元件，例如其通过螺栓连接到OBCD安装件904上而将OBCD连接到相应的前和后加力板704A、704B。挠曲元件916、918具有挠曲的连接端块连接件1302、螺纹孔1304和挠曲的连接端块壁1306。如图所示，连接件块1302形成致动器L形支架1308，但应该理解到挠曲元件916、918可以是任何类型的连接件。连接器板1306包括连接件开口1310，如果需要的话，开口可以有螺纹。挠曲元件916、918使块体1302、1306围绕着由挠曲部分1312长度形成的轴线相对于彼此转动。

再参照图9，OBCD致动器900包括OBCD致动器框架930。该OBCD致动器框架930包括一对顶部水平延伸的突脊、后壁和底壁。后壁例如通过螺栓连接到锥形梁932上。锥形梁932包括纵向结构件934和垂向延伸的结构及固件936。锥形梁932可连接到挠曲的端板940上，端板940可通过诸如螺栓那样的螺纹连接器连接到连接器构件的L形支架部分上。挠曲的端板元件940包括挠曲件942。

致动器框架930可包括一对顶部水平梁，致动器框架支承架通过螺栓可安装到顶部水平梁上。致动器波纹管950可用铝材或不锈钢制成。致动器波纹管950附连到框架930，如用螺栓连接到框架后壁，框架后壁附连到中空的圆柱形波纹管后板上。致动器波纹管950还通过圆柱形波纹管前板用螺栓连接到致动器杠杆臂952上。致动器波纹管950还可包括波纹管致动流体或液体。

致动器杠杆臂952联接到向下延伸的角形臂954。该角形臂954联接到杠杆臂952在其间延伸的、水平地从框架底壁延伸的挠曲的薄板960以及挠曲的薄板962，杠杆臂通常与杠杆臂的角形臂954的中心轴线对齐。角形臂954的端部还通过挠曲的薄板966附连到连接件块964。

挠曲板960、962、966在角形臂952的下部范围内共同形成枢转点，该点位于挠曲板960的平面和挠曲带962的相交处，当致动器波纹管950膨胀或收缩时，致动器杠杆臂952则围绕该点枢转，通过挠曲件966将力施加到连接件块940，因此，通过前挠曲连接件940连接到前加力板704A。

框架950具有悬垂部分972。该悬垂部分972包括接纳预加载弹簧976的圆柱形通道974，预加载弹簧也可被接纳在致动器杠杆臂952上端内的圆柱形开口978中。通道974还可包括螺纹的弹簧压缩机构980。该螺纹的弹簧压缩机构980对弹簧976施加压缩力，以预加载色散光学元件体502，以在致动器波纹管不膨胀施加弯曲时沿相反方向在本体502内施加弯曲。

通过波纹管端板内的流体开口将气体、流体或液体引入波纹管950内或从其中除去，以此来施加压力，波纹管950就可从一定的中心位置膨胀或缩回，中心位置例如在预加载弹簧976的影响下建立起的预加载位置。通过由流体供给系统管道支撑件988支承的流体供给管道986，加压气体、流体或液体可来自致动器流体供给系统984。

本技术领域内的技术人员将会理解到，上述OBCD可沿着色散光学元件的顶将力施加到色散光学元件上，例如，施加压缩力，该压缩力可沿垂向方向将力作用在本体的中心轴线上(又应该理解到，全部的水平和垂向都与如图8所示的线缩窄模块的定向有关，如模块的俯视图所示的定向，而不与实际使用时的模块任何实际定向有关，实际上，模块的实际定向例如可以是使纸面位于垂向平面内，而相对于使用中的安装模块中的水平和垂向图10的俯视图实际上是侧视图)。这样的力可沿图6的侧视图中所示方向使色散光学元件的槽变形(又定向成使图10中线缩窄模块的视图，作为俯视图)。

控制器980联接到OBCD致动器900。该控制器可包括反馈回路，该回路分析从反射表面反射回的光束的带宽并相应地通过调整由致动器施加的力来调整反射表面的形状，例如，调整反射表面的弯曲。控制器980可包括用来操作OBCD致动器900和分析由反射表面反射回的光束的带宽以及调整反射表面的形状的软件和硬件。控制器980可链接到其他的控制器或包括其他控制器，诸如中央服务器或系统控制器(未示出)以及压力控制器(未示出)，诸如由印第安那州的McCordsville市的比例空气公司(Proportion Air)制造的QB1T控制器。这种控制器可使用4-20mA的输入电流来设定压力，该压力为0至最大压力，由要求的带宽调谐范围和机械设计所限定。例如，5巴或10巴可用作为最大压力。

业已发现，达到300fm的OBCD调谐范围所需要的压力(扭转)对于图5-8实例所示的设计来说是非常合理的，并被确定为比在某些情形中为预期的稍小。HBCD和OBCD之间的串扰很小，例如，小于约20nm就引起HBCD内的下垂。

诸如板960和带962、966的挠曲元件以及连接件940可由诸如殷钢那样CTE非常低的材料制成。应该理解到，在机械设计中，也可使用低热膨胀的其它材料，诸如由ULE玻璃加工成的零件。

框架和锥形梁可由铝材制造，包括连接件块940和挠曲件1312，铝材诸如7075铝，其可以是挠曲板960和带挠曲件962、966，它们形成连接到致动器波纹管950前端的致动器杠杆臂952的枢转点。挠曲的端块914以及BCD外壳框架922的其余部分和中间挠曲板916也可用殷钢或铝材或其它具有低CTE和高强度的合适材料制成，或由两者的合适组合来形成。致动器框架930还可用诸如7075铝的铝材制造。板902可用殷钢或铝材等制造。

本发明申请人已经确定，这种变形可将BW调谐范围扩大为的上限为LNM＞0.50pm，例如，使范围裕度覆盖0.25至0.50pm的系统BW调谐规格。

带宽的效应已经表明，使得在种子激光放大器的激光构造中，诸如像功率环放大器(“PRA”)那样的功率振荡器中能够进行激光放大。就如以上提及的美国专利第7366219号中所描述的，例如，在可变放大的线狭窄模块中，带宽对放大率的关系可以变换大约70fm，然而，根据公开主题内容的各方面产生的光栅变形水平上，例如，在图5所示的量级上，垂向施加的力并未显著地改变光束形状和发散形状。由于入射在色散光学元件上的入射光束放大得较大，所以，施加的力可使力与带宽修正之间的关系大致呈线性。业已发现，对于这种范围的垂向力/BW变换来说，通过近似1/2转就可迁移水平BCD曲线。还已经表明，通过沿垂向方向在色散光学元件体502上施加力而造成的70fm迁移，并不使引起波长稳定性显著变差，尤其是与单独的缩小相比，且即使在垂向力施加之后，带宽也继续遵守作为实地测量核查的可信赖的标准。

还已经确定，根据公开主题内容的各方面的OBCD可用来显著地减缓带宽的谐振，有效地用作与进入的波前匹配的适配性光学器件。波前面由于通过会影响带宽的声音气体扰动而会有变形。与迄今的发生使用标准LNM中的情况相比，通过在零栅格垂向偏离附近细调OBCD，可使这种带宽扰动减到最小。

还已经发现，根据公开主题内容的各方面，结合了包含OBCD机构的线缩窄模块入口处的可变孔，就可使OBCD的利用变得非常有效。限定入射在栅格上光束尺寸的孔可被调整，所述光束尺寸平行于栅格槽的方向，还进一步允许在栅格处于静态固定弯曲条件之下时控制光的带宽。例如在同时优化光束的带宽和发散特性时，该种组合是很有用的。

公开主题内容的另一变体是，结合垂向方向的光束扩展来使用OBCD的致动，垂向方向大致平行于槽的方向。对于固定的栅格垂向偏移，膨胀或减少垂向方向上入射到栅格上的光束，可形成带宽的调谐，因为波长的宽/窄范围是由栅格变尖来选定的，并被包括在总的反射光谱内。

此外，以上说明的OBCD与现有的水平BCD的利用并不冲突。

已经看到，栅格块502的垂向弯曲产生不均匀的槽间距(“展开”)和槽线相对于垂向轴线的倾斜。在利特罗(Littrow)装置中，入射到光栅中心部分上的光线沿着入射方向衍射回来。然而，入射到光栅右端上的光线不再在面内衍射，因为槽是倾斜的：光线以相对于入射方向A稍许向下的角度B衍射回来，如图6所示。入射在光栅左端上的光束同样相对于入射光束以同样小的角度B衍射回来，但带有相反的符号。因此，从光栅返回的光束由于槽定向的改变而显现扭曲。

申请人对各种带宽调谐目标所需的Zygo干涉测量对光栅变形作出了粗略估计。举例来说，对于250fm(250fm-500fm)的调谐范围，所引起的波前扭曲测量值是100μrad，该值对应于R＝3.5Km的曲率半径和4.4um的光栅弯曲下垂。对于1.2pm(0.25-1.45pm)的调谐范围，曲率半径减小到近似为0.98Km，引起的光栅下垂为16um。该偏移对光栅顶部至底部产生0.21pm/mm的波长噪。图15A是根据公开主题内容的实施例的各方面的E95带宽的曲线图1500。该E95带宽调谐是与光栅垂向弯曲水平相当的，例如，与来自Zygo干涉测量的波前扭曲相当。

为作比较，典型的带有调整的水平BCD的光栅的曲率半径在约为40Km的量级，最大诱发的下垂约为0.63um。

对于通过使用OBCD来修整带宽的效果，必须考虑到以下因素：水平和垂向BCD之间的联接、光束参数变化，以及测量方法，诸如可修整设备上跟踪可信赖仪器的测量方法的光谱形状的变化，仪器诸如LTB分光计，尤其是E95。

垂向和水平BCD之间的联接已经最小化到可忽略的水平BCD补偿，例如，小于诱发下垂的约20nm。

下表I指出由于根据公开主题内容的实施例的各方面使用了双作用带宽控制机构而记录归档的参数，如图5-8所示。

表I

本发明申请人考虑到多个致动器的选项，诸如上述气动；压电材料，或其它合适致动的变形材料，诸如磁致收缩的材料；通过轴附连到手工导线的电动机，诸如用于如图8所示实施例的电动机；电磁的；液压的(也许是图5-8所示相当的或更好的方案，并在设计上相类似，但也许更贵)。要考虑的准则是技术风险、功率消耗、速度、必要的LNM修改、对这种致动器提供的GRAS材料的可供性，以及寿命等。基于各种原因，根据图9-12所示的实施例被确定为最合适的，但也可使用这些选项中的一个或多个，尤其是，例如液压的实施例，并或多或少达到与图9-12中公开的主题内容所构思的相同的效果。

对于图9-12中所示的气动实施例，发现其寿命是压力控制器寿命和将力传送到色散光学元件体的机械部件的结实程度的函数。一般地说，在构造线缩窄模块(LNM)过程中，可使用可接受的光学材料(GRA材料)。100mm直径的波纹管被确定为能够在波纹管内施加2500N的力和3巴(43psi)气体压力，诸如氦气或空气压力。该装置是只推控制器，因此，如有必要的话，则需要有弹簧机构或类似装置，来沿相反方向对光栅体502施加力，例如，进行预加载。

如图14A和14B中所示，已经采纳了使用多个独立的胶水点接纳表面，以在垂向BCD(OBCD)致动器的寿命上，减小胶水点在端块704A、704B上脱开粘结的风险。这可避免在光栅端部出现波前畸变的可能性，例如，若必须进行全面积的胶合，而不是前面的胶合点，则不使用图14A的各个表面。

由于可需要用手工致动的方法来调整光栅体502的扭曲，例如，用来确定自动致动的基线，所以，仍可利用根据现有BCD设计的水平BCD。此外，控制两个不同平面内的光栅曲率可具有其它有益的结果，诸如独立于E95上的FWHM选择/控制，使得选择/控制带宽更加敏感等。

图15B是根据公开主题内容的实施例的各方面、用于使诸如光栅的色散光学元件弯曲的另一装置1550的立体图。如图15A所示，水平BCD显示为沿图5的定向，即，光栅体502底部和顶部上的光栅面508面向前，如图14A中所示，也就是说大致在纸面内。两个端部力块/板704A、704B显示为例如通过胶合的方法附连到光栅体502的前端和后端，每个端部力块/板可具有可与相应的端块704A、704B成一体的挠曲板1554。每个挠曲板1554各联接到一对杆保持件1560上。该杆保持件1560各保持联接到相应杆1562的相应端。

致动器1570包括波纹管1572或其它膨胀的或收缩的机构。波纹管1572联接到挠曲板1572上。每个挠曲板1574联接到挠曲元件1554。每个挠曲元件1554通过杆端部1560联接到相应杆1562的相应端上。

在操作中，当致动器1570膨胀时，例如通过将诸如液体或气体的加压流体引入到波纹管1572内，加压流体诸如液压油或水，气体例如氦气或氮气或空气，那么，力就可作用在两个端板1574上，大致在通过杆1562中心线的平面内将两个端板拉向一起，因此，使光栅面508弯曲。应该理解到，图15B所示的光栅面的弯曲机构1550也可定向成如图6所示那样，即，大致地平行于光栅顶表面504使光栅面变形。

因此，图15B所示的光栅体变形机构1550可提供使光栅体502单向弯曲的简单方法，其用于增加带宽，同时使材料和补偿温度变化为最小。通过在两端之间产生拉伸力，可在光栅内引起弯曲。拉伸构件例如杆1562和挠曲件1554可由与光栅体502相同的材料制成，可选择具有相对非常低的热膨胀系数的材料，或其它具有相对非常低的CTE的材料，例如殷钢Invar

或非常低CTE和较轻重量的其它组合材料，以使光栅基底体502和揭示的主题物质之间热膨胀差为最小，可通过在波纹管1572内保持恒定的压力和由此保持恒定的力，使得组合的挠曲件1554和杆1562的残余热膨胀差得到补偿。图15B的实施例可提供力放大器，放大增益可大于7倍。挠曲件1554还可用合适的轻重量的材料制成，诸如铝材，例如是7075铝。

图16A和16B示意地示出根据公开主题内容的实施例的各方面、可能有用的挠曲的光栅安装件1600。该光栅安装件1600可如图10所示地附连到LNM外壳1002的地板上。除了其它的挠曲连接件允许由ULE制成的光栅和由铝制成的安装/容纳件之间的热膨胀差之外，还可使用挠曲件1602来抵抗由诸如OBCD造成的光栅体502的变形。应该理解到，过去用于抵抗平面内运行的热膨胀差的挠曲件，通常能够考虑到现有形式BCD引起的光栅体502的变形，这里，有时也被称之为HBCD。

光栅体的弯曲由OBCD所提供，再加上挠曲的安装点1602，以使光栅的圆弧部1608在垂直于安装表面1608的平面内运动。它们例如可呈一个或多个垂向挠曲安装件的形式，即，与施加到光栅顶部上以抵抗诸如图6部分地示意所示的变形的力一致。挠曲件1602包括槽1606，其可大致呈U形，但也可具有例如方角，形成舌状物1608，舌状物允许在正交于光栅安装件的两个表面的方向内挠曲。这也可形成为具有向直的预应力的向上位移，以抵抗任何负形式的弯曲，例如，标记为-1μm的预加载弯曲。

通过检查多种作用的影响，例如，双重作用、对光栅体施加弯曲力，即，两个平面内FWHM和E95的比例有大的变化、不同的带宽测量，对于施加到相关致动器上的不同力水平，例如，图9-12的实施例中的波纹管表明谱线形状随光栅扭曲而显著地变化。扭曲光栅可导致光束轮廓的转动，这在MO之后可显现更加严重，但在放大器级诸如PRA级之后，可稍许地加以掩盖。光束还可有垂向的迁移，这也可由MO和PRA光束轴线的相对对齐所造成。

应该理解到，根据公开主题内容的实施例的各方面的波纹管950、1572可用加压流体进行操作，既可以是压缩的(即，气动方式)也可以是非压缩的流体(即，液压方式)，压缩流体诸如加压空气或气体，非压缩流体诸如液压油或水，术语“加压流体”是指包括两种类型的致动器。

尽管以上为了清晰理解的目的较详细地描述了本发明，但应该认识到，在附后权利要求书的范围之内，还可作出某种的变化和修改。因此，本文中的实施例应被认为是说明性的而不是限制性的，本发明并不局限于文中所给出的细节，还可在附后权利要求书的范围和等同物的范畴之内进行修改。

Claims (14)

1.一种带宽选择的机构，包括：

色散光学元件，所述色散光学元件具有包括色散反射面的本体，所述色散反射面包括沿着所述色散光学元件的所述反射面沿纵向轴方向延伸的入射区域；

第一端块，所述第一端块设置在所述本体的第一纵向端；

第二端块，所述第二端块设置在所述本体的第二纵向端，所述第二纵向端与所述第一纵向端相反；

第一致动器，所述第一致动器安装在所述色散光学元件第二面上，所述第二面与所述反射面相反，所述第一致动器具有联接到所述第一端块的第一端和联接到所述第二端块的第二端，所述第一致动器可操作而对所述第一端块和所述第二端块施加相等而相反的力，以使所述本体沿着所述本体的纵向轴线和沿正交于所述色散光学元件的所述反射面的第一方向弯曲；以及

第二致动器，所述第二致动器安装在所述色散光学元件第三面上，所述第三面与所述反射面正交，所述第二致动器具有用第一挠曲件联接到所述第一端块的第一端以及用第二挠曲件联接到所述第二端块的第二端，所述第一致动器可操作而对所述第一端块和所述第二端块施加相等而相反的力，以使所述本体沿着所述本体的纵向轴线和沿垂直于所述色散光学元件的所述反射面的第二方向弯曲，所述第二方向也垂直于所述第一方向，所述第二致动器包括加压流体力的施加机构。

2.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，所述加压流体力施加机构是气动机构。

3.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，所述加压流体力施加机构是液压机构。

4.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，所述加压流体力的施加机构是可变的。

5.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，还包括：

以不变的固定挠度在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个上进行手工的预加载调整。

6.如权利要求5所述的带宽选择的机构，其特征在于，还包括：

在所述第二致动器上的反馈控制环路，所述反馈控制环路响应于光的光谱参数。

7.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，还包括在所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个上的气动致动和反馈控制环路，所述气动致动和所述反馈控制环路响应于光的光谱参数。

8.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，还包括可变孔，所述可变孔定位在入射光束和所述色散光学元件的所述反射面之间。

9.如权利要求8所述的带宽选择的机构，其特征在于，所述可变孔具有沿着所述第二致动器的弯曲方向的可变尺寸。

10.如权利要求1所述的带宽选择的机构，其特征在于，还包括光束扩展器，所述光束扩展器用于扩展跨越所述入射区域的入射光束。

11.一种选择带宽的方法，包括：

扩展横跨色散光学元件的反射面的入射区域上的入射光束；

用沿着正交于所述色散光学元件的反射面的第一方向由第一致动器施加的第一弯曲力，来使所述色散光学元件的反射表面弯曲；

用沿着垂直于所述色散光学元件的反射面的第二方向由第二致动器施加的第二弯曲力，来使所述色散光学元件的所述反射表面弯曲，所述第二方向也垂直于所述第一方向；以及

通过至少一个挠曲件来解耦所述第二弯曲力，使得解耦的第二力不使第一力增加或减小。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在使所述色散光学元件的所述反射表面沿第一方向弯曲时，根据沿所述第一方向的位置均匀地改变所述反射表面上色散特征之间的间距。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

修改在所述反射表面上入射光束的尺寸，以包含弯曲的反射表面的不同区域。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，响应于从反射光束特性中得到的反馈，使所述反射表面沿第一方向和第二方向中的至少一个方向弯曲。

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