CN110100204B - 用于影响至少一条光射束的射束方向的光学布置系统和方法 - Google Patents

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Abstract

为了实现被引导通过体积光栅(1)的光射束在不同的照射布置系统之间的灵活转换，提供一种包括用于影响至少一条光射束(2)的射束方向的体积光栅(1)的光学布置系统，其特征在于，在体积光栅(1)之前的光路中设置有转换装置(4)用于使至少一条光射束(2)的射束方向和/或射束位置从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置转换，和/或反之亦然，在所述第一射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)不是以体积光栅(1)的接收角入射到体积光栅(1)上，在所述第二射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)以接收角入射到体积光栅(1)上。此外给出一种用于尤其是在使用前述光学布置系统的情况下影响至少一条光射束(2)的射束方向的方法。

Description

用于影响至少一条光射束的射束方向的光学布置系统和方法
技术领域
本发明涉及一种包括用于影响至少一条光射束的射束方向和/或射束位置的体积光栅的光学布置系统。
此外，本发明涉及一种用于影响至少一条光射束的射束方向和/或射束位置的方法。
背景技术
由实践已知用于影响至少一条光射束的射束方向的光学布置系统和方法，其中，使用体积光栅、例如声光学偏转器、AOD用于影响至少一条光射束的射束方向。例如可以将激光器的光射束这样馈入这样的AOD中，使得AOD优化地延伸。在此经常影响不同激光器的光射束。在这样的场景中，当多个激光器同时激活时，可能出现问题。施加到AOD上的频率以不同的方式作用于具有可能不同的波长的各个光射束。在这里，通常只能使用衍射光，其中，受限制的衍射效率对于一些应用非常不利。此外，在很多应用中值得期待的是，产生不同衍射阶的光射束并且可以在这些不同的衍射阶之间——或者说在零阶衍射和一阶衍射之间——为相应的应用进行选择。
发明内容
因此，本发明的目的在于，这样设计和进一步改进开头所述类型的光学布置系统和方法，使得能以简单的设计手段实现被引导通过体积光栅的光射束在不同的照射布置系统之间的灵活转换。
按照本发明，前述目的通过一种具有权利要求1的特征的光学布置系统以及通过一种具有权利要求10的特征的方法实现。
据此，本光学布置系统按照权利要求1这样设计和进一步改进，即，在体积光栅之前的光路中设置有转换装置用于使至少一条光射束的射束方向和/或射束位置从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置转换，和/或反之亦然，在所述第一射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束不是以体积光栅的接收角入射到体积光栅上，在所述第二射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束以接收角入射到体积光栅上。
此外，据此，本方法按照权利要求10这样设计和进一步改进，即，借助设置在体积光栅之前的光路中的转换装置，使至少一条光射束的射束方向和/或射束位置从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置转换，和/或反之亦然，在所述第一射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束不是以体积光栅的接收角入射到体积光栅上，在所述第二射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束以接收角入射到体积光栅上。
以按照本发明的方式首先已认识到了，通过在体积光栅之前巧妙地引导所述至少一条光射束的射束，以令人惊奇的简单方式实现了前述目的。以按照本发明的另一方式然后已认识到了，该射束引导可以按特别有效的方式通过转换装置实现，该转换装置能实现在两个射束方向和/或射束位置之间转换所述至少一条光射束的射束方向和/或射束位置。在此，第一射束方向和/或射束位置的特征在于，所述至少一个光射束在该第一射束位置和/或射束位置中不是以体积光栅的接收角入射到体积光栅上；而第二射束方向和/或射束位置的特征在于，所述至少一个光射束在该第二射束位置和/或射束位置中以接收角入射到体积光栅上。当在这里讨论光射束以接收角入射到体积光栅上时，这意味着，光射束基本上位于导致通过体积光栅的光射束衍射的角度范围内。如果光射束不处于接收角，这意味着光射束位于该角度范围之外。如果光射束不是以接收角入射到体积光栅上，则通过体积光栅的光射束不发生衍射。转换装置在此构造成使得能实现从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置和/或从第二射束方向和/或射束位置向第一射束方向和/或射束位置的灵活转换。因此，用户可选择使用体积光栅作为准非激活的(passiv)元件还是激活的(aktiv)元件——没有光射束的衍射或者带有光射束的衍射。借助转换装置的转换过程产生在两个不同运行状态之间的非连续变换，可以说带有在带有衍射和没有衍射的这些运行状态之间的跳跃。
因此，利用按照本发明的光学布置系统和按照本发明的方法给出了开头所述类型的光学布置系统和方法，利用该光学布置系统和方法能以简单的设计手段、亦即通过仅仅集成或使用适当的用于转换至少一条光射束的射束方向和/或射束位置的转换装置实现被引导通过体积光栅的光射束在不同的照射布置系统之间的灵活转换。
以特别简单的设计方式，所述转换装置或者所述至少一条光射束的射束方向和/或射束位置的转换能通过调节单元激活，该调节单元设置用于预设和调节所述至少一条光射束的第一射束方向。这样的调节单元首先一方面用于在光学布置系统中可靠地引导所述至少一条光射束，使得所述至少一条光射束被以适当的方式引导至体积光栅。通过适当地操纵调节单元，可以这样——通常仅略微地——影响所述至少一条光射束的第一射束方向，使得所述至少一条光射束这样入射到转换装置，从而实现转换。在此，以特别有利的方式，为了激活转换装置，仅须移动或激活一个构件——调节单元。
在此，以进一步有利的方式，所述转换装置可构成为用于增大调节单元的调节范围。换言之，调节射束方向的效果通过借助转换装置移动或操纵调节单元来增强或叠加式改变。
在一种具体的实施例中，所述调节单元可具有镜子、透镜或可动的光纤输出端。调节单元的镜子可以按特别简单的方式将由光源产生的光射束从光射束入射到体积光栅上所沿的第一射束方向引导到转换装置的镜子上，使得光射束必要时利用在另一镜子上的另外反射以接收角沿第二射束方向入射到体积光栅上。由此，可以在第一射束方向和第二射束方向之间特别简单地转换和/或反之亦然，其中，转换能通过调节单元的镜子的运动激活。然而，改变所述至少一条光射束的射束方向以激活转换也可以通过透镜或可动的光纤输出端实现。
原理上，调节单元可以按有利的方式机动化，从而转换可以机动式实现。对于两个转换状态或运行状态或射束方向必要的位置可以作为校准值存储在电子控制装置的存储器中或在计算机中。
在另一种有利的实施例中，所述转换装置或者所述至少一条光射束的射束方向和/或射束位置的转换可通过用于改变所述至少一条光射束的极化的装置、优选λ/2板或者通过改变所述至少一条光射束的波长激活。借助用于改变所述至少一条光射束的极化的装置，可以这样改变由光源发出的光射束的极化，使得转换装置的相应构件、例如极化分束器使光射束保留在其第一射束方向上或者在极化改变以这样的方式和形式引起光射束转向，使得光射束沿第二射束方向入射到体积光栅上。
代替于此，转换装置的激活可以通过改变所述至少一条光射束的波长实现，其中，为此，例如与转换装置的二色的分束器配合作用能引起光射束的射束方向从第一射束方向向第二射束方向适当地改变。
不仅用于改变所述至少一条光射束的极化的装置、而且改变所述至少一条光射束的波长可以机动化地实现，其中，例如用于改变所述至少一条光射束的极化的λ/2板可以按适当的方式机动偏转。同样在使用用于改变所述至少一条光射束的极化的装置或改变所述至少一条光射束的波长的这些情况下，用于这两个转换状态或运行状态或射束方向的适当的校准值可以存储在电子电路的存储器中或在计算机中。
关于具有在第一和第二射束方向之间的特别简单转换和/或反之亦然的特别有效的转换装置，转换装置可以具有至少一个、优选两个镜子、极化分束器和/或二色的分束器。尤其是在通过调节单元、通过用于改变所述至少一条光射束的极化的装置或通过改变所述至少一条光射束的波长激活转换装置时，这些构件分别产生一种特别有效的并且同时简单的光学布置系统。
根据应用情况的不同，在体积光栅之前的光路中、优选在所述转换装置与所述体积光栅之间设置有用于改变光射束极化的装置。由此，在通过体积光栅之前，另外简单地——根据应用情况——必要地影响光射束。以特别简单的方式，所述用于改变极化的装置可具有λ/2板。
为了实现一种特别简单并且紧凑的光学布置系统，在体积光栅之前的光路中可以设置有分束器，用于至少两条光射束。一种这样的射束合成器可以通过二色的或极化的分束器形成。这样的分束器以不同的实施方式存在，从而能实现个性化地匹配于不同的应用情况。
在本光学布置系统的另一种具体的并且特别简单的实施方式中，体积光栅可以是声光学偏转器、AOD、声光调制器、AOM、声光可调谐滤波器、AOTF或非声光学元件。所提到的声光学构件使光按照调制的声学频率以一个或多个第一衍射阶衍射。原理上，可以引导至少两条光射束通过该体积光栅。
附图说明
现在有不同的可能性来以有利的方式设计并进一步改进本发明的教导。为此，一方面参阅所附的权利要求书并且另一方面参阅依据附图对本发明优选实施例的以下阐述。结合依据附图对本发明优选实施例的阐述，也一般性地对本教导的优选实施方案和进一步改进方案进行阐述。在附图中：
图1以示意图示出按照本发明第一实施例的光学布置系统，
图2以示意图示出图1中的光学布置系统，其中，光射束被转换成沿第二射束方向，
图3以示意图示出按照本发明第二实施例的光学布置系统，
图4以示意图示出图3中的光学布置系统，其中，光射束被转换成沿第二射束方向，
图5以示意图示出按照本发明第三实施例的光学布置系统，和
图6以示意图示出图5中的光学布置系统，其中，光射束被转换成沿第二射束方向。
具体实施方式
图1和2以示意图示出按照本发明的光学布置系统的第一实施例。该光学布置系统具有构成为AOD的体积光栅1，用于影响两条光射束2、3的射束方向。在此，光射束2和3被引导通过体积光栅1。在所有这里描述的以及还有其他的实施例中，至少两条光射束2、3可以被引导通过体积光栅1。关于被引导通过体积光栅1的光射束2在两个照射布置系统之间的灵活转换，在体积光栅1之前的光路中设置有转换装置4用于使光射束2的射束方向从第一射束方向向第二射束方向转换，以及反之亦然，在所述第一射束方向时光射束2不是以体积光栅1的接收角入射到体积光栅1上，在所述第二射束方向时光射束2以接收角入射到体积光栅1上。因此可以在两个射束方向之间来回切换，以便符合不同的应用情况。
转换装置4或者光射束2的射束方向的转换可通过调节单元5激活，该调节单元设置用于预设和调节光射束2的第一射束方向。调节单元5具有镜子6，利用该镜子能调节光射束2的射束方向。以相应的方式，设有用于调节光射束3的射束方向的镜子7。
转换装置4具有两个镜子8、9，这两个镜子将光射束2在光射束2借助镜子6按照图1从其第一射束方向偏转到镜子8上之后在镜子9上进一步反射之后向其第二射束方向转向，在该第二射束方向时光射束2以接收角入射到体积光栅1上。该第二运行状态在图2中示出。
在转换期间，光射束3保持其原始方向，其中，光射束3由第一激光器产生并且借助镜子7被转向到射束合成器10上并且然后相对于光轴11以角度α1入射到体积光栅1上。该角度α1在借助转换装置4转换期间保持不变。
由第二激光器产生的光射束2在光射束2不是以接收角入射到体积光栅1上时的第一运行状态中相对于光轴11以角度α2入射到体积光栅1上。在图2所示的第二运行状态中，光射束2在转换过程之后相对于光轴11以角度β2入射到体积光栅1上。该角度β2例如可以是四到五度。
构成为AOD的体积光栅1按照图2实现光射束2按照调制的频率f1、f2、fn衍射。在此，虚线剪头线示出根据相应不同频率的第零阶衍射，而各实线箭头线示出第一阶衍射，其中利用所述不同频率加载体积光栅1。未衍射的光射束3在通过体积光栅1之后平行于光轴11延伸。
在镜子9和体积光栅1之间还可以设置有用于改变光射束极化的装置、例如λ/2板，以便在光射束2进入体积光栅1之前改变该光射束的极化。
在本发明的在图1和2中所示的实施例中，以及也在图3至6所示的第二和第三实施例中，多个激光光路被射束合成器10合成在一起。合成也可以通过二色的或极化的分束器实现。
在图1和2所示的实施例中，具有波长λ1和λ2的两条光射束2和3被一个构成为二色的分束器的射束合成器10合成在一起。
在该共同的光路中存在一个构成为AOD的体积光栅1。AOD具有接收角，该接收角可能与波长相关。如果光以接收角入射到AOD上，则该AOD使光衍射到一个或多个第一衍射装置中，例如按照调节的声学频率f1、f2、fn。
所述光学布置系统的原理目标在于，所述共同的光路在AOD之后沿着光轴11延伸。为此使用调节单元5，这些调节单元位于分开的光路中。首先进行该调节，使得光束不是以接收角入射到AOD上，而是未衍射地通过该AOD。
在图1中这样调节镜子6和7，使得光射束2和3相对于光轴11具有角度α1和α2，当这些光射束入射到AOD上时，从而透射的光射束2和3平行地并且在光轴11上离开AOD。调节单元也可以是可动的透镜、可动的光纤输出端或类似物。
如果现在应使用AOD用来影响光射束2、3之一的角度，则该光射束2、3或者光射束2、3的该光束以接收角、亦即通常在接收角范围内入射到AOD上。为此使用所提到的调节单元之一5，更确切地说，位于所希望的光射束2、3的光路中的那个调节单元。
按照图2这样调节镜子6，使得所述的光束或所述的光射束2以接收角入射到AOD上。在此，光束2相对于光轴11具有角度β2。现在，光射束可通过AOD衍射，当为该AOD调制一个或多个频率f1、f2、fn时。另一光束3本来就不被AOD延伸，因为该光束不是以接收角入射到AOD上时。
在接收角与人们必须借以入射AOD以便未衍射的光沿着光轴11输出的角度之间存在预定的角度差。该角度差在转换时在被转换的相应激光器的光路中导致射束偏移。根据角度差的大小和几何间距，该射束偏移可以变得如此大，使得射束合成器10或光路中的其他元件必须设计成具有很大的直径。这按照本发明可以通过如下方式回避，即，在共同的光路中设置镜子8和9的布置系统，这些镜子加强或者叠加调节单元5的调节效果。
按照图2，这两个镜子8和9设置用于此目的。如果镜子6运动使得来自第二激光器的光入射到镜子8上，则光处于与图1中不同的路径并且光射束2以接收角入射到AOD上。
按这种方式，每个光路可单独转换，而各光路不必分别具有特别大的射束偏移。此外，为了转换仅须对于每个光路使一个构件、这里镜子6运动。本光学布置系统可以在适当构造的情况下也用于多于两个激光器或光源。
图3和4以示意图示出按照本发明的光学布置系统的第二实施例，而图5和6以示意图示出按照本发明的光学布置系统的第三实施例。
在这里，第二和第三实施例在其原理性构造方面与第一实施例相应。不过，相应的转换装置4构成为不同的并且转换装置4或射束方向的转换不通过调节单元5激活。
在按照图3和4的第二实施例中，图3(与图1相应)示出光学布置系统的第一运行状态，而图4(与图2相应)示出第二运行状态。按照图3和4，在第二激光器和调节单元5的镜子6之间设置有λ/2板12形式的用于改变光射束2的极化的装置。利用该λ/2板12，使光射束2的极化转动了90度，以激活转换过程或转换装置4。在镜子6上反射之后，光射束2通过射束合成器10而没有变化并且然后到达极化分束器13，该极化分束器使光射束2根据极化方向或者按照图3通过或者按照图4反射到镜子9上。因此根据λ/2板12的位置，得到按照图3的情形或者按照图4的情形因而以及光射束2的射束方向从第一射束方向向第二射束方向的转换，其中，光射束2沿第二射束方向以接收角入射到体积光栅1或者说AOD上。除了转换装置4的构造和附加设置λ/2板12之外，在图3和4中示出的实施例与按照图1和2的实施例相应。就此而言，为了避免重复，参阅对图1和2的附图说明。在原理上，可以在每个存在的射束中设置转换(在本实例中通过λ/2板12实现)。
在按照图5和6的第三实施例中，转换装置4这样构成，即，代替按照第一实施例的镜子8，在光学布置系统的光轴11上设置有二色的分束器14或滤色镜。在按照图5和6的两个运行状态之间的转换通过使光射束2的波长从波长λ2适当地改变成波长λ3来实现。在此，波长λ2和λ3必须这样与分束器14协调或反之亦然，使得在波长λ2时光射束2通过分束器14并且在波长λ3时光射束2通过分束器14反射到镜子9上，从而光射束2最终以接收角——在这里相对于光轴11的角度β2——入射到体积光栅1上。在本实施例中也可想到，所有存在的射束可以在非激活状态和激活状态之间转换。
在其他方面，按照图5和6的第三实施例也与按照图1和2的第一实施例相应，从而为了避免重复，在光学布置系统的其他构件方面可参阅对图1和2的附图说明。
在按照本发明的光学布置系统和按照本发明的方法的进一步有利的实施方案方面，为了避免重复，参阅说明书的一般性部分以及参阅权利要求书。
最后要明确指出，前面描述的实施例仅用于解释要求保护的教导，但不限于这些实施例。
附图标记列表
1     体积光栅
2     光射束
3     光射束
4     转换装置
5     调节单元
6     镜子
7     镜子
8     镜子
9     镜子
10    射束合成器
11    光轴
12    λ/2板
13    极化分束器
14    二色分束器

Claims (16)

1.包括用于影响至少一条光射束(2)的射束方向的体积光栅(1)的光学布置系统，其特征在于，在体积光栅(1)之前的光路中设置有转换装置(4)用于使至少一条光射束(2)的射束方向和/或射束位置从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置转换，和/或反之亦然，在所述第一射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)不是以体积光栅(1)的接收角入射到体积光栅(1)上，在所述第二射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)以接收角入射到体积光栅(1)上。
2.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，所述转换装置(4)或者所述至少一条光射束(2)的射束方向和/或射束位置的转换能通过调节单元(5)激活，该调节单元设置用于预设和调节所述至少一条光射束(2)的第一射束方向。
3.根据权利要求1或2所述的光学布置系统，其特征在于，所述转换装置(4)构成为用于增大调节单元(5)的调节范围。
4.根据权利要求2所述的光学布置系统，其特征在于，所述调节单元(5)具有第一镜子(6)、透镜或可动的光纤输出端。
5.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，所述转换装置(4)或者所述至少一条光射束(2)的射束方向和/或射束位置的转换能够通过用于改变所述至少一条光射束(2)的极化的装置或者通过改变所述至少一条光射束(2)的波长激活。
6.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，所述转换装置(4)具有至少一个第二镜子(8、9)、极化分束器(13)和/或二色的分束器(14)。
7.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，在体积光栅(1)之前的光路中设置有用于改变光射束极化的装置。
8.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，在体积光栅(1)之前的光路中设置有分束器(10)，用于至少两条光射束(2、3)。
9.根据权利要求1所述的光学布置系统，其特征在于，所述体积光栅(1)是声光学偏转器、声光调制器、声光可调谐滤波器或非声光学元件。
10.根据权利要求5所述的光学布置系统，其特征在于，所述用于改变所述至少一条光射束(2)的极化的装置为λ/2板(12)。
11.根据权利要求6所述的光学布置系统，其特征在于，所述转换装置(4)具有两个第二镜子(8、9)。
12.根据权利要求7所述的光学布置系统，其特征在于，在所述转换装置(4)与所述体积光栅(1)之间设置有用于改变光射束极化的装置。
13.根据权利要求7所述的光学布置系统，其特征在于，所述用于改变极化的装置具有λ/2板(12)。
14.根据权利要求8所述的光学布置系统，其特征在于，所述分束器(10)为二色的或极化的分束器。
15.用于影响至少一条光射束(2)的射束方向的方法，其特征在于，借助设置在体积光栅(1)之前的光路中的转换装置(4)，使至少一条光射束(2)的射束方向和/或射束位置从第一射束方向和/或射束位置向第二射束方向和/或射束位置转换，和/或反之亦然，在所述第一射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)不是以体积光栅(1)的接收角入射到体积光栅(1)上，在所述第二射束方向和/或射束位置时所述至少一条光射束(2)以接收角入射到体积光栅(1)上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法在使用根据权利要求1至14之一所述的光学布置系统的情况下影响至少一条光射束(2)的射束方向。
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