CN114375416A - 多通道光机寻址单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将相互平行的光束的第一组物侧组(S1)成像到图像表面上的光学装置(100)，包括光束扩展单元(161、162)；光学重新排列单元(130、140)，被配置为在保持相互平行的同时重新排列第一组(S1)相互平行的光束，以获得第二组(S2)相互平行的光束；光学元件(150)，被配置为通过集束将第二组(S2)一个或多个光束引导到光束扩展单元(161、162)处，使得光束扩展单元(161、162)由第三组(S3)光束到达，其中光束扩展单元(161、162)被配置为扩展第三组(S3)中的每个光束以获得第四组(S4)经扩展光束；以及光学成像单元(170)，被配置为将第四组(S4)经扩展光束成像到图像表面(190)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将相互平行的光束的物侧组成像到图像表面上的设备。
背景技术
存在这样的应用情况，其中来自可以由若干光纤提供的多个光源的光被引导到图像平面内的非常小的区域上。这方面的一个示例是量子计算，其中光束指向位于合适的离子阱内的离子。离子间距离约为几微米。所用光的波长取决于所用离子的特性，通常范围从UV到NIR。阱内离子之间的距离取决于各种参数。当阱加载不同数量的离子时，离子间距会发生显著变化。例如，由于阱内的干扰场，会发生微小的变化。因此，应该可以以可变地可调节的方式将光束引导到离子阱平面内的区域上，同时具有焦点位置的高精度可跟踪性。
然而，类似的问题也出现在其他技术领域，诸如在光数据通信中。
寻址不同离子的简单变体包括使用单个源和单个离子的顺序寻址，如：Crain,S.等人，在“Individual addressing of trapped 171Yb+ion qubits using amicroelectromechanical systems-based beam steering system(《使用基于微机电系统的束控制系统对捕获的171Yb+离子量子位进行单独寻址》)”Applied Physics Letters,pp.181115,1-4,2014中。然而，随着离子数的增加，顺序操作成为在不同离子位置快速执行量子位(Qubit)操作的瓶颈。此外，在包括更大的离子数方面扩展该方案会导致中间图像平面的尺寸增加，如Crain,S.等人或Knoernschild,C.等人的“MEMS-based optical beamsteering system for quantum information processing in two-dimensional atomicsystems(《基于MEMS用于二维原子系统中量子信息处理的光束转向系统》)”，OpticsLetters，第273-275页，2008年，并因此导致对后续光学成像单元的需求不断增加。
使用MEMS镜阵列，多通道输入的位置可以与接收器平面内的目标位置相关联。在光纤开关设置中，准直和相同的聚焦透镜通常用于输入侧和输出侧通道，以实现1:1的图像形成。在这种背景下，镜阵列导致对于输入与输出的任何关联，束在输出侧撞击中心和垂直的相应通道位置。这需要根据输出通道的固定排列对输出侧镜进行预定的固定定位。因此，使用这种设置很难实现输出通道的可变位置。
基于光纤阵列内固定的输入侧源位置，MEMS镜阵列可以与从属光学元件结合使用，用于在不使用中间成像的情况下寻址离子位置：参见Rickert,J.，“Simultaneous andindividual ion addressing for quantum information processing(《用于量子信息处理的同时和单个离子寻址》)，”Leopold-Franzens-
Innsbruck，实验物理研究所，2018年。在这种背景下，从光纤开始的准直束被扩展。随后的物镜将其焦平面内的光束变换为适合成像任务要求的高斯腰(waist)。然而，如果光学单元没有广泛打开，则源位置位于光轴外部以及朝向光轴的倾斜实现焦平面内的期望位置偏移，导致传输损失。因此，将光学单元直径本身与通道的数量成比例的方法是不合适的，因为如果光学设备的尺寸有限，则通道的数量因此从一开始就受到限制。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种光学设备，用于将相互平行的光束的第一物侧组成像到图像表面上，使得所述图像表面内的发生所述成像的位置的可调节性将更容易实现，如果需要，还可以通过例如机械组件进行调节，和/或以更容易扩展到大量光束的形式。
该目的的解决方案通过根据权利要求1所述的光学设备来实现。
本发明的核心思想在于可以实现将光束的第一物侧组成像到图像表面上的概念，其在可如下实现的成像位置和/或光束的数量方面更为有效：当光束被提供为使得它们在输入侧平行延伸时以及当光束被重新排列时，同时在利用后续光学成像单元进行光束扩展之前，保持平行性，以及当经由光学元件实现重新排列的光束之间的过渡到光束扩展时，所述光学元件通过集束(或会聚)，即通过相互叠加，将重新排列的光束引导到光束扩展单元上，使得带有后续光学成像单元的光束扩展单元可以以基本上独立于光束的数量和/或重新排列。这得到一种光学设备，用于将相互平行的光束的第一物侧组，例如每个都源自玻璃纤维末端，成像到图像表面上，例如使用光束扩展单元；光学重新排列单元，配置为在保持相互平行性的同时重新排列第一组相互平行的光束，以获得第二组相互平行的光束；光学元件，被配置为通过集束将第二组一个或多个光束引导到光束扩展单元上，使得光束扩展单元由第三组光束到达，光束扩展单元被配置为扩展第三组光束中的每个光束以获得第四组经扩展光束；以及光学成像单元，例如物镜，被配置为将第四组经扩展光束成像到图像表面或图像平面上。
换句话说，实施例能够实现多个输入侧光源点与输出侧目标点的高精度光学关联，其中可以基本上分别排列在一个平面内的目标和/或端点不一定在此方向上(即，横向上)是静止的，并且源点和目标点的间距比可能需要明显增加或减少距离的成像。
例如，可以通过准直器，例如会聚透镜，为输入侧的每个通道生成在光线光学意义上弱会聚或弱发散的光束。例如，准直器捕获光源的高度发散光并生成散度降低的光束。因此，具有低散度的相互平行的光束起源于通道内。
所述光束可以经由合适的弯曲装置单独弯曲(重定向)，使得它们作为多个相互平行的弱发散束撞击在成像光学元件上，诸如会聚透镜或抛物面镜。
对于所述多个大体平行、弱会聚或弱发散的束，例如由于对成像光学元件的冲击的单个位置而导致束的不同反射角，使得它们在光学元件的焦平面内很大程度上彼此叠加，诸如例如位于焦平面内的盘中；由于成像光学元件，束不会失去其非准直特性，或会聚或发散，即使在光线光学意义上也是如此，但仍保留其在焦平面内作为光束的特性，并且在每种情况下不会在一个点重合。
束横截面可以通过例如实施为望远镜的光束扩展单元来扩展。在输入侧，光束扩展单元的尺寸应至少为束直径的1.5倍，束直径应位于另一个顶部。在输出侧，光束扩展单元的尺寸可以被最小化，一方面，通过其根据光轴对齐，该光轴由成像光学元件之后的中心束的传播方向产生，并且，另一方面，从它与成像光学元件的距离产生，此距离产生在望远镜用于来自由成像光学元件的焦距和望远镜内输入侧透镜的焦距光束扩展的情况下。在这种背景下，由源点的相互距离和目标点的相互距离产生的必要放大比例-具有在每种情况下都适用的非等距距离平均值-可以经由物镜的焦距和成像光学元件的焦距的比例，以及经由光束扩展的放大系数，同时存在于输出侧的光束扩展单元处的束直径，以及在输入侧，在物镜上，可以通过调整输入束的散度来适应相应的要求。
在相应的从属权利要求中提到了光学设备的进一步的实施例和进一步的有利方面。将要讨论的实施例的特征的效果和优点——以下同样适用于光学设备的单个光学元件组关于光学设备作为一个整体，并且可以互换和/或相互结合。
有利地，光学设备包括用于第一组光束中的每个光束的光源，各光束从该光源照射到光学重新排列单元上。
优选地，使用单模光纤作为光束的源。然而，如其他实施例所定义的，可以使用多模源，即使在这种情况下用于准直的横向尺寸也明显变得更大。例如，用于单模光纤的准直器可以是梯度折射率透镜。
在更进一步的优选实施例中，用于生成弱会聚或发散光束的光学设备包括用于第一组光束的每个光束的准直器，相应光束在光学重新排列单元的方向上穿过该准直器。准直透镜捕获高度发散的激光功率，例如来自光纤，并生成散度降低的光束，从而实现适中的传播距离。
有利地，光学设备的光学元件被配置为将平行于第二组光束入射的光集束到位于或近似小于光束扩展单元的输入侧光学元件在所述输入侧光学元件前面或后面的焦距的两倍的距离处的点。在这种背景下，第三组光束中的光束由于它们仍然存在会聚或发散，将在预定区域，例如圆圈内的点处彼此叠加。换句话说，在预定区域中的焦平面内相互叠加的束，由于它们分别会聚和发散，将保持它们作为光束的特性，在光线光学意义上也是如此，并且不会分别在一点重合。已经穿过光学元件以便与其他束叠加的每个束优选地是弱发散的并且因此将撞击在光束扩展单元上。在距轴不同距离处朝向光学元件会聚且彼此平行的光束被光学元件偏转，并在光学元件的焦距上彼此叠加。原始位置/方向，即各种横向位置和等角-光束的近轴束-因此由光学元件传送，以形成一组束，这些束在光学元件的焦平面上共享相同的位置，但与关于它们各自的角度和方向不同。
光束的源可以以一维或二维的方式排列，并且可以以一维或二维的方式实现重新排列。
在特别优选的实施例中，发生叠加的光学元件的焦平面的上述距离的范围在输入侧光学元件的焦距的0.5到1.5倍之间。
在更优选的实施例中，距离范围在fT1+Δ的0.5到1.5倍之间，其中
其中fT1为输入侧光学元件的焦距，fT2为光束扩展单元的输出侧光学元件的焦距，它们共同构成望远镜。
光束扩展单元的输入侧光学元件前面的束的上述叠加导致输出侧光学元件的照明的有效叠加，并有可能与之相关地将后者配置为即使在大量光束的情况下，尺寸也很小。
根据有利的实施例，光学成像单元的直径大于或等于第四组光束中的光束在该点处的横截面的1.5倍。在此位置，高斯束的完美叠加是可能的。
根据有利实施例的简单且低成本的设计使得光学元件被配置为单级或多级折射光学单元。
根据有利实施例的特别紧凑的设计使得，光学元件被配置为反射光学单元，优选构造为抛物面镜。
根据优选实施例，可以控制光学重新排列单元以与第一组光束相比来设置第二组光束的重新排列——关于光束的横向排列。结果，单个光束可以被叠加并且从它们的原始位置移位，例如以便实现光束的特别密集的排列或者将原始光束排列为彼此相距限定的距离。换言之，重新排列单元在保持相互平行性的同时重新排列入射光束，使得每隔一个输出侧光束与入射的第一光束之一双射相关，并且使得光束的横向相互排列将在第一组光束和第二组光束之间变化。
根据生产和设置简单的实施例，光学设备的光学重新排列单元包括机械可调镜。
为了易于调整或设置机械可调镜，根据实施例的光学设备包括轴承，例如弹簧连接或可移动轴承，机械可调镜通过所述轴承而线性可移动，诸如与入射光束平行。通过线性运动，可以在保持相互平行性的同时重新排列光束。结果，源自源Yi SOurCe并且位于不同空间位置的近轴光束的原始刚性位置可能彼此平行地移位。
为了保证光束的尽可能精确的重新排列或对准，光学重新排列单元可以包括机械和/或压电和/或磁可控致动元件，例如用于镜的线性运动。通过这种致动元件，可以实现光束的高精度控制。
便利地，光学设备的光学重新排列单元被配置为实现重新排列以保持所覆盖的距离，使得第一组光束中的每个光束在穿过光学重新排列单元以成为第二组光束中的光束时覆盖与重新排列的任何设置独立的或者与重新排列后的光束的任何位置独立的距离。因此，避免了光束中的取决于覆盖距离的任何变化。因此，它们将撞击具有相同直径和/或腰位置的光学元件，而与选择或设置的重新排列独立。
根据有利的实施例，光学重新排列单元包括沿着光学设备的光路布置在可调镜后面的刚性镜。该布置利用刚性镜和可调镜，可以使得弯曲角在每种情况下都约为90°。当所有光束一旦离开可调镜便以相同方式弯曲时，布置这样的镜是特别有利的。
根据另一有利实施例，光学重新排列单元被配置为重新排列平行于光束方向的第一组光束，同时以使得第二组光束平行于所述光束方向，即平行于第一组光束的方式保持相互平行性以及与所述光束方向的平行性。就光束的特性和/或方向的基本均匀变化而言，保持平行性对于撞击反射或折射光学元件是特别有利的。
根据实施例，光束扩展单元被配置为折射望远镜。
根据进一步优选实施例，光束扩展单元被配置为反射望远镜。使用这种反射望远镜的光学设备避免了光束扩展单元内的色差。
在光学设备的一个实施例中，第一组光束包括高强度的单色光。单色光能够在图像平面内精确测量和/或定位对象，因为通过光学设备的各种光学元件引导的单个光束的特性基本保持相同，因此可以以相同的方式进行控制。
附图说明
一些实施例以示例的方式在附图中示出并且将在下面解释：
图1示出了根据实施例的光学设备的示意图，
图2示出了用于说明高斯光和/或高斯光束的传统模型的示意图，
图3示出了根据实施例的具有线性排列的单模光纤的重新排列单元的示意图，
图4示出了用于说明根据有利实施例的借助于用于光束扩展的天文望远镜的光束的束叠加和光扩展的简化图，
图5示出了用于说明通过具有不利的束叠加的天文望远镜的光扩展的简化图，
图6示出了根据有利实施例的用于说明通过天文望远镜的束叠加和光扩展的简化图，用于解释光束叠加的最佳条件，
图7示出了用于说明通过天文望远镜的束叠加和光扩展的简化图，用于解释具有不利的严重准直光束的物镜的非最佳照明，
图8示出了用于说明通过根据图1的实施例的天文望远镜的光扩展的简化图，包括关于光的腰尺寸的指示，
图9示出了根据实施例的用于说明在使用折射光束扩展单元时光学设备的光路的简化图，
图10示出了根据进一步实施例的用于说明在使用反射光束扩展单元时光学设备的光路的简化图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地描述实施例，其中具有相同或相似功能的元件已经被提供有相同的附图标记。
图1示出了根据实施例的光学设备100的示意图。在此背景中，光学设备100对应于用于将多个相互平行的光束成像到图像表面190上的多通道光机械寻址单元。从源110开始，形成第一组S1的一束光束的若干束光束经由光学设备100被引导到图像表面190上。第一组S1光束的单个光束被排列成彼此平行。换言之，输入平面内的不同源点Yi source与图像表面190内的特定目标点Yi target相关联或成像到特定目标点Yi target上。
一个或多个单模源可以用作第一组光束S1的光束的源110。来自激光源的光例如经由分路器从一根单模光纤传输到几根单模光纤，然后这些单模光纤的端部将用作组S1的单个光束的源，或者使用多个单模激光器，不使用或使用光纤耦接，用于提供光束的组S1。
光束的第一组S1的光束被转发到重新排列单元130、140。这可以，例如对于每个束和/或通道，通过准直器120诸如梯度折射率透镜来实现。
第一组光束S1的束可以包括单色光。单色特性可能是由于光学设备100的应用技术领域，诸如在量子计算机中，但在其他应用领域中也可能是有利的，以避免色差。
作为上述描述的替代，第一组光束S1也可以源自多模源，即来自多模激光器或多模光纤。对于组S2的每个通道和/或束，可以提供合适的准直器；在这种情况下，准直光束的尺寸可能比单模的要大。例如，组S1的每一束都来自多模光纤、VCSEL或VCSEL阵列的通道。在多模产生的情况下，组S1的束可能由VCSEL的阵列生成，然后是微透镜阵列和/或每个VCSEL的另一个微透镜。
重新排列单元在保持相互平行性的同时重新排列第一组S1相互平行的光束，得到第二组S2相互平行的光束。随后，将描述重新排列单元是机械可调的，或者可以被设置为不同的重新排列的实施例。
经由重新排列单元130、140将第二组S2相互平行的光束引导至光学元件150，该光学元件150被配置为通过集束的方式将第二组S2一个或多个光束引导至光束扩展单元161、162，使得光束扩展单元161、162由第三组S3光束到达。光学元件150被配置成将平行于第二组S2光束入射的光集束到点X的位置处，或大约在距离fT，1+Δ处，其小于光束扩展单元161、162的输入侧光学元件T1在所述输入侧光学元件T1之前或之后的焦距fT，1的两倍。由于优选地在第二组光束的每一个中固有的发散，第三组S3的光束将在扩展区域内的点X处彼此叠加。换句话说，组S2的每束光束被光学元件150弯曲并且作为组S3的束之一被导向点X，以便在那里与组3的其他束叠加。叠加发生在扩展的表面积内。第三组S3的束双射地指向X点的方向，这取决于组S2的相应光束撞击到光学元件上的横向位置。
在图1的实施例中，光学元件150被配置为一级折射光学单元。根据进一步的实施例，光学元件150还可以被配置为多级折射光学单元或反射光学单元。
在图1的当前实施例中，第三组S3光束的叠加点X位于输入侧光学元件T1的前面，例如由光束扩展单元161、162形成的望远镜的会聚透镜。光束扩展单元161、162是被配置为扩展第三组S3光束中的每一个光束以获得第四组S4扩展的光束。在图1中，光束扩展单元161、162由望远镜形成，该望远镜包括在输入侧的透镜T1和在输出侧的透镜T2。第四组S4光束经由排列在光束扩展单元161、162下游的光学成像单元170被成像到图像表面190上。在此背景中，在图1的实施例中光学成像单元170配置为将第四组S4经扩展光束聚焦到图像表面190上。
借助光束扩展单元161、162，本文将其描述为包括两个光学元件或透镜T1、T2的天文望远镜，一个设法叠加平面上第三组S3光束的光束——它们基本上用于在望远镜前方的点X相互叠加，其中平面在此是光学成像单元170的输入侧表面，以形成具有与第三组光束相比扩大的束直径的第四组S4光束，并且束之间的束传播方向差异较小，第四组S4光束被光学成像单元170聚焦到像平面190上。
适合聚焦在例如离子上的单模高斯束服从高斯光束光学定律。例如，本发明的实施例，诸如图1的实施例，设法产生腰尺寸——聚焦到图像平面190上的束——可能非常小并且基本上仅取决于腰尺寸或光学成像单元170的直径以及波长，但本质上与组S1至S4中光束的数量独立。为了说明这一点，首先应参考图2。
图2示出了高斯光或高斯光束的常规模型，其用于根据这里列出的实施例计算和描绘光束的行为的近似的目的。
因此，波长的光束的特征在于对应的腰w0和角度θ0，根据
并根据与腰W的距离z的光半径
其中z0是瑞利长度
通过这种方式，光半径扩大到腰值W的
倍。
通过光学元件，高斯腰相互变换，束横截面的尺寸远离腰W增加，并朝着腰W逐渐减少。
位于光路或束路径内的光学元件的照明区域与光束的孔径角θ0和距腰平面的距离z有关。对于较小的腰尺寸，束的孔径角变大，这意味着在光学元件与腰的给定距离下，光学元件的照射面积相应变大。为了确保在高斯光束中包括足够的能量＞99％，位于光路中并可能具有限制束效果的元件的直径必须至少在此点是现有束半径的三倍。
在已知的技术方法中，用虚线表示的背轴束或显著倾斜于光轴OA的束具有对光学元件的相应尺寸和质量的要求增加的趋势，或者具有光学元件的有限尺寸的趋势，会出现由于光束强度的高斯分布的部分截止而引起的传输损耗。例如，由于源侧排列或由于将源点Yi source与目标点Yi target相关联所必需的光偏转而出现相应的效果。
根据本发明的实施例，例如被配置为物镜的光学成像单元170的直径基本上不大于产生腰尺寸wtarget所需的直径，并且焦距基本上不小于产生腰尺寸wtarget所需的直径——它能够对图像表面190中的目标点Yi target进行空间解析寻址——并且这是实现高斯束＞99％透射率所必需的。物镜170包括焦距fobj和直径Dobj，并且将对应于图像表面190的其焦平面内的光束变换成适合成像任务要求的高斯腰Wtarget。
光学成像单元170的孔径，例如物镜的孔径，在此背景中被称为数字孔径(NA)，其尺寸经由以下方式定义
依据(1)和(4)，考虑到＞99％的透射需求的同时，确定物镜必须具有的最小孔径角为
其中，设置的技术条件，诸如物镜与目标平面的距离和/或目标平面的扩展，指定了物镜的焦距和/或直径。
因此，在光机械系统的实施例中，可以配置通过光学重新排列单元的光机械光弯曲和通过光束扩展单元的光扩展，使得对于每个通道，撞击在物镜上的扩展束保持在根据技术条件确定的物镜直径内，并且几乎完全照亮前者。
以上述方式，本发明的实施例同时实现目标平面或图像表面内的多个输入侧光源点Yi soure与输出侧目标点Yi target的高精度关联，目标点Yi target不一定是静止的。例如，可以在离子阱中跟踪与负载相关的离子间距离或受杂散场影响的离子位置。通过物镜以光轴OA为中心并根据其直径设置的光学整体排列，并通过合适的微光机械实现，允许使用其规格关于数值孔径的物镜本质上仅取决于目标平面内的分辨率要求，并且就其焦距而言，本质上仅取决于由于与结构相关的原因而导致的工作距离。在例如图像表面190位于离子阱内的情况下，上述工作距离可以由例如真空窗口的厚度和阱距窗口的距离给出。因此，向更大离子数的缩放操作不受具有更大数值孔径或更大直径的明显更昂贵的物镜的限制，正如其他光机械方法的情况。以类似的方式，这也适用于应用设备100的其他技术示例。可以在本发明的实施例中使用的有限数值物镜孔径，由于更大的焦深而另外限制了所需的支出，例如，用于相对于诸如离子平面的图像表面190纵向调整物镜的支出。折叠的光学单元，除了物镜外，都是纯反射的，可以实现紧凑的设置，这些设置也独立于波长，因此可用于各种应用情况，例如用于包括40Ca+、138Ba+或其他离子的离子阱。
在具体实施方式中，图1的设备的尺寸可以如下以实现光机械寻址单元，为了简单起见，在图像表面190中的线性排列，例如用于离子阱内的40Ca+离子的线性排列，诸如保罗阱。作为以相互平行的方式延伸的光束的第一物侧组S1的源110，可以使用输入侧单模光纤的适当线性排列。对于源110的距离，机械系统方面要考虑光纤直径、准直透镜120的直径和必要的通道距离。如果假设由机械系统确定的参考网格为500μm，则将选择直径低于500μm的准直透镜120。如果源可以安排在不同的平面内，例如相对定位的平面，直径小于1mm的准直透镜120是可能的。对于离子阱内40Ca+离子的距离，平均值约为例如，可以估计5μm，由此得出的成像比例为100∶1的距离。用于40Ca+离子的光学设备100或光学寻址单元的波长为729nm。供应单模光纤110的模场半径约为2.5μm，作为输入高斯腰，可以被认为是很好的近似值。将被排列在光路内并且其一侧具有由通道距离设置的上限的重新排列单元130、140限制光的束直径。因此，在此位置，束半径应保持在150μm以下。如果离子阱中心的单个离子间距离低于5μm，则选择弯曲元件的尺寸将是有利的，例如可调镜130，低于500μm；即，优选地，弯曲元件130、140处的束直径W必须选择为小于100μm。图1示出了具有在准直透镜120后面弱会聚的束的有利实施方式。
为了实现成像尺度，光束扩展单元、光学元件150的焦距fOE和物镜的焦距fobj要适当地确定尺寸。对于源点Y的距离与目标点Yi target的距离之间的相关性，不失一般性，在每种情况下作为y方向的线性排列，如果光学成像元件150具有焦距fOE并且如果光束扩展单元161、162被假定为具有焦距为fT，1和fT，2的两个透镜T1、T2的望远镜，以公式的形式可以找到以下相关性：
如果光学成像元件150被配置为具有曲率半径Rc_mirr的抛物面镜，则(6)将导致足够的相关性
对于(6)和/或(7)，应当假设平行排列的作为源平面的纤维的距离在合适的重新排列单元130、140和/或光机械系统的一部分上以1∶1的比率平移到距成像光学元件150的光轴OA的距离，同时保持平行性。
如果重新排列单元130、140能够——同时保持上述平行性要求——将源位置Yi source变换为成像光学元件上由Yi OE指定的位置——其又描述距光轴OA的距离——自由源点和目标点的关联可以通过以下寻址
和/或，在抛物面镜作为成像光学元件的情况下，通过
源位置Yi source与位置Yi c_mirr的关联的可能实现在图3中以示例的方式概述。为了描绘关联的可变性，以说明性方式示出了各种可能性：应用的情况提供N个源通道或源点Yi source与N个目标通道或目标点Yi target的双射关联。
例如，如果假设物镜的NA为0.3，则离子平面内729nm的波长可以生成小于尺寸＜1.5μm的腰。所述腰尺寸能够精确定位位于约5μm的距离处的离子位置。如果继续假设焦距为30mm，这允许离子阱在厚度超过10mm的真空窗口后面操作，并且如果使用典型的光束扩展单元161、162用于成像比例为10∶1，对应于源点Yi source的距离与目标点Yi target的距离之比的100∶1的成像比例，将通过具有300mm焦距的光学元件150来实现——例如使用曲率半径为600mm的镜。
在本申请的实施例中，诸如在图1中，例如，光束扩展单元161、162排列在距抛物面镜的合适距离fOE+fT1+Δ处。因此，束叠加的位置或点X位于望远镜第一透镜T1前方距离fT，1+Δ处，这反过来导致束位于望远镜输出侧的中心，例如，如图1和图4所示。下文将推导出确定Δ的可能性。
相应地给定和/或要求的光束扩展单元的物镜和/或输出直径的照明基本上由光纤侧光学准直单元120设置。如果使用传统的微透镜，则该设置是由以下事实得出：对象距离被选择为与标称焦距f的偏离％几，从而实现所需的轻微会聚或发散。例如，诸如激光或光纤输出的光源，与准直器之间的距离在标称焦距的0.9到1.1倍之间。
如上所述，本发明的实施例的预期应用领域是量子技术，其中在离子阱内同时寻址多个离子是部分必要的任务。在其他各种应用领域中也有类似的任务——它们可能位于通信技术、传感器系统或工业应用中的光束引导领域。
图3示出了重新排列单元130、140的轮廓，其包括源自单模光纤的光束，在此作为示例，单模光纤被线性排列。在图3的实施例中，相应的单模光纤包括单个的准直器120a..d，其生成在光学意义上弱会聚和/或弱发散的光束。通过每个光束的可适当移动和/或可调节的镜130a..d，以及为所有光束提供的刚性镜140，对应于源点Yi source的光束中的单个位置pos.1..4与在光学元件150上的位置pos.1′..4′相关联。在这种背景下，单个光束不仅可以相互位移，而且可以重新排列。在图3中，位置pos.1..4到pos.1’..4’的单个位移用箭头表示。可调镜130a..b优选地被支撑以允许线性移动。取决于实施例，整个光学重新排列单元130、140或其部分可以通过机械和/或压电和/或磁可控致动元件来控制。沿着光学设备100的光路，光学重新排列单元130、140包括刚性镜140，刚性镜140排列在光路中可调镜130的后面并且光束经由刚性镜140被导向光学元件150.
如图3的示例所示，光学重新排列单元130、140可以被配置为实现位置的重新排列，在此是pos.1..4到pos.1’..4’，使得所覆盖的距离得以保持，使得光束的第一组S1的每一束光束在穿过光学重新排列单元130、140时成为或有助于，第二组S2光束的光束覆盖的距离与重新排列的任何设置独立。此外，光学重新排列单元130、140被配置为重新排列平行于光束方向的第一组S1光束，同时保持相互平行性以及与光束方向的平行性，使得第二组S2光束平行于光束方向或继续平行于光束方向。
下面将参考几个连续的图来描述关于光学设备100的单个光学组件的优选设置，其能够实现目标点Yi target的最佳照明。
图4描绘了用于说明根据有利实施例的借助于天文望远镜的光束的束叠加及其光扩展的简化图。为了简化问题，示出的是从单个光束的准直器120开始的光路——未示出重新排列单元130、140。指向光学元件150的光束仅表现出较小的会聚或发散，并且平行于光轴OA延伸，其在图中以虚线表示。单个光束被光学元件150偏转。然后光束会聚在光学元件150的焦距fOE中，所有光束的公共中心由点X定义，其位于光学元件150的焦点中。在此背景中，点X的位置排列在光束扩展单元161、162的输入侧光学元件或输入侧透镜T1前方预定距离fT，1+Δ处。在本实施例中，设置距输入侧透镜T1的距离的点X，使得光束通过光束扩展单元161、162基本上完全照亮输出侧透镜T2进行扩展，以及光学成像单元170-—诸如，例如物镜——排列在其下游，例如，照亮超过50％，具体地，例如，就关于每个扩展的光束而言超过50％。通过光学元件150，光束的原始位置/方向，即近轴光束的不同位置和相同角度，被传送到相同位置和不同角度。源110，例如单模源，也可以以一维或二维方式排列。
图5描绘了根据进一步实施例的用于示出说明光束的束叠加及其借助于天文望远镜的光扩展的简化图。与图4不同，在图5中，距望远镜的输入侧光学元件或输入侧透镜T1一定距离处的点X的位置被确定为使得光束不必在输出侧光学元件、或输出侧光学透镜T2、或下游物镜170中重叠。因此，图5示出了在光束扩展单元161、162的光学元件150和输入侧光学元件161之间具有非适应距离的束的光路。
考虑到从距光轴OA不同距离的光源平行发出的所有光束将在输出侧光学元件162或输出侧透镜T2以及连接在光束扩展单元161、162下游的物镜170中完美地相互叠加这一事实，光学设备的有利设置或尺寸设计将如通过图6解释的那样。当查看图4和图5时，可以清楚地看出在延伸穿过光学设备100的光路中的不同。
通过图6，将说明根据实施例的用于光束的最佳叠加的上述尺寸。为此，为了简化问题，仅图4和图5的部分示出了包括在单个光束的叠加位置处的点X以及光束扩展单元161、162。所要求的条件包括光束的束中心，其在成像光学元件150之后的距离fOE处重合，也将在望远镜的输出侧光学元件或输出侧透镜T2的平面内再次重合。在图6中，单个光代表单个光束的相应的中心，这些光束源自成像光学元件150的不同位置并朝着光束扩展单元161、162延伸。该条件可以被表述为成像任务，适用于以下内容：
点X或对象点是位于光轴OA上并且光束的所有中心即束中心重合的位置。点X由透镜T1在图像距离fT，1+fT，2处成像到同样位于光轴上的图像点。满足成像任务的定义量是对象点或X与T1之间的距离
为此，将以下内容插入到成像等式中
作为对象宽度s，数量fT1+Δ
作为图像距离s′，数量fT1+fT2
以及作为焦距f，数量fT1，
其结果是，要确定的量Δ达到
根据替代实施例，根据ED 2，Δ位于值的±50％范围内就足够了。
对于物镜170内的束叠加，当要考虑T2和物镜170之间的有限距离时，会出现Δ的微小修正，例如当附加的光学元件被引入到那里的光路中时。
图7示出了简化图，用于通过与前面的图4至图6的类推来说明借助包括透镜T1、T2的天文望远镜的束叠加和光扩展，用于解释在准直光束过重的情况下物镜170的照明不足。设置光束扩展单元161、162和/或连接在光束扩展单元161、162下游的物镜170的输出侧光学元件或输出侧透镜T2的照明，这是因为平行撞击到成像光学元件150上的光束表现出一定的会聚性或发散性一—换言之，它们没有以理想的方式准直。这可以在图4中从成像光学元件150的左侧聚集，指示高斯光束的单个光束的曲线。
从图7可以看出，在光束准直过重的情况下，光束将仅照亮输出侧光学元件T2和/或连接在光束扩展单元161、162下游的物镜170的很小一部分。
图8示出了根据结合解释图2中的高斯光的实施例的用于说明借助于天文望远镜的光扩展的简化图。图8描述了其中源点Yi source和目标点Yi target的距离相差100倍的实施例。因此，光束或束的腰的尺寸也有所减小，如图8中的腰尺寸所示。减小的起点尺寸为100:1的不是源110的光束的腰，而是由未设置为执行理想准直的准直透镜120生成的腰。在该实施例中，后者总计89微米，并且通过物镜焦平面内尺寸的100:1减小而被变换为0.89微米的腰的尺寸。
图9示出了根据实施例的用于说明在使用折射光束扩展单元161、162时光学设备100的光路的简化图。与图1的实施例不同，图9的实施例包括反射光学元件150。例如，反射成像光学元件150可以是抛物面镜。在包括反射成像光学元件150——抛物面镜——的实施例中，源110或准直器120被排列在特定角度，以便不会发生阴影。
图10示出了用于说明使用反射光束扩展单元165、166时光学设备100的光路的简化图。与上述图1和图3至图9的实施例不同，图10的实施例不包括重新排列单元130、140。光源110的单个平行光束被引导，仅在光源110准直器120上方，直接到达成像光学元件155，光束从那里经由包括两个抛物面镜的反射望远镜形式的光束扩展单元165、166到达物镜170，光束经由物镜170聚焦到图像表面190。
导致这些结果的研究工作得到了欧盟的支持。
参考数字列表：
100 光学设备
110 源
120a..b 准直器
130a..b 可调镜
140 固定的刚性镜
150 成像光学元件
155 成像光学元件(抛物面镜)
170 光学成像单元，物镜
190 图像表面，或图像平面
161,162 光束扩展单元(折射望远镜)
165，166 光束扩展单元(反射望远镜)
POS 1..4 重新排列前光束的位置
POS 1’..4’ 重新排列后光束的位置
T1 输入侧光学元件(161)，或输入侧透镜望远镜
T2 输出侧光学元件(162)或输出侧透镜望远镜
fOE 光学元件的焦距(150)
fT，1 输入侧光学元件焦距T1
fT，2 输出侧光学元件焦距T2
D 直径
Δ 偏差
θ 角度
λ 波长
Yi source 源点或源位置
Yi target 图像表面(190)上的目标点或目标位置
Rc_mirr 抛物面镜半径(焦距)
Yi c_mirr 成像光学元件上的位置
Yi OE 成像光学元件上的位置
Claims (24)
1.一种用于将相互平行的光束的第一物侧组(S1)成像到图像表面上的光学设备(100)，包括
光束扩展单元(161、162)；
光学重新排列单元(130、140)，被配置为在保持相互平行性的同时重新排列所述第一组(S1)相互平行的光束，以获得第二组(S2)相互平行的光束；
光学元件(150)，被配置为通过集束将所述第二组(S2)一个或多个光束引导到所述光束扩展单元(161、162)上，使得所述光束扩展单元(161、162)由第三组(S3)光束到达，所述光束扩展单元(161、162)被配置为扩展所述第三组(S3)中的每个光束以获得第四组(S4)经扩展光束；以及
光学成像单元(170)，被配置为将所述第四组(S4)经扩展光束成像到所述图像表面(190)上。
2.根据权利要求1所述的光学设备，包括
用于所述第一组(S1)光束中的每个光束的源(110)，各光束从所述源(110)照射到所述光学重新排列单元(130、140)上。
3.根据权利要求2所述的光学设备(100)，其中
用于所述第一组(S1)光束中的每个光束的所述源(110)包括
单模源，或
多模源，或
多模源。
4.根据权利要求3所述的光学设备(100)，包括
用于所述第一组(S1)光束中的每个光束的准直器(120)，所述第一组(S1)光束中的相应光束在所述光学重新排列单元(130，140)的方向上穿过所述准直器(120)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，包括用于所述第一组(S1)光束中的每个光束的单模光纤，所述单模光纤包括GRIN透镜作为准直器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光学元件(150)被配置为将所述第二组(S2)光束集束到预定距离处，所述预定距离小于所述光束扩展单元(161，162)的输入侧光学元件(T1)在所述输入侧光学元件(T1)前面或后面的焦距(fT,1)的两倍，使得所述第三组光束(S3)中的光束相互叠加。
7.根据权利要求6所述的光学设备(100)，其中
所述预定距离等于所述输入侧光学元件(T1)的所述焦距(fT,1)的0.5到1.5倍。
8.根据权利要求6或7所述的光学设备(100)，其中
所述预定距离等于fT,1+Δ的0.5到1.5倍，其中
其中fT1是所述输入侧光学元件(T1)的所述焦距(fT,1)，fT2是所述光束扩展单元(161、162)的输出侧光学元件(T2)的焦距(fT,2)，所述输入侧光学元件(T1)和所述输出侧光学元件(T2)共同构成望远镜。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的光学设备，其中所述光学成像单元(170)包括大于或等于所述第四组(S4)光束中的光束的横截面的1.5倍的直径。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光学元件(150)被配置为单级或多级折射光学元件。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光学元件(150)被配置为反射光学单元。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中所述光学重新排列单元(130，140)可被控制为与所述第一组(S1)光束相比来设置所述第二组(S2)光束的重新排列。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中所述光学重新排列单元(130，140)包括机械可调镜(130)。
14.根据权利要求13所述的光学设备(100)，包括
轴承，所述机械可调镜(130)通过所述轴承而线性可移动。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中
所述光学重新排列单元(130，140)包括机械和/或压电和/或磁可驱动致动元件。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光学重新排列单元(130，140)被配置为实现重新排列以保持所覆盖的距离，使得所述第一组(S1)光束中的每个光束在穿过所述光学重新排列单元(130，140)以成为或贡献于所述第二组(S2)光束中的光束时覆盖与所述重新排列的任何设置独立的距离。
17.根据权利要求14或15所述的光学设备(100)，其中
所述光学重新排列单元(130，140)包括沿所述光学设备(100)的光路布置在所述可调镜(130)后面的刚性镜(140)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光学重新排列单元(130，140)被配置为重新排列所述第一组(S1)光束，所述第一组(S1)光束平行于光束方向，同时以使得所述第二组(S2)光束平行于所述光束方向的方式保持相互平行性以及与所述光束方向的平行性。
19.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光束扩展单元(161，162)被配置为折射望远镜。
20.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光束扩展单元(161，162)被配置为反射望远镜。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述第一组(S1)光束包括单色光。
22.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述光束扩展单元通过所述第四组(S4)光束中的每个光束照射超过50％的所述光学成像单元(170)。
23.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述第一组(S1)光束以弱散度入射到所述光学元件上，所述弱散度没有被所述光学元件(150)抵消，使得所述第三组(S3)光束中的光束是弱发散的。
24.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备(100)，其中
所述第一组(S1)光束已经被生成为弱会聚的，且其腰位于所述光学元件(150)的前面，或者所述第一组(S1)光束已经被生成为弱发散的。
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