CN1703646A - 激光系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种激光系统和干涉仪，它们包括产生激光束(12、52)的激光源(10、51)，第一(16、36、57)和第二(18、38、58)可调元件，其中第一(16、36、57)和第二(18、38、58)可调元件有受限的旋转运动，从而使第一可调元件的转动引起在一平面内激光束的偏转，和第二可调元件的转动引起在另一平面内激光束的偏转，并来自激光源(10、51)的激光束(12、52)倾斜于要求的光束方向(14、34、60)，由此可调元件的转动使激光束偏转，使激光束与要求的光束方向对齐。可调元件可以在90度范围内转动。第一和第二平面可以垂直于要求的光束方向和相互垂直。至少安置一个反射镜(42，56)，该反射镜在角度上偏离要求的光束方向。

Description

激光系统
技术领域
本发明涉及一种激光系统，特别是激光系统中激光束的对准。
背景技术
已知，使用两个或三个转动棱镜控制激光束的方位。可以获得激光束一维或二维的对齐，这取决于转动棱镜的数目和它们的相对方位。在一平面内，一块棱镜的转动使激光束方向偏转。另一个转动棱镜可以在平面内增加偏转角度或使激光束在不同的平面内偏转，但两个棱镜对激光束位置的总体影响不明显。伴随已知的控制激光束方位的方法的问题包括下面的事实：棱镜可能会很贵，因为为了达到目标，它们通常必须是配对的棱镜。棱镜的调节可能是费时和不直观的。在给定平面上，激光束方向的调节量也受到限制。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了激光系统，该系统包括：
提供沿光路的激光束的激光源；和
处于光路中的第一和第二可调元件；其特征在于，
每个第一和第二可调元件有受限的旋转运动，从而使第一可调元件的转动导致激光束在一平面内偏转并，第二可调元件的转动导致在另外一个平面内的偏转，和
来自激光源的激光束倾斜于要求的激光束方向，由此可调元件的转动使激光束偏转，使激光束与要求的激光束方向对齐。
优选地，第一和第二平面垂直于要求的激光束方向。
优选地，激光系统还包括至少一个位于激光光路径内的反射镜。该至少一个反射镜优选地相对于要求的激光束方向在角度上偏斜，其中，第一和第二可调元件的偏转与反射镜的反射相结合，使激光束与要求的激光束方向对齐。
根据本发明第二方面，提供了激光干涉仪，该干涉仪包括：
用于提供沿光路的第一激光束的激光源；
用于提供第二激光束的装置；
干涉装置，用于提供由第一和第二激光束叠加形成的干涉光束；
用于检测干涉光束的检测器；和
位于激光光路中的第一和第二可调元件；其特征在于，
每个第一和第二可调元件具有受限的旋转运动，从而使第一可调元件的转动导致激光束在一平面内偏转，第二可调元件的转动导致在另外一个平面内的偏转，和
来自激光源的激光束倾斜于要求的激光束方向，由此可调元件的转动使激光束偏转，使激光束与要求的激光束方向对齐。
优选地，激光干涉仪系统还包括在第一激光光路中的反射镜。该反射镜优选地相对于要求的激光束方向有角度地偏转，在其中，通过第一和第二可调元件的偏转与反射镜的反射相结合，使激光束与要求的激光束方向对齐。
附图说明
通过例子和参考附图，描述本发明，附图中：
图1显示了根据本发明的激光系统的平面图；
图2示意性地显示了根据本发明的另一激光系统；和
图3显示了根据本发明的干涉仪系统。
图1显示了具有激光源10的激光系统，该光源使激光束12处于某个角度，该角度基本上不平行于(或倾斜于)要求的激光束方向14。这个角度被称为设计角度，激光束12在两个方向偏离要求的激光束方向14——在z方向偏离角a、在y方向偏离角b。位于激光光路中的是第一棱镜16和第二棱镜18，它们两个都可围绕光路转动20。
或者，两棱镜可围绕垂直于要求的光束方向的平面24振荡，从而导致光束的偏转。相对于围绕光路的转动20，棱镜的这种倾斜提供了光束偏转的减少的角度灵活性。
在这个例子中，棱镜的取向在名义上或基本上彼此成90度，因此每个棱镜可在90度范围内转动，一个棱镜的运动使光束在一平面内偏转，另一个棱镜的运动使光束在与第一平面成大约90度的平面内偏转。对转动的限制能够简单化棱镜的操作，从而使激光束定向于要求的光束方向。
来自激光源10的激光束12入射在第一棱镜16上，该棱镜可围绕光路转动20。棱镜16的转动导致激光束12在z方向的偏转，因此，棱镜16的转动能够改变激光束12在z方向相对于要求的光束方向14的偏转角度。
第二棱镜18在光路20周围的转动使激光束相对于y方向偏转，即第二棱镜18的转动可以偏转激光束12，从而改变相对于要求光路14的偏转角度b，因此通过第一16和第二18棱镜的适当的转动，偏转角度a和b减少到基本上为零，且激光束在穿过两个棱镜后平行于要求的光路14。
棱镜可以通过手动或计算机控制来转动。
来自要求的光束方向(设计角度)含在激光束光源内的角度由棱镜的楔形角度26决定。棱镜的楔形角度越大，当激光束通过棱镜时，偏离要求光束方向的激光束偏转越大。
为了便利，如此设计系统从而使设计角度对应于两个棱镜限制了的运动的近似中心，使棱镜能够在设计角度附近±45度旋转。这有许多好处。第一，容许激光位置的一些不精确。第二，棱镜的转动将趋向位于90度弧的中心，因而较小的调节将导致接近线性的光束偏转。第三，90度转动的限制简单化了光束调节，因为它基本上对每个棱镜限于四分之一圆周。
棱镜的受限的旋转运动可以显著少于90度，优选地高至大约90度。具体的系统所要求的转动量、和由此产生的光束偏转量，取决于各个部分最初对准的容差、随时间的流逝而发生的各个部分之间棱镜的楔形角度和相对的角度误差，等等。
本领域的技术人员会意识到其他的可调元件可以取代上文中所描述的那些元件。例如衍射光栅、衍射光学元件和全息图。
图2示意性地显示了根据本发明的另一激光系统，该系统具有提供激光束32的激光源30，激光束最初倾斜于要求的光路34。
为了使激光束32偏转近90度，除第一36和第二38棱镜外还安置了反射镜42。反射镜42在角度上偏离要求的光束方向，从而当从反射镜反射出激光束时，激光束在两个平面内偏转，即，反射镜相对于x，y和z轴倾斜或非正交。反射镜42和激光源30固定在相对于要求的光束方向的近似正确方位上，从而使来自光源的激光束的偏转至要求的光束方向。两棱镜36、38用于细调反射镜42的效果，棱镜可转动40，以使激光束32在两平面内偏转。
反射镜在传统上用于激光系统，是为了提供激光束的直角偏转。然而，在角度上精确校准反射镜是困难的。本发明的实施例允许接近直角的偏转，同时，在装配要调试的激光系统的过程中允许相对于真正对齐情况的小偏转。
在传统的激光系统中，利用千分尺、螺纹或差动螺钉校准反射镜。这些调节器保留在激光系统中，提高了系统对温度波动的敏感度，因为调节器由与反射镜材料相比有不同的热膨胀系数的材料(钢)制成。由于调节器的设计，调节器的线性膨胀导致反射镜的转动，该转动如果足够大将导致不对齐的情况。
在本发明中，反射镜固定在相对激光源大约正确的角度的方位上，且两棱镜用于调节激光束的方向，激光束方向为入射在反射镜上。本发明的棱镜可以安置在铝环内，该铝环定位了棱镜并使其能够被调节。尽管温度波动仍将导致环的膨胀，就像在环内的棱镜一样，这样的延伸将线性地拉伸棱镜，而不是转动地。因此，根据本发明的激光系统对温度变化更不敏感。
在另一种结构中，第一和第二光束调整棱镜可以位于反射镜后面，从而在反射后细调激光光路。
尽管在这个例子中，激光束几乎垂直于要求的光束方向，但本领域的技术人员将意识到，例如通过合适地定位激光系统的各个部分或增加更多的反射镜，在本发明的实施例中任何倾斜偏转都是可能的。
图3显示了干涉仪系统50，该系统具有组合的激光源和检测器51，该检测器产生激光束52。分光器53将光束分裂成两个子光束52a和52b，它们随后各自被引导入单独的反射镜55a、55b。反射镜之一55a固定于一物体(未示出)，该物体相对固定于相对分光器53，另外反射镜固定于相对可移动的物体(未示出)。在示出的例子中，反射镜相互平行并取向于干涉仪的光轴60(要求的光束方向因此平行于这个轴)。这个光轴相对于激光源倾斜。反射镜55a、55b反射激光子光束52a、52b，它们随后在分光器53重新合并，产生受组合的激光源和检测器51检测的干涉光束。该干涉光束给出了两物体(未示出)相对位置的信息。
为了产生代表柱式干涉仪(column interferometer)特性的两个间隔开的子光束，将子光束52b之一引导至位于分光器邻近的回射器54，而将另外的子光束52a引导至反射镜56，该反射镜位于远离分光器53的大约和激光子光束成45度的地方，反射镜56和回射器54分别将各自的子光束引导至单独的反射镜55a和55b。在每个子光束的路径中，在反射镜56或回射器54和单独反射镜55a、55b之间的是两组两个可转动棱镜57a、58a和57b、58b，每组棱镜分别位于子光束52a、52b的路径中。这些棱镜每个关于子光束轴线在90度范围内可转动，并被布置得使棱镜57a、57b的转动导致各个子光束52a、52b偏转出纸平面，而另外的棱镜58a、58b的转动导致纸平面内的偏转。优选地，设置一对棱镜57、58，使每个棱镜的转动引起的光束偏转在小角度范围内都基本是正交的。这就允许独立于其他子光束在两个方向上控制各个子光束52a、52b的方向(不必须是垂直的)。
可调元件的使用增大了对于系统内光学组件的不对准的系统容差。
图3示出的干涉仪系统可以适于与本发明的实施例一起使用，该实施例使用两个可转动棱镜之外的角度偏转镜，以达到一个或两个子光束的更大的激光束偏转。根据需要，子光束的角度校准可以包括完全分开的系统(如图3所示)，或者，子光束可以共用一个或更多的部分。
根据对于维数或所需偏转的需要以及限制色差的重要性，在这里描述的两个棱镜可以被一个或更多棱镜的配置取代。
优选地，当使用两个棱镜时，棱镜是非匹配棱镜。其理由之一是降低成本。

Claims (11)

1.一种激光系统，该系统包括：
激光源(10、51)，用于产生沿路径的激光束(12、52)；和
位于光路中的第一(16、36、57)和第二(18、38、58)可调元件；其特征在于，
每个第一(16、36、57)和第二(18、38、58)可调元件都有受限的旋转运动，从而使第一可调元件的转动引起在一平面内激光束的偏转，并使第二可调元件的转动引起在一第二平面内激光束的偏转，并且
来自激光源(10、51)的激光束(12、52)倾斜于要求的光束方向(14、34、60)，可调元件的转动使激光束偏转，使激光束与要求的光束方向对齐。
2.如权利要求1所述的激光系统，其特征在于，第一和第二可调元件包括棱镜。
3.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于，第一和第二平面垂直于要求的光束方向。
4.如权利要求1至3中任一项所述的激光系统，其特征在于，第一和第二平面名义上相互垂直。
5.如以上权利要求中任一项所述的激光系统，其特征在于，第一(16、36、57)和第二(18、38、58)可调元件每个都能够转动90度。
6.如以上权利要求中任一项所述的激光系统，其特征在于，其还包括设置在光路中的至少一个反射镜(42)。
7.如权利要求6所述的激光系统，其特征在于，反射镜(42)在角度上偏离要求的光束方向。
8.一种激光干涉仪，该激光干涉仪包括
激光源(51)，用于提供沿光路的第一激光束(52)；
用于提供第二激光束(52b)的装置；
干涉装置(53)，用于提供由第一和第二激光束叠加形成的干涉光束；
用于检测干涉光束的检测器(51)；
位于光路中的第一(57)和第二(58)可调元件；其特征在于，
每个第一(57)和第二(58)可调元件都有受限的旋转运动，从而使第一可调元件(57)的转动引起在一平面内激光束的偏转，并使第二可调元件的转动引起在一第二平面内激光束的偏转，并且
来自激光源(51)的激光束(52)倾斜于要求的光束方向(60)，可调元件的转动使激光束偏转，使激光束与要求的光束方向对齐。
9.如权利要求8的激光干涉仪，其特征在于，其还包括设置在光路中的至少一个反射镜(56)。
10.如权利要求9的激光干涉仪，其特征在于，反射镜(56)在角度上偏离要求的光束方向。
11.如权利要求8至10中任一项所述的激光干涉仪，其特征在于，第一和第二可调元件包括棱镜。
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