CN1713021A - 反射操控激光束的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于操控光束路径的装置和方法，该装置包括第一光楔和第二光楔。第一光楔包括第一折射表面和第二折射表面。第二光楔包括与第二折射表面相邻的第三折射表面、以及一个反射表面。光束在第一折射表面处折射，在第二折射表面处折射，在第三折射表面处折射，从反射表面反射，在第三折射表面处折射，在第二折射表面处折射，在第一折射表面处折射。第一光楔和第二光楔中至少一个可以旋转，以使得从装置出射的光束可以被定向成与进入装置的光束基本正交。

Description

反射操控激光束的装置和方法
技术领域
本发明涉及反射操控激光束的装置和方法。
背景技术
图1A和图1B图示了一种使用匹配的棱镜(光楔)110和120来调整光束130方向的传统光束控制器100，这两个棱镜有时被称为里斯莱棱镜组。入射到光楔110上的光束130，根据斯涅尔定律分别在两个光楔110和120的四个空气-玻璃界面111、112、121和122中的每一个处发生折射。
在图1A的结构中，相继的界面112和121互相平行，而且光束130在界面121处的角度偏转与光束130在界面112处的角度偏转大小相等方向相反。相似的，界面111和122互相平行，而且由于界面112和121没有引起净角度偏转，所以光束130在界面122处的角度偏转与其在界面111处的角度偏转大小相等方向相反。因此，在图1A的结构中，系统100没有给光束130造成净角度偏转。
光楔110和120可以相对彼此旋转来改变界面112和121之间的相对角度。图1B图示了其中光楔120旋转到使得界面112和121彼此成最大角度的系统100的结构。在图1B的结构中，在界面112、121和122处的折射使光束130在相同方向上偏转，产生系统100可以实现的最大的角度偏转θmax。光楔120相对光楔110的较小旋转引起较小的角度偏转，因此系统100可以使光束130实现从0到θmax之间任意的所期望的角度偏转。因此可以设定光楔110和120的相对定向来提供所期望的(极性)角度偏转。系统100也可以作为一个单元绕其光轴旋转来调整偏转的方位角。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于操控光束路径的装置包括第一光楔和第二光楔。第一光楔包括第一折射表面和第二折射表面。第二光楔包括与第二折射表面相邻的第三折射表面、以及一个反射表面。光束在第一折射表面处折射，在第二折射表面处折射，在第三折射表面处折射，从反射表面反射，在第三折射表面处折射，在第二折射表面处折射，在第一折射表面处折射。第一光楔和第二光楔中至少一个可以旋转，以使得从装置出射的光束可以被定向成与进入装置的光束基本正交。
附图说明
图1A和图1B是现有技术中里斯莱棱镜组的剖面图。
图2是本发明一个实施例中的可调转动反射镜(tuming mirror)的剖面图。
图3和图4是本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜的立体图和分解图。
图5是本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜中用于容纳光楔的光具座的剖面图。
图6是本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜中用于容纳光具座的光具安装架的正视图。
图7是本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜的构造的剖面图。
图8是通过调整本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜的光楔来实现的光束反射的图。
图9是本发明一个实施例中图2的可调转动反射镜的另一种构造。
图10是本发明一个实施例中的另一种可调转动反射镜的剖面图。
图11是本发明一个实施例中图10的可调转动反射镜的构造的剖面图。
图12是通过调整本发明一个实施例中图10的可调转动反射镜的光楔来实现的光束反射的图。
在不同的图中使用相同的标号来表示相似或相同的部件。这些图并未按比例绘制而只是为了解释的目的。
具体实施方式
根据本发明，里斯莱棱镜组被修改来产生一种可调的转动反射镜。棱镜组中的一个光楔的外表面涂有反射材料。这样，光束通过这两个光楔被反射回来而不是穿过它们。光束的反射可以通过旋转一个或两个光楔来控制。此修改过的棱镜组被称为“里斯莱棱镜反射镜(Risley prismmirror)”。里斯莱棱镜反射镜可以代替使用复杂的可调安装架的昂贵的转动反射镜。
图2示出了本发明的一个实施例中的用来反射光束的可调转动反射镜200的侧视图。反射镜200包括通常也被称为“光楔”的棱镜210和220。在一个实施例中，光楔210和220被构造成平行表面212和224彼此距离最远而斜表面214和222彼此相邻。
反射镜200位于光束230的路径中，所述光束230入射到折射表面212上。表面212可以有减反射涂层。光束230在表面212处折射并穿过光楔210向着折射表面214行进。表面214可以有减反射涂层。光束230在214表面处再次折射并随后从光楔210出射。
光束230穿过空气入射到折射表面222上。表面222可以有减反射涂层。光束230在表面222处折射并穿过光楔向着反射表面224行进。在一个实施例中，表面224有光反射涂层226。在另一个实施例中，一个反射镜226被粘在或机械地安装到光楔220(例如通过弹簧夹)。这样光束230从表面224反射并向着折射表面222返回。光束230在表面222处折射并随后从光楔220出射。
光束230穿过空气入射到折射表面214上。光束230在表面214处折射并穿过光楔210向着折射表面212行进。光束230在212表面处再次折射并随后从光楔210出射。在一个实施例中，光楔210和220被定向成使得光束230的输出方向与光束230的输入方向基本正交，从而形成一个可调的90°转动反射镜。举例来说，光楔210和220被定向成使得光束230对表面212有接近45°的入射角。或者，光楔210和220可以定向来形成一个可调的转动反射镜，其具有0°至180°之间的任意转向角度。这样光楔210和220可以旋转来精确调整光束的反射。
具有不同楔角的匹配光楔组可以改变反射导向调整的幅度。较大的楔角通常在较粗糙的分辨率的代价下提供更大的调整范围。相似的，较好的分辨率可以由较精细的光楔在更小的调整范围的代价下达到。
图3和图4图示了本发明的一个实施例中的反射镜200的一种结构。光楔210和220基本上是圆形并且有基本一样的楔角(例如，1°物理光楔)。光楔210和220的直径取决于光束的尺寸并且通常和光楔厚度有5∶1的比例。棱镜材料通常是BK7。光楔210和220之间的气隙被最小化以减小反射镜200的整体尺寸。
光楔210和220配合装入各自的光具座312和322中。彼此基本上一样的光具座312和322从相对的两侧配合装入光具安装架340的开口510(图4)中。光具座312和322是圆形的，以允许在调整光束反射时光具安装架340的光具座312和322中之一或两者的旋转。
图5是本发明的一个实施例中的光具座322的横断面视图。光具座322是一个圆筒400，所述圆筒包括从圆筒内周向内部延伸的内凸缘410和从圆筒外周向外部延伸的外凸缘430。在一个实施例中，凸缘410和430在圆筒400的同一端。光楔220位于并被柔性粘接剂420粘合于内凸缘410。柔性粘接剂420的使用使得当光具座322在合适位置卡紧时，光楔220的温度或应力诱导变形的效应被最小化。光具座322的内径被制造为大于光楔220的直径，以使得光楔220在膨胀时不会接触光具座322的侧部。这样，将光楔220中由温度变化、湿度变化和应力诱导双折射引起的错位被最小化。
当光具座322插入到开口510中时，外凸缘430邻接光具安装架340的外表面来限制光具座322在开口510中的插入深度。此插入深度接下来确定了光楔210和220之间的气隙。外凸缘430可以包括诸如肋之类的特征，其帮助光具座322在光具安装架340内旋转。光具座312可以和光具座322类似地制成。
图6图示了本发明的一个实施例中的光具安装架340。光具安装架340是一种具有开口510的夹具，其中光具座312和322从相对的两侧插入开口510。开口510不是圆形的，而是具有扇形凹口或凹入的部分520，以使得只有围绕在开口510周边被隔开的区域530接触光具座312和322。夹紧螺钉342将光具安装架340的尖端346和348上紧，以将光具座312和322保持在固定位置。松开夹紧螺钉342允许光具座312和322旋转来使光束对准至所期望的反射，而一个可移动的夹片344在夹紧螺钉342松动时防止光具座312和322从光具安装架340中掉出。在一个实施例中，光具安装架340及光具座312和322由稳定的材料(例如，416号不锈钢)制成，该材料具有与光楔210和220相似的热膨胀。
图7图示了本发明一个实施例中的光具座312和322在放入光具安装架340(图6)中时的结构。因为两个粘接面被彼此分开放置，所以光楔210和220对称地向中心线702膨胀以使得由于温度和湿度变化而产生的光束尖(beam pointing)最小化。注意到光具座312和322的旋转轴704平行于镜面法线706。
图8图示了通过在反射镜200(图2)中旋转光楔210和220而实现的光束反射的图800。虚线的外周802图示了利用这对光楔可实现的光束反射的最大范围。沿着周边802，实线的内周804示出了在保持光楔220固定的同时使光楔210旋转360°所能实现的光束反射的范围。位置806标明了光楔220的90°旋转，而位置808标明了光楔210的90°旋转。光楔210和220的旋转在结合时，可以将光束反射到外周802以内的任何地方。
图9图示了在本发明的一个实施例中的反射镜200(图2)的另一种构造。在此构造中，光具座912和922中的每个都在圆筒400相反的两端处具有内凸缘410和外凸缘430。同样，光楔210和220粘合到内凸缘410上。同样允许光楔210和220对称地向中心线702膨胀以使畸变最小化。在此构造中，可能需要两个光具安装架340来分别夹持光具座312和322。
图10示出了本发明的一个实施例中的用于反射光束的可调转动反射镜1000的侧视图。与反射镜200(图2)不同，光楔210和220被构造有彼此相邻的平行表面212和224以及彼此距离最远的斜表面214和222。此外，反射涂层226此时在表面222上。
图11图示了本发明的一个实施例中的反射镜1000(图10)的一种结构。反射镜1000包括从相对的两侧插入光具安装架340(图6)中的光具座912和922。在此构造中，为使由于温度和湿度变化而产生的光束尖最小化，光楔210和220的两个粘接面彼此相对以使得光楔210和220对称地从中心线702向外膨胀。
图12图示了通过在反射镜1000(图10)中旋转光楔210和220而实现的光束反射的图1200。虚线的外周1202图示了利用这对光楔可实现的光束反射的最大范围。沿着周边1202，实线的内周1204示出了在保持光楔220固定的同时使光楔210旋转360°所能实现的光束反射的范围。位置1206标明了光楔220的90°旋转，而位置1208标明了光楔210的90°旋转。如图1200所示，可以有虚线的内周1210，其描绘出反射光束不能入射的区域。这是由绕轴704旋转的斜反射表面222(即镜面法线706和光具座光轴704不平行)引起的。这样，光楔210和220的旋转能将光束反射至外周1202和内周1210之间的任意位置上。
所公开实施例的各种其他变通和组合均在本发明的范围之内。例如，改变楔角和折射率可以用来实现光束反射所期望的精度。此外，光楔还可以被机械紧固到光具座。以下权利要求包含了大量实施例。

Claims (16)

1.一种用于反射光束的装置，包括：
第一光楔，包括第一折射表面和第二折射表面；
第二光楔，包括与所述第二表面相邻的第三折射表面、以及一个反射表面；
其中光束在所述第一折射表面处折射，在所述第二折射表面处折射，在空气中行进至所述第三折射表面，在所述第三折射表面处折射，从所述反射表面反射，在所述第三折射表面处折射，在空气中行进至所述第二折射表面，在所述第二折射表面处折射，并在所述第一折射表面处折射。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述反射表面包括具有反射涂层的表面。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述反射表面包括一个安装到所述第二光楔的表面上的反射镜光学件。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：
光具安装架；
安装到所述光具安装架的第一光具座，所述第一光具座容纳所述第一光楔；
与所述第一光具座相对地安装到所述光具安装架的第二光具座，所述第二光具座容纳所述第二光楔。
5.如权利要求4所述的装置，其中：
所述光具安装架包括一个限定出开口的夹具；
所述第一光具座包括具有第一外凸缘和第一内凸缘的第一圆筒，其中所述第一光楔安装到所述第一内凸缘，并且所述第一光具座容纳在所述开口中，以使得所述第一外凸缘邻接所述光具安装架的第一侧；并且
所述第二光具座包括具有第二外凸缘和第二内凸缘的第二圆筒，其中所述第二光楔安装到所述第二内凸缘，而且所述第二光具座容纳在所述开口中，以使得所述第二外凸缘邻接所述光具安装架的第二侧。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述光具安装架还包括夹紧螺钉，用于调整所述夹具，以使得所述第一光楔和所述第二光楔可以被旋转并随后被固定。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述开口包括扇形凹口部分，以使得所述开口的周边只有部分接触到所述第一光具座和所述第二光具座。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述第一内凸缘和所述第一外凸缘位于所述第一圆筒的相同端。
9.如权利要求5所述的装置，其中所述第一内凸缘和所述第一外凸缘位于所述第一圆筒的相反端。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述第一折射表面和所述反射表面基本平行。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述第二折射表面和所述第三折射表面基本平行。
12.如权利要求5所述的装置，其中所述第一光楔粘合到所述第一内凸缘。
13.如权利要求5所述的装置，其中靠着所述第一内凸缘机械地夹持所述第一光楔。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述第一光楔具有与所述第二光楔的楔角基本相等的楔角。
15.一种用于反射光束的方法，包括：
将棱镜反射镜置于所述光束的路径中，所述棱镜反射镜包括具有第一折射表面和第二折射表面的第一光楔、以及具有第三折射表面和反射表面的第二光楔；
其中光束在所述第一折射表面处折射，在所述第二折射表面处折射，在空气中行进至所述第三折射表面，在所述第三折射表面处折射，从所述反射表面反射，在所述第三折射表面处折射，在空气中行进至所述第二折射表面，在所述第二折射表面处折射，并在所述第一折射表面处折射。
16.如权利要求15所述的方法，还包括旋转所述第一光楔和所述第二光楔中的至少一个来改变所述光束的反射。
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