CN1908731A - 一种波长分束器/合束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长分束器，可对包含有宽带波长的不同波段光进行分束，其特征在于所述波长分束器/合束器包括：透明构件，包括具有至少一个输入面部分和两个输出面部分以及在一平面上配置的分束膜。根据所需的两个输出分量间的角度大小确定输入光束与分束膜所在平面之间的夹角及各个面部分的方向，使得第一输出面输出第一输出分量，第二输出面输出第二输出分量。本发明同样可以实现高性能的能量分配分束。本发明具有高机械稳定性和热稳定性，体积小，在线调整简单，插入损耗较低，串音小，分束性能高等优点。

Description

一种波长分束器/合束器

技术领域

本发明属于光学器件领域，具体涉及一种波长分束器/合束器。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对光学分束器件的要求也越来越高。光学分束器是能把一束光分成两束或多束的光学元件，其可以分为波长分束器和能量分束器两类。能量分束器是指将入射的光束分成不同能量比例的两束或多束光，其中常见的偏振分束器可以看作是能量分束器的一种，偏振分束器是利用晶体双折射特性做成的，用以把入射光成分中的两种不同偏振态的光分开；而波长分束器则用于把不同波长的光分开。现有的波长分束器主要是针对窄带光的波长分束器并且其并非依据波段来分束，如应用到激光选频的光栅分束器和应用到光通信领域的棱镜或光栅分束器以及全光纤的波分复用器等。但在特定系统中其所需的分束器须为满足特定分开角、结构尺寸、机械及热稳定性、插入损耗以及串音等严格要求的宽带波长分束器，如用在一种光刻机调焦调平系统中的波长分束器。该系统的主要作用是测量硅片上表面和投影物镜下表面之间的垂向的相对位置关系，需要有两个探针(即两束以波段分束的光束)分别对硅片的上表面和投影物镜的下表面进行测量，然后计算出二者的相对位置信息。由于硅片表面涂有光刻胶，打到硅片上表面上的光束若为窄带光则光刻胶的上下表面会形成平板干涉，从而降低该系统的测量精度，为了消除这一干涉效应，打到硅片上表面的光束须为宽带光束，如波段为700nm～1100nm的光束，由于系统设计的需要，打到投影物镜下表面的光束应为另一波长或波段的光。

利用光谱棱镜进行波长分束时，对于顶角为α的光谱棱镜，当入射角i不变时，偏向角θ是折射率n的函数，而由于n是波长λ的函数，故θ随波长不同而不同，对于一束包含各种波长的复合辐射以i角入射到光谱棱镜上，通过棱镜的折射后，各波长由于对应的偏向角θ不同而在空间上被分解了开来，且波长越短，偏向角越大。而利用光栅进行波长分束时，当光栅常数d和入射角i一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光束衍射角越大，从而不同波长的光可以被光栅分开。由上述叙述可见，利用棱镜折射率所做波长分束器和利用光栅所做波长分束器不可能做到对一束宽带光和一束窄带光以分别确定的偏向角或衍射角进行波段分束。由检索结果可知，目前尚无满足此类需求的其他类型的波长分束器。

由上文可看出，在某些具体测量场合中，需要设有一种可对包含有宽带波长的不同波段光进行分束的分束器，它能够具有高的机械稳定性和热稳定性，同时需要有体积小，插入损耗较低，串音小，具有很高的分束性能等特点。由于光路的可逆性，此种分束器亦应可作为合束器来使用。

发明内容

本发明的目的是设计一种波长分束器/合束器以解决对包含有宽带波长的两种不同波段光以一定角度分开或合束的问题，满足在特定系统中对此类分束/合束器件的需求。

本发明可通过以下技术方案实现：一种波长分束器/合束器，包括：

透明构件，包括具有至少一个输入面部分和两个输出面部分以及在一平面上配置的分束膜。根据所需的两个输出分量间的角度大小确定输入光束与分束膜所在平面之间的夹角及各个面部分的方向，使得第一输出面输出第一输出分量，第二输出面输出第二输出分量。

在第一个实施例中，上述透明构件为两块截面为等边三角形或梯形的棱镜，所述两块棱镜以其底面对接连接而成且其间镀有分束膜，棱镜一包括具有至少一个输入面和一个输出面，棱镜二包括具有至少一个输出面。

在第二个实施例中，上述透明构件可为一块多面棱镜，所述多面棱镜包括具有至少一个输入面，两个输出面和一个反射面。

在第三个实施例中，上述透明构件为两块多面棱镜，所述两块棱镜通过底座连接，棱镜一包括具有至少一个输入面、两个输出面和一个镀有分束膜的反射面，棱镜二包括具有至少一个反射面。

在第四个实施例中，上述透明构件为两块平板透镜，两块平板透镜通过底座连接，平板透镜一包含至少一个输入面，所述输入面同时亦为两个输出分量的输出面，其上镀有分束膜，平板透镜二包含至少一个反射面。

上述分束膜为对第一输出分量高反，对第二输出分量高透的涂层。

上述输入光束可为两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光或两束不同波段窄带光的耦合。

上述输出面可镀有一定涂层，所述涂层对其输出分量高透而对另一输出分量高反。

在第一、第二和第三个实施例中，上述输入面和各输出面的方向设置可使输入光束和各输出分量垂直通过输入面和各输出面。

在第一、第三和第四个实施例中，所述连接可以通过胶合连接也可以通过销钉等机械连接。

在第一、第二和第三个实施例中，所述输入面可镀有对第一输出分量和第二输出分量均为高透的增透膜层。

在第二、第三和第四个实施例中，所述反射面可镀有对其反射的输出分量高反而对另一输出分量高透的反射涂层。

本发明可对包含有宽带波长的两种不同波段光以一定角度进行波长分束，同时也可被作为合束器来使用。本发明亦可实现高性能的能量分配分束。本发明采用一体式的结构设计，具有更高的机械稳定性和热稳定性，体积小，在线调整简单。若采用光束的垂直入射和垂直出射以及对输入面和输出面镀不同镀膜等方式可使得其插入损耗较低，串音小，分束性能高。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图；

图2为本发明第二实施例的结构示意图；

图3为本发明第三实施例的结构示意图；

图4为本发明第四实施例的结构示意图；

图5为依据本发明的调焦调平系统的差分测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例进一步说明本发明。

请参阅图1，图1是本发明的第一实施例的结构示意图。图1中的波长分束器由两块截面为等边三角形的棱镜，分别为棱镜11和棱镜15，以其底面相互对连接而成，且其底面间镀有分束膜层13。所述对接可以是胶合连接也可以通过销钉等机械连接。分束膜13为对出射光束1波段高反，对出射光束2波段高透的分束膜层。

如图1所示，两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光被耦合在一起入射到棱镜11中到达分束膜13，由于分束膜13对出射光束1波段高反，对出射光束2波段高透，从而分别形成只含有相应波段的出射光束1和只含有相应波段的出射光束2。当入射光束与分束膜13的夹角为α时，出射光束1和出射光束2与分束膜13的夹角均为α，也即出射光束1和出射光束2分开的夹角为2α。根据系统的设计需要确定分束角度的大小2α的大小后，也就确定了入射光线的入射方向，即以与分束膜13夹角为α的方向入射。

该实施例还可使光束垂直通过分束器的各面，也即将两个棱镜的等腰面与其底面的夹角β设计成90°-α，这样入射光束和出射光束1和出射光束2都以垂直的方式入射或出射分束器，减少了反射损失，降低了该分束的插入损耗，同时方便该器件的在线调整。

该实施例中，可在入射面10上镀有对出射光束1和出射光束2两种波段高透的增透膜层，在出射光束1出射的出射面12上镀有对出射光束1波段高透而对出射光束2波段高反的膜层，在出射光束2出射的出射面14上镀有对出射光束2的波段高透而对出射光束1高反的膜层，从而可进一步降低该分束器的插入损耗或提高分束效率，降低两分开光束之间的串音，从而提高了该分束器的分束性能。

当两块棱镜的材料和结构相同时，该分束器没有对两分开光束引入光程差。通过改变出射面12或出射面14的位置以及两块棱镜材料的折射率之差即可设定两分开光束的光程差。

通过对分束膜13以及对出射面12和出射面14上镀膜的改变，该分束器同样可以实现对入射的光束按能量的大小分成一定能量比例的两束光。

请参阅图2，图2是本发明的第二实施例的结构示意图。图2中的波长分束器包含一块多面棱镜18，在多面棱镜18的出射面20上镀有对出射光束1波段全高透，对出射光束2波段高反的分束膜层。多面棱镜18的其他面可根据其体积和结构的需要而定。

如图2所示，两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光被耦合在一起入射到多面棱镜18中到达出射面20的分束膜，由于其对出射光束1波段高透，对出射光束2波段高反，从而分别形成只含有相应波段的出射光束1和只含有相应波段的出射光束2。出射光束2在多面棱镜内部被反射面17反射后从出射面19透射出来。若入射光束与出射面20成ε角入射时，反射面17和出射面20的夹角为δ，则出射光束1和出射光束2的夹角为2δ，同样入射光束与出射光束2的夹角也同样为2δ。通过选择合适的ε、δ即可以设计出所需的分束器。

通过入射面16的方位选择可使入射光束垂直入射到分束器中，以减少反射损失、提高可调整性，同时可在入射面16上镀有对出射光束1波段和出射光束2波段均高透的膜层，进一步降低该分束器的插入损耗。

该实施例中也可在反射面17上镀有对出射光束2波段高反，对出射光束1波段高透的膜层，在出射面19镀有对出射光束2高透，对出射光束1高反的膜层，从而使出射光束2经过两次滤波，具有了更高的纯度，从而进一步降低了两出射光束之间的串音(这一指标在高精密的差分测量系统，如光刻机的调焦调平系统中是非常重要的)。

通过改变出射面20或反射面17、出射面19的相对位置可设定由该分束器所引入的两分开光束之间的光程差，也可如图2中所示，通过在出射面20处加一块光波导21来改变两分开光束之间的光程差。

请参阅图3，图3是本发明的第三种实施例的结构示意图。图3中的波长分束器包含两块棱镜，分别为棱镜23和棱镜27，两块棱镜通过底座22或底座25实现连接。所述连接可以是胶合连接也可以通过销钉等机械连接。棱镜27的反射面26镀有对出射光束2波段高反，对出射光束1波段高透的分束膜层，棱镜23的反射面24镀有对出射光束1波段高反对出射光束2波段高透的膜层。

如图3所示，两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光被耦合在一起入射到棱镜27的入射面29，到达棱镜27的反射面26镀有的分束膜，由于该分束膜对出射光束2波段高反，对出射光束1波段高透从而分别形成只含有相应波段的出射光束1和只含有相应波段的出射光束2。出射光束2被反射面26反射，由出射面28射出。出射光束1透过棱镜27到达棱镜23的反射面24，由于反射面24镀有对出射光束1波段高反对出射光束2波段高透的膜层，出射光束1被反射最终由棱镜27的出射面30射出。两出射光束之间的夹角，即分开角，由棱镜27的反射面26与棱镜23的反射面24之间的夹角决定，若其夹角为ζ，则两出射光束之间的分开角为2ζ。入射光线与出射光线的夹角由入射光线的方向决定，当入射光线以与棱镜27的反射面26成η入射时，入射光束与出射光束1的夹角为180°-2η-2ζ；入射光束与出射光束2的夹角为180°-2η。这样通过ζ和η的设计可以满足特定的两束光的分开角以及出射光束与入射光束的角度关系。

该实施例中，若将棱镜27的入射面29、出射面30、出射面28设计成与入射光束、出射光束1和出射光束2分别垂直，且在入射面29上镀有对出射光束1波段和出射光束2波段高透的膜层，在出射面30镀有对出射光束1波段高透，对出射光束2波段高反的膜层，在出射面28镀有对出射光束2波段高透，对出射光束1波段高反的膜层，可大大降低该分束器的插入损耗，减少反射损失并可以降低两个出射光束之间的串音。

出射光束1和出射光束2之间的光程差可通过出射面28和出射面30间的相对位置设置及棱镜23的反射面24与棱镜27的反射面26之间的相对位置设置来实现。

请参阅图4，图4是本发明的第四种实施例的结构示意图。图4中的波长分束器包含两块平板透镜，分别为平板透镜32和平板透镜35，两块平板透镜通过底座34或框架31实现连接。所述连接可以是胶合连接也可以通过销钉等机械连接。平板透镜35的入射面兼出射面36上镀有对出射光束1波段高透，对出射光束2波段高反的分束膜层，平板棱镜32的反射面33上可镀有对出射光束1波段高反，对出射光束2波段高透的膜层。

如图4所示，两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光被耦合在一起入射到平板棱镜35的入射面36上，由于入射面36上的分束膜对出射光束1波段高透，对出射光束2波段高反，反射波段即形成出射光束2，出射光束1透过平板棱镜35到达平板棱镜32的反射面33，由于反射面33上镀有对出射光束1波段高反的膜层，则该波段被高反形成出射光束1。当入射光束以与入射面36成ι角入射，且反射面33和入射面36之间的夹角为θ时，则出射光束1和出射光束2之间的夹角为2θ，入射光束与出射光束1之间的夹角为180°-2ι-2θ，入射光束与出射光束2的夹角为180°-2ι。

该实施例中，由于平板棱镜32的反射面33上镀有对出射光束1波段高反，对出射光束2波段高透的膜层，可减小出射光束1和出射光束2之间的串音。

两出射光束之间由该分束器引入的光程差可通过改变反射面33和入射面36之间的相对位置、平板透镜的厚度及折射率以及入射光的角度来实现。

本发明可用于光刻机调焦调平系统当中，以形成具有双波段探针的差分测量系统。如图5所示，该调焦调平系统的主要作用是测量硅片4的上表面和投影物镜5的下表面之间的垂向的相对位置关系，即测量二者的ΔZ、ΔRx、ΔRy关系。这也就需要有两个探针(这里是光束)分别对硅片4的上表面和投影物镜5的下表面进行测量然后计算出二者的相对ΔZ、ΔRx、ΔRy位置信息。请参阅图5，宽带光和窄带光被耦合在一起通过照明和投影成像光学模块1，到达分束器2时被其根据波长按一定夹角分开，宽带光(如700nm～1100nm)被投射到硅片4上表面，窄带光(如中心波长为650的LD/LED光)则被投射到投影物镜5的下表面，分别进行测量。而后宽带光和窄带光又被与分束器2结构相同而被对称使用的合束器7再次耦合到一起通过后面的探测成像光学模块8，最后被探测模块9探测形成差分测量，得到硅片4上表面和投影物镜5下表面的相对ΔZ、ΔRx、ΔRy位置信息。之所以在分束器2和合束器7之外，把两束光(探针)耦合在一起而通过相同的光学系统，是为了消除该系统整体的机械漂移和机械震动对其测量性能的影响，提高其测量的重复性和稳定性。对于用于高端光刻机的调焦调平系统来说，重复性是关键的指标之一。

以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。由于光路的可逆性，此种分束器也可作为合束器来使用，其具体实施例的结构亦与上同。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (12)

1.一种波长分束器/合束器，其特征在于，所述波长分束器/合束器包括：

透明构件，包括具有至少一个输入面部分和两个输出面部分以及在一平面上配置的分束膜。根据所需的两个输出分量间的角度大小确定输入光束与分束膜所在平面之间的夹角及各个面部分的方向，使得第一输出面输出第一输出分量，第二输出面输出第二输出分量。

2.根据权利要求1所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述透明构件为两块截面为等边三角形或梯形的棱镜，所述两块棱镜以其底面对接连接而成且其间镀有分束膜，棱镜一包括具有至少一个输入面和一个输出面，棱镜二包括具有至少一个输出面。

3.根据权利要求1所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述透明构件为一块多面棱镜，所述多面棱镜包括具有至少一个输入面，两个输出面和一个反射面。

4.根据权利要求1所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述透明构件为两块多面棱镜，所述两块棱镜通过底座连接，棱镜一包括具有至少一个输入面、两个输出面和一个镀有分束膜的反射面，棱镜二包括具有至少一个反射面。

5.根据权利要求1所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述透明构件为两块平板透镜，两块平板透镜通过底座连接，平板透镜一包含至少一个输入面，所述输入面同时亦为两个输出分量的输出面，其上镀有分束膜，平板透镜二包含至少一个反射面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述分束膜为对第一输出分量高反，对第二输出分量高透的涂层。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，输入光束可为两束不同波段宽带光或一束宽带光和一束窄带光或两束不同波段窄带光的耦合。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述输出面可镀有一定涂层，所述涂层对其输出分量高透而对另一输出分量高反。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，输入面和输出面的方向设置可使输入光束和各输出分量垂直通过输入面和各输出面。

10.根据权利要求2、4或5中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述连接可以通过胶合连接也可以通过销钉等机械连接。

11.根据权利要求2、3或4中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述输入面可镀有对第一输出分量和第二输出分量均为高透的增透膜层。

12.根据权利要求3、4或5中任一项所述的波长分束器/合束器，其特征在于，所述反射面可镀有对其反射的输出分量高反而对另一输出分量高透的涂层。

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