CN1908732A - 带有独立波前校正的高效率光束分配装置 - Google Patents

带有独立波前校正的高效率光束分配装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光束分配装置，它包括平行四边形棱镜的堆叠和分束涂层，每个分束涂层位于相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间。堆叠安装在三角棱镜的入口表面上。三角棱镜包括入口表面、反射表面和出口表面。反射表面具有用于对来自堆叠的输出光束进行整形并将输出光束经过出口表面反射的表面。本发明还公开了一种光束分配装置，它包括平行四边形棱镜的堆叠和分束涂层，每个分束涂层位于堆叠中相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间。分束涂层透射第一偏振态的光并反射部分第二偏振态的光。此装置还包括延迟片和对输出光束整形的校正反射光学器件，各延迟片安装在平行四边形棱镜与分束涂层相邻的表面上，各校正反射光学器件安装在延迟片上。

Description

带有独立波前校正的高效率光束分配装置
技术领域
本发明涉及带有独立波前校正的高效率光束分配装置。
背景技术
在许多光学系统中，需要以最高质量的波前和最低的损耗将激光源分配到许多输出。通常，光束分配是用某些结构的分束器来实现的。一到二的光束分配可以用无涂层的玻璃片相对于输入光束旋转来实现。可以设置多个片以分配多个光束。可以增加涂层以提高效率。但是，这种方式代价高且复杂。多个光学器件需要多次对准并可能引起对准容差和元件波前容差的累加。容差的累加指的是对准中以及各个元件中缺陷的积累，它造成组件偏离理想性能的显著偏差。
可以将平行的片结合在一起以使容差累加减至最小。可以将每个表面制造并测试到光学级别的表面质量，它给下一个平行的片提供了良好的参考表面。如果这些片的厚度至少与输入光束的尺寸相等，并且它们以较大角度倾斜(例如45度)，则来自每个片的反射是空间分离的。反射光束的空间分离有利于光束分配。
假设某种应用要求高度的机械稳定性，则光束分配可以被结合到光学系统的支架。当结合成堆叠以造成单块光学系统时，就难以对每个分配的光束的波前独立地进行校正。因此性能受到光束序列中每个光学元件表面轮廓的限制。
因此，需要一种可以为每个分配的光束提供独立波前校正的光学分配装置。
发明内容
在根据本发明的一种实施例中，光束分配装置包括沿轴线结合的平行四边形棱镜的堆叠以及分束涂层，每个所述分束涂层位于堆叠中相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间。堆叠安装在三角棱镜的入口表面上并向三角棱镜提供输出光束阵列。三角棱镜包括全部沿轴线延伸的入口表面、反射表面和出口表面。反射表面具有暴露的表面用于对输出光束进行整形，所述输出光束来自堆叠，从反射表面反射并经过出口表面离开。
在根据本发明的另一种实施例中，光束分配装置包括平行四边形棱镜的堆叠和分束涂层，每个所述分束涂层位于堆叠中相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间。分束涂层透射第一偏振态的光并反射部分第二偏振态的光。此装置还包括延迟片和用于对输出光束进行整形的校正反射光学器件，每个所述延迟片安装在平行四边形棱镜与分束涂层相邻的表面上，每个所述校正反射光学器件安装在延迟片上。
附图说明
图1、2和3分别图示了本发明的一种实施例的光束分配装置的侧视图、正视图和俯视图。
图4图示了本发明的另一种实施例中光束分配装置的侧视图。
不同附图中使用的相同标号指示相似或相同的元件。附图不是按比例绘制的，而仅仅是为了说明目的。
具体实施方式
图1、2和3分别图示了本发明的一种实施例的光束分配装置100的侧视图、正视图和俯视图。装置100包括平行四边形棱镜104-1、104-2、104-3…104-n的堆叠102(其中“n”为等于所分配的光束数目的变量)，所述堆叠102安装在三角棱镜106上。在堆叠102中，相邻的平行四边形棱镜沿X轴结合起来。
分束涂层108-1、108-2、108-3…108-n位于相邻平行四边形棱镜间的相对平行表面之间。分束涂层108-1到108-n的反射光与透射光之比由输出光束的功率需求来确定。通过光学干涉涂层的设计和制造可以实现0％到100％之间的任意分光比。在一种要求输出光束具有相等功率的实施例中，分光涂层108-1的分光比为1/n，分光涂层108-2的分光比为1/(n-1)，分光涂层108-3的分光比为1/(n-2)，等等。在一种实施例中，分光涂层108-1到108-n是可以根据下列特性中的一个或多个进行设计的光学涂层：低损耗、限定的光谱范围，以及对介质材料的选择。
在一种实施例中，堆叠102是通过下列步骤制成的：将各在一侧涂有分光膜的平行的片结合，将结合的片倾斜为45度，将结合的片的顶部和底部切去以产生具有平坦的顶面和底面的堆叠，以及对堆叠的顶面和底面进行抛光。在一种实施例中，棱镜104-1到104-n是玻璃斜方棱镜。
三角棱镜106具有入口表面110、反射表面112(图2)和沿X轴延伸的出口表面114。堆叠102安装在三角棱镜入口表面110的顶部。如下面将要说明的，输入光束阵列将从反射表面112反射并经过出口表面114沿Y轴输出。由于反射表面112可以从外部接触，可以修改反射表面112上的相应区域对输出光束进行个别整形以确保每个输出光束具有正确的波前。在一种实施例中，棱镜106是玻璃直角棱镜。
装置100由单一的输入光束118以如下方式产生输出光束116-1、116-2、116-3…116-n的阵列。如图1所示，输入光束118从上方沿Z轴进入堆叠102，穿过棱镜104-1的入口表面120，并照射到棱镜104-1的反射表面121。由于入射光束118的入射角和从棱镜104-1到空气的介质改变，反射表面121作为全内反射(TIR)反射镜并将输入光束118沿X轴反射到棱镜104-1的平行表面122上。表面122上的分束涂层108-1使输入光束118的一部分通过(图示为输入光束118’)并沿Z轴反射输入光束118的另一部分(图示为输出光束116-1)。
如图2所示，输出光束116-1通过三角棱镜106的入口表面110并照射到反射表面112。反射表面112是TIR反射镜并沿Y轴将输出光束116-1反射到输出表面114上。如图2和3所示，输出光束116通过输出表面114并离开装置100。图1、2和3还图示了对于后继的平行四边形棱镜重复这种光路以产生输出光束116-2到116-n。如上所述，分束涂层108-1到108-n可以选择为使输出光束116-1到116-n具有相同的光功率。
在装置100组装之后，可以测量输出光束116-1到116-n以确定它们是否具有期望的波前。如果得到的波前不令人满意，可以从反射表面112暴露的外表面对它的相应区域进行单独修改以提供期望的波前。在一种实施例中，用纽约Rochester的QED Technologies的磁流变抛光技术对相应区域进行整形。这由反射表面112上的虚线表面124所图示。也可以在反射表面112的相应区域上设置校正光学器件来提供期望的波前，而不是对反射表面112进行整形。
图4图示了本发明的一种实施例中的光束分配装置400。装置400包括平行四边形棱镜404-1、404-2、404-3…404-i(其中“i”为等于所分配的光束数目的变量)的堆叠402。在堆叠402中，相邻的平行四边形棱镜沿X轴结合。在一种实施例中，棱镜405安装到堆叠402末端的平行四边形棱镜404-i。棱镜405使平行四边形棱镜404-i无需复杂的涂层，并隔离最后的输出光束使之不受环境影响，例如由气压引起的光束指向改变。在一种实施例中，棱镜405是玻璃三角棱镜。
分束涂层408-1、408-2、408-3…408-i位于相邻平行四边形棱镜间的相对平行表面之间。在一种实施例中，每个分束涂层透射的基本上是P偏振光，而只有一部分S偏振光。分束涂层408-1到408-i反射和透射的S偏振光之比由输出光束的功率要求来确定。通过光学干涉涂层的设计和制造可以实现0％到100％之间的任意分光比。在一种要求输出光束具有相等功率的实施例中，分光涂层408-1的分光比为1/i，分光涂层408-2的分光比为1/(i-1)，分光涂层408-3的分光比为1/(i-2)，等等。在一种实施例中，分光涂层408-1到408-i是可以根据下列特性中的一个或多个进行设计的光学涂层：低损耗、限定的光谱范围，以及对介质材料的选择。
在一种实施例中，堆叠402是通过下列步骤制成的：将各在一侧涂有分光膜的平行的片结合，将结合的片倾斜为45度，将结合的片的顶部和底部切去以产生具有平坦的顶面和底面的堆叠，以及对堆叠的顶面和底面进行抛光。在一种实施例中，棱镜404-1到404-i是玻璃斜方棱镜。
延迟片430-1、430-2、430-3…430-i分别安装在平行四边形棱镜404-1到404-i的底面上。校正反射光学器件434-1、434-2、434-3…434-i分别安装在延迟片430-1到430-i上用于修改输出光束的波前。在一种实施例中，延迟片430-1到430-i是四分之一波片，反射光学器件434-1到434-i是反射镜。
装置400由单一的输入光束418以如下方式产生输出光束416-1、416-2、416-3…416-i的阵列。在一种实施例中，输入光束418既包括P偏振光也包括S偏振光。输入光束418从上方沿Z轴进入堆叠402，穿过棱镜404-1的入口表面420，并照射到棱镜404-1的反射表面421。由于入射光束418的入射角和从棱镜404-1到空气的介质改变，反射表面421作为全内反射(TIR)反射镜并将输入光束418沿X轴反射到棱镜404-1的平行表面422上。表面422上的分束涂层408-1将输入光束418的部分S偏振光(示为输入光束416-1)沿Z轴反射并经过出口表面432。分束涂层408-1还使输入光束418中S偏振光的剩余部分和基本上所有的P偏振光透射(图示为输入光束418’)到下一个分束涂层408-2上。
输出光束416-1经过四分之一波片430-1并照射到反射光学器件434-1。反射光学器件434-1将输出光束416-1经过四分之一波片430反射回去再次到达表面422上。在两次经过四分之一波片430之后，输出光束416-1从S偏振光改变到P偏振光。因此，输出光束416-1现在经过表面422上的分束涂层408-1并离开装置400。图4还图示了对于后继的平行四边形棱镜重复这种样式以产生输出光束416-2到416-i。如上所述，分束涂层408-1到408-i可以选择为使输出光束416-1到416-i具有相同的光功率。
在装置400组装之后，可以测量输出光束416-1到416-i以确定它们是否具有期望的波前。如果波前不令人满意，可以对相应的反射光学器件434-i进行单独修改以提供期望的波前。在一种实施例中，用磁流变抛光对相应的反射光学器件434-i进行整形以提供期望的波前。或者，也可以从可用的反射光学器件箱里选择预制的反射光学器件434-i以提供期望的波前。
对所公开的实施例的各个特征进行的各种其他改编和组合都在本发明的范围内。多种实施例都包含于所附权利要求中。

Claims (11)

1.一种光束分配装置，包括：
堆叠，所述堆叠包括：
沿轴线结合的多个平行四边形棱镜；
多个分束涂层，每个分束涂层位于所述堆叠中相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间；
其中所述堆叠安装在三角棱镜的入口表面上并向所述三角棱镜提供输出光束阵列；
所述三角棱镜包括全部沿所述轴线延伸的入口表面、反射表面和出口表面，其中所述反射表面包括用于对所述输出光束进行整形的区域，所述输出光束来自所述堆叠，从所述反射表面反射，并经过所述出口表面离开。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述平行四边形棱镜包括斜方棱镜。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述三角棱镜包括直角棱镜，所述反射表面包括斜边表面。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述堆叠至少包括：
包括另一入口表面、第一斜表面和第二斜表面的第一棱镜；
包括第三斜表面和第四斜表面的第二棱镜；
所述第二斜表面和所述第三斜表面之间的分束涂层；
在第一光路中，形成第一输出光束的部分输入光束进入所述另一入口表面，从所述第一斜表面反射，从所述第二斜表面与所述第三斜表面之间的所述分束涂层反射，进入所述三角棱镜的所述入口表面，从为所述第一输出光束修改的所述反射表面上的第一区域反射，并经过所述出口表面离开；并且
在第二光路中，形成第二输出光束的所述光束的另一部分经过所述第二斜表面与所述第三斜表面之间的所述分束涂层，从所述第四斜表面反射，进入所述入口表面，从为所述第二输出光束修改的所述反射表面上的第二区域反射，并经过所述出口表面离开。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述分束涂层包括1/n、1/(n-1)、1/(n-2)等等的分束比，其中n为等于所述输出光束数目的变量。
6.一种光束分配装置，包括：
平行四边形棱镜的堆叠；
多个分束涂层，每个分束涂层位于所述堆叠中相邻平行四边形棱镜的相对平行表面之间，每个分束涂层可以基本上透射第一偏振态的光，每个分束涂层可以透射第二偏振态的光的一部分并反射所述第二偏振态的光的剩余部分；
多个延迟片，每个延迟片安装在平行四边形棱镜与偏振分束涂层相邻的表面上；
多个用于对光进行整形的校正反射光学器件，每个校正反射光学器件安装在延迟片上。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述平行四边形棱镜包括斜方棱镜。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述延迟片包括四分之一波片。
9.根据权利要求6所述的装置，其中：
所述平行四边形棱镜包括：
包括第一表面、与第一表面平行的第二表面、以及第三表面的第一平行四边形棱镜；
包括结合到所述第一平行四边形棱镜的所述第二表面的第四表面、平行于所述第四表面的第五表面、以及第六表面的第二平行四边形棱镜；
所述分束涂层包括：
所述第二表面与所述第四表面之间的分束涂层；
所述延迟片包括：
安装在所述第三表面上的第一延迟片；
安装在所述第六表面上的第二延迟片；
所述校正反射光学器件包括：
安装在所述第一延迟片上的第一校正反射光学器件，为形成第一输出光束的第一部分输入光束而对所述第一校正反射光学器件进行修改；
安装在所述第二延迟片上的第二校正反射光学器件，为形成第二输出光束的第二部分输入光束而对所述第二校正反射光学器件进行修改；
在第一光路中，所述第一部分输入光束从所述第一表面反射，从所述第二表面反射，经过所述第三表面和所述第一延迟片，从所述第一校正反射光学器件反射，经过所述第一延迟片、所述第三表面和所述第二表面，并作为所述第一输出光束离开所述装置；
在第二光路中，所述第二部分输入光束经过所述第二表面和所述第四表面，从所述第五表面反射，经过所述第六表面和所述第二延迟片，从所述第二校正反射光学器件反射，经过所述第二延迟片、所述第六表面和所述第五表面，并作为所述第二输出光束离开所述装置。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述堆叠还包括安装到所述堆叠中最后一个平行四边形棱镜的三角棱镜。
11.根据权利要求6所述的装置，其中，所述分束涂层包括1/i、1/(i-1)、1/(i-2)等等的分束比，其中i为等于从所述装置输出的光束数目的变量。
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