DE102004023030A1

DE102004023030A1 - Mehrfachstrahlteiler

Info

Publication number: DE102004023030A1
Application number: DE200410023030
Authority: DE
Original assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Current assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: DE102004023030B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Polarisationen und/oder Intensitätsverhältnisse mindestens dreier resultierender Strahlen definiert einstellbar sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass im Strahlengang des einfallenden Lichtstrahles eine erste Strahlteilerschicht angeordnet ist, die den einfallenden Lichtstrahl in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl aufteilt, und dass im Strahlengang des zweiten Teilstrahles eine zweite Strahlteilerschicht angeordnet ist, die den zweiten Teilstrahl in einen dritten und vierten Teilstrahl aufteilt, wobei die erste Strahlteilerschicht polarisierend und die zweite Strahlteilerschicht polarisationsneutral ist und dass der Strahlteiler mit einfallendem, linear polarisiertem Licht betrieben wird, wobei die Polarisationsebene den zu erzielenden Intensitätsverhältnissen der ausfallenden Lichtstrahlen angepasst wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Strahlteiler, insbesondere zur Teilung eines einfallenden Lichtstrahls in drei separate Lichtstrahlen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlteiler, insbesondere zur Teilung eines einfallenden Lichtstrahls in drei separate Lichtstrahlen.
Sie wird vorzugsweise in der Interferometrie eingesetzt.

Im Stand der Technik werden Lichtstrahlen, vorzugsweise Laserlicht, mit polarisationsneutralen Strahlteilern in mehrere Strahlen geteilt. Bei diesen Lösungen wird das Intensitätsverhältnis zwischen den Strahlen durch den Verspiegelungsgrad der einzelnen Strahlteilerschichten fest eingestellt, der das jeweilige Reflexions- und das Transmissionsvermögen bestimmt. Insbesondere in der Interferometrie ist es jedoch erforderlich, dass die den Strahlteiler verlassenden Strahlen in besonderer Weise linear polarisiert sind, beispielsweise in einer bestimmten relativen Stellung der Polarisationsebenen. Polarisationsneutrale Strahlteilerschichten verändern jedoch die Polarisation der ankommenden Strahlung. Deshalb ist es problematisch, mit polarisationsneutralen Strahlteilern eine bestimmte vorgegebene Polarisation einzustellen.

Ein Problem bei der Strahlteilung an polarisierenden und totalreflektierenden Strahlteilerschichten bzw. Flächen besteht darin, dass sich, wenn die einfallende Strahlung nicht in beziehungsweise senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert ist, der Polarisationszustand der Strahlung ändert und Phasenverschiebungen zwischen den p- und s-Komponenten, aus denen sich der Polarisationszustand des resultierenden Strahls zusammensetzt, entstehen.

Diese Phasenverschiebungen führen zu unerwünschten Nebeneffekten, wenn der Strahl als Eintrittsstrahl in ein Interferometer dient.

Ein weiteres Problem bei der Strahlteilung mit polarisationsneutralen Strahlteilerschichten besteht darin, dass das Intensitätsverhältnis, in dem die Strahlen geteilt werden, von den Eigenschaften der Teilerschicht abhängt und damit für eine bestimmte Strahlteilerschicht unveränderlich festgelegt ist.

Für bestimmte technische Aufgabenstellungen ist es sinnvoll, dass ein Strahl in drei intensitätsgleiche und orthogonal zueinander linear polarisierte Strahlen geteilt wird. Derartige Aufgabenstellungen liegen zum Beispiel auf dem Gebiet der Interferometrie vor, wenn mit einem Interferometer gleichzeitig mit drei Strahlen gemessen werden soll und wenn gleichzeitig drei Messaufgaben gelöst werden sollen. Mit den im Stand der Technik bekannten Anordnungen und Verfahren ist dies aus den obengenannten Gründen nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Polarisationen und/oder Intensitätsverhältnisse mindestens dreier resultierender Strahlen definiert einstellbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, und ein Verfahren, welches die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Drei- oder Mehrfachstrahlteiler vorgeschlagen, bei dem im Strahlengang eines einfallenden Lichtstrahls zwei Strahlteilerschichten hintereinandergeschaltet sind, wobei die erste Strahlteilerschicht polarisierend und die zweite Strahlteilerschicht polarisationsneutral ist. Auf diese Weise werden mit einer sehr einfachen Konstruktion insgesamt drei Teilstrahlen erzeugt, die alle linear polarisiert sind und von denen zwei zueinander parallel polarisiert sind und der dritte zu diesen beiden orthogonal polarisiert ist.

Das parallele Austreten aller resultierenden Strahlen vereinfacht den weiteren Umgang mit ihnen insbesondere dann, wenn in der Anwendung alle Strahlen in die gleiche Hauptrichtung geleitet werden sollen. Speziell kann das parallele Austreten der resultierenden Strahlen durch die Reflexion zweier ausfallender Strahlen an jeweils einer totalreflektierenden Fläche bewirkt werden. Vorzugsweise sind die totalreflektierenden Flächen dabei parallel zu den Strahlteilerschichten angeordnet.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Strahlteilerschichten jeweils zwischen Prismen angeordnet, wodurch die Grenzflächen zur Reflexion von Teilstrahlen genutzt werden können. Dabei können die Grenzflächen für die jeweiligen Auftreffwinkel insbesondere totalreflektierend ausgeführt sein.

Generell gelingt durch zwei totalreflektierende Flächen das Umlenken der Strahlen mit geringem Konstruktions- und Kostenaufwand.

Ein im Strahlengang des einfallenden Lichtstrahls vor der ersten Strahlteilerschicht angeordnetes, linear polarisierendes Element ermöglicht die Festlegung der Polarisation des einfallenden Strahls, wodurch die Intensitätsverhältnisse der Teilstrahlen ebenfalls festgelegt werden. Dabei ist in einer bevorzugten Ausführung das linear polarisierende Element hinsichtlich der Polarisationsebene variabel einstellbar, so dass je nach Anwendungsfall verschiedene Intensitätsverhältnisse zwischen den austretenden Strahlen erreichbar sind.

Ein festes Intensitätsteilungsverhältnis der einzelnen Strahlteilerschichten von jeweils 1:1 ermöglicht die einfache Berechnung der für ein bestimmtes Intensitätsverhältnis zwischen den austretenden Strahlen nötigen Polarisation des einfallenden Strahls. Bei einer weiteren in diesem Sinne einfachen Ausführung weist die erste Strahlteilerschicht ein Intensitätsteilungsverhältnis von 1:2 von abgelenktem zu durchgehendem Stahl auf, während die zweite Strahlteilerschicht ein Intensitätsteilungsverhältnis von 1:1 aufweist.

Anstelle eines vorgeschalteten Linearpolarisators oder zusätzlich zu diesem kann der Mehrfachstrahlteiler direkt mit linear polarisiertem Licht betrieben werden, wobei die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes den zu erzielenden Intensitätsverhältnissen der ausfallenden Lichtstrahlen angepasst wird. Auf diese Weise ist kein zusätzlicher Polarisator notwendig.

Prinzipiell können hinter den ersten und/oder den zweiten Strahlteilerschichten weitere Strahlteilerschichten angeordnet sein, wodurch sich mehr als drei linear polarisierte Strahlen erzeugen lassen. Auch ist es denkbar, in bestimmten Anwendungen mit den austretenden Strahlen weitere Strahlteiler zu betreiben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Dazu zeigt:

1 eine räumliche Darstellung eines Dreifachstrahlteilers in Parallelperspektive,

2 eine schematische Darstellung eines Dreifachstrahlteilers und

3 ein Schnittansicht eines weiteren Dreifachstrahlteilers mit Gehäuse.

In der 1 ist ein Dreifachstrahlteiler gemäß der Erfindung in einer räumlichen Ansicht dargestellt. Der Dreifachstrahlteiler besteht aus der polarisierenden Strahlteilerschicht S₁, der einerseits eine totalreflektierende Fläche T₁ und andererseits eine polarisationsneutrale Strahlteilerschicht S₂ nachgeschaltet ist, der wiederum auf der einen Seite eine totalreflektierende Fläche T₂ nachgeschaltet ist. Die beiden Strahlteilerschichten S₁ und S₂ sind in Glas eingebettet, während die totalreflektierenden Flächen T₁ und T₂ Außenflächen dieser Glasprismen sind.
Ein ankommender Strahl Z₀ wird an der polarisierenden Strahlteilerschicht S₁ in zwei orthogonal zueinander linear polarisierte Teilstrahlen geteilt. Die senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Strahlkomponente geht durch die polarisierende Strahlteilerschicht S₁ hindurch und trifft auf die polarisationsneutrale Strahlteilerschicht S₂, wo sie in zwei Komponenten Z₁ und Z₂ geteilt wird. Die Komponente Z₂ geht durch die polarisationsneutrale Strahlteilerschicht S₂ hindurch und verlässt den Dreifachstrahlteiler, während die Komponente Z₁ auf die Fläche T₂ trifft und an dieser totalreflektiert wird. Da der Strahl Z₁ bei der Reflexion an der polarisationsneutralen Strahlteilerschicht S₂ und bei der Reflexion an der Fläche T₂ jeweils in der Einfallsebene linear polarisiert ist, bleibt die Polarisation dieses Strahls Z₁ bei beiden Reflexionen unverändert erhalten und die Strahlen Z₁ und Z₂ sind in parallelen Ebenen linear polarisiert. Der an der polarisierenden Strahlteilerschicht S, reflektierte Teilstrahl trifft auf die totalreflektierende Fläche T₁, wird an dieser reflektiert und verlässt den Dreifachstrahlteiler als Strahl Z₃. Da der Teilstrahl Z₃ senkrecht zur Zeichenebenen linear polarisiert ist, bleibt seine Polarisation bei der Totalreflexion an der Fläche T₁ ebenfalls erhalten. Sowohl beim Auftreffen des polarisierten Teilstrahles auf die polarisationsneutrale Strahlteilerschicht S₂ als auch an den totalreflektierenden Flächen T₁ und T₂ reflektierten Strahlen Z₁ und Z₃ liegen nur Feldstärkekomponenten in der p- oder in der s-Ebene vor. Unerwünschte Phasenverschiebungen zwischen den p- und den s-Komponenten sind daher ausgeschlossen. Die resultierenden Teilstrahlen Z₁ und Z₂ sind zueinander linear und parallel polarisiert und der resultierende Teilstrahl Z₃ ist zu den Teilstrahlen Z₁ und Z₂ linear und orthogonal polarisiert. Alle drei haben parallele Ausbreitungsrichtungen.
Wenn der in den Dreifachstrahlteiler eintretende Strahl Z₀ linear polarisiert ist, dann können durch Drehen der Polarisationsrichtung dieses Strahls Z₀ die Intensitäten der drei den Dreifachstrahlteiler passierenden Strahlen Z₁, Z₂ und Z₃ in nahezu beliebigem Verhältnis, vorzugsweise auch im Verhältnis 1:1:1, eingestellt werden.
In 2 ist der schematische Aufbau eines leicht anderen Dreifachstrahlteilers gezeigt. Hier liegen alle Lichtstrahlen in einer Ebene, wodurch ein besonders kompakter Aufbau möglich ist. Der Strahlengang durch den Dreifachstrahlteiler ist analog zu dem in 1 gezeigten. An den austretenden Strahlen Z₁, Z₂ und Z₃ sind die Polarisationsrichtungen angedeutet.
3 zeigt einen in einem angedeuteten Gehäuse gekapselten Dreifachstrahlteiler, der im Aufbau der in 2 gezeigten kompakten Form entspricht, zusätzlich aber einen Linearpolarisator P aufweist, mit dem einfallendes Licht Z₀ explizit polarisiert und somit die Intensitätsverhältnisse der austretenden Strahlen Z₁, Z₂ und Z₃ eingestellt werden kann. Auch hier sind an den austretenden Strahlen Z₁, Z₂ und Z₃ die Polarisationen dargestellt.
Prinzipiell können erfindungsgemäße Mehrfachstrahlteiler selbstverständlich auch aus einzelnen Bauelementen wie herkömmlichen Strahlteilern und dazwischen angeordneten, separaten Polarisatoren, deren Polarisationsebenen orthogonal zueinander ausgerichtet sind, zusammengesetzt sein. Dies erfordert jedoch eine raumgreifendere Konstruktion.
Die Strahlteilerschichten S₁ und/oder S₂ beziehungsweise Polarisatoren können auch anders als in Schichtbauweise ausgeführt sein.

Z₀: einfallender Strahl
Z₁, Z₂, Z₃: austretender Teilstrahl
S₁: polarisierende Strahlteilerschicht
S₂: polarisationsneutrale Strahlteilerschicht
T₁, T₂: totalreflektierende Schicht
P: Linearpolarisator

Claims

Strahlteiler zur Teilung eines einfallenden Lichtstrahls (Z₀), insbesondere in drei separate Lichtstrahlen (Z₁, Z₂, Z₃), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des einfallenden Lichtstrahles (Z₀) eine erste Strahlteilerschicht (S₁) angeordnet ist, die den einfallenden Lichtstrahl (Z₀) in einen ersten (Z₁) und einen zweiten Teilstrahl aufteilt, und dass im Strahlengang des zweiten Teilstrahles eine zweite Strahlteilerschicht (S₂) angeordnet ist, die den zweiten Teilstrahl in einen dritten (Z₂) und vierten (Z₃) Teilstrahl aufteilt, wobei die erste Strahlteilerschicht (S,) polarisierend und die zweite Strahlteilerschicht (S₂) polarisationsneutral ist
Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des ersten Teilstrahls (Z₁) eine erste totalreflektierende Fläche (T₁) und im Strahlengang des dritten oder vierten Teilstrahls (Z₂ ,Z₃) eine zweite totalreflektierende Fläche (T₂) angeordnet sind.
Strahlteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der dritte und der vierte Teilstrahl (Z₂, Z₃) parallel aus dem Strahlteiler austreten.
Strahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Strahlteilerschicht (S₁, S₂) jeweils ein Intensitätsteilungsverhältnis von 1:1 aufweisen.
Strahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerschichten (S₁, S₂) jeweils zwischen Prismen angeordnet sind.
Strahlteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Prismen jeweils eine totalreflektierende Grenzfläche aufweisen.
Strahlteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des einfallenden Lichtstrahls (Z₀) vor der ersten Strahlteilerschicht (S₁) ein linear polarisierendes Element (P) angeordnet ist.
Strahlteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierende Element (P) hinsichtlich der Polarisationsebene einstellbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Strahlteilers, insbesondere für drei ausfallende Lichtstrahlen, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler mit einfallendem, linear polarisiertem Licht (Z₀) betrieben wird, wobei die Polarisationsebene den zu erzielenden Intensitätsverhältnissen der ausfallenden Lichtstrahlen (Z₁, Z₂, Z₃) angepasst wird.