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HINTERGRUND
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Zwei
standardmäßige Arten
von PBSs umfassen polarisierende Strahlteiler, die doppelbrechende
Materialien enthalten (hierin oft als doppelbrechende PBSs bezeichnet)
und polarisierende Strahlteiler, die Dünnfilmbeschichtungen verwenden (hierin
oft als beschichtete PBSs bezeichnet). Allgemein sind beschichtete
PBSs viel kostengünstiger und
dauerhafter als doppelbrechende PBSs. Zusätzlich können alle Materialien in einer
beschichteten PBS mit einem hohen Reinheitsgrad „werkshergestellt" werden, jedoch kann
Calcit, das das am häufigsten
verwendete doppelbrechende Material bei doppelbrechenden PBSs ist,
derzeit nicht künstlich hergestellt
werden, und in der Natur vorkommende Calcitvorräte schwinden dahin.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer beschichteten PBS 100, die eine
Dünnfilmbeschichtung 120 zwischen
zwei Stücken
von isotropem Glas 110 und 130 umfasst. Die Glasstücke 110 und 130 sind Prismen,
die Querschnitte aufweisen, die gleichschenklige rechtwinklige Dreiecke
sind. Die Dünnfilmbeschichtung 120 befindet
sich auf einem Glasstück
(z.B. Prisma 110), und eine Klebstoffschicht, die die Stücke verbindet,
befindet sich auf dem anderen Glasstück (z.B. Prisma 130).
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Die
Dünnfilmbeschichtung 120 umfasst
allgemein mehrere Schichten aus zwei oder mehreren Materialien,
die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die Schichtmaterialien,
die Anzahl der Schichten sowie die Dicke jeder Schicht werden dahin
gehend ausgewählt,
Licht zu transmittieren, das eine erste lineare Polarisation P aufweist,
und Licht zu reflektieren, das eine zweite lineare Polarisation
S aufweist.
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Wie
in 1 veranschaulicht ist, trifft ein Eingangsstrahl
IN, der Komponenten mit beiden Polarisationen P und S enthält, senkrecht
auf die Glasoberfläche 110 auf
und trifft im 45°-Winkel
zur Senkrechten der Dünnfilmbeschichtung 120 auf.
Wenn die Dünnfilmbeschichtung 120 ordnungsgemäß aufgebaut
ist, enthält
ein Strahl TOut, der durch die Dünnfilmbeschichtung 120 transmittiert
wird, vorwiegend Licht, das die erste Polarisation P aufweist, und
ein Strahl ROut, der von der Dünnfilmbeschichtung 120 reflektiert
wird, enthält
vorwiegend Licht, das die zweite Polarisation S aufweist. Allgemein
weist jeder Ausgangsstrahl TOut und ROut Polarisationskomponenten
mit beiden Polarisationen P und S auf. Das Verhältnis der Intensität der vorherrschenden
Polarisationskomponente P oder S zu der anderen Polarisationskomponente
S oder P wird üblicherweise
als Auslöschungsverhältnis bezeichnet.
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Beschichtete
PBSs weisen üblicherweise keine
so gute Leistungsfähigkeit
auf wie doppelbrechende PBSs. Viele doppelbrechende PBSs können sowohl
für transmittierte
als auch reflektierte Strahlen Auslöschungsverhältnisse von mehr als 10.000:1
liefern. Die meisten im Handel erhältlichen beschichteten PBSs
erzeugen eine „gute" Polarisation (üblicherweise
der transmittierte Strahl), die ein Auslöschungsverhältnis von etwa 500:1 oder besser
aufweist, und eine nicht so gute Polarisation, die ein Auslöschungsverhältnis von
weniger als etwa 200:1 aufweist. Die meisten Optikvorrichtungskataloge
und -hersteller geben das Auslöschungsverhältnis des transmittierten
Strahls genau an, und das Auslöschungsverhältnis für den reflektierten
Strahl (falls angegeben) ist relativ schlecht.
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Viele
Anwendungen, einschließlich
Interferometern und mancher faseroptischen Gyroskope, erfordern
zwei Strahlen mit Polarisationen, die äußerst linear und orthogonal
sind, beispielsweise Ausgangsstrahlen von einem PBS, die Auslöschungsverhältnisse
von mehr als etwa 1.000:1 aufweisen. Diese Anwendungen weisen üblicherweise
verwendete doppelbrechende Strahlteiler oder zu den Ausgängen eines
beschichteten PBS hinzugefügte „Aufräum"-Polarisatoren auf.
Ein Hinzufügen
von Polarisatoren zum Ausgang eines beschichteten PBS führt zu erhöhten Kosten
und einer erhöhten
Komplexität
des Systems und erfordert außerdem
zusätzliche
Ausrichtungsvorgänge.
Eine Entwicklung besserer Beschichtungen, die höhere Auslöschungsverhältnisse liefern, kann in der
Lage sein, bei beschichteten PBSs hohe Auslöschungsverhältnisse zu erzielen, jedoch
sucht man nach Verfahren zum Verbessern der Auslöschungsverhältnisse von beschichteten PBSs,
ohne die Kosten und die Komplexität des Systems zu erhöhen.
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Die
US-A-4,859,029 A offenbart einen Strahlteiler mit variablem Verhältnis. Bei
diesem Strahlteiler wird Licht von einer Lichtquelle empfangen und
zwischen zwei Ausgangsübertragungsfasern
aufgeteilt bzw. aufgespalten. Der Strahlteiler ist dazu vorgesehen,
in der Lage zu sein, eine vollständige
Bandbreite, von nahezu Null bis zu im Wesentlichen 100% des Eingangslichts,
auf einen von zwei Ausgangsstrahlen zu richten. Dies wird dadurch
erhalten, dass der Strahlteiler mit einer optischen Vorrichtung
ausgestattet wird, die vier Prismen umfasst. Diese ganze Struktur
ist an einem drehbaren optischen Träger angebracht, der ermöglicht,
dass das von der Lichtquelle empfangene Licht in verschiedenen Winkeln
auf das erste Prisma auftrifft. Mittels einer Schraube kann die
optische Vorrichtung zwischen den verschiedenen Positionen, im Wesentlichen
zwischen zwei Extrempositionen, gedreht werden, wobei die erste
lediglich ermöglicht,
dass Licht durch eine erste Faser ausgegeben wird, und wobei die
zweite lediglich ermöglicht,
dass Licht mittels einer zweiten Faser ausgegeben wird. In Zwischenpo sitionen
kann das Verhältnis
der in der ersten Faser und der in der zweiten Faser ausgegebenen
Lichtintensität
auf einen gewünschten
Wert angepasst werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
optisches System zu liefern, das Auslöschungsverhältnisse von mehr als etwa 1.000:1
ermöglicht,
ohne die Kosten und Komplexität
des Systems zu erhöhen,
und eine Ausrichtungsprozedur für
ein optisches Element zu liefern, um Auslöschungsverhältnisse von mehr als etwa 1.000:1
zu erhalten.
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Diese
Aufgabe wird durch ein optisches System gemäß Anspruch 1 und durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
6 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung stellt eine Ausrichtungsprozedur für einen
beschichteten polarisierenden Strahlteiler (PBS) den Gierungswinkel
so ein, dass der Eingangsstrahl einen nicht Null betragenden Winkel
zur Senkrechten der Eingangsoberfläche des beschichteten PBS aufweist.
Der Gierungswinkel, der üblicherweise
weniger als 10° von der
Senkrechten abweicht, hat allgemein eine geringe Auswirkung auf
das Auslöschungsverhältnis des transmittierten
Strahls, jedoch variiert das Auslöschungsverhältnis für den reflektierten Strahl
schneller und weist üblicherweise
eine Spitze in der Gierungswinkel-Ausrichtbandbreite auf. Die Ausrichtungsprozedur
findet den Gierungswinkel, der das beste Auslöschungsverhältnis für den reflektierten Strahl
liefert.
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Die
Gierungswinkel-Ausrichtungsprozedur kann auch die Leistungsfähigkeit
eines Strahlkombinierers verbessern, indem die Zurückweisung
unerwünschter
Polarisationen von Eingangsstrahlen verbessert wird, so dass ein
kombinierter Strahl lineare orthogonale Komponenten aufweist.
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Ein
spezifisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Interferometer, das einen Laser, einen Strahlteiler
und eine Interferometeroptik umfasst. Der Laser kann eine Zeeman-Aufspaltung verwenden, um
einen heterodynen Strahl zu erzeugen, der zwei Frequenzkomponenten
enthält,
die unterschiedliche Frequenzen und Kreispolarisationen aufweisen,
und ein optisches Element wie z.B. ein Viertelwellenlängenplättchen kann
Kreispolarisationen zweier Frequenzkomponenten in orthogonale lineare
Polarisationen umwandeln. Der beschichtete Strahlteiler verwendet
die Differenz bezüglich
linearer Polarisationen, um den heterodynen Strahl in separate Strahlen,
die unterschiedliche Frequenzen aufweisen, zu teilen bzw. aufzuspalten.
Um die Leistungsfähigkeit des
beschichteten PBS zu verbessern, weist der heterodyne Strahl einen
nicht Null betragenden Einfallswinkel bezüglich des PBS auf. Insbesondere
entspricht der nicht Null betragende Einfallswinkel einer Spitze
in dem Auslöschungsverhältnis eines
in dem PBS reflektierten Strahls. Bezüglich der ausrichtungsverbesserten
Leistungsfähigkeit
weisen die separaten Strahlen sehr lineare und orthogonale Polarisationen
auf.
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Optische
Fasern tragen die separaten Strahlen zur Interferometeroptik. Ein
Strahlkombinierer kann die separaten Strahlen erneut zu einem heterodynen
Strahl kombinieren, der durch die Interferometeroptik dazu verwendet
wird, Mess- und Referenzstrahlen zu erzeugen. Der Strahlkombinierer
kann ein beschichteter PBS sein, der dahin gehend orientiert ist,
die separaten Strahlen bei nicht Null betragenden Einfallswinkeln
zu empfangen, die einer Spitze in dem Auslöschungsverhältnis eines reflektierten Strahls
in dem beschichteten PBS entsprechen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein optisches Element wie z.B. ein beschichteter
PBS oder ein Strahlkombinierer, der eine Strahlteilerbeschichtung
zwischen einem ersten und einem zweiten Glasstück umfasst. Das optische Element
ist dahin gehend orientiert, einen Eingangsstrahl in einem nicht
Null betragenden Einfallswinkel bezüglich einer Senkrechten zu
einer Oberfläche
des ersten Glasstückes
zu empfangen. Im Idealfall entspricht der nicht Null betragende
Einfallswinkel einem Spitzenauslöschungsverhältnis für einen
von der Strahlteilerbeschichtung reflektierten Strahl.
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Ein
wieder anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausrichten eines optischen Elements
wie z.B. eines beschichteten PBS oder eines Strahlkombinierers,
der eine PBS-Beschichtung enthält.
Das Verfahren umfasst: Lenken eines Eingangsstrahls entlang einer
ersten Achse in das optische Element; Drehen des optischen Elements,
um einen Gierungseinfallswinkel des Eingangsstrahls zu ändern; Beobachten
eines reflektierten Strahls, der aus einer Reflexion eines Teils
des Eingangsstrahls in der PBS-Beschichtung
resultiert; und Anbringen des Elements in dem Gierungswinkel, von
dem das Beobachten anzeigt, dass er ein bestes Auslöschungsverhältnis für den reflektierten
Strahl liefert. Ein Beobachten des reflektierten Strahls kann ein
Messen einer Lichtintensität
umfassen, die durch einen Polarisator gelangt, der in einem Pfad
des reflektierten Strahls befindlich ist und eine Polarisationsachse
aufweist, die orthogonal zu einer gewünschten Polarisation des reflektierten
Strahls ist.
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Zusätzlich zum
Anpassen bzw. Einstellen des Gierungswinkels können auf ähnliche Weise der Roll- und/oder
der Stampfwinkel angepasst werden. Beispielsweise kann das Anpassen
des Rollwinkels anhand folgender Schritte durchgeführt werden:
Drehen des optischen Elements, um den Rolleinfallswinkel des Eingangsstrahls
zu ändern;
Beobachten eines transmittierten Strahls, der daraus resultiert, dass
ein Teil des Eingangsstrahls durch die PBS-Beschichtung gelangt;
und Anbringen des optischen Elements in dem Rollwinkel, vom dem
das Beobachten des transmittierten Strahls anzeigt, dass er das Vorliegen
einer ersten Frequenz in dem transmittierten Strahl minimiert. Das
Anpassen des Stampfwinkels kann ein Drehen des optischen Elements
umfassen, um dadurch den Stampf-Einfallswinkel des Eingangsstrahls
zu verändern
und einen Pfad eines Strahls, der sich daraus ergibt, dass ein Teil
des Eingangsstrahls durch die PBS-Beschichtung reflektiert oder
transmittiert wird, anzupassen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Strahlverfolgungsdiagramm für einen
bekannten beschichteten polarisierenden Strahlteiler.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Zwei-Frequenz-Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 veranschaulicht
die Ausrichtung eines beschichteten polarisierenden Strahlteilers
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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4 zeigt
Auftragungen, die die Abhängigkeit
der Auslöschungsverhältnisse
von dem Gierungswinkel für
einen typischen beschichteten polarisierenden Strahlteiler veranschaulichen.
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5 ist
ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ausrichten eines beschichteten
Strahlteilers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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6 veranschaulicht
die Ausrichtung eines Strahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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7 ist
ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ausrichten eines Strahlkombinierers
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die
Verwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weist
auf ähnliche
oder identische Posten hin.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung optimiert ein Ausrichtungsverfahren das Auslöschungsverhältnis für den reflektierten
Strahl eines beschichteten polarisierenden Strahlteilers (PBS) durch
Anpassen der Einfallsrichtung eines Eingangsstrahls. Die Änderung
der Einfallsrichtung kann das Auslöschungsverhältnis für den reflektierten Strahl
beträchtlich
verbessern, ohne das Auslöschungsverhältnis des
transmittierten Strahls bedeutend zu beeinträchtigen. Das Ausrichtungsverfahren
kann das reflektierte Auslöschungsverhältnis ausreichend
verbessern, um eine Verwendung eines beschichteten PBS bei einer
anspruchsvollen Anwendung wie z.B. bei einem Zwei-Frequenz-Interferometer
zu ermöglichen.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Interferometersystems 200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Interferometersystem 200 umfasst
einen Laser 210, ein Viertelwellenlängenplättchen 215, einen
beschichteten polarisierenden Strahlteiler 220, akustisch-optische
Modulatoren (AOMs) 230 und 235, optische Fasern 250 und 255,
eine Anpassoptik 260, einen Strahlkombinierer 270,
einen Strahlteiler 275 und eine Interferometeroptik 290.
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Der
Laser 210 und das Viertelwellenlängenplättchen 215 fungieren
als Quelle eines heterodynen Strahls, der zwei gesonderte Frequenzkomponenten
mit orthogonalen linearen Polarisationen aufweist. Ein beispielhaftes
Ausführungsbeispiel
des Lasers 210 ist ein im Handel erhältlicher He-Ne-Laser wie z.B. ein
Modell 5517D, das von Agilent Technologies, Inc., erhältlich ist
und das eine Zeeman-Aufspaltung verwendet, um die zwei Frequenzkomponenten
in demselben Laserhohlraum zu erzeugen. Eine derartige Zeeman-Aufspaltung kann
einen heterodynen Strahl erzeugen, der Frequenzkomponenten mit Frequenzen
f1' und f2' und eine Frequenzdifferenz
von etwa 2 MHz aufweist. Die zwei Frequenzkomponenten weisen entgegengesetzte
Kreispolarisationen auf, und das Viertelwellenlängenplättchen 215 verändert die
Polarisationen der Frequenzkomponenten derart, dass die Frequenzkomponenten
orthogonale lineare Polarisationen aufweisen.
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Der
beschichtete PBS 220 trennt die zwei Frequenzkomponenten.
Der beschichtete PBS 220 kann ein im Handel erhältlicher,
qualitativ hochwertiger Strahlteiler sein, der von Optisigma, Inc.,
erhältlich
ist. Allgemein ist der beschichtete PBS 220 dahin gehend
entworfen, das Auslöschungsverhältnis des transmittierten
Strahls zu maximieren. Um das Auslöschungsverhältnis des reflektierten Strahls
zu verbessern, wird der polarisierende Strahlteiler 220 in
einem Gierungswinkel gedreht, der die besten Ergebnisse und die
sauberste Trennung der Frequenz-/Polarisationskomponenten
liefert. Dementsprechend ist der eingegebene Eingangsstrahl allgemein
nicht senkrecht zu den Eintrittsoberflächen des polarisierenden Strahlteilers 220.
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Bei
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
weist die Niedrigere-Frequenz-Komponente eine Polarisation auf,
die der beschichtete PBS 220 an den AOM 230 transmittiert,
und die Höhere-Frequenz-Komponente
weist die Polarisation auf, die der beschichtete PBS 220 zu
dem AOM 235 reflektiert. Die AOMs 230 und 235 arbeiten
bei unterschiedlichen Frequenzen (z.B. 80 MHz und 86 MHz) und ändern die
Frequenzen der zwei Strahlen, um die Frequenzen der zwei Strahlen
weiter zu trennen. Die aus den AOMs 230 und 235 ausgegebenen Strahlen
weisen jeweilige Frequenzen f1 = f1' + 80 MHz und f2 = f2' + 86 MHz auf, die
etwa 8 MHz auseinander liegen. Die größere Frequenztrennung ermöglicht es
dem Interferometersystem 200, sich schneller bewegende
Objekte präzise
zu messen.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 2 verwendet zwei AOMs 230 und 235,
die bei vergleichbaren Frequenzen (z.B. 80 und 86 MHz) arbeiten.
Dies hat den Vorteil, dass die optischen Pfade und die Einflüsse auf
die beiden getrennten Strahlen vergleichbarer werden. Außerdem muss
kein AOM bei einer niedrigen Frequenz (z.B. 6 MHz) betrieben werden,
um die Frequenzdifferenz um einen relativ geringen Betrag zu erhöhen. Außerdem könnte ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen einzigen AOM verwenden, um die Frequenz eines
der Strahlen zu verschieben und dadurch die Frequenzdifferenz zu erhöhen.
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Linsen 240 und 245 fokussieren
die getrennten Strahlen in getrennte, die Polarisation bewahrende
optische Fasern 250 bzw. 255. Bei einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die die Polarisation bewahrenden optischen Fasern 250 und 255 im
Handel erhältliche
optische Fasern, wie sie z.B. von Corning, Inc., oder Fujikura America, Inc.,
erhältlich
sind. Bei manchen Anwendungen können
die optischen Fasern 250 und 255 Trennwände oder
andere Halterungen durchqueren. Die die Polarisation bewahrenden
Fasern 250 und 255 liefern die getrennten Strahlen
an die Anpassoptik 260, die die zwei Strahlen in einen
Strahlkombinierer 270 lenkt.
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Die
Verwendung von optischen Fasern 250 und 255 ermöglicht,
dass der Laser 210 und die AOMs 230 und 235 von
der Interferometeroptik 290 entfernt angebracht sind. Demgemäß stört eine
in dem Laser 210 und den AOMs 230 und 235 erzeugte Hitze
nicht die Wärmeumgebung
der Interferometeroptik 290. Außerdem müssen der Laser 210 und
die AOMs 230 und 235 keine feststehenden Positionen bezüglich der
Interferometeroptik 290 aufweisen, was bei Anwendungen,
die in der Nähe
des gemessenen Objekts nur einen begrenzten Raum zur Verfügung haben,
beträchtliche
Vorteile liefern kann.
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Die
Anpassoptik 260 richtet Strahlen INR und INT von den optischen
Fasern 250 und 255 zur Kombination in dem Strahl kombinierer 270 präzise aus,
um einen kollinearen Strahl COut zu bilden. Als Anpassoptik 260 können eine
Vielzahl von optischen/mechanischen Systemen verwendet werden, wobei
dieselben allgemein Konfigurationen aufweisen, die von dem verfügbaren Raum
und der maximalen Krümmung
der optischen Fasern 250 und 255 abhängen, die
die Intensität
und die Polarisation der getragenen Strahlen ausreichend bewahrt.
Eine gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung mit dem Titel „Direct
Combination of Fiber Optic Light Beams", Anwaltsaktenzeichen 10010323, die
durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in das vorliegende Dokument
aufgenommen ist, beschreibt ferner eine Anpassoptik, die Strahlen
zum Zweck einer Kombination positioniert.
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Der
Strahlkombinierer 270 kann ein beschichteter PBS sein,
der in Umkehrung verwendet wird. Insbesondere wird der Eingangsstrahl
INT, der vorwiegend die Polarisation aufweist, die der beschichtete
PBS transmittiert, entlang der Richtung eines gewünschten
kombinierten Ausgangsstrahl COut eingegeben. Der Eingangsstrahl
INR, der vorwiegend die Polarisation aufweist, die der beschichtete
PBS reflektiert, wird entlang der Richtung eingegeben, die zu dem
gewünschten
kombinierten Ausgangsstrahl COut senkrecht ist. Die Strahlen INT
und INR umfassen allgemein andere Polarisationskomponenten als die
bei dem kombinierten Ausgangsstrahl COut gewünschten. Diese unerwünschten Komponenten
können
sich aus den endlichen Auslöschungsverhältnissen
des beschichteten PBS 220 oder von den AOMs 230 und 235 und
Halterungen oder anderen Strukturen in zugeordneten optischen Fasern 250 und 255,
die die Polarisation verändern, ergeben.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung kann der einen Strahlkombinierer 270 bildende
beschichtete PBS geringfügig
zu einem Gierungswinkel gedreht werden, der das Auslöschungsverhältnis des reflektierten
Strahls maximiert.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel enthält der Strahlkombinierer 270 ein
doppelbrechendes Material wie z.B. Calcit. Eine gleichzeitig eingereichte
US- Patentanmeldung
mit dem Titel „Birefringent
Beam Combiners For Polarized Beams In Interferometers", Anwaltsaktenzeichen
10010511, beschreibt Strahlkombinierer, die doppelbrechende Materialien
enthalten, und ist hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme
in das vorliegende Dokument aufgenommen.
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Der
kombinierte Strahl COut wird in einen Strahlteiler 275 eingegeben,
der einen Teil des Strahls COut für Analysesysteme 280 reflektiert.
Das Analysesystem 280 verwendet die zwei Frequenzkomponenten
des in dem Strahlteiler 275 reflektierten Lichts als ersten
und zweiten Referenzstrahl. Der verbleibende Teil des kombinierten
Strahls COut tritt in eine Interferometeroptik 150 ein.
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In
der Interferometeroptik 290 reflektiert ein polarisierender
Strahlteiler 292 eine der Polarisationen (d.h. einen Frequenzstrahl),
um einen dritten Referenzstrahl zu bilden, der auf einen Referenzreflektor 298 gerichtet
ist, und transmittiert die andere lineare Polarisation (d.h. die
andere Frequenz) als einen Messstrahl auf ein Objekt, das gemessen
wird. Bei einer alternativen Version der Interferometeroptik transmittiert
ein polarisierender Strahlteiler die Komponente, die den Messstrahl
bildet, und reflektiert die Komponente, die den Referenzstrahl bildet.
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Eine
Bewegung des Objekts bewirkt eine Doppler-Verschiebung der Frequenz
des Messstrahls, die das Analysesystem 280 maß, indem
es den Messstrahl mit dem dritten Referenzstrahl kombinierte, um
ein Schwebungssignal zu bilden, das eine Frequenz aufweist, die
gleich der Differenz zwischen den Frequenzen des dritten Referenzstrahls und
des Messstrahls nach der Reflexion von dem Objekt ist. Die Frequenz
dieses Schwebungssignals kann mit der Frequenz eines Schwebungssignals verglichen
werden, das aus einer Kombination des ersten und des zweiten Referenzstrahls
erzeugt wird, um die Doppler-Frequenzverschiebung präzise zu bestimmen.
Das Analysesystem 280 analysiert die Doppler-Frequenzverschiebung, um
die Geschwindigkeit des Objekts und/oder die durch das Objekt zurückgelegte
Entfernung zu bestimmen.
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Um
genaue Messungen zu erhalten, erfordert das Interferometersystem 200,
dass die zwei Frequenzkomponenten des kombinierten Strahls COut
orthogonale lineare Polarisationen zum Zweck einer sauberen Trennung
von Frequenzkomponenten in der Interferometeroptik 290 aufweisen.
Andernfalls befinden sich beide Frequenzkomponenten in dem Messstrahl
und dem Referenzstrahl, wobei andere Schwebungsfrequenzen eingebracht
werden, die eine Messung der Doppler-Verschiebung schwieriger und
weniger präzise
machen. Ein Anpassen des beschichteten Strahlteilers 220,
um die Auslöschungsverhältnisse
zu maximieren, liefert eine sauberere Trennung von zwei Frequenz-/Polarisationskomponenten.
Die Auslöschungsverhältnisse
des Strahlkombinierers 270 liefern ferner ein zusätzliches Filtern
oder eine zusätzliche
Zurückweisung
der unerwünschten
Frequenzen.
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3 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem ein Eingangsstrahl IN in einem nicht Null
betragenden Einfallswinkel A auf einen beschichteten polarisierenden
Strahlteiler 220 auftrifft. Der nicht Null betragende Gierungswinkel
A bewirkt eine Brechung des einfallenden Strahls IN, eines transmittierten
Ausgangsstrahls TOut und eines reflektierten Ausgangsstrahls ROut
an den Grenzflächen
zwischen Luft und Glas. Insbesondere ist der transmittierte Ausgangsstrahl
TOut parallel zu dem einfallenden Strahl IN, jedoch nicht kollinear
zu dem einfallenden Strahl IN, da die Brechung den Ausgangsstrahl
TOut um eine Entfernung D relativ zu einer geradlinigen Verlängerung
des einfallenden Strahls IN verschiebt. Die Brechung bewirkt eine ähnliche
Verschiebung bei dem reflektierten Strahl. In dem System 200 der 2 werden
Elemente wie z.B. die AOMs 230 und 235, die dem
beschichteten Strahlteiler 220 nachgeordnet sind, auf die
Positionen der Ausgangsstrahlen TOut und ROut ausgerichtet, nachdem
der beschich tete Strahlteiler 220 zum Zweck der besten
Leistungsfähigkeit
ausgerichtet wurde.
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Allgemein
ist das Auslöschungsverhältnis für den transmittierten
Strahl TOut eines beschichteten Strahlteilers bezüglich des
Gierungswinkels relativ unempfindlich, jedoch weist das Auslöschungsverhältnis für den reflektierten
Strahl ROut Spitzen auf, deren Größenordnung 0,1° beträgt. 4 veranschaulicht
beispielhafte Auftragungen 410 und 420 des transmittierten
bzw. reflektierten Auslöschungsverhältnisses
eines typischen beschichteten Strahlteilers. Wie in 4 gezeigt
ist, liegt die Spitze der Auftragung 410 des Auslöschungsverhältnisses für den transmittierten
Strahl etwa bei einem senkrechten Einfall, ist jedoch bezüglich des
Einfallswinkels über
eine Bandbreite von einigen wenigen Grad hinweg unempfindlich. Im
Gegensatz dazu liegt der Spitzenwert der Auftragung 420 des
Auslöschungsverhältnisses
für den
reflektierten Strahl bei einem nicht Null betragenden Einfallswinkel,
und die Auftragung weist mehrere lokale Maxima und Minima auf. Für Auslöschungsverhältnisse,
die sich gemäß der Veranschaulichung
in 4 verhalten, liefert ein optimaler Gierungswinkel
von etwa –2° die beste
Leistungsfähigkeit.
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Die
Positionen der Spitzen in dem Auslöschungsverhältnis für die reflektierten Strahlen
können
theoretisch oder experimentell vorausgesagt werden, wenn der optimale
Gierungswinkel von Charge zu Charge von beschichteten Strahlteilern
einigermaßen
einheitlich ist. Jedoch kann die genaue Position der besten Spitze
von Prozessschwankungen bei der Herstellung der Strahlteilerbeschichtung abhängen, und
für jeden
beschichteten PBS ist ein Ausrichtungsprozess erforderlich, um den
optimalen Gierungswinkel zu lokalisieren.
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5 ist
ein Flussdiagramm, das einen Ausrichtungsprozess 500 für den beschichteten Strahlteiler 220 in
dem Interferometer 200 der 2 veranschaulicht.
Vor dem Ausrich tungsprozess 500 sind der Laser 210 und
das Viertelwellenlängenplättchen 215 dahin
gehend aufgebaut, einen Eingangsstrahl 210 zu liefern,
der ein heterodyner Strahl mit zwei Frequenzen f1' und f2' ist.
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Der
Ausrichtungsprozess 500 beginnt bei 510, indem
der Stampfwinkel des beschichteten Strahlteilers 220 angepasst
wird. Der Stampfwinkel liegt um eine zu dem Eingangsstrahl IN senkrechte horizontale
Achse vor, und ein Anpassen des Stampfwinkels passt die Ebene der
Ausgangsstrahlen TOut und ROut an. Die Stampfanpassung kann dazu
verwendet werden, die Ausgangsstrahlen parallel zu einer Basisplatte
für die
Anbringstruktur zu halten. Der Stampfwinkel hat allgemein eine geringe oder
keine Auswirkung auf die Frequenzreinheit von Ausgangsstrahlen.
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Der
Schritt 520 passt anschließend den Gierungswinkel an,
der um eine zu dem Eingangsstrahl senkrechte vertikale Achse vorliegt.
Der Gierungswinkelanpassungsschritt 520 dreht den beschichteten
PBS 220 zu einer Orientierung, die das Auslöschungsverhältnis des
reflektierten Strahls maximiert. Der optimale Gierungswinkel kann
dadurch identifiziert werden, dass ein linearer Polarisator mit einer
zu der gewünschten
Polarisation des reflektierten Strahls orthogonalen Polarisationsachse
positioniert wird. Der beschichtete Strahlteiler 220 wird
anschließend
gedreht, bis bei der durch den Polarisator transmittierten Lichtintensität ein Minimum
gefunden wird.
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Nachdem
der optimale Gierungswinkel gefunden wurde, passt Schritt 530 den
Rollwinkel an, um zu gewährleisten,
dass der beschichtete PBS 220 die Frequenzkomponenten des
heterodynen Strahls auf optimale Weise von dem Laser 210 trennt.
Der Rollwinkel, der um die Achse des Eingangsstrahls IN vorliegt,
wird dahin gehend angepasst, eine Frequenzkomponente in dem transmittierten
Strahl TOut zu minimieren. Insbesondere ist ein linearer Polarisator
mit einer Polarisationsrichtung, die etwa im 45°-Winkel zu der ge wünschten
Polarisation des Ausgangsstrahls Tout liegt, positioniert. (Die
45°-Orientierung
des Polarisators kann festgestellt werden, bevor sich der beschichtete
PBS 220 in seiner Position befindet.) Nachdem der beschichtete
PBS 220 in seiner Position ist, werden Frequenzschwankungen bei
der Schwebungsfrequenz f2' – f1' beobachtet, während der
beschichtete Strahlteiler 220 um die Achse des Eingangsstrahls
IN zu einer Orientierung gedreht wird, die die Schwebungsfrequenzkomponente
minimiert.
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Nachdem
der Rollwinkel optimiert wurde, passt ein Schritt 540 den
Gierungswinkel erneut an, um das Auslöschungsverhältnis des reflektierten Strahls
zu maximieren. Die Neuanpassung korrigiert jegliche Änderungen
dieses Rollwinkels, die die Anpassung (Schritt 530) bezüglich des
Auslöschungsverhältnisses
des reflektierten Strahls bewirkt haben mag. Da der Gierungswinkel
nach der Rollwinkelanpassung erneut angepasst wird, kann die erste
Gierungswinkelanpassung bei Schritt 520 eine Grobanpassung
sein, wohingegen die Gierungswinkelanpassung bei Schritt 540 eine
feinere Anpassung durchführt.
Wenn der beschichtete PBS 220 seine optimale Orientierung
aufweist, können
die Auslöschungsverhältnisse
sowohl für
den transmittierten als auch den reflektierten Ausgangsstrahl TOut
und ROut und die Verzerrung der Kurvenform geprüft werden, um zu bestätigen, dass
der beschichtete Strahlteiler 220 die erforderliche Leistungsfähigkeit liefert.
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Eine
Anbringstruktur für
einen beschichteten PBS eines derzeit im Handel erhältlichen
Typs sollte eine Anpassbandbreite von etwa +/–75 mrad und eine Auflösung von
etwa 0,5 mrad für
den Roll-, den Stampf- und den Gierungswinkel des beschichteten PBS
liefern. Eine Anbringstruktur, die die gewünschte Bandbreite und Auflösung von
Roll-, Stampf- und Gierungswinkeln erzielt, verwendet einen Abschnitt einer
Kugel, die in Kontakt mit einer konischen Basis gehalten wird. Der
beschichtete PBS wird an dem Kugelabschnitt so angebracht, dass
ein Mittelpunkt der Kugel an dem Zielpunkt in der PBS-Beschichtung vorliegt.
Der Kontakt des Kugelabschnitts mit der konischen Basis ermöglicht eine
Drehung oder Anpassung des Roll-, Stampf- und/oder Gierungswinkels ohne
eine Translation des beschichteten PBS. Wenn der beschichtete PBS
ordnungsgemäß positioniert ist,
kann er in seiner Position befestigt werden, indem der Kugelabschnitt
an die konische Basis geklebt wird. Die Anbringstruktur kann zum
Zweck einer Feinanpassung der horizontalen Position des reflektierten
Strahls zusätzlich
eine Translationsanpassung des PBS liefern. Jedoch ist eine Translationsanpassung
eventuell nicht notwendig, wenn sich die Mengen und/oder Größen von
optischen Elementen, die dem beschichteten PBS unmittelbar nachgelagert sind,
an Änderungen
bezüglich
Ausgangsstrahlpositionen, die sich aus der Ausrichtung des beschichteten
PBS ergeben, anpassen können
bzw. diese Änderungen
berücksichtigen
können.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann die Leistungsfähigkeit
eines Strahlkombinierers auch von einer Gierungswinkelanpassung
profitieren. 6 zeigt einen Strahlkombinierer 270,
der Eingangsstrahlen INR und INT bei nicht Null betragenden Einfallswinkeln
aufweist. Die Anpassoptik 260 steuert den relativen Winkel
und die Trennung zwischen den Eingangsstrahlen INT und INR. Allgemein
sind die Eingangsstrahlen INR und INT koplanar und etwa senkrecht
zueinander. Die Anpassoptik 260 und die Anbringstruktur
für den
Strahlkombinierer 270 können
den Roll-, Stampf- und Gierungswinkel der Eingangsstrahlen INR und
INT auf zusammenwirkende Weise anpassen und die Punkte einstellen,
an denen die Eingangsstrahlen INR und INT auf den Strahlkombinierer 270 auftreffen.
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7 ist
ein Flussdiagramm eines Ausrichtungsprozesses 700 für den Strahlkombinierer 270. Der
Ausrichtungsprozess 700 beginnt mit einem Anpassen des
Rollwinkels des Strahlkombinierers 270, so dass die Ausgangspolarisationsachsen
jeweils den Polarisationsachsen der Mess- und Referenzstrahlen in
der Interferometeroptik 290 entsprechen. Die Anpassoptik 260 kann
die Eingangsstrahlen INT und INR so drehen, dass ihre Polarisation
zu den Polarisationsachsen des Strahlkombinierers 270 passt.
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Ein
Schritt 720 stellt den Gierungswinkel des Eingangsstrahls
INR ein, um das Auslöschungsverhältnis des
reflektierten Strahls zu maximieren. Um den optimalen Gierungswinkel
zu bestimmen, kann der Eingangsstrahl INT blockiert werden, so dass
der Ausgangsstrahl COut lediglich die Reflexion des Eingangsstrahls
INR enthält.
Anschließend
wird der Gierungswinkel dahin gehend angepasst, die Lichtintensität, die durch
einen Polarisator gelangt, der eine zu der gewünschten Polarisation des reflektierten Strahls
senkrechte Polarisationsachse aufweist, zu minimieren.
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Ein
Schritt 730 verwendet den Stampfwinkel des Strahlkombinierers 270 für eine Anpassung
des Ausgangsstrahls COut. Ein Schritt 740 passt anschließend den
Gierungswinkel und den Einfallspunkt des Eingangsstrahls INT an,
um zu bewirken, dass der transmittierte Teil des kombinierten Strahls COut
kollinear zu dem reflektierten Teil des kombinierten Strahls COut
wird.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann der Gierungswinkel des beschichteten
Strahlteilers dahin gehend angepasst werden, das Auslöschungsverhältnis des
reflektierten Strahls zu maximieren. Dementsprechend kann bei Anwendungen
mit hoher Leistungsfähigkeit,
die bisher teure doppelbrechende polarisierende Strahlteiler benötigten,
ein kostengünstigerer
beschichteter Strahlteiler verwendet werden. Die Gierungswinkelanpassung
ist auch auf einen Strahlkombinierer anwendbar, um eine bessere Leistungsfähigkeit
zu liefern.
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Eine
Anwendung der beschichteten Strahlteiler und Kombinierer gemäß der Erfindung
ist ein Interferometer, das den Strahlteiler verwendet, um Frequenz-/Polarisationskomponenten
eines heterodynen Strahls von einem Zweifrequenzlaser zu trennen.
AOMs können
anschließend die
Frequenzdifferenz zwischen den getrennten Strahlen erhöhen, bevor
die getrennten Strahlen über
separate optische Fasern an eine Interferometeroptik transmittiert
werden. Bei der Interferometeroptik kann ein Strahlkombinierer die
zwei separaten Strahlen zu einem heterodynen Strahl kombinieren,
der zwei Frequenzkomponenten mit einer hochgradig linearen und orthogonalen
Polarisation aufweist.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel der
Anwendung der Erfindung und sollte nicht als Einschränkung angesehen
werden. Verschiedene Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen
der offenbarten Ausführungsbeispiele
fallen in den Schutzumfang der Erfindung, der durch die folgenden
Patentansprüche
definiert ist.