KR0134860B1 - 주파수 전이 위상 공액 미러 및 단순한 간섭계성 출력 결합기를 갖는 편광 회전자 - Google Patents

주파수 전이 위상 공액 미러 및 단순한 간섭계성 출력 결합기를 갖는 편광 회전자

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KR0134860B1
KR0134860B1 KR1019940014936A KR19940014936A KR0134860B1 KR 0134860 B1 KR0134860 B1 KR 0134860B1 KR 1019940014936 A KR1019940014936 A KR 1019940014936A KR 19940014936 A KR19940014936 A KR 19940014936A KR 0134860 B1 KR0134860 B1 KR 0134860B1
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완다 케이. 덴슨-로우
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Abstract

90°편광 회전을 생성하기 위해 주파수 전이 위상 공액 미러(PCM;12)와 함께 사용되는 간섭계는 단지 2개의 조절가능한 소자를 사용한다. 특별한 형태의 프리즘(16) 및 양호하게는 포로 프리즘인 빔 편향기(40), 주 프리즘은 선형 편광된 입력 빔(4)가 정상(o) 및 이상(e) 서브빔(24,26)으로 분할되도록 형성되고(shaped) 배향(oriented)된다. 서브빔(26) 중 하나는 제어된 길이를 갖는 경로를 따라 프리즘 밖으로 굴절되어 나간 다음, 편향기(deflector)에 의해 프리즘 내로 재진입한 후의 제1서브빔의 경로와 일치하는 출구 경로(38) 상으로 향한다. 재결합된 출력 빔(10)은 PCM으로 향하게 되고, PCM으로부터 다시 역 경로를 통해 프리즘으로 반사된다. o와 e 서브빔 사이의 경로차는 양 경로를 통과한 후에 정미(定味) 90°의 편광 회전을 생성하도록 선택된다.

Description

주파수 전이 위상 공액 미러 및 단순한 간섭계성 출력 결합기를 갖는 편광 회전자
제1도는 PCM 및 IOC를 사용하는 종래 편광 회전자의 도면.
제2도는 CPM 및 개선된 IOC를 사용하는 본 발명에 따른 편광 회전자의 도면.
제3도는 IOC의 광학 소자에 사용될 수 있는 정렬 메카니즘(alignment mechanism)을 도시하는 제2도에 도시된 시스템의 사시도.
제4도 및 제5도는 제3도에 도시된 기계적인 조절 대신 사용될 수 있는 빔 조절 메타니즘의 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
2 : 포로 프리즘4 : 입력 빔
6, 8 : 서브빔10 : 재결합 빔
12 : 위상 공액 미러(PCM)14 : 출력 빔
16 : 주 프리즘18 : 주 프리즘의 앞면
22 : 주 프리즘의 뒷면24 : 정상(o) 서브빔
26 : 이상(e) 서브빔30, 32 : 주 프리즘의 측면
40 : 빔 편향기(포로 프리즘)44, 46 : 짐발
48, 50 : 슬라이드M1, M2 : 접광 미러
PBS : 빔 분할기
본 발명은 선형 평광 빔의 편광을 회전시키기 위한 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 정미(正味)편광 회전을 생성하기 위해 주파수-전이 위상 공액 미러(PCM)(frequency-shifting phase conjugate mirror)로 그리고 그곳으로부터 연결되는 광 경로 내에 양방향 간섭계성 결합기(bidirectional interferometric coupler)을 사용하는 시스템에 관한 것이다.
선형 편광된 빔의 편광 각이 회전될 필요가 있는 몇 가지의 용용이 있다. 입력 레이저 빔이 PCM을 포함하는 시스템에 의해 증폭되는 고출력 레이저의 설계가 특히 관심의 대상이다. 이러한 시스템은 IEEE 양자 전자기학 저널, 24권 6호, 1988년 6월, 페이지 1124-1140 록웰(Rockwell) 저의 위상 공액 고체 상태 레이저의 리뷰(Review of Phase-Conjugate Solid-State Lasers)에 기술되어 있다. 이러한 시스템에서 출력 빔은 동일 경로를 따라 입력으로서 복귀되지만, 방향은 반대이다. 출력 빔의 편광은 선편광된 입력 빔으로수터 90°회전됨으로써, 편광 빔 분할기가 고정력 출력 빔으로부터 저전력 입력을 분리할 수 있게 한다.
90°의 편광 회전을 생성하기 위한 많은 방법들이 개발되어 있다. 한가지 방법은 패러데이 효과에 기초한 패러데이 회전자를 사용하는 것인데, 이 경우에는 소정의 물질이 정자기장(static magnetic field)내에 배치될 때 편관 회전자로서 작용하는데, 이 때 회전의 방향(sense)은 자기장 방향(direction)의해 통제된다. 빔 방향이 반대로 될 때 회전 방향은 반대로 되지 않아서, 패러데이 회전자를 통해 서로 발대 방향으로 2개의 경로를 형성하는 빔은 2번의 회전을 겪게 된다. 패러데이 회전자는 광자학의 기초, 존 윌리 및 손스 사(John Wiley Sons, Inc.), 1991, 페이지 223-233에 살레(Saleh) 등에 의해 기술되어 있다.
패러데이 회전자에 의해 수용가능하고 신뢰성 있는 성능을 실현시킬 수 있지만, 상대적으로 고가이고, 큰 장치의 경우에는 편광 회전을 유도하기 위해 균일한 자기장이 요구되기 때문에 꽤 크고 무겁다. 이러한 사실은 특히 레이저 절단 및 용접 장치와 같은 무게에 있어서 상대적으로 작은 하한을 갖고 있는 집속 헤드(focusing head)를 사용하는 응요의 경우에 문제가 된다. 이러한 무게 제한 때문에 패러데이 회전자와 정합시키는 것이 어렵다.
편광 회전의 다른 방법에서는 다류(multi-pass) 위상 공액 증폭기 체인의 출입 빔을 결합시키는 간섭계성 출력 결합기(IOC)를 사용한다. 브릴루인 산란(Brillouin Scattering)에 기초한 PCM에 의해 그의 출력 빔이 주파수 전이된다는 사실을 이용한다; 즉, 이 주파수 전이가 90°편광 회전을 생성하는 IOC로서 사용된다. 입력 빔은 PCM으로 가는 도중, 그의 편광을 변경시키는 간섭계를 통과한다. PCM에 의해 처리된 후에, 복귀 빔은 간섭계를 통해 반대 방향으로 되돌아 오고, 반대 방향(sense)으로 편광 변경을 겪어서 처음과 같이 된다. 그런, 주파수가 전이되어 있기 때문에, 복귀 빔의 편광은 입력 빔과는 다른 양으로 변경된다. 이러한 차를 90°편광 회전으로 해석할 수 있도록 시스템이 설정된다.
이러한 형태의 간섭계의 기본 동작이 제1도에 도시되어 있다. 이 장치는 한 쌍의 편광 빔분할기(PBS1 및 PBS2), 한 쌍의 접광(folding) 미러(M1 및 M2) 및 포로 프리즘(porro prism; 2)를 포함한다. 입력 빔(4)는 도면의 면에 대해 45°의 각으로 선편광된다고 가정된다. 이것은 편광 벡터 A, B 및 C로서 도시되어 있고, 이들 벡터는 입력 빔(4)의 축을 따라 바라본 것이다. 벡터 A는 특정 순간에 그 시각의 빔의 편광을 나타내며, 수평 및 수직 방향 각각에서 동일한 성분 Ay 및 Ax를 포함한다. (수직 및 수평이란 용어는 임의로 사용되며, 본 명세서에서는 편광을 상호 수직인 성분으로 분할함을 예시하는 설명의 용이성을 위해 사용된다.) 벡터 B는 동일한 수직 및 수평 성분 By, Bx로 구성되는데, 이들 성분은 Ay 및 Ax 각각으로부터 180°반전(reverse)되어 있다. 수직 및 수평 방향의 편광 성분은 서로 동위상으로, 서로 동시에 각각 양(+)의 최대 크기와 음의 최대 크기에 도달한다. 시간에 걸쳐 합성된 선편광은 벡터 C로 되어 있다.
입력 빔(4)는 편광 빔분할기 PBS3을 통해 전달되는데, 빔분할기 PBS3은 입력 빔을 통과시키지만 빔의 편광이 입력 빔에 대해 90°회전되게 빔을 반사시키도록 배향(oriented)되어 있다. 입력 빔의 편광은 빔분할기 PBS3에 의해 변화되지 않으며, 크기가 같고 동위상인 수직 성분 및 페이지 내로 들어가는 성분인, y 및 x 성분을 포함한다.
편광 빔분할기 PBS1은 입력 빔을 2개의 키기가 같은 직교 편광된 서브빔(6 및 8)로 분할하는데, 이들 각각은 프리즘(2) 및 미러 M2를 향해 전파된다. 서브 빔(6)은 원래의 입력 빔의 페이지 내로 들어가는 편광 성분 x를 보유하고, 서브빔(8)은 수직 편광 성분 y를 보유한다. 서브빔(6)은 프리즘(2)에 의해 원 경로에 평행하지만 원경로로부터 벗어나게(offset) 다시 반사되어 나온 다음, 미러 M1에 의해 제2편광 빔분할기 PBS2상으로 반사된다. 제2서브빔(8)은 미러 M2로 직접 전파되고, 미러 M2에서 또한 편광 빔분할기 PBS2 상으로 반사된다.
2개의 서스빔(6 및 8)이 편광 빔분할기 PBS2에 의해 재결합되어 단일 빔(10)을 형성한 후 PCM(12)를 향하도록 하기 위해 다양한 시스템 소자들이 배향된다. 그러나, 서브빔(6)은 서브빔(8)보다 PBS1과 PBS2 사이에서 더 긴 경로를 이동했음을 알 수 있다. 특히, 서브빔(6)의 프리즘(2)로 가서 다시 그곳으로부터 나오는 경로에 의한 연장에 의해 경로차가 초래된다.[프리즘(2)에 연유하는 별도의 경로 길이를 부가하지 않을 때 조차도 정상적으로 다소의 차는 있다]. 일반적으로, 이러한 경로차는 재결합된 빔(10)의 x 및 y 편광 성분이 서로 이위상(out of phase)이 되는 결과를 초래한다. 이러한 현상은 재결합 빔(10)과 관련된 편광 벡터 D, E 및 F를 사용하여 도시되어 있다; 이들 벡터 역시 빔 축을 따라 취해진다. 벡터 D가 발생하는 특정 순간에, 그의 수직 성분 Dy는 양(+)의 최대 크기이며, 그의 수평 성분 Dx는 양(+)의 최대 크기의 단지 일부인 것으로 도시되어 있다. 1/2 주기 후의 상태는 벡터 E로 표시되어 있는데, 이의 수직 성분 Ey는 음(-)의 최대 크기이지만 수평 성분 Ex는 음(-)의 최대 크기의 단지 일부이다. 재결합 빔의 합성 편광 상태 F는 일반적으로 시간 상에서 타원이다.
재결합 빔(10)은 자극 브릴루인 산란 PCM(12)에 의해 반사되고 PBS2로 되돌아온다. 그곳으로부터 원래의 서브빔(6 및 8)의 역경로로 간섭계를 지나가는 직교하는 편광 성분으로 분할되고, PBS1에서 출력 빔으로서 재결합된다. 2개의 서브빔의 광경로의 길이는 양 ∧L만큼 다르게 되어 있다. 이러한 차는 ∧k가 입력 빔과 출력 빔간의 주파수 차로 인해 발생하는 파수벡터(wavevector)라 할 때, ∧k∧L=가 되도록 프리즘(2)를 적절히 위치지정함으로써 설정될 수 있다. 이러한 조건에 의해, 복귀된 빔이 간섭계를 모두 통과한 후에 최종 출력 빔 편광은 확실하게 입력 편광에 직교하게 된다. 그 다음, 출력 빔(14)는 입력 빔으로부터 분리하기 위해 PBS3에 의해 편향(deflection)된다.
출력 빔 편광은 편광 벡터 G, H 및 I를 사용하여 도시된다. 편광이 입력 빔으로부터 90°회전되어 있으므로, 벡터 G의 수직 성분 및 수평 성분 Gy 및 Gx는 서로 180°로 위상이 다르며, 따라서 수직 성분 Gy는 수평 성분 Gx가 음의 최대 크기에 도달할 때 동시에 양의 최대 크기에 도달한다. 1/2 주기후에(위상 공액기에 의해 부여된 새로운 파수에서), 편광 벡터 H는 각각 음(-) 및 양(+)의 최대 크기에 있는 수직 및 수평 성분 Hy 및 Hx를 갖는다. 합성은 입력 선편광 C에 대해 90°회전된 출력 선평관 I이다.
제1도 시스템의 다양한 소자들은 다수 공개되어 있는데, 특히 Sov. Phys. JTEP, 52권, 5호, 1980년 11월, 페이지 847-851에 바소브(Basov) 등에 의해 파두-반전 미러(wavefront-reversing mirror)란 명칭으로, IEEE J. of Quantum Electronics, 27권, 1호 1991년 1월, 페이지 135-141에서 앤드리브(Andreev)등에 의해 펄스 반복을 고체 상태 레이저의 2-빔 결합을 위한 동기 위상공액(Locked Phase Conjugation for Twp-Beam Coupling of Pulse Repetition Rate Solid-State Laser)란 명칭으로, IEEE J. of Quantum Electronics, 28권, 1호 1992년 1월, 페이지 330-341에 앤드리브(Andreev) 등에 의해 높은 반복율 고체 상태 레이저의 브릴루인 셀의 응용(Applications of Brillouin Cells to High Repetition Rate Solid-State Laser)란 명칭으로, Sov. J. Quantum Electronics, 21권, 10호 1991년 10월, 페이지 1045-1051에 앤드리브(Andreev)등에 의해 제2 및 제4도파로 방사의 변환 및 자극 브릴루인 산란 미러를 갖는 단일-모드 YAG:Nd 레이저(Single-mode YAG:Nd laser with a stimulated Brillouin scattering mirror and conversion of radiation to the second and fourth harmonics)이란 명칭으로 제시되었다.
실제에 구현될 때, 제1도의 IOC 개념은 5개의 개별적인 광학 구성부품들을 포함한다는 사실 때문에 곤란을 겪는다. 이들 구성 부품들은 2개의 출력 빔 성분들이 간섭계를 처음 통과한 후에 PBS2를 떠날때 평행하고 공간적으로 완전하게 중첩하도록 정확하게 정렬되어야만 한다. 다른 구성들이 구성 부품의 수를 3으로 줄이는 상술한 논문들 내에 기술되어 있지만, 여전히 서로에 대해 정확하게 배열될 것이 요구된다. 다양한 구성 부품들을 정확하게 정렬하는데 필요한 조절 메카니즘들은 무게, 크기 및 복잡성을 감소시키고자 하는 요구에 역행하는 것이다.
본 발명의 목적은 종래의 시스템보다 더 가볍고, 작으며, 간단하고, 단지 2개의 광 구성 부품을 사용하고, 단지 3개의 민감한 조절을 요구하며, 특히 90°편광 회전을 생성하는 주파수 전이 PCM을 사용하기에 알맞은 개선된 간섭계를 제공하는 것이다.
이들 목적은 상술한 종래 IOC의 편광 빔분할기 및 2개의 미러를 하나의 단축 비등방성 프리즘(single uniaxial anisotropic prism)으로 대체함으로써 달성된다. 프리즘은 입력 빔이 정상(ordinary; o) 및 이상(extraordinary; e) 서브빔으로 분할되게 하는 형태 및 배향(orientation)을 갖는다. 한 서브빔은 프리즘 밖으로 굴절해 나간 다음, 포로 프리즘에 의해 양호하게 프리즘으로 다시 편향된다. 제1서브빔은 프리즘 내에서 내부 전반사(TIR)에 의해 출구 경로(exit path) 상으로 반사되는데, 이 출궁 경로는 제1서브빔이 프리즘으로 다시 들어온 후의 제1서브빔의 경로와 일치한다. 재결합된 출력 빔은 주파수 전이 PCM으로 향하게 되고, PCM으로부터 입력 서브빔들의 경로에 역행하는 제2통과를 위해 프리즘 내로반사되어 돌아온다. 빔 반사기는 o 및 e 서브빔이 프리즘을 통과하는 동안 이들의 경로차에 의해 정미(正味) 90°의 편광 회전을 생성하도록 배치된다.
프리즘은 앞면이 입력 빔에 수직하고, 뒷면이 입력 빔에 근사적으로 브루스터 각을 이루며, 코너 반사기를 형성하는 측면들은 제2서브빔을 내부 전반사(TIR)에 의해 프리즘 내에 유지시키도록 배향된다. 그러므로, 프리즘의 뒷면은 종래의 PBS1 및 PBS2의 기능을 수행하고, 프리즘의 측면들은 2개의 미러 M1 및 M2의 기능을 수행한다. 중요한 조절은 3가지 뿐이다. (1) 입력 빔과 프리즘 사이의 상대적인 각; (2) 제1입력 서브빔과 빔 편향기(beam deflector) 사이의 상대적인 각; (3) 프리즘과 빔 편향기 사이의 거리. 처음 2가지의 조절은 프리즘과 빔 반사기 중 하나를 회전시키거나 이들 소자의 상대적인 빔 각도를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 프리즘의 재료로서는 방해석이 양호하다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 또는 이 점은 동일 소자에 동일 참조 부호가 병기된 첨부 도면을 참조하여 기술된 이하의 상세한 설명에 의해 본 분야의 숙련된 기술자들에게 분명하게 인지될 수 있다.
본 발명은 이제까지 사용되어 온 2개의 빔분할기 PBS1 및 PBS2와 2개의 미러 M1 및 M2를 단일 통합 광소자로 대체함으로써 종래의 IOC를 매우 단순화시킨다. 이것은 시스템의 전체 크기 및 중량을 실질적으로 감소시킬 수 있게 하고, 또한 시스템을 정확하게 정렬하는데 필요한 조절 단계를 상당히 감소시킨다. 제2도에 개략적으로 도시된 새로운 IOC는 편광 회전을 생성하기 위해 주파수 전이 PCM(12)와 연관되어 동작하고, 입력 빔과 PCM 사이의, 그리고 PCM으로부터 IOC를 통해 다시 출력가지의 빔의 전체적인 처리는 종래의 시스템에서의 빔처리와 비슷하지만, 시스템 그 자체는 종래에 비해 상당히 덜 복잡하다.
대부분의 IOC 처리는 당닐 비등방성 프리즘(16)에서 실행되는데, 프리즘(16)은 양호하게 단축이다. 비등방성 물질이란 광학적 성질이 수신된 빔의 방향 및 프리즘의 축에 대한 편광에 따라 변하는것이고, 단축 물질이란 광학적 성질이 2개의 축에 대해서는 동일하지만, 세번째 축에 대해서는 다른 것이다. 단축물질에 대한 종래의 표기에 있어서, 광학적 성질이 동일한 2개의 축은 a 및 b로서 표시되었고, 광학적 성질이 다른 세번째 축은 c축으로 표시되었다. 방해석은 양질의 단축 비등방성을 나타내고 큰 결정으로 이용할 수 있으므로, 프리즘(16)으로 양호한 물질이다. 수정이 비록 낮은 비등방성을 나타내지만, 수정과 같은 다른 단축 비등방성 물질들이 사용될 수도 있다.
프리즘(16)은 포로 프리즘(2)을 제외한 종래의 IOC의 기능을 모두 수행할 수 있도록 하는 형태를 갖는다. 프리즘은 그의 앞면(18)과 c축(20)이 입력 빔(4)와 모두 직교ㅏㅎ도록 배향될 수 있는 형태로 되어 있다. 적당한 프리즘 배향에서, 프리즘의 뒷면(22)는 입력 빔을, 내부 전반사에 의해 뒷면으로부터 프리즘 내부로 다시 반사되는 정상(o) 서브빔(24), 및 뒷면의 각도에 의해 결정되는 출구 경로를 따라 프리즘 밖으로 굴정되어 나가는 이상(e) 서브빔(26)으로 분할시키기 위해 앞면에 대해 각이져 있다.
방해석 프리즘과 1μm의 빔 파장을 이용하는 경우에, o 광선에 대한 굴정율 no는 1.64276이고, e 광선에 대한 굴절율 ne는 1.47985이다. 그러므로, 내반사에 대한 임계각은 o 광선과 e 광선에 대해 각각 37.5°및 42.5°이다. 한 광선은 내반사에 의해 프리즘 내부에 유지되고, 다른 광선은 프리즘 밖으로 굴절되어 나가도록 입력 빔을 o 및 e 서브빔으로 분리하고자 하는 요구는 임계각 내에 있는 프리즘의 앞면 및 뒷면(18 및 22) 사이의 각도 θ1을 선택함으로써 달성된다. 방해석에 대한 양호한 θ1의 각도는 38.5°[이는 방해석 내의 브루스터 각(Brewster angle) 34°에 가깝다]으로서, 이 각도에서 e 서브빔(26)은 희소 반사 손실로 프리즘 뒷면을 통과한다. 방해석 프리즘의 경우, e 서브빔이 프리즘을 빠져나가고 o 서브빔이 방해석 프리즘 내에 있는 반면, 수정과 같은 다른 물질의 경우에는 소정의 빔 파장에서 no가e보다 작은 경우가 존재하는데, 이 경우에는 o 서브빔이 프리즘을 빠져나가고 e 서브빔이 내부 전반사를 겪게 된다.
입력 빔(4)가 방해석의 c 축(20)에 대해 종이 면의 밖으로 45°의 각으로 선편광된다고 가정하면, 프리즘의 뒷면 상의 점(28)에서 분할되는 서브빔(24 및 26) 각각은 초기 입력 빔 전력의 반을 갖는다.
프리즘(16)은 서로 수직하고, 코너 반사기를 형성하도록 뒷면(22)에 대해 배향되는 측면(30 및 32)를 더 포함한다. o 서브빔(24)는 코너 반사기에서 내부 전반사에 의해 방향전환되어, 프리즘의 뒷면으로부터 내전반사된 후의 초기 경로에 평행하지만 그로부터 벗어난(offset) 경로(34)를 따라 되돌아 온다. 그래서, 반사된 서브빔은 프리즘 뒷면의 다른 장소(36)에 도달하고, 이 장소에서 내전반사에 의해 프리즘으로부터출구 경로(38) 상으로 반사된다. 출구 경로(38)은 입력 빈(4)에 평행하고, 따라서 프리즘의 앞면(18)과 직교하여, 서브빔은 굴절되지 않고 프리즘을 빠져나간다.
양호하게 종래 포로 프리즘 형태의 빔 반사기(40)이 프리즘(16)으로부터 굴절되어 나온 e 서브빔의 경로 내에 배치된다. e 서브빔은 포로 프리즘에 의해 방향전환되어 평행한 경로(42)를 따라 주 프리즘(16)으로 다시 향하는데, 이 경로(42)는 반사된 o 서브빔이 경로(34)를 따라 도달한 장소와 동일한 프리즘 뒷면의 장소(36)에 도달한다. o 서브빔의 복귀 경로가 프리즘(16)으로부터의 출구 경로와 평행하므로, e 서브빔은 프리즘의 뒷면에서 o 서브빔과 동일하게, 입력 빔(4)에 평행한 출구 경로(38) 상으로 굴절된다. 그래서, o 및 e 서브빔은 프리즘(16)으로부터 공통 출구 경로를 따라 재결합하여 편광 회전된 출력 빔(10)이 된다. 본 발명의 이점들 중의 하나는 프리즘(16)의 입력 면(18), 및 포로 프리즘(40)의 입/출력 면 상의 표준 반사 방지 코팅(standard anti-reflection coating)을 제외하고는 프리즘 상에 코팅이 요구되지 않는다는 점이다.
선형 편광된 입력 빔(4)가 프리즘의 뒷면(22)에서 o 및 e 성분으로 분할되는 것은 입력 빔이 직교하는 편광 성분으로 분할되는 제1도의 종래 간섭계에서의 빔분할기 PBS1의 동작과 유사하고, 프리즘 뒷면의 장소(36)에서 o와 e 서브빔의 재결합은 종래 간섭계에서 빔분할기 PBS2의 동작과 유사하다. 포로 프리즘(4)의 위치는 간섭계를 순방향 및 역방향으로 통과한 후에 (PCM(12)에 의해 처리되기 전후에)90°편광 회전에 대해 △k△L=π가 만족되도록 제어된다.
상술한 시스템의 경우에 정렬에 대한 요구 사항들은 대단히 많은 수의 구성부품들을 요구하는 종래 시스템의 경우보다 훨씬 덜 복잡하다. 단순화된 정렬 요구에 관하여 이하에 기술한다. 도면의 면에 수직인 제2도에 도시된 모든 표면들은 전형적인 높은 양의 광학적인 마무리 허용 오차(high quality optical finishing tolerance) 내에서 수직이라고 가정한다. 또한, 주 프리즘(16) 및 포로 프리즘(40)에 있어서의 코너 반사 각 θ2 및 θ3은 거의 90°이다(현재로는, 약 6×10-4도의 허용 오차 또는 2 아크-세컨드가지 가능하다). 주 프리즘의 앞면과 뒷면 사이의 θ1에 있어서의 오차는 뒷면 상의 점 (28)에 입사하는 입력 빔의 각이 38.5°가 되도록 프리즘의 배향을 조절함으로써 보상될 수 있다. 이것은 입력 빔(4)와 프리즘의 c 축(20)의 공통 면에 직교하는 축에 대한, 제2도에서의 회전 조절 a이다. 프리즘의 뒷면(22)와 인접하는 측면(32) 사이의 각 θ4에 있어서의 오차는 θ2의 90°를 이루는 면들의 역반사 특성(retro-reflection property) 때문에, 상대적으로 중요하지 않다. θ4의 오차에 의한 한 가지 영향은 뒷면(22) 상에서 장소(36)이 단지 사소하게 병진 운동을 한다는 것인데, 이것은 아무런 중요한 결과를 초래하지 않는다. θ4의 정상 위치로부터의 이탈은 또한 o 서브빔의 측면(30 및 32)으로의 입사각을 변형시킨다; θ4의 정상 값 83.5°는 측면에서 45°의 입사각을 생성한다. 내부 전반사를 일으키기 위해 입사각은 37.5°보다 크기만 하면 되므로, θ4에 있어서의 허용 오차는 약 ±6.5°이다.
주 프리즘에 대한 나머지 각도 자유도 b는 (프리즘의 앞면(18)에 직교하는) 입력 빔에 평행한 축에 대한 회전이다. 이것은 프리즘의 c 축에 대한 선형 편광을 45°로 설정하기 위한 조절이다. 입력 빔의 전력을 o 와 e 서브빔 간에 정확히 50 : 50으로 분할하는 것으로부터 조금 벗어나는 것이 시스템 동작 상에서 단지 작은 효과만을 초래하므로, 이러한 조절에 대한 허용 오차는 상당히 느슨하다. 따라서, 주 프리즘(16)에 대한 민감한 조절은 입력 빔이 프리즘의 정면(18) 상에서 요구되는 입사각을 갖게 하는 데 필요한 회전 조절 a뿐이다.
포로 프리즘(40)에 대해서는, 고려되는 첫번째 조절은 프리즘의 c 축과 동일 평면 상에서 e 서브빔(26)에 직교하는 방향으로의 병진 운동 c이다. c 방향으로의 포로 프리즘의 병진 운동은 프리즘으로 부터의 반산의 전후에, 서브빔의 순방향 및 역방향 경로 사이의 분리를 변화시킨다. 이것으로 인해 e 서브빔의 위치가 장소(36)에서 주 프리즘에 재진입한 후에 o 서브빔과 공간적으로 중첩하도록 조절될수 있다. c 조절은 약 5-10mm의 전형적인 빔 크기에 대해 약 0.25-0.5mm인 상대적으로 느슨한 허용오차를 갖는다.
e 서브빔에 평행한, d방향으로 포로 프리즘을 조절하여 o와 e 서브빔 사이에 요구되는 광학적인 경로차를 만든다. 1 마이크로미터 파장의 전형적인 자극브릴루인 산란 액체의 경우에, 경로차는 약 5cm이고 허용 오차는 약 1mm이다.
o 및 e 서브빔이 평행하고, 주 프리즘의 뒷면 상의 장소(36)에서 공간적으로 중첩하도록 적절히 조절되어야만 하므로, c 병진 운동 축에 대한 회전 조절 e는 상대적으로 민감하다. 그러나, d 병진 운동 축에 대한 회전 조절 f는, 주 프리즘의 회전 b의 조절을 정합시키는데 사용되는데, b 조절의 허용 오차와 유사한 상대적으로 느슨한 허용 오차를 가질 수 있다.
그래서 a,c 및 e로 표시된 것들만이 상대적으로 정확한 조절을 요한다. 민감한 것과 민감하지 않은 것 모두를 포함한 다양한 정렬 조절을 제공하는 한 가지 방법이 제3도에 도시되어 있다. 주 및 포로 프리즘(16 및 40)은 각각 짐발(gimbal) 구조물(44 및 46)에 의해 한 쌍의 직교 축에 대한 회전율 위해 각각 지지된다. 짐발(44)는 제2도에 도시된 a 및 b 축에 대해 주 프리즘(16)을 회전시키기 위해 설치되고, 제2짐발(46)은 e 및 f 축에 대해 포로 프리즘(40)을 회전시키기 위해 설치된다. c및 d방향으로 포로 프리즘을 병진 운동시키기 위해, 한 쌍의 도브테일(devetailed)된 슬라이드(48 및 50)이 제공된다. 짐발(46)의 프레임(52)는 c 방향으로 병진 운동을 하는 슬라이드(50) 상에 장착된다. 짐발 및 슬라이드들은 종래의 메카니즘에 의해 조절되어 그들의 조절된 위치에 유지된다.
표준 짐발 장착부가 대부분의 응용에 필요한 자유도를 제공하지만, 이러한 장치들은 큰 충격, 진동 및 열 환경에 접하게 될 때 오정렬에 대한 불안정성을 보여준다. 이러한 경우에, 빔과 프리즘 사이의 상대적인 각이 요구되는 조건에 부합되도록 프리즘들은 회전 운동 및 편향된 빔 자체에 대해 고정될 수 있다. 각도 조적을 달성하는 양호한 방법은 빔을 수정 등과 같은 투명한 물질로 형성된 굴절 웨지를 통과시키고, 빔 축에 대해 웨지를 회전시키는 것이다.
이러한 형태의 정렬이 제4도에 도시되어 있는데, 여기서 e 빔이 포로 프리즘(40) 상으로 전달되어 그곳으로부터 다시 반사되어 나오는 것으로 도시되어 있다; 이 배열은 주 프리즘(16)에 도달하기 전에 입력 빔을 조절하는 데 사용될 수도 있다. 웨지 각 θ5는 전형적으로 약 0.5°이다(도면에서는 명확히 보이기 위해 과장되어 있다). 웨지(54)는 포로 프리즘(40)의 입사 및 반사 빔(26 및 42)와 모두 교차하도록 위치설정된다. 빔에 대해 평행한 축에 대해 웨지를 회전시키면 입사 빔(26)은 주 프리즘으로부터의 초기 방향에 대해 콘 형태로 주사된다. 콘은 도면의 평면 내에 하나의 돌출부를 갖는다; 다른 돌출부는 도면의 표면에 수직한다; 후자의 돌출부는 포로 프리즘에 대해 요구되는 빔 정렬이다. 제1돌출부는 단지 포로 프리즘의 역반산 평면 내에서 빔을 경사지게 한다; 이러한 돌출부는 복귀 경로(42) 상에서 웨지를 두번째로 통과하는 동안 보상된다. 따라서, 웨지의 정미(正味) 효과는 도면이 종이면에 수직한 평면에서 빔을 경사지게 하는 것이다. 이러한 정렬은 제2도에 도시된 각도 조절 e를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
정렬 웨지(alignment wedge)의 이점은 웨지 경사가 가장 낮은 수준까지 각도 오정렬을 초래하지 않으며; 웨지의 축에 대해 회전될 수 있다면 웨지는 단지 빔을 오정렬시킬 뿐이다. 웨지가 빔과 프리즘사이에 요구되는 각도를 형성하기 위해 회전되었다면, 웨지의 장착부는 더 이상의 회전을 방지하기 위해 고정된다.
단일 평면 내에서 빔의 각도를 조정하기 위해, 제2도에 정렬 a에 대해 요구되는 바와 같이, 한 쌍의 반대-전파 웨지(counter-propagating wedge)가 사용될 수 있다. 이것은 제5도에 도시되어 있으며, 동일한 웨지 각을 갖는 2개의 웨지(56 및 58)이 주 프리즘(16)에 도달하기 전에 입력 빔(4)의 경로 내에 배치된다. 프리즘들은 공통 축에 대해 반대 방향으로 회전하며, 공통 장착부에 의해 유지될 수 있다. 이러한 이중-웨지 장치는 제4도에 도시된 단일-웨지 장치와 동일한 정렬 안정성을 제공한다. 이러한 형태의 정렬은 2개의 웨지(56 및 58)이 빔을 주사하는 평면이 프리즘의 뒷면 상의 장소(28)에 입사하는 면[입사면은 입력 빔(4), 및 분할되는 e 및 o 서브빔(24 및 26)을 포함하는 면임]과 거의 일치한다. 이 정렬 오차는 매우 완화되어 있으며, 주 프리즘이 장착되는 플레이트의 한 모서리 아리에 쉽(shim)을 배치함으로써 달성될 수 있다.
요구되는 정렬을 달성하기 위해 광학 소자를 회전시키는 동일한 방법을 사용하여, 주 프리즘(16)에서 입력 빔의 편광을 c 축에 대해 45°로 배향시키기 위해 (제2도의 정렬 b), 반파장판(half-wave plate)이 입력 빔의 경로 내에 배치될 수 있다. 반파장판이 판 자체가 회전되는 각 속도의 2배로 선형 편광빔의 편광면을 회전시키는 것은 공지되어 있다.
제2도의 선형 병진 운동 c 및 d에 대해, 슬라이드(48 및 50)은 보환슬라이드 소자들 내의 슬록을 따라 이동하는 소자들 중 하나와 함께 다수의 핀을 갖출 수 있다; 핀은 병진운동 중에 각도 오정렬이 커지는 것을 방지한다. 일반적으로 최종적으로 각도 조절을 행하기 전에 병진 운동 조절을 행하는 것이 최상이다. 리드 나사(lead screw)가 병진 운동을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 병진 운동이 그 위에 행해지는 정렬을 크게 변경시키지 않도록 하기 위해 잠금 나사가 사용될 수도 있다. 제2도에 f로 표시된 나머지 정렬은 크게 변경시키지 않도록 하기 위해 잠금 나사가 사용될 수도 있다.
사용되는 특정 조절 메카니즘과 무관하게, 서로 정렬되는 데 필요한 개별 소자들의 수가 감소됨에 따라, 크기, 중량 및 시스템의 복잡성이 감소되고 동시에 신뢰성이 상당히 개선된다.
지금까지 본 발명의 다양한 양호한 실시예에 대해 상세하게 기술하였으나, 본 분야에 숙련된 기술자들은 첨부된 특허 청구 범위에 의해 한정된 분 발명의 원리 및 배경을 벗어나지 안고서 본발명을 여러 가지로 수정 및 변형시킬 수도 있다.

Claims (18)

  1. 편광된 입력 빔의 편광을 변경시키기 위한 간섭계에 있어서, 입력 빔 경로 내에 배치되고 입력 빔을 정상(o)및 이상(o) 서브빔으로 분리하도록 배향된 표면을 가지며, 상기 서브빔들 중 제1서브빔이 제1출구 경로를 따라 프리즘의 밖으로 향하게 하고 상기 서브빔들중 제2서브빔이 프리즘의 빠져 나가기 전에 프리즘 내에서 내부 저반사(TIR)되어 제2출구 경로를 따라 프리즘 밖으로 향하게 하는 형태로 되어 있으며 비등방성 프리즘 및 상기 제1서브빔이 상기 제2출구 경로를 따라 상기 제2서브빔과 재결합하도록 상기 제1서브빔을 프리즘 내로 다시 향하게 하기 위해 제1서브빔이 상기 프리즘을 빠져나간 후의 상기 제1서브빔의 경로 상에 재치되고, 재결합 후의 o와 e 서브빔 편광의 상대적인 위상이 입력 빔으로부터 분할된 직후의 상대적인 위상과 달라지도록 상기 프리즘으로부터 떨어져 있는 빔 편향기를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프리즘이 c 축에 대해 단축이고, 상기 서브빔들 중 하나는 상기 c 축의 면내에서 편광되고, 상기 서브빔들 중 나머지 하나는 상기 c 축에 직교하는 면 내에서 편광되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 프리즘이 상기 입력 빔을 수신하기 위한 앞면, 및 앞면으로부터 프리즘을 횡단해 온 후에 상기 입력 빔과 각을 이루도록 배향된 뒷면을 가지며, 상기 뒷면의 각이 상기 e 및 o 서브빔으로의 상기 분할을 수행하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 프리즘이 상기 제2서브빔을 내부 전반사에 의해 방향전환시켜 상기 빔 분할이 발생된 곳과는 다른 상기 뒷면 상의 장소로 다시 돌아오게 하고, 상기 방향전환된 제2서브빔이 상기 제2출구 경로를 따라 상기 프리즘의 뒷면에서 내부 전반사되도록 하는 각도로 상기 뒷면에 도달하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 프리즘의 앞면이 상기 입력 빔과 실질적으로 직교하게 배향되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 빔 편향기가 제2서브빔이 내부 전반사에 의해 상기 뒷면으로부터 반사되어 나간 장소와 실질적으로 동일한 프리즘의 뒷면 상의 장소로, 프리즘으로부터의 제1서브빔의 출구 경로와 실질적으로 평행한 경로를 따라 되돌아 오도록 상기 제1서브빔을 방향전환시키어, 제1서브빔이 상기 프리즘의 뒷면에서의 굴절에 의해 실질적으로 제2서브빔의 출구 상으로 방향전환되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 프리즘의 뒷면이 입력 빔의 o 및 e 서브빔들 중 하나를 굴절시키고 나머지 한 서브빔을 내부 전반사에 의해 굴절시키도록, 프리즘의 c 축과 입력 빔의 평면에 직교하는 축에 대해 프리즘 위치의 회전 조절을 가능하게 하는 제1조절 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  8. 제3항에 있어서, 프리즘으로 반사하는 입력 빔의 각도 편향을 조절할 수 있게 하는 제1조절 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  9. 제1항에 있어서, 상기 빔 편향기가 프리즘으로부터 편향기로의 경로에 실질적으로 평행하게 상기 제1서브빔을 프리즘의 뒷면으로 다시 편향시키기 위한 포로 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제1서브빔의 상기 제2출구 상에서 상기 제2서브빔과 재결합될 수 있는 각 도로 프리즘 뒷면의 상기 제2장소로 돌아오도록 상기 제1서브빔을 방향전환시키기 위해 상기 제1서브빔의 경로 내에 상기 빔 편향기를 지지하는 편향기 지지부, 및 제1서브빔과 빔 편향기 사이의 상대적인 상기 각도에 있어서의 오차를 보정하도록 각도를 조절하기 위한 제2조절 메카니즘을 더 포함하고, 입력 빔 편광에 대해 재결합된 빔의 편광을 변경하도록 상기 편향기 지지부가 제1서브빔과 제2서브빔의 재결합 전에 상기 제2서브빔에 의해 이동된 경로와는 길리차가 나는 경로를 제1서브빔이 이동하도록 하는 위치에 상기 빔 편향기를 유지시키도록 조절가능한 것을 특징으로 하는 간섭계.
  11. 제10항에 있어서, 상기 편향기 지지부가 제1서브빔과 직교하고 프리즘의 c 축과 동일 평면에 있는 조절 축을 따라 편향기를 선형 조절할 수 있고, 제2조절 메카니즘이 제1서브빔의 각도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  12. 제4항 내지 제6항 및 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리즘의 측면이 상기 제2서브빔을 위한 코너 반사기를 형성하여, 상기 코너 반사기에 의해 방향전환된 후에, 제2서브빔이 상기 입력 빔 경로와실질적으로 평행하지만 그 경로로부터 벗어난(offset) 경로를 따라 내부 전반사에 의해 프리즘의 뒷면으로부터 굴절되어 나가는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  13. 제7항에 있어서, 상기 프리즘의 측면이 상기 제2서브빔을 위한 코너 반사기를 형성하여, 상기 코너 반사기에 의해 방향전환된 후에, 제2서브빔이 상기 입력 빔 경로와 실질적으로 평행하지만 그 경로로부터 벗어난(offset) 경로를 따라 내부 전반사에 의해 프리즘 윗면으로부터 굴절되어 나가는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  14. 제7항에 있어서, 상기 제1조절 메카니즘에 의해 상기 프리즘의 뒷면이 입력 빔에 대해 근사적으로 브루스터 각(Brewster angle)으로 유지되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  15. 제7항에 있어서, 상기 프리즘이 방해석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  16. 제7항에 있어서, 선형 편광된 입력 빔에 대해, 상기 제1조절 메카니즘에 의해 상기 프리즘의 c 축이 입력 빔의 편광에 대해 실질적으로 45°각을 이루도록 상기 프리즘이 위치설정되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  17. 선행 항들 중 어느 한 한의 간섭계, 및 상기 재결합된 비므이 주파수를 전이시키고, 상기 재결합빔을 상기 프리즘을 역방향으로 다시 통과하도록 방향전환시켜서, 상기 주파수 전이된 빔 입력 빔의 o 및 e 서브빔의 경로를 따라 역방향으로 이동하는 o 및 e 서브빔으로 분할되고 출력 빔으로 재결합되기전에 위상차를 얻어내기 위한 수단을 포함하되, 상기 빔 편향기와 상기 프리즘 사이의 거리가, 상기 주파수 전이 수단에 의해 부여된 주파수 전이의 경우에, 순방향 및 역방향에서의 e 및 o 서브빔사이의 정미(正味) 위상차가 복귀 빔에, 입력 빔 편광에 대해 회전된 선형 편광을 부여하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 순방향을 향하는 선형 편광된 입력 빔의 편강을 회전시키기 위한 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 주파수 전이 메카니즘이 위상 공액 미러(PCM)을 포함하는 것을 특징으로 하는 순방향을 향하는 선형 편광된 입력 빔의 편광을 회전시키기 위한 장치.
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