TW201921025A - 具有相位移反射器的聲光系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種光束定位器，其大體經特性化為包括第一聲光（AO）偏轉器（AOD），該第一聲光（AO）偏轉器（AOD）可操作用以使線性偏振雷射光之入射光束繞射，其中該第一AOD具有第一繞射軸且其中該第一AOD定向使得該第一繞射軸與該線性偏振雷射光之偏振平面具有預定空間關係。該光束定位器可包括配置於光束路徑內之至少一個相移反射器，光可沿著該光束路徑自該第一AOD傳播。該至少一個相移反射器可經組態及定向以旋轉由該第一AOD繞射之光的偏振平面。

Description

具有相位移反射器的聲光系統

本發明關於一種具有相位移反射器的聲光系統。
〔相關申請案之交叉參考〕

本申請案主張於2017年9月22日申請的美國臨時專利申請案第62/562,047號的權益，該申請案以全文引用的方式併入本文中。

有時被稱作布拉格單元之聲光（acousto-optic；AO）裝置使用處於射頻之聲波使光繞射並移位。此等裝置常用於Q切換、電信系統中之信號調變、顯微鏡系統中之雷射掃描及光束強度控制、頻率移位、光譜系統中的波長濾波。許多其他應用適合於使用聲光裝置。舉例而言，AO偏轉器（AO deflector；AOD）可用於基於雷射之材料處理系統中。

在典型AO裝置中，轉換器附接至AO介質（亦被稱作「AO單元」），典型地為晶體或玻璃，其對待繞射光的波長是適當透明的。RF信號（亦被稱作「驅動信號」）施加於轉換器(例如從RF驅動器施加），由此驅動轉換器在特定頻率下振動以產生在AO介質中傳播之聲波，其表現為在AO介質中之擴增及壓縮之週期區域，由此產生在AO介質內之週期性改變之折射率。週期性改變之折射率類似於可使傳播通過AO介質之雷射光束繞射的光柵起作用。

參考圖1，AOD 100大體上包括AO介質102、附接至AO介質102（亦即，在AO介質102之轉換器端處）之轉換器104，且亦可包括附接至AO介質102（亦即，在與轉換器端相對的AO介質102之吸收器端處）之吸音器(acoustic absorber)106。RF驅動器108通常電耦接至轉換器104之輸入以驅動AOD 100。供形成AO介質102之材料依據待偏轉之雷射光束中的光之波長而選擇。轉換器104大體上為壓電轉換器，且可操作用以回應於藉由RF驅動器108輸出之輸入RF信號(亦即驅動信號)而振動。RF驅動器108可操作用以產生最後輸入至轉換器104之驅動信號。

大體而言，轉換器104附接至AO介質102，使得由轉換器104產生之振動可形成對應聲波（例如，如由線112指示），該聲波在AO介質102內沿著AOD 100之繞射軸110自轉換器端朝著吸音器106傳播。如圖1中例示性地說明，當驅動信號（例如，其特性為頻率、振幅、相位等）施加至轉換器104時，轉換器104振動以產生在AO介質102內傳播之聲波，藉此產生在AO介質102內週期性改變之折射率。如此項技術中已知，週期性改變之折射率用以使雷射光束（例如沿光束路徑114傳播），其入射於AO介質102之第一表面102a上且以相對於聲波量測之布拉格角度0_B 經由AO介質102傳播。

使雷射光之入射光束繞射形成繞射圖案，其典型地包括零階及一階繞射峰，且亦可包括高階繞射峰（例如二階、三階等）。如此項技術中已知，雷射光之繞射光束在零階繞射峰中之部分被稱為「零階」光束，雷射光之繞射光束在一階繞射峰中之部分被稱為「一階」光束，等等。大體而言，零階光束及其他繞射階光束（例如一階光束等）在射出AO介質102（例如，經由AO介質102之與第一表面102a相對之第二表面102b出射）後沿著不同光束路徑傳播。舉例而言，零階光束沿零階光束路徑傳播，一階光束沿一階光束路徑傳播，等等。零階與其他繞射階光束路徑之間的角度（例如零階與一階光束路徑之間的角度0_D ）對應於經施加以使入射於AO介質102上之雷射光光束繞射的驅動信號中之頻率（或多種頻率）。

所施加之驅動信號之振幅可對繞射成各種繞射階光束之雷射光之入射光束之比例有非線性效應，且AOD可經驅動以使雷射光之入射光束之大部分繞射成一階光束，從而使雷射光之入射光束之相對較少部分保留在其他繞射階光束（例如零階光束等）中。此外，所施加驅動信號之頻率可快速變化以掃描一階光束（例如，以便於對工件之不同區域進行處理）。因此，AOD有利地併入至雷射處理系統中以供在基於雷射之材料處理領域中使用，以便在工件之處理（例如熔融、汽化、燒蝕、標記、開裂等）期間以可變方式使一階光束偏轉至工件上。

雷射處理系統典型地包括一或多個光束捕集器以防止沿著零階光束路徑（及任何高階光束路徑）傳播之雷射光到達工件。因此，在雷射處理系統中，射出AOD 100之一階光束路徑可典型地被視為已在AOD 100內旋轉或偏轉（例如達一角度0_D ，在本文中亦被稱作「一階段偏轉角」）的光束路徑114。光束路徑114繞其旋轉之軸線（在本文中亦被稱作「旋轉軸」）與AOD 100之繞射軸及當AOD 100經驅動以使雷射光之入射光束繞射時雷射光之入射光束沿其在AOD 100內傳播之軸線（在本文中亦被稱作「光軸」）正交。因此，AOD 100使入射光束路徑114在含有（或另外大體平行於）AOD 100之繞射軸及AOD 100內之光軸的平面（在本文中亦被稱作「偏轉平面」）內偏轉。AOD 100可跨其使光束路徑114在偏轉平面內偏轉的空間範圍在本文中被稱作AOD 100之「掃描場」。

雷射處理系統可併入串聯配置之多個AOD以使光束路徑114沿著兩個軸線偏轉。舉例而言且參考圖2，第一AOD 200及第二AOD 202可經定向以使得其各別繞射軸（亦即，分別為第一繞射軸200a及第二繞射軸202a）經定向為垂直於彼此。在此實例中，第一AOD 200可操作用以使光束路徑114圍繞第一旋轉軸200b（例如其與第一繞射軸200a正交）旋轉，由此使入射光束路徑114在第一偏轉平面（亦即，含有或另外大體平行於第一AOD 200內之第一繞射軸200a及光軸的平面）偏轉，其中該第一偏轉平面與第一旋轉軸200b正交。同樣，第二AOD 202可操作用以使光束路徑114圍繞第二旋轉軸202b（例如其與第二繞射軸202a正交）旋轉，由此使入射光束路徑114在第二偏轉平面（亦即，含有或另外大體平行於第二AOD 202內之第二繞射軸202a及光軸的平面）偏轉，其中該第二轉平面與第二旋轉軸202b正交。鑒於以上，第一AOD 200及第二AOD 202可共同地經特性化為多軸「光束定位器」，且每一者可經選擇性操作，以使光束路徑114在二維掃描場204內偏轉。如將瞭解，二維範圍掃描場204可被視為以下兩個一維掃描場之重合：與第一AOD 200相關聯之第一一維掃描場及與第二AOD 202相關聯之第二一維掃描場。

取決於多軸光束定位器中所包括的AOD之類型，可能需要使光之偏振平面(亦即電場振盪之平面)在由第一AOD 200傳輸之一階光束路徑中旋轉。若使雷射光之入射光束之大部分繞射成一階光束所需之RF驅動功率之量高度依賴於經偏轉雷射光之光束之偏振狀態，則旋轉偏振平面將為所希望的。此外，若多軸光束定位器中之每一AOD包括由相同材料形成之AO介質102，且若每一AOD使用相同類型的聲波使雷射光之入射光束偏轉，且若需要使由第一AOD 200傳輸之一階光束中之光的偏振狀態為線性的且相對於第二繞射軸202a以特定方向定向，則將類似地需要使由第二AOD 202傳輸之一階光束之偏振狀態相對於由第一AOD 200傳輸之一階光束中之光的偏振狀態旋轉，僅僅因為第二AOD 202之定向是相對於第一AOD 200之定向而旋轉。

習知地，偏振旋轉是由半波片提供，且在半波片之後相對於雷射光之入射光束之偏振定向是半波片相對於雷射光之入射光束之偏振定向的定向的函數。半波片典型地是由展現出對於待相移之光的特定波長（或波長範圍）為適度透明的足夠雙折射率的材料所製造。設計成使光在自9 μm（或上下）11μm（或上下）之範圍中的波長（例如9.2μm、9.5μm、10.6μm等）下相移的習知半波片是不合期望地昂貴，且典型地不適合用於大功率雷射應用，諸如利用CO₂ 雷射的基於雷射的材料處理。

一個具體實例可大體上特性化為包括光束定位器，其包括第一聲光(AO)偏轉器(AOD)，該第一聲光(AO)偏轉器(AOD)可操作用以使線性偏振雷射光之入射光束繞射，其中該第一AOD具有第一繞射軸且其中該第一AOD定向為使得該第一繞射軸與該線性偏振雷射光之偏振平面具有預定空間關係。該光束定位器可包括配置於光束路徑內之至少一個相移反射器，光可沿該光束路徑自第一AOD傳播。該至少一個相移反射器可經組態及定向以旋轉由該第一AOD繞射之光的偏振平面。

另一具體實例可大體上特性化為光束定位器，其包括第一聲光（AO）偏轉器（AOD）、第二AOD及插入於第一AOD與第二AOD之間的相位延遲器。選自由第一AOD及第二AOD組成之群的至少一個AOD可包括由包括鍺之材料形成的AO單元。

另一具體實例可大體上特性化為光束定位器，其包括第一聲光（AO）偏轉器（AOD）、配置於雷射光光束可沿其自第一AOD傳播之光束路徑內的第二AOD、配置於第一AOD與第二AOD之間的光束路徑內的相位延遲器及配置於第一AOD與第二AOD之間的光束路徑內的反射鏡。第一AOD、第二AOD、相位延遲器及反射鏡經配置以使得雷射光光束可在至少大體上與雷射光光束入射於第一AOD上的方向相反的方向上自第二AOD傳播。

本文中參考隨附圖式來描述之實例具體實例。除非以其他方式明確地陳述，否則在圖式中，組件、特徵、元件等的大小、位置等以及其間的任何距離未必依據比例，而是出於明晰之目的而放大。在圖式中，相同數字通篇指代相同元件。因此，可能在參考其他圖式時描述相同或類似數字，即使該等數字在對應圖式中未提及亦未描述。又，即使未經參考數字指示之元件亦可參考其他圖式加以描述。

本文中所使用之術語僅出於描述特定實例具體實例之目的，且並不意欲為限制性的。除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語（包括技術及科學術語）具有一般熟習此項技術者通常所理解之相同意義。如本文中所使用，除非上下文另外明確地指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應認識到，術語「包含（comprise/comprising）」在用於本說明書中時指定所陳述之特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。除非另外指定，否則在敍述值範圍時，值範圍包括該範圍之上限及下限兩者以及在其間的任何子範圍。除非另外指示，否則諸如「第一」、「第二」等術語僅用於區別一個元件與另一元件。舉例而言，一個節點可稱為「第一節點」，且類似地，另一節點可稱為「第二節點」，或反之亦然。

除非另外指示，否則術語「約」、「上下」、「大致」等意謂量、大小、調配、參數及其他量及特性並非且不必為精確的，而視需要可為大致的及/或更大或更小，從而反映容限、轉換因素、捨入、量測誤差及其類似者，以及熟習此項技術者已知之其他因素。空間相對術語，諸如「在…下方」、「在…底下」、「下」、「在…上方」及「上」以及其類似者可在本文中為易於描述而用以描述一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係，如圖式中所說明。應認識到，該等空間相對術語意欲涵蓋除圖式中所描繪之定向之外的不同定向。舉例而言，若將圖式中之物件翻轉，則描述為在其他元件或特徵「下方」或「底下」之元件將定向為在其他元件或特徵「上方」。因此，例示性術語「在……下方」可涵蓋在上方及在下方的定向兩者。物件可以其他方式定向（例如，旋轉90度或處於其他定向），且本文中所使用的空間相對描述詞可相應地進行解釋。

本發明之具體實例可大體上特性化為提供多軸光束定位器，其包括安置於由AOD傳輸之雷射光光束的路徑中的至少一個相移反射器（在此項技術中亦被稱為「相移反射鏡」、「相位延遲反射鏡」、「反射相位延遲器」等）。由AOD傳輸之雷射光光束可大體上特性化為線性偏振的，且至少一個相移反射器經組態及經定向以使由AOD傳輸之雷射光光束之偏振平面旋轉。

在圖3中所示之一個實例具體實例中，多軸光束定位器300可包括第一AOD 302（例如，以第一繞射軸302a及第一旋轉軸302b為特性）、第二AOD 304（例如以第二繞射軸304a及第二旋轉軸304b為特性）、相移反射器306及光學中繼系統308（例如包含一對中繼透鏡310及312）。大體而言，可提供第一AOD 302及第二AOD 304中之每一者，如上文關於AOD 100所論述。舉例而言，第一AOD 302及第二AOD 304中之每一者可包括AO介質（諸如AO介質102）、附接至AO介質之轉換器端的轉換器（諸如轉換器104）及在AO介質的與轉換器端相對的吸收器端處附接至AO介質的視情況選用之吸音器（諸如吸收器106）。

雖然未示出，但多軸光束定位器300可包括一或多個RF驅動器（例如RF驅動器108），其電耦接至第一AOD 302及第二AOD 304中之每一者的轉換器（亦未圖示）的輸入。因此，一或多個驅動信號可藉由RF驅動器施加於第一AOD 302及第二AOD 304中之每一者。回應於所施加的驅動信號，第一AOD 302可操作用以使雷射光之入射光束在第一偏轉平面（亦即，與第一旋轉軸302b正交且含有或另外平行於第一AOD 302內之第一繞射軸302a及光軸的平面）內偏轉。同樣，回應於所施加的驅動信號，第二AOD 304可操作用以使雷射光之入射光束在第二偏轉平面（亦即與第二旋轉軸304b正交且含有或另外平行於第二AOD 304內之第二繞射軸304a及光軸的平面）內偏轉。

提供半波相移反射器306作為經組態以在雷射光之入射光束之S偏振分量與P偏振分量之間實行180度相移的半波相移反射器（例如具有實質上平面的反射器表面306a）。光學中繼系統308經配置及經組態以將第一AOD 302之影像轉送至第二AOD 304上。如本文所示，光束路徑114以圖形方式示出為點劃線，且多軸光束定位器300之前述組件經配置以使沿光束路徑114傳播之傳播的雷射光繞射（例如就第一AOD 302及第二AOD 304而言）、折射（例如就光學中繼系統308）或反射（例如就半波相移反射器306而言）。

第一AOD 302及第二AOD 304各自經提供作為縱向模式AOD。因此，入射於任何特定AOD之雷射光之偏振平面平行於（或至少實質上平行於）射出該AOD之雷射光之偏振平面。多軸光束定位器300經組態以對線性偏振之雷射光起作用，且因此，提供沿光束路徑114傳播及入射於第一AOD 302上之雷射光以便藉由此項技術中已知之任何構件線性偏振（或至少實質上線性偏振），且第一AOD 302經定向為使得第一繞射軸302a平行於（或至少實質上平行於）入射至該第一AOD 302上之雷射光之光束的偏振平面。同樣，沿光束路徑114傳播及入射於第二AOD 304上之雷射光是被線性偏振的（或至少是實質上線性偏振的），且第二AOD 304經定向以使得第二繞射軸304a平行於（或至少實質上平行於）入射至該第二AOD 304上之雷射光之光束的偏振平面。

半波相移反射器306經配置及經組態以使入射於反射器表面306a（亦即在出射第一AOD 302之後）的雷射光之偏振平面（亦即相對於第一AOD 302之第一偏轉平面）旋轉90度。為達成此目標且如將在下文更詳細地論述，半波相移反射器306經定向使得雷射光之光束以45度（或上下）之入射角入射於反射器表面306a上。此外，半波相移反射器306經定向使得雷射光之入射光束之偏振平面相對於在反射器表面306a處之入射/反射平面呈45度（或至少實質上45度）之角度。

在操作期間，待施加於第一AOD 302之任何驅動信號中所包含的頻率可在當施加於第一AOD 302時產生以一階偏轉角0D出射第一AOD 302傳播的一階繞射光束的頻率的預期範圍，該一階偏轉角0D在一階偏轉角之範圍內（在本文中亦被稱作「一階偏轉角範圍」）。預期頻率範圍可在概念上被視為跨越由低頻高頻定界之頻率範圍的頻帶。

在一個具體實例中，半波相移反射器306之定向相對於第一AOD 302是固定的。因此，在第一AOD 302之操作期間，射出第一AOD 302之一階光束路徑114可以許多可能的入射角中之一個入射角入射於反射器表面306a（亦即，取決於在第一AOD 302之操作期間施加至第一AOD 302之驅動信號中所包含的頻率）。在一個具體實例，半波相移反射器306經定向使得在施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率等於在預期頻率範圍之頻帶內的參考頻率時，射出第一AOD 302之一階光束路徑114以45度之入射角（或上下或另外以至少實質上45度的入射角）入射於反射器表面306a上。頻帶可等於2 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz等或在此等值中之任一者之間，且頻帶之低頻可等於25 MHz、30 MHz、35 MHz、40 MHz、45 MHz、50 MHz、55 MHz、60 MHz等或在此等值中之任一者之間。因此，參考頻率可為在26KHz（或上下）至89 MHz（或上下）範圍內之任何頻率。在一個具體實例中，參考頻率可為30 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、70 MHz、80 MHz等，或在此等值中之任一者之間。大體而言，參考頻率位於預期頻率範圍之頻帶中間處或附近。在一個具體實例中，當參考頻率在頻帶中之中間頻率之15%、10%、5%、2%、1%、0.5%、0.25%、0.1%等內或在此等值中之任一者之間時，參考頻率在預期頻率範圍之頻帶中間附近。

在另一個具體實例中，半波相移反射器306相對於第一AOD 302之定向可為可變的。舉例而言，半波相移反射器306可旋轉以確保在施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率在預期頻率之子範圍內時，射出第一AOD 302之一階光束路徑114以45度之入射角（或上下或另外以至少實質上45度的入射角）入射於反射器表面306a上。預期頻率子範圍可被視為跨越由低頻高頻定界之頻率子範圍（其可等於或低於預期頻率範圍）的頻帶。為便於快速調整半波相移反射器306相對於第一302之定向，半波相移反射器306可安裝至藉由音圈致動器、壓電定位器、微機電系統（micro-electro-mechanical system；MEMS）定位器或類似者或其任何組合）致動之平台，或半波相移反射器306可經提供為可變形反射鏡或類似者或其任何組合。

如所示出，相移反射器306安置於第一AOD 302與光學中繼系統308之間的光束路徑114中。然而，在另一具體實例中，相移反射器306可安置於光學中繼系統308之一對中繼透鏡310及312之間的光束路徑114中。在又一具體實例中，相移反射器306可安置於光學中繼系統308與第二AOD 304之間的光束路徑114中。

當如上文所描述定向及組態時，半波相移反射器306使雷射光之入射光束之偏振平面相對於第一AOD 302之第一偏振平面旋轉90度（亦即繞雷射光之光束沿其傳播之光軸）。此外，如圖3中例示性地示出，半波相移反射器306使光束路徑114之定向偏斜，以此方式可能難以將多軸光束定位器300之組件裝配成相對緊湊的封裝。為了便於更緊湊裝配多軸光束定位器300，可提供經組態以賦予零（或至少實質上為零）相移（在本文中亦被稱作「零相移反射器」）的反射鏡以經由任何合適或所要方式來摺疊光束路徑114，從而提供更緊湊的多軸光束定位器。

舉例而言且參考圖4，零相移反射器402（例如具有實質上平面的反射器表面402a）可插入至多軸光束定位器300之半波相移反射器306與透鏡310之間的光束路徑114中（由此產生多軸光束定位器400）。如圖4中所例示性展示，零相移反射器402可經定向，使得由零相移反射器402反射之雷射光光束沿著大體上與雷射光光束在入射時傳播至半波相移反射器306的方向相反的方向傳播，且使得在自零相移反射器402反射時的第一AOD 302之第一偏振平面相對於在入射於反射器表面306a上時的第一偏轉平面之定向旋轉90度。因為零相移反射器402並不賦予任何（或任何實質性）相移，則在反射器表面402a處反射之雷射光光束的偏振平面相對於第一AOD 302之第一偏振平面不會改變（或改變可忽略的量）。其結果是，最後傳遞至第二AOD 304之線性偏振雷射光之偏振方向將平行於（或至少實質上平行於）自第一AOD 302輸出之線性偏振雷射光的偏振方向。因此，如圖4中所示出，第二AOD 304之第二繞射軸304a可平行於（或至少實質上平行於）第一AOD 302之第一繞射軸302a。此外，在（例如自零相移反射器402經由光學中繼系統308）投影至第二AOD 304時，第一AOD 302之第一偏振平面將垂直於（或至少實質上垂直於）第二AOD 304之第二偏振平面。因此，在投影至第二AOD 304上時，與第一AOD 302相關聯之掃描場（一維掃描場）將垂直於（或至少實質上垂直於）與第二AOD 304相關聯之掃描場（亦為一維掃描場），且多軸光束定位器400可被視為具有藉由與第一AOD 302及第二AOD 304相關聯之兩個一維掃描場之重疊特性化的二維掃描場。

典型地，半波相移反射器306可賦予給沿光束路徑114傳播之雷射光之入射光束的相移的量（亦被稱作「相位延遲」）將隨著光束路徑114在反射器表面306a處之入射角變化而變化（例如作為改變第一AOD 302之驅動頻率的結果）。此相移變化將導致入射於第二AOD 304上之光束之偏振狀態的偏差，使得其在所要軸中不再經線性偏振，而是經橢圓偏振。為消除或另外減少光束路徑114在反射器表面306a處之可變入射角的效應，半相移反射器306可被一對四分之一波長相移反射器取代。舉例而言且如圖5中所展示，可提供如類似地相對於圖3中所展示之多軸光束定位器300所描述的多軸光束定位器500，但半波相移反射器306由配置於光束路徑114內的一對四分之一波長相移反射器（亦即，具有實質上平面的反射器表面502a之第一相移反射器502及具有實質上平面的反射器表面504a之第二相移反射器504）所取代。

如圖5中例示性展示，第一四分之一波長相移反射器502經定向，以使得當施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率等於預期頻率範圍之前述參考頻率時，沿光束路徑114傳播之雷射光光束將以45度入射角（亦被稱作「第一入射角」）（或45度上下，或另外以至少實質上45度之第一入射角）入射於反射器表面502a上。第一四分之一波長相移反射器502進一步經定向，以確保在施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率等於預期頻率範圍之前述參考頻率時，自反射器表面502a反射之光含有相等（或至少實質上相等）量的S及P偏振分量（亦即，以使得由反射器表面502a反射之光經圓形偏振或至少大致經圓形偏振）。在如上文所描述定向時，第一四分之一波長相移反射器502由此經組態以在雷射光之入射光束之S偏振分量與P偏振分量之間實行90度（或90度上下）相移。

第二四分之一波長相移反射器504經定向以使得反射器表面504a垂直於（或至少實質上垂直於）第一四分之一波長相移反射器502之反射器表面502a。因此，第二四分之一波長相移反射器504之反射器表面504a之表面法線垂直於（或至少實質上垂直於）第一四分之一波長相移反射器502之反射器表面502a之表面法線。當如上文所描述定向時，第二四分之一波長相移反射器504經組態以在雷射光之入射光束之S偏振分量與P偏振分量之間實行90度（或90度上下）相移。因此，入射於反射器表面504a上之經圓形偏振（或至少大致經圓形偏振）光將反射為線性偏振（或至少實質上線性偏振）光。

為促進自多軸光束定位器500中的一對四分之一波長相移反射器502及504的180度（或180度上下）的組合相移，第一四分之一波長相移反射器502經設置為在相同入射角範圍內具有與第二四分之一波長相移反射器504相同（或實質上相同）的相移特性（其可為至少實質上線性的）。圖6為示出第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504中之每一者可在相同入射角範圍內所具有的例示性相移特性的圖表。藉由第一四分之一波長相移反射器502或第二四分之一波長相移反射器504以任何特定入射角賦予之相移的量有可能依據一或多個因素變化（例如，如由誤差杠所指示），該一或多個因素諸如為製成四分之一波長相移反射器之反射器表面的材料、反射器表面之溫度、任何機械應變在反射器表面處之存在、幅度及定向或類似者或其任何組合。

當出射第一AOD 302之一階光束路徑114以45度之第一入射角入射於反射器表面502a上，第一四分之一波長相移反射器502將向入射於其上之線性偏振之雷射光賦予90度相移，且反射至少實質上經圓形偏振（例如具有至少實質上等量的S及P偏振分量）之雷射光的光束。然而，且如圖6中例示性展示，當第一入射角偏離45度，藉由第一四分之一波長相移反射器502賦予之相移相對應地偏離90度，從而產生具有變得愈來愈橢圓之偏振的雷射光之反射光束。

舉例而言，當第一入射角增大至45度以上時，第一四分之一波長相移反射器502將產生大於90度的相移（亦即「上移」）。當入射角較小至45度以下時，第一四分之一波長相移反射器502將產生低於90度的相移（亦即「下移」）。然而，當第二四分之一波長相移反射器504如上文所描述定向時，第二入射角（亦即，入射於反射器表面504a上之雷射光之光束的入射角）是對第一入射角之補充。亦即，第一入射角與第二入射角之總和為90度。因此，由第一四分之一波長相移反射器502產生之上移藉由由第二四分之一波長相移反射器504產生的相等（或近似地或至少實質上相等）但相反的下移補償。同樣，由第一四分之一波長相移反射器502產生之下移藉由由第二四分之一波長相移反射器504產生的相等（或近似地或至少實質上相等）但相反的上移補償。淨結果在於：第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504可一起在入射角範圍內在入射於第一四分之一波長相移反射器502上的雷射光光束的S分量與P分量之間實行180度（或180度上下）的組合相移。

在如上文所描述定向及組態時，多軸光束定位器500的第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504一起用以使自第一AOD 302輸出之雷射光之光束的偏振平面相對於第一AOD 302之第一偏轉平面旋轉（例如旋轉90度或90度上下），且用以亦使第一AOD 302之第一偏轉平面相對於入射於反射器表面502a上之第一偏轉平面的定向旋轉（例如，旋轉90度或90度上下），多軸光束定位器500可被視為具有藉由與第一AOD 302及第二AOD 304相關聯之兩個一維掃描場之重疊特性化的二維掃描場。

如圖5中所示出，第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504安置於第一AOD 302與光學中繼系統308之間。然而，在另一具體實例中，第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504可安置於光學中繼系統之一對中繼透鏡310及312之間。在又一具體實例中，第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504可安置於光學中繼系統308與第二AOD 302之間。在又一具體實例中，第一四分之一波長相移反射器502可安置於多軸光束定位器500中之任何一對組件之間，且第二四分之一波長相移反射器504可以光學方式安置在第一四分之一波長相移反射器502下游，在多軸光束定位器500中之另一對組件之間。

在另一具體實例中，多軸光束定位器500可經修改以使得第二四分之一波長相移反射器504的反射器表面504a平行於（或至少實質上平行於）第一四分之一波長相移反射器502的反射器表面502a（由此獲得圖7中所展示之多軸光束定位器700）。除了反射器表面502a及504a平行於（或至少實質上平行於）彼此之外，第二四分之一波長相移反射器504的反射平面與第一四分之一波長相移反射器502的反射平面相同（或至少實質上共面）。因此，第二四分之一波長相移反射器504之反射器表面504a之表面法線將平行於（或至少實質上平行於）第一四分之一波長相移反射器502之反射器表面502a之表面法線。

為促進自多軸光束定位器700中的一對四分之一波長相移反射器502及504的180度（或約180度）的組合相移，第一四分之一波長相移反射器502經設置為在相同入射角範圍內具有與第二四分之一波長相移反射器504對應不同的相移特性（其可為至少實質上線性的）。具體而言，第一四分之一波長相移反射器502或第二四分之一波長相移反射器504中之一者經組態以在給定入射角下產生S偏振分量與P偏振分量之間的相位下移（藉由此項技術中已知之任何合適或有益的構件），而第一四分之一波長相移反射器502或第二四分之一波長相移反射器504中之另一者經組態以在相同給定入射角下產生S偏振與P偏振之間的相位上移。圖8為示出第一四分之一波長相移反射器502或第二四分之一波長相移反射器504中之一者可在相同入射角範圍內所具有的例示性相移特性的圖表。舉例而言，第一四分之一波長相移反射器502可具有圖6中所示之相移特性，而第二四分之一波長相移反射器504可具有圖8中所示之相移特性，或反之亦然。

如圖6及圖8中所示，在共同入射角下之下移及上移的組合幅度將為180度（或180度上下）。舉例而言，在45度入射角下，兩種四分之一波長相移反射器均產生90度相移。在43度入射角下，四分之一波長相移反射器中之一者產生83度相移（參見圖6），而四分之一波長相移反射器中之另一者產生97度相移（參見圖8）。在46度入射角下，四分之一波長相移反射器中之一者產生94度相移（參見圖6），而四分之一波長相移反射器中之另一者產生86度相移（參見圖8）。

當如上文所描述定向及組態時，多軸光束定位器700的第一四分之一波長相移反射器502及第二四分之一波長相移反射器504一起用以使自第一AOD 302輸出之雷射光之光束的偏振平面相對於第一AOD 302之第一偏轉平面旋轉（例如旋轉90度或90度上下）。然而，不同於上文關於多軸光束定位器500所論述之具體實例，多軸光束定位器700中之該對四分之一波長相移反射器不會使第一AOD 302之第一偏振平面相對於入射於第一四分之一波長相移反射器502之反射器表面502a上之雷射光的偏振平面旋轉。該對四分之一波長相移反射器亦可被視為再導向光束路徑114，使得自反射器表面504a反射之光在大體上與雷射光光束入射於第一四分之一波長相移反射器502之反射器表面502a上的方向相同的方向上傳播。其結果是，最後傳遞至多軸光束定位器700中之第二AOD 304之線性偏振雷射光之偏振方向將垂直於（或至少實質上垂直於）自第一AOD 302輸出之線性偏振雷射光的偏振方向。因此，如圖7中所示出，第二AOD 304之第二繞射軸304a可垂直於（或至少實質上垂直於）第一AOD 302之第一繞射軸302a。此外，在（例如自第二四分之一波長相移反射器504經由光學中繼系統308）投影至第二AOD 304時，第一AOD 302之第一偏振平面將垂直於（或至少實質上垂直於）第二AOD 304之第二偏振平面。因此，在投影至第二AOD 304上時，與第一AOD 302相關聯之掃描場（一維掃描場）將垂直於（或至少實質上垂直於）與第二AOD 304相關聯之掃描場（亦為一維掃描場），且多軸光束定位器700可被視為具有藉由與第一AOD 302及第二AOD 304相關聯之兩個一維掃描場之重疊特性化的二維掃描場。

根據以上論述，假定在多軸光束定位器700中，第一四分之一波長相移反射器502之定向相對於第一AOD 302是固定的，且第二四分之一波長相移反射器504之定向相對於第一四分之一波長相移反射器502是固定的。在此具體實例中且不同於關於圖5所論述之具體實例，若兩個相移反射器在不同於在S偏振分量與P偏振分量之間賦予90度相移之入射角的入射角下在S偏振分量與P偏振分量之間賦予相同相移，則第二四分之一波長相移反射器504不會補償上移或下移。然而，在其他具體實例中，第一四分之一波長相移反射器502相對於第一AOD 302之定向可為可變的，第二四分之一波長相移反射器504相對於第一AOD 302之定向可為可變的，第一四分之一波長相移反射器502相對於第二四分之一波長相移反射器504之定向可為可變的，第二四分之一波長相移反射器504相對於第一四分之一波長相移反射器502之定向可為可變的，或類似者或其組合。舉例而言，第一四分之一波長相移反射器502可（例如，獨立於第二四分之一波長相移反射器504或與其聯合）旋轉，以確保在施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率在前述預期頻率子範圍內時，射出第一AOD 302之一階光束路徑114以45度（或至少實質上45度）之入射角入射於反射器表面502a上。在另一實例中，第二四分之一波長相移反射器504可相對於第一四分之一波長相移反射器502旋轉，以補償在施加至第一AOD 302之驅動信號之頻率在前述預期頻率子範圍內時由第一四分之一波長相移反射器502產生之任何上移或下移。為便於快速調整半波相移反射器中之任一者之定向，半波相移反射器中之一者或兩者可安裝至藉由音圈致動器、壓電定位器、微機電系統（MEMS）定位器或類似者或其任何組合）致動之平台，或半波相移反射器中之一者或兩者可經提供為可變形反射鏡或類似者或其任何組合。

在一個具體實例中，形成第一AOD 302及第二AOD 304之AO介質102的材料可為典型地經選擇為使具有在2 μm至20μm範圍內之波長的光偏轉的材料，諸如鍺（Ge）。因此，沿光束路徑114傳播之雷射光光束可具有在2 μm至20 μm範圍內之波長，且在一個具體實例中，波長在9 μm至11 μm範圍內。例示性波長可包括9.4 μm、9.6 μm、10.6 μm等或上下或在此等值中之任一者之間。此類雷射光光束可由任何合適的雷射源（例如高功率CO₂ 雷射，能夠在範圍自20W（或20W上下）至20kW（或20kW上下）的平均功率下輸出雷射光束，如此項技術中已知）產生。可形成前述相移反射器中之任一者的材料可包括諸如矽、銅、鉬、金或類似者或其任何組合之材料，且如此項技術中已知，該材料是典型地取決於待偏轉之雷射光光束中的光的波長來選擇。舉例而言，第一AOD 302及第二AOD 304之AO單元可由鍺（Ge）形成，且多軸光束定位器300、400、500或700中之任一者之任何相移反射器可由諸如矽或銅之材料形成且可視情況包括一個多個塗層，如此項技術中所熟知。

在上文所論述之具體實例中，多軸光束定位器300、400、500、700經提供作為具有兩個AOD（亦即第一AOD 200及第二AOD 202）的多軸光束定位器。在其他具體實例中，光束定位器可包括單一AOD，或多於兩個AOD。在光束定位器包括單一AOD之具體實例中，光束定位器可包括配置於AOD之光學輸出處之至少一個相移反射器（例如至少一個半波相移反射器、至少一個四分之一波長相移反射器或類似者或其任何組合）。在光束定位器包括多於兩個AOD之具體實例中，光束定位器可或可不包括配置於任何AOD中光束路徑自其饋送至另一AOD的光學輸出處之至少一個相移反射器（例如，如上文關於圖3、圖4、圖5或圖7中之任一者所描述）。

在上文所論述之具體實例中，光束定位器描述為包括一或多個AOD作為光束偏轉裝置。應認識到，光束定位器可另外包括一或多個其他光束偏轉裝置（例如，經配置以使由上述AOD中之任一者傳輸之任何光束偏轉）。在此情況下，此類其他光束偏轉裝置中之任一者可包括電光偏轉器（electro-optic deflector；EOD）、藉由壓電致動器、電致伸縮致動器、音圈致動器等致動之快速操控反射鏡（fast-steering mirror；FSM）元件、電流計式反射鏡、旋轉多邊形鏡掃描儀等，或類似者或其任何組合。

前文說明本發明之具體實例及實例，且不應解釋為對其之限制。雖然已參考圖式描述幾個特定具體實例及實例，熟習此項技術者將易於瞭解，對所揭示具體實例及實例以及其他具體實例的諸多修改在不顯著背離本發明之新穎教示及優點的情況下為可能的。

舉例而言，儘管上文所呈現之具體實例已論述半波相移反射器或一對四分之一波長相移反射器實行使自第一AOD 302輸出之光的偏振平面旋轉的用途，但應瞭解，可使用任何其他類型的相移反射器或相移反射器之組合（利用或不利用一或多個零相移反射器之協作），其限制條件為，此類反射器經組態及經定向為在沿光束路徑114傳播之雷射光光束中的偏振光之S分量與P分量之間賦予180度（或180度上下）相移，以便使自第一AOD 302輸出之光之偏振平面相對於第一AOD 302之第一偏轉平面旋轉90度（或90度上下）。

此外，儘管以上關於形成第一AOD 200及第二AOD 202之AO介質102之材料的論述已受限於鍺，但應瞭解，第一AOD 200及第二AOD 202中之任一者之AO介質102的材料可為任何其他合適的材料，諸如砷化鎵（GaAs）、鉬鉛礦（PbMoO₄ ）、二氧化碲（TeO₂ ）、晶狀石英、玻璃狀SiO₂ 、三硫化砷（As₂ S₃ ）、LiNbO₃ 或類似者，且如此項技術中已知，是典型地取決於待偏轉之雷射光光束中之光的波長來選擇。因此，如此項技術中已知，可形成前述相移反射器之材料亦將取決於待反射之雷射光光束中之輕的波長。可形成任何相移反射器之例示性材料可包括諸如玻璃、熔融矽石、晶體石英、矽、銅、鉬、金、碳化矽、鋁或類似者或其任何組合之材料。

此外，儘管上文所呈現之具體實例已論述具有平行於（或至少實質上平行於）入射至AOD之雷射光光束之偏振平面的繞射軸之AOD的用途及配置，但本文所論述之原理可應用於涉及具有垂直於（或至少實質上垂直於）入射至AOD之雷射光光束之偏振平面的繞射軸之AOD的用途的其他具體實例。舉例而言，第一AOD 302及第二AOD 304中之每一者（亦即，在多軸光束定位器300、400、500或700中之任一者中）可具備由諸如晶狀石英之材料形成之AO單元且經定向以使得在雷射光光束沿光束路徑114傳播時，此等AOD中之每一者之繞射軸垂直於（或至少實質上垂直於）入射至每一AOD之雷射光光束的偏振平面。在此具體實例中，雷射光光束具有在電磁光譜之紫外、可見或其他紅外範圍中之波長且為線性偏振的。

此外，儘管上文所呈現之具體實例已將多軸光束定位器300、400、500或700描述為包括光學中繼系統308，但應瞭解，可省略光學中繼系統308。

此外，儘管上文已論述其中相移反射器以各種方式用於向自第一AOD 302輸出之雷射光光束賦予相移之實施例，但應瞭解，亦可使用一或多個透射相移片（例如，除上文關於圖3、圖4、圖5或圖7中之任一者所論述之相移反射器中之任一者之外或作為其替代）。大體而言，透射相移片對於將沿著光束路徑114傳播之雷射光光束之波長至少實質上透明。舉例而言，透射相移片（諸如結構化鑽石半波片）可插入至光束路徑114中，以在沿光束路徑114傳播之雷射光光束具有在9 μm至11 μm範圍內（例如，9.4 μm、9.6 μm、10.6 μm等或上下或此等值中之任一者之間）的波長時向由第一AOD 302輸出之雷射光光束賦予180相移。

因此，所有此等修改意欲包括於如申請專利範圍中所界定的本發明之範圍內。舉例而言，熟習此項技術者將瞭解，任何句子、段落、實例或具體實例之標的物可與其他句子、段落、實例或具體實例之一些或全部之標的物組合，除非此等組合彼此互斥。本發明之範圍因此應由以下申請專利範圍判定，且該等技術方案之等效物包括於本發明之範圍中。

100‧‧‧聲光偏轉器

102‧‧‧AO介質

102a‧‧‧第一表面

102b‧‧‧第二表面

104‧‧‧轉換器

106‧‧‧吸收器

108‧‧‧RF驅動器

110‧‧‧繞射軸

112‧‧‧線

114‧‧‧光束路徑

200、302‧‧‧第一聲光偏轉器

200a、302a‧‧‧第一繞射軸

200b、302b‧‧‧第一旋轉軸

202、304‧‧‧第二聲光偏轉器

202a、304a‧‧‧第二繞射軸

202b、304b‧‧‧第二旋轉軸

204‧‧‧二維掃描場

300、400、500、700‧‧‧多軸光束定位器

306‧‧‧相移反射器

306a、402a、502a、504a‧‧‧實質上平面的反射器表面

308‧‧‧光學中繼系統

310、312‧‧‧中繼透鏡

402‧‧‧零相移反射器

502‧‧‧第一相移反射器

504‧‧‧第二相移反射器

圖1示意性地示出聲光偏轉器（AOD）。

圖2示意性地示出AOD在多軸光束定位器中之配置。

圖3、圖4、圖5及圖7為示意性地示出根據各種具體實例之多軸光束定位器的透視圖。

圖6及圖8為示出四分之一波長的相移反射器在根據各種具體實例之多軸光束定位器中的相移與入射角之間的例示性關係的曲線圖。

Claims (22)

1. 一種光束定位器，其包含： 第一聲光偏轉器，其在操作上用於使線性偏振之雷射光之入射光束繞射，其中該第一聲光偏轉器具有第一繞射軸，且其中該第一聲光偏轉器經定向使得該第一繞射軸與該線性偏振之雷射光之偏振平面具有預定空間關係；及 至少一個相移反射器，其配置於光束路徑內，光從該第一聲光偏轉器沿著該光束路徑傳播，其中該至少一個相移反射器經組態及經定向以使由該第一聲光偏轉器繞射之光的該偏振平面旋轉。
2. 如請求項1所述之光束定位器，其進一步包含第二聲光偏轉器，該第二聲光偏轉器配置於該光束路徑內且在操作上用於使線性偏振之雷射光之入射光束繞射，其中該第二聲光偏轉器具有第二繞射軸，其中該至少一個相移反射器配置於該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間。
3. 如請求項2所述之光束定位器，其中該第一繞射軸平行於該第二繞射軸。
4. 如請求項2所述之光束定位器，其中該第一繞射軸垂直於該第二繞射軸。
5. 如請求項1所述之光束定位器，其進一步包含至少一個零相移反射器，該至少一個零相移反射器配置於該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間的該光束路徑內。
6. 如請求項1所述之光束定位器，其中該至少一個相移反射器包括半波相移反射器。
7. 如請求項1所述之光束定位器，其中該至少一個相移反射器包括兩個四分之一波長相移反射器。
8. 如請求項1所述之光束定位器，其中該兩個四分之一波長相移反射器包括： 第一四分之一波長相移反射器，其具有第一反射器表面；及 第二四分之一波長相移反射器，其具有第二反射器表面， 其中該第一四分之一波長相移反射器及該第二四分之一波長相移反射器相對於彼此定向，以使得該第一反射器表面之表面法線垂直於該第二反射器表面之表面法線。
9. 如請求項1所述之光束定位器，其中該兩個四分之一波長相移反射器包括： 第一四分之一波長相移反射器，其具有第一反射器表面；及 第二四分之一波長相移反射器，其具有第二反射器表面， 其中該第一四分之一波長相移反射器及該第二四分之一波長相移反射器相對於彼此定向，以使得該第一反射器表面之表面法線平行於該第二反射器表面之表面法線。
10. 如請求項1所述之光束定位器，其進一步包含配置於該光束路徑內之至少一個電流計式反射鏡，其中該至少一個相移反射器配置於該第一聲光偏轉器與該電流計式反射鏡之間。
11. 如請求項1所述之光束定位器，其中該至少一個相移反射器之該定向相對於該第一聲光偏轉器是固定的。
12. 如請求項1所述之光束定位器，其中該至少一個相移反射器之該定向相對於該第一聲光偏轉器是可變的。
13. 如請求項1所述之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器包括由包括鍺之材料所形成的聲光單元。
14. 如請求項1所述之光束定位器，其中該第一聲光偏轉器包括由包括石英之材料所形成的聲光單元。
15. 如請求項1所述之光束定位器，其中該至少一個相移反射器由包括至少一種材料的材料所形成，該至少一種材料選自由矽及銅所組成之群組。
16. 如請求項1所述之光束定位器，其中在該第一繞射軸平行於該線性偏振之雷射光之該偏振平面時，滿足該第一繞射軸與該線性偏振之雷射光之該偏振平面之間的該預定空間關係。
17. 如請求項1所述之光束定位器，其中在該第一繞射軸垂直於該線性偏振之雷射光之該偏振平面時，滿足該第一繞射軸與該線性偏振之雷射光之該偏振平面之間的該預定空間關係。
18. 一種光束定位器，其包含： 第一聲光偏轉器； 第二聲光偏轉器；及 相位延遲器，其插入於該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間， 其中選自由該第一聲光偏轉器及該第二聲光偏轉器組成之群組的至少一個聲光偏轉器包括由包括鍺之材料所形成的聲光單元。
19. 如請求項18所述之光束定位器，其中該相位延遲器包括至少一個相移反射器。
20. 如請求項18所述之光束定位器，其中該相位延遲器包括透射相移片。
21. 如請求項20所述之光束定位器，其中該透射相移片包括結構化鑽石半波片。
22. 一種光束定位器，其包含： 第一聲光偏轉器； 第二聲光偏轉器，其配置於光束路徑內，雷射光光束沿著該光束路徑自該第一聲光偏轉器傳播； 相位延遲器，其配置於該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間的該光束路徑內；及 反射鏡，其配置於該第一聲光偏轉器與該第二聲光偏轉器之間的該光束路徑內， 其中該第一聲光偏轉器、第二聲光偏轉器、相位延遲器及反射鏡經配置以使得該雷射光光束在至少大體上與該雷射光光束入射於該第一聲光偏轉器上的一方向相反的一方向上自該第二聲光偏轉器傳播。