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Dokumentenidentifikation DE60215089T2 01.02.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001286201
Titel Ausrichtungsverfahren zur Optimierung des Extinktionsverhältnisses beschichteter Polarisationsstrahlteiler
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Nevis, Elizabeth A., Sunnyvale, CA 94089, US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 60215089
Vertragsstaaten DE, FR, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.05.2002
EP-Aktenzeichen 020114880
EP-Offenlegungsdatum 26.02.2003
EP date of grant 04.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse G02B 27/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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 Zwischenpositionen kann das Verhältnis der in der ersten Faser und der in der zweiten Faser ausgegebenen Lichtintensität auf einen gewünschten Wert angepasst werden.

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.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches System gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.

ZUSAMMENFASSUNG

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Strahlverfolgungsdiagramm für einen bekannten beschichteten polarisierenden Strahlteiler.

2 ist ein Blockdiagramm eines Zwei-Frequenz-Interferometers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

3 veranschaulicht die Ausrichtung eines beschichteten polarisierenden Strahlteilers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

4 zeigt Auftragungen, die die Abhängigkeit der Auslöschungsverhältnisse von dem Gierungswinkel für einen typischen beschichteten polarisierenden Strahlteiler veranschaulichen.

5 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ausrichten eines beschichteten Strahlteilers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

6 veranschaulicht die Ausrichtung eines Strahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

7 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Ausrichten eines Strahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Verwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weist auf ähnliche oder identische Posten hin.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Anpassoptik 260 richtet Strahlen INR und INT von den optischen Fasern 250 und 255 zur Kombination in dem Strahlkombinierer 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 beschichtete Strahlteiler 220 zum Zweck der besten Leistungsfähigkeit ausgerichtet wurde.

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.

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.

5 ist ein Flussdiagramm, das einen Ausrichtungsprozess 500 für den beschichteten Strahlteiler 220 in dem Interferometer 200 der 2 veranschaulicht. Vor dem Ausrichtungsprozess 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.

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.

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.

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 gewünschten 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
Ein optisches System, das folgende Merkmale aufweist:

ein optisches Element (220, 270);

eine Einrichtung zum Lenken eines Eingangsstrahls (IN, INR) entlang einer ersten Achse in das optische Element (220, 270), wobei das optische Element (220, 270) folgende Merkmale aufweist:

ein erstes Stück Glas (110);

ein zweites Stück Glas (130); und

eine Strahlteilerbeschichtung (120) zwischen dem ersten und dem zweiten Stück Glas,

wobei das optische Element in einem vorbestimmten Gierungswinkel (A) angebracht ist,

wobei der Eingangsstrahl (IN, INR) in dem vorbestimmten Gierungswinkel auf das optische Element (220, 270) auftrifft, und

dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Gierungswinkel zu dem Spitzenauslöschungsverhältnis für einen reflektierten Strahl (ROut, COut) führt, das aus einer Reflexion eines Teils des Eingangsstrahls von der polarisierenden Strahlteilerbeschichtung (120) resultiert.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das optische Element ein polarisierender Strahlteiler (220) oder ein Strahlkombinierer (270) ist. Das System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das System ein Interferometer ist, das folgende Merkmale aufweist:

das optische Element;

ein Lasersystem (110), das einen heterodynen Strahl erzeugt, der eine erste Frequenzkomponente, die eine erste Polarisation aufweist, und eine zweite Frequenzkomponente, die eine zweite Polarisation aufweist, umfasst, wobei der heterodyne Strahl der Eingangsstrahl des optischen Elements ist, und wobei das optische Element den heterodynen Strahl in einen ersten Strahl und einen zweiten Strahl aufspaltet, die die erste beziehungsweise die zweite Frequenz aufweisen; und

eine Interferometeroptik (290), die Mess- und Referenzstrahlen aus dem ersten und dem zweiten Strahl erzeugt.
Das System gemäß Anspruch 3, das ferner einen Strahlkombinierer (270) aufweist, der dahin gehend positioniert ist, den ersten und den zweiten Strahl zu empfangen und einen neu kombinierten heterodynen Strahl an die Interferometeroptik zu liefern. Das System gemäß Anspruch 4, bei dem der Strahlkombinierer (270) einen beschichteten polarisierenden Strahlteiler umfasst und dahin gehend orientiert ist, den ersten und den zweiten Strahl in nicht Null betragenden Einfallswinkeln zu empfangen, die einer Spitze des Auslöschungsverhältnisses eines reflektierten Strahls in dem Strahlkombinierer entsprechen. Ein Verfahren zum Ausrichten eines optischen Elements, das eine polarisierende Strahlteilerbeschichtung enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Lenken eines Eingangsstrahls (IN, INR) entlang einer ersten Achse in das optische Element (220, 270);

Drehen des optischen Elements, um einen Gierungseinfallswinkel des Eingangsstrahls zu ändern;

Beobachten eines reflektierten Strahls (ROut, COut), der aus einer Reflexion eines Teils des Eingangsstrahls von der polarisierenden Strahlteilerbeschichtung resultiert; und

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Anbringen des optischen Elements in dem Gierungswinkel, vom dem das Beobachten anzeigt, dass er ein Spitzenauslöschungsverhältnis für den reflektierten Strahl liefert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Beobachten des reflektierten Strahls folgende Schritte umfasst:

Platzieren eines Polarisators, der eine zu einer gewünschten Polarisation des reflektierten Strahls orthogonale Polarisationsachse aufweist, in einem Pfad des reflektierten Strahls; und

Messen einer durch den Polarisator gelangenden Lichtintensität.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, das ferner folgende Schritte umfasst:

Drehen des optischen Elements, um einen Rolleinfallswinkel des Eingangsstrahls zu ändern;

Beobachten eines transmittierten Strahls, der daraus resultiert, dass ein Teil des Eingangsstrahls durch die polarisierende Strahlteilerbeschichtung 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 Verfahren gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, das ferner ein Drehen des optischen Elements umfasst, um einen Stampfeinfallswinkel des Eingangsstrahls zu ändern und einen Pfad eines Strahls, der sich aus einem durch die polarisierende Strahlteilerbeschichtung reflektierten Teil des Eingangsstrahls ergibt, anzupassen. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, bei dem das optische Element ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem polarisierenden Strahlteiler und einem Strahlkombinierer besteht.






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