(57)【要約】【課題】分配されたビーム毎に波面補正可能なビーム分配装置の提供。【解決手段】一例のビーム分配装置（１００）では、１つの軸（Ｘ軸）に沿って接合される複数の平行四辺形プリズム（１０４−１〜１０４−ｎ）と、それらの間の複数のビーム分割コーティング（１０８−１〜１０８−ｎ）を有するスタック（１０２）が三角形プリズム（１０６）の入口面（１１０）上に取り付けられ、該三角形プリズム（１０６）から出力ビーム（１１６−１〜１１６−ｎ）のアレイが与えられる。  入力ビーム（１１８）はビーム分割コーティングで一部反射されて三角形プリズムに入り該三角形プリズムの反射面（１１２）で反射されて出射する。反射面を調整して出射する前記出力ビームを整形する。【選択図】図1
2007041589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックであって、
１つの軸に沿って接合される複数の平行四辺形プリズムと、
複数のビーム分割コーティングであって、それぞれが、該スタック内の隣接する平行四辺形プリズムの向かい合う平行な面の間に配置される、複数のビーム分割コーティングとを備えるスタックを有し、
前記スタックは三角形プリズムの入口面上に取り付けられ、該三角形プリズムに出力ビームのアレイを与え、かつ
前記三角形プリズムは、前記入口面と、反射面と、出口面とを備え、それらの面は全て前記軸に沿って延在し、前記反射面は、前記スタックから放射し、前記反射面から反射し、前記出口面を通って出射する前記出力ビームを整形するためのエリアを含むことを特徴とする、ビーム分配装置。
【請求項２】
前記平行四辺形プリズムは菱形プリズムを含むことを特徴とする、請求項１に記載のビーム分配装置。
【請求項３】
前記三角形プリズムは直角プリズムを含み、前記反射面は斜面を含むことを特徴とする、請求項２に記載のビーム分配装置。
【請求項４】
前記スタックは少なくとも、
別の入口面、角度をなす第１の面及び角度をなす第２の面を含む、第１のプリズムと、
角度をなす第３の面及び角度をなす第４の面を含む第２のプリズムと、
前記角度をなす第２の面と前記角度をなす第３の面との間にあるビーム分割コーティングと
を備え、
第１のビーム経路では、第１の出力ビームを形成する入力ビームの一部が前記別の入口面に入り、前記角度をなす第１の面から反射し、前記角度をなす第２の面と前記角度をなす第３の面との間にある前記ビーム分割コーティングから反射し、前記三角形プリズムの前記入口面に入り、前記第１の出力ビームが得られるように調整された前記反射面上の第１のエリアから反射し、前記出口面を通って出射し、
第２のビーム経路では、第２の出力ビームを形成する前記入力ビーム（１１８）の別の部分が前記角度をなす第２の面と前記角度をなす第３の面との間にある前記ビーム分割コーティングを通過し、前記角度をなす第４の面から反射し、前記入口面に入り、前記第２の出力ビームが得られるように調整された前記反射面上の第２のエリアから反射し、前記出口面を通って出射することを特徴とする、請求項１に記載のビーム分配装置。
【請求項５】
ｎを前記出力ビームの数に等しい変数とすると前記ビーム分割コーティングは１／ｎ、１／（ｎ−１）、１／（ｎ−２）、以下同様、の分割比を有することを特徴とする、請求項１に記載のビーム分配装置。
【請求項６】
ビーム分配装置であって、
平行四辺形プリズムのスタックと、
複数のビーム分割コーティングであって、それぞれが、前記スタック内の隣接する平行四辺形プリズムの向かい合う平行な面の間に配置され、第１の偏光の光を概ね透過することができ、第２の偏光の光の一部を透過し、該第２の偏光の残りの光部分を反射することができる、複数のビーム分割コーティングと、
複数の波長板であって、それぞれが、偏光するビーム分割コーティングに隣接する平行四辺形プリズムの１つの面上に取り付けられる、複数の波長板と、
光を整形するための複数の補正反射光学素子であって、それぞれが１つの波長板の上に取り付けられる、複数の補正反射光学素子と
を備えることを特徴とする、ビーム分配装置。
【請求項７】
前記平行四辺形プリズムは菱形プリズムを含むことを特徴とする、請求項６に記載のビーム分配装置。
【請求項８】
前記波長板は４分の１波長板を含むことを特徴とする、請求項６に記載のビーム分配装置。
【請求項９】
前記平行四辺形プリズムは、
第１の面と、該第１の面に対して平行な第２の面と、第３の面とを備える第１の平行四辺形プリズムと、
前記第１の平行四辺形の前記第２の面に接合される第４の面と、該第４の面に対して平行な第５の面と、第６の面とを備える第２の平行四辺形プリズムと
を含み、
前記ビーム分割コーティングは、
前記第２の面と前記第４の面との間にあるビーム分割コーティング
を含み、
前記波長板は、
前記第３の面上に取り付けられる第１の波長板と、
前記第６の面上に取り付けられる第２の波長板と
を含み、
前記補正反射光学素子は、
前記第１の波長板上に取り付けられる第１の補正反射光学素子であって、第１の出力ビームを形成する、入力ビームの第１の部分が得られるように調整される、第１の補正反射光学素子と、
前記第２の波長板上に取り付けられる第２の補正反射光学素子であって、第２の出力ビームを形成する、前記入力ビームの第２の部分が得られるように調整される、第２の補正反射光学素子と
を含み、
第１のビーム経路では、前記入力ビームの前記第１の部分は前記第１の面から反射し、前記第２の面から反射し、前記第３の面及び前記第１の波長板を通過し、前記第１の補正反射光学素子から反射し、前記波長板、前記第３の面及び前記第２の面を通過して、前記第１の出力ビームとして前記装置から出射し、
第２のビーム経路では、前記入力ビームの前記第２の部分は前記第２の面及び前記第４の面を通過し、前記第５の面から反射し、前記第６の面及び前記第２の波長板を通過し、前記第２の補正反射光学素子から反射し、前記第２の波長板、前記第６の面及び前記第５の面を通過して、前記第２の出力ビームとして前記ビーム分配装置から出射することを特徴とする、請求項６に記載のビーム分配装置。
【請求項１０】
前記スタックは、前記スタック内の最後の平行四辺形プリズムに取り付けられる三角形プリズムをさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載のビーム分配装置。
【請求項１１】
ｉを前記ビーム分配装置からの出力ビームの数に等しい変数とすると前記ビーム分割コーティングは１／ｉ、１／（ｉ−１）、１／（ｉ−２）、以下同様、の分割比を有することを特徴とする、請求項６に記載のビーム分配装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関し、特にビーム分配装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くの光学系では、１つのレーザ源を、波面の品質が最も高く、且つ損失が最も小さい数多くの出力に分配する必要がある。典型的には、ビーム分配は、或る構成のビームスプリッタで達成される。１対２のビーム分配は、入力ビームに対して回転する、無コーティングのガラス板で達成される。複数の板を、複数のビームを分配するように構成することができる。それに加えて、コーティングによって、効率を改善することができる。しかしながら、この手法はコストがかかり、複雑である。複数の光学系を用いる場合、複数の位置合わせが必要となり、結果として、位置合わせ及び成分波面の誤差が累積する可能性がある。誤差の累積は、位置合わせの不完全さ、及び個々の成分の不完全さが蓄積し、アセンブリの理想的な性能からの大きくかけ離れていくことを指している。
【０００３】
誤差の累積を最小限に抑えるために、平行な板を結合することができる。各表面を光学表面品質に達するように製造し、試験することができ、それにより、各表面が、隣接する平行な板に対して良好な基準表面になる。板が入力ビームサイズと少なくとも同程度に厚く、且つそれらの板が大きな角度（たとえば４５°）に傾けられる場合には、各板からの反射は空間的に分離されることになる。反射されるビームの空間分離は、ビームを分配するために有用である。
【０００４】
その応用形態が高い機械的な安定性を要求するものと仮定すると、ビーム分配装置は光学系の残りの部分に結合されるであろう。そのスタックが、モノリシック光学系を形成するために結合されるとき、分配される各ビームの波面を個別に補正するのが難しくなる。したがって、性能が、ビーム系列の各光学成分の表面形状によって制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ、分配されたビーム毎に個別に波面を補正できるビーム分配装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本教示による一実施形態では、ビーム分配装置が、１つの軸に沿って接合される平行四辺形プリズムのスタックと、スタック内の隣接する平行四辺形プリズムの向かい合う平行な面の間にそれぞれ配置される複数のビーム分割コーティングとを含む。そのスタックは三角形プリズムの入口面上に取り付けられ、三角形プリズムに出力ビームのアレイを与える。三角形プリズムは、入口面と、反射面と、出口面とを含み、それらの面は全てその軸に沿って延在する。反射面は、スタックから放射し、反射面から反射し、出口面を通って出射する出力ビームを整形するための露出した表面を有する。
【０００７】
本教示による別の実施形態では、ビーム分配装置が、平行四辺形プリズムのスタックと、スタック内の隣接する平行四辺形プリズムの向かい合う平行な面の間にそれぞれ配置される複数のビーム分割コーティングとを含む。ビーム分割コーティングは、第１の偏光の光を透過し、第２の偏光の光の一部を反射する。その装置はさらに、ビーム分割コーティングに隣接する平行四辺形プリズムの面にそれぞれ取り付けられる波長板と、１つの波長板上にそれぞれ取り付けられる、出力ビームを整形するための補正反射光学素子とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
異なる図面において同じ参照番号が用いられる場合、類似又は同じ構成要素が指示される。図面は縮尺どおりに描かれているわけではなく、例示することだけを目的にしている。
【０００９】
図１、図２及び図３はそれぞれ、本教示の一実施形態におけるビーム分配装置１００の側面図、正面図及び平面図を示す。装置１００は、三角形プリズム１０６上に取り付けられる平行四辺形プリズム１０４−１、１０４−２、１０４−３、．．．、１０４−ｎ（ただし、「ｎ」は分配されるビームの数に等しい変数である）のスタック１０２を備える。スタック１０２において、隣接する平行四辺形プリズムはＸ軸に沿って接合される。
【００１０】
ビーム分割コーティング１０８−１、１０８−２、１０８−３、．．．、１０８−ｎが、隣接する平行四辺形プリズム間の向かい合う平行な面の間に配置される。ビーム分割コーティング１０８−１〜１０８−ｎの反射される光の透過される光に対する比である分割比は出力光ビームの電力要件によって決定される。光学干渉コーティングの設計及び製造によって、０％〜１００％の任意の分割比を達成することができる。各出力ビームが等しい電力を必要とする実施形態では、分割比は、ビーム分割コーティング１０８−１の場合に１／ｎであり、ビーム分割コーティング１０８−２の場合に１／（ｎ−１）であり、ビーム分割コーティング１０８−３の場合に１／（ｎ−２）であり、それ以降の場合も同様となる。一実施形態では、ビーム分割コーティング１０８−１〜１０８−ｎは、低い損失、限られたスペクトル範囲、誘電体材料選択の特性うちの１つ又は複数の特性を用いて設計することができる光学コーティングである。
【００１１】
一実施形態では、スタック１０２は、それぞれ一方の側においてビーム分割フィルムをコーティングされた平行板を結合し、結合された板を４５°傾け、結合された板の上端及び下端を切断して平坦な上側表面及び下側表面を有するスタックを形成し、スタックの上側表面及び下側表面を研磨することによって形成される。一実施形態では、プリズム１０４−１〜１０４−ｎはガラス製の菱形プリズムである。
【００１２】
三角形プリズム１０６は、入口面１１０と、反射面１１２（図２）と、出口面１１４とを有し、それらの面はＸ軸に沿って延在する。スタック１０２は三角形プリズムの入口面１１０の上に取り付けられる。後に説明されるように、出力ビームのアレイは、反射面１１２から反射して、出口面１１４を通ってＹ軸に沿って出射することになる。反射面１１２は外部から処理することができるので、反射面１１２上の対応するエリアを調整して、各出力ビームが適当な波面を確実に有することができるように出力ビームをそれぞれ整形することができる。一実施形態では、プリズム１０６はガラス製の直角プリズムである。
【００１３】
装置１００は、以下のように、単一の入力光ビーム１１８から出力ビーム１１６−１、１１６−２、１１６−３、．．．、１１６−ｎのアレイを生成する。図１に示されるように、入力ビーム１１８は、Ｚ軸に沿って上からスタック１０２に入り、プリズム１０４−１の入口面１２０を通過して、プリズム１０４−１の反射面１２１に達する。入力ビーム１１８の入射角、及びプリズム１０４−１から空気への媒質の変化に起因して、反射面１２１は、全反射（ＴＩＲ）ミラーとしての役割を果たし、入力ビーム１１８を、Ｘ軸に沿って、プリズム１０４−１の平行な面１２２に反射する。面１２２上のビーム分割コーティング１０８−１は、入力ビーム１１８の一部が通過できるようにし（入力ビーム１１８’として示される）、入力ビーム１１８の別の部分をＺ軸に沿って反射する（出力ビーム１１６−１として示される）。
【００１４】
図２に示されるように、出力ビーム１１６−１は三角形プリズム１０６の入口面１１０を通過して、反射面１１２に達する。反射面１１２はＴＩＲミラーであり、出力ビーム１１６−１をＹ軸に沿って出口面１１４上に反射する。図２及び図３に示されるように、出力ビーム１１６−１は出口面１１４を通って、装置１００から出射する。図１、図２及び図３はさらに、この光経路が後続の平行四辺形プリズムの場合に繰り返されて、出力ビーム１１６−２〜１１６−ｎが生成されることを示す。上記のように、ビーム分割コーティング１０８−１〜１０８−ｎは、出力ビーム１１６−１〜１１６−ｎが同じ光学出力を有するように選択することができる。
【００１５】
装置１００が組み立てられた後に、出力ビーム１１６−１〜１１６−ｎを測定して、それらのビームが所望の波面を有するか否かを判定することができる。波面が条件を満たさない場合には、反射面１１２上の対応するエリアを、露出した外側表面から個別に調整して、所望の波面を与えることができる。一実施形態では、対応するエリアは、ニューヨーク州ロチェスター所在のＱＥＤテクノロジーズ（QED Technologies）のマグネトレオロジー仕上げ技術を用いて整形される。これが、反射面１１２上の破線の表面１２４によって示される。反射面１１２を整形する代わりに、補正光学素子を反射面１１２上の対応するエリア上に配置して、所望の波面を与えることもできる。
【００１６】
図４は、本教示の一実施形態におけるビーム分配装置４００を示す。装置４００は、平行四辺形４０４−１、４０４−２、４０４−３、．．．、４０４−ｉ（ただし、「ｉ」は分配されるビームの数に等しい変数である）のスタック４０２を備える。スタック４０２では、隣接する平行四辺形プリズムがＸ軸に沿って接合される。一実施形態では、プリズム４０５は、スタック４０２の端にある平行四辺形プリズム４０４−ｉに取り付けられる。プリズム４０５は、平行四辺形プリズム４０４−ｉ上での複雑なコーティングを不要にし、圧力変化に起因するビームポインティングのような、環境の影響から最後の出力ビームを分離する。一実施形態では、プリズム４０５はガラス製の三角形プリズムである。
【００１７】
ビーム分割コーティング４０８−１、４０８−２、４０８−３．．．４０８−ｉが、隣接する平行四辺形プリズム間の向かい合う平行な面の間に配置される。一実施形態では、各ビーム分割コーティングは、概ねＰ偏光を透過するが、Ｓ偏光の一部しか透過しない。ビーム分割コーティング４０８−１〜４０８−ｉの反射されるＳ偏光と透過されるＳ偏光との比は、出力ビームの電力要件によって決定される。光学干渉コーティングの設計及び製造によって、Ｓ偏光の０％〜１００％の任意の分割比を達成することができる。等しい電力の出力ビームを必要とする実施形態では、分割比は、ビーム分割コーティング４０８−１の場合に１／ｉであり、ビーム分割コーティング４０８−２の場合に１／（ｉ−１）であり、ビーム分割コーティング４０８−３の場合に１／（ｉ−２）であり、それ以降も同様となる。一実施形態では、ビーム分割コーティング４０８−１〜４０８−ｉは、低い損失、限られたスペクトル範囲、誘電体材料選択の特性うちの１つ又は複数の特性を用いて設計することができる光学コーティングである。
【００１８】
一実施形態では、スタック４０２は、それぞれ一方の側においてビーム分割フィルムをコーティングされた平行板を結合し、結合された板を４５°傾け、結合された板の上端及び下端を切断して平坦な上側表面及び下側表面を有するスタックを形成し、スタックの上側表面及び下側表面を研磨することによって形成される。一実施形態では、プリズム４０４−１〜４０４−ｉはガラス製の菱形プリズムである。
【００１９】
波長板４３０−１、４３０−２、４３０−３、．．．、４３０−ｉがそれぞれ、平行四辺形プリズム４０４−１〜４０４−ｉの下面に取り付けられる。補正反射光学素子４３４−１、４３４−２、４３４−３、．．．、４３４−ｉがそれぞれ、波長板４３０−１〜４３０−ｉ上に取り付けられ、出力ビームの波面が調整される。一実施形態では、波長板４３０−１〜４３０−ｉは４分の１波長板であり、反射光学素子４３４−１〜４３４−ｉはミラーである。
【００２０】
装置４００は、以下のように、単一の入力光ビーム４１８から出力ビーム４１６−１、４１６−２、４１６−３、．．．、４１６−ｉのアレイを生成する。一実施形態では、入力ビーム４１８はＰ偏光及びＳ偏光の両方を含む。入力ビーム４１８は、Ｚ軸に沿って上からスタック４０２に入り、プリズム４０４−１の入口面４２０を通過して、プリズム４０４−１の反射面４２１に達する。入力ビーム４１８の入射角、及びプリズム４０４−１から空気への媒質の変化に起因して、反射面４２１は、全反射（ＴＩＲ）ミラーとしての役割を果たし、入力ビーム４１８を、Ｘ軸に沿って、プリズム４０４−１の平行な面４２２に反射する。面４２２上のビーム分割コーティング４０８−１は、入力ビーム４１８内のＳ偏光の一部（出力ビーム４１６−１として示される）をＺ軸に沿って反射し、出口面４３２を通過させる。また、ビーム分割コーティング４０８−１は、入力ビーム４１８内のＳ偏光の残りの部分及びＰ偏光の概ね全て（入力ビーム４１８’として示される）をビーム分割コーティング４０８−２上に透過する。
【００２１】
出力ビーム４１６−１は４分の１波長板４３０−１を通過して、反射光学素子４３４−１に達する。反射光学素子４３４−１は、出力ビーム４１６−１を反射して、４分の１波長板４３０を通して、再び面４２２上に戻す。４分の１波長板４３０を２度通過した後に、出力ビーム４１６−１はＳ偏光からＰ偏光に変化する。こうして、この時点で、出力ビーム４１６−１は、ビーム分割コーティング４０８−１を通過して面４２２に達し、装置４００から出射する。図４はさらに、このパターンが後続の平行四辺形プリズムの場合にも繰り返されて、出力ビーム４１６−２〜４１６−ｉが生成されることを示す。先に説明されたように、ビーム分割コーティング４０８−１〜４０８−ｉは、出力ビーム４１６−１〜４１６−ｉが同じ光学出力を有するように選択することができる。
【００２２】
装置４００が組み立てられた後に、出力ビーム４１６−１〜４１６−ｉを測定して、それらのビームが所望の波面を有するか否かを判定することができる。波面が条件を満たさない場合には、対応する反射光学素子４３４−ｉを個別に調整して、所望の波面を与えることができる。一実施形態では、対応する反射光学素子４３４−ｉは、マグネトレオロジー仕上げ装置を用いて整形され、所望の波面を与える。別法では、予め形成された反射光学素子４３４−ｉが利用可能な反射光学素子のビンから選択され、所望の波面が与えられる。
【００２３】
開示される実施形態の特徴の種々の他の適合形態及び組み合わせも本教示の範囲内にある。種々の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本教示の一実施形態におけるビーム分配装置の側面図である。
【図２】本教示の一実施形態におけるビーム分配装置の正面図である。
【図３】本教示の一実施形態におけるビーム分配装置の平面図である。
【図４】本教示の別の実施形態によるビーム分配装置の側面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１００、４００  ビーム分配装置
１０４−１〜１０４−ｎ、４０４−１〜４０４−ｉ  平行四辺形プリズム
１０６  三角形プリズム
１０８−１〜１０８−ｎ、４０８−１〜４０８−ｉ  ビーム分割コーティング
１１６−１〜１１６−ｎ、４１６−１〜４１６−ｉ  出力ビーム
１１８，４１８  入力ビーム
４０５  プリズム
４３０−１〜４３０−ｉ  ４分の１波長板
４３４−１〜４３４−ｉ  反射光学素子
【図１】
2007041589.tif 000003
【図２】
2007041589.tif 000004
【図３】
2007041589.tif 000005
【図４】
2007041589.tif 000006