專利名稱：無熱且高吞吐量的光柵的制作方法
相關(guān)申請本申請要求1999年9月14日提交的美國臨時申請?zhí)?0/153,913的利益，該申請通過引用全部結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及光色散裝置，尤其，涉及使用衍射光柵的熱補(bǔ)償光色散裝置。
相關(guān)技術(shù)的描述色散裝置通常用于科學(xué)和工業(yè)中，根據(jù)波長分離電磁輻射束或光束。尤其，這種裝置適于接收具有相對較大組合光譜帶寬的多色輸入光束，并將輸入光束轉(zhuǎn)換成具有相對較窄帶寬的多個輸出光束成分。輸出光束以波長決定的方向從色散裝置出射，以允許隨后處理輸入光束的各個波長分量。
一種類型的光色散裝置是衍射光柵。典型的衍射光柵包括平面基底和在基底上形成的相對較薄的波形層，使得波形層的波形外表面定義多個凹槽或狹縫。在反射型光柵的情況下，波形層由具有較高反射率的材料構(gòu)成，使得入射在波形面的光被反射。在透射型光柵的情況下，提供的波形面具有較低的反射率，并且基底由透光材料構(gòu)成，使得入射在波形面的光透射過光柵。
因此，當(dāng)具有一般平面波前的多色入射在光束入射在典型光柵的波形面時，從光柵的每個凹槽中發(fā)射具有球面波前的子波。當(dāng)子波離開光柵傳播時，它們相互重疊和干涉，以提供具有波長所決定方向的多個實(shí)質(zhì)單色的衍射光束。由于輸出光束的光譜帶寬依賴于光柵凹槽的數(shù)目，并且由于典型光柵波形面的每個單位長度上通常包括高密度的凹槽，所以提供的輸出光束通常具有相對窄的光譜帶寬。
數(shù)學(xué)上，衍射光柵的色散特征由以下等式定義s(sinθi±sinθm)＝mλ (1)其中s是光柵的凹槽間隔，λ是輸出光束的波長，θi是相對于光柵平面的法線的入射角，θm是每個輸出光束相對于光柵法線的出射或衍射角，m(或者秒為衍射級)可以是任意整數(shù)值，其中加號用于反射型光柵，減號用于透射型光柵。此外，輸出光束的波長λ由以下等式定義λ=λfnmedium----(2)]]>其中λf(或秒為自由空間波長)是真空中衍射光束的波長，nmedium是衍射光束在其中傳播的介質(zhì)的折射率。
然而，本領(lǐng)域熟知的衍射光柵通常提供隨溫度變化而變化的不穩(wěn)定色散特征。尤其，凹槽間隔通常受溫度變化的影響，主要是由于光柵的基底具有非零的熱膨脹系數(shù)(CTE)。由于凹槽間隔由波形面的形狀定義，并且波形層與基底物理接觸，所以凹槽間隔s可能隨基底的膨脹或收縮而變化。由于根據(jù)等式(1)，凹槽間隔影響光柵的色散特征，所以典型衍射光柵的色散特征可以以溫度決定的方式而變化。
與典型衍射光柵關(guān)聯(lián)的另一問題是通常很難實(shí)現(xiàn)它們的理論最大效率。尤其，當(dāng)輸入和輸出光束彼此基本上對準(zhǔn)時，反射型光柵的效率增加。然而，在光柵附近配置附加單元的必要性所施加的附加約束要求從輸入光束中角度分離出的輸出光束之間定義相對大的角度。
例如，在一些結(jié)構(gòu)中，通常要求透鏡在光柵之前位于輸入光束的通路中，以對準(zhǔn)輸入光束。此外，空間約束可以要求輸入透鏡位于光柵附近。為了防止輸入透鏡使輸出光束失真，要求輸出光束相對于輸入光束定義相對大角度。因此，典型的光柵通常不能提供最佳的性能。
棱鏡是另一種類型的色散裝置，它通常用于從多色輸入光束中提取窄帶光束。典型的棱鏡使用非平行折射輸入和輸出面，以及波長決定折射率的透明介質(zhì)，以提供期望的色散特征。根據(jù)折射的斯涅爾定律，進(jìn)入并出射棱鏡每個折射面的光被折射，該定律在數(shù)學(xué)上可用以下等式表示nisinθi＝nrsinθr(3)其中ni是入射介質(zhì)的折射率，θi是入射光束相對于折射面法線定義的入射角，nr是入射介質(zhì)相鄰的折射介質(zhì)的折射率，θr是折射光束的折射角。由于棱鏡的折射率依賴于其中傳播光的自由空間波長，所以從輸出面出射的光根據(jù)波長決定的方向。然而，由于典型棱鏡的折射率通常以實(shí)質(zhì)的方式隨溫度的變化而變化，所以棱鏡的色散特征也相對不穩(wěn)定，并隨溫度變化而變化。
另一種類型的色散裝置包括衍射光柵和棱鏡，以形成“光柵棱鏡(grism)”。光柵棱鏡的一個優(yōu)點(diǎn)是它提供了便于對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中光柵棱鏡的方便裝配表面。此外，如Chen等人的美國專利號5,652,681中所述，光柵棱鏡適于提供改進(jìn)的分辨力，使得裝置能夠在較大的光譜范圍上以增加的角度間隔精細(xì)地色散波長分量。然而，由于典型衍射光柵的凹槽間隔和典型棱鏡的折射率都會受溫度變化的不良影響，所以典型光柵棱鏡的色散特征對溫度變化尤其敏感。
因此，從以上描述中可以理解，需要一種改進(jìn)的光色散裝置，它具有相對于溫度更穩(wěn)定的色散特征。此外，需要一種具有增加吞吐量效率的色散裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了上述需要，本發(fā)明一方面包括一種色散裝置，它具有輸入面、衍射單元和輸出面。輸入面以隨溫度變化的角度折射光。衍射單元補(bǔ)償這些角度變化，使得光以基本上獨(dú)立于輸入面角度變化的折射角從色散裝置出射。
在一個實(shí)施例中，進(jìn)入色散裝置的光是多色光束，所述從色散裝置出射的光是多個窄帶輸出光束。輸入和輸出面最好由棱鏡構(gòu)成，所述衍射單元最好具有衍射面。此外，衍射單元最好是與棱鏡并列的衍射光柵。
在本發(fā)明的另一方面中，光色散裝置將多色輸入光束色散成多個窄帶輸出光束，使得每個輸出光束以波長決定的出射角從色散裝置出射。該裝置包括折射率為np的透明介質(zhì)構(gòu)成的棱鏡。棱鏡具有裝配面，用于接收輸入光束的輸入面，和用于提供所述輸出光束的輸出面。棱鏡提供隨溫度變化而變化的第一色散特征。該裝置還包括耦合到棱鏡裝配面的衍射光柵。衍射光柵提供隨溫度變化而變化的第二色散特征。第一和第二色散特征的變化相互合作，以實(shí)質(zhì)地減小每個輸出光束出射角隨溫度變化的變化。
在本發(fā)明的又一方面，色散裝置包括用于折射所述輸入光束的輸入面，和在輸入面折射所述輸入光束之后，用于反射所述輸入光束的反射面。該裝置還包括在反射面反射所述輸入光束之后，用于衍射所述輸入光束的衍射面。衍射面提供至少一個衍射光束。該裝置還包括用于折射至少一個衍射光束的輸出面，以提供至少一個輸出光束。
在一個實(shí)施例中，輸入光束沿通路進(jìn)入衍射面，該通路與從衍射面出射的至少一個衍射光束的通路基本并列，以增加衍射面的衍射效率。進(jìn)入衍射面的輸入光束與從衍射面出射的至少一個衍射光束部分重疊，以增加衍射面的衍射效率。作為輸入光束經(jīng)歷全內(nèi)反射的結(jié)果，輸入光束在反射面處反射。
在本發(fā)明的又一方面，一種方法包括使光束通過介質(zhì)沿第一通路到達(dá)衍射單元。然后，光束通過介質(zhì)沿第二通路被衍射。在這種衍射之后，光束被折射入不同的介質(zhì)，使光束沿第三光束通路。然后，改變第一和第二光束通路，而不實(shí)質(zhì)改變第三光束通路。在一個實(shí)施例中，通過變化介質(zhì)的溫度而改變第一和第二光束通路。
本發(fā)明的另一方面是一種方法，其中包括是光束通過介質(zhì)沿第一通路到達(dá)反射面。然后，光束被反射，并通過介質(zhì)沿第二通路傳播，第二通路從反射面延伸到衍射單元。然后，光束被衍射，并通過介質(zhì)沿第三通路傳播。在這種衍射之后，光束被折射入不同的介質(zhì)中，使光束沿第四光束通路傳播。
在一個實(shí)施例中，通過介質(zhì)沿第三通路衍射光束包括通過介質(zhì)沿第三通路衍射光束，使得第三通路與第二通路基本并列。在一個實(shí)施例中，該方法還包括改變第一、第二和第三光束通路，而不實(shí)質(zhì)改變第四光束通路。在一個實(shí)施例中，改變第一、第二和第三光束通路包括改變介質(zhì)的溫度。
從以上的描述中，顯而易見的是本發(fā)明較佳實(shí)施例的光色散裝置能提供改進(jìn)的色散特征。尤其，在本發(fā)明的一方面，光色散裝置提供隨溫度變化保持基本不變的組合色散特征。此外，在本發(fā)明的另一方面，光色散裝置提供較大的吞吐量效率。從以下的描述以及附圖中，本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖1是適于提供改進(jìn)熱補(bǔ)償?shù)墓馍⒀b置一個實(shí)施例的示意圖；圖2是說明圖1中色散裝置以波長決定方式改變窄帶輸入光束方向的示意圖；圖3是包括一對類似于圖1中光色散裝置的光色散裝置的光色散組件的示意圖；圖4是適于提供改進(jìn)吞吐量效率的光色散裝置的示意圖；圖5是包括一對類似于圖4中光色散裝置的光色散裝置的光色散組件的示意圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在參考附圖，其中全部用類似的標(biāo)號指出類似的部分。如以下將要結(jié)合圖1和2詳細(xì)討論的，提供的光色散裝置30具有基本獨(dú)立于溫度的組合色散特征。此外，如將要結(jié)合圖4討論的，提供的光色散裝置130具有改進(jìn)的吞吐量效率。
圖1說明了根據(jù)本發(fā)明一方面的光色散裝置30。裝置30包括與色散裝配單元34連接的衍射光柵32。在一個實(shí)施例中，裝配單元34是棱鏡34。裝置30適于在輸入面52處接收具有多個波長分量的多色輸入光束62。響應(yīng)進(jìn)入輸入面52的輸入光束30，裝置30提供多個相應(yīng)的輸出光束66，與輸入光束62的組合光譜帶寬相比，輸出光束66具有相對窄的光譜帶寬。在一個實(shí)施例中，輸出光束66是實(shí)質(zhì)單色的。輸出光束66以波長決定的出射角φr從裝置30的輸出面54出射。光柵32適于向光色散裝置30提供第一色散特征，棱鏡34適于向光色散裝置30提供第二色散特征，所以光柵32和棱鏡34組合，向光色散裝置30提供具有改進(jìn)熱穩(wěn)定性的組合色散特征。
如圖1所示，在一個實(shí)施例中，光色散裝置30的光柵32包括一般的平面基底30，基底具有第一寬表面38和具有波形面42的波形層40，使得波形層40從基底36的表面38開始延伸。波形面42包括多個窄凹槽44，這些凹槽在圖1中以夸大的方式表示。凹槽44之間間隔相對小的凹槽間隔s，s是沿基底36的平面測量的。形成的波形面42具有實(shí)質(zhì)的反射率，使得光柵32用作反射裝置。
在一個實(shí)施例中，使用傳統(tǒng)的復(fù)制技術(shù)形成光柵32，使得來自主光柵的模型可用于印刷具有波形面42的復(fù)制光柵32，波形面42上具有多個平行凹槽44。為了避免使與光柵32關(guān)聯(lián)的最強(qiáng)烈干涉的最大值成為沒有光色散的零級，光柵32最好被焰刻為一級(m＝-1)。因此，相對于基底36的平面確定每個凹槽44的表面角度。然而，可以理解其它類型的光柵也可以用于其它實(shí)施例。例如，可以使用非炫耀光柵、全息光柵和透射光柵。
在較佳實(shí)施例中，衍射光柵32適于以與傳統(tǒng)衍射光柵一致的方式衍射光，向光色散裝置30提供第一色散特征。衍射光柵32適于改變輸入光束的方向，該輸入光束具有自由空間波長λf，也就是真空中測量到的光柵波長，和相對于衍射光柵平面的入射角θi，使得根據(jù)上述等式(1)，提供的每個輸出光束具有衍射角θm。由于最好將光束焰刻為一級，所以對于m＝-1的衍射級，增強(qiáng)衍射光能量與入射光能量的比值(或稱為衍射效率)。
如圖1所示，光色散裝置30的棱鏡34包括多個一般的平面折射面50。折射面50包括輸入面52、輸出面54和裝配面56，使得輸入面52和裝配面56定義入射角α，輸出面54和裝配面56定義出射角γ。棱鏡34的輸入面52用作光色散裝置30的輸入口60，使輸入多色光束能夠完全進(jìn)入光色散裝置。棱鏡34的輸出面54用作光色散裝置30的輸出口64，使多個窄帶輸出光束66能夠以波長決定的方向從中出射。棱鏡34由折射率為np的透明材料構(gòu)成，該折射率依賴于其中傳播光的波長。
如圖1所示，在較佳實(shí)施例中，將光柵32直接裝配到棱鏡34的裝配面56上，向光色散裝置30提供衍射面58。光柵32鄰接棱鏡34的裝配面56，使得光柵32的基底36平面基本上平行于棱鏡34的裝配面56平面。光柵波形面42鄰接裝配面56，使得波形面42成為衍射面58。在光柵32和棱鏡34之間以填平方式插入厚度為T的透明環(huán)氧薄層68，使得環(huán)氧68接合到光柵32的波形面42和棱鏡34的裝配面56。形成的環(huán)氧68最好具有與棱鏡折射率基本上相等的折射率，以防止光在裝配面56處反射。
雖然如圖1所示，光色散裝置30的較佳實(shí)施例使用裝配到棱鏡34上的分別形成的光柵，但是可以理解在另一實(shí)施例中，可以提供其它的衍射面。例如，在一個實(shí)施例中，棱鏡34的表面56可以像圖1中光柵32的波形面42一樣是波形的。
參考圖2，其中顯示了光色散裝置30的組合色散特征。在該簡化的實(shí)例中，自由空間中心波長為λf的窄帶輸入光束70，如單色光束，被導(dǎo)向光色散裝置30的輸入面52。然后，裝置30改變輸入光束70的方向，使得具有相同自由空間中心波長λf的輸出光束72從裝置30的輸出面54出射，因此定義相對于輸出面54的法線的出射角φr。
如圖2所示，輸入光束70通過折射率為ni的入射介質(zhì)74，如空氣，朝向棱鏡34的輸入面52，以定義相對于輸入面52的法線的第一入射角βi。一旦到達(dá)輸入面52，輸入光束70經(jīng)歷折射，因此根據(jù)以下等式提供第一折射光束76nisinβi＝npsinβr(4)其中βr是相對于輸入面52的法線的折射角。
如圖2所示，折射光束76通過棱鏡34，朝向沿裝配面56配置的光柵32。光束76接近裝配面56，以定義相對于裝配面56平面的法線的第二入射角θi。根據(jù)幾何等式，角θi與βr和棱鏡的入射角α相關(guān)θi＝α-βr(5)
如圖2所示，衍射光柵32將光束76衍射成通過裝配面56再次進(jìn)入棱鏡34的衍射光束78。根據(jù)上述衍射光柵等式，衍射光束78定義相對于裝配面56的法線的衍射角θm，在這種情況下該等式表示為s(sinθi+sinθm)=-λfnp----(6)]]>如圖2所示，衍射光柵78在從棱鏡34的輸出面54出射之前通過棱鏡34傳播，因此定義相對于輸出面54的法線的第三入射角φi。根據(jù)幾何等式，角φi與θm和棱鏡的出射角γ相關(guān)φi＝γ-θm(7)衍射光束78在輸出面54處經(jīng)歷折射，因此根據(jù)以下等式提供輸出光束72npsin(θi)＝nrsin(θr) (8)其中nr是棱鏡34以外鄰近輸出面54的介質(zhì)的折射率。在較佳實(shí)施例中，輸出面54附近的介質(zhì)是空氣。
根據(jù)等式(4)-(8)，顯而易見的是出射角φr依賴于第一入射角βi、棱鏡的折射率np、棱鏡的入射角α、光柵的凹槽間隔s、棱鏡的出射角γ、和輸出光束的自由空間波長λf。這說明了圖1的多色輸入光束為什么被色散成多個相應(yīng)的窄帶輸出光束，每個輸出光束具有唯一的出射角φr。然而，由于np和s通常隨溫度變化而變化，所以如果沒有以下將詳細(xì)描述的光色散裝置30的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)特征，那么出射角φr可能以實(shí)質(zhì)的方式變化。
為了減小光色散裝置30的出射角φr隨溫度變化的變化，在一個實(shí)施例中，光色散裝置30適于用s的熱導(dǎo)變化的影響來減小np的熱導(dǎo)變化的影響。具體而言，根據(jù)等式(4)-(8)，光色散裝置30由被選材料構(gòu)成，使得棱鏡34折射率相對于溫度變化的變化速率(dn/dT)和光柵32凹槽間隔s相對于溫度變化的變化速率(ds/dT)提供相對較小的相對于溫度變化的出射角φr變化速率(dφr/dT)。
例如，在一個實(shí)施例中，通過向波形層40施加溫度所決定的應(yīng)力，光柵32適于具有期望的ds/dT值。這種應(yīng)力可以是光色散裝置30熱膨脹的結(jié)果。尤其，可以通過選擇具有適當(dāng)熱膨脹系數(shù)(CTE)的波形層40材料，選擇波形層40的ds/dT。作用在波形層40上的熱應(yīng)力還可以進(jìn)一步定義ds/dT項(xiàng)。例如，由于波形層40直接粘合到基底36，所以基底36適于向波形層40施加依賴于基底36的CTE的熱應(yīng)力。由于波形層40直接粘合到環(huán)氧68，所以環(huán)氧68適于向波形層施加依賴于環(huán)氧的CTE的熱應(yīng)力。此外，由于棱鏡34粘合到環(huán)氧68，所以棱鏡適于通過環(huán)氧68間接地向波形層40施加熱應(yīng)力，其中施加在波形層40上的熱應(yīng)力依賴于環(huán)氧68的彈性模數(shù)、環(huán)氧68的厚度和棱鏡38的CTE。
在一個實(shí)施例中，隨溫度的變化，將光柵32的凹槽間隔s維持在相對恒定的值。這通過選擇具有較小CTE的基底36材料而實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施例中，環(huán)氧68由具有充分厚度的高彈性材料構(gòu)成，使得光柵32基本上與棱鏡34的熱膨脹隔離?？梢赃x擇棱鏡34的材料，使之具有相對小的CTE。
在一個實(shí)施例中，形成光色散裝置30，使得光柵32的ds/dT實(shí)質(zhì)為零，并使棱鏡的dn/dT實(shí)質(zhì)為非零。為了提供熱補(bǔ)償，形成的光色散裝置30具有適當(dāng)?shù)摩?、γ和np值，使得根據(jù)等式(4)-(8)，實(shí)質(zhì)非零的dn/dT對的φr的影響基本上無效。例如，如果棱鏡的折射率np增加，那么根據(jù)等式(4)折射角βr減小，并且根據(jù)等式(5)入射角θi減小。相應(yīng)地，根據(jù)等式(6)衍射角θm放大，根據(jù)等式(7)入射角φi減小。選擇φi的減小，使得np和sin(φi)的積相對不變，根據(jù)等式(8)，基本維持φr。
因此，可以理解本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員具有設(shè)計(jì)光色散裝置30的足夠自由，以減小dφr/dT。在一個實(shí)施例中，選擇光色散裝置的材料和形狀，使得非零ds/dT的影響抵消非零dn/dT的影響。在另一實(shí)施例中，光色散裝置適于實(shí)質(zhì)為零的ds/dT和實(shí)質(zhì)非零的dn/dT，使得變化的np不改變φr。
因此，可以理解光色散裝置30能夠以比本領(lǐng)域中熟知色散裝置更理想的方式色散光。通過計(jì)算棱鏡34熱決定折射率的影響和光柵32熱決定凹槽間隔的影響，光色散裝置30的出射角φr對溫度的變化不敏感。此外，在一個實(shí)施例中，光色散裝置30適于使光柵32的凹槽間隔s對溫度變化相對不敏感，并使光柵32的折射率np基本上受溫度變化的影響。然而，在該實(shí)施例中，選擇棱鏡34的成分和形狀，使輸出光束66的出射角φr基本上獨(dú)立于光色散裝置30的溫度。
參考圖3，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明另一方面的光色散組件80。圖3的組件80包括多個光色散裝置82，每個光色散裝置基本上類似于圖1的光色散裝置30，使得色散裝置82共用一個裝配單元84。在較佳實(shí)施例中，色散組件80的裝配單元84是具有第一和第二裝配面86、88的棱鏡84。組件80還包括以圖1中光色散裝置30的方式分別裝配在棱鏡84裝配面86、88上的第一和第二衍射光柵90、92，以提供匹配的第一和第二色散裝置82a、82b。此外，色散組件80適于使分別入射在組件80第一和第二輸入面98、100的第一和第二輸入光束94、96色散成第一組和第二組多個輸出光束102、104。此外，通過使組件80適應(yīng)圖1中裝置30的熱補(bǔ)償特征，輸出光束102、104分別以波長決定的方向從組件80的第一和第二輸出面106、108出射，該方向不受溫度變化的影響。
可以理解組件80提供了多個優(yōu)點(diǎn)。尤其，由于在制造過程中第一和第二衍射光柵90、92固定地裝配在單個棱鏡84上，所以光柵90、92彼此保持固定的對準(zhǔn)。因此，當(dāng)與使用單個不耦合衍射光柵的色散裝置比較時，圖3的色散組件80不易受機(jī)械振動或重新對準(zhǔn)色散組件80的誤導(dǎo)努力的影響。此外，通過簡單地將棱鏡84與輸入光束94、96對準(zhǔn)，使輸入光束94、96以期望的入射角進(jìn)入棱鏡80的輸入面94、96，可以實(shí)現(xiàn)第一和第二光柵90、92之間相對精確的對準(zhǔn)。因此，色散組件80便于使輸出光束102、104具有相對小的方向誤差。
參考圖4，其中顯示了光色散裝置130的一個實(shí)施例，該裝置適于通過減小進(jìn)入和出射色散裝置130衍射光柵132的入射和衍射光柵之間的角間隔，提供改進(jìn)的吞吐量效率。
如圖4所示，裝置130類似于圖1的裝置30。尤其，裝置包括具有輸入面152、輸出面154和裝配面156的棱鏡134。裝置130還包括類似于圖1的衍射光柵132，以提供衍射面136。尤其，裝置130裝配在棱鏡134的裝配面156上，使得入射在棱鏡134輸入面152的輸入光束162被衍射光柵132實(shí)質(zhì)衍射，以提供至少一個從輸出面154出射的輸出光束166。此外，裝置130適于以上結(jié)合圖1中裝置30描述的熱補(bǔ)償特征，以提供隨溫度變化基本不變的色散特征。然而，如以下將要詳細(xì)描述的，裝置130定義棱鏡134中的輸入和輸出光束通路146、148，以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的光柵132衍射效率。
如圖4所示，棱鏡134適于使進(jìn)入棱鏡134輸入面152的輸入光束162在棱鏡134中沿輸入光束通路146從輸入面152傳播到裝配面156。尤其，輸入光束通路146包括向棱鏡134中反射位置211延伸的第一段210。輸入光束通路164還包括從反射位置211延伸到衍射面136的第二段212，使得輸入光束146定義相對于衍射面136法線的入射角θi。
在一個實(shí)施例中，作為全內(nèi)反射(TIR)的結(jié)果，在反射位置211處發(fā)生輸入光束162的反射。尤其，輸入光束通路第一段210向棱鏡134的第一外表面218延伸，并定義相對于第一表面218法線的入射角κi。棱鏡134適于使入射角κi大于第一表面218處的臨界角，臨界角定義為sin-1(np/nout)其中nout是棱鏡134外接第一表面218的介質(zhì)的折射率，np是棱鏡134的折射率。
如圖4所示，輸入光束通路146的第一段210從輸入面152延伸到輸出面154。一旦到達(dá)了輸出面154，輸入光束162就經(jīng)歷TIR，并改變方向沿輸入光束通路146的第二段212從輸出面154向裝配面156延伸。
棱鏡132適于使衍射面136發(fā)出的輸出光束166在棱鏡134中沿輸出光束通路148從衍射面136傳播到輸出面154。輸出光束通路148包括從裝配面延伸到輸出面154的第一段214，它沿衍射角θm根據(jù)等式(6)相對于衍射面136所定義方向。輸出光束通路148的第一段214還定義相對于輸出面154的入射角φi。輸出光束通路定義的入射角φi小于臨界角，所以不發(fā)生TIR。在一個實(shí)施例中，沿棱鏡132的輸出面154配置抗反射涂層，以增強(qiáng)輸出光束166通過輸出面154的透射，而不阻止輸入光束162的TIR。
裝置130適于使輸入光束通路146的第二段212和輸出光束通路148的第一段214定義較小的角度Ω。在一個實(shí)施例中，Ω小于5°。由于角度Ω小于現(xiàn)有技術(shù)裝置所通常提供的，所以衍射光柵132能夠?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)的衍射效率。此外，由于輸入和輸出光束162、166分別通過空間分離的輸入面和輸出面152、154進(jìn)入和出射裝置，所以光柵不易受接近分量的影響。
例如，在一個實(shí)施例中，透鏡216鄰近裝置130的輸入面152，如圖4所示它位于輸入光束162的通路中。然而，由于輸出光束166從輸出面154出射并沿與輸入面152實(shí)質(zhì)分離的區(qū)域傳播，所以輸出光束166不進(jìn)入透鏡216。因此，輸出光束166不受透鏡216的影響。
在一個實(shí)施例中，裝置130適于使具有橢圓截面形狀的輸入和輸出光束162、166在棱鏡134的輸出面154處彼此部分重疊。由于輸入光束162具有延伸的帶寬，所以輸入光束162沿寬度為W1的第一入射區(qū)域220入射在輸出面154上。類似地，由于輸出光束166具有延伸的帶寬，所以輸出光束166沿寬度為W2的第二入射區(qū)域222入射輸出面154。由于輸入和輸出光束162、166之間的角度Ω較小，所以如圖4所示第二入射區(qū)域與第一入射區(qū)域部分重疊。
因此，可以理解圖4的光色散裝置130提供了增加吞吐量效率的優(yōu)點(diǎn)。通過提供在折射面136處定義較小Ω角的輸入和輸出光束通路146、148，可以實(shí)現(xiàn)該優(yōu)點(diǎn)，較小的Ω角增加了光柵132的衍射效率。例如，已經(jīng)確定如果Ω角從15°減小到5°，衍射光柵132的衍射效率可以增加10％。此外，無需輸入和輸出光束162、166彼此鄰近地通過棱鏡外部，就能實(shí)現(xiàn)該優(yōu)點(diǎn)。因此，該裝置結(jié)合附加光學(xué)單元使用，使得附加單元適于影響一個光束，而不影響另一個。
參考圖5，其中顯示了包括多個光色散裝置182的光色散組件180的一個實(shí)施例，光色散裝置182基本上類似于圖4的光色散裝置130。在一個實(shí)施例中，組件包括一個棱鏡234和一個衍射光柵232，衍射光柵適于提供分離的衍射面242和243。
因此，組件180提供圖1中裝置30、圖2中組件80和圖3中裝置130的優(yōu)點(diǎn)。尤其，組件180提供改進(jìn)的熱穩(wěn)定性和改進(jìn)的衍射效率。此外，由于色散裝置182共用同一棱鏡234，所以組件180的色散裝置182可以以更可靠的方式彼此對準(zhǔn)。此外，由于組件180的所有單元都牢固地連接在一起，所以在使用中組件180不易偏離。此外，由于組件180包括單個光柵232，所以可以進(jìn)一步簡化組件180中色散裝置182之間的對準(zhǔn)，因此能以低成本制造組件180。
雖然本發(fā)明的較佳實(shí)施例顯示、描述并指出了應(yīng)用于這些實(shí)施例的本發(fā)明的基本新穎特征，但是應(yīng)該理解不脫離本發(fā)明的精神，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以對所示裝置細(xì)節(jié)的形式進(jìn)行各種省略、替代和變化。因此，本發(fā)明的范圍不限于以上描述，而是應(yīng)該由以下權(quán)利要求書定義。
權(quán)利要求
1.一種用于色散光的色散裝置，其特征在于，該裝置包括輸入面，它以隨溫度變化的角度折射所述光；衍射單元；和輸出面，它折射所述光，所述衍射單元補(bǔ)償所述輸入面處的所述角度變化，使所述光通過以基本獨(dú)立于所述角度變化的角度折射而從色散裝置出射。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進(jìn)入色散裝置的所述光是多色光束，從色散裝置出射的所述光是多個窄帶輸出光束。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述衍射單元包括一衍射面。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述輸入面和輸出面由棱鏡構(gòu)成，所述衍射單元是與棱鏡并列的衍射光柵。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述衍射光柵是反射型衍射光柵。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述衍射光柵固定地裝配到所述棱鏡上。
7.一種用于將多色輸入光束色散成多個窄帶輸出光束，并使每個輸出光束以波長決定的出射角從色散裝置出射的光色散裝置，其特征在于，該裝置包括折射率為np的透明介質(zhì)構(gòu)成的棱鏡，所述棱鏡包括裝配面，接收所述輸入光束的輸入面和輸出所述輸出光束的輸出面，所述棱鏡提供隨溫度變化而變化的第一色散特征；和耦合到棱鏡裝配面的衍射光柵，所述衍射光柵提供隨溫度變化而變化的第二色散特征，其中第一和第二色散特征的所述變化彼此結(jié)合，以實(shí)質(zhì)減小各輸出光束出射角隨溫度變化的變化。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，第二色散特征由np定義。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，衍射光柵包括具有表面的基底，所述衍射光柵還包括沿基底表面配置的波形層。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，波形層是焰刻的。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述波形層的形狀進(jìn)一步定義第二色散特征。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，響應(yīng)溫度的變化，所述波形層經(jīng)歷形狀變化。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述波形層暴露于至少一種溫度決定的應(yīng)力中。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，至少一種溫度決定的應(yīng)力包括衍射光柵的基底施加的第一應(yīng)力。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，至少一種溫度決定的應(yīng)力還包括棱鏡施加的第二應(yīng)力。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，還包括以實(shí)質(zhì)的填平方式介于棱鏡和衍射光柵波形層之間的環(huán)氧層，使得通過環(huán)氧層間接地施加棱鏡向波形層施加的第二應(yīng)力。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，環(huán)氧層適于減小第二應(yīng)力。
18.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，np值隨溫度變化。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，響應(yīng)溫度的變化，基本上保持波形層的形狀。
20.一種用于將輸入光束色散成至少一個輸出光束的色散裝置，其特征在于，該裝置包括輸入面，用于折射所述輸入光束；反射面，用于在輸入面折射所述輸入光束之后，反射所述輸入光束；衍射面，用于在反射面反射所述輸入光束之后，衍射所述輸入光束，所述衍射面提供至少一個衍射光束；和輸出面，用于折射至少一個衍射光束，以提供至少一個輸出光束。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述輸入光束沿一通路進(jìn)入衍射面，該通路基本對準(zhǔn)從衍射面出射的至少一個衍射光束的通路，以增加衍射面的衍射效率。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，進(jìn)入衍射面的所述輸入光束和從衍射面出射的至少一個衍射光束確定一小于5°的角。
23.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，進(jìn)入衍射面的所述輸入光束與從衍射面出射的至少一個衍射光束部分重疊，以增加衍射面的衍射效率。
24.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，作為輸入光束經(jīng)歷全內(nèi)反射的結(jié)果，在反射面處發(fā)生輸入光束的所述反射。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述反射面包括輸出面。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于，光色散裝置還包括沿輸出面配置的抗反射涂層，所述涂層不阻止進(jìn)入反射面的輸入光束經(jīng)歷全內(nèi)反射，所述涂層實(shí)質(zhì)阻止至少一個衍射光束在輸出面處反射。
27.一種方法，其特征在于，該方法包括以下步驟引導(dǎo)光束，使之沿第一通路通過介質(zhì)并到達(dá)衍射單元；在所述引導(dǎo)步驟后，衍射該光束，使之沿第二通路通過介質(zhì)；在所述衍射步驟后，將光束折射入不同的介質(zhì)，引導(dǎo)光束，使之沿第三光束通路；和改變第一和第二光束通路，而不實(shí)質(zhì)改變第三光束通路。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，改變第一和第二光束通路而不實(shí)質(zhì)改變第三光束通路的步驟包括改變介質(zhì)的溫度。
29.一種方法，其特征在于，該方法包括以下步驟引導(dǎo)光束，使之沿第一通路通過介質(zhì)并到達(dá)反射面；在所述引導(dǎo)步驟后，反射該光束，使之沿從反射面延伸到衍射單元的第二通路通過介質(zhì)；在所述引導(dǎo)步驟后，衍射該光束，使之沿第三通路通過介質(zhì)；和在所述衍射步驟后，將光束折射入不同的介質(zhì)，引導(dǎo)光束，使之沿第四光束通路。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，衍射光束，使之沿第三通路通過介質(zhì)的步驟包括衍射光束，使之沿第三通路通過介質(zhì)，使得第三通路與第二通路基本上并列。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包括改變第一、第二和第三光束通路，而不實(shí)質(zhì)改變第四光束通路。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，改變第一、第二和第三光束通路而不實(shí)質(zhì)改變第四光束通路的步驟還包括改變介質(zhì)的溫度。
全文摘要
一種光色散裝置,它用于將多色輸入光束色散成多個窄帶輸出光束,使得以波長決定的方式引導(dǎo)輸出光束,并且輸出光束的方向受溫度變化的影響較小。該裝置的較佳實(shí)施例包括裝配在棱鏡表面上的衍射光柵。光柵和棱鏡具有使裝置的輸出對溫度變化基本不敏感的色散特征。在一個實(shí)施例中,該裝置適于減小光柵處輸入光束和輸出光束之間的角度,以此改進(jìn)吞吐量效率。
文檔編號G02B1/11GK1390310SQ00815652
公開日2003年1月8日 申請日期2000年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月14日
發(fā)明者W·L·德鮑衣恩頓, J·F·菲爾哈伯爾, J·P·康迪斯, B·A·斯科特 申請人:康寧股份有限公司