專利名稱:用各向異性聲光調(diào)制器產(chǎn)生光束的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用各向異性聲光調(diào)制器產(chǎn)生光束的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù):
基于偏振的或復(fù)用的外差干涉儀中的測量光學(xué)器件,例如那些在半導(dǎo)體器件制造設(shè)備中用于精密測量的測量光學(xué)器件,通常使用包括不同頻率的正交偏振成分的光束。在外差干涉中使用雙頻/雙偏振光源。兩個正交偏振的光束成分之間的頻率差很重要,因為它可能限制物體以多大速度移動時仍能夠用這類測量系統(tǒng)精確測量距離。Zeeman(塞曼)分裂HeNe激光器可以提供正交偏振的光成分,但是差頻限制在最大約為8MHz。雙模穩(wěn)頻HeNe激光器也可以提供具有頻率間隔的兩個正交偏振光束,但是這個頻率差在500-1500MHz范圍內(nèi),不易由處理電路使用。滿足光刻產(chǎn)業(yè)對于速度的要求而又與目前的電子技術(shù)相符的期望頻率范圍約為7-30MHz。
以往使用了一些方法來產(chǎn)生外差干涉儀中期望的頻率分裂。這些現(xiàn)有解決方案大部分包括在穩(wěn)定激光源后對光進(jìn)行調(diào)節(jié)以得到期望的頻率。一種現(xiàn)有解決方案是使用兩個高頻聲光調(diào)制器(AOM)來產(chǎn)生期望的差頻。源激光束被分為正交偏振的兩束。使每個線偏振光束都經(jīng)過AOM。對來自每個AOM的第一級衍射光束用反射鏡進(jìn)行重定向,再用第二分束器重新組合使之共線、共心(co-bore)。盡管在這種現(xiàn)有解決方案中AOM的絕對頻率通常太高,不夠理想(例如80MHz),但是可以對兩個不同AOM之間的頻率差進(jìn)行調(diào)整(例如一個在80MHz而另一個在90MHz)以使得當(dāng)兩個正交線偏振光束成分重新組合時,它們具有期望的差頻。但是,這是一個更加昂貴的解決方案,因為獲得期望的結(jié)果要使用兩個AOM(以及分束器、兩個旋轉(zhuǎn)反射鏡和作為光束復(fù)合器的第二分束器)。也有使用兩個AOM的其他解決方案,但是都具有元件多的缺點(例如至少要兩個AOM單元和一個分束器),這會增加解決方案的成本。
另一種現(xiàn)有的途徑是使用單一的低頻各向同性AOM,具有單一的聲波和雙折射復(fù)合棱鏡。盡管這種方法與前述雙AOM解決方案相比減少了元件的數(shù)量,但是它具有自身的嚴(yán)重問題。主要的缺點包括光源的相當(dāng)一部分光被遺棄(即使使用單偏振輸出的激光器);完成此解決方案需要占據(jù)大量空間;以及此解決方案不能完全獲得AOM移頻器為激光提供隔離這一附屬好處,因為它只隔離了對一個偏振態(tài)的回饋。這種現(xiàn)有方法中要求在AOM器件之前只有一個單獨的偏振態(tài)和頻率,所以對于Zeeman分裂HeNe激光器,通常用偏振器濾去來自光源激光器的另一個偏振態(tài)/頻率成分。因此,在光束進(jìn)入AOM之前,失去了光源的一半光。
在這種現(xiàn)有解決方案的各向同性聲波作用中,對光束的偏振態(tài)沒有影響,所以經(jīng)過衍射(第一級)、頻移的光束與零級或未衍射的光束偏振態(tài)相同。目前的市售器件中,零級和第一級光束在射出AOM時具有約20MHz的頻率差。使光束再次共線的任務(wù)是通過使光束經(jīng)過雙折射復(fù)合棱鏡來完成的。射出這種AOM的光束分離角較小,所以在用復(fù)合棱鏡使它們平行之后,不進(jìn)行使這些光束再次共心的補償。通常,復(fù)合棱鏡的光軸與光束的偏振態(tài)成45度角。復(fù)合棱鏡將每個光束分為兩個正交偏振成分。一個成分經(jīng)歷折射率ne,另一個成分經(jīng)歷折射率no。由于這種折射率差異,兩個光束在入射和出射的棱鏡/空氣界面處發(fā)生不同的折射。棱鏡的頂角優(yōu)化為使得每個光束的一個偏振成分再次平行。另外兩個不期望的光束從復(fù)合棱鏡射出時不與所希望的光束平行并被擋掉了。這種復(fù)合方案實際上丟掉了第一級和零級光束中的一半光功率。最終結(jié)果是,使用這種現(xiàn)有的單各向同性AOM方法增加頻率分裂,對于Zeeman分裂激光器,損失了光源四分之三的初始光功率(如果AOM器件以Raman Nath機制工作,損失將更多)。
期望外差干涉光源具有較小的覆蓋區(qū)或封裝,因為此光源經(jīng)常安裝在客戶的設(shè)備中。單一低頻各向同性AOM解決方案中存在所需空間超過期望的問題。為了使低頻各向同性AOM實現(xiàn)足夠的效率,較長的相互作用長度是必需的,從而器件自身相當(dāng)長。而且,此器件上的衍射級之間的分離角較小,所以通常使用較長距離來獲得足夠的光束分離量,以擋掉復(fù)合棱鏡之后不期望的光束。因此,可能使用較長的覆蓋區(qū)、將光聚焦到針孔空間濾波器的附加光學(xué)器件、或者使光路在封裝中折疊的附加光學(xué)器件來解決此問題。
此外,當(dāng)使用具有零級和第一級光束的單一低頻各向同性AOM時,零級光束不能使激光器不受回饋影響,因為沿該光路的頻率仍然是激光頻率(沒有上移或下移)。由此光束向上游的反射使之返回激光器,會給波長穩(wěn)定度帶來問題并可能使激光器失鎖。
在另一種現(xiàn)有的途徑中,在同一個各向同性AOM中產(chǎn)生兩個頻移光束。兩光束的頻移是通過幾種不同的方法實現(xiàn)的。第一種是在AOM中使用一個聲波。在AOM前(或附在AOM上)有偏振分束器將單頻偏振光束分為兩個正交偏振光束。偏振分束器還將兩個正交偏振光束與AOM器件的正負(fù)Bragg角對準(zhǔn)以通過一個聲波使一個光束上移而另一個光束下移。AOM自身是各向同性的,不影響光束的偏振。輸出光束之間的頻率差是AOM頻率的兩倍。單一各向同性AOM解決方案的另一種形式使用更長的晶體,每個偏振光束依次通過由AOM的兩個換能器產(chǎn)生的兩個聲波。對輸出光束最終結(jié)果是頻率差為兩個AOM換能器頻率差的兩倍。這也是一種各向同性作用(即它不影響偏振態(tài)),在AOM器件前使用分束器產(chǎn)生兩個正交偏振并沿發(fā)散方向行進(jìn)的光束。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種光源系統(tǒng),包括產(chǎn)生第一輸入光束的光束源;設(shè)置為接收所述第一輸入光束的各向異性聲光調(diào)制器,其中,所述聲光調(diào)制器包括多個換能器用于接收控制信號并產(chǎn)生相應(yīng)的聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束;其中,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束和所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率。
本發(fā)明還提供了一種產(chǎn)生光束的方法,所述方法包括提供各向異性聲光調(diào)制器;將第一輸入光束導(dǎo)入所述聲光調(diào)制器;向所述聲光調(diào)制器施加控制信號,從而使所述聲光調(diào)制器產(chǎn)生多個聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束,其中,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束與所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率。
本發(fā)明還提供了一種干涉儀系統(tǒng),包括產(chǎn)生第一輸入光束的光束源;設(shè)置為接收所述第一輸入光束的各向異性聲光調(diào)制器,其中,所述聲光調(diào)制器包括多個換能器用于接收控制信號并產(chǎn)生多個聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束和所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率;用于基于所述第一輸出光束和所述第二輸出光束產(chǎn)生參考光束和測量光束的干涉儀光學(xué)器件;用于基于所述參考光束和所述測量光束確定運動信息的分析系統(tǒng)。
圖1是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)的示意圖。
圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)的示意圖。
圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)的示意圖。
圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中光束的合并的示意圖。
圖5是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中光束的合并的示意圖。
圖6是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一種實施例中的干涉儀系統(tǒng)的框圖。
圖7是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
下面的詳細(xì)說明將參考附圖,附圖構(gòu)成說明書的一部分,并示出了根據(jù)本發(fā)明的具體和示例性的實施例。應(yīng)當(dāng)理解,在不脫離權(quán)利要求范圍的情況下,也可以使用其他實施例,并可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯上的改變。因此,下面的詳細(xì)說明沒有限制性意義,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定。
圖1是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的兩個頻移光束的系統(tǒng)100A的示意圖。系統(tǒng)100A包括激光源(激光器)102和聲光調(diào)制器(AOM)108。激光器102用作外差光束104的光源,所述外差光束104具有正交線偏振(例如水平和垂直)的兩個不同的頻率成分(f1和f2)。具有垂直偏振態(tài)的光束或光束成分,例如光束成分106A,在圖中用上下方向的箭頭表示,具有水平偏振態(tài)的光束或光束成分,例如光束成分106B,由圓圈表示。激光器102的示例性實施例是可商業(yè)獲得的He-Ne激光器,例如可以從Agilent Technologies,Inc.獲得的5517B型,它使用Zeeman分裂來在同一激光腔內(nèi)產(chǎn)生兩個頻率成分。Zeeman分裂在此情況下可產(chǎn)生頻率為f1和f2的頻率成分,頻率差(f2-f1)約為2MHz。兩個頻率成分f1和f2具有相反的圓偏振態(tài),并用四分之一波片來改變這些頻率成分的偏振態(tài)使得兩個頻率成分具有正交的線偏振態(tài)。在另一種具體實施例中,激光器102是雙模穩(wěn)頻激光器。Zeeman激光器的頻率穩(wěn)定性比使用雙模穩(wěn)頻方法的激光器更好。
在圖示的實施例中,AOM 108是由TeO2單軸晶體制成的各向異性低頻切變波AOM。適用于實現(xiàn)AOM 108的一種AOM器件示例是總部位于5263 Port Royal Road,Springfield,VA 22151的Isomet Corporation(www.isomet.com)生產(chǎn)的FS1102AOM。AOM 108包括用于接收控制信號的電聲換能器110。電聲換能器110將電信號轉(zhuǎn)換為聲波,該聲波是經(jīng)過AOM 108的晶體發(fā)射的。換能器110以頻率相同或不同的兩個聲波激勵A(yù)OM 108,并且在聲波的傳播方向之間具有小的夾角(即兩個波具有圖1中由K1和K2表示的不同傳播矢量)。使用兩個聲波或光束使兩個輸入光束成分106A和106B都可以存在正確的相位匹配。聲波中的第一個作用于正交偏振激光源光束104的水平偏振態(tài)106B上,聲波中的第二個相位匹配到光源光束104的垂直偏振態(tài)106A。
對于在AOM 108的晶體中具有指定傳播方向的激光束104,激光場可以按照偏振態(tài)分解為兩個成分。成分之一稱為尋常波,而另一個稱為非常波。尋常波的傳播速度與非常波的傳播速度不同。如果在AOM 108的晶體中沒有聲波場,則尋常波和非常波保持它們的傳播方向和它們的偏振態(tài)。激光束104的傳播方向和AOM 108的晶體中的聲波場選擇為使輸入激光束104中的非常波相位匹配為將由聲波場之一降頻轉(zhuǎn)換(衍射)為尋常波。同時,輸入激光束104中的尋常波相位匹配為將由另一個聲波場升頻轉(zhuǎn)換(衍射)為非常波。
AOM 108工作于低頻切變模式。AOM 108將兩個輸入光束成分106A和106B沿相反方向衍射,從而產(chǎn)生對應(yīng)于成分106A的正一級光束114A和對應(yīng)于成分106B的負(fù)一級光束114B。AOM 108使成分106A的頻率增加,成分106B的頻率減小,并使兩種成分106A和106B的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度。最終效果是盡管兩種輸入光束成分106A和106B都改變了偏振態(tài)(即水平變成了垂直,垂直變成了水平),但是光束仍然是正交偏振的,并具有由下式I給出的頻率差式Ifsplit=(f1+faomtransducer1)-(f2-faomtransducer2)其中fsplit=光束114A的頻率與光束114B的頻率之差;f1=光束成分106A的頻率;f2=光束成分106B的頻率;faomtransducer1=供給換能器110的第一信號的頻率;faomtransducer2=供給換能器110的第二信號的頻率。
在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,faomtransducer1和faomtransducer2都在約10到450MHz的范圍內(nèi)。在圖1所示的實施例中,faomtransducer1與faomtransducer2相等,在圖1中這個相等的頻率用“fAOM”項表示。
例如,如果向換能器110供給10MHz的RF控制信號,則兩個輸出光束114A和114B都將有10MHz的頻移,但是方向相反(即正10MHz和負(fù)10MHz),由此得到AOM 108引起的20MHz的頻率分裂或頻率差。如果Zeeman激光源102提供了2MHz的分裂(即|f2-f1|=2MHz),則系統(tǒng)100A為光束114A和114B提供的頻率分裂(fsplit)總共是18MHz或22MHz。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,光束114A和114B總的頻率分裂(fsplit)在8到30MHz范圍內(nèi)。
對于已經(jīng)具有兩個正交偏振態(tài)和頻率的Zeeman分裂激光器102,使用各向異性AOM 108是最好的。在圖1所示的實施例中,用一個低頻各向異性AOM 108來增加輸入光束成分106A與輸入光束成分106B之間的頻率差|f1-f2|。通過向AOM 108施加適當(dāng)?shù)念l率,該實施例還可用于減小輸入光束成分106A與輸入光束成分106B之間的頻率差|f1-f2|。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,光束114A和114B合并的光功率基本上與光束104的光功率相等。
圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)100B的示意圖。在圖示的實施例中,系統(tǒng)100B包括與系統(tǒng)100A(圖1)相同的激光源(激光器)102和聲光調(diào)制器(AOM)108,圖2所示的激光器102和AOM 108工作的方式與上面對于圖1的說明相同。系統(tǒng)100B與系統(tǒng)100A之間的一個差異是系統(tǒng)100B還包括設(shè)在激光器102與AOM 108之間的第二AOM 202。AOM 202是高頻各向同性AOM,它將光束104的兩種成分106A和106B的頻率上移或下移相同的量(例如30-500MHz)。
如上面對于圖1的描述,AOM 108使光束104的第一成分106A的頻率(f1)上移,并使光束104的第二成分106B的頻率(f2)下移。在某些應(yīng)用場合,AOM 108提供的頻移可能不足以將激光器102與回饋隔離開。為了提供進(jìn)一步的隔離,在激光器102與AOM 108之間增加了AOM202。AOM 202是各向同性高頻AOM,它用于將光束104的兩種成分106A和106B的頻率上移同一個較大的量(例如80MHz)以提供更好的光隔離。由于AOM 202是各向同性的,所以正交光束成分106A和106B的偏振態(tài)不受AOM 202的影響。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,AOM 108和AOM 202是在一個封裝中預(yù)先對準(zhǔn)的。
AOM 202產(chǎn)生具有上移的頻率成分(f1+fAOM1和f2+fAOM1)的輸出光束204,其中fAOM1代表施加到AOM 202的信號頻率(例如80MHz)。第一上移的頻率成分206A(f1+fAOM1)具有垂直的線偏振態(tài),第二上移的頻率成分206B(f2+fAOM1)具有水平的線偏振態(tài)。從AOM202輸出的光束204作為輸入光束供給AOM 108。
在圖2所示的實施例中,faomtransducer1(式I)與faomtransducer2(式I)相同,在圖2中這個相等的頻率用“fAOM2”項表示。AOM 108將光束204的第一成分206A(f1+fAOM1)的頻率上移一個量fAOM2,并將第一成分的偏振態(tài)從垂直改為水平,得到頻率為f1+fAOM1+fAOM2的水平偏振光束212A。類似,AOM 108將光束204的第二成分206B(f2+fAOM1)的頻率下移一個量fAOM2,并將第二成分的偏振態(tài)從水平改為垂直,得到頻率為f2+fAOM1-fAOM2的垂直偏振光束212B。
在圖2所示的實施例中,光束212A由透鏡214A耦合到光纖216A中,光束212B由透鏡214B耦合到光纖216B中。光纖216A和216B將光束212A和212B向下游傳送到合束單元,所述合束單元將光束212A和212B合并成為合并光束以用于測量位置處的干涉儀光學(xué)器件中。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,光纖216A和216B是偏振保持(PM)光纖。
使用光纖216A和216B使激光器102和AOM 108、202可以位于離干涉儀光學(xué)器件較遠(yuǎn)處,以使激光器102和AOM 108、202不影響干涉儀光學(xué)器件的熱環(huán)境。將光束212A和212B分別在相應(yīng)的獨立光纖216A和216B上傳遞防止了偏振分量之間的串?dāng)_。使用光纖216A和216B向下游傳遞光還具有幾個其他的優(yōu)點,包括(1)用光纖傳遞光時,不必對環(huán)境溫度變化引起的方向穩(wěn)定性問題進(jìn)行補償;(2)無需額外的光學(xué)器件來使光束216A和216B共心,共線要求也寬松得多;以及(3)光纖傳遞與系統(tǒng)100B提供的分裂量更大的頻率相結(jié)合,減少或消除了下游的測量平臺區(qū)域處使用電子器件的需求,而所述電子器件可能產(chǎn)生熱。
在圖2所示的實施例中,AOM 202是各向同性AOM。在另一種實施例中,AOM 202是各向異性AOM,它使兩種光束成分106A和106B的偏振態(tài)都發(fā)生改變。
在圖2所示的實施例中,AOM 202設(shè)在激光器102與AOM 108之間。在另一種實施例中,AOM 202設(shè)在AOM 108與透鏡214A和214B之間。
圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例中,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)100C的示意圖。在圖示的實施例中,系統(tǒng)100C包括與系統(tǒng)100B(圖2)相同的激光源(激光器)102和聲光調(diào)制器(AOM)108和202,圖3所示的激光器102和AOM 108、202工作的方式與上面對于圖2的說明相同。系統(tǒng)100C與系統(tǒng)100B之間的一個差異是系統(tǒng)100C包括雙折射復(fù)合棱鏡或光楔302,而不是圖2中所示的透鏡214A和214B以及光纖216A和216B。
各向異性AOM 108比前面使用單一各向同性AOM的解決方案具有更大的衍射角,所以如果不使用光纖傳遞,則應(yīng)當(dāng)解決輸出光束212A和212B的共心(不止是共線)。在圖3所示的實施例中,共線角是由雙折射復(fù)合棱鏡302調(diào)整的。棱鏡302接收來自AOM 108的光束212A和212B,并將這些光束212A和212B重新定向以產(chǎn)生相應(yīng)的平行光束306A和306B。棱鏡302的光軸在圖3中示于304處。兩個光束212A和212B在入射和出射的棱鏡/空氣界面處發(fā)生不同的折射,并對棱鏡302進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄎ皇馆斎牍馐?12A和212B成為相應(yīng)的平行光束306A和306B。射出AOM 108的光束212A和212B是正交偏振的,所以復(fù)合棱鏡302中損耗的光非常少。
圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中對平行光束的合并的示意圖。如圖4所示,將棱鏡302(圖3)產(chǎn)生的平行光束306A和306B供給透鏡402。透鏡402合并光束306A和306B,從而產(chǎn)生導(dǎo)向偏振保持光纖404的合并光束。光纖404將合并光束向下游傳送到測量位置處的干涉儀光學(xué)器件。
圖5是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中對平行光束的合并的示意圖。如圖5所示,將棱鏡302(圖3)產(chǎn)生的平行光束306A和306B供給走離(walk off)棱鏡502。走離棱鏡502使光束306A和306B“走”回一起以使它們共心,從而產(chǎn)生合并光束504。合并光束504具有水平偏振的一種成分506A和垂直偏振的另一種成分506B。將合并光束504供給測量位置處的干涉儀光學(xué)器件。調(diào)整棱鏡302的傾斜可以補償走離棱鏡缺陷對共線性引起的任何誤差。
圖6是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一種實施例中,雙頻干涉儀系統(tǒng)600的框圖。干涉儀600包括激光源102、AOM 108、透鏡602A和602B、光纖650和655、合束單元660、分析系統(tǒng)680和干涉儀光學(xué)器件690。激光器102和AOM 108象上面對圖1的說明一樣工作以產(chǎn)生正交線偏振的光束114A和114B。激光器102用Zeeman分裂產(chǎn)生外差光束104,各向異性AOM 108將兩種光束成分106A和106B的偏振態(tài)翻轉(zhuǎn),并增加兩種光束成分106A和106B之間的頻率差,從而產(chǎn)生正交線偏振的光束114A和114B。在一種實施例中,系統(tǒng)600設(shè)置為自由光束系統(tǒng)而不是如圖6所示使用光纖傳遞。在另一種實施例中,如圖2和圖3所示以及上文所述,系統(tǒng)600包括設(shè)在激光器102與各向異性AOM 108之間或者AOM 108之后的第二AOM 202。
在圖6所示的實施例中,透鏡602A和602B分別將光束114A和114B聚焦到單獨的偏振保持光纖650和655中。偏振保持光纖650和655將光束114A和114B傳遞到合束單元660,所述合束單元660將兩個光束導(dǎo)向合束器670中。
使用光纖650和655使激光器102和AOM 108可以安裝在離開干涉儀光學(xué)器件690的地方。因此,激光器102和AOM 108中產(chǎn)生的熱量不會對干涉儀光學(xué)器件690的熱環(huán)境造成擾動。此外,激光102和AOM 108無需具有相對于干涉儀光學(xué)器件690固定的位置,這在被測目標(biāo)699附近空間有限的應(yīng)用場合中具有很大的好處。
合束單元660將來自光纖650和655的輸入光束114A(INR)和輸入光束114B(INT)精確對準(zhǔn)以便在合束器670中合并形成共線的輸出光束COut。合束器670可以是鍍膜的偏振分束器反過來使用。合并光束Cout輸入到干涉儀光學(xué)器件690。在干涉儀光學(xué)器件690中,分束器675將部分光束COut反射到分析系統(tǒng)680,分析系統(tǒng)680用分束器675中反射的光的兩種頻率成分作為第一參考光束和第二參考光束。合并光束COut的剩余部分可以在進(jìn)入偏振分束器692之前由擴束器(未示出)擴大尺寸。
偏振分束器692反射偏振態(tài)之一(即一個頻率的光束)以形成經(jīng)過光學(xué)器件696導(dǎo)向參考反射器698的第三參考光束,并透射另一個線偏振態(tài)(即另一個頻率)作為經(jīng)過光學(xué)器件696朝向被測目標(biāo)699的測量光束。在干涉儀光學(xué)器件690的一種可替換形式中,偏振分束器透射形成測量光束的成分并反射形成參考光束的成分。
被測目標(biāo)699的運動引起測量光束中的相位改變,所述相位改變是分析系統(tǒng)680通過將測量光束與第三參考光束合并形成拍信號來測量的。為了精確確定目標(biāo)699的運動引起的相位改變,可以將拍信號的相位與參考拍信號的相位進(jìn)行比較,所述參考拍信號是通過合并第一參考光束與第二參考光束產(chǎn)生的。分析系統(tǒng)680分析相位改變以確定目標(biāo)699的速度和/或其運動的距離。
圖7是圖示了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例,用于產(chǎn)生具有正交線偏振態(tài)的頻移光束的系統(tǒng)100D的示意圖。在圖示的實施例中,系統(tǒng)100D包括與系統(tǒng)100A-C相同的聲光調(diào)制器(AOM)108,但是系統(tǒng)100D使用與系統(tǒng)100A的激光器102不同的激光器702。在圖7所示的實施例中,激光器702作為光束704的光源,所述光束704具有單一線偏振態(tài)的一個頻率(f1)。在圖示的實施例中,單一的線偏振態(tài)是45度偏振的,在圖7中由箭頭706表示。
AOM 108作為偏振分束器并將輸入光束704分為水平偏振光束成分和垂直偏振光束成分。AOM 108將這兩個正交偏振的光束成分沿相反方向衍射,從而產(chǎn)生正一級光束714A和負(fù)一級光束714B。AOM 108使一個光束成分的頻率增加,另一個光束成分的頻率減小,并使兩種光束成分的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度。最終效果是盡管兩種光束成分都改變了偏振態(tài)(即水平變成了垂直,垂直變成了水平),但是光束仍然是正交偏振的,并具有由下式II給出的頻率差式IIfsplit=(f1+faomtransducer1)-(f1-faomtransducer2)
其中fsplit=光束714A的頻率與光束714B的頻率之差;f1=光束704的頻率;faomtransducer1=供給換能器110的第一信號的頻率;并且faomtransducer2=供給換能器110的第二信號的頻率。
在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,faomtransducer1和faomtransducer2都在約10到450MHz的范圍內(nèi)。在圖7所示的實施例中,faomtransducer1與faomtransducer2相等,在圖7中這個相等的頻率用“fAOM”項表示。
例如,如果向換能器110供給10MHz的RF控制信號,則兩個輸出光束714A和714B都將有10MHz的頻移,但是方向相反(即正10MHz和負(fù)10MHz),由此得到AOM 108引起的20MHz的頻率分裂或頻率差。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,光束714A和714B總的頻率分裂(fsplit)在8到30MHz范圍內(nèi)。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實施例中,輸入光束704的偏振態(tài)不是45度的。不管對于光束704選擇何種偏振態(tài),當(dāng)光束704進(jìn)入AOM 108的晶體時,偏振態(tài)被分解為兩個正交的本征偏振態(tài)。每種本征偏振態(tài)的光功率取決于輸入光束704的偏振態(tài)。在本發(fā)明的一種形式中,位于與AOM 108的晶體的光軸45度方向上的線偏振態(tài)用于光束704,因為它產(chǎn)生光功率相同的兩個輸出光束714A和714B。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,光束714A和714B合并的光功率基本上與光束704的光功率相等。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實施例中,如圖2和圖3所示以及上文所述,系統(tǒng)100D包括設(shè)在激光器702與各向異性AOM 108之間或AOM 108之后的第二AOM 202。在根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例中,干涉儀系統(tǒng)600(圖6)使用單頻、單偏振激光器例如激光器702,而不是圖6所示的雙頻、雙偏振激光器102。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施例具有超過現(xiàn)有解決方案的一些優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例顯著節(jié)省了光功率,可以在更小的空間中實現(xiàn),并具有比現(xiàn)有解決方案更好的光學(xué)隔離。在各向異性低頻AOM器件108中,相互作用長度更短,與使用單一各向同性AOM器件的現(xiàn)有解決方案相比,光束射出AOM 108時的分離角更大。這些特性都使最終產(chǎn)品的封裝更小、更緊湊。更短的相互作用長度意味著AOM器件108可以小得多。更大的分離角意味著不期望的光束可以在更短的距離內(nèi)被擋掉。AOM 108產(chǎn)生的兩個光束都有頻移,所以對于激光器102,AOM 108是比使用單一各向同性AOM的現(xiàn)有解決方案更好的光隔離器。
由于不在AOM器件108之前使用偏振分束器將單偏振光束分為兩個正交偏振光束并變更光束的方向,根據(jù)本發(fā)明的具體實施例的復(fù)雜程度比使用兩個高頻AOM的現(xiàn)有解決方案更低。此外,AOM 108比許多現(xiàn)有解決方案更有區(qū)別之處在于,AOM 108使用各向異性相互作用,而不是以前的這些解決方案中所用的各向同性相互作用。
在一種現(xiàn)有的途徑中,將各向異性AOM與前后兩個聲頻一起使用以從單偏振光源產(chǎn)生正交偏振的頻移光束。相反,根據(jù)本發(fā)明使用雙聲波AOM 108的實施例,不是從一個輸入偏振態(tài)產(chǎn)生兩個正交偏振態(tài),而是在對一個光束進(jìn)行上移、對另一個光束進(jìn)行下移的同時,AOM 108在整個器件108中都保持激光器102的兩個偏振態(tài)。
在根據(jù)本發(fā)明的其他具體實施例中,AOM 108設(shè)置為從單偏振光源產(chǎn)生正交偏振的頻移光束。不管AOM 108是與單偏振光源還是雙偏振光源如Zeeman激光器結(jié)合使用,根據(jù)一種具體實施例的AOM 108都維持或保持了供給AOM 108的輸入光束的光功率。因此,在這兩種情況中,射出AOM 108的輸出光束合并的光功率基本上與進(jìn)入AOM 108的輸入光束的光功率相同。
盡管此處已經(jīng)對具體的實施例進(jìn)行了圖示和說明,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白,在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下,可以用各種變化和/或等效的實現(xiàn)方式代替所示和所述的具體實施例。本申請意在覆蓋此處所述具體實施例的任何改變和變化。因此,本發(fā)明應(yīng)當(dāng)理解為僅由權(quán)利要求及其等價物所限制。
權(quán)利要求
1.一種光源系統(tǒng),包括產(chǎn)生第一輸入光束的光束源;設(shè)置為接收所述第一輸入光束的各向異性聲光調(diào)制器,其中,所述聲光調(diào)制器包括多個換能器用于接收控制信號并產(chǎn)生相應(yīng)的聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束;其中,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束和所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一輸入光束包括第一光束成分和第二光束成分,所述第一成分具有第一線偏振態(tài)和第一頻率,所述第二成分具有第二線偏振態(tài)和第二頻率,其中,所述第一線偏振態(tài)和所述第二線偏振態(tài)正交。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲光調(diào)制器能夠響應(yīng)于控制信號改變所述第一光束成分和所述第二光束成分的偏振態(tài)和頻率,從而產(chǎn)生分別對應(yīng)于所述第一成分和所述第二成分的所述第一輸出光束和所述第二輸出光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一輸出光束具有所述第二線偏振態(tài),所述第二輸出光束具有所述第一線偏振態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲光調(diào)制器設(shè)置為將所述第一光束成分的頻率增加第一數(shù)量并將所述第二光束成分的頻率減小第二數(shù)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量各自都在約10到450MHz范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量是相同的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一輸入光束是單頻、單偏振的光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲光調(diào)制器由所述第一輸入光束產(chǎn)生第一光束成分和第二光束成分,所述第一成分具有第一線偏振態(tài),所述第二成分具有第二線偏振態(tài),其中,所述第一線偏振態(tài)與所述第二線偏振態(tài)正交。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲光調(diào)制器能夠響應(yīng)于控制信號改變所述第一光束成分和所述第二光束成分的偏振態(tài)和頻率,從而產(chǎn)生分別對應(yīng)于所述第一光束成分和所述第二光束成分的所述第一輸出光束和所述第二輸出光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一輸出光束具有所述第二線偏振態(tài),所述第二輸出光束具有所述第一線偏振態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲光調(diào)制器設(shè)置為將所述第一光束成分的頻率增加第一數(shù)量并將所述第二光束成分的頻率減小第二數(shù)量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量各自都在約10到450MHz范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量是相同的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),其中,所述聲波中的第一聲波與所述輸入光束的第一光束成分相互作用,所述聲波中的第二聲波與所述輸入光束的第二光束成分相互作用。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),其中,所述光束源包括激光器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光源系統(tǒng),其中,所述激光器包括Zeeman激光器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光源系統(tǒng),其中,所述激光器包括雙模穩(wěn)頻激光器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光源系統(tǒng),其中,所述激光器是單頻、單偏振激光器。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),還包括至少一個光纖,所述光纖設(shè)置為接收來自所述聲光調(diào)制器的所述第一輸出光束和所述第二輸出光束。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),還包括雙折射棱鏡,所述雙折射棱鏡設(shè)置為從所述聲光調(diào)制器接收所述第一輸出光束和所述第二輸出光束并使所述第一輸出光束和所述第二輸出光束平行。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光源系統(tǒng),還包括至少一個光纖,所述光纖設(shè)置為從所述雙折射棱鏡接收所述平行的第一輸出光束和第二輸出光束。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光源系統(tǒng),還包括走離棱鏡,所述走離棱鏡設(shè)置為使所述平行的第一輸出光束和第二輸出光束合一起成為合并光束。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源系統(tǒng),還包括各向同性聲光調(diào)制器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光源系統(tǒng),其中,所述各向同性聲光調(diào)制器設(shè)置為將所述輸入光束的頻率改變第一數(shù)量。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光源系統(tǒng),其中,所述第一數(shù)量在約30到500MHz的范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光源系統(tǒng),其中,所述各向異性聲光調(diào)制器和所述各向同性聲光調(diào)制器在一個封裝中預(yù)先對準(zhǔn)。
28.一種產(chǎn)生光束的方法,所述方法包括提供各向異性聲光調(diào)制器;將第一輸入光束導(dǎo)入所述聲光調(diào)制器;向所述聲光調(diào)制器施加控制信號,從而使所述聲光調(diào)制器產(chǎn)生多個聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束,其中,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束與所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法,其中,所述第一輸入光束包括第一光束成分和第二光束成分,所述第一成分具有第一線偏振態(tài)和第一頻率,所述第二成分具有第二線偏振態(tài)和第二頻率,其中,所述第一線偏振態(tài)和所述第二線偏振態(tài)正交。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法,其中,所述聲波改變所述第一光束成分和所述第二光束成分的偏振態(tài)和頻率,從而產(chǎn)生分別對應(yīng)于所述第一光束成分和所述第二光束成分的所述第一輸出光束和所述第二輸出光束。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法,其中,所述第一輸出光束具有所述第二線偏振態(tài),所述第二輸出光束具有所述第一線偏振態(tài)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法,其中,所述聲波將所述第一光束成分的頻率增加第一數(shù)量并將所述第二光束成分的頻率減小第二數(shù)量。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法,其中,所述聲波中的第一聲波與所述第一光束成分相互作用,所述聲波中的第二聲波與所述第二光束成分相互作用。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法,其中,所述第一輸入光束是單頻、單偏振光束。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其中,所述聲光調(diào)制器由所述第一輸入光束產(chǎn)生第一光束成分和第二光束成分,所述第一成分具有第一線偏振態(tài),所述第二成分具有第二線偏振態(tài),所述第一線偏振態(tài)與所述第二線偏振態(tài)正交。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法,其中,所述聲光調(diào)制器能夠響應(yīng)于所述控制信號改變所述第一光束成分和所述第二光束成分的偏振態(tài)和頻率,并從而產(chǎn)生分別對應(yīng)于所述第一光束成分和所述第二光束成分的第一輸出光束和第二輸出光束。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法,其中,所述第一輸出光束具有所述第二線偏振態(tài),所述第二輸出光束具有所述第一線偏振態(tài)。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法,其中,所述聲光調(diào)制器能夠?qū)⑺龅谝还馐煞值念l率增加第一數(shù)量并將所述第二光束成分的頻率減小第二數(shù)量。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法,其中,所述第一數(shù)量和所述第二數(shù)量是相同的。
40.一種干涉儀系統(tǒng),包括產(chǎn)生第一輸入光束的光束源;設(shè)置為接收所述第一輸入光束的各向異性聲光調(diào)制器,其中,所述聲光調(diào)制器包括多個換能器用于接收控制信號并產(chǎn)生多個聲波,所述聲波作用于所述第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二輸出光束,對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束以及對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,所述第一輸出光束和所述第二輸出光束合并的光功率基本上等于所述第一輸入光束的光功率;用于基于所述第一輸出光束和所述第二輸出光束產(chǎn)生參考光束和測量光束的干涉儀光學(xué)器件;用于基于所述參考光束和所述測量光束確定運動信息的分析系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括光束源的光源系統(tǒng),所述光束源產(chǎn)生第一輸入光束。設(shè)置各向異性聲光調(diào)制器(AOM)來接收第一輸入光束。AOM包括多個換能器用于接收控制信號并產(chǎn)生相應(yīng)的聲波,所述聲波作用于第一輸入光束以產(chǎn)生具有不同頻率和正交線偏振態(tài)的第一輸出光束和第二二輸出光束。對于具有一個偏振態(tài)的第一輸入光束和對于具有兩個偏振態(tài)的第一輸入光束,第一輸出光束和第二輸出光束合并的光功率基本上等于第一輸入光束的光功率。
文檔編號H01S3/00GK1959470SQ20061008690
公開日2007年5月9日 申請日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者卡羅爾·J·考爾維勒, 朱淼, 凱麗·D·巴戈維爾 申請人:安捷倫科技有限公司