SE421568B - Anordning for uppdelning av en ljusstrale i ett flertal stralar eller omvent - Google Patents

Description

15 20 25 40 l eouaess-a f ' är det i sig förut känt bd bli praktiskt användbar. , För ändamålet att bibringa en laserpuls en önskad pulsform, att dela upp en laserstråle i parallella strålar med hjälp av en s k stråldelare och en spegel, vilka anordnas parallella och på ett visst inbördes avstånd. Vid sådana anordningar som framgår av brittiska patentskriften l 440 538 är emellertid parallelliteten beroende av hur noggrant man kan ställa in parallelliteten mellan spegeln och stråldelaren, och vidare är de uppdelade strålarnas intensitet_beroende av hur exakt stråldelarens delningsförmåga är utförd. Icke heller någon anordning av den typ som inbegripes i nämnda patentskrift, kan tänkas bli användbar i applikationer vari anordningen'utsättes för olika form av påfrestningar, och icke heller kan anordningen tänkas kunna framställas till låg kostnad. glikaledes finns ett behov av anordningar medelst vilka ett flertal ljusstrålar kan sammansättas i en enda ljusstråle.

Uppbyggnaden av sådana anordningar motsvarar helt stråldel- ningsanordningar enligt ovan. Ändamål .

Ett ändamål med uppfinningen är därför att åstadkomma en anordning av den inledningsvis nämnda typen, vilken har ett robust utförande och kan erbjuda en hög grad av parallellitet och ekvidistans mellan uppdelade strålar eller omvänt, kan framställas till låg kostnad, medge en enkel möjlighet till variering till avståndet mellan uppdelade strålar resp. strålar som skall sammansättas, och kan erbjuda möjlighet till alstring av ett fält eller en matris av strålar som med fördel därvid kan vara radvis parallella och ekvídistanta resp. medger en möjlighet till sammansättning av en matris av sådana strålar till en enda stråle. j Den uppfinningsenliga anordningen för uppdelning av en ljusstråle, företrädesvis laserstråle i ett flertal företrädesvis parallella och ekvídistanta strålar, eller för sammansättning av ett flertal strålar till en stråle utmärkes i huvudsak av ett transparent substrat med två plana, parallella ytor, ett gitter på den ena av substratets två nämnda ytor, och ett reflekterande skikt på den sida av gittret som är frånvänd substratet, varvid en av gittret diffrangerad stråle är anordnad att totalreflektera vid den andra av substratets två nämnda ytor. Gittrets linjer är företrädesvis parallella och ekvídistanta, varigenom den ljusstråle 10 15 20 25 30 40 8003968-8 som skall uppdelas, uppdelas i parallella, ekvidístanta strålar, resp. parallella, ekvidístanta strålar kan sammansättas till en enda stråle. Gittrets linjetäthet och substratets brytnings- index är valda för att för en given våglängd hos strålen och för en given maximal infallsvinkel mot gittret för den stråle som skall uppdelas, resp. för de strålar som skall sammansättas, åstadkomma en totalreflektion vid substratets nämnda andra yta av en av gittret diffrangerad stråle. En ingång kan vara anordnad för inledning av den stråle som skall uppdelas, mot gittret, vilken ingång enligt ovan givna diskussion, likaledes fungerar såsom utgång för en av ett flertal strålar i anordningen samman- satt stråle.

Nämnda ingång kan vara bildad av en öppning eller ursparing í det reflekterande skiktet, varvid den stråle som skall upp- delas är anordnad att inledas genom ingången, genom gittret och mot substratet, resp. den av ett flertal strålar i anordningen sammansatta strålen är anordnad att utledas genom gittret och genom nämnda öppning eller ursparing.

Ingângen kan såsom ett_alternativ vara bildad därigenom att det reflekterande skiktet är anordnat över ett begränsat ytavsnitt av gittret, varvid en strále som skall uppdelas, inledes genom substratet och gittret mot nämnda reflekterande ytavsnitt, resp. den av ett flertal strålar i nnordningen sammansatta strålen utledes från ytavsnittet via gittrot och ut genom suhstratet. l det andra fallet täcker det reflekterande skiktet väsentligen hela gittret, varvid den strüle som skall uppdelas, resp. den av ett flerlal strålar l anordnlngon samman- satta strålen är anordnad att inledas genom substratet och gittret mot den reflekterande beläggningen, resp. att bortledas via gittret och ut genom substratet.

Gíttret kan med fördel vara utfört med högre verknings- grad (djupare) vid ingången än vid ett ingången omgivande om- råde.

Gittret kan om så önskas innefatta två eller flera varandra korsande linjeskaror, varvid linjerna i varje linjeskara före- trädesvis är parallella och ekvidistanta, varigenom en stråle kan uppdelas i ett fält av parallella radvis ekvidístanta strålar, resp. fält av parallella, radvis ekvidístanta strålar kan samman- sättas i en enda stråle. 8003968-8 4 Det bör emellertid noteras att gittret kan vara utfört med icke parallella gitterlinjer och/eller icke raka linjer och/eller med varierande línjeavstånd, varigenom en stråle kan upp- delas i ett flertal strålar vars inbördes avstånd vid anord- ningens yta resp. riktning relativt anordningen är bestämd av S gittrets utförande resp. varvid ett flertal strålar, vilka infaller mot anordningen med olika inbördes avstånd och/eller riktningar, kan sammansättas i en enda stråle.

Vidare kan noteras att man genom varieríng av gittrets profildjup över anordníngens yta kan framkalla en nästan l0 godtycklig intensitetsfördelning mellan uppdelade strålar.

Vidare bör det särskilt noteras att man kan utnyttja ett gitter med fler än två gitterlinjeskaror. Härigenom blir det möjligt att exempelvis av en enda stråle framkalla ett' fält av strålar vilka bildar ett valt punktmönster. 15 Substratet kan bestå av s k floatglas, vars huvudytor bildar nämnda ytor. Floatglas är kommersiellt tillgängligt och har en mycket hög grad av parallellitet mellan sina ytor, och kan ut- nyttjas såsom utgångsmaterial vid tillverkning av den uppfínnings- enlíga anordningen. Härvid tillskäres floatglas i en ändamåls- ZO enlig storlek varefter gittret eller gittren anbringas pånglasfw skivans ena yta medelst någon lämplig metod, exempelvis genom holografisk exponering och fotoresistetsning. Detta gitter kan då utföras såsom ett transmissionsgitter. Därefter påföres det framställda gittret en reflekterande beläggning, exempelvis ge- 25 nom att silver anbringas genom förångning varvid lämpligen en ur- sparing eller öppning anordnas i den reflekterande beläggningen.

Strålarnas parallellitet bestäms av substratets planhet.

Genom att ändra laserstrålens infallsvinkel mot gíttret kan man kontinuerligt variera avståndet mellan strålarna. Härvid 30 kvarstår strålarna parallella och ekvidistanta. För ett givet substrat och en given våglängd hos laserstrålen kan man åstadkomma önskat avstånd mellan strålarna genom lämpligt val av gittrets frekvens (línjcdelníng) och/eller tjocklek hos substratct. lntensiteten för strålarna kan väljas genom att man ut- 35 för gittret med lämplig verkningsgrad, exempelvis genom lämpligt val av gíttrets profildjup.

Den uppfinningsenliga anordningen kan utföras med mycket små dimensioner. I det fall laserstrålen enbart skall erbjuda 10 15 20 50 35 40 8003968-8 en rad av uppdelade strålar, bestäms anordningens bredd av laserstrålens maximala diameter varvid anordningens längd bestäms av önskat avstånd mellan de yttersta strålarna i raden.

Anordningens tjocklek uppgår ofta enbart till nâgra millimeter.

I det fall anordningen skall erbjuda ett fält av strålar be- stäms anordningens ytdimensioner av avståndet mellan de yttersta strålarna i korsande rader.

Anordningen enligt uppfinningen har en mångfald applika- tionsområden. Sålunda kan anordningen utnyttjas i undervisnings- ändamål för demonstration av strålgång i optiska komponenter. Vida- re kan anordningen utnyttjas för allmänna mätändamål. Anordningen kan vidare användas för avsyning (skuggning). Anordningen kan ävenledes utnyttjas såsom s k beam expander, vilket innebär att man uppdelar en stråle i ett flertal parallella strålar vilka ligger med litet inbördes avstånd så att dessa i praktiken definierar en rät linje. Detta utgör en avsevärd förenkling av tidigare försök att framkalla "ljusband" då man var tvungen att utnyttja en oscílerande avlänkníngsspegel och erhöll en sämre ljusintensitet.

Vidare kan två väsentligen lika anordningar enligt upp- finningen utnyttjas för digital indikering av sidoförflyttning.

Villkoret härvid är att den strálsammansättande (mottagande) anordningen har en "utgång" med små dimensioner relativt den sammansatta utgående strålen. Härvid erhålles en utgående sammansatt ljusstrâle endast då den mottagande anordningen be- finner sig i diskreta sidoförskjutningslägen relativt den stråle- uppdelande anordningen. Genom att med anordningen upprätta parallella linjer eller rent av en matris av parallella linjer, eventuellt radvis ekvidistanta linjer, kan man etablera ett punktsystem som finner användning vid exempelvis sågverk, när man önskar optimera den mängd sågade produkter som kan erhållas ur en timmerstock. Vidare kan motsvarande anordningar utnyttjas inom industri- och verkstadsarbeten för uppmärkning av sågspår, borrlägen etc.

Vidare kan anordningen utnyttjas för s k multiplexing, och genom upprättande av linjefält med speciella konfigurationer kan anordningen med stora fördelar utnyttjas för testning av linser.

Uppfinningen är naturligtvis icke inskränkt till de ovan nämnda användningarna, ty fackmannen inser genast att 10 15 20 25 30 35 40 8005968-8 många fler tillämpningar erbjuder sig.

Vidare skall särskilt nämnas att gittren icke hehdver vara av konstant riktning och linjetäthet, varvid inte heller strålarna blir radvis parallella och ekvidistnnta.

Sålunda kan vilka som helst diffrangerandc anordningar utnyttjas, även hologram, så att vilka som helst ljusfördelningar genereras (inom totalreflektionsvillkoret resp. difraktíonsgeometrivillkoren), även t ex punktspiraler eller bildmultiplexing.

A Uppfinningen definieras í de bilagda patentkraven.

Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas i exempelform med hänvisning till bifogade ritning.

Ritning ' Pig. l visar schematískt en längdsektion genom en an- ordning enligt uppfinningen. Fig. 2 visar en frontvy av anord- ningen enligt fig. l. Fíg. 3 visar schematiskt en längd- sektion genom en anordning enligt uppfinningen, och fig. 4 visar en frontvy av en alternativ anordning enligt uppfinningen.

Pig. 5-7 visar exempel på andra utfëringsformer av uppfinningen.

Med hänvisning till figurerna l och 2 visas en floatglas- skiva 2 på vilken ett gitter 3 är anbringat. Ett reflekterande skikt 4 är anbringat på gittret 3. En öppning 5 är anordnad ge- nom skiktet 4.

En laserstråle l som skall uppdelas inledes i normal- riktningen till substratets 2 huvudytor genom öppningen 5.

Gittret 3 är utfört såsom ett transmissionsgitter, och vid öppningen 5 uppdelas stràlen l i tre komponenter, En första komponent transmitteras rakt genom gittret och bildar en stråle 12 som utgör en rak fortsättning av strålen l. Vidare kommer strålen l att diffrangeras av gittret 3 till bildning av två strålar ll. Dessa strålar ll sträcker sig med en vinkel ß mot strålens l riktning. Vid punkterna A kommer strålarna ll att totalreflekteras och återkastas mot gittret 3 vid punkterna B. Gittret 3 är där påfört ett reflekterande material så att gittret fungerar såsom ett reflektionsgitter.

Vid punkterna B uppdelas den infallande strålen i tre delar.

En första del reflekteras med vinkeln ß. En andra del 12 diffrangeras vinkelrätt mot gittret 3, och en tredje del diffrangeras tillbaka 1 vinkeln B. Det vinkelrätt diffrangerade ljuset 12 i punkterna B är parallellt med strålen l och den rakt transmitterade komponenten 12 av strålen l. Med det ljus som 10 15 20 35 40 8003968-8 reflekteras i en punkt B sker i närliggande punkt B samma uppdelning som i förstnämnda punkt B, varvid ytterligare en parallell stråle 12 skapas. Denna uppdelning återupprepas ett godtyckligt antal gånger, både uppåt och nedåt i fig. l.

Ett testat utföringsexempel på en anordning enligt fíg. l och 2 hade följande data: Laserstrålens_l våglängd A = 632,8 nm Floatglasets 2 tjocklek d = 8 mm Glasets 2 längd 110 mm Glasets 2 bredd 10 mm Glasets 2 brytningsindex n = 1,52 1800 linjer/mm silver_(påângat) Gíttrets 3 linjetäthet v Reflekt. beläggning 4 Härvid blev: 8 ll arcsin A - v = 48,5° och avståndet a mellan strålarna l2 n 2 d tan B = 18,1 mm, då strålen l inföll i normalriktníngen till gittret 3 öppningen 5 var belägen vid glasets Z halva längd, varvid sju parallella strålar 12 bildades.

I fig. 3 visas strålgången för ett fall där den stråle 1 som skall uppdelas infaller med en vinkel a mot gittret 3.

Allmänt gäller följande samband 2 d nmElTcSin( x - v _ sin oojcosd n n ~ a. 3 = d = substratets tjocklek A = laserljusets våglängd n = substratets brytningsindex v = gittrets línjetäthet (linjer/längdenhet) n = laserstrålens l infallsvinkel Villkoret för totalreflektion i A är v'7 l+sinu vilket villkor begränsar m till a < arcsin (v-x-l) Vid det testade utföringsexemplet enligt ovan kan alltså a kontinuerligt varieras mellan 13,8 mm och 55 mm genom ändring av a från 8” till -19°. soozssà-e 8 på fíg_ 4 visas en frontvy av en utföringsform av an- ordningen med två gitter 3 resp. 3A, vilka korsar varandra med rät vinkel. Öppningen 5 är anordnad i huvudsak centralt. De upp- delade strålarna 12 är parallella och radvís ekvidistanta. Av- 5 ståndet mellan strålarna i raderna l4 beror av gittrets 3 linjetäthet. Avståndet mellan strålarna i raderna 15 beror av gittrets 3A línjetäthet A. Fig. 5 visar ett utföringsexempel vari den stråle l som skall uppdelas ínledes genom substratet 2 och genom ett djupare gítterparti 3', och sedan mot det 10 reflekterande skiktet 4, varefter diffrangerade strålar så småningom samverkar med ett grundare gitterparti 3, som omger "ingången" 5.

I fig. 6 visas en anordning som i allt väsentligt motsvarar den enligt fig. 5, varvid strålarna sträcker sig i 15 normalriktningen till substratets 2 yta. Pig. 7 visar en ut- föringsform vari ett relativt djupt gítter 3' är anbríngat vid "ingången" 5, varjämte ett reflekterande skikt 4 är anbringat enbart i området för ingången 5 över det djupa gittret 3'. Ett grundare gitter är anordnat i området runt om det djupa gíttret. 20 En stråle som skall uppdelas ínledes då genom substratet genom det djupa gittret 3', och mot det reflekterande ytavsnittet 4 på det visade sättet.

Anordningen enligt uppfinningen kan vidare med fördel ut- nyttjas även såsom laserlinjeseparator. Speciellt vid användning av 25 en argon- eller kryptonlaser, som avger ett ljus vilket består av ett flertal diskreta våglängder, kan det vara önskvärt att separera dessa våglängder. Vid anordningen enligt uppfinningen är av- ståndet a beroende av ljusets våglängd och det inses då att avståndet a blir olika för de olika våglängderna, så att laser- «30 linjerna blir åtskilda vid anordningens utgångar.

Vidare kan en anordning enligt uppfinningen med fördel ut- nyttjas för separering av närliggande ljusvåglängder. Om vinkeln B (se Pig 1) göres stor (exempelvis 850), kommer en liten skillnad mellan strålcns I ljusväglängdor att medföra en relativt stor 35 skillnad mellan avståndet a för dessa ljusväglängder. Härvid kan substratets tjocklek vara relativt liten.

Ehuru uppfinningen ovan beskrivits såsom en anordning för uppdelning av en stråle ieett flertal strålar, bör det stå helt klart att uppfinningen lika väl kan ntnytfjns för det om- 4U vända ändamålet, nämligen för nnmmnnsflllning av vil flvrlnl slrñlnr

Claims (10)

aoosses-a i en enda stråle om blott de strålar som skall sammansättas uppfyller de geometriska villkor som ovan angivits. P A T E N T K R A V

1. Anordning för uppdelning av en ljusstråle (1), företrädesvis laserstråle, i ett flertal företrädesvis parallella och ekvidistanta strålar (12), eller för sammansättning av ett flertal strålar (12) till en stråle (1), k ä n n e - t e c k n a d av ett transparent substrat (Z) med två plana paral- lella ytor, ett gitter (3) på den ena av substratets två nämnda ytor, och ett reflekterande skikt (4) på den sida av gittret (3) som är frånvänd substratet, varvid en av gittret (3) díffrangerad sträle (ll) är anordnad att totalreflektera vid den andra av substratets två nämnda ytor.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att gittrets linjer är parallella och ekvídistanta varigenom den ljusstråle (l) som skall uppdelas, uppdelas i parallella ekvidistanta strålar (12), respektive parallella ekvidistanta strålar (l2) kan sammansättas till en enda stråle (l).

3. Anordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k - n a d av att gittrets linjetäthet (v) och substratets (2) brytningsindex (n) är valda för att för en given våglängd (X) hos strålen och för en given maximal infallsvínkel (Q) mot gittret för den stråle (1) som skall uppdelas respektive för de strålar (12) som skall sammansättas, åstadkomma en totalreflektion vid substratets (2) nämnda andra yta av en av gíttret (3) diffrangerad stråle (ll).

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a d av att en ingång (S) är anordnad för inledning av den stråle (1) som skall uppdelas, mot gíttret (3), vilken ingång likaledes fungerar såsom utgång för en av ett flertal strålar i anordníngen sammansatt stråle (1).

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att ingången (5) är bildad av en öppning eller ursparing i skíktet (4), varvid den stråle (1) som skall uppdelas är anordnad att inledas genom ingången, genom gittret och mot substratet respektive den av ett flertal strålar (12) i anordníngen samman- satta strålen (1) är anordnad att utledas genom gittret och srfmiuæämnfia. öpnnifëafifllef “NP-Blåa , soosees-9 10

6. Anordning enligt krav l och 4, k ä n n e t e c k n a d av att ingången är bildad därigenom att det reflekterande skiktct (4) är anordnat över ett begränsat ytavsnitt av gittret, varvid en stråle (1) som skall uppdelas inledes genom substratet och gittret mot nämnda ytavsnitt resp. den av ett flertal strålar i an- ordníngen sammansatta strälen ntlcdos från ytuvsnittot via gittret och ut genom substratet.

7. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att det reflekterande skiktet (4) täcker väsentligen hela gittret (3) och att den stråle (1) som skall uppdelas, resp. den av ett flertal strålar (12) i anordningen sammansatta strålen (l) är anordnad att inledas genom substratct (2) och gíttret (3) mot den reflekterande beläggningen (4) respektive att bort- ledas via gittret ut genom snbstratet. i n

8. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att gíttret är utfört med högre verkningsgrad vid ingången än vid ett ingången omgivande område. I

9. Anordning enligt något av kraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a d av att gittret (3,3a) innefattar två eller Flera varandra korsande linjesknror, varvid linjerna i varje linjeskara företrädesvis är parallella och vkvidistantu varigenom en stråle (1) kan uppdelas i ett fält av parallella radvis ekvídistanta strålar (12) respektive ett fält av parallella radvis ekvidistanta strålar (12) kan sammansättas i en enda stråle (1).

10. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att gittrets linjer är utförda med icke parallella linjer och/eller icke raka linjer och/eller varierande linje- avstând varigenom en strñle kan uppdelas i ett flertal strålar vars inbördes avstånd vid anordningens yta respektive riktning relativt anordningen är bestämd av gittrets utförande, resp. varvid ett flertal strålar vilka infaller mot anordníngen med olika inbördes avstånd och/eller riktningar kan sammansättas i en enda stråle.