无热且高吞吐量的光栅的制作方法

专利名称：无热且高吞吐量的光栅的制作方法
相关申请本申请要求1999年9月14日提交的美国临时申请号60/153,913的利益，该申请通过引用全部结合于此。
背景技术：
发明领域本发明涉及光色散装置，尤其，涉及使用衍射光栅的热补偿光色散装置。
相关技术的描述色散装置通常用于科学和工业中，根据波长分离电磁辐射束或光束。尤其，这种装置适于接收具有相对较大组合光谱带宽的多色输入光束，并将输入光束转换成具有相对较窄带宽的多个输出光束成分。输出光束以波长决定的方向从色散装置出射，以允许随后处理输入光束的各个波长分量。
一种类型的光色散装置是衍射光栅。典型的衍射光栅包括平面基底和在基底上形成的相对较薄的波形层，使得波形层的波形外表面定义多个凹槽或狭缝。在反射型光栅的情况下，波形层由具有较高反射率的材料构成，使得入射在波形面的光被反射。在透射型光栅的情况下，提供的波形面具有较低的反射率，并且基底由透光材料构成，使得入射在波形面的光透射过光栅。
因此，当具有一般平面波前的多色入射在光束入射在典型光栅的波形面时，从光栅的每个凹槽中发射具有球面波前的子波。当子波离开光栅传播时，它们相互重叠和干涉，以提供具有波长所决定方向的多个实质单色的衍射光束。由于输出光束的光谱带宽依赖于光栅凹槽的数目，并且由于典型光栅波形面的每个单位长度上通常包括高密度的凹槽，所以提供的输出光束通常具有相对窄的光谱带宽。
数学上，衍射光栅的色散特征由以下等式定义s(sinθi±sinθm)＝mλ (1)其中s是光栅的凹槽间隔，λ是输出光束的波长，θi是相对于光栅平面的法线的入射角，θm是每个输出光束相对于光栅法线的出射或衍射角，m(或者秒为衍射级)可以是任意整数值，其中加号用于反射型光栅，减号用于透射型光栅。此外，输出光束的波长λ由以下等式定义λ=λfnmedium----(2)]]>其中λf(或秒为自由空间波长)是真空中衍射光束的波长，nmedium是衍射光束在其中传播的介质的折射率。
然而，本领域熟知的衍射光栅通常提供随温度变化而变化的不稳定色散特征。尤其，凹槽间隔通常受温度变化的影响，主要是由于光栅的基底具有非零的热膨胀系数(CTE)。由于凹槽间隔由波形面的形状定义，并且波形层与基底物理接触，所以凹槽间隔s可能随基底的膨胀或收缩而变化。由于根据等式(1)，凹槽间隔影响光栅的色散特征，所以典型衍射光栅的色散特征可以以温度决定的方式而变化。
与典型衍射光栅关联的另一问题是通常很难实现它们的理论最大效率。尤其，当输入和输出光束彼此基本上对准时，反射型光栅的效率增加。然而，在光栅附近配置附加单元的必要性所施加的附加约束要求从输入光束中角度分离出的输出光束之间定义相对大的角度。
例如，在一些结构中，通常要求透镜在光栅之前位于输入光束的通路中，以对准输入光束。此外，空间约束可以要求输入透镜位于光栅附近。为了防止输入透镜使输出光束失真，要求输出光束相对于输入光束定义相对大角度。因此，典型的光栅通常不能提供最佳的性能。
棱镜是另一种类型的色散装置，它通常用于从多色输入光束中提取窄带光束。典型的棱镜使用非平行折射输入和输出面，以及波长决定折射率的透明介质，以提供期望的色散特征。根据折射的斯涅尔定律，进入并出射棱镜每个折射面的光被折射，该定律在数学上可用以下等式表示nisinθi＝nrsinθr(3)其中ni是入射介质的折射率，θi是入射光束相对于折射面法线定义的入射角，nr是入射介质相邻的折射介质的折射率，θr是折射光束的折射角。由于棱镜的折射率依赖于其中传播光的自由空间波长，所以从输出面出射的光根据波长决定的方向。然而，由于典型棱镜的折射率通常以实质的方式随温度的变化而变化，所以棱镜的色散特征也相对不稳定，并随温度变化而变化。
另一种类型的色散装置包括衍射光栅和棱镜，以形成“光栅棱镜(grism)”。光栅棱镜的一个优点是它提供了便于对准光学系统中光栅棱镜的方便装配表面。此外，如Chen等人的美国专利号5,652,681中所述，光栅棱镜适于提供改进的分辨力，使得装置能够在较大的光谱范围上以增加的角度间隔精细地色散波长分量。然而，由于典型衍射光栅的凹槽间隔和典型棱镜的折射率都会受温度变化的不良影响，所以典型光栅棱镜的色散特征对温度变化尤其敏感。
因此，从以上描述中可以理解，需要一种改进的光色散装置，它具有相对于温度更稳定的色散特征。此外，需要一种具有增加吞吐量效率的色散装置。

发明内容
本发明满足了上述需要，本发明一方面包括一种色散装置，它具有输入面、衍射单元和输出面。输入面以随温度变化的角度折射光。衍射单元补偿这些角度变化，使得光以基本上独立于输入面角度变化的折射角从色散装置出射。
在一个实施例中，进入色散装置的光是多色光束，所述从色散装置出射的光是多个窄带输出光束。输入和输出面最好由棱镜构成，所述衍射单元最好具有衍射面。此外，衍射单元最好是与棱镜并列的衍射光栅。
在本发明的另一方面中，光色散装置将多色输入光束色散成多个窄带输出光束，使得每个输出光束以波长决定的出射角从色散装置出射。该装置包括折射率为np的透明介质构成的棱镜。棱镜具有装配面，用于接收输入光束的输入面，和用于提供所述输出光束的输出面。棱镜提供随温度变化而变化的第一色散特征。该装置还包括耦合到棱镜装配面的衍射光栅。衍射光栅提供随温度变化而变化的第二色散特征。第一和第二色散特征的变化相互合作，以实质地减小每个输出光束出射角随温度变化的变化。
在本发明的又一方面，色散装置包括用于折射所述输入光束的输入面，和在输入面折射所述输入光束之后，用于反射所述输入光束的反射面。该装置还包括在反射面反射所述输入光束之后，用于衍射所述输入光束的衍射面。衍射面提供至少一个衍射光束。该装置还包括用于折射至少一个衍射光束的输出面，以提供至少一个输出光束。
在一个实施例中，输入光束沿通路进入衍射面，该通路与从衍射面出射的至少一个衍射光束的通路基本并列，以增加衍射面的衍射效率。进入衍射面的输入光束与从衍射面出射的至少一个衍射光束部分重叠，以增加衍射面的衍射效率。作为输入光束经历全内反射的结果，输入光束在反射面处反射。
在本发明的又一方面，一种方法包括使光束通过介质沿第一通路到达衍射单元。然后，光束通过介质沿第二通路被衍射。在这种衍射之后，光束被折射入不同的介质，使光束沿第三光束通路。然后，改变第一和第二光束通路，而不实质改变第三光束通路。在一个实施例中，通过变化介质的温度而改变第一和第二光束通路。
本发明的另一方面是一种方法，其中包括是光束通过介质沿第一通路到达反射面。然后，光束被反射，并通过介质沿第二通路传播，第二通路从反射面延伸到衍射单元。然后，光束被衍射，并通过介质沿第三通路传播。在这种衍射之后，光束被折射入不同的介质中，使光束沿第四光束通路传播。
在一个实施例中，通过介质沿第三通路衍射光束包括通过介质沿第三通路衍射光束，使得第三通路与第二通路基本并列。在一个实施例中，该方法还包括改变第一、第二和第三光束通路，而不实质改变第四光束通路。在一个实施例中，改变第一、第二和第三光束通路包括改变介质的温度。
从以上的描述中，显而易见的是本发明较佳实施例的光色散装置能提供改进的色散特征。尤其，在本发明的一方面，光色散装置提供随温度变化保持基本不变的组合色散特征。此外，在本发明的另一方面，光色散装置提供较大的吞吐量效率。从以下的描述以及附图中，本发明的这些和其它目的和优点将更加明显。


图1是适于提供改进热补偿的光色散装置一个实施例的示意图；图2是说明图1中色散装置以波长决定方式改变窄带输入光束方向的示意图；图3是包括一对类似于图1中光色散装置的光色散装置的光色散组件的示意图；图4是适于提供改进吞吐量效率的光色散装置的示意图；图5是包括一对类似于图4中光色散装置的光色散装置的光色散组件的示意图。
较佳实施例的详细描述现在参考附图，其中全部用类似的标号指出类似的部分。如以下将要结合图1和2详细讨论的，提供的光色散装置30具有基本独立于温度的组合色散特征。此外，如将要结合图4讨论的，提供的光色散装置130具有改进的吞吐量效率。
图1说明了根据本发明一方面的光色散装置30。装置30包括与色散装配单元34连接的衍射光栅32。在一个实施例中，装配单元34是棱镜34。装置30适于在输入面52处接收具有多个波长分量的多色输入光束62。响应进入输入面52的输入光束30，装置30提供多个相应的输出光束66，与输入光束62的组合光谱带宽相比，输出光束66具有相对窄的光谱带宽。在一个实施例中，输出光束66是实质单色的。输出光束66以波长决定的出射角φr从装置30的输出面54出射。光栅32适于向光色散装置30提供第一色散特征，棱镜34适于向光色散装置30提供第二色散特征，所以光栅32和棱镜34组合，向光色散装置30提供具有改进热稳定性的组合色散特征。
如图1所示，在一个实施例中，光色散装置30的光栅32包括一般的平面基底30，基底具有第一宽表面38和具有波形面42的波形层40，使得波形层40从基底36的表面38开始延伸。波形面42包括多个窄凹槽44，这些凹槽在图1中以夸大的方式表示。凹槽44之间间隔相对小的凹槽间隔s，s是沿基底36的平面测量的。形成的波形面42具有实质的反射率，使得光栅32用作反射装置。
在一个实施例中，使用传统的复制技术形成光栅32，使得来自主光栅的模型可用于印刷具有波形面42的复制光栅32，波形面42上具有多个平行凹槽44。为了避免使与光栅32关联的最强烈干涉的最大值成为没有光色散的零级，光栅32最好被焰刻为一级(m＝-1)。因此，相对于基底36的平面确定每个凹槽44的表面角度。然而，可以理解其它类型的光栅也可以用于其它实施例。例如，可以使用非炫耀光栅、全息光栅和透射光栅。
在较佳实施例中，衍射光栅32适于以与传统衍射光栅一致的方式衍射光，向光色散装置30提供第一色散特征。衍射光栅32适于改变输入光束的方向，该输入光束具有自由空间波长λf，也就是真空中测量到的光栅波长，和相对于衍射光栅平面的入射角θi，使得根据上述等式(1)，提供的每个输出光束具有衍射角θm。由于最好将光束焰刻为一级，所以对于m＝-1的衍射级，增强衍射光能量与入射光能量的比值(或称为衍射效率)。
如图1所示，光色散装置30的棱镜34包括多个一般的平面折射面50。折射面50包括输入面52、输出面54和装配面56，使得输入面52和装配面56定义入射角α，输出面54和装配面56定义出射角γ。棱镜34的输入面52用作光色散装置30的输入口60，使输入多色光束能够完全进入光色散装置。棱镜34的输出面54用作光色散装置30的输出口64，使多个窄带输出光束66能够以波长决定的方向从中出射。棱镜34由折射率为np的透明材料构成，该折射率依赖于其中传播光的波长。
如图1所示，在较佳实施例中，将光栅32直接装配到棱镜34的装配面56上，向光色散装置30提供衍射面58。光栅32邻接棱镜34的装配面56，使得光栅32的基底36平面基本上平行于棱镜34的装配面56平面。光栅波形面42邻接装配面56，使得波形面42成为衍射面58。在光栅32和棱镜34之间以填平方式插入厚度为T的透明环氧薄层68，使得环氧68接合到光栅32的波形面42和棱镜34的装配面56。形成的环氧68最好具有与棱镜折射率基本上相等的折射率，以防止光在装配面56处反射。
虽然如图1所示，光色散装置30的较佳实施例使用装配到棱镜34上的分别形成的光栅，但是可以理解在另一实施例中，可以提供其它的衍射面。例如，在一个实施例中，棱镜34的表面56可以像图1中光栅32的波形面42一样是波形的。
参考图2，其中显示了光色散装置30的组合色散特征。在该简化的实例中，自由空间中心波长为λf的窄带输入光束70，如单色光束，被导向光色散装置30的输入面52。然后，装置30改变输入光束70的方向，使得具有相同自由空间中心波长λf的输出光束72从装置30的输出面54出射，因此定义相对于输出面54的法线的出射角φr。
如图2所示，输入光束70通过折射率为ni的入射介质74，如空气，朝向棱镜34的输入面52，以定义相对于输入面52的法线的第一入射角βi。一旦到达输入面52，输入光束70经历折射，因此根据以下等式提供第一折射光束76nisinβi＝npsinβr(4)其中βr是相对于输入面52的法线的折射角。
如图2所示，折射光束76通过棱镜34，朝向沿装配面56配置的光栅32。光束76接近装配面56，以定义相对于装配面56平面的法线的第二入射角θi。根据几何等式，角θi与βr和棱镜的入射角α相关θi＝α-βr(5)
如图2所示，衍射光栅32将光束76衍射成通过装配面56再次进入棱镜34的衍射光束78。根据上述衍射光栅等式，衍射光束78定义相对于装配面56的法线的衍射角θm，在这种情况下该等式表示为s(sinθi+sinθm)=-λfnp----(6)]]>如图2所示，衍射光栅78在从棱镜34的输出面54出射之前通过棱镜34传播，因此定义相对于输出面54的法线的第三入射角φi。根据几何等式，角φi与θm和棱镜的出射角γ相关φi＝γ-θm(7)衍射光束78在输出面54处经历折射，因此根据以下等式提供输出光束72npsin(θi)＝nrsin(θr) (8)其中nr是棱镜34以外邻近输出面54的介质的折射率。在较佳实施例中，输出面54附近的介质是空气。
根据等式(4)-(8)，显而易见的是出射角φr依赖于第一入射角βi、棱镜的折射率np、棱镜的入射角α、光栅的凹槽间隔s、棱镜的出射角γ、和输出光束的自由空间波长λf。这说明了图1的多色输入光束为什么被色散成多个相应的窄带输出光束，每个输出光束具有唯一的出射角φr。然而，由于np和s通常随温度变化而变化，所以如果没有以下将详细描述的光色散装置30的热补偿设计特征，那么出射角φr可能以实质的方式变化。
为了减小光色散装置30的出射角φr随温度变化的变化，在一个实施例中，光色散装置30适于用s的热导变化的影响来减小np的热导变化的影响。具体而言，根据等式(4)-(8)，光色散装置30由被选材料构成，使得棱镜34折射率相对于温度变化的变化速率(dn/dT)和光栅32凹槽间隔s相对于温度变化的变化速率(ds/dT)提供相对较小的相对于温度变化的出射角φr变化速率(dφr/dT)。
例如，在一个实施例中，通过向波形层40施加温度所决定的应力，光栅32适于具有期望的ds/dT值。这种应力可以是光色散装置30热膨胀的结果。尤其，可以通过选择具有适当热膨胀系数(CTE)的波形层40材料，选择波形层40的ds/dT。作用在波形层40上的热应力还可以进一步定义ds/dT项。例如，由于波形层40直接粘合到基底36，所以基底36适于向波形层40施加依赖于基底36的CTE的热应力。由于波形层40直接粘合到环氧68，所以环氧68适于向波形层施加依赖于环氧的CTE的热应力。此外，由于棱镜34粘合到环氧68，所以棱镜适于通过环氧68间接地向波形层40施加热应力，其中施加在波形层40上的热应力依赖于环氧68的弹性模数、环氧68的厚度和棱镜38的CTE。
在一个实施例中，随温度的变化，将光栅32的凹槽间隔s维持在相对恒定的值。这通过选择具有较小CTE的基底36材料而实现。在一个实施例中，环氧68由具有充分厚度的高弹性材料构成，使得光栅32基本上与棱镜34的热膨胀隔离。可以选择棱镜34的材料，使之具有相对小的CTE。
在一个实施例中，形成光色散装置30，使得光栅32的ds/dT实质为零，并使棱镜的dn/dT实质为非零。为了提供热补偿，形成的光色散装置30具有适当的α、γ和np值，使得根据等式(4)-(8)，实质非零的dn/dT对的φr的影响基本上无效。例如，如果棱镜的折射率np增加，那么根据等式(4)折射角βr减小，并且根据等式(5)入射角θi减小。相应地，根据等式(6)衍射角θm放大，根据等式(7)入射角φi减小。选择φi的减小，使得np和sin(φi)的积相对不变，根据等式(8)，基本维持φr。
因此，可以理解本领域熟练的技术人员具有设计光色散装置30的足够自由，以减小dφr/dT。在一个实施例中，选择光色散装置的材料和形状，使得非零ds/dT的影响抵消非零dn/dT的影响。在另一实施例中，光色散装置适于实质为零的ds/dT和实质非零的dn/dT，使得变化的np不改变φr。
因此，可以理解光色散装置30能够以比本领域中熟知色散装置更理想的方式色散光。通过计算棱镜34热决定折射率的影响和光栅32热决定凹槽间隔的影响，光色散装置30的出射角φr对温度的变化不敏感。此外，在一个实施例中，光色散装置30适于使光栅32的凹槽间隔s对温度变化相对不敏感，并使光栅32的折射率np基本上受温度变化的影响。然而，在该实施例中，选择棱镜34的成分和形状，使输出光束66的出射角φr基本上独立于光色散装置30的温度。
参考图3，其中显示了根据本发明另一方面的光色散组件80。图3的组件80包括多个光色散装置82，每个光色散装置基本上类似于图1的光色散装置30，使得色散装置82共用一个装配单元84。在较佳实施例中，色散组件80的装配单元84是具有第一和第二装配面86、88的棱镜84。组件80还包括以图1中光色散装置30的方式分别装配在棱镜84装配面86、88上的第一和第二衍射光栅90、92，以提供匹配的第一和第二色散装置82a、82b。此外，色散组件80适于使分别入射在组件80第一和第二输入面98、100的第一和第二输入光束94、96色散成第一组和第二组多个输出光束102、104。此外，通过使组件80适应图1中装置30的热补偿特征，输出光束102、104分别以波长决定的方向从组件80的第一和第二输出面106、108出射，该方向不受温度变化的影响。
可以理解组件80提供了多个优点。尤其，由于在制造过程中第一和第二衍射光栅90、92固定地装配在单个棱镜84上，所以光栅90、92彼此保持固定的对准。因此，当与使用单个不耦合衍射光栅的色散装置比较时，图3的色散组件80不易受机械振动或重新对准色散组件80的误导努力的影响。此外，通过简单地将棱镜84与输入光束94、96对准，使输入光束94、96以期望的入射角进入棱镜80的输入面94、96，可以实现第一和第二光栅90、92之间相对精确的对准。因此，色散组件80便于使输出光束102、104具有相对小的方向误差。
参考图4，其中显示了光色散装置130的一个实施例，该装置适于通过减小进入和出射色散装置130衍射光栅132的入射和衍射光栅之间的角间隔，提供改进的吞吐量效率。
如图4所示，装置130类似于图1的装置30。尤其，装置包括具有输入面152、输出面154和装配面156的棱镜134。装置130还包括类似于图1的衍射光栅132，以提供衍射面136。尤其，装置130装配在棱镜134的装配面156上，使得入射在棱镜134输入面152的输入光束162被衍射光栅132实质衍射，以提供至少一个从输出面154出射的输出光束166。此外，装置130适于以上结合图1中装置30描述的热补偿特征，以提供随温度变化基本不变的色散特征。然而，如以下将要详细描述的，装置130定义棱镜134中的输入和输出光束通路146、148，以实现改进的光栅132衍射效率。
如图4所示，棱镜134适于使进入棱镜134输入面152的输入光束162在棱镜134中沿输入光束通路146从输入面152传播到装配面156。尤其，输入光束通路146包括向棱镜134中反射位置211延伸的第一段210。输入光束通路164还包括从反射位置211延伸到衍射面136的第二段212，使得输入光束146定义相对于衍射面136法线的入射角θi。
在一个实施例中，作为全内反射(TIR)的结果，在反射位置211处发生输入光束162的反射。尤其，输入光束通路第一段210向棱镜134的第一外表面218延伸，并定义相对于第一表面218法线的入射角κi。棱镜134适于使入射角κi大于第一表面218处的临界角，临界角定义为sin-1(np/nout)其中nout是棱镜134外接第一表面218的介质的折射率，np是棱镜134的折射率。
如图4所示，输入光束通路146的第一段210从输入面152延伸到输出面154。一旦到达了输出面154，输入光束162就经历TIR，并改变方向沿输入光束通路146的第二段212从输出面154向装配面156延伸。
棱镜132适于使衍射面136发出的输出光束166在棱镜134中沿输出光束通路148从衍射面136传播到输出面154。输出光束通路148包括从装配面延伸到输出面154的第一段214，它沿衍射角θm根据等式(6)相对于衍射面136所定义方向。输出光束通路148的第一段214还定义相对于输出面154的入射角φi。输出光束通路定义的入射角φi小于临界角，所以不发生TIR。在一个实施例中，沿棱镜132的输出面154配置抗反射涂层，以增强输出光束166通过输出面154的透射，而不阻止输入光束162的TIR。
装置130适于使输入光束通路146的第二段212和输出光束通路148的第一段214定义较小的角度Ω。在一个实施例中，Ω小于5°。由于角度Ω小于现有技术装置所通常提供的，所以衍射光栅132能够实现改进的衍射效率。此外，由于输入和输出光束162、166分别通过空间分离的输入面和输出面152、154进入和出射装置，所以光栅不易受接近分量的影响。
例如，在一个实施例中，透镜216邻近装置130的输入面152，如图4所示它位于输入光束162的通路中。然而，由于输出光束166从输出面154出射并沿与输入面152实质分离的区域传播，所以输出光束166不进入透镜216。因此，输出光束166不受透镜216的影响。
在一个实施例中，装置130适于使具有椭圆截面形状的输入和输出光束162、166在棱镜134的输出面154处彼此部分重叠。由于输入光束162具有延伸的带宽，所以输入光束162沿宽度为W1的第一入射区域220入射在输出面154上。类似地，由于输出光束166具有延伸的带宽，所以输出光束166沿宽度为W2的第二入射区域222入射输出面154。由于输入和输出光束162、166之间的角度Ω较小，所以如图4所示第二入射区域与第一入射区域部分重叠。
因此，可以理解图4的光色散装置130提供了增加吞吐量效率的优点。通过提供在折射面136处定义较小Ω角的输入和输出光束通路146、148，可以实现该优点，较小的Ω角增加了光栅132的衍射效率。例如，已经确定如果Ω角从15°减小到5°，衍射光栅132的衍射效率可以增加10％。此外，无需输入和输出光束162、166彼此邻近地通过棱镜外部，就能实现该优点。因此，该装置结合附加光学单元使用，使得附加单元适于影响一个光束，而不影响另一个。
参考图5，其中显示了包括多个光色散装置182的光色散组件180的一个实施例，光色散装置182基本上类似于图4的光色散装置130。在一个实施例中，组件包括一个棱镜234和一个衍射光栅232，衍射光栅适于提供分离的衍射面242和243。
因此，组件180提供图1中装置30、图2中组件80和图3中装置130的优点。尤其，组件180提供改进的热稳定性和改进的衍射效率。此外，由于色散装置182共用同一棱镜234，所以组件180的色散装置182可以以更可靠的方式彼此对准。此外，由于组件180的所有单元都牢固地连接在一起，所以在使用中组件180不易偏离。此外，由于组件180包括单个光栅232，所以可以进一步简化组件180中色散装置182之间的对准，因此能以低成本制造组件180。
虽然本发明的较佳实施例显示、描述并指出了应用于这些实施例的本发明的基本新颖特征，但是应该理解不脱离本发明的精神，本领域熟练的技术人员可以对所示装置细节的形式进行各种省略、替代和变化。因此，本发明的范围不限于以上描述，而是应该由以下权利要求书定义。
权利要求
1.一种用于色散光的色散装置，其特征在于，该装置包括输入面，它以随温度变化的角度折射所述光；衍射单元；和输出面，它折射所述光，所述衍射单元补偿所述输入面处的所述角度变化，使所述光通过以基本独立于所述角度变化的角度折射而从色散装置出射。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进入色散装置的所述光是多色光束，从色散装置出射的所述光是多个窄带输出光束。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衍射单元包括一衍射面。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入面和输出面由棱镜构成，所述衍射单元是与棱镜并列的衍射光栅。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述衍射光栅是反射型衍射光栅。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述衍射光栅固定地装配到所述棱镜上。
7.一种用于将多色输入光束色散成多个窄带输出光束，并使每个输出光束以波长决定的出射角从色散装置出射的光色散装置，其特征在于，该装置包括折射率为np的透明介质构成的棱镜，所述棱镜包括装配面，接收所述输入光束的输入面和输出所述输出光束的输出面，所述棱镜提供随温度变化而变化的第一色散特征；和耦合到棱镜装配面的衍射光栅，所述衍射光栅提供随温度变化而变化的第二色散特征，其中第一和第二色散特征的所述变化彼此结合，以实质减小各输出光束出射角随温度变化的变化。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第二色散特征由np定义。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，衍射光栅包括具有表面的基底，所述衍射光栅还包括沿基底表面配置的波形层。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，波形层是焰刻的。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述波形层的形状进一步定义第二色散特征。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，响应温度的变化，所述波形层经历形状变化。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述波形层暴露于至少一种温度决定的应力中。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，至少一种温度决定的应力包括衍射光栅的基底施加的第一应力。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，至少一种温度决定的应力还包括棱镜施加的第二应力。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括以实质的填平方式介于棱镜和衍射光栅波形层之间的环氧层，使得通过环氧层间接地施加棱镜向波形层施加的第二应力。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，环氧层适于减小第二应力。
18.如权利要求8所述的装置，其特征在于，np值随温度变化。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，响应温度的变化，基本上保持波形层的形状。
20.一种用于将输入光束色散成至少一个输出光束的色散装置，其特征在于，该装置包括输入面，用于折射所述输入光束；反射面，用于在输入面折射所述输入光束之后，反射所述输入光束；衍射面，用于在反射面反射所述输入光束之后，衍射所述输入光束，所述衍射面提供至少一个衍射光束；和输出面，用于折射至少一个衍射光束，以提供至少一个输出光束。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述输入光束沿一通路进入衍射面，该通路基本对准从衍射面出射的至少一个衍射光束的通路，以增加衍射面的衍射效率。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，进入衍射面的所述输入光束和从衍射面出射的至少一个衍射光束确定一小于5°的角。
23.如权利要求20所述的装置，其特征在于，进入衍射面的所述输入光束与从衍射面出射的至少一个衍射光束部分重叠，以增加衍射面的衍射效率。
24.如权利要求20所述的装置，其特征在于，作为输入光束经历全内反射的结果，在反射面处发生输入光束的所述反射。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述反射面包括输出面。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，光色散装置还包括沿输出面配置的抗反射涂层，所述涂层不阻止进入反射面的输入光束经历全内反射，所述涂层实质阻止至少一个衍射光束在输出面处反射。
27.一种方法，其特征在于，该方法包括以下步骤引导光束，使之沿第一通路通过介质并到达衍射单元；在所述引导步骤后，衍射该光束，使之沿第二通路通过介质；在所述衍射步骤后，将光束折射入不同的介质，引导光束，使之沿第三光束通路；和改变第一和第二光束通路，而不实质改变第三光束通路。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，改变第一和第二光束通路而不实质改变第三光束通路的步骤包括改变介质的温度。
29.一种方法，其特征在于，该方法包括以下步骤引导光束，使之沿第一通路通过介质并到达反射面；在所述引导步骤后，反射该光束，使之沿从反射面延伸到衍射单元的第二通路通过介质；在所述引导步骤后，衍射该光束，使之沿第三通路通过介质；和在所述衍射步骤后，将光束折射入不同的介质，引导光束，使之沿第四光束通路。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，衍射光束，使之沿第三通路通过介质的步骤包括衍射光束，使之沿第三通路通过介质，使得第三通路与第二通路基本上并列。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括改变第一、第二和第三光束通路，而不实质改变第四光束通路。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，改变第一、第二和第三光束通路而不实质改变第四光束通路的步骤还包括改变介质的温度。
全文摘要
一种光色散装置,它用于将多色输入光束色散成多个窄带输出光束,使得以波长决定的方式引导输出光束,并且输出光束的方向受温度变化的影响较小。该装置的较佳实施例包括装配在棱镜表面上的衍射光栅。光栅和棱镜具有使装置的输出对温度变化基本不敏感的色散特征。在一个实施例中,该装置适于减小光栅处输入光束和输出光束之间的角度,以此改进吞吐量效率。
文档编号G02B1/11GK1390310SQ00815652
公开日2003年1月8日 申请日期2000年8月24日 优先权日1999年9月14日
发明者W·L·德鲍衣恩顿, J·F·菲尔哈伯尔, J·P·康迪斯, B·A·斯科特 申请人:康宁股份有限公司