阅读说明：本技术 用于发光辐射的空间调控的光学器件的多通道腔 (Multi-channel cavity for spatially modulated optics of luminescence radiation ) 是由 C·雅卡尔 P·德比奥勒 B·德诺勒 G·拉布罗伊 O·皮内尔 于 2018-12-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及多通道腔(1),其由平坦支撑台(2)、第一反射光学元件(3)和第二反射光学元件(3’)的组件组成,第一反射光学元件(3)和第二反射光学元件(3’)的每一个具有彼此相对布置的主表面(3a、3’a),至少一个光学元件(3、3’)的主表面(3a、3’a)是微结构化的,以改变入射发光辐射的相位,该入射发光辐射在每个光学元件(3、3’)上被多次反射以形成变换后的辐射,多通道腔(1)的特征在于：多通道腔(1)精确地包括三个组装交界面。(The invention relates to a multi-channel cavity (1) consisting of an assembly of a flat support stage (2), a first reflective optical element (3) and a second reflective optical element (3'), each of the first reflective optical element (3) and the second reflective optical element (3') having a main surface (3a, 3'a) arranged opposite to each other, the main surface (3a, 3' a) of at least one optical element (3, 3') being microstructured for varying the phase of incident luminescence radiation, which is multiply reflected on each optical element (3, 3') to form transformed radiation, the multi-channel cavity (1) being characterized in that: the multi-channel cavity (1) comprises exactly three assembly interfaces.)

用于发光辐射的空间调控的光学器件的多通道腔

技术领域

本发明涉及一种用于调控发光辐射的光学器件。更具体地，本发明涉及一种包括多通道腔的光学器件，所述多通道腔构造为改变发光辐射的横向相位分布。

背景技术

US 9250454和US 2017010463公开了由首字母缩写词MPLC(Multi Plane LightConversion，多平面光转换)表示的光学器件，该光学器件可以对发光辐射进行任何酉空间变换。

就理论的角度而言，正如Morizur等人于2010年11月在J.Opt.Soc.Am.A的第27卷、第11期所发表的“Programmable unitary spatial mode manipulation”，酉空间变换可以有效地分解为一系列的初等变换(transformations primaires)，每次初等变换会影响发光辐射的横向相位分布。实际上，在不形成该技术的任何限制的情况下，MPLC组件通常采用3至25次初等变换。

在G.Labroille、P.Jian、N.Barré、B.Denolle以及J.Morizur于光纤通信会议上发表的文章“Mode Selective 10-Mode Multiplexer based on Multi-Plane LightConversion”，(OSA技术摘要(在线)(美国光学协会、2016年)、论文Th3E.5)中公开了一种MPLC器件的具体实施方式。所述MPLC器件包括：支撑台、输出级和反射镜，在所述支撑台上布置有输入级，从而可以将入射发光辐射注入到器件中；所述输出级用于从器件提取变换后的发光辐射；所述反射镜布置为在反射光学元件对面，用于形成多通道腔，并且可以多次将入射发光辐射投射并反射到光学元件上。光学元件具有微结构化的主表面，用于将信号的横向相位分布的改变应用于入射辐射的每次反射。

构成这种器件的部件必须相对于彼此以非常高的准确度进行定位和定向。为了对入射发光辐射进行所选择的变换，需要这样的精度以确保入射发光辐射在微结构化区域精确地拦截光学元件。尤其是在相同的部件可以多次(如上所述，通常为3至25次)拦截入射辐射的光路的情况下，需要组成器件的光学部件的布置的精度，因此，即使在定位或取向上与所需的定位存在较小的偏差，也可能对器件的正常工作具有重大影响。

另外，光学定位公差(在微米的精度，关于角度的准确性在微弧度的精度)比部件的几何制造公差小得多(至少在寻求可以以合理的成本生产的部件的情况下)，因此，这些部件在其组装位置中的位置通常不能以必要的准确性预先确定。

为了将部件组装到支撑台上，特别是为了形成多通道腔，首先将输入级、反射镜以及光学元件相对于彼此大致定位。入射发光辐射注入到由此形成的腔中，并且检测离开腔的发光信号的强度。还在所有可用的自由度内尽可能精细地调节输入级、反射镜以及光学元件的相对位置和取向，以优化检测到的强度。例如通过可调节的固定夹来暂时固定最佳相对定位和取向。

然后，通过胶水层或粘合剂层，使用具有平坦表面以及彼此垂直的邻接表面的校准立方体(或更一般地说，校准部件)来将输入级、反射镜以及光学元件固定在支撑台上的最佳位置。

校准立方体的两个平坦表面设置为分别与支撑台的平坦表面以及待固定的部件的平坦组装面进行接触。通过利用相对多的平面接触，从而确保组件的鲁棒性和稳定性。通常，“组装交界面”是组装在一起的两个部件的接触面之间的平面接触。

当待固定的部件在空间中的取向不能够提供可以与支撑台或与布置在支撑台上的第一校准立方体进行平面接触的表面时，立方体可以通过这样的方式在其平坦表面处组装在一起：该组件的一个表面可以与待固定的部件的组装面进行平面接触，然后该组件的另一个表面可以与支撑台进行平面接触。

可以采用相同的方法在支撑台上组装形成光学元件的每个部件。

图1显示了由平坦支撑台2和彼此相对布置的两个反射光学元件3、3'组成的多通道腔1的示意性立体图。第一光学元件3具有微结构化的主表面3a，该主表面3a用于改变入射发光辐射的相位。通过第一校准立方体4将第一光学元件3组装到平坦支撑台上，第一校准立方体4的第一表面与支撑台平面接触，而与第一表面垂直的另一表面与第一光学元件的组装面3b平面接触。第二光学元件3'(其在此对应于简单的反射镜)通过第二校准立方体4'布置在支撑台2上，第二校准立方体4'的一个表面与支撑台2平面接触。第二立方体4'的第二表面与第三立方体4”的第一表面进行平面接触。第三立方体4”本身在与其第一表面垂直的第二表面处与反射镜3'的组装面3b'平面接触。这种立方体组合使得反射镜能够精确地沿着主轴线A有角度地定向，并且通过组装交界面固定该取向(以及在与轴线A垂直的两个方向上的取向)。

在这样的组件模型中，每个交界面都是潜在的故障来源。组件可能受到的应力(例如，由热引起的)可以导致轻微位移的产生，这有可能影响器件的正常工作。这同样适用于能够使两个表面接合在一起的粘合剂层或胶水层，粘合剂层或胶水层的性质可能随时间并根据器件所暴露的环境条件而变化。

本发明旨在减轻上述缺点中的一些或全部。

发明内容

为了实现这些目标中的一个，本发明的目标是提出一种由平坦支撑台、校准部件、第一反射光学元件和第二反射光学元件的组件组成的多通道腔，第一反射光学元件和第二反射光学元件的每一个具有彼此相对布置的主表面，至少一个光学元件的主表面是微结构化的，以改变入射发光辐射的相位，该入射发光辐射在每个光学元件上被多次反射以形成变换后的辐射。

根据本发明，多通道腔精确地包括在平坦支撑台、校准部件、第一反射光学元件和第二反射光学元件之间的三个组装交界面。

通过将多通道腔中的组装交界面的数量限制为三个，限制了组成部件的相对定位和取向随时间变化的风险。

根据本发明的其他有利和非限制性特征，单独考虑或以任何技术上可行的组合考虑：

-支撑台包括由至少一个平坦边缘界定的主表面，其中第一反射光学元件在第一组装交界面处组装到支撑台的平坦边缘，第二反射光学元件的主表面由至少一个平坦侧边缘界定，该平坦侧边缘在第二交界面处组装到校准部件的第一平坦表面，校准部件具有与第一平坦表面垂直的另一个平坦表面，该另一个平坦表面在第三交界面处组装到支撑台上；

-第一光学元件的主表面或第二光学元件的主表面是微结构化的，第一反射光学元件的主表面由纵向平坦边缘界定，该纵向平坦边缘组装到支撑台的平坦表面，第二反射光学元件的主表面由至少一个侧平坦边缘界定，该侧平坦边缘在第二交界面处组装到校准部件的第一平坦表面，校准部件具有与第一平坦表面垂直的另一个平坦表面，该另一个平坦表面在第三交界面处组装到支撑台上；

-第一光学元件的主表面和第二光学元件的主表面是微结构化的；

-仅第一光学元件的主表面是微结构化的，或者仅第二光学元件的主表面是微结构化的。

附图说明

从以下参考附图给出的本发明的详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1显示了根据现有技术的多通道腔的示意性立体图；

-图2显示了根据本发明的第一实施方案的多通道腔；

-图3显示了根据本发明的第二实施方案的多通道腔。

具体实施方式

。所述MPLC器件包括：支撑台、输出级和反射镜，在所述支撑台上布置有输入级，从而可以将入射发光辐射注入到器件中；所述输出级用于从器件提取变换后的发光辐射；所述反射镜布置为在反射光学元件对面，用于形成多通道腔，并且可以多次将入射发光辐射投射并反射到光学元件上。光学元件具有微结构化的主表面，用于将信号的横向相位分布的改变应用于入射辐射的每次反射。

构成这种器件的部件必须相对于彼此以非常高的准确度进行定位和定向。为了对入射发光辐射进行所选择的变换，需要这样的精度以确保入射发光辐射在微结构化区域精确地拦截光学元件。尤其是在相同的部件可以多次(如上所述，通常为3至25次)拦截入射辐射的光路的情况下，需要组成器件的光学部件的布置的精度，因此，即使在定位或取向上与所需的定位存在较小的偏差，也可能对器件的正常工作具有重大影响。

另外，光学定位公差(在微米的精度，关于角度的准确性在微弧度的精度)比部件的几何制造公差小得多(至少在寻求可以以合理的成本生产的部件的情况下)，因此，这些部件在其组装位置中的位置通常不能以必要的准确性预先确定。

为了将部件组装到支撑台上，特别是为了形成多通道腔，首先将输入级、反射镜以及光学元件相对于彼此大致定位。入射发光辐射注入到由此形成的腔中，并且检测离开腔的发光信号的强度。还在所有可用的自由度内尽可能精细地调节输入级、反射镜以及光学元件的相对位置和取向，以优化检测到的强度。例如通过可调节的固定夹来暂时固定最佳相对定位和取向。

然后，通过胶水层或粘合剂层，使用具有平坦表面以及彼此垂直的邻接表面的校准立方体(或更一般地说，校准部件)来将输入级、反射镜以及光学元件固定在支撑台上的最佳位置。

校准立方体的两个平坦表面设置为分别与支撑台的平坦表面以及待固定的部件的平坦组装面进行接触。通过利用相对多的平面接触，从而确保组件的鲁棒性和稳定性。通常，“组装交界面”是组装在一起的两个部件的接触面之间的平面接触。

当待固定的部件在空间中的取向不能够提供可以与支撑台或与布置在支撑台上的第一校准立方体进行平面接触的表面时，立方体可以通过这样的方式在其平坦表面处组装在一起：该组件的一个表面可以与待固定的部件的组装面进行平面接触，然后该组件的另一个表面可以与支撑台进行平面接触。

可以采用相同的方法在支撑台上组装形成光学元件的每个部件。

图1显示了由平坦支撑台2和彼此相对布置的两个反射光学元件3、3'组成的多通道腔1的示意性立体图。第一光学元件3具有微结构化的主表面3a，该主表面3a用于改变入射发光辐射的相位。通过第一校准立方体4将第一光学元件3组装到平坦支撑台上，第一校准立方体4的第一表面与支撑台平面接触，而与第一表面垂直的另一表面与第一光学元件的组装面3b平面接触。第二光学元件3'(其在此对应于简单的反射镜)通过第二校准立方体4'布置在支撑台2上，第二校准立方体4'的一个表面与支撑台2平面接触。第二立方体4'的第二表面与第三立方体4”的第一表面进行平面接触。第三立方体4”本身在与其第一表面垂直的第二表面处与反射镜3'的组装面3b'平面接触。这种立方体组合使得反射镜能够精确地沿着主轴线A有角度地定向，并且通过组装交界面固定该取向(以及在与轴线A垂直的两个方向上的取向)。

在这样的组件模型中，每个交界面都是潜在的故障来源。组件可能受到的应力(例如，由热引起的)可以导致轻微位移的产生，这有可能影响器件的正常工作。这同样适用于能够使两个表面接合在一起的粘合剂层或胶水层，粘合剂层或胶水层的性质可能随时间并根据器件所暴露的环境条件而变化。

本发明旨在减轻上述缺点中的一些或全部。

发明内容

为了实现这些目标中的一个，本发明的目标是提出一种由平坦支撑台、校准部件、第一反射光学元件和第二反射光学元件的组件组成的多通道腔，第一反射光学元件和第二反射光学元件的每一个具有彼此相对布置的主表面，至少一个光学元件的主表面是微结构化的，以改变入射发光辐射的相位，该入射发光辐射在每个光学元件上被多次反射以形成变换后的辐射。

根据本发明，多通道腔精确地包括在平坦支撑台、校准部件、第一反射光学元件和第二反射光学元件之间的三个组装交界面。

通过将多通道腔中的组装交界面的数量限制为三个，限制了组成部件的相对定位和取向随时间变化的风险。

根据本发明的其他有利和非限制性特征，单独考虑或以任何技术上可行的组合考虑：

-支撑台包括由至少一个平坦边缘界定的主表面，其中第一反射光学元件在第一组装交界面处组装到支撑台的平坦边缘，第二反射光学元件的主表面由至少一个平坦侧边缘界定，该平坦侧边缘在第二交界面处组装到校准部件的第一平坦表面，校准部件具有与第一平坦表面垂直的另一个平坦表面，该另一个平坦表面在第三交界面处组装到支撑台上；

-第一光学元件的主表面或第二光学元件的主表面是微结构化的，第一反射光学元件的主表面由纵向平坦边缘界定，该纵向平坦边缘组装到支撑台的平坦表面，第二反射光学元件的主表面由至少一个侧平坦边缘界定，该侧平坦边缘在第二交界面处组装到校准部件的第一平坦表面，校准部件具有与第一平坦表面垂直的另一个平坦表面，该另一个平坦表面在第三交界面处组装到支撑台上；

-第一光学元件的主表面和第二光学元件的主表面是微结构化的；

-仅第一光学元件的主表面是微结构化的，或者仅第二光学元件的主表面是微结构化的。

附图说明

从以下参考附图给出的本发明的详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1显示了根据现有技术的多通道腔的示意性立体图；

-图2显示了根据本发明的第一实施方案的多通道腔；

-图3显示了根据本发明的第二实施方案的多通道腔。

具体实施方式

为了简化以下描述，在现有技术或在本发明的各种呈现的实施方式中，相同的附图标记将用于相同的元件或执行相同功能的元件。

为了清楚起见，本申请将发光辐射定义为由电磁场的至少一种模式形成的辐射，每种模式形成场的振幅、相位以及偏振的空间频率分布。因此，发光辐射的相位的改变、调控或变换是指辐射的至少一种模式的空间频率的改变或变换。

辐射的“形状”应指模式的振幅的横向分布和相位的横向分布，或者形成辐射的模式的横向振幅和相位分布的组合。

概括地说，本说明书涉及一种用于调控入射发光辐射以形成变换的发光辐射的光学器件。有利地，入射发光辐射的形状与变换后的发光辐射的形状彼此不同。入射发光辐射的调控涉及在多次初等变换(所述多次初等变换组合以执行特定的光学功能)期间，该辐射的横向相位分布的受控的改变。这可能涉及入射辐射的空间复用或解复用，或者在空间域中的任何其他模式(modale)变换。例如，可以涉及4次或更多次初等变换，例如8次、10次、12次、14次甚至20次或更多次的初等变换。

光学器件在支撑台2上包括用于将入射发光辐射变换为变换后的发光辐射的多通道腔1。当这些辐射不是通过在自由空间中的简单传输而简单地注入器件1和/或从器件1提取时，光学器件可以可选择地包括输入级和输出级，所述输入级和输出级分别用于引导入射发光辐射的注入和从腔1提取变换后的发光辐射。

为了简化显示了本发明的各个实施方式的附图，已经从这些附图中省略了输入级和输出级。

图2显示了根据本发明的第一实施方案的多通道腔1。

多通道腔1由平坦支撑台2、校准部件4以及彼此相对布置的两个反射光学元件3、3'的组件组成。不需要其他部件来形成多通道腔1，即不需要其他部件将支撑台2、校准部件和两个反射光学元件以相对位置和取向组装在一起从而使腔起作用。

第一光学元件3具有微结构化的主表面3a，该主表面3a面向腔1的内部。该微结构构造为改变入射发光辐射的相位，该入射发光辐射在大体沿着方向P于腔1中传输期间被多次反射。

术语“微结构化的面或表面”应指，例如，所述面或表面可以具有尺寸在从几微米至几百微米范围的“像素”。相对于限定所讨论的面或表面的平均平面，每个像素具有高度，高度至多为几微米或至多为几百微米。

如图2清楚地所示，第一光学元件3的主表面3a包括多个微结构化区域6，每个微结构化区域6布置在主表面3a上，以精确地接收入射发光辐射并对其应用初等相位变换。

可以参考各种引用的现有技术文献来理解这些初等变换的重复应用如何能够实现入射发光辐射的所选择的变换，以及光学元件3如何能够设计为实现这样的变换。还参考这些文献查看用于在光学元件3的主表面3a上进行微结构化的数字设计方法的示例。这些微结构的数字模型可以用于生产光学元件，例如通过光学坯料的机械加工、模制和/或蚀刻。

在图2所示的示例的情况下，第一光学元件3是反射相位板，而第二光学元件3'是简单的反射镜，即第二光学元件3'的主表面3'a朝向腔1的内部定向，不是微结构化的。

应当注意的是，此处，第一光学元件3的主表面3a的微结构化区域6是彼此分开的，但是该特性不是必要的，只要能够应用入射辐射的确定的变换，任何其他微结构化构造也可以适用。

支撑台2包括由至少一个平坦边缘2b界定的主表面2a，所述平坦边缘2b与支撑台2的主表面2a垂直。第一光学元件3的主表面3a在第一组件界面处组装到支撑台2的平坦边缘2b。在该构造中，可以围绕与第一光学元件的主表面3a垂直的旋转轴线来调节第一光学元件的角度位置。因此，可以围绕与第一元件3的主表面3a正交的轴线来调节第一光学元件3相对于第二光学元件3'的相对角度位置。当两个光学元件3、3'都被微结构化时，这种调节是特别有益的。

反射镜3'布置为使得其主反射表面3'a面向腔1的内部，与第一光学元件3的主表面3a相对。

反射镜3'的主反射表面3'a由至少一个平坦侧边缘3b'界定，即由其法线大体在方向P上定向的平坦表面界定。该平坦侧边缘3b'在第二交界面处组装到校准部件4(此处为立方体4)的第一平坦表面。校准部件4具有与第一平坦表面垂直的另一平坦表面，该另一平坦表面在第三交界面处组装到支撑台2上。

应当注意的是，当第二光学元件包括反射镜3'(即，非微结构化反射表面)时，该实施方案利用在第二光学元件的定位和取向所提供的自由度。实际上，反射镜可以在一定程度上在方向P上平移并围绕与其主反射表面3'a垂直的轴线旋转，而不影响光学器件的正常工作。组装到反射镜的平坦侧边缘的校准部件4能够使该反射镜围绕方向P的旋转轴线的取向固定在工作位置上。反射镜3'通常不与支撑台2平面接触，因此在这两个部件之间没有组装交界面。

为了使校准部件4能够与支撑台2和反射镜的侧平坦边缘3b'平面接触，需要将反射镜围绕与其主表面3'a垂直的旋转轴线的角度设置为使得侧平坦边缘3b'与支撑台2的平坦表面2a垂直。

刚刚描述的组件构造是特别有利的，因为其将组装交界面的数量限制为三个，这显著地提高了腔的鲁棒性和其组装的简易性，而没有对组成腔的部件的几何公差施加限制。也不会改变引入本应用时呈现的一般组装过程，从而能够利用相同的现有设备和方法进行配置。这三个交界面能够精确地调节三个自由度，这三个自由度的精确调节是仅有的对于器件的正确组装而言绝对必要的。

在本发明的该实施方案的变体中，第一光学元件3的主表面3a和第二光学元件3'的主表面3'a是微结构化的。因此，第二光学元件3'不是简单的反射镜，而是可以由反射相位板形成，类似于第一光学元件。

在另一变体中，仅第二光学元件3'的主表面3'a是结构化的，而第一光学元件3由简单的反射镜形成。

图3显示了根据本发明的多通道腔1的第二实施方案的示例。

在该实施方案中，第二光学元件3'以与第一实施方案相同的方式在两个交界面处组装到支撑台2上。因此，为了简洁起见，将不重复描述。

第一光学元件3的主表面3a由与主表面垂直的纵向平坦边缘3b界定。该第二实施方案与第一实施方案的不同之处在于，纵向平坦边缘3b组装到支撑台2的平坦表面2a，构成了第三交界面。

在该第二实施方案中，与第一实施方案相反，不可以围绕与主表面3a正交的轴线来调节第一光学元件3相对于第二光学元件3'的相对角度位置。该实施方案还更特别地适用于仅第一光学元件3的主表面3a或仅第二光学元件3'的主表面3'a是微结构化的构造。换句话说，微结构化区域可以由光学元件3、3'的主表面3a、3'a中的任一个承载，但是优选地不由两者承载，但不完全排除该选择。

不管所选择的实施方案和所选择的变体如何，根据本发明的多通道腔精确地包括在支撑台、校准部件以及光学元件之间的三个组装交界面。这三个交界面对于部件3、3'的相对定位在微米的精度、关于角度的准确性在微弧度的精度而言是必要的和足够的。通过限制潜在的故障来源，将交界面的数量限制为三个，使得器件随时间而特别具有鲁棒性。

当然，本发明不限于所描述的实施方案，并且可以在不脱离权利要求所限定的本发明的范围的情况下增加实施方案的变体。

因此，尽管已经表明通过使两个平坦部件彼此平面接触来形成组装交界面，但是本发明通过添加粘合剂或粘合剂层来增强其粘合性，所述粘合剂或粘合剂层可以在组装步骤之前形成，或者可以在组装后将其引入两个接触面之间。

有利地，组成形成腔的不同部件的材料是相同的，以限制可能施加在组装交界面处的热应力。具体地，这些材料可以是硅、玻璃或石英。