Improved prism

Abstract

A beam splitter device (300, 400, 500, 600) includes an optical prism (310, 410, 510, 610) having a first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) with a first optical axis (OA31, OA41, OA51, OA61) connected to a second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) with a second orthogonal optical axis (OA32, OA42, OA52, OA62) at a first interface (I3, I4, I5, I6) between a second face (f2) of the first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) and a third face (f3) of the second prism body (310b, 410b, 510b, 610b). In one aspect a first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) includes a first face (f1) that is configured to receive incident light (320, 420, 520, 620), where a second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) includes a fourth face (f4) configured to output polarized light (330, 430, 530, 630). In another aspect a fourth face (f4) is antiparallel to the first face (f1), a fourth face (f4) is antiparallel to a first interface (I3, I4, I5, I6), and a polarized light output from a fourth face (f4) of a second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) includes one of s-polarized light (S3, S4, S5, S6) and p-polarized light (P3, P4, P5, P6) and extends substantially parallel to a direction (D3, D4) of the incident light (320, 420) received at the first face (f1) of the first prism body (310a, 410a).

Description

IMPROVED PRISMFIELD

[0001] The embodiments disclosed herein are in the field of optic devices. More particularly, the embodiments disclosed herein relate to optical devices implemented for improving performance of optical systems.BACKGROUND

[0002] Unless otherwise indicated herein, the materials described herein are not prior art to the claims in the present application and are not admitted to be prior art by inclusion in this section.

[0003] Among the various fields that use optical polarizing devices for generating polarized light, Wollaston prisms and walk-off crystals, for example, are conventionally used as polarizing beam splitters by which randomly polarized (unpolarized) incident light is divided into linearly polarized light beams.

[0004] FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional Wollaston prism polarizer. In FIG. 1, a Wollaston prism polarizer 100 comprises a first prism body 110 and an orthogonal prism body 120 fixed together at their base along an interface I1 to form two triangular prisms with perpendicular optical axes, in which an optical axis OA11 of the first prism body 110 is orthogonal to an optical axis OA12 of the second prism body 120. The incoming incident light IL1 hits a first face f1 of the first prism body 110 and traversing through to a second face f2 of the first prism body 110, the incident light IL1 is disintegrated (divided) into an ordinary (O) ray having S1 polarized light and an extraordinary (E) ray having P1 polarized light at the interface I1 between the second face f2 of the first prism body 110 and a third face  f3 of the second prism body 120. As a result, the O-ray and the E-ray are bent in opposite directions along an axis D1 of the incident light IL1 about equal angle θ1, θ2 due to refraction, and diverge from a fourth face f4 of the second prism body 120 producing an S1 polarized light ray and an P1 polarized light ray.

[0005] FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional Rochon prism polarizer. In FIG. 2, a Rochon prism polarizer 200 comprises a first prism body 210 and an orthogonal second prism body 220 fixed together at their base along an interface I2 to form two triangular prisms with perpendicular optical axes, in which an optical axis OA21 of the first prism body 210 is orthogonal to an optical axis OA22 of the second prism body 220, however orthogonal in a different axis as compared to the Wollaston prism polarizer of FIG. 1. The incoming incident light IL2 hits a first face f1 of the first prism body 210 and traverses through to a second face f2 of the second prism body 210. Upon exiting the second face f2 of the second prism body 210, the incident light IL2 is disintegrated (divided) into an ordinary (O) ray having S2 polarized light and an extraordinary (E) ray having P2 polarized light at the interface I2 between the second face f2 of the first prism body 210 and a third face f3 of the second prism body 220. As a result, depending on the angle of the interface I2, the O-ray and the E-ray are bent along an axis D2 of the incident light IL2 about an angle θ3 due to refraction. When exiting a fourth face f4 of the second prism body 220, the O-ray and the E-ray diverge further producing an S2 polarized light ray and an P2 polarized light ray.

[0006] FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional walk-off crystal. In FIG. 7, a walk-off crystal 700 comprising a crystal body 710 having birefringent properties. When a direction D7 of incident light IL7 is not 0 degrees or 90 degrees with respect to the optical axis OA7 of the crystal body 710, which is disposed at an angle α7, the incident light IL7 separates into a first beam B1 and a second beam B2 at a first face f1 of the crystal body 710. The first beam  B1 travels through the crystal body 710 along a length L of the crystal body 710 in the direction D7 of the incident light IL7, and the second beam B2 travels through the crystal body 710 along a direction D7’ offset from the direction D7 by an offset angle θ7. The first beam B1 exits a second face f2 of the crystal body 710 along the direction D7, and the second beam B2 exit the second face f2 of the crystal body 710 along a direction D7” that is substantially parallel to the direction D7 and offset from the direction D7 by a walk-off distance d7. From equation (1) below, the walk-off distance d7 is related to the length L of the crystal body 710, as such: d7 = L tan θ7    (1) .

[0007] Accordingly, in order to increase the walk-off distance d7, the length L of the crystal body 710 must be correspondingly increased which complicates the desire to reduce an overall size of an optical device implementing the walk-off crystal 710.

[0008] Walk-off crystals, such as the walk-off crystal 700 depicted in FIG. 7, are generally implemented as isolator devices in fiber optical communications and laser systems to reduce or eliminate the effects of optical feedback and reflections of the laser's own energy back onto itself. For example, feedback can cause a light source to become unstable due to amplitude fluctuations, frequency shifts, mode hopping, and noise, and even damage.

[0009] The subject matter claimed herein is not limited to implementations that solve any disadvantages or that operate only in environments such as those described above. Rather, this background is only provided to illustrate one example technology area where some implementations described herein may be practiced.

[0010] These and other advantages of the present invention will become more fully apparent from the detailed description of the invention herein below.SUMMARY

[0011] This Summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the Detailed Description. This Summary is not intended to identify key features or essential characteristics of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter.

[0012] Beam splitter devices are disclosed herein. In one aspect of the disclosure, a beam splitter device includes an optical prism having a first prism body with a first optical axis connected to a second prism body with a second orthogonal optical axis at a first interface between a second face of the first prism body and a third face of the second prism body. In one aspect of the disclosure a first prism body includes a first face that is configured to receive incident light, where a second prism body includes a fourth face configured to output polarized light. In another aspect of the disclosure a fourth face is antiparallel to the first face. In one aspect of the disclosure a fourth face is antiparallel to a first interface. In another aspect of the disclosure, a polarized light output from a fourth face of a second prism body includes one of s-polarized light and p-polarized light. In yet another aspect of the disclosure, the one of s-polarized light and p-polarized light extends substantially parallel to a direction of the incident light received at the first face of the first prism body.

[0013] Disclosed herein are beam splitter devices in which a second prism body comprises a fifth face adjacent to the fourth face and adapted to output another one of the s-polarized light and the p-polarized light. In one aspect of the disclosure a beam splitter device includes a Glan-Taylor prism having a second prism body of the optical prism and a third prism body having a third optical axis parallel to the second optical axis. In another aspect of the disclosure a third prism body of a Glan-Taylor prism has a sixth face spaced apart from a fourth face of a second prism body by an air gap and a seventh face opposite to the sixth face.  In yet another aspect of the disclosure, a sixth face of a Glan-Taylor prism is configured to receive the one of s-polarized light and p-polarized light. In one aspect of the disclosure, a seventh face of the Glan-Taylor prism is configured to output the one of s-polarized light and p-polarized light received at a sixth face of the Glan-Taylor prism. In one aspect of the disclosure, a seventh face of the Glan-Taylor prism is one of (i) parallel to the first face of the first prism body and (ii) antiparallel to the first face of the first prism body. In yet another aspect of the disclosure, a sixth face of the Glan-Taylor prism is one of (i) antiparallel to the first interface and (ii) parallel to the fourth face of a second prism body. In another aspect of the disclosure, a sixth face of the Glan-Taylor prism is antiparallel to the seventh face of the Glan-Taylor prism. In one aspect of the disclosure an optical prism includes a Wollaston prism.

[0014] Disclosed herein are laser systems in which the laser system includes a laser device and a beamsplitter device, in which an incident light to the beamsplitter device is generated by the laser device.

[0015] Disclosed herein are beamsplitter systems. In one aspect of the disclosure, disclosed beamsplitter systems include a first rhombic prism block having first and second opposing parallel faces and third and fourth opposing parallel faces, where the first and second faces are positioned between the third and fourth faces, and a first prism has a fifth face spaced apart from the first face of the first rhombic prism block by an air gap, in which incident light received by the third face of the first rhombic prism block is output as first polarized light at the first face of the first rhombic prism block, and where the incident light received by the third face of the first rhombic prism block is reflected at the first face of the first rhombic prism block, passes through the first rhombic prism block toward the second face of the first rhombic prism block, is reflected at the second face of the first rhombic prism block, and  output as second polarized light at the fourth face of the first rhombic prism block. In one aspect of the disclosure a beamsplitter system may include a first rhombic prism block having a first optical axis and a first prism having a second optical axis, where one of (i) the first optical axis (and the second optical axis are parallel and (ii) the first optical axis and the second optical axis (are orthogonal. In one aspect of the disclosure, a first optical axis extends along a direction between a first face of the first rhombic prism block and the second face of the first rhombic prism block. In another aspect of the disclosure, the second optical axis extends along a direction parallel to a sixth face of the first prism. In another aspect of the disclosure, a first polarized light output at the first face of the first rhombic prism block is received by the fifth face of the first prism and output at a sixth face of the first prism.

[0016] Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be obvious from the description, or may be learned by the practice of the invention. The features and advantages of the invention may be realized and obtained by means of the instruments and combinations particularly pointed out in the appended claims. These and other features of the present invention will become more fully apparent from the following description and appended claims, or may be learned by the practice of the invention as set forth hereinafter.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0017] To further clarify the above and other advantages and features of the present invention, a more particular description of the invention will be rendered by reference to specific embodiments thereof which are illustrated in the appended drawings. It is appreciated that these drawings depict only typical embodiments of the invention and are therefore not to be considered limiting of its scope. The invention will be described and explained with additional specificity and detail through the use of the accompanying drawings in which:

[0018] FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional Wollaston prism polarizer;

[0019] FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional Rochon prism polarizer;

[0020] FIG. 3 is an exemplary polarizing prism according to the present disclosure;

[0021] FIG. 4 is another exemplary polarizing prism system according to the present disclosure;

[0022] FIG. 5 is another exemplary polarizing prism system according to the present disclosure;

[0023] FIG. 6 is another exemplary polarizing prism system according to the present disclosure;

[0024] FIG. 7 is a diagram of a conventional walk-off crystal;

[0025] FIG. 8 is an exemplary walk-off prism system according to the present disclosure; and

[0026] FIG. 9 is another exemplary walk-off prism system according to the present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0027] It is to be understood that the figures and descriptions of the present invention may have been simplified to illustrate elements that are relevant for a clear understanding of the present embodiments, while eliminating, for purposes of clarity, other elements found in a laser device or system for operating a laser device. Those of ordinary skill in the art will recognize that other elements may be desirable and / or required in order to implement the present embodiments. However, because such elements are well known in the art, and  because they do not facilitate a better understanding of the present embodiments, a discussion of such elements is not provided herein. It is also to be understood that the drawings included herewith only provide diagrammatic representations of the presently preferred structures of the present invention and that structures falling within the scope of the present embodiments may include structures different than those shown in the drawings. Reference will now be made to the drawings wherein like structures are provided with like reference designations.

[0028] As discussed above, the Wollaston prism polarizer of FIG. 1 produces an S1 polarized light ray and a P1 polarized light ray. However, since both the S1 polarized light ray and a P1 polarized light ray diverge from the axis D1 of the incident light IL1 by the angles θ1, θ2, which can be relatively large, sometimes within the range of 15 degrees to 45 degrees, it can be disadvantageous considering the particular application by which the Wollaston prism polarizer 100 is to be implemented. Accordingly, disclosed embodiments are advantageous because they may, in some examples, produce one of the S1 polarized light ray and the P1 polarized light ray having a direction substantially parallel to the axis D of the incident light IL. Additionally, the Wollaston prism polarizer 100 is limited with respect to numerical aperture range. Moreover, disclosed embodiments advantageously produce both the S1 polarized light ray and an P1 polarized light ray within a particular range of wavelengths.

[0029] One solution for generating one of the S1 polarized light ray and the P1 polarized light ray having a direction substantially parallel to the axis D1 of the incident light IL1, as well as provide for an operable range of numerical apertures, may include implementing a Rochon prism polarizer instead of a Wollaston prism polarizer. Such an example Rochon prism is discussed above with respect to the prism of FIG. 2.

[0030] However, although the P2 polarized light ray emerges from the fourth face f4 of the second prism body 220 along a direction parallel to the axis D2 of the incident light IL2, the  direction of the P2 polarized light ray is independent of the wavelength of the P2 polarized light ray. Accordingly, example embodiments disclosed herein implement a polarizing device in which polarized light is emitted along a direction substantially parallel to the incident light and within a particular wavelength range.

[0031] Further, while some prior art crystal arrangements can be fashioned to create substantially parallel polarized light beams, e.g., the walk-off crystal described with respect to FIG. 7, manufacturing costs associated with walk-off crystals is high, and implementation is limited to short pass length systems due to their size, and heat dissipation is problematic in high-power applications. Further, while, a polarizing beam splitter (PBS) can be implemented instead of using a walk-off crystal due to their lower manufacturing costs and relatively smaller size, PBS’s have a polarization extinction ratio (PER) , which is a measure of the degree to which light is confined in a principal linear polarization mode, that are not satisfactory for high-power isolator application. Accordingly, disclosed embodiments, disclosed herein improve upon each of these arrangements and also provide for additional perpendicular and angled configurations.

[0032] As noted previously, existing polarizing devices are either limited in their ability to emit polarized light along a direction substantially parallel to incident light and within a particular wavelength range or have other drawbacks related to their size or losses or lack additional flexibility with respect to the light output directions and polarization. In general, a polarizing device is desired, and examples or which are described herein, that can be implemented in a compact design form and produce polarized light within a wavelength range in several configurations.

[0033] FIG. 3 is an exemplary polarizing prism system according to one example of the present disclosure. While the spectrum for which this the disclosed prism system of this and  other embodiments is determined by the material of the polarizing prism, disclosed prism systems have particular benefit in the context of optical communication, which typically use wavelengths in the applicable infrared range. For example, prism materials may include calcite, MgF2, quartz, α-BBO, and / or YVO4. For example, quartz prism materials may be utilized for wavelengths of about 400 nm to about 2.0 μm, magnesium fluoride prism materials may be utilized for wavelengths of about 200 nm to about 6.0 μm, α-BBO prism materials may be utilized for wavelengths of about 190 nm to about 3.5 μm, Calcite prism materials may be utilized for wavelengths of about 350 nm to about 2.3 μm, and YVO4 (Yttrium Orthovanadate) prism materials may be utilized for wavelengths of about 900 nm to about 3.4 μm. In FIG. 3, the polarizing prism system 300 includes a polarizing prism 310 comprising a first prism body 310a and a second prism body 310b. The first prism body 310a has a first optical axis OA31 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically (in the same plane as) the page and substantially parallel to a first face f1 of the first prism body 310a. The second prism body 310b has a second optical axis OA32 (depicted as a dot) extending along a direction into / out of the page and substantially antiparallel (perpendicular) to the first optical axis OA31. This notation convention for denoting optical axes will be used throughout the application. The first prism body 310a and the second prism body 310b are joined together along an interface I3 between a second face f2 of the first prism body 310a and a third face f3 of the second prism body 310b. In some implementations, the second face f2 of the first prism body 310a and the third face f3 of the second prism body 310b may be bonded together using an optically transparent (to the working wavelength of the incident light) adhesive or optical contact bonding. In optical contact bonding, optical surfaces that are flat and clean are placed into close contact to form a solid bond, for example through the intermolecular forces such as Van der Waals forces and hydrogen bonds.

[0034] As depicted in FIG. 3, a fourth face f4 of the second prism body 310b is angularly offset from the first face f1 of the first prism body 310a by an offset angle δ3. Accordingly, the fourth face f4 of the second body prism 310b is antiparallel to the first face f1 and the second face f2 of the first prism body 310a, and to the third face f3 of the second prism body 310b because the refractive index of 310a / 310b is different from the refractive index of the surrounding medium, e.g., air. Additionally, the third face f3 of the second prism body 310b and the fourth face f4 of the second prism body 310b are antiparallel.

[0035] In FIG. 3, light 320 is incident to the first face f1 of the first prism body 310a. Here, the light 320 may be provided by a light generation system, such as a laser system L3 and or delivered though a waveguide such as fiber optic, as unpolarized or randomly polarized light, which is depicted as having mixed polarization by their being both dot (ordinary ray) and line (extraordinary ray) notation mixed in the light 320. The first face f1 of the first prism body 310a receives the light 320 along direction D3, which forms a normal incidence (about 90 degrees) onto the face f1. The light 320 passes through the first prism body 310a to the second face f2 of the first prism body 310a. At the interface I3, the light 320 is divided into a first beam B31 and a second beam B32. Since the incident light is unpolarized (it contains polarization components parallel and perpendicular to the page) the polarization directions of these two beam components are perpendicular and parallel to the optical axis OA32, and therefore has different refractive index in B32, which forms different refracting angles and divides in space at the interface I3. The first beam B31 travels through the second prism body 310b and exits from the fourth face f4 of the second prism body 310b as an exiting first beam B31’, in which a direction D3’ of the exiting first beam B31’ from the fourth face f4 is deflected due to the angle δ3 of the fourth face f4 of the second prism body 310b to be substantially parallel to the direction D3 of the incident light 320. That is, the angle δ3 as well as the angle of the interface I3 (faces f2 / f3) are relatively configured such that the  direction D3’ of the exiting first beam B31’ is substantially parallel to the direction D3. Adjustments can be made to either depending on the particular target wavelength or materials used. The second beam B32 also travels through the second prism body 310b and exits from the fourth face f4 of the second prism body 310b as an exiting second beam B32’ at an angle θ3 from the exiting first beam B31’ in a direction D3” , which is also determined by the angle δ3 of the fourth face f4 of the second prism body 310b. Here, the exiting first beam B31’ and the exiting second beam B32’ may be considered collectively as output polarized beams 330, although each have different polarizations.

[0036] In FIG. 3, the offset angle δ3 may be selected in order to adjust the directions D3’ and D3”of the exiting first and second beams B31’ and B32’ with respect to the direction D3 of the incident light 320, as well as between the directions D3’ and D3” of the exiting first and second beams B31’ and B32’. In some implementations it may be desirable to select the offset angle δ3 in order to provide for one or more of these adjustments.

[0037] In FIG. 3, the exiting beam B31’ may be considered S-polarized light S3 and exiting beam B32’ may be considered P-polarized light P3. Here, the S-polarized light S3 may be considered as an ordinary ray and the P-polarized light P3 may be considered as an extraordinary ray.

[0038] FIG. 4 is another exemplary polarizing prism system according to an example of the present disclosure. As will be appreciated, the concepts and explanations with respect to FIG. 3 are equally applicable to the functionality of FIG. 4 and the remaining embodiments, although additional description is provided with each. Further, the polarizing prism system of FIG. 4 is similar to that of FIG. 3 except that the tilt direction of I4 is different and the δ4 angle has been adjusted to make the other polarized beam, i.e., the extraordinary ray (as shown) parallel to the incident beam light 420. That is the angles of I4 and δ4 are selected to  determine which output beam is parallel and which is not. In FIG. 4, the polarizing prism system 400 includes a polarizing prism 410 comprising a first prism body 410a and a second prism body 410b. The first prism body 410a has a first optical axis OA41 (shown a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page and substantially parallel to a first face f1 of the first prism body 410a, and the second prism body 410b has a second optical axis OA42 (shown as a dot) extending along a direction into / out of the page and substantially antiparallel to the first optical axis OA41. In particular, the first optical axis OA41 and the second optical axis OA42 may be considered to be orthogonal. The first prism body 410a and the second prism body 410b are joined together along an interface I4 between a second face f2 of the first prism body 410a and a third face f3 of the second prism body 410b. In some implementations, the second face f2 of the first prism body 410a and the third face f3 of the second prism body 410b may be bonded together using an optically transparent adhesive.

[0039] As depicted in FIG. 4, a fourth face f4 of the second prism body 410b is angularly offset with respect to the first face f1 of the first prism body 410a by an offset angle δ4. Accordingly, the fourth face f4 of the second prism body 410b is substantially antiparallel to the first face f1 and the second face f2 of the first prism body 410a and the third face f3 of the second prism body 410b. Additionally, the third face f3 of the second prism body 410b and the fourth face f4 of the second prism body 410b are substantially antiparallel (FIG. 4 is not drawn to scale) because the refractive index of 410a / 410b is different from the refractive index of the surrounding medium, e.g., air. That is, the degree of antiparallel between the third face f3 of the second prism body 410b and the fourth face f4 of the second prism body 410b can be adjusted to provide for the D4 and D4” in parallel.

[0040] In FIG. 4, light 420 is incident to the first face f1 of the first prism body 410a. Here, the light 420 may be provided by a light generation system, such as a laser system L4 and or delivered though a waveguide such as fiber optic, as unpolarized or randomly polarized light. As the first face f1 of the first prism body 410a receives the light 420 along direction D4, the light 420 passes through the first prism body 410a to the second face f2 of the first prism body 410a, and is divided into a first beam B41 and a second beam B42 at the interface I4. The first beam B41 travels through the second prism body 410b and exits from the fourth f4 of the second prism body 410b as an exiting first beam B41’, in which a direction D4’ of the exiting first beam B41’ from the fourth face f4 is substantially antiparallel to the direction D4 of the incident light 420. The second beam B42 also travels through the second prism body 410b and exits from the fourth f4 of the second prism body 410b as an exiting second beam B42’ at an angle θ4 from the exiting first beam B41’ in a direction D4” that is substantially parallel to the direction D4. Here, the exiting first beam B41’ and the exiting second beam B42’ may be considered collectively as output polarized beams 430.

[0041] In FIG. 4, the offset angle δ4 may be selected in order to adjust the direction D4’ of the exiting first beam B41’ and the direction D4” of the exiting second beam B42’ with respect to the direction D4 of the incident light 420, as well as between the direction D4’ of the exiting first beam B41’ with respect to the direction D4” of the exiting second beam D41’. In some implementations it may be desirable to select the offset angle δ4 in order to provide for one or more of these adjustments. In this respect, the polarizing prism system 400 is similar to the polarizing prism system 300 of FIG. 3 except that the angle δ4 as well as the angle of interface I4 (f2 and f3) chosen such that second beam B42’ is substantially parallel to the direction D4.

[0042] In FIG. 4, the exiting beam B41’ may be considered S-polarized light S4 and exiting beam B42’ may be considered P-polarized light P4. Here, the S-polarized light S4 may be considered as an ordinary ray and the P-polarized light P4 may be considered as an extraordinary ray.

[0043] FIG. 5 is another exemplary polarizing prism system according to the present disclosure. As will be appreciated, the concepts and explanations with respect to FIG. 3-4 are equally applicable to the functionality of FIG. 5 and the remaining embodiments, although additional description is provided with each. In FIG. 5, the polarizing prism system 500 includes a first polarizing prism 510 and a second polarizing prism 540, in which the second polarizing prism 540 may be considered to be a Glan-Taylor prism configuration. The first polarizing prism 510 includes a first prism body 510a having a first optical axis OA51 (depicted as dot) extending along a direction into / out of the page, and the second prism body 510b having a second prism body 510b having a second optical axis OA52 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page and substantially antiparallel to the first optical axis OA51. The first prism body 510a and the second prism body 510b are joined together along an interface I5 between a second face f2 of the first prism body 510a and a third face f3 of the second prism body 510b. In some implementations, the second face f2 of the first prism body 510a and the third face f3 of the second prism body 510b may be bonded together using an optically transparent adhesive.

[0044] As depicted in FIG. 5, a fourth face f4 of the second prism body 510b is angularly offset from the first face f1 of the first prism body 510a by an offset angle δ5. Accordingly, the fourth face f4 of the second prism body 510b is antiparallel to the first face f1 and the second face f2 of the first prism body 510a and the third face f3 of the second prism body 510b. Additionally, the third face f3 of the second prism body 510b and the fourth face f4 of  the second prism body 510b are antiparallel. Moreover, the second prism body 510b includes a fifth face f5, which is described below.

[0045] In FIG. 5, the second polarizing prism 540 includes the second prism body 510b of the first polarizing prism 510 and a third prism body 540a having a third optical axis OA53 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page and substantially parallel to the second optical axis OA52 and substantially antiparallel to the first optical axis OA51. In particular, the third optical axis OA53 is considered to be orthogonal to the first optical axis OA51. The third prism body 540a is spaced apart from the second prism body 510b of the first polarizing prism 510 by a gap, which may be an air gap AG5. It should be noted that other materials having differing refractive indices may also be used, however air is an inexpensive and useful medium for high power applications. In one example, airgap AG5 (as well as other air gaps discussed herein) may be any size to obtain the desired angles and separation of output beams. However, airgap AG5 should be significantly greater than the working wavelength of the incident light to avoid energy leakage of beam B51. For example, due to the exponential decay of the amplitude of evanescent waves, its amplitude becomes very weak at a few wavelength distances, so an airgap of 5x, or greater than 5x, the incident wavelength is far enough to avoid energy leakage while maintaining other advantageous properties.

[0046] As depicted in FIG. 5, a sixth face f6 of the third prism body 540a is substantially parallel to the fourth face f4 of the second prism body 510b. Accordingly, similar to the fourth face f4 of the second prism body 510b, the sixth face f6 of the third prism body 540a is offset from the first face f1 of the first prism body 510a by the offset angle δ5. Moreover, the sixth face f6 of the third prism body 540a is substantially antiparallel to the first face f1 and  the second face f2 of the first prism body 510a, and the first face f1 of the first prism body 510a is substantially parallel to a seventh face f7 of the third prism body 540a.

[0047] In FIG. 5, light 520 is incident to the first face f1 of the first prism body 510a. Here, the light 520 may be provided by a light generation system, such as a laser system L5 and or delivered though a waveguide such as fiber optic, as unpolarized or randomly polarized light. The first face f1 of the first prism body 510a receives the light 520 along direction D5, and the light 520 passes through the first prism body 510a to the second face f2 of the first prism body 510a and is divided into a first polarized beam B51 and a second polarized beam B52 at the interface I5 having different directions and polarizations. The first polarized beam B51 travels through the second prism body 510b, is reflected at the fourth face f4 of the second prism body 510b (because the resulting incident angle of beam B51 meets the condition of total reflection on face f4) , is directed toward the fifth face f5 of the second prism body 510b, and passes through the fifth face f5 of the second prism body 510b as an exiting first polarized beam B51’ along a direction D5’ that is substantially perpendicular to the direction D5 of the incident light 520.

[0048] In FIG. 5, the second polarized beam B52 passes through the second prism body 510b (because the resulting incident angle of beam B52 not meet the condition of total reflection on face f4) and out through the fourth face f4 of the second prism body 510b as an exiting second polarized beam B52’. Then, the exiting second polarized beam B52’ passes through the air gap AG5 and into the sixth face f6 of the third prism body 540a, passes through the third prism body 540a, and passes through the seventh face f7 of the third prism body 540a as exiting a second polarized beam B52” along direction D5” . Here, the direction D5” of the exiting a second polarized beam B52” is offset from the direction D5 by an offset angle θ5.

[0049] In FIG. 5, the exiting beam B51’ may be considered S-polarized light S5 and exiting beam B52” may be considered P-polarized light P5. Here, the S-polarized light S3 may be considered as an ordinary ray and the P-polarized light P3 may be considered as an extraordinary ray.

[0050] FIG. 6 is another exemplary polarizing prism system according to the present disclosure. As will be appreciated, the concepts and explanations with respect to FIG. 3-5 are equally applicable to the functionality of FIG. 6 and the remaining embodiments, although additional description is provided with each. In FIG. 6, the polarizing prism system 600 includes features similar to those discussed above with respect to FIG. 5 but with first polarizing prism 610 and a second polarizing prism 640. However, the third prism body 640a includes a seventh face f7 that is antiparallel from the first face f1 of the first prism body 610a. In particular, the seventh face f7 of the third prism body 640a is offset from the first face f1 of the first prism body 610a by an offset angle δ62 to allow for choosing or configuring the exit angle of the light beam B62” .

[0051] In FIG. 6, the polarizing prism system 600 includes a first polarizing prism 610 and a second polarizing prism 640 in a Glan-Taylor type of prism configuration. The first polarizing prism 610 includes the first prism body 610a having a first optical axis OA61 (depicted as dot) extending along a direction into / out of the page, and a second prism body 610b having a second prism body 610b having a second optical axis OA62 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page and substantially antiparallel to the first optical axis OA61. In particular, the first optical axis OA61 and the second optical axis OA62 are substantially orthogonal. The first prism body 610a and the second prism body 610b are joined together along an interface I6 between a second face f2 of the first prism body 610a and a third face f3 of the second prism body 610b.  In some implementations, the second face f2 of the first prism body 610a and the third face f3 of the second prism body 610b may be bonded together using an optically transparent adhesive.

[0052] As depicted in FIG. 6, a fourth face f4 of the second prism body 610b is angularly offset from the first face f1 of the first prism body 610a by an offset angle δ61. Accordingly, the fourth face f4 of the first prism body 610a is substantially antiparallel to the first face f1 and the second face f2 of the first prism body 610a and the third face f3 of the second prism body 610b. Additionally, the third face f3 of the second prism body 610b and the fourth face f4 of the second prism body 610b are substantially antiparallel. Moreover, the second prism body 610b includes a fifth face f5, which is described below.

[0053] In FIG. 6, the second polarizing prism 640 includes the second prism body 610b of the first polarizing prism 610 and a third prism body 640a having a third optical axis OA63 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page and substantially parallel to the second optical axis OA62 and substantially antiparallel to the first optical axis OA61. The third prism body 640a is spaced apart from the second prism body 610b of the first polarizing prism 610 by an air gap AG6.

[0054] As depicted in FIG. 6, a sixth face f6 of the third prism body 640a is substantially parallel to the fourth face f4 of the second prism body 610b. Accordingly, like the fourth face f4 of the second prism body 610b, the sixth face f6 of the third prism body 640a is offset from the first face f1 of the first prism body 610a by the offset angle δ61. Similarly, the sixth face f6 of the third prism body 640a is substantially antiparallel to the first face f1 and the second face f2 of the first prism body 610a, and the first face f1 of the first prism body 610a is substantially antiparallel to the seventh face f7 of the third prism body 640a.

[0055] In FIG. 6, light 620 is incident to the first face f1 of the first prism body 610a. Here, the light 620 may be provided by a light generation system, such as a laser system L6 and or delivered though a waveguide such as fiber optic, as unpolarized or randomly polarized light. The first face f1 of the first prism body 610a receives the light 620 along direction D6. Then, the light 620 passes through the first prism body 610a to the second face f2 of the first prism body 610a, and is divided into a first polarized beam B61 and a second polarized beam B62 at the interface I6. The first polarized beam B61 travels through the second prism body 610b, is reflected at the fourth face f4 of the second prism body 610b, directed toward the fifth face f5 of the second prism body 610b, and passes through the fifth face f5 of the second prism body 610b as an exiting first polarized beam B61’ along a direction D6’ that is substantially perpendicular to the direction D6 of the incident light 620.

[0056] In FIG. 6, the second polarized beam B62 passes through the second prism body 610b and passes through the fourth face f4 of the second prism body 610b as an exiting second polarized beam B62’. Then, the exiting second polarized beam B62’ passes through the air gap AG6 and into the sixth face f6 of the third prism body 640a. Next, the exiting second polarized beam B62’ passes through the third prism body 640a, and passes through the seventh face f7 of the third prism body 640a as exiting a second polarized beam B62” along direction D6” . Here, the direction D6” of the exiting a second polarized beam B62” is substantially parallel to the direction D6 of the incident light 620 and is spaced apart from the direction D6 of the incident light 620 by a distance d63.

[0057] In FIG. 6, the exiting beam B61’ may be considered S-polarized light S6 and exiting beam B62” may be considered P-polarized light P6. Here, the S-polarized light S6 may be considered as an ordinary ray and the P-polarized light P6 may be considered as an extraordinary ray. Additionally, the distance d63 may be determined based upon a  combination of the offset angle δ61, the offset angle δ62, and the lateral distance length (in the direction of D6) of the third prism body 640a, that is the size of the third prism body 640a may be chosen to obtain the desired distance d63.

[0058] FIG. 8 is an exemplary walk-off prism system according to the present disclosure. As will be appreciated, the concepts and explanations with respect to FIG. 3-6 are equally applicable to the functionality of FIG. 8 and the remaining embodiments, although additional description is provided with each. In FIG. 8, the walk-off prism system 800 includes a first prism block 810 having rhombic shape (e.g., having an acute angle between faces f3 and f1 and an obtuse angle between faces f3 and f2 as shown in the plane of the page) and a prism body 830 having a polygonal shape, which is shown as a trapezoidal shape. Here, the prism body 830 may have other geometric shapes, such as triangular shapes. The first prism block 810 includes first f1 and second f2 opposing parallel faces, and third f3 and fourth f4 opposing parallel faces, with the first f1 and second f2 faces positioned between the third f3 and fourth f4 faces. It should be noted that first face f1 and second face f2 are parallel to provide for the parallel exit light beams S8 and P8, however, if S8 and P8 are not desired to be parallel, then first face f1 and second face f2 may deviate from being parallel and the tilt angle of face f2 can be tailored to obtain a specific desired angle between light beam S8 and P8. The first prism block 810 has a first optical axis OA81 (depicted as a double-headed arrow) extending along a direction vertically with respect to the page. The first optical axis OA81 extends between the first face f1 and the second face f2 of the first prism block 810, and is parallel to the first face f1 and the fourth face f4 of the first prism block 810. The prism body 830 has a second optical axis OA82 (depicted as a double-headed arrow) extending along the direction vertically with respect to the page, and is substantially parallel to a sixth face f6 of the prism body 830. The first optical axis OA81 and the second optical axis OA82 may be considered to be substantially parallel. The prism body 830 includes a  fifth face f5 spaced apart from the first face f1 of the first prism block 810 by an air gap AG8. Accordingly, the first face f1 and the second face f2 of the first prism block 810 are substantially parallel to the fifth face f5 of the prism body 830.

[0059] In FIG. 8, light 820 is incident to the first face f1 of the first prism block 810. Here, the light 820 may be provided by a light generation system, such as a laser system L8 and or delivered though a waveguide such as fiber optic, as unpolarized or randomly polarized light. The first face f3 of the first prism block 810 receives the light 820 along direction D8, and the light 820 passes through the first prism block 810 to the first face f1 of the first prism block 810. The light 820 is divided at the first face f1 of the first prism block 810 into a first polarized beam B81 and a second polarized beam B82. The first polarized beam B81 is reflected at the first face f1 of the first prism block 810 toward the second face f2 of the first prism block 810, is reflected at the second face f2 of the first prism block 810 toward the fourth face f2 of the first prism block 810, and passes through the fourth face f2 of the first prism block 810 as S-polarized light S8 along direction D8’ that is substantially parallel to the direction D8.

[0060] The second polarized beam B82 passes through the first face f1 of the first prism block 810, across the air gap AG8, and into the fifth face f5 of the prism body 830. It is noted that, although not exaggerated on the figure, beam B82 is angled slightly as the beam exists first face f1 and then is angled back to being parallel with incident light 820 when it passes through fifth face f5 of the prism body 830 resulting in an offset between incident light 820 and light P8, contributing to the overall distance d8, with the additional offset based determined based on the travel of beam B81 to face f2. Accordingly, the size of the distance d8 can be adjusted based on the size of airgap AG8 where a larger airgap AG8 will result in a larger distance d8. Further the distance d8 can also be modified based on the size of prism  block 810 in the axis of the optical axis OA81. Then, the second polarized beam B82 passes through the prism body 830 and is output at the sixth face of the prism body 830 as P-polarized light P8 along the direction D8. Here, the P-polarized light P8 is spaced apart from the S-polarized light S8 by a distance d8.

[0061] FIG. 9 is another exemplary walk-off prism system according to the present disclosure. As will be appreciated, the concepts and explanations with respect to FIG. 3-6 and 8 are equally applicable to the functionality of FIG. 9 and the remaining embodiments, although additional description is provided with each. In particular the walk-off prism system 900 is the same as that of FIG. 8 except that the optical axis OA91 and OA92 of the walk-off prism system 900 are orthogonal to optical axis OA81 and OA82 (FIG. 8) causing the other polarities of output beams S9 and P9 to be switched as compared to that of FIG 8.

[0062] For an ordinary polarization splitting prism of the prior art, the prism material is usually ordinary glass, and the prism is coated with multiple layers of dielectric film in between to achieve polarization splitting. While the embodiments of FIG. 8 and FIG. 9 may have some similarities to a Glan-Foucault prism, the present structures include a more advantageous prism slope, which allows two different polarizations of light to emit in the same direction. As noted, the difference between the embodiment of FIG. 8 and FIG. 9 is the direction of optical axis of the prism blocks. As indicated, the polarization component with the same direction as the crystal axis are transmitted.

[0063] Advantages of the features highlighted in the structures of FIGS. 3-4 include the addition of a micro wedge angle on the output end surface of a conventional Wollaston prism to make the direction of output o-beam or e-beam parallel to the incident light within the central wavelength range. Embodiments with this design feature increases the separation angle and distance between o-beam and e-beam compared to Rochon prism, while such a  small wedge angle allows dispersion to be nearly negligible over a relatively wide wavelength range. In one example the crystals are MgF2 crystals with small refractive index differences and for single ultraviolet laser wavelengths.

[0064] Advantages of the features highlighted in the structures of FIGS. 5-6 include composite polarizing prism features that when combined in the disclosed arrangements expand the numerical aperture of the polarizing prism.

[0065] Advantages of the features highlighted in the structures of FIGS. 8-9 include structures that generally utilizes an air gap structure and constructs a composite crystal structure, which has a similar function of prior walk-off crystals. However, the crystal material required for these design  / embodiments is about one-fifth of that of traditional walk-off crystals, and it can easily create a large separation distance between ordinary light and extraordinary light width large light spots.

[0066] The disclosed structures are suitable for making high-power laser isolators, including isolators for high-power far-infrared CO2 lasers and adjustable optical attenuators. For example, Wollaston, Rochon, single small wedge angle birefringent crystal, and other low-cost and low birefringent index difference crystals, cubic crystals, or optical glass with thin wedge angle birefringent crystals can be used to make a quasi walk-off crystal structure with larger spot size, which can achieve an extinction ratio of 30-40 dB, and the damage threshold is at least one order of magnitude larger. These structures are also suitable for deep ultraviolet attenuators and isolators made of birefringent crystals such as MgF2 and CaF2, as well as CO2 attenuators made of large birefringent crystal sheets assisted by germanium.

[0067] Unless specific arrangements described herein are mutually exclusive with one another, the various implementations described herein can be combined in whole or in part to enhance system functionality or to produce complementary functions. Likewise, aspects of  the implementations may be implemented in standalone arrangements. Thus, the above description has been given by way of example only and modification in detail may be made within the scope of the present invention.

[0068] With respect to the use of substantially any plural or singular terms herein, those having skill in the art can translate from the plural to the singular or from the singular to the plural as is appropriate to the context or application. The various singular / plural permutations may be expressly set forth herein for sake of clarity. A reference to an element in the singular is not intended to mean “one and only one” unless specifically stated, but rather “one or more. ” Moreover, nothing disclosed herein is intended to be dedicated to the public regardless of whether such disclosure is explicitly recited in the above description.

[0069] In general, terms used herein, and especially in the appended claims (e.g., bodies of the appended claims) are generally intended as “open” terms (e.g., the term “including” should be interpreted as “including but not limited to, ” the term “having” should be interpreted as “having at least, ” the term “includes” should be interpreted as “includes but is not limited to, ” etc. ) . Furthermore, in those instances where a convention analogous to “at least one of A, B, and C, etc. ” is used, in general, such a construction is intended in the sense one having skill in the art would understand the convention (e.g., “a system having at least one of A, B, and C” would include but not be limited to systems that include A alone, B alone, C alone, A and B together, A and C together, B and C together, or A, B, and C together, etc. ) . Also, a phrase presenting two or more alternative terms, whether in the description, claims, or drawings, should be understood to include one of the terms, either of the terms, or both terms. For example, the phrase “A or B” will be understood to include the possibilities of “A” or “B” or “A and B. ”

[0070] The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the invention is, therefore, indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes which come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

Claims

1.A beam splitter device (300, 400, 500, 600) comprising:an optical prism (310, 410, 510, 610) having a first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) with a first optical axis (OA31, OA41, OA51, OA61) connected to a second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) with a second orthogonal optical axis (OA32, OA42, OA52, OA62) at a first interface (I3, I4, I5, I6) between a second face (f2) of the first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) and a third face (f3) of the second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) ,wherein the first prism body (310a, 410a, 510a, 610a) includes a first face (f1) configured to receive incident light (320, 420, 520, 620) ,wherein the second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) includes a fourth face (f4) configured to output polarized light (330, 430, 530, 630) , andwherein the fourth face (f4) is antiparallel to the first face (f1) .2.The device according to claim 1, wherein the fourth face (f4) is antiparallel to the first interface (I3, I4, I5, I6) .3.The device according to claim 1, wherein the polarized light output from the fourth face (f4) of the second prism body (310b, 410b, 510b, 610b) comprises one of s-polarized light (S3, S4, S5, S6) and p-polarized light (P3, P4, P5, P6) .4.The device according to claim 3, wherein the one of s-polarized light (S3, S4) and p-polarized light (P3, P4) extends substantially parallel to a direction (D3, D4) of the incident light (320, 420) received at the first face (f1) of the first prism body (310a, 410a) .5.The device according to claim 3, wherein the second prism body (510b, 610b) comprises a fifth face (f5) adjacent to the fourth face (f4) and configured to output another one of the s-polarized light (S5, S6) and the p-polarized light (P5, P6) .6.The device according to claim 3, further comprising a Glan-Taylor prism (540, 640) comprising the second prism body (510b, 610b) of the optical prism  (510, 610) and a third prism body (540a, 640a) having a third optical axis (OA53, OA63) parallel to the second optical axis (OA52, OA62) ,wherein the third prism body (540a, 640a) of the Glan-Taylor prism (540, 640) has a sixth face (f6) spaced apart from the fourth face (f4) of the second prism body (510b, 610b) by an air gap (AG5, AG6) and a seventh face (f7) opposite to the sixth face (f6) .7.The device according to claim 6, wherein the sixth face (f6) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) is configured to receive the one of s-polarized light (S5, S6) and p-polarized light (P5, P6) .8.The device according to claim 7, wherein the seventh face (f7) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) is configured to output the one of s-polarized light (S5, S6) and p-polarized light (P5, P6) received at the sixth face (f6) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) .9.[Corrected under Rule 26, 15.05.2024]The device according to claim 8, wherein the seventh face (f7) of the Glan-Taylor prism (540, 640) is one of (i) parallel to the first face (f1) of the first prism body (510a, 610a) and (ii) antiparallel to the first face (f1) of the first prism body (510a, 610a) .10.The device according to claim 8, wherein the sixth face (f6) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) is one of (i) antiparallel to the first interface (I5, I6) and (ii) parallel to the fourth face (f4) of the second prism body (510b, 610b) .11.The device according to claim 8, wherein the sixth face (f6) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) is antiparallel to the seventh face (f7) of the Glan-Taylor prism  (540, 640) .12.The device according to claim 1, wherein the optical prism  (310, 410, 510, 610) comprises a Wollaston prism.13.A laser system comprising:a laser device; andthe beamsplitter device according to claim 1,wherein the incident light is generated by the laser device.14.A beamsplitter system  (800, 900) , comprising:a first rhombic prism block (810) having first (f1) and second (f2) opposing parallel faces and third (f3) and fourth (f4) opposing parallel faces, the first (f1) and second (f2) faces positioned between the third (f3) and fourth (f4) faces; anda first prism  (830) having a fifth face (f5) spaced apart from the first face (f1) of the first rhombic prism block (810, ) by an air gap (AG8) ,wherein incident light (820) received by the third face (f3) of the first rhombic prism block (810) is output as first polarized light (P8, S9) at the first face (f1) of the first rhombic prism block (810) , andwherein the incident light (820) received by the third face (f3) of the first rhombic prism block (810) is reflected at the first face (f1) of the first rhombic prism block (810) , passes through the first rhombic prism block (810) toward the second face (f2) of the first rhombic prism block (810) , is reflected at the second face (f2) of the first rhombic prism block (810) , and output as second polarized light (S8, P9) at the fourth face (f4) of the first rhombic prism block (810) .15.The beamsplitter system according to claim 14,wherein the first rhombic prism block (810) has a first optical axis (OA81, OA91) and the first prism  (830) has a second optical axis (OA82, OA92) ,wherein one of (i) the first optical axis (OA81, OA91) and the second optical axis (OA82, OA92) are parallel and (ii) the first optical axis (OA81, OA91) and the second optical axis (OA82, OA92) are orthogonal.16.The beamsplitter system according to claim 15, wherein the first optical axis (OA81, OA91) extends along a direction between the first face (f1) of the first rhombic prism block (810) and the second face (f2) of the first rhombic prism block (810) .17.The beamsplitter system according to claim 15, wherein the second optical axis (OA82, OA92) extends along a direction parallel to a sixth face (f6) of the first prism  (830, 930) .18.The beamsplitter system according to claim 14, wherein the first polarized light (P8, S9) output at the first face (f1) of the first rhombic prism block (810) is received by the fifth face (f5) of the first prism (830) and output at a sixth face (f6) of the first prism (830) .

Images