TWI637571B - 雷射裝置及雷射產生方法 - Google Patents

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Abstract

一種雷射裝置及雷射產生方法。雷射裝置包含光學反射及增益單元、光調變單元以及偏振選擇單元。光學反射及增益單元具有增益介質及至少二分色面且用以產生雷射光束。光調變單元與光學反射及增益單元形成共振腔，且光調變單元用以調整共振腔的相位邊界條件。光調變單元具有多個分區，此些分區係分別對應共振腔內的多個相位邊界，使得在共振腔內的光場得以至少兩次通過光調變單元。偏振選擇單元設置於光學反射及增益單元與光調變單元之間，其用以調整入射至光調變單元之光場的偏振方向。

Description

雷射裝置及雷射產生方法
本發明是有關於一種雷射裝置及雷射產生方法，且特別是有關於一種可產生各種雷射模態輸出的雷射裝置及雷射產生方法。
隨著科技的演進，現今雷射技術已廣泛應用在生醫、軍事、通訊及傳統產業與高科技產業的製造加工等。 另一方面，習知技術已可於一雷射系統產生多種雷射模態光束的輸出，例如厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束、拉葛朗-高斯(Laguerre-Gaussian)光束等。然而，習知技術僅能在同一時段進行有限類型的雷射模態的輸出，對於如何產生多種不同雷射模態的疊加輸出，以及產生的無繞射光束的品質等，仍有很大的改善空間。因此，如何產生高品質的無繞射光束，以及如何產生多種不同雷射模態的疊加輸出等，仍為相關產業亟欲解決的課題。
本發明的目的是在於提供一種雷射裝置及雷射產生方法。依據雷射裝置及雷射產生方法所形成的共振腔中 具有多個可操控之相位邊界，使得在此共振腔內的光場得以至少兩次通過光調變單元，提供更多且更完整的邊界條件控制，故可產生更多樣且更穩定的雷射模態輸出或是多種雷射模態的疊加輸出。
根據本發明之上述目的，提出一種雷射裝置，此雷射裝置包含光學反射及增益單元、光調變單元以及偏振選擇單元。光學反射及增益單元具有增益介質及至少二分色面且用以產生雷射光束。光調變單元與光學反射及增益單元形成共振腔且用以調整共振腔的相位邊界條件。光調變單元具有多個分區，此些分區係分別對應共振腔內的多個相位邊界，使得在共振腔內的光場得以至少兩次通過光調變單元。偏振選擇單元設置於光學反射及增益單元與光調變單元之間，其用以調整入射至光調變單元之光場的偏振方向。
依據本發明之一或多個實施例，上述光調變單元係反射式空間光調變器(spatial light modulator；SLM)。
依據本發明之一或多個實施例，上述光學反射及增益單元另包含二分色鏡，此些分色鏡分別具有上述此些分色面中的二者，且上述增益介質設置於此些分色鏡之間。
依據本發明之一或多個實施例，上述此些分色面中之二者係上述增益介質之兩側面。
依據本發明之一或多個實施例，上述光學反射及增益單元另包含分色鏡，此分色鏡具有上述此些分色面中的一者，且此增益單元具有上述增益介質及上述此些分色面中的另一者。
依據本發明之一或多個實施例，上述偏振選擇單元包含布魯斯特窗口(Brewster window)元件、薄膜偏振器(thin film polarizer)或1/2波長板與偏振分光鏡(polarizing beam splitter；PBS)之組合。
依據本發明之一或多個實施例，上述雷射裝置更包含光路調整單元，此光路調整單元設置於上述光學反射及增益單元與上述偏振選擇單元之間，且此光路調整單元用以調整上述共振腔內的光場路徑，使得在共振腔內的光場得以至少兩次通過光調變單元。
依據本發明之一或多個實施例，上述光路調整單元包含稜鏡組。
根據本發明之上述目的，另提出一種雷射裝置，此雷射裝置包含光學反射及增益單元、多個光調變單元以及多個偏振選擇單元。光學反射及增益單元具有增益介質及至少兩個分色面且用以產生雷射光束。此些光調變單元與光學反射及增益單元形成共振腔，且此些光調變單元分別對應在共振腔內的多個相位邊界，使得在此共振腔內的光場得以通過此些光調變單元的至少兩者。每一此些偏振選擇單元設置於光學反射及增益單元與此些光調變單元中的對應者之間，此些偏振選擇單元分別用以調整入射至此些光調變單元之光場的偏振方向。
根據本發明之上述目的，另提出一種雷射產生方法，包含：提供光學反射及增益單元與光調變單元，此光學反射及增益單元具有增益介質及至少兩個分色面，且此光調變單元與此光學反射及增益單元形成共振腔；配置光調變 單元，使此光調變單元的多個分區與光學反射及增益單元形成共振腔，此些分區係分別對應共振腔內的多個相位邊界；在光學反射及增益單元與光調變單元之間配置偏振選擇單元，此偏振選擇單元用以調整入射至光調變單元之光場的偏振方向；藉由泵浦和光學反射及增益單元產生雷射光束，此雷射光束在共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑；以及輸入控制訊號至光調變單元，以調變通過光調變單元之反射光場的場型，達成控制雷射光束之輸出模態。
100、200‧‧‧雷射裝置
110、210‧‧‧泵浦
120、220、220’、220”‧‧‧光學反射及增益單元
121、221、224、226‧‧‧增益介質
122、123、222、223、225‧‧‧分色鏡
131、132、230‧‧‧光調變單元
141、142、240‧‧‧驅動單元
151、152、250‧‧‧偏振選擇單元
224A、226A、226B‧‧‧分色面
231、232‧‧‧分區
260、260’‧‧‧光路調整單元
261、262、263、264‧‧‧稜鏡
300‧‧‧雷射產生方法
S310、S320、S330、S340、S350‧‧‧步驟
PC‧‧‧計算機設備
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕為依據本發明一些實施例之雷射裝置的架構示意圖；〔圖2〕為依據本發明另一些實施例之雷射裝置的架構示意圖；〔圖3〕為〔圖2〕之雷射裝置中之光路調整單元的不同示例；〔圖4A〕和〔圖4B〕為〔圖2〕之雷射裝置中之光學反射及增益單元的不同示例；〔圖5〕為依據本發明一些實施例之雷射產生方法的流程圖；〔圖6A〕至〔圖6C〕為使用〔圖2〕之雷射裝置所產生之光渦流雷射光束場型的不同示例； 〔圖6D〕至〔圖6F〕分別為〔圖6A〕至〔圖6C〕所示之光渦流雷射光束場型的相位圖；〔圖7A〕至〔圖7D〕為使用〔圖2〕之雷射裝置所產生之光渦流陣列雷射光束場型的不同示例；〔圖7E〕至〔圖7H〕分別為〔圖7A〕至〔圖7D〕所示之光渦流陣列雷射光束場型的相位圖；〔圖8A〕至〔圖8D〕為使用〔圖2〕之雷射裝置所產生之贗無繞射雷射光束場型和傳播光束橫截面的不同示例；〔圖9A〕至〔圖9I〕為使用〔圖2〕之雷射裝置所產生之多種模態疊加的光束場型的不同示例；〔圖10A〕至〔圖10F〕為透過〔圖2〕之雷射裝置之光調變單元所產生之光渦流陣列光束的示例，其中〔圖10A〕及〔圖10D〕為雷射共振腔內，光束於兩光調變單元分區處之光束場型示例，〔圖10B〕及〔圖10E〕分別為〔圖10A〕及〔圖10D〕對應之光束場型的相位圖，〔圖10C〕及〔圖10F〕分別為對應〔圖10A〕及〔圖10D〕之光束場型於光調變單元所需提供的投影相位；〔圖11A〕至〔圖11F〕為透過〔圖2〕之雷射裝置之光調變單元所產生之贗無繞射光渦流陣列光束的示例，其中〔圖11A〕及〔圖11D〕為雷射共振腔內，光束於兩光調變單元分區處之光束場型示例，〔圖11B〕及〔圖11E〕分別為〔圖11A〕及〔圖11D〕對應之光束場型的相位圖，〔圖11C〕及〔圖11F〕分別為對應〔圖11A〕及〔圖11D〕之光束場型於光調變單元所提供的投影相位；以及 〔圖12A〕至〔圖12F〕為透過〔圖2〕之雷射裝置之光調變單元所產生之任意光束的示例，其中〔圖12A〕及〔圖12D〕為雷射共振腔內，光束於兩光調變單元分區處之光束場型示例，〔圖12B〕及〔圖12E〕分別為〔圖12A〕及〔圖12D〕對應之光束場型的相位圖，〔圖12C〕及〔圖12F〕分別為對應〔圖12A〕及〔圖12D〕之光束場型於光調變單元所提供的投影相位。
以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
在本文中所使用之「耦接」一詞，可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而「耦接」還可指二或多個元件相互操作或動作。
請參照圖1，其為依據本發明一些實施例之雷射裝置100的架構示意圖。在雷射裝置100中，泵浦110耦接至光學反射及增益單元120，其用以產生泵激源，使得光學反射及增益單元120中的增益介質121受到泵激源的激發而產生雷射光束。泵浦110可以是光泵，且增益介質121可以是固態雷射晶體，例如Nd：GdVO4晶體，但不限於此。或者，增益介質121可以是氣態(例如氦氖)增益介質、液態(例如染料)增益介質或半導體增益介質等，且泵浦110可以對 應為高壓放電源、染敏、電流源等，但不限於此。在以下說明中，增益介質121及其他實施例之增益介質係以固態雷射晶體為例，但本發明之範圍並不限於此。
光調變單元131、132為反射式空間光調變器(spatial light modulator；SLM)，其分別改變入射光場的強度和/或相位等並據以產生反射光場。光調變單元131、132可以是數位微鏡元件(Digital micromirror device；DMD)、矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon；LCoS)或其他合適的光調變元件。在光調變單元131、132為矽基液晶面板之實施例中，光調變單元131、132可以是各種類型的矽基液晶面板，例如垂直排列型(vertical alignment；VA)矽基液晶面板、扭轉向列型(twisted nematic；TN)矽基液晶面板等，但不限於此。光調變單元131、132與光學反射及增益單元120形成共振腔，使得雷射光束在此共振腔內振盪。
除了增益介質121之外，光學反射及增益單元120還包含分色(dichroic)鏡122、123。分色鏡122、123均具有分色面，其對泵浦110產生的泵激源具有高穿透率，以避免泵激源入射至光調變單元131、132而造成對光調變單元131、132的破壞。此外，分色鏡122、123對增益介質121產生的雷射光束具有高反射率，使得增益介質121產生的雷射光束絕大部分分別經由分色鏡122、123反射至光調變單元131、132。雷射裝置100輸出的雷射光束可以是共振腔之雷射光束中穿透分色鏡122或分色鏡123的部分，但 不限於此。舉例而言，雷射裝置100另可包含偏振分光鏡(polarizing beam splitter；PBS)，其可設置在雷射裝置100中的不同位置，以引導雷射光束的輸出，其中偏振分光鏡可設置在偏振選擇單元151和/或152中。
驅動單元141、142分別耦接光調變單元131、132，其分別輸出控制訊號至光調變單元131、132，以調變反射光場的場型。驅動單元141、142可耦接計算機設備PC，且藉由計算機設備PC輸出設定資訊來分別送出對應的控制訊號至光調變單元131、132。驅動單元141、142可分別調整光調變單元131、132的振幅和/或相位，以改變共振腔的相位邊界條件，進而控制雷射光束的輸出模態。
由於光調變單元131、132的相位調製具有偏振選擇性，故在分色鏡122至光調變單元131的光路中與在分色鏡123至光調變單元132的光路中更分別設置偏振選擇單元151、152，其分別用以調整入射至光調變單元131、132之光場的偏振方向，以分別匹配光調變單元131、132的極化方向。每一偏振選擇單元151、152可以是布魯斯特窗口(Brewster window；BW)、薄膜偏振器(thin film polarizer)或1/2波長板與偏振分光鏡之組合，但不限於此。
雷射裝置100的特點在於，其形成的共振腔，可使得雷射光束的光場在共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑，即得以通過光調變單元131和132，提供更多且更完整的邊界條件控制，故可產生更多樣且更穩定的雷射模態輸出或是多種雷射模態的疊加輸出。而在其他實施例中，雷 射裝置100可依據上述說明增加元件的設置而變更為具有三個以上的相位邊界，故依據上述說明所衍生之具有多個相位邊界的雷射裝置亦屬於本發明的範圍。
請參照圖2，其為依據本發明另一些實施例之雷射裝置200的架構示意圖。在雷射裝置200中，泵浦210耦接至光學反射及增益單元220，其用以產生泵激源，使得光學反射及增益單元220中的增益介質221受到泵激源的激發而產生雷射光束。泵浦210可以是光泵，且增益介質221可以是固態雷射晶體，例如Nd：GdVO4晶體，但不限於此。或者，增益介質221可以是氣態(例如氦氖)增益介質、液態(例如染料)增益介質或半導體增益介質等，且泵浦210可以對應為高壓放電源、染敏、電流源等，但不限於此。
光調變單元230為反射式空間光調變器，其分別改變入射光場的強度和/或相位等並據以調變反射光場。光調變單元230可以是數位微鏡元件、矽基液晶面板或其他合適的光調變元件。在光調變單元230為矽基液晶面板之實施例中，光調變單元230可以是各種類型的矽基液晶面板，例如垂直排列型矽基液晶面板、扭轉向列型矽基液晶面板等，但不限於此。光調變單元230與光學反射及增益單元220形成共振腔，使得雷射光束在此共振腔內振盪。
進一步地，光調變單元230包含分區231、232，且光學反射及增益單元220更包含分色鏡222、223。如圖2所示，分色鏡222、223分別對應光調變單元230的分區231、232。分色鏡222、223均具有分色面，其對泵浦210 產生的泵激源具有高穿透率，以避免泵激源入射至光調變單元230而造成對光調變單元230的破壞。此外，分色鏡222、223對增益介質221產生的雷射光束具有高反射率，使得增益介質221產生的雷射光束絕大部分分別經由分色鏡222、223反射至光調變單元230的分區231、232。雷射裝置200輸出的雷射光束可以是共振腔之雷射光束中穿透分色鏡222或分色鏡223的部分，但不限於此。舉例而言，雷射裝置200另可包含偏振分光鏡，其可設置在雷射裝置200中的不同位置，以引導雷射光束的輸出，其中偏振分光鏡可設置在偏振選擇單元250中。
驅動單元240耦接光調變單元230，輸出控制訊號至光調變單元230，以調變反射光場的場型。驅動單元240可連接計算機設備PC，且藉由計算機設備PC輸出設定資訊來送出對應的控制訊號至光調變單元230。驅動單元240可調整光調變單元230的振幅和相位，以改變共振腔的相位邊界條件，進而控制雷射光束的輸出模態。應注意的是，驅動單元240對光調變單元230的分區231、232的振幅和/或相位調整可互為獨立，即驅動單元240對光調變單元230的分區231的振幅和/或相位調整不影響驅動單元240對光調變單元230的分區232的振幅和/或相位調整。
由於光調變單元230的相位調製具有偏振選擇性，故在分色鏡222至光調變單元230的分區231的光路中與在分色鏡223至光調變單元230的分區232的光路中更設置偏振選擇單元250，其分別用以調整入射至光調變單元 230之光場的偏振方向，以匹配光調變單元230的極化方向。偏振選擇單元250可以是布魯斯特窗口、1/2波長板與偏振分光鏡之組合或薄膜偏振器，但不限於此。
在一些實施例中，如圖2所示，光路調整單元260設置於與偏振選擇單元250之間與光學反射及增益單元220之間，其用以調整共振腔內的相位邊界，使得經由分色鏡222、223反射的光場入射至光調變單元230。如圖2所示，光路調整單元260包含稜鏡組，其由稜鏡261、262所組成，其中稜鏡261、262分別為頂角凸出之稜鏡和頂角內凹之稜鏡。在其他實施例中，光路調整單元260可包含透鏡、稜鏡、反射鏡、上述組合或其他合適的元件。光路調整單元260亦可依據分色鏡222、223及光調變單元230的配置而具有不同態樣。舉例而言，圖3所示之光路調整單元260’包含稜鏡組，其由稜鏡263、264所組成，此些稜鏡263、264均為頂角凸出之稜鏡。
此外，光學反射及增益單元220亦可具有不同態樣。舉例而言，圖4A和圖4B分別為圖2之光學反射及增益單元220的變化實施例。在圖4A中，光學反射及增益單元220’包含增益介質224和分色鏡225。增益介質224係製作為分色鏡的形狀，其雷射晶體材料可與增益介質221相同，且增益介質224還包含分色面224A，其作用與分色鏡222相同。相較於圖2之光學反射及增益單元220，圖4A之光學反射及增益單元220’可進一步減少設置空間。在圖4B中，光學反射及增益單元220”僅包含增益介質226。增益介質 226係製作為梯形稜鏡的形狀，其雷射晶體材料可與增益介質221相同，且增益介質226還包含分色面226A、226B，其作用分別與分色鏡222、223相同。
雷射裝置200的特點在於，其形成的共振腔，可使得雷射光束的光場在共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑，即得以通過光調變單元230中的分區231和232，提供更多且更完整的邊界條件控制，故可產生更多樣且更穩定的雷射模態輸出或是多種雷射模態的疊加輸出。此外，相較於圖1之雷射裝置100，雷射裝置200僅需配置單一光調變單元即可形成具有兩個控制共振腔相位邊界的雷射共振腔，故可進一步節省硬體配置成本。而在其他實施例中，光調變單元230可依據其解析度及雷射裝置200的環境架設需求設定為具有三個以上的分區，且雷射裝置200可依據光調變單元230的分區配置及上述說明來增加元件的設置，進而變更為具有三個以上可調變共振腔相位邊界的雷射共振腔，故依據上述說明所衍生之具有多個可控制共振腔相位邊界的雷射裝置亦屬於本發明的範圍。
圖5為依據本發明實施例之雷射產生方法300的流程圖。雷射產生方法300適用於圖2之雷射裝置200或其他相似雷射裝置，且其包含下列步驟。首先，進行步驟S310，提供光學反射及增益單元與光調變單元。光學反射及增益單元可以是圖2之光學反射及增益單元220、圖4A之光學反射及增益單元220’、圖4B之光學反射及增益單元220”或其他合適的光學反射及增益單元，且光調變單元可 以是圖2之光調變單元230或其他合適的光調變單元。接著，進行步驟S320，配置光調變單元，使光調變單元的多個分區與光學反射及增益單元形成共振腔，此些分區分別對應共振腔內的多個相位邊界。之後，進行步驟S330，在光學反射及增益單元與光調變單元之間配置偏振選擇單元，以調整入射至光調變單元之光場的偏振方向。偏振選擇單元可以是圖2之偏振選擇單元250或其他合適的偏振選擇單元。接著，進行步驟S340，藉由泵浦和光學反射及增益單元產生雷射光束，此雷射光束在共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑，即得以至少兩次通過光調變單元。泵浦可以是圖2之泵浦210或其他合適的泵浦，且光學反射及增益單元受到泵浦產生之泵激源的激發而產生雷射光束；此泵激源可由例如泵浦210或其他合適的泵浦產生。之後，進行步驟S350，輸入控制訊號至光調變單元，以調變通過光調變單元之反射光場的場型，達成控制雷射光束的輸出模態。輸入至光調變單元的控制訊號可由耦接至光調變單元的驅動單元產生，例如圖2之驅動單元240。
依據圖5之雷射產生方法300，因為光調變單元具有多個對應共振腔相位邊界的分區，故在共振腔內的光場可在共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑通過光調變單元中的至少兩個分區，即至少通過光調變單元兩次。
此外，在一些實施例中，雷射產生方法300另包含在偏振選擇單元與光學反射及增益單元之間設置光路調整單元，以調整共振腔內的光場路徑。光路調整單元可以 是圖2之光路調整單元260、圖3之光路調整單元260’或由透鏡、稜鏡、反射鏡、上述組合或其他合適的元件所組成的光路調整單元。
應注意的是，圖5之雷射產生方法300係用於具有單一光調變單元的雷射裝置(例如雷射裝置200)。而在其他實施例中，雷射產生方法300可依據圖1及圖5之說明變更為用於具有多個光調變單元的雷射裝置(例如雷射裝置100)，故依據雷射產生方法300所衍生之任何變化實施例亦屬於本發明的範圍。此外，在其他實施方式中，可依據各種操作需求對應變更雷射產生方法300之各步驟的順序。舉例而言，步驟S330可變更為在步驟S310和步驟S320之間進行。因此，任何依據雷射產生方法300所衍生的步驟變更亦屬於本發明的範圍。
圖6A至圖6C為使用雷射裝置200所產生之光渦流雷射光束場型的不同示例，其分別對應拉葛朗高斯(Laguerre-Gaussian；LG)模態中的LG0,1模態、LG0,2模態和LG0,3模態模態(即對應的拓樸電荷數(topological charges)分別為1至3)，而圖6D至圖6F分別為圖6A至圖6C所示之光渦流雷射光束場型的相位圖。由圖6A至圖6F可知，雷射裝置200可產生具有各種量子化角動量的光渦流雷射光束。
圖7A至圖7D為使用雷射裝置200所產生之光渦流陣列雷射光束場型的不同示例，其分別對應恩斯-高斯(Ince-Gaussian；IG)模態中的IGe 3,3模態、IGe 4,4模態、 IGo 3,3模態和IGo 4,4模態與該模態旋轉90度之光場兩光場所疊加出的光渦流陣列，其中IGe ．,．和IGo ．,．分別為偶數型(even)和奇數型(odd)的恩斯-高斯模態，且IG． 3,3和IG． 4,4分別為模態階數(mode order)分別為(3,3)，和(4,4)的恩斯-高斯模態，而圖7E至圖7H分別為圖7A至圖7D所示之光渦流陣列雷射光束場型的相位圖。由圖7A至圖7H可知，雷射裝置200可產生具有各種量子化角動量的光渦流陣列雷射光束。
圖8A至圖8D為使用雷射裝置200所產生之贗無繞射光束(pseudo-nondiffracting beam)場型和傳播光束橫截面的不同示例，其分別對應餘弦高斯(cosine-Gauss；CG)模態、第4階貝索-高斯(Bessel-Gauss；BG)模態、特徵參數(characteristic parameter)為3的第4階馬修-高斯(Mathieu-Gauss；MG)模態和光束階數(beam order)為3的拋物型高斯(parabolic-Gauss；PG)模態。在圖8A至圖8D的任一圖中，左側為贗無繞射光束的橫向場形圖，而右側為沿光束傳播方向場形截面圖。由圖8A至圖8D可知，雷射裝置200可產生具有各種模態的贗無繞射光束，且在一定的傳播距離下不會發散，其具有長焦深的特點。此外，雷射裝置200產生之各種模態的贗無繞射光束在受到障礙物的部分遮蔽下可在傳播一定距離後復原，故其具有自癒的特性。
圖9A至圖9I為使用雷射裝置200所產生之多種模態疊加的光束場型的不同示例，其對應的疊加模態如表1 所示，其中HGm,n為厄米-高斯(Hermite-Gaussian；HG)模態，m、n分別為在水平和鉛直方向上的節點個數，MGe m為第m階偶數型馬修-高斯模態，且(．)T表示轉置(transport)操作，即將光場旋轉90度。
由圖9A至圖9I可知，雷射裝置200可控制產生具有隨意多種雷射模態的光束的疊加模態的雷射輸出，若疊加之雷射模態皆為贗無繞射雷射光束，則該疊加模態雷射輸出在一定的傳播距離下不會發散，具有長焦深的特點。
圖10A至圖10F為透過雷射裝置200之光調變單元230所產生之光渦流陣列光束的示例，此光渦流陣列光束的模態由IGe 4,4+e(iπ/2)×(IGe 4,4)T疊加而成。在至光調變單元230之分區231的光場路徑中，圖10A和圖10B分別為欲在光調變單元230之分區231產生之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖10C為依據圖10A和圖10B所回推 之光調變單元230之分區231的投影相位。基於圖10C之投影相位來調整光調變單元230之分區231的設定參數，可得到如圖10A和圖10B所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。而在至光調變單元230之分區232的光場路徑中，圖10D和圖10E分別為欲從分區231傳播至分區232上之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖10F為依據圖10D和圖10E所回推之光調變單元230之分區232的投影相位。基於圖10F之投影相位來調整光調變單元230之分區232的設定參數，可得到如圖10D和圖10E所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。
圖11A至圖11F為透過雷射裝置200之光調變單元230所產生之贗無繞射光渦流陣列光束的示例，此贗無繞射光渦流陣列光束的模態由MGe 4+e(iπ/2)×(MGe 4)T疊加而成。在至光調變單元230之分區231的光場路徑中，圖11A和圖11B分別為欲在光調變單元230之分區231產生之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖11C為依據圖11A和圖11B所回推之光調變單元230之分區231的投影相位。基於圖11C之投影相位來調整光調變單元230之分區231的設定參數，可得到如圖11A和圖11B所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。而在至光調變單元230之分區232的光場路徑中，圖11D和圖11E分別為欲從分區231傳播至分區232上之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖11F為依據圖11D和圖11E所回推之光調變單元230之分區232的投影相位。基於圖11F之投影相位來調整光調變單元230 之分區232的設定參數，可得到如圖11D和圖11E所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。
圖12A至圖12F為透過雷射裝置200之光調變單元230所產生之任意光束的示例，此任意光束的模態由HG3,1+2×IGe 4,2+LG0,4疊加而成。在至光調變單元230之分區231的光場路徑中，圖12A和圖12B分別為欲在光調變單元230之分區231產生之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖12C為依據圖12A和圖12B所回推之光調變單元230之分區231的投影相位。基於圖12C之投影相位來調整光調變單元230之分區231的設定參數，可得到如圖12A和圖12B所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。而在至光調變單元230之分區232的光場路徑中，圖12D和圖12E分別為欲從分區231傳播至分區232上之光渦流陣列光束的光場強度分佈和相位，而圖12F為依據圖12D和圖12E所回推之光調變單元230之分區232的投影相位。基於圖12F之投影相位來調整光調變單元230之分區232的設定參數，可得到如圖12D和圖12E所示之所欲光束的光場強度分佈和相位。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種雷射裝置，包含：一光學反射及增益單元，其具有一增益介質及至少二分色(dichroic)面且用以產生一雷射光束；一光調變單元，其與該光學反射及增益單元形成一共振腔且用以調整該共振腔的相位邊界條件，該光調變單元具有複數個分區，該些分區係分別對應該共振腔內的複數個相位邊界，使得在該共振腔內的光場得以至少兩次通過該光調變單元；以及一偏振選擇單元，設置於該光學反射及增益單元與該光調變單元之間，該偏振選擇單元用以調整入射至該光調變單元之光場的偏振方向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，其中該光調變單元係一反射式空間光調變器(spatial light modulator；SLM)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，其中該光學反射及增益單元另包含二分色鏡，該些分色鏡分別具有該些分色面中之二者，且該增益介質設置於該些分色鏡之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，其中該些分色面中之二者係該增益介質之兩側面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，其中該光學反射及增益單元包含一分色鏡及一增益介質，該分色鏡具有該些分色面中之一者，且該增益介質具有該些分色面中之另一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，其中該偏振選擇單元包含一布魯斯特窗口(Brewster window)元件、一薄膜偏振器(thin film polarizer)或一1/2波長板與一偏振分光鏡(polarizing beam splitter；PBS)之組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射裝置，更包含：一光路調整單元，設置於光學反射及增益單元與該偏振選擇單元之間，該光路調整單元用以調整該共振腔內的光場路徑。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雷射裝置，其中該光路調整單元包含一稜鏡組。
  9. 一種雷射裝置，包含：一光學反射及增益單元，其具有一增益介質及至少二分色面且用以產生一雷射光束；複數個光調變單元，其與該光學反射及增益單元形成一共振腔，該些光調變單元係分別對應該共振腔內的複數 個相位邊界，使得在該共振腔內的光場得以通過該些光調變單元中之至少兩者；以及複數個偏振選擇單元，每一該些偏振選擇單元設置於該光學反射及增益單元與該些光調變單元中之一對應者之間，該些偏振選擇單元分別用以調整入射至該些光調變單元之光場的偏振方向。
  10. 一種雷射產生方法，包含：提供一光學反射及增益單元與一光調變單元，該光學反射及增益單元具有一增益介質及至少二分色面；配置該光調變單元，使該光調變單元之複數個分區與該光學反射及增益單元形成一共振腔，該些分區係分別對應該共振腔內的複數個相位邊界；在該光學反射及增益單元與該光調變單元之間配置一偏振選擇單元，該偏振選擇單元用以調整入射至該光調變單元之光場的偏振方向；藉由一泵浦和該光學反射及增益單元產生一雷射光束，該雷射光束在該共振腔中完成完整來回振盪一次的路徑得以至少兩次通過光調變單元；以及輸入一控制訊號至該光調變單元，以調變通過該光調變單元之反射光場的場型，達成控制該雷射光束之輸出模態。
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