JP5035803B2 - Optical vortex laser beam oscillation method and optical vortex laser beam oscillation apparatus - Google Patents

Optical vortex laser beam oscillation method and optical vortex laser beam oscillation apparatus Download PDF

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Description

本発明は螺旋状の等位相面を有し、かつビーム強度分布がリング状であるレーザービーム、いわゆる光渦レーザービームの発振方法および発振装置に関わる。 The present invention relates to a laser beam having a helical equiphase surface and a beam intensity distribution in a ring shape, that is, a so-called optical vortex laser beam oscillation method and apparatus.

ラゲールガウスビームに代表される光渦は、光マニピュレーションや原子トラップなどの新しい光学分野への応用が期待されている。レーザー光を照射しその圧力(吸収、反射、屈折に伴い、レーザー光から対象物へ運動量が移動する現象)により、微小な対象物を捕捉し動かす技術は、光トラップもしくは光マニピュレーション技術といわれ、最近急速に脚光を浴びるようになってきた。このような技術は、特に生物学の基礎研究やマイクロマシン工学における手段として注目されている。例えば、レーザー光を顕微鏡の中に導き、対物レンズで絞ることでその焦点近くのDNAなどの巨大分子や細胞、生体組織等を捕まえて動かしたり(光ピンセット)、切断・破壊したり(光メス)することが可能である。このような光操作に使用される顕微鏡は、各研究機関で開発が進められ、実用化段階に入りつつある。 Optical vortices represented by Laguerre Gaussian beams are expected to be applied to new optical fields such as optical manipulation and atomic traps. The technology to capture and move a minute object by irradiating laser light and its pressure (a phenomenon in which momentum moves from laser light to the object with absorption, reflection, and refraction) is called optical trap or optical manipulation technology. Recently, it has come to the spotlight rapidly. Such a technique is particularly attracting attention as a means in basic biology research and micromachine engineering. For example, a laser beam is guided into a microscope and is focused with an objective lens to capture and move macromolecules such as DNA, cells, and biological tissues near the focal point (optical tweezers), and to cut and destroy (optical scalpel) ) Is possible. Microscopes used for such optical manipulations are being developed by various research institutes and are entering the practical stage.

また、他方では各種タイプのレーザービーム発振装置が活発に研究開発され、利用分野が拡大している。半導体レーザー、ガスレーザー、固体レーザーなど多くのタイプのレーザービーム発振装置が現在までに実用化されている。そしてこれらのレーザー装置を光トラップや光マニピュレーション用の光源として使用する研究、開発が活発になされている。 On the other hand, various types of laser beam oscillators are actively researched and developed, and their fields of use are expanding. Many types of laser beam oscillators such as semiconductor lasers, gas lasers, and solid-state lasers have been put into practical use so far. Research and development have been actively conducted to use these laser devices as light sources for optical traps and optical manipulation.

しかし、一般的にレーザービーム発振装置の出力ビームの断面光強度分布は、円形の正規分布(ガウシアン分布)であって、中心で一番強度が高い状態になっている。そのため、出力ビームを微小対象物にそのまま照射し、光トラップや光マニピュレーションをおこなう場合、対象物を移動させることは容易であるが、対象物は一方向からのみ力を受けることになるため、捕捉が難しいという問題がある。そのため、効率的な光トラップ、光マニピュレーション操作を行う目的で、レーザービーム出力装置からの出力ビームの光強度分布を偏光板や液晶空間変調器などのホログラムを用いて光渦を発生させる手法が主流であった(特許文献1)。 However, generally, the cross-sectional light intensity distribution of the output beam of the laser beam oscillation device is a circular normal distribution (Gaussian distribution), and the intensity is highest at the center. For this reason, when an output beam is directly irradiated onto a minute object and an optical trap or optical manipulation is performed, it is easy to move the object, but the object receives force only from one direction, so it is captured. There is a problem that is difficult. Therefore, for the purpose of efficient optical trap and optical manipulation operations, the mainstream method is to generate an optical vortex using a hologram such as a polarizing plate or a liquid crystal spatial modulator for the light intensity distribution of the output beam from the laser beam output device. (Patent Document 1).

しかし、この場合、回折格子素子の損傷や回折損失などの問題で、高出力な光渦を生成させることが困難であった。具体的には、偏光板や液晶空間変調器などのホログラムを用いた光渦発生方法では、1W以上の強い光渦を発振させる場合においては、強い光によって偏向板や液晶が損傷するという問題がある。また、従来の偏光板や液晶空間変調器などのホログラムを用いた光渦発生方法における光渦の生成効率は10%程度であり、損失が大きいという問題がある。さらには、生成される光渦の波長の最大値が1μm程度であり、このような短い波長では生体組織を扱うには問題がある。 However, in this case, it is difficult to generate a high-power optical vortex due to problems such as damage to the diffraction grating element and diffraction loss. Specifically, in the optical vortex generation method using a hologram such as a polarizing plate or a liquid crystal spatial modulator, there is a problem that when a strong optical vortex of 1 W or more is oscillated, the deflecting plate and the liquid crystal are damaged by the strong light. is there. Further, the optical vortex generation efficiency in the optical vortex generation method using a hologram such as a conventional polarizing plate or a liquid crystal spatial modulator is about 10%, and there is a problem that loss is large. Further, the maximum value of the wavelength of the generated optical vortex is about 1 μm, and there is a problem in handling living tissue at such a short wavelength.

また、レーザー加工においては、一般的に使用されるレーザービームは、光強度分布が円形の正規分布(ガウシアン分布)を有するガウスビームである。この場合、プラズマやスパッター(溶融金属の酸化生成物)が飛散するという問題がある。 In laser processing, a generally used laser beam is a Gaussian beam having a normal distribution (Gaussian distribution) with a circular light intensity distribution. In this case, there is a problem that plasma and sputtering (oxidized product of molten metal) are scattered.

特表2005−515878の段落0027、段落0028及び図5Paragraph 0027, Paragraph 0028 and FIG. 5 of JP 2005-515878 A

本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、
(1)広い波長範囲で、高出力の光渦レーザービームを高い生成効率で発振でき、共振器から直接発振できる光渦レーザービーム発振方法
(2)広い波長範囲で、高出力の光渦レーザービームを高い生成効率で発振でき、共振器から直接発振できる光渦レーザービーム発振装置
を提供することにある。
The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to
(1) Optical vortex laser beam oscillation method that can oscillate high output optical vortex laser beam with high generation efficiency in a wide wavelength range and can oscillate directly from the resonator (2) High output optical vortex laser beam in a wide wavelength range It is an object to provide an optical vortex laser beam oscillation device that can oscillate with high generation efficiency and can oscillate directly from a resonator.

本発明は、
「[1]固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、前記光励起により前記固体レーザー媒質内に熱レンズを形成させ、かつ該熱レンズと前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して共振条件;
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないことにより、高次モードのレーザービームの位相を90度変化させつつ、該高次モードのレーザービームを選択的に増幅、発振させることを特徴とする、光渦レーザービーム発振方法。
[2]前記光励起が前記固体レーザー媒質の側面から励起させる側面励起方式であり、該固体レーザー媒質の側面から奥行き方向に向けて指数関数的に温度が低くなる温度分布勾配による熱レンズを形成させることを特徴とする、[1]記載の光渦レーザービーム発振方法。
[3]固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする[1]または[2]記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4]励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする[1]、[2]、[3]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4−1]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、音響光学素子、電気光学素子または可飽和吸収素子を配置しQスイッチとして作用させ、高出力の光渦レーザービームを発振させることを特徴とする、[1]、[2]、[3]、[4]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[4−2]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、可飽和吸収体を配置しモードロックレーザーとして作用させ、または、音響光学素子を配置しアクティブモードロックによって、ナノ秒レベルからピコ秒レベルの光渦レーザービームを発振させることを特徴とする、[1]、[2]、[3]、[4]、[4−1]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振方法。
[5]固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振装置において、前記レーザーダイオードは、2枚のシリンドリカルレンズの共焦点位置で固体レーザー媒質が光励起されるように配置され、高次モードに対して共振条件;
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように熱レンズの焦点距離、反射ミラー側の共振距離、反射ミラーの曲率半径、出力ミラー側の共振距離、出力ミラーの曲率半径が設定されていることを特徴とする光渦レーザービーム発振装置。
[6]固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする[5]記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7]励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする[5]または[6]記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7−1]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、音響光学素子、電気光学素子または可飽和吸収素子を配置することを特徴とする、[5]、[6]、[7]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振装置。
[7−2]前記光共振器の反射ミラーとシリンドリカルレンズとの間に、可飽和吸収体もしくは音響光学素子を配置することを特徴とする、[5]、[6]、[7]、[7−1]のいずれかに記載の光渦レーザービーム発振装置。」
に関する。
The present invention
“[1] A solid-state laser medium and two cylindrical lenses sandwiching the solid-state laser medium are arranged in an optical resonator including a reflection mirror and an output mirror, and the solid-state laser medium is excited by excitation light from an excitation light source. In the laser beam oscillation method of oscillating a laser beam by optically exciting a laser beam, a thermal lens is formed in the solid-state laser medium by the optical excitation, and the thermal lens, the two cylindrical lenses, and the optical resonator are high. Resonance condition for next mode;
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
By satisfying the above, and not satisfying the resonance condition for the low-order mode, the high-order mode laser beam is selectively amplified and oscillated while changing the phase of the high-order mode laser beam by 90 degrees. An optical vortex laser beam oscillation method characterized by the above.
[2] A side-excitation method in which the optical excitation is excited from the side surface of the solid-state laser medium, and a thermal lens having a temperature distribution gradient in which the temperature decreases exponentially from the side surface of the solid-state laser medium in the depth direction is formed. The method of oscillating an optical vortex laser beam according to [1].
[3] The optical vortex laser beam oscillation according to [1] or [2], wherein the solid laser medium is Nd: YVO 4 or Nd: GdVO 4 doped with Nd at a doping concentration of 1 atm% or more Method.
[4] The optical vortex laser beam oscillation method according to any one of [1], [2], and [3], wherein the excitation light source is a laser diode.
[4-1] An acousto-optic element, electro-optic element or saturable absorber element is arranged between the reflection mirror of the optical resonator and the cylindrical lens to act as a Q switch to oscillate a high-output optical vortex laser beam. An optical vortex laser beam oscillation method according to any one of [1], [2], [3], and [4], wherein
[4-2] A saturable absorber is disposed between the reflecting mirror of the optical resonator and the cylindrical lens to act as a mode-locked laser, or an acousto-optic element is disposed and active mode locking is performed at the nanosecond level. The optical vortex laser beam oscillation according to any one of [1], [2], [3], [4], and [4-1], wherein the optical vortex laser beam is oscillated from picosecond to picosecond level. Method.
[5] A solid laser medium and two cylindrical lenses sandwiching the solid laser medium are arranged in an optical resonator having a reflection mirror and an output mirror, and the solid laser medium is excited by excitation light from an excitation light source. In the laser beam oscillation device that oscillates a laser beam by optical excitation, the laser diode is arranged so that the solid laser medium is optically excited at the confocal position of the two cylindrical lenses, and the resonance condition for the higher-order mode ;
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
In order to satisfy the resonance condition for the low-order mode, the focal length of the thermal lens, the resonance distance on the reflection mirror, the radius of curvature of the reflection mirror, the resonance distance on the output mirror, and the radius of curvature of the output mirror An optical vortex laser beam oscillation device characterized in that is set.
[6] The optical vortex laser beam oscillator according to [5], wherein the solid-state laser medium is Nd: YVO 4 or Nd: GdVO 4 doped with Nd at a doping concentration of 1 atm% or more.
[7] The optical vortex laser beam oscillator according to [5] or [6], wherein the excitation light source is a laser diode.
[7-1] An acoustooptic device, an electrooptic device, or a saturable absorber device is disposed between the reflection mirror of the optical resonator and the cylindrical lens, [5], [6], [6] 7] The optical vortex laser beam oscillation device according to any one of [7].
[7-2] A saturable absorber or an acousto-optic element is disposed between the reflection mirror of the optical resonator and the cylindrical lens, [5], [6], [7], [7] 7-1]. The optical vortex laser beam oscillation device according to any one of [7-1]. "
About.

本発明によると、レーザー増幅器(共振器)内にある固体レーザー媒質内部にできる熱レンズ効果が共振器内部のビームサイズ(モードサイズ)によって変わることを利用して、ガウスビームに代表される低次モードより高次エルミートガウスモードを選択的に発振しやすくすることができ、共振器の性質と共振器ミラーのアライメントによって、レーザー共振器から直接、光渦レーザービームを発振することができる。したがって、偏向板や液晶の損傷の問題はなく、エネルギー損失が少なくて光渦の生成効率が高く、波長が1.3μmクラス、光パワーが少なくとも1W以上の光渦レーザービームを発振することができる。この光渦レーザービームをレーザー加工に使用すれば、プラズマやスパッター(溶融金属の酸化生成物)を捕捉し、飛散の方向性を制御できるため、基板への逆戻りを防止し、精密なレーザー加工をすることできる。 According to the present invention, a low-order typified by a Gaussian beam is utilized by utilizing the fact that the thermal lens effect formed inside a solid laser medium in a laser amplifier (resonator) varies depending on the beam size (mode size) inside the resonator. It is possible to selectively oscillate higher order Hermitian Gaussian modes than modes, and an optical vortex laser beam can be oscillated directly from the laser resonator by the nature of the resonator and the alignment of the resonator mirror. Therefore, there is no problem of damage to the deflecting plate and the liquid crystal, and it is possible to oscillate an optical vortex laser beam having a low energy loss, a high optical vortex generation efficiency, a wavelength of 1.3 μm class, and an optical power of at least 1 W or more. If this optical vortex laser beam is used for laser processing, it can capture plasma and spatter (oxidized product of molten metal) and control the direction of scattering, thus preventing reversion to the substrate and precise laser processing. Can do.

本第1発明の光渦レーザービーム(optical vortex)、すなわち螺旋状の等位相面を有し、かつビーム強度分布がリング状であるレーザービームの発振方法における光渦レーザービームとは、光波面内に位相特異点を持つ光である。つまり、ガウスビームが光軸を中心に強度分布が大きいのに対して、光渦は光軸から遠いところで強度分布が大きいという特徴を有している。光渦の代表的なものには、ラゲールガウスビームがある。ラゲールガウスビームは、螺旋階段のように、光軸のまわりに1回転した時に位相が2π(あるいはその整数倍)変化するものであり、等位相面が螺旋構造をとる。ラゲールガウスビームは、光軸上の強度が零(位相特異点)で、光軸断面の強度分布がリング状をなしている。 The optical vortex laser beam in the method for oscillating an optical vortex laser beam (optical vortex) of the first invention, that is, a laser beam having a helical equiphase surface and having a beam intensity distribution in a ring shape, Light with a phase singularity. That is, the Gaussian beam has a large intensity distribution around the optical axis, whereas the optical vortex has a characteristic that the intensity distribution is large at a distance from the optical axis. A typical optical vortex is a Laguerre Gaussian beam. A Laguerre Gaussian beam, like a spiral staircase, has a phase that changes by 2π (or an integer multiple thereof) when it rotates once around the optical axis, and the equiphase surface has a helical structure. The Laguerre Gaussian beam has zero intensity on the optical axis (phase singularity), and the intensity distribution of the optical axis cross section is in a ring shape.

本第1発明の光渦レーザービーム、すなわち螺旋状の等位相面を有し、かつビーム強度分布がリング状であるレーザービームの発振方法について、図1に基づいて説明する。
図1は、光渦レーザービーム発振方法に用いる光渦レーザービーム発振装置Aを上方から示したものである。
光共振器である反射ミラー1と出力ミラー2の間には、固体レーザー媒質3が配されている。固体レーザー媒質3の側面3aに励起光4が照射されるように励起光源であるレーザーダイオード5が配されている。なお、励起光源は、レーザーダイオード(半導体レーザー)が好ましいが、レーザーダイオード(半導体レーザー)の代わりに同等の性能を有する励起光源を使用してもよい。
固体レーザー媒質3の一方の端面3b1と反射ミラー1との間に、シリンドリカルレンズ6が配され、同様に固体レーザー媒質3の他方の端面3b2と出力ミラー2との間に、シリンドリカルレンズ7が配されている。シリンドリカルレンズ6及び7は、共振器内の光路断面において縦方向に曲面を持つように配されている。
A method for oscillating an optical vortex laser beam according to the first invention, that is, a laser beam having a helical equiphase surface and having a beam intensity distribution in a ring shape will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows an optical vortex laser beam oscillation apparatus A used in the optical vortex laser beam oscillation method from above.
A solid-state laser medium 3 is disposed between the reflection mirror 1 and the output mirror 2 which are optical resonators. A laser diode 5 as an excitation light source is arranged so that the excitation light 4 is irradiated on the side surface 3a of the solid-state laser medium 3. The excitation light source is preferably a laser diode (semiconductor laser), but an excitation light source having equivalent performance may be used instead of the laser diode (semiconductor laser).
A cylindrical lens 6 is disposed between one end surface 3b1 of the solid-state laser medium 3 and the reflection mirror 1, and similarly, a cylindrical lens 7 is disposed between the other end surface 3b2 of the solid-state laser medium 3 and the output mirror 2. Has been. The cylindrical lenses 6 and 7 are arranged so as to have a curved surface in the vertical direction in the cross section of the optical path in the resonator.

レーザーダイオード5から励起光4が固体レーザー媒質3の側面3aに対して照射されると、固体レーザー媒質3は光励起される。この光励起により、固体レーザー媒質3は反転分布状態なる。反転分布状態となった固体レーザー媒質3は、自然放出を起こし、低次モードや高次モードなどの様々なモードの光が共振器内部に発生する。 When the excitation light 4 is irradiated from the laser diode 5 to the side surface 3a of the solid laser medium 3, the solid laser medium 3 is optically excited. By this optical excitation, the solid-state laser medium 3 is in an inverted distribution state. The solid-state laser medium 3 in the inverted distribution state spontaneously emits, and light of various modes such as a low-order mode and a high-order mode is generated inside the resonator.

また、前記励起光4により、固体レーザー媒質3内に側面3aから奥行き方向に向けて指数関数的に温度が低くなる温度分布が形成される(固体レーザー媒質の吸収効果)。温度が高いほど屈折率は低くなるので、図2に示すように、固体レーザー媒質内に側面から奥行き方向に向けて指数関数的に屈折率が高くなる屈折率分布10が形成される。なお、図2は、励起光4が照射されている固体レーザー媒質3の側面3aにおける熱レンズ8の模式図である。この屈折率分布による熱レンズ効果は、光共振器内部の光のビームサイズ(モードサイズ)に応じて二次関数的に現れ(図2の8a、8b)、温度が高いところほど焦点距離が短くなる熱レンズ8を形成する。なお、上述の通り共振器内部を往復する光は、固体レーザー媒質3の側面3a(図2の11)で全反射するため、熱レンズ8が該反射面(鏡面11)で対称となる鏡像12を発生し(鏡像現象)、熱レンズ8となる。ここで、共振器内部の光におけるガウスビームなどの低次モードの細い光は、熱レンズ8を焦点距離の短いレンズ8aと感じる。一方、共振器内部の光におけるエルミートガウスビームなどの高次モードの比較的太い光は、熱レンズ8を共振可能な共振長に見合う焦点距離の長いレンズ8bと感じる。 Further, the excitation light 4 forms a temperature distribution in the solid laser medium 3 in which the temperature decreases exponentially from the side surface 3a in the depth direction (absorption effect of the solid laser medium). Since the refractive index decreases as the temperature increases, a refractive index distribution 10 in which the refractive index increases exponentially from the side surface in the depth direction is formed in the solid laser medium as shown in FIG. 2 is a schematic diagram of the thermal lens 8 on the side surface 3a of the solid-state laser medium 3 to which the excitation light 4 is irradiated. The thermal lens effect due to the refractive index distribution appears as a quadratic function according to the beam size (mode size) of light inside the optical resonator (8a and 8b in FIG. 2). The higher the temperature, the shorter the focal length. The thermal lens 8 is formed. As described above, since the light traveling back and forth inside the resonator is totally reflected by the side surface 3a (11 in FIG. 2) of the solid-state laser medium 3, the thermal lens 8 is a mirror image 12 that is symmetric at the reflecting surface (mirror surface 11). (Mirror image phenomenon), and becomes the thermal lens 8. Here, the low-order mode thin light such as a Gaussian beam in the light inside the resonator feels the thermal lens 8 as a lens 8a having a short focal length. On the other hand, relatively thick light of higher order modes such as Hermitian Gaussian beam in the light inside the resonator feels that the thermal lens 8 is a lens 8b having a long focal length commensurate with the resonance length capable of resonating.

光共振器内部では、光共振器の反射ミラー1及び出力ミラー2に対して実質的に垂直な光が誘導放出により増幅する。具体的には、光共振器内部の光におけるガウスビームなどの低次モードの細い光は、焦点距離の短いレンズ8aにより発散して光共振器のミラーの回折損失を受けるので、エルミートガウスビームなどの高次モードの比較的太い光のみ、光共振器の反射ミラー1、出力ミラー2で十分に反射される。したがって、低次モードの細い光は発散し、高次モードの比較的太い光が選択的に増幅し、出力ミラー2から外部へ発振する。以上により、熱レンズ8は、光共振器内部の光のモード選択性を有する。なお、光共振器内で往復する光は、固体レーザー媒質3の側面3aで全反射して、共振器内の反射ミラー1と出力ミラー2の間を往復する。 Inside the optical resonator, light substantially perpendicular to the reflecting mirror 1 and the output mirror 2 of the optical resonator is amplified by stimulated emission. Specifically, a low-order mode thin light such as a Gaussian beam in the light inside the optical resonator diverges by the lens 8a having a short focal length and receives diffraction loss of the mirror of the optical resonator. Only the relatively thick light of the higher order mode is sufficiently reflected by the reflection mirror 1 and the output mirror 2 of the optical resonator. Therefore, the low-order mode thin light diverges and the higher-order mode relatively thick light is selectively amplified and oscillates from the output mirror 2 to the outside. As described above, the thermal lens 8 has mode selectivity of light inside the optical resonator. The light reciprocating in the optical resonator is totally reflected by the side surface 3a of the solid-state laser medium 3, and reciprocates between the reflecting mirror 1 and the output mirror 2 in the resonator.

ここで、高次モードの比較的太い光が共振器によって選択的に増幅する条件は、前記熱レンズ10と前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して下記の共振条件(式1)を満足させ、低次モードに対しては満足させないことである。
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
上記式は、焦点距離fのレンズを挟んで共振長LM1の距離をおく曲率半径RM1の反射ミラーと、共振長LM2の距離をおく曲率半径RM2の出力ミラーとが対向配置されている光共振器の一般的な安定条件である。ここで、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。本発明においては、焦点距離fは、熱レンズの焦点距離である。前述の通り、熱レンズの焦点距離fは、ビームサイズにより変わるので、g1、g2の値は、ビームサイズにより変わり、同じ共振器でも、高次モードに対して上記式の共振条件を満足させ、低次モードに対しては満足させないことが可能となる。
Here, the condition for selectively amplifying the relatively thick light of the higher-order mode by the resonator is that the thermal lens 10, the two cylindrical lenses, and the optical resonator have the following resonance with respect to the higher-order mode. The condition (formula 1) is satisfied, and the low-order mode is not satisfied.
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
In the above formula, a reflection mirror having a radius of curvature R M1 that sets a distance of the resonance length L M1 across a lens having a focal length f, and an output mirror of a radius of curvature R M2 that sets a distance of the resonance length L M2 are opposed to each other. This is a general stability condition for an optical resonator. Here, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f. In the present invention, the focal length f is the focal length of the thermal lens. As described above, since the focal length f of the thermal lens varies depending on the beam size, the values of g 1 and g 2 vary depending on the beam size, and the same resonator satisfies the resonance condition of the above formula for the higher-order mode. Therefore, it is possible not to satisfy the low-order mode.

前記熱レンズ8が前記シリンドリカルレンズ6及び7の共焦点の位置となるように、固体レーザー媒質3、レーザーダイオード5、シリンドリカルレンズ6及び7が配される。シリンドリカルレンズ6及び7は共振器内の光路断面において縦方向に曲面を持ち、一方熱レンズ8は光路断面において横方向に曲面を持つシリンドリカルレンズのような光学作用を持つので、π/2モード変換が行われる。よって、共振器内部の光は、熱レンズ8を通過する過程で位相差π/2を与えられる。なお、シリンドリカルレンズ6及び7は、熱レンズ8における縦方向の光の発散を補償する。シリンドリカルレンズ6及び7の焦点距離は、特に限定されないが、例えば50mm〜100mmであり、実施例では50mmである。 The solid-state laser medium 3, the laser diode 5, and the cylindrical lenses 6 and 7 are arranged so that the thermal lens 8 becomes a confocal position of the cylindrical lenses 6 and 7. The cylindrical lenses 6 and 7 have a curved surface in the longitudinal direction in the optical path section in the resonator, while the thermal lens 8 has an optical action like a cylindrical lens having a curved surface in the lateral direction in the optical path section. Is done. Therefore, the light inside the resonator is given a phase difference of π / 2 in the process of passing through the thermal lens 8. The cylindrical lenses 6 and 7 compensate for vertical light divergence in the thermal lens 8. Although the focal distance of the cylindrical lenses 6 and 7 is not specifically limited, For example, it is 50 mm-100 mm, and is 50 mm in an Example.

総じて、共振器内部で、熱レンズ8により高次モードのレーザービームが位相差π/2を与えられつつ、選択的に増幅、発振され、出力ミラー2から螺旋状の等位相面を有し、かつ光軸断面のビーム強度分布がリング状である光渦レーザービーム9が出力される。 In general, inside the resonator, a high-order mode laser beam is selectively amplified and oscillated while being given a phase difference of π / 2 by the thermal lens 8, and has a helical equiphase surface from the output mirror 2. And the optical vortex laser beam 9 whose beam intensity distribution of an optical axis cross section is ring shape is output.

反射ミラー1は、好ましくは全反射ミラーであるが、部分透過鏡であっても出力ミラー2のミラー反射率より高いミラー反射率であればよい。ここで、出力ミラー2のミラー反射率は、特に限定されないが、好ましくは20%〜99%である。反射ミラー1及び出力ミラー2は、特に限定されないが、好ましくは平面ミラーである。反射ミラー1及び共振長は、特に限定されないが、好ましくは100mm〜1000mmである。 The reflection mirror 1 is preferably a total reflection mirror, but may be a partial transmission mirror as long as it has a mirror reflectivity higher than that of the output mirror 2. Here, the mirror reflectance of the output mirror 2 is not particularly limited, but is preferably 20% to 99%. The reflection mirror 1 and the output mirror 2 are not particularly limited, but are preferably plane mirrors. The reflection mirror 1 and the resonance length are not particularly limited, but are preferably 100 mm to 1000 mm.

前記固体レーザー媒質3として、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4、Nd:YAG、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Nd:GdxY1-xVO4、Nd:YABが例示される。Ndの代わりに、例えば、Yb、TmまたはHoがドープされていてもよい。前記固体レーザー媒質3の大きさは、特に限定されないが、例えば20mm×5mm×2mm(側面3a:20mm×2mm、端面3b1、3b2:5mm×2mm)である。固体レーザー媒質3の側面3aには、特に必要とされないが、レーザーダイオード5からの励起光の波長に対するARコートが施されていることが望ましい。例えば、光波長808nmに対するARコートである。また固体レーザー媒質3の端面3b1及び3b2には、特に必要とされないが、出力光の波長に対するARコートが施されていることが望ましい。例えば、光波長1.3μmに対するARコートである。共振器の損失を減らして発振しやすくさせるためである。 Nd: YVO 4 , Nd: YAG, Nd: GdVO 4 , Nd: LuVO 4 , Nd: Gd × Y 1-x VO 4, Nd doped with Nd at a doping concentration of 1 atm% or more as the solid laser medium 3 : YAB is exemplified. For example, Yb, Tm, or Ho may be doped instead of Nd. The size of the solid laser medium 3 is not particularly limited, but is, for example, 20 mm × 5 mm × 2 mm (side surface 3a: 20 mm × 2 mm, end surfaces 3b1, 3b2: 5 mm × 2 mm). Although not particularly required, the side surface 3a of the solid-state laser medium 3 is preferably provided with an AR coat for the wavelength of the excitation light from the laser diode 5. For example, AR coating for an optical wavelength of 808 nm. Further, the end faces 3b1 and 3b2 of the solid-state laser medium 3 are not particularly required, but it is desirable that AR coating for the wavelength of the output light is applied. For example, AR coating for a light wavelength of 1.3 μm. This is to reduce the loss of the resonator and facilitate oscillation.

レーザーダイオード5の出力は、固体レーザー媒質3に熱レンズを形成するのに十分な大きさであり、好ましくは10Wより大であり、実施例では35W、45W、50W、55Wである。また、励起光4の波長は、特に限定されないが、例えば780〜970nmであり、実施例では808nmである。また、レーザーダイオード5と固体レーザー媒質3の側面3aとの間に、光路断面において縦方向に曲面を持つシリンドリカルレンズを配置しても良い。 The output of the laser diode 5 is large enough to form a thermal lens in the solid-state laser medium 3, and is preferably greater than 10W, and in the embodiments is 35W, 45W, 50W, 55W. Further, the wavelength of the excitation light 4 is not particularly limited, but is 780 to 970 nm, for example, and 808 nm in the embodiment. A cylindrical lens having a curved surface in the longitudinal direction in the optical path cross section may be disposed between the laser diode 5 and the side surface 3a of the solid-state laser medium 3.

本発明の螺旋状の等位相面を有し、かつビーム強度分布がリング状であるレーザービーム発振方法において、出力されるレーザービーム9は、特に限定されないが、現実的には1W〜50Wの出力が可能であり、実施例では5.2W、5.8W、6Wである。また、その波長範囲は広く、好ましくは1μm〜2μmであり、実施例では1.3μmである。本発明による光渦の発生方法は全ての固体レーザーに応用可能である。 In the laser beam oscillation method having the helical equiphase surface of the present invention and the beam intensity distribution being a ring shape, the output laser beam 9 is not particularly limited, but in reality, the output is 1 W to 50 W. In the embodiment, it is 5.2 W, 5.8 W, and 6 W. The wavelength range is wide, preferably 1 μm to 2 μm, and 1.3 μm in the examples. The method of generating an optical vortex according to the present invention can be applied to all solid-state lasers.

また、反射ミラー1とシリンドリカルレンズ6との間に、音響光学素子を配置しQスイッチとして作用させ、光渦レーザービームの出力を10倍〜100倍とすることも可能である。また音響光学素子の代わりに、電気光学素子、Cr:YAGなどの可飽和吸収素子としてもQスイッチ発振が可能である。 Further, an acousto-optic device can be arranged between the reflection mirror 1 and the cylindrical lens 6 to act as a Q switch, so that the output of the optical vortex laser beam can be 10 to 100 times. Further, instead of the acousto-optic element, a Q-switch oscillation is possible as a saturable absorbing element such as an electro-optic element or Cr: YAG.

また、反射ミラー1とシリンドリカルレンズ6との間に、可飽和吸収体を配置し、モードロックレーザーとして、ナノ秒レベルからピコ秒レベルの光渦パルスレーザーを発振することも可能である。また、可飽和吸収体の代わりに、音響光学素子としても、アクティブモードロックによって、ナノ秒レベルからピコ秒レベルの光渦パルスレーザーを発振することも可能である。 It is also possible to arrange a saturable absorber between the reflecting mirror 1 and the cylindrical lens 6 and oscillate an optical vortex pulse laser of nanosecond level to picosecond level as a mode-locked laser. Further, instead of the saturable absorber, an acoustooptic device can oscillate an optical vortex pulse laser of nanosecond level to picosecond level by active mode lock.

本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Aについて図1を用いて説明する。 An optical vortex laser beam oscillation apparatus A according to the second invention will be described with reference to FIG.

本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Aは、固体レーザー媒質3と、該固体レーザー媒質3を挟む2枚のシリンドリカルレンズ6、7を光共振器内に配置し、前記固体レーザー媒質3を励起光源であるレーザーダイオード5によって光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振装置において、前記レーザーダイオード5は、2枚のシリンドリカルレンズ6、7の共焦点位置で固体レーザー媒質3が光励起されるように配置され、前記2枚のシリンドリカルレンズ6、7の焦点距離と前記光共振器の共振長とは、高次モードに対して共振条件;
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように設定されたことを特徴とする。なお、各構成要素は、本第1発明の光渦レーザービーム発振方法で説明した通りである。
The optical vortex laser beam oscillation apparatus A according to the second invention comprises a solid-state laser medium 3 and two cylindrical lenses 6 and 7 sandwiching the solid-state laser medium 3 in an optical resonator. In the laser beam oscillation device that oscillates a laser beam by optically exciting with a laser diode 5 as an excitation light source, the solid-state laser medium 3 is optically excited at the confocal position of the two cylindrical lenses 6 and 7. The focal length of the two cylindrical lenses 6 and 7 and the resonance length of the optical resonator are resonant conditions for higher-order modes;
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
And the resonance condition is set so as not to satisfy the low-order mode. Each component is as described in the optical vortex laser beam oscillation method of the first invention.

以下に、本発明の光渦レーザービーム発振方法、光渦レーザービーム発振装置Aおよび発生した光渦レーザービームについて、具体的に説明する。実施例1は、光渦レーザービームの連続波を発振した。実施例2は、光渦レーザービームのパルス波を発振した。
[実施例1]
[光渦レーザービームの発生条件]
本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Aにおいて、高次モードに対して共振条件(式1)を満足させ、低次モードに対しては該共振条件(式1)を満足させないように、下記のパラメータを設定して、光渦レーザービームの連続波を発生させた。なお、励起光4の出力を35W、45W、50W、55Wの4段階とした。以下の説明は図1に基づいている。
(1)下記共振条件(式1)に関するパラメータ
反射ミラーの共振長LM1: 24cm
反射ミラーの曲率半径RM1: ∞
出力ミラーの共振長LM2: 16cm
出力ミラーの曲率半径RM2: ∞
低次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値: 14〜26cm(表1参照)
高次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値: 22〜43cm(表1参照)

低次モードに対するL=40cm(Lは共振器全長)
高次モードに対するL=40cm(Lは共振器全長)
低次モードに対するg1の概算値: −0.04〜−0.007(表2参照)
高次モードに対するg1の概算値: 0.007〜0.22(表2参照)

(2)シリンドリカルレンズ6及び7について
シリンドリカルレンズ6及び7の焦点距離は、共に50mmである。
(3)反射ミラー1及び出力ミラー2について
反射ミラー1及び出力ミラー2は、共に平面ミラーである。反射ミラー1は全反射ミラーであり、出力ミラー2のミラー反射率は85%である。
(4)固体レーザー媒質3について
固体レーザー媒質3は、Ndがドープ濃度1atm%でドープされているNd:YVO4であり、その大きさは、20mm×5mm×2mm(側面3a:20mm×2mm、端面3b1、3b2:5mm×2mm)である。固体レーザー媒質3の側面3aには、光波長808nmに対するARコートが施されている。また固体レーザー媒質3の端面3b1及び3b2には、光波長1.3μmに対するARコートが施されている。
(5)レーザーダイオード5について
レーザーダイオード5から35W、45W、50W、55Wの4段階の励起光4を出力した。励起光4の波長は、808nmである。レーザーダイオード5と固体レーザー媒質3の側面3aとの間に、図示してないが、光路断面において縦方向に曲面を持つシリンドリカルレンズが配置されている。
The optical vortex laser beam oscillation method, optical vortex laser beam oscillation apparatus A, and generated optical vortex laser beam of the present invention will be specifically described below. In Example 1, a continuous wave of an optical vortex laser beam was oscillated. In Example 2, a pulse wave of an optical vortex laser beam was oscillated.
[Example 1]
[Conditions for optical vortex laser beam generation]
In the optical vortex laser beam generating method of the first invention and the optical vortex laser beam oscillation apparatus A of the second invention, the resonance condition (Equation 1) is satisfied for the higher order mode, and The following parameters were set so as not to satisfy the resonance condition (Equation 1), and a continuous wave of the optical vortex laser beam was generated. In addition, the output of the excitation light 4 was made into four steps, 35W, 45W, 50W, and 55W. The following description is based on FIG.
(1) Parameters related to the following resonance condition (Formula 1)
Reflection mirror resonance length L M1 : 24cm
Reflective mirror radius of curvature R M1 : ∞
Output mirror resonance length L M2 : 16cm
Output mirror radius of curvature R M2 : ∞
Approximate value of thermal lens focal length f for low-order modes: 14 to 26 cm (see Table 1)
Approximate value of thermal lens focal length f for higher-order modes: 22 to 43 cm (see Table 1)

L = 40cm for low-order modes (L is the total resonator length)
L = 40cm for higher-order modes (L is the total resonator length)
Approximate value of g 1 g 2 for low-order modes: -0.04 to -0.007 (see Table 2)
Approximate value of g 1 g 2 for higher order modes: 0.007 to 0.22 (see Table 2)

(2) Cylindrical lenses 6 and 7 The focal lengths of the cylindrical lenses 6 and 7 are both 50 mm.
(3) About the reflection mirror 1 and the output mirror 2 The reflection mirror 1 and the output mirror 2 are both plane mirrors. The reflection mirror 1 is a total reflection mirror, and the mirror reflectivity of the output mirror 2 is 85%.
(4) Solid Laser Medium 3 The solid laser medium 3 is Nd: YVO 4 doped with Nd at a doping concentration of 1 atm%, and its size is 20 mm × 5 mm × 2 mm (side surface 3a: 20 mm × 2 mm, End faces 3b1, 3b2: 5 mm × 2 mm). The side surface 3a of the solid-state laser medium 3 is provided with an AR coating for the light wavelength of 808 nm. The end faces 3b1 and 3b2 of the solid-state laser medium 3 are subjected to an AR coating for a light wavelength of 1.3 μm.
(5) About the laser diode 5 The laser diode 5 output four-stage excitation light 4 of 35 W, 45 W, 50 W, and 55 W. The wavelength of the excitation light 4 is 808 nm. Although not shown, a cylindrical lens having a curved surface in the vertical direction in the cross section of the optical path is disposed between the laser diode 5 and the side surface 3 a of the solid-state laser medium 3.

[発生した光渦]
(1)光渦出力について
上述の方法にて発生した光渦レーザービーム9について説明する。出力されたレーザービーム9は、パワーメーターで計測した。その結果を表3に示す。これらの光渦の波長は、1.3μmであった。
(2)光渦の確認
光渦を確認するために用いた干渉計はマッハツェンダー干渉計であり、図3にその光学系を示す。この光学系は、ハーフミラー13により光渦レーザービーム9を二つの行路に分けて、光渦レーザービーム9aと9bとし、光渦レーザービーム9aの行路にはミラー14、ピンホール15、レンズ16を置き、光渦レーザービーム9aの一部をピンホール15で切り出し、レンズ16によって球面波17に変換する。ハーフミラー18、ミラー19、プリズムミラー20により球面波17と光渦レーザービーム9bを重ね合わせて、その干渉縞21を観測するためのものである。干渉縞21は光強度のない真ん中から渦を描いた(図3の右側)。
図4の(a)は、発生した光渦の強度分布を示す。図4の(b)は、光渦を球面波と重ね合わせたときに観測された渦状の干渉縞を示す。
図4の(c)は、図3の光学系において、ピンホールを用いず光渦を球面波に変換せず、光渦同士を干渉させた時に観測される干渉縞を示す。干渉縞が切れていることから、真ん中に位相特異点があることが確認できる。図4の(d)は、光渦同士を干渉させた時に観測される干渉縞の数値シミュレーション画像である。図4の(c)と(d)とが実験と理論に対応する。以上から、出力されたレーザービームが光渦であることが分かる。
[Generated optical vortex]
(1) Optical vortex output The optical vortex laser beam 9 generated by the above method will be described. The output laser beam 9 was measured with a power meter. The results are shown in Table 3. The wavelength of these optical vortices was 1.3 μm.
(2) Confirmation of optical vortex The interferometer used for confirming the optical vortex is a Mach-Zehnder interferometer, and its optical system is shown in FIG. This optical system divides the optical vortex laser beam 9 into two paths by a half mirror 13 to form optical vortex laser beams 9a and 9b. A mirror 14, a pinhole 15 and a lens 16 are provided in the path of the optical vortex laser beam 9a. Then, a part of the optical vortex laser beam 9 a is cut out by the pinhole 15 and converted into the spherical wave 17 by the lens 16. The spherical wave 17 and the optical vortex laser beam 9b are superposed by the half mirror 18, the mirror 19 and the prism mirror 20, and the interference fringes 21 are observed. The interference fringe 21 drew a vortex from the middle without light intensity (right side of FIG. 3).
FIG. 4A shows the intensity distribution of the generated optical vortex. FIG. 4B shows vortex-like interference fringes observed when an optical vortex is superimposed on a spherical wave.
FIG. 4C shows interference fringes observed when the optical vortices are caused to interfere with each other without converting the optical vortex into a spherical wave without using a pinhole in the optical system of FIG. Since the interference fringes are cut, it can be confirmed that there is a phase singularity in the middle. FIG. 4D is a numerical simulation image of interference fringes observed when the optical vortices interfere with each other. (C) and (d) in FIG. 4 correspond to experiments and theories. From the above, it can be seen that the output laser beam is an optical vortex.

[実施例2]
[光渦レーザービームの発生条件]
本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Bにおいて、高次モードに対して共振条件(式1)を満足させ、低次モードに対しては該共振条件(式1)を満足させないように、下記のパラメータを設定して、光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルスを発生させた。なお、励起光4の出力を34W,42Wとした。以下の説明は図5に基づいている。
(1)下記共振条件(式1)に関するパラメータ
反射ミラーの共振長LM1: 425mm
反射ミラーの曲率半径RM1: ∞
出力ミラーの共振長LM2: 440mm
出力ミラーの曲率半径RM2: ∞
低次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値(表4参照)
高次モードに対する熱レンズの焦点距離fの概算値(表4参照)

低次モードに対するL=865mm(Lは共振器全長)
高次モードに対するL=865mm(Lは共振器全長)
低次モードに対するg1の概算値:表5参照
高次モードに対するg1の概算値:表5参照

(2)シリンドリカルレンズ6及び7について
シリンドリカルレンズ6及び7の焦点距離は、共に50mmである。
(3)反射ミラー1及び出力ミラー2について
反射ミラー1及び出力ミラー2は、共に平面ミラーである。反射ミラー1は全反射ミラーであり、出力ミラー2のミラー反射率は40%である。
(4)固体レーザー媒質3について
固体レーザー媒質3は、Nd3+がドープ濃度1atm%でドープされているNd:GdVO4であり、その大きさは、20mm×5mm×2mm(側面3a:20mm×2mm、端面3b1、3b2:5mm×2mm)である。固体レーザー媒質3の側面3aには、光波長809nmに対するARコートが施されている。また固体レーザー媒質3の端面3b1及び3b2には、光波長1064nmに対するARコートが施されている。図5の固体レーザー媒質3には、c軸の方向が示されている。固体レーザー媒質3の側面3aと共振器内部を往復する光のなす角は28°である。
(5)レーザーダイオード5について
レーザーダイオード5から34W,42Wの励起光4を出力した。励起光4の波長は、809nmである。レーザーダイオード5と固体レーザー媒質3の側面3aとの間に、光路断面において縦方向に曲面を持つシリンドリカルレンズ22が配置されている。
(6)音響光学素子(AOM)23について
反射ミラー1とシリンドリカルレンズ6との間に、音響光学素子(AOM)23が配置されており、該音響光学素子(AOM)23と固体レーザー媒質3との間に、焦点距離が50mmのテレスコープ24と焦点距離が100mmのテレスコープ25が配置されている(図5)。テレスコープ24は、反射ミラー1から50mmの位置に配置され、テレスコープ25は、反射ミラー1から200mmの位置に配置されている。
音響光学素子(AOM)23をQスイッチドモードロッカーとして作用させ、光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルス26を出力した。なお、音響光学素子(AOM)23の繰返し周波数を100kHzとし、モードロック周波数を〜170MHz(およそ170MHz)とした。
[Example 2]
[Conditions for optical vortex laser beam generation]
In the optical vortex laser beam generating method of the first invention and the optical vortex laser beam oscillation apparatus B of the second invention, the resonance condition (Equation 1) is satisfied for the higher order mode, and The following parameters were set so as not to satisfy the resonance condition (Equation 1), and a Q-switch mode-lock pulse of the optical vortex laser beam was generated. The output of the excitation light 4 was set to 34W and 42W. The following description is based on FIG.
(1) Parameters related to the following resonance condition (Formula 1)
Resonant mirror resonance length L M1 : 425mm
Reflective mirror radius of curvature R M1 : ∞
Output mirror resonance length L M2 : 440mm
Output mirror radius of curvature R M2 : ∞
Approximate value of thermal lens focal length f for low-order modes (see Table 4)
Approximate value of focal length f of thermal lens for higher order mode (see Table 4)

L = 865mm for low-order modes (L is the total resonator length)
L = 865mm for higher-order modes (L is the total resonator length)
Approximate value of g 1 g 2 for low-order mode: see Table 5 Approximate value of g 1 g 2 for high-order mode: see Table 5

(2) Cylindrical lenses 6 and 7 The focal lengths of the cylindrical lenses 6 and 7 are both 50 mm.
(3) About the reflection mirror 1 and the output mirror 2 The reflection mirror 1 and the output mirror 2 are both plane mirrors. The reflection mirror 1 is a total reflection mirror, and the mirror reflectivity of the output mirror 2 is 40%.
(4) Solid-state laser medium 3 The solid-state laser medium 3 is Nd: GdVO 4 doped with Nd 3+ at a doping concentration of 1 atm%, and its size is 20 mm × 5 mm × 2 mm (side surface 3a: 20 mm × 2 mm, end faces 3b1, 3b2: 5 mm × 2 mm). An AR coating for the light wavelength 809 nm is applied to the side surface 3 a of the solid-state laser medium 3. Further, the end surfaces 3b1 and 3b2 of the solid-state laser medium 3 are subjected to an AR coating for a light wavelength of 1064 nm. The c-axis direction is shown in the solid-state laser medium 3 in FIG. The angle formed by the light traveling back and forth between the side surface 3a of the solid-state laser medium 3 and the inside of the resonator is 28 °.
(5) Laser diode 5 34 W and 42 W excitation light 4 was output from the laser diode 5. The wavelength of the excitation light 4 is 809 nm. Between the laser diode 5 and the side surface 3a of the solid-state laser medium 3, a cylindrical lens 22 having a curved surface in the vertical direction in the optical path cross section is disposed.
(6) Acoustooptic Element (AOM) 23 An acoustooptic element (AOM) 23 is disposed between the reflection mirror 1 and the cylindrical lens 6, and the acoustooptic element (AOM) 23 and the solid-state laser medium 3 A telescope 24 having a focal length of 50 mm and a telescope 25 having a focal length of 100 mm are disposed between the two (FIG. 5). The telescope 24 is disposed at a position 50 mm from the reflection mirror 1, and the telescope 25 is disposed at a position 200 mm from the reflection mirror 1.
The acousto-optic device (AOM) 23 was operated as a Q-switched mode locker, and a Q-switched mode-lock pulse 26 of an optical vortex laser beam was output. The repetition frequency of the acousto-optic element (AOM) 23 was set to 100 kHz, and the mode lock frequency was set to ~ 170 MHz (approximately 170 MHz).

[発生した光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルス]
図6に、励起光出力42Wの場合の発生した光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルスを示す。Qスイッチモードロックパルスの波長は、1063nmであった。なお、図6の縦軸は光強度(なお、単位はa.u.(arbitrary unit)である)、横軸が時間である。該Qスイッチモードロックパルスのパルス時間幅は、約100nsであった。また、ワンパルス上に時間間隔が約5nsの複数のスパイクが存在していることが分かる。よって、本第1発明の光渦レーザービーム発生方法、本第2発明の光渦レーザービーム発振装置Bにより、最大出力>10kWといった高いピークパワーの光渦レーザービームを得ることができた。
[Q-switched mode-locked pulse of generated vortex laser beam]
FIG. 6 shows a Q-switch mode lock pulse of an optical vortex laser beam generated in the case of an excitation light output of 42 W. The wavelength of the Q switch mode lock pulse was 1063 nm. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 6 is light intensity (a unit is au (arbitrary unit)), and a horizontal axis is time. The pulse time width of the Q switch mode lock pulse was about 100 ns. It can also be seen that there are a plurality of spikes having a time interval of about 5 ns on one pulse. Therefore, the optical vortex laser beam generating method of the first invention and the optical vortex laser beam oscillation apparatus B of the second invention were able to obtain an optical vortex laser beam with a high peak power of maximum output> 10 kW.

本発明の光渦レーザービーム発振方法、光渦レーザービーム発振装置は、光マニピュレーションや原子トラップに有用である。また、プラズマやスパッター(溶融金属の酸化生成物)を捕捉しつつ、レーザー加工するのに有用である。 The optical vortex laser beam oscillation method and optical vortex laser beam oscillation apparatus of the present invention are useful for optical manipulation and atomic trapping. It is also useful for laser processing while capturing plasma and spatter (oxidized product of molten metal).

図1は、光渦レーザービーム発振装置Aの平面図である。FIG. 1 is a plan view of the optical vortex laser beam oscillation apparatus A. FIG. 図2は、励起光4が照射されている固体レーザー媒質3の側面3aにおける熱レンズ8の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the thermal lens 8 on the side surface 3 a of the solid-state laser medium 3 irradiated with the excitation light 4. 図3は、光渦レーザービーム9の確認のための干渉計の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an interferometer for confirmation of the optical vortex laser beam 9. 図4の(a)は、発生した光渦レーザービーム9の強度分布を示す。図4の(b)は、光渦レーザービームを球面波と重ね合わせたときに観測された渦状の干渉縞を示す。図4の(c)は、図3の光学系において、ピンホールを用いず光渦レーザービームを球面波に変換せず、光渦レーザービーム同士を干渉させた時に観測される干渉縞を示す。図4の(d)は、光渦レーザービーム同士を干渉させた時に観測される干渉縞の数値シミュレーション画像を示す。FIG. 4A shows the intensity distribution of the generated optical vortex laser beam 9. FIG. 4B shows vortex interference fringes observed when the optical vortex laser beam is superimposed on a spherical wave. FIG. 4C shows interference fringes observed when the optical vortex laser beams interfere with each other without converting the optical vortex laser beams into spherical waves without using pinholes in the optical system of FIG. FIG. 4D shows a numerical simulation image of interference fringes observed when optical vortex laser beams interfere with each other. 図5は、光渦レーザービーム発振装置Bの平面図である。FIG. 5 is a plan view of the optical vortex laser beam oscillator B. 図6は、光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルスの強度を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the intensity of the Q switch mode lock pulse of the optical vortex laser beam.

符号の説明Explanation of symbols

A 光渦レーザービーム発振装置
1 反射ミラー
2 出力ミラー
3 固体レーザー媒質
3a 固体レーザー媒質の側面
4 励起光
5 レーザーダイオード
3b1 固体レーザー媒質3の一方の端面
6 シリンドリカルレンズ
3b2 固体レーザー媒質3の他方の端面
7 シリンドリカルレンズ
8 熱レンズ
8a 低次モードの細い光が感じる熱レンズ
8b 高次モードの比較的太い光が感じる熱レンズ
9 光渦レーザービーム
9a 光渦レーザービーム
9b 光渦レーザービーム
10 固体レーザー媒質内の屈折率分布
11 鏡面
12 鏡像
13 ハーフミラー
14 ミラー
15 ピンホール
16 レンズ
17 球面波
18 ハーフミラー
19 ミラー
20 プリズムミラー
21 干渉縞
22 シリンドリカルレンズ
23 音響光学素子(AOM)
24 テレスコープ(焦点距離50mm)
25 テレスコープ(焦点距離100mm)
26 光渦レーザービームのQスイッチモードロックパルス
A Optical vortex laser beam oscillation device 1 Reflecting mirror 2 Output mirror 3 Solid laser medium 3a Side surface 4 of solid laser medium Excitation light 5 Laser diode 3b1 One end face 6 of solid laser medium 3 Cylindrical lens 3b2 The other end face of solid laser medium 3 7 Cylindrical lens 8 Thermal lens 8a Thermal lens 8b in which low-order mode light is sensed Thermal lens 9 in which higher-order mode light is sensed relatively light 9 Optical vortex laser beam 9a Optical vortex laser beam 9b Optical vortex laser beam 10 Refractive index distribution 11 Mirror surface 12 Mirror image 13 Half mirror 14 Mirror 15 Pinhole 16 Lens 17 Spherical wave 18 Half mirror 19 Mirror 20 Prism mirror 21 Interference fringe 22 Cylindrical lens 23 Acoustooptic device (AOM)
24 Telescope (focal length 50mm)
25 Telescope (focal length 100mm)
26 Q-switched mode-locked pulse of optical vortex laser beam

Claims (7)

固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振方法において、前記光励起により前記固体レーザー媒質内に熱レンズを形成させ、かつ該熱レンズと前記2枚のシリンドリカルレンズと前記光共振器とで高次モードに対して共振条件;
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないことにより、高次モードのレーザービームの位相を90度変化させつつ、該高次モードのレーザービームを選択的に増幅、発振させることを特徴とする、光渦レーザービーム発振方法。
A solid laser medium and two cylindrical lenses sandwiching the solid laser medium are arranged in an optical resonator including a reflection mirror and an output mirror, and the solid laser medium is optically excited by excitation light from an excitation light source. In the laser beam oscillation method for oscillating a laser beam by the optical excitation, a thermal lens is formed in the solid laser medium by the optical excitation, and a high-order mode is formed by the thermal lens, the two cylindrical lenses, and the optical resonator. Resonance conditions;
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
By satisfying the above, and not satisfying the resonance condition for the low-order mode, the high-order mode laser beam is selectively amplified and oscillated while changing the phase of the high-order mode laser beam by 90 degrees. An optical vortex laser beam oscillation method characterized by the above.
前記光励起が前記固体レーザー媒質の側面から励起させる側面励起方式であり、該固体レーザー媒質の側面から奥行き方向に向けて指数関数的に温度が低くなる温度分布勾配による熱レンズを形成させることを特徴とする請求項1記載の光渦レーザービーム発振方法。 The optical excitation is a side excitation method in which excitation is performed from a side surface of the solid-state laser medium, and a thermal lens having a temperature distribution gradient in which the temperature decreases exponentially from the side surface of the solid-state laser medium in the depth direction is formed. The optical vortex laser beam oscillation method according to claim 1. 固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光渦レーザービーム発振方法。 3. The optical vortex laser beam oscillation method according to claim 1, wherein the solid-state laser medium is Nd: YVO 4 or Nd: GdVO 4 doped with Nd at a doping concentration of 1 atm% or more. 励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項1〜請求項3いずれか1項記載の光渦レーザービーム発振方法。 The optical vortex laser beam oscillation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the excitation light source is a laser diode. 固体レーザー媒質と、該固体レーザー媒質を挟む2枚のシリンドリカルレンズを、反射ミラーと出力ミラーとを具備した光共振器内に配置し、励起光源からの励起光によって前記固体レーザー媒質を光励起することによりレーザービームを発振させるレーザービーム発振装置において、前記レーザーダイオードは、2枚のシリンドリカルレンズの共焦点位置で固体レーザー媒質が光励起されるように配置され、高次モードに対して共振条件;
(ここで、f:熱レンズの焦点距離、LM1:反射ミラー側の共振距離、RM1:反射ミラーの曲率半径、LM2:出力ミラー側の共振距離、RM2:出力ミラーの曲率半径、L=LM1+LM2−LM1・LM2/fである。)
を満足させ、低次モードに対しては該共振条件を満足させないように熱レンズの焦点距離、反射ミラー側の共振距離、反射ミラーの曲率半径、出力ミラー側の共振距離、出力ミラーの曲率半径が設定されていることを特徴とする光渦レーザービーム発振装置。
A solid laser medium and two cylindrical lenses sandwiching the solid laser medium are arranged in an optical resonator including a reflection mirror and an output mirror, and the solid laser medium is optically excited by excitation light from an excitation light source. In the laser beam oscillation device that oscillates the laser beam, the laser diode is arranged so that the solid-state laser medium is optically excited at the confocal position of the two cylindrical lenses, and the resonance condition for the higher-order mode;
(Where f is the focal length of the thermal lens, L M1 is the resonance distance on the reflecting mirror side, R M1 is the radius of curvature of the reflecting mirror, L M2 is the resonance distance on the output mirror side, R M2 is the radius of curvature of the output mirror, L = L M1 + L M2 −L M1 · L M2 / f.)
In order to satisfy the resonance condition for the low-order mode, the focal length of the thermal lens, the resonance distance on the reflection mirror, the radius of curvature of the reflection mirror, the resonance distance on the output mirror, and the radius of curvature of the output mirror An optical vortex laser beam oscillation device characterized in that is set.
固体レーザー媒質が、Ndがドープ濃度1atm%以上でドープされているNd:YVO4もしくはNd:GdVO4であることを特徴とする請求項5記載の光渦レーザービーム発振装置。 6. The optical vortex laser beam oscillator according to claim 5, wherein the solid-state laser medium is Nd: YVO 4 or Nd: GdVO 4 doped with Nd at a doping concentration of 1 atm% or more. 励起光源が、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項5または請求項6記載の光渦レーザービーム発振装置。 The optical vortex laser beam oscillation apparatus according to claim 5 or 6, wherein the excitation light source is a laser diode.
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