TWI409434B - 可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置及干涉方法 - Google Patents

可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置及干涉方法 Download PDF

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可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置及干涉方法
本發明係關於一種干涉儀裝置及干涉方法，詳言之，係關於一種可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置及干涉方法。
雷射鑷夾/光學鑷夾(Laser Tweezer/Optical Tweezer)是一個利用雷射光束對微小粒子進行操控的技術及工具，被廣泛應用在生醫及光電應用，例如：用來架設對微米或奈米尺度物體的捕捉與操控平臺，或是用來測定樣品孔徑、分離生物樣品。此外，也可以用來當作研究的工具，例如：探討光捕捉冷原子，探討原子光譜的特性等。
傳統上的雷射鑷夾多使用聚焦的圓形HG00 模圓形光束，但對低折射率粒子、金屬碎片或其他對光具強吸收的物質...等會產生摒斥的效果，空心雷射光束(中心為暗圖形)則無此侷限。此外，光渦流型態之空心雷射光束特有的光學角動量量子化(Optical Vortex)特性(中心相位分佈具奇異點)也可用來操縱施加在微小的粒子的力矩。
現有產生光渦流光束的做法多為將厄米-高斯雷射模(Hermite-Gaussian Laser Beams)再經光學元件轉換為空心雷射光束，有利用(1)全像片；(2)螺旋相位板；或(3)像散柱透鏡將雷射光束轉換成甜甜圈光束的方式。前兩方式的所需元件需要利用複雜多道的光蝕刻技術才能製作，且產生的光渦流的能量轉換效率和雷射模態純度受限於現有的加工技術及成本。且目前的技術創作或只能產生單一光渦流光束，或產生之多光渦流光束非穩定，即傳播、聚焦時無法恆久維持光束光場分佈。
因此，有必要提供一種可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置及干涉方法，以解決上述問題。
本發明提供一種可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置，其包括一分光鏡(Beam Splitter)、一杜夫稜鏡(Dove Prism)、一偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter)及一相位延遲裝置。該分光鏡係用以將來自一發光源之輸入光束分成一第一光束及一第二光束。該杜夫稜鏡係以該第一光束之光軸為中心旋轉45度，該杜夫稜鏡接受該第一光束，且使得該第一光束於其內經過一次內全反射而形成一橢圓偏振光束，該橢圓偏振光束包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振。該偏極化分光鏡係用以將該橢圓偏振光束分成一第三光束及一第四光束。該相位延遲裝置包括至少二平面鏡，用以將該第二光束反射至該偏極化分光鏡而形成一第五光束，該第五光束與該第三光束具有一相位延遲，且該第五光束與該第三光束疊加且干涉後形成一輸出之多光渦流光束。
本發明另外提供一種可產生穩定多光渦流光束之干涉方法，包括以下步驟：(a)提供一輸入光束；(b)將該輸入光束分成一第一光束及一第二光束；(c)將該第一光束之光場分佈旋轉90度；(d)將該第一光束分成一第三光束及一第四光束；(e)將該第二光束反射至該第三光束之光路徑，以形成一第五光束，該第五光束與該第三光束具有一相位延遲，且該第五光束與該第三光束疊加且干涉；及(f)調整該第五光束與該第三光束之相位延遲，以形成一輸出之多光渦流光束。
藉此，本發明所輸出之多光渦流光束可以是陣列型多光渦流光束，且該多光渦流光束係為穩定之光束，其於傳播、聚焦時皆能保持橫截面之光場分佈圖案恆定不變，適用於光鉗之應用。此外，所產生之陣列型多光渦流光束之光渦流分佈為良好之陣列形狀，可應用在二維陣列式的生物晶片檢測技術。
參考圖1，顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉方法之流程示意圖。參考圖2，顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置之第一實施例之示意圖。
步驟S101係提供一輸入光束11。該輸入光束11係為一線偏振之橫電(TE)或橫磁(TM)偏振雷射光束，例如厄米-高斯雷射光束(Hermite-Gaussian Laser Beams)、恩斯-高斯雷射光束(Ince-Gaussian Laser Beams)或其他類型之雷射光束。
步驟S102係將該輸入光束11分成一第一光束12及一第二光束13，較佳地，該第一光束12之光路徑方向與該第二光束13之光路徑方向係相差90度。
步驟S103係將該第一光束12之光場分佈旋轉90度，形成一橢圓偏振光束14。該橢圓偏振光束14包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振。
步驟S104係將該第一光束12(即該橢圓偏振光束14)分成一第三光束15及一第四光束16。如果該步驟S101中該輸入光束11為橫電(TE)偏振，則本步驟中，該第三光束15係為該橢圓偏振光束14之橫電(TE)偏振部分，該第四光束16係為該橢圓偏振光束14之橫磁(TM)偏振部分；如果該步驟S101中該輸入光束11為橫磁(TM)偏振，則本步驟中，該第三光束15係為該橢圓偏振光束14之橫磁(TM)偏振部分，該第四光束16係為該橢圓偏振光束14之橫電(TE)偏振部分。較佳地，該第三光束15之光路徑方向與該第四光束16之光路徑方向係相差90度。
步驟S105係將該第二光束13反射至該第三光束15之光路徑，以形成一第五光束17，該第五光束17與該第三光束15具有一相位延遲，且該第五光束17與該第三光束15疊加且干涉。較佳地，該第五光束17與該第三光束15之相位延遲係為2π整數倍±π/2。
步驟S106係調整該第五光束17與該第三光束15之相位延遲，以形成一輸出之多光渦流光束。在本發明中，該調整相位延遲之方法包括但不限於以下二種。第一種方法係調整該第二光束13之光路徑與該第一光束12之光路徑間之差異，亦即調整該第五光束17與該第三光束15之相位延遲。
第二種方法係利用一光學元件直接改變該第二光束13之相位，藉以調整該第五光束17與該第三光束15之相位延遲。
本發明之優點為，所輸出之多光渦流光束可以是陣列型多光渦流光束，且該多光渦流光束係為穩定之光束，其於傳播、聚焦時皆能保持橫截面之光場分佈圖案恆定不變，適用於光鉗之應用。此外，所產生之陣列型多光渦流光束之光渦流分佈為良好之陣列形狀，可應用在二維陣列式的生物晶片檢測技術，甚至是學術上的各種物質與光渦流的交互作用之探討也可以利用此種陣列型光渦流光束延伸至與二維多光渦流光束之探討。
請再參考圖2，本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置2包括一分光鏡(Beam Splitter)21、一杜夫稜鏡(Dove Prism)22、一偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter)23及一相位延遲裝置24。
該分光鏡21係用以將來自一發光源(圖中未示)之輸入光束11分成一第一光束12及一第二光束13。該輸入光束11係為一線偏振之橫電(TE)或橫磁(TM)偏振雷射光束，例如厄米-高斯雷射光束(Hermite-Gaussian Laser Beams)、恩斯-高斯雷射光束(Ince-Gaussian Laser Beams)或其他類型之雷射光束。較佳地，該第一光束12之光路徑方向與該第二光束13之光路徑方向係相差90度。該第一光束12係為該輸入光束11繼續直進之光束，該第二光束13係為該輸入光束11彎折90度之光束。
該杜夫稜鏡22係以該第一光束12之光軸為中心旋轉45度，如圖3所示，圖中假想線係表示未旋轉前之該杜夫稜鏡22，而實線係表示旋轉45度後之該杜夫稜鏡22。該杜夫稜鏡22接受該第一光束12，使得該第一光束12於其內經過一次內全反射(Total internal reflection,TIR)，且使得該第一光束之光場分佈旋轉90度而形成一橢圓偏振光束14，該橢圓偏振光束14包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振。
該偏極化分光鏡23係用以將該橢圓偏振光束14分成一第三光束15及一第四光束16。如果該輸入光束11為橫電(TE)偏振，則該第三光束15係為該橢圓偏振光束14之橫電(TE)偏振部分，該第四光束16係為該橢圓偏振光束14之橫磁(TM)偏振部分；如果該輸入光束11為橫磁(TM)偏振，則該第三光束15係為該橢圓偏振光束14之橫磁(TM)偏振部分，該第四光束16係為該橢圓偏振光束14之橫電(TE)偏振部分。較佳地，該第三光束15之光路徑方向與該第四光束16之光路徑方向係相差90度，該第三光束15之光路徑方向係與該橢圓偏振光束14之光路徑方向相同，而落於一觀測面18上。該第四光束16之光路徑方向係為該橢圓偏振光束14之光路徑方向向上彎折90度。
該相位延遲裝置24包括至少二平面鏡(一第一平面鏡241及一第二平面鏡242)，用以將該第二光束13反射至該偏極化分光鏡23而形成一第五光束17，該第五光束17係為一橫電(TE)偏振光束。該第五光束17與該第三光束15具有一相位延遲。較佳地，該相位延遲係為2π整數倍±π/2。該第五光束17與該第三光束15疊加且干涉後形成一輸出之多光渦流光束，而落於該觀測面18上。
在本實施例中，該相位延遲裝置24更包括一平台243，該等平面鏡(該第一平面鏡241及該第二平面鏡242)係位於該平台243上，且該平台243係可相對於該分光鏡21、該杜夫稜鏡22及該偏極化分光鏡移動。藉由移動該平台243，即可調整該第五光束17與該第三光束15之相位延遲。
該干涉儀裝置2所輸出之多光渦流光束可以是陣列型多光渦流光束，且該多光渦流光束係為穩定之光束。此外，該干涉儀裝置2之構件簡單且便宜，因此該干涉儀裝置2之整體造價較便宜。
參考圖4，顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置之第二實施例之示意圖。本實施例之干涉儀裝置3與該第一實施例之干涉儀裝置2(圖2)大致相同，其不同處僅在於，在本實施例中，該平台243可是可移動或是固定不動之平台，且本實施例之干涉儀裝置3更包括一可調式相位矯正板(Variable Phase Retarder)244，其位於該等平面鏡(該第一平面鏡241及該第二平面鏡242)之間。當該第二光束13通過該可調式相位矯正板244時，該可調式相位矯正板244時可以改變該第二光束13之相位，以調整該第五光束17與該第三光束15之相位延遲。在本實施例中，該可調式相位矯正板244係為一液晶型可調式相位矯正板，其接受一電壓之控制以改變該第二光束13之相位。
茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意味本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。
實例：
本實例係對應上述第一實施例之干涉儀裝置2(圖2)，其中該分光鏡21為50/50比例分光之分光鏡，該分光鏡21及該偏極化分光鏡23皆為邊長25.4mm之立方體、材質皆為BK7。該輸入光束11係為波長1064nm之雷射光。該杜夫稜鏡22材質亦為BK7，折射率約1.5，該杜夫稜鏡22橫截面為正方形，其邊長A為25.4mm，底部長度B為106.7mm。該分光鏡21及該偏極化分光鏡23二者之中心距離為20cm。該第一光束12之光軸與該杜夫稜鏡22底面距離h=18.6mm。該第二光束13入射至該第一平面鏡241之入射角α1為45度，該第二光束13入射至該第二平面鏡242之入射角α2為45度。該第二光束13入射至該第一平面鏡241之入射點與該第二光束13入射至該第二平面鏡242之入射點間之距離為20cm，該第二光束13入射至該第一平面鏡241之入射點與該輸入光束11間之距離l為24.4mm。該第一平面鏡241及該第二平面鏡242固定在該平台243上，該平台243係可移動，且其尺寸為長25.4cm，寬5.0cm。
本實例之實驗結果如圖5a至10c所示，圖5a顯示輸入光束11為偶數型的恩斯-高斯模(Even Ince-Gaussian modes)IGe p,m 在階數p=4及m=2時光束之振幅，圖5b及5c分別顯示圖5a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。
圖6a顯示輸入光束11為奇數型恩斯-高斯模(Odd Ince-Gaussian modes)IGo p,m 在階數p=4及m=4時光束之振幅，圖6b及6c分別顯示圖6a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。
圖7a顯示輸入光束11為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGe p,m 在階數p=7及m=3時光束之振幅，圖7b及7c分別顯示圖7a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。圖8a顯示輸入光束11為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGo p,m 在階數p=5及m=3時光束之振幅，圖8b及8c分別顯示圖8a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。圖9a顯示輸入光束11為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGe p,p 在階數p=9時光束之振幅，圖9b及9c分別顯示圖9a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。圖10a顯示輸入光束11為厄米-高斯模(Hermite-Gaussian modes)HGn,m 在階數n及m滿足|n-m|=1，n=3，m=4時光束之振幅，圖10b及10c分別顯示圖10a之輸入光束11經過該干涉儀裝置2後於該觀測面18產生之多光渦流光束之振幅及相位。
惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
2．．．本發明干涉儀裝置之第一實施例
3．．．本發明干涉儀裝置之第二實施例
11．．．輸入光束
12．．．第一光束
13．．．第二光束
14．．．橢圓偏振光束
15．．．第三光束
16．．．第四光束
17．．．第五光束
18．．．觀測面
21．．．分光鏡
22．．．杜夫稜鏡
23．．．偏極化分光鏡
24．．．相位延遲裝置
241．．．第一平面鏡
242．．．第二平面鏡
243．．．平台
244．．．可調式相位矯正板
圖1顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉方法之流程示意圖；
圖2顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置之第一實施例之示意圖；
圖3顯示圖2中杜夫稜鏡之示意圖，其中該杜夫稜鏡係以該第一光束之光軸為中心旋轉45度；
圖4顯示本發明可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置之第二實施例之示意圖；
圖5a顯示輸入光束11為偶數型的恩斯-高斯模(Even Ince-Gaussian modes)IGe p,m 在階數p=4及m=2時光束之振幅；
圖5b及5c分別顯示圖5a之輸入光束經過該干涉儀裝置後產生之多光渦流光束之振幅及相位；圖6a顯示輸入光束為奇數型恩斯-高斯模(Odd Ince-Gaussian modes)IGo p,m 在階數p=4及m=4時光束之振幅；
圖6b及6c分別顯示圖6a之輸入光束經過該干涉儀裝置後產生之多光渦流光束之振幅及相位；
圖7a顯示輸入光束為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGe p,m 在階數p=7及m=3時光束之振幅；
圖7b及7c分別顯示圖7a之輸入光束經過該干涉儀裝置後產生之多光渦流光束之振幅及相位；
圖8a顯示輸入光束為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGo p,m 在階數p=5及m=3時光束之振幅；
圖8b及8c分別顯示圖8a之輸入光束經過該干涉儀裝置後產生之多光渦流光束之振幅及相位；
圖9a顯示輸入光束為恩斯-高斯模(Ince-Gaussian modes)IGe p,p 在階數p=9時光束之振幅；
圖9b及9c分別顯示圖9a之輸入光束經過該干涉儀裝置後產生之多光渦流光束之振幅及相位；
圖10a顯示輸入光束為厄米-高斯模(Hermite-Gaussian modes)HGn,m 在階數n及m滿足∣n-m∣=1，n=3，m=4時光束之振幅；及
圖10b及10c分別顯示圖10a之輸入光束經過該干涉儀裝置產生之多光渦流光束之振幅及相位。
2．．．本發明干涉儀裝置之第一實施例
11．．．輸入光束
12．．．第一光束
13．．．第二光束
14．．．橢圓偏振光束
15．．．第三光束
16．．．第四光束
17．．．第五光束
18．．．觀測面
21．．．分光鏡
22．．．杜夫稜鏡
23．．．偏極化分光鏡
24．．．相位延遲裝置
241．．．第一平面鏡
242．．．第二平面鏡
243．．．平台

Claims (20)

  1. 一種可產生穩定多光渦流光束之干涉儀裝置，包括：一分光鏡(Beam Splitter)，用以將來自一發光源之輸入光束分成一第一光束及一第二光束；一杜夫稜鏡(Dove Prism)，係以該第一光束之光軸為中心旋轉45度，該杜夫稜鏡接受該第一光束，且使得該第一光束於其內經過一次內全反射而形成一橢圓偏振光束，該橢圓偏振光束包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振；一偏極化分光鏡(Polarizing Beam Splitter)，用以將該橢圓偏振光束分成一第三光束及一第四光束；及一相位延遲裝置，包括至少二平面鏡，用以將該第二光束反射至該偏極化分光鏡而形成一第五光束，該第五光束與該第三光束具有一相位延遲，且該第五光束與該第三光束疊加且干涉後形成一輸出之多光渦流光束。
  2. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該輸入光束係為一線偏振之橫電(TE)偏振雷射光束，該第三光束係為該橢圓偏振光束之橫電(TE)偏振部分，該第四光束係為該橢圓偏振光束之橫磁(TM)偏振部分。
  3. 如請求項2之干涉儀裝置，其中該線偏振雷射光束係為厄米-高斯雷射光束(Hermite-Gaussian Laser Beams)或恩斯-高斯雷射光束(Ince-Gaussian Laser Beams)。
  4. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該輸入光束係為一線偏振之橫磁(TM)偏振雷射光束，該第三光束係為該橢圓偏振光束之橫磁(TM)偏振部分，該第四光束係為該橢圓偏振光束之橫電(TE)偏振部分。
  5. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該第一光束之光路徑方向與該第二光束之光路徑方向係相差90度。
  6. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該第三光束之光路徑方向與該第四光束之光路徑方向係相差90度。
  7. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該相位延遲裝置更包括一平台，該等平面鏡係位於該平台上，且該平台係可相對於該分光鏡及該偏極化分光鏡移動。
  8. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該相位延遲裝置更包括一可調式相位矯正板(Variable Phase Retarder)，位於該等平面鏡之間，用以改變該第二光束之相位，以調整該第五光束與該第三光束之相位延遲。
  9. 如請求項8之干涉儀裝置，其中該可調式相位矯正板係為一液晶型可調式相位矯正板，其接受一電壓之控制以改變該第二光束之相位。
  10. 如請求項1之干涉儀裝置，其中該第五光束與該第三光束之相位延遲係為2π整數倍±π/2。
  11. 一種可產生穩定多光渦流光束之干涉方法，包括：(a)提供一輸入光束；(b)將該輸入光束分成一第一光束及一第二光束；(c)將該第一光束之光場分佈旋轉90度；(d)將該第一光束分成一第三光束及一第四光束；(e)將該第二光束反射至該第三光束之光路徑，以形成一第五光束，該第五光束與該第三光束具有一相位延遲，且該第五光束與該第三光束疊加且干涉；及(f)調整該第五光束與該第三光束之相位延遲，以形成一輸出之多光渦流光束。
  12. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(a)中，該輸入光束係為一線偏振雷射光束。
  13. 如請求項12之干涉方法，其中該線偏振雷射光束係為厄米-高斯雷射光束(Hermite-Gaussian Laser Beams)或恩斯-高斯雷射光束(Ince-Gaussian Laser Beams)。
  14. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(b)中，該第一光束之光路徑方向與該第二光束之光路徑方向係相差90度。
  15. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(a)中輸入光束為橫電(TE)偏振，則該步驟(c)中，該第一光束係形成一橢圓偏振光束，該橢圓偏振光束包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振，其中該步驟(d)中，該第三光束係為該橢圓偏振光束之橫電(TE)偏振部分，該第四光束係為該橢圓偏振光束之橫磁(TM)偏振部分。
  16. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(a)中輸入光束為橫磁(TM)偏振，則該步驟(c)中，該第一光束係形成一橢圓偏振光束，該橢圓偏振光束包含橫磁(TM)及橫電(TE)偏振，其中該步驟(d)中，該第三光束係為該橢圓偏振光束之橫磁(TM)偏振部分，該第四光束係為該橢圓偏振光束之橫電(TE)偏振部分。
  17. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(d)中，該第三光束之光路徑方向與該第四光束之光路徑方向係相差90度。
  18. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(f)係調整該第二光束之光路徑與該第一光束之光路徑間之差異，以調整該第五光束與該第三光束之相位延遲。
  19. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(f)係改變該第二光束之相位，以調整該第五光束與該第三光束之相位延遲。
  20. 如請求項11之干涉方法，其中該步驟(f)中，該第五光束與該第三光束之相位延遲係為2π整數倍±π/2。
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