TWI651906B - 螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及渦旋雷射光的產生方法 - Google Patents

Abstract

一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及渦旋雷射光的產生方法，該渦旋雷射光產生器包括一共振腔，且該共振腔包含一諧振鏡、一增益介質、一光學元件及一輸出鏡；藉由共振腔中的光學元件使離軸光形成多馳返模態而達到共振，產生具有軌道角動量的渦旋雷射光。

Description

螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及渦旋雷射光的產生方法

本發明係關於一種渦旋雷射光產生器及一種渦旋雷射光的產生方法，特別是關於使離軸光形成多馳返模態達到共振的一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及一種渦旋雷射光的產生方法。

渦旋雷射光是一種螺旋相位的光束，也稱渦旋光束，其表現出沿著光束傳播方向以類似螺旋的方式變化的螺旋狀波前，並具有遵循圍繞光束軸線的螺旋軌跡的坡印亭(Poynting)向量。

渦旋光束是指在光束橫截面內同時具有非均勻偏振態及螺旋位相結構。渦旋光束相比與其他光束具有特殊的性質，可應用在許多領域，例如：分辨成像、雷射光精密加工、微粒操縱、數據存儲及遠端感側。

目前產生渦旋光束的方法有很多種，例如：靜態螺旋相位板(Static spiral phase plate,SPP)、電腦產生的全息攝影及模式轉換(Mode conversion)等。其中由於雷射光共振腔無法直接產生渦旋光束，必須利用設置在雷射光共振腔外部的渦旋元件來進行調制，模式轉換所產生的渦旋光束的需要以整型後之雷射光束入射，例如厄米-高斯光束，由於系統複雜且 靜態螺旋相位板轉換效率有限，使得渦旋光束的穩定性較差；另外，雖然全息攝影的使用比較廣泛，但是衍射效率較低，而且繞射元件的光路較複雜，使得渦旋光束的品質不佳。

因此，有必要提供改良的一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及渦旋雷射光的產生方法，以解決上述習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器及一種渦旋雷射光的產生方法，透過共振腔中的光學元件使離軸光形成多馳返模態而達到共振，進而產生具有軌道角動量的渦旋雷射光。

為達上述之目的，本發明提供一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，包括一共振腔，且該共振腔包含一諧振鏡、一增益介質、一光學元件及一輸出鏡，其中該諧振鏡配置用以接收該泵浦光束，該增益介質設置在該諧振鏡之後，該光學元件具有旋度對稱破壞性，而且該光學元件間隔設置在該增益介質之後，該輸出鏡間隔設置在該光學元件之後，其中該泵浦光束通過該諧振鏡射入該增益介質中，使該增益介質吸收該泵浦光束而產生多個雷射光，該等雷射光穿越該光學元件且在該諧振鏡及該輸出鏡之間反射而存在有多馳返模態並形成多個渦旋雷射光，該等渦旋雷射光再經由該輸出鏡透射而輸出。

在本發明之一實施例中，該螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器另包括一泵浦源及一聚焦鏡，其中該泵浦源配置用以產生該泵浦 光束，該聚焦鏡設置在該泵浦源之後，用以聚焦該泵浦光束，而且該共振腔設置在該聚焦鏡之後。

在本發明之一實施例中，該光學元件是由聚合物複製在一玻璃基板上所製成。

在本發明之一實施例中，該光學元件與輸出鏡組合為一單一組件。

在本發明之一實施例中，該輸出鏡為一凹面鏡，而且該輸出鏡的一曲率半徑為該共振腔的一總長的100%至120%。

在本發明之一實施例中，該輸出鏡的一凹面塗覆有一反射鍍膜，該反射鍍膜的透射率為10%以下。

在本發明之一實施例中，該增益介質具有一平坦端面，該平坦端面塗覆一高反射塗膜作為該諧振鏡。

在本發明之一實施例中，該高反射塗膜的反射率為99.9%以上。

為達上述之目的，本發明提供一種渦旋雷射光的產生方法，包括一輸入步驟、一旋度對稱破壞步驟、一反射步驟及一輸出步驟；在該輸入步驟中，將一能量加入至一共振腔的一增益介質中，使該增益介質產生多個雷射光；在該旋度對稱破壞步驟中，將該等雷射光穿越該共振腔的一光學元件，而使該等雷射光的旋度對稱被破壞；在該反射步驟中，將該等雷射光在該共振腔的一諧振鏡及一輸出鏡之間反射而存在有多馳返模態並形成多個渦旋雷射光；在該輸出步驟中，將該等渦旋雷射光經由該輸出鏡透射而輸出。

在本發明之一實施例中，該能量為一電壓或一泵浦光束。

如上所述，該共振腔能夠形成多馳返模態而使得離軸光形成多馳返模態而達到共振，其中該光學元件可抑制軸向光共振，提升離軸光的泵浦能量利用率，因而能夠提高渦旋雷射光的穩定性及功率的可延展性。同時該光學元件可調制離軸光的空間相位分布，再透過離軸光彼此干涉以及該增益介質的激發輻射，使得各個方向的離軸光產生空間同調性，進而相位鎖定而形成渦旋雷射光，因而能夠提高渦旋雷射光的品質。

2‧‧‧泵浦源

201、202‧‧‧泵浦光束

3‧‧‧聚焦鏡

4‧‧‧共振腔

41‧‧‧諧振鏡

42‧‧‧增益介質

421‧‧‧平坦端面

43‧‧‧光學元件

44‧‧‧輸出鏡

45‧‧‧反射鍍膜

401‧‧‧雷射光

D‧‧‧距離

第1圖是依據本發明螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器的一較佳實施例的一示意圖。

第2圖是依據本發明螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器的一較佳實施例的共振腔存在多個V形軌跡光束的一示意圖。

第3圖是依據本發明螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器的一較佳實施例的共振腔存在馳返模態的一示意圖。

第4圖是依據本發明渦旋雷射光的產生方法的一較佳實施例的一流程圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最 上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1及2圖所示，為本發明螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器的一較佳實施例，該螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器包括一泵浦源2(Pump)、一聚焦鏡3(Focusing Lens)及一共振腔4(Degenerate Cavity)。本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照第1及2圖所示，該泵浦源2配置用以產生一泵浦光束201，該聚焦鏡3設置在該泵浦源2之後，用以聚焦該泵浦光束201而產生聚焦的一泵浦光束202。在本實施例中，該泵浦源2為雷射二極體(Laser Diode)，而且該泵浦光束的波長為808奈米，而且該聚焦鏡3由焦距為50mm的透鏡對該泵浦光束201進行聚焦。

續參照第1及2圖所示，該共振腔4設置在該聚焦鏡3之後，該共振腔4包含一諧振鏡41、一增益介質42、一光學元件43及一輸出鏡44，其中該諧振鏡41配置用以接收該泵浦光束202，該增益介質42設置在該諧振鏡41之後，該光學元件43具有旋度對稱破壞性(Azimuthal Symmetry Breaking)，而且該光學元件43間隔設置在該增益介質42之後，該輸出鏡44間隔設置在該光學元件43之後。在其他實施例中，該光學元件43與改輸出鏡組合為一單一組件。

續參照第1及2圖所示，進一步來說，該增益介質42具有一平坦端面421，而且該平坦端面421塗覆一高反射塗膜作為該諧振鏡41。該 光學元件43為一螺旋相位板(Spiral Phase Plate)，而且該螺旋相位板的拓撲電荷值為+1，其中該光學元件43是由聚合物複製在一玻璃基板上所製成。

在本實施例中，該增益介質42是0.5%(原子百分比)摻雜的Nd：YAG晶體，該光學元件43(螺旋相位板)的厚度為6.25mm至6.25075mm，其中隨著螺旋相位板的厚度差增加，所產生的軌道角動量值越高。該光學元件43與該輸出鏡33形成一距離D，該距離D小於該共振腔4的一總長的5%。另外，該高反射塗膜的反射率為99.9%以上。

續參照第1及2圖所示，該輸出鏡44為一凹面鏡，而且該輸出鏡44的一曲率半徑為該共振腔4的一總長的100%至120%，較佳地，該輸出鏡44的一曲率半徑為該共振腔4的總長的100%至110%。另外，該輸出鏡44的一凹面塗覆有一反射鍍膜45，該反射鍍膜45的透射率為10%以下，較佳地，該反射鍍膜45的透射率為10%。

藉由上述的結構，該泵浦光束202通過該諧振鏡41射入該增益介質42中，使該增益介質42吸收該泵浦光束202而產生具多個雷射光401，其中該等雷射光401的波長為1064mm，而且穿越該光學元件43，並在該諧振鏡41及該輸出鏡44之間反射而存在有多馳返模態(Multiple Pass Transverse Modes,MPT)並形成多個渦旋雷射光(如第2圖所示)，該等渦旋雷射光再經由該輸出鏡44透射而輸出，在本實施例中，該共振腔4形成二次馳返模態，該二次馳返模態為離軸模態，而且光束的軌跡呈V形(如第3圖所示)。由於該共振腔4中存在多個V形軌跡光束而形成一錐狀，經由該輸出鏡44透射輸出則形成一環形雷射光。

進一步來說，經由在該共振腔4中設置具有旋度對稱破壞性的該光學元件43，使該共振腔4形成多馳返模態，其中該共振腔4中的離軸光可以在該共振腔4中形成共振模態，該共振模態透過離軸光彼此之間的耦合以及在該增益介質42中激發而輻射放大，因而建立該共振模態的空間同調性而形成具有軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)的渦旋雷射光，也稱渦旋光束(Optical Vortex)。

利用上述的設計，該共振腔4能夠形成多馳返模態而使得離軸光形成多馳返模態而達到共振，其中該光學元件43可抑制軸向光共振，提升離軸光的泵浦能量利用率，因而能夠提高渦旋雷射光的穩定性及功率的可延展性。同時該光學元件43可調制離軸光的空間相位分布，再透過離軸光彼此干涉以及該增益介質42的激發輻射，使得各個方向的離軸光產生空間同調性，進而相位鎖定而形成渦旋雷射光，其中該渦旋雷射光的螺旋純度可達到99%以上，因而可提高渦旋雷射光的品質。

請參照第4圖並配合第1圖所示，本發明渦旋雷射光的產生方法的一較佳實施例，該渦旋雷射光的產生方法包括一輸入步驟S201、一旋度對稱破壞步驟S202、一反射步驟S203及一輸出步驟S204。本發明將於下文詳細說明各步驟的運作原理。

續參照第4圖並配合第1及2圖所示，在該輸入步驟S201中，將一能量加入至一共振腔4的一增益介質42中，使該增益介質42產生多個雷射光401，在本實施例中，該能量為一泵浦光束202，透過一泵浦源2及一聚焦鏡3而產生，但在其他實施例中，也可以設置為一電壓。

續參照第4圖並配合第1及2圖所示，在該旋度對稱破壞步驟S202中，將該等雷射光401穿越該共振腔4的一光學元件43，而使該等雷射光401的旋度對稱被破壞。

續參照第4圖並配合第1及2圖所示，在該反射步驟S203中，將該等雷射光401在該共振腔4的一諧振鏡41及一輸出鏡44之間反射而存在有多馳返模態並形成多個渦旋雷射光。最後，在該輸出步驟S204中，將該等渦旋雷射光經由該輸出鏡44透射而輸出。

如上所述，該共振腔4能夠形成多馳返模態而使得離軸光形成多馳返模態而達到共振，其中該光學元件43可抑制軸向光共振，提升離軸光的泵浦能量利用率，因而能夠提高渦旋雷射光的穩定性及功率的可延展性。同時該光學元件43可調制離軸光的空間相位分布，再透過離軸光彼此干涉以及該增益介質42的激發輻射，使得各個方向的離軸光產生空間同調性，進而相位鎖定而形成渦旋雷射光，其中該渦旋雷射光的螺旋純度可達到99%以上，因而可提高渦旋雷射光的品質。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，包括：一共振腔，包含：一諧振鏡，配置用以接收一泵浦光束；一增益介質，設置在該諧振鏡之後；一光學元件，具有旋度對稱破壞性，而且該光學元件間隔設置在該增益介質之後；及一輸出鏡，間隔設置在該光學元件之後；其中該泵浦光束通過該諧振鏡射入該增益介質中，使該增益介質吸收該泵浦光束而產生多個雷射光，該等雷射光穿越該光學元件且在該諧振鏡及該輸出鏡之間反射而存在有多馳返模態並形成多個渦旋雷射光，該等渦旋雷射光再經由該輸出鏡透射而輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，另包括：一泵浦源，配置用以產生該泵浦光束；及一聚焦鏡，設置在該泵浦源之後，用以聚焦該泵浦光束，而且該共振腔設置在該聚焦鏡之後。
3. 如申請專利範圍第2項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該光學元件是由聚合物複製在一玻璃基板上所製成。
4. 如申請專利範圍第2項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該光學元件與輸出鏡組合為一單一組件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該輸出鏡為一凹面鏡，而且該輸出鏡的一曲率半徑為該共振腔的一總長的100%至120%。
6. 如申請專利範圍第5項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該輸出鏡的一凹面塗覆有一反射鍍膜，該反射鍍膜的透射率為10%以下。
7. 如申請專利範圍第1項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該增益介質具有一平坦端面，該平坦端面塗覆一高反射塗膜作為該諧振鏡。
8. 如申請專利範圍第7項所述之螺旋相位調制共振腔渦旋雷射光產生器，其中該高反射塗膜的反射率為99.9%以上。
9. 一種渦旋雷射光的產生方法，包括：一輸入步驟，將一能量加入至一共振腔的一增益介質中，使該增益介質產生多個雷射光；一旋度對稱破壞步驟，將該等雷射光穿越該共振腔的一光學元件，而使該等雷射光的旋度對稱被破壞；一反射步驟，將該等雷射光在該共振腔的一諧振鏡及一輸出鏡之間反射而存在有多馳返模態並形成多個渦旋雷射光；及一輸出步驟，將該等渦旋雷射光經由該輸出鏡透射而輸出。
10. 如申請專利範圍第9項所述之渦旋雷射光的產生方法，其中該能量為一電壓或一泵浦光束。