[發明專利]一種實現二維螺旋空心激光光束的裝置和方法

有效

• 申請號: 201410198763.1
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103972775B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 劉靜倫;陳梅;胡倆劍;趙旺;況銀麗;王治友;肖杰;孫依楠
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01S3/08
• 分類號: H01S3/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光學和光學工程領域，主要是由具有橫截面為螺旋空心形狀的諧振腔的氣體激光器來獲得具有二維螺旋空心形狀分布的氣體激光光束的裝置和方法。

背景技術

由于光束中心具有光強為零的區域或是由于光束光強或相位的梯度分布使輻照到微粒上的光出現壓力差，從而形成光學陷阱。能對微粒進行控制的光學陷阱，逐漸成為激光生物研究的有力工具。根據人們對微粒處置的愿景以及能處置的微粒種類的設想，指導光學陷阱形狀的發展以及獲得光學陷阱的方案。一方面，光學陷阱的獲得,不論是采用計算全息的方法還是采用相位板的方案，似乎都極為方便。但是這些方案，都需要在光路上添加多個不同種類的光學元件，才能將光束變換成預設的光學陷阱。多個種類光學元件，增加的不只是能量的耗損，還帶來設計制造元器件的時間成本消耗。另一方面，光學陷阱的形狀，依據對微粒的處置方式從對微粒捕獲到對微粒控制甚至操控，大都是采用封閉形式。封閉形式的光學陷阱在捕獲微粒時需要對微粒位置計算精準。

發明內容

本發明針對上述兩類問題發明的直接通過激光器獲得的適宜對微粒找尋后囚禁的方法和裝置，目的在于構建和提供一種輸出光強在垂直于光軸方向為螺旋空心分布的氣體激光器。本發明提供的方法不但能通過激光器直接獲得光學陷阱，而且本發明獲得的光學陷阱是開放形式的，呈螺旋空心分布，類似螺旋形式的口袋，移動螺旋口袋形式的光學陷阱的袋口，可以將微粒找尋到后捕入光學陷阱中。本發明的裝置由于采用橫截面為螺旋空心形狀的諧振腔，合理設計諧振腔的腔參數，使螺旋空心形狀諧振腔的輸出光束橫截面的光強分布呈現二維螺旋空心分布。合理設計二維螺旋空心激光光束的功率以及空心部分的大小，可以實現對微粒主動找尋后控制。該發明根據諧振腔尺寸可以實現小、中及高功率輸出。該發明實現的小功率輸出可用于生物醫學及科學研究；實現的中高功率輸出，可以用于工業加工。

本發明的目的是由以下措施實施的：實現二維螺旋空心激光光束的裝置為氣體激光器，按照激光工作物質可分為氦氖激光器以及二氧化碳激光器，采用易于在異形放電區放電的射頻放電方式，激光器的特征在于其諧振腔為螺旋空心激光諧振腔，該諧振腔是由螺旋空心放電管，以及位于該諧振腔底部的凹面螺旋空心全反鏡，和位于該諧振腔頂部的凸面螺旋空心部分反射輸出鏡構成，該螺旋空心放電管在光束傳輸方向上的上半部分稱為上半圓環柱放電管，該上半圓環柱放電管是由橫截面為同心半圓的內外管壁以及該內外管壁夾層區為半圓環柱形狀的激光介質區構成，該上半圓環柱放電管的內外管壁橫截面的兩圓心重合，該圓心沿光束傳輸方向形成的線段與上半圓環柱放電管的光軸重合，該螺旋空心放電管在光束傳輸方向上的下半部分稱為下半圓環柱放電管，該下半圓環柱放電管是由橫截面為同心半圓的內外管壁以及該內外管壁夾層區為半圓環柱形狀的激光介質區構成，該下半圓環柱放電管的內外管壁橫截面的兩圓心重合，該圓心沿光束傳輸方向形成的線段與該下半圓環柱放電管的光軸重合，上半圓環柱放電管的光軸簡稱上光軸，下半圓環柱放電管的光軸簡稱下光軸，依據上、下光軸形成的平面將螺旋空心諧振腔分為上、下兩部分，該螺旋空心諧振腔的上部分所在空間稱為上空間，該螺旋空心諧振腔的下部分所在空間稱為下空間，該上、下兩光軸在水平面平行不重合，該上、下兩半圓環柱放電管具有相同的環寬，上半圓環柱放電管的內外管壁的橫截面半徑均小于下半圓環柱放電管的內外管壁的橫截面半徑，該螺旋空心諧振腔的凹面螺旋空心全反鏡以及凸面螺旋空心部分反射輸出鏡，也依據該上、下兩光軸形成的平面在光束傳輸方向分為上、下凹面半圓環全反鏡以及上、下凸面半圓環部分反射輸出鏡，該上凹面半圓環全反鏡、上半圓環柱放電管以及上凸面半圓環部分反射輸出鏡一起構成上半圓環柱諧振腔，該上半圓環柱諧振腔的光軸和該上半圓環柱放電管的光軸重合，即上光軸，該上半圓環柱諧振腔沿上光軸的縱剖面依據傳輸光線簇構成凹凸穩定腔，稱為上半圓環柱諧振腔的子腔，簡稱上子腔，該上半圓環柱諧振腔的上凹面半圓環全反鏡沿上光軸的縱剖面為上凹面全反鏡，該上半圓環柱諧振腔的上凸面半圓環部分反射輸出鏡沿上光軸的縱剖面為上凸面部分反射輸出鏡，該上子腔的腔鏡為該上凹面全反鏡以及該上凸面部分反射輸出鏡，該上子腔的腔軸與上光軸平行，該上子腔繞該上光軸在上空間旋轉180度形成該上半圓環柱諧振腔，該下凹面半圓環全反鏡、下半圓環柱放電管以及下凸面半圓環部分反射輸出鏡一起構成下半圓環柱諧振腔，該下半圓環柱諧振腔的光軸和該下半圓環柱放電管的光軸重合，即下光軸，該下半圓環柱諧振腔沿下光軸的縱剖面沿傳輸光線簇構成凹凸穩定腔，稱為下半圓環柱諧振腔的子腔，簡稱下子腔，該下半圓環柱諧振腔的下凹面半圓環全反鏡沿下光軸的縱剖面為下凹面全反鏡，該下半圓環柱諧振腔的下凸面半圓環部分反射輸出鏡沿下光軸的縱剖面為下凸面部分反射輸出鏡，該下子腔的腔鏡為該下凹面全反鏡以及該下凸面部分反射輸出鏡，該下子腔的腔軸與下光軸平行，該下半圓環柱諧振腔的子腔繞該下光軸在下空間旋轉180度形成該下半圓環柱諧振腔，上子腔的腔軸與上光軸之間的距離小于下子腔的腔軸與下光軸之間的距離，上、下兩子腔的腔參數相同，即上、下凹面全反鏡具有相同的凹面曲率半徑及尺寸，上、下凸面部分反射輸出鏡具有相同的凸面曲率半徑及尺寸，上子腔沿腔軸的腔長與下子腔沿腔軸的腔長相同。上子腔的輸出光束繞上光軸在上空間旋轉180度形成的輸出光束與下子腔的輸出光束繞下光軸在下空間旋轉180度形成的輸出光束合圍形成螺旋空心諧振腔輸出光束。即螺旋空心激光光束，該螺旋空心激光光束在上空間的橫截面與上光軸距離相等的位置相位相同，該螺旋空心激光光束在下空間的橫截面與下光軸距離相等的位置相位相同，該螺旋空心激光光束的橫截面在上、下空間的銜接處的重合位置相位相同，該螺旋空心激光光束的任一橫截面在上空間任意一點的相位與該橫截面在下空間距離下光軸為該點與上光軸之間的距離加上上、下光軸之間的距離的位置的相位相等，所以具有該螺旋空心諧振腔的氣體激光器的輸出光束在橫截面的光強分布為二維螺旋空心分布，形狀為螺旋狀的口袋，該螺旋空心激光光束為二維螺旋空心激光光束。本發明實現的二維螺旋空心激光光束在微小尺寸小功率情形下可以用于生物醫學科學研究，比如對微粒尋找到后移動二維螺旋空心激光光束，將該光束的袋口對準微粒后移動該光束實現對微粒的找尋后囚禁，大尺寸中高功率的二維螺旋空心二氧化碳激光光束可以用于工業的特種形狀加工以及長距離的空間傳輸。