[发明专利]一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学和光学工程领域，主要是由具有横截面为螺旋空心形状的谐振腔的气体激光器来获得具有二维螺旋空心形状分布的气体激光光束的装置和方法。

背景技术

由于光束中心具有光强为零的区域或是由于光束光强或相位的梯度分布使辐照到微粒上的光出现压力差，从而形成光学陷阱。能对微粒进行控制的光学陷阱，逐渐成为激光生物研究的有力工具。根据人们对微粒处置的愿景以及能处置的微粒种类的设想，指导光学陷阱形状的发展以及获得光学陷阱的方案。一方面，光学陷阱的获得,不论是采用计算全息的方法还是采用相位板的方案，似乎都极为方便。但是这些方案，都需要在光路上添加多个不同种类的光学元件，才能将光束变换成预设的光学陷阱。多个种类光学元件，增加的不只是能量的耗损，还带来设计制造元器件的时间成本消耗。另一方面，光学陷阱的形状，依据对微粒的处置方式从对微粒捕获到对微粒控制甚至操控，大都是采用封闭形式。封闭形式的光学陷阱在捕获微粒时需要对微粒位置计算精准。

发明内容

本发明针对上述两类问题发明的直接通过激光器获得的适宜对微粒找寻后囚禁的方法和装置，目的在于构建和提供一种输出光强在垂直于光轴方向为螺旋空心分布的气体激光器。本发明提供的方法不但能通过激光器直接获得光学陷阱，而且本发明获得的光学陷阱是开放形式的，呈螺旋空心分布，类似螺旋形式的口袋，移动螺旋口袋形式的光学陷阱的袋口，可以将微粒找寻到后捕入光学陷阱中。本发明的装置由于采用横截面为螺旋空心形状的谐振腔，合理设计谐振腔的腔参数，使螺旋空心形状谐振腔的输出光束横截面的光强分布呈现二维螺旋空心分布。合理设计二维螺旋空心激光光束的功率以及空心部分的大小，可以实现对微粒主动找寻后控制。该发明根据谐振腔尺寸可以实现小、中及高功率输出。该发明实现的小功率输出可用于生物医学及科学研究；实现的中高功率输出，可以用于工业加工。

本发明的目的是由以下措施实施的：实现二维螺旋空心激光光束的装置为气体激光器，按照激光工作物质可分为氦氖激光器以及二氧化碳激光器，采用易于在异形放电区放电的射频放电方式，激光器的特征在于其谐振腔为螺旋空心激光谐振腔，该谐振腔是由螺旋空心放电管，以及位于该谐振腔底部的凹面螺旋空心全反镜，和位于该谐振腔顶部的凸面螺旋空心部分反射输出镜构成，该螺旋空心放电管在光束传输方向上的上半部分称为上半圆环柱放电管，该上半圆环柱放电管是由横截面为同心半圆的内外管壁以及该内外管壁夹层区为半圆环柱形状的激光介质区构成，该上半圆环柱放电管的内外管壁横截面的两圆心重合，该圆心沿光束传输方向形成的线段与上半圆环柱放电管的光轴重合，该螺旋空心放电管在光束传输方向上的下半部分称为下半圆环柱放电管，该下半圆环柱放电管是由横截面为同心半圆的内外管壁以及该内外管壁夹层区为半圆环柱形状的激光介质区构成，该下半圆环柱放电管的内外管壁横截面的两圆心重合，该圆心沿光束传输方向形成的线段与该下半圆环柱放电管的光轴重合，上半圆环柱放电管的光轴简称上光轴，下半圆环柱放电管的光轴简称下光轴，依据上、下光轴形成的平面将螺旋空心谐振腔分为上、下两部分，该螺旋空心谐振腔的上部分所在空间称为上空间，该螺旋空心谐振腔的下部分所在空间称为下空间，该上、下两光轴在水平面平行不重合，该上、下两半圆环柱放电管具有相同的环宽，上半圆环柱放电管的内外管壁的横截面半径均小于下半圆环柱放电管的内外管壁的横截面半径，该螺旋空心谐振腔的凹面螺旋空心全反镜以及凸面螺旋空心部分反射输出镜，也依据该上、下两光轴形成的平面在光束传输方向分为上、下凹面半圆环全反镜以及上、下凸面半圆环部分反射输出镜，该上凹面半圆环全反镜、上半圆环柱放电管以及上凸面半圆环部分反射输出镜一起构成上半圆环柱谐振腔，该上半圆环柱谐振腔的光轴和该上半圆环柱放电管的光轴重合，即上光轴，该上半圆环柱谐振腔沿上光轴的纵剖面依据传输光线簇构成凹凸稳定腔，称为上半圆环柱谐振腔的子腔，简称上子腔，该上半圆环柱谐振腔的上凹面半圆环全反镜沿上光轴的纵剖面为上凹面全反镜，该上半圆环柱谐振腔的上凸面半圆环部分反射输出镜沿上光轴的纵剖面为上凸面部分反射输出镜，该上子腔的腔镜为该上凹面全反镜以及该上凸面部分反射输出镜，该上子腔的腔轴与上光轴平行，该上子腔绕该上光轴在上空间旋转180度形成该上半圆环柱谐振腔，该下凹面半圆环全反镜、下半圆环柱放电管以及下凸面半圆环部分反射输出镜一起构成下半圆环柱谐振腔，该下半圆环柱谐振腔的光轴和该下半圆环柱放电管的光轴重合，即下光轴，该下半圆环柱谐振腔沿下光轴的纵剖面沿传输光线簇构成凹凸稳定腔，称为下半圆环柱谐振腔的子腔，简称下子腔，该下半圆环柱谐振腔的下凹面半圆环全反镜沿下光轴的纵剖面为下凹面全反镜，该下半圆环柱谐振腔的下凸面半圆环部分反射输出镜沿下光轴的纵剖面为下凸面部分反射输出镜，该下子腔的腔镜为该下凹面全反镜以及该下凸面部分反射输出镜，该下子腔的腔轴与下光轴平行，该下半圆环柱谐振腔的子腔绕该下光轴在下空间旋转180度形成该下半圆环柱谐振腔，上子腔的腔轴与上光轴之间的距离小于下子腔的腔轴与下光轴之间的距离，上、下两子腔的腔参数相同，即上、下凹面全反镜具有相同的凹面曲率半径及尺寸，上、下凸面部分反射输出镜具有相同的凸面曲率半径及尺寸，上子腔沿腔轴的腔长与下子腔沿腔轴的腔长相同。上子腔的输出光束绕上光轴在上空间旋转180度形成的输出光束与下子腔的输出光束绕下光轴在下空间旋转180度形成的输出光束合围形成螺旋空心谐振腔输出光束。即螺旋空心激光光束，该螺旋空心激光光束在上空间的横截面与上光轴距离相等的位置相位相同，该螺旋空心激光光束在下空间的横截面与下光轴距离相等的位置相位相同，该螺旋空心激光光束的横截面在上、下空间的衔接处的重合位置相位相同，该螺旋空心激光光束的任一横截面在上空间任意一点的相位与该横截面在下空间距离下光轴为该点与上光轴之间的距离加上上、下光轴之间的距离的位置的相位相等，所以具有该螺旋空心谐振腔的气体激光器的输出光束在横截面的光强分布为二维螺旋空心分布，形状为螺旋状的口袋，该螺旋空心激光光束为二维螺旋空心激光光束。本发明实现的二维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医学科学研究，比如对微粒寻找到后移动二维螺旋空心激光光束，将该光束的袋口对准微粒后移动该光束实现对微粒的找寻后囚禁，大尺寸中高功率的二维螺旋空心二氧化碳激光光束可以用于工业的特种形状加工以及长距离的空间传输。