一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公布一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，屬于光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域，構(gòu)建和提供一種產(chǎn)生輸出光束空間分布形狀為二維螺旋空心分布的裝置和方法。該方法獲得的二維螺旋空心激光光束，在垂直于光軸的橫截面上具有開放式的螺旋空心分布的特點。本發(fā)明的裝置由于采用螺旋空心激光諧振腔，合理設(shè)置該諧振腔的凹凸穩(wěn)定子腔的腔參數(shù)以及該諧振腔的上、下半徑，使該諧振腔輸出的螺旋光束出現(xiàn)空心且開放分布，從而形成二維螺旋空心激光光束。本發(fā)明根據(jù)諧振腔尺寸可以實現(xiàn)小、中及高功率輸出。本發(fā)明實現(xiàn)的小功率輸出可用于生物醫(yī)學(xué)及科學(xué)研究；實現(xiàn)的中高功率輸出，可以用于工業(yè)加工。
【專利說明】一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)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(shù)】
[0002]由于光束中心具有光強為零的區(qū)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(xiàn)壓力差，從而形成光學(xué)陷阱。能對微粒進行控制的光學(xué)陷阱，逐漸成為激光生物研究的有力工具。根據(jù)人們對微粒處置的愿景以及能處置的微粒種類的設(shè)想，指導(dǎo)光學(xué)陷阱形狀的發(fā)展以及獲得光學(xué)陷阱的方案。一方面，光學(xué)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(xué)元件，才能將光束變換成預(yù)設(shè)的光學(xué)陷阱。多個種類光學(xué)元件，增加的不只是能量的耗損，還帶來設(shè)計制造元器件的時間成本消耗。另一方面，光學(xué)陷阱的形狀，依據(jù)對微粒的處置方式從對微粒捕獲到對微?？刂粕踔敛倏?，大都是采用封閉形式。封閉形式的光學(xué)陷阱在捕獲微粒時需要對微粒位置計算精準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對上述兩類問題發(fā)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(gòu)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(fā)明提供的方法不但能通過激光器直接獲得光學(xué)陷阱，而且本發(fā)明獲得的光學(xué)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(xué)陷阱的袋口，可以將微粒找尋到后捕入光學(xué)陷阱中。本發(fā)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(shè)計諧振腔的腔參數(shù)，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(xiàn)二維螺旋空心分布。合理設(shè)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(xiàn)對微粒主動找尋后控制。該發(fā)明根據(jù)諧振腔尺寸可以實現(xiàn)小、中及高功率輸出。該發(fā)明實現(xiàn)的小功率輸出可用于生物醫(yī)學(xué)及科學(xué)研究；實現(xiàn)的中高功率輸出，可以用于工業(yè)加工。
[0004]本發(fā)明的目的是由以下措施實施的:實現(xiàn)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(zhì)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(qū)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(gòu)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(huán)柱放電管，該上半圓環(huán)柱放電管是由橫截面為同心半圓的內(nèi)外管壁以及該內(nèi)外管壁夾層區(qū)為半圓環(huán)柱形狀的激光介質(zhì)區(qū)構(gòu)成，該上半圓環(huán)柱放電管的內(nèi)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(huán)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(huán)柱放電管，該下半圓環(huán)柱放電管是由橫截面為同心半圓的內(nèi)外管壁以及該內(nèi)外管壁夾層區(qū)為半圓環(huán)柱形狀的激光介質(zhì)區(qū)構(gòu)成，該下半圓環(huán)柱放電管的內(nèi)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(huán)柱放電管的光軸重合，上半圓環(huán)柱放電管的光軸簡稱上光軸，下半圓環(huán)柱放電管的光軸簡稱下光軸，依據(jù)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(huán)柱放電管具有相同的環(huán)寬，上半圓環(huán)柱放電管的內(nèi)外管壁的橫截面半徑均小于下半圓環(huán)柱放電管的內(nèi)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(jù)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(huán)全反鏡以及上、下凸面半圓環(huán)部分反射輸出鏡，該上凹面半圓環(huán)全反鏡、上半圓環(huán)柱放電管以及上凸面半圓環(huán)部分反射輸出鏡一起構(gòu)成上半圓環(huán)柱諧振腔，該上半圓環(huán)柱諧振腔的光軸和該上半圓環(huán)柱放電管的光軸重合，即上光軸，該上半圓環(huán)柱諧振腔沿上光軸的縱剖面依據(jù)傳輸光線簇構(gòu)成凹凸穩(wěn)定腔，稱為上半圓環(huán)柱諧振腔的子腔，簡稱上子腔，該上半圓環(huán)柱諧振腔的上凹面半圓環(huán)全反鏡沿上光軸的縱剖面為上凹面全反鏡，該上半圓環(huán)柱諧振腔的上凸面半圓環(huán)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(zhuǎn)180度形成該上半圓環(huán)柱諧振腔，該下凹面半圓環(huán)全反鏡、下半圓環(huán)柱放電管以及下凸面半圓環(huán)部分反射輸出鏡一起構(gòu)成下半圓環(huán)柱諧振腔，該下半圓環(huán)柱諧振腔的光軸和該下半圓環(huán)柱放電管的光軸重合，即下光軸，該下半圓環(huán)柱諧振腔沿下光軸的縱剖面沿傳輸光線簇構(gòu)成凹凸穩(wěn)定腔，稱為下半圓環(huán)柱諧振腔的子腔，簡稱下子腔，該下半圓環(huán)柱諧振腔的下凹面半圓環(huán)全反鏡沿下光軸的縱剖面為下凹面全反鏡，該下半圓環(huán)柱諧振腔的下凸面半圓環(huán)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(huán)柱諧振腔的子腔繞該下光軸在下空間旋轉(zhuǎn)180度形成該下半圓環(huán)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)明實現(xiàn)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(yī)學(xué)科學(xué)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(xiàn)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(yè)的特種形狀加工以及長距離的空間傳輸。
[0005]氦氖激光器的放電管采用玻璃或石英。二氧化碳激光器的放電管可以采用石英、絕緣材料，大型的二氧化碳激光器采用射頻放電激勵或預(yù)電離激勵方式，工作方式為連續(xù)的，采用風(fēng)機驅(qū)動工作氣體兼水冷散熱方式，當(dāng)對射頻電源進行調(diào)制而進行脈沖放電時，工作方式是脈沖的。
[0006]【專利附圖】

【附圖說明】圖1、2、3分別是實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的氣體激光器的裝置結(jié)構(gòu)立體圖、垂直于光軸平面的裝置剖面示意圖、沿光軸平面的裝置剖面示意圖，圖4、5分別是垂直于光軸平面的螺旋空心諧振腔剖面子腔示意圖、沿光軸平面的螺旋空心諧振腔剖面子腔示意圖，圖6是分別位于螺旋空心諧振腔上、下空間的上、下子腔的立體示意圖，圖7是子腔繞上、下光軸旋轉(zhuǎn)形成螺旋空心諧振腔的立體繞行路徑示意圖，圖8、9分別是凹面螺旋空心全反鏡朝向腔內(nèi)面的標(biāo)示圖、凸面螺旋空心部分反射輸出鏡朝向腔內(nèi)面的標(biāo)示圖，圖10、11分別是腰斑位置的二維螺旋空心光束的光斑和腰斑位置的二維螺旋空心光束的光強分布圖。
[0007]在附圖1-3中，I是凹面螺旋空心全反鏡，2是凸面螺旋空心部分反射輸出鏡，3是陽極，4是陰極引出線，5是水冷套，6是螺旋空心儲氣套，7是螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)，8是螺旋空心陰極，9是帶閥門的出水管，10是帶閥門的進水管，圖4、5、6、7中，15是螺旋空心激光諧振腔的上光軸，簡稱上光軸，16是螺旋空心激光諧振腔的下光軸，簡稱下光軸，上、下光軸15和16構(gòu)成的平面為光軸平面，將光軸平面選為水平面，該水平面將空間分為上、下兩空間，位于上空間的螺旋空心激光諧振腔稱為上半圓環(huán)柱諧振腔，位于下空間的螺旋空心激光諧振腔稱為下半圓環(huán)柱諧振腔，11是I沿上光軸15在上空間的縱剖面，稱為上凹面全反鏡，13是I沿下光軸16在下空間的縱剖面，稱為下凹面全反鏡，12是2沿上光軸15在上空間的縱剖面，稱為上凸面部分反射輸出鏡，14是2沿下光軸16在下空間的縱剖面，稱為下凸面部分反射輸出鏡，20是放電管沿上光軸15在上空間的縱剖面，稱為上放電管子管，19是放電管沿下光軸16在下空間的縱剖面，稱為下放電管子管，11、20和12 —起構(gòu)成上半圓環(huán)柱諧振腔的子腔，稱為上子腔，設(shè)計為凹凸穩(wěn)定腔，17是該上子腔的光軸，稱為上子光軸，該上子光軸平行于上光軸15，17與15之間的距離為r2，該上子腔繞上光軸15從位置21開始以距離上光軸為r2的半徑在上空間經(jīng)過位置22 —共旋轉(zhuǎn)180度后到達位置23形成上半圓環(huán)柱諧振腔，13、19和14 一起構(gòu)成下半圓環(huán)柱諧振腔的子腔，稱為下子腔，設(shè)計為凹凸穩(wěn)定腔，由于上、下子腔尺寸相同，在不加區(qū)分時，也可統(tǒng)稱凹凸穩(wěn)定子腔，18是該下子腔的光軸，稱為下子光軸，該下子光軸平行于下光軸16，18與16之間的距離為弋，該下子腔繞下光軸16從位置23開始以距離下光軸為弋的半徑在下空間經(jīng)過位置24 —共旋轉(zhuǎn)180度后到達位置25形成下半圓環(huán)柱諧振腔，上、下子腔在位置23處重合，螺旋空心激光諧振腔可以看成上子腔繞上光軸15在上空間以距離上光軸為r2的半徑從位置21經(jīng)過位置22旋轉(zhuǎn)到位置23，然后以距離下光軸為弋的半徑從位置23開始繞下光軸16在下空間從位置23經(jīng)過位置24旋轉(zhuǎn)到位置25得到，也可以看成下子腔以距離下光軸為弋的半徑(稱為下半徑)繞下光軸16在下空間從位置25經(jīng)過位置24旋轉(zhuǎn)到位置23，然后以距離上光軸為r2的半徑(稱為上半徑)從位置23開始繞上光軸15在上空間經(jīng)過位置22旋轉(zhuǎn)到位置21得到，在圖6-8中，上光軸15上的O11是I所在平面在上空間的圓心，上光軸15上的
O12是2所在平面在上空間的圓心，下光軸16上的O21是I所在平面在下空間的圓心，下光軸16上的O22是2所在平面在下空間的圓心，O11與O21所在直線為I所在平面上的坐標(biāo)軸J1, O12與O22所在直線為2所在平面上的坐標(biāo)軸八，O11與O12所在直線為上光軸15，O21與O22所在直線為下光軸16，I所在平面在上空間的坐標(biāo)系為Crn，O11, T1),在下空間的坐標(biāo)系為Cr12，o12，乃)，2所在平面在上空間的坐標(biāo)系為Cr21，O21,乃)，在下空間的坐標(biāo)系為Cr22，O22,乃)，11和13的曲率半徑為r，12和14的曲率半徑為/P，I和2在上空間的內(nèi)環(huán)半徑為Λ，I和2在上空間的外環(huán)半徑為r3，11和13的尺寸為^3_ & I和2在下空間的內(nèi)環(huán)半徑為TP1, I和2在下空間的外環(huán)半徑為慫，12和14的尺寸為慫-R1,上子腔和下子腔的腔長相同，等于是螺旋空心激光諧振腔的腔長，也等于O11與o12，O21與O22之間的距離，當(dāng)7和6被抽成真空后充入氣體激光介質(zhì)，通過10將去離子水通入5后從10流出，通過電極3和4放電激勵氣體激光介質(zhì)，沿如圖6所示任一縱剖面的上、下子腔的軸線17、19傳輸?shù)淖园l(fā)輻射受激被放大，在剖面內(nèi)受到各自的腔鏡的來回反射建立振蕩，并分別從鏡12、鏡14輸出，即二維螺旋空心激光光束是從鏡2輸出，當(dāng)介質(zhì)需要冷卻時9和10均是打開的，通過9和10開關(guān)開啟的大小，調(diào)節(jié)5中冷卻水的流速，當(dāng)氣體介質(zhì)不需要冷卻時，9和10均是關(guān)閉的，儲氣管6可使激光有更多工作物質(zhì)而延長使用壽命。
[0008]具 體實施方式下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做詳細描述。
[0009]本發(fā)明的諧振腔底部的凹面螺旋空心全反鏡1，采用圓形光學(xué)玻璃或石英塊作基底，對He-Ne激光器和CO2激光器適用，對很高輸出的CO2激光器，采用致密性很好、硬度較高的圓銅塊作基底，選擇一直徑，采用切割裝置將基底材料根據(jù)該直徑按照全反鏡上、下兩部分半圓的外沿尺寸的要求加工切割，研磨鏡面的磨具采用低碳鋼材料由數(shù)控機床按照設(shè)計加工，全反鏡上、下兩部分的子鏡具有相同的曲率半徑，因此研磨這兩部分的研磨材料采用同一磨具，全反鏡上、下兩部分半圓具有不同的圓心，因此，分別對切割好的全反鏡上、下部分的圓心，采用定位塊膠合定位，研磨磨具在研磨全反鏡的上、下兩部分時采用不同的研磨圓半徑，因為全反鏡上、下兩部分在軸的正半軸位置平滑連接，研磨磨具在全反鏡的上部按照上半圓半徑做180度的圓周運動進行研磨，到的正半軸后，換成按照全反鏡下部的半徑繼續(xù)做180度的圓周運動進行研磨，全反鏡上、下兩部分各自是嚴格的旋轉(zhuǎn)對稱形狀，因此，研磨磨具分別對上、下兩部分研磨時，不存在較大困難，需要注意的是在上、下兩部分變換位置研磨時的研磨半徑的轉(zhuǎn)換需要精準控制，鏡面研磨拋光后再將膠合在兩中心的兩塊取下，經(jīng)過嚴格清洗并鍍上全反射膜后可用于本發(fā)明器件上。本發(fā)明的螺旋空心部分反射輸出鏡2，也需要一套對應(yīng)的研磨模具，研磨過程與鏡I的研磨過程一致，不同之處在于鏡2是凸面作為部分反射鏡反射面鍍部分反射膜。鏡2基底的材質(zhì),對于氦氖激光器可選用玻璃，對于二氧化碳激光，根據(jù)功率要求可選用鍺片或硒化鋅等。
[0010]本發(fā)明裝置中的螺旋空心放電管，對氦氖聚光器則采用玻璃或石英熔化的液體注入處于一定溫度的石墨模具內(nèi)再逐漸冷卻后制得，對于CO2激光器，放電管管壁采用石英，儲氣管管壁和水冷套管壁材質(zhì)和放電管管壁材質(zhì)一致。螺旋空心放電管由內(nèi)、外兩層螺旋管壁構(gòu)成，螺旋空心放電管的外壁和儲氣套的管壁一起形成儲氣空間，在靠近凹面螺旋空心全反鏡的一端，儲氣套管壁的端口和螺旋空心放電管的外壁的端口密封連接，螺旋空心放電管內(nèi)壁的端口被密封，三層管壁的兩側(cè)邊沿每邊分別圓形連接，在靠近凸面螺旋空心部分反射輸出鏡的一端，放電管內(nèi)管壁的端口是密封的，放電管內(nèi)、外管壁之間的端口以及該外管壁和儲氣套管壁的端口均是開放的，設(shè)計石墨模具時，考慮將放電管和儲氣管按照上述要求一起澆注，放電管每層管壁是由位于上空間的上半圓管壁和位于下空間的下半圓管壁構(gòu)成，上、下半圓管壁在軸的正半軸無縫平滑連接。石墨強度較好，故能上車床較為精確地按照設(shè)計加工，精度可達0.1mm。當(dāng)模具較長后，則可用幾塊石墨料分段加工后再組裝，模具可采用一定的輔助夾具。模具在使用后若精度不夠，則應(yīng)修復(fù)或更換新的模具，本發(fā)明的水冷套可以通過吹制獲得。放電管和儲氣套一起成套加工好后，需要在儲氣套管壁兩端連接延長管，兩延長管的另一端分別貼凹面螺旋空心全反鏡和凸面螺旋空心部分反射輸出鏡，兩延長管沿光軸方向為螺旋形狀，兩延長管的側(cè)邊密封，因此，兩延長管的模具要考慮上述特征。水冷套的管壁形狀為圓筒形狀，通過吹制得到，吹制好的水冷套管壁，在靠近兩端的位置，分別一下一上燒上同材質(zhì)的帶閥門的進水管和出水管。
[0011]在本發(fā)明的裝置組裝過程中，將本發(fā)明成套加工好的放電管和儲氣管，放置在可以三維調(diào)節(jié)的支架上面，用He-Ne激光器校準按照水平放置且有上、下空間之分的放電管和儲氣管的位置，然后將儲氣管壁兩端的延長管也按設(shè)計位置燒上，在燒接時用He-Ne激光器監(jiān)測光路，自然并充分冷卻后從該水平支架上取下，放置一可將該部分豎直的支架上，將帶進、出水管的水冷套管壁燒在儲氣管的外面，在燒水冷套管壁時，注意水路走向，保證從進水管進來的水只在水冷套管壁和放電管的內(nèi)壁充激光介質(zhì)的另一側(cè)之間才有水經(jīng)過并從出水管流出去，而放電管內(nèi)、外管壁之間的空間、儲氣套管壁和放電外壁之間的空間，儲氣套兩端延長管管壁內(nèi)的空間，均是激光介質(zhì)的空間，不能有水流經(jīng)過，燒上水冷套后，在儲氣管兩端的延長管的中部，按照設(shè)計的上空間位置，分別燒上用于安裝陽極和陰極引出線的小管，并在靠近陽極的小管旁再燒一個用于抽真空的小管，材質(zhì)和延長管材質(zhì)均相同，然后取下清洗，清洗過程遵循由粗洗到精洗的原則，直到管內(nèi)沒有粉塵，沒有油潰，沒有水痕，適合激光放電的清潔度要求，然后將已處理好的裝置至于可以三維調(diào)節(jié)的水平支架上，仍然用He-Ne激光器監(jiān)測裝置的水平情況和上、下空間的位置是否符合設(shè)計要求，接下來是對儲氣管的延長管的兩端貼鏡的位置進行研磨，用平行度很高、硬度很高的金屬平片作為研磨片，由于精確設(shè)計和之間的有監(jiān)測光路下的組裝，研磨的過程需要用平片隨時通過雙向平行光管監(jiān)測光路，每次研磨后，在監(jiān)測光路之前，需要用干凈的不掉屑的抹布拭擦干凈被研磨的位置，并防止灰塵進入管內(nèi)，研磨到確保端口符合貼片需求后，再次清潔管內(nèi)。螺旋空心陰極的尺寸要剛好適合放進儲氣套管壁和放電管外壁之間的位置，螺旋空心陰極通過有硬度的導(dǎo)線從陰極引出線位置接出，螺旋空心陰極可選用紫銅片，輕薄的紫銅螺旋空心陰極通過焊接的有硬度的導(dǎo)線懸空置于儲氣套管壁和放電管外壁之間的位置后，將陰極引出線位置的小管燒封，確保管內(nèi)能抽高真空，將鎢桿作為陽極置于陽極位置并將此處的小管燒封，確保管內(nèi)能抽高真空。設(shè)置兩個支架用于將兩鏡分別頂在管的兩端，以便在粘貼鏡時固定鏡，將凹面螺旋空心全反鏡試貼在連有陽極的儲氣管的延長管的另一端，用平行光管在連有陰極的一端監(jiān)測光路，研磨端口直到試貼合適后，取下凹面螺旋空心全反鏡，將凸面螺旋空心部分反射輸出鏡試貼在連有陰極的儲氣管的延長管的另一端，用另一平行光管在連有陽極的一端監(jiān)測光路，研磨端口直到試貼合適后取下凸面螺旋空心部分反射輸出鏡，反復(fù)試貼、監(jiān)測、研磨、拭擦，直到合適后，將凹面螺旋空心全反鏡貼緊陽極的儲氣管的延長管的另一端，用支架從凹面螺旋空心全反鏡的背面中心頂住全反鏡，在光路的監(jiān)測下用真空密封膠將反射鏡封貼在該管端，等到真空密封膠徹底干透后，將凸面螺旋空心部分反射輸出鏡貼緊陰極的儲氣管的延長管的另一端，用支架從凸面螺旋空心部分反射輸出鏡的背面中心頂住輸出鏡，在光路的監(jiān)測下用真空密封膠將輸出鏡封貼在該管端，等到真空密封膠徹底干透后，可撤去兩鏡背后的支架。[0012]裝置組裝好后，將放電管、儲氣管及連接部分抽成真空。對氦氖激光器當(dāng)真空度達10_6X 133.3Pa時，按Ne:He=1: 8的比例，充入混合氣壓強為0.8 X 133.3Pa，部分反射輸出鏡對0.6328微米波長光波的反射率為98%，全反射鏡反射率為99.8%以上，對其放電，即可獲得輸出。對二氧化碳激光器，當(dāng)真空度達到10_3X133.3Pa時，按照CO2:N2:He =1:1.5:7.5，總壓為IOX 133.3Pa，部分反射輸出鏡對10.6微米波長光波反射率為80%，全反射鏡反射率為99%以上，對其放電即可獲得輸出。
[0013]實施例上、下子放電管20和19采用Z為200毫米長的石英管，上、下兩子凹面全反鏡11和13的凹面曲率半徑為601.4毫米，凹面均朝向腔內(nèi)，徑向尺寸為4-^=4毫米，上、下兩子凸面部分反射輸出鏡12和14的凸面曲率半徑為1806.9毫米，凸面均朝向腔內(nèi)，徑向尺寸慫-Μ=4毫米凹凸穩(wěn)定子腔的腰斑半徑為I毫米，上、下兩子放電管內(nèi)外管壁之間的距離慫-TP1= r3-r1=4毫米，上子光軸17與上光軸15之間的距離r2即上半徑為3毫米，下子光軸18與下光軸16之間的距離弋即下半徑為4.5毫米，得到的10.6微米的二維螺旋空心光束在腰斑位置的光斑如圖10，在束腰位置的強度分布圖如圖U。
[0014]形成二維螺旋空心光束的裝置，包括凹面螺旋空心全反鏡，凸面螺旋空心部分反射輸出鏡，螺旋空心放電管，螺旋空心儲氣套，螺旋空心陰極，陽極，水冷套，外設(shè)電源，參照圖1，凹面螺旋空心全反鏡1、螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)7及凸面螺旋空心部分反射輸出鏡2 —起構(gòu)成螺旋空心激光諧振腔，包裹螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)7的螺旋空心儲氣套6用于存儲激光介質(zhì)，螺旋空心激光諧振腔及螺旋空心儲氣套6 —起可以抽高真空，去離子水從帶閥門的進水管10抽入進入水冷套5后從帶閥門的出水管9流出，與陰極引出線4連接的螺旋空心陰極8以及陽極3在外設(shè)電源的作用下可以對螺旋空心激光諧振腔中的激光介質(zhì)放電，其特征在于該螺旋空心激光諧振腔可以看做由凹凸穩(wěn)定子腔繞上光軸15以上半徑r2在上空間旋轉(zhuǎn)180度后從該位置起再繞下光軸16以下半徑弋在下空間旋轉(zhuǎn)180度形成，二維螺旋空心激光光束即是從螺旋空心激光諧振腔輸出的光束，可以看做是凹凸穩(wěn)定子腔輸出的二維高斯光束繞繞上光軸15以上半徑^2在上空間旋轉(zhuǎn)180度后從該位置起再繞下光軸16以下半徑弋在下空間旋轉(zhuǎn)180度形成，其特征還在于上、下光軸平行不重合，其特征還在于上半徑小于下半徑，其特征還在于下半徑弋、上半徑^2之差大于1.414倍凹凸穩(wěn)定子腔的腰斑半徑S，即T?2-r2>l.414ω。。
[0015]本發(fā)明形成的二維螺旋空心激光光束具有如下特點:
1.本發(fā)明的二維螺旋空心激光光束由本發(fā)明的螺旋空心激光諧振腔直接輸出；
2.本發(fā)明的螺旋空心激光諧振腔分別由位于上空間的上半圓環(huán)柱諧振腔和位于下空間的下半圓環(huán)柱諧振腔構(gòu)成，該上半圓環(huán)柱諧振腔的輸出光束為上半圓環(huán)激光光束，該下半圓環(huán)柱諧振腔的輸出光束為下半圓環(huán)激光光束，上、下兩半圓環(huán)激光光束合圍形成本發(fā)明的二維螺旋空心激光光 束。
【權(quán)利要求】
1.一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，其特征在于裝置為具有螺旋空心激光諧振腔的氣體激光器，所述的具有螺旋空心激光諧振腔的氣體激光器的螺旋空心激光諧振腔由凹面螺旋空心全反鏡(I)、螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)(7)及凸面螺旋空心部分反射輸出鏡(2) —起構(gòu)成，該螺旋空心激光諧振腔可以看做由凹凸穩(wěn)定子腔繞上光軸(15)以上半徑r2在上空間旋轉(zhuǎn)180度后從該位置起再繞下光軸(16)以下半徑弋在下空間旋轉(zhuǎn)180度形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，其特征在于權(quán)利要求1中所述氣體激光器的輸出光束的空間分布為二維螺旋空心分布，稱為二維螺旋空心激光光束，該二維螺旋空心激光光束可以看做是由權(quán)利要求1所述的螺旋空心激光諧振腔的凹凸穩(wěn)定子腔輸出的二維高斯光束繞上光軸(15)以上半徑^2在上空間旋轉(zhuǎn)180度后從該位置起再繞下光軸(16)以下半徑弋在下空間旋轉(zhuǎn)180度形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，其特征在于權(quán)利要求1中所述氣體激光器的螺旋空心激光諧振腔的上、下光軸(15)和(16)平行不重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，其特征在于權(quán)利要求1中所述氣體激光器的螺旋空心激光諧振腔的上半徑^2小于下半徑弋，且下半徑弋、上半徑^2之差大于1.414倍凹凸穩(wěn)定子腔的腰斑半徑
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)二維螺旋空心激光光束的裝置和方法，包括凹面螺旋空心全反鏡(I)、螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)(7)及凸面螺旋空心部分反射輸出鏡(2) —起構(gòu)成螺旋空心激光諧振腔，包裹螺旋空心放電管激光介質(zhì)區(qū)(7)的螺旋空心儲氣套(6)用于存儲激光介質(zhì)，螺旋空心激光諧振腔及螺旋空心儲氣套(6)—起可以抽高真空，在高真空條件下將氦氖混合氣或二氧化碳、氮、氦混合氣充入螺旋空心激光諧振腔及螺旋空心儲氣套(6)，去離子水從帶閥門的進水管(10)抽入進入水冷套(5)后從帶閥門的出水管(9)流出，與陰極引出線(4)連接的螺旋空心陰極(8)以及陽極(3)在外設(shè)電源的作用下可以對螺旋空心激光諧振腔中的激光介質(zhì)放電。
【文檔編號】H01S3/08GK103972775SQ201410198763
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】劉靜倫, 陳梅, 胡倆劍, 趙旺, 況銀麗, 王治友, 肖杰, 孫依楠 申請人:四川大學(xué)