一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法
【专利摘要】本发明公布一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，属于光学和光学工程领域，构建和提供一种产生输出光束空间分布形状为二维螺旋空心分布的装置和方法。该方法获得的二维螺旋空心激光光束，在垂直于光轴的横截面上具有开放式的螺旋空心分布的特点。本发明的装置由于采用螺旋空心激光谐振腔，合理设置该谐振腔的凹凸稳定子腔的腔参数以及该谐振腔的上、下半径，使该谐振腔输出的螺旋光束出现空心且开放分布，从而形成二维螺旋空心激光光束。本发明根据谐振腔尺寸可以实现小、中及高功率输出。本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。
【专利说明】一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]氦氖激光器的放电管采用玻璃或石英。二氧化碳激光器的放电管可以采用石英、绝缘材料，大型的二氧化碳激光器采用射频放电激励或预电离激励方式，工作方式为连续的，采用风机驱动工作气体兼水冷散热方式，当对射频电源进行调制而进行脉冲放电时，工作方式是脉冲的。
[0006]【专利附图】
【附图说明】图1、2、3分别是实现二维螺旋空心激光光束的气体激光器的装置结构立体图、垂直于光轴平面的装置剖面示意图、沿光轴平面的装置剖面示意图，图4、5分别是垂直于光轴平面的螺旋空心谐振腔剖面子腔示意图、沿光轴平面的螺旋空心谐振腔剖面子腔示意图，图6是分别位于螺旋空心谐振腔上、下空间的上、下子腔的立体示意图，图7是子腔绕上、下光轴旋转形成螺旋空心谐振腔的立体绕行路径示意图，图8、9分别是凹面螺旋空心全反镜朝向腔内面的标示图、凸面螺旋空心部分反射输出镜朝向腔内面的标示图，图10、11分别是腰斑位置的二维螺旋空心光束的光斑和腰斑位置的二维螺旋空心光束的光强分布图。
[0007]在附图1-3中，I是凹面螺旋空心全反镜，2是凸面螺旋空心部分反射输出镜，3是阳极，4是阴极引出线，5是水冷套，6是螺旋空心储气套，7是螺旋空心放电管激光介质区，8是螺旋空心阴极，9是带阀门的出水管，10是带阀门的进水管，图4、5、6、7中，15是螺旋空心激光谐振腔的上光轴，简称上光轴，16是螺旋空心激光谐振腔的下光轴，简称下光轴，上、下光轴15和16构成的平面为光轴平面，将光轴平面选为水平面，该水平面将空间分为上、下两空间，位于上空间的螺旋空心激光谐振腔称为上半圆环柱谐振腔，位于下空间的螺旋空心激光谐振腔称为下半圆环柱谐振腔，11是I沿上光轴15在上空间的纵剖面，称为上凹面全反镜，13是I沿下光轴16在下空间的纵剖面，称为下凹面全反镜，12是2沿上光轴15在上空间的纵剖面，称为上凸面部分反射输出镜，14是2沿下光轴16在下空间的纵剖面，称为下凸面部分反射输出镜，20是放电管沿上光轴15在上空间的纵剖面，称为上放电管子管，19是放电管沿下光轴16在下空间的纵剖面，称为下放电管子管，11、20和12 —起构成上半圆环柱谐振腔的子腔，称为上子腔，设计为凹凸稳定腔，17是该上子腔的光轴，称为上子光轴，该上子光轴平行于上光轴15，17与15之间的距离为r2，该上子腔绕上光轴15从位置21开始以距离上光轴为r2的半径在上空间经过位置22 —共旋转180度后到达位置23形成上半圆环柱谐振腔，13、19和14 一起构成下半圆环柱谐振腔的子腔，称为下子腔，设计为凹凸稳定腔，由于上、下子腔尺寸相同，在不加区分时，也可统称凹凸稳定子腔，18是该下子腔的光轴，称为下子光轴，该下子光轴平行于下光轴16，18与16之间的距离为弋，该下子腔绕下光轴16从位置23开始以距离下光轴为弋的半径在下空间经过位置24 —共旋转180度后到达位置25形成下半圆环柱谐振腔，上、下子腔在位置23处重合，螺旋空心激光谐振腔可以看成上子腔绕上光轴15在上空间以距离上光轴为r2的半径从位置21经过位置22旋转到位置23，然后以距离下光轴为弋的半径从位置23开始绕下光轴16在下空间从位置23经过位置24旋转到位置25得到，也可以看成下子腔以距离下光轴为弋的半径(称为下半径)绕下光轴16在下空间从位置25经过位置24旋转到位置23，然后以距离上光轴为r2的半径(称为上半径)从位置23开始绕上光轴15在上空间经过位置22旋转到位置21得到，在图6-8中，上光轴15上的O11是I所在平面在上空间的圆心，上光轴15上的
O12是2所在平面在上空间的圆心，下光轴16上的O21是I所在平面在下空间的圆心，下光轴16上的O22是2所在平面在下空间的圆心，O11与O21所在直线为I所在平面上的坐标轴J1, O12与O22所在直线为2所在平面上的坐标轴八，O11与O12所在直线为上光轴15，O21与O22所在直线为下光轴16，I所在平面在上空间的坐标系为Crn，O11, T1),在下空间的坐标系为Cr12，o12，乃)，2所在平面在上空间的坐标系为Cr21，O21,乃)，在下空间的坐标系为Cr22，O22,乃)，11和13的曲率半径为r，12和14的曲率半径为/P，I和2在上空间的内环半径为Λ，I和2在上空间的外环半径为r3，11和13的尺寸为^3_ & I和2在下空间的内环半径为TP1, I和2在下空间的外环半径为怂，12和14的尺寸为怂-R1,上子腔和下子腔的腔长相同，等于是螺旋空心激光谐振腔的腔长，也等于O11与o12，O21与O22之间的距离，当7和6被抽成真空后充入气体激光介质，通过10将去离子水通入5后从10流出，通过电极3和4放电激励气体激光介质，沿如图6所示任一纵剖面的上、下子腔的轴线17、19传输的自发辐射受激被放大，在剖面内受到各自的腔镜的来回反射建立振荡，并分别从镜12、镜14输出，即二维螺旋空心激光光束是从镜2输出，当介质需要冷却时9和10均是打开的，通过9和10开关开启的大小，调节5中冷却水的流速，当气体介质不需要冷却时，9和10均是关闭的，储气管6可使激光有更多工作物质而延长使用寿命。
[0008]具 体实施方式下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做详细描述。
[0009]本发明的谐振腔底部的凹面螺旋空心全反镜1，采用圆形光学玻璃或石英块作基底，对He-Ne激光器和CO2激光器适用，对很高输出的CO2激光器，采用致密性很好、硬度较高的圆铜块作基底，选择一直径，采用切割装置将基底材料根据该直径按照全反镜上、下两部分半圆的外沿尺寸的要求加工切割，研磨镜面的磨具采用低碳钢材料由数控机床按照设计加工，全反镜上、下两部分的子镜具有相同的曲率半径，因此研磨这两部分的研磨材料采用同一磨具，全反镜上、下两部分半圆具有不同的圆心，因此，分别对切割好的全反镜上、下部分的圆心，采用定位块胶合定位，研磨磨具在研磨全反镜的上、下两部分时采用不同的研磨圆半径，因为全反镜上、下两部分在轴的正半轴位置平滑连接，研磨磨具在全反镜的上部按照上半圆半径做180度的圆周运动进行研磨，到的正半轴后，换成按照全反镜下部的半径继续做180度的圆周运动进行研磨，全反镜上、下两部分各自是严格的旋转对称形状，因此，研磨磨具分别对上、下两部分研磨时，不存在较大困难，需要注意的是在上、下两部分变换位置研磨时的研磨半径的转换需要精准控制，镜面研磨抛光后再将胶合在两中心的两块取下，经过严格清洗并镀上全反射膜后可用于本发明器件上。本发明的螺旋空心部分反射输出镜2，也需要一套对应的研磨模具，研磨过程与镜I的研磨过程一致，不同之处在于镜2是凸面作为部分反射镜反射面镀部分反射膜。镜2基底的材质,对于氦氖激光器可选用玻璃，对于二氧化碳激光，根据功率要求可选用锗片或硒化锌等。
[0010]本发明装置中的螺旋空心放电管，对氦氖聚光器则采用玻璃或石英熔化的液体注入处于一定温度的石墨模具内再逐渐冷却后制得，对于CO2激光器，放电管管壁采用石英，储气管管壁和水冷套管壁材质和放电管管壁材质一致。螺旋空心放电管由内、外两层螺旋管壁构成，螺旋空心放电管的外壁和储气套的管壁一起形成储气空间，在靠近凹面螺旋空心全反镜的一端，储气套管壁的端口和螺旋空心放电管的外壁的端口密封连接，螺旋空心放电管内壁的端口被密封，三层管壁的两侧边沿每边分别圆形连接，在靠近凸面螺旋空心部分反射输出镜的一端，放电管内管壁的端口是密封的，放电管内、外管壁之间的端口以及该外管壁和储气套管壁的端口均是开放的，设计石墨模具时，考虑将放电管和储气管按照上述要求一起浇注，放电管每层管壁是由位于上空间的上半圆管壁和位于下空间的下半圆管壁构成，上、下半圆管壁在轴的正半轴无缝平滑连接。石墨强度较好，故能上车床较为精确地按照设计加工，精度可达0.1mm。当模具较长后，则可用几块石墨料分段加工后再组装，模具可采用一定的辅助夹具。模具在使用后若精度不够，则应修复或更换新的模具，本发明的水冷套可以通过吹制获得。放电管和储气套一起成套加工好后，需要在储气套管壁两端连接延长管，两延长管的另一端分别贴凹面螺旋空心全反镜和凸面螺旋空心部分反射输出镜，两延长管沿光轴方向为螺旋形状，两延长管的侧边密封，因此，两延长管的模具要考虑上述特征。水冷套的管壁形状为圆筒形状，通过吹制得到，吹制好的水冷套管壁，在靠近两端的位置，分别一下一上烧上同材质的带阀门的进水管和出水管。
[0011]在本发明的装置组装过程中，将本发明成套加工好的放电管和储气管，放置在可以三维调节的支架上面，用He-Ne激光器校准按照水平放置且有上、下空间之分的放电管和储气管的位置，然后将储气管壁两端的延长管也按设计位置烧上，在烧接时用He-Ne激光器监测光路，自然并充分冷却后从该水平支架上取下，放置一可将该部分竖直的支架上，将带进、出水管的水冷套管壁烧在储气管的外面，在烧水冷套管壁时，注意水路走向，保证从进水管进来的水只在水冷套管壁和放电管的内壁充激光介质的另一侧之间才有水经过并从出水管流出去，而放电管内、外管壁之间的空间、储气套管壁和放电外壁之间的空间，储气套两端延长管管壁内的空间，均是激光介质的空间，不能有水流经过，烧上水冷套后，在储气管两端的延长管的中部，按照设计的上空间位置，分别烧上用于安装阳极和阴极引出线的小管，并在靠近阳极的小管旁再烧一个用于抽真空的小管，材质和延长管材质均相同，然后取下清洗，清洗过程遵循由粗洗到精洗的原则，直到管内没有粉尘，没有油溃，没有水痕，适合激光放电的清洁度要求，然后将已处理好的装置至于可以三维调节的水平支架上，仍然用He-Ne激光器监测装置的水平情况和上、下空间的位置是否符合设计要求，接下来是对储气管的延长管的两端贴镜的位置进行研磨，用平行度很高、硬度很高的金属平片作为研磨片，由于精确设计和之间的有监测光路下的组装，研磨的过程需要用平片随时通过双向平行光管监测光路，每次研磨后，在监测光路之前，需要用干净的不掉屑的抹布拭擦干净被研磨的位置，并防止灰尘进入管内，研磨到确保端口符合贴片需求后，再次清洁管内。螺旋空心阴极的尺寸要刚好适合放进储气套管壁和放电管外壁之间的位置，螺旋空心阴极通过有硬度的导线从阴极引出线位置接出，螺旋空心阴极可选用紫铜片，轻薄的紫铜螺旋空心阴极通过焊接的有硬度的导线悬空置于储气套管壁和放电管外壁之间的位置后，将阴极引出线位置的小管烧封，确保管内能抽高真空，将钨杆作为阳极置于阳极位置并将此处的小管烧封，确保管内能抽高真空。设置两个支架用于将两镜分别顶在管的两端，以便在粘贴镜时固定镜，将凹面螺旋空心全反镜试贴在连有阳极的储气管的延长管的另一端，用平行光管在连有阴极的一端监测光路，研磨端口直到试贴合适后，取下凹面螺旋空心全反镜，将凸面螺旋空心部分反射输出镜试贴在连有阴极的储气管的延长管的另一端，用另一平行光管在连有阳极的一端监测光路，研磨端口直到试贴合适后取下凸面螺旋空心部分反射输出镜，反复试贴、监测、研磨、拭擦，直到合适后，将凹面螺旋空心全反镜贴紧阳极的储气管的延长管的另一端，用支架从凹面螺旋空心全反镜的背面中心顶住全反镜，在光路的监测下用真空密封胶将反射镜封贴在该管端，等到真空密封胶彻底干透后，将凸面螺旋空心部分反射输出镜贴紧阴极的储气管的延长管的另一端，用支架从凸面螺旋空心部分反射输出镜的背面中心顶住输出镜，在光路的监测下用真空密封胶将输出镜封贴在该管端，等到真空密封胶彻底干透后，可撤去两镜背后的支架。[0012]装置组装好后，将放电管、储气管及连接部分抽成真空。对氦氖激光器当真空度达10_6X 133.3Pa时，按Ne:He=1: 8的比例，充入混合气压强为0.8 X 133.3Pa，部分反射输出镜对0.6328微米波长光波的反射率为98%，全反射镜反射率为99.8%以上，对其放电，即可获得输出。对二氧化碳激光器，当真空度达到10_3X133.3Pa时，按照CO2:N2:He =1:1.5:7.5，总压为IOX 133.3Pa，部分反射输出镜对10.6微米波长光波反射率为80%，全反射镜反射率为99%以上，对其放电即可获得输出。
[0013]实施例上、下子放电管20和19采用Z为200毫米长的石英管，上、下两子凹面全反镜11和13的凹面曲率半径为601.4毫米，凹面均朝向腔内，径向尺寸为4-^=4毫米，上、下两子凸面部分反射输出镜12和14的凸面曲率半径为1806.9毫米，凸面均朝向腔内，径向尺寸怂-Μ=4毫米凹凸稳定子腔的腰斑半径为I毫米，上、下两子放电管内外管壁之间的距离怂-TP1= r3-r1=4毫米，上子光轴17与上光轴15之间的距离r2即上半径为3毫米，下子光轴18与下光轴16之间的距离弋即下半径为4.5毫米，得到的10.6微米的二维螺旋空心光束在腰斑位置的光斑如图10，在束腰位置的强度分布图如图U。
[0014]形成二维螺旋空心光束的装置，包括凹面螺旋空心全反镜，凸面螺旋空心部分反射输出镜，螺旋空心放电管，螺旋空心储气套，螺旋空心阴极，阳极，水冷套，外设电源，参照图1，凹面螺旋空心全反镜1、螺旋空心放电管激光介质区7及凸面螺旋空心部分反射输出镜2 —起构成螺旋空心激光谐振腔，包裹螺旋空心放电管激光介质区7的螺旋空心储气套6用于存储激光介质，螺旋空心激光谐振腔及螺旋空心储气套6 —起可以抽高真空，去离子水从带阀门的进水管10抽入进入水冷套5后从带阀门的出水管9流出，与阴极引出线4连接的螺旋空心阴极8以及阳极3在外设电源的作用下可以对螺旋空心激光谐振腔中的激光介质放电，其特征在于该螺旋空心激光谐振腔可以看做由凹凸稳定子腔绕上光轴15以上半径r2在上空间旋转180度后从该位置起再绕下光轴16以下半径弋在下空间旋转180度形成，二维螺旋空心激光光束即是从螺旋空心激光谐振腔输出的光束，可以看做是凹凸稳定子腔输出的二维高斯光束绕绕上光轴15以上半径^2在上空间旋转180度后从该位置起再绕下光轴16以下半径弋在下空间旋转180度形成，其特征还在于上、下光轴平行不重合，其特征还在于上半径小于下半径，其特征还在于下半径弋、上半径^2之差大于1.414倍凹凸稳定子腔的腰斑半径S，即T?2-r2>l.414ω。。
[0015]本发明形成的二维螺旋空心激光光束具有如下特点:
1.本发明的二维螺旋空心激光光束由本发明的螺旋空心激光谐振腔直接输出；
2.本发明的螺旋空心激光谐振腔分别由位于上空间的上半圆环柱谐振腔和位于下空间的下半圆环柱谐振腔构成，该上半圆环柱谐振腔的输出光束为上半圆环激光光束，该下半圆环柱谐振腔的输出光束为下半圆环激光光束，上、下两半圆环激光光束合围形成本发明的二维螺旋空心激光光 束。
【权利要求】
1.一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，其特征在于装置为具有螺旋空心激光谐振腔的气体激光器，所述的具有螺旋空心激光谐振腔的气体激光器的螺旋空心激光谐振腔由凹面螺旋空心全反镜(I)、螺旋空心放电管激光介质区(7)及凸面螺旋空心部分反射输出镜(2) —起构成，该螺旋空心激光谐振腔可以看做由凹凸稳定子腔绕上光轴(15)以上半径r2在上空间旋转180度后从该位置起再绕下光轴(16)以下半径弋在下空间旋转180度形成。
2.根据权利要求1所述的一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，其特征在于权利要求1中所述气体激光器的输出光束的空间分布为二维螺旋空心分布，称为二维螺旋空心激光光束，该二维螺旋空心激光光束可以看做是由权利要求1所述的螺旋空心激光谐振腔的凹凸稳定子腔输出的二维高斯光束绕上光轴(15)以上半径^2在上空间旋转180度后从该位置起再绕下光轴(16)以下半径弋在下空间旋转180度形成。
3.根据权利要求1所述的一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，其特征在于权利要求1中所述气体激光器的螺旋空心激光谐振腔的上、下光轴(15)和(16)平行不重合。
4.根据权利要求1所述的一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，其特征在于权利要求1中所述气体激光器的螺旋空心激光谐振腔的上半径^2小于下半径弋，且下半径弋、上半径^2之差大于1.414倍凹凸稳定子腔的腰斑半径
5.根据权利要求1所述的一种实现二维螺旋空心激光光束的装置和方法，包括凹面螺旋空心全反镜(I)、螺旋空心放电管激光介质区(7)及凸面螺旋空心部分反射输出镜(2) —起构成螺旋空心激光谐振腔，包裹螺旋空心放电管激光介质区(7)的螺旋空心储气套(6)用于存储激光介质，螺旋空心激光谐振腔及螺旋空心储气套(6)—起可以抽高真空，在高真空条件下将氦氖混合气或二氧化碳、氮、氦混合气充入螺旋空心激光谐振腔及螺旋空心储气套(6)，去离子水从带阀门的进水管(10)抽入进入水冷套(5)后从带阀门的出水管(9)流出，与阴极引出线(4)连接的螺旋空心阴极(8)以及阳极(3)在外设电源的作用下可以对螺旋空心激光谐振腔中的激光介质放电。
【文档编号】H01S3/08GK103972775SQ201410198763
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】刘静伦, 陈梅, 胡俩剑, 赵旺, 况银丽, 王治友, 肖杰, 孙依楠 申请人:四川大学