空心金属锥引导和聚焦激光的设备制造技术

一种空心金属锥引导和聚焦激光的设备，包括发射激光束的激光器，其特点是在所述的激光器发射的激光束方向上依次设置聚光元件和空心金属锥，所述的激光器与所述的聚光元件之间的距离等于所述的聚光元件的焦距，所述的空心金属锥的入射端口即大口径端口与所述的聚光元件之间的距离等于所述的聚光元件的焦距。本发明专利技术与现有技术相比具有聚焦强度大、光斑尺寸小、损伤阈值高、应用范围广的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超强激光聚焦，特别是一种空心金属锥引导和聚焦激光的设备，适用于光存储、光通信、光学显微、材料处理、医学手术和诊断、粒子加速及快点火等领域。
技术介绍
把普通强度激光或超强超短脉冲激光聚焦成极小、强度高度局域性激光束是一个 重要的研究课题。由于这种极小的强度高度局域性的激光束具有光斑尺寸小、强度高度集 中、加速梯度大、方向性好、耦合进入其他导光元件效率高等特点，它的产生在光存储、光通 信、光学显微、材料处理、医学手术和诊断、粒子加速及快点火等领域有着十分诱人的前景。 国内外目前用来产生这种强度高度局域性的激光束的方法主要有凸透镜聚焦和离轴抛物 面镜聚焦等，但这些方法最多只能把激光聚焦到6-8微米，光斑无法继续再小，而且传输很 短距离后由于衍射效应很快发散。 为进一步縮小光斑尺寸，解决高强度传输距离短的这一矛盾，需要一种更加有效 的聚焦设备和方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术在于克服上述现有技术的不足，提供一种空心金属锥引导和 聚焦激光的设备，达到输出的聚焦光斑尺寸小、焦深甚长、指向性好的目的。 本专利技术的技术解决方案是 —种空心金属锥引导和聚焦激光的设备，包括发射激光束的激光器，其特点在于在所述的激光器发射的激光束方向上依次设置聚光元件和空心金属锥，所述的激光器与所述的聚光元件之间的距离等于所述的聚光元件的焦距，所述的空心金属锥的入射端口即大口径端口与所述的聚光元件之间的距离等于所述的聚光元件的焦距。 所述的聚光元件为凸透镜或抛物面反射镜。 所述激光器为脉冲激光器或连续激光器。 本专利技术的技术解决方案的原理如下 由于空心金属锥的中心是空心，锥壁材料是银或金等金属材料，在此情况下的电 场强度矢量E、磁场强度矢量H的散度为零，我们可以依据磁矢势A、电矢势F来表达空心金 属锥内的时谐电磁场。这里，坐标系选择球坐标系无疑是最好的选择。球坐标系的建立如 下圆锥体的顶点作为球坐标系的原点，圆锥体的纵向对称轴作为球坐标的极轴，即用r表 示球坐标系的径向坐标，描述的是远离圆锥体顶点的距离，e和^分别表示球坐标系中的极 角和方位角。k = 2Ji/A是波数，其中，A表示光波在空气介质中的波长。 假设空心金属锥内的场是由两部分叠加组成，一部分是相对径向坐标的横磁场 TM，另一部分是相对径向坐标的横电场TE，因此我们可以选择A = UrAr， F = u/r。由于我 们考虑的是场对时谐的依赖关系，故在所有的表达式中省略了 e邓(-iwt)因子。依据时谐电磁场理论，A。 &是下列形式赫兹函数方程的解332[/ 13一 r2I3 「.,--sm夕——sin(9 4 3(91 勿在球坐标系下，TE模的各场分Er = 0sin P 3p2可以用赫兹函数来表示(1)1 SJ70，e,p)1 附一i (。-_Pvm(cose)sinmp.r sin 6(2)=1广r ss1 3一 —— COS ，r丄(P +^7("， ):1 52-(A:2 +~~j")/ 0")尸J"(cosS)cos考仏1 勿(r， ) 1萍4朋鄉一『(cos 61)] cos卿(3)凡=-11 32c/o, ) 1TM模的各场分量可以写成萍—7Wsin 6Oos S)siny必6: 9r /必f(A + ~^)及(r)/f1 (cos 60 cos /wp5rE。1勿(r"，伊) 1j.肌 Wr3P麵1勿0, )—_/肌r sin P5r3p j'肌^ cos wp(4)l1餘)一/wsin^_Pvm(cosP)sin/wpIi = 0凡1 呵W，伊) 1 一w一i (。-《(cos,in呻.r sin^(5)1 5:一i ( ") COS ， 式中Er， E e ， ^和Hr， He ， ^分别意指电场E、磁场H所对应球坐标r， e ， p的各场分量。赫兹函数对径向的依赖用i W^&如;f(W + M尸(^)]来表示，h」1) (kr)是第一类非整数1阶的球贝塞尔函数，在物理上它描述的是向前传输的行波，h,) (kr)是第二类非整数1阶的球贝塞尔函数，在物理上它描述的是反射回来的行波。空心金属锥内各电磁场分布对极角的依赖关系可以用m阶v次的缔合勒让德函数P;"(cose)表示。方位角的对称性使得求4解的m是整数，然而v是非整数，它是由边界条件nXE = 0决定的。对于TE模，依据边界条件使得在圆锥体中心的空气与全属表面所形成的界面切向方向上电场为零，即五,讽)=0。由此，将^的)=0代入(2)式中可得TE模边界条件的另一表达形式为<formula>formula see original document page 5</formula> 同理，对TM模，边界条件使得在圆锥体中心的空气与金属表面所形成的界面切向方向上电场为零，即&的)-o，Er(e。) =0。由此，将五"。)=0、^(9。) =0代入(4)式中可得TM模边界条件的另一表达形式为 iT(coS《=o. (7) 求解(7)式将获得TMmn模一系列的本征值v,。对于一给定方位角上对称数目的m(m = 0，l，2，......)，指数n(n二 1，2，3，......)表示的是(7)式相应的第n个根。类似地，(6)式中每一对(m， n)的值都决定一个可能存在的TE,模。(6)和(7)式中的本征值v 的大小取决于空心金属锥的半锥角e。的值，L随着e。值的减小而增大。其中，x， y， z与r， e ，^之间的关系为(8)z 二广cosp 本专利技术的优点是 1、聚焦强度大。本专利技术不仅可以对普通强度的激光聚焦，还可以对超强超短脉冲激光聚焦，聚焦后的激光强度可以达到10"W/cm、光场强度可以提高20倍。 2、光斑尺寸小。现有的聚焦方法可以把光束聚焦到6 8微米，本专利技术可以把激光束聚焦到直径只有1微米大小。 3、损伤阈值高。损伤阈值是指聚光对元件的破坏阈值，由于本专利技术的空心金属锥为金属制作，故具有很高的损伤阈值。 4、应用范围广。本专利技术使用空心金属锥来引导和聚焦激光，不仅可以用于光存储、光通信等领域的数据读写和数据传输，而且还可以在光学显微、材料处理、医学手术和诊断等领域中提高分辨率和透射率，还可以在粒子加速及快点火方案中增强加速粒子束、提高加速梯度、改善加速粒子的能量单一性。 5 、可用于各种脉冲激光器或连续的激光器。附图说明 图1是本专利技术设备实施例1结构原理示意 图2是本专利技术设备实施例2结构原理示意图； 图3是单束激光垂直入射到空心金属锥后强度变化示意图，实线表示激光在空心金属锥入口端的玻印亭矢量分布，虚线表示在空心金属锥出口外的聚焦激光的玻印亭矢量分布； 图4是对称分布的多束激光入射到空心金属锥后强度变化示意图，实线表示激光在空心金属锥入口端的玻印亭矢量分布，虚线表示在空心金属锥出口外的聚焦激光的玻印亭矢量分布； 图5是不同锥角下空心金属锥的透射率变化示意 图6是空心金属锥的透射谱。 图中1-激光器2-聚光元件3-空心金属锥4-凸透镜5-抛物面反射镜具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。 先请参阅图1，图1是本专利技术设备实施例1结构原理示意图，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心金属锥引导和聚焦激光的设备，包括发射激光束的激光器（１），其特征在于：在所述的激光器（１）发射的激光束方向上依次设置聚光元件（２）和空心金属锥（３），所述的激光器（１）与所述的聚光元件（２）之间的距离等于所述的聚光元件（２）的焦距，所述的空心金属锥（３）的入射端口即大口径端口与所述的聚光元件（２）之间的距离等于所述的聚光元件（２）的焦距。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾夏辉，范填元，张军勇，周平，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]