本发明专利技术公布一种实现光笼的装置和方法，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出现光笼的装置和方法。该方法获得的光笼，具有旋转对称分布的特点。本发明专利技术的装置由于采用内、外两个中空圆台形状气体激光谐振腔同向嵌套，合理设置两谐振腔的腔参数，使两谐振腔输出的中空光束空心部分在传输空间交叠，光束空间分布出现一光场为零的立体空间，该立体空间被强度分布不为零的激光光场全方位三维立体包裹，形成光笼。本发明专利技术可以实现微小尺寸小功率和大尺寸中高功率分布。本发明专利技术实现的微小尺寸小功率光笼可以用于生物医学和科学研究，大尺寸中高功率光笼可以用于工业应用和国防等方面。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学和光学工程领域，主要是由具有两个内、外同向嵌套的中空圆台谐振腔的气体激光器来获得具有光笼形状分布的气体激光光束的装置和方法。
技术介绍
在激光生物医学研究领域，空心光束被用着光学扳手、光镊，以实现对微粒控制或对原子冷却。专利ZL200910216214.1构建和提供了一种利用激光器直接输出特殊空间分布形状的激光光束的方案，该激光光束空心部分的位置比专利ZL200710048328.0实现的光束的空心部分的位置距离输出镜更远，因此更加实用。专利ZL200910216214.1的激光器的输出光束的空间分布随着传输距离的增加，从空心光束演化为实心光束，再演化为空心光束。专利ZL200910216214.1构建的激光器的输出光束的空间分布，距离实心部分越远，空心尺寸越大，因此该激光器实现的小尺寸空心光束对微粒只能实现二维囚禁，该激光器实现的大尺寸空心光束对样品只能实现二维约束。
技术实现思路
本专利针对专利ZL200910216214.1专利技术的更适宜对微粒进行囚禁的方法和装置，目的在于构建和提供一种输出光束空间分布形状出现光笼的气体激光器，该激光器输出的光束空间分布出现一光场为零的立体空间，该立体空间被强度分布不为零的激光光场全方位三维立体包裹，形成光笼。本专利技术不但继承了专利ZL200710048328.0直接产生中空光束以及气体激光光束质量好、方向性稳定的优点；还继承了专利ZL200910216214.1产生的光束腰斑位置位于腔外且输出光束随传输距离增加，从空心光束演化为实心光束，再演化为空心光束的特点；而且克服了专利ZL200910216214.1产生的输出光束的空间分布，距离实心部分越远，空心尺寸越大，因而该激光器实现的空心光束对微粒不能实现全方位囚禁的缺点。本专利技术的装置由于采用内、外两个中空圆台谐振腔同向嵌套，合理设置两谐振腔的腔参数，使内、外两中空圆台谐振腔的输出光束的空心部分在空间交叠，形成光笼。合理设计光笼的大小和功率，可以实现对微粒全方位三维立体控制。该专利技术可以实现微小尺寸小功率和大尺寸中高功率输出。该专利技术实现的微小尺寸小功率情形，可以用于激光生物医学、科学研究；实现的中、大功率光笼，可以用于材料的特殊处理甚至国防。本专利技术的目的是由以下措施实施的:实现光笼的装置为气体激光器，按激光工作物质分为氦氖激光器和二氧化碳激光器，采用易于在异形放电区实现辉光放电的射频放电方式，激光器的特征在于其谐振腔是由内、外两中空圆台谐振腔同向嵌套，每个中空圆台谐振腔的底部为旋转对称凹面圆环全反镜，每个中空圆台谐振腔的顶部为旋转对称凸面圆环部分反射输出镜，每个中空圆台谐振腔的激光介质区域为两顶角相等的中空圆台形状材料嵌套形成的中空圆台夹层区域，内、外两中空圆台形状介质区域的中心轴线重合，位于每个谐振腔底部的凹面镜和顶部的凸面镜均关于该中心轴线旋转对称，每个谐振腔沿该中心对称轴线的纵剖面内的传 输光线簇构成两凹凸稳定腔，每个凹凸稳定腔称为各自中空圆台谐振腔的子腔，该子腔的腔轴和激光介质区的中心轴线相交，每个中空圆台谐振腔的子腔输出光束的腰斑位置根据需要可以设置在各自输出镜和各自子腔的对称轴线与自身激光介质区中心轴线的交点之间、也可以与该交点重合或之外。这样构建的激光器具有专利ZL200910216214.1的所有优点。合理设置，使内中空圆台谐振腔的输出光束从实心部分演化为空心部分的区域与外中空圆台谐振腔的输出光束从空心部分演化为实心部分的区域合围，出现激光三维立体包裹的光场为零的区域，即形成光笼。本专利技术实现的光笼在微小尺寸小功率情形下可以用于激光生物医学研究比如对微粒实现全方位三维立体囚禁或控制，大功率的氦氖激光可以用于光动力学医疗对目标部位实现光束全包裹，大尺寸中高功率二氧化碳激光可以对空间目标实现激光全包裹。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、绝缘材料或部分采用绝缘材料部分采用作为电极金属材料，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。附图说明图1、2、3分别是实现光笼的气体激光器的装置结构立体图、装置剖面及光路示意图、装置剖面及光路示意图的标示图，图4也为装置剖面标示图，图5为光笼剖面标示图。在附图中1-3中，O是内中空圆台谐振腔的射频电源及匹配网络，I是外中空圆台谐振腔的旋转对称凹面圆环形全反镜，可简称外全反镜1，2是阳极，3是外中空圆台谐振腔的中空圆台形放电管，可简称外放电管3，4是外电极，5是水冷套，6是外中空圆台谐振腔的旋转对称凸面圆环 形部分反射镜，可简称外部分反射镜6或外输出镜6，7是风机，8是外中空圆台谐振腔的射频电源及匹配网络，9是储气管，10是内电极，11是内中空圆台谐振腔的旋转对称凹面圆环形全反镜，可简称内全反镜11，12是内中空圆台谐振腔的中空圆台形放电管，可简称内放电管12，13是内中空圆台谐振腔的旋转对称凸面圆环形部分反射镜，可简称内部分反射镜13或内输出镜13，I和11均是相对于光轴17旋转对称的凹面镜，凹面均向腔内，6和13均是相对于光轴17旋转对称的凸面镜，凸面均向腔内，镜I和镜6沿15的距离为外中空圆台谐振腔放电管3的长度，镜11和镜13沿16的距离为内中空圆台谐振腔放电管12的长度。当用于氦氖激光器时，附图1中，5和7不用设置。图3中17为内、外圆台形气体激光介质区的中心轴线，也是该激光器光路图的光轴，15为外中空圆台形气体介质区的中心圆锥面与纵剖面的交线，也是该纵剖面内光线簇的轴线及外中空圆台谐振腔在该剖面区的子腔腔轴，外谐振腔的上、下子腔输出光束的光轴交于O2，腔轴15与光轴17的交点也位于O2，〃 2为外中空圆台谐振腔中心圆锥面的顶角，16为内中空圆台形气体介质区的中心圆锥面与纵剖面的交线，也是该纵剖面内光线簇的轴线及内中空圆台谐振腔在该剖面区的子腔腔轴，内谐振腔的上、下子腔输出光束的光轴交于O1，腔轴16与光轴17的交点也位于O1, I为内中空圆台谐振腔中心圆锥面的顶角，在剖面内，外中空圆台谐振腔的上子腔腔轴15和内中空圆台谐振腔的下子腔腔轴交于点C1，外中空圆台谐振腔的下子腔腔轴和内中空圆台谐振腔的上子腔腔轴16交于点C2。点O1和O2不重合，点C1和C2不重和。图4中ZjPZ2分别为内、外腔子腔的腔长，TP111和/P112分别为内腔底部全反镜11的内、外缘半径，R211和/P212分别为外腔底部全反镜I的内、外缘半径，a为内、外腔子腔的厚度。图5为光笼的剖面图，光笼的纵剖面位于O1O2C1C2合围形成的区域内部，该纵剖面绕中心轴线17旋转一周即形成本专利技术需要实现的光笼。光笼的暗长轴沿O1O2方向且在点O1和点O2之间，t匕O1O2之间的距离要小，光笼的暗短轴轴沿C1C2方向且在点C1和点C2之间，比C1C2之间的距离要小。当内、外放电管12和3被抽成真空后充入气体激光介质，分别通过电极2和10，以及2和4的射频放电激励气体介质，沿如图3所示任一剖面内、外子腔的轴线16、15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13、镜6输出，当介质需要冷却时由5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种实现光笼的装置和方法，其特征在于包括具有内、外同向嵌套的两个中空圆台气体激光谐振腔构成的气体激光器，所述的具有内、外同向嵌套的两个中空圆台气体激光谐振腔构成的气体激光器的内中空圆台谐振腔由内中空圆台形放电管（12）以及（12）底部贴的内旋转对称凹面圆环形全反镜（11）和（12）顶部贴的内旋转对称凸面圆环形部分反射镜（13）构成，该镜（13）为内中空圆台谐振腔的输出镜，外中空圆台谐振腔由内中空圆台形放电管（3）以及（3）底部贴的外旋转对称凹面圆环形全反镜（1）和（3）顶部贴的内旋转对称凸面圆环形部分反射镜（6）构成，该镜（6）为内中空圆台谐振腔的输出镜，内、外两个中空圆台谐振腔的中心轴线重合，均为（17），该两谐振腔同向放置，内中空圆台谐振腔沿中心轴线（17）的任一纵剖面为两个相对于中心轴线（17）轴对称的凹凸谐振腔，称为内中空圆台谐振腔的子腔，该内中空圆台谐振腔的两子腔的输出光束的光轴相交于交点一，该交点一位于（17）上，外中空圆台谐振腔沿中心轴线（17）的任一纵剖面为两个相对于中心轴线（17）轴对称的凹凸谐振腔，称为外中空圆台谐振腔的子腔，该外中空圆台谐振腔的两子腔的输出光束的光轴相交于交点二，该交点二位于（17）上，内、外两中空圆台谐振腔沿中心轴线（17）的同一纵剖面内，内中空圆台谐振腔的下子腔的输出光束的光轴与外中空圆台谐振腔的上子腔的输出光束的光轴相交于交点三，内中空圆台谐振腔的上子腔的输出光束的光轴与外中空圆台谐振腔的下子腔的输出光束的光轴相交于交点四，交点一、二、三、四均不重合。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘静伦，陈梅，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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