[发明专利]一种输出空心激光光束的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于激光领域，具体涉及一种输出空心激光光束的方法和装置。

背景技术

长期以来，实心激光光束在传统激光行业如切割、熔覆、焊接和打标等上有着广泛的应用。但是近年来，由于应用技术的促进，各种中心强度为零的激光束——空心激光光束相继产生，并正在形成一个新颖的所谓空心光束（也称暗中空光束）的大家族。空心光束作为激光导管、光学镊子（光钳）和光学扳手，在微观粒子（如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等）的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。

由于空心光束的产生，反过来也促进了很多传统激光应用领域反思光束形式的进一步优化。例如最近甚至发现对于激光冲击成形这样的传统激光加工领域，空心光束也具有一定的优势。这种空心光束除了具有激光频率、激光功率和光束发散角等激光束的一般参数外，还具有暗斑尺寸、光束宽度、光束半径和宽度半径比等一些特殊的参数。各类空心光束都有其独特的物理性质，如强度呈圆筒形分布、很小的暗斑尺寸、无加热效应、传播不变性以及具有自旋与轨道角动量等，这些性质使得空心光束在激光光学、光信息处理、微粒波导、同位素分离、微电子学和材料科学、生物技术、医学以及原子学、分子学等领域中有着广泛的应用前景。

目前为止，现有技术中存在多种产生空心激光光束的方法，如几何光学法、中空光纤法、π位相板法、光学全息法和计算机全息法等。其中，几何光学法、中空光纤法和π位相板法获得空心光束，优点是结构简单、便于实现，但转换效率低、输出空心光束的纯度不高和较低的光束质量的缺点也很明显；而计算机全息法和光学全息法获得空心光束，虽然输出空心光束的纯度高、光束质量好，但成本较高，制作难度很大。

中国专利文献201210049178.6中公开了一种采用端面泵浦，将泵浦光焦点耦合到激光增益介质内部或者外部，来得到空心激光光束的方法。该方法得到的空心光束的光斑是由很多小的旁瓣组成的，这种非连续的环状空心光束在实际应用过程中会有一定的限制，譬如在受激损耗显微术中，由于旁瓣的存在，空心光束对激发光的荧光抑制作用就不是那么明显，导致零星的杂质荧光的产生，降低了受激损耗显微术的分辨率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种输出空心激光光束的方法和装置，其目的在于利用环形泵浦光，通过轴向端面泵浦，在增益介质中形成中空形式的增益区，直接获得空心激光束的输出，通过对环形泵浦光的环状光斑大小精确的控制，实现对激光模式的控制，解决了空心光束中心并非完全无光的问题，同时通过相位控制，解决了空心光束空心环不连续的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种输出空心光束的方法，通过将实心泵浦光整形为空心泵浦光后，再利用耦合系统将泵浦光耦合进入激光谐振腔，以轴向端面泵浦的方式，在增益介质中形成中空形式的增益区，通过激光振荡，实现空心激光光束的直接输出，具体步骤如下：

(1)激光器产生的实心光束，经整形系统整形为中空的环形泵浦光；

(2)该中空的环形泵浦光，沿光轴入射到耦合系统，该耦合系统将所述环形泵浦光变换成合适直径大小的空心光束；

(3)该空心光束从激光谐振腔的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。

作为本发明的改进，所述连续的空心激光通过连续改变入射光束的相位，使得谐振腔内只有一种相位模式能够持续振荡而实现。

作为本发明的改进，所述入射光束相位的连续改变通过一设置在谐振腔中的螺旋相位板实现，该螺旋相位板为光学厚度与旋转方位角成正比的相位衍射光学元件。

按照本发明的另一方面，提供一种输出空心光束的装置，用于实现将实心泵浦光变换为连续的空心泵浦光束，其特征在于，该装置包括：

整形系统，其设置在输入的实心光束后，用于将该实心光束整形为空心光束；

泵浦光耦合系统，其沿光路设置在所述整形系统后，用于将所述空心光束变换成合适直径大小的空心光束；

激光谐振腔，其沿光路设置在所述耦合系统后，所述合适直径大小的空心光束从该激光谐振腔的一端面耦合进入谐振腔，对激光器增益介质进行泵浦，通过相位控制使得所述谐振腔中的增益介质吸收泵浦光产生连续的空心激光输出。