[发明专利]一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置及其产生方法

权利要求书

1.一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的半导体激光器、准直聚焦系统、键合或胶合晶体和滤波片；

所述键合或胶合晶体包括Nd或Yb掺杂的激光晶体与Cr:YAG晶体，并且Nd或Yb掺杂的激光晶体的后端面与Cr:YAG晶体的前端面进行键合或胶合；Nd或Yb掺杂的激光晶体的前端面镀膜和Cr:YAG晶体的后端面镀膜构成谐振腔；

所述半导体激光器的工作波长为808nm、880nm、940nm、976nm，并且半导体激光器的电驱动模块的占空比可调；

所述半导体激光器输出的脉冲泵浦光经过所述准直聚焦系统的准直后，脉冲泵浦光入射激光晶体进行泵浦，在谐振腔内形成光振荡，Cr:YAG晶体作为饱和吸收体被动调Q开关对激光振荡进行调制，当Cr:YAG晶体的增益大于损耗时，产生亚纳秒激光脉冲和脉冲串，并由Cr:YAG晶体的后端面镀膜耦合输出；滤波片滤掉其剩余的泵浦激光，输出1μm波段的激光。

2.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，Cr:YAG晶体的前端面和后端面均为平面，所述Nd或Yb掺杂激光晶体的前端面是平面、凸面或凹面，所述Nd或Yb掺杂的激光晶体的后端面为平面，从而分别构成平-平谐振腔、凹-平谐振腔或凸-平谐振腔。

3.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，Nd或Yb掺杂的激光晶体中激光晶体为钇铝石榴石YAG、钒酸钇YVO₄、钆镓石榴石GGG、氧化镥Lu₂O₃、铝酸钇YAP、氟化钇锂YLF、钒酸钆GdVO₄中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，所述半导体激光器采用工作重复频率为1Hz-1kHz的电驱动模块。

5.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，所述半导体激光器的电驱动模块的占空比可调，占空比的调节范围为1％-80％。

6.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，Cr:YAG晶体的小信号透过率小于等于60％，且Cr:YAG晶体的小信号透过率与激光晶体后端面镀膜透过率之和为100％，从而控制输出激光脉冲的宽度。

7.根据权利要求6所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，所述半导体激光器的A工作波长为808nm，激光晶体的前端面镀808nm高透、1064nm高反模，激光晶体的后端面镀对1064nm透过率为40％的膜系；Cr:YAG晶体的小信号透过率为60％。

8.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，所述滤波片和光路的角度a满足：10°＜a＜45°。

9.根据权利要求1所述的一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，所述半导体激光器的输出方式为自由空间直接输出、光纤耦合输出、堆阵输出和线阵输出方式中的一种。

10.一种亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生方法，基于权利要求1-9任一项所述的亚纳秒激光脉冲和脉冲串的产生装置，其特征在于，包括步骤：

根据脉冲激光泵浦时首脉冲建立时间t₁和装置输出的亚纳秒激光的脉冲宽度t_p，如式(I)和式(II)所示：

式(I)中，σ为激光的受激发射截面，ω_p为泵浦速率，l₁为激光晶体的长度，τ为激光晶体上能级寿命，T₀为Cr:YAG晶体的小信号透过率，R表示激光晶体后端面镀膜反射率，L表示激光谐振腔内损耗；

式(II)中，c为真空中的光速，N₀为脉冲开始建立时初始反转粒子数密度，N_th为阈值反转粒子数密度，N_f为剩余反转粒子数密度，l_c表示Cr:YAG晶体长度，E表示单脉冲能量，P表示平均功率；

通过优化激光晶体的长度、Cr:YAG晶体的小信号透过率T₀和泵浦光占空比，来实现亚纳秒激光输出；再通过优化泵浦光的脉冲宽度和能量，提高泵浦强度，实现1-20个脉冲串模式的亚纳秒激光脉冲输出。