紧凑型亚100飞秒低能量千兆赫重复频率固态激光器的研制与应用

本文报道了一种紧凑型亚100飞秒、低能量的克尔透镜锁模（KLM）钛宝石（Ti:Sapphire）体激光振荡器，其重复频率达1 GHz。该激光器采用弓形（bow-tie）腔结构，结合色散补偿镜（DCM），在7.4 W泵浦功率下实现0.94 W平均功率输出，产生中心波长756 nm、带宽31 nm的超短脉冲（61 fs/1 nJ），峰值功率达15 kW。该设计为光谱学和计量学应用提供了高性能解决方案。

　　

亮点

腔体设计

激光腔采用钛宝石晶体置于两片曲面镜之间的结构，通过周期性光束重聚焦实现高效增益。弓形腔（bow-tie）设计采用布儒斯特角放置晶体，需通过曲面镜曲率半径（R=30 mm）与入射角（θ=16°）的精确匹配来校正像散。群速度色散（GVD）管理采用-300 fs²的净腔色散，通过色散补偿镜（DCM）实现，这是产生亚100飞秒脉冲的关键。

实验装置

实验系统包含钛宝石增益介质、50 mm焦距泵浦透镜（L1）和环形光路配置。采用平面色散镜（P1）和平面输出耦合镜（OC），配合传导冷却方案——珀耳帖热电模块与风冷散热器组合，取代传统水冷系统。这种创新热管理使系统在7.4 W泵浦时保持稳定，且体积较传统系统缩小40%。

结果

在0.4 W泵浦阈值启动激光，7.4 W泵浦时获得1.85 W连续波输出（转换效率25%）。锁模状态下输出0.9 W平均功率，脉宽61 fs，对应15 kW峰值功率。光束分析显示锁模时光斑尺寸（x/y轴1.2/1.3 mm）较连续波模式缩小23%，证实更好的腔模匹配。发射光谱呈现31 nm宽度的光滑双峰结构，中心波长756 nm。

结论

本研究通过优化弓形腔设计和色散管理，实现了1.03 GHz重复频率的紧凑型钛宝石激光器。该系统在7.4 W泵浦时输出0.94 W平均功率，61 fs脉冲可直接应用于非线性显微成像（如双光子激发显微镜）和精密光谱测量。创新的传导冷却方案为医疗设备集成提供了可能，特别适合口腔科和皮肤科的临床转化应用。