激光锁模的技术原理

产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术（mode locking)。这是因为一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在， 而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。实现锁模的方法有很多种，但一般可以分成两大类：即主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变 的特性来产生激光超短脉冲。 

目前,最为广泛使用的一种产生飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模 （Kerr Lens mode locking)技术是一种独特的被动锁模方法。科尔透镜锁模实际上是利用了材料的折射率随光强变化的特性使得激光器运 转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而最终实现短脉冲输出。 

一台激光器实现锁模运转后，在通常情况下，只有一个激光脉冲在腔内来回传输，该脉冲每到达激光器的输出镜时，就有一部分光通过输出镜耦和到腔外。因此，锁模激光器的输出是一个等间隔的激光脉冲序列。相邻脉 冲间的时间间隔等于光脉冲在激光腔内的往返时间，即所谓腔周期。一台锁模激光器所产生的激光脉冲的宽度是否短到飞秒量级主要取决于腔内色散特性、非线性特 性及两者间的相互平衡关系。而最终的极限脉宽则受限于增益介质的光谱范围。 

衡量一台飞秒激光器的重要技术指标为：脉冲宽度、平均 功率和脉冲重复频率。此外，还有谱宽与脉宽积，脉冲的中心波长，输出光斑大小，偏振方向等。脉冲重复频率实际上告诉我们了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间 隔。由平均功率和脉冲重复频率可求出单脉冲能量，由单脉冲能量和脉冲宽度可求出脉冲的峰值功率。