锁模

除了具有极短谐振腔（非常小）的激光器外，对于大多数系统，从调Q激光器获得的典型脉冲宽度约为10–20ns。但采用腔倒空技术后，最小的脉宽可以缩短到1~2ns。这里的限制因素是腔的长度，也就是说腔长决定了脉冲的宽度。通过模式锁定，从固态激光器获得脉冲宽度在皮秒或飞秒范围内的超短脉冲。采用这种对激光器输出的纵模进行锁相的技术后，脉冲宽度与激光器的带宽成反比。

激光振荡器的输出受到来自纵向谐振腔模式与随机相位关系的干扰的强烈波动的影响。通过在纵向模式之间建立一个固定的相位关系，可以在谐振器中循环生成相位规则且功率很大的单脉冲。模式锁定需要一种机制，对于比谐振腔的平均强度更密集的辐射峰值，该机制能实现更低的损耗。

被动锁模

辐射本身与可饱和吸收体结合，产生周期性调制，从而导致纵向模式的固定相位关系。真正的吸收体是具有有限数量吸收中心的材料，例如有机染料或半导体。有效的可饱和吸收器是利用光学材料的非线性折射率和空间上的损耗机制。

主动锁模

声光调制器精确地在相邻模式的频率间隔处提供相位或频率调制，与cw操作相比，这导致锁模脉冲序列的增益更高。

发展历史

20世纪60年代中期从固体激光器中观察到锁模的，当时以有机染料作为可饱和吸收体在随后大约10年左右的时间里，为得到皮秒脉冲而选用闪光灯泵浦的红宝石、钦玻璃和Nd:YAG激光器系统，它们都使用了可饱和吸收体。以染料池作锁模元件主要的缺陷是发射的可重复性差。

在脉冲固体激光器中，可饱和染料吸收体不仅产生锁模，而且也实现了Q开关运转。闪光灯发射的每一次泵浦脉冲都会产生一系列的锁模脉冲，它具有典型Q开关脉冲的几十纳秒的脉宽。每一次闪光灯脉冲都会从噪声中建立起锁模脉冲，由于这一过程的统计是随机的，所以激光器输出的变化很大。染料溶液随着时间的延长会变质，光照也会使其分解，它的不稳定性使输出复现性差的问题更为严重。

由于难以获得可靠且一致的锁模脉冲输出，研究重点从脉冲锁模固体激光器转移到有机染料锁模激光器。染料激光器的增益与带宽之积很大，加之新型的锁模技术，所以能够产生短至几十飞秒的脉冲。因此，尽管染料溶液的处理和维护有其困有的不利因素，但是染料激光器仍然成为主要研究对象。

与此同时，可调谐固体激光材料也得到了发展。钦蓝宝石就是一种用千可调谐激光器的著名晶体，它的增益与带宽之积等于或大于有机染料，所以是一种产生飞秒脉冲的理想材料。在有效的宽带激光器的推动下，开发了新型被动锁模技术，像添加脉冲锁模和克尔透镜锁模等。

特别是，通过KLM透镜调制被动锁模的氩气泵浦钛蓝宝石激光器已成为飞秒研究的标准。在全固态激光器版本中，氩激光器被倍频Nd:YAG激光器取代。现在，用半导体可饱和吸收器进行模式锁定已经成为一项非常重要的技术。例如，二极管泵浦的固体激光器，如Cr:Li激光器，如Cr:LiSAF，用半导体可饱和吸收器进行被动模式锁定。实现了紧凑而稳健的系统，其脉冲为飞秒量级。

主动锁模固体激光器的发展同样很快，最初是将电光或声光调制器插入谐振腔中，对氪弧光灯或铝灯连续泵浦的Nd:YAG激光器进行锁模。与被动锁模相比，相位或幅度调制的方法多年来没有太大变化，但体积庞大且效率低下的灯泵浦固态激光器已被极其紧凑且高效的二极管泵浦激光器所取代。这些激光器可以产生非常稳定和可靠的锁模脉冲序列。后者能够产生很可靠的稳定锁模脉冲波列，可以将这些连续锁模激光器输出的脉冲选作种子脉冲进一步放大。

今天，激光二极管端部泵浦Nd:YLF或Nd:YAG激光器通过声光调制器主动锁模，可提供脉冲宽度为10-20ps的输出脉冲。这种系统的可靠性高，生能的长期复现性好。