超快激光通常是指脉冲持续时间在皮秒（10^ -12s）或飞秒（10^ -15s）量级的激光，当然阿秒（10^-18s）等脉宽更短的自然也属于超快，只不过为了方便区分，人们习惯直呼其名。而皮秒飞秒脉冲的产生主要依靠激光锁模技术。

什么是激光锁模

自由运转的连续激光器输出包含若干个振幅和相位独立、随机的振荡模式，因而输出激光的各个纵模是非相干叠加的，输出光强正比于各纵模光强之和；但是当相邻纵模之间的相位差被锁定时，由于各相邻模之间的频率间隔固定，各模的振动方向或方式对于一定激光器是相同的，因而使得输出各纵模是相干的，输出的光波是一序列的脉冲形式。对于每一脉冲来说脉宽（脉冲持续时间）变窄，峰值功率大大提高，这就是激光锁模技术。

锁模原理图示:图中出现一系列周期性的脉冲，当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值。

常见锁模技术

锁模方法主要分为主动锁模、被动锁模、自锁模等，实验中比较常见的是SESAM（半导体可饱和吸收镜）锁模和克尔锁模（自锁模）。

SESAM锁模原理

可饱和吸收体的吸收系数随着光强逐渐减小，满足：

Is为吸收体的饱和吸收光强，光强I大于Is为强信号，小于Is则为弱信号。

可饱和吸收体锁模的三个阶段

SESAM锁模主要分为三个阶段，即线性放大阶段、非线性吸收阶段和非线性放大阶段。

线性放大阶段: 腔内光强比较小，由于可饱和吸收体“欺软怕硬”的性格使弱信号被吸收得多，受到的损耗大，而稍强的信号则吸收小一些，损耗小，且稍强信号的损耗可通过激光谐振腔工作物质的增益得到补偿。所以在一个周期2L/c（腔长为L）时间内，光脉冲通过可饱和吸收体和激光介质，其强弱信号的强度相对值就改变一次，激光受到周期性的调制，在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会越来越大。弱信号逐步消失，脉冲个数减少，频谱变窄。

非线性吸收阶段: 光强大于饱和吸收光强，强脉冲使吸收体吸收饱和（漂白）因此强脉冲会得到大幅度的放大，但弱脉冲会进一步被吸收抑制掉，最后实现发射脉冲变得更窄，频谱增宽。由于一个周期2L/c可饱和吸收体吸收一次，因此脉冲间隔为c/2L。

非线性放大阶段: 脉冲前沿相对于脉冲后沿先到达增益介质，脉冲后沿到达时反转粒子数已被消耗一部分，使得脉冲前沿放大的多，脉冲后沿放大的少。这样会造成脉冲前后沿变陡，脉冲进一步压缩，最后输出一个高强度窄脉宽的脉冲序列。

非线性放大阶段:脉冲变窄

SESAM早期常用于产生调Q脉冲，因此此种锁模方式很容易产生调Q脉冲而不是连续稳定的锁模脉冲串，常需要提高腔内单脉冲能量或降低SESAM和增益介质的饱和能量来实现锁模，常用的办法除了提高泵浦功率之外，主要利用凹面镜来减小增益介质和SESAM上的光斑大小，从而实现调Q锁模进入连续锁模。

SESAM锁模激光器光路:啁啾镜用于色散补偿，半波片HWP用于调整泵浦光偏振，使增益晶体吸收最大

克尔锁模

克尔锁模也称为自锁模，应用的是增益介质的克尔非线性效应，即激光峰值功率达到GW (10^ 9 W)时，介质折射率n与入射激光光强有关：

基模高斯光束具有中心光强强，周围逐渐减弱的特点，因此高斯光束经过增益介质时，中心折射率大，周围折射率小，使得介质出现类似于透镜的效果，实现光束的聚焦，也就是自聚焦效应。若在高斯光束腰斑附近放一个光阑，则光束前后沿的损耗大于光束中部的损耗，使得强光占据的中部得以通过放大，而周围的光束则被损耗。光阑和自聚焦效应的结合可以看成一个快饱和吸收体，即强光漂白，弱光被损耗，由于谐振腔的作用，其调制也是周期性的，使得脉冲周期性的输出。

克尔锁模原理

1991年，英国圣 • 安德鲁斯大学W. Sibbett研究组首次实现克尔透镜锁模钛宝石激光器，脉宽为60fs。在他们的结构中，BF为双折射滤波片以实现波长调谐，M1和M2为凹面镜以聚焦振荡光到钛宝石晶体中心提高光功率密度，P1和P2为一对高色散棱镜，用于补偿增益介质等引入的色散，通过外界的扰动即可实现稳定自锁模。

首次实现克尔锁模激光器光路

色散补偿

想要获得飞秒脉冲，色散补偿是十分重要的一环，而色散通常分为正常色散和反常色散。正常色散下，光的群速度和频率成反比，可看成频率小的光速度大，频率大的光速度小，因而光在正常色散情况下传播一段时间后，脉冲前沿是低频，脉冲后沿是高频。例如初始位置相同的红光和蓝光，由于蓝光频率大，红光频率小，在正常色散中传播一段时间后红光在前蓝光在后，从而造成脉冲展宽，在锁模激光器中，由于增益介质的影响会引入色散，使得脉冲展宽，必须进行色散补偿压缩脉冲，才能实现超短脉冲的输出。

正常色散脉冲展宽图示

同理，反常色散中光的群速度同频率成正比，可等效为频率小的光速度小，频率大的光速度大。初始位置相同的红光和蓝光在反常色散介质中传播一段时间之后红光在厚蓝光在前，从而造成脉冲展宽。

反常色散脉冲展宽图示

如果我们同时考虑两种色散，经过正常色散介质展宽的脉冲再通过等量色散的反常色散介质则可实现色散补偿，实现脉冲的压缩，这就是锁模激光器中色散补偿的机理。

常见色散补偿方法

棱镜对压缩脉冲：利用棱镜的色散原理可实现脉冲压缩，棱镜色散使不同频率的光分离，当不同频率的光穿过棱镜的厚度不同时会引入不同的延时，实现色散补偿。举个栗子，经正常色散展宽后的脉冲通过棱镜对时，可通过摆放方式使得低频光穿过棱镜的厚度更大，高频光穿过棱镜的厚度更小，这样使得低频光穿过棱镜所需时间更长，合理设计穿透的厚度即可实现脉冲的压缩。

双棱镜对压缩脉冲原理

啁啾镜压缩脉冲：通过在啁啾镜表面镀不同中心波长反射膜，使得不同中心波长的光穿透深度不同，从而引入不同的延时，例如经过正常色散的光到达啁啾镜时，可使低频光穿透深度更大，高频光穿透深度更小，即可使得低频光延时大于高频光，从而实现色散补偿。根据系统的总色散量精密的计算镀膜的层数和厚度，啁啾镜可实现超宽光谱的色散补偿，即可实现周期量级的超短脉冲。

此外，通常脉宽和光谱宽度成反比关系，对于超快激光而言，其脉宽极窄，因而光谱宽度较大，飞秒量级的激光其波长可覆盖几十到几百纳米，自然不再满足激光单色性。但是，脉冲的峰值功率等于单脉冲能量比上脉宽，也就是说飞秒脉冲的峰值功率很高，可达GW量级，采用啁啾脉冲放大技术（CPA）可达PW量级。