鎖模激光器是一種應用主動或被動鎖模技術的激光器，從而發射出周期性的超短脈沖序列。由于超短脈沖具有一定的帶寬，短脈沖鎖模激光器（特別是在亞皮秒區域）需要激光增益介質具有較大增益帶寬。其他需要的特性是較低的非線性和色散，以及（特別是對于被動鎖模）足夠高的激光橫截面以避免Q開關的不穩定性。

鎖模激光器的類型

• 20世紀70年代，染料激光器被廣泛使用，用氬離子激光器泵浦。染料激光器有很寬的增益帶寬，可以產生很短的脈沖。然而，當固態激光器能夠提供類似或更好的性能時，染料激光器已被大部分固態激光器所取代。
• 基于摻雜絕緣體晶體或玻璃的固體塊狀激光器，是當今最主要的模式鎖定激光器類型。它們可以實現非常短的脈沖、非常高的脈沖能量和平均輸出功率、高（或低）脈沖重復率以及較高脈沖質量。
• 光纖激光器也可以通過模式鎖定來產生非常短的脈沖，其設備一般很便宜。高輸出功率通常不是直接實現的，而是通過使用光纖放大器。超快光纖激光器的脈沖持續時間通常受非線性或高階色散的限制，而不受增益帶寬的限制。
• 半導體激光器可以被制造成鎖模二極管激光器，主要應用于光纖通信。最近，已經證明光泵浦被動鎖模 VECSEL 可以與其他固態激光器相媲美，特別是當需要相對較高的輸出功率、數千兆赫的脈沖重復率以及較短的脈沖持續時間（幾皮秒或更短）時。

由于這些激光增益介質的特性非常不同，選擇一個合適的介質來使鎖模激光器在特定參數范圍內運行至關重要。

具有中低輸出功率的典型飛秒鎖模固態體激光器的諧振器結構，增益介質可以由晶體或玻璃制成。 棱鏡對用于色散補償，無源鎖模通過 SESAM 實現。

一些特別的優勢

被動鎖模固態激光器的一些特殊成就是：

• 持續時間低于10fs（幾個周期的脈沖）的最短脈沖通常是通過鈦藍寶石激光器的KLM透鏡鎖模實現的。
• 在亞皮秒脈沖中，被動鎖模薄盤激光器的脈沖平均輸出功率超過200w，脈沖能量超過10μJ，在皮秒脈沖中甚至達到80μJ。
• 被動鎖模微型體激光器和諧波鎖模光纖激光器都獲得了很高的脈沖重復率，使用小型激光二極管甚至可以達到>1THz，甚至更高。
• 各種激光器（通常具有高脈沖重復率）已經達到了量子限制的時間抖動性能，從而超過了許多高質量的電子振蕩器。
• 用于50GHz脈沖重復率的微型Er:Yb:玻璃激光器結構。腔體長度只有3毫米（從輸出耦合器到SESAM），修改后的設置甚至可以達到100 GHz。

腔倒空技術

通過在激光諧振腔中加入腔倒空器，鎖模激光器可以產生更高的脈沖能量，以較低的脈沖重復率（100kHz或1MHz）獲得幾微焦耳能量。基本原理是在諧振腔內形成高能量脈沖，同時具有低諧振器損耗，然后通過腔體傾倒器耦合輸出能量。

鎖模激光器的應用

• 短脈沖可以用時間分辨技術測量，例如對集成電子電路的電光采樣測量，或對半導體設備如SESAM的泵探針測量。
• 由于各種原因，各種成像方法、激光顯微術和激光光譜法從短脈沖中獲益匪淺。例如，飛秒激光器的高峰值功率可用于雙光子吸收熒光顯微鏡，在所有三個維度上都達到非常高的空間分辨率。
• 在光學計量領域，鎖模激光器可用于距離測量，但也可用于頻率計量（時間保持）和其他領域。在頻率計量方面，鎖模激光器的頻率梳起著特別重要的作用。
• 鎖模激光器的高峰值功率極大地促進了非線性頻率轉換的許多過程，即使平均功率保持中等水平。
• 其他具有巨大潛力的領域是微波、毫米波和太赫茲光學，以及皮秒光電子學。
• 模激光器還經常與超快放大器結合使用，以獲得更高的平均功率，尤其是更高的脈沖能量和峰值功率。 這種放大系統可以滿足較多的額外應用：
• 高脈沖強度可用于激光材料加工的應用，如激光微加工、激光表面改性、鉆孔和三維激光原型制作。
• 在醫療領域，鎖模激光器可再次用于一種材料加工，例如，作為激光手術刀或用于眼科（如視力矯正）。還有一些光化學效應，例如用于某些皮膚治療。
• 高功率激光投影顯示器可以通過鎖模激光器和頻率轉換階段來實現，后者在使用超短脈沖時通常要簡單得多。