超短脉冲激光技术
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识
超短脉冲激光及其相关应用的一些基本知识一、本文概述超短脉冲激光，作为现代光学领域的璀璨明珠，以其独特的性质和应用价值，正逐渐引起人们的广泛关注和深入研究。
本文旨在全面介绍超短脉冲激光的基本概念、产生机制、特性以及其在各个领域中的应用，帮助读者更好地理解和应用这一前沿技术。
我们将首先概述超短脉冲激光的定义和特点，包括其脉冲宽度、峰值功率、光谱特性等基本属性。
接着，我们将探讨超短脉冲激光的产生方法，包括调Q技术、锁模技术、光参量放大等，并简要介绍各种方法的原理和应用场景。
在了解了超短脉冲激光的基本特性后，我们将重点介绍其在各个领域中的应用。
这些应用包括但不限于：光学精密测量、超快现象研究、材料加工、生物医学等。
我们将结合具体案例，详细阐述超短脉冲激光在这些领域中的独特优势和实际应用效果。
我们将对超短脉冲激光的发展前景进行展望，分析其在未来科学研究和技术应用中的潜在价值和挑战。
通过本文的阅读，读者将能够全面而深入地了解超短脉冲激光及其相关应用的基本知识，为其在未来的科研和工作中提供有益的参考和启示。
二、超短脉冲激光的基本原理超短脉冲激光，也被称为超快激光，其脉冲宽度通常在纳秒（ns）甚至更短的皮秒（ps）、飞秒（fs）量级。
这种激光技术的基本原理主要涉及到激光产生和控制的物理过程。
我们需要理解激光是如何产生的。
激光产生的关键在于实现粒子数反转，即高能级粒子数大于低能级粒子数。
当高能级粒子数足够多时，受激辐射将占据主导地位，从而产生激光。
超短脉冲激光的产生则需要在此基础上，进一步控制激光的振荡过程，以实现脉冲宽度的缩短。
超短脉冲激光的产生通常利用调Q技术或锁模技术。
调Q技术通过改变谐振腔的Q值（品质因数），使得激光能量在短时间内迅速积累并释放，从而得到高能量的超短脉冲。
而锁模技术则是通过特定的光学元件和控制系统，使得谐振腔内的多个振荡模式同步，形成单一的高强度超短脉冲。
超短脉冲激光的特性使其在许多领域具有广泛的应用。
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用
超短脉冲激光技术在材料研究中的应用超短脉冲激光技术是一种先进的材料加工技术，它的出现极大地推动了材料研究的发展。
超短脉冲激光通过短时间内高能量的脉冲作用于材料表面，使得材料表面瞬间蒸发或者产生等离子体，从而实现材料表面微米级别的加工和改性。
下面将从材料加工、表面改性和生物医学三个方面介绍超短脉冲激光技术在材料研究中的应用。
一、超短脉冲激光在材料加工中的应用超短脉冲激光技术可以实现大尺寸、高精度、良好表面质量的材料微加工。
比如在制备微型元器件、工艺模具、精密机械等方面都有广泛应用。
此外，超短脉冲激光还能够实现“一正一反”微米级别的加工，对于金属、无机物甚至生物材料表面都有很好的加工效果。
二、超短脉冲激光在表面改性中的应用超短脉冲激光技术可实现微米级尺度的表面改性，如增强材料强度、提高材料的电学和光学性能。
对于复合材料、高强度陶瓷等高性能材料的制备过程中，超短脉冲激光技术能够使得材料的表面产生过渡层，从而增加材料的粘结强度和性能。
此外，超短脉冲激光也是改善金属表面抗腐蚀性能和耐磨性能的重要手段。
三、超短脉冲激光在生物医学中的应用超短脉冲激光技术还可以在生物医学领域中应用。
通过超短脉冲激光，细胞可以被定向破坏而不影响周围组织，这为细胞和组织的研究奠定了基础。
此外，还可以将超短脉冲激光用于眼科手术，如在眼科激光屈光（LASIK）手术中使用。
总之，超短脉冲激光技术的应用范围非常广泛，越来越多的行业开始使用这种先进的材料加工技术。
然而，这种技术也有一些问题需要解决。
例如，超短脉冲激光的使用需要十分精密的设备和实验条件，成本较高；此外，过度依赖超短脉冲激光技术也容易导致技术陈旧，需要不断更新和改进。
相信在科学家们的不断努力下，这些问题也将得到解决，超短脉冲激光技术也会在未来得到更广泛的应用。
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
第3章 超短脉冲技术1
激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：
按指数形式展开，再用三角函数表示
(3.1-7)’
14
由(3.1-8) ～(3.1-10)式可知, 2N+1个振荡模经过锁相以后，总 光场变为频率为ω0 的调幅波。振幅Ａ(t)是随时间变化的周期函 数，光强Ｉ(t)正比Ａ２(t) ，也是时间的函数，光强受到调制。按 傅里叶分析，总光场由2N十1个纵模频率组成，因此激光输出脉 冲是包括2N十1个纵模的光波。 图3.1-3给出了7（N=3)个振荡模 的输出光强曲线。
20
复习上一节
锁模所产生的现象
(1)锁模激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
0， t1
(2)每个脉冲的宽度
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
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通过分析可知以下性质：
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列。
(2)每个脉冲的宽度
1 1 2N 1
0， t1
得到窄的锁模脉宽。（ t=to=0时，A(t)有极大值，而11式分子(1/2) (2N+1) △ wt1=时，A(t)=0,令 △t=t1-t0 并近似为半峰值宽，则 有…）
9
某一瞬时的输出光强为
第一项 平均值，其平均光强为：
第二项
(3.1-5)
接收到的光强是在一段比1/ νq = 2π/ωq 大的时间(t1)内的
因为第一项积分： 第二项积分： 所以：
10
该式说明：非锁模时，平均光强是各个纵模光强之和 的一 半。
超短脉冲的相干合成技术
超短脉冲的相干合成技术
超短脉冲的相干合成技术
超短脉冲的相干合成技术是一种能够构造高功率、超短脉冲的光纤激光技术，将各个脉冲之间保持良好的相干性，达到极高的脉冲压缩效果。
相干合成技术利用称为微分相干(DPC)的技术，能够精确地把多个较宽脉冲激光源冲击，达到脉冲压缩的效果。
超短脉冲激光的相干合成原理是利用激光器可以改变时间结构的特性来实现。
通过对多个脉冲激光的时间结构进行调制，使它们之间的相干性增强，使脉冲激光的强度增加，从而达到脉冲压缩的效果。
超短脉冲的相干合成技术有益于加强脉冲激光的辐射效率。
由于相干性的增加，脉冲激光的辐射强度可以比单脉冲激光源增加2倍以上，从而提高了脉冲激光源的辐射效率。
超短脉冲的相干合成技术可以用于多种科学实验，如放电现象的研究、新材料的发现等。
此外，它还能够用于高功率激光加工，特别是在复杂形状的微细加工方面，可以提高加工精度和精度。
超短脉冲的相干合成技术的发展可以说极大地促进了科学技术的进步。
它的实现方式也变得更加简单、高效和便宜，为科学实验和高功率激光加工提供了新的可能性。
- 1 -。
超短脉冲激光技术(钱列加老师)
5．6 (3)一．概述 (3)1．飞秒激光脉冲的特性 (3)2．飞秒脉冲的传输 (5)3．光束空间传输 (6)4．脉冲传输的数值模拟 (6)5．时空效应 (9)5.1自相位调制 (10)5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11)二．飞秒光学 (13)1．简介 (13)2．色散元件 (13)2.1 膜层色散 (13)2.2 材料体色散 (13)2.3 角色散元件 (14)3．群速度色散的补偿及控制 (14)4．聚焦元件 (16)4.1 透镜的色差 (16)4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16)三．飞秒激光器 (18)1．锁模简介 (18)2．克尔透镜锁模 (18)3．飞秒激光振荡器 (20)4．光纤孤子激光器 (21)四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23)1．简介 (23)2．飞秒脉冲放大的困难 (25)3．啁啾脉冲放大技术 (26)4．CP A放大器的设计 (27)4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27)4.2 高增益的前置放大器 (27)4.3 装置的色散控制 (28)4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31)五．脉冲整形 (34)1．脉冲整形 (34)2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34)(1)线性滤波 (34)(2)脉冲整形装置 (35)(3)脉冲整形的控制 (38)3．几种典型的空间光调制器 (39)(1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39)A．电寻址方式 (39)B．光寻址方式 (40)(2)声光调制器 (41)(3)变形镜 (41)4．脉冲压缩 (42)2.1 波导介质中的SPM (42)2.2 级联非线性压缩脉冲 (43)六．脉冲时间诊断技术 (45)1．强度相关 (45)(1) 多次平均测量 (45)(2) 单次工作方式 (47)(3) 三次相关法 (48)2．干涉相关 (49)3．脉冲振幅与位相的重建 (50)七．大口径高功率激光装置 (53)1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55)2．关键技术问题 (56)2.1 高阶色散 (57)2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57)2.3 非线性自位相调制SPM (58)2.4 自发辐射放大ASE (58)3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58)3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62)3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63)4．展望 (64)4.1 峰值功率的理论极限 (64)4.2 光学元件的限制 (65)4.3 非线性B积分的限制 (65)5．6一． 概述1． 飞秒激光脉冲的特性飞秒（15110fs s −=）激光最早出现于70年代初。
超短脉冲激光器的研究与应用
超短脉冲激光器的研究与应用超短脉冲激光器是一种能够产生拥有极高强度和超短持续时间的激光束的设备。
它被广泛应用于科学研究、工业领域以及医疗领域。
本文将介绍超短脉冲激光器的原理、制造和应用。
一、超短脉冲激光器的原理超短脉冲激光器可以产生纳秒或皮秒级别的超短脉冲。
这种激光器的原理是使用长脉冲激光与非线性光学晶体相互作用，通过非线性效应将长脉冲激光转化为超短脉冲激光。
超短脉冲激光的产生是通过自发参量下转换的方式实现的。
当长脉冲激光通过非线性晶体时，晶体内的光学非线性效应会产生额外的频率组合。
这些频率组合将产生新的光波，并被反射回晶体中，与原来的激光束相互作用，最终产生超短脉冲。
二、超短脉冲激光器的制造超短脉冲激光器的制造需要使用光学晶体和半导体材料。
此外，还需要使用先进的光学器件和控制电路来实现激光器的操作和控制。
制造超短脉冲激光器的主要步骤包括选择光学晶体和半导体材料、设计和制造激光器的光学组件、控制电路的设计和安装、以及激光器的测试和校准。
超短脉冲激光器的性能受到多种因素的影响，包括激光器的波长、脉宽、能量和模式。
这些因素的选择和优化可以根据应用的需要进行调整。
三、超短脉冲激光器的应用超短脉冲激光器的应用范围非常广泛。
在科学研究方面，它被用于制备纳米结构和超快速动态过程的研究。
此外，超短脉冲激光还被用于制备微电子元件和纳米生物芯片等高精密度器件。
在工业领域，超短脉冲激光器被用于加工材料，例如改善表面质量和切割薄片。
另外，它还被用于制作光学元件和光学相干断层扫描等领域。
在医疗领域，超短脉冲激光器被用于进行激光手术、皮肤去除和其他美容技术。
此外，它还被用于制备人工晶体和医用器械等高精度器件。
四、超短脉冲激光器的发展趋势随着科学技术的不断进步，超短脉冲激光技术在不同领域中的应用越来越广泛。
未来，随着激光器材料和器件等技术不断成熟，超短脉冲激光器的性能和应用将会得到进一步的提升。
总之，超短脉冲激光器是一种极其重要的光学设备，应用范围广泛。
超短脉冲的获取方法及应用
超短脉冲的获取方法及应用超短脉冲是指时间长度非常短暂的电磁脉冲信号。
由于脉冲时间非常短，通常在皮秒（10^-12秒）甚至飞秒（10^-15秒）级别，超短脉冲具有极高的峰值功率和宽带频率特性，因此在科学研究和许多实际应用中得到了广泛关注。
要获取超短脉冲，一般采用以下几种方法：1. 模式锁定激光：最常见的方法是通过模式锁定技术获得超短脉冲激光。
模式锁定激光通过通过控制放大器和光纤等元件的特性，使光传播过程中不同模式的相位相互耦合，最终实现了超短脉冲的产生。
2. 非线性光学效应：通过利用非线性光学效应，如自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）、调制不稳定和双光子吸收等，可以将连续波光信号转化为超短脉冲。
这种方法适用于光纤而非气体激光介质。
3. 光学斯托克斯过程：通过非共线非相位匹配的非线性光学斯托克斯过程，将几个光子能量合并为一个光子，并使合并后的光子频率减小，从而得到超短脉冲。
这种方法常用于基于光学斯托克斯过程的光学放大器中。
超短脉冲在许多领域中具有广泛的应用，包括：1. 激光科学研究：超短脉冲激光可以提供极高的峰值功率和高能量密度，已广泛应用于激光物理、激光生物学、激光化学等领域的研究。
如超高时间分辨率的飞秒光谱学、非线性光学研究、光子晶体等。
2. 生命科学研究：超短脉冲激光在生物领域的应用主要包括生物成像、细胞操作和基因组研究等。
例如，基于多光子吸收现象的超短脉冲激光显微术成像技术可以实现高分辨率和深度成像，对生物、医学研究具有重要意义。
3. 材料加工与纳米制造：超短脉冲激光由于其极高的峰值功率和精细加工特性，已广泛应用于材料微加工、曲面精细加工、表面改性、激光蚀刻等领域。
还可以通过调控超短脉冲激光的参数，如能量密度、重复频率等，实现纳米材料制造、光子晶体制造等。
4. 高速通信技术：超短脉冲激光在光通信领域的应用主要是基于其游戏理论特性，提供了高速、高频宽的数据传输能力，如飞秒激光自由空间通信和光纤通信等。
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锁模激光器的输出特性
锁模激光器是指腔内振荡的各纵模间隔相等，并具有确定 的相位关系，激光器的 输出是列时间间隔一定的超短脉冲。
示波器输出的锁模脉冲序列图
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非锁模和理想锁模激光器的
信号结构, (a) 非锁பைடு நூலகம்,（b)理 想锁模
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要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是 使各纵模相邻频率间隔相等，并且相邻纵模位相差为常量。这一点 在单横模的激光器中是能够实现的。
得到窄的锁模脉宽。
(3)输出脉冲的峰值功率正比于 E02(2N1)2 ，因此，由于锁
模，峰值功率增大了2N+1倍。
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脉冲宽度与增益曲线宽度的关系
Bandwidth vs Pulsewidth bbrrooaaddeesrt ssppeeccttrruumm n = const. narrobwandswpniedcthtrum
2、被动锁模
被动锁模是利用可饱和吸收体和腔内光强的变化来实现锁模
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16
3、同步泵浦锁模
锁模既可以像主动锁模那样通过周期性地调制谐振腔的损耗或光程来实现，也可以 通过周期性地调制谐振腔的增益来实现。 具体做法：用一台主动锁模激光器的脉冲序列作为种子脉冲去泵浦另一台激光器使 其实现锁模。
4、自锁模
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3
超短脉冲激光的特点
时间宽度非常短 光谱含量非常丰富 光脉冲峰值功率高
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中科院物理所 TW级飞秒激光 装置
4
极光Ⅲ号装置
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脉冲激光器的发展
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6
超短脉冲激光的应用
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巨脉冲的产生原理：调Q
普通运转激光器中的驰豫振荡
泵浦作用下，激光器达到其振荡阈值 产生激光振荡，腔内光子数上升长产生激光； 随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗， 使反转粒子数密度下降，然后腔内光子数密度 下降。此时泵浦的继续抽运反转粒子数密度重 新上升，重复上述过程，输出一系列尖峰脉冲
超短脉冲激光技术
报告人：xxx
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1
主要内容
超短脉冲激光及其特点 调Q激光 锁模激光技术 飞秒激光技术
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2
超短脉冲激光及其特点
什么是超短脉冲激光？
一般是指时间宽度小于10^(-12)秒的激光脉冲 10^(-12)秒~皮秒；10^(-15)秒~飞秒；10^(-18)秒~阿秒
一般超短激光脉冲：5飞秒~几百飞秒
驰豫振荡产生的激光脉冲的特点： 脉冲的峰值功率低 增大抽运能量只会增加小尖峰的个数 脉宽度约为ms量级
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驰豫振荡示意图
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调Q原理 驰豫振荡脉冲能量低的原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲，必须控制腔内损耗，即调节腔内的品质因数Q
理调 原
Q
设法在光泵浦初期将激光器内的振荡阈值调高，从而抑制激光 振荡，使工作物质的上能级粒子数得到积累。随着光泵的继续 激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时，突然将器件的 阈值调低，那么，积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃到激 光下能级，从而获得贬值功率极高的激光脉冲输出。
可饱和吸收体的吸收特性
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被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
弱脉冲被抑制强脉冲被压缩和放大
经过多次往返，经过可饱和吸收体和增益介质的共同作用可以产生一个很短的脉冲
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Z型腔SESAM锁模谐振腔及输出脉冲
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自锁模激光器
非线性克尔效应
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非线性克尔效应
折射率与光强有关: n (I)= n + n2 I
2N+1个纵模锁模后的输出：
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2N+1个振荡的模经过锁相以后，总的光场变为频率为ω0的调
幅波。振幅Ａ(t)是一随时间变化的周期函数
为讨论方便，假定α = 0，则
7个纵模锁定后的输出光强
具有如下性质：
(1)激光器的输出是间隔为τ=2L/c的规则脉冲序列
(2)每个脉冲的宽度
1 2N1
1
q
，可见增益线宽愈宽，愈可能
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Q Q
图调
示 意
意电 图光
调
示
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10
锁模激光器原理
普通多模激光器的输出特性
腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
自由运转激光器一般都包括很多超过阈值的 纵模
这些模的振幅及相位都不确定，激光输出随 时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一 种时间平均的统计值。
如果激光工作物质的增益曲线内包含2N+1 个纵模，激光输出的光波场是2N+1个纵模 的和，而平均光强则是各纵模光强之和。
不需要在谐振腔内插入任何调制元件，而是利用工作物质自身的非线性效应来保 持各振荡纵模频率的等间隔分布和确定相位关系。如掺钛蓝宝石激光器。
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被动锁模原理
在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布 基本上是均匀的，但还有一些起伏。由于染 料具有可饱和吸收的特性，弱的信号透过率 小，受到的损耗大，而强的信号则透过率大， 损耗小，且其损耗可通过工作物质的放大得 到补偿。所以光脉冲每经过染料和工作物质 一次。其强弱信号的强度相对值就改变一次， 在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会 越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰 部分能有效地通过，则使脉冲变窄。
某些激光增益工作物质的折射率可表示为： 0 2I(t)
式中，第一项为与光强无关的折射率，第二项为非线性折射率。 在横截面内光强呈高斯分布的激光束通过工作物质时，由于上述效应造成的 折射率的横向分布，将产生自聚集效应。自聚焦的焦距和轴线上的光强呈反 比。如果来自外界的扰动引起偶然的光脉冲振荡，由于光脉冲中部的光强大 于前后沿，脉冲中部经工作物质时形成的自聚焦距小于前后沿，因此当光脉 冲每次经过在束腰位置处设置的光阑，前后沿被不断消弱，形成锁模脉冲。
continuoudsuwrataiovne (CW)
pulshesor(mtesotdpe-ullosceksed)
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锁模的方法
1、主动锁模
主动锁模是采用周期性调制谐振腔参量的方法。 基本原理：在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频 率周期性地改变腔内振荡模的振幅或相位。当选择调制频率等于纵模间隔时， 对各个模的调制会产生边频，边频又与两个相邻纵模的频率相一致，由此引 起模之间的相互作用。若调制的强度足够大，则使所有的振荡模达到同步， 形成周期性的锁模脉冲序列。