飞秒激光器的应用与前景
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2.飞秒激光脉冲
飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s～10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间等特点。
2.1 飞秒激光脉冲技术
我们知道，光的单色性好坏用谱线宽度⊿v来描述，如图3所示，v0是中心频率，⊿v愈小，谱线愈窄，光的单色性愈好。但受各种因素的影响，激光器通常是多频输出的。我们把激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模，即一般激光器是多纵模输出的。而且，在激光的横截面上可以观察到光强有一定的稳定分布。这种光强横向不同的稳定分布称为横模。其中单纵模和基横模（横截面为圆形光斑）在实际应用中最普遍。
2.1.2.1横模选择技术
激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数a。横模选择的实质是使基横模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。对稳定腔来说，一般的选横模措施是合理地选择腔的几何结构参数，并在谐振腔中插入一个适当光孔尺寸的光阑，以抑制高阶横模振荡，获得基横模输出。而非稳定腔，它不仅具有模体积大的优点，而且其自身的横模选择能力较强，相邻横模之间有较大的损耗差异，因此容易实现大模体积的基横模运转。
2.1.2选模技术
基模与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布均匀等特点。谐振腔内达到振荡条件的纵模数决定激光的单色性，在某些重要的应用当中，都要求纵模数被限制在某一范围内，以保证足够的单色性和空间相干性。然而，大多数激光器的输出总是多模的，为了达到某些特定的使用要求，必须采用选模技术，以获得单基模输出。
飞秒激光器的应用与前景
李海华（指导教师：李宏）
湖北师范学院物理系0301班，湖北，黄石，435002
摘要:飞秒激光器具有广泛的应用范围，特别是在材料加工、器件制作及光通信等领域具有重要的应用。本文对飞秒激光器的原理、技术以及在几个方面的应用进行探讨，最后是对飞秒激光器将来应用及发展前景进行了分析。
关键词：飞秒激光器锁模技术飞秒光脉冲
调Q技术是激光发展史上的重要突破之一，其特点是将激光能量压缩在很短的时间内发射，从而很大的提高了激光脉冲的亮度和功率。调Q技术是借助某种措施，调节谐振腔的损耗，使受激辐射迅速地形成和增强，从而输出强大的激光脉冲。这种调节谐振腔的损耗实际上是调节谐振腔的品质因数Q值，因此，使腔内损耗突变以形成巨脉冲的技术称为调Q技术。
2.1.4稳频技术
在许多实际应用中，不仅要求激光器实现单频输出，还要求输出光脉冲的频率本身稳定，为了达到这一目的，就必须采用稳频技术。通常用频率的稳定性和复现性这两个物理量来描述激光频率稳定的程度。
激光频率的稳定方法大体上分被动式稳频和主动式稳频两大类。前者是将激光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器谐振腔系数进行恒温控制。也可选用膨胀系数分别为正和负的两种材料以一定长度比例组合成谐振腔间隔器，在一定的温度范围内，两种材料的长度变化相互补偿。后者是在稳频激光器中安放一个反射镜，当激光器的频率偏离特定的标准频率时，通过一伺服控制系统，将频率的偏离变成驱动压电陶瓷的误差信号，由压电陶瓷的伸缩来控制腔长，使其振荡频率重新靠近特定的标准频率，以达到稳频的目的。
光克尔效应：如果把克尔效应中的恒定电场用另一光电场代替，即在一频率为 的光电场作用于介质的同时，还有另外一束任意频率为 1的光电场作用于该介质。则由于 1光电场的作用会使介质对 光波的作用有所改变，通过三阶非线性极化效应，将产生与频率 1光电场平方有关的三阶非线性极化。光克尔效应可以提供改变光波偏振状态的方法。
2.1.2.2纵模选择技术
为了达到纵模选择的目的，一般可采取两种方法：干涉选模法和纵模选择增强法。前者利用腔内的法布里—珀罗（F-P）标准具或复合腔等措施，使得激光器主振荡模得以加强，而抑制其它纵模达到振荡阀值，后者是采用改变系统的某些参数的方法进一步增强谐振腔中已具备的选模作用。
2.1.3调Q技术
激光束的自聚焦：自聚焦是感生透镜效应，这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自相位作用使其波面发生畸变造成的。现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播，此时介质的折射率为n=n0+⊿n(|E|2),其中⊿n(|E|2)是由光强引起的折射率变化。当⊿n为正值时，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化比光束边缘部分的折射率变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果使介质中传播的光束波面越来越畸变。如图6所示，这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈自聚焦现象。但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。即自聚焦效应正比于⊿n(|E|2)，衍射效应反比于光束半径的平方。因此，由于光束受自聚焦作用，自聚焦效应和衍射效应均越来越强。如果后者增强得快，则在达到某一最小截面（焦点）后，自聚焦光束将表现出衍射现象。但是在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于其它非线性光学作用使其终止。
2.1.1.2光克尔透镜锁模技术
光克尔透镜锁模技术是在宽带固体激光器中，利用与可饱和吸收体类似的机理来实现激光脉冲被动锁模的重要技术。光克尔效应产生的类可饱和吸收体的恢复时间小于1fs，这种超快恢复时间对脉冲形成十分有利，它对脉冲的压缩从脉冲形成初期一直到稳定的脉冲输出都占统治地位，最终输出的脉冲宽度取决于增益带宽和腔体的总色散。通常在激光腔中都有一个色散脉冲形成机制，它所导致的时间自相位调制意味着空间的波前调制，也就是自透镜效应，几乎在所有的超短脉冲锁模激光器中自透镜效应都会发生。自透镜效应将改变腔模尺寸，使得通过光阑的透过率变化或者腔模和泵浦模的空间重合程度发生变化而导致损耗的变化。对于因自透镜效应从共焦腔变到平面平行腔的极端情况，腔模的间距变化了两倍。所以，锁模不要求激光器是单纯的横模，人们可以建立横模间距等于纵模间距的腔，其优点是模体积更大，更有效地获取增益。
1.3激光产生的条件
综上所述可知，产生激光的条件有工作物质在激励能源的激励下实现粒子数反转分布和光学谐振腔使受激辐射不断放大。除此之外，还必须满足增益条件。我们用增益系数G来描述介质对光的放大能力，只有在谐振腔中实现激光振荡不断加强才能产生激光，而要实现激光振荡不断加强的必要条件是：R1R2e2Gl>1其中R1，R2为谐振腔两镜的反射率，I1为发出光强，l为腔长。对于给定的光学谐振腔R1，R2和l固定，因此，要想实现激光振荡加强，增益系数G必须大于R1R2e2Gl=1时的增益系数Gm，即G>Gm。
只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级——亚稳态能级。如图2所示，在外界能源的激励下，基态E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数N1减少，由于激发态E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。一方面N1不断减少，另一方面N2不断增加，以致N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。利用处在亚稳态下的激活物质制成放大器，当有外来光信号输入时，光就被放大。受激辐射后产生的放大是杂乱无章的，要使它变成激光，需要选取一定传播方向和一定频率的光信号，在最优越的条件下进行放大，同时将其它方向和频率的光信号抑制，使.获得方向性和单色性很好的强光——激光。因此可以在激活介质两端安放具有选择性的光学谐振腔来达到这一目的。
1.2激光器的基本结构与工作原理
粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。因此，如图1所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。
产生飞秒激光的通用技术是激光锁模技术。一般来说，激光跃迁有一个有限的线宽，在这整个线宽内它能提供光增益，所以激光发射同样也有一个有限光谱宽度⊿v。在增益带宽内含有大量模频率，如果激光器在许多频率上独立运转，则由于相位的随机性而无法产生超短脉冲。为了产生超短脉冲，各个模式必须相位锁定，使它们在空间的某点相长相加，而在别处相消相加。如图4所示，通常，锁模方法有两种：主动锁模和被动锁模。
Key word：Femtosecondlaser Locking mode technology femtosecondoptical pulses
1.激光器的基本原理
激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。
1.1自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转
激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。
中图分类号：TN209
Application and prospect offemto-second laser
LI Haihua(Tutor:LI Hong)
(Department ofPhys源自文库cs ,HubeiNormalUniversity,435002)
Abstract：Femtosecondlaser is of large application scope, and particularly they are used in material processing, apparatus facture and optical communication. The working principle of the laser is demonstrated, and its applications introduced. Finally,application and prospect of the femto-second laserin the future are discussed.
2.2飞秒激光脉冲的产生
现在以掺钛蓝宝石飞秒激光器为例，讨论飞秒激光脉冲的产生原理。如图7所示，掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够高的泵浦强度下工作，腔内激光在钛宝石晶体中的功率密度约达到1.0MW/cm2时，由于高强度光场与介质的相互作用，导致光束自聚焦，产生光克尔透镜效应。由于光克尔透镜和光阑（狭缝）构成的幅度调制器的作用，使脉冲前沿和后沿的损耗大于中部峰值损耗，从而使脉冲压缩。这种脉冲光在腔内循环被放大与压缩，并通过增益竞争就可以输出稳定的飞秒光脉冲。但是实验证明，光脉冲越短，脉冲光谱带宽越宽，因此光脉冲在激光腔内传输时会发生群速弥散，影响光脉冲的进一步压缩。为使激光器产生更短的光脉冲，必须在腔内插入群速弥散补偿器。这种群速弥散补偿与自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
主动锁模技术是在激光腔内放置一个激光调制器，该调制器的调制信号是与激光束往返时间匹配的时钟信号，因此激光经过这种调制器后，其光电场幅度或相位受到调制，从而实现激光锁模；被动锁模技术是通过放置在激光腔内的与光强有关的非线形器件对激光场本身产生自动调制来实现锁模的。
2.1.1.1光克尔效应与自聚焦
克尔效应：克尔在1875年发现，线偏振光通过有外加电场作用的玻璃时，会变成椭圆偏振光，当旋转检偏器时，输出光不消失。这种现象表明，玻璃在外加恒定电场的作用下，由原来的各向同性变成了光学各向异性，外加电场感应引起了双折射，其折射率的变化与外加电场的平方成正比。从非线形光学来看，克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。
飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s～10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间等特点。
2.1 飞秒激光脉冲技术
我们知道，光的单色性好坏用谱线宽度⊿v来描述，如图3所示，v0是中心频率，⊿v愈小，谱线愈窄，光的单色性愈好。但受各种因素的影响，激光器通常是多频输出的。我们把激光器输出的每一个谐振频率称为一个纵模，即一般激光器是多纵模输出的。而且，在激光的横截面上可以观察到光强有一定的稳定分布。这种光强横向不同的稳定分布称为横模。其中单纵模和基横模（横截面为圆形光斑）在实际应用中最普遍。
2.1.2.1横模选择技术
激光振荡的条件是增益系数G必须大于损耗系数a。横模选择的实质是使基横模达到振荡条件，而使高阶横模的振荡受到抑制。对稳定腔来说，一般的选横模措施是合理地选择腔的几何结构参数，并在谐振腔中插入一个适当光孔尺寸的光阑，以抑制高阶横模振荡，获得基横模输出。而非稳定腔，它不仅具有模体积大的优点，而且其自身的横模选择能力较强，相邻横模之间有较大的损耗差异，因此容易实现大模体积的基横模运转。
2.1.2选模技术
基模与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布均匀等特点。谐振腔内达到振荡条件的纵模数决定激光的单色性，在某些重要的应用当中，都要求纵模数被限制在某一范围内，以保证足够的单色性和空间相干性。然而，大多数激光器的输出总是多模的，为了达到某些特定的使用要求，必须采用选模技术，以获得单基模输出。
飞秒激光器的应用与前景
李海华（指导教师：李宏）
湖北师范学院物理系0301班，湖北，黄石，435002
摘要:飞秒激光器具有广泛的应用范围，特别是在材料加工、器件制作及光通信等领域具有重要的应用。本文对飞秒激光器的原理、技术以及在几个方面的应用进行探讨，最后是对飞秒激光器将来应用及发展前景进行了分析。
关键词：飞秒激光器锁模技术飞秒光脉冲
调Q技术是激光发展史上的重要突破之一，其特点是将激光能量压缩在很短的时间内发射，从而很大的提高了激光脉冲的亮度和功率。调Q技术是借助某种措施，调节谐振腔的损耗，使受激辐射迅速地形成和增强，从而输出强大的激光脉冲。这种调节谐振腔的损耗实际上是调节谐振腔的品质因数Q值，因此，使腔内损耗突变以形成巨脉冲的技术称为调Q技术。
2.1.4稳频技术
在许多实际应用中，不仅要求激光器实现单频输出，还要求输出光脉冲的频率本身稳定，为了达到这一目的，就必须采用稳频技术。通常用频率的稳定性和复现性这两个物理量来描述激光频率稳定的程度。
激光频率的稳定方法大体上分被动式稳频和主动式稳频两大类。前者是将激光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器谐振腔系数进行恒温控制。也可选用膨胀系数分别为正和负的两种材料以一定长度比例组合成谐振腔间隔器，在一定的温度范围内，两种材料的长度变化相互补偿。后者是在稳频激光器中安放一个反射镜，当激光器的频率偏离特定的标准频率时，通过一伺服控制系统，将频率的偏离变成驱动压电陶瓷的误差信号，由压电陶瓷的伸缩来控制腔长，使其振荡频率重新靠近特定的标准频率，以达到稳频的目的。
光克尔效应：如果把克尔效应中的恒定电场用另一光电场代替，即在一频率为 的光电场作用于介质的同时，还有另外一束任意频率为 1的光电场作用于该介质。则由于 1光电场的作用会使介质对 光波的作用有所改变，通过三阶非线性极化效应，将产生与频率 1光电场平方有关的三阶非线性极化。光克尔效应可以提供改变光波偏振状态的方法。
2.1.2.2纵模选择技术
为了达到纵模选择的目的，一般可采取两种方法：干涉选模法和纵模选择增强法。前者利用腔内的法布里—珀罗（F-P）标准具或复合腔等措施，使得激光器主振荡模得以加强，而抑制其它纵模达到振荡阀值，后者是采用改变系统的某些参数的方法进一步增强谐振腔中已具备的选模作用。
2.1.3调Q技术
激光束的自聚焦：自聚焦是感生透镜效应，这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自相位作用使其波面发生畸变造成的。现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播，此时介质的折射率为n=n0+⊿n(|E|2),其中⊿n(|E|2)是由光强引起的折射率变化。当⊿n为正值时，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化比光束边缘部分的折射率变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果使介质中传播的光束波面越来越畸变。如图6所示，这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈自聚焦现象。但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。即自聚焦效应正比于⊿n(|E|2)，衍射效应反比于光束半径的平方。因此，由于光束受自聚焦作用，自聚焦效应和衍射效应均越来越强。如果后者增强得快，则在达到某一最小截面（焦点）后，自聚焦光束将表现出衍射现象。但是在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于其它非线性光学作用使其终止。
2.1.1.2光克尔透镜锁模技术
光克尔透镜锁模技术是在宽带固体激光器中，利用与可饱和吸收体类似的机理来实现激光脉冲被动锁模的重要技术。光克尔效应产生的类可饱和吸收体的恢复时间小于1fs，这种超快恢复时间对脉冲形成十分有利，它对脉冲的压缩从脉冲形成初期一直到稳定的脉冲输出都占统治地位，最终输出的脉冲宽度取决于增益带宽和腔体的总色散。通常在激光腔中都有一个色散脉冲形成机制，它所导致的时间自相位调制意味着空间的波前调制，也就是自透镜效应，几乎在所有的超短脉冲锁模激光器中自透镜效应都会发生。自透镜效应将改变腔模尺寸，使得通过光阑的透过率变化或者腔模和泵浦模的空间重合程度发生变化而导致损耗的变化。对于因自透镜效应从共焦腔变到平面平行腔的极端情况，腔模的间距变化了两倍。所以，锁模不要求激光器是单纯的横模，人们可以建立横模间距等于纵模间距的腔，其优点是模体积更大，更有效地获取增益。
1.3激光产生的条件
综上所述可知，产生激光的条件有工作物质在激励能源的激励下实现粒子数反转分布和光学谐振腔使受激辐射不断放大。除此之外，还必须满足增益条件。我们用增益系数G来描述介质对光的放大能力，只有在谐振腔中实现激光振荡不断加强才能产生激光，而要实现激光振荡不断加强的必要条件是：R1R2e2Gl>1其中R1，R2为谐振腔两镜的反射率，I1为发出光强，l为腔长。对于给定的光学谐振腔R1，R2和l固定，因此，要想实现激光振荡加强，增益系数G必须大于R1R2e2Gl=1时的增益系数Gm，即G>Gm。
只有具有亚稳态的物质才有可能实现粒子数反转，从而实现光放大。因此，激活介质中必须存在一种特殊的能级——亚稳态能级。如图2所示，在外界能源的激励下，基态E1上的粒子被抽运到激发态E3上，因而基态E1上的粒子数N1减少，由于激发态E3的寿命很短，粒子将通过碰撞，很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上，由于亚稳态E2寿命较长，其上就积累了大量粒子，N2不断增加。一方面N1不断减少，另一方面N2不断增加，以致N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。利用处在亚稳态下的激活物质制成放大器，当有外来光信号输入时，光就被放大。受激辐射后产生的放大是杂乱无章的，要使它变成激光，需要选取一定传播方向和一定频率的光信号，在最优越的条件下进行放大，同时将其它方向和频率的光信号抑制，使.获得方向性和单色性很好的强光——激光。因此可以在激活介质两端安放具有选择性的光学谐振腔来达到这一目的。
1.2激光器的基本结构与工作原理
粒子数反转分布是产生激光的一个必要条件，而要实现粒子数反转分布和产生激光还必须满足三个条件：第一、要有能形成粒子数反转分布的物质，即激活介质（这类物质具有合适的能级结构）；第二、要有必要的能量输入系统给激活介质能量，使尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态以实现粒子数反转，这一系统称作激励能源（或泵浦源）；第三、要有光的正反馈系统——光学谐振腔，当一定频率的光辐射通过粒子数反转分布的激活介质时，受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数可使光辐射得到放大，要使这种光放大并且以一个副长光子感应产生一个受激发射光子的单次过程为主，还能形成高单色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必须使用光学谐振腔。因此，如图1所示，常用激光器由三部分组成：激活介质、激励能源、光学谐振腔。
产生飞秒激光的通用技术是激光锁模技术。一般来说，激光跃迁有一个有限的线宽，在这整个线宽内它能提供光增益，所以激光发射同样也有一个有限光谱宽度⊿v。在增益带宽内含有大量模频率，如果激光器在许多频率上独立运转，则由于相位的随机性而无法产生超短脉冲。为了产生超短脉冲，各个模式必须相位锁定，使它们在空间的某点相长相加，而在别处相消相加。如图4所示，通常，锁模方法有两种：主动锁模和被动锁模。
Key word：Femtosecondlaser Locking mode technology femtosecondoptical pulses
1.激光器的基本原理
激光器是20世纪60年代出现的一种新型光源。激光具有四大特性：单色性好、方向性好、相干性好、能量集中。
1.1自发辐射、受激辐射、受激吸收、粒子数反转
激光是基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发辐射而产生光子。而在有外界作用下，则会增加两种新的形式：受激辐射和受激吸收。激光是通过受激辐射来实现放大的光，而光和原子系统相互作用时，总是同时存在着自发辐射、受激辐射、受激吸收（在有外界作用下，自发辐射相对较弱，可以忽略）。为了能产生激光，就必须使受激辐射强度超过受激吸收强度，即使高能态的原子数多于低能态的原子数。我们把这种不同于平衡态粒子分布的状态称为粒子数反转分布。也就是，要产生激光，必须实现粒子数反转分布。
中图分类号：TN209
Application and prospect offemto-second laser
LI Haihua(Tutor:LI Hong)
(Department ofPhys源自文库cs ,HubeiNormalUniversity,435002)
Abstract：Femtosecondlaser is of large application scope, and particularly they are used in material processing, apparatus facture and optical communication. The working principle of the laser is demonstrated, and its applications introduced. Finally,application and prospect of the femto-second laserin the future are discussed.
2.2飞秒激光脉冲的产生
现在以掺钛蓝宝石飞秒激光器为例，讨论飞秒激光脉冲的产生原理。如图7所示，掺钛蓝宝石飞秒激光器在足够高的泵浦强度下工作，腔内激光在钛宝石晶体中的功率密度约达到1.0MW/cm2时，由于高强度光场与介质的相互作用，导致光束自聚焦，产生光克尔透镜效应。由于光克尔透镜和光阑（狭缝）构成的幅度调制器的作用，使脉冲前沿和后沿的损耗大于中部峰值损耗，从而使脉冲压缩。这种脉冲光在腔内循环被放大与压缩，并通过增益竞争就可以输出稳定的飞秒光脉冲。但是实验证明，光脉冲越短，脉冲光谱带宽越宽，因此光脉冲在激光腔内传输时会发生群速弥散，影响光脉冲的进一步压缩。为使激光器产生更短的光脉冲，必须在腔内插入群速弥散补偿器。这种群速弥散补偿与自相位调制和克尔透镜相结合，使各种锁模机制之间达到最佳平衡，最终才能输出稳定的飞秒激光脉冲。
主动锁模技术是在激光腔内放置一个激光调制器，该调制器的调制信号是与激光束往返时间匹配的时钟信号，因此激光经过这种调制器后，其光电场幅度或相位受到调制，从而实现激光锁模；被动锁模技术是通过放置在激光腔内的与光强有关的非线形器件对激光场本身产生自动调制来实现锁模的。
2.1.1.1光克尔效应与自聚焦
克尔效应：克尔在1875年发现，线偏振光通过有外加电场作用的玻璃时，会变成椭圆偏振光，当旋转检偏器时，输出光不消失。这种现象表明，玻璃在外加恒定电场的作用下，由原来的各向同性变成了光学各向异性，外加电场感应引起了双折射，其折射率的变化与外加电场的平方成正比。从非线形光学来看，克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。