脉冲激光器概述

增益开关通过调制泵浦功率产生短脉冲。比如，半导体增益开关激光器通过电流调制能够产生几纳秒到百皮秒的脉冲。虽然脉冲能量低，但是这种方法非常灵活，比如提供可调重频和脉宽。东京大学研究人员于2018年报导了一种飞秒级增益开关半导体激光器，意味着40年技术瓶颈的突破。

强纳秒脉冲一般通过Q开关激光器产生，激光在腔内几次往返内发射，脉冲能量在几毫焦到几焦范围，具体和系统大小有关。

中等能量(一般在1 μJ以下)皮秒和飞秒脉冲主要通过锁模激光器产生，激光共振腔内存在连续循环的一个或多个超短脉冲，腔内脉冲每次经过输出耦合镜发射一个脉冲，重频一般在10 MHz到100 GHz之间。下图所示为一种全正常色散(ANDi)耗散孤子飞秒光纤激光器装置，绝大部分可选用Thorlabs标准组件(光纤、镜片、安装座和位移台)搭建。

腔倒空技术既可用于Q开关激光器获得更短的脉冲，也可用于锁模激光器以较低的重频提高脉冲能量。

时域和频域脉冲

脉冲随时间变化的线形一般较为简单，可用高斯和sech²函数表示。脉冲时间(也称脉宽)最常使用半高宽(FWHM)值表示，即光功率至少为峰值功率一半所跨的宽度；通过Q开关激光器产生纳秒级短脉冲，通过锁模激光器产生几十皮秒到飞秒级的超短脉冲(USP)。高速电子学最快只能测量几十皮秒，更短的脉冲只能借助纯光学技术，比如自相关仪、FROG和SPIDER。

如果脉冲形状已知，脉冲能量(Ep)、峰值功率(Pp)和脉宽(��p)的关系根据下式计算：

其中fs是和脉冲形状相关的系数，对于高斯脉冲约为0.94，对于sech²脉冲约为0.88，但是一般情况都以1近似计算。

脉冲的带宽可用频率、波长或角频率表示。如果带宽较小，波长和频率带宽使用下式转换，其中，λ和ν分别是中心波长和频率，Δλ和Δν分别是以波长和频率表示的带宽。

带宽极限脉冲
对于特定脉冲形状，脉冲在无啁啾时频谱宽度最小，此时我们称之为带宽极限或傅里叶变换极限脉冲，其脉冲时间和频率带宽的乘积是一个常数，这个常数叫做时间带宽积(TBP)。带宽极限高斯和sech²脉冲的时间带宽积分别约为0.441和0.315；据此也能算出实际脉冲的啁啾量和累积的群延迟色散。

所以，越窄的脉宽要求越宽的傅里叶频谱。比如，10 fs脉冲的带宽至少要达到30 THz量级，而阿秒脉冲的带宽更大，其中心频率必须远高于任何可见光频率。

脉宽影响因素

虽然纳秒或更长的脉冲在传播时脉宽几乎不会改变，即使长距离传播，但是超短脉冲可能受各种因素影响：

色散可能导致很大的脉冲展宽，不过可用相反的色散重新压缩，下图所示为Thorlabs飞秒脉冲压缩器补偿显微镜色散的工作原理图。

非线性一般不会直接影响脉宽，但是会导带宽变宽，使脉冲在传播中更容易受色散影响。

任何类型的光纤(包括带宽有限的其它增益介质)可能影响带宽或超短脉冲的形状，而带宽减小可能导致时间展宽；也存在强啁啾脉冲在光谱变窄时脉宽也变短的情形。