脉冲激光器可以在不同的模式下运行，涉及到产生的光脉冲的时间模式。最常见的是（a）单脉冲操作，也称为按需脉冲，和（b）具有固定脉冲重复率的重复性脉冲。然而，也有突发模式的激光器，发射突发（一串、一组）的脉冲（见图1）。每个脉冲串由一定数量的脉冲组成，有时也称为微脉冲，而整个脉冲串可被视为一个宏观脉冲。

图1：以脉冲能量恒定的规则突发形式发射的激光脉冲。

这种突发模式可以用以下参数来表征：

图2：在每个脉冲中都有一个定制的时间模式的突发模式。一些突发模式的激光系统允许人们为特定的应用自由定制这种模式。

通常情况下，在一个脉冲串中的后续脉冲之间没有相干性，除非是某些基于锁模激光器的激光源，如下所述。

根据激光源的种类和应用的不同，脉冲串参数可以采取非常不同的值。例如，在某些情况下，脉冲串内的重复率只有几千赫兹，而在其他情况下则是多个千兆赫兹。突发重复率可能非常低（如1赫兹）或大得多，如数百千赫兹。

突发模式激光器的应用

使用突发模式可能是出于某种激光应用的要求（例如在激光材料加工和光学计量方面），或者主要是由于所使用的激光器类型的特性，如果只有突发模式才能提供足够好的性能。

请注意，不同的应用需要非常不同的突发参数，这可以通过非常不同的激光器结构来实现，下文将进一步介绍。

激光加工

突发模式激光器的一个重要应用是在激光材料加工中，例如以激光钻孔或其他涉及激光烧蚀的方法。在这里，微脉冲能量范围从纳焦耳（用于激光微加工）到毫焦耳甚至更高，而脉冲持续时间从飞秒到纳秒不等。一个脉冲可以用来钻一个孔，在两次脉冲之间的时间里，激光点或工件可以移动到下一个孔的位置。

在两个脉冲之间，材料是否冷却下来很重要。

在每个脉冲内，对于使用Q开关激光器的系统来说，脉冲间隔（微秒到毫秒）往往仍然很大，以至于从一个脉冲到下一个脉冲的残余加热，在激光点内考虑，是很弱的，甚至可以忽略不计。因此，烧蚀材料的数量将只取决于应用脉冲的数量，而不取决于它们的时间间隔。然而，对于具有非常高的脉冲内重复率（兆赫兹到千兆赫兹）的脉冲，情况会发生变化，在这种情况下，激光点上的材料的温度上升基本上保持在一个脉冲到另一个脉冲之间。在这种情况下，消融效率（以每焦耳光能去除的毫米3计算）可能会大大改善，与使用类似能量但重复率低得多的常规脉冲的方法相比。突发模式的操作也可以使人们使用更低的脉冲能量和峰值功率。脉冲的持续时间必须保持足够短，以避免形成一个太大的热影响区。

高速成像

其他应用是在高速成像方面。例如，用粒子图像测速和其他方法进行的流体流动诊断可以利用高重复率（多兆赫兹）的强脉冲，以便至少在脉冲爆发的有限时间内记录数据。虽然用这样的重复率连续成像似乎更好，但可用的激光功率可能不够，或者被成像的物体不能容忍这样高的平均功率。

其他应用

突发模式激光器还有其他各种应用，例如，用激光测量距离、光纤通信和激光诱导的内燃机等离子体点火。

突发模式激光器的类型

突发模式激光器可以通过非常不同的方式实现，具有非常不同的突发参数，并且具有非常不同的原因。这类激光器的类型，包括各种类型的主振荡器功率放大器（MOPA）装置，将在以下章节中加以说明。

Q开关激光器

一些Q开关激光器以脉冲模式工作，在每个脉冲中，其平均输出功率远远超过激光器在较长时间内所能产生的功率，例如，由于激光晶体或泵源会过热。然而，对于足够短的脉冲，这种性能是可以实现的。如果突发之间的时间足够长，就可以使激光器部件充分冷却，从而使脉冲能量比常规重复操作的重复率要高很多。通常情况下，脉冲串之间的时间要比每个脉冲串的持续时间长得多。然而，仍然会有一些限制，例如由激光诱发的损伤的阈值设定。

通常情况下，这种激光器的光泵浦在每个脉冲期间是连续的（例如，用闪光灯的长脉冲），或者在每个激光脉冲之前以一个泵浦脉冲的形式出现，而在脉冲之间没有泵浦发生。请注意，激光晶体（或其他类型的增益介质）中的能量需要在每个脉冲之前得到补充；如果不在两个脉冲之间对增益介质进行泵浦，一般就无法提取多个脉冲。因此，一束脉冲的重复率通常不能很高。

人们还可以采用空腔倾倒来获得较短的脉冲，和/或采用额外的放大器级来获得较高的脉冲能量[20]。

锁模激光器加脉冲挑选器和放大器

一些激光系统包含：

通过适当的电子控制，人们可以用任何数量的脉冲和脉冲重复率形成脉冲串，而每个脉冲串内的脉冲重复率只能是锁模激光器的脉冲重复率或它的某个整数部分。如果在系统中使用一种合适的光调制器，我们也可以在每个脉冲串中定制脉冲能量的演变。其他的脉冲属性，如持续时间和中心波长，通常不能被修改。脉冲持续时间是在飞秒或皮秒系统中。

形成高重复率脉冲的另一种可能性是原则上操作一个锁模激光器，使多个脉冲在其谐振器中循环[9]。然而，这时一般很难控制功率、时间和脉冲质量的分布。因此，这里没有进一步考虑这种方法。

对于这样的系统，每个脉冲串内的脉冲重复率通常非常高（几十兆赫兹或更高），在微脉冲之间没有太多的时间来重新泵送放大器。(通常情况下，重新泵浦需要上层状态寿命的时间，对于通常的固态增益介质来说是微秒到毫秒的时间）。因此，泵送基本上是在每次突发前进行的，如果突发重复率高，则是连续进行。这样做的后果是，放大器的增益在每个脉冲群中或多或少地下降（→增益饱和），这取决于有多少存储的能量被脉冲提取出来。

特别是在脉冲重复率较小的情况下，人们通常希望通过每个脉冲提取大量的存储能量，因为否则这些能量将在下一个脉冲的时间内损失。因此，人们会在每个脉冲中得到一个强烈的增益衰减。对于放大器的恒定输入脉冲能量，这将导致每个脉冲串内的脉冲能量的相应衰减。脉冲能量的衰减在放大器增益（以及随之而来的增益减少）很高的情况下会特别明显。

通常需要对脉冲串进行时间整形，以补偿增益的饱和。

如果脉冲能量的衰减是不可取的，人们可以尝试在放大器前创造一个脉冲能量适当地从一个脉冲增加到另一个脉冲的突发模式来补偿它。特别是对于高增益放大器（如光纤放大器），这种方法只是受限于输入脉冲调制在实践中的强度。如果使用前置放大器，人们可能想优化弱增益饱和度（例如通过使用大模式面积光纤），即使这在某种程度上损害了功率转换效率。

高突发内脉冲重复率也可能与应用非常相关。例如，激光烧蚀可能会导致烧蚀率大大增加，这在上面已经解释过。

锁模激光器加脉冲分流器

为了获得我们的短脉冲和非常高的脉冲重复率（许多兆赫甚至千兆赫），我们可以将锁模激光器与某种脉冲分配器结合起来，将激光器的每个输出脉冲转换为例如2、4或8个脉冲的序列。(通常情况下，脉冲的数量是2的幂，因为一个人随后会将脉冲的数量翻倍）。

这样的光源可用于研究相当快的过程，例如在激光烧蚀的背景下[17]。

Q-开关模式锁定

被动模式锁定的激光器在某些情况下（例如低泵浦功率）可以进入Q-开关模式锁定的状态。在这种情况下，它自然会产生突发的超短脉冲，其中一部分可以表现出比连续模式锁定高得多的脉冲能量（图3，红线）。

图3：被动Q开关激光器在Q开关模式锁定（红色）条件下的光功率变化，其中产生了超短脉冲的爆发，以及恒定脉冲能量的常规模式锁定（蓝色）。

因此，这似乎是实现超短脉冲猝发模式的一个简单解决方案。然而，这种方法有严重的局限性。它不仅是获得了脉冲能量的平滑调制，而不是如图1所示的具有恒定脉冲能量的脉冲串。特别是，突发重复率需要相当高，因为如果脉冲在突发之间完全 "消亡"，脉冲的产生就变得不稳定：脉冲可以变得更长，并表现出其持续时间和其他时间和光谱细节的大幅波动。然而，为了获得更高的最大脉冲能量，我们需要完全进入低脉冲重复率的制度。

种子激光二极管加放大器

种子激光二极管在时间、不同波长等方面给人以高度的灵活性。

产生种子脉冲的一个非常灵活的方法是使用一个增益开关激光二极管作为放大器系统（通常是一个主振荡器光纤放大器）的种子激光。然后，人们可以非常自由地定制输入脉冲模式。人们可能想使用一个额外的调制器以获得更多的自由，例如，在不改变脉冲持续时间和其他脉冲参数的情况下，修改每个脉冲的能量演变。此外，还可以使用具有不同波长的多个激光二极管，这对某些应用是很有意义的。

与锁模激光器相比，这样的种子源当然更加紧凑和便宜。另一方面，它在脉冲能量和持续时间方面有很大的限制。通常情况下，我们需要多一个光纤放大器级，以便在给定的输出脉冲能量下达到足够高的增益。在某些情况下，也有可能无法获得脉冲的相互一致性。

芯片激光器和其他微型激光器

主动或被动Q开关的微型芯片激光器也可以适用于有或没有光放大器的突发模式激光系统。例如，人们可以使用一个被动Q开关的激光器，它的泵浦时间间隔足够长，以产生多个输出脉冲，这些脉冲通常具有大致相等的能量和时间间隔。这样的装置可以适用于激光诱导的内燃机等离子体点火[10]。

可实现的脉冲持续时间可以在纳秒或皮秒领域，而脉冲能量通常可以达到微焦耳--比脉冲激光二极管等要高得多。

频率转换

由于峰值功率很大，通常不难为突发模式激光器配备一个高效的非线性频率转换装置，将其转换为其他波长。在最简单的情况下，这是一个频率加倍器，但频率三倍和四倍也是可能的。泵送一个光学参数振荡器是另一种选择，只要OPO中的脉冲建立得足够快。如果没有，光学参数发生器（OPG）通常应该对这样的操作模式足够快，但它通常需要更强烈的泵浦脉冲。