Modenkopplung (englisch: mode locking) ist die Synchronisation der im Laser schwingenden Eigenzustände (Moden) zur Erzeugung von extrem kurzen Lichtpulsen bis in den Femtosekunden-Bereich. Der Begriff Modenkopplung bezieht sich darauf, dass bei einer möglichst großen Anzahl von Moden eine konstante Phasenbeziehung zueinander angestrebt wird. Die einzelnen Moden sind dann phasengekoppelt.
Die Bandbreite eines Lasers wird in erster Linie vom verwendeten Lasermedium bestimmt. Die Verstärkungsbandbreite eines Helium-Neon-Lasers (Wellenlänge λ=632,8 nm) liegt bei ca. 0,002 nm. Es existieren aber auch extrem breitbandige Lasermedien wie z. B. der Titan-Saphir-Laser, der eine Bandbreite von ca. 400 nm aufweist (670–1070 nm).
In einem einfachen 2-Spiegel-Resonator ist der Abstand der Spiegel im Vergleich zur Wellenlänge meist sehr groß. Die Anzahl der möglichen Longitudinalmoden in diesem Resonator entspricht den Eigenfrequenzen des Resonators und ist ebenfalls sehr groß.
Die Frequenz zwischen zwei benachbarten Moden kann mit
Falls in einem Laser mehrere Moden anschwingen, haben diese ohne weitere Maßnahmen keine feste Phasenbeziehung. Es liegt ein kontinuierlicher Multi-Moden-Betrieb (oder continuous wave=cw) vor.
Durch Modulation der Lichtleistung im Resonator mit einer Frequenz
Je mehr Eigenzustände (Moden) des Resonators kohärent zueinander im Resonator schwingen, desto kürzer werden im Prinzip die Laserpulse. Dabei müssen zwei Dinge gewährleistet werden:
Für den zeitlichen Verlauf der Intensität eines modengekoppelten Pulszugs gilt:
(
Die minimal erreichbare Pulsdauer hängt von der erreichbaren Bandbreite der Laserstrahlung und der Konstanz der Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Moden ab (möglichst kleine Restdispersion / Chirp). Daher gilt für ultrakurze Laserpulse die Unschärferelation
In der Ungleichung gilt das Gleichheitszeichen, wenn kein Chirp (keine Verzögerungsdispersion oder Frequenzmodulation) mehr auf dem Puls ist. Der Puls heißt dann bandbreitenlimitiert.
Man unterscheidet aktive Modenkopplung durch akustooptische Modulatoren (AOM) oder elektrooptische Modulatoren (EOM) wie die Pockels-Zelle und passive Modenkopplung durch den Kerr-Linsen-Effekt, sowie durch sättigbare Absorber. Die kürzesten Pulse lassen sich hierbei mit den passiven Verfahren erzielen. Der verbreitetste Ultrakurzpulslaser ist der Titan:Saphir-Laser, in dem die Modenkopplung mit Hilfe des Kerr-Linsen-Effekts hervorgerufen wird.
Die erzeugten Kurzzeitpulse sind Voraussetzung für den Bau eines Frequenzkamms.