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激光光束模式横模的基本知识

2020.7.14

　　激光光束模式分为横模和纵模，横模（表现在光斑形状）的分布是和腔的横向（xy面）结构相关的；而纵模间隔是和腔的纵向尺寸相关的。横模是从电磁场的角度来分析激光的电场分布状况的。纵模是从频率的角度来分析激光频谱的分布状况的。横模可以从激光束横截面上的光强分布看出来。，纵模是与激光腔长度相关的。

　　在横模的选择方面如果要提高输出激光的相干性，就需要限制纵模频率和横模的模式。在光学谐振腔内某些频率的光形成稳定的驻波，因为这些稳定驻波的频率与腔的纵向长度有关，故这样的每一个振动模式称为一个“纵模”（longitudinal mode），可以通过阈值条件或调节谐振腔的腔长来选择纵模频率。输出激光的光强沿腔的横向也有不同振动模式的各种可能的稳定分布，这样的某一横向的光强分布模式称为一个“横模”（transverse mode）。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。激光谐振腔两端有反射镜，腔内激光物质也有一定大小的横截面，光在腔内传播相当于不断经过光阑，因此会引起衍射，使振幅和相位的空间分布发生畸变。最后当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时，才从输出镜输出激光。取激光器轴向为直角坐标系的z轴，以谐振腔中心点为原点，在与z轴垂直的平面上取互相垂直的x轴和y轴。用符号TEMmn表示各种横向模式。m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。输出激光束横截面上横模的光斑图表示在下图中。基模又称TEM00模，其光斑中任何一点光强都不为零。若光斑在x方向上有一点光强为零，称为TEM10模；在y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。除基模为低次模式外，其它的模式都称为高次模式。

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