本征模:
满足谐振条件沿轴线纵向方向形成的驻波场即为谐振腔的本征模式。
横模:在激光器谐振腔中,把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模,即横截面上光强的分布。
原理:
如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面,就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。
但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面,尤其是在固体激光器中,工作物质受热发生凸透镜效应,导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件,于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。(这个方向差异通常非常小)
多横模损害了激光器输出的良好方向性,对聚焦非常不利,因此在需要完美聚焦的情况下,应当尽量减少横模。
纵模:
纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式,对激光的输出频率影响较大,能够大大提高激光的相干性,因此常常把激光器纵模的选取称为激光的选频技术。
原理:
以气体放电管为例,通常它所发射的光波的频率宽度比较大。如果把放电管放在光学谐振腔内,经过谐振腔的选频,可使它所发射的光波的频率宽度变窄。例如氖放电管所发射的光波的中心频率为4.7×10^14赫,频率宽度为△v=1.5×10^9赫。如果谐振腔长度为1米,满足共振条件的许多光频率中相邻两个共振频率之差△V’=1.5×10^8赫。氖放电管配置谐振腔后,发射的光波数为△V/△V′,即有10种频率的光波。如图所示,曲线a代表放电管所发光波的频率轮廓,直线b的横坐标为中心频率,曲线a的半值宽度即放电管所发光波的频率宽度。配置谐振腔后,一定的腔长有一定的相邻共振频率之差。图曲线a下面的各条直线的间隔即为相邻共振频率之差。因此原来放电管所发光的频率范围很大,曲线a下面的各种频率的光都有。加上谐振腔后就不同,它要求相邻两光频率之差满足一定要求。例如图曲线a下面的频率中,只有各条直线代表的频率才可能。当然这些频率的光波也有自然宽度。