關於激光縱模、橫模與鎖模技術的理解 Label:Research

改編自 作者：Martin John 鏈接：https://www.zhihu.com/question/21796925/answer/32102320

模式分爲縱模和橫模兩種的說法應該是錯誤的，這兩者不是對立的概念，非“不是橫模，就是縱模”。

第一 橫摸描述的是激光光斑上的能量分佈情況，橫模可以從激光束橫截面上的光強分佈看出來。

如圖，高斯光束的截面光強分佈曲線，中心高，輻向減小，滿足高斯分佈。

由於中心爲一個光斑。稱之爲TEM00基模，爲最簡單的一種橫模。至於TEMxy的命名規則，見下圖

 

第二 縱模是與激光腔長度相關的，所以叫做“縱模”，是描述激光頻率的。

理論上激光腔內可以產生無數個等間距頻率的光，但由於增益介質只對特定頻率（諧振頻率）的光產生最大增益，其他頻率的光被抑制掉，即在諧振時會篩選出符合諧振頻率的諧振激光，所以，激光器一般僅輸出一個特定頻率的激光。縱模是指頻率而言的。沿腔的軸線方向（縱向）形成駐波，駐波的波節數由q決定。通常將由整數q所表徵的腔內縱向場分佈稱爲腔的縱模。不同的q值相應於不同的縱模。縱模q單獨的決定模的諧振頻率

上圖中，注意觀察橫縱座標代表的物理量，說明在一個頻率區間內，分佈了5個縱模（即五個頻率的激光，q=5），且強度不等，如同一個不理想的帶通濾波器。在實際的激光器諧振腔振盪中，會出現模式競爭現象，增益大的縱模（如圖中的中心處縱模）會“強者愈強”，使得增益小的縱模最終無法達到激光器振盪閾值，不再振盪，實現單模選頻輸出，即單縱模輸出。至於爲何不是強度相等的五個峯（理想濾波器形狀），這裏不贅述，可以自行了解“譜線加寬現象”和“激光器增益譜線”。

 

橫和縱的區別可以認爲是從腔的結構來分的，橫模（表現在光斑形狀）的分佈是和腔的橫向（xy面）結構相關的；而縱模（表現爲不同的頻率）間隔是和腔的縱向尺寸相關的
按照上面說法，不是說激光的模式是縱模和橫模。而是我們在不同側面描述激光的時候用的兩個概念而已。

事實上，每束激光束都有它的縱模和橫模，只是從不同的角度描述激光束的性質而已。相當於某人的身高和體重描述的是他身體的不同方面。
絕對不是“分”開的，即好像有人說“該激光束是縱模的”或者“該激光束是橫模的”，這是一個錯誤的理解。

 

 

從另一個方面理解

 

改編自 作者：賤賤 鏈接：https://www.zhihu.com/question/21796925/answer/257926166

一個激光器，我基本見的都是橫模 的，

簡單說橫模就是激光束橫截面上的強度分佈，00模看起來像個正圓，

其他的稀爛沒法看，估計也沒誰搞那種激光器用，所有激光器，默認橫模00，

 

激光器，就有諧振腔，能輸出的激光波長 必須滿足一個條件：

諧振腔長L爲半波長 的整數倍

（不滿足這個條件的都被自己懟自己給抵消沒了，最後只能剩下這麼純正的，嚴格的一匹）

直觀用圖看很簡單， 爲腔內波長週期個數；

所謂的縱模，對應一個輸出的波長，

單縱模，腔內只有單個波長；

多（縱）模，腔內有多個波長；

（這是腔Q值高，線寬無限窄的情況；如果腔的Q值低，多模看起來也就1個波長，只是顯的線寬比較寬而已）

 

拿圖片直觀看，縱模間距

其中 爲光速，

舉個例子，腔長15cm，那麼縱模間距就是1GHz，

（栗子很好用的，你就不用看公式和單位了：30cm 500MHz、50cm 300MHz…無腦懟）

一個激光，可以是單縱模的，也可以是多縱模的，看怎麼設計了...

 

總結一下就是：橫模是強度空間分佈，縱模是頻域分佈（波長）

簡單說其實兩者一點關係都扯不上。

• 鎖橫模技術就是鎖定脈衝寬度，也作超短脈衝技術，未經鎖模的多模激光器輸出光強是均勻的，經過鎖模之後，激光器內的激光相位差被鎖定，變爲相干光，輸出爲一系列超短脈衝（可以聯想雙縫干涉，相干光從自然光的平均輸出，變爲等間距的光點），峯值光強正比於脈衝個數的平方
• 調Q脈衝激光器也用於輸出激光，但是脈寬沒有鎖模脈衝窄
• 調Q脈衝激光器可以是單模，也可以是多模，但是鎖模脈衝激光器一定是多模的

 

但是硬要大一統，可以看看這個，概念也是用上面的原理推的：