关于激光纵模、横模与锁模技术的理解 Label:Research

改编自 作者：Martin John 链接：https://www.zhihu.com/question/21796925/answer/32102320

模式分为纵模和横模两种的说法应该是错误的，这两者不是对立的概念，非“不是横模，就是纵模”。

第一 横摸描述的是激光光斑上的能量分布情况，横模可以从激光束横截面上的光强分布看出来。

如图，高斯光束的截面光强分布曲线，中心高，辐向减小，满足高斯分布。

由于中心为一个光斑。称之为TEM00基模，为最简单的一种横模。至于TEMxy的命名规则，见下图

 

第二 纵模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，是描述激光频率的。

理论上激光腔内可以产生无数个等间距频率的光，但由于增益介质只对特定频率（谐振频率）的光产生最大增益，其他频率的光被抑制掉，即在谐振时会筛选出符合谐振频率的谐振激光，所以，激光器一般仅输出一个特定频率的激光。纵模是指频率而言的。沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同的q值相应于不同的纵模。纵模q单独的决定模的谐振频率

上图中，注意观察横纵坐标代表的物理量，说明在一个频率区间内，分布了5个纵模（即五个频率的激光，q=5），且强度不等，如同一个不理想的带通滤波器。在实际的激光器谐振腔振荡中，会出现模式竞争现象，增益大的纵模（如图中的中心处纵模）会“强者愈强”，使得增益小的纵模最终无法达到激光器振荡阈值，不再振荡，实现单模选频输出，即单纵模输出。至于为何不是强度相等的五个峰（理想滤波器形状），这里不赘述，可以自行了解“谱线加宽现象”和“激光器增益谱线”。

 

横和纵的区别可以认为是从腔的结构来分的，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（表现为不同的频率）间隔是和腔的纵向尺寸相关的
按照上面说法，不是说激光的模式是纵模和横模。而是我们在不同侧面描述激光的时候用的两个概念而已。

事实上，每束激光束都有它的纵模和横模，只是从不同的角度描述激光束的性质而已。相当于某人的身高和体重描述的是他身体的不同方面。
绝对不是“分”开的，即好像有人说“该激光束是纵模的”或者“该激光束是横模的”，这是一个错误的理解。

 

 

从另一个方面理解

 

改编自 作者：贱贱 链接：https://www.zhihu.com/question/21796925/answer/257926166

一个激光器，我基本见的都是横模 的，

简单说横模就是激光束横截面上的强度分布，00模看起来像个正圆，

其他的稀烂没法看，估计也没谁搞那种激光器用，所有激光器，默认横模00，

 

激光器，就有谐振腔，能输出的激光波长 必须满足一个条件：

谐振腔长L为半波长 的整数倍

（不满足这个条件的都被自己怼自己给抵消没了，最后只能剩下这么纯正的，严格的一匹）

直观用图看很简单， 为腔内波长周期个数；

所谓的纵模，对应一个输出的波长，

单纵模，腔内只有单个波长；

多（纵）模，腔内有多个波长；

（这是腔Q值高，线宽无限窄的情况；如果腔的Q值低，多模看起来也就1个波长，只是显的线宽比较宽而已）

 

拿图片直观看，纵模间距

其中 为光速，

举个例子，腔长15cm，那么纵模间距就是1GHz，

（栗子很好用的，你就不用看公式和单位了：30cm 500MHz、50cm 300MHz…无脑怼）

一个激光，可以是单纵模的，也可以是多纵模的，看怎么设计了...

 

总结一下就是：横模是强度空间分布，纵模是频域分布（波长）

简单说其实两者一点关系都扯不上。

• 锁横模技术就是锁定脉冲宽度，也作超短脉冲技术，未经锁模的多模激光器输出光强是均匀的，经过锁模之后，激光器内的激光相位差被锁定，变为相干光，输出为一系列超短脉冲（可以联想双缝干涉，相干光从自然光的平均输出，变为等间距的光点），峰值光强正比于脉冲个数的平方
• 调Q脉冲激光器也用于输出激光，但是脉宽没有锁模脉冲窄
• 调Q脉冲激光器可以是单模，也可以是多模，但是锁模脉冲激光器一定是多模的

 

但是硬要大一统，可以看看这个，概念也是用上面的原理推的：