電磁場理論表明,在具有一定邊界條件的腔內,電磁場只能存在於一系列分立的本徵狀態之中。將雷射腔內可能存在的電磁場的本徵態稱為腔的模式,也就是雷射模式。從光子的觀點來看,腔的模式也就是腔內可以區分的光子狀態,同一模式內的光子具有完全相同的狀態。
腔內電磁場的空間分布可分解為沿傳播方向(腔軸線方向)的分布和在垂直於傳播方向的橫截面內的分布。其中,腔模沿腔軸線方向的穩定場分布稱為諧振腔的縱模,在垂直於腔軸的橫截面內的穩定場分布稱為諧振腔的橫模。
當光波在腔鏡上反射時,入射波和反射波會發生干涉,多次往復反射將發生多光束干涉。為了能在腔內形成穩定振盪,要求光波因干涉而得到加強。由多光束干涉理論可知,發生相長干涉的條件是:波從某一點出發,經腔內往返一周再回到原來位置時,應與初始出發波同相。雷射沿腔的軸線方向形成駐波,不同的駐波有不同的波節數。由於諧振腔的腔長遠大於光波波長,一般波節數具有104~106數量級。所以,一般對縱膜不加以控制的雷射器,具有成千上萬個不同的縱模。
雷射的橫模,是指光斑的橫向能量分布,實際上就是諧振腔所允許的各種光場的橫向分布,它要求雷射在腔內往返傳播,能夠保持相對穩定不變。
單頻雷射器要求雷射既是單縱模又是單橫模。由於單頻雷射器具有光束質量好、相干長度長、譜線寬度窄、單色性好等優點,因此在雷射雷達、雷射測距、雷射遙感、雷射醫療、光譜學、光頻標準和非線性光學頻率變換等領域中具有廣泛的套用。通常來說,獲得單頻雷射器的方案主要有以下幾種:環形腔,短腔法,腔內插入選模元件,扭轉模,預雷射,種子注入等。
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