纵模

沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式

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。

简介

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。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。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。

光学谐振腔的这种作用称为选模。腔长缩短，共振频率间隔增大，选模作用明显增加。例如上述氖放电管，若配置在一个10厘米长的谐振腔里，频率间隔为△v′=1.5×10^9赫，就只有一个输出频率。但缩短腔长会显著降低激光功率。因此，一般用其它方法去达到选模的目的。

谐振腔内每一个允许的频率值，在腔内形成一列驻波。每列驻波代表腔内光场沿纵轴的一种分布，习惯上称它为一个模式，或叫一个纵模。腔内如果只有一种光场分布，称单纵模，否则称多纵模。

单纵横的选取方法

1、短腔法；2、法布里－珀罗标准具法；3、三反射镜法。

在激光器中只有增益介质增益谱宽范围内的光才可以得到放大输出。

多纵模形成的原因

在光学谐振腔中为了使光能稳定存在，必须要满足驻波条件，

满足驻波条件的波长=2nl/q，n为折射率，l为谐振腔长，q为整数。

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，通常把该本征模式称为谐振腔的纵模，由于q的取值不受限制，所以初始纵模数很多。

纵模的频率只有落在增益介质的增益谱宽范围内才可以得到放大。设增益谱范围为x1到x2，则只有满足条件x1<2nl/q

满足上述条件的整数q的个数就是激光器输出的纵模的个数，当q的取值只有一个的时候就是单纵模输出，当满足条件的q的取值不只一个时就形成了多纵模了。

纵模选择的意义及原则

为了获得好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单频振荡，在一般情况下，多横模激光器是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔则更大。激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。某些实际应用，如光通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单色性、高相干性，必须单频工作，而纵模选择又是单频工作的必要条件。

设由增益线宽和激励水平（阈值）所决定的激光振荡的大致频率范围为Δv，腔所允许的相邻两振荡纵模的频率间隔为δv，则实际起振的纵模数目为Δv/δv。由此可见，减少振荡纵模数（即选纵模）可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽Δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔δv。

纵模选择的方法

纵模选择的方法主要有：

1、色散腔法。当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。使选频振荡的线宽压缩到0.1-1nm左右。

但是这种方法不仅复杂，而且由于反射光栅非常低的效率导致激光器的效率也显著减少，通常低于94%。

2、短腔法。对于短腔激光器其腔体本身就是一个可以做为色散元素的法布利－玻罗标准具（FP腔），这样的话在有效的频率范围内增大了纵模间隔。能级之间的强耦合参与到CO2分子辐射中使得最强的谱线才能起振成为可能。但是激光谱线竞争不仅取决于分子的发射强度，还取决于和腔模重叠的部分。如果在一条强发射谱线的中心附近没有腔模，它就不会振荡。由于CO2的谱线频率由CO2分子的结构决定，因此一旦选定一个分子体系，这就是个定值。而腔模的频率是由腔长决定，即δv =c/2L。有此可见，短腔可以增大纵模间隔，从而也使得较弱的谱线有机会与腔模重叠而较强的谱线却不会的情况成为可能。

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