什么是激光腔模式（Laser cavity modes）？

激光腔模式是激光腔中特定的一组驻波模式。驻波也被称为静止波，当两个频率和振幅相同但相位相反的波相互干扰时就会产生。激光的输出可能由一个模式或几个模式的叠加组成。这些持续的模式取决于边界条件，这些边界条件由激光腔中的镜子决定，如几何形状和排列，以及激光的波长。

激光腔是激光器中的一个光学谐振器，在这里发生了激光作用。腔体通常由腔体两端的两面镜子组成，其中一面镜子是部分反射的，允许部分光线通过。

图1：激光腔

被困在镜面之间的空腔内的光在来回反弹时被放大。然而，两端的镜子导致了光束上叠加的纵向和横向模式的发展。纵向模式是沿激光器光轴的驻波模式，而横向模式则垂直于激光束的传播方向。

在一个体积为Vc的封闭腔内，在一个频率区间Δν内存在的模式数Mc(ν)由以下公式给出。

其中c是光速。

这些驻波是在电磁辐射被迫在空腔内来回移动时产生的。在驻波中，波幅最小的点被称为节点，而波幅最大的点被称为反节点。正整数m、n和p分别表示驻波沿y、z和x轴的节点数。每一组m、n和p的值都代表一个具有明确的共振频率的明确的腔体模式。

创造驻波的条件是。

两个频率和振幅相同的波向相反方向运动
镜面之间的光路必须是激光腔的长度。
波必须以相同的相位开始
镜子之间的长度是恒定的；L是半波长的整数倍（p），因为只允许在两个镜子上产生结点的那些频率。
产生驻波的波长可以表示为。

纵向模式

纵向模式是沿激光器光轴的驻波模式。当不同的模式具有相同的m和n值，p值有单位差异时，相应的振荡频率也有差异。

因此，这些模式沿纵轴的场分布不同。这就解释了为什么在空腔内只可能出现特定的频率。纵向模式在激光输出中以单点形式出现。这些模式是由激光腔的长度产生的，由腔镜之间的距离和激光的波长决定。

纵向模式的数量可以通过控制激光腔的长度来控制，例如，减少腔的长度，在腔内增加一个额外的镜子。

图2：纵向腔体模式

横向模式

横向模式是垂直于激光束传播方向的驻波模式。当模式具有相同的p值，但m和n值不同时，产生的场分布在横向上也不同。

其中a是镜子的尺寸。

横向模式给出了光束横截面内强度分布的指示。这些模式以斑点的形式出现，被称为横向电磁模式，或TEM模式。这些模式是由激光腔的宽度产生的，激光腔会产生一些对角线模式，并由激光束的形状决定。激光镜的一点错位会导致腔内不同光线的路径长度不同。

最常见的横向模式是高斯模式，它有一个钟形的强度曲线，用TEMmn表示。

图3：横向空腔模式（高斯模式）

横向空腔模式的数量可以通过选择一个与下层模式直径相等的针孔直径来控制。

激光腔模式取决于激光的频率、激光的发射方向和光的强度。腔体的长度、形状和光学特性，如腔体内材料的折射率，也会影响激光腔体模式。

激光腔模式的特性

空间依赖性
频率依赖性
模式竞争
 

应用

激光腔模式决定了激光的输出特性，如激光的波长、偏振和空间分布。选择一个特定的工作模式对许多应用都很重要，包括激光光谱学、计量学和材料加工。