從雷射原理的角度來說,橫模與縱模有什麼區別和特性?

時間 2021-05-29 22:59:09

1樓:墨羽雪鷹

縱模是在雷射產生過程中,形成穩定振盪的模式。其影響因子為諧振器縱向的長度和折射率,所以稱之為縱模。篩選出來的結果為雷射頻率上的差別。

單模雷射器就是指產生的雷射只有乙個頻率(當然,會有一定的linewidth)。

橫模是光在波導的傳播過程中,形成穩定振盪&傳輸的模式。其影響因子為波導橫截面的尺寸,折射率,光的頻率,以及入射角度。為方便所以稱之為橫模

篩選出來的結果為光傳播常數的差別,另一體現就是波導橫截面光場強度分布的不同,即其他答主給的圖(但頻率的不同無法在此中體現)。以單模光纖為例,是指在一定頻率範圍內,在此光纖結構下(比如core的直徑為10um),能夠傳播的光都是基模,即LP01/HE11(其他答主說的TEM00是同軸線的基模);也就是說,可以有多個頻率的光在裡面同時傳播,只要這個頻率不超過截止頻率,就都是這些頻率對應的基模。如果超過了截止頻率,那麼隨著入射角度的不同,就會產生不同的橫模模式。

所以在這裡,頻率和橫模模式是多對多的形式。但模式和光強分布,是一對一。

2樓:

縱模是腔長和腔內介質折射率決定的 (由積極干涉條件得出)

橫模是在假設Fresnel number很大的情況下對Fresnel-Kirchhoff積分方程的解 (Boyd and Gordon 1961)

3樓:「已登出」

簡單的說,橫模描述橫截面上的場強分布,由乙個積分方程的本徵值問題描述。縱模描述腔內可能存在的電磁場本徵態,由乙個微分方程的本徵值問題描述。

1,縱模:

雷射器由工作物質,激勵源,和諧振腔組成。這裡諧振腔會做成開放腔已達到選模的作用,保證雷射的單色性。對於諧振腔,我們需要求解霍姆赫茲方程:

。對於開放腔, 和 方向都沒有邊界條件限制,我們只需要求解一下的運算元本徵值問題: ,其邊界條件為:

。相應的運算元 (只有點譜)的本徵矢 即對應了諧振腔內縱模的一種模式,只有波矢滿足 的電磁波才可能存在。

2,橫模:

橫模描述了橫截面上場的分布,對於這樣乙個光場的傳播問題,這裡的核心在於求解菲涅爾-基爾霍夫衍射公式: 。他描述了第 次反射後鏡面上的場與第 次反射鏡面上場的關係。

當 足夠大時,這兩個場強分布存在一下關係: ,這裡 描述了橫模的單程損耗。將此式代數上式可得:

,其中: 。

很顯然,這是乙個積分方程的本徵值問題。其本徵矢 對應了一種橫模的模式。不過,與縱模不同的是,求解這個方程是非常困難的。以方形球面鏡對稱共焦腔為例,其解為長橢球函式:

,這個式子正好就是對應了方形球面對稱共焦腔的積分方程分離變數後的形式。當然,在許多時候我們不會去嚴格求解橫模問題,在這裡我們會做一些近似,把問題簡化。不過,對於許多實際問題來說,這些近似都是非常有效的。

4樓:Martin John

模式分為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」。

第一橫摸描述的是雷射光斑上的能量分布情況,橫模可以從雷射束橫截面上的光強分布看出來。

如圖,高斯光束的截面光強分布曲線,中心高,輻向減小,滿足高斯分布。

由於中心為乙個光斑。稱之為TEM00基模,為最簡單的一種橫模。至於TEMxy的命名規則,見下圖

第二縱模是與雷射腔長度相關的,所以叫做「縱模」,是描述雷射頻率的。理論上雷射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雷射,所以,雷射器一般僅輸出乙個特定頻率的雷射。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布稱為腔的縱模。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,說明在乙個頻率區間內,分布了5個縱模(即五個頻率的雷射,q=5),且強度不等,如同乙個不理想的帶通濾波器。在實際的雷射器諧振腔振盪中,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雷射器振盪閾值,不再振盪,實現單模選頻輸出,即單縱模輸出。至於為何不是強度相等的五個峰(理想濾波器形狀),這裡不贅述,可以自行了解「譜線加寬現象」和「雷射器增益譜線」。

橫和縱的區別可以認為是從腔的結構來分的,橫模(表現在光斑形狀)的分布是和腔的橫向(xy面)結構相關的;而縱模(表現為不同的頻率)間隔是和腔的縱向尺寸相關的

按照上面說法,不是說雷射的模式是縱模和橫模。而是我們在不同側面描述雷射的時候用的兩個概念而已。

事實上,每束雷射束都有它的縱模和橫模,只是從不同的角度描述雷射束的性質而已。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「該雷射束是縱模的」或者「該雷射束是橫模的」,這是乙個錯誤的理解

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