縱模是指沿諧振腔軸向的穩定光波振盪模式，對雷射的輸出頻率影響較大，能夠大大提高雷射的相干性，因此常常把雷射器縱模的選取稱為雷射的選頻技術。
基本介紹
- 中文名：縱模
- 外文名：longitudinal mode
- 含義：沿諧振腔軸向的穩定光波振盪模式
- 本質：雷射的選頻技術
- 意義：對雷射的輸出頻率影響較大
- 學科：光學
簡介,原理,單縱橫的選取方法,多縱模形成的原因,縱模選擇的意義及原則,縱模選擇的方法,
簡介
縱模是指沿諧振腔軸向的穩定光波振盪模式，對雷射的輸出頻率影響較大，能夠大大提高雷射的相干性，因此常常把雷射器縱模的選取稱為雷射的選頻技術。
原理
以氣體放電管為例，通常它所發射的光波的頻率寬度比較大。如果把放電管放在光學諧振腔內，經過諧振腔的選頻，可使它所發射的光波的頻率寬度變窄。例如氖放電管所發射的光波的中心頻率為4.7×10^14赫，頻率寬度為△v=1.5×10^9赫。如果諧振腔長度為1米，滿足共振條件的許多光頻率中相鄰兩個共振頻率之差△V’=1.5×10^8赫。氖放電管配置諧振腔後，發射的光波數為△V/△V′，即有10種頻率的光波。如圖所示，曲線a代表放電管所發光波的頻率輪廓，直線b的橫坐標為中心頻率，曲線a的半值寬度即放電管所發光波的頻率寬度。配置諧振腔後，一定的腔長有一定的相鄰共振頻率之差。圖曲線a下面的各條直線的間隔即為相鄰共振頻率之差。因此原來放電管所發光的頻率範圍很大，曲線a下面的各種頻率的光都有。加上諧振腔後就不同，它要求相鄰兩光頻率之差滿足一定要求。例如圖曲線a下面的頻率中，只有各條直線代表的頻率才可能。當然這些頻率的光波也有自然寬度。
光學諧振腔的這種作用稱為選模。腔長縮短，共振頻率間隔增大，選模作用明顯增加。例如上述氖放電管，若配置在一個10厘米長的諧振腔里，頻率間隔為△v′=1.5×10^9赫，就只有一個輸出頻率。但縮短腔長會顯著降低雷射功率。因此，一般用其它方法去達到選模的目的。
諧振腔內每一個允許的頻率值，在腔內形成一列駐波。每列駐波代表腔內光場沿縱軸的一種分布，習慣上稱它為一個模式，或叫一個縱模。腔內如果只有一種光場分布，稱單縱模，否則稱多縱模。
單縱橫的選取方法
1、短腔法；2、法布里－珀羅標準具法；3、三反射鏡法。
在雷射器中只有增益介質增益譜寬範圍內的光才可以得到放大輸出。
多縱模形成的原因
在光學諧振腔中為了使光能穩定存在，必須要滿足駐波條件，
滿足駐波條件的波長=2nl/q，n為折射率，l為諧振腔長，q為整數。
滿足諧振條件沿軸線縱向方向形成的駐波場即為諧振腔的本徵模式，通常把該本徵模式稱為諧振腔的縱模，由於q的取值不受限制，所以初始縱模數很多。
縱模的頻率只有落在增益介質的增益譜寬範圍內才可以得到放大。設增益譜範圍為x1到x2，則只有滿足條件x1<2nl/q<x2的縱模才可以放大輸出。
滿足上述條件的整數q的個數就是雷射器輸出的縱模的個數，當q的取值只有一個的時候就是單縱模輸出，當滿足條件的q的取值不只一個時就形成了多縱模了。
縱模選擇的意義及原則
為了獲得好的單色性和相干性的雷射束，要求雷射以單頻振盪，在一般情況下，多橫模雷射器是一個多頻雷射器，而多縱模雷射器的頻率間隔則更大。雷射器的振盪縱橫數目，由腔長、工作物質的增益線寬和激勵水平等因素所決定。因為只有處於增益線寬內的那些縱模頻率才有可能真正起振，形成多縱模振盪。某些實際套用， 如光通訊、雷射全息、精密計量等要求雷射具有高單色性、高相干性，必須單頻工作，而縱模選擇又是單頻工作的必要條件。
設由增益線寬和激勵水平（閾值）所決定的雷射振盪的大致頻率範圍為Δv，腔所允許的相鄰兩振盪縱模的頻率間隔為δv，則實際起振的縱模數目為Δv/δv。由此可見，減少振盪縱模數（即選縱模）可通過兩條途徑來實現：一是設法壓縮雷射器的增益頻寬Δv；二是設法增大相鄰兩振盪縱模之間的頻率間隔δv。
縱模選擇的方法
縱模選擇的方法主要有：
但是這種方法不僅複雜，而且由於反射光柵非常低的效率導致雷射器的效率也顯著減少，通常低於94%。
2、短腔法。對於短腔雷射器其腔體本身就是一個可以做為色散元素的法布利－玻羅標準具（FP腔），這樣的話在有效的頻率範圍內增大了縱模間隔。能級之間的強耦合參與到CO2分子輻射中使得最強的譜線才能起振成為可能。但是雷射譜線競爭不僅取決於分子的發射強度，還取決於和腔模重疊的部分。如果在一條強發射譜線的中心附近沒有腔模，它就不會振盪。由於CO2的譜線頻率由CO2分子的結構決定，因此一旦選定一個分子體系，這就是個定值。而腔模的頻率是由腔長決定，即δv =c/2L。有此可見，短腔可以增大縱模間隔，從而也使得較弱的譜線有機會與腔模重疊而較強的譜線卻不會的情況成為可能。
