《涨知识啦28》-激光器的横模和纵模

《涨知识啦28》-激光器的横模和纵模

本周《涨知识啦》主要给大家介绍的是激光器的横模(lateral mode)和纵模(longitudinal mode)的区别。做为激光器的两个关键参数，从表象看会让人错误的理解为仅仅是模式在方向上的不同。特别是对于边发射和面发射两种不同激光器，更容易混淆。

首先，激光器的纵模指的是在激光器谐振腔内形成的稳定驻波。对于一个固定的谐振腔，由于满足谐振腔来回振荡相位匹配条件的波长有很多，只要满足这个条件就可以形成稳定的驻波，所以在同一个谐振腔内会存在很多驻波形式，而一个驻波形式就对应一个纵模。纵模可以和波长或者频率联系起来，可以简单的理解为一个波长对应了一个激光器纵模模式。如下图所示，在波长范围1300nm-1320nm之间存在着十几个激射峰，这些激射峰对应的就是纵模。一般情况下，谐振腔的腔长影响激光器的纵模数量，一般来说对于普通的垂直腔面发射激光器（VCSEL），由于它的腔长很短，一般都是单纵模输出。

图一 激光器的激射光谱

激光器的横模指的在垂直于激光传播方向上的横截面上的场型分布(包括电场和磁场），可以简单理解为场在这个横截面上的形状，这往往可以通过近远场体现。对于基模，它在横截面上的形状就是一个光斑，那么高阶模在横截面上就是多个光斑。所以，横模的数量也会影响激光器的光束质量。图二为VCSEL激光器中不同横模对应的远场图，高阶模相比基模具有更大的发散角。

图二 VCSEL中的不同横模对应的远场图

所以，横模和纵模是两个不同的概念，纵模决定的是频谱特性，而横模决定的是光场的空间特性即近远场特性。

参考文献： W. T. Rhodes, VCSELs –Fundamentals, Technology and Application of Vertical-Cavity Surface-EmittingLasers, 2012.