激光腔模式（Laser Cavity Modes）的特性是什么？

激光腔模式是激光腔中特定的驻波模式集合。特定的谐振模式，通常被称为腔体模式，由激光腔体支持，并以其特定的特性加以区分。这些特性影响着激光的行为，对于理解和控制激光的输出至关重要。激光腔模式的特性是激光腔模式的波长、激光强度的空间分布、模式的频率以及激光腔内的模式竞争。

波长：波长是激光腔模式最重要的特征之一。它由腔体的大小和腔体中使用的材料类型决定。腔体的设计方式是使腔体的长度是半波长的整数倍，这样可以确保光被限制在腔体内，强度可以提高。

空间依赖性：模式的形状受模式的电场和磁场的空间分布的影响。不同的模式有不同的模式形状，这影响到激光器的输出强度和光束质量。尽管所有工作模式使用的增益介质基本相同，但它们可以进入激光腔内的不同空间区域。在一个典型的双镜腔中，每个模式都有其相关的模式编号（n，l，m），是一个明显的驻波模式，在镜面的电场值为零。

每个横向模式必须与特定的纵向模式编号n和独特的横向模式编号l和m相关联。因此，每个模式的独特驻波模式是一个独特的激光强度空间分布，与任何其他模式的分布略有不同。

频率依赖性：腔体中连续模式之间的频率差被称为模式间距。腔体的几何形状和材料的特性影响着模态间距，而模态间距往往相当小。这表明在一个受限的频率范围内有许多模式，并且可以通过改变腔体长度或材料的折射率来选择一个特定的模式进行激光操作。

每个模式的频率也略有不同。例如，两个具有相同 "n "数的横向模式，由于l和m的模式数，可以有不同的频率。然而，两个纵向模式通常比横向模式有更大的频率差异。

模态竞争：模式竞争是指在一个激光系统中，多个光模式竞争相同的能量水平的现象。尽管激光腔能够支持多种模式，但激光输出将只使用一种模式。这是用模式选择技术来完成的，该技术可以识别具有最大增益的模式，如损耗或反馈。激光器结构和操作的一个关键组成部分是模式选择机制，它影响着激光器的输出功率、波长和稳定性。

对于同质拓宽，所有与不同模式相关的波都在竞争激光腔内的同一个上层激光水平，并试图达到饱和。位于增益曲线中心的模式将首先达到饱和状态。由于上层激光水平受到饱和的影响，整个增益曲线的振幅开始下降。这使得一个以上的模式难以发光。较弱的模式取决于增益的空间区域，该区域与强模式的空间区域不同。由于横向模式有不同的空间区域，所以通常会有一个以上的横向模式，但只有一个纵向模式会发光。

对于不均匀增宽，如果不同的纵向模式的自然带宽不重叠，它们就会独立运行，因为它们不争夺同一个上层激光水平。即使不同的纵向模式在频率上有足够的间隔，具有相同纵向模式数n且频率相近的横向模式也会争夺同一个激光上层。由于它们的空间区域截然不同，通常会使一个纵向模式饱和，而使与该模式相关的横向模式获得收益。

模式偏振：腔内电场矢量的方向被称为模式偏振。极化可分为两类：线性和圆形。激光的输出强度和光束质量受到偏振类型的影响。例如，圆形极化产生的光束具有更明显的螺旋形状，而线性极化产生的光束则更加均匀。

质量系数：腔体模式的质量系数被定义为腔体中储存的能量与每个周期损失的能量之比，受腔体中的损失影响，如吸收和反射。它衡量禁锢性，并决定腔内模式的能量储存时间。腔内可储存的能量越多，质量系数就越大，激光器的效果也就越好。

模式对激光器增益的影响

图：模式的影响

达到饱和强度的激光模式对增益曲线有很大影响。当一束由n个光子组成的激光来回反弹时，与光束形成前的种群相比，上层激光的种群可能会减少。每个受刺激的光子都会导致上层激光水平的人口减少。因此，增益可以被降低。对增益曲线有重大影响的模式竞争的两种效应是光谱和空间空洞燃烧。