Laser-Quer-/Längsmodus

Lasermoden sind die Eigenmoden eines Laserresonators: Nur bestimmte Verteilungen des elektromagnetischen Felds können in jedem einzelnen Resonator "resonieren". Aufgrund der 3D-Natur unseres Raums wird jeder Modus durch 3 Zahlen oder Indizes beschrieben,$m$,$n$,$q$. Letztere ist die Longitudinalmodenzahl und leicht zu verstehen: Um eine stehende Welle zu bilden, sollte die optische Länge des Resonators eine ganze Zahl von Halbwellenlängen enthalten. Andernfalls gibt es keine konstruktive Interferenz, nachdem die Welle den gesamten Resonator durchlaufen hat, und das Feld kann nicht verstärkt werden.

Die Transversalmoden , mit Indizes$m$Und$n$(somit$\text{TEM}_{mn}$) sind irgendwie äquivalent dazu, aber in die anderen beiden Richtungen. Der fundamentale Gaußsche Strahl ($\text{TEM}_{00}$) ist der Transversalmodus nullter Ordnung, aber es können auch höhere Moden existieren, wenn eine ausreichende Verstärkung weiter entfernt von der Achse des Laserresonators verfügbar ist.

In rotationssymmetrischen Resonatoren bilden sich die Laguerre-Gaußschen Transversalmoden aus. Ein einfaches zylindrisches Rohr mit HeNe-Gemisch und zwei an den Enden aufgeklebten sphärischen Spiegeln bildet solche Moden.

In der Praxis haben die meisten Laser keine Rotationssymmetrie und einige$x$Und$y$Richtung definiert werden kann (z. B. aufgrund des Vorhandenseins von Brewster-Fenstern oder weil der Laserkristall einen rechteckigen Querschnitt hat). In diesem Fall werden die Hermitte-Gaußschen Transversalmoden gebildet. Dies sind die Modi, die in Ihrer Abbildung gezeigt werden.

Ein echter Strahl ist in der Regel eine Mischung aus mehreren Moden. Die Grundmode wird fast immer erzeugt, weil sie nahe der Achse des Resonators (weit entfernt von den Laserwänden) einfach eine hohe Verstärkung und niedrige Verluste erfordert, was fast immer der Fall ist. Üblicherweise werden auch höhere Moden erzeugt, es sei denn, sie werden sorgfältig herausgefiltert (z. B. durch Einbringen von Verlusten weiter entfernt von der Resonatorachse). In besonderen Fällen oder wenn der Resonator schlecht ausgerichtet ist, können Sie die Grundmode unterdrücken und eine oder mehrere höhere Moden erhalten.

Zur Unterdrückung von Longitudinalmoden können Frequenzfilter wie Fabry-Perot- Etalon verwendet werden. Die Anzahl der von einem Laser erzeugten Longitudinalmoden hängt davon ab, wie viele Longitudinalmoden des Resonators des Lasers in den Verstärkungsbereich seines aktiven Mediums passen.

Der Begriff TEM bedeutet transversal elektromagnetisch und wird verwendet, um zu betonen, dass es sich um Freiraummoden handelt. Im freien Raum stehen sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Komponenten des elektromagnetischen Raums senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Im Gegensatz dazu können zB in optischen Fasern andere elektromagnetische Moden existieren, wie transversale elektrische (TE), transversale magnetische (TM) und sogar hybride (HE/EH, weder elektrische noch magnetische Komponente steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) Moden .

Mit dieser kurzen Einführung, um Ihre Fragen zu beantworten :

1. Ja, Ihre Bilder sind das idealisierte Bild eines Flecks, den Sie sehen würden, wenn Ihr Strahl aus einem einzigen TEM-Modus bestehen würde.

2. Der Index ist die Anzahl der Nullen des EM-Felds, während Sie fortfahren$x$oder$y$. Daher ist der TEM00-Modus ein einzelner Stoß (keine Nullen), TEM01 ist ein einzelner Stoß entlang$x$und zwei Unebenheiten (mit einer Null dazwischen) entlang$y$, usw.

Beachten Sie, dass sich die Transversalmoden zwar als räumliche Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahls manifestieren, die Longitudinalmoden jedoch die Frequenzzusammensetzung des Strahls definieren. Also während die$m$Und$n$Indizes machen außerhalb des Resonators Sinn, die$q$Index ist bedeutungslos (wen interessiert es, wie lange der spezifische Resonator war?). Alle Frequenzen liegen normalerweise nahe genug beieinander, um mit dem Auge nicht zu unterscheiden. Modenschwebung ist ein interessanter und nützlicher Effekt, bei dem diese mehreren Frequenzen sichtbar werden.