光学谐振腔的选频

    在光学谐振腔内某些频率的光形成稳定的驻波，因为这些稳定驻波的频率与腔的纵向长度有关，故这样的每一个振动模式称为一个“纵模”（longitudinal mode）。

　　此外，输出激光的光强沿腔的横向也有不同振动模式的各种可能的稳定分布，这样的某一横向的光强分布模式称为一个“横模”（transverse mode）。

　　如果要提高输出激光的相干性，就需要限制纵模频率和横模的模式。

1、利用阈值条件选择纵模频率

　　　　　　　阈值条件为　 　　　

　　若氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328mm，1.15mm，3.39mmn 的受激辐射光中，只让波长 0.6328mm 的光输出，可以利用阈值条件把其他波长的光抑制掉。

　　我们控制 R₁、 R₂ 的大小：
　　　　　　　　　　　　　　　使之对 0.6328mm —— R₁、 R₂ 大
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—— G_m 小( 满足阈值条件 ) ；
　　　　　　　　　　　　　　　对 1.15mm 、3.39mm —— R₁、 R₂ 小
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—— G_m 大( 不满足阈值条件 )。
这样就可以只输出波长为 0.6328mm 的激光了。

2、利用纵模间隔选择纵模频率

　　设氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328mm 受激辐射光的谱线宽度为 Dn，如图 2.14 所示

由于光学谐振腔两端反射镜处必是波节，所以

　　　　　光程　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　l_k —— 真空中的波长，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　n —— 谐振腔中媒质的折射率。

可以存在的纵模频率为 　　　　　　　　　　　　

相邻两个纵模频率的间隔为　　

数量级估计：　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　

而氦氖激光器 0.6328mm 谱线的宽度为 　　

因此，在 Dn 区间中，可以存在的纵模个数为

　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　要想减少输出纵膜的个数，甚至实现单纵膜输出，可采取一些措施。

　　例如，短腔法选纵膜。利用缩短腔长 L 来加大纵模频率间隔 的方法，可以使 区间中只存在一个纵模频率。

　　比如对 He — Ne 激光器的 0.6328mm 谱线要实现单纵膜输出，可缩短腔长 L 到 10cm，

　　　　　　　　即 　　　　　　　　
　　　　　　　　则 　　　　　　　　

　　在 区间中，可能存在的纵模个数为 N = 1。如图 2.17 的中、下图所示。

    于是就获得了宽度非常窄的激光输出，极大地提高了 0.6328mm 谱线的单色性。

    3、横模的选择

　　激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。某些激光横模的光强分布如图 2.18 所示：

　　除有特殊需要外，一般都选择基横模输出，因为基横模有以下特点：亮度高 、发散角小 、在激光光束的横截面上径向光强分布较均匀 、横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。

　　调节谐振腔可抑制高阶横模，在谐振腔中插入半径略大于基横模半径的光阑，就可得到基横模的输出。