激光作为一种特殊的电磁波,其光束输出遵循经典电磁场理论中的麦克斯韦方程。在自由空间中,电磁波可呈现多种传播形态,但当被限制在激光谐振腔这一特定边界条件内时,只能形成一系列具有特定波矢的单色平面驻波,这些稳定存在的驻波被称为“光电磁波的模式”,每种模式对应一种独特的光子状态,拥有特定的能量、动量和模体积。
从传播维度划分,激光模式分为纵模和横模。纵模描述的是激光在谐振腔纵向的稳定光场分布,而横模则对应横向的光场分布,横模直接决定了激光光束的质量。行业内常用 TEMmn 标识横模,其中 m 和 n 分别代表两个正交方向上光束模图的零点数(暗区数量):m 对应径向零点数,n 对应圆周方向零点数的一半。例如,TEM00 为基模,TEM01、TEM10 等为低阶模,TEM03、TEM33 等则属于高阶模。

激光光束的空间形状由谐振腔的结构决定,在圆形对称腔中,横向电磁场分布更为简洁。不同横模的输出特性差异显著:基模(TEM00)的衍射损耗接近衍射极限,因此发散角小、光束质量最优,但输出功率相对较低;高阶模虽然输出功率更大,但发散现象更为明显。为了获得特定模式的激光,行业常用选模技术,通过增加腔长、缩小放电管直径或在腔内增设小孔光阑等方式,增加腔内衍射损耗,从而筛选出目标模系。