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单模激光器和多模激光器原理及特点的对比分析

单模激光器和多模激光器本质区别就是单模激光器输出的光束中有且仅有

一种模式，而多模激光器输出的光束模式可以有多种。其中，我们可以用光束

质量M2因子的大小来判断激光器输出是单模还是多模。根据M2因子的不同，

我们将M2因子小于1.3的激光称为纯单模激光，其LP01模的能量占比接近

100%；M2因子在1.3~2.0之间的激光称为准单模激光，其LP模的能量占比超

01

过90%并出现少量的LP模和LP模；M2因子大于2.0的激光称为多模激

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光。对于M2因子的大小，可用光在光纤中的传播的波导来求知，接下来我们

将从理论上求解M2因子。

光本质上是一种电磁波，可以用麦克斯韦方程组来描述。根据麦克斯韦方

程组，可推导出光在光纤中传播的波动方程为：

222

∇ᵃ+ᵱᵰᵰᵅᵃ=0

0000

ᵅ

222

∇ᵃ+ᵱᵰᵰᵅᵃ=0

0000

ᵅ

其中E为导波光电场E分布的振幅，

0

()

E=ᵃᵆ,ᵆexp⁡[ᵅ(ᵱᵆ−ᵯᵆ)]

0

其中H为导波光磁场H分布的振幅，

0

()

H=ᵃᵆ,ᵆexp⁡[ᵅ(ᵱᵆ−ᵯᵆ)]

0

而传播常数

2ᵰ

β=ᵅᵅcosᵰ=ᵅcosᵰ

0ᵅᵅ

ᵰ

0

θ为光在光纤中内反射传播的传播角。对于光纤纤芯和包层两种折射率不同的

介质，在不连续界面上的边界条件为

()

ᵃ−ᵃ×n=0

12

()

ᵃ−ᵃ×n=0

12

其中n为界面的单位法向矢量，边界条件的物理意义表示，在界面的两侧矢量

E和H的切向分量必须相等。

图1圆柱光纤的坐标系

对于圆柱对称的光纤（如图1），令纤芯的折射率为n，包层折射率为n，

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