穩(wěn)定腔的激光器所發(fā)出的激光，將以高斯光束的形式在空間傳輸。共焦腔中產(chǎn)生的光束具有特殊的結(jié)構(gòu)。它既不同于點(diǎn)光源所發(fā)射的球面波，又不同于普通平行光束的平面波，而是一種特殊的高斯光束（亦 稱(chēng)高斯球面波）。下面重點(diǎn)介紹共焦腔中高斯光束的特性與參數(shù)。
一、期模高斯光束
　　由波動(dòng)光學(xué)理論可以證明沿某一方向（設(shè)為Z軸）傳播的高斯光束的電矢量表示式為：
　　E00(xyz)=(A0/W(z))e-(r2/w2(z)e-i[k(z +r2/2R(z)-ф(z)]（18－9） 式中A0為常數(shù)因子。
　　A0/W(z)是z軸上(x=0,y=0)各點(diǎn)的電矢量振幅。W(z)稱(chēng)為Z點(diǎn)的光斑尺寸，它是z的函數(shù)：  
　　W(z)=W0[1+(zλ/πW02)2]1/2　�。�18－10） 
　　W0是Z＝0處的W(z)值，它是高斯光束的一個(gè)特征參數(shù)，稱(chēng)最小光斑尺寸，也稱(chēng)為光束的“腰 粗”。R(z)是在z處波陣面的曲率半徑，是z的函數(shù)：
　　R(z)=z[1+(πW0?2/λz)2]　　　　（18－11） 
　　ф(z)是與z有關(guān)的位相因子：  
　　ф(z)=tg-1λz/πW02　　　�。�18－12）
二、高斯光束的特點(diǎn)
　　1．Z＝0處的情況。將Z＝0代入式（18－11） 則有LimR(z)=∞ 所以有 r2/2R(z)=0 又由（18－12）式 ф＝0 
　　所以有E(x,y,0)=(A0/W0)e(r2/w2（18－13） 
　　（18－13）式說(shuō)明，光波電矢量的振幅分布是高斯函數(shù)，通常就稱(chēng)振幅的這種分布為高斯分布。當(dāng)r=0（即光斑中心）處振幅A有最大值 即A（000）=A0/W0 當(dāng)r=W0時(shí)有 
　　A(r,0)=1/eA0/W0=1/eA(0,0,0) 
　　即電矢量振幅下降到極大值1/e；而當(dāng)r繼續(xù)增大時(shí)，E值繼續(xù)下降而趨向于零。可見(jiàn)光斑中心最亮，向外逐漸減弱。所以通常以電矢量振幅下降到中心值1/e（或光強(qiáng)為中心值的1/e2）處的光斑半徑W0作為光斑大小的量度，稱(chēng)“腰粗”。
　　從上述分析可知，高斯光束在光腰處波陣面是一平面。這一點(diǎn)與平面波相同，但光強(qiáng)分布是一種特殊的高斯分布。這一點(diǎn)又不同于通常討論的均勻平面波。也正由于這一點(diǎn)差別，決定了它沿Z方向傳播時(shí)不再保持平面波特性，而是以高斯球面波的特殊形式傳播。
　　2．Z＞0處情況。（18－9）式高斯光束電矢量表示式表明其等相面為球面。其球面的曲率半徑，從（18－11）式，有 
　　R(z)=z[1+(πW02/λz)2]＞z
　　即波陣面的曲率半徑大于z，且R(z)隨z而異，也就是作為波陣面的球面的曲率中心不在原點(diǎn)。
　　其電矢量的振幅分布為： 
　　A(x,y,z)=A0/W(z)e-r2/w2(z)　�。�18－14）
　�。�18－14）式仍為高斯分布，即中心最強(qiáng)，同時(shí)按高斯函數(shù)形式向外逐漸減弱。但此時(shí)光斑尺寸為： 
　　W(z)=W0[1+(zλ/πW02)2]1/2＞W(wǎng)0
　　3．光束發(fā)散角。從式（18－11）可見(jiàn)，高斯光束的光斑尺寸W(z)，隨Z增大而加大，表示光束逐漸發(fā)散，通常以發(fā)散角2θ來(lái)描述光束的發(fā)散度。其表示為： 
　　2θ=2dW(z)/dz=2λ2z/πW0[π2W04+λ2z2]-1/2　�。�18－15）
　　當(dāng)Z＝0時(shí)（束腰處） 2θ＝0br>　　當(dāng)Z=πW02/λ時(shí)，2θ＝21/2λ/πW0 
　　當(dāng)Z→∞時(shí)，2θ＝2λ／πW0　　　　（18－16） 
　　稱(chēng)其為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。通常把Z值從零到Z=πW02/λ這段距離稱(chēng)為高斯光束的準(zhǔn)直距離。在此區(qū)間內(nèi)光束發(fā)散度很小。
三、共焦腔中的高斯高光束
　　高斯光束當(dāng)Z1=πW02/λ時(shí)，波陣面的曲率半徑可由式（18－1）算得： 
　　R(z1)=z1[1+(πW02/λz1)]=2z1　　　�。�18－17）
　　如我們?cè)赯=±Z1處各放一凹球鏡組成諧振腔，其曲率半徑RA和RB為： 
　　RA＝RB＝R（z1）=2Z1
　　這兩鏡構(gòu)成腔長(zhǎng)L＝2Z1＝RA＝RB的共焦腔。因腰粗W0的高斯光束在Z1處波陣面的曲率半徑與鏡面的曲率半徑RB（或RA）相等，即波陣面與鏡面相重，所以腰為W0的高斯光束，在腔長(zhǎng)L為： 
　　L=2Z1=2πW02/λ（18－18）
　　的共焦腔中來(lái)回反射能保持其特性不變，說(shuō)明該共焦腔中可以產(chǎn)生腰粗WπW0的高斯光束。從（18－18）式算得腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的共焦腔對(duì)應(yīng)的高斯光束的參數(shù)為： 
　　腰粗： W0=(λL/2π)1/2　�。�18－19） 
　　鏡面上的光斑尺寸：WA=WB(λL/π)1/2　�。�18－20） 
　　發(fā)散角（遠(yuǎn)場(chǎng)）：2θ=2(2λ/π)1/2　�。�18－21） 
　　可見(jiàn)共焦腔中高斯光束特性完全由腔長(zhǎng)決定。 
　　例：若有腔長(zhǎng)L＝150cm的氬離子激光器，采用共焦腔結(jié)構(gòu)，則在基模工作時(shí)，對(duì)λ=514.5nm的激光光束將有下述參數(shù)： 
　　腰粗：W0=(λL/2π)1/2=0.35mm 
　　發(fā)散角：2θ=2(2λ/π)1/2=0/9×10-3rad 
　　鏡面上的光斑尺寸：WA=(λL/π)1/2=0.49mm