光学谐振腔是激光器中的关键组成部分，它负责增强特定频率的光波，从而达到激光输出的要求。谐振腔中的谐振频率和激光纵模是描述激光器工作特性的基本参数。本节内容将详细介绍光学谐振腔的谐振频率和激光纵模的概念，以及它们之间的关系。
光学谐振腔的谐振频率是指能够满足谐振条件的特定频率的光波。这些光波在谐振腔内往返一周后，其相位变化必须是2π的整数倍，这样的相长干涉才能使光波得到加强。谐振条件可以用公式表达为光波在腔内往返一周的总相移等于2π的整数倍，即2πq（q为整数）。而驻波条件则要求光学腔长为光波长的整数倍。在实际的激光器中，通常只有满足这些条件的频率分量被增强，其他频率的分量则被削弱。通过改变谐振腔的长度，可以选择不同的纵模频率输出，这个过程称为选频。
激光的纵模是由整数q表征的，每个q值对应腔内一个纵向稳定场分布。纵模序数即为这个整数q。在谐振腔内，只有特定的频率（纵模频率）才能产生稳定的振荡，这些频率被称为基纵模频率的整数倍。谐振腔内q阶纵模的频率是基纵模频率的整数倍，用数学表达式可以写作νq = qν1，其中ν1是基纵模的频率。
纵模频率间隔是相邻两个纵模之间的频率差，这个间隔由谐振腔的光学腔长和光速决定。在实际激光器中，纵模频率往往等距排列，形成所谓的“频率梳”。纵模间隔的大小直接影响激光器输出的纵模个数。纵模间隔越小，可以产生的纵模个数就越多。
激光器中出现的纵模数，除了与谐振腔的长度有关外，还受到工作物质荧光线宽的影响。荧光线宽越大，能起振的纵模数目就越多。荧光线宽与纵模间隔的相对大小决定了激光器是多纵模输出还是单纵模输出。例如，He—Ne激光器由于其极窄的荧光线宽，能够实现高稳定性的单纵模输出。
在确定可起振的纵模数目q时，还需考虑谐振腔的增益系数。只有当增益系数大于阈值时，才能形成激光振荡。谐振腔内的光场分布还受到工作物质的饱和效应影响，均匀增宽和非均匀增宽的工作物质对模式竞争有不同影响。在均匀增宽的介质中，频率梳的形成和谱线均匀展宽，最终可能导致单纵模运转；而在非均匀增宽介质中，满足阈值条件的纵模会在增益曲线上形成“烧孔”，导致频率振荡。
形成激光振荡的条件包括：满足谐振条件、满足阈值条件，以及落在工作物质原子荧光线宽范围内的频率成分。通过控制这些条件，激光器才能稳定地输出单一或多个频率的激光。
整体而言，光学谐振腔和激光纵模是理解和设计激光器不可或缺的理论基础，它们决定了激光器的输出特性和应用范围。通过对谐振频率和纵模的精确控制，可以实现不同特性的激光输出，满足科学研究、工业生产和医疗等领域的需求。
