定义
自由空间或透明介质中的光束，涉及多种（通常是许多）模式，通常具有高度随机的特性。
多模光束是自由空间或透明光学材料中的光束，涉及多种空间模式。 在涉及光纤等波导结构的情况下会遇到概念上最简单的情况，其中有一组明确定义的波导模式，并且总光功率分布在一些（通常是大量）此类模式上。 在自由空间光束的情况下，可以选择一组自由空间传播模式，例如，对于基本高斯模的给定光束半径的TEM模式，但这种选择是任意的。 然后，所涉及的模式的数量取决于该选择。
通常，多模光束具有高度随机的特性，因为涉及大量模态，其中功率分布和特定模态的光学相位并不详细，而只是统计描述。
原则上，具有单一空间模式但具有多个频率分量的激光束也可以称为多模，但通常是指涉及多个空间模式的光束。
单色多模光束
最简单的情况是（准）单色多模光束，即仅涉及单个光学频率的光束。 例如，通过将光从单频激光器发射到多模光纤中，输入光束轮廓与一种特定的光纤模式不匹配，可能会出现这种光束。 通过使用光学扩散器，或者通过对一段光纤进行强力弯曲，可以在光纤模式上获得更广泛的光功率分布。
例如，图1显示了光纤中多模辐射的模拟强度分布，该辐射在很大程度上仅限于光纤芯区域。
图1：纤芯直径为 50 μm 的多模光纤中单色多模辐射的强度分布。
对于单色多模光束，强度分布呈现出如图1所示的颗粒状图案。 这是由许多模场的干扰引起的，其中大多数模场表现出振荡幅度模式。 涉及的高阶模态越多，表现出更强的光束发散，颗粒结构就越细。
强度分布的细节（例如强度最大值的位置）在沿光纤传播的过程中（通常已经在几微米内）发生变化，因为模式的相对光学相位因其不同的传播常数而发生变化。
当产生多模自由空间光束时，将获得类似的结果，例如，通过首先通过光学扩散器发送单频激光束，然后通过限制光束发散的孔径。 同样，人们将获得在传播过程中变化的颗粒强度模式。
对于单色多模光束传播的数值模拟，通常使用某种光束传播方法。
多色多模光束
在考虑多色多模光束时，大量的新方面开始发挥作用。 通常，这种光束的不同频率分量将表现出不同的振幅和强度模式 - 通常具有相似的颗粒结构，但最大值和最小值发生在不同的位置。 因此，总强度曲线通常非常平滑。
重要的细节在很大程度上取决于这种光束的产生方式。 一些例子：
- 热辐射源，例如基于白炽灯的火炬，产生具有宽而平滑光谱的光束。 在这里，由于对大量不同频率分量的强度模式进行平均，通常具有非常平滑的整体强度曲线。 不同强度分量的贡献在统计学上非常相似，即空间剖面和光学频率之间没有显着相关性。 即使在强烈限制光带宽时，例如使用带通滤光片，通常仍然可以获得平滑的整体强度分布。
- 激光束经常会遇到截然不同的情况，激光束是由涉及多种空间谐振器模式的激光器产生的。 例如，灯泵浦固态激光器通常产生具有大量空间模式的光。 然而，与热辐射的情况相反，空间模式和光学频率之间存在很强的相关性，因为每个谐振器模式都有明确定义的强度模式和相对明确的光学频率。 因此，通过带通滤光片发送这种辐射，通常可以检索对应于特定谐振器模式的强度模式，或者至少是少数模式的叠加（由于模式简并）。
- 对于多模半导体激光管（例如二极管条），获得的结果与第二种示例情况类似，只是在这种情况下具有波导模式，而不是自由空间谐振器模式。
多色多模光束传播的数值模拟可能再次基于数值波束传播。 在这里，选择一组具有代表性的频率分量，对每个频率分量执行单色传播，并将结果组合在一起（例如，通过相加强度曲线）。 光线追踪等替代数值方法基于光场的统计分布，涉及一组有限的参数。 这些方法的计算效率要高得多，特别是在涉及大量频率分量和/或长传播距离的情况下。
自由空间强度分布的演变
例如，与在传播过程中保持其高斯形状（仅改变光束半径）的高斯光束相反，多模光束的横向强度分布的形状通常会在传播过程中发生变化。 例如，在施加快速轴准直器后短距离处的二极管条的光束轮廓在“长”方向上具有近似的超高斯强度分布。 然而，在更长的传播距离之后，轮廓将更接近高斯，反映角强度分布。 当用透镜聚焦光束时，可以再次获得超高斯轮廓 - 但仅限于光束焦点周围。
多模光束的局限性
光束质量
多模光束通常具有相对较差的光束质量（远非衍射限制），即空间相干性低 - 特别是当涉及大量模态时。 通常，光束质量通过光束参数乘积或M2因素. 它可以使用某些光束轮廓仪进行测量。
平滑的强度曲线
如上所述，多模光束只有在多色时才具有平滑的强度分布。 因此，当需要具有平滑强度分布的单色辐射时，需要单模光束。 例如，经常使用高斯光束。
通过光学元件放大和传输
多模光束不能通过单模光纤传输。 大多数光纤放大器只能放大单模或少模光。 也可以通过使用大型多模光纤芯来制造用于高度多模辐射的光纤放大器，但这会导致增益效率和与模式相关的增益大大降低。
为了有效地将多模光束发射到多模光纤中，光纤输入面的光束轮廓需要限制在光纤芯上，同时光束发散度不得超过光纤数值孔径设定的限制。
即使是各种体光学设备也或多或少仅限于使用单模光束。 例如，声光调制器原则上可以与多模光束一起工作，但它可能需要大量的光束聚焦，同时需要限制光束发散；因此，只有使用单模光束才能获得最佳性能。
